基于固态纳米孔基因测序的关键技术研究

发布时间：2018-02-02 14:52

  本文关键词： 纳米孔 纳米通道 氮化硅 石墨烯 离子电流 基因测序　出处：《东南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：基因测序技术不仅为遗传信息的揭示和基因表达调控等基础生物学研究提供重要数据,而且在基因诊断和基因治疗等应用研究中也发挥着重要的作用。自从1977年第一代测序技术问世以来,经过三十几年的努力,基因测序技术已经取得了重大进展,在第一代和第二代测序技术的基础上,以单分子测序为特点的下一代测序技术应运而生。纳米孔测序技术被认为是最有可能成为下一代基因测序的技术之一,它不仅有可能将目前的DNA序列分析的成本大大降低,分析速度大大提高,还将推进基于基因组技术的个性化医学向现实迈进一步,从而引起医学界的一次变革。本文以下一代基因测序的纳米检测传感器的设计理论、制造工艺和生物分子辨识为研究内容,开展了微纳制造方面器件结构设计和纳通道内的离子输运基础理论的研究工作,搭建了生物分子检测平台,实现了对生物大分子的检测。取得创新研究成果如下：(1)在纳米孔制备方面实现了三种不同基底材料纳米通道的研制。基于硅基材料的加工方法,结合聚焦离子束(FIB)以及透射电子显微镜(TEM)高能离子束和电子束制造技术,提出对氮化硅基底进行先减薄后溅射的加工工艺,成功研制出孔径小于5nm的三维纳米孔,总结工艺参数对纳米孔加工质量、几何结构和几何参数的影响规律。利用低压气相沉积技术实现了大面积的石墨烯薄膜制备并且成功实现石墨烯薄膜的转移,对石墨烯在高能电子束辐照下的热力学响应过程进行了系统研究,提出一种新颖的石墨烯纳米孔加工工艺,成功制备出孔径可以控制在单位纳米精度的石墨烯纳米孔。在纳米通道制备方面利用包埋氧化聚乙烯(PEO)纳米纤维的方法成功制备出长度在毫米,孔径却在数十纳米的聚二甲基硅氧烷(PDMS)纳米通道。(2)针对基于纳通道的纳流体传感器的流体输运特性,进行电解质溶液在纳米受限空间下的流变行为研究,开展了离子在纳通道内输运的基础理论研究工作。对氯化钠(NaCl)溶液在纳米通道内的电导率进行了从低到高不同浓度的测量,在国际上,最先完成了纳米通道内高浓度的电解质溶液中离子输运的数据的测量。提出在低浓度时纳米孔的电导率主要由孔内的电荷密度所决定,而在高浓度且当孔径小到4.5nm时,其电导率偏离体态电导率的行为,并通过分子动力学模型对纳米孔内离子输运特性进行了深入分析研究,对纳米通道内离子输运特性异于体态特性给出了全新的解释。同时发现PDMS纳米通道内电导率会随着电解质溶液溶度不断提高而下降的现象,即在纳米通道内随着溶液浓度的提高,离子迁移率的下降导致其电导率随电解质溶液浓度上升而下降现象。通过对纳米孔进行亲水处理与疏水处理的对比实验,发现经过亲水处理后可以大大改善纳米孔的整流效应,这一结果有效地提高DNA检测时DNA分子的捕获率。(3)根据纳米孔内噪音类型以及噪音来源的理论分析,对硅基纳米孔基底材料分别进行涂覆PDMS、亲水处理以及沉积氧化铝等不同方法对纳米孔进行了表面修饰,大大地降低了纳米孔基准电流噪音信号,有效地提高了纳米孔检测DNA分子过孔信号的信噪比。(4)实现纳米孔与检测平台之间的集成,搭建了纳米孔生物分子检测的实验平台,并且通过该实验平台成功实现对48kb λDNA过孔姿态的识别,根据生物分子过孔时诱导的离子电流变化量以及电流信号持续的时间这两个特征量,分析不同形态的过孔信号特征实现单分子的过孔姿态的识别,并对DNA过孔时引起的阻塞电流信号进行理论推导,对DNA过孔时间的影响因素进行了系统研究。通过对纳米孔壁面进行修饰有效地实现DNA过孔速度的降低。在纳米孔孔径缩小至2.5nm时成功对三碱基单链聚合分子GGG与TTT进行识别,为单碱基检测提供了可靠的参考数据。同时在石墨烯纳米孔检测DNA研究中,实现了在不同偏置电压下均对48kb λDNA识别,并且确定了偏置电压与阻塞电流幅值之间的关系。在此基础上设计了不同浓度差实验,首次实现了利用石墨烯纳米孔对CCC与GGG聚合分子的识别。
[Abstract]:In this paper , a novel method for the preparation of nano - porous graphene thin films has been carried out . ( 3 ) Based on the theoretical analysis of the noise type and the source of noise in the nano - pore , the surface modification of the nano - pore by different methods such as PDMS , hydrophilic treatment and deposition of alumina is carried out on the silicon - based nano - hole base material .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q78

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本文编号：1484791