DNA分子の電気特性

DNA分子的电学特性

基本信息

批准号：
04F04655
负责人：
荒川泰彦
金额：
$ 0.77万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-04F04655/
关键词：
DNA DNA分子の電気特性超高真空走査トンネル顕微鏡

项目摘要

DNA研究は、現在、ナノエレクトロニクスの重要なファクターとなりつつある。特に二重らせん構造中の塩基対軌道がオーバーラップすることにより発生する導電性については多くの研究者の興味を集めている。DNA分子による電荷移動は光学的測定によって最近実証されており、現在DNA中の電荷移動メカニズムはsuperexchange、hopping、polaronによるものと考えられている。しかしDNAの電子的特性の詳細については、未だ多くの議論の的となっており、その特性は、接触、DNA形式、シーケンス長および測定環境によって、絶縁体、半導体、導電体あるいは超伝導材料とおおきく変化する。このことは理論的にも、接触、シーケンスおよび環境がDNA分子の電子輸送に著しく影響することが示されている。従って、このDNAの導電性を実験的に詳しく調べることは極めて意義深いものであり、それを用いた将来のデバイス実現のためには不可欠である。DNAの電子的特性を調べるために、その環境として、ガラス、金基板、さらにGaAs基板を用いて、さらにその接触を良くするための最適な溶媒を調べ、DNA形式およびシーケンス長の違うDNAを用意して、詳細に研究を行った。その結果、超高真空走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて、走査トンネル分光(STS)測定を行うことにより、初めて、単一DNA分子の電子特性測定に成功した。サンプルとSTM探針の距離を変化させることにより、それぞれの距離に対応した電圧・電流曲線を再現性良く得ることができた。この測定から得られたバンドギャップ値は、2.88eVで、理論的に予測された値である3.0eVと良く一致した。この得られたバンドギャップ値は、二重らせん構造に沿ったヌクレオシド分布の不均一性によるものと考えられる。さらにDNA分子中の電荷輸送にDNA緩衝液中の対イオンが重要な役割を果たすことがわかった。本研究は、再現性のよい測定手法を確立したことで極めて有意義であり、また形式およびシーケンス長の違うDNAを系統的に測定することにより、将来、研究者、技術者が参照できる基礎的なデータベースを構築すること可能であることを示した点は、今後の科学技術の発展、とくにバイオナノテクノロジーの進展に大いに寄与するものである。

DNA研究目前正在成为纳米电子学的一个重要因素。特别是，许多研究人员对由于双螺旋结构中碱基对轨道重叠而产生的导电性感兴趣。最近通过光学测量证明了通过 DNA 分子的电荷转移，目前认为 DNA 中的电荷转移机制是基于超交换、跳跃和极化子。然而，DNA 电子特性的细节仍然是很多争论的主题，其特性可以被表征为绝缘体、半导体、导体或超导材料，具体取决于接触、DNA 格式、序列长度和测量环境变化很大。理论上，已经证明接触、序列和环境显着影响DNA分子中的电子传输。因此，对该 DNA 的电导率进行详细的实验研究极其重要，对于实现未来使用它的设备至关重要。为了研究DNA的电子特性，我们使用玻璃、金基板和GaAs基板作为环境，并研究了改善接触的最佳溶剂，并制备了不同DNA格式和序列长度的DNA并进行了详细的研究。。结果，我们首次使用超高真空扫描隧道显微镜 (STM) 进行扫描隧道光谱 (STS) 测量，成功测量了单个 DNA 分子的电子特性。通过改变样品与STM探针之间的距离，我们能够获得具有良好重现性的每个距离对应的电压和电流曲线。此次测量得到的带隙值为2.88 eV，与理论预测值3.0 eV非常吻合。所获得的带隙值被认为是由于沿着双螺旋结构的核苷分布的不均匀性。此外，还发现 DNA 缓冲液中的抗衡离子在 DNA 分子的电荷传输中发挥着重要作用。这项研究的意义极其重大，因为它建立了一种具有良好重现性的测量方法，通过系统地测量不同格式和序列长度的DNA，为未来的研究人员和工程师提供了基础参考，事实证明这是可能的。数据库的建设将对未来科技的发展，特别是生物纳米技术的进步做出巨大的贡献。