Фото: Електричні поля протискають крихітні ланцюжки ДНК через атомарно тонкі нанопори в графені, що в кінцевому підсумку може ідентифікувати послідовності основ ДНК на основі їх унікальних електричних підписів. (Robert Johnson / Temple University)

Університет Пенсільванії (США) – дослідники розробили нову вуглецеву наноплатформу для електричного виявлення окремих молекул ДНК.

Завдяки електричним полям, крихітні ланцюжки ДНК проштовхуються через атомарно тонкі пори графена в платформі нанопор, що в кінцевому рахунку, може виявитися важливим для швидкого електронного визначення послідовностей 4 хімічних основ ДНК з урахуванням їх унікальних електричних підписів.

Ці пори, які випалюються в графенових мембранах завдяки використанню технології електроного променя, забезпечують фізиків в Університеті Пенсільванії, електронними вимірюваннями транслокації ДНК. Інформація про цю роботу опублікована в останньому номері журналу Nano Letters.

"Ми хотіли скористатися унікальними властивостями графена – двохвимірного листа атомів вуглецю, з метою розробки нової нанопорової електричної платформи, яка відрізняється високою роздільною здатністю", говорить Марія Дриндич, асоційований професор департаменту фізики і астрономії і старший автор статті.

"Графенові пристрої з нанопорами повинні мати високу роздільну здатність, тому що товщина листа графена менша, ніж відстань між двома основами ДНК. Графен раніше використовувався в інших електричних і механічних пристроях, але до цих пір він не використовувався для транслокації ДНК".

Саме ця дослідницька група створила нанопори в графені в ході дослідження проведеного два роки тому, а в цьому дослідженні випробувала цю технологію.

Для проведення експериментів Дриндич і її колеги використали графеновий матеріал з великою площею, розроблений фізиками Університету Пенсільванії. Група використала хімічні осадження з газової фази, або CVD, щоб виростити великі пластівці графена і підвісити їх над одно-мікронним отвором в нітриді кремнію.

Потім за допомогою електронного променя трансмісійного електронного мікроскопа, вони висвердлювали ще менший отвір – нанопору – в самому центрі підвішеного пластівця графена.

Твердотільні нанопори зарекомендували себе як безцінний інструмент для досліджень в біології на рівні окремих молекул.

Графенові пристрої з нанопорами, що розроблені цією групою науковців, працюють у простий спосіб. Пора розділяє 2 камери з розчином електролітів і дослідники застосовують напругу, яка проштовхує іони через пори. Іонний транспорт вимірюється струмом, що надходить від джерела напруги. Молекули ДНК, поміщені в електроліт, можна по черзі проштовхувати через такі нанопори.

Коли молекули транслокуються, вони блокують потік іонів, що визначається падінням струму. Тому що чотири основи ДНК блокують потік струму по-різному, нанопори графена субнанометрової товщини можуть відрізняти бази одну від одної, і стати недорогим і високопропускним методом визначення послідовності ДНК.

Крім того, для збільшення надійності графенових пристроїв з нанопорами, дослідники нанесли ультратонкий шар оксиду титану на мембрану, товщиною лише у кілька атомних шарів, який робить поверхню графену чистішою і вона легше змочується, що дозволяє ДНК більш вільно проходити скрізь неї.

Хоча нанопори з одного графена можна використовувати для транслокації ДНК, покриття графенової мембрани шаром оксиду стабільно знижує рівень шуму нанопор і одночасно поліпшує надійність пристрою.

Через те, що пори графена ультратонкі, дослідники змогли виявити при схожій напрузі збільшення величини сигналів переміщення в порівнянні з сигналами отриманими в попередніх дослідженнях при використанні нанопор з нітриду кремнію в твердому стані. Зараз команда працює над поліпшенням загальної надійності цих пристроїв і використанням провідності графенового листа для створення пристроїв з поперечним електричним контролем над транспортом ДНК.