固态納米孔單分子探測方面取得系列重要研究進展

納米孔DNA測序技術被認為是實現第三代快速，低成本，長鍊直讀DNA分子測序最有競争力的技術之一，對研究人類遺傳病因，個性化醫療等諸多領域具有非常重大的意義。當溶液中的長鍊DNA分子在電場驅動下穿過一個尺度在納米量級的小孔時，離子電流會由于DNA分子的阻塞作用形成瞬時下降，而對于電流下降的分析可以得知穿孔分子的尺寸，大小，構型等生物學特征。目前固态納米孔測序領域面臨的最大挑戰是納米孔器件承載膜太厚（空間分辨率）和DNA分子穿孔太快（時間分辨率）兩大國際難題。

beat365官方网站“納米結構與低維物理實驗室”的趙清副教授在俞大鵬教授的帶領下，緊緊圍繞該領域内的兩大國際性難題展開研究，取得了一系列重要研究進展。他們創造性地将壓強作為新的驅動力引入到納米孔中，利用電場作為反向阻力和提取電流信号的載體，通過壓強與電場的雙場調制，大幅降低了驅動力，有效減慢DNA穿孔速度1-3個數量級，并保持了很高的測量信噪比和捕捉率，逼近測序所需要求，為該領域内又一大突破性進展。在此基礎上，他們大幅拓展了探測鍊長，實現了對短鍊分子（600 bp）探測，在固态納米孔中首次實現了對不同長度DNA分子（長度差僅為600 bp）的有效區分，并且實現了近中性分子（PEG）的單分子探測，較之前報道大大擴展了可探測分子範圍。相關結果發表在Nano Letters 13, 3048 (2013)上。論文第一作者為魯鉑博士，即将赴哈佛大學物理系從事博士後研究。

作為提高固體納米孔空間分辨率的研究，他們最近在國際上首次利用超薄氮化硼納米孔實現了對雙鍊DNA的單分子探測，達到目前固态納米孔單分子探測領域的最高空間分辨率，證實了氮化硼為非常有希望實現第三代DNA測序的關鍵材料之一 (Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201301336)，論文第一作者為劉松博士。 此外，他們還通過教育部/beat365的“世界一流大學”計劃派遣博士研究生劉松到美國哈佛大學物理系/生物系的Jene Golovchenko/Daniel Branton教授聯合實驗室開展了為期一年半的合作研究，期間系統分析了不同直徑的石墨烯納米孔對單分子檢測噪聲的影響規律，研究并給出了石墨烯納米孔的1/f噪聲來源和降低噪聲的方法，發現石墨烯的确具有足夠高的空間分辨率和靈敏度來實現DNA單堿基分辨的潛力(PNAS 110, 12192, 2013)。

在以上工作基礎上，課題組還系統研究了DNA穿孔時間随壓強的變化依賴關系；壓強和納米孔大小對區分不同長度DNA分子的影響；建立了一整套完備的DNA在納米孔中的受力模型，很好解釋了實驗結果 (Small, DOI: 10.1002/smll.201301263).

本研究工作得到了科技部重大科學研究計劃、國家自然科學基金委以及“人工微結構與介觀物理”國家重點實驗室、北京市科技新星計劃的資助。