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本刊公告

《分析化學》2018年第6期推出“單分子分析專欄”

來源:分析化學 閱讀數:1679 時間:2018-05-31 11:34:19

隨著現代科學的飛速發展,人們對生命活動的機理的研究的深入,以及對疾病早期診斷及復雜生物樣品中的靈敏、準確檢測的迫切要求,促使現代分析化學技術從傳統的定性、定量分析向超微量、痕量分析發展,而近年來出現的單分子、單細胞分析技術,使得研究者可以從更深的層次分析生命活動的規律,跟蹤生物反應的過程,闡明疾病發生的機理。其中基于納米孔的分析技術包括基于生物納米孔和固態納米孔的分析技術,以及單分子單細胞熒光檢測技術尤其引人關注,我國的分析化學工作者在這一方面進行了大量的工作,取得了一系列卓越的成果。《分析化學》編輯部邀請本刊編委、華東理工大學龍億濤教授共同組織了單分子分析專欄,包括4篇研究報告、5篇評述,主要介紹了基于納米孔等的單分子分析技術以及相關領域的研究進展、機遇以及挑戰,以及相關的創新研究成果和新方法。


中國科學院上海應用物理研究所界面物理與技術重點實驗室的李迪研究員,對單分子熒光共振能量轉移技術在蛋白質分子構象動態、核酸分子構象動態、蛋白質-蛋白質相互作用以及蛋白質-核酸相互作用等方面取得的研究進展進行了綜述。指出單分子熒光共振能量轉移技術已被成功用于研究許多重要的生物學過程,包括ATP合成﹑蛋白質折疊﹑信號傳遞﹑DNA復制﹑基因重組﹑核糖體構成等,取得了一些突破性的進展。同時指出單分子熒光共振能量轉移技術也有其自身的局限,未來可能需要發展單分子多色熒光共振能量轉移,同時結合晶體學數據和理論模擬進行數據分析,以及更多地和單分子操縱技術,如光鑷、磁鑷等技術結合進行研究,以解決更多生物難題。


中國科學院長春應用化學研究所電分析化學國家重點實驗室的李敬博士和汪爾康院士,結合固態納米孔的獨特優勢和性能,總結了固態納米孔檢測的原理及在分析化學領域的應用,分別介紹了以電阻脈沖作為輸出信號的固態納米孔用于檢測單分子DNA、蛋白質及提高檢測性能的方法,對近年來基于高分子聚合物及毛細玻璃管的固態單納米孔通道在分析化學領域的發展主要是固態納米孔以離子整流作為輸出信號用于響應開關及電化學傳感器的構建進行了概述,并對該領域未來的發展趨勢和應用前景進行了展望。


中國科學院重慶綠色智能技術研究院的王德強和王亮研究員對近年來納米孔技術在有毒物質檢測中的應用進行了綜述,以神經毒劑、炭疽桿菌、肉毒素、可卡因、四環素和煙草花葉病毒的檢測為例,對納米孔分析技術在公共安全、藥物安全與毒品檢查中的應用進行了介紹。


臨沂大學化學化工學院郗冬梅教授,從固態納米孔材料的角度,對固體納米孔分析技術的進展進行了評述。固體納米孔主要由薄膜和管材料兩種類型材料制備,其中常見的薄膜納米孔包括氮化硅、二維材料、氧化鋁以及聚合物薄膜,管材料主要包括玻璃毛細管和碳納米管。作者主要總結了近年來常用的固體納米孔的種類及在DNA測序和生物傳感中的應用研究進展,同時指出,隨著孔道材料的迅速發展以及相關儀器的不斷改進,固體納米孔分析技術將在細胞分析甚至活體檢測領域發揮重要的作用,不僅能夠推動基礎研究的發展,還可望用于重大疾病診斷及個性化醫療等領域。


中國藥科大學劉煜和美國國家標準與技術研究所物理測量實驗室汪海燕教授,針對納米通道檢測技術可以探測蛋白質的結構、機械穩定性、折疊狀態、與其它結合分子的作用強度和酶活性的特性,討論了納米通道技術的基本工作原理以及通道電流信號如何提供單個分子的特征信息,綜述了近年來基于生物納米通道和固體孔納米通道在蛋多肽和蛋白質方面的研究成果,并對納米通道技術在生命研究領域用于相關蛋白質結構和組成的研究趨勢進行了展望。該綜述為英文稿件,發表在《分析化學》英文網站(https://www.sciencedirect.com/journal/chinese-journal-of-analytical-chemistry)上


本專欄中包括4篇研究報告。華東理工大學應佚倫和龍億濤教授,研究了納米孔道實驗數據的信號特征,提出了基于雙緩沖數據結構和有限沖擊響應濾波的實時自適應閾值法,并基于這一算法設計了納米孔道信號在線識別與分析系統,實現了實驗數據實時采集存儲和信號在線分析處理的同步進行。采用噪音20~100 pA和帶寬區間為3~100 kHz的仿真信號進行信號識別分析,證明該系統能夠滿足強噪聲、低帶寬、高采樣率(250 kHz)環境下對實驗數據的處理要求。所提出的納米孔道信號在線識別和分析系統被應用于單個poly(dA)4分子的aerolysin納米孔道分析實驗中。


中國科學院長春應用化學研究所李冰凌研究員基于針對核酸等溫擴增技術在反應過程中假陽性擴增頻發、反應后對產物的檢測方法缺乏特異性和靈敏度等缺點,通過構建發卡型結構萬能中轉探針,成功地將恒溫擴增產物轉到一套性能良好的已知核酸分子線路上;借助核酸分子線路的百倍放大性能和序列特異性,實現對上游基因序列信息的精準識別和放大信號輸出。針對不同的待測序列,僅需改變發卡型中轉探針的序列,即可實現對不同序列目標物的檢測。該研究對中轉探針的設計原理和方法進行了重點闡述,提供并驗證了一套行之有效的普適性設計規律,確保中轉探針良好的中轉效率(信噪比)。利用這一規律獲得的中轉探針,與核酸分子線路偶聯,可成功為低至近單分子(20個拷貝)的模型基因提供顯著的熒光和電化學信號輸出。


東北大學理學院吳志勇教授的研究組采用全集成型微電流脈沖檢測系統,以單個野生型α-HL納米孔為界面,利用咪唑類離子液體BmimClBmimPF6建立了粘度梯度體系,研究了粘度梯度和溶液酸度對單鏈DNA ssDNA)穿孔行為的影響,發現采用離子液體粘度梯度支持電解質體系可以有效地調控ssDNA的遷移行為。在他們的另一篇報告中,采用華東理工大學龍億濤教授實驗室研制開發的超微電流放大器組建的單個納米孔電流脈沖檢測系統,用α-溶血素(α-HL)納米孔界面探究了帶負電的ssDNA與帶正電的魚精蛋白相互作用對電流脈沖的影響。他們的結果表明,采用上述系統能夠清楚地識別來自魚精蛋白和ssDNA探針的電流脈沖信號,且二者相互作用的結果對應的脈沖幅度及停留時間均有顯著增加。


從上述的評述和研究報告中可以看出,單分子分析技術可以在分子水平上分析各種生物分子的反應以及活動規律,從而可以更有針對性的揭示生命活動的規律、疾病發生的原因,從而加深人們對于自身的了解。目前,單分子分析技術仍然處于發展中,還有很多關鍵性的科學問題亟待解決。為了促進這一領域的進一步發展,需要對這一研究領域進行大力的宣傳,以吸引更多的研究人員,增進多學科交叉的研究和交流,這也是組織本專欄的目的和宗旨。


真誠感謝所為本專欄撰稿的各位專家學者,也感謝《分析化學》編輯部的編輯。希望本專欄的論文能對我國從事單分子分析研究以及有興趣進行該領域研究的專家學者有所借鑒和幫助,也希望大家喜歡這個專欄。有不足之處,歡迎批評指正。

 

華東理工大學 龍億濤

《分析化學》編輯部

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