CN202854094U - 一种基于纳米孔的dna测序装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于纳米孔的DNA测序装置，包括SOI硅片，在其上部刻蚀有倒金字塔形微腔，在其下部刻蚀有柱状孔，倒金字塔形微腔塔顶为固态纳米孔，在SOI硅片上部有石墨烯，在石墨烯刻蚀有石墨烯纳米孔，石墨烯纳米孔和固态纳米孔同轴，铂电极和纵向微弱电流测量装置及电源构成纵向微弱电流测量回路，金电极和横向微弱电流测量装置及电源构成横向微弱电流测量回路；将SOI硅片、电源和电流表组成电路，通过测定DNA穿过纳米孔时电路中电流强度的变化，实现对DNA的测序。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物分子检测技术领域，具体涉及一种基于纳米孔的DNA测序装置。
背景技术
DNA测序技术是现代生命科学研究的核心技术之一。在所有以低成本、高通量、直接测序为目标的第三代测序技术中，基于纳米孔的单分子测序被认为是最有希望实现1000美元人类基因检测计划的技术。
固态纳米孔的孔径可以灵活的人为控制，且具有理想的生化孔径稳定性，优异的物、化性能。借助于显微镜电子束技术、聚焦离子束技术(FIB)等工艺，研究人员已经成功制作出了各种孔径可控的纳米、亚纳米固态孔。各种基于固态纳米孔的DNA测序的研究也取得了很好的进展。
然而，固态纳米孔的制作也面临一些问题。首先，采用FIB制作固态纳米孔成本高且只能逐个制作；其次，固态纳米孔通道长度通常为5nm以上,可以容纳十多个碱基,这一尺寸对于测序所需要的分辨单个碱基引起的电流变化过长；再次，当单个核苷酸占据纳米孔时只有大约100个离子穿过纳米孔，而4个碱基在结构上只有数个原子的差异，这种细微的结构化差异导致的电流变化太微弱，以至于研究人员很难区分出每个碱基。第四，所有基于纳米孔的测序方法目前尚无有效的控制DNA通过纳米孔的流速的方法，由于速度太快，造成了碱基检测识别率不高的问题。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种基于纳米孔的DNA测序装置，能够改善传统纳米孔离子电流阻塞法信噪比低、易受外界环境干扰等问题，从而提高测序精度。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于纳米孔的DNA测序装置，包括SOI硅片1，置于SOI硅片1内的二氧化硅埋层2，在二氧化硅埋层2上部的SOI硅片1上刻蚀有倒金字塔形微腔21，在二氧化硅埋层2下部的SOI硅片1上刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔21塔底直径的柱状孔，倒金字塔形微腔21的塔顶为固态纳米孔20，二氧化硅薄膜5包覆在SOI硅片1外部，在柱状孔底部的二氧化硅薄膜5外部包覆有金属铂薄膜6，在SOI硅片1上部有通过金电极12固定于二氧化硅薄膜5上的石墨烯8，在石墨烯8刻蚀有石墨烯纳米孔19，石墨烯纳米孔19和固态纳米孔20同轴，在金电极12两端的SOI硅片1外部上下采用聚二甲基硅氧烷10包围形成空腔，空腔中填充有电解液18，置于SOI硅片1上部的铂电极13接负电位，置于SOI硅片1下部的铂电极13接正电位，铂电极13和纵向微弱电流测量装置15以及电源14构成纵向微弱电流测量回路，金电极12和横向微弱电流测量装置16以及电源22构成横向微弱电流测量回路。
所述二氧化硅埋层2的厚度为400nm。
所述固态纳米孔20的直径为1.5～10nm。
所述石墨烯8为单原子层或多原子层。
所述石墨烯纳米孔19的直径为1.5～7nm。
所述二氧化硅薄膜5厚度为5～30nm。
所述纵向微弱电流测量装置15和横向微弱电流测量装置16均为皮安级电流表。
所述电解液18为KCl、NaCl或LiCl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L,pH值为8.0。
所述电源14的偏置电压为0.05～0.2V，硅片上方的铂电极13接电源14负极，硅片下方铂电极13接电源14正极。
本实用新型和现有技术相比，具有如下优点：
本实用新型利用传统的硅材料及新材料石墨烯设计一种新型石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔（GPCP）的结构。固态纳米孔克服了生物分子纳米孔的不稳定性和孔径不易控制性；石墨烯纳米孔的采用解决了常规固态纳米孔通道太长导致测序分辨率难以达到单个碱基的问题。此外，这种结构还在一定程度上实现了对核酸分子穿越纳米孔的速度控制，为检测赢得了时间；这些为实现单碱基分辨率、直接纳米孔测序奠定了基础。同时利用纳米孔纵向离子电流和石墨烯横向电导率变化的双数据解析测序新思想。采用这种双向数据解析测序可以提供核酸分子穿越石墨烯纳米孔-腔-孔结构时更多的信息，有望改善传统纳米孔离子电流阻塞法信噪比低、易受外界环境干扰等问题，从而提高测序精度，有望从根本上解决目前新一代DNA测序所面临的问题。
附图说明
图1为本实用新型一种基于纳米孔的DNA测序装置的示意图。
图2为本实用新型中制作固态纳米孔的流程图。
图3为本实用新型制备石墨烯的流程图。
图4为本实用新型将制备的石墨烯转移到SOI硅片上的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
如图1所示，本实用新型一种基于纳米孔的DNA测序装置，包括SOI硅片1，置于SOI硅片1内的二氧化硅埋层2，在二氧化硅埋层2上部的SOI硅片1上刻蚀有倒金字塔形微腔21，在二氧化硅埋层2下部的SOI硅片1上刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔21塔底直径的柱状孔，倒金字塔形微腔21的塔顶为固态纳米孔20，二氧化硅薄膜5包覆在SOI硅片1外部，在柱状孔底部的二氧化硅薄膜5外部包覆有金属铂薄膜6，在SOI硅片1上部有通过金电极12固定于二氧化硅薄膜5上的石墨烯8，在石墨烯8刻蚀有石墨烯纳米孔19，石墨烯纳米孔19和固态纳米孔20同轴，在金电极12两端的SOI硅片1外部上下采用聚二甲基硅氧烷10包围形成空腔，空腔中填充有电解液18，置于SOI硅片1上部的铂电极13接负电位，置于SOI硅片1下部的铂电极13接正电位，铂电极13和纵向微弱电流测量装置15以及电源14构成纵向微弱电流测量回路，金电极12和横向微弱电流测量装置16以及电源22构成横向微弱电流测量回路。
优选二氧化硅埋层2的厚度为400nm。
优选固态纳米孔20的直径为1.5～10nm。
优选石墨烯8为单原子层或多原子层。
优选石墨烯纳米孔19的直径为1.5～7nm。
优选二氧化硅薄膜5厚度为5～30nm。
优选纵向微弱电流测量装置15和横向微弱电流测量装置16均为皮安级电流表。
优选电解液18为KCl、NaCl或LiCl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L,pH值为8.0。
优选电源14的偏置电压为0.05～0.2V，硅片上方的铂电极13接电源14负极，硅片下方铂电极13接电源14正极。
本实用新型的工作原理为：首先将单链DNA分子17加入到盛有电解液18的测序反应腔上部，在静电场的驱动作用下，单链DNA分子17成线状通过石墨烯纳米孔19，进入倒金字塔形微腔21，并最终通过固态纳米孔20到达测序反应腔的下部；在单链DNA分子17穿越石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构时，一方面对通过石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构的电解液离子电流造成堵塞，导致纵向离子电流急剧变化，另一方面，对石墨烯纳米孔19周边电导产生影响，导致石墨烯8中横向电流密度发生改变，由于单链DNA分子17中不同碱基结构不同，在穿越石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构时在上述纵向和横向两个方向造成的电流和电导改变也不同，采用纵向微弱电流测量设备15对单链DNA分子17穿越石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构过程中的穿越时间t，纵向离子电流发生阻塞的时间间隔Δt1、阻塞离子电流的大小IB1进行定量检测，采用横向微弱电流测量设备16对横向石墨烯8中电流密度发生改变的时间间隔Δt2、电流的大小IB2进行定量检测，再通过对所测得的双向数据进行解析计算：DNA分子序列Sequence=f(t,Δt1,IB1,Δt2,IB2)，即可得到所测DNA分子的序列。
Claims (9)
1.一种基于纳米孔的DNA测序装置，其特征在于：包括SOI硅片（1），置于SOI硅片（1）内的二氧化硅埋层（2），在二氧化硅埋层（2）上部的SOI硅片（1）上刻蚀有倒金字塔形微腔（21），在二氧化硅埋层（2）下部的SOI硅片（1）上刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔（21）塔底直径的柱状孔，倒金字塔形微腔（21）的塔顶为固态纳米孔（20），二氧化硅薄膜（5）包覆在SOI硅片（1）外部，在柱状孔底部的二氧化硅薄膜（5）外部包覆有金属铂薄膜（6），在SOI硅片（1）上部有通过金电极（12）固定于二氧化硅薄膜（5）上的石墨烯（8），在石墨烯（8）刻蚀有石墨烯纳米孔（19），石墨烯纳米孔（19）和固态纳米孔（20）同轴，在金电极（12）两端的SOI硅片（1）外部上下采用聚二甲基硅氧烷（10）包围形成空腔，空腔中填充有电解液（18），置于SOI硅片（1）上部的铂电极（13）接负电位，置于SOI硅片（1）下部的铂电极（13）接正电位，铂电极（13）和纵向微弱电流测量装置（15）以及电源（14）构成纵向微弱电流测量回路，金电极（12）和横向微弱电流测量装置（16）以及电源（22）构成横向微弱电流测量回路。
2.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述二氧化硅埋层（2）的厚度为400nm。
3.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述固态纳米孔（20）的直径为1.5～10nm。
4.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述石墨烯（8）为单原子层或多原子层。
5.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述石墨烯纳米孔（19）的直径为1.5～7nm。
6.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述二氧化硅薄膜（5）厚度为5～30nm。
7.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述纵向微弱电流测量装置（15）和横向微弱电流测量装置（16）均为皮安级电流表。
8.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述电解液（18）为KCl、NaCl或LiCl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L，pH值为8.0。
9.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述电源（14）的偏置电压为0.05～0.2V，硅片上方的铂电极（13）接电源（14）负极，硅片下方铂电极（13）接电源（14）正极。
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