超短单壁碳纳米管纳米孔传感器对同源和异构氨基酸的高分辨识别

单壁碳纳米管（SWCNTs）的中空和管状结构使其成为制造纳米孔的理想候选材料。然而，单壁碳管的直径和长度的不均匀性阻碍了碳管作为纳米孔传感器的进一步应用。目前对碳管纳米孔的文献报道仅限于研究离子和水分子的在其内部的输运行为。中科院高能所和中科院化学所团队开发了一种密度梯度超速离心方法来分离超短单壁碳管，将分离得到的超短单壁碳管插入磷脂双层膜中构建了单通道纳米孔传感器。通过电流-电压实验发现利用该方法分离得到的碳管传感器具有较窄的电导范围（集中分布在0.8 nS -1 nS），将不同分子量的聚乙二醇（PEG）穿过纳米孔后测定单壁碳管直径在1.2 nm -1.5 nm范围，其较窄的尺寸范围为其成为良好的纳米孔单分子传感器打下了坚实的基础（图1）。

图1. 超短碳管纳米孔的表征。图片来源：Nat. Commun. 

为了考察超短单壁碳管纳米孔传感器的传感分辨能力，该团队在体系中加入dTTP小分子，发现相较于α-溶血素（αHL）和MspA蛋白孔中dTTP穿越引起的微弱阻滞电流值（αHL: 9.0%和MspA: 3.4%），其在碳管纳米孔中的阻滞电流值可达到44.2%（图2）。

图2. dTTP分子穿过aHL，MspA和超短碳管纳米孔。图片来源：Nat. Commun.

碳管纳米孔展现出来的优越传感分辨能力与离子在碳管中的快速传输有关。该团队进一步利用Ca²⁺离子流的荧光成像实验证实了离子在单壁碳管纳米孔中的迁移率是体相中的3-5倍（图3）。

图3. 纳米孔内Ca²⁺离子流荧光成像。图片来源：Nat. Commun.

接下来该团队利用超短碳管纳米孔传感器的高分辨传感能力，成功区分了结构相近的天冬氨酸和谷氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸以及互为异构体的亮氨酸和异亮氨酸（图4）。

图4. 超短碳管纳米孔对氨基酸分子的区分研究。图片来源：Nat. Commun.

这些结果展现了超短碳管纳米孔传感器对氨基酸的高分辨识别能力，如果结合单壁碳管纳米孔阵列的构建，可能为新兴的单分子蛋白质测序技术提供一种新的思路和方法。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是中科院高能物理研究所博士研究生彭伟超。

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High-resolution discrimination of homologous and isomeric proteinogenic amino acids in nanopore sensors with ultrashort single-walled carbon nanotubes

Weichao Peng, Shuaihu Yan, Ke Zhou, Hai-Chen Wu, Lei Liu & Yuliang Zhao 

Nat. Commun., 2023, 14, 2662, DOI: 10.1038/s41467-023-38399-4