CN114045211B - 基因测序结构、基因测序装置及基因测序方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基因测序结构、基因测序装置及基因测序方法，涉及基因测序及生物检测领域，包括：基板；薄膜晶体管阵列层，位于基板的一侧，包括多个薄膜晶体管，薄膜晶体管包括第一电极、第二电极、第三电极和半导体层；离子敏感膜层，位于半导体层背离基板的一侧；微孔层，位于离子敏感膜层背离基板的一侧；微孔层包括通孔，沿垂直于基板的方向，通孔贯穿微孔层，且通孔与半导体层至少部分交叠，通孔内用于放置待测核酸单链；导电结构，位于微孔层背离基板的一侧，导电结构与第一电极或第二电极电连接；检测芯片，位于导电结构背离基板的一侧，且与导电结构电连接。本申请能够有效的检测基因序列。

Description

基因测序结构、基因测序装置及基因测序方法

技术领域

本申请涉及基因测序及生物检测领域，具体地说，涉及一种基因测序结构、基因测序装置及基因测序方法。

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。

基因测序技术主要包括边合成边测序技术、离子半导体测序技术、连接法测序技术等，其中，边合成边测序技术为主流，占据市场龙头地位。边合成边测序技术是用不同颜色的荧光标记四种不同的脱氧核糖核苷酸（四种脱氧核糖核苷酸分别包含A腺嘌呤、T胸腺嘧啶、C胞嘧啶、G鸟嘌呤），当DNA聚合酶合成互补链时，每添加一种脱氧核糖核苷酸就会释放出不同的荧光，根据捕捉的荧光信号并经过特定的计算机软件处理，从而获得待测DNA的序列信息。

目前，现有的荧光检测方案：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；此外，标记化学试剂特别昂贵，导致测序成本居高不下；因此，亟需一种基因测序的方法，用于改善现有技术中的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种基因测序结构、基因测序装置及基因测序方法，通过与面板工艺结合，能够提高基因检测效率。

本申请有如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种基因测序结构，包括：

基板；

薄膜晶体管阵列层，位于基板的一侧，包括多个薄膜晶体管，薄膜晶体管包括第一电极、第二电极、第三电极和半导体层，第一电极和第二电极间隔设置，且位于同层；半导体层位于第一电极和第二电极靠近基板的一侧，半导体层分别与第一电极和第二电极至少部分交叠；半导体层与第三电极至少部分交叠，半导体层与第三电极之间设置有绝缘层；

离子敏感膜层，位于半导体层背离基板的一侧；

微孔层，位于离子敏感膜层背离基板的一侧；微孔层包括通孔，沿垂直于基板的方向，通孔贯穿微孔层，且通孔与半导体层至少部分交叠，通孔内用于放置待测核酸单链；

导电结构，位于微孔层背离基板的一侧，导电结构与第一电极或第二电极电连接；

检测芯片，位于导电结构背离基板的一侧，且与导电结构电连接。

第二方面，本申请还提供一种基因测序装置，包括基因测序结构，该基因测序结构为本申请所提供的基因测序结构。

第三方面，本申请还提供一种基因测序方法，包括：

将待测核酸单链置于通孔内，且与离子敏感膜层接触；

向第一电极或第二电极施加第一电压信号，向第三电极施加第二电压信号；

向通孔内依次通入四种脱氧核糖核苷酸；

检测芯片通过与其电连接的导电结构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核酸单链上的碱基类型；

每向通孔内通入一种脱氧核糖核苷酸后，对通孔内的试剂进行中和处理，使薄膜晶体管恢复到初状态；其中，初状态为检测芯片检测不到第一电极与第二电极之间产生的电流；

待多个待测核酸单链上的每一个点位测试完成后，对通孔内的试剂进行洗脱处理。

与现有技术相比，本发明提供的基因测序结构、基因测序装置及基因测序方法，至少实现了如下的有益效果：

本申请所提供的基因测序结构、基因测序装置及基因测序方法，设置有基板、薄膜晶体管阵列层、离子敏感膜层、微孔层、导电结构和检测芯片；随着待测核酸单链上的碱基配对成功，引起薄膜晶体管上方的电势的变化，利用薄膜晶体管中的半导体层的导电特性，使第一电极与第二电极之间产生电流，通过检测芯片的检测该电流的变化，能够检测出基因的序列，其中，待检测的核酸单链中的碱基无需荧光标记，也不需要激光光源和光学系统，且本申请中增加了第三电极的信号控制，可以使薄膜晶体管处于线性区，使第一电极与第二电极之间的电流变化检测更加明显。此外，本申请中还引入导电结构，能够有效增加薄膜晶体管的检测位置，能够有效提高实验效率；另一方面，将检测芯片设置于导电结构背离基板的一侧，能够有效节省基板一侧的空间。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的一种截面示意图；

图2所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的一种俯视示意图；

图3所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的另一种截面示意图；

图4所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的另一种截面示意图；

图5所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的另一种截面示意图；

图6所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的另一种俯视示意图；

图7所示为本发明实施例所提供的基因测序装置的一种截面示意图；

图8所示为本发明实施例所提供的基因测序装置的一种俯视示意图；

图9所示为本发明实施例所提供的基因测序方法的一种流程图；

图10所示为本发明实施例所提供的第一电极与第二电极之间电流的一种变化曲线图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。其中，各实施例之间的相同之处不再一一赘述。

以下结合附图和具体实施例进行详细说明。

图1所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的一种截面示意图，图2所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的一种俯视示意图，请参考图1和图2所示，本申请所提供的一种基因测序结构100，包括：

基板10；

薄膜晶体管阵列层20，位于基板10的一侧，包括多个薄膜晶体管70，薄膜晶体管70包括第一电极71、第二电极72、第三电极73和半导体层74，第一电极71和第二电极72间隔设置，且位于同层；半导体层74位于第一电极71和第二电极72靠近基板10的一侧，半导体层74分别与第一电极71和第二电极72至少部分交叠；半导体层74与第三电极73至少部分交叠，半导体层74与第三电极73之间设置有绝缘层75；

离子敏感膜层30，位于半导体层74背离基板10的一侧；

微孔层40，位于离子敏感膜层30背离基板10的一侧；微孔层40包括通孔41，沿垂直于基板的方向D1，通孔41贯穿微孔层40，且通孔41与半导体层74至少部分交叠，通孔41内用于放置待测核酸单链80；

导电结构50，位于微孔层40背离基板10的一侧，导电结构50与第一电极71或第二电极72电连接；

检测芯片60，位于导电结构50背离基板10的一侧，且与导电结构50电连接。

具体而言，本实施例中的基因测序结构用于检测基因序列，即对一组待测核酸单链上的碱基的类型进行确定，具体采用薄膜晶体管中半导体层的导电特性，形成电流，再通过检测芯片的检测来确定未知的基因序列。

以下通过具体的结构说明，请继续参考图1和图2所示，本实施例中的基因测序结构整体设置于基板10的上方，基板10可以作为载体，用于承载基因测序结构的其他结构，基板10可以为玻璃基板，也可以柔性基板，本实施例不作限定。位于基板10一侧设置的薄膜晶体管阵列层20可以包括多个薄膜晶体管70，薄膜晶体管70包括第一电极71、第二电极72、第三电极73和半导体层74，可选地，第一电极71和第二电极72可以为源漏极金属层，第三电极73可以为栅极金属层，半导体层74为有源半导体层；其中，第一电极71和第二电极72相对、间隔设置，且位于同层；半导体层74位于第一电极71与第二电极72所在膜层靠近基板10的一侧，沿垂直于基板的方向D1，半导体层74分别与第一电极71和第二电极72至少部分交叠；半导体层74与第三电极73之间设置有绝缘层75，沿垂直于基板的方向D1，半导体层74与第三电极73在基板10上的正投影至少部分交叠。本实施例所提供的薄膜晶体管70用以传输基因检测信号。

进一步的，位于半导体层74背离基板10的一侧设置有离子敏感膜层30，可选地，离子敏感膜层30至少包括有对碱基配对产生的离子能发生电压变化的敏感材料，如此，使得本实施例中的离子敏感膜层30需要与待测核酸单链80上的碱基配对产生的离子接触，此外，离子敏感膜层30还需要与半导体层74接触，可选地，可以将半导体层74设置于离子敏感膜层30中；如此，当待测核酸单链80上的碱基配对产生离子时，能够使薄膜晶体管70上方的电势发生变化，改变半导体层74的导电性。

进一步，位于离子敏感膜层30背离基板10的一侧设置有微孔层40，微孔层40包括多个通孔41，且通孔41贯穿微孔层40，通孔41暴露出离子敏感膜层30，沿垂直于基板的方向D1，通孔41与半导体层74在垂直于基板10的方向上至少部分交叠；通孔41内用于放置待测核酸单链80，为待测核酸单链80上的碱基配对提供一定的空间。可以理解的是，参考图2所示，本实施例中，通过第一金属走线L1向第一电极71输入第一电压信号，通过第二金属走线L2向第三电极73输入第二电压信号，使得半导体层74的表面产生感应电荷，随着向第三电极73输入的第二电压信号发生改变，使得半导体层74表面产生更多的感应电荷，当半导体层74表面产生的感应电荷的数量达到一定程度，会使第一电极71和第二电极72之间形成载流子通过沟道，即第一电极71与第二电极72之间产生电流，在整个基因测序过程中，可以使薄膜晶体管70处于线性区；进一步地，当向微孔层40的通孔41内依次注入不同的脱氧核糖核苷酸，并与待测核酸单链80上的碱基发生配对后，会产生氢离子，导致薄膜晶体管70上方的电势发生变化，通过离子敏感膜层30，使半导体层74的感应电荷增加，进一步，使第一电极71与第二电极72之间的电流增大，通过监测第一电极71与第二电极72之间的电流变化，从而能判断待测核酸单链80上的碱基是否配对，并确定待测核酸单链80上的碱基的类型。本实施例中的基因测序结构，与现有基因测序结构相比，借鉴现有的薄膜晶体管的制备工艺，待检测的核酸单链中的碱基无需荧光标记，也不需要激光光源和光学系统；此外，本实施例中的基因测序结构，增加了第三电极73的信号控制，可以使薄膜晶体管70处于线性区，使第一电极71与第二电极72之间的电流变化检测更加明显。

进一步的，请继续参考图1和图2所示，位于微孔层40背离基板10的一侧设置有导电结构50，位于导电结构50背离基板10的一侧设置有检测芯片60；导电结构50的一端与第二电极72电连接，导电结构50的另一端与检测芯片60电连接；检测芯片60通过导电结构50检测第一电极71与第二电极72之间产生的电流变化；一方面，通过引入导电结构50，能够有效增加薄膜晶体管70的检测位置，能够有效提高实验效率；另一方面，将检测芯片60设置于导电结构50背离基板10的一侧，能够有效节省基板10一侧的空间。

需要说明的是，图1所示实施例仅示意性示出了导电结构50分别与薄膜晶体管70和检测芯片60电连接的示意图，并不代表导电结构50的实际尺寸，图1中仅示意出相邻两个基因检测结构并列设置的形式；图1所示实施例仅示意性示出了导电结构50的一种形状，其中，导电结构50还可以为其他形状，本申请在此不作限定；图2所示实施例仅示意性示出了第一电极71、第二电极72、第三电极73和半导体层74，以及导电结构50的位置关系示意图，并不代表实际尺寸。

请继续参考图1所示，在本申请的一种可选实施例中，还包括：输出检测端子90；

输出检测端子90设置于导电结构50与第一电极71或第二电极72之间，且导电结构50和第一电极71或第二电极72通过输出检测端子90电连接。

具体而言，请继续参考图1和图2所示，本实施例中的基因测序结构包括输出检测端子90，输出检测端子90设置于导电结构50与第一电极71或第二电极72之间，其中，输出检测端子90可以匹配导电结构50的大小和形状，同时也不会对薄膜晶体管70的特性造成影响；此外，输出检测端子90可以选择与薄膜晶体管70的第一电极71或第二电极71不同的材料，例如，输出检测端子90可以采用抗腐蚀性较好的材料，从而能对薄膜晶体管进行保护。可选地，当第一电极71用于输入第一电压信号时，则输出检测端子90分别与第二电极72和导电结构50电连接；当第二电极72用于输入第一电压信号时，则输出检测端子90分别与第一电极71和导电结构50电连接；参考图1所示，输出检测端子90与第二电极72电连接，第一电极71通过第一金属走线L1输入第一电压信号；如此，检测芯片60通过导电结构50、输出检测端子90检测第一电极71与第二电极72之间的电流变化，能够有效增加薄膜晶体管70的检测位置，提高检测效率。

需要说明的是，图1所示实施例仅示意性示出了输出检测端子90的截面为L型结构，并不代表输出检测端子90的实际尺寸，其中，输出检测端子90的结构还可以为其他结构，本申请在此不作限定。

图3所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的另一种截面示意图，请参考图3所示，并结合图1所示，在本申请的一种可选实施例中，输出检测端子90包括第一支部91和第二支部92，第一支部91位于微孔层40背离基板10的一侧，且第一支部91与导电结构50接触；第二支部92位于微孔层40、及部分位于离子敏感膜层30，与第一电极71或第二电极72接触。

具体而言，请继续参考图1和图3所示，本实施例中，输出检测端子90包括两部分，即第一支部91和第二支部92，第一支部91和第二支部92是同一结构且同时形成，具体地，在微孔层40和离子敏感膜层30中设置过孔，第二支部92位于过孔里，第二支部92与第一电极71或第二电极72接触电连接；第一支部91位于微孔层40背离基板10的一侧，且第一支部91与导电结构50电连接。本实施例中，第二支部92与第二电极72接触电连接；可选地，如图1所示，第一支部91部分位于通孔41内，此时，无需在微孔层40内另过孔，节省工艺制程；可选地，如图3所示，过孔贯穿离子敏感膜层30，此时，需要在离子敏感膜层30开设过孔。本实施例中，通过输出检测端子90的第一支部91和第二支部92，能够将导电结构50、以及检测芯片60设置于薄膜晶体管70阵列层20背离基板10的一侧，一方面，能有效节省基板10背离薄膜晶体管70阵列层20一侧的空间；另一方面，还能有效降低检测芯片60的制造成本。

图4所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的另一种截面示意图，请参考图4所示，在本申请的一种可选实施例中，还包括：对置基板110，对置基板110位于导电结构50背离基板10的一侧；

检测芯片60位于对置基板110背离导电结构50的一侧，对置基板110包括多个导电孔111，导电孔111与导电结构50电连接；检测芯片60通过第一信号走线112与导电孔111电连接。

具体而言，请继续参考图4所示，本实施例中的基因测序结构还包括对置基板110，可选地，对置基板110可以是玻璃基板，也可以是PCB基板，还可以是封装层等等，对置基板110位于导电结构50背离基板10的一侧，对置基板110与基板10相对设置，薄膜晶体管阵列层20、离子敏感膜层30、微孔层40、导电结构50均位于对置基板110与基板10之间；可选地，检测芯片60位于对置基板110背离导电结构50的一侧，且对置基板110上设置有多个导电孔111，也可以理解为，在对置基板110上设置孔，孔内注入导电材料，用于电连接检测芯片60与导电结构50，可选地，孔内注入的导电材料与导电结构50的材质相同；具体地，导电孔111靠近基板10的一侧与导电结构50接触电连接，导电孔111背离基板10的一侧通过第一信号走线112与检测芯片60电连接；如此，实现检测芯片60与导电结构50的电连接，进一步检测芯片60能够检测到第一电极71与第二电极72之间的电流变化；此外，对置基板110可以采用治具形式，集成于外部整机，不作为耗材，能够有效降低成本。

需要说明的是，图4所示实施例仅示意性示出了导电孔111的结构示意图，并不代表导电孔111的实际尺寸。

请继续参考图4所示，在本申请的一种可选实施例中，还包括：封装结构120，封装结构120位于层叠设置的基板10、薄膜晶体管阵列层20、离子敏感膜层30、微孔层40、导电结构50和对置基板110的侧面。

具体而言，请继续参考图4所示，本实施例中的基因测序结构还包括封装结构120，封装结构120将层叠设置的基板10、薄膜晶体管阵列层20、离子敏感膜层30、微孔层40、导电结构50和对置基板110封装；可选地，封装结构120位于以上层叠的膜层的侧面，沿平行于基板的方向D2的侧面；如此，将检测芯片60绑定于对置基板110背离基板10的一侧，能够有效节省基板10背离对置基板110一侧的空间。

需要说明的是，图4所示实施例仅示意性示出了封装结构120封装2个基因测序结构的示意图，其中，封装结构120还可以封装多个基因测序结构，本申请在此不作限定。

图5所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的另一种截面示意图，图6所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的另一种俯视示意图，请参考图5和图6所示，在本申请的一种可选实施例中，还包括：对置基板110，对置基板110位于导电结构50背离基板10的一侧；

检测芯片60位于对置基板110靠近导电结构50的一侧，检测芯片60与导电结构50通过第二信号走线113电连接。

具体而言，请继续参考图5和图6所示，本实施例中的基因测序结构包括对置基板110，对置基板110可以是玻璃基板10，也可以是PCB基板10，还可以是封装层等等，对置基板110位于导电结构50背离基板10的一侧，可选地，导电结构50可以制作于对置基板110上，对置基板110与基板10相对设置，薄膜晶体管阵列层20、离子敏感膜层30、微孔层40、导电结构50、检测芯片60均位于对置基板110与基板10之间，检测芯片60通过第二信号走线113与导电结构50电连接，实现检测芯片60与导电结构50的电连接，进一步检测芯片60能够检测到第一电极71与第二电极72之间的电流变化。此外，对置基板110可以采用治具形式，集成于外部整机，不作为耗材，能够有效降低成本。

图7所示为本申请实施例所提供的基因测序结构的另一种截面示意图，请参考图7所示，在本申请的一种可选实施例中，多条第二信号走线113之间设置有第一绝缘层114。

具体而言，请继续参考图7所示，本实施例中，鉴于第二信号走线113数量较多的情况，将多条第二信号走线113分膜层排布，即电连接检测芯片60与导电结构50的第二信号走线113之间设置有第一绝缘层114，位于不同膜层的第二信号走线113之间通过过孔电连接；如此，以实现检测芯片60与导电结构50的电连接，还能避免第二走线集中布线，造成负载不良现象。

需要说明的是，图7所示实施例仅示意性示出了设置有2层第二信号走线113的结构示意，还可以设置多层第二信号走线113，且多层第二信号走线113之间设置有绝缘层，本申请在此不作限定。

请继续参考图5和图7所示，在本申请的一种可选实施例中，还包括：封装结构120，封装结构120位于层叠设置的基板10、薄膜晶体管阵列层20、离子敏感膜层30、微孔层40、导电结构50、检测芯片60和对置基板110的侧面。

具体而言，请继续参考图5和图7所示，本实施例中的基因测序结构，封装结构120将层叠设置的基板10、薄膜晶体管阵列层20、离子敏感膜层30、微孔层40、导电机构、检测芯片60和对置基板110封装；可选地，封装结构120位于以上层叠的膜层的侧面，沿平行于基板的方向的侧面D2；如此，将检测芯片60绑定于对置基板110靠近基板10的一侧，能够有效节省基板10靠近对置基板110一侧的空间。

请继续参考图4~图7所示，在本申请的一种可选实施例中，还包括：封装结构包括多个开孔130。

具体而言，请继续参考图4~图7所示，本实施例中的封装结构120包括多个开孔130，开孔130可以位于封装结构120的任一位置，本申请不作限定，开孔130用于向微孔层40的通孔41内注入核酸单链，也可以向通孔41内注入配对的碱基，同样也可以排出通孔41内不需要的溶液，即开孔130用于向微孔层40的通孔41注入溶液或排出溶液。

需要说明的是，图4~图7所示实施例中仅示意性示出了开孔所处的一种位置，当然开孔还可以位于其他位置，本申请在此不作限定。

请继续参考图1所示，在本申请的一种可选实施例中，通孔41的直径为3um~6um。

具体而言，请继续参考图1所示，本实施例中的通孔41的直径为3um~6um，可选地，通孔41的直径还可以为4um或5um；如果通孔41的直径大于6um，会影响通孔41的设置数量；如果通孔41的直径小于3um，难以采用面板工艺实现；如此，通过限定通孔41的直径大小，使基因测序结构集成的检测位置较多，能够提高检测效率。

需要说明的是，图1所示实施例仅示意性示出了通孔41的结构示意图，并不代表通孔41的实际尺寸。

请继续参考图1所示，在本申请的一种可选实施例中，沿垂直于基板的方向D1，导电结构50的高度为3um~5um。

具体而言，请继续参考图1所示，本实施例中，沿垂直于基板的方向D1，导电结构50的高度为3um~5um，可选地，导电结构50的高度还可以为4um，此时，基板10可以为玻璃基板，如此，使导电结构50的图形化精度较高，便于实现本申请中对高密度薄膜晶体管70检测位置的需求。

需要说明的是，图1所示实施例仅示意性示出了导电结构50的结构示意图，并不代表导电结构50的实际尺寸。

在本申请的一种可选实施例中，导电结构50的材质为电镀铜。

具体而言，本实施例中的导电结构50的材质为电镀铜，当导电结构50沿垂直于基板的方向D1上的高度为3um~5um的电镀铜时，能够实现较高精度的导电结构50，此时，基板10选用玻璃基板；当导电结构50沿垂直于基板的方向D1上的高度为5um~50um的电镀铜时，使得制作精度需求较低，此时，基板10选用PCB基板，能够避免基板10翘曲。

请继续参考图1所示，在本申请的一种可选实施例中，薄膜晶体管70为底栅结构。

具体而言，请继续参考图1所示，本实施例中的薄膜晶体管70为底栅结构，可以理解的是，本实施例中的第三电极73，即栅极位于半导体层74靠近基板10的一侧；如此，薄膜晶体管70上方产生的电势变化，不会被第三电极73，即栅极屏蔽，而是通过离子敏感膜层30改变半导体层74的导电性。

在本申请的一种可选实施例中，离子敏感膜30层的材质为四氮化三硅或氧化硅。

具体而言，本实施例中的离子敏感膜层30的材质为四氮化三硅或氧化硅，离子敏感膜层30用于感测离子的变化，感测碱基配对的发生，采用对氢离子敏感的材料形成，或者采用在碱基配对产生的离子能引起电压变化的敏感材料形成，而以上的四氮化三硅或氧化硅均能实现离子敏感膜层30所需的功能。

基于同一发明构思，本申请还提供一种基因测序装置，图8所示为本发明实施例所提供的基因测序装置的一种俯视示意图，请参考图8所示，并结合图1所示，该基因测序装置包括基因测序结构，其中，基因测序结构为本申请实施例所提供的基因测序结构。本发明的基因测序装置中，多个基因测序结构阵列排布。

具体而言，请继续参考图8所示，本实施例中的多个基因测序结构阵列排布，也可以均匀排布，当然，还可以为其他排布方式，本申请不作限定。在不同的基因测序结构中，所有的第一电极71或第二电极72通过第一金属走线L1均输入相同的第一电压信号，所有的第三电极73通过第二金属走线L2均输入第二电压信号，且位于同行或同列中的基因测序结构中的第一电极71或第二电极72的连接线并联，位于同行或同列中的基因测序结构中的第三电极73的连接线并联；本实施例中，位于同行的基因测序结构中的第一电极71并联，位于同行的基因测序机构中的第三电极73并联；一方面，呈现阵列排布的基因测序结构，能够提高基因检测的效率；另一方面，采用基因测序结构来感测待测核酸单链80上的碱基是否发生配对，使得基因测序简单，还能有效降低基因测序成本。

基于同一发明构思，本申请还提供一种基因测序方法，图9所示为本发明实施例所提供的基因测序方法的一种流程图，图10所示为本发明实施例所提供的第一电极与第二电极之间电流的一种变化曲线图，请参考图9和图10所示，并结合图1所示，该基因测序方法包括：

S101、将待测核酸单链80置于通孔41内，且与离子敏感膜层30接触；

S102、向第一电极71或第二电极72施加第一电压信号，向第三电极73施加第二电压信号；

S103、向通孔41内依次通入四种脱氧核糖核苷酸；

S104、检测芯片60通过与其电连接的导电结构50检测第一电极71与第二电极72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核酸单链80上的碱基类型；

S105、每向通孔41内通入一种脱氧核糖核苷酸后，对通孔41内的试剂进行中和处理，使薄膜晶体管70恢复到初状态；其中，初状态为检测芯片60检测不到第一电极71与第二电极72之间产生的电流；

S106、待多个待测核酸单链80上的每一个点位测试完成后，对通孔41内的试剂进行洗脱处理。

具体而言，请继续参考图9和图10所示，并结合图1和图2所示，本实施例中的基因测序方法，采用本申请实施例提供的基因测序结构，使得基因测序方法简单，使得基因测序成本降低；本实施例中的基因测序方法包括：

S101、将不同的待测核酸单链80通过封装结构120的侧壁上的开孔130置于不同的通孔41内，待测核酸单链80与通孔41暴露出的离子敏感膜层30接触；

S102、向第一电极71施加第一电压信号，或者向第二电极72施加第一电压信号，向第三电极73施加第二电压信号；可选地，第一电压信号与第二电压信号可以相同，也可以不同；本实施例中，通过第一金属走线L1向第一电极71施加第一电压信号，通过第二金属走线L2向第三电极73施加第二电压信号；

S103、通过封装结构120的侧壁的开孔130向不同的通孔41内注入A腺嘌呤，如果通孔41内的核酸单链80上的第一个点位发生配对，会释放氢离子，会引起半导体层74上的电势发生变化，检测芯片60检测到的第一电极71与第二电极72之间的电流是否发生变化，如果电流发生变化，则配对成功，确定碱基配对成功的通孔41内的核酸单链80上的第一个点位的碱基的类型为T胸腺嘧啶；接下来向通孔41内注入T胸腺嘧啶，进一步判断通孔内的核酸单链80上碱基为A腺嘌呤，以此类推，依次向通孔内注入碱基C胞嘧啶和G鸟嘌呤，直到所有通孔41内的核酸单链80上的第一个点位的碱基发生配对为止，此时，对通孔41内的试剂进行洗脱处理，准备对通孔41内的第二个点位上的核酸单链80进行基因检测，具体检测方法与第一个点位的检测方法相同；

S104、上述步骤中，当通孔41内通入的脱氧核糖核苷酸与待测核酸单链80上的碱基配对成功，则检测芯片60通过导电结构50能够检测到第一电极71与第二电极72之间产生的电流是否发生变化，若第一电极71与第二电极72之间产生的电流发生变化，则碱基配对成功，则根据通入的脱氧核糖核苷酸的类型确定待测核酸单链80上碱基的类型；

S105、上述步骤中，每向通孔41内通入一种脱氧核糖核苷酸后，需要对通孔41内的试剂进行中和处理，使薄膜晶体管70恢复到初状态，可选地，薄膜晶体管70的初状态为检测芯片60检测不到第一电极71与第二电极72之间产生的电流；可以理解的是，每当通孔41内的待测核酸单链80上的碱基发生配对后，通孔41内的氢离子的浓度会发生变化，如果不及时处理，会影响下一个脱氧核糖核苷酸通入通孔41内配对后产生的氢离子的浓度，进一步影响第一电极71与第二电极72之间的电流变化，影响本次配对检测的准确性，因此，每次待测核酸单链80上的碱基发生配对后，可以对通孔41内的试剂进行中和处理，避免引起后续的误差；

S106、上述步骤中，通孔41内的核酸单链80上包括多个点位碱基，对所有通孔41内核酸单链80上的第一点位检测完成后，需要对通孔41内的溶液进行脱洗处理，保证通孔41内的试剂恢复到最初的状态，不影响所有通孔41内的核酸单链80上的第二个点位的检测。

本实施例中，通过第一金属走线L1向第一电极71施加第一电压信号，通过第二金属走线L2向第三电极73施加第二电压信号，第一电极71与第二电极72之间已经产生一定的电流，使得薄膜晶体管70处于线性区，在此基础上，通孔41内的待测核酸单链80上的碱基发生配对后，在薄膜晶体管70的上方引起电势的变化，进一步改变半导体层74的导电性，使得第一电极71与第二电极72之间的电流变化更明显，请参考图10中第一电极71与第二电极72之间的电流变化过程，其中，粗实线为待测核酸单链80上的碱基配对成功，细实线为待测核酸单链80上的碱基配对不成功，图10中的横坐标为半导体层74的电压，纵坐标为第一电极71与第二电极72之间的电流；通过以上测序方法，能够使检测基因序列更便捷，更有效率。此外，本实施例中，在待测核酸单链80上的碱基均测试完成后，还对通孔41内的试剂进行脱洗，能够保证核酸单链80上下一个点位基因测序的准确性，

在本申请的一种可选实施例中，对通孔41内的试剂进行中和处理为：

待通孔41内的待测核酸单链80上的碱基与向通孔41内通入的脱氧核糖核苷酸发生配对后，通过开孔向通孔41内注入磷酸盐缓冲溶液，中和通孔41内的氢离子，使通孔41内的氢离子浓度指数恢复到通入脱氧核糖核苷酸之前。

具体而言，本实施例中，采用磷酸盐缓冲溶液对通孔41内的试剂进行中和处理，使得通孔41内的氢离子的浓度指数不影响待测核酸单链80上的碱基继续进行配对，保证基因测序结果的准确性。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

本申请所提供的基因测序结构、基因测序装置及基因测序方法，设置有基板、薄膜晶体管阵列层、离子敏感膜层、微孔层、导电结构和检测芯片；随着待测核酸单链上的碱基配对成功，引起薄膜晶体管上方的电势的变化，利用薄膜晶体管中的半导体层的导电特性，使第一电极与第二电极之间产生电流，通过检测芯片的检测该电流的变化，能够检测出基因的序列，其中，待检测的核酸单链中的碱基无需荧光标记，也不需要激光光源和光学系统，且本申请中增加了第三电极的信号控制，可以使薄膜晶体管处于线性区，使第一电极与第二电极之间的电流变化检测更加明显。此外，本申请中还引入导电结构，能够有效增加薄膜晶体管的检测位置，能够有效提高实验效率；另一方面，将检测芯片设置于导电结构背离基板的一侧，能够有效节省基板一侧的空间。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基因测序结构，其特征在于，包括：

基板；

薄膜晶体管阵列层，位于所述基板的一侧，包括多个薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括第一电极、第二电极、第三电极和半导体层，所述第一电极和所述第二电极间隔设置，且位于同层；所述半导体层位于所述第一电极和所述第二电极靠近所述基板的一侧，所述半导体层分别与所述第一电极和所述第二电极至少部分交叠；所述半导体层与所述第三电极在所述基板上的正投影至少部分交叠，所述半导体层与所述第三电极之间设置有绝缘层；所述薄膜晶体管为底栅结构；

离子敏感膜层，位于所述半导体层背离所述基板的一侧；

微孔层，位于所述离子敏感膜层背离所述基板的一侧；所述微孔层包括通孔，沿垂直于所述基板的方向，所述通孔贯穿所述微孔层，且所述通孔与所述半导体层至少部分交叠，所述通孔内用于放置待测核酸单链；

导电结构，位于所述微孔层背离所述基板的一侧，所述导电结构与所述第一电极或所述第二电极电连接；

检测芯片，位于所述导电结构背离所述基板的一侧，且与所述导电结构电连接；

输出检测端子，所述输出检测端子设置于所述导电结构与所述第一电极或所述第二电极之间，且所述导电结构和所述第一电极或所述第二电极通过所述输出检测端子电连接；

还包括：对置基板，所述对置基板位于所述导电结构背离所述基板的一侧；所述检测芯片位于所述对置基板背离所述导电结构的一侧，所述对置基板包括多个导电孔，所述导电孔与所述导电结构电连接；所述检测芯片通过第一信号走线与所述导电孔电连接；还包括：封装结构，所述封装结构位于层叠设置的所述基板、所述薄膜晶体管阵列层、所述离子敏感膜层、所述微孔层、所述导电结构和所述对置基板的侧面；或，

还包括：对置基板，所述对置基板位于所述导电结构背离所述基板的一侧；所述检测芯片位于所述对置基板靠近所述导电结构的一侧，所述检测芯片与所述导电结构通过第二信号走线电连接；多条所述第二信号走线之间设置有第一绝缘层；还包括：封装结构，所述封装结构位于层叠设置的所述基板、所述薄膜晶体管阵列层、所述离子敏感膜层、所述微孔层、所述导电结构、所述检测芯片和所述对置基板的侧面。

2.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，所述输出检测端子包括第一支部和第二支部，所述第一支部位于所述微孔层背离所述基板的一侧，且所述第一支部与所述导电结构接触；所述第二支部贯穿所述微孔层、及部分位于所述离子敏感膜层，与所述第一电极或所述第二电极接触。

3.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，所述封装结构包括多个开孔。

4.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，所述通孔的直径为3um~6um。

5.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，沿垂直于所述基板的方向，所述导电结构的高度为3um~5um。

6.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，所述导电结构的材质为电镀铜。

7.根据权利要求1所述的基因测序结构，其特征在于，所述离子敏感膜层的材质为四氮化三硅或氧化硅。

8.一种基因测序装置，其特征在于，包括多个如权利要求1-7任一项所述的基因测序结构，多个所述基因测序结构阵列排布。

9.一种基因测序方法，其特征在于，使用如权利要求1-7任一项所述的基因测序结构进行基因测序，所述基因测序方法包括：

将待测核酸单链置于通孔内，且与离子敏感膜层接触；

向第一电极或第二电极施加第一电压信号，向第三电极施加第二电压信号；

向所述通孔内依次通入四种脱氧核糖核苷酸；

检测芯片通过与其电连接的导电结构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核酸单链上的碱基类型；

每向所述通孔内通入一种脱氧核糖核苷酸后，对所述通孔内的试剂进行中和处理，使薄膜晶体管恢复到初状态；其中，所述初状态为检测芯片检测不到所述第一电极与所述第二电极之间产生的电流；

待多个所述待测核酸单链上的每一个点位测试完成后，对所述通孔内的试剂进行洗脱处理。

10.根据权利要求9所述的基因测序方法，其特征在于，所述对所述通孔内的试剂进行中和处理为：

待所述通孔内的待测核酸单链上的碱基与向通孔内通入的脱氧核糖核苷酸发生配对后，通过开孔向所述通孔内注入磷酸盐缓冲溶液，中和所述通孔内的氢离子，使所述通孔内的氢离子浓度指数恢复到通入脱氧核糖核苷酸之前。