微纳米网格和纳米孔垂直集成结构减少DNA通过纳米孔熵势垒研究

The nanopore device (holes with few of nanometers in diameter) is a promising technology for next-generation DNA sequencing. The behaviors of DNA translocations through nanopore have been well studied. However the mechanism of DNA translocation is not very clear in the vicinity of nanopore entrance. DNA could clog nanopores according to previous experimental results. This project proposes one novel integrated device combining micro-nano mesh and nanopore, thus eliminating DNA obstruction of nanopore. Firstly, we will establish a physical model to explore the mechanism of DNA blocking nanopore. Then the interaction will be simulated between DNA and integrated device. The optimized device can be fabricated with semiconductor nanofabrication processes. Lambda DNA will be driven through the integrated device by external voltages. According to the theoretical and experimental results, we will reveal the mechanism of DNA blocking nanopore. This project will pave the way for developing the next-generation DNA sequencing technology based on nanopore. It will also provide the theoretical supports and basic experimental data for the detection of protein and other long-chain polymers.

基于纳米孔(直径为几个纳米的小孔)的测序技术是下一代DNA测序技术的重要候选者，DNA通过纳米孔的传输行为在测序过程中起重要作用，但在纳米孔入口附近的传输机制还不详。前期研究中，我们通过离子电流方法观察到DNA阻塞纳米孔的现象。为此本项目提出微纳米网格和纳米孔垂直集成的新结构，一定电压下，微纳米网格解开DNA缠绕并形成线性状态，从而克服纳米孔对较长DNA分子形成的大熵势垒。首先，建立物理模型，研究微纳米网格结构的大小、形状以及表面属性对于DNA线性化和传输行为的影响机制；其次，通过微细加工技术制作出设计优化后的微纳米网格和纳米孔集成结构；最后，进行结构测试和原理实验验证。将理论和实验相比较，进一步揭示DNA阻塞纳米孔的物理机制，有效降低DNA通过纳米孔的熵势垒。研究成果将为基于纳米孔的DNA测序技术研究、蛋白质和长链聚合物检测等领域的实际应用提供必要的理论依据、基础实验数据和技术储备。

固体纳米孔单分子技术是最有希望实现的第三代DNA测序技术之一，DNA通过纳米孔的传输行为在测序过程中起重要作用，但是通过纳米孔的速度过快是该技术中的一个难题。研究DNA分子在纳米孔入口附近的传输过程，通过优化纳米孔体系的物理结构和电场分布，解开DNA分子的缠绕状态，降低DNA分子的运动速率，对该技术的发展具有重要意义。本项目提出微纳米网格和纳米孔垂直集成的新结构，一定电压下，微纳米网格解开DNA 缠绕并形成线性状态，从而克服纳米孔对较长DNA 分子形成的大熵势垒。为了实现这个目的，我们展开的工作有：（1）用脉冲电流法制备纳米孔，再从从理论上研究纳米孔的形状和表面电荷对离子电流的调制作用；（2）在纳米孔附近生长ZnO纳米线阵列，制备纳米线-纳米孔复合结构；（3）制备三维纳米纤维网和纳米孔复合结构，减慢DNA通过纳米孔的传输速度，并开展DNA分子与纳米纤维网和纳米孔之间相互作用机制的研究；（4）改变电解液条件，研究非对称离子浓度溶液在三维复合结构下对DNA穿孔速度的影响。在该项目的支持下，我们制备出石墨烯纳米孔，并能用此孔识别20个长度的单一碱基分子。..本项目顺利展开，通过在不同电解液条件下的三维复合结构，实现对于DNA运动速度的控制，为研究单个DNA分子属性提供必要的方法和工具，也为纳米孔DNA测序技术的开发提供重要的实验数据基础。