借助隧道电流分析用于核酸测序的装置.pdf

本发明涉及借助隧道电流分析用于核酸-测序的装置，其包含至少两个直径为1nm至100nm的导电颗粒和至少两个直径为1nm至100nm的电绝缘颗粒，其中所述颗粒尤其是球形的。此外，该装置包含至少两个用于接触所述导电颗粒的第一电极和在其上设置所述第一电极和所述颗粒的基材。所述的四个颗粒基本上是呈正方形平面地排列的。所述导电颗粒和绝缘颗粒各自呈对角线地相对放置。在所述四个颗粒之间的空隙用作核酸测序的固态纳米孔。

权利要求书
1.  借助隧道电流分析用于核酸-测序的装置，其包含：
-至少两个导电颗粒（8），其具有1 nm至100 nm的直径（11），
-至少两个电绝缘颗粒（9），其具有1 nm至100 nm的直径，
-至少两个第一电极（4），以接触导电颗粒（8），
-基材（2），在其上设置第一电极（8）和颗粒（8、9），
-其中所述的四个颗粒（8、9）基本上呈正方形平面地排列，并且导电颗粒（8）和绝缘颗粒（9）各自呈对角线地相对放置，
-并且所述的两个导电颗粒（8）通过设置在所述四个颗粒之间的空隙是彼此电绝缘的。

2.  根据要求1的装置，其中第一电极（4）各自与至少一个导电颗粒（8）直接电接触。

3.  根据前述权利要求任一项的装置，其具有至少两个相对于第一电极（4）成直角设置的第二电极（5）。

4.  根据前述权利要求任一项的装置，其中基材（2）包含排列成格栅的凹处（3）。

5.  根据前述权利要求任一项的装置，其中基材（2）是CMOS-芯片。

6.  根据前述权利要求任一项的装置，其中颗粒（8、9）是球形颗粒。

7.  根据前述权利要求任一项的装置，其中导电颗粒（8）包含金。

8.  根据前述权利要求任一项的装置，其中导电颗粒（8）具有基本上相同的大小。

9.  根据前述权利要求任一项的装置，其中电绝缘颗粒（9）包含聚苯乙烯。

10.  根据前述权利要求任一项的装置，其中具有小于1 nm的相互距离的导电颗粒（8）坚固地彼此相连。

11.  制造根据权利要求1的装置的方法，其具有以下步骤：
-在基材中产生凹处（3），
-将包含至少两个导电颗粒（8）与至少两个电绝缘颗粒（9）的悬浮体添加到凹处（3）中，
-其中颗粒（8、9）随机地分布在凹处（3）中。

12.  根据权利要求11的方法，其中凹处（3）用至少100个颗粒（8、9）填充。

13.  根据权利要求12的方法，其中挑选具有随机分配的颗粒（8、9）的所述凹处，其具有刚好一个根据权利要求1的装置。

14.  根据权利要求11至13任一项的方法，其中具有小于1 nm的相互距离的导电颗粒（8）用导电层这样涂敷，以致其彼此电接触。

15.  根据权利要求14的方法，其中借助金属的无电流沉积来涂敷导电颗粒（8）。

说明书借助隧道电流分析用于核酸-测序的装置
本发明涉及借助隧道电流分析用于核酸-测序的装置。
在文献中已知多种核酸-测序的方法。其中包括所谓的通过合成测序（合成测序）的方法。在此，在嵌入合适的核苷酸时释放借助酶级联反应证明的组分。此外，已知在纳米孔中的核酸-测序。有利的是，在该方法中既不需要标记DNA-链，也不需要复杂的级联反应。
在借助纳米孔的核酸-测序时，DNA-链通过生物或者人工（固态）的纳米孔。核酸链的单个碱基可以通过DNA通过纳米孔时的孔电阻的改变来分析。在此，将DNA放入导电流体中。在该流体上施加电压，以致电流流动。在不同的碱基类型（特别是鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤）通过纳米孔时，电流变化。该变化取决于通过该孔的碱基，从而可以分析该碱基。
替代地，可以测量通过所述孔的隧道电流（隧道测序），其中该隧道电流取决于位于该孔中的碱基。相比于测量孔电阻，隧道电流方法有利地具有更好的碱基分辨率。这基于在纳米孔中的高的电场强度。
所述测量强烈地取决于纳米孔的大小和形状。此外，必须将用于施加电压的电极准确地设置在纳米孔上，以足够精确地检测隧道电流。为了实现借助隧道电流分析的核酸-测序的高的分析可靠性，希望制造用于特定应用的具有电极的订制的纳米孔。多数生产固态纳米孔的制造方法基于从薄膜中除去材料，类似于钻孔。该制造特别地借助基于电子束的光刻法来实施。
迄今的具有电极的固态纳米孔的装置的缺点是，在制造中非常复杂和费时。足够精准地相对于电极或者电容器这样设置纳米孔，以致能够以高精确度测量隧道电流，这目前在技术上几乎是不可实现的，并且其制造的缺点在于高的工作成本和时间成本。
本发明的目的是，提供分析核酸序列的装置和制造该装置的方法，其克服所提及的缺点。
所述目的通过在权利要求1中给出的装置和在权利要求11中给出的方法实现。从属权利要求有利地涉及本发明的扩展实施方案和具体实施方案。
根据本发明，借助隧道电流分析用于核酸-测序的装置包含至少两个导电颗粒，其具有1 nm至100 nm，特别是1 nm至10 nm的直径。此外，该装置包含至少两个电绝缘颗粒，其具有1 nm至100 nm，特别是1 nm至10 nm的直径。该装置此外包含至少两个用于接触所述导电颗粒的第一电极。第一电极和颗粒位于基材上。根据本发明，所述的至少四个颗粒基本上呈正方形平面地排列，其中导电颗粒和绝缘颗粒各自呈对角线地相对放置。有利地，在所述的四个呈正方形平面排列的颗粒的中心处形成空隙。该空隙的大小取决于颗粒大小和形状而在nm范围内。在分析核酸序列时，该空隙为固态的纳米孔。所述装置能够提供特定的订制的纳米孔。
在用于制造借助隧道电流分析用于核酸-测序的装置的本发明方法中，在基材中产生凹处。将至少两个导电颗粒和至少两个电绝缘颗粒放入，特别是填充到凹处中，其中该颗粒随机分配到凹处中。
在本发明的一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，第一电极各自与至少一个导电颗粒直接电接触。因此，电流可以有利地通过该导电颗粒流动。有利地这样设置第一电极，以致所述导电颗粒形成电容器，当DNA-链或者RNA-链位于纳米孔中时，在该电容器上可以测量用于分析的隧道电流。这时，这样有利地相对于该电容器设置纳米孔，以致可以以高精确度测量隧道电流，因为纳米孔和电容器在位置上是非常紧密相邻的。在理想情况中，形成的电容器缝隙和纳米孔是相同的。
在本发明的另一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，所述装置包含至少两个相对于第一电极成直角设置的第二电极。该电极有利地用于目标指向地移动DNA-链通过所述颗粒。为此特别适合的是在凝胶电泳中用于移动DNA/RNA通过凝胶的电极。
在本发明的另一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，所述基材包含排列成格栅的凹处。该凹处的直径特别为10 nm至1 μm。该凹处有利地作为颗粒的固定元件。
在本发明的另一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，所述基材为CMOS-芯片。其以多层的形式构成，其中绝缘和导电的层相互叠置地排列。CMOS-芯片通常已经包含用于电极的电压供应的设备，以及用于测量第一电极之间的电流的设备。
在所述装置的另一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，所述颗粒是球形颗粒。有利地，该球形颗粒排列在球袋（Kugelpackung）中。可以有利地计算如此形成的空隙的直径。因此，可以形成用于核酸-测序的订制的纳米孔。
在本发明的另一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，所述导电颗粒包含金。
该导电颗粒通常具有基本上相同的大小。由此，所述球袋有利地是规则的。
在本发明的另一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，所述电绝缘颗粒包含聚苯乙烯。
在本发明的另一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，所述导电颗粒是坚固地彼此相连的。这样的坚固连接可以有利地借助电镀过程产生。替代地，坚固连接可以借助导电涂层进行，其尤其借助金属的无电流沉积产生。因此，有利地确保彼此相距各小于1 nm的导电颗粒之间的电接触。
在本发明的一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，所述凹处用至少100个导电和电绝缘的颗粒填充。
在本发明的一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，挑选已经用导电和电绝缘的颗粒填充的凹处，其具有刚好一个根据权利要求1的具有纳米孔的装置。有利地，在不存在其它隧道电流叠加的情况下测量在DNA/RNA通过时通过纳米孔流动的隧道电流。
在本发明的另一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，具有小于1 nm相互距离的导电颗粒这样用导电层涂敷，以致其彼此是电接触的。因此，有利地确保在彼此相距各小于1 nm的导电颗粒之间的电接触。
在本发明的另一个有利的具体实施方案和扩展实施方案中，所述导电颗粒借助金属的无电流沉积来涂敷。
以下借助实施例进一步阐述本发明。
图1在从上方的俯视图中示意性展现了颗粒装置13。
图2从侧面示意性展现了格栅装置1的结构。格栅装置1包含颗粒装置13。
图3在从上方的俯视图中示意性展现了包含电流10的具有两个第一电极4的凹处3。
在图1中示意性示出的颗粒装置13包含两个导电颗粒8、两个绝缘颗粒9和DNA 6。该颗粒以截面的形式在从上方的俯视图中示出，这意味着所示的圆形面显示了颗粒在其最大直径处的截面。螺旋状的DNA 6也是从上所见的。
导电颗粒8由金组成。绝缘颗粒9由聚苯乙烯组成。替代地，绝缘颗粒9由乳胶组成。颗粒8和9的直径11为5 nm。在该颗粒之间形成的空隙为用于DNA-测序的活性纳米孔7。其具有2 nm的孔直径12。
图2展现了具有例如3个凹处3的格栅装置1的侧视图。基材2尤其包含硅。凹处直径14通常为30至150 nm。凹处直径14在该实施例中为35 nm。在凹处3的两个侧壁上各存在一个第一电极4。按照目的，为第一电极4提供电压。第一电极4可以例如在该实施例中跨侧壁的部分延伸。替代地，第一电极4还可以跨侧壁的整面延伸。在凹处3的底部上和在基材2的上方，各自设置第二电极5。电极4和5的电压供应示例性地借助图2的中部的凹处3示出。
所述基材通常为CMOS-芯片。在该CMOS-芯片上，凹处排列成格栅。将第二电极5之一和两个第一电极4施加到该基材上，即CMOS-芯片上。该CMOS-芯片具有非常好的确保精确测量隧道电流的模拟电子性能。特别地通过模拟-数字-转换和快速的多路方法，可以设置多种用于测量隧道电流的电极。该电极的接触特别地借助CMOS-芯片最上部的金属化平面进行。
将凹处3借助蚀刻技术引入到二氧化硅或者氮化硅中。
将凹处3用导电颗粒8和绝缘颗粒9的混合物填充，其中该混合物的组成基本上是对半分的，并且该颗粒随机地在凹处中分配。
为第二电极5提供电压，以致将DNA 6运输到凹处3中去，这类似于在电泳装置中的DNA运输。
在图3中示出通过凹处3之一的截面。DNA 6位于活性的纳米孔7中。如果将电压施加到第一电极4上，那么在颗粒装置13中产生电流10。隧道电流在导电颗粒8之间流动，其中导电颗粒8自身为电容器。隧道电流取决于通过活性纳米孔7的DNA 6的碱基。因此借助在两个第一电极4之间测量隧道电流，可以分析在活性纳米孔7中的碱基。
有利地，与活性纳米孔7直接毗邻的导电颗粒8形成电容器，这实现了短的孔长度。这明显提高了DNA-测序的碱基分辨率。
在第二电极5之间的电流移动DNA 6通过活性的纳米孔7，以致碱基逐个通过活性的纳米孔7，并且分析该核酸-序列。在测量隧道电流期间，不为第二电极5提供电压。替代地，如果这不干扰隧道电流的测量，可以进行第二电极5的恒定的电压供应。
为了使合适的系统，特别是颗粒装置13具有活性的纳米孔7，凹处3首先用电解液填充。随后，将交流电压施加到用颗粒和电解液填充的凹处3上，并且测量电阻。该电阻对于不导电和导电的颗粒8和9的排列而言是特征性的。
如果凹处3包含多个在其中同时存在DNA 6的颗粒装置13，那么这在凹处3中导致多个隧道电流。该隧道电流这时不能够被区分，以致不能够评估该凹处3。然而在该实施例中，格栅包含1000个凹处3，以使仍然足够地提供具有刚好一个颗粒装置13的凹处3用于DNA-分析。
为了固定所述颗粒，可以进行电镀。金的导电颗粒8通过所谓的无电流电镀彼此相连。替代地，该接触可以真正地通过电镀发生。因此，将该导电颗粒固定，并且确保直接接触的导电颗粒8之间的电接触。
代替DNA-序列，还可以分析RNA-序列。短的RNA-片段，特别是miRNA（微-RNA）或者mRNA（信使RNA）的序列-分析也是可行的。