固态纳米孔阵列DNA传感器的杂交动力学及应用研究

DNA hybridization kinetics study with solid-state nanopore arrays has significant effects on realizing highly sensitive and fast DNA detection. Current theory on single DNA hybridization kinetics with single nanopore cannot be applied to the high flow-through and complicated array structure. Besides, the steady-state study on DNA hybridization inside nanopore array cannot provide kinetic information. This project will study the DNA hybridization kinetic process by real-time monitoring the electrical signal, building physic analytical model and then fitting the experimental data. The contents include (1) designing solid-state nanopore array with high signal-to-noise ratio and building real-time detection system; (2) kinetic model of DNA hybridization inside nanopore array; and (3) the modulation of detection environment to the DNA hybridization kinetics. The aim is to realize theoretical research on the DNA hybridization kinetics inside nanopore arrays, obtain highly sensitive and stable nanopore array detection system, and apply it to DNA detection at low concentration. This study can provide theoretical basis and practical methods for optimizing DNA detection with nanopore arrays, and will bring the application of nanopore arrays in low-cost, fast and real-time DNA detection, which will push forward the development of disease diagnostics at early stage.

固态纳米孔阵列中DNA杂交的动力学研究对于实现高灵敏度、快速DNA检测具有重要意义。现有的单纳米孔中的单个DNA分子的杂交动力学研究不能直接应用与流通量大、结构复杂的阵列式结构。而纳米孔阵列中的DNA杂交的稳态检测不能提供动态信息。本项目将通过实时电信号监测、物理分析模型并实验数值拟合的方法来研究在纳米孔阵列中DNA杂交的动态过程。具体内容包括高信噪比固态纳米孔阵列的结构设计与实时检测系统的构建；固态纳米孔阵列中DNA杂交的动力学模型；以及检测环境对固态纳米孔阵列中DNA杂交动力学的调控。旨在实现对固态纳米孔阵列中DNA杂交动力学的理论研究，并得到高灵敏度、稳定可靠的纳米孔阵列检测系统，用于低浓度DNA分子检测。本研究可为优化固态纳米孔阵列DNA检测提供理论基础和实践手段；将带来纳米孔阵列在DNA的低成本快速实时检测中的应用，推动疾病初期快速诊断的发展。

固态纳米孔传感器的研究对于实现高灵敏度、便携、可集成化检测技术具有重要意义。本项目通过实时电信号的高频、低频采集、物理分析模型并实验数据拟合的方法来研究基于表面电荷检测的纳米孔传感器。具体内容包括构造了高信噪比的固态纳米孔阵列传感器和玻璃纳米单孔传感器及其检测系统，以静态电流电压曲线和动态的电流功率谱密度曲线为方法，研究离子浓度、外加电场、离子种类、溶液pH等因素对噪声的调控机制，提出优化检测系统的实验设计需求；获得了DNA适体功能化的固态纳米孔传感器，用于检测汞离子的浓度，可实现低至1pM的检测限，检测范围为1pM-10nM；以及检测环境对固态纳米孔表面电荷检测的调控因素，如离子浓度、离子梯度、pH、表面修饰等，展开了高灵敏度表面电荷检测体系的研究。实验表明在纳米限域空间内，纳米孔内的pH与体相溶液酸碱度不同，因而需要在纳米孔中建立不同表面修饰的带电特性。本研究可为优化固态纳米孔表面电荷检测提供理论基础和实验手段；推动纳米孔在汞离子等重金属离子的低成本快速实时检测的应用。项目资助已发表SCI一区论文2篇，在投SCI论文一篇，公开发明专利一项。培养硕士生3名，其中1名已取得硕士学位，2名在读。项目投入经费22万元，支出13.万元，各向支出与预算相符。剩余经费8.1万元，将用于本项目尚未支付的加工费、后期的验证实验和出版费等后续支出。