생체 나노포어의 현황과 비교할 때, 고체 상태 나노포어가 상업적 DNA 시퀀싱에 적용되기까지는 여전히 극복해야 할 여러 과제가 남아 있습니다. 낮은 공간 분해능과 낮은 시간 분해능이 두 가지 주요 과제입니다. 나노포어 길이 제한과 고체 상태 나노포어의 표면 특성으로 인해 공간 분해능 개선의 여지가 남아 있습니다. 한편, 전기장 하에서 DNA 이동 속도가 너무 빨라 유효한 데이터 포인트를 거의 획득할 수 없습니다. 따라서 DNA 이동 속도를 잘 제어한다면 고체 상태 나노포어의 시간 분해능을 향상시킬 수 있습니다. 본 미니 리뷰에서는 공간 분해능 향상 방법을 간략히 요약하고, 나노포어 검출 분해능을 높이는 제어 가능한 방법에 집중적으로 다룹니다. 또한 나노포어 기반 DNA 시퀀싱 개발 전망을 제시합니다.
최근 수십 년간 게놈의 염기 서열을 읽는 DNA 시퀀싱 적용에 많은 진전이 있었습니다[1, 2]. 개인 맞춤형 의약품 개발을 위해 연구자들은 더 빠르고 저렴한 DNA 시퀀싱 방법을 모색해 왔으며, 이를 통해 표적 약물과 의료 처치를 개인별로 구체적으로 적용할 수 있습니다[3, 4]. 나노포어 기술이 DNA 검출에 사용된 이래[5], 차세대 시퀀싱을 위한 효과적인 방법으로 간주되어 왔습니다[6, 7]. 나노포어 기술은 DNA[5] 또는 RNA[8]에 대한 고감도 단일 분자 검출기를 식별하는 유망한 플랫폼입니다. 기본 검출 방식에서 전기화학 챔버는 나노포어가 있는 얇은 막에 의해 두 개의 저장소(cis 및 trans 구획)로 분리됩니다[9]. 이 나노포어는 전기화학 챔버 내 전도성 용액과 분석 물질을 연결합니다. 막 양쪽에 전압을 가하면 전해질 이온이 고체 상태 나노포어를 통해 흐르며 포어 전류를 형성하고, 이는 초민감 전자장치와 연결된 패치 클램프 설정으로 측정됩니다. 분자 또는 분자 복합체가 나노포어를 통과할 때, 분석 물질은 나노포어로 정의된 부피에서 일부 이온을 배제하며, 이는 전류의 순간적 변화를 모니터링하여 검출할 수 있습니다. 나노포어 내 체류 시간(드웰 시간)과 전류 진폭 신호로부터 분자 정보를 얻을 수 있습니다. 나노포어 시퀀싱의 공간 분해능은 나노포어 치수에 의해 결정되며, 이는 검출 가능한 전류 신호를 초래하는 작은 분자 물체에 대한 단일 센서로 사용될 수 있음을 시사합니다. 또한 나노포어 센서는 휴대가 간편한 랩온어칩 장치에 쉽게 통합되고 소형화할 수 있습니다[10].
고체 상태 나노포어[2, 11]와 단백질 나노포어[2, 7]를 이용한 DNA 시퀀싱에서 상당한 진전이 있었습니다. 단백질 나노포어를 이용한 DNA 시퀀싱이 달성되었습니다[7]. 그러나 단백질 나노포어 시스템은 생물학적 분자 연구에 한계가 있습니다. 고체 상태 나노포어는 생물학적/단백질 나노포어에 비해 제약이 적습니다. 이러한 어려움은 고체 상태 나노포어로 극복할 수 있습니다. 단백질 나노포어와 비교하여 더 넓은 온도, 전압, 용매 조건 범위에서 작동하며, 서브나노미터 정밀도로 직경을 조정할 수 있습니다. DNA 시퀀싱을 위한 차세대 기술 적용에 유망합니다.
DNA 센서를 위한 다양한 재료와 구조의 고체 상태 나노포어가 제작되었습니다. 그러나 고체 상태 나노포어로는 DNA 시퀀싱이 달성되지 않았습니다. 고체 상태 나노포어 센서의 경우, 상업적 DNA 시퀀싱 적용 전에 공간 분해능과 시간 분해능이라는 두 가지 주요 장애물을 극복해야 합니다. 공간 분해능의 어려움은 고체 상태 나노포어가 단일 염기 분해능을 달성하기 위해 두 인접 뉴클레오티드 사이의 미세한 간격을 구별해야 한다는 점입니다. 시간 분해능의 장애물은 전기장 하에서 DNA 이동이 너무 빨라 기존 패치 클램프나 다른 신호 수집 시스템으로 매우 적은 유효 데이터 포인트를 획득한다는 점입니다. 본 미니 리뷰에서는 고체 상태 나노포어 DNA 검출의 공간 분해능과 시간 분해능을 개선하는 다양한 방법을 개관합니다. 또한 고체 상태 나노포어를 통한 DNA 이동 속도를 늦추는 방법에 더 중점을 둡니다.
2001년 Li 등에 의해 실리콘 질화물 고체 상태 나노포어가 처음 보고되었습니다[12]. 실리콘 산화물[13], 실리콘[14], Al2O3[15], HfO2[16] 등 다양한 고체 상태 나노포어가 DNA 분자 검출에 시연되었습니다. 고체 상태 나노포어는 화학적, 기계적 조건에 강건할 수 있지만, 낮은 공간 분해능과 같은 한계가 있습니다. 재료 두께로 인해 수십 개의 염기가 한 번에 고체 상태 나노포어를 통과할 수 있습니다. 현재 가장 얇은 실리콘 질화물 나노포어는 3nm로, 여전히 4가지 염기를 구별하지 못합니다[17].
흥미롭게도 단일 층 2차원(2D) 재료의 두께는 약 3.0~11.0Å로, ssDNA를 따라 인접한 두 뉴클레오티드 사이의 간격(3.2~5.2Å)과 비슷합니다[18]. 그래핀(3.4Å[19]), MoS2(6.5Å[18]), WS2(7Å[20]), h-BN(11Å[21]) 등 2차원 막은 높은 신호 대 잡음비와 공간 분해능 덕분에 DNA 이동 검출이 시연되었습니다[21,22,23]. 이들의 공간 분해능으로부터 이 재료들이 DNA 검출에 사용될 수 있음이 명확합니다. 또한 재현 가능한 성장 기술과 대규모 전사 공정으로 2D 막에 서브나노미터 포어를 대규모로 제작할 수 있게 되었습니다.
그래핀은 2차원 벌집 격자로 배열된 탄소 원자의 원자 단위 얇은 시트입니다[24]. 연구자들은 용액 내 단일 DNA 분자가 그래핀 나노포어로 검출되고 특성화될 수 있음을 입증했습니다[22, 25]. 그러나 DNA 뉴클레오티드와 그래핀 사이에 강한 소수성 상호작용이 있어 DNA가 그래핀 나노포어에 심각하게 막히고 달라붙어 이동 속도에 큰 영향을 미칩니다[26]. 친수성 기로 수정[26]하거나 친수성 물질로 코팅[25]하면 그래핀의 친수성을 개선하고 DNA 표면 부착을 방지할 수 있습니다. 불행히도 친수성 기 수정이나 친수성 물질 코팅 모두 현탁 막 두께를 증가시켜 나노포어 두께를 늘리고, 결과적으로 그래핀의 공간 분해능을 감소시킵니다.
층상 전이 금속 칼코겐화물은 MoS2[18, 27]와 WS2[20]을 포함하는 또 다른 2D 재료입니다. DNA가 MoS2 나노포어 막을 통과할 때 높은 신호 대 잡음비(SNR > 10)와 이온 전류 신호의 5배 향상이 검출되었습니다[18]. 한편 MoS2는 친수성이라 DNA와 표면 간 소수성 상호작용을 피하기 위한 특별한 표면 처리가 필요 없습니다. 다른 재료인 WS2는 2.1eV의 직접 밴드갭을 가지며[28], 광발광(PL) 방출이 잘 연구된 MoS2보다 강합니다[29]. Danda 등[20)은 WS2 나노포어를 제작하고 짧은 빛 펄스를 사용한 원자 수준 제어 나노포어 크기 달성을 입증했으며, 이는 고체 상태 나노포어의 DNA 검출에 긍정적 영향을 미칠 수 있습니다.
또한 Liu 등[21]은 h-BN 나노포어를 통한 DNA 이동 첫 실험을 보고했습니다. 그래핀과 유사하게 h-BN은 친수성이 낮아 DNA가 나노포어를 막게 됩니다. 이후 Zhou 등[23]은 UV-오존 처리를 통해 h-BN의 항산화성과 무결성을 활용하여 h-BN 나노포어의 친수성을 성공적으로 개선했습니다. h-BN의 절연 특성은 고이온 강도 용액에서 그래핀보다 더 뛰어난 내구성과 절연 특성을 보일 수 있습니다. 초박막 나노포어 구조에서 단일 염기 분해능 달성을 위한 경쟁력 있는 후보입니다.
2D 재료 사용은 장치의 공간 분해능을 잠재적으로 높여 단일 뉴클레오티드 분해능을 달성할 수 있습니다. 여러 2D 재료에 대한 DNA 검출 실험이 보고되었지만, 고체 상태 나노포어 DNA 시퀀싱 달성을 보고한 경우는 없습니다. 나노포어 시퀀싱의 시간 분해능도 여전히 과제입니다.
고체 상태 나노포어를 통한 DNA 이동 속도는 매우 빠르며, 최대 0.01~1μs/염기[30]에 달해 상업용 패치 클램프로 매우 적은 유효 데이터만 수집됩니다. 따라서 차단 전류 신호를 기반으로 모든 염기를 구별할 수 없습니다. 그래핀, MoS2, WS2, h-BN 등 2D 재료 고체 상태 나노포어의 DNA 이동 속도는 그림 1에 나와 있습니다. 이상적으로 나노포어 내 DNA 이동 속도는 1~100bp/ms여야 각 뉴클레오티드 신호를 만족스럽게 기록할 수 있습니다[32].
2D 고체 상태 나노포어의 DNA 이동 속도[18, 20,21,22,23, 25, 27, 31]. 점선 빨간 선은 100bp/ms의 DNA 이동 속도를 나타냅니다.
이러한 배경에서 DNA 이동 속도 저하는 많은 연구자들이 추구하는 중요한 목표입니다. 고체 상태 나노포어 검출의 시간 분해능을 개선하기 위해 DNA 이동을 늦추는 다양한 방법이 개발되었습니다. 일반적인 방법은 온도[33], 전해질 점도[27], 구동 전압[34], 이온 농도[35], 나노포어 표면 전하 밀도[36] 등 실험적 요인의 영향을 변경하여 나노포어를 통한 DNA 이동을 제어하는 것입니다. Wanunu 등[33]은 온도, 전압, DNA 길이 변경을 통해 고체 상태 나노포어를 통한 dsDNA 이동 속도 저하에 집중했습니다. 또한 Feng 등[27]은 상온 이온 액체 기반 점도 기울기 시스템으로 MoS2 나노포어를 통한 DNA 이동 역학을 제어할 수 있음을 보였고, 상온 이온 액체의 높은 점도가 373bp/ms의 최적 단일 뉴클레오티드 이동 속도를 제공함을 입증했습니다.
많은 접근법이 DNA 이동 속도 감소와 이온 전류 검출 촉진 잠재력을 가지지만, 여전히 DNA 시퀀싱 요구 사항을 충족하지 못합니다. 따라서 나노포어를 통한 DNA 통로를 제어하는 더 근본적인 방법을 개발할 필요가 있습니다. 여기서는 나노포어 구조 제어와 정량적 DNA 이동 제어를 통한 시간 분해능 향상 방법을 논의합니다.
연구자들은 DNA 분자 이동을 조작하기 위해 이중 나노포어 시스템을 사용하여 동일한 분자를 제어 가능하게 여러 번 검출할 수 있습니다. 마이크로미터 크기 공동 구획으로 분리된 두 개의 적층 나노포어[37](그림 2a)는 DNA 분자를 일정 시간 가두고 제어 가능하게 방출할 수 있습니다. DNA 분자 역학은 두 포어 신호의 상관 분석으로부터 추론될 수 있으며, 이는 이동에 대한 직접적인 전기적 증거를 제공합니다. 또한 이중 층 나노포어 시스템의 엔트로피 장벽으로 인해 DNA 분자의 브라운 운동이 제한되어 나노포어를 이용한 DNA 시퀀싱 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 단일 분자 센싱 기술과 비교하여, 이중 층 나노포어 시스템에서는 단일 포어를 왕복시키는 대신 여러 포어를 직렬로 배열하여 DNA 분자를 여러 번 측정할 수 있습니다[39].
a 나노포어 DNA 검출에 사용된 이중 층 나노포어 시스템 개략도[37]. b 나노포어 DNA 검출에 사용된 이중 나노포어 시스템 개략도[38]
이중 나노포어 시스템은 분자 수송을 제어하고 두 포어 간 분자를 효율적으로 연결하는 또 다른 방법을 제공하며, DNA 조작을 위한 무표지 역학적 접근법입니다[40]. 이중 나노포어 시스템에서 동일한 고체 상태 막 내에 두 개의 독립적으로 주소 지정 가능하고 인접한 나노포어가 있습니다. DNA 분자가 두 나노포어 중 하나를 통해 전기영동적으로 통과하는 동안, 단일 DNA 분자가 두 포어 모두에 포착되어 두 나노포어 사이에 "줄다리기"가 발생합니다[38](그림 2b). 따라서 DNA 분자의 양쪽 끝에 힘이 가해져 이동 속도를 늦추거나 완전히 정지시킬 수 있습니다. 이중 나노포어 시스템은 고체 상태 나노포어에서 DNA 기계적 포착의 새로운 길을 열며, 무표지, 높은 신호 대 잡음비, 저비용의 장점으로 다양한 생체 분자 측정에 유망한 기술입니다. DNA 분자를 효율적으로 가두고 포착하여 이동 속도를 늦출 수 있으며, DNA에 작용하는 나노스케일 줄다리기의 물리학 연구에도 사용될 수 있습니다[41].
광학 트랩 나노포어는 광학 집게로 수십 나노미터 미만 크기 입자를 포착할 수 있게 합니다. 단백질[42], DNA 단편[43], 기타 생체 분자[44], 작은 바이러스[45]의 광학 포착이 가능해집니다. 광학 트랩 나노포어의 기본 이론은 자기 유도 역작용 광학 트랩[46]입니다. 나노포어 어레이 영역에 초점을 맞춘 레이저 빔은 구멍의 금속층 가장자리에 높은 전력 밀도의 국소 광장을 형성합니다. 입자가 국소 광장 사이를 이동하면 국소 광 투과율에 큰 변화를 일으키고, 이는 입자에 큰 광학 및 유전체 힘을 생성합니다. 이중 나노홀 구조는 포착 입자의 크기 병목 현상을 깨는 데 사용됩니다. Muhammad 등[47]은 20nm 실리카와 Au 나노입자로 광학 트랩 나노포어의 잠재적 용도를 입증했습니다. 아령 모양의 이중 나노홀이 Au 필름에 밀링되고, 이중 나노홀 중간에 현탁된 SixNy 막을 관통하는 25nm 나노포어가 뚫려 있습니다(그림 3a). 전기영동 힘이 나노입자를 나노포어로 구동할 때, 구멍 가장자리를 통과하면 이중 나노홀 팁 사이에 존재하는 자기 유도 역작용 플라즈몬 힘이 전기영동 힘에 반대되어 나노입자 속도를 감소시킵니다. 결과적으로 광학 포착이 전기영동 이동 시간을 4배 연장시켰습니다. Kim 등[43]은 단일 나노포어의 나노플라즈모닉 구조를 사용하여 플라스미드 DNA와 람다 DNA의 광학 포착을 실현했습니다. 이 기술은 DNA 검출과 다중 국소 광장 설정을 통한 병렬 검출에 잠재적 응용이 있습니다. 그러나 고주파 이온 전류 진동이 DNA 전류 검출 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 전기영동 힘과 자기 유도 역작용 힘 간의 경쟁으로 나노입자가 나노포어 입구에서 위아래로 부유하기 때문일 수 있습니다.
a 광학 트랩 나노포어 칩 개략도[47]. b 자기 유도 역작용 시스템 개략도
광학 집게는 나노포어를 통한 분자 이동을 제어하는 데 사용되며 최근 몇 년간 일반적으로 사용되고 있습니다. 2006년 Keyser 등[48]은 광학 집게를 적용하여 SiNx 나노포어를 통한 DNA 이동을 제어함으로써 전기영동 힘과 기계적 힘 사이의 분자 줄다리기를 처음 입증했습니다. 이 시스템은 단순한 훅 법칙 스프링 역할을 하며, 구슬에 가해지는 장력은 훅 법칙에 따라 계산할 수 있습니다: Fot= −ktrapZ, 여기서 Fot는 광학 힘, ktrap은 변위 방향의 트랩 강성, Z는 구슬의 선형 변형입니다[48]. 초점이 맞춰진 레이저 빔 교차점에 DNA가 부착된 폴리스티렌 구슬을 포착하는 광학 집게 방법은 DNA 부착 폴리스티렌 구슬을 3차원으로 조작할 수 있으며 피코뉴턴 범위의 힘 감도를 가집니다(그림 4a). 나노포어 내 이동하는 DNA를 포착하기 위해 장력을 DNA에 가해지는 전기장 힘(Fel)과 평형을 이루도록 조정했습니다. 따라서 장력은 DNA 이동 속도를 늦추고 DNA 분자를 나노포어에서 끌어내는 데 모두 사용될 수 있습니다[52]. 이 시스템은 핵산과 단백질의 동시 공간 샘플링과 고분해능 힘 측정을 허용하며, DNA 시퀀싱에서 상당한 진전을 이루었습니다. 그러나 광학 집게 기술은 몇 가지 근본적인 어려움이 있습니다. 첫째, 많은 수의 나노포어로 확장하기 어렵습니다. 둘째, 광학 집게의 레이저로 인한 가열이 나노포어를 통한 이온 전류와 잡음 수준에 강하게 영향을 미치며, 광학적으로 포착된 구슬이 나노포어에서 몇 마이크로미터 떨어져 있어야 합니다[53].
a 나노포어 DNA 검출에 사용된 광학 집게 개략도[48]. 광학 집게 시스템이 평형 상태일 때 광학 힘(Fot)은 전기장 힘(Fel)과 같습니다. b 나노포어 DNA 검출에 사용된 자기 집게 개략도[49]. 자기 집게 시스템이 평형 상태일 때 자기 힘(FMt)은 전기장 힘(Fel)과 같습니다. c 나노포어 DNA 검출에 사용된 AFM 개략도[50]. d 나노포어 DNA 검출에 사용된 TFFS 개략도[51]
자기 집게는 장력을 통해 DNA 이동을 제어하는 또 다른 방법을 제공하며, DNA 이동 속도 저하에 효과적임이 입증되었습니다[49]. 이 시스템에서(그림 4b), DNA 분자는 강한 금-티올[54] 또는 스트렙타비딘-비오틴[49] 상호작용을 통해 마이크로미터 크기 자기 구슬에 부착될 수 있습니다. 그런 다음 DNA의 자유 끝이 가해진 전기장에 의해 나노포어에 포착됩니다. 이후 작은 간격을 가진 두 자석으로 자기장 기울기를 생성할 수 있습니다. 이 기술은 포착된 DNA에 가해지는 전기적 힘을 평형시켜 이동 속도를 줄이고 전기영동을 역전시킬 수도 있습니다. 광학 집게와 비교하여 자기 집게는 대규모 병렬 힘 분광법에 유망한 후보입니다. 이 시스템에서는 수백 개의 구슬과 따라서 DNA 분자가 수백 개의 나노포어 내에서 동시에 제어될 수 있으며, 많은 주소 지정 가능 나노포어로 쉽게 확장할 수 있습니다. 이는 분석 과정을 몇 배 빠르게 할 수 있습니다. 그러나 광학 집게와 비교하여 자기 집게 접근법의 명백한 단점은 분자의 3차원 제어 부족입니다[55].
광학 집게와 자기 집게로 DNA 이동 속도 제어에 상당한 진전이 있었지만, 비드 포착 방법은 브라운 운동 문제로 10nm 미만 분해능으로 구슬 운동을 제어하기 어렵습니다[51]. 이를 극복하기 위해 AFM을 사용하여 DNA 이동 속도를 제어했습니다[50], 동시에 힘과 차단 전류를 측정할 수도 있습니다. 이 시스템을 사용한 연구에서(그림 4c), DNA가 AFM 프로브 팁에 테더링된 후 프로브 홀더에 고정되었습니다. 프로브 운동을 제어하여 DNA 이동을 제어하고 속도를 줄이며 전기영동을 역전시킬 수 있었습니다. 또한 팁을 분자 길이에 해당하는 표면 위 높이로 후퇴시키면 측정을 반복할 수 있습니다. AFM 지원으로 차단 전류와 AFM 힘 측정의 결합 신호로 검출 분해능이 크게 향상되어 DNA 검출이 실용과 이론 모두에서 발전했습니다[56]. 그러나 나노포어 기술의 DNA 검출 적용에는 여전히 장애물이 있습니다. 즉, DNA 분자가 상대적으로 마찰 없이 나노포어를 통과할 때 0.35~0.72nm마다 힘(및 전류)의 규칙적인 변동이 간헐적으로 발생합니다. 이러한 변동은 개별 뉴클레오티드가 턴스타일 같은 운동으로 나노포어를 통과하기 때문으로 여겨집니다[50].
연구에 따르면 튜닝 포크를 힘 감지 센서로 사용하여 DNA를 서브나노미터 속도로 나노포어를 통과하게 제어할 수 있습니다[51, 57]. 이 통합 장치를 사용한 연구에서(그림 4d), DNA 분자가 튜닝 포크의 한 갈래에 접착된 프로브 팁에 부착되었습니다. 서브나노미터 정밀도를 가진 나노 포지셔닝 시스템이 튜닝 포크를 고정했습니다[51]. 프로브 팁 위치는 튜닝 포크 기반 피드백 힘 센서로 감지되고 나노미터 포지셔닝 시스템 조작으로 제어될 수 있습니다. 이 이동 속도는 광학 집게로 조작된 DNA보다 10배 느리고, 고체 상태 나노포어를 자유롭게 통과하는 DNA보다 1000배 느립니다[57]. 기존 AFM과 비교하여 튜닝 포크는 액체에 담갔을 때 더 빠른 스캔 운동과 높은 힘 감도를 제공합니다. TFFS를 나노포어와 결합하면 DNA 분자가 나노포어를 통과하는 동안 나노포어를 통한 이온 전류, 팁 위치, 팁 진동 진폭을 동시에 측정할 수 있습니다.
자기 집게, 광학 집게, AFM, TFFS 등 위 모든 방법은 나노포어 위치를 스캔해야 합니다. DNA가 나노포어를 통과할 수 있도록 나노포어를 DNA 유효 길이 내에 위치시켜야 합니다. 나노포어 주소 지정은 이러한 방법의 중요한 부분이지만 어렵습니다[32]. DNA를 칩 면적보다 큰 실리콘 프로브의 넓은 표면에 연결했습니다(그림 5). 이는 나노포어 위치를 막에서 스캔하지 않고도 고정된 DNA를 나노포어에 쉽게 삽입할 수 있게 합니다. DNA 고정 실리콘 프로브와 위치 제어기를 사용하여 DNA의 나노포어 안팎 이동을 제어하는 실행 가능성이 입증되었습니다. 이 방법의 어려움은 실리콘 프로브가 용액에 담겨 펩타이드 결합으로 DNA와 연결된다는 점입니다. 프로브 표면의 DNA 밀도를 제어하기 어려워 여러 DNA가 동시에 나노포어를 통과할 가능성이 있어 검출 전류에 영향을 미칩니다.
나노포어 DNA 검출에 사용된 DNA 고정 실리콘 프로브 시스템 개략도[32]
광학 집게, 자기 집게, 원자 힘 현미경(AFM), 튜닝 포크 기반 힘 감지(TFFS)는 나노포어 내 분자의 실제 힘과 위치를 검출할 수 있어 적절한 속도로 나노포어를 통한 DNA 통로 제어에 유망합니다. 실리콘 프로브 사용으로 나노포어 주소 지정 어려움을 피할 수 있습니다. 또한 이중 나노포어 시스템은 나노포어를 통한 DNA 통로 제어와 속도 저하에 실행 가능한 방법입니다. 게다가 광학 트랩 나노포어는 미래 DNA 검출에 잠재력이 있습니다. 여기서는 이중 나노포어 시스템, 광학 트랩 나노포어, 광학 집게, 자기 집게, AFM, TFFS, 실리콘 프로브 등 일부 DNA 제어 방법과 결합된 고체 상태 나노포어의 DNA 이동 속도를 요약했습니다(표 1).
그래핀, MoS2, WS2, h-BN 등 단일 층 2D 재료는 뉴클레오티드 간 간격만큼 얇은 잠재적으로 가장 얇은 달성 가능 재료입니다. 기존 고체 상태 나노포어 막과 비교하여 단일 층 2D 막은 높은 이온 전류 신호 대 잡음비와 상대적으로 큰 감지 영역을 보여 나노포어 장치에 이상적입니다. 광학 집게, 자기 집게, AFM, TFFS, 실리콘 프로브, 이중 나노포어 시스템, 또는 광학 트랩 나노포어와 결합하여 DNA 시퀀싱 실현에 잠재적으로 적합합니다. 그러나 이러한 기술로는 상업화 전에 해결해야 할 여러 과제가 발생했습니다. 첫째, 비드나 프로브 팁이 나노포어에 가까울 때 이온 전류 신호로 DNA 뉴클레오티드를 구별하기 더 어렵습니다. 분자 핸들이나 다른 더 긴 분자를 사용하여 DNA 가닥 길이를 늘려 비드나 팁이 전류 신호에 미치는 영향을 상쇄해야 합니다. 둘째, 나노포어 어레이를 사용하여 고처리량 병렬 검출을 실현해야 하지만, 병렬 검출 기술은 현재 충분히 성숙하지 않았습니다. 셋째, 현재 제작 방법으로는 이중 나노포어 시스템과 광학 트랩 나노포어 시스템을 높은 정확도와 재현성으로 제작하기 어렵습니다. 이는 나노포어 DNA 검출에 매우 중요합니다. 헬륨 이온 빔이 이 문제를 해결하는 핵심 기술이 될 수 있습니다[11, 58]. 따라서 DNA 나노포어 시퀀싱이 계속 연구 초점이 되고, 더 많은 새로운 아이디어와 혁신적 접근법과 통합되어 낮은 오류율, 빠르고 높은 병렬 기록, 최대 100킬로베이스의 긴 읽기 길이를 실현할 것으로 기대됩니다.
이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 게재된 논문에 포함되어 있습니다.
나노물질
초록 2차원(2D) 소재 개발의 최근 진전으로 원자 종 구성, 기공 기능화 등을 통해 다양한 표면 화학적 특성을 얻을 수 있게 되었습니다. 본 연구는 육각 2D 막에서 친수성 등 화학적 특성이 물 수송 속도에 미치는 영향에 초점을 맞췄습니다. 막-물 상호작용 강도를 조절하여 친수성을 변화시키고, 단일 파일 흐름이 우수한 염분 제거를 유지하는 것으로 알려진 서브나노미터 기공을 사용하여 조사했습니다. 소수성 기공의 탈수 행동으로 인해 물 흐름은 임계 상호작용 강도 아래에서 0 또는 미미했습니다. 임계 상호작용 강도 이상에서는 상호작용
요약 인산 이온과 1,2-다이아미노프로판이라는 두 가지 서로 다른 구조 조절제 존재 하에서 수열 조건에서 염화철 용액으로부터 적철석 나노입자의 성장을 제어하는 메커니즘을 구조적, 분광학적 기법들로 연구하였다. 특히 광유도 힘 현미경(PiFM)을 최초로 적용하여 개발 중인 나노입자 표면에서 구조 조절제의 위상 분포를 매핑하였다. 인산 이온 농도를 ~6 × 10−3 mol까지 조절함으로써 나노입자 형상을 제어할 수 있음을 보였다. 구조 조절제 없이 합성된 나노입자에서는 아카가네이트(β-FeOOH)가 주요 성분이었으나, 인산 존재 시 입
