[发明专利]一种直径小于10nm的玻璃纳米孔、制备方法及其用于检测DNA的应用

说明书

本发明提供了一种直径小于10nm的玻璃纳米孔、制备方法及其用于检测DNA的应用，直接优化激光拉制器的拉制参数和拉制过程，缩小圆锥形玻璃毛细管纳米孔的直径。通过这种方法，可以容易地获得直径小于10nm的玻璃微孔纳米孔。该方法简单，直接，且对环境无害，而不依赖昂贵的真空设备。本发明制备的玻璃毛细管纳米孔的收缩不仅降低了可检测DNA的浓度，而且显著提高了DNA转运信号和信噪比，使得该方法和玻璃纳米孔有望用于DNA转运研究。

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种直径小于10nm的玻璃纳米孔、制备方法及其用于检测DNA的应用。

背景技术

随着生命科学的迅速发展,人们对生命现象的研究已经深入到单分子、单细胞水平。为此需要具有检测灵敏度达到了单分子水平的分析手段与该发展相适应。在众多的单分子检测技术中,基于库尔特计数器原理的纳米孔单分子检测技术方法简便、准确,在快速廉价的DNA检测上表现出很大的应用潜力,而日益受到人们的关注。

虽然生物纳米孔最先被研究和应用检测DNA，但是人们在研究过程也发现它的不足。比如由于脂质双分子层本身的稳定性较差，生物纳米孔的使用寿命大概只有36小时；同时，它在不同pH值、不同温度以及盐溶液中都表现的不太稳定，这在一定程度上限制了生物纳米孔应用。随着微加工技术的发展，越来越多的研究小组开始关注固态纳米孔的应用。与生物纳米孔相比，固态纳米孔在化学、热学、力学稳定性上具有明显优势。此外，纳米孔可由传统常规半导体加工技术制成，可以实现大规模加工制造。纳米孔的直径也能得到控制，能够针对被检测物质的尺寸加工出合适直径使得信噪比最优。固态纳米孔在较广的pH范围内使用都不存在门控效应，因此可与电极和光探针结合使用。

虽然固态纳米孔对于生物分子检测和辨识在未来具有巨大潜力，但是还是存在不少的挑战和困难亟待解决。目前生物分子过孔引起电流信号的信噪比太低。在生物分子检测时，当纳米孔尺寸与生物分子直径相当，才能最大程度引起阻塞电流幅值变化。当生物分子尺寸远小于纳米孔尺寸时，所引起的电流变化量过小，不太容易将之与噪音信号区分。如果将检测信号进行放大，电流中噪音也会随之变大。因此，寻找的新的方法缩小纳米孔的尺寸提取有效信号，降低噪音，提高信噪比是目前需要解决第一大难题。

玻璃纳米孔作为固态纳米孔的一个有希望的候选者，具有独特的优点，如性能稳定，成本低廉，易于制造，具有可调整的和可重现的尺寸和形状。虽然它已被用于许多领域，例如扫描电化学显微镜/扫描离子电导显微镜(SECM/SICM)，单细胞手术，和电喷雾，玻璃微孔纳米孔在DNA转运研究中的应用仍然受到难以获得具有直径小于10nm的较小直径的毛细管纳米孔的严重阻碍。最近，玻璃毛细管纳米孔的低噪声特性(与氮化硅纳米孔相比)已被证明对DNA转运和生物传感有前景，但与生物纳米孔(如α溶血素，MspA或aerolysin)相比，阻碍玻璃微孔纳米孔对DNA的应用的主要缺点之一是由于其尺寸相对较大而导致灵敏度和特异性不足。

众所周知，具有单层厚孔径的二维平面固态纳米孔(如石墨烯纳米孔)优于基于玻璃毛细管的纳米孔进行DNA测序，因为后者具有更长的转运途径，从而限制了其检测灵敏度。然而，为了区分某些靶标(单碱基除外)的长度或大小，2D固态纳米孔看起来与玻璃纳米管相比没有明显的优势。此外，玻璃纳米管可用作电化学注射器。因此需要更复杂的附件来完成类似的工作。

因此，将玻璃毛细管纳米孔的直径减小到10nm以下，以增加信号幅度和信噪比(SNR)对于DNA转运研究和特殊应用(例如单细胞研究)来说，仍然是该领域的一大挑战。迄今为止，为了容易地制备具有小于10nm的微米直径的玻璃毛细管纳米孔，尝试是非常有限的。