據外媒報導，研究人員花費了30多年的時間開發和研究能識別單分子的微型生物傳感器。5到10年後，當這種設備成為醫生辦公室的主要設備時，它們就可以檢測癌症和其他疾病的分子標記並評估治療這些疾病的藥物治療的有效性。

為了幫助實現這一目標並提高測量的準確性和速度，科學家們必須找到更好地理解分子如何跟這些傳感器相互作用的方法。來自美國國家標準與技術研究所(NIST)和弗吉尼亞聯邦大學(VCU)的研究人員現在合作開發了一種新方法。他們在最近一期的《Science Advances》上報告了他們的發現。

該團隊通過製造形成細胞膜的生物材料的人造版本來製造生物傳感器，其被稱為脂質雙分子層，包含一個直徑約2納米的微小孔、被液體包圍。溶解在液體中的離子通過納米孔產生微小的電流。然而當一個感興趣的分子進入薄膜時它會部分阻礙電流的流動。這種封鎖的持續時間和強度就像指紋，能識別特定分子的大小和性質。

為了對大量的單個分子進行精確的測量，所研究的分子必須在納米孔中停留一段既不太長也不太短的時間，時間範圍從100萬分之一秒到10萬分之一秒不等。問題是，如果納米孔以某種方式將大部分分子固定在一個位置上，那麼在這段時間內，大多數分子只能呆在納米孔的小體積中。這意味著納米孔環境必須提供一定的屏障–例增加靜電力或改變納米孔的形狀–使分子更難逃脫。

突破屏障所需的最小能量因不同類型的分子而異，這對生物傳感器的高效和準確工作至關重要。計算這個量需要測量跟分子進出孔時的能量相關的幾個特性。

關鍵的是，其目標是測量分子跟其環境之間的相互作用主要來自化學鍵還是來自分子在捕獲和釋放過程中擺動和自由移動的能力。

截止到目前，由於一些技術原因，提取這些高能成分的可靠測量方法一直缺失。在這項新的研究中，由NIST的Joseph Robertson和VCU的Joseph Reiner共同領導的團隊展示了用一種快速、基於激光的加熱方法來測量這些能量的能力。

測量必須在不同的溫度下進行，而激光加熱系統確保這些溫度變化發生迅速和重複。這使得研究人員可以在不到2分鐘的時間內完成測量，而不是需要30分鐘甚至更長時間。

“沒有這種基於激光的加熱工具，我們的經驗表明，測量根本無法完成；這樣做既費時又費錢。”Robertson說道，“從本質上講，我們已經開發了一種工具，它可能會改變納米孔傳感器的開發管道從而迅速減少傳感器發現過程中的猜測。”

一旦能量測量完成，它們就可以幫助揭示分子是如何跟納米孔相互作用的。科學家可以利用這些信息來確定檢測分子的最佳策略。

帶著這個目標，研究人員使用兩個小肽展示了這種方法，這兩個短鏈化合物構成了蛋白質的積木。其中一種肽–血管緊張素，用於穩定血壓。另一種肽–神經緊張素，幫助調節多巴胺–一種影響情緒的神經遞質也可能在結腸直腸癌中發揮作用。這些分子主要通過靜電力跟納米孔相互作用。研究人員將帶有帶電物質的金納米顆粒插入到納米孔中，這種帶電物質可以增強跟分子之間的靜電相互作用。

團隊還檢測了另一種分子–聚乙二醇，它的移動能力決定了它在納米孔中停留的時間。通常情況下，這種分子可以自由擺動、旋轉和伸展且不受環境的阻礙。為了增加分子在納米孔中的停留時間，研究人員改變了納米孔的形狀從而使分子更難擠過微小的空腔並離開。

Robertson說道：“我們可以利用這些變化來建造一個專門用於檢測特定分子的納米孔生物傳感器。”最終，研究實驗室可以使用這種生物傳感器來識別感興趣的生物分子，或醫生辦公室也可以使用這種設備來識別疾病標記物。

Robertson表示：“無論是通過幾何結構或化學或兩者的結合來定制一個納米孔傳感器以檢測特定的分子、計數小分子或兩者，我們的測量為我們如何修改孔隙的相互作用提供了藍圖。 ”