【摘要】：固態(tài)納米孔測序是最有望實現(xiàn)低成本快速檢測DNA序列的方法,是第三代DNA測序的主要手段與方法。目前制約固態(tài)納米孔測序的瓶頸是在高電壓電泳驅動下,DNA通過納米孔的速度過快,導致目前的電流檢測技術難以實現(xiàn)單堿基的識別。針對上述問題,探究了不同的緩沖液濃度和偏置電壓對DNA通過納米孔的阻塞電流和持續(xù)時間影響;利用表面修飾鏈霉親和素的磁性小珠綁定生物素修飾的DNA,實現(xiàn)DNA的降速,并對不同緩沖液濃度和偏置電壓對磁珠綁定的DNA通過納米孔的阻塞電流和持續(xù)時間的影響進行了研究;利用多物理場耦合仿真軟件COMSOL Multiphysics,進行了不同濃度和偏置電壓下的DNA(等效成小珠)和磁珠綁定DNA的過孔規(guī)律仿真研究。主要研究方法及成果如下:1)采用聚焦離子束(FIB)的方法,利用先減薄后穿孔的方法加工制造了可用于DNA過孔實驗的直徑為25nm的氮化硅納米孔;對DNA及磁珠綁定DNA通過納米孔時的理論進行了探討,包括決定離子分布和zeta電勢的雙電層理論,液體流動的電滲流和驅動DNA運動的電泳理論、由粒子造成的非均勻電場產(chǎn)生的介電電泳理論,用于綁定DNA的鏈霉親和素-生物素連接理論和用于高精電流檢測的膜片鉗技術。2)實驗探究了氮化硅納米孔檢測DNA的實驗方法和步驟,深入探究了不同的緩沖液濃度和偏置電壓對DNA通過納米孔的影響。在0.1-1.0mol/L的范圍內(nèi),隨著緩沖液的濃度的增加,DNA通過納米孔時的阻塞電流呈線性增加,而持續(xù)時間呈現(xiàn)線性減小,捕獲率逐漸減小;隨著偏置電壓的增大,DNA過孔事件的持續(xù)時間在降低,但是呈現(xiàn)減小量越來越小的降低(近似反比),阻塞電流隨著偏置電壓的增大,呈現(xiàn)線性增大,信噪比提高,捕獲率也呈現(xiàn)線性增加。3)探究了鏈霉親和素修飾的磁珠綁定生物素修飾的DNA的實驗方法,對磁珠綁定DNA、純DNA、純磁珠和純鏈霉親和素與納米孔之間相互作用的特征電流信號作了分析,得到不同物質的不同的電流信號。詳細研究了不同的緩沖液濃度和偏置電壓對磁珠綁定的DNA通過納米孔的影響,發(fā)現(xiàn)磁珠綁定的DNA通過納米孔的電流阻塞信號與純DNA的相近。但是持續(xù)時間明顯不同,隨著緩沖液濃度的增加,磁珠綁定的DNA通過納米孔的持續(xù)時間會出現(xiàn)明顯的增加,其捕獲率也會呈現(xiàn)下降趨勢;隨著偏置電壓的線性增大,過孔時間是“減小量逐漸增大的減小”。這主要是由于鏈霉親和素-生物素鏈接的距離一定和從開始階段加速度較大的兩個原因造成。電壓增大,也造成了捕獲率的線性增大。4)利用多物理場耦合仿真軟件COMSOL Multiphysics對于DNA(簡化成納米粒子模型)和磁珠綁定DNA通過納米孔的規(guī)律進行了模擬仿真,研討了其理論基礎及其具體的建模過程,包括無量綱代換、二維模型建立、求解域和邊界條件設置、自定義表達式和變量設置、網(wǎng)格劃分與求解、以及后處理方法。詳細探究了緩沖液濃度和偏置電壓對DNA通過納米孔的影響,結果與實驗結果趨勢一致,對實驗結果作了補充說明,為納米孔檢測磁珠綁定DNA的仿真提供了新的仿真方法。
【圖文】：

第一章 緒論第一章 緒論1.1 引言脫氧核糖核苷酸（DNA）是生物體重要的遺傳物質、遺傳信息的攜帶者和基因表達的物質基礎，幾乎所有的生命活動都與其有關，它在生物的生長、發(fā)育和繁殖等正常生命活動及突變、癌變等異常生命活動中起著非常重要的作用。DNA 是一種鏈狀聚合物，基本結構如圖 1.1，由四種含氮堿基(腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T))、脫氧核糖和磷酸組成，其中堿基的順序是遺傳因素表達的關鍵，四種堿基兩兩配對，即A-T,C-G,堿基之間通過氫鍵進行鏈接，如圖1.2[1]，稱為遺傳密碼。很多疾病都與遺傳基因有著直接或者間接的關系，遺傳密碼的解讀在疾病預測、藥物副作用規(guī)避甚至基因編輯等方面都具有廣闊的應用前景，對人類健康發(fā)展具有非凡的意義。同時，基因測序在個性化分子診斷，基因芯片等交叉學科的發(fā)展中亦具有非常重要的應用前景。

第一章 緒論第一章 緒論1.1 引言脫氧核糖核苷酸（DNA）是生物體重要的遺傳物質、遺傳信息的攜帶者和基因表達的物質基礎，幾乎所有的生命活動都與其有關，它在生物的生長、發(fā)育和繁殖等正常生命活動及突變、癌變等異常生命活動中起著非常重要的作用。DNA 是一種鏈狀聚合物，基本結構如圖 1.1，由四種含氮堿基(腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T))、脫氧核糖和磷酸組成，其中堿基的順序是遺傳因素表達的關鍵，四種堿基兩兩配對，即A-T,C-G,堿基之間通過氫鍵進行鏈接，如圖1.2[1]，稱為遺傳密碼。很多疾病都與遺傳基因有著直接或者間接的關系，遺傳密碼的解讀在疾病預測、藥物副作用規(guī)避甚至基因編輯等方面都具有廣闊的應用前景，對人類健康發(fā)展具有非凡的意義。同時，基因測序在個性化分子診斷，基因芯片等交叉學科的發(fā)展中亦具有非常重要的應用前景。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：Q503;TB383.1

【參考文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 馬建;基于固態(tài)納米孔基因測序的關鍵技術研究[D];東南大學;2016年

相關碩士學位論文 前2條

1 趙文遠;固態(tài)納米孔下納米粒子的易位及仿真研究[D];東南大學;2015年

2 王躍;基于納米孔和納米陣列的單分子DNA測序技術基礎研究[D];上海交通大學;2014年

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本文編號：2671776