纳米通道离子电导的理论与实验研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

研究的目的

及意义

纳米孔检测技术的起源结合了1953年的库尔特计数器和十九世纪七十年代发展的单通道电流的记录是这两种技术的融合。最初的灵感来自于库尔特颗粒计数器(Coulter counter)的专利。离子通道的开关可以通过检测离子电流来判断,当一个小的分子穿过这个小孔时,离子电流会有一定程度的降低,离子电流降低的振幅与穿过纳米孔的尺寸有关。

随着20世纪90年代微流控技术的出现,以及近年来对纳米科学、纳米技术研究的升温,纳流控这一新型学科出现在人们的视野中。纳流控是研究在纳米尺寸结构中操纵流体的技术与科学,是一门交叉科学,主要研究0.5-100nm尺寸通道内流体的流动与控制,它涉及到许多基础学科和交叉学科,如物理、化学、生物以及一些应用领域如膜科学、土壤学和纳米工程。

纳米通道可以分为纳米通道和纳米孔,纳米通道是指孔径尺度在0.5-100nm之间,并且空的长度远大于孔径的孔道,而纳米孔是指孔径大于其自身长度。纳米孔道广泛存在于自然界中,它们在物质结构的演化以及生物体的生命活动中发挥着不可替代的作用。例如细胞膜的水通道和离子通道,可以选择性的使分子和离子进出细胞,实现分子与离子的选择性运输。由于生物纳米通道稳定性不足的问题,科研人员受大自然的启发并利用微纳加工技术(电子束蚀刻法、聚焦离子束刻写、阳极氧化发、机械负载法等)在固体无机材料上制备了固态纳米孔道,制备出了具有生物体中离子选择性输运的人造纳米通道,并利用纳米技术、界面化学、统计物理学等学科的研究手段对该体系进行综合性研究,使得纳米通道在金属离子检测、离子电流源、DNA快速测序、特定外场响应开关等众多领域展开了重要的基础研究价值和广阔的应用前景。

2. 国内外研究现状分析

国内外同类

研究概况

基于单分子传感检测原理的生物纳米孔最先被广泛关注是在1996年Kasianowicz等人证明嵌入脂质双分子层中α-溶血素能通过电信号检测单链DNA和单链RNA。随后大家展开了对生物纳米孔检测物理机理研究。其中α-溶血素是研究最多的一种生物蛋白质纳米孔。

Meller等研究表明,被检测聚合物长度如果比纳米孔通道长,则会比较稳定的通过纳米孔;如果长度小于纳米孔长度,则其易位速度与其本身长度研究有关。

Bayley小组证明通过纳米孔电流测量可以持续分析核苷酸等。

Monifa Fahie在一种名为OpmG蛋白质纳米孔孔口修饰目标蛋白质,通过被检测抗体与目标蛋白结合产生类似门电路信号来识别检测物质。

虽然生物纳米孔最先被研究和应用,但是人们研究过程也发现它的不足,比如由于脂质双分子层本身的稳定性较差,生物纳米孔的使用寿命大概只36小时;同时,它在不同PH值、不同温度以及溶液中都表现的不太稳定,这在一定程度上限制了生物纳米孔应用。

随着微加工技术的发展,越来越多的研究小组开始关注固态纳米孔的应用。与生物纳米孔相比,固态纳米孔在化学、热学、力学稳定性具有明显优势。此外,纳米孔可由传统常规半导体加工技术制成,可以实现大规模加工制造。纳米孔的直径也能得到控制,能够针对被检测物质的尺寸加工出合适直径使得信噪最优。固态纳米孔在较广的PH范围内使用都不存在门控效应,因此可与电极和光探针结合使用。

目前常用的固态纳米孔材料有SiO,Si3N4,AlO等聚合物薄膜材料,还有一些石墨烯等具备比较特殊性质薄膜材料也在研究中,对于单固态纳米孔加工方法如下:电子束蚀刻法、聚焦离子束刻写、阳极氧化发、机械负载法等。

基于纳米孔的单分子检测由于其孔径较小,通道内部的离子电流值较低,通常为pA至nA级别,电流信号较弱,外界的振动噪声及热源干扰对其检测结果影响较大。实验时对放大电路的设计及屏蔽电磁干扰的要求较高,对离子电流进行放大的同时也会增大其基准电流的噪音信号,反而可能降低信噪比。

参考文献

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3. 研究的基本内容与计划

研究内容和计划

研究内容:

为了探索锥形纳米孔电导的机理,以硼硅酸盐玻璃毛细管为材料,采用机械负载法拉出拉出内径10-50nm的锥形纳米孔,孔内注满氯化钠溶液后,采用膜片钳对该类纳米孔的电导进行实验研究。(1)通过改变氯化钠溶液的浓度,采用膜片钳研究浓度对于电导的影响;(2)通过调节同一浓度下的不同PH值,采用膜片钳研究PH值对于电导的影响。

研究计划:

第1~2周: 完成文献阅读和学习,对纳米通道离子运输有了初步的了解,对其理论进行熟悉。

第3~6周: 对制定好的方案进行实验,COMSOL建模,得出各影响因素与电导之间的关系。

第7~13周:进行实验和公式推导工作,与仿真结果进行比较。阅读文献并对论文所用的模型进行理论分析,整理相关资料,书写论文。

第14~16周:完善毕业论文,准备毕业答辩。

4. 研究创新点

使用实验与仿真结合的创新型方法,从而进行讨论pH值影响纳米孔电导的因素。

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