Schematisk ritning av grafen nanopore med självintegrerad optisk antenn (guld) som förbättrar den optiska avläsningssignalen (röd) av DNA när den passerar genom en grafen nanopore.
(Phys.org) —Höghastighetsläsning av den genetiska koden borde få ett uppsving med skapandet av världens första grafennanoporer – porer som mäter cirka 2 nanometer i diameter – som har en "inbyggd" optisk antenn. Forskare med Berkeley Lab och University of California (UC) Berkeley har uppfunnit en enkel, enstegsprocess för att producera dessa nanoporer i ett grafenmembran med hjälp av de fototermiska egenskaperna hos guld nanorods.
"Med vår integrerade grafen nanopore med plasmonisk optisk antenn, vi kan erhålla direkt optisk DNA-sekvensdetektion, säger Luke Lee, Arnold och Barbara Silverman Distinguished Professor vid UC Berkeley.
Lee och Alex Zettl, en fysiker som har gemensamma möten med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och UC Berkeleys fysikavdelning, var ledarna för en studie där en hot spot på ett grafenmembran bildade en nanopor med en självintegrerad optisk antenn. Hot spot skapades genom foton-till-värme-omvandling av en guld nanorod.
"Vi tror att vårt tillvägagångssätt öppnar nya vägar för samtidig elektrisk och optisk nanopore DNA-sekvensering och för att reglera DNA-translokation, säger Zettl, som också är medlem i Kavli Energy Nanoscience Institute (Kavli ENSI).
Nanopore-sekvensering av DNA, där DNA-strängar träs genom porer i nanoskala och läser en bokstav i taget, har hyllats för sin förmåga att göra DNA-sekvensering till en snabbare och mer rutinmässig procedur. Under dagens teknik, DNA-bokstäverna "läses" av en elektrisk ström som passerar genom nanoporer tillverkade på ett kiselchip. Försöker läsa elektriska signaler från DNA som passerar genom tusentals nanoporer samtidigt, dock, kan leda till stora flaskhalsar. Att lägga till en optisk komponent till denna avläsning skulle hjälpa till att eliminera sådana flaskhalsar.
Luke Lee (vänster) och Alex Zettl ledde skapandet av världens första grafennanoporer med en "inbyggd" optisk antenn. Kredit:Roy Kaltschmidt
"Direkta och förbättrade optiska signaler erhålls i föreningspunkten mellan en nanopore och dess optiska antenn, "Säger Lee. "Samtidig korrelering av denna optiska signal med den elektriska signalen från konventionell nanoporesekvensering ger en extra dimension som skulle vara en enorm fördel för DNA-avläsning med hög genomströmning."
En nyckel till framgången för detta arbete är den fototermiska enstegsmekanismen som möjliggör skapandet av grafennanoporer med självjusterade plasmoniska optiska antenner. Dimensionerna på nanoporerna och de optiska egenskaperna hos den plasmoniska antennen är avstämbara, med antennen som fungerar som både optisk signalgivare och förstärkare. Den atomärt tunna naturen hos grafenmembranet gör det idealiskt för hög upplösning, hög genomströmning, enkelmolekyl DNA-sekvensering. DNA-molekyler kan märkas med fluorescerande färgämnen så att varje baspar fluorescerar med en signaturintensitet när det passerar genom korsningen mellan nanoporen och dess optiska antenn.
"Dessutom, antingen den guld nanoplasmoniska optiska antennen eller grafenen kan funktionaliseras för att svara på olika basparkombinationer, " säger Lee. "Den guldplasmoniska optiska antennen kan också funktionaliseras för att möjliggöra direkt optisk detektering av RNA, proteiner, protein-protein interaktioner, DNA-protein interaktioner, och andra biologiska system."
Resultaten av denna studie rapporterades i Nanobokstäver i en artikel med titeln "Graphene Nanopore with a Self-Integrated Optical Antenna."
