CN113493735B - 基因测序阵列结构和基因测序装置 - Google Patents

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Abstract

本公开实施例提出一种基因测序阵列结构和基因测序装置。该基因测序阵列结构包括至少一个列单元；所述列单元包括：至少一个检测单元，所述检测单元包括测试腔和连接所述测试腔的第一控制单元；一个冗余单元，所述冗余单元包括冗余腔和连接所述冗余腔的第二控制单元；读出电路，连接所述第一控制单元和第二控制单元，用于通过对所述测试腔和冗余腔的累积电荷的相关双采样来对所述测试腔的累积电荷进行转移和放大。本公开实施例可以用于对高速通过纳米孔的核苷酸类型进行判断，以实现更准确的核酸测序。

Description

基因测序阵列结构和基因测序装置
技术领域
本公开属于生物检测技术领域，具体而言，涉及一种基因测序阵列结构和基因测序装置，可用于高速检测核苷酸的碱基类型从而实现测序，并易于大规模扩展。
背景技术
基于纳米孔的核酸测序概念于1995年被提出。研究者发现，某些跨膜蛋白，例如细菌毒素α-hemolysin等能在磷脂膜上形成稳定的直径约为1-2纳米的通道，称为纳米孔(nanopore)。单链的DNA(或RNA)分子由于自身的带电性质，在电场中会自发的穿过纳米孔，并在穿越的过程中引起纳米孔电阻的变化，产生所谓的阻断电流。DNA(RNA)四种不同的碱基A、T(U)、C和G由于自身化学结构的差异，它们穿越纳米孔时对电流产生的阻断影响具有可识别的差异，产生各自对应的特征阻断电流。对特征阻断电流进行准确检测便可以确定相应碱基的类型，从而测定核酸序列。
现有的通过纳米孔测序的方式主要为两种，一种方式以Oxford NanoporeTechnologies的系统为代表，直接让DNA单链分子穿过纳米孔并依次读取其碱基所对应的特征阻断电流。然而，由于不同碱基给出的特征电流差异小，多个碱基可同时停留在纳米孔中让阻断电流表征非常复杂，这对测序后期的电流数据分析提出了极高的要求。更重要的是，此系统对一段连续相同碱基的DNA序列(homopolymer)测定有着难以克服的困难。另一种方式以Genia Technologies(目前属于Roche Sequencing Solutions)所采用的系统为代表，利用经修饰的核苷酸类似物在核酸合成的同时进行测序。虽然对用于复制的核苷酸加上标签能提高不同碱基所对应的特征阻断电流的识别度，同时单个核苷酸标签进入纳米孔的时间间隔也有助于测定连续相同碱基的核酸序列(homopolymer)，但此系统却难以保证每个用于合成的核苷酸的标签都进入纳米孔给出阻断电流，从而造成测序过程中的漏读(deletion error)；也难以避免核苷酸标签阻断电流被读取，但核苷酸本身却并未真正参与合成反应的情况，造成信号被多余读取的错误(insertion error)。要解决这个问题，除了能检测核苷酸标签以外，还应能够直接检测核苷酸本身。由于核苷酸通过纳米孔速度较快，因此，需要更高速的检测电路才能检测。
发明内容
本公开实施例提供一种基因测序阵列结构和基因测序装置，用于在相同噪声水平下实现更高速的采样速率，实现更准确的核酸测序。
第一方面，本公开实施例提出一种基因测序阵列结构，包括：至少一个列单元；所述列单元包括：
至少一个检测单元，所述检测单元包括测试腔和连接所述测试腔的第一控制单元；
一个冗余单元，所述冗余单元包括冗余腔和连接所述冗余腔的第二控制单元；
读出电路，连接所述第一控制单元和第二控制单元，用于通过对所述测试腔和冗余腔的累积电荷的相关双采样来对所述测试腔的累积电荷进行转移和放大。
在可选的实施方式中，所述测试腔和冗余腔均包括由膜分隔的第一隔室和第二隔室，以及连接至所述第一隔室的第一电极和连接至所述第二隔室的第二电极；所述测试腔和冗余腔的第一电极连接公共电极端，所述测试腔的第二电极连接所述第一控制单元，所述冗余腔的第二电极连接所述第二控制单元；其中，所述测试腔的膜上具有纳米孔，所述冗余腔的膜上没有纳米孔。
在可选的实施方式中，所述第一控制单元和第二控制单元均包括第一复位开关和读出开关；所述第一复位开关的第一端连接列参考电压，第二端连接所述第二电极，用于将所述膜的电容电压复位；所述读出开关的第一端连接所述第二电极，第二端连接所述读出电路，用于将所述膜的电容电荷引导至所述读出电路。
在可选的实施方式中，所述至少一个列单元中，位于同一行的检测单元或冗余单元连接共享的行复位信号，位于同一列的检测单元和冗余单元连接共享的列参考电压和列输出信号。
在可选的实施方式中，所述列单元还包括列复位禁止开关，所述检测单元和冗余单元经由所述列复位禁止开关连接至共享的列参考电压。
在可选的实施方式中，所述列单元还包括列输出禁止开关，所述检测单元和冗余单元经由所述列输出禁止开关连接至所述读出电路。
在可选的实施方式中，所述行复位信号连接至所述同一行的检测单元或冗余单元的所述第一复位开关的控制端，用于复位所述同一行的检测单元或冗余单元的膜的电容电压。
在可选的实施方式中，所述读出电路包括：
第一放大电路，用于对所述测试腔和冗余腔的膜电容电荷进行转移和放大；
相关双采样(CDS)电路，用于对所述测试腔和冗余腔的膜电容电荷进行相关双采样，消除所述第一放大电路的失调电压；
第二放大电路，用于对所述CDS电路的输出进行电荷转移和放大。
在可选的实施方式中，所述第一放大电路包括第一运算放大器、第一反馈电容和第二复位开关；其中，所述第一运算放大器的正相输入端输入所述列参考电压，反相输入端连接所述读出开关的第二端，所述第一反馈电容和第二复位开关并联在所述第一运算放大器的反相输入端和输出端；所述第一运算放大器在所述第一反馈电容的作用下对所述膜电容电荷进行转移放大，所述第二复位开关用于对所述第一反馈电容进行复位。
在可选的实施方式中，所述CDS电路包括采样电容、采样开关、保持开关、CDS电容和CDS采样开关；其中，所述采样开关的第一端连接所述第一放大电路的输出，第二端连接所述采样电容和所述CDS电容的第一端，用于将所述第一放大电路的输出电压导入所述采样电容或者所述CDS电容；所述保持开关的第一端连接所述CDS电容的第二端，第二端连接所述第二放大电路；所述采样电容的第二端连接所述列参考电压；所述CDS采样开关的第一端连接CDS电容的第二端，第二端连接所述列参考电压，用于存储所述第一放大电路的输出。
在可选的实施方式中，所述第二放大电路包括第二运算放大器、第二反馈电容和第三复位开关；其中，所述第二运算放大器的正相输入端连接至所述列参考电压，所述第二反馈电容和第三复位开关并联在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端；所述第二运算放大器在所述第二反馈电容的作用下对所述CDS电路的输出进行电荷转移和放大，所述第三复位开关用于对所述第二反馈电容进行复位。
在可选的实施方式中，所述列单元还包括模数转换电路，所述模数转换电路连接至所述第二放大电路，用于将所述第二放大电路的输出转换为数字信号并采样。
在可选的实施方式中，位于同一列的所述检测单元的第一控制单元和冗余单元的第二控制单元以时分复用的方式依次连通所述读出电路。
在可选的实施方式中，所述至少一个列单元中，位于不同行的行复位信号以时分复用的方式顺序作用，以控制所述第一复位开关复位所述同一行的检测单元或冗余单元的膜电容电压。
第二方面，本公开实施例提出一种基因测序装置，包括如前述任一实施方式所述的基因测序阵列结构。
本公开实施例采用电荷转移的方式直接读取测试腔和冗余腔的膜电容累积电荷，采用相关双采样的方式消除读出电路放大过程的失调电压，从而降低采样噪声，因此可以做到相同噪声水平下更高速的采样速率，从而提高核酸测序的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图逐一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是根据本公开一实施例的基因测序阵列结构中单个列单元的结构示意图；
图2是根据本公开一实施例的基因测序阵列结构中测试腔和冗余腔的等效电路模型示意图；
图3是根据本公开一实施例的基因测序阵列结构中检测单元和冗余单元的电路结构示意图；
图4是根据本公开一实施例的基因测序阵列结构的示意图；
图5是根据本公开一实施例的读出电路的电路结构示意图；
图6是根据图5所示的读出电路的信号波形示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
本公开提出一种基因测序阵列结构，采用电荷转移的方式直接测量存储于检测单元和冗余单元中的累积电荷，并通过相关双采样消除放大过程的失调电压来降低噪声，从而可以对高速通过纳米孔的核苷酸类型进行判断，以实现更准确的核酸测序。
图1是根据本公开实施例的基因测序阵列结构中单个列单元的结构示意图。如图1所示，本公开实施例的基因测序阵列结构中单个列单元包括：
至少一个检测单元，该检测单元包括测试腔102和连接至测试腔102的控制单元104；
一个冗余单元，该冗余单元包括冗余腔108和连接至冗余腔的控制单元104；
读出电路110，连接该检测单元和冗余单元的控制单元104，用于通过对该测试腔102和冗余腔108的累积电荷的相关双采样(CDS)来对该测试腔中的累积电荷进行转移和放大。
本公开实施例中，读出电路将检测单元的测试腔102和冗余单元的冗余腔108中累积的电荷进行转移放大，采用相关双采样的方式消除放大过程的失调电压来降低噪声。当该列单元组成基因测序阵列结构，该基因测序阵列结构可以用于对高速通过纳米孔的核苷酸类型进行判断，以实现更准确的核酸测序。
其中，该测试腔102包括由膜109分隔的第一隔室106和第二隔室107，以及连接至第一隔室106的第一电极101(公共电极)和连接至第二隔室107的第二电极103(工作电极)，所有测试腔的第一电极101连接相同的命令电压VCMD，该第二电极103连接控制单元104。在一个实施方式中，膜109可以是磷脂双分子膜，其上具有纳米孔105。
类似地，该冗余腔108也包括由膜109分隔的第一隔室106和第二隔室107，以及连接至第一隔室106的第一电极101(公共电极)和连接至第二隔室107的第二电极103(工作电极)，该第一电极101连接相同的命令电压VCMD，该第二电极103连接控制单元104。与测试腔102不同的是，该冗余腔108中膜109没有纳米孔105。
与测试腔102相连的该控制单元104用于周期性将测试腔102中的纳米孔膜电容重置到列参考电压，并和第一电极101形成正或者负的电压差，推动核苷酸分子通过该膜109上的纳米孔105在该第一隔室106和第二隔室107之间双向运动。由于核苷酸分子通过纳米孔105时会形成不同的纳米孔电阻(例如250MΩ～20GΩ)，并导致膜电容充电或者放电电流变化，从而在采样周期(例如100μs)内形成不同的特征电压。
类似地，与冗余腔108相连的该控制单元104用于周期性将冗余腔108中的膜电容重置到列参考电压。
在可选的实施方式中，如图1所示，不同检测单元和冗余单元中的控制单元104还可以采取时分复用的方式依次连通读出电路110，将对应测试腔102和冗余腔108中膜109上累积的电荷转移至读出电路110中进行滤波和放大，最终输出至模数转换器111进行采样。
图2是本公开实施例的基因测序的阵列结构中测试腔和冗余腔的等效电路模型示意图。如图2所示，从电学特性上，带纳米孔的测试腔201可以等效为纳米孔等效模型217，其中公共电极202和公共电极207对应，工作电极203和工作电极210对应，磷脂双分子膜205和纳米孔204则等效为等效膜电容206(例如1～2pF)和并联的纳米孔等效电阻209(例如250MΩ～20GΩ)，第一隔室205中溶液等效为第一隔室等效电阻208(例如1KΩ～10KΩ)，第二隔室206中溶液等效为第二隔室等效电阻211(例如1KΩ～10KΩ)。
不带纳米孔的冗余腔(如图1中108)，则由于没有纳米孔存在，等效为冗余单元等效模型218。其中公共电极202和公共电极213对应，工作电极203和工作电极215对应，磷脂双分子膜205等效为等效膜电容212(例如1～2pF)，第一隔室205中溶液等效为第一隔室等效电阻214(例如1KΩ～10KΩ)，第二隔室206中溶液等效为第二隔室等效电阻216(例如1KΩ～10KΩ)。
在可选的实施方式中，如图3所示，检测单元301包括复位开关303，其第一端连接列参考电压302，第二端连接测试腔等效模型217的工作电极210。还包括读出开关304，其第一端连接测试腔等效模型217的工作电极210，第二端连接读出电路110。其中，复位开关303用于周期性复位等效膜电容206，读出开关304用于周期性将等效膜电容206中累积的电荷转移到读出电路110。在可选的实施方式中，复位开关303的控制端(图3中未示出)可以连接复位信号，该复位开关303在该复位信号的作用下周期性复位等效膜电容206。复位开关303的复位周期和读出开关304的读出周期决定于系统采样率和可接受的系统信噪比。在可选的实施方式中，复位周期和读出周期至少为100μs。
在可选的实施方式中，如图3所示，冗余单元308包括复位开关305，其第一端连接列参考电压306，第二端连接冗余腔等效模型218的工作电极215。还包括读出开关307，其第一端连接冗余腔等效模型218的工作电极215，第二端连接读出电路110。其中，复位开关305用于周期性复位等效膜电容212，读出开关307用于周期性将等效电容212中累积的电荷转移到读出电路110。在可选的实施方式中，复位开关305的控制端(图3中未示出)可以连接复位信号，该复位开关305在该复位信号的作用下周期性复位等效膜电容212。复位开关305的复位周期和读出开关307的读出周期决定于系统采样率和可接受的系统信噪比。在可选的实施方式中，复位周期和读出周期至少为100μs。
图4是根据本公开一实施例的基因测序阵列结构的示意图。如图4所示，本实施例的基因测序阵列结构中，检测单元406(对应图3中的检测单元301)，冗余单元407(对应图3中的冗余单元308)可以通过共享的行复位信号401、共享的列参考电压信号403以及共享的列输出信号404构成阵列。
其中，共享的行复位信号401连接至同行的每个检测单元406的第一复位开关303的控制端，用于控制其开闭从而达到重置相应检测单元的膜电容的目的，或者连接至同行的每个冗余单元407的复位开关305的控制端，用于控制其开闭从而达到重置相应冗余单元的膜电容的目的。共享的列参考电压403连接至每列的每个检测单元406的复位开关303的第一端和冗余单元407的复位开关305的第一端，用于在复位开关303或者复位开关305闭合的时候将列参考电压传递至相应的检测单元或冗余单元的工作电极。不同行的行复位信号401以时分复用的方式顺序作用。时分复用的时间宽度决定于每列中包含的检测单元和冗余单元的数量和采样周期。每列共享的列参考电压403在阵列工作过程中保持不变。每列共享的列输出信号404则在每行单元复位的同时，根据流水线阵列扫描的方向，闭合相邻行(上一行或者下一行)的检测单元的读出开关304或者冗余单元的读出开关307，输出相应单元的膜电容的累积电荷至读出电路406，从而以流水线的工作方式保证每个单元从重置到电荷输出的充放电时间最大化。
在可选的实施方案中，如图4所示，由于对应单元的工作状态可能异常，需要在工作过程中禁止该单元。因此，可以在列参考电压输入端进一步增加列复位禁止开关402，列复位禁止开关402的第一端连接列参考电压403，第二端连接每列中的检测单元406的复位开关303的第一端和冗余单元407的复位开关305的第一端，用于在选通某行单元复位的时候，从阵列外部断开其参考电压。相应地，还可以在列输出信号404连接读出电路406的中间加入列输出禁止开关405，列输出禁止开关405的第一端连接共享的列输出信号404，第二端连接读出电路406，用于在选通某行单元输出的时候，断开该单元和读出电路之间的连接。列复位禁止开关402和列输出禁止开关405能够保证需要禁止的检测单元在复位、读出和充放电过程中工作电极210始终处于浮空状态，从而保证该单元纳米孔没有电流通过而被禁止。
在可选的实施方式中，如图5所示，读出电路包括第一放大电路，相关双采样(Correlated Double Sampling，简称CDS)电路和第二放大电路。
相关双采样(CDS)是通常用于CCD成像中的噪音抑制技术，由于CCD每个像元的输出信号中既包含有光敏信号，也包含有复位脉冲信号，若在光电信号的积分开始时刻和积分结束时刻，分别对输出信号采样，两次采样的噪声电压相差无几，将两次采样值相减，就可以基本消除复位噪声的干扰，得到信号电平的实际有效幅值。本公开实施例基于CDS采样原理在读出电路中引入了CDS电路，用于对检测单元的测试腔和冗余单元的冗余腔中的膜电容电荷进行转移和放大存储并相减，消除第一放大电路产生的失调电压和低频噪声，从而降低电路整体噪音。
其中，第一放大电路包括运放513、反馈电容512(Cf1)和复位开关511(RST1)，其中，运放513的正相输入端连接列参考电压VCM514，反相输入端连接列输出禁止开关523的第二端，列输出禁止开关523的第一端连接阵列中检测单元的读出开关507(对应图3中304)的第二端和冗余单元的读出开关510(对应图3中307)的第二端，反馈电容512和复位开关511并联在运放513的反相输入端和输出端；运放513在反馈电容512的作用下对阵列中检测单元406中存储的电荷进行转移放大，复位开关511用于对反馈电容512进行周期性复位。反馈电容512的典型值为100μF，考虑纳米孔电阻不变的情况下，对于固定的纳米孔电极压差，纳米孔充放电幅度和膜电容值成反比，而第一放大电路的增益和膜电容值成正比，因此第一放大电路最终得到的放大信号仅和纳米孔电阻相关并一一对应而和膜电容值无关。
CDS电路包括采样电容516、采样开关515、保持开关519，CDS电容517和CDS采样开关518。其中，采样开关515的第一端连接运放513的输出端，第二端连接采样电容516和CDS电容517的第一端，用于采样或者CDS采样时将第一放大电路的电压导入采样电容516或者CDS电容517。保持开关519的第一端连接至CDS电容517的第二端，用于将CDS采样后存储在采样电容516和CDS电容517中的电荷转移到第二放大电路。采样电容516的第一端连接采样开关515的第二端，第二端连接列参考电压VCM514。CDS电容517的第一端连接采样开关515的第二端，第二端连接保持开关519的第一端。CDS采样开关518的第一端连接CDS电容517的第二端，第二端连接列参考电压VCM514，用于存储CDS采样时第一放大电路的输出。
第二放大电路包括运放522、反馈电容521(Cf2)和复位开关520(RST2)。其中，运放522的正相输入端连接至列参考电压VCM514，反相输入端连接至保持开关519的第二端。反馈电容521和复位开关520并联在运放522的反相输入端和输出端。运放522在反馈电容521的作用下对CDS电路的输出进行电荷转移和进一步放大。复位开关520用于对反馈电容521进行周期性复位。第二放大电路的增益由CDS电容517和采样电容516的串联电容值和反馈电容521的电容值的比值决定，反馈电容521的电容典型值为100μF，而第二放大电路的增益典型值为2～3，因此CDS电容517和采样电容516的串联电容典型值为200～300μF。
图6是根据图5所示的读出电路的信号波形示意图，表示图5所示的读出电路运行时具体的时序。如图6所示，对于阵列中任意检测单元，其工作时序分为自动归零602、采样603和保持604，总长度单元采样周期T 601为系统采样周期/列检测单元数量。如无特别说明，列输出禁止开关523在后续描述中始终闭合。波形图中RST是图5中列复位开关506的控制信号，RST_DUMMY是图5中冗余单元复位开关508的控制信号，SMP是图5中列读出开关507的控制信号，SMP_DUMMY是图5中冗余单元读出开关510的控制信号，RST1是图5中第一放大电路复位开关511的控制信号，RST2是图5中第二放大电路复位开关520的控制信号，CDS2是图5中CDS采样开关518的控制信号，以上开关控制信号在高电平时使对应开关闭合，低电平时使对应开关断开。CDS1是图5中采样开关515和保持开关519的控制信号，高电平时使保持开关519闭合，采样开关515断开，低电平时使保持开关519断开，采样开关515闭合。
其中，当电路处于自动归零602状态时，采样开关515和CDS采样开关518一直闭合，保持开关519断开，列读出开关507断开。复位开关511首先快速将反馈电容512重置后断开，然后开启冗余单元读出开关510，冗余腔505中膜电容的存储电压值以及第一放大电路可能的失调电压叠加转移至CDS电容517并放大，然后断开冗余单元读出开关510和CDS采样开关518。由于冗余腔采样之前存储的电压为参考电压VCM，因此此时CDS电容517中存储的是经过放大的第一放大电路的失调值。
当电路处于采样状态603时，复位开关511首先快速将反馈电容512重置后断开，然后开启检测单元列读出开关507，由于采样开关515闭合，此时测试腔502中膜电容在采样周期中累积的电压将转移至采样电容516并放大。在进入保持状态604之前，第二放大电路和冗余单元电路将被重置。另外，在读出检测单元电荷的同时，其前一行的检测单元由于电荷在上个采样周期被读出，本周期将被重启并开始下一轮充放电过程。本状态结束时采样电容516中存储的是测试腔的膜电容的累积电压叠加运放513失调电压后的放大结果。
当电路处于保持状态604时，检测单元列读出开关507断开，采样开关515断开，保持开关519闭合，此时存储于采样电容516的电压将减去存储于CDS电容517中的电压，并转移至反馈电容521中进一步放大，形成最终的电压送往模数转换单元采样。由于冗余单元和检测单元的膜是在相同的生化条件下生成，因此可以期望其具有相近的电容值，因此，第一放大电路对于检测单元和冗余单元的增益倍数应近似相等。通过CDS电路的转换可以认为运放513的失调电压将在运放522的输出中基本被消掉。
本公开还提出一种基因测序装置，该基因测序装置包括如前述任一实施例所述的阵列结构。
本公开实施例的基因测序阵列结构及其装置采用电荷转移的方式直接测量测试腔和冗余腔的累积电荷，并采用相关双采样的方式消除读出电路放大过程中的失调电压，降低检测噪声，从而可以对高速通过纳米孔的核苷酸类型进行判断，以实现更准确的核酸测序。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些变化和改进也应视为落入本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种基因测序阵列结构，包括：至少一个列单元；所述列单元包括：
至少一个检测单元，所述检测单元包括测试腔和连接所述测试腔的第一控制单元；
一个冗余单元，所述冗余单元包括冗余腔和连接所述冗余腔的第二控制单元；
读出电路，连接所述第一控制单元和第二控制单元，用于通过对所述测试腔和冗余腔的累积电荷的相关双采样来对所述测试腔的累积电荷进行转移和放大，
其特征在于，
所述测试腔和冗余腔均包括由膜分隔的第一隔室和第二隔室，以及连接至所述第一隔室的第一电极和连接至所述第二隔室的第二电极；所述测试腔和冗余腔的第一电极连接公共电极端，所述测试腔的第二电极连接所述第一控制单元，所述冗余腔的第二电极连接所述第二控制单元；其中，所述测试腔的膜上具有纳米孔，所述冗余腔的膜上没有纳米孔，
其中，所述第一控制单元和第二控制单元均包括第一复位开关和读出开关；所述第一复位开关的第一端连接列参考电压，第二端连接所述第二电极，用于将所述膜的电容电压复位；所述读出开关的第一端连接所述第二电极，第二端连接所述读出电路，用于将所述膜的电容电荷引导至所述读出电路，其中，所述读出电路包括：
第一放大电路，用于对所述测试腔和冗余腔的膜电容电荷进行转移和放大；
相关双采样(CDS)电路，用于对所述测试腔和冗余腔的膜电容电荷进行相关双采样，消除所述第一放大电路的失调电压；
第二放大电路，用于对所述CDS电路的输出进行电荷转移和放大，
其中，所述第一放大电路包括第一运算放大器、第一反馈电容和第二复位开关；其中，所述第一运算放大器的正相输入端输入所述列参考电压，反相输入端连接所述读出开关的第二端，所述第一反馈电容和第二复位开关并联在所述第一运算放大器的反相输入端和输出端；所述第一运算放大器在所述第一反馈电容的作用下对所述膜电容电荷进行转移放大，所述第二复位开关用于对所述第一反馈电容进行复位，
其中，所述CDS电路包括采样电容、采样开关、保持开关、CDS电容和CDS采样开关；其中，所述采样开关的第一端连接所述第一放大电路的输出，第二端连接所述采样电容和所述CDS电容的第一端，用于将所述第一放大电路的输出电压导入所述采样电容或者所述CDS电容；所述保持开关的第一端连接所述CDS电容的第二端，第二端连接所述第二放大电路；所述采样电容的第二端连接所述列参考电压；所述CDS采样开关的第一端连接CDS电容的第二端，第二端连接所述列参考电压，用于存储所述第一放大电路的输出。
2.根据权利要求1所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述至少一个列单元中，位于同一行的检测单元或冗余单元连接共享的行复位信号，位于同一列的检测单元和冗余单元连接共享的列参考电压和列输出信号。
3.根据权利要求2所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述列单元还包括列复位禁止开关，所述检测单元和冗余单元经由所述列复位禁止开关连接至共享的列参考电压。
4.根据权利要求3所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述列单元还包括列输出禁止开关，所述检测单元和冗余单元经由所述列输出禁止开关连接至所述读出电路。
5.根据权利要求2所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述行复位信号连接至所述同一行的检测单元或冗余单元的所述第一复位开关的控制端，用于复位所述同一行的检测单元或冗余单元的膜的电容电压。
6.根据权利要求1所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述第二放大电路包括第二运算放大器、第二反馈电容和第三复位开关；其中，所述第二运算放大器的正相输入端连接至所述列参考电压，所述第二反馈电容和第三复位开关并联在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端；所述第二运算放大器在所述第二反馈电容的作用下对所述CDS电路的输出进行电荷转移和放大，所述第三复位开关用于对所述第二反馈电容进行复位。
7.根据权利要求1所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述列单元还包括模数转换电路，所述模数转换电路连接至所述第二放大电路，用于将所述第二放大电路的输出转换为数字信号并采样。
8.根据权利要求5所述的基因测序阵列结构，其特征在于，位于同一列的所述检测单元的第一控制单元和冗余单元的第二控制单元以时分复用的方式依次连通所述读出电路。
9.根据权利要求8所述的基因测序阵列结构，其特征在于，所述至少一个列单元中，位于不同行的行复位信号以时分复用的方式顺序作用，以控制所述第一复位开关复位所述同一行的检测单元或冗余单元的膜电容电压。
10.一种基因测序装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的基因测序阵列结构。
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