ナノポア

ナノポアは、ナノメートルサイズのポアです。たとえば、細孔形成タンパク質によって、またはシリコンやグラフェンなどの合成材料の穴として作成できます。

電気絶縁膜にナノポアが存在する場合、単一分子検出器として使用できます。それは、高電気抵抗脂質二重層の生物学的タンパク質チャネル、固体膜の細孔、またはこれらのハイブリッドである可能性があります–合成膜に設定されたタンパク質チャネルです。検出原理は、膜に電圧が印加されるときにナノポアを通過するイオン電流を監視することに基づいています。ナノポアが分子の大きさである場合、分子（例えば、DNA）の通過により、「開放」電流レベルの中断が引き起こされ、「転座イベント」シグナルが発生します。たとえば、RNAまたは一本鎖DNA分子が膜に埋め込まれたアルファ溶血素チャネル（直径1.5 nm）を通過すると、電流が約90％遮断されます（1 M KCl溶液で測定）。

これは、はるかに小さい粒子のコールターカウンターと見なすことができます。

生物学的およびタンパク質ナノポア

ナノポアは、ポア形成タンパク質、通常はキノコ型のタンパク質分子を通過する中空のコアによって形成されます。細孔形成タンパク質の例は、アルファ溶血素およびMspAポリンです。典型的な実験室のナノポア実験では、単一のタンパク質ナノポアが脂質二重層膜に挿入され、単一チャネルの電気生理学的測定が行われます。

固体ナノポア

固体ナノポアは一般にシリコン化合物膜で作られ、最も一般的なのは窒化シリコンです。固体ナノポアは、イオンビーム彫刻や電子ビームを含むいくつかの技術で製造できます。

最近では、固体ナノポアセンシングの材料としてグラフェンの使用が検討されています。固体ナノポアのもう1つの例は、ボックス型グラフェン（BSG）ナノ構造です。 BSGナノ構造は、表面に沿って配置され、断面が四角形の平行な中空ナノチャネルの多層システムです。チャンネル壁の厚さは約1 nmです。チャネルファセットの一般的な幅は約25 nmです。

トラックエッチング膜のナノポア測定

1960年代後半のトラックエッチング技術の発見以来、必要な直径のフィルター膜は、食品の安全性、環境汚染、生物学、医学、燃料電池、化学などのさまざまな分野で応用の可能性を見出してきました。これらのトラックエッチングされた膜は、通常、トラックエッチング手順によりポリマー膜で作成されます。その間に、高分子膜に最初に重イオンビームが照射されてトラックが形成され、次にウェットエッチング後にトラックに沿って円筒形の孔または非対称の孔が作成されます。

適切な直径のフィルター膜の製造と同様に、これらの材料の特性評価と測定も同じくらい重要です。これまで、いくつかの方法が開発されてきましたが、それらは利用した物理的メカニズムに応じて次のカテゴリーに分類できます：走査電子顕微鏡（SEM）、透過電子顕微鏡（TEM）、原子間力顕微鏡（AFM））;バブルポイントやガス輸送などの流体輸送;窒素の吸着/脱着（BEH）、水銀ポロシメトリー、気液平衡（BJH）、気液平衡（パーモポロメトリー）および液固平衡（サーモポロメトリー）などの流体吸着。電子コンダクタンス;超音波分光法;および分子輸送。

最近では、ナノポアのサイズ測定の方法として光透過技術の使用が提案されています。

イオン電流整流

イオン電流整流（ICR）は、ナノポアにとって重要な現象です。イオン電流整流は薬物センサーとしても使用でき、高分子膜の電荷状態を調べるために使用できます。

ナノポアベースのシーケンス

異なる塩基を含むDNAの通過鎖が異なるブロッキングレベルをもたらすという観察により、ナノポアシーケンス仮説が導かれました。オックスフォード・ナノポア・テクノロジーズとヘイガン・ベイリー教授の研究所は、修飾溶血素ナノポアを通過するメチル化シトシンを含む個々のヌクレオチドの同定を示しました。

迅速なDNAシーケンシングとは別に、他のアプリケーションには、溶液中の一本鎖および二本鎖DNAの分離、およびポリマーの長さの決定が含まれます。この段階で、ナノポアは、ポリマー生物物理学の理解と、DNA-タンパク質相互作用の単一分子分析に貢献しています。

サイズ調整可能なナノポア

サイズ調整可能なエラストマーナノポアが製造されており、ナノ粒子がイオン電流の流れを遮断するため、ナノ粒子を正確に測定できます。この測定方法を使用して、広範囲の粒子タイプを測定できます。ソリッドステートの細孔の制限とは対照的に、細孔サイズを粒子サイズに厳密に一致させることにより、バックグラウンド電流に対する抵抗パルスの大きさを最適化することができます。粒子ごとに検出が行われるため、真の平均および多分散性分布を決定できます。この原理を使用して、世界で唯一の市販の調整可能なナノポアベースの粒子検出システムがIzon Science Ltdによって開発されました。ボックス型グラフェン（BSG）ナノ構造は、ポアサイズが変更可能なデバイスを構築する基盤として使用できます。

代替定義

これらの直径は約20 nmです。それらは、シリコンウエハーの人工的に構築されたカプセル化されたセルに統合されます。これらの孔は、酸素、グルコース、インスリンなどの小分子を通過させますが、免疫グロブリンなどの大きな免疫系分子は通過しません。一例として、ラットの膵臓細胞はマイクロカプセル化され、栄養素を受け取り、近隣の環境、すなわち外来細胞から完全に隔離されているナノポアを通してインスリンを放出します。この知識は、膵臓のランゲルハンス細胞の非機能性膵島（インスリン産生の原因）を、採取した子豚細胞に置き換えるのに役立ちます。それらは、糖尿病患者を感染の危険にさらす免疫抑制剤を必要とせずに、人間の皮膚の下に埋め込むことができます。