(Phys.org) — Het met hoge snelheid lezen van de genetische code zou een boost moeten krijgen met de creatie van 's werelds eerste grafeen-nanoporiën - poriën met een diameter van ongeveer 2 nanometer - met een "ingebouwde" optische antenne. Onderzoekers van Berkeley Lab en de University of California (UC) Berkeley hebben een eenvoudige, eenstapsproces voor het produceren van deze nanoporiën in een grafeenmembraan met behulp van de fotothermische eigenschappen van gouden nanostaafjes.

"Met onze geïntegreerde grafeen nanopore met plasmonische optische antenne, we kunnen directe optische DNA-sequentiedetectie verkrijgen, " zegt Luke Lee, de Arnold en Barbara Silverman Distinguished Professor aan UC Berkeley.

Lee en Alex Zettl, een fysicus die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Physics Department van UC Berkeley, waren de leiders van een onderzoek waarin een hotspot op een grafeenmembraan een nanoporie vormde met een zelfgeïntegreerde optische antenne. De hotspot is ontstaan ​​door foton-naar-warmte-omzetting van een gouden nanostaafje.

"Wij geloven dat onze aanpak nieuwe wegen opent voor gelijktijdige elektrische en optische nanopore DNA-sequencing en voor het reguleren van DNA-translocatie, " zegt Zettl, die ook lid is van het Kavli Energy Nanoscience Institute (Kavli ENSI).

Nanopore-sequencing van DNA, waarin DNA-strengen door poriën op nanoschaal worden geregen en letter voor letter worden gelezen, is aangeprezen vanwege zijn vermogen om DNA-sequencing een snellere en meer routinematige procedure te maken. Onder de huidige technologie, de DNA-letters worden "gelezen" door een elektrische stroom die door nanoporiën gaat die op een siliciumchip zijn gefabriceerd. Proberen elektrische signalen te lezen van DNA dat door duizenden nanoporiën tegelijk gaat, echter, kan leiden tot grote knelpunten. Het toevoegen van een optische component aan deze uitlezing zou dergelijke knelpunten helpen elimineren.

"Directe en verbeterde optische signalen worden verkregen op de kruising van een nanoporie en zijn optische antenne, ", zegt Lee. "Het gelijktijdig correleren van dit optische signaal met het elektrische signaal van conventionele nanopore-sequencing biedt een extra dimensie die een enorm voordeel zou zijn voor DNA-uitlezing met hoge doorvoer."

Een sleutel tot het succes van deze inspanning is het eenstaps fotothermische mechanisme dat het mogelijk maakt om grafeennanoporiën te creëren met zelf-uitgelijnde plasmonische optische antennes. De afmetingen van de nanoporiën en de optische eigenschappen van de plasmonische antenne zijn afstembaar, waarbij de antenne zowel als optische signaaltransducer als versterker fungeert. De atomair dunne aard van het grafeenmembraan maakt het ideaal voor hoge resolutie, hoge doorvoer, DNA-sequencing van één molecuul. DNA-moleculen kunnen worden gelabeld met fluorescerende kleurstoffen, zodat elk basenpaar fluoresceert met een kenmerkende intensiteit wanneer het door de kruising van de nanoporie en zijn optische antenne gaat.

"In aanvulling, ofwel de gouden nanoplasmonische optische antenne of het grafeen kan worden gefunctionaliseerd om te reageren op verschillende basenpaarcombinaties, Lee zegt. "De gouden plasmonische optische antenne kan ook worden gefunctionaliseerd om de directe optische detectie van RNA mogelijk te maken, eiwitten, eiwit-eiwit interacties, DNA-eiwit interacties, en andere biologische systemen."

De resultaten van dit onderzoek zijn gerapporteerd in Nano-letters in een paper getiteld "Graphene Nanopore with a Self-Integrated Optical Antenna."