用于生物分子传感和检测的方法与流程

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

技术特征：
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：
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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.提供基材；b.通过将第一电极和第二电极彼此相邻放置在所述基材上形成纳米间隙；c.提供纳米线，其被配置为具有与所述纳米间隙相当的尺寸，其中所述纳米线包含核酸双链体区段，其端部侧接至少一个聚合物区段，其中所述聚合物区段是导电性的，且被接合至所述核酸双链体区段；d.将所述纳米线一端附接至所述第一电极，另一端附接至所述第二电极；e.将传感分子附接至所述核酸双链体区段的预定位置，其中所述传感分子被配置为与所述生物聚合物相互作用或进行生化反应；f.在所述第一电极和第二电极之间施加偏压；g.提供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h.提供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。34.如权利要求33所述的方法，进一步包括提供位于所述基材与所述第一和第二电极之间的绝缘层1。35.如权利要求33所述的方法，其进一步包括提供所述电极顶部的介电质盖层。36.如权利要求33所述的方法，其还包括a.提供栅极，通过绝缘层2与所述第一和第二电极分隔开；和b.在所述栅极上施加参考电压。37.如权利要求33所述的方法，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。38.如权利要求33所述的方法，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。39.如权利要求38所述的方法，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。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述dna聚合酶或所述酶选自下组：
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29dna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。41.如权利要求39所述的方法，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。42.如权利要求33所述的方法，其中所述传感分子配置为通过点击化学在预定位置附接至所述纳米线的dna双链体区段。43.如权利要求33所述的方法，其中所述两个电极之间的所述纳米间隙大小或距离配置为约3nm至约1000nm，优选约5nm至约30nm。44.如权利要求33所述的方法，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100nm，优选约5nm至约30nm。45.如权利要求33所述的方法，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。46.如权利要求33所述的方法，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)、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。47.如权利要求33所述的方法，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。48.如权利要求33所述的方法，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。49.如权利要求33所述的方法，其中所述官能团是叠氮化物或硫醇基。50.如权利要求33所述的方法，其中所述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到核酸支架或基材上制成的，其中所述核酸支架是单链核酸序列、双链核酸序列、部分单链和部分双链核酸序列或中间核酸双链体的连续部分，或其组合。51.如权利要求50所述的方法，其中所述导电性聚合物单体的涂覆是在所述纳米线被附接至所述电极之前或之后进行的。52.如权利要求33所述的方法，其中所述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。53.如权利要求33所述的方法，其中所述聚合物区段是在贯穿所述纳米线上延伸的，具有共接合于或近所述纳米线的中部的所述核酸双链体，用于所述传感分子的附接。54.如权利要求33所述的方法，在步骤d之后步骤e之前还包括：
1)提供蛋白质丝，其配置为与核酸双链体区段或核酸双链体区段上预定部分相容；2)将所述蛋白质丝附接至所述核酸双链体区段，作为掩模用于所述相邻聚合物区段的金属化；3)以聚合物区段作为基材或模板用分子光刻法对所述聚合物区段进行金属化；和4)从所述核酸双链体区段去除所述蛋白质丝；其中所述聚合物区段是导电的、半导电的或不导电的。55.如权利要求54所述的方法，其中所述聚合物区段是所述核酸双链体区段的连续部分或延伸。56.如权利要求54所述的方法，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。57.如权利要求54所述的方法，其中所述聚合物区段的金属化是通过将金属颗粒接种或沉积至所述聚合物基材上进行的。58.如权利要求57所述的方法，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。59.如权利要求57所述的方法，其中所述接种金属颗粒包括金纳米颗粒或银纳米颗粒。60.如权利要求54所述的方法，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，或单链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。61.如权利要求54所述的方法，其中所述金属化聚合物区段被钝化单层覆盖。62.如权利要求33所述的方法，其进一步包括金属化所述聚合物区段，而无需通过恰当设计的金属颗粒接种掩蔽所述核酸双链体区段，其中所述聚合物区段是导电的、半导电的或不导电的。63.如权利要求33所述的方法，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、修饰的或合成的混合dna/rna双链体、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包含官能团，其用于附接所述传感分子，并配置为与用于聚合物金属化或分子光刻掩蔽的蛋白质丝相容。

技术总结
本发明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。

技术研发人员：张丕明雷明 K
受保护的技术使用者：通用测序技术公司
技术研发日：2020.08.24
技术公布日：2022/6/24