单分子电学解码DNA信息：从电荷传输到精准测序的新纪元 中文标题 单分子电学检测平台解码DNA信息：机制、动态与测序应用

本文系统综述了单分子结、单分子场效应晶体管和单分子纳米孔三种电学技术在DNA研究中的突破性进展。研究团队重点阐释了DNA电荷传输的量子机制（如隧穿与跳跃）、构象动态转换（如B-Z型转变）以及手性诱导自旋选择性（CISS）效应，并展示了这些技术在DNA-分子相互作用实时监测和单碱基分辨率测序中的应用。该工作为生物电子学和纳米医学提供了革命性工具，显著推动了对DNA结构-功能关系的理解。

　　

脱氧核糖核酸（DNA）作为生命遗传信息的核心载体，其结构解析与功能研究始终是生物医学领域的焦点。传统的群体检测技术（如圆二色谱、核磁共振等）虽能提供分子平均特性，却难以捕捉单分子水平的瞬时变化和异质性。尤其在研究DNA电荷传输、构象动态转换及序列解码过程中，单分子行为的精确观测成为揭示生命奥秘的关键突破点。

针对这一挑战，《The Innovation》期刊最新发表的综述系统梳理了单分子电学检测技术的革命性进展。研究团队聚焦三种核心技术——单分子结（Single-molecule junctions）、单分子场效应晶体管（Single-molecule FETs）和单分子纳米孔（Single-molecule nanopores），深入阐释了它们在DNA分子特性解析中的独特优势。这些技术凭借超高分辩率（单事件/单碱基水平）和免标记实时监测能力，为理解DNA复制、修复和转录等生物学过程提供了全新视角。

研究过程中，团队综合运用了扫描隧道显微镜裂结技术（STM-BJ）、机械控制裂结装置（MCBJ）和石墨烯分子结（GMJ）构建单分子电学检测平台；通过硅纳米线（SiNWs）、单壁碳纳米管（SWCNTs）和有机分子线（OMWs）制备高灵敏度场效应晶体管；并采用生物纳米孔（如α-HL、MspA）、固态纳米孔及其混合体系实现离子电流阻断检测。所有实验均依托可控电极间隙（0.5-2.5 nm）和分子自组装技术保证单分子水平检测可靠性。

电荷传输机制与调控

通过单分子结技术，团队发现DNA电荷传输存在相干隧穿（Coherent tunneling）和非相干跳跃（Incoherent hopping）两种竞争机制。当DNA链短于10 bp且处于低温环境时，电荷通过碱基π电子云离域实现量子隧穿；而当链长超过14 bp或温度高于240 K时，热激活跳跃机制占据主导。值得注意的是，GC富集区域因强π堆叠作用更利于隧穿，而AT富集区则倾向于跳跃传输（图2A）。研究人员还通过乙锭溴化物（EB）插分子实验证实，插入后DNA电导提升4.4倍，源于分子插层增强π堆叠并降低DNA最高占据分子轨道（HOMO）与电极费米能级间能隙（图2B）。

手性诱导自旋选择性

利用导电原子力显微镜（C-AFM）构建镍-金电极体系，团队首次在室温下观测到DNA分子超过60%的自旋极化率。当DNA从右旋B型转变为左旋Z型构象时，自旋选择性呈现二极管式开关特性，证明螺旋手性对电子自旋运动的调控作用（图3A）。理论计算进一步揭示自旋极化率强烈依赖于DNA末端序列，且手性分子诱导的不对称电势与自旋轨道耦合（SOC）共同导致CISS效应（图3B, 3C）。

构象动力学与杂交监测

单分子电学技术成功捕获了DNA分子动态构象转变过程。当dsDNA从B型转变为A型构象时，电导率增加近10倍（图4A）。采用SWCNT-FET技术实时监测血清素适配体与靶分子结合过程，发现未结合时DNA保持发夹结构紧贴纳米管表面，结合后则形成G四链体结构（图4B）。纳米孔技术进一步区分了G四链体的混合型、篮型和螺旋桨型折叠状态，其中篮型构象产生显著离子电流阻断（图4C）。

DNA杂交动力学研究方面，STM-BJ技术修饰ssDNA探针后成功观测到部分杂交中间体的电流-时间轨迹（图5A）。SiNW-FET通过温度调控清晰分辨发夹结构（低导态）与随机卷曲（高导态）两种导电状态（图5B），而SWCNT-FET通过静电栅压调控可区分单核苷酸变异体的熔解行为（图5C）。有机分子线FET与CMOS技术整合后，实现了单个DNA结合事件产生的电流脉冲检测（图5D）。

分子相互作用与精准测序

团队通过GMJ共价连接dsDNA分子，实时监测到EB插层分子在30秒内引起电导阶跃式变化（图6A）。SiNW-FET技术全程追踪了WRKY1N蛋白与DNA的相互作用，包括非特异性结合、链上滑移搜索及特异性结合等过程（图6B）。纳米孔技术将适配体固定于MspA蛋白孔内，通过配体结合引起的构象变化调控离子电流振荡频率（图6C），而α-HL纳米孔成功检测到阿霉素（Dox）插入DNA发夹结构后解链时间延长现象（图6D）。

测序技术突破方面，识别隧穿（RT）技术通过4-巯基苯甲酸功能化STM针尖，实现四种脱氧核糖核苷的特征电流峰值区分（deoxyadenosine > deoxycytidine > deoxyguanosine > thymidine）（图7A）。机器学习辅助分析表明，低频大振幅脉冲对应胞嘧啶，高频小振幅脉冲对应腺嘌呤（图7B）。甲基化胞嘧啶检测中，5-甲基胞苷显示出更高电流信号强度与分散度（图7C）。电极-纳米孔集成系统成功识别通过15 nm SiO₂孔的6聚寡核苷酸，产生对应胸腺嘧啶和鸟嘌呤的双电平电流信号（图7D）。

单分子FET测序通过PNPase酶降解RNA分子，基于电导模式差异实现单碱基分辨率识别（图8A）。Taq DNA聚合酶修饰的SWCNT-FET在催化DNA链合成时，匹配dNTP处理呈现多次瞬时闭合电流信号（图8B）。phi29 DNA聚合酶与有机分子线整合后，通过酶-底物相互作用电流变化间接获取序列信息（图8C）。

纳米孔测序通过phi29 DNA聚合酶马达调控，将核苷酸移位速率从1核苷酸/微秒降至28毫秒/核苷酸（图9A）。外切酶预处理策略结合不对称盐条件，促进核苷酸片段在纳米孔附近释放（图9B）。边合成边测序策略采用聚乙二醇标签标记核苷酸，产生序列依赖性电子信号流（图9C）。表观遗传学分析方面，nanoHiMe-seq技术同时检测组蛋白修饰和DNA甲基化，通过抗体识别和甲基转移酶标记实现单分子水平多重修饰定位（图9D）。苯硼酸适配体修饰的MspA纳米孔成功区分5-甲基胞苷（m⁵C）和N6-甲基腺苷（m⁶A），准确率达99.6%（图9E）。DNA载体联合纳米孔检测通过链置换反应实现单核苷酸多态性（SNP）特异性识别（图9F）。

该研究系统论证了单分子电学检测技术在DNA信息解码中的三大核心价值：一是阐明电荷传输量子机制与手性自旋选择性的物理本质；二是实时解析构象动力学与分子相互作用动态过程；三是推动超高精度测序与表观遗传分析技术发展。尽管当前技术仍面临电极-分子界面稳定性、设备噪声干扰和多参数信号解析等挑战，但通过多模态技术整合（光电联合检测）、柔性生物相容器件开发以及人工智能辅助数据分析，有望最终实现活体内DNA行为的精准观测。这项突破不仅为分子电子学和生物电子学提供新范式，更为疾病诊断、基因治疗和纳米医学等领域带来革命性工具。