二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台及其制备方法
阅读说明：本技术 二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台及其制备方法 (Protein stretching sequencing platform with two-dimensional plane heterostructure and preparation method thereof ) 是由 司伟 袁润逸 朱振东 沙菁 陈云飞 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台及其控制、制作方法,本发明设计的二维平面异质结构的蛋白质拉伸检测平台,是由MoS-(2)和WS-(2)无缝拼接而成的,通过预先设计WS-(2)的通道轨迹,利用WS-(2)与MoS-(2)化学势的不同,拉伸原本弯曲折叠的待测蛋白质分子,同时由于WS-(2)吸附作用,蛋白质分子会吸附在WS-(2)的纳米通道上,氨基酸的热波动大大减少了,同时也会显著减少被测蛋白的螺旋构象。这种吸附在二维表面的拉伸蛋白质分子构象,将有助于使用高分辨率原子力显微镜或者扫描隧道显微镜进行蛋白质测序,并显著提高信噪比。如果结合纳米孔单分子检测技术,则有望实现低成本高通量的蛋白质测序。(The invention relates to a protein stretching sequencing platform with a two-dimensional plane heterostructure and a control and manufacturing method thereof 2 And WS 2 Formed by seamless splicing, by predesigned WS 2 By means of WS 2 And MoS 2 The difference of chemical potential stretches the originally bent and folded protein molecule to be detected, and simultaneously, WS 2 Adsorption, protein molecules will be adsorbed on WS 2 The thermal fluctuation of the amino acid is greatly reduced on the nano-channel, and the helical conformation of the tested protein is also obviously reduced. The conformation of the stretched protein molecules adsorbed on the two-dimensional surface can be facilitated by using a high-resolution atomic force microscope or a scanning tunneling microscopeProtein sequencing is performed, and the signal-to-noise ratio is remarkably improved. If the nanopore monomolecular detection technology is combined, the protein sequencing with low cost and high flux is expected to be realized.)
技术领域
本发明属于蛋白质分子电泳驱动领域，具体涉及一种二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台及其制备方法。
背景技术
细胞蛋白信息通常作为生物标志物的来源，对于疾病的早期检测非常重要。目前已经在早老素Presenilin上鉴定出150多个与阿尔茨海默症有关联的氨基酸突变。因此，解析γ-secretase的三维结构，并在此基础上理解其正常工作及致病机理，不仅具有重大科学意义，也将对阿尔茨海默症的药物研发起到重要的指导作用。
目前蛋白质测序方法是将完整的蛋白质离子化后进入质谱分析仪器，从多肽水平实现对蛋白质的分析与鉴定。
通过高分辨率原子力显微镜可以识别蛋白质中每个氨基酸的原子结构。
通过基于纳米孔的单分子检测技术也可以进行蛋白质测序，其检测时需将待测蛋白质长时间地放置于固态纳米孔中，进行多次测量，从而降低检测产生的误差。
目前这些检测方法首先都需要对蛋白质进行拉伸。
通常来说，通过原子力显微镜、光镊或者磁镊可以拉伸蛋白质分子。但也存在不足，光镊的时间空间精度都很优秀，但是不可避免会产生光毒性以及对样品的加热，从而导致对结果的干扰。
磁镊的缺点是对显微镜显像的质量要求很高。
此外，蛋白质分子也可以在高速流体中进行拉伸，但也存在缺陷，由于蛋白质分子在电解质中波动，测得的孔内电流不准确。
现有大多数的固态纳米孔能够促使蛋白质折叠成其固有结构，但也存在缺陷，例如在直径过小的纳米孔中，由于固态纳米孔和蛋白质的非特异相互作用，极易造成堵塞。
其次，基于荧光的蛋白质测序方法的发展也存发展问题。主要的限制条件是缺乏用于检测20余种不同氨基酸的有机荧光团，以及缺乏专门标记所有20余种氨基酸的合适化学物质。
发明内容
本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种对蛋白质进行拉伸测序的同时，能够检测出氨基酸突变的二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台。
本发明的技术方案：本发明所述的二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台，包括在MoS2薄膜上设有WS2通道；所述WS2通道将所述MoS2薄膜分割成第一MoS2区域和第二MoS2区域；
所述WS2通道末端设有收集被测蛋白质的纳米孔；通过控制外加电场，控制WS2通道内的被测蛋白沿着所述WS2通道依次进入纳米孔。
进一步的，所述外加电场包括独立电压源和纳米金电极环；所述纳米金电极环设置在所述纳米孔上，所述纳米金电极环与所述独立电压源相连。
进一步，所述WS2通道与纳米孔直接相连，被测蛋白质吸附WS2通道线性拉伸后可直接依次通过纳米孔。
本发明还公开了一种二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台的制备方法，包括：
S1.制备WS2通道：在SiO2/Si晶片上制备设有弯折路径的WS2通道；
S2.制备MoS2薄膜：在所述SiO2/Si晶片上，除所述WS2通道外区域生长MoS2。
S3.加工电极：在所述WS2通道尽头处沉积纳米金电极，然后将纳米金电极与外接电压源相连，并在所述纳米金电极的电极中心加工纳米孔；
进一步，在所述制备WS2通道中，还包括如下步骤：
A1.在密闭透明管道中依次等距放入SiO2/Si晶片和硫粉，所述SiO2/Si晶片与所述硫粉间距不超过10cm；
A2.将钨碲混合粉分散在所述SiO2/Si晶片上用以生长WS2；
A3.利用显微镜观察所述WS2生长情况，待所述SiO2/Si晶片上铺满WS2后，去除多余的钨碲混合粉，在所述SiO2/Si晶片上对WS2进行切割，保留出一道设有WS2的弯折路径，即WS2通道，去除所述WS2通道外的其他WS2，使SiO2/Si晶片重新裸露出来。
进一步，所述制备WS2通道过程中，从管的上游通入硫蒸汽，并通入氩气进行保护，避免硫粉在高温下受到氧气影响发生氧化。
进一步，在所述制备MoS2薄膜过程中，还包括，在600℃-700℃温度下，将三氧化钼(MoO3)粉放置在裸露的SiO2/Si晶片上用以生长MoS2。
进一步的，650℃下，将三氧化钼(MoO3)粉放置在裸露的SiO2/Si晶片上用以生长MoS2。
有益效果：
本发明与现有技术相比的有益效果：
1.本发明设计的二维平面异质结构的蛋白质拉伸检测平台，是由MoS2和WS2无缝拼接而成的，通过预先设计WS2的通道轨迹，利用WS2与MoS2化学势的不同，拉伸原本弯曲折叠的待测蛋白质分子，同时由于WS2吸附作用，蛋白质分子会吸附在WS2的纳米通道上，氨基酸的热波动大大减少了，同时也会显著减少被测蛋白的螺旋构象。这种吸附在二维表面的拉伸蛋白质分子构象，将有助于使用高分辨率原子力显微镜或者扫描隧道显微镜进行蛋白质测序，并显著提高信噪比。如果结合纳米孔单分子检测技术，则有望实现低成本高通量的蛋白质测序。
2.该二维平面异质结构的蛋白质拉伸检测平台可以有效拉伸蛋白质分子。该平面异质结构包含第一个MoS2区域、一条窄WS2区域和第二个MoS2区域，它们无缝连接。由于范德华作用势的不同，对于放置于平台上的待测蛋白质分子，能够吸附在WS2条带上并最终沿着WS2条带形成线性(拉伸)构象。
3.该二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台，可以控制被测蛋白的运动方向和运动速度；通过调节纳米通道上纳米金电极所连电压源的方向和强度，结合外加电压驱动，可以实现电渗和电泳的联合竞争驱动，直接改变蛋白质过孔的方向和速度。
4.该二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台除了可用于蛋白质测序外，还可以用于帮助检测单个蛋白质分子中的化学修饰，这种单分子方法可用于分析少量样品，检测精度可以达到1电子伏特。
附图说明
图1是本发明所述二维平面异质结构的蛋白质拉伸平台的结构示意图；
图1中：1-电压源、2-纳米金电极、3-纳米孔、4-WS2通道、5-MoS2薄膜、51-第一MoS2区域、52-第二MoS2区域、6-被测蛋白质。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1所示，本发明所述的二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台由MoS2和WS2组成，其具体布局参见图1所示在WS2纳米通道上加工有纳米金电极，其中，WS2通道4和MoS2薄膜5结构并不唯一，亦可替换为WSe2/MoSe2,SnS2/MoS2,SnSe2/WSe2等结构。
本发明所述的二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台的前期制造过程、工作过程和被测蛋白运动控制方法如下：
首先对二维平面异质结构的蛋白质拉伸测序平台进行制造，方法如下：
步骤1:在密闭透明管道中依次等距放入SiO2/Si晶片、硫粉，两者间距不超过10cm。
步骤2：将钨碲混合粉分散在晶片上用以生长WS2。在钨粉生长过程中加入碲有助于加速钨粉的融化。
步骤3：系统通入氩气进行保护，并从管的上游通入硫蒸汽，避免氧气的影响。
步骤4：利用原子力显微镜观察生长情况，待芯片铺满WS2后，去除多余的钨粉，且在SiO2/Si晶片利用微粒子束对WS2进行切割，保留出一道WS2的弯折路径，去除其他WS2并让SiO2/Si晶片重新裸露出来。刻画出二维平面异质结构的外轮廓后，将三氧化钼(MoO3)粉放置在裸露的SiO2/Si晶片前用以生长MoS2。反应过程中，成核和增长速度的差异导致了WS2和MoS2的有序生长。
步骤5：在这种外延生长中，MoS2单层膜直接从新鲜的WS2边缘生长。精准的反应温度决定了最终的结构，在约650℃下进行合成时，面内横向异质结占主导地位，最终可以得到理想的二维平面异质结构。
步骤6：采用光学显微镜，由于光学对比度的差异，可以明显的观察出MoS2和WS2的分界面，检察制备的二维平面异质结构是否符合要求。
步骤7：在WS2通道尽头沉积纳米金电极，然后将纳米金电极与外接电压源相连，并在电极中心加工纳米孔，镀上二氧化硅保护层。
最后，用AFM探针将被测蛋白取出放置在平台上，静置一段时间，被测蛋白便可吸附于平台中间的WS2纳米通道上，并呈线性构象，同时热波动和局部弯曲构象大大减少，有利于后续的蛋白质测序。
通过电泳力驱动被测蛋白沿着规划好的路径进行运动，进一步通过独立调节纳米金电极所连的独立电压源调节穿过纳米孔的电渗流，控制蛋白质穿过纳米孔的方向和速度。
同时，该平台可用于检测单个蛋白的化学修饰，由于WS2条带上摩擦系数几乎处处相同，电泳传输的速度近似正比于被测蛋白的净电荷，可通过比较正常蛋白与被测蛋白在纳米通道上的电泳速度来判断被测蛋白是否发生了化学修饰。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
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