《DNA分子穿越納米孔道過程中電解質溶液的輸運特性》是依託上海大學，由胡國輝擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：DNA分子穿越納米孔道過程中電解質溶液的輸運特性
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：胡國輝
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
納米孔測序技術是極具套用前景的下一代DNA測序技術。電解質中的離子在電場作用下通過納米孔道時產生電流，DNA分子穿越納米孔時電流將產生堵塞。該技術通過測量不同核苷酸引起特定形式的電流改變確定生物分子的核酸序列。對於這個典型的多尺度、多物理場問題，理論上用基於微觀的分子動力學模擬或者基於巨觀的電流體力學方程都存在本質的困難。對某些關鍵問題，如電解質溶液中電流和納米孔直徑的關係，目前的理論、實驗和模擬結果還存在一定的差異。本項目擬運用密度泛函理論，耦合Planck-Nernst方程和流體力學方程，並結合分子動力學模擬，研究電解質溶液中DNA分子穿越納米孔的過程，重點分析流體輸運、濃度極化層、納米尺度水分子結構等因素對通過納米孔的電流、DNA穿越速度的影響，並力圖分析造成現有研究結果之間差異的原因。這些結果將對納米孔測序技術的研究和開發有一定的意義，並加深人們對微納米尺度流動現象的理解。
結題摘要
納米孔測序技術是極具套用前景的下一代DNA 測序技術。電解質中的離子在電場作用下通過納米孔道時產生電流，DNA 分子穿越納米孔時電流將產生堵塞。該技術通過測量不同核苷酸引起特定形式的電流改變確定生物分子的核酸序列。對於這個典型的多尺度、多物理場問題，理論上用基於微觀的分子動力學模擬或者基於巨觀的電流體力學方程都存在本質的困難。針對DNA分子穿越納米孔道中流體輸運過程，本項目運用密度泛函理論、分子動力學模擬、耗散粒子動力學等微觀、介觀技術手段，研究了電解質溶液穿越納米孔的輸運過程、DNA分子在納米孔中的輸運、液滴在平板上的三維運動等問題。本項目已在Physics of Fluids、Nanotechnology等期刊上發表學術論文11篇，其中SCI收錄10篇，超額完成了預定的目標，目前這些論文已被SCI引用40餘次；發展了分子動力學軟體LAMMPS中耗散粒子動力學模組；培養研究生7名，其中碩士生5名，博士生2名。以上成果達到了申請書預期的目標。本項目突出的亮點成果包括:（1）在研究電解質溶液穿越納米孔的流體輸運問題中，發現了納米尺度旋渦的發生；（2）描述了潤濕性梯度驅動液滴在平板上運動中的三維內部流場形態，並發現熱漲落起到加速液滴運動的作用；（3）運用密度泛函理論，分析了DNA分子在納米孔道中的受力情況，得到了與實驗相符合的理論結果，澄清了基於Poisson-Boltzmann方程的結果存在的缺陷，並分析了電荷反轉現象及其對流動的影響。這些結果將對納米孔測序技術的研究和開發有一定的意義，並加深人們對微納米尺度流動現象的理解。
