本公开实施例提出一种基因测序阵列结构和基因测序装置。该基因测序阵列结构包括至少一个列单元；所述列单元包括：至少一个检测单元，所述检测单元包括测试腔和连接所述测试腔的第一控制单元；一个冗余单元，所述冗余单元包括冗余腔和连接所述冗余腔的第二控制单元；读出电路，连接所述第一控制单元和第二控制单元，用于通过对所述测试腔和冗余腔的累积电荷的相关双采样来对所述测试腔的累积电荷进行转移和放大。本公开实施例可以用于对高速通过纳米孔的核苷酸类型进行判断，以实现更准确的核酸测序。核酸测序。核酸测序。
【技术实现步骤摘要】
基因测序阵列结构和基因测序装置
[0001]本公开属于生物检测
，具体而言，涉及一种基因测序阵列结构和基因测序装置，可用于高速检测核苷酸的碱基类型从而实现测序，并易于大规模扩展。
技术介绍
[0002]基于纳米孔的核酸测序概念于1995年被提出。研究者发现，某些跨膜蛋白，例如细菌毒素α-hemolysin等能在磷脂膜上形成稳定的直径约为1-2纳米的通道，称为纳米孔(nanopore)。单链的DNA(或RNA)分子由于自身的带电性质，在电场中会自发的穿过纳米孔，并在穿越的过程中引起纳米孔电阻的变化，产生所谓的阻断电流。DNA(RNA)四种不同的碱基A、T(U)、C和G由于自身化学结构的差异，它们穿越纳米孔时对电流产生的阻断影响具有可识别的差异，产生各自对应的特征阻断电流。对特征阻断电流进行准确检测便可以确定相应碱基的类型，从而测定核酸序列。
[0003]现有的通过纳米孔测序的方式主要为两种，一种方式以Oxford Nanopore Technologies的系统为代表，直接让DNA单链分子穿过纳米孔并依次读取其碱基所对应的特征阻断电流。然而，由于不同碱基给出的特征电流差异小，多个碱基可同时停留在纳米孔中让阻断电流表征非常复杂，这对测序后期的电流数据分析提出了极高的要求。更重要的是，此系统对一段连续相同碱基的DNA序列(homopolymer)测定有着难以克服的困难。另一种方式以Genia Technologies(目前属于Roche Sequencing Solutions)所采用的系统为代表，利用经修饰的核苷酸类似物在核酸合成的同时进行测序。虽然对用于复制的核苷酸加上标签能提高不同碱基所对应的特征阻断电流的识别度，同时单个核苷酸标签进入纳米孔的时间间隔也有助于测定连续相同碱基的核酸序列(homopolymer)，但此系统却难以保证每个用于合成的核苷酸的标签都进入纳米孔给出阻断电流，从而造成测序过程中的漏读(deletion error)；也难以避免核苷酸标签阻断电流被读取，但核苷酸本身却并未真正参与合成反应的情况，造成信号被多余读取的错误(insertion error)。要解决这个问题，除了能检测核苷酸标签以外，还应能够直接检测核苷酸本身。由于核苷酸通过纳米孔速度较快，因此，需要更高速的检测电路才能检测。
技术实现思路
[0004]本公开实施例提供一种基因测序阵列结构和基因测序装置，用于在相同噪声水平下实现更高速的采样速率，实现更准确的核酸测序。
[0005]第一方面，本公开实施例提出一种基因测序阵列结构，包括：至少一个列单元；所述列单元包括：
[0006]至少一个检测单元，所述检测单元包括测试腔和连接所述测试腔的第一控制单元；
[0007]一个冗余单元，所述冗余单元包括冗余腔和连接所述冗余腔的第二控制单元；
[0008]读出电路，连接所述第一控制单元和第二控制单元，用于通过对所述测试腔和冗
余腔的累积电荷的相关双采样来对所述测试腔的累积电荷进行转移和放大。
[0009]在可选的实施方式中，所述测试腔和冗余腔均包括由膜分隔的第一隔室和第二隔室，以及连接至所述第一隔室的第一电极和连接至所述第二隔室的第二电极；所述测试腔和冗余腔的第一电极连接公共电极端，所述测试腔的第二电极连接所述第一控制单元，所述冗余腔的第二电极连接所述第二控制单元；其中，所述测试腔的膜上具有纳米孔，所述冗余腔的膜上没有纳米孔。
[0010]在可选的实施方式中，所述第一控制单元和第二控制单元均包括第一复位开关和读出开关；所述第一复位开关的第一端连接列参考电压，第二端连接所述第二电极，用于将所述膜的电容电压复位；所述读出开关的第一端连接所述第二电极，第二端连接所述读出电路，用于将所述膜的电容电荷引导至所述读出电路。
[0011]在可选的实施方式中，所述至少一个列单元中，位于同一行的检测单元或冗余单元连接共享的行复位信号，位于同一列的检测单元和冗余单元连接共享的列参考电压和列输出信号。
[0012]在可选的实施方式中，所述列单元还包括列复位禁止开关，所述检测单元和冗余单元经由所述列复位禁止开关连接至共享的列参考电压。
[0013]在可选的实施方式中，所述列单元还包括列输出禁止开关，所述检测单元和冗余单元经由所述列输出禁止开关连接至所述读出电路。
[0014]在可选的实施方式中，所述行复位信号连接至所述同一行的检测单元或冗余单元的所述第一复位开关的控制端，用于复位所述同一行的检测单元或冗余单元的膜的电容电压。
[0015]在可选的实施方式中，所述读出电路包括：
[0016]第一放大电路，用于对所述测试腔和冗余腔的膜电容电荷进行转移和放大；
[0017]相关双采样(CDS)电路，用于对所述测试腔和冗余腔的膜电容电荷进行相关双采样，消除所述第一放大电路的失调电压；
[0018]第二放大电路，用于对所述CDS电路的输出进行电荷转移和放大。
[0019]在可选的实施方式中，所述第一放大电路包括第一运算放大器、第一反馈电容和第二复位开关；其中，所述第一运算放大器的正相输入端输入所述列参考电压，反相输入端连接所述读出开关的第二端，所述第一反馈电容和第二复位开关并联在所述第一运算放大器的反相输入端和输出端；所述第一运算放大器在所述第一反馈电容的作用下对所述膜电容电荷进行转移放大，所述第二复位开关用于对所述第一反馈电容进行复位。
[0020]在可选的实施方式中，所述CDS电路包括采样电容、采样开关、保持开关、CDS电容和CDS采样开关；其中，所述采样开关的第一端连接所述第一放大电路的输出，第二端连接所述采样电容和所述CDS电容的第一端，用于将所述第一放大电路的输出电压导入所述采样电容或者所述CDS电容；所述保持开关的第一端连接所述CDS电容的第二端，第二端连接所述第二放大电路；所述采样电容的第二端连接所述列参考电压；所述CDS采样开关的第一端连接CDS电容的第二端，第二端连接所述列参考电压，用于存储所述第一放大电路的输出。
[0021]在可选的实施方式中，所述第二放大电路包括第二运算放大器、第二反馈电容和第三复位开关；其中，所述第二运算放大器的正相输入端连接至所述列参考电压，所述第二
反馈电容和第三复位开关并联在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端；所述第二运算放大器在所述第二反馈电容的作用下对所述CDS电路的输出进行电荷转移和放大，所述第三复位开关用于对所述第二反馈电容进行复位。
[0022]在可选的实施方式中，所述列单元还包括模数转换电路，所述模数转换电路连接至所述第二放大电路，用于将所述第二放大电路的输出转换为数字信号并采样。
[0023]在可选的实施方式中，位于同一列的所述检测单元的第一控制单元和冗余单元的第二控制单元以时分复用的方式依次连通所述读出电路。
[0024]在可选的实施方式中，所述至少一个列单元中，位于不同行的行复位信号以时分复用的方式顺序作用，以控制所述第一复位开关复位所述同一本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基因测序阵列结构，其特征在于，包括：至少一个列单元；所述列单元包括：至少一个检测单元，所述检测单元包括测试腔和连接所述测试腔的第一控制单元；一个冗余单元，所述冗余单元包括冗余腔和连接所述冗余腔的第二控制单元；读出电路，连接所述第一控制单元和第二控制单元，用于通过对所述测试腔和冗余腔的累积电荷的相关双采样来对所述测试腔的累积电荷进行转移和放大。2.根据权利要求1所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述测试腔和冗余腔均包括由膜分隔的第一隔室和第二隔室，以及连接至所述第一隔室的第一电极和连接至所述第二隔室的第二电极；所述测试腔和冗余腔的第一电极连接公共电极端，所述测试腔的第二电极连接所述第一控制单元，所述冗余腔的第二电极连接所述第二控制单元；其中，所述测试腔的膜上具有纳米孔，所述冗余腔的膜上没有纳米孔。3.根据权利要求2所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述第一控制单元和第二控制单元均包括第一复位开关和读出开关；所述第一复位开关的第一端连接列参考电压，第二端连接所述第二电极，用于将所述膜的电容电压复位；所述读出开关的第一端连接所述第二电极，第二端连接所述读出电路，用于将所述膜的电容电荷引导至所述读出电路。4.根据权利要求3所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述至少一个列单元中，位于同一行的检测单元或冗余单元连接共享的行复位信号，位于同一列的检测单元和冗余单元连接共享的列参考电压和列输出信号。5.根据权利要求4所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述列单元还包括列复位禁止开关，所述检测单元和冗余单元经由所述列复位禁止开关连接至共享的列参考电压。6.根据权利要求5所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述列单元还包括列输出禁止开关，所述检测单元和冗余单元经由所述列输出禁止开关连接至所述读出电路。7.根据权利要求4所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述行复位信号连接至所述同一行的检测单元或冗余单元的所述第一复位开关的控制端，用于复位所述同一行的检测单元或冗余单元的膜的电容电压。8.根据权利要求3所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述读出电路包括：第一放大电路，用于对所述测试腔和冗余腔的膜电容电荷进行转移和放大；相关双采样(CDS)电路，用于对所述测试腔和冗余腔的膜电容电荷进行相关双采样，消除所述第一放大电路的失调电压；第二放大电路，用于对所述CDS电路的...
【专利技术属性】
技术研发人员：董晨洁，蒋可，苏云鹏，邹耀中，秦亚杰，江逸舟，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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