纳米孔技术处于单分子生物物理技术的前沿，以其快速基因组测序和低成本现场诊断的应用前景成为热点领域。通过人工磷脂膜将装满电解质溶液的测量室一分为二，并在磷脂膜上组装一个纳米尺寸的膜通道蛋白，便可以在膜片钳的帮助下，实时观测单个分子穿过纳米孔的过程。通过监测限域尺寸下的分子行为，该技术可以分辨小至单原子、单离子等极其细微的分子差异。凭借其免标记、高分辨和高灵敏的优势，纳米孔技术在基础化学、生命科学、临床诊断和环境监测等诸多领域发挥了重要作用。本课题组掌握纳米孔测序、单分子化学、纳米孔势阱和纳米孔成像等前沿生物物理技术，研究方向包括：

1. 新污染物监测与治理。将纳米孔分析技术生物适配器等技术结合，针对无机、有机和生物新污染物，构建特异性的纳米孔传感器和纳米反应器，应用于新污染物的监测与治理。

2. 环境风险评估。利用纳米孔传感技术和测序技术，开展分子层面的污染物生态环境风险评估。

3. 微生物群落测序。基于纳米孔分析技术，开发原创性高分辨第三代测序策略，应用于水污染治理中微生物群落分析。

代表性研究工作

1. 苯硼酸内嵌生物纳米孔分辨不同糖苷键连接的二糖异构体
本课题构建了一种高分辨的生物纳米孔，可以直接分辨不同糖苷键连接的二糖异构体。本工作对八聚体耻垢分枝杆菌膜蛋白A (MspA) 纳米孔进行工程化改造，在其孔道内最灵敏的位点引入了单一的苯硼酸修饰，实现了三种最常见的二糖异构体即蔗糖、乳糖和麦芽糖，以及六种仅糖苷键不同的α-D-吡喃葡萄糖基-D-果糖异构体的同时区分，机器学习辨别准确度高达99%。这是纳米孔首次报导糖苷键的鉴定，体现了纳米孔技术超高的结构分辨率，大大推动了纳米孔糖测序的进程。该方法随后还成功应用于代糖酸奶的直接分析，展现了其在混合样品检测中的巨大优势和应用前景。该工作发表于2023年发表在Angewandte Chemie上。

2. 工程化纳米孔实现RNA表观遗传修饰检测
本课题构建了一种超高分辨的工程化纳米孔，可以准确的识别所有RNA核苷酸和他们的主要修饰。本工作在耻垢分枝杆菌膜蛋白A (MspA)孔道内最灵敏的识别位点精准引入了唯一的苯硼酸适配器 ，实现了四种经典核苷酸(C, U, A, G)， 5-甲基胞苷(m5C)， N6 -甲基腺苷(m6A)， N7 -甲基鸟苷(m7G)， N1 -甲基腺苷(m1A)，肌苷(I)，假尿嘧啶(Ψ)和二氢尿嘧啶(D)的完全区分与同时检测，机器学习识别准确率高达99.6%。该工作进一步开发了基于酶切的天然RNA修饰检测方法，成功绘制胃肠癌标志物miRNA和酵母tRNA的修饰图谱。该研究方法适用于各种核苷酸、核苷酸修饰及核苷酸衍生物的检测，为发展边酶切边测序的纳米孔表观遗传测序提供了重要的设计策略。该工作于2022年发表于Nature Nanotechnology封面文章。

3. 新型纳米孔势阱实现低分子量RNA结构分析

本课题报道了一种新型的纳米孔势阱检测方法，巧妙地利用锥形结构的耻垢分枝杆菌膜蛋白A(MspA)的宽阔前庭，将复杂结构的RNA分子捕获至其纳米空腔中，汇报其空间结构信息。同时利用孔道狭窄的识别位点汇报RNA解折叠动力学信息，以此实现miRNA, siRNA, tRNA, rRNA等低分子量RNA三级结构的高分辨检测与区分。该工作还进一步引入分子动力学模拟和人工智能算法，构建RNA的智能分检系统，并实现生物样本中RNA的直接检测。该技术打破了领域内小孔径生物纳米孔无法检测大尺寸分子的思维定式和技术瓶颈，为结构化生物大分子的直接检测提供新的思路，为研究RNA-客体分子相互作用，以及理解RNA复杂的生理功能和RNA疾病相关研究提供高分辨、免标记的单分子分析工具。该工作于2021年发表在Nature Communications上。

4. 无电极纳米孔单分子分析芯片
启发于自然界的跨膜运输过程，我们首次开发无需任何外部电子元件的无电极纳米孔荧光检测技术，并将其命名为Diffusioptophysiology（DOP）。通过有限元模拟和环糊精的单分子传感从理论和实验上论证无电极纳米孔技术的可行性。通过引入渗透压、增加钙离子浓度和使用大孔径生物纳米孔，进一步优化无电极纳米孔传感性能，提高分子自发过孔效率，增加荧光信号信背比，实现高效的小分子、高聚物和生物大分子传感。最后构建了一个指尖型多组分微液滴阵列检测芯片，实现了低成本和高通量的纳米孔检测，为使用可抛式纳米孔传感器进行临床诊断提供了一个新技术。该技术具备对领域内的原创性贡献，获得了Physics world、X-MOL等国内外媒体报道以及Nikon Instrument等官网推送，并被钙离子荧光试剂研发机构AAT Bioquest选作代表性论文，还受到了领域内的诸多引用该工作于2019年发表在Science Advances上。