[發明專利]一種基于二維層狀材料的納米孔傳感器件及其構建方法

在審

• 申請號: 201610113697.2
• 申請日: 2016-02-29
• 公開（公告）號: CN105779279A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 陸祖宏;劉全俊;陳云飛;巴龍;謝驍;汪榮亮
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C12M1/34
• 分類號: C12M1/34
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 鄭立發

技術領域

本發明涉及一種基于二維層狀材料的納米孔傳感器件及其構建方法，屬于納米傳感 器件技術領域。

背景技術

納米孔用于生物分子的檢測就是通過電泳，驅動一個生物分子穿過一個直徑為幾納 米數量級的小孔。1996年，Kasianowicz及其同事首次報道了單鏈DNA或RNA在電場 作用下通過自組裝在脂質雙分子層上的α-溶血素納米孔，并且在DNA分子通過孔時改 變納米孔的電導，引起電流變化，從而產生了阻塞電流(blockadecurrent)的現象。由 于不同的堿基具有不同的原子組成，所以他們在穿過納米孔時會產生的阻塞電流大小不 同，根據可檢測到的信號可以區分出四種不同的堿基A、T、C、G，從而獲得了DNA 或者RNA分子的序列信息，可以實現直接、快速的檢測單鏈DNA或RNA分子堿基的 方法[BrantonD,etal.,NatureBiotechnol.2008,26,1146-1153；DeamerDW,BrantonD. AccChemRes.2002,35,817-825]。這種檢測的方法較前兩代檢測方法具有更快的檢測速 度，更低的檢測成本，是一種極具吸引力的新研究方向，也是達到低成本測序目標的新 技術之一，此方法一經報道立刻引起了界內的廣泛注視，大量的研究者也投入到此項技 術發展的研究中來。

由于生物納米孔需要組裝在脂質雙分子層膜上才能使用，脂質雙分子層膜的化學穩 定性很差，不易保存等缺點使得研究人員考慮到用其他材料代替生物的納米孔以克服其 存在的固有缺點。于是在2001年Li.et.al等人[LiJ,etal.Nature,2001,412,166-169]率先 利用自行改裝的帶離子束反饋監測控制系統的聚焦離子束工作站，實現了Si₃N₄薄膜上 1.8nm的納米孔可靠制備。這個工作的完成，開啟固態納米孔(solid-statenanopore)研 究的先河。固態納米孔相對于生物納米孔來說具有更易保存，化學穩定性好，孔徑尺寸 以及通道長度可控等優勢，因此成為近幾年納米孔研究中的熱點。

對固態納米孔的表面進行化學修飾有助于改善納米孔的理化特性。通過改變納米孔 大小、表面電荷和極性(實現了疏水性和親水性分子的選擇性運輸)，使功能性固態納 米孔陣列可以選擇性地運輸物質。[Jirage,K.B.etal.Science1997,278,(5338),655-658. Chun,K.Y.etal.Langmuir.2002,18,(12),4653-4658.Jirage,K.B.etal.Analytical chemistry1999,71,(21),4913-4918.Fanzio,P.etal.Biosensors&bioelectronics2015,64, 219-26.]Iqbal等[Iqbal,S.M.etal.Naturenanotechnology2007,2,(4),243-8.]在一個小于 20nm的固態納米通道上修飾HPL-DNA(發夾形DNA)，實現了一種選擇性固態納米 孔，實現DNA測序，以及進行其他非標記生物分子的檢測，如蛋白質或者在低濃度下 的生物小分子等。

納米孔測序的原理是通過將DNA分子電泳通過一個薄而小的納米孔內，由于不同 堿基理化性質的差異，其對孔的電流阻塞效應不同，通過對阻塞電流的分辨可以得知 DNA分子內堿基的序列信息。因此，基于納米孔的測序方法具有相當大的優勢，包括 (1)非標記，(2)不需要擴增，(3)高通量，(4)成本低廉，(5)樣本需求量小，(6) 讀長長。然而，要對DNA序列進行實時地單堿基分辨還存在一些挑戰，其主要有兩個 限制因素；其一是DNA通過納米孔的速度非常快(～1μs/bp)，在這個條件下，由單個 堿基引起的離子電流的變化難以被捕捉到，因此單一的用自由的DNA通過納米孔而實 現其序列的區分是不可能的。其二，目前所用的納米孔的厚度相較于堿基之間的距離都 很大，這使得在同一時間有超過10個以上的堿基占據了孔，所得到離子電流的阻塞是 有這些孔內的堿基一起產生的，因此僅靠這些信息還不足以推測出DNA序列信息。

雖然固態納米孔有蛋白孔所不具備的優點，如大小可控、穩定性好,但相對于蛋白 孔,這些納米孔都不太適合在原子級別上檢測DNA穿孔時特異堿基的信號，因為它們 厚度普遍太大，遠遠超過單鏈DNA中相鄰堿基之間的間距(約0.7nm)。