一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器及其介質辨識方法
2023-05-20 10:25:26 2
專利名稱：一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器及其介質辨識方法
技術領域：
本發明涉及納米流體檢測技術領域，特別是一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器，以及利用此傳感器辨識待測介質的方法。
背景技術：
利用納米通道技術的生物分子傳感器不僅可以進行DNA測序，還可以檢測細菌、 蛋白質分子和檢測抗原-抗體的反應，從而對疾病檢測、藥物篩選具有廣泛的應用前景。當生物分子通過納米孔通道，會造成納米通道內離子電流的變化，這是由於生物分子表面所帶電荷以及結構不同，造成分子過孔時產生的離子電流變化的不同，所以具有特殊唯一性，由此可辨識不同的生物分子。這是目前現有的納米孔技術的原理。納米孔傳感器的原理主要是通過辨識納米孔內導電性介質所引起的調製電流的變化幅度和持續時間達到辨識該介質的目的。但是目前的電流檢測方法都是通過在納米孔軸向端加電壓，這影響了傳感器的解析度。
發明內容
本發明的目的是提供一種解析度較高的的基於石墨烯的納米孔單分子傳感器，以及利用此傳感器進行介質辨識的方法。為了達到上述目的，本發明採取的方案為一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器，其包括絕緣層，納米孔通道貫穿絕緣層，納米孔通道中設有軸向電極；還包括徑向電極， 徑向電極夾在絕緣層的內部，其包括陽極和陰極，分別位於納米孔通道徑向的兩端，徑向電極為石墨烯，徑向電流表串接在石墨烯徑向電極的陽極和陰極之間。作為本發明的一個改進，本發明的基於石墨烯的納米孔單分子傳感器還包括備用徑向電極，備用徑向電極夾在絕緣層的內部，包括陽極和陰極，分別位於納米孔通道徑向的兩端，兩個備用徑向電極之間的連線與兩個徑向電極之間的連線相互垂直。此備用徑向電極可用於徑向電極不能工作時，或用於同時參與測量，綜合分析數據以更精確的辨識介質。作為本發明的一種優選具體實施方式
，本發明的一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器，其軸向電極為Pt電極，其包括陰極和陽極，上下置於納米孔通道的軸向上，軸向電流表串接在軸向Pt電極之間，軸向電極優選為Pt電極，也可採用其他電極。本發明的一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器，其納米孔通道的直徑在 I-IOOnm之間，在對不同介質進行研究辨識時，可根據待測介質分子的直徑選擇不同尺寸納米通道的傳感器，一般選擇的標準為，納米孔通道的直徑略大於待測介質分子的直徑。本發明的的一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器的介質辨識方法為，將納米孔通道的兩端分別連接待測介質的流體池單元，向軸向Pt電極的陰極和陽極之間施加軸向電壓，向石墨烯徑向電極的陽極和陰極間施加徑向電壓，因為納米孔通道的直徑為略大於待測介質分子的直徑，當待測介質堵塞納米孔時，會引起軸向電流和徑向電流的變化，分別檢測納米孔通道軸向和徑向離子電流的變化，結合電流變化與介質性質的關係來辨識介質，同時將徑向電流的變化和軸向電流變化作比較，得到一個綜合的變化規律，可以更精確地辨識介質性質。本發明有益效果為通過相互垂直的兩對電極對流入石墨烯納米孔中的待測介質引起的電流量變化進行相關分析，能夠在較高的解析度下更精確的分辨待測介質；同時由於納米孔是包埋在絕緣材料中的，而且石墨烯具有很好的韌性及強度，所以本發明的傳感器具有較高的結構穩定性；在實際應用中，本發明的傳感器其石墨烯納米孔的直徑範圍使其可適用於多種不同介質的尺寸要求。
圖1是本發明的一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器結構示意圖；圖2是本發明的一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器在納米孔軸向的剖面結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的內容更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
作進一步說明。結合圖1、圖2所示，本發明的一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器為類三明治結構，徑向電極2為單層或多層石墨烯，夾在絕緣層1的中間，傳感器絕緣層的中心位置用 FIB方式製備出一個納米孔通道8，石墨烯徑向電極2包括陽極和陰極，分別位於納米孔通道8徑向的兩端，徑向電流表7串接在石墨烯徑向電極2的陽極和陰極之間；納米孔通道8 的軸向上放置兩個Pt電極5，分別為陽極和陰極，軸向電流表3串接在軸向Pt電極5的陽極和陰極之間。結合圖1所示，在絕緣層的內部、納米孔通道的徑向上還設有備用石墨烯徑向電極4，包括陽極和陰極，分別位於納米孔通道8徑向的兩端，兩個備用徑向電極4之間的連線與兩個徑向電極2之間的連線相互垂直。此備用徑向電極可用於徑向電極不能工作時，或用於同時參與測量，綜合分析數據以更精確的辨識介質。納米孔通道8的直徑在I-IOOnm之間，在應用於介質辨識時，可根據待測介質分子的直徑選擇不同尺寸納米通道的傳感器，一般選擇的標準為，納米孔通道的直徑略大於待測介質分子的直徑，即待測介質的分子剛好通過納米孔通道。辨識過程為，將納米孔通道的兩端分別連接待測介質的流體池單元，向軸向Pt電極的陰極和陽極之間施加軸向電壓，向石墨烯徑向電極的陽極和陰極之間施加徑向電壓，待測介質分子9通過納米孔時，會引起軸向電流和徑向電流的變化，分別檢測納米孔通道中徑向和軸向離子電流的變化，結合電流變化與介質性質的關係，即表面所帶電荷及結構不同的分子過孔時產生的離子電流變化也不同的特殊唯一性來辨識介質，同時將徑向電流的變化和軸向電流變化作比較，得到一個綜合的變化規律，可以更精確地辨識介質性質。除此之外，還可根據待測介質通過納米孔的狀態，以便於以後進一步分析介質的性質，如生物分子表面電荷分布，生物分子空間摺疊結構等性質。本發明中所述具體實施案例僅為本發明的較佳實施案例而已，並非用來限定本發明的實施範圍。即凡依本發明申請專利範圍的內容所作的等效變化與修飾，都應作為本發明的技術範疇。
權利要求
1.一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器，其特徵是，包括絕緣層，納米孔通道貫穿絕緣層，納米孔通道中設有軸向電極；還包括徑向電極，徑向電極夾在絕緣層的內部，其包括陽極和陰極，分別位於納米孔通道徑向的兩端，徑向電極為石墨烯，徑向電流表串接在石墨烯徑向電極的陽極和陰極之間。
2.根據權利要求1所述的一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器，其特徵是，還包括備用徑向電極，備用徑向電極設在絕緣層的內部，其包括陽極和陰極，分別位於納米孔通道徑向的兩端，兩個備用徑向電極之間的連線與兩個徑向電極之間的連線相互垂直。
3.根據權利要求1或2所述的一種基於石墨烯的納米孔的單分子傳感器，其特徵是，所述軸向電極為Pt電極，其包括陽極和陰極，上下排列於納米孔通道的軸向上；軸向電流表串接在軸向Pt電極的陽極和陰極之間。
4.根據權利要求1或2所述的一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器，其特徵是，納米孔通道的直徑在I-IOOnm之間。
5.一種權利要求1至4中任意一項所述的基於石墨烯的納米孔單分子傳感器的介質辨識方法，其特徵是，將納米孔通道的軸向兩端分別連接待測介質的流體池單元，向軸向Pt 電極的陽極和陰極之間施加軸向電壓，向石墨烯徑向電極的陽極和陰極間施加徑向電壓， 當待測介質通過納米孔時，引起軸向電流和徑向電流的變化，分別檢測納米孔通道徑向和軸向電流的變化，並將徑向電流和軸向電流綜合分析，結合電流變化與介質性質的關係，即表面所帶電荷及結構不同的分子過孔時引起電流變化具有特殊唯一性，來辨識介質。
全文摘要
本發明公開一種基於石墨烯的納米孔單分子傳感器及其介質辨識方法，其採用具有導電性質的單層或多層石墨烯作徑向電極，石墨烯電極夾在絕緣層的內部，提高了結構強度，絕緣層上製備有納米孔通道，徑向電極的陰極和陽極分別位於納米孔通道徑向的兩端，沿納米孔通道的軸向設有軸向電極。在進行介質辨識時，將納米孔的兩端連接流體池單元，在軸向電極和徑向電極間分別施加電壓，當介質通過納米孔的時候，測量軸向和徑向電流的微弱變化來辨識通道中的介質。本發明中傳感器結構簡單，同時將徑向電流和軸向電流綜合分析，能夠獲得更高的靈敏度和辨識率，而且通過分析不僅能夠檢測過孔介質，還能夠通過被測介質分析過孔的狀態，以便進一步分析介質的性質。
文檔編號G01N27/49GK102169105SQ20101060392
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者倪中華, 張磊, 易紅, 沙菁*, 陳雲飛 申請人:東南大學