(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210703716.2 (22)申请日 2022.06.21 (71)申请人 中国科学院长春光学精密机 械与物 理研究所 地址 130033 吉林省长 春市经济技 术开发 区东南湖大路38 88号 (72)发明人 吴一辉　周文超　王越　赵天宇　 邢燚　邢华明　 (74)专利代理 机构 长春中科长光知识产权代理 事务所(普通 合伙) 22218 专利代理师 高一明 (51)Int.Cl. C12M 1/34(2006.01) C12M 1/00(2006.01) C12Q 1/6869(2018.01)B01L 3/00(2006.01) (54)发明名称 单分子荧光激发装置及由其构成的基因测 序芯片 (57)摘要 本发明提供一种单分子荧光激发装置及由 其构成的基因测序芯片， 单分子荧光激发装置包 括圆环和位于圆环内的十一个微柱， 圆环的折射 率高于十一个微柱的折射率， 十一个微柱分别为 第一至第十一微柱， 第一至第五微柱的折射率与 第七至第十一微柱的折射率相同， 第一至第五微 柱及第十一微柱至第七微柱分别按照折射率从 小到大的顺序从圆环的边缘向圆心递进排列， 第 六微柱位于圆环的圆心； 圆环与第一微柱、 第二 微柱及圆环与第十微柱和第十一微柱分别围成 容纳空间， 在两个容纳空间内分别嵌入有与圆环 的折射率相同的介质。 本发明可以有效避免DNA 分子在纳米孔中加载率低的问题， 同时超表面透 镜可以实现波长选择和多焦点聚焦， 进一步提高 芯片系统的集成度。 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 CN 115058322 A 2022.09.16 CN 115058322 A 1.一种单分子荧光激发装置， 其特征在于， 包括圆环和位于圆环内的十一个微柱， 圆环 的折射率高于十一个微柱的折 射率； 其中， 十一个微柱分别为第 一微柱至第十一微柱， 第 一微柱至第五微柱的折射率与第七微柱 至第十一微柱的折射率相同， 第一微柱至第五微柱及第十一微柱至第七微柱分别按照折射 率从小到大的顺序从圆环的边 缘向圆心递进排列， 第六微柱位于圆环的圆心； 圆环与第一微柱、 第二微柱及圆环与第十微柱和第十一微柱分别围成容纳空间， 在两 个容纳空间内分别嵌入有与圆环的折 射率相同的介质。 2.如权利要求1所述的单分子荧光激发装置， 其特征在于， 第 二微柱至第五微柱的计算 公式为： 其中， g表示梯度变化指数， N表示总层数， m表示第m层。 3.一种基因测序芯片， 包括探测器、 位于探测器上方的传输层、 位于传输层上方的超表 面透镜和 位于超表面透镜上方的波导结构， 其特征在于， 还包括位于波导结构上方 的如权 利要求1或2所述的单分子荧 光激发装置 。 4.如权利要求3所述的基因测序芯片， 其特征在于， 所述超表面透镜包括基底和制备在 所述基底上 的介质层， 在所述介质层上光刻有单元结构阵列， 用于将入射光波段内不同波 长的入射 光聚焦于同一焦面上的不同焦点 位置， 相邻两个焦点之间的距离大于2 μm。 5.如权利要求 4所述的超表面透 镜， 其特征在于， 所述超表面透 镜的数值 孔径大于 0.4。 6.如权利要求4所述的超表面透镜， 其特征在于， 所述基底为二氧化硅材料， 所述介质 层为二氧化钛材料、 氮化镓材料或二氧化 铪材料。 7.如权利要求4所述的超表面透镜， 其特征在于， 所述单元结构阵列中单元结构的形状 为矩形、 三角形、 圆柱形或椭圆柱形。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115058322 A 2单分子荧光激发装 置及由其构成的基因测序芯片 技术领域 [0001]本发明涉及核酸测序技术领域， 特别涉及 一种单分子荧光激发装置及由其构成的 基因测序芯片。 背景技术 [0002]基因测序是一种新型基因检测技术， 能够从血液或唾液中分析测定基因全序列， 预测罹患多种疾病的可能性， 个体的行为特征及行为合理。 基因测序技术能锁定个人病变 基因， 提前预防和治疗。 第一代基因测序采用的Sanger测序法需用多组引物， 只能测出常见 突变的co nsensus序列， 无法实现单个病毒分子的突变水平的检测。 [0003]二代基因测序技术虽可以廉价的获得大量的测序数据， 但由于其读长限制导致无 法简单而直观地看到整个基因组范围的结构 变化， 大量的测序片段需要正确拼接才能构建 基因组图谱， 无法满足基因识别、 鉴定、 克隆、 基因结构、 功能及其相互关系以及基因表达调 控、 鉴定蛋白质结构、 功能和相互作用等功能基因 组学研究的需求。 [0004]当前主流三代长读长PCR ‑free测序仪主要有PacBio的单分子荧光技术和ONT蛋白 纳米孔技术。 单分子荧光测序技术是基于荧光标记对单个DNA分子边合 成边测序的技术， 典 型的三代基因测序技术还包括FRET和透射电镜测序技术等。 PacBio的单分子荧光技术准 确、 快速、 稳定， 缺点是价格昂贵， ONT蛋白纳米孔技术便携、 超长读长但准确性还有待进一 步提高。 PacBio 成立于2004年， 其产品主要是基于零模波导的单分子实时测序， 经不断更新 迭代已成为当前世界上唯一具能实现单分子荧光长读长高准确率测序的产品， 但价格昂 贵。 专利保护涉及测序芯片、 配套 试剂、 系统集成各个环节， 处于技术垄断地位， 采用成熟技 术很难突破。 2015年PacBio推出的Sequel系统在读长、 数据通量等关键性能都优于RS  II， 尤其是ZMW孔的数量提升7倍， 在相同的运行时间内， Sequel相较RS  II的通量提高7倍。 但 PacBio的SMRT芯片仍然有明显的不尽如人意的地方， 通量低是三代技术的通病， 此外 PacBio系统还存在如下问题： [0005](1)DNA分子在 纳米孔中的加载率低； [0006](2)受泊松分布统计规律限制， 基于扩散的核酸片段 ‑酶混合物加载方式会导致零 模波导测序芯片利用率低。 发明内容 [0007]本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷， 提出一种单分子荧光激发装置及由其 构成的基因测序芯片， 能够将分束与光场局域融为一体， 通过控制光场纵向分布， 使其在平 行光入射条件下同时激发各单元并显著降低 非检测分子荧光背景， 满足高信噪比、 高通量 测序的要求， 与当前PacBi o零模波导芯片相比， 有望降低制作成本并有可能实现重复使用。 [0008]为实现上述目的， 本发明采用以下 具体技术方案： [0009]本发明提供的单分子荧光激发装置， 包括圆环和位于圆环内的十一个微柱， 圆环 的折射率高于十一个微柱的折射率； 其中， 十一个微柱分别为第一微柱至第十一微柱， 第一说　明　书 1/6 页 3 CN 115058322 A 3