用于生物单分子检测的新型二维纳米材料的按需构筑方法及机理研究

On-demand construction of nanopore device based on novel two-dimensional nanomaterials, e.g. graphene, boron nitride and molybdenum disulfide, is believed the most practical single biomolecular identification technique nowadays. Specifically, nanopore gene sequencing technique is believed an important route to personalized medicine. Global researches indicate that the structural evolution of 2-D nanopores under external excitation when being processed, especially under electron irradiation and thermal field is a leading hotspot in the world. However, up till now, on-demand construction of nanostructures through microscopically controllable transfer of nanomaterials still shows difficuties. This proposal aims to delelop irradiation-mediated, differential molecular modification and on-demand self-assembly strategy of 2-D nanodevices. In-situ electron microscopy will be applied to study structural evolution of 2-D nanomaterials under electron irradiation and thermal field. We attempt to prove the reliability of on-demand construction of nanopore structures by biological assays. The goal of this proposal is to solve the basis of materials and device fabrication process in nanopore biosensing, as well as to point out the effect of external field during fabrication process and the corresponding mechanisms.

以石墨烯、氮化硼、二硫化钼等为代表的新型二维纳米材料按需构筑的纳米孔器件及其检测技术被认为是最具发展潜力的生物单分子检测技术，特别是纳米孔基因测序技术，是实现个性化医疗的重要手段。国内外研究表明，二维纳米孔在加工时受到外场作用，特别是受电子辐照和热场而产生的结构演化是研究热点之一。此外，纳米材料实现微观可控的转移并按需构筑纳米结构迄今尚十分困难。本课题将发展辐照诱导的分子差异化修饰和二维纳米材料的自组装按需构筑方法，运用原位电子显微技术研究二维纳米材料在电子束加工和热场作用下的结构演化规律。通过生物实验，证实用于生物单分子检测的按需构筑纳米孔结构的可靠性。课题将致力于解决纳米孔生物检测中核心材料及制备问题，并解释加工过程中外场作用影响及物理机制。

项目背景：新型二维纳米材料，尤其是以石墨烯为代表的材料按需构筑的纳米孔器件及其检测技术被认为是最具发展潜力的生物单分子检测技术。特别是纳米孔基因测序技术，是实现个性化医疗的重要手段。但受制于纳米孔加工、表征和测试技术的限制，纳米孔基因组测序技术目前已经处于发展的瓶颈期。国内外研究表明，二维纳米孔在加工时受到外场作用，特别是受高能电子束辐照和热场而产生的结构演化是研究热点之一。. 项目的研究内容：我们研究了辐照诱导的二维纳米材料的可控转移、自组装和按需构筑方法；运用原位电子显微学研究二维纳米材料在电子束和热场作用下的演化规律；利用TEM内电子束在对二维材料表征的同时，原位加工出三维尺寸均小于5纳米（最小小于1纳米）的全固态纳米孔，制备精度优于1纳米，并优化了工艺流程，实现了制备的标准化；通过生物测试，证实了用于生物单分子检测、按需构筑的纳米孔器件的可行性和可靠性。课题致力于解决纳米孔生物检测中核心材料及制备加工问题，并解释加工过程中外场作用的影响及其物理机制。. 项目实施的结果和意义：围绕第三代基因测序所需的纳米孔的跨尺度集成制备和原位表征、石墨烯的物理化学特性及在环境、生物、传感方面的工作，取得了一定的进展。制备固态纳米孔操作机时超过500小时，加工的可用固态纳米孔数量超过400个，获得了制备和表征各种材质、形态和尺寸的固态纳米孔器件的丰富实践经验，并和东南大学机械学院、生物医学工程学院及上海交通大学等建立了良好的合作关系。. 项目成果：共发表论文9篇，其中SCI收录7篇，EI收录2篇。申请石墨烯和碳材料相关发明专利1项。项目实施期间共培养博士研究生2名，硕士研究生2名。