Small Structures:基于固态纳米孔的单分子光电检测技术

将快速、高效、精准和低廉的单分子探测手段运用于体外诊断领域,将大幅推动我国在大数据时代下精准医疗的实现,造福于人类健康生活的方方面面。固态纳米孔传感器作为一种新兴的单分子探测手段,正在受到越来越多的关注。目前普遍采用的纳米孔技术检测分子穿过纳米孔时引起的电脉冲,获得的电信号分辨率较为有限;且缺乏分子的特异性信息,对穿孔分子的动力学操控也比较有限。近十年来,基于已有的单分子光学探测手段的广泛研究,为了打破现有纳米孔电学检测瓶颈,研究者们将固态纳米孔与各种光学单分子探测手段结合起来,进行同步的光电探测,充分发挥两者的特长,产生“1+1>2”的协同效应。

北京大学物理学院赵清教授课题组总结了近年来基于固态纳米孔的单分子光电检测手段的主要进展,对各种探测原理、信号分析和研究进展进行了较为系统的梳理和比较。基于固态纳米孔的单分子光电探测方式大体分为两类,一类是将固态纳米孔与突破衍射极限的光路系统结合起来,比如结合共聚焦和全内反射荧光(TIRF)系统。另一类是将固态纳米孔与等离激元纳米结构相结合,制备高精度的等离激元纳米孔器件。目前比较典型的等离激元纳米孔,利用表面等离激元效应产生的局域增强区域达到了亚纳米级别的探测精度,随之产生的光镊效应也可用来操控分子穿孔构型。目前已经有几种光学信号成功地与固态纳米孔的电学探测结合在了一起:分别是荧光、等离激元共振迁移和表面增强拉曼光谱。大量针对DNA、蛋白分子和生物标记物的探测实验正在开展,基于固态纳米孔的单分子光电检测有望成为下一个单分子探测风口。对于生物标记物的体外诊断技术,是未来体外诊断的发展趋势,例如今年爆发的新冠肺炎就是利用体外诊断技术进行检测的。相关综述论文发表在Wiley新期刊Small Structures上。(DOI:10.1002/sstr.202000003)

本综述有助于带领读者更好地了解基于固态纳米孔的光电单分子探测领域近些年来的进展,并对此领域的各种检测手段有一个更好的了解和对比。我们相信,基于固态纳米孔的光电传感技术将突破传统固态纳米孔探测的诸多瓶颈,成长为一种强有力的单分子检测平台。它在跨学科研究中显示出广阔的应用前景,例如生物物理学和生物医学,最终有望被广泛应用于体外单分子诊断行业,对疾病诊断和全民健康发挥出巨大的优势。