基于“识别隧道电流”技术进行DNA测序的纳米笔

This project focuses on the major challenges in the solid-state nanopore based DNA sequencing technology. We will test the recognition tunneling mechanism in a nanopore setting for DNA sequencing through a facile but highly effective method. Based on our recent progress, we will innovatively integrate a nanoelectrode with a nanopore at a probe apex of a double-barrel quartz nanopipette. The nanoelectrode modified with specific recognition molecules will form a stable nanogap on a flat conductive substrate, which is modified with recognition molecules as well. Working collaborately, the nanogap will capture the molecules sent by the nanopore in the proximity, which inducing measurable tunneling current changes that can be utilized to differentiate DNA bases. The proposed research will drive the application of solid-state nanopore in DNA sequencing and demonstrate the capability of nanopen technology. The research result will help to establish a technology platform to integrate nanopore and recognition tunneling technology for DNA sequencing and set the methodology foundation of this method. In addition to DNA sequencing and precision medicine, this project will impact the fundamental research and applications in physical chemistry, analytical chemistry and biophysics fields.

本项目将瞄准前沿的固态纳米孔基因测序领域的重大难题，通过发展一种结合纳米管和“识别隧道电流”技术的简单高效办法，有效地探索集成了高灵敏电导测量技术的固态纳米孔对DNA碱基的识别机制。我们基于近期的工作基础，将创新性的利用双通道石英纳米探针制备一种集成纳米电极和纳米管的“纳米笔”，用修饰了识别分子的纳米电极和平面电极构建稳定的纳米间隙，然后同步地实现用纳米管控制碱基分子输运，并用纳米电极俘获和识别碱基分子的协同功能。这些研究将进一步推动固态纳米孔在基因测序中的应用，并初步验证纳米笔的可行性。通过这些研究，本项目可以初步建立一个紧密结合纳米管和识别隧道电流测量技术来研究基因测序的创新性的纳米笔技术平台，并奠定方法学基础。此外，本项目的成果也不仅局限于基因测序和精准医疗领域，它将广泛地影响物理化学，分析化学，生物物理等领域的基础研究和实际应用。

本项目执行期间，成功制备了多种集成了纳米通道与纳米电极的纳米笔电极，并实现了纳米笔与识别隧道电流技术的结合以及简单分子在纳米通道中的原位释放和检测，在纳米笔与平面电极间构建了稳定的纳米间隙。相比于传统金电极，其形成的金原子结以及分子结的概率和稳定性都得到了成倍的提高。这是首次将纳米笔作为柔性电极应用于扫描隧道显微镜裂结法和固结法中的研究。同时，我们对纳米笔的功能性进行了一系列研究，证明了纳米笔纳米通道的输运能力和纳米电极的传感性能。我们还对包括有机发光分子、葫芦脲超分子体系以及各类识别分子在内的电子传输、光电特性、力（疏水相互作用、范德华力、氢键、π-π堆积）等性质展开了深入且详尽的研究，并引入葫芦脲分子与四种DNA碱基形成主客体复合物，初步实现了四种碱基的特异性识别，结合纳米笔在DNA可控易位及高精度单分子测量上的特有优势，能为DNA量子测序器件的成熟构筑提供实验基础。这些工作不仅建立了一个紧密结合纳米管和识别隧道电流测量技术的创新性的纳米笔技术平台，奠定了方法学基础，还提出了具有创新和前瞻性的指导方向，更为后续项目的实施提供了扎实的经验和理论基础。