CN104328037A - 一种纳米孔中瞬态电流的补偿方法和补偿电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米孔中瞬态电流的补偿方法,其能够完全补偿纳米孔中瞬态电流、实现生物单分子的运动的精确控制，有助于DNA测序中单个碱基的重复测量。这种纳米孔中瞬态电流的补偿方法，在纳米孔的两端设置驱动电压接口和接地点来产生驱动电压，驱动电压用于驱动经过纳米孔的生物单分子运动而产生离子电流变化，纳米孔自身存在电容而产生瞬态电流，该补偿方法通过逐次地改变驱动电压变化时的波形来补偿部分的瞬态电流，直到全部的瞬态电流被补偿。还提供了补偿电路。

Description

一种纳米孔中瞬态电流的补偿方法和补偿电路
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体地涉及一种纳米孔中瞬态电流的补偿方法，以及实现该方法的补偿电路。
背景技术
固态纳米孔的概念自从提出就吸引了大家广泛的兴趣。因为它易于加工，结构简单，尺度与多种生物分子匹配，并且能够在复杂的溶液环境中长时间稳定等特性而被大家广泛用于生物检测。
一般的纳米孔是在约500μm厚的Si片上用化学气相沉积法(LPCVD)制备出坚韧的约40nm厚的氮化硅(SiN)薄膜。在一侧使用化学各向异性刻蚀出一个金字塔窗口，SiN的悬空膜留在窗口底部。或是在有金字塔窗口的硅衬底上，转移少量原子层的薄膜材料，如石墨烯、氮化硼、硫化钼等做悬空膜。随后，使用聚焦的电子束，在悬空膜上打出一个几纳米的孔。这样具有纳米孔的芯片一般会被切割成约3mm见方的小芯片，加在有储液池的微流腔里。储液池中一般为导电的离子溶液，如氯化钾(KCl)溶液等，它通过银/氯化银(Ag/AgCl)电极给到外部的数据采集系统，从而记录纳米孔的离子电流。在外部控制系统给出正电压的情况下，纳米孔会记录到一个基线电流，同时带有负电荷的DNA分子被正电压驱动，进入纳米孔，由于分子对孔道的阻塞效应，会看到离子电流有一个尖峰信号。如果展开这些信号，可以看到信号有多种不同的形态，分别代表着分子在孔中的折叠状态。目前可以通过统计这些大量的穿孔事件得到分子的扩散系数、迁移率、构象等特点，但是目前这样的信号对于DNA碱基测序来说还是过于粗糙。
这里主要的原因，一是由于单个碱基穿过纳米孔的平均时间太短，数据采集的电路系统带宽难以达到精细测量；二是由于不同碱基引起的离子电流的差异很小，淹没在记录到的离子电流噪声信号中。
为了达到测序的目的，同时解决固态孔分辨率不够的问题，有人就提出了这样的一种想法，那就是在DNA分子穿过孔后，迅速将驱动电压反向，这样分子就被反向驱动回纳米孔，进而再次穿孔，从而达到对同一分子多次测量的目的。如果把这段延迟时间逐渐变小以至于分子还没有完全穿过孔的时候就停止驱动，则有望将分子定位在纳米孔中。这种运动控制方法的优点在于，一是能有效地将分子限制在纳米孔附近，二是可以通过多次测量提高信噪比。
然而，这个想法在实验实现中遇到了一个严重的问题：由于纳米孔自身存在电容，在驱动电压变化的瞬间，不可避免的会有一个瞬态的电容充放电过程。对应的瞬态电流一般会持续几百微秒甚至于几十毫秒。在瞬态电流还没有消失的时间段内，DNA分子在溶液中受到的电场力与预期值截然不同，它会瞬间增大，使分子过早返回。同时，这个瞬态电流幅度很大，一般会使数据采集设备饱和。如果DNA分子返回的信号落入这个饱和区域的话，将无法被设备记录到，从而不能触发下一次驱动电压的改变。因而，尽管目前已有连续上千次的DNA乒乓运动实验结果的报道，但是还没有人可以将延迟时间缩短到毫秒以下并实现连续乒乓运动控制。由此可见，要想实现对同一个DNA分子快速精确地运动控制进而达到测序目的的话，必须要先解决纳米孔中瞬态电流的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种纳米孔中瞬态电流的补偿方法,其能够完全补偿纳米孔中瞬态电流、实现生物单分子的运动的精确控制，有助于DNA测序中单个碱基的重复测量。
本发明的技术解决方案是：这种纳米孔中瞬态电流的补偿方法，在纳米孔的两端设置驱动电压接口和接地点来产生驱动电压，驱动电压用于驱动经过纳米孔的生物单分子运动而产生离子电流变化，纳米孔自身存在电容而产生瞬态电流，该补偿方法通过逐次地改变驱动电压变化时的波形来补偿部分的瞬态电流，直到全部的瞬态电流被补偿。
由于该补偿方法通过逐次地改变驱动电压变化时的波形来补偿部分的瞬态电流，直到全部的瞬态电流被补偿，使溶液中的电流恒定，使得驱动电场的变化与预期过程一致，所以实现生物单分子的运动的精确控制；由于补偿后从分子出现到改变驱动电压的时间间隔可以做到毫秒至微秒的量级，有望在分子没有完全穿过纳米孔的情况下控制分子停留在纳米孔中，所以有助于DNA测序中单个碱基的重复测量。
还提供了实现这种纳米孔中瞬态电流的补偿方法的补偿电路，纳米孔中等效电路为：溶液电阻R溶、纳米孔膜电阻R膜、溶液电阻R溶依次串联在纳米孔的两端设置的驱动电压接口和接地点之间，纳米孔膜电容C膜和纳米孔膜电阻R膜并联，介电损耗的电容C介、介电损耗的电阻R介串联后与纳米孔膜电阻R膜并联，其特征在于：补偿电路包括n个彼此串联的补偿单元，n≥1，每个补偿单元包括可变电阻Ri、电容Ci和运算放大器Ai，i＝1,2,…,n，可变电阻Ri与电容Ci的一端连接在运算放大器Ai的同相输入端，电容Ci的另一端接地，运算放大器Ai的反相输入端与其输出端连接形成跟随器，第一个补偿单元R1的输入端连接到所述驱动电压接口上，经过n个补偿单元后，从最后一个运算放大器An的输出端给出补偿后的驱动电压至纳米孔电极。
附图说明
图1示出了常用的固态纳米孔的结构示意图；
图2是含有储液池的纳米孔加上驱动电压后的等效电路；
图3分别示出了未使用本发明的补偿方法和使用本发明的补偿方法的纳米孔电流随驱动电压变化的信号示意图；
图4是根据本发明的补偿电路的一个优选实施例的电路图，其中n＝2；
图5示出根据本发明补偿前和得到补偿后的电流对比图；
图6示出根据本发明得到的同一延迟时间下，返回纳米孔的DNA事件的分布对比图。
具体实施方式
总地来说，本发明提供一种纳米孔中补偿瞬态电流的方法和电路设计，以满足精确操纵单个生物分子的运动。本发明特别适合单个链状分子如DNA、蛋白质分子的运动控制及其测定。
图1示出了常用的固态纳米孔的结构示意图。从图1中可以看出，一般的纳米孔结构是在Si片有悬空的SiN或少量原子层的薄膜材料上有一个几纳米的孔。为了减小纳米孔电容耦合的噪声，还会在孔附近涂抹聚二甲基硅氧烷(PDMS)等大分子绝缘层来降低芯片整体的电容。这样具有纳米孔的芯片加在有储液池的微流腔里。由于纳米孔两侧的储液池中会放入KCl等离子溶液，所以纳米孔的结构相当于连接在电路中的电介质，即有着电容的特性。如图2是含有储液池的纳米孔的电子学简化模型。纳米孔电容(C膜)的大小一般和裸露在溶液中的SiN膜面积成正比，与厚度成反比。当外部的驱动电压变化时，由于这个电容的存在，它会和自身的电阻(R膜)、溶液的电阻(R溶)，或其他介电损耗的电阻(R介)，电容(C介)形成多组RC电路，因而存在明显的瞬态电流现象。瞬态电流一般会持续几百微秒甚至于几十毫秒。在出现瞬态电流的时间段内，DNA分子在溶液中受到的电场远大于预期值。溶液中用于驱动DNA分子的电场可以表示为E(t)＝I(t)R溶/l溶。当储液池体积不变时，溶液电阻(R溶)和溶液长度(l溶)不变，电场仅和离子电流成正比。当有瞬态电流时，电场会随着瞬态电流瞬间增大，使分子过早地被捕捉返回纳米孔。同时，由于这个瞬态电流幅度很大，往往会使外部的数据采集设备饱和。如果快速返回的信号落入饱和区域的话，将无法被设备记录到，不能触发下一次驱动电压的改变。为此，需要一种方法，能够消除离子电流中的瞬态电流，在溶液中提供一个与预期相符的稳定电场，使生物分子在恒定驱动力的作用下重新返回纳米孔。
本发明给出了这样一种方法：这种纳米孔中瞬态电流的补偿方法，在纳米孔的两端设置驱动电压接口和接地点来产生驱动电压，驱动电压用于驱动经过纳米孔的生物单分子运动而产生离子电流变化，纳米孔自身存在电容而产生瞬态电流，该补偿方法通过逐次地改变驱动电压变化时的波形来补偿部分的瞬态电流，直到全部的瞬态电流被补偿。图3更详细示出了未使用补偿和使用补偿的纳米孔离子电流随驱动电压变化的信号示意图。
由于该补偿方法通过逐次地改变驱动电压变化时的波形来补偿部分的瞬态电流，直到全部的瞬态电流被补偿，使溶液中的电流恒定，使得驱动电场的变化与预期过程一致，所以实现生物单分子的运动的精确控制；由于补偿后从分子出现到改变驱动电压的时间间隔可以做到毫秒至微秒的量级，有望在分子没有完全穿过纳米孔的情况下控制分子停留在纳米孔中，所以有助于DNA测序中单个碱基的重复测量。
具体地，该补偿方法包括以下步骤：
(1)实时监测/记录纳米孔的离子电流，改变驱动电压的大小/极性，观察产生的瞬态电流；
(2)用指数衰减公式拟合瞬态电流的衰减时间，得到时间常数τi，指数衰减公式为：i＝1,2,…,n，其中I(t)为观察到的衰减电流，Io为衰减到平衡时的电流值，A为幅度系数，t为时间，τi为衰减的时间常数；
(3)根据步骤(2)得到的时间常数，调节驱动电压变化时的波形，并观测瞬态电流的变化；
(4)判断步骤(3)的瞬态电流是否被全部补偿，是则执行步骤(5)，否则执行步骤(2)；
(5)结束。
另外，所述步骤(3)中调节驱动电压变化时的波形是通过在驱动电压接口处接入RC电路来实现，电容C接地，电阻R为可变电阻，形成补偿电路后输出给纳米孔的电极。
还提供了实现这种纳米孔中瞬态电流的补偿方法的补偿电路，纳米孔中等效电路为：溶液电阻R溶、纳米孔膜电阻R膜、溶液电阻R溶依次串联在纳米孔的两端设置的驱动电压接口和接地点之间，纳米孔膜电容C膜和纳米孔膜电阻R膜并联，介电损耗的电容C介、介电损耗的电阻R介串联后与纳米孔膜电阻R膜并联，补偿电路包括n个彼此串联的补偿单元，n≥1，每个补偿单元包括可变电阻Ri、电容Ci和运算放大器Ai，i＝1,2,…,n，可变电阻Ri与电容Ci的一端连接在运算放大器Ai的同相输入端，电容Ci的另一端接地，运算放大器Ai的反相输入端与其输出端连接形成跟随器，第一个补偿单元R1的输入端连接到所述驱动电压接口上，经过n个补偿单元后，从最后一个运算放大器An的输出端给出补偿后的驱动电压至纳米孔电极(纳米孔电极为图2中上面的溶液电阻R溶的上端)。
作为举例，根据本发明得到补偿前后的电流对比图可如图5所示。可以明显的看出，对于一般的纳米孔，根据本发明的方法基本上可以消除掉瞬态电流。同时，补偿后的返回的DNA信号往往会出现的比未补偿的晚，如图5中相同t延迟的情况下，补偿后t等待的时间较长。
作为举例，根据本发明得到的同一延迟时间下，返回纳米孔的DNA事件的分布对比图可如图6所示。对于用漂移扩散传输方程，可以数值解出分子在有电场变化的情况下，其出现概率随时间分布情况，如图6中实线所示。在没有驱动电压补偿的时候，由于电场力的不均衡，分子比理论预测要明显更快地返回纳米孔(如图6左侧斜纹柱状图情况)。而做了补偿之后，返回的事件和理论预测的结果符合很好(如图6右侧柱状图情况)。该实验说明本发明提出的控制方法能够更精确地控制DNA等生物分子在纳米孔中的运动行为。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种纳米孔中瞬态电流的补偿方法，在纳米孔的两端设置驱动电压接口和接地点来产生驱动电压，驱动电压用于驱动经过纳米孔的生物单分子运动而产生离子电流变化，纳米孔自身存在电容而产生瞬态电流，其特征在于：该补偿方法通过逐次地改变驱动电压变化时的波形来补偿部分的瞬态电流，直到全部的瞬态电流被补偿。
2.根据权利要求1所述的纳米孔中瞬态电流的补偿方法，其特征在于：该补偿方法包括以下步骤：
(1)实时监测/记录纳米孔的离子电流，改变驱动电压的大小/极性，观察产生的瞬态电流；
(2)用指数衰减公式拟合瞬态电流的衰减时间，得到时间常数τi，指数衰减公式为：，i＝1,2,…,n，其中I(t)为观察到的衰减电流，Io为衰减到平衡时的电流值，A为幅度系数，t为时间，τi为衰减的时间常数；
(3)根据步骤(2)得到的时间常数，调节驱动电压变化时的波形，并观测瞬态电流的变化；
(4)判断步骤(3)的瞬态电流是否被全部补偿，是则执行步骤(5)，否则执行步骤(2)；
(5)结束。
3.根据权利要求2所述的纳米孔中瞬态电流的补偿方法，其特征在于：所述步骤(3)中调节驱动电压变化时的波形是通过在驱动电压接口处接入RC电路来实现，电容C接地，电阻R为可变电阻，形成补偿电路后输出给纳米孔的电极。
4.一种实现根据权利要求1所述的纳米孔中瞬态电流的补偿方法的补偿电路，纳米孔中等效电路为：溶液电阻R溶、纳米孔膜电阻R膜、溶液电阻R溶依次串联在纳米孔的两端设置的驱动电压接口和接地点之间，纳米孔膜电容C膜和纳米孔膜电阻R膜并联，介电损耗的电容C介、介电损耗的电阻R介串联后与纳米孔膜电阻R膜并联，其特征在于：补偿电路包括n个彼此串联的补偿单元，n≥1，每个补偿单元包括可变电阻Ri、电容Ci和运算放大器Ai，i＝1,2,…,n，可变电阻Ri与电容Ci的一端连接在运算放大器Ai的同相输入端，电容Ci的另一端接地，运算放大器Ai的反相输入端与其输出端连接形成跟随器，第一个补偿单元R1的输入端连接到所述驱动电压接口上，经过n个补偿单元后，从最后一个运算放大器An的输出端给出补偿后的驱动电压至纳米孔电极。
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