CN106970130A - 一种基于纳米管的纳米孔检测***及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于纳米管的纳米孔检测***及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米管的纳米孔检测***及制备方法和应用，所述***包括基于纳米管的纳米孔结构、微流道结构、用于封盖微流道结构的盖片和用于检测待测物的电流检测***；所述基于纳米管的纳米孔结构包括基片、纳米管，所述纳米管分散或生长在基片上，所述纳米管左右两端开口，侧壁设置有一个纳米孔；所述微流道结构加工在基片上并设置有3个独立的电解质溶液腔室，所述纳米管贯通于三个腔室，所述纳米管的左开口、纳米孔、右开口分别与第一腔室、第二腔室、第三腔室连通；所述电流检测***一端设置于第二腔室内，另一端设置于第一腔室或第三腔室内。本发明可以极大的提高生物传感器的分辨率和灵敏度，有望实现单分子DNA直接测序的构想。

Description

一种基于纳米管的纳米孔检测***及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及纳米孔检测***技术领域，特别是涉及一种基于纳米管结构的可用于检测长链聚合物(DNA、RNA或多肽)的纳米孔检测***及其制备方法。
背景技术
纳米孔技术是分析生物分子的强有力工具，具体应用到了以下三大领域：第一，单分子水平上的生物物理学研究，如DNA分子的折叠/解折叠、双链DNA的解链过程、单分子DNA-蛋白质相互作用以及生物分子的力谱测量等；第二，在单分子水平进行广义的“早期诊断”。如单个生物分子的重要属性识别、特异性短片段区分等；第三，单分子DNA直接测序。
生物纳米孔作为最先开始应用于DNA测序的纳米孔，拥有良好的生物敏感性并具有尺寸固定的纳米通道，保证了DNA检测的可重复性和稳定性，但其稳定性差，寿命短，对环境变化敏感及无法调控纳米孔孔径的缺点，极大地限制了其使用前景。固态纳米孔的出现弥补了生物纳米孔的上述缺点，但传统的硅基纳米孔通道至少为几个纳米，远大于DNA分子链上0.34nm的碱基堆积距离，所以固态纳米孔内会同时存在多个碱基，得到的离子电流信号是它们共同作用的结果而不足以辨别单个碱基的信息。石墨烯和h-氮化硼等二维材料薄膜的出现，为制备原子级别厚度的纳米孔提供了可能性，但以现有的技术手段制作的二维材料纳米孔传感器，也至少存在以下三个问题。第一，二维材料薄膜的机械稳定性差。亚纳米级别厚度的二维材料薄膜在电解质溶液中容易发生机械振动，产生的振动噪音会使离子电流产生的微弱信号淹没在噪音中无法识别；第二，石墨烯等二维材料转移至其支撑衬底过程中会产生缺陷，而缺陷产生的漏电流也被认为是造成二维材料纳米孔检测到的电流信号信噪比低的原因之一。第三，与传统的硅基纳米孔相比，虽然二维材料纳米孔的原子级孔道长度可以提高电流信号的空间分辨率，但这也让DNA分子过孔时保持了更大的自由度，从而导致分子构型不稳定，降低信噪比。
现有基于纳米孔检测原理的纳米管生物传感器，大多是将纳米管集成到硅基纳米孔中(CN103796947B)或利用纳米管的径向切片形成纳米孔(CN 1994864B)，但这些方法形成的纳米孔，仍然存在空间分辨率不高，信噪比低的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于纳米管的纳米孔检测***，能够提高基于纳米孔的生物传感器的灵敏度、分辨率和信噪比，精确检测和区分生物分子，实现单分子DNA直接测序的目的。
为实现上述目的，本发明具体提供了如下方案：
1、一种基于纳米管的纳米孔检测***，所述***包括基于纳米管的纳米孔结构、微流道结构、用于封盖微流道结构的盖片和用于检测待测物的电流检测***；
所述基于纳米管的纳米孔结构包括基片、纳米管，所述纳米管分散或生长在基片上，所述纳米管左右两端开口，侧壁设置有一个纳米孔；
所述微流道结构加工在基片上并设置有3个独立的电解质溶液腔室，分别为第一腔室、第二腔室、第三腔室，所述纳米管贯通于三个腔室，所述纳米管的左开口、纳米孔、右开口分别与第一腔室、第二腔室、第三腔室连通；
所述盖片设置有分别与第一腔室、第二腔室、第三腔室相匹配的进液孔；
所述电流检测***一端设置于第二腔室内，另一端设置于第一腔室或第三腔室内，与电解质溶液腔室内的电解质溶液连通形成用于检测待检测物的电路。
进一步优选的，所述纳米孔位于纳米管中段侧壁。
进一步优选的，所述电流检测***包括电源、电极Ⅰ、电极Ⅱ和电流计；
所述电极I置于第一或第三腔室内，所述电极II置于第二腔室内；
所述电源、电极Ⅰ、电极Ⅱ和电流计串联形成用于检测待检测物的电路。
优选的，所述基片为氧化硅、氮化硅、石英、玻璃或PMMA；所述纳米管为未经化学修饰或经化学修饰的纳米管状结构材料。
进一步优选的，所述纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氮化硼纳米管、氧化铝纳米管、氧化锌纳米管或聚合物纳米管。
进一步优选的，所述纳米管直径为1～500nm，长度为1～1000μm；所述微流道结构高度为0.5～500μm，宽度为0.5～500μm，所述纳米管左开口、右开口直径与纳米管一致，所述纳米孔直径为0.1～100nm。
2、所述基于纳米管的纳米孔检测***的制备方法，包括如下步骤：
(1)在基片表面分散或生长纳米管；
(2)用光刻加工的方法，在选定的纳米管区域的基片上加工微流道结构；并设置有3个独立的电解质溶液腔室，分别为第一腔室、第二腔室、第三腔室，所述纳米管贯通于三个腔室；
(3)用盖片对所述微流道结构封装后在纳米管中段侧壁形成纳米孔或者先成孔后封装，所述纳米管的左开口、纳米孔、右开口分别与第一腔室、第二腔室、第三腔室连通；
(4)将所述电流检测***的电极Ⅰ设置在第一或第三腔室内，将电极II设置在第二腔室内，形成用于检测待检测物的回路。
进一步，纳米管中段侧壁形成纳米孔方法如下：
方案A：对微流道结构进行封装后在纳米管中段侧壁形成纳米孔：
(1)用微纳加工方法对所述纳米管两端进行开端处理；
(2)用盖片对形成的微流道结构进行封装；
(3)在所述第一腔室、第二腔室和第三腔室中分别通入电解质溶液并使其充满微流道；
(4)在所述第一腔室和第三腔室中分别***电极I和电极II，施加电压使电解质溶液充满纳米管；
(5)在所述第一腔室和第二腔室中分别***电极I和电极II，施加电压对暴露在电解质溶液中的纳米管中段侧壁进行电击穿操作，形成纳米孔；
方案B：在纳米管中段侧壁形成纳米孔对微流道结构进行封装：
(1)用微纳加工方法对纳米管进行开端处理，并在纳米管中段侧壁加工形成纳米孔；
(2)用盖片对形成的微流道结构进行封装
(3)在所述第一腔室、第二腔室和第三腔室中通入电解质溶液并使其充满微流道；
(4)在所述第一腔室和第三腔室中分别***电极I和电极II，施加电压使电解质溶液充满纳米管。
进一步优选的，所述微纳加工方法为聚焦离子束或透射电子显微镜加工方法。
3、所述基于纳米管的纳米孔检测***在检测DNA、RNA或多肽的应用。
本发明的有益效果在于：本发明利用点击穿或聚焦离子束或透射电镜，在纳米管侧壁形成纳米孔，纳米孔和纳米管为一体结构，具有良好的机械稳定性。同时，纳米管在分散或生长在基片上时不易在其管壁形成缺陷，有效避免了二维材料薄膜转移时容易产生缺陷的问题。此外，DNA等生物分子在通过纳米孔前，要先经过几纳米到几百纳米直径的纳米管通道，稳定了通过纳米孔前DNA等生物分子的构型。因此，本发明可以极大的提高生物传感器的分辨率和灵敏度，有望实现单分子DNA直接测序的构想。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1为本发明基于纳米管的纳米孔检测***的截面图及分子检测原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图1，对本发明的优选实施例进行详细的描述：
图1为本发明基于纳米管的纳米孔检测***的截面图及分子检测原理示意图。其中1-电源，2-电流计，3-电极I，4-电极II，5-基片，6-微流道结构，7-盖片，8-第一进液孔，9-第二进液孔，10-第三进液孔，11-第一腔室，12-第二腔室，13-第三腔室，14-纳米管，15-纳米孔，16-分子样品。
实施例1
本实施例提供一种基于单壁碳纳米管的纳米孔检测***。具体的实施方式如下所示：
在带有二氧化硅薄膜的基片5表面生长直径为1-10nm，长度为500-1000μm纳米管14，在上述带有纳米管14的基片5上旋涂负性光刻胶，用光刻加工的方法，在选定的直径为2nm，长度为500μm纳米管14上加工厚度为20μm，宽度为7μm的负性光刻胶微流道结构6，形成第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13。
第一腔室11和第二腔室12、第二腔室12和第三腔室13之间不联通，第一腔室11和第三腔室13之间仅以纳米管14联通。用聚焦离子束对纳米管14两端进行处理，保证纳米管14两端不被封堵。在盖片7上形成第一进液孔8、第二进液孔9和第三进液孔10，分别对准第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13对微流道结构6进行封装，封装的方法是本领域已知的。
电流检测***包括电源1、电极Ⅰ3、电极Ⅱ4和电流计2，在第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13中分别注入电解质溶液，在第一腔室11和第三腔室13中分别***电极I3和电极II4，打开电源1使电解质溶液充满单壁碳纳米管14。撤去第三腔室13中的电极II4，在第一腔室11和第二腔室12中分别***电极I3和电极II4，打开电源1对暴露在电解质溶液中的碳纳米管14中段侧壁进行电击穿操作，形成纳米孔15，所述纳米孔15的直径为1nm。
在第一腔室11中加入单链DNA分子样品16，施加偏压，驱动单链DNA分子样品16通过在纳米管14侧壁形成的纳米孔15，进入第二腔室12。分析单链DNA分子16通过纳米孔15电流计2中产生的电流信号，即可得到所测的DNA分子序列。
本实施例中基片5为硅片，纳米管14为单壁碳纳米管，盖片7为PDMS盖片。
实施例2：
本实施例提供的一种基于氮化硼纳米管的纳米孔检测***。具体的实施方式如下所述：
在基片5表面分散直径为300-500nm，长度为10-90μm纳米管14，在上述带有纳米管的基片上旋涂正性光刻胶，用光刻加工的方法，在选定的直径为400nm，长度为20μm纳米管14上加工厚度为15μm，宽度为8μm的正性光刻胶微流道结构6，形成第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13。
第一腔室11和第二腔室12、第二腔室12和第三腔室13之间不联通，第一腔室11和第三腔室13之间仅以选定的纳米管14联通。用聚焦离子束对纳米管14两端进行处理，保证纳米管14两端不被封堵。用聚焦离子束对纳米管14暴露在第二腔室12中的部分加工形成纳米孔15，所述纳米孔15的直径为100nm。在盖片7上形成第一进液孔8、第二进液孔9和第三进液孔10，分别对准第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13对微流道结构6进行封装，封装的方法是本领域已知的。
电流检测***包括电源1、电极Ⅰ3、电极Ⅱ4和电流计2，在第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13中分别注入电解质溶液，在第一腔室11和第三腔室13中分别***电极I3和电极II4，打开电源1使电解质溶液充满纳米管14。撤去第三腔室13中的电极II4，在第一腔室11和第二腔室12中分别***电极I3和电极II4。
在第一腔室11中加入RNA分子样品，施加偏压，驱动RNA分子通过在纳米管14侧壁形成的纳米孔15，进入第二腔室12。分析RNA分子通过纳米孔15电流计2产生的电流信号，即可得到所测的RNA分子的信息。
本实施例中基片5为石英，纳米管14为氮化硼，盖片7为PMMA。
实施例3：
本实施例提供一种基于多壁碳纳米管的纳米孔检测***。具体的实施方式如下所述：
在基片5表面生长直径为10-90nm，长度为100-500μm纳米管，在上述带有纳米管的基片5上旋涂负性光刻胶，用光刻加工的方法，在选定的纳米管14上加工厚度为25μm，宽度为5μm的负性光刻胶微流道结构6，形成第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13。
第一腔室11和第二腔室12、第二腔室12和第三腔室13之间不联通，第一腔室11和第三腔室13之间仅以纳米管14联通。用聚焦离子束对纳米管14两端进行处理，保证纳米管14两端不被封堵。用透射电子显微镜对纳米管14暴露在第二腔室12中的部分加工形成纳米孔15，所述纳米孔15的直径为50nm。在石英盖片7上形成第一进液孔8、第二进液孔9和第三进液孔10，分别对准第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13对微流道结构6进行封装，封装的方法是本领域已知的。
电流检测***包括电源1、电极Ⅰ3、电极Ⅱ4和电流计2，在第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13中分别注入电解质溶液，在第一腔室11和第三腔室13中分别***电极I3和电极II4，打开电源1使电解质溶液充满碳纳米管14。撤去第三腔室13中的电极II4，在第一腔室11和第二腔室12中分别***电极I3和电极II4。
在第一腔室11中加入多肽分子样品，施加偏压，驱动多肽分子通过在碳纳米管14侧壁形成的纳米孔15，进入第二腔室12。分析多肽分子通过纳米孔15时电流计2产生的电流信号，即可得到所测的多肽分子16的信息。
本实施例中基片5为PMMA，纳米管14为多壁碳纳米管，盖片7为石英。
综上所述，本发明利用电击穿或聚焦离子束或透射电镜，在纳米管侧壁形成纳米孔。纳米孔和纳米管为一体结构，具有良好的机械稳定性。同时，纳米管在分散或生长在基片上时不易在其管壁形成缺陷，有效避免了二维材料薄膜转移时容易产生缺陷的问题。此外，DNA等生物分子在通过纳米孔前，要先经过几纳米至几百纳米直径的纳米管通道，稳定了通过纳米孔前DNA等生物分子的构型。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度商业价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于纳米管的纳米孔检测***，其特征在于，所述***包括基于纳米管的纳米孔结构、微流道结构、用于封盖微流道结构的盖片和用于检测待测物的电流检测***；
所述基于纳米管的纳米孔结构包括基片、纳米管，所述纳米管分散或生长在基片上，所述纳米管左右两端开口，侧壁设置有一个纳米孔；
所述微流道结构加工在基片上并设置有3个独立的电解质溶液腔室，分别为第一腔室、第二腔室、第三腔室，所述纳米管贯通于三个腔室，所述纳米管的左开口、纳米孔、右开口分别与第一腔室、第二腔室、第三腔室连通；
所述盖片设置有分别与第一腔室、第二腔室、第三腔室相匹配的进液孔；
所述电流检测***一端设置于第二腔室内，另一端设置于第一腔室或第三腔室内，与电解质溶液腔室内的电解质溶液连通形成用于检测待检测物的电路。
2.根据权利要求1所述一种基于纳米管的纳米孔检测***，其特征在于，所述纳米孔位于纳米管中段侧壁。
3.根据权利要求1所述一种基于纳米管的纳米孔检测***，其特征在于，所述电流检测***包括电源、电极Ⅰ、电极Ⅱ和电流计；
所述电极I置于第一或第三腔室内，所述电极II置于第二腔室内；
所述电源、电极Ⅰ、电极Ⅱ和电流计串联形成用于检测待检测物的电路。
4.根据权利要求1所述一种基于纳米管的纳米孔检测***，其特征在于，所述基片为氧化硅、氮化硅、石英、玻璃或PMMA；所述纳米管为未经化学修饰或经化学修饰的纳米管状结构材料。
5.根据权利要求4所述一种基于纳米管的纳米孔检测***，其特征在于，所述纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、氮化硼纳米管、氧化铝纳米管、氧化锌纳米管或聚合物纳米管。
6.根据权利要求1所述一种基于纳米管的纳米孔检测***，其特征在于，所述纳米管直径为1～500nm，长度为1～1000μm；所述微流道结构高度为0.5～500μm，宽度为0.5～500μm，所述纳米管左开口、右开口直径与纳米管一致，所述纳米孔直径为0.1～100nm。
7.权利要求1～6任一项所述基于纳米管的纳米孔检测***的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在基片表面分散或生长纳米管；
(2)用光刻加工的方法，在选定的纳米管区域的基片上加工微流道结构；并设置有3个独立的电解质溶液腔室，分别为第一腔室、第二腔室、第三腔室，所述纳米管贯通于三个腔室；
(3)用盖片对所述微流道结构封装后在纳米管中段侧壁形成纳米孔或者先成孔后封装，所述纳米管的左开口、纳米孔、右开口分别与第一腔室、第二腔室、第三腔室连通；
(4)将所述电流检测***的电极Ⅰ设置在第一或第三腔室内，将电极II设置在第二腔室内，形成用于检测待检测物的回路。
8.根据权利要求7所述基于纳米管的纳米孔检测***的制备方法，其特征在于，纳米管中段侧壁形成纳米孔方法如下：
方案A：对微流道结构进行封装后在纳米管中段侧壁形成纳米孔：
(1)用微纳加工方法对所述纳米管两端进行开端处理；
(2)用盖片对形成的微流道结构进行封装；
(3)在所述第一腔室、第二腔室和第三腔室中分别通入电解质溶液并使其充满微流道；
(4)在所述第一腔室和第三腔室中分别***电极I和电极II，施加电压使电解质溶液充满纳米管；
(5)在所述第一腔室和第二腔室中分别***电极I和电极II，施加电压对暴露在电解质溶液中的纳米管中段侧壁进行电击穿操作，形成纳米孔；
方案B：在纳米管中段侧壁形成纳米孔对微流道结构进行封装：
(1)用微纳加工方法对纳米管进行开端处理，并在纳米管中段侧壁加工形成纳米孔；
(2)用盖片对形成的微流道结构进行封装
(3)在所述第一腔室、第二腔室和第三腔室中通入电解质溶液并使其充满微流道；
(4)在所述第一腔室和第三腔室中分别***电极I和电极II，施加电压使电解质溶液充满纳米管。
9.根据权利要求8所述基于纳米管的纳米孔检测***的制备方法，其特征在于，所述微纳加工方法为聚焦离子束或透射电子显微镜加工方法。
10.权利要求1～6任一项所述基于纳米管的纳米孔检测***在检测DNA、RNA或多肽的应用。
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