[发明专利]一种纳米孔电学传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器，尤其涉及一种纳米孔电学传感器。

背景技术

纳米孔(nanopore)能够在单分子分辨水平探测及表征生物分子如DNA, RNA及聚肽，潜在的基于纳米孔的单分子基因测序技术不需要荧光标记物，不需要PCR反应，有望能直接并快速“读”出DNA的碱基序列；该测序技术有望大大降低测序成本，实现个性化医疗。基于纳米孔的单分子基因测序技术主要有三种检测方法：离子封锁电流(Strand-sequencing using ionic current blockage)，横向电子电流（Strand-sequencing using transverse electron currents），光学信息(Nanopore sequencing using synthetic DNA and optical readout)。目前制备的纳米孔的深度一般大于10 nm，大大超出单链DNA碱基间距0.3 - 0.7 nm，也即是孔中同时有15个碱基通过，因此无法达到基因测序的单碱基的分辨率；因此，要达到单碱基的分辨率，必须具备能够识别单链DNA中的单碱基元件。另外，离子封锁电流只有pA量级，信噪比很低，很难真正用于DNA测序。

由于每个DNA的碱基在结构上和化学上都有所区别，因此每个碱基都可能存在独特的电子特征，利用这些子特征可能对DNA进行测序。2007年，徐明生等人在Small（Small2007, 3, 1539-1543）上发表“DAN碱基的电子性能(The electronic properties of DNA bases)”的论文报道了不同的DNA碱基之间存在电子指纹特征。在2005年，美国加州大学圣迭哥分校的M Zwolak 等在纳米快报(Nano Letters 2005, 5, 421-424)上发表论文：横向传输的DNA碱基的电子特性（Electronic signature of DNA nucleotides via transverse transport） M Zwolak等通过理论计算认为：当DNA通过纳米孔时可以测量DNA碱基的横向隧道电子电流而对其进行测序。这要求将纳米电极集成于纳米孔系统，这样纳米电极将记录在DNA穿越纳米孔时产生的与DNA链垂直的电流。然而，尽管目前制备纳米孔的技术比较成熟，但是，迄今为止还没有技术方法将具有单碱基分辨率纳米电极集成于纳米孔系统。另一方面，纳米电极与DNA碱基之间的距离以及DNA碱基的取向对隧道电流影响很大，所以必须解决这种由于DNA碱基通过纳米孔时由不同的取向而可能导致的对测量信号的影响。2007年，徐明生等人在Small（Small2007, 3, 1539-1543）上发表“DAN碱基的电子性能(The electronic properties of DNA bases)”的论文：他们利用超高真空隧道扫描显微镜首次在实验上揭示DNA的四种碱基在单晶Au的表面存在着不同的电子指纹特性，这意味着DNA的四种碱基与电极功能材料之间存在不同的相互作用；因此，利用DNA的四种碱基与纳米功能层材料之间的不同相互作用的原理，测量当DNA穿越纳米孔时四种不同的碱基与纳米功能层材料之间由于不同相互作用而导致的电学特性差异或光学特性差异等有望实现快速、成本低的基因测序。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种纳米孔电学传感器。

实现上述发明目的所采用的技术方案为：一种纳米孔电学传感器，包括从下到上依次层叠的基板、第一绝缘层、纳米功能层和第二绝缘层，在基板、第一绝缘层、纳米功能层和第二绝缘层的中心设有纳米孔，所述纳米功能层为中心带纳米孔的薄片状。纳米功能层夹嵌在第一绝缘层和第二绝缘层之间，纳米孔周边为整片的形状，解决了碱基通过纳米孔时可能存在的不同取向问题，保证了DNA四种碱基与纳米功能层存在最适当的且不同的相互作用。

作为优选，第一绝缘层上表面、纳米功能层边缘设有电接触层，有利于纳米功能层信号的传递。 

作为优选，所述的纳米功能层是指其与DNA四种碱基之间存在不同的相互作用的功能材料，当纳米功能层与DNA的碱基发生相互作用时，测量由不同的相互作用而导致的电学或其它相关性能的变化及差异而得到DNA序列的信息。