單晶硅表面修飾及其納米力學行為研究.pdf

1、基于納米孔的第三代基因測序儀以及相關的關鍵技術對于保護我國自己的基因資源具有戰(zhàn)略意義。要實現(xiàn)該類基因測序技術，目前存在的主要問題：一是 DNA分子過孔速度過快，由于過孔速度過快，通過測試得到的過孔電流的特征來識別過孔的堿基還具有較大困難；二是四種堿基與生物納米孔壁相互作用機理尚不清晰，進一步的研究表明，DNA堿基與納米孔孔壁之間的相互作用力越大，那么納流體中離子的熱運動就越小，而噪聲信號主要就來源于離子的熱運動，增加 DNA堿基與納米孔

2、壁之間的相互作用力有助于提高信噪比。因此研究DNA堿基與壁面的特異性作用對于第三代基因測序具有重大的意義。
　　本文對 DNA兩種堿基的結構進行了分析，從機械特性出發(fā)，研究了單晶硅的納米力學性能，并以單晶硅為基體材料，實現(xiàn)DNA堿基生物分子的組裝，系統(tǒng)的研究修飾機理、固定率的影響因素以及受限條件下修飾表面的力學行為。
　　表征結果表明，腺嘌呤分子A和胸腺嘧啶分子T均有區(qū)別于其他堿基的特征性譜峰。接觸角測量結果顯示，硅基體完全

3、硅烷化的時間為30min左右；醛基化反應在20min時初次形成完整的分子膜，并隨著時間延長逐層生長。DNA堿基鏈的活性氨基基團與硅基體表面的醛基基團發(fā)生反應從而固定在硅基體上。
　　熒光試驗結果表明，影響熒光背景強度的四個因素中，硅烷化試劑的濃度影響最大，硅烷化時間影響最小。當硅烷化和醛基化試劑濃度較低時，堿基A和堿基T的固定率隨著時間的增加均呈現(xiàn)線性增長；當試劑濃度較大時，堿基A和堿基T的固定率均出現(xiàn)極大值。當探針的緩沖溶液pH

4、為弱堿性時，堿基固定率較大；探針點樣濃度為50μmol/L時固定率較高；在同一條件下堿基 A固定率高于堿基T。
　　單晶硅的納米力學研究結果表明：對于既定的最大加載力，隨著壓頭尖端半錐角的增大，單晶硅彈性回復率逐漸增大，而彈性回復量基本恒定；在同一實驗條件下，相較于（100）晶面，單晶硅（111）晶面具有較小的硬度和彈性模量值；隨著最大加載力的增加，單晶硅壓痕周圍材料會出現(xiàn)堆積和表面隆起現(xiàn)象，壓痕的彈性回復量增大，塑性區(qū)的范圍隨著

5、加載力的增大而增大，出現(xiàn)明顯的尺寸效應。
　　修飾面的力學行為研究結果表明：在大氣環(huán)境下，對于10nm以上的間隙，探針與硅片表面法向作用力受表面化學形態(tài)影響較??；在7nm以下間隙，經(jīng)堿基修飾后的表面與探針作用力明顯減小，且探針與堿基A和堿基T的作用力受加載速率的影響較大。隨著法向力的增加，探針與硅基體的橫向作用力增加，摩擦系數(shù)逐漸減小；探針與不同修飾條件下硅片表面產(chǎn)生了不同的相互作用力。此外，與堿基T相比，由堿基A修飾后表面所產(chǎn)生