[发明专利]纳米口装置阵列：它们的制备以及在大分子分析中的应用

说明书

本申请是申请日为2007年7月19日、中国国家申请号为200780034694.9、发明名称为“纳米口装置阵列：它们的制备以及在大分子分析中的应用”申请的分案申请。

与相关申请的交互参考

本申请要求2006年7月19日提交的美国临时申请No.60/831,772、2007年3月28日提交的美国临时申请No.60/908,582和2007年3月28日提交的美国临时申请No.60/908,584的利益，这些临时申请的全部内容在此引为参考。

发明领域

本发明属于纳米级装置领域。本发明还属于大分子测序领域，特别是DNA测序和表征的领域。

发明背景

本文引用了各种不同的科学和专利出版物。每个都以其全文引为参考。

生物分子例如DNA或RNA是由核苷酸组成的长分子，其序列与生物体的基因组以及后基因组基因表达信息直接相关。在大多数情况下，在个体的寿命期间，核苷酸序列的突变或重排能导致病态，例如遗传异常或细胞恶变。在其它情况下，每个个体之间少量的序列差异反映了群体遗传组成的多样性。由于遗传序列中的这些差异，某些个体对环境刺激和信号、包括药物治疗有不同的反应。例如，某些患者对某些化合物经历阳性反应，而其它患者则没有作用甚或是不良副作用。

研究遗传多样性和医学药理学关联的群体基因组学、医学基因组学和药物基因组学领域需要广泛的测序覆盖面和大样品数。产生的测序知识对于卫生护理和制药工业来说将是特别有价值的。癌症基因组学和诊断学研究了导致肿瘤发生的基因组不稳定事件。所有这些领域，将从能够快速测定生物聚合物分子例如核酸的线性序列、或生物聚合物上的表观遗传生物标志物例如甲基化模式的技术中获益。长期以来，感到需要使用非常少量的样品、甚至少到单个细胞。这将极大地增进监测细胞状态和了解疾病的发生和进展的能力，例如癌症细胞的恶性阶段。

大多数基因组或表观基因组分析技术对于普遍分析大群体的大基因组区域来说，仍然过于昂贵。为了实现将基因组分析成本降低至少4个数量级的目标，即所谓的“1000美元基因组”里程碑，需要用于分子分析方法的新技术。参见Nicholas Wade在2006年7月18日的《纽约时报》（The New York Times）上的“寻求1000美元人类基因组”。

一种为了快速测序而开发的技术涉及使用纳米级孔，DNA从其中穿过。在历史上，“纳米孔”概念使用了生物分子装置，当RNA或DNA链被施加的电压驱动通过孔时，产生离子电流信号。但是，生物系统对pH、温度和电场敏感。此外，生物分子不容易用敏感片上电子（sensitive on-chip electronics）所要求的半导体工艺集成。

许多工作因此聚焦于在固态材料中设计和构造人造纳米孔。但是，这些方法只能在膜上产生孔，而不能产生实现长生物聚合物例如DNA或RNA的真正单分子测序所需的较长通道。

因此，在本领域中需要能够获得长生物聚合物例如DNA或RNA的序列和其它信息的装置。

发明概述

在遇到所述难题时，本发明的第一个方面提供了表征大分子的一个或多个特点的方法，包括使至少一部分位于纳米通道内的大分子线性化，至少一部分纳米通道能够物理上制约大分子的至少一部分，使得大分子的该部分维持线性形式，并且纳米通道含有至少一个缩窄；将大分子的至少一部分在纳米通道的至少一部分中运送，使得大分子的至少一部分通过该缩窄；监测至少一个与大分子通过该缩窄相关联产生的信号；以及将至少一个信号与大分子的一种或多种特点联系起来。

第二个方面中，本发明提供了分析线性化大分子的装置，包括两个或多个流体储液器；以及含有缩窄的纳米通道，该纳米通道使至少两个流体储液器彼此之间流体连通。

还提供了运送大分子的方法，包括提供至少两个流体储液器；提供至少部分线性化的大分子，大分子的至少一部分位于纳米通道中，纳米通道使至少两个流体储液器彼此之间流体连通，纳米通道含有缩窄；以及对大分子施加梯度，该梯度导致线性化大分子的至少一部分在纳米通道的至少一部分中运送。

此外还提供了制造缩窄的纳米通道的方法，包括提供纳米通道；纳米通道的内径为大约0.5nm到大约1000nm，纳米通道的长度为至少大约10nm；在纳米通道内的位置处、邻近纳米通道末端的位置处、或这两个位置上减小纳米通道的内径，以致在纳米通道内或附近产生缩窄，缩窄的内径与纳米通道流体连通，纳米通道能够将线性化大分子维持在其线性化形式，并且减小的内径能够允许线性化大分子的至少一部分通过。