[发明专利]一种基于固态纳米孔的DNA测序一体化装置

说明书

本发明实施公开了一种基于固态纳米孔的DNA测序一体化装置，本设备共包括显示区、序列处理区两个分区，五个模块单元，分别包括：微流控装置及测序芯片；膜片钳单元；本地计算装置和控制软件单元；通信处理单元；显示单元。通过实施本发明的技术方案，能够方便使用者高效地进行DNA测序项目，高效获取信号，实时传输数据，实现测序的信号采集，转化，处理，传输以及整体流程控制的一体化，集成化，提高测序数据分析效率，节约时间，实现在社区无线通信环境下的实时测序与数据分析。

技术领域

本发明涉及生物分子检测技术领域，具体涉及一种基于纳米孔的DNA测序装置。

背景技术

DNA测序技术是现代生物医学研究的核心技术之一。在公共卫生、精准医学等领域，基因测序可以为确定病原微生物，发现治疗靶点提供重要的信息。该技术经过近半个世纪，已发展至纳米孔基因测序。纳米孔测序是全新的利用电泳来驱动单个分子逐一通过纳米尺度的小孔来实现的，根据DNA通过纳米孔时引起的极微弱电流变化来实现测序。纳米孔测序技术按照技术路线，主要分为生物蛋白纳米孔和固态纳米孔。然而，生物蛋白纳米孔测序技术受限于测序芯片的蛋白质成分稳定性不足、运输存储成本高昂、可使用次数有限等情况。基于此，利用硅基等材料打造的固态纳米孔芯片进行基因测序被寄予厚望。固态纳米孔相比常见的生物蛋白纳米孔有很多突出的优势，例如，更稳定，更容易存储和运输，成本更低，更容易与电子元器件相互融合，因此代表着未来纳米孔测序的发展方向。

固态纳米孔测序是生物技术最前沿的方向之一，但固态纳米孔技术目前仍在初期研究阶段，有许多尚待解决的基础性问题，如在固态纳米孔芯片、电流检测装置一体化、小型化，数据计算分析流程可视化等核心技术环节面临巨大的挑战。此外，由于不同碱基过孔时的电流变化差异极小导致不易实现单碱基识别、需要新式检测策略；基因测序产生的数据量巨大，对数据传输和计算资源提出了较高的要求。因此，现有的基因测序技术，其数据分析仍需专门设备或者带回实验室分析，限制了基因测序在医疗大健康领域特别是需要便携式移动测序场景下的应用。本发明面向以上问题及挑战，提出了固态纳米孔DNA测序一体化设备及检测方法，并使用5G技术将便携式测序装置与计算资源和云平台相连接，极大赋能了便携式测序作为端设备的测序能力，最终真正实现任何人在任何时间任何地点进行测序的目标。

发明内容

本发明与其他相似发明相比，具有如下排他创新点：

所述一种基于固态纳米孔的DNA测序一体化装置，使用了一种新型纳米孔测序装置与方法，相较于同类产品使用的测序方法，有着更好的测序精度；使用了一种全新的膜片钳装置，可以将测序装置测到的电信号进一步滤波和放大，其具有相比同类产品更小的体积，达到更少的空间占用，节约版图面积；使用了一种全新的本地计算和软件控制单元，搭载在小型电路板上，与膜片钳单元和显示终端耦合，可以一体化完成针对DNA杂交测序的数字电路控制和操作指令信息处理；使用了一种5G通信单元，根据其高速传输的特性完成同类产品中未实现的巨量数据短时间传输，从而将测得的DNA序列无线通信至云端服务器，通过数据分析再返回结果序列；使用了一种显示单元，可以提供图形界面供操作人员操作。综上所述，本发明将以上多个单元整合，成为“端”，“网”，“云”三位一体的便携式DNA纳米孔测序小型化设备，完成了业界处于空白的实现便携式的“端”设备在现场进行采样及测序的数据获取、传输与分析。

所述小型化一体化DNA测序设备首次将纳米孔测序采集技术、膜片钳控制技术、软件控制技术、5G通信处理单元和操作显示终端集成到同一设备上，一体化完成在DNA纳米孔测序操作中过孔事件识别、单双链检测、采集电信号、数据文件封装、传输和接收数据分析后DNA测序序列完整流程。本发明设计使用了将电流检测装置一体化、小型化的膜片钳装置；设计使用了新的软件控制单元，将操作采集流程可视化；集成了5G通信处理单元，提高了数据传输速率，依靠高速的数据传输实现了数据分析云端协调，降低了端设备的计算资源要求。综合上述，本设备破解了当下基因测序技术需要复杂端设备，数据分析需要复杂实验室环境的应用局限性，拓宽了基因测序在医疗大健康领域特别是需要便携式移动测序场景下的应用。