CN117210545B - 一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本说明书实施例公开了一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法、装置及设备。所述方法包括：获取第一过孔速度；基于目标过孔速度及所述第一过孔速度，确定过孔速度差；基于所述过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度；调整所述当前测序温度至所述目标温度。
Description
技术领域
本说明书涉及生物分子检测技术领域，尤其涉及一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法、装置及设备。
背景技术
随着测序技术的发展，出现了以纳米孔测序技术为代表的第三代基因测序技术。纳米孔测序技术用于多核苷酸序列测序，具有快速且廉价的优点。
目前，纳米孔测序技术面临的挑战之一是DNA或者RNA形式的多核苷酸通过纳米孔的速度太快，超过仪器的分辨率，因此，难以获得反映序列信息的准确的电信号。为了控制纳米孔测序过程中，现有技术采用的控制多核苷酸通过纳米孔的移位速度的方法包括：通过改变驱动DNA分子穿过纳米孔的偏置电压，以改变待检测核酸分子穿过纳米孔的速度；或者在马达蛋白的引导下控制多核苷酸通过纳米孔的易位。现有的控制纳米孔测序速度的方法，在改变驱动电压的同时，会改变测序电流值等测序的其他因素，进而影响测序结果；通过马达蛋白控制测序速度时，一般是通过稀释或者增加溶液中ATP浓度的方法实现，因此需要中断测序，且调节的ATP浓度量不易确定，存在操作不变的问题。
基于此，需要一种新的调节纳米孔测序的过孔速度的方法。
发明内容
本说明书实施例提供一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法、装置及设备，用于解决以下技术问题：现有的控制纳米孔测序速度的方法，在改变驱动电压的同时，会改变测序电流值等测序的其他因素，进而影响测序结果；通过马达蛋白进行控制测序速度时，需要中断测序，且调节的ATP浓度量不易确定，因此，存在操作不变的问题。
为解决上述技术问题，本说明书实施例是这样实现的：
本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法，包括：
获取第一过孔速度；
基于目标过孔速度及所述第一过孔速度，确定过孔速度差；
基于所述过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度；
调整所述当前测序温度至所述目标温度。
本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的装置，包括：
信号处理模块，获取第一过孔速度；
速度比较模块，基于目标过孔速度及所述第一过孔速度，确定过孔速度差；
目标温度计算模块，基于所述过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度；
温度调节模块，调整所述当前测序温度至所述目标温度。
本说明书实施例还提供一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：
获取第一过孔速度；
基于目标过孔速度及所述第一过孔速度，确定过孔速度差；
基于所述过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度；
调整所述当前测序温度至所述目标温度。
本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本说明书实施例通过调节测序温度的方法以实现调整过孔速度，以实现稳定核酸的过孔速度的目的，且该方法不需中断测序操作，能够实现自动化调节，保证过孔速度稳定、波动小，可以提高测序质量。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法的系统架构示意图；
图2为本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法的流程示意图；
图3为本说明书实施例提供的第一过孔速度的计算的示意图；
图4为本说明书实施例提供的一个温度和过孔速度的拟合曲线示意图；
图5为本说明书实施例提供的一种温度调节的示意图；
图6为本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法的框架图；
图7为本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的装置示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
随着纳米孔蛋白及马达蛋白技术的发展，纳米孔测序得以实现。纳米孔测序的原理是：在充满电解液的腔内，带有纳米级小孔的绝缘防渗膜将腔体分成两个电解液室，当电压作用于电解液室，离子或其他小分子物质可穿过纳米孔，形成稳定的可检测的离子电流。
由于组成脱氧核糖核酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）的四种碱基腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)的分子结构及体积大小均不同，当单链DNA(ssDNA)在电场驱使下通过纳米孔时，不同碱基的差异导致穿越纳米孔时引起的电流的变化幅度不同，从而得到所测DNA的序列信息。
纳米孔基因测序过程中，单链DNA在电极电势差的驱动下，穿过纳米孔。由于DNA分子通过纳米孔的速度往往太快、超过仪器的分辨率，因此难以获得反映序列信息的准确的电信号。因此，可以通过改变驱动DNA分子穿过纳米孔的偏置电压，以改变待检测核酸分子穿过纳米孔的速度；或者在马达蛋白的引导下控制多核苷酸通过纳米孔的易位以改变过孔速度。其中，在马达蛋白的引导下控制多核苷酸通过纳米孔的易位，马达蛋白例如解旋酶，其以核酸单链为轨道沿着核酸链定向移动，并利用ATP水解提供的能量打开互补的核酸双链，获得单链。解旋酶取决于源自化学底物例如三磷酸腺苷(ATP)的能量，以沿双链DNA分子行进并相应地使单链DNA分子通过纳米孔步进。解旋酶沿双链DNA分子行进并相应地使单链DNA分子通过纳米孔步进的速率已知与电解液中ATP的浓度有关。
在测序温度（所谓测序温度可理解为电解液室所处的温度）不变的情况下，测序初期受ATP浓度等因素的影响，过孔速度可能会超出测序要求的最高阈值。随着测序时间的增加，受ATP浓度降低、DNA解旋酶活性下降等因素的影响，过孔速度又会降低，甚至低于测序要求的最低阈值。如果过孔速度不稳定，或者超出了测序要求的正常范围，就会降低核酸检测的通量，特别会降低识别均聚物（Homopolymer，相同碱基连续出现的情况，AAAAAA，TTTTT等）的准确率。
基于此，本说明书实施例提供一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法，适用于通过马达蛋白即解旋酶控制分析物过孔的应用场景，通过调节测序温度的方法以实现调整过孔速度及稳定核酸的过孔速度的目的，且该方法不需中断测序操作，能够实现自动化调节，保证过孔速度稳定、波动小，可以提高测序质量。
图1为本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法的系统架构示意图。如图1所示，系统架构100可以包括终端设备101、102、103，网络104和服务器105。网络104用以在终端设备101、102、103和服务器105之间提供通信链路的介质。网络104可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
终端设备101、102、103通过网络104与服务器105交互，以接收或发送消息等。终端设备101、102、103上可以安装有各种客户端应用。例如调节纳米孔测序的过孔速度的方法等专用程序。
终端设备101、102、103可以是硬件，也可以是软件。当终端设备101、102、103为硬件时，可以是各种专用或通用的电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机和台式计算机等等。当终端设备101、102、103为软件时，可以安装在上述所列举的电子设备中。其可以实现成多个软件或软件模块(例如用来提供分布式服务的多个软件或软件模块)，也可以实现成单个软件或软件模块。
服务器105可以是提供各种服务的服务器，例如为终端设备101、102、103上所安装的客户端应用提供服务的后端服务器。例如，服务器可以调节纳米孔测序的过孔速度，以便将温度调节结果显示在终端设备服务器101、102、103上，服务器也可以调节纳米孔测序的过孔速度，以便将温度调节结果显示在终端设备101、102、103上。
服务器105可以是硬件，也可以是软件。当服务器105为硬件时，可以实现为多个服务器组成的分布式服务器集群，也可以实现为单个服务器。当服务器105为软件时，可以实现成多个软件或软件模块(例如用来提供分布式服务的多个软件或软件模块)，也可以实现成单个软件或软件模块。
图2为本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法的流程示意图。从程序角度而言，流程的执行主体可以为搭载于应用服务器或应用终端的程序。可以理解，该方法可以通过任何具有计算、处理能力的装置、设备、平台、设备集群来执行。如图2所示，该方法包括：
步骤S201：获取第一过孔速度。
在基于纳米孔的传感器芯片中，具有多个基于纳米孔的传感器单元组成的传感器阵列，每个传感器单元具有相应的测序通道（简称为通道）用于输出测序信号。
测序通道是对待分析物穿过纳米孔时，传感器单元所产生的电信号进行采样、放大、保持及模数转换等操作的电路结构。需要说明的是，本说明书实施例涉及的“测序”是指对穿过纳米孔的核酸序列进行测序。
在本说明书实施例中，在诸如多核苷酸的待分析物穿过纳米孔期间，纳米孔中每秒通过的碱基个数，称为过孔速度(translocation speed)，单位是bp/s。
测序通道输出读段（read）数据，一个读段对应一个待分析物且具有一个过孔速度。可以计算单位时间内所有通道产生的读段的过孔速度的平均值或者计算单位时间内所有通道产生的读段的过孔速度的众数，即为系统的过孔速度，也就是第一过孔速度。在又一个实施例中，也可以计算当所有通道产生预设数量读段时的该预设数量读段的过孔速度的平均值或者当所有通道产生预设数量读段时的该预设数量读段的过孔速度的众数，作为第一过孔速度。
在本说明书实施例中，第一过孔速度是基于第二过孔速度获得的，具体的，将待分析物通过纳米孔的第二过孔速度的平均值或者待分析物通过纳米孔的第二过孔速度的众数，作为第一过孔速度。
Translocation Speed system =Mean(Translocation Speed single_read ) 公式（1）
其中，Translocation Speed system 为第一过孔速度；
Translocation Speed single_read 为第二过孔速度；
Mean为取平均值。
Translocation Speed system =Mode(Translocation Speed single_read ) 公式（2）
其中，Translocation Speed system 为第一过孔速度；
Translocation Speed single_read 为第二过孔速度；
Mode为取众数。
为了进一步理解第二过孔速度，下面将予以详细说明。
在测序中，将测序仪生成的原始信号转换成序列数据的过程，称为basecall。在实时basecall的结果数据中，包含每条读段的过孔序列长度和序列过孔时间的信息，二者的比值，可以获得单个读段的过孔速度，即第二过孔速度。
在本说明书实施例中，所述第二过孔速度的获取，具体包括：
基于所述待分析物的读段，筛选满足预设标准的读段；
根据预设时间间隔或者预设数量，确定所述满足预设标准的读段的过孔速度作为所述第二过孔速度，所述预设数量为预设的待分析物的读段的数量。
在本说明书实施例中，所述第二过孔速度为根据所述预设时间间隔或所述预设数量，确定的所述满足预设标准的读段的过孔序列长度与序列过孔时间的比值，具体计算为：
Translocation Speed single_read = seq_len/ seq_time 公式（3）
其中，
Translocation Speed single_read 为第二过孔速度，单位为bp/s；
seq_len为过孔序列长度，其单位为bp（Base Pair，碱基对）；
seq_time为序列过孔时间，其单位为s（second，秒）。
在本说明书实施例中，所述预设标准包括以下标准中的至少一个：所述待分析物的读段的Q值大于7，和/或所述待分析物的读段的序列过孔时间大于10s。
Q值，即碱基质量值，是衡量测序质量的重要指标，质量值（Q）越高代表碱基被检测出错的概率（P）越小。
在本说明书实施例中，通过预设标准筛选效果不佳的读段，能够减少不良读段对过孔速度的计算结果，提高过孔速度计算的准确性及可信度。
在本说明书实施例中，所述第一过孔速度是基于预设的时间间隔或者预设数量确定的每个通道的过孔速度，所述预设数量为每个通道生成读段的数量。
为了进一步理解第一过孔速度，下面将结合具体的实施例予以说明。图3为测序仪的检测通道产生的读段数量随时间变化的曲线图，横轴表示时间，纵轴表示读段数量。如图3所示，如果按照预设时间间隔（10分钟）计算当前过孔速度，即计算图中两个相临○点之间产生的读段（Reads）的平均过孔速度作为第一过孔速度。如果按照预设读段数量（100Mbytes）计算当前过孔速度，即计算图中两个相临×点产生之间的读段的平均过孔速度作为第一过孔速度。
若第一过孔速度是基于预设的时间间隔确定的每个过孔速度，则预设的时间间隔可以根据业务需求进行调整。
在本说明书实施例中，所述第一过孔速度为所述预设数量的读段对应的过孔序列长度与序列过孔时间的比值。
步骤S203：基于目标过孔速度及所述第一过孔速度，确定过孔速度差。
在本说明书实施例中，所述目标过孔速度是预先设置的，所述目标过孔速度是从大于预设Q值的读段的过孔速度中，选择众数最高的过孔速度作为所述目标过孔速度；所述目标过孔速度由纳米孔测序的分子膜、纳米孔、测序生化条件及纳米孔的电极等因素决定。
在本说明书的一个实施例中，预设Q值优选为15。
在本说明书实施例中，确定目标过孔速度的纳米孔可以为生物纳米孔，也可以为固态纳米孔，具体而言，生物纳米孔是由某种蛋白质分子镶嵌在磷脂膜上组成，固态纳米孔可以为各种硅基材料、SiNx、碳纳米管、石墨烯、玻璃纳米管等，纳米孔的具体分类并不构成对本申请的限定。
在本说明书实施例中，测序生化条件主要是测序缓冲液的浓度，具体而言，测序缓冲液组成包括：ATP、DNA解旋酶、buffer缓冲液。
在本说明书实施例中，所述过孔速度差的计算公式为：
Speed_delta= Speed_target- Speed_current 公式（4）
其中，
Speed_delta为所述过孔速度差；
Speed_target为所述目标过孔速度；
Speed_current为所述第一过孔速度。
步骤S205：基于所述过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度。
在本说明书实施例中，所述目标温度的计算公式为：
Temp_target=Speed_delta/A+Temp_current 公式（5）
其中，
Temp_target为所述目标温度；
Speed_delta为所述过孔速度差；
Temp_current为所述当前测序温度；
A为相关系数。
为了进一步理解目标温度的确定，下面将结合具体的实施例予以说明。
在本说明书实施例中，通过实验证明，过孔速度与测序温度之间具有关联性。
在具体实施例中，使用单个芯片，芯片上设置有温度传感器能够对测序温度进行测量，将芯片设定在不同的测序温度下对相同样本进行测序，并由公式（1）、公式（2）和公式（3）计算第一过孔速度的大小，统计并得到下表：
表1. 单个芯片温度和第一过孔速度的测试数据
| Temperature（°C） | 37 | 37.5 | 38 | 38.5 | 39 | 39.5 | 40 | Correlation（r） |
| Translocation speedsystem（bp/s） | 218 | 236 | 248 | 257 | 272 | 283 | 291 | 0.995248445 |
由相关性公式
公式（6）
将温度值（Temperature）带入公式（6）中的x，将第一过孔速度（Translocationspeed system）带入公式（6）中的y，计算得出测序温度与第一过孔速度的相关性(Correlation) r> 0.99，证明两者的关系是强相关的，即通过改变测序温度值，可以调节过孔速度。
进一步，为了降低统计误差，测试多个芯片在不同温度下得到的温度和第一过孔速度值，如下表所示：
表2. 多个芯片温度和系统过孔速度的测试数据
| Temperature （°C） | 37 | 37.5 | 38 | 38.5 | 39 | 39.5 | 40 | Correlation |
| chip_1 speed（bp/s） | 221 | 238 | 250 | 259 | 274 | 286 | 295 | 0.995248445 |
| chip_2 speed（bp/s） | 199 | 221 | 233 | 245 | 256 | 269 | 282 | 0.995771839 |
| chip_3 speed（bp/s） | 213 | 221 | 231 | 240 | 250 | 261 | 273 | 0.996883323 |
| Average speed（bp/s） | 211 | 227 | 238 | 248 | 260 | 272 | 283 | 0.998606871 |
在表2的基础上，计算多个芯片在同一温度下，第一过孔速度的平均值（Averagespeed（bp/s）），再通过最小二乘法，拟合出的温度(Temperature)和平均过孔速度(Translocation speed)的关系曲线，本方案选择的是线性曲线：
Translocation - speed=A* Temperature +B 公式(7)
其中，A为相关系数，B为固定因子。
在本说明书实施例中，相关系数A是基于温度和第一过孔速度的关联关系，拟合获得的系数，该相关系数表示直线的斜率。固定因子B是基于温度和第一过孔速度的关联关系，拟合获得的固定数值。
进一步将温度和平均过孔速度进行拟合，获得曲线函数。延续前例，在本说明书实施例中，如图4所示，拟合获得的曲线函数表达式为：
Translocation - speed=23.548* Temperature-658.15 公式（8）
公式（8）对应的公式（7）中的系数A为23.548，B为-658.15。
需要特别说明的是，温度和第一过孔速度的关系曲线，除了可以采用最小二乘法外，亦可以采用其他线性拟合曲线的方法，线性拟合曲线的拟合方法并不构成对本申请的限定。同时，需要说明的是，公式（8）中的相关系数及固定因子的具体数值仅为本说明书的一个示意，并不构成对本申请的限定。
在本说明书的一个实施例中，目标温度为一个具有预设温度范围的数值，具体而言，目标温度的上限温度阈值为DNA解旋酶的温度上限，目标温度的下限温度阈值为DNA解旋酶的温度下限。在一个实施例中，目标温度为介于25℃到45℃的温度。
下面将结合上述公式，说明基于过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度的计算过程。
根据公式（4）
Speed_delta= Speed_target- Speed_current 公式（4）
及公式（7）
Translocation - speed=A* Temperature +B 公式(7)
推导获得如下公式
Speed_delta=A* Temp - target+B-（A* Temp - current+B）
= A* Temp - target -A* Temp - current 公式（9）
因此，根据公式（9），可以推导得出目标温度的计算公式（5）
Temp_target=Speed_delta/A+Temp_current 公式（5）
其中，
Temp_target 为目标温度；
Speed_delta为过孔速度差；
Temp_current为当前测序温度；
A为相关系数。
步骤S207：调整所述当前测序温度至所述目标温度。
在本说明书实施例中，基于目标温度调整当前测序温度，可以通过PID算法进行调整，当然，亦可以使用其他算法进行调整，例如：模糊控制、神经网络、Fuzzy_PID、神经网络PID、模糊神经网络、遗传PID及广义预测等算法，具体温度调整的方法并不构成对本申请的限定。
由于目标温度是一个具有预设温度范围的数值，因此，当目标温度达到上限温度阈值时，则停止对当前测序温度的调整。
本说明书实施例提供了一种温度调节的示意图。图5为本说明书实施例提供的一种温度调节的示意图，如图5所示，ASIC（Application Specific Integrated Circuits，应用型专用集成电路）上电工作后发热，给生物芯片加温，升高测序温度。半导体制冷片（TEC,ThermoelectricCooler）工作后，通过导热胶给ASIC芯片降温，从而降低生物芯片的测序温度。ASIC芯片内有温度传感器，可监测当前的ASIC温度。TEC的热量通过导热胶传导到散热片上，并通过风扇吹出设备。调节TEC的功率，可以改变ASIC的温度，从而调节生物芯片的测序温度。
图6为本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法的框架图。如图6所示，获取测序信号后，实时进行信号处理并计算第一过孔速度，基于第一过孔速度与目标过孔速度确定过孔速度差；基于过孔速度差及当前测序温度，进行目标温度计算，进而基于目标温度对当前测序温度进行调解，从而实现调节过孔速度的目的。
采用本说明书实施例提供的调节纳米孔测序的过孔速度的方法，能够实现稳定核酸的过孔速度的目的，且该方法不需中断测序操作，能够实现自动化调节，保证过孔速度稳定、波动小，可以提高测序质量。
上述内容详细说明了一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法，与之相应的，本说明书还提供了一种调节纳米孔测序的过孔速度的装置，如图7所示。
图7为本说明书实施例提供的一种调节纳米孔测序的过孔速度的装置示意图，该装置包括：
信号处理模块701，获取第一过孔速度；
速度比较模块703，基于目标过孔速度及所述第一过孔速度，确定过孔速度差；
目标温度计算模块705，基于所述过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度；
温度调节模块707，调整所述当前测序温度至所述目标温度。
本说明书实施例还提供一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：
获取第一过孔速度；
基于目标过孔速度及所述第一过孔速度，确定过孔速度差；
基于所述过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度；
调整所述当前测序温度至所述目标温度。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、电子设备、非易失性计算机存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本说明书实施例提供的装置、电子设备、非易失性计算机存储介质与方法是对应的，因此，装置、电子设备、非易失性计算机存储介质也具有与对应方法类似的有益技术效果，由于上面已经对方法的有益技术效果进行了详细说明，因此，这里不再赘述对应装置、电子设备、非易失性计算机存储介质的有益技术效果。
在20世纪90年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进（例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进）还是软件上的改进（对于方法流程的改进）。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件（Programmable Logic Device, PLD）（例如现场可编程门阵列（Field Programmable GateArray，FPGA））就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器（logic compiler）”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL），而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL（Advanced Boolean Expression Language）、AHDL（Altera Hardware DescriptionLanguage）、Confluence、CUPL（Cornell University Programming Language）、HDCal、JHDL（Java Hardware Description Language）、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL（RubyHardware Description Language）等，目前最普遍使用的是VHDL（Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language）与Verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。
控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该（微）处理器执行的计算机可读程序代码（例如软件或固件）的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20 以及Silicone Labs C8051F320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本说明书一个或多个实施例时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本说明书实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本说明书实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据优化设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据优化设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据优化设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据优化设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践说明书，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种调节纳米孔测序的过孔速度的方法，其特征在于，所述方法适用于通过马达蛋白控制过孔速度的应用场景，所述方法包括：
获取第一过孔速度，所述第一过孔速度是基于第二过孔速度确定的，具体包括：
将待分析物通过纳米孔的第二过孔速度的平均值或者所述待分析物通过纳米孔的第二过孔速度的众数，作为所述第一过孔速度；
其中，
所述第二过孔速度的获取，具体包括：
基于所述待分析物的读段，筛选满足预设标准的读段；
根据预设时间间隔或者预设数量，确定所述满足预设标准的读段的过孔速度作为所述第二过孔速度；
确定过孔速度差，所述过孔速度差为目标过孔速度与所述第一过孔速度的差值；
基于所述过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度，其中，所述目标温度的计算公式为：
Temp_target=Speed_delta/A+Temp_current
其中，
Temp_target为所述目标温度；
Speed_delta为所述过孔速度差；
Temp_current为所述当前测序温度；
A为相关系数，所述相关系数是基于37℃到40℃温度范围和第一过孔速度的关联关系，拟合获得的系数；
调整所述当前测序温度至所述目标温度，所述目标温度为介于25℃到45℃的温度范围。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设标准包括以下标准中的至少一个：所述待分析物的读段的Q值大于7，和/或所述待分析物的读段的序列过孔时间大于10s。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二过孔速度为根据所述预设时间间隔或所述预设数量，确定的所述满足预设标准的读段的过孔序列长度与序列过孔时间的比值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标过孔速度是预先设置的，所述目标过孔速度是从大于预设Q值的读段的过孔速度中，选择众数最高的过孔速度作为所述目标过孔速度；所述目标过孔速度由纳米孔测序的分子膜、纳米孔、测序生化条件及纳米孔的电极决定。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过孔速度差的计算公式为：
Speed_delta= Speed_target- Speed_current
其中，
Speed_delta为所述过孔速度差；
Speed_target为所述目标过孔速度；
Speed_current为所述第一过孔速度。
6.一种电子设备，适用于通过马达蛋白控制过孔速度的应用场景，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：
获取第一过孔速度，所述第一过孔速度是基于第二过孔速度确定的，具体包括：
将待分析物通过纳米孔的第二过孔速度的平均值或者所述待分析物通过纳米孔的第二过孔速度的众数，作为所述第一过孔速度；
其中，
所述第二过孔速度的获取，具体包括：
基于所述待分析物的读段，筛选满足预设标准的读段；
根据预设时间间隔或者预设数量，确定所述满足预设标准的读段的过孔速度作为所述第二过孔速度；
确定过孔速度差，所述过孔速度差为目标过孔速度与所述第一过孔速度的差值；
基于所述过孔速度差及当前测序温度，确定目标温度，其中，所述目标温度的计算公式为：
Temp_target=Speed_delta/A+Temp_current
其中，
Temp_target为所述目标温度；
Speed_delta为所述过孔速度差；
Temp_current为所述当前测序温度；
A为相关系数，所述相关系数是基于37℃到40℃温度范围和第一过孔速度的关联关系，拟合获得的系数；
调整所述当前测序温度至所述目标温度，所述目标温度为介于25℃到45℃的温度范围。
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| CN117210545A CN117210545A (zh) | 2023-12-12 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103820313A (zh) * | 2014-03-10 | 2014-05-28 | 东南大学 | 一种基于纳米孔和原子力显微镜的三通道并行dna测序传感器及检测方法 |
| CN106978334A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-07-25 | 东南大学 | 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 |
| CN115266813A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-11-01 | 华中科技大学 | 一种热泳驱动的纳米孔测序装置 |
-
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- 2023-11-03 CN CN202311457545.0A patent/CN117210545B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103820313A (zh) * | 2014-03-10 | 2014-05-28 | 东南大学 | 一种基于纳米孔和原子力显微镜的三通道并行dna测序传感器及检测方法 |
| CN106978334A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-07-25 | 东南大学 | 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 |
| CN115266813A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-11-01 | 华中科技大学 | 一种热泳驱动的纳米孔测序装置 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| DNA Translocation Governed by Interactions with Solid-State Nanopores;Meni Wanunu等;Biophys J.;第95卷(第10期);第 4716–4725页 * |
| Fologea D等.Slowing DNA translocation in a solid state nanopore.Nano Lett..2011,第5卷(第9期),第1734-1737页. * |
| Sequencing DNA with nanopores: Troubles and biases;Clara Delahaye等;PLoS One;第16卷(第10期);第1-29页 * |
| Slowing DNA translocation in a solid state nanopore;Fologea D等;Nano Lett.;第5卷(第9期);第1734-1737页 * |
| Slowing down DNA translocation through a nanopore by lowering fluid temperature;Li-Hsien Yeh等;Electrophoresis;第33卷(第23期);第3458–3465页 * |
| Thermophoretic manipulation of DNA translocation through nanopores;Yuhui He等;ACS Nano;第7卷(第1期);第538-546 * |
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