CN113671167A - 生物电子器件及其制备方法和可控转化方法 - Google Patents

生物电子器件及其制备方法和可控转化方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种生物电子器件，包括：基片；第一电极，第一电极位于基片上；第二电极，第二电极位于基片上，并且与第一电极间隔设置；以及自组装核酸超结构，自组装核酸超结构位于第一电极和第二电极之间，其中自组装核酸超结构由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑，并且通过施加至第一电极和第二电极之间的电场的调控，来实现双链核酸与单链核酸在特定数量、特定序列和特定取向上的可控转化。本公开还提供了一种生物电子器件的制备方法及可控转化方法。

Description

生物电子器件及其制备方法和可控转化方法
技术领域
本公开涉及生物电子领域，具体涉及一种生物电子器件及其制备方法和可控转化方法。
背景技术
在现有技术中，单链核酸与双链核酸的可控转化可以通过光照、化学试剂等手段进行调控。例如，在一个固态表面，通过引入光裂解核苷酸，可以选择性地切断特定核酸链，实现双链核酸向单链核酸的转化。类似地，也可以通过超分辨显微的方法，对特定位置处的单链核酸进行修饰，可以实现定量、定序列、定取向地可控转化。
但是在电控开关领域，尚难于实现单链核酸与双链核酸的定量、定序列、且定空间取向的可控转化。虽然现有技术实现了在碳纳米管、硅纳米线、二维材料表面进行单链核酸的修饰。但在这些技术中，受限于修饰化学反应本身的随机分布特性，单链核酸会不可控地分布于电子材料表面，因此无法控制单链核酸的数量与相对空间位置。
发明内容
为了解决上述技术问题的至少之一，本公开提供了生物电子器件、生物电子器件的制备方法和可控转化方法。
根据本公开的一个方面，一种生物电子器件，包括：
基片；
第一电极，所述第一电极位于所述基片上；
第二电极，所述第二电极位于所述基片上，并且与所述第一电极间隔设置；以及
自组装核酸超结构，所述自组装核酸超结构位于所述第一电极和所述第二电极之间，
其中所述自组装核酸超结构由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑，并且通过施加至所述第一电极和所述第二电极之间的电场的调控，来实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一电极和所述第二电极被施加不同的电压，实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
根据本公开的另一方面，一种生物电子器件的制备方法，包括：
合成由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑的自组装核酸超结构；
将由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑的自组装核酸超结构沉积于基片；以及
在沉积后的自组装核酸超结构的表面的预定位置加工第一电极和第二电极，其中所述自组装核酸超结构位于所述第一电极和第二电极之间，
其中通过所述第一电极和第二电极之间被施加的电场的调控，来实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一电极和所述第二电极能够被施加不同的电压，实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
根据本公开的至少一个实施方式，在沉积后的自组装核酸超结构的表面预定位置加工第一电极和第二电极时，包括：
将光刻胶层涂布于所述自组装核酸超结构的表面；
写入第一电极和第二电极图案；
通过显影液使得所述第一电极和第二电极的图案显影；以及
沉积金属膜之后通过剥离液将所述光刻胶层剥离。
根据本公开的至少一个实施方式，将由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑的自组装核酸超结构沉积于基片时，包括：
将自组装核酸超结构沉积于所述基片的表面后，孵育预定时间；
将剩余溶液移除后，进行脱盐处理以从所述基片移除残余无机盐；以及
干燥处理后，进行成像处理，在所述基片上对自组装核酸超结构进行成像。
根据本公开的又一方面，一种通过如上所述的生物电子器件或者通过如上所述的方法所制备的生物电子器件进行双链核酸与单链核酸可控转化的方法，通过所述第一电极和所述第二电极进行电场调控，实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
根据本公开的又一方面，一种蛋白结合的选择控制系统，包括：如上所述的生物电子器件或者通过如上所述的方法制备的生物电子器件，
其中，单链核酸被设计为具有特异性适配体或包含蛋白结合位点，当所述生物电子器件的第一电极和第二电极施加电场时，适配体序列或蛋白结合序列被可控地暴露，从而可控地捕获蛋白。
根据本公开的又一方面，一种纳米材料结合的选择控制系统，包括：如上所述的生物电子器件或者通过如上所述的方法所制备的生物电子器件，
其中，通过单链核酸手柄修饰纳米材料的表面，而将单链核酸反手柄引入生物电子器件中，当生物电子器件的第一电极和第二电极施加电场时，单链核酸反手柄被可控地暴露，被单链核酸手柄修饰的纳米材料可控地结合到生物电子器件上。
根据本公开的又一方面，一种合成电路，包括：如上所述的生物电子器件或者通过如上所述的方法所制备的生物电子器件，
其中，将与不同疾病标志物结合的核酸序列设置至所述生物电子器件，当所述生物电子器件的第一电极和第二电极施加电场时，选择性地转变结合序列，转变后的结合序列与所述合成电路中的疾病标志物结合，生成生物分子输出信号来触发所述合成电路，从而得到疾病的诊断结果。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1示出了根据本公开一个实施方式的生物电子器件的示意图。
图2示出了根据本公开一个实施方式的生物电子器件制备方法流程图。
图3示出了根据本公开一个实施方式的自组装核酸超结构沉积方法流程图。
图4示出了根据本公开一个实施方式的电极加工方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
以下描述提供特定细节(例如材料类型、材料厚度及处理条件)以提供对本发明的实施例的全面描述。然而，所属领域技术人员应了解可在不采用此类特定细节的情况下实践本发明的实施例。实际上，可结合所述行业中所采用的常规制造技术实践本发明的实施例。
根据本公开的一个实施方式，提供了一种生物电子器件。
如图1所示，该生物电子器件100可以包括基片110、第一电极120、第二电极130和自组装核酸超结构140。
基片110的基材可包括(但不限于)硅、二氧化硅、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓、硅与锗的合金或磷化铟。在一些情况下，基材可包括氮化硅、碳和/或聚合物。
基片110的基材可为无机物(例如不包含碳)或有机物(例如含有碳)。在一些情形中，基材可包含石墨烯和/或石墨。
在一些实施方案中，基片110的基材是本文所提供的任两种或更多种的杂合物(例如，包含混合物)(例如，无机材料和有机材料的杂合物、或两种或更多种不同无机材料或有机材料的杂合物)。例如，基材可包含无机和有机材料的混合物、两种或更多种不同无机材料的混合物或两种或更多种不同有机材料的混合物。
在一些实施方案中，基片110的基材包括半导体材料或半导体材料的混合物。半导体材料包括(但不限于)IV族元素半导体、IV族化合物半导体、VI族元素半导体、III-V族半导体、II-VI族半导体、I-VII族半导体、IV-VI族半导体、IV-VI族半导体、V-VI族半导体、II-V族半导体、氧化物、层状半导体、磁性半导体、有机半导体、电荷转移复合物及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括IV族半导体材料。根据本公开内容使用的IV族半导体材料的实例包括(但不限于)金刚石、硅、锗、灰锡、碳化硅及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括VI族半导体材料。根据本公开内容使用的VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硫、灰硒、碲及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括III-V族半导体材料。根据本公开内容使用的III-V族半导体材料的实例包括(但不限于)立方氮化硼、六方氮化硼、磷化硼、砷化硼、砷化硼、氮化铝、磷化铝、砷化铝、锑化铝、氮化镓、磷化镓、砷化镓、锑化镓、氮化铟、磷化铟、砷化铟、锑化铟及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括II-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的II-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硒化镉、硫化镉、碲化镉、氧化锌、硒化锌、硫化锌、碲化锌、氯化亚铜、硫化铜、硒化铅、硫化铅(ii)碲化铅、硫化锡、硫化锡、碲化锡、碲化铅锡、碲化铊锡、碲化铊锗、碲化铋及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括I-VII族半导体材料。根据本公开内容使用的I-VII族半导体材料的实例包括(但不限于)氯化亚铜、硫化铜以及氯化亚铜与硫化铜的组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括IV-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的IV-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硒化铅、硫化铅、碲化铅、硫化锡、硫化锡、碲化锡、碲化铅锡、碲化铊锡、碲化铊锗及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括V-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的IV-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)碲化铋。
在一些实施方案中，基片110的基材包括II-V族半导体材料。根据本公开内容使用的II-V族半导体材料的实例包括(但不限于)磷化镉、砷化镉、锑化镉、磷化锌、砷化锌、锑化锌及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括氧化物。根据本公开内容使用的氧化物实例包括(但不限于)锐钛矿型二氧化钛、金红石型二氧化钛、板钛矿型二氧化钛、氧化铜、二氧化铀、三氧化铀、三氧化铋、二氧化锡、钛酸钡、钛酸缌、铌酸锂、氧化镧铜及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括层状半导体。根据本公开内容使用的层状半导体的实例包括(但不限于)碘化铅、二硫化钼、硒化镓、硫化锡、硫化铋及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括磁性半导体。根据本公开内容使用的磁性半导体的实例包括(但不限于)砷化镓锰、砷化铟锰、碲化镉锰、碲化铅猛、锰酸镧钙、氧化铁、氧化镍、氧化铕、硫化铕、溴化铬及其组合。
可根据本公开内容使用的半导体材料的其它实例包括(但不限于)硒化铜铟、硫化银镓、磷化锌硅、硫化砷、硅化铂、碘化秘、碘化汞、溴化铊、硫化银、二硫化铁、硫化铜锌锡、硫化铜锌锑及其组合。
在一些实施方案中，基片110的基材包括硫属化物。硫属化物是包括至少一个硫属元素阴离子和至少一种更具正电性元素的化学化合物。在一些实施方案中，硫属化物是硫化物、硒化物或碲化物。
在一些实施方案中，基片110的基材包括膜，例如光阻剂膜、化学蒸气沉积膜、半导体膜、石墨烯和/或其它单层原子膜。在一些实施方案中，基材包括物理蒸气沉积膜、原子层沉积膜和/或离子植入膜。
在一些实施方案中，基片110的基材是经抛光的硅晶片，例如经等离子体处理、或热食人鱼溶液(piranha solution)处理的硅晶片。
自组装核酸超结构130可以位于基片110之上，并且位于第一电极120和第二电极130之间。其中，自组装核酸超结构140可以沉积至基片110上。
第一电极120可以位于基片110上，并且可以沉积至自组装核酸超结构140表面的方式设置在基片110上。
第二电极130可以位于基片110上，并且可以沉积至自组装核酸超结构140表面的方式设置在基片110上。
其中自组装核酸超结构140由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑，并且通过施加至第一电极120和所述第二电极130之间的电场的调控，来实现双链核酸与单链核酸在特定数量、特定序列和特定取向上的可控转化。其中特定数量是指预定数量的单链核酸和双链核酸，特定取向是指在某个或某些方向上的可控转化。
在一个可选实施例中，通过第一电极120和第二电极130施加不同的电压，从而实现双链核酸与单链核酸在特定数量、特定序列和特定取向上的可控转化。其中第一电极和第二电极可以分别是源极和漏极。
例如，在本公开的设计中，可以不使用核酸分子本身的导电性，基于核酸超结构内部的离子定向移动所形成的电流。可以通过改变第一电极120和第二电极130所施加的电压，这样核酸超结构在外加电场的作用下，其内部的离子定向移动，从而降低了核酸超结构内部的局部离子浓度，这样可以使得双链核酸进行解离，从而实现双链核酸与单链核酸的可控转化。也可以利用生物分子，如DNA/RNA/LNA/蛋白质等，在不同电场、离子移动条件下的构象转变(比如DNAaptamer switch的的开关状态变化)。
本公开内容的核酸可以包括DNA、LNA、PNA和RNA。
设计自组装核酸超结构的基本原则在于编码核酸链中的序列互补性，以使得通过使互补片段配对，核酸链在适当物理条件下自组织成预定义的核酸超结构。
在一些实施方案中，核酸超结构是自单链核酸、双链核酸或单链和双链核酸的组合组装的。
在一些实施方案中，核酸超结构是自多个不同核酸(例如单链核酸)组装的。例如，核酸超结构可自至少10、至少20、至少30、至少40、至少50、至少60、至少70、至少80、至少90或至少100个核酸组装。在一些实施方案中，核酸超结构是自至少100、至少200、至少300、至少400、至少500个或以上核酸组装的。术语“核酸”涵盖“寡核苷酸”，其是长度为10个核苷酸至100个核苷酸的短单链核酸(例如，DNA)。在一些实施方案中，寡核苷酸的长度为10至20个核苷酸、10至30个核苷酸、10至40个核苷酸、10至50个核苷酸、10至60个核苷酸、10至70个核苷酸、10至80个核苷酸或10至90个核苷酸。在一些实施方案中，寡核苷酸的长度为20至50、20至75或20至100个核苷酸。在一些实施方案中，寡核苷酸的长度为30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50个核苷酸。如果是DNA折纸结构，最长的核苷酸链可以有8000个核苷酸。
第一电极120和第二电极130的材料为可用于沉积的金属材料，例如钛、金、钯等金属材料。此外，第一电极120和第二电极130可以为沉积的金属膜或堆叠金属膜(由两层或两层以上的金属膜构成)。
根据本公开的另一实施方式，本公开还提供了一种生物电子器件的制备方法。
如图2所示，该制备方法可以包括步骤S10：合成自组装核酸超结构；步骤S20：自组装核酸超结构沉积于基片；步骤S30：在沉积后的自组装核酸超结构表面加工第一电极和第二电极。
其中可以通过第一电极和第二电极之间被施加的电场的调控，来实现双链核酸与单链核酸在特定数量、特定序列和特定取向上的可控转化。
在步骤S10中，设计合成由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑的自组装核酸超结构。其中，该合成可以在水相体系中进行。
本公开内容的核酸包括DNA，例如D型DNA和L型DNA、和/或RNA。
在一些实施方案中，核酸是在单一容器(例如但不限于管、孔或小瓶)中组合。所用的核酸摩尔量可取决于期望的核酸超结构中每一个核酸的频率和期望的超结构的量。
在一些实施方案中，DNA砖瓦结构(DNA Brick)被置于溶液中。溶液可以经缓冲剂缓冲。溶液可进一步包含金属阳离子，例如Li、Mg、Na、K、Cs、Ca、Fe、Ni等。溶液还可包含EDTA或其它核酸酶抑制剂以防止核酸降解。然后进行孵育。其中合成的核酸超结构不需要进行净化可以被直接使用。除了上面描述的DNA砖瓦结构之外，也可以采用其他核酸体系，比如DNA折纸或者RNA结构等。
其中，可以在阶梯温度反应的条件下来进行上述孵育。可以在100℃～20℃的温度范围中至少选择两个温度，并且在分别在该至少两个温度下维持预定时间，来进行孵育。
设计自组装核酸超结构的基本原则在于编码核酸链中的序列互补性，以使得通过使互补片段配对，核酸链在适当物理条件下自组织成预定义的核酸超结构。
在一些实施方案中，核酸超结构是自单链核酸、双链核酸或单链和双链核酸的组合组装的。
在一些实施方案中，核酸超结构是自多个不同核酸(例如单链核酸)组装的。例如，核酸超结构可自至少4、至少10、至少20、至少30、至少40、至少50、至少60、至少70、至少80、至少90或至少100个核酸组装。在一些实施方案中，核酸超结构是自至少100、至少200、至少300、至少400、至少500个或以上核酸组装的。术语“核酸”涵盖“寡核苷酸”，其是长度为10个核苷酸至100个核苷酸的短单链核酸(例如，DNA)。在一些实施方案中，寡核苷酸的长度为10至20个核苷酸、10至30个核苷酸、10至40个核苷酸、10至50个核苷酸、10至60个核苷酸、10至70个核苷酸、10至80个核苷酸或10至90个核苷酸。在一些实施方案中，寡核苷酸的长度为20至50、20至75或20至100个核苷酸。在一些实施方案中，寡核苷酸的长度为30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50个核苷酸，如果是DNA折纸结构，最长的核苷酸链可以有8000个核苷酸。
在步骤S20中，将自组装的核酸超结构沉积于基片表面。
在该步骤S20中，可以包括以下步骤，例如参见图3，步骤S21：将自组装核酸超结构沉积于基片表面，步骤S22：在室温的条件下孵育一段时间，步骤S23：将剩余溶液移除(例如通过擦拭和/或通过强制空气流动)，步骤S24：进行脱盐过程，脱盐过程用于从基片移除残余无机盐，步骤S25：干燥步骤，步骤S26：进行成像处理，在基片上对自组装核酸超结构进行成像。
根据本公开内容的所用的基材可包括(但不限于)硅、二氧化硅、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓、硅与锗的合金或磷化铟。在一些情况下，基材可包括氮化硅、碳和/或聚合物。
基材可为无机物(例如不包含碳)或有机物(例如含有碳)。在一些情形中，基材可包含石墨烯和/或石墨。
在一些实施方案中，基材是本文所提供的任两种或更多种的杂合物(例如，包含混合物)(例如，无机材料和有机材料的杂合物、或两种或更多种不同无机材料或有机材料的杂合物)。例如，基材可包含无机和有机材料的混合物、两种或更多种不同无机材料的混合物或两种或更多种不同有机材料的混合物。
在一些实施方案中，基材包括半导体材料或半导体材料的混合物。半导体材料包括(但不限于)IV族元素半导体、IV族化合物半导体、VI族元素半导体、III-V族半导体、II-VI族半导体、I-VII族半导体、IV-VI族半导体、IV-VI族半导体、V-VI族半导体、II-V族半导体、氧化物、层状半导体、磁性半导体、有机半导体、电荷转移复合物及其组合。
在一些实施方案中，基材包括IV族半导体材料。根据本公开内容使用的IV族半导体材料的实例包括(但不限于)金刚石、硅、锗、灰锡、碳化硅及其组合。
在一些实施方案中，基材包括VI族半导体材料。根据本公开内容使用的VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硫、灰硒、碲及其组合。
在一些实施方案中，基材包括III-V族半导体材料。根据本公开内容使用的III-V族半导体材料的实例包括(但不限于)立方氮化硼、六方氮化硼、磷化硼、砷化硼、砷化硼、氮化铝、磷化铝、砷化铝、锑化铝、氮化镓、磷化镓、砷化镓、锑化镓、氮化铟、磷化铟、砷化铟、锑化铟及其组合。
在一些实施方案中，基材包括II-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的II-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硒化镉、硫化镉、碲化镉、氧化锌、硒化锌、硫化锌、碲化锌、氯化亚铜、硫化铜、硒化铅、硫化铅(ii)碲化铅、硫化锡、硫化锡、碲化锡、碲化铅锡、碲化铊锡、碲化铊锗、碲化铋及其组合。
在一些实施方案中，基材包括I-VII族半导体材料。根据本公开内容使用的I-VII族半导体材料的实例包括(但不限于)氯化亚铜、硫化铜以及氯化亚铜与硫化铜的组合。
在一些实施方案中，基材包括IV-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的IV-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硒化铅、硫化铅、碲化铅、硫化锡、硫化锡、碲化锡、碲化铅锡、碲化铊锡、碲化铊锗及其组合。
在一些实施方案中，基材包括V-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的IV-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)碲化铋。
在一些实施方案中，基材包括II-V族半导体材料。根据本公开内容使用的II-V族半导体材料的实例包括(但不限于)磷化镉、砷化镉、锑化镉、磷化锌、砷化锌、锑化锌及其组合。
在一些实施方案中，基材包括氧化物。根据本公开内容使用的氧化物实例包括(但不限于)锐钛矿型二氧化钛、金红石型二氧化钛、板钛矿型二氧化钛、氧化铜、二氧化铀、三氧化铀、三氧化铋、二氧化锡、钛酸钡、钛酸缌、铌酸锂、氧化镧铜及其组合。
在一些实施方案中，基材包括层状半导体。根据本公开内容使用的层状半导体的实例包括(但不限于)碘化铅、二硫化钼、硒化镓、硫化锡、硫化铋及其组合。
在一些实施方案中，基材包括磁性半导体。根据本公开内容使用的磁性半导体的实例包括(但不限于)砷化镓锰、砷化铟锰、碲化镉锰、碲化铅猛、锰酸镧钙、氧化铁、氧化镍、氧化铕、硫化铕、溴化铬及其组合。
可根据本公开内容使用的半导体材料的其它实例包括(但不限于)硒化铜铟、硫化银镓、磷化锌硅、硫化砷、硅化铂、碘化秘、碘化汞、溴化铊、硫化银、二硫化铁、硫化铜锌锡、硫化铜锌锑及其组合。
在一些实施方案中，基材包括硫属化物。硫属化物是包括至少一个硫属元素阴离子和至少一种更具正电性元素的化学化合物。在一些实施方案中，硫属化物是硫化物、硒化物或碲化物。
在一些实施方案中，基材包括膜，例如光阻剂膜、化学蒸气沉积膜、半导体膜、石墨烯和/或其它单层原子膜。在一些实施方案中，基材包括物理蒸气沉积膜、原子层沉积膜和/或离子植入膜。
基材应该包括有机薄膜与高分子材料，如PMMA，PDMS等
在一些实施方案中，基材是经抛光的硅晶片，例如经等离子体处理、或热食人鱼溶液(piranha solution)处理的硅晶片。
在本公开中，可以在固定位置沉积核酸超结构，也可以参照对准标记来沉积核酸超结构。
在相对于对准标记来确定核酸超结构的位置时，可以在沉积核酸超结构之前加工对准标记。
其中在加工对准标记的过程时，首先将光刻胶层旋转涂布至基片，然后写入精细的对准标记图案，通过显影液使得对准标记图案显影。沉积金属膜或堆叠金属膜，然后使用剥离液将光刻胶层进行剥离，这里可以不使用超声方式进行剥离。之后进行清洗及干燥。其中，清洗液可以为经稀释的甲醇/乙醇/异丙醇(30-95％体积浓度)。
在步骤S30中，在自组装核酸超结构表面特定位置处加工第一电极和第二电极。
例如参见图4，其中步骤S30可以包括：步骤S31：将光刻胶层旋转涂布至自组装核酸超结构的表面，步骤S32：写入第一电极和第二电极的图案，步骤S33：通过显影液使得第一电极和第二电极图案显影，步骤S34：沉积金属膜或堆叠金属膜(例如两层或两层以上堆叠的金属膜，其中金属材料可以为能用于沉积的金属材料)，步骤S34：使用剥离液将光刻胶层进行剥离，这里可以不使用超声方式进行剥离。之后进行清洗及干燥。其中，清洗液可以为经稀释的甲醇/乙醇/异丙醇(30-95％体积浓度)。
根据本公开的再一实施方式，还提供了一种通过如上所述的生物电子器件或者通过如上所述方法所制备的生物电子器件进行双链核酸与单链核酸可控转化的方法，在第一电极和第二电极之间通过电场调控，来实现双链核酸与单链核酸在特定数量、特定序列和特定取向上的可控转化。其中第一电极和第二电极可以分别是源极和漏极。
例如，在本公开的设计中，可以不使用核酸分子本身的导电性，基于核酸超结构内部的离子定向移动所形成的电流。可以通过改变第一电极和第二电极所施加的电压，这样核酸超结构在外加电场的作用下，其内部的离子定向移动，从而降低了核酸超结构内部的局部离子浓度，这样可以使得双链核酸进行解离，从而实现双链核酸与单链核酸的可控转化。
可控转化在本公开中，当施加的电压不同时，可以实现不同的双链核酸的解离。例如当施压较低的电压时，可以实现结合较弱的双链核酸的解离，这样可以根据电压的不同，使得不同的双链核酸解离。由于自组装核酸超结构本身具有本征的定量、定序列、定空间取向特性，因此可以实现自组装核酸超结构的双链核酸向单链核酸的定量、定序列、定空间取向的可控转化。
因此，通过本公开提供了一种新型的电控核酸开关，可以使用电场来调控单链核酸的可控表达，实现双链核酸与单链核酸的定量、定序列、定空间取向的可控转化。
在本公开中，不采用对电子材料化学修饰的方式来实现定量、定序列、定取向的可控转化(例如在碳纳米管表面特定位置处对单链核酸进行化学修饰)，从而避免化学修饰的随机不可控性对于单链核酸数量、空间取向的影响，因为修饰化学反应本身的随机分布特性，单链核酸会不可控地分布于电子材料的表面，这样就会无法控制单链核酸的数量和相对空间位置。
根据本公开的进一步的实施方式，还提供了一种选择控制蛋白结合的系统，在该系统中包括上述生物电子器件或者通过上述方法所制备的生物电子器件。
在上面描述的生物电子器件(电控核酸开关)中，可以通过两个电极进行的电场调控，来进行双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。这样，通过包括该生物电子器件的控制蛋白结合的系统，可以对蛋白结合进行选择性地控制。例如以DNA为例，在DNA单链序列可以被设计为具有特异性适配体或者包含蛋白结合位点。在DNA形成过程中，这些与蛋白结合的单链DNA保持为双链的形式。
当生物电子器件的两个电极施加电场时，适配体序列或者蛋白结合序列就会被暴露，并且仅在溶液中的设计位点选择性捕获蛋白。而且可以在同一个开关中，通过引入不同排序的蛋白质特异单链DNA来证明多种异质蛋白的结合。通过这种方式，核酸开关可以感知蛋白质的存在。
根据本公开的再一实施方式，还提供了一种选择控制纳米材料结合的系统，在该系统中包括上述生物电子器件或者通过上述方法所制备的生物电子器件。
与上述蛋白质结合类似，上面描述的生物电子器件(电控核酸开关)可以用于俘获纳米材料，例如金纳米颗粒和碳纳米管等，从而控制纳米材料的结合。例如可以使用单链DNA手柄(DNA handle)修饰纳米材料的表面。将单链DNA反手柄(DNA anti-handle)(DNA手柄的互补序列)引入(构筑核酸超结构)开关中，当生物电子器件的两个电极施加电场时，单链DNA反手柄被暴露，纳米材料将会选择地结合到开关上。
根据本公开的又一实施方式，还提供了一种合成电路，在该合成电路中包括上述生物电子器件或者通过上述方法所制备的生物电子器件。
通过DNA或RNA形成的合成电路可用于疾病诊断(例如单核苷酸多态性)。其中，仅需要简单地改变合成电路的结合序列，同时在合成回路中保持决策单元不变，就可以选择性地识别不同疾病标志物。
为了在合成电路中使用本公开的生物电子器件(核酸开关)，将与不同疾病标志物结合的核酸序列固定到核酸开关中。当在核酸开关的两个电极施加电信号(电流或电压)时，可以选择性地激活不同的结合序列。暴露的结合序列(被选择性激活)与合成电路中的疾病标志物结合，生成生物分子输出信号(例如单链DNA或蛋白)以触发合成电路并报告诊断结果。最后，由于可以选择性地控制多个结合序列的打开或关闭，因此可以同时激活多个结合序列，从而触发合成电路对多个输入的响应并提高诊断准确性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种生物电子器件，其特征在于，包括：
基片；
第一电极，所述第一电极位于所述基片上；
第二电极，所述第二电极位于所述基片上，并且与所述第一电极间隔设置；以及
自组装核酸超结构，所述自组装核酸超结构位于所述第一电极和所述第二电极之间，
其中所述自组装核酸超结构由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑，并且通过施加至所述第一电极和所述第二电极之间的电场的调控，来实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
2.如权利要求1所述的生物电子器件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极被施加不同的电压，实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
3.一种生物电子器件的制备方法，其特征在于，包括：
合成由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑的自组装核酸超结构；
将由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑的自组装核酸超结构沉积于基片；以及
在沉积后的自组装核酸超结构的表面的预定位置加工第一电极和第二电极，其中所述自组装核酸超结构位于所述第一电极和第二电极之间，
其中通过所述第一电极和第二电极之间被施加的电场的调控，来实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极能够被施加不同的电压，实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在沉积后的自组装核酸超结构的表面预定位置加工第一电极和第二电极时，包括：
将光刻胶层涂布于所述自组装核酸超结构的表面；
写入第一电极和第二电极图案；
通过显影液使得所述第一电极和第二电极的图案显影；以及
沉积金属膜之后通过剥离液将所述光刻胶层剥离。
6.如权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，将由特定数量、特定序列和特定取向的单链核酸构筑的自组装核酸超结构沉积于基片时，包括：
将自组装核酸超结构沉积于所述基片的表面后，孵育预定时间；
将剩余溶液移除后，进行脱盐处理以从所述基片移除残余无机盐；以及
干燥处理后，进行成像处理，在所述基片上对自组装核酸超结构进行成像。
7.一种通过如权利要求1或2所述的生物电子器件或者通过如权利要求3至6中任一项所述的方法所制备的生物电子器件进行双链核酸与单链核酸可控转化的方法，其特征在于，
通过所述第一电极和所述第二电极进行电场调控，实现双链核酸与单链核酸的特定数量、特定序列和特定取向的可控转化。
8.一种蛋白结合的选择控制系统，其特征在于，包括：如权利要求1或2所述的生物电子器件或者通过如权利要求3至6中任一项所述的方法制备的生物电子器件，
其中，单链核酸被设计为具有特异性适配体或包含蛋白结合位点，当所述生物电子器件的第一电极和第二电极施加电场时，适配体序列或蛋白结合序列被可控地暴露，从而可控地捕获蛋白。
9.一种纳米材料结合的选择控制系统，其特征在于，包括：如权利要求1或2所述的生物电子器件或者通过如权利要求3至6中任一项所述的方法所制备的生物电子器件，
其中，通过单链核酸手柄修饰纳米材料的表面，而将单链核酸反手柄引入生物电子器件中，当生物电子器件的第一电极和第二电极施加电场时，单链核酸反手柄被可控地暴露，被单链核酸手柄修饰的纳米材料可控地结合到生物电子器件上。
10.一种合成电路，其特征在于，包括：如权利要求1或2所述的生物电子器件或者通过如权利要求3至6中任一项所述的方法所制备的生物电子器件，
其中，将与不同疾病标志物结合的核酸序列设置至所述生物电子器件，当所述生物电子器件的第一电极和第二电极施加电场时，选择性地转变结合序列，转变后的结合序列与所述合成电路中的疾病标志物结合，生成生物分子输出信号来触发所述合成电路，从而得到疾病的诊断结果。
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