[論文レビュー] Sub-20 nm Nanopores Sculptured by a Single Nanosecond Laser Pulse

Yanwen Yuan, Guangyuan Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2018

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 36被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、1ナノ秒パルスレーザーを用いて、従来の高価な集束イオンビーム／電子ビーム技術を回避する、高速で低コストな固体状態ナノポアの作製法を示している。このプロセスは2次元軸対称一時的熱伝導モデルでモデル化されており、原子層エピタクシーによる酸化アルミニウムの堆積により10 nm未塔のポアが達成され、信号対ノイズ比が向上した高感度DNA透過検出が可能になった。

ABSTRACT

Single-molecule based 3rd generation DNA sequencing technologies have been explored with tremendous effort, among which nanopore sequencing is considered as one of the most promising to achieve the goal of $1,000 genome project towards personalized medicine. Solid state nanopore is consented to be complementary to protein nanopore and subjected to extensive investigations in the past decade. However, the prevailing solid-state nanopore preparation still relies on focused ion or electron beams, which are expensive and time consuming. Here we demonstrate the fabrication of nanopores down to 19 nm with a single nanosecond laser pulse. The laser drilling process is understood based upon a 2D axisymmetric transient heat transfer model, which predicts the laser fluence-dependent pore size distribution and shape with excellent agreement to electron microscopy and tomography analysis. As-drilled nanopore devices (26 nm) exhibit adequate sensitivity to detect single DNA molecule translocations and discriminate unfolded or folded events. Sub-10 nm nanopores can be readily achieved upon a thin layer of alumina deposition by atomic layer deposition, which further improves the DNA translocation signal to noise ratio considerably. Our work provides a solution for fast, low-cost and efficient large-scale fabrication of solid state nanopore devices for the 3rd generation nanopore sequencing.

研究の動機と目的

• 集束イオンビームまたは電子ビーム法の代替として、スケーラブルで低コストな固体状態ナノポアの作製法を開発すること。
• 単分子DNAシークエンシングに適した20 nm未塔のポアサイズを達成すること。
• 信号対ノイズ比を向上させた高感度のDNA透過検出を可能にすること。
• 一時的熱伝導シミュレーションを用いてレーザー誘発ポア形成プロセスをモデル化および検証すること。
• 原子層エピタクシーによるアルミナの後処理によって10 nm未塔のポアを達成する可能性を実証すること。

提案手法

• パルスエネルギーと持続時間を正確に制御した1ナノ秒パルスレーザーを用いて、薄い膜にナノポアをドリルする。
• レーザー照射中の熱的ダイナミクスをシミュレートし、ポアの形態を予測するために2次元軸対称一時的熱伝導モデルを用いる。
• 電子線透過顕微鏡およびトモグラフィーを用いて、予測されたポアサイズおよび形状を実験的に検証する。
• レーザー加工後に薄い酸化アルミニウム層を原子層エピタクシー（ALD）で堆積させ、ポアサイズを縮小し、透過信号の品質を向上させる。
• レーザーフラエンスとポアサイズ分布および形状の相関関係を分析し、プロセスの再現性を最適化する。
• 作製されたナノポアのセンシング性能を評価するために、単一DNA分子の透過イベントを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1ナノ秒パルスレーザーを用いて、信頼性高く20 nm未塔の固体状態ナノポアを形成できるか？
• RQ2 レーザーフラエンスが結果としてのポアサイズおよび形状に与える影響は何か？また、この影響は熱的モデルによって正確に予測可能か？
• RQ3 レーザー加工後のアルミナ堆積によって、DNA透過イベントの信号対ノイズ比を顕著に向上させられるか？
• RQ4 レーザーで作製されたナノポアデバイスは、単分子DNA検出に十分な感度を示すか？
• RQ5 この手法は、大規模かつコスト効果的なナノポアデバイスの生産にどの程度スケーラブルか？

主な発見

• 1ナノ秒パルスを用いたレーザードリルプロセスにより、19 nmのナノポアが成功裏に作製され、実験結果と2次元一時的熱伝導モデルの間で良好な一致が得られた。
• ポアサイズ分布および形状がレーザーフラエンスに強く依存しており、モデルがこれらの結果を正確に予測した。
• 作製直後の26 nmポアは、単一DNA分子の透過を検出でき、展開状態と折りたたまれた状態を区別するのに十分な感度を示した。
• 薄いアルミナ層の原子層エピタクシーを施した後、10 nm未塔のポアが容易に達成され、DNA透過信号対ノイズ比が顕著に向上した。
• 本手法は、高速で低コストかつスケーラブルな固体状態ナノポアの作製を可能にし、従来の集束イオンビームまたは電子ビーム技術の実用的代替手段を提供する。
• 本研究は、第三世代DNAシークエンシングの文脈において、超高速レーザーパルスを用いた高精度ナノポア作製の可能性を確認した。