非对称纳米通道的整流特性研究及其在DNA检测中的应用

非对称纳米通道的整流特性研究及其在DNA检测中的应用

石晓雨

西北大学

摘要：纳米通道单分子检测技术具有方法简单、无需标签、实时监测的优点,在生物、化学领域受到广泛关注。与生物纳米通道相比,固态纳米通道孔径尺寸和形状可调,在各种条件(p H值、温度、浓度等)下均具有出色的热稳定性和化学稳定性,因此,广泛应用于核酸、蛋白质和单细胞的检测。但是,将固态纳米通道应用于单分子检测技术时,通道本身的离子电流整流(ICR)因素是不可忽视的。ICR主要研究通道内部的离子输送,通过改变外界刺激,实现基于门控机制来调节纳米通道内离子选择性运输。研究固态纳米通道的ICR可以更好的帮助我们理解单分子在纳米通道内部的易位过程。基于此,本文利用聚苯胺(PANI)的导电性、氧化还原特性和良好的可逆性,将其与固态纳米通道结合,制备了带正电荷的非对称PANI纳米通道。通过施加外部刺激来改变通道内部电荷,进而研究离子输送机制。最终将制备的非对称PANI纳米通道用于体外拥挤环境下DNA易位过程的研究。本文具体研究内容如下:一、配制不同浓度比的苯胺单体和氧化剂溶液,以模板法为基础,使苯胺沿着纳米通道内部聚合,成功制备了非对称PANI纳米通道。通过改变外界刺激(如盐浓度、盐梯度、阴离子种类、p H、跨膜电压等)来调控PANI纳米通道内部的表面电荷状态,并进而影响离子电流整流。尤其是在制备基于门控电压的纳米通道器件时,通过施加栅极电压,可以直接地、实时地改变PANI电荷,并调控纳米通道的离子选择性。这不仅为离子二极管、能量收集和离子过滤提供了理论支持,更重要的是,也可以用于单分子的检测,并实时调控分子的穿孔行为,这为DNA测序、蛋白质和病毒的检测提供了无限可能。二、研究PANI纳米通道内部离子输送,可以更好地用于DNA的检测。利用制备的非对称PANI纳米通道,在缓冲溶液中加入不同浓度的PEG8000,模拟体外拥挤环境,研究DNA在拥挤环境下的易位过程。拥挤剂的加入提高了纳米通道的检测灵敏度和分辨率,并观测到少见的双脉冲信号和电流突增信号,推测这与DNA在孔壁的吸附和脱附有关。该实验为研究DNA易位行为提供了动力学分析,为DNA的检测以及其他小尺寸蛋白质分子在较大纳米通道内的检测提供了一个可行的思路。 还原

关键词：

聚苯胺;固态纳米通道;离子电流整流;拥挤环境;DNA易位;

• 专辑：

  基础科学

• 专题：

  生物学

• DOI：

  10.27405/d.cnki.gxbdu.2021.001633

• 分类号：

  Q503

导师：

亢晓峰;

学科专业：

工程硕士（专业学位）

硕士电子期刊出版信息：

年期：2021年第12期网络出版时间：2021-11-16——2021-12-15