学术报告：石墨烯作为亚纳米级跨电极膜的单分子DNA表征研究

作者及机构
本研究由哈佛大学的S. Garaj（第一作者）、W. Hubbard、D. Branton、J. A. Golovchenko（通讯作者）团队主导，联合麻省理工学院的J. Kong、A. Reina等学者合作完成。论文《Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane》发表于*Nature*期刊（2010年9月9日，第467卷）。

学术背景

研究领域与动机

该研究属于纳米材料与生物传感交叉领域，聚焦单层石墨烯（graphene）在电化学检测中的创新应用。石墨烯因其原子级厚度（subnanometre）、高导电性和化学稳定性，被视为理想的新型传感材料。传统固态纳米孔（solid-state nanopore）技术受限于膜厚（通常＞10 nm），难以实现单分子（如DNA）的高分辨率检测。本研究旨在利用石墨烯的亚纳米级厚度，开发一种新型“跨电极膜（trans-electrode membrane）”，以突破纳米孔技术的分辨率极限。

科学问题与目标

核心科学问题是：石墨烯膜的离子绝缘性（ionic insulation）及其纳米孔对DNA单分子穿透行为的响应机制。研究目标包括：
1. 验证石墨烯作为原子级薄层隔膜的可行性；
2. 量化其有效绝缘厚度（effective insulating thickness, lit）；
3. 证明其在DNA单分子检测中的亚纳米级分辨率潜力。

研究流程与实验方法

1. 石墨烯膜制备与表征

• 样品制备：通过化学气相沉积（CVD）在镍基底上合成大面积石墨烯薄膜，经MMA/MAA聚合物辅助转移至带有200 nm方孔的SiNx芯片上（图1），最终通过KOH清洗和氢气退火去除污染物。
  
• 结构表征：采用显微拉曼光谱（micro-Raman）确认薄膜为单层/双层混合结构（87%区域），透射电镜（TEM）验证其完整性；电子束钻孔（electron-beam drilling）制备直径5–23 nm的纳米孔，并通过TEM校准孔径。
  

2. 电化学测量系统搭建

• 流体装置：设计聚二甲基硅氧烷（PDMS）密封的双腔室微流控芯片，以石墨烯膜分隔两端灌注不同电解质（如KCl、CsCl等）的腔体，Ag/AgCl电极施加偏压（±100 mV）。
  
• 信号采集：使用Axopatch 200B放大器记录离子电流，采样率250 kHz，结合八极贝塞尔滤波器（50 kHz）降噪。
  

3. 离子传导性实验

• 无孔膜测试：测量不同电解质（CsCl、RbCl、KCl、NaCl、LiCl）下的跨膜电流（表1）。结果显示石墨烯的离子电导率极低（＜1 nS），且与阳离子水合能（hydration energy）呈负相关（Cs⁺＞Li⁺），表明离子穿越主要通过薄膜缺陷而非本体传输。
  
• 纳米孔增强实验：引入单纳米孔后电导提升数个数量级（图2），通过拟合实际电导与理论模型（公式1），推导出lit=0.6±0.5 nm，与分子动力学模拟的水分子-石墨烯界面距离（0.31–0.34 nm/侧）一致。
  

4. DNA单分子检测

• 实验设计：在3 M KCl（pH 10.4）中驱动10 kb双链DNA穿过5 nm石墨烯纳米孔，记录电流阻断（current blockade）事件（图4）。
  
• 数据分析：通过COMSOL多物理场仿真模拟DNA（2 nm直径圆柱体）穿孔时的电流变化，确定lit与孔径（4.6±0.4 nm）与TEM实测值（5±0.5 nm）吻合。折叠与未折叠DNA的阻断幅度差异验证了亚纳米级分辨率潜力（图5）。
  

主要结果

1. 石墨烯的超薄绝缘性：无孔膜离子电导＜67 pS（表1），证实其可作为近理想绝缘体；纳米孔的存在使电导服从线性模型（公式1），表明有效厚度仅0.6 nm。
   
2. 离子选择性机制：电导差异反映阳离子-石墨烯界面相互作用，Cs⁺（低水合能）穿透率最高，暗示可调控的离子筛分功能。
   
3. DNA检测分辨率：模型预测石墨烯纳米孔可分辨3.5 Å的分子几何变化（图5），远超传统SiNx膜（dz=7.5 Å @ lit=1.5 nm）。
   

结论与价值

科学意义

• 界面电化学新认知：提出“跨电极”概念，揭示双液-固界面在原子尺度耦合下的独特电学行为。
  
• 单分子检测里程碑：首次实验证明亚纳米厚度膜可实现单分子空间分辨，为DNA测序提供新平台。
  

应用前景

• 高通量纳米孔测序：石墨烯的原子级厚度有望直接识别DNA碱基序列，突破现有技术瓶颈。
  
• 多功能传感器开发：通过功能化修饰（如边界化学调控），可拓展至蛋白质、小分子检测。
  

研究亮点

1. 方法创新：首创电子束钻孔制备石墨烯纳米孔技术，结合微流控与高带宽电测量系统。
   
2. 理论突破：建立“有效绝缘厚度”模型，量化原子层薄膜的介电行为。
   
3. 领域交叉性：融合凝聚态物理、电化学与分子生物学，开辟纳米孔传感新方向。
   

其他价值

• 研究团队在论文提交后注意到同期两项类似工作（Schneider等、Merchant等），但本文首次实现DNA穿孔实验，为后续研究奠定基础。
  
• 附录详细公开了CVD生长参数、流体装置设计及仿真代码，促进方法复现。