Optimalisatie van DNA-translocatie in vaste-stof nanoporen voor verbeterde sequentie-nauwkeurigheid

Samenvatting

In vergelijking met bio-nanoporen moeten er nog verschillende uitdagingen worden overwonnen voordat vaste-stof nanoporen commercieel toepasbaar zijn voor DNA-sequencing. Lage ruimtelijke en temporele resolutie zijn de twee grootste obstakels. Vanwege beperkingen in de nanopoorlengte en de oppervlakte-eigenschappen van vaste-stof nanoporen is er nog ruimte voor verbetering van de ruimtelijke resolutie. Tegelijkertijd is DNA-translocatie onder elektrische kracht te snel, wat leidt tot het verzamelen van weinig geldige datapunten. De temporele resolutie van vaste-stof nanoporen kan dus worden verbeterd als de DNA-translocatiesnelheid goed gecontroleerd kan worden. In deze mini-review vatten we kort de methoden voor verbetering van de ruimtelijke resolutie samen en concentreren we ons op controleerbare methoden om de detectieresolutie van nanoporen te verbeteren. Daarnaast geven we een perspectief op de ontwikkeling van DNA-sequencing door nanoporen.

Inleiding

In de afgelopen decennia is veel vooruitgang geboekt bij de toepassing van DNA-sequencing om de basensequenties in het genoom te lezen. Voor de ontwikkeling van gepersonaliseerde geneesmiddelen zoeken onderzoekers naar een snellere en goedkopere DNA-sequentiemethode, waarbij gerichte medicijnen en medische behandelingen specifiek op een individu kunnen worden toegepast. Sinds nanopoortechnologie werd gebruikt voor DNA-detectie, werd deze beschouwd als een effectieve methode voor next-generation sequencing. Nanoportechnologie is een veelbelovend platform voor het identificeren van hooggevoelige, enkel-molecuul-detectoren voor DNA of RNA. In het basale detectieschema wordt een elektrochemische cel gesplitst in twee reservoirs (cis- en trans-compartimenten) door een dunne membraan met een nanopoor, die de geleidende oplossing en het analyte in de elektrochemische cel verbindt. Door een spanning over de membraan aan te leggen, stromen elektrolyt-ionen door de vaste-stof nanopoor en vormen een poortstroom, die wordt gemeten met een patch-clamp opstelling met geassocieerde ultra-gevoelige elektronica. Wanneer een molecuul of moleculair complex door de nanopoor passeert, kan het analyte sommige ionen uitsluiten uit het volume gedefinieerd door de nanopoor, wat detecteerbaar is door het monitoren van korte veranderingen in de stroom. Uit zowel de verblijftijd (dwell time) binnen de nanopoor als de stroom-amplitude handtekening kan informatie over de moleculen worden verkregen. De ruimtelijke resolutie van nanopore sequencing wordt bepaald door de dimensies van de nanopoor, wat suggereert dat het kan worden gebruikt als een enkele sensor voor kleine moleculaire objecten resulterend in een detecteerbare stroomhandtekening. Bovendien zijn nanoporesensoren gemakkelijk te integreren in hoogdraagbare lab-on-a-chip apparaten en te miniaturiseren.

Er is significante vooruitgang geboekt in DNA-sequencing door nanoporen, zoals vaste-stof nanoporen en proteïne nanoporen. DNA-sequencing door proteïne nanoporen is gerealiseerd. Echter, proteïne nanopore systemen hebben limieten voor het bestuderen van biologische moleculen. Er zijn minder beperkingen met vaste-stof nanoporen vergeleken met biologische/proteïne nanoporen. Deze moeilijkheden kunnen worden overwonnen door vaste-stof nanoporen. In vergelijking met proteïne nanoporen zijn ze functioneel over bredere bereiken van temperaturen, spanningen, en oplosmiddelcondities en kunnen ze in diameter worden afgesteld met sub-nanometer precisie. Ze zijn veelbelovend voor toepassing in next-generation technologie voor DNA-sequencing.

Er zijn veel vaste-stof nanoporen van verschillende materialen en structuren gemaakt voor DNA-sensoren. Echter, DNA-sequencing is nog niet bereikt door vaste-stof nanoporen. Voor vaste-stof nanoporesensoren is er behoefte aan het overwinnen van twee grote obstakels, betreffende hun ruimtelijke en temporele resolutie, voordat ze commercieel toegepast kunnen worden voor DNA-sequencing. De moeilijkheid betreffende ruimtelijke resolutie is dat de vaste-stof nanopoor de kleine afstand tussen twee buur-nucleotiden moet kunnen onderscheiden om single-base resolutie te bereiken. Het obstakel van temporele resolutie is dat DNA-translocatie te snel is onder een elektrische kracht, wat resulteert in de acquisitie van heel weinig geldige datapunten door bestaande patch clamps of andere signaalacquisitiesystemen. Deze mini-review geeft een overzicht van de verschillende methoden om de ruimtelijke en temporele resolutie van vaste-stof nanopore DNA-detectie te verbeteren. Deze mini-review richt zich meer op methoden om DNA-translocatie door vaste-stof nanoporen te vertragen.

Ruimtelijke Resolutie

In 2001 werden siliciumnitride vaste-stof nanoporen voor het eerst gerapporteerd door Li et al. Verschillende vaste-stof nanoporen zijn gedemonstreerd voor DNA-molecuuldetectie, zoals siliciumoxide, silicium, Al₂O₃, en HfO₂. Hoewel vaste-stof nanoporen uiteindelijk robuust kunnen zijn tegen chemische en mechanische condities, hebben ze beperkingen, zoals lage ruimtelijke resolutie. Vanwege de dikte van materialen kunnen tientallen basen tegelijkertijd door vaste-stof nanoporen passeren. Op dit moment is de dunste siliciumnitride nanopoor 3 nm, wat nog steeds de vier soorten basen niet kan onderscheiden.

Interessant is dat de dikte van een enkele laag tweedimensionaal (2D) materiaal ongeveer 3,0–11,0 Å is, wat vergelijkbaar is met de afstand tussen twee buur-nucleotiden langs ssDNA (3,2–5,2 Å). Tweedimensionale membranen, zoals grafeen (3,4 Å), MoS₂ (6,5 Å), WS₂ (7 Å), en h-BN (11 Å), zijn gedemonstreerd om DNA-translocaties te detecteren vanwege hun hoge signaal-ruisverhouding en ruimtelijke resolutie. Het is duidelijk uit hun ruimtelijke resolutie dat die materialen gebruikt kunnen worden voor DNA-detectie. Bovendien maken reproduceerbare groeitechnieken en grootschalige transferprocedures het mogelijk om sub-nanometer poriën in 2D membranen op grote schaal te fabriceren.

Grafeen is een atomair dun laagje koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionale honingraatstructuur. Onderzoekers hebben aangetoond dat enkelvoudige DNA-moleculen in oplossing gedetecteerd en gekarakteriseerd kunnen worden met grafeen nanoporen. Echter, er zijn sterke hydrofobe interacties tussen DNA-nucleotiden en grafeen, en de DNA zal Ernstig verstopt raken en aan grafeen nanoporen plakken, wat de translocatiesnelheid aanzienlijk beïnvloedt. Modificatie met hydrofiele groepen of coating met een hydrofiel materiaal op grafeen kan de hydrofilieit van grafeen verbeteren en DNA-plakking aan het oppervlak voorkomen. Helaas zal zowel de modificatie met hydrofiele groepen als de coating met hydrofiele materialen de dikte van het zwevende film vergroten, leidend tot een toename van de dikte van de nanoporen, wat de ruimtelijke resolutie van grafeen verlaagt.

Gelaagde overgangsmetaal-dichalcogeniden is een ander 2D materiaal, wat MoS₂ en WS₂ omvat. Een hoge signaal-ruisverhouding (SNR > 10) en een vijfvoudige verbetering van het ionische stroomsignaal werden gedetecteerd toen DNA door de MoS₂ nanopore membraan translokeerde. Tegelijkertijd is MoS₂ hydrofiel, dus geen speciale oppervlaktebehandeling is nodig om hydrofobe interactie tussen DNA en het oppervlak te voorkomen. Het andere materiaal, WS₂, heeft een direct bandgap van 2,1 eV, en zijn fotoluminescentie (PL) emissie is sterker dan die van de goed bestudeerde MoS₂. Danda et al. fabriceerden een WS₂ nanopoor en demonstreerden de bereiking van atomair gecontroleerde nanopoor-grootte met behulp van korte lichtpulsen, wat positieve effecten kan hebben op vaste-stof nanoporen voor DNA-detectie.

Daarnaast rapporteerden Liu et al. het eerste experiment van DNA-translocatie door h-BN nanoporen. Vergelijkbaar met grafeen heeft h-BN slechte hydrofilieit, wat zal veroorzaken dat DNA nanoporen blokkeert. Vervolgens verbeterden Zhou et al. met succes de hydrofilieit van h-BN nanoporen door gebruik te maken van de antioxidatie en integriteit van h-BN materiaal na UV-ozone behandeling. De isolerende aard van h-BN kan meer opvallende duurzaamheid en isolerende eigenschappen vertonen in hoge-ionische-sterkte oplossingen dan in grafeen. Het is een competitieve kandidaat om single-base resolutie te bereiken op super-dunne nanopoor-structuren.

Het gebruik van tweedimensionale materialen kan de ruimtelijke resolutie van het apparaat potentiëel verhogen om single-nucleotide resolutie te bereiken. Hoewel DNA-detectie-experimenten voor verschillende tweedimensionale materialen zijn gerapporteerd, heeft niemand de bereiking van vaste-stof nanopore DNA-sequencing gerapporteerd. De temporele resolutie van nanopore sequencing is ook een uitdaging.

Temporele Resolutie

De DNA-translocatiesnelheid door een vaste-stof nanopoor is zeer snel, tot 0,01–1 μs/base, wat leidt tot heel weinig effectieve data verzameld door commerciële patch clamps. Als zodanig is het niet mogelijk om elke base te onderscheiden gebaseerd op het blokkade-stroomsignaal. De DNA-translocatiesnelheden van vaste-stof nanoporen van 2D materialen, zoals grafeen, MoS₂, WS₂, en h-BN, zijn weergegeven in Fig. 1. Ideaal zou de DNA-translocatiesnelheid in een nanopoor 1–100 bp/ms moeten zijn om bevredigende opname van het signaal van elk nucleotide te mogelijk maken.

Op deze achtergrond is het vertragen van de translocatiesnelheid van DNA een belangrijk doel dat door veel onderzoekers wordt nagestreefd. Er zijn verschillende methoden ontwikkeld om DNA-translocatie te vertragen en de temporele resolutie van vaste-stof nanopore detectie te verbeteren. De gebruikelijke methode is het veranderen van de invloed van experimentele factoren zoals temperatuur, elektrolyt-viscositeit, dryvende spanning, ionenconcentratie, en oppervlaktelading-dichtheid van een nanopoor door de DNA-translocatie erdoor te veranderen. Wanunu et al. concentreerden zich op het vertragen van dsDNA-translocatie door vaste-stof nanoporen door de temperatuur, spanning, en DNA-lengte te veranderen. Bovendien toonden Feng et al. aan dat een viscositeitsgradiënt-systeem, gebaseerd op kamertemperatuur ionische vloeistoffen, kan worden gebruikt om de dynamica van DNA-translocatie door MoS₂ nanoporen te controleren, en demonstreerden dat de hoge viscositeit van kamertemperatuur ionische vloeistoffen optimale single-nucleotide translocatiesnelheden van 373 bp/ms biedt.

Hoewel veel benaderingen het potentieel hebben om de DNA-translocatiesnelheid te verlagen en ionische stroomdetectie te vergemakkelijken, kunnen ze nog steeds niet voldoen aan de eisen voor DNA-sequencing. Daarom is het noodzakelijk om meer radicale methoden te ontwikkelen om de passage van DNA door nanoporen te controleren. Hier bespreken we de methoden van het controleren van nanopoor-structuur en kwantitatieve DNA-beweging om de temporele resolutie te verbeteren.

Twee-nanoporen Systeem

Onderzoekers hebben twee-nanoporen systemen gebruikt om DNA-molecuul-translocaties te manipuleren, wat controleerbare detectie van hetzelfde molecuul meerdere keren mogelijk maakt. Twee gestapelde nanoporen, gescheiden door een micrometer-grote kaviteitscompartiment (Fig. 2a), kunnen DNA-moleculen voor een bepaalde tijd vangen en ze controleerbaar vrijgeven. De dynamica van DNA-moleculen kan worden afgeleid uit signalen van de twee poriën door correlatie-analyse, wat direct elektrisch bewijs levert voor translocatie. Daarnaast kan door de entropie-barrières van het twee-lagen nanopore systeem, de Brownse beweging van DNA-moleculen worden ingeperkt, wat de DNA-sequencing nauwkeurigheid met nanoporen kan verbeteren. In vergelijking met enkel-molecuul-sensing technieken, kunnen DNA-moleculen meerdere keren worden gemeten in twee-lagen nanopore systemen door meerdere poriën in serie te rangschikken in plaats van ze heen en weer door een enkele poort te laten passeren.

Dubbele-nanoporen systemen bieden een andere methode om moleculair transport te controleren en moleculen efficiënt te bruggen tussen twee poriën; ze zijn een label-vrije mechanistische benadering voor DNA-manipulatie. In een dubbele-nanopore systeem zijn er twee onafhankelijk adresbare en angrenzende nanoporen binnen dezelfde vaste-stof membraan. Tijdens de electroforetisch gedreven passage van een DNA-molecuul door een van de nanoporen, kan een enkel DNA-molecuul in beide poriën worden gevangen, wat leidt tot een "touwtrekken" tussen de twee nanoporen (Fig. 2b). Daarom worden krachten toegepast aan de verschillende uiteinden van een DNA-molecuul, wat de beweging vertraagt en zelfs volledig stillegt. Het dubbele-nanopore systeem opent een nieuwe weg naar mechanische vanging van DNA in vaste-stof nanoporen, en het is een veelbelovende techniek om een breed scala biomoleculen te meten met de voordelen van label-vrij, hoge signaal-ruisverhouding en lage kosten. Het kan DNA-moleculen efficiënt insluiten en vangen om DNA-translocatie te vertragen en kan ook worden gebruikt om de fysica van deze nanoschaalse touwtrekking op DNA te bestuderen.

Optische Val Nanopoor

Optische val nanoporen laten optische pincetten toe om deeltjes van minder dan tientallen nanometers te vangen. Het maakt optische vanging van proteïnen, DNA-fragmenten, en andere biomoleculen, evenals kleine virussen mogelijk. De basistheorie achter optische val nanoporen is een zelf-geïnduceerde back-action optische val. De laserstraal gefocused op het gebied van de nanopoor-array zal een lokaal lichtveld met hoge energiedichtheid vormen aan de rand van de metaallaag in het gat. Als een deeltje beweegt tussen het lokale lichtveld, kan het een grote verandering in de lokale optische transmissie veroorzaken, wat op zijn beurt een grote optische en dielectrische kracht op het deeltje produceert. Een dubbele nanogatenstructuur wordt gebruikt om de grootteknelpunt van gevangen deeltjes te doorbreken. Muhammad et al. demonstreerden het potentiële gebruik van optische val nanoporen met 20-nm silica en Au nanopartikelen. De halthaakvormige dubbele nanogaat werd gefreesd in de Au-film, en een 25-nm nanopoor werd geboord door het opgespenen Si_xN_y membraan in het midden van de dubbele nanogaat. Electroforetische kracht dryft nanopartikelen door de nanopoor; wanneer ze door de rand van het gat passeren, tegenspraakt de zelf-geïnduceerde back-action plasmonische kracht die bestaat tussen de punten van de dubbele nanogaat de electroforetische kracht, wat de snelheid van de nanopartikelen vermindert. De resultaten toonden aan dat de optische vanging de electroforetische translocatie-tijd met vier ordes van grootte verlengde. Kim et al. realiseerden de optische vanging van plasmide DNA en lambda DNA door gebruik te maken van de nanoplasmonische structuren van enkele nanoporen. De technologie heeft potentiële toepassingen voor DNA-detectie en meerdere lokale lichtvelden kunnen worden opgezet om parallelle detectie te realiseren. Echter, hoge-frequente ionenstroom-oscillatie kan de stroomdetectieresultaten van DNA beïnvloeden. Dit kan voortkomen uit de concurrentie tussen electroforetische en zelf-geïnduceerde back-action krachten die de nanopartikelen laten zweven op en neer door de mond van de nanopoor.

Optische Pincetten

Optische pincetten kunnen worden gebruikt om moleculaire translocatie door nanoporen te controleren en zijn in de laatste jaren algemeen gebruikt. In 2006 demonstreerden Keyser et al. voor het eerst een moleculaire touwtrekking tussen electroforetische en mechanische krachten door optische pincetten toe te passen om DNA-translocatie door SiN_x nanoporen te controleren. Dit systeem fungeert als een eenvoudige Hooke-veer, en de spanningskracht op de bal kan worden berekend op basis van Hooke's wet: F_ot= −k_trapZ, waar F_ot de optische kracht is, k_trap de val-stijfheid langs de verplaatsingsrichting, en Z de lineaire deformatie van de bal. De optische pincetten methode, die een DNA-aangehechte polystyreentrap bal vangt in het kruispunt van een gefocusde laserstraal, kan de DNA-aangehechte polystyreentrap bal in drie dimensies manipuleren en heeft een pico-newton bereik van krachtgevoeligheid. Om de translocerende DNA binnen de nanopoor te vangen, werd de spanningskracht afgestemd om de elektrische veldkracht (F_el) op de DNA te balanceren. Daarom kan de spanning worden gebruikt om zowel de snelheid van DNA-translocatie te verminderen als het DNA-molecuul uit een nanopoor te trekken. Dit systeem stelt gelijktijdige ruimtelijke bemonstering en hoge-resolutie krachtmetingen van nucleïnezuren en proteïnen toe, wat significante vooruitgang in DNA-sequencing heeft bereikt. Echter, de optische pincetten techniek lijdt aan verschillende fundamentele moeilijkheden. Ten eerste is het moeilijk om op te schalen naar een groot aantal nanoporen. Ten tweedew, de verhitting veroorzaakt door de laser in optische pincetten beïnvloedt de ionenstroom door een nanopoor en het ruisniveau sterk, wat vereist dat de optisch gevangen bal verschillende micrometers van de nanopoor verwijderd is.

Magnetische Pincetten

Magnetische pincetten bieden een andere manier om DNA-translocatie te controleren door spanningskracht, en het is aangetoond dat de magnetische pincetten techniek effectief is in het vertragen van DNA-translocatie. In dit systeem, zoals getoond in Fig. 4b, kunnen DNA-moleculen worden aangehecht aan een micrometer-grote magnetische bal met behulp van sterke goud-thiol of streptavidine-biotine interactie. Vervolgens kan het vrije einde van de DNA worden gevangen in de nanopoor door een toegepast elektrisch veld. Vervolgens kunnen twee magnetten met een kleine opening worden gebruikt om een gradiënt van magneetveld te creëren. Deze techniek kan de elektrische kracht op de gevangen DNA balanceren om translocatiesnelheden te verlagen en zelfs elektroforese om te keren. In vergelijking met optische pincetten zijn magnetische pincetten een veelbelovende kandidaat voor massaal parallelle kracht-spectroscopie. In dit systeem kunnen honderden ballen en dus DNA-moleculen gelijktijdig worden gecontroleerd binnen honderden nanoporen, wat eenvoudig schaalbaar is naar veel adresbare nanoporen. Dit kan het analytische proces met ordes van grootte versnellen. Echter, in vergelijking met optische pincetten, is een duidelijk nadeel van de magnetische pincetten benadering het gebrek aan driedimensionale controle van de moleculen.

Krachtmeetende Probe

Hoewel significante vooruitgang is geboekt in het controleren van DNA-translocatiesnelheid door optische pincetten en magnetische pincetten, hebben de bal-vangmethoden een probleem met Brownse beweging dat het moeilijk maakt om de beweging van de bal met minder dan 10-nm resolutie te controleren. Om dit te overwinnen, is AFM gebruikt om de snelheid van DNA-translocatie te controleren, en het kan ook gelijktijdig de kracht en de blokkadestroom meten. In een studie met dit systeem, zoals getoond in Fig. 4c, was DNA aangehecht aan de punt van een AFM-probe, en vervolgens in de probehouder geklemd. Door de beweging van de probe te controleren, kon de DNA-translocatie worden gecontroleerd om de snelheid te verminderen en zelfs elektroforese om te keren. Bovendien, door de punt in te trekken tot een hoogte boven het oppervlak die overeenkomt met de lengte van het molecuul, kunnen de metingen worden herhaald. Met AFM-ondersteuning heeft DNA-detectie in praktijk en theorie vooruitgang geboekt omdat de detectieresolutie aanzienlijk kan worden verbeterd door de gecombineerde signalen van blokkadestroom en AFM-krachtmetingen. Echter, er is nog een obstakel in de toepassing van nanopoortechnieken in DNA-detectie, namelijk het intermittierend optreden van regelmatige fluctuaties in de kracht (en de stroom) elke 0,35–0,72 nm wanneer een DNA-molecuul relatief wrijvingsvrij door een nanopoor glijdt. Deze fluctuaties worden toegeschreven aan individuele nucleotiden die door de nanopoor transloceren in een tourniquet-achtige beweging.

Studies hebben aangetoond dat een stemvork, die kan worden gebruikt als een krachtdetecterende sensor, DNA kan controleren om met een sub-nanometer snelheid door een nanopoor te passeren. In een studie met deze geïntegreerde apparatuur, zoals getoond in Fig. 4d, was een DNA-molecuul aangehecht aan een proefpunt dat gelijmd was aan een tak van een stemvork. Een nano-positioneringssysteem, dat sub-nanometer nauwkeurheid bezit, werd gebruikt om de stemvork vast te houden. De positie van het proefpunt kan worden gevoeld door de stemvork-gebaseerde feedback krachtsensor en gecontroleerd door het manipuleren van het nanometer positioneringssysteem. Deze bewegingssnelheid is 10 keer langzamer dan die van DNA gemanipuleerd door optische pincetten en 1000 keer langzamer dan DNA vrij door vaste-stof nanoporen passeren. In vergelijking met conventionele AFM kan een stemvork snellere scanbeweging bieden en hoge krachtgevoeligheid bezitten wanneer het in vloeistof gedoopt is. Door TFFS te integreren met een nanopoor, kunnen de ionenstroom door een nanopoor, puntpositie, en punttrillingsamplitude gelijktijdig worden gemeten tijdens de passage van een DNA-molecuul door de nanopoor.

Si-probe

Alle bovenstaande methoden, namelijk magnetische pincetten, optische pincetten, AFM, en TFFS, moeten de nanopoorpositie scannen. Ze moeten de nanopoor lokaliseren binnen de effectieve lengte van de DNA om ervoor te zorgen dat de DNA door de nanopoor kan passeren. Nanopoor-adressering is een belangrijk onderdeel van deze methoden, maar is moeilijk. Een onderzoeksgroep verbond DNA met een groot oppervlak van een siliciumprobe (Fig. 5), groter dan het oppervlak van de chip, wat betekende dat ze de geïmmobiliseerde DNA gemakkelijk in een nanopoor konden invoegen zonder te scannen naar de locatie van de nanopoor in de membraan. De haalbaarheid van het gebruik van een DNA-geïmmobiliseerde Si-probe en positiecontroller om de beweging van DNA in en uit nanoporen te controleren is gedemonstreerd. De moeilijkheid van deze methode is dat de Si-probe in de oplossing gedoopt is en via peptide-koppeling met de DNA verbonden is. De dichtheid van DNA op het oppervlak van de probe is moeilijk te controleren, zodat het waarschijnlijk is dat meerdere DNA-moleculen tegelijkertijd door een nanopoor passeren, wat de detectiestroom beïnvloedt.

Optische pincetten, magnetische pincetten, atoomkrachtmicroscopie (AFM), en stemvork-gebaseerde krachtsensing (TFFS) kunnen de daadwerkelijke krachten en positie van het molecuul in de nanopoor detecteren, wat veelbelovend is om DNA-passage door nanoporen met geschikte snelheid te controleren. De moeilijkheid van nanopoor-adressering wordt vermeden door het gebruik van een Si-probe. Daarnaast is het gebruik van een twee-nanoporen systeem een haalbare methode om DNA-passage door nanoporen te controleren en te vertragen. Daarnaast heeft een optische val nanopoor potentieel voor DNA-detectie in de toekomst. Hier vatten we de DNA-translocatiesnelheid van een vaste-stof nanopoor geïntegreerd met enkele DNA-controle methoden samen, zoals een twee-nanoporen systeem, optische val nanopoor, optische pincetten, magnetische pincetten, AFM, TFFS, en Si-probe (Tabel 1).

Conclusie

Monolagen 2D materialen, zoals grafeen, MoS₂, WS₂, en h-BN, zijn wellicht de dunst bereikbare materialen aangezien ze even dik zijn als de afstand tussen de nucleotiden. In vergelijking met traditionele vaste-stof-nanopore membranen, zijn monolagen 2D membranen ideaal voor nanopoort-apparaten omdat ze een hoge ionenstroom signaal-ruisverhouding en relatief grote sensorgebieden vertonen. Ze zijn potentieel in staat om DNA-sequencing te realiseren door combinatie met optische pincetten, magnetische pincetten, AFM, TFFS, Si-probe, twee-nanoporen systeem, of optische val nanopoor. Echter, met deze technieken zijn verschillende uitdagingen ontstaan, die opgelost moeten worden voordat de commercialisatie van nanopore DNA-sequencing mogelijk is. De eerste ontstaat wanneer de ballen of proefpunten dicht bij een nanopoor zijn, wanneer het moeilijker is om DNA-nucleotiden te discrimineren met ionenstroomsignalen. Moleculaire handvaten of andere langere moleculen moeten worden gebruikt om de lengte van een DNA-streng te vergroten, wat het effect op het stroomsignaal dat wordt veroorzaakt door ballen of punten kan compenseren. Ten tweede moeten nanopoor-arrays worden gebruikt om hoge-doorvoer en parallelle detectie te realiseren, maar de technologie van parallelle detectie is momenteel nog niet volwassen genoeg. Ten derde, volgens de huidige fabricagemethoden, is het moeilijk om een twee-nanoporen systeem en optische val nanopoor systeem met hoge nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid te fabriceren, wat zeer significant is voor nanopore DNA-detectie. Een helium-ionenstraal kan de sleuteltechnologie zijn om dit probleem op te lossen. Daarom verwachten we dat DNA-nanopore sequencing een onderzoeksfocus blijft en geïntegreerd kan worden met meer nieuwe ideeën en innovatieve benaderingen om lage foutpercentages, snelle en hoge parallele opname, en lange leeslengtes van tot 100 kilobasen te realiseren.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.

Afkortingen

2D:

Twee-dimensionaal

3D:

Driedimensionaal materiaal

TMDs:

Gelaagde overgangsmetaal-dichalcogeniden

SNR:

Signaal-ruisverhouding

PL:

Fotoluminescentie

SIBA:

Zelf-geïnduceerde back-action

AFM:

Atoomkrachtmicroscopie

TFFS:

Stemvork-gebaseerde krachtsensing