CN102911859A - 一种高分辨率的生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分辨率的生物传感器，包括具有原子尺度的导电材料作为敏感单元而达到原子级的检测分辨率和微纳米流体器件而控制被检测分子的运动与形态结构。第二电泳电极或微泵、第二储藏室、第二微纳米分离通道、基板、第一绝缘层、敏感功能层、第二绝缘层、第一微纳米分离通道、第一储藏室、第一电泳电极或微泵顺次放置，敏感功能层的中心设有纳米孔，第一绝缘层的中心设有第一绝缘层开孔，第二绝缘层的中心设有第二绝缘层开孔，基板的中心设有基板开口，在敏感功能层上设有测量电信号的电接触层。本发明的原子层厚度的敏感功能层使传感器的分辨率达到原子尺度，与微纳米流体器件集成可以控制DNA或RNA的运动及其结构形态，这样可以得到稳定的信号检测。
Description
技术领域
本发明涉及传感器，尤其涉及一种高分辨率的生物传感器。
背景技术
基因电子测序具有准确度高、成本低和速度快等优点，纳米孔(nanopore)是目前研究最多的一种单分子基因电子测序的技术。纳米孔有望能够在单分子分辨水平探测及表征生物分子如DNA, RNA及聚肽，潜在的基于纳米孔的单分子基因测序技术不需要荧光标记物，不需要PCR反应，有望能直接并快速“读”出DNA或RNA的碱基序列；该测序技术有望大大降低测序成本，实现个性化医疗。然而纳米孔技术还面临许多挑战：比如目前的技术很难制备孔径小于 2 nm的孔，如何降低DNA穿越纳米孔的速度？如何控制DNA穿越纳米孔时的结构形态？如何将原子尺寸的电极集成于纳米孔而达到单碱基的分辨率？为了解决所面临的技术难题，本专利申请人的发明专利（公开号：JP2011-45944；申请号：201110097791.0）提出了采用具有原子层厚度的石墨烯等导电层状材料而达到单个碱基的分辨率，并采用微纳米流体器件的结构而控制DNA分子的运动；然而，这些器件的结构比较复杂。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构非常简单的高分辨率的生物传感器。为此，本发明采用以下技术方案：
一种高分辨率的生物传感器，其特征在于包括能够检测被分析分子的电敏感功能单元和能够控制被分析分子运动的微纳米流体器件。
在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：
所述的微纳米流体器件包括第一微纳米分离通道、第二微纳米分离通道、第一储藏室、第二储藏室、第一电泳电极或微泵、第二电泳电极或微泵；所述的第二电泳电极或微泵、第二储藏室、第二微纳米分离通道、第一绝缘层、敏感功能层、第二绝缘层、第一微纳米分离通道、第一储藏室、第一电泳电极或微泵顺次放置；敏感功能单元集成于微纳米流体器件的第一微纳米分离通道与第二微纳米分离通道之间。在器件结构上，集成意味着将电敏感功能单元设置于微纳米流体器件中，在功能上，集成体现为具有不同的且互相不能取代的功能的电敏感功能单元和微纳米流体器件能够使所述的生物传感器能够达到高分辨地分析相关分子的目的；通过集成，当被分析的分子在微纳米流体通道中可控运动时，设置于微纳米流体器件中的电敏感功能单元能够精确检测被分析的分子在微纳米流体通道中的电学性能。
所述的电敏感功能单元包括第一绝缘层、敏感功能层、第二绝缘层，敏感功能层设于第一绝缘层和第二绝缘层之间，敏感功能层设有纳米孔，第一绝缘层设有第一绝缘层开孔，第二绝缘层设有第二绝缘层开孔；所述的微纳米流体器件包括第一微纳米分离通道、第二微纳米分离通道、第一储藏室、第二储藏室、第一电泳电极或微泵、第二电泳电极或微泵。
所述的第二电泳电极或微泵、第二储藏室、第二微纳米分离通道、第一绝缘层、敏感功能层、第二绝缘层、第一微纳米分离通道、第一储藏室、第一电泳电极或微泵顺次放置；所述的第二微纳米分离通道、第一绝缘层开孔、敏感功能层的纳米孔、第一微纳米分离通道、以及第二绝缘层开孔的中心处于同一中心轴线上。
所述的电敏感功能单元包括第一绝缘层、敏感功能层、第二绝缘层， 敏感功能层设于第一绝缘层和第二绝缘层之间；所述的微纳米流体器件包括第一微纳米分离通道、第二微纳米分离通道、第一储藏室、第二储藏室、第一电泳电极和第二电泳电极；所述生物传感器包括基板，基板的中心设有基板开口；第二电泳电极或微泵、第二储藏室、第二微纳米分离通道、基板、第一绝缘层、敏感功能层、第二绝缘层、第一微纳米分离通道、第一储藏室、第一电泳电极或微泵顺次放置；第二绝缘层的中心设有第二绝缘层开孔，敏感功能层的中心设有纳米孔，第一绝缘层的中心设有第一绝缘层开孔；第二微纳米分离通道、基板开口、第一绝缘层开孔、敏感功能层的纳米孔、第一微纳米分离通道、以及第二绝缘层开孔的中心处于同一中心轴线上。
所述的敏感功能层设有与其相连接的电接触层。
所述的敏感功能层的材料为层状导电材料，所述的敏感功能层的厚度为0.2～30 nm，较优为0.2～10 nm，最优为0.2～1 nm。
所述的敏感功能层的材料为石墨烯薄膜，所述的石墨烯薄膜的层数为1-100层，较优为1～30 nm，最优为1～3层。
所述的敏感功能层的纳米孔为圆孔、椭圆形或多边形，纳米孔的孔径为1～100 nm，最优为1～20 nm。
所述的第一绝缘层开孔、第二绝缘层开孔、以及第一微纳米分离通道和第二微纳米分离通道的横截面形状是圆形、椭圆形或多边形，孔径为1～30 mm，较优为1～10 mm，最优为1～20 nm。
本发明的敏感功能层可以达到检测单链DNA或RNA中的单个碱基的分辨率要求；本发明的微纳米流体器件，能够控制DNA或RNA穿越纳米孔时的速度，控制碱基与敏感功能层发生相互作用，这样可以达到精确检测碱基的电学性能，从而达到基因测序的目的。将电敏感功能单元集成于微纳米流体器件将具有纳米孔的敏感，其制备方法简单，从而适于低成本、快速基因电子测序。敏感功能层夹嵌于两绝缘层之间，可以避免污染及不必要的环境影响，这样的敏感功能层结构牢固，从而获得稳定的信号检测，达到单碱基的分辨率。纳米孔周边为整片的敏感功能层的形状解决了DNA或RNA碱基穿越纳米孔时由于碱基可能存在的不同取向而导致对碱基与敏感功能层的相互作用的影响。
附图说明
图1 为本发明的高分辨率生物传感器的结构示意图；
图2为本发明的高分辨率生物传感器制备流程示意图；采用由化学气相沉积法合成的石墨烯薄膜作为敏感功能层；
图3为本发明的石墨烯纳米孔的透射电子显微镜形状图；
图4为本发明的高分辨率生物传感器制备流程示意图；采用由机械剥离得到的MoS2薄膜作为敏感功能层；
图5为本发明的高分辨率生物传感器制备流程示意图；采用由SiC热分解得到的石墨烯薄膜作为敏感功能层。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括检测被分析分子的电敏感功能单元和控制被分析分子运动的微纳米流体器件。
所述的电敏感功能单元包括第一绝缘层2、敏感功能层3、第二绝缘层4。敏感功能层3设于第一绝缘层2和第二绝缘层4之间。
所述的微纳米流体器件包括第一微纳米分离通道7、第二微纳米分离通道8、第一储藏室10、第二储藏室11、第一电泳电极或微泵12、第二电泳电极或微泵13。
所述生物传感器包括基板1，基板1的中心设有基板开口15；
第二电泳电极或微泵13、第二储藏室11、第二微纳米分离通道8、基板1、第一绝缘层2、敏感功能层3、第二绝缘层4、第一微纳米分离通道7、第一储藏室10、第一电泳电极或微泵12顺次放置；
第二绝缘层4的中心设有第二绝缘层开孔17，敏感功能层3的中心设有纳米孔5，第一绝缘层2的中心设有第一绝缘层开孔16。
所述的敏感功能层3上与之相连的电接触层9。
所述的第二微纳米分离通道8、基板开口15、敏感功能层的纳米孔5、第一绝缘层开孔16、第二绝缘层开孔17、以及第一微纳米分离通道7的中心处于同一中心轴线上，第一微纳米分离通道7、第二微纳米分离通道8、纳米孔5、基板开口15、第一绝缘层开孔16、第二绝缘层开孔17的形状是圆形、多边形、椭圆或正方形。
作为优选，所述的敏感功能层的纳米孔为圆孔，敏感功能层的纳米孔的孔径为1～100 nm,最优纳米孔的孔径为1～20 nm。纳米孔为圆孔可以更好的保证传感器各向同性。作为另外的方案，敏感功能层的纳米孔也可以为多变形孔或椭圆孔,纳米孔周围上两点之间的最大距离为1 ～ 100 nm。
本发明的基本工作原理如下：
将电解液放于所述的传感器,将含有要被测量分析的DNA或RNA等样品14的电解溶液放置于第一储藏室10，在由电泳电极或微泵12与13产生的梯度场作用下DNA或RNA分子被拉直，并依次经过第一微纳米分离通道7、第二绝缘层4的开孔17、敏感功能层3的纳米孔5、第一绝缘层2的开孔16、基板1、第二微纳米分离通道8而到达第二储藏室11。用敏感功能层3测量碱基6穿越纳米孔5时的电学性能，电信号由电接触层9传到数据分析器，通过分析而得到碱基在DNA或RNA分子中的排列顺序。
所述敏感功能层为中心带纳米孔的薄片状, 解决了碱基通过纳米孔时可能存在的不同取向问题。
本发明的纳米孔传感器除了应用于DNA或RNA测量分析外，也可以对其它大分子如蛋白质等进行测量与分析。示意图1仅为说明本发明的基本原理及其基本结构，本发明的生物传感器可以在此基础上有所修改。
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。
实施例1：合成及转移石墨烯薄膜
采用化学气相沉积方法在Cu上合成石墨烯薄膜：将具有厚度为25 μm Cu片进行表面抛光清洁处理，将其置于超高真空中(1×10-8 torr)，然后在Ar/H2气氛中(~20 vol% H2)进行750 oC热处理约110分钟，然后将温度升高到~950 oC处理30分钟；关掉Ar/H2，而改通CH4来合成石墨烯薄膜，生长时间为5分钟，这样就合成了石墨烯薄膜。
石墨烯薄膜合成后，在所合成的石墨烯薄膜上旋涂500 nm Polymethylmethacrylate (PMMA)层，将涂有PMMA的石墨烯薄膜/Cu放置于硝酸铁溶液中将Cu腐蚀掉，这样PMMA/石墨烯薄膜与Cu基底分离，从而得到PMMA/石墨烯薄膜。然后，将PMMA/石墨烯薄膜转移到用于制备传感器的Al2O3 (100 nm)/Si(550 μm)的Al2O3孔上；最后，用丙酮将PMMA溶解掉，这样石墨烯薄膜层就转移到了Al2O3 (100 nm)/Si(550 μm)的Al2O3孔上而作为敏感功能层3。
实施例2：石墨烯作为敏感功能层的生物传感器
如图2所示：在550 μm厚的Si基板1上制备100 nm Al2O3第一绝缘层2(图2a)。
采用光刻及掩膜技术，并用KOH溶液腐蚀硅基板从而制备一个大约为30 mm×30 mm的正方形开口15（图2b）。
采用光刻及掩膜技术技术，并用缓冲的HF溶液腐蚀在硅基板的正方形开口上的Al2O3从而制备一个直径为10 mm的孔16（图2c）。
将制备好的石墨烯薄膜转移到Al2O3 (100 nm)/Si(550 μm)的Al2O3第一绝缘层上作为敏感功能层3，石墨烯薄膜覆盖Al2O3孔16（图3d）。
利用来自透射电子显微镜（JEOL 2010F）的电子束制备石墨烯纳米孔5：将透射电子显微镜的放大倍数调到大约80万倍聚焦于石墨烯上大约为6秒钟，从而制备一个2.5 nm的石墨烯纳米孔（图2e和图3）。
在氩气氛中于300 oC进行热处理而除掉污染物（图2f）。
采用光刻技术,掩膜技术和低压化学气相沉积方法在敏感功能层石墨烯3的表面制备20 nm Si3N4绝缘层作为第二绝缘层4（图2g）。
采用光刻技术,掩膜技术和真空热蒸镀方法制备与敏感功能层石墨烯3相连接的Ti(2 nm)/Au(15 nm)层作为电接触层9（图2h）。
最后，将由以上步骤所制备的电敏感功能单元组装于微纳米流体器件的第一微纳米分离通道和第二微纳米分离通道之间（图2i），从而得到了生物传感器。
实施例3：MoS2作为敏感功能层的生物传感器
如图4所示：在600 μm厚的单晶硅<100>基板1上依次制备50 nm SiO2和30 nm Si3N4的复合绝缘层2（图4a）。
采用光刻技术，并用KOH溶液与缓冲的HF溶液分别腐蚀硅基板与SiO2而制备一个大约为10 mm×10 mm的正方形开口15（图4b）。
采用电子束刻蚀与SF6等离子体反应刻蚀技术在Si3N4膜上制备一个直径大约为2 mm的孔16（图4c）。
将由机械剥离而产生的双层MoS2薄膜转移到Si3N4 (30 nm)/SiO2(50 nm)/Si的Si3N4孔上而作为亚纳米功能层3, MoS2薄膜覆盖氮化硅膜孔16（图4d）。
利用来自透射电子显微镜（JEOL 2010F）的电子束制备MoS2纳米孔5：将透射电子显微镜的放大倍数调到大约80万倍聚焦于氮化硼上大约为10秒钟，从而制备20 nm大的MoS2纳米孔5（图4e）。
采用电子束刻蚀,掩膜技术及等离子增强化学气相沉积方法在亚纳米功能层MoS2的表面上制备5 nm SiNx作为第二绝缘层4（图4f）。
采用光刻技术,掩膜技术和电子束沉积方法制备与敏感功能层石墨烯3相连接的Pt层(15nm)作为电接触层9（图4g）。
最后，将由以上步骤所制备的电敏感功能单元组装于微纳米流体器件的第一微纳米分离通道和第二微纳米分离通道之间（图4h），从而得到了生物传感器。
实施例4：由SiC合成上的石墨烯薄膜作为敏感功能层的生物传感器
在500 μm厚的单晶SiC{0001}基板1在超高真空中(1.0×10-10 torr)进行热(950oC - 1400oC)表面处理成为富硅面(Si-terminated surface) （图5a），然后外延生长得到作为敏感功能层3的石墨烯薄膜层（图5b）。
采用光刻技术及腐蚀技术在SiC上制备一个大约为20 nm×20 nm的正方形开口15（图5c）
利用来自透射电子显微镜（JEOL 2010F）的电子束制备石墨烯纳米孔5：将透射电子显微镜的放大倍数调到大约80万倍聚焦于石墨烯上大约为6秒钟，从而制备一个5 nm的石墨烯纳米孔（图5d）。
采用电子束刻蚀,掩膜技术及原子层沉积的方法在亚纳米功能层石墨烯的表面上制备10 nm HfO2作为第二绝缘层4（图5e）。
采用光刻技术,掩膜技术和溶液旋涂方法制备与敏感功能层石墨烯3相连接的PSS:PDOT(35 nm)层作为电接触层9（图5f）。
最后，将由以上步骤所制备的电敏感功能单元组装于微纳米流体器件的第一微纳米分离通道和第二微纳米分离通道之间（图5g），从而得到了生物传感器。
本例采用在绝缘的SiC上合成石墨烯薄膜作为敏感功能层3，SiC既为合成石墨烯薄膜层的固体碳源材料，也为制备传感器的基板1与第一绝缘层2材料。
以上实施例对本发明的纳米孔传感器的基本结构特征及制备进行了一定的说明，但本发明的纳米孔传感器的结构特征以及制备不局限于以上实施例。
Claims (10)
1.一种高分辨率的生物传感器，其特征在于包括检测被分析分子的电敏感功能单元和控制被分析分子运动的微纳米流体器件。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率的生物传感器，其特征在于所述的微纳米流体器件包括第一微纳米分离通道(7)、第二微纳米分离通道(8)、第一储藏室(10)、第二储藏室(11)、第一电泳电极或微泵(12)、第二电泳电极或微泵(13)；所述的第二电泳电极或微泵(13)、第二储藏室(11)、第二微纳米分离通道(8)、第一绝缘层(2)、敏感功能层(3)、第二绝缘层(4)、第一微纳米分离通道(7)、第一储藏室(10)、第一电泳电极或微泵(12)顺次放置；
敏感功能单元集成于微纳米流体器件的第一微纳米分离通道与第二微纳米分离通道之间。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率的生物传感器，其特征在于：
所述的电敏感功能单元包括第一绝缘层(2)、敏感功能层(3)、第二绝缘层(4)，敏感功能层（3）设于第一绝缘层(2)和第二绝缘层(4)之间，敏感功能层设有纳米孔(5)，第一绝缘层设有第一绝缘层开孔(16)，第二绝缘层设有第二绝缘层开孔(17)；
所述的微纳米流体器件包括第一微纳米分离通道(7)、第二微纳米分离通道(8)、第一储藏室(10)、第二储藏室(11)、第一电泳电极或微泵(12)、第二电泳电极或微泵(13)。
4.根据权利要求3所述的一种高分辨率的生物传感器，其特征在于：
所述的第二电泳电极或微泵(13)、第二储藏室(11)、第二微纳米分离通道(8)、第一绝缘层(2)、敏感功能层(3)、第二绝缘层(4)、第一微纳米分离通道(7)、第一储藏室(10)、第一电泳电极或微泵(12)顺次放置；
所述的第二微纳米分离通道(8)、第一绝缘层开孔(16)、敏感功能层的纳米孔(5)、第一微纳米分离通道（7）、以及第二绝缘层开孔(17)的中心处于同一中心轴线上。
5.根据权利要求1所述的一种高分辨率的生物传感器，其特征在于：
所述的电敏感功能单元包括第一绝缘层(2)、敏感功能层(3)、第二绝缘层(4)， 敏感功能层（3）设于第一绝缘层(2)和第二绝缘层(4)之间；
所述的微纳米流体器件包括第一微纳米分离通道(7)、第二微纳米分离通道(8)、第一储藏室(10)、第二储藏室(11)、第一电泳电极(12)和第二电泳电极(13)；
所述生物传感器包括基板(1)，基板（1）的中心设有基板开口(15)；
第二电泳电极或微泵(13)、第二储藏室(11)、第二微纳米分离通道(8)、基板(1)、第一绝缘层(2)、敏感功能层(3)、第二绝缘层(4)、第一微纳米分离通道(7)、第一储藏室(10)、第一电泳电极或微泵(12)顺次放置；
第二绝缘层(4)的中心设有第二绝缘层开孔(17)，敏感功能层(3)的中心设有纳米孔(5)，第一绝缘层(2)的中心设有第一绝缘层开孔(16)；
第二微纳米分离通道(8)、基板开口(15)、第一绝缘层开孔(16)、敏感功能层的纳米孔(5)、第一微纳米分离通道（7）、以及第二绝缘层开孔(17)的中心处于同一中心轴线上。
6.根据权利要求2、3、4或5所述的一种高分辨率的生物传感器，其特征在于所述的敏感功能层(3)设有与其相连接的电接触层(9)。
7.根据权利要求2、3、4或5所述的一种高分辨率的生物传感器，其特征在于所述的敏感功能层（3）的材料为层状导电材料，所述的敏感功能层的厚度为0.2～30 nm，较优为0.2～10 nm，最优为0.2～1 nm。
8.根据权利要求2、3、4或5所述的一种高分辨率的生物传感器，其特征在于所述的敏感功能层（3）的材料为石墨烯薄膜，所述的石墨烯薄膜的层数为1-100层，较优为1～30 nm，最优为1～3层。
9.根据权利要求2、3、4或5所述的一种高分辨率的生物传感器，其特征在于所述的敏感功能层的纳米孔（5）为圆孔、椭圆形或多边形，纳米孔（5）的孔径为1～100 nm，最优为1～20 nm。
10. 根据权利要求2、3、4或5所述的一种高分辨率的生物传感器，其特征在于所述的第一绝缘层开孔(16)、第二绝缘层开孔(17)、以及第一微纳米分离通道（7）和第二微纳米分离通道（8）的横截面形状是圆形、椭圆形或多边形，孔径为1～30 mm，较优为1～10 mm，最优为1～20 nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110219584.8A CN102911859B (zh) | 2011-08-02 | 一种高分辨率的生物传感器 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102911859A true CN102911859A (zh) | 2013-02-06 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103585004A (zh) * | 2013-11-19 | 2014-02-19 | 湖北中医药大学 | 纳米传感针及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1034432A (zh) * | 1988-01-08 | 1989-08-02 | 大洋渔业株式会社 | 生物传感器 |
| CN2177946Y (zh) * | 1993-12-14 | 1994-09-21 | 南京理工大学 | 生物传感器 |
| CN101694474A (zh) * | 2009-10-22 | 2010-04-14 | 浙江大学 | 一种纳米孔电学传感器 |
| CN102095768A (zh) * | 2010-11-16 | 2011-06-15 | 浙江大学 | 一种亚纳米厚度的纳米孔传感器 |
Patent Citations (4)
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