用于穿孔效应的石英毛细管和聚碳酸酯膜微纳界面研究

摘要

随着光学、微机电加工、纳米科学和技术等的快速发展，使单分子检测成为可能。其中基于纳米孔穿孔(translocation)效应的单分子检测技术具有快速简便和无需预先标记的特点，而成为可能实现单分子水平DNA快速测序的关键技术之一，因此备受关注。具有单个纳米孔特征的微纳界面的建立是进行穿孔实验的基础。
　　本论文第一章对纳米孔单分子检测方法和纳米孔的制备及表征方法进行了介绍，并对纳米孔单分子检测的影响因素、新的研究进展和面临的挑战进行了综述。
　　第二章利用湿法控制刻蚀技术在石英毛细管壁上刻蚀纳米孔，利用电化学工作站对制备的纳米孔离子导电性进行了表征，探讨了缓冲溶液pH、监控电压及HF浓度对纳米孔的影响。建立了基于PDMS微通道与商品化聚碳酸酯(PC)纳滤膜集成的微纳界面，通过电阻表征，估算了有效的膜面积及纳米孔的个数。实验发现，有效膜面积可小至3.0μm2，为蛋白分子穿孔事件的有效检测提供了可能。
　　第三章基于石英毛细管壁上和PC纳滤膜上两种纳米孔界面，对磺酸化聚苯乙烯纳米粒子(PS-SO3H)和溶菌酶蛋白分子进行了穿孔检测。采用浓度梯度的方法在石英毛细管壁的微纳界面上进行了聚苯乙烯纳米粒子的穿孔实验，结果表明纳米粒子穿孔事件的发生频率得到了提高。石英纳米孔对纳米粒子和蛋白分子的穿孔实验初步展示了原位刻蚀纳米孔用于直径不同、带电性质不同的分子或纳米粒子的穿孔检测的可行性。溶菌酶蛋白分子在PC膜纳米孔的穿孔研究表明PDMS-PC纳滤膜集成装置对蛋白分子穿孔检测也表现出一定的可行性。与溶菌酶在石英纳米孔的穿孔条件相比，溶菌酶在较低电压(1.5 V)下即可在PC膜纳米孔界面上表现出穿孔特征。
　　本文工作建立的石英纳米孔和PC膜纳米孔两种界面均表现出一定的纳米粒子和分子的穿孔特征，具备无需专用设备，制备方法简单等特点，在纳米孔单分子检测方面具有一定的应用潜力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米孔单分子检测方法

1．2．1 膜片钳技术

1．2．2 库尔特计数法

1．3 纳米孔穿孔事件检测的相关参数

1．4 纳米孔界面的建立

1．4．1 生物纳米孔(biological nanopores)

1．4．2 固态纳米孔(solid-state nanopores)

1．4．3 复合纳米孔(hybrid nanopores)

1．5 固态纳米孔的表征

1．5．1 纳米孔的成像表征

1．5．2 电学表征

1．6 纳米孔与分子穿孔实验

1．6．1 分子捕获效率的提高

1．6．2 穿孔事件电流脉冲的影响因素

1．6．3 纳米孔单分子检测面临的挑战

1．6．4 纳米孔单分子检测的新进展

1．7 本课题的研究意义和内容

第2章 石英毛细管和聚碳酸酯膜微纳界面的制备

2．1 引言

2．2 仪器与试剂

2．2．1 实验仪器

2．2．2 实验试剂和材料

2．2．3 溶液的配制

2．3 实验操作

2．3．1 毛细管壁上原位刻蚀纳米孔的形成

2．3．2 纳米孔电阻的测量

2．3．3 纳米孔孔径的影响因素

2．3．4 PDMS-PC纳滤膜集成装置的制作

2．3．5 PDMS-PC纳滤膜装置的纳米孔膜电阻估算

2．4 结果与讨论

2．4．1 原位刻蚀纳米孔强度的改善

2．4．2 原位刻蚀纳米孔电阻的计算

2．4．3 原位刻蚀纳米孔电阻的影响因素

2．4．4 原位刻蚀纳米孔分析

2．4．5 PDMS-PC纳滤膜集成装置

2．5 本章小结

第3章 石英毛细管和聚碳酸酯膜微纳界面的穿孔效应研究

3．1 引言

3．2 仪器与试剂

3．2．1 实验仪器

3．2．2 实验试剂

3．2．3 溶液的配制

3．3 实验操作

3．3．1 穿孔检测加电方式

3．3．2 穿孔检测步骤及参数设定

3．4 结果与讨论

3．4．1 毛细管界面的初步考察

3．4．2 原位刻蚀纳米孔的穿孔效应

3．4．3 纳米多孔膜的穿孔效应

3．5 本章小结

第4章 结论与展望

参考文献

致谢