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第1章 用于核酸序列分析的固态纳米孔传感器 1

1.1引言 1

1.2生物纳米孔 3

1.2.1α-溶血素 4

1.2.2噬菌体phi29连接器 6

1.3固态纳米孔 6

1.3.1单个纳米孔的加工 6

1.3.2纳米孔阵列的加工 8

1.3.3Al2O3薄膜上纳米孔的制备 10

1.3.4固态纳米孔中的离子导电性 12

1.3.5固态纳米孔的噪声分析 14

1.3.6固态纳米孔中的易位事件 17

1.3.7固态纳米孔传感器的化学修饰 19

1.4结论 21

致谢 22

参考文献 22

第2章 光镊集成的固态纳米孔在分子检测和力谱测量中的应用 29

2.1引言 29

2.2实验方法 30

2.3DNA的检测 32

2.4力谱测量 35

2.5建模：电泳与电渗剪 36

2.6蛋白质涂层的DNA分子的测量 37

2.7结论 40

致谢 40

参考文献 40

第3章 适体修饰的纳米孔在单分子检测中的应用 42

3.1概述 42

3.1.1什么是适体？ 42

3.1.2分子折叠、相互作用和生物传感 43

3.1.3单分子检测与纳米孔技术 44

3.1.4纳米孔的选择性 45

3.2对于离子调控的G-四聚体适体折叠过程的认识 46

3.2.1G-四聚体在纳米孔内的组装 46

3.2.2G-四聚体在纳米孔中自发的解折叠形态 47

3.2.3纳米孔与俘获的G-四聚体的相互作用 48

3.2.4研究折叠与解折叠动力学的分析方法 48

3.2.5离子调控的G-四聚体适体折叠与解折叠过程 49

3.2.6意义与影响 49

3.3稳定的纳米孔生物芯片用于单分子生物传感 50

3.3.1纳米孔传感器的研究进展 50

3.3.2便携、耐用、模块化的离子通道芯片 50

3.3.3意义与影响 51

3.4使用适体结合的纳米孔检测单个蛋白质分子 52

3.4.1检测结合过程而非易位过程 52

3.4.2集成适体的人工纳米孔 52

3.4.3玻璃纳米孔的制备与性能 52

3.4.4适体结合的纳米孔捕捉IgE分子 54

3.4.5利用结合RNA适体的纳米孔检测生物恐怖战剂——蓖麻毒素 55

3.4.6优势与发展前景 56

3.5结论 57

致谢 57

参考文献 57

第4章 嵌入生物膜的phi29噬菌体DNA组装马达对双链DNA易位和检测的研究 65

4.1引言 65

4.2phi29噬菌体连接体的再造、表达和纯化 67

4.2.1phi29噬菌体连接体的再造 67

4.2.2连接体的表达和纯化 68

4.3包含再造连接体蛋白的脂质囊泡的制备 68

4.4通过单通道电学检测表征Phi29噬菌体连接体蛋白通道 70

4.4.1实验安排 70

4.4.2连接体蛋白插入平面脂质双分子层膜 71

4.4.3单个或多个连接体通道的电流-电压曲线 72

4.4.4确定插入脂质双分子层的连接体蛋白数量的解析表达式 74

4.4.5计算KCI和NaCl缓冲液的校准系数 75

4.4.6phi29噬菌体连接体蛋白通道与α-溶血素孔的电导比较 75

4.5双链DNA的易位 76

4.5.1双链DNA通过phi噬菌体蛋白通道 76

4.5.2DNA易位阻塞电流事件的表征 77

4.5.3pH对连接体蛋白通道稳定性和易位行为的影响 78

4.5.4电流信号的可能形态 79

4.5.5定量PCR验证dsDNA的易位 79

4.6运用DNA单向运输机制的phi29噬菌体马达通道 80

4.6.1改变电压研究dsDNA通过脂质膜上单通道的单向性 80

4.6.2改变电压极性研究dsDNA通过脂质膜上单通道的单向性 81

4.6.3通过量化DNA通过多通道膜的频率研究dsDNA的单向易位 82

4.6.4通过C端组氨酸上标记Ni-NTA纳米金来确定蛋白通道的方向 83

4.7phi29噬菌体马达蛋白通道的应用及前景 85

4.7.1一个新的用于研究病毒DNA组装机制的体系 85

4.7.2基于纳米孔的随机检测 86

4.7.3纳米孔检测DNA 87

4.8结论 87

致谢 87

参考文献 87

第5章 用于检测特异性DNA的固态纳米孔 92

5.1引言 92

5.2制作过程 93

5.2.1缩孔的沉积过程 95

5.3依据分子动力学的DNA-纳米孔间的相互作用 97

5.3.1由纳米孔直径决定的相互作用 98

5.3.2由外加电压决定的相互作用 99

5.3.3由外加电压决定的有效纳米孔径 100

5.4特异性DNA的易位 101

5.4.1功能化、传感和特异性 101

5.4.2完整的互补DNA和失配DNA间的区别 103

5.5生物应用 105

5.6总结和目标 106

参考文献 107

第6章 固态纳米孔在蛋白质单分子检测中的应用 111

6.1引言 111

6.1.1通过蛋白质孔测量多肽 112

6.1.2通过固态纳米孔测量蛋白质 112

6.1.3在纳米孔试验中测得的参数 112

6.1.4事件分类 114

6.2蛋白质易位的原理 114

6.2.1纳米孔捕获蛋白质 114

6.2.2易位过程中蛋白质的形状 114

6.2.3事件的平均电流下降幅度 115

6.2.4蛋白质易位时间 115

6.3实验装置和样品制备 117

6.3.1实验装置 117

6.3.2固态纳米孔的制备 117

6.4测量天然蛋白质 118

6.4.1蛋白质分子尺寸的区分与检测 118

6.4.2在不同pH条件下测量蛋白质相对电荷 119

6.5线性氨基酸链易位 121

6.5.1停止点的电势阱模型 121

6.5.2在静止点的排除体积 121

6.5.3影响线性易位电位的参数 123

6.6时间直方图的比较 123

6.7结论 125

6.8未来的趋势 126

6.8.1蛋白质混合物通过纳米孔筛选 126

6.8.2开放的挑战 127

致谢 127

参考文献 128

第7章 基于半导体材料的固态纳米孔的易位电信号模拟 131

7.1引言 131

7.2目的：器件结构描述 133

7.3计算模型和纳米器件模型 134

7.3.1计算方法 134

7.3.2电容器响应的三维自洽模型 135

7.4电容器响应三维自洽模型的结果和讨论 137

7.4.1螺旋构象的DNA易位 137

7.4.2有一个突变碱基的单链DNA链在伸展构象时的易位 140

7.5薄膜的电路模型 142

7.5.1n-掺杂硅电极的模型 143

7.5.2SiO2层的模型 143

7.5.3筛选 144

7.5.4DNA易位的电路模型 144

7.6SPICE模型的结果和讨论 145

7.6.1DNA链的易位 145

7.7结论 147

致谢 148

附录 149

参考文献 149

第8章 固态纳米孔的制备，集成及DNA检测的可行性 152

8.1引言 152

8.2单个固态纳米孔的制备技术 153

8.2.1电子束或激光加热的可控缩孔 153

8.2.2TEM“钻孔” 156

8.2.3带反馈的化学腐蚀法 156

8.3多个纳米孔的集成：电寻址纳米孔 159

8.4利用固态纳米孔进行DNA测序的构想 161

8.4.1杂交辅助纳米孔测序（HANS） 161

8.4.2DNA易位时位置检测的误差分析 162

8.5受限DNA易位和杂交检测的最新实验进展 165

8.5.1用磁镊控制DNA穿过固态纳米孔时的反向易位 165

8.5.2用于杂交检测的纳米孔DNA易位实验 168

8.6结论 171

致谢 171

参考文献 171

第9章 纳米孔在蛋白质活性检测中的应用 174

9.1引言 174

9.2通过纳米孔记录描述蛋白质的大小、电荷和构象 176

9.2.1利用纳米孔确定蛋白质的大小 176

9.2.2利用纳米孔确定蛋白质的电荷 177

9.2.3利用纳米孔确定蛋白质的构象 179

9.3纳米孔检测用于表征平衡结合常数和化学计量数 180

9.3.1利用纳米孔确定配体和蛋白质结合的化学计量数 181

9.3.2利用纳米孔确定解离常数 182

9.4利用纳米孔确定结合的形成和解离速率 183

9.5利用纳米孔定量检测酶的活性 186

9.6利用纳米孔进行蛋白质传感的未来展望 190

致谢 191

参考文献 191

第10章 核酸在5nm以下固态纳米孔的捕获和易位过程 195

10.1引言：生物大分子通过狭窄纳米孔 195

10.2DNA俘获的问题 198

10.2.1理论探讨 199

10.2.2测量DNA俘获率的实验 201

10.2.3调整场强增加捕获速率 204

10.3电压驱动的DNA易位 206

10.3.1易位时间分布：DNA-纳米孔相互作用对分布形态的影响 208

10.3.2纳米孔尺寸对DNA转移的影响 210

10.3.3DNA长度与转移动力学的关系 210

10.3.4盐梯度对转移动力学的影响 213

10.4结论 214

致谢 215

参考文献 215

第11章 基于纳米孔的DNA测序和DNA行为控制 219

11.1DNA测序 219

11.1.1Sanger测序法 219

11.1.2荧光原位测序法 221

11.1.3焦磷酸测序 222

11.1.4基于纳米孔的DNA测序：挑战和机遇 223

11.2控制纳米孔中DNA的运动 234

11.2.1黏度、电压、离子浓度和温度控制 234

11.2.2用有效电驱动力和光镊方法控制纳米孔中DNA的运动 236

11.2.3磁镊 238

11.2.4“DNA晶体管” 240

11.3讨论：测序以外的研究 244

致谢 245

参考文献 245

第12章 基于纳米孔的第三代DNA测序技术 248

12.1引言 248

12.1.1单分子测序 249

12.1.2纳米孔单分子测序的前景 250

12.1.3本章概要 252

12.2利用合成纳米孔进行单分子测序 253

12.2.1纳米孔制备 253

12.2.2DNA运输至纳米孔 254

12.2.3合成纳米孔捕获DNA 257

12.2.4纳米孔中的噪声 264

12.3结论 265

致谢 266

参考文献 266

第13章 生物通道在恐怖战剂和生物分子检测中的应用 270

13.1引言 270

13.2平面双分子层检测 274

13.3爆炸物和化学战剂的检测 275

13.3.1 2，4，6-三硝基甲苯 275

13.3.2液体炸药 276

13.3.3神经毒剂的水解产物 276

13.4生物分子检测 278

13.4.1多肽 278

13.4.2DNA 280

13.5实际样品的纳米孔分析 283

13.6结论 285

参考文献 285

第14章 纳米孔力谱：分子动力学模拟 290

14.1引言 290

14.1.1纳米孔力谱实验 291

14.1.2分子动力学模拟 293

14.1.3本章概述 294

14.2蛋白质-DNA复合物的断裂 294

14.3DNA发夹结构的解折叠 298

14.4纳米孔内DNA的受力 302

14.5结论 305

致谢 305

参考文献 306