Name: 微调尺寸和最小化固态纳米孔的噪音 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-10-31T20:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 43 s
Description: 学习利用电场脉冲精确调控固态纳米孔尺寸并显著降低电噪声的方法。该技术通过亚纳米级精度扩孔和电流特性优化，为生物分子传感实验提供稳定可靠的低噪声纳米孔器件。

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感谢加拿大自然科学与工程研究理事会、加拿大创新基金会和安大略研究基金的支持。感谢 Y. Liu 在纳米孔制备与表征方面的协助，感谢 L. Andrzejewski 提供的宝贵讨论和技术支持，感谢 A. Marziali 在纳米孔软件和仪器设计方面的帮助。

1. 纳米孔的制备与清洗
注意：一旦在绝缘膜上形成纳米孔，可直接将其安装到液体池中，无需进一步处理或清洗，具体操作如步骤2所述。然而，若需在实验之间去除残留的污染物，可通过使用piranha溶液3,15,16 （3:1 H2SO2:H2O2）或暴露于氧气等离子体2来清洗纳米孔芯片。因此，若无需通过piranha溶液预清洗，则以下方案中的步骤1.2至1.9为可选步骤。
<ol>
	<li>将去离子水置于超声波清洗器中，在真空条件下过滤30分钟&#160;在 40 °C。</li>
	<li>在10 mL烧杯中配制piranha溶液，小心加入3 mL硫酸，随后加入1 mL过氧化氢。用移液管充分混合。注意：piranha溶液具有极高危险性，请采取全部安全防护措施。</li>
	<li>使用耐酸镊子，将含有纳米孔的膜芯片以边缘朝下的方式小心插入 piranha 溶液中，使其完全浸没，避免芯片漂浮在液面。</li>
	<li>用过滤水彻底冲洗镊子。</li>
	<li>将烧杯置于预设为 90 °C 的加热板上，加热至少 30 分钟以进行清洗。</li>
	<li>使用洁净的玻璃移液管小心地将piranha溶液从烧杯中移除，并将其弃置于大量水中。</li>
	<li>使用洁净的玻璃移液管，将步骤1.1中脱气的去离子水5 ml加入烧杯中进行冲洗。弃去水液，重复至少5次。</li>
	<li>使用洁净的尖头镊子小心地从烧杯中取出纳米孔芯片。由于纳米孔膜极为脆弱，操作时需格外小心。</li>
	<li>用移液器轻轻吸取芯片边缘以干燥芯片。将芯片存放在洁净的培养皿中，直至准备使用。</li>
</ol>
2. 安装纳米孔
<ol>
	<li>将特氟龙纳米孔池（图1）放入20%硝酸溶液中煮沸10分钟以进行清洗。注意：使用所有必要的个人防护装备，并小心操作酸液。</li>
	<li>小心地将池体从硝酸中取出，放入去离子水中煮沸10分钟。</li>
	<li>再用去离子水煮沸池体10分钟&#160;，以确保彻底去除残留硝酸。将烧杯从加热板上取下，静置冷却至室温。</li>
	<li>将池体从烧杯中取出，并用过滤空气或N2吹干。将池体存放于洁净的培养皿中。</li>
	<li>将过滤后的KCl溶液（用HEPES缓冲至pH 8）置于40 °C超声仪中抽真空30分钟&#160;，以去除溶解气体。</li>
	<li>通过在乙醇中超声至少10分钟，清洗每个纳米孔芯片所用的两片硅橡胶密封垫圈。</li>
	<li>将纳米孔芯片放置在一片洁净的弹性垫圈上，注意使膜窗与垫圈开口对齐。再将第二片垫圈放置并对齐于芯片上方。</li>
	<li>将芯片和垫圈放置在已清洗的纳米孔池一半部分的储液池入口处。通过旋紧另一半部分完成组装。纳米孔池组件的爆炸图如图1所示。</li>
	<li>通过移液将乙醇加入池体的储液池中，并将整个装置置于真空室中，直至观察到少量气泡从入口处逸出，以润湿纳米孔芯片。</li>
	<li>用至少3 ml脱气过滤的KCl溶液冲洗储液池以去除乙醇。注意使用抽吸装置清除溢出液体。</li>
</ol>
3. 纳米孔表征
<ol>
	<li>将纳米孔池置于电屏蔽的实验装置中，并在每个储液池中放置 Ag/AgCl 电极。该装置与图2所示类似，但外部电源和电流放大器被替换为低噪声电阻反馈放大器。</li>
	<li>在电压钳模式下使用低噪声放大器，施加从 -200 mV 到 +200 mV 的电位扫描，并记录 I-V 特性。</li>
	<li>拟合 I-V 曲线以获得纳米孔的电导，可用于计算其在溶液中的直径17。如果计算出的直径明显小于透射电子显微镜（TEM）成像所预期的值，则表明纳米孔可能未完全润湿和/或含有碎片或污染物。</li>
	<li>在纳米孔两侧施加 200 mV 的电位，并记录 30 秒的离子电流。</li>
	<li>对离子电流进行功率谱密度（PSD）分析，并通过积分量化纳米孔的电噪声特性。若在 5 kHz 带宽下的噪声超过 15 pA 均方根（RMS），则表明纳米孔可能未完全润湿和/或存在污染，无法在实验中可靠使用。</li>
</ol>
4. 使用高电场对纳米孔进行预处理
注意：如果生成的电流-电压（I-V）曲线表现出不对称性或电导低于预期，或者电流轨迹在低频区域显示出不稳定性和高噪声水平，则有必要使用高电场对纳米孔进行预处理，以去除孔表面的任何污染物质和/或润湿纳米孔。该方法虽然不能影响由膜电容或测量中所用电流放大器输入端耦合的寄生电容引起的高频噪声，但可显著降低低频噪声（也称为1/f噪声）18。用于执行此预处理的装置示意图见图2。
<ol>
	<li>将电极从膜片钳放大器上断开。</li>
	<li>将其中一个电极连接至可生成所需电压的计算机控制电源 &#62;6 V (&#62;0.2 V/nm 的电场强度（针对本文所用的 30 nm 厚膜）以及连接至可实时监测的外部电流放大器。 注意：高电场的应用可用于对多种膜材料和厚度的纳米孔进行处理。尽管本文讨论了30 nm和10 nm的膜，但所述电压除非另有说明，均指用于30 nm厚膜的电压。 </li>
	<li>在纳米孔两端施加至少5秒的400 mV电势差（测量电压）。</li>
	<li>根据最后1秒数据计算平均电流值，以确定纳米孔的电导。基于该电导值计算纳米孔的直径，此步骤应通过软件自动完成，并选用最可能几何构型对应的纳米孔电导模型。所得直径应与由I-V曲线测得的直径一致。</li>
	<li>施加一个持续200毫秒、电压为6 V（润湿电压）的脉冲，使纳米孔两端产生0.2 V/nm的电场，随后在400 mV下进行5秒的测量。再次利用最后1秒的数据计算纳米孔的直径，并与透射电子显微镜（TEM）测量预期值进行比较，以确认纳米孔已完全润湿。如有必要，可重复多次。</li>
	<li>如有必要，可重复施加高压电脉冲，并逐步提高电压，直至测量期间的电流信号稳定并显示出预期的电导值。不建议超过 10 V即 &#62;0.3 V/nm），因为这可能导致纳米孔迅速扩大或损坏。</li>
</ol>
5. 使用高电场扩大纳米孔
注意：纳米孔的直径对其在特定生物分子传感应用中的功能至关重要。为此，可利用透射电子显微镜（TEM）制备的纳米孔，通过施加高电场将其扩大至所需尺寸，直至达到合适的直径，此过程使用与清洗和润湿纳米孔相同的装置（图2）。
<ol>
	<li>使用与第4部分相同的电子配置，在纳米孔两端施加200-500 mV的偏压以获取直径测量值。尽管精度低于I-V曲线拟合，但单点测量可用于快速粗略估计纳米孔尺寸。</li>
	<li>在纳米孔两端施加一个持续2秒、8 V的脉冲，随后在400 mV下进行至少5秒的测量。新直径的计算结果通常会显示纳米孔尺寸略有增大（&#60;0.1 nm</li>
	<li>重复此过程，循环交替施加放大电压和测量电压，以获得 原位 纳米孔直径增大的实时测量。</li>
	<li>若希望获得更快的生长速率，可逐步增加所加电压，最高至10 V。随着孔径扩大，电导率的增长速率通常在0.03 nS/s范围内，生长速度也会相应加快。ec&#160;取决于纳米孔的大小、电场强度和电解质溶液的性质，范围为 10 nS/sec。</li>
	<li>当达到所需直径时，停止施加高电场。此步骤可通过计算机程序自动完成。</li>
	<li>将膜片钳放大器重新连接至电极。</li>
	<li>在 200 mV 下获取新的电流-电压（I-V）曲线和电流轨迹数据，以确认纳米孔直径并验证低噪声电流信号，步骤同上 3.2–3.5。如有必要，重复孔道修饰与扩孔操作流程（步骤 4.1–5.5）。</li>
</ol>
6. DNA 易位
<ol>
	<li>在加入生物分子样品之前，需先进行对照实验，以确保储液池中无污染。在不加任何样品的情况下，施加 +150 至 +300 mV 的电位，记录电流轨迹，验证在 2 分钟后未检测到电流阻断信号。</li>
	<li>向 cis 储液池中加入 λ DNA（48.5 kbp 双链），终浓度为 0.5–2 ng/µl。用移液器轻轻吹打混匀至少 10 秒，确保样品在储液池中均匀分布。</li>
	<li>对于厚度为 30 nm 的纳米孔，施加 +150 至 +300 mV 的电位偏压至 trans 储液池，并测量通过纳米孔的离子电流。对于极短的穿孔事件，建议以较高频率（250 kHz 或更高）采样，并采用相对较高的低通滤波频率（100 kHz）。</li>
	<li>使用软件监测离子电流，检测分子穿过纳米孔时产生的瞬时电流阻断信号。可通过分析分子穿孔过程中的离子电流轨迹，获得阻断深度、持续时间和频率等信息，从而推断目标样品的特性。反之，若穿孔分子的性质已知，也可利用该数据研究纳米孔本身的特性。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

纳米孔尺寸的控制在生物分子传感应用中具有根本性的重要性。纳米孔的直径必须与被检测分子的尺寸相当：既要足够大以容纳样品，又要足够小以实现最佳的信噪比。尽管本文所介绍的通过施加高电场来调控尺寸的方法是单向的——即在整个过程中纳米孔直径仅能增大，但仍可制备出直径在3–100 nm范围内的纳米孔，并实现亚纳米级的精度控制。由于使用透射电子显微镜（TEM）23,&#160;可轻松制备3–4 nm的纳米孔，因此该方法能够可靠地为多种应用制备固态纳米孔，例如研究单链DNA结构或大体积蛋白质-配体复合物的相互作用。虽然当纳米孔直径超过100 nm时，其生长速度可能非常快且精度较低，但可通过采用更温和的扩孔条件来更好地控制该过程。因此，实现有效尺寸控制最关键的步骤是选择合适的脉冲强度和持续时间，以平衡扩孔效率与实现目标孔径所需的精度。这一点在较薄纳米膜（10 nm厚度）的扩孔过程中尤为明显：在此类材料中，较低的偏压但相当的电场强度即可观察到扩孔现象。根据最终所需尺寸，通常可在几分钟内将纳米孔扩大至亚100 nm的直径。
类似地，较大的低频电流波动会妨碍单分子研究，因为几乎无法将易位信号与背景噪声区分开来。不完全润湿24、初始制备后残留的碳质残留物25以及碎片在纳米孔壁上的吸附13均会降低信号质量，需要使用强腐蚀性化学试剂进行额外清洗，但这些方法通常无效。有趣的是，固态纳米孔实验方案中通常强调，在安装前使用芬顿溶液（piranha 溶液）或氧等离子体对纳米孔进行清洗，以促进润湿或去除钻孔、成像和操作过程中残留的污染物。然而，即使经过此类处理，纳米孔仍常常无法润湿或持续表现出高噪声，而针对失败情况建议的解决方案是进行进一步清洗，这一过程可能极为耗时14。当施加高电场时，根据具体应用，这些冗长的处理步骤可能不再必要。研究发现，大多数器件可通过本文所述方法在原位（in situ）重新处理，从而显著缩短制备时间，并减少对强腐蚀性化学品的操作需求。降低电噪声最关键的步骤是简单地提高电压和/或脉冲持续时间，以实现纳米孔的完全润湿并清除松散附着的碎片。经此方式处理的纳米孔可稳定地用于生物大分子易位实验，例如 DNA 和蛋白质的穿孔过程。若这些分子吸附在孔壁上，导致孔道堵塞并产生噪声较大的电信号，可再次施加高电场脉冲以清除阻塞物，恢复低噪声特性，从而继续后续实验，且无需将纳米孔芯片从流体池中拆卸。
使用所述装置施加高电场受到限制，原因是需要外部电源提供高达10 V的电压以及电流放大器，而这些设备在高带宽条件下缺乏足够的灵敏度和低噪声特性。&#62;1 kHz）进行单分子检测。尽管典型的生物分子实验依赖于低噪声电流放大器，而此类放大器通常仅限于±1 V的电压范围，但设计一个能够同时实现高强度电场调控和高灵敏度电流测量（增益可调）的单一系统是可行的。尽管存在上述限制，两种配置之间的切换仍快速且简便。与现有的控制纳米孔尺寸的技术（如使用扫描电子显微镜（SEM））相比5，热氧化和膜重塑8,&#160;高强度电场提供了一种更快、更精确且成本更低的制备方法，可在实验台上使用标准设备完成，并能实现更宽范围的纳米孔尺寸。该方法还能够快速且可重复地降低低频噪声，从而提高了初始制备的可靠性，并延长了固态纳米孔的使用寿命，因为先前使用过的纳米孔可被修复并用于后续实验。总体而言，超过95%经高强度电场处理的不同厚度纳米孔表现出极低的低频噪声特征，适用于生物分子检测。因此，制备过程更加简便且可靠，使固态纳米孔实验对研究人员更具可及性，并可能通过更稳定的制备工艺推动纳米孔技术的商业化进程。

生物纳米孔和固态纳米孔为在单分子水平上检测生物分子分析物提供了一种手段1。单个纳米孔通常嵌入在薄的绝缘膜中，构成两个液体储液池之间离子电流的唯一通路。利用大规模库尔特计数器的原理，纳米孔实验通过检测离子电流的变化，来确定带电生物分子在外部电场作用下以电泳方式穿过纳米孔时的长度、尺寸、电荷和构象。
尽管诸如α-溶血素之类的生物纳米孔通常具有更高的灵敏度和低噪声特性3，但其支撑的脂双层较为脆弱且尺寸固定，限制了其应用范围。相比之下，固态纳米孔是在薄（10–50 nm）氮化硅或二氧化硅膜上制备的，可制成不同尺寸，易于与晶圆级技术集成6,7，并且更加坚固，允许更广泛的实验条件。尽管具有这些优势，固态纳米孔技术仍存在若干实际缺陷，限制了其在生物分子研究中的实用性。虽然可以控制纳米孔的尺寸，但通常需要专用设备和熟练人员，实现起来成本高昂且费时费力。例如，最近研究表明，在扫描电子显微镜（SEM）特定实验条件下，聚焦离子束钻取的纳米孔会发生收缩5。在其他方法中，透射电子显微镜（TEM）钻取的纳米孔可能因电子束条件以及后续接触水性溶剂而发生扩张或收缩8。在这些情况下，纳米孔尺寸的可调范围有限，难以精确控制，甚至不可靠，因为纳米孔在化学处理后或浸入特定液体环境时尺寸可能发生改变9。
固态纳米孔中的离子电流同样可能受到高噪声的影响，其噪声来源是纳米孔文献中深入研究的课题2,3,10,11。尽管已有多种方法被提出用于降低电噪声，但可靠、稳定且低噪声纳米孔的产率通常较低。在钻孔和成像过程中沉积的碳质残留物会对电信号质量产生不利影响，常常导致完全润湿困难，并引发难以去除的纳米气泡的形成12。此外，分析物分子对纳米孔的堵塞会降低信号质量，使孔道无法用于后续实验13,14。总体而言，这些因素显著降低了功能性纳米孔器件的产率，并增加了固态纳米孔研究的相关成本。
使用Ag/AgCl电极施加电压以在0.15–0.3 V/nm范围内产生强电场，为解决上述挑战提供了一种出人意料的简单方案。通过循环施加短电压脉冲，可获得洁净、低噪声的纳米孔表面，非常适合单分子研究。长时间暴露于强电场会引发构成纳米孔孔壁的膜材料被移除，从而导致纳米孔直径增大。通过调节脉冲强度和持续时间，可精确控制这种生长过程。在实验过程中，由于分子吸附到纳米孔表面导致孔道堵塞，电流信号逐渐恶化，而该方法可重复用于恢复原本将被废弃的堵塞器件。因此，同一器件可多次使用，进一步提高了功能性纳米孔的产率。该方法具有多项优势：可在实验条件下的液体环境中快速完成，仅需常规实验室设备，可通过软件实现自动化，且能制备出高质量的功能性纳米孔，产率超过95%。

<table><tbody><tr><td>JEM-2100F 透射电子显微镜</td><td>JEOL</td><td></td><td>钻孔需要 200 kV 加速电压</td></tr><tr><td>Axon Axopatch 200B 膜片钳放大器</td><td>分子器件公司</td><td></td><td>低噪声电压和电流放大器</td></tr><tr><td>X 系列数据采集卡</td><td>国家仪器公司</td><td>PCI-6351</td><td>与实验装置连接，施加高电场</td></tr><tr><td>LabVIEW 2012 软件</td><td>国家仪器公司</td><td></td><td>施加电压、记录电流、数据分析</td></tr><tr><td>电流放大器</td><td>吉时利</td><td></td><td>在高电场脉冲期间进行电流放大</td></tr><tr><td>30 nm 厚氮化硅透射电镜膜窗</td><td>Norcada 公司</td><td>NT005X</td><td>用于制备纳米孔的基底材料</td></tr><tr><td>10 nm 厚氮化硅透射电镜膜窗</td><td>Norcada 公司</td><td>NT005Z</td><td>用于制备纳米孔的基底材料</td></tr><tr><td>硅橡胶 O 型密封圈</td><td>Marian Chicago</td><td>HT6135</td><td>打孔后用于密封纳米孔芯片</td></tr><tr><td>Ag/AgCl 电极</td><td>In Vivo Metric</td><td>E255</td><td></td></tr><tr><td>硝酸</td><td>费希尔科技公司</td><td>52004P</td><td>用于清洗细胞——需谨慎操作</td></tr><tr><td>过氧化氢</td><td>费希尔科技公司</td><td>H323</td><td>用于配制 piranha 溶液——需谨慎操作</td></tr><tr><td>硫酸</td><td>费希尔科技公司</td><td>A300</td><td>用于配制 piranha 溶液——需谨慎操作</td></tr><tr><td>氯化钾</td><td>费希尔科技公司</td><td>P335</td><td></td></tr><tr><td>HEPES</td><td>费希尔科技公司</td><td>BP310</td><td>用于缓冲 KCl 溶液</td></tr><tr><td>初级法拉第屏蔽笼</td><td></td><td></td><td>屏蔽纳米孔池和电极</td></tr><tr><td>次级法拉第屏蔽笼</td><td></td><td></td><td>屏蔽前置放大器和电极导线</td></tr><tr><td>聚四氟乙烯池</td><td></td><td></td><td>用于固定纳米孔芯片和储液池</td></tr><tr><td>加热板</td><td>VWR</td><td></td><td>加热 piranha 溶液</td></tr></tbody></table>

优化固态纳米孔的尺寸并最小化其噪声

Fine-tuning the Size and Minimizing the Noise of Solid-state Nanopores

固态纳米孔已成为表征核酸和蛋白质等单个生物大分子的多功能工具1然而，在薄绝缘膜上制备纳米孔仍然具有挑战性。采用专用聚焦电子束系统进行加工可制备出结构明确的纳米孔，但在 commercially available membranes 中获得可靠且低噪声纳米孔的产率仍然较低2,3 且大小控制并非易事4,5在此展示了施加高电场以在确保最佳低噪声性能的同时精细调节纳米孔尺寸的应用。通过使用高电场的短暂脉冲，可获得纯净的电信号，并在长时间作用下实现纳米孔亚纳米级精度的扩孔。该方法的实施 原位 使用标准实验室设备在水相环境中提高固态纳米孔制备的产率和可重复性。

本研究中使用的纳米孔是在厚度为 30 nm 或 10 nm 的氮化硅薄膜窗口上钻取的。尽管此处描述的方案可适用于采用任意方法制备的各种材料的固态纳米孔，但通常使用透射电子显微镜（TEM）并依据先前建立的方案进行钻孔11,14。通过 TEM 钻取的纳米孔直径通常在 4–8 nm 之间（图 2）。虽然上述方案可用于安装和处理厚度为 30 nm 和 10 nm 的薄膜，但所描述的电压偏置是指适用于 30 nm 厚薄膜的情况，除非另有说明。对于不同厚度的薄膜，应调节施加的电压，以在纳米孔内部产生 0.15–0.3 V/nm 范围内的电场。
图3a 显示了一个位于30 nm厚膜上的10 nm纳米孔在施加高电场处理前后两种典型的电导轨迹。在新制备的纳米孔安装完成后，通常容易获得不稳定且噪声较高的离子电流信号，表现出显著的低频波动。图中所示的纳米孔在 图3a 突出了这一行为。其电导明显低于与其尺寸相当的纳米孔预期值，最可能的原因是润湿不完全。当施加由8 V脉冲（90个持续2秒的脉冲）产生的强度为0.27 V/nm的高电场时，纳米孔实现完全润湿，并随后扩大至直径21 nm。此时，该孔表现出稳定的电导和低噪声特性。类似纳米孔中噪声的定量分析以功率谱密度图形式展示于 图3b未润湿和/或堵塞孔隙的低频噪声幅度非常高（&gt;20 pA RMS），导致其在实验中无法使用。经强电场处理后，低频区域的噪声功率（&lt;10 kHz）的噪声降低高达三个数量级，适用于低噪声实验。
图4a 显示了在施加电势于高电场（用于扩增）和低电场（用于测量）之间脉冲变化时的典型电流测量结果。每次脉冲后，在测量电压下通过纳米孔的离子电流响应即 纳米孔电导）增加了一个有限的量。这表明纳米孔的尺寸增大，因为其直径 d 可以从其电导率推断 G 在电导率溶液中 σ，将纳米孔近似为具有有效长度的圆柱几何结构 leff. 尽管存在多种其他模型用于关联纳米孔电导与其几何结构17,19-21，以下关系式在高盐浓度下对适用于双链DNA穿行的多种直径范围内的透射电子显微镜钻孔纳米孔已被证实有效，该关系式包含一个几何项和一个通路电阻项17,22.
<img alt="电导公式，G=σ[4Leff/πd² + 1/d]⁻¹，用于纳米线分析。" src="/files/ftp_upload/51081/51081eqn.jpg" width="150px" data-altupdatedat="1787630408000">
当达到所需直径时，软件将自动停止该过程。随后可通过精确的电流-电压（I-V）测量来确认所获得的纳米孔直径，如图4b所示。
需要注意的是，使用高电场处理的纳米孔完全具备功能。这一点通过λ DNA穿行检测得到了验证，如图5a所示的电导轨迹。在该图中，双链DNA被驱动穿过两个经所述方法扩大至11 nm和32 nm的纳米孔。在每种情况下，基线电导极为稳定，并且当双链DNA分子穿过纳米孔时可观察到清晰的阻断信号，与未经处理、噪声较高的纳米孔相比，呈现出高信噪比的单分子穿行事件。如图5a插图所示，随着单个折叠分子的穿行，可观察到多个离散的阻断水平，这与这些尺寸的纳米孔预期结果一致。图5b展示了每个纳米孔在穿行事件期间电导的直方图。纳米孔的低噪声特性揭示了清晰可分辨的不同峰，分别对应于基线状态（无DNA）、单阻断状态（一条DNA链——未折叠）和双阻断状态（两条DNA链——折叠）。值得注意的是，单个双链DNA分子占据纳米孔所引起的电导变化在大、小两种纳米孔中有所不同。这间接证明了高电场的应用确实扩大了原有的纳米孔，因为在处理过程中如果是在膜上生成了新的纳米孔或裂纹，则应观察到相同的阻断幅度17。
同样，图6展示了高强度电场在不同厚度膜上制备的纳米孔扩孔中的有效性。此处，在10 nm厚的SiNx膜中制备的纳米孔最初部分未润湿，表现出不稳定且相对较小的电导。施加持续4秒的交替±3 V（±0.3 V/nm）脉冲（共30次）后，该纳米孔实现完全润湿，并表现出直径3 nm纳米孔理想的I-V特性。随后，该方法重复施加400次脉冲，将纳米孔扩大至8 nm。这一扩孔过程在与30 nm膜中制备纳米孔相当的电场强度下进行，但所用偏置电压更低，表明该过程主要由电场驱动。由于分子穿过较薄膜时产生的电流阻断比穿过较厚膜时更大，因此经此方式处理的薄膜纳米孔可用于以更高灵敏度研究蛋白质等较短分子。
<img alt="纳米孔装置示意图：电解液储液池、纳米孔芯片、弹性垫圈、半电池组件。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig1.jpg" width="600px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1. 纳米孔电池组件。 含有纳米孔的氮化硅薄膜被置于硅胶弹性垫圈之间，垫圈由两个含有电解液储液池的聚四氟乙烯半电池压紧固定。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig1highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像</a>。
<img alt="纳米颗粒检测，氮化硅膜，KCl溶液，电路图，数据采集系统" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig2.jpg" width="600px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图2"> 
图2. 纳米孔调节与扩孔装置示意图。 在一片厚度为30 nm的氮化硅（SiNx）膜上钻制的纳米孔（左侧）连接两个电解质储液池。通过计算机控制膜片钳放大器或外部电源（DAQ卡），经由浸入电解质储液池中的Ag/AgCl电极在纳米孔两侧施加电势差。电流放大器将测得的离子电流实时传输至计算机软件进行监测。该图已根据文献[11]修改。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig2highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像</a>。
<img alt="电导与噪声谱的电化学测量；图表显示了不同孔道状态下的数据。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig3.jpg" width="600px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. 施加高电场前后电流信号的变化。（a）在安装后，即使使用piranha溶液清洗，纳米孔的电导仍不稳定，且低于预期的10 nm圆柱形孔道的电导值（蓝色）。施加持续2秒、8 V的脉冲电压后，纳米孔完全润湿并扩大，表现出稳定的电导，可用于生物分子检测实验（绿色）。（b）未完全润湿且堵塞的纳米孔的功率谱密度图（分别为蓝色和橙色）。施加持续200毫秒、8 V的脉冲电压后，纳米孔实现润湿，并清除了碎片（分别为绿色和红色）。本图改编自[11]。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig3highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清大图</a>。
<img alt="电化学分析；电流-时间、电压图；电导率测量结果。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig4.jpg" width="600px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 使用高电场扩大纳米孔。 （a）在扩大电势偏压（红色）与测量电势偏压之间交替，可观察到通过纳米孔的离子电流（蓝色）呈有限阶跃式增加。由此获得的电导测量结果可用于推断纳米孔直径。一旦达到所需直径，即停止该过程。（b）精确的 I-V 电导测量证实纳米孔尺寸已增大。此类图谱比单点电流值能更准确地估算孔径，因其可进行拟合，并可验证其对称性和欧姆行为。本图经 [11] 修改。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig4highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像</a>。
<img alt="量子电导步进分析的电导-时间图和直方图，显示32 nm和11 nm纳米线。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig5.jpg" width="600px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 5"> 
图5. DNA通过预处理纳米孔的易位过程。 （a）在150 mV偏压下，将双链DNA（48.5 kbp）加入纳米孔的一侧，导致11 nm（蓝色）和32 nm（红色）纳米孔的电导轨迹中出现瞬时阻断。 （b）各纳米孔的电导直方图显示出对应于基线、单次和双次易位事件的离散峰。 本图经[11]修改。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig5highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像</a>。
<img alt="电流-电压图；纳米尺度电导；半导体分析；数据比较。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig6.jpg" width="600px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 6"> 
图 6. 10 nm 膜中纳米孔的扩大。 在 10 nm 膜中的一个纳米孔最初表现出极低的电导率和非对称的 I-V 特性（橙色）。施加 30 次在 ±3 V 之间交替的脉冲（持续 4 秒）后，纳米孔被润湿，表现出理想的 I-V 特性，其电导率与预期的 3 nm 孔一致（蓝色）。进一步施加 400 次 ±3 V 脉冲后，纳米孔扩大至 8 nm 直径（绿色）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig6highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高分辨率图像</a>。

本文介绍了一种在溶液中制备固态纳米孔以用于生物分子穿膜实验的方法。通过施加短时的高强度电场脉冲，可原位精确调控纳米孔直径，实现亚纳米级精度的扩孔，并显著改善其电学噪声特性。该操作利用标准实验室设备，在实验条件下原位完成。

固态纳米孔已成为表征核酸和蛋白质等单个生物大分子的多功能工具¹。然而，……

本方法的总体目标是通过精确控制固态纳米孔的尺寸并降低其离子电流噪声特性，从而为生物分子传感实验制备出性能优良的固态纳米孔。首先，将固态纳米孔芯片安装在流体池中，以在两个电解质储液池之间建立一个纳米尺度的通道。第二步，对纳米孔施加约0.01伏特/纳米的中等电场，以表征其初始尺寸和电学噪声特性。接下来，在薄膜两侧施加约0.3伏特/纳米的高电场，并以短脉冲形式进行。 为了完全润湿纳米孔、降低电噪声并将其扩大至所需尺寸，且以离散的亚纳米级步长进行调控。实验结果表明，通过分析离子电流信号以及生物分子成功穿孔的迹象，可获得完全润湿、功能完整且低噪声的纳米孔。该技术相较于现有控制纳米孔尺寸的方法（如使用透射或扫描电子显微镜）的主要优势在于，其操作在盐溶液中进行，仅需使用标准实验室设备，并可在与生物分子检测相同的装置中完成。这可确保在生物分子检测实验中精确控制实际的纳米孔尺寸。该步骤还能降低低频电噪声，并可使堵塞的纳米孔恢复活性，以便进行后续实验。本视频假设纳米孔芯片已安装至纳米孔检测池中。下一步是为实验准备细胞。为此，将银-氯化银电极放入每个储液槽中，然后在细胞的储液槽之间连接一个低噪声电流放大器。将整个纳米孔电池组件放入电屏蔽的 enclosure 中。将低噪声电流放大器切换至外部控制模式。为实现计算机自动控制，计算机应在负 200 毫伏至 200 毫伏之间扫描施加的电势，并记录 IV 特性，拟合 IV 曲线以获得纳米孔的电导率，并用于检查一致性；若出现本示例中观察到的低于预期的电导率或此处所示 IV 曲线的不对称性，则需进一步分析。表明纳米孔未完全润湿或发生堵塞，需要进行处理。为继续表征，应在纳米孔两侧施加 200 毫伏的电势，并记录 30 秒的离子电流。此未处理纳米孔的电流轨迹片段显示出高度的电噪声，导致该样品在所有离子电流测量中均不适用于生物分子检测实验。通过功率谱密度分析来量化低频噪声特性。此处观察到的低频高噪声是纳米孔未完全润湿或堵塞的典型特征。表征数据可能表明纳米孔需要进行预处理。为此，请先将电极从低噪声电流放大器上断开。将其中一根导线连接至可输出电压高于六伏的计算机控制电源。将接地电极连接至外部电流放大器，以测试装置的连接情况。在纳米孔两端施加至少400毫伏的电势差，持续至少五秒，并测量电流，使用最后1秒的数据来检查与IV曲线测量结果的一致性。接着，在纳米孔两端施加一个持续200毫秒、大小为6伏的脉冲。随后，在400毫伏下进行为期5秒的测量，并利用最后1秒的数据来确定直径。根据需要重复此序列，直至纳米孔直径与所获得的透射电子显微镜（TEM）图像一致。在安装纳米孔或进行电导测量之前，若纳米孔发生堵塞，可在针对30纳米厚膜的调节装置中施加持续时间更长的脉冲和/或更高的电势，将纳米孔扩大至所需尺寸。首先，在纳米孔两侧施加至少400毫伏的偏置电压，持续至少五秒钟。提供用于估算纳米孔尺寸的数据。随后在其两端施加持续两秒、电压为八伏的脉冲。接着在400毫伏下进行至少五秒的测量。为循环测定直径的增加，重复施加2秒、8伏的扩孔脉冲以及5秒、400毫伏的测量步骤，直至达到所需孔径。达到目标直径后，断开电源和电流放大器。将低噪声电流放大器重新连接至电极。获取新的电流-电压（IV）曲线和实时电流数据，以确认纳米孔的直径，并验证其低噪声离子电流特性（如图所示，与未处理的非对称纳米孔相比）。经扩大的纳米孔表现出显著增加的电导率以及理想的欧姆特性。此处展示了在强电场处理前后，典型10纳米直径纳米孔及30纳米厚膜的电导率曲线。注意电导刻度的中断。以蓝色显示的PO电导远低于10纳米孔径预期的数值，这很可能是由于润湿不完全所致。在施加8伏特、持续92秒的脉冲后，纳米孔已完全润湿，并扩大至21纳米直径。此外，电导稳定且低频噪声很小。功率谱密度图显示，未经处理的倾注液（以蓝色表示）其低频噪声幅度非常高，导致其无法用于单分子实验。经过强电场处理后。频率低于 10 的 4 次方赫兹的噪声功率降低了多达三个数量级，使其适用于对 DNA 易位研究等敏感的生物分子检测实验。请确保低噪声电流放大器已连接至电极。在将生物分子样品加入储液池之前，施加一个正150至正300毫伏的电势，持续至少两分钟。观察电流轨迹，并检查是否存在离子电流阻断，后者是污染存在的证据。不应出现此类阻塞现象。接触芯片，并向纳米孔的一侧加入48.5 KILOBASE成对双链λ DNA，使其终浓度为每微升0.5至2纳克，用移液器轻轻吹打至少10秒，以确保样品在储液池中均匀分布。加入DNA后，将芯片放回屏蔽 enclosure。对于一个30纳米厚的纳米孔，施加150至300毫伏的电势偏压，通过电泳驱动带负电荷的DNA穿过纳米孔。使用软件监测通过纳米孔的离子电流，并检测瞬时的电流阻断。由于DNA的易位，可通过分析离子电流轨迹来推断有关DNA样品的更多信息。经高电场处理的纳米孔具有完全功能，上图电流轨迹显示了单个λ DNA分子的检测结果。双链DNA被驱动通过一个扩大至32纳米的纳米孔。下方轨迹显示DNA通过一个扩大至11纳米的纳米孔时的电流信号。注意电导标度的中断。在每种情况下，基线电导都极为稳定且纯净。当单个分子穿过纳米孔时，可观察到电导阻断现象。这些昆虫表现出多个离散的阻塞水平，对应于单个折叠的分子。通过转移纳米孔的低频噪声特性，可在纳米孔电导直方图中清晰分辨出峰；无论是上方的32纳米孔，还是下方的11纳米孔，均可分辨出三个峰。第一个峰对应于无DNA时的基线，第二个峰对应于单条线性DNA链，第三个峰则对应于折叠的DNA。观看本视频后，您应能充分了解如何制备用于单分子检测实验的固态纳米孔。该技术可显著提高实验产率，最终使固态纳米孔研究在各类单分子研究中更具可及性和可靠性。

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