介电泳技术在生物信号检测和相分离阻变材料中的应用

介电泳是操纵微纳米级粒子的强大工具,已经在生物细胞和无机微粒的分离、检测、操控方面得到了广泛的应用.本文突破对介电泳技术的传统定位,简要介绍介电泳效应的两例新的应用.首先是和新兴的纳米孔技术结合,利用介电泳的富集效应,在微纳环境下对单分子行为进行操控,解决目前纳米孔基因测序面临的通量低等难题.其次在某些相分离固体材料中,介电泳可以通过调节电子相的几何结构引起渗流,从而实现电致阻变效应.这些研究不仅扩大了介电泳技术的应用范围,且具有多学科技术交叉融合的特点,为生物检测技术的开发创新以及新型功能材料的设计提供了新的思路.     

以DNA为模板构筑纳米材料与分子器件

Moore定律正面临着挑战,即以硅材料为基础的集成电路元件尺寸正接近它的极限。而分子电子学有望作为一种解决的方案,替代硅电子学来构建更小的分子集成电路。DNA,以其独特的纳米尺度、分子线性结构、物理化学稳定性、力学刚性、自我识别能力以及自组装等优势,正逐步应用于分子电子学的各个领域。研究表明,DNA导电性存在着争议,而在此基础上以DNA为模板构筑纳米材料及分子器件正成为一个新的研究热点。本文在大量文献的基础上试图对以DNA为模板构筑分子导线、分子晶体管、分子计算机以及分子阵列等纳米材料及分子器件进行较为详细地归纳和总结,并对存在的问题和应用前景进行了分析和预测。     

固态表面的分子纳米构筑与功能器件

分子纳米构筑与功能器件研制是极有意义的研究课题。本文总结了利用分子自组装构筑多层异质纳米结构、有机金属卟啉络合物的隧道电子诱导分子发光和轨道媒介分离作用、生物分子DNA的创造设计和微观结构、光电材料的本征性集成与功能器件研制。重点介绍了作者在相关课题研究方面所做的工作和最新研究结果。     

合成生物学市场全球格局分析

<正>在过去几年的时间里,合成生物学研发吸引了越来越多公司的投资,新的基因编辑技术的应用前景进一步促进了合成生物学研究的发展,传统药品正被遗传工程产品、DNA测序和DNA合成技术所取代。虽然合成生物学市场还面临诸如政府管理规章和政策、生物安全与生物安保问题、生物武器等潜在风险和阻碍,但这些问题正被监管机构和研发机构加以解决。合成生物学市场利用高级计算和设计系统完全改变了传统对     

离子浓差极化效应及其在微纳流控分子富集系统中的应用进展

离子选择性输运导致的离子浓差极化(ion concentration polarization, ICP)现象与微纳流控技术的结合为生物分子检测、离子分离和海水淡化等许多领域问题提供了新的解决方案,也为传统ICP问题的研究提供了新的技术平台.本文首先对ICP现象做简要介绍,对理论和仿真方面的最新研究成果进行梳理,重点介绍第二类电渗流的产生机理及其对超限定电流的决定作用.然后,对微纳通道系统,特别是哑铃型和H型微纳通道系统中的ICP现象进行解释,对基于ICP效应的带电分子富集、海水脱盐、整流等应用系统进行概述,着重介绍带电分子富集方面最新的仿真研究成果.     

纳米生物学研究中的新技术

大量的生物结构，从核酸，蛋白质，病毒到细胞器，其线度在1—100纳米之间，生物结构虽然很小，但异常复杂，又格外活跃，表现出很多特定的生物学功能，纳米生物学就是在纳米水平阐明生物分子作用规律的一门新兴学科，通过对生物大分子超微结构的解析和操纵，获得单个分子在生命活动中的详尽信息，从而在单分子水平上探寻影响人类健康的恶性疾病的发病机理，并最终能够利用对单分子进行微尺度操纵的技术进行治疗。纳米生物学是一个非常有意义，但又神秘莫测的领域，但广阔的应用前景已经昭示了这一交叉学科强劲的生命力。本文将着重介绍原子力显微镜和光镊在纳米生物学研究中的重要应用。     

基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵平台关键技术

在分析介电泳的微纳米生物粒子操纵研究现状和存在问题基础上,研究了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵的理论基础和建模仿真,给出了光诱导介电泳芯片在空间电场分布和不同高度介电泳力分布关系．在此基础上进行微操纵系统的核心部件——光电导层芯片的选材、制作工艺和性能分析测试,给出了悬浮液层分压和有效电压频谱关系图．最后,组合机器视觉检测与实时跟踪子系统,构建了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵实验平台,完成了对微纳米生物粒子快速聚集、输运、分离等操纵实验,为建立以微流控芯片为基础的重大疾病的快速、准确、低成本的检测和早期诊断提供了基础．     

页岩气纳米孔真实气体传输模型

页岩富含纳米孔,纳米孔气体传输不同于宏观流体流动.基于滑脱流动和克努森扩散两种传输机理,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和克努森扩散的权重系数,耦合这两种机理,建立了理想气体传输模型.同时考虑高压条件下真实气体分子间相互作用力和气体分子自身体积对气体传输的影响,建立了页岩纳米孔真实气体传输模型.模型可靠性通过分子模拟结果验证.结果表明:纳米孔真实气体传输模型能够更合理地描述所有的气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;真实气体效应对气体传输的影响可高达23%,其受压力、温度、纳米孔尺度和气体类型的控制;在室内实验条件下模拟页岩纳米孔气体传输时,用氦气代替甲烷,低估了甲烷的传输能力65.09%;用氮气代替甲烷,高估了甲烷的传输能力106.27%.     

嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析

离子选择性纳米多孔膜材料在分子分离、海水淡化、生物分子富集、电池等诸多科学工程领域都有着非常重要的应用.本文通过数值仿真分析嵌有阳离子选择性膜的带电微通道内增强电渗流以及系统的除盐效应.结果表明,当浓度为1 mmol L~(-1)的KCl溶液在40 V cm~(-1)的外电场驱动下流过长60μm、宽10μm的微通道时,如果在通道中心离子选择膜性上加25 mV的跨膜电压,除盐效率约为29%;而当跨膜电压为250 mV时,除盐效率则高达89%.流体运动方面,在低跨膜电压下,通道内流体运动由传统电渗流主导,压力流主要用于平衡通道上游与下游电渗流速度的差别.然而在高跨膜电压下,膜表面附近生成很强的非线性涡流,进而形成泵效应;通道内流体运动则是压力流为主导,通道上下游均呈现带滑移边界的压力流特征.对照等参数的无膜通道,嵌膜系统在跨膜电压为400 mV时可以实现15倍以上的流速.本文所揭示物理机制可为新型微泵以及海水淡化装置的设计及优化提供重要的指导.     

信息科学与生物之谜

生物之谜实质上就是对生命本质的探索。生物学将从过去５０年的分析为主转变为以分析与综合相结合,一方面,人们将继续采用新的实验技术去了解基因,分子,细胞是如何工作的。另一方面,更为重要的是研究多种细微分子是如何相互作用的,实质上是研究各部分是如何调控的,生物体不论在宏观上,即整个生物个体的宏观状态,还是微观上,即在基因层次上,生物的调控作用都符合控制论原理,可以用控制论的理论和规律加以分析。生物体的小     

美科学家确定下一组基因测序目标

美国科学家确定了基因测序的下一组目标生物,包括1种负鼠、4种真菌、3种蛔虫和1种甲虫。据英国《自然》杂志网站报道,这些生物的基因测序工作将于今年内在美国的5家研究中心展开,研究所由美国国家卫生研究所资助。此前,科学家已经绘制出了人类、小鼠、蜜蜂和果蝇等动物的基因图谱,目前正在对紫海胆、大鼠、黑猩猩和牛等进行测序。对比不同物种的基因组,有助于研究生物进化过程辨别基因并分析其功能,了解人类发育和疾病的机理。南美负鼠是一种灰色、短尾的小型哺乳动物,它将成为基因密码被破解的第一种有袋动物。研究人员选中负鼠是由于这种…     

形状记忆聚合物微纳米纤维膜在生物医学中的应用进展

形状记忆聚合物作为一种新兴的智能材料能够记忆暂时形状,并在外界激励条件下实现主动回复到初始形状的驱动过程.基于静电纺丝技术获得的形状记忆聚合物微纳米纤维膜与天然细胞外基质具有相似的三维结构,因此在生物医学领域,特别是组织工程中显示出巨大的应用前景.形状记忆微纳米纤维膜作为智能可变形材料为生物医疗的快速发展带来个性化、智能化的机遇.本文综述了形状记忆聚合物微纳米纤维膜的制备技术、结构形貌及驱动方法,总结了形状记忆聚合物微纳米纤维膜在骨组织支架、骨组织修复、神经支架及细胞培养等方面的应用研究,分析了形状记忆聚合物材料的其他结构在生物医疗领域的应用现状,进一步阐述了形状记忆聚合物材料未来面临的挑战及发展方向.     

疏水表面微通道电渗流的数值模拟

电渗流（EOF）广泛应用于微流控芯片中的流体传输与混合.针对具有一定滑移长度的疏水表面微通道,建立了描述EOF的控制方程,基于有限元分析方法对微通道EOF进行了数值模拟,研究了微通道高度、电场强度和溶液浓度等对EOF的影响.结果表明,疏水表面和亲水表面微通道EOF的瞬态过程相似,稳态时间尺度在ms量级,大小与微通道高度的平方成正比;EOF速度大小与电场强度成正比,与微通道高度无关;由于边界滑移的存在,疏水表面比亲水表面EOF速度明显增大,且随着溶液浓度的增大,EOF速度增大相对要大的多.该结论对于具有一定滑移长度的疏水表面微通道内EOF的精确操控具有一定的参考意义.     

高取向热解石墨纳米孔的制备、控制及纳米结构的模板合成

高取向热解石墨（HOPG）单层及多层纳米可作为结构模板合成金属或半导体纳米结构。本文介绍了作者最近有关用高聚焦离子束轰击和热氧化法在HOPG上制备大小、深度（单层、多层）、密度可控的纳米孔,以及控制纳米孔的形成位置制备周期性的纳米孔有序阵列等工作。并对用HOPG纳米孔作为结构模板合成金属或半导体纳米结构及其有序阵列体系也作了介绍。     

揭开世界性系统农牧渔业基因组研究的序幕

以基因组测序为先导的农牧渔业系统基因组学研究是一项需要国际间进行协同攻关和紧密合作的重大项目计划。这种以应用为目的的基础科学研究项目无论是对发达国家还是对发展中国家而言都是非常重要和必要的。然而，我们必须清醒地意识到，当人类基因组和其他许多同人类健康相关的基因组以及一些模式生物基因组已经或即将被测序时，重要的农作物、牲畜、水产品基因组所受到的重视还远远不够。虽然我们正面对诸如政策制订、资金申请、地方发展重点、研究团体共识及技术革新等多方面的问题和挑战，人们还是提出了许多有关大规模测序及其投资收益的倡议或计划。由于大规模测序即全基因组鸟枪法(Wh01e Genome Shotgun or WGS)所产生的序列草图能覆盖整个基因组95％至99％的区域，从基因组草图中识别的基因连带其他资源比如分子标记、大片段插入克隆和cDNA序列的知识，为农牧渔业和环境生物学提供了丰富的信息和大量的工具。一旦这项重大计划得以实施并取得成功，所有国家的分子生物学家、遗传学家、实验生物学家。无论富裕或贫穷，都将站在同一科学起点上，基础基因组学信息的又一次大爆发将使我们的生活和环境拥有一个更美好的未来。我们热切呼吁全世界的各个研究基金会，也呼吁各个国家和国际政府机构与组织共同支持这场伟大的项目计划。     

电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理研究

电渗驱动纳米压印是一种新型的纳米压印工艺,它在大面积纳米压印、高深宽比微纳结构制造,尤其是在易碎衬底大面积图形化方面具有非常突出的潜能和优势.但是,电渗驱动纳米压印不同于现有的"压力驱动"纳米压印和"电毛细力驱动"纳米压印,已有的纳米压印聚合物流变填充基础理论和相关研究结果不再适用.本文开展了电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理、影响因素和规律的研究.基于微流体电渗驱动原理,建立了电渗驱动纳米压印驱动力体积力、填充速度以及填充时间的理论模型.利用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件,揭示了液态聚合物在模具型腔动态填充的过程,工艺参数、模具几何特征、聚合物材料特性等因素对于纳米压印流变填充的影响及其规律.本研究为电渗驱动纳米压印技术奠定了理论基础,并为电渗驱动纳米压印工艺优化和和压印装备开发与性能的改进提供了重要理论支撑和方向性指导.     

基于DNA分子的逻辑门与计算机

本文对基于DNA分子的逻辑门与计算机研究进行了综述。DNA逻辑门与DNA计算机是目前非常活跃的研究领域,有可能解决电子计算机发展的瓶颈问题。本文从DNA逻辑门的分子基础、DNA逻辑门和DNA计算机等几个方面进行了介绍,并且对可能的发展方向作了一些预期。     

小麦转基因研究现状及展望

自二十世纪八十年代开始研究转基因植物以来，小麦作为世界主要粮食来源，其转基因遗传改良受到科学家的广泛关注。目前国内外已有近200例外源基因，主要是抗除草剂类基因、抗病虫基因、品质基因、抗旱耐盐等抗逆基因、雄性不育类基因等，通过基因枪法、农杆菌介导法、花粉管通道法等技术转入小麦的报道。从转单基因到进行多基因组装，从改良各种生物胁迫和非生物胁迫的抗逆性，到改良品质、高产等生理和农艺性状，是未来转基因小麦的研究方向。本文就近二十几年来转基因小麦研究进展及存在问题进行了全面系统的综述和探讨。     

拟南芥基因组中注释为小檗碱桥环酶基因的分子克隆及异源表达

小檗碱桥环酶(BBE)催化(S)-牛心果碱((S)-reticuline)中N-CH3与分子内苄基部分中羟基的邻位芳香碳之间C-C键的形成,该酶属于双共价黄素蛋白家族,是苄基异喹啉类生物碱向小檗碱类生物碱转化的关键酶.迄今,在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中尚未发现复杂生物碱,但其基因组测序结果表明拟南芥含有众多可能与复杂生物碱生物合成相关的基因,其中与BBE类似的基因有12个.基于与已知功能的BBE及拟南芥中BBE序列的分析,选定拟南芥中4个注释为BBE的编码基因为目的基因,设计特异引物,从拟南芥cDNA中扩增并克隆到pGM-T载体中,筛选重组子,测序并分析,获得了4个BBE目的基因,分别为AT2G34810、AT5G44400、AT5G44410和AT5G44440.将上述基因克隆至表达载体pET-28a或pET-30a中,分别转入大肠杆菌Rosetta(DE3)中,IPTG诱导实现了上述基因的异源表达.     

家蚕基因组研究对蚕业学科和产业发展的影响

近年来，蚕业科学技术一直处于平台期，没有大的突破。影响产量、质量的关键性技术难题得不到有效解决，蚕丝业整体生产效益低下，严重影响产业稳定和持续发展。但是，随着家蚕基因组的完成，将为其注入新的活力与创新源泉，将使我们掌握参与蚕茧产量和质量形成的相关功能基因，了解这些基因的作用方式和特征，比较全面、准确地认识家蚕生物特性的遗传基础和分子调控机制，为提高蚕茧产量、改善蚕茧品质提供理论基础和技术支持。同时，家蚕作为模式昆虫，其基因组研究以及比较基因组学研究在农林科学与人类疾病研究等学科发展中意义重大，并将发挥着越来越重要的作用。因此家蚕基因组研究，在蚕丝产业与模式生物的研究方面均具有重要的科学价值。