CN105695318A - 一种纳米孔基因检测传感器芯片 - Google Patents
一种纳米孔基因检测传感器芯片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105695318A CN105695318A CN201610104151.0A CN201610104151A CN105695318A CN 105695318 A CN105695318 A CN 105695318A CN 201610104151 A CN201610104151 A CN 201610104151A CN 105695318 A CN105695318 A CN 105695318A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- row
- nano
- pore
- source electrode
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 title claims abstract description 37
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title abstract description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 47
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 93
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 19
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 15
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 15
- 244000045947 parasite Species 0.000 claims description 11
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 6
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 claims description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 16
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 9
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 19
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 11
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 9
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 4
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000018 DNA microarray Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000005284 basis set Methods 0.000 description 1
- 229940072225 canasa Drugs 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- XPPKVPWEQAFLFU-UHFFFAOYSA-J diphosphate(4-) Chemical compound [O-]P([O-])(=O)OP([O-])([O-])=O XPPKVPWEQAFLFU-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 235000011180 diphosphates Nutrition 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000001917 fluorescence detection Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000010339 medical test Methods 0.000 description 1
- KBOPZPXVLCULAV-UHFFFAOYSA-N mesalamine Chemical compound NC1=CC=C(O)C(C(O)=O)=C1 KBOPZPXVLCULAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002773 nucleotide Substances 0.000 description 1
- 125000003729 nucleotide group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6869—Methods for sequencing
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
本发明公开了一种纳米孔基因检测传感器芯片，包含由运放偏置电路OPA、n行m列传感单元5T阵列、行译码器、电流-时域-电压转换读取电路、模数转换电路ADC、静态随机寄存器组SRAM以及列译码器组成。同一行中的传感单元5T经其对应的电流-时域-电压转换读取电路、模数转换电路ADC、静态随机寄存器组SRAM处理，最后在列译码器的控制下输出，如此重复直至所有行传感单元处理完成。通过采用与半导体工艺兼容的纳米孔5T传感单元以及亚阈值放大的C-TVC读取策略，可以实现1pA纳米孔电流的基因片段碱基对直接检测，简化了生物处理的复杂度，进一步提高了芯片集成度，降低芯片生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基因测序技术，尤其涉及一种纳米孔基因检测传感器芯片。
背景技术
基因测序对生命科学，生物科技以及药物研发来说有着革命性的重要意义。如图1所示，第一代测序技术由Sanger于1975年发明，采用了双脱氧链终止法以及荧光检测法，但是这种方法不仅昂贵而且测试时间长，不适用于现代长基因序列的检测。因此，为了进一步减少测序成本，缩短测序时间，新一代的测序技术已经从第一代的Sanger测序，到第二代的焦磷酸测序，再发展到近几年的第三代Illumina的边合成边测序和IonTorrent离子半导体测序，测序成本已经成功下降到了0.1美元/百万碱基对。在电脑和手机等消费者市场的推动下，以大规模生产的半导体技术迅猛发展，使得传统生物医疗测试系统集成到生物芯片成为可能，特别是近几年大力发展的纳米孔单分子测序(nanopore)由于其样本处理简单，读取序列长和检测时间短等优点已经引起了产业界的极大兴趣，被认为第四代基因测序的主流，其中具有代表性的公司包括OxfordNanoporeTechnology(ONT)和GeniaTechnologies。
ONT在2013年发布了一款基因测序产品MinION，该便携式产品可以直接在USB3.0上使用，由512个生物纳米孔组成检测阵列集成在生物芯片上，每个单元一次可以检测含100K个碱基对的基因链，并且测序成本已经达到1美元/百万碱基对。通过发展与CMOS半导体工艺兼容的纳米孔技术，可以将上百万个纳米孔集成在一块芯片上，因此可以同时检测上百万个基因链，同时这个数量还可以随着半导体工艺节点的微缩而持续增加，不仅可以大大减小测试成本，而且还可以缩短测试时间，通过长链测序提高准确性。总的来说，与CMOS工艺兼容的大阵列纳米孔传感器由于其低价，快速，可便携，数据处理简单等优点，在未来个人化基因检测等应用中具有广阔的发展前景。
图2-3描述了ONT提出的基因检测技术。纳米孔在细胞膜上形成，在溶液中进行测试时，在其两侧加电压，形成离子电流和电场使得DNA链穿过纳米孔，由于构成DNA的四个碱基序列A,T,C,G有不同的大小，在穿过纳米孔时会不同程度的阻挡电流的流通，从而产生不同大小的电流，基因链上的碱基序列就是通过检测这种电流的变化得到的，如图2所示。电路结构主要由纳米孔传感单元，开关阵列，以及读出电路组成。通过开关控制可实现4个传感单元共享一个读取电路，如图3所示。读取操作时序由三部分组成：i).电流信号输出：基因链穿过纳米孔时产生的电流通过开关阵列传送到检测电路；ii).积分：电流在运算放大器的电容Cf上在一定的积分时间上进行积分，从而将电流通过电荷积累转化成电压信号；iii).读出：采用相关双采样(CDS)技术进行电压读出以减小电路噪声，并在片外进行数据处理。当偏置电压差为200mV时，穿过纳米孔的电流通常在50pA～100pA的量级，而在0.1s～1s的测量时间下每个碱基所引起的电流差为1pA(CanasA,WellsSA.Lipidbilayersensorarray:U.S.Patent8,828,208[P].2014-9-9.)。为了识别碱基序列，采用高精度的电荷放大器来检测碱基之间的微小的电流差，而这类放大器占用的芯片面积大，限制了传感器芯片利用半导体工艺的优化而进一步增大列阵密度的可行性。同时由于输入端的负载电容大，增加了纳米孔电流对电容的充放电时间，从而影响了测量的速度。此外，在制造过程中，生物纳米孔阵列和读出电路是分开制造成两块独立的芯片，然后通过焊接盘连接在一起，这极大的削减的系统的集成性。因此，需要寻求新的方案以解决ONT技术中面临的成本以及运行时间等问题，如采用与CMOS工艺兼容的纳米孔阵列，发明可分辨1pA电流差的更简单快速的读取策略等。
图4-5描述了Genia提出的基因检测技术，与ONT技术相比，Genia将传感单元阵列和读出电路通过CMOS工艺集成在一块芯片上，但由于无法探测1pA精度的电流差，必须要通过其他的方法增加信号的强度。和ONT直接对单分子碱基进行检测方法不同，Genia通过检测具有更明显尺寸差别的四种标签来增加通过纳米孔时的电流差，即“Nano-SBS”的测序方法。四种脱氧核苷酸A,T,C,G上各带有不同大小的标签，当其与待测基因链上的互补碱基结合时释放标签，并在电压作用下穿过纳米孔，从而产生明显的电流差。因而通过加入额外的生物处理方法，可以使不同碱基所引起的纳米孔电流差从1pA提高到20pA，如图4所示。一个基本的传感单元由一个纳米孔，一个采样电容和四个晶体管组成，包括一个传输管，一个复位管，一个源极跟随管以及一个行地址选通管。纳米孔产生的电流信号通过传输管对采样电容进行充放电，得到的电容电压通过源极跟随管线性输出，接着模数转换电路ADC会将模拟电压转化成数字信号，以便于后续的数据处理和存储，如图5所示。Genia提出的方法中，由于纳米孔传感单元的电路实现的是电流到电压的线性转化而没有放大功能，因此由于精度不够而导致系统测量误差。
发明内容
本发明提出了一种纳米孔基因检测传感器芯片，包括与CMOS工艺兼容的高灵敏度纳米孔传感器信号读取电路，纳米孔测量列阵，亚阈值区信号放大电路和列并行模数转换电路。解决了以下三个关键技术问题i)检测精度，ii)测序系统的运行速度，iii)测序芯片列阵密度，从而实现高通量和高精度的纳米孔测序仪。
本发明的技术方案为：
一种纳米孔基因检测传感器芯片，包括由运放偏置电路OPA、n行m列传感单元5T阵列、行译码器、电流-时域-电压转换读取电路、模数转换电路ADC、静态随机寄存器组SRAM以及列译码器等部件组成；
每一列传感单元5T共享一个运放偏置电路OPA、电流-时域-电压转换读取电路、模数转换电路ADC和静态随机寄存器组SRAM，运放偏置电路OPA的负输入端连接到该列的每行传感单元5T的纳米孔负反馈选通管MN4的漏极，运放偏置电路OPA的正输入端连接到偏置电压Vref上，运放偏置电路OPA的输出端连接到该列每行传感单元5T的源极跟随传输管MN3的栅极；
每个传感单元5T由一个纳米孔、一个采样电容Cf以及五个晶体管MN4、MN3、MN2、MN1、MN0组成；
纳米孔两端分别有正负两个电极，其中靠近溶液的负电极接地，正电极连接到源极跟随传输管MN3漏极和纳米孔负反馈选通管MN4的源极；
纳米孔负反馈选通管MN4栅极接到负反馈选通信号SN上，漏极连接到运放偏置电路OPA的负输入端，源极连接到源极跟随传输管MN3的漏极上；
源极跟随传输管MN3栅极连接到运放偏置电路OPA的输出端，源极跟随传输管MN3源极分别连接到采样电容Cf的一端、复位管MN2的源极和亚阈值区放大管MN0的栅极；采样电容Cf的另一端接地；
复位管MN2栅极接选通信号RSTG，复位管MN2漏极接复位电压信号RSTV；
亚阈值区放大管MN0漏极连接到行选通管MN1源极，亚阈值区放大管MN0源极接地；
行选通管MN1栅极接由行译码器控制的行选通信号ROW，行选通管MN1漏极连接电流-时域-电压转换读取电路的输入节点N0；
电流-时域-电压转换读取电路由预充电管MP0、充放电控制开关S0、积分电容C0、源极跟随读取管MN5组成；
预充电管MP0栅极接预充电管选通信号VBP，预充电管MP0漏极连接到电流-时域-电压转换读取电路的输入节点N0上，预充电管MP0源极接到电源VDD上；
充放电控制开关S0跨接在电流-时域-电压转换读取电路的输入节点N0和源极跟随读取管MN5的栅极之间，充放电控制开关S0由一个互补的N型和P型传输管对组成，并由互补的开关控制信号CTX和CTXB，打开或关闭充放电控制开关S0；
积分电容C0的一端连接到源极跟随读取管MN5的栅极，另一端接地；
源极跟随读取管MN5漏极接到电源VDD，源极跟随读取管MN5源极连接到电流偏置I0并作为输出端电压Vout连接到模数转换电路ADC的输入端；
模数转换电路ADC输出连接静态随机寄存器组SRAM；在列译码器的控制下以列为单位将该列数据通过输出端口DOUT输出；
行译码器在行地址的控制下为传感单元阵列提供四种信号：行选通信号ROW，复位管栅极选通信号RSTG和复位电压信号RSTV，以及负反馈选通信号SN；
同一行中处在所有列上的传感单元(5T)的纳米孔电流(Inano)经其对应的电流-时域-电压转换读取电路，由其对应的模数转换电路(ADC)转换成数字信号，并存储在其对应的静态随机寄存器组(SRAM)中，最后在列地址的控制下经列译码器在芯片的输出端口(DOUT)输出，如此重复直至所有行的传感单元(5T)的纳米孔电流(Inano)转换完成在芯片的输出端口(DOUT)输出。
行译码器控制每行传感单元的操作时序，当第一行传感单元的纳米孔电流经过读取电路进行电压放大后并转化为数字信号，再在列译码器的控制下将m列数据串行输出到处理器如计算机中，紧接着对第二行的传感单元进行操作，并将m列的数据输出，直至第n行后整个n行m列传感单元阵列的数据都已经进行读取，通过专用软件对数据进行分析还原基因序列信息。
纳米孔由其组成成分的不同通常可以分为两种类型：生物纳米孔和固体纳米孔。生物纳米孔可由α溶血素或MspA膜蛋白生成，具有均匀的孔径尺寸和结构可重复性，但是孔径的大小固定不可调而且容易受工作环境的影响，性能不稳定。固态纳米孔可由氮化硅、氧化铝或石墨烯等合成，孔径大小可调控而且稳定性高，对于化学试剂，温度以及机械都有很好的抗性和耐力，但其结构的均匀性不够，从而造成一定的测量误差。无论是采用工艺镀膜生长生物纳米孔，或者是直接在半导体工艺中合成固态纳米孔，与半导体工艺兼容的传感单元阵列可直接与读取电路集成，因而有望进一步减小基因测序的成本。
发明的优点
本发明可以用于生物纳米孔和固体纳米孔测序系统，高灵敏度(1pA精度)纳米孔传感器信号读取电路和CMOS工艺兼容的纳米孔传感器列阵集成在同一块芯片上，电流信号直接在同一块芯片上进行放大，并通过列并行模数转换器快速转化成数字信号输出，从而提高了测序系统的准确性，缩短了检测时间，保证电路的可微缩特性，以实现高精度，高通量纳米孔基因检测系统。
通过采用与半导体工艺兼容的纳米孔5T传感单元以及亚阈值放大的C-TVC读取策略，可以实现1pA纳米孔电流的基因片段碱基对直接检测，简化了生物处理的复杂度，进一步提高了芯片集成度，降低芯片生产成本，从而对未来可穿戴或可便携个性化基因检测来说具有很大的发展前景。
附图说明
图1为基因测序技术与半导体工艺发展趋势以及即将到来的第四代基因检测技术。
图2为ONT纳米孔检测原理。
图3为ONT纳米孔检测读取电路。
图4为Genia纳米孔检测原理。
图5为Genia纳米孔检测读取电路。
图6为本发明的原理图。
图7为本发明的结构图。
图8为本发明中电流-时域-电压转换读取电路仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
如图6为本发明的原理图，包含n行m列传感单元阵列，每列传感单元共享一个运放偏置电路OPA，电流-时域-电压转换读取电路(current-to-time-to-voltageconversion,C-TVC)，模数转换电路(analog-to-digitalconverter,ADC)，以及静态随机寄存器组(staticrandomaccessmemory,SRAM)，如第一列的运放偏置电路OPA标记为：运放偏置电路OPAc1；第一列的电流-时域-电压转换读取电路标记为：电流-时域-电压转换读取电路C-TVCc1；第一列的模数转换电路标记为：模数转换电路ADCc1；第一列的静态随机寄存器组标记为：静态随机寄存器组SRAMc1。每个传感单元由一个纳米孔单元以及五个晶体管组成：MN0是亚阈值区放大管，其作用是将纳米孔电流Inano进行亚阈值放大；MN1是行选通管，需与C-TVC的读取方案相互配合，当该行选通管MN1打开时，传感单元与读取电路之间的放电通路会打开，从而实现纳米孔电流到放电时间的转换；MN2是复位管，在对纳米孔电流进行采集之前，需先通过复位管MN2使得亚阈值区放大管MN0处于一个亚阈值工作区，这样可以缩短纳米孔电流的采样时间；MN3是由阵列共享的运放偏置电路OPA控制的源极跟随传输管，其作用是将纳米孔电流Inano传输到采样电容Cf上，并转化为亚阈值区放大管MN0栅极的纳米孔电压Vnano；MN4是纳米孔负反馈选通管，在行译码器的控制下一方面使当前行的源极跟随传输管MN3与运放偏置电路OPA构成负反馈形成源极跟随器，而未选通行则不会形成负反馈，从而不会对当前选通行造成影响，另一方面为纳米孔提供固定的偏置电压Vref，使得基因片段穿过纳米孔时形成的电流只与碱基尺寸相关。
行译码器主要为传感阵列提供四种信号：行选通信号ROW，复位管栅极的选通信号RSTG和复位电压信号RSTV，以及负反馈选通信号SN。系统通过这四种信号控制每行传感单元的操作时序，当第一行传感单元的纳米孔电流经过读取电路进行电压放大后并转化为数字信号，再在列译码器的控制下将m列数据串行输出到处理器，如计算机中，紧接着对第二行的传感单元进行操作，并将m列的数据输出，直至第n行后整个n行m列传感单元阵列的数据都已经进行读取，通过专用软件对数据进行分析还原基因序列信息。
采用亚阈值放大读取操作方式可以看成是一个电流-时域-电压的转换过程。在第一阶段，打开预充电管MP0和充放电控制开关S0，对积分电容C0进行充电使得节点N1电压达到电源电压VDD。在第二阶段进行纳米孔电流的检测，打开纳米孔负反馈选通管MN4，此时基因片段通过纳米孔，并由其碱基的尺寸所决定的电流将通过源极跟随传输管MN3转化为相应的亚阈值区放大管MN0栅电压，这时关闭预充电管MP0，打开行选通管MN1，形成一条从节点N1经过充放电控制开关S0，行选通管MN1，亚阈值区放大管MN0到地的放电通路。由于亚阈值区放大管MN0工作在亚阈值区，其漏电流与栅电压成指数倍关系：
其中I0为特征电流，一般为经验参数，VGS为亚阈值区放大管(MN0)栅极到源极的电压，n为大于1的非理想因子，UT为热电压，Inano为纳米孔电流，Δt为电容Cf的采样时间。节点N1的放电时间与亚阈值区放大管MN0的栅电压呈指数倍关系，因此纳米孔电流首先转化成节点放电时间。在第三阶段实现从时域到电压的转换，节点N1经过一定的放电时间Δt后，关闭充放电控制开关S0，根据放电电流的不同，积分电容C0上最后得到的电压也不同，最后节点N1上的电压通过工作在饱和区的源极跟随读取管MN5输出到后面的模数转换电路ADC模块完成模数转化。
公式(2)和(3)给出了两种不同碱基组合在纳米孔中经过C-TVC读取操作后在节点N1上的输出电压值，其中Vc1，Vc2分别为最后节点N1上得到的电压值，ΔVc1和ΔVc2分别为节点N1上的下降的电压压差，ID1和ID2分别为由两种不同碱基组合纳米孔电流控制的亚阈值区放大管MN0漏电流。
公式(4)和(5)为两个碱基之间的输出电压差，可以看到微小的纳米孔电流差ΔInano被指数性放大了，因此采用C-TVC读取方案，纳米孔电流首先转化为放电时间，再转化为节点N1上的电压，用简单的电路实现了传感单元的放大，取代了高精度灵敏放大器，提高了芯片的集成度。
本发明的结构如图7所示，包括512x512个传感单元的阵列；由行地址决定的512行译码器，每一行传感单元共享四个行控制信号：行选通信号ROW，复位管栅极选通信号RSTG和复位电压信号RSTV，以及负反馈选通信号SN，用于控制传感单元行的选通以及时序操作。每一列共享一个运放偏置电路，用于给纳米孔单元提供固定的偏置电压；一个C-TVC读取电路，用于将微小的纳米孔电流进行亚阈值区指数放大为电压信号；一个10位模数转换器ADC，用于将纳米孔电流转化放大后的电压信号转换为10位的数字信号；静态随机寄存器SRAM组，10个SRAM为一组用于存储模数转换器ADC输出的数字信号；列译码器，在列地址的控制下用于将512列10位SRAM数据串行读出；另外还有状态控制寄存器组SREG，用于设置传感器的工作状态和模式；中央偏置电流控制单元IDAC，用于给模数转换器ADC以及运放偏置电路OPA等提供偏置电流。
第一行的512列纳米孔电流经C-TVC电路放大后，同时由模数转换器转换成数字信号，并存储在静态随机寄存器SRAM组中，最后在列地址的控制下经列译码器在芯片的输出端口DOUT输出，紧接着对第二行的512列纳米孔电流进行电压放大读取，直至第512行的512列纳米孔电流的读取操作完成。
对于大的传感单元阵列来说，由于单元间距可小至4.4μm，因此读取电路需要尽可能简单，以便放入4.4um宽的空间中。这也是为什么高精度灵敏放大器不利于提高传感单元阵列密度的原因。
图8为本发明中的电流-时域-电压转换(C-TVC)读取电路仿真结果图，4条输入曲线代表A,T,C,G四个碱基在穿过纳米孔时节点Nnano上的纳米孔电压Vnano的变化，4条输出曲线代表纳米孔电流Inano经过C-TVC后在源极跟随读取管MN5输出端Vout上的电压变化。整个读取过程包括：节点Nnano的复位，基因穿过纳米孔时电流在采样电容Cf上的积分，电流-时域-电压转换，Vout上的最终输出。令四个碱基的纳米孔电流之间的最小电流差为ΔInano＝1pA,采样电容Cf＝20fF,采样积分时间约为Δt＝20μs,同时亚阈值区放大管MN0栅极上的寄生电容大概为2fF，因此经纳米孔电流充电后，不同碱基在亚阈值区放大管MN0的栅极可以得到的纳米孔电压差ΔVnano＝1.2mV，在电流-时域-电压转换阶段将纳米孔电压差进行指数性放大，最后在节点N1读取放大后的电压差ΔVc经过放大系数为0.8的源极跟随读取管MN5传输，在输出端得到ΔVout＝22mV的电压差，并输入到模数转换电路ADC中，这对于1mV灵敏度的模数转换电路ADC来说很容易识别。因此，1pA的很小的纳米孔电流差经过电流-时域-电压转换读取电路后在输出端被指数性的放大了。根据图8中得到的初步结果，C-TVC可将1pA的纳米孔电流差在节点N1上进行10～20倍的放大。令ΔInano＝1pA,Δt＝20μs,Cf＝20fF,MN0栅极上的寄生电容大概为2fF，因此经纳米孔电流充电后，不同碱基在MN0的栅极可以得到1.2mV的电压差，电流-时域-电压读取放大后经过倍数为0.8的源极跟随读取管MN5传输，可产生22mV的电压差输入到ADC中，这对于1mV灵敏度的ADC来说很容易识别。
本发明提出了一种1pA精度的纳米孔基因检测读取方案C-TVC，当基因片段通过纳米孔传感器单元时，不同碱基的尺寸产生了不同大小的电流信号，通过采样电容转化为晶体管栅电压，使其工作在亚阈值区，同时在传感器单元的列共用的输出节点形成一条放电通路。经过一定的放电时间后，纳米孔单元电流转化成输出节点上的电压，并由模数转换器对模拟电压进行数字转换，将数字信号存储在静态寄存器中，并在列译码器的控制下输出，可利用计算机软件对数据进行处理分析。因此，纳米孔电流首先转化成节点放电时间，然后再完成从时域到电压的转换。节点的放电时间主要由晶体管的漏电流决定，而亚阈值区晶体管的漏电流与栅电压呈指数倍关系，因此微弱的纳米孔电流信号可直接在传感单元上进行指数性放大，极大的简化了电路结构，从而保证了电路的可微缩特性，并且由于集成快速列并行的读取构架而缩短了检测时间。
Claims (5)
1.一种纳米孔基因检测传感器芯片，其特征在于：由运放偏置电路(OPA)、n行m列传感单元(5T)阵列、行译码器、电流-时域-电压转换读取电路、模数转换电路(ADC)、静态随机寄存器组(SRAM)以及列译码器组成；
每一列传感单元(5T)共享一个运放偏置电路(OPA)、电流-时域-电压转换读取电路、模数转换电路(ADC)和静态随机寄存器组(SRAM)，运放偏置电路(OPA)的负输入端连接到该列的每行传感单元(5T)的纳米孔负反馈选通管(MN4)的漏极，运放偏置电路(OPA)的正输入端连接到偏置电压(Vref)上，运放偏置电路(OPA)的输出端连接到该列每行传感单元(5T)的源极跟随传输管(MN3)的栅极；
每个传感单元(5T)由一个纳米孔、一个采样电容(Cf)以及五个晶体管(MN4、MN3、MN2、MN1、MN0)组成；
纳米孔两端分别有正负两个电极，其中靠近溶液的负电极接地，正电极连接到源极跟随传输管(MN3)漏极和纳米孔负反馈选通管(MN4)的源极；
纳米孔负反馈选通管(MN4)栅极接到负反馈选通信号(SN)上，漏极连接到运放偏置电路(OPA)的负输入端，源极连接到源极跟随传输管(MN3)的漏极上；
源极跟随传输管(MN3)栅极连接到运放偏置电路(OPA)的输出端，源极跟随传输管(MN3)源极分别连接到采样电容(Cf)的一端、复位管(MN2)的源极和亚阈值区放大管(MN0)的栅极；采样电容(Cf)的另一端接地；
复位管(MN2)栅极接选通信号(RSTG)，复位管(MN2)漏极接复位电压信号(RSTV)；
亚阈值区放大管(MN0)漏极连接到行选通管(MN1)源极，亚阈值区放大管(MN0)源极接地；
行选通管(MN1)栅极接由行译码器控制的行选通信号(ROW)，行选通管(MN1)漏极连接电流-时域-电压转换读取电路的输入节点(N0)；
电流-时域-电压转换读取电路由预充电管(MP0)、充放电控制开关(S0)、积分电容(C0)、源极跟随读取管(MN5)组成；
预充电管(MP0)栅极接预充电管选通信号(VBP)，预充电管(MP0)漏极连接到电流-时域-电压转换读取电路的输入节点(N0)上，预充电管(MP0)源极接到电源(VDD)上；
充放电控制开关(S0)跨接在电流-时域-电压转换读取电路的输入节点(N0)和源极跟随读取管(MN5)的栅极之间，充放电控制开关(S0)由一个互补的N型和P型传输管对组成，并由互补的开关控制信号(CTX和CTXB)打开或关闭充放电控制开关(S0)；
积分电容(C0)的一端连接到源极跟随读取管(MN5)的栅极，另一端接地；
源极跟随读取管(MN5)漏极接到电源(VDD)，源极跟随读取管(MN5)源极连接到电流偏置I0并作为输出端电压(Vout)连接到模数转换电路(ADC)的输入端；
模数转换电路(ADC)输出连接静态随机寄存器组(SRAM)；在列译码器的控制下以列为单位将该列数据通过输出端口(DOUT)输出；
行译码器在行地址的控制下为传感单元阵列提供四种信号：行选通信号(ROW)，复位管栅极选通信号(RSTG)和复位电压信号(RSTV)，以及负反馈选通信号(SN)；
同一行中处在所有列上的传感单元(5T)的纳米孔电流(Inano)经其对应的电流-时域-电压转换读取电路，由其对应的模数转换电路(ADC)转换成数字信号，并存储在其对应的静态随机寄存器组(SRAM)中，最后在列地址的控制下经列译码器在芯片的输出端口(DOUT)输出，如此重复直至所有行的传感单元(5T)的纳米孔电流(Inano)转换完成在芯片的输出端口(DOUT)输出。
2.根据权利要求1所述的一种纳米孔基因检测传感器芯片，其特征在于所述的纳米孔：可由生物纳米孔或者固态纳米孔构成。
3.根据权利要求2所述的一种纳米孔基因检测传感器芯片，其特征在于所述的生物纳米孔：可由α溶血素或者MspA膜蛋白材料构成。
4.根据权利要求2所述的一种纳米孔基因检测传感器芯片，其特征在于所述的固态纳米孔：可由氮化硅、氧化铝或者石墨烯材料构成。
5.根据权利要求2所述的一种纳米孔基因检测传感器芯片，其特征在于所述的n行m列传感单元(5T)阵列可以是512行512列传感单元(5T)阵列。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610104151.0A CN105695318B (zh) | 2016-02-24 | 2016-02-24 | 一种纳米孔基因检测传感器芯片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610104151.0A CN105695318B (zh) | 2016-02-24 | 2016-02-24 | 一种纳米孔基因检测传感器芯片 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105695318A true CN105695318A (zh) | 2016-06-22 |
| CN105695318B CN105695318B (zh) | 2018-10-23 |
Family
ID=56222401
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610104151.0A Expired - Fee Related CN105695318B (zh) | 2016-02-24 | 2016-02-24 | 一种纳米孔基因检测传感器芯片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105695318B (zh) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106248761A (zh) * | 2016-08-01 | 2016-12-21 | 严媚 | 一种高灵敏度酸碱值生物传感器芯片 |
| CN110268045A (zh) * | 2016-12-15 | 2019-09-20 | 豪夫迈·罗氏有限公司 | 自适应纳米孔信号压缩 |
| CN110346579A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-10-18 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 基于纳米孔的体外hiv蛋白酶检测仪器及方法 |
| CN110741097A (zh) * | 2017-04-19 | 2020-01-31 | 豪夫迈·罗氏有限公司 | 相控纳米孔阵列 |
| CN112189135A (zh) * | 2018-05-23 | 2021-01-05 | 阿克斯比尔公司 | 用于分析生物系统的集成电路 |
| CN112292462A (zh) * | 2018-06-27 | 2021-01-29 | 豪夫迈·罗氏有限公司 | 生化传感器阵列中的多路复用模拟部件 |
| CN112708544A (zh) * | 2019-10-25 | 2021-04-27 | 成都今是科技有限公司 | 基因测序的测量装置及其测量方法 |
| CN115551639A (zh) * | 2020-04-21 | 2022-12-30 | 赫孚孟拉罗股份公司 | 具有单分子传感器阵列的高通量核酸定序 |
| WO2023051666A1 (zh) * | 2021-09-30 | 2023-04-06 | 成都今是科技有限公司 | 一种超小面积的微电流检测电路单元和系统 |
| WO2023051665A1 (zh) * | 2021-09-30 | 2023-04-06 | 成都今是科技有限公司 | 纳米孔测序电路单元及基因测序装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013012940A1 (en) * | 2011-07-20 | 2013-01-24 | The Regents Of The University Of California | Compensated patch-clamp amplifier for nanopore polynucleotide sequencing and other applications |
| US20150211060A1 (en) * | 2012-02-27 | 2015-07-30 | Genia Technologies, Inc. | Sensor circuit for controlling, detecting, and measuring a molecular complex |
-
2016
- 2016-02-24 CN CN201610104151.0A patent/CN105695318B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013012940A1 (en) * | 2011-07-20 | 2013-01-24 | The Regents Of The University Of California | Compensated patch-clamp amplifier for nanopore polynucleotide sequencing and other applications |
| US20150211060A1 (en) * | 2012-02-27 | 2015-07-30 | Genia Technologies, Inc. | Sensor circuit for controlling, detecting, and measuring a molecular complex |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| V DIMITROV ET AL: "Nanopores in solid-state membranes", 《NANOTECHNOLOGY》 * |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106248761A (zh) * | 2016-08-01 | 2016-12-21 | 严媚 | 一种高灵敏度酸碱值生物传感器芯片 |
| CN110268045A (zh) * | 2016-12-15 | 2019-09-20 | 豪夫迈·罗氏有限公司 | 自适应纳米孔信号压缩 |
| CN110268045B (zh) * | 2016-12-15 | 2023-02-21 | 豪夫迈·罗氏有限公司 | 自适应纳米孔信号压缩 |
| CN110741097A (zh) * | 2017-04-19 | 2020-01-31 | 豪夫迈·罗氏有限公司 | 相控纳米孔阵列 |
| CN112189135B (zh) * | 2018-05-23 | 2023-08-29 | 阿克斯比尔公司 | 用于分析生物系统的集成电路 |
| CN112189135A (zh) * | 2018-05-23 | 2021-01-05 | 阿克斯比尔公司 | 用于分析生物系统的集成电路 |
| CN112292462A (zh) * | 2018-06-27 | 2021-01-29 | 豪夫迈·罗氏有限公司 | 生化传感器阵列中的多路复用模拟部件 |
| CN112292462B (zh) * | 2018-06-27 | 2024-06-14 | 豪夫迈·罗氏有限公司 | 生化传感器阵列中的多路复用模拟部件 |
| CN110346579A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-10-18 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 基于纳米孔的体外hiv蛋白酶检测仪器及方法 |
| CN112708544A (zh) * | 2019-10-25 | 2021-04-27 | 成都今是科技有限公司 | 基因测序的测量装置及其测量方法 |
| CN115551639A (zh) * | 2020-04-21 | 2022-12-30 | 赫孚孟拉罗股份公司 | 具有单分子传感器阵列的高通量核酸定序 |
| WO2023051665A1 (zh) * | 2021-09-30 | 2023-04-06 | 成都今是科技有限公司 | 纳米孔测序电路单元及基因测序装置 |
| WO2023051666A1 (zh) * | 2021-09-30 | 2023-04-06 | 成都今是科技有限公司 | 一种超小面积的微电流检测电路单元和系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105695318B (zh) | 2018-10-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105695318A (zh) | 一种纳米孔基因检测传感器芯片 | |
| Shulaker et al. | Three-dimensional integration of nanotechnologies for computing and data storage on a single chip | |
| JP6438420B2 (ja) | 化学反応および化合物の検出および測定のためのトランジスタ回路 | |
| Schienle et al. | A fully electronic DNA sensor with 128 positions and in-pixel A/D conversion | |
| CN105911126B (zh) | 匹配的晶体管对电路 | |
| US9435802B2 (en) | Sensor, a sensor array, and a method of operating a sensor | |
| Nabovati et al. | Towards High Throughput Cell Growth Screening: A New CMOS 8$\times $8 Biosensor Array for Life Science Applications | |
| TWI580955B (zh) | 離子感測電荷累積電路及方法 | |
| Inoue et al. | LSI-based amperometric sensor for bio-imaging and multi-point biosensing | |
| JP2006138846A (ja) | 核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置 | |
| US20110121819A1 (en) | Amplifier and array for measuring small current | |
| CN101006338A (zh) | 基于fet的核酸探测传感器 | |
| Manickam et al. | A CMOS Electrochemical Biochip With 32$\times $32 Three-Electrode Voltammetry Pixels | |
| CN107003295A (zh) | 测定分析物电荷的设备和方法 | |
| Sun et al. | High-density redox amplified coulostatic discharge-based biosensor array | |
| Douthwaite et al. | CMOS ISFET arrays for integrated electrochemical sensing and imaging applications: A tutorial | |
| JP2015210233A (ja) | 超並列的生体分子検出方法および装置 | |
| Hall et al. | A scalable CMOS molecular electronics chip for single-molecule biosensing | |
| Tabrizi et al. | A High Dynamic Range Dual 8× 16 Capacitive Sensor Array for Life Science Applications | |
| Yu et al. | CMOS integrated lab-on-a-chip system for personalized biomedical diagnosis | |
| Heim et al. | A novel approach in edge computing: In-memory sensing of cancer markers | |
| CA2619000C (en) | Biofet based microfluidic system | |
| CN108192802A (zh) | Isfet阵列的放大和读出电路 | |
| Nakazato | Chemistry integrated circuit: chemical system on a complementary metal oxide semiconductor integrated circuit | |
| Tashtoush | CMOS Technology for IC Biosensor and Applications: Multi-Labs-On-Single-Chip (MLoC) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190415 Address after: 100080 Beijing Haidian District Danling Street Block 3 B 1602 Patentee after: Nanchuang Consulting (Beijing) Co., Ltd. Address before: 210000 Room 516, 5th Floor, East Building, R&D by Guodian South, No. 9 Huida Road, Nanjing High-tech Zone, Jiangsu Province Patentee before: Yan Mei |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181023 Termination date: 20200224 |