CN102925347B - 半导体芯片、半导体酶芯片及筛选目标酶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种酶芯片，公开了一种半导体芯片、半导体酶芯片及利用该半导体酶芯片筛选目标酶的方法。半导体酶芯片，包括半导体芯片和氧化膜层，半导体芯片包括至少一个传感器矩阵，传感器由电路连接，感应空洞中离子浓度变化。本发明利用半导体芯片来筛选酶，与传统生物芯片相比，可以加大井密度至少10倍以上，而且采用非光学方法的电路方法读出反应，可以进一步提高筛选速度。
Description
技术领域
本发明涉及生物电子领域，尤其涉及一种半导体芯片、一种半导体酶芯片及利用该半导体酶芯片筛选目标酶的方法。
背景技术
酶制剂行业是生物产业的一个分支，目前全球生产酶制剂有60余种产品，达到工业化规模的有20余个系列,2011年全球酶制剂产值39亿美元,产品广泛应用到食品、饲料、医药、环保、能源等各个重大工业领域.酶制剂产业的核心技术就是新酶菌种的发现和筛选。目前酶制剂厂商大多数采用传统的筛选新酶的方法：先隔离选定的微生物，然后用生物培养的方法繁殖，再加入底物，观察反应效果。但是用此方法筛选新酶的基片一般每片几百个井（每个井可用来观察一个反应）；因为要找到一个有效的新酶通常需要筛选上亿的反应，所以用这种方法发现和筛选新酶速度很慢,周期长。
生物芯片是90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一,可以用于检测和研究小量的生物材料的装置，主要是利用生物分子间的特异性，将生物分子（核酸、蛋白质、糖类、细胞或者组织等）固定在特定基板上形成生物探针，然后将欲检测的生物样本溶液（如血液、尿液、体液或者唾液）在芯片上进行混合，由于其内部可能含有相对应生物探针且能与其进行分子间相互作用的目标分子，因此，通过具有特异性且互为配位体的生物探针与目标分子进行结合反应或酵素催化反应，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，以取得检测生物样本的分析信息。根据芯片上的固定的探针不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片，另外根据原理还有元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片。由于用该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交（SouthernBlotting和NorthernBlotting等）技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、低通量(lowthrough-put)等不足.值得指出的是,生物芯片技术尽管常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程有少数模拟计算机芯片的制备技术，但是目前的生物芯片技术基本不含电路,不涉及电信号,与半导体芯片技术基本上是两个不同的领域。
二十一世纪初，美国Verenium公司开始带头将生物芯片的方法应用到酶领域来大幅提高筛选速度。由于生物芯片在传统的基片基础上把井做得更小，从而提高了井密度，使每个基片可包含约几万到几十万个井；同时，在井中不再采用生物培养的方法繁殖选定的微生物，而是取选定的微生物的关键DNA序列，再打乱DNA序列重新排列组合，然后将新的DAN序列植入每个井中，用荧光显微镜等方法观察此上万个反应,所以跟传统的筛选新酶的方法比大幅地提高了筛选速度,在酶行业带来了很大的进步和变革。
但是生物芯片从样品的准备到加样、反应、清洗，仍需要大量的时间,而DNA序列的可能排列组合有多种，即使采用包含约几万到几十万个井的生物芯片给新酶的发现带来了很大的进步,新酶的筛选仍然是一个重要瓶颈.例如，一个很短的13个碱基的DAN序列，可能的排列组合为13！，即62亿；如果用60万个井的生物芯片筛选，假设每个芯片需6小时，则筛选13个碱基的DAN序列的可能排列组合共需7年。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种半导体芯片以及利用半导体芯片制成的筛选速度快、井密度高的半导体酶芯片。
半导体芯片，包括至少一个传感器矩阵，每个传感器上方对应设有一个空洞；传感器由电路连接，感应空洞中离子浓度变化。传感器矩阵由多行传感器和多列传感器排列组合而成。
作为优选，一层或多层氧化膜层位于传感器矩阵上方，空洞设在氧化膜层。
作为优选，传感器为离子晶体管传感器。离子晶体管传感器设在半导体芯片中，利用半导体芯片可以大大提高井的密度。
作为优选，每个空洞最多容纳一个细胞。
作为优选，空洞为边长大于0.1微米且小于20微米的正方形或者为直径大于0.1微米且小于20微米的圆形。
半导体酶芯片,包括至少一个传感器矩阵,传感器由电路连接，感应酶化学反应。传感器矩阵由多行传感器和多列传感器排列组合而成，传感器可以感应酶化学反应从而推断酶的性质。
半导体酶芯片,是所述的半导体芯片的一种。
作为优选，半导体酶芯片在,每个传感器上方对应设有一个空洞。
作为优选，空洞是物理上的空洞，或者是一种将含有待筛选酶的细胞固定在传感器位置的机制。空洞可以不是实际存在的空洞，而是通过一种机制比如电学的电场效应可以将含有待筛选酶的细胞固定在传感器位置的非物理上的空洞；所述的传感器位置包括传感器正上方和电学能感应并将含有待筛选酶的细胞固定的附近位置，并非局限于正上方的传感器位置。
作为优选，传感器为离子晶体管传感器。
作为优选，每个空洞最多容纳一个细胞。
作为优选，空洞为边长大于0.1微米且小于20微米的正方形或者直径大于0.1微米且小于20微米的圆形。
本发明还提供了一种利用半导体酶芯片筛选目标酶的方法，直接用电路读出反应，比生物芯片方法提速10-1000倍。
一种筛选目标酶的方法，包括以下步骤：
将含有待筛选酶的细胞移至权利要求6所述的半导体酶芯片上，含有待筛选酶的细胞进入空洞，每个空洞容纳零个或一个细胞；
将待筛选酶的底物移至半导体酶芯片，待筛选酶中高活性酶与底物反应,反应信号被半导体酶芯片相应的传感器检测；
信号大的传感器位置即对应的空洞中生物反应活跃的位置，对应的空洞中的待筛选的酶即目标酶。
上述半导体酶芯片的每个空洞最多一个细胞，使得筛选目标酶时每个空洞容纳零个或一个细胞，信号大的传感器位置即对应的目标酶最多只有一个，不会影响干扰目标酶的筛选。
作为优选，含有待筛选酶的细胞由以下方法获得：将多个酶基因序列和人造细胞混合,使每个人造细胞含有零个,一个,或多个基因序列；然后采用已知生物方法将基因序列在人造细胞内表达为待筛选的酶。
作为优选，多个酶基因序列由以下方法获得：可以从已知基因库选择多个基因，排列组合成不同的基因序列；也可以从自然界中的生物体中提取；或者通过其他已知方法获得。
半导体酶芯片采用半导体生产方法,包含半导体电路,用电信号读出半导体酶芯片，便于与已有的IT设备无缝连接；没有显微镜和成像装置，结构简单易操作；集成度更高,可同时多个检测，每个芯片含百万以上感应器；充分利用已有半导体工业成熟技术和生态支持，可迅速降低成本。
现行最高的生物芯片菌种筛选技术为40万,本发明利用半导体芯片来筛选酶，与生物芯片相比，更进一步地提高新酶筛选速度，半导体芯片特种酶产生菌筛选技术具有一次可观察百万以上生物反应效果的特点，超出现有技术10余倍。同时,用半导体方法可以加大井密度至少10倍以上，而且直接用电路读出反应可进一步提高筛选速度，可比生物芯片方法提速10-1000倍。
附图说明
图1是半导体酶芯片示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式具体进一步说明本发明。
实施例1
半导体酶芯片，包括半导体芯片1以及半导体芯片1表面的氧化膜层2。
用掩模光照并刻蚀出空洞3，使得氧化膜层2形成多个空洞3；每个空洞3最多能容纳一个人造细胞，每个空洞呈正方形，边长大于0.1微米且小于20微米；空洞3也可以为圆形，直径大于0.1微米且小于20微米。氧化膜层2为双脂质层或者细胞膜。
半导体酶芯片包括至少一个离子晶体管传感器矩阵，设在半导体芯片1内，每个离子晶体管传感器上方有一个空洞3，离子晶体管传感器由电路连接，可以感应空洞3中离子浓度变化或PH值变化。
实施例2
利用半导体酶芯片筛选目标酶的方法，包括以下步骤：
从基因库选择多个基因，排列组合成不同的基因序列，将基因序列和人造细胞混合使每个人造细胞最多含有一个基因序列；
然后采用生物方法将基因序列在人造细胞表达为待筛选的酶，将含有待筛选酶的人造细胞滴在半导体酶芯片的氧化膜层，含有待筛选酶的人造细胞进入空洞，且每个空洞最多容纳一个含有待筛选酶的人造细胞；
将待筛选酶的底物滴在半导体酶芯片的氧化膜层2，然后进入空洞3与人造细胞的待筛选酶反应，待筛选酶中高活性酶将持续反应放出离子，空洞3中PH值或离子浓度变化产生电荷变化，从而改变离子晶体管传感器中电流；
电流变化最大的离子晶体管传感器位置即对应的空洞3中生物反应活跃的位置，取出对应的空洞3的人造细胞和待筛选的酶，即目标酶。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (4)
1.半导体酶芯片,包括至少一个传感器矩阵,传感器矩阵中至少一个传感器上方对应设有一个或多个空洞；传感器由电路连接，感应酶化学反应，传感器矩阵由多行传感器和多列传感器排列组合而成，传感器为离子晶体管传感器；通过空洞机制将含有待筛选酶的细胞固定在传感器位置，一层或多层氧化膜层位于传感器矩阵上方，空洞设在氧化膜层；空洞是物理上的空洞，为边长大于0.1微米且小于20微米的正方形或者为直径大于0.1微米且小于20微米的圆形，每个空洞最多容纳一个细胞；其中含有待筛选酶的细胞由以下方法获得：将多个酶基因序列和人造细胞混合,使每个人造细胞含有零个,一个,或多个基因序列；然后采用生物方法将基因序列在人造细胞内表达为待筛选的酶。
2.一种筛选目标酶的方法，包括以下步骤：
将含有待筛选酶的细胞移至半导体酶芯片上，含有待筛选酶的细胞进入空洞，每个空洞容纳零个或一个细胞；
将待筛选酶的底物移至半导体酶芯片，待筛选酶中高活性酶与底物反应,反应信号被半导体酶芯片相应的传感器检测；
信号大的传感器位置即对应的空洞中生物反应活跃的位置，对应的空洞中的待筛选的酶即目标酶。
3.根据权利要求2所述的筛选目标酶的方法，其中含有待筛选酶的细胞由以下方法获得：将多个酶基因序列和人造细胞混合,使每个人造细胞含有零个,一个,或多个基因序列；然后采用生物方法将基因序列在人造细胞内表达为待筛选的酶。
4.根据权利要求3所述的筛选目标酶的方法，其中多个酶基因序列由以下方法获得：从已知基因库选择多个基因，排列组合成不同的基因序列；或者从自然界中的生物体中提取。
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