摘要：源于自然界，服務(wù)于人類社會(huì)的納米尺度裝置包括生物及人工制備的與納米通道等?；谶@些納米尺度裝置的簡(jiǎn)稱。本文對(duì)的發(fā)展，特別是近年來(lái)在DNA測(cè)序、蛋白質(zhì)分析的進(jìn)展進(jìn)行了綜述，對(duì)于發(fā)展的歷史、基本分類、原理和應(yīng)用作了介紹與展望。

關(guān)鍵詞：納米通道； ； 單分子檢測(cè)； DNA測(cè)序； 綜述

1引言

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著光學(xué)、微機(jī)電加工（MEMS）、納米科技等的飛速進(jìn)展，已經(jīng)發(fā)展了一些可以使工作者在單分子水平上探索生命體系的新工具。它們主要包括原子力顯微鏡（AFM）、基于熒光的技術(shù)、光磁鑷等，這些技術(shù)已經(jīng)可以使人們探討生命體系的結(jié)構(gòu)與功能。結(jié)合傳統(tǒng)的分析技術(shù)（例如，X射線晶體學(xué)、NMR與凝膠電泳等），單分子技術(shù)已經(jīng)在探索神秘的生命體系及其過程中（例如，DNA的復(fù)制、ATP的合成、不同物質(zhì)穿越細(xì)胞等）展現(xiàn)了曙光[1]。

生物體內(nèi)存在各種各樣的及納米通道，它們是連接內(nèi)部與外部并進(jìn)行能量、物質(zhì)交換的途徑[2]?？茖W(xué)家們受細(xì)胞膜上離子通道的啟發(fā)制備了多種人工體系，例如蛋白與人工固態(tài)等， 不僅促進(jìn)了新型生物傳感器、納流控裝置、分子過濾設(shè)備、單分子檢測(cè)等方面的快速發(fā)展，而且極大地加快了第三代DNA測(cè)序研究的進(jìn)步[3]。目前主要是從這些裝置的形狀上區(qū)分和納米通道：被簡(jiǎn)單定義為直徑在1～100 nm之間，且直徑（d）≥其深度（l）的孔；如果孔的深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其直徑，則稱這種結(jié)構(gòu)為納米通道。目前已構(gòu)建的納米尺度裝置包括生物（通道）（由各類蛋白質(zhì)分子鑲崁在磷脂膜上組成）、固態(tài)（通道）（包括各種硅基材料、SiNx、碳納米管、石墨烯、玻璃納米管等）及上述兩類相結(jié)合的雜化（通道）?；谶@些納米尺度裝置的，均將其簡(jiǎn)稱為（Nanopore analytical chemistry）或分析學(xué)（Nanopore analytics）或?qū)W（Nanoporetics）?；诘膫鞲屑夹g(shù)可能是最年輕的單分子技術(shù)，該技術(shù)無(wú)需標(biāo)記、無(wú)需放大[4]。2簡(jiǎn)介

在的發(fā)展歷程中，有幾項(xiàng)工作是至關(guān)重要的。Coulter于20世紀(jì)40年代末提出了基于孔（Porebased）傳感的概念，并發(fā)明了庫(kù)爾特粒度儀（Coulter counter）[5]。庫(kù)爾特粒度儀的測(cè)量原理相對(duì)簡(jiǎn)單（見圖1a），將一個(gè)帶有小孔（_SymbolmA@_m～mm）的絕緣膜分開兩個(gè)電解質(zhì)槽，分別插入兩根電極后測(cè)量離子通過小孔時(shí)電導(dǎo)（電流）的變化。Coulter的發(fā)明不僅能夠測(cè)定小的粒子，更重要的是可以對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分篩和計(jì)數(shù)，是歷史上為數(shù)不多的、對(duì)于臨床診斷與檢測(cè)具有革命性意義的發(fā)明。

另外，1976年Neher和Sakamann采用微米玻璃管所發(fā)明的膜片鉗技術(shù)，測(cè)量膜電勢(shì)、研究膜蛋白及離子通道，對(duì)于研究進(jìn)程具有重要的意義，兩人于1991年獲得生理與醫(yī)學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)[6]。1977年Deblois和Bean采用徑跡蝕刻法使庫(kù)爾特粒度儀的孔徑縮小到亞微米，這樣可以檢測(cè)納米顆粒與病毒[7]。對(duì)于基于孔傳感概念的真正的第二次革命是1996年Kasianowicz等[8]采用從金黃色葡萄球菌分泌得到的崛苧兀ㄡHemolysin）鑲嵌于磷脂膜上，用于檢測(cè)單鏈DNA（ssDNA）（圖1b）。他們不僅將孔徑從靘（mm）降到nm級(jí)，而且將分析對(duì)象從細(xì)胞擴(kuò)展到離子與生物分子。另外，還引入了一個(gè)與化學(xué)緊密相關(guān)的問題 —— 納米尺度界面問題（所有分析物與或通道均有相互作用），突顯了化學(xué)的重要性。該工作不僅宣布了學(xué)（）的誕生，更重要的是它提供了快速、廉價(jià)DNA測(cè)序的可能性，使的研究得到了各國(guó)政府、各大公司及學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注與投入。2001年， 物理學(xué)家們也加入到的研究中，Golovchenko等[9]采用離子束在SiN薄膜上制備固態(tài)孔。其優(yōu)點(diǎn)顯而易見，主要是經(jīng)久耐用，易于集成化。近年來(lái)將生物與固態(tài)孔相結(jié)合，形成了雜化孔，有望結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)[10]；另外，還將玻璃納米管[11，12]，單層石墨烯用來(lái)制備[13]。的研究是典型的交叉學(xué)科研究，目前朝氣蓬勃、方興未艾[14，15]。圖2列出了一些目前研究中采用的。

區(qū)域和放大器電容噪聲大于40 kHz的區(qū)域。首先討論1f區(qū)域，當(dāng)無(wú)外加電壓時(shí)噪聲是平的，主要是由熱擾動(dòng)引起的；當(dāng)有外加電壓時(shí)噪聲與頻率的負(fù)二次方成正比。另外，1f的斜率值與離子穿越的流量有關(guān)。第二區(qū)域是高頻區(qū)域，隨著頻率的增加，噪音增高。在該區(qū)域，膜電容主導(dǎo)電流噪音平方譜，隨著測(cè)量頻率帶寬的增大，噪音增強(qiáng)。通常采用模擬或數(shù)字低通濾波器來(lái)減少高頻帶寬所引起的噪音，但同時(shí)，測(cè)量的時(shí)間分辨率將會(huì)受到較大影響，也會(huì)影響測(cè)量信號(hào)及掩蔽分子穿越的一些重要特性，特別是掩蔽DNA測(cè)序中的結(jié)構(gòu)信息及單堿基分辨率。近年來(lái)，大量的工作在于改進(jìn)分子穿越的信號(hào)質(zhì)量，例如，通過改進(jìn)支撐膜的物質(zhì)的介電性質(zhì)，優(yōu)化屏蔽效果可以減小膜電容；優(yōu)化的設(shè)計(jì)、選擇適當(dāng)?shù)闹С蛛娊赓|(zhì)和控制外加電壓等均可改進(jìn)測(cè)量信號(hào)。更加詳細(xì)的有關(guān)噪音的工作可參考近期的一些工作及綜述[16～19]。

在實(shí)驗(yàn)中涉及到3類分辨率，它們是相互有關(guān)的，但仍需要將它們進(jìn)行區(qū)別。第一類是時(shí)間分辨率，通常是由取樣速度，即受測(cè)量的最大頻率帶寬限制。例如，采用一個(gè)10 kHz的低通濾波器來(lái)收集實(shí)驗(yàn)的電流數(shù)據(jù)時(shí)，最大時(shí)間分辨率大約是50 靤。第二類分辨率是電流幅值分辨率，它由每個(gè)數(shù)字化點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流決定的，依賴于放大器的門的設(shè)置。在用一種膜片鉗放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)于采用

12位的數(shù)字轉(zhuǎn)化器在單位門（1 VnA）收集電流時(shí)，其電流分辨率約為1 pA。由于時(shí)間分辨率與頻率帶寬相關(guān)，而頻率帶寬確定所記錄的電流的保真度，故兩者是相關(guān)的。第三類分辨率是幾何分辨率，較前兩種容易定義，是由中最窄的部分所決定的。