基於石墨烯和矽基納米孔的新型DNA測序方法基礎研究

項目摘要

DNA測序技術是現代生命科學研究的核心技術。基於納米孔的單分子測序是最有希望實現千美元人類基因組計畫的新一代測序技術。石墨烯具有優異的物理、化學和空間尺度特性,矽基納米孔具有穩定性好、易於操控等優勢,將兩者結合有望解決現有納米孔測序中存在的根本問題，推進這一技術的發展。本項目提出一種基於石墨烯和納米孔的新型DNA測序方法基礎研究。主要思想是利用石墨烯和矽構造一種納米孔-腔-孔結構（GPCP），當單鏈DNA分子在靜電場驅動下穿過GPCP時，造成納米孔離子電流阻塞和石墨烯電導改變，該電流和電導的變化幅度將實時反映不同的鹼基信息，從而實現雙數據解析測序。項目的主要研究內容包括:亞10nm矽基納米孔實現研究；石墨烯定點精確轉移和石墨烯納米孔的實現研究；石墨烯納米孔-腔-孔測序晶片的製備和測序系統研究；石墨烯納米孔-腔-孔測序系統建模與仿真；不同結構參數和流體參數下GPCP新型DNA測序實驗研究。

結題摘要

項目原創性地提出了“基於石墨烯和納米孔的新型DNA測序方法”，即利用傳統的矽材料及新材料石墨烯設計一種新型石墨烯納米孔-腔-矽納米孔的GPCP(pore-cavity-pore)結構，其核心是利用矽基納米孔陣列與二維石墨烯材料的特性實現對縱向離子電流和橫向電流的同時檢測，實現雙數據解析精確測算核酸序列，有望從根本上解決目前新一代DNA測序所面臨的問題。根據納米孔專項專家的意見與建議，本項目的總體任務為實現亞十納米矽基納米孔陣列，實現對石墨烯納米孔的製備定點精確轉移，以及初步完成納米孔電學測量平台的搭建。項目經過大量的理論和實驗研究，圓滿完成了課題任務。 1. 基於上個項目所提出並實現的矽基納米孔工藝策略，從原子層面定量解釋了矽基納米孔的形成機理； 2. 基於上個項目所提出並實現的矽基納米孔工藝策略，對納米孔陣列版圖以及工藝步驟進行最佳化，實現了亞20nm的矽基納米單孔的製備，並獲得了均勻性較高的納米孔陣列； 3. 進行了納米孔收縮的理論及實驗研究，提出基於等離子增強型化學氣相沉積技術的納米孔縮孔方法，根據實驗數據進行理論建模，獲得最小特徵尺寸亞10nm的矽基納米孔； 4. 對石墨烯的轉移和鋁摻雜進行了工藝實驗研究，並對其電學特性進行實驗檢測， Al摻雜可以有效的打開石墨烯的禁帶，為後續石墨烯與納米孔的電學套用結合提供了理論支持； 5. 對矽基倒錐形納米孔的電學特性進行建模仿真，初步搭建納米孔電學測量平台，初步探測到過孔電流，但由於過孔電流較小，相對噪聲信號過大，現有的設備並不足以直接探測出通過納米孔的阻塞電流，平台仍需進一步完善。項目成果如下： 1. 在國際刊物上已發表標註學術文章20篇，其中SCI收錄10篇，EI收錄8篇 2. 申請並獲得專利1項 3. 在國際會議邀請報告1次 4. 受邀撰寫書籍“Silicon Nanomaterials Sourcebook”中的相關章節。項目進行期間，進行了大量的國際合作活動，主要包括： 1. 參加國際會議3人次； 2. 邀請國外專家赴清華大學微電子所交流講座2次； 3. 和法國巴黎六大，荷蘭Delft大學建立長期合作關係，正在申請雙邊項目。 4. 與美國約翰霍普金斯大學聯合培養博士生1名：鄧濤； 5. 接收國際學生短期科研實踐1名：印度學生Prashant Jain 。通過項目的實施，培養出多名年輕人才和研究生

基於石墨烯和矽基納米孔的新型DNA測序方法基礎研究

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