组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
DNA（dsDNA/ssDNA）、RNA、蛋白质（BSA、纤维蛋白原、IgG、卵白蛋白、β-hCG）、蛋白-DNA复合物（RecA-dsDNA、限制性内切酶-dsDNA）；样品基质为KCl电解液/缓冲溶液
检测原理
固态纳米孔膜分隔两电解液腔，Ag/AgCl电极施加偏压形成离子电流。带电生物分子在孔口强电场下转位，阻塞孔体积并减少离子传输，产生瞬时电流下降；阻塞幅度、持续时间和电荷量反映分子尺寸、电荷与构象。孔壁修饰bait蛋白或目标DNA预结合PNA/抗体后，识别事件改变转位特征，可区分序列、蛋白-DNA复合物或蛋白-蛋白结合。隧穿电极与孔对齐时，DNA通过间隙产生量子隧穿电流，电导随碱基电子结构变化，提供亚纳米分辨。石墨烯膜缩短孔道，TiO2降低电容噪声；脂质双分子层可嵌入受体并预浓缩蛋白。浓度升高使转位/结合事件频率增加。本文未采用HCR、RCA或酶催化沉积等放大策略。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
固态纳米孔可区分ssDNA与dsDNA、折叠与展开RNA，并依据电流阻塞估计BSA和纤维蛋白原尺寸。RecA-dsDNA局部检测空间分辨约8 nm；限制性内切酶结合特定dsDNA与突变序列呈现不同电压阈值。IgG-β-hCG结合未直接观察到复合体转位，但IgG转位频率随β-hCG浓度下降，显示剂量响应。隧穿电流可区分单个DNA碱基及甲基化/非甲基化胞嘧啶，但需控制转位速度和电子学。石墨烯孔分辨率不足、转位过快，TiO2可降低电容噪声。作者认为其可用于DNA测序、表观遗传、基因谱和分子条形码，并利于芯片集成。
传感器的构成
- 换能器电极：Ag/AgCl电极，置于含Cl-电解液（如0.1 M KCl），施加偏压产生离子电流
- 纳米孔膜：Si3N4膜，经离子束/电子束加工形成1–30 nm孔，作为单分子转位通道
- 超薄膜：石墨烯（graphene）膜，厚度约0.6 nm，跨接于Si3N4模板微孔上，用于亚纳米分辨
- 噪声抑制层：TiO2沉积于石墨烯层，降低未修饰石墨烯膜的电容噪声
- 流体壁修饰层：流动脂质双分子层（fluid lipid bilayer）涂覆孔壁，可调节孔径并嵌入分子受体
- 识别元件：bait蛋白、抗体IgG、PNA探针或生物素化dsDNA/亲和素，用于捕获或标记目标序列/蛋白
- 信号标记物：荧光标记亲和素（labelled avidin），用于TIRF同步光学检测
中文摘要
生物细胞膜含有多种1–100 nm的离子通道和跨膜孔，对细胞功能至关重要。1976年，Neher和Sakmann利用膜片钳技术证明单个通道可被电学探测。自20世纪90年代以来，该工作启发了蛋白纳米孔或固态纳米孔作为廉价、超快传感器用于检测DNA、RNA和蛋白质等生物分子，尤其聚焦DNA测序。固态纳米孔的优势在于孔径可按被测物定制，并可利用半导体加工技术进行表面修饰，从而形成一类新型单分子生物传感器器件，在某些情况下可实现亚分子分辨率。本综述讨论该领域若干重要近期进展，以及它们如何应用于研究蛋白-蛋白和蛋白-DNA相互作用，或用于超快DNA测序。
英文摘要
Biological cell membranes contain various types of ion channels and transmembrane pores in the 1-100 nm range, which are vital for cellular function. Individual channels can be probed electrically, as demonstrated by Neher and Sakmann in 1976 using the patch-clamp technique [Neher and Sakmann (1976) Nature 260, 799-802]. Since the 1990s, this work has inspired the use of protein or solid-state nanopores as inexpensive and ultrafast sensors for the detection of biomolecules, including DNA, RNA and proteins, but with particular focus on DNA sequencing. Solid-state nanopores in particular have the advantage that the pore size can be tailored to the analyte in question and that they can be modified using semi-conductor processing technology. This establishes solid-state nanopores as a new class of single-molecule biosensor devices, in some cases with submolecular resolution. In the present review, we discuss a few of the most important recent developments in this field and how they might be applied to studying protein-protein and protein-DNA interactions or in the context of ultra-fast DNA sequencing.