纳米孔

纳米孔是纳米大小的孔。例如，它可能由孔隙形成蛋白或硅或石墨烯等合成材料上的空穴产生。

当纳米孔存在于电绝缘膜中时，它可以用作单分子探测器。它可以是高电阻脂质双层中的生物蛋白质通道，固态膜中的孔隙或这些孔隙——在合成膜中设置的蛋白质通道。检测原理基于监测电压通过纳米孔的离子电流，因为电压通过薄膜。当纳米孔具有分子尺寸时，分子（例如DNA）的通过会导致“开放”电流水平的中断，导致“易位事件”信号。例如，RNA或单链DNA分子通过膜嵌入的α溶血素通道（直径1.5纳米）会导致电流阻塞约90%（以1 M KCl溶液测量）。

它可以被认为是小得多粒子的库尔特计数器。

• 纳米孔可能由形成孔的蛋白质形成，通常是一个穿过蘑菇状蛋白质分子的空心核心。毛孔形成蛋白的例子有α溶血素、溶氧蛋白和MspA孔蛋白。在典型的实验室纳米孔实验中，将单个蛋白质纳米孔插入脂质双层膜，并进行单通道电生理测量。从噬菌体中提取了新的孔隙形成蛋白，用于研究用作纳米孔隙。这些孔洞的选择通常是因为它们的直径高于2纳米，即双链DNA的直径。
• 较大的纳米孔直径可达20纳米。这些孔允许氧气、葡萄糖和胰岛素等小分子通过，但它们阻止免疫红蛋白等大型免疫系统分子通过。例如，大鼠胰腺细胞被微胶囊化，它们通过纳米孔从邻近环境（即外来细胞）完全分离的纳米孔接收营养并释放胰岛素。这些知识可以帮助被收获的小猪细胞取代胰腺（负责生产胰岛素）中不起作用的兰格汉斯细胞。它们可以植入人体皮肤下，而不需要免疫抑制剂，而免疫抑制剂会使糖尿病患者面临感染风险。

• 固态纳米孔一般采用硅复合膜制造，其中最常见的是氮化硅。第二种广泛使用的固态纳米孔是通过激光辅助拉动玻璃毛细管制造的玻璃纳米孔。固态纳米孔可以通过几种技术制造，包括离子束雕刻和电子束。

• 最近，人们探索了使用石墨烯作为固态纳米孔传感的材料。固态纳米孔的另一个例子是盒形石墨烯（BSG）纳米结构。BSG纳米结构是一个多层系统，由平行的空心纳米通道组成，位于表面，具有四截面。通道壁的厚度大约等于1纳米。通道面的典型宽度约为25纳米。
• 制造了尺寸可调的弹性纳米孔，可以准确测量纳米颗粒，因为它们遮挡了离子电流的流动。这种测量方法可用于测量各种粒子类型。与固态孔隙的局限性相反，它们允许通过将孔隙大小与颗粒大小紧密匹配来优化相对于背景电流的电阻脉冲大小。当逐个粒子进行检测时，可以确定真正的平均和多色散分布。 利用这一原理，伊松科学有限公司开发了世界上xxx可商用可调纳米孔隙粒子检测系统。箱形石墨烯（BSG）纳米结构可以作为构建孔径变化的设备的基础。

观察到包含不同碱基的DNA传递链与当前值的变化相对应，这导致了纳米孔测序的发展纳米孔测序可以与上一节所述的细菌纳米孔以及牛津纳米孔技术创建的纳米孔测序设备发生。

从根本角度来看，DNA或RNA的核苷酸是根据链进入孔隙时电流的变化来识别的。牛津纳米孔技术用于纳米孔DNA测序标记的DNA样品的方法被加载到纳米孔内的流单元中。DNA片段被引导到纳米孔，并开始螺旋的展开。当未缠绕的螺旋穿过纳米孔时，它与电流值的变化有关，电流值以每秒千次为单位测量。纳米孔分析软件可以为检测到的每个碱基提取这个交流值，并获得由此产生的DNA序列。与使用生物纳米孔类似，由于对系统施加恒定电压，可以观察到交流电。当DNA、RNA或肽进入孔隙时，可以通过这个系统观察到电流的变化，这是被识别单体的特点。

离子电流整流（ICR）是纳米孔隙的一个重要现象。离子电流整流也可以用作药物传感器，并用于研究聚合物膜中的电荷状态。

除了快速的DNA测序外，其他应用包括分离溶液中的单链和双链DNA，以及聚合物长度的测定。在这个阶段，纳米孔洞正在为理解聚合物生物物理学、DNA-蛋白质相互作用的单分子分析以及肽测序做出贡献。当涉及肽测序时，像溶血素这样的细菌纳米孔可以应用于RNA、DNA和最近的蛋白质测序。例如，当应用于合成具有相同甘氨酸-脯氨酸-脯氨酸重复的肽的研究，然后进行纳米孔隙分析，就可以获得准确的序列。这也可用于识别基于分子间离子相互作用的肽立体化学差异。了解这一点也有助于更多数据充分了解其环境中肽的序列。使用另一种细菌衍生的纳米孔，一种溶氧素纳米孔，在识别肽内残留物方面表现出类似的能力，也表明即使在宣布的“非常纯”的蛋白质样本中也能识别毒素，同时表现出在不同pH值上的稳定性。细菌纳米孔的使用的一个限制是准确检测到短至六个残留物的肽，但随着带负电荷的肽更大，会产生更多不代表分子的背景信号。