用于纳米孔道分析的四通道电化学传感器设计与仿真

纳米孔道技术是一种基于空间限域的超灵敏的单分子分析技术.通过研究单个分子限域于纳米孔道中所产生的离子电流的变化,可在单分子尺度上获取其结构、尺寸、电性及与孔道间弱相互作用的信息.目前主要应用的纳米孔道测量仪器单次实验仅能测量单个纳米孔道,其检测通量较低.本文基于实验室前期自主设计研制的单通道纳米孔道测量仪器Cube-D2上,比较研究了两种互阻放大器的测量特性,从而选择了合适的测量电路设计了四通道电化学传感器放大电路.进一步通过仿真验证了四通道电化学传感器设计方案的可行性,为阵列化高通量纳米孔道单分子电化学测量仪器的设计提供了理论基础.     

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.     

生物纳米孔道技术在非基因测序方面的研究与应用

纳米孔道分析技术是一种低成本、快速、无需标记的单分子检测技术,仅有20多年的发展历史,在DNA单分子测序领域展示出较好的应用前景,现已有商业化的产品面世且趋于成熟.越来越多的研究表明,纳米孔可作为一个通用的单分子传感器.本文综述了生物纳米孔道分析技术对蛋白质、多肽和核酸等单个分子与孔道间相互作用、动力学和热力学过程的实时监测以及多种生物大分子和金属离子的定量检测等方面的研究进展.在纳米孔技术中,电化学检测系统也十分重要,本文还特别介绍了高带宽及超低电流分辨仪器和相关软件的相关进展.     

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。     

基于Aerolysin纳米孔道对单个c-di-AMP分子的检测研究

环二腺苷酸(c-di-AMP)是原核细胞中普遍存在的第二信使, 不仅能够有效调控细胞生长、离子转运、细胞壁代谢平衡等多种生理过程, 还能引发I型干扰素应答, 激发机体天然免疫反应. 本实验使用单个气单胞菌溶素(Aerolysin)纳米孔道蛋白构建的单分子界面, 对c-di-AMP进行单分子测量研究. 为提高Aerolysin纳米孔对带负电小分子化合物的测量灵敏度, 本实验利用LiCl为支持电解质, 有效屏蔽Aerolysin孔口表面负电荷, 减小c-di-AMP与Aerolysin纳米孔之间的静电排斥, 从而显著增强了Aerolysin纳米孔道对单个c-di-AMP分子的检测能力. 实验结果显示, 在90 mV电压下, 每分钟在LiCl中获得的有效穿孔事件的数量最高可达同条件KCl支持电解质的30倍, 且有效穿孔事件占总体事件的比例在不同电压下提升了7~11倍. 进一步表明, 使用LiCl支持电解质, 可有效增强Aerolysin孔道对带负电小分子化合物的测量灵敏度. 因此, 本研究实现了Aerolysin纳米孔道对单个环二核苷酸的高灵敏免标记检测, 有望为单分子水平上阐明新型免疫干扰机制提供新的分析方法.     

纳米孔道单分子电化学测量仪器的稳定性研究

纳米孔道分析技术是一种基于电化学空间限域效应的单分子检测技术。测量纳米孔道产生的单分子皮安级微弱电流信号对电化学测量仪器的电流分辨、时间分辨和抗噪音能力提出了挑战。Cube纳米孔道电化学测量仪器通过设计频率补偿电路、前置电流放大器测量系统和基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的高速数字处理电路,实现了便携式超灵敏电化学测量仪器对微弱电流信号的高时间分辨、高电流分辨,以及低噪音的放大、采集和快速处理。稳定性是仪器能够应用于实际单分子测量分析的重要衡量指标之一。该文通过高阻值电阻对该仪器进行稳定性测试,在截止滤波频率为5、10、100 kHz条件下,Cube纳米孔道仪器获取的电流基线的噪音均方根(RMS)值分别比商品化仪器减小了80.0%、87.5%、48.2%,证明Cube纳米孔道仪器抑制噪音能力更强,电流分辨能力更好,仪器测量稳定性更佳。进一步通过统计比较施加电压值的实际值和标准偏差,结果显示该仪器施加电压误差小,其仪器施加电压标准偏差仅为施加电压变化量(10 mV)的0.14%。同时,通过Aerolysin纳米孔道检测Poly(dA)4的实验,对比Cube仪器和商品化仪器在不同施加电压下获取的单分子信号残余电流程度,得到两者误差均小于0.01,结果具有可重复性。因此,Cube纳米孔道仪器具有稳定性好、灵敏度高、便携性强的特点,可应用于纳米孔道单分子分析。     

单分子电泳:纳米孔道电化学的新认识

该文旨在从电泳分离技术的角度认识纳米孔道电化学单分子分析技术,这种技术可以作为"单分子电泳"来理解和研究。纳米孔道电化学单分子分析技术与电泳的本质都是采用外加电场使待测分子产生电迁移。待测分子性质不同,且与介质材料孔道外露基团相互作用不同,使得分子移动速度具有差异,据此实现分离识别。气单胞菌溶素（Aerolysin）纳米孔道,由于其孔径与待测分子尺寸相匹配,其孔道内壁可以看作是由氨基酸组成的具有调控单个分子电迁移能力的特异性孔道界面。每一个氨基酸残基都相当于一个探测单元,在电场力的作用下,待测分子逐一进入孔道时与每一个探测单元相互作用方式、程度与时长不同,从而形成了单个待测分子特征的迁移速度和迁移运动轨迹。在纳米孔道实验中,每秒可以有上千个待测分子穿过孔道,产生特征阻断电流信号。通过对这些信号的阻断电流、阻断时间、阻断频率、信号特征等进行统计分析,可以从"单分子电泳"水平对单个待测物实现高通量的分辨和识别。该文以Aerolysin纳米孔道分辨仅有一个核苷酸差异的寡聚核苷酸（5'-CAA-3'、5'-CAAA-3'、5'-CAAAA-3'）为例,详细阐述了纳米孔道"单分子电泳"的单核苷酸分辨能力,展现了电化学限域空间在电泳单分子水平分离技术上的应用。     

Aerolysin纳米孔道对寡聚核苷酸的高灵敏单分子检测

自纳米孔道单分子电化学技术提出以来,为了构建性能良好的纳米孔道,研究人员一直在寻找不同的孔道材料. 本研究探索了Aerolysin生物纳米孔道在寡聚核苷酸检测方面的可能性. 实验结果表明,与常用的α-溶血素纳米孔道相比,Aerolysin纳米孔道在寡聚核苷酸检测方面表现出更强的空间和时间分辨能力. 三个碱基长度的寡聚核苷酸可对Aerolysin纳米孔道造成约为40%的电流阻断. 阻断时间表现出电压相关性,随电压的升高而减小. 与其他生物纳米孔道相比,Aerolysin纳米孔道无需任何基因突变、化学修饰即可实现对单个寡聚核苷酸的超灵敏分析. 未来,Aerolysin纳米孔道将有可能应用于DNA损伤检测、microRNA分析以及其他基于纳米孔道的单分子分析检测.     

单个体矢量性特征的固体纳米孔道分析研究

固体纳米孔道作为一种高灵敏的单分子检测技术,由于其机械强度高、尺寸可控、易于阵列化集成等方面的显著优势,已经被广泛应用于DNA,蛋白质以及聚合物等小分子的检测.具有矢量性特征的各向异性单个体在纳米孔道中的穿孔行为对具有空间限域效应的纳米孔道离子流特征信号具有显著影响.为解析单个体矢量性特征对纳米孔道分析的影响,本工作利用氮化硅固态纳米孔道,以单个纳米金棒为各向异性的单个体模型,实时观测了其在孔道中的迁移行为.研究发现当纳米金棒穿过纳米孔道时,产生两种不同阻断程度的特征电流信号,通过对电流信号事件的解析,实时获取了具有矢量特征的金棒所导致的两种特征过孔事件;进一步,建立了离子电流模型,分别对这两种各向异性的穿孔事件机制进行了验证.     

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.     

新型ITSOFC复合电解质氧化铈-硫酸盐的制备和表征

制备了一种适用于中温固体氧化物燃料电池的新型两相复合电解质钐掺杂二氧化铈SDC-(Li/Na)₂SO₄. 使用XRD和SEM表征该复合电解质的物相结构和观察电解质片的截面形貌,交流阻抗法测量其400 ^oC ～ 700 ^oC的电导率. 结果表明,SDC-(Li/Na)₂SO₄由结晶相SDC和无定形相(Li/Na)₂SO₄组成. 在中温范围（500 ^oC ~ 700 ^oC）该复合电解质电导率比SDC显著增大并随温度升高呈三段变化：T<500 ^oC,表观离子传导活化能为1.28 eV;500 ^oC ～ 550 ^oC第二相硫酸盐融化,电导率激增;T≥550 ^oC,电导率又缓慢增加,活化能降为0.30 eV,与SDC和文献报道的SDC-(Li/Na)₂CO₃相比,其电导率均显著提高,如550 ^oC时SDC-(Li/Na)₂SO₄的电导率可达0.217 S·cm^-1,分别为SDC和SDC-(Li/Na)₂CO₃的25倍和3.2倍. 硫酸盐的熔融改变了离子在电解质中的传导机制,显著提高了SDC-(Li/Na)₂SO₄复合电解质的中温电导率.     

Real-time Event Recognition and Analysis System for Nanopore Study

To achieve fast and accurate analysis of weak current signal of nanopore-based single molecule detection, an online data process based on adaptive threshold algorithm with data buffering technique and finite impulse response filtering was designed. A software system based on the data process was developed for online recognition and analysis of nanopore events during nanopore experiment. To testify the performance of the algorithm and software system, ideal signals with different noise level (20–100 pA) were generated at bandwidth ranging from 3 kHz to 100 kHz. The result showed that this software system was stable at different bandwidths and sampling rates and could be used in analyzing the signals at high noise. The proposed software system was further applied to aerolysin nanopore experiment for detection of poly(dA)₄ molecules. The results showed that the data process system could be applied in real nanopore recording experiment with high accuracy and speed.     

Advances in DNA Origami Nanopores: Fabrication,Characterization and Applications

In recent years, bio‐nanopore and solid‐state nanopore have been greatly improved for molecule bio‐sensing. Whereas, the development of this scientific field seems to have encountered a bottleneck due to their respective limitations. The small pore size of the former impedes the detection of large single molecule, and the latter is difficult to achieve similar accuracy and functional control. DNA origami plays a novel role to bring more opportunities for the development of nanopore technology since it is relatively easy to synthesize and modify. This review mainly focuses on introducing the DNA origami nanopore fabrication methods, characterization and application. Meanwhile, the challenges in the present DNA origami nanopore research are also discussed.     

温度对空间用氢镍电池电化学性能的影响

以60 Ah氢镍电池为研究对象,研究了温度对电池电性能的影响. 结果表明,电池的放电容量、过充电率随着温度均呈先升后降趋势,最高放电容量可达63.68 Ah（-5 ^oC）,电池的适合涓流值及3天自放电率随着温度的升高呈增加趋势,电池的放电容量、过充电率、适合涓流值和自放电率与环境温度之间有近似的代数公式变化关系. -10 ^oC、80%放电深度（DOD）条件下循环3000次后,电池电性能无明显衰降;25 ^oC下循环550次,放电电压跌至0.8 V,电池失效. 结合相关参考文献结果及EIS试验分析可知,25 ^oC下电池循环性能迅速失效主要是由于高温下镍电极更易析氧和发生极板腐蚀,以及高温下镍极板更易粉化所致.     

Mesomorphic behaviour of N,N-dialkanoyl-3,4,5,6-tetramethylbenzene-1,2-diamines and related compounds

DSC, X-ray, broad-line proton NMR, and microscopy studies on several series of N,N' -dialkanoylbenzene-1,2-diamines are presented. The melting point and associated enthalpy are not much affected by methylation of the aromatic nucleus. While the dimethyl compounds carrying heptanoyl-to-hexadecanoyl groups generate metastable mesophases below 111^oC, the 3,4,5,6- tetramethyl compounds carrying propionyl-to-hexadecanoyl groups produce stable hexagonal columnar mesophases appearing mostly above 200^oC. N,N'-dialkylbenzene-1,2-carboxamides are transformed into birefringent viscous fluids exhibiting a focal-conic texture at a temperature between 76 and 99^oC when the alkyl groups are decyl, undecyl, dodecyl, and tetradecyl.     

含PyR14TFSI电解液LiMn2O4正极高温电化学性能

利用差示扫描量热仪（DSC）、电化学工作站、BTS电池测试系统、X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线能量色散谱（EDS）等方法,研究了含离子液体N-甲基丁基吡咯烷二(三氟甲基磺酰)亚胺盐（PyR₁₄TFSI）电解液性能以及LiMn₂O₄电极高温电化学性能. 结果表明,随着1 mol·L^-1 LiPF₆ EC/EMC/DMC（1:1:1,by volume）中PyR₁₄TFSI添加量的增大,电解液的电导率逐渐增大,添加量为2.5%（by mass）时,电解液DSC曲线由89.3 ^oC、201 ^oC、224 ^oC三个强吸热峰变为116.6 ^oC和244.3 ^oC两个强吸热峰;50 ^oC下,LiMn₂O₄倍率性能显著提高,2C放电比容量提高16 mAh·g^-1,100循环周期后容量保持率为88.3%（提高2.2%）. PyR₁₄TFSI添加有利于电极结构的稳定.     

Electrokinetic translocation of a deformable nanoparticle controlled by field effect in nanopores

Nanopores have become a popular single-molecule manipulation and detection technology. In this paper, we have constructed a continuum model of the nanopore; the arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method is used to describe the motion of particles and fluid. The mathematical model couples the stress-strain equation for the dynamics of a deformable particle, the Poisson equation for the electric field, the Navier-Stokes equations for the flow field, and the Nernst-Planck equations for ionic transport. Based on the model, the mechanism of field-effect regulation of particles passing through a nanopore is investigated. The results show that the transport of particles which is controlled by the field effect depends on the electroosmotic flow (EOF) generated by the gate electrode in the nanopore and the electrostatic interaction between the nanopore and particles. That also explains the asymmetry of particle transport velocity in the nanopore with a gate electrode. When the gate potential is negative, or the gate electrode length is small, the maximum deformation of the particles is increased. The field-effect regulation in the nanopore provides an active and compatible method for nanopore detection, and provides a convenient method for the active control of the particle deformation in the nanopore.