小于2nm固态纳米孔:孔越小信息越多

TOC_entry纳米孔技术是具有高性价比、快速、免标记的第三代DNA测序技术中最为活跃,其有着巨大前景的技术。当电驱动的带负电DNA分子通过水溶液中的薄膜微孔时,由于对微孔电导不同的阻塞程度,A,C,T,G信号可以用离子电流实时分离。在我们追梦的漫长路上,足够小的纳米孔的尺寸可以和单链DNA的直径媲美而被人们寄予厚望,它能保证一列纵向排列的DNA通过,从而得到很高的探测灵敏度。尽管合成这些亚2nm纳米孔存在低产、复杂的合成过程、劳动和时间耗费等诸多挑战,但是运用手动控制的一些方法却是可行的,比如依赖于透射电镜的钻孔技术和离子束刻蚀技术。

 现在,来自于加拿大渥太华大学的研究人员想到了一个更好的想法,他们用可控的介质击穿方法机械化生产2nm固态纳米孔,且产率高达95%以上。他们在水溶液中给绝缘薄膜(10厚度的SiN)加上接近电介质的击穿的电场,当发现有一个突然增加的漏电流时,就得到了一个个小的纳米孔。若干纳米孔(N=23)已经可以制备出来,平均直径大约1.3+- 0.6 nm。为了得到可靠可重复的机械化生产过程,需要优化几个关键的条件,比如把合成出来的孔放到高LiCl溶液(PH=8),若发现首次击穿就快速关掉电压以及要用足够薄的SiN薄膜。

这些微小的纳米孔可以作为超灵敏的DNA单分子探测器用于检测dsDNA和ssDNA。反过来,dsDNA和ssDNA也可以当做分子标尺来确定纳米孔的直径。与dsDNA相比,ssDNA在2nm纳米孔里停留的时间更长,因为它和纳米孔有更强的相互作用。而dsDNA分子更大的体积也使它很难通过2nm纳米孔。对于大些的纳米孔(d=2.4nm),除了观察到纵向排列的dsDNA,研究人员发现了dsDNA的B-S拉伸转变,但在更大尺寸的纳米孔(d>5nm)中却没有发现这种转变。这种转变可以解开双螺旋结构,DNA的长度也会变为原来的1.7倍。而长度的增加会减少它的横截面积,从而导致这些过度伸长的DN中有更小的电流阻塞。

未来,可以预想这些低成本、机械化生产的亚2nm纳米孔会延伸到其他材料,也一定会应用到个性化的基因组学和可能的DNA测序当中。

原文链接:Sub 2 nm solid state nanopores smaller pores can see more

翻译:许凯