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DNA存储器

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基于纳流体的生物分子检测

图1:基于纳米孔的基因测序示意图:在薄膜上制备纳米尺度的穿孔(nanopore),然后通过电学或力学、热学等手段,驱动DNA分子穿过纳米孔。由于纳米孔的尺寸限制,DNA分子必须以展开的链状形式泳动通过。我们再在纳米孔中制备电极或其它检测手段,测量每一个通过的碱基物理特性,由此确定碱基种类,达到测序目的。

基于纳米孔的基因测序生物芯片,有望实现1000美元成本的全基因组测序目标,是当前科技研究的热点之一。然而,该研究也面临着若干重大挑战,例如如何有效操控DNA分子通过纳米孔的运动,以实现碱基的测量。再例如,DNA链上相邻碱基的间距是0.34纳米左右,这就要求检测的电极具有极高的空间分辨率,考虑到良率的要求,这对微纳加工技术是非常高的挑战。

一方面,本课题组采用电学、热学、力学等多种手段尝试操控DNA分子运动,并采用分子动力学、多尺度物理建模等理论模型模拟纳米尺度沟槽中的流体运动、离子以及生物大分子运动。另一方面,我们积极尝试新的二维材料实现电学检测的单碱基分辨率(single-nucleobase resolution),如下图所示:

图2:基于二维材料的测序示意图:石墨烯—氮化硼—石墨烯三层结构,上下两层石墨烯作为两个独立电极,中间的氮化硼作为绝缘层。图为分子动力学模拟的单链DNA通过纳米孔瞬间。

(数据更新至2018年11月29日)