项目简介
研发基于固态纳米孔DNA测序技术，重点发展超薄固态纳米孔器件的制备，DNA单分子运动控制装置，碱基序列信号的解析等关键技术。课题组已有多年的研究积累，已经掌握了二维材料纳米孔的制备技术和单分子往复运动控制技术，并已经开始自主编写了信号解析相关程序。该技术有望提高现有的基于生物蛋白分子的纳米孔测序技术的稳定性和测序精度，具有显见的广泛的应用前景。 （1）固态纳米孔器件的制备。为实现高效的信号测量，固态纳米孔需要超薄（1纳米以内）、超小（直径5纳米以内），并需要提高制备效率。为降低测量噪声，还需要研制绝缘纳米孔支撑结构。图示为在单层氮化硼上通过TEM制备的纳米孔。 （2）信号测量电子学系统。每个纳米孔中的离子电流在几十pA到几nA之间，为减少测量噪声，需要将放大电路集成在纳米孔附近。同时，对于纳米孔阵列，需要对多个放大电路同时控制并采集信号。图示为一个简单的纳米孔阵列多通道测量设计。 （3）微流腔系统的研制。一个好的微流腔系统应包括纳米孔阵列，兼容测量电路，并具有一些辅助功能（过滤、分离、解旋等）。图示为简单的微流腔系统。 （4）DNA单分子运动控制。直流电压驱动下，DNA分子在纳米孔中的运动速度过快，无法解析碱基信号。需要通过高速的驱动调制实现单个DNA分子的运动控制。目前单个分子的往复运动控制已经实现（如图），下一步需要实现实时截停和低速运动控制。 （5）碱基序列信号的解析。目前对于生物纳米孔所得的碱基信号，已有一些解析程序和算法，比较好的程序主要是基于维特比算法和神经网络。但是，这些程序并不能直接用来解析固态纳米孔的碱基信号。我们需要学习这些程序，从头编写适用于固态纳米孔的解析程序。下图为序列比对程序的比对结果示意图。
应用领域
该技术主要应用于单个DNA分子的碱基序列测定，是下一代DNA测序技术的重要候选者。其主要特点是快速、廉价。单个纳米孔测序的速度理论上可达1KHz，在几十个纳米孔阵列的工作模式下，可在24小时内完成一个人的完整序列测定。在基于微流腔的纳米孔器件中，测量仅需极少量的化学和生物耗材，成本很低。这一技术的成熟和广泛应用，将显著提高现有分子生物学研究的进展，并有力推动个性医疗的发展。
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