基于微纳制造的第三代基因测序系统的基础理论研究年度报告

Abstract

本研究属于微纳制造与生命科学的交叉领域，面向第三代基因测序系统的研制，系统地开展微纳制造、微纳流体动力学和超灵敏单分子检测的基础理论、关键问题的研究，研制出具有自主知识产权的第三代基因测序仪的原型系统，推动我国科研重大装备的国产化进程。本研究2013年度在以下三方面取得重要进展： （1）协同利用多种微纳制造和跨尺度制造手段（双束系统、高分辨电镜、原子层沉积和毛细管拉伸系统等），针对多种不同材料（氧化铝、氮化硼和有机生物孔）采用多种手段（压力驱动、复合结构和纳米电极设计）开展纳米孔器件制造和DNA 高灵敏检测研究，在硅基和碳基纳米孔的轴向和径向尺寸可控制造方面取得重要突破。 （2）深入探讨DNA 过纳米孔的关键问题离子电流的形成与调控机理以及DNA 分子与壁面的特异性作用，进一步发展了粗粒化分子动力学模拟模型，开展跨尺度流体动力学建模和计算，并且利用单分子力谱直接探测DNA的单分子界面摩擦力。对于DNA等生物分子在受限空间内受力的科学认识，为DNA分子过孔测序技术的发展提供理论依据和设计指导。 （3）综合运用生物分子在纳通道中的输运过程和规律，发展纳通道中生物分子信号的超灵敏检测方法与原理。研制出基于金属场效应管的纳通道单分子传感器，建立多模式检测的实验方案，实现检测信号的多元化，提高检测容量，增强检测体系的分辩率与区分度