用于核酸检测和鉴别的纳米传感器制造技术

公开了基于核酸链置换以单核苷酸分辨率检测或鉴别核酸的方法、系统和纳米传感器装置。可以通过延时荧光测量或通过基于电的石墨烯FET进行检测，其可以与无线通信组合以提供检测信号的实时传输。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于核酸检测和鉴别的纳米传感器相关申请的交叉引用本专利文件要求以下申请的权益和优先权：(1)2015年12月23日提交的名称为“使用二维石墨烯电子和DNA链置换的高度特异性SNP序列”的美国临时专利申请号62/387,460，(2)2016年8月25日提交的名称为“使用二维石墨烯电子和DNA链置换的高度特异性SNP检测方法”的美国临时专利申请号62/379,549，和(3)2016年5月6日提交的名称为“用于单核苷酸分解核酸检测和鉴别的纳米传感器”的美国临时专利申请号62/333,064。上述专利申请的全部内容通过引用并入作为本专利文件的公开内容的一部分。关于联邦政府资助的研究或开发的声明本专利技术是在国家卫生研究所(NIH)的国家药物滥用研究所(NIDA)给予的款号R01DA024871和R01DA025296的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。
本专利文件涉及用于检测和鉴别核酸的纳米传感器和技术。专利技术背景来自遗传突变的疾病可以以单个重组错误开始。单突变的早期诊断是预防和治疗疾病的关键。DNA测序对遗传疾病的诊断，生物信息学，法医学和环境监测具有重要意义。鉴别长DNA链中的单个错配具有重要意义，因为它能够检测单核苷酸多态性(SNP)。SNP是基因中的单核苷酸突变，并且在生物物种的成员或成对染色体之间变化。这些突变可用作多种疾病的标志物，包括各种形式的癌症，遗传疾病和个性化医疗。SNP引起的微小变化会对健康产生巨大影响。因此，希望以高灵敏度和特异性检测这些突变，引起了极大关注。专利技术概述公开了用于检测或鉴别特定核酸分子的方法，系统和装置，以用于诸如癌症或遗传疾病的诊断，法医学或个性化的医疗准备。在一方面，公开了基于电的核酸检测装置，例如使用石墨烯FET的电生物传感器。所述装置包括石墨烯芯片，用于在向石墨烯芯片施加输入电压时测量通过石墨烯芯片的电流的微控制板，以及用于接收所传输测量值的移动装置。在一些实施方案中，石墨烯芯片包括基板、基板上的石墨烯表面、位于石墨烯表面两端的形成第一电极和第二电极的导电物质、以及使第一电极和第二电极绝缘的绝缘物质。绝缘物质进一步在石墨烯表面上形成溶液储槽以接收核酸样品。在一些实施方案中，微控制板包括向石墨烯芯片施加输入电压时测量通过石墨烯芯片的电流的数字仪表，以及发送测量的电流和输入电压的通信模块。移动装置从通信模块接收测量的电流并处理测量的电流以显示电阻变化。在一些实施方案中，将分析无线通信平台添加到电生物传感器以使得检测到的分子信号能够实时传输。由装置的溶液储槽中的探针和靶核酸结合触发的电阻变化产生的电信号被捕获并使用微控制板远程传输，并通过蓝牙标准通过无线通信实时传送到包括智能手机、平板电脑或计算机在内的个人电子设备。在一些实施方案中，通过测量IV曲线中狄拉克点位移的变化和由于顺序添加到装置储槽中的探针核酸和靶核酸的杂交引起的电阻变化来实现核酸检测。在一些实施方案中，核酸探针是双链核酸探针，例如DNA拉链和DNA镊子。在相关方面，本专利技术公开了一种检测或鉴别核酸的基于电的方法。所述方法需要以下步骤：使核酸探针与石墨烯芯片上的溶液储槽接触，使得探针固定在石墨烯表面上，例如通过π-π堆积和胺-酰胺键合；使靶核酸与溶液储槽接触；在石墨烯芯片上施加输入电压以产生穿过含有探针核酸和靶核酸的溶液储槽的电流；测量由靶核酸与探针核酸的杂交或部分杂交触发的电流变化。在一些实施方案中，通过无线通信将测量的电信号实时传输到移动装置。在一些实施方案中，探针核酸是基于DNA镊子的探针，并且基于电信号的检测是由靶核酸的DNA链置换触发的，所述靶核酸驱动链置换并打开附着于石墨烯芯片表面的DNA镊子。DNA镊子的打开导致不同长度的核酸链的转换，这导致在链置换之前和之后的电荷差异。对石墨烯的测量电阻和狄拉克点的变化进行处理和分析。在一些实施方案中，核酸探针附着在石墨烯FET上，并且液门用于获得溶液储槽中核酸的I-V曲线。用完全互补(完美匹配)的对照核酸和具有一个或多个错配的靶核酸监测I-V曲线位移和电阻变化。换句话说，将探针核酸与具有与探针完全互补的序列的对照核酸结合的IV曲线与探针核酸和与探针具有一个或多个错配的靶核酸结合的IV曲线进行比较。I-V曲线从对照的位移指示存在一个或多个错配。所公开的技术能够鉴定长度为至少15nt、至少20nt、至少25nt、至少30nt、至少35nt、至少40nt、至少45nt、至少47nt、至少50nt、至少55nt、至少60nt、至少65nt、至少70nt、至少75nt、至少80nt、至少85nt、至少90nt、至少95nt或至少100nt的靶核酸中的单个错配。在另一方面，本专利技术公开了一种基于荧光检测或鉴别核酸的的方法。所述方法需要以下步骤：使探针核酸与和探针完全互补的对照核酸接触，测量探针和对照核酸的链置换的动力学；使探针核酸和与探针具有一个或多个错配的靶核酸接触，测量探针和靶核酸的链置换的动力学，比较对照和靶标的动力学，其中动力学的变化表明靶核酸中存在一个或多个错配。在一些实施方案中，探针核酸是包含正常链(normalstrand)和弱链(weakstrand)的双链核酸。在一些实施方案中，将荧光标记连接于弱链的一端。在一些实施方案中，将淬灭剂连接于正常链的一端。对于本文公开的技术和装置，在一些实施方案中，所公开的技术和装置使用的核酸探针或靶核酸具有至少10nt、至少11nt、至少12nt、至少13nt、至少14nt、至少15nt、至少16nt、至少17nt、至少18nt、至少19nt、至少20nt、至少21nt、至少22nt、至少23nt、至少24nt、至少25nt、至少26nt、至少27nt、至少28nt、至少29nt、至少30nt、至少31nt、至少32nt、至少33nt、至少34nt、至少35nt、至少36nt、至少37nt、至少38nt、至少39nt、至少40nt、至少41nt、至少42nt、至少43nt、至少44nt、至少45nt、至少46nt、至少47nt、至少48nt、至少49nt、至少50nt、至少55nt或至少60nt的长度。探针核酸和靶核酸可以具有相同的长度或相似的长度。对于本文公开的技术和装置，在一些实施方案中，核酸探针是包含正常链和弱链的双链探针。正常链与靶核酸互补或部分互补。在一些实施方案中，正常链具有包含一个或多个与弱链不互补的核苷酸的支点。在一些实施方案中，弱链包含一个或多个被肌苷或脱氧肌苷替代的鸟嘌呤或脱氧鸟嘌呤。可以使用除了肌苷和脱氧肌苷之外的核苷酸，其对鸟嘌呤的亲和力比正常的G-C配对弱。在一些实施方案中，正常链和弱链通过彼此完全互补的铰链区结合。附图简述图1给出了DNA拉链的操作方案的实例。图2给出了可用作单核苷酸多态性(SNP)探针的基于DNA拉链的镊子的图解。图3给出了具有特定序列的DNA镊子的结构的实例。具有单个错配的互补靶链在序列的中间具有T而不是G。N链具有支点，W链含有4个肌苷(I)。还显示了淬灭剂和德克萨斯红荧光团。图4说明了DNA镊子探针的作用。在一个实例中，正常链(N)含有10nt的环。当完美匹配的靶链(T)接近DNA镊子时，靶链(T)通过与环结合而置换弱链(W)。镊子仍然通过铰链本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.核酸检测装置，其包括：石墨烯芯片，其包括基板、基板上的石墨烯表面、在石墨烯表面两端形成第一电极和第二电极的导电物质、以及使第一电极和第二电极绝缘的绝缘物质，其中绝缘物质进一步在石墨烯表面上形成溶液储槽，以接收核酸探针和样品核酸；连接至所述储槽的石墨烯表面的双链核酸探针，其中所述核酸探针包含在一端具有支点的正常链和包含一个或多个取代鸟嘌呤的肌苷的弱链；以及微控制板，其包括当将输入电压施加到所述石墨烯芯片时测量通过所述石墨烯芯片电流的数字仪表，以及发送所测量电流和所述输入电压的数值的通信模块。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.23 US 62/387,460;2016.05.06 US 62/333,064;1.核酸检测装置，其包括：石墨烯芯片，其包括基板、基板上的石墨烯表面、在石墨烯表面两端形成第一电极和第二电极的导电物质、以及使第一电极和第二电极绝缘的绝缘物质，其中绝缘物质进一步在石墨烯表面上形成溶液储槽，以接收核酸探针和样品核酸；连接至所述储槽的石墨烯表面的双链核酸探针，其中所述核酸探针包含在一端具有支点的正常链和包含一个或多个取代鸟嘌呤的肌苷的弱链；以及微控制板，其包括当将输入电压施加到所述石墨烯芯片时测量通过所述石墨烯芯片电流的数字仪表，以及发送所测量电流和所述输入电压的数值的通信模块。2.如权利要求1所述的核酸检测装置，其还包括移动装置，所述移动装置从所述通信模块接收所述数值并处理所述数值以显示电阻变化。3.如权利要求1所述的核酸检测装置，其中所述微控制板还包括用于过滤输入电压的低通滤波器。4.如权利要求3所述的核酸检测装置，其中所述微控制板还包括移动平均滤波器。5.如权利要求4所述的核酸检测装置，其中所述微控制板还包括二阶移动平均滤波器。6.如权利要求1所述的核酸检测装置，其中所述基板包括二氧化硅涂覆的晶片。7.如权利要求1所述的核酸检测装置，其中所述导电物质包括导电银浆。8.如权利要求1所述的核酸检测装置，其中所述绝缘物质包括硅橡胶。9.根据权利要求1所述的核酸检测装置，其中所述通信模块支持蓝牙通信。10.检测或鉴别具有一个或多个错配的核酸的方法，其包括：在石墨烯芯片上的溶液储槽中接触双链核酸探针，使得核酸探针连接至石墨烯芯片的表面；使与探针完全互补的对照核酸与连接至...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉涅什瓦·拉尔，迈克尔·泰英·黄，普雷斯顿市·布恩·兰登，根纳季·V·格林斯克，亚历山大·莫，斯里尼瓦桑·拉马钱德兰，李准，布瑞恩·梅克斯，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US