CN112812954A - 一种基因测序芯片 - Google Patents
一种基因测序芯片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112812954A CN112812954A CN202011603070.8A CN202011603070A CN112812954A CN 112812954 A CN112812954 A CN 112812954A CN 202011603070 A CN202011603070 A CN 202011603070A CN 112812954 A CN112812954 A CN 112812954A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- gene sequencing
- sequencing chip
- unit
- fluorescence
- 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.)
- Pending
Links
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 title claims description 17
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 49
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 25
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 21
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims description 7
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 108090001008 Avidin Proteins 0.000 description 1
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 description 1
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 description 1
- 241001330002 Bambuseae Species 0.000 description 1
- 230000007067 DNA methylation Effects 0.000 description 1
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 description 1
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000001917 fluorescence detection Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 229920000136 polysorbate Polymers 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000005180 public health Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
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
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6869—Methods for sequencing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6402—Atomic fluorescence; Laser induced fluorescence
Abstract
本发明属于生物传感检测技术领域,公开了一种可用于单分子测序的芯片,芯片的制作方法以及可采用的检测方法,包括光纤平板,金属薄膜以及金属薄膜上纳米孔结构,其中金属镀膜于光纤平板端面一端,在光纤平板的每一个光纤上具有纳米孔结构。本申请适用于基于荧光的单分子测序技术,其中纳米孔结构用于形成超小体积的光学模场和生物反应单元,光纤束用于增加产生荧光信号的收集效率,金属孔内的荧光分子信号经过光纤束传播后由探测系统以成像的方式检测。
Description
技术领域
本发明属于生物传感检测领域,特别涉及一种单分子基因测序芯片。
背景技术
基因测序技术在生命科学、公共健康领域发挥重要作用。当前测序技术中的主流是基于扩增建立文库的二代测序技术,这种技术在测序通量方面获得了极大的提升,但受到扩增以及测序化学过程的影响,测序读长无法满足例如DNA甲基化等长读长测序领域;而三代单分子测序技术通过测序化学和单分子操控方面的技术提升可极大提升测序读长,然而单分子散射荧光方向性差,需要高数值孔径物镜提升荧光信号收集效率,从而限制了单次成像的视场和测序的通量。因此提升单分子荧光发射方向性以及收集效率是单分子测序领域急需解决的问题。
发明内容
本发明为的是提供一种可实现单分子荧光激发以及收集的芯片,实现单分子荧光的激发同时能够提高单分子荧光收集效率,有利于增加单分子荧光测序的通量。为实现上述目的,本发明采用以下具体技术方案:
一种基因测序芯片,包括多根单元光纤的光纤平板、镀在光纤平板上的金属薄膜以及加工在对应单元光纤的纤芯位置处金属薄膜上的纳米孔结构。
优选地,单元光纤为直径均匀的圆柱光纤,单元光纤的轴向垂直于金属薄膜;单元光纤镀有金属薄膜的一端具有高数值孔径,另一端具有低数值孔径。
优选地,单元光纤为直径小于100μm的多模光纤。
优选地,单元光纤包含包层和芯层,包层和芯层的材料折射率和直径比例满足多模式传播。
优选地,光纤平板上的多根单元光纤具有正六边形或矩形排布,相邻的单元光纤间距为5-20μm。
优选地,金属薄膜的厚度为50-200nm。
优选地,纳米孔结构横截面为直径在80-200nm的圆,或者为等面积的矩形,或者为等面积的正方形。
本发明能够取得以下技术效果:
1、单元光纤接收端具有高数值孔径能够提高荧光信号收集效率,具有低数值孔径的发射端能够提高荧光发射方向性,从而提高后端光学采集系统的收集效率,提高单分子荧光检测信噪比。
2、光纤平板加工可通过热拉伸的方式加工,单位面积上阵列数目多且直径可达数厘米量级,可以极大提升单分子荧光测序通量。
3、具有金属薄膜层的纳米孔结构能够提升纳米孔结构内光场的均匀性,提高荧光信号的发光强度,可实现高浓度进样条件下单分子的荧光激发。
附图说明
图1是本发明一个实施例的一种基因测序芯片的结构示意图;
图2是本发明一个实施例的单元光纤端面具有金属薄膜和纳米孔结构示意图;
图3是本发明一个实施例的应用场景。
附图标记:
光纤平板1、芯片基底11、单元光纤12、纳米孔结构121、金属薄膜122、单元光纤芯123、包层124、芯层125、激光器2、物镜3、二向色镜4、滤光片5、筒镜6、成像探测器7。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,而不构成对本发明的限制。
本发明的目的是提供一种可实现单分子荧光激发以及收集的芯片,实现单分子荧光的激发同时能够提高单分子荧光收集效率,有利于增加单分子荧光测序的通量。下面将对本发明通过具体实施例来进行详细说明。
如图1所示的基因测序芯片的结构,光纤平板1是基因测序芯片的结构载体,同时也是激发和收集荧光信号的通道。
光纤平板1的单侧表面镀有金属薄膜122,金属薄膜122具有纳米孔结构121,纳米孔结构121与单元光纤芯123同轴,其深度穿透金属薄膜122达到光纤芯层125的端面(具体参见图2)。
其中纳米孔结构121在基因测序芯片平面内约束产生单分子,提供极小体积的单分子操控单元,纳米孔结构121结合金属薄膜122能够在垂直基因测序芯片方向上形成单分子级别的光场局域,在金属薄膜122的下表面实现单分子层厚度级别的光场照明。
在本发明的一个优选实施例中,光纤平板1内的单元光纤12呈正六边形或者矩形排布,相邻单元光纤12的间距在5-20μm。
在本发明的一个优选实施例中,每根单元光纤12包含芯层125和包层124,芯层125与包层124的厚度比约为4:1,通过设置芯层125与包层124材料的折射率,使单元光纤镀有金属薄膜122的纳米孔结构121的一端具有高数值孔径,另一端具有低数值孔径,提高荧光的发射方向性,同时入射光在光纤内按多模传输。
在本发明的另一个实施例中,光纤平板1包括多根固定并分布在芯片基底11中的单元光纤12,这些单元光纤12通过二氧化硅材料掺杂后热拉伸制备形成,每根单元光纤12的直径在几微米至几十微米,在沿着光纤传播的方向上具有圆柱结构,光纤与光纤之间具有高吸收材料防止光纤之间能量的串扰,当入射光照射到金属薄膜122时由于金属的作用导致光传输截至,但是会在纳米孔结构121的附近形成光场的局域,光场尺寸在垂直光纤轴向上约百纳米量级,使得光场与纳米孔结构121重叠区域覆盖体积达到仄升,从而可实现高浓度进样条件下单分子的荧光激发。产生的荧光信号相比于入射光的波长发生红移,因此虽然荧光发射内部具有方向性,但受到金属纳米孔121的作用大部分光被反射后向单元光纤12端面方向传播,由于单元光纤12一端具有高数值孔径可以极大的增加荧光收集的效率,提高单分子荧光检测信噪比。
如图2所示的单元光纤端面具有金属薄膜和纳米孔结构示意图,纳米孔结构121穿透金属薄膜122到达光纤的芯层125。
在单分子加载时,为防止分子在金属表面的非特异性吸附,可以通过聚乙二醇或者吐温类试剂进行表面处理,同时在纳米孔结构121底部采用生物亲和素等试剂增加表面捕获分子能力;
金属薄膜122可以通过电子束蒸发或者磁控溅射的方式形成,通过控制速率和时间可以控制金属膜层厚度,当金属膜厚度在80-200nm范围内,分子的加载效果较好。通常金属薄膜122选择金或铝材料,为增加这两种材料在二氧化硅表面的吸附能力,提升金属膜均匀性,可以在镀膜之前在二氧化硅表面蒸镀一层厚度约2-5nm的钛膜。
在本发明的另一个实施例中,为在金属薄膜122表面形成纳米孔结构121,可以采用反应离子束刻蚀或者离子束直写的方法:
首先制作与光纤平板1结构吻合的掩模版,掩模版可以通过光学成像的方法获得,为增加光纤平板1上孔的数目可以通过多次成像拼接的方式。通过光刻制作对应的掩膜版,考虑到空的尺寸在纳米级,可采用电子束光刻,然后再通过离子束刻蚀的方法加工出直径在80-200nm的纳米孔结构121,这种加工方法制备的纳米孔结构121的底面即为单元光纤12的端面,而且通过这种过刻蚀的方式可以提升纳米孔结构121内光场的均匀性,提高荧光信号的发光强度。
图3示出了本发明的一个实施例如何在一种荧光激发和荧光信号收集系统中进行单分子荧光激发以及收集。
激光器2发射激光经过二向色镜4反射后进入物镜3,并照明光纤平板1,激光经过单元光纤12收集,并在单元光纤芯123内传输,其中光纤波导接收端高数值孔径可提高荧光收集效率,光纤波导的发射端具有低数值孔径可提高荧光的发射方向性、提高物镜3的成像荧光收集效率,光继续经过二向色镜4和滤光片5,筒镜6后进入成像探测器7。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基因测序芯片,其特征在于,包括:包含多根单元光纤(12)的光纤平板(1)、镀在所述光纤平板(1)上的金属薄膜(122)以及加工在对应所述单元光纤(12)的纤芯位置处所述金属薄膜(122)上的纳米孔结构(121)。
2.根据权利要求1所述的基因测序芯片,其特征在于,所述单元光纤(12)为直径均匀的圆柱光纤,所述单元光纤(12)的轴向垂直于所述金属薄膜(122);所述单元光纤(12)镀有所述金属薄膜(122)的一端具有高数值孔径,另一端具有低数值孔径。
3.根据权利要求2所述的基因测序芯片,其特征在于,所述单元光纤(12)为直径小于100μm的多模光纤。
4.根据权利要求3所述的基因测序芯片,其特征在于,所述单元光纤(12)包含包层(124)和芯层(125),所述包层(124)和所述芯层(125)的材料折射率和直径比例满足多模式传播。
5.根据权利要求1所述的基因测序芯片,其特征在于,所述光纤平板(1)上的所述多根单元光纤(12)具有正六边形或矩形排布,相邻的所述单元光纤(12)间距为5-20μm。
6.根据权利要求2所述的基因测序芯片,其特征在于,所述金属薄膜(122)的厚度在50-200nm。
7.根据权利要求6所述的基因测序芯片,其特征在于,所述纳米孔结构(121)横截面为直径在80-200nm的圆,或者为等面积的矩形,或者为等面积的正方形。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011603070.8A CN112812954A (zh) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | 一种基因测序芯片 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011603070.8A CN112812954A (zh) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | 一种基因测序芯片 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112812954A true CN112812954A (zh) | 2021-05-18 |
Family
ID=75856093
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202011603070.8A Pending CN112812954A (zh) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | 一种基因测序芯片 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112812954A (zh) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101914620A (zh) * | 2004-09-17 | 2010-12-15 | 加利福尼亚太平洋生命科学公司 | 分子分析的装置和方法 |
CN103604785A (zh) * | 2013-11-05 | 2014-02-26 | 浙江工业大学 | 荧光检测系统 |
CN109520982A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-03-26 | 东南大学 | 一种荧光相关光谱测量系统 |
CN111235004A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-06-05 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 一种基因测序芯片的制备方法 |
CN111781184A (zh) * | 2020-08-03 | 2020-10-16 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种光子纳米喷射、激光阵列单元及单分子荧光基因测序仪 |
-
2020
- 2020-12-29 CN CN202011603070.8A patent/CN112812954A/zh active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101914620A (zh) * | 2004-09-17 | 2010-12-15 | 加利福尼亚太平洋生命科学公司 | 分子分析的装置和方法 |
CN103604785A (zh) * | 2013-11-05 | 2014-02-26 | 浙江工业大学 | 荧光检测系统 |
CN109520982A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-03-26 | 东南大学 | 一种荧光相关光谱测量系统 |
CN111235004A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-06-05 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 一种基因测序芯片的制备方法 |
CN111781184A (zh) * | 2020-08-03 | 2020-10-16 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种光子纳米喷射、激光阵列单元及单分子荧光基因测序仪 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
JOHN CANNING等: "New theory of femtosecond induced changes and nanopore formation", 《PROCEEDINGS OF SPIE》 * |
周文超等: "全血微流控芯片的高灵敏度多参数光探测", 《光学精密工程》 * |
张登臣 等, 机械工业出版社 * |
魏清泉等: "零模波导原理、制备及其在单分子荧光检测中的应用", 《生物技术进展》 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7709808B2 (en) | Systems, methods and apparatus for single molecule sequencing | |
US11640022B2 (en) | Illumination of optical analytical devices | |
US20230258862A1 (en) | Optical coupler and waveguide system | |
US7170050B2 (en) | Apparatus and methods for optical analysis of molecules | |
US7314751B2 (en) | Fluorescence detection system including a photonic band gap structure | |
US9624540B2 (en) | Integrated illumination of optical analytical devices | |
US6867900B2 (en) | Support for chromophoric elements | |
US7961315B2 (en) | Fluorescence detection enhancement using photonic crystal extraction | |
US5933233A (en) | Method and device for the determination of material-specific parameters of one or a few molecules by means of correlation spectroscopy | |
US20060098927A1 (en) | Integrated sensor with electrical and optical single molecule sensitivity | |
KR101045206B1 (ko) | 여기광 흡수 도파로가 삽입된 집적된 바이오칩 및 그 제조방법 | |
US20080066549A1 (en) | Methods, systems and apparatus for light concentrating mechanisms | |
Gao et al. | Tapered fiber tips for fiber optic biosensors | |
CN112505009A (zh) | 超表面透镜及其构成的荧光信号收集系统 | |
Meng et al. | Fabrication of a three-dimensional (3D) SERS fiber probe and application of in situ detection | |
CN112812954A (zh) | 一种基因测序芯片 | |
CN108507991B (zh) | 一种双光子荧光的增强方法及其应用 | |
CN112779152A (zh) | 一种基因测序芯片及系统 | |
US20060023216A1 (en) | Integrated luminescence read device | |
CN117554349B (zh) | 一种用于单分子传感的纳米集成光学芯片及荧光检测方法 | |
CN112779153A (zh) | 一种基因测序芯片及系统 | |
Yin et al. | Planar single-molecule sensors based on hollow-core ARROW waveguides | |
Alhalaby et al. | Lab-on-fiber optrodes based on all-dielectric fluorescence enhancing metasurfaces | |
CN116124744A (zh) | 一种基于表面波的相干多芯光纤探针 | |
Mitsui et al. | Micro demultiplexer fabricated by self-assembly of microspheres on a patterned substrate |
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 | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210518 |
|
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |