【参赛作品】高灵敏DNA单分子探测器——超薄氮化硼纳米孔研制成功

廉价、快速的DNA测序是进入基因治疗时代的砖石,也是科学领域一直以来想要突破的难关。近些年,纳米孔测序方法的概念提出后,就被大家广泛预测会成为下一代的测序技术之一。这种方法的思路是,在纳米尺度厚的薄膜上有一个几纳米的小孔,即纳米孔。在纳米孔两侧通入电解质溶液和DNA分子,通过两侧电极加上一定的偏压,可以驱使带负电荷的DNA分子向着电势高的一侧运动。当DNA分子穿过纳米孔时,由于分子对纳米孔的阻塞作用,外部监测设备在记录到原有的电流水平上会有明显的降低。通过统计堵孔的电流幅度和时间长度可以计算得到穿孔的DNA分子的相关信息。

在纳米孔的制备上,固态纳米孔以其稳定的电学特性、简单的加工过程而被科研人员广泛研究。有研究表明,越薄薄膜上的纳米孔空间分辨率越高,越有希望实现碱基的分辨。在近期的《Advanced Materials》杂志上,北京大学的研究团队就宣布制成了超薄的氮化硼纳米孔,有望制成对DNA单分子更敏感的探测器。

被称为“白石墨”的氮化硼是III–V族复合物,它与石墨烯有类似的高温稳定性、介电常数低、机械强度高、热导率大、高硬度、高耐腐蚀性等优良品质。同时,它比石墨烯更可以稳定存在于高离子强度的溶液中。而且,单层氮化硼薄膜的厚度与单链DNA碱基间距匹配,有实现碱基分辨率的可能。

文章中,北京大学团队首次报道了双或三层氮化硼上纳米孔的DNA穿孔事件。氮化硼薄膜是利用化学气相沉积方法制备后,转移到有300X300nm通孔的氮化硅衬底上,最后用透射电镜打出纳米孔来。与孔径类似的氮化硅纳米孔相比,氮化硼纳米孔穿孔实验中也可以清晰的看到DNA穿孔事件。不同的是,有些DNA分子会与氮化硼纳米孔有很强的相互作用,这点未来有可能用于减慢DNA分子的穿孔速度。同时,同样的驱动电压下,氮化硼纳米孔中分子的阻塞电流比氮化硅中更明显。这些氮化硼纳米孔的特点都是快速DNA测序技术中需要解决的关键点。文章中,作者还提出如果想得到与DNA直径类似的氮化硼纳米孔,可以考虑加工超小石墨烯纳米孔所用的降低TEM加速电压的方法。

总之,本文得到的氮化硼纳米孔同样可以看到显著的DNA穿孔事件。它比已有的氮化硅孔更有希望实现碱基的空间分辨。而且,氮化硼优于石墨烯的其他性能使其有望成为纳米孔测序研究中的新兴材料。

 

选材出处: Boron Nitride Nanopores: Highly Sensitive DNA Single-Molecule Detectors.