DNA分子穿越纳米孔道过程中电解质溶液的输运特性

Nanopore DNA sequencing is a promising new generation technique with potential applications. In electrolyte solution, ionic current through the nanopore can be detected if voltage is applied. DNA molecular translocating the nanopore will block the current. By measuring the characteristic modulation of the ionic current during nucleotide in the polymer through the nanopore, the sequence of bases in the polymer could be uncovered. As a tyipical multiscale and multiphysics problem, it is essentially difficult for theoretical investigation either by micrpscopic method, such as molecular dynamics simulation, or by macroscopic theory based on electro-hydrdynamical equations. Furthmore, there are still some important issues needed to be addressed. For example, the discrepancy of the available results on the dependence of ionic current on the nanopore diameter. The project aims at studying the DNA translocation in the aqueous electrolytes, by utilizing density functional theory coupling with Planck-Nernst equation and hydrodynamical equations. Molecular dynamics simulation will also be used to explore its microscopic characteristics. We will forcus on the influences of the fluid transportation, concentration polarization layer, as well as the water structure in nanoscale on the ionic current and DNA tranlocation velocity, trying to analyze the physics behind the discrepancy above mentioned. The results we obtain might be of importance for the development of nanopore sequening technique, and helpful for us to understand the fluid phenomenon in micro/nano-scale.

纳米孔测序技术是极具应用前景的下一代DNA测序技术。电解质中的离子在电场作用下通过纳米孔道时产生电流，DNA分子穿越纳米孔时电流将产生堵塞。该技术通过测量不同核苷酸引起特定形式的电流改变确定生物分子的核酸序列。对于这个典型的多尺度、多物理场问题，理论上用基于微观的分子动力学模拟或者基于宏观的电流体力学方程都存在本质的困难。对某些关键问题，如电解质溶液中电流和纳米孔直径的关系，目前的理论、实验和模拟结果还存在一定的差异。本项目拟运用密度泛函理论，耦合Planck-Nernst方程和流体力学方程，并结合分子动力学模拟，研究电解质溶液中DNA分子穿越纳米孔的过程，重点分析流体输运、浓度极化层、纳米尺度水分子结构等因素对通过纳米孔的电流、DNA穿越速度的影响，并力图分析造成现有研究结果之间差异的原因。这些结果将对纳米孔测序技术的研究和开发有一定的意义，并加深人们对微纳米尺度流动现象的理解。

纳米孔测序技术是极具应用前景的下一代DNA 测序技术。电解质中的离子在电场作用下通过纳米孔道时产生电流，DNA 分子穿越纳米孔时电流将产生堵塞。该技术通过测量不同核苷酸引起特定形式的电流改变确定生物分子的核酸序列。对于这个典型的多尺度、多物理场问题，理论上用基于微观的分子动力学模拟或者基于宏观的电流体力学方程都存在本质的困难。针对DNA分子穿越纳米孔道中流体输运过程，本项目运用密度泛函理论、分子动力学模拟、耗散粒子动力学等微观、介观技术手段，研究了电解质溶液穿越纳米孔的输运过程、DNA分子在纳米孔中的输运、液滴在平板上的三维运动等问题。本项目已在Physics of Fluids、Nanotechnology等期刊上发表学术论文11篇，其中SCI收录10篇，超额完成了预定的目标，目前这些论文已被SCI引用40余次；发展了分子动力学软件LAMMPS中耗散粒子动力学模块；培养研究生7名，其中硕士生5名，博士生2名。以上成果达到了申请书预期的目标。本项目突出的亮点成果包括:（1）在研究电解质溶液穿越纳米孔的流体输运问题中，发现了纳米尺度旋涡的发生；（2）描述了润湿性梯度驱动液滴在平板上运动中的三维内部流场形态，并发现热涨落起到加速液滴运动的作用；（3）运用密度泛函理论，分析了DNA分子在纳米孔道中的受力情况，得到了与实验相符合的理论结果，澄清了基于Poisson-Boltzmann方程的结果存在的缺陷，并分析了电荷反转现象及其对流动的影响。这些结果将对纳米孔测序技术的研究和开发有一定的意义，并加深人们对微纳米尺度流动现象的理解。