CN106978334B - 一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的dna测序装置和测序方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置和测序方法，该装置包括介电泳装置、纳米孔单分子传感器、隧穿电流信号检测系统、离子电流信号检测系统以及激光系统；传感器位于介电泳装置的内部，将介电泳装置分为左右两个空腔，且该传感器设有将左右两个反应腔连通的通孔；隧穿电流信号检测系统与纳米孔单分子传感器电连接；离子电流信号检测系统的两端分别置于通孔左右两侧的反应腔内；激光系统位于介电泳装置的外部，其发射的激光束照射于介电泳装置上。本发明减慢了DNA过孔速度，提高了测序精度，这些为实现单碱基分辨率、直接纳米孔测序奠定了基础，为实现新一代DNA测序技术低成本、高通量和直接测序提供技术支撑。

Description

一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置和测序 方法

技术领域

本发明涉及生物分子检测装置和测序方法，特别是涉及一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置和测序方法。

背景技术

DNA测序技术是现代生命科学研究的研究热点技术之一。在所有以低成本、高通量、直接测序为目标的第三代测序技术中，基于纳米孔的单分子测序技术被认为是最有发展潜力和希望实现上述目标的。然而基于纳米孔的DNA基因序列检测发展到现在一直受到膜片钳放大器扫描频率的限制，现有的采样频率还远远不能达到精确测序的要求。因此研究者们采用了一系列方法来降低DNA过孔的速度，有降低体系温度和外加电压，增加溶液粘度来降低DNA的过孔速度，但这些方法只能很有限的降低DNA的过孔速度，距离实现DNA基因测序的目标甚远；有提出采用聚合酶对DNA的聚合作用来控制DNA的迁移速度，虽然这样可以降低DNA的过孔速度，但聚合酶要求的测量条件非常苛刻，不利于高效低成本的DNA测序检测；所有基于纳米孔的测序方法目前还没有有效的控制DNA通过纳米孔速度的方法，由于DNA过孔速度太快，造成了单个碱基检测识别率不高的问题。

因此研究开发一种可有效降低DNA过孔速度的DNA测序装置极具意义，可大大推动高通量低成本基因测序技术在生物医疗检测中的发展。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种能够控制DNA过孔速度的基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置和测序方法。

技术方案：一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置，包括：

介电泳装置；

纳米孔单分子传感器，该传感器位于所述介电泳装置的内部，将介电泳装置分为左右两个空腔，且该传感器设有将所述左右两个空腔连通的通孔；

隧穿电流信号检测系统，该系统与所述纳米孔单分子传感器电连接；

离子电流信号检测系统，该系统的两端分别置于所述通孔左右两侧的空腔内；

激光系统，该系统位于介电泳装置的外部，其发射的激光束照射于所述介电泳装置上。

其中，所述介电泳装置包括两片导电玻璃，阿尔法氢化硅层以及交流信号发生器；所述两片导电玻璃之间有一定的孔隙，其中，导电玻璃的导电层位于内侧；所述阿尔法氢化硅层位于下片导电玻璃的导电层上；所述交流信号发生器的两端分别连接至上、下两片导电玻璃的导电层上。

纳米孔单分子传感器，该传感器包括基底以及贴合在基底一侧上的纳米薄膜；其中，基底的上端与上片导电玻璃的导电层连接，下端与阿尔法氢化硅连接，将所述介电泳装置分为左右两个空腔，基底上设有一通孔，将所述两个空腔连通；所述纳米薄膜含有一纳米孔，且该纳米孔与所述基底上的通孔连通。

所述隧穿电流信号检测系统包括两个电极Ⅱ、电源Ⅱ以及微弱电流测量装置Ⅱ；所述两个电极Ⅱ分别设置于纳米薄膜的纳米孔上下两侧，上侧电极Ⅱ通过介电泳装置外部的微弱电流测量装置Ⅱ与介电泳装置外部的电源Ⅱ的一端相连，电源Ⅱ的另一端与下侧电极Ⅱ相连。

所述离子电流信号检测系统包括两个电极Ⅰ、电源Ⅰ以及微弱电流测量装置Ⅰ；所述两个电极Ⅰ分别设置于所述纳米孔左右两侧的空腔内，右侧电极Ⅰ通过介电泳装置外部的微弱电流测量装置Ⅰ与介电泳装置外部的电源Ⅰ的负极相连，电源Ⅰ的正极与左侧电极Ⅰ相连。

所述激光系统设于所述介电泳装置下层导电玻璃的下方，包括激光发射器和光学传输器件，所述激光发射器发射的激光束照射位于纳米薄膜一侧纳米孔附近的阿尔法氢化硅。

进一步的，所述电极Ⅰ为Ag或AgCl电极，所述电极Ⅱ为Pt或Au电极。所述电源Ⅰ的偏置电压为0.05～2V，电源Ⅱ的偏置电压为0.05～10V。所述微弱电流测量装置Ⅰ和微弱电流测量装置Ⅱ均为皮安级电流表。所述含有纳米孔的纳米薄膜上的纳米孔的直径为1.5～10nm。

一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置的测序方法，包括以下步骤：

(1)搭建好所述介电泳装置、纳米孔单分子传感器、隧穿电流信号检测系统、离子电流信号检测系统和激光系统，构成检测平台。

(2)配置适量浓度为0.1～2mol/L、pH值为6.0～8.0的氯化钠溶液，分成两份，其中一份加入适量待检测DNA，使得溶液中DNA浓度为1～100μmol/L；在含有纳米孔的纳米薄膜的左右两侧分别加入氯化钠溶液和含有待检测DNA的氯化钠溶液。

(3)两片导电玻璃的导电层分别连接至交流信号发生器的两端，给交流信号发生器施加峰峰幅值为0～20V，频率为0.1～10MHz的交流正弦信号；电源Ⅰ的偏置电压为0.05～2V，电源Ⅱ的偏置电压为0.05～10V。

(4)调节激光系统发射合适强度的激光束，并通过光学传输器件使得激光束照射在纳米孔附近的阿尔法氢化硅区域，通过调节激光束照射区域来调节最终作用在DNA上的介电泳力来实现对DNA过孔速度的控制。

(5)通过离子电流信号检测系统和隧穿电流信号检测系统检测DNA穿过纳米孔时的电流变化信号，并进行对比分析，找出四种碱基与信号之间的对应关系，完成测序。

有益效果：与现有技术相比，本发明将光诱导介电泳技术与基于电流信号检测的纳米孔单分子传感器相结合应用于DNA测序技术中，可通过相关参数调节DNA所受的介电泳作用力大小来有效控制DNA过孔速度，减慢了DNA过孔速度，提高了测序精度，这些为实现单碱基分辨率、直接纳米孔测序奠定了基础，为实现新一代DNA测序技术低成本、高通量和直接测序提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明测序装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1所示的一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置，包括介电泳装置、纳米孔单分子传感器、隧穿电流信号检测系统、离子电流信号检测系统以及激光系统。

介电泳装置包括上下两片导电玻璃1、阿尔法氢化硅2以及交流信号发生器3；上下两片导电玻璃的导电层101朝里，上下两片导电玻璃之间形成一个空腔；在下层导电玻璃的导电层上沉积有阿尔法氢化硅(ɑ-SiH)，两片导电玻璃的导电层均连接至交流信号发生器，交流信号发生器可产生峰峰幅值为0～20V，频率为0.1～10MHz的交流正弦信号。

纳米孔单分子传感器包括基底4和纳米薄膜5；基底设于介电泳装置的空腔内，上端与上层导电玻璃的导电层连接，下端与阿尔法氢化硅连接，基底将介电泳装置的空腔分为左右两个空腔；基底上设有通孔401，该通孔将左右两个空腔连通；纳米薄膜含有纳米孔501，纳米薄膜贴合在基底的一侧，且纳米孔与基底上的通孔连通，纳米孔直径为1.5～10nm。

隧穿电流信号检测系统包括两个纳米Pt或Au电极6、电源Ⅱ7以及微弱电流测量装置Ⅱ8；其中一个电极设于纳米薄膜的纳米孔上侧，另一个电极设于纳米薄膜的纳米孔下侧；上侧电极通过微弱电流测量装置Ⅱ与电源Ⅱ的一端相连，电源Ⅱ的另一端与下侧电极相连；其中，电源Ⅱ和微弱电流测量装置Ⅱ设于介电泳装置外部，电源Ⅱ的偏置电压为0.05～10V，微弱电流测量装置Ⅱ为皮安级电流表。

离子电流信号检测系统包括两个Ag或AgCl电极9、电源Ⅰ10以及微弱电流测量装置Ⅰ11；其中一个电极设于纳米孔右侧的空腔内，另一个电极设于纳米孔左侧的空腔内；右侧电极通过微弱电流测量装置Ⅰ与电源Ⅰ的负极相连，电源Ⅰ的正极与左侧电极相连；其中，电源Ⅰ和微弱电流测量装置Ⅰ设于介电泳装置外部，电源Ⅰ的偏置电压为0.05～2V，微弱电流测量装置Ⅰ为皮安级电流表。

激光系统包括激光发射器和光学传输器件；激光发射器用来产生激光束12，并通过光学传输器件使得激光束照射在纳米孔附近的阿尔法氢化硅区域。

一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置的测序方法，包括以下步骤：

(1)按照图1所示布局搭建好介电泳装置、纳米孔单分子传感器、隧穿电流信号检测系统、离子电流信号检测系统和激光系统，构成检测平台。

(2)配置适量浓度为0.1～2mol/L、pH值为6.0～8.0的氯化钠溶液，分为两份；然后其中一份加入适量待检测DNA13，使得溶液中DNA浓度为1～100μmol/L；在纳米孔左右两侧分别加入氯化钠溶液和含有待检测DNA的氯化钠溶液。

(3)两片导电玻璃的导电层连接至交流信号发生器，交流信号发生器产生峰峰幅值为0～20V，频率为0.1～10MHz的交流正弦信号；电源Ⅰ的偏置电压为0.05～2V，置于纳米薄膜所在的右侧Ag或AgCl电极连接电源Ⅰ负极，置于另一侧的Ag或AgCl电极连接电源Ⅰ正极；电源Ⅱ的偏置电压为0.05～10V。

(4)调节激光系统的激光发射器发射合适强度的激光束，并通过光学传输器件使得激光束照射在纳米孔附近的阿尔法氢化硅区域，如图1所示。可调节激光束照射区域来调节最终作用在DNA上的介电泳力来实现对DNA过孔速度的控制。

(5)通过离子电流信号检测系统和隧穿电流信号检测系统检测DNA穿过纳米孔时的电流变化信号，并进行对比分析，找出四种碱基与信号之间的对应关系，完成测序。

本发明的工作原理如下：

含单链DNA分子13的电解液位于测序反应腔右部，DNA分子在溶液中带负电，在静电场的驱动作用下，单链DNA分子成线状通过纳米孔到达测序反应腔左部。用激光束照射在纳米孔右侧附近的阿尔法氢化硅区域，利用阿尔法氢化硅的明暗电导差异产生非均匀电场，从而对单链DNA分子产生介电泳力，减慢单链DNA分子穿过纳米孔的过孔速度。可通过调节交流信号发生器产生的交流信号的频率和幅值、改变激光强弱及照射位置来调节介电泳力大小，从而控制DNA分子穿过纳米孔的过孔速度大小。在单链DNA分子穿过纳米孔时，对通过纳米孔的电解液离子电流造成堵塞，导致离子电流急剧变化，由于单链DNA分子中不同碱基结构不同，在穿越纳米孔时造成的电流变化也不同；采用微弱电流测量装置Ⅰ对单链DNA分子穿越纳米孔过程中离子电流发生阻塞的时间间隔Δt1、阻塞离子电流的大小Ib1进行定量检测；同时单链DNA分子通过纳米孔时，不同碱基也会相应的在纳米孔处产生不同的隧穿电流，采用微弱电流测量装置Ⅱ对单链DNA分子穿越纳米孔过程中隧穿电流发生改变的时间间隔Δt2、隧穿电流的大小Ib2进行定量检测，其中DNA分子中碱基之间的间隔是一定的，所以时间间隔Δt1＝Δt2；通过对所测得的数据进行解析计算得DNA分子序列Sequence＝f(Δt1,Ib1,Ib2)，即可得到所测DNA分子的序列。

Claims (6)

1.一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置，其特征在于，包括：

介电泳装置，包括两片导电玻璃(1)，阿尔法氢化硅层(2)以及交流信号发生器(3)；所述两片导电玻璃之间有空隙，其中，导电玻璃的导电层(101)位于内侧；所述阿尔法氢化硅层位于下片导电玻璃的导电层上；所述交流信号发生器的两端分别连接至上、下两片导电玻璃的导电层上；

纳米孔单分子传感器，该传感器位于所述介电泳装置的内部，包括基底(4)以及贴合在基底一侧上的纳米薄膜(5)；其中，基底的上端与上片导电玻璃的导电层连接，下端与阿尔法氢化硅连接，将所述介电泳装置分为左右两个空腔，基底上设有一通孔(401)，将所述两个空腔连通；所述纳米薄膜含有一纳米孔(501)，且该纳米孔与所述基底上的通孔连通；

隧穿电流信号检测系统，该系统与所述纳米孔单分子传感器电连接；包括两个电极Ⅱ(6)、电源Ⅱ(7)以及微弱电流测量装置Ⅱ(8)；所述两个电极Ⅱ分别设置于纳米薄膜的纳米孔上下两侧，上侧电极Ⅱ通过介电泳装置外部的微弱电流测量装置Ⅱ与介电泳装置外部的电源Ⅱ的一端相连，电源Ⅱ的另一端与下侧电极Ⅱ相连；

离子电流信号检测系统，包括两个电极Ⅰ(9)、电源Ⅰ(10)以及微弱电流测量装置Ⅰ(11)；所述两个电极Ⅰ分别设置于所述纳米孔左右两侧的空腔内，右侧电极Ⅰ通过介电泳装置外部的微弱电流测量装置Ⅰ与介电泳装置外部的电源Ⅰ的负极相连，电源Ⅰ的正极与左侧电极Ⅰ相连；

激光系统，设于所述介电泳装置下层导电玻璃的下方，包括激光发射器和光学传输器件，所述激光发射器发射的激光束(12)照射位于纳米薄膜一侧纳米孔附近的阿尔法氢化硅。

2.根据权利要求1所述的一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置，其特征在于，所述电极Ⅰ为Ag或AgCl电极，所述电极Ⅱ为Pt或Au电极。

3.根据权利要求1所述的一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置，其特征在于，所述电源Ⅰ的偏置电压为0.05～2V，电源Ⅱ的偏置电压为0.05～10V。

4.根据权利要求1所述的一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置，其特征在于，所述微弱电流测量装置Ⅰ和微弱电流测量装置Ⅱ均为皮安级电流表。

5.根据权利要求1所述的一种基于光诱导介电泳技术和纳米孔的DNA测序装置，其特征在于，所述含有纳米孔的纳米薄膜上的纳米孔的直径为1.5～10nm。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述装置的测序方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)搭建好所述介电泳装置、纳米孔单分子传感器、隧穿电流信号检测系统、离子电流信号检测系统和激光系统，构成检测平台；

(2)配置适量浓度为0.1～2mol/L、pH值为6.0～8.0的氯化钠溶液，分成两份，其中一份加入适量待检测DNA(13)，使得溶液中DNA浓度为1～100μmol/L；在含有纳米孔的纳米薄膜的左右两侧分别加入氯化钠溶液和含有待检测DNA的氯化钠溶液；

(3)两片导电玻璃的导电层分别连接至交流信号发生器的两端，给交流信号发生器施加峰峰幅值为0～20V，频率为0.1～10MHz的交流正弦信号；电源Ⅰ的偏置电压为0.05～2V，电源Ⅱ的偏置电压为0.05～10V；

(4)调节激光系统发射合适强度的激光束，并通过光学传输器件使得激光束照射在纳米孔附近的阿尔法氢化硅区域，通过调节激光束照射区域来调节最终作用在DNA上的介电泳力来实现对DNA过孔速度的控制；

(5)通过离子电流信号检测系统和隧穿电流信号检测系统检测DNA穿过纳米孔时的电流变化信号，并进行对比分析，找出四种碱基与信号之间的对应关系，完成测序。