二维纳米材料在生物传感和医药等领域具有广阔的应用前景。而通过最新的纳米制备工艺，两种晶格相近的二维纳米材料，比如石墨烯和六角氮化硼，可以组装成二维平面异质结构。这类二维异质结构因其独特而灵活的性质，为单分子生物器件的设计提供了新的可能性。2021年7月14日，浙江大学定量生物中心周如鸿教授课题组在国际权威期刊ACS Nano发表题为Exploring an In-Plane Graphene and Hexagonal Boron Nitride Array for Separation of Single Nucleotides的论文，提出一种基于石墨烯和六角氮化硼的平面阵列，并探究了其应用于DNA测序的可能性。
图1：使用石墨烯和六角氮化硼纳米阵列分离四种单核苷酸A、T、C和G的示意图
通过全原子分子动力学模拟，我们发现，由于石墨烯和六角氮化硼这两种材料对DNA核苷酸的吸附能力有区别，当核苷酸在电场的驱动下穿过交替的石墨烯和六角氮化硼条带时，会遇到周期性且与条带尺寸相关联的势垒。这种周期性势垒可以对不同种类单核苷酸在二维平面上的移动产生不同的调制，导致它们在相同电场下具有不同的运动速度和方向，从而实现分离。此外，我们发现当样品的尺寸范围处于二维阵列的半个周期到一个周期之间时，这种速度调制对样品尺寸是最为灵敏的。
图2：左图为经过100ns模拟后，A、T、C和G四种单核苷酸在二维平面上的位移散点图；中间直方图显示所有位移值在y方向上的统计分布；右侧快照图则揭示出每种单核苷酸在恒定电场下主要有两种结构状态，对应散点图中每种单核苷酸的两个位移带
相比于传统的凝胶电泳分离技术，这种二维筛分阵列速度快、灵敏度高，且不需要凝胶作为分离介质，因此更容易集成于纳米流体芯片中。我们设计的二维阵列以及揭示的分离机制或将为未来测序芯片的研发提供启示。
浙江大学定量生物中心何至博士为论文一作，浙江大学周如鸿教授为论文通讯作者。
这项工作得到了中国国家自然科学基金、上海张江国家自主创新示范区项目，以及W.M. Keck基金会的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02450