[发明专利]基于石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构的DNA测序装置及方法

权利要求书

1.基于石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构的DNA测序装置，其特征在于：该DNA测序装置是以石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构为核心组装的测序装置，具体包括置于电解液（11）中的硅基衬底(1)，在硅基衬底(1)上半部刻蚀有倒金字塔形微腔（2），下半部刻蚀有直径大于倒金字塔形微腔（2）塔底直径的柱状孔，倒金字塔形微腔（2）的塔顶为固态纳米孔（3），绝缘层（6）包覆在硅基衬底(1)外部，在硅基衬底（1）上部有通过内置电极（8）固定于绝缘层（6）上的石墨烯微带（4），石墨烯微带（4）中央刻蚀有石墨烯纳米孔（5），石墨烯纳米孔（5）和固态纳米孔（3）同轴，所述石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构将测序反应腔分为上下两部分，置于反应腔上部的外接电极（7）接负电位，置于反应腔下部的外接电极（7）接正电位，外接电极（7）和纵向微弱电流测量设备（9）以及电源（12）构成纵向微弱电流测量回路，内置电极（8）和横向微弱电流测量设备（10）以及电源（14）构成横向微弱电流测量回路。

2.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述固态纳米孔（3）的直径为1.5-10nm。

3.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述石墨烯纳米孔（5）的直径为1.5-7nm。

4.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述石墨烯微带（4）为单层或多层石墨烯。

5.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述纵向微弱电流测量设备（9）为皮安级电流测量仪。

6.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述横向微弱电流测量设备（10）为亚微安级电流测量仪。

7.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：用于产生驱动单链DNA分子（13）穿越石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构的静电场由电源（12）提供，所述电源（12）的偏置电压应为0.05-0.2V，靠近石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构中石墨烯纳米孔（5）一侧的电极接负电位，靠近固态纳米孔（3）一侧的电极接正电位。

8.根据权利要求1所述的DNA测序装置，其特征在于：所述电解液（11）为KCl、NaCl或LiCl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L,pH值为8.0。

9.权利要求1至8任一项所述的DNA测序装置的测序方法，其特征在于：首先将单链DNA分子（13）加入到盛有电解液（11）的测序反应腔上部，在静电场的驱动作用下，单链DNA分子（13）成线状通过石墨烯纳米孔（5），进入倒金字塔形微腔（2），并最终通过固态纳米孔（3）到达测序反应腔的下部；在单链DNA分子（13）穿越石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构时，一方面对通过石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构的电解液离子电流造成堵塞，导致纵向离子电流急剧变化，另一方面，对石墨烯纳米孔（5）周边电导产生影响，导致石墨烯微带（4）中横向电流密度发生改变，由于单链DNA分子（13）中不同碱基结构不同，在穿越石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构时在上述纵向和横向两个方向造成的电流和电导改变也不同，采用纵向微弱电流测量设备（9）对单链DNA分子（13）穿越石墨烯纳米孔-微腔-固态纳米孔结构过程中的穿越时间t，纵向离子电流发生阻塞的时间间隔Δt₁、阻塞离子电流的大小IB₁进行定量检测，采用横向微弱电流测量设备（10）对横向石墨烯微带（4）中电流密度发生改变的时间间隔Δt₂、电流的大小IB₂进行定量检测，再通过对所测得的双向数据进行解析计算：DNA分子序列Sequence=f(t,Δt₁，IB₁，Δt₂,IB₂)，即可得到所测DNA分子的序列。