利用纳米孔技术进行单分子检测

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对更便宜和更快的健康和环境监测检测工具的需求日益增长，促使开发在速度和成本方面超过传统方法的新技术。近年来，基于纳米孔的传感技术已成为快速、可靠和经济有效的单分子水平检测核酸和蛋白质生物标志物的工具之一。纳米孔是绝缘膜上的一个非常小的开口(通常是纳米直径)，它连接着两个充满导电电解质的容器。氯化钾。在纳米孔上施加电压可以使离子电流流过，就像电泳过程一样。电解质中高电荷分子通过纳米孔的运动被称为易位。纳米孔的结构使其非常敏感，它可以精确地测量单个分子产生的离子电流(通过它)的变化。纳米孔系统作为Coulter-counter技术的基础，已被广泛应用于DNA检测(DNA测序)。根据其来源，纳米孔通常分为两类:1。生物纳米孔，2。 Solid state nanopores. Biological nanopores present into lipid bilayers offer several advantages for single-molecular detection. Certain specific features of biological nanopores are as:1. Large numbers of biological nanopores with an atomic level of precision (and pore size with angstrom length scale) can be produced by cell, 2. Physical and chemical properties of the biological nanopore can be tailored by genetic manupulations for eg. Site-directed mutagenesis,3. Biological nanopores are remarkable heterogeneneous in terms of size and composition. Along with DNA sequencing the biological nanopores have tremendous potential for application in molecular diagnositcs and DNA finger printings. Regardless of the heterogeneity and incredible sensitivity of biological nanopores, they do suffer with some inherent disadvantages like: 1. Lipid bilayer that supports the nanopore are mechanically unstable, 2. Biological nanopores are sensitive of experimental setting such as pH, temperature and concentration of salt, 3. Integrating biological systems into large-scale arrays is very challenging.

为了克服生物纳米孔的相关问题，固态纳米孔技术，即来自固态材料的纳米孔被引入。固态纳米孔由于其非常高的稳定性、更好的直径和通道长度控制、可调节的表面特性以及集成到设备和阵列中的潜力，已经显示出明显优于生物对应物的优势。在绝缘层上刻蚀一个微小的孔来形成孔隙是目前探索的各种方法之一，以满足制造真正纳米尺寸的孔隙的挑战。狭窄的开口角~1°的这种创建孔使这些不理想的多核苷酸易位。离子束雕刻是另一种在SiO上制造单纳米孔的方法₂和真正纳米控制的SiN，这为DNA易位测量提供了一个起点。此外，电子束光刻与蚀刻相结合，可以在Si, SiN或SiO上产生20 nm的孔隙₂膜。石墨烯膜也被用于制备纳米孔，对DNA测序寄予厚望。关于石墨烯纳米孔测序的一些尚未解决的基本问题如下:在存在热力学波动和电噪声的情况下，单核苷酸的分辨率是如何实现的?2.使用离子电流识别单个核苷酸是否与嘌呤(A和G)和嘧啶(C和T)的化学和结构相似?

杂化生物-固体A态纳米孔已经开始协同使用这两种类型的纳米孔的有用特征。选择性混合纳米孔(与固态纳米孔不同)通过使用特定的识别序列和受体在测序应用中唯一地识别核苷酸，或在诊断应用中区分和量化靶蛋白而开发。

纳米孔的潜力表明，未来几年，它们很可能在医学诊断和DNA测序(单分子水平)中发挥越来越大的作用，与许多其他技术展开激烈竞争。生物纳米孔有助于解决测序中的许多挑战(高易位速度和缺乏核苷酸特异性)。同样，固态纳米孔的进展，在不到20分钟的时间内测序一个含有100万个碱基的分子，可以通过降低每毫秒的单核苷酸易位速度(约3 Å长)，以及具有独特电子签名的单核苷酸的特定识别(需要作为主要目标进行探索)。此外，如果这项技术可以扩展到由10万个独立定位的纳米孔并行运行的阵列，那么在不到一个小时的时间内就可以对覆盖50倍的整个人类基因组进行测序。生物和固态纳米孔的正确组合将提供一种高效、快速的个性化DNA测序工具，以及基于纳米孔的超灵敏传感器，用于检测单分子水平的疾病生物标志物。