作为遗传信息的载体，DNA是生命在进化过程中最为重要的一种物质。快速准确地探测DNA的序列不仅可以帮助人们有效地预防和治疗如糖尿病、血友症和癌症等遗传学疾病，还能有助于人类解开自身的生命起源之谜。自上世纪70年代起，人们已先后发展了三代DNA测序技术。第一代DNA测序技术基于Sanger法，耗时15年完成了人类基因组计划，直接花费约30亿美元。第二代DNA测序技术以高通量为特点，仅需一周、花费不到100万美元就能完成人类基因组的测序。近年来备受关注的基于纳米孔的第三代DNA测序技术，通过检测DNA碱基通过纳米孔时所产生的特征阻塞电流进行测序。凭借超快速、高精度、低成本的优势，纳米孔测序技术有望完成美国国立卫生研究院(NIH)设定的只花费1000美元、在24小时内完成个人基因组测序的目标。尽管如此，纳米孔测序技术目前仍存在一些关键问题亟需解决，如DNA分子过孔速度过快以至于难以对阻塞电流信号进行精确地检测。研究表明，增大DNA分子与纳米孔孔壁间的摩擦力可以在一定程度上降低其过孔速度。然而，以往的研究主要集中于DNA表面自组装、分子形貌、DNA分子链的力学稳定性以及基于DNA分子特定功能器件的研发，有关DNA分子摩擦学行为的研究却鲜见报道。因此，为了全面、深入地理解DNA分子与纳米孔材料之间的摩擦作用机制，亟需系统地开展DNA摩擦学行为的研究。相关研究成果不仅可以促进基于纳米孔的第三代DNA测序技术的发展和应用，同时也能够丰富和完善生物纳米摩擦学的理论基础。　　本论文借助原子力显微镜(AFM)，针对DNA分子/纳米孔材料摩擦副，重点研究了不同纳米孔材料、溶液NaCl浓度、溶液pH值、分子链长对DNA分子摩擦学行为的影响规律及作用机制。首先，成功制备出表面吸附有DNA分子的二氧化硅针尖，利用其研究了溶液环境中DNA与几种典型纳米孔材料之间的摩擦学行为，进而提出了纳米孔材料选择的优化建议。在此基础上，以原子级平整的云母表面为基底成功制备出DNA自组装薄膜，并使用AFM的氮化硅针尖系统研究了溶液NaCl浓度、溶液pH值以及分子链长对DNA摩擦学行为的影响规律及作用机制。同时，在东南大学陈云飞教授课题组的帮助下，对不同pH值溶液中DNA分子通过氮化硅纳米孔的过孔情况进行了测试，以验证本论文有关溶液pH值优化的研究结果。论文的主要结论及创新点如下:　　(1)成功制备出表面吸附有DNA分子的二氧化硅针尖，揭示出不同纳米孔材料与DNA分子之间摩擦学行为的变化规律。　　使用3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂修饰二氧化硅针尖，将DNA分子自组装于其表面，成功地制备出表面吸附有DNA分子的二氧化硅针尖。在此基础上，使用该针尖系统研究了DNA分子与5种典型的纳米孔材料（氮化硅、石英、APS-石英、石墨烯、石墨）之间的摩擦学行为。结果表明，在相同载荷下5种纳米孔材料与DNA分子之间的摩擦力从大到小依次为:APS-石英＞氮化硅＞石英＞石墨烯＞石墨。其中石墨烯和石墨由于拥有特殊的微观层状结构，其与DNA之间的摩擦力明显小于其余3种纳米孔材料;通过不同纳米孔材料表面的接触角测试，发现液下环境中疏水表面有可能在一定程度上增大DNA分子与材料间的摩擦力;通过APS-石英、氮化硅和石英表面力曲线的测试，发现带正电的APS-石英表面与DNA分子之间会产生静电引力，有助于增大DNA-SiO2针尖与基底间的相互作用力，进一步导致摩擦力的增大。该部分研究结果针对纳米孔材料的选择提出相关建议，也为后续DNA摩擦行为研究中针尖材料的选择提供了参考。　　(2)阐明了NaCl溶液浓度对DNA分子构象及摩擦行为的影响规律。　　在云母表面成功制备出DNA自组装薄膜，使用氮化硅针尖测试了溶液的NaCl浓度对DNA分子构象及摩擦行为的影响规律。结果显示，随着溶液中带正电的Na离子浓度的增大，越来越多的DNA分子骨架外侧磷酸基团所带的负电荷被屏蔽，DNA分子从较为伸展的构象逐渐转变为“线圈盘绕”的构象。此外，在相同载荷下，当溶液NaCl浓度较低时，由于DNA分子的刚度较高，针尖与DNA分子间的摩擦力较大。可见，较低的NaCl浓度能使DNA分子更为伸展，有利于DNA分子在良好的姿态下进入并通过纳米孔，同时，较大的摩擦力利于降低DNA分子的过孔速度。因此，较低的NaCl浓度更利于DNA分子的纳米孔测序。　　(3)揭示了溶液pH值对DNA分子构象及摩擦行为的作用机制。　　在不同pH值的溶液中，使用氮化硅针尖在DNA薄膜表面进行了粘着与摩擦行为的测试，揭示了溶液pH值对DNA分子构象及摩擦力的影响机制。研究表明，溶液pH值的变化将对DNA分子碱基之间，以及DNA分子与氮化硅针尖之间的相互作用力产生影响，从而会进一步影响DNA分子的构象及其与氮化硅针尖的摩擦行为。当pH较低时，DNA分子与氮化硅针尖之间存在静电引力，在一定程度上增大了两者之间的相互作用力，导致摩擦力增大;当pH值较高时，DNA分子与针尖之间存在静电斥力，在一定程度上平衡了部分外加载荷，导致摩擦力降低。此外，不同pH值下DNA构象的变化也能影响摩擦力的大小。低pH值下DNA分子的吸附构象主要为“平躺型”，针尖在剪切时会受到较大的阻力;高pH下DNA分子的吸附构象主要为“链圈型”，并且部分分子链伸展至溶液中，针尖在剪切时受到的阻力较小。在低pH值溶液中，平躺的构象有利于DNA分子的一端进入并保持良好的姿态通过纳米孔;同时，低pH值溶液中DNA分子与氮化硅纳米孔材料的摩擦力较大，利于降低DNA分子的过孔速度。最后，不同pH值溶液中DNA穿越纳米孔的实验也同样验证了较低的溶液pH值能降低DNA分子的过孔速度，因此，较低的溶液pH值更利于DNA分子的纳米孔测序。　　(4)研究表明链长对DNA分子摩擦学行为的影响不大，纳米孔测序对DNA分子的读取长度不受摩擦限制。　　使用不同链长的DNA分子在云母表面制备出自组装薄膜，采用氮化硅针尖研究了链长对DNA分子构象及摩擦行为的影响规律。结果表明，DNA分子以链圈和平躺共存的构象吸附于APS修饰的云母基底表面;随着链长的增大，DNA分子更为伸展，利于DNA分子以良好的姿态进入并通过纳米孔。在较低的载荷范围内，链长对DNA分子与氮化硅针尖之间的摩擦力影响不大，DNA分子的过孔速度受链长的影响较小。因此，从摩擦学的角度来看，纳米孔测序的读取长度不受限制。　　综上所述，本论文系统研究了纳米孔材料、溶液NaCl浓度、溶液pH值以及分子链长对DNA分子摩擦学行为的影响规律和作用机制，研究结果不仅丰富了生物纳米摩擦学的理论基础，而且为基于纳米孔的第三代DNA测序技术的优化提供了理论依据。