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浙江大学唐龙华等Nat. Commun.:结合介电泳捕获的量子隧穿传感技术实现超低浓度的单分子检测

单分子检测技术可用于观察单个分子的动力学和运动学过程,其中隧穿传感技术凭借其优异的空间分辨率、高灵敏度和易于集成等特性而受到重点关注。隧穿电学传感依赖于量子力学隧穿效应(quantum mechanical tunnelling,QMT),其核心是电子在5纳米以下的电极间隙或分子结上的输运。隧穿电流可提供原子尺度的空间分辨率,并反映分析物的性质和特征,例如用于区分单个核苷酸或氨基酸,并最终有望实现核酸测序以及蛋白质测序。然而,现有的隧穿传感器件通常需要复杂的工艺和设备,且传统隧穿检测中分子主要通过扩散进入隧穿结,效率较低并难以精确控制。这些问题阻碍了隧穿传感器的广泛应用。


近日浙江大学现代光学仪器国家重点实验室的唐龙华帝国理工学院Aleksandar P. Ivanov、Joshua B. Edel等合作报道了一种基于独立双孔纳米电极的隧穿结器件,无需STM等技术所需的导电衬底。该器件制作工艺简单,具有一定可控性,并兼容介电泳 (DEP) 捕获技术,可用于捕获在非均匀电场下的待测分子使分析物有效聚集,从而实现低浓度下的单个分子的隧穿电学检测。


该隧穿结器件是由θ形双通道石英毛细管制成的,该毛细管通过激光拉制得到尖锐的针尖,针尖末端是两个相邻的纳米孔 (直径为25±12nm),由石英 (宽度为15±5nm) 隔开。通过高温热解正丁烷,在毛细管尖端制备获得碳纳米电极。随后,利用反馈控制下的电化学沉积技术,将金镀在碳纳米电极表面,使电极间隙减小到电学隧穿尺度(<7nm)。在大多数隧穿结器件都观察到了非线性电学隧穿行为,模拟获得的间隙从亚nm到>3 nm不等,平均间隙宽度为1.6±0.6 nm。


该器件被用于单分子的电学隧穿检测,将单链DNA和单核苷酸加入后,可观察到尖峰状电流瞬变,且发现每种分子引起峰值电导变化 (∆G) 是一定的。此外,用不同分子量和电荷的蛋白质(链霉亲和素、牛血清白蛋白和免疫球蛋白)证实了该器件对蛋白质检测的适用性,不同蛋白质∆G值存在明显差异。


进一步研究表明该隧穿结器件兼容介电电泳捕获(DEP)技术。当交流电压施加在器件两端时,会在针尖产生超高的电场梯度力,从而具有类似于单分子纳米镊 的高效捕获目标物的能力。实时荧光跟踪成像数据证明40纳米硅球、λ-DNA和链霉亲和素可被快速捕获在器件尖端。在隧穿传感应用中,先利用介电泳富集分子使得分子进入隧穿传感区域,从而实现高亚飞摩尔 (< 10-15mol/L) 级的单分子隧穿电学检测。

图1. 用于DNA和蛋白质检测的结合介电泳捕获技术(DEP)的量子隧穿传感器。


图2. QMT探针的电化学制备和特性。


图3. 单核苷酸的QMT检测。


图4. 链霉亲和素、BSA、IgG的隧穿检测结果。


图5. 基于结合DEP捕获的超低浓度分子隧穿检测。


小结


本文报道了一种新型的隧穿电学器件制备方法,可在溶液环境中稳定工作并兼容介电泳技术,可实现单核苷酸、DNA以及蛋白质的低浓度单分子电学测量。该隧穿结器件集成在百纳米级的针尖,制备简单,具有可控性和重复性,实现开放的隧穿电学检测区域,利于分子的进入。通过与DEP技术结合实现了待测分析物的吸引和预浓缩,灵敏度达到了亚飞摩尔 (< 10-15 mol/L) 级别。


相关结果近期发表在Nature Communications 上,论文的第一作者为浙江大学光电科学与工程学院唐龙华,通讯作者为浙江大学唐龙华和帝国理工学院的Aleksandar P. Ivanov Joshua B. Edel。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Combined quantum tunnelling and dielectrophoretic trapping for molecular analysis at ultra-low analyte concentrations

Longhua Tang, Binoy Paulose Nadappuram, Paolo Cadinu, Zhiyu Zhao, Liang Xue, Long Yi, Ren Ren, Jiangwei Wang, Aleksandar P. Ivanov, Joshua B. Edel

Nat. Commun., 2021, 12, 913, DOI: 10.1038/s41467-021-21101-x


唐龙华博士简介


唐龙华,浙江大学光电科学与工程学院副教授,博士生导师。研究主要围绕生物光电子学交叉研究方向,针对生物分子体系的非真空常温下高时空分辨、动态信息获取的技术挑战与应用需求,发展新一代的分子测量新技术与仪器,开展单分子操控、检测及光-电信息综合探测等研究。迄今共发表SCI源论文60余篇,其中以第一/通讯作者发表IF> 10的SCI论文10 余篇,包括Nature Communications、Chemical Society Reviews、Advanced Functional Matetials、ACS Nano、Nano Today等,总被他引7500余次,H-因子为34(google scholar)。曾获2015年国家自然科学奖二等奖(5/5)和2012年教育部高等学校自然科学奖一等奖(4/7)。


唐龙华

https://www.x-mol.com/university/faculty/70392

个人网址

https://person.zju.edu.cn/lhtang


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