1.本发明属于生物医学工程技术领域，更具体地，涉及一种热泳驱动的纳米孔测序装置。
背景技术：2.自1977年起，化学降解法、双脱氧链终止法、氢离子浓度测量测序、边合成边测序等技术应用于测序领域，随着技术发展和成熟度的提升，测序成本日益降低，且逐步提升测序通量。新型测序技术也逐渐进入视野，特别是纳米孔基因测序技术广受青睐。纳米孔测序技术通过构筑纳米孔结构，利用核酸链穿过纳米孔结构引起的电信号变化，来实现基因序列的读出和分析。其中有一类采用固态材料的纳米孔测试设备，被称为固态纳米孔测序设备。在纳米孔测序领域，有两大主要挑战，分别是测序器件的时间分辨率提升和空间分辨率的限制，为了解决纳米孔器件在测序应用中的主要挑战，诸多科学家提出了各类方案，可利用电泳的方式进行过孔速度的控制。
3.但是通过电泳进行测序存在一些问题。首先是驱动分子的电压有一个阈值，只有超过这个阈值分子才能向纳米孔方向移动，但在该电压下分子已经有一个较大的过孔速度，会导致纳米孔内对该分子特性的判读时间不足，这是在测序中不希望的。第二是单链dna分子在电泳过程中有可能会自杂化，自身的碱基会相互成键进而影响测序。第三是在纳米孔内通常需要利用经过待测分子的隧穿电流来判读碱基种类，该隧穿电场与驱动dna 分子通过纳米孔的电场会发生耦合，导致分子电泳过孔行为发生非理想偏移。
技术实现要素：4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种热泳驱动的纳米孔测序装置，其目的是在更小的绝对空间距离内，实现较大的温度梯度。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种热泳驱动的纳米孔测序装置，包括：二维材料堆叠层；
6.所述二维材料堆叠层布置在存储有不同温度溶液的两个腔室之间，并设置有孔隙能够使分子或离子通过；
7.所述二维材料堆叠层，包括多层堆叠的隔热系数热导率低于 26.2w/m*k的二维材料。
8.进一步地，所述二维材料堆叠层由一种二维材料堆叠构成或由多种二维材料堆叠构成。
9.进一步地，所述二维材料堆叠层还包括介电层；所述介电层采用二维材料。
10.进一步地，所述二维材料堆叠层还包括基质层；所述基质层采用相对应力分布均匀的二维材料。
11.进一步地，所述装置还包括固态电介质薄膜，用于分隔存储有不同温度溶液的两个腔室；所述二维材料堆叠层涂覆在所述固态电介质薄膜上。
12.进一步地，所述装置还包括封装在装置最上层和最下层的玻璃盖板；所述玻璃盖板上设置有注入溶液的纳流控通道，并集成有带温度传感器的微加热器，用于调节两个腔室中溶液的温度。
13.进一步地，所述装置还包括腔室隔膜层；所述腔室隔膜层一面与玻璃盖板键合，另一面与固态电介质薄膜键合；所述腔室隔膜层中心打孔用作存储不同温度溶液的两个腔室。
14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
15.本发明装置两个腔室之间隔热效果好，在两个腔室溶液温度稳定后，因为二维材料厚度极薄，基于二维材料厚度方向较低的导热系数可以使其上下表面之间形成较大的温度梯度，从而使溶液中的目标分析物(分子、粒子、dna、蛋白质等)沿着温度梯度发生热泳运动，在上下腔室间进行穿梭，用于目标分析物的检测和分离等；同时本发明是在垂直方向进行测序，可以与较多光学传感手段结合，比如拉曼光谱，荧光标记等。
16.本发明为现有纳米孔测序器件引入了基于温度梯度的热泳控制方法，有助于解决现有架构下各类目标分析物过孔过快、形态控制难、特征单一等问题。例如，通过热泳可以使分子以较小速度通过纳米孔，有利于完成特征信号的精细检测。利用不同种类纳米颗粒(或分子)具有的不同热泳系数可实现待检测颗粒(或分子)的判别和分离。此外，对于dna检测，还可通过控制溶液温度使dna链展开，减小自杂化的概率，有利于dna 分子穿过纳米孔时的碱基测序。
17.采用热泳替带电泳驱动待测分子通过纳米孔，避免了垂直纳米孔方向驱动电场与纳米孔内检测电场的耦合问题。
附图说明
18.图1是本发明所提供的热泳驱动的纳米孔测序装置示意图；
19.图2是本发明所提供的带微加热环热泳驱动的纳米孔测序装置；
20.图3是本发明所提供的玻璃盖板纳流控通道示意图；
21.图4是本发明所提供的二维材料堆叠层多层功能结构示意图；
22.其中，100为上层玻璃盖板、101为上层腔室隔膜层，102为固态电介质薄膜，103为下层腔室隔膜层，104为下层玻璃盖板，106为二维材料堆叠层，107为微加热器，1061为基质层、1062为介电层、1063为隔热层， (201,202)为纳流控通道两侧的孔，(203,204)为缓冲沟道，(205,206)为直沟道，207为环形沟道，208为用作光刻微加热器的区域。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.参考图1，本发明提出了一种热泳驱动的纳米孔测序装置，包括包含上层玻璃盖板100、下层玻璃盖板104、上层腔室隔膜层101、下层腔室隔膜层103、固态电介质薄膜102、二
维材料堆叠层106；图1为剖面图，中间断开的区域是打孔区域，该装置每一层即100～104都是独立且一体的。层与层之间通过氧等离子体清洗等工艺进行键合。
25.上层玻璃盖板和下层玻璃盖板分别封装在装置的最上层和最下层；上层腔室隔膜层与下层腔室隔膜层均一面与对应的玻璃盖板键合，另一面与固态电介质薄膜键合；上、下腔室隔膜层中心打孔分别用作储存高温溶液和低温溶液的两个腔室。固态电介质薄膜位于中间层，两面都与腔室隔膜层键合，用于分隔两个腔室；固态电解质薄膜上涂覆有隔热二维材料堆叠层，二维材料堆叠层层与层之间有低的导热系数，可以使得在极薄的二维材料堆叠区域上表面与下表面有很大的温度差，从而分隔上下两个腔室的温区，防止加热后上下腔室发生传热过程。
26.参考图2，玻璃盖板额外集成带温度传感器的微加热器或冷却装置用于监测上下溶液腔室的实时温度，并对其温度进行反馈调节，即加热或冷却腔室溶液，以期实现上下腔室溶液温度稳定。
27.玻璃盖板上还制备了用于注入溶液的纳流控通道。在本实施例中，玻璃盖板上的纳流控通道的俯视图如图3所示。溶液可通过通道两侧的孔201、 202注入，经过缓冲沟道203、204后进入直沟道205、206，最后进入环形沟道207并向下流入由腔室隔膜层包围的腔室。其中208用作光刻微加热器的区域。
28.如图4所示，二维材料堆叠层由一种或多种二维材料堆叠制备形成；本实施例中，二维材料堆叠层包括三层功能层，分别为基质层1061、介电层1062和隔热层1063，可选地，基质层1061选择为3原子层六方氮化硼，介电层1062为5原子层硒化物材料，隔热层1063为5原子层氧化石墨烯，多层堆叠对介电效应和隔热效果均有显著提升。
29.基质层用于提升二维材料层稳定性，选用相对应力分布均匀的材料，保证二维材料在液体接触中，减少液体表面张力作用下的翘曲变形或机械应力不均衡，同时保证二维材料与固态电解质薄膜的粘附性；介电层用于保证在测量过程中，不会由于层间结构的变化，产生非纳米孔过孔漏电流信号，以此降低测量过程中的背景噪声；隔热层用于确保纳米孔及二维材料结构在上腔室和下腔室的温度梯度，能够实现上腔室和下腔室无热传导，保证上腔室与下腔室在测量过程中无传热过程。上述层结构可能由多种二维材料堆叠共同实现，也可以是单种二维材料堆叠，可实现多种主要结构功能。
30.上述装置用于纳米尺度颗粒或分子检测筛选的流程包括：
31.s1、接电极，通电使微加热器工作；
32.s2、在所制备器件的上腔室，加入带有目标测试物质的溶液；在所制备器件的下腔室，注入不含目标测试物质的溶液；
33.s3、通过反复注液减少腔室及通道中的气泡；
34.s4、将感测电极分别插入上腔室和下腔室，保持密封；
35.s5、观察并记录目标测试物质通过纳米孔结构引起的感测信号变化，并进行分析。
36.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种热泳驱动的纳米孔测序装置，其特征在于，包括：二维材料堆叠层；所述二维材料堆叠层布置在存储有不同温度溶液的两个腔室之间，并设置有孔隙能够使分子或离子通过；所述二维材料堆叠层，包括多层堆叠的隔热系数热导率低于26.2w/m*k的二维材料。2.根据权利要求1所述的一种热泳驱动的纳米孔测序装置，其特征在于，所述二维材料堆叠层由一种二维材料堆叠构成或由多种二维材料堆叠构成。3.根据权利要求2所述的一种热泳驱动的纳米孔测序装置，其特征在于，所述二维材料堆叠层还包括介电层；所述介电层采用二维材料。4.根据权利要求3所述的一种热泳驱动的纳米孔测序装置，其特征在于，所述二维材料堆叠层还包括基质层；所述基质层采用相对应力分布均匀的二维材料。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种热泳驱动的纳米孔测序装置，其特征在于，所述装置还包括固态电介质薄膜，用于分隔存储有不同温度溶液的两个腔室；所述二维材料堆叠层涂覆在所述固态电介质薄膜上。6.根据权利要求1-5任一项所述的一种热泳驱动的纳米孔测序装置，其特征在于，所述装置还包括封装在装置最上层和最下层的玻璃盖板；所述玻璃盖板上设置有注入溶液的纳流控通道，并集成有带温度传感器的微加热器，用于调节两个腔室中溶液的温度。7.根据权利要求6所述的一种热泳驱动的纳米孔测序装置，其特征在于，所述装置还包括腔室隔膜层；所述腔室隔膜层一面与玻璃盖板键合，另一面与固态电介质薄膜键合；所述腔室隔膜层中心打孔用作存储不同温度溶液的两个腔室。
技术总结本发明公开了一种热泳驱动的纳米孔测序装置，属于生物医学工程技术领域。本发明将二维材料堆叠层布置在存储有不同温度溶液的两个腔室之间，并设置有孔隙能够使分子或离子通过；该二维材料堆叠层包括多层堆叠的隔热系数热导率低于26.2W/m*K的二维材料；本发明为现有纳米孔测序器件引入了基于温度梯度的热泳控制方法，有助于解决现有架构下各类目标分析物过孔过快、形态控制难、特征单一等问题。利用不同种类纳米颗粒(或分子)具有的不同热泳系数可实现待检测颗粒(或分子)的判别和分离。此外，对于DNA检测，还可通过控制溶液温度使DNA链展开，减小自杂化的概率，有利于DNA分子穿过纳米孔时的碱基测序。纳米孔时的碱基测序。纳米孔时的碱基测序。
技术研发人员：何毓辉 诸葛福伟 潘钦杰 莫晖 卢大儒 隋国栋 张新联 韩雨薇
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2022.06.07
技术公布日：2022/11/1
