基于等离子体金属纳米孔的单分子拉曼测序基础研究

Development of single-molecule technique with structural recognition ability for DNA, protein sequencing is the frontier domain of both life research and nano science. The present project proposes a solution by combining nanopore with surface enhanced Raman spectrum (SERS) as the detection method. Nanopore has the ability of manipulating the transporting of single molecule and SERS can sensitively provide rich structural information. To achieve this, we will synthesis plasmonic metallic single nanopore at the tip of a glass nanopipette, which possesses high SERS activity. The shape, size and surface charge will be controlled to benefit the consequential SERS measurement. Then, SERS will be measured with the electric field pulling single molecule passing through the single nanopore. The project plans to acquire the single-molecule SERS signal of model Raman molecule, 4 types of deoxynucleotide and 20 types of standard amino acid step by step. Then explore the recognition of unites in DNA and polypeptide with the repetitive deoxynucleotide or amino acid sequence. Through the project implementation, we hope to discover the law of nanopore-SERS measurement and provide foundation for single DNA, protein sequencing.

发展具有分子结构识别能力的单分子DNA、蛋白质测序技术是测量科学与生命、纳米科学相结合的前沿领域。本项目提出将纳米单孔的单分子操控能力与表面增强拉曼光谱（SERS）的高灵敏分子结构识别能力相结合，制备具有高拉曼增强活性的等离子体金属纳米单孔，并面向DNA和蛋白质单分子测序开展基于纳米孔-SERS测量的基础研究。以期在控制单分子过孔的同时，获得其结构信息。研究首先以玻璃纳米管为基础，在其尖端可控制备金、银等金属纳米单孔结构。随后结合电化学操控分子穿孔和SERS检测，逐步获得模型分子、4种核苷酸与20种常见氨基酸的单分子拉曼光谱，并进一步实现对DNA、多肽中脱氧核苷酸、氨基酸重复单元的识别。认识并发现纳米孔-SERS测量的特殊规律，为进一步实现基于纳米孔-SERS的基因、蛋白质测序提供实验基础与理论依据。

DNA、蛋白质作为生命的物质基础，参与各项重要的生命机能活动，蛋白质的错误折叠或序列突变会导致疾病产生。掌握蛋白的序列信息，对于人类了解蛋白的作用十分关键。现有的蛋白测序方法，如Edman降解、质谱，受制于对样本的要求高、检测范围不广等事实，仍无法对低丰度、结构复杂的蛋白测序。单分子检测方法，如纳米孔单分子电化学检测，已成熟应用于DNA测序和四种碱基的区分，但对组成单元为20多种氨基酸的蛋白质，仅检测过孔电流信号无法实现蛋白测序。等离子体纳米孔既可进行纳米孔单分子电化学检测，还能利用单分子表面增强拉曼光谱提供丰富的分子结构信息，有望成为新一代的单分子蛋白测序技术。.本项目从以下几个方面开展了研究：.1. 金纳米单孔的制备及其性质的研究.首先，我们利用两步还原方法（化学还原-电化学还原），在玻璃管针尖处原位、可控地制备出一个尺寸小于10 nm的金纳米单孔。.2. 基于等离子体金纳米单孔的单分子表面增强拉曼光谱检测.以罗丹明6G（R6G）作为模型分子，在金纳米单孔的两端施加电压，R6G分子受到电场作用从样品池传输至玻璃管内。.3. 基于等离子体金纳米单孔的单分子蛋白质分析.利用金纳米单孔，我们分别实现了血红蛋白（Hb）、细胞色素C（cyt c）的单分子电化学过孔检测以及单分子动态拉曼光谱检测。.4. 基于等离子体金纳米单孔的单分子蛋白片段序列检测.基于在电化学过孔实验中所观测到的高电压对蛋白的解折叠现象，我们同步实现了高电压下对单分子cyt c动态拉曼光谱的获取，发现单分子蛋白的光谱在一段时间内连续，并且谱峰会随时间呈现阶段变化。