[發明專利]借助隧道電流分析用于核酸-測序的裝置

在審

• 申請號: 201380050219.6
• 申請日: 2013-09-18
• 公開（公告）號: CN104704130A
• 公開（公告）日: 2015-06-10
• 發明（設計）人: W.甘布雷希特;O.海登
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: C12Q1/68
• 分類號: C12Q1/68;G01N33/487;B81B1/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 周鐵;石克虎

本發明涉及借助隧道電流分析用于核酸-測序的裝置。

在文獻中已知多種核酸-測序的方法。其中包括所謂的通過合成測序（合成測序）的方法。在此，在嵌入合適的核苷酸時釋放借助酶級聯反應證明的組分。此外，已知在納米孔中的核酸-測序。有利的是，在該方法中既不需要標記DNA-鏈，也不需要復雜的級聯反應。

在借助納米孔的核酸-測序時，DNA-鏈通過生物或者人工（固態）的納米孔。核酸鏈的單個堿基可以通過DNA通過納米孔時的孔電阻的改變來分析。在此，將DNA放入導電流體中。在該流體上施加電壓，以致電流流動。在不同的堿基類型（特別是鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤）通過納米孔時，電流變化。該變化取決于通過該孔的堿基，從而可以分析該堿基。

替代地，可以測量通過所述孔的隧道電流（隧道測序），其中該隧道電流取決于位于該孔中的堿基。相比于測量孔電阻，隧道電流方法有利地具有更好的堿基分辨率。這基于在納米孔中的高的電場強度。

所述測量強烈地取決于納米孔的大小和形狀。此外，必須將用于施加電壓的電極準確地設置在納米孔上，以足夠精確地檢測隧道電流。為了實現借助隧道電流分析的核酸-測序的高的分析可靠性，希望制造用于特定應用的具有電極的訂制的納米孔。多數生產固態納米孔的制造方法基于從薄膜中除去材料，類似于鉆孔。該制造特別地借助基于電子束的光刻法來實施。

迄今的具有電極的固態納米孔的裝置的缺點是，在制造中非常復雜和費時。足夠精準地相對于電極或者電容器這樣設置納米孔，以致能夠以高精確度測量隧道電流，這目前在技術上幾乎是不可實現的，并且其制造的缺點在于高的工作成本和時間成本。

本發明的目的是，提供分析核酸序列的裝置和制造該裝置的方法，其克服所提及的缺點。

所述目的通過在權利要求1中給出的裝置和在權利要求11中給出的方法實現。從屬權利要求有利地涉及本發明的擴展實施方案和具體實施方案。

根據本發明，借助隧道電流分析用于核酸-測序的裝置包含至少兩個導電顆粒，其具有1?nm至100?nm，特別是1?nm至10?nm的直徑。此外，該裝置包含至少兩個電絕緣顆粒，其具有1?nm至100?nm，特別是1?nm至10?nm的直徑。該裝置此外包含至少兩個用于接觸所述導電顆粒的第一電極。第一電極和顆粒位于基材上。根據本發明，所述的至少四個顆粒基本上呈正方形平面地排列，其中導電顆粒和絕緣顆粒各自呈對角線地相對放置。有利地，在所述的四個呈正方形平面排列的顆粒的中心處形成空隙。該空隙的大小取決于顆粒大小和形狀而在nm范圍內。在分析核酸序列時，該空隙為固態的納米孔。所述裝置能夠提供特定的訂制的納米孔。

在用于制造借助隧道電流分析用于核酸-測序的裝置的本發明方法中，在基材中產生凹處。將至少兩個導電顆粒和至少兩個電絕緣顆粒放入，特別是填充到凹處中，其中該顆粒隨機分配到凹處中。

在本發明的一個有利的具體實施方案和擴展實施方案中，第一電極各自與至少一個導電顆粒直接電接觸。因此，電流可以有利地通過該導電顆粒流動。有利地這樣設置第一電極，以致所述導電顆粒形成電容器，當DNA-鏈或者RNA-鏈位于納米孔中時，在該電容器上可以測量用于分析的隧道電流。這時，這樣有利地相對于該電容器設置納米孔，以致可以以高精確度測量隧道電流，因為納米孔和電容器在位置上是非常緊密相鄰的。在理想情況中，形成的電容器縫隙和納米孔是相同的。

在本發明的另一個有利的具體實施方案和擴展實施方案中，所述裝置包含至少兩個相對于第一電極成直角設置的第二電極。該電極有利地用于目標指向地移動DNA-鏈通過所述顆粒。為此特別適合的是在凝膠電泳中用于移動DNA/RNA通過凝膠的電極。

在本發明的另一個有利的具體實施方案和擴展實施方案中，所述基材包含排列成格柵的凹處。該凹處的直徑特別為10?nm至1?μm。該凹處有利地作為顆粒的固定元件。

在本發明的另一個有利的具體實施方案和擴展實施方案中，所述基材為CMOS-芯片。其以多層的形式構成，其中絕緣和導電的層相互疊置地排列。CMOS-芯片通常已經包含用于電極的電壓供應的設備，以及用于測量第一電極之間的電流的設備。

在所述裝置的另一個有利的具體實施方案和擴展實施方案中，所述顆粒是球形顆粒。有利地，該球形顆粒排列在球袋（Kugelpackung）中。可以有利地計算如此形成的空隙的直徑。因此，可以形成用于核酸-測序的訂制的納米孔。

在本發明的另一個有利的具體實施方案和擴展實施方案中，所述導電顆粒包含金。

該導電顆粒通常具有基本上相同的大小。由此，所述球袋有利地是規則的。