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浅析纳米孔分析化学的现状与发展

作者:原创论文网 时间:2018-09-07 13:51 加入收藏

  摘要:在DNA测序、临床诊断、医学等领域, 纳米孔分析化学有着十分巨大的应用价值, 前景广阔。本文针对纳米孔进行了简单的分析, 研究了纳米孔技术的发展, 同时研究了现阶段纳米孔技术的应用方向, 总结了未来纳米孔的发展方向, 以供参考。

  关键词:纳米孔; 应用; 发展;分析化学

分析化学论文配图

  纳米孔, 从字面理解为孔径为纳米单位的孔, 近期美国国籍贸易委员会发布文件称, Illumina公司和英国牛津纳米孔公司的官司已经庭外和解, 纳米孔公司同意不再出口或销售含氨基酸序列纳米孔产品, 并销毁目前库存, 纳米孔专利之争落下帷幕。生物体内含有大量纳米孔, 利用纳米孔测序更加方便实惠, 主要是根据单核甘酸通过孔隙产生的电流变化检测DNA序列。在科学技术飞速发展的当下, 分析化学工作者可以利用一些最新的科技产品用于单分子层面上的生命体系探索, 单分子技术给生命体系探索带来了新希望。

  1 前言

  纳米孔 (nanopore) , 简单的定义可以是孔径1~100nm的孔洞, 如果孔深大于孔径可称为纳米孔道。生物体内天然存在着纳米孔, 当然纳米技术的发展, 也使得人工加工的纳米孔出现, 为生命科学的相关研究提供了助力。

  上世纪40年代末期, Coulter制作了库尔特粒度仪, 并提出孔传感为基础的概念。这一发明不仅可以测定微小粒子, 同时还能分筛和计数细胞, 具有里程碑式的意义。Neher与Sakamann于上世纪70年代发明膜片钳技术, 用于测量膜电势以及分析研究离子通道、膜蛋白, 极大地推动了纳米孔研究的进程。1977年Deblois与Bean在Coulter的研究基础上采用径迹蚀刻法, 进一步优化了库尔特粒度仪, 使之能够检测纳米颗粒与病毒, 1996年基于孔传感概念的新发明出现, 正式进入纳米时代, 将研究对象扩展到离子和生物分子。同时纳米尺度界面问题的引入, 使纳米孔研究凸显出化学的重要性, 纳米孔分析化学可以说由此诞生, 这为DNA测序的快速化、廉价化提供了可能。2001年固态纳米孔出现, 制作方法是使用离子束在Si N薄膜上制作, 随后越来越多的新产品逐步出现。

  目前研究纳米孔一般采用两个相同电极外加电压测定流过孔的电流, 针对两室内的同种电解质, 可得到基线电流。在两个非极化电极上会发生化学反应, 即正极上氧化反应和负极上的还原反应。一般外加电势小于1V, 否则可能引起水或其他物质的电化学反应, 导致溶液PH值以及膜不稳。如果在其中一个室内加入生物大分子 (带电) 比如DNA, 当其穿越纳米孔时会产生电流阻塞脉冲, 可用于定量测量穿越孔时的滞留时间, 阻塞幅值以及间隔时间, 这些参数对应分子长度, 分子同纳米孔的作用, 溶液中分子的浓度和截面大小。

  纳米孔实验中必须要关注噪音问题, 纳米孔实验中涉及到离子传导和电子传导, 在膜的两边正负离子可以形成一个膜电容。它会产生噪音扰动, 并且会虽则频宽增大, 噪音将是不可回避的问题。所以要获得准确的研究数据, 关键还是要缓解有害噪音, 一般可以利用降低频宽, 减弱高频电流组分, 并利用数字或模拟低通滤波器来实现。

  2 应用

  DNA测序可以说是纳米孔分析化学发展的主要驱动力。DNA测序的作用显着, 尤其是复杂疾病中遗传因素的甄别、临床检测以及个体化医疗当中。1996年国外便开始在检测ss DNA中运用α-溶血素纳米孔, 当时的成本为1000美元, 不过后来发现在单个碱基的分辨中无论是固态或是生物纳米孔均无法分辨, 分子穿过纳米孔的速度过于快速, 并不能顺利实现DNA测序。Α-溶血素纳米孔在众多生物纳米孔中相对比较简单, 而且相对比较成熟。穿孔实验当中, 磷脂双分子层上以自组装方式形成单个α-溶血素纳米孔, 包含有正负电荷、极性与非极性链、磷原子。如果在1mol/L的氯化钾溶液当中进行实验, 大约有11个K+和Cl-能够在孔内停留, 如果PH值大于7.5, α-溶血素蛋白孔将始终保持开启状态, 特别是PH为8.5以及温度2~22℃时, 能稳定保持流过纳米孔的电流在1d内。这种生物纳米孔的优点在于细胞能够产生原子精度的纳米孔, 但现有技术暂时还无法复制。X-射线晶体学可以在亚纳米尺度上提供这些纳米孔的结构信息, 现有基因工程技术, 能够有效调控这类纳米孔的物理化学性质。但用α-溶血素纳米孔用于DNA测序不可行, 该纳米孔最窄处只有1.4nm, 单链DNA、RNA以及聚核苷酸可以通过。但双链DNA、RNA等则会受限, 而在实验条件下ss DNA通过该纳米孔的速度非常快, 热扰动会掩盖离子电流的变化。现阶段主要的策略是降低DNA穿孔速度, 主动方法是将纳米孔与酶组合实现主动调速, 被动方法有核苷酸标记、DNA发卡实现ss DNA末端终止等。

  固态纳米孔面临的问题主要是在化学层面上无法区分大小相同的分析对象。所以近些年来的研究方向主要集中于纳米孔的化学修饰, 比如DNA发卡针对基于Si O2的表面修饰、在Si N, Al2O3纳米孔上用磷脂双层膜进行修饰。研究表明这种杂化孔在测量结果方面与磷脂双层膜α溶血素孔的测量结果一致, 不过在电流阻塞幅值方面降低了, 可能原因是噪音问题, 显然还需要进行进一步的研究。

  在医学与临床诊断中同样可以运用纳米孔, 优势在于可以在很小或低浓度样品中准确测定目标分子;能够同时筛选基因与生物标志;测量速度快, 成本低, 比如固体纳米孔在小RNA表达谱的应用研究中表明, 可以准确测定癌症标志物, 从这个角度看, 对于临床医学来说十分关键。近些年也有相关的报道指出采用纳米孔测特定小RNA序列, 灵敏度可与常规微阵列技术一致。同时可用纳米孔分析异常DNA甲基化, 比如用2nm Si N固态纳米孔分析单核甘酸多态性。并且纳米孔在病毒、病原体的分析中同样具有发展潜力。

  在测定蛋白质等分子当中依然可以利用纳米孔技术, 比如在2012年就有利用Si N膜纳米孔测定单个蛋白质A。这同样体现了纳米孔分析化学在蛋白质等分子测定中的应用价值。

  3 结语

  从现阶段的研究成果来看, 纳米孔分析化学领域的一些关键问题尚未解决, 不过已经在逐步接近。相信在未来如果能把穿孔速度降低到一个核苷酸/ms, 那么可能在20分钟内利用固态纳米孔完成一个107碱基分子的测序工作, 若是能够集成106纳米孔, 那么就可能在1小时内完成整个人类基因组测序。所以发展纳米孔分析化学是必然的, 意义同样重大, 当然还需业界的不断研究与实践, 推动纳米孔分析化学的发展。

  参考文献
  [1]郑力拓, 魏玉磊, 龚河卿, 等.纳米多孔金在分析化学中的应用进展[J].分析化学, 2013 (01) :137~144.
  [2]吴亮, 沐春磊, 张群林, 等.纳米粒子参与的鲁米诺化学发光及其分析应用[J].化学进展, 2013 (07) :1187~1197.
  [3]陈杭亭, 杨秀荣.分析化学进展[J].化学通报, 2014 (07) :623~630.

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