基于固態(tài)納米孔的生物分子辨識實驗研究.pdf

1、現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展，使人類了解到基因是人類的遺傳密碼，蛋白質(zhì)是生命活動的執(zhí)行者。破解基因意味著人類可以掌握自己的生命信息，而知道身體中蛋白質(zhì)的信息則掌握了身體的全部健康狀況。納米孔技術(shù)是未來檢測基因及蛋白質(zhì)最為理想的工具，是目前正在研制的第三代基因測序技術(shù)的基礎(chǔ)，也將成為未來精準(zhǔn)醫(yī)療的重要手段。本文對固態(tài)納米孔辨識生物分子的可行性進行實驗研究，探索基因分子和蛋白質(zhì)分子在納米孔中的易位規(guī)律。主要的研究成果和內(nèi)容如下:
　　1)研究雙

2、鏈λ-DNA（以下簡稱DNA）在兩種條件下(其一，同濃度不同電解質(zhì)溶液(LiCl、NaCl、KCl);其二，不同濃度同種電解質(zhì)溶液(LiCl))的過孔行為特征并分析其通過納米孔的姿態(tài)。研究表明，DNA過孔時間與其表面吸附離子的數(shù)量和離子吸附能力有關(guān)，離子吸附能力越強和離子數(shù)量越多，DNA整體凈電荷量越少，過孔時間越長。DNA在通過納米孔時會呈現(xiàn)線性長鏈拉直過孔和長鏈折疊過孔兩種姿態(tài)。
　　2)研究牛血清蛋白(BSA)在納米孔中過孔

3、行為，探索蛋白質(zhì)過孔的普遍規(guī)律。在施加不同跨膜電壓下，研究在納米孔中強電場下蛋白質(zhì)的解折疊機理。對不同電解質(zhì)溶液中，BSA與納米孔之間相互作用和易位頻率進行分析討論。結(jié)果表明，BSA在通過納米孔時，會出現(xiàn)兩次解折疊過程，而且當(dāng)電場強度到達一定值時，這兩次解折疊都是突變而不是傳統(tǒng)理念中認(rèn)為的漸變過程。研究還發(fā)現(xiàn)在LiCl、NaCl、KCl三者中，KCl中BSA通過頻率最高但阻塞最為嚴(yán)重，LiCl中現(xiàn)象正好相反。
　　3)對比DNA、

4、BSA兩種生物分子混合與單獨檢測的實驗結(jié)果，探索納米孑孔對簡單生物分子的辨識能力。實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果介于二者之間，整體現(xiàn)象和單純DNA過孔行為類似，同時出現(xiàn)類似蛋白質(zhì)過孔時的長過孔時間事件，且數(shù)量明顯少于純BSA過孔事件，可以從中辨識BSA長過孔時間事件以及DNA正常過孔事件。
　　4)探究固態(tài)納米孔對復(fù)雜生物大分子IgG、IgA、IgM的辨識能力。從實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，生物大分子在通過納米孔時，進入納米孔較為困難卻會在孔口附

5、近徘徊產(chǎn)生碰撞信號，而且分子量越大，碰撞信號數(shù)量占總信號比率越高。
　　5)探索設(shè)置濃度差的方法提高信噪比，以增強固態(tài)納米孔對生物分子辨識能力，優(yōu)化實驗結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)在納米孔兩側(cè)存在濃度差時，帶電生物分子(DNA、BSA)從高濃度往低濃度運動時，其過孔信號能夠被放大，濃度差梯度越大，放大效應(yīng)越明顯。而且該方法對生物分子過孔時間沒有太大的影響。
　　6)采用多物理場耦合軟件(COMSOL)模擬納米通道內(nèi)流場情況，對濃度差下的信