DNA(Deoxyribonucleic Acid,脱氧核糖核酸)蕴含了整个生物体的遗传信息。能够快速和准确获取DNA序列的信息对于对探究生命奥秘,疾病诊断,药物研发,育种等领域的技术发展起到不可忽视的推动作用。高通量、低成本的纳米孔(直径为几个纳米的小孔)测序技术由于其能直接检测无标记的单分子,是下一代DNA测序技术的重要候选者。其原理是通过检测DNA分子易位穿过纳米孔时引起的特征离子电流来分辨DNA链上的四种不同类型的碱基,从而读取整个DNA长链的信息。根据其制作材料的不同,纳米孔大致可被分为两类:生物纳米孔和固态纳米孔。固态纳米孔杰出的热学、力学、化学稳定性和大规模集成性的优势,使其被广泛应用。然而固态纳米孔的制备受到传统制备方法复杂、高成本、低产量的限制。另一个制约固态纳米孔测序发展的难题是:纳米孔器件承载膜太厚和DNA穿孔的易位速率太快,导致在空间分辨率和时间分辨率上都达不到分辨单碱基的目的。因此,如何有效控制DNA分子在纳米孔内的传输行为,减慢DNA分子的易位速率,对纳米孔测序技术突破具有重要意义。首先,本文介绍了一种快速、易操作的制备纳米孔方法,在电解质溶液中的,通过在绝缘薄膜上施加可调电流脉冲,使薄膜发生电介质击穿形成具有纳米精度的单个固态纳米孔,脉冲参数可以调整而适用于不同厚度和材料的薄膜。相比于其他制备纳米孔的微纳加工工艺,此方法大大降低了操作复杂性和工艺成本,可实现批量化生产。我们利用LabVIEW虚拟仪器控制可编程的数字源表Keithley 2450实现电介质击穿过程的测量与数据记录。此法制备出的氮化硅和石墨烯纳米孔稳定性良好,在后续的DNA检测应用中表现出了优异的传感性能。其次,提出微纳米网格和氮化硅纳米孔垂直集成的新结构,一定电压下,聚合物纳米纤维网格把缠绕的DNA并解开成线性状态,克服纳米孔对较长DNA分子形成的熵势垒,从实验上观测到了减慢长链DNA分子易位速率的现象,DNA易位速率最长可减缓至136.77/(7。利用MATLAB仿真软件建立了微纳米网格-纳米孔结构的物理模型,从理论上计算了加入纳米纤维网格前后,纳米孔附近离子浓度和电场分布的变化,解释了微纳米网格影响DNA易位行为的物理机制。另外,本文还尝试制备了纳米孔集成氧化锌纳米线网格结构,为其今后应用于DNA测序领域验证了可行性。值得欣喜的是,本文还利用厚度接近于碱基间距的石墨烯纳米孔首次探测到了单碱基的信号,并采用增加电解质粘度的办法,实验中利用有机离子液体BMIMCl将单碱基的易位速率减缓至毫秒量级,并尝试区分出不同的碱基种类。研究成果将为基于纳米孔的DNA测序技术研究、蛋白质和长链聚合物检测等领域的实际应用提供必要的理论依据、基础实验数据和技术储备。