纳米孔检测技术的理论提出于20世纪末，被认为是能够首先解决单分子、非标记检测的重要技术之一。本书围绕纳米孔技术这个主题，介绍了纳米孔结合生物标记检测技术，以及其用作基因组测序和疾病早期检测的最新研究进展。全书共分14章，分别邀请了国际上纳米孔研究领域起步最早、成果丰硕的研究小组的领军学者，从纳米孔技术研究的各个角度，如理论计算、实验体系、数据模拟和分析以及应用性检测等方面的发展历史、当前近况以及发展趋势等进行了介绍和总结。
样章试读
目录
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《新生物学丛书》丛书序
本书序
译者序
前言
作者列表
第1章 用于核酸序列分析的固态纳米孔传感器 1
1.1 引言 1
1.2 生物纳米孔 3
1.2.1 σ-溶血素 4
1.2.2 噬菌体phi29连接器 6
1.3 固态纳米孔 6
1.3.1 单个纳米孔的加工 6
1.3.2 纳米孔阵列的加工 8
1.3.3 Al2O3薄膜上纳米孔的制备 10
1.3.4 固态纳米孔中的离子导电性 12
1.3.5 固态纳米孔的噪声分析 14
1.3.6 固态纳米孔中的易位事件 17
1.3.7 固态纳米孔传感器的化学修饰 19
1.4 结论 21
致谢 22
参考文献 22
第2章 光镊集成的固态纳米孔在分子检测和力谱测量中的应用 29
2.1 引言 29
2.2 实验方法 30
2.3 DNA的检测 32
2.4 力谱测量 35
2.5 建模：电泳与电渗剪 36
2.6 蛋白质涂层的DNA分子的测量 37
2.7 结论 40
致谢 40
参考文献 40
第3章 适体修饰的纳米孔在单分子检测中的应用 42
3.1 概述 42
3.1.1 什么是适体？ 42
3.1.2 分子折叠、相互作用和生物传感 43
3.1.3 单分子检测与纳米孔技术 44
3.1.4 纳米孔的选择性 45
3.2 对于离子调控的G-四聚体适体折叠过程的认识 46
3.2.1 G-四聚体在纳米孔内的组装 46
3.2.2 G-四聚体在纳米孔中自发的解折叠形态 47
3.2.3 纳米孔与俘获的G-四聚体的相互作用 48
3.2.4 研究折叠与解折叠动力学的分析方法 48
3.2.5 离子调控的G-四聚体适体折叠与解折叠过程 49
3.2.6 意义与影响 49
3.3 稳定的纳米孔生物芯片用于单分子生物传感 50
3.3.1 纳米孔传感器的研究进展 50
3.3.2 便携、耐用、模块化的离子通道芯片 50
3.3.3 意义与影响 51
3.4 使用适体结合的纳米孔检测单个蛋白质分子 52
3.4.1 检测结合过程而非易位过程 52
3.4.2 集成适体的人工纳米孔 52
3.4.3 玻璃纳米孔的制备与性能 52
3.4.4 适体结合的纳米孔捕捉IgE分子 54
3.4.5 利用结合RNA适体的纳米孔检测生物恐怖战剂——蓖麻毒素 55
3.4.6 优势与发展前景 56
3.5 结论 57
致谢 57
参考文献 57
第4章 嵌入生物膜的phi29噬菌体DNA组装马达对双链DNA易位和检测的研究 65
4.1 引言 65
4.2 ph129噬菌体连接体的再造、表达和纯化 67
4.2.1 phi29噬菌体连接体的再造 67
4.2.2 连接体的表达和纯化 68
4.3 包含再造连接体蛋白的脂质囊泡的制备 68
4.4 通过单通道电学检测表征Phi29噬菌体连接体蛋白通道 70
4.4.1 实验安排 70
4.4.2 连接体蛋白插入平面脂质双分子层膜 71
4.4.3 单个或多个连接体通道的电流一电压曲线 72
4.4.4 确定插入脂质双分子层的连接体蛋白数量的解析表达式 74
4.4.5 计算KC1和NaCl缓冲液的校准系数 75
4.4.6 ph129噬菌体连接体蛋白通道与σ-溶血素孔的电导比较 75
4.5 双链DNA的易位 76
4.5.1 双链DNA通过phi噬菌体蛋白通道 76
4.5.2 DNA易位阻塞电流事件的表征 77
4.5.3 pH对连接体蛋白通道稳定性和易位行为的影响 78
4.5.4 电流信号的可能形态 79
4.5.5 定量PCR验证dsDNA的易位 79
4.6 运用DNA单向运输机制的phi29嗟菌体马达通道 80
4.6.1 改变电压研究dsDNA通过脂质膜上单通道的单向性 80
4.6.2 改变电压极性研究dsDNA通过脂质膜上单通道的单向性 81
4.6.3 通过量化D3JA通过多通道膜的频率研究dsDNA的单向易位 82
4.6.4 通过C端组氨酸上标记、Ni-NTA纳米金来确定蛋白通道的方向 83
4.7 phi29噬菌体马达蛋白通道的应用及前景 85
4.7.1 一个新的用于研究病毒DNA组装机制的体系 85
4.7.2 基于纳米孔的随机检测 86
4.7.3 纳米孔检测DNA 87
4.8 结论 87
致谢 87
参考文献 87
第5章 用于检测特异性DNA的固态纳米孔 92
5.1 引言 92
5.2 制作过程 93
5.2.1 缩孔的沉积过程 95
5.3 依据分子动力学的DNA纳米孔间的相互作用 97
5.3.1 由纳米孔直径决定的相互作用 98
5.3.2 由外加电压决定的相互作用 99
5.3.3 由外加电压决定的有效纳米孔径 100
5.4 特异性DNA的易位 101
5.4.1 功能化、传感和特异性 101
5.4.2 完整的互补DNA和失配DNA间的区别 103
5.5 生物应用 105
5.6 总结和目标 106
参考文献 107
第6章 固态纳米孔再蛋白质单分子检测中的应用 111
6.1 引言 111
6.1.1 通过蛋白质孔测量多肽 112
6.1.2 通过固态纳米孔测量蛋白质 112
6.1.3 在纳米孔试验中测得的参数 112
6.1.4 事件分类 114
6.2 蛋白质易位的原理 114
6.2.1 纳米孔捕获蛋白质 114
6.2.2 易位过程中蛋白质的形状 114
6.2.3 事件的平均电流下降幅度 115
6.2.4 蛋白质易位时间 115
6.3 实验装置和样品制备 117
6.3.1 实验装置 117
6.3.2 固态纳米孔的制备 117
6.4 测量天然蛋白质 118
6.4.1 蛋白质分子尺寸的区分与检测 118
6.4.2 在不同pH条件下测量蛋白质相对电荷 119
6.5 线性氨基酸链易位 121
6.5.1 停止点的电势阱模型 121
6.5.2 在静止点的排除体积 121
6.5.3 影响线性易位电位的参数 123
6.6 时间直方图的比较 123
6.7 结论 125
6.8 未来的趋势 126
6.8.1 蛋白质混合物通过纳米孔筛选 126
6.8.2 开放的挑战 127
致谢 127
参考文献 128
第7章 基于半导体材料的固态纳米孔的易位电信号模拟 131
7.1 引言 131
7.2 目的：器件结构描述 133
7.3 计算模型和纳米器件模型 134
7.3.1 计算方法 134
7.3.2 电容器响应的三维自洽模型 135
7.4 电容器响应三维自洽模型的结果和讨论 137
7.4.1 螺旋构象的DNA易位 137
7.4.2 有一个突变碱基的单链DNA链在伸展构象时的易位 140
7.5 薄膜的电路模型 142
7.5.1 以掺杂硅电极的模型 143
7.5.2 Si02层的模型 143
7.5.3 筛选 144
7.5.4 DNA易位的电路模型 144
7.6 SPICE模型的结果和讨论 145
7.6.1 DNA链的易位 145
7.7 结论 147
致谢 148
附录 149
参考文献 M9
第8章 固态纳米孔的制备，集成及DNA检测的可行性 152
8.1 引言 152
8.2 单个固态纳米孔的制备技术 153
8.2.1 电子束或激光加热的可控缩孔 153
8.2.2 TEM“钻孔” 156
8.2.3 带反馈的化学腐蚀法 l56
8.3 多个纳米孔的集成：电寻址纳米孔 159
8.4 利用固态纳米孔进行DNA测序的构想 161
8.4.1 杂交辅助纳米孔测序(HANS) 161
8.4.2 DNA易位时位置检测的误差分析 162
8.5 受限DNA易位和杂交检测的最新实验进展 165
8.5.1 用磁镊控制DNA穿过固态纳米孔时的反向易位 165
8.5.2 用于杂交检测的纳米孔DNA易位实验 168
8.6 结论 171
致谢 171
参考文献 171
第9章 纳米孔再蛋白质活性检测中的应用 174
9.1 引言 174
9.2 通过纳米孔记录描述蛋白质的大小、电荷和构象 176
9.2.1 利用纳米孔确定蛋白质的大小 176
9.2.2 利用纳米孔确定蛋白质的电荷 177
9.2.3 利用纳米孔确定蛋白质的构象 179
9.3 纳米孔检测用于表征平衡结合常数和化学计量数 180
9.3.1 利用纳米孔确定配体和蛋白质结合的化学计量数 181
9.3.2 利用纳米孔确定解离常数 182
9.4 利用纳米孔确定结合的形成和解离速率 183
9.5 利用纳米孔定量检测酶的活性 186
9.6 利用纳米孔进行蛋白质传感的未来展望 190
致谢 191
参考文献 191
第10章 核酸在5nm以下固态纳米孔的捕获和易位过程 195
10.1 引言：生物大分子通过狭窄纳米孔 195
10.2 DNA俘获的问题 198
10.2.1 理论探讨 199
10.2.2 测量DNA俘获率的实验 201
10.2.3 调整场强增加捕获速率 204
10.3 电压驱动的DNA易位 206
10.3.1 易位时间分布：DNA-纳米孔相互作用对分布形态的影响 208
10.3.2 纳米孔尺寸对DNA转移的影响 210
10.3.3 DNA长度与转移动力学的关系 210
10.3.4 盐梯度对转移动力学的影响 213
10.4 结论 214
致谢 215
参考文献 215
第11章 基于纳米孔的DNA测序和DNA行为控制 219
11.1 DNA测序 219
11.1.1 Sanger测序法 219
11.1.2 荧光原位测序法 221
11.1.3 焦磷酸测序 222
11.1.4 基于纳米孔的DNA测序：挑战和机遇 223
11.2 控制纳米孔中DNA的运动 234
11.2.1 黏度、电压、离子浓度和温度控制 234
11.2.2 用有效电驱动力和光镊方法控制纳米孔中DNA的运动 236
11.2.3 磁镊 238
11.2.4 “DNA晶体管” 240
11.3 讨论：测序以外的研究 244
致谢 245
参考文献 245
第12章 基于纳米孔的第三代DNA测序技术 248
12.1 引言 248
12.1.1 单分子测序 249
12.1.2 纳米孔单分子测序的前景 250
12.1.3 本章概要 252
12.2 利用合成纳米孔进行单分子测序 253
12.2.1 纳米孔制备 253
12.2.2 DNA运输至纳米孔 254
12.2.3 合成纳米孔捕获DNA 257
12.2.4 纳米孔中的噪声 264
12.3 结论 265
致谢 266
参考文献 266
第13章 生物通道再恐怖战剂和生物分子检测中的应用 270
13.1 引言 270
13.2 平面双分子层检测 274
13.3 爆炸物和化学战剂的检测 275
13.3.1 2，4，6一三硝基甲苯 275
13.3.2 液体炸药 276
13.3.3 神经毒剂的水解产物 276
13.4 生物分子检测 278
13.4.1 多肽 278
13.4.2 DNA 280
13.5 实际样品的纳米孔分析 283
13.6 结论 285
参考文献 285
第14章 纳米孔力谱：分子动力学模拟 290
14.1 引言 290
14.1.1 纳米孔力谱实验 291
14.1.2 分子动力学模拟 293
14.1.3 本章概述 294
14.2 蛋白质-DNA复合物的断裂 294
14.3 DNA发夹结构的解折叠 298
14.4 纳米孔内DNA的受力 302
14.5 结论 305
致谢 305
参考文献 306
索引
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