CN110607220A - 一种精确修饰生物分子的阵列式结构及其修饰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精确修饰生物分子的阵列式结构及其修饰方法，该阵列式结构包括分离模板和固定于分离模板上的磁珠；所述分离模板一面设置有与半球形的凹槽，凹槽底部圆心设置有孔洞，磁珠设置于凹槽内；所述磁珠表面设置有隔离层；所述隔离层与孔洞重合的部分设置有纳米孔，使得纳米孔与孔洞相连通；生物分子通过纳米孔与磁珠连接。本发明提供的修饰方法，高效地实现了单个磁珠与生物分子的精确组装，对单分子检测具有重要的意义。本发明采用的阵列式结构可高效、精确地修饰生物分子。将列结构置于包含有所需修饰的生物分子溶液的液池中，利用阵列式结构特点高效、精确地在多个磁珠上同时进行生物分子的精确修饰，该方法操作简单，高效精确。

Description

一种精确修饰生物分子的阵列式结构及其修饰方法
技术领域
本发明涉及生物科学技术领域，更具体地，涉及一种精确修饰生物分子的阵列式结构及其修饰方法。
背景技术
DNA分子操纵的研究是分子生物学研究重要内容。然而受到DNA的热运动及纳米孔内复杂的流体运动的影响(Li J,Gershow M,Stein D,et al.DNA molecules andconfigurations in a solid-state nanopore microscope[J].Nature m aterials,2003,2(9):611.)，使得检测DNA过孔电流信号十分困难，因此，为了实现固态纳米孔测序的可能性，使用单分子操纵技术来拉伸单条DNA单链分子过孔就显得十分重要。
传统的单分子操纵技术包括利用微针、原子力显微术、光镊、磁镊等，但仍然存在着许多的不足，例如存在作用力小且不易测量、实验环境受限制、对生物样品有损害、空间分辨率等等。其中磁镊技术因其对样品的损害较小，因此成为了首选，传统的磁镊技术操纵DNA的装置是通过控制磁珠来间接达到控制磁珠上DNA链的目的。而要实现单条DNA单链分子过孔，意味着磁珠上只能偶联单个生物分子以吸附单条DNA分子，然而在实际操作中，单个磁珠上可能会偶联着大量的DNA，难以达到控制单条DNA单链通过纳米孔的目的。并且单个磁珠一一偶联生物分子，效率较低，操作较为复杂。因此如何在磁珠上精确修饰单个生物分子是对精确医疗检测领域提出的一大挑战。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种精确修饰生物分子的阵列式结构及其修饰方法，用于解决现有技术不可行的弊端，并且能有效降低制造工艺复杂程度问题。
本发明的第一个目的是提供一种精确修饰生物分子的阵列结构。
本发明的第二个目的是提供一种精确修饰生物分子的阵列结构的制备方法。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种精确修饰生物分子的阵列结构，包括分离模板和固定于分离模板上的磁珠；所述分离模板一面设置有半球形的凹槽，凹槽底部圆心设置有孔洞，磁珠设置于凹槽内；所述磁珠表面设置有隔离层；所述隔离层与孔洞重合的部分设置有纳米孔，使得纳米孔与孔洞相连通；生物分子通过纳米孔与磁珠连接。
进一步本发明要求保护一种用于精确修饰生物分子的阵列结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.分离模板一面设置有阵列分布的半球形的凹槽，对凹槽底部圆心处进行刻蚀，刻穿形成孔洞；
S2.在磁珠外表面上覆盖一层隔离层；
S3.将覆盖有隔离层的磁珠置于分离模板的凹槽中，并固定；
S4.通过分离模板的孔洞对磁珠上的隔离层进行蚀刻至刻穿，磁珠上的隔离层上形成纳米孔；
S5.上一步得到的结构置于待修饰的生物分子溶液中，进行生物分子的磁珠修饰，使得磁珠仅仅依次通过隔离层上的纳米孔和分离模板上的孔洞与待修饰的生物分子溶液接触，实现单个生物分子与磁珠的精确组装。
优选地，步骤S1中，所述凹槽阵列分布。
优选地，所述凹槽直径为1μm～10μm；磁珠直径为1μm～10μm。
优选地，所述凹槽直径为磁珠直径的1～1.5倍。
优选地，步骤S1中，利用微纳加工制造技术进行蚀刻。
更优选地，步骤S1中，所述微纳加工制造技术可以为激光、聚焦离子束、高能电子束及其他可加工纳米孔的加工制造方法中的任意一种。
优选地，，步骤S1中，孔洞的直径为1μm～5μm。
优选地，步骤S2中，隔离层为在待修饰的生物分子与磁珠进行偶联修饰的条件下不与待修饰的生物分子发生偶联反应的材料。
优选地，步骤S2中，隔离层为氧化铝、氧化钛、氮化硅，或其他在待修饰的生物分子与磁珠进行偶联修饰的条件下不与待修饰的生物分子发生偶联反应的材料。
优选地，步骤S2中，利用涂层工艺在磁珠外表面上覆盖一层隔离层。
优选地，步骤S2中，所述涂层工艺为：将磁珠浸入熔融隔离层，再将磁珠从熔融隔离层中取出，即可得到表面覆盖有隔离层磁珠。
优选地，步骤S3中，利用磁泳分离技术将覆盖有隔离层的磁珠置于分离模板的凹槽中
优选地，步骤S3中，用防水胶带将覆盖有隔离层的磁珠固定在分离模板上。
优选地，步骤S4中，刻蚀技术可以为聚焦离子束、高能电子束、激光，及其他可加工纳米孔的加工制造方法，若使用聚焦离子束，离子束离子源可以为：镓离子、氦离子、氖离子、氩离子。
优选地，步骤S4中，纳米孔的直径为5～100nm。
优选地，步骤S5中，所述待修饰的生物分子为链霉亲和素、地高辛等修饰分子。
最优选地，一种用于精确修饰生物分子的阵列结构的制备方法，包括以下步骤：
S1.分离模板一面设置有阵列均匀分布的半球形的凹槽，对凹槽底部圆心处利用微纳加工制造技术进行蚀刻刻蚀，刻穿形成孔洞，凹槽直径为1μm～10μm，孔洞的直径为1μm～5μm，所述微纳加工制造技术可以为激光、聚焦离子束、高能电子束及其他可加工纳米孔的加工制造方法中的任意一种；
S2.在磁珠外表面上覆盖一层隔离层，磁珠直径为1μm～10μm，凹槽直径为磁珠直径的1～1.5倍，隔离层为在待修饰的生物分子与磁珠进行偶联修饰的条件下不与待修饰的生物分子发生偶联反应的材料，利用涂层工艺在磁珠外表面上覆盖一层隔离层，所述涂层工艺为：将磁珠浸入熔融隔离层，再将磁珠从熔融隔离层中取出，即可得到表面覆盖有隔离层磁珠；
S3.利用磁泳分离技术将覆盖有隔离层的磁珠置于分离模板的凹槽中，并用防水胶带将覆盖有隔离层的磁珠固定在分离模板上；
S4.通过分离模板的孔洞对磁珠上的隔离层进行蚀刻至刻穿，磁珠上的隔离层上形成纳米孔，纳米孔的直径为5～100nm；
S5.上一步得到的结构置于待修饰的生物分子溶液中，进行生物分子的磁珠修饰，使得磁珠仅仅依次通过隔离层上的纳米孔和分离模板上的孔洞与待修饰的生物分子溶液接触，实现单个生物分子与磁珠的精确组装，待修饰的生物分子为链霉亲和素、地高辛等修饰分子。
其中，刻蚀技术可以为聚焦离子束、高能电子束、激光，及其他可加工纳米孔的加工制造方法，若使用聚焦离子束，离子束离子源可以为：镓离子、氦离子、氖离子、氩离子。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种新型的精确修饰生物分子的阵列式结构及其修饰方法，高效地实现了单个磁珠与生物分子的精确组装，对单分子检测具有重要的意义。可通过调整阵列式结构的纳米孔大小来控制偶联的生物分子数量，实现精确修饰。当偶联单个生物分子时，可实现DNA单链分子的过孔操作，应用于单分子检测。本发明采用的阵列式结构可高效、精确地修饰生物分子。将列结构置于包含有所需修饰的生物分子溶液的液池中，利用阵列式结构特点高效、精确地在多个磁珠上同时进行生物分子的精确修饰，该方法操作简单，高效精确。
附图说明
图1为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构及其修饰方法的工艺流程图。
图2为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构的制备方法所需的分离模板示意图。
图3为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构的制备方法所需的分离模板横截面示意图。
图4为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构的制备方法步骤S3中呈现的磁泳分离技术原理图。
图5为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构的制备方法步骤S3中呈现的结构示意图。
图6为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构的制备方法步骤S3中呈现的结构横截面示意图(固定前)。
图7为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构的制备方法步骤S3中呈现的结构横截面示意图(固定后)。
图8为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构的制备方法步骤S4中呈现的结构横截面示意图。
图9为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构的制备方法步骤S5中呈现的结构横截面示意图(修饰前)。
图10为实施例1精确修饰生物分子的阵列式结构的制备方法步骤S5中呈现的结构横截面示意图(修饰后)。
附图标记
1为分离模板，10为凹槽，11为孔洞，2为磁珠，3为链霉亲和素，4为液池，5为隔离层，50为纳米孔，6为防水胶带。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1 一种精确修饰生物分子的阵列结构
一、制备方法
如图1所示为实施例1的制备方法的流程图，包括以下步骤：
S1.分离模板1一面设置有均匀阵列分布的12个半球形的凹槽10(图2)，激光微纳加工制造对凹槽底部圆心处进行刻蚀，刻穿形成孔洞11(图3)，其中凹槽10直径为7μm，孔洞11的直径为2μm；
S2.利用涂层工艺在磁珠2外表面上覆盖一层隔离层5；其中磁珠2直径为5μm，凹槽10直径为磁珠2直径的1.4倍，隔离层5为氧化铝隔离层；所述涂层工艺为：将磁珠2浸入熔融隔离层，再将磁珠2从熔融隔离层中取出，即可得到表面覆盖有隔离层5的磁珠2；
S3.利用磁泳分离技术(图4)将覆盖有隔离层5的磁珠2置于分离模板1的凹槽10中(图5和6)，并用防水胶带6固定(图7)；
S4.通过分离模板1的孔洞11对磁珠2上的隔离层5进行蚀刻至刻穿，磁珠2上的隔离层5上形成纳米孔50(图8)，选择聚焦离子束进行纳米孔微纳加工，聚焦离子束离子源选择为镓离子，纳米孔直径为50nm；
S5.上一步得到的结构置于待修饰的链霉亲和素3溶液中(图9)，进行链霉亲和素3的磁珠修饰，使得磁珠2仅仅依次通过隔离层5上的纳米孔50和分离模板1上的孔洞11与待修饰的链霉亲和素3溶液接触，实现单个链霉亲和素3分子与磁珠2的精确组装(图10)。
二、一种用于精确修饰生物分子的阵列结构
一种精确修饰生物分子的阵列结构，包括分离模板1、固定于分离模板上的磁珠2和连接在磁珠上的链霉亲和素分子3；所述分离模板1一面设置有半球形的凹槽10(直径7μm)，凹槽底部圆心设置有孔洞11(直径2μm)，磁珠2设置于凹槽10内；所述磁珠2(直径5μm)表面设置有氧化铝隔离层5；所述隔离层5与孔洞11孔洞重合的部分设置有纳米孔50(直径50nm)，使得纳米孔50与孔洞11相连通；链霉亲和素3通用过纳米孔50与磁珠2连接，分离模板1和磁珠2用防水胶带固定。
实施例2 一种精确修饰生物分子的阵列结构
一、制备方法
如图1所示为实施例1的制备方法的流程图，包括以下步骤：
S1.分离模板1一面设置有均匀阵列分布的16个半球形的凹槽10，高能电子束微纳加工制造对凹槽底部圆心处进行刻蚀，刻穿形成孔洞11，其中凹槽10直径为10μm，孔洞11的直径为5μm；
S2.利用涂层工艺在磁珠2外表面上覆盖一层隔离层5；其中磁珠2直径为10μm，凹槽10直径为磁珠2直径的1倍，隔离层5为氧化钛隔离层；所述涂层工艺为：将磁珠2浸入熔融隔离层，再将磁珠2从熔融隔离层中取出，即可得到表面覆盖有隔离层5的磁珠2；
S3.利用磁泳分离技术将覆盖有隔离层5的磁珠2置于分离模板1的凹槽10中，并用防水胶带6固定；
S4.通过分离模板1的孔洞11对磁珠2上的隔离层5进行蚀刻至刻穿，磁珠2上的隔离层5上形成纳米孔50，选择高能电子束进行纳米孔微纳加工纳米孔直径为10nm；
S5.上一步得到的结构置于待修饰的地高辛溶液中，进行地高辛3的磁珠修饰，使得磁珠2仅仅依次通过隔离层5上的纳米孔50和分离模板1上的孔洞11与待修饰的地高辛溶液接触，实现单个地高辛分子与磁珠2的精确组装。
二、一种用于精确修饰生物分子的阵列结构
一种精确修饰生物分子的阵列结构，包括分离模板1、固定于分离模板上的磁珠2和连接在磁珠上的链霉亲和素分子3；所述分离模板1一面设置有12个半球形的凹槽10(直径10μm)，凹槽底部圆心设置有孔洞11(直径5μm)，磁珠2设置于凹槽10内；所述磁珠2(直径10μm)表面设置有氧化钛隔离层5；所述隔离层5与孔洞11孔洞重合的部分设置有纳米孔50(直径10nm)，使得纳米孔50与孔洞11相连通；链霉亲和素3通用过纳米孔50与磁珠2连接，分离模板1和磁珠2用防水胶带固定。
实施例3 一种精确修饰生物分子的阵列结构
一、制备方法
如图1所示为实施例1的制备方法的流程图，包括以下步骤：
S1.分离模板1一面设置有均匀阵列分布的8个半球形的凹槽10(图2)，激光微纳加工制造对凹槽底部圆心处进行刻蚀，刻穿形成孔洞11(图3)，其中凹槽10直径为7μm，孔洞11的直径为2μm；
S2.利用涂层工艺在磁珠2外表面上覆盖一层隔离层5；其中磁珠2直径为5μm，凹槽10直径为磁珠2直径的1.4倍，隔离层5为氧化铝隔离层；所述涂层工艺为：将磁珠2浸入熔融隔离层，再将磁珠2从熔融隔离层中取出，即可得到表面覆盖有隔离层5的磁珠2；
S3.利用磁泳分离技术(图4)将覆盖有隔离层5的磁珠2置于分离模板1的凹槽10中(图5和6)，并用防水胶带6固定(图7)；
S4.通过分离模板1的孔洞11对磁珠2上的隔离层5进行蚀刻至刻穿，磁珠2上的隔离层5上形成纳米孔50(图8)，选择聚焦离子束进行纳米孔微纳加工，聚焦离子束离子源选择为镓离子，纳米孔直径为50nm；
S5.上一步得到的结构置于待修饰的链霉亲和素3溶液中(图9)，进行链霉亲和素3的磁珠修饰，使得磁珠2仅仅依次通过隔离层5上的纳米孔50和分离模板1上的孔洞11与待修饰的链霉亲和素3溶液接触，实现单个链霉亲和素3分子与磁珠2的精确组装(图10)。
二、一种用于精确修饰生物分子的阵列结构
一种精确修饰生物分子的阵列结构，包括分离模板1、固定于分离模板上的磁珠2和连接在磁珠上的链霉亲和素分子3；所述分离模板1一面设置有12个半球形的凹槽10(直径1.5μm)，凹槽底部圆心设置有孔洞11(直径1μm)，磁珠2设置于凹槽10内；所述磁珠2(直径1μm)表面设置有氮化硅隔离层5；所述隔离层5与孔洞11孔洞重合的部分设置有纳米孔50(直径100nm)，使得纳米孔50与孔洞11相连通；链霉亲和素3通用过纳米孔50与磁珠2连接，分离模板1和磁珠2用防水胶带固定。
综上所述，本发明提出的一种精确修饰生物分子的阵列式结构及其修饰方法，高效地实现了单个磁珠与生物分子的精确组装，对单分子检测具有重要的意义。本发明中，可通过调整阵列式结构的纳米孔大小来控制偶联的生物分子数量，实现精确修饰。当偶联单条生物分子时，可实现DNA单链分子的过孔操作，可应用于单分子检测。另外，阵列式结构可高效、精确地修饰生物分子。在本发明中，将阵列式结构放置于包含有所需修饰的生物分子电解质溶液的液池上，利用阵列式结构特点可高效、精确地在多个磁珠上同时进行生物分子的精确修饰，该方法操作简单，高效精确。

Claims (7)

1.一种用于精确修饰生物分子的阵列结构，其特征在于，包括分离模板和固定于分离模板上的磁珠；所述分离模板一面设置有半球形的凹槽，凹槽底部圆心设置有孔洞，磁珠设置于凹槽内；所述磁珠表面设置有隔离层；所述隔离层与孔洞重合的部分设置有纳米孔，使得纳米孔与孔洞相连通；生物分子通过纳米孔与磁珠连接。
2.一种用于精确修饰生物分子的阵列结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.分离模板一面设置有阵列分布的半球形的凹槽，对凹槽底部圆心处进行刻蚀，刻穿形成孔洞；
S2.在磁珠外表面上覆盖一层隔离层；
S3.将覆盖有隔离层的磁珠置于分离模板的凹槽中，并固定；
S4.通过分离模板的孔洞对磁珠上的隔离层进行蚀刻至刻穿，磁珠上的隔离层上形成纳米孔；
S5.上一步得到的结构置于待修饰的生物分子溶液中，进行生物分子的磁珠修饰。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述凹槽直径为1μm～10μm；磁珠直径为1μm～10μm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述凹槽直径为磁珠直径的1～1.5倍。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，孔洞的直径为1μm～5μm。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，隔离层为在待修饰的生物分子与磁珠进行偶联修饰的条件下不与待修饰的生物分子发生偶联反应的材料。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，纳米孔的直径为5～100nm。
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