[논문 리뷰] Single-molecule DNA Bases Discrimination in Oligonucleotides by Controllable Trapping in Plasmonic Nanoholes

Jian‐An Huang, Mansoureh Z. Mousavi외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 06.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 92인용 수 57

한 줄 요약

이 연구는 금 나노입자를 플라즈모닉 나노홀에 가두어 거주 시간을 늘려 모든 네 가지 DNA 염기들에 대한 단일 분자 SERS 구분을 입증하며, 라벨이 필요 없는 염기 식별을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 분자 DNA 시퀀싱을 위한 나노포어 기반 SERS를 동기 부여한다.
• 핫 스팟에서의 분자 체류 시간을 증가시켜 SERS 신호 품질을 제한하는 빠른 전달 문제를 해결한다.
• 플라즈모닉 나노홀에서 금 나노입자를 제어 가능한 방식으로 트랩하여 단일 분자 염기 구분을 가능하게 한다.

제안 방법

• DNA 분자를 물리적으로 금 나노입자에 흡착시켜 국부적으로 SERS 활성 시스템을 형성한다.
• 플라즈모닉 나노홀 내부에 나노입자를 트랩하여 핫 스팟에의 노출 시간을 제어적으로 연장한다.
• SERS 신호를 기록하여 단일 분자 수준에서 네 가지 DNA 염기를 모두 구분한다.
• 단일 올리고뉴클레오타이드 내의 단일 뉴클레오베이스를 구분하기 위해 이 접근 방식을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라즈모닉 핫 스팟에서의 체류 시간을 늘려 모든 DNA 염기에 대한 단일 분자 SERS 구분이 달성될 수 있는가?
• RQ2 플라즈모닉 나노홀에 나노입자를 트랩하는 것이 라벨링 없이 단일 올리고뉴클레오타이드 내의 염기를 구분하게 하는가?
• RQ3 이 방법이 아미노산 및 단백질과 같은 다른 생체분자에도 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 모든 네 가지 DNA 염기에 대한 단일 분자 SERS 검출이 시연되었다.
• 제어 가능한 트랩으로 핫 스팟 내 체류 시간이 분 단위까지 달성된다.
• 단일 올리고뉴클레오타이드 내에서 단일 뉴클레오베이스의 성공적인 구분.
• 이 방법은 아미노산 및 단백질의 라벨 프리 감지로의 확장을 쉽게 시사한다.