远场光学超分辨成像技术研究DNA单分子穿越纳米通道的流动特性

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61775181
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0511.生物、医学光学与光子学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

To exactly manipulate the DNA molecules moving uniformly inside nanochannels with a fully stretched length has significant impact in the realizations of ultra-fast DNA sequencing of nanopore technique, biochemical molecular sensor and lab-on-a-chip with high integration and intellectualization. Because of the lack of effective technology for measuring the multiphysical quantities with required simultaneous high spatial and temporal resolutions, the research of nanofluidics had been limited to the theory and simulation. In this project, one kind of far-field optical super-resolution imaging analysis system is innovated, which integrated the Stimulated emission depletion (STED) nano/microscopy technology, the Laser-induced fluorescence photobleaching anemometer (LIFPA) technology, the laser spot array light source technology and the two-color fluorescence imaging technology. The system can achieve an unprecedented ultrahigh spatial resolution about 20nm and high temporal resolution about 1μs to 500ms. By combining a micro current meter with femto-ampere resolution and constant-voltage DC source with microvolt resolution, we will experimentally study and characterize the immigration and conformation of DNA molecule with the influencing factors, i.e., radius and shape of the channel, PH value and concentration of buffer solution, length and sequence of DNA, when the DNA molecule is driven to transport through the nanochannel with an external electric field force. Under consideration of the overlapping electrical double layer, van der Waals force, Zeta potential around the DNA molecule, a non-continuous flow model will be employed to theoretically elucidate the electrodynamic properties and the detailed mechanism of biomolecules such as DNA molecule passing through the nanochannel.
精准操纵DNA分子在纳通道内均匀拉伸、匀速运动,对于实现纳米孔全基因测序技术、分子生化传感器与芯片实验室的高度集成及实用化等具有重要的科学意义和实际价值。本项目针对目前纳通道流体物理特性尚无同时具备高空间、高时间分辨率的有效测量方法与技术,基于自主研建的结合了激光受激辐射损耗成像技术、激光诱导荧光漂白测速技术的远场光学超分辨成像显微分析系统,发展激光点阵列光源技术、双色荧光成像技术,获得空间分辨率~20nm、单幅成像时间1μs~500ms;进而结合微伏精度恒压直流源、飞安精度电流测试仪,研究在外电场力作用下,DNA分子穿越形状与大小不同的纳通道时,其位置迁移、构象变化及速度矢量等特性与纳通道性质、DNA长度及排序、缓冲液性质等之间的定量关系;联合非连续流理论,考虑重叠电双层、范德瓦尔斯力、Zeta电势等因素,阐明DNA分子穿越纳通道的电动力学特性,揭示其在纳通道内匀速运动的详细机制。

结项摘要

准确理解DNA分子在外电场作用下,穿越微纳流体通道的动力学规律、详细机理,进而精准操纵单个DNA分子在纳通道内均匀拉伸、均匀运动,对于实现纳米孔全基因测序技术、分子生化传感器与芯片实验室的高度集成及实用化等具有重要的科学意义和实际价值。.本项目基于单点扫描 STED 超分辨成像技术、激光诱导荧光漂白测速LIFPA技术,利用相位图条状分割方法,结合德拜衍射积分理论,通过空间光调制器、在高NA物镜的焦平面形成形状均匀、位置灵活6维可调的点光斑阵列;解决基于点阵列 STED 超分辨成像技术的纳通道流体流速测量仪(nLIFPV)所涉及的关键难题,实现成像空间分辨率~20nm,单幅成像时间 1µs~500ms。搭建了双色(405nm/532nm、470nm/640nm)超分辨成像STED系统,优化光路,实现了系统的紧凑、小型化,开展相关配套量子点(半导体量子点、碳量子点)染料的筛选、研发;系统研究荧光染料Coumarin102的性质;将ATTO390染色用于神经母瘤细胞的研究,分辨率达到了120nm。.本项目基于LIFPA研究微米通道绝缘壁面电双层附近的线性振荡电渗流在弱交流电场下的流动响应,发现在远离电极表面并平行于电场的侧壁面处,存在混沌状态的交流电场电渗流;基于飞安级微电流监测仪,采用三电极系统,实时监测外电场作用下,缓冲液TBE穿越亚微米通道(内径200nm)时的电流-电压特性,发现当电场强度低于临界值6.7V/m时,溶液在通道内近壁面表现为非牛顿流体特性,而且有剪切增稠现象;研究λ-DNA分子在混合有金属离子(K+和Na+, Mg2+和Ca2+)情况下通过微毛细管(5mm,10mm,50mm等)时的电流-电压关系,提出利用指数的幂律模型评估极化对施加电压的敏感性,这对于理解、设计基于电泳原理的 DNA 检测方法及提高检测和操控微流体中单个 DNA 分子的准确性具有重要意义。.利用单分子荧光成像系统,研究DNA分子在电场作用下,进出微米通道端口的动力学特性,发现DNA分子在穿越微米通道时所发生反转、往复、旋转等现象,主要原因是DNA分子穿越通道时,除了受轴向电泳力、电渗力、液体反压差力等,还受萨夫曼力和马格努斯力的作用,这为后续研究生物分子、药物分子/粒子等与DNA分子作用,并基于可视化微通道技术揭示作用机制,研发生化分子传感芯片、临床检测仪器等,奠定了基础。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Nano-PAA-CuCl2 Composite as Fenton-Like Reusable Catalyst to Enhanced Degrade Organic Pollutant MB/MO
纳米 PAA-CuCl2 复合材料作为类 Fenton 可重复使用催化剂增强降解有机污染物 MB/MO
  • DOI:
    10.3390/catal11010010
  • 发表时间:
    2021-01-01
  • 期刊:
    CATALYSTS
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Dang, Yang;Cheng, Yu;Wang, Kaige
  • 通讯作者:
    Wang, Kaige
Studying compaction-decompaction of DNA molecules induced by surfactants
研究表面活性剂诱导的 DNA 分子压缩-解压缩
  • DOI:
    10.1016/j.bbrc.2017.12.151
  • 发表时间:
    2018-01-22
  • 期刊:
    BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Li, Xiaoyan;Sun, Dan;Wang, Guiren
  • 通讯作者:
    Wang, Guiren
Enhanced photoluminescence emission and surface florescence response of morphology controllable nano porous anodize alumina Zn-Al LDH film
形貌可控纳米多孔阳极氧化铝Zn-Al LDH薄膜的增强光致发光和表面荧光响应
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Journal of Alloys and Compounds
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Yukun Zhou;Xiaoqing Li;Kaige Wang
  • 通讯作者:
    Kaige Wang
Enhanced degradation effect of nano-PAA-CuCl2 with controllable 3D structure as heterogeneous Fenton-like catalyst over a wide pH range
具有可控3D结构的纳米PAA-CuCl2作为非均相类芬顿催化剂在宽pH范围内增强降解效果
  • DOI:
    10.1007/s10853-019-03420-z
  • 发表时间:
    2019-05-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Cheng, Yu;Wang, Kaige;Bai, Jintao
  • 通讯作者:
    Bai, Jintao
基于单分子成像技术研究 l-DNA 分子穿越微米 通道端口的电动力学特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    物 理 学 报   
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王琼;王凯歌;孟康康;孙聃;高爱华
  • 通讯作者:
    高爱华

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其他文献

Interpreting the biochemical speci ̄city of mouse spinal cord by confocal raman microspectral imaging
通过共焦拉曼显微光谱成像解释小鼠脊髓的生化特异性
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    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    王爽
基于偏振光相位调制的超衍射极限空间结构光研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    白晋涛
波浪作用下沉积物中重金属Cu释放规律研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    海洋科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张皓清;贾永刚;荆少东;王凯歌;卢芳;潘玉英;刘锦昆
  • 通讯作者:
    刘锦昆
抽提物对生物质热裂解机理的影响研究
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    刘倩
基于连续激光的纳米结构研制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    应用光学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王凯歌;张琛;赵伟;冯晓强;孙聃;李红福;范连斌;白晋涛
  • 通讯作者:
    白晋涛

其他文献

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王凯歌的其他基金

基于超分辨成像和测速技术研究微/纳限域内DNA-药物分子作用特性与机理
  • 批准号:
    62275216
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    52.00 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于超分辨成像和测速技术研究微/纳限域内DNA-药物分子作用特性与机理
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    2022
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    52 万元
  • 项目类别:
    面上项目
DNA单分子穿越内径<10nm纳米通道机制的实时可视化研究
  • 批准号:
    61378083
  • 批准年份:
    2013
  • 资助金额:
    94.0 万元
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    面上项目
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  • 资助金额:
    60.0 万元
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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