本文關(guān)鍵詞： 納米孔 納米通道 氮化硅 石墨烯 離子電流 基因測序　出處：《東南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：基因測序技術(shù)不僅為遺傳信息的揭示和基因表達調(diào)控等基礎(chǔ)生物學(xué)研究提供重要數(shù)據(jù),而且在基因診斷和基因治療等應(yīng)用研究中也發(fā)揮著重要的作用。自從1977年第一代測序技術(shù)問世以來,經(jīng)過三十幾年的努力,基因測序技術(shù)已經(jīng)取得了重大進展,在第一代和第二代測序技術(shù)的基礎(chǔ)上,以單分子測序為特點的下一代測序技術(shù)應(yīng)運而生。納米孔測序技術(shù)被認為是最有可能成為下一代基因測序的技術(shù)之一,它不僅有可能將目前的DNA序列分析的成本大大降低,分析速度大大提高,還將推進基于基因組技術(shù)的個性化醫(yī)學(xué)向現(xiàn)實邁進一步,從而引起醫(yī)學(xué)界的一次變革。本文以下一代基因測序的納米檢測傳感器的設(shè)計理論、制造工藝和生物分子辨識為研究內(nèi)容,開展了微納制造方面器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和納通道內(nèi)的離子輸運基礎(chǔ)理論的研究工作,搭建了生物分子檢測平臺,實現(xiàn)了對生物大分子的檢測。取得創(chuàng)新研究成果如下：(1)在納米孔制備方面實現(xiàn)了三種不同基底材料納米通道的研制。基于硅基材料的加工方法,結(jié)合聚焦離子束(FIB)以及透射電子顯微鏡(TEM)高能離子束和電子束制造技術(shù),提出對氮化硅基底進行先減薄后濺射的加工工藝,成功研制出孔徑小于5nm的三維納米孔,總結(jié)工藝參數(shù)對納米孔加工質(zhì)量、幾何結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的影響規(guī)律。利用低壓氣相沉積技術(shù)實現(xiàn)了大面積的石墨烯薄膜制備并且成功實現(xiàn)石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移,對石墨烯在高能電子束輻照下的熱力學(xué)響應(yīng)過程進行了系統(tǒng)研究,提出一種新穎的石墨烯納米孔加工工藝,成功制備出孔徑可以控制在單位納米精度的石墨烯納米孔。在納米通道制備方面利用包埋氧化聚乙烯(PEO)納米纖維的方法成功制備出長度在毫米,孔徑卻在數(shù)十納米的聚二甲基硅氧烷(PDMS)納米通道。(2)針對基于納通道的納流體傳感器的流體輸運特性,進行電解質(zhì)溶液在納米受限空間下的流變行為研究,開展了離子在納通道內(nèi)輸運的基礎(chǔ)理論研究工作。對氯化鈉(NaCl)溶液在納米通道內(nèi)的電導(dǎo)率進行了從低到高不同濃度的測量,在國際上,最先完成了納米通道內(nèi)高濃度的電解質(zhì)溶液中離子輸運的數(shù)據(jù)的測量。提出在低濃度時納米孔的電導(dǎo)率主要由孔內(nèi)的電荷密度所決定,而在高濃度且當(dāng)孔徑小到4.5nm時,其電導(dǎo)率偏離體態(tài)電導(dǎo)率的行為,并通過分子動力學(xué)模型對納米孔內(nèi)離子輸運特性進行了深入分析研究,對納米通道內(nèi)離子輸運特性異于體態(tài)特性給出了全新的解釋。同時發(fā)現(xiàn)PDMS納米通道內(nèi)電導(dǎo)率會隨著電解質(zhì)溶液溶度不斷提高而下降的現(xiàn)象,即在納米通道內(nèi)隨著溶液濃度的提高,離子遷移率的下降導(dǎo)致其電導(dǎo)率隨電解質(zhì)溶液濃度上升而下降現(xiàn)象。通過對納米孔進行親水處理與疏水處理的對比實驗,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過親水處理后可以大大改善納米孔的整流效應(yīng),這一結(jié)果有效地提高DNA檢測時DNA分子的捕獲率。(3)根據(jù)納米孔內(nèi)噪音類型以及噪音來源的理論分析,對硅基納米孔基底材料分別進行涂覆PDMS、親水處理以及沉積氧化鋁等不同方法對納米孔進行了表面修飾,大大地降低了納米孔基準電流噪音信號,有效地提高了納米孔檢測DNA分子過孔信號的信噪比。(4)實現(xiàn)納米孔與檢測平臺之間的集成,搭建了納米孔生物分子檢測的實驗平臺,并且通過該實驗平臺成功實現(xiàn)對48kb λDNA過孔姿態(tài)的識別,根據(jù)生物分子過孔時誘導(dǎo)的離子電流變化量以及電流信號持續(xù)的時間這兩個特征量,分析不同形態(tài)的過孔信號特征實現(xiàn)單分子的過孔姿態(tài)的識別,并對DNA過孔時引起的阻塞電流信號進行理論推導(dǎo),對DNA過孔時間的影響因素進行了系統(tǒng)研究。通過對納米孔壁面進行修飾有效地實現(xiàn)DNA過孔速度的降低。在納米孔孔徑縮小至2.5nm時成功對三堿基單鏈聚合分子GGG與TTT進行識別,為單堿基檢測提供了可靠的參考數(shù)據(jù)。同時在石墨烯納米孔檢測DNA研究中,實現(xiàn)了在不同偏置電壓下均對48kb λDNA識別,并且確定了偏置電壓與阻塞電流幅值之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了不同濃度差實驗,首次實現(xiàn)了利用石墨烯納米孔對CCC與GGG聚合分子的識別。
[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 .

【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q78

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