纳米孔分析化学

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翻新时间：2015-09-09

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纳米孔分析化学

摘要：源于自然界，服务于人类社会的纳米尺度装置包括生物及人工制备的与纳米通道等。基于这些纳米尺度装置的简称。本文对的发展，特别是近年来在DNA测序、蛋白质分析的进展进行了综述，对于发展的历史、基本分类、原理和应用作了介绍与展望。

关键词：纳米通道；；单分子检测； DNA测序；综述

1引言

自20世纪70年代以来，随着光学、微机电加工（MEMS）、纳米科技等的飞速进展，已经发展了一些可以使工作者在单分子水平上探索生命体系的新工具。它们主要包括原子力显微镜（AFM）、基于荧光的技术、光磁镊等，这些技术已经可以使人们探讨生命体系的结构与功能。结合传统的分析技术（例如，X射线晶体学、NMR与凝胶电泳等），单分子技术已经在探索神秘的生命体系及其过程中（例如，DNA的复制、ATP的合成、不同物质穿越细胞等）展现了曙光[1]。

在的发展历程中，有几项工作是至关重要的。Coulter于20世纪40年代末提出了基于孔（Porebased）传感的概念，并发明了库尔特粒度仪（Coulter counter）[5]。库尔特粒度仪的测量原理相对简单（见图1a），将一个带有小孔（_SymbolmA@_m～mm）的绝缘膜分开两个电解质槽，分别插入两根电极后测量离子通过小孔时电导（电流）的变化。Coulter的发明不仅能够测定小的粒子，更重要的是可以对细胞进行分筛和计数，是历史上为数不多的、对于临床诊断与检测具有革命性意义的发明。

区域和放大器电容噪声大于40 kHz的区域。首先讨论1f区域，当无外加电压时噪声是平的，主要是由热扰动引起的；当有外加电压时噪声与频率的负二次方成正比。另外，1f的斜率值与离子穿越的流量有关。第二区域是高频区域，随着频率的增加，噪音增高。在该区域，膜电容主导电流噪音平方谱，随着测量频率带宽的增大，噪音增强。通常采用模拟或数字低通滤波器来减少高频带宽所引起的噪音，但同时，测量的时间分辨率将会受到较大影响，也会影响测量信号及掩蔽分子穿越的一些重要特性，特别是掩蔽DNA测序中的结构信息及单碱基分辨率。近年来，大量的工作在于改进分子穿越的信号质量，例如，通过改进支撑膜的物质的介电性质，优化屏蔽效果可以减小膜电容；优化的设计、选择适当的支持电解质和控制外加电压等均可改进测量信号。更加详细的有关噪音的工作可参考近期的一些工作及综述[16～19]。

在实验中涉及到3类分辨率，它们是相互有关的，但仍需要将它们进行区别。第一类是时间分辨率，通常是由取样速度，即受测量的最大频率带宽限制。例如，采用一个10 kHz的低通滤波器来收集实验的电流数据时，最大时间分辨率大约是50 s。第二类分辨率是电流幅值分辨率，它由每个数字化点所对应的电流决定的，依赖于放大器的门的设置。在用一种膜片钳放大器进行实验时，对于采用

12位的数字转化器在单位门（1 VnA）收集电流时，其电流分辨率约为1 pA。由于时间分辨率与频率带宽相关，而频率带宽确定所记录的电流的保真度，故两者是相关的。第三类分辨率是几何分辨率，较前两种容易定义，是由中最窄的部分所决定的。