Quantized biopolymer translocation through nanopores: departure from simple scaling
我们讨论了多尺度模拟长生物聚合物易位通过宽纳米孔，可以容纳多个聚合物链。模拟提供了折叠量子化的明确证据，即易位通过多折叠配置进行，其特征在于一个明确定义的整数倍。因此，易位时间获得依赖于平均折叠数，这导致偏离单指数幂律表征单列易位通过窄孔。折叠量子化的机制允许聚合物超过阈值长度（对于双链DNA大约为$1,000$持续长度）表现出合作行为，并因此显著更快地移位。
2009-02-27 physics.bio-ph physics.comp-ph
How capture affects polymer translocation in a solitary nanopore
具有高保真度的DNA捕获是纳米孔移位的重要部分。我们报告了几个重要方面的捕获过程和随后的易位的模型DNA聚合物通过固态纳米孔中存在的扩展电场使用布朗动力学模拟，使我们能够记录统计的构象在每个阶段的易位过程。通过从不同的等电位释放平衡的DNA，我们观察到捕获时间分布依赖于初始起始点，并遵循泊松过程。场梯度在其朝向纳米孔的途中延长DNA，并且即使在多次失败的穿线尝试之后也有利于成功的移位。即使在极其狭窄的孔的限制下，完全柔性的链也具有有限的发夹环捕获概率，而对于较硬的链，该概率降低并促进单列移位。我们的计算机模拟研究识别并区分了由于单个文件移位引起的平均首次通过时间的特征分布和由于不同类型的折叠移位引起的平均首次通过时间的特征分布，并为解释实验观察到的折叠提供了直接证据[M. Gershow等人，国家纳米技术2，775（2007）和M. Mihovilovic等人，Phys. Rev. Linguistics. 110，028102（2013）]中的纳米孔中。最后，我们展示了一个新的发现，在DNA的$5^{\prime}$末端连接的带电标签提高了多次扫描速率以及单向易位（$5^{\prime} \rightarrow 3^{\prime}$）的概率，这将有利于基因组条形码化和测序实验。
2022-03-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dynamics of polymer translocation into a circular nanocontainer through a nanopore
使用Langevin动力学模拟，我们调查的动力学聚合物易位到一个圆形的纳米容器通过纳米孔下的驱动力$F$。我们观察到，易位概率最初增加，然后饱和增加$F$，独立于$ϕ$，这是整个链的平均密度在纳米容器。随着$ϕ$的增加，易位时间分布经历从高斯分布到非对称分布的转变。此外，我们发现一个非通用的比例指数的易位时间的链长，依赖于$ϕ$和$F$。这些结果被解释的构象的易位链在纳米容器和时间的一个单独的部分通过孔在易位。
2012-12-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Topological jamming of spontaneously knotted polyelectrolyte chains driven through a nanopore
固态纳米器件的出现允许通过磁性地驱动其通过纳米孔来询问单链的物理化学性质。最近的易位过程的显着动力学方面的特点是模型聚合物链的理论和计算研究从自纠缠。然而，足够长的平衡链必然打结。这种拓扑结构的“缺陷”的易位过程中的影响在很大程度上是未开发的，并在本研究中解决。通过使用布朗动力学模拟的粗粒度的CO2模型，我们表明，结，尽管被困在孔入口处，不“本身”导致的易位过程堵塞。相反，结引入随着施加的力而增加的有效摩擦，并且实际上在阈值力以上停止移位。预测的动态交叉，这是实验上可验证的，是相关的应用背景下，如DNA纳米孔测序。
2012-07-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Chaperone driven polymer translocation through Nanopore: spatial distribution and binding energy
伴侣蛋白是结合蛋白，其作为驱动力通过在孔附近结合生物聚合物并防止其回滑来偏置生物聚合物易位。伴侣可能具有不同的空间分布。最近，我们展示了它们的空间分布在易位中的重要性以及它如何影响易位时间的序列依赖性。在这里，我们专注于均聚物和指数分布。由于伴侣蛋白的指数分布，易位时间的能量依赖性将改变，并且在易位时间与有效能量的曲线中看到最小值。在时间对聚合物长度的标度指数$β$（$T\simβ$）中可以看到相同的趋势。有趣的是，在一些特殊情况下，例如大小为$λ=6$且具有$α=5$的指数分布率的分子伴侣，最小值甚至达到小于$1$（$β<1$）的量。我们解释了这种罕见的结果的可能性和理论讨论的基础上，我们表明，通过考虑到聚合物长度的易位的速度依赖性，可以真正预测这个最小值的量。
2016-09-07 physics.bio-ph
Multiscale coupling of molecular dynamics and hydrodynamics: application to DNA translocation through a nanopore
我们提出了一个多尺度的方法来建模的聚合物动力学在流体溶剂的存在下。该方法结合朗之万分子动力学（MD）技术与介观格子玻尔兹曼（LB）方法的溶剂动力学。本方法的一个独特的特点是，溶质大分子和水溶剂之间的流体动力学相互作用的处理明确，但在计算上易于处理的方式，由于双粒子场性质的LB求解器。本LB-MD多尺度方法的适用性证明了聚合物快速易位通过纳米孔的问题。我们还提供了一个解释，我们的结果的背景下，DNA易位通过纳米孔，一个问题，最近引起了理论和实验的关注。
2007-01-02 physics.bio-ph physics.comp-ph
DNA translocation through nanopores with salt gradients: The role of osmotic flow
双链DNA在纳米孔中转位的最新实验[M. Wanunu \textit{et al.} Nature Nanotech. { \bf 5}，160（2010）]揭示了DNA捕获速率可受到跨孔的盐梯度的显著影响。我们表明，渗透流与电泳效应相结合可以定量解释捕获率对盐梯度依赖性的实验数据。
2011-07-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Translocation of stiff polymers through a nanopore driven by binding particles
我们调查的刚性聚合物的易位在存在的结合粒子通过纳米孔的二维Langevin动力学模拟。我们发现，平均移位时间显示出最小值的结合能$ε$和粒子浓度$ϕ$的函数，由于从结合力和摩擦力的相互作用。特别地，对于强结合，易位以由摩擦力的显著增加引起的降低的易位速度进行。此外，$ε$和$ϕ$对易位时间的分布有显著影响。随着$ε$和$ϕ$的增加，它经历了一个从弱结合下的非对称宽分布到强结合下的近似高斯分布的过渡，其宽度逐渐变窄。
2012-12-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Peptide Classification from Statistical Analysis of Nanopore Translocation Experiments
本文通过统计矩与catch22特征集的统计分析，证明纯统计方法足以对42种肽段的纳米孔电流信号实现超70%准确率分类，为更复杂分类技术提供方向。
2024-10-22 physics.bio-ph
Translocation of structured polynucleotides through nanopores
我们从理论上研究了结构化RNA/DNA分子通过允许单链但不允许双链通过的窄孔的易位。分子内碱基配对区域的解压缩为易位过程提供了显著的动力学屏障。我们表明，这种情况下，可以利用确定完整的碱基配对模式的多核苷酸，包括RNA假结。至关重要的要求是移位动态（即，易位的分子片段的长度）需要以几个核苷酸的空间分辨率作为时间的函数来记录。这可以例如通过施加用于移位的机械驱动力并利用诸如原子力显微镜或光学镊子的装置记录力-延伸曲线（FEC）来实现。我们的分析表明，有了这种增加的空间分辨率，纳米孔可以转化为一个强大的实验工具来研究核酸的折叠。
2004-02-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Hydrodynamic correlations in the translocation of biopolymer through a nanopore: theory and multiscale simulations
我们调查的过程中，生物聚合物易位通过一个狭窄的孔使用多尺度的方法，明确占与周围的溶剂的分子的流体动力学相互作用。模拟结果证实，耦合的相关分子运动的流体动力学的结果显着加速的易位过程。基于这些结果，我们构建了一个唯象模型，该模型结合了易位过程的统计和动力学特征，并预测易位时间对聚合物长度的幂律依赖性与指数$α$ $\approx 1.2$。来自模拟的指数的实际值是$α= 1.28 \pm 0.01$，其与DNA移位通过纳米孔的实验测量非常一致，并且对模拟中的参数选择不敏感。出现这样一个强大的指数背后的机制与易位和非易位片段的纵向和横向动态之间的相互作用有关。与宏观图像的联系涉及将贡献与团块收缩和移位过程分离，这两者对易位动力学都是必不可少的。
2008-09-05 physics.bio-ph physics.comp-ph
Improved Algorithms for Nanopore Signal Processing
纳米孔电阻脉冲技术基于对记录信号中的电流或电压尖峰的分析。这些尖峰是由纳米尺寸的分析物通过纳米孔的移位引起的。需要提取的最重要的信息是易位尖峰的持续时间、幅度和数量。记录的信号通常是相当嘈杂的，具有巨大的基线漂移和数百个易位尖峰。因此，适当的信号处理算法的结合是必要的正确和快速检测所有的易位尖峰，并准确地测量其幅度和持续时间。通常，低通滤波用于去噪，平均用于基线检测，阈值化用于尖峰检测和测量。在这里，我们提出了新的算法和专门开发的软件，用于纳米孔信号处理，显着提高纳米孔测量的准确性。它包括用于基线去除的改进方法、用于对纳米孔信号进行去噪的优化算法、更正确地检测所有移位尖峰的新型尖峰检测方法以及用于测量移位尖峰的持续时间和幅度的新型算法，该新型算法受测量带宽的影响较小并且更准确。新开发的算法进行评估和优化的范围内的实验记录的信号，除了不同的模拟信号。
2012-07-10 physics.bio-ph physics.data-an
Numerical simulation of conformational variability in biopolymer translocation through wide nanopores
长的生物聚合物通过中型和宽孔易位的数值结果。模拟是基于一种新的方法，耦合分子运动的介观流体溶剂。当长聚合物（多达8000个单体）通过纳米孔时，监测它们的数千个事件。不同孔径之间的比较表明，与较小的孔相比，宽孔可以容纳更多数量的多个生物聚合物片段。模拟提供了明确的证据，折叠量化的易位过程中的生物聚合物进行多折叠的配置，其特征在于由一个明确定义的整数倍。因此，移位时间不再由对长度的单指数幂律依赖性表示，因为它是通过窄孔的单行移位的情况。的折叠量化增加的生物聚合物的长度，而在每个时间步长的易位珠的速率是线性相关的孔中的常驻珠的数量。最后，对易位工作的统计分析揭示了流体动力学相互作用在这一过程中的重要性。
2009-01-16 physics.bio-ph physics.comp-ph
On the distribution of DNA translocation times in solid-state nanopores: an analysis using Schrodinger's first-passage-time theory
本文对最近提出的一维线性DNA易位有偏扩散模型的解[1]作了修正，并对[1]中的数据作了新的分析。我们最近指出[2]，这个一维线性易位模型等价于Schrodinger [3]所考虑的电子电荷的Enrenhaft-Millikan测量[4，5]。这里我们将薛定谔的首次通过时间分布公式应用于[1]中的数据集。研究发现，薛定谔公式可以用来描述固态纳米孔中DNA移位的时间分布。这些拟合产生两个有用的参数：DNA移位的漂移速度和纳米孔内DNA的扩散常数。结果表明，两种制度的DNA易位：（I）在低电压下，有明显的偏离Smoluchowski的线性电泳定律[6]，我们归因于熵势垒效应;（II）在高电压下，易位速度是一个线性函数的施加电场。在区域II中，表观扩散常数表现出对所施加的电场的二次依赖性，表明可能由于纳米孔通道中的电渗流场而引起的泰勒分散效应的机制。该分析产生了纳米孔内DNA片段的无分散扩散常数值，其与斯托克斯-爱因斯坦理论定量一致。讨论了薛定谔公式在DNA测序中的应用。
2013-08-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Polymer translocation through a nanopore: a two-dimensional Monte Carlo simulation
我们研究了在没有外部驱动力的情况下聚合物通过纳米孔的易位问题。为此，我们使用二维（2D）波动键模型与单段蒙特卡罗移动。为了克服熵的障碍，没有人为的限制，我们考虑一个聚合物，这是最初放置在中间的孔，并研究所需的逃逸时间的聚合物完全退出孔的两端。特别地，我们研究了孔长度对逃逸时间的影响。
2005-10-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Direct measurements reveal non-Markovian fluctuations of DNA threading through a solid-state nanopore
聚合物链穿过小孔是聚合物动力学中的经典问题，并且是纳米孔传感技术的基础。然而，在固态纳米孔中的聚合物运动的重要实验方面，例如在移位期间的速度变化的准确测量，仍然是难以捉摸的。在这项工作中，我们分析了易位通过锥形石英纳米孔的7 kbp的DNA双链标记的六个标记物沿其轮廓等距。这些标记，构建从DNA发夹，提供直接的实验访问的易位动力学。平均而言，我们测量到在移位期间速度降低5%。我们还发现了一个惊人的相关性的衰减常数为100 μs的速度波动。这些结果揭示了迄今尚未解决的问题，在动力学的DNA易位，并提供指导实验，试图确定沿DNA链的位置信息。
2016-07-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Rectification of polymer translocation through nanopores by chiral and nonchiral active particles
我们使用Langevin动力学模拟研究了在主动噪声和空间排斥的影响下，柔性聚合物链通过膜孔的无偏易位。通过在膜的一侧或两侧引入非手性和手性活性粒子来并入有源噪声。聚合物移位到孔的任一侧中通过由于颗粒活性而产生的有效拉动来辅助，并且通过由于聚合物和活性颗粒之间的空间排斥而产生的有效推动来阻碍。由于这些有效力之间的竞争，我们发现了两个整流态（{ \em cis}-到-{ \em transs}和{ \em transs}-到-{ \em cis}）之间的跃迁。这种转变是通过易位时间的急剧增加来确定的。它取决于系统参数，如粒子活性，面积分数和手性的影响，在这项工作中进行了探讨。
2022-07-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Multiscale modeling of biopolymer translocation through a nanopore
我们采用多尺度的方法来模拟生物聚合物通过纳米尺寸的孔易位。我们的计算方案结合微观朗之万分子动力学（MD）与介观格子玻尔兹曼（LB）方法的溶剂动力学，明确考虑到分子与周围流体的相互作用。动力学和统计方面的易位过程进行了研究，通过模拟不同的初始配置和长度的聚合物。对于一个有代表性的分子大小，我们探讨的重要参数，进入模拟的影响，特别注意的强度的分子-溶剂耦合和外部电场驱动的易位过程。最后，我们探索了模拟中建模的通用聚合物与DNA之间的联系，最近有有趣的实验结果。
2007-03-07 physics.bio-ph physics.comp-ph
Detection of short DNA sequences with DNA nanopores
几项研究表明，不同类型的癌症与短循环RNA序列（miRNA）的相对浓度之间存在很强的相关性。由于其长度短、浓度低，检测起来并不容易。RT-PCR等标准方法需要标准PCR扩增步骤和初步的额外逆转录步骤。在本文中，我们研究了使用DNA纳米孔作为在单分子水平上检测短寡核苷酸序列的工具。这些纳米结构显示出两种不同的构象，这取决于miRNA序列的DNA类似物的存在。通过监测跨脂质双层的电流，我们表明，这种构象的变化转化为不同水平的电导率。
2021-10-22 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Fast DNA translocation through a solid-state nanopore
我们报告易位实验双链DNA通过氧化硅纳米孔。含有DNA片段的样品具有7个不同的长度之间的2000至96000碱基对已通过一个10 nm的孔被驱动。我们发现一个幂律缩放的易位时间与长度，指数为1.26 $\pm$ 0.07。该行为与用蛋白质孔进行的类似实验中观察到的线性行为在性质上不同。我们解决了所观察到的非线性缩放的理论模型，描述了实验中的孔外的聚合物的部分上的流体动力学阻力是抵消驱动的主导力量。我们表明，这是在我们的实验中的情况下，并推导出幂律标度与指数为1.18，与我们的数据非常吻合。
2004-04-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Promoting single-file DNA translocations through nanopores using electroosmotic flow
双链DNA在沿着其长度的某处被捕获时，以线性、单列方式或以折叠的发夹构象移位通过足够大的纳米孔。我们表明，DNA的折叠状态可以通过改变测量缓冲液的电解质浓度，pH值和PEG含量来控制。在1 M LiCl或0.35 M KCl中性pH下，单列易位占总数的90%以上。我们属性的影响，从孔在低离子强度的电渗流的发病。我们的假设的关键作用的流量是支持的首选方向进入的一条链已被折叠成一个多螺旋结构的一端。对DNA折叠的控制对于纳米孔传感方法是至关重要的，该方法使用沿着DNA链的修饰和相关的次级电流降来编码信息。
2018-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Locking ssDNA in a Graphene-Terraces Nanopore and Steering Its Step-by-Step Transportation via Electric Trigger
该研究表明，在多层石墨烯片上构建的纳米孔平台可以用于控制ssDNA的构象和运输，用于纳米孔测序。ssDNA吸附在石墨烯台阶纳米孔上时，在纳米孔附近没有面内摆动，可以以拉伸构象锁定在石墨烯台阶上。在偏压作用下，纳米孔附近聚集的离子促进了锁定的ssDNA的移位，同时也破坏了作用于孔内核苷酸的驱动力和阻力之间的平衡。发现临界力在触发ssDNA易位的启动中是必要的，这意味着阶梯状石墨烯纳米孔的固有场效应。通过改变作为触发信号的电场的强度，在单个核碱基水平上操纵纳米孔中ssDNA的停止和前进。纳米孔中ssDNA的速度也可以通过电刺激的频率来调节。通过引入控制器和触发器，实现了ssDNA在石墨烯纳米孔中可控移位的新方案，在实验上有待进一步探索。
2015-09-07 physics.bio-ph
Opposite translocation of long and short oligomers through a nanopore
我们考虑细长的圆柱形颗粒，建模例如DNA片段或纳米棒，同时在外部施加的电压的作用下通过固态纳米孔移位。特别强调的是把伴随的势能景观，遇到的粒子通过孔由于复杂的相互作用的各种电流体动力学效应超出了小德拜长度的范围。我们发现，跨膜的净势能差可能是相反的符号为短和长的粒子的直径和电荷密度相等（例如低聚物）。因此，热噪声导致通过孔隙向相反方向的偏置扩散。通过附加的膜栅电极，甚至可以控制发生这种传输反转的特定颗粒长度。
2013-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stochastic sensing of polynucleotides using patterned nanopores
利用Langevin动力学模拟研究了孔的微观结构对聚合物迁移的影响，并考察了在孔内引入图案化粘性的后果。据发现，易位过程是非常敏感的详细结构，这样的模式与易位时间的粘性的孔隙比指数依赖。移位过程的随机性导致具有不同序列的聚合物如何穿过特定图案的孔之间存在明显差异。这个概念是用来提出一个随机传感协议的多核苷酸，它表明，该方法，这将是显着快于现有的方法，可以任意强大。
2012-01-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Translocation of a Polymer through a Nanopore across a Viscosity Gradient
通过几种计算方法研究了聚合物在分离不同粘度流体的膜中通过孔的易位。从聚合物的一半开始，我们发现，由于引入了跨孔的粘度差，易位将主要发生在膜的一侧。这些结果表明，一个内在的泵送机制易位跨细胞壁，这可能会出现时，跨膜的流体是不均匀的。有些令人惊讶的是，发现易位的优选方向的符号强烈依赖于模拟算法：对于朗之万动力学（LD）模拟，发现偏向低粘度侧，而对于布朗动力学（BD），研究了在大范围粘度梯度下的易位动力学，并建立了一个简单的力模型来估计的偏差的大小，LD的结果被证明是更现实的物理。LD的结果也进行了比较，从一个简单的，一维随机游走模型的易位调查的聚合物和熵的障碍的内部自由度的作用。总之，不同聚合物长度上的结果的缩放证明了优先方向随聚合物长度的饱和和对应于易位时间随聚合物长度的缩放的指数中的最大值的非平凡位置。
2012-09-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Electrophoresis of a polyelectrolyte through a nanopore
提出了一种确定纳米粒子通过纳米孔的电泳速度的流体动力学模型。据推测，速度是由平衡的电力和粘性力所产生的孔隙内，经典的连续静电和流体力学可以被认为是适用的。作为孔的几何形状和其他物理参数的函数的易位速度的显式公式，得到并示出与DNA易位通过硅膜中的纳米孔的实验测量是一致的。实验还表明，易位速度对聚合物长度的弱依赖性，这是不占本模型。据推测，这是由于这里忽略的次要影响。
2006-09-27 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.flu-dyn
Unzipping of knotted DNA via nanopore translocation
本研究通过分子动力学模拟探讨打结DNA在纳米孔解链中的行为，发现高作用力下打结会因拓扑摩擦和链间纠缠导致解链变慢且不均匀，揭示了DNA拓扑与解链间复杂的相互作用。
2024-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Capture and translocation of a rod-like molecule by a nanopore: orientation, charge distribution and hydrodynamics
我们研究易位棒不同的电荷分布，使用混合Langevin动力学和格子玻尔兹曼（LD-LB）模拟。使用$P^3M$算法将静电相互作用添加到系统中以模拟电流体动力相互作用（EHI）。我们首先研究了自由溶液的电泳性能的杆与各种电荷分布。我们的易位模拟结果表明，尽管电场线是对称的，但在捕获和逃逸过程中，序参量是不对称的，而在捕获过程中，电荷分布对棒取向的影响更为显著.捕获/穿线/逃逸时间是在电荷屏蔽、棒取向和电荷分布的综合影响下。我们还表明，杆的平均捕获时间是较短的，当它是在墙壁附近发射，因为杆往往沿着墙壁对齐，因此与当地的场线。值得注意的是，\textit{orientational capture radius}，我们以前提出的均匀带电棒仍然是有效的存在EHI。
2022-05-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
How effective is graphene nanopore geometry on DNA sequencing?
在本文中，我们研究了石墨烯纳米孔的几何形状对均聚物ssDNA通过纳米孔的拉动过程中使用转向分子动力学（SMD）模拟的影响。研究了不同的石墨烯纳米孔，包括轴对称和非对称单层石墨烯纳米孔以及五层石墨烯多面体晶体（GPC）。评估了拉力分布、ssDNA的运动方式、在不可逆DNA拉力中所做的功以及纳米孔附近DNA碱基的取向。模拟结果表明，石墨烯纳米孔的形状以及几何对称性对DNA通过石墨烯纳米孔的自由能垒、取向和动力学有很强的影响。我们的研究提出，单层石墨烯纳米孔的对称圆形几何形状具有高的拉伸速度，可用于DNA测序。
2015-01-09 physics.bio-ph
The Statistics of DNA Capture by a Solid-State Nanopore
固态纳米孔可以捕获DNA分子并将其以折叠构型拉过。所得到的离子电流信号指示沿着其长度的DNA被捕获的位置。使用8 nm宽的纳米孔的统计研究揭示了有利于捕获分子末端附近的强烈偏向。一个理论模型表明，偏置是一个后果的构型熵，而不是一个搜索的聚合物的一个积极有利的配置。我们还量化的波动和长度依赖性的同时易位聚合物片段的速度从我们的研究折叠的DNA配置。
2012-09-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
DNA Nanostructures Characterized via Dual Nanopore Resensing
本文提出带动态反馈的双纳米孔装置，通过同一 DNA origami 的多次易位、孔间飞行时间、机器学习与有限元扩散模型，实现对长度及细微结构差异的高分辨表征。
2025-10-17 physics.bio-ph
Influence of pore dielectric boundaries on the translocation barrier of DNA
我们研究了介电边界力对带电荷的刚性DNA片段通过固体中性纳米孔的易位过程的影响。我们评估静电的贡献易位的自由能垒的模型DNA片段通过评估的平均力的潜力，通过粗粒度的分子动力学模拟的极化效应的存在和不存在。感应极化电荷的影响已被考虑采用ICC*，最近开发的算法，可以有效地计算感应极化电荷上适当离散的介质边界。由于水具有比孔壁更高的介电常数，极化效应排斥界面附近的带电物体，具有显著增加自由能垒的效果。另一个研究的副作用是在诱导孔电荷存在的情况下带电聚合物周围反离子分布的变化。此外，我们还研究了向溶液中加入盐的影响。
2010-02-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Current enhancement in solid-state nanopores depends on three-dimensional DNA structure
双链DNA通过固态纳米孔的移位可以根据周围溶液的离子浓度降低或增加离子电流。在某一交叉离子浓度以下，电流变化从电流阻断反转为电流增强。在本文中，我们表明，由多个连接的DNA双螺旋组成的捆绑的DNA纳米结构的交叉浓度低于双链DNA。我们的测量结果表明，在DNA附近的反离子的流动性减少取决于分子的三维结构。我们进一步证明，引入中性聚合物，如聚乙二醇到测量溶液中减少了从纳米孔的电渗流出，允许在低盐浓度下大的DNA结构的易位。我们的实验有助于更好地理解在受限的DNA环境中的离子传输，这对于纳米孔传感技术以及合成膜通道的发展至关重要。我们的模型DNA纳米结构的盐依赖性测量将指导DNA易位通过纳米孔的计算模型的发展。
2019-05-31 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Studying DNA translocation in nanocapillaries using single molecule fluorescence
我们演示了使用离子电流检测和荧光成像同时测量DNA易位到玻璃纳米孔中。我们验证了单个DNA分子通过纳米孔和伴随的特征离子电流阻断之间的对应关系。通过跟踪纳米毛细管中垂直于光轴的单个DNA分子的运动并使用模型，我们可以提取在高电场下的几何形状中的DNA的有效迁移率常数。
2013-01-12 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
DNA Dynamics in Dual Nanopore Tug-of-War
本文利用166 kbp T4-DNA模型系统研究双纳米孔反馈偏压下的DNA拔河动力学，揭示长分子不对称捕获及自由端逃逸机制。
2025-08-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
Controlling DNA Tug-of-War in a Dual Nanopore Device
需要用于降低和直接控制DNA通过纳米孔的速度的方法来增强用于直接链测序和序列特异性特征的检测/映射的感测性能。我们创造了一种降低和控制DNA速度的方法，该方法使用两个独立可控的纳米孔，这些纳米孔通过主动控制逻辑操作。孔定位得足够接近以允许单个DNA被两个孔共捕获。一旦共捕获发生，控制逻辑在孔处打开恒定的竞争电压，导致“拔河”，由此分子被相反的力从两端拉。这些力对共捕获的分子施加构象和速度控制，去除折叠并降低易位率。当电压被调整，使得施加到分子两端的电泳力达到平衡时，拔河状态的寿命纯粹受到DNA在孔之间的扩散滑动的限制。我们能够产生一个拔河状态的76.8%的分子被捕获的平均孔易位时间相对于平均时间为单孔易位的最大两个数量级的增加。此外，我们量化的移位慢下来作为电压调谐的函数，并表明慢下来是很好地描述了一维子扩散过程的第一次通过分析。每个纳米孔的离子电流提供了一个独立的传感器，其同步测量同一分子的不同区域，从而能够顺序检测物理标记，例如单链亲和素标签。随着设备和控制逻辑的进步，未来的双孔应用包括基因组作图和无酶测序。
2018-11-27 physics.bio-ph
Digital unzipping of DNA through a solid-state nanopore: A theoretical study for base-by-base ratcheting
Technology Research Laboratory, Shimadzu Corporation（岛津公司技术研究所）
本文提出了一种无需蛋白质的ratchet机制，通过固态纳米孔边缘的双链DNA解旋实现DNA单碱基步进，理论分析显示该机制可实现确定性的单碱基运动，为全固态纳米孔测序提供了可行途径。
2026-03-16 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.bio-ph
Sub-20 nm Nanopores Sculptured by a Single Nanosecond Laser Pulse
基于单分子的第三代DNA测序技术已被大量探索，其中纳米孔测序被认为是最有希望实现1,000美元基因组计划目标的个体化医学之一。固态纳米孔被认为是蛋白质纳米孔的补充，在过去的十年中受到了广泛的研究。然而，主流的固态纳米孔制备仍然依赖于聚焦离子束或电子束，这是昂贵且耗时的。在这里，我们展示了用单个纳秒激光脉冲制造低至19 nm的纳米孔。激光钻孔过程是基于二维轴对称瞬态热传递模型来理解的，该模型预测了与激光能量密度相关的孔径分布和形状，与电子显微镜和断层扫描分析非常一致。钻孔的纳米孔装置（26 nm）表现出足够的灵敏度来检测单个DNA分子易位并区分未折叠或折叠事件。亚10 nm纳米孔可以通过原子层沉积在氧化铝沉积的薄层上容易地实现，这进一步显著地改善了DNA易位的信噪比。我们的工作提供了一个解决方案，快速，低成本和有效的大规模制造固态纳米孔设备的第三代纳米孔测序。
2018-06-21 physics.bio-ph
The Fluctuations of Blocked Ionic Current Reveal the Instantaneous Statuses of DNA in Graphene Nanopore
从被阻断的离子电流中提取DNA序列信息是基于离子电流的纳米孔测序方法的关键步骤。最薄的石墨烯纳米孔仅包含一层碳原子，可能具有超高的DNA测序灵敏度。然而，迄今为止，被阻断的离子电流中所包含的DNA的动力学易位信息还没有被很好地理解。本文采用分子动力学模拟对基于离子电流的石墨烯纳米孔DNA传感方法的灵敏度进行了评估。通过滤除分子热运动引起的离子电流噪声，我们发现去噪后的离子电流波动可以揭示石墨烯纳米孔中DNA的瞬时构象变化。然而，也观察到由DNA碱基对与纳米孔的接近（在1.5nm内）引起的离子电流的阻断。虽然石墨烯纳米孔的预期单碱基分辨率还有待进一步研究，但我们的研究结果表明，基于离子电流的石墨烯纳米孔传感方法对DNA的瞬时易位状态具有高灵敏度。
2013-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
A Solid-State Nanopore Signal Generator for Training Machine Learning Models
本文提出一种固态纳米孔信号生成器，可生成大规模合成数据集，用于训练深度学习模型直接从原始电流信号中检测易位事件，实现超过99%的真实事件检测率且假阳性极少。
2025-04-07 eess.SP physics.bio-ph q-bio.BM
Direction- and Salt-Dependent Ionic Current Signatures for DNA Sensing with Asymmetric Nanopores
固态纳米孔是用于DNA和蛋白质的单分子检测的有前途的工具。在这项研究中，我们调查的模式，离子电流封锁的DNA易位进入或出这样的圆锥形孔的几何限制。我们研究了纳米孔的几何形状如何影响在宽范围的盐浓度内检测到的易位DNA分子的离子电流信号。离子电流的阻断水平取决于在高盐浓度下的易位方向，并且在较低盐浓度下，我们发现对于从限制中退出的DNA易位，在每个单个事件内离子电流非直观地减少和增加。我们使用最近开发的DNA标尺与标记和有限元计算来解释我们的观察。我们的计算解释了在所有盐浓度下观察到的信号的形状，并表明意想不到的电流减少和增加是由于离子浓度极化和离子的几何排斥的竞争效应。我们的分析表明，在广泛的几何形状，电压和盐浓度范围内，我们能够理解不对称纳米孔中DNA的离子电流信号，从而使分子传感应用中的信号优化。
2017-01-03 physics.bio-ph
Electrokinetic-flow-induced viscous drag on a tethered DNA inside a nanopore
最近的工作表明，孔隙区域内的粘性效应引起的阻力可以解释[Ghosal，S.物理学修订版E。第71卷，051904（2006）和Phys.Rev.Lett. vol.98，238104（2007）]在涉及电压驱动的DNA通过纳米孔的易位的某些实验中观察到易位时间。孔内的电动流动和伴随的粘性效应在解释DNA固定在纳米孔内的实验中也起着至关重要的作用[U. Keyser等人，Nature Physics vol.2，473（2006）]。在本文中的粘性力明确计算的纳米孔的圆柱形几何形状。研究发现，由于粘性阻力和曼宁凝聚引起的电荷减少所引起的系绳力的减小是相似的。这一结果对解释DNA束缚的实验数据具有重要意义。
2012-03-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Modeling the mechano-chemistry of the ϕ29 DNA translocation motor
我们提出了一个研究的噬菌体E129包装分子马达的DNA易位。从现有的实验信息，我们提出了一个模型系统的基础上，在一个随机的fashing潜力，再现的实验观察，如：详细的轨迹，步骤和substeps，空间相关性，和速度。此外，该模型允许该电机的功率和效率的评估。我们已经发现，最大功率区与最大效率区并不对应。这些信息可以激发进一步的实验。
2013-03-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Prediction of the effective force on DNA in a nanopore based on density functional theory
在本研究中，我们考虑了电压驱动的DNA通过纳米孔的易位。假设DNA分子与纳米孔同轴，建立了一个计算纳米孔中单个DNA分子所受作用力的流体力学模型，利用密度泛函理论结合连续Navier-Stokes（NS）方程研究了纳米孔中的电渗流和作用在DNA分子上的粘性阻力.在我们的模型中还考虑了纳米孔壁上的表面电荷。计算结果与实验测量结果的一致性表明，本文的理论模型是预测DNA流体动力学阻力的有效工具。结果表明，在较高的盐浓度下，电荷反转会降低电渗速度，甚至导致电流反转，而这一现象不能用泊松-玻尔兹曼（PB）模型来描述.这有助于进一步提高过屏蔽区的有效力。
2013-06-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Lateral trapping of DNA inside a voltage gated nanopore
当穿孔膜包含嵌入式电极时，解决了短DNA片段通过纳米孔的移位。精确的数值解耦合泊松，能斯特-普朗克，斯托克斯方程的一个现实的，完全三维的设置，以及分析近似的简化模型。通过向膜电极施加合适的电压，可以迫使DNA优选沿着孔轴或在离孔壁很小但有限的距离处穿过孔。
2017-06-28 cond-mat.soft physics.bio-ph
A Tandem Cell for Nanopore-based DNA Sequencing with Exonuclease
提出了一种用于DNA测序的串联单元，其中核酸外切酶从DNA链切割碱基（单核苷酸）以用于在纳米孔内进行鉴定。它有两个纳米孔和三个隔室，结构为[顺式1，上游纳米孔（UNP），反式1 =顺式2，下游纳米孔（DNP），反式2]。核酸外切酶以反式1/顺式2连接到UNP的出口侧。由于UNP中剩余的DNA链，切割的碱基不能退化为顺式1。在DNP上具有正分量和负分量的异形电场减缓了通过DNP的碱基移位。提出的结构建模与福克-普朗克方程和分段的解决方案。从模型的结果表明，概率接近1碱基进入DNP在其自然顺序，检测到没有任何损失，并没有回归到DNP后，进入trans 2。串联细胞的测序效率将仅由DNP内碱基类型之间的区分水平决定。
2014-08-17 physics.bio-ph q-bio.BM
When Knots are Plectonemes
本研究发现纳米孔中dsDNA易位时被误认为结的特征实为螺旋绞旋，其形成由溶剂流诱导的DNA旋转和扭转传播主导，为准确分析聚合物运输提供了新视角。
2024-07-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Ratcheting charged polymers through symmetric nanopores using pulsed fields: Designing a low pass filter for concentrating DNA
我们提出了一个新的概念，结合了纳米流体棘轮，纳米孔易位和脉冲场的轮廓长度的DNA分子的分离。使用朗之万动力学模拟，我们表明，它是可能的设计脉冲场序列棘轮捕获的半柔性分子在这样一种方式，只有短链成功易位，有效地转换成一个低通分子过滤器的纳米孔过程。我们还表明，非对称脉冲可以显着提高器件的效率。该过程本身可以用许多孔并行进行，并且应该可以将其直接整合到纳米孔测序设备中，从而增加其潜在的实用性。
2023-01-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
DNA capture into the ClyA nanopore: diffusion-limited versus reaction-limited processes
生物分子通过纳米孔的捕获和移位是具有潜在的大量应用的过程，因此近年来它们被深入研究。本文的目的是回顾现有的模型的捕获过程中的纳米孔，连同一些最近的实验数据短的单链和双链DNA捕获溶细胞素A（ClyA）纳米孔。ClyA是一种细菌来源的跨膜蛋白，最近通过位点特异性突变进行了工程改造，以允许双链和单链DNA的易位。理论估计和实验之间的比较表明，对于这两种情况下的捕获是一个反应限制的过程。这是证实了所观察到的盐的捕获率的依赖性，我们发现与理论预测的定量协议。
2018-07-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Precise Positional Readout of Molecular Barcode Structures using Solid-State Nanopores
imec
本研究提出锚定引导对齐与概率速度建模方法，利用固态纳米孔实现DNA分子条形码的高精度定位，显著降低定位误差并支持高密度信息读出。
2026-09-09 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.data-an
Super-sensitive Molecule-hugging Graphene Nanopores
纵向分辨率和横向灵敏度是决定性的特征，其决定了纳米孔传感器对DNA链以及其他重要聚合物测序的适用性。先前在单原子厚的石墨烯纳米孔中对DNA诱导的离子电流阻断的建模已经显示这些纳米孔具有足够的纵向分辨率以区分沿着DNA分子长度的各个核碱基。在这里，我们实验专注于对DNA直径微小变化的敏感性，这些变化可以用石墨烯纳米孔来识别。我们表明，当纳米孔被定制为具有接近感兴趣的聚合物的直径时，获得了非常大的灵敏度（0.5 nA/A）。我们的结果已经获得了双链DNA（dsDNA）。较小的石墨烯纳米孔可以调整到单链DNA（ssDNA）的直径，用于测序，直到最近才被证明。我们的研究结果表明，基于这种孔的纳米孔传感器将提供优异的分辨率和碱基识别，并且将成为最近证明具有测序能力的蛋白质纳米孔的强大竞争对手。
2012-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.ins-det
DNA translocation through alpha-haemolysin nano-pores with potential application to macromolecular data storage
数字信息可以被编码在大分子（如RNA和单链DNA）的构建块序列中。“写入”和“读取”大分子链的方法目前是可用的，但它们缓慢且昂贵。在理想的分子数据存储系统中，诸如写入、读取、擦除、存储和传输的常规操作必须在集成芯片内可靠地且高速地完成。作为证明这一概念的可行性的第一步，我们报告了在小型化的腔室中进行的DNA读出实验的初步结果，这些腔室可以扩展到更小的尺寸。我们表明，易位的单链DNA分子（由50个腺苷碱基，随后由100个胞嘧啶碱基组成）通过离子通道产生的特征信号，这是由于分子的2段结构。我们还研究了实验的可调参数的易位率和速度的依赖性。
2017-08-27 cs.ET physics.app-ph physics.bio-ph
Modulation of current through a nanopore induced by a charged globule: implications for DNA-docking
DNA通过纳米孔的过程可以有效地分解为两个不同的阶段，对接和实际易位。在实验中，每个阶段的特点是一个独特的电流签名，允许歧视的两个事件。然而，在低电压下，失去了两相的明显区别。通过使用数值模拟，我们澄清了与对接事件相关的电流签名如何取决于所施加的电压。模拟结果表明，在低电压下，由于载流子的富集，DNA球提高了孔电导。在高电压下，小球从孔区域排出大量的载流子，从而降低总电导。结果提供了一个新的解释电导的实验数据，并显示如何对接干扰易位信号，测序应用的潜在利益。
2015-07-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Sustained unidirectional rotation of a self-organized DNA rotor on a nanopore
流体驱动的旋转马达驱动人类社会中的功能过程，如风车和水轮。虽然这种旋转马达的例子在细胞生物学中也很突出，但它们在纳米级的合成结构迄今为止仍然难以捉摸。在这里，我们展示了流动驱动的旋转运动的自组织DNA纳米结构，停靠在一个薄的固态膜中的纳米孔。弹性DNA束在电泳对接到固态纳米孔上时自组装成手性构象，随后显示高达20转/秒的持续单向旋转运动。转子利用来自纳米级水和离子流的能量，所述纳米级水和离子流由纳米孔中的静电（电）化学电势梯度产生，所述静电化学电势梯度通过盐梯度或施加的电压建立。这些人造纳米发动机在生理条件下自组织和自主运行，为在纳米级界面上构建能量转换发动机铺平了新的方向。
2022-06-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
