DNA sequencing using single-layer graphene nanoribbons with nanopores

使用具有纳米孔的单层石墨烯纳米带进行 DNA 测序

基本信息

  • 批准号:
    8531313
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 41.74万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2011
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2011-08-15 至 2015-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): We plan to build on our recently published work on DNA translocation through graphene nanopores (Merchant et al., Nano Lett. 10, 2915) and other preliminary results we describe in this application, to develop a DNA sensing technology based on measuring the current fluctuations of a graphene nanoribbon (GNR) as a single-stranded DNA molecule translocates through a pore in that ribbon. This geometry is anticipated to exhibit large electrical current changes for each nucleotide base due to the unique electrostatic potential associated with each nucleotide. These potentials modulate the charge density in the narrow ribbon, altering the corresponding GNR current levels. In contrast to approaches which measure tunneling current through the DNA molecule, where experimentally reported conductance differences are on the order of 6 pS (Chang et al., Nano Lett 10, 1070), the proposed GNR is continuous, with a large in-plane conductance. Base-to-base conductance differences are predicted to be on the order of 1-10 mS (Nelson, et al., Nano Lett. 10, 3237). Graphene defects and scattering effects are likely to lower the practical device conductance, but scaling these predictions based on reported GNR studies suggest that base-to-base conductance differences of 1 ¿S could be achieved. The extra noise incurred by measuring at significantly higher bandwidth can be tolerated because the desired signals are so large. We anticipate that single-base resolution will be achievable at currently reported DNA translocation speeds. This eliminates the need for custom high-speed ultralow noise electronics, as many off-the-shelf photodiode amplifiers for fiber- optics are designed for these current and bandwidth ranges. It also removes the need to slow down or constrain the DNA molecule as it translocates, since the measurement speed is high enough to prevent Brownian fluctuations of the molecule from blurring the GNR signal. The aims of our proposed research are as follows: 1. Fabricate atomically-thin, few-nm wide GNR devices suitable for DNA sequencing 2. Characterize the transverse electrical response of atomically-thin GNRs to each of the four nucleotides 3. Develop this sensing mechanism into an ultrafast sequencing (>1 megabase/sec), and demonstrate the sequencing of plasmid DNA molecules.
描述(由申请人提供):我们计划以我们最近发表的关于通过石墨烯纳米孔进行 DNA 易位的工作(Merchant 等人,Nano Lett. 10, 2915)以及我们在本申请中描述的其他初步结果为基础,开发一种 DNA 传感技术,该技术基于测量当单链 DNA 分子通过其中的孔易位时石墨烯纳米带 (GNR) 的电流波动。 丝带。由于与每个核苷酸相关的独特静电势,这种几何形状预计会表现出每个核苷酸碱基的大电流变化。这些电位调节窄带中的电荷密度,改变相应的 GNR 电流水平。 与测量通过 DNA 分子的隧道电流的方法相比,实验报告的电导差异约为 6 pS(Chang 等人,Nano Lett 10, 1070),所提出的 GNR 是连续的,具有较大的面内电导。碱基到碱基的电导差异预计约为 1-10 mS(Nelson 等人,Nano Lett. 10, 3237)。石墨烯缺陷和散射效应可能会降低实际器件的电导率,但根据报道的 GNR 研究缩放这些预测表明,可以实现 1 µS 的基极电导差。由于所需信号太大,因此可以容忍在更高带宽下进行测量所产生的额外噪声。我们预计以目前报道的 DNA 易位速度可以实现单碱基分辨率。 这消除了对定制高速超低噪声电子器件的需求,因为许多现成的光纤光电二极管放大器都是针对这些电流和带宽范围而设计的。它还消除了在 DNA 分子易位时减慢或限制 DNA 分子的需要,因为测量速度足够高,足以防止分子的布朗波动模糊 GNR 信号。 我们提出的研究目标如下: 1. 制造适合 DNA 测序的原子薄、几纳米宽的 GNR 器件 2. 表征原子薄 GNR 对四种核苷酸中每一个的横向电响应 3. 将这种传感机制发展成超快测序(>1 兆碱基/秒),并演示质粒 DNA 分子的测序。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Cross-Talk Between Ionic and Nanoribbon Current Signals in Graphene Nanoribbon-Nanopore Sensors for Single-Molecule Detection.
  • DOI:
    10.1002/smll.201502134
  • 发表时间:
    2015-12-16
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Puster M;Balan A;Rodríguez-Manzo JA;Danda G;Ahn JH;Parkin W;Drndić M
  • 通讯作者:
    Drndić M
Electronic transport in heterostructures of chemical vapor deposited graphene and hexagonal boron nitride.
化学气相沉积石墨烯和六方氮化硼异质结构中的电子传输。
  • DOI:
    10.1002/smll.201402543
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Qi,ZhengqingJohn;Hong,SungJu;Rodríguez-Manzo,JulioA;Kybert,NicholasJ;Gudibande,Rajatesh;Drndić,Marija;Park,YungWoo;Johnson,ATCharlie
  • 通讯作者:
    Johnson,ATCharlie
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