科研立项项目申报书：CB707600-基于微纳制造的第三代基因测序系统的基础理论研究.docVIP

项目名称： 基于微纳制造的第三代基因测序系统的基础理论研究 易红 东南大学 2011.1至2015.8 江苏省科技厅  【总体目标】 项目围绕“基于微纳制造的第三代基因测序系统的基础理论研究”开展研究，以微纳制造为基础，以微纳流体动力学的基础理论研究为核心，以单碱基电信号提取与辨识为最终目标，开展5个课题的研究工作。总体目标为： 在微纳制造方面：挑战现代制造技术的极限，实现5nm以下的三维纳通道高精度、可重复的集成制造，制造精度小于1nm； 在微纳流体动力学方面：建立、验证纳尺度下DNA聚合物链的流体动力学模型，检验基于连续体假设的经典流体动力学模型在纳尺度下的适用性； 在单碱基电信号提取与辨识方面：以单碱基电信号提取与辨识为目标：研究生物大分子物理信息获取的机制，揭示电信号频率谱特征与电子传递之间的关系原理，建立电信号与分子结构之间的数学模型，在此基础上，构建DNA测序系统，实现单一纳米孔检测大于10K序列直接测定。 【五年预期目标】 本项目是多学科交叉，研究内容涉及微纳制造、微纳流体力学、生物电子学、信息科学、生命科学以及物理、表面化学等多学科的研究内容。通过多学科交叉和各研究课题有所侧重， 1、在基于TEM微纳制造方面，利用聚焦离子束和电子束沉积技术作为主要手段，分别对硅基、碳基薄膜材料进行纳通道制造，辅以原位反馈技术和相关实验条件控制，利用高分辨的成像技术，对材料在加工前后的力学性能进行测量与表征，。 2、在基于玻璃基纳米孔的跨尺度制造方面，在理论上，建立纳尺度下熔融玻璃管拉制成型的数学模型，在实验方面，提出自上而下加工与局域处理融合的工艺方式，实现玻璃基纳米孔跨微纳尺度制造。 3、纳尺度下生物溶液的流变行为的研究，这部分工作是流体动力学的基础性工作，对流体动力学润滑、生物摩擦学都具有重要的理论意义， 4、在生物分子在纳通道中的输运及调控方面，，结合实验测试，对理论模型进行验证与改进；，包括光诱导介电泳、流体场效应管等，，增加信号驻留时间。 5、在纳通道中生物分子信号的超灵敏检测方法与原理的研究方面，建立超灵敏、多模式检测方案，对微、纳通道流路的尺寸进行优化，有效去除信号噪声，。6、基于纳通道的生物分子传感器的集成与测试，完成标定所研制的纳流体传感器；用其检测(-DNA片段在纳米通道中的迁移率，达到目前生物传感器的技术指标，能够对DNA、蛋白质分子的传输进行检测；能够实现再测序(resequencing) 或从头测序(de novo sequencing) 【考核指标和人才培养计划】 1、人才培养：预计培养国家教育部“长江学者奖励计划”岗位或讲座教授2—3名，中科院“百人计划”入选人才1名，国家杰出青年科学基金获得者2—3名。培养博士后5—10名，博士生35-40名，硕士生60名。 2、量化考核指标：预计5年内在国内外发表有影响力的研究成果，具体考核指标是指高影响因子SCI源刊（IF大于10以上）发表学术论文10篇，在国际相关领域有较高影响力的学术期刊发表论文30篇。国家发明专利受理或授权5项左右。  三、研究方案 【学术思路 本项目属于微纳制造与生命科学的交叉，面向第三代基因测序仪的研制，系统地开展微纳制造、微纳流体动力学和超灵敏单分子检测的基础理论、关键问题的研究，研制出具有自主知识产权的第三代基因测序仪的原型器件，推动我国科研重大装备的国产化进程。因此，整个项目的研究工作分为三个方面，如图所示，通过这三个方面的研究工作，最终研制出第三代基因测序的原型器件。 图、研究工作的整体框图 项目以单个碱基辨识为目标牵引，开展纳米孔结构成型的跨尺度制造方法，研究高能束辐照下高能束、特种能场和微纳米结构材料的相互作用机理，这包括高能束流作用下材料的温度场、应力场、应变场的测试、控制方法及演变规律；高能束流制造过程中和过程后，材料组织结构的演变及其性能相关性。在玻璃基纳米孔研究方面，基于纳米步进直线型超声电机驱动和控制的进给系统，实现对熔融玻璃高精度拉制，探讨不同应力状态下熔融玻璃结构的应变响应和不同温降速率条件下玻璃凝固成形规律，给出玻璃基纳米功能结构的跨尺度制造方法和机理。最后，总结不同加工手段的加工规律，寻找纳结构的跨尺度制造的新方法、新原理和新工艺，为微纳流体器件的研制奠定物质基础。 （2）、以建立DNA聚合物链在纳米孔内的输运规律为目标，研究纳尺度下流体的流变特性、结构尺度效应、表面效应对纳通道下离子输运、生物分子输运规律的影响项目以实现生物分子输运的主动控制为目标，建立、验证纳尺度下DNA聚合物链的流体动力学模型，检验基于连续体假设的经典流体动力学模型在纳尺度下的适用性；发展新原理、新方法测试纳尺度下流体的流变参数和表面电势，将流体动力学的研究拓展到纳流体动力学和聚合物纳流体动力学，发展和丰富