[发明专利]用于单分子DNA分析的纳米通道的动态形成

说明书

本发明提供了具有适合于约束并线性排列DNA分子的纳米通道的装置，制备所述装置的方法，以及利用所述装置进行DNA分析的方法。装置可包括适用于约束并线性排列DNA分子的、动态控制的、平滑连接的微米通道‑纳米通道平台。纳米通道可以在可变形基底或基础层内形成的纳米缝中可逆地形成。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年7月16日提交的美国临时申请系列号62/193,542的利益，此临时申请的全部内容通过引用并入本文。

发明背景

DNA包含着几乎所有有机体的基本蓝图，并且理解DNA分子上的信息对于生物学研究以及生物医学工程是一个重要课题。然而，在较大体积溶液中，DNA分子通常会卷曲，使得分析变得困难。为了揭示DNA分子上的基因组信息，已经研究了多种方法用来使卷曲的DNA分子伸展，例如光学镊子、磁性镊子、分子梳以及水力拉伸。

DNA线性化拉伸是单分子DNA分析的首要的、关键的步骤。当被约束在纳米通道中时，由于其弹性性能以及已占体积效应的共同结果，卷曲的DNA分子会根据纳米通道的维度而自然地伸展开。与其它竞争方法相比，通过纳米约束的DNA伸展可允许其中受约束的DNA分子暴露于相同约束力的均匀伸长，并提供针对解开状态下的DNA的长的观察时间。用于操控DNA的纳米流体装置的特征尺寸通常需要与双链DNA的恒定长度近似或小于这个长度(也就是在10到100纳米的量级上)，并且需要在数十至数百微米甚至数十至数百厘米内均匀。用于制备亚100纳米级通道的传统方法使用扫描式射束刻蚀，其中例如以电子束刻蚀(EBL)以及聚焦离子束刻蚀(FIB)使射束扫描过基底。然而，传统纳米刻蚀技术往往非常昂贵并且耗时，装置一旦被污染通常无法再次使用。另一些基于纳米破裂的非刻蚀方法可以降低装置的成本，但所得到的纳米通道阵列的均匀性相对较差。此外，在传统纳米流体装置中，加载微米通道与伸展纳米通道之间的阶梯界面造成很大的熵屏障，其中卷曲的DNA分子堵塞在衔接处。虽然灰度刻蚀可以通过在界面处产生梯度来控制该熵力，但是掩模设计过程很复杂，并且制备精细的梯度结构仍然是个挑战。基于凸透镜-诱导约束(CLIC)平台能够利用凸透镜的弯曲表面使位于微纳结构表面上方的柔性盖玻片局部变形，但仍需昂贵的EBL以便在CLIC平台的玻璃表面上产生纳米通道，并且所产生的纳米通道深度不均匀。另外，传统纳米流体装置中的纳米通道基本上都是直接结合的。由于纳米通道的流阻很大，需要利用高压力或高电场来进行表面钝化、样品传输以及缓冲液的更新。

现有的DNA分析方法以及装置存在很多问题以及一些挑战亟待解决，以便降低纳米流体装置的成本，并且提高这些装置对DNA分析的性能。

概述

本发明的实施方案提供了具有适合于约束并线性排列DNA分子(例如适合于单分子分析)的纳米通道的新型且具有优势的装置，以及制备所述装置的方法和利用所述装置进行DNA分析的方法。装置可包括适合于约束并线性排列DNA分子的、动态控制的、平滑连接的微米通道-纳米通道平台。所述装置可包括：(1)具有几何特征(例如半圆形的横截面)和刚度特征(例如可塌陷的材料)的样品微米通道，这些特征可以促使期望频率的微米通道塌陷和产生的均匀闭合；(2)一个或多个位于样品微米通道的顶部或底部表面的纳米结构(例如深度小于或等于100纳米的开放结构)；以及(3)位于样品微米通道顶部或底部的控制纳米通道，用于控制夹层的塌陷，并产生由塌陷的夹层的一部分和样品微米通道底部所包围的纳米通道。