CN114235908A - 一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置 - Google Patents

一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114235908A
CN114235908A CN202111520139.5A CN202111520139A CN114235908A CN 114235908 A CN114235908 A CN 114235908A CN 202111520139 A CN202111520139 A CN 202111520139A CN 114235908 A CN114235908 A CN 114235908A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nanopore
operational amplifier
resistor
detection device
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN202111520139.5A
Other languages
English (en)
Inventor
李国梁
苏卓群
吴永宁
李童
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shaanxi University of Science and Technology
Original Assignee
Shaanxi University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shaanxi University of Science and Technology filed Critical Shaanxi University of Science and Technology
Priority to CN202111520139.5A priority Critical patent/CN114235908A/zh
Publication of CN114235908A publication Critical patent/CN114235908A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS

Abstract

本发明一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，命令电位施加系统的输出端与纳米孔检测池的反式端连接，用于为纳米孔检测池施加‑400mV至+400mV的命令电压，从而产生微弱电流；信号放大与调理系统的输入端与纳米孔检测池的顺式端连接，用于先将pA级的微弱电流转换为电压信号，之后依次进行放大、滤波，产生调理后的模拟信号；信号放大与调理系统的输出端与数据采集系统的输入端连接，用于将调理后的模拟信号转换成数字信号；数据采集系统的输出端与控制与通信系统的输入端连接，用于对数字信号进行控制；控制与通信系统的输出端与命令电位施加系统的输入端连接，用于将控制后的数字信号传输至命令电位施加系统。

Description

一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置
技术领域
本发明涉及生物传感与检测领域，具体为一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置。
背景技术
单分子检测技术能够在纳米空间内捕获单个分子，从而实现超灵敏检测。纳米孔技术具有免标记、简易、便携等优点，在核酸与蛋白质测序、大分子构象分析、小分子的超灵敏检测等方面具有优势。与大多数仅监测一个参数(通常是信号强度)的传统检测方法不同，纳米孔传感器可以从单次测量中同时获取多重信息(单个分子的信号强度、持续时间、信号频率等)。由于信息维度的增加，纳米孔技术的分辨率高，可以从混合物中检测出某一种目标分析物，甚至实现多种分析物的同时检测。此外，纳米孔传感器还可以在多种实验条件下工作(如高浓度盐溶液、高黏度溶液、高温、低 pH溶液、高pH溶液等)，这些特点使得纳米孔单分子检测技术具有广泛的应用前景。然而，在单分子检测领域，现有的商业化仪器，如HEKA公司的EPC10放大器、Melecular公司的Axon patch 200B系列放大器等，存在着体积庞大、便携性差、噪声水平较高等问题。
目前对于研制基于纳米孔的单分子便携式检测装置，主要有以下挑战：(1)由分立模块构成的仪器存在着较长的信号传输线路，增加了组装难度，而且容易受到外界电磁信号的干扰；(2)现有的纳米孔微弱电流放大器为了达到所需带宽，均引入了高频补偿电路，但也引入了显著的高频噪音；(3)现有纳米孔检测仪器对整个信号链的噪音维持能力有限。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明设计了一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，集成化程度高、噪音低，有望在现场便携式检测得到应用。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，包括控制与通信系统、命令电位施加系统、信号放大与调理系统和数据采集系统；
所述的命令电位施加系统的输出端与纳米孔检测池的反式端连接，命令电位施加系统用于为纳米孔检测池施加-400mV至+400mV 的命令电压，从而产生微弱电流；信号放大与调理系统的输入端与纳米孔检测池的顺式端连接，信号放大与调理系统用于先将微弱电流转换为电压信号，之后依次进行放大、滤波，产生调理后的模拟信号；信号放大与调理系统的输出端与数据采集系统的输入端连接，数据采集系统用于将调理后的模拟信号转换成数字信号；数据采集系统的输出端与控制与通信系统的输入端连接，控制与通信系统用于对数字信号进行控制；控制与通信系统的输出端与命令电位施加系统的输入端连接，用于将控制后的数字信号传输至命令电位施加系统。
优选的，所述纳米孔检测池中的纳米孔为生物纳米孔，包括如下生物纳米孔中的任意一个，或所述任意一个生物纳米孔中的氨基酸突变体：
α-溶血素、耻垢分枝杆菌孔蛋白A、大肠杆菌CsgG蛋白、溶细胞素A、气单胞菌溶素和噬菌体phi29马达通道。
优选的，所述的控制与通信系统包含一块微控制单元，微控制单元为系统级控制芯片，系统级芯片的输出端与命令电位施加系统的输入端连接。
优选的，所述的命令电位施加系统包括依次连接的数模转换器、第一低通滤波器和分压电路，分压电路的输出端与纳米孔检测池的反式端连接。
进一步，所述的分压电路包括第一运算放大器和相互串联的第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻之间与第一运算放大器的正相输入端连接，第一运算放大器的输出端与纳米孔检测池的反式端连接。
优选的，所述的纳米孔检测池包括由聚四氟乙烯薄膜夹层连接的两个电解液池，所述薄膜上均匀分布有单个直径为100～160μm的孔，一个电解液池的上表面设置有反式端，另一个电解液池的上表面设置有顺式端。
优选的，所述的信号放大与调理系统包括依次连接的第二运算放大器、二级放大电路和第二低通滤波器，第二运算放大器的反向输入端与纳米孔检测池的顺式端连接，第二低通滤波器的输出端与数据采集系统的输入端连接。
进一步，所述第二运算放大器的反向输入端和输出端之间连接有贴片电阻，贴片电阻的阻值为100～1000兆欧。
再进一步，所述的二级放大电路包括第三电阻、第四电阻和第三运算放大器，第二运算放大器的输出端与第三运算放大器的正相输入端连接，第三运算放大器的反相输入端与第三电阻连接，第三运算放大器的反相输入端与输出端之间连接有第四电阻。
优选的，所述的数据采集系统包括一块模数转换器芯片，模数转换器芯片的输出端与控制与通信系统的输入端连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，通过设计命令电位施加系统，可以将其输出端与纳米孔检测池的反式端进行连接，命令电位施加系统便可为纳米孔检测池施加mV级的命令电压，从而产生pA级的微弱电流；由于信号放大与调理系统的输入端与纳米孔检测池的顺式端连接，这样信号放大与调理系统可先将 pA级的微弱电流转换为电压信号，之后依次进行放大、滤波，产生调理后的模拟信号；信号放大与调理系统的输出端与数据采集系统的输入端连接，数据采集系统便可将调理后的模拟信号转换成数字信号；数据采集系统的输出端与控制与通信系统的输入端连接，控制与通信系统便可对数字信号进行控制，而控制与通信系统的输出端与命令电位施加系统的输入端连接，这样控制后的数字信号便可传输至命令电位施加系统，控制与通信系统将数字信号转换为模拟信号，并进行滤波、分压，输出低噪音的恒定电压，施加在纳米孔检测池内，最终能够实现单分子的便携式现场检测。本发明通过将上述系统集成在一块电路板上，大大减小了纳米孔单分子检测设备的体积，增加了便携性。通过设计信号放大与调理系统，在无需高频补偿的情况下，实现纳米孔电流的高带宽检测；通过设计命令电位施加系统与数据采集系统，有效降低纳米孔弱电流测量过程中的噪音。本发明能够准确检测生物纳米孔中pA级电流强度和微秒级时间跨度的电流脉冲信号，具有高带宽、极低噪音、便携性好、集成化程度高、抗干扰能力强等优点，能实现单个分子在生物纳米孔中产生的pA级微弱离子电流信号的检测，有利于扩大纳米孔单分子分析技术的应用范围。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明所述的电路连接图。
图3为本发明的单链DNA检测应用的实测数据图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，如图1所示，包括控制与通信系统、命令电位施加系统、纳米孔检测池、信号放大与调理系统、数据采集系统。
控制与通信系统可以通过数字信号实现对信号链的控制，并将数据采集系统采集的数据传输至命令电位施加系统。命令电位施加系统主要是利用数模转换器(DigitalAnalog Convertor,DAC)将控制与通信系统的数字信号转换为模拟信号，并进行滤波、分压，输出低噪音的恒定电压，施加在纳米孔检测池内。纳米孔检测池是纳米孔微弱电流产生与待测分析物被检测的场所。信号放大与调理系统是将微弱电流转换为电压信号，并将其进一步放大、滤波，数据采集系统是利用模数转换器(Analog Digital Convertor,ADC)将调理后的模拟信号转换成数字信号。
纳米孔是指生物纳米孔，包含α-溶血素(α-hemolysin)、耻垢分枝杆菌孔蛋白A(MspA)、大肠杆菌CsgG蛋白、溶细胞素A (ClyA)，气单胞菌溶素(Aerolysin)或噬菌体phi29马达通道以及它们的氨基酸突变体。
如图2所示，控制与通信系统包含一块微控制单元，可以采用 STM32系列的系统级芯片(SOC)，系统级芯片的输出端与命令电位施加系统的数模转换器输入端连接。
命令电位施加系统包含依次连接的数模转换器(DAC)、6阶贝塞尔低通滤波器(LPF)和分压电路。6阶贝塞尔低通滤波器可以采用低噪音高带宽的运算放大器搭建，也可以采用亚德诺半导体公司的系统级芯片，如具体型号LTC1562，LTC1563等。分压电路包含电阻R4(阻值为9k)、电阻R5(阻值1k)、一个由运算放大器 U3构成的电压跟随器。R4与R5串联，R5另一端接地，R4与R5 之间与运算放大器U3的正相输入端连接。分压电路将命令电位施加在纳米孔检测池的反式(即trans)端，电位施加是通过接入银/氯化银(Ag/AgCl)电极，并插入纳米孔检测池的trans端电极插口中实现的，电位施加的大小范围为-400mV至+400mV之间。纳米孔检测池包含两个电解液池，分别为顺式(即cis)端和反式(即 trans)端，都是由高分子聚合物如聚四氟乙烯组成。纳米孔检测池两端均有电极插口和加液口。两个检测池中间有一层厚度为25～50 μm的聚四氟乙烯薄膜夹层，薄膜上有直径为100～160μm的单个小孔，用于构建生物纳米孔所需的磷脂双分子层。低噪音的数模转换器(DAC)的分辨率为16位，可以是Analog Devices公司的 AD5760、AD5541、AD5780等型号。DAC将数字信号转换为模拟信号，该模拟信号经过6阶贝塞尔低通滤波器，分压(比例为1： 10)后经过电压跟随器进行电位输出。
信号放大与调理系统包含依次连接的跨阻放大电路、二级放大电路与低通滤波器。跨阻放大电路需要使用高性能的运算放大器 U1，运算放大器U1的反向输入端连接纳米孔检测池的cis端，正向输入端接地；运算放大器U1的反向输入端和输出端之间连接有反馈电阻(R1)，反馈电阻R1选用贴片电阻，贴片电阻的阻值范围是100兆欧至1000兆欧之间。该跨阻放大电路可以视为一级放大电路，可以将pA级的电流信号转换为mV级的电压信号。运算放大器 U1具有以下高性能运放的特点：极低(10pA或10pA以下)输入偏置电流、极高输入阻抗大于1000GΩ、较高增益带宽积(大于 100MHz)。例如Analog Devices公司的ADA4817型、LTC6268 型、TI公司的OPA657型等。二级放大电路是一种同相放大电路，包含运算放大器U2，电阻R2和R3。跨阻放大电路的输出端与运算放大器U2的正相输入端连接。运算放大器U2的反相输入端与电阻 R2连接，R2另一端接地。运算放大器U2的反相输入端与输出端之间连接有电阻R3。二级放大电路的放大倍数为1+(R3/R2)，可以根据跨阻放大电路中的反馈电阻大小来设定。若跨阻放大电路的反馈电阻较小(如100兆欧)，可以增加R3/R2的值，从而使放大倍数增大。低通滤波器可以采用低噪音高带宽的运算放大器搭建，也可以采用AnalogDevices公司的LTC1562、LTC1563等系统级SOC 滤波芯片。滤波模式为贝塞尔低通滤波，截止频率为5kHz，低通滤波器的输出端与数据采集系统的输入端连接。
数据采集系统是将信号放大与调理系统滤波后的模拟信号转换为数字信号并输出至控制与通信系统，包含一块低噪音模数转换器芯片，可以采用具有低噪音性能亚德诺半导体公司的Σ-Δ型模数转换器芯片，其分辨率为16位至24位，例如Analog Devices公司的 AD7172、AD7175、AD7176等。模数转换器芯片的输出端与控制与通信系统的输入端连接。
图3为单链DNA(Poly(dT)20)在α-溶血素(α-hemolysin)纳米孔电流信号响应的实测数据图。实验条件如下：聚四氟乙烯薄膜中的小孔直径为130μm，电解液为1.0M KCl，10mMTris-HCl，pH 8.0；反式端电位为-120mV。从图3中可以看到基线电流的噪音峰峰值为3.22pA，该值远小于目标分析物的电流阻塞幅度(约100pA)。同时，单个信号的阶跃时间(tfalling)约为70μs，根据公式 Bandwidth＝0.35/tfalling，单分子检测装置的最终带宽和信号放大与调理系统中低通滤波器截止频率相近，实现了在纳米孔中进行高带宽、低噪音检测单个分子。

Claims (10)

1.一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，包括控制与通信系统、命令电位施加系统、信号放大与调理系统和数据采集系统；
所述的命令电位施加系统的输出端与纳米孔检测池的反式端连接，命令电位施加系统用于为纳米孔检测池施加-400mV至+400mV的命令电压，从而产生微弱电流；信号放大与调理系统的输入端与纳米孔检测池的顺式端连接，信号放大与调理系统用于先将微弱电流转换为电压信号，之后依次进行放大、滤波，产生调理后的模拟信号；信号放大与调理系统的输出端与数据采集系统的输入端连接，数据采集系统用于将调理后的模拟信号转换成数字信号；数据采集系统的输出端与控制与通信系统的输入端连接，控制与通信系统用于对数字信号进行控制；控制与通信系统的输出端与命令电位施加系统的输入端连接，用于将控制后的数字信号传输至命令电位施加系统。
2.根据权利要求1所述一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，所述纳米孔检测池中的纳米孔为生物纳米孔，包括如下生物纳米孔中的任意一个，或所述任意一个生物纳米孔中的氨基酸突变体：
α-溶血素、耻垢分枝杆菌孔蛋白A、大肠杆菌CsgG蛋白、溶细胞素A、气单胞菌溶素和噬菌体phi29马达通道。
3.根据权利要求1所述一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，所述的控制与通信系统包含一块微控制单元，微控制单元为系统级控制芯片，系统级芯片的输出端与命令电位施加系统的输入端连接。
4.根据权利要求1所述一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，所述的命令电位施加系统包括依次连接的数模转换器、第一低通滤波器和分压电路，分压电路的输出端与纳米孔检测池的反式端连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，所述的分压电路包括第一运算放大器和相互串联的第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻之间与第一运算放大器的正相输入端连接，第一运算放大器的输出端与纳米孔检测池的反式端连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，所述的纳米孔检测池包括由聚四氟乙烯薄膜夹层连接的两个电解液池，所述薄膜上均匀分布有单个直径为100～160μm的孔，一个电解液池的上表面设置有反式端，另一个电解液池的上表面设置有顺式端。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，所述的信号放大与调理系统包括依次连接的第二运算放大器、二级放大电路和第二低通滤波器，第二运算放大器的反向输入端与纳米孔检测池的顺式端连接，第二低通滤波器的输出端与数据采集系统的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，所述第二运算放大器的反向输入端和输出端之间连接有贴片电阻，贴片电阻的阻值为100～1000兆欧。
9.根据权利要求7所述的一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，所述的二级放大电路包括第三电阻、第四电阻和第三运算放大器，第二运算放大器的输出端与第三运算放大器的正相输入端连接，第三运算放大器的反相输入端与第三电阻连接，第三运算放大器的反相输入端与输出端之间连接有第四电阻。
10.根据权利要求1所述的一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置，其特征在于，所述的数据采集系统包括一块模数转换器芯片，模数转换器芯片的输出端与控制与通信系统的输入端连接。
CN202111520139.5A 2021-12-13 2021-12-13 一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置 Withdrawn CN114235908A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111520139.5A CN114235908A (zh) 2021-12-13 2021-12-13 一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111520139.5A CN114235908A (zh) 2021-12-13 2021-12-13 一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114235908A true CN114235908A (zh) 2022-03-25

Family

ID=80755302

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111520139.5A Withdrawn CN114235908A (zh) 2021-12-13 2021-12-13 一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114235908A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ito et al. A carbon nanotube-based coulter nanoparticle counter
CA2823788C (en) Compensated patch-clamp amplifier for nanopore polynucleotide sequencing and other applications
US10962523B2 (en) Apparatus and methods for measuring an electrical current
CN112994680B (zh) 多通道切换电路、切换方法
US20180266986A1 (en) Multichannel potentiostat analyzer system and methods
CN1201146C (zh) 一种测定多巴胺的电化学传感器
JP2017219327A (ja) 生体分子計測装置
KR20180065606A (ko) 헤모글로빈과 당화헤모글로빈의 동시 분석을 위한 바이오 센서 측정 장치 및 그 방법
CN112708544A (zh) 基因测序的测量装置及其测量方法
CN103592350A (zh) 一种黑色素纳米微球－石墨烯电化学传感器及其制备方法和应用
US9500614B2 (en) Electrical conductivity module
CN109187680A (zh) 基于铜离子改性环糊精/聚精氨酸/碳纳米管的手性传感器及其制备方法
CN114235908A (zh) 一种基于纳米孔的单分子便携式检测装置
US20070083336A1 (en) Method for determining the resolution of blood glucose
WO2023045567A1 (zh) 用于感测包含在液体中的分析物的装置和设备
CN114002300B (zh) 一种基于液栅型场效应晶体管生物传感器的电路检测系统
CN101382518B (zh) 一种用电化学活性开关适配体信标检测蛋白的方法
CN105628762A (zh) 一种高灵敏度的官能化银纳米粒子掺杂的阿尼西坦分子印迹电化学传感器的制备方法
KR102288710B1 (ko) 위상 변화를 이용한 젖산 센서 시스템
Kinnamon et al. Electronic bracelet for monitoring of alcohol lifestyle
US3978414A (en) Apparatus and method for taking the derivative of a slowly varying electrical signal
Fan et al. Design of fully integrated impedimetric CMOS biosensor for DNA detection
CN114002288B (zh) 毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及制备方法和应用
CN218974467U (zh) 一种电导率测量采样电路
KR102288714B1 (ko) 교차형 전극으로 구성된 젖산 감지 구조체 및 이의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20220325