NIST研究建议如何构建更好的纳米孔生物传感器

研究人员花费了三十多年的时间来开发和研究可以识别单个分子的微型生物传感器。在五到十年内，当此类设备成为医生办公室的常用药品时，它们可以检测出癌症和其他疾病的分子标记，并评估针对这些疾病的药物治疗的有效性。

为了帮助实现这一目标并提高这些测量的准确性和速度，科学家们必须找到更好地理解分子如何与这些传感器相互作用的方法。国家标准技术研究院(NIST)和弗吉尼亚邦大学(VCU)的研究人员现已开发出一种新方法。他们在最新一期的《科学进展》中报告了他们的发现。

该团队通过制造形成细胞膜的生物材料的人工版本来构建其生物传感器。它被称为脂质双层，它包含一个直径约2纳米(十亿分之一米)的细小孔，周围被流体包围。溶解在流体中的离子穿过纳米孔，产生小的电流。但是，当将感兴趣的分子驱动到膜中时，它会部分阻止电流流动。这种封锁的持续时间和大小可作为指纹，识别特定分子的大小和性质。

为了对大量的单个分子进行准确的测量，目标分子必须在纳米孔中停留的时间既不能太长也不能太短(“ Goldilocks”时间)，范围从百万分之一秒到十分之一秒。问题在于，如果纳米孔以某种方式将它们固定在适当的位置，则大多数分子仅在此时间间隔内停留在纳米孔的小体积中。这意味着纳米孔环境必须提供一定的屏障，例如增加静电力或改变纳米孔的形状，这会使分子更难以逃脱。

对于每种类型的分子，突破障碍所需的最小能量各不相同，这对于生物传感器高效，准确地工作至关重要。计算该数量涉及测量与分子进入和移出孔时的分子能量有关的几个属性。

至关重要的是，目标是测量分子与周围环境之间的相互作用主要是由化学键还是由分子在捕获和释放过程中摆动和自由移动的能力引起的。

到目前为止，由于多种技术原因，缺少用于提取这些高能成分的可靠测量方法。在这项新研究中，由NIST的Joseph Robertson和VCU的Joseph Reiner共同领导的一个团队证明了使用基于激光的快速加热方法测量这些能量的能力。

测量必须在不同的温度下进行，并且激光加热系统可确保这些温度变化快速且可重复地发生。这使研究人员可以在不到2分钟的时间内完成测量，而原本需要30分钟或更长时间。

罗伯逊说：“没有这种新型的基于激光的加热工具，我们的经验表明，根本无法进行测量;它们将既耗时又昂贵。”他补充说：“实质上，我们已经开发了一种工具，可以改变纳米孔传感器的开发流程，以迅速减少涉及传感器发现的猜测。”

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