电化学限域SiN_X纳米孔道检测核酸分子的研究

固体纳米孔道因其机械强度高、尺寸可控、易于表面修饰及集成化设计等优点被广泛应用于DNA、RNA和蛋白质等生物分子的检测研究.为了检测单个单链核酸分子,本研究采用电化学刻蚀法可控制备了单个SiN_X固体纳米孔道,通过SiN_X固体纳米孔道限域空间效应增强了纳米孔道与短链核酸分子之间的弱相互作用,从而实现了核酸分子的单分子水平检测.通过研究不同孔径(3.1和8.5 nm)纳米孔道与核酸分子间的弱相互作用差异,有效区分了核酸分子在限域空间内产生的过孔和碰撞两种个体行为,加深了对固体纳米孔道限域空间内核酸分子电化学行为的理解.

限域石英纳米孔道实时监测点击化学反应

点击化学反应具有反应条件温和、高区域选择性等优点,被广泛应用于材料科学、药物科学、生物化学等研究领域。在单颗粒水平上,实时监测点击化学反应过程有助于揭示反应的各向异性及反应机理。本研究以具有电化学限域效应的石英纳米孔道作为传感器,对单个金纳米颗粒(AuNPs)上的点击化学反应进行了实时动态监测。在电渗流的驱动下,炔基化合物修饰的AuNPs进入孔道内部,在Cu+的催化下,AuNPs表面的炔基与金层上的叠氮基团发生点击化学反应,因此,AuNPs在孔道端部的滞留时间增长。相比于未发生点击化学反应时,反应过后“体积排阻效应”造成的阻断电流频率变大,阻断时间明显增长。因此,基于限域石英纳米孔道的分析方法为在单颗粒水平上实时动态监测化学反应提供了新的研究思路。

闭合式无线纳米孔电极的一步法制备及单颗粒检测研究

以锥形石英固体纳米孔为模板,通过化学法制备具有金纳米结构的纳米孔尖端,从而实现一步法简单、快速地制备直径为30 nm的闭合式无线纳米孔电极(CWNE);探讨了制备过程中反应物浓度对制备过程的影响,制备成功率高达85.7%,RMS噪音低至4.2 pA.以金纳米颗粒碰撞电极实验为电化学测量模型,获得了单个颗粒与纳米孔电极相互作用的信号,验证了闭合式无线纳米孔电极对微秒级电信号的皮安级电流分辨能力,为进一步探索纳米界面上的电子传递过程提供了稳定的测量界面.

基于石英纳米孔道的单颗粒尺寸分布分析

发展了一种基于石英纳米孔道的单颗粒电化学动态分析方法,用于单个CdSe/ZnS量子点纳米颗粒的尺寸分布分析.其机制是向石英纳米孔道两端施加电压,表面带有正电荷的单个CdSe/ZnS量子点纳米颗粒在电场力驱动下由管内向管外运动,当量子点纳米颗粒穿过纳米孔道尖端狭小的限域空间时,其表面正电荷使石英纳米孔道内电荷密度增加,孔道内的电化学限域效应进一步将电荷密度增加的信息放大并转变为可读的离子流增强信号.通过对动态离子流信号解析可实时获取具有2种不同尺寸的量子点纳米颗粒所导致的2类过孔事件信息,从而对在限域空间内运动的纳米颗粒进行尺寸分布分析.

Aerolysin蛋白纳米孔道直接检测单个DNA碱基修饰

基于Aerolysin生物膜通道蛋白的纳米孔道电化学分析技术,因其高的电化学空间限域能力可实现超灵敏DNA单分子检测。本文利用单个Aerolysin纳米孔道在无需标记、无需扩增的条件下直接分辨3种具有单个碱基差异的单链DNA。实验结果显示,具有单个炔基侧链基团修饰的单个ss DNA在限域空间内与Aerol-ysin纳米孔道的相互作用时间较未修饰的ss DNA增长近7倍,电流阻断程度增大7%,且高斯峰半峰宽减小了44%,增强了Aerolysin纳米孔道对单个DNA分子的分辨能力。研究成果有望推动Aerolysin纳米孔在DNA直接测序及表观遗传修饰检测中的应用。

Aerolysin纳米孔核酸检测灵敏区域的协同相互作用探索研究

纳米孔单分子检测技术以其简便、快速、高通量及无需标记等特点,应用于DNA及蛋白质测序,更有望实现单分子动态构象变化的研究. Aerolysin(气单胞菌溶素)纳米孔道由于其特有的较长的β-桶限域区(β-barrel)及孔内壁丰富的带电荷氨基酸残基,在单个寡聚核苷酸分子分析中展现出极高的灵敏性.本设计利用dA14-4-X,dA14-11-X,dA14-4-X-11-X (X=C, T, G)等单个寡聚核苷酸探针分子,研究了Aerolysin的两个灵敏区域R1和R2,探索了R1灵敏区域对单个碱基弱相互作用的差异,实现区分单个碱基差异.进一步实验证明,R1灵敏区域对单个碱基类型差异的灵敏区分不受R2灵敏区域被碱基A、C、T占位所影响.然而,当R2区域被碱基G占位时,会使R1区域丧失对整个孔道电流的主导性.本研究有助于理解Aerolysin对单个寡聚核苷酸分子的超灵敏测量机制.

闭合式无线纳米孔电极检测单个外泌体

单个体电化学通过在限域电化学测量界面上检测单个纳米粒子、单个脂质体、单个细胞等的电化学特性,实现对单个体各向异性的研究.这种高度灵敏的电化学方法能够快速测量并区分纳米级单个体的大小和表面电荷等.目前,已在单颗粒催化、环境监测和细胞分析等领域得到应用.本研究通过使用尺寸可控的石英纳米孔作为模板,将贵金属金沉积在石英纳米孔尖端,以形成用于单个体测量的纳米级电化学限域界面,从而制备具有高灵敏度的闭合式无线纳米孔电极.利用该电极构建了单个体电化学测量体系,实现了单个外泌体的检测,获得了信噪比高达25.1的单个外泌体碰撞信号,电化学测量平均电流幅值为15.1pA,单个信号持续时间为0.4ms,从而实现了单个外泌体与纳米电极间动态相互作用的实时测量.