一种用于高通量DNA检测的微纳流道导入结构与方法

本发明涉及核酸检测领域，具体地说是涉及一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构与方法。

背景技术：

1、与传统的测序技术不同，基于光学图谱检测的技术通过对长链dna分子进行荧光标记或直接成像，能够快速获取dna分子的物理图谱和结构变异信息。该技术具有通量高、成本低以及能够保留大尺度空间遗传信息的独特优势。

2、然而，光学图谱检测技术在实际应用中面临一个关键的物理学障碍。在生理溶液环境中，dna分子由于其长链高分子的热力学特性，倾向于自发卷曲成致密的线团状结构。这种卷曲状态使得光学系统无法分辨dna分子上的特定位点或标记物。为了使光学显微镜或图像传感器能够准确读取dna的序列和位点信息，必须在检测前将dna分子充分拉直并保持线状。

3、为了解决这一物理约束，微机电系统（mems）和微流控技术被引入到dna的制备过程中。其中，纳米流道（nanochannel）芯片技术是一种极为有效的手段。纳米流道芯片通常由微米级通道、过渡通道以及纳米级通道组成。dna溶液在流体驱动下，从较宽的微米级前置流道进入逐渐变窄的过渡流道，最后被引入宽度通常在几十纳米的纳米流道中。当dna分子被强制通过这种受限空间时，由于流道尺寸小于dna分子的回转半径（radius ofgyration），dna分子被迫展开并沿着流道方向拉直。这种利用外力限制的物理拉直方式具有高效、连续且对dna分子损伤较小的优点。

4、尽管纳米流道芯片在dna拉直方面表现出巨大潜力，但其在实现真正的高通量应用时，存在技术瓶颈，即dna分子在从较粗的流道向较细的纳米级流道过渡时的导入难题。具体而言，纳米流道的入口截面通常仅有几十纳米，而溶液中的dna分子处于布朗运动和随机卷曲状态。当dna分子到达纳米流道入口时，会受到显著的熵屏障（entropy barrier）和流体空间位阻（steric hindrance）的影响。dna分子极难自主对准并滑入狭小的纳米流道入口，极易在入口处发生堵塞、缠绕或反弹。这种现象导致dna分子的导入成功率极低，直接制约了高通量拉直和检测的效率。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构与方法。

2、本发明所采用的技术解决方案如下：

3、一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构，包括衬底和与其层叠配合的透光玻璃盖板，在衬底和透光玻璃盖板的交界面处设置有微流控通道；

4、所述微流控通道包括生物分子试剂进样口、大口径流道、过渡导入区、纳米口径流道和生物分子试剂出样口；所述过渡导入区设置在生物分子试剂进样口和生物分子试剂出样口之间，大口径流道的进口连通生物分子试剂进样口，出口连通过渡导入区；纳米口径流道的进口连通过渡导入区，出口连通生物分子试剂出样口；大口径流道的宽度大于纳米口径流道的宽度；

5、在纳米口径流道和过渡导入区的连通处设置有用于施加电场的电极结构，所述电极结构包括平行排列的扰动电信号电极和接地电极，扰动电信号电极与外部电信号发生电路连接。

6、进一步的，在过渡导入区设置有若干个柱形体，所有柱形体呈阵列排布。

7、本发明还提供一种利用如上所述的微纳流道导入结构进行高通量dna分子导入的方法，包括以下步骤：

8、将含有dna分子的生物分子试剂注入生物分子试剂进样口，随后dna分子经大口径流道到达过渡导入区；

9、在过渡导入区经阵列排布的柱形体解缠结处理，并启动所述外部电信号发生电路，在所述纳米口径流道的入口区域产生动态变化的交变电场，促使dna分子在入口处产生微幅振荡和抖动，克服局部的空间位阻和熵屏障，使dna分子对准并进入纳米口径流道；

10、在纳米口径流道中dna分子被纳米量级的特征尺寸限制，并拉伸为线性构象；

11、处理并拉伸后的生物分子试剂通过纳米口径流道末端的生物分子试剂出样口汇集并流出，以便进行后续的观测和检测。

12、本发明的有益技术效果如下：

13、（1）本发明通过在大口径流道和纳米口径流道之间设置过渡导入区，并在纳米口径流道和过渡导入区的连通处引入动态交变电场扰动，从而有效解决了dna分子在微米至纳米流道过渡处的熵屏障问题，使dna分子能够灵活调整其构象并避免堵塞或缠绕，从而显著提升了进入纳米口径流道的成功率。

14、（2）本发明通过大口径流道进行初步的流体预处理与输运，再在过渡导入区设置阵列排布的柱形体，用于对dna分子施加物理限制与剪切，以进行解缠结处理，从而为后续顺利进入纳米口径流道做好前期处理。进一步配合特定位置处的动态交变电场扰动，使dna分子能够更灵活地调整其构象，使其头部更容易对准并滑入纳米口径流道中，从而显著提高导入成功率，适合高通量dna检测。

15、（3）本发明在导入方法中还进一步提出复合电场的组合控制策略，低频电场用于在过渡导入区吸引dna分子，高频交变电场用于在纳米口径流道的入口区域对dna分子进行局部微幅振荡解缠，通过低频电场与高频交变电场的组合控制，进一步提高dna分子导入纳米口径流道的成功率。并且使得微纳流道导入结构可以根据不同长度、不同浓度的dna样本灵活调节电信号，从而大幅扩大了检测系统的适用范围。

16、（4）本发明结构设计巧妙且易于集成，电极设置在透光玻璃盖板上并与衬底上的微流控通道结构分开加工，降低了制造难度。此外，本发明的工艺成本低且兼容性强，微流控通道结构不仅可以制作在刚性硅片上，还能兼容柔性电子基底，为便携式、低成本的生物检测设备开发奠定了基础。而且，本发明可通过多波形和多频率参数控制，具备控制灵活等优点。

1.一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构，其特征在于：包括衬底和与其层叠配合的透光玻璃盖板，在衬底和透光玻璃盖板的交界面处设置有微流控通道；

2.根据权利要求1所述一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构，其特征在于：在过渡导入区设置有若干个柱形体，所有柱形体呈阵列排布。

3.根据权利要求1所述一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构，其特征在于：所述微流控通道通过在衬底的表面刻蚀形成，然后通过透光玻璃盖板封装；所述大口径流道和纳米口径流道对应形成于相邻流道侧壁之间；在衬底上大口径流道和纳米口径流道均平行设置多个。

4.根据权利要求3所述一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构，其特征在于：所述大口径流道和纳米口径流道为直线型，且伸展方向相同；所述扰动电信号电极和接地电极均为长条形，且扰动电信号电极和接地电极的伸展方向与大口径流道和纳米口径流道的伸展方向相垂直。

5.根据权利要求1所述一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构，其特征在于：所述扰动电信号电极和接地电极设置在透光玻璃盖板上；扰动电信号电极和接地电极的材料选自金、铂、钛金属材料，或者选自ito、pedot、氮化钛导电化合物材料。

6.根据权利要求5所述一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构，其特征在于：所述透光玻璃盖板的底面设置有沟槽，所述扰动电信号电极和接地电极形成于沟槽中，且部分裸露于微流控通道内，并与流体直接接触。

7.根据权利要求1所述一种用于高通量dna检测的微纳流道导入结构，其特征在于：所述外部电信号发生电路被配置为生成选自直流电信号、正弦波、方波和锯齿波中的至少一种电信号波形。

8.一种利用如权利要求1-7中任一项所述的微纳流道导入结构进行高通量dna分子导入的方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的高通量dna分子导入的方法，其特征在于：所述交变电场的频率范围为0.1hz至100mhz之间；所述交变电场的峰值电压范围为 0.1v至200v之间。

10.根据权利要求8所述的高通量dna分子导入的方法，其特征在于：所述外部电信号发生电路采用包含低频电场与高频交变电场的复合控制方法；其中，低频电场用于在过渡导入区吸引dna分子，高频交变电场用于在纳米口径流道的入口区域对dna分子进行局部微幅振荡解缠。