纳米孔分析方法在有毒物质检测中的应用

周硕 唐鹏 王赟姣 王亮 王德强

摘 要 纳米孔技术作为一种新型的分析检测方法，被广泛应用于核酸测序、蛋白质/多肽分析以及病毒、微生物等生物大分子和金属离子的检测。随着人们对公共安全和食品药品安全等问题的日益关注，对有毒物质的检测也提出了更高的要求。鉴于纳米孔分析方法具有高灵敏度和高选择性等优点，很多研究团队将其应用于有毒物质的检测，进行了很多的研究工作。本文针对近年来纳米孔技术在有毒物质检测中的应用进行综述，并对其应用前景进行了展望。

关键词 纳米孔技术；单分子检测；有毒物质；灵敏度；选择性；评述

1 引 言

纳米孔分析方法是一种基于电脉冲技术的新型分析检测技术，通过分析一定电压下分析物分子穿过纳米孔道产生的阻塞电流信号实现对分析物的检测[1]。不同的分析物通过纳米孔时所产生的阻塞电流信号将表现出不同的信号特征（幅值，持续时间等）。而当纳米级孔道的孔径大小在1～30 nm范围内时，每次只能容许一个分子通过，因此，产生的阻塞电流信号的特征与过孔分子的构象、大小、长度、电荷等固有属性一一对应。通过分析这些过孔电流信号特征，就可以揭示分析物的结构和组成等重要信息，從而实现对待测物的定性与定量的超灵敏检测。目前，纳米孔技术主要应用于两大领域，即测序领域和非测序的单分子分析检测领域。前者主要包括DNA测序[2～10]和蛋白质测序[11～14]，已有多篇综述报道[15～20]；后者则包括各种非测序的单分子鉴定方面的应用，如多肽的二级结构鉴定[21～26]以及蛋白和适配体等其它单分子构象研究[27-28]，以及作为新型生物传感器分析方法的应用，如核苷酸链中单个碱基差异的识别[29，30]、癌症标记物的检测[31]、药物筛选[32～34]、金属离子检测[35～38]等，Yang等[39]曾针对纳米孔技术在非基因测序方面的应用做过详细介绍。

迄今为止，纳米孔技术仅有20余年的发展历史，但已在疾病诊断[40～44]、食品安全[45，46]、环境监测[47～49]和公共安全[50～55]等领域取得了一系列突破性进展。随着近年来公众对公共安全和食品药品安全的要求日益提高，研究者就如何利用纳米孔实现对有毒物质的快速高效检测做了很多工作。本文将对近年来纳米孔技术在有毒物质检测中的应用进行综述，以期为未来纳米孔商业化产品在公共安全、药品安全及毒品检查等方面的应用推广提供技术参考。

2 纳米孔技术在公共安全中的应用

2.1 神经毒剂的检测

神经毒剂是一类以神经组织为靶标的有毒物质，对人体神经系统具有巨大的破坏力，常被用于杀伤性化学武器研制。目前， 主流的神经毒剂检测方法（如高效液相色谱和气相色谱-质谱联用等）灵敏度较高，但需复杂的检测仪器，因此无法实现神经毒剂的现场快速检测。Wang等[56]利用纳米孔技术快速、简便的优势，设计了一种鉴定神经毒剂索曼和环沙林的新方法。 这种方法借助神经毒剂易水解的特性，通过对其水解产物与修饰纳米孔相互作用产生的电流信号的观测，间接对神经毒剂进行定性与定量的分析。神经毒剂索曼和环沙林的主要水解产物通常以小分子CMPA（Cyclohexyl methylphosphonic acid）和PMPA（Pinacolyl methylphosphonate）形式存在，它们通过纳米孔时不易产生阻塞电流信号。研究者以β环糊精（β-Cyclodextrin， β-CD）嵌入重组突变后的α-溶血素纳米孔中，缩小纳米孔孔径，从而促使CMPA和PMPA在纳米孔中与 β-CD发生相互作用，诱导阻塞电流变化，进而实现对索曼和环沙林的有效和灵敏的检测。如图1所示， β-CD（红色）与α-溶血素纳米孔结合后，会使纳米孔阻塞而产生其特征阻塞电流；随着在纳米孔反应体系中加入CMPA和PMPA，它们会与 β-CD发生相互作用，从而在β-CD特征阻塞电流信号的基础上产生新的电流信号。此外，由于CMPA和PMPA的结构不同，二者产生的阻塞电流信号也不同，因此可以实现两者的同时鉴定分析。这种方法对神经毒剂索曼和环沙林水解产物CMPA和PMPA的检出限分别可以达到0.02和0.01 mg/L。

nce of 40 μmol/L β-CD[56].

2.2 炭疽杆菌的检测

炭疽毒素（Anthrax toxin）是一种由炭疽杆菌产生的致命毒素，分为水肿毒素和致死毒素，可引发一种人畜共患的急性传染病，从而引起人畜各脏器和组织的出血性浸润、水肿和坏死[57，58]。炭疽杆菌会形成“芽孢”，其生命力极其顽强，能抵抗各种杀灭手段，而且寿命极长，深埋、真空封存几十年后仍然具有很强的感染能力[59，60]。虽然现在医学诊断和药物治疗等技术取得了突飞猛进的发展，但是人类社会在面临这种急性传染病时，依然存在致命风险。以细胞培养、聚合酶链式反应、酶联免疫反应为代表的传统检测手段，耗时长，且不适于现场的实时检测环境，在危机爆发时，无法实现实时的现场快速诊断，因此迫切需要开发一种便捷有效的检测方法，对炭疽杆菌进行分析和监控。

2.2.1 炭疽致死毒素的检测 Guan研究团队针对炭疽的检测，提出了一种实时、快速、无需标记的纳米孔分析方法[50]。该方法以炭疽毒素的重要组成成分——炭疽致死毒素（Anthrax lethal factor，aLF）为研究对象，选择致死毒素的特异性遗传DNA片段为检测样本，通过分析DNA双链杂化与解链在α-溶血素纳米孔中产生的特异性电流变化，从而实现对炭疽致死毒素的有效检测与鉴定（图2）。他们的研究表明，单链DNA探针与炭疽特异性DNA片段（aLF）分别加入纳米孔时，各自产生的阻塞电流无法区分，然而将二者的混合物加入纳米孔体系后，由于碱基互补促使单链DNA探针与炭疽DNA杂化，杂化后的双链DNA分子在通过纳米孔时，在外加电压和与纳米孔相互作用的共同推动下，会诱发双链分子的解链行为，进而生成一种完全不同的、可识别的电流信号，从而实现对炭疽致死毒素的检测。该分析方法对炭疽致死毒素特异性DNA片段的检测具有非常好的选择性，可以区分单个碱基的突变。此方法在血清中的检出限低于100 pmol/L。

2.2.2 炭疽孢子分泌物的纳米孔分析 纳米孔技术对炭疽的检测，不仅可通过对其遗传片段的分析实现，也可通过对其孢子分泌物吡啶二羧酸（Dipicolinic acid，DPA）的分析进行， 可为炭疽感染的预防和控制提供更为有效的手段。但是，由于DPA分子太小，无法在纳米孔中直接检测。研究人员借鉴化学中经典的反滴定法设计了一套全新的纳米孔分析方法[51]。如图3所示， Tb3+可以与配体二乙烯三胺五亚甲基膦酸（Diethylene triamine pentamethylphosphonic acid，DTPMPA）和DPA分别发生络合反应，生成相应的络合物，反应前后纳米孔中可以产生不同类型的可识别的电流变化，但由于DPA与Tb3+络合力更强，当检测体系中存在DPA时，会导致电流信号由配体DTPMPA-Tb3+络合物信号向配体DTPMPA信号的反向转变，这种变化随着DPA浓度的增加变得更为明显。通过这种信号的反转，可以实现对炭疽芽孢分泌物的有效鉴定。虽然这种方法的灵敏度（34.6 nmol/L）比荧光检测法（2 nmol/L）低[61]，但该方法无需荧光标记，实验操作更为简单。此外，这也是首次将化学定量法中的反滴定法与纳米孔技术相结合，为开拓新的分析检测手段提供了全新思路。

2.3 肉毒素检测

肉毒素（Bontulinum neurotoxin，BoNTs）是肉毒杆菌产生的分子神经毒素，是已知毒素中毒性最强的生物毒素，致死量为1 ng/kg体重[62]。由于肉毒素可通过食物链传播而危害人类安全，所以也被用作生化武器[63]。目前，在各种肉毒素种类（BoNTs A-G）中只有A、B、E和F对人类有毒害作用[64]。其毒害机理主要是抑制神经末梢释放乙酰胆碱，引起肌肉松弛麻痹，特别是引起呼吸肌麻痹而致死。化学结构上，肉毒杆菌神经毒素作为一种蛋白分为重链和轻链，两者之间由二硫键连接。重链分子量为100 kDa， 可以对神经系统造成破坏；轻链分子量为50 kDa，可以从囊泡穿过进入到细胞溶质中，作为Zn2+诱导的肽链内切酶特异性酶切SNARE蛋白复合体，从而妨碍胞吐作用和神经传递素的释放，进而影响神经系统功能[65]。因此，无论是从生化防护还是医疗诊断角度来考虑，都需要对肉毒杆菌神经毒素进行早期、快速的检测。

纳米孔技术作为一种新型的超灵敏的快捷检测手段已经被成功应用于多肽和蛋白质分析[66～70]。值得注意的是，纳米孔可通过对酶切反应中水解多肽的分析实现对蛋白酶功能的研究[43，71，72]。以肉毒素B（BoNTs B）为例（图4），在Zn2+存在条件下，肉毒素B可以酶切神经细胞突出蛋白（Synaptic protein sb2，1-93），剪切位点位于76～77位氨基酸之间，生成N端Lp-sb2（1-76）和C端sb2（77-93）两个片段，因此，通过对两个蛋白片段的纳米孔过孔信号进行分析，即可间接检测肉毒素B[45]。实验结果证实，以酶切后的sb2（77-93）作为生物标记物（Lp-sb2分子太大，不足以穿过纳米孔产生特征电流信号），通过对其在纳米孔中的过孔信号的分析，可以在几分钟内检测到低于500 pmol/L的有活性的肉毒素B，这种分析方法在血清样本体系中效果良好。

3 纳米孔技术在药物安全与毒品检测中的应用

3.1 可卡因检测

可卡因在醫学中被用于局部麻醉药；同时，可卡因又是一种强烈的天然中枢兴奋剂，会导致吸食用者变得情绪高涨，且容易产生药物依赖上瘾，被各国政府列为主要违禁药品之一[73]。常见的可卡因检测方法主要包括电泳法、色谱法和酶联免疫吸附法等，这些方法操作繁琐、成本高，无法进行现场实时检测。Rauf 等[74]提出了一种基于α-溶血素纳米孔的检测方法，无需化学标记即可实现可卡因的快速、高灵敏分析，采用可卡因DNA适配体探针，该适配体由两条碱基互补的DNA单链组成。当适配体通过α-溶血素纳米孔时， 由于孔道最窄处直径（～1.4 nm）小于双链DNA适配体（～2.2 nm）的直径，双链DNA在外部电压推动下，会与纳米孔道发生相互作用而解链。这种解链行为会产生一种可识别的特异性电流信号。加入含有可卡因的样品后，可卡因会与适配体中的单链A特异性结合，形成稳定的Y型复合结构，释放出单链B，提取单链B通过纳米孔产生的特征电流信号，就可以实现对可卡因的检测（图5）。

此外，在0.05～100 μmol/L浓度范围内，可卡因浓度与适配体B链产生的纳米孔电流信号事件呈线性关系，因此可以通过检测适配体B链产生的电流信号，推断出与适配体特异性结合的可卡因的含量，从而定量检测可卡因在样品中的含量。该方法的检测限可以低至50 nmol/L，且适用于复杂的生物体液样本，例如在人类唾液和血清样本中同样具有高选择性。其它研究团队也对纳米孔技术检测可卡因进行过相关研究[75]。

3.2 四环素检测

作为一种常见的抗生素，四环素（Tetracycline，Tet）在医学中一直被广泛应用于抑菌、杀菌及霍乱、梅毒、疟疾、瘟疫等的感染治疗[76，77]。但四环素会导致肝损伤、维生素缺乏等多种不良反应。此外，环境中的四环素残留还会导致细菌产生耐药性，进而威胁人类和动物的健康。目前常用的四环素检测方法包括酶联免疫吸附法[78]、色谱法[79]等，这些传统检测方法具有较好的可靠性和稳定性，但操作繁琐、检测周期长，无法满足实时检测分析的要求。

本研究组设计了一种用于四环素的快速鉴定的纳米孔传感器[33]，选用厚度10 nm的Si3N4为衬底的固态孔，其直径为8～9 nm。由于四环素可以促使rtTA蛋白和DNA单链（TRE）相互结合形成复合体，因此通过分析不同四环素浓度下的复合体特征电流信号，即可实现对四环素的检测。如图6所示，在不加入四环素时，rtTA蛋白和DNA单链（TRE）的混合物在纳米孔中只会引起较小的阻塞电流变化；加入四环素后，rtTA蛋白与DNA单链（TRE）结合生成的复合体会大量形成，且其特征电流信号数目随四环素加入量的增加而增大。采用该方法还可研究四环素与DNA和蛋白之间的相互作用。

3.3 烟草花叶病毒检测

纳米孔不仅可用于DNA、蛋白质、多肽、有机磷化合物等生物化学分子的检测，还可用于病毒的筛查[41，50]。Wu等[55]利用直径为30 nm的固态孔，结合郎之万动力学（Langevin dynamics），研究了烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）通过纳米孔的动力学过程。烟草花叶病毒通常作用于植物，是烟草花叶病等的病原体，其长度为300 nm，直径18 nm[80]。由图7可知，TMV通过纳米孔时会产生3种主要的电流阻塞信号。Type A是一种常见的矩形信号，类似DNA的过孔信号；而Type B和Type C信号的开端有不规则的波动，这是由于TMV在进孔前会与纳米孔发生相互作用，从而产生预过孔信号。这项研究体现了纳米孔在病毒检测应用方面的潜力。

4 展 望

纳米孔分析技术作为一种新的分析手段，具有操作简便、快速、高灵敏、高特异性和高选择性等优势。随着以纳米孔技术为核心的商业化产品的推出，该技术经过不断改进，在检测灵敏度、分析物选择特异性和便携性等方面日趋稳定，可以相信纳米孔作为一种新兴的单分子检测技术，未来将在测序领域和非测序的单分子检测领域发挥巨大的作用。

但是，纳米孔技术作为一种新型的纳米传感器用于实际应用和推广，还需解决纳米孔通量低的问题。另外，纳米孔技术对未知检测物的定性分析是目前纳米孔技术所面临的难题，如测序领域中对未知序列的测定和单分子检测领域中对未知成分的鉴定等。通过将微纳加工、单分子操控、计算机模拟和生物信息学等技术相结合，掌握分子动力学的理论研究方法，建立足够的理论和研究模型，将有望解决上述难题。此外，将单分子荧光成像技术与纳米孔电流信号相结合，实现光电联合检测分析，从瞬时电流调制信号和荧光信号中提取相关的动力学或物理参数，更有助于揭示分析物在纳米孔中的分子行为，为单分子检测技术的发展提供更为有力的支持。

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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）