在过去二十年中，纳米孔传感技术因其在高分辨率分子检测和分析方面的优势，广泛应用于生物实验和临床诊断。然而，单分子易位速度和轨迹的不可控性限制了该技术所获得电信号的均匀性，这一问题严重阻碍了纳米孔传感作为下一代测序技术的市场化进程。因此，寻找传统传感策略的替代技术以改善分子测试环境成为近年来研究的热点。
为延长分子在纳米孔内的阻滞时间，从而提高对分子构象的表征精度，研究者们采用了多种手段，包括延长传感长度、引入新的作用梯度、优化测试环境以及微调分子表面电荷。然而，这些改良技术仍然受到纳米孔中分子随机热运动的限制，难以实现对分子易位的精确控制，进而导致一系列由分子扭矩引发的传感噪声。这一问题显著制约了纳米孔传感技术的广泛应用，也使得目前市场上的纳米孔测序技术相对匮乏。
最近，香港中文大学的袁武/何浩培教授团队开发了一种新型管内纳米孔（NIAT）设备，该设备能够有效解耦电流信号检测与分子迁移，并提供单分子通过纳米孔的精确易位，从而确保高信噪比（SNR）的稳定信号读取。研究结果表明，通过操纵惯性角和离心加速度，分子在纳米孔内的易位角度和轨迹得到了显著控制，实现了易位事件的可调节频率及高信噪比的电流阻断信号。作者通过对该电流信号变异系数（CV）的分析，揭示了惯性角在实现均匀易位轨迹和增强分析物-纳米孔相互作用中的重要作用，并获得了大惯性角度和高离心加速度下的稳定电流信号输出。因此，角惯性易位策略可用于高精度区分刚性纳米分子的尺寸。此外，该设备的性能通过区分柔性聚乙烯醇分子（PEG）微小刚度变化得到了验证。这一创新为纳米孔技术在生物传感领域的应用提供了新的可能性，而且为定量分子表征和有序核苷酸读出提供了潜力。
图1，角惯性驱动纳米孔传感金纳米颗粒示意图以及对应的电流阻断信号。
NIAT平台的分子传感研究结果表明，在光调制电驱动力达到平衡状态后，通过调节离心角度和加速度，可以对分子施加可控的角惯性力，从而克服随机布朗运动在纳米孔内的影响。与电动易位中观察到的随机过程相比，角惯性驱动的易位显著提升了信号的信噪比（SNR）。因此，通过调节惯性角和离心加速度，纳米孔中的分子易位及其所产生的电流阻塞信号得到了有效控制。
图2，角惯性驱动纳米孔传感金纳米颗粒示意图以及对应的电流阻断信号。
此外，在角惯性易位策略中，信号稳定性也受惯性角控制。较大的惯性角（例如 θ = 30°）会导致阻塞信号中的停留时间延长，同时电流幅度也随之增大。当θ = 30°时，停留时间和电流幅度的CV小于0.05。因此，易位方向和速度的调控极大约束了分子的随机运动，提高了电流信号稳定性，从而为单分子传感提供了更高的时间和空间分辨率。
当惯性角设置为一定值（例如 θ = 45°）时，该策略识别金纳米颗粒（AuNPs）尺寸的研究结果如下：停留时间表现出与AuNPs尺寸的负相关性，而电流幅度表现出正尺寸相关性。从测量的电流幅度和停留时间的分布可以看出，通过调节离心加速度可以成功区分尺寸差异大约为1.6纳米的测试金纳米粒子，并且电流幅度的尺寸敏感性高于停留时间。
在相同的惯性角（θ = 45°）下，不同盐浓度溶液中的不同刚性的 PEG分子也被有效表征。测量的电流幅度和停留时间也显示出刚度相关的散射程度，即刚度越高，CV越低（信号稳定性越高）。这一观察结果可能表明 PEG 与漏斗侧壁之间的相互作用会导致潜在的分子变形并影响测量的电流幅度。
图3，通过角惯性驱动策略识别金纳米颗粒尺寸。
图4，通过角惯性驱动方法传感聚乙烯醇分子的尺寸和刚度
香港中文大学袁武教授和何浩培教授为本论文共同通讯作者，杨剑鑫博士为本论文第一作者。
论文信息：
Angular-Inertia Regulated Stable and Nanoscale Sensing of Single Molecules Using Nanopore-In-A-Tube
Jianxin Yang, Tianle Pan, Tong Liu, Chuanbin Mao, Ho-Pui Ho*, Wu Yuan*
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202400018
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Advanced Materials
期刊简介
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