生物分子的测序装置、系统及方法制造方法及图纸

本公开内容提供了生物分子测序装置，所述生物分子测序装置包含：至少一组纳米间隙电极，其被布置为使得当样品中所含的生物分子穿过并接近所述至少一组纳米间隙电极时电流流动；电泳电极对，其用于形成电场以使得生物分子从所述至少一组纳米间隙电极的电极之间穿过；用于使样品在朝向纳米间隙电极对的方向上流动的流动路径；用于使样品在远离纳米间隙电极对的方向上流动的流动路径；测定单元，其被构造为测定当生物分子利用形成的电场从纳米间隙电极对的电极之间穿过时生成的隧道电流；和鉴定单元，其被构造为对生物分子进行测序。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于测序的装置、方法和系统。
技术介绍
常规来讲，测序已经被用于确定构成生物分子、特别是生物聚合物的单体的顺序，例如构成蛋白质的氨基酸序列、构成核酸的核苷酸序列、构成糖链的单糖序列等。例如，已经使用可基于酶分解的高效液相色谱(HPLC)、质谱、X射线晶体结构分析、Edman降解等确定蛋白序列。
技术实现思路
技术问题使用隧道电流鉴定单个分子的单分子电测法是能够通过直接测定样品分子的局域态密度而鉴定单个分子的方法。然而，在本文中认识到有多种与这种电测法相关的限制。对于基于样品分子的天然扩散的方法，如在常规单分子电测法中的样品分子导入法中，大多数样品分子可能在与样品分子相关的信号的测定中间扩散性地改变路线或方向而不穿过感测电极。这可能导致错误的结果和无效的测序。一个问题是，难以进行对于具有核酸碱基、糖链、肽链等的生物聚合物的测序可能必要的长的读取结果(read)，使得序列读取被限制为短的读取结果，而且问题在于，分子在感测电极之间穿过的频率是低的，因此分子检测的准确性低。对于导入溶于溶剂中的样品分子，存在使用泵送压力或电渗流动的导入法。然而，这些方法都不能诱导可在分子水平控制的稳定流。在电泳控制的系统中，分子可经通道体积均匀地移动。因此，仅增加分子在感测电极之间穿过的频率是不够的。因此，在利用一些使用隧道电流的常规单分子电测法时存在缺点，是因为这种方法只有在重新测序和可获得高浓度纯样品溶液时才可用。本公开内容提供了用于对生物分子进行测序的装置、方法和系统，其可以解决当前可获得的方法和系统的诸多问题。相比于当前可获得的其它方法和系统，本文中提供的方法和系统可使得以显著高的准确性和显著高的通量对生物分子进行测序。本公开内容的方法和系统能够使得对相对高的读取结果长度进行测序，这提供了其它方法和系统的测序的显著提高。技术方案在一个方面，生物分子测序装置包括：至少一个纳米间隙电极对，该电极对的电极被布置为使得当样品中含有的一种或多种生物分子在纳米间隙电极对的电极之间穿过时隧道电流流动，该生物分子由连接的至少一种单个单体形成；至少一个电泳电极对，其用于形成电场从而在纳米间隙电极对的电极之间移动生物分子；第一流动路径，其用于使至少一部分样品在朝向一个或多个纳米通道中的纳米间隙电极对和在一个或多个纳米通道中的纳米间隙电极对之间的方向上流动；以及第二流动路径，其用于使至少一部分样品在从一个或多个含有一个或多个纳米间隙电极对的纳米通道的入口路过的方向上流动。该生物分子测序装置可还包括：一个或多个测定单元，所述测定单元被构造为测定当生物分子利用通过跨过电泳电极对施加电压而形成以便在移动方向上移动所述生物分子的电场，通过第一流动路径在纳米间隙电极对的电极之间穿过时生成的隧道电流；和鉴定单元，其被构造为基于至少一种已知类型单体的参比物理量和由测定单元所测定的隧道电流获得的检测物理量来鉴定组成生物分子的至少一种单体。根据本专利技术，生物分子测序装置可包含：一个或多个电泳电极对；第一流动路径，其用于使至少一部分样品在朝向纳米通道中的一个或多个纳米间隙电极对和在纳米通道中的一个或多个纳米间隙电极对之间的方向上流动；以及第二流动路径，其用于使至少一部分样品在从含有一个或多个纳米间隙电极对的纳米通道的入口通过的方向上流动。相应地，可由于增加在样品分子上施加的电场而改进在纳米间隙电极对之间移动单个分子的效率。此外，这使得能够以高准确性和高通量鉴定单体。生物分子测序装置可包括构造为引导样品流动的流动引导器，所述样品可为流体样品使得可形成第一流动路径和第二流动路径，并且使得在第一路径与第二路径之间可以发生流体连通。流动引导器可以为朝着纳米通道的入口延伸的绝缘体，其中一个或多个纳米间隙电极对在所述纳米通道内并且与纳米通道中所含的任何流体和其它分子电连通。纳米间隙电极对和电泳电极对可平行布置从而在与生物分子移动方向交叉或垂直的方向上延伸。在一个实例中，在通道各个侧的纳米间隙电极和电泳电极彼此平行。纳米间隙电极对可以设置为在与生物分子在纳米通道中移动的方向交叉的方向上延伸，并且电泳电极对可设置在绝缘体上。长的生物分子可变的自身交缠，可能在纳米通道中或在纳米间隙电极处引起堵塞。可以在第一流动路径和第二流动路径中按生物分子可穿过的间隔设置许多柱，并且所述柱可用于使生物分子聚合物线性化。在一些实施方式中，可在一个或多个纳米通道内设置柱，从而在纳米通道中使生物分子聚合物线性化或维持生物分子聚合物的线性化。例如，单链DNA片段在25毫摩尔/L(mM)的NaCl中可具有3纳米(nm)的持久长度，使得大结构以宽度、高度或直径中的一种或多种的100nm的最小尺寸在纳米通道内重组，并且这种二级结构可以甚至以20nm或更小的最小特征大小在纳米通道中重组，由此重新产生在纳米通道内维持线性化的需要。可有大量的电极间距离不同的纳米间隙电极对。本专利技术还提供可通过生物分子测序装置进行的生物分子测序方法，所述生物分子测序装置包含：一个或多个纳米间隙电极对，所述电极对的电极被布置为使得当样品中所含的生物分子在电极之间穿过时隧道电流增加，所述生物分子由连接的至少一种单体形成；一个或多个电泳电极对，其用于在生物分子在纳米间隙电极对的电极之间移动的移动方向上形成电场；第一流动路径，其用于使至少一部分样品在朝向纳米通道中的纳米间隙电极对和在纳米通道中的纳米间隙电极对之间的方向上流动；以及第二流动路径，其用于使至少一部分样品在从含有至少一个纳米间隙电极对的纳米通道的入口通过的方向上流动，所述方法包括：测定当生物分子利用通过跨过电泳电极对施加电压而形成以便移动生物分子的电场，通过第一流动路径在纳米间隙电极对的电极之间穿过时生成的隧道电流；和基于至少一种已知类型单体的参比物理量以及由测定单元所测定的隧道电流获得的检测物理量两者来鉴定组成生物分子的至少一种单体的种类。本专利技术还提供如下的生物分子测序程序，其使得计算机起到本专利技术生物分子测序装置的测定单元和鉴定单元的作用。根据本专利技术的用于对生物分子进行测序的装置、方法和程序，可以高准确性鉴定构成生物分子的单体。在另一方面，本公开内容提供了生物分子测序装置，该生物分子测序装置包含：纳米通道，其允许含生物分子的样品穿过纳米通道；在该纳米通道中的多组纳米间隙电极，其中所述多组纳米间隙电极中的各组被构造为允许在样品中所含的生物分子穿过纳米通道并接近所述多组纳米间隙电极时检测电流，其中所述多组纳米间隙电极中的至少两组沿着纳米通道的宽度具有不同的电极间距离；和电泳电极组，其提供电场使得生物分子移动穿过纳米通道并接近纳米通道中的所述多组纳米间隙电极。在本文中所提供方面的一些实施方式中，该生物分子测序装置还包含：与所述多组纳米间隙电极中的每个通讯的测定单元，其中所述测定单元被构造为测定当生物分子穿过并接近所述多组纳米间隙电极时生成的电流；和与所述测定单元通讯的鉴定单元，其中所述鉴定单元被构造为鉴定生物分子或其部分。在本文中所提供方面的一些实施方式中，生物分子包括多种单体，并且鉴定单元被构造为基于至少一种已知类型单体的参比物理量和由测定单元所测定的电流获得的物理量来鉴定所述多种单体。在本文中所提供方面的一些实施方式中，生物分子测序装置还包含被构造为产生与纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物分子测序装置，其包含：纳米通道，其允许含生物分子的样品穿过所述纳米通道；在所述纳米通道中的多组纳米间隙电极，其中所述多组纳米间隙电极中的每组被构造为允许在所述样品中所含的所述生物分子穿过所述纳米通道并接近所述多组纳米间隙电极时检测电流，并且其中所述多组纳米间隙电极中的至少两组沿着所述纳米通道的宽度具有不同的电极间距离；和电泳电极组，其提供电场使得所述生物分子移动穿过所述纳米通道并接近所述纳米通道中的所述多组纳米间隙电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.24 JP 2014-0114301.一种生物分子测序装置，其包含：纳米通道，其允许含生物分子的样品穿过所述纳米通道；在所述纳米通道中的多组纳米间隙电极，其中所述多组纳米间隙电极中的每组被构造为允许在所述样品中所含的所述生物分子穿过所述纳米通道并接近所述多组纳米间隙电极时检测电流，并且其中所述多组纳米间隙电极中的至少两组沿着所述纳米通道的宽度具有不同的电极间距离；和电泳电极组，其提供电场使得所述生物分子移动穿过所述纳米通道并接近所述纳米通道中的所述多组纳米间隙电极。2.根据权利要求1所述的生物分子测序装置，其还包含：与所述多组纳米间隙电极中的每组通讯的测定单元，其中所述测定单元被构造为测定当所述生物分子穿过并接近所述多组纳米间隙电极时生成的电流；和与所述测定单元通讯的鉴定单元，其中所述鉴定单元被构造为鉴定所述生物分子或其部分。3.根据权利要求2所述的生物分子测序装置，其中所述生物分子包括多种单体，并且其中所述鉴定单元被构造为基于至少一种已知类型单体的参比物理量和由所述测定单元所测定的电流获得的物理量来鉴定所述多种单体。4.根据权利要求1所述的生物分子测序装置，其还包含被构造为产生与所述纳米通道流体连通的第一流动路径和第二流动路径的流动引导器，其中所述流动引导器将一部分样品从所述第一流动路径引导至所述纳米通道且将剩余样品从所述第一流动路径引导至所述第二流动路径。5.根据权利要求4所述的生物分子测序装置，其中所述流动引导器是沿着样品经所述纳米通道移动的方向朝着所述多组纳米间隙电极延伸的绝缘体。6.根据权利要求4所述的生物分子测序装置，其还包含在所述第一路径和/或所述第二流动路径中的允许生物分子线性化的一个或多个柱。7.根据权利要求6所述的生物分子测序装置，其中所述一个或多个柱包含众多个柱。8.根据权利要求4所述的生物分子测序装置，其中所述第一流动路径、所述第二流动路径和所述纳米通道基本上在同一平面中。9.根据权利要求1所述的生物分子测序装置，其中所述电流包括隧道电流。10.根据权利要求1所述的生物分子测序装置，其中所述多组纳米间隙电极中的给定的一组具有至少两个电极。11.根据权利要求1所述的生物分子测序装置，其中所述电泳电极组具有至少两个电极。12.根据权利要求1所述的生物分子测序装置，其中所述多组纳米间隙电极和所述电泳电极组被集成为单片单元。13.根据权利要求12所述的生物分子测序装置，其中所述多组纳米间隙电极中的给定一组的电极与所述电泳电极通过至少一个固态绝缘体隔开。14.根据权利要求1所述的生物分子测序装置，其还包含在所述纳米通道中的允许所述生物分子线性化的一个或多个柱。15.根据权利要求14所述的生物分子测序装置，其中所述一个或多个柱包含众多个柱。16.根据权利要求1～15中任一项所述的生物分子测序装置，其中所述纳米通道朝着所述多组纳米间隙电极锥形化。17.根据权利要求1所述的生物分子测序装置，其中所述多组纳米间隙电极中的给定的一组具有小于或等于所述生物分子的分子直径的电极间距离。18.一种生物分子测序装置，其包含：纳米通道，其允许含生物分子的样品穿过所述纳米通道；在所述纳米通道中的至少一组纳米间隙电极，其中所述至少一组纳米间隙电极被构造为允许在所述样品中所含的所述生物分子穿过所述纳米通道并接近所述至少一组纳米间隙电极时检测电流，其中所述纳米通道朝着所述至少一组纳米间隙电极锥形化，并且其中所述至少一组纳米间隙电极具有小于或等于所述生物分子的分子直径的电极间距离；和电泳电极组，其提供电场使得所述生物分子移动穿过所述纳米通道并接近所述纳米通道中的所述至少一组纳米间隙电极。19.一种生物分子测序装置，其包含：纳米通道，其允许含生物分子的样品穿过所述纳米通道；在所述纳米通道中的至少一组纳米间隙电极，其中所述至少一组纳米间隙电极被构造为允许在所述样品中所含的所述生物分子穿过所述纳米通道并接近所述至少一组纳米间隙电极时检测电流；电泳电极组，其提供电场使得所述生物分子移动穿过所述纳米通道并接近所述纳米通道中的所述至少一组纳米间隙电极；和在所述纳米通道中或接近所述纳米通道的一个或多个柱，其中所述一个或多个柱使所述生物分子线性化，从而允许通过所述至少一组纳米间隙电极利用电流检测来鉴定所述生物分子的单个亚单元。20.一种生物分子的测序方法，其包括：(a)引导所述生物分子流向或流经生物分子测序装置的纳米通道，其中所述生物分子测序装置包含(i)在所述纳米通道中的多组纳米间隙电极，其中所述多组纳米间隙电极中的每组被构造为允许在样品中所含的所述生物分子穿过所述纳米通道并接近所述多组纳米间隙电极时检测电流，并且其中所述多组纳米间隙电极中的至少两组沿着所述纳米通道的宽度具有不同的电极间距离，和(ii)电泳电极组，其提供电场使得所述生物分子移动至所述纳米通道或穿过所述纳米通道，并接近所述纳米通道中的所述多组纳米间隙电极；(b)利用所述多组纳米间隙电极，检测当所述生物分子流经所述纳米通道并接近所述多组纳米间隙电极时生成的电流；和(c)利用在(b)中检测的电流对所述生物分子或其部分进行测序。21.根据权利要求20所述的方法，其中所述生物分子包括多种单体，并且其中所述测序包括基于至少一种已知类型单体的参比物理量和由(b)中检测的电流获得的物理量来鉴定所述多种单体。22.根据权利要求20所述的方法，其中所述生物分子测序装置还包含被构造为产生与所述纳米通道流体连...

【专利技术属性】
技术研发人员：川合知二，谷口正辉，大城敬人，马克·弗洛伊德·欧德涵姆，埃里克·斯科特·诺德曼，
申请(专利权)人：量子生物有限公司，
类型：发明
国别省市：日本;JP