Gennem en nanopore, ionisk:Grafen kvantetransistor til næste generations DNA-sansning

(Phys.org) – I den igangværende søgen efter at udtænke hurtigere, billigere metoder til sekventering af det menneskelige genom, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har udviklet en ny tilgang:DNA-molekyler registreres ved at føre dem gennem et lag af sammensnøret grafen indlejret i en faststofmembran indeholdende en nanopore (et lille hul med en indvendig diameter på ca. 1 nm) , placeret i et grafen nanobånd (GNR). Et kritisk træk ved det nye paradigme er, at grafens elektriske egenskaber gør det muligt for laget at blive tunet på flere forskellige måder – nemlig, ændre formen på dens kant, bærerkoncentration og nanopore-placering – derved modulerer både elektrisk ledningsevne og ekstern ladningsfølsomhed. Forskerne fandt ud af, at deres nye teknik kan detektere DNA-strengens rotations- og positionskonformation, og demonstrerede, at en grafenmembran med kvantepunktkontaktgeometri udviser større elektrisk følsomhed end på med såkaldte ensartet lænestolsgeometri . Holdet har foreslået en grafen-baseret felt-effekt transistor-lignende enhed til DNA sensing.

Prof. Jean-Pierre Leburton orienterede Phys.org om forskningen han og hans kolleger - Anuj Girdhar, Chaitanya Sathe og Klaus Schulten – dirigeret. "Simuleringer leder i øjeblikket eksperimentel indsats om dette specifikke emne - men transportmodeller baseret på tæthedsfunktionsteori kan ikke håndtere et stort antal atomer på grund af begrænsede beregningsressourcer, " fortæller Leburton Phys.org , fortæller om nogle af de udfordringer, forskerne stod over for. (Densitet funktionel teori, eller DFT, er en kvantemekanisk modelleringsmetode, der bruges i fysik og kemi til at undersøge den elektroniske struktur af mange-kropssystemer.)

"Ud over, "Leburton fortsætter, "disse modeller er begrænset til solid state-systemer, mens vi har at gøre med et hybridt fast-væske-system. Af denne grund, meget simplistiske og idealistiske fysiske forhold antages på grafen nanobånd." Sådanne antagelser omfatter ensartede GNR-bredder med perfekte lænestol eller zigzag-kanter, nanoporen er placeret i midten af ​​grafen nanobåndet, og et fravær af elektrostatiske forstyrrelser fra enten den elektrolytiske opløsning eller det dielektriske, der understøtter grafen nanobåndet." I vores tilgang, vi bruger en multiorbital tight-binding (TB) teknik, der kan håndtere et meget større antal atomer end DFT for at tage højde for den uensartede GNR-bredde, dens uregelmæssige kanter, og forskellige størrelser og positioner af nanoporen, Leburton forklarer. (TB-teknikken bruger en superposition af bølgefunktioner af isolerede atomer placeret på hvert atomare sted til at beregne den elektroniske båndstruktur af faste stoffer.)

"Det elektroniske spektrum opnået fra den tætte bindingsmodel føres derefter ind i en transportmodel baseret på en ikke-ligevægt grøn funktionsteknik til at beregne den elektriske ledningsevne i generelle GNR-konfigurationer." En ikke-ligevægt Green (alias Green's) funktion, eller NEGF, kan bruges til at løse en inhomogen differentialligning med randbetingelser på en måde, der er nogenlunde analog med brugen af ​​Fourierrækker i løsningen af ​​almindelige differentialligninger. I løbet af det sidste årti, NEGF-teknikker er blevet meget brugt i virksomheder, ingeniørarbejde, regering, og akademiske laboratorier til modellering af høj bias, kvanteelektron- og hultransport i en lang række materialer og enheder.

"En af de største udfordringer ved beregning af GNR-følsomhed over for eksterne afgifter opstår fra sidstnævntes forskellige natur og oprindelse, " påpeger Leburton. "Specielt, disse er den statiske ladning i de dielektriske materialer, der understøtter, eller sandwich, GNR, og – vigtigst af alt – den dynamiske ionladning i elektrolytten, der indeholder DNA, som er i flydende fase." For at løse dette, forskerne brugte en multi-skala teknik, hvor GNR og DNA simuleres atomistisk (med en tæt bindingsteknik og molekylær dynamik, henholdsvis), mens elektrolytten og dielektrikumet behandles som kontinuummedier. "Førstnævnte er simuleret som en iboende halvleder med stor dielektricitetskonstant og et pseudobåndgab i nærvær af et selvkonsistent potentiale, og den dielektriske ladning modelleres ved at antage en statisk fixfordeling, Leburton tilføjer. "De inducerede potentielle variationer på GNR- og nanopore-kanterne opnås selvkonsekvent ved at løse Poisson-ligningen, og indført i NEGF-koden for at beregne den resulterende konduktansvariation i GNR."

En anden konsekvens af, at systemet er flerfaset (væske-fast), med DNA-målet i væskefasen, og detektoren er i fast fase, detekterede rotations- og positionskonformationen af ​​en DNA-streng inde i nanoporen. "Fra et beregningsmæssigt synspunkt, Leburton bemærker, "grænsefladen mellem de to faser er ekstremt udfordrende, fordi på den ene side, software er specifik for en af ​​disse sagsfaser, mens på den anden side, i tilfælde af tofasede systemer, de er, som sagt, begrænset til et meget lille antal - nogle få hundrede - af atomer."

Ved at vise, at en grafenmembran med kvantepunktkontaktgeometri udviser større elektrisk følsomhed end en ensartet lænestolsgeometri, Leburton siger, at hovedudfordringen ligger i evnen til at simulere vilkårlige GNR-former ved atomopløsning, hvilket - igen på grund af traditionelle tæthedsfunktionsteoretiske metoder, der er begrænset til kun et par hundrede atomer - fører til manglende evne til at vurdere langtrækkende effekter induceret af GNR-geometri.

Sammenfattende, holdet tog fat på alle disse beregningsmæssige udfordringer ved at bruge:

• en tæt bindende tilgang, der kan håndtere et større antal atomer, hvilket er nødvendigt for at vurdere konduktansændringerne i GNR'er af uensartet form induceret af eksterne ladninger
• en flerskala tilgang til at håndtere det hybride tofasede system, hvor GNR og DNA er modelleret af atomistisk software, mens elektrolytten og de omgivende materialer behandles med selvkonsistente halvlederenheder-ligninger inden for Boltzmann-Poisson-formalismen (en differentialligning, der beskriver elektrostatiske interaktioner mellem molekyler i ioniske opløsninger)

Leburton uddyber papirets foreslåede membrandesign indeholdende en elektrisk port i en konfiguration, der ligner en felteffekttransistor til en grafenbaseret DNA-sensorenhed. "Tilstedeværelsen af ​​en gate på eller under membranen vil muliggøre tuning af GNR-konduktansen i det optimale elektriske følsomhedsregime, som ellers helt vil være bestemt af to faktorer:de uregelmæssige GNR-kanter, der introducerer ukontrollerbare kvantemekaniske grænsebetingelser på de tværgående bølgefunktioner af ladningsbærere, der frembringer uønsket spredning, der påvirker konduktansen; og GNR's iboende og ukontrollerbare p-type doping som følge af eksponering for vand, og den parasitiske negative ladning i det dielektriske, der understøtter eller isolerer GNR."

Bevæger sig fremad, Leburton siger, at for at kontrollere det elektrostatiske landskab i nanopore, membranen kunne inkorporere yderligere grafenlag, eller andre todimensionelle materialer, tilsluttet spændingskilder. Disse yderligere elektroder vil have det dobbelte formål at kontrollere den laterale og lodrette bevægelse af DNA-molekylet under dets translokation gennem nanoporen. Ved at gøre det, Forskerne forventer at reducere rystelser og tandtråd på grund af termisk bevægelse af vandmolekyler og ioner i opløsningen, og derved forbedre identifikationen af ​​hvert nukleotid, når det passerer foran det detekterende grafenlag.

"Et af hovedtræk ved vores model var at antage, at DNA'et passerer stift gennem nanoporen, " Leburton fortsætter. "Udover at forbedre vores multi-skala tilgang, de næste trin i vores forskning vil bestå i at implementere vores beregningsmodel ved at inkludere den termiske bevægelse af DNA'et gennem molekylær dynamisk simulering; nærhedseffekterne af dielektriske stoffer, der indlejrer det detekterende grafenlag; effekten af ​​porten på GNR-konduktansen for forbedret detektionsydelse; de elektrostatiske virkninger af yderligere kontrollerende elektroder på den molekylære DNA-dynamik; og bestemme det optimale membrandesign til høj sekventeringsydelse."

Med hensyn til andre områder ud over genomik, der kunne drage fordel af deres undersøgelse, Leburton siger, deres forskning vil også bidrage til udviklingen af ​​nye miniaturiserede bioelektroniske enheder med en bred vifte af anvendelser inden for personlig medicin. "Ja, " illustrerer han, "hvis faststofmembraner kan strømforsynes elektronisk, man kan forestille sig, at de udfører lignende funktioner som bioceller, men med elektrisk stimulation, kontrol og detektion. Dette ville åbne døren til ny praksis inden for bærbare in situ bioanalyse uden behov for dyre og tidskrævende laboratorieanalyser. I en mere generel sammenhæng, " konkluderer han, "samspillet mellem biologi og nanoelektronik på molekylært niveau - med muligheden for at manipulere biologisk information ved hjælp af elektroniske enheder i nanoskala - åbner nye horisonter inden for informationsbehandlingsteknologi ved at drage fordel af den biologiske evne til at lagre enorme mængder information, på den ene side, og halvlederteknologiens evne til at behandle det hurtigt, pålideligt og til lave omkostninger, på den anden."

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.