CN107118960B - 一种基因测序芯片、基因测序系统及其测序方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基因测序芯片、基因测序系统及其测序方法，该基因测序芯片在进行基因测序时，将样本基因与可逆终止核苷酸加入到微孔之后，在微孔中样本基因与可逆终止核苷酸进行配对释放出氢离子，在离子敏感膜表面感应出能斯特电位，进而通过对透明电极层施加电压形成电场，从而控制切换层切换到透射态，再根据获取到切换层透射态下的光信息时对应的可逆终止核苷酸的类型确定基因的碱基类型，实现基因测序。该基因测序芯片的结构简单制作成本低，用于配对测序的可逆终止核苷酸无需进行荧光标记，也不需要背光光源、激光光源等光学系统，仅通过自然光反射原理就可以实现基因测序，该测序方法简单易行，大大降低了基因测序的成本和时间。

Description

一种基因测序芯片、基因测序系统及其测序方法
技术领域
本发明涉及基因测序技术领域，尤其涉及一种基因测序芯片、基因测序系统及其测序方法。
背景技术
基因测序技术是现代分子生物学研究中最常用的技术，从1977第一代基因测序发展至今，基因测序技术取得了相当大的发展。其中，基因测序技术的发展过程包括：第一代sanger测序技术，第二代高通量测序技术，第三代单分子测序技术，第四代纳米孔测序技术；目前市场主流的测序技术仍以第二代高通量测序为主。
第二代高通量测序技术主要包括：Illumina的边合成边测序技术，Thermo Fisher的离子半导体测序技术、连接法测序技术和Roche的焦磷酸测序技术；其中，Illumina的边合成边测序法和Thermo Fisher的连接法测序都需要进行荧光标记，还需要有激光光源和光学系统，这样使得测序变的复杂，增加了测序时间和成本。而Roche的焦磷酸测序不需要激光光源和光学系统，但是也需要进行荧光标记；而离子半导体测序法采用的测序装置需要采用半导体制作工艺制作一个离子传感器和两个场效应晶体管，其制作工艺复杂，制作过程较困难。
因此，如何简化基因测序的过程，从而降低基因测序的时间和成本，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种基因测序芯片、基因测序系统及其测序方法，用以简化基因测序的过程，从而降低基因测序的时间和成本，。
本发明实施例提供了一种基因测序芯片，包括：相对设置的上基板和下基板、透明电极层和位于所述下基板与所述上基板之间的切换层；其中，
所述切换层用于在电场的作用下完成反射态与透射态之间的切换；
所述透明电极层位于所述下基板；
所述上基板背离所述下基板的一面具有相互隔离的多个微孔，所述微孔底部具有离子敏感膜。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，所述切换层为双稳态胆甾相液晶层，所述基因测序芯片还包括：第一取向膜和第二取向膜；其中，
所述第一取向膜位于所述下基板面向所述上基板的一面；
所述第二取向膜位于所述上基板面向所述下基板的一面。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，所述双稳态胆甾相液晶层用于在电场作用下由反射态切换到透射态；其中，所述反射态为平面态，所述透射态为焦锥态。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，所述切换层为电致变色层。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，多个所述微孔在所述上基板背离所述下基板的一面呈矩阵排列。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，还包括：黑色基底层；
所述黑色基底层位于所述下基板背离所述上基板的一面。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，所述离子敏感膜的材料为四氮化三硅。
本发明实施例提供了一种基因测序系统，包括：本发明实施例提供的上述基因测序芯片以及感光传感器；其中，
所述感光传感器用于获取基因测序过程中所述切换层反射的光信息或所述切换层透射状态下所述下基板的基底反射的光信息。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序系统中，所述感光传感器为照相机。
本发明实施例提供了一种本发明实施例提供的上述基因测序系统的测序方法，包括：
将扩增富集有多个样本基因的磁珠加入到所述基因测序芯片的微孔中；
向所述微孔中依次加入四种可逆终止核苷酸；
待加入所述可逆终止核苷酸后，对所述基因测序芯片的透明电极层施加电压信号，并采用所述感光传感器依次获取加入所述可逆终止核苷酸后所述切换层反射或透射的光信息；
根据获取到所述切换层透射的光信息对应的所述可逆终止核苷酸确定所述样本基因的序列。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序方法中，根据获取到的所述切换层透射的光信息对应的所述可逆终止核苷酸确定所述样本基因的序列，具体包括：
在获取到所述切换层透射的光信息时，确定加入的所述可逆终止核苷酸的类型；
根据确定的所述可逆终止核苷酸的类型确定所述样本基因的序列。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序方法中，还包括：
在每确定所述样本基因序列中的一个碱基类型后，清洗掉加入所述微孔中的所述可逆终止核苷酸，并向所述微孔中加入疏基试剂。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述基因测序方法中，还包括：
在每确定所述样本基因序列中的一个碱基类型后，停止对所述透明电极层施加电压信号。
本发明实施例的有益效果包括：
本发明实施例提供了一种基因测序芯片、基因测序系统及其测序方法，该基因测序芯片包括：相对设置的上基板和下基板、透明电极层和位于下基板与上基板之间的切换层；其中，切换层用于在电场的作用下完成反射态与透射态之间的切换；透明电极层位于下基板；上基板背离下基板的一面具有相互隔离的多个微孔，微孔底部具有离子敏感膜。这样在微孔中使得样本基因与可逆终止核苷酸进行配对释放氢离子，在离子敏感膜表面感应出能斯特电位，进而利用透明电极层形成电场控制切换层切换到透射态，再根据获取到切换层透射态下的光信息时对应的可逆终止核苷酸的类型确定基因的碱基类型，从而实现基因测序。该基因测序芯片的结构简单制作成本低，用于配对测序的可逆终止核苷酸无需进行荧光标记，也不需要背光光源、激光光源等光学系统，仅通过自然光反射原理就可以实现基因测序，该测序方法简单易行，大大降低了基因测序的成本和时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基因测序芯片的结构示意图；
图2a-图2c分别为本发明实施例提供的双稳态胆甾相液晶的偏转状态示意图；
图3为本发明实施例提供的双稳态胆甾相液晶的电压驱动状态转换示意图；
图4为本发明实施例提供的基因测序方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例提供的基因测序芯片、基因测序系统及其测序方法的具体实施方式进行详细的说明。
本发明实施例提供了一种基因测序芯片，如图1所示，可以包括：相对设置的上基板01和下基板02、透明电极层04和位于下基板02与上基板01之间的切换层03；其中，
切换层03用于在电场的作用下完成反射态与透射态之间的切换；透明电极层04位于下基板02；如图1所示，以透明电极层04位于下基板02面向上基板01的一面为例，在具体实施时，透明电极层也可以位于下基板背离上基板的一面；
上基板01背离下基板02的一面具有相互隔离的多个微孔07，微孔07底部具有离子敏感膜08。
本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，将样本基因与可逆终止核苷酸加入到微孔之后，在微孔中样本基因与可逆终止核苷酸进行配对，释放出氢离子，这样就会在离子敏感膜表面感应出能斯特电位，其中离子敏感膜的材料可以为四氮化三硅；进而通过对下基板上的透明电极层施加电压形成电场控制切换层切换到透射态，再根据获取到切换层透射态下的光信息时对应的可逆终止核苷酸的类型确定基因的碱基类型，从而实现基因测序。该基因测序芯片的结构简单制作成本低，用于配对测序的可逆终止核苷酸无需进行荧光标记，也不需要背光光源、激光光源等光学系统，仅通过自然光反射原理就可以实现基因测序，该测序方法简单易行，大大降低了基因测序的成本和时间。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，多个微孔在上基板背离下基板的一面可以呈矩阵排列，也可以根据实际需要进行相应的排列调整，在此不做限定。另外，微孔的孔径一般设置在1～30微米。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，如图1所示，切换层03为双稳态胆甾相液晶层，基因测序芯片还可以包括：第一取向膜05和第二取向膜06；其中，第一取向膜05位于下基板02面向上基板01的一面；第二取向膜06位于上基板01面向下基板02的一面。液晶层可以在电场的作用下偏转，进而实现反射态和透射态的切换，其中液晶层的液晶可以为双稳态胆甾相液晶。具体地，双稳态胆甾相液晶层用于在电场作用下由反射态切换到透射态；其中，反射态为平面态，透射态为焦锥态。双稳态胆甾相液晶有三个状态，如图2a-图2c所示，分别是：
1.平面态(P态-Planar)：如图2a所示，液晶分子围绕垂直于基板表面的螺旋轴在空间呈现螺旋形排列，当光线入射到液晶表面时，液晶分子对特定波长λ的光线选择性反射：λ＝np；其中，λ为中心反射波长，p为液晶材料的螺距，n为平均折射率(ne+no)/2。因此反射波长λ由螺距p来控制；
2.焦锥态(FC态-Focal conic)：如图2b所示，液晶分子仍然呈螺旋排列，但液晶畴的螺旋轴的方向随机分布，分子呈多畴态，入射光在相邻的液晶畴交界处由于折射率的突变而发生散射，此时基板反射散乱光，进而显示基板的颜色(若基板为黑色，则形成暗态)；
3.垂直态(H态-Homeotropic)：如图2c所示，液晶分子螺旋织构被解螺旋，呈现一种向列相垂面排列，液晶层是一个折射率均匀的介质，故呈透射态，液晶盒呈现透明态。
如图3所示，为双稳态胆甾相液晶的驱动方式，若胆甾相液晶初始在P态，当电压由零增大到阈值电压后，它将发生P态→FC态的转变，如果从这个电压降到零，则为稳态；从上述FC态，进一步增大外加电场到饱和电压，FC态→H态转变，H态不是稳态。如果把电压快速降到零，液晶弛豫到P态，即暗态→亮态转变；如果电压缓慢降到零，液晶分子会回到FC态。P态的反射态和FC态的散射态是零场稳定状态，通过变换外电场可以实现两种状态的转换，即实现亮态(反射态)和暗态(透射态)的转换。本发明的基因测序芯片可以基于上述双稳态胆甾相液晶的驱动原理，通过获取双稳态液晶在不同稳定态之间转换显示不同颜色光信息，来实现基因测序。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，切换层也可以为电致变色层。具体地，切换层也可以通过电致变色层来实现，电致变色层可以在电场所用下切换到透明状态。因此，在进行基因测序时，若样本基因与可逆终止核苷酸配对释放出氢离子，这样就会在离子敏感膜表面感应出能斯特电位；进而通过对下基板上的透明电极层施加电压形成电场控制电致变色层切换到透明态，再根据获取到透明态下的光信息时对应的可逆终止核苷酸的类型确定基因的碱基类型，从而实现基因测序。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，如图1所示，还可以包括：黑色基底层09；黑色基底层09位于下基板02背离上基板01的一面。具体地，为了便于获取液晶层透射状态下的光信息，可以在下基板背离上基板的一面设置一层黑色基底层。在基因测序过程中，当样本基因与可逆终止核苷酸发生配对合成后，在离子敏感膜上感应出电位，并与透明电极层形成电场使得液晶发生偏转形成透射态，自然光经过下基板基底的反射直接透过液晶层，因此将下基板基底的颜色设置为黑色比较容易识别反射的光，当然也可以设置其他满足要求的基底颜色，在此不做限定。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述基因测序芯片中，用于与样本基因进行配对测序的可逆终止核苷酸包括四种不同类型的可逆终止核苷酸。具体地，可逆终止核苷酸，与普通的核苷酸不同，可逆终止核苷酸的3′端连接一个叠氮基团，在DNA合成过程中不能形成磷酸二酯键，因而会中断DNA的合成。如果可逆终止核苷酸与微孔中的样本基因互补配对，则该可逆终止核苷酸被合成到样本基因分子中，并且释放氢离子，这样就会在离子敏感膜表面感应出能斯特Nernst电位。通过给下基板的透明电极层施加电压信号，双稳态液晶则从平面态转换为焦锥态，液晶盒将反射黑色基底。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种基因测序系统，包括：本发明实施例提供的上述基因测序芯片以及感光传感器；其中，感光传感器用于获取基因测序过程中切换层反射的光信息或切换层透射状态下下基板的基底反射的光信息。具体地，本发明实施例提供的上述基因测序系统在基因测序过程中，可以采用照相机作为感光传感器，获取切换层反射或透射的光信息，以实现基因测序。由于该基因测序系统解决问题的原理与基因测序芯片相似，因此该基因测序系统的实施可以参见上述基因测序芯片的实施，重复之处不再赘述。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种本发明实施例提供的上述基因测序系统的测序方法，如图4所示，可以包括：
S101、将扩增富集有多个样本基因的磁珠加入到基因测序芯片的微孔中；
S102、向微孔中依次加入四种可逆终止核苷酸；
S103、待加入可逆终止核苷酸后，对基因测序芯片的透明电极层施加电压信号，并采用感光传感器依次获取加入可逆终止核苷酸后切换层反射或透射的光信息；
S104、根据获取到切换层透射的光信息时对应的可逆终止核苷酸确定样本基因的序列。
本发明实施例提供的上述基因测序方法中，将样本基因与可逆终止核苷酸加入到微孔之后，在微孔中样本基因与可逆终止核苷酸进行配对，释放出氢离子，这样就会在离子敏感膜表面感应出能斯特电位，进而通过对下基板上的透明电极层施加电压形成电场，从而控制切换层切换到透射态，再根据获取到切换层透射态下的光信息时对应的可逆终止核苷酸的类型确定基因的碱基类型，从而实现基因测序。该基因测序中用于配对测序的可逆终止核苷酸无需进行荧光标记，也不需要背光光源、激光光源等光学系统，仅通过自然光反射原理就可以实现基因测序，该测序方法简单易行，大大降低了基因测序的成本和时间。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述基因测序方法中，步骤S104可以具体包括：在获取到切换层透射的光信息时，确定加入的可逆终止核苷酸的类型；根据确定的可逆终止核苷酸的类型确定样本基因的序列。具体地，待加入一种可逆终止核苷酸后，通过获取的切换层反射或透射的光信息，则可以确定该可逆终止核苷酸是否与样本基因配对，即当液晶层透射下基板基底反射的光信息时，则确定该可逆终止核苷酸与样本基因配对，否则该可逆终止核苷酸没有与样本基因配对(此时切换层反射出其他特定波长的光)，从而实现基因测序。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述基因测序方法中，还可以包括：在每确定样本基因序列中的一个碱基类型后，清洗掉加入微孔中的可逆终止核苷酸，并向微孔中加入疏基试剂。具体地，在获取每条模板序列一个碱基位置反应所聚合上去的核苷酸种类之后，加入疏基试剂将可逆终止核苷酸的基团进行化学切割，使得叠氮基团断裂，从而恢复了3'羟基末端的粘性，即在原来位置形成一个羟基，可继续聚合第二个核苷酸以进行后续位置的碱基类型检测。
在具体实施时，本发明实施例提供的上述基因测序方法中，还可以包括：在每确定样本基因序列中的一个碱基类型后，停止对透明电极层施加电压信号。这样可以保证切换层及时恢复到反射态，避免切换层由于电场的存在无法恢复到反射态而影响下一个碱基类型的确定。
本发明实施例提供了一种基因测序芯片、基因测序系统及其测序方法，该基因测序芯片包括：相对设置的上基板和下基板、透明电极层和位于下基板与上基板之间的切换层；其中，切换层用于在电场的作用下完成反射态与透射态之间的切换；透明电极层位于下基板；上基板背离下基板的一面具有相互隔离的多个微孔，微孔底部具有离子敏感膜。这样在微孔中使得样本基因与可逆终止核苷酸进行配对释放氢离子，在离子敏感膜表面感应出能斯特电位，进而利用透明电极层形成电场控制切换层切换到透射态，再根据获取到切换层透射态下的光信息时对应的可逆终止核苷酸的类型确定基因的碱基类型，从而实现基因测序。该基因测序芯片的结构简单制作成本低，用于配对测序的可逆终止核苷酸无需进行荧光标记，也不需要背光光源、激光光源等光学系统，仅通过自然光反射原理就可以实现基因测序，该测序方法简单易行，大大降低了基因测序的成本和时间。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种基因测序芯片，其特征在于，包括：相对设置的上基板和下基板，透明电极层和位于所述下基板与所述上基板之间的切换层；其中，
所述切换层用于在电场的作用下完成反射态与透射态之间的切换；
所述透明电极层位于所述下基板；
所述上基板背离所述下基板的一面具有相互隔离的多个微孔，所述微孔底部具有离子敏感膜；
所述基因测序芯片还包括：黑色基底层；
所述黑色基底层位于所述下基板背离所述上基板的一面。
2.如权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述切换层为双稳态胆甾相液晶层，所述基因测序芯片还包括：第一取向膜和第二取向膜；其中，
所述第一取向膜位于所述下基板面向所述上基板的一面；
所述第二取向膜位于所述上基板面向所述下基板的一面。
3.如权利要求2所述的基因测序芯片，其特征在于，所述双稳态胆甾相液晶层用于在电场作用下由反射态切换到透射态；其中，所述反射态为平面态，所述透射态为焦锥态。
4.如权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述切换层为电致变色层。
5.如权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，多个所述微孔在所述上基板背离所述下基板的一面呈矩阵排列。
6.如权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述离子敏感膜的材料为四氮化三硅。
7.一种基因测序系统，其特征在于，包括：如权利要求1-6 任一项所述基因测序芯片以及感光传感器；其中，
所述感光传感器用于获取基因测序过程中所述切换层反射的光信息或所述切换层透射状态下所述下基板的基底反射的光信息。
8.如权利要求7所述的基因测序系统，其特征在于，所述感光传感器为照相机。
9.一种如权利要求7或8所述的基因测序系统的测序方法，其特征在于，包括：
将扩增富集有多个样本基因的磁珠加入到所述基因测序芯片的微孔中；
向所述微孔中依次加入四种可逆终止核苷酸；
待加入所述可逆终止核苷酸后，对所述基因测序芯片的透明电极层施加电压信号，并采用所述感光传感器依次获取加入所述可逆终止核苷酸后所述切换层反射或透射的光信息；
根据获取到所述切换层透射的光信息时对应的所述可逆终止核苷酸确定所述样本基因的序列。
10.如权利要求9所述的测序方法，其特征在于，根据获取到的所述切换层透射的光信息对应的所述可逆终止核苷酸确定所述样本基因的序列，具体包括：
在获取到所述切换层透射的光信息时，确定加入的所述可逆终止核苷酸的类型；
根据确定的所述可逆终止核苷酸的类型确定所述样本基因的序列。
11.如权利要求9或10所述的测序方法，其特征在于，还包括：
在每确定所述样本基因序列中的一个碱基类型后，清洗掉加入所述微孔中的所述可逆终止核苷酸，并向所述微孔中加入疏基试剂。
12.如权利要求11所述的测序方法，其特征在于，还包括：
在每确定所述样本基因序列中的一个碱基类型后，停止对所述透明电极层施加电压信号。
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