纳米孔检测DNA及磁珠绑定DNA的实验与理论研究

发布时间：2020-05-20 01:12

【摘要】：固态纳米孔测序是最有望实现低成本快速检测DNA序列的方法,是第三代DNA测序的主要手段与方法。目前制约固态纳米孔测序的瓶颈是在高电压电泳驱动下,DNA通过纳米孔的速度过快,导致目前的电流检测技术难以实现单碱基的识别。针对上述问题,探究了不同的缓冲液浓度和偏置电压对DNA通过纳米孔的阻塞电流和持续时间影响;利用表面修饰链霉亲和素的磁性小珠绑定生物素修饰的DNA,实现DNA的降速,并对不同缓冲液浓度和偏置电压对磁珠绑定的DNA通过纳米孔的阻塞电流和持续时间的影响进行了研究;利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics,进行了不同浓度和偏置电压下的DNA(等效成小珠)和磁珠绑定DNA的过孔规律仿真研究。主要研究方法及成果如下:1)采用聚焦离子束(FIB)的方法,利用先减薄后穿孔的方法加工制造了可用于DNA过孔实验的直径为25nm的氮化硅纳米孔;对DNA及磁珠绑定DNA通过纳米孔时的理论进行了探讨,包括决定离子分布和zeta电势的双电层理论,液体流动的电渗流和驱动DNA运动的电泳理论、由粒子造成的非均匀电场产生的介电电泳理论,用于绑定DNA的链霉亲和素-生物素连接理论和用于高精电流检测的膜片钳技术。2)实验探究了氮化硅纳米孔检测DNA的实验方法和步骤,深入探究了不同的缓冲液浓度和偏置电压对DNA通过纳米孔的影响。在0.1-1.0mol/L的范围内,随着缓冲液的浓度的增加,DNA通过纳米孔时的阻塞电流呈线性增加,而持续时间呈现线性减小,捕获率逐渐减小;随着偏置电压的增大,DNA过孔事件的持续时间在降低,但是呈现减小量越来越小的降低(近似反比),阻塞电流随着偏置电压的增大,呈现线性增大,信噪比提高,捕获率也呈现线性增加。3)探究了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DNA、纯磁珠和纯链霉亲和素与纳米孔之间相互作用的特征电流信号作了分析,得到不同物质的不同的电流信号。详细研究了不同的缓冲液浓度和偏置电压对磁珠绑定的DNA通过纳米孔的影响,发现磁珠绑定的DNA通过纳米孔的电流阻塞信号与纯DNA的相近。但是持续时间明显不同,随着缓冲液浓度的增加,磁珠绑定的DNA通过纳米孔的持续时间会出现明显的增加,其捕获率也会呈现下降趋势;随着偏置电压的线性增大,过孔时间是“减小量逐渐增大的减小”。这主要是由于链霉亲和素-生物素链接的距离一定和从开始阶段加速度较大的两个原因造成。电压增大,也造成了捕获率的线性增大。4)利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics对于DNA(简化成纳米粒子模型)和磁珠绑定DNA通过纳米孔的规律进行了模拟仿真,研讨了其理论基础及其具体的建模过程,包括无量纲代换、二维模型建立、求解域和边界条件设置、自定义表达式和变量设置、网格划分与求解、以及后处理方法。详细探究了缓冲液浓度和偏置电压对DNA通过纳米孔的影响,结果与实验结果趋势一致,对实验结果作了补充说明,为纳米孔检测磁珠绑定DNA的仿真提供了新的仿真方法。
【图文】：

参数,生命活动,绪论,遗传密码

第一章绪论第一章绪论1.1 引言脱氧核糖核苷酸（DNA）是生物体重要的遗传物质、遗传信息的携带者和基因表达的物质基础，几乎所有的生命活动都与其有关，它在生物的生长、发育和繁殖等正常生命活动及突变、癌变等异常生命活动中起着非常重要的作用。DNA 是一种链状聚合物，基本结构如图 1.1，由四种含氮碱基(腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T))、脱氧核糖和磷酸组成，其中碱基的顺序是遗传因素表达的关键，四种碱基两两配对，即A-T,C-G,碱基之间通过氢键进行链接，如图1.2[1]，称为遗传密码。很多疾病都与遗传基因有着直接或者间接的关系，遗传密码的解读在疾病预测、药物副作用规避甚至基因编辑等方面都具有广阔的应用前景，对人类健康发展具有非凡的意义。同时，基因测序在个性化分子诊断，基因芯片等交叉学科的发展中亦具有非常重要的应用前景。

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【参考文献】