NIST研究人员用了30多年的时间开发和研究能够识别单分子的微型生物传感器。5到10年后，当这种设备成为医生办公室的主要设备时，可以检测癌症和其他疾病的分子标志物，并评估治疗这些疾病的药物治疗的有效性。

       为了帮助实现这一目标，提高测量的准确性和速度，科学家们必须找到更好地理解分子如何与这些传感器相互作用的方法。来自国家标准与技术研究院(NIST)和弗吉尼亚联邦大学(VCU)的研究人员现在开发了一种新方法，在最新一期的《科学进展》（Science Advances）期刊上报道了他们的发现。

       该团队通过制造形成细胞膜的人造生物材料，制造生物传感器，被称为脂质双分子层，包含一个直径约2纳米(十亿分之一米)的微小孔，被液体包围。溶解在液体中的离子通过纳米孔，产生微小的电流。然而，当分子进入薄膜时，会部分阻碍电流的流动。阻碍的持续时间和强度就像指纹，识别特定分子的大小和性质。 

       为了识别分子，科学家应用一种称为纳米孔的生物传感器——薄膜上的小孔，可以让液体通过。当分子进入孔内时，它会部分阻碍电流的流动，从而为研究人员提供一个识别分子的信号。为了得到准确的测量结果，分子须在孔内停留足够长的时间。NIST的研究人员正应用激光测量分子进入和离开纳米孔时的能量，得到的信息可以帮助科学家设计优化的纳米孔以检测特定的分子。

       对大量的单个分子进行精确的测量，所研究的分子必须在纳米孔中停留一段既不太长也不太短的时间，时间范围从1亿分之一秒到1万分之一秒不等。问题是，如果纳米孔以某种方式将大部分分子固定在一个位置上，那么在这段时间内，大多数分子只能待在纳米孔的小体积中。这意味着纳米孔环境必须提供一定的屏障。例如，增加静电力或改变纳米孔的形状，使分子更难逸出。 

       突破屏障所需的最小能量因不同类型的分子而异，这对生物传感器的高效和准确工作至关重要。计算这个量需要测量与分子进出孔时的能量相关的几个特性。其目标是测量分子与其环境之间的相互作用，是主要来自化学键，还是主要来自分子在捕获和释放过程中自由移动的能力。

      到目前为止，由于技术原因，提取这些高能组分的可靠测量方法一直缺失。在新的研究中，由NIST Joseph Robertson和VCU的Joseph Reiner共同领导的团队展示了一种快速、基于激光的加热方法，来测量这些能量。

       测量须在不同的温度下进行，而激光加热系统确保这些温度迅速变化、可复现。研究人员可以在不到2分钟的时间内完成测量，而不需要30分钟甚至更多。罗伯逊 Robertson说“我们的经验表明，如果没有这类基于激光的加热工具，测量根本无法完成。这样做既费时又昂贵。”