[发明专利]用于研究分子的设备和方法

说明书

本申请是中国专利申请200880114481.1的分案申请。 

技术领域

本发明涉及用于研究分子、特别是生物学分子诸如核酸或蛋白的设备和方法。本设备和方法涉及纳米等级技术的应用到迅速和详细分析这些分子的问题。在一方面，本发明涉及测序核酸的设备和方法。 

背景技术

迅速测试核酸的能力在生物学中保持最高的重要性。尽管现在已知许多基因组(包括人)的完整序列，且将可获得许多更多的序列，但是由于许多原因仍保持对获得序列数据的需要。目前的测序技术主要基于Sanger(“双脱氧”)技术且费力费时。包括检测通过聚合酶引入单核苷酸的方法固有地受到聚合酶能合成互补DNA链的相对较低速率的限制。目前，关于单测序装置的最大测序速率是约1碱基/秒；尽管是超越常规Sanger测序技术的进步，但仍然非常缓慢。 

提议了通过检测当DNA通过导电孔时的电流变化来测序DNA的方法。尽管这样的方法具有高理论最高检测速度，但是至今为止仅获得相对低的检测速率，且似乎很可能在不彻底改变总设计或使用导电标记的条件下，检测的限制将保持很低。 

纳米技术，如同生物学，是迅速发展的领域且产生用于处理和分析分子的新型方法和材料。纳米技术人员现在能够生产和处理低至纳米以下等级的材料。这提供发展具有新的且以前从未考虑过的潜力的装置或技术的潜力。然而，尽管纳米技术在例如，电子工业中发现了功用，但是其尚未广泛用于生物学领域中。 

等离子共振是这样的现象，其中金属表面上的等离子受到该表面上光入射的激发。等离子共振用于大量常规分析仪，诸如 中。在激发 平面上的等离子的情形中，使用术语表面等离子共振(SPR)，且在激发纳米尺寸的颗粒的情形中，经常使用术语局部表面等离子共振(LSPR)来区分这方面现象。当光照射小金属颗粒时，振荡电场导致所述颗粒的电子相干振荡。这些电子的共同振荡称为偶极等离子共振。电子云中的共同振荡产生强烈的、高度局部化的电磁场(EMF)。为了产生这些共同振荡，必须使用正确的激发波长。该波长应该取决于被激发的金属颗粒或纳米结构物的尺寸和形状。 

已经发现，通过使用可以用纳米技术获得的高度局部化的SPR，可以在纳米等级研究生物学分子的结构。 

发明内容

根据本发明，提供用于研究分子的设备，其包括： 

-至少一个处于基底中的通道，所述通道适合于分子从其中通过； 

-至少一个能够等离子共振的金属结构部分，所述至少一个金属结构部分与所述通道结合，所述金属结构部分处于适合由所述金属结构部分产生的电磁场与经由所述通道通过的分子相互作用的位置处； 

-用于诱导分子通过所述通道的装置； 

-用于诱导所述金属结构部分中的表面等离子共振的装置；和 

-用于检测由所述金属结构部分产生的电磁场与通过所述通道的分子之间的相互作用的装置。 

适当地，所述设备包括两个储存器：第一储存器适合于接受包括待研究分子的样品，且第二储存器适合于所述分子一旦通过所述通道便进入其中。合适地，这两个储存器彼此通过基底分开，且分子必须通过至少一个通道而从第一储存器进入第二储存器。因此所述基底可以被认为是分开这两个储存器的膜或隔膜。 

一般地，所述通道的尺寸应该适合于待研究的分子通过该通道，且这样迫使该分子以合适地靠近所述金属结构部分来通过，以使所述分子和由金属结构部分产生的局部化EMF之间发生相互作用。所述通道通常也应该具有合适的尺寸，以使得每次仅一个分子可以通过该通道。 

一般地，优选的是该通道是孔，尽管其也可能是其他通道形式，诸如 处于基底中的缝或槽也可以是合适的。 

所述孔可以具有任何合适的形状，尽管最容易想到圆形或近似圆形的孔。 

所述孔(或通道)可以具有约0.5nm-100nm，优选50nm以下，尤其30nm以下的直径。尽管使用术语直径，但应该理解这不意味着严格的几何学含义且可以，例如应用于非圆形孔或通道的最小维度。 

通常，基底中的小孔(small apertures)称为“小孔(pores)”，且该术语可以贯穿说明书中使用，且应该得到相应的解释。 

在待研究的分子是核酸的情形中，单链核酸通过的最小孔是约1nm。双链核酸应该通过约2nm以上的孔[见Heng J.B.等Biophysical Journal(生物物理学杂志)(2006)，90，1098-1106]。