具有三维多孔微纳结构的导电聚合物对减缓DNA在纳米孔中传输速度的影响研究

In Solid-state nanopore DNA sequencing technique, to control the speed of the translocation of DNA is one of the most challenging prospect. This project aims to solve this problem by fabricate an composite structure that includes a layer of conductive polymer with micro-nano porous structure on the Si3N4 membrane. The layer of conductive polymer with micro-nano porous structure is believed can slow the translocation speed of DNA molecule during the translocation process. By modifying the experiment parameters (voltage, electrolyte concentration and temperature etc.), analysing the translocation behaviour of DNA molecule and to build a physical model, this project can explain how the conducting polymer with micro-nano porous structure can slow the translocation speed of the DNA through the nanopore. The research result of this project will increase the precision of solid-state nanopore DNA sequencing technique and the detection of biomolecule and long chain polymer, hence can accelerate the development of practical application and provide theoretical foundation, experimental data and technology support for future study.

针对固态纳米孔DNA测序技术中DNA过孔速度过快的关键技术难题，本项目提出以“三维多孔微纳结构导电聚合物-氮化硅固态纳米孔”复合结构来减缓并控制DNA在固态纳米孔中传输速度的设计思路，通过改变不同传输参数条件（电压、电解质溶液和温度等），研究DNA在导电聚合物层-纳米孔复合结构中的传输行为，构建物理模型，阐明导电聚合物形成的三维多孔微纳结构及与DNA间的静电作用力对减缓DNA通过纳米孔速度的影响机制及相互作用关系。本项目研究结果将为提高基于固态纳米孔技术的DNA测序技术、生物分子和长链聚合物检测技术等领域的灵敏度和可靠性，促进其实际应用，提供理论基础、基础实验数据和技术支撑。

本项目资助下，我们在氮化硅薄膜表面通过静电纺丝构筑了一种纳米孔-纳米多孔复合结构来减慢DNA的传输速度。实验结果显示，由于DNA片段和FET纳米纤维之间的疏水相互作用，DNA在纳米孔中的传输速度可以延长两个数量级。此外，根据理论模拟，增加的纤维层可以减小纳米孔中的电场并延伸孔周的捕获半径，这些都有助于增加捕获率并延长DNA的过孔停留时间。我们还讨论了用氦离子束和镓离子束在金膜上加工了纳米孔，分别形成三维火山结构和V形结构的作用机理，并通过SRIM径迹模拟，发现两种加工方法产生的纳米孔形状差异主要是由于氦原子和镓原子的原子质量不同引起的。三维纳米火山结构可以增强纳米孔中的单分子荧光效率并增加纳米孔中生物分子捕获率，在化学和生物传感方面有潜在应用。最后，用纳米孔检测系统结合基于金纳米颗粒(AuNP)探针和适配体(aptamer)的主客体相互作用，提出了一种高灵敏度的用纳米孔检测微囊藻毒素-LR (MC-LR)的方法。