DNA分子操纵与分子电子学

简要介绍了DNA分子研究的进展,包括DNA分子的导电性、DNA分子器件、DNA分子与外界的连接、DNA分子操纵技术及DNA分子和纳米碳管的比较,并展望了DNA分子电子学及相关领域的发展趋势。     

基于LiCl盐浓度梯度的固态纳米孔DNA分子检测

针对生物分子通过固态纳米孔的速度过快所引起的低时间分辨率问题,采用氯化锂(LiCl)盐溶液和盐浓度梯度相结合的方法来提高检测过程中信号的时间分辨率。通过在氮化硅薄膜上制备固态纳米孔,并在纳米孔两端施加LiCl盐浓度梯度进行DNA分子检测,发现DNA分子信号频率随LiCl盐浓度梯度的增加呈指数递增趋势,10倍浓度梯度下的信号频率约为平衡浓度下的107倍,极大地增加了单位时间内纳米孔对DNA分子的捕获效率。在10倍浓度梯度下对样品进行检测,发现DNA分子易位时间达到了(10.22±0.41)ms,对比平衡浓度下的检测结果((0.93±0.07)ms),实现了易位时间1个量级的延缓,极大地提高了DNA分子的检测灵敏度。该研究结果表明在固态纳米孔两端施加不同LiCl盐浓度梯度可明显提高纳米孔检测DNA分子的时间分辨率,从而有效提高纳米孔检测DNA分子的灵敏度。     

基于"纳米蘸笔技术"的单个纳米颗粒在不同基底表面的转移

本文介绍了一种可定位拾取并重新放置单个纳米颗粒的方法.这种技术被命名为"单颗粒纳米蘸笔技术".它采用原子力显微镜针尖作"笔",俘获基底表面的单个纳米金颗粒,并将之精确定位地转移到其它基底表面.     

单分子三维取向超分辨成像技术进展（特邀）

超分辨显微成像技术自诞生以来,凭借其优异的纳米级空间分辨率,已成为生命科学研究中精准揭示复杂生命现象的重要成像技术。其中,基于单分子定位的超分辨成像策略,使得定位、观察、研究单个探针分子独特的理、化、光学性能成为可能。偏振作为荧光信号的一个重要特性,近年来伴随着单分子三维取向成像技术的发展,逐步在单分子成像和超分辨领域中展示出诸多新颖且重要的应用特性。本文总结了单分子三维取向超分辨成像技术的最新进展,介绍并分析了两类主要的单分子三维取向荧光显微技术——基于荧光吸收与辐射偏振调制的单分子三维取向成像方法以及利用点扩散函数工程将单个荧光分子的三维取向信息编码到荧光图像上的成像策略。此外,还探讨了应用于活细胞或单颗粒的其他类型的超分辨取向成像技术。最后,针对单分子三维取向超分辨成像技术发展与应用前景面临的挑战,进行了总结与展望。     

基于纳米尺寸的分子电子信息存储研究

以有机分子为基础的"纳米存储"是一种新型的数据存储系统,具有替代目前广泛应用的半导体存储器件的趋势。目前,有两种"分子"被潜在地应用于"纳米存储",一种是分子电子器件,包括分子导线、分子整流器、分子开关以及分子晶体管;另外一种应用了纳米结构的材料,如纳米管、纳米导线以及纳米粒子等。本文以分子电子器件的制备和构筑单元的设计为视角,根据分子结构、装置类型、终端电极的数目以及分子介质的状态对分子电子器件进行了分类,同时也对分子结的制备、特征、电荷转移机制以及三终端分子器件、树状化合物分子尺寸纳米电荷存储的发展进行了探讨,并对纳米信息存储存在的问题及发展方向进行了展望。     

高通量单分子定位显微成像技术进展（特邀）

由于衍射极限的存在,传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术,为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高、成像范围大和成像时间短等特点,在生物医学领域广泛用于观察和分析复杂的生物结构和功能。从基于硬件扫描的拼接成像技术、基于大面阵sCMOS的大视场高通量成像技术、大景深单分子定位成像技术、高通量数据分析技术4个方面回顾近年来大视场高通量单分子定位技术的研究进展。最后,对大视场高通量单分子定位成像技术的发展方向进行展望。     

分子通信研究综述

基于生物启发的分子通信是一种以生物化学分子作为信息载体、用于互联纳米机器以组成分布式纳米网络的通信技术。归纳了分子通信的定义和特性,以及基于分子通信纳米网络的应用领域和国内外相关领域的重要科研活动与项目;介绍了分子通信的系统结构,其中重点描述了信息分子的传输机制;分别从系统的设计与实现、理论研究和基于分子通信的纳米网络技术3个方向总结和分析了分子通信的研究与发展现状,并展望了未来的研究方向。     

自组装与纳米技术

自组装技术是制备纳米结构的几种为数不多的方法之一。本文对最近几年自组装技术在纳米科技领域中的一些重大突破和成果进行较为系统地综述，主要包括以下几个方面：自组装单层膜、纳米尺度的表面改性、超分子材料、分子电子学与光子晶体。     

可测量磁场的超导纳米导线

美国Illinois大学UrbanaChampaign校区的研究人员使用DNA分子支架研制出的超导纳米器件证实了一种新的量子干扰.这种器件可用来测量磁场和测定超导区域.一位研究人员说：“利用DNA的自我装配过程可为带有分子线度的电子器件制造出复杂的支架.”     

基于传声器阵列的声源定位系统设计

传声器声源定位是利用传声器阵列拾取声音信号,并用数字信号处理技术对其进行分析和处理的声源定位技术。设计了一种基于MUSIC算法的声源定位系统,该系统以数字信号处理器(DSP)为控制核心,通过TMS320C6747高速数字信号处理器,提高了系统处理速度,简化了设计,能更好的满足声源定位的要求。经测试,该系统具有实时、高速、精度高及可靠性好的优点。     

基于PVDF压电传感器的采摘机械手研究

针对目前果实采摘机械手无法准确自主判断抓取力度的问题,利用聚偏氟乙烯(PVDF)的压电敏感特性,研究出一种基于PVDF压电薄膜传感器的果实采摘机械手。通过采集PVDF压电薄膜传感器输出信号判断果实采摘机械手对应抓取力的变化,利用模糊控制理论控制电机实现果实抓取。同时加入过力保护功能,当测得的抓取力大于预设值时,机械手停止抓取。实验结果表明,基于PVDF压电传感器的采摘机械手能够可靠地实现果实抓取。     

基于压电驱动的靶球筛选操作机理及实验研究

针对惯性约束聚变中靶球筛选操作的粘着问题,提出一种基于压电驱动控制的微操作方法,并结合微机电系统(MEMS)技术和微驱动方法,研制压电驱动操作模块用于实验研究.首先,分析微尺度对象粘着机理并进行粘着接触模型的建立,并在此基础上提出对操作工具施加振动,利用惯性力作用克服粘着力的动态操作方法;同时,结合靶球筛选操作的特点,分析操作控制策略;最后建立了基于压电驱动的微操作实验系统.针对直径Φ50～400 μm的靶球对象进行操作实验,成功实现了靶球样品的高效、准确拾取和释放,拾取和释放成功率大于90％.     

旋转载体用硅微机械陀螺的相位研究

介绍了利用旋转载体自身旋转作为驱动力的硅微机械陀螺的相位提取技术。当陀螺的敏感轴平行于载体偏转平面时，硅摆所受的哥氏力最大，输出为正弦信号的峰值；当它的敏感轴和偏转平面垂直时，输出为正弦信号的零值。因此，以载体的自转信号为基准，通过比较输出信号波峰在输入基准坐标中相位的变化可知敏感轴的方向，进而能够确定旋转平面及载体在空间中的偏转方向。     

旋转载体用硅微机械陀螺的相位研究

介绍了利用旋转载体自身旋转作为驱动力的硅微机械陀螺的相位提取技术。当陀螺的敏感轴平行于载体偏转平面时,硅摆所受的哥氏力最大,输出为正弦信号的峰值;当它的敏感轴和偏转平面垂直时,输出为正弦信号的零值。因此,以载体的自转信号为基准,通过比较输出信号波峰在输入基准坐标中相位的变化可知敏感轴的方向,进而能够确定旋转平面及载体在空间中的偏转方向。     

A label-free,organic transistor-based biosensor by introducing electric bias during DNA immobilization

We report an improved label-free DNA sensor based on pentacene organic thin-film transistors (OTFTs). OTFT with top-contact structure was first fabricated by using pentacene as the active layer. Different electric biases were introduced between the source and gate contacts of OTFT during the single-stranded DNA (ssDNA) immobilization process in order to improve the immobilization efficiency of DNA molecules on the pentacene substrate. Atomic force microscopy (AFM) images show the application of positive bias can significantly improve the amount of the immobilized ssDNA. The potentiostatic effect of bias can induce more ssDNA molecules onto the pentacene surface, which leads to the improvement of sensor sensitivity reflected by the electric signals of OTFTs. Furthermore, an optimized immobilization time of 30 min was obtained at a constant bias that exhibits the highest immobilization efficiency. With this design, the optimized process conditions (+50 V bias and an immobilization of 30 min) for the ssDNA immobilization on the pentacene film were also obtained. As a result, the introduction of bias during immobilizing ssDNA molecules has been proposed to improve the immobilized efficiency, which provides an effective path to enhance the sensitivity of OTFT-based DNA sensors.     

Automated DNA fragments recognition and sizing through AFM image processing.

This paper presents an automated algorithm to determine DNA fragment size from atomic force microscope images and to extract the molecular profiles. The sizing of DNA fragments is a widely used procedure for investigating the physical properties of individual or protein-bound DNA molecules. Several atomic force microscope (AFM) real and computer-generated images were tested for different pixel and fragment sizes and for different background noises. The automated approach minimizes processing time with respect to manual and semi-automated DNA sizing. Moreover, the DNA molecule profile recognition can be used to perform further structural analysis. For computer-generated images, the root mean square error incurred by the automated algorithm in the length estimation is 0.6% for a 7.8 nm image pixel size and 0.34% for a 3.9 nm image pixel size. For AFM real images we obtain a distribution of lengths with a standard deviation of 2.3% of mean and a measured average length very close to the real one, with an error around 0.33%.     

基于纳米操纵和单分子成像及分析技术的DNA与DNase I相互作用的表面机械生化过程和动力学研究

本文采用了"多步的改进的动态分子梳"纳米操纵技术(multi-step modified dynamic molecular combing,MMDMC)实现样品制备获得不同拉伸程度单个DNA分子,利用原子力显微镜重定位成像和单分子分析,对反应前后不同拉伸程度DNA分子的DNase I酶切产生缺口情况进行统计,在一定拉伸范围内讨论了在表面上DNase I酶切反应速率变化的动力学信息.该不同拉伸程度的DNA与DNase I相互作用的表面机械生化过程对于生物分子多次反复相互作用研究体系具有代表性意义.     

一种基于指纹细化图的脊线追踪算法

指纹属性是指纹的重要特征,脊线追踪是进行指纹属性拾取的前提。本文提出了一种在细化后的指纹图像上实现脊线追踪的算法,该算法以细节端点和叉点为起始点,沿着脊线的方向逐点进行跟踪,从而遍历指纹细化图中所有脊线。实验结果表明,该算法对细化后的指纹图像具有较好的脊线追踪效果,从而为指纹属性的拾取打下了良好的基础。     

应用Fe~(3+)在裸云母表面制作DNA分子的AFM样品的方法

原子力显微镜(AFM)既是观测生物大分子的有力工具,也是生物单分子操纵的有力工具.脱氧核糖核酸分子(DNA)是记栽了生物信息的重要生命分子,同时也是在分子器件领域具有极大潜力的天然纳米材料.利用AFM对DNA分子观察和操纵时,制样是关键.云母具有原子级平整的表面可作为观测DNA分子时的基底,但由于其表面负电性而不能和DNA分子很好地结合,所以通常需要对云母进行表面修饰.本文给出一种通过加入适量三价铁离子溶液在裸云母表面制作DNA样品的方法,可取代传统的云母表面修饰.该制样方法既可应用到基于AFM技术的DNA分子的形貌观察,也可应用在基于AFM技术的对DNA的单分子操纵.     

硬件实现基于SOBEL算子的图像边缘提取

针对检测数字图像灰度梯度的最大值法,采用SOBEL边缘检测算子对数字图像进行边缘检测,并利用硬件(大规模可编程逻辑器件CPLD)实现了数字图像的边缘提取。试验程序由VHDL硬件描述语言编写。试验结果表明,利用SOBEL边缘检测算子进行数字图像的边缘检测和提取其效果比较理想。