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納米孔傳感技術(shù)的應(yīng)用研究意義非凡
2014-6-17 閱讀(1470)
納米孔傳感技術(shù)的應(yīng)用研究意義非凡
20世紀(jì)90年代中期，一種新興的分析手段—納米孔傳感技術(shù)開始發(fā)展。如今，納米孔傳感技術(shù)已經(jīng)成為化學(xué)和生物領(lǐng)域里一種新型的、重要的、潛力的分析檢測(cè)手段。中國(guó)科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳海臣的研究正是圍繞該領(lǐng)域開展的。“納米孔能夠應(yīng)用在DNA測(cè)序研究，單分子檢測(cè)，單分子化學(xué)反應(yīng)及蛋白質(zhì)折疊等領(lǐng)域中，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價(jià)值。”吳海臣介紹說。
吳海臣，2001年獲得北京大學(xué)有機(jī)化學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，2002年~2005年在英國(guó)劍橋大學(xué)攻讀有機(jī)化學(xué)專業(yè)博士，2005年~2008年在英國(guó)牛津大學(xué)進(jìn)行化學(xué)生物學(xué)博士后研究。2009年初加入中國(guó)科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要圍繞納米孔單分子分析檢測(cè)開展研究，相關(guān)成果發(fā)表在Nature Nanotechnology， Nature Communications， JACS， Analytical Chemistry等*期刊上。
構(gòu)建新型納米孔傳感器
納米孔傳感技術(shù)是zui近20年發(fā)展起來的一種嶄新技術(shù)。納米孔，顧名思義，指的是孔徑尺寸在納米尺度的孔道，通常為1~100納米。生物體內(nèi)的水通道、離子通道等均屬于納米孔。
“其工作原理是在納米孔兩端施加一個(gè)外加電場(chǎng)，通過監(jiān)測(cè)電解液流經(jīng)納米孔時(shí)的微弱電流（皮安級(jí)）信號(hào)變化—包括變化頻率、幅度和指紋性信號(hào)—來判斷穿越納米孔的離子或分子的濃度、帶電情況和結(jié)構(gòu)特征等。”吳海臣介紹，“目前，基于納米孔的傳感器主要分為兩類，一類是生物源的蛋白納米孔家族，包括金黃色葡萄球菌α-溶血毒素、恥垢分枝桿菌毒素蛋白以及噬菌體phi29連接器馬達(dá)蛋白等；另一類是以人工材料制備的固態(tài)納米孔，包括無機(jī)的硅、氮化硅、石墨烯以及有機(jī)的高分子薄膜均可用來制備納米孔。由于這兩類納米孔各有優(yōu)缺點(diǎn)，科學(xué)家們一直致力于構(gòu)建不同材料和性質(zhì)的新型納米孔傳感器。”
吳海臣對(duì)納米孔的研究從博士后時(shí)就開始了，在牛津大學(xué)期間，吳海臣跟隨導(dǎo)師Hagan Bayley教授（英國(guó)*科學(xué)院院士，納米孔領(lǐng)域的建立者之一）進(jìn)行納米孔研究。回國(guó)后他發(fā)現(xiàn)，由于是新興領(lǐng)域，納米孔具有很大的研究空間和潛在價(jià)值，而國(guó)內(nèi)研究的人很少。于是，他開始把納米孔單分子分析檢測(cè)技術(shù)作為自己的主要研究方向。
近幾年，在國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部“973項(xiàng)目”和中科院的支持下，吳海臣團(tuán)隊(duì)將直徑1~2nm，長(zhǎng)度5~10nm的超短單壁碳納米管穩(wěn)定地插入到磷脂雙層膜中構(gòu)建了一種新型基于超短碳納米管的納米孔傳感器。該項(xiàng)研究進(jìn)一步推動(dòng)了納米孔單分子檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，為碳納米管內(nèi)腔的離子，分子的輸運(yùn)行為研究提供了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。相關(guān)成果發(fā)表在Nature Communications上。
意義重大，前景可期
作為新興領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)鮮有人研究，那么，納米孔技術(shù)有著怎樣的應(yīng)用前景？是否值得我們投入精力？
納米孔目前zui重大的應(yīng)用是DNA測(cè)序研究。*代基因測(cè)序方法歷時(shí)12年、耗資數(shù)十億美元，高昂的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本令人望而生畏。如今將納米孔運(yùn)用到DNA測(cè)序，大大節(jié)約了測(cè)序成本。“我的博士后導(dǎo)師正在開展此項(xiàng)研究，目前已研制出樣機(jī)，檢測(cè)一個(gè)人的基因組DNA僅需1000美元左右。這是一項(xiàng)非?？上驳倪M(jìn)展。”吳海臣說。
與此同時(shí)，吳海臣坦言，目前國(guó)內(nèi)納米孔領(lǐng)域的研究水平與國(guó)外相比，差距還很大，不過他相信，隨著時(shí)間的推移以及科研人員的不懈努力，國(guó)內(nèi)也可以做得很好。而他和團(tuán)隊(duì)后續(xù)的工作仍將圍繞納米孔的分析和檢測(cè)開展。“在今后的研究中，我們將一方面完善納米孔傳感技術(shù)本身，一方面跟其他技術(shù)相結(jié)合發(fā)展新技術(shù)。先做好基礎(chǔ)研究，再逐漸地功能化，將其應(yīng)用到DNA測(cè)序、癌癥的早期檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)等方面，爭(zhēng)取能夠更好地與國(guó)家重大需求結(jié)合。”吳海臣信心滿滿地說，“盡管目前在實(shí)際樣品檢測(cè)中應(yīng)用尚少，但隨著納米孔檢測(cè)體系的不斷完善以及與其他傳感技術(shù)的交叉融合，在未來的10年內(nèi)納米孔傳感技術(shù)將迎來一個(gè)高速發(fā)展的黃金期。”
納米孔傳感技術(shù)的應(yīng)用研究意義非凡
