CN109266727B - 基因测序结构、芯片、系统和基因测序方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于基因测序及生物检测领域，涉及基因测序结构、芯片、系统和方法。该基因测序结构中：对设电极包括相对、间隔设置的第一电极和第二电极；半导体层设置于对设电极的一侧，且分别与第一电极和第二电极在正投影方向上至少部分重叠；绝缘层，设置于半导体层远离对设电极的一侧；感应电极设置于绝缘层远离对设电极的一侧，且与半导体层在正投影方向上至少部分重叠；敏感膜层设置于感应电极远离对设电极的一侧，至少包含有对碱基配对产生离子能发生电压变化的敏感材料；微孔层设置于敏感膜层远离对设电极的一侧，在对应着感应电极的区域开设有微孔。该基因测序结构在基因测序时无需激光光源和光学系统，成本低、结构简单，测试效率高。
Description
技术领域
本发明属于基因测序及生物检测领域，具体涉及一种基因测序结构、基因测序芯片、基因测序系统和基因测序方法。
背景技术
基因测序(Gene sequencing)技术是一种新型基因检测技术，是现代分子生物学研究中最常用的技术，基因测序能够从血液或唾液中分析测定基因全序列，预测罹患多种疾病的可能性，如癌症或白血病。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，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，目前市场主流的测序技术仍以第二代高通量测序为主，单分子测序技术还处在研发阶段，并未有实质的商业化进展。
第二代高通量测序技术主要包括边合成边测序技术、离子半导体(semiconductor)测序技术、连接法测序技术和焦磷酸测序技术等，尤其以边合成边测序技术为主流，占据市场龙头地位。其中，边合成边测序技术和连接法测序技术都需要对碱基进行荧光标记，还需要有复杂的激光光源和光学系统，这样使得测序系统变得复杂，而且标记化学试剂特别昂贵，导致测序成本居高不下，还增加测序时间和成本；焦磷酸测序技术虽然无需激光光源和光学系统，但同样也需要进行荧光标记；离子半导体测序技术需要采用CMOS工艺制作一个离子传感器和两个场效应晶体管，工艺复杂，制作困难。
基因测序技术的大众化应用急需解决测序成本问题，提供一种成本低、结构简单，测试效率高的基因测试技术成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中上述不足，提供一种基因测序结构、基因测序芯片、基因测序系统和基因测序方法，该基因测序结构成本低、结构简单，测试效率高。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该基因测序结构，包括对设电极、半导体层、感应电极、绝缘层、敏感膜层和微孔层，其中：
所述对设电极，包括相对、间隔设置的第一电极和第二电极；
所述半导体层，设置于所述对设电极的一侧，且分别与所述第一电极和所述第二电极在正投影方向上至少部分重叠；
所述绝缘层，设置于所述半导体层远离所述对设电极的一侧；
所述感应电极，设置于所述绝缘层远离所述对设电极的一侧，且与所述半导体层在正投影方向上至少部分重叠；
所述敏感膜层，设置于所述感应电极远离所述对设电极的一侧，至少包含有对碱基配对产生离子能发生电压变化的敏感材料；
所述微孔层，设置于所述敏感膜层远离所述对设电极的一侧，在对应着所述感应电极的区域开设有微孔。
优选的是，所述第一电极和所述第二电极的结构相同，且互为镜像对称设置。
优选的是，所述第一电极和所述第二电极的横截面形状为L型，且所述第一电极和所述第二电极的L型内凹部相对设置。
优选的是，所述第一电极和所述第二电极的端部分别各设置有一根连接线，以引入测试信号。
优选的是，所述半导体层的横截面形状为正方形、矩形、圆形中的任一种。
优选的是，所述感应电极的横截面形状与所述半导体层的横截面形状相同，且所述半导体层的正投影面积落入所述感应电极的正投影面积内。
优选的是，所述敏感膜层采用对H+离子敏感的材料形成，或者采用在碱基配对产生离子时能引起电压变化的其他敏感材料形成。
优选的是，所述敏感膜层采用四氮化三硅材料形成。
优选的是，所述微孔层中的所述微孔的孔径范围为1～100μm。
一种基因测序芯片，包括多个上述的基因测序结构。
优选的是，多个所述基因测序结构呈阵列排布。
优选的是，多个所述基因测序结构均匀分布。
优选的是，位于同行或同列的所述基因测序结构中的所述第一电极的连接线并联连接，并共同延伸至边缘的测试盘；
位于同行或同列的所述基因测序结构中的所述第二电极的连接线分别延伸至边缘的测试盘。
一种基因测序系统，包括基因测序芯片以及与所述基因测序芯片可拆卸连接的测试仪器，其中，所述基因测试芯片为上述基因测序芯片。
优选的是，所述测试仪器通过柔性线路板向所述基因测序芯片的连接线加载测试信号，或者以所述测试仪器的探针向所述基因测序芯片的连接线加载测试信号。
一种基于上述基因测序结构的基因测序方法，包括步骤：
将待测的DNA单链置于所述微孔的底部；
向所述第一电极或所述第二电极施加电压；
向所述微孔依次通入四种脱氧核糖核苷酸；
检测所述第一电极与所述第二电极之间是否产生电流，以根据产生电流时通入的脱氧核糖核苷酸确定所述待测DNA单链上的碱基类型。
本发明的有益效果是：
该基因测序结构进行配对反应时，脱氧核糖核苷酸无需荧光标记，也不需要激光光源和光学系统；而且，该基因测序结构可借鉴现有的薄膜晶体管的制备工艺进行完整制作，芯片成本更低；
相应的，该基因测序系统和相应的基因测序方法，大大降低测序时间和成本，提升效率，同时简化测序仪设备。
附图说明
图1为本发明实施例1中基因测序结构的剖视图；
图2为图1中基因测序结构的局部俯视图；
图3为本发明实施例2中基因测序芯片的俯视图；
图4为本发明实施例3中基因测序方法的流程图；
图5A和图5B为本发明实施例3中基因测序方法的测序原理示意图；
附图标识中：
1-玻璃基板；2-第一电极；3-第二电极；4-半导体层；5-绝缘层；6-感应电极；7-敏感膜层；8-微孔层；9-微孔；
10-待测DNA单链；11-配对碱基；
101-基因测序结构；102-连接线。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明基因测序结构、基因测序芯片、基因测序系统和基因测序方法作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例针对目前的基因测序方式通常需要光学系统及碱基荧光标记，导致测序成本居高不下的问题，提供一种基因测序结构，该基因测序结构的结构简单，使得基因测序成本降低。
该基因测序结构包括对设电极、半导体层、感应电极、绝缘层5、敏感膜层和微孔层，如图1所示，该基因测序结构中：
对设电极，包括相对、间隔设置的第一电极2和第二电极3；
半导体层4，设置于对设电极的一侧，且分别与第一电极2和第二电极3在正投影方向上至少部分重叠；
绝缘层5，设置于半导体层4远离对设电极的一侧；
感应电极6，设置于绝缘层5远离对设电极的一侧，且与半导体层4在正投影方向上至少部分重叠；
敏感膜层7，设置于感应电极6远离对设电极的一侧，至少包含有对碱基配对产生离子能发生电压变化的敏感材料；
微孔层8，设置于敏感膜层7远离对设电极的一侧，在对应着感应电极6的区域开设有微孔9。
本实施例的基因测序结构，整体设置在玻璃基板1的上方，通过感应电极6表面设置敏感膜层7来感测碱基配对，使得基因测序结构简单，使得基因测序成本降低。
其中，第一电极2和第二电极3的结构相同，且互为镜像对称设置。这里，第一电极2和第二电极3结构、功能相同，因此在进行基因测序时无需做功能区分，方便测试。
优选的是，如图2所示，第一电极2和第二电极3的横截面形状为L型，且第一电极2和第二电极3的L型内凹部相对设置。如此设置，使得第一电极2和第二电极3既保证结构对称，又便于引出测试线。
优选的是，半导体层4可以采用a-Si材料、多晶硅材料形成，半导体层4的横截面形状为正方形、矩形、圆形中的任一种。本实施例的基因测序结构中，由第一电极2、第二电极3、感应电极6和半导体层4形成一种顶栅式的薄膜晶体管结构，半导体层4在工作过程中形成导电沟道，其工作模式为：由感应电极6实施扫描开启的功能，经由半导体层4使得对设电极中的第一电极2和第二电极3导通，从而进行基因测序。
在现代技术中，薄膜晶体管大规模使用在显示领域中，作为像素导通、实现图像数据传输，从而实现图像显示的控制元件。然而，在本实施例的基因测序结构中，虽然用到了与薄膜晶体管相似的工作模式，但是其中半导体层4的结构与显示领域中薄膜晶体管的半导体层4的结构不同，半导体层4的横截面形状为正方形、矩形、圆形中的任一种更适宜感测离子存在，当然，本实施例中基因测序结构中半导体层4的横截面形状也可以为其他的形状，这里并不做限定。
进而，感应电极6的横截面形状与半导体层4的横截面形状相同，且半导体层4的正投影面积落入感应电极6的正投影面积内。这样，感应电极6的正投影面积可以大于或等于半导体层4的正投影面积，感应电极6与半导体层4至少在正投影方向上完全重叠。基于半导体层4和感应电极6形状和面积相当，保证感应电极6能尽可能多的与半导体层4重合覆盖，确保该基因测序结构即使在制作过程中二者的对位出现少许偏差，半导体层4也可以完全被感应电极6覆盖，使得半导体层4的功能充分发挥出来，从而获得较佳的测试效果。
本实施例的基因测序结构中，敏感膜层7采用对H+离子敏感的材料形成，或者采用在碱基配对产生离子时能引起电压变化的其他敏感材料形成。敏感膜层7的材料作为离子感测的关键材料，感测碱基配对的发生。优选的是，敏感膜层7采用四氮化三硅材料形成。
图1中，在基因测序结构的顶部规则刻蚀出微孔9，微孔层8中的微孔9为微米级，微孔9的孔径范围为1～100μm。设置微孔层8中微孔9的孔径，从而获得较佳的测试空间。
其中，第一电极2和第二电极3的端部分别各设置有一根连接线，以引入测试信号。第一电极2和第二电极3连接测试线，通过测试线连接外接测试仪器。即将第一电极2和第二电极3分别用金属引线引到两侧的测试盘pad上，电信号可以使用柔性线路板(FlexiblePrinted Circuit，简称FPC)方式加载，或直接用设备探针方式加载探测。
本实施例中的基因测序结构采用半导体薄膜晶体管的原理进行基因测序，基于上述的基因测序结构，当发生碱基配对时，释放出H+，敏感膜感知H+的存在后引起感应电极的电势发生变化，此时半导体材料形成的半导体层的导电性发生变化，根据第一电极和第二电极之间是否发生电流变化，从而判断配对反应发生。
该基因测序结构进行配对反应时，脱氧核糖核苷酸无需荧光标记，也不需要激光光源和光学系统；而且，该基因测序结构可借鉴现有的薄膜晶体管的制备工艺进行完整制作，芯片成本更低。
实施例2：
本实施例提供一种基因测序芯片(chips)，该基因测序芯片包括多个实施例1中所示例的基因测序结构。该基因测序芯片采用多个基因测序结构，并通过设置敏感膜层来感测碱基配对，使得基因测序结构简单，使得基因测序成本降低。
如图3所示，多个基因测序结构101呈阵列排布。同样优选的是，多个基因测序结构101均匀分布。当然，多个基因测序结构101也可以为其他的分布方式，这里并不做限定。
在具有多个基因测序结构101的基因测试芯片中，位于同行或同列的基因测序结构101中的第一电极2的连接线102并联连接，并共同延伸至边缘的测试盘；位于同行或同列的基因测序结构101中的第二电极3的连接线102分别延伸至边缘的测试盘，电信号可以使用FPC方式加载，或直接用设备探针方式加载探测。采用这种的基因测序结构101的连接方式，节省空间，获得较佳的测试效率。
该基因测试芯片采用呈阵列式基因测序结构的排列方式，从而能获得高效的测试效率。
实施例3：
本实施例提供一种基因测序系统和相应的基因测序方法，大大降低测序时间和成本，提升效率。
该基因测序系统包括基因测序芯片以及与基因测序芯片可拆卸连接的测试仪器，其中，基因测序芯片为实施例2中的基因测序芯片。该基因测序系统采用多个基因测序芯片，并通过设置敏感膜层来感测碱基配对，使得基因测序结构简单，使得基因测序成本降低。
其中，测试仪器通过柔性线路板向基因测序芯片的连接线加载测试信号，或者以测试仪器的探针向基因测序芯片的连接线102加载测试信号。这里，对信号加载方式的类型不做限定，以能获得较佳的测试效率作为目的。
相应的，本实施例还提供一种基于基因测序结构的基因测序方法，该基因测序方法通过设置敏感膜层来感测碱基配对，使得基因测序结构简单，使得基因测序成本降低。
如图4所示，该基因测序方法包括步骤：
步骤S1)：将待测的DNA单链置于微孔的底部。
在该步骤中，如图5A所示：将待测DNA单链10固定在微孔9的底部。
步骤S2)：向第一电极或第二电极施加电压。
在该步骤中，向第一电极2或第二电极3施加电压，比如向第一电极2施加0.5～20V的电压，当无反应时，半导体层4处于绝缘状态，第一电极2和第二电极3之间的电流理论上为0；当反应时，感应电极6有电势，使得半导体层4导电，可以检测到第一电极2和第二电极3之间有一定的电流。
步骤S3)：向微孔依次通入四种脱氧核糖核苷酸。
在该步骤中，在进行DNA测序时，依次通入A、T、C、G四种配对碱基11。其中，A、T、C、G为DNA链中的四种核苷酸，其中A为腺嘌呤，T为胸腺嘧啶，C为胞嘧啶，G为鸟嘌呤。
步骤S4)：检测第一电极与第二电极之间是否产生电流，以根据产生电流时通入的脱氧核糖核苷酸确定待测DNA单链上的碱基类型。
在该步骤中，如图5B所示：当配对碱基11与待测DNA链10发生配对反应时会释放氢离子(H+)，从而引起微孔9中PH值发生变化，而微孔9底部的敏感膜层7探测到这种变化后会引起下方感应电极6的电势升高，感应电极6的电势升高后，下方半导体材料形成的半导体层4的导电性发生变化(由绝缘态变成导通态，+电荷增多)，在第一电极2和第二电极3间加载电压的情况下，两电极之间产生电流；当用测序设备检测到电流变化时便可判断发生碱基配对反应，从而测出未知的DNA序列。
本实施例中基因测序系统和相应的基因测序方法，其中的碱基无需荧光标记，也不需要复杂的激光光源和光学系统，大大降低测序时间和成本，提升效率，同时简化测序仪设备。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基因测序结构，其特征在于，包括对设电极、半导体层、感应电极、绝缘层、敏感膜层和微孔层，其中：
所述对设电极，包括相对、间隔设置的第一电极和第二电极；
所述半导体层，设置于所述对设电极的一侧，且分别与所述第一电极和所述第二电极在正投影方向上至少部分重叠；
所述绝缘层，设置于所述半导体层远离所述对设电极的一侧；
所述感应电极，设置于所述绝缘层远离所述对设电极的一侧，且与所述半导体层在正投影方向上至少部分重叠；
所述敏感膜层，设置于所述感应电极远离所述对设电极的一侧，所述敏感膜层采用四氮化三硅材料形成；
所述微孔层，设置于所述敏感膜层远离所述对设电极的一侧，在对应着所述感应电极的区域开设有微孔；
所述第一电极和所述第二电极的结构相同，且互为镜像对称设置；
所述第一电极和所述第二电极的横截面形状为L型，且所述第一电极和所述第二电极的L型内凹部相对设置。
2.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的端部分别各设置有一根连接线，以引入测试信号。
3.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，所述半导体层的横截面形状为正方形、矩形、圆形中的任一种。
4.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，所述感应电极的横截面形状与所述半导体层的横截面形状相同，且所述半导体层的正投影面积落入所述感应电极的正投影面积内。
5.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，所述微孔层中的所述微孔的孔径范围为1～100μm。
6.一种基因测序芯片，包括多个基因测序结构，其特征在于，所述基因测序结构为权利要求1-5任一项所述的基因测序结构。
7.根据权利要求6所述的基因测序芯片，其特征在于，多个所述基因测序结构呈阵列排布。
8.根据权利要求6所述的基因测序芯片，其特征在于，多个所述基因测序结构均匀分布。
9.根据权利要求8所述的基因测序芯片，其特征在于，位于同行或同列的所述基因测序结构中的所述第一电极的连接线并联连接，并共同延伸至边缘的测试盘；
位于同行或同列的所述基因测序结构中的所述第二电极的连接线分别延伸至边缘的测试盘。
10.一种基于权利要求1-5任一项的所述基因测序结构的基因测序方法，其特征在于，包括步骤：
将待测的DNA单链置于所述微孔的底部；
向所述第一电极或所述第二电极施加电压；
向所述微孔依次通入四种脱氧核糖核苷酸；
检测所述第一电极与所述第二电极之间是否产生电流，以根据产生电流时通入的脱氧核糖核苷酸确定所述待测DNA单链上的碱基类型。
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