[发明专利]一种多通道阵列式DNA测序系统及其测序方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种纳米孔DNA测序系统及其方法，尤其涉及一种集成原子力显微镜和二硫化钼场效应管的多通道阵列式DNA测序系统及其测序方法。

背景技术

纳米孔单分子传感器因其低成本高通量的特点，目前已经被广泛应用于单分子的检测。纳米孔单分子传感器的基本工作原理基于库特计数器，当带电单分子在外加电压条件下电泳穿过纳米孔的时候，因为单分子自身在孔内的物理占位作用以及其与纳米孔壁之间的强相互作用使得过孔的离子电流被调制，通过检测调制离子电流的幅值和阻塞时间就可以对单分子的种类及过孔姿态等进行有效检测。2004年，美国国家卫生研究院提出了“1000美元”的基因测序项目，旨在降低基因测序的货币和时间成本。纳米孔DNA测序技术因其简单低成本高通量的特点无疑是最有可能实现这一目标的技术之一。只要纳米孔的直径小于2纳米，薄膜厚度与碱基间的间隙相当， DNA链在过孔的过程中便会始终保持单碱基在孔内占位，不同的碱基会产生对应的离子电流信号，从而实现单碱基辨识的目标。然而研究者们在不断推进这一技术的时候仍然面临着两个亟待解决的问题。首先，DNA的过孔速度太快，一般为数微秒每个碱基，而膜片钳的采样频率有限，目前主流的最高采样频率为200 kHz，这将导致单碱基辨识过程中信号严重缺失，因此降低DNA的过孔速度十分必要；其次，DNA过孔信号的信噪比有限，提高信噪比将使得DNA过孔信号的分析更加精确。在纳米孔DNA测序技术发展的过程中，研究者们采取了一系列的措施来降低DNA的过孔速度。降低驱动电压，降低体系温度，增加溶液的粘度，将无机盐溶液置换成有机盐溶液，都能适量降低DNA的过孔速度，然而距离降低到DNA测序所需的速度还很远；聚合酶对DNA聚合的速度约为数十毫秒每碱基，因此采用聚合酶驱动DNA可以达到DNA测序的要求，然而聚合酶驱动DNA操作复杂，而且对环境要求苛刻，这违背了第三代DNA无需修饰，简单，低成本的初衷；机械操纵的方法因其能控制DNA过孔的运动方向和过孔速度而成为有效操控DNA过孔的方法之一，光镊和磁镊等DNA操控方法都已经被研究者们提出，然而因光镊磁镊等操纵复杂而且技术尚不成熟，应用于DNA过孔的主动控制还需要很长的时间。因此具有创新意义和便利性的新型DNA操纵方法亟待被提出。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明主要解决的是纳米孔DNA测序过程中面临的主要挑战：（1）降低DNA的过孔速度并对DNA过孔实现主动控制；（2）提高DNA过孔过程中信号检测的信噪比；（3）实现操控DNA的并行测序，大大缩短DNA测序的时间。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种集成原子力显微镜和二硫化钼场效应管的多通道阵列式DNA测序技术，其特征是：包括电流检测单元，二硫化钼场效应管，原子力显微镜进给系统和阵列单元。所述的电流检测单元主要为膜片钳放大器系统，主要用于检测二硫化钼场效应管源漏极间的电流；所述的二硫化钼场效应管包括源极电源（V_s），漏极电源（V_D），氮化硅基底，带有纳米孔的二硫化钼纳米带和绝缘层；所述的原子力显微镜进给系统主要是控制DNA的运动方向和过孔速度；所述的阵列单元是将上述提到的电流检测单元，二硫化钼场效应管及原子力显微镜进给系统进行集成后阵列展开，实现并行操控。

一种集成原子力显微镜和二硫化钼场效应管的多通道阵列式DNA测序技术，针对拟解决的三个技术问题提出了解决方案：

（1）本发明针对“降低DNA的过孔速度并对DNA过孔实现主动控制”提出的解决方案：

本发明是集成原子力显微镜和二硫化钼场效应管的多通道阵列式DNA测序技术，针对“降低DNA的过孔速度并对DNA过孔实现主动控制”，提出了采用原子力显微镜进给系统对DNA进行运动方向和过孔速度的主动控制。原子力显微镜的进给系统为压电陶瓷进给，系统通过设置施加在压电陶瓷上面的电压从而转化为基底的位移，通过其成熟的反馈系统可以将基底的进给速度控制在1纳米每秒，此外原子力显微镜进给的方向也能实时的调节切换，因此可以对DNA过孔实现主动控制。