I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno sviluppato un nuovo, piattaforma su nanoscala a base di carbonio per rilevare elettricamente singole molecole di DNA.

Utilizzando campi elettrici, i minuscoli filamenti di DNA vengono spinti attraverso dimensioni nanometriche, pori atomicamente sottili in una piattaforma di nanopori di grafene che alla fine potrebbe essere importante per il sequenziamento elettronico veloce delle quattro basi chimiche del DNA in base alla loro firma elettrica unica.

I pori, bruciato in membrane di grafene utilizzando la tecnologia del fascio di elettroni, fornire ai fisici Penn misurazioni elettroniche della traslocazione del DNA.

L'articolo, presentato il 25 marzo è pubblicato nell'attuale numero di Nano lettere .

"Siamo stati motivati ​​a sfruttare le proprietà uniche del grafene - un foglio bidimensionale di atomi di carbonio - al fine di sviluppare una nuova piattaforma elettrica a nanopori in grado di esibire un'alta risoluzione, " ha detto Marija Drndić, professore associato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Penn's School of Arts and Sciences e autore senior dell'articolo. "Si prevede un'alta risoluzione dei dispositivi a nanopori di grafene perché lo spessore del foglio di grafene è inferiore alla distanza tra due basi di DNA. Il grafene è stato precedentemente utilizzato per altri dispositivi elettrici e meccanici, ma fino ad ora non è stato utilizzato per la traslocazione del DNA".

Il team di ricerca aveva realizzato nanopori di grafene in uno studio completato due anni fa e in questo studio ha messo i pori al lavoro.

Per condurre gli esperimenti, Drndić e il borsista post-dottorato Christopher A. Merchant, insieme a Ken Healy, Meni Wanunu, Vishva Ray e altri membri del laboratorio Drndić hanno fatto uso di materiale di grafene di grandi dimensioni sviluppato dal borsista post-dottorato Zhengtang Luo e dal professor A.T. Charlie Johnson, entrambi i fisici alla Penn. Il team ha utilizzato una deposizione chimica da vapore, o CVD, metodo per far crescere grandi scaglie di grafene e sospenderle su un singolo foro delle dimensioni di un micron realizzato in nitruro di silicio. Un buco ancora più piccolo, il nanoporo proprio al centro del grafene sospeso, è stato poi perforato con un fascio di elettroni di un microscopio elettronico a trasmissione, o TEM.

I nanopori allo stato solido si stanno rivelando strumenti preziosi per sondare la biologia a livello di singola molecola.

I dispositivi a nanopori di grafene sviluppati dal team Penn funzionano in modo semplice. Il poro divide due camere di soluzione elettrolitica e i ricercatori applicano tensione, che guida gli ioni attraverso i pori. Il trasporto ionico viene misurato come una corrente che fluisce dalla sorgente di tensione. molecole di DNA, inserito nell'elettrolita, può essere guidato da un singolo file attraverso tali nanopori.

Quando le molecole si traslocano, bloccano il flusso di ioni e vengono rilevati come un calo della corrente misurata. Poiché le quattro basi del DNA bloccano la corrente in modo diverso, i nanopori di grafene con spessore sub-nanometrico possono fornire un modo per distinguere tra basi, realizzando un basso costo, tecnica di sequenziamento del DNA ad alto rendimento.

Inoltre, aumentare la robustezza dei dispositivi a nanopori di grafene, I ricercatori di Penn hanno anche depositato uno strato ultrasottile, solo pochi strati atomici spessi, di ossido di titanio sulla membrana che ha ulteriormente generato un detergente, superficie più facilmente bagnabile che permette al DNA di attraversarla più facilmente. Sebbene i nanopori di solo grafene possano essere utilizzati per traslocare il DNA, rivestire le membrane di grafene con uno strato di ossido ha ridotto costantemente il livello di rumore dei nanopori e allo stesso tempo ha migliorato la robustezza del dispositivo.

A causa della natura ultrasottile dei pori del grafene, i ricercatori sono stati in grado di rilevare un aumento della grandezza dei segnali di traslocazione rispetto ai precedenti nanopori allo stato solido realizzati in nitruro di silicio, per tensioni applicate simili.

Il team di Penn sta ora lavorando per migliorare l'affidabilità complessiva di questi dispositivi e per utilizzare la conduttività del foglio di grafene per creare dispositivi con controllo elettrico trasversale sul trasporto del DNA. Nello specifico, questo controllo elettrico trasversale può essere ottenuto intagliando il grafene in nanoelettrodi e utilizzando la sua natura conduttiva. Verso questo obiettivo, Michael Fischbein e Drndic hanno precedentemente dimostrato la nanoscultura del grafene in strutture arbitrarie, come nanonastri, nanopori e altre forme, pubblicato in Lettere di fisica applicata nel 2008, creando una solida base per la ricerca futura.