CN113957132A - 一种基于固态纳米孔的非过孔dna测序方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法及系统，本发明的核心部件包括：底层材料、位于底层材料上的台阶状结构、由台阶状结构形成的纳米通道以及位于通道内且贯穿底层材料的纳米孔，吸附于底层材料开阔处的DNA分子在外加横向牵引力作用下进入通道，并跨过纳米孔，在跨孔过程中通过纵向过孔离子电流完成对孔中核苷酸的检测。有别于传统方法中的分子穿孔过程，本发明中分子始终留在带孔薄膜的一侧，分子中的各个核苷酸依次经过纳米孔上方，在此过程中完成对DNA分子的测序。本发明的优点是，核苷酸可在纳米孔中停留较长时间，以此提高检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及生物分子检测领域，具体是一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法及系统。
背景技术
作为现代生物医药研究中的一项核心技术，DNA测序技术在过去几十年中发展迅速，已历经多次革新。目前正在发展的最新一代测序技术以单分子，实时，长读测序，低成本和高通量为目标，而基于纳米孔的测序技术被认为是最有希望实现这些目标的技术手段之一。
相对于基于蛋白分子的有机纳米孔，基于固体材料的固态纳米孔具有众多优点。比如，机械和化学稳定性更高，尺寸形状可自由调节，易于和微纳光学/微电子学技术相融合等。
然而，目前的固态纳米孔技术还面临着一些问题。一个主要问题是DNA分子过孔速度太快，造成不同种类碱基分辨率较低。具体的说，在传统装置中，一对电极分置在含纳米孔的薄膜两侧，产生的电势差同时驱动带电DNA分子和电解液中的离子从膜的一侧通过纳米孔进入膜的另一侧。定向运动的离子形成离子电流，完成对某一时刻驻留在孔中核苷酸的检测。虽然，减小电势差可以直接降低DNA过孔速度，但也同时减小了离子电流和电流信号的信噪比。之前曾有研究者理论上提出在薄膜中垂直于纳米孔的方向再增加一个横向的纳米孔道，DNA和离子在不同驱动力下分别从这两个正交的通道中经过(Nanotechnology24(2013)415101)。这一设计虽避免了同一驱动力带来的固有问题，但实际中要实现这类精准相交，并且是包埋式的纳米孔道结构并不容易。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法及系统，能够极大增加核苷酸在孔中驻留的时间，从而提高测序的灵敏度。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，该方包括：
在底层材料上设计两块凸起的台阶状结构，形成一个纳米尺度宽的通道和由通道开口扩展出去的漏斗形图样；所述通道上设有一贯穿底层材料的纳米孔；
吸附于所述底层材料开阔处的DNA分子在外加横向牵引力作用下进入所述通道，并跨过所述纳米孔，在跨孔过程中通过纵向过孔离子电流完成对孔中核苷酸的检测。
进一步地，所述台阶状结构、通道及纳米孔均由纳米加工工艺刻蚀而成。
进一步地，所述外加横向牵引力由横向电流回路提供的横向电场实现。
进一步地，所述纵向过孔离子电流由纵向电流回路提供的纵向电场实现。
进一步地，所述DNA分子能够吸附在所述底层材料上，并在所述外加横向牵引力作用下能够横向自由运动。
进一步地，所述DNA分子和所述底层材料之间的吸附力强于和所述台阶状结构侧面的吸附力，以此保证所述DNA分子在所述外加横向牵引力作用下，不会轻易从所述底层材料上脱附。
进一步地，当所述DNA分子横跨所述纳米孔时，至少有一个核苷酸能够驻留在所述纳米孔中，驻留时间至少在微秒级别。
进一步地，所述底层材料为块状固体材料，选自金属或电介质；或者是堆叠的多层二维材料，选自石墨烯、氮化硼、二硫化钼，且各层材料可以一致，也可以不一致。
进一步地，所述纳米孔为椭圆形孔，长轴长度与所述通道宽度相同，短轴长度应至少使所述纳米孔中容纳一个核苷酸。
本发明另一方面提供一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序系统，该系统包括带孔薄膜、SOI硅片、横向电流回路和纵向电流回路；
所述带孔薄膜包括底层材料，所述底层材料上设计两块凸起的台阶状结构，形成一个纳米尺度宽的通道和由通道开口扩展出去的漏斗形图样；所述通道上设有一贯穿底层材料的纳米孔；
所述带孔薄膜置于SOI硅片上，所述纳米孔与所述SOI硅片上的通孔同轴；
所述横向电流回路包括第一电源、电压测量装置和两个电极，提供横向电场，用以驱动DNA分子在所述底层材料上横向运动，依次从所述底层材料开阔处进入所述通道，在所述通道中横向运动并跨过所述纳米孔；
所述纵向电流回路包括第二电源、电流测量装置和两个电极，提供纵向电场，用以在DNA分子跨孔过程中驱动离子纵向过孔，形成过孔离子电流，完成对孔中核苷酸的检测；
所述带孔薄膜和所有电极均处在电解液中。
本发明有益效果如下：
本发明在传统固态纳米孔结构的基础上，只添加了一层开放式台阶状结构，用现代纳米制造技术即可实现。本发明中DNA分子始终留在带孔薄膜的一侧，这和测序过程中，DNA分子必须过孔的传统方法迥然不同，为DNA测序提供了新的思路。由于驱动离子电流和DNA移动的不再是同一个驱动力，因此，待测核苷酸可长时间驻留在纳米孔中，这提高了检测精度。
附图说明
图1为本发明实现示例图，(a)为非过孔DNA测序系统结构图，(b)为引导DNA至纳米孔的带孔薄膜示意图，(c)为纳米孔区域示意图；
图2为实施例中DNA分子经电场驱动进入通道过程的理论模拟结果；
图3为实施例中不同核苷酸处于纳米孔中时对应离子电流的理论模拟结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1中(b)所示，本发明提供的一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，该方法首先在底层材料14上设计两块凸起的台阶状结构12，形成一个纳米尺度宽的通道13和由通道开口扩展出去的漏斗形图样；通道13上设有贯穿底层材料14的纳米孔17；吸附于底层材料14开阔处的DNA分子15在外加横向(图1中x方向)牵引力作用下进入通道13，并跨过纳米孔17，在跨孔过程中通过纵向(图1中z方向)过孔离子电流完成对孔中核苷酸的检测。
具体地，台阶状结构12、通道13及纳米孔17均由纳米加工工艺刻蚀而成。
具体地，外加横向牵引力由横向电流回路提供的横向电场实现，纵向过孔离子电流由纵向电流回路提供的纵向电场实现。
具体地，DNA分子能够吸附在底层材料14上，并在外加横向牵引力作用下能够横向自由运动。DNA分子和底层材料14之间的吸附力强于和台阶状结构12侧面的吸附力，以此保证DNA分子在外加横向牵引力作用下，不会轻易从底层材料14上脱附。
具体地，当DNA分子横跨纳米孔17时，至少有一个核苷酸能够驻留在纳米孔17中，驻留时间至少在微秒级别。
具体地，底层材料14为块状固体材料，选自金属或电介质；或者是堆叠的多层二维材料，选自石墨烯、氮化硼、二硫化钼，且各层材料可以一致，也可以不一致。
具体地，纳米孔17为椭圆形孔，长轴长度与通道13宽度相同，短轴长度应至少使纳米孔17中容纳一个核苷酸，如图1中(c)所示。
在一个实施例中，提供一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序系统，系统结构如图1中(a)所示，该系统包括带孔薄膜7、SOI硅片6、横向电流回路和纵向电流回路。
带孔薄膜7包括底层材料14，底层材料14上设计两块凸起的台阶状结构12，形成一个纳米尺度宽的通道13和由通道开口扩展出去的漏斗形图样；通道13上设有贯穿底层材料14的纳米孔17。带孔薄膜7置于SOI硅片6上，纳米孔17与SOI硅片6上的圆柱孔道同轴。
横向电流回路包括第一电源9、电压测量装置8、第一电极10和第二电极11，提供横向电场，用以驱动DNA分子在底层材料14上横向运动，依次从底层材料14开阔处运动至通道入口16，在通道13中横向运动并跨过纳米孔17。
纵向电流回路包括第二电源2、电流测量装置1、第三电极3和第四电极4，提供纵向电场，用以在DNA分子跨孔过程中驱动离子纵向过孔，形成过孔离子电流，完成对孔中核苷酸的检测。
带孔薄膜7、第一电极10、第二电极11第三电极3和第四电极4均处在电解液5中。
在一个实施例中，底层材料14包括一层石墨烯和叠加在石墨烯上的一层氮化硼。氮化硼上叠加的是由三层石墨烯构成的台阶状结构12。通道13的宽度为2nm。位于通道13中，且贯穿底层材料14的纳米孔17为一椭圆形孔，长轴2nm，短轴1nm。首先，将DNA分子加入到纳米孔17上方的电解液5中。电解液5为1mol/L的氯化钾溶液。因为DNA分子和氮化硼之间存在较强相互作用，部分DNA分子将自发从溶液中吸附到氮化硼表面(如图1(b)中DNA分子15)。
打开横向电流回路的第一电源9，在第一电极10和第二电极11之间产生的电场会驱动带电DNA进入通道13。图2显示的是在分子动力学模拟中，一个DNA分子进入通道的过程。
DNA分子在电场驱动下会继续在通道13内前进，到达纳米孔边缘。此时，施加一个同方向但强度更大的脉冲电场，DNA会部分地跨过纳米孔17。经过快速的弛豫，DNA分子链中的某个核苷酸会驻留在纳米孔17中，其余核苷酸则依然吸附在氮化硼上(如图1中(c)所示)。
打开纵向电流回路的第二电源2，纵向的电场驱动溶液中的离子定向穿孔，形成过孔离子电流。不同种类核苷酸由于其物理尺寸，化学组分以及和孔的相互作用不同，对应不同的离子电流强度变化。图3显示的是，当四种单核苷酸分别处于纳米孔中时，它们各自的离子电流强度分布。该结果由分子动力学模拟得到，每种核苷酸对应的模拟时长均为2微秒。可以看到，四种核苷酸的离子电流是彼此可区分的，证明了此测序方法的可行性。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，其特征在于，包括：
在底层材料上设计两块凸起的台阶状结构，形成一个纳米尺度宽的通道和由通道开口扩展出去的漏斗形图样；所述通道上设有贯穿底层材料的纳米孔；
吸附于所述底层材料开阔处的DNA分子在外加横向牵引力作用下进入所述通道，并跨过所述纳米孔，在跨孔过程中通过纵向过孔离子电流完成对孔中核苷酸的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，其特征在于，所述台阶状结构、通道及纳米孔均由纳米加工工艺刻蚀而成。
3.根据权利要求1所述的一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，其特征在于，所述外加横向牵引力由横向电流回路提供的横向电场实现。
4.根据权利要求1所述的一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，其特征在于，所述纵向过孔离子电流由纵向电流回路提供的纵向电场实现。
5.根据权利要求1所述的一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，其特征在于，所述DNA分子能够吸附在所述底层材料上，并在所述外加横向牵引力作用下能够横向自由运动。
6.根据权利要求1所述的一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，其特征在于，所述DNA分子和所述底层材料之间的吸附力强于和所述台阶状结构侧面的吸附力，以此保证所述DNA分子在所述外加横向牵引力作用下，不会轻易从所述底层材料上脱附。
7.根据权利要求1所述的一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，其特征在于，当所述DNA分子横跨所述纳米孔时，至少有一个核苷酸能够驻留在所述纳米孔中，驻留时间至少在微秒级别。
8.根据权利要求1所述的一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，其特征在于，所述底层材料为块状固体材料，选自金属或电介质；或者是堆叠的多层二维材料，选自石墨烯、氮化硼、二硫化钼，且各层材料可以一致，也可以不一致。
9.根据权利要求1所述的一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序方法，其特征在于，所述纳米孔为椭圆形孔，长轴长度与所述通道宽度相同，短轴长度应至少使所述纳米孔中容纳一个核苷酸。
10.一种基于固态纳米孔的非过孔DNA测序系统，其特征在于，该系统包括带孔薄膜、SOI硅片、横向电流回路和纵向电流回路；
所述带孔薄膜包括底层材料，所述底层材料上设计两块凸起的台阶状结构，形成一个纳米尺度宽的通道和由通道开口扩展出去的漏斗形图样；所述通道上设有贯穿底层材料的纳米孔；
所述带孔薄膜置于SOI硅片上，所述纳米孔与所述SOI硅片上的通孔同轴；
所述横向电流回路包括第一电源、电压测量装置和两个电极，提供横向电场，用以驱动DNA分子在所述底层材料上横向运动，依次从所述底层材料开阔处进入所述通道，在所述通道中横向运动并跨过所述纳米孔；
所述纵向电流回路包括第二电源、电流测量装置和两个电极，提供纵向电场，用以在DNA分子跨孔过程中驱动离子纵向过孔，形成过孔离子电流，完成对孔中核苷酸的检测；
所述带孔薄膜和所有电极均处在电解液中。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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