[論文レビュー] Single-molecule DNA Bases Discrimination in Oligonucleotides by Controllable Trapping in Plasmonic Nanoholes

Jian‐An Huang, Mansoureh Z. Mousavi+7 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2019

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 92被引用数 57

ひとこと要約

プラズモニックナノホール内に金ナノ粒子を閉じ込めることで滞在時間を延長し、ラベルフリーの塩基同定を可能にすることで、4つのDNA塩基すべての単一分子SERS識別を実証する。

ABSTRACT

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) sensing of DNA sequences by plasmonic nanopores could pave a way to new generation single-molecule sequencing platforms. The SERS discrimination of single DNA bases depends critically on the time that a DNA strand resides within the plasmonic hot spot. However, DNA molecules flow through the nanopores so rapidly that the SERS signals collected are not sufficient for single-molecule analysis. In this work, we report an approach to control the time that molecules reside in the hot spot by physically adsorbing them onto a gold nanoparticle and then trapping the single nanoparticle in a plasmonic nanohole. By trapping the nanoparticle for up to minutes, we demonstrate single-molecule SERS detection of all 4 DNA bases as well as discrimination of single nucleobases in a single oligonucleotide. Our method can be extended easily to label-free sensing of single-molecule amino acids and proteins.

研究の動機と目的

• ナノポアベースのSERSを用いた単一分子DNAシーケンスの動機付け。
• ホットスポットでの分子滞在時間を増やすことによりSERS信号品質を制限する迅速なトランスロケーションに対処。
• プラズモニックナノホール内で金ナノ粒子を制御可能に閉じ込め、単一分子レベルでの塩基識別を可能にする。

提案手法

• DNA分子を金ナノ粒子の上に物理的に吸着させ、局所的なSERS活性系を形成する。
• ホットスポットへの露光時間を制御可能に延長するため、ナノ粒子をプラズモニックナノホール内に閉じ込める。
• 単一分子レベルで4つのDNA塩基すべてを識別するためにSERS信号を記録する。
• このアプローチを用いて単一オリゴヌクレオチド内の単一ヌクレオベースを識別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホットスポット内で滞在時間を延長することにより、すべてのDNA塩基の単一分子SERS識別を達成できるか。
• RQ2 プラズモニックナノホールにナノ粒子を閉じ込めることは、ラベル付けなしで単一オリゴヌクレオチド内の塩基を識別することを可能にするか。
• RQ3 この方法はアミノ酸やタンパク質など他の生体分子にも拡張可能か。

主な発見

• 4つのDNA塩基すべての単一分子SERS検出が実証された。
• 制御可能な閉じ込みによりホットスポットでの滞在時間が分単位まで達する。
• 単一オリゴヌクレオチド内の単一塩基の識別に成功。
• ラベルフリーのアミノ酸やタンパク質のセンサーへの容易な拡張を示唆。