High-bandwidth DNA sequencing using graphene nanoribbon-nanopore devices
使用石墨烯纳米带-纳米孔装置进行高带宽 DNA 测序
基本信息
- 批准号:8901269
- 负责人:
- 金额:$ 42.2万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2014
- 资助国家:美国
- 起止时间:2014-08-01 至 2017-07-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AddressAmplifiersBase SequenceCaliberCarbonCellsChargeCustomDNADNA SequenceDetectionDevelopmentDevicesDiagnosisDiscriminationElectrolytesElectronicsElectrostaticsEnzymesExhibitsFiber OpticsGeneticGeometryGoalsGrantHealthIndividualIon ChannelLeadLengthLettersLocationMeasurementMeasuresMethodsMicroscopeMotionNoiseNucleotidesPatientsReadingRelative (related person)ReportingResearchResolutionShapesSideSignal TransductionSingle-Stranded DNASodium ChlorideSolutionsSpeedSymptomsTechniquesTechnologyTestingThickVariantVisionWidthbasecostdensitydesigndisorder preventionds-DNAelectrical propertynanonanoporenanoscalenext generationpreventscreeningsensorvoltage
项目摘要
DESCRIPTION (provided by applicant): We propose to sequence DNA by harnessing the one-atom thickness (as thin as the separation between nucleotides) and electrical properties of graphene. A direct readout of the DNA sequence is possible by measuring the modulation of the current flowing through a single-layer graphene nanoribbon (GNR), induced by each base in a single-stranded DNA molecule as it passes through a nanopore (NP) in that GNR. This geometry is anticipated to exhibit large changes in the charge density and electrical current levels in the GNR for each nucleotide base translocating due to the unique electrostatic potential associated with each nucleotide. The major benefit of this approach is that the GNR operating currents (1-10 mA) are orders of magnitude higher than the signals in ionic-current-based sequencing, enabling much higher signal-to-noise ratio and sequencing speeds of 106 bases/s. Important feasibility tests have already been realized in our group. We tested 20 - 200 nm-wide single-layer GNRs with NPs at the GNR edges carrying up to 10 mA in 1 mM to 1M KCl solution at bandwidths as high as 100 MHz. We also developed a method to drill NPs without lowering the GNR conductance and observed correlated GNR and ionic signals during dsDNA translocation. We anticipate that single- base resolution will be achievable at currently reported DNA translocation speeds. This eliminates the need for custom high-speed ultralow noise electronics, as many off-the-shelf photodiode amplifiers for fiber-optics are designed for these current and bandwidth ranges. It also removes the need to slow down or constrain the DNA molecule as it translocates, since the measurement speed is high enough to prevent Brownian fluctuations of the molecule from blurring the GNR signal. The aims of our proposed research are as follows: 1. Optimize GNR device parameters and measurement conditions to achieve sequencing with an error rate less than 0.1% at 10 MHz bandwidth. 2. Demonstrate proof-of-principle multiplexing with ten GNRs on a single chip. 3. Develop the GNR nucleotide sensing mechanism towards an ultrafast, low cost DNA sequencing solution.
描述(由申请人提供):我们建议通过利用石墨烯的单原子厚度(与核苷酸之间的间隔一样薄)和电特性来对 DNA 进行测序。 通过测量流经单层石墨烯纳米带 (GNR) 的电流调制,可以直接读出 DNA 序列,该调制是由单链 DNA 分子中的每个碱基在通过纳米孔 (NP) 时引起的。 GNR。由于与每个核苷酸相关的独特静电势,这种几何形状预计会在每个核苷酸碱基易位的 GNR 中表现出电荷密度和电流水平的巨大变化。 这种方法的主要优点是 GNR 工作电流 (1-10 mA) 比基于离子电流的测序中的信号高出几个数量级,从而实现更高的信噪比和 106 个碱基/ 的测序速度。 s。我们小组已经实现了重要的可行性测试。我们测试了 20 - 200 nm 宽的单层 GNR,GNR 边缘处的 NP 在 1 mM 至 1M KCl 溶液中承载高达 10 mA 的电流,带宽高达 100 MHz。我们还开发了一种在不降低 GNR 电导的情况下钻 NP 的方法,并在 dsDNA 易位过程中观察到相关的 GNR 和离子信号。我们预计以目前报道的 DNA 易位速度可以实现单碱基分辨率。这消除了对定制高速超低噪声电子器件的需求,因为许多现成的光纤光电二极管放大器都是针对这些电流和带宽范围而设计的。它还消除了在 DNA 分子易位时减慢或限制 DNA 分子的需要,因为测量速度足够高,足以防止分子的布朗波动模糊 GNR 信号。 我们提出的研究目标如下: 1.优化GNR器件参数和测量条件,实现10 MHz带宽下错误率小于0.1%的测序。 2. 演示在单个芯片上使用 10 个 GNR 进行多路复用的原理验证。 3. 开发 GNR 核苷酸传感机制,以实现超快、低成本的 DNA 测序解决方案。
项目成果
期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Periodic Arrays of Phosphorene Nanopores as Antidot Lattices with Tunable Properties.
- DOI:10.1021/acsnano.7b04031
- 发表时间:2017-07-25
- 期刊:
- 影响因子:17.1
- 作者:Cupo A;Masih Das P;Chien CC;Danda G;Kharche N;Tristant D;Drndić M;Meunier V
- 通讯作者:Meunier V
Controlled Sculpture of Black Phosphorus Nanoribbons.
- DOI:10.1021/acsnano.6b02435
- 发表时间:2016-06-28
- 期刊:
- 影响因子:17.1
- 作者:Masih Das P;Danda G;Cupo A;Parkin WM;Liang L;Kharche N;Ling X;Huang S;Dresselhaus MS;Meunier V;Drndić M
- 通讯作者:Drndić M
Monolayer Single-Crystal 1T'-MoTe2 Grown by Chemical Vapor Deposition Exhibits Weak Antilocalization Effect.
- DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01342
- 发表时间:2016-07-13
- 期刊:
- 影响因子:10.8
- 作者:Naylor CH;Parkin WM;Ping J;Gao Z;Zhou YR;Kim Y;Streller F;Carpick RW;Rappe AM;Drndić M;Kikkawa JM;Johnson AT
- 通讯作者:Johnson AT
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