石墨烯纳米孔设备可探测单个DNA分子

上一篇 / 下一篇  2010-11-14 22:08:42

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据物理学家组织网报道,美国宾夕法尼亚大学的研究人员近日开发出一个纳米级的碳基平台,可用于电子探测单个DNA(脱氧核糖核酸)分子。该技术最终有望在快速DNA电子测序方面发挥“用武之地”。相关研究论文发表于最新一期的《纳米快报》。

  这个纳米平台由石墨烯制成。研究小组利用电子束技术,在石墨烯膜上烧灼出纳米大小的小孔,在电场的作用下,微小的DNA链就可以穿过这些孔洞。通过电子测量手段检测DNA的易位,再根据DNA4个碱基各自独特的“电子签名”,就可以快速完成DNA测序。

  实验中,研究小组使用化学气相沉积法培育出大块的石墨烯薄片,并将这些薄片悬停在一个氮化硅制成的微米孔的上方,然后借助透射电子显微镜发出的电子束,在石墨烯薄片的中心钻出一个更小的纳米孔。这些固态的纳米孔为在单分子水平上进行的生物学检测提供了宝贵的工具。

  该研究论文的作者、宾夕法尼亚大学文理学院物理和天文系副教授玛丽亚·德恩迪奇说,石墨烯是由单一碳原子层构成的二维结构材料,由于石墨烯层的厚度小于DNA两个碱基之间的距离,因此石墨烯纳米孔设备可望具有高分辨率。石墨烯材料此前就已经被用于制造其他的电子和机械装置,但迄今尚未被用于检测DNA的易位。

  这种石墨烯纳米孔设备的工作方式非常简单。纳米孔将两种电解质溶液分隔开来,施以电压,溶液中的离子就可以穿过纳米孔。离子的流动情况可以通过电流的大小来检测。如果将DNA分子注入到电解质溶液中,单个的分子同样可以通过纳米孔。当DNA分子发生易位时,它们会阻断离子的流动,这种情况可以通过电流变小来判断。由于DNA4个碱基阻断电流的能力各异,很容易通过这种石墨烯纳米孔设备加以区分,从而有望使低成本、高通量的DNA测序技术变为现实。
  此外,为了使石墨烯纳米孔设备更加经久耐用,研究小组还在石墨烯层之上覆盖了一个只有几个原子层厚的超薄氧化钛层,从而形成了一个更洁净、更易湿润的表面,使DNA更容易穿过,同时帮助降低了纳米孔的噪音水平。

  目前,研究小组正在着手改善这些设备的整体可靠性,并希望利用石墨烯层的导电性来研制可横向电子控制DNA易位的装置。具体来说,这种横向电子控制可以通过将石墨烯蚀刻成纳米电极来实现。而早在2008年,研究人员就已经证明,石墨烯可以通过纳米蚀刻技术雕琢成任意结构,如纳米带,纳米孔和其他形状等,从而为未来的应用打下了坚实基础。

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