用于核酸分析的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了用于检测一种或多种靶分子的系统，所述系统包括反应装置和温度控制器。所述反应装置包括多个反应位点和对应于所述多个反应位点的多个场效应晶体管。所述反应位点中的至少两个能够接收包括两种靶分子的反应溶液。所述温度控制器配置为控制所述反应位点中的至少一者或由所述至少一个反应位点接收的所述反应溶液的温度。所述反应位点中的至少一部分能够接收支持扩增反应的试剂。当所述反应经受扩增测定时，在所述反应位点的所述至少一部分中产生扩增产物。所述多个场效应晶体管配置为检测所述扩增产物中的至少一者。

Systems and methods for nucleic acid analysis

The invention provides a system for detecting one or more target molecules, which comprises a reaction device and a temperature controller. The reaction device comprises a plurality of reaction sites and a plurality of field-effect transistors corresponding to the plurality of reaction sites. At least two of the reaction sites can receive a reaction solution comprising two target molecules. The temperature controller is configured to control at least one of the reaction sites or the temperature of the reaction solution received by the at least one reaction site. At least part of the reaction site can receive reagents that support amplification reactions. When the reaction is subjected to amplification assay, the amplification product is generated in at least one part of the reaction site. The plurality of field-effect transistors are configured to detect at least one of the amplified products.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于核酸分析的系统和方法相关申请的交叉引用本专利申请要求提交于2015年9月22日的美国临时专利申请号62/221,776的权益，该文献全文以引用方式并入本文。引言扩增测定或过程诸如聚合物酶链反应(PCR)、核糖核酸(RNA)扩增等可用于直接定量并无性系地扩增核酸(包括DNA、cDNA、甲基化DNA或RNA)。例如，定量PCR(qPCR)和数字PCR(dPCR)扩增测定或过程利用不同的方法对一种或多种靶分子进行定量。靶分子的扩增对于许多科学领域很重要，其中包括但不限于基因组测序、疾病诊断、法医学、转基因生物检测、基因分型及利用高浓度核酸分子的其他实验室方法。用于PCR扩增的试剂可对一种或多种靶分子具有特异性。基于对一个反应位点或多个反应位点中扩增产物的检测，可确认一种或多种靶分子在样本或反应溶液中的存在。虽然PCR扩增的许多用途多年来已被发现和实施，但是仍需要改善使用PCR过程检测生物体和/或病毒样本中靶分子的方法。许多常规的诊断技术依靠复杂的系统来执行检测，该系统包括热循环块、温度控制加热器以及精密电子器件和光学设备中的一者或多者。开发用于执行此类PCR诊断的相对低成本、高效率的即时需求(PON)系统具有挑战性。希望提供能够用作便携式PON技术的PCR系统。以下描述中将部分阐述本教导内容的各种实施例的对象、特征和/或优点，并且所述目的、特征和/或优点将部分从本说明书中显而易见，或者可通过对本专利技术和/或权利要求的实践习得。这些对象和优点中的至少一部分可通过所附权利要求书中特别指出的元件和组合来实现和获得。应当理解，前文大体描述以及以下详细描述仅为示例性和解释性的，并不限制权利要求；相反，权利要求应当结合其全部范围(包括等同形式)来确定。附图简略说明本专利技术可单独通过下文具体实施方式或通过下文具体实施方式与附图的结合进行理解。所含附图用于提供对本专利技术的进一步理解，并且该附图并入以及构成本说明书的一部分。附图示出了本教导内容的示例性实施例，并且与描述一起用于解释特定的原理和操作。图1A示意性地示出根据本专利技术的一个实施例用于检测一种或多种靶分子的扩增的系统。图1B示出一种用于检测一种或多种靶分子的存在的示例性工作流程方法。图2示意性示出PCR测定的示例性延伸阶段。图3为装置的反应位点的图解平面图。图4为用于执行PCR测定的反应装置的一个实施例的图解平面图。图5为根据本专利技术的一个实施例基于列和像素设计的互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片的图解框图。图6为根据本专利技术的一个实施例与对应的反应装置一起使用的流通室的图解视图。图7A-7C为根据本专利技术的实施例的反应装置的一部分的图解视图。具体实施方式本说明书以及示出示例性实施例的附图不应视为是限制性的。在不脱离本说明书和权利要求书的范围(包括等同形式)的前提下，可对各种机械、组成、结构、电气和操作作出改变。在一些情况下，未详细示出或描述众所周知的结构和技术，以免使本专利技术难以理解。此外，参考一个实施例详细描述的元件及其相关特征可在任何可行的情况下包括在其中没有明确示出或描述它们的其他实施例中。例如，如果一种元件参考一个实施例详细描述而没有参考第二个实施例进行描述，则该元件可仍被声称为包括在第二个实施例中。在本说明书和所附权利要求中，除非另有说明，否则表示数量、百分比或比例的所有数字以及在说明书和权利要求中使用的其它数值在所有情况下都应理解为使用“约”一词进行修饰(如果它们未经修饰的话)。因此，除非指明是相反情况，否则下文说明书和所附权利要求中提出的数值参数是可能根据所寻求获得的所需特性而改变的近似值。至少，而且并非试图将等同原则的适用范围限制在权利要求的范围内，数值参数至少应该根据所报告有效数字的数量，通过应用普通舍入技术来解释。应注意，除非明确地并且毫不含糊地限于一个指示物，否则如本说明书和所附权利要求书中所用，单数形式“一”、“一个”以及“该”、“所述”以及任何单词的单数使用均包括复数指示物。如本文所用，术语“包括”及其语法变体旨在非限制性的，使得对列表中项目的表述并不排除可被替换或添加至所列项目的其他类似项目。如本文所用，术语“生物样本”或“样本”意指包含本文描述或暗示的本专利技术的各种实施例的使用者、制造商或经销商感兴趣的一种或多种生物分子、化学品、组分和/或化合物的材料或物质(例如，呈固体和/或液体形式)。生物样本可具有已知的组成(例如，包含一种或多种靶分子和/或一种或多种校准分子)或未知的组成(例如，可包含或不包含靶分子的生物样本)。生物样本可包括但不限于DNA序列(包括无细胞DNA)、RNA序列、基因、寡核苷酸、氨基酸序列、蛋白质、生物标志物或细胞(例如，循环肿瘤细胞)或任何其他合适的靶生物分子中的一者或多者。如本文所用，“生物体”是指一种分子集合，其整体表现出生命的特性，包括植物、动物、器官、器官的组合或系统、真菌或细菌。如本文所用，术语“样本溶液”是指包含至少一个生物样本的液体或流体。如本文所用，术语“靶分子”或“靶”是指在生物测定、测试、处理或实验中(例如，通过PCR或测序测定、测试、处理或实验)将要或已经检测、测量或定量的生物样本的分子或分子序列(例如，DNA序列、RNA序列、蛋白质、氨基酸序列、基因、单核苷酸多态性(SNP)等)。如本文所用，术语“试剂”是指包含与生物样本结合使用以便促进生物测定、测试、处理或实验的化学品或化合物的材料或物质(例如，呈固体和/或液体形式)。试剂可包含至少一种核苷酸、至少一种寡核苷酸、至少一种引物、至少一种聚合酶、至少一种盐、至少一种缓冲剂、至少一种染料(例如，对照染料和/或结合染料)、至少一种标记物、至少一种探针、至少一种增强剂、至少一种酶、至少一种洗涤剂和/或至少一种封闭剂的组合。试剂可包含至少一种主混合物(MMx)，该主混合物包含例如至少一种聚合酶、至少一种核苷酸、至少一种盐、至少一种缓冲剂、至少一种染料(例如，对照染料和/或结合染料)和/或至少一种增强剂。在一些情况下，MMx可包括一种或多种DNA结合染料(例如，SYBR染料)或其他化学品。如本文所用，术语“反应溶液”、“反应混合物”和“反应构建”(reactionbuild)是指包含生物样本和一种或多种试剂两者的溶液或混合物。反应溶液、反应混合物或反应构建可与PCR(例如，qPCR、dPCR、多重dPCR)、胎儿诊断、病毒检测、量化标准物、基因分型、测序、测序验证、突变检测、转基因生物检测、罕见等位基因检测和/或拷贝数变异等中的一者或多者结合使用。如本文所用，短语诸如“A对于B具有特异性”是指A配置为与B或B的一部分发生化学反应或结合，以便产生预定的可检测效果，该效果可用于确定B或B的一部分是否存在或者B或B的一部分的量。根据本专利技术的实施例，反应溶液可分离、分布或分配在多个相对较小的反应位点、反应体积或反应室之间以形成多个分布的反应溶液。本专利技术的实施例的反应位点一般在本文中公开为容纳于位于基底材料中的孔或通孔中。然而，可使用根据本专利技术的实施例的其他形式的反应体积或反应位点，其中包括但不限于位于基底上的凹痕内的反应体积、分布在基质表面上的反应溶液的斑点、微流体系统的测试位点或体积或者包含反应溶液的相应部分的小珠或小球。虽然根据本专利技术的实施例所述的装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于检测核酸分子的方法，所述方法包括：在反应装置的多个反应位点中，将包含至少两种靶分子的反应溶液分布在所述反应位点之间，其中所述反应装置包括对应于所述多个反应位点的多个场效应晶体管，其中所述反应位点中的至少两个包含试剂以支持所述至少两种靶分子的扩增，所述至少两种靶分子在化学上彼此不同使所述反应位点中的所述反应溶液经受扩增测定，其中所述靶分子中的至少一者的扩增产物在所述多个反应位点的至少一部分中产生；通过使用所述场效应晶体管中的至少一者感测电流或电压的变化来检测所述扩增产物的存在；基于检测所述扩增产物的存在，确定所述靶分子中的至少一者的存在。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.22 US 62/221,7761.用于检测核酸分子的方法，所述方法包括：在反应装置的多个反应位点中，将包含至少两种靶分子的反应溶液分布在所述反应位点之间，其中所述反应装置包括对应于所述多个反应位点的多个场效应晶体管，其中所述反应位点中的至少两个包含试剂以支持所述至少两种靶分子的扩增，所述至少两种靶分子在化学上彼此不同使所述反应位点中的所述反应溶液经受扩增测定，其中所述靶分子中的至少一者的扩增产物在所述多个反应位点的至少一部分中产生；通过使用所述场效应晶体管中的至少一者感测电流或电压的变化来检测所述扩增产物的存在；基于检测所述扩增产物的存在，确定所述靶分子中的至少一者的存在。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两种靶分子包括DNA序列、RNA序列、基因、寡核苷酸或氨基酸序列中的一者或多者。3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中使所述反应溶液经受扩增测定包括用与水不可混溶和/或与所述反应溶液不可混溶的流体覆盖所述多个反应位点。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述至少两种靶分子对于(a)多种不同的生物体或病毒和/或(b)相同生物体或病毒的多种不同变体具有特异性。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中(a)所述多个反应位点的至少一部分包含试剂以支持靶分子的扩增，所述靶分子对于多种不同的生物体或病毒具有特异性，并且/或者(b)所述多个反应位点的反应位点子集包含试剂以支持所述不同生物体或病毒共有的一种或多种靶分子的扩增。6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中(a)所述多个反应位点的至少一部分包含试剂以支持靶分子的扩增，所述靶分子对于生物体或病毒的多种不同变体具有特异性，并且/或者(b)所述多个反应位点的反应位点子集包含试剂以支持所述不同变体共有的一种或多种靶分子的扩增。7.根据权利要求6所述的方法，还包括：提供至少一组反应位点，所述反应位点包含试剂以支持靶分子的扩增，所述靶分子对于相同生物体或病毒或者特定生物体或病毒的相同变体中的至少一者具有特异性。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述多个反应位点的子集包含试剂以支持靶分子的扩增，所述靶分子对于不同生物体或病毒中的至少一者或者所述相同生物体或病毒的所述不同变体中的一者具有特异性。9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述试剂包括至少一种酶和引物，所述酶和引物设计为在PCR扩增过程中扩增所述特定生物体或病毒的DNA或RNA。10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，还包括将反应溶液引入所述反应装置中以便分离所述反应溶液。11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，还包括：基于对所述扩增产物的所述感测，测定所述一种或多种靶分子的数量。12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述反应装置的所述多个反应位点包括配置为执行定量PCR的第一反应位点子集和配置为执行数字PCR的第二反应位点子集。13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，还包括分别与所述多个反应位点相关联的多个参比电极，其中检测包括基于所述参比电极中的一者或多者进行检测。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述参比电极嵌入限定所述相应的相关联的反应位点的壁内。15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，还包括在所述反应位点中装载所述核酸溶液，使得沉积到所述反应装置的表面上的疏水层致使所述反应装置的顶层的疏水性强于所述反应位点的至少一部分的表面的疏水性，其中所述疏水层致使核酸溶液在扩增过程中保留在所述反应位点中。16.用于检测反应溶液的一种或多种靶分子的系统，所述系统包括：反应装置，所述反应装置包括多个反应位点和一个或多个场效应晶体管，所述反应位点中的至少两个配置为接收反应溶液，所述反应溶液包括在化学上彼此不同的至少两种靶分子；温度控制器，所述温度控制器配置为控制所述反应位点中的至...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·李，S·董，T·斯特劳勃，D·基斯，
申请(专利权)人：生命技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US