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本刊公告

《分析化学》2018年第6期推出“单分子分析专栏”

来源:分析化学 阅读数:370 时间:2018-05-31 11:34:19

随着现代科学的飞速发展,人们对生命活动的机理的研究的深入,以及对疾病早期诊断及复杂生物样品中的灵敏、准确检测的迫切要求,促使现代分析化学技术从传统的定性、定量分析向超微量、痕量分析发展,而近年来出现的单分子、单细胞分析技术,使得研究者可以从更深的层次分析生命活动的规律,跟踪生物反应的过程,阐明疾病发生的机理。其中基于纳米孔的分析技术包括基于生物纳米孔和固态纳米孔的分析技术,以及单分子单细胞荧光检测技术尤其引人关注,我国的分析化学工作者在这一方面进行了大量的工作,取得了一系列卓越的成果。《分析化学》编辑部邀请本刊编委、华东理工大学龙亿涛教授共同组织了单分子分析专栏,包括4篇研究报告、5篇评述,主要介绍了基于纳米孔等的单分子分析技术以及相关领域的研究进展、机遇以及挑战,以及相关的创新研究成果和新方法。


中国科学院上海应用物理研究所界面物理与技术重点实验室的李迪研究员,对单分子荧光共振能量转移技术在蛋白质分子构象动态、核酸分子构象动态、蛋白质-蛋白质相互作用以及蛋白质-核酸相互作用等方面取得的研究进展进行了综述。指出单分子荧光共振能量转移技术已被成功用于研究许多重要的生物学过程,包括ATP合成﹑蛋白质折叠﹑信号传递﹑DNA复制﹑基因重组﹑核糖体构成等,取得了一些突破性的进展。同时指出单分子荧光共振能量转移技术也有其自身的局限,未来可能需要发展单分子多色荧光共振能量转移,同时结合晶体学数据和理论模拟进行数据分析,以及更多地和单分子操纵技术,如光镊、磁镊等技术结合进行研究,以解决更多生物难题。


中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室的李敬博士和汪尔康院士,结合固态纳米孔的独特优势和性能,总结了固态纳米孔检测的原理及在分析化学领域的应用,分别介绍了以电阻脉冲作为输出信号的固态纳米孔用于检测单分子DNA、蛋白质及提高检测性能的方法,对近年来基于高分子聚合物及毛细玻璃管的固态单纳米孔通道在分析化学领域的发展主要是固态纳米孔以离子整流作为输出信号用于响应开关及电化学传感器的构建进行了概述,并对该领域未来的发展趋势和应用前景进行了展望。


中国科学院重庆绿色智能技术研究院的王德强和王亮研究员对近年来纳米孔技术在有毒物质检测中的应用进行了综述,以神经毒剂、炭疽杆菌、肉毒素、可卡因、四环素和烟草花叶病毒的检测为例,对纳米孔分析技术在公共安全、药物安全与毒品检查中的应用进行了介绍。


临沂大学化学化工学院郗冬梅教授,从固态纳米孔材料的角度,对固体纳米孔分析技术的进展进行了评述。固体纳米孔主要由薄膜和管材料两种类型材料制备,其中常见的薄膜纳米孔包括氮化硅、二维材料、氧化铝以及聚合物薄膜,管材料主要包括玻璃毛细管和碳纳米管。作者主要总结了近年来常用的固体纳米孔的种类及在DNA测序和生物传感中的应用研究进展,同时指出,随着孔道材料的迅速发展以及相关仪器的不断改进,固体纳米孔分析技术将在细胞分析甚至活体检测领域发挥重要的作用,不仅能够推动基础研究的发展,还可望用于重大疾病诊断及个性化医疗等领域。


中国药科大学刘煜和美国国家标准与技术研究所物理测量实验室汪海燕教授,针对纳米通道检测技术可以探测蛋白质的结构、机械稳定性、折叠状态、与其它结合分子的作用强度和酶活性的特性,讨论了纳米通道技术的基本工作原理以及通道电流信号如何提供单个分子的特征信息,综述了近年来基于生物纳米通道和固体孔纳米通道在蛋多肽和蛋白质方面的研究成果,并对纳米通道技术在生命研究领域用于相关蛋白质结构和组成的研究趋势进行了展望。该综述为英文稿件,发表在《分析化学》英文网站(https://www.sciencedirect.com/journal/chinese-journal-of-analytical-chemistry)上


本专栏中包括4篇研究报告。华东理工大学应佚伦和龙亿涛教授,研究了纳米孔道实验数据的信号特征,提出了基于双缓冲数据结构和有限冲击响应滤波的实时自适应阈值法,并基于这一算法设计了纳米孔道信号在线识别与分析系统,实现了实验数据实时采集存储和信号在线分析处理的同步进行。采用噪音20~100 pA和带宽区间为3~100 kHz的仿真信号进行信号识别分析,证明该系统能够满足强噪声、低带宽、高采样率(250 kHz)环境下对实验数据的处理要求。所提出的纳米孔道信号在线识别和分析系统被应用于单个poly(dA)4分子的aerolysin纳米孔道分析实验中。


中国科学院长春应用化学研究所李冰凌研究员基于针对核酸等温扩增技术在反应过程中假阳性扩增频发、反应后对产物的检测方法缺乏特异性和灵敏度等缺点,通过构建发卡型结构万能中转探针,成功地将恒温扩增产物转到一套性能良好的已知核酸分子线路上;借助核酸分子线路的百倍放大性能和序列特异性,实现对上游基因序列信息的精准识别和放大信号输出。针对不同的待测序列,仅需改变发卡型中转探针的序列,即可实现对不同序列目标物的检测。该研究对中转探针的设计原理和方法进行了重点阐述,提供并验证了一套行之有效的普适性设计规律,确保中转探针良好的中转效率(信噪比)。利用这一规律获得的中转探针,与核酸分子线路偶联,可成功为低至近单分子(20个拷贝)的模型基因提供显著的荧光和电化学信号输出。


东北大学理学院吴志勇教授的研究组采用全集成型微电流脉冲检测系统,以单个野生型α-HL纳米孔为界面,利用咪唑类离子液体BmimClBmimPF6建立了粘度梯度体系,研究了粘度梯度和溶液酸度对单链DNA ssDNA)穿孔行为的影响,发现采用离子液体粘度梯度支持电解质体系可以有效地调控ssDNA的迁移行为。在他们的另一篇报告中,采用华东理工大学龙亿涛教授实验室研制开发的超微电流放大器组建的单个纳米孔电流脉冲检测系统,用α-溶血素(α-HL)纳米孔界面探究了带负电的ssDNA与带正电的鱼精蛋白相互作用对电流脉冲的影响。他们的结果表明,采用上述系统能够清楚地识别来自鱼精蛋白和ssDNA探针的电流脉冲信号,且二者相互作用的结果对应的脉冲幅度及停留时间均有显著增加。


从上述的评述和研究报告中可以看出,单分子分析技术可以在分子水平上分析各种生物分子的反应以及活动规律,从而可以更有针对性的揭示生命活动的规律、疾病发生的原因,从而加深人们对于自身的了解。目前,单分子分析技术仍然处于发展中,还有很多关键性的科学问题亟待解决。为了促进这一领域的进一步发展,需要对这一研究领域进行大力的宣传,以吸引更多的研究人员,增进多学科交叉的研究和交流,这也是组织本专栏的目的和宗旨。


真诚感谢所为本专栏撰稿的各位专家学者,也感谢《分析化学》编辑部的编辑。希望本专栏的论文能对我国从事单分子分析研究以及有兴趣进行该领域研究的专家学者有所借鉴和帮助,也希望大家喜欢这个专栏。有不足之处,欢迎批评指正。

 

华东理工大学 龙亿涛

《分析化学》编辑部

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