ACS Nano | 基于石墨烯/六方氮化硼平面异质结的两种纳米缝检测模式

英文原题：Two Detection Modes of Nanoslit Sensing Based on Planar Heterostructure of Graphene/Hexagonal Boron Nitride

通讯作者：范俊，香港城市大学

作者：Changxiong Huang, Zhen Li, Xiaohong Zhu, Xinyao Ma, Na Li, and Jun Fan*

背景介绍

二维材料纳米孔测序技术具有长度取、单碱基分辨的优势，但是目前面临着两个主要的问题，一是随机发生的孔堵塞，二是分子过快的穿孔速度。这两个问题都与如何控制DNA分子的运输有关。控制分子以稳定的速度沿指定路径通过纳米孔检测区域可以提高测序的稳定性和对不同碱基的分辨能力。

文章亮点

近日，香港城市大学范俊教授在ACS Nano上发表了基于石墨烯/六方氮化硼平面异质结的两种纳米缝检测模式的分子动力学研究。基于前期关于纳米缝检测的相关成果，课题组把纳米缝应用到在石墨烯/氮化硼/石墨烯 平面异质结上 ，发现DNA分子在通过纳米缝检测区域的过程中，其轨迹限定在了氮化硼条带的区域，并且限制效果与氮化硼条带的尺寸有关。基于这样的限制效果，作者提出了两种可能的纳米缝检测模式，分别命名为cross-slit 和trans-slit。这两种模式都可以检测到能分辨不同碱基的电流信号和时间信号。

首先，作者采用了三种不同的二维材料，即石墨烯（GRA）、氮化硼（HBN）、石墨烯/氮化硼平面异质结（S20），探究了DNA分子通过这三种材料中纳米缝的过程，如图1 。发现只有在平面异质结体系当中，DNA分子的运动被限定在了中间的氮化硼区域；而在另外两个体系当中，DNA分子完全偏离了中间位置，分子的构型也发生了变化。这说明平面异质结对分子运动轨迹和分子的构型都有一定的限制作用。

图1. DNA分子在电场下穿过不同二维材料的纳米缝。

在异质结对分子运动限制的基础上，作者发现分子可以从二维材料平面的一端运动到另外一端（图2），或者从平面的一侧跨孔运动到另外一侧（图3）。根据纳米缝与分子的这两种相互作用模式，作者分别提出了cross-slit和trans-slit检测模式，用以测序DNA分子，分辨其中的四种碱基。

图2展示了cross-slit模式。当经过纳米缝时，分子会阻塞纳米缝的一部分区域，造成离子电流的降低。不同的碱基种类会引起不同的电流值，并且不同碱基穿过纳米缝的时间也有区别，检测这两种信号可以用于分辨不同的碱基。图3展示了trans-slit模式。当DNA分子从材料的一侧穿过纳米缝到另外一侧时，也会引起电流值的改变，碱基在孔内停留的时间也有差异，检测这两种信号即可分辨不同种类的碱基，以达到测序的目的。数据显示，时间信号和电流信号都可以用来分辨ACGT四种碱基。

图2. 在Cross-slit 纳米缝检测模式下，采集时间-电流信号对不同碱基的分辨情况。

图3. 在Trans-slit 纳米缝检测模式下，采集时间-电流信号对不同碱基的分辨情况。

总结/展望

综上，GRA/HBN平面异质结对分子的限制效应可用于DNA的纳米缝检测，异质结与纳米缝的结合可以带来诸多好处。DNA分子可以被限制在特定区域内，并可以沿着预先设计的通道进入检测区域，这降低了检测过程中DNA捕获的随机性和不确定性。同时， DNA的构象也受到限制，这减少了分子构象的波动，并有助于减少信号波动。更重要的是，这两种检测模式带来了测序过程中控制DNA速度并分辨不同碱基的有效方法，其结果也可能激发一些相关的纳米孔检测研究，特别是核酸检测、纳米孔蛋白质组学、小分子检测等等。

相关论文发表在ACS Nano上，香港城市大学黄昌雄博士为文章的第一作者， 香港城市大学范俊教授为通讯作者。该工作得到了香港研究資助局GRF和CRF项目的支持，以及国自科/研資局NSFC/RGC联合项目的支持。

通讯作者信息：

香港城市大学计算生物物理与材料科学课题组简介

课题组独立PI为香港城市大学副教授（tenure）范俊。范俊本硕博分别毕业于清华大学、麦克马斯特大学和普林斯顿大学，之后在芝加哥大学从事博士后研究。课题组主要采用理论计算的方法解决生物物理和材料科学当中的相关问题，研究手段包括相场、粗粒化、经典分子动力学、第一性原理、机器学习等。目前主要研究方向包括：1. 纳米孔测序DNA/蛋白质的模拟；2. 二维材料用于海水淡化的模拟；3. 材料-细胞膜相互作用的分子模拟；4. 能源材料与催化反应的第一性原理计算；5. 多尺度方法与机器学习在材料设计与开发中的应用。范教授目前以第一作者/通讯作者身份在ACS Nano， Small，JMCA，NC，Angew.，EES，Chem， AFM，AEM，AM,  Joule等国际著名期刊发表多篇文章。

课题组主页：https://ourphysics.org/

出版信息：

ACS Nano 2023, ASAP

Publication Date: January 13, 2023

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05002

Copyright © 2023 American Chemical Society