Elements纳米孔检测技术的核心原理及实际应用场景介绍
2025-07-16 来源:本站 点击次数:57在生物技术、医学研究和纳米科学领域，精准、高效的分子检测技术一直是科学家们追求的目标。近年来，纳米孔检测技术因其高灵敏度、高通量和实时分析能力，成为DNA测序、蛋白质分析和单分子检测的重要工具。Elements 作为该领域的领先品牌，推出了一系列高性能纳米孔检测仪器，涵盖从基础研究到工业级应用的全方位需求。
今天，我们将深入解析Elements的纳米孔检测技术，从核心原理到产品优势，再到实际应用场景，带您全面了解这一革命性的检测方案。
一、纳米孔检测技术：从原理到应用
1、什么是纳米孔技术？
纳米孔检测技术（Nanopore Sensing）是一种基于电生理学的单分子检测方法。其核心原理是通过在脂质双层膜或固态材料上制造纳米级孔道（通常直径1-10nm），施加电压驱动分子（如DNA、蛋白质）通过孔道。当分子穿过时，会短暂阻塞离子电流，产生特征性电流信号，从而实现对分子的识别和检测。
2、什么是生物纳米孔？可用来做什么？
生物纳米孔是由天然蛋白质分子自组装形成的纳米级孔道，其孔径通常在 1-10纳米范围内，具有精确的分子识别能力。
技术特点：
🔷天然蛋白质孔道：由生物分子（如α-溶血素、MspA、CsgG等）构成，具有天然的高选择性和原子级精确的孔径。
🔷 高灵敏度：可识别单分子，如DNA、RNA、蛋白质等，适用于超低浓度检测。
🔷易功能化：可通过基因工程或化学修饰优化孔道特性（如提高稳定性、调节孔径）。
🔷局限性：机械稳定性较差（易受pH、温度影响），寿命较短，通常需要电解质溶液环境。
主要应用：
✔ DNA/RNA测序
✔ 蛋白质分析（检测蛋白质折叠、翻译后修饰）
✔ 小分子检测（如药物筛选、环境污染物监测）
✔生物传感器（结合适配体或抗体，用于疾病标志物检测）
3、什么是固态纳米孔？可用来做什么？
固态纳米孔是通过微纳加工技术在人工材料（如硅、氮化硅、石墨烯）上制造的纳米级孔道，孔径可调控（1-100纳米）。
技术特点：
🔷人工材料制备：通常由硅基（SiN、SiO₂）、石墨烯、氮化硼等材料制成，孔径可精确调控（1-100 nm）。
🔷高机械稳定性：耐高温、耐化学腐蚀，适用于苛刻环境。
🔷可集成化：易于与微流控、电子器件（如FET）集成，适合大规模制造。
🔷挑战：表面修饰较复杂，信噪比可能低于生物纳米孔。
主要应用：
✔ DNA/RNA测序（长读长测序，无酶依赖）
✔ 单分子分析（如蛋白质构象变化、病毒颗粒检测）
✔工业检测（纳米颗粒、聚合物表征）
✔仿生器件（人工离子通道、能量存储）
二、Elements纳米孔产品核心特点
01、高带宽传感
支持高达100kHz的采样频率，可捕获纳米孔信号的细微动态变化（如DNA/RNA易位、蛋白质折叠等）。
02、模块化设计
用户可灵活更换Flowcell（标准版与高通量版），适配不同实验需求。
03、低噪声电子学
专有集成电路降低背景噪声，提升信噪比（SNR），尤其适合单分子分析。
04、实时数据处理
集成软件支持实时信号可视化和分析，兼容Python/MATLAB等工具。
明星产品
图1. Nanopore Reader 100kHz及配套Flow Cell
用户实例 1
PEG-25 分子（浓度10 µM）在 -100 mV电压、20 kHz采样率（带宽10 kHz）下通过单个α-溶血素（α-Hemolysin）纳米孔的易位记录。该蛋白质被嵌入由DPhPC（二植烷酰磷脂酰胆碱）构成的脂质双层膜中，此膜涂覆于带有150 µm孔径的BLM芯片上。记录溶液含3M KCl、20 mM TRIS，pH 8。
用户实例 2
示例性单次α-溶血素通道插入电流轨迹图：
采样率：5 KHz（带宽2.5 KHz）
膜电位：100mV
环境：对称性1M KCl溶液，PH 7
溶液中预先存在的PEG1000分子穿过α-溶血素通道，产生负向单个阻断信号。通道蛋白直接加入溶液并自动组装入DPhPc形成的双层膜中。
三、Elements纳米孔检测仪器全解析
生物纳米孔系列
高灵敏度，适用于脂质双层膜研究
eOne
便携式单通道电流放大器
✔ 超低噪声（0.42 pA rms @10 kHz）
✔ 手持设计（仅40克），USB供电，适合现场实验
✔ 支持脂质双层膜和电化学检测
e4 / e16 / e384
多通道电流放大器
e4（4通道）
✔ 低噪声（3.6 pA rms @100 kHz）
✔ 适用于小规模阵列研究
e16（16通道）
e384（384通道）
固态纳米孔系列
高稳定性，适用于工业级检测
Nanopore Reader HC
大电流低噪声放大器
✔ 支持 ±4 μA大电流检测
✔ 低噪声（32 pA rms @100 kHz）
✔ 适用于固态纳米孔和纳米颗粒分析
Nanopore Reader 10 MHz
全球首款10MHz超高带宽设备
✔ 采样率40 Msps，带宽10MHz
✔ 适用于超高速信号采集（如纳米颗粒瞬态分析）
Nanopore Reader 4×10 MHz
四通道超高带宽系统
✔ 4通道同步采集，每通道26.6 Msps
✔ 适用于多纳米孔并行检测
四、应用案例及高分文章
1、DNA / RNA 测序
基于生物纳米孔（如e384），实现低成本、长读长测序。
2、蛋白质分析
通过电流信号变化，解析蛋白质折叠、相互作用等动态过程。
3、纳米材料研究
固态纳米孔（如10MHz设备）可用于纳米颗粒粒径、表面电荷分析。
总结
Elements的纳米孔检测仪器，凭借其超高灵敏度、模块化设计和广泛适用性，正在重塑分子检测的未来。无论是学术研究还是工业应用，这些设备都能提供无与伦比的性能支持。