本文介绍了一种利用基于生物纳米孔的电子平台在单分子水平检测离散金属氧簇——多金属氧酸盐（POMs）的实验方案。该方法为研究这些分子的传统分析化学工具提供了一种互补手段。
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本文内容
摘要
摘要
通过测量单个纳米级孔道中离子电流因分子通过而产生的减小程度，可以检测并表征单个分子。该信号反映了分子的理化性质及其与孔道的相互作用。我们证明，由细菌蛋白金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）α溶血素（αHL）形成的纳米孔可在单分子水平上检测多金属氧酸盐（POMs，阴离子型金属氧簇）。此外，该方法还能同时测量溶液中12-钨磷酸（PTA，H3PW12O40）多金属氧酸盐的多种降解产物。纳米孔方法的单分子灵敏度使得POMs的表征所需浓度显著低于核磁共振（NMR）波谱法。该技术可为化学家提供一种新工具，用于研究多金属氧酸盐或其他金属簇的分子特性，深入理解POM的合成过程，并可能提高其产率。理论上，该方法还可用于探究分子中特定原子的位置、分子片段的旋转以及金属的氧化态。此外，这一新技术的优势在于能够实时监测溶液中的分子动态。
引言
在单分子水平上检测生物分子分析物可通过使用纳米孔并测量离子电流调制来实现。通常，根据制备方式的不同，纳米孔可分为两类：生物纳米孔（由蛋白质或DNA折纸自组装而成）1,2,3，或固态（例如，使用半导体加工设备制造4,5尽管固态纳米孔被认为在物理上可能更坚固，并可在广泛的溶液条件下使用，但迄今为止，蛋白质纳米孔具有更高的灵敏度、更强的抗污染能力、更大的带宽、更好的化学选择性以及更高的信噪比。
多种蛋白质离子通道，例如由 金黄色葡萄球菌 α-溶血素（αHL）可用于检测单个分子，包括离子（例如，H+ 和 D+)2,3多核苷酸（DNA和RNA）6,7,8，受损的DNA9多肽10蛋白质（折叠和非折叠）11聚乙二醇及其他聚合物12,13,14，金纳米颗粒15,16,17,18,19以及其他合成分子20.
我们最近证明，αHL 纳米孔还能够轻松地在单分子水平上检测和表征金属簇——多金属氧酸盐（POMs）。多金属氧酸盐是一类离散的纳米级阴离子金属氧簇，最早于1826年被发现21，此后已合成出多种不同类型。目前可获得的多金属氧酸盐在尺寸、结构和元素组成上各不相同，因而展现出广泛的功能与应用，涵盖化学22，23、催化24、材料科学25，26以及生物医学研究27，28，29等领域。
POM 的合成是一种自组装过程，通常在水中通过混合化学计量所需的单体金属盐来完成。一旦形成，POM 会表现出多种多样的尺寸和结构。例如，Keggin 型多阴离子结构 XM12O40q- 由一个杂原子（X）与四个氧原子配位形成四面体（q 为电荷数）构成。该杂原子位于由 12 个八面体 MO6 单元（其中 M 为处于高氧化态的过渡金属）组成的笼状结构中心，这些八面体单元通过相邻的共用氧原子相互连接。虽然钨系多金属氧酸盐在酸性条件下结构稳定，但氢氧根离子会导致金属-氧（M-O）键发生水解断裂30。这一复杂过程会导致一个或多个 MO6 八面体亚单元的丢失，从而形成单缺位和三缺位物种，并最终导致 POM 完全分解。本文的讨论将仅限于 12-磷钨酸在 pH 5.5 和 7.5 条件下的部分分解产物。
本实验方案的目标是利用基于生物纳米孔的电子平台，在单分子水平上检测离散的金属氧簇。该方法能够实现溶液中金属簇的检测，对溶液中多种物质的分辨能力优于传统分析方法33。该技术可揭示多金属氧酸盐（POM）结构中的细微差异，且所需浓度显著低于核磁共振波谱法。尤为重要的是，该方法甚至能够区分Na8HPW9O341的异构体形式。
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方案
注意： 以下方案专用于Electronic BioSciences（EBS）Nanopatch DC系统。然而，该方案可轻松适配于其他用于测量平面脂质双层膜电流的电生理设备（标准脂质双层膜室、U型管构型、拉制微毛细管， 等等。）。商业材料及其来源的标识仅用于描述实验结果。此标识绝不意味着美国国家标准与技术研究院的推荐，也不意味着这些材料是可获得的最佳选择。
1. 溶液与分析物的制备
- 使用 I 型水纯化系统制备的 18 MΩ-cm 水配制所有电解质溶液，以去除痕量有机物，然后在离子通道记录前立即通过 0.22 μm 真空滤膜过滤所有电解质溶液。
注意： 水质是影响膜纳米孔系统稳定性和使用寿命的关键因素。 - 野生型 αHL。
- 操作 αHL 毒素蛋白时，请遵循材料安全数据表（MSDS）中的安全预防措施。
- 将冻干的野生型单体 S. aureus α-溶血素（αHL）粉末用 18 MΩ-cm 水溶解至浓度为 1 mg/mL。将样品分装为每份 10 至 30 μL，置于耐低温离心管中，迅速在液氮中速冻，随后于 -80 °C 保存。或者，可使用已纯化的预制七聚体 αHL31。
- 在 4 mL 玻璃闪烁瓶（带聚四氟乙烯涂层瓶盖）中，将脂质 1,2-二植烷酰基-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱（DPhyPC）溶于 n-十二烷中，配制成 0.2 mg/mL 溶液。该溶液可于 4 °C 保存，一个月内可重复使用。
- 配制磷钨酸溶液。
- 操作 磷钨酸 粉末时，请遵循材料安全数据表（MSDS）中的安全预防措施。将 57.6 mg H3PW12O40 溶解于 10 mL 的 1 M NaCl 和 10 mM NaH2PO4 溶液中，配制成 2 mM 磷钨酸储备液。
- 取 5 mL 该溶液，用 3 M NaOH 调节 pH 至 5.5；另取 5 mL 储备液，用 3 M NaOH 调节 pH 至 7.5。
注意： 在 pH 5.5 条件下，十二磷钨酸（PTA, H3PW12O40）主要分解为单空位阴离子 [PW11O39]7-。
2. 测试电池组装
- 按照制造商的说明组装测试池。
- 用600目砂纸打磨一根银/氯化银（Ag/AgCl）导线后，将其浸入漂白剂（次氯酸钠）中10分钟。将电极置于石英纳米孔膜（QNM）内部。
- 将嵌入银丝中的圆柱形 AgCl 压片电极置于 QNM 外部。
- 测试细胞安装完毕后，打开电源和数据采集程序。确保在测试细胞中无溶液时，直流电流读数为 0 pA。
- 使用连接至测试池的注射器 通过 连接流体管路，向QNM表面添加缓冲电解质溶液，并确保离子电流使放大器达到饱和。若未达到饱和，QNM可能堵塞。施加脉冲电压（±1 V）和/或高于300 mm Hg的压力以清除堵塞。若处理有效，随后降低电压和压力。
3. 脂质双层的形成
- 将溶液注入测试池，使液面明显高于QNM表面，然后降低液面高度 通过 将注射器移至液面以下，使电流降至零。
- 将10 μL移液器吸头浸入脂质小瓶中。推动吸头后端，并轻敲小瓶侧壁，以去除所有可见的脂质。
- 当溶液液面高于QNM表面时，将移液器吸头接触测试池中溶液的气-液界面，等待两到五分钟，使脂质均匀铺展。
- 缓慢降低溶液液面至QNM表面以下，直至电流达到饱和，然后缓慢升高溶液液面，使其超过QNM表面，从而形成脂双层膜。
- 一旦观察到双层膜形成（即， 当电流降至零时，通过增加压力反复尝试弹出数次，并确保QNM未被堵塞。若需重新形成脂双层膜，先将溶液液面降至QNM表面以下，再缓慢升高液面。
- 如果脂双层膜首次未能形成，将溶液降至孔的下方，然后再次升高。若经过3次尝试后仍未形成，则添加更多脂质 脂质 如3.2和3.3节所述。
- 形成膜后，当施加的电位为零时，将电流偏移量调零。
4. αHL 孔形成
- 向测试池（体积 ≈ 200 μL）中加入 2.5 ng 纯化的预形成 αHL 七聚体蛋白样品（或 250 ng 单体 αHL），以实现通道形成。
- 在形成双层膜后，使用气密注射器（图 1）增加双层膜的压力，使膜从 QNM 处扩展，促进纳米孔插入。根据不同的 QNM，通常将施加的背压提高至 40 至 200 mmHg。
注意： EBS 软件具有自动插入功能，可施加较高的偏压（通常为 200 至 400 mV）以诱导孔道形成，一旦单个通道形成，便会自动将电压降低至设定的测量偏压。 - 纳米孔形成后，将背压降低至插入压力的大约 1⁄2。若观察到多个通道，可通过显著降低压力将其去除。
5. 纳米孔中的金属簇分离
- 为消除电极不平衡的影响，应调节直流偏置电压，使得当施加的电位设为零时，测得的电流为零。
- 在加入POM样品之前，先进行对照实验，以确保无任何污染物（例如在储液池中（排除前次实验残留的POMs）。具体而言，在无任何POMs的条件下，施加+120 mV至-120 mV的电势，获取离子电流轨迹，以确认不存在自发性电流阻断。
注意： 由于αHL通道的不对称结构（图1），正负施加电位下的离子电流大小会有所不同。该施加电压以上的测得电流之比可反映离子通道的方向性 α膜中的HL纳米孔。 - 以1至5 μM浓度的金属簇溶液冲洗储液池，加入POM样品。或者，在组装细胞前将样品加载至毛细管中，以研究POM在αHL通道另一端的分配情况。
- 使用制造商的软件记录离子电流，以检测单个POM进入纳米孔时引起的瞬态电流阻断。根据离子电流阻断深度、事件频率以及阻断停留时间分布，估算分子的物理和化学性质。
6. 离子通道记录与数据分析
- 使用高阻抗、低噪声放大器和数据采集系统获取离子电流时间序列测量值。针对每种 pH 条件，在施加 -120 mV 电压（相对于通道 cis 侧）下进行测量。
- 对信号应用低通 100 kHz 八极贝塞尔滤波器，随后以 500 kHz 进行数字化（即，2 μs/点）。从时间序列中提取事件，并使用 MOSAIC 软件包中的 ADEPT 算法分析事件32,33。
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结果
在过去的二十年中，膜结合蛋白的纳米级孔道已被证明是多功能的单分子传感器。基于纳米孔的测量相对易于实施。两个充满电解质溶液的腔室由嵌入电绝缘脂质膜中的纳米孔分隔开来。通过膜片钳放大器或外部电源在纳米孔两侧施加静电势 通过 浸入电解质储液池中的 Ag/AgCl 电极。电场驱动带电粒子进入纳米孔，导致离子电流发生瞬时减小，该减小程度取决于粒子的尺寸、形状和电荷。计算机程序控制施加的电压，并实时监测因分子可逆地进入纳米孔所引起的离子电流阻断事件。电流信号通过低噪声、高阻抗的场效应晶体管放大并转换为电压信号，再通过数据采集卡进行数字化处理。
本文提供了一种利用生物纳米孔检测多金属氧酸盐（POMs）的通用方法。如图2所示，在未加入POMs时，施加-120 mV电压下未受阻塞的通道平均开放电流约为100 pA。加入POMs后，会产生瞬时阻塞，并使离子电流降低约80%。正如预期，由于这些粒子...
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讨论
由于具有阴离子电荷，POMs 可能通过静电相互作用与有机反离子结合。因此，确定合适的溶液条件和适当的电解质环境（尤其是溶液中的阳离子）以避免与 POMs 形成复合物显得尤为重要。在缓冲液的选择上需格外谨慎。例如，与磷酸盐缓冲溶液相比，三(羟甲基)氨基甲烷或柠檬酸缓冲溶液中 POMs 的捕获速率显著降低，这可能是因为前两种缓冲液之一会与 POM 形成复合物，从而无法与纳米孔发生强相互作用。此外，特意选用 NaCl 电解质而非 KCl（以及其他碱金属盐），以避免 K+ 引起 [PW11O39]7- 沉淀。
准确测量停留时间分布的关键在于能够以足够高的带宽测量电流。例如，当停留时间呈指数分布时，停留时间短的阻断事件远多于停留时间长的事件，因此通过采集大量数据可更准确地估算停留时间分布即， 以尽可能高的带宽进行采集，该带宽受限于系统电容）。为在纳米孔谱学中实现这一条件，应尽量降低系统电容（包括膜电容和杂散电容）。通过缩短所有连接电缆的长度并使用高质量的电气接触来减少杂散电容。通过减小双...
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致谢
我们感谢欧洲分子生物学组织（EMBO）提供的博士后奖学金（资助对象：J.E.）以及美国国立卫生研究院国家人类基因组研究所（NIH NHGRI）的资助（资助对象：J.J.K.）。我们感谢哥伦比亚大学的Jingyue Ju教授和Sergey Kalachikov教授提供七聚体αHL，同时也感谢弗吉尼亚联邦大学的Joseph Reiner教授富有启发性的讨论。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 纳米片DC系统 | Electronic Biosciences, Inc., EBS | ||
| Millipore LC-PAK | Millipore 真空滤器 | ||
| 1,2-二植烷酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱 (DPhPC) | Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL | 850356P | |
| 癸烷，试剂级，≥99%， | Sigma-Aldrich | D901 | |
| αHL | List Biological Laboratories, Campbell, CA | ||
| 银丝 | Alfa Aesar | ||
| 2 mm Ag/AgCl 圆盘电极 | In Vivo Metric | E202 | |
| 高阻抗放大器系统 | Electronic Biosciences, San Diego, CA | ||
| 石英毛细管 | |||
| 定制聚碳酸酯测试池 | |||
| 数据处理与分析软件 MOSAIC | https://pages.nist.gov/mosaic/ | ||
| 水合磷钨酸 | Sigma-Aldrich | 455970 | |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | S3014 | |
| 一水合磷酸二氢钠 | Sigma-Aldrich | 71507 |
参考文献
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