一种基于MoS2/WS2异质纳米孔结构的生物分子检测装置及其检测方法与流程

一种基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测装置及其检测方法
技术领域
1.本发明涉及生物检测技术领域，具体涉及一种基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测装置及其检测方法。


背景技术：

2.纳米孔传感器是具有单分子分辨率的一类生物传感器，主要分为生物纳米孔传感器和固态纳米孔传感器。生物纳米孔使用寿命短、尺寸不可控，且不能在极端的ph、温度和离子浓度环境下时使用，因此生物纳米孔应用范围受到限制。固态纳米孔能够实现纳米孔尺寸的可控制造、在极端环境条件下保持纳米孔稳定性，但仍存在着空间分辨率低和时间分辨率低的缺点。
3.此外，在电场力作用下，生物分子易位速度过快，现有的信号采集系统无法及时采集过孔阻塞电流信号，无法根据阻塞电流幅值及过孔时间分析出过孔信号，导致获取的有效数据点很少，使得固态纳米孔检测时间分辨率低。目前有方法来减慢生物分子易位，以提高固态纳米孔检测的时间分辨率，例如通过来改变实验影响因素减缓生物分子的易位速度，如温度、电解质粘度、驱动电压、离子浓度和纳米孔的表面电荷密度。尽管上述方法能降低生物分子易位速度，但所改变的实验影响因素条件仍然不能满足大部分生物分子测试的要求。
4.除了电场驱动，还有光镊磁镊等技术，然而传统光镊技术进行生物分子测序具有以下难点：首先，难以实现纳米孔阵列高通量的纳米孔并行规模化检测；其次，激光产生的热效应强烈影响通过纳米孔的离子电流和噪声水平。磁镊提供了另一种通过外加拉力控制微球进而控制生物分子易位的方法，磁镊技术能减缓生物分子易位速度，但无论是光镊还是磁镊都引用了额外的生物分子修饰，难度增大。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测装置，该检测装置通过光照即可延长生物分子过孔时间，提高了生物分子过孔信号的测试精度，继而提高了蛋白质检测和dna测序效果。
6.本发明的目的之二在于提供一种基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测方法。
7.为实现上述目的之一，本发明提供以下技术方案：
8.提供一种基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测装置，包括光源、纳米孔芯片、膜片钳系统和透光的液池；
9.所述纳米孔芯片设于所述液池内，所述液池被所述纳米孔芯片分隔为第一池室和第二池室，所述第一池室和所述第二池室用于装载待检测生物分子的电解质溶液；所述纳米孔芯片包括绝缘基层，所述绝缘基层上设有mos2/ws2异质结构，所述mos2/ws2异质结构包
括交替层叠设置的mos2薄膜层和ws2薄膜层，所述绝缘基层上开设有窗口，所述纳米孔芯片上的纳米孔直线贯穿所述窗口、所述mos2薄膜层和所述ws2薄膜层；
10.所述膜片钳系统包括工作电极和参比电极，所述纳米孔芯片位于所述工作电极和所述参比电极之间；
11.所述光源位于所述液池外且朝向所述纳米孔芯片。
12.在一些实施方式中，所述绝缘基层的材质为硅、二氧化硅、陶瓷、二氧化铪中的一种或多种组合。
13.在一些实施方式中，所述窗口包括扩张口和与所述扩张口连接的微米孔，所述微米孔与所述纳米孔连接；所述绝缘基层的厚度为0.1～1mm，所述扩张口的深度为10～200nm，所述微米孔的孔径为100～700nm。
14.在一些实施方式中，所述mos2/ws2异质结构有至少两层的mos2薄膜层和至少两层的ws2薄膜层。
15.在一些实施方式中，所述纳米孔的孔径为1～30nm。
16.在一些实施方式中，所述工作电极置于第一遮光电极槽内，所述参比电极置于第二遮光电极槽内。
17.在一些实施方式中，所述液池设有通光面或所述液池的池体为透明池体。
18.在一些实施方式中，所述光源的光束波长为400～600nm，光照强度为1～200mw/cm2。
19.在一些实施方式中，所述待检测生物分子包括λdna、mirna、bsa或psa中的任意一种生物分子，所述生物分子浓度为0.1～100μmol/l，所述电解质溶液为氯化钾、氯化钠以及氯化锂中的一种，所述电解质溶液的浓度为0.1～2mol/l，所述电解质溶液的ph为6.0～8.0。
20.本发明一种基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测方法的有益效果：
21.本发明的基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测装置，其纳米孔芯片包括mos2/ws2异质结构，mos2、ws2是过渡金属二硫族化合物tmd，其克服了石墨烯没有带隙的缺点，并保持了柔性、光电相互作用强、原子级厚度优点。并且，在光源照射下，mos2/ws2异质结构中不同材料的电子-空穴对高分离，载流子全面层流，使得mos2带负电，ws2带正电，以在电解质溶液中形成内建电场，驱动电解质溶液中的离子通过纳米孔形成光致离子电流，该光致离子电流驱动带电生物分子通过纳米孔，实现生物分子检测。其中，光致离子电流使得纳米孔周围形成一个捕获分子的分子阱，控制了生物分子过孔速度，延长了生物分子过孔的逗留时间，有效地解决了生物分子过孔时间分辨率低的问题，继而提高了过孔信号的测试精度，提高了蛋白质检测和dna测序效果。
22.为实现上述目的之二，本发明提供以下技术方案：
23.提供一种基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测方法，采用上述的生物分子检测装置，包括以下步骤：
24.往所述第一池室和所述第二池室注入待检测生物分子的电解质溶液，并将其置于黑暗条件下；将光源照向所述液池，使光源的光束透过液池照到所述mos2/ws2异质结构上以产生光致离子电流，所述光致离子电流驱动生物分子通过纳米孔和窗口，所述膜片钳系统检测生物分子过孔时的阻塞电流，将所述阻塞电流比对空白对照组，实现生物分子的检测。
25.本发明一种基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测方法有益效果：
26.该方法仅需光源激发即可驱动带电生物分子通过纳米孔，具有容易操作的优点，适合大规模生产应用。
附图说明
27.图1是实施例的一种基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测装置的结构示意图。
28.图2是实施例4的检测信号电流与时间关系示意图。
29.图3是实施例4的光照时的电解质溶液的光电流轨迹图。
30.图4是实施例4的光致离子电流驱动牛血清蛋白(bsa)过孔信号图。
31.图5是实施例4的光致离子电流驱动牛血清蛋白(bsa)过孔信号频率分布图。
32.附图标记
33.光源1；第一遮光电极槽2；第二遮光电极槽3；膜片钳系统4、工作电极41、参比电极42；液池5、第一池室51、第二池室52；绝缘基层6；mos2/ws2异质结构7、mos2薄膜层71、ws2薄膜层72；窗口8、扩张口81、微米孔82；纳米孔9；生物分子10。
具体实施方式
34.下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
35.在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“该”旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
36.应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.实施例1
38.本实施例公开了基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测装置，包括光源、纳米孔芯片、膜片钳系统4和透光的液池5。所述纳米孔芯片设于所述液池5内，所述液池5被所述纳米孔芯片分隔为第一池室51和第二池室52，所述第一池室51和所述第二池室52用于装载待检测生物分子10的电解质溶液；所述纳米孔芯片包括绝缘基层6，所述绝缘基层6上设有mos2/ws2异质结构7，所述mos2/ws2异质结构7包括交替层叠设置的mos2薄膜层71和ws2薄膜层72，所述绝缘基层6上开设有窗口8，所述纳米孔芯片上的纳米孔9直线贯穿所述窗口8、所述mos2薄膜层71和所述ws2薄膜层72。所述膜片钳系统4包括工作电极41和参比电极42，所
述纳米孔芯片位于所述工作电极41和所述参比电极42之间。所述光源位于所述液池5外且朝向所述纳米孔芯片。
39.上述基于mos2/ws2异质纳米孔9结构的生物分子10检测装置，其纳米孔芯片包括mos2/ws2异质结构7，mos2、ws2是过渡金属二硫族化合物tmd，克服了石墨烯没有带隙的缺点，并保持了柔性、光电相互作用强、原子级厚度优点。并且，在光源照射下，mos2/ws2异质结构7中不同材料的电子-空穴对高分离，载流子全面层流，使得mos2带负电，ws2带正电，以在电解质溶液中形成内建电场，该电场驱动电解质溶液中的离子通过纳米孔9形成光致离子电流，该光致离子电流驱动带电生物分子10通过纳米孔9，实现生物分子10检测。其中，光致离子电流使得纳米孔9周围形成一个捕获分子的分子阱，控制了生物分子10过孔速度，延长了生物分子10过孔的逗留时间，有效地解决了生物分子10过孔时间分辨率低的问题，继而提高了过孔信号的测试精度，提高了蛋白质检测和dna测序效果。
40.本实施例中，所述绝缘基层6的材质为硅、二氧化硅、陶瓷、二氧化铪中的一种或多种组合。
41.本实施例中，所述窗口8包括扩张口81和与所述扩张口81连接的微米孔82，所述微米孔82与所述纳米孔9连接。
42.该窗口8分设为扩张口81和微米孔82，扩张口81便于生物分子10进入到窗口8中，扩张口81再通过微米孔82将单个生物分子10准确地引导到纳米孔9中，提高生物分子10导入精度。
43.本实施例中，所述绝缘基层6的厚度为0.1～1mm，绝缘基层6的厚度可根据实际使用进行选择，此处不作限定。所述扩张口81的深度为10～200nm，扩张口81的深度可根据实际使用进行选择，此处不作限定。所述微米孔82的孔径为100～700nm，微米孔82的孔径可根据实际使用进行选择，此处不作限定。
44.本实施例中，所述mos2/ws2异质结构7有至少两层的mos2薄膜层71和至少两层的ws2薄膜层72。例如，ws2薄膜层72覆盖在mos2薄膜层71上或者mos2薄膜层71覆盖在ws2薄膜层72上
45.本实施例中，所述纳米孔9的孔径为1～30nm。纳米孔9的孔径可根据实际使用进行选择，此处不作限定。
46.实施例2
47.便于理解，以下提供了基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测装置的一个实施例进行说明，在实际应用中，图1所示，所述工作电极41置于第一遮光电极槽2内，所述参比电极42置于第二遮光电极槽3内。遮光电极槽作用为避免光源照到agcl电极，避免电极遇光从而分解产生额外的电信号，干扰生物分子10过孔信号的检测。
48.实施例3
49.便于理解，以下提供了基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测装置的一个实施例进行说明，在实际应用中，图1所示，所述液池5设有通光面或所述液池5的池体为透明池体。通光面或透明池体均能透光。
50.实施例4
51.本实施例公开的基于mos2/ws2异质纳米孔结构的生物分子检测方法，采用实施例1所述的生物分子检测装置，包括以下步骤：
52.往所述第一池室51和所述第二池室52注入待检测生物分子10的电解质溶液，并将其置于黑暗条件下；将光源照向所述液池5，使光源的光束透过液池5照到所述mos2/ws2异质结构7上以产生光致离子电流，所述光致离子电流驱动生物分子10通过纳米孔9和窗口8，所述膜片钳系统4检测生物分子10过孔时的阻塞电流，将所述阻塞电流比对空白对照组，实现生物分子10的检测。
53.所述待检测生物分子10包括λdna、mirna、bsa或psa中的任意一种生物分子10，所述生物分子10浓度为0.1～100μmol/l，所述电解质溶液为氯化钾、氯化钠以及氯化锂中的一种，所述电解质溶液的浓度为0.1～2mol/l，所述电解质溶液的ph为6.0～8.0。
54.实验测试
55.为进一步地说明本发明生物分子检测方法的检测效果，通过以下实验进行验证。
56.实验步骤：加入的生物分子溶液成分为1mg/ml牛血清蛋白(bsa)，1mol/l kcl，10mmol/lpbs缓冲液，未加入生物分子时，光照持续时间为15s(对照组)，溶液为1mol/l kcl溶液，加入生物分子后，光照持续时间为1h，以上实验的光照强度为(辐照度)10mw/cm2。
57.图2所示，t1、t2分别为光源打开与关闭的时间，t1至t2之间对应的原电流之差为二维材料产生的光电流，图中可见t1至t2之间产生了生物分子检测信号，可见，本发明能产生光致离子电流。
58.图3所示，光照部分能产光电流轨迹峰，这进一步说了本发明在光源照射下，能产生光致离子电流。
59.图4所示，在光致离子电流下，驱动牛血清蛋白(bsa)产生过孔信号。可见，本发明能驱动生物分子过纳米孔。
60.图5所示，在光致离子电流下，获取牛血清蛋白(bsa)过孔信号频率分布信号。这进一步说明本发明能驱动生物分子过纳米孔。
61.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
62.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
63.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器
件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
64.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。