CN110747117A - 一种核酸分子分析系统 - Google Patents
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Abstract
一种核酸分子分析系统，用于识别偶联有标签的核酸分子，包括：第一流体通道，其具有第一宽度，所述第一宽度大于所述标签直径；纳米孔，其具有第二宽度的直径，所述第二宽度小于所述标签直径，所述纳米孔下方设置第一电极；还包括第二流体通道，所述第二流体通道设置第三电极；根据通过第一电极的电流确定样本中的核酸序列；其中偶联有标签的核酸分子的标签离开所述纳米孔时的路线与所述偶联有标签的核酸分子的标签流向所述纳米孔的路线没有重叠部分，从而提高了检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种核酸分子分析系统。
背景技术
纳米孔为嵌在生物膜上的或在固态膜上制备的纳米尺度的孔隙。当在纳米孔两端施加电压时，纳米孔内及其周围会形成场。而离子、DNA、RNA、多肽以及其他生物大分子通常都会带有表面电荷，当它们扩散到纳米孔附近时在电场力的作用下通过纳米孔。采用检测通过纳米孔的电流的方法，当有物质通过纳米孔时，会引起离子电流的变化，从而可以得到被检测物质分子的信息。
在DNA测序方面，当 DNA通过纳米孔时候，由于每个碱基的化学性质不一样，通过纳米孔会产生不同的信号，通过这些信号的差异来获得 DNA 的碱基序列，这样就能实现快速测序。然而DNA 分子过孔速度过快，单个碱基通过纳米孔时产生的电流变化很难捕捉到。现有技术中的主要技术手段是降低通过改变电压或者溶液减低核酸分子穿孔速度，如北京大学在CN102621214A发明专利中所提出的技术方案，该方法能够改善时间分辨，然而还是需要对于确定每个碱基通过纳米孔的电流变化，对于传感器的灵敏度要求很高。
CN107110817A以及CN109863391A提出了识别核酸分子特异序列的方法，在核酸分子的一端偶联直径大于纳米孔直径的标签，标签被纳米孔阻挡时导致纳米孔附近电极电流的变化，通过该电流变化确定该标签所偶联的特定序列。然而，该方法中纳米孔在与标签作用后被堵塞，需要使标签与核酸分子分离或者施加相反的电压使标签从流动方向相反的方向离开纳米孔，使用第一种方法时标签分离后仍可能卡在纳米孔上，使用第二种方法时其流动方法与核酸分子流向纳米孔的方向相反，导致在其离开流动通道之前下一核酸分子无法流向纳米孔，从而降低检测效率。本发明作为CN107110817A的改进，提出一种核酸分子分析系统，其能够提高检测效率。
发明内容
本发明提供一种核酸分子分析系统，用于识别偶联有标签的核酸分子，包括：第一流体通道，其具有第一宽度，所述第一宽度大于所述标签直径；纳米孔，其具有第二宽度的直径，所述第二宽度小于所述标签直径，所述纳米孔下方设置第一电极；还包括第二流体通道，其具有第三宽度；所述第一流体通道位于所述纳米孔侧方，所述第一流体通道与所述纳米孔相对的一侧设置极性不变的第二电极，所述第二电极的极性与所述第一电极的极性相反；所述第二流体通道位于所述纳米孔上方，所述第三宽度大于所述标签直径；所述第二流体通道设置第三电极；所述第一电极在所述偶联有标签的核酸分子流向纳米孔的第一通道的前部时以及所述述偶联有标签的核酸分子离开所述纳米孔时不通电；所述第一电极在所述偶联有标签的核酸分子流向纳米孔的第一流体通道的后部时的极性与所述第二电极相反；所述第三电极在偶联有标签的核酸分子流向所述纳米孔的第一流体通道的前部以及在所述偶联有标签的核酸分子离开所述纳米孔时的极性与所述第二电极相反；所述第三电极在偶联有标签的核酸分子流向所述纳米孔的第一流体通道的后部时不通电。
优选的，所述第一流体通道与所述纳米孔的夹角约为90度。
优选的，所述标签为荧光素亚酰胺或者六氯荧光素。
优选的，所述纳米孔为生物纳米孔或者固态纳米孔。
优选的，所述标签通过连接体偶联所述核酸分子。
优选的，所述标签为多肽。
优选的，所述标签偶联与所述核酸分子末端。
优选的，所述核酸分子分析系统用于确定样本中的核酸序列。
优选的，所述核酸分子分析系统根据通过第一电极的电流确定样本中的核酸序列。
优选的，所述核酸分子是脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)。
优选的，所述样本来自体液。
优选的，所述偶联有标签的核酸分子的标签离开所述纳米孔时的路线与所述偶联有标签的核酸分子的标签流向所述纳米孔的路线没有重叠部分。
本发明还提供一种核酸分子分析系统，用于识别偶联有标签的核酸分子，包括：第一流体通道，其具有第一宽度，所述第一宽度大于所述标签直径；纳米孔，其具有第二宽度的直径，所述第二宽度小于所述标签直径，所述纳米孔下方设置第一电极；还包括第二流体通道，其具有第三宽度；所述第一流体通道位于所述纳米孔侧方，所述第一流体通道与所述纳米孔相对的一侧设置极性不变的第二电极，所述第二电极的极性与所述第一电极的极性相反；所述第二流体通道位于所述纳米孔上方，所述第三宽度大于所述标签直径；所述第二流体通道包括向上延伸的第一通道以及与所述第一流通通道相反方向的第二通道，所述第三电极设置于所述第一通道与所述第二通道交界处的顶端，所述第二通道与所述第三电极相对的一侧设置第四电极；所述第一电极在所述偶联有标签的核酸分子离开纳米孔位于第一通道时不通电；在其余时刻设置其极性与第二电极相反；所述第三电极在所述偶联有标签的核酸分子离开纳米孔位于第一通道时设置其极性与所述第二电极相反，在所述偶联有标签的核酸分子离开纳米孔位于第二通道时设置其极性与所述第二电极相同，在所述偶联有标签的核酸分子离开第二通道后不通电；所述第四电极在所述偶联有标签的核酸分子离开纳米孔位于第二通道时设置其极性与所述第二电极相反，在所述偶联有标签的核酸分子离开第二通道后不通电。
优选的，所述第二通道的长度大于所述第一通道长度的1.5倍。
优选的，所述第一通道长度小于所述第一流体通道长度的1/2。
优选的，所述第三电极在所述偶联有标签的核酸分子离开纳米孔位于第二通道时电压的绝对值小于所述第二电极电压的绝对值。
优选的，所述偶联有标签的核酸分子离开所述纳米孔时的路线与所述偶联有标签的核酸分子流向所述纳米孔的路线没有重叠部分。
优选的，所述核酸分子分析系统根据通过第一电极的电流确定样本中的核酸序列。
附图说明
图1是本发明第一实施例的核酸分子分析系统示意图。
图2是本发明第二实施例的核酸分子分析系统示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将使用实施例对本发明进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些实施例获取其他的技术方案，也属于本发明的公开范围。
本发明第一实施例的核酸分子分析系统，用于识别样本偶联有标签的核酸分子，参见图1，包括第一流体通道10，纳米孔20，第二流体通道30，第一电极40，第二电极50以及第三电极60。核酸分子是脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)，标签通过连接体偶联特异的核酸分子，标签可以荧光素亚酰胺或者六氯荧光素或者多肽。核酸分子分析系统通过对于标签的检测确定样本中对应的特异核酸分子的核酸序列。
纳米孔20为生物纳米孔或者固态纳米孔，核酸分子的直径小于纳米孔20，纳米孔20的直径小于标签直径从而使偶联有标签的核酸分子在通过纳米孔20时标签被纳米孔20阻挡时导致纳米孔20附近电极电流的变化。第一流体通道10位于纳米孔20侧方，其具有大于标签直径的第一宽度。第一流体通道10与所述纳米孔的夹角可是设置为60度到12度，优选的可以设置为约90度。纳米孔20下方设置第一电极40，第一流体通道10与纳米孔20相对的一侧设置极性不变的第二电极50，第二电极50的极性与第一电极40的极性相反，从而能够驱动核酸分子由第二电极50向第一电极40移动。
第二流体通道30位于纳米孔20上方，其具有大于标签直径的第三宽度。第二流体通道30相对于纳米孔20的一侧设置第三电极60。第一电极40在偶联有标签的核酸分子流向纳米孔20的第一通道10的前部时以及偶联有标签的核酸分子离开纳米孔20时不通电；第一电极40在偶联有标签的核酸分子流向纳米孔20的第一流体通道10的后部时的极性与第二电极50相反；第三电极60在偶联有标签的核酸分子流向纳米孔20的第一流体通道10的前部以及在偶联有标签的核酸分子离开纳米孔20时的极性与第二电极50相反；第三电极60在偶联有标签的核酸分子流向纳米孔的第一流体通道10的后部时不通电。从而，偶联有标签的核酸分子的标签离开纳米孔20时的路线与偶联有标签的核酸分子的标签流向纳米孔20的路线没有重叠部分；在堵塞纳米孔20的偶联有标签的核酸分子被第三电极60的电场吸引通过第二流体通道30离开纳米孔20时，下一偶联有标签的核酸分子被第三电极60的电场吸引而在第一流体通道10的前部流动，在偶联有标签的核酸分子通过第二流体通道30排出后，下一偶联有标签的核酸分子被第一电极40的电场吸引而在第一流体通道10的后部流动到纳米孔20继续检测；从而与现有技术相比提高了检测效率。
作为进一步改进，本发明优选的实施例参见图2，包括第一流体通道10，纳米孔20，第二流体通道30，第一电极40，第二电极50，第三电极60以及第四电极70。
纳米孔20为生物纳米孔或者固态纳米孔，核酸分子的直径小于纳米孔20，纳米孔20的直径小于标签直径从而使偶联有标签的核酸分子在通过纳米孔20时标签被纳米孔20阻挡时导致纳米孔20附近电极电流的变化。第一流体通道10位于纳米孔20侧方，其具有大于标签直径的第一宽度。第一流体通道10与所述纳米孔的夹角可是设置为60度到12度，优选的可以设置为约90度。纳米孔20下方设置第一电极40，第一流体通道10与纳米孔20相对的一侧设置极性不变的第二电极50，第二电极50的极性与第一电极40的极性相反，从而能够驱动核酸分子由第二电极50向第一电极40移动。
第二流体通道30的宽度大于标签，包括向上延伸的第一通道31以及与第一流体通道10相反方向的第二通道32，设置第一通道31长度小于第一流体通道10长度的1/2，第二通道32的长度大于第一通道31长度的1.5倍。第三电极60设置于第一通道31与第二通道32交界处的顶端，第二通道32与第三电极60相对的一侧设置第四电极70；优选的，第三电极60第三电极与第一通道31的夹角为45度，第三电极60与第二通道32的夹角为45度。
第一电极40在偶联有标签的核酸分子离开纳米孔20位于第一通道31时不通电；在其余时刻设置其极性与第二电极50相反；第三电极60在偶联有标签的核酸分子离开纳米孔20位于第一通道31时设置其极性与第二电极60相反，在偶联有标签的核酸分子离开纳米孔20位于第二通道32时设置其极性与第二电极60相同，并且其电压的绝对值小于第二电极电压的绝对值，在偶联有标签的核酸分子离开第二通道32后不通电；第四电极70在偶联有标签的核酸分子离开纳米孔20位于第二通道32时设置其极性与第二电极50相反，在偶联有标签的核酸分子离开第二通道32后不通电。在上述优选实施例中，通过第二流体通道30结构以及长度的设置，同时设置了对应的第四电极70，从而使作为检测电极的第一电极40仅在标签位于长度较短的第一通道31时才不进行数据采集，增加核酸分子分析系统的数据采集时间。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种核酸分子分析系统，用于识别偶联有标签的核酸分子，包括：第一流体通道，其具有第一宽度，所述第一宽度大于所述标签直径；纳米孔，其具有第二宽度的直径，所述第二宽度小于所述标签直径，所述纳米孔下方设置第一电极；其特征在于：还包括第二流体通道，其具有第三宽度；所述第一流体通道位于所述纳米孔侧方，所述第一流体通道与所述纳米孔相对的一侧设置极性不变的第二电极，所述第二电极的极性与所述第一电极的极性相反；所述第二流体通道位于所述纳米孔上方，所述第三宽度大于所述标签直径；所述第二流体通道设置第三电极；所述第一电极在所述偶联有标签的核酸分子流向纳米孔的第一通道的前部时以及所述述偶联有标签的核酸分子离开所述纳米孔时不通电；所述第一电极在所述偶联有标签的核酸分子流向纳米孔的第一流体通道的后部时的极性与所述第二电极相反；所述第三电极在偶联有标签的核酸分子流向所述纳米孔的第一流体通道的前部以及在所述偶联有标签的核酸分子离开所述纳米孔时的极性与所述第二电极相反；所述第三电极在偶联有标签的核酸分子流向所述纳米孔的第一流体通道的后部时不通电。
2.根据权利要求1所述的核酸分子分析系统，其特征在于：所述第一流体通道与所述纳米孔的夹角约为90度。
3.根据权利要求1所述的核酸分子分析系统，其特征在于：所述标签为荧光素亚酰胺或者六氯荧光素。
4.根据权利要求1所述的核酸分子分析系统，其特征在于：所述纳米孔为生物纳米孔或者固态纳米孔。
5.根据权利要求1所述的核酸分子分析系统，其特征在于：所述标签通过连接体偶联所述核酸分子。
6.根据权利要求1所述的核酸分子分析系统，其特征在于：所述标签为多肽。
7.根据权利要求1所述的核酸分子分析系统，其特征在于：所述标签偶联于所述核酸分子末端。
8.根据权利要求1所述的核酸分子分析系统，其特征在于：所述核酸分子分析系统用于确定样本中的核酸序列。
9.根据权利要求1所述的核酸分子分析系统，其特征在于：所述核酸分子是脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)。
10.根据权利要求1所述的核酸分子分析系统，其特征在于：所述样本来自体液。
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