CN105462808A - 半导体测序芯片及基因测序仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基因测序设备领域，提供了一种半导体测序芯片及基因测序仪。所述半导体测序芯片从下到上依次为基底、流动室和芯片盖；所述基底包括：传感器阵列，和位于传感器阵列之上的微孔阵列；所述传感器阵列上有多个传感器，各传感器与微孔阵列上的微孔一一对应；所述芯片盖上设有试剂入口和第一试剂出口，所述试剂入口和第一试剂出口分别位于流动室的两端；所述芯片盖的内表面中间距离基底近，两边距离基底远；所述半导体测序芯片还包括参比电极，与流动室内的液体连通，并提供参比电压给各个传感器。本发明通过对芯片盖内表面的特殊设计，使得试剂在流动室内各个部分的流速的一致性更好，减少了所得测序数据中的干扰信号，提高了测序的准确性。

Description

半导体测序芯片及基因测序仪

技术领域

本发明涉及基因测序设备领域，更具体地说，涉及一种半导体测序芯片及基因测序仪。

背景技术

高通量测序（High-ThroughputSequencing）又名下一代测序（NextGenerationSequencing，NGS），是相对于传统的桑格测序（SangerSequencing）而言的。随着新一代测序技术的发展，近年来出现了一种半导体测序方法（Semi-conductorSequencing），其在半导体芯片的微孔中固定DNA链，并将测序引物与微孔中固定的DNA链杂交，随后依次掺入A、C、G、T，随着碱基的掺入，在聚合酶的作用下，测序引物发生延伸，并释放出氢离子，释放出的氢离子在穿过芯片的微孔底部时，能够被检测到，通过对氢离子的检测，从而实现对待测序列上碱基的实时判读，从而完全摆脱了利用光路系统进行碱基识别的限制，使测序过程更简单、快捷和低成本。

如图1所示，现有的半导体测序芯片底部含有非常多的微孔，用于固定DNA链；测序反应中的样品及所需的试剂，经与芯片底部相对的试剂入口和试剂出口出入半导体测序芯片；芯片中间的流动室的上下表面相互平行；在测序反应过程中，新加入的试剂在与流动室内流动时，试剂在芯片内部各个部分的流速不一致，新加入的试剂扩散至各个微孔中发生相应的测序反应的速度无规律可循，使得各微孔底部的传感器检测到的电荷变化所需的时间无规律，获得的测序数据存在干扰，影响测序的准确性。

因此需要一种新的半导体测序芯片及基因测序仪，提高试剂在芯片内部的各个部分的流速的一致性。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种半导体测序芯片及基因测序仪，旨在解决现有技术中试剂在芯片内部的各个部分的流速的一致性差的问题。

为了实现发明目的，本发明提供了一种半导体测序芯片，所述半导体测序芯片从下到上依次为基底、流动室和芯片盖；

所述基底包括：传感器阵列，和位于传感器阵列之上的微孔阵列；

所述传感器阵列上有多个传感器，各传感器与微孔阵列上的微孔一一对应；

所述芯片盖上设有试剂入口和第一试剂出口，所述试剂入口和第一试剂出口分别位于流动室的两端；

所述芯片盖的内表面中间距离基底近，两边距离基底远；

所述半导体测序芯片还包括参比电极，所述参比电极与流动室内的液体连通，并提供参比电压给各个传感器。

其中，所述芯片盖内表面以芯片盖中心为中心呈两端对称。

其中，所述芯片盖的内表面在垂直方向上呈流线型。

其中，所述流动室在水平方向上两端小，中间大。

进一步的，所述流动室在水平方向上为两端狭小中部宽大的叶状。

其中，所述基底在与第一试剂出口的相对面设有第二试剂出口；所述第一试剂出口和第二试剂出口所连导管上均设有开关。

其中，所述半导体测序芯片还包括液体传感器，用于检测流动室中液体是否充满液体。

为了更好地实现发明目的，本发明还提供了一种基于上述任一种半导体测序芯片的基因测序仪。

其中，所述基因测序仪还包括与半导体测序芯片相连的振动部件，用于使半导体测序芯片在水平方向上震动。

其中，所述基因测序仪还包括流体控制模块、信号检测模块和数据处理模块；

所述流体控制模块，与半导体测序芯片连接，用于控制进入半导体测序芯片的试剂种类和流速；

所述信号检测模块，与半导体测序芯片连接，用于检测每个传感器所感应到的电荷变化；

所述数据处理模块，与信号检测模块连接，用于对信号检测模块所得的数据进行处理，最终得到半导体测序芯片内待测样品的序列信息。

由上可知，本发明通过对芯片盖内表面的特殊设计，使得试剂在半导体测序芯片流动室内各个部分的流速的一致性更好，进而减少了半导体测序芯片所得测序数据中的干扰信号，提高了测序的准确性。

附图说明

图1是现有技术中半导体测序芯片的结构示意图。

图2是本发明第一典型实施例中半导体测序芯片的结构示意图。

图3是本发明第一实施例中半导体测序芯片在垂直方向的剖视示意图。

图4是本发明第二实施例中半导体测序芯片在垂直方向的剖视示意图。

图5是本发明第三实施例中半导体测序芯片的流动室在水平方向的剖视示意图。

图6是本发明第二典型实施例中半导体测序芯片的结构示意图。

图7是本发明第三典型实施例中半导体测序芯片的结构示意图。

图8是本发明第五典型实施例中半导体测序芯片的基底的结构示意图。

图9是本发明第四实施例中基因测序仪的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图2所示，本发明提出第一典型实施例，一种半导体测序芯片，所述半导体测序芯片从下到上依次为基底1、流动室2和芯片盖3；

所述基底1包括：传感器阵列12，和位于传感器阵列之上的微孔阵列11；

所述传感器阵列12上有多个传感器121，各传感器121与微孔阵列11上的微孔111一一对应；

所述芯片盖3上设有试剂入口31和第一试剂出口32，所述试剂入口31和第一试剂出口32分别位于流动室2的两端；

所述芯片盖的内表面中间距离基底近，两边距离基底远；

所述半导体测序芯片还包括参比电极4，所述参比电极4与流动室2内的液体连通，并提供参比电压给各个传感器121。

需要说明的是：

所述基底为流动室的底壁，芯片盖为流动室的上盖，基底与芯片盖之间的空间为流动室，通过上述芯片盖内表面的特殊设计，提高了流动室内各个部分的液体（试剂）在垂直方向上的流速的一致性，使得液体在流经流动室时扩散至各个微孔的速率仅与液体流经的路程相关，而这一差异是可以在后期处理过程中通过相应的算法去除的，经本发明的半导体测序芯片所得的数据中的干扰信息少，提高了测序的准确性。

针对芯片盖的内表面，在第一典型实施例的基础上，本发明提出第一实施例，如图3所示，所述芯片盖内表面以芯片盖中心为中心呈两端对称。

需要说明的是，本实施例中，芯片盖内表面以芯片盖中心为中心呈两端对称，能够进一步使得流动室内各个部分的液体（试剂）在垂直方向的流速的一致性更高，使得经本发明的半导体测序芯片所得的数据中的干扰信息进一步减少，进一步提高了测序的准确性。

其中，芯片盖外表面的形状不限，优选与水平面平行，以降低芯片盖的加工难度。

其中，芯片盖内表面的中心可为一与流动室在水平方向上的形状相似的平面。例如，当流动室在水平方向上为正方形时，芯片盖内表面的中心为正方形；当流动室在水平方向上为长方形时，芯片盖内表面的中心同样为按一定比例缩小的长方形。

针对芯片盖的内表面，在第一典型实施例的基础上，本发明提出第二实施例，如图4所示，所述芯片盖的内表面在垂直方向上呈流线型。

需要说明的是，本实施例中芯片盖内表面的流线型设计，能够减小试剂在流动室内流动时垂直方向上的阻力，提高试剂在流动室内的流动速度，减少试剂扩散至各微孔的时间差，进而提高测序数据的准确性。

更进一步的，所述芯片盖的内表面在垂直方向上呈流线型，并以芯片盖中心为中心呈两端对称。

本方案既能够提高流动室内各个部分的试剂流速的一致性，又能够提高试剂在流动室内的流动速度，减少试剂扩散至各微孔的时间差，进而提高测序数据的准确性。

针对流动室在水平方向上的形状，本发明在上述实施例的基础上，提出第三实施例，如图5所示，所述流动室在水平方向上两端小，中间大。

本实施例中方案，能够进一步提高流动室内各个部分的液体（试剂）在水平方向上的流速的一致性，使得液体在流经流动室时扩散至各个微孔的速率仅与液体流经的路程相关，而这一差异是可以在后期处理过程中通过相应的算法去除的，经本发明的半导体测序芯片所得的数据中的干扰信息少，提高了测序的准确性。

进一步的，所述流动室在水平方向上以流动室中心为中心呈两端对称。

需要说明的是，本方案中，流动室在水平方向上以流动室中心为中心呈两端对称，能够进一步使得流动室内各个部分的液体在水平方向的流速的一致性更高，使得经本发明的半导体测序芯片所得的数据中的干扰信息进一步减少，进一步提高了测序的准确性。

进一步的，所述流动室在水平方向上其边缘呈流线型。

需要说明的是，本方案中流动室水平方向的流线型设计，能够减小试剂在流动室内流动时水平方向上的阻力，提高试剂在流动室内的流动速度，减少试剂扩散至各微孔的时间差，进而提高测序数据的准确性。

更进一步的，所述流动室在水平方向上以流动室中心为中心呈两端对称，且流动室在水平方向上其边缘呈流线型。

本方案既能够提高流动室内各个部分的试剂流速的一致性，又能够提高试剂在流动室内的流动速度，减少试剂扩散至各微孔的时间差，进而提高测序数据的准确性。

更进一步的，所述流动室在水平方向上为两端狭小中部宽大的叶状。

针对基底，本发明在上述实施例的基础上提出第二典型实施例，如图6所示，所述基底1在与第一试剂出口32的相对面设有第二试剂出口33；所述第一试剂出口32和第二试剂出口33所连导管上均设有开关34、35。

需要说明的是，本实施例中，在上样时（固定有DNA的微珠进入流通室，并扩散至基底中微孔阵列板中的各个微孔的过程），第一试剂出口开关打开，第一试剂出口开放；第二试剂出口开关关闭，第二试剂出口关闭。这使得样品在进入时，能够推动空气，由第一试剂出口流出，且样品能够在微孔阵列板上停留的时间更长，使得固定有DNA的微珠有足够长的时间进入微孔，并在后续的测序反应中进行测序反应。而当上样完成之后，进行测序反应时，第一试剂出口开关关闭，第一试剂出口关闭；第二试剂出口开关打开，第二试剂出口打开，这能够加快试剂流经流动室的流速，减少测序试剂扩散至各微孔的时间差，进而提高测序数据的准确性。

针对试剂的出、入口，本发明在上述实施例的基础上提出第三典型实施例，如图7所述，所述试剂出口和试剂入口与流通室之间通过弧形管道5连接。

需要说明的是，本实施例能够减少试剂出入流通室时的阻力，提高试剂流动速度，减少测序试剂扩散至各微孔的时间差，进而提高测序数据的准确性。

本发明在上述实施例的基础上提出第四典型实施例，所述半导体测序芯片还包括液体传感器，用于检测流动室中液体是否充满液体。

需要说明的是，本实施例通过设置液体传感器，使得半导体测序芯片在上样时能够自动判断样品是否充满流通室，进而使得基因测序仪中的流体控制模块停止上样，并静置一段时间，使得固定有DNA的微珠有足够长的时间进入微孔，并在后续的测序反应中进行测序反应。本实施例通过在半导体测序芯片中设置液体传感器，使其能与基因测序仪中的流体控制模块配合，提高上样的质量和基因测序仪的自动化程度。

需要说明的是，液体传感器的位置不限，只要能够在上样时正确的反应流动室内是否充满液体即可。

进一步的，所述液体传感器设置在第一试剂出口与流通室的连接处。

本方案能够在第一试剂出口无论是打开还是关闭的状态下，均能实现对流通室中是否充满液体的正确判断，及时发现上样后的测序反应过程中出现的液体不满的情况，进而能够进行进一步的处理，提高测序质量。

进一步的，所述液体传感器设置在第一试剂出口所连导管中，并位于开关与流通室之间。

本方案除了能够第一试剂出口无论是打开还是关闭的状态下，均能实现对流通室中是否充满液体的正确判断，及时发现上样后的测序反应过程中出现的液体不满的情况，进而能够进行进一步的处理，提高测序质量之外，还降低了液体传感器的安装难度。

本发明在上述实施例的基础上提出第五典型实施例，如图8所示，所述传感器121优选为具有浮动闸的chemFET，所述浮动闸1211具有传感器板12111，该传感器板12111与微孔111内部被钝化层1214隔开。所述传感器121主要是对在传感器板12111的对面的钝化层1214上存在的电荷的量做出响应，并产生与其有关的输出信号。电荷的变化会造成FET的源1213和排出1214之间的电流的变化，该变化可以直接地用于提供基于电流的输出信号，或间接地与额外的电路一起能够电压输出信号。反应物、洗涤溶液和其它试剂主要通过扩散从流动室进入微孔中。

进一步的，本发明的半导体测序芯片中的微孔大小基本一致，并完全容纳相应规格的微珠6，例如直径为1微米或3微米或5微米或10微米的磁珠。

为了更好地实现发明目的，本发明还提供了一种基于上述任一种半导体测序芯片的基因测序仪。

本发明在上述实施例的基础上提出第六典型实施例，所述基因测序仪还包括流体控制模块、信号检测模块和数据处理模块；

所述流体控制模块，与半导体测序芯片连接，用于控制进入半导体测序芯片的试剂种类和流速；

所述信号检测模块，与半导体测序芯片连接，用于检测每个传感器所感应到的电荷变化；

所述数据处理模块，与信号检测模块连接，用于对信号检测模块所得的数据进行处理，最终得到半导体测序芯片内待测样品的序列信息。

本发明的基因测序仪，因为所采用的半导体测序芯片的芯片盖内表面的特殊设计，提高了流动室内各个部分的液体（试剂）在垂直方向上的流速的一致性，使得液体在流经流动室时扩散至各个微孔的速率仅与液体流经的路程相关，而这一差异是可以在后期数据处理过程中通过相应的算法去除的，本发明的基因测序仪所得的测序数据中的干扰信息少，提高了测序的准确性。

在上述实施例的基础上，本发明提出第四实施例，具体如图9所示。

所述流体控制模块A、信号检测模块C分别在数据处理模块D的控制下，按照数据处理模块发出的指令进行相应的工作，半导体测序芯片B中的反应在数据处理模块D的控制下自动进行，本实施例中基因测序仪的自动化程度高。

本发明在第六典型实施例的基础上提出第五实施例，所述基因测序仪还包括与半导体测序芯片相连的振动部件，用于使半导体测序芯片在水平方向上震动。

本实施例通过设置与半导体测序芯片相连的振动部件，当固定有DNA的微珠样品进入流动室并充满流动室后，可通过振动部件使半导体测序芯片在水平方向上振动，使得固定有DNA的微珠有更多的机会进入微孔中，增加微珠的表面覆盖率，提高测序的通量和效率。

优选的，所述振动部件根据数据处理模块的指令，使半导体测序芯片在水平方向上震动。

本方案中的数据处理模块发出指令，控制流体控制模块将固定有DNA的微珠样品注入至半导体测序芯片中，并根据半导体测序芯片中的液体传感器的反馈，停止固定有DNA的微珠样品的进一步注入，同时静置一段适宜的时间，例如30s，1min，或5min；然后数据处理模块发出指令，控制振动部件使半导体测序芯片在水平方向上震动，震动的频率和幅度可根据固定有DNA的微珠样品和微孔的大小来调节，例如：20HZ，±0.1cm；30HZ，±0.05cm等；振动完成后，再静置一段时间，然后数据处理模块发出指令，控制流体控制模块将相应的试剂一次加入半导体测序芯片中，同时信号检测模块检测流动池中微孔底部发生的电荷变化，并产生与其有关的输出信号，数据处理模块接收输出信号，并对输出信号进行处理，最终得到半导体测序芯片内待测样品的序列信息。

本方案实现了基因测序的自动化，并且提高了微珠的表面覆盖率，提高测序的通量和效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体测序芯片，其特征在于，所述半导体测序芯片从下到上依次为基底、流动室和芯片盖；

所述基底包括：传感器阵列，和位于传感器阵列之上的微孔阵列；

所述传感器阵列上有多个传感器，各传感器与微孔阵列上的微孔一一对应；

所述芯片盖上设有试剂入口和第一试剂出口，所述试剂入口和第一试剂出口分别位于流动室的两端；

所述芯片盖的内表面中间距离基底近，两边距离基底远；

所述半导体测序芯片还包括参比电极，所述参比电极与流动室内的液体连通，并提供参比电压给各个传感器。

2.根据权利要求1所述的半导体测序芯片，其特征在于，所述芯片盖内表面以芯片盖中心为中心呈两端对称。

3.根据权利要求1所述的半导体测序芯片，其特征在于，所述芯片盖的内表面在垂直方向上呈流线型。

4.根据权利要求1所述的半导体测序芯片，其特征在于，所述流动室在水平方向上两端小，中间大。

5.根据权利要求4所述的半导体测序芯片，其特征在于，所述流动室在水平方向上为两端狭小中部宽大的叶状。

6.根据权利要求1所述的半导体测序芯片，其特征在于，所述基底在与第一试剂出口的相对面设有第二试剂出口；所述第一试剂出口和第二试剂出口所连导管上均设有开关。

7.根据权利要求1所述的半导体测序芯片，其特征在于，所述半导体测序芯片还包括液体传感器，用于检测流动室中液体是否充满液体。

8.一种基于权利要求1至7中任一种半导体测序芯片的基因测序仪。

9.根据权利要求8所述的基因测序仪，其特征在于，所述基因测序仪还包括与半导体测序芯片相连的振动部件，用于使半导体测序芯片在水平方向上震动。

10.根据权利要求8所述的基因测序仪，其特征在于，所述基因测序仪还包括流体控制模块、信号检测模块和数据处理模块；

所述流体控制模块，与半导体测序芯片连接，用于控制进入半导体测序芯片的试剂种类和流速；

所述信号检测模块，与半导体测序芯片连接，用于检测每个传感器所感应到的电荷变化；

所述数据处理模块，与信号检测模块连接，用于对信号检测模块所得的数据进行处理，最终得到半导体测序芯片内待测样品的序列信息。