[发明专利]DNA测序装置及使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及DNA测序技术领域，尤其涉及一种DNA测序装置及使用方法。

背景技术

脱氧核糖核酸(DNA)测序技术是现代生命科学研究的核心技术之一。从基于荧光标记Sanger法的第一代测序技术到以循环阵列合成测序法为代表的第二代测序技术，极大地改变了人们研究所有生命蓝图的方式，推动了基因组学及其相关学科的创立与发展。

然而，经过数十年的发展，第一代测序技术由于对电泳分离技术的依赖，在速度和成本方面都已达到了极限。第二代测序技术由于对荧光或者化学发光物质的依赖，使得仪器设备、生化试剂的成本难以显著降低。为实现百美元人类基因组(HDG)目标，迫切需要一种新型的不使用任何标记的直接测序方法。在所有以低成本、高通量、直接测序为目标的新一代DNA测序技术中，基于纳米孔的单分子测序被认为是最有希望的DNA测序技术。

截止目前，在已经报道的各种基于纳米孔的DNA单分子测序方法中，离子电流阻塞法提出的最早，研究也最为广泛。这种方法的基本原理如下，测序反应腔被带有纳米孔的膜一分为二，单链DNA分子被加入到膜的一边，在膜另一边正电位电极的吸引下，带有负电荷的单链DNA分子进入纳米孔，并从膜的一边滑动到膜的另一边,单链DNA分子穿越纳米孔时会对原有的纳米孔中的离子电流造成阻塞，离子电流会急剧下降到原电流的10％左右，研究人员通过对 DNA分子穿越纳米孔过程中的穿越时间(t)、阻塞发生的间隙(Δt)以及阻塞电流(I_B)的定量分析来实现DNA分子测序。

然而，这种纳米孔离子电流阻塞法在实际应用中面临一些根本性的问题。早期所采用的生物分子纳米孔(其典型代表是α-溶血素蛋白分子

(proteinα-hemolysin)构成的纳米孔)稳定性差、寿命短，对环境因素极其敏感,且生物分子纳米孔的孔径难以人工控制，内部孔径仅约为1.5nm，只能容许单链核酸分子穿越，因此不能用它来研究双链DNA、RNA或聚核苷酸等大分子的结构性质。

目前普遍采用的固态纳米孔(Solid-state Nanopore)虽然克服了上述生物分子纳米孔的缺点，但是也存在如下问题：第一，固态纳米孔通道长度较长(一般在10nm以上)，可以容纳多个碱基，从而难以分辨每个碱基对离子电流的阻塞作用；第二，当单个碱基占据纳米孔时只有大约100个离子穿过纳米孔，而4个碱基在结构上只有数个原子的差异，这种细微的结构化差异导致离子电流变化很微弱，以至于研究人员很难区分出每个碱基。从而，这种基于固态纳米孔的离子电流阻塞法的测序精度有待进一步提高。

发明内容

本发明的实施例提供了一种DNA测序装置及使用方法，以实现DNA分子的准确、高效、低成本测序。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种DNA测序装置，包括：

在硅基衬底上设置有氮化硅薄膜，在氮化硅薄膜上方设置有底层接触电极，底层接触电极上方覆盖有底层石墨烯微带，在底层石墨烯微带上设置有六方氮化硼微带，在六方氮化硼微带上设置有顶层石墨烯微带，所述底层石墨烯微带、所述六方氮化硼微带和所述顶层石墨烯微带构成了石墨烯—六方氮化硼—石墨烯异质结，在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯异质结中心刻蚀有石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔。

进一步地，包括：置于电解质溶液中的硅基衬底，在硅基衬底上设置有金字塔型微腔，在金字塔型微腔顶部生长有氮化硅薄膜，氮化硅薄膜上刻蚀有矩形通孔。

进一步地，在顶层石墨烯微带上设置有两个顶层接触电极，石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔将反应腔分成上下两个部分，置于反应腔上部的外接电极接正电位，置于反应腔下部的外接电极接负电位。

进一步地，外接电极、微弱离子电流测量设备和可变电压源构成了纵向微弱离子电流测量回路；

分布在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔左右两边的一对顶层接触电极、横向微弱隧穿电流测量设备和可变电压源构成了横向隧穿电流测量回路；

分布在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔上下两边的右侧顶层接触电极、底层接触电极、纵向微弱隧穿电流测量设备和可变电压源构成了纵向隧穿电流测量回路。

进一步地，所述石墨烯—六方氮化硼—石墨烯纳米孔的直径为1—10nm，所述六方氮化硼微带为1—3层六方氮化硼。

进一步地，所述顶层石墨烯微带为单层或多层石墨烯，所述底层石墨烯微带为单层或多层石墨烯。