日前，微電子所納米加工與新器件集成技術(shù)研究室（三室）博士后何毓輝基于納電子的DNA測(cè)序科研文章Differential conductance as a promising approach for rapid DNA sequencing with nanopore-embedded electrodes被2010年7月26日出版的Applied Physics Letters 97, 043701 (2010)（《應(yīng)用物理快報(bào)》2010年97卷第4期）選為封面文章。

　　《應(yīng)用物理快報(bào)》封面

　　近年來(lái)，生物技術(shù)的迅速發(fā)展，基因測(cè)序和相應(yīng)的基因藥物引起廣泛注意。隨著科學(xué)家提出人類基因組計(jì)劃，如何實(shí)現(xiàn)個(gè)人基因組的快速、廉價(jià)測(cè)序，成為了一個(gè)有著重大應(yīng)用意義的課題。當(dāng)下，微納電子加工技術(shù)進(jìn)入到納米精度，而這正是DNA分子的直徑尺度。于是人們很自然的想到利用納電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)DNA的檢測(cè)。

　　美國(guó)科學(xué)家提出基于納電子技術(shù)的DNA測(cè)序構(gòu)想，即利用核苷酸上不同堿基的電子結(jié)構(gòu)不同。DNA分子是帶電的大分子，在縱向電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，將游動(dòng)通過(guò)納米孔。在此期間，同時(shí)測(cè)量納米孔里橫向的隧穿電流，如前所述，不同核苷酸的堿基電子結(jié)構(gòu)不同，由此導(dǎo)致的橫向電學(xué)特性也不同，據(jù)此可以判斷出正在通過(guò)的是哪一種核苷酸，并設(shè)計(jì)了裝置如下圖：

　　圖(a)：一個(gè)單鏈DNA在縱向電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，游動(dòng)通過(guò)一個(gè)納米孔

　　圖(b)：利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，在Van De Waals繪景中做出的器件圖，其中納米孔是氮化硅-金電極-氮化硅的三明治結(jié)構(gòu)，中間的金電極用于測(cè)量DNA通過(guò)時(shí)的橫向隧穿電流，兩端的絕緣氮化硅材料用于把金電極跟水溶液隔離開(kāi)來(lái)，游動(dòng)在納米孔中的是單鏈DNA分子，紅白相間的小顆粒是水分子，間雜其中的是氯離子和鉀離子。整個(gè)測(cè)序必須在常溫下的溶液環(huán)境中完成。

　　這一原始方案提出后，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣，IBM等世界頂級(jí)高科技公司，都開(kāi)始投入人力、財(cái)力研究這一測(cè)序方案。該方案雖然很有吸引力，但無(wú)論是定量的理論計(jì)算、預(yù)測(cè)，還是實(shí)際的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，都面臨非常多困難。

　　微電子所納米加工與新器件集成技術(shù)研究室（三室）博士后何毓輝在導(dǎo)師劉明研究員的指導(dǎo)下，從2009年博士后進(jìn)站開(kāi)始從事納電子DNA測(cè)序方面的研究。在研究室的大力支持下，何毓輝成功搭建起了一套完整的模型模擬平臺(tái)，覆蓋了DNA分子通過(guò)納米孔的分子動(dòng)力學(xué)模擬，DNA分子的實(shí)時(shí)電子結(jié)構(gòu)計(jì)算以及電學(xué)特性模擬等多方面的內(nèi)容。

　　在隨后的模擬和計(jì)算中，他提出利用不同核苷酸通過(guò)納米孔時(shí)導(dǎo)致的微分電導(dǎo)不同來(lái)實(shí)現(xiàn)DNA的區(qū)分與檢測(cè)，這一構(gòu)想能夠有效的克服原始方案信噪比過(guò)低、出錯(cuò)率較大等缺點(diǎn)，由此大幅提高DNA測(cè)序的效率。因此，他的科研文章受到了《應(yīng)用物理快報(bào)》審稿人的高度評(píng)價(jià)，鑒于這一工作的原創(chuàng)性、新穎性、重要性，《應(yīng)用物理快報(bào)》的編輯將其選為當(dāng)期的封面文章。