通过隧道电导变化检测来对聚合物测序的方法和装置的制作方法

专利名称：通过隧道电导变化检测来对聚合物测序的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及识别聚合物链中的分子，更具体地涉及通过隧道电流测量来对这些分子测序。
背景技术：
关于生物聚合物的功能性已经进行了大量研究，所述功能性是由生物聚合物内单体的主要次序来确定的。识别单体的次序是理解生物聚合物的功能性所必需的。快速、可靠且成本低廉地表征聚合物已经变得愈来愈重要，尤其是表征核酸。当前典型的核酸测序方法依赖于化学反应或酶促反应，其中化学反应生成在特定碱基处断开的不同长度的DNA片段，酶促反应生成在特定碱基处终止的不同长度的DNA片段。
已知的聚合物测序方法每种都存在缺陷。例如，大部分方法都慢而且是劳动密集型的。基于凝胶的DNA测序方法需要将近1-3天来识别长度为300-800个碱基的次序。例如质谱和ELIDA测序的方法仅能对非常短的聚合物进行。
最近，天然或人造纳米孔的开发已经使得快速确定核酸分子的次序成为可能。在纳米孔测序中，使单链DNA通过合适溶液中的纳米孔，并且单个核苷酸(或者在核苷酸环境中的物理变化)被物理地检测。例如，具有纳米孔的膜将溶液中的两室隔开，低电压施加在这两室之间。溶液中这两室之间通过纳米孔的离子电流被用来监测纳米孔内DNA的存在。当单链DNA在纳米孔中时，它部分阻塞了纳米孔，以致这两室之间的离子电流降低。因而建议利用离子电流的变化来识别DNA碱基。(例如见“Rapid nanopore discrimination between single polynucleotide molecules”，Proc.Natl.Acad.Sci.USA.971079-85，2000；Baldarelli等，美国专利No.6,015,714；和Church等，美国专利No.5,795,782，这里通过引用将每个的内容都结合于此。)因为由于纳米孔的高宽比，在任意给定时间，纳米孔中通常存在大约10个DNA碱基，所以利用离子电流的变化来识别单个DNA碱基是非常困难的。
另一方面，纳米技术的发展使得限制分子通过纳米孔变得可行。例如，已经研究了当分子通过纳米孔时，利用膜通道来表征聚核苷酸。Kasianowicz等人(Proc.Natl.Acad.Sci.USA.9313770-3，1996，这里通过引用将其内容结合于此)利用电场来迫使单链RNA和DNA分子通过脂质双层膜中2.6nm直径的离子通道。通道直径在任意给定时间仅允许单链的核酸聚合物穿过通道。当核酸聚合物穿过通道时，聚合物部分阻塞了通道，导致离子电流瞬时下降。由于电流下降的持续时间与核酸聚合物的长度直接成比例，所以Kasianowicz等人(见前述文献)能够通过测量离子电流的变化而用实验方法确定核酸的长度。
本领域中一直需要对先前未被识别或表征的、例如生物分子的聚合物进行识别和/或测序。
以下描述直接检测或识别分子的改进方法和装置。

发明内容
本发明涉及通过使聚合物穿过形成在一对纳米电极之间的纳米级通道而依次识别该聚合物中的相连的分子(linked molecules)，例如核酸的核苷酸碱基。作用在纳米电极上的偏压的变化和/或调制以及随后的信号处理允许导出特有的电学特征或电学信号，其可以与对应于所期望的感兴趣的分子的已知特征信号值进行比较。这种比较导致可依次识别聚合物的分子。在以下提供的对本发明的描述中，具体提到了优选实施例，其中被测序的聚合物优选地是核酸，例如单链或双链DNA碱基，但是本发明并非意在限于这种聚合物。
一方面，本发明提供了利用隧道电流与隧道偏压的关系(即隧道电导的变化)来识别所研究分子的装置和方法。例如内部本征态之类的分子内部结构修正了隧道电流和隧道偏压之间的关系。这种修正生成了隧道电流与隧道偏压之间关系中的某些独特的特征。因此，它们可用来识别所研究的分子。
纳米技术的发展使制备一对纳米电极变得可行，并可使它们之间具有纳米级的通道。然后，在调制和/或变化电极上的偏压的同时，聚合物的相连的分子依次穿过该通道，并利用隧道电流的幅度作为标准而被识别。该偏压优选在已知分子的(一个或多个)特有特征值的初步确定期间变化，以识别能最有效地识别已知分子的偏压。在识别化学上已知的感兴趣的分子的特有电学性能期间，在当感兴趣的(一个或多个)分子穿过纳米电极之间的通道时，该偏压被集中到对应于已知分子的预定偏压附近，并被调制。接着隧道电流和偏压被用来导出特有特征，以随后用于与已知的特有特征值进行比较，从而识别出通道中感兴趣的(一个或多个)分子。
例如，低的固定偏压(如100mV)可用来识别DNA碱基。该偏压被集中到共振电压附近，该共振电压被选择来对应于已知分子内部能级之间的一个或多个能量差。接着，当偏压被调制波形调制时，感兴趣的未知分子被驱动依次穿过通道，并且当感兴趣的分子在电极和偏压之间穿过时，通过解调通过分子的隧道电流而导出表示该分子的一个或多个电信号。接着，将所导出的电信号与对应于已知分子的已知信号值进行比较。
本发明依赖于与内部能级的关系，这是因为当相对于纳米电极的定向不同的两个不相类似的DNA碱基穿过通道时，它们可能具有类似的隧道电流(在固定偏压下)，从而使识别变得复杂。
优选地，制备接近纳米孔的电极，以使分子以每次单个分子的方式“漏过”(“funnel”)或受限穿过通道。分子由本领域已知技术驱动穿过电极通道和/或纳米孔，例如施加电场，施加机械压力到溶液上，或利用光学镊子。
在本发明的一个实施例中，调制偏压的波形是正弦波，优选地，该正弦波的所有谐波都被抑制。在另一实施例中，调制波形是方形波。调制波形可以合成为在所导出电信号中不带有要被检测的谐波。这些技术和信号选择意在增强电信号中存在的对应于感兴趣的分子的可检测谐波。
隧道电流优选地用解调波形相干地解调。因为利用解调波形的解调方法可以利用模拟电路、数字电路或数字过程来实现，这些对本领域而言都是已知的，所以没有讨论解调器的实现细节，以简化这里的讨论。解调导致某些特有特征被显示出来。例如，分子中的非弹性电子隧道效应可能在利用调制波形的二次谐波而被解调的隧道电流中在共振电压处显示峰。结果，对于相同的物理过程，利用调制波形的三次谐波而被解调的隧道电流可能显示弥散状曲线。在与已知分子的已知曲线的比较中，这两种特征信号每种都有用。解调波形的频率可以与调制波形的频率相同，或者是其谐波或子谐波。或者，解调波形包含下面频率分量的其中至少之一调制波形的相同频率、调制波形的所有子谐波和调制波形的所有谐波。隧道电流在解调之前(例如，带通)或解调之后(例如，低通)可选地被滤波以提高信噪比。
在另一实施例中，多于一对的纳米电极可以被定向成使得聚合物穿过形成在相邻对电极之间的每个通道。接着，对各个经调制隧道电流中的每个的类似信号处理和/或滤波允许同时识别多于一个的感兴趣的分子。
已知分子的内部能级和特有电学特征可通过例如光谱法的常规技术来标识，但是本发明提供了可替换的方法。一个或多个已知的(一个或多个)相同分子可以定位在纳米电极之间一段时间，这段时间足以使偏压在包含该分子的可能内部能级的电压范围内变化，并且同时用其频率高于偏压变化速率的调制波形来调制偏压。通过解调当该分子位于电极之间时所测得的通过该分子的隧道电流而导出与已知分子相关的(一个或多个)特征电信号，该信号随后被用在上述测序方法的比较中。将(一个或多个)已知分子定位在纳米电极之间可以这样来实现通过用光学镊子将(一个或多个)分子保持在通道中，或者通过使由穿过通道的相同分子所组成的聚合物穿过纳米通道，以使相同分子在信号处理期间的所有时间内都将存在。
另一方面，本发明提供了执行上述研究方法的装置，由连接到信号发生器的纳米电极对、用于驱动聚合物穿过纳米电极通道的装置和信号处理装置组成，其中信号发生器用于施加并调制(可选地改变)偏压，该偏压对应于感兴趣的分子的内部能级之间的一个或多个能量差；信号处理装置用于获取隧道电流信号，相干地解调所获得的信号并将所得特征电信号与已知分子的已知信号值进行比较。在可选实施例中，纳米孔或纳米通道可以贴近纳米电极，以限制聚合物以每次单个分子的方式穿过通道。如上所讨论的，光学镊子、电场发生器或其他驱动装置可用来迫使聚合物穿过纳米电级通道，滤波器可用来提高所得信号的信噪比。
信号处理器还包括用于采集并存储所导出的感兴趣分子的特征电信号的存储器，用于检索与已知分子相关的这种信号的已知值以进行比较。本发明提供了更快的测序速度(即实时)以及对更长的聚合物进行测序的能力，这在降低例如与核苷酸测序相关的分析成本中有用。
从下面对本发明优选实施例的描述和权利要求中，本发明的其他特征和优点将变得清楚。


为了更好地理解本发明，参照附图和具体的描述，其中图1是根据本发明的聚合物测序装置的组成示意图；图2是根据本发明的具有漏过装置和电泳场发生器的纳米电极的示意图；图3是根据本发明的同时识别聚合物中多个分子的装置的部分示意图。
具体实施例方式
本发明提供了对聚合物进行测序的系统和方法。参照图1(未按比例绘制)，本发明的优选实施例涉及驱动溶液中的聚合物2的一个分子8穿过一对纳米电极6之间的通道4，并利用常规信号发生器10将电极6上的偏压VB12集中，该偏压对应于感兴趣分子8的任意两个内部能级之间的能量差。然后，调制波形WMOD14应用到偏压VB12上。穿过分子8通过通道4的隧道电流IT16被传感器18(例如，电流传感器)获取，并被传送到可包括锁相放大器和/或相敏检测器的信号处理设备20。所获得的隧道电流IT16接着被解调器22解调，以导出特征信号SC24 该信号接着可以与已知分子的相关预定信号S已知26进行比较，以确定穿过通道4的分子8是否与已知分子相同。所获得的隧道电流IT16在解调之前或解调之后可任选地分别通过带通滤波器或低通滤波器28。常规技术可用来完成所导出的特征信号SC24与预定信号S已知26之间的比较，例如通过线性和/或非线性曲线拟合和/或变化分析(例如，Allan偏差)。
参照图2，聚合物2可以是本领域已知的任意类型的聚合物，但优选包括核酸或蛋白质。DNA是脱氧核苷酸的聚合物，其由脱氧核糖、一个或多个磷酸基团以及腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)的衍生物组成。DNA链3的遗传信息可以通过对链3中的4个不同碱基(A，G，C和T)进行测序而确定。RNA也可以被测序，但注意RNA链包括尿嘧啶(U)分子，其取代4个碱基中的胸腺嘧啶。DNA链可以是单链或双链，并且已知技术可用来将最初的双链样品减少到单链，并且/或者去除次级DNA结构。为方便起见，任何常规方法可用来将双链DNA链分解为单链，例如用热或电离酸或碱断开成对碱基之间的氢键。
聚合物2分布在其中的溶液可以是任何允许穿过纳米电极通道4的合适聚合物迁移率以用于测序的流体。这种溶液一般含有作为导电剂的离子，例如钡、钙、铯、氯化物、磷酸钾、钠或硫酸盐，并且优选是但也并非一定是模拟体内环境的基于水的溶液。通过在纳米电极6的两侧分别设置一个电极32的方式，建立和调节(调节到零或反转其极性)与纳米电极6不平行的电泳电场30，可以驱动聚合物2进入或穿过通道4。(见Proc.Natl.Acad.Sci.USA Vol.93，pp.13770-13773，November 1996，这里通过引用将其内容结合于此)其他驱动聚合物穿过通道4的方法也可以应用，例如仅在纳米电极6的一侧将机械压力施加到溶液上，或者使用光学镊子(如图3中的元件7)。也可以将催化剂物理链接到聚合链的端部，并通过移动催化剂来拖动聚合物，由此来诱导聚合物2穿过通道。
纳米电极6应该被隔离以防止电流损失，并且可利用现有纳米级制备技术由导电但对溶液呈惰性的材料(例如，金)制成为各种大小和形状(见“Rapid nanopore discrimination between single polynucleotidemolecules”，A.Meller等，Proc.Natl.Acad.Sci.USA Vol.97，pp.1079(2000)。)单原子层和亚单原子层可以精确地沉积或减少到严格的规格。而且，电解金属-溶解反应可用来打开并控制金属内的纳米孔或纳米通道，并且用来控制纳米电极尖端之间的通道大小。已知的纳米光刻方法包括但不限于化学气相沉积、电化学沉积、化学沉积、电镀、热扩散和蒸发、物理气相沉积、溶胶-凝胶沉积、聚焦电子束、聚焦离子束、分子束外延、蘸水笔(dip-pen)纳米光刻、反应性离子束蚀刻、化学辅助离子束蚀刻、微波辅助等离子体蚀刻、电子氧化、扫描探针方法、化学蚀刻、纳米印刷和激光烧蚀。
穿过通道4的分子8的特征可以由通过纳米电极6的隧道电导变化的幅度或持续时间来识别。每种类型的分子都将表现出能够识别该分子的特有特征。每个单体的体积、形状或电荷都将以特有的方式影响电导。此外，整个聚合物2的大小可以通过观测电导变化的持续时间来确定。隧道电导变化可以通过调制偏压VB12并接着解调从纳米电极6(该纳米电极中的一个作为阳极，另一个作为阴极)获得的隧道电流IT16而被有效地确定。纳米电极6之间通道4的宽度是纳米量级的，长度5与链3的碱基分子之间的间距量级相当或更小。如果通道长度和厚度相对较小，则纳米电极的精确形状并不重要。我们认为纳米电极之间通道4的宽度不能制成完全一致，但是，因为可测量的隧道电流会大致以宽度的指数函数上升，所以当分子通过最窄宽度的点时，可归因于该分子隧道电流的信号将支配测量。这样实际上具有如下的有益效果即，限制了可能与感兴趣的特定分子一起存在于通道中的其他不希望分子的隧道电流的影响(例如，因为纳米电极之间通道的长度不合要求而允许纳米电极之间存在多于一个分子)。
通道4的尺寸可以起限制分子的作用，使得分子受限而以一个分子接着一个分子的方式穿过纳米电极之间，但是优选地，可替换地首先使聚合物2“漏过”(funnel)固态纳米通道或纳米孔，或天然纳米孔(例如α-溶血素)34以将分子重新排序或重新定向。纳米孔应该由非导电材料形成，例如氮化硅，其类似地对溶液呈惰性，并且利用上面描述的技术之一就可形成。
再参照图1，信号发生器10提供了应用到纳米电极6上的偏压VB12和调制波形WMOD14。传感器18被用来询问纳米电极以测量隧道电流IT16随时间的变化。所获取的隧道电流IT16信号可以存储在可选的数据存储设备25中以用于以后的分析，或者利用高处理量、实时方法立即进行处理。在任一种方法中，在使用解调波形WDEMOD27的情况下，所获取的隧道电流IT16信号被传递给解调器22。接着，所得特有“特征”或信号SC24可以与已知分子特有的或与已知分子相关的一个或多个预定信号S已知26进行比较，以确定感兴趣的分子8和已知分子之间的关系(例如，同一性)。
根据量子力学，隧道电流IT16是偏压VB12的线性函数，这样使得对于相对于纳米电极6具有给定定向的分子8，定义为d IT/dVB的隧道电导是恒定的。这种近似仅对低偏压才是准确的，这是因为它不包括可归因于分子8的内部状态的影响。如果考虑分子的内部状态，则当隧道电子的能量在Δεij≡εi-εj附近时，要修正隧道电导，其中εi和εj分别是分子的状态|i＞和状态|j＞的能量。相应的“共振电压”可以由隧道电导的变化来确定，并且可用来识别正被研究的分子8。由于这些“共振电压”值是由分子8的内部状态确定的，所以预计它们对(例如，DNA碱基)分子定向不太敏感。不同量子状态对隧道电导的影响细节取决于所涉及的物理过程。例如，在某些分子中，非弹性电子隧道效应是主要的过程，其至少在隧道电子能量的小范围内修正了隧道电导。
分子状态能量由其电子的、振动的和旋转的量子数目确定。有关分子中电子状态、振动状态和旋转状态的能量量级分别为eV、100meV和100μeV。这样，基态电子中的振动状态将是最适合利用所讨论方法来识别感兴趣分子的状态。
为了最初识别特定分子的一个或多个相关特征信号，需要将单个已知分子定位在纳米电极之间的通道4中(例如，用光学镊子)，或者需要生成由重复分子组成的聚合链并使其穿过通道。本领域已知的任意酶促生成技术，优选为生成次级结构已减少或去除的、带有重复序列的单链核酸的技术，都可以使用。一旦感兴趣的分子8位于纳米电极之间的通道4中，偏压VB12即可在相关范围内扫荡(线性或非线性地)，该范围是包括分子8的(一个或多个)所期望共振电压的电压范围。隧道偏压VB12和传感器18所获得的相应隧道电流IT16可任选地存储在数据存储设备25中用于以后的处理以揭示这些“共振电压”。
可归因于非弹性电子隧道效应的特征是可观测的，并且在导出识别信息的过程中有用。在这个过程中，隧道电流IT16相对于偏压的二次导数d2IT/dVB2在“共振电压”处表现出可检测的峰。(见“Single-MoleculeVibrational Spectroscopy and Microscopy”，B.Stipe等，Science，Vol.280，pp.1732-1735，12 June 1998，这里通过引用将其内容结合于此。)如果不同的物理过程正在发生，则“共振电压”下的隧道电流特征可能不同。那么dnIT/dVBn(n为不同值)在“共振电压”处将表现出某种特有特征，例如峰。由于在单个分子8停留在纳米电极6之间的通道4中的时间期间，偏压VB12要在感兴趣的范围内扫荡，所以这种方法的带宽相对较大。
或者，可以用调制频率为fm的调制波形WMOD14来调制(高频振动)偏压VB12。通过用调制频率的n次谐波解调隧道电流IT16可获得信号dnIT/dVBn。当偏压VB12扫描通过“共振电压”时，所寻找的特有特征将出现。调制波形WMOD14优选被生成为使得其缺少认为将在特征信号中发现的谐波信号。合适的波形例如可以包括方形波或正弦波，其中正弦波的所有谐波已经被抑制。调制波形也可以合成产生，这样使得其以某种方式增强了特征信号中的谐波。所得的隧道电流信号被解调波形WDEMOD27相干地解调，以导出(一个或多个)特征信号。解调波形可以具有与调制波形WMOD14相同的频率fm、或谐波或其子谐波。或者，解调波形可以包含下列频率分量的其中至少之一调制波形的基频、调制波形的所有子谐波和调制波形的所有谐波。对于某些分子，非弹性电子隧道效应在利用调制波形的二次谐波解调的隧道电流中将出现峰。结果，在利用调制波形的三次谐波所解调的隧道电流中将呈现弥散状曲线。
在已经为特定分子初步确定了隧道电导的特征信号S已知之后，通过上述方法或者振动光谱法，可以询问感兴趣的未知分子以确定它们是否呈现出已知的(一个或多个)特征信号，从而识别感兴趣的分子。在一个方法中，这通过将偏压(通过调制)向已知分子特有的“共振电压”集中来实现。当已知类型的感兴趣的分子穿过纳米电极6之间的通道4时，从解调隧道电流所导出的信号在时域中将表现出特有特征。与同样分子的特有特征相对于扫描偏压的变化曲线相比较，该特有特征随时间(固定偏压)的变化曲线可能看起来不同。以这种检测模式，检测带宽由分子在通道中的停留时间决定，这样使得信噪比将获得显著改善。
在一个实施例中，已知特征信号和未知特征信号的比较功能直接在分散的或集成的硬件元件中实现。在另一实施例中，所检测到的隧道电流IT可选地被存储在数据存储设备25中，以在需要的时候用于分析来确定有关聚合物的结构信息。适于用在本发明中的计算机29包括作为用户接口的输出设备和输入设备、数据存储设备以及与数据存储设备连接的处理器，处理器带有可执行的存储空间以进行分析。输入和输出设备也连接到处理器和存储系统。用于对上述所检测到的信号进行数据分析的计算机程序可较容易获得。
参照图3，在本发明的另一实施例中，多对纳米电极6A-6D独立地识别穿过它们各自通道的分子。它们可以共用信号处理设备20。被施加到纳米电极6A-6D中每对上的各个偏压中的每个被集中在与唯一的已知分子相关的共振电压附近，并以唯一的调制频率被调制。应该注意到要确保相邻纳米电极对之间的偏压不会互相干扰，例如通过隔离或屏蔽措施。从每对纳米电极6A-6D所采集的相应隧道电流ITA-ITD被同时用上述解调器以特定调制频率的各个所希望谐波解调。同样，如上所述，在解调之前和/或之后也可以使用可选的滤波来提高信噪比。对于给定分子，当相应的解调信号通过被校准而适合于该分子的检测器时，它将显示要寻找的特有特征。这种装置和方法允许以非常快速的方式来识别几个不同分子和对聚合物进行测序。
连续的纳米电极对并不要求象图3中描绘的那样排列；存在某个角度或偏移都是允许的。此外，每对纳米电极并不必识别不同的感兴趣的分子。例如，每对都可以应用不同的共振电压来寻找同一未知分子的不同特征信号。可以存在这种情况作用到不同纳米电极对上来识别特定分子的多于一个的共振电压是有必要的或者希望的，以增加检测/识别的可靠性。在应用多个纳米电极对的情况下，可以将分子穿过各个通道时间和所导出的信号进行关联。
对于发明人而言，可应用本发明而被测序的聚合物的长度是没有限制的，但是，当要被测序的聚合物具有线型、曲线型或直线型骨架时，本发明能提供最佳结果，而如果聚合物的形状太不规则，则在将该聚合物弄直(即，漏过)的可选步骤中可能会遇到困难。对最佳处理量的愿望实际上也将限制以多慢的速度将聚合物进行测序——更慢的速度将产生更好的信噪比，但是在最小的速度下限，布朗运动将产生不确定性。这样，应该选择驱动方法来消除布朗运动效应并增加处理量。
虽然已描述了本发明的各种实施例，但应该认识到，本发明也能够适用于在本发明精神内的更多其他实施例。
权利要求
1.一种对聚合物分子测序的方法，包括如下步骤集中由在其间的通道隔开的纳米电极对上的偏压，所述偏压对应于感兴趣的分子的任意两个内部能级之间的能量差；用调制波形调制所述偏压；依次驱动由相连的分子组成的聚合物分子穿过所述通道，所述相连的分子包括至少一个所述感兴趣的分子；由通过所述感兴趣的分子的隧道电流导出表示所述感兴趣的分子的电信号，所述隧道电流是当所述聚合物穿过所述通道时，所述感兴趣的分子处于所述纳米电极之间的同时测得的；以及通过将所导出的电信号与所述感兴趣的分子的已知信号值进行比较来识别所述感兴趣的分子。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述依次驱动步骤还包括使所述聚合物漏过所述通道，以将所述聚合物限制为每次一个分子地通过所述通道。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述漏过步骤还包括迫使所述聚合物通过纳米孔或纳米通道。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物是核酸。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述聚合物是双链DNA，所述感兴趣的分子包括一个DNA碱基或一对DNA碱基。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述聚合物是单链DNA，所述感兴趣的分子包括一个DNA碱基。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述依次驱动步骤还包括下列步骤的其中之一用电场驱动所述聚合物，将机械压力施加到所述聚合物悬浮在其中的溶液，或者直接用一对或多对光学镊子操纵所述聚合物。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述调制波形选自正弦波、其中正弦波的所有谐波被抑制的正弦波、方形波、不带所导出电信号中要被检测的谐波的合成波形、或增强所导出电信号中存在的对应于所述感兴趣的分子的至少一种所期望谐波的合成波形。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述导出特征电信号的步骤还包括用解调波形相干地解调所述隧道电流。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述分子中的非弹性电子隧道效应在用所述调制波形的二次谐波所解调的所述隧道电流中呈现出峰形。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述分子中的非弹性电子隧道效应在用所述调制波形的三次谐波所解调的所述隧道电流中呈现出弥散状曲线。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述解调波形包含下面频率分量的其中至少之一所述调制波形的相同频率、所述调制波形的所有子谐波和所述调制波形的所有谐波。
13.如权利要求9所述的方法，还包括对所述隧道电流进行滤波以提高信噪比的步骤。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述导出步骤还包括通过滤波和/或后处理从经解调的隧道电流中提取所述信号。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述电信号包括由从所述隧道电流得到的隧道电导的变化所确定的共振电压。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述偏压对应于所述感兴趣的分子的共振电压。
17.如权利要求1所述的方法，还包括集中至少一个附加偏压，所述附加偏压加在至少一对附加的、由通道隔开以在其间形成至少一个附加通道的纳米电极，并且所述至少一个附加偏压对应于至少一个附加的感兴趣的分子的任意两个内部能级之间的能量差；用至少一个附加调制波形调制所述至少一个附加偏压；驱动所述聚合物穿过所述至少一个附加通道；由各对电极之间的隧道电流导出表示所述至少一个附加的感兴趣的分子的至少一个附加电信号，所述隧道电流是在所述聚合物的一分子部分穿过各个通道的同时测得的；以及通过所述聚合物单次通过多个通道所导出的各个电信号与感兴趣的多个分子的多个已知信号值进行比较，来识别至少一个附加的感兴趣的分子。
18.如权利要求1所述的方法，还包括集中至少一个附加偏压，所述附加偏压加在至少一对附加的、由通道隔开以在其间形成至少一个附加通道的纳米电极，并且所述至少一个附加偏压对应于所述感兴趣的分子的任意两个内部能级之间的能量差；用至少一个附加调制波形调制所述至少一个附加偏压；驱动所述聚合物穿过所述至少一个附加通道；由各对电极之间的隧道电流导出表示所述感兴趣的分子的至少一个附加电信号，所述隧道电流是在所述聚合物的一分子部分穿过各个通道的同时测得的；以及还通过所述聚合物单次通过多个通道所导出的各个电信号与感兴趣的分子的多个已知信号值进行比较，来识别所述感兴趣的分子。
19.一种识别化学上已知分子的特征电信号的方法，包括如下步骤将一个或多个化学上已知的相同分子定位在一对由通道隔开的纳米电极之间；在包括所述分子的可能内部能级的电压范围内改变所述纳米电极之间的偏压；用调制波形调制所述偏压；以及通过分析和/或解调通过所述一个或多个分子的隧道电流来导出表示所述一个或多个已知分子的电信号，所述隧道电流是在所述一个或多个已知相同分子被定位在所述纳米电极之间的所述通道中的同时测得的。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述定位步骤还包括下列步骤之一用一对或多对光学镊子将所述一个或多个已知分子保留在所述通道中，或驱动由所述一个或多个相同分子组成的聚合物通过所述通道。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述定位步骤还包括将电泳驱动电压施加在所述一个或多个已知分子悬浮在其中的溶液上并调节该电压。
22.一种聚合物分子测序系统，包括一对纳米电极，其被设置来依次地接收位于形成在其间的通道中的溶液中聚合物的相连的分子；信号发生器，其电连接到所述纳米电极以集中加在所述纳米电极上的偏压并用调制波形调制所述偏压，所述偏压对应于感兴趣的分子的任意两个内部能级之间的能量差；用于驱动所述聚合物穿过所述通道的装置；用于测量在所述聚合物的一分子部分穿过所述通道时所述纳米电极之间的隧道电流的装置；和信号处理器，用于从所述隧道电流导出表示所述感兴趣的分子的电信号，并通过将所导出的电信号与所述感兴趣的分子的已知电信号值进行比较来识别所述感兴趣的分子。
23.如权利要求22所述的系统，还包括用于限制所述聚合物以每次一个分子的方式通过所述通道的装置。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述限制装置包括纳米孔或纳米通道。
25.如权利要求22所述的系统，其中所述驱动装置选自形成作用到所述溶液上的电场的电极，形成在所述纳米电极之间通道上的压力梯度的机械装置，或者一对或多对光学镊子。
26.如权利要求22所述的系统，其中所述调制波形不带所导出电信号中要被检测的谐波。
27.如权利要求22所述的系统，其中所述调制波形增强所述电信号中存在的对应于所述感兴趣的分子的至少一种所期望的谐波。
28.如权利要求22所述的系统，其中所述信号处理器用解调波形相干地解调所述隧道电流。
29.如权利要求28所述的系统，其中所述解调波形包含下面频率分量的其中至少之一所述调制波形的相同频率、所述调制波形的所有子谐波和所述调制波形的所有谐波。
30.如权利要求28所述的系统，还包括用于在解调之前提高信噪比的一个或多个隧道电流滤波器。
31.如权利要求22所述的系统，其中所述电信号包括由从所述隧道电流得到的隧道电导的变化所确定的共振电压。
32.如权利要求31所述的系统，其中所述偏压对应于所述感兴趣的分子的共振电压。
33.如权利要求22所述的系统，其中所述信号处理器还包括用于采集并存储所导出的电信号的数据存储设备。
34.如权利要求33所述的系统，其中所述信号处理器还被设置来访问存储在所述数据存储设备中与感兴趣的分子有关的已知电信号记录，用于与所导出的电信号进行比较。
全文摘要
本发明描述了识别例如核酸的聚合物分子的系统和方法。该方法涉及集中由通道隔开的一对纳米电极上的偏压，并在感兴趣的分子在通道中时用调制波形调制偏压，所述偏压对应于感兴趣的分子的任意两个内部能级之间的能量差。表征感兴趣的分子的电信号从纳米电极之间的隧道电流导出，并且表征电信号被与化学上已知分子的已知信号值进行比较以识别该感兴趣的分子。多个纳米电极对也可用来更可靠地识别单个分子或多个分子。
文档编号G01N27/416GK1667401SQ20051000298
公开日2005年9月14日 申请日期2005年1月27日 优先权日2004年3月10日
发明者朱淼 申请人:安捷伦科技有限公司