CN112662660B

CN112662660B - 一种用于基因序列合成的电极阵列装置及其控制方法

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Publication number: CN112662660B
Application number: CN202011458752.4A
Authority: CN
Inventors: 孙鹏; 吴东平; 徐刚伟; 杨力建
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2040-12-11
Also published as: CN112662660A

Abstract

本发明属于电子信息与生物技术交叉的技术领域，具体为一种用于基因序列合成的电极阵列装置及其控制方法。本发明的电极阵列装置，包括基板和形成在基板上的电极阵列，电极单元包含阳极和阴极；基板上盖有微流罩；还包括微流控模块、控制模块，控制模块通过控制输出电压高低电平的通断或电压的大小，精准控制阵列单元上阳极和阴极的电位差；控制微流控模块精准控制基因合成所需各种试剂的输运。本发明装置结构简单，制备方便，不需要复杂的微加工工艺；用于基因序列合成时，控制较为简单，便于产业化及大规模应用。

Description

一种用于基因序列合成的电极阵列装置及其控制方法

技术领域

本发明属于电子信息与生物技术交叉的技术领域，具体涉及一种用于基因序列合成的电极阵列装置及其控制方法。

背景技术

DNA合成在生命科学中扮演重要的角色，比如识别基因突变，分析大规模基因组测序所产生的数据，分析DNA蛋白质相互作用等。同时DNA合成技术将在未来信息存储领域中发挥至关重要的作用。DNA存储技术以其体积小、数据密度大、稳定性强等优势，将成为解决未来因数据爆发而产生的系列危机的重要技术路径。DNA的存储原理是将数字信号转化为化学信号，编码存储时为合成碱基DNA序列，解码读取时为测序碱基DNA序列。

常规DNA化学合成的步骤可分为解封、偶联、加帽、氧化。但常规DNA化学合成不能在同一基板上合成不同的DNA序列。

目前有利用电化学的方法在硅衬底或者玻璃衬底的表面合成DNA序列，具体通过微加工工艺在硅衬底的表面形成微阵列电极，通过控制微电极的阳极和阴极的电位，控制酸在阳极部位的产生，进而控制基因合成步骤中的解封这一重要环节是否有效（解封过程为：用酸脱去连接在固相载体上的核苷酸的保护基团，获得游离的羟基端，以供下一步的缩合反应）。基因合成的位置在阳极正下方的硅衬底或玻璃衬底的表面。由于这种基因合成方法，需采用微加工工艺在硅衬底表面上制作微金属电极，虽然电极可以做的很小，但在硅衬底表面上制作微阵列电极成本较高，加工工艺复杂，并且需要采用绑定（bonding）工艺将微电极阵列连接到外围电路控制系统，工序较为复杂且不易控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺更为简单、控制更为方便，且可精准控制合成具体位点的用于基因序列合成的电极阵列装置及其控制方法。

本发明提供的用于基因序列合成的电极阵列装置，包括基板和形成在基板上的电极阵列，电极单元包含两个电极：阳极和阴极；基板材料为FR-4环氧玻璃布层压板，电极材料为Au、Pt、Ir的一种；基板的上表面除阵列电极外，其它区域附有一层油墨，基板模块的上盖有微流罩；

本发明中，电极阵列采用采用沉积金属工艺制作。

本发明中，阳极和阴极之间最小的间距为3mil（76.2um），阳极形状可以长方形、正方形、圆形或者不规则图形，若形状为正方形，大小最小可为3mil × 3mil（76.2um ×76.2um）。阴极位于阳极的外侧，阴极可单独作为一个阵列单元中的阴极，也可以在一行阵列单元中作为公用电极。

本发明提供的用于基因序列合成的电极阵列装置，还包括微流控模块、控制模块；其中：

所述微流控模块，包括比例阀、多路电磁阀、气体微流道、液体微流道；微流控模块用于将基因合成所需的各种试剂精准输运到电极阵列基板模块上的单元阵列上。

具体地，控制模块可控制比例阀和多路电磁阀的通断；气体（一般为氮气）经过比例阀调节后进入到气体微流道，多路电磁阀可控制多条气体支路的通断（气体支路是指气体连通相应试剂瓶的管路，各个试剂瓶中分别存放合成所需要的各种试剂，控制气体支路的通断即控制气体是否可进入试剂瓶），气体支路打开时试剂瓶中的液体会被挤压进液体微流道，液体微流道通过导管与微流罩相连接，将试剂精准输运到电极阵列基板模块中的单元阵列上。整个过程，可通过调节比例阀控制气体流量的大小进而控制液体的流速，通过电磁阀控制气体支路的通断进而控制试剂进样通道。

所述控制模块通过金属互连线连接电极阵列单元上的阳极和阴极，控制模块通过控制输出电压高低电平的通断或电压的大小，精准控制阵列单元上阳极和阴极的电位差；通过控制微流控模块，精准控制基因合成所需各种试剂的输运。

本发明提供的用于基因序列合成的电极阵列装置，在用于基因序列合成时，通过控制高低电平的通断或电压的大小，精准控制任意阵列单元上阳极和阴极的电位差，从而控制基因序列合成的具体位点。

本发明中，基因序列合成时，控制阵列单元上阳极和阴极的电位差为0.~3.3V；尤其控制阳极和阴极的电位差一般不低于1.2V，合成的具体部位在电极阵列单元的阳极上。

本发明中，根据控制输出高低电平的通断、控制输出电压的大小、以及在同一行阵列单元中阴极是否作为公共电极，可提供多种不同基因合成控制方式。

本发明装置结构简单，制备方便，不需要复杂的微加工工艺；用于基因序列合成时，控制较为简单，便于产业化及大规模应用。

附图说明

图1为电极阵列基板示意图。

图2为电极控制基因合成示意图。

图3为第一种基因合成阵列结构及方法示意图。

图4为第二种基因合成阵列结构及方法示意图。

图5为第三种基因合成阵列结构及方法示意图。

图6为第四种基因合成阵列结构及方法示意图。

图7为基因合成装置结构示意图。

图中标号：1为基板，2为电极阳极，3为电极阴极，4为单个DNA分子或DNA序列，5为控制模块，6为微流控模块，7为微流罩。

具体实施方式

电极阵列基板基因合成电极阵列的制备方法，采用沉积金属工艺在基板为FR-4环氧玻璃布层压板表面上形成电极阵列单元，通过在阵列单元上施加一定的电压，控制基因序列在阵列单元上的合成。

阵列电极的金属材料为Au、Pt、Ir的一种。

通过控制高低电平的通断或电压的大小，精准控制任意阵列单元上阳极和阴极的电位差，从而控制基因合成的具体位点。

电极控制基因合成示意图如图2所示，具体包括：

（1）控制阳极和阴极高低电平的通断或电压的大小，图中在阴极下面的“-”表示在阴极处施加低电平或较小的电压。阳极下面的“+”表示在阳极处施加高电平或较高的电压，确保相邻与相邻的阴极之间有不低于1.2V的电压差。

（2）通入DNA核酸分子，比如通入碱基为腺嘌呤（A）的DNA分子，如图所示，在施加有高电平或较高电压的阳极处，可以结合通入的DNA分子（微电极的阳极和阴极的电位较大时，可在阳极部位的产生酸，酸可以脱去连接在固相载体上的核苷酸的保护基团，进而可以结合DNA核算分子）。在无施加高电平或较高电压的阳极处无法结合通入的DNA分子。

通过控制输出高低电平的通断且阴极单独作为一个阵列单元的阴极，为第一种基因合成控制方式，如图3所示，具体包括：

（1）在基板FR-4环氧玻璃布层压板上沉积阵列单元；

（2）沉积的金属为Au、Pt、Ir的一种；

（3）每个阵列单元包含一个阳极和一个阴极，阳极和阴极之间最小的间距为3mil（76.2um）阵列单元之间相互独立；

（4）通过金属互连线将阵列单元上的阳极和阴极连接到控制板上；

（5）控制板通过是否输出高低电平控制阳极和阴极之间的电位差；

（6）输出高电平电压为：2.4~3.3V，输出低电平电压为：0~0.8V；

（7）基因序列在合成时需满足：阵列单元上的阳极为高电平，阴极为低电平。通过控制输出高低电平的通断可控制任意一个阵列单元上基因序列的合成。

通过控制输出高低电平的通断且阴极在一行阵列单元中作为公用电极，为第二种基因合成控制方式，如图4所示，具体包括：

（1）在基板FR-4环氧玻璃布层压板上沉积阵列单元；

（2）沉积的金属为Au、Pt、Ir的一种；

（3）每个阵列单元包含一个阳极和一个阴极，阳极和阴极之间最小的间距为3mil（76.2um），在同一行阵列单元中阴极为公用电极；

通过控制输出电压的大小且阴极单独作为一个阵列单元的阴极，为第三种基因合成控制方式，如图5所示，具体包括：

（1）在基板FR-4环氧玻璃布层压板上沉积阵列单元；

（2）沉积的金属为Au、Pt、Ir的一种；

（3）每个阵列单元包含一个阳极和一个阴极，阳极和阴极之间最小的间距为3mil（76.2um），阵列单元之间相互独立；

（5）控制板通过输出不同的电压控制阳极和阴极之间的电位差；

（6）输出电压范围0~3.3V；

（7）基因序列在合成时需满足：阵列单元上的阳极和阴极的电压差一般不低于1.2V。比如图4中只有一个阵列单元满足要求（WL1=3.3V，BL1=1.5V，电压差为1.8V）。通过控制输出电压的大小可控制任意一个阵列单元上基因序列的合成。

通过控制输出电压的大小且阴极在一行阵列单元中作为公用电极，为第四种基因合成控制方式，如图6所示，具体包括：

（1）在基板FR-4环氧玻璃布层压板上沉积阵列单元；

（2）沉积的金属为Au、Pt、Ir的一种；

（6）输出电压范围0~3.3V；

本发明涉及一种基因合成装置，如图7所示。包括：电极阵列模块，微流控模块，控制模块。

电极阵列模块包括基板和制作在基板上的电极阵列单元，阵列单元中的阳极和阴极通过金属互连线连接到控制模块。基板为FR-4环氧玻璃布层压板，阵列单元包含两个电极，分别为阳极和阴极，电极材料为Au、Pt、Ir的一种。基板上表面除阵列电极外其它区域附有一层油墨，基板模块的上部盖有微流罩。微流罩通过环氧树脂材料与阵列基板模块相连接，微流罩材料可为PMMA。

微流控模块包括比例阀、电磁阀、气体微流道、液体微流道。将基因合成所需的各种试剂精准输运到阵列基板模块上的单元阵列上。

控制模块通过控制输出电压高低电平的通断或电压的大小，精准控制阵列单元上阳极和阴极的电位差。通过控制微流控模块，精准控制基因合成所需各种试剂的输运。

Claims

1.一种用于基因序列合成的电极阵列装置，其特征在于，包括基板和形成在基板上的电极阵列，电极单元包含两个电极：阳极和阴极；基板材料为FR-4环氧玻璃布层压板，电极材料为Au、Pt、Ir的一种；基板的上表面除阵列电极外，其它区域附有一层油墨，基板上盖有微流罩；其中：

所述阳极和阴极之间最小的间距为3mil，阳极形状为长方形、正方形、圆形或者不规则图形；阴极位于阳极的外侧，阴极为单独作为一个阵列单元中的阴极，或者在一行阵列单元中作为公用电极；

还包括微流控模块、控制模块；其中：

所述微流控模块，包括比例阀、多路电磁阀、气体微流道、液体微流道；微流控模块用于将基因合成所需的各种试剂精准输运到电极阵列基板模块上的单元阵列上；

所述控制模块通过金属互连线连接电极阵列单元上的阳极和阴极，控制模块通过控制输出电压高低电平的通断或电压的大小，精准控制阵列单元上阳极和阴极的电位差；通过控制微流控模块，精准控制基因合成所需各种试剂的输运；

所述比例阀和多路电磁阀的通断由控制模块控制；气体经过比例阀调节后进入到气体微流道，多路电磁阀控制多条气体支路的通断，这里，气体支路是指气体连通相应试剂瓶的管路，各个试剂瓶中分别存放合成所需要的各种试剂；气体支路打开时试剂瓶中的液体被挤压进液体微流道，液体微流道通过导管与微流罩相连接，将试剂精准输运到电极阵列基板模块中的单元阵列上；通过调节比例阀控制气体流量的大小进而控制液体的流速，通过电磁阀控制气体支路的通断进而控制试剂进样通道。

2. 根据权利要求1所述的用于基因序列合成的电极阵列装置，其特征在于，所述阳极形状为正方形时，大小最小为3mil × 3mil。

3.如权利要求1或2所述的用于基因序列合成的电极阵列装置的控制方法，其特征在于，在用于基因序列合成时，通过控制高低电平的通断或电压的大小，精准控制任意阵列单元上阳极和阴极的电位差，从而控制基因序列合成的具体位点。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，控制阵列单元上阳极和阴极的电位差为0~3.3V；尤其控制阳极和阴极的电位差不低于1.2V，合成的具体部位在电极阵列单元的阳极上。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，具体操作为：

（1）控制阳极和阴极高低电平的通断或电压的大小，确保相邻与相邻的阴极之间有不低于1.2V的电压差；

（2）通入DNA核酸分子，在施加有高电平或较高电压的阳极处，结合通入的DNA分子在无施加高电平或较高电压的阳极处无法结合通入的DNA分子。

6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于，根据控制输出高低电平的通断、控制输出电压的大小、以及在同一行阵列单元中阴极是否作为公共电极，提供多种不同基因合成方式：

基因合成控制方式一：控制输出高低电平的通断且阴极单独作为一个阵列单元的阴极，这时：

（1）控制模块通过是否输出高低电平控制阳极和阴极之间的电位差；

（2）输出高电平电压为：2.4~3.3V，输出低电平电压为：0~0.8V；

（3）基因序列在合成时需满足：阵列单元上的阳极为高电平，阴极为低电平；控制输出高低电平的通断，可控制任意一个阵列单元上基因序列的合成；

基因合成控制方式二：控制输出高低电平的通断且阴极在一行阵列单元中作为公用电极，这时：

（1）控制板通过是否输出高低电平控制阳极和阴极之间的电位差；

基因合成控制方式三：控制输出电压的大小且阴极单独作为一个阵列单元的阴极，这时：

（1）控制板通过输出不同的电压控制阳极和阴极之间的电位差；

（2）输出电压范围0~3.3V；

（3）基因序列在合成时需满足：阵列单元上的阳极和阴极的电压差不低于1.2V；控制输出电压的大小，可控制任意一个阵列单元上基因序列的合成；

基因合成控制方式四：控制输出电压的大小且阴极在一行阵列单元中作为公用电极，这时：

（2）输出电压范围0~3.3V；

（3）基因序列在合成时需满足：阵列单元上的阳极和阴极的电压差不低于1.2V，控制输出电压的大小，可控制任意一个阵列单元上基因序列的合成。