基于原子力顯微鏡的高效率DNA納米操縱系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用.pdf

1、本論文分析了目前在基于原子力顯微鏡的納米操縱，尤其是DNA單分子操縱中，影響效率和精度的主要因素。通過設(shè)計有針對性的解決方案，實現(xiàn)了高效率高精度的單分子納米操縱，并提出了一種智能化的操縱策略。在此基礎(chǔ)上，本論文對DNA納米操縱的機制進行了初步探索，通過建立DNA操縱過程模型，為解釋實驗中遇到的各種現(xiàn)象提供了依據(jù)。
　　納米操縱技術(shù)是上世紀(jì)80年代末期隨著掃描探針顯微技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的新興科學(xué)技術(shù)，它使得真正意義上的單原子/分子

2、研究成為可能，在半導(dǎo)體、材料、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的前景和價值。其中，原子力顯微鏡由于其對樣品和環(huán)境條件幾乎沒有限制，并且能夠?qū)悠肥┘佣喾N相互作用，成為單分子納米操縱的主要工具。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的生化分析方法通常是基于大量分子的統(tǒng)計信息，失去了“空間分辨率”。原子力顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)單分子分析，在納米尺度上直接觀測生物分子及其相互作用，對于揭示各種重要生命過程的本質(zhì)以及促進新一代個性化醫(yī)療方法具有重要的意義。例如對DNA分子

3、的納米操縱有助于單分子序列信息的研究，通過機械力拉伸操縱能夠研究DNA分子折疊結(jié)構(gòu)的力學(xué)信息，對DNA的機械力操縱還有助于了解機械力對于特定序列突變的誘導(dǎo)等等。
　　然而，目前原子力顯微鏡納米操縱的效率還比較低，其原因主要是:
　　(1)原子力顯微鏡針尖既是成像工具又是操縱工具。因此在操縱過程中需要不斷的在操縱模式和成像模式之間切換，耗費大量的操作和時間;此外原子力顯微鏡柵格掃描模式本身也存在成像速度較慢的問題;
　　

4、(2)設(shè)備本身存在熱漂移。熱漂移是設(shè)備部件由于溫度波動導(dǎo)致的微小形變（膨脹/收縮），是一種普遍存在的現(xiàn)象。在宏觀環(huán)境中，熱漂移的影響并不明顯，但在納米操縱過程中，熱漂移對操縱準(zhǔn)確性的影響不可忽略，必須發(fā)展快速有效的熱漂移的補償方法，提高操縱的精度。
　　(3)納米操縱過程中，針尖與分子的相互作用非常復(fù)雜，包括范德華力、毛吸力、靜電力、斥力、甚至化學(xué)鍵作用，使得通過模型進行定量分析相當(dāng)困難，無法將已有的自動化技術(shù)直接應(yīng)用于納米操縱過

5、程;例如，針尖拾取納米顆粒是依靠非特異性的吸附力，主要是范德華力和毛細力。這兩種力均與環(huán)境的濕度條件密切相關(guān)，但是環(huán)境濕度如何影響吸附力還沒有一個明確的理論可供參照。
　　針對上述問題，本論文的研究內(nèi)容主要可以分為以下幾個方面:
　　(1)根據(jù)不同的操縱目的，如DNA操縱、納米顆粒操縱和納米刻蝕，分別設(shè)計了高效率的針尖移動方式，結(jié)合原子力顯微鏡設(shè)備提供的開放接口，實現(xiàn)了大范圍成像與小范圍（局域化）操縱兼容的問題，有效消除了操

6、縱過程中掃描范圍的切換，從而簡化連續(xù)操縱的步驟，提高操縱的效率。
　　(2)發(fā)展了一套基于“圖像配準(zhǔn)”的原子力顯微鏡熱漂移補償技術(shù)，并通過引入最小二乘估計和卡爾曼濾波器等方法實現(xiàn)了軟件方式的亞像素精度熱漂移補償，提高了操縱的精度。此外，該方法還能夠用于校正由熱漂移引起的原子力顯微鏡圖像失真，提高圖像測量的準(zhǔn)確性。
　　(3)發(fā)展了一套針對低信噪比原子力顯微鏡圖像的圖像識別改進算法并成功應(yīng)用于DNA和納米顆粒的操縱，進一步提高

7、了操縱的效率，為自動化及智能化的納米操縱提供了一種可行的策略。
　　(4)結(jié)合一些較為公認的納米尺度相互作用模型對原子力顯微鏡納米操縱，尤其是DNA分子操縱的物理過程和機制進行了初步的探討，并分析了適用于納米操縱的APTES襯底的性質(zhì)，為解釋實驗中的各種現(xiàn)象提供了依據(jù)。
　　基于原子力顯微鏡的高效率納米操縱的研究目前尚處于起步階段，對于生物單分子高效率操縱的研究更不多見。本論文在大量實驗總結(jié)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對提高基于原子力顯微