■本报记者 潘锋
20世纪90年代中期，一种新兴的分析手段——纳米孔传感技术开始发展。如今，纳米孔传感技术已经成为化学和生物领域里一种新型的、重要的、极具潜力的分析检测手段。中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室吴海臣的研究正是围绕该领域开展的。“纳米孔能够应用在DNA测序研究，单分子检测，单分子化学反应及蛋白质折叠等领域中，具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值。”吴海臣介绍说。
吴海臣，2001年获得北京大学有机化学专业硕士学位，2002年~2005年在英国剑桥大学攻读有机化学专业博士，2005年~2008年在英国牛津大学进行化学生物学博士后研究。2009年初加入中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室，主要围绕纳米孔单分子分析检测开展研究，相关成果发表在Nature Nanotechnology, Nature Communications, JACS, Analytical Chemistry等国际一流期刊上。
构建新型纳米孔传感器
纳米孔传感技术是最近20年发展起来的一种崭新技术。纳米孔，顾名思义，指的是孔径尺寸在纳米尺度的孔道，通常为1~100纳米。生物体内的水通道、离子通道等均属于纳米孔。
“其工作原理是在纳米孔两端施加一个外加电场，通过监测电解液流经纳米孔时的微弱电流（皮安级）信号变化——包括变化频率、幅度和指纹性信号——来判断穿越纳米孔的离子或分子的浓度、带电情况和结构特征等。”吴海臣介绍，“目前，基于纳米孔的传感器主要分为两类，一类是生物源的蛋白纳米孔家族，包括金黄色葡萄球菌α-溶血毒素、耻垢分枝杆菌毒素蛋白以及噬菌体phi29连接器马达蛋白等；另一类是以人工材料制备的固态纳米孔，包括无机的硅、氮化硅、石墨烯以及有机的高分子薄膜均可用来制备纳米孔。由于这两类纳米孔各有优缺点，科学家们一直致力于构建不同材料和性质的新型纳米孔传感器。”
吴海臣对纳米孔的研究从博士后时就开始了，在牛津大学期间，吴海臣跟随导师Hagan Bayley教授（英国皇家科学院院士，纳米孔领域的建立者之一）进行纳米孔研究。回国后他发现，由于是新兴领域，纳米孔具有很大的研究空间和潜在价值，而国内研究的人很少。于是，他开始把纳米孔单分子分析检测技术作为自己的主要研究方向。
近几年，在国家自然科学基金、科技部“973项目”和中科院的支持下，吴海臣团队将直径1~2nm，长度5~10nm的超短单壁碳纳米管稳定地插入到磷脂双层膜中构建了一种新型基于超短碳纳米管的纳米孔传感器。该项研究进一步推动了纳米孔单分子检测技术的发展，为碳纳米管内腔的离子，分子的输运行为研究提供了一个全新的实验模型。相关成果发表在Nature Communications上。
意义重大，前景可期
作为新兴领域，国内鲜有人研究，那么，纳米孔技术有着怎样的应用前景？是否值得我们投入精力？
纳米孔目前最重大的应用是DNA测序研究。第一代基因测序方法历时12年、耗资数十亿美元，高昂的时间和经济成本令人望而生畏。如今将纳米孔运用到DNA测序，大大节约了测序成本。“我的博士后导师正在开展此项研究，目前已研制出样机，检测一个人的基因组DNA仅需1000美元左右。这是一项非常可喜的进展。”吴海臣说。
与此同时，吴海臣坦言，目前国内纳米孔领域的研究水平与国外相比，差距还很大，不过他相信，随着时间的推移以及科研人员的不懈努力，国内也可以做得很好。而他和团队后续的工作仍将围绕纳米孔的分析和检测开展。“在今后的研究中，我们将一方面完善纳米孔传感技术本身，一方面跟其他技术相结合发展新技术。先做好基础研究，再逐渐地功能化，将其应用到DNA测序、癌症的早期检测、环境检测等方面，争取能够更好地与国家重大需求结合。”吴海臣信心满满地说，“尽管目前在实际样品检测中应用尚少，但随着纳米孔检测体系的不断完善以及与其他传感技术的交叉融合，在未来的10年内纳米孔传感技术将迎来一个高速发展的黄金期。”
《中国科学报》 (2014-06-10 第15版 专题)
