氮化硼纳米孔:高灵敏的DNA单分子探测传感器

  基于纳米孔的DNA测序技术由于其无需标定、无需扩增、使用剂量少、可读长序列、低成本、可实现单分子高通量探测等诸多优势成为第三代基因测序领域中研究最为活跃、最有希望、有潜力的竞争者之一。这项技术旨在24小时内用1000美元以下成本对人体基因进行快速测序,降低现有的人类基因测序成本,将引发生物医学、医疗等领域一场革命性变革。当溶液中的长链DNA分子在电场驱动下穿过一个尺度在纳米量级的小孔时,离子电流会由于DNA分子的阻塞作用形成瞬时下降,而对于电流下降的分析可以得知穿孔分子的尺寸,大小,构型等生物学特征。目前固态纳米孔测序领域面临的一大挑战是纳米孔器件承载膜太厚(>20 nm),导致探测的空间分辨率太低,这也是目前此领域内的一大研究热点问题。氮化硼(BN)材料由于优异的机械稳定性,高热导率,高稳定性,低介电常数等诸多优势被广泛应用于与石墨烯结合的高性能电子学器件中。单层BN的厚度与DNA碱基之间距离相比拟,再加上它在溶液环境中的稳定性和高质量薄膜的获得,使其极有希望成为实现单碱基分辨率的超薄纳米孔器件材料。

  北京大学物理学院的赵清副教授、俞大鹏教授及其研究团队在提高纳米孔探测空间分辨率方面取得重要进展。他们在国际上首次利用高质量的双层BN纳米孔器件,实现了对双链DNA的单分子探测。他们首先利用一整套可控的转移技术制备得到尺寸可调的BN纳米孔器件,然后研究了不同电压下10 kb双链DNA的穿孔过程。相同驱动电压下,BN纳米孔器件比传统SiN纳米孔器件的DNA穿孔电流大5倍,表明BN纳米孔具备比传统SiN纳米孔更高的探测灵敏度。通过Poisson–Boltzman公式模拟计算表明,BN纳米孔的有效厚度只有1.1 nm,与实验观察结果相吻合,并且已经达到了目前国际纳米孔单分子探测领域的最高空间分辨率,成为非常有希望实现第三代DNA测序的关键材料之一。相关工作发表在Advanced Materials 2013, 25, 4549上

 

相关工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金,教育部新世纪优秀人才,北京市科技新星计划以及北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室的资助。