納米孔分析方法在有毒物質(zhì)檢測中的應用

周碩 唐鵬 王赟姣 王亮 王德強

摘 要 納米孔技術(shù)作為一種新型的分析檢測方法，被廣泛應用于核酸測序、蛋白質(zhì)/多肽分析以及病毒、微生物等生物大分子和金屬離子的檢測。隨著人們對公共安全和食品藥品安全等問題的日益關(guān)注，對有毒物質(zhì)的檢測也提出了更高的要求。鑒于納米孔分析方法具有高靈敏度和高選擇性等優(yōu)點，很多研究團隊將其應用于有毒物質(zhì)的檢測，進行了很多的研究工作。本文針對近年來納米孔技術(shù)在有毒物質(zhì)檢測中的應用進行綜述，并對其應用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞 納米孔技術(shù)；單分子檢測；有毒物質(zhì)；靈敏度；選擇性；評述

1 引 言

納米孔分析方法是一種基于電脈沖技術(shù)的新型分析檢測技術(shù)，通過分析一定電壓下分析物分子穿過納米孔道產(chǎn)生的阻塞電流信號實現(xiàn)對分析物的檢測[1]。不同的分析物通過納米孔時所產(chǎn)生的阻塞電流信號將表現(xiàn)出不同的信號特征（幅值，持續(xù)時間等）。而當納米級孔道的孔徑大小在1～30 nm范圍內(nèi)時，每次只能容許一個分子通過，因此，產(chǎn)生的阻塞電流信號的特征與過孔分子的構(gòu)象、大小、長度、電荷等固有屬性一一對應。通過分析這些過孔電流信號特征，就可以揭示分析物的結(jié)構(gòu)和組成等重要信息，從而實現(xiàn)對待測物的定性與定量的超靈敏檢測。目前，納米孔技術(shù)主要應用于兩大領(lǐng)域，即測序領(lǐng)域和非測序的單分子分析檢測領(lǐng)域。前者主要包括DNA測序[2～10]和蛋白質(zhì)測序[11～14]，已有多篇綜述報道[15～20]；后者則包括各種非測序的單分子鑒定方面的應用，如多肽的二級結(jié)構(gòu)鑒定[21～26]以及蛋白和適配體等其它單分子構(gòu)象研究[27-28]，以及作為新型生物傳感器分析方法的應用，如核苷酸鏈中單個堿基差異的識別[29，30]、癌癥標記物的檢測[31]、藥物篩選[32～34]、金屬離子檢測[35～38]等，Yang等[39]曾針對納米孔技術(shù)在非基因測序方面的應用做過詳細介紹。

迄今為止，納米孔技術(shù)僅有20余年的發(fā)展歷史，但已在疾病診斷[40～44]、食品安全[45，46]、環(huán)境監(jiān)測[47～49]和公共安全[50～55]等領(lǐng)域取得了一系列突破性進展。隨著近年來公眾對公共安全和食品藥品安全的要求日益提高，研究者就如何利用納米孔實現(xiàn)對有毒物質(zhì)的快速高效檢測做了很多工作。本文將對近年來納米孔技術(shù)在有毒物質(zhì)檢測中的應用進行綜述，以期為未來納米孔商業(yè)化產(chǎn)品在公共安全、藥品安全及毒品檢查等方面的應用推廣提供技術(shù)參考。

2 納米孔技術(shù)在公共安全中的應用

2.1 神經(jīng)毒劑的檢測

神經(jīng)毒劑是一類以神經(jīng)組織為靶標的有毒物質(zhì)，對人體神經(jīng)系統(tǒng)具有巨大的破壞力，常被用于殺傷性化學武器研制。目前， 主流的神經(jīng)毒劑檢測方法（如高效液相色譜和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等）靈敏度較高，但需復雜的檢測儀器，因此無法實現(xiàn)神經(jīng)毒劑的現(xiàn)場快速檢測。Wang等[56]利用納米孔技術(shù)快速、簡便的優(yōu)勢，設計了一種鑒定神經(jīng)毒劑索曼和環(huán)沙林的新方法。 這種方法借助神經(jīng)毒劑易水解的特性，通過對其水解產(chǎn)物與修飾納米孔相互作用產(chǎn)生的電流信號的觀測，間接對神經(jīng)毒劑進行定性與定量的分析。神經(jīng)毒劑索曼和環(huán)沙林的主要水解產(chǎn)物通常以小分子CMPA（Cyclohexyl methylphosphonic acid）和PMPA（Pinacolyl methylphosphonate）形式存在，它們通過納米孔時不易產(chǎn)生阻塞電流信號。研究者以β環(huán)糊精（β-Cyclodextrin， β-CD）嵌入重組突變后的α-溶血素納米孔中，縮小納米孔孔徑，從而促使CMPA和PMPA在納米孔中與 β-CD發(fā)生相互作用，誘導阻塞電流變化，進而實現(xiàn)對索曼和環(huán)沙林的有效和靈敏的檢測。如圖1所示， β-CD（紅色）與α-溶血素納米孔結(jié)合后，會使納米孔阻塞而產(chǎn)生其特征阻塞電流；隨著在納米孔反應體系中加入CMPA和PMPA，它們會與 β-CD發(fā)生相互作用，從而在β-CD特征阻塞電流信號的基礎上產(chǎn)生新的電流信號。此外，由于CMPA和PMPA的結(jié)構(gòu)不同，二者產(chǎn)生的阻塞電流信號也不同，因此可以實現(xiàn)兩者的同時鑒定分析。這種方法對神經(jīng)毒劑索曼和環(huán)沙林水解產(chǎn)物CMPA和PMPA的檢出限分別可以達到0.02和0.01 mg/L。

nce of 40 μmol/L β-CD[56].

2.2 炭疽桿菌的檢測

炭疽毒素（Anthrax toxin）是一種由炭疽桿菌產(chǎn)生的致命毒素，分為水腫毒素和致死毒素，可引發(fā)一種人畜共患的急性傳染病，從而引起人畜各臟器和組織的出血性浸潤、水腫和壞死[57，58]。炭疽桿菌會形成“芽孢”，其生命力極其頑強，能抵抗各種殺滅手段，而且壽命極長，深埋、真空封存幾十年后仍然具有很強的感染能力[59，60]。雖然現(xiàn)在醫(yī)學診斷和藥物治療等技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，但是人類社會在面臨這種急性傳染病時，依然存在致命風險。以細胞培養(yǎng)、聚合酶鏈式反應、酶聯(lián)免疫反應為代表的傳統(tǒng)檢測手段，耗時長，且不適于現(xiàn)場的實時檢測環(huán)境，在危機爆發(fā)時，無法實現(xiàn)實時的現(xiàn)場快速診斷，因此迫切需要開發(fā)一種便捷有效的檢測方法，對炭疽桿菌進行分析和監(jiān)控。

2.2.1 炭疽致死毒素的檢測 Guan研究團隊針對炭疽的檢測，提出了一種實時、快速、無需標記的納米孔分析方法[50]。該方法以炭疽毒素的重要組成成分——炭疽致死毒素（Anthrax lethal factor，aLF）為研究對象，選擇致死毒素的特異性遺傳DNA片段為檢測樣本，通過分析DNA雙鏈雜化與解鏈在α-溶血素納米孔中產(chǎn)生的特異性電流變化，從而實現(xiàn)對炭疽致死毒素的有效檢測與鑒定（圖2）。他們的研究表明，單鏈DNA探針與炭疽特異性DNA片段（aLF）分別加入納米孔時，各自產(chǎn)生的阻塞電流無法區(qū)分，然而將二者的混合物加入納米孔體系后，由于堿基互補促使單鏈DNA探針與炭疽DNA雜化，雜化后的雙鏈DNA分子在通過納米孔時，在外加電壓和與納米孔相互作用的共同推動下，會誘發(fā)雙鏈分子的解鏈行為，進而生成一種完全不同的、可識別的電流信號，從而實現(xiàn)對炭疽致死毒素的檢測。該分析方法對炭疽致死毒素特異性DNA片段的檢測具有非常好的選擇性，可以區(qū)分單個堿基的突變。此方法在血清中的檢出限低于100 pmol/L。

2.2.2 炭疽孢子分泌物的納米孔分析 納米孔技術(shù)對炭疽的檢測，不僅可通過對其遺傳片段的分析實現(xiàn)，也可通過對其孢子分泌物吡啶二羧酸（Dipicolinic acid，DPA）的分析進行， 可為炭疽感染的預防和控制提供更為有效的手段。但是，由于DPA分子太小，無法在納米孔中直接檢測。研究人員借鑒化學中經(jīng)典的反滴定法設計了一套全新的納米孔分析方法[51]。如圖3所示， Tb3+可以與配體二乙烯三胺五亞甲基膦酸（Diethylene triamine pentamethylphosphonic acid，DTPMPA）和DPA分別發(fā)生絡合反應，生成相應的絡合物，反應前后納米孔中可以產(chǎn)生不同類型的可識別的電流變化，但由于DPA與Tb3+絡合力更強，當檢測體系中存在DPA時，會導致電流信號由配體DTPMPA-Tb3+絡合物信號向配體DTPMPA信號的反向轉(zhuǎn)變，這種變化隨著DPA濃度的增加變得更為明顯。通過這種信號的反轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)對炭疽芽孢分泌物的有效鑒定。雖然這種方法的靈敏度（34.6 nmol/L）比熒光檢測法（2 nmol/L）低[61]，但該方法無需熒光標記，實驗操作更為簡單。此外，這也是首次將化學定量法中的反滴定法與納米孔技術(shù)相結(jié)合，為開拓新的分析檢測手段提供了全新思路。

2.3 肉毒素檢測

肉毒素（Bontulinum neurotoxin，BoNTs）是肉毒桿菌產(chǎn)生的分子神經(jīng)毒素，是已知毒素中毒性最強的生物毒素，致死量為1 ng/kg體重[62]。由于肉毒素可通過食物鏈傳播而危害人類安全，所以也被用作生化武器[63]。目前，在各種肉毒素種類（BoNTs A-G）中只有A、B、E和F對人類有毒害作用[64]。其毒害機理主要是抑制神經(jīng)末梢釋放乙酰膽堿，引起肌肉松弛麻痹，特別是引起呼吸肌麻痹而致死?；瘜W結(jié)構(gòu)上，肉毒桿菌神經(jīng)毒素作為一種蛋白分為重鏈和輕鏈，兩者之間由二硫鍵連接。重鏈分子量為100 kDa， 可以對神經(jīng)系統(tǒng)造成破壞；輕鏈分子量為50 kDa，可以從囊泡穿過進入到細胞溶質(zhì)中，作為Zn2+誘導的肽鏈內(nèi)切酶特異性酶切SNARE蛋白復合體，從而妨礙胞吐作用和神經(jīng)傳遞素的釋放，進而影響神經(jīng)系統(tǒng)功能[65]。因此，無論是從生化防護還是醫(yī)療診斷角度來考慮，都需要對肉毒桿菌神經(jīng)毒素進行早期、快速的檢測。

納米孔技術(shù)作為一種新型的超靈敏的快捷檢測手段已經(jīng)被成功應用于多肽和蛋白質(zhì)分析[66～70]。值得注意的是，納米孔可通過對酶切反應中水解多肽的分析實現(xiàn)對蛋白酶功能的研究[43，71，72]。以肉毒素B（BoNTs B）為例（圖4），在Zn2+存在條件下，肉毒素B可以酶切神經(jīng)細胞突出蛋白（Synaptic protein sb2，1-93），剪切位點位于76～77位氨基酸之間，生成N端Lp-sb2（1-76）和C端sb2（77-93）兩個片段，因此，通過對兩個蛋白片段的納米孔過孔信號進行分析，即可間接檢測肉毒素B[45]。實驗結(jié)果證實，以酶切后的sb2（77-93）作為生物標記物（Lp-sb2分子太大，不足以穿過納米孔產(chǎn)生特征電流信號），通過對其在納米孔中的過孔信號的分析，可以在幾分鐘內(nèi)檢測到低于500 pmol/L的有活性的肉毒素B，這種分析方法在血清樣本體系中效果良好。

3 納米孔技術(shù)在藥物安全與毒品檢測中的應用

3.1 可卡因檢測

可卡因在醫(yī)學中被用于局部麻醉藥；同時，可卡因又是一種強烈的天然中樞興奮劑，會導致吸食用者變得情緒高漲，且容易產(chǎn)生藥物依賴上癮，被各國政府列為主要違禁藥品之一[73]。常見的可卡因檢測方法主要包括電泳法、色譜法和酶聯(lián)免疫吸附法等，這些方法操作繁瑣、成本高，無法進行現(xiàn)場實時檢測。Rauf 等[74]提出了一種基于α-溶血素納米孔的檢測方法，無需化學標記即可實現(xiàn)可卡因的快速、高靈敏分析，采用可卡因DNA適配體探針，該適配體由兩條堿基互補的DNA單鏈組成。當適配體通過α-溶血素納米孔時， 由于孔道最窄處直徑（～1.4 nm）小于雙鏈DNA適配體（～2.2 nm）的直徑，雙鏈DNA在外部電壓推動下，會與納米孔道發(fā)生相互作用而解鏈。這種解鏈行為會產(chǎn)生一種可識別的特異性電流信號。加入含有可卡因的樣品后，可卡因會與適配體中的單鏈A特異性結(jié)合，形成穩(wěn)定的Y型復合結(jié)構(gòu)，釋放出單鏈B，提取單鏈B通過納米孔產(chǎn)生的特征電流信號，就可以實現(xiàn)對可卡因的檢測（圖5）。

此外，在0.05～100 μmol/L濃度范圍內(nèi)，可卡因濃度與適配體B鏈產(chǎn)生的納米孔電流信號事件呈線性關(guān)系，因此可以通過檢測適配體B鏈產(chǎn)生的電流信號，推斷出與適配體特異性結(jié)合的可卡因的含量，從而定量檢測可卡因在樣品中的含量。該方法的檢測限可以低至50 nmol/L，且適用于復雜的生物體液樣本，例如在人類唾液和血清樣本中同樣具有高選擇性。其它研究團隊也對納米孔技術(shù)檢測可卡因進行過相關(guān)研究[75]。

3.2 四環(huán)素檢測

作為一種常見的抗生素，四環(huán)素（Tetracycline，Tet）在醫(yī)學中一直被廣泛應用于抑菌、殺菌及霍亂、梅毒、瘧疾、瘟疫等的感染治療[76，77]。但四環(huán)素會導致肝損傷、維生素缺乏等多種不良反應。此外，環(huán)境中的四環(huán)素殘留還會導致細菌產(chǎn)生耐藥性，進而威脅人類和動物的健康。目前常用的四環(huán)素檢測方法包括酶聯(lián)免疫吸附法[78]、色譜法[79]等，這些傳統(tǒng)檢測方法具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，但操作繁瑣、檢測周期長，無法滿足實時檢測分析的要求。

本研究組設計了一種用于四環(huán)素的快速鑒定的納米孔傳感器[33]，選用厚度10 nm的Si3N4為襯底的固態(tài)孔，其直徑為8～9 nm。由于四環(huán)素可以促使rtTA蛋白和DNA單鏈（TRE）相互結(jié)合形成復合體，因此通過分析不同四環(huán)素濃度下的復合體特征電流信號，即可實現(xiàn)對四環(huán)素的檢測。如圖6所示，在不加入四環(huán)素時，rtTA蛋白和DNA單鏈（TRE）的混合物在納米孔中只會引起較小的阻塞電流變化；加入四環(huán)素后，rtTA蛋白與DNA單鏈（TRE）結(jié)合生成的復合體會大量形成，且其特征電流信號數(shù)目隨四環(huán)素加入量的增加而增大。采用該方法還可研究四環(huán)素與DNA和蛋白之間的相互作用。

3.3 煙草花葉病毒檢測

納米孔不僅可用于DNA、蛋白質(zhì)、多肽、有機磷化合物等生物化學分子的檢測，還可用于病毒的篩查[41，50]。Wu等[55]利用直徑為30 nm的固態(tài)孔，結(jié)合郎之萬動力學（Langevin dynamics），研究了煙草花葉病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）通過納米孔的動力學過程。煙草花葉病毒通常作用于植物，是煙草花葉病等的病原體，其長度為300 nm，直徑18 nm[80]。由圖7可知，TMV通過納米孔時會產(chǎn)生3種主要的電流阻塞信號。Type A是一種常見的矩形信號，類似DNA的過孔信號；而Type B和Type C信號的開端有不規(guī)則的波動，這是由于TMV在進孔前會與納米孔發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生預過孔信號。這項研究體現(xiàn)了納米孔在病毒檢測應用方面的潛力。

4 展 望

納米孔分析技術(shù)作為一種新的分析手段，具有操作簡便、快速、高靈敏、高特異性和高選擇性等優(yōu)勢。隨著以納米孔技術(shù)為核心的商業(yè)化產(chǎn)品的推出，該技術(shù)經(jīng)過不斷改進，在檢測靈敏度、分析物選擇特異性和便攜性等方面日趨穩(wěn)定，可以相信納米孔作為一種新興的單分子檢測技術(shù)，未來將在測序領(lǐng)域和非測序的單分子檢測領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

但是，納米孔技術(shù)作為一種新型的納米傳感器用于實際應用和推廣，還需解決納米孔通量低的問題。另外，納米孔技術(shù)對未知檢測物的定性分析是目前納米孔技術(shù)所面臨的難題，如測序領(lǐng)域中對未知序列的測定和單分子檢測領(lǐng)域中對未知成分的鑒定等。通過將微納加工、單分子操控、計算機模擬和生物信息學等技術(shù)相結(jié)合，掌握分子動力學的理論研究方法，建立足夠的理論和研究模型，將有望解決上述難題。此外，將單分子熒光成像技術(shù)與納米孔電流信號相結(jié)合，實現(xiàn)光電聯(lián)合檢測分析，從瞬時電流調(diào)制信號和熒光信號中提取相關(guān)的動力學或物理參數(shù)，更有助于揭示分析物在納米孔中的分子行為，為單分子檢測技術(shù)的發(fā)展提供更為有力的支持。

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Abstract As a novel analytical method， nanopore sensing is widely applied in many fields such as nucleic acids sequencing， protein/peptide analysis， detection of metal ions and biomacromolecules including virus， bacteria， etc. With the growing public concerns over dietary safety and public security， there has been a greater demand on the detection of toxic molecules. With its high sensitivity and selectivity， nanopore sensing is considered as a more powerful assay， which has been reported in many research articles. Accordingly， this paper surveys the application studies of nanopore sensing in detection of toxic molecules.

Keywords Nanopore technology； Single-molecule sensing； Toxic molecules； Sensitivity； Selectivity； Review

（Received 26 March 2018； accepted 8 May 2018）