该传感器是一根玻璃管，其尖端经熔化后形成尖锐的针状结构，可浸入含有分子的液体中。来源：凯文・弗里德曼（Kevin Freedman）/ImageFX/ 加利福尼亚大学河滨分校

加利福尼亚大学河滨分校（UC Riverside）的科学家们研发出了一种基于纳米孔的工具，通过捕获单个分子发出的信号，它能够比现有检测手段更快、更精准地助力疾病诊断。

由于科学家们想要检测的分子 —— 通常是特定的 DNA 或蛋白质分子 —— 宽度大约仅为十亿分之一米，它们所产生的电信号非常微弱，需要专门的检测仪器才能检测到。

“目前，要检测疾病需要数百万个分子。我们正在证明，仅从单个分子就能获取有用数据是可行的。” 加利福尼亚大学河滨分校生物工程学助理教授、一篇发表于《自然・纳米技术》杂志上有关该工具的论文的第一作者凯文・弗里德曼说道，“这种灵敏度水平可能会给疾病诊断带来实质性的改变。”

弗里德曼的实验室旨在打造能像大脑中的神经元那样工作并可以保留记忆的电子探测器，具体来说，就是要记住此前哪些分子曾通过该传感器。为此，加利福尼亚大学河滨分校的科学家们开发了一种新的电路模型，该模型能够解释传感器行为上的微小变化。

他们电路的核心是一个纳米孔 —— 一个微小的开口，分子每次只能逐个通过它。生物样本会与盐一同被载入电路中，盐会解离成离子。

如果样本中的蛋白质或 DNA 分子穿过这个孔，就会使能够通过的离子流减少。

弗里德曼说：“我们的探测器会测量因蛋白质或一段 DNA 穿过并阻塞离子通道而导致的离子流减少量。”

弗里德曼指出，为了分析离子所产生的电信号，该系统需要考虑到有些分子在穿过纳米孔时可能未被检测到的这种可能性。这项发现的独特之处在于，纳米孔不仅是一个传感器，其本身还充当了一个过滤器，能减少样本中其他分子产生的背景噪音，而这些背景噪音可能会掩盖关键信号。

传统传感器需要外部过滤器来去除不需要的信号，但这些过滤器可能会意外地将样本中有价值的信息一并去除掉。弗里德曼的方法确保了每个分子的信号都能得以保留，从而提高了诊断应用方面的准确性。

电容和电荷存储模型。a，通过数值求解泊松 - 能斯特 - 普朗克方程和纳维 - 斯托克斯方程得到的在 +200 mV 和 -200 mV 下纳米移液管内离子的平均浓度。模拟中使用的本体离子浓度为 10 mM，离子特性为钾离子（K⁺）和氯离子（Cl⁻）的特性。孔表面电荷为 -10 mC/m2。b，由数值模拟预测的电容系数随离子浓度变化的函数关系。c、d，传统电容器的示意图，其中电荷在空间上分离，在电压变化时可以放电。e、f，离子负电容器的示意图，其中电荷是共定位的，但在电压变化时仍可放电。Q 与 V 曲线的负斜率是负电容的一个特征。来源：《自然・纳米技术》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41565-024-01829-5

弗里德曼设想该设备可被用于开发一种小型、便携式诊断试剂盒 —— 大小不超过一个 U 盘 —— 它能够在感染的最早阶段就检测出感染情况。虽然如今的检测手段在接触病原体数天后可能都还检测不出感染情况，但纳米孔传感器能够在 24 至 48 小时内检测到感染。对于快速传播的疾病而言，这种能力将提供显著优势，能够实现更早的干预和治疗。

弗里德曼说：“纳米孔提供了一种在症状出现之前、疾病传播之前就能更早发现感染的方法。这种工具可以让病毒感染和慢性疾病的早期诊断变得更加切实可行。”

除了诊断方面，该设备还有望推动蛋白质研究的进展。蛋白质在细胞中起着至关重要的作用，其结构上哪怕微小的变化都可能影响健康。由于健康蛋白质和致病蛋白质之间的相似性，当前的诊断工具很难区分它们。然而，这种纳米孔设备能够测量单个蛋白质之间的细微差异，这有助于医生设计更具个性化的治疗方案。

这项研究还让科学家们朝着实现单分子蛋白质测序这一生物学领域长期追求的目标更近了一步。虽然 DNA 测序揭示了遗传指令，但蛋白质测序能够深入了解这些指令是如何实时表达和修饰的。这种更深入的理解可能会促使疾病更早被发现，并能制定出针对每位患者的更精准的治疗方案。

弗里德曼说：“目前在开发蛋白质测序方面有很大的发展势头，因为它能让我们获得仅靠 DNA 测序无法得到的见解。纳米孔让我们能够以前所未有的方式研究蛋白质。”

纳米孔是弗里德曼团队将要尝试对单个蛋白质进行测序的一项工作重点。这项工作建立在他此前关于优化纳米孔用于检测分子、病毒及其他纳米级实体的研究基础之上。他认为这些进展预示着未来分子诊断和生物学研究可能会发生的转变。

弗里德曼说：“关于那些影响健康和致病的分子，我们仍有很多需要了解的地方。这个工具让我们朝着个性化医疗又迈进了一步。”

弗里德曼预计，纳米孔技术很快将成为科研和医疗保健工具中的一项标准配置。随着这些设备变得更加经济实惠且易于获取，它们有望进入家庭或诊所日常使用的诊断试剂盒当中。

弗里德曼说：“我相信纳米孔将成为日常生活的一部分。这一发现可能会改变我们今后使用它们的方式。”