一种基于碳纳米管离子通道的单分子检测装置

1.本实用新型涉及分子检测技术领域，尤其涉及一种基于碳纳米管离子通道的单分子检测装置。


背景技术：

2.在纳米制造技术发展的推动下，纳米电阻脉冲传感(rps)技术因其简单、高通用性和灵敏度而受到越来越多的关注，并被广泛应用于纳米粒子、dna、蛋白质和病毒以及单分子的检测。
3.传统的纳米孔阻抗分析技术一般采用固态纳米孔或者纳米通道，比如 sio2、mos2、石墨烯等纳米管道结构，其加工过程一般采用传统的半导体加工工艺，包括电子束光刻、离子束光刻、湿刻蚀等复杂的加工过程，其加工成本高、程序复杂；另一种常用的纳米孔材料为生物纳米孔，其检测系统由蛋白质纳米孔和脂质膜构成，该体系虽然检测精度高，但是对外部环境条件如温度、ph、电场、离子浓度等较为敏感，其加工过程也较为复杂、检测重复性较差。因此，亟需开发新型纳米孔阻抗分析体系和检测方法以实现高精度、高灵敏度、高稳定性纳米孔阻抗分析需求。


技术实现要素：

4.根据上述提出的技术问题，而提供一种基于碳纳米管离子通道的单分子检测装置。本实用新型采用的技术手段如下：
5.一种基于碳纳米管离子通道的单分子检测装置，包括微流控芯片、信号采集系统以及直流电压驱动装置，所述的微流控芯片包括微流通道、碳纳米管离子通道和储液池，所述微流通道包括第一主通道、第二主通道和对应的检测通道，所述碳纳米管离子通道连接所述第一主通道和第二主通道，第一主通道和第二主通道分别通过其对应的储液池与所述直流电压驱动装置相连，所述第一主通道和第二主通道的检测通道分别通过其对应的储液池与所述信号采集系统相连。
6.进一步地，所述微流通道包括主通道和检测通道，主通道包括作为上游主通道的所述第一主通道和作为下游主通道的所述第二主通道；检测通道包含上游检测通道和下游检测通道；上游主通道和下游主通道分别通过上游主通道储液池和下游主通道储液池与外界相连；上游检测通道和下游检测通道分别与上游主通道和下游主通道相连；上游检测通道和下游检测通道分别通过上游检测通道储液池和下游检测通道储液池与信号采集系统相连。
7.进一步地，所述信号采集系统包括依次相连的信号放大单元、信号采集单元和信号处理与显示单元，所述信号放大单元为差分放大方式，差分放大单元的两个信号输入端通过参比电极分别与上游检测通道储液池和下游检测通道储液池相连。
8.进一步地，所述信号处理单元用于及时接收信号采集单元获取的数据并进行处理，且能够对脉冲信号的幅值、宽度、半宽、频率的信息进行分析。
9.进一步地，所述直流电压驱动装置用于提供稳定的电压输出，电源正负极分别通过惰性电极与上游主通道储液池和下游主通道储液池相连。
10.进一步地，检测过程中碳纳米管离子通道中充满电解质溶液，所述碳纳米管离子通道为多壁碳纳米管，其内径足够小，在电场条件下允许分子逐一通过碳纳米管离子通道并引起碳纳米管离子通道阻抗的显著变化。
11.本实用新型具有以下优点：
12.1、本实用新型采用的碳纳米管的直径《10纳米，检测精度高，可实现单分子检测，检测系统在微流控芯片上，检测过程操作灵活、简便。
13.2、本实用新型信号收集采用的差分放大方式，可以显著地最小化环境噪声，并提高检测的灵敏度。
附图说明
14.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本实用新型一种基于碳纳米管离子通道的单分子检测微流控芯片装置的微流控芯片结构示意图。
16.图2为本实用新型一种基于碳纳米管离子通道的单分子检测系统结构示意图。
17.其中：m为pdms微流控芯片；1、上游主通道；2、下游主通道；3、上游检测通道；4、下游检测通道；5、碳纳米管离子通道；6、上游主通道储液池；7、下游主通道储液池；8、上游检测通道储液池；9、下游检测通道储液池；10、信号放大单元；11、数据采集单元；12、信号处理及显示单元； 13、直流驱动单元；14、目标检测分子；15、惰性电极。
18.图3为本实用新型实施案例中微流控芯片加工实例图片，(a)微流控芯片实物图；(b)微流控芯片碳纳米管离子通道检测区域显微照片；(c)碳纳米管tem显微照片实例图片。
19.图4为本实用新型实施案例中微流控芯片系统进行分子检测结果实例图片，(a)通过实例单分子检测系统对15nt和30nt ssdna进行检测的阻抗信号示意图；(b)通过单分子检测系统对15nt和30nt ssdna进行检测的阻抗信号分析图片。
具体实施方式
20.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
21.碳纳米管具有超疏水、超光滑的内表面，其通道内物质传输具有超高效特性，其超高的杨氏模量和高化学惰性可有效防止机械变形和化学分解，因此碳纳米管通道被广泛应用于纳米级物质的操控和传输。此外，通过化学气相沉积等方法合成超长碳纳米管比固态纳米孔生产效率高，生产成本低，碳纳米管材料与对温度、酸碱度和盐浓度更敏感的生物纳
米孔相比，稳定性更好。鉴于已有检测系统的缺陷和碳纳米管的特征优势，本实用新型提供一种基于碳纳米管离子通道的单分子检测微流控装置和检测方法。该装置通过沿主通道施加电势差作为微流控芯片中分子迁移的驱动力，当被检分子穿过碳纳米管检测离子通道时，使得碳纳米管离子通道阻抗变化，该阻抗变化由布置在碳纳米管离子通道两端的信号检测通道收集，并由差分信号放大器放大后由信号采集单元获取，最终通过信号处理和显示单元实现阻抗信号的分析和检测。
22.如图1、图2所示，本实用新型实施例公开了一种基于碳纳米管离子通道的单分子检测装置，包括装置平台，所述装置平台为其它各系统和组件提供功能性接口和装配空间；其中包括微流控芯片m、信号采集系统以及直流电压驱动装置，所述的微流控芯片包括微流通道、碳纳米管离子通道5和储液池，所述微流通道包括第一主通道、第二主通道和对应的检测通道，所述碳纳米管离子通道连接所述第一主通道和第二主通道，第一主通道和第二主通道分别通过其对应的储液池与所述直流电压驱动装置13相连，所述第一主通道和第二主通道的检测通道分别通过其对应的储液池与所述信号采集系统相连。
23.所述微流通道包括主通道和检测通道，主通道包括作为上游主通道1的所述第一主通道和作为下游主通道2的所述第二主通道；检测通道包含上游检测通道3和下游检测通道4；上游主通道和下游主通道分别通过上游主通道储液池6和下游主通道储液池与外界相连；上游检测通道和下游检测通道分别与上游主通道和下游主通道相连；上游检测通道和下游检测通道分别通过上游检测通道储液池8和下游检测通道储液池9与信号采集系统相连。
24.所述信号采集系统包括依次相连的信号放大单元10、信号采集单元11 和信号处理与显示单元12，所述信号放大单元为差分放大方式，差分放大单元的两个信号输入端通过参比电极分别与上游检测通道储液池和下游检测通道储液池相连，检测通道连接差分放大原件输入端，用于收集碳纳米管通道两端的电压变化；差分放大元件输出端通过数据采集元件与显示元件相连接；目标分子14在电场驱动下通过碳纳米管通道引起纳米管道阻抗的变化并通过信号采集和处理系统实现检测。本实用新型的主要目的是通过采用的碳纳米管的直径《10纳米，检测精度高，可实现单分子检测，而本实施例中所采用的信号放大、信号采集和信号处理等技术均为现有技术，如实施案例采用 ad621放大器，可实现上游检测通道和下游检测间电压至少100倍的放大。
25.信号采集单元具有足够高的数据采集频率和采集分辨率，本实施案例采用ni6259信号采集卡设备，可实现不低于4k的采样频率；所述信号处理单元用于及时接收信号采集单元获取的数据并进行处理，且能够对脉冲信号的幅值、宽度、半宽、频率的信息进行分析，信号显示单元包含信号采集及处理操控界面及显示界面等。本实施案例采用移动设备装载labview软件进行数据处理和显示。
26.所述直流电压驱动装置用于提供稳定的电压输出，电源正负极分别通过惰性电极15与上游主通道储液池和下游主通道储液池相连。本实施例使用 9v蓄电池对微流控芯片进行驱动供电以减小信号噪声，同时采用铂金电极以减少电化学反应造成的电学噪声，以提高检测信噪比。
27.如图3(a)～(c)所示，检测过程中碳纳米管离子通道中充满电解质溶液，所述碳纳米管离子通道为多壁碳纳米管，其内径《10纳米，在电场条件下分子可逐一通过碳纳米管离
子通道并引起碳纳米管离子通道阻抗的显著变化。
28.本实用新型具体工作过程如下：在电场力作用下，粒子进入碳纳米管离子通道会产生一定的阻值，此时可在上游检测通道储液池与下游检测通道储液池之间通过检测碳纳米管离子孔道两端电势差的变化，推算出样品中颗粒的特征。在所述上游主通道储液池、下游主通道储液孔池、上游检测通道储液池以及下游检测通道储液池内均插入铂电极，主通道的铂电极一端与直流电场驱动装置连接，检测通道一端与差分放大单元输入端相连，待测样品颗粒由上游主通道通过碳纳米管离子通道进入下游主通道，粒子通过碳纳米管离子通道过程中引起碳纳米管离子通道检测器两端电势差发生变化；该电势差变化通过所述检测通道两端的储液孔内的铂电极传送至差分放大器的输入端，差分放大器的输出端连接至信号采集和信号处理单元，以实现检测信号的差分放大、采集、显示和存储，最后通过信号的分析实现单分子检测。
29.本实用新型还公开了上述基于碳纳米管离子通道的单分子检测方法，包括如下步骤：
30.s1.制作微流控芯片，同时，将信号采集系统以及直流电压驱动装置与微流控芯片连接；通过氧气等离子体对微通道表面进行处理使其亲水。
31.s2.在通道中加入含有乙醇的缓冲液，使通道完全浸润；
32.s3.将上游微通道和下游微通道中溶液排出并将含有待测分子的溶液样品通过上游主通道上游主通道储液池注入上游主通道，将检测缓冲液从下游主通道储液池注入下游主通道；
33.s4.将信号检测电极分别插入上游检测通道储液池和下游检测通道储液池，将直流电场驱动模块电极分别插入上游主通道储液池和下游主通道储液池；
34.s5.启动数据采集和显示系统，对碳纳米管离子通道两端阻抗信号进行监控直至出现明显的脉冲信号后对信号进行采集并进行后期分析。
35.具体如图4(a)(b)所示，该碳纳米管离子通道用于单分子的检测，其内径《10纳米，其内径和长度可根据不同检测需求进行调整；检测过程中碳纳米管离子通道中充满电解质溶液，在电场条件下分子可逐一通过碳纳米管离子通道并引起碳纳米管离子通道阻抗显著变化。
36.本实施例中，微流控芯片加工步骤如下：
37.首先，将1mm厚硅片在常压下加热至145-155℃并保持25-30分钟进行除水，而后待硅片冷却立即在该硅片上旋涂光刻胶su8-3005，旋涂厚度约为 5μm，旋涂后在90-100℃下加热2-3分钟使溶剂完全挥发；然后将单根碳纳米管固定在光刻胶层的表面。此后，将另一层光刻胶su8-3050旋涂到第一层光刻胶层上，旋涂厚度为约50μm，将碳纳米管嵌如该光刻胶层中，随后进行烘烤以蒸发溶剂；之后将芯片通过微通道掩膜进行紫外线曝光，曝光剂量为430mj/cm2，随后进行显影处理，显影时间为4-5分钟。加工微通道应当注意，根据光掩模的性质，正性光刻胶和负性光刻胶均适用；光刻掩膜布置过程中，应保证碳纳米管连接上游微通道和下游微通道；在显影过程之后，碳纳米管的末端暴露在微通道中；对暴露的碳纳米管进行剪切实现碳纳米管离子通道在微流控芯片中的布置；而后通过等离子氧化处理法将布置有储夜池的pdms层与具有微通道的芯片层进行键合实现微流控芯片的加工。芯片加工过程实例如图3所示。
38.实施例1
39.以单链dna(ssdna)样品为例对采用本检测系统的检测方法进行实例分析：
40.本实例采用的装置参数:本实施案例所用的碳纳米管离子通道直径为 2～10nm，待测样品液分别为含有15nt与30nt的ssdna溶液；缓冲液为2m 的氯化钾溶液；施加于上游主通道储液池和下游主通道储液池间的电压为1v；差分放大器的放大倍数为100；
41.其具体操作步骤如下：
42.制作微流控芯片并通过氧气等离子体对微通道表面进行处理使其亲水，上游主通道和下游主通道由5μm长的碳纳米管连接；
43.通过在上游主通道溶液池和下游主通道溶液池中注入含有5％乙醇的2m kcl缓冲液，使上游微通道和下游微通道完全浸润；
44.将上游微通道和下游微通道中溶液排出并将含有待测ssdna分子的溶液样品通过上游主通道储液池注入上游主通道，将缓冲液从下游主通道储液池注入下游主通道，ssdna样品所用缓冲液和下游主通道采用同样缓冲液，均为2m kcl缓冲液；
45.将信号检测电极分别插入上游检测通道储液池和下游检测通道储液池，将直流电场驱动模块电极分别插入上游主通道储液池和下游主通道储液池，调节直流电场驱动单元使其输出为设定值，本实施例中调节为1v；
46.启动数据采集和显示系统，对碳纳米管两端阻抗信号进行监控直至出现明显的脉冲信号，利用labview数据采集卡和pc机，进行信号采集、显示和存储，完成对ssdna的检测，图4为检测过程采集的15nt ssdna和30nt ssdna的信号图以及其信号分析结果，通过本系统可实现这两种ssdna的分辨和分析。
47.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。