基于纳米孔的 DNA 测序可在紧凑移动平台中实现实时分子诊断，但碱基识别（basecalling）将原始纳米孔电流信号转换为核苷酸序列的过程计算复杂，功耗高。深度学习碱基识别器精度高，但需要大量计算资源，不适合便携式生物传感器。本文提出一种嵌入式硬件-软件框架，在定制 64 位 RISC-V 核上实现基于 Viterbi 的隐马尔可...
生物医学领域对皮安级电流检测的需求推动了生物传感技术持续发展。纳米孔传感作为新兴单分子检测平台，可通过分子与纳米孔相互作用产生的离子电流变化，实现DNA测序、蛋白质测序、手性分子识别以及非生物分子中重原子检测等应用。本文综述了生物纳米孔与固态纳米孔的结构、制备及传感特性，比较了二者在可重复性、稳定性、孔道工程化和规模化集成方面的优势...
跨膜蛋白通道可实现单分子快速高灵敏检测。工程化耻垢分枝杆菌 MspA 纳米孔与马达酶结合已实现 DNA 纳米孔测序。MspA 为八聚体孔蛋白，因通道几何有利而电流水平高于其他孔蛋白，也是唯一有公开 DNA 测序记录的蛋白纳米孔。然而，DNA-马达-孔复合物的随机事件以及每个位置最多五个核苷酸对信号的贡献，导致碱基识别错误。若能在不同...
本文采用密度泛函理论（DFT）研究 DNA/RNA 碱基对（G-C、A-T、A-U）在缺陷石墨烯（双空位 DV 和 Stone-Wales SW）以及硼、硅缺陷掺杂石墨烯（B-DV、Si-DV、B-SW、Si-SW）片层上的吸附行为。计算表明，Si-SW 片层上碱基对的稳定性最高，分别为 G-C −80.59 kcal/mol、A-...
等离子体与纳米孔传感器已分别受到广泛关注，以实现单分子精度。等离子体“热点”在纳米尺度限制并增强光学激发，足以光学检测表面-分析物相互作用。纳米孔生物传感器主动引导并穿引分析物通过分子尺度孔道，以电学或光学方式探测。最近，固态等离子体与纳米孔结构被单片集成，解决各自基本挑战，并在单分子灵敏度、检测速率、驻留时间和可扩展性方面提供互补...
硅烯是一种六方褶皱二维硅同素异形体，具有作为多种新应用平台（包括生物传感）的潜力。本文采用密度泛函理论（DFT），并引入范德华（vdW）相互作用修正，研究单个 DNA 核苷碱基在硅烯表面的吸附行为。研究阐明了这一新型纳米-生物体系的稳定性、电子结构，以及碱基吸附对横向电子输运的显著影响；作者通过非平衡格林函数（NEGF）方法考察了不...
人类基因组序列识别对解析分子、细胞和组织水平异常至关重要，但现有方法耗时、昂贵且费力。为发展高通量、低成本测序系统，天然与合成纳米孔被广泛研究。本文采用结构已在原子水平阐明的电压门控OmpF孔蛋白纳米通道，通过电压钳制技术识别并区分多核苷酸引物。结果显示，poly(T)在正负两种极性下均可偶发阻塞通道，而poly(C)和poly(G...
现代基因组学研究高度依赖自动化高通量/超高通量阵列装置。微流控与纳流控技术可将多种阵列集成于单一器件，成为现代生物技术分析仪器的重要平台。本文报道了一种基于磁珠的微流控平台，用于全自动化、可编程DNA微阵列。器件在等温条件下工作，通过反应液pH的可逆改变实现DNA固定与杂交转移，从而避免温度梯度，便于在单芯片上集成更多选择模块，并降...
生物细胞膜含有多种1–100 nm的离子通道和跨膜孔，对细胞功能至关重要。1976年，Neher和Sakmann利用膜片钳技术证明单个通道可被电学探测。自20世纪90年代以来，该工作启发了蛋白纳米孔或固态纳米孔作为廉价、超快传感器用于检测DNA、RNA和蛋白质等生物分子，尤其聚焦DNA测序。固态纳米孔的优势在于孔径可按被测物定制，并...