第一作者：祝振童、段曉征
通訊作者：李冰凌
通訊單位：中科院長春應化所電分析化學國家重點實驗室
研究亮點：
1. 測試發現最高介電常數的兩種分子甲酰胺和甲基甲酰胺能夠顯示出最佳的降噪效果。
2. 通過分子動力學模擬提供了另外一種可能的降噪機制：即高介電常數分子的引入可引起溶液中離子簇的解體，增強離子溶劑化作用，使離子分布更加均勻，從而降低離子密度和遷移率漲落，減少電噪音的產生。
3. 利用GCN成功識別了一系列由核酸分子線路反應生產的DNA組裝寡聚物作為降噪方法的實用性驗證。
固相納米孔分析技術面臨挑戰
固相納米孔分析技術是近年來最具發展前途的單分子測量技術之一。因其具備單分子級分辨率以及免標記、免分離等技術優勢，在分子檢測、結構識別、信息存儲檢索等研究領域展示出巨大的研究潛力。然而，在實際操作中，伴隨信號產生的基線電流噪音（電噪音）往往會直接限制固相納米孔在時間和空間上的分辨率，以及數據采集的可靠性和穩定性，因此被視為影響固相納米孔實用性的一個重要制約因素。這一弊端在小尺寸靶標的檢測過程中尤為致命。
成果簡介
為此，中國科學院長春應用化學研究所李冰凌、祝振童和段曉征等人通過將具有高介電常數的有機溶劑分子添加到傳統水相電解質中，發展出一種非常簡單、高效的降噪方法，大幅度提升了固相納米孔對小尺寸靶標的識別分辨率；并通過實驗和分子動力學模擬的緊密結合，對溶劑介電性質（和溶劑分子偶極效應）在降噪過程中的重要作用進行了解析。
要點1：甲酰胺的顯著降噪現象
文章主要選擇孔徑在5nm左右的石英玻璃納米孔（GCN，或glassnano-pipette）做為研究對象。在所有經過測試的溶劑分子中，具有最高介電常數的兩種分子——甲酰胺和甲基甲酰胺——顯示出最佳的降噪效果。20%體積分數的甲酰胺即可在低頻極限處將功率能譜密度（PSD）降低3個數量級，從而大幅提高GCN裸孔的空間分辨率，使其能夠精確地捕獲到尺寸小于100個堿基的ssDNA及其雜交行為。在通用性實驗中，該降噪方法被證明對氮化硅納米孔同樣有效。
圖1. a)納米孔檢測示意圖。b)石英玻璃納米孔電鏡照片。c)電流信號示意圖。有無甲酰胺存在條件下的d)原始電流信號記錄，e）事件統計圖和f)功率譜密度。
要點2：降噪機理研究
文章同時對可能的降噪機理進行了討論。介于電噪音來源的復雜性和多樣性，降噪機理的完整解析難度較大。除了玻璃管壁動態修飾、減少氣泡和降低熱噪音等常被報道的原因，作者還通過分子動力學模擬提供了另外一種可能的降噪機制：即高介電常數分子的引入可引起溶液中離子簇的解體，增強離子溶劑化作用，使離子分布更加均勻，從而降低離子密度和遷移率漲落，減少電噪音的產生。
圖2.a-b)離子電流噪音降低原理示意。c-d)分子動力學模擬快照。e)每個陽離子相鄰陰離子和溶劑分子的數量。f)陽離子的密度標準偏差與密度比，及遷移率標準偏差 與遷移率比。g) MD模擬獲得的I-t曲線。h-i)5000bp dsDNA在甲基甲酰胺存在時的穿孔信號及相應的功率譜密度。
要點3：低噪音納米孔對核酸分子線路反應的原位跟蹤
作為文章降噪方法的實用性驗證，作者利用GCN成功識別了一系列由核酸分子線路反應生產的DNA組裝寡聚物，包括雙鏈產物 (duplex structure)，三鏈復合結構 （3-way structure），雙聚-三鏈復合結構 (3-way-structure dimer)，以及四鏈復合結構 (4-way structure)。結果表明降噪之后，GCN在分辨率上有望對尺度和聚合度不同的DNA寡聚物進行有效識別和區分。這一現象有助于推進固相納米孔在精細結構表征和信息存儲方面的研究和應用。介于GCN良好的透光性質，在核酸分子線路核心成分中引入光斷裂基團，即可以實現納米孔對核酸分子線路反應過程的原位跟蹤和表征，進一步提升納米孔在動力學和原位分析中的應用潛力。
圖3. a)紫外光調控的3way-CHA單體組裝示意圖。b)光控3way-CHA組裝過程的熒光動力學曲線。c-e)電流信號記錄及相應時間窗口內的事件統計圖。
小結
作為常用的有機溶劑，甲酰胺等物質對蛋白質分子的生物相容性較低，這是該降噪方法的主要應用限制，期待在后續研究中進行改良。盡管如此，在前期工作中（Sci. Rep. 2016, 6, 36605），作者已經驗證甲酰胺對DNA反應（尤其是核酸分子線路等組裝反應）聚有良好的相容性，甚至是促進作用。因此，目前該降噪方法有望廣泛應用于核酸，以及有機分子和聚合物的相關研究當中。
參考文獻
ZhentongZhu, et al. Low-Noise Nanopore Enables In-Situ and Label-Free Tracking of aTrigger-Induced DNA Molecular Machine at the Single-Molecular Level J. Am.Chem. Soc.
DOI: 10.1021/jacs.0c00029
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00029
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