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
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
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
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
Translocation frequency of double-stranded DNA through a solid-state nanopore
固态纳米孔是单分子传感器，当带电聚合物（如DNA）通过时，其测量离子电流的变化。在这里，我们提出了全面的实验上的长度，电压和盐的依赖性的双链DNA易位的频率通过圆锥形的石英纳米孔与平均开口直径为15 nm。我们观察到一个熵垒有限的，长度依赖的易位频率在4M氯化锂盐浓度和漂移为主，长度无关的易位频率在1M氯化钾盐浓度。这些观测结果描述了一个统一的对流扩散方程，其中包括一个熵的聚合物进入障碍的贡献。
2016-01-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
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
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
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
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
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
Electrophoresis of a DNA Coil Near a Nanopore
受纳米孔附近DNA电泳的启发，我们考虑了“细长射流”周围的流场，细长射流是一种将动量注入液体的细长源。该解定性地描述了长刚性聚合物周围的电渗流，其中由于电流体动力学耦合，溶剂从电场接收动量。基于细长射流溶液的定性行为，我们开发了一种粗粒度的方案，该方案再现了关于长刚性聚合物和聚合物线圈在均匀场中的电泳行为的已知理论结果，然后我们利用该方案分析了聚合物线圈在纳米孔附近的非均匀场中的电泳。
2013-06-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Electrophoretic Capture of a DNA Chain into a Nanopore
基于我们提出的孔附近DNA电泳的公式[P.Rowghanian和A. Y. Grosberg，Phys.Rev.E87，042723（2013）]，我们将电泳DNA捕获到纳米孔中作为粒子吸收到放置在能量屏障顶部的汇的稳态过程。我们的模型将之前观察到的扩散限制和势垒限制机制再现为粒子吸收过程的两个不同限制并匹配数据，表明对于非常大的DNA分子，捕获率随着DNA长度的增长比之前的模型更慢，激发了更多超出当前电场和DNA长度范围的实验。在中等强度的弱电场下，我们的模型预测了不同的效果，指出捕获率的DNA长度依赖性首先随着电场的减小而消失，并最终逆转为$N$的下降趋势。
2013-06-19 cond-mat.soft physics.bio-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
DNA Scaffold Carrier Assisted Protein Translocation Through Solid-State Nanopore
在单分子水平上对生物分子的检测在生物传感和生物医学诊断等领域有着重要的应用。固态纳米孔（SS-nanopore）由于其独特的免标记和样品消耗少的特性，是进行单分子检测的有效工具。目前小生物分子的SS-纳米孔易位是由电场力驱动的，因此容易受到靶分子的电荷、形状和大小的影响。因此，控制生物分子通过SS-纳米孔移位仍然是一个巨大的挑战，特别是对于具有复杂构象和不同电荷的蛋白质。针对这个问题，我们开发了一种DNA支架载体辅助策略，以帮助蛋白质通过SS-纳米孔移位，从而促进目标蛋白质的检测。利用DNA载体负载效应，电流信噪比显著提高。我们提出的方法灵敏，方便，可以实时检测样品纳米孔易位。该方法为SS-纳米孔检测开辟了广阔的应用前景，促进了单分子检测的发展。
2022-10-13 physics.bio-ph
First-principles vs. semi-empirical modeling of global and local electronic transport properties of graphene nanopore-based sensors for DNA sequencing
使用第一性原理量子输运模拟，基于非平衡格林函数形式主义结合密度泛函理论（NEGF+DFT），我们研究了总的和局部的电子电流的变化与锯齿形边缘（ZGNR）托管纳米孔的平面内的DNA核碱基插入到孔诱导。我们发现，在将核碱基置于小直径\mbox{$D=1.2$ nm}的纳米孔内的最可能位置（根据分子动力学轨迹）后，两端ZGNR +纳米孔器件的零偏压电导发生了相当大的变化。虽然这种效应随着纳米孔尺寸增加到\mbox{$D=1.7$ nm}而降低，但是ZGNR +纳米孔和ZGNR +纳米孔+核碱基系统中的电流之间的对比度可以通过施加小的偏压$V_b \lesssim 0.1$ V来增强。这在微观上解释为由于DNA核碱基诱导的ZGNR边缘周围的局部电流密度的空间分布的改变。我们使用NEGF结合自洽电荷密度泛函紧束缚（NEGF+SCC-DFTB）或自洽扩展Hückel（NEGF+SC-EH）半经验方法重复相同的分析。我们发现从NEGF+DFT获得的结果与从NEGF+SCC-DFTB或NEGF+SC-EH方法获得的结果之间的巨大差异在选择用于快速DNA测序的最佳纳米电子传感器的{ \em in silico}设计的适当计算算法时可能非常重要。
2014-08-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-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
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
Nonequilibrium thermodynamics of DNA nanopore unzipping
使用理论和模拟，我们进行了第一个系统的表征DNA解压缩通过纳米孔易位。从部分解压缩态出发，我们发现了三种依赖于所施加的力f的动力学区域：（i）异质DNA收缩和重新压缩（f < 17pN），（ii）正常（17pN < f < 60pN）和（iii）异常（f > 60pN）漂移扩散行为。我们表明，正常的漂移扩散制度可以有效地建模为一个一维的随机过程中的倾斜周期性电位。我们使用随机过程的理论来恢复潜在的非平衡解压缩轨迹，并表明它对应于单碱基对解压缩的自由能景观。将这种一般方法应用于其他具有周期性势的单分子系统，应该会从非平衡轨迹中产生详细的自由能景观。
2022-12-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
Exploring DNA translocation through a nanopore via a multiscale Lattice-Boltzmann Molecular-Dynamics methodology
多尺度方法用于模拟DNA通过纳米孔的移位。在该方案中，明确考虑了分子与周围流体（溶剂）的相互作用。通过生成各种初始构型和长度的聚合物，我们绘制了DNA通过纳米孔的通过时间的概率分布。一个标度律的行为，这些时间相对于长度的最有可能的推导，并显示出一个指数，这是在一个很好的协议与实验结果。探讨了DNA通过微孔时的动力学基本特征。
2007-02-21 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
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
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
A DNA turbine powered by a transmembrane potential across a nanopore
本研究设计了纳米级DNA折纸涡轮机，利用跨膜电化学电位驱动持续单向旋转，实现了生理条件下电化学能向机械功的自主转换。
2023-10-24 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
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
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
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
Functionalized nanopore-embedded electrodes for rapid DNA sequencing
原则上，确定患者的DNA序列可以揭示患特定疾病的风险增加[1，2]，并有助于设计“个性化药物”[3]。此外，大量个体的基因组[4]的统计研究和比较对于分析突变[5]和遗传性疾病至关重要，为预防医学铺平了道路[6]。然而，DNA测序目前仍然是一项非常耗时且非常昂贵的任务[4]，包括预处理步骤、使用Sanger方法的实际测序和以数据分析形式的后处理[7]。在这里，我们提出了一种新的方法，依赖于功能化的纳米孔嵌入电极，以实现明确的区别的四个核酸碱基在DNA测序过程中。这代表了对先前研究的设计的显著改进[8，9]，其不能可靠地区分DNA的所有四个碱基。我们研究的设置的传输特性，采用最先进的密度泛函理论与非平衡格林函数方法一起，导致电流响应不同的至少一个数量级的不同基地，从而可以提供一个更强大的读出的基础序列。因此，我们提出的设置的实施可能会导致一个可行的协议，快速DNA测序的重大后果，特别是基因组相关的研究和医疗保健的未来一般。
2007-08-29 cond-mat.soft 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
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
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
Enhanced DNA sequencing performance through edge-hydrogenation of graphene electrodes
我们建议使用石墨烯电极与氢化的边缘固态纳米孔为基础的DNA测序，并进行分子动力学模拟结合电子输运计算，以探索这种想法的潜在优点。我们的研究结果表明，与未氢化的系统相比，边缘氢化的石墨烯电极有利于在易位的DNA分子中暂时形成具有合适原子位点的氢键。因此，平均电导率大幅提高约3个数量级，同时表现出显著降低的统计方差。我们还研究了当相对电极之间的距离变化时这些结果如何受到影响，并且已经确定了两种机制：对于窄的电极间隔，由于纳米孔中突出的氢原子的存在而引起的仅仅阻碍被认为更重要，而对于较宽的电极间隔，H-键的形成成为主导效应。基于这些发现，我们得出结论，石墨烯电极边缘的氢化代表了一种有前途的方法，可以降低DNA通过纳米孔的移位速度，并大大提高全基因组测序测量过程的准确性。
2010-11-30 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Bilayer Graphene Lateral Contacts for DNA Sequencing
DNA通过具有嵌入电极的纳米孔的易位是新的快速廉价测序方法的中心，该方法允许通过其不同的电子结构区分四种核碱基。然而，DNA中核苷酸之间的亚纳米分离需要超尖锐的探针。在这里，我们提出了一种由双层石墨烯中形成的纳米孔组成的器件架构，其中两层充当单独的电触点。石墨烯0.34 nm的层间距离非常适合与单个核碱基进行电耦合，避免了制造亚纳米精度探针的困难。顶部和底部石墨烯电极从相同的横向侧接触靶分子，消除较小的嘧啶碱基和较大的嘌呤碱基之间的数量级隧穿电流变化。我们证明，将分子操作技术，使拟议的设备测序单链DNA，它甚至提供了双链DNA测序的前景。
2012-06-19 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Embedding a carbon nanotube across the diameter of a solid state nanopore
提出了一种用于将单壁碳纳米管（SWNT）定位和嵌入固态纳米孔的直径的制造方法。化学气相沉积（CVD）用于在薄氮化硅膜中的聚焦离子束（FIB）研磨孔阵列上生长单壁碳纳米管。这通常产生至少一个孔，其直径被SWNT中心穿过。通过原子层沉积（ALD）调节FIB孔的最终直径以产生任何所需直径的纳米孔，同时将SWNT嵌入和绝缘在除了与最终纳米孔的直径交叉的区域之外的任何地方，在该区域中SWNT保持原始和裸露。这种纳米管连接的纳米孔是实现用于生物分子传感和电子表征（包括DNA测序）的新型检测器的重要一步。
2013-08-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Biohybrid membrane formation by directed insertion of Aquaporin into a solid-state nanopore
分子传感和化学检测方面的技术挑战使得对具有高灵敏度和特异性的转化材料的需求日益增加。生物杂化纳米孔由于能够理想地将固态纳米孔的耐久性与生物纳米孔的精确结构相结合而吸引了越来越多的兴趣。必须特别注意控制一旦与固态纳米孔接触，生物纳米孔如何适应其周围环境。两个主要挑战是在动态条件下精确控制这种适应性，并提供可用于工程应用的预设计功能。在这里，我们报告了一类独特的生物混合活性膜层的计算设计，该生物混合活性膜层是由水通道蛋白结合的脂质壳直接插入二氧化硅纳米孔中而构建的。首先，我们详细描述了将生物膜插入固态纳米孔中的机制。然后，我们分析了系统的结构稳定性，并证明其水渗透性是在生物环境中测量的。最后，我们讨论了如何实现的技术可以适用于环境和生物医学应用，如水脱盐和药物发现，其中必须有效地解决小分子的靶向和受控渗透。
2022-04-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Nanopore Sequencing of the phi X 174 genome
DNA的纳米孔测序是一种单分子技术，其可以以最少的样品制备和仪器实现长读取、低成本和高速。在这里，我们建立在纳米孔分辨率和DNA控制方面的最新进展来解释DNA通过孔MspA易位过程中观察到的离子电流水平的处理。由于大约四个核苷酸影响每个水平的离子电流，我们测量了对应于所有256个四核苷酸组合（四聚体）的离子电流。该四聚体图谱高度预测先前未测量的源自噬菌体phi X 174基因组的序列的离子电流水平。此外，我们显示了长度高达4，500个碱基的phi X 174的纳米孔测序读段，其可以明确地与phi X 174参考基因组对齐，并证明了关于杂交基因组组装和多态性检测的概念验证实用性。所有方法和数据都充分提供。
2014-06-18 physics.bio-ph q-bio.GN
Local solid-state modification of nanopore surface charges
在过去的十年中，纳米孔已经成为研究蛋白质和DNA等生物大分子的一种新的有趣工具。虽然生物孔，特别是α-溶血素，已经有希望用于DNA的检测，但它们差的化学稳定性限制了它们的使用。出于这个原因，研究人员正试图使用更稳定的固态纳米孔来模仿它们的行为。制造这种纳米孔的最成功的工具是使用高能电子或离子束在非常薄的膜上钻孔或重塑孔。虽然这些方法的分辨率可能非常好，但它们需要通常不可用的工具，并且往往会损坏纳米孔表面并使其带电。在这项工作中，我们展示了使用标准的微机械加工技术与EBID一起制造的纳米孔，并提出了一个用于估计表面电荷的简单模型。结果表明，具有氧化硅前体的EBID可用于调节纳米孔表面，并且表面电荷在宽范围的浓度内是稳定的。
2012-07-13 cond-mat.other physics.bio-ph
Femtosecond Photonic Viral Inactivation Probed Using Solid-State Nanopores
我们报告了使用飞秒激光辐射通过测量用于检测单个病毒颗粒的固态纳米孔的电导来检测病毒颗粒的灭活。基于空斑形成测定的病毒灭活测定的常规方法需要24-48小时用于细菌生长。纳米孔电导测量提供了在单个病毒体水平上的形态学变化的信息。我们表明，纳米孔电导的时间序列的分析可以量化检测的失活，只需要几分钟从收集到分析。通过动态光散射（DLS）验证形态学变化。最大化信息熵的统计分析提供了对数减少值的度量。综上所述，我们的工作提供了一种快速的方法来测定病毒灭活飞秒激光使用固态纳米孔。
2018-06-05 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
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
Nanopore Fabrication by Controlled Dielectric Breakdown
用于实现纳米尺度的尺寸控制的纳米纤维技术通常是设备密集型和耗时的。高能电子束或离子束的使用使得在薄固态膜中制造纳米孔成为一些学术实验室所能达到的目标，但这些工具对许多研究人员来说并不容易获得，并且不适合大规模生产。在这里，我们描述了一种快速，简单的方法，用于制造一个单一的纳米孔的尺寸低至2纳米的亚纳米精度，直接在溶液中，通过控制在纳米级的介电击穿。该方法依赖于在绝缘膜上施加电压以产生高电场，同时监测感应的漏电流。我们表明，通过这种方法制造的纳米孔从易位DNA分子产生清晰的电信号。考虑到复杂性和成本的巨大降低，我们设想这种制造策略不仅有利于物理和生命科学研究人员获得可靠的固态纳米孔，而且可能为制造基于纳米孔的生物技术提供一条道路。
2013-10-18 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Exploring electric field sensing for solid-state nanopores
本研究针对固态纳米孔离子电流传感方法的局限性，通过有限元模拟探索电场调制传感的可行性，该技术噪声更低、无需电解质、适用于极端环境，为纳米孔在单分子蛋白质测序等领域的应用及纳米孔静电测量新领域开辟道路。
2022-10-24 physics.bio-ph
Structure and Electrical Properties of DNA Nanotubes Embedded in Lipid Bilayer Membranes
通过脂质双层膜工程化合成纳米孔以进入细胞内部是生物技术中长期存在的挑战。在这里，我们证明了基于瓦的6-螺旋DNA纳米管（DNT）嵌入POPC脂双层的稳定性和动力学使用0.2微秒长的平衡MD模拟轨迹的分析。我们观察到，靠近管腔的脂质分子的头部基团合作地向DNA的亲水性糖-磷酸骨架倾斜，并在膜中突出的DNT补丁周围形成环形结构。此外，我们探讨了离子浓度对脂质-DNT复合物的溶液结构和稳定性的影响。通过对恒电场MD模拟的跨膜离子电流的测量，得到了脂质膜中充水DNT腔的I-V特性。随着盐浓度的增加，多孔DNT管腔的跨膜离子电导的测量值从4.3 nS变化到20.6 nS。在孔的口处具有ssDNA和dsDNA突出端的DNT的模拟显示了门控效应，对于打开和关闭状态的纳米孔，跨膜离子电导率具有显著差异。
2017-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
A Method for Fabricating CMOS Back-End-of-Line-Compatible Solid-State Nanopore Devices
针对传统SiNx膜沉积温度超出CMOS后端工艺热预算的问题，该研究探索了兼容的低温沉积技术，成功制备出可用于单分子实验的低噪声固态纳米孔，为实现片上并行化纳米孔传感器提供了基础。
2024-11-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.bio-ph
High Accuracy Protein Identification: Fusion of solid-state nanopore sensing and machine learning
本研究融合固态纳米孔传感与机器学习，利用高带宽仪器和聚类分析，实现对尺寸相似蛋白质的高精度鉴定，F值最高达88.7%。
2023-09-08 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
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
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
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
Diffraction in low-energy electron scattering from DNA: bridging gas phase and solid state theory
利用高质量的气相电子散射计算和多重散射理论，我们试图深入研究凝聚相中二次低能电子对DNA的辐射损伤，弥补气相理论和实验之间的空白.的起源不同的共振功能（所产生的单分子或衍射）进行了讨论，并与现有的实验在薄膜的计算进行比较。
2007-10-15 physics.bio-ph physics.chem-ph
