Forskere skaber unikke grafen-nanoporer med optiske antenner til DNA-sekventering

(Phys.org) —Højhastighedslæsning af den genetiske kode burde få et løft med skabelsen af ​​verdens første grafen-nanoporer – porer, der måler cirka 2 nanometer i diameter – som har en "indbygget" optisk antenne. Forskere med Berkeley Lab og University of California (UC) Berkeley har opfundet en simpel, et-trins proces til fremstilling af disse nanoporer i en grafenmembran ved hjælp af de fototermiske egenskaber af guld nanorods.

"Med vores integrerede grafen nanopore med plasmonisk optisk antenne, vi kan opnå direkte optisk DNA-sekvensdetektion, " siger Luke Lee, Arnold og Barbara Silverman Distinguished Professor ved UC Berkeley.

Lee og Alex Zettl, en fysiker, der har fælles aftaler med Berkeley Lab's Materials Sciences Division og UC Berkeley's Physics Department, var lederne af en undersøgelse, hvor et hot spot på en grafenmembran dannede en nanopore med en selvintegreret optisk antenne. Hot spot blev skabt ved foton-til-varme konvertering af en guld nanorod.

"Vi mener, at vores tilgang åbner nye veje for samtidig elektrisk og optisk nanopore DNA-sekventering og til regulering af DNA-translokation, " siger Zettl, som også er medlem af Kavli Energy Nanoscience Institute (Kavli ENSI).

Nanopore sekventering af DNA, hvor DNA-strenge føres gennem porer på nanoskala og læses et bogstav ad gangen, er blevet udråbt for sin evne til at gøre DNA-sekventering til en hurtigere og mere rutinemæssig procedure. Under nutidens teknologi, DNA-bogstaverne "læses" af en elektrisk strøm, der passerer gennem nanoporer fremstillet på en siliciumchip. Forsøger at læse elektriske signaler fra DNA, der passerer gennem tusindvis af nanoporer på én gang, imidlertid, kan resultere i store flaskehalse. Tilføjelse af en optisk komponent til denne udlæsning vil hjælpe med at eliminere sådanne flaskehalse.

"Direkte og forbedrede optiske signaler opnås ved krydset mellem en nanopore og dens optiske antenne, "Siger Lee. "Samtidig korrelering af dette optiske signal med det elektriske signal fra konventionel nanopore-sekventering giver en ekstra dimension, som ville være en enorm fordel for high-throughput DNA-udlæsning."

En nøgle til succesen med denne indsats er den enkelttrins fototermiske mekanisme, der muliggør skabelsen af ​​grafennanoporer med selvjusterede plasmoniske optiske antenner. Dimensionerne af nanoporerne og de optiske egenskaber af den plasmoniske antenne kan indstilles, hvor antennen fungerer som både optisk signaltransducer og forstærker. Den atomare tynde natur af grafenmembranen gør den ideel til høj opløsning, Høj gennemstrømning, enkelt-molekyle DNA-sekventering. DNA-molekyler kan mærkes med fluorescerende farvestoffer, så hvert basepar fluorescerer med en signaturintensitet, når det passerer gennem krydset mellem nanoporen og dens optiske antenne.

"Ud over, enten den guld nanoplasmoniske optiske antenne eller grafenen kan funktionaliseres til at reagere på forskellige base-par kombinationer, " siger Lee. "Den guldplasmoniske optiske antenne kan også funktionaliseres for at muliggøre direkte optisk påvisning af RNA, proteiner, protein-protein interaktioner, DNA-protein interaktioner, og andre biologiske systemer."

Resultaterne af denne undersøgelse blev rapporteret i Nano bogstaver i et papir med titlen "Graphene Nanopore med en selvintegreret optisk antenne."