[发明专利]可实现高灵敏度分子检测和分析的具有纳米孔的裸露的单层石墨烯膜

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年9月18日提交的美国临时专利申请号61/243,607的权益，其全部内容通过引用结合到本文中。本申请还要求于2010年6月16日提交的美国临时专利申请号61/355,528的权益，其全部内容通过引用结合到本文中。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在美国国立卫生研究院(NIH)颁发的合同号为2R01HG003703-04的政府资助下做出的。政府在本发明中享有一定权利。

背景

本发明总体上涉及分子检测和分析，更具体地讲，涉及纳米孔的配置(configuration)，其布置(arrange)为用于检测穿过纳米孔而移位(translocate)的分子。

包括生物分子(例如多核苷酸例如生物聚合物核酸分子DNA、RNA和肽核酸(PNA)以及蛋白质和其它生物分子)在内的分子的检测、表征、鉴定和测序，是重要而不断发展的研究领域。目前非常需要能以快速、可靠而便宜的方式测定聚合物分子的杂化状态、构型、单体堆积(monomer stacking)和序列的方法。在聚合物合成和制造方面的进展以及在生物研发和药物方面的进展，尤其是在基因治疗、新药物开发和患者与合适治疗的匹配等领域的进展，大部分都依赖于这些方法。

在用于分子分析的一种方法中，已经证明分子例如核酸和蛋白质可穿过天然或固态纳米级的孔或纳米孔而转运，并且可通过穿过纳米孔的转运和在其转运期间，辨别分子特性，包括其鉴定、其杂化状态、其与其它分子的相互作用及其序列(即组成聚合物的单体的线性次序)。可通过例如电泳或其它移位机制来完成分子穿过纳米孔的转运。

在将纳米孔用于分子分析的一种特别受欢迎的配置中，离子电流穿过纳米孔的流动作为液体离子溶液而被监测，并且提供在该溶液中待研究的分子穿过纳米孔。当离子溶液中的分子穿过纳米孔而移位时，这些分子至少部分地阻断液体溶液、以及溶液中的离子穿过纳米孔而流动。可测量穿过纳米孔的离子电流的减少来检测这种对离子溶液的阻断。采用使单分子跨越纳米孔的配置，已经证明该离子阻断测量技术成功检测出单个分子的纳米孔移位事件。

理想地，这种用于分子分析的离子阻断测量技术，正如已经提出的其它技术一样，应当使得能够在单一单体分辨级别上进行高灵敏度和分辨率的分子表征。对单一单体特性的明确分辨对于可靠应用(例如生物分子测序应用)而言是至关重要的。但是在实践中，尤其是用于固态纳米孔的配置中，这种性能难以达到。已经发现通过其中形成纳米孔的一层或多层材料的厚度来测定的固态纳米孔的长度，影响了穿越纳米孔的分子性质，并直接限制了对纳米孔中的分子进行检测和分析的灵敏度和分辨率。

发明概述

提供了克服常规传感器的灵敏度和分辨率限制的纳米孔传感器。在一个这样的实例中提供了纳米孔传感器，其包括具有介于第一膜表面和第一膜表面对面的第二膜表面之间小于约1 nm厚度的固态膜。纳米孔延伸穿过介于所述第一和第二膜表面之间的膜厚度并且其直径大于膜厚度。从所述第一膜表面到第一贮池(reservior)具有连接，以在所述第一膜表面将离子溶液中的物质提供给所述纳米孔，并且从所述第二膜表面到第二贮池具有连接，以便在所述物质和离子溶液穿过所述纳米孔而从所述第一膜表面向所述第二膜表面移位之后，收集所述物质和离子溶液。连接电路，以监测离子溶液中的物质穿过膜中纳米孔的移位。

这种纳米孔传感器可提供为石墨烯(graphene)纳米孔传感器。在此提供了包括纳米孔的基本裸露的、单层石墨烯膜，所述纳米孔从第一石墨烯膜表面向第一石墨烯膜表面对面的第二石墨烯膜表面延伸穿过所述石墨烯膜的厚度。从所述第一石墨烯膜表面到第一贮池的连接，在所述第一石墨烯膜表面将离子溶液中的物质提供给所述纳米孔，并且提供从所述第二石墨烯膜表面到第二贮池的连接，以便在所述物质和离子溶液穿过所述纳米孔而从所述第一石墨烯膜表面向所述第二石墨烯膜表面移位之后，收集所述物质和离子溶液。电路连接在所述纳米孔对侧，以测量离子电流穿过所述石墨烯膜中的纳米孔的流动。

在另一石墨烯纳米孔传感器中，基本裸露的、单层石墨烯膜包括纳米孔，所述纳米孔从第一石墨烯膜表面向第一石墨烯表面对面的第二石墨烯膜表面延伸穿过所述石墨烯膜的厚度并且其直径小于约3 nm且大于石墨烯厚度。电路连接在所述纳米孔对侧，以测量离子电流穿过所述石墨烯膜中的纳米孔的流动。