用于分析和识别分子的方法与装置制造方法及图纸

呈现了用于执行分子的分析和识别的装置和方法。在一个实施方式中，便携式分子分析器包括用于接收样本的样本输入/输出连接、用于实质上实时地对样本执行分析的基于纳米孔的测序芯片以及用于输出分析结果的输出接口。测序芯片以及用于输出分析结果的输出接口。测序芯片以及用于输出分析结果的输出接口。

【技术实现步骤摘要】
用于分析和识别分子的方法与装置


[0001]本专利技术总体上涉及分析和识别分子，尤其涉及提供实时的、便携式的、基于纳米孔(nanopore)的分子分析装置。

技术介绍

[0002]核酸、脱氧核糖核酸(DNA)和/或核糖核酸(RNA)是存在的，并且在每个活体有机体中都具有其唯一的序列。其自然地将其自己作为各种生物主体(bio
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agent)的决定性标识。因此，对核酸、DNA和/或RNA 的分析(这里其被概括地称为基因分析)在研究一切生物个体方面是非常有用的。然而，当前商业可用的核酸测序技术(诸如微阵列、焦磷酸基因测序(pyrosequencing)、通过合成的测序和通过结扎的测序)在各种方面都是非常受限制的。例如，这些技术中的一些或全部不能执行实时分析，需要长的样本核酸扩增过程和实验方案(诸如聚合酶链式反应)，具有长的周转时间(通常要花费几天到几周的时间来分析小片段的样本核酸)，具有高的运营成本(其中一些使用昂贵的化学试剂)，具有高的假阳性(false
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positive)误差率并且是非便携性的。
[0003]由于当前核酸测序技术的上述局限性，工作在该领域中的人们(诸如医工、安全人员、科学家等)不能在本地执行现场基因分析。相反地，现场工作人员不得不收集并输送样本到专门实验室来进行几天甚至几周的分析，以识别存在于样本中的核酸。这种长而繁琐的过程很难满足当今基因分析的需求，尤其是在流行病爆发期间(诸如英国的口蹄疫流行病、亚洲的非典型严重急性呼吸道综合征(SARS)和最近在墨西哥和美国的H1N1流感(也通常被称为猪流感)。只通过使用当前的核酸测序技术，官方很难达成迅速且有根据的决定(即使不是全然不可能)，而这将对社会产生巨大的安全和经济影响。
[0004]为了应对当前核酸测序技术的缺点，科学家已经开发了各种基于纳米孔的测序技术。近来，牛津大学的Hagan Bayley教授和他的同事在生物纳米孔试验中证明通过使用α
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溶血素能够实现精度为99.8％的长读取(long read)。基于已建立的检测速度，256X256个纳米孔的阵列通常足够用于在大约30分钟内分析整个的人类基因组。如果人们能够成功实现生物纳米孔阵列，则这将是具有转折意义的成功。然而，生物纳米孔的一个缺点是在形成生物纳米孔中使用的蛋白质和酶的寿命相对短，其一般为几小时到几天。
[0005]固态纳米孔是对生物纳米孔的更稳健的替代，因为在构建固态纳米孔时不涉及生物试剂。然而，在半导体工业中采用的传统光刻技术不能限定基于固态纳米孔的测序技术所需的2nm的特征尺寸。迄今为止，使用当今不同的制造技术(例如，电子/离子铣削)只可以顺序地一一切割纳米孔。但是这些技术不能调整 (scale to)来以不太昂贵的成本和合理的生产时间产生256X 256的阵列。
附图说明
[0006]在附图中通过示例而非限制的方式示出了本专利技术，其中:
[0007]图1示出了基于纳米孔的测序器(sequencer)和相关的基于纳米孔的测序生物芯
片的一个实施方式；
[0008]图2A示出了在基于纳米孔的核酸测序的检测和分析期间分子的易位过程的一个实施方式；
[0009]图2B示出了与空孔的背景信号相比核酸序列的示例性电读出；
[0010]图3示出了在用于刻蚀和淀积两者的纳米缩放仪中使用中的单透镜的一个实施方式的侧视图和俯视图；
[0011]图4A
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4E示出了用于制造纳米孔和/或纳米孔阵列的减去法(subtractive method)的一个实施方式；
[0012]图5A
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5I示出了用于制造纳米孔和/或纳米孔阵列的添加法(additive method)的一个实施方式；
[0013]图6A示出了纳米环的一个实施方式和纳米隙缝的一个实施方式；
[0014]图6B示出了位于晶圆上的薄膜上的漏斗状纳米孔的一个实施方式。
[0015]图7示出了用于形成测量腔室的底部空腔的键合的纳米孔阵列晶圆和集成电路晶圆的一个实施方式；
[0016]图8示出了用于形成测量腔室的顶部空腔的键合的顶部晶圆和复合晶圆的一个实施方式；
[0017]图9示出了能够用基于纳米孔的测序器操作的电压偏置方案和电流感测电路的一个实施方式；
[0018]图10A示出了基于纳米孔的测序器的一个实施方式；
[0019]图10B示出了多测量腔室的一个实施方式；
[0020]图11示出了基于纳米孔的测序器的一个实施方式的沿着从样本入口、沿着微流体通道和纳米流体通道、通过测量腔室之后到达样本出口的选定路径的截面图；
[0021]图12示出了具有嵌入电极的三层生物芯片结构的一个实施方式；
[0022]图13A示出了用于纳米孔检测的偏置和感测方案的一个实施方式；
[0023]图13B示出了平面电极实现方式的一个实施方式；
[0024]图13C示出了平面电极实现方式中的感测电极和纳米隙缝的一个实施方式的俯视图；
[0025]图14A示出了用于拉直带有链裂的dsDNA的一个实施方式。DNA泵1403是可以锚定在固定位置并在定向方式下作为DNA马达机的DNA易位蛋白，例如，FtsK蛋白家族可主动运输链裂dsDNA1402的其中一端到带有引导电极的通道内，随后运输至解离区1405，dsDNA在加热后分离成短链的ssDNA 1406，其通过引导电极向下游传输。
[0026]图14B示出了以一阵列微/纳米柱取替了图14A中的DNA泵的一个实施方式。
[0027]图14C示出了和图14A相同的实施方式，除了在解离区使用了解旋酶1408代替了加热。
[0028]图14D示出了和图14B相同的实施方式，除了在解离区使用了解旋酶1408代替了加热。
[0029]图14E示出了链裂dsDNA在没有被拉直下直接被带到解离区的一个实施方式。
[0030]图15示出了具有H树状结构的一组通道，其中包括单个入口1501和多个出口1502。H树状结构确保了从入口1501到任何出口1502的路径长度是相同的。
[0031]图16示出了连接算法的流程图。由于寡核苷酸测序结果与寡核苷酸从链裂dsDNA解离的次序密切相关，因此临时存储TS
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1和TS
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2可以用相对简单的数据结构实行，例如队列、堆栈、链表或哈希表。
[0032]图17示出了在实时数字PCR生物芯片中的井阵列和H树状结构。
[0033]图18示出了一个完整实时数字PCR模块的示例。
[0034]图19示出了基于纳米孔的测序器的一个实施方式的硬件高级结构；以及
[0035]图20示出了用于基于纳米孔的测序器的一个实施方式中的操作系统和基因分析软件的软件和相关硬件部件的高级结构。
具体实施方式
[0036]在下面的描述中，阐述了诸如特定部件、设备、方法等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一个基于漏斗状纳米孔的测序方法，包括：a.在便携式分子分析仪中获得漏斗状纳米孔测序芯片的测量数据，所述测量数据与输入到所述便携式分析仪的分子样品相关；以及b.分析测量数据以识别样品中的分子，基于漏斗状纳米孔的测序芯片被配置为测量所述分子样品的一个或多个电特性，并且包括具有多个漏斗状纳米孔的漏斗状纳米孔阵列晶片，每个漏斗状纳米孔包括至少一对嵌入式感应电极，每对所述嵌入式感应电极位于所述漏斗状纳米孔的相对侧。2.根据权利要求1所述的测序方法，所述漏斗状纳米孔测序芯片通过使用所述多个漏斗状纳米孔中的至少一对嵌入式感应电极检测电阻变化、电容变化、相变或电流变化来获得测量数据。3.根据权利要求2所述的测序方法，所述电流包括隧道电流。4.根据权利要求1所述的测序方法，所述多个漏斗状纳米孔中的每一个漏斗状纳米孔与一个或多个纳米流体通道和一个或多个微流体通道流体连通。5.根据权利要求1所述的测序方法，所述漏斗状纳米孔测序芯片通过使用所述多个漏斗状纳米孔中的至少一对嵌入式感应电极执行电压捕获以控制分子通过漏斗状纳米孔的易位速度来获得测量数据。6.根据权利要求1所述的测序方法，所述漏斗状纳米孔测序芯片通过使用所述多个漏斗状纳米孔中的至少一对嵌入式感应电极施加交流电以在分子通过漏斗状纳米孔期间检测电信号。7.根据权利要求1所述的测序方法，所述漏斗状纳米孔测序芯片通过使用漏斗状纳米孔以外的电极施加电压来获得测量数据。8.根据权利要求1所述的测序方法，所述电特性包括样品内分子的开启电压、电导或电流中的一种或多种。9.一种用于执行权利要求1的测序方法的便携式分子分析仪，包括：a.一个用于接收样品的样品入口；b.一个基于漏斗状纳米孔的测序芯片，用于测量样品的一个或多个电特性；其中所述基于漏斗状纳米孔的测序芯片与所述样品入口流体连通，所述基于漏斗状纳米孔的测序芯片包括具有多个漏斗状纳米孔的漏斗状纳米孔阵列晶片，每个漏斗状纳米孔包括至少一对嵌入式感应电极，其中每对所述嵌入式感应电极位于所述漏斗状纳米孔的相对侧。10.根据权利要求9所述的便携式分子分析仪，所述多个漏斗状纳米孔中的每一个漏斗状纳米孔包括由不同材料制成的多个层。11.根据权利要求9所述的便携式分子分析仪，每对所述嵌入式感应电极包括第一电极和第二电极，所述第一和第二电极处于所述漏斗状纳米孔内相同深度。12.根据权利要求9所述的便携式分子分析仪，所述多个嵌入式感应电极由所述至少一个漏斗状纳米孔内至少两个层组成。13.根据权利要求9所述的便携式分子分析仪，所述多个嵌入式感应电极是用于检测至少一个漏斗状纳米孔中的电阻变化、电容变化、相位变化或电流变化。14.根据权利要求13所述的便携式...

【专利技术属性】
技术研发人员：D伟昌苏，何志业，
申请(专利权)人：纳生科技有限公司，
类型：发明
国别省市：