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石墨烯加速DNA測序

日期:2010-09-14 17:34:38

 哈佛大學和美國麻省理工學院的研究人員證實石墨烯——僅一個原子厚度的非晶體碳復合薄膜有可能制成人工膜用于DNA測序。該研究論文刊登在9月9日《自然》(Nature)雜志的封面上。

    研究人員在石墨烯上鉆出納米孔,通過檢測孔隙的離子交換證實長DNA分子能像線穿過針眼一樣地通過石墨烯納米孔。
 
    “通過檢測穿過石墨烯納米孔的離子流,我們證實流體中石墨烯的厚度少于1nm,比分離單個動物或人類細胞的薄膜還要薄數倍。”哈佛大學物理系助理研究員,該論文的第一作者Slaven Garaj說:“石墨烯是當今世界上可用于流體槽分離的最薄的膜。膜的厚度可通過水分子與離子的相互作用確定。”
 
    “雖然離子和水不能流過石墨烯,但石墨烯薄膜能夠將不同的離子和其他的化合物吸引到其兩個接近程度達到原子級的表面,從而改變石墨烯電傳導,用于化學傳感。”共同第一作者Jene Golovchenko說。Jene Golovchenko享有哈佛大學物理Rumford教授和應用物理Gordon McKay教授頭銜,是固態人造膜納米孔領域研究的先驅。
 
    “我相信石墨烯的原子厚度特性可使它成為一種新型電子裝置,促進表面物理學發展并推動其在化學傳感和單分子檢測方面的實際應用。”

    近年來科學家們驚訝地發現石墨烯有著許多獨特的特性并在電能、太陽能和醫學應用等多方面具有應用潛能。

    論文的共同第一作者Jing Kong及她所在麻省理工學院的同事開發了一種方法可大量制造這種石墨烯薄膜。

    石墨烯可以在硅支架上延展,插入到兩個獨立的液體庫之間。當流體槽存在電壓時將推動離子通過石墨薄層。當石墨薄層被鉆上納米小孔時,電壓使粒子流通過孔隙,并顯示電子流信號。

    當研究人員將長DNA鏈加入流體中,它們能夠通過電流一個一個地穿過石墨烯納米孔。因為DNA分子穿過納米孔時會阻斷離子流,從而生成特征性的電子信號反饋DNA分子的大小和結構。

    享有哈佛大學生物Higgins教授頭銜的共同第一作者Daniel Branton十年前就開始利用人造膜納米孔檢測和確定單個DNA分子的特征。

    Branton以及他在加州大學的同事David Deamer曾證實納米孔可用于快速讀取遺傳密碼。

    當DNA鏈通過納米孔時,就可對核苷堿基對進行鑒定,石墨烯上的納米孔是第一個小到足以分辨兩個近鄰核苷堿基對的納米孔。目前利用納米孔進行測序仍存在一些困難包括控制DNA穿過納米孔的速度

    如果這些技術難題被攻克,納米孔測序將成為非常廉價和快速的DNA測序方法,并有可能推動個體化的衛生保健。
 
    “我們第一次證實了DNA可通過原子薄膜。石墨烯獨特的厚度將有可能使真正廉價的測序成為現實。這是一項非常讓人興奮的研究成果。”Branton說。


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