纳米孔道单分子电化学测量仪器的稳定性研究

纳米孔道分析技术是一种基于电化学空间限域效应的单分子检测技术。测量纳米孔道产生的单分子皮安级微弱电流信号对电化学测量仪器的电流分辨、时间分辨和抗噪音能力提出了挑战。Cube纳米孔道电化学测量仪器通过设计频率补偿电路、前置电流放大器测量系统和基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的高速数字处理电路,实现了便携式超灵敏电化学测量仪器对微弱电流信号的高时间分辨、高电流分辨,以及低噪音的放大、采集和快速处理。稳定性是仪器能够应用于实际单分子测量分析的重要衡量指标之一。该文通过高阻值电阻对该仪器进行稳定性测试,在截止滤波频率为5、10、100 kHz条件下,Cube纳米孔道仪器获取的电流基线的噪音均方根(RMS)值分别比商品化仪器减小了80.0%、87.5%、48.2%,证明Cube纳米孔道仪器抑制噪音能力更强,电流分辨能力更好,仪器测量稳定性更佳。进一步通过统计比较施加电压值的实际值和标准偏差,结果显示该仪器施加电压误差小,其仪器施加电压标准偏差仅为施加电压变化量(10 mV)的0.14%。同时,通过Aerolysin纳米孔道检测Poly(dA)₄的实验,对比Cube仪器和...     

单分子电泳:纳米孔道电化学的新认识

该文旨在从电泳分离技术的角度认识纳米孔道电化学单分子分析技术,这种技术可以作为"单分子电泳"来理解和研究。纳米孔道电化学单分子分析技术与电泳的本质都是采用外加电场使待测分子产生电迁移。待测分子性质不同,且与介质材料孔道外露基团相互作用不同,使得分子移动速度具有差异,据此实现分离识别。气单胞菌溶素(Aerolysin)纳米孔道,由于其孔径与待测分子尺寸相匹配,其孔道内壁可以看作是由氨基酸组成的具有调控单个分子电迁移能力的特异性孔道界面。每一个氨基酸残基都相当于一个探测单元,在电场力的作用下,待测分子逐一进入孔道时与每一个探测单元相互作用方式、程度与时长不同,从而形成了单个待测分子特征的迁移速度和迁移运动轨迹。在纳米孔道实验中,每秒可以有上千个待测分子穿过孔道,产生特征阻断电流信号。通过对这些信号的阻断电流、阻断时间、阻断频率、信号特征等进行统计分析,可以从"单分子电泳"水平对单个待测物实现高通量的分辨和识别。该文以Aerolysin纳米孔道分辨仅有一个核苷酸差异的寡聚核苷酸(5′-CAA-3′、5′-CAAA-3′、5′-CAAAA-3′)为例,详细阐述了纳米孔道"单分子电泳"的单核苷酸...     

纳米孔道单分子电化学测量的低噪音控温系统研究

纳米孔道检测技术是一种利用单个分子测量界面实现在单分子水平上测量DNA、RNA、蛋白、多肽等生物分子的高灵敏的单分子检测技术. 由于单个分子与纳米孔道的相互作用受热力学控制,亟需精准控制纳米孔道单分子分析的实验温度. 因此,本文研制了一种低噪音控温系统用于具有皮安级电流分辨的纳米孔道单分子实验,以实现精确调控测量时的环境温度. 该系统利用半导体制冷片的热电效应对检测池环境加热/制冷,通过对高精度热敏电阻进行电磁屏蔽以实现在温度反馈的同时避免噪音的引入. 利用比例-积分-微分算法进行控制,达到高精度快速控温的要求. 该系统控温精度为±1 °C,无额外噪音引入至超灵敏纳米孔道单分子测量,获得了25 °C到5 °C下Poly(dA)5与单个气单胞菌溶素（Aerolysin）分子界面间作用产生信号的差异,应用于研究单分子与纳米孔道相互作用的热力学行为.     

用于纳米孔道分析的四通道电化学传感器设计与仿真

纳米孔道技术是一种基于空间限域的超灵敏的单分子分析技术.通过研究单个分子限域于纳米孔道中所产生的离子电流的变化,可在单分子尺度上获取其结构、尺寸、电性及与孔道间弱相互作用的信息.目前主要应用的纳米孔道测量仪器单次实验仅能测量单个纳米孔道,其检测通量较低.本文基于实验室前期自主设计研制的单通道纳米孔道测量仪器Cube-D2上,比较研究了两种互阻放大器的测量特性,从而选择了合适的测量电路设计了四通道电化学传感器放大电路.进一步通过仿真验证了四通道电化学传感器设计方案的可行性,为阵列化高通量纳米孔道单分子电化学测量仪器的设计提供了理论基础.     

Aerolysin纳米孔道对寡聚核苷酸的高灵敏单分子检测

自纳米孔道单分子电化学技术提出以来,为了构建性能良好的纳米孔道,研究人员一直在寻找不同的孔道材料. 本研究探索了Aerolysin生物纳米孔道在寡聚核苷酸检测方面的可能性. 实验结果表明,与常用的α-溶血素纳米孔道相比,Aerolysin纳米孔道在寡聚核苷酸检测方面表现出更强的空间和时间分辨能力. 三个碱基长度的寡聚核苷酸可对Aerolysin纳米孔道造成约为40%的电流阻断. 阻断时间表现出电压相关性,随电压的升高而减小. 与其他生物纳米孔道相比,Aerolysin纳米孔道无需任何基因突变、化学修饰即可实现对单个寡聚核苷酸的超灵敏分析. 未来,Aerolysin纳米孔道将有可能应用于DNA损伤检测、microRNA分析以及其他基于纳米孔道的单分子分析检测.     

基于石英纳米孔道的单颗粒尺寸分布分析

发展了一种基于石英纳米孔道的单颗粒电化学动态分析方法, 用于单个CdSe/ZnS量子点纳米颗粒的尺寸分布分析. 其机制是向石英纳米孔道两端施加电压, 表面带有正电荷的单个CdSe/ZnS量子点纳米颗粒在电场力驱动下由管内向管外运动, 当量子点纳米颗粒穿过纳米孔道尖端狭小的限域空间时, 其表面正电荷使石英纳米孔道内电荷密度增加, 孔道内的电化学限域效应进一步将电荷密度增加的信息放大并转变为可读的离子流增强信号. 通过对动态离子流信号解析可实时获取具有2种不同尺寸的量子点纳米颗粒所导致的2类过孔事件信息, 从而对在限域空间内运动的纳米颗粒进行尺寸分布分析.     

Aerolysin蛋白纳米孔道直接检测单个DNA碱基修饰

基于Aerolysin生物膜通道蛋白的纳米孔道电化学分析技术,因其高的电化学空间限域能力可实现超灵敏DNA单分子检测。本文利用单个Aerolysin纳米孔道在无需标记、无需扩增的条件下直接分辨3种具有单个碱基差异的单链DNA。实验结果显示,具有单个炔基侧链基团修饰的单个ss DNA在限域空间内与Aerol-ysin纳米孔道的相互作用时间较未修饰的ss DNA增长近7倍,电流阻断程度增大7%,且高斯峰半峰宽减小了44%,增强了Aerolysin纳米孔道对单个DNA分子的分辨能力。研究成果有望推动Aerolysin纳米孔在DNA直接测序及表观遗传修饰检测中的应用。     

生物纳米孔道技术在非基因测序方面的研究与应用

纳米孔道分析技术是一种低成本、快速、无需标记的单分子检测技术,仅有20多年的发展历史,在DNA单分子测序领域展示出较好的应用前景,现已有商业化的产品面世且趋于成熟.越来越多的研究表明,纳米孔可作为一个通用的单分子传感器.本文综述了生物纳米孔道分析技术对蛋白质、多肽和核酸等单个分子与孔道间相互作用、动力学和热力学过程的实时监测以及多种生物大分子和金属离子的定量检测等方面的研究进展.在纳米孔技术中,电化学检测系统也十分重要,本文还特别介绍了高带宽及超低电流分辨仪器和相关软件的相关进展.     

纳米孔道单分子检测结直肠癌MicroRNAs

MicroRNA（miRNA）可用于癌症的早期诊断、预后判断,其分析检测具有重要临床意义.结直肠癌的发生、发展与miRNA 21、miRNA 92等的异常表达明显相关.本研究设计了以poly（dT）_n为引导链的DNA探针（probe）并尝试使用α-溶血素（α-HL）纳米孔道单分子检测方法检测结直肠癌miRNAs.miRNA·probe复合物分子穿过α-HL纳米孔道限域空间时,由于probe链长、序列不同导致probe-α-HL相互作用不同,miRNA 92·probe 92、miRNA 21·probe 21、miRNA 16·probe 16输出为形态、阻断时间不同的多台阶特征信号,实现了三种miRNAs的有效区分.实验证明,此方法可以用于检测血清实际样品.因此,未来有望使用α-HL构建miRNA超灵敏单分子生物传感器.     

Aerolysin单分子界面的构建及高选择性单分子检测

提出了一种基于Aerolysin膜蛋白质分子构建单分子界面的方法, 运用蛋白质工程技术对单分子界面进行定点修饰, 所建立方法灵活、 可控且重复性好. 采用Poly(dA)₄为探针分子对修饰后的单分子界面进行了表征, 结果表明, 在孔口处的Arginine修饰影响了寡聚核苷酸的选择性. 为进一步理解Aerolysin单分子界面及合理设计功能性单分子界面提供了参考.     

固态纳米孔对蛋白质易位的实验研究

蛋白质因其多样性和功能性,是生物体内一类非常重要的分子.通常蛋白质的表征需要借助荧光或者酶的标记.而纳米孔技术,得益于免标记、单分子检测等优势,为蛋白质的表征提供了新方向.我们使用固态纳米孔完成了单个蛋白质分子及蛋白质-蛋白质结合物的检测.可以发现,外部电压和电解质溶液的酸碱度会直接影响蛋白质分子表面带电量,从而加快或延迟其在孔内的易位时间.抗原、抗体本质上都是蛋白质,两者之间具有高度特异性.通过比较抗体溶液在添加特异性抗原前后的易位事件,实现了单个蛋白质分子和蛋白质-蛋白质结合物的区分.未来,纳米孔技术有望应用于多蛋白质分子的辨识、蛋白质分子相互作用机制等方面的研究.     

Single-Molecule Sensing of Acidic Catecholamine Metabolites Using a Programmable Nanopore

Acidic catecholamine metabolites, which could serve as diagnostic markers for many diseases, demonstrate an importance of accurate sensing. However, they share a highly similar chemical structure, which is a challenge in the design of sensing strategies. A nanopore may be engineered to sense these metabolites in a single molecule manner. To achieve this, a recently developed programmable nano-reactor for stochastic sensing (PNRSS) technique adapted with a phenylboronic acid (PBA) adaptor was applied. Three acidic catecholamine metabolites, including 3,4-dihydroxyphenylacetic acid (DOPAC), 3,4-dihydroxymandelic acid (DHMA) and 3-methoxy-4-hydroxymandetic acid (VMA) were investigated by PNRSS. Specifically, DHMA, which contains an α-hydroxycarboxylate moiety and an adjacent cis-hydroxyl groups on its benzene ring, reports two binding modes simultaneously resolvable by PNRSS. Assisted with the high resolution of PNRSS, direct regulation of these two binding modes by pH can also be observed. A custom machine learning algorithm was also developed to achieve automatic event classification.     

生物纳米孔分析技术研究进展

生物纳米孔传感技术因其快速、低成本、无需荧光标记等优点,在化学和生物等诸多研究领域得到广泛应用,已发展成为一种新颖的、独具特色的单分子分析手段。该技术目前主要应用于DNA测序研究,同时在单分子分析领域也取得了令人瞩目的成就。该文简要介绍了生物纳米孔分析技术的原理和生物孔的种类,主要总结了近20年来生物纳米孔在DNA测序和单分子分析中的研究进展并予以了展望。     

Access to Heteroleptic Fluorido‐Cyanido Complexes with a Large Magnetic Anisotropy by Fluoride Abstraction

Silicon‐mediated fluoride abstraction is demonstrated as a means of generating the first fluorido‐cyanido transition metal complexes. This new synthetic approach is exemplified by the synthesis and characterization of the heteroleptic complexes, trans‐[M^IVF₄(CN)₂]^2? (M=Re, Os), obtained from their homoleptic [M^IVF₆]^2? parents. As shown by combined high‐field electron paramagnetic resonance spectroscopy and magnetization measurements, the partial substitution of fluoride by cyanide ligands leads to a marked increase in the magnetic anisotropy of trans‐[ReF₄(CN)₂]^2? as compared to [ReF₆]^2?, reflecting the severe departure from an ideal octahedral (O_h point group) ligand field. This methodology paves the way toward the realization of new heteroleptic transition metal complexes that may be used as highly anisotropic building‐blocks for the design of high‐performance molecule‐based magnetic materials.     

氢氧化钴纳米棒的室温固相化学合成及其表征

一维或准一维纳米结构体系或纳米材料的研究,既是研究其他低维材料的基础,又与纳米电子器件及微型传感器密切相关,是近年来国内外研究的前沿.尽管有许多合成一维纳米材料的方法[1～4],但是这些方法往往各有其局限性且大多需要多个步骤,操作复杂,条件苛刻.因此,寻找反应条件温和,易于操作,适用范围广,一步就能制备一维纳米材料的新方法尤为重要.     

Experimental Determination of Magnetic Anisotropy in Exchange-Bias Dysprosium Metallocene Single-Molecule Magnets

We investigate a family of dinuclear dysprosium metallocene single-molecule magnets (SMMs) bridged by methyl and halogen groups [Cp′₂Dy(μ-X)]₂ (Cp′=cyclopentadienyltrimethylsilane anion; 1 : X=CH₃⁻; 2 : X=Cl⁻; 3 : X=Br⁻; 4 : X=I⁻). For the first time, the magnetic easy axes of dysprosium metallocene SMMs are experimentally determined, confirming that the orientation of them are perpendicular to the equatorial plane which is made up of dysprosium and bridging atoms. The orientation of the magnetic easy axis for 1 deviates from the normal direction (by 10.3°) due to the stronger equatorial interactions between Dy^III and methyl groups. Moreover, its magnetic axes show a temperature-dependent shifting, which is caused by the competition between exchange interactions and Zeeman interactions. Studies of fluorescence and specific heat as well as ab initio calculations reveal the significant influences of the bridging ligands on their low-lying exchange-based energy levels and, consequently, low-temperature magnetic properties.     

Nanoparticle‐Loaded Cylindrical Micelles from Nanopore Extrusion of Block Copolymer Spherical Micelles

Hybrid cylindrical micelles loaded with nanoparticles are fabricated via extrusion of spherical micelles in solution phase through small long cylindrical pores. Small gold nanoparticles (AuNPs) are pre‐coated with thiol‐terminated polystyrene and then further encapsulated in the core part of block copolymer spherical micelles by a precipitation method. By varying the starting mass ratio of AuNPs and the diblock copolymers polystyrene‐b‐polyisoprene (PS‐b‐PI) during the encapsulation, the AuNPs loading density along the cylindrical micelles can be controlled. The mechanism for this sphere‐to‐cylinder transition induced by extruding hybrid spherical micelles through small cylindrical nanopores is discussed. These findings provide a novel way to manufacture high‐quality and functional polymeric nano­wires, which may open the door to new applications such as in plasmonic waveguides.

     

A 30 nm Nanopore Electrode: Facile Fabrication and Direct Insights into the Intrinsic Feature of Single Nanoparticle Collisions

Clarifying the hidden but intrinsic feature of single nanoparticles by nanoelectrochemistry could help understand its potential for diverse applications. The uncontrolled interface and bandwidth limitation in the electrochemical measurement put the obstacle in single particle collision. Here, we demonstrate a well‐defined 30 nm nanopore electrode with a rapid chemical‐electrochemical fabrication method which provides a high reproducibility in both size and performance. A capacitance‐based detection mechanism is demonstrated to achieve a high current resolution of 0.6 pA ±0.1 pA (RMS) and a high the temporal resolution of 0.01 ms. By utilizing this electrode, the dynamic interactions of every single particle in the mixture could be directly read during the collision process. The collision frequency is two orders of magnitude higher than previous reports, which helps reveal the hidden features of nanoparticles during the complex and multidimensional interaction processes.