DNA修饰AFM探针与若干纳米孔材料之间的摩擦学特性研究

摘要

基因工程是第三次科技革命的重要成果之一。基因测序技术是基因工程的基础，如何精确、快速和廉价的实现基因测序一直是科学研究的热点领域。纳米孔测序技术通过检测DNA电泳通过纳米孔时阻塞电流的变化实现测序，被认为是能够实现成本低于1000美元并于24小时内对单人基因组测序的新型基因测序方法。目前纳米孔测序技术的主要问题是DNA通过纳米孔的速度过快，单个碱基过孔速度在微秒级，检测到的阻塞电流变化强度低，无法区分碱基类型。增大DNA过孔时与纳米孔之间的摩擦力是一种简便的降低DNA过孔速度的方法，不同纳米孔材料以及溶液盐浓度都会影响DNA与纳米孔之间的摩擦力。因此，研究纳米孔材料和溶液盐浓度对DNA摩擦特性的影响十分重要。
　　本论文采用直径为2μm的原子力显微镜(AFM)二氧化硅探针，通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷对探针进行修饰，从而制备出表面修饰DNA的AFM探针。在此基础上，使用DNA修饰探针研究了DNA与二氧化硅、氮化硅和硅烷化二氧化硅等几种纳米孔材料之间的摩擦学特性，以及溶液盐浓度（0.001mol/L、0.01mol/L、0.1mol/L的NaCl溶液）改变对DNA摩擦学特性的影响。本论文的主要研究内容与创新点总结如下:
　　(1)采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷进行硅烷化处理，制备出表面修饰DNA的二氧化硅AFM探针。通过测定探针与云母基底的力-位移曲线，验证了DNA在探针表面的稳定存在。进而建立了一种测定DNA与纳米孔孔壁材料间摩擦力的实验方法。
　　(2)在溶液环境中，研究了修饰DNA的探针与二氧化硅、氮化硅和硅烷化二氧化硅等三种纳米孔材料间的摩擦学特性，DNA修饰的探针与三种基底之间的摩擦力由小到大分别为二氧化硅＜氮化硅＜硅烷化二氧化硅。纳米孔内壁的表面粗糙度与表面带电特性会影响DNA与孔壁的摩擦力大小。粗糙度相近时，降低DNA与材料表面静电力斥力或者使用表面带有正电荷的材料可以有效增大DNA与材料表面的摩擦力。
　　(3)研究了浓度分别为0.001mol/L、0.01mol/L和0.1mol/LNaCl溶液中DNA修饰的探针与二氧化硅基底之间的摩擦特性。随着盐浓度的升高，溶液中的Na+离子能够中和部分DNA骨架上带负电荷的磷酸基。使DNA分子在溶液更为越柔软，挠度更大，从而造成DNA与基底之间的摩擦力减小。较低的盐浓度能够增大DNA过孔时的摩擦力，能够一定程度上降低DNA的过孔速度，因此更利于纳米孔测序技术。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 基因测序技术简介

1．2．1 第一代测序方法

1．2．2 第二代测序方法

1．2．3 第三代测序方法

1．3 人工纳米孔材料研究进展

1．4 DNA过孔降速研究进展

1．5 课题研究内容及研究意义

1．5．1 课题研究内容

1．5．2 课题研究意义

第二章 实验材料与实验方法

2．1 实验材料

2．2 实验设备

2．2．1 原子力显微镜

2．2．2 AFM探针

2．3 实验数据获取方法

2．3．1 探针弹性系数表征方法

2．3．2 探针扭转刚度表征方法

2．3．3 力-位移曲线获取

2．3．4 摩擦力数据获取

第三章 探针吸附DNA研究

3．1 实验方法

3．2 实验结果与分析

3．2．1 力-位移曲线变化

3．2．2 探针修饰DNA稳定性验证

3．2．3 数据分析

3．3 本章小结

第四章 DNA与若干材料摩擦学特性研究

4．1 实验流程

4．2 实验结果与分析

4．2．1 摩擦力变化

4．2．2 数据分析

4．3 本章小结

第五章 溶液盐浓度对DNA摩擦学性能影响

5．1 实验流程

5．2 实验结果与分析

5．2．1 摩擦力变化

5．2．2 数据分析

5．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果