CN104630358B - Dna测序方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种DNA测序方法及其系统，所述DNA测序方法包括：获取每种碱基对应的电流变化参考值，将分子马达与待测DNA分子混合制得第一合成体；将第一合成体固定至场效应晶体管栅极上；导通场效应晶体管，测量其源漏极之间电流，设为第一初始电流；依次将不同单种碱基溶液加入至第一合成体，获取不同碱基溶液对应的源漏极之间电流，并分别与第一初始电流比较，得到每种碱基溶液对应电流变化值；当某一碱基溶液对应电流振幅变化值与碱基所对应电流振幅变化参考值相似时，确定包含该碱基；根据碱基形成电流振幅变化值所用的电流时间变化值大小排列，确定碱基序列。本方法测序降低了生产成本；提高了信号信噪比；缩短了DNA测序的时间。
Description
技术领域
本发明涉及DNA及半导体技术领域，特别涉及一种DNA测序方法及其系统。
背景技术
DNA测序(DNA sequencing，或译DNA定序)是指分析特定DNA片段的碱基序列，也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤的(G)排列方式。
目前，主要通过荧光、离子电流和隧穿电流的方法来区分不同碱基，荧光法是在荧光或者化学发光物质的协助下，通过读取DNA聚合酶或DNA连接酶将碱基连接到DNA链上过程中释放出的光学信号而间接确定的，其需要昂贵的光学监测系统，还要记录、存储并分析大量的光学图像，这都使仪器的复杂性和成本增加。离子电流和隧穿电流的方法是通过测量DNA通过纳米孔时的离子电流或横向隧穿电流的变化来测序的，这些方法有他们自身的优势，但是会受制于信号和噪音比低和读取长度短的限制。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种DNA测序方法极其系统，用于解决现有技术中DNA测序，采用荧光法、离子电流法与隧穿电流的方法进行不同碱基的区分，而导致成本高、速度慢、集成化低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种DNA测序方法，包括：
获取每种碱基所对应的电流变化参考值，其中，所述电流变化参考值包括电流振幅变化参考值与电流时间变化参考值；
将分子马达与待测DNA分子混合制得第一合成体；
将所述第一合成体固定至场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，设为第一初始电流；
依次将不同的单种碱基溶液加入至所述第一合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，并分别与所述第一初始电流比较，以得到每种碱基溶液所对应的电流变化值，其中所述电流变化值包括电流振幅变化值与电流时间变化值；
当某一碱基溶液所对应的电流振幅变化值与此碱基所对应的电流振幅变化参考值相似时，确定所述待测DNA分子中包含所述碱基；根据所述碱基形成电流振幅变化值所用的电流时间变化值由小至大的排列，确定所述碱基在所述待测DNA分子中的序列。
优选地，所述获取每种碱基所对应的电流变化参考值，具体包括：
将分子马达和已知DNA序列的DNA分子混合制得第二合成体；
将所述第二合成体固定至所述场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，设为第二初始电流；
根据已知DNA序列的DNA分子中碱基序列，按照碱基互补配对原则依次对应加入某一碱基溶液至所述第二合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，并分别与所述第二初始电流比较，以得到碱基序列中每种碱基所对应的电流变化参考值。
优选地，通过化学修饰法、液滴法或微纳沟道法，将所述第一合成体固定至场效应晶体管的栅极上
优选地，通过化学修饰法、液滴法或微纳沟道法，将所述第二合成体固定至所述场效应晶体管的栅极上。
优选地，所述分子马达为DNA聚合酶。
优选地，所述场效应晶体管为单级型场效应晶体管，所述单级型场效应晶体管的栅极为石墨烯、碳纳米管或氮化硼。
本发明的另一目的在于提供一种DNA测序方法，包括：
获取每种碱基所对应的电压变化参考值，其中，所述电压变化参考值包括电压振幅变化参考值与电压时间变化参考值；
将分子马达与待测DNA分子混合制得第一合成体；
将所述第一合成体固定至场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管的源漏极之间的电压，设为第一初始电压；
依次将不同的单种碱基溶液加入至所述第一合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电压，并分别与所述第一初始电压比较，以得到每种碱基溶液对应的电压变化值，其中电压变化值包括电压振幅变化值与电压时间变化值；
当某一碱基溶液对应的电压振幅变化值与所述碱基所对应的电压振幅变化参考值相似时，确定待测DNA分子中包含所述碱基；根据所述碱基形成电压振幅变化值所用的电压时间变化值由小至大的排列，确定所述碱基在所述待测DNA分子中的序列。
优选地，所述获取每种碱基所对应的电压变化参考值，具体包括：
将分子马达和已知DNA序列的DNA分子混合制得第二合成体；
将所述第二合成体固定至所述场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管源漏极的之间的电压，设为第二初始电压；
根据已知DNA序列的DNA分子中碱基序列，按照碱基互补配对原则依次对应加入某一碱基溶液至所述第二合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电压，并分别与所述第二初始电压比较，以得到碱基序列中每种碱基所对应的电压变化参考值。
本发明提供的一种DNA测序系统，包括：
场效应晶体管，所述场效应晶体管为单级型场效应晶体管，其中，所述单级型场效应晶体管包括硅纳米线、绝缘层、和在所述硅纳米线上的源极、漏极以及栅极；
分子马达与DNA分子混合制得的合成体，且所述合成体固定与所述场效应晶体管的栅极上；
电源，分别向所述场效应晶体管的源漏极和栅极施加工作电压，使所述场效应晶体管导通；
碱基溶液，包括四种不同碱基的单种碱基溶液，所述单种碱基溶液还适于分别加入至所述合成体上；
电流表，适于在所述场效应晶体管导通后，获取未加入碱基溶液之前所述场效应晶体管的源漏极之间的初始电流，以及适于在依次将不同的所述单种碱基溶液加入至所述合成体上时，获取不同的所述单种碱基溶液所对应所述场效应晶体管源漏极电流。本发明提供的另一种DNA测序系统，包括：
场效应晶体管，所述场效应晶体管为单级型场效应晶体管，其中，所述单级型场效应晶体管包括硅纳米线、绝缘层、和在所述硅纳米线上的源极、漏极以及栅极；
分子马达与DNA分子混合制得的合成体，且所述合成体固定至场效应晶体管的栅极上；
电源，分别向所述场效应晶体管的源漏极和栅极施加工作电压，使所述场效应晶体管导通；
碱基溶液，包括四种不同碱基的单种碱基溶液，所述单种碱基溶液还适于分别加入至所述合成体上；
电压表，适于在所述场效应晶体管导通后，获取未加入碱基溶液之前所述场效应晶体管的源漏极之间的初始电压，以及适于在依次将不同的所述单种碱基溶液加入至所述合成体上时，获取不同的所述单种碱基溶液所对应所述场效应晶体管源漏极电压。
如上所述，本发明的DNA测序方法及系统，具有以下有益效果：
通过化学修饰法、液滴法或微纳沟道法，将分子马达和DNA分子的合成体固定到场效应晶体管的栅极上，将含有单种碱基溶液依次加入到合成体上，获取场效应晶体管源极和漏极之间的电流变化参考值或者电压变化参考值(其中所述电流变化参考值包括电流振幅变化值与电流时间变化值，所述电压变化参考值包括电压振幅变化值和电压时间变化值)，对照每种碱基的电流变化参考值或者电压变化参考值，测得DNA片段中的碱基的序列。具体根据所述电流振幅变化值对比电流振幅变化参考值区别不同种类的碱基，或者根据所述电压振幅变化值对比电压振幅变化参考值区别不同种类的碱基；以及根据所述电流时间变化值由小至大的排列，或者根据所述电压时间变化值由小至大的排列，确定了DNA片段中碱基的序列。
本发明的实施例中提供的DNA测序方法中利用场效应晶体管进行碱基序列的获取，充分利用半导体工艺集成的优势降低了生产成本；相对于离子电流和隧穿电流的方法，提高了信号的信噪比；大大地缩短了DNA测序的时间。
附图说明
图1显示为本发明实施例提供的DNA测序方法流程图；
图2显示为本发明实施例提供的DNA测序方法中的场效应晶体管的结构示意图；
图3显示为本发明实施例提供的DNA测序方法中的场效应晶体管进行DNA测序示意图；
图4显示为本发明实施例提供的DNA测序方法中的场效应晶体管进行碱基测试电流变化示意图；
图5显示为本发明实施例提供的DNA测序方法中的场效应晶体管进行碱基测试电流变化参考示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本领域技术人员能够理解，场效应晶体管导通后，源漏极之间电流或者电压大小受栅极表面电势变化的影响。由此，本发明的发明人提出一种新的DNA测序方法，所述DNA测序方法包括：在场效应晶体管的栅极上加入分子马达和DNA片段制备的合成体，然后将所述合成体中加入单种碱基溶液，由于分子马达会将捕获单种碱基溶液中的碱基，并将所述单种溶液中的碱基与DNA中的碱基配对合成，从而造成场效应晶体管栅极表面电势的变化，进而使得场效应晶体管的源极和漏极之间的电流或者电压发生改变。因此，本发明的实施例中通过检测和分析所述场效应晶体管的源极和漏极之间的电流变化或电压变化即可实现DNA测序。
其中，所述分子马达又名分子发动机，是分布于细胞内部或细胞表面的一类蛋白质，它们的构象会随着与ATP(三磷酸腺苷)和ADP(二磷酸腺苷)的交替结合而改变，ATP水解的能量转化为机械能，引起马达形变，或者是它和与其结合的分子产生移动。就是说，分子马达本质上是一类ATP酶。例如肌肉中的肌球蛋白会拉动粗肌丝向中板移动，引起肌肉收缩。而另外两种分子马达：驱动蛋白和动力蛋白，它们能够承载着分子“货物”。所述“货物”是指如：质膜微粒，甚至是线粒体和溶酶体，在由微管构成的轨道上滑行，起到运输的作用的微粒。
DNA序列是指DNA片段的碱基序列，也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤的(G)在DNA片段中的排列方式。
在加入单种碱基溶液后，分子马达将捕获单种碱基溶液中的碱基，并与DNA分子中的碱基合成，此时，分子马达产生运动，对栅极的电压产生影响，从而使得源漏之间的电流或电压发生变化，通过监控该电流变化值或电压变化值，从而获得碱基的序列。
具体的，如图1所示，为本发明实施例提供DNA测序方法流程图，包括：
在步骤S101中，获取每种碱基所对应的电流变化参考值，其中，所述电流变化参考值包括电流振幅变化参考值与电流时间变化参考值；
在步骤S102中，将分子马达与待测DNA分子混合制得第一合成体；
在步骤S103中，将所述第一合成体固定至场效应晶体管的栅极上；
在步骤S104中，导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，设为第一初始电流；
在步骤S105中，依次将不同的单种碱基溶液加入至所述第一合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，并分别与所述第一初始电流比较，以得到每种碱基溶液所对应的电流变化值，其中电流变化值包括电流振幅变化值与电流时间变化值；
在步骤S106中，当某一碱基溶液所对应的电流振幅变化值与此碱基所对应的电流振幅变化参考值相似时，确定所述待测DNA分子中包含所述碱基；根据所述碱基形成电流振幅变化值所用的电流时间变化值由小至大的排列，确定所述碱基在所述待测DNA分子中的序列。
所述步骤S101中，获取每种碱基所对应的电流变化参考值，具体包括：
将分子马达和已知DNA序列的DNA分子混合制得第二合成体；
将所述第二合成体固定至所述场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，设为第二初始电流；
根据已知DNA序列的DNA分子中碱基序列，按照碱基互补配对原则依次对应加入某一碱基溶液至所述第二合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，并分别与所述第二初始电流比较，以得到碱基序列中每种碱基所对应的电流变化参考值。
其中，每次加入单种碱基溶液在所述栅极片上的反应液，可以清洗也可以不清洗，因为单种碱基溶液互相之间不会发生反应，不会引起电流变化，只会在DNA分子上的碱基与单种碱基溶液中的碱基互相发生反应。
其中，所述DNA分子包含已知DNA序列的DNA分子或待测DNA分子，所述合成体包括第一合成体或第二合成体。
本发明还提供另一种DNA测序方法，包括：
获取每种碱基所对应的电压变化参考值，其中，所述电压变化参考值包括电压振幅变化参考值与电压时间变化参考值；
将分子马达与待测DNA分子混合制得第一合成体；
将所述第一合成体固定至场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管的源漏极之间的电压，设为第一初始电压；
依次将不同的单种碱基溶液加入至所述第一合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电压，并分别与所述第一初始电压比较，以得到每种碱基溶液对应的电压变化值，其中电压变化值包括电压振幅变化值与电压时间变化值；
当某一碱基溶液对应的电压振幅变化值与所述碱基所对应的电压振幅变化参考值相似时，确定待测DNA分子中包含所述碱基；根据所述碱基形成电压振幅变化值所用的电压时间变化值由小至大的排列，确定所述碱基在所述待测DNA分子中的序列。
优选地，所述获取每种碱基所对应的电压变化参考值，具体包括：
将分子马达和已知DNA序列的DNA分子混合制得第二合成体；
将所述第二合成体固定至所述场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管源漏极的之间的电压，设为第二初始电压；
根据已知DNA序列的DNA分子中碱基序列，按照碱基互补配对原则依次对应加入某一碱基溶液至所述第二合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电压，并分别与所述第二初始电压比较，以得到碱基序列中每种碱基所对应的电压变化参考值。所述另一种方法是在第一种方法的基础上，将测试的电流变化参考值、电流变化值替换成电压变化参考值、电压变化值。
通过化学修饰法、液滴法或微纳沟道法，将分子马达和DNA分子的合成体固定到场效应晶体管的栅极上，将含有单种碱基溶液依次加入到合成体上，获取场效应晶体管源极和漏极之间的电流变化参考值或者电压变化参考值(其中所述电流变化参考值包括电流振幅变化值与电流时间变化值，所述电压变化参考值包括电压振幅变化值和电压时间变化值)，对照每种碱基的电流变化参考值或者电压变化参考值，测得DNA片段中的碱基的序列。具体根据所述电流振幅变化值对比电流振幅变化参考值区别不同种类的碱基，或者根据所述电压振幅变化值对比电压振幅变化参考值区别不同种类的碱基；以及根据所述电流时间变化值由小至大的排列，或者根据所述电压时间变化值由小至大的排列，确定了DNA片段中碱基的序列。DNA测序方法利用场效应晶体管进行碱基序列的获取，充分利用半导体工艺集成的优势，降低了生产成本；相对于离子电流和隧穿电流的方法，提高了信号的信噪比；大大地缩短了DNA测序的时间。
如图2所示，为本发明实施例提供的DNA测序方法中的场效应晶体管的结构示意图。在本实例中，采用的场效应晶体管为单级型场效应晶体管，所述单级型场效应晶体管包括衬底201、绝缘层202、绝缘层203、硅纳米线204、以及在硅纳米线204上栅极208，所述衬底的可以为硅衬底或者SOI衬底；所述衬底201的相对的表面上的绝缘层202与203，所述绝缘层可以为氧化硅或氮化硅等，所述绝缘层的厚度范围从几纳米至几百纳米；所述衬底201的一个表面的绝缘层203之上为硅纳米线204，所述硅纳米线204可以为石墨烯、碳纳米管或氧化硼等，所述硅纳米线204之上的栅极208(所述栅极为器件的栅极)以及位于硅纳米线204之上的栅极208两端的源极电极和漏极电极，所述源极电极与漏极电极分别为金属电极206与金属电极207，例如金属铝或氮化钛等；所述栅极208的侧壁以及暴露的表面都由绝缘保护层205覆盖，所述绝缘保护层205可以为氮化硅或氧化硅等。
在本实例中，所述单级型场效应晶体管通过半导体工艺制作硅纳米线204，将所述硅纳米线204的部分保护层采用光刻除去栅极的绝缘保护层205，在所述栅极片上形成一个凹槽，准备固定合成体，以及添加单种碱基溶液，所述金属电极206与金属电极207分别凸出绝缘保护层205。
如图3所示，为本发明实施例提供的DNA测序方法中的场效应晶体管进行DNA测序示意图。图3在图2的基础上增加了第二电极302、第一电源303与第二电源304、电流表305与接地306，所述金属电极206与所述金属电极207之间串联有电流表305，所述第二电源304为晶体管源极与漏极提供电势，所述电流表305测量源漏极(晶体管的源极与漏极)之间电流；且在所述晶体管的栅极208之上连接第二电极302的一端，所述第二电极的另一端连接第一电源303的正极，所述第一电源303负极接地306，所述第一电源303为栅极208提供电势。往栅极208上加入缓冲溶液301，所述缓冲溶液可以为氯化钾或氯化钠溶液等。
在本实例中，通过第一电源303与第二电源304之间的电压差，导通所述场效应晶体管，通过电流表305测试第一初始电流与第二初始电流，以及所述第一初始电流与所述第二初始电流分别对应的电流变化值。
如图4所示，为本发明实施例提供的DNA测序方法中的场效应晶体管进行碱基测试电流变化示意图；在本实施例中，待测DNA分子可以为RNA、多肽或蛋白质等，根据不同的DNA分子，选择相应的分子马达，所述分子马达可以为DNA聚合酶。待测DNA分子包括单链区域403和双链区域402，分子马达401自动固定在单链区域403和双链区域402的结合区域，所述分子马达401用于控制碱基的合成，例如：Phi 29Polymerase；生成关于分子马达401、双链区域402与单链区域403的合成体，所述合成体通过化学修饰法固定在所述晶体管的栅极208上，如图4中所示，在所述栅极上有缓冲溶液后，将合成体通过化学修饰法加至场效应晶体管的栅极上，引起晶体管的源漏极之间的电流变化值变化，其变化的范围从电流A1缩小至电流A2，所述A1为加入缓冲溶液后的一个初始电流，所述电流A2为固定合成体后栅极上的另一个初始电流。另外，将合成体固定至栅极208区域内的方法还包括液滴法与微纳米沟道法。
在本实例中，所述化学修饰法通过吸附、涂敷、聚合、化学反应等方法把活性基团或催化物质等附着在栅极电极表面，保护电极或改进电极特征功能的工艺过程。
如图5所示，为本发明实施例提供的DNA测序方法中的场效应晶体管进行碱基测试电流变化参考示意图；
在本实例中，将含有单种碱基501溶液依次加入所述栅极上的到合成体上。所述单种碱基溶液为腺嘌呤(A)502、胸腺嘧啶(T)503、胞嘧啶(C)504与鸟嘌呤的(G)505的溶液，这几种碱基溶液加入的顺序可以是任意的，碱基A即腺嘌呤(A)、碱基T即胸腺嘧啶(T)、碱基C即胞嘧啶(C)、碱基G即鸟嘌呤的(G)，其中，如图5中所示，碱基A溶液加入合成体时，对应的电流振幅变化值为502所示，碱基T溶液、碱基C溶液与碱基G溶液分别对应的电流振幅变化范围为503、504和505，即作为电流幅度变化参考值。
现以DNA分子片段ATCGA为例，进行电流变化获取的描述。分别加入四种不同的单种碱基溶液，每加入一种类型的单种碱基溶液，检测到场效应晶体管的源极、漏极之间的出现电流变化，为该类型单种碱基溶液未加入至合成体上出现的电流变化，所述电流变化包括电流幅度变化值与电流时间变化值，在依次加入单种碱基(已知)后，电流表305随着时间的推移，电流幅度将从A2依次缩小到变化范围，如图5中，502至505电流振幅变化值，所述碱基A、碱基T、碱基C、碱基G一一对应的变化范围为A2至A3、A2至A4、A2至A5、A2至A6，所述变化范围初始值均为A2，根据电流幅度变化值识别DNA分子中所对应的碱基，依次类推，进行其他的碱基测量。根据所述场效应晶体管源极与漏极之间的电势变化值也可识别不同种类碱基。
其中，当DNA分子片段为ATTCG时，如果加入碱基溶液对应DNA分子片段中的碱基T时，因为存在两个或多个碱基依次排列时，加入碱基A溶液时，引起的电流振幅变化值或电压振幅变化值上不会随着碱基的数量发生累计变化(因为在浓度相同的情况下，分子马达捕获单种碱基溶液中碱基DNA分子片段中碱基反应的时间都是固定值)，只是达到相同电流振幅变化值或电压振幅变化值时，碱基A溶液需要的电流时间变化值或电压时间变化值将延长，以及后面的碱基G溶液、碱基C溶液的电流时间变化值或电压时间变化值将成等差式的延长，通过对比电流时间变化参考值或电压时间变化参考值则可以确定该DNA片段中碱基的数量，从而确定DNA分子片段上的碱基序列。
在本实例中，按照碱基互补配对原则，在未加入单种碱基A溶液501时，所述电流表305上电流为图5中的初始电流为A2，当加入的单种碱基A溶液501时，若DNA序列中含有碱基T，分子马达通过捕获腺嘌呤(A)与DNA分子在所述晶体管的栅极上发生反应，导致场效应晶体管栅极表面电势的变化，而所述场效应晶体管的源极与漏极之间的电流随着栅极的电势变化而变化，通过电流表305测出电流变化的幅度，如图5中参考腺嘌呤(A)中对应所示，电流值由A2变化至A4的幅度为电流幅度变化值，识别出DNA分子片段中包含碱基T，所述电流表305可以采用精度度达到PA或者UA进行测量，例如：电化学分析系统，该电化学分析系统还可以同时测量电流时间变化值，所述电流时间变化值精确到微秒或纳秒；同时测量在加入该碱基A溶液之后，栅极上形成电流振幅变化值而所用的电流时间变化值，同理，测量碱基T、碱基C、碱基G所形成的电流振幅变化值，电流时间变化值，最后，根据电流振幅变化值确定DNA分子包含的碱基种类，以及根据各个单种碱基溶液的电流时间变化值由小到大的排列确定DNA分子中碱基的序列。
本发明提供的一种DNA测序系统，包括：
场效应晶体管，所述场效应晶体管为单级型场效应晶体管，其中，所述单级型场效应晶体管包括硅纳米线、绝缘层、和在所述硅纳米线上的源极、漏极以及栅极；
分子马达与DNA分子混合制得的合成体，且所述合成体固定与所述场效应晶体管的栅极上；
电源，分别向所述场效应晶体管的源漏极和栅极施加工作电压，使所述场效应晶体管导通；
碱基溶液，包括四种不同碱基的单种碱基溶液，所述单种碱基溶液还适于分别加入至所述合成体上；
电流表，适于在所述场效应晶体管导通后，获取未加入碱基溶液之前所述场效应晶体管的源漏极之间的初始电流，以及适于在依次将不同的所述单种碱基溶液加入至所述合成体上时，获取不同的所述单种碱基溶液所对应所述场效应晶体管源漏极电流。
本发明提供的另一种DNA测序系统，包括：
场效应晶体管，所述场效应晶体管为单级型场效应晶体管，其中，所述单级型场效应晶体管包括硅纳米线、绝缘层、和在所述硅纳米线上的源极、漏极以及栅极；
分子马达与DNA分子混合制得的合成体，且所述合成体固定至场效应晶体管的栅极上；
电源，分别向所述场效应晶体管的源漏极和栅极施加工作电压，使所述场效应晶体管导通；
电压表，适于在所述场效应晶体管导通后，获取未加入碱基溶液之前所述场效应晶体管的源漏极之间的初始电压，以及适于在依次将不同的所述单种碱基溶液加入至所述合成体上时，获取不同的所述单种碱基溶液所对应所述场效应晶体管源漏极电压。
在本实例中，所述合成体固定在场效应晶体管上，所述场效应晶体管单级型场效应晶体管，所述单级型场效应晶体管可以采用结型场效应晶体管(JFET)或金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)；采用碳纳米管的结型场效应晶体管，如石墨烯、碳纳米管或氮化硼的结型场效应晶体管，以具有更好的测量速率。
在本实例中，所述电源包括第一电源303和第二电源304，分别为场效应晶体管的栅极和源极、漏极提供工作电压。在整个测量过程中，第一电源303和第二电源304供给的电压保持不变，使得该场效应晶体管处于开启状态，源极、漏极间有电流导通。电流表305，串联在第二电源304与源极、漏极相连的电路中，用于获取场效应晶体管源极和漏极之间的电流变化的序列。以及在另一种DNA测序系统中，所述电压表测量晶体管源漏极之间的电压要求精确至皮伏或纳伏。
在本发明的技术方案提供的实施例中，例如待测DNA分子片段为ATCGA，当分子马达与待测DNA溶液制成合成体后，将所述合成体固定至场效应晶体管的栅极上，根据加入的单种碱基溶液到合成体上，采用电用表测量源漏极之间在加入某一单种碱基溶液之前的电压，该电压为初始电压，测量加入某一碱基溶液后的后的电压，与初始电压相比，形成电压振幅变化值，根据所述电压幅度变化值对比电压幅度变化参照值决定DNA分子片段中对应的碱基种类，以及所述电压时间变化值由小至大的排列决定DNA分子片段的碱基序列，最后，根据电压时间变化值与电压幅度变化值，参照每种碱基对应的电压时间变化参考值估算，估算DNA分子片段中每一种碱基的数量。
综上所述，本发明通过化学修饰法、液滴法或微纳沟道法，将分子马达和DNA分子的合成体固定到场效应晶体管的栅极上，将含有单种碱基溶液依次加入到合成体上，获取场效应晶体管源极和漏极之间的电流变化参考值或者电压变化参考值(其中所述电流变化参考值包括电流振幅变化值与电流时间变化值，所述电压变化参考值包括电压振幅变化值和电压时间变化值)，对照每种碱基的电流变化参考值或者电压变化参考值，测得DNA片段中的碱基的序列。具体根据所述电流振幅变化值对比电流振幅变化参考值区别不同种类的碱基，或者根据所述电压振幅变化值对比电压振幅变化参考值区别不同种类的碱基；以及根据所述电流时间变化值由小至大的排列，或者根据所述电压时间变化值由小至大的排列，确定了DNA片段中碱基的序列。DNA测序方法利用场效应晶体管进行碱基序列的获取，充分利用半导体工艺集成的优势，降低了生产成本；相对于离子电流和隧穿电流的方法，提高了信号的信噪比；大大地缩短了DNA测序的时间。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种DNA测序方法，其特征在于，包括：
获取每种碱基所对应的电流变化参考值，其中，所述电流变化参考值包括电流振幅变化参考值与电流时间变化参考值；
将分子马达与待测DNA分子混合制得第一合成体，其中，所述分子马达为DNA聚合酶；
将所述第一合成体中的DNA聚合酶通过化学修饰法固定至场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，设为第一初始电流；
依次将不同的单种碱基溶液加入至所述第一合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，并分别与所述第一初始电流比较，以得到每种碱基溶液所对应的电流变化值，其中所述电流变化值包括电流振幅变化值与电流时间变化值；
当某一碱基溶液所对应的电流振幅变化值与此碱基所对应的电流振幅变化参考值相似时，确定所述待测DNA分子中包含所述碱基；根据所述碱基形成电流振幅变化值所用的电流时间变化值由小至大的排列，确定所述碱基在所述待测DNA分子中的序列。
2.根据权利要求1所述的DNA测序方法，其特征在于，所述获取每种碱基所对应的电流变化参考值，具体包括：
将分子马达和已知DNA序列的DNA分子混合制得第二合成体，其中，所述分子马达为DNA聚合酶；
将所述第二合成体中的DNA聚合酶通过化学修饰法固定至所述场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，设为第二初始电流；
根据已知DNA序列的DNA分子中碱基序列，按照碱基互补配对原则依次对应加入某一碱基溶液至所述第二合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电流，并分别与所述第二初始电流比较，以得到碱基序列中每种碱基所对应的电流变化参考值。
3.根据权利要求1或2所述的DNA测序方法，其特征在于，所述场效应晶体管为单级型场效应晶体管，所述单级型场效应晶体管的栅极为石墨烯、碳纳米管或氮化硼。
4.一种DNA测序方法，其特征在于，包括：
获取每种碱基所对应的电压变化参考值，其中，所述电压变化参考值包括电压振幅变化参考值与电压时间变化参考值；
将分子马达与待测DNA分子混合制得第一合成体，其中，所述分子马达为DNA聚合酶；
将所述第一合成体中的DNA聚合酶通过化学修饰法固定至场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管的源漏极之间的电压，设为第一初始电压；
依次将不同的单种碱基溶液加入至所述第一合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电压，并分别与所述第一初始电压比较，以得到每种碱基溶液所对应的电压变化值，其中所述电压变化值包括电压振幅变化值与电压时间变化值；
当某一碱基溶液所对应的电压振幅变化值与此碱基所对应的电压振幅变化参考值相似时，确定所述待测DNA分子中包含所述碱基；根据所述碱基形成电压振幅变化值所用的电压时间变化值由小至大的排列，确定所述碱基在所述待测DNA分子中的序列。
5.根据权利要求4所述的DNA测序方法，其特征在于，所述获取每种碱基所对应的电压变化参考值，具体包括：
将分子马达和已知DNA序列的DNA分子混合制得第二合成体，其中，所述分子马达为DNA聚合酶；
将所述第二合成体中的DNA聚合酶通过化学修饰法固定至所述场效应晶体管的栅极上；
导通所述场效应晶体管，测量所述场效应晶体管源漏极的之间的电压，设为第二初始电压；
根据已知DNA序列的DNA分子中碱基序列，按照碱基互补配对原则依次对应加入某一碱基溶液至所述第二合成体上，并获取不同碱基溶液所对应的所述场效应晶体管的源漏极之间的电压，并分别与所述第二初始电压比较，以得到碱基序列中每种碱基所对应的电压变化参考值。
6.一种DNA测序系统，包括采用权利要求1至3中任意一项所述的DNA测序方法，其特征在于，包括：
场效应晶体管，所述场效应晶体管为单级型场效应晶体管，其中，所述单级型场效应晶体管包括硅纳米线、绝缘层、和在所述硅纳米线上的源极、漏极以及栅极；
分子马达与DNA分子混合制得的合成体，且所述合成体中的DNA聚合酶通过化学修饰法固定与所述场效应晶体管的栅极上，其中，所述分子马达为DNA聚合酶；
电源，分别向所述场效应晶体管的源漏极和栅极施加工作电压，使所述场效应晶体管导通；
碱基溶液，包括四种不同碱基的单种碱基溶液，所述单种碱基溶液还适于分别加入至所述合成体上；
电流表，适于在所述场效应晶体管导通后，获取未加入碱基溶液之前所述场效应晶体管的源漏极之间的初始电流，以及适于在依次将不同的所述单种碱基溶液加入至所述合成体上时，获取不同的所述单种碱基溶液所对应所述场效应晶体管源漏极电流。
7.一种DNA测序系统，包括采用权利要求4至5中任意一项所述的DNA测序方法，其特征在于，包括：
场效应晶体管，所述场效应晶体管为单级型场效应晶体管，其中，所述单级型场效应晶体管包括硅纳米线、绝缘层、和在所述硅纳米线上的源极、漏极以及栅极；；
分子马达与DNA分子混合制得的合成体，且所述合成体中的DNA聚合酶通过化学修饰法固定至场效应晶体管的栅极上，其中，所述分子马达为DNA聚合酶；
电源，分别向所述场效应晶体管的源漏极和栅极施加工作电压，使所述场效应晶体管导通；
碱基溶液，包括四种不同碱基的单种碱基溶液，所述单种碱基溶液还适于分别加入至所述合成体上；
电压表，适于在所述场效应晶体管导通后，获取未加入碱基溶液之前所述场效应晶体管的源漏极之间的初始电压，以及适于在依次将不同的所述单种碱基溶液加入至所述合成体上时，获取不同的所述单种碱基溶液所对应所述场效应晶体管源漏极电压。
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