生物纳米孔分析技术研究进展

生物纳米孔传感技术因其快速、低成本、无需荧光标记等优点,在化学和生物等诸多研究领域得到广泛应用,已发展成为一种新颖的、独具特色的单分子分析手段。该技术目前主要应用于DNA测序研究,同时在单分子分析领域也取得了令人瞩目的成就。该文简要介绍了生物纳米孔分析技术的原理和生物孔的种类,主要总结了近20年来生物纳米孔在DNA测序和单分子分析中的研究进展并予以了展望。     

纳米孔生物分子检测研究

纳米孔单分子检测技术是一种集操作简单、灵敏度高、检测速度快、无需标记等优点的传感检测技术,广泛应用于蛋白质检测、基因测序和标志物检测等领域。基因测序的费用、灵敏度和精度是该检测技术的发展中亟待解决的主要问题,而开发新型的纳米孔材料则是解决这些问题的关键手段。本文从纳米孔材料的选择和设计角度出发,综述了三种不同的纳米孔,即蛋白质等生物纳米孔、固态纳米孔和新型二维材料纳米孔在生物分子检测方面的应用现状,并比较了生物纳米孔与固态纳米孔的差别。本文也重点阐述了二维材料纳米孔在生物分子检测中的实验和模拟研究进展。最后,对纳米孔检测技术的发展前景进行了展望。     

纳米多孔金在分析化学中的应用进展

纳米多孔金作为一种新型纳米金属材料,近年来逐渐受到了研究者的广泛关注,其具有比表面积高、导电性好和结构灵活可控等特点。由于其特殊的结构与性质,纳米多孔金在催化、传感、分离、能源等许多领域已得到广泛地应用。本文综述了近五年来纳米多孔金在分析化学中的应用和最新进展。     

纳米通道单分子检测低噪音电流放大器系统的研究

研制了一种新型微电流放大器系统,用于检测琢-Hemolysin生物蛋白纳米通道在单分子检测实验中所产生的微弱电流信号(<100 pA)。在1 mol/L KCl、10 mmol/L Tris-HCl,1 mmol/L EDTA的缓冲液(pH 8.0)中测定了DNA-PEG-DNA交联物与纳米通道的穿越和碰撞信号。实验中使用3 kHz贝塞尔滤波器和100 kHz模数转换器来对电流进行采样。结果表明,此放大器系统能够有效降低电流记录过程中的噪音,有利于分辨待测物分子与纳米通道作用所产生的较小阻断的电流信号(<10 pA)。     

基于聚苯胺纳米孔的DNA分析

固态纳米孔作为传感元件已被广泛应用于蛋白和核酸分析。然而,极低的捕获效率及较快的穿孔速率限制了固体纳米孔传感器的灵敏度和分辨率。本研究制备了一种聚苯胺导电聚合物修饰的固态纳米孔,探究了ssDNA和dsDNA在其中的穿孔行为。研究表明,聚苯胺涂层与DNA间的静电相互作用能显著地将ssDNA的穿孔速率降低至48.2μs/base;同时,通过采用LiCl作为电解质溶液,此聚苯胺纳米孔对ssDNA的捕获效率明显增加。进一步研究发现,基于阻塞电流幅度和穿孔时间的不同,聚苯胺纳米孔能够实现ssDNA与dsDNA的区分。研究结果表明,固态纳米孔的功能修饰能够有效调控DNA分子穿孔行为。制备的聚苯胺纳米孔有望作为一个单分子纳米器件应用于生物分子的分析和检测。     

单分子毛细管电泳

对室温下液流中的单分子光学检测技术的基本原理、主要方法以及它在生物学中的应用做了综述。重点强调了毛细管电泳与单分子检测相结合-单分子毛细管电泳在分析科学中战略上的重要性，并展望了单分子光学检测技术为特征的单分子毛细管电泳在分析化学中的应用前景。     

金纳米通道的研究及其在分析化学中的应用

微纳尺度的研究是微纳米技术的重要组成部分。本文重点对金纳米通道的制备及其在分离分析、传感器等方面的研究和应用作了评述。展望了金纳米通道的应用前景。     

纳米孔道单分子电化学测量仪器的稳定性研究

纳米孔道分析技术是一种基于电化学空间限域效应的单分子检测技术。测量纳米孔道产生的单分子皮安级微弱电流信号对电化学测量仪器的电流分辨、时间分辨和抗噪音能力提出了挑战。Cube纳米孔道电化学测量仪器通过设计频率补偿电路、前置电流放大器测量系统和基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的高速数字处理电路,实现了便携式超灵敏电化学测量仪器对微弱电流信号的高时间分辨、高电流分辨,以及低噪音的放大、采集和快速处理。稳定性是仪器能够应用于实际单分子测量分析的重要衡量指标之一。该文通过高阻值电阻对该仪器进行稳定性测试,在截止滤波频率为5、10、100 kHz条件下,Cube纳米孔道仪器获取的电流基线的噪音均方根(RMS)值分别比商品化仪器减小了80.0%、87.5%、48.2%,证明Cube纳米孔道仪器抑制噪音能力更强,电流分辨能力更好,仪器测量稳定性更佳。进一步通过统计比较施加电压值的实际值和标准偏差,结果显示该仪器施加电压误差小,其仪器施加电压标准偏差仅为施加电压变化量(10 mV)的0.14%。同时,通过Aerolysin纳米孔道检测Poly(dA)₄的实验,对比Cube仪器和...     

Aerolysin纳米孔核酸检测灵敏区域的协同相互作用探索研究

纳米孔单分子检测技术以其简便、快速、高通量及无需标记等特点, 应用于DNA及蛋白质测序, 更有望实现单分子动态构象变化的研究. Aerolysin(气单胞菌溶素)纳米孔道由于其特有的较长的β-桶限域区(β-barrel)及孔内壁丰富的带电荷氨基酸残基, 在单个寡聚核苷酸分子分析中展现出极高的灵敏性. 本设计利用dA₁₄-4-X, dA₁₄-11-X, dA₁₄-4-X-11-X (X=C, T, G)等单个寡聚核苷酸探针分子, 研究了Aerolysin的两个灵敏区域R1和R2, 探索了R1灵敏区域对单个碱基弱相互作用的差异, 实现区分单个碱基差异. 进一步实验证明, R1灵敏区域对单个碱基类型差异的灵敏区分不受R2灵敏区域被碱基A、C、T占位所影响. 然而, 当R2区域被碱基G占位时, 会使R1区域丧失对整个孔道电流的主导性. 本研究有助于理解Aerolysin对单个寡聚核苷酸分子的超灵敏测量机制.     

基于石墨烯纳米材料的DNA测序研究进展

设计和研发快速、准确、价廉、高通量的DNA测序方法,对于预防早期疾病和了解相关疾病机理具有非常重要的意义。新型纳米材料石墨烯由于具有独特的结构和性质,在化学和生物科学等领域发挥着重要的作用。该文介绍了DNA测序的研究现状以及应用石墨烯纳米材料的优势,重点阐述了DNA链通过石墨烯纳米孔、石墨烯纳米间隙、石墨烯纳米带时产生不同的电流信号识别碱基序列的原理,同时介绍了DNA链与石墨烯的相互作用对DNA测序的影响,并对DNA测序的研究方向进行了展望。该文为基于石墨烯纳米材料的DNA测序提供了作用原理、理论研究以及检测方法等参考。     

纳米孔洞制备与单分子检测

利用电场驱动,让分子一个个地穿过一个纳米尺寸的孔洞而产生出电流脉冲响应信号,以此可以对分子计数.但分子识别的关键是选择性,因此纳米孔洞单分子检测是越过了传统上主要以分析物浓度为目标的测定,而在单个分子的检测灵敏度上,进一步提高选择性和识别能力,以及提高分析的通量,这为现代分析科学的发展开辟出了一个新的方向.迄今为止,已...     

工程化蛋白质纳米孔实时监测镉离子与谷胱甘肽的单分子反应

本研究利用合成的全-6-季铵基-β-环糊精(Per-6-quaternary ammonium-β-cyclodextrin,p-QABCD)装备基因工程化的α-溶血素(α-Hemolysin,αHL)蛋白质纳米孔(M113R)7,构建全新的单分子纳米孔反应器,在单分子水平实现对谷胱甘肽(GSH)和镉离子(Cd2+)的络合反应的实时原位监测,并辨认络合反应的不同路径、反应中间产物和最终产物.结果表明,溶液的pH值显著影响GSH与Cd2+络合产物的络合比例.pH=7.4时,GSH与Cd2+络合反应的最终产物为Cd(GSH)2;pH=9.0时,最终产物为Cd(GSH)2和Cd2(GSH)2.其中,Cd2(GSH)2的形成遵循两种路径:(1)一个Cd2+首先结合两个GSH分子的巯基形成Cd(GSH)2,然后,第二个Cd2+结合去质子化的氨基形成Cd2(GSH)2;(2)两个Cd2+分别结合同一个GSH分子的巯基和去质子化的氨基形成Cd2(GSH)1,然后,第二个GSH分子的巯基和去质子化的氨基结合Cd2(GSH)1的Cd2+形成Cd2(GSH)2.本研究实现了在单分子水平无标记和无化学修饰研究金属离子和生物小分子的反应,对理解细胞内重金属的解毒机理和拓展纳米孔单分子技术的研究领域具有重要意义.     

纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用

DNA和RNA上广泛存在着多种化学修饰.这些核酸修饰参与基因表达的调控,影响生长发育等生理过程,并可能会引发癌症等疾病.对核酸修饰的精准识别与定位有助于理解其功能机制,帮助相关疾病的诊断与治疗.纳米孔测序是一种新兴的单分子测序技术,可以根据修饰碱基与天然碱基之间阻孔信号的差异实现核酸序列中多种修饰的同时检测,是目前检测核酸修饰最直接的方法.本文简要介绍了纳米孔测序技术的发展和原理以及识别核酸修饰的算法工具,总结了纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用,并对其发展前景进行了展望.     

石墨烯纳米孔的制备及λ-DNA穿孔初步研究

纳米孔测序是有可能实现"$1,000 Genome"目标的技术之一.近年来,研究较多的纳米孔有蛋白质纳米孔和硅基材料的固态纳米孔.蛋白孔寿命比较短,而基于硅基底的固态纳米孔深度显著超过单链DNA相邻碱基的间距,所以,无法实现DNA的单个碱基的分辨.作者用聚焦离子束先制造氮化硅基底,并在该基底上铺设石墨烯,再用聚焦电子束刻蚀石墨烯,获得直径10 nm以下的纳米孔,初步分析了DNA穿越纳米孔时产生的电信号及穿孔噪音,向单层石墨烯纳米孔测序DNA迈出了一步.     

生物大分子纳米孔分析技术研究进展

脱氧核糖核酸穿越纳米孔动力学研究以及利用纳米孔开展新型DNA测序技术研究是后人类基因组计划的热点之一。本文对生物纳米孔、固态纳米孔以及纳米孔生物大分子识别技术的研究现状进行了归纳和总结,并对该领域的发展趋势进行展望。     

固态纳米孔对蛋白质易位的实验研究

蛋白质因其多样性和功能性,是生物体内一类非常重要的分子.通常蛋白质的表征需要借助荧光或者酶的标记.而纳米孔技术,得益于免标记、单分子检测等优势,为蛋白质的表征提供了新方向.我们使用固态纳米孔完成了单个蛋白质分子及蛋白质-蛋白质结合物的检测.可以发现,外部电压和电解质溶液的酸碱度会直接影响蛋白质分子表面带电量,从而加快或延迟其在孔内的易位时间.抗原、抗体本质上都是蛋白质,两者之间具有高度特异性.通过比较抗体溶液在添加特异性抗原前后的易位事件,实现了单个蛋白质分子和蛋白质-蛋白质结合物的区分.未来,纳米孔技术有望应用于多蛋白质分子的辨识、蛋白质分子相互作用机制等方面的研究.     

DNA功能化纳米金用于生物小分子检测

纳米金是金的微小颗粒,在水溶液中以胶体金的形态存在。胶体金的颜色会随着其粒径及表面修饰差异而发生变化,这种颜色变化可通过肉眼观察;同时,这种改变会产生强烈的光散射或光吸收信号。基于这种信号而建立的纳米金比色检测法,已被广泛用于生物分子(如核酸、蛋白质、多糖甚至是细胞)的检测。DNA功能化纳米生物传感器是利用核酸碱基配对原则进行识别,能实现特定基因片段的持续、快速、灵敏和选择性检测。本文结合最近十年的研究现状,主要论述了DNA功能化纳米金用于比色检测法的原理及用于核酸、蛋白质和部分生物小分子的检测,并评述了其中的挑战和前景。     

DNA功能化纳米金用于生物小分子检测

纳米金是金的微小颗粒,在水溶液中以胶体金的形态存在。胶体金的颜色会随着其粒径及表面修饰差异而发生变化,这种颜色变化可通过肉眼观察;同时,这种改变会产生强烈的光散射或光吸收信号。基于这种信号而建立的纳米金比色检测法,已被广泛用于生物分子(如核酸、蛋白质、多糖甚至是细胞)的检测。DNA功能化纳米生物传感器是利用核酸碱基配对原则进行识别,能实现特定基因片段的持续、快速、灵敏和选择性检测。本文结合最近十年的研究现状,主要论述了DNA功能化纳米金用于比色检测法的原理及用于核酸、蛋白质和部分生物小分子的检测,并评述了其中的挑战和前景。     

闭合式无线纳米孔电极的一步法制备及单颗粒检测研究

以锥形石英固体纳米孔为模板, 通过化学法制备具有金纳米结构的纳米孔尖端, 从而实现一步法简单、 快速地制备直径为30 nm的闭合式无线纳米孔电极(CWNE); 探讨了制备过程中反应物浓度对制备过程的影响, 制备成功率高达85.7%, RMS噪音低至4.2 pA. 以金纳米颗粒碰撞电极实验为电化学测量模型, 获得了单个颗粒与纳米孔电极相互作用的信号, 验证了闭合式无线纳米孔电极对微秒级电信号的皮安级电流分辨能力, 为进一步探索纳米界面上的电子传递过程提供了稳定的测量界面.     

DNA折纸术纳米反应器

基于DNA折纸技术,构建具有纳米尺度可寻址的新型DNA纳米反应器,是DNA纳米技术领域的一个最新研究思路和方向。它的优势首先在于其纳米定位能力,通过不同的化学或生物相互作用,已能够实现对包括化学小分子、生物大分子及人工纳米材料等的纳米级精确定位;其次,DNA折纸结构的丰富多样性,使构建纳米级仿生限域环境成为了可能;此外,DNA折纸结构本身的生物相容性及优良的产率,也保证了这一材料的可应用性。本文首先介绍了在DNA折纸结构上,对不同材料和分子进行纳米定位的一般方法和最新进展。然后,着重阐述了基于纳米定位技术,以DNA折纸结构作为纳米反应器,对一些化学、生化反应的成功调控。最后,基于现有的工作基础,我们提出了DNA折纸术纳米反应器概念在未来的发展方向及应用前景展望。