石墨烯納米孔設(shè)備可探測(cè)單個(gè)DNA分子

美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員近日開(kāi)發(fā)出一個(gè)納米級(jí)的碳基平臺(tái)，可用于電子探測(cè)單個(gè)DNA（脫氧核糖核酸）分子。該技術(shù)zui終有望在快速DNA電子測(cè)序方面發(fā)揮“用武之地"。相關(guān)研究論文發(fā)表于一期的《納米快報(bào)》。 
　　這個(gè)納米平臺(tái)由石墨烯制成。研究小組利用電子束技術(shù)，在石墨烯膜上燒灼出納米大小的小孔，在電場(chǎng)的作用下，微小的DNA鏈就可以穿過(guò)這些孔洞。通過(guò)電子測(cè)量手段檢測(cè)DNA的易位，再根據(jù)DNA的4個(gè)堿基各自*的“電子簽名"，就可以快速完成DNA測(cè)序。
　　實(shí)驗(yàn)中，研究小組使用化學(xué)氣相沉積法培育出大塊的石墨烯薄片，并將這些薄片懸停在一個(gè)氮化硅制成的微米孔的上方，然后借助透射電子顯微鏡發(fā)出的電子束，在石墨烯薄片的中心鉆出一個(gè)更小的納米孔。這些固態(tài)的納米孔為在單分子水平上進(jìn)行的生物學(xué)檢測(cè)提供了寶貴的工具。
　　該研究論文的作者、賓夕法尼亞大學(xué)文理學(xué)院物理和天文系副教授瑪麗亞·德恩迪奇說(shuō)，石墨烯是由單一碳原子層構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)材料，由于石墨烯層的厚度小于DNA兩個(gè)堿基之間的距離，因此石墨烯納米孔設(shè)備可望具有高分辨率。石墨烯材料此前就已經(jīng)被用于制造其他的電子和機(jī)械裝置，但迄今尚未被用于檢測(cè)DNA的易位。
　　這種石墨烯納米孔設(shè)備的工作方式非常簡(jiǎn)單。納米孔將兩種電解質(zhì)溶液分隔開(kāi)來(lái)，施以電壓，溶液中的離子就可以穿過(guò)納米孔。離子的流動(dòng)情況可以通過(guò)電流的大小來(lái)檢測(cè)。如果將DNA分子注入到電解質(zhì)溶液中，單個(gè)的分子同樣可以通過(guò)納米孔。當(dāng)DNA分子發(fā)生易位時(shí)，它們會(huì)阻斷離子的流動(dòng)，這種情況可以通過(guò)電流變小來(lái)判斷。由于DNA的4個(gè)堿基阻斷電流的能力各異，很容易通過(guò)這種石墨烯納米孔設(shè)備加以區(qū)分，從而有望使低成本、高通量的DNA測(cè)序技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
　　此外，為了使石墨烯納米孔設(shè)備更加經(jīng)久耐用，研究小組還在石墨烯層之上覆蓋了一個(gè)只有幾個(gè)原子層厚的超薄氧化鈦層，從而形成了一個(gè)更潔凈、更易濕潤(rùn)的表面，使DNA更容易穿過(guò)，同時(shí)幫助降低了納米孔的噪音水平。
　　目前，研究小組正在著手改善這些設(shè)備的整體可靠性，并希望利用石墨烯層的導(dǎo)電性來(lái)研制可橫向電子控制DNA易位的裝置。具體來(lái)說(shuō)，這種橫向電子控制可以通過(guò)將石墨烯蝕刻成納米電極來(lái)實(shí)現(xiàn)。而早在2008年，研究人員就已經(jīng)證明，石墨烯可以通過(guò)納米蝕刻技術(shù)雕琢成任意結(jié)構(gòu)，如納米帶，納米孔和其他形狀等，從而為未來(lái)的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。