本發(fā)明涉及生物電子學(xué)器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于dna骨架的生物分子器件陣列及其構(gòu)筑方法和生物質(zhì)基電子器件、邏輯電路、信息存儲中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、近年來生物分子電子學(xué)領(lǐng)域快速發(fā)展，以蛋白質(zhì)基憶阻器為代表的新型生物電子器件也不斷涌現(xiàn)。然而，在實用化進(jìn)程中，集成困難、功能性不足、研發(fā)制造門檻高等問題嚴(yán)重限制了生物分子器件的廣泛應(yīng)用和持續(xù)發(fā)展，成為制約其從原理性研究邁向?qū)嶋H生產(chǎn)生活的瓶頸問題。如何充分挖掘生物基材料相比傳統(tǒng)電子材料的結(jié)構(gòu)、性能、組裝優(yōu)勢，并進(jìn)一步發(fā)展生物分子器件制造的新方法，是當(dāng)前的生物電子學(xué)領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

2、利用生物分子構(gòu)筑憶阻器件并實現(xiàn)應(yīng)用，需要實現(xiàn)單個功能基元的精準(zhǔn)調(diào)控，以理解和操縱生物分子介導(dǎo)的電子電荷傳輸過程；還需要實現(xiàn)多個功能基元的陣列集成，以實現(xiàn)大規(guī)模并行計算的應(yīng)用需求。簡言之，即解決“功能性”和“集成度”兩個關(guān)鍵問題。

3、對于單點調(diào)控的“功能性”問題，目前研究主要是通過精準(zhǔn)地將生物分子連接到兩個電極之間，測量其在偏置電壓下的電流響應(yīng)，探索其導(dǎo)電特征并進(jìn)行系統(tǒng)性的機(jī)理研究，以此發(fā)展針對性的調(diào)控手段。生物單分子電路的構(gòu)筑是實現(xiàn)單點調(diào)控的技術(shù)關(guān)鍵。導(dǎo)電原子力顯微鏡(cafm)可以在導(dǎo)電探針和導(dǎo)電基底之間精準(zhǔn)連接目標(biāo)分子，其優(yōu)勢在于可以同時測量生物分子的電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，并且表征結(jié)果具有較高的重現(xiàn)性。另外，生物分子內(nèi)部電輸運(yùn)機(jī)理的研究是實現(xiàn)單點調(diào)控的理論基礎(chǔ)。目前研究發(fā)現(xiàn)生物分子有著快速高效的長距離電子輸運(yùn)特性以及可切換的多個導(dǎo)電通路，表現(xiàn)出了生物材料的獨特優(yōu)勢?，F(xiàn)有研究成果奠定了生物單分子器件功能調(diào)控的技術(shù)基礎(chǔ)和理論可行性，并且證明了生物材料用于電子器件的結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)勢。然而，單個分子的單一電學(xué)性能研究無法滿足分子器件邁向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展需求。這對現(xiàn)有生物分子器件的組裝集成技術(shù)提出了新的要求。

4、對于陣列組裝的“集成度”問題，現(xiàn)有研究的解決思路通常是將生物分子制成塊體材料，然后通過改變兩端電極的連接和排布方式，實現(xiàn)同一器件中的多點連通。然而這些器件的構(gòu)筑依賴于足夠精密準(zhǔn)確的底/頂電極，仍受限于當(dāng)前“自上而下”微納加工工藝。存在的問題包括塊體材料內(nèi)導(dǎo)電機(jī)理不清，交叉陣列中的漏電路徑問題導(dǎo)致器件調(diào)控不準(zhǔn)，以及未能發(fā)揮介觀材料尺寸優(yōu)勢帶來的實際應(yīng)用發(fā)展受限的問題。因此，針對生物分子器件的陣列集成仍是一個充滿挑戰(zhàn)的技術(shù)方向。

5、因此，面對生物分子器件的集成難題，如何充分發(fā)揮生物材料所具備的獨特優(yōu)勢，探索具有生物電子器件特色的構(gòu)筑新策略，仍是一個充滿挑戰(zhàn)的課題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述技術(shù)問題以及本領(lǐng)域存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種基于dna骨架的生物分子器件陣列及其構(gòu)筑方法和應(yīng)用，可解決生物分子器件在實用化進(jìn)程中的精準(zhǔn)調(diào)控和陣列集成問題。

2、具體技術(shù)方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于dna骨架的生物分子器件陣列，包括形成導(dǎo)電回路的導(dǎo)電基底、導(dǎo)電探針和dna-功能蛋白復(fù)合物體系，其中dna-功能蛋白復(fù)合物體系位于導(dǎo)電基底和導(dǎo)電探針之間。

4、所述導(dǎo)電基底的材料可選自au、si或hopg(highly?oriented?pyrolyticgraphite，高定向裂解石墨)等。

5、在一些實施例中，所述導(dǎo)電探針可連接在(導(dǎo)電)原子力顯微鏡上并受所述(導(dǎo)電)原子力顯微鏡控制。

6、所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系中的功能蛋白可以是一種或多種組合。例如，所述功能蛋白可包括stv(鏈霉親和素)、鐵蛋白等中的至少一種。其中，所述的鐵蛋白具體示例的可為人類h鏈鐵蛋白(huhf)等。

7、在一些實施例中，所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系可為dna-stv復(fù)合物體系、dna-鐵蛋白復(fù)合物體系或dna-stv-鐵蛋白復(fù)合物體系。

8、所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系包括dna瓦片單體組裝形成的dna二維骨架結(jié)構(gòu)和連接在所述dna二維骨架結(jié)構(gòu)上的功能蛋白。dna瓦片單體可由設(shè)計的dna單鏈組裝而得。dna瓦片作為最小的重復(fù)性單元，可通過粘性末端堿基互補(bǔ)配對原理相互連接形成dna二維骨架結(jié)構(gòu)。所述功能蛋白通過生物偶聯(lián)劑分子與所述dna二維骨架結(jié)構(gòu)連接。所述生物偶聯(lián)劑分子修飾在組成所述dna瓦片的一個或多個dna單鏈上。所述功能蛋白包括stv時，作為一個示例的，所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系為dna-stv復(fù)合物體系時，所述生物偶聯(lián)劑分子包括生物素，生物素可修飾在dna瓦片單體的某個(例如中間位置的)t堿基上。所述功能蛋白包括鐵蛋白時，作為又一個示例的，所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系為dna-鐵蛋白復(fù)合物體系，所述生物偶聯(lián)劑分子包括4-(n-馬來酰亞胺基甲基)環(huán)己烷羧酸n-羥基琥珀酰亞胺酯(smcc)，此時dna瓦片單體中可包含至少一條修飾有巰基分子的dna單鏈(該dna單鏈可位于dna瓦片單體中間位置)，smcc與該巰基相結(jié)合，進(jìn)一步的，所述巰基分子可位于dna單鏈的一端，例如3’端等。所述功能蛋白包括stv和鐵蛋白時，作為再一個示例的，所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系為dna-stv-鐵蛋白復(fù)合物體系，所述生物偶聯(lián)劑分子包括生物素和smcc，且dna瓦片單體中包含至少一條修飾有巰基分子的dna單鏈(該dna單鏈可位于dna瓦片單體中間位置)，smcc與巰基結(jié)合，生物素修飾在dna瓦片單體中的某個(例如中間位置的)t堿基上，進(jìn)一步的，所述巰基分子可位于dna單鏈的一端，例如3’端等。

9、第二方面，本發(fā)明提供了第一方面所述的基于dna骨架的生物分子器件陣列的構(gòu)筑方法，包括步驟：

10、(1)設(shè)計并制備dna瓦片單體，組裝獲得dna二維骨架結(jié)構(gòu)；

11、(2)將功能蛋白與所述dna二維骨架結(jié)構(gòu)混合組裝獲得dna-功能蛋白復(fù)合物體系；

12、(3)將所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系孵育并固定在導(dǎo)電基底上，將導(dǎo)電探針接觸所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系以連接形成dna-功能蛋白生物分子結(jié)回路體系，得到所述基于dna骨架的生物分子器件陣列。

13、步驟(1)中，dna瓦片單體可由設(shè)計的dna單鏈組裝而得。

14、步驟(1)中，作為最小的重復(fù)性單元，dna瓦片可通過粘性末端堿基互補(bǔ)配對原理相互連接形成dna二維骨架結(jié)構(gòu)。

15、步驟(1)中，dna二維骨架結(jié)構(gòu)可通過熱循環(huán)儀程序化退火過程制備獲得。

16、在一些實施例中，步驟(1)中，dna瓦片單體中包含至少一條修飾有生物偶聯(lián)劑分子的dna單鏈，以允許dna瓦片單體可以與功能蛋白相連接。

17、在一些實施例中，步驟(1)中，所述導(dǎo)電基底為金基底，dna瓦片單體中包含至少一條修飾有巰基分子的dna單鏈，以允許dna瓦片單體可以與金基底相連接。進(jìn)一步的，所述巰基分子可位于dna單鏈的一端，例如3’端等。

18、步驟(2)中，所述功能蛋白與所述dna二維骨架結(jié)構(gòu)可通過生物偶聯(lián)劑分子連接組裝獲得dna-功能蛋白復(fù)合物體系。

19、步驟(2)中，生物偶聯(lián)劑分子可根據(jù)所述功能蛋白的表面性質(zhì)選定，預(yù)先修飾在dna瓦片單體的dna單鏈上，在功能蛋白與dna二維骨架結(jié)構(gòu)的混合過程中連接功能蛋白與dna二維骨架結(jié)構(gòu)。

20、第三方面，本發(fā)明提供了第一方面所述的基于dna骨架的生物分子器件陣列在生物質(zhì)基電子器件、邏輯電路或信息存儲中的應(yīng)用。進(jìn)一步的，所述基于dna骨架的生物分子器件陣列可用于憶阻器。

21、第四方面，作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供了一種通過構(gòu)筑基于dna骨架的生物分子器件陣列精準(zhǔn)探究或調(diào)控dna-功能蛋白復(fù)合物體系電路電學(xué)性質(zhì)的方法，包括步驟：

22、1)設(shè)計并制備dna瓦片單體，組裝獲得dna二維骨架結(jié)構(gòu)；

23、2)將功能蛋白與所述dna二維骨架結(jié)構(gòu)混合組裝獲得dna-功能蛋白復(fù)合物體系；

24、3)將所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系孵育并固定在導(dǎo)電基底上，通過原子力顯微鏡控制導(dǎo)電探針接觸所述dna-功能蛋白復(fù)合物體系以連接形成dna-功能蛋白生物分子結(jié)回路體系；

25、4)通過調(diào)整所述原子力顯微鏡的硬件和/或軟件參數(shù)，精準(zhǔn)探究或調(diào)控dna-功能蛋白復(fù)合物體系電路電學(xué)性質(zhì)。

26、第四方面中所述的方法可參照第二方面所述的構(gòu)筑方法進(jìn)行技術(shù)方案的進(jìn)一步具體選擇或優(yōu)化。

27、此外，步驟4)中，原子力顯微鏡相應(yīng)硬件的精細(xì)參數(shù)的設(shè)置可分別獨立調(diào)整回路中的偏壓范圍及數(shù)值大小、脈沖電壓數(shù)值大小及頻率、探針的下針高度及下針時長。

28、步驟4)中，還可精準(zhǔn)調(diào)控電路體系的相關(guān)參數(shù)，記錄施加恒定偏壓、循環(huán)偏壓、脈沖電壓時體系的電流響應(yīng)，對dna-功能蛋白復(fù)合物體系陣列中不同位點的功能蛋白電流響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

29、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果有：

30、本發(fā)明以dna二維骨架-功能蛋白組裝體為核心，利用導(dǎo)電原子力顯微鏡形成分子器件回路，通過靈活調(diào)整器件核心中dna瓦片及功能蛋白的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)具有不同電學(xué)特征的生物分子結(jié)陣列的精確構(gòu)筑，并進(jìn)一步實現(xiàn)在生物質(zhì)基電子器件、邏輯電路和信息存儲中的應(yīng)用。

31、本發(fā)明可以實現(xiàn)蛋白功能基元的高密度集成，具有良好的生物相容性、多樣的結(jié)構(gòu)可修飾性以及靈活的陣列可調(diào)控性，可以實現(xiàn)基本的器件行為電學(xué)表征以及進(jìn)一步的功能器件開發(fā)及應(yīng)用。

32、具體而言：

33、1、本發(fā)明無需復(fù)雜的微納加工技術(shù)，根據(jù)“自下而上”的組裝思路，利用另一種生物材料dna作為骨架材料，通過dna折紙術(shù)可以靈活的構(gòu)建不同陣型的納米網(wǎng)絡(luò)。

34、2、本發(fā)明利用dna骨架對蛋白位置和取向的精確限制，通過調(diào)整探針位置可以迅速建立相同狀態(tài)的不同蛋白分子結(jié)，廣泛收集該體系的大量相關(guān)數(shù)據(jù)，用于統(tǒng)計性分析。

35、3、本發(fā)明在蛋白與電極之間引入dna，通過控制dna的修飾結(jié)構(gòu)，可以控制dna-蛋白與電極之間的耦合強(qiáng)度，進(jìn)而對體系的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。

36、4、本發(fā)明與傳統(tǒng)的利用交叉金屬電極排布蛋白陣列的方式不同，利用dna柔性骨架連接蛋白，可以保證體系仍保有柔性材料特征，組裝體可以適應(yīng)于不同粗糙度及基底材料表面。利用原子力顯微鏡作為回路架構(gòu)，可以同時觀察接觸力和偏壓的影響，并行分析蛋白這類柔性材料中接觸力對電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控作用。另外，通過精確調(diào)整探針的位置可以控制柔性體系中導(dǎo)電通路的長度，可以直接地回答體系電導(dǎo)隨通路長度變化的特征這一分子電子學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注的問題。