Forskare vid University of Pennsylvania har utvecklat en ny, kolbaserad plattform i nanoskala för att elektriskt detektera enstaka DNA-molekyler.

Använda elektriska fält, de små DNA-strängarna trycks igenom i nanoskala, atomärt tunna porer i en grafen nanoporplattform som i slutändan kan vara viktig för snabb elektronisk sekvensering av de fyra kemiska baserna av DNA baserat på deras unika elektriska signatur.

Porerna, brändes in i grafenmembran med elektronstråleteknik, förse Penn-fysiker med elektroniska mätningar av translokation av DNA.

Artikeln, inlämnad den 25 mars, publiceras i det aktuella numret av Nanobokstäver .

"Vi var motiverade att utnyttja de unika egenskaperna hos grafen - ett tvådimensionellt ark av kolatomer - för att utveckla en ny nanopore elektrisk plattform som kan uppvisa hög upplösning, sa Marija Drndić, docent vid institutionen för fysik och astronomi vid Penns School of Arts and Sciences och tidningens senior författare. "Hög upplösning av grafen nanopore-enheter förväntas eftersom tjockleken på grafenarket är mindre än avståndet mellan två DNA-baser. Grafen har tidigare använts för andra elektriska och mekaniska enheter, men hittills har det inte använts för DNA-translokation."

Forskargruppen hade gjort grafennanoporer i en studie som slutfördes för två år sedan och i denna studie satte porerna igång.

För att genomföra experimenten, Drndić och postdoktor Christopher A. Merchant, tillsammans med Ken Healy, Meni Wanunu, Vishva Ray och andra medlemmar från Drndić-labbet använde sig av grafenmaterial med stor yta utvecklat av postdoktor Zhengtang Luo och professor A.T. Charlie Johnson, båda fysikerna vid Penn. Teamet använde en kemisk ångavsättning, eller CVD, metod för att odla stora flingor av grafen och suspendera dem över ett enda mikronstort hål gjort i kiselnitrid. Ett ännu mindre hål, nanoporen i mitten av den suspenderade grafenen, borrades sedan med en elektronstråle från ett transmissionselektronmikroskop, eller TEM.

Nanoporer i fast tillstånd har visat sig vara ovärderliga verktyg för att undersöka biologi på singelmolekylnivå.

Graphene nanopore-enheter utvecklade av Penn-teamet fungerar på ett enkelt sätt. Poren delar två kammare med elektrolytlösning och forskare applicerar spänning, som driver joner genom porerna. Jontransport mäts som en ström som flyter från spänningskällan. DNA-molekyler, förs in i elektrolyten, kan drivas enstaka fil genom sådana nanoporer.

När molekylerna translokerar, de blockerar jonflödet och detekteras som ett fall i den uppmätta strömmen. Eftersom de fyra DNA-baserna blockerar strömmen på olika sätt, grafennanoporer med subnanometertjocklek kan ge ett sätt att skilja mellan baser, förverkliga en låg kostnad, DNA-sekvenseringsteknik med hög genomströmning.

Dessutom, att öka robustheten hos grafen nanopore-enheter, Penn-forskare deponerade också ett ultratunt lager, bara några få atomlager tjocka, av titanoxid på membranet som ytterligare genererade ett renare, mer lättvätbar yta som gör att DNA lättare kan gå igenom den. Även om nanoporer som endast innehåller grafen kan användas för att translokera DNA, beläggning av grafenmembranen med ett lager av oxid reducerade konsekvent nanopore-ljudnivån och förbättrade samtidigt enhetens robusthet.

På grund av den ultratunna naturen hos grafenporerna, forskare kunde upptäcka en ökning av storleken på translokationssignalerna i förhållande till tidigare fasta nanoporer gjorda i kiselnitrid, för liknande pålagda spänningar.

Penn-teamet arbetar nu med att förbättra den övergripande tillförlitligheten hos dessa enheter och på att använda grafenarkets ledningsförmåga för att skapa enheter med tvärgående elektrisk kontroll över DNA-transport. Specifikt, denna tvärgående elektriska kontroll kan uppnås genom att skära grafen i nanoelektroder och utnyttja dess ledande natur. Mot detta mål, Michael Fischbein och Drndic har tidigare demonstrerat nanoskulpturering av grafen till godtyckliga strukturer, som nanorband, nanoporer och andra former, publiceras i Bokstäver i tillämpad fysik 2008, skapa en stabil grund för framtida forskning.