固态纳米孔中DNA的传输行为和机制研究取得系列进展

近期，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方面取得系列进展，相关成果发表在Nano Letters、Carbon、Sensors and Actuators B: Chemical上。

DNA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十分重要。纳米孔技术作为新兴传感技术，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，但关于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发展。

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，中国科学院重庆绿色智能技术研究院团队和中科院院士、北京大学教授张锦团队合作，利用单根超长碳纳米管，制备了碳纳米管检测芯片，识别出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（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）。

在长链DNA与纳米孔相互作用行为与机制研究方面，重庆研究院科研人眼和中国科学院金属研究所研究员刘畅团队合作，提出并构建了新型纳米晶石墨纳米孔，研究了DNA在纳米孔中的传输行为和机制（Carbon）。重庆研究院科研人员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，并且邻近双孔中，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）。

此前，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，重庆研究院科研人员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。

研究工作得到国家自然科学基金委员会，中科院科研仪器设备研制项目、“西部之光”人才培养计划、青年创新促进会，以及重庆市科技局等的资助。

图1.单根碳纳米管和单层石墨烯纳米孔对单核苷酸的识别

图2.纳米孔快速可控加工装置的加工原理及平台