レーザーナノポアは、分子のエネルギーを加熱および測定して、癌を検出するためのバイオセンサーの開発を促進します

ナノポーラスシステムにおけるポリマーエネルギーの研究は、他のナノポーラス材料のゼオライトやゲルに対する高分子の分配係数に関する研究が行われた1970年代に始まりました。 これにより、閉じ込められたポリマー鎖の静的および動的特性の理論的研究が生まれました。 この作業の焦点は、キャリブレーション法則を適用して、細孔拡散係数とポリマー分配係数を理解することです。これらは両方とも、分子の全体的な特性を測定するために多数の多孔質材料を使用する手法を使用して調べることができます。 これらの統合された方法は、ポリマー-細孔相互作用への重要な洞察を提供しますが、単一分子ナノポアセンシング技術の出現は、ポリマー-細孔ダイナミクスのより基本的な研究のためのプラットフォームを提供します。

Fokker-Plank方程式（Fokker-Plank方程式）とポリマー理論の詳細な分析を使用して、ポリマーの細孔ダイナミクスとナノ細孔から逃げるポリマーの自由エネルギー障壁との間に接続を確立できます。これまでの多数の報告では、ポリマーナノポアの相互作用が研究されており、ポテンシャル井戸の詳細な粗視化モデルと化学的に特異的な分析モデルが提供されています。ナノポアに閉じ込められたポリマー自由エネルギーの最も包括的なモデルには、排除体積効果、分子間結合の振動モード、外部電場、および静電相互作用からの位置エネルギーが含まれます。さらなる膨張には、ポリマーと溶媒および電解質成分との相互作用も含まれ、ナノポア内の中空ポリマーの電位依存性効果をシミュレートする機能を提供します。

ほとんどの研究では、エントロピーが自由エネルギー障壁の主な要因であると説明されていますが、特に細孔内で利用可能な静電相互作用を強化する変更されたシステムでは、エンタルピーが重要な役割を果たすことができるという証拠があります。熱力学的成分を分離するための成功した方法は、弱く相互作用する陽イオン（K +など）を弱く相互作用する陽イオン（Li +など）に置き換えることです。ただし、より直接的な方法は、温度の関数としてポリマー-ナノポアの反応速度を測定して、エンタルピーとエントロピーを明確に抽出できるアレニウス図を作成することです。ナノポアデバイスの温度制御は、赤外線ランプまたは密閉型ペルチェデバイスで実行できますが、これらの実験の煩雑で遅い性質（つまり、1分あたりの時間スケールでの温度変化）により、詳細な熱研究の数はほんの数例に制限されます。 。

静的な外部温度制御方法の課題を克服するために、バージニアコモンウェルス大学と米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者は、局所温度を動的に制御できるレーザーベースの加熱方法を使用しました。光学的加熱は、水中の振動モードを赤外光で直接励起するか、ナノプラズマ支援加熱と半導体材料の電子モードの励起（間接）によって実現できます。

チームは、細胞膜を形成する生体材料の人工バージョンを製造することにより、バイオセンサーを構築します。これは脂質二重層と呼ばれ、流体に囲まれた直径約2ナノメートル（10億分の1メートル）の小さな細孔が含まれています。流体に溶解したイオンはナノポアを通過し、小さな電流を生成します。ただし、対象の分子が膜に打ち込まれると、電流が部分的に流れなくなります。この封鎖の期間とサイズは、特定の分子のサイズと特性を識別するためのフィンガープリントとして使用できます。多数の個々の分子を正確に測定するために、ターゲット分子は、100万分の1秒から10分の1秒の範囲で、長すぎても短すぎても（「ゴルディロックス」時間）ナノポアに留まらなければなりません。問題は、ナノポアが何らかの方法でそれらを所定の位置に固定した場合、ほとんどの分子がこの時間間隔の間だけナノポアの小さな体積にとどまるということです。これは、ナノポア環境が静電力の増加やナノポアの形状の変化などの特定の障壁を提供する必要があることを意味します。これにより、分子が逃げにくくなります。分子の種類ごとに、障壁を突破するために必要な最小エネルギーは異なります。これは、バイオセンサーの効率的で正確な作業に不可欠です。この数を計算するには、分子が細孔に出入りするときの分子のエネルギーに関連するいくつかの特性を測定する必要があります。重要なのは、分子と周囲の環境との相互作用が主に化学結合によって引き起こされているのか、それとも捕獲および放出中に分子が自由にスイングおよび移動する能力によって引き起こされているのかを測定することです。




（A）実験装置の概略図。 （B）ナノポアと相互作用し、Auクラスターのセパレーターとして機能し、αHLの前庭に出入りするPEG28の典型的な電流トレース。 （C）と（D）は、ポリマーが開口部と相互作用するため、それぞれPEG28とAT1の温度校正電流を示しています。電流（および温度）は、振動サイクルを通じて赤外線レーザーによって変調されます。 （E）は、24°CでのAuクラスター（黒四角）およびオープンポア（白四角）構成でのPEG-αHLの滞留時間分布を示しています。 （F）AT1-αHLの滞留時間分布は、24°CでAuクラスター（黒四角）とオープンホール（白四角）の構成を持っていることが示されています。示されているデータは、70mVの膜電位を適用した3MKClで収集されました。すべての実験で、接地電圧は穴の反対側を基準としています。 （E）と（F）のエラーバーは、カウントの平方根として計算された1SDに基づいて推定されます。

これまでのところ、さまざまな技術的理由により、これらの高エネルギー成分を抽出するための信頼できる測定方法が不足しています。この新しい研究では、NISTのJosephRobertsonとVCUのJosephReinerが率いるチームが、レーザーベースの急速加熱法を使用してこれらのエネルギーを測定する能力を実証しました。

図2は、レーザー駆動温度制御（動的制御）の利点を示しています。AT1は、レーザーベースの加熱条件下で観察され、静的ペルチェ制御温度制御を使用した同様の実験と比較されました。比較の目的は、動的レーザーベースの温度変調によって予期しないシステム偏差が発生しないことを確認することです。レーザーベースの加熱とバルク溶液加熱の間の一致は、レーザーヒーターがシステムに漂遊アーチファクト（つまり、対流または放射による移動）を導入しないことを示しています。研究者は、データ収集（ポイント間の温度バランスを含む）が3つの個別のデータポイントを含むデータセットを生成するのに30分以上かかるため、通常、繰り返し温度測定を実行することは不可能であることに気づきました。




レーザーベースの動的加熱（白抜きの記号、3つの異なる穴）とペルチェベースの質量加熱（黒丸、1つの穴）によって作成されたアレニウス図は、方法間の一貫性を示しています。実線は、各データセットへの最小二乗線形フィットです。静的加熱条件は、分析チャンバーに埋め込まれたPID制御のペルチェデバイスによる温度制御に対応します。動的加熱条件は、AOMによって変調された1444nmレーザーによって実行される温度制御に対応します。静的実験では、3つの個別の温度が生成されました。静的データセットのエラーバーは、観測された滞留時間の標準偏差に基づいて推定されます。代表的なデータは、70mVおよび3M KCl（pH 7.2）でのAT1のデータからのものです。

測定はさまざまな温度で実行する必要があり、レーザー加熱システムはこれらの温度変化が迅速かつ再現性よく発生することを保証できます。これにより、研究者は30分以上ではなく、2分未満で測定を完了することができます。この新しいタイプのレーザーベースの加熱ツールがなければ、彼らの経験は測定を行うことが不可能であることを示しています。彼らは時間と費用がかかるからです。本質的に、研究者は、ナノポアセンサーの開発プロセスを変更して、センサーの発見に伴う当て推量をすばやく減らすことができるツールを開発しました。

エネルギー測定が行われた後、それらは分子がナノポアとどのように相互作用するかを明らかにするのに役立ちます。その後、科学者はこの情報を使用して、分子を検出するための最良の戦略を決定できます。

たとえば、主に化学的相互作用（基本的には静電相互作用）を介してナノポアと相互作用する分子について考えてみます。 Goldilocksの捕捉時間を達成するために、研究者は実験を行い、ターゲット分子への静電引力が強すぎたり弱すぎたりしないようにナノポアを変更しました。この目標のために、研究者らは、タンパク質の構成要素を構成する化合物の短鎖である2つの小さなペプチドを使用した方法を実証しました。ペプチドの1つであるアンジオテンシンは血圧を安定させることができます。別のペプチドであるニューロテンシンは、気分に影響を与える神経伝達物質であり、結腸直腸癌でも役割を果たす可能性のあるドーパミンの調節を助けます。これらの分子は、主に静電力を介してナノポアと相互作用します。研究者らは、ナノ粒子内の金ナノ粒子を帯電した材料に挿入し、それによって分子との静電相互作用を強化しました。

研究チームはまた、別の分子であるポリエチレングリコールを研究しました。その移動度によって、ナノポアで過ごす時間が決まります。一般に、分子は環境に制限されることなく自由に揺れ、回転し、伸びることができます。ナノポア内の分子の滞留時間を長くするために、研究者たちはナノポアの形状を変更して、分子が小さな空洞を通り抜けて出るのをより困難にしました。



研究者はこれらの変更を使用して、特定の分子の検出に適したナノポアバイオセンサーを構築できます。最終的に、研究所はこのバイオセンサーを使用して目的の生体分子を特定したり、診療所はこのデバイスを使用して疾患のマーカーを特定したりできます。