nika6749
7th August 2010, 05:31 PM
محققان در دانشگاه پنسیلوانیا زيرساختار جديدي با تکنولوژي نانو و مبتني بر کربن فراهم آوردند تا بتوانند مولکول هاي تک دي ان اي را به وسيله الکترونيک شناسايي کنند .
با استفاده از میدانهای الکتریکی ، رشته های دی ان ای کوچک در مقیاس نانو قرار مي گيرند . در مقیاس منفذهاي ريز اتمي که در بستر ريزمنفدهاي گرافن سرانجام مي توانند برای تعیین توالی سریع الکترونیکی از چهار پایگاه شیمیایی دی ان ای مهم باشند که پایه ی کار آن ها بر اساس نشان هاي الکتريکي منحصر به فرد آن ها مي باشد . منافذ با استفاده از فن آوری اشعه الکترونی سوزانده و به غشای گرافن تبديل مي گردند . فیزیکداني به نام پن از این منافذ حاصل شده براي اندازه گیری های الکترونیکی جابجایی دی ان ای ها استفاده می کند .
اين مقاله ، ارائه شده در تاریخ 25 مارس ، در شماره اخیر "نوشته هاي نانو" منتشر شده است.
Marija Drndić ، استادیار گروه فیزیک و ستاره شناسی دانشکده علوم پن و نویسنده ارشد مقاله اينگونه شرح مي دهد : "ما انگيزه اي به منظور بهره برداری خواص منحصر به فرد گرافن -- صفحه هاي 2 بعدی اتم های کربن -- داشتيم تا پلت فرم های ريزمنفذ الکتریکی جديدي را ايجاد کنيم. پلت فرم هاي ريزمنفدي که بتوانند با وضوح بالايي نمايش دهند . علت اينکه از دستگاه هاي ریزمنفذ گرافن وضوح بالايي انتظار مي رود اين است که ضخامت ورقه گرافن کمتر از فاصله بین پایگاه های دو دی ان ای است . گرافن قبل ها برای دیگر وسایل الکترونیکی و مکانیکی استفاده می شد ، اما تا اکنون از آن برای جابجایی دی ان ای استفاده نشده است ."
تیم تحقیقاتی ريز منفذهاي گرافن را در مطالعه اي که دو سال پيش به پايان رسيد ساخته بود و در این مطالعه منفذها را به مرحله کارکردن مي رساند .
برای انجام آزمایش ، Drndić ، همکار فوق دکترا Christopher A. Merchant ، با همراهي دیگر اعضای آزمایشگاهش Ken Healy, Meni Wanunu, Vishva Ray ، و توسط همکار فوق دکترا Luo Zhengtang و استاد چارلی جانسون ( دو فيزيکدان پن ) از منطقه وسيعي از ماده گرافن استفاده می کنند . تیم از متود CVD استفاده کرد و با استفاده از اين روش تکه های بزرگی از گرافن را رشد داد و آنها را بر روي روزنه تک میکروني ساخته شده در نيتريد سيليکون معلق کرد . سپس حتی سوراخ های کوچکتر را ( ريزمنفذ در مرکز دقيق گرافن معلق ) با پرتوی الکترونی TEM ( میکروسکوپ انتقال الکترونی ) سوراخ می کنند .
پس ازانجام تحقیقات ثابت شد که حالت جامد ريزمنفذها ابزار ارزشمندي برای کاوش زیست شناسی در سطح تک مولکولي نيستند . دستگاه هاي ريزمنفذ گرافني توسعه یافته توسط تیم پن کار را به شیوه ای ساده انجام مي دهند . منافذ به دو حفره محلول الکتروليت تقسيم مي شوند و محققان ولتاژ وارد مي کنند ، که از اين طريق يون ها به سمت روزنه ها رانده مي شوند . حمل و نقل یون به عنوان اندازه گیری جریان منبع ولتاژ مورد استفاده قرار مي گيرد . مولکول دی ان ای ( درج شده در الکترولیت )می تواند به صورت تک فايل به درون چنين ريزمنفذي هدايت شود .
مولکول ها در حين جابه جايي ، جریان یون ها را مسدود و در اندازه گیری جریان یک بار به شمار می روند . از آنجا که چهار پایگاه دی ان ای جريان را طور ديگري قطع مي کنند ، ريزمنفذهاي گرافن (با ضخامتي کمتر از يک نانومتر) راهي را برای تشخيص میان پایگاه ها فراهم مي سازند که این عمل توسط تکنيک توالي دي ان اي با عملکردي بالا و کم هزينه انجام می گیرد .
علاوه بر این ، برای افزایش استحکام دستگاه ريزمنفذ گرافن ، محققان پن لايه ي فوق العاده نازکي را ( تنها چند لایه اتمی کم ضخامت ) که از اکسید تیتانیوم مي باشد در غشاء قرار مي دهند که موجب پاکيزگي بیشتر دستگاه ، و در نتيجه سطح خيس آن مي گردد تا از اين طریق دی ان ای آسانتر حرکت کند . اگرچه ريزمنفذ گرافن می تواند براي جابه جايي دی ان ای مورد استفاده قرار گيرد ، اما پوشش غشای گرافن با لایه ای از اکسید مرتباً باعث کاهش سطح همهمه ريزمنفذها مي گردد و در عین حال موجب بهبود استحکام دستگاه مي باشد !
از آنجا که طبیعت منافذ گرافني بر پايه ي کم ضخامتي مي باشد ، محققان موفق به کشف راهي براي افزایش مقدار جابجایی سیگنال نسبت به جابه جایی از ريزمنفذ جامد قبلي (که در نیترید سیلیکون ساخته شده است) شدند ، که براي ولتاژهاي مشابه نيز مورد استفاده قرار گيرد .
تیم پن هم اکنون بر روی بهبود اطمینان کلی از این دستگاه ها و استفاده از رسانایی ورقه گرافن کار مي کند .آنان از رسانايي ورقه گرافن استفاده مي کنند تا بتوانند دستگاه هايی توليد کنند که قابليت کنترل الکتریکی عرضي بر روي حرکت دي ان اي داشته باشند .این کنترل الکتریکی عرضی با تراشيدن گرافن و تبديل آن به نانوالکترود و استفاده از جريانات طبيعي دست يافتني خواهد بود . به منظور دستيابي به اين هدف ، Michael Fischbei و Drndic قبلا فرايند تراشکاري نانو بر روي گرافن و تبديل آن به سازه هاي دلخواه همانند تراشه هاي نانو ، ريزمنفذهاي نانو و اشکال دیگر را انجام ، اثبات و در " نوشته هاي اثبات شده فیزیک در سال 2008 " منتشر کردند و یک بنیان محکم برای تحقیقات آینده ي خود ايجاد کردند .
تحقیقات توسط اعضاي گروه فيزيک و ستاره شناسي پن به نام هاي Merchant, Healy, Wanunu, Ray, Neil Peterman, John Bartel, Michael D. Fischbein, Kimberly Venta, Luo, Johnson و Drndic انجام شده است . همچنين اين تحقيقات توسط امتيازات و کمک هاي مالي موسسه ملی بهداشت ، وزارت دفاع آمریکا ،اداره تحقيقات ارتش ، مؤسسه مرزي ژنوم پن ، مرکز روابط نانو-بيوي پن و موسسه فناوری نانو مشترک المنافع بين پنسیلوانیا و وزارت بهداشت پنسیلوانیا حمايت مي گردد .
با استفاده از میدانهای الکتریکی ، رشته های دی ان ای کوچک در مقیاس نانو قرار مي گيرند . در مقیاس منفذهاي ريز اتمي که در بستر ريزمنفدهاي گرافن سرانجام مي توانند برای تعیین توالی سریع الکترونیکی از چهار پایگاه شیمیایی دی ان ای مهم باشند که پایه ی کار آن ها بر اساس نشان هاي الکتريکي منحصر به فرد آن ها مي باشد . منافذ با استفاده از فن آوری اشعه الکترونی سوزانده و به غشای گرافن تبديل مي گردند . فیزیکداني به نام پن از این منافذ حاصل شده براي اندازه گیری های الکترونیکی جابجایی دی ان ای ها استفاده می کند .
اين مقاله ، ارائه شده در تاریخ 25 مارس ، در شماره اخیر "نوشته هاي نانو" منتشر شده است.
Marija Drndić ، استادیار گروه فیزیک و ستاره شناسی دانشکده علوم پن و نویسنده ارشد مقاله اينگونه شرح مي دهد : "ما انگيزه اي به منظور بهره برداری خواص منحصر به فرد گرافن -- صفحه هاي 2 بعدی اتم های کربن -- داشتيم تا پلت فرم های ريزمنفذ الکتریکی جديدي را ايجاد کنيم. پلت فرم هاي ريزمنفدي که بتوانند با وضوح بالايي نمايش دهند . علت اينکه از دستگاه هاي ریزمنفذ گرافن وضوح بالايي انتظار مي رود اين است که ضخامت ورقه گرافن کمتر از فاصله بین پایگاه های دو دی ان ای است . گرافن قبل ها برای دیگر وسایل الکترونیکی و مکانیکی استفاده می شد ، اما تا اکنون از آن برای جابجایی دی ان ای استفاده نشده است ."
تیم تحقیقاتی ريز منفذهاي گرافن را در مطالعه اي که دو سال پيش به پايان رسيد ساخته بود و در این مطالعه منفذها را به مرحله کارکردن مي رساند .
برای انجام آزمایش ، Drndić ، همکار فوق دکترا Christopher A. Merchant ، با همراهي دیگر اعضای آزمایشگاهش Ken Healy, Meni Wanunu, Vishva Ray ، و توسط همکار فوق دکترا Luo Zhengtang و استاد چارلی جانسون ( دو فيزيکدان پن ) از منطقه وسيعي از ماده گرافن استفاده می کنند . تیم از متود CVD استفاده کرد و با استفاده از اين روش تکه های بزرگی از گرافن را رشد داد و آنها را بر روي روزنه تک میکروني ساخته شده در نيتريد سيليکون معلق کرد . سپس حتی سوراخ های کوچکتر را ( ريزمنفذ در مرکز دقيق گرافن معلق ) با پرتوی الکترونی TEM ( میکروسکوپ انتقال الکترونی ) سوراخ می کنند .
پس ازانجام تحقیقات ثابت شد که حالت جامد ريزمنفذها ابزار ارزشمندي برای کاوش زیست شناسی در سطح تک مولکولي نيستند . دستگاه هاي ريزمنفذ گرافني توسعه یافته توسط تیم پن کار را به شیوه ای ساده انجام مي دهند . منافذ به دو حفره محلول الکتروليت تقسيم مي شوند و محققان ولتاژ وارد مي کنند ، که از اين طريق يون ها به سمت روزنه ها رانده مي شوند . حمل و نقل یون به عنوان اندازه گیری جریان منبع ولتاژ مورد استفاده قرار مي گيرد . مولکول دی ان ای ( درج شده در الکترولیت )می تواند به صورت تک فايل به درون چنين ريزمنفذي هدايت شود .
مولکول ها در حين جابه جايي ، جریان یون ها را مسدود و در اندازه گیری جریان یک بار به شمار می روند . از آنجا که چهار پایگاه دی ان ای جريان را طور ديگري قطع مي کنند ، ريزمنفذهاي گرافن (با ضخامتي کمتر از يک نانومتر) راهي را برای تشخيص میان پایگاه ها فراهم مي سازند که این عمل توسط تکنيک توالي دي ان اي با عملکردي بالا و کم هزينه انجام می گیرد .
علاوه بر این ، برای افزایش استحکام دستگاه ريزمنفذ گرافن ، محققان پن لايه ي فوق العاده نازکي را ( تنها چند لایه اتمی کم ضخامت ) که از اکسید تیتانیوم مي باشد در غشاء قرار مي دهند که موجب پاکيزگي بیشتر دستگاه ، و در نتيجه سطح خيس آن مي گردد تا از اين طریق دی ان ای آسانتر حرکت کند . اگرچه ريزمنفذ گرافن می تواند براي جابه جايي دی ان ای مورد استفاده قرار گيرد ، اما پوشش غشای گرافن با لایه ای از اکسید مرتباً باعث کاهش سطح همهمه ريزمنفذها مي گردد و در عین حال موجب بهبود استحکام دستگاه مي باشد !
از آنجا که طبیعت منافذ گرافني بر پايه ي کم ضخامتي مي باشد ، محققان موفق به کشف راهي براي افزایش مقدار جابجایی سیگنال نسبت به جابه جایی از ريزمنفذ جامد قبلي (که در نیترید سیلیکون ساخته شده است) شدند ، که براي ولتاژهاي مشابه نيز مورد استفاده قرار گيرد .
تیم پن هم اکنون بر روی بهبود اطمینان کلی از این دستگاه ها و استفاده از رسانایی ورقه گرافن کار مي کند .آنان از رسانايي ورقه گرافن استفاده مي کنند تا بتوانند دستگاه هايی توليد کنند که قابليت کنترل الکتریکی عرضي بر روي حرکت دي ان اي داشته باشند .این کنترل الکتریکی عرضی با تراشيدن گرافن و تبديل آن به نانوالکترود و استفاده از جريانات طبيعي دست يافتني خواهد بود . به منظور دستيابي به اين هدف ، Michael Fischbei و Drndic قبلا فرايند تراشکاري نانو بر روي گرافن و تبديل آن به سازه هاي دلخواه همانند تراشه هاي نانو ، ريزمنفذهاي نانو و اشکال دیگر را انجام ، اثبات و در " نوشته هاي اثبات شده فیزیک در سال 2008 " منتشر کردند و یک بنیان محکم برای تحقیقات آینده ي خود ايجاد کردند .
تحقیقات توسط اعضاي گروه فيزيک و ستاره شناسي پن به نام هاي Merchant, Healy, Wanunu, Ray, Neil Peterman, John Bartel, Michael D. Fischbein, Kimberly Venta, Luo, Johnson و Drndic انجام شده است . همچنين اين تحقيقات توسط امتيازات و کمک هاي مالي موسسه ملی بهداشت ، وزارت دفاع آمریکا ،اداره تحقيقات ارتش ، مؤسسه مرزي ژنوم پن ، مرکز روابط نانو-بيوي پن و موسسه فناوری نانو مشترک المنافع بين پنسیلوانیا و وزارت بهداشت پنسیلوانیا حمايت مي گردد .