NIST研究人員用了30多年的時間開發(fā)和研究能夠識別單分子的微型生物傳感器。5到10年后，當這種設(shè)備成為醫(yī)生辦公室的主要設(shè)備時，可以檢測癌癥和其他疾病的分子標志物，并評估治療這些疾病的藥物治療的有效性。

       為了幫助實現(xiàn)這一目標，提高測量的準確性和速度，科學(xué)家們必須找到更好地理解分子如何與這些傳感器相互作用的方法。來自國家標準與技術(shù)研究院(NIST)和弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)(VCU)的研究人員現(xiàn)在開發(fā)了一種新方法，在最新一期的《科學(xué)進展》（Science Advances）期刊上報道了他們的發(fā)現(xiàn)。

       該團隊通過制造形成細胞膜的人造生物材料，制造生物傳感器，被稱為脂質(zhì)雙分子層，包含一個直徑約2納米(十億分之一米)的微小孔，被液體包圍。溶解在液體中的離子通過納米孔，產(chǎn)生微小的電流。然而，當分子進入薄膜時，會部分阻礙電流的流動。阻礙的持續(xù)時間和強度就像指紋，識別特定分子的大小和性質(zhì)。 

       為了識別分子，科學(xué)家應(yīng)用一種稱為納米孔的生物傳感器——薄膜上的小孔，可以讓液體通過。當分子進入孔內(nèi)時，它會部分阻礙電流的流動，從而為研究人員提供一個識別分子的信號。為了得到準確的測量結(jié)果，分子須在孔內(nèi)停留足夠長的時間。NIST的研究人員正應(yīng)用激光測量分子進入和離開納米孔時的能量，得到的信息可以幫助科學(xué)家設(shè)計優(yōu)化的納米孔以檢測特定的分子。

       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，時間范圍從1億分之一秒到1萬分之一秒不等。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，那么在這段時間內(nèi)，大多數(shù)分子只能待在納米孔的小體積中。這意味著納米孔環(huán)境必須提供一定的屏障。例如，增加靜電力或改變納米孔的形狀，使分子更難逸出。 

       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(guān)重要。計算這個量需要測量與分子進出孔時的能量相關(guān)的幾個特性。其目標是測量分子與其環(huán)境之間的相互作用，是主要來自化學(xué)鍵，還是主要來自分子在捕獲和釋放過程中自由移動的能力。

      到目前為止，由于技術(shù)原因，提取這些高能組分的可靠測量方法一直缺失。在新的研究中，由NIST Joseph Robertson和VCU的Joseph Reiner共同領(lǐng)導(dǎo)的團隊展示了一種快速、基于激光的加熱方法，來測量這些能量。

       測量須在不同的溫度下進行，而激光加熱系統(tǒng)確保這些溫度迅速變化、可復(fù)現(xiàn)。研究人員可以在不到2分鐘的時間內(nèi)完成測量，而不需要30分鐘甚至更多。羅伯遜 Robertson說“我們的經(jīng)驗表明，如果沒有這類基于激光的加熱工具，測量根本無法完成。這樣做既費時又昂貴?！?/span>