【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及单分子检测领域，特别是涉及一种超灵敏纳米孔结构及芯片及分析装置及氨基酸和蛋白质检测方法及应用。
技术介绍
1、蛋白质是一种极为重要的生命物质，蛋白质测序技术的发展不仅能为蛋白质结构和功能的研究提供关键信息，还有望为蛋白质组学研究和医学研究带来变革性的进步。edman降解法和质谱法作为目前蛋白质测序的主流方法，在检测速度、读取长度或在低丰度下实现常规、完整的蛋白质组定量方面存在不足。
2、纳米孔技术由于具有极高的分辨率，在基因测序，病原体测序等领域中具有重要意义。目前，纳米孔技术在dna测序上已经取得了瞩目进展，但在蛋白质测序方面的发展较为滞后，这主要是由于蛋白质的结构非常复杂。蛋白质由20种氨基酸组成，而dna只由4种碱基构成，20个可分辨信号的检测是一大难题，此外，蛋白质的多级结构和带电不均一等特性也给其测序带来诸多挑战。
3、目前利用纳米孔技术已经实现了蛋白质和短肽链的检测，但距离实现蛋白质从头测序仍然面临两个至关重要的挑战：一、时间分辨率，控制肽链穿过纳米孔的速度可以提高有效数据点的数量，通过采用引入酶拉拽肽链通过纳米孔等方法，已经可以为纳米孔蛋白测序提供足够的时间分辨率；二、空间分辨率，近年来诸多文献报道了在纳米孔中提高蛋白质检测灵敏度的方法，已经实现了对载体聚合物中氨基酸取代、不同大小的均带电短同肽和翻译后修饰的区分，然而，对于直接解析单个氨基酸残基而言，空间分辨率仍然是制约纳米孔蛋白测序发展的主要瓶颈。要分辨20种天然氨基酸之间的微小差异所产生的信号是极其困难的。
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5、目前，对于实现纳米孔蛋白质测序的挑战在于：
6、1、空间分辨率的提升。鉴于目前生物纳米孔面临的感应区域长度过大的问题，开发一种感应区域长度和单个氨基酸分子尺寸相当的超灵敏纳米孔至关重要。
7、2、纳米孔孔径的控制。专利us10648965b2中提及的采用电子束打孔法，可实现3-20纳米范围的纳米孔直径，但这一尺寸对于单个氨基酸的检测而言仍然偏大。将纳米孔尺寸控制在亚纳米级至2纳米范围内将对氨基酸检测和蛋白质测序带来新的契机。
8、3、氨基酸识别信噪比的控制。由于不同氨基酸的结构差异较小，在单分子实验过程中保证高信噪比是必需条件。传统人工纳米孔面临着噪声过大的问题，噪声的降低对人工纳米孔的发展是一大挑战。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术的不足之处作出了改进，提供了一种超灵敏纳米孔结构及芯片及分析装置及氨基酸和蛋白质检测方法及应用，本专利技术是采用以下技术方案来实现的：
2、一种超灵敏纳米孔结构，其特征在于，超灵敏纳米孔结构为纳米孔，纳米孔的孔径在0.35-5nm的范围内，纳米孔的感应区域长度在0.3-2nm范围内，与单个氨基酸分子尺寸相近。
3、作为进一步地改进，本专利技术所述的纳米孔的孔径在0.35-2nm的范围内，可实现单个氨基酸分子的检测和识别。
4、作为进一步地改进，本专利技术所述的纳米孔的孔径在1-5nm的范围内，可实现翻译后化学修饰氨基酸分子的检测和识别、多肽的检测和杂多肽氨基酸序列的区分以及蛋白质测序。
5、作为进一步地改进，本专利技术所述的纳米孔为人工纳米孔或生物纳米孔。
6、作为进一步地改进，本专利技术所述的纳米孔的材料感应区域长度小于2nm，具有原子级厚度，包括二硫化钼、二硒化钼、二碲化钼、二硫化钨、二硒化钨、二碲化钨、二硫化钛、二硒化钛、二碲化钛、二硫化锆、二硒化锆、二碲化锆、二硫化铪、二硒化铪、二碲化铪、二硫化钒、二硒化钒、二碲化钒、二硫化铌、二硒化铌、二碲化铌、二硫化钽、二硒化钽、二碲化钽、二硫化锝、二硒化锝、二碲化锝、二硫化铑、二硒化铑、二碲化铑、二硫化铼、二硒化铼、二碲化铼、二硫化铂、二硒化铂、二碲化铂、二硫化钯、二硒化钯、二碲化钯、石墨烯、石墨烯氮化碳、氮化硼、黑磷、层状金属氧化物、层状金属碳化物、层状金属氮化物或金属氮氧化物复合二维材料、金属有机骨架材料、共价有机骨架材料、钙钛矿材料。
7、本专利技术公开了一种包括超灵敏纳米孔结构的超灵敏纳米孔芯片，芯片包括下层基底和上层含超灵敏纳米孔结构的纳米薄膜。
8、作为进一步地改进，本专利技术所述的基底开设有支撑孔，用于支撑超灵敏纳米孔，支撑孔的孔径在5-500nm范围内。
9、作为进一步地改进，本专利技术所述的基底包括硅层，硅层的阻值高于2700 ohmcm。
10、作为进一步地改进，本专利技术所述的基底包括从上到下的氮化硅、氧化硅、硅、氧化硅和氮化硅五层，硅层厚度为300-500μm，表层为绝缘层，支撑孔开设于表层氮化硅层上。
11、作为进一步地改进，本专利技术芯片可实现低于20pa的背景噪声。降低了介电噪声，可以提供足够分辨单个氨基酸分子的信噪比。
12、本专利技术公开了一种超灵敏纳米孔芯片的超灵敏纳米孔分析装置，装置包括注满离子溶液的流体槽、将流体槽分为顺式侧腔室和反式侧腔室的超灵敏纳米孔芯片、接入流体槽溶液或芯片的电极、与电极串联的电流放大器和电源、与电流放大器相连的数模转换设备和计算机。
13、本专利技术公开了一种超灵敏纳米孔分析装置制备超灵敏纳米孔结构的方法，在流体槽两侧腔室内注入盐溶液，通过电源和电流放大器对纳米薄膜直接施加 0-10v范围内的电压，刻蚀得到纳米孔，通过控制施加电压的大小和时长控制电化学反应，即可控制孔径的尺寸；获得纳米孔跨膜电导的实时数据，当电导值达到目标孔径对应值时，停止施加电压，完成纳米孔制备过程。
14、本专利技术公开了一种利用超灵敏纳米孔分析装置用于纳米孔快速氨基酸检测的方法，所述的纳米孔的孔径在0.35-2nm的范围内，包括如下步骤：
15、1)、将氨基酸样品溶于缓冲液；
16、2)、在流体槽溶液中加入氨基酸样品，样品在电场作用下通过纳米孔；
17、3)、通过电流放大器记录电流本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的超灵敏纳米孔(8)结构为纳米孔(8)，所述的纳米孔(8)的孔径在0.35-5nm的范围内，所述的纳米孔(8)的感应区域长度在0.3-2nm范围内，与单个氨基酸分子尺寸相近。
2.根据权利要求1所述的超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的纳米孔(8)的孔径在0.35-2nm的范围内。
3.根据权利要求1所述的超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的纳米孔(8)的孔径在1-5nm的范围内。
4.根据权利要求1所述的超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的纳米孔(8)为人工纳米孔(8)或生物纳米孔(8)。
5.根据权利要求1所述的超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的纳米孔(8)的材料感应区域长度小于2nm，具有原子级厚度，包括二硫化钼、二硒化钼、二碲化钼、二硫化钨、二硒化钨、二碲化钨、二硫化钛、二硒化钛、二碲化钛、二硫化锆、二硒化锆、二碲化锆、二硫化铪、二硒化铪、二碲化铪、二硫化钒、二硒化钒、二碲化钒、二硫化铌、二硒化铌、二碲化铌、二硫化钽、二硒化钽、二碲化钽、二硫化锝、二硒
6.一种包括权利要求1至5任意一项的超灵敏纳米孔(8)结构的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的芯片包括下层基底(5)和上层含超灵敏纳米孔(8)结构的纳米薄膜(7)。
7.根据权利要求6所述的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的基底(5)开设有支撑孔(6)，用于支撑超灵敏纳米孔(8)，所述的支撑孔(6)的孔径在5-500nm范围内。
8.根据权利要求6所述的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的基底(5)包括硅层，所述的硅层的阻值高于2700Ohmcm。
9.根据权利要求6所述的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的基底(5)包括从上到下的氮化硅、氧化硅、硅、氧化硅和氮化硅五层，所述的硅层厚度为300-500μm，所述的表层为绝缘层，所述的支撑孔(6)开设于表层氮化硅层上。
10.根据权利要求7或8或9所述的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的芯片可实现低于20pA的背景噪声。
11.一种包括权利要求6-9任意一项的超灵敏纳米孔(8)芯片的超灵敏纳米孔(8)分析装置，其特征在于，所述的装置包括注满离子溶液的流体槽(9)、将流体槽(9)分为顺式侧腔室(11)和反式侧腔室(12)的超灵敏纳米孔(8)芯片、接入流体槽(9)溶液或芯片的电极(4)、与电极(4)串联的电流放大器(2)和电源(1)、与电流放大器(2)相连的数模转换设备和计算机(3)。
12.一种利用权利要求11所述的超灵敏纳米孔(8)分析装置制备超灵敏纳米孔(8)结构的方法，其特征在于，采用电化学刻蚀法制备纳米孔，在流体槽(9)两侧腔室内注入盐溶液，通过电源(1)和电流放大器(2)对纳米薄膜(7)直接施加0-10V范围内的电压，刻蚀得到纳米孔(8)，通过控制施加电压的大小和时长控制电化学反应，即可控制孔径的尺寸；获得纳米孔(8)跨膜电导的实时数据，当电导值达到目标孔径对应值时，停止施加电压，完成纳米孔(8)制备过程。
13.一种利用权利要求11所述的超灵敏纳米孔(8)分析装置用于纳米孔(8)快速氨基酸检测的方法，其特征在于，所述的纳米孔(8)的孔径在0.35-2nm的范围内，包括如下步骤：
14.一种利用权利要求11所述的超灵敏纳米孔(8)分析装置用于纳米孔(8)快速蛋白质测序的方法，其特征在于，所述的纳米孔(8)的孔径在1-5nm的范围内，包括如下步骤：
15.根据权利要求14所述的纳米孔(8)快速蛋白质测序的方法，其特征在于，所述的生物酶包括phi29 DNA聚合酶、Tth DNA聚合酶、Pfu DNA聚合酶、Pfu HSDNA聚合酶、T4 DNA聚合酶、Bst DNA聚合酶、Taq DNA聚合酶、Taq ⅡDNA聚合酶、Taq plus DNA聚合酶、LA TaqDNA聚合酶、VentR DNA聚合酶、Phusion DNA聚合酶、KOD DNA聚合酶、Iproof DNA聚合酶、Hel308解旋酶、T4解旋酶、DnaB解旋酶、Rep蛋白解旋酶、PcrA解旋酶、Tte UvrD解旋酶、TthUvrD解旋酶、T4 Dda解旋酶、T4 gp41解旋酶、Re...
【技术特征摘要】
1.一种超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的超灵敏纳米孔(8)结构为纳米孔(8)，所述的纳米孔(8)的孔径在0.35-5nm的范围内，所述的纳米孔(8)的感应区域长度在0.3-2nm范围内，与单个氨基酸分子尺寸相近。
2.根据权利要求1所述的超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的纳米孔(8)的孔径在0.35-2nm的范围内。
3.根据权利要求1所述的超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的纳米孔(8)的孔径在1-5nm的范围内。
4.根据权利要求1所述的超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的纳米孔(8)为人工纳米孔(8)或生物纳米孔(8)。
5.根据权利要求1所述的超灵敏纳米孔(8)结构，其特征在于，所述的纳米孔(8)的材料感应区域长度小于2nm，具有原子级厚度，包括二硫化钼、二硒化钼、二碲化钼、二硫化钨、二硒化钨、二碲化钨、二硫化钛、二硒化钛、二碲化钛、二硫化锆、二硒化锆、二碲化锆、二硫化铪、二硒化铪、二碲化铪、二硫化钒、二硒化钒、二碲化钒、二硫化铌、二硒化铌、二碲化铌、二硫化钽、二硒化钽、二碲化钽、二硫化锝、二硒化锝、二碲化锝、二硫化铑、二硒化铑、二碲化铑、二硫化铼、二硒化铼、二碲化铼、二硫化铂、二硒化铂、二碲化铂、二硫化钯、二硒化钯、二碲化钯、石墨烯、石墨烯氮化碳、氮化硼、黑磷、层状金属氧化物、层状金属碳化物、层状金属氮化物或金属氮氧化物复合二维材料、金属有机骨架材料、共价有机骨架材料、钙钛矿材料。
6.一种包括权利要求1至5任意一项的超灵敏纳米孔(8)结构的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的芯片包括下层基底(5)和上层含超灵敏纳米孔(8)结构的纳米薄膜(7)。
7.根据权利要求6所述的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的基底(5)开设有支撑孔(6)，用于支撑超灵敏纳米孔(8)，所述的支撑孔(6)的孔径在5-500nm范围内。
8.根据权利要求6所述的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的基底(5)包括硅层，所述的硅层的阻值高于2700ohmcm。
9.根据权利要求6所述的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的基底(5)包括从上到下的氮化硅、氧化硅、硅、氧化硅和氮化硅五层，所述的硅层厚度为300-500μm，所述的表层为绝缘层，所述的支撑孔(6)开设于表层氮化硅层上。
10.根据权利要求7或8或9所述的超灵敏纳米孔(8)芯片，其特征在于，所述的芯片可实现低于20pa的背景噪声。
11.一种包括权利要求6-9任意一项的超灵敏纳米孔(8)芯片的超灵敏纳米孔(8)分析装置，其特征在于，所述的装置包括注满离子溶液的流体槽(9)、将流体槽(9)分为顺式侧腔室(11)和反式侧腔室(12)的超灵敏纳米孔(8)芯片、接入流体槽(9)溶液或芯片的电极(4)、与电极(4)串联的电流放大...
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