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科研進展

重慶研究院在固態納米孔中DNA的傳輸行為和機制研究方面取得系列進展

時間:2022-01-23編輯:精準醫療單分子診斷技術研究中心

  近日,中國科學院重慶綠色智能技術研究院精準醫療單分子診斷技術研究中心在固態納米孔中DNA的傳輸行為和機制研究,以及納米孔快速和可控加工裝置研發方面取得系列進展,成果發表在《Nano Letters》、《Carbon》、《Sensors and Actuators B: Chemical》、《ACS Applied Bio Materials》和《Review of Scientific Instruments》等相關領域期刊。 

  DNA是生命的藍圖,它蘊含的信息可用于遺傳疾病根源確定和特定藥物開發等。因此,獲取其信息對分子生物學和個人醫學來說都至關重要。納米孔技術作為一種新興的傳感技術,現已被廣泛用于核酸、蛋白等生物大分子的檢測分析,是研究DNA攜帶遺傳信息的有力工具。雖然人們正在朝著這個方向努力,但其中還有許多科學和技術問題,特別是針對DNA在納米孔內的傳輸行為以及在納米孔入口附近行為的研究和分析還有待進一步突破。 

  最近,在單核苷酸(DNA結構單元)與納米孔相互作用行為與機制研究方面,重慶研究院團隊和北京大學張錦院士團隊合作,利用單根超長碳納米管,制備了碳納米管檢測芯片,成功識別了四種單核苷酸的特征電流信號,并揭示了碳納米管管徑與單核苷酸在其中傳輸行為的關系。相關工作以“Comparison Study on Single Nucleotides Transport Phenomena in Carbon Nanotubes”為題發表于Nano Letters。此外,研究人員還通過聚焦離子束直寫技術,在單層石墨烯薄膜上成功實現亞2 nm納米孔的高精度制造,并結合室溫離子液體,研究了單核苷酸與單層碳原子的相互作用關系,首次實現石墨烯納米孔對單核苷酸類型的精準識別(Sensors and Actuators B: Chemical 2021, 349, 130792)。 

  在長鏈DNA與納米孔相互作用行為與機制研究方面,重慶研究院團隊和中國科學院金屬研究所劉暢研究員團隊共同攻關,提出并構建了一種新型的納米晶石墨納米孔,研究了DNA在這種納米孔中的傳輸行為和機制(Carbon 2021, 176, 271-278)。重慶研究院團隊還通過光電聯合檢測,基于熒光方法觀察DNA在納米孔附近的運動行為,發現雙孔距離小于DNA長度時容易形成納米“拖—拉”平臺現象,且鄰近雙孔中,孔徑較大的納米孔優先被堵孔。多孔距離大于DNA的長度時,孔徑較小的納米孔更易被堵孔。研究通過直接觀察解釋了納米孔檢測DNA時的堵孔現象,為陣列化納米孔設計提供了實驗依據(Sensors and Actuators B: Chemical 2021, 349, 130796)。 

  此外,為解決現有納米孔制備技術中加工成本高、陣列化制備難的工程技術難題,重慶研究院團隊開發了新型納米孔制備技術和裝置,改進了介電擊穿法施加電場的方式,基于納米操控技術控制納米針尖電場瞬時接觸納米薄膜,實現160 nm范圍內固態納米孔的快速和可控制備。該裝置可加工納米孔單孔或納米孔陣列。ACS Applied Bio Materials 2020, 3, 6368-6375 & Review of Scientific Instruments 2020, 91, 093203。 

  上述工作得到國家自然科學基金委、中國科學院科研儀器設備研制、中國科學院西部之光、中國科學院青年促進會和重慶市科技局等項目資助。 

    

  相關論文鏈接: 

  https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03910;

  https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130796; 

  https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130792; 

  https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.064; 

  https://doi.org/10.1039/D0RA05083K; 

  https://doi.org/10.1021/acsabm.0c00812; 

  https://doi.org/10.1063/5.0024079。 

   

  單根碳納米管和單層石墨烯納米孔對單核苷酸的識別

   

  納米孔快速可控加工裝置的加工原理及平臺

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