使用二硫鍵以形成用于納米流體設(shè)備的可逆的和可重復(fù)使用的涂層的制作方法
【專利說明】使用二硫鍵以形成用于納米流體設(shè)備的可逆的和可重復(fù)使用的涂層
[0001]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明涉及納米孔，更具體地涉及納米孔涂層。
[0003]具有納米尺寸的納米孔可以提供關(guān)于分析物(例如，脫氧核糖核酸(DNA)、蛋白質(zhì)和其他生物分子)的化學(xué)性質(zhì)的信息。固態(tài)納米孔裝置可以包括具有至少單孔、“納米孔(nanopore)”或“納米通道”的基質(zhì)或膜，所述基質(zhì)或膜分隔填充有電解質(zhì)溶液的順式和反式室(cis and trans chamber)。納米孔結(jié)構(gòu)和裝置的特定尺寸和組成對于期望的應(yīng)用而調(diào)整。
[0004]在操作中，通過施加電壓在由含有孔隙的基質(zhì)分隔的電解質(zhì)溶液之間產(chǎn)生電勢差，并測量通過納米孔的離子電流。隨后，分析物通過納米孔誘導(dǎo)所測量的開孔電流水平的波動。檢測到的波動或者檢測的信號的變化表明分析物的一個或多個單分子通過納米孔，這也可以稱為易位(translocat1n)事件?；蛘?，分子也可以因?yàn)榻Y(jié)合事件而保留在納米孔內(nèi)，導(dǎo)致持續(xù)的信號改變。當(dāng)分析物結(jié)合并隨后離開納米孔時，信號隨后回到開孔電流水平，這是易位事件。
[0005]納米通道內(nèi)的易位和受體-分析物結(jié)合數(shù)據(jù)可以揭示關(guān)于分析物的性質(zhì)。間接測量分析物與納米通道內(nèi)的受體部位的結(jié)合的技術(shù)(如上文所述的電方法)可以提供關(guān)于許多小的化學(xué)和生物化學(xué)化合物的化學(xué)與生物學(xué)性質(zhì)的有價值信息。納米通道的內(nèi)表面可以包括涂層或者功能層，其可被選擇或配置為在預(yù)先確定的感興趣的分析物經(jīng)過納米通道的易位過程中與該分析物相互作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)一個實(shí)施方式，納米孔結(jié)構(gòu)包括包含納米通道的基質(zhì)和布置在納米通道的至少一部分表面上的化學(xué)化合物的單層。該化學(xué)化合物與引入到該納米通道中的至少一種分析物結(jié)合化合物形成可逆鍵。
[0007]在另一個實(shí)施方式中，使用納米孔結(jié)構(gòu)內(nèi)可重復(fù)使用的涂層的方法包括在納米孔結(jié)構(gòu)內(nèi)納米通道的表面上形成化學(xué)化合物的單層;使分析物結(jié)合化合物與單層的化學(xué)化合物反應(yīng)以形成可逆鍵，其中分析物結(jié)合化合物包含形成可逆鍵的官能團(tuán)和分析物結(jié)合基團(tuán)；測量事件的一個或多個電信號，該事件是易位事件、結(jié)合事件或者易位事件與結(jié)合事件二者;斷開可逆鍵;和從納米通道沖洗掉分析物結(jié)合化合物。
[0008]在又一個實(shí)施方式中，在納米孔結(jié)構(gòu)中形成可逆分析物結(jié)合涂層的方法包括用包含初始反應(yīng)性官能團(tuán)的化學(xué)化合物涂布納米通道的表面;將分析物結(jié)合化合物布置到納米通道的表面上以與反應(yīng)性官能團(tuán)形成可逆鍵，分析物結(jié)合化合物包含分析物結(jié)合基團(tuán)；將分析物引入到納米通道中，其中分析物結(jié)合分析物結(jié)合基團(tuán)；和將斷開劑引入到納米通道中以再形成覆蓋納米孔的初始反應(yīng)性官能團(tuán)。
[0009]借助本發(fā)明的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了另外的特征和優(yōu)勢。本發(fā)明的其他實(shí)施方式和方面在本文中詳細(xì)描述并且被認(rèn)為是要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。為更好地理解具有所述優(yōu)勢和特征的本發(fā)明，參照說明書和附圖。
[0010]附圖簡要說明
[0011]被認(rèn)為是本發(fā)明的主題內(nèi)容被特別指出并且在說明書結(jié)尾處的權(quán)利要求中明確要求保護(hù)。本發(fā)明的前述和其他特征以及優(yōu)勢從結(jié)合附圖的以下詳細(xì)描述來看是明顯的，在附圖中:
[0012]圖1說明了納米孔裝置的示例性實(shí)施方式的部分剖開的側(cè)視圖。
[0013]圖2說明了納米孔結(jié)構(gòu)內(nèi)涂布的納米通道的示例性實(shí)施方式的部分剖開的側(cè)視圖。
[0014]圖3說明了具有可重復(fù)使用的二硫化物涂層的納米孔結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施方式的部分剖開的側(cè)視圖。
[0015]圖4說明了在納米孔結(jié)構(gòu)中使用可逆涂層的方法的示例性實(shí)施方式的框圖。
[0016]圖5說明了制備具有可逆結(jié)合的分析物結(jié)合基團(tuán)的可重復(fù)使用的納米孔結(jié)構(gòu)的方法的示例性實(shí)施方式的框圖。
[0017]圖6說明了制備和使用納米孔結(jié)構(gòu)中可重復(fù)使用的涂層的方法的示例性實(shí)施方式的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本文公開了使用可逆鍵以可逆地涂布納米孔結(jié)構(gòu)和/或納米孔裝置內(nèi)的納米通道表面的方法。同時公開了包括涂層的納米孔結(jié)構(gòu)以及制備和使用該涂層的方法。在一個示例性實(shí)施方式中，可逆鍵是二硫鍵，其是在兩個硫原子之間形成的共價鍵。
[0019]如本文所用，術(shù)語“分析物”是指經(jīng)歷分析或者意圖被檢測到的化合物、分子、物質(zhì)、化學(xué)成分或者生物分子。本公開并非旨在限于特定分析物。代表性分析物包括離子、糖類、蛋白質(zhì)、核酸和核酸序列。
[0020]如本文所用，術(shù)語“納米孔”是指具有基質(zhì)和通過基質(zhì)的“納米通道”或者納米尺度通路的結(jié)構(gòu)，離子電流可以經(jīng)過它流動。納米孔的內(nèi)徑可以根據(jù)預(yù)期用途而相當(dāng)程度地變化。
[0021]如本文所用，術(shù)語“納米孔裝置”是指分隔兩個流體儲室的納米孔。在操作中，這兩個流體儲室(順式和反式)填充有包含帶電離子、電解質(zhì)和/或感興趣的分析物的水性溶液。帶電離子、電解質(zhì)和/或分析物通過納米通道在流體儲備室之間移動，這由濃度梯度或者施加的電場驅(qū)動。
[0022]如本文所用，術(shù)語“可逆鍵”是指可以通過本領(lǐng)域已知的適合分析方法破壞(break)、斷開(sever)、切割(cleave)或者逆轉(zhuǎn)的任何化學(xué)鍵。術(shù)語破壞、切割、斷開和類似的術(shù)語可以交換使用。
[0023]如本文所用，術(shù)語“巰基(sulfhydryl)”、“硫代(th1)”和“硫醇(th1l)”是指含有硫的官能團(tuán)。疏基和硫醇官能團(tuán)包括-SH部分。疏基和硫醇官能團(tuán)是反應(yīng)性的并且可以被氧化以形成二硫鍵。
[0024]如本文所用，術(shù)語“二硫化物”和“二硫鍵”是指由連接的硫原子對構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元。特別是，兩個巰基基團(tuán)結(jié)合以形成-S-S鍵。這樣的二硫連接可以被還原劑破壞，其然后再形成原來的巰基基團(tuán)。
[0025]如本文所用，術(shù)語“還原劑”是指還原或破壞二硫鍵的任何元素、化合物或者元素和/或化合物的組合。
[0026]如本文所用，術(shù)語“配體”和“分析物結(jié)合基團(tuán)”可以互換使用。術(shù)語配體和分析物結(jié)合基團(tuán)是指已知或推測與另一個分子或分析物締合的任何分子或官能團(tuán)。術(shù)語配體和分析物結(jié)合基團(tuán)包括抑制劑、激活劑、激動劑、拮抗劑、天然底物、天然底物的類似物、抗體、化學(xué)化合物、化學(xué)官能團(tuán)或其任意組合。
[0027]如本文所用，術(shù)語“單層”是指基本上厚度為一個分子、厚度為一個原子或者厚度為一個層的層。雖然基本上厚度為一個層，但大約零到兩個分子的變化仍在所公開的實(shí)施方式的范圍內(nèi)。
[0028]納米孔裝置是具有由納米孔結(jié)構(gòu)分隔的兩個流體儲室的裝置。納米孔結(jié)構(gòu)包括基質(zhì)或膜(例如二氧化娃氮化物(siIica nitride)膜)，其包括延伸經(jīng)過基質(zhì)并且連接兩個流體儲室的納米通道。納米通道是納米尺度或更大直徑的通道，其可以使用例如透射電子顯微術(shù)(TEM)鉆孔穿過基質(zhì)。納米孔基質(zhì)可以包括多于一個納米通道以進(jìn)行平行分析。
[0029]納米通道和流體儲室可以填充有包含帶電離子(緩沖液)和/或其他分析物的水性電解質(zhì)溶液，帶電離子和/或其他分析物經(jīng)過納米通道在兩個流體儲室之間移動。帶電離子和/或分析物可以例如由濃度梯度或者施加的電場驅(qū)動。
[0030]圖1說明了納米孔裝置100的示例性實(shí)施方式的部分剖開的側(cè)視圖。納米孔裝置100包括納米孔結(jié)構(gòu)101，其包括具有第一表面122和第二表面124的基質(zhì)120?；|(zhì)120包括從第一表面122經(jīng)過基質(zhì)120延伸到第二表面124并且分隔順式流體儲室102和反式流體儲室104的納米通道130。納米通道130包括內(nèi)襯(lining)流體經(jīng)過其在儲室之間流動的納米通道130的表面140。在操作中，分別為102和104的順式和反式流體儲室可以填充有任何水性的含電解質(zhì)或帶電離子的溶液或緩沖溶液110。納米孔裝置110只是示例性實(shí)施方式。可以使用納米孔裝置100的其他實(shí)施方式。
[0031]緩沖溶液110通常發(fā)生變化而不旨在被限制。緩沖溶液110的組成(包括pH、緩沖劑和離子)取決于特定應(yīng)用。在一個實(shí)施方式中，順式流體儲室102和反式流體儲室104可以包括相同或不同的流體或緩沖液。
[0032]納米孔結(jié)構(gòu)101可以由基質(zhì)120(如芯片、盤、塊、板等)制造。這樣的基質(zhì)120可