用于纳米孔道分析的四通道电化学传感器设计与仿真

纳米孔道技术是一种基于空间限域的超灵敏的单分子分析技术.通过研究单个分子限域于纳米孔道中所产生的离子电流的变化,可在单分子尺度上获取其结构、尺寸、电性及与孔道间弱相互作用的信息.目前主要应用的纳米孔道测量仪器单次实验仅能测量单个纳米孔道,其检测通量较低.本文基于实验室前期自主设计研制的单通道纳米孔道测量仪器Cube-D2上,比较研究了两种互阻放大器的测量特性,从而选择了合适的测量电路设计了四通道电化学传感器放大电路.进一步通过仿真验证了四通道电化学传感器设计方案的可行性,为阵列化高通量纳米孔道单分子电化学测量仪器的设计提供了理论基础.     

Aerolysin蛋白纳米孔道直接检测单个DNA碱基修饰

基于Aerolysin生物膜通道蛋白的纳米孔道电化学分析技术,因其高的电化学空间限域能力可实现超灵敏DNA单分子检测。本文利用单个Aerolysin纳米孔道在无需标记、无需扩增的条件下直接分辨3种具有单个碱基差异的单链DNA。实验结果显示,具有单个炔基侧链基团修饰的单个ss DNA在限域空间内与Aerol-ysin纳米孔道的相互作用时间较未修饰的ss DNA增长近7倍,电流阻断程度增大7%,且高斯峰半峰宽减小了44%,增强了Aerolysin纳米孔道对单个DNA分子的分辨能力。研究成果有望推动Aerolysin纳米孔在DNA直接测序及表观遗传修饰检测中的应用。     

单个体矢量性特征的固体纳米孔道分析研究

固体纳米孔道作为一种高灵敏的单分子检测技术,由于其机械强度高、尺寸可控、易于阵列化集成等方面的显著优势,已经被广泛应用于DNA,蛋白质以及聚合物等小分子的检测.具有矢量性特征的各向异性单个体在纳米孔道中的穿孔行为对具有空间限域效应的纳米孔道离子流特征信号具有显著影响.为解析单个体矢量性特征对纳米孔道分析的影响,本工作利用氮化硅固态纳米孔道,以单个纳米金棒为各向异性的单个体模型,实时观测了其在孔道中的迁移行为.研究发现当纳米金棒穿过纳米孔道时,产生两种不同阻断程度的特征电流信号,通过对电流信号事件的解析,实时获取了具有矢量特征的金棒所导致的两种特征过孔事件;进一步,建立了离子电流模型,分别对这两种各向异性的穿孔事件机制进行了验证.     

生物纳米孔道技术在非基因测序方面的研究与应用

纳米孔道分析技术是一种低成本、快速、无需标记的单分子检测技术,仅有20多年的发展历史,在DNA单分子测序领域展示出较好的应用前景,现已有商业化的产品面世且趋于成熟.越来越多的研究表明,纳米孔可作为一个通用的单分子传感器.本文综述了生物纳米孔道分析技术对蛋白质、多肽和核酸等单个分子与孔道间相互作用、动力学和热力学过程的实时监测以及多种生物大分子和金属离子的定量检测等方面的研究进展.在纳米孔技术中,电化学检测系统也十分重要,本文还特别介绍了高带宽及超低电流分辨仪器和相关软件的相关进展.     

单分子电泳:纳米孔道电化学的新认识

该文旨在从电泳分离技术的角度认识纳米孔道电化学单分子分析技术,这种技术可以作为"单分子电泳"来理解和研究。纳米孔道电化学单分子分析技术与电泳的本质都是采用外加电场使待测分子产生电迁移。待测分子性质不同,且与介质材料孔道外露基团相互作用不同,使得分子移动速度具有差异,据此实现分离识别。气单胞菌溶素（Aerolysin）纳米孔道,由于其孔径与待测分子尺寸相匹配,其孔道内壁可以看作是由氨基酸组成的具有调控单个分子电迁移能力的特异性孔道界面。每一个氨基酸残基都相当于一个探测单元,在电场力的作用下,待测分子逐一进入孔道时与每一个探测单元相互作用方式、程度与时长不同,从而形成了单个待测分子特征的迁移速度和迁移运动轨迹。在纳米孔道实验中,每秒可以有上千个待测分子穿过孔道,产生特征阻断电流信号。通过对这些信号的阻断电流、阻断时间、阻断频率、信号特征等进行统计分析,可以从"单分子电泳"水平对单个待测物实现高通量的分辨和识别。该文以Aerolysin纳米孔道分辨仅有一个核苷酸差异的寡聚核苷酸（5'-CAA-3'、5'-CAAA-3'、5'-CAAAA-3'）为例,详细阐述了纳米孔道"单分子电泳"的单核苷酸分辨能力,展现了电化学限域空间在电泳单分子水平分离技术上的应用。     

对《纳米孔道单分子电化学信号在线识别与分析研究》的评述

正纳米孔道是近年来基于电化学原理发展起来的一种新的单分子电化学技术。由于纳米孔道利用单个分子在穿过孔道时产生的离子流变化来获取纳米尺度信息,其获得的数据具有信噪比低、随机性强、数据量大等特点。因此,这一技术在应用于单分子分析和研究分子间弱相互作用时,很大程度上依赖于对实验中获取的大量电化学信号数据进行分析和处理,进而给出待测物的精确信息。华东理工大学龙亿涛课题组对纳米孔道单分子电化学信号的数据处理过程和方法进行了探索,并将其研究成果"纳米     

基于石英纳米孔道的单颗粒尺寸分布分析

发展了一种基于石英纳米孔道的单颗粒电化学动态分析方法, 用于单个CdSe/ZnS量子点纳米颗粒的尺寸分布分析. 其机制是向石英纳米孔道两端施加电压, 表面带有正电荷的单个CdSe/ZnS量子点纳米颗粒在电场力驱动下由管内向管外运动, 当量子点纳米颗粒穿过纳米孔道尖端狭小的限域空间时, 其表面正电荷使石英纳米孔道内电荷密度增加, 孔道内的电化学限域效应进一步将电荷密度增加的信息放大并转变为可读的离子流增强信号. 通过对动态离子流信号解析可实时获取具有2种不同尺寸的量子点纳米颗粒所导致的2类过孔事件信息, 从而对在限域空间内运动的纳米颗粒进行尺寸分布分析.     

纳米孔道单分子电化学测量的低噪音控温系统研究

纳米孔道检测技术是一种利用单个分子测量界面实现在单分子水平上测量DNA、RNA、蛋白、多肽等生物分子的高灵敏的单分子检测技术. 由于单个分子与纳米孔道的相互作用受热力学控制,亟需精准控制纳米孔道单分子分析的实验温度. 因此,本文研制了一种低噪音控温系统用于具有皮安级电流分辨的纳米孔道单分子实验,以实现精确调控测量时的环境温度. 该系统利用半导体制冷片的热电效应对检测池环境加热/制冷,通过对高精度热敏电阻进行电磁屏蔽以实现在温度反馈的同时避免噪音的引入. 利用比例-积分-微分算法进行控制,达到高精度快速控温的要求. 该系统控温精度为±1 °C,无额外噪音引入至超灵敏纳米孔道单分子测量,获得了25 °C到5 °C下Poly(dA)5与单个气单胞菌溶素（Aerolysin）分子界面间作用产生信号的差异,应用于研究单分子与纳米孔道相互作用的热力学行为.     

Aerolysin纳米孔道对寡聚核苷酸的高灵敏单分子检测

自纳米孔道单分子电化学技术提出以来,为了构建性能良好的纳米孔道,研究人员一直在寻找不同的孔道材料. 本研究探索了Aerolysin生物纳米孔道在寡聚核苷酸检测方面的可能性. 实验结果表明,与常用的α-溶血素纳米孔道相比,Aerolysin纳米孔道在寡聚核苷酸检测方面表现出更强的空间和时间分辨能力. 三个碱基长度的寡聚核苷酸可对Aerolysin纳米孔道造成约为40%的电流阻断. 阻断时间表现出电压相关性,随电压的升高而减小. 与其他生物纳米孔道相比,Aerolysin纳米孔道无需任何基因突变、化学修饰即可实现对单个寡聚核苷酸的超灵敏分析. 未来,Aerolysin纳米孔道将有可能应用于DNA损伤检测、microRNA分析以及其他基于纳米孔道的单分子分析检测.     

纳流控-电化学技术在生化分析领域的研究进展

纳流控作为一个崭新的研究领域正受到越来越多的关注,并且已被成功应用到纳米尺度分离、生化传感、能量转化等诸多领域. 纳流控的发展与电化学紧密相连,一方面,电化学可以为纳米孔道中的物质传输特性的研究提供驱动力;另一方面,纳米孔道可以为限域电化学研究提供微环境. 纳流控和电化学技术相辅相成,催生了许多单分子、单粒子分析以及纳米流体操控的新理念与新技术. 本综述从纳米孔道与电极的结合方式出发,对纳流控-电化学相关研究进行了总结与展望.     

纳米通道单分子检测P53蛋白与DNA的弱相互作用

利用基于α-溶血素(α-HL)的纳米通道单分子检测技术在单分子水平上探测位于肿瘤抑制蛋白P53 DNA结合域的多肽分子(P53-P)与含有p21^waf1/cip1基因结合域的双链DNA (B40)之间弱相互作用. 在电场力的作用下, 单个P53-P/B40复合物被α-HL纳米通道捕获并限制在其前庭中. 通过空间限域作用, P53-P与B40之间的弱相互作用被放大为具有显著电压依赖性的复合物-α-HL间强烈的相互作用, 从而产生极易分辨的离子流特征阻断信号. 统计分析特征阻断信号显示P53-P与B40之间的弱相互作用使得B40产生微小的构型变化. 分子对接模拟进一步证明, P53-P能够插入B40的小沟并使得小沟间距变窄. 因此, 基于α-HL的纳米通道单分子检测技术可以作为研究单个生物大分子间弱相互作用的超灵敏分析方法.     

阵列纳米通道中氨基官能团质子化研究

质子化过程是大多数酸碱理论的核心,也发生在许多生命过程中。因此,研究限域环境中分子或官能团的质子化过程将为进一步认识酸碱理论和阐述限域环境中生物分子的基本行为提供理论依据。本文提出了一种以荷电电化学探针检测多孔氧化铝阵列纳米通道内表面官能团质子化过程的新方法。该方法利用纳米通道表面官能团的质子化过程改变了表面荷电性质,从而调控荷电电化学探针在纳米通道中的传输行为。实验中以喷涂在阵列氧化铝纳米通道膜一侧的薄金膜为工作电极,检测通过阵列纳米通道荷电电化学探针的流量,以此获得纳米通道限域条件下的质子化过程。同时以多孔氧化铝阵列纳米通道为限域空腔,利用硅烷化反应将氨基修饰在纳米通道的内表面,通过检测不同pH值条件下铁氰酸根离子在纳米通道中流量的变化,获得了纳米通道限域条件下氨基质子化滴定曲线。结果表明,纳米通道限域条件下氨基官能团发生一步质子化,其pK1/2值为5.9。本文提出的方法适用于研究纳米通道限域条件下其它官能团或生物分子的质子化过程。     

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.     

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仪器和商品化仪器在不同施加电压下获取的单分子信号残余电流程度,得到两者误差均小于0.01,结果具有可重复性。因此,Cube纳米孔道仪器具有稳定性好、灵敏度高、便携性强的特点,可应用于纳米孔道单分子分析。     

《电化学分析传感》专辑序言

《电化学分析传感》专辑序言 电化学分析传感是一种基于界面电荷相互作用的测量方法,具有高灵敏、响应快、无标记等本征优势. 该方法的核心思路是将待测对象构建成为化学电池的某一部分,通过测量界面电子转移或电荷重排过程中产生的电信号响应,如电池电位、电流、电导、电量变化,对待测目标进行定性定量动态地检测、监测或表征. 　　近年来,伴随着测量仪器性能和数据处理方法的持续提高与优化,电化学分析传感研究前沿热点越来越多地关注到纳米尺度界面上的瞬态电荷相互作用、动态电荷传输机制,特别是发展限域空间内的单体纳米电化学信号放大、传输、记录、解析新模式和新策略. 其中,单体电化学分析,如单颗粒碰撞法等,不仅可以得到常规宏观测量的单一平均结果,同时还能描绘出所有不同颗粒结构与性能的完整分布,揭示少量但关键的电化学活性位点和反应机理;而纳米限域电化学分析,如纳米孔道协同测量等,则能通过限域效应有效延长亚稳态中间体的结构寿命,灵敏识别不同待测单体间的细微理化性质差异及其动态变化过程. 此外,电分析方法也更多地与谱学、成像等技术联用,对界面电化学过程进行原位、实时、在线表征,以期揭示纳米界面的电荷传递和能量转化的化学本质. 进而指导设计构建高灵敏电化学传感器,实现在疾病的早期检测、能源转换的高效率用、水体环境污染的有效治理等国家战略性产业中的广泛应用. 　　本专辑围绕电化学分析传感新方法与新技术,收录了在相关研究领域具有丰富经验积累和影响力的团队所撰写的21篇相关研究进展的综述文章和研究论文（分成两期出版,分别包含10篇和11篇）. 希望借助此专辑的出版,能使广大读者更好地了解当前电化学测量领域的研究现状、研究趋势和存在的问题及挑战,推动我国下一代电化学精准分析技术和高效传感应用的进一步发展. 　　最后,对本专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的辛勤工作和付出表示由衷的感谢！     

离子液体限域于硅胶纳米孔道中的电化学行为研究(英文)

通过溶胶-凝胶法制备了硅胶包载咪唑类离子液体修饰电极,研究其与体相离子液体不同的伏安行为;另一方面,制备不同离子液体含量为15% ~ 28%的包载离子液体硅胶和涂覆离子液体硅胶,用电化学阻抗研究其在20 ^oC到80 ^oC下电导率的变化情况. 异常的电化学行为主要表现在：1)硅胶包载离子液体导致Fc/Fc⁺电对的半波电位正移63.5 ~ 200 mV;2)当离子液体限域于硅胶纳米孔道中时,离子液体的电化学稳定性变差;3)包载离子液体硅胶的电导率要比涂覆离子液体的电导率高29.6% ~ 136%. 由此推断,可能是由于离子液体充满硅胶孔腔和孔道从而形成了纳米网状的离子液体导电介质. 这些结果表明,硅胶包载离子液体不仅可以作为修饰电极的优良载体,而且也有助于理解离子液体限域于硅胶纳米孔道中的限域效应.     

聚集诱导发光分子寡聚体研究进展

分子聚集行为与细胞内多种代谢过程息息相关,如细胞衰老过程中色斑形成,Aβ肽在阿尔茨海默病病人的脑中聚集行为等.定量化的研究分子聚集效应对于研究分子间的弱相互作用,分子聚集成核过程至关重要.目前,针对聚集效应初期分子寡聚体形成过程的研究仍然处于初期阶段.聚集诱导发光(aggregation-induced emission,AIE)为研究分子聚集行为提供了一种直观、便捷的策略.但是,由于聚集过程的难以精细控制,定量化描述聚集分子数目与发光行为的关系仍然是巨大的挑战.本综述对近期制备聚集诱导发光分子寡聚体的工作进行汇总.根据形成分子寡聚体的作用力的不同,将目前构建荧光分子寡聚体方法分为以下4类:化学成键作用、主客体相互作用、DNA限域作用和微纳空间限域作用.进一步地,还讨论了分子聚集体的发光行为.通过本综述,有望推动AIE分子寡聚体发光性质的量化研究并为研究分子聚集成核过程带来一定的启示.     

金纳米粒子-金单晶微米片自由碰撞行为中“热点”限域空间内的表面增强拉曼光谱研究

纳米粒子的自由运动及与其他介质的相互作用研究已成为纳米粒子应用拓展的重要领域,特别是动态行为的实时监测仍然是目前亟待解决的难题.本工作基于表面增强拉曼光谱(SERS)技术及布朗运动下Au纳米粒子与Au单晶微米片碰撞过程中“热点”的形成,以苯硫酚(TP)为探针分子,实现了碰撞过程中Au纳米粒子自由运动行为的实时监测和动态SERS研究.通过对检测到SERS强度轨迹的“尖峰”及所含“单峰”和“簇峰”的统计分析,深入解析了纳米粒子的微观运动本质及影响因素.结果表明,“尖峰”主要来源于纳米粒子与平面的可逆碰撞所形成的“热点”对SERS的贡献.“单峰”对应Au纳米粒子与平面碰撞后快速离开Au片表面,“簇峰”对应Au纳米粒子与平面碰撞后在Au片表面短暂停留然后离开或可能多个粒子连续碰撞的过程.“尖峰”内多个TP的SERS光谱谱峰的相对强度不同,并表现出振动模式的依赖性,伸缩振动模式出现几率更高,主要来源于动态碰撞过程中“热点”限域空间内分子的取向不同.该研究实现了纳米粒子动态研究,有利于理解纳米粒子的微观运动本质,为研究碰撞过程中“热点”限域空间内动态表界面化学反应奠定基础.     

纳米孔道单分子检测结直肠癌MicroRNAs

MicroRNA（miRNA）可用于癌症的早期诊断、预后判断,其分析检测具有重要临床意义.结直肠癌的发生、发展与miRNA 21、miRNA 92等的异常表达明显相关.本研究设计了以poly（dT）_n为引导链的DNA探针（probe）并尝试使用α-溶血素（α-HL）纳米孔道单分子检测方法检测结直肠癌miRNAs.miRNA·probe复合物分子穿过α-HL纳米孔道限域空间时,由于probe链长、序列不同导致probe-α-HL相互作用不同,miRNA 92·probe 92、miRNA 21·probe 21、miRNA 16·probe 16输出为形态、阻断时间不同的多台阶特征信号,实现了三种miRNAs的有效区分.实验证明,此方法可以用于检测血清实际样品.因此,未来有望使用α-HL构建miRNA超灵敏单分子生物传感器.     

基于环蕃类分子的铁氰化钾电化学存储和释放

通过利用合成的环蕃类化合物1与单壁碳纳米管(SWNTs)间的π-π共轭相互作用,将化合物1固定在SWNTs的表面,制备了1-SWNT修饰电极.利用化合物1氧化态和还原态与铁氰化钾分子之间不同强度的主客体相互作用,实现了铁氰化钾分子在1-SWNT修饰电极表面的电化学可控吸附和解吸.循环伏安和XPS实验结果表明,在本研究采用的实验条件下,铁氰化钾分子在电极表面20s内即可达到吸附平衡;当电极在0.70V下极化1000s后,大多数吸附的铁氰化钾可从电极表面解吸.基于此,制备了铁氰化钾的可控存储和释放的电化学器件,该器件不但可以重复进行铁氰化钾分子的存储和释放,而且多次重复操作表现出较好的稳定性和重现性.本研究在发展具有特殊用途的电化学纳米器件,例如分子搬运器、电化学开关等研究中具有重要意义.