CN111484920A - 一种传感系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种传感系统及其检测方法，该传感系统包括：第一液滴分离区，用于将含有磁珠的液体分割成磁珠小液滴；第一液滴筛选区，用于在所述磁珠小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标磁珠液滴；液滴融合区，用于融合所述磁珠小液滴和含有DNA片段的文库小液滴形成融合液滴；PCR扩增区，用于对所述融合液滴进行PCR扩增反应，形成扩增液滴，所述扩增液滴作为目标液滴；以及传感器检测区，包括具有敏感膜的第一传感器芯片，所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述传感器输出传感信号。该传感系统提高了DNA测序技术的集成度、测序效率和测序速度，降低了测序成本。

Description

一种传感系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种传感系统，尤其涉及一种传感系统及其检测方法。

技术背景

DNA测序技术是未来生物医学领域发展的重要工具，对于疾病的预测，诊断以及学术研究具有重大意义。如何更加快速、便宜地进行DNA测序是DNA测序技术的发展方向。

目前Ion Torrent公司已经开发出了基于半导体技术的第三代测序技术，它利用DNA测序芯片对经过PCR(聚合酶链式反应)扩增后的DNA磁珠进行检测，所述DNA测序芯片上面有数百万个ISFET(离子选择场效应管)，每一个 ISFET就是一个pH计，ISFET的传感区表面有一个小孔，每一个小孔正好可以容纳一个磁珠的大小，将目标液滴倒到芯片表面，通过离心旋涂(spin coating)技术使磁珠进入芯片表面的小孔中进行DNA聚合反应，所述DNA测序芯片输出PH值瞬态变化量信号；第四步，把PH值瞬态变化量信号传输给计算机进行后期信号处理，分析出整个样品DNA的序列信息。

但是上述这种测序方法中，磁珠能够进入ISFET表面小孔的比例(Ion SphereParticals density)在比较理想情况下才能达到60％～80％，并且DNA测序芯片对DNA磁珠直接进行检测，而所述DNA磁珠中可能存在不包括DNA文库分子的磁珠，也可能存在包含多个DNA文库分子的磁珠，而只有包括单个DNA 文库分子的磁珠才能产生有效测序数据，这无疑降低了测序的效率，增加了测序时间，提高了测序成本。

发明内容

为了解决上述现有技术的一个或多个技术问题，本发明提出一种传感系统及其检测方法。

根据本发明的实施例的一种传感系统，包括：包括微流控芯片和具有敏感膜的第一传感器芯片，所述传感系统包括：至少一个第一液滴分离区，用于将含有磁珠的液体分割成磁珠小液滴；至少一个第一液滴筛选区，用于在所述磁珠小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标磁珠液滴；至少一个液滴融合区，用于融合所述目标磁珠液滴和含有DNA片段的文库小液滴，形成融合液滴；至少一个PCR扩增区，用于对所述融合液滴进行PCR扩增反应，形成扩增液滴，所述扩增液滴作为目标液滴；以及至少一个传感器检测区，包括所述第一传感器芯片，所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述第一传感器芯片输出传感信号；其中所述第一传感器芯片位于一拓展衬底上，所述拓展衬底位于所述微流控芯片上方且与所述微流控芯片具有间距，所述敏感膜与所述微流控芯片表面的疏水层面相对。

根据本发明的实施例的一种传感系统的检测方法，所述传感系统包括微流控芯片和具有敏感膜的传感器芯片，所述第一传感器芯片位于一拓展衬底上，所述拓展衬底位于所述微流控芯片上方且与所述微流控芯片具有间距，所述敏感膜与所述微流控芯片表面的疏水层面相对，所述测序方法包括：将含有磁珠的液体分割成磁珠小液滴；在所述磁珠小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标磁珠液滴；融合所述目标磁珠液滴和含有DNA片段的文库小液滴形成融合液滴；对所述融合液滴进行PCR扩增反应，形成扩增液滴，所述扩增液滴作为目标液滴；以及控制所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述第一传感器芯片输出传感信号；其中所述磁珠小液滴、目标磁珠液滴、融合液滴、扩增液滴和目标液滴的移动均在所述微流控芯片表面进行。

根据本发明的实施例的一种传感系统，包括微流控芯片和具有敏感膜的第一传感器芯片，所述传感系统包括：至少一个液滴分离区，用于将含有磁珠的液体分割成初始小液滴，所述液体中包括链接在磁珠上的DNA片段；至少一个液滴筛选区，用于在所述初始小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标液滴；以及至少一个传感器检测区，包括所述第一传感器芯片，所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述第一传感器芯片输出传感信号；其中所述第一传感器芯片位于一拓展衬底上，所述拓展衬底位于所述微流控芯片上方且与所述微流控芯片具有间距，所述敏感膜与所述微流控芯片表面的疏水层面相对。

根据本发明的实施例一种传感系统的检测方法，所述传感系统包括微流控芯片和具有敏感膜的传感器芯片，所述传感器芯片位于所述微流控芯片上方并保持一预设间距，所述检测方法包括：将含有磁珠的液体分割成初始小液滴，所述初始小液滴中包括链接在磁珠上的DNA片段；在所述初始小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标液滴；以及控制所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述传感器芯片输出传感信号；其中所述初始小液滴和所述目标液滴的移动均在所述微流控芯片表面进行行。

根据本发明实施例的传感系统及其检测方法可以在单个设备上实现DNA液滴的筛选与DNA的测序，降低了测序时间和测序成本，提高了测序效率和系统的可靠性。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的DNA测序系统100-1的框图；

图2示出根据本发明一实施例的DNA测序系统100-2的框图；

图3示出根据本发明一实施例的DNA测序系统200的截面图；

图4示出根据本发明一实施例的DNA测序系统300的截面图；

图5示出根据本发明一实施例的如图1所述的液滴筛选区12的截面图；

图6示出根据本发明另一实施例的如图1所述的液滴筛选区12的截面图；

图7示出根据本发明一实施例的如图1所述的PCR扩增区15的截面图；

图8示出根据本发明另一实施例的如图1所述的PCR扩增区15的截面图；

图9示出根据本发明另一实施例的如图1所述的PCR扩增区15的截面图；

图10示出根据本发明另一实施例的如图1所述的PCR扩增区15的截面图；

图11示出根据本发明一实施例的DNA测序系统的测序方法流程图400；

图12示出根据本发明一另实施例的DNA测序系统的测序方法流程图500；

图13示出根据本发明一另实施例的DNA测序系统的测序方法流程图600。

图14示出根据本发明一实施例的DNA测序系统100-3的框图；

图15示出根据本发明一实施例的DNA测序系统300-2的截面图；

图16示出根据本发明一实施例的DNA测序方法的流程图700；

图17示出根据本发明一实施例的DNA测序系统的测序方法的流程图800。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了便于对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的元件。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。在说明书或权利要求书中出现的“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”或类似的描述，均仅是为了说明的目的，而非用于描述固定的相对位置。应当理解，以上术语在适当的情况下是可以互换的，从而使得相应的实施例可以在其它方向上正常工作。

图1示出根据本发明一实施例的DNA测序系统100-1的框图。如图1所示实施例，所述DNA测序系统100-1包括多个功能区，包括：至少一个第一液滴分离区11，用于将含有磁珠的液体114分割成磁珠小液滴115，所述液体中包括用于链接DNA的小磁珠；至少一个第一液滴筛选区12，用于在所述磁珠小液滴115中筛选出只有一个小磁珠的目标磁珠液滴133；液滴融合区14，用于融合所述目标磁珠液滴115和文库小液滴175形成融合液滴142；至少一个PCR扩增区15，用于对所述融合液滴142进行PCR扩增反应，形成扩增液滴，所述扩增液滴作为目标液滴154，在一个实施例中，所述PCR扩增区15包括DNA变性区151，退火区152和扩增区153；以及至少一个传感器检测区16，用于检测所述目标液滴154以输出传感信号，在一个实施例中，所述传感器检测区16包括至少一个具有敏感膜的第一场效应传感器芯片，所述目标液滴154与所述敏感膜接触，所述第一传感器芯片输出传感信号；在一个实施例中，所述DNA测序系统100-1还包括至少一个第二液滴分离区17，用于将含有被测DNA文库的液体174分割成文库小液滴175；在一个实施例中，所述DNA测序系统100-1还包括至少一个液滴移动区13，用于将所述目标磁珠液滴133移动到所述液滴融合区14，并将所述文库小液滴175移动到所述液滴融合区14，与所述目标磁珠液滴133融合，形成融合液滴142，将所述融合液滴142移动到所述PCR扩增区15，将PCR扩增后的所述目标液滴154移动到所述传感器检测区16；所述液滴移动区13分布于各功能区之间，其中各个液滴移动区13之间没有重合区域，如图1所示的实施例仅为一种实施方案，所述的液滴移动区13可以存在于其他需要液滴移动的各种位置；如图1所示实施例中，所述DNA测序系统还包括一个控制模块，用于控制所述第一液滴分离区11、第一液滴筛选区12、液滴移动区13、液滴融合区14、PCR扩增区15、传感器检测区16、第二液滴分离区17 上的各个电极的电压或电流，以及控制PCR扩增区15中的温度传感器和加热电阻，从而控制PCR扩增区内DNA变性区，退火区和扩增区的温度；其中图1所示的各个电极的形状不局限于方形，也可以是圆形或者其它形状，大小根据实际需求而定。

在一个实施例中，所述第一液滴分离区11包括分离电极，所述分离电极可以包括第一分离电极110和第二分离电极112，所述含有磁珠的液体114放置于所述第一分离电极上，通过控制第一分离电极110和第二分离电极112的电极电压可以将所述含有磁珠的液体114被分割到所述第二分离电极112形成磁珠小液滴115，在另一个实施例中，所述第一液滴分离区11还可以包括第三分离电极111，通过控制第三分离电极111的电压可以辅助分割所述含有磁珠的液体114。

在一个实施例中，所述第二液滴分离区17包括分离电极，所述分离电极可以包括第一分离电极170和第二分离电极172，所述含有DNA文库的液体174放置于所述第一分离电极上，通过控制第一分离电极170和第二分离电极172的电极电压可以将所述含有DNA文库的液体174被分割到所述第二分离电极172 形成文库小液滴175，在另一个实施例中，所述第二液滴分离区17还可以包括第三分离电极171，通过控制第三分离电极171的电压可以辅助分割所述含有DNA文库的液体174。

在一个实施例中，所述第一液滴筛选区12包括一个筛选电极124，也可以包括多个筛选电极，可以根据实际需要设定。在一个实施例中，所述液滴移动区13包括移动电极，如图1所示实施例中，所述移动电极包括第一移动电极 131，第二移动电极131和第三移动电极133，在其它实施例中，所述移动电极的个数可以根据实际需要任意设定。

在一个实施例中，所述液滴融合区14包括一个液滴融合电极141，也可以包括多个液滴融合电极，可以根据实际需要设定。

在一个实施例中，所述PCR扩增区15包括DNA变性区151，退火区152和扩增区153，每一个区域具有不同温度，通过控制模块17控制融合液滴142在三个区间循环移动来控制融合液滴142的PCR反应。

在一个实施例中，所述第二液滴分离区17包括分离电极，所述分离电极可以包括第一分离电极170和第二分离电极172，所述含有被测DNA文库的液体 174放置于所述第一分离电极上，通过控制第一分离电极170和第二分离电极 172的电极电压可以将所述含有被测DNA文库的液体174被分割到所述第二分离电极172形成文库小液滴175，在另一个实施例中，所述第一液滴分离区17 还可以包括第三分离电极171，通过控制第三分离电极171的电压可以辅助分割含有被测DNA文库的液体174。

在一个实施例中，所述传感器检测区16包括至少一个场效应传感器芯片 161，所述场效应传感器芯片包括敏感膜，所述目标液滴154与所述敏感膜接触，所述场效应传感器芯片161输出传感信号。

在一个实施例中，所述分离电极和所述筛选电极位于一微流控芯片内，一个DNA测序系统可以包含一个或多个微流控芯片，所述场效应传感器芯片161 位于所述微流控芯片上方且与所述微流控芯片具有间距，所述场效应传感器芯片161的敏感膜与所述微流控芯片表面的疏水层面相对。在一个实施例中，所述微流控芯片为数字化微流控芯片。

在一个实施例中，所述目标液滴在所述传感器检测区进行DNA聚合反应，所述场效应传感器芯片输出PH瞬态变化量信号作为传感信号，所述目标液滴 154在所述传感器检测区16内进行DNA聚合反应为：将包括DNTP(三磷酸脱氧核糖核苷)分子移动到传感器检测区16，当所述DNTP分子被DNA聚合酶聚合到DNA链上时会脱落焦磷酸，每个焦磷酸分子分解成两个磷酸分子，短暂改变所述传感器检测区中的PH值，所述传感器检测区检测并输出PH瞬态变化量信号作为传感信号。在一个实施例中，所述目标液滴包括A、G、C、T四种dNTP (三磷酸脱氧核糖核苷)液滴，依次循环将含有A、G、C、T四种dNTP的液滴与传感器检测区接触，并通过输出对应的传感信号完成对所述DNA片段的测序。

在其它实施例中，所述DNA检测系统1001可以包括多个第一液滴分离区 11、第一液滴筛选区12、液滴移动区13和传感器检测区14，PCR扩增区15，传感器检测区16，第二液滴分离区17，它们之间的排布不局限于图1所示的示例，可以规则排布，也可以不规则排布。

图2示出根据本发明一实施例的DNA测序系统1002的框图。图2所示的 DNA测序系统100-2与图1所示的DNA测序系统100-1的区别在于，所述DNA测序系统100-2还包括第二液滴筛选区18，所述第二液滴筛选区18至少包括一个筛选电极182，所述第二液滴筛选区18用于在所述扩增液滴中筛选出只含有一种DNA片段的单克隆扩增液滴作为目标液滴183。

图3示出根据本发明一实施例的DNA测序系统200的截面图。所述微流控芯片22包括：衬底223，电极阵列222、第一疏水层221；所述电极阵列222贴附在衬底223上；所述衬底223可以是有机玻璃，玻璃、高分子聚合物、塑料、树脂、石英、金属，氧化物，氮化物，半导体等材料构成，可以是一层同质材料也可以是多层复合材料的组合；所述电极阵列222中的电极可以是正方形，长方形，圆形或其他任意多边形，电极材料可以是金属，ITO(氧化銦錫)等导电材料构成，所述电极阵列2贴附于所述拓展衬底1表面，在一个实施例中，所述电极阵列222包括图1实施例所述的分离电极、筛选电极和移动电极；所述第一疏水层221至少包括一层输水材料，可以由Cytop、Teflon、FluoroPel 等一层或多层结构构成；还可以包括介质材料，可以由金属氧化物、氮化物、绝缘体、高阻抗半导体、高分子聚合物等一层或多层结构构成，所述介质材料至少覆盖所述电极表面，所述疏水材料覆盖在所述衬底223和所述介质材料表面；所述微流控芯片22上的第一疏水层221覆盖在电极阵列222和衬底223上；目标液滴133通过在所述微流控芯片22的电极阵列222上施加特定电压控制其运动；所述场效应传感器芯片21包括：一个或多个场效应传感器器件211、第二疏水层213、引线电极214，敏感膜215，拓展衬底212；所述拓展衬底212 可以是与场效应传感器器件211同质的衬底及外延材料，也可以是由环氧树脂、玻璃、塑料、高分子聚合物等一层或多层复合材料构成的拓展衬底；所述场效应传感器芯片21中的第二疏水层212至少包括一层输水材料，可以由Cytop、Teflon、FluoroPel等一层或多层结构构成，还可以包括介质材料，可以由金属氧化物，氮化物、绝缘体、高阻抗半导体、高分子聚合物等一层或多层结构构成；所述场效应传感器芯片21中的电极214可以由金属、ITO(氧化铟锡) 等导电材料构成，可以通过磁控溅射、电子束蒸发、气相沉积、电镀、丝网印刷等方法生长在芯片表面；所述场效应传感器芯片21中的敏感膜215是可以与被检测物质特异性结合的敏感膜材料，根据被检测物质的不同而设定，可以是 DNA探针、抗原抗体、细胞、氧化物、蛋白质、多肽、离子敏感膜等各种生化物质敏感材料；所述场效应传感器器件211可以是硅基ISFET(离子选择场效应器件)，氮化镓，砷化镓，铟镓氮，铟铝氮等三五族半导体材料的场效应器件，石墨烯、二硫化钼等二维材料场效应器件，纳米线场效应器件等各种场效应传感器器件；所述场效应传感器器件211位于所述拓展衬底212表面、嵌入衬底212内部或者部分嵌于衬底212内部；所述场效应传感器芯片21上的第二疏水层213覆盖在场效应传感器器件211和引线电极214表面，只将敏感膜215 裸露出来。

所述场效应传感器芯片21放置在所述微流控芯片22上方，所述第一疏水层面213与所述敏感膜面221相对，所述第一疏水层面213与所述敏感膜面221 之间存在间距，即两个内侧面P1和P2之间存在间距，在一个实施例中，所述间距为1um至10mm。在一个实施例中，所述场效应传感器芯片21和所述微流控芯片22可以平行放置，也可以倾斜放置，根据实际需要确定。

在一个实施例中，所述微流控芯片21与所述场效应传感器芯片22平行放置，形成平行平面P1和P2，所述平行平面P1和P2不局限于完全光滑的平面和严格意义上的平行，可以存在凹凸形状，也可以存在轻微的倾斜，只要保证液滴能够顺利与敏感膜215接触即可，所述所述微流控芯片21中的第一疏水层面221与所述场效应传感器芯片21中的敏感膜面215相对，构成平行平面P1 和P2的内侧。如图3所述的场效应传感器芯片22可以还是与如图1所述的场效应传感器芯片161为同一芯片。

图4示出根据本发明一实施例的DNA测序系统300的部分截面图。如图4 所示实施例中，所述DNA测序系统300展示出了第一液滴分离区11、第一液滴筛选区12、液滴移动区13、液滴融合区14、PCR扩增区15和传感器检测区16。图4所示截面图只是其中一种实施例的示例，并不限制各个区域的实际位置。

图5示出根据本发明一实施例的如图1和图2所述的第一液滴筛选区12的截面图。如图5所示实施例，所述第一液滴筛选区12包括上电极125和筛选电极124，其中所述上电极位于所述场效应传感器芯片21内或者位于所述拓展衬底212内或者贴于所述拓展衬底212表面，即位于所述拓展彻底212上，所述拓展衬底212与所述场效应传感器芯片21连接，所述筛选电极124位于所述微流控芯片22内，且位于上电极125下方，所述筛选电极124位于所述微流控芯片的第一疏水层221下方，当所述磁珠小液滴115移动到所述筛选电极124时，根据所述上电极125与筛选电极124之间的电容值对所述磁珠小液滴115进行筛选。图5也示出根据本发明一实施例的如图2所述的第二液滴筛选区18的截面图，其原理与第一液滴筛选区12相同。

图6示出根据本发明另一实施例的如图1所述的第一液滴筛选区12的截面图。如图6所示实施例，所述第一液滴筛选区12包括筛选电极124和第二场效应传感器芯片122，所述第二场效应传感器芯片122包括敏感膜123，位于所述筛选电极124的上方，用于与所述磁珠小液滴115接触，所述敏感膜123可以与敏感膜215为同一种敏感膜，也可以为不同种敏感膜，根据实际需要而定，所述筛选电极124位于所述微流控芯片22内，且位于所述第一疏水层221下方，所述第二场效应传感器芯片122可以位于所述拓展衬底212的表面或内部；当所述磁珠小液滴115移动到所述筛选电极124时，所述磁珠小液滴115与所述第二场效应传感器芯片122的敏感膜接触，根据所述第二场效应传感器芯片122的传感信号对所述磁珠小液滴115进行筛选。图6也示出根据本发明一实施例的如图2所述的第二液滴筛选区18的截面图，其原理与第一筛选区相同。

图7示出根据本发明一实施例的如图1和图2所述的PCR扩增区15的截面图15-1。如图7所示实施例，所述PCR扩增区15包括DNA变性区151，退火区152和扩增区153，每一个区域内还包括至少一个加热电阻154和一个温度传感器155，所述的加热电阻154和温度传感器155设置与所述微流控芯片22的衬底材料223内部，电极222的下方，受到所述控制模块17的控制，用来分别控制DNA变性区151，退火区152和扩增区153的温度。通过控制融合液滴142在 DNA变性区151，退火区152和扩增区153三个不同区内循环移动实现PCR扩增反应。

图8，图9，图10示出根据本发明一实施例的如图1和图2所述的PCR扩增区15的截面图15-2，15-3和15-4。与图7所示的PCR扩增区15的截面图 15-1的区别在于图8-10所示的DNA变性区151，退火区152和扩增区153每个区域内的加热电阻154和温度传感器155设置的位置不同。图8所示的15- 2，其加热电阻154设置于所述微流控芯片22的衬底材料223内部，而温度传感器155设置于所述场效应传感器芯片21中拓展衬底212内部；图9所示的 15-3，其加温度传感器155设置于所述微流控芯片22的衬底材料223内部，而加热电阻154设置于所述场效应传感器芯片21中拓展衬底212内部；图10所示的15-4，其加温度传感器155和加热电阻154均设置于所述场效应传感器芯片21中拓展衬底212内部。

图11示出根据本发明一实施例的DNA测序系统的测序方法的流程图400，对应于如图1所示的DNA测序系统100-1，所述DNA测序方法包括步骤41-48。

步骤41，文库液滴分离，即将含有被测DNA文库的液体174置于第二液滴分离区，液体分离区将所述含有被测DNA文库的液体分割成文库小液滴175；

步骤42，磁珠液滴分离，即将含有磁珠的液体114置于第一液滴分离区，液体分离区将所述含有磁珠的液体分割成磁珠小液滴115；

步骤43，磁珠液滴筛选，即将所述磁珠小液滴115移动到第一液滴筛选区，在所述磁珠小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标磁珠液滴133；

步骤44，液滴融合，即将所述文库小液滴175和目标磁珠液滴133进行融合，形成融合液滴142；

步骤45，PCR扩增，即对所述的融合液滴进行PCR扩增反应，形成目标液滴154；

步骤46，液滴移动，即将目标液滴154移动到传感器检测区，所述传感器检测区包括至少一个场效应传感器芯片，所述场效应传感器芯片包括敏感膜。

步骤47，液滴检测，即所述目标液滴154与所述敏感膜接触，所述场效应传感器芯片输出传感信号；在一个实施例中，步骤47包括步骤441-443：步骤 441，DNA聚合反应，即所述目标液滴在所述传感器检测区进行DNA聚合反应，步骤442，PH检测，即所述场效应传感器芯片对PH值进行检测，步骤443，信号读出，即输出PH瞬态变化量信号作为传感信号；在一个实施例中，所述目标液滴154在所述传感器检测区16内进行DNA聚合反应为：将包括DNTP(三磷酸脱氧核糖核苷)分子的液滴移动到所述传感器检测区16，当所述DNTP分子被DNA聚合酶聚合到DNA链上时会脱落焦磷酸，每个焦磷酸分子分解成两个磷酸分子，短暂改变所述传感器检测区中的PH值，所述传感器检测区检测并输出 PH瞬态变化量信号作为传感信号，在一个实施例中，所述目标液滴包括A、G、 C、T四种dNTP(三磷酸脱氧核糖核苷)液滴，依次循环将含有A、G、C、T四种dNTP的液滴与传感器检测区接触，并通过输出对应的传感信号完成对所述 DNA片段的测序。

步骤48，数据处理，即对所述传感信号进行数据处理，获得所述DNA片段的序列。

图12示出根据本发明一实施例的DNA测序系统的测序方法流程图500，所述DNA测序方法包括步骤51-59。区别于图11所示的步骤方法，图12所示的方法在步骤55的PCR扩增和57的液滴移动之间多了一步液滴筛选56，步骤56 是通过液滴筛在将PCR扩增后得到的前扩增液滴154中筛选出只含有一种DNA 片段的单克隆扩增液滴183，再移动到传感器检测区进行DNA测序，这一步的作用是进一步提高DNA测序效率，因为非单克隆磁珠的测序将会测到乱码，是非有效的测序。所谓单克隆扩增液滴是指融合液滴142中只包含有单个磁珠和单个DNA文库片段，这样PCR扩增反应之后磁珠上只扩增出一种文库DNA，成为单克隆磁珠，即单克隆扩增液滴183。在一个实施例中，第二液滴筛选区18 的结构如图6所示，场效应传感器的敏感膜123上具有DNA探针，可以通过一个或多个带有DNA探针的场效应传感器判断前所述目标液滴154是否为单克隆磁珠。

图13示出根据本发明一实施例的DNA测序系统的测序方法的流程图600，所述DNA测序系统包括微流控芯片和具有敏感膜的传感器芯片，所述传感器芯片位于所述微流控芯片上方并保持一预设间距，所述测序方法包括步骤61-65：

步骤61，将含有磁珠的液体置分割成磁珠小液滴。

步骤62，在所述磁珠小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标磁珠液滴。

步骤63，融合所述目标磁珠液滴和含有DNA片段的文库小液滴形成融合液滴。

步骤64，对所述融合液滴进行PCR扩增反应，形成扩增液滴，所述扩增液滴作为目标液滴。在一个实施例中，所述PCR扩增反应在一PCR扩增区中进行，所述PCR扩增区包括DNA变性区、退火区和扩增区，所述DNA变性区、退火区和扩增区均包括至少一个温度传感器和加热电阻，所述DNA变性区、退火区和扩增区具有不同温度，对所述融合液滴进行PCR扩增反应包括：利用所述温度传感器和加热电阻控制所述DNA变性区、退火区和扩增区的温度，并控制所述融合液滴在所述DNA变性区、退火区和扩增区之间来回移动。在一个实施例中，所述目标液滴包括A、G、C、T四种dNTP(三磷酸脱氧核糖核苷)液滴，依次循环将含有A、G、C、T四种dNTP的液滴与传感器检测区接触，并通过输出对应的传感信号完成对所述DNA片段的测序

步骤65，控制所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述传感器芯片输出传感信号。

在一个实施例中，所述磁珠小液滴、目标磁珠液滴、融合液滴、扩增液滴和目标液滴的移动均在所述微流控芯片表面进行

在一个实施例中，所述测序方法还包括将含有被测DNA文库的液体分割成含有DNA片段的文库小液滴，在所述扩增液滴中筛选出只含有一种DNA片段的单克隆扩增液滴作为所述目标液滴，以及控制所述目标液滴进行DNA聚合反应，所述传感器芯片输出PH瞬态变化量信号作为传感信号

在其它实施例中，上述的所有场效应传感器芯片均可以由其它具有敏感膜的传感器替代，例如具有敏感膜的电极传感器。

图14示出根据本发明一实施例的DNA测序系统100-3的框图。如图14所示实施例，所述DNA测序系统100-3包括：至少一个液滴分离区11-3，用于将含有磁珠的液体114-3分割成初始小液滴115-3，所述液体中包括链接在磁珠上的DNA片段；至少一个液滴筛选区12-3，所述液滴筛选区12-3包括一个筛选电极124，用于在所述初始小液滴115-3中筛选出只有一个小磁珠的目标液滴 133-3；以及至少一个传感器检测区16-3，用于检测所述目标液滴133-3以输出传感信号；在一个实施例中，所述DNA测序系统1003还包括至少一个液滴移动区13-3，用于将所述目标液滴133-3移动到所述传感器检测区16-3，所述液滴移动区13-3分布于所述液滴筛选区12-3与所述传感器检测区16-3之间。如图14所示实施例中，所述DNA测序系统还包括一个控制模块，用于控制所述液滴分离区11-3、液滴筛选区12-3、液滴移动区13-3和传感器检测区16-3上的各个电极的电压或电流。其中图14所示的各个电极的形状不局限于方形，也可以是圆形或者其它形状，大小根据实际需求而定。

在一个实施例中，所述液滴分离区113包括分离电极，所述分离电极可以包括第一分离电极110和第二分离电极112，所述含有磁珠的液体114-3放置于所述第一分离电极上，通过控制第一分离电极110和第二分离电极112的电极电压可以将所述含有磁珠的液体114-3被分割到所述第二分离电极112形成初始小液滴115-3，在另一个实施例中，所述液滴分离区11-3还可以包括第三分离电极111，通过控制第三分离电极111的电压可以辅助分割所述含有磁珠的液体114-3。

在一个实施例中，所述液滴筛选区12-3包括一个筛选电极124，也可以包括多个筛选电极，可以根据实际需要设定。在一个实施例中，所述液滴移动区 13-3包括移动电极，如图14所示实施例中，所述移动电极包括第一移动电极 131，第二移动电极132和第三移动电极134，在其它实施例中，所述移动电极的个数可以根据实际需要任意设定。

在一个实施例中，所述传感器检测区16-3包括至少一个场效应传感器芯片 161，所述场效应传感器芯片包括敏感膜，所述目标液滴133-3与所述敏感膜接触，所述场效应传感器芯片161输出传感信号。

在一个实施例中，所述分离电极和所述筛选电极位于一微流控芯片内，一个DNA测序系统可以包含一个或多个微流控芯片，所述场效应传感器芯片161 位于所述微流控芯片上方且与所述微流控芯片具有间距，所述场效应传感器芯片161的敏感膜与所述微流控芯片表面的疏水层面相对。

在一个实施例中，所述目标液滴在所述传感器检测区进行DNA聚合反应，所述场效应传感器芯片输出PH瞬态变化量信号作为传感信号，所述目标液滴133-3在所述传感器检测区16-3内进行DNA聚合反应为：将包括DNTP(三磷酸脱氧核糖核苷)分子的液滴移动到传感器检测区163，当所述DNTP分子被DNA 聚合酶聚合到DNA链上时会脱落焦磷酸，每个焦磷酸分子分解成两个磷酸分子，短暂改变所述传感器检测区中的PH值，所述传感器检测区检测并输出PH瞬态变化量信号作为传感信号。在一个实施例中，所述目标液滴包括A、G、C、T四种dNTP(三磷酸脱氧核糖核苷)液滴，依次循环将含有A、G、C、T四种dNTP 的液滴与传感器检测区接触，并通过输出对应的传感信号完成对所述DNA片段的测序。

在其它实施例中，所述DNA检测系统1003可以包括多个液滴分离区113、液滴筛选区12-3、液滴移动区13-3和传感器检测区16-3，它们之间的排布不局限于图14所示的示例，可以规则排布，也可以不规则排布。

图15示出根据本发明一实施例的DNA测序系统300-2的截面图。如图15 所示实施例中，所述DNA测序系统300-2包括液滴分离区11-3、液滴筛选区 12-3、液滴移动区13-3和传感器检测区16-3。图15所示截面图只是其中一种实施例的示例，并不限制各个区域的实际位置。

图16示出根据本发明一实施例的DNA测序方法的流程图700。所述DNA测序方法包括步骤71-75。

步骤71，液滴分离，即将含有磁珠的液体置于液滴分离区，液体分离区将所述含有磁珠的液体分割成初始小液滴，所述液体中包括链接在磁珠上的DNA 片段。

步骤72，液滴筛选，即将所述初始小液滴移动到液滴筛选区，在所述初始小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标液滴。

步骤73，液滴移动，即将所述目标液滴移动到传感器检测区，所述传感器检测区包括至少一个场效应传感器芯片，所述场效应传感器芯片包括敏感膜。

步骤74，液滴检测，即所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述场效应传感器芯片输出传感信号；在一个实施例中，步骤74包括步骤441-443：步骤441， DNA聚合反应，即所述目标液滴在所述传感器检测区进行DNA聚合反应，步骤442，PH检测，即所述场效应传感器芯片对PH值进行检测，步骤443，信号读出，即输出PH瞬态变化量信号作为传感信号；在一个实施例中，所述目标液滴 133-3在所述传感器检测区16-3内进行DNA聚合反应为：所述目标液滴133-3 包括DNTP(三磷酸脱氧核糖核苷)分子，当所述DNTP分子被DNA聚合酶聚合到DNA链上时会脱落焦磷酸，每个焦磷酸分子分解成两个磷酸分子，短暂改变所述传感器检测区中的PH值，所述传感器检测区检测并输出PH瞬态变化量信号作为传感信号，在一个实施例中，所述目标液滴包括A、G、C、T四种dNTP (三磷酸脱氧核糖核苷)液滴，依次循环将含有A、G、C、T四种dNTP的液滴与传感器检测区接触，并通过输出对应的传感信号完成对所述DNA片段的测序。

步骤75，数据处理，即对所述传感信号进行数据处理，获得所述DNA片段的序列。

在一个实施例中，含有磁珠的液体可以这样获取：首先，建立针对目标 DNA样品的文库，即把目标DNA切割成若干片段，然后进行PCR(聚合酶链式反应)扩增，之后再给样本DNA的两端添加上标准的接头；其次，把建立好的文库DNA溶解到水中，并加入引物，酶，Master Mix以及测序磁珠，测序磁珠上共价连接了许多PCR引物，引物序列和文库的接头互补，因此文库DNA可以被链接到磁珠上，之后在溶液中加入大量的油，行程乳浊液，使得油占液体的大部分，把液体隔离成小液滴，每个小水滴中可能包含0或若干个文库分子，也可能包含0或若干个小测序磁珠，其他PCR扩增所需物质都是过量的，对整个乳浊液进行PCR扩增反应，如果一个小水滴中既有文库分子也有测序微珠就会发生PCR扩增反应，PCR反应之后磁珠表面就会长出同一个液滴中所含文库分子的扩增拷贝，扩增出的DNA链通过共价键链接在磁珠上；最后，把发生了PCR 扩增的珠子纯化出来，一个实施例中的方法是通过标记的链霉亲和素的磁珠和经过PCR反应的磁珠进行混合，发生了PCR反应的磁珠会和链霉亲和素的磁珠结合，通过磁铁进行吸附，从而把发生了PCR的磁珠纯化出来，在通过洗脱液把链霉亲和素标记的磁珠和PCR扩增磁珠分离开，这时就获得了含有磁珠的液体，并且所述液体中包括链接在磁珠上的DNA片段。

图17示出根据本发明一实施例的DNA测序测序系统的测序方法的流程图 800。所述DNA测序系统包括微流控芯片和具有敏感膜的传感器芯片，所述传感器芯片位于所述微流控芯片上方并保持一预设间距，所述测序方法包括步骤 81-83：

步骤81，将含有磁珠的液体分割成初始小液滴，所述初始小液滴中包括链接在磁珠上的DNA片段。

步骤82，在所述初始小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标液滴。在一个实施例中，所述目标液滴包括A、G、C、T四种dNTP(三磷酸脱氧核糖核苷) 液滴，依次循环将含有A、G、C、T四种dNTP的液滴与传感器检测区接触，并通过输出对应的传感信号完成对所述DNA片段的测序。

步骤83，控制所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述传感器芯片输出传感信号。

在一个实施例中，所述初始小液滴和所述目标液滴的移动均在所述微流控芯片表面进行。

在一个实施例中，所述测序方法还包括控制所述目标液滴进行DNA聚合反应，所述传感器芯片输出PH瞬态变化量信号作为传感信号。

在一个实施例中，所述测序方法还包括对所述传感信号进行分析，获得 DNA片段序列。

在其它实施例中，上述的所有场效应传感器芯片均可以由其它具有敏感膜的传感器替代，例如具有敏感膜的电极传感器。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种传感系统，包括微流控芯片和具有敏感膜的第一传感器芯片，所述传感系统包括：

至少一个第一液滴分离区，用于将含有磁珠的液体分割成磁珠小液滴；

至少一个第一液滴筛选区，用于在所述磁珠小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标磁珠液滴；

至少一个液滴融合区，用于融合所述目标磁珠液滴和含有DNA片段的文库小液滴，形成融合液滴；

至少一个PCR扩增区，用于对所述融合液滴进行PCR扩增反应，形成扩增液滴，所述扩增液滴作为目标液滴；以及

至少一个传感器检测区，包括所述第一传感器芯片，所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述第一传感器芯片输出传感信号；其中

所述第一传感器芯片位于一拓展衬底上，所述拓展衬底位于所述微流控芯片上方且与所述微流控芯片具有间距，所述敏感膜与所述微流控芯片表面的疏水层面相对。

2.如权利要求1所述的传感系统，还包括：

至少一个第二液滴分离区，用于将含有被测DNA文库的液体分割成含有DNA片段的文库小液滴；以及

第二液滴筛选区，用于在所述扩增液滴中筛选出只含有一种DNA片段的单克隆扩增液滴作为所述目标液滴。

3.如权利要求1所述的传感系统，其中所述目标液滴在所述传感器检测区进行DNA聚合反应，所述第一传感器芯片输出PH瞬态变化量信号作为传感信号。

4.如权利要求1所述的传感系统，其中所述PCR扩增区包括DNA变性区、退火区和扩增区，所述DNA变性区、退火区和扩增区均包括至少一个温度传感器和加热电阻，所述DNA变性区、退火区和扩增区具有不同温度，通过控制所述融合液滴在三个区间循环移动来控制所述融合液滴的PCR反应。

5.如权利要求1所述的传感系统，还包括：

多个液滴移动区，位于所述第一液滴分离区、第一液滴筛选区、液滴融合区、PCR扩增区和传感器检测区之间，用于液滴移动，所述液滴移动区包括至少一个电极。

6.如权利要求1或2所述的传感系统，其中所述第一液滴分离区或第二液滴分离区包括：第一分离电极和第二分离电极，所述含有磁珠的液体或者所述含有被测DNA文库的液体从第一分离电极被分割到所述第二分离电极形成对应的磁珠小液滴或者文库小液滴。

7.如权利要求1或5所述的传感系统，其中所述第一液滴筛选区包括：

上电极，位于所述第一传感器芯片内或者所述拓展衬底上；以及

筛选电极，位于所述筛选电极位于所述微流控芯片的疏水层下方，当所述磁珠小液滴或所述扩增液滴移动到所述筛选电极时，根据所述上电极与筛选电极之间的电容值对所述磁珠小液滴或所述扩增液滴进行筛选。

8.如权利要求1所述的传感系统，其中所述第一液滴筛选区包括：

筛选电极，位于所述微流控芯片的疏水层下方；以及

第二传感器芯片，位于所述拓展衬底上；其中

当所述磁珠小液滴或所述扩增液滴移动到所述筛选电极时，所述磁珠小液滴或所述扩增液滴与所述第二传感器芯片的敏感膜接触，根据所述第二场效应传感器芯片的传感信号对所述磁珠小液滴或所述扩增液滴进行筛选。

9.一种传感系统的检测方法，所述传感系统包括微流控芯片和具有敏感膜的传感器芯片，所述第一传感器芯片位于一拓展衬底上，所述拓展衬底位于所述微流控芯片上方且与所述微流控芯片具有间距，所述敏感膜与所述微流控芯片表面的疏水层面相对，所述检测方法包括：

将含有磁珠的液体分割成磁珠小液滴；

在所述磁珠小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标磁珠液滴；

融合所述目标磁珠液滴和含有DNA片段的文库小液滴形成融合液滴；

对所述融合液滴进行PCR扩增反应，形成扩增液滴，所述扩增液滴作为目标液滴；以及

控制所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述第一传感器芯片输出传感信号；其中

所述磁珠小液滴、目标磁珠液滴、融合液滴、扩增液滴和目标液滴的移动均在所述微流控芯片表面进行。

10.如权利要求9所述的检测方法，还包括：

将含有被测DNA文库的液体分割成含有DNA片段的文库小液滴；以及

在所述扩增液滴中筛选出只含有一种DNA片段的单克隆扩增液滴作为所述目标液滴。

11.一种传感系统，包括微流控芯片和具有敏感膜的第一传感器芯片，所述传感系统包括：

至少一个液滴分离区，用于将含有磁珠的液体分割成初始小液滴，所述液体中包括链接在磁珠上的DNA片段；

至少一个液滴筛选区，用于在所述初始小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标液滴；以及

至少一个传感器检测区，包括所述第一传感器芯片，所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述第一传感器芯片输出传感信号；其中

所述第一传感器芯片位于一拓展衬底上，所述拓展衬底位于所述微流控芯片上方且与所述微流控芯片具有间距，所述敏感膜与所述微流控芯片表面的疏水层面相对。

12.如权利要求11所述的传感系统，其中所述液滴分离区包括：

第一分离电极，所述含有磁珠的液体放置于所述第一分离电极；以及

第二分离电极，所述初始小液滴被分割到所述第二分离电极。

13.如权利要求12所述的传感系统，所述液滴分离区还包括：

第三分离电极，用于辅助分割所述含有磁珠的液体，形成初始小液滴至所述第二电极上。

14.如权利要求11所述的传感系统，其中所述液滴筛选区包括：

上电极，位于所述第一传感器芯片内或者位于所述拓展衬底上；以及

筛选电极，位于所述微流控芯片的疏水层下方，当所述初始小液滴移动到所述筛选电极时，根据所述上电极与筛选电极之间的电容值对所述初始小液滴进行筛选。

15.如权利要求11所述的传感系统，其中所述液滴筛选区包括：

筛选电极，位于所述微流控芯片的疏水层下方；以及

具有敏感膜的第二传感器芯片，位于所述拓展衬底上；其中

当所述初始小液滴移动到所述筛选电极时，所述初始小液滴与所述第二传感器芯片的敏感膜接触，根据所述第二传感器芯片的传感信号对所述初始小液滴进行筛选。

16.一种传感系统的检测方法，所述传感系统包括微流控芯片和具有敏感膜的传感器芯片，所述传感器芯片位于所述微流控芯片上方并保持一预设间距，所述检测方法包括：

将含有磁珠的液体分割成初始小液滴，所述初始小液滴中包括链接在磁珠上的DNA片段；

在所述初始小液滴中筛选出只有一个小磁珠的目标液滴；以及

控制所述目标液滴与所述敏感膜接触，所述传感器芯片输出传感信号；其中

所述初始小液滴和所述目标液滴的移动均在所述微流控芯片表面进行。

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