用于生物分子传感和检测的方法技术

本发明专利技术涉及用于在用于化学传感和生物传感的纳米装置中使用接合到DNA纳米线上的金属化或导电性聚合物来产生导电性纳米结的方法。化或导电性聚合物来产生导电性纳米结的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生物分子传感和检测的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年8月22日提交的第62/890,251号美国临时申请的优先权，该临时申请通过引用全文纳入本文。


[0003]本专利技术涉及用于传感生物分子和生化反应的系统、装置和方法，包括但不限于天然的、合成的或修饰的DNA、RNA、蛋白质、多肽、寡核苷酸、多糖及其类似物等的鉴定和/或测序。更具体地，本公开包括其中使用DNA作为支架或模板在纳米间隙中产生图案化导电性纳米结的实施方式。

技术介绍

[0004]电子纳米装置在护理点生物传感方面具有巨大的低成本潜力。虽然干涉光刻技术已经实现了7nm分辨率，1但在工业中传统的自上而下半导体制造工艺正在接近其极限。另一方面，DNA是最有前途和最合适的材料之一，用以将生物操作系统以埃的精度集成到纳米电子器件中。首先，DNA可以被编程，通过自组装在二维和三维上都可以形成可预测的纳米级结构，例如2D DNA阵列、DNA截短八面体、DNA折纸和3D DNA。2此外，复杂的核酸化学允许我们调节和修饰DNA以及创造新的基于DNA的材料。因此，DNA已经成为用于“自下而上”构建纳米机器的一种选择。
[0005]DNA分子可以通过相邻碱基对的重叠π
‑
轨道纵向传导电子。据观察，当沉积在硬质基材上时，长的天然DNA线不导电，
3，4
而短的DNA分子允许电荷通过它们传输(＜15个碱基对)。5通常，AT序列的导电性低于其DNA中的GC对应物。6AT碱基对被认为是隧穿势垒(tunneling barrier)，GC碱基对是电荷转移的跃迁位点。在水性溶液中，聚(CG)n DNA双链体的电导(G)随其长度(L)降低。8虽然聚(CG)4的电导约为100nS(图2，a)，但估计偏压1V以下具有可测量电导的聚(CG)
n
约为n＝10(图2，b)。先前的研究表明，在2V偏压以下，(聚G
‑
聚C)
30
双链体在室温和50％的空气湿度下，仅具有低于1nA的电导(图1)(约0.5nS)。7因此，DNA不会在纳米电子器件的必要长度范围内具有足够的电导率。
[0006]改进DNA纳米结构电导率的一种方法是将导电材料添加到DNA中。对于电子互连，纳米结构最好具有欧姆电导率。DNA的金属化是制造导电性纳米线的有效方式。铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、钯(Pd)和铑(Rd)等金属已被镀在DNA上以形成金属化纳米线。9通常，这些DNA模板化纳米线的直径大于10nm，以具有良好的电导率。Braun及其同事专利技术了一种分子光刻技术，用于在DNA基材上进行图案化，
10
其中，在DNA基材上创建两条金纳米线之间的绝缘间隙。
[0007]本专利技术提供了增加DNA纳米结的电导率的方式和方法，沿着附接至纳米间隙的DNA螺旋，通过涂敷金属纳米颗粒或导电性聚合物单体的薄层或偶联导电性聚合物(例如聚苯胺)或两者的组合。
[0008]前注：虽然本专利技术使用DNA双链体作为模板或底物或支架来制造导电性纳米线或
形成纳米结，但我们不排除使用其他材料用于相同目的，例如天然或非天然的RNA双链体、多肽链、多糖链，或类似的生物聚合物或它们的组合，包括与DNA的组合。本专利技术的原理或方法适用于适合用作纳米线/纳米结构建材料的任何其他生物聚合物。
[0009]附图简要说明
[0010]图1：由固体基材上的GC碱基对构成的DNA的电导率，通过纳米间隙DNA结测量。DNA分子(30个碱基对，双链聚(G)
‑
聚(C))长10.4nm，纳米电极间隙宽8nm。在室温和50％的空气湿度下，在两个金属纳米电极之间捕捉的DNA分子上测量的电流
±
电压曲线。随后的I
‑
V曲线显示出类似的表现，但电压间隙的宽度有所不同。
[0011]图2：溶液中由GC碱基对构成的DNA的电导率，通过STM断裂结测量。(a)聚(GC)8DNA双链体的电导直方图；(b)(GC)
n
比1/长度的电导。
[0012]图3：说明了自上而下制造纳米间隙的过程。
[0013]图4：说明了制造与传感分子附接的纳米结的自下而上分子光刻过程，其中酶显示为传感分子的示例。
[0014]图5：显示了纳米间隙处的锥形电极端表面和纳米间隙下的栅极。
[0015]图6：显示了由绝缘层隔开的不同平面中的电极形成的垂直纳米间隙。
[0016]专利技术概述
[0017]本专利技术提供了组装用于传感生物分子和生化反应的纳米间隙装置的方法。图3显示了使用标准半导体制造技术以自上而下的方法制造由两个纳米电极构成的纳米间隙的方案。因此，可以以高产量和低成本制造纳米间隙。为了用分子线桥接纳米间隙，用自下而上的分子光刻完成纳米装置组装的整个过程，如图4所示。
[0018]在一些实施方式中，纳米间隙包括两个电极，它们之间的距离为3nm至1000nm，优选5nm至100nm，最优选5nm至30nm。电极的端表面基本上是矩形，其宽度为3nm至1um，优选5nm至30nm，高度为3nm至100nm，优选5nm至30nm。所述电极包括贵金属，例如铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rd)、钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir)或其他金属，例如铜(Cu)、铼(Re)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)及其衍生物，例如TiN和TaN等。
[0019]在一些实施方式中，纳米间隙由两个电极形成，其位于由绝缘层隔开的不同平面中，参见图6(参考US62994712)。绝缘层的厚度为2nm至1000nm，优选为5nm至30nm。绝缘材料选自但不限于下组：SiNx、SiOx、HfOx、Al2O3、其他金属氧化物以及半导体工业中使用的任何介电质。
[0020]在一些实施方式中，通过用纳米线桥接纳米间隙形成纳米结，然后将传感分子附接在预定位置。所述纳米线包含侧接两个金属化或导电性聚合物偶联纳米线区段的半导体DNA双链体区段。传感分子被附接至DNA双链体的中间。附接的传感分子和半导体DNA双链体构成力效应晶体管(force effect transistor)，称为“FET”。传感分子在与其受体或底物相互作用时会改变其构象。这将对DNA施加力并扰乱其碱基堆叠，导致流过纳米线的电流波动。然后记录代表对分子事件的响应的电流信号，并推断该分子相互作用或反应。例如，当传感分子是DNA聚合酶时，它可以通过记录电信号来监测聚合酶将核苷酸纳入DNA引物的过程。当抗体被用作传感分子时，可以利用这种纳米结装置检测抗原，或反之亦然。类似地，受体被用作传感分子，可以确定其在样品中的配体，或反之亦然。
具体实施方式
[0021]图3描绘了使用自上而下的半导体制造方法制造纳米间隙的过程，该纳米间隙包括两个相隔小于20nm距离的电极。通过EBL在涂有氮化硅绝缘层(102)的硅基材(103)上制造铂线(101)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生物聚合物的鉴定、表征或测序的系统，其包括，a.基材；b.第一电极和第二电极彼此相邻放置在所述基材上形成的纳米间隙；c.纳米线，其具有配置为约为所述纳米间隙的大小，并配置为通过将所述纳米线的一端附接至所述第一电极，所述纳米线的另一端附接至所述第二电极以桥接所述纳米间隙，其中所述纳米线包含核酸双链体区段，在所述核酸双链体区段的端部侧接至少一个金属化聚合物区段或至少一个导电性聚合物区段；d.传感分子，配置为被附接至所述纳米线上的核酸双链体区段，其被配置为与所述生物聚合物相互作用或进行生化反应；e.施加在所述第一电极和所述第二电极之间的偏压；f.配置为记录通过所述纳米线的电流波动的装置，所述电流波动是由所述传感分子的活动导致的；和g.配置为用于数据分析鉴定或表征所述生物聚合物或所述生物聚合物的亚单位的软件。2.如权利要求1所述的系统，进一步包括位于所述基材与所述第一和第二电极之间的绝缘层1。3.如权利要求1所述的系统，其进一步包括所述电极顶部的介电质盖层。4.如权利要求1所述的系统，其进一步包括：a.栅极，通过绝缘层2与所述第一和第二电极分隔开；和b.配置为被施加在所述栅极上的参考电压。5.如权利要求1所述的系统，其中所述生物聚合物选自下组：DNA，RNA，寡核苷酸，蛋白质，多肽，多糖，任何上述生物聚合物的类似物，天然的、修饰的或合成的任何上述生物聚合物，及其组合。6.如权利要求1所述的系统，其中所述传感分子选自下组：天然的、突变的、表达的或合成的核酸探针、分子镊子、酶、受体、配体、抗原和抗体，及其组合。7.如权利要求6所述的系统，其中所述酶选自下组：DNA聚合酶，RNA聚合酶，DNA解旋酶，DNA连接酶，DNA外切核酸酶，逆转录酶，RNA引物酶，核糖体，蔗糖酶，乳糖酶，天然的、突变的、表达的或合成的任何上述酶，及其组合。8.如权利要求7所述的系统，其中所述DNA聚合酶或所述酶选自下组：
□
29 DNA聚合酶，T4 DNA聚合酶，T7 DNA聚合酶，Taq聚合酶，RB69聚合酶，DNA聚合酶X，DNA聚合酶Y，DNA聚合酶Pol I，Pol II，Pol III，Pol IV和Pol V，Polα(阿尔法)，Polβ(贝塔)，Polσ(西格玛)，Polλ(兰姆达)，Polδ(德尔塔)，Polε(艾普希龙)，Polμ(缪)，Polι(埃欧塔)，Polκ(卡帕)，polη(艾塔)，末端脱氧核苷酸转移酶，逆转录病毒逆转录酶，端粒酶，天然的、突变的、表达的或合成的任何上述酶，及其组合。9.如权利要求7所述的系统，其中所述RNA聚合酶选自下组：天然的、修饰的、表达的或合成的T7 RNA聚合酶，任何病毒RNA聚合酶，RNA聚合酶I，RNA聚合酶II，RNA聚合酶III，RNA聚合酶IV，RNA聚合酶V，任何真核生物RNA聚合酶，任何古菌RNA聚合酶，及其组合。10.如权利要求1所述的系统，其中所述传感分子配置为通过点击化学在预定位置被附接至所述纳米线的核酸双链体区段。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述两个电极之间的所述纳米间隙大小或距离为约3nm至约1000nm，优选约5nm至约30nm。12.如权利要求1所述的系统，其中所述面对所述纳米间隙的电极的端表面基本上是矩形，其宽度为约3nm至约1um，优选约5nm至约30nm，高度为约3nm至约100um，优选约5um至约30nm。13.如权利要求1所述的系统，其中所述纳米间隙具有近似倒梯形的形状，其顶部开口宽于所述纳米线长度，而底部开口窄于所述纳米线长度。14.如权利要求1所述的系统，其中所述电极由选自下组的金属制作：铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rd)、钌(Ru)、锇(Os)、和铱(Ir)、铜(Cu)、铼(Re)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)及其衍生物，例如TiN和TaN，及其组合。15.如权利要求1所述的系统，其中所述第一电极和第二电极位于不同平面，相互重叠并由所述绝缘层分隔开，其中所述纳米间隙尺寸由所述绝缘层的大致厚度限定。16.如权利要求1所述的系统，其中所述核酸双链体区段被配置为与蛋白质丝相容，用于聚合物金属化或分子光刻掩蔽。17.如权利要求16所述的系统，其中所述蛋白质丝包含具有与所述核酸双链体区段至少约50％序列同源性的序列或互补的单链核酸序列。18.如权利要求1所述的系统，其中所述核酸双链体区段包含增强所述核酸双链体区段导电性的修饰核碱基，其中所述修饰核碱基是天然的或非天然的。19.如权利要求1所述的系统，其中所述核酸双链体区段包含具有用于附接所述传感分子的官能团的修饰核碱基，其中所述修饰核碱基是天然的或非天然的。20.如权利要求19所述的系统，其中所述官能团是叠氮化物或硫醇基。21.如权利要求1所述的系统，其中所述金属化聚合物区段是通过将金属颗粒接种和/或沉积至聚合物基材上制成的，其中所述聚合物基材是接合至所述核酸双链体区段的聚合物或核酸双链体区段的部分或延伸，其中所述聚合物是导电的、半导电的或不导电的，或其组合。22.如权利要求21所述的系统，其中所述金属颗粒选自下组：铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铑(Rd)、钌(Ru)、锇(Os)和铱(Ir)，和与所述第一电极和/或所述第二电极相同的金属，及其组合。23.如权利要求21所述的系统，其中所述接种金属颗粒包括金纳米颗粒或银纳米颗粒。24.如权利要求21所述的系统，其中所述金属化聚合物区段被钝化单层覆盖。25.如权利要求21所述的系统，其中所述聚合物选自下组：天然的、非天然的、修饰的或合成的DNA双链体，RNA双链体，DNA/RNA双链体，部分DNA双链体，部分RNA双链体，单链DNA，单链RNA，DNA纳米结构，肽纳米结构，PNA纳米结构，任何上述生物聚合物的部分，及其组合。26.如权利要求1所述的系统，其中所述核酸双链体区段由生物聚合物区段替代，其选自下组：天然的、非天然的、修饰的或合成的双DNA双链体、三DNA双链体、DNA折纸结构、DNA纳米结构、肽纳米结构、PNA纳米结构、混合DNA和PNA纳米结构，及其组合，其中所述生物聚合物区段被配置为具有用于附接所述传感分子的官能团，并与用于聚合物金属化或分子光刻掩蔽的蛋白质丝相容。27.如权利要求1所述的系统，其中所述导电性聚合物区段是通过酶促、电化学或化学
氧化偶联或其组合将导电性聚合物单体涂覆至核酸支架或基材上制成的。28.如权利要求1所述的系统，其中所述导电性聚合物区段包含选自下组的聚合物：天然的、非天然的、修饰的或合成的聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PT)、聚苯胺(PANI)、聚(对苯硫醚)(PPS)、聚(乙炔)(PAC)、聚(对苯撑乙烯)(PPV)、聚(3，4
‑
乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、聚(芴)、聚亚苯基、聚芘、聚薁、聚萘、聚咔唑、聚吲哚、聚氮杂及其组合。29.如权利要求1所述的系统，其中所述导电性聚合物是贯穿整个所述纳米线延伸的，具有共接合于或近所述纳米线的中部的所述核酸双链体区段，用于所述传感分子的附接。30.如权利要求1所述的系统，其中多个纳米间隙装置，每个具有单纳米间隙装置的所有特点，具有附接的纳米线和传感分子，配置为以阵列形式制造。31.如权利要求30所述的系统，其中所述纳米间隙装置的数量为约10至约109，在纳米芯片、固体表面上或孔中。32.如权利要求30所述的系统，其中所述纳米间隙装置的数量为约104至约106。33.一种用于生物聚合物的鉴定、表征或测序的方法，包括，a.提供基...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丕明，雷明，K，
申请(专利权)人：通用测序技术公司，
类型：发明
国别省市：