CN106232797A - 使生物分子热变性的装置和生产装置的方法 - Google Patents

使生物分子热变性的装置和生产装置的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106232797A
CN106232797A CN201480047465.0A CN201480047465A CN106232797A CN 106232797 A CN106232797 A CN 106232797A CN 201480047465 A CN201480047465 A CN 201480047465A CN 106232797 A CN106232797 A CN 106232797A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nanochannel
methods according
resistive heater
biomolecule
columnar part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201480047465.0A
Other languages
English (en)
Inventor
川合知二
古桥匡幸
谷口正辉
马克·奥尔德姆
埃里克·诺德曼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Quantum Biosystems Inc
Original Assignee
Quantum Biosystems Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Quantum Biosystems Inc filed Critical Quantum Biosystems Inc
Publication of CN106232797A publication Critical patent/CN106232797A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • B01L7/525—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples with physical movement of samples between temperature zones
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813—Hybridisation assays
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6869—Methods for sequencing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3278—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48721—Investigating individual macromolecules, e.g. by translocation through nanopores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0647—Handling flowable solids, e.g. microscopic beads, cells, particles
    • B01L2200/0663—Stretching or orienting elongated molecules or particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/10—Integrating sample preparation and analysis in single entity, e.g. lab-on-a-chip concept
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/04—Closures and closing means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0645—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0663—Whole sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0896—Nanoscaled
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/12—Specific details about materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1827—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using resistive heater
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/08—Regulating or influencing the flow resistance
    • B01L2400/084—Passive control of flow resistance
    • B01L2400/086—Passive control of flow resistance using baffles or other fixed flow obstructions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2563/00—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties
    • C12Q2563/159—Microreactors, e.g. emulsion PCR or sequencing, droplet PCR, microcapsules, i.e. non-liquid containers with a range of different permeability's for different reaction components

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

本发明提供方法和***，所述方法和***可以减少检测或识别、或者检测和识别生物分子所需要的样品的量，且增加使生物分子变性的速度。一种使生物分子热变性的装置可以包括：具有低热导率的基板；设置为与所述基板邻近的加热器；设置为与所述基板邻近的温度传感器；设置为与所述基板邻近的半导体氧化膜；在所述半导体氧化膜的区域中形成的纳米通道；和在所述纳米通道上的盖。

Description

使生物分子热变性的装置和生产装置的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年8月27日提交的日本专利申请No.JP 2013-175637的优先权，通过引用将其整体并入本文。
背景技术
纳米孔(或纳米间隙)可以用于检测生物分子，包括确定核酸分子诸如脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)分子的序列。核酸分子序列的确定可以提供各种好处诸如有助于对象的诊断和/或治疗。例如对象的核酸序列可以被用于遗传病的识别、诊断和潜在治疗方案的开发。
发明内容
通过使用微通道检测或识别生物分子的装置普遍有助于增加分析速度和减少所需样品的量。在作为生物分子的示例的DNA的分析中，DNA可以通过被加热至高温进行处理且可以被处理成用于诸如增殖(例如聚合酶链反应(PCR))和杂交的步骤的单链。同样地，当分析作为生物分子的另一个示例的蛋白质时，可以将蛋白质处理成短肽片段。
然而，在上述的常规示例中，由于通道的深度由硅基板的厚度决定，所以不可能使通道较浅。因此，加热器所加热的腔室的体积大且生物分子的变性需要大量的时间。
本公开提供使生物分子(例如DNA或RNA)热变性的装置、***和方法。本发明的装置、***和方法减少检测或识别、或者检测和识别生物分子所需要的样品的量且增加使生物分子变性的速度。
在其中装置可以被用于使生物分子热变性的一些实施方式中，所述装置可以包括：具有低热导率的基板；设置在基板上的阻性加热器；在基板上与加热器并列设置的温度传感器；在基板、加热器和温度传感器上成层的氧化硅膜；重叠在氧化硅膜上的覆盖构件；和在氧化硅膜中的区域中形成的纳米通道，所述区域与加热器重叠，且所述区域还与温度传感器重叠。
在一些实施方式中，其中装置可以被用于使生物分子热变性，加热器为阻性加热器，且可以在施加电压且流经电流时通过焦耳加热使其温度升高。焦耳加热的量可以与施加电压的平方成正比。由于可以减小加热器的尺寸使得加热器可以与纳米通道重叠，所以可以增加焦耳加热的功率密度。因此，可以使用较少的焦耳加热使设置在加热器上的纳米通道的温度升高，且可以减小向周围环境的热传导。由于可以将加热器设置在具有低热导率的基板上，所以也可以抑制通过基板的热传导。
另外，由于小加热器具有低热容量，所以它可能会在短时间内达到恒温。因此，快速的温度调制(加热)是有可能的。通过使用温度传感器可以进行温度调节。由于加热器和温度传感器可能会被氧化硅膜覆盖且在氧化硅膜中可能会形成纳米通道，所以通过纳米通道的生物分子可以被快速地局部加热且一致地变性。由于纳米通道可以为深度等于或小于1μm的通道，所以可以减少检测或识别、或者检测和识别生物分子所需的样品的量。
在其中装置可以被用于使生物分子热变性的一些实施方式中，可以在纳米通道中设置多个柱状部，其中可以将至少两个柱状部在纵向方向对齐且其中可以将至少两个柱状部在纳米通道的宽度方向对齐。
在其中装置可以被用于使生物分子热变性的一些实施方式中，纠缠的生物分子在通过纳米通道中对齐的多个柱状部之中的同时可以被线性化。如上所述，生物分子可以被加热器加热且变性，使得能够增加在分子水平上的生物分子的检测或识别或者检测和识别的速度。
在其中可以利用使生物分子热变性的装置的一些实施方式中，可以将加热器和温度传感器排列在纳米通道的宽度方向。
在一些实施方式中，如本文中所述的使生物分子热变性的装置，可以使用于使用温度传感器的温度调节的参数被最小化。因此，可以不需要复杂的温度调节。
在其中可以利用使生物分子热变性的装置的一些实施方式中，可以将加热器和温度传感器排列在纳米通道的纵向方向。
在一些实施方式中，其中装置可以被用于使生物分子热变性，可以将加热器完全设置在纳米通道的宽度方向。因此，可以有效地加热流经纳米通道的生物分子并且使其变性。
在一些实施方式中，生产使生物分子热变性的装置的方法可以包括：将阻性加热器设置在具有低热导率的基板上；将温度传感器与加热器并列设置在基板上；在基板、加热器和温度传感器上形成一层氧化硅膜；在氧化硅膜的区域中形成纳米通道，所述区域与加热器重叠，所述区域还与温度传感器重叠；且在氧化硅膜上重叠覆盖构件。
在一些实施方式中，其中可以利用生产使生物分子变性的装置的方法，可以生产使生物分子变性的装置，与没有利用所述变性方法所可能需要的相比，所述装置需要更少用于检测或识别或者检测和识别生物分子的样品，且可以增加使生物分子变性的速度。
在一些实施方式中，可以利用生产使生物分子热变性的装置的方法，其中所述方法可以包括：在纳米通道中准备多个柱状部，其可以具有在纵向方向对齐的至少两个柱状部且可以具有在纳米通道的宽度方向对齐的至少两个柱状部。
在其中装置可以被用于使生物分子热变性的一些实施方式中，可以生产使生物分子热变性的装置，所述装置可以增加在分子水平上的生物分子的检测或识别，或者检测和识别的速度。
如上所述，根据在一些实施方式中所述，可以获得有益效果，通过该效果可以需要更少用于检测或识别或者检测和识别生物分子的样品，且由其可以增加使生物分子变性的速度。
本公开的方面提供使生物分子热变性的装置，所述装置包括：具有低热导率的基板；设置为与基板邻近的阻性加热器；设置为跟与基板邻近的阻性加热器并列的温度传感器；与阻性加热器和温度传感器邻近的半导体氧化膜；在半导体氧化膜的至少一部分中形成的纳米通道；和在纳米通道的至少一部分上的覆盖构件。在实施方式中，纳米通道与阻性加热器和温度传感器重叠。在一些情况下，可以利用盖将纳米通道封闭诸如密封地封闭。
在实施方式中，装置还包括在纳米通道中的一个或多个柱状部。在另一个实施方式中，所述一个或多个柱状部包括多个柱状部。在另一个实施方式中，将所述多个中的至少两个柱状部沿纳米通道的纵向方向对齐，且其中将所述多个中的至少两个柱状部沿纳米通道的宽度方向对齐。阻性加热器和/或温度传感器可以(例如沿纳米通道的长度)在所述一个或多个柱状部之前、与之邻近或之后。
在实施方式中，将阻性加热器和温度传感器沿纳米通道的宽度方向排列。在另一个实施方式中，将阻性加热器和温度传感器沿纳米通道的纵向方向排列。在另一个实施方式中，将阻性加热器和温度传感器交错排列。
在实施方式中，所述装置还包括与纳米通道流体连通的至少一个电极对，其中所述电极对检测跨过纳米通道的电流。在另一个实施方式中，电流为隧穿电流。在另一个实施方式中，所述至少一个电极对在纳米通道中。在另一个实施方式中，所述至少一个电极对由具有小于或等于约2纳米的距离的间隙隔开。在另一个实施方式中，该距离小于或等于约1纳米。在另一个实施方式中，该距离大于约0.5纳米。在另一个实施方式中，所述至少一个电极对由具有小于生物分子的直径的距离的间隙隔开。
在实施方式中，生物分子为核酸分子。在另一个实施方式中，核酸分子为脱氧核糖核酸、核糖核酸或它们的变形。在另一个实施方式中，生物分子悬浮在低离子浓度流体中。低离子浓度流体可以在纳米通道中。低离子浓度流体可以增加持续长度。
在实施方式中，阻性加热器接近纳米通道。在另一个实施方式中，阻性加热器与纳米通道重叠。在另一个实施方式中，阻性加热器适合用于加热和温度感测。在另一个实施方式中，所述装置还包括生成至少两个温度区的多个阻性加热器。在另一个实施方式中，所述温度区为不同的温度区。例如，所述温度区具有不同的温度或温度范围。
在实施方式中，半导体氧化膜包括氧化硅。
在实施方式中，基板具有小于或等于约100W/(mK)的热导率。在另一个实施方式中，基板具有小于或等于约10W/(mK)的热导率。在另一个实施方式中，基板具有小于或等于约5W/(mK)的热导率。
本发明的另一方面提供一种方法，所述方法包括(a)提供一种装置，所述装置具有(i)具有低热导率的基板、(ii)设置为与基板邻近的阻性加热器、(iii)设置为跟与基板邻近的阻性加热器并列的温度传感器、(iv)与阻性加热器和温度传感器邻近的半导体氧化膜、(v)在半导体氧化膜的至少一部分中形成的纳米通道和(vi)在纳米通道的至少一部分上的覆盖构件；(b)引导生物分子通过纳米通道；和(c)使用阻性加热器向生物分子施加热。在实施方式中，纳米通道与阻性加热器和温度传感器重叠。在一些情况下，可以利用盖将纳米通道封闭诸如密封地封闭。
在实施方式中，装置还包括在纳米通道中的一个或多个柱状部。在另一个实施方式中，所述一个或多个柱状部包括多个柱状部。在另一个实施方式中，将所述多个中的至少两个柱状部沿纳米通道的纵向方向对齐，且其中将所述多个中的至少两个柱状部沿纳米通道的宽度方向对齐。阻性加热器和/或温度传感器可以(例如沿纳米通道的长度)在所述一个或多个柱状部之前、与之邻近或之后。
在实施方式中，将阻性加热器和温度传感器沿纳米通道的宽度方向排列。在另一个实施方式中，将阻性加热器和温度传感器沿纳米通道的纵向方向排列。在另一个实施方式中，将阻性加热器和温度传感器交错排列。
在实施方式中，所述装置还包括与纳米通道流体连通的至少一个电极对。所述至少一个电极对可以适合检测跨过纳米通道的电流。所述电流可以为隧穿电流。在另一个实施方式中，所述至少一个电极对在纳米通道中。在另一个实施方式中，所述至少一个电极对由具有小于或等于约2纳米的距离的间隙隔开。在另一个实施方式中，该距离小于或等于约1纳米。在另一个实施方式中，该距离大于约0.5纳米。在另一个实施方式中，所述至少一个电极对由具有小于生物分子的直径的距离的间隙隔开。在另一个实施方式中，所述方法还包括使用所述至少一个电极对测量跨过间隙的电流，所述间隙将所述至少一个电极对隔开。在另一个实施方式中，所述电流为隧穿电流。隧穿电流可以跨过生物分子。这种隧穿可以为量子力学隧穿。
在实施方式中，生物分子为核酸分子。在另一个实施方式中，核酸分子为脱氧核糖核酸、核糖核酸或它们的变形。在另一个实施方式中，生物分子悬浮在低离子浓度流体中。低离子浓度流体可以增加持续长度。
在实施方式中，阻性加热器接近纳米通道。在另一个实施方式中，阻性加热器与纳米通道重叠。在另一个实施方式中，阻性加热器适合用于加热和温度感测。
在实施方式中，所述装置还包括生成至少两个温度区的多个阻性加热器。在另一个实施方式中，所述温度区为不同的温度区。例如，所述温度区具有不同的温度或温度范围。
在实施方式中，半导体氧化膜包括氧化硅。
在实施方式中，基板具有小于或等于约100W/(mK)的热导率。在另一个实施方式中，基板具有小于或等于约10W/(mK)的热导率。在另一个实施方式中，基板具有小于或等于约5W/(mK)的热导率。
本发明的另一方面提供一种形成使生物分子热变性的装置的方法，所述方法包括(a)设置与具有低热导率的基板邻近的阻性加热器；(b)设置与邻近基板的阻性加热器并列的温度传感器；(c)提供与基板、阻性加热器和温度传感器邻近的半导体氧化膜；(d)在半导体氧化膜的至少一部分中形成纳米通道；和(e)提供在纳米通道的至少一部分上的覆盖构件。在实施方式中，设置与具有低热导率的基板邻近的阻性加热器包括淀积阻性加热器。在另一个实施方式中，设置与邻近基板的阻性加热器并列的温度传感器包括形成温度传感器。在一些情况下，可以利用覆盖构件将纳米通道封闭诸如密封地封闭。
在实施方式中，纳米通道与阻性加热器和温度传感器重叠。
在实施方式中，所述方法还包括在纳米通道中形成一个或多个柱状部。在另一个实施方式中，形成所述一个或多个柱状部包括形成多个柱状部。在另一个实施方式中，将所述多个中的至少两个柱状部沿纳米通道的纵向方向对齐，且其中将所述多个中的至少两个柱状部沿纳米通道的宽度方向对齐。阻性加热器和/或温度传感器可以(例如沿纳米通道的长度)在所述一个或多个柱状部之前、与之邻近或之后。
在实施方式中，将阻性加热器和温度传感器沿纳米通道的宽度方向排列。在另一个实施方式中，将阻性加热器和温度传感器沿纳米通道的纵向方向排列。在另一个实施方式中，将阻性加热器和温度传感器交错排列。
在实施方式中，所述方法还包括形成与纳米通道流体连通的至少一个电极对，其中所述电极对检测跨过纳米通道的电流。在另一个实施方式中，所述至少一个电极对在纳米通道中。在另一个实施方式中，所述至少一个电极对由具有小于或等于约2纳米的距离的间隙隔开。在另一个实施方式中，该距离小于或等于约1纳米。在另一个实施方式中，该距离大于约0.5纳米。在另一个实施方式中，所述至少一个电极对由具有小于生物分子的直径的距离的间隙隔开。
在实施方式中，生物分子为核酸分子。在另一个实施方式中，核酸分子为脱氧核糖核酸、核糖核酸或它们的变形。
在实施方式中，阻性加热器接近纳米通道。在另一个实施方式中，阻性加热器与纳米通道重叠。在另一个实施方式中，阻性加热器适合用于加热和温度感测。
在实施方式中，所述方法还包括形成生成至少两个温度区的多个阻性加热器。在另一个实施方式中，所述温度区具有不同的温度或温度范围。
在实施方式中，半导体氧化膜包括氧化硅。
在实施方式中，基板具有小于或等于约100W/(mK)的热导率。在另一个实施方式中，基板具有小于或等于约10W/(mK)的热导率。在另一个实施方式中，基板具有小于或等于约5W/(mK)的热导率。
由以下的详细说明，本公开的其它方面和优点对本领域的技术人员而言将会是显而易见的，其中仅示出和描述了本公开的说明性实施方式。将会意识到的是，本公开能够有其它和不同的实施方式，且它的几个细节在各种明显方面都能够有修改，均不背离本公开。因此，认为附图和说明本质上是说明性的而不是限制性的。
通过引用并入
在此通过引用并入在本说明书中提及的全部公开、专利和专利申请，就如同每一项公开、专利或专利申请都特别地和单独地被表示为通过引用并入。
附图说明
在所附权利要求中具体地提出了本发明的新颖性特征。通过参考提出了其中利用了本发明的原理的例示性实施方式的以下详细说明和附图(本文中也称为“附图”和“图”)将会获得对本发明的特征和优点的更好理解，其中：
图1为示出使生物分子热变性的装置的平面图，其中将加热器和温度传感器沿通道的宽度方向排列；
图2为在截面2-2(沿着宽度)观察时图1的横截面图，其示出使生物分子热变性的装置；
图3为示出使生物分子热变性的装置的平面图，其中加热器和温度传感器在通道的纵向方向排列；
图4为示出实验结果的图；且
图5A-5C示出相应的加热器和温度传感器的不同布置。
具体实施方式
尽管在此已经示出并说明了本发明的各种实施方式，但对本领域技术人员而言将会显而易见的是，仅通过示例的方式提供这些实施方式。在不背离本发明的情况下本领域的技术人员可以想到很多变形、改变和替换。应该理解的是，可以采用对在此说明的本发明的实施方式的各种替换。
在此使用的术语“间隙”通常指的是在材料中形成的或另外设置的孔隙、通道或通路。所述材料可以为固态材料诸如基板。可以将间隙设置为邻近或接近感测电路或与传感电路耦合的电极。在一些示例中，间隙具有大约0.1纳米(nm)至约1000nm的特征宽度或直径。可以将具有纳米级宽度的间隙称为“纳米间隙”。
在此使用的术语“核酸”通常指的是包括一个或多个核酸亚基的分子。核酸可以包括选自如下中的一个或多个亚基：腺苷(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)或它们的变形。核苷酸可以包括A、C、G、T或U或者它们的变形。核苷酸可以包括可以作为核酸链的一部分的任何亚基。这种亚基可以为A、C、G、T或U，或者任何其它亚基，所述亚基是一个或多个互补的A、C、G、T或U所特有的，或与嘌呤互补(即A或G，或者它们的变形)或与嘧啶互补(即C、T或U，或它们的变形)。亚基可以使单独的核酸碱基或碱基对(例如AA、TA、AT、GC、CG、CT、TC、GT、TG、AC、CA或它们的尿嘧啶对应物)能够被分解。在一些示例中，核酸为脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)，或它们的衍生物。核酸可以是单链的或双链的。核酸可以是自然的或改变的。改变的核酸可以包括自然地改变如甲基化以及人工(地或非自然地)改变。
在此使用的术语“氧化硅”或“氧化物”通常指的是电绝缘体诸如一氧化硅、二氧化硅、氮化硅和其它金属或半导体的氧化物。在一些示例中，氧化硅为SiOx，其中'x'为大于零的数。
在此使用的术语“基板”通常指的是在其上或与其邻近淀积有诸如加热器的装置的材料。基板可以包括具有诸如二氧化硅、氮化硅、塑料或其它低导电性材料的绝缘层的硅晶片。
在此使用的术语“阻性加热器”通常指的是导体，所述导体在电流通过(或流过)所述导体时释放热。这种加热可以被称为焦耳加热、欧姆加热或电阻加热。释放的热量可以与电流的平方乘以阻性加热器的电阻成正比。阻性加热器可以包括被构造为在流经电流时释放热的加热元件。加热元件的示例包括镍铬合金80/20(80％镍，20％铬)、坝塔尔合金(FeCrAl合金)和白铜(CuNi合金)。加热元件可以是线、带或条。加热元件可以是盘绕的或平的。
在此使用的术语“温度传感器”通常指的是能够测量温度的任何传感器。温度传感器的示例为电阻式热器件(RTD)、热敏电阻或热电偶。在一些示例中，热电偶可以包括镍合金、铂/铑合金、钨/铼、镍铬合金-金/铁合金、贵金属合金、铂/钼合金或铱/铑合金。在示例中，热电偶为镍铬合金-铝镍合金热电偶。镍铬合金为包括约90％的镍和10％的铬的合金。铝镍合金为包括约95％镍、2％锰、2％铝和1％硅的合金。作为替代方案，温度传感器可以是光学的，如红外(IR)辐射检测器。
在此使用的术语“纳米通道”通常指的是宽度小于或等于约1000纳米(nm)的开放的或封闭的通道。纳米通道可以为引导流体从一点流到另一点诸如跨过电极的结构，所述电极用于测量跨过间隙的隧穿电流。
在此使用的术语“纳米电极”通常指的是适于检测诸如隧穿电流的电流的电极。在此使用的术语“纳米电极对”通常指的是间隔开的电极对，其中所述间隔小于约1000nm、100nm、10nm、2nm、1nm、0.9nm、0.8nm、0.7nm、0.6nm或0.5nm。
在此使用的术语“线性化特征”通常指的是用来解开核酸分子(例如DNA)且将得到的线性化的核酸分子向下发送到线性样式或配置的通道中的特征。线性化特征可以包括柱状特征、通道宽度或深度变形或产生线性核酸片段的其它特征。
在如图1和图2中不同地示出的一些实施方式中，使生物分子热变性的装置10可以包括：具有低热导率的基板12、加热器14、温度传感器16、氧化硅膜18、覆盖构件20和纳米通道22。生物分子可以为例如DNA或肽。
具有低热导率的材料(例如基板12)可以具有如下的热导率，所述热导率小于或等于约500W/(mK)、400W/(mK)、300W/(mK)、200W/(mK)、100W/(mK)、50W/(mK)、40W/(mK)、30W/(mK)、20W/(mK)、10W/(mK)、9W/(mK)、8W/(mK)、7W/(mK)、6W/(mK)、约5W/(mK)、4W/(mK)、3W/(mK)、2W/(mK)或1W/(mK)。在一些实施方式中，具有低热导率的材料具有小于硅的热导率的热导率。在一些实施方式中，低热导率材料具有约0.1W/(mK)～200W/(mK)、0.1W/(mK)～100W/(mK)或0.1W/(mK)～10W/(mK)的热导率。可以在25℃下测量这些热导率。在一些情形中，基板12的材料包括玻璃、石英、聚丙烯等。
在如图2中所示的一些实施方式中，加热器14可以被设置在基板12上，且可以为阻性加热器。加热器14可以为例如由铂制成的微型加热器。在基板12上，可以设置可分别连接到加热器14的端部的电极24、26。可以将电极24、26连接到控制器28。可以将由控制器28控制的电压和或电流施加到电极24、26。
在如图2中所示的一些实施方式中，可以将温度传感器16与加热器14并列设置在基板12上。温度传感器16可以为例如由铂制成的电阻温度传感器。在基板12上，可以设置可分别连接到温度传感器16的端部的电极34、36。在如图1中所示的一些实施方式中，可以将加热器14和温度传感器16排列在纳米通道22的宽度方向上。在如图3中所示的一些实施方式中，可以将加热器14和温度传感器16排列在纳米通道22的纵向方向(或轴向)上。可以将温度计16连接到温度检测器38。可以将温度检测器38的测量结果反馈到控制器28以用来控制温度。
在图1中，当在平面图中观察时可以以近似正方形形状形成温度传感器16和加热器14。温度传感器16和加热器14的边的长度“a”可以为例如5～100μm。在如图2中所示的一些实施方式中，厚度t14和t16可以为例如10～100nm。
如图2中所示，氧化硅膜18可以为二氧化硅薄膜，其可以在基板12、加热器14和温度传感器16上成层。氧化硅膜18相对于基板12的表面的厚度“T”可以比纳米通道22的深度“d”更深且可以为例如0.1μm～2μm。
覆盖构件20可以至少部分地或完全地与氧化硅膜18重叠。覆盖构件20可以包括玻璃、SU8、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。覆盖构件20可以为纳米通道22的覆盖部。
可以在氧化硅膜18的区域中形成纳米通道22，所述区域可以与加热器14重叠，且所述区域还可以与温度传感器16重叠。纳米通道22可以为深度等于或小于1μm(即纳米级)的凹槽。特别地，纳米通道22的深度可以为例如10nm～1000nm。在如图1中所示的一些实施方式中，纳米通道22的宽度“w”可以为例如0.5μm～100μm。在如图2中所示的其它实施方式中，可以将氧化硅膜18置于加热器14与纳米通道22之间和温度传感器16与纳米通道22之间。纳米通道22可以为包含生物分子的溶液设置有入口和出口(未示出)。例如溶液可以在控制器28的控制下至少部分地通过电泳在箭头“A”的方向上流动。
可以在纳米通道22中设置多个柱状部30，其中可以将至少两个柱状部30在纵向方向对齐且其中可以将至少两个柱状部30在纳米通道22的宽度方向对齐。柱状部30的高度可以等于纳米通道22的深度“d”，或者可以为小于纳米通道22的深度d的高度。由于柱状部30可以为纳米级的柱(或柱状)，所以它可以被称为“纳米柱”。柱状部30可以具有例如圆柱形形状、六边形形状或其它形状，且可以自由选择它的直径。可以进一步减小柱状部30的直径使得可以增加柱状部30的数目。可以将一组纳米柱视为线性化特征。线性化特征的不同构件可以具有相似的尺寸和形状，或者可以具有不同的尺寸和形状，且可以以规律的间隔、线性或否则规律地变化的间隔或以不规律的间隔或不规律地变化的间隔隔开。
尽管本文中的装置的特定部件已经被描述为包括氧化硅，但将会领会到的是，可以使用其它材料。这些其它材料可以为热和/或电绝缘体，且可以包括例如其它半导体或金属氧化物。
操作
本发明的装置和***可以用于各种应用。在一些情况下，本发明的装置和***可以用来使生物分子诸如核酸分子热变性。在一些示例中，可以利用图1的装置10进行热变性。在这种情况下，加热器14可以为阻性加热器，且可以在施加电压且流经电流时通过焦耳加热使其温度升高。焦耳加热的量可以与施加电压的平方成正比。由于可以减小加热器14的尺寸使得加热器14可以与纳米通道22重叠，所以可以增加焦耳加热的功率密度。因此，可以使用较少的焦耳加热使设置在加热器14上的纳米通道22的温度升高，且可以减小向周围环境的热传导。由于可以将加热器14设置在具有低热导率的基板12上，所以也可以抑制通过基板12的热传导。因此，通过加热器14进行局部加热是有可能的。
另外，由于加热器14可能是小的，且可能具有低热容量，所以可以利用加热器14在短时间内达到恒温。因此，快速的温度调制(加热)是有可能的。可以利用温度传感器16进行温度调节使得生物分子的溶液达到例如95℃或者与给定溶液中的DNA样品的变性相关的另一温度，所述给定溶液可以为低离子浓度溶液。由于加热器14和温度传感器16可能会被氧化硅膜18覆盖且在氧化硅膜18中可能会形成纳米通道22，所以通过纳米通道22的生物分子可以被快速地局部加热且易于变性。由于纳米通道22可以为深度等于或小于1μm的通道，所以可以需要更少的样品以检测或识别、或者检测和识别生物分子。
一个或多个生物分子的样品通常在某种程度上处于纠缠态。当生物分子通过在纳米通道22中对齐的多个柱状部30时可以被解开。由于可以通过加热器14加热生物分子且可以如本文中所述的一样使其变性，所以可以增加在分子水平上的生物分子的检测或识别，或者检测和识别的速度。另外，由于可以设置柱状部30，所以当将覆盖构件20重叠在氧化硅膜18上时可以防止可能包括PDMS的覆盖构件20偏移并附着到纳米通道22的底部。
在如图1中所示的一些实施方式中，其中由于可以将加热器14和温度传感器16排列在纳米通道22的宽度方向，所以可以利用装置10使生物分子热变性，可以使用于使用温度传感器16的温度调节的参数最小化。因此，可以不需要复杂的温度调节。
在如图3中所示的一些实施方式中，其中由于可以将加热器14和温度传感器16排列在纳米通道22的纵向方向，所以可以利用装置10使生物分子热变性，可以将加热器14完全设置在纳米通道22的宽度方向。因此，可以有效地加热流经纳米通道22的生物分子并且使其变性。
在如本文中以上所述的一些实施方式中，其中可以利用装置10使生物分子热变性，由于加热器14的低热容量和局部加热，相比于常规加热器可以实现更快的操作和更低的功耗，且可以不需要散热器。另外，由于可以将观察到的温度信息反馈到加热器调节器，所以局部地温度调节是有可能的。可以预期可用于使生物分子热变性的装置10可适用于使用芯片的简单的生物分子试验和嵌入在下一代生物分子测序仪中的装置。
在一些实施方式中，生产使生物分子热变性的装置的方法可以包括：将阻性加热器14设置在具有低热导率的基板12上；将温度传感器16与加热器14并列设置在基板12上；在基板12、加热器14和温度传感器16上施加氧化硅膜18；在氧化硅膜18中的区域中形成纳米通道22，其中所述区域可以与加热器14重叠，且其中所述区域还可以与温度传感器16重叠；且其中所述区域可以与氧化硅膜18上的覆盖构件20重叠。在一些实施方式中，生产使生物分子热变性的装置10的方法可以包括在纳米通道22中准备多个柱状部30，其中至少两个柱状部30可以在纵向方向对齐且其中至少两个柱状部30可以在纳米通道22的宽度方向对齐。
在一些实施方式中，通过例如电子束蚀刻和物理气相沉积(PVD)诸如溅射可以形成加热器14和温度传感器16。通过例如气相沉积技术诸如化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或它们的等离子体增强的变形可以形成氧化硅膜18。通过包括加热器14的金属元素的PVD可以形成加热器14。通过包括温度传感器16的金属元素的PVD可以形成温度传感器16。如果加热器14或温度传感器16包括多种金属元素，则可以使用多种蒸气源。
在一些情况下，通过退火至升高的温度来完成气相沉积。例如，可以通过在250K下的PVD沉积金属层(例如对于加热器14或温度传感器16)。随后可以将金属层退火至至少约500K或600K的温度以使该层退火。然后可以将该层图案化(例如通过光刻)以限定所形成的特征。
在一些实施方式中，例如在通过电子束蚀刻绘制图案之后通过利用反应离子蚀刻处理氧化硅膜18可以形成纳米通道22和柱状部30。
在利用生产使生物分子热变性的装置的方法的一些实施方式中，可以生产使生物分子热变性的装置，所述装置可以使用更少的样品体积用于生物分子的检测或识别或者检测和识别，且可以增加使生物分子变性的速度。另外，在利用生产使生物分子热变性的装置的方法的一些实施方式中，可以生产使生物分子热变性的装置，所述装置可以增加在分子水平上的生物分子的检测或识别，或者检测和识别的速度。
DNA的变性温度在低离子浓度下通常较低。另外，持续长度较长。在一些实施方式中，可能会期望利用单链DNA(ssDNA)。在一些实施方式中，期望具有较长的持续长度以帮助维持ssDNA的线性。在一些实施方式中，基本上可以利用低离子浓度流体，诸如去离子水或水溶液和无水的流体。在一些实施方式中，低离子浓度流体可以具有小于或等于约10mM、1mM、100μΜ、50μΜ、10μΜ、5μΜ、1μΜ、0.5μΜ或0.1μΜ的总离子浓度。低离子浓度流体可以具有大于或等于约0.001μΜ、0.01μΜ、0.1μΜ或1μΜ的总离子浓度。在一些情况下，低离子浓度流体具有约0.001μΜ～10mM、0.01μΜ～1mM或0.1μΜ～10μΜ的总离子浓度。
较低的温度可以导致较少的布朗运动或其它分子运动。这些运动可以造成测量噪声的增加。期望的是在其中可以使DNA变性的***区域具有较高的温度且在其中可以对DNA或ssDNA进行测量的***区域具有较低的温度。在一些实施方式中，沿纳米通道可以存在多个温度控制区。在一些实施方式中，可以控制温度控制区至不同的温度。在一些实施方式中，除了嵌入的加热元件之外，可以使用在基板之外的温度控制机制。在一些实施方式中，外部温度控制机制通过利用例如珀尔帖装置除去能量可以提供低于周围环境的温度。
一旦变性，则可以使用纳米电极对通过隧穿电流检测ssDNA。电流可以为温度的函数，因此对纳米电极对的环境的温度控制是期望的。在一些实施方式中，在通道诸如纳米通道中可以存在一个或多个纳米电极对。在一些实施方式中，通过本地的阻性加热器可以控制与纳米电极相关的区域中的温度的控制。
在一些情况下，当目标种类(例如生物分子诸如DNA或RNA)被置于电极之间时，电极检测跨过间隙的电流。该间隙可以跨越通道诸如纳米通道。电流可以为隧穿电流。可以在目标种类流经通道时检测这一电流。在一些情况下，与电极耦合的传感电路提供横跨电极的施加电压以生成电流。作为替代或另外地，可以使用该电极测量和/或识别与目标种类(例如核酸分子的碱基)相关的电导。在这种情况下，可以使隧穿电流与电导相关。
在一些实施方式中，利用多种方法使DNA线性化是期望的，例如利用与升高温度的区域组合的一组线性化柱(linearization posts)是期望的，升高温度的区域可以通过例如接近该组线性化柱的加热器来实现。可以将线性化柱与低离子强度缓冲区组合。在一些情况下，为线性化柱、接近该组线性化柱的升温和低离子缓冲区的组合。
在一些实施方式中，使装置所需的外部连接的数目最小化是期望的。在一些实施方式中，通过例如在当加热器不起作用，例如如果当电阻元件在可具有施加的脉宽调制的电压或电流的周期以外时测量电阻元件的温度，阻性加热器和温度传感器可以使用相同的电阻元件。在一些实施方式中，电阻元件可以包括铂。在一些实施方式中，例如可以将多个加热元件串联连接在一起以减少外部连接的数目。
在一些实施方式中，可以使一个或多个加热器位于接近输入和一个或多个线性化特征之间的通道。在一些实施方式中，可以使加热器位于接近其中存在线性化特征的通道。在一些实施方式中，可以使加热器位于接近线性化特征和输入与一个或多个线性化特征之间的通道两者。
在一些实施方式中，由于双链DNA(dsDNA)的长得多的持续长度，所以在变性之前使DNA线性化是期望的。在一些实施方式中，可以使加热器位于线性化特征和通道及相应的一个或多个电极对下游或之间。在一些实施方式中，使温度传感器接近加热元件是期望的，由此可以实现改善的温度控制。在一些实施方式中，可以使温度传感器位于加热器上、之上或之下。在一些实施方式中，温度传感器16可以与加热器14在相同的平面上，但可如图5A中所示在加热器区的内部(为清楚起见删掉了柱状特征)。在一些实施方式中，温度传感器可以如图5B中所示与加热器交错排列。在一些情况下，加热器14可以与温度传感器重叠，且可以被氧化硅(或其它氧化物)层隔开。在一些实施方式中，加热器可以具有与温度传感器相同的长度，或者可以具有比相应的温度传感器更短或更长的长度。在一些实施方式中，用于传感器和相应的加热器的材料可以相同，或者可以不同。例如，传感器可以包括铂、钽和/或钨。在另一个示例中，加热器可以包括铝和/或钨。在一些实施方式中，温度传感器16可以如图5C中所示在加热器14之外。
示例
通过使用如图1和图2中所示的使生物分子热变性的装置10观察到了包括18个碱基对的DNA片段的变性。用于使生物分子热变性的装置10的各部分的尺寸如下。
通道：
w＝25μm
d＝500nm
加热器和温度传感器：
a＝20μm
平面中各自的线宽度为1μm。
氧化硅膜：
t＝400nm
利用荧光分子和猝灭剂分子在其末端(例如猝灭剂在3'端且荧光分子在5'端，或者猝灭剂在5'端且荧光分子在3'端)合成DNA，并且DNA被配置为使得在单链状态时观察到荧光且在双链状态时荧光猝灭。DNA可以为双链DNA分子或为发夹状。在使包含DNA片段的溶液流进通道22且通过加热器14进行加热时，通过使用全反射荧光显微镜在基板12内部观察到荧光图像的变化。结果示于图4中。在图4中，水平轴为时间(以秒为单位)且垂直轴为荧光的幅度。另外，实线示出在加热器14处的通道22的荧光的幅度，且虚线示出加热器14下游的通道22的荧光的幅度。
根据图4，由于在从通过加热器14加热开始的1秒内观察到了通道22中的荧光的幅度的增加，所以证明可以使DNA快速变性。当开始加热时，由于温度的增加和因而发生的pH的变化和相一致的荧光团发射的变化，背景的荧光的幅度暂时减小。然而，由于通道22中的单链DNA的量随着时间增加，所以荧光的幅度增加。在加热器14处，荧光的幅度不增加，因为加热器14如本文中所述减少荧光发射。
本发明的装置、***和方法可以与其它装置、***或方法诸如通过引用以其整体并入本文中的美国专利No.5,674,742中所述的那些结合和/或被加以修改。
尽管本文中已经示出并说明了本发明的优选实施方式，但对本领域的技术人员而言将显而易见的是，仅通过示例的方式提供这些实施方式。本发明并不由说明书中提供的具体示例所限制。尽管已经参考前述说明书对本发明进行了说明，但本文中的实施方式的说明和解释不该以限制的理解进行解释。在不背离本发明的情况下本领域的技术人员现在将会想到很多变形、改变和替换。此外，应该理解的是，本发明的全部方面都不限于本文中提出的取决于各种条件和变量的具体描述、配置或相对比例。应该理解的是，在实施本发明时可以采用本文中说明的本发明的实施方式的各种替换。因此可以预期的是，本发明还应该涵盖任何这种替换、修改、变形或等价。意在以下的权利要求限定本发明的范围且因此涵盖在这些权利要求和它们的等价的范围内的方法和结构。

Claims (75)

1.一种使生物分子热变性的装置，所述装置包括：
具有低热导率的基板；
被设置为与所述基板邻近的阻性加热器；
被设置为跟与所述基板邻近的所述阻性加热器并列的温度传感器；
与所述阻性加热器和所述温度传感器邻近的半导体氧化膜；
在所述半导体氧化膜的至少一部分中形成的纳米通道；以及
在所述纳米通道的至少一部分上的覆盖构件。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述纳米通道重叠于所述阻性加热器和所述温度传感器。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述纳米通道中的一个或多个柱状部。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述一个或多个柱状部包括多个柱状部。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，将所述多个柱状部中的至少两个柱状部沿所述纳米通道的纵向方向对齐，并且
其中，将所述多个柱状部中的至少两个柱状部沿所述纳米通道的宽度方向对齐。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，将所述阻性加热器和所述温度传感器沿所述纳米通道的宽度方向排列。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，将所述阻性加热器和所述温度传感器沿所述纳米通道的纵向方向排列。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括：
与所述纳米通道流体连通的至少一个电极对，
其中，所述电极对检测跨过所述纳米通道的电流。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个电极对位于在所述纳米通道中。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个电极对由具有小于或等于约2纳米的距离的间隙隔开。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述距离小于或等于约1纳米。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述距离大于约0.5纳米。
13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个电极对由具有小于所述生物分子的直径的距离的间隙隔开。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述生物分子为核酸分子。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述核酸分子为脱氧核糖核酸、核糖核酸或它们的变形。
16.根据权利要求1所述的装置，还包括悬浮在低离子浓度流体中的生物分子。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阻性加热器接近所述纳米通道。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阻性加热器与所述纳米通道重叠。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阻性加热器适合用于加热和温度感测。
20.根据权利要求1所述的装置，还包括用于生成至少两个温度区的多个阻性加热器。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述温度区为不同的温度区。
22.根据权利要求1所述的装置，其中，所述半导体氧化膜包括氧化硅。
23.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基板具有小于或等于约100W/(mK)的热导率。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述基板具有小于或等于约10W/(mK)的热导率。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述基板具有小于或等于约5W/(mK)的热导率。
26.一种使生物分子变性的方法，所述方法包括：
(a)提供一种装置，所述装置具有：(i)具有低热导率的基板，(ii)被设置为与所述基板邻近的阻性加热器，(iii)被设置为跟与所述基板邻近的所述阻性加热器并列的温度传感器，(iv)与所述阻性加热器和所述温度传感器邻近的半导体氧化膜，(v)在所述半导体氧化膜的至少一部分中形成的纳米通道，以及(vi)在所述纳米通道的至少一部分上的覆盖构件；
(b)引导所述生物分子通过所述纳米通道；并且
(c)使用所述阻性加热器向所述生物分子施加热。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述纳米通道重叠于所述阻性加热器和所述温度传感器。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述装置还包括在所述纳米通道中的一个或多个柱状部。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述一个或多个柱状部包括多个柱状部。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，将所述多个柱状部中的至少两个柱状部沿所述纳米通道的纵向方向对齐，并且
其中，将所述多个柱状部中的至少两个柱状部沿所述纳米通道的宽度方向对齐。
31.根据权利要求26所述的方法，其中，将所述阻性加热器和所述温度传感器沿所述纳米通道的宽度方向排列。
32.根据权利要求26所述的方法，其中，将所述阻性加热器和所述温度传感器沿所述纳米通道的纵向方向排列。
33.根据权利要求26所述的方法，其中，所述装置还包括与所述纳米通道流体连通的至少一个电极对。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述至少一个电极对位于在所述纳米通道中。
35.根据权利要求33所述的方法，其中，所述至少一个电极对由具有小于或等于约2纳米的距离的间隙隔开。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述距离小于或等于约1纳米。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述距离大于约0.5纳米。
38.根据权利要求33所述的方法，其中，所述至少一个电极对由具有小于所述生物分子的直径的距离的间隙隔开。
39.根据权利要求33所述的方法，还包括：
使用所述至少一个电极对，来测量跨过将所述至少一个电极对隔开的间隙的电流。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述电流为隧穿电流。
41.根据权利要求26所述的方法，其中，所述生物分子为核酸分子。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述核酸分子为脱氧核糖核酸、核糖核酸或它们的变形。
43.根据权利要求26所述的方法，其中，所述生物分子悬浮在低离子浓度流体中。
44.根据权利要求26所述的方法，其中，所述阻性加热器接近所述纳米通道。
45.根据权利要求26所述的方法，其中，所述阻性加热器与所述纳米通道重叠。
46.根据权利要求26所述的方法，其中，所述阻性加热器适合用于加热和温度感测。
47.根据权利要求26所述的方法，其中，所述装置还包括用于生成至少两个温度区的多个阻性加热器。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述温度区为不同的温度区。
49.根据权利要求26所述的方法，其中，所述半导体氧化膜包括氧化硅。
50.根据权利要求26所述的方法，其中，所述基板具有小于或等于约100W/(mK)的热导率。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述基板具有小于或等于约10W/(mK)的热导率。
52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述基板具有小于或等于约5W/(mK)的热导率。
53.一种形成使生物分子热变性的装置的方法，所述方法包括：
(a)将阻性加热器设置为与具有低热导率的基板邻近；
(b)将温度传感器设置为与邻近所述基板的所述阻性加热器并列；
(c)提供与所述基板、所述阻性加热器和所述温度传感器邻近的半导体氧化膜；
(d)在所述半导体氧化膜的至少一部分中形成纳米通道；并且
(e)在所述纳米通道的至少一部分之上提供覆盖构件。
54.根据权利要求53所述的方法，其中，所述纳米通道重叠于所述阻性加热器和所述温度传感器。
55.根据权利要求53所述的方法，还包括在所述纳米通道中形成一个或多个柱状部。
56.根据权利要求55所述的方法，其中，形成所述一个或多个柱状部包括形成多个柱状部。
57.根据权利要求56所述的方法，其中，将所述多个柱状部中的至少两个柱状部沿所述纳米通道的纵向方向对齐，并且
其中，将所述多个柱状部中的至少两个柱状部沿所述纳米通道的宽度方向对齐。
58.根据权利要求53所述的方法，其中，将所述阻性加热器和所述温度传感器沿所述纳米通道的宽度方向排列。
59.根据权利要求53所述的方法，其中，将所述阻性加热器和所述温度传感器沿所述纳米通道的纵向方向排列。
60.根据权利要求53所述的方法，还包括：
形成与所述纳米通道流体连通的至少一个电极对，
其中，所述电极对检测跨过所述纳米通道的电流。
61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述至少一个电极对位于在所述纳米通道中。
62.根据权利要求60所述的方法，其中，所述至少一个电极对由具有小于或等于约2纳米的距离的间隙隔开。
63.根据权利要求62所述的方法，其中，所述距离小于或等于约1纳米。
64.根据权利要求63所述的方法，其中，所述距离大于约0.5纳米。
65.根据权利要求60所述的方法，其中，所述至少一个电极对由具有小于所述生物分子的直径的距离的间隙隔开。
66.根据权利要求53所述的方法，其中，所述生物分子为核酸分子。
67.根据权利要求66所述的方法，其中，所述核酸分子为脱氧核糖核酸、核糖核酸或它们的变形。
68.根据权利要求53所述的方法，其中，所述阻性加热器接近所述纳米通道。
69.根据权利要求53所述的方法，其中，所述阻性加热器与所述纳米通道重叠。
70.根据权利要求53所述的方法，其中，所述阻性加热器适合用于加热和温度感测。
71.根据权利要求53所述的方法，还包括形成用于生成至少两个温度区的多个阻性加热器。
72.根据权利要求53所述的方法，其中，所述半导体氧化膜包括氧化硅。
73.根据权利要求53所述的方法，其中，所述基板具有小于或等于约100W/(mK)的热导率。
74.根据权利要求73所述的方法，其中，所述基板具有小于或等于约10W/(mK)的热导率。
75.根据权利要求74所述的方法，其中，所述基板具有小于或等于约5W/(mK)的热导率。
CN201480047465.0A 2013-08-27 2014-08-26 使生物分子热变性的装置和生产装置的方法 Pending CN106232797A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-175637 2013-08-27
JP2013175637A JP2018027018A (ja) 2013-08-27 2013-08-27 生体分子熱変性装置及びその製造方法
PCT/IB2014/002128 WO2015028885A2 (en) 2013-08-27 2014-08-26 Device for thermally denaturing biomolecule and method for producing device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106232797A true CN106232797A (zh) 2016-12-14

Family

ID=52587426

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480047465.0A Pending CN106232797A (zh) 2013-08-27 2014-08-26 使生物分子热变性的装置和生产装置的方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20160245790A1 (zh)
EP (1) EP3039116A4 (zh)
JP (1) JP2018027018A (zh)
KR (1) KR20160086816A (zh)
CN (1) CN106232797A (zh)
CA (1) CA2922598A1 (zh)
WO (1) WO2015028885A2 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021092798A1 (zh) * 2019-11-13 2021-05-20 京东方科技集团股份有限公司 检测芯片及其制备方法和使用方法、反应***

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9194838B2 (en) 2010-03-03 2015-11-24 Osaka University Method and device for identifying nucleotide, and method and device for determining nucleotide sequence of polynucleotide
CN104583767B (zh) 2012-08-17 2017-10-27 量子生物有限公司 试样的分析方法
JP6282036B2 (ja) 2012-12-27 2018-02-21 クオンタムバイオシステムズ株式会社 物質の移動速度の制御方法および制御装置
CN106104274B (zh) 2013-09-18 2018-05-22 量子生物有限公司 生物分子测序装置、***和方法
JP2015077652A (ja) 2013-10-16 2015-04-23 クオンタムバイオシステムズ株式会社 ナノギャップ電極およびその製造方法
US10438811B1 (en) 2014-04-15 2019-10-08 Quantum Biosystems Inc. Methods for forming nano-gap electrodes for use in nanosensors
WO2015170782A1 (en) 2014-05-08 2015-11-12 Osaka University Devices, systems and methods for linearization of polymers
WO2016112315A2 (en) 2015-01-09 2016-07-14 President And Fellows Of Harvard College Nanowire arrays for neurotechnology and other applications
US11009440B2 (en) 2016-06-21 2021-05-18 Okinawa Institute Of Science And Technology School Corporation Microheater integrated temperature controllable microfluidic tensiometer for measuring dynamic interfacial tension
WO2018005843A1 (en) * 2016-06-29 2018-01-04 Digital Biosystems High resolution temperature profile creation in a digital microfluidic device
US11768196B2 (en) 2017-07-07 2023-09-26 President And Fellows Of Harvard College Current-based stimulators for electrogenic cells and related methods
US20200292482A1 (en) * 2017-11-01 2020-09-17 President And Fellows Of Harvard College Electronic circuits for analyzing electrogenic cells and related methods
CN116057374A (zh) 2020-06-17 2023-05-02 哈佛学院院长及董事 用于细胞的图案化和空间电化学标测的***和方法
IL299096A (en) 2020-06-17 2023-02-01 Harvard College Cell mapping devices using impedance measurements and methods for their operation
JP7422024B2 (ja) * 2020-07-07 2024-01-25 新光電気工業株式会社 セラミックス構造体、静電チャック、基板固定装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001063273A3 (en) * 2000-02-22 2002-05-02 California Inst Of Techn Development of a gel-free molecular sieve based on self-assembled nano-arrays
CN1878875A (zh) * 2003-09-26 2006-12-13 英特尔公司 使用表面增强拉曼散射(sers)进行dna测序的方法和设备
WO2011108540A1 (ja) * 2010-03-03 2011-09-09 国立大学法人大阪大学 ヌクレオチドを識別する方法および装置、ならびにポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定する方法および装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2276251A1 (en) * 1996-11-20 1998-05-28 The Regents Of The University Of Michigan Microfabricated isothermal nucleic acid amplification devices and methods
JP4075765B2 (ja) * 2002-10-30 2008-04-16 日本電気株式会社 分離装置およびその製造方法、ならびに分析システム
US8105471B1 (en) * 2004-07-19 2012-01-31 Han Sang M Nanofluidics for bioseparation and analysis
EP2014761B1 (en) * 2007-06-22 2016-09-28 Sony Deutschland GmbH A device for processing an analyte and a method of processing and/or detecting an analyte using said device
US20120193231A1 (en) * 2011-01-28 2012-08-02 International Business Machines Corporation Dna sequencing using multiple metal layer structure with organic coatings forming transient bonding to dna bases
US9554422B2 (en) * 2011-05-17 2017-01-24 Canon U.S. Life Sciences, Inc. Systems and methods using external heater systems in microfluidic devices

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001063273A3 (en) * 2000-02-22 2002-05-02 California Inst Of Techn Development of a gel-free molecular sieve based on self-assembled nano-arrays
CN1878875A (zh) * 2003-09-26 2006-12-13 英特尔公司 使用表面增强拉曼散射(sers)进行dna测序的方法和设备
WO2011108540A1 (ja) * 2010-03-03 2011-09-09 国立大学法人大阪大学 ヌクレオチドを識別する方法および装置、ならびにポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定する方法および装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. EL-ALI等: ""Simulation and experimental validation of a SU-8 based PCR thermocycler chip with integrated heaters and temperature sensor"", 《SENSORS AND ACTUATORS A》 *
MASAYUKI FURUHASHI,等: "High speed DNA denaturation using microheating devices", 《APPL. PHYS. LETT.》 *
MONICA NĂDĂŞAN等: "DESIGN AND FABRICATION OF THE MICROCHANNELS", 《U.P.B. SCI. BULL.,》 *
NORITADA KAJI等: ""Separation of Long DNA Molecules by Quartz Nanopillar Chips under a Direct Current Electric Field"", 《ANAL. CHEM.》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021092798A1 (zh) * 2019-11-13 2021-05-20 京东方科技集团股份有限公司 检测芯片及其制备方法和使用方法、反应***

Also Published As

Publication number Publication date
EP3039116A4 (en) 2017-08-16
US20160245790A1 (en) 2016-08-25
WO2015028885A3 (en) 2015-04-16
WO2015028885A2 (en) 2015-03-05
JP2018027018A (ja) 2018-02-22
CA2922598A1 (en) 2015-03-05
KR20160086816A (ko) 2016-07-20
EP3039116A2 (en) 2016-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106232797A (zh) 使生物分子热变性的装置和生产装置的方法
Fàbrega et al. A review on efficient self-heating in nanowire sensors: Prospects for very-low power devices
Zhang et al. Thermophoresis-controlled size-dependent DNA translocation through an array of nanopores
US11921028B2 (en) Method and device for optical analysis of particles at low temperatures
Crick et al. Low-noise plasmonic nanopore biosensors for single molecule detection at elevated temperatures
CN101495655A (zh) 用于分子诊断的装置
RU2618859C2 (ru) Нагревательный блок пцр с повторно расположенными контурными нагревателями и устройство пцр, содержащее его
JP5966086B2 (ja) 分析装置
CN109862965A (zh) 用于进行聚合酶链式反应的方法和用于进行该方法的装置
Caputo et al. Monitoring of temperature distribution in a thin film heater by an array of a-Si: H temperature sensors
Taniguchi Single-molecule analysis methods using nanogap electrodes and their application to DNA sequencing technologies
JP6498314B2 (ja) 生体試料分析装置および生体試料分析方法
Papadopoulou et al. The effect of temperature on electrochemically driven denaturation monitored by SERS
Al-Mufti et al. Current trend in simulation: Review nanostructures using Comsol Multiphysics
US20150168234A1 (en) Microfluidic device and measured-temperature correcting method for the microfluidic device
US20140056580A1 (en) Microfluidic device and microfluidic apparatus using the same
TWI386253B (zh) Heater-type tilting device
US10538853B2 (en) Method and apparatus for increasing a lifespan of nanopore-based DNA sensing devices
KR101698508B1 (ko) 세포 감별 계수기 및 세포 감별 계수 방법
KR101129416B1 (ko) 바이오 센서
CN102256390A (zh) 液滴内部热毛细流的操控方法
Tran Universal point of care biosensor using ultrafast plasmonic polymerase chain reaction
JP2014030799A (ja) マイクロ流体デバイスおよび、これを用いたマイクロ流体装置
Ueno et al. Thermal analysis, design and fabrication of microfluidic device with local temperature controls
WO2015109154A2 (en) Nanochannel compositions and methods

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20161214