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

       為了幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，提高測(cè)量的準(zhǔn)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(lái)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)了一種新方法，在最新一期的《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上報(bào)道了他們的發(fā)現(xiàn)。

       該團(tuán)隊(duì)通過(guò)制造形成細(xì)胞膜的人造生物材料，制造生物傳感器，被稱(chēng)為脂質(zhì)雙分子層，包含一個(gè)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(guò)納米孔，產(chǎn)生微小的電流。然而，當(dāng)分子進(jìn)入薄膜時(shí)，會(huì)部分阻礙電流的流動(dòng)。阻礙的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度就像指紋，識(shí)別特定分子的大小和性質(zhì)。 

       為了識(shí)別分子，科學(xué)家應(yīng)用一種稱(chēng)為納米孔的生物傳感器——薄膜上的小孔，可以讓液體通過(guò)。當(dāng)分子進(jìn)入孔內(nèi)時(shí)，它會(huì)部分阻礙電流的流動(dòng)，從而為研究人員提供一個(gè)識(shí)別分子的信號(hào)。為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，分子須在孔內(nèi)停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間。NIST的研究人員正應(yīng)用激光測(cè)量分子進(jìn)入和離開(kāi)納米孔時(shí)的能量，得到的信息可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)優(yōu)化的納米孔以檢測(cè)特定的分子。

       對(duì)大量的單個(gè)分子進(jìn)行精確的測(cè)量，所研究的分子必須在納米孔中停留一段既不太長(zhǎng)也不太短的時(shí)間，時(shí)間范圍從1億分之一秒到1萬(wàn)分之一秒不等。問(wèn)題是，如果納米孔以某種方式將大部分分子固定在一個(gè)位置上，那么在這段時(shí)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(lèi)型的分子而異，這對(duì)生物傳感器的高效和準(zhǔn)確工作至關(guān)重要。計(jì)算這個(gè)量需要測(cè)量與分子進(jìn)出孔時(shí)的能量相關(guān)的幾個(gè)特性。其目標(biāo)是測(cè)量分子與其環(huán)境之間的相互作用，是主要來(lái)自化學(xué)鍵，還是主要來(lái)自分子在捕獲和釋放過(guò)程中自由移動(dòng)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(cè)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(tuán)隊(duì)展示了一種快速、基于激光的加熱方法，來(lái)測(cè)量這些能量。

       測(cè)量須在不同的溫度下進(jìn)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(shí)間內(nèi)完成測(cè)量，而不需要30分鐘甚至更多。羅伯遜 Robertson說(shuō)“我們的經(jīng)驗(yàn)表明，如果沒(méi)有這類(lèi)基于激光的加熱工具，測(cè)量根本無(wú)法完成。這樣做既費(fèi)時(shí)又昂貴?！?/span>