[發明專利]用于納米孔多核苷酸測序和其他應用的補償膜片鉗放大器

有效

• 申請號: 201410168417.9
• 申請日: 2012-07-18
• 公開（公告）號: CN104076138A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: W·鄧巴;金正錫;K·佩德羅蒂
• 申請（專利權）人: 加利福尼亞大學董事會
• 主分類號: G01N33/487
• 分類號: G01N33/487;C12M1/34
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 馬莉華;崔佳佳

本申請是申請日為2012年07月18日、專利號為ZL201280005635.X、發明名稱為“用于納米孔多核苷酸測序和其他應用的補償膜片鉗放大器”的發明專利的分案申請。

支持聲明

本發明是部分利用美國國家科學基金會(NSF)的資金完成的，NSF?Career基金號為ECCS-0845766。美國聯邦政府對本發明享有一定權利。

與其它申請的關系

在法律允許的范圍內，本申請要求2011年7月20日提交的名稱為“用于固態納米孔上DNA測序的切換電壓膜片鉗放大器”的美國臨時專利申請序列號為61/572,829的優先權和利益。在法律允許的最大范圍內，該申請和其中引用的任何出版物通過引用納入本文。

發明領域

目前公開的主題直接涉及適合用于DNA測序儀以及檢測和定量多核苷酸內單個核苷酸的電子裝置和系統。更具體地說，本發明涉及補償膜片鉗放大器和它們在DNA測序系統和方法以及類似應用中的用途。

發明背景

1869年瑞士科學家Friedrich?Miescher首次從細胞中分離出DNA。1944年，發現脫氧核糖核酸是一種包含活細胞內微小的全部遺傳學信息的化學物質。1953年，在英國劍橋大學工作的美國科學家James?Watson和英國研究人員Francis?Crick發現了現在著名的DN“雙螺旋”分子結構，為此他們獲得了1962年諾貝爾獎。

在納米孔測序中，待測序的DNA鏈穿過具有很小孔的離子流體填充傳感器，同時在該傳感器上誘導電壓。由此產生的傳感器電流依賴于DNA鏈結構。通過分析傳感器電流可以測序DNA鏈。雖然納米孔測序的理論框架是很好理解的，但現有技術納米孔測序系統和設備沒有得到充分發展。納米孔測序電流非常小，任何現實的納米孔測序系統要求非常高的增益。非常高的增益因分布電阻和電容以及內部和外部噪聲而易造成閱讀不穩定性。

盡管有這些問題，納米孔測序的前景已經激發了對能夠檢測和定量多核苷酸內單個核苷酸的電子裝置和系統的開發。在實踐中，納米孔傳感器具有兩個室，稱為順室和反室。這些室填充有緩沖離子導電溶液(例如氯化鉀)且在諸納米孔室上施加電壓。結果是，最初放置在順室的荷電DNA開始向反側移動。當它穿過納米孔，離子電流瞬間下降。離子電流通常是在幾十到幾百皮安范圍內。產生的電流取決于納米孔內和納米孔容積上離子的數量(電荷/凈電荷)。離子的數量和電荷可以由通過納米孔(或接近納米孔開口)的DNA核苷酸鏈所致。通過監控產生的電流，可以測序DNA核苷酸。

準確測量超低電流變化需要非常專業化的放大器，本文稱為膜片鉗。實用膜片夾包括輸入探頭電流到電壓轉換器和從探頭放大電壓的差分放大器。膜片鉗必須滿足兩個非常具有挑戰性的設計要求。首先，必須盡可能降低探頭的輸入補償電壓(V_OS)。即使是可用的最好的高增益放大器也有一些V_OS。V_OS的原因包括隨機過程不匹配和不可避免的系統性變化。無論V_OS怎樣，它都被差分放大器放大。實際上V_OS限制了輸出動態范圍。

其次，膜片鉗輸入寄生電容(parasitic?capacitance)必須要降低，從而防止探頭飽和。當施加命令電壓(command?voltage)V_CMD到納米孔傳感器從而產生工作電流時，該電壓實際上是通過電阻施加到運算放大器(op-amp)的反相輸入端。因此，命令電壓V_CMD變化因不可避免的偏離系統電容而是延時的。這將引起反相輸入端和導致輸出飽和的非反相輸入端之間短暫的差異，直到寄生電容充電及反相輸入端再次等于V_CMD。此間隔稱為“死區時間”，期間的所有傳入數據丟失。在納米孔測序中，盡可能降低V_OS和補償輸入寄生電容和電阻是主要設計問題。

現代膜片鉗是相當專業高增益的，使用電阻式或電容式反饋的差分運算放大跨阻放大器。圖1(a)和1(b)示出這兩個基礎的膜片鉗構造。在任何情況下，基礎膜片鉗包括兩組件：放大器10和補償系統，該補償系統包括電阻器12，參考圖1(a)所示電阻反饋膜片鉗電路6，或與復位開關16平行的電容器14，參考圖1(b)所示電容反饋膜片鉗電路8。在兩電路中，命令電壓V_CMD施加到放大器10的非反相輸入端17，而納米孔傳感器302(參見例如圖6)上的電勢施加到反相輸入端18。