纳米级突破——单分子阀门

诸平

Schematic drawing of the working principle of the single-molecule valve. Credit: Yan Xu, Osaka Metropolitan University

许岩（Yan Xu）

据日本大阪公立大学（Osaka Metropolitan University, Gakuen-cho, Naka-ku, Sakai, Osaka, Japan）2023年5月6日提供的消息，过校研究人员在纳米领域研究取得突破，实现了单分子阀门（Nanoscale Breakthrough – A Single-Molecule Valve）。一种革命性的范式转变即将到来，它将改变化学和生化合成。相关研究结果于2023年3月6日已经在美国化学会主办的《纳米快报》（Nano Letters）杂志网站发表——Hiroto Kawagishi, Shun-ichi Funano, Yo Tanaka, Yan Xu. Flexible Glass-Based Hybrid Nanofluidic Device to Enable the Active Regulation of Single-Molecule Flows. Nano Letters, 2023, 23(6): 2210–2218. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04807. Publication Date: March 6, 2023. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04807

参与此项研究的除了来自日本大阪公立大学的研究人员之外，还有来自日本理化研究所（RIKEN, Yamadaoka, Suita, Osaka, Japan）、日本科学技术振兴机构（Japan Science and Technology Agency简称JST, PRESTO, Honcho, Kawaguchi, Saitama, Japan; JST, CREST, Honcho, Kawaguchi, Saitama, Japan）的研究人员。

科学界设想利用微小分子作为构建物体的基本元素，就像我们用机械部件组装东西一样。然而，挑战在于分子非常小，大约是垒球（softball）大小的一亿分之一，并且它们在液体中随机移动，这使得控制和操纵它们成为单一形式变得困难。

为了克服这个障碍，“纳米流体装置”（“nanofluidic devices”）可以通过非常狭窄的通道传递分子，其尺寸与吸管的百万分之一相似，作为直接控制溶液中的单个分子的手段，已经引起了人们的兴趣。

大阪公立大学工学研究生院（Osaka Metropolitan University Graduate School of Engineering）许岩（Yan Xu音译）副教授领导的联合研究小组，通过施加外部压力，成功地调节了纳米流体装置中的纳米阀的打开和关闭，从而调节了溶液中单个分子的流动。

研究小组制作了一种纳米流体装置，其顶部是薄的柔性玻璃片，底部是带有形成纳米通道和纳米阀座的小结构的硬玻璃片。通过对柔性玻璃片施加外部压力来打开和关闭阀门，他们成功地直接操纵和控制了溶液中单个分子的流动。

他们还发现，当他们将单个荧光分子（fluorescent molecules）捕获在阀门内部的纳米空间中时，单个分子的荧光变得更亮。这是因为小空间使得单个分子难以随机移动。

许岩副教授说，“这种荧光信号放大的效果可以在不需要昂贵设备的情况下，对癌症和帕金森氏症（Parkinson disease）等疾病的早期诊断中检测到非常少量的病原体。”

这项研究的发现可能是朝着在溶液中使用单分子作为构建块自由组装材料迈出的重要一步。这项技术在许多领域都有潜力发挥作用，比如开发针对罕见疾病的个性化药物，以及制造更好的显示器和电池，其应用是无限的。

许岩副教授说：“我们通过提出和推广‘单分子调节化学’(‘Single-Molecule Regulated Chemistry’简称SMRC)的概念来解决各种挑战，在SMRC中，分子被视为构建模块，溶液中化学和生化反应的所有过程都以单分子为基础进行。单分子阀门标志着实现这一目标的第一步，这一目标有朝一日可能会彻底改变化学、生物学和材料科学，并改变各个行业。”

该研究得到了日本学术振兴会（Japan Society for the Promotion of Science简称JSPS KAKENHI Grant Nos. JP21H04640, JP20H00497, JP19KK0129, JP18H01848, JP26630403 and JP19J22901）;日本教育、文化、体育、科学和技术省（Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, MEXT KAKENHI Grant Nos. JP21H05231 and JP19H04678）;日本科学技术振兴机构（Japan Science and Technology Agency简称JST PRESTO Grant No. JPMJPR18H5), JST CREST Grant No. JPMJCR18H2）和大阪公立大学SiMS(SiMS of Osaka Prefecture University) 的支持或资助。

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Abstract

Single-molecule studies offer deep insights into the essence of chemistry, biology, and materials science. Despite significant advances in single-molecule experiments, the precise regulation of the flow of single small molecules remains a formidable challenge. Herein, we present a flexible glass-based hybrid nanofluidic device that can precisely block, open, and direct the flow of single small molecules in nanochannels. Additionally, this approach allows for real-time tracking of regulated single small molecules in nanofluidic conditions. Therefore, the dynamic behaviors of single small molecules confined in different nanofluidic conditions with varied spatial restrictions are clarified. Our device and approach provide a nanofluidic platform and mechanism that enable single-molecule studies and applications in actively regulated fluidic conditions, thus opening avenues for understanding the original behavior of individual molecules in their natural forms and the development of single-molecule regulated chemical and biological processes in the future.