一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路制造技术

本发明专利技术一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，包括跨阻放大模块、高频补偿模块、低通滤波模块和命令电压施加模块；所述命令电压施加模块的输出端与生物纳米孔道的反式端连接，用于为生物纳米孔道提供mV级的命令电压，从而产生pA级的离子电流，生物纳米孔道的顺式端与跨阻放大模块的输入端连接，跨阻放大模块的输出端与高频补偿模块的输入端连接，高频补偿模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接；所述低通滤波模块的输出端还外接有数据采集器。简单、廉价、低噪声、高带宽，它能实现单个生物纳米孔道中的微弱离子电流的检测，有利于纳米孔道单分子分析技术的推广和发展。道单分子分析技术的推广和发展。道单分子分析技术的推广和发展。

【技术实现步骤摘要】
一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路


[0001]本专利技术涉及纳米孔道单分子检测分析技术，具体为一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路。

技术介绍

[0002]纳米孔道单分子分析技术由于简单、免标记、基于溶液检测和易于操作的特点，已成为生物样品检测的强大工具。纳米孔道的捕获样品异质性细节特征的能力在生物应用中非常重要，尤其是在检测复杂的生命物质和具有微小差异的目标成分方面。
[0003]嵌入脂双层的生物纳米孔道，如α
‑
溶血素(α
‑
hemolysin)、气单胞菌溶素(aerolysin)、短杆菌肽(Gramicidin)、耻垢分枝杆菌孔蛋白A(MspA)、phi29 DNA分子马达、Cytolysin A(ClyA)、CsgG等，它们具有优异的单分子检测性能。这些纳米孔道在高盐浓度如1M KCl溶液和小于200mV的命令电压条件下，通常会产生0～1000pA的离子电流。这就使得纳米孔道微弱电流的放大需要使用极高增益的放大电路。另外，目标分析物如DNA、RNA、蛋白质以及小分子造成的电流阻塞脉冲信号的时间宽度大约在0.1毫秒以上，这就要求信号放大电路的整体带宽至少达到5kHz以上，才能准确反映分析物的信号特征。
[0004]目前生物纳米孔道的微弱电流放大还没有成熟的商业化仪器，现有的综合型仪器如Melecular公司的Axon patch 200B系列放大器、HEKA公司的EPC10放大器等，均属于大型仪器、便携性差，噪声性能不足。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有问题，提供一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，简单、廉价、低噪声、高带宽，它能实现单个生物纳米孔道中的微弱离子电流的检测，有利于纳米孔道单分子分析技术的推广和发展。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0007]一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，包括跨阻放大模块、高频补偿模块、低通滤波模块和命令电压施加模块；
[0008]所述命令电压施加模块的输出端与生物纳米孔道的反式端连接，用于为生物纳米孔道提供mV级的命令电压，从而产生pA级的离子电流，生物纳米孔道的顺式端与跨阻放大模块的输入端连接，跨阻放大模块的输出端与高频补偿模块的输入端连接，高频补偿模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接；
[0009]所述低通滤波模块的输出端还外接有数据采集器。
[0010]优选的，所述的跨阻放大模块包括第一运算放大器U1，第一运算放大器U1的反向输入端连接生物纳米孔道的顺式端。
[0011]进一步，所述第一运算放大器U1的反向输入端与输出端之间接有反馈电阻R1和反馈电容C1。
[0012]优选的，所述高频补偿模块包括第二运算放大器U2，跨阻放大模块的输出端通过
并联的可调电阻RP2与电容连接至第二运算放大器U2的反向输入端。
[0013]进一步，所述第二运算放大器U2的反向输入端与正向输入端之间连接有RC串联的缓冲电路；第二运算放大器U2的反向输入端与输出端连接有反馈电阻RP1。
[0014]优选的，所述的低通滤波模块包括第一滤波芯片L1和第二滤波芯片L2，高频补偿模块的输出端与第一滤波芯片L1的输入端连接，第一滤波芯片L1的输出端与第二滤波芯片L2的输入端连接，第二滤波芯片L2的输出端外接数据采集器。
[0015]优选的，所述的命令电压施加模块包括8阶贝塞尔低通滤波电路和电阻分压电路，8阶贝塞尔低通滤波电路的输入端连接外部恒定电压，电阻分压电路的输入端连接8阶贝塞尔低通滤波电路的输出端，电阻分压电路的输出端连接生物纳米孔道的反式端。
[0016]进一步，所述电阻分压电路的分压比例为500：9790。
[0017]再进一步，所述的8阶贝塞尔低通滤波电路包括第三滤波芯片U3和第四滤波芯片U4，第三滤波芯片U3的输入端连接外部恒定电压，第三滤波芯片U3的输出端与第四滤波芯片U4的输入端连接，第四滤波芯片U4的输出端连接电阻分压电路的输入端。
[0018]优选的，还包括电源模块，所述的电源模块包括输出为+5V的正电源电路和输出为
‑
5V的负电源电路，电源模块用于为跨阻放大模块、高频补偿模块、低通滤波模块和命令电压施加模块提供低噪声电源。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0020]本专利技术一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，包括跨阻放大模块、高频补偿模块、低通滤波模块和命令电压施加模块，命令电压施加模块的输出端与生物纳米孔道的反式端连接，这样命令电压施加模块可为生物纳米孔道提供mV级命令电压，从而产生pA级的离子电流，生物纳米孔道的顺式端与跨阻放大模块的输入端连接，这样跨阻放大模块可将纳米孔道中产生的pA级的微弱电流转换为毫伏级电压信号，跨阻放大模块的输出端与高频补偿模块的输入端连接，这样高频补偿模块能够将跨阻放大模块的信号带宽提升至实验所需范围，高频补偿模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，这样低通滤波模块可对补偿后的信号进行高阶贝塞尔低通滤波，抑制或滤除高频补偿模块带宽频段外信号，并输出放大后的信号，由于低通滤波模块的输出端所输出的是模拟信号，这样低通滤波模块的输出端外接数据采集器，可进行模数转换以及以便计算机进行实时信号采集和数据分析。本专利技术电路能够实现纳米孔道中微弱离子电流的放大，具有高带宽、极低噪音、集成化程度高、抗干扰能力强等优点，可以准确检测到生物纳米孔道中pA级电流强度和微秒级时间跨度的电流脉冲信号，比传统微电流放大器具有更低噪音性能。
[0021]进一步的，由于跨阻放大模块可以选用标准锂电池供电，因此跨阻放大模块具有很高的便携性，也可以避免交流电所产生的背景噪音干扰，同时跨阻放大模块的电路规模更小，更加简单，易于集成化。
[0022]进一步的，命令电压施加模块采用8阶贝塞尔低通滤波电路和电压分压电路，可降低纳米孔道的系统噪声，施加具有低噪声的命令电压。
[0023]进一步的，电源模块包括输出为+5V的正电源电路和输出为
‑
5V的负电源电路，这会使电源模块具有低纹波特性，能为整个微弱电流放大电路提供低噪声的工作电压。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的系统框图。
[0025]图2为本专利技术所述的跨阻放大模块与高频补偿模块的电路图。
[0026]图3为本专利技术所述的低通滤波模块的电路图。
[0027]图4为本专利技术所述的命令电压施加模块的电路图。
[0028]图5为本专利技术所述的电源模块的电路图。
[0029]图6为本专利技术的单链DNA检测应用的实测数据图。
具体实施方式
[0030]下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0031]本专利技术一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，如图1所示，包括跨阻放大模块、高频补偿模块、低通滤波模块、命令电压施加模块以及电源模块。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，其特征在于，包括跨阻放大模块、高频补偿模块、低通滤波模块和命令电压施加模块；所述命令电压施加模块的输出端与生物纳米孔道的反式端连接，用于为生物纳米孔道提供mV级的命令电压，从而产生pA级的离子电流，生物纳米孔道的顺式端与跨阻放大模块的输入端连接，跨阻放大模块的输出端与高频补偿模块的输入端连接，高频补偿模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接；所述低通滤波模块的输出端还外接有数据采集器。2.根据权利要求1所述的一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，其特征在于，所述的跨阻放大模块包括第一运算放大器U1，第一运算放大器U1的反向输入端连接生物纳米孔道的顺式端。3.根据权利要求2所述的一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，其特征在于，所述第一运算放大器U1的反向输入端与输出端之间接有反馈电阻R1和反馈电容C1。4.根据权利要求1所述的一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，其特征在于，所述高频补偿模块包括第二运算放大器U2，跨阻放大模块的输出端通过并联的可调电阻RP2与电容连接至第二运算放大器U2的反向输入端。5.根据权利要求4所述的一种生物纳米孔道的微弱电流放大电路，其特征在于，所述第二运算放大器U2的反向输入端与正向输入端之间连接有RC串联的缓冲电路；第二运算放大器U2的反向输入端与输出端连接有反馈电阻RP1。6.根据权利要求1所述的一种生物纳米孔道的微弱电流放...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏卓群，李国梁，李童，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：