基于石墨烯纳米孔DNA测序技术

1、基于石墨烯纳米孔的基于石墨烯纳米孔的DNADNA测序技术测序技术小组成员：小组成员：主讲人：主讲人： 石海滨石海滨PPTPPT制作：制作： 马勇马勇资料搜集：徐毓奇资料搜集：徐毓奇 2014 2014年年4 4月月1515日日石墨烯 制备方法：制备方法： top-down bottom-up1、只有一个碳原子厚度的二维材料2、石墨烯结构非常稳定7、高电子迁移率，其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度5、石墨烯有相当的透明度：可以吸收大约2.3%的可见光3、高热导率6、石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬4、离子绝缘性研究背景 DNA测序如此广泛、

2、基础的应用促使我们寻找一种更低成本、测序如此广泛、基础的应用促使我们寻找一种更低成本、更快、更准确的测序技术。更快、更准确的测序技术。DNA测序个性化医疗基因工程生物云计算遗传学原理简介 e-beam（0.50.5mm）测序结果 碱基的种类由电流减小值和持续时间反映。生物膜 分析与讨论 为提高最大限度提高测序准确性及速度，需进一步考虑以下为提高最大限度提高测序准确性及速度，需进一步考虑以下问题：问题： 一、一、石墨烯膜厚石墨烯膜厚：隔绝粒子流，分辨率：隔绝粒子流，分辨率 二、二、孔直径孔直径：DNA直径，精度直径，精度 三、三、DNA移动速率移动速率：测序速度，灵敏度：测序速度，灵敏度 石墨烯

3、膜厚h 1.理论计算得到的石墨烯薄膜有效绝缘厚度为0.6 nm。 2.DNA单链相邻两碱基间的距离为0.32-0.52 nm。 3.单层石墨烯膜厚的理论值为0.335 nm。 （d= 8 nm) 我们选择我们选择两层石墨烯两层石墨烯，而且石墨烯超薄的膜厚，自动地将分，而且石墨烯超薄的膜厚，自动地将分辨率提升到辨率提升到亚纳米亚纳米量级。量级。 孔直径 d 1. 单链DNA的直径为1.5 nm，双链DNA直径为2 nm。2. 如果孔直径太小的话，DNA不易通过；太大的话，可能一次通过 多个碱基。 文献报导的孔直径一般是5 nm DNA移动速率 在目前技术水平下，DNA的移动速率相对太快，影响测序

4、的准确性，理想的速率为1-100 nt/ms，预测将在2015年实现。 人类基因组有大约30亿个碱基对，利用一个纳米孔只需大约10个小时即可全部测完。 高通量测序 一一次对几十万到几百万条次对几十万到几百万条DNADNA分子进行分子进行序列测定。序列测定。 现在，制备固体纳米孔阵列的技术已经成熟，具备工业化生产的条件。但直至今日尚未有利用石墨烯纳米孔实现高通量测序的报道。（原因可能是石墨烯的高电子迁移率） 纳米孔测序技术优势1. 测序成本低（人类基因组的测序成本将控制在$1000以下）2. 测序速度快（人类基因组测序将在24小时内完成）3. 分辨率为单个碱基4. 无需标记、倍增5. 长测序长度

5、（理论上无限长）6. 能实现从头测序，且测序结果与真实顺序相同7. 绿色，药剂消耗量少8. 输出信号为电信号，便于利用采集、处理和分析9. 可实现高通量测序（并行测序）10. 结构稳定，寿命长 纳米孔测序技术面临的挑战1. DNA移动速率过快2. DNA热运动3. DNA与石墨烯表面和孔的相互作用机制尚不十分清楚4. 石墨烯纳米孔阵列并行测序尚未实现 展望 随着以石墨烯纳米孔法为代表的第三代测序技术的出现，在一天之内测出人类基因组序列且成本低于$1000将不再是梦，基因检测将和血常规检查同样普遍。 对于遗传病的诊治变得简单、快速，并能从基因组水平上指导个人的医疗和保健，从而进入个性化医疗的时代

6、。 参考文献1 S.Garaj.et al. Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane. Nature 467,190-193(2010).2Bala, M. V. et al. Nanopore sensors for nucleic acid analysis. Nature Nano.6,615- 624(2011).3 Gregory, F. S.et al.DNA translocation through graphene nanopores.Nano.Lett.10,3163-3167(2010).4David, B.

7、 W. et al. Assessing Graphene Nanopores for Sequencing DNA. Nano.Lett. 12.,41174123(2012).5 Min, J. K.et al. Rapid Fabrication of Uniformly Sized Nanopores and Nanopore Arrays for Parallel DNA Analysis*. Adv. Mater. 18, 31493153(2006).6 Daniel, B. et al. The potential and challenges of nanopore sequencing.Nature Biotechnology.26,1146-1153(2008).7 Seung, K. M. et al. Fast DNA sequencing with a gra