CN112746006B - 控制生物分子在纳米孔中运动的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制生物分子在纳米孔中运动的装置，其包括：用于容纳离子液的纳米孔管，其侧壁上设置有纳米孔；用于容纳包含生物分子的离子液的离子液腔体，其中，所述纳米孔管的有所述纳米孔的部分设置在所述离子液腔体的离子液内；电源，用于给所述纳米孔管的内部和外部之间施加电场；以及马达，用于控制所述纳米孔管的旋转。本发明的装置能够有效地控制生物分子在纳米孔中的运动。

Description

控制生物分子在纳米孔中运动的装置和方法
技术领域
本发明属于生物分子探测领域，尤其涉及一种控制生物分子在纳米孔中运动的装置和方法。
背景技术
纳米孔是指在二维薄膜上直径在纳米量级的小孔，主要分为生物纳米孔和固态纳米孔。利用纳米孔构造的器件可应用于单个生物大分子或纳米颗粒的探测，其中最重要的一个应用为DNA分子序列的测定。在纳米孔DNA测序应用中，核酸分子在电场力的驱动下穿过纳米孔。由于DNA分子链上四种碱基在结构上都有所区别，每个碱基对纳米孔中离子电流的阻塞效应各不相同，从而形成各自独特的电流特征。通过记录这种电流特征，就可以获得DNA分子的碱基序列。这种测序方法在速度、成本、及结构紧凑性等方面具有显著的优势，因而被广泛关注。目前，基于生物纳米孔的测序器件已经面世。为了获得性能更加可靠、准确率更高的纳米孔测序器件，固态纳米孔一直被人们寄予厚望。随着半导体微加工工艺的发展，目前已经可以在各种薄膜材料上制造出尺寸可控的固态纳米孔。固态纳米孔在膜厚及孔径控制方面已经没有技术障碍，最亟待突破的技术关键在于DNA分子在纳米孔中运动速度的控制。纳米孔中离子电流的幅度在皮安至纳安量级，这种微弱的信号由电流放大器探测，而电流放大器的带宽在kHz量级，因此，只有毫秒时间尺度上的信号变化才能被有效地探测到。而目前情况下，单个DNA碱基在固态纳米孔中的驻留时间小于1微秒，远小于单碱基有效测量所需时间，从而无法从电流信号中分析获得碱基序列。已见报导的固态纳米孔DNA减速方案包括逆向液压控制及减小驱动电压等方案，这些方案虽然能在一定程度上对DNA施加一个作用力，减小DNA穿孔速度，但是DNA受到的合力依然无法使得它的穿孔速度降在毫秒量级，从而实现单碱基分辨。因此，设计一种能有效控制DNA分子在纳米孔中运动的装置和方法具有潜在的重大应用价值。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种控制生物分子在纳米孔中运动的装置，其包括：
用于容纳离子液的纳米孔管，其侧壁上设置有纳米孔；
用于容纳包含生物分子的离子液的离子液腔体，其中，所述纳米孔管的有所述纳米孔的部分设置在所述离子液腔体的离子液内；
电源，用于给所述纳米孔管的内部和外部之间施加电场；以及
马达，用于控制所述纳米孔管的旋转。
根据本发明的控制生物分子在纳米孔中运动的装置，优选地，还包括连接至所述电源的负极的第一电极和连接至所述电源的正极的第二电极，所述第一电极位于所述离子液腔体的离子液内，所述第二电极位于所述纳米孔管的离子液内。
根据本发明的控制生物分子在纳米孔中运动的装置，优选地，所述电源为前置电流放大器，用于施加电场并且测量电流回路中的电流信号。
根据本发明的控制生物分子在纳米孔中运动的装置，优选地，所述纳米孔管为石英玻璃管。
根据本发明的控制生物分子在纳米孔中运动的装置，优选地，所述第一电极和所述第二电极为外表面被氯化的银电极。
根据本发明的控制生物分子在纳米孔中运动的装置，优选地，还包括电流检测部件，用于测量电流的变化。
另一方面，本发明还提供了一种采用本发明的装置控制生物分子在纳米孔中运动的方法，包括如下步骤：
开启电源，给纳米孔管的内部和外部之间施加电场；以及
开启马达，使所述纳米孔管绕其中心轴旋转。
根据本发明的控制生物分子在纳米孔中运动的方法，优选地，还包括调节马达以控制纳米孔管的转速的步骤。
根据本发明的控制生物分子在纳米孔中运动的方法，优选地，还包括调节电源以控制所述电场的步骤。
根据本发明的控制生物分子在纳米孔中运动的方法，优选地，还包括检测电流变化的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：利用流体剪切力可以使生物分子，特别是DNA分子拉伸并且缠绕在纳米孔管上；生物分子除了受到电场力以外，会受到反向的离心力和摩擦力，有效地减缓生物分子的穿孔速度，通过控制纳米孔管的旋转速度，能够有效地控制生物分子的穿孔速度。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的用于控制DNA分子在固态纳米孔中运动的装置的结构示意图
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对固态纳米孔测序技术中存在的DNA运动控制的问题，本发明人设计了一种利用离心力和摩擦力控制DNA分子在固态纳米孔中运动的装置，其通过对DNA分子施加一个与驱动电场产生的电场力方向相反的摩擦力和离心力，使得DNA分子所受合力减小以达到DNA分子穿孔减速的目的。利用本装置能够有效减慢DNA分子的穿孔速度，提高信号采集质量，有望获得更加丰富的DNA碱基序列相关信息。
参见图1所示的根据本发明实施例的用于控制DNA分子在固态纳米孔中运动的装置的结构示意图。该装置包括马达1、第一电极21和第二电极22、纳米孔管3、离子液腔体4和电源5。马达1用于带动纳米孔管3旋转，并且控制纳米孔管3的转速；纳米孔管3为侧壁上设置有纳米孔的空心管，其外直径2-10mm，壁厚0.5mm左右，纳米孔管3的一端密封、另一端开口，可注入离子液并连接电极，纳米孔管3优选地由玻璃管制备，图1中所示的纳米孔管3下端的锥形部是玻璃管制备工艺造成的，并非特别要求。离子液腔体4可以为任意形状的容器，其内容纳有保持DNA分子活性的离子液。第一电极21连接至电源5的负极并置于离子液腔体4的离子液内，第二电极22连接至电源5的正极并且置于纳米孔管3的离子液内。在该实施例中，电源5优选为前置电流放大器。在本发明中，离子液腔体4的离子液内存在DNA分子，该DNA分子通过纳米孔管3侧壁上的纳米孔进入纳米孔管，本发明的目的就是控制DNA分子通过纳米孔的速度。
基于上述装置，本发明的控制DNA分子在纳米孔中运动的方法如下：
1.开启马达1，令纳米孔管3绕其中心轴旋转，并调整转速为合适值，在该实施例中转速优选为0～5000rpm。此时，由于离子液腔体4内的剪切流体的作用，靠近纳米孔管3的链状DNA分子从团聚的状态慢慢向纳米孔管3贴靠、拉伸，最后绕在纳米孔管3的管壁上。
2.开启电源5以给离子液环境施加外电场，离子液腔体4的离子液中的带电粒子(包括带电离子和DNA分子)受电场力而运动。纳米孔管3将离子液环境分隔为管内和管外，管壁上的纳米孔是连接两侧溶液环境的唯一通道，离子液中的离子可以在电场力的作用下通过纳米孔。由于DNA分子带负电，在外加电场力的作用下，DNA分子将开始运动并从离子液腔体穿过纳米孔到达纳米孔管内(即DNA穿孔事件)。DNA分子穿孔时阻碍带电离子通过纳米孔，这种离子的阻塞效应使得纳米孔电导率产生相应变化。利用前置电流放大器施加电场并测量电流信号的变化可监测出DNA穿孔事件。通过穿孔事件时长可计算出DNA分子的运动速度，相同长度的DNA分子穿孔时间越长则运动速度越慢。
由于部分DNA分子链被“束缚”在纳米孔管3的外壁上，提高了DNA分子的捕获率。DNA分子链在受电场力的同时，还受到纳米孔管3的管壁所施加的摩擦力和旋转运动产生的离心力阻碍其穿孔，因此DNA分子链所受穿孔驱动力变小，根据实验条件适当调整转速和电场大小，优选地，电场：0～10V，马达转速：0～5000rpm，能够有效控制摩擦力、离心力和电场力的大小，从而达到预期的控制DNA分子运动的效果。对于离子液中的带电离子，由于其尺寸远小于DNA分子的尺寸，所以在纳米孔管3旋转过程中所受到的摩擦力和离心力可以忽略。
在本实施例中，第一电极和第二电极的材料为导电材料，优选为Ag/AgCl电极(外表面被氯化的银电极)。
根据本发明的其他实施例，纳米孔管的材料为绝缘材料，优选为石英玻璃。
根据本发明的其他实施例，可以设置单独的电流检测部件，例如电流表，来测量电流信号的变化。
根据本发明的其他实施例，可以设置单独的外加电源部件。
本领域技术人员能够理解，上述实施例所提供的装置和方法并不限于控制DNA分子的运动，其同样适用于其他生物分子的运动的控制，例如RNA分子和蛋白质分子。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (9)

1.一种控制生物分子在纳米孔中运动的装置，其包括：
用于容纳离子液的纳米孔管，所述纳米孔管为侧壁上设置有纳米孔的空心管，其一端密封、另一端开口，能够注入离子液并连接电极，所述纳米孔管的材料为绝缘材料；
用于容纳包含生物分子的离子液的离子液腔体，其中，所述纳米孔管的有所述纳米孔的部分设置在所述离子液腔体的离子液内；
电源，用于给所述纳米孔管的内部和外部之间施加电场；
马达，用于控制所述纳米孔管绕其中心轴的旋转；以及
连接至所述电源的负极的第一电极和连接至所述电源的正极的第二电极，所述第一电极位于所述离子液腔体的离子液内，所述第二电极位于所述纳米孔管的离子液内。
2.根据权利要求1所述的控制生物分子在纳米孔中运动的装置，其中，所述电源为前置电流放大器，用于施加电场并且测量电流回路中的电流信号。
3.根据权利要求1所述的控制生物分子在纳米孔中运动的装置，其中，所述纳米孔管为石英玻璃管。
4.根据权利要求1所述的控制生物分子在纳米孔中运动的装置，其中，所述第一电极和所述第二电极为外表面被氯化的银电极。
5.根据权利要求1所述的控制生物分子在纳米孔中运动的装置，其中，还包括电流检测部件，用于测量电流的变化。
6.一种采用权利要求1所述的装置控制生物分子在纳米孔中运动的方法，包括如下步骤：
开启电源，给纳米孔管的内部和外部之间施加电场；以及
开启马达，使所述纳米孔管绕其中心轴旋转。
7.根据权利要求6所述的控制生物分子在纳米孔中运动的方法，还包括调节马达以控制纳米孔管的转速的步骤。
8.根据权利要求6所述的控制生物分子在纳米孔中运动的方法，还包括调节电源以控制所述电场的步骤。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的控制生物分子在纳米孔中运动的方法，还包括检测电流变化的步骤。
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