Advanced Healthcare Materials:固态纳米孔电学技术检测蛋白质的四个考量

随着生命科学尤其是分子生物学和生物技术的发展,人类已经迈入“分子诊疗”的时代。“分子诊疗”为人类提供个性化的医疗服务,可以大幅提高疾病的诊断和治疗效率。而实现并推广“分子诊疗”的核心在于开发低成本、高灵敏、高通量的分子检测技术。基于电流检测模式的固态纳米孔电学技术因为能快速、高灵敏地检测体液样品中的单个分子引起了科研界和产业界的极大兴趣。

固态纳米孔是指利用一系列微纳加工技术制备在固体材料薄膜上的纳米量级的小孔。它的检测原理与康特尔计数器(Coulter Counter)类似,是通过探测单个分子穿过固态纳米孔产生的电流信号来辨别和表征单个分子。与天然的膜蛋白通道相比,固态纳米孔的机械性能、热学性能和化学性能都更稳定,可覆盖更极端的探测环境。此外,固态纳米孔的孔径大小可以灵活调节,从而使得固态纳米孔电学技术可以探测除单链或双链DNA链以外的其他分子,例如蛋白质、核小体和病毒等等。

北京大学物理学院赵清教授课题组长期从事固态纳米孔电学技术检测单个分子的研究,在最新发表的一篇综述中总结并梳理了近年来固态纳米孔电学技术在蛋白质检测方面的关键技术问题和进展。通过分析当前研究现状并结合本实验室多年的实验研究,指出在实现固态纳米孔电学技术临床化道路上的四个主要问题(孔的制备、灵敏度、选择性和稳定性)以及当前学术界围绕这四个问题的解决方法。

第一个问题是孔的制备。快速、低成本和高通量地制备固态纳米孔是该技术得以临床化的核心。综述文章梳理了固态纳米孔制备方法的演化和创新,从氩离子束轰击到聚焦电子束刻蚀,最后到反馈控制的电击穿,说明固态纳米孔的制备逐渐向高效和低成本演化。第二个问题是孔的灵敏度。固态纳米孔电学技术的灵敏度是指根据电流信号分辨不同分子或单个分子不同构型的能力,文章总结了影响灵敏度的几个关键因素,例如分子的过孔时间、固态纳米孔的厚度以及固态纳米孔的直径,对灵敏度的影响。第三个问题是孔的选择性。选择性是固态纳米孔特异性识别非均一样品中某种蛋白的能力,该文章总结了“表面修饰法”和“DNA探针法”在提高固态纳米孔电学技术选择性上的潜力。最后,文章关注固态纳米孔在溶液环境中尺寸扩大的问题,即稳定性问题,指出稳定性是影响实验重复性的关键因素。相关综述论文发表在Wiley期刊Advanced Healthcare Materials上。(DOI: 10.1002/adhm.202000933)

固态纳米孔电学技术作为一种高灵敏,无需标记,高通量的单分子检测技术,在未来体外诊断领域有重要的应用前景,本综述旨在总结和梳理目前固态纳米孔电学技术中存在的主要问题和创新性的方案,带领读者全面深刻地了解固态纳米孔电学技术,吸引更多的研究者参与到此领域,从而推动该技术的发展。