荷能重离子径迹刻蚀纳米通道技术及其应用

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1、第23卷第1期原子核物理评论V01．23。No．12006年3月NuclearPhysicsReviewMar．，2006文章编号：1007--4627(2006)01--0035--05荷能重离子径迹刻蚀纳米通道技术及其应用张伟明，王宇钢#，薛建明(北京大学重离子物理研究所，北京100871)摘要：纳米通道技术是20世纪末发展起来的一种可以直接解读核酸分子编码信息的新方法，基本原理是借助膜片钳装置将不同核苷酸通过纳米通道的电信号直接翻译为相应的核苷酸信息。它较现有的方法简便、快捷和经济，并有可能推广应用到分子筛、单

2、核苷酸多态分析以及对生物离子通道模拟上，其中以荷能重离子径迹刻蚀纳米通道最具应用潜力。详细介绍了荷能重离子径迹刻蚀纳米通道的制备、研究进展及其在生命科学上的应用前景。关键词：纳米通道；离子径迹刻蚀；核酸测序；生物传感器中图分类号：TL99；0644．23；Q615文献标识码：A1引言度的DNA片段，然后用凝胶电泳实验测出DNA序列。FredrickSanger由于他的这一重大研究成果纳米通道技术最初是作为一种可以直接解读核于1980年成为继鲍林、居里夫人、巴丁后世界上第酸分子编码信息的新方法，诞生于2O世纪90年代四

3、位两次获得诺贝尔奖的科学家。但是大的片段中期，被认为是非常有希望成为下一代生物大分子测序的新方法。它较现有的测序方法简单、快捷和(>500个核苷酸)不能一次测出，因为它在凝胶中经济，具有重大的应用前景。随着人们对这项技术的迁移率和它的长度不再成线性关系。因此，人类的深入研究以及科学发展的需求，它的应用前景扩基因组计划经过了10年的时间，花费了3亿美元展到了生物分子检测、分子筛、单核苷酸多态分析才得以完成叩]。事实上，人们迫切希望DNA测序和生物膜离子通道模拟等热点领域，成为当前生物可以作为一种真正高效、低成本的方法在

4、临床诊信息学、纳米科学和制药学等相关学科中非常活跃治、生物多样性分析和生物进化等领域得到普遍的的前沿领域。近两年来，不仅有一批高水平工作陆应用。纳米通道技术及其在生命科学上的应用就是续在Nature，Science，PRI，JACS和NanoLetter在这种背景下产生的。等刊物上发表，而且已经开始有国际知名制药公司纳米通道技术在生命科学上的应用，最初是在也进入这一领域的研究。可以预见，这一研究领域1996年由美国国家科学技术研究所的Kasianowicz的进展将对人类生活产生重大影响。和哈佛大学的Brandin等人

5、共同提出的口]。基本原在目前应用的各类方法中，荷能重离子径迹刻理是用膜片钳微电流测量装置测量单链DNA或蚀方法制备纳米通道具有制作过程简单、结构稳定RNA通过纳米通道(0c溶血素(0c—HI)通道)时的电和可重复制作等特点，最有潜力使得这项技术转化为实际应用。流变化，从而对其序列及其浓度进行探测和描述。目前在这一领域活跃的研究单位主要有美国的加州2纳米通道技术的提出大学、哈佛大学、佛罗里达州立大学，以及德国的重离子物理研究所。先前由FredrickSanger提出的测序方法一～凝胶电泳Ⅲ，是通过在复制DNA的过程中加

6、入由于最初使用的天然a溶血素(a—HI)通道具ddA／ddT／ddC／ddG来终止反应，从而得到不同长有通道尺寸不可调、重复性差、操作难度大等缺点，收稿日期：200507-I4；修改日期：2005-12—27作者简介：张伟明(1982一)．女(汉族)．山西大同人，博士研究生，从事离子束应用的研究；E-mail：wmzhang@pku．edu．cn#联系人：王宇钢，E—mail；ygwang@pku．edu．cn原子核物理评论第23卷目前人们已经用多种方法和材料制作出了不同尺应用，如分子筛、生物膜离子通道模拟。德国熏离

7、寸、形状，以及性能的人工纳米通道，以使纳米通子物理研究所和美国佛罗里达州立大学在此领域傲道技术的应用范围扩大并尽早得以应用。例如，刻了大量深入的研究工作。目前，荷能重离子径迹刻蚀法(反应离子刻蚀[、等离子体刻蚀_5和离子径蚀法制备纳米通道已经成为当前国际上纳米通道技迹刻蚀。等)、热模压印法m]、离子束加工法1Il1]、术研究的热点。TEM加工法和模板合成法["]。3荷能重离子径迹刻蚀纳米通道的制在众多方法中，荷能重离子径迹刻蚀法制备纳备方法米通道是最有希望使这一纳米通道技术得以应用的离子径迹刻蚀是指用刻蚀剂对被荷能重

8、离子辐方法。相对于其它制备方法，它不仅成本低、制作过程简单、重复性好、具有优异的物理和化学稳定照过的膜进行刻蚀，由于径迹区的刻蚀速率大于非性、可形成多通道膜，而且通过改变辐照离子的能径迹区的刻蚀速率(。k>)，从而可形成孔葺∞．I_lIIU量、膜材料的性质和刻蚀条件，可以得到不同形状洞]。实验装置及原理¨如图l所"示。实验●中，将被离子辐照过的