[发明专利]用于定位和成像生物样本的功能化网格及其使用方法

说明书

技术领域

下面涉及用于在涉及带电粒子设备的应用中在相对较大的样本支架上定位样本的方法、设备和系统。本公开的各种实施例更具体地涉及在涉及STEM的DNA测序应用中在样品支架上定位DNA的方法。

背景技术

在上世纪期间，带电粒子显微镜（CPM）的发展已经导致以比在光学显微术中所能够实现的放大率大得多的放大率对自然现象进行的观察。一个这种CPM是扫描透射电子显微镜（STEM）。在STEM中，聚焦的高能量电子射束跨薄样品进行扫描。射束中的电子在它们穿过样品时与样品进行相互作用并且在样品下面被收集。不同的成像和分析技术使用不同的透射电子特性来形成图像或者确定样品的属性。STEM成像涉及在聚焦电子射束沿着样品表面进行扫描时从冲击检测器的多个电子获得关于样品的信息。STEM成像中所使用的STEM检测器可以是闪烁体-光电倍增器检测器，已知为Everhart-Thornley检测器、PIN固态检测器或任何其它合适的检测器。STEM检测器通常足够快以允许在主电子射束扫描样品表面的区域时进行数据收集。典型的扫描（例如在每行中具有一千个扫描点的一千行上光栅化射束）可能花费大约一秒并且能够生成超过一百万像素的信息，并且因此检测器优选地能够以至少一百万像素每秒的速率提供读数。典型的高精度STEM成像电路能够在几微秒内获得读数，优选地小于100μs，小于50μs，并且更优选地小于10μs。

最近几年中，针对高吞吐量应用适配STEM技术已经越来越令人感兴趣。尤其感兴趣的是使用STEM用于高吞吐量DNA测序。现在，在第三代开发中，DNA测序技术旨在提供以更短的测序时间和更高的吞吐容量来递送单个分子数据和非常长的读取能力（即，读取具有20000或更多碱基对的DNA链）的系统。

影响基于STEM的DNA测序的效率以及由电子显微镜对于非常小（例如纳米级）的样本进行的分析的一个因素通常是定位要分析的样本所花费的时间。典型的DNA样本是具有大约2纳米（nm）直径和长度范围高达近似12微米（μm）长（对应于大约30000个碱基）（这对应于长度方向横截面面积小于大约24000nm²）的DNA链。通过比较，在常规STEM分析中，样品通常被呈现用于在由3mm直径的显微镜网格支撑的薄碳膜上进行分析，3mm直径的显微镜网格对应于7.1x10¹²nm²的样品支架面积。因此，典型的DNA样本将至多占据对应于3.4x10^-9的3mm直径网格的部分区域，并且由STEM对DNA样本进行的任何分析因此将涉及首先把样本在比样本大九个数量级的区域上定位。

为了说明DNA样本尺寸和样本支架面积之间的比率对于样本处理时间的重要性，考虑使用STEM射束以2nm的分辨率扫描3mm直径网格支架的整个面积将花费的时间长度，2nm是大约DNA链的直径并且表示检测DNA的存在所需要的最小分辨率。假设常规的高速成像速率为40MHz，那么获取样品网格的所有1.8x10¹²个像素将花费近似12.3小时的成像时间。虽然12.3小时表示用于定位DNA样本的最大时间，但是该示例示范了样品定位时间与在基于STEM的DNA测序和涉及小生物样本的其它应用中实现更高吞吐量的相关性。

因此，需要在带电粒子显微术应用（诸如例如基于STEM的DNA测序）中在样品网格上定位纳米级生物样本的更快速方法。还需要在带电粒子显微术应用（诸如例如基于STEM的DNA测序）中促进纳米级生物样本的更快速定位的系统和设备。

发明内容

在本公开的一些实施例中，提供了用于在带电粒子显微术中使用的功能化样本支架，该支架包括：样本支架表面，被配置为在利用带电粒子显微镜对样本进行探询期间支撑样本，样本支架表面具有功能化部位，该功能化部位被配置为通过附接、吸引或它们的组合来在功能化部位处维持样本的位置。在一些实施例中，样本包括DNA链。在一些实施例中，样本包括标记有发光标记和/或重原子标签的DNA链。

在本公开的一些实施例中，提供用于电子显微镜的样本制品，其包括：样本支架，其中样本支架的表面包括多个部位，每个部位被功能化为通过局部化吸引力、附接机制或它们的组合来在该部位处维持样本的位置；以及多个样本，每个样本粘附到所述部位之一。在一些实施例中，多个样本包括DNA链。在一些实施例中，多个样本包括标记有发光标记和/或重原子标签的DNA链。