基于纳电子DNA测序研究获进展

《应用物理快报》封面日前，中科院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术研究室博士后何毓辉基于纳电子的DNA测序科研文章“Differential conductance as a promising approach for rapid DNA sequencing with nanopore-embedded electrodes”被《应用物理快报》2010年97卷第4期选为封面文章。近年来，生物技术迅速发展，基因测序和相应的基因药物引起广泛注意。随着科学家提出人类基因组计划，如何实现个人基因组的快速、廉价测序，成为了一个有着重大应用意义的课题。当下，微纳电子加工技术进入到纳米精度，而这正是DNA分子的直径尺度。于是人们很自然的想到利用纳电子技术实现DNA的检测。美国科学家提出基于纳电子技术的DNA测序构想，即利用核苷酸上不同碱基的电子结构不同。DNA分子是带电的大分子，在纵向电场的驱动下，将游动通过纳米孔。在此期间，同时测量纳米孔里横向的隧穿电流，不同核苷酸的碱基电子结构不同，由此导致的横向电学特性也不同，据此可以判断出正在通过的是哪一种核苷酸。这一原始方案提出后，引起了学术界和工业界的极大兴趣，IBM等世界顶级高科技公司，都开始投入人力、财力研究这一测序方案。该方案虽然很有吸引力，但无论是定量的理论计算、预测，还是实际的实验实现，都面临非常多困难。微电子所纳米加工与新器件集成技术研究室博士后何毓辉在导师刘明研究员的指导下，从2009年博士后进站开始从事纳电子DNA测序方面的研究。在研究室的大力支持下，何毓辉成功搭建起了一套完整的模型模拟平台，覆盖了DNA分子通过纳米孔的分子动力学模拟，DNA分子的实时电子结构计算以及电学特性模拟等多方面的内容。在随后的模拟和计算中，他提出利用不同核苷酸通过纳米孔时导致的微分电导不同来实现DNA的区分与检测，这一构想能够有效的克服原始方案信噪比过低、出错率较大等缺点，由此大幅提高DNA测序的效率。因此，他的科研文章受到了《应用物理快报》审稿人的高度评价，鉴于这一工作的原创性、新颖性、重要性，《应用物理快报》的编辑将其选为当期的封面文章。（来源：中科院微电子研究所）

图(a)：一个单链DNA在纵向电场的驱动下，游动通过一个纳米孔

图(b)：利用分子动力学模拟软件，在Van De Waals绘景中做出的器件图。其中，纳米孔是氮化硅-金电极-氮化硅的三明治结构，中间的金电极用于测量DNA通过时的横向隧穿电流，两端的绝缘氮化硅材料用于把金电极跟水溶液隔离开来，游动在纳米孔中的是单链DNA分子，红白相间的小颗粒是水分子，间杂其中的是氯离子和钾离子。整个测序必须在常温下的溶液环境中完成。