重庆研究院团队在固态纳米孔中DNA的传输行为和机制研究方面取得系列进展

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近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院精准医疗单分子诊断技术研究中心在固态纳米孔中DNA的传输行为和机制研究，以及纳米孔快速和可控加工装置研发方面取得系列进展，成果发表在《Nano Letters》、《Carbon》、《Sensors and Actuators B: Chemical》、《ACS Applied Bio Materials》和《Review of Scientific Instruments》等相关领域期刊。
　　DNA是生命的蓝图，它蕴含的信息可用于遗传疾病根源确定和特定药物开发等。因此，获取其信息对分子生物学和个人医学来说都至关重要。纳米孔技术作为一种新兴的传感技术，现已被广泛用于核酸、蛋白等生物大分子的检测分析，是研究DNA携带遗传信息的有力工具。虽然人们正在朝着这个方向努力，但其中还有许多科学和技术问题，特别是针对DNA在纳米孔内的传输行为以及在纳米孔入口附近行为的研究和分析还有待进一步突破。

　　纳米孔快速可控加工装置的加工原理及平台

　　最近，在单核苷酸（DNA结构单元）与纳米孔相互作用行为与机制研究方面，重庆研究院团队和北京大学张锦院士团队合作，利用单根超长碳纳米管，制备了碳纳米管检测芯片，成功识别了四种单核苷酸的特征电流信号，并揭示了碳纳米管管径与单核苷酸在其中传输行为的关系。相关工作以“Comparison Study on Single Nucleotides Transport Phenomena in Carbon Nanotubes”为题发表于Nano Letters。此外，研究人员还通过聚焦离子束直写技术，在单层石墨烯薄膜上成功实现亚2 nm纳米孔的高精度制造，并结合室温离子液体，研究了单核苷酸与单层碳原子的相互作用关系，首次实现石墨烯纳米孔对单核苷酸类型的精准识别（Sensors and Actuators B: Chemical 2021, 349, 130792）。
　　在长链DNA与纳米孔相互作用行为与机制研究方面，重庆研究院团队和中国科学院金属研究所刘畅研究员团队共同攻关，提出并构建了一种新型的纳米晶石墨纳米孔，研究了DNA在这种纳米孔中的传输行为和机制（Carbon 2021, 176, 271-278）。重庆研究院团队还通过光电联合检测，基于荧光方法观察DNA在纳米孔附近的运动行为，发现双孔距离小于DNA长度时容易形成纳米“拖—拉”平台现象，且邻近双孔中，孔径较大的纳米孔优先被堵孔。多孔距离大于DNA的长度时，孔径较小的纳米孔更易被堵孔。研究通过直接观察解释了纳米孔检测DNA时的堵孔现象，为阵列化纳米孔设计提供了实验依据（Sensors and Actuators B: Chemical 2021, 349, 130796）。
　　此外，为解决现有纳米孔制备技术中加工成本高、阵列化制备难的工程技术难题，重庆研究院团队开发了新型纳米孔制备技术和装置，改进了介电击穿法施加电场的方式，基于纳米操控技术控制纳米针尖电场瞬时接触纳米薄膜，实现1—60 nm范围内固态纳米孔的快速和可控制备。该装置可加工纳米孔单孔或纳米孔阵列。（ACS Applied Bio Materials 2020, 3, 6368-6375 & Review of Scientific Instruments 2020, 91, 093203）。
　　上述工作得到国家自然科学基金委、中国科学院科研仪器设备研制、中国科学院西部之光、中国科学院青年促进会和重庆市科技局等项目资助。
　　相关论文链接：
　　https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03910；
　　https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130796；
　　https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130792；
　　https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.064；
　　https://doi.org/10.1039/D0RA05083K；
　　https://doi.org/10.1021/acsabm.0c00812；
　　https://doi.org/10.1063/5.0024079。
       文章来源：重庆研究院