南航 郭万林&仇虎团队《ACS Nano》：综述-石墨烯和其他2D材料纳米孔：测序十年之旅

成果简介

纳米孔技术提供了一种低成本、无标记和高通量的平台，可用于单分子生物传感，尤其是 DNA 测序。2010年以来，石墨烯等二维（2D）材料由于其亚纳米厚度理论上可以提供最高的检测空间分辨率，因此作为用于生产纳米孔装置的膜已经引起了相当大的关注。此外，二维材料可以导电，这有可能实现依赖膜材料本身的横向电流的替代测量方案，从而扩展了传统的基于离子电流的纳米孔装置的技术能力。

在这篇综述中，南京航空航天大学郭万林&仇虎团队在《ACS Nano 》期刊发表名为“Nanopores in Graphene and Other 2D Materials: A Decade’s Journey toward Sequencing” 的论文，研究讨论了利用二维材料构建的纳米孔进行DNA传感的实验和计算研究的关键进展。重点关注离子电流和横向电流测量方案。一步分析了2D材料纳米孔向DNA测序发展的挑战，重点是降低噪音水平，减缓DNA易位，并抑制孔内的DNA波动。最后，概述了未来的研究方向，这些方向可能加快2D材料纳米孔DNA测序概念验证的出现。

图文导读

图1. 基于石墨烯或其他原子级薄2D材料纳米孔的两种DNA测序方案

图2. 2D材料自2010年以来基于纳米孔的DNA测序领域发展时间线 。

2.1 离子电流检测

图3. 通过测量离子电流进行DNA检测实验

石墨烯纳米孔模拟

在进行实验研究的同时，还进行了理论研究，尤其是分子动力学 (MD) 模拟，以研究 DNA 易位通过石墨烯纳米孔的微观动力学。全原子 MD 模拟代表了一种强大的工具，能够在原子级解决电场驱动 DNA 通过纳米孔的传输以及 DNA 和纳米孔之间复杂的相互作用。

图4. DNA 易位通过石墨烯纳米孔的MD模拟

2.2 横向电流检测

图5. 横向电流检测的理论和计算研究

2.3 实现DNA测序的挑战

尽管许多努力已经针对2D材料在基于纳米孔的DNA测序中，离子电流测量和横向电流方法都没有达到足够的分辨率来检测和识别 DNA 链中的单个核碱基。换句话说，没有可用于2D的概念验 DNA测序实验材料纳米孔。本小结将讨论阻碍该领域发展的重大挑战，包括降低噪音水平、减缓 DNA 易位和抑制 DNA 波动，以及现有的解决这些挑战的尝试。

图6. 用于减缓 2D材料纳米孔DNA易位的建议策略图示

图7. 抑制纳米孔内 DNA 波动的建议策略图示

小结与展望

本篇综述总结了DNA测序领域的进展，纳米孔由原子级薄的2D材料（包括石墨烯、MoS 2、h- BN等）在2010-2020十年，重点发展离子电流和横向电流测量方案。二维材料纳米孔特别有吸引力，因为它们具有提供单碱基分辨率的潜力，这将有助于信号后处理。在生物纳米孔测序方面取得成功，测量离子电流仍然是二维 DNA 检测研究的主流方案材料纳米孔。但是，实施这种测序测量方案面临着 2D材料纳米孔表现出高水平的电流噪声（例如 1/ f噪声），并且 DNA 移动太快，无法记录单个碱基的离子电流阻滞（由于离子电流记录的带宽低）。很明显在2D之前需要做更多的工作材料纳米孔将与生物孔甚至传统固态纳米孔取得的最新成果相匹配。例如，开发抑制噪声和减慢 DNA 速度的方法至关重要，而不会以增厚膜为代价。同时，鼓励进一步研究以回答有关离子电流检测的重要问题：例如，高 1/ f噪声的确切来源是什么以及如何有效减少驻留在孔中的 DNA 的波动。这些问题的答案应该有助于提高离子电流检测的性能。

总之，在二维材料中用纳米孔对DNA进行测序仍然是一个遥远的目标 ，因为没有实验表明预期的单碱基分辨率。另一方面，基于生物纳米孔的 DNA测序仪经过大约20年的发展（从 1996 年到 2014 年）已经商业化，比生物孔“年轻”得多，我我们应该对2D材料纳米孔在测序过程中的积极发展保持耐心。此外，我们相信，从生物孔测序的商业开发中吸取的经验教训有助于实现这一雄心勃勃的目标。

通讯作者简介

郭万林 中国科学院院士，力学家，南京航空航天大学教授。主要从事飞行器结构安全和智能化方面的力学理论和关键技术研究。提出了低维体系局域场和外场耦合的概念，构建了低维材料结构力-电-磁-热耦合的物理力学理论体系，发现了流-电耦合新效应和流体传感新方法，提出了自上而下制造亚纳米结构的新途径。在Nature Nanotech.，Nature Commun., Phys. Rev. Lett., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., Adv. Mater.等国际一流学术刊物上发表SCI论文300余篇，2014-2018年连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。曾获国家自然科学二等奖、国家教育部自然科学一等奖等。

仇虎，南京航空航天大学副教授。2013年博士毕业于南京航空航天大学，导师为郭万林院士。2014年至2016年间在美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）从事博士后研究。长期从事微纳米力学和微纳受限系统动力学研究。以第一作者在Physical Review Letters, Nano Letters，ACS Nano和Advanced Materials等刊物发表SCI论文10余篇。