«С помощью нашей интегрированной графеновой нанопоры с плазмонной оптической антенной мы можем получить прямое оптическое определение последовательности ДНК», — говорит Люк Ли, заслуженный профессор Арнольда и Барбары Сильверман в Калифорнийском университете в Беркли.
Ли и Алекс Зеттл, физик, который работает совместно с отделом материаловедения лаборатории Беркли и отделом физики Калифорнийского университета в Беркли, были руководителями исследования, в котором горячая точка на графеновой мембране образовывала нанопору с самоинтегрированной оптической антенной. Горячая точка была создана путем преобразования фотона в тепло золотого наностержня.
«Мы считаем, что наш подход открывает новые возможности для одновременного электрического и оптического секвенирования ДНК с нанопорами и для регулирования транслокации ДНК», — говорит Зеттл, который также является членом Института нанонауки Kavli Energy (Kavli ENSI).
Нанопорное секвенирование ДНК, при котором нити ДНК проходят через наноразмерные поры и читаются по одной букве за раз, рекламировалось за его способность сделать секвенирование ДНК более быстрой и рутинной процедурой. Согласно сегодняшней технологии, буквы ДНК «считываются» электрическим током, проходящим через нанопоры, изготовленные на кремниевом чипе. Однако попытка прочитать электрические сигналы от ДНК, проходящие через тысячи нанопор одновременно, может привести к серьезным узким местам. Добавление оптического компонента к этому считывающему устройству поможет устранить такие узкие места.
«Прямые и усиленные оптические сигналы получаются на стыке нанопоры и ее оптической антенны», — говорит Ли. «Одновременная корреляция этого оптического сигнала с электрическим сигналом от обычного секвенирования нанопор обеспечивает дополнительное измерение, которое будет огромным преимуществом для высокопроизводительного считывания ДНК."
Ключом к успеху этих усилий является одноступенчатый фототермический механизм, который позволяет создавать нанопоры графена с самовыравнивающимися плазмонными оптическими антеннами.
Размеры нанопор и оптические характеристики плазмонной антенны настраиваются, при этом антенна функционирует как преобразователь оптического сигнала, так и усилитель. Атомарно тонкая природа графеновой мембраны делает ее идеальной для секвенирования одномолекулярной ДНК с высоким разрешением и высокой пропускной способностью. Молекулы ДНК могут быть помечены флуоресцентными красителями, так что каждая пара оснований флуоресцирует с характерной интенсивностью при прохождении через соединение нанопоры и ее оптической антенны.
«Кроме того, либо золотая наноплазмонная оптическая антенна, либо графен могут быть функционализированы, чтобы реагировать на различные комбинации пар оснований», — говорит Ли. «Золотая плазмонная оптическая антенна также может быть функционализирована для обеспечения прямого оптического обнаружения РНК, белков, белок-белковых взаимодействий, ДНК-белковых взаимодействий и других биологических систем."
Результаты этого исследования были опубликованы в Nano Letters в статье под названием «Графеновые нанопоры с самоинтегрированной оптической антенной."Ли — автор-корреспондент. Другими соавторами, помимо Zettl, были Сунг У Нам, Инхи Чой, Чи-ченг Фу, Кванпё Ким, СунГвен Хонг и Ёнхо Чой.
Это исследование было в первую очередь поддержано Министерством энергетики США.
