CN112795476B - 纳米孔测序电路、测序方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供了一种纳米孔测序电路、测序方法及装置，其中纳米孔测序电路包括：采集单元电连接纳米孔测序通道，用于采集纳米孔测序通道中产生的第一电信号；周期采样单元输入端电连接采集单元，用于周期性采样第一电信号；复位限流单元用于在周期采样单元完成一个周期采样并复位时，限制周期采样单元内部电信号施加在纳米孔测序通道的第二电信号。根据本公开实施例的纳米孔测序电路、测序方法及装置，在周期采样单元设置复位限流单元，能够在一个采样周期完成后的复位过程中，限制周期采样单元内部电信号施加在纳米孔测序通道上的电信号，可以降低对其他纳米孔测序通道的干扰。

Description

纳米孔测序电路、测序方法及装置

技术领域

本公开属于纳米孔测序技术领域，尤其涉及一种纳米孔测序电路、测序方法及装置。

背景技术

纳米孔测序是将核酸单链穿过纳米孔测序通道，利用不同碱基在经过纳米孔测序通道时引起绝缘膜上电流的变化不同，进而识别碱基。在进行纳米孔测序时的检测手段有许多中，其中的检测手段之一是，采用CTIA（Capacitive Trans-Impedance Amplifier，电容跨阻放大器）采样电路。

标准CTIA采样电路在每个测量周期，先在电容上对要测量的电流信号进行积分，产生电压信号，由放大器输出端将该电压信号输出到后续的信号处理装置，完成一个采样周期，然后进行复位。复位即通过上述电容上并联的开关，将电容放电，恢复初始状态，进行下一次电压信号的积分采样，如此重复，完成核酸单链测序。但是，当通过上述电容进行复位时，复位通道可能会产生冲击性大电流，对附近的CTIA电路单元造成干扰，导致对应的附近纳米孔测序通道的核酸单链识别不准或无法识别，影响测序结果。

发明内容

本公开实施例提供一种纳米孔测序电路、测序方法及装置，能够避免测序过程中，由于采样电路复位导致的纳米孔测序异常。

第一方面，本公开实施例提供一种纳米孔测序电路，电路包括：

采集单元，电连接纳米孔测序通道，用于采集纳米孔测序通道中产生的第一电信号；

周期采样单元，其输入端电连接采集单元，用于周期性采样第一电信号；

复位限流单元，用于在周期采样单元完成一个周期采样并复位时，限制周期采样单元内部电信号施加在纳米孔测序通道的第二电信号。

在一些实施例中，周期采样单元包括运算放大器、积分电容以及复位开关；其中，

运算放大器的同相输入端用于接入偏置电压；

运算放大器的反相输入端电连接采集单元，积分电容电连接在运算放大器的反相输入端与输出端之间，积分电容与复位开关并联。

在一些实施例中，复位限流单元包括第一限流元件，第一限流元件串联在复位开关所在的支路上。

在一些实施例中，复位限流单元包括第二限流元件，第二限流元件串联在周期采样单元的输出端。

在一些实施例中，复位限流单元包括第三限流元件，第三限流元件串联在采集单元与周期采样单元的输入端之间。

在一些实施例中，复位限流单元包括限流结构，限流结构设置在复位开关内部，用于增大复位开关的内阻。

在一些实施例中，采集单元为感测电极。

第二方面，本公开实施例提供了一种纳米孔测序方法，通过上述任一项实施例的纳米孔测序电路实现，方法包括：

通过采集单元，接收纳米孔测序通道中产生的第一电信号；

通过周期采样单元周期性采样第一电信号；

在周期采样单元完成一个周期采样后，进行复位放电。

第三方面，本公开实施例提供了一种测序装置，装置包括纳米孔测序电路，纳米孔测序电路为上述任一项实施例的纳米孔测序电路。

本公开实施例的纳米孔测序电路、测序方法及装置，在周期采样单元设置复位限流单元，能够在一个采样周期完成后的复位过程中，限制周期采样单元内部电信号施加在纳米孔测序通道上的电信号，可以降低对其他纳米孔测序通道的干扰；同时也能在纳米孔所在绝缘膜破损时，降低施加在纳米孔测序通道上电压、减小通过的电流，继而降低对附近其他通道测序信号的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对本公开实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的纳米孔测序电路的结构示意图；

图2是本公开一个具体实施例提供的纳米孔测序电路的结构示意图；

图3是本公开示例中周期采样单元与传统技术中CTIA电路在每个周期内的产生的第二电信号的对比示意图；

图4是本公开实施例提供的纳米孔测序电路在一个具体示例中的结构示意图；

图5是本公开实施例提供的纳米孔测序电路在另一个具体示例中的结构示意图；

图6是本公开实施例提供的纳米孔测序方法流程示意图；

图7是本公开实施例提供的测序装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开，而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本公开的示例来提供对本公开更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在纳米孔测序技术中，标准CTIA电路通过工作电极对纳米孔测序通道中产生的电流进行采样，完成一个采样周期后在复位阶段，会通过标准CTIA电路中电容上并联的开关，把标准CTIA电路中放大器的反向输入端和输出端接通。本申请的发明人发现，由于该放大器的输出阻抗一般在几Ω量级，很容易使放大器反向输入端电压仍然维持在正常测序时的偏置电压，这样复位时复位通道可能会产生冲击性大电流，淹没正常的测序电流信号（一般在几百pA的范围内）。因此CTIA采样电路在复位时容易干扰其他CTIA采样电路的正常测序工作。

为了解决现有技术问题，本公开实施例提供了一种纳米孔测序电路、测序方法及装置。

下面首先对本公开实施例所提供的纳米孔测序电路进行介绍。

图1示出了本公开一个实施例提供的纳米孔测序电路的结构示意图。如图1所示，纳米孔测序电路100包括：

采集单元101，电连接纳米孔测序通道，用于采集纳米孔测序通道中产生的第一电信号；

周期采样单元102，其输入端电连接采集单元，用于周期性采样第一电信号；

复位限流单元103，用于在周期采样单元102完成一个周期采样并复位时，限制周期采样单元102内部电信号施加在纳米孔测序通道的第二电信号。

本实施例中，纳米孔测序通道是分布在绝缘膜上的若干纳米孔结构，若干纳米孔结构形成纳米孔阵列，每个纳米孔可以作为一个测序通道，对穿过测序通道的核酸链进行测序。各纳米孔测序通道均连接公共电极，且各纳米孔测序通道电连接一个采集单元101，采集核酸链穿过测序通道时各碱基对应的电流信号，感测因链上不同碱基引起的电流信号变化，即可以通过周期采样单元102将其采样输出到后续的识别处理器件上，完成基因测序。一个采样周期完成后，本实施例中，通过复位限流单元103限制对周期采样单元102内部电信号施加在纳米孔测序通道上的电信号，可以防止分布密集的纳米孔测序通道在周期采样单元102复位阶段产生的较大电流，干扰甚至覆盖附近其他通道上的电信号采集。

本实施例中，上述的采集单元101可以是感测电极，即工作电极；感测电极可以选用铜基金镀层或铜基银镀层的电极，也可以是其他适合的电信号感应电极。采集单元101对应电连接纳米孔测序通道，可以采集纳米孔测序通道中产生的第一电信号；该第一电信号是核酸链穿过对应纳米孔测序通道时由链上各碱基引起的。

本实施例中，周期采样单元102的输入端电连接采集单元101，可以用于周期性采样第一电信号。本实施例中，周期采样单元102为积分电路模块，采样时，周期采样单元102持续获取第一电信号，以输出到后续的ADC（即A/D转换器）器件和处理器中进行第一电信号的转换和处理识别。一个周期的采样完成后，周期采样单元102进行复位动作。复位时周期采样单元102放电电流对纳米孔测序通道施加电压，周期采样单元102释放在上一次采样时积蓄的电荷完成复位后，可以用于下一周期的采样。

本实施例中，周期采样单元102可以包括运算放大器、积分电容以及复位开关；运算放大器与积分电容可以用于周期积分采样，复位开关用于电路复位。

图2示出了本公开一个具体实施例提供的纳米孔测序电路的结构示意图。如图2所示，周期采样单元102可以采用CTIA（Capacitive Trans-Impedance Amplifier，电容跨阻放大器）电路；具体包括跨阻放大器U₁、积分电容C_INT和复位开关K₁；其中，

跨阻放大器U₁的同相输入端用于接入偏置电压V_P；

跨阻放大器U₁的反相输入端电连接采集单元101，积分电容C_INT电连接在跨阻放大器U₁的反相输入端与输出端之间，积分电容C_INT与复位开关K₁并联。

如图2所示，纳米孔测序通道T_1、T₂等均连接公共电极G，纳米孔测序通道与工作电极具有一一对应的连接关系。采样时，复位开关K₁断开，跨阻放大器U₁的同相输入端接入偏置电压V_P，跨阻放大器U₁工作，感测电极E₁持续采集对应纳米孔测序通道T₁中的电流信号，也即第一电信号。第一电信号传输到积分电容C_INT后，积分电容C_INT对输入的第一电信号进行积分，产生电压信号（也即第三电信号，下同），并由跨阻放大器U₁的输出端将该电压信号输出，以传输到后续的ADC器件进行信号转换，再由处理器对转换后的数字信号进行计算处理和识别。

复位时，复位开关K₁闭合，跨阻放大器U₁的输出端与反相输入端导通，积分电容C_INT放电。由于跨阻放大器U₁的输出阻抗较低，施加在纳米孔测序通道T₁的电压容易为偏置电压V_P（V_P=V_-），会使周期采样单元在复位开关K₁导通状态下形成的复位通道产生比正常信号范围（也即第一电信号范围）大几个数量级的电流I。而复位开关K₁断开时，此电流I又立即降至零。这个幅度很大的交变电流，会通过各纳米孔测序通道之间的感性耦合，严重干扰其它通道的正常工作。且施加在低阻抗输入端的电压，也会在周期采样单元的每个采样周期内不断跳变，通过各测序通道之间的容性耦合造成干扰。

本实施例中，纳米孔测序电路通过设置复位限流单元103，用于在周期采样单元102完成一个周期采样并复位时，限制周期采样单元102内部电信号施加在纳米孔测序通道的第二电信号。这样，当复位开关闭合时，纳米孔测序通道上经过的第二电信号极小，小于正常的测序信号，从而避免对其他通道的测序工作造成干扰。

在一个具体示例中，周期采样单元102可以包括第一限流元件，第一限流元件串联在复位开关所在的支路上。如图2所示，本示例中，第一限流元件可以选用限流电阻元件R_LIM，限流电阻元件R_LIM串联在复位开关K₁所在的支路上，具有限流和分压的作用。这样当复位开关K₁闭合时，由于在复位开关K₁导通的电路上串联了限流电阻元件R_LIM，可以限制该电路上通过的电流大小，避免复位开关K₁导通的电路上的电流对其他测序电路产生干扰。

而且，本示例也适用于纳米孔所在的绝缘膜破损的工作场景中。由于纳米孔的等效电阻非常大，一般在几百MΩ到几GΩ之间，而当纳米孔所在的绝缘膜破损时，对应的所在输入通道的等效电阻会变得非常低，一般在几十kΩ量级。这样周期采样单元在复位开关K₁导通状态下，周期采样单元内部的放电电流对破损的绝缘膜施加电压，会产生达到几十μA量级的电流，远高于几百pA的正常测序电流信号。本示例中，通过串联在复位开关所在的支路上的第一限流元件，可以降低周期采样单元施加在对应纳米孔测序通道T₁的电压。即使当测序通道T₁出现异常，阻抗很低时，也不会在电路复位阶段产生过大的电流，进而避免对其它正常检测微弱测序电流的测序通道造成干扰。

图3示出了本公开示例中周期采样单元与传统技术中CTIA电路在每个周期内的产生的第二电信号的对比示意图。如图3所示，是从一个复位阶段到积分阶段、再到另一个复位阶段的过程中的波形变化，其中用波形V_O0和V_O1分别表示放大器输出信号V_O在正常的输入通道（纳米孔所在的绝缘膜完好）和未设置第一限流元件的CTIA电路的波形；图3中用V_-1和V_-2分别表示在输入阻抗低时（如绝缘膜破损）传统技术中CTIA电路的输出端与本公开示例中周期采样单元输出端施加在输入通道上的偏置电压，V_-0表示正常的通道上的理想电压；图3中用I₁和I₂分别表示输入阻抗低时（如绝缘膜破损）传统技术中CTIA电路与本公开示例中周期采样单元在输入通道上的产生的电流I,I₀表示正常的通道上的理想电流。

由图3 可以看出，采用本公开实施例的方法，测序电路上的电压V-和电流I的跳变会大大减小（R_LIM取值合适的情况下，可减小几个数量级），从而大大降低对其它检测通道的干扰。

在其他可选示例中，周期采样单元可以包括第二限流元件，第二限流元件串联在周期采样单元的输出端。

图4示出了本公开实施例提供的纳米孔测序电路在一个具体示例中的结构示意图。本示例中，第二限流元件可以选用限流电阻元件R4_LIM，限流电阻元件R4_LIM串联在周期采样单元中运算放大器U₁的输出端，降低该放大器反相输入端的电压V-。这样当复位开关K₁闭合时，通过限制施加在纳米孔测序通道T₁上的电压信号，可以降低测序通道T₁上产生电流I的大小，避免纳米孔测序通道T₁在电路复位阶段产生较大的干扰电流而对附近其他通道产生影响。

在其他可选示例中，周期采样单元可以包括第三限流元件，第三限流元件串联在采集单元与周期采样单元的输入端之间。

图5示出了本公开实施例提供的纳米孔测序电路在一个具体示例中的结构示意图。本示例中，第三限流元件可以选用限流电阻元件R5_LIM，限流电阻元件R5_LIM串联在感测电极E₁与跨阻放大器U₁的反相输入端之间，可以降低施加在纳米孔测序通道T₁上的电压信号，限制复位开关K₁闭合后导通电路上通过的电流I。而且即使当测序通道T₁出现异常，阻抗很低时，也不会产生过大的电流，进而避免对其它正常检测微弱测序电流的通道造成干扰。

本公开实施例中的复位限流单元的各示例中，采用限流电阻时，限流电阻的型号和电阻值大小可以根据实际测序电路需要进行适应性选择，只要能够达到其在周期采样单元完成一个周期采样并复位时，限制周期采样单元内部电信号施加在纳米孔测序通道的第二电信号的这一功能即可，本实施例不做唯一限定。

在本实施例的其他可选实施例中，复位限流单元可以包括限流结构，限流结构设置在复位开关内部，用于增大复位开关的内阻。本示例中，限流结构可以通过在复位开关内部构造能够增大导通内阻的电路结构，或者通过复位开关内部相关导电结构的材料的改变来增大导通内阻，达到相当于在复位开关内部实现限流电阻的效果。

图6示出了本公开实施例提供的一种纳米孔测序方法流程示意图，本实施例的方法可以通过上述图1示出的纳米孔测序电路实施，如图6所示的，方法包括：

S601.通过采集单元101，接收纳米孔测序通道中产生的第一电信号；

S602.通过周期采样单元102周期性采样第一电信号；

S603.在周期采样单元102完成一个周期采样后，进行复位放电；其中，复位放电时，通过复位限流单元103限制周期采样单元内部电信号施加在纳米孔测序通道的第二电信号。

需要说明的是，上述方法实施例涉及的各步骤的所有相关内容均可以基于对应功能单元实施，并能达到其相应的技术效果，为简洁描述，在此不再赘述。

另外，基于上述实施例中的纳米孔测序电路，本公开实施例还提供了一种测序装置。装置包括图1示出的纳米孔测序电路，装置可应用于核酸测序。

本领域技术人员可以理解，实际应用中，测试装置中，纳米孔测序电路可设置一个、两个或多个，各纳米孔测序电路并列设置，每纳米孔测序电路可以被独立控制，单独进行测序工作。

图7示出了本公开一个具体实施例提供的测序装置的结构示意图。如图7所示，测序装置包括图1示出的纳米孔测序电路，还可以包括DAC单元701、ADC单元702以及控制器703；其中：

DAC单元701通过自身I/O端口与控制器703的I/O端口电连接，用于获取控制器703的第一控制信号，产生周期采样单元102的工作电压（也即偏置电压），以输出至周期采样单元102；

ADC单元702的I/O端口与控制器703的I/O端口电连接，且ADC单元702的输入端电连接纳米孔测序电路中周期采样单元102的输出端。ADC单元702用于接收控制器703的第二控制信号，继而获取周期采样单元102输出的第三电信号，以将第三电信号转换为数字信号输出到控制器703；第三电信号，是周期采样单元102获取采集单元101采集的第一电信号后，进行采样处理后输出的；

控制器703的I/O端口电连接DAC单元701和ADC单元702的I/O端口，用于输出第一控制信号和第二控制信号；并用于接收ADC单元702转换得到的数字信号，以对数字信号进行识别处理。

一个采样周期完成后，周期采样单元102复位放电，复位限流单元103限制周期采样单元102内部电信号施加在纳米孔测序通道的第二电信号，防止对邻近的其他测序电路造成干扰。

本示例中，DAC单元701可以是数模转换器，将控制器输入的数字信号转换为模拟信号，产生控制周期采样单元的工作电压并输出。ADC单元702可以是模数转换器，将周期采样单元输出的电压信号（也即第三电信号）转换为数字信号。控制器703可以包括MCU或FPGA处理芯片，至少具有控制DAC单元与ADC单元进行信号转换、以及接收数字信号进行处理的功能。

本领域技术人员可以理解，上述纳米孔测序电路、DAC单元、ADC单元和控制器等均可以以固定的连接电路，设置在一个装置壳体内，装置壳体的形状大小不做唯一限定。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纳米孔测序电路，其特征在于，包括：

采集单元，电连接纳米孔测序通道，用于采集所述纳米孔测序通道中产生的第一电信号；

周期采样单元，其输入端电连接所述采集单元，用于周期性采样所述第一电信号；

复位限流单元，用于在所述周期采样单元完成一个周期采样并复位时，限制所述周期采样单元内部电信号施加在所述纳米孔测序通道的第二电信号；

所述周期采样单元包括运算放大器、积分电容以及复位开关；所述运算放大器与积分电容用于周期性积分采样所述第一电信号，所述复位开关用于在所述周期采样单元完成一个周期采样后电路复位；

所述复位限流单元包括限流元件或限流结构。

2.根据权利要求1所述的纳米孔测序电路，其特征在于，所述周期采样单元中，

所述运算放大器的同相输入端用于接入偏置电压；

所述运算放大器的反相输入端电连接所述采集单元，且所述积分电容电连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端之间，所述积分电容与所述复位开关并联。

3.根据权利要求2所述的纳米孔测序电路，其特征在于，所述复位限流单元包括第一限流元件，所述第一限流元件串联在所述复位开关所在的支路上。

4.根据权利要求2所述的纳米孔测序电路，其特征在于，所述复位限流单元包括第二限流元件，所述第二限流元件串联在所述周期采样单元的输出端。

5.根据权利要求2所述的纳米孔测序电路，其特征在于，所述复位限流单元包括第三限流元件，所述第三限流元件串联在所述采集单元与所述周期采样单元的输入端之间。

6.根据权利要求2所述的纳米孔测序电路，其特征在于，所述复位限流单元包括限流结构，所述限流结构设置在所述复位开关内部，用于增大复位开关的内阻。

7.根据权利要求1所述的纳米孔测序电路，其特征在于，所述采集单元为感测电极。

8.一种纳米孔测序方法，通过权利要求1-7任一项所述的纳米孔测序电路实现，其特征在于，包括：

通过采集单元，接收所述纳米孔测序通道中产生的第一电信号；

通过周期采样单元周期性采样所述第一电信号；

在所述周期采样单元完成一个周期采样后，进行复位放电。

9.一种测序装置，其特征在于，包括纳米孔测序电路，所述纳米孔测序电路为包含权利要求1-7任一项所述的纳米孔测序电路。

Images