[发明专利]生化分析仪器

说明书

本发明的第一和第二方面涉及用于进行样本的生化分析的仪器，例如多核苷酸的测序和/或利用纳米孔进行的生化分析，所述生化分析产生多个平行通道的输出数据，该输出数据表示生化分析的结果。本发明的第三方面涉及利用纳米孔来进行样本的生化分析，例如多核苷酸的测序。

关于本发明的第一和第二方面，存在许多类型的生化分析，所述生化分析可以产生多个平行通道的输出数据。用于以自动化方式进行上述生化分析的仪器是已知的并有效地获得在生化分析中固有的大量输出数据。

仅仅通过举例的方式，一种上述类型的产生多个平行通道的输出数据的生化分析是DNA测序。传统的DNA测序仪、和一般而言的实验室仪器是基于一种模型，该模型中仪器作为独立装置操作。典型地，仪器在有限的时间内并按照预定的完成标准来进行一个测量任务。我们可以将这种设计模型描述为“单片式（单体式，monolithic）”。

作为一个实例，DNA测序是固有高通量的实验室技术。实验涵盖各种各样的数据大小和持续时间，并且产生的数据是非常复杂的、不同种类的并且需要集约的下游处理。围绕DNA测序的研究的特征使得难以将分析的核心、仪器系统处理作为黑箱测量装置。对用于DNA测序的可扩展系统（能够增加和减小），存在不断增长的需求。这是由更加便宜、快速和有效地确定更多事物、不同事物的序列的最近市场需求所驱动。因而测序系统还必须能够适应不同种类的工作流程并且能够按照使用情况来传递不同类型和尺寸的样本。希望有效和经济地来实现上述要求。与基底（substrate）有关的测量人工制品、或如何已准备它，不应破坏对仪器的有效处理而导致冗余停机时间或浪费试剂。可以操作基于测序过程的有效工厂的研究所将控制低成本和高通量应用。然而，这些愿望难以实现。

目前的单片式DNA测序仪难以扩展到在不同规模下分析。上述仪器不能被设计成适应非常大的工厂操作，但是同时可以由较小项目的不熟练的实验室工作人员来使用。目前DNA测序仪的可扩展性通常来自增加在一次运行中可以产生的数据量，其是通过一个仪器进行的单个分析。然而，模块性和灵活性会受到限制，并且为了获得该特征，用户必须求助于划分基底，使基底通过添加标记而、以及通过划分测序器的反应室而单独可寻址。在任何一种情况下，引入人工制品并对于在没有完全重新设计仪器本身的情况下可以实现多大规模的模块性存在固有限制。换句话说，仪器的基本设计具有内置资源限制，该限制阻碍了它应对现实世界工作流程的需求的能力。

在许多DNA测序仪中，单独链或有限长度的DNA的克隆扩增群体位于表面或位于珠。这种表面/珠阵列通常是在流动室中，该流动室使得试剂可以穿过它们，从而施加各种类型的化学作用，所述化学作用便于解码DNA。在大多数仪器中的生化分析过程使用逐步循环化学作用，接着是成像阶段，以检测使得能够解码所研究的DNA的化学标记荧光探针的掺入、退火或去除。

在碱基鉴定阶段期间，在大多数系统中，高分辨率成像装置获得整个流动室表面的图像作为连续系列的图像的平铺阵列。在一些技术中，对单个区域非常快速地成像，以当异步地掺入碱基时实时检测化学循环。

通常，在基于同步化学的系统的连续成像的情况下，在用户可以获得数据并分析数据之前，整个成像步骤需要大量时间并且通常必须完成预设数量的化学循环、或预设的运行时间，从而判断实验是否已经成功并产生足够的有用信息。通常，仅在分析之后，用户才可以决定实验是否已经成功，并且如果这样的话，则必须进行全新分析运行，并重复进行直到已收集足够的所需质量的数据。在大多数情况下，每次运行均具有源自试剂价格的固定成本。因而，成功的代价是难以根据“时间-结果”来预先确定。

对于许多仪器来说，一次运行需要至少若干天或经常数周，并在实验期间存在仪器故障的明显可能，通常引起数据的截短或甚至完全丧失。可以通过向流动室中填充更多DNA分子而在每次运行中实现较高输出，然而这倾向于增加获取图像的时间，其取决于装置分辨率和速度/灵敏度，并导致净通量（产生量，throughput）的最终有限改进。例如，公司Helicos BioSciences销售称作Heliscope的仪器，其具有连接于两个流动室的600-800M DNA片段，并且公司Illumina销售一种称作具有80M-100MDNA片段的Genome Analyser（基因组分析仪）的仪器。经由比较，在Heliscope上需要约6小时来在每个链中掺入和成像新碱基，而Genome Analyser则对于每个碱基需要1-2小时。因而，上述两种仪器各自最适用于不同规模的任务。