石墨烯納米孔設備可探測單個DNA分子

美國賓夕法尼亞大學的研究人員近日開發出一個納米級的碳基平臺，可用于電子探測單個DNA（脫氧核糖核酸）分子。該技術zui終有望在快速DNA電子測序方面發揮“用武之地"。相關研究論文發表于一期的《納米快報》。 
　　這個納米平臺由石墨烯制成。研究小組利用電子束技術，在石墨烯膜上燒灼出納米大小的小孔，在電場的作用下，微小的DNA鏈就可以穿過這些孔洞。通過電子測量手段檢測DNA的易位，再根據DNA的4個堿基各自*的“電子簽名"，就可以快速完成DNA測序。
　　實驗中，研究小組使用化學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氮化硅制成的微米孔的上方，然后借助透射電子顯微鏡發出的電子束，在石墨烯薄片的中心鉆出一個更小的納米孔。這些固態的納米孔為在單分子水平上進行的生物學檢測提供了寶貴的工具。
　　該研究論文的作者、賓夕法尼亞大學文理學院物理和天文系副教授瑪麗亞·德恩迪奇說，石墨烯是由單一碳原子層構成的二維結構材料，由于石墨烯層的厚度小于DNA兩個堿基之間的距離，因此石墨烯納米孔設備可望具有高分辨率。石墨烯材料此前就已經被用于制造其他的電子和機械裝置，但迄今尚未被用于檢測DNA的易位。
　　這種石墨烯納米孔設備的工作方式非常簡單。納米孔將兩種電解質溶液分隔開來，施以電壓，溶液中的離子就可以穿過納米孔。離子的流動情況可以通過電流的大小來檢測。如果將DNA分子注入到電解質溶液中，單個的分子同樣可以通過納米孔。當DNA分子發生易位時，它們會阻斷離子的流動，這種情況可以通過電流變小來判斷。由于DNA的4個堿基阻斷電流的能力各異，很容易通過這種石墨烯納米孔設備加以區分，從而有望使低成本、高通量的DNA測序技術變為現實。
　　此外，為了使石墨烯納米孔設備更加經久耐用，研究小組還在石墨烯層之上覆蓋了一個只有幾個原子層厚的超薄氧化鈦層，從而形成了一個更潔凈、更易濕潤的表面，使DNA更容易穿過，同時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備的整體可靠性，并希望利用石墨烯層的導電性來研制可橫向電子控制DNA易位的裝置。具體來說，這種橫向電子控制可以通過將石墨烯蝕刻成納米電極來實現。而早在2008年，研究人員就已經證明，石墨烯可以通過納米蝕刻技術雕琢成任意結構，如納米帶，納米孔和其他形狀等，從而為未來的應用打下了堅實基礎。