CN112345743A - 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法 - Google Patents

用于控制膜通道插入膜中的设备和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112345743A
CN112345743A CN202011060676.1A CN202011060676A CN112345743A CN 112345743 A CN112345743 A CN 112345743A CN 202011060676 A CN202011060676 A CN 202011060676A CN 112345743 A CN112345743 A CN 112345743A
Authority
CN
China
Prior art keywords
membrane
potential difference
channel
voltage
liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011060676.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112345743B (zh
Inventor
丹尼尔·加拉尔达
詹姆斯·克拉克
迈克·詹尼森
安德鲁·赫伦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oxford Nanopore Technologies PLC
Original Assignee
Oxford Nanopore Technologies PLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oxford Nanopore Technologies PLC filed Critical Oxford Nanopore Technologies PLC
Priority to CN202011060676.1A priority Critical patent/CN112345743B/zh
Publication of CN112345743A publication Critical patent/CN112345743A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112345743B publication Critical patent/CN112345743B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48721—Investigating individual macromolecules, e.g. by translocation through nanopores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00055—Grooves
    • B81C1/00071—Channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/04—Closures and closing means
    • B01L2300/041—Connecting closures to device or container
    • B01L2300/044—Connecting closures to device or container pierceable, e.g. films, membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

公开了用于控制膜通道插入膜中的设备和方法。在一种布置中，第一浴槽容纳与膜的第一表面接触的第一液体。第二浴槽容纳与所述膜的第二表面接触的第二液体。所述膜将所述第一液体和所述第二液体分隔开。第一电极接触所述第一液体。第二电极接触所述第二液体。驱动单元通过所述第一电极和所述第二电极跨所述膜施加电位差以促进膜通道从所述第一液体或所述第二液体插入所述膜中。膜电压减小单元与所述膜串联连接。所述驱动单元跨所述膜电压减小单元和所述膜施加驱动电压，所述驱动电压提供跨所述膜的所述电位差。所述膜电压减小单元被配置成使得由膜通道的插入引起的通过所述膜的电阻的减小固有地增加跨所述膜电压减小单元的电位差，由此降低跨所述膜的所述电位差。跨所述膜的所述电位差的所述降低足以防止或减少对插入另一个膜通道的促进。

Description

用于控制膜通道插入膜中的设备和方法
本申请是2019年5月23日递交的，申请号为201780072538.5，发明名称为“用于控制膜通道插入膜中的设备和方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于控制膜通道插入膜中的设备和方法。
背景技术
跨膜形成的通道可以用于感测分子实体。分子实体与通道之间的相互作用可以引起信号的特性调制。通过监测此信号，可以检测特性调制，并且由此感测分子实体。基于此原理已经提出了多种技术，如在WO2008102120、WO2009035647、WO200079257、WO200142782和WO2007057668中公开的技术。这种技术的一个实例是对由于离子流过膜通道而产生的电流信号进行的测量。所述膜将两种溶液分隔开，其中膜通道提供通过溶液之间的膜的传输路径。膜是高电阻的，使得溶液之间的唯一传输途径是通过一个或多个膜通道。可以使所关注的分子实体与通道相互作用，例如使其转移所述通道。
使用此技术感测分子实体提供了直接鉴定单个分子和分子实体的方法，而无需荧光标记和检测。存在广泛的可能应用，如对DNA或其它核酸进行测序；感测用于安全和防御的化学或生物分子；检测用于诊断的生物标志物；进行用于药物开发的离子通道筛选；以及对生物分子之间的相互作用进行无标记分析。
为了提供足够的通量，可以提供单独的膜的阵列，其中每个膜包括膜通道。
膜通常是两亲性的并且可以是双层膜。形成两亲性层的技术是众所周知的，如Montal和Mueller《美国国家科学院院刊(Proc Natl Acad Sci U S A)》.1972年12月；69(12):3561–3566，WO-2008/102120、WO2008012552和WO2014064444中所公开的。所得膜的厚度可以由于如膜材料的性质、溶剂掺入、膜几何形状以及制备方法的因素而变化。
对于一些系统，在没有额外刺激的情况下，膜通道不会自发地插入膜中并且通常非常缓慢地插入。选择这种系统可能是有利的，因为其允许控制膜插入过程。有助于插入膜通道的技术是已知的，最常见的是跨膜施加电位差。据认为，这种电位差使膜会拉伸并且变薄，从而更容易插入。电压辅助插入还可以用于控制插入膜中的膜通道的数量，其中可以响应于膜通道插入和对应的检测到流过膜的电流而主动降低所施加的电位，其中在插入膜通道后降低所施加的电位差降低了后续通道插入的可能性。可以由使用者执行降低所施加的电位，这是许多实验室形成膜和制得单通道记录的常规做法。这种方法的缺点是需要用户观察通道的电流(或类似的可观察参数，如电阻)并且手动对所述参数的变化作出反应。虽然这对于单通道记录是实用的，但在处理大型阵列时这是不切实际的。因此，希望使此过程自动化。
已经公开了各种方法，其使控制对膜的阵列所施加的电位自动化。如US20160289758所公开的，由于纳米孔插入，使用计算机控制来对观察到的电流的增加的检测作出反应。另一种方法教导了使用电极介导的气泡来辅助膜形成和搅拌刺激，以实现类似的效果，如US20120052188所公开的。每个膜所需的通道数量可以根据所使用的测量技术而变化。对于离子流量测量，希望每个膜提供一个通道。
US 2016/289758 A1公开了可以在纳米孔中检测和控制混合物中被另一种化合物例如酶作用的单个聚合物的装置和方法。所述装置和方法还确定了在反馈控制下或使用由多核苷酸和纳米孔之间的相互作用产生的信号来确定多核苷酸的核苷酸碱基序列。
RENNER STEPHAN等人的“Voltage-controlled insertion of single alpha-hemolysin and Mycobacterium smegmatis nanopores into lipid bilayermembranes”，APPLIED PHYSICS LETTERS,A I P PUBLISHING LLC,US,vol.98,no.8,23February 2011(2011-02-23)，第83701-83701页，XP012140069，ISSN：0003-6951，DOI：10.1063/1.3558902公开了一种实验程序，通过该程序可以实现通过电压控制的方式将单个孔插入脂质膜。
发明内容
虽然使用计算机控制的刺激自动化，如施加的电位比更可操作的可控孔插入方法更有益，但它们具有许多不希望的特征。一个这种特征是需要计算机或类似的决策制作电路以执行去除或减小孔插入刺激的操作。这种电路很昂贵，并且在处理大量膜时可能不实用。每个膜必须经受这个计算机控制过程以确保良好的单通道产量，并且必须连接到专用计算机控制单元或必须在其它膜之间共享计算机控制单元。每个通道提供专用的计算机控制单元是昂贵的。在将多个膜连接到控制单元的同时减小了这个成本，结果是随着控制单元依次围绕每个膜循环，孔插入以连续的方式进行。这可以增加跨阵列的孔插入所需的总时间量(选择多路复用)，或者减小装置的反应时间(时间共享多路复用)。更进一步，已经发现通过向与膜接触的溶液添加蛋白质纳米孔以连续方式插入通道导致纳米孔吸附到容器壁，这是由于在插入之前纳米孔在溶液中的时间增加。这可能减小跨阵列插入纳米孔的产量。
克服上述问题以及在本发明的方面中阐述的问题的方法是采用一种电路元件，当通道插入时，所述电路元件固有地减小跨膜的施加电位。在一些实施例中，这不需要决策制作电子设备并且可以廉价地跨大阵列部署。电路包括膜电压减小单元，其跨电路重新分配施加的电位，使得插入膜通道之后跨膜的电位差降低。重新分配效果自动发生，无需逻辑控制。
本发明的范围由所附权利要求限定。
本公开的一个实施例中，提供了一种用于控制膜通道插入膜中的设备，其包括：
第一浴槽，其用于容纳与所述膜的第一表面接触的第一液体；
第二浴槽，其用于容纳与所述膜的第二表面接触的第二液体，其中所述膜将所述第一液体和所述第二液体分隔开；
第一电极，其被配置成接触所述第一液体；
第二电极，其被配置成接触所述第二液体；以及
驱动单元，其被配置成通过所述第一电极和所述第二电极跨所述膜施加电位差以促进膜通道从所述第一液体或所述第二液体插入所述膜中，其中
所述设备包括与所述膜串联连接的膜电压减小单元；
所述驱动单元被配置成跨所述膜电压减小单元和所述膜施加驱动电压，所述驱动电压提供跨所述膜的所述电位差；并且
所述膜电压减小单元被配置成使得通过膜通道的插入引起的通过所述膜的电阻的减小固有地增加跨所述膜电压减小单元的电位差，由此降低跨所述膜的所述电位差，其中跨所述膜的所述电位差的所述降低足以防止或减少对插入另一个膜通道的促进。
通道可以是纳米孔。纳米孔可以是蛋白质通道。
本公开的另一实施例中，提供了一种用于将膜蛋白质插入膜中以在所述膜中形成通道的设备，其包括：
第一浴槽，其用于容纳与所述膜的第一表面接触的第一液体；
第二浴槽，其用于容纳与所述膜的第二表面接触的第二液体，其中所述膜将所述第一液体和所述第二液体分隔开；
第一电极，其被配置成接触所述第一液体；
第二电极，其被配置成接触所述第二液体；以及
驱动单元，其被配置成通过所述第一电极和所述第二电极跨所述膜施加电位差，所述电位差为了促进膜蛋白质从所述第一液体或所述第二液体插入所述膜中，其中：
所述驱动单元被配置成使得由所述膜蛋白质插入所述膜中引起的通过所述膜的电阻的减小直接导致所述驱动单元跨所述膜施加较低的电位差，而无需所述驱动单元的任何逻辑控制。
本公开的又一实施例中，提供了一种用于控制膜通道插入膜中的设备，其包括：
第一浴槽，其用于容纳与所述膜的第一表面接触的第一液体；
第二浴槽，其用于容纳与所述膜的第二表面接触的第二液体，其中所述膜将所述第一液体和所述第二液体分隔开；
第一电极，其被配置成接触所述第一液体；
第二电极，其被配置成接触所述第二液体；以及
驱动单元，其被配置成通过所述第一电极和所述第二电极跨所述膜施加电位差以促进膜通道从所述第一液体或所述第二液体插入所述膜中，其中所述设备包括膜电压减小单元，其与所述膜串联连接。
膜通道的插入受所述膜电压减小单元的固有特性以及其与所述膜串联的位置的控制。当插入发生时，自然触发跨所述膜的所述电位差的降低。这与现有技术方法形成对比，在现有技术方法中，通过逻辑控制实现降低电位差，这可能是复杂的和/或不方便的。
将通道插入膜中通常通过将膜通道添加到与膜接触的水溶液来进行。
在一些实施例中，设备包括多个膜，每个膜将第一液体与第二液体分隔开。可以提供多个第二浴槽，用于容纳第二液体，其中每个第二液体彼此分隔开。通常在相应的孔中提供第二液体。第一液体也可以提供在彼此分隔开的相应的多个孔中。更典型地，第一液体对于阵列的所有膜是共同的并且提供在单个室中。可以在第二液体中的每一个中提供电极，并且在第一液体中提供公共电极。在多个第一浴槽的情况下，也可以在第一浴槽和第二浴槽中的每一个中提供电极。以这种方式，可以为阵列的每个膜制作单独的通道记录。方便地，可以将通道添加到所述多个膜共有的第一溶液。设备被配置成支撑多个膜，其中每个膜与第一液体和第二液体接触并将所述第一液体和第二液体分隔开。用于膜阵列的合适设备设计以及用于将第二溶液提供到阵列的相应孔中、用于跨阵列形成所述多个膜以及用于将膜通道添加到设备以插入膜中的合适方法通过WO2014064443公开，这些的相关内容都通过引用并入本文。跨阵列形成膜可以通过如WO2014064443公开的逐步方法进行。提供多个膜电压减小单元，其中每个膜电压减小单元与阵列的相应膜串联连接。驱动单元被配置成跨所有由膜电压减小单元和不同的膜构成的对并行地施加驱动电压。
在替代性布置中，设备可以包括第一浴槽和第二浴槽，其中两个浴槽对于膜阵列是共用的，并且其中每个浴槽包含电极。当使用FET测量电压变化时，这种布置是可能的，其中电压的变化是特定通道的局部电压。以这种方式并且根据一些实施例，可以在单个膜内提供多个通道。
以这种方式提供多个膜电压减小单元使得可以同时控制多个第二浴槽中的通道的插入，同时将相同的驱动电压施加到多个第二浴槽。因此可以并行地在多个第二浴槽中插入通道而不生成多个独立的驱动电压，从而节省时间并提高产量。
在实施例中，膜电压减小单元包括电流源，所述电流源能够在至多达到最大电阻的整个电阻范围内供应恒定电流，在所述电阻处达到电压极限。恒定电流可以是预定的，但是替代性地可以通过逻辑控制设置。在此实施例中，跨膜的电位差的降低是由于通过膜的电阻从高于所述最大电阻的电阻减小到低于所述最大电阻的电阻。发明人已经发现此实施方案提供了特别有利的特性。在插入通道时，跨膜的电位差立即可靠地降低，并且即使在驱动电压持续增加到最大值时也保持稳定的低值。
本公开的另一实施例中，提供了一种控制膜通道插入膜中的方法，其包括：
提供膜，所述膜在所述膜的相应第一侧和第二侧上与第一液体和第二液体接触并将所述第一液体和第二液体分隔开；
使用驱动单元通过所述第一电极和所述第二电极跨所述膜施加电位差以促进膜通道从所述第一液体或所述第二液体插入所述膜中，其中
所述驱动单元包括与所述膜串联连接的膜电压减小单元；
所述驱动单元被配置成跨所述膜电压减小单元和所述膜施加驱动电压，所述驱动电压提供跨所述膜的所述电位差；并且
所述膜电压减小单元被配置成使得由所述膜通道的插入引起的通过所述膜的电阻的减小固有地增加跨所述膜电压减小单元的电位差，由此降低跨所述膜的所述电位差，其中跨所述膜的所述电位差的所述降低足以防止或减少对插入另一个膜通道的促进。
本公开的又一实施例中，提供了一种将膜蛋白质插入膜中以在膜中形成通道的方法，其包括：
提供膜，所述膜在所述膜的相应第一侧和第二侧上与第一液体和第二液体接触并将所述第一液体和第二液体分隔开；
使用驱动单元通过所述第一电极和所述第二电极跨所述膜施加电位差，所述电位差为了促进膜蛋白质从所述第一液体或所述第二液体插入所述膜中，其中：
所述驱动单元被配置成使得由所述膜蛋白质插入所述膜中引起的通过所述膜的电阻的减小直接导致所述驱动单元跨所述膜施加较低的电位差，而无需所述驱动单元的任何逻辑控制。
附图说明
附图说明现在将仅通过非限制性实例、参考附图来描述本发明的实施例，在附图中对应的附图标记指示对应的部件，并且其中根据本公开的一些实施例：
图1描绘了用于控制膜通道插入膜中的现有技术设备；
图2是描绘驱动电压随时间变化的曲线图；
图3描绘了根据实施例的用于控制膜通道插入膜中的设备；
图4是描绘图6、图8和图10的模拟的驱动电压相对于时间的曲线图；
图5描绘了等效电路，示出了膜电压减小单元包括电流源的实施例的操作；
图6是表示当图4的驱动电压施加到图5的等效电路时膜电压随时间的模拟变化的曲线图；
图7描绘了说明实施例的操作的等效电路，其中膜电压减小单元包括与膜串联的电阻部件；
图8是表示当图4的驱动电压施加到图7的等效电路时膜电压随时间的模拟变化的曲线图；
图9描绘了说明实施例的操作的等效电路，其中膜电压减小单元包括与膜串联的二极管；
图10是表示当图4的驱动电压施加到图9的等效电路时膜电压随时间的模拟变化的曲线图。
具体实施方式
本公开总体上涉及用于控制膜通道插入膜中的系统和方法。在一些实施例中，膜将第一液体与第二液体分隔开。在一些实施例中，驱动单元经由接触第一液体的第一电极和接触第二液体的第二电极跨膜施加电位差，以促进膜通道从第一液体或第二液体插入膜中。在一些实施例中，与膜串联连接的膜电压减小单元被配置成使得通过膜通道的插入引起的通过膜的电阻的减小本质上增加了跨膜电压减小单元的电位差，由此降低跨膜施加的电位差，在某些情况下足以防止或减小插入另一个膜通道的可能性。
图3描绘了根据实施例的用于控制膜通道插入膜4中的设备。所述设备包括壳体2，所述壳体含有第一浴槽6。壳体2进一步含有四个第二浴槽8(也称为孔)。在其它实施例中可以提供不同数量的第二浴槽8。每个第二浴槽8由膜4密封。膜4可以是两亲性膜。第一浴槽6容纳第一液体。第一液体接触每个膜4的第一表面。每个第二浴槽8容纳第二液体。每个第二浴槽8中的第二液体接触膜4的第二表面，所述第二表面密封第二浴槽8。第一电极14接触第一液体。第二电极16接触每个第二液体。每个第二浴槽8具有其自己的第二电极16。
壳体2示出为仅具有单个第一浴槽6和具有与膜4相关的四个第二浴槽8。在其它实施例中，可以提供更多的第一浴槽6和第二浴槽8，以及对应的第一电极14和第二电极16。第二浴槽的数量可以是1到100,000之间的任何整数。其可以是100或更多、1000或更多或10,000或更多。
第一电极14和第二电极16可以用于控制通道的插入，如下文所描述。在某些实施例中，在插入通道之后的稍后时间，第一电极14和第二电极16还可以用于通过它们与通道的相互作用来感测分子实体。
驱动单元15被配置成经由第一电极14和第二电极16跨膜4施加电位差(其也可以称为膜电压)。施加的膜电压可以促使膜通道从第一液体6或第二液体8插入膜4中。因此，膜通道(其可以包括例如膜蛋白)在第一液体或第二液体或两者中提供。膜电压促进膜通道的插入。如在说明书的介绍部分中提到的并且不希望受理论束缚，认为电压通过使膜4拉伸并且变薄来辅助插入。插入发生的电压从膜4到膜4之间变化。因此，驱动单元15可以被配置成逐渐增加膜电压直到插入发生。
纳米孔插入所需的施加电位的量可以在阵列的膜之间变化。不希望受理论束缚，认为这种差异可能是由于阵列的膜之间的厚度变化并且受膜和纳米孔的化学性质及其几何形状的影响而产生。所施加的电压通常是按大小步进的，如以最大化单通道插入的机会。例如，如果起始电位太高，则可能促进某些膜的另外的通道的插入，这是不希望的，而所施加的电位可能不够高，不足以用于阵列的其它膜。因此，优选从低的电位值开始并且逐渐移动到更高的值。可以通过不同的方法来增加电位，如通过随时间推移电位或者在逐渐更高的值的电位值之间逐步增大。增加率可以是线性的或非线性的。选择的初始驱动电压和最大驱动电压将取决于膜和膜通道的性质，并且可以适当地选择。如上文所提及，已经观察到插入膜通道所需的电位在跨阵列的膜上变化，尽管应用于阵列的初始膜溶液可以是相同的，并且相同的膜通道可以插入跨阵列的膜。因此，插入膜通道所需电压的任何变化很可能是由于如膜厚度等其它因素的变化。因此，电压和/或初始电位和最终电位的增加速率的参数将受到膜形成过程的影响和决定。借助于实例，初始电位值可以选自0mV与150mV之间的任何值，如50mV、75mV或100mV，并且最终的膜电位可以选自200mV与600mV之间的任何值，如250mV、300mV、350mV、400mV、450mV或500mV。膜电位的上限部分取决于膜的稳定性。例如，脂质双层不像某些合成膜那样坚固。类似地，初始值与最终值之间的电位增加率还将取决于膜和膜通道的性质，并且还可以适当地选择。与现有技术的计算机控制方法相比，初始值与最终值之间的增加速率可以快得多，如小于1s。初始电位与最大电位之间的增加率原则上可以在10ms到100ms之间。在实践中，增加速率将取决于膜的性质以及当其经受在其上施加的电位差的快速变化时的稳定性。在现有技术中，人们通常可以采用1-10mV步骤，每步骤1到15秒，其中整个过程可能需要数十分钟。因为在本发明的方法和设备中已经消除了等待处理单元检测何时插入并且响应检测的需要，所以可以使驱动电压增加到发生插入的水平更快地发生，由此提高产量。
替代性地，可以将单个膜电位施加到阵列的多个膜上，其中膜电位非常快速或瞬时从较低电位逐步变为较高电位。此方法可以用于所有膜足够相似的情况，以允许采用高于临界电压的单个插入电压。
在膜插入后，将电压减小到一定水平，以便防止或显着减小进一步插入膜通道的机会。电位降低的程度将取决于膜和膜通道的性质，并且可以适当地选择合适的值。电位降低的程度可以是例如插入膜通道所需电位的10％、20％、30％、40％、50％、60％或70％。鉴于通道插入所需的电位可能跨阵列变化，电位的降低应该是低于在膜中插入膜通道所需的最低电位的值。因此，降低跨膜施加的电位差以减小对插入另一个膜通道的促进减小了插入另一个膜通道的可能性。
在插入所需数量的膜通道，例如阵列的膜中的单个膜通道之后，可以移除多余的膜通道，例如通过除去第一溶液并且任选地用没有膜通道的另一种溶液替换。虽然在没有施加刺激的情况下膜通道插入可能随后不会自动发生，但是仍然可以去除多余的膜通道以消除在没有施加刺激的情况下进一步插入膜通道的可能性。此外，一旦将通道插入膜中，通常通道保留在膜内并且确实浸出到第一溶液和第二溶液中。
在一些实施例中，期望每个膜4提供单个膜通道。因此，一旦膜通道的插入发生，就希望降低或除去膜电压。
在现有技术的布置中，如图1中示意性描绘的(其中对应于图3中的特征给出对应的附图标记)，这通过使用处理单元50计算机控制施加在第一电极14与第二电极16之间的驱动电压30来实现。处理单元50可以包括能够执行计算机控制的任何已知硬件和/或固件和/或软件部件。在此现有技术布置中，处理单元50监测在第一电极14与第二电极16之间形成的电路的电特性(即，通过第一浴槽6、膜4和第二浴槽8)，同时逐渐增加驱动电压30。当检测到膜通道的插入时(例如，通过第一电极14与第二电极16之间的电流的突然增加)，处理单元50立即减小施加在第一电极14与第二电极16之间的驱动电压30(通常为零)。这可以例如通过指示开关单元(未示出)断开当前选择的第二浴槽8的第二电极16并且允许其浮动或将第二电极连接到地而不是连接到驱动电压30来完成。然后，处理单元50可以使切换单元同时将驱动电压30连接到第二浴槽8中的不同的第二浴槽，并且开始逐渐增加施加到新的第二浴槽8的驱动电压30，直到检测到第二浴槽的膜通道的插入，等等。
在这种意义上，由处理单元控制的开关实现了电压减小单元的功能。当它闭合时，所有驱动电压都跨膜。当它断开时，所有电压都跨开关。现有技术布置与本发明之间的关键区别在于现有技术需要处理单元的控制以减小所施加的电压。所述开关还需要电流源来激活开关(通过计算机或数字控制)
在图1的实例中，所述过程可以重复四次，以便在四个膜4中的每一个中插入一个膜通道。
借助于实例，图2中示意性地示出了单个插入事件的驱动电压30的变化。处理单元50以恒定速率逐渐增加驱动电压30，直到检测到插入。在所示的实例中，插入事件发生在箭头40处。虚线曲线示出了如果没有发生插入，驱动电压30将如何继续。
尽管上文参考图1和图2描述的方法可以防止或减少同一膜中的多个膜通道插入，但是重复驱动电压的逐渐增加的要求是耗时的并且可能减小产量。此外，实施计算机控制是复杂且不方便的。
在图3是实例的实施例中，所述设备进一步包括与膜4串联连接的膜电压减小单元20。在图3的具体实例中，提供四个膜电压减小单元20，每个膜电压减小单元与对应的不同膜4串联连接。
驱动单元15被配置成在跨膜电压减小单元20和膜4上施加驱动电压30。在所示的实例中，驱动电压30从第一电极14施加到膜电压减小单元20的与第一电极14相对的一侧(即，电压沿着从第一电极14通过第一浴槽6、膜4、第二浴槽8、第二电极16和膜电压减小单元20的电路增加/减小)。
膜电压减小单元20被配置成使得通过膜4中的膜通道本身插入(即，没有任何外部计算机控制)引起的通过膜4的电阻的减小增加了跨膜电压减小单元20的电位差。跨膜电压减小单元20的电位差的增加降低了跨膜4的电位差。这是因为从第一电极14到膜电压减小单元20的与第一电极14相对的一侧的串联电路用作分压器。膜电压减小单元20被配置成使得跨膜4的电位差的降低足以防止或减少对插入另一个膜通道的促进。
因此，通过膜电压减小单元20的固有特性与其与膜4串联的位置结合，控制穿过膜的所施加的膜的减少和对随后的膜通道插入的控制。
所述膜电压减小单元被配置成使得跨所述膜的所述电位差的所述降低在没有逻辑控制的情况下触发。不需要逻辑控制以降低跨膜的施加电位。逻辑控制意味着的实例是数字或手动控制的计算机。使用FPGA降低施加的电位将是逻辑控制的实例。
对于对应的多个膜4中的每一个提供多个膜电压减小单元20，可以同时控制多个第二浴槽中的通道的插入，同时将相同的驱动电压30施加到所有第二浴槽。与上面参考图1和2讨论的类型的现有技术布置相比，不再需要以顺序方式(一个接一个地)施加渐进的电压斜坡。因此可以并行插入膜，从而节省时间并提高产量。更进一步，因为不再需要等待处理单元50检测何时已经发生插入，所以可以在更短的时间段内进行驱动电压30的逐渐增加，从而进一步提高速度。在某些实施例中，甚至可以省去驱动电压30的逐渐增加(通过立即施加高于预期发生膜插入的电平的电压)。一旦膜通道插入，膜电压将下降到太低而不能促进进一步插入的电平。这种方法简化了实施方案，但可能增加在同一第二浴槽中插入多个通道的风险。增加了多通道插入的风险，因为最初施加的电压可能明显高于插入所需的电压。
图3的实施例是其中提供多个第二浴槽8的实例，其中每个第二浴槽8支撑不同的膜4。然而，每个第二浴槽8不必具有不同的膜4。在其它实施例中，每个第二浴槽8可以由同一膜4的不同部分密封(即，使得膜跨越入口到多个不同的第二浴槽8)。在提供多个这种第二浴槽8的情况下，每个膜电压减小单元20与不同的膜(在每个第二浴槽8由不同的膜4密封的情况下)或同一膜4的不同部分(在膜4跨越入口到多个不同的第二浴槽8的情况下)串联连接。在此类型的实施例中，驱动单元15可以被配置成跨所有由膜电压减小单元20和膜4构成的对或跨所有由膜电压减小单元20和同一膜4的对应的不同部分构成的对(如适用)并行地施加驱动电压30。
可以以各种方式实施膜电压减小单元20。下面参考图4-10描述三个示例实施方案。图5、7和9示出了三种实施方案中的每一种的等效电路。图6、8和10示出了当图4的逐渐增加的驱动电压施加到图5、7和9的等效电路中的每一个时，膜电压32将如何随时间变化的模拟结果。在每种情况下，通道插入由箭头40指示。
可以以各种不同方式配置图4的驱动电压30的逐渐增加。对于所示出的模拟，驱动电压30从零增加到450mV。通道插入电压设置为280mV。通道(孔)的电阻Rp设置为0.67Gohm。
在图5和6的实施例中，膜电压减小单元20包括电流源。电流源能够在至多达到最大电阻的整个电阻范围内供应恒定电流。这种电流源在本领域中是已知的并且可以以各种形式提供。在此实施例中，跨膜的电位差的降低是由于通过膜的电阻从高于所述最大电阻的电阻减小到低于所述最大电阻的电阻。可以通过参考图5的等效电路理解行为。在此电路中，Cm表示完整膜4的电容，Rm表示完整膜4的电阻，并且Rp表示通过插入的膜通道的电阻。在此支路中示出了开关，以表示插入的膜通道不会总是存在。Rp远低于Rm，因此当膜通道插入Rp时有效地短路Rm(和Cm)。当Rp支路中的开关闭合(通道插入)时，Cm、Rm和Rp的并联布置的电阻由Rp控制(即约等于Rp)。当Rp支路中的开关断开(通道未插入)时，Cm、Rm和Rp的并联布置的电阻由Rm控制(即约等于Rm)。
在本实施例中，电流源能够通过改变地与驱动电压30之间的点X处的电位施加恒定电流。在此实施例中，第一电极14接地，因此跨膜的电位差(忽略第一浴槽6和第二浴槽8)约等于X。驱动电压30因此是电流源可以施加到膜4的最大电位差。如果驱动电压30不足以使预定的恒定电流流动，则电流源将X处的电压驱动到尽可能接近X，这是电流源可以做的最大努力以尝试并实现预定的恒定电流。配置电流源(通过适当选择预定的恒定电流)，使得当Rp支路中的开关断开时，驱动电压30将不足以使预定的恒定电流流动。因此，Rm高于电流源能够驱动恒定电流的最大电阻。另一方面，电流源被配置成使得Rp低于最大电阻。因此，当插入发生时，电流源现在能够驱动通过膜4(主要通过新插入的通道)的恒定电流。更进一步，这可以通过在X处施加远低于驱动电压30的电压来实现，由此降低跨膜4的电位差，从而防止或减少另一个膜通道的插入。使用以标准方式起作用的标准电流源实现此功能。电流源不需要计算机控制电流源以根据需要响应插入通道。合适的电流源可以容易地在硅中实施，由此便于制造。
图6示出了使用图5的实施例可以获得的行为类型。膜电压32在插入通道时立即下降(箭头40)并且即使在驱动电压30继续上升时也保持低且稳定。即使当驱动电压30达到其最大值时，膜电压32已经自从点40处插入以来几乎没有变化。因此，膜电压32促进任何进一步的通道插入的风险非常低。在所示的特定模拟中，电流源设置为提供100pA，因此插入之后的膜电压32为约67mV(100pA*0.67Gohm)。
在图7和8的实施例中，膜电压减小单元20包括与膜4串联的电阻部件。选择电阻部件的电阻Rlim，使得当Rp支路断开(通道未插入)时，膜电压是驱动电压30的足够大的比例，可以有效地促进通道插入，但是当Rp支路闭合(通道插入)时，则电阻Rlim足够大，使得膜电压下降到足够低的电平，以防止或减少对插入另一个膜通道的促进。一般来说，Rlim需要很高，通常高于约1Gohm。
图8示出了使用图7的实施例可以获得的行为类型。可以看出，膜电压32在插入通道时立即下降并且在驱动电压30继续上升时保持相对低(尽管缓慢增加)。然而，即使当驱动电压30已经达到其最大值时，膜电压32也没有上升到显著促进通道插入的电平。
在图9和10的实施例中，膜电压减小单元20包括与膜4串联的二极管。选择二极管的特性，使得当Rp支路断开(通道未插入)时，膜电压是驱动电压30的足够大的比例，可以有效地促进通道插入，但是当Rp支路闭合(通道插入)时，则膜电压充分下降，使膜电压下降到足够低的电平，以防止或减少对插入另一个膜通道的促进。
图10示出了使用图9的实施例可以获得的行为类型。膜电压32在插入通道时立即下降并且在驱动电压30继续上升时，在相当长的时间段内保持相对低的电压。对于在此模拟中使用的特定二极管特性，当驱动电压30已经达到其最大值时，膜电压32已经上升到与发生通道插入(点40)的电压相当的电平。然而，在此实施例中，通过减小驱动电压30的最大值，可以减小进一步膜插入的风险。减小驱动电压30的最大值可以减小具有成功插入通道的膜的比例，但也会减小其中插入多于一个通道的膜的比例。尽管图10的行为明显不如图6和8的行为所希望的，但是由于易于制造，图9的实施例在某些情况下可能仍然是理想的。二极管很容易获得，可以以紧凑的形式实施(它们很容易构建到硅中或组装在PCB上)，并且甚至可以存在于用于其它目的的电路系统中，但可以适用或利用于本上下文中。图9和10的实施例可以比图7和8的实施例更容易实施，因为通常更容易在硅或PCB上提供合适的二极管，而不是提供图7的电阻器Rlim所需的非常高的电阻。
如图4-10的实施例中所示，驱动单元15可以被配置成使得驱动电压30逐渐增加到预定的最大驱动电压。这种行为可以由硬件控制，或者控制可以由处理单元50施加(如图3所示)。然而，如上所述，在涉及处理单元50的情况下，由于膜电压减小单元20的固有特性，处理单元50不需要在插入通道发生时触发降低跨膜的电位差。
在实施例中，驱动单元15被配置成使得驱动电压30在小于5s内逐渐增加到预定的最大驱动电压。如上所述，这种斜坡可以比现有技术的布置更快地施加，因为没有必要提供计算机控制的时间。膜电压减小单元20的固有特性允许单元比计算机通常可以更快地响应通道插入(不提供过于昂贵的硬件)。
如在说明书的介绍部分中提到的，插入的膜通道(或纳米孔)可以用于执行感测。下面给出进一步的示例性细节。
在实施例中，纳米孔用于分子实体感测设备中，以确定分析物的特性。待确定的分析物可以是聚合物，如氨基酸、肽、多肽、蛋白质或多核苷酸。多核苷酸可以包括任何核苷酸的任何组合。核苷酸可以是天然存在的或人工的。多核苷酸中的一个或多个核苷酸可以被氧化或甲基化。多核苷酸可以是核酸，如脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)。多核苷酸可以包括与一条DNA链杂交的一条RNA链。多核苷酸可以是本领域已知的任何合成核酸。待确定的分析物可以是安瓿。可以使分子实体转移孔以及分子实体与测量的孔之间的相互作用。
分析物通过通道的易位可以通过如多核苷酸处理酶等运动蛋白辅助。优选的酶是聚合酶、核酸外切酶、解旋酶和拓扑异构酶，如旋转酶。可以在本发明中使用任何解旋酶。解旋酶可以是或衍生自Hel308解旋酶、RecD解旋酶，如TraI解旋酶或TrwC解旋酶、XPD解旋酶或Dda解旋酶。解旋酶可以是在以下国际申请号中公开的解旋酶、经修饰解旋酶或解旋酶构建体中的任何一个：PCT/GB2012/052579(公开为WO 2013/057495)；PCT/GB2012/053274(公开为WO 2013/098562)；PCT/GB2012/053273(公开为WO2013098561)。替代性地，分析物通过孔的易位也可以通过电压控制辅助，如国际专利申请PCTTT/US2008/004467所公开的。
待确定的特性可以是聚合物的序列特性。序列特性的确定可以通过国际专利申请PCT/GB2012/052343和PCT/GB2013/050381公开的方法进行。
膜通道可以是纳米孔，其可以是天然存在的孔、衍生自天然存在的孔的突变孔或合成孔。膜通道的通道宽度通常处于0.5nm与25nm之间，并且通道宽度沿其长度可以变化。孔可以是均低聚的，即衍生自相同的单体。孔可以是异低聚的，即其中至少一种单体与其它单体不同。根据本发明使用的跨膜蛋白质孔可以衍生自β桶孔或α螺旋束孔。合适的孔包含但不限于α溶血素、炭疽毒素和白细胞素、细菌的外膜蛋白质/孔蛋白，如耻垢分枝杆菌孔蛋白(Msp)，例如MspA、MspB、MspC或MspD、CsgG、外膜孔蛋白F(OmpF)、外膜孔蛋白G(OmpG)、外膜磷脂酶A和奈瑟氏球菌自转运脂蛋白(NalP)以及其它孔，如胞溶素、WZA和ClyA毒素、Sp1、胞溶素或FraC。
WO 2016/034591中公开了衍生自CsgG的合适的孔。WO 2013/153359中公开了衍生自胞溶素的合适的孔。孔可以是DNA折纸孔，如Langecker等人，《科学(Science)》，2012；338:932-936所述，通过引用特此并入。
膜可以是两亲性的(也称为两亲性膜)。两亲性膜是由两亲分子形成的膜，所述两亲分子如磷脂，其具有亲水性和亲脂性特性两种。两亲性层可以是单层或双层。两亲性层可以是共嵌段聚合物，如通过Gonzalez-Perez等人，《朗缪尔(Langmuir)》2009,25,10447-10450和美国号6,723,814所公开的，两者均通过引用在此并入。聚合物可以是PMOXA-PDMS-PMOXA三嵌段共聚物。
测量方法可以包含当分析物相对于孔移动时，测量通过孔的电流。用于测量通过跨膜通道孔的离子电流的适当条件在本领域中是已知的。方法通常在跨膜和孔施加电压的情况下进行。所使用的电压通常是+5V到-5V，如+4V到-4V、+3V到-3V或+2V到-2V。所使用的电压通常是-600mV到+600mV或-400mV到+400mV。所使用的电压优选地处于具有下限和上限的范围内，所述下限选自-400mV、-300mV、-200mV、-150mV、-100mV、-50mV、-20mV和0mV，并且所述上限独立地选自+10mV、+20mV、+50mV、+100mV、+150mV、+200mV、+300mV和+400mV。所使用的电压更优选地处于100mV到240mV的范围内，并且最优选地处于120mV到220mV的范围内。通过使用增加的施加电位，可以通过孔增加不同核苷酸之间的区分。
替代性地，测量可以是指示通过通道的离子流的荧光测量，如通过Heron等人，《美国化学协会期刊(J.Am.Chem.Soc.)》2009,131(5),1652-1653所公开的或使用FET测量跨膜的电压。
通常在存在任何电荷载流子的情况下进行方法，所述电荷载流子如金属盐，例如碱金属盐；卤盐，例如如碱金属氯化物盐等氯化物盐。液体通常是含水的并含有离子。可以使用氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)、氯化铯(CsCl)或亚铁氰化钾和铁氰化钾的混合物。电荷载流子可以是跨膜不对称的。例如，电荷载流子的类型和/或浓度可以在膜的各侧上不同。
盐浓度可以是饱和的。盐浓度可以是3M或更低，并且通常是0.1M到2.5M。高盐浓度提供高信噪比并且允许在正常电流波动的背景下识别指示核苷酸存在的电流。
通常在存在缓冲液的情况下进行方法。在以下讨论的示例性设备中，缓冲液存在于室中的水溶液中。可以使用任何缓冲液。通常，缓冲液是磷酸盐缓冲液。
尽管本文已经描述和展示了本公开的若干个实施例，但本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文描述的功能和/或获得这些结果和/或这些优点中的一个或多个优点的各种其它装置和/或结构，并且此类变型和/或修改中的每一个被认为是在本公开的范围内。更一般来讲，本领域的技术人员将容易认识到，本文中描述的所有参数、尺寸、材料以及配置意味着是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于本公开的传授内容所用于的一种或多种具体应用。本领域的技术人员仅仅使用常规实验将认识到或能够确认本文中描述的公开的具体实施例的许多等效物。因此，应理解，前述实施例是仅通过实例方式来介绍的，并且在所附权利要求和其等效物的范围内，本发明可以按与具体描述和要求不同的方式来实践。本发明涉及本文中描述的每个单独的特征、系统、物品、材料和/或方法。此外，两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料和/或方法的任何组合，如果这样的特征、系统、物品、材料和/或方法并不相互矛盾，被包含在本发明的范围内。
如本文在说明书中使用的，不定冠词“一(a)”和“一个(an)”除非明确作出相反指示，否则应当理解为是指“至少一个”。
如本文在说明书中使用的，短语“和/或”应当理解为是指这样联合的要素中的“任一个或两个”，即，要素在一些情况下共同存在而在其它情况下分开存在。除了用“和/或”短语具体标识的要素，其它要素可以任选地存在，无论是与具体标识的那些要素相关还是不相关，除非明确相反地指出。因此，作为非限制性实例，当与开放式语言，如“包括”结合使用时，对“A和/或B”的引用在一个实施例中可以指代A而没有B(任选地包含除了B之外的要素)；在另一个实施例中，指代B而没有A(任选地包含除了A之外的要素)；在又另一个实施例中，指代A和B两者(任选地包含其它要素)；等。
如本文中在本说明书和权利要求中所使用的，“或”应被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项目分开时，“或”或“和/或”应被解释为包容性的，即包括多个要素或要素清单中的至少一个要素、而且还包括多于一个要素，以及可选地其它未列出的项。仅仅清楚地指示相反的用语，如“……中的仅一个”或“……中的确切一个”或者在权利要求中使用时“由……组成”将指包括多个要素或要素清单中的恰好一个要素。一般而言，当之前有排他性术语、比如“任一个”、“……之一”、“……中的仅一个”、或“……中的确切一个”时，本文中使用的用语“或”应当仅被解释为指示排他性替代品(即，“一个或另一个、而不是两个”)。当在权利要求中使用时，“基本上由……组成”应当具有如在专利法领域中所使用的普通含义。
如在本说明书和权利要求中所使用的，关于一个或多个要素的清单的短语“至少一个”应被理解为是指选自要素清单中的任一个或多个要素的至少一个要素、但不一定包括要素清单内具体列出的每一个要素的至少一个、并且不排除要素清单中要素的任何组合。这个定义还允许可以可选地存在除了在短语“至少一个”所指的要素清单内具体标识的要素之外的要素，而无论是否与具体标识的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)在一个实施例中可以是指至少一个、任选地包括多于一个A，而不存在B(并且任选地包括除了B的元件)；在另一个实施例中，可以是指至少一个、任选地包括多于一个B，而不存在A(并且任选地包括除了A的元件)；在又另一个实施例中，可以是指至少一个、任选地包括多于一个A，以及至少一个、任选地包括多于一个B(并且任选地包括其它元件)；等。
在权利要求以及以上说明书中，所有过渡性短语，比如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等应被理解为是开放式的，即是指包括但不限于。如美国专利局专利审查手册第2111.03节所述的，只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡性短语。
在权利要求书中使用如“第一”、“第二”、“第三”等顺序术语来修改权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素的任何优先权、优先级、或顺序优于另一个权利要求元素或者方法的动作被执行的时间顺序，而是仅用作用于将具有某个名称的一个权利要求元素与具有相同名称(但使用顺序术语)的另一元素进行区分的标签，从而区分这些权利要求元素。
权利要求或本公开中限定的特征可以以任何组合一起使用。

Claims (22)

1.一种用于控制膜通道插入膜(4)中的设备，其包括：
第一电极(14)，其被配置成接触与所述膜(4)的第一表面接触的第一液体；
第二电极(16)，其被配置成接触与所述膜(4)的第二表面接触的第二液体，其中所述膜(4)将所述第一液体和所述第二液体分隔开；以及
驱动单元(15)，其被配置成通过所述第一电极和所述第二电极(14、16)跨所述膜(4)施加电位差以促进膜通道从所述第一液体或所述第二液体插入所述膜(4)中，并且
其中，所述电位差随时间变化以提供电压波形，并且通过(i)随时间推移所述电位差，或(ii)在逐渐更高的值的电位值之间逐步增大而增加，并且
其中，所述设备包括电路，所述电路包括与所述膜串联连接的膜电压减小单元，其跨电路重新分配施加的电位，使得插入膜通道之后跨所述膜的电位差降低。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述驱动单元被配置成跨所述膜电压减小单元和所述膜施加驱动电压，所述驱动电压提供跨所述膜的所述电位差。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，初始电位值在0mV至150mV之间，并且最终的膜电位在200至600mV之间。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述电位差以1-10mV的步骤增加，每步骤1到15秒。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，通过以下方式中的至少一项来增加所述电位：通过随时间推移所述电位和在逐渐更高的值的电位值之间逐步增大。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述电位差线性地或非线性地增加。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述电位通过使所述膜拉伸并且变薄来辅助所述插入。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述膜通道是天然存在的孔、衍生自天然存在的孔的突变孔或合成孔。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，提供多个膜电压减小单元以同时控制多个第二浴槽中的通道的插入，同时将相同的驱动电压施加到所述多个第二浴槽。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述膜电压减小单元(20)被配置成使得由膜通道的插入引起的通过所述膜(4)的电阻的减小固有地增加跨所述膜电压减小单元(20)的电位差，由此降低跨所述膜(4)的所述电位差，其中跨所述膜(4)的所述电位差的所述降低足以防止或减少对插入另一个膜通道的促进。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括：第一浴槽(6)，其用于容纳与所述膜(4)的第一表面接触的第一液体；和第二浴槽(8)，其用于容纳与所述膜(4)的第二表面接触的第二液体。
12.根据权利要求1或2所述的设备，其中
所述膜电压减小单元(20)包括电流源，所述电流源被配置成在至多达到最大电阻的整个电阻范围内供应恒定电流；并且
跨所述膜(4)的所述电位差的所述降低由通过所述膜(4)的所述电阻从高于所述最大电阻的电阻减小到低于所述最大电阻的电阻引起。
13.根据权利要求1或2所述的设备，其中
所述膜电压减小单元(20)包括与所述膜(4)串联的电阻部件，其中所述电阻部件的电阻被选择为确保跨所述膜(4)的所述电位差的所述降低足以防止或减少对插入另一个膜通道的促进，同时还允许跨所述膜(4)的所述电位差在插入之前足够高以在插入之前促进所述膜通道的插入。
14.根据权利要求1或2所述的设备，其中
所述膜电压减小单元(20)包括与所述膜(4)串联的二极管，其中所述二极管被配置成使得跨所述膜(4)的所述电位差的所述降低足以防止或减少对插入另一个膜通道的促进，同时还允许跨所述膜(4)的所述电位差在插入之前足够高以在插入之前促进所述膜通道的插入。
15.根据权利要求14所述的设备，其中：
提供多个所述第二浴槽(8)，每个第二浴槽(8)被配置成支撑不同的膜(4)；
提供多个所述膜电压减小单元(20)，每个膜电压减小单元(20)与不同的膜(4)或同一膜(4)的不同部分串联连接；并且
所述驱动单元(15)被配置成跨所有由膜电压减小单元(20)和不同的膜(4)构成的对或跨所有由膜电压减小单元(20)和同一膜(4)的不同部分构成的对并联地施加所述驱动电压。
16.一种控制膜通道插入膜(4)中的方法，其包括：
提供膜(4)，所述膜(4)在所述膜(4)的相应第一侧和第二侧上与第一液体和第二液体接触并将所述第一液体和第二液体分隔开；
使用驱动单元(15)通过所述第一电极和所述第二电极(14、16)跨所述膜(4)施加电位差以促进膜通道从所述第一液体或所述第二液体插入所述膜(4)中，其特征在于：
其中，所述电位差随时间变化以提供电压波形，并且所述电位差通过(i)随时间推移所述电位差，或(ii)在逐渐更高的值的电位值之间逐步增大而增加，并且
其中，所述设备包括电路，所述电路包括与所述膜串联连接的膜电压减小单元，其跨电路重新分配施加的电位，使得插入膜通道之后跨所述膜的电位差降低。
17.根据权利要求16所述的方法，其中
所述膜电压减小单元(20)包括电流源，所述电流源能够在至多达到最大电阻的整个电阻范围内供应预定的恒定电流；并且
跨所述膜(4)的所述电位差的所述降低由通过所述膜(4)的所述电阻从高于所述最大电阻的电阻减小到低于所述最大电阻的电阻引起。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：
所述膜电压减小单元(20)包括与所述膜(4)串联的电阻部件，其中所述电阻部件的电阻被选择为确保跨所述膜(4)的所述电位差的所述降低足以防止或减少对插入另一个膜通道的促进，同时还允许跨所述膜(4)的所述电位差在插入之前足够高以在插入之前促进所述膜通道的插入。
19.根据权利要求16所述的方法，其中：
所述膜电压减小单元(20)包括与所述膜(4)串联的二极管，其中所述二极管被配置成使得跨所述膜(4)的所述电位差的所述降低足以防止或减少对插入另一个膜通道的促进，同时还允许跨所述膜(4)的所述电位差在插入之前足够高以在插入之前促进所述膜通道的插入。
20.根据权利要求1到15中任一项所述的设备或根据权利要求16到19中任一项所述的方法，其中，所述膜电压减小单元(20)被配置为使得在没有逻辑控制的情况下触发跨所述膜(4)的所述电位差的所述降低。
21.根据权利要求1到15中任一项所述的设备或根据权利要求16-19中任一项所述的方法，其中所述膜(4)包括两亲性膜。
22.一种膜(4)，其包括通过根据权利要求16到19中任一项所述的方法控制的方法插入的膜通道。
CN202011060676.1A 2016-11-24 2017-11-24 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法 Active CN112345743B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011060676.1A CN112345743B (zh) 2016-11-24 2017-11-24 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1619930.9 2016-11-24
GBGB1619930.9A GB201619930D0 (en) 2016-11-24 2016-11-24 Apparatus and methods for controlling insertion of a membrane channel into a membrane
CN202011060676.1A CN112345743B (zh) 2016-11-24 2017-11-24 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法
PCT/GB2017/053538 WO2018096348A1 (en) 2016-11-24 2017-11-24 Apparatus and methods for controlling insertion of a membrane channel into a membrane
CN201780072538.5A CN110023753B (zh) 2016-11-24 2017-11-24 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780072538.5A Division CN110023753B (zh) 2016-11-24 2017-11-24 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112345743A true CN112345743A (zh) 2021-02-09
CN112345743B CN112345743B (zh) 2023-11-24

Family

ID=58073470

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780072538.5A Active CN110023753B (zh) 2016-11-24 2017-11-24 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法
CN202011060676.1A Active CN112345743B (zh) 2016-11-24 2017-11-24 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780072538.5A Active CN110023753B (zh) 2016-11-24 2017-11-24 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法

Country Status (10)

Country Link
US (1) US12042790B2 (zh)
EP (1) EP3545300B1 (zh)
JP (2) JP6964136B2 (zh)
KR (2) KR102296227B1 (zh)
CN (2) CN110023753B (zh)
AU (2) AU2017365928B2 (zh)
CA (1) CA3043985C (zh)
GB (1) GB201619930D0 (zh)
IL (1) IL266768A (zh)
WO (1) WO2018096348A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023123292A1 (zh) * 2021-12-30 2023-07-06 深圳华大生命科学研究院 纳米孔生物传感器的制备方法及测序方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020109800A1 (en) 2018-11-28 2020-06-04 Oxford Nanopore Technologies Ltd. Sensing system and method of operation
WO2020120542A2 (en) * 2018-12-11 2020-06-18 F. Hoffmann-La Roche Ag Systems and methods for self-limiting protein pore insertion in a membrane
JP7239923B2 (ja) * 2019-06-07 2023-03-15 地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所 測定装置
CN115667542A (zh) * 2020-06-10 2023-01-31 豪夫迈·罗氏有限公司 用于膜中自限性蛋白质孔插入的法拉第系统和方法
US20230266268A1 (en) 2020-07-22 2023-08-24 Oxford Nanopore Technologies Inc. Solid state nanopore formation
GB202202716D0 (en) 2022-02-28 2022-04-13 Oxford Nanopore Tech Plc Apparatus and methods for controlling insertion of a membrane channel into a membrane

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4618916A (en) * 1984-12-18 1986-10-21 Cornell Research Foundation, Inc. Lipid bilayer membrane electronic circuit components
US20080094076A1 (en) * 2004-07-23 2008-04-24 Hibbs Andrew D Method And Apparatus For Sensing A Time Varying Current Passing Through An Ion Channel
US20080218184A1 (en) * 2006-05-05 2008-09-11 University Of Utah Research Foundation Nanopore platforms for ion channel recordings and single molecule detection and analysis
CN101680873A (zh) * 2007-04-04 2010-03-24 加利福尼亚大学董事会 使用纳米孔的组合物、设备、系统和方法
US20110226623A1 (en) * 2009-12-18 2011-09-22 Gregory Timp Characterizing Stretched Polynucleotides in a Synthetic Nanopassage
US20130341192A1 (en) * 2011-07-20 2013-12-26 The Regents Of The University Of California Compensated patch-clamp amplifier for nanopore polynucleotide sequencing and other applications
US20140051068A1 (en) * 2010-09-07 2014-02-20 The Regents Of The University Of California Control of dna movement in a nanopore at one nucleotide precision by a processive enzyme
US20160231307A1 (en) * 2015-02-05 2016-08-11 President And Fellows Of Harvard College Nanopore Sensor Including Fluidic Passage

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07128279A (ja) * 1993-06-25 1995-05-19 Hitachi Ltd 固体イオンセンサ
JP3526912B2 (ja) * 1994-05-24 2004-05-17 大阪瓦斯株式会社 直流ハイブリッド給電装置
US6362002B1 (en) 1995-03-17 2002-03-26 President And Fellows Of Harvard College Characterization of individual polymer molecules based on monomer-interface interactions
US6627067B1 (en) 1999-06-22 2003-09-30 President And Fellows Of Harvard College Molecular and atomic scale evaluation of biopolymers
US6723814B2 (en) 2000-05-16 2004-04-20 Biocure, Inc. Amphiphilic copolymer planar membranes
CN1261767C (zh) * 2003-01-30 2006-06-28 财团法人工业技术研究院 低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置
GB0523282D0 (en) 2005-11-15 2005-12-21 Isis Innovation Methods using pores
GB0614835D0 (en) 2006-07-26 2006-09-06 Isis Innovation Formation of bilayers of amphipathic molecules
AU2008217579A1 (en) 2007-02-20 2008-08-28 Oxford Nanopore Technologies Limited Formation of lipid bilayers
WO2009005547A2 (en) * 2007-03-09 2009-01-08 University Of Utah Research Foundation Method for electrostatic trapping of molecules in nanopores
EP2195648B1 (en) 2007-09-12 2019-05-08 President and Fellows of Harvard College High-resolution molecular graphene sensor comprising an aperture in the graphene layer
US20120052188A1 (en) 2010-02-08 2012-03-01 Genia Technologies, Inc. Systems and methods for assembling a lipid bilayer on a substantially planar solid surface
GB2490847B8 (en) 2010-02-08 2014-10-22 Gania Technologies Inc Systems and methods for manipulating a molecule ina nanopore
JP5427722B2 (ja) * 2010-07-28 2014-02-26 株式会社日立ハイテクノロジーズ ナノポア式分析装置及び試料分析用チャンバ
US8968539B2 (en) * 2011-03-08 2015-03-03 Electronic Biosciences, Inc. Methods for voltage-induced protein incorporation into planar lipid bilayers
CN104066850B (zh) 2011-09-23 2017-11-10 牛津楠路珀尔科技有限公司 包含聚合物单元的聚合物的分析
US9758823B2 (en) 2011-10-21 2017-09-12 Oxford Nanopore Technologies Limited Enzyme method
WO2013098562A2 (en) 2011-12-29 2013-07-04 Oxford Nanopore Technologies Limited Enzyme method
WO2013098561A1 (en) 2011-12-29 2013-07-04 Oxford Nanopore Technologies Limited Method for characterising a polynucelotide by using a xpd helicase
EP3736339B1 (en) 2012-02-16 2022-07-27 Oxford Nanopore Technologies plc Analysis of measurements of a polymer
EP2814939B1 (en) * 2012-02-16 2018-04-18 The Regents of the University of California Nanopore sensor for enzyme-mediated protein translocation
CN102621214B (zh) * 2012-03-13 2014-10-29 美国哈佛大学 一种基于固态纳米孔对核酸分子进行减速及单分子捕获的方法
CN112646019B (zh) 2012-04-10 2022-08-16 牛津纳米孔科技公开有限公司 突变胞溶素孔
EP2911771B1 (en) 2012-10-26 2017-01-18 Oxford Nanopore Technologies Limited Droplet interfaces
GB201313121D0 (en) 2013-07-23 2013-09-04 Oxford Nanopore Tech Ltd Array of volumes of polar medium
EP3470554B1 (en) 2013-03-15 2020-05-27 President and Fellows of Harvard College Fabrication of nanopores in atomically-thin membranes by ultra-short electrical pulsing
WO2015097765A1 (ja) * 2013-12-25 2015-07-02 株式会社日立製作所 穴形成方法、測定装置及びチップセット
US9828623B2 (en) 2014-03-13 2017-11-28 Illinois Institute Of Technology Nanopore stochastic sensing of biomarkers
CA2959220A1 (en) 2014-09-01 2016-03-10 Vib Vzw Mutant csgg pores
US9557294B2 (en) 2014-12-19 2017-01-31 Genia Technologies, Inc. Nanopore-based sequencing with varying voltage stimulus
WO2016142925A1 (en) 2015-03-12 2016-09-15 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Nanopore forming method and uses thereof
WO2016181465A1 (ja) * 2015-05-11 2016-11-17 株式会社日立製作所 分析デバイス及び分析方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4618916A (en) * 1984-12-18 1986-10-21 Cornell Research Foundation, Inc. Lipid bilayer membrane electronic circuit components
US20080094076A1 (en) * 2004-07-23 2008-04-24 Hibbs Andrew D Method And Apparatus For Sensing A Time Varying Current Passing Through An Ion Channel
US20080218184A1 (en) * 2006-05-05 2008-09-11 University Of Utah Research Foundation Nanopore platforms for ion channel recordings and single molecule detection and analysis
CN101680873A (zh) * 2007-04-04 2010-03-24 加利福尼亚大学董事会 使用纳米孔的组合物、设备、系统和方法
US20110226623A1 (en) * 2009-12-18 2011-09-22 Gregory Timp Characterizing Stretched Polynucleotides in a Synthetic Nanopassage
US20140051068A1 (en) * 2010-09-07 2014-02-20 The Regents Of The University Of California Control of dna movement in a nanopore at one nucleotide precision by a processive enzyme
US20130341192A1 (en) * 2011-07-20 2013-12-26 The Regents Of The University Of California Compensated patch-clamp amplifier for nanopore polynucleotide sequencing and other applications
US20160231307A1 (en) * 2015-02-05 2016-08-11 President And Fellows Of Harvard College Nanopore Sensor Including Fluidic Passage

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023123292A1 (zh) * 2021-12-30 2023-07-06 深圳华大生命科学研究院 纳米孔生物传感器的制备方法及测序方法

Also Published As

Publication number Publication date
AU2017365928A1 (en) 2019-05-23
US20200179920A1 (en) 2020-06-11
EP3545300A1 (en) 2019-10-02
AU2020294228B2 (en) 2023-04-06
AU2017365928B2 (en) 2020-11-19
CN112345743B (zh) 2023-11-24
KR20190086731A (ko) 2019-07-23
CN110023753A (zh) 2019-07-16
WO2018096348A1 (en) 2018-05-31
JP6964136B2 (ja) 2021-11-10
JP7252297B2 (ja) 2023-04-04
CN110023753B (zh) 2020-10-30
CA3043985A1 (en) 2018-05-31
IL266768A (en) 2019-07-31
AU2020294228A1 (en) 2021-01-28
JP2020500311A (ja) 2020-01-09
KR102421499B1 (ko) 2022-07-14
KR20210107917A (ko) 2021-09-01
EP3545300B1 (en) 2023-02-22
GB201619930D0 (en) 2017-01-11
US12042790B2 (en) 2024-07-23
CA3043985C (en) 2023-06-13
JP2022009210A (ja) 2022-01-14
KR102296227B1 (ko) 2021-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110023753B (zh) 用于控制膜通道插入膜中的设备和方法
US20240299884A1 (en) Methods and apparatus for forming apertures in a solid state membrane using dielectric breakdown
US10926486B2 (en) Systems and methods for forming a nanopore in a lipid bilayer
EP2843405B1 (en) Systems and methods for manipulating a molecule in a nanopore
EP3295187B1 (en) Apparatus and methods for measuring an electrical current
US20160340719A1 (en) Systems and methods for characterizing a molecule
US20140374253A1 (en) Systems and methods for manipulating a molecule in a nanopore
US20110287414A1 (en) Systems and methods for identifying a portion of a molecule
CN115667542A (zh) 用于膜中自限性蛋白质孔插入的法拉第系统和方法
CN115485553A (zh) 用于使用捕获的电荷形成双层以及以纳米孔阵列插入孔的系统和方法
CN113260449A (zh) 用于膜中自限性蛋白质孔插入的系统和方法
AU2015207973B2 (en) Systems and methods for manipulating a molecule in a nanopore

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: oxford

Applicant after: Oxford nanopore Technology Public Co.,Ltd.

Address before: oxford

Applicant before: OXFORD NANOPORE TECHNOLOGIES LTD.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant