基于石墨烯和硅基纳米孔的新型DNA测序方法基础研究

DNA sequencing technology is the key technology of the modern life science research. The nanopore-based single-molecule sequencing is considered to be the most promising one among the next generation of sequencing technologies to achieve the $1000 Human Genome Project. Graphen presents excellent physical, chemical and geometric characteristics, Silicon nanopore has advantages in both stability and process controllability, the combination of raphene and nanopore is expected to solve the fundamental problems that hinder the current nanopore-based sequencing. Fudamental study on a novel DNA sequencing technology based on graphene and nanopore is proposed in this project. The proposal is to construct a nanoscale pore-cavity-pore structure with graphene and silicon (GPCP). When a single-stranded DNA molecules are driven to pass through the GPCP by an electrostatic field, the longitudinal ionic current though the nanopores will be blocked and at the same time the transverse conductivity of the graphene will be changed. The variation of the cuurent and transverse conductivity will will be different as the different bases (A, T, C and G) occupied the graphene nanopore, so that the sequence of the moving DNA can be find by analysing of the both data. The main research topics of this project include: Implementation of sub 10 nm silicon nanopore, precisely transfer of microscale graphene and the fabrication of nano hole on the graphene, fabrication of the GPCP sequencing chip and the sequencing system, modeling and simulation of the GPCP sequencing system,nucleic acid sequencing experiments under different structural and fluidic parameters using the obtained DNA sequencing system based on praphene and nanopore technology.

DNA测序技术是现代生命科学研究的核心技术。基于纳米孔的单分子测序是最有希望实现千美元人类基因组计划的新一代测序技术。石墨烯具有优异的物理、化学和空间尺度特性,硅基纳米孔具有稳定性好、易于操控等优势,将两者结合有望解决现有纳米孔测序中存在的根本问题，推进这一技术的发展。本项目提出一种基于石墨烯和纳米孔的新型DNA测序方法基础研究。主要思想是利用石墨烯和硅构造一种纳米孔-腔-孔结构（GPCP），当单链DNA分子在静电场驱动下穿过GPCP时，造成纳米孔离子电流阻塞和石墨烯电导改变，该电流和电导的变化幅度将实时反映不同的碱基信息，从而实现双数据解析测序。项目的主要研究内容包括:亚10nm硅基纳米孔实现研究；石墨烯定点精确转移和石墨烯纳米孔的实现研究；石墨烯纳米孔-腔-孔测序芯片的制备和测序系统研究；石墨烯纳米孔-腔-孔测序系统建模与仿真；不同结构参数和流体参数下GPCP新型DNA测序实验研究。

项目原创性地提出了“基于石墨烯和纳米孔的新型DNA测序方法”，即利用传统的硅材料及新材料石墨烯设计一种新型石墨烯纳米孔-腔-硅纳米孔的GPCP(pore-cavity-pore)结构，其核心是利用硅基纳米孔阵列与二维石墨烯材料的特性实现对纵向离子电流和横向电流的同时检测，实现双数据解析精确测算核酸序列，有望从根本上解决目前新一代DNA测序所面临的问题。.根据纳米孔专项专家的意见与建议，本项目的总体任务为实现亚十纳米硅基纳米孔阵列，实现对石墨烯纳米孔的制备定点精确转移，以及初步完成纳米孔电学测量平台的搭建。项目经过大量的理论和实验研究，圆满完成了课题任务。.1..基于上个项目所提出并实现的硅基纳米孔工艺策略，从原子层面定量解释了硅基纳米孔的形成机理；.2..基于上个项目所提出并实现的硅基纳米孔工艺策略，对纳米孔阵列版图以及工艺步骤进行优化，实现了亚20nm的硅基纳米单孔的制备，并获得了均匀性较高的纳米孔阵列；.3..进行了纳米孔收缩的理论及实验研究，提出基于等离子增强型化学气相沉积技术的纳米孔缩孔方法，根据实验数据进行理论建模，获得最小特征尺寸亚10nm的硅基纳米孔；.4..对石墨烯的转移和铝掺杂进行了工艺实验研究，并对其电学特性进行实验检测， Al掺杂可以有效的打开石墨烯的禁带，为后续石墨烯与纳米孔的电学应用结合提供了理论支持；.5..对硅基倒锥形纳米孔的电学特性进行建模仿真，初步搭建纳米孔电学测量平台，初步探测到过孔电流，但由于过孔电流较小，相对噪声信号过大，现有的设备并不足以直接探测出通过纳米孔的阻塞电流，平台仍需进一步完善。.项目成果如下：.1..在国际刊物上已发表标注学术文章20篇，其中SCI收录10篇，EI收录8篇.2..申请并获得专利1项.3..在国际会议邀请报告1次.4..受邀撰写书籍“Silicon Nanomaterials Sourcebook”中的相关章节。.项目进行期间，进行了大量的国际合作活动，主要包括：.1..参加国际会议3人次；.2..邀请国外专家赴清华大学微电子所交流讲座2次；.3..和法国巴黎六大，荷兰Delft大学建立长期合作关系，正在申请双边项目。.4..与美国约翰霍普金斯大学联合培养博士生1名：邓涛；.5..接收国际学生短期科研实践1名：印度学生Prashant Jain 。.通过项目的实施，培养出多名年轻人才和研究生