Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben een nieuwe, op koolstof gebaseerd platform op nanoschaal om enkelvoudige DNA-moleculen elektrisch te detecteren.

Met behulp van elektrische velden, de kleine DNA-strengen worden door nanoschaal-formaat geduwd, atomair dunne poriën in een grafeen-nanoporieplatform dat uiteindelijk belangrijk kan zijn voor snelle elektronische sequencing van de vier chemische basen van DNA op basis van hun unieke elektrische handtekening.

de poriën, verbrand in grafeenmembranen met behulp van elektronenstraaltechnologie, Penn-fysici voorzien van elektronische metingen van de translocatie van DNA.

Het artikel, ingediend op 25 maart wordt gepubliceerd in het huidige nummer van Nano-letters .

"We waren gemotiveerd om de unieke eigenschappen van grafeen - een tweedimensionale laag koolstofatomen - te benutten om een ​​nieuw elektrisch platform met nanoporiën te ontwikkelen dat een hoge resolutie zou kunnen vertonen, " zei Marija Drndić, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van Penn's School of Arts and Sciences en senior auteur van de paper. "Hoge resolutie van grafeen nanopore-apparaten wordt verwacht omdat de dikte van het grafeenvel kleiner is dan de afstand tussen twee DNA-basen. Grafeen is eerder gebruikt voor andere elektrische en mechanische apparaten, maar tot nu toe is het niet gebruikt voor DNA-translocatie."

Het onderzoeksteam had grafeen nanoporiën gemaakt in een studie die twee jaar geleden werd afgerond en in deze studie zette de poriën aan het werk.

Om de experimenten uit te voeren, Drndić en postdoctoraal fellow Christopher A. Merchant, samen met Ken Healy, Meni Wanunu, Vishva Ray en andere leden van het Drndić-lab maakten gebruik van grafeenmateriaal met een groot oppervlak, ontwikkeld door postdoctoraal onderzoeker Zhengtang Luo en professor A.T. Charlie Johnson, beide natuurkundigen van Penn. Het team gebruikte een chemische dampafzetting, of CVD, methode om grote vlokken grafeen te laten groeien en ze op te hangen boven een enkel micron-groot gat gemaakt in siliciumnitride. Een nog kleiner gat, de nanoporie in het centrum van het gesuspendeerde grafeen, werd vervolgens geboord met een elektronenstraal van een transmissie-elektronenmicroscoop, of TEM.

Solid-state nanoporiën blijken onschatbare hulpmiddelen te zijn voor het onderzoeken van biologie op het niveau van één molecuul.

Grafeen nanopore-apparaten ontwikkeld door het Penn-team werken op een eenvoudige manier. De porie verdeelt twee kamers met elektrolytoplossing en onderzoekers passen spanning toe, die ionen door de poriën drijft. Ionentransport wordt gemeten als een stroom die uit de spanningsbron vloeit. DNA-moleculen, ingebracht in de elektrolyt, kan een enkel bestand door dergelijke nanoporiën worden gedreven.

Terwijl de moleculen zich verplaatsen, ze blokkeren de stroom van ionen en worden gedetecteerd als een daling van de gemeten stroom. Omdat de vier DNA-basen de stroom anders blokkeren, grafeen nanoporiën met een dikte van minder dan nanometer kunnen een manier zijn om onderscheid te maken tussen basen, het realiseren van een lage kosten, high-throughput DNA-sequencingtechniek.

In aanvulling, om de robuustheid van grafeen nanopore-apparaten te vergroten, Penn-onderzoekers hebben ook een ultradunne laag afgezet, slechts een paar atoomlagen dik, van titaniumoxide op het membraan dat verder een schoner, gemakkelijker bevochtigbaar oppervlak waardoor het DNA er gemakkelijker doorheen kan. Hoewel alleen grafeen nanoporiën kunnen worden gebruikt voor het transloceren van DNA, het coaten van de grafeenmembranen met een laag oxide verminderde consequent het nanoporiënruisniveau en verbeterde tegelijkertijd de robuustheid van het apparaat.

Vanwege de ultradunne aard van de grafeenporiën, onderzoekers konden een toename in de grootte van de translocatiesignalen detecteren ten opzichte van eerdere vastestof-nanoporiën gemaakt in siliciumnitride, voor gelijkaardige toegepaste spanningen.

Het Penn-team werkt nu aan het verbeteren van de algehele betrouwbaarheid van deze apparaten en aan het gebruik van de geleidbaarheid van de grafeenplaat om apparaten te maken met transversale elektrische controle over DNA-transport. specifiek, deze transversale elektrische controle kan worden bereikt door grafeen in nano-elektroden te snijden en de geleidende aard ervan te gebruiken. Op weg naar dit doel, Michael Fischbein en Drndic hebben eerder nanosculpting van grafeen in willekeurige structuren gedemonstreerd, zoals nanolinten, nanoporiën en andere vormen, gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven in 2008, het creëren van een stevige basis voor toekomstig onderzoek.