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(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>