基于固态纳米孔单分子传感器的DNA输运特性研究

摘要

固态纳米孔能够应用于检测、分析生物分子，甚至识别DNA碱基序列，纳米孔测序技术也被认为是第三代测序技术中最具竞争力的测序手段。本文以解决纳米孔测序技术的难题为最终目标，设计、搭建纳米孔测试平台，开展纳米孔内离子与DNA分子输运特性研究，并提出一种多模式测序方法。具体的工作与成果如下:
　　1)通过测量不同直径纳米孔在不同浓度KCl溶液中的I-V曲线，研究了电解质溶液处于纳米尺度受限空间内的流变特性。发现电导率在低浓度时（≤0.01mol/L）偏离体态值，提出低浓度时电导率主要由孔内电荷密度决定的观点。同时发现纳米通道内的离子迁移率异于体态值，锥形孔的整流效应对离子输运也有影响。提出为了避免DNA分子过孔概率降低，需要有效降低壁面电荷密度的必要性。
　　2)通过改变纳米孔两侧盐溶液的浓度以及外加偏压的大小，研究其对DNA的过孔时间以及信噪比的影响。发现九-DNA的过孔时间(tD)以及电流堵塞信号（IB）都随着KCl浓度的升高而增加;但是，当保持cis端的KCl溶液浓度不变，trans端的KCl溶液浓度由1mol/L减小为0.1mol/L时，相对阻塞电流（IB/I0）增加了一个数量级;外加偏压增大，DNA过孔时IB和IB/I0也增大，但是tD随电压的升高而缩短。因此，改变纳米孔两侧盐溶液的浓度以及外加偏压能够有效地降低DNA的过孔速度，并且通过在纳米孔两端形成浓度梯度可以大大提高信噪比。
　　3)研究了DNA分子通过纳米孔时的过孔行为。对比实验结果发现，当纳米孔直径较大时，DNA除了被拉直过孔，还存在折叠过孔以及多个DNA分子同时过孔的情况。
　　4)提出一种三通道并行检测的DNA测序手段，结合原子力显微镜(AFM)，同时对DNA过孔时产生的堵塞离子电流、牵引DNA过孔的力信号和基于场效应管放大的隧穿电流信号进行检测。本文先尝试同时检测前两种信号，证实了并行检测手段切实可行，并成功实现了对DNA分子的多元化检测以及DNA分子过孔事件的主动控制，将DNA分子的过孔速度控制在远小于1base/ms，已经完全能够满足测序的需要。
　　5)开发了一种可以研究纳米孔孔口电阻的方法。通过检测AFM探针扫描纳米孔附近时引发的规律性电流堵塞信号，对纳米孔的孔口电阻进行研究。通过分析实验结果发现由探针引起的离子电流变化的范围与捕获半径十分吻合，这对于研究游动的DNA分子如何影响纳米孔孔口电阻十分有利。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米孔单分子传感器的工作原理

1．3 纳米孔测序技术面临的挑战及国内外研究现状

1．4 课题研究意义及研究内容介绍

1．4．1 课题研究意义

1．4．2 主要研究内容

1．4．3 论文组织结构介绍

第二章 固态纳米孔的制备

2．1 引言

2．2 氮化硅纳米孔的制备研究

2．2．1 常规氮化硅纳米孔的制备方法

2．2．2 氮化硅薄膜的制备研究

2．3 石墨烯纳米孔的制备研究

2．3．1 石墨烯纳米孔的特性分析

2．3．2 石墨烯纳米孔的制备工艺研究

2．3．3 单层石墨烯的制备及转移技术研究

2．4 本章小结

第三章 固态纳米孔内离子输运特性的研究

3．2．1 双电层理论

3．2．2 纳米孔在液体中的动电效应

3．3 氮化硅纳米孔内离子输运特性研究

3．3．1 离子电流测试平台

3．3．2 纳米孔电导率的测量与研究

3．4 纳米孔的整流效应研究

3．5 本章小结

第四章 固态纳米孔内DNA分子输运特性研究

4．1 引言

4．2 实验注意事项

4．3 氮化硅纳米孔检测DNA分子实验研究

4．3．1 纳米孔检测DNA分子实验相关理论介绍

4．3．2 不同浓度下的检测实验

4．3．2 浓度梯度下的检测实验

4．3．3 外加不同偏压下的检测实验

4．4 本章小结

第五章 AFM操控下DNA分子输运特性研究

5．1 引言

5．2 实验准备

5．2．1 实验测试平台搭建

5．2．2 实验中的关键技术研究

5．3 AFM操控实验及成果

5．3．1 实验步骤

5．3．2 实验结果及分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及专利