[發明專利]DNA測序裝置及使用方法

有效

• 申請號: 201610319973.0
• 申請日: 2016-05-13
• 公開（公告）號: CN105820947B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 鄧濤;劉亞軒;侯建軍
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: C12M1/34
• 分類號: C12M1/34;C12Q1/6869
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所11255
• 代理人: 黃曉軍

技術領域

本發明涉及DNA測序技術領域，尤其涉及一種DNA測序裝置及使用方法。

背景技術

脫氧核糖核酸(DNA)測序技術是現代生命科學研究的核心技術之一。從基于熒光標記Sanger法的第一代測序技術到以循環陣列合成測序法為代表的第二代測序技術，極大地改變了人們研究所有生命藍圖的方式，推動了基因組學及其相關學科的創立與發展。

然而，經過數十年的發展，第一代測序技術由于對電泳分離技術的依賴，在速度和成本方面都已達到了極限。第二代測序技術由于對熒光或者化學發光物質的依賴，使得儀器設備、生化試劑的成本難以顯著降低。為實現百美元人類基因組(HDG)目標，迫切需要一種新型的不使用任何標記的直接測序方法。在所有以低成本、高通量、直接測序為目標的新一代DNA測序技術中，基于納米孔的單分子測序被認為是最有希望的DNA測序技術。

截止目前，在已經報道的各種基于納米孔的DNA單分子測序方法中，離子電流阻塞法提出的最早，研究也最為廣泛。這種方法的基本原理如下，測序反應腔被帶有納米孔的膜一分為二，單鏈DNA分子被加入到膜的一邊，在膜另一邊正電位電極的吸引下，帶有負電荷的單鏈DNA分子進入納米孔，并從膜的一邊滑動到膜的另一邊,單鏈DNA分子穿越納米孔時會對原有的納米孔中的離子電流造成阻塞，離子電流會急劇下降到原電流的10％左右，研究人員通過對 DNA分子穿越納米孔過程中的穿越時間(t)、阻塞發生的間隙(Δt)以及阻塞電流(I_B)的定量分析來實現DNA分子測序。

然而，這種納米孔離子電流阻塞法在實際應用中面臨一些根本性的問題。早期所采用的生物分子納米孔(其典型代表是α-溶血素蛋白分子

(proteinα-hemolysin)構成的納米孔)穩定性差、壽命短，對環境因素極其敏感,且生物分子納米孔的孔徑難以人工控制，內部孔徑僅約為1.5nm，只能容許單鏈核酸分子穿越，因此不能用它來研究雙鏈DNA、RNA或聚核苷酸等大分子的結構性質。

目前普遍采用的固態納米孔(Solid-state Nanopore)雖然克服了上述生物分子納米孔的缺點，但是也存在如下問題：第一，固態納米孔通道長度較長(一般在10nm以上)，可以容納多個堿基，從而難以分辨每個堿基對離子電流的阻塞作用；第二，當單個堿基占據納米孔時只有大約100個離子穿過納米孔，而4個堿基在結構上只有數個原子的差異，這種細微的結構化差異導致離子電流變化很微弱，以至于研究人員很難區分出每個堿基。從而，這種基于固態納米孔的離子電流阻塞法的測序精度有待進一步提高。

發明內容

本發明的實施例提供了一種DNA測序裝置及使用方法，以實現DNA分子的準確、高效、低成本測序。

為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案。

根據本發明的一個方面，提供了一種DNA測序裝置，包括：

在硅基襯底上設置有氮化硅薄膜，在氮化硅薄膜上方設置有底層接觸電極，底層接觸電極上方覆蓋有底層石墨烯微帶，在底層石墨烯微帶上設置有六方氮化硼微帶，在六方氮化硼微帶上設置有頂層石墨烯微帶，所述底層石墨烯微帶、所述六方氮化硼微帶和所述頂層石墨烯微帶構成了石墨烯—六方氮化硼—石墨烯異質結，在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯異質結中心刻蝕有石墨烯—六方氮化硼—石墨烯納米孔。

進一步地，包括：置于電解質溶液中的硅基襯底，在硅基襯底上設置有金字塔型微腔，在金字塔型微腔頂部生長有氮化硅薄膜，氮化硅薄膜上刻蝕有矩形通孔。

進一步地，在頂層石墨烯微帶上設置有兩個頂層接觸電極，石墨烯—六方氮化硼—石墨烯納米孔將反應腔分成上下兩個部分，置于反應腔上部的外接電極接正電位，置于反應腔下部的外接電極接負電位。

進一步地，外接電極、微弱離子電流測量設備和可變電壓源構成了縱向微弱離子電流測量回路；

分布在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯納米孔左右兩邊的一對頂層接觸電極、橫向微弱隧穿電流測量設備和可變電壓源構成了橫向隧穿電流測量回路；

分布在石墨烯—六方氮化硼—石墨烯納米孔上下兩邊的右側頂層接觸電極、底層接觸電極、縱向微弱隧穿電流測量設備和可變電壓源構成了縱向隧穿電流測量回路。

進一步地，所述石墨烯—六方氮化硼—石墨烯納米孔的直徑為1—10nm，所述六方氮化硼微帶為1—3層六方氮化硼。

進一步地，所述頂層石墨烯微帶為單層或多層石墨烯，所述底層石墨烯微帶為單層或多層石墨烯。