纳米通道锥度对DNA过孔的影响机制研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

本课题采用分子动力学的方法，针对DNA通过纳米孔机制的研究，尤其是孔的锥度的影响。根据前期对研究对象背景的调查与熟悉，本课题是基于DNA测序中的一道步骤，在纳米通道测序DNA方面有着重要的作用。纳米孔作为目前最有潜力的单分子DNA测序工具而备受关注。在纳米孔传感技术中, 单个分子穿过一个纳米尺度的孔从而形成可以检测的离子电流变化，通过对离子电流的检测可以得知该分子的结构组成的相关信息，是一种快速单分子检测方法。纳米通道DNA测序的原理实际上是利用纳米通道的原理，构建一种能够与DNA碱基对结合传感器，并使得DNA通过这个传感器产生相应的信号，从而测得DNA的序列。在此过程中，需要包括多个步骤，DNA单链提取、ssDNA的伸展、纳米通道构建、检测机制的研究、以及环境的构造等等，任务多并且重要。作为该工程中的一部分，研究DNA过孔机制，对于研究DNA过孔速度以及效率有着重要的作用。本课题拟通过NAMD、VMD软件对DNA以及纳米通道进行分子动力学模拟，得到纳米孔锥度对DNA过孔的影响机制。聚焦于本课题的研究重点，文献综述以纳米孔、分子动力学、DNA电泳为重点，进行文献梳理与研究思路总结。

3.1 研究对象

单链DNA、纳米孔、适合的环境是本研究的主要对象。其中，单链DNA是根据现有的材料，从相关网站上下载的DNA模型，经过相关处理得到本研究所需要的ssDNA。根据研究要求，选取石墨烯作为构造纳米孔的材料。在环境中加入合适的水分子和阴阳离子，使得体系的压强和溶液的离子浓度等达到设定值。在检测过程中严格控制变量，适当调整有关参数，得到正确的实验数据。

3.2 纳米孔在研究DNA现状

纳米通道通常指具有小于1微米的特征尺寸的通道，其中，一般来说，纳米孔是指横截面形状接近圆形的纳米孔道，也是纳通道中典型的和被广泛研究的对象。在纳米尺寸的受限空间中，表面效应会变得非常重要，很多物理现象也与宏观世界中的大不相同。同时，纳米孔也具有很多的潜在应用，如在纳米颗粒检测、生物分子检测、下一代基因测序、纳米孔探针、仿生智能纳米通道和能量转换等领域都具有很好的应用前景。纳米孔的研究是一个多学科交叉领域，其中涉及到微纳制造、微纳流体力学、生物电子学、生物物理、化学等多学科的研究内容。

用纳米孔连接两个液池，液体、离子、颗粒和生物分子等通过纳米孔进行交换和输运，这样就形成了基于纳米孔的纳流控系统。这种系统提供了对颗粒或者生物分子检测的环境，可以利用光学方法或电学方法等对纳米孔内流体中的对象进行检测。当在纳米孔两端施加电压时，纳米孔内及其周围会形成非常大的电场。而溶液中的大部分颗粒或者生物分子都会带有表面电荷，当他们扩散到纳米孔附近时，在强大的电场的作用下，这些物质就可以在电场力的作用下通过纳米孔。在检测中，一般采用光学或者电学的检测方法。光学的检测方法中，一般用荧光标记技术来标记被检测的物质，从而可以利用荧光观测到被检测的物质。电学的方法中，采用检测通过纳米孔的电流的方法，当有物质通过纳米孔时，会引起离子电流的变化，从而可以得到被检测物质的信息。这就是基于纳米孔的单分子检测方法。

从纳米孔的构成分类，可以分为生物纳米孔（biological nanopores）和固态纳米孔（solid-state nanopores）。生物纳米孔是指从生物体中直接提取或者进一步合成的纳米孔道，如 alpha;-溶血素等。固态纳米孔是人工加工的纳米通道，目前最常用的有氮化硅纳米孔、聚合物纳米孔、基于二维材料的纳米孔和玻璃纳米孔等。

在检测方面，生物纳米孔的优点是可以与被检测的生物分子发生特异性作用，从而可以识别被检测的物质和控制被检测物通过纳米孔的速度，但生物纳米孔具有不稳定、寿命短的缺点。自然界中，广泛的存在着纳米尺度的通道，他们在人体中发挥着重要的作用，如能够控制物质的进出等。自上个世纪利用纳米孔进行基因测序的方法被提出后，很多种生物纳米孔被研究用来实现这一能够大大提高基因测序效率、降低测序成本的方法。如今，位于英国的 Oxford Nanopore Technologies 公司已成功开发了基于生物纳米孔的测序产品 MinION，这是一种体积小、可携带的下一代基因测序装置。基因测序有着巨大的市场，预计这一快捷、

低成本的测序装置将会对未来的科学研究和人类的生活提供极大的便利。

相对于生物纳米孔，固态纳米孔具有寿命长、形状和大小可控、工作稳定等优点。将这些结构与普通的微流控芯片结合，便可以做出有很多潜在应用的纳流控体系。目前，常用的固态纳米孔被加工在氮化硅薄膜、石墨烯和二硫化钼等二维材料上。另外，拉伸熔融的玻璃毛细管也可以形成锥形纳米孔，利用腐蚀的方法也可以在聚合物薄膜上加工出形状和尺寸可控的纳米孔。