微/纳流控纳米通道分析器件与单分子分析新方法研究

Protein channels/nanopores are protein-assembled nanodevices. Protein nanopore-based analytical technology combines single-molecule technique,nanotechnology and biotechnology and has become a strong tool for studing single-molecule reaction, single-molecule detection, and DNA sequencing. However,limited detecting mode, low sensitivity (>μM level),the problems of versatility, miniaturize and automation have largely hindered its development. To meet these requirements, the study will focuse on the following works: (1) to design and assemble new micro-/nanofluidic molecular devices and array, and further study the potential regulation and forming mechanism of molecular plug under different electrode combinations; (2) to develop functional protein nanopores using genetic engineering and chemical modification, and to study the space effect and surface charge effects in the micro-/nanofluidic channels caused by the functional nanopores; (4) to develop new single-molecule analytical methods and principles. The final target is to achieve the breakthrough of single-molecule technology in high sensitivity, high selectivity, high-throughput and automation, versatility and multi-mode analysis.

蛋白质通道是生命体中完美组装的蛋白质纳米功能器件。蛋白质纳米通道单分子技术融合了单分子技术、生物技术和纳米技术，并且由于在单分子检测、单分子化学反应研究和DNA测序等方面的应用价值，已成为目前最热的研究方向之一。然而，检测方法单一，很难小型化、自动化，灵敏度低（检测物一般在微摩尔浓度），选择性差（有限的分析对象），纳米通道缺乏对不同分析物的通用性。这些问题极大地制约着纳米通道单分子技术的发展。本项目针对上述瓶颈问题，通过三个方面的努力:（1）设计、组装新的微-纳流控单分子蛋白质纳米器件，研究微-纳流体系中不同电极组合下电位调控的分子肼机理；（2）使用基因工程和化学目标修饰实现功能化蛋白质纳米通道，研究功能纳米通道导致的空间效应和表面电荷效应；（3）研究出新的单分子分析新技术、新方法，并解决相关的理论科学问题；最终实现高灵敏度、高选择性、高通量、自动化、可通用和多模式的单分子分析目标。

蛋白质通道是生命体中完美组装的蛋白质纳米功能器件。纳米通道单分子技术由于在单分子分析、单分子化学反应研究和DNA快速测序等方面的重要价值，已成为目前最热的研究方向之一。但检测方法单一，很难小型化、自动化，灵敏度低，选择性差，且纳米通道缺乏对不同分析物的通用性。本研究针对上述瓶颈问题，设计制备了新的微/纳流装置及芯片式微/纳流装置平台，实现了微/纳流控纳米通道在线自动控制和纳米孔信号采集，构建了基于多孔PC膜支撑基底的纳米孔分析系统和基于TMA-Cl电解质的纳米孔分析新体系。在上述基础上，利用模板与层层自组装技术相结合成功地制备了一系列不同材质的管状结构微/纳米管，通过调节组装层数可有效调控微／纳米管的大小。使用基因工程和化学目标修饰可实现对溶血素蛋白质纳米孔的功能化、空间和表面电荷的有效调控，并构建了新的MspA蛋白质纳米孔传感器。研究出新的单分子分析新技术、新方法，并解决相关的理论科学问题。 开展了甲基化DNA, 药物-DNA相互作用，金属离子- DNA相互作用，单分子化学反应等纳米孔分析技术应用研究，可实现高灵敏度、高选择性、高通量、自动化、可通用和多模式的单分子分析目标。. 本课题在Anal.Chem., Chem. Commun., Scientific Reports, Adv. Fun. Mater.等刊物发表论文16篇， 申请发明专利5个，已获授权2个。