基于有限元方法的纳米孔及带电颗粒穿孔仿真研究

论文摘要

纳米孔单分子检测技术是近年来生物检测的一个研究热点,它可以广泛的用于各种生物分子及化学物质的检测。其中的单分子DNA测序技术因其速度快、费用低等优点被认为是最有前景的第三代测序技术,也是目前的研究重点。纳米孔单分子检测技术以Coulter计数器原理为基础。用带有纳米孔的薄膜分隔电解液溶液,并在膜两端施加电压可检测到流经纳米孔的离子电流,当表面带有电荷的分子颗粒和穿过纳米孔时,因其体积占据将使穿孔电流有所下降,穿孔电流的特征即反应了待测分子的性质。本文以Nernst-Planck模型为基础,用COMSOL Multiphysics软件建立了纳米孔及带电颗粒的有限元模型,仿真了纳米孔及带电分子颗粒穿过纳米孔时的电流变化、电场分布、离子电荷的分布和流体流动的情况以及各种影响因素的作用。对纳米孔电学性能的仿真实验发现,在各溶液浓度条件下,纳米孔的I-V曲线均为线性;但纳米孔电导却在低浓度条件时,随浓度的变化非线性的改变,究其原因,是由于纳米孔中的电渗作用在低浓度条件下更显著而造成的。在带电颗粒穿越纳米孔的过程中,颗粒对孔的部分阻塞会造成纳米孔电流的下降,但同时,孔中的电渗效应则增大了纳米孔电流,因此,总的穿孔电流大小是这两种因素共同作用的结果。由于电渗效应的增强效果,在很低的溶液浓度条件下,穿孔电流甚至会出现较初始值升高的情况。带电颗粒的尺寸对穿孔电流特征曲线也有较明显的影响,一般地,颗粒越细短,穿孔过程对电流的变化影响越小。本文所得结果与实验结果符合的较好,能够很好的解释各种现象的原因。同时,针对本模型的限制,本文也提出了一些改进方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物孔DNA 分子穿孔的相关研究
• 1.1.1 核酸链组成的影响
• 1.1.2 链方向的影响
• 1.1.3 链长度的影响
• 1.1.4 分子穿孔频率
• 1.1.5 陷捕DNA 分子
• 1.2 人造固态孔DNA 分子穿孔的相关研究
• 1.2.1 链长对穿孔时间的影响
• 1.2.2 电解质溶液浓度的影响
• 1.2.3 DNA 分子链折叠
• 1.2.4 减缓DNA 穿孔速度
• 1.3 肽、蛋白、聚合物的纳米孔检测
• 1.4 纳米孔分子识别位点检测
• 1.4.1 基因工程化的识别位点
• 1.4.2 共价键连接位点
• 1.4.3 非穿孔电流的检测方法
• 1.4.4 分析物固定于纳米孔
• 1.4.5 纳米孔的离子选择
• 1.5 纳米孔计算机仿真的研究
• 1.5.1 分子动力学
• 1.5.2 蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟
• 1.5.3 连续性方程的方法
• 1.6 本文的研究内容及研究意义
• 第二章 物理基础与模型建立
• 2.1 微观流体中的物理效应
• 2.1.1 电渗效应（Electroosmosis）
• 2.1.2 电泳效应（Electrophoresis）
• 2.1.3 小雷诺数效应
• 2.2 纳流体模型
• 2.2.1 NP 模型
• 2.2.2 PB 模型
• 2.3 本文采用的模型
• 2.3.1 几何模型
• 2.3.2 符号说明
• 2.3.3 控制方程
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 网格划分
• 2.4 本章小结
• 第三章 纳米孔电学性能
• 3.1 电势及净电荷分布
• 3.1.1 电势分布
• 3.1.2 纳米孔周围电解质溶液的电荷分布
• 3.2 纳米孔微观状态及影响因素
• 3.2.1 电势分布情况
• 3.2.2 溶液电荷分布
• 3.2.3 流体流动
• 3.3 纳米孔I-V 特性
• 3.3.1 I-V 曲线及溶液浓度的影响
• 3.3.2 表面电荷对I-V 曲线的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 带电颗粒穿孔电流变化及影响因素
• 4.1 电势和净电荷分布
• 4.2 颗粒长度对穿孔电流的影响
• 4.3 颗粒直径对穿孔电流的影响
• 4.3.1 杆状颗粒
• 4.3.2 球状颗粒
• 4.4 浓度对穿孔电流的影响
• 4.4.1 杆状颗粒
• 4.4.2 球状颗粒
• 4.5 孔壁表面电荷对穿孔电流的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文目录