基于纳米颗粒过孔电动力学检测的数字式滚环扩增反应芯片基础研究

With the rapid development of microelectromechanical system technique and its integration into the biomedical field, the micro/nanofluidics device, which can achieve very high-sensitive nucleic acid in-situ detection, is becoming an important topic in biomedical diagnostics. This proposal aims to set a digital rolling circle amplification chip for high-sensitive microRNA detection, trying to convert the microRNA information to surface charge density of nanoparticle by a confined-to-surface rolling circle amplification, which can thereby realize the information conversion from the target microRNA to the detectable electrical signal. The variation of the surface charge density is related to the change of ion concentration polarization status of the nanoparticle. This leads to a detectable nanopore through electrical signal and can be detected by an electrode pair embedded in a nanopore. The above three information transformation processes construct the fundamental working principle of a digital rolling circle amplification chip for microRNA detection. The key sensing unit, a nanopore with an embedding electrode pair can be achieved with the micro/nanoelectromechanical system technique. This work will be a solid footstone for the development of digital rolling circle amplification chip.

随着微纳机电系统技术（MEMS）的快速发展及其与生物医学技术的深度融合，实现能够高精度核酸检测的微纳流控器件成为近年来生物医学传感领域的重要研究方向之一。本项目以能够实现microRNA高精度检测的数字式滚环扩增反应芯片为研究目标，通过单个microRNA限位于纳米颗粒表面的滚环扩增反应转化为纳米颗粒表面电荷密度信息，从而实现目标分子识别；由纳米颗粒表面电荷密度变化引起表面离子浓度极化特征改变获得识别信号的转化；进而通过内嵌检测电极对的纳米孔实现表面离子浓度极化特征变化到纳米孔易位信号拾取；由上述三个过程相结合有望实现单个microRNA检测水平的数字式滚环扩增反应芯片新原理，再通过MEMS技术制备内嵌检测电极对的纳米孔关键传感结构，以期解决数字式滚环扩增检测芯片的基础问题，为后续研究奠定基础。

纳流体（Nanofluidics），即纳米尺度受限空间内表面主导的体相离子输运特性研究是目前微纳流控领域的研究前沿热点之一，在探索下一代临床诊疗、环境质量/食品安全监控等领域所急需的超灵敏生化检测方法中也具有巨大的应用潜力。项目组在对纳米颗粒堆积或微结构嵌入单纳米颗粒所构成的三维微纳结构的离子输运特性研究过程，发现构成的基于纳米颗粒（自组装堆积）的纳流体晶体是一种非常理想的超灵敏生化目标分子检测平台方法，项目组通过深入研究基于纳米颗粒的纳流体器件物理模型，分析了锥形纳米孔内纳米颗粒主导的离子输运过程以及限域孔径内自组装纳米颗粒晶体内的离子输运过程，利用纳米颗粒表面电荷引起的离子浓度极化现象实现器件局域离子浓度的精确调控，项目组开发出单纳米颗粒纳流体传感器、高读出一致性的纳流体晶体传感器等多种纳流体晶体生化传感芯片，实现了多种对象的超灵敏检出（低至10 aM量级的生物素检出），并实现了生理样品中痕量蛋白质、多肽以及核酸的高精度检出。