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薄膜纳米孔的DNA灵敏度检测研究

2020-12-08阅读(216)

薄膜纳米孔的DNA灵敏度检测研究

论文摘要

纳米孔单分子检测技术由于测序成本低、测序时间短和效率高等优点,逐渐成为第三代基因测序技术中最具发展潜力的检测技术。而薄膜纳米孔因其厚度较薄,在DNA分子检测领域展现出独到的优势。本文以薄膜纳米孔检测DNA分子灵敏度为目标,分别使用分子动力学模拟和实验方法对石墨烯纳米孔内离子和DNA分子的运动规律展开研究,并探究提高DNA灵敏度检测的探针方法。具体工作和成果如下:1)采用分子动力学模拟方法研究外加电压、溶液浓度、石墨烯纳米孔直径、石墨烯片层数及纳米孔壁面电荷等因素对离子和DNA分子在石墨烯纳米孔内运动行为的影响。模拟结果发现,通过纳米孔的离子电流随着纳米孔孔径、外加电压和溶液浓度的增大而相应的线性增加,相反随着石墨烯薄膜层数的增加而减小;当纳米孔壁面带电时,与壁面带电性相反的离子更容易通过纳米孔,对离子电流的贡献值更大。DNA穿过纳米孔的时间随外加电压与孔径的增大而缩减,而不随溶液浓度发生明显变化,但是随着石墨烯薄膜层数的增加而增大;阻塞离子电流幅值随着外加电压与溶液浓度的增加而总体上呈线性增大,而随着纳米孔孔径和石墨烯薄膜层数的增加反而减小;DNA在壁面带正电孔中的易位时间比带负电要少,这说明可以通过调节纳米孔壁面电荷来有效控制DNA的过孔运动。2)使用机械剥离法获取石墨烯样品,并转移至氮化硅基底上,利用聚焦离子束制得石墨烯纳米孔,并开展石墨烯纳米孔检测离子及DNA的实验研究。实验发现,石墨烯纳米孔的电导率随孔径的增加呈线性增大,但是随溶液浓度变化的规律较为复杂;使用石墨烯纳米孔来检测DNA分子被证实是可行的。3)开展DNA分子在石墨烯纳米孔与氮化硅纳米孔下运动特性的对比实验,发现DNA过孔阻塞离子电流幅值和易位时间明显要高于氮化硅纳米孔下的电流值和易位时间,证明石墨烯纳米孔在DNA检测方面更加灵敏,能够达到更高的检测精度。4)采用MATLAB模拟和实验方法进行提高DNA灵敏度检测的探针方法初步探索。发现使用碱基个数较多的探针时,能够实现较高覆盖率的探针检测研究,很好的读取DNA的碱基信息;与探针结合的DNA在穿过纳米孔时会产生更大的阻塞电流幅值,区别于单独DNA引起的电流信号,表明探针方法检测DNA分子具有可行性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 纳米孔测序技术
  •     1.2.1 纳米孔测序技术原理
  •     1.2.2 纳米孔测序技术理论基础
  •     1.2.3 纳米孔测序技术研究现状
  •   1.3 存在的问题及解决思路
  •   1.4 论文主要研究内容及组织结构
  • 第二章 石墨烯纳米孔DNA检测灵敏度的分子动力学分析
  •   2.1 引言
  •   2.2 分子动力学模拟方法
  •     2.2.1 分子力场
  •     2.2.2 运动方程及其数值解
  •     2.2.3 周期性边界条件
  •     2.2.4 统计系综
  •   2.3 石墨烯纳米孔内离子输运特性分析
  •     2.3.1 分子动力学模型的建立
  •     2.3.2 影响离子电流的因素分析
  •     2.3.3 石墨烯纳米孔静电势分析
  •   2.4 石墨烯纳米孔内DNA分子输运特性分析
  •     2.4.1 分子动力学模型的建立
  •     2.4.2 双链DNA过孔时间分析研究
  •     2.4.3 双链DNA过孔阻塞离子电流分析研究
  •   2.5 壁面电荷对纳米孔内离子及DNA运动的影响
  •     2.5.1 壁面电荷对纳米孔内离子运动的影响
  •     2.5.2 壁面电荷对纳米孔内DNA分子运动的影响
  •   2.6 本章小结
  • 第三章 基于薄膜纳米孔DNA分子灵敏度检测的实验研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 石墨烯薄膜纳米孔芯片的制备研究
  •     3.2.1 石墨烯薄膜的获取和转移研究
  •     3.2.2 石墨烯纳米孔的制备
  •   3.3 石墨烯纳米孔内离子输运特性的研究
  •     3.3.1 实验平台介绍
  •     3.3.2 石墨烯纳米孔内电导率的测量与研究
  •   3.4 石墨烯纳米孔内DNA分子输运特性的研究
  •     3.4.1 实验原理和实验步骤
  •     3.4.2 石墨烯纳米孔检测DNA分子的实验验证
  •     3.4.3 石墨烯纳米孔和氮化硅纳米孔对比实验
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 灵敏度提高的DNA探针方法初步探索
  •   4.1 引言
  •   4.2 探针方法原理和方案制订
  •   4.3 基于字符串匹配算法的探针覆盖率模拟研究
  •     4.3.1 模拟方法
  •     4.3.2 模拟结果及其分析
  •   4.4 基于氮化硅纳米孔的探针检测初步实验研究
  •     4.4.1 实验方法及步骤
  •     4.4.2 实验结果分析
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 总结与展望
  •   5.1 总结
  •   5.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者简介

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 熊珊珊

    导师: 沙菁(?),王维平

    关键词: 薄膜纳米孔,分子动力学,易位时间,阻塞电流幅值

    来源: 东南大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 生物学

    单位: 东南大学

    分类号: Q811.4

    DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003480

    总页数: 88

    文件大小: 4621K

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