基于固态纳米孔DNA运动控制的关键技术研究

论文摘要

固态纳米孔单分子技术是最有希望实现低成本快速读取DNA序列的方法,是第三代基因测序技术的核心。固态纳米孔DNA运动控制存在的主要难题为固态纳米孔的空间分辨率较低和DNA通过固态纳米孔的速度太快。为了解决这些难题,本文从有限元仿真和实验两方面研究控制DNA通过固态纳米孔运动的关键技术。本文主要的研究方法和工作成果如下:（1）利用多物理耦合仿真软件COMSOL Multiphysics对固态纳米孔DNA实验进行仿真,仿真结果表明:减小固态纳米孔薄膜的厚度、降低缓冲液的浓度以及增大固态纳米孔薄膜的负表面电荷密度可以降低DNA被固态纳米孔捕获的临界电压。固态纳米孔的电导率随着缓冲液浓度的升高而增加,纳米孔的I-V曲线在缓冲液浓度较低时会因为较强的表面电导效应而漂离零点。增加缓冲液的浓度和减小偏置电压可以降低DNA通过纳米孔的速度,但也会降低阻塞电流的幅值。（2）基于固态纳米孔模型仿真的结果,对固态氮化硅纳米孔的制备工艺进行优化。采用先对氮化硅薄膜进行减薄,然后使用FIB打孔的加工工艺,制备出孔径较小且性能优良的固态纳米孔,为实验打下坚实的基础。在不同浓度、不同偏置电压和不同缓冲液等条件下开展DNA通过固态纳米孔实验,研究DNA过孔的行为特征。研究结果表明,在0.11 mol/L的范围内,随着缓冲液浓度的增加,阻塞电流幅值增大,DNA的过孔速度减小;随着偏置电压的增大,阻塞电流幅值增加,DNA的过孔速度增大。缓冲液中正价离子与DNA的结合力越强,DNA通过固态纳米孔的速度越低。（3）探究链霉亲和素修饰的磁珠绑定生物素修饰的DNA的实验方法。对磁珠绑定DNA、纯磁珠和链霉亲和素与固态纳米孔相互作用时离子电流信号特征进行了分析,有利于实验现象的辨识。在不同偏置电压下进行磁珠绑定DNA通过固态纳米孔实验。实验结果表明,DNA通过固态纳米孔受到偏置电压作用的电场力和缓冲液的粘滞阻力,磁珠绑定DNA可以增大DNA受到的粘滞阻力,大幅度降低DNA过孔的速度。当偏置电压低于300 mV时,磁珠绑定DNA的过孔速度随着偏置电压的降低而减小。（4）设计并搭建磁镊控制系统实验平台,其中包括磁镊的选材设计、磁镊磁场分布的有限元仿真以及纳米位移平台的速度控制等。进行了磁镊系统控制磁珠绑定DNA通过固态纳米孔实验,证明了磁镊控制系统能提供足够大且稳定可控的磁场,能控制DNA通过固态纳米孔的速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 纳米孔测序技术原理
•     1.2.2 纳米孔分类
•     1.2.3 纳米孔测序基础理论
•     1.2.4 DNA控制技术的研究
•     1.2.5 固态纳米孔DNA控制仿真研究
•   1.3 存在的问题
•     1.3.1 空间分辨率低
•     1.3.2 生物分子过孔速度过快
•   1.4 主要研究内容及论文结构
•     1.4.1 主要研究内容
•     1.4.2 论文结构及章节安排
• 第二章 固态纳米孔DNA运动控制的多物理场仿真
•   2.1 纳流体模型的选择
•   2.2 几何模型的建立
•   2.3 物理场的设置及网格划分
•     2.3.1 静电模块（es）
•     2.3.2 稀物质传递模块（tds）
•     2.3.3 层流模块（spf）
•     2.3.4 网格划分
•   2.4 纳米孔捕获DNA临界电压的研究
•     2.4.1 纳米孔薄膜厚度对纳米孔捕获DNA临界电压的影响
•     2.4.2 缓冲液浓度对纳米孔捕获DNA临界电压的影响
•     2.4.3 表面电荷密度对纳米孔捕获DNA临界电压的影响
•   2.5 纳米孔电导率的研究
•     2.5.1 缓冲液浓度对纳米孔电导率的影响
•     2.5.2 表面电荷密度对纳米孔电导率的影响
•   2.6 DNA在不同条件下通过固态纳米孔多物理场仿真
•     2.6.1 不同浓度的影响
•     2.6.2 偏置电压的影响
•   2.7 本章小结
• 第三章 固态纳米孔DNA运动控制的实验研究
•   3.1 实验原理
•   3.2 固态纳米孔的制备
•   3.3 实验步骤
•   3.4 实验结果及分析
•     3.4.1 缓冲液浓度对DNA过孔的影响
•     3.4.2 偏置电压对DNA过孔的影响
•     3.4.3 不同种类缓冲液对DNA过孔的影响
•   3.5 本章小结
• 第四章 固态纳米孔磁珠绑定DNA运动控制的研究
•   4.1 实验材料及方法
•     4.1.1 DNA与引物的连接
•     4.1.2 Biotin-DNA与磁珠的绑定
•     4.1.3 液池设计
•     4.1.4 实验步骤
•   4.2 实验结果及分析
•     4.2.1 纯磁珠与固态纳米孔相互作用的实验研究
•     4.2.2 链霉亲和素通过固态纳米孔的实验研究
•     4.2.3 磁珠绑定DNA通过纳米孔的实验结果及分析
•   4.3 磁镊控制系统的设计
•     4.3.1 磁镊原理
•     4.3.2 磁镊设计
•     4.3.3 磁镊有限元分析
•     4.3.4 模拟结果及分析
•     4.3.5 磁镊控制平台搭建
•     4.3.6 实验步骤
•   4.4 磁镊控制DNA实验结果及分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗帆

导师: 沙菁(?)

关键词: 固态纳米孔,磁珠,磁镊控制系统

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 东南大学

分类号: Q811.4

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003487

总页数: 70

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