CN115948235A - 一种基于固态纳米孔的dna测序一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施公开了一种基于固态纳米孔的DNA测序一体化装置，本设备共包括显示区、序列处理区两个分区，五个模块单元，分别包括：微流控装置及测序芯片；膜片钳单元；本地计算装置和控制软件单元；通信处理单元；显示单元。通过实施本发明的技术方案，能够方便使用者高效地进行DNA测序项目，高效获取信号，实时传输数据，实现测序的信号采集，转化，处理，传输以及整体流程控制的一体化，集成化，提高测序数据分析效率，节约时间，实现在社区无线通信环境下的实时测序与数据分析。

Description

一种基于固态纳米孔的DNA测序一体化装置

技术领域

本发明涉及生物分子检测技术领域，具体涉及一种基于纳米孔的DNA测序装置。

背景技术

DNA测序技术是现代生物医学研究的核心技术之一。在公共卫生、精准医学等领域，基因测序可以为确定病原微生物，发现治疗靶点提供重要的信息。该技术经过近半个世纪，已发展至纳米孔基因测序。纳米孔测序是全新的利用电泳来驱动单个分子逐一通过纳米尺度的小孔来实现的，根据DNA通过纳米孔时引起的极微弱电流变化来实现测序。纳米孔测序技术按照技术路线，主要分为生物蛋白纳米孔和固态纳米孔。然而，生物蛋白纳米孔测序技术受限于测序芯片的蛋白质成分稳定性不足、运输存储成本高昂、可使用次数有限等情况。基于此，利用硅基等材料打造的固态纳米孔芯片进行基因测序被寄予厚望。固态纳米孔相比常见的生物蛋白纳米孔有很多突出的优势，例如，更稳定，更容易存储和运输，成本更低，更容易与电子元器件相互融合，因此代表着未来纳米孔测序的发展方向。

固态纳米孔测序是生物技术最前沿的方向之一，但固态纳米孔技术目前仍在初期研究阶段，有许多尚待解决的基础性问题，如在固态纳米孔芯片、电流检测装置一体化、小型化，数据计算分析流程可视化等核心技术环节面临巨大的挑战。此外，由于不同碱基过孔时的电流变化差异极小导致不易实现单碱基识别、需要新式检测策略；基因测序产生的数据量巨大，对数据传输和计算资源提出了较高的要求。因此，现有的基因测序技术，其数据分析仍需专门设备或者带回实验室分析，限制了基因测序在医疗大健康领域特别是需要便携式移动测序场景下的应用。本发明面向以上问题及挑战，提出了固态纳米孔DNA测序一体化设备及检测方法，并使用5G技术将便携式测序装置与计算资源和云平台相连接，极大赋能了便携式测序作为端设备的测序能力，最终真正实现任何人在任何时间任何地点进行测序的目标。

发明内容

本发明与其他相似发明相比，具有如下排他创新点：

所述一种基于固态纳米孔的DNA测序一体化装置，使用了一种新型纳米孔测序装置与方法，相较于同类产品使用的测序方法，有着更好的测序精度；使用了一种全新的膜片钳装置，可以将测序装置测到的电信号进一步滤波和放大，其具有相比同类产品更小的体积，达到更少的空间占用，节约版图面积；使用了一种全新的本地计算和软件控制单元，搭载在小型电路板上，与膜片钳单元和显示终端耦合，可以一体化完成针对DNA杂交测序的数字电路控制和操作指令信息处理；使用了一种5G通信单元，根据其高速传输的特性完成同类产品中未实现的巨量数据短时间传输，从而将测得的DNA序列无线通信至云端服务器，通过数据分析再返回结果序列；使用了一种显示单元，可以提供图形界面供操作人员操作。综上所述，本发明将以上多个单元整合，成为“端”，“网”，“云”三位一体的便携式DNA纳米孔测序小型化设备，完成了业界处于空白的实现便携式的“端”设备在现场进行采样及测序的数据获取、传输与分析。

所述小型化一体化DNA测序设备首次将纳米孔测序采集技术、膜片钳控制技术、软件控制技术、5G通信处理单元和操作显示终端集成到同一设备上，一体化完成在DNA纳米孔测序操作中过孔事件识别、单双链检测、采集电信号、数据文件封装、传输和接收数据分析后DNA测序序列完整流程。本发明设计使用了将电流检测装置一体化、小型化的膜片钳装置；设计使用了新的软件控制单元，将操作采集流程可视化；集成了5G通信处理单元，提高了数据传输速率，依靠高速的数据传输实现了数据分析云端协调，降低了端设备的计算资源要求。综合上述，本设备破解了当下基因测序技术需要复杂端设备，数据分析需要复杂实验室环境的应用局限性，拓宽了基因测序在医疗大健康领域特别是需要便携式移动测序场景下的应用。

为了实现上述目的，本发明中的DNA测序装置采用如下技术方案：

一种基于纳米孔的DNA测序装置，其包括Si₃N₄硅片，置于Si₃N₄硅片下内的硅基底，在Si₃N₄硅薄膜上直径在20nm以下的纳米孔，样品池，纵向电极和外部导电线路，横向电极和外部导电线路。

所述纵向电极和外部导电线路，横向电极和外部导电线路微电流采样电极位于所述样品池内，导电线路直接往样品池上方延伸并与膜片钳信息采集系统连接构成回路。

所述硅基底的尺寸为2.5mm×2.5mm×0.4mm。

所述固态纳米孔3的直径为20nm以下。

所述电极和外部导电线路，膜片钳信息采集系统和导电电路中使用的微量电流测量装置均为皮安级电流表。

所述样品池内溶液为KCl、NaCl或LiCl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L，pH值为8.0。

所述纵向电极和外部导电线路，横向电极和外部导电线路中使用的电源的偏置电压为0.05～0.2V，硅片上方的电极接电源负极，硅片下方电极接电源正极，纳米孔左侧的电极接电源负极，纳米孔右侧的电极接电源正极。

所述纵向电极为铂电极，所述横向电极为金电极。

所述纳米孔测序芯片的制作工艺在于：

在硅基底上通过低压化学气相沉积(LPCVP)技术沉积上一层100nm厚的Si₃N₄薄膜硅片上部刻蚀有倒三角形微腔，在其薄膜一侧的中心处，通过光刻技术和反应离子刻蚀技术加工出一个720μm×720μm的正方形窗口下部刻蚀有柱状孔，正方形窗口中蚀刻出深槽直到硅基底下仅剩余Si₃N₄的薄膜，在薄膜中心处，倒三角矩形微腔中央塔顶即为所需固态纳米孔位置，使用离子束刻蚀技术(FIB)不断减薄薄膜厚度，最终形成在Si₃N₄硅片上部刻蚀有20纳米直径以下的纳米孔，铂电极和纵向微弱电流测量装置及电源构成纵向微弱电流测量回路，金电极和横向微弱电流测量装置及电源构成横向微弱电流测量回路；将Si₃N₄硅片、电源和电流表组成电路，通过测定杂交后的DNA分子，形成单双链DNA，穿过纳米孔时电路中电流强度的变化模式的差异，实现对DNA杂交测序。

所述DNA测序装置采用多级电流脉冲在所述半导体材料窗口薄膜上制备出所述固态纳米孔，该纳米孔是连接两个所述腔室的唯一通道，通过施加电压驱使待测标识物分子通过纳米孔并产生过孔信号，分析信号得到待测标识物分子的生物学信息。

本发明所用DNA测序方案和现有技术相比，具有如下优点：

本发明所用DNA测序方案利用传统的硅材料设计一种微腔-固态纳米孔的结构。

为了实现上述目的，本发明中的膜片钳装置采用如下技术方案：

本发明包括一种膜片钳装置，主要包括电流-电压转换电路、模数转换器、数模转换器、补偿电路和滤波电路。具体的，电流-电压转换电路包含转换子电路和差分放大子电路，均由放大器、电阻和电容组成，能把纳米孔的微电流信号转化为电压信号并放大；模数转换器将转化后的模拟电压信号转换为数字信号，利于降噪和数据处理；数模转换器将处理器发送的数字信号转化为模拟电压信号控制纳米孔电压；补偿电路包括电极偏移补偿子电路和快电容补偿子电路，分别降低来自电极影响和快电容影响的测量参数偏移；滤波电路将根据电路本身的噪声特点，通过放大器、电容、电阻和数模转换器电路将需要清除的电压滤去。

本发明和其他相似发明相比，具有如下排他性创新点：

所述膜片钳装置的体积极小，上千个膜片钳电路可以集成在一个10mm×10mm×2mm的芯片中；

所述膜片钳装置在转换和放大电流信号后先进行补偿再进行滤波，使得电极和快电容导致的纳米孔参考电压偏差被大大减小，不仅使需要被检测的纳米孔电流准确分布在理论计算得到的参考范围内，还增加了检测值的准确性；

所述膜片钳装置输出的电信号直接转化成数字信号，不仅方便移动端直接对数据进行处理，还能进一步降低噪声，使电信号更精确；

所述膜片钳装置各个器件的工作电压和参数调整不同于传统膜片钳复杂的各自独立调节，而是以数字控制与上位机接口为中介，接受移动端电信号记录软件的统一调控，大大简化了所述膜片钳装置的控制和调节过程；

所述膜片钳装置的4阶滤波器可以根据需求调节滤波截止频率阈值，可以根据噪声信号特点选择Bessel和Butterworth滤波特性。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

所述膜片钳装置采用的各个器件和芯片均为小型化设备，不仅能实现高通量，还能降低功耗并节约版图面积，还使得所述膜片钳装置对其他现有相似发明有更好的便捷性和更好的可集成能力；

所述的低通滤波器能滤除高于截止频率的高频信号，可以采用有源4阶贝塞尔低通滤波器对放大电路采集的模拟信号进行降噪处理；

所述的滤波器在切换截止频率和滤波特性的创新使得膜片钳装置滤波应用范围更大、膜片钳装置使用更灵活和装置本身对信号的噪声更小；

由于所述的补偿和滤波电路的作用，所述膜片钳装置的精确度极高。

为了实现上述目的，本发明中的本地计算和软件控制单元采用如下技术方案：

本发明使用了一种本地计算装置及软件控制单元，解决了现有的方法在一体化装置上进行DNA测序数据的采集、计算、传输一体化的空白，进而解决DNA测序需要复杂硬件环境，数据分析需求高、效率低、灵活性差的问题。

本发明使用了一种电信号记录软件方法，包括：

膜片钳控制功能和数据处理功能，其中膜片钳控制功能包括纳米孔电极参考电压设置、通道选择及切换和各器件参数设置等；数据处理功能包括数据采集、数据换算、数据显示和数据储存；

膜片钳控制功能通过电路与膜片钳单元连接，通过发送电信号指令实现，膜片钳控制功能可以激活所述膜片钳单元进行DNA测序信号的滤波和放大；

膜片钳控制功能可根据需要通过电路向膜片钳单元提供不同的电极参考电压类型、幅值和通道选择；其中电压类型包括三角波、方波及其各种组合和变换等；若纳米孔为单孔，无需进行通道选择；若纳米孔装置为阵列孔，有若干纳米孔通道，膜片钳控制功能可在所述显示单元的图形界面中显示是否选择或取消选择特定的通道，实现在可操作性的在可用通道的一个子集上进行参数设置，而不影响其他通道；

数据处理功能接收膜片钳装置输出的电信号，根据所述膜片钳控制功能写入的各个设置参数，将电信号转换成纳米孔电流信号，得到所需要目标检测信号；

换算后，该软件通过与所述显示单元的连接，在开始时在显示单元显示板实时显示电流数据，显示形式为电流信号-时间曲线图，同时在图例显示控制电压等参数设置；

数据处理功能中存储和输出数据的类型为edh文件和dat、edh文件或abf文件。其中edh文件是一种文本文件，包含采集过程中几个重要的设置信息，如范围和带宽等；dat文件和abf文件都存储了电信号的具体幅值和时间信息，根据不同的需要，具体的保存格式可以自己设定；

本发明使用了一种本地计算方法，包括：

利用处理器中已有的计算机程序，建立与所述膜片钳单元的连接，连接通过第一网络接口建立，建立与所述通信处理单元的连接，连接通过所述第二网络接口建立，第二网络接口与第一网络分流器耦合；

接收所述显示操作终端下发的测序操作指令；

获取DNA杂交测序原始数据，所述DNA杂交测序原始数据包括所述DNA杂交测序探针和所述膜片钳单元输出的数据分组，数据分组通过所述第一网络接口传输；

根据所述测序指令选择硬件电路控制信息以及所述安装脚本，构建本地计算环境，以对获取到的DNA测序原始数据进行本地计算。

本发明提供的本地计算方法，通过利用第一网络接口，网络分流器，对DNA杂交测序原始数据建立与所述通信处理单元的连接，接收显示操作终端下发的测序指令并构建本地计算环境，以对获取到的数据进行本地计算；

处理器通过第一网络接口接收所述DNA测序原始数据时，还包括测序指令命令处理器运行对应程序的唯一标识，根据所述DNA测序原始数据以及所述测序指令安装脚本，构建本地计算环境，以对获取到的数据进行本地计算，包括：

基于测序指令的唯一标识，从所述安装脚本中拉取相应的处理器运行脚本；

启动所述处理器运行对应的程序，以构建所述本地计算环境。

本发明提供的本地计算方法，通过在处理器中的预编写软件中拉取相应的本地计算程序；通过该程序对所述膜片钳单元输出的DNA测序原始数据实现本地计算和数据输出，解决了本地计算和软件控制的协调问题。

利用所述膜片钳单元输出的DNA测序原始数据，建立与所述通信处理单元的连接，包括：

利用所述耦合连接，与通信处理单元中通信芯片连通；

基于所述通信芯片配置信息，建立与所述通信处理单元的连接；

提取所述处理器中的标签信息；

将所述标签信息发送给所述通信处理单元进行身份验证，以建立与所述通信处理单元的连接。

本发明提供的本地计算方法，通过启动预存储的计算机程序及通信芯片配置信息建立软件控制单元与通信处理单元的连接，保证本地计算输出数据与通信处理单元的数据通信的稳定性；

根据所述DNA测序原始数据以及所述预存储软件程序，构建本地计算环境，以对获取到的数据进行本地计算，还包括：

利用所述预存储软件程序加载所述通信处理单元下发的更新后的DNA测序原始数据；

基于所述更新后的DNA测序原始数据，对所述本地计算程序运行环境进行检查。

本发明还提供了可选的数据筛查方法。

根据所述DNA测序原始数据以及所述软件程序，构建本地计算环境，以对获取到的数据进行本地计算，还包括：

获取待处理数据，所述待处理数据中携带有信息特征，可选的，根据信息特征不同选择数据处理方式，包括：数据降噪清洗；

当所述数据处理方式为数据降噪清洗时，通过所述处理器运行计算机程序对所述待处理数据进行预处理，以得到满足数据降噪清洗要求的目标数据；

对目标数据进行数据降噪清洗，确定处理结果，封装成特定文件类型edh文件和dat文件或abf文件并将所述处理结果发送至所述通信处理单元；

本发明提供了一种软件控制方法，包括：

获取各个功能模块、服务及其依赖关系；

基于所述各个功能模块、服务及其依赖关系，形成控制程序；

利用所述控制程序以及配置信息，启动软件，所述配置信息预先写入处理器；

根据与对应的膜片钳单元和通信处理单元的连接，获取DNA测序原始数据，并将通过本地计算后的DNA测序数据发送给通信处理单元。

本发明提供了一种软件控制方法，包括：

获取数据，用于获取DNA测序原始数据，所述DNA测序原始数据从膜片钳单元获取；

通信连接，用于建立与所述通信处理单元的连接；

数据清洗，用于初步处理所述膜片钳单元传输的DNA测序原始数据；

本发明提供了一种软件控制单元，包括：

第一网络接口，其能接受膜片钳传来的数据分组；

第二网络接口，其能够输出未处理的数据分组或处理的数据分组；

第一网络分流器，其与所述第二网络接口耦合，并接收来自所述数据分组；

处理器，其与所述网络分流器耦合，并对所述数据分组进行处理；

存储器，其与所述处理器耦合，并对处理器输出数据进行存储，实现对DNA测序信号进行数字化处理、存储和输出。

本发明提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令。

本发明提供了一种显示设备，包括：

液晶显示器，用以显示软件操作界面；

显示器驱动板，用以支撑液晶显示器的显示和触控功能；

所述显示器驱动板与软件控制单元耦合。

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作简单地介绍，显而易见地，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为本发明中一体化设备的外部构造图。

图2为本发明一种基于固态纳米孔的DNA测序装置的示意图。

图3为Si₃N₄固态纳米孔测序装置安装流程示意图

图4为本发明使用的单孔Si₃N₄固态纳米孔制取工艺的流程图。

图5为电信号记录软件功能分布图。

图6为本发明膜片钳装置和系统其他部分连接示意图和自身组成示意图。

图7为本发明膜片钳装置的阵列电路示意图。

图8为本发明膜片钳装置的单元电路示意图。

图9为本发明膜片钳装置对于电极偏移的补偿电路图。

图10为本发明膜片钳装置对于快电容的补偿电路图。

图11为本发明膜片钳装置反映自身噪声来源的电路图。

图12为本发明膜片钳装置自身噪声的频率分布图。

图13为本发明膜片钳装置4阶滤波器单元电路图。

图14为本发明膜片钳装置噪声电压频率分布图。

图15为本发明膜片钳装置滤波效果图。

图16为本发明中本地计算和软件控制单元的功能模块分布图。

图17为本发明中通信模块功能示意图。

图18为本发明中5G通信模块组成部件图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1所示，本发明中的DNA测序一体化装置，本设备共包括显示区、序列处理区两个分区，五个模块单元，其中显示区包括：显示屏和显示驱动电路，用于提供图形化界面以供操作人员下达操作指令，并对硬件电路进行软件控制；序列处理区分为操作区和非操作区，操作区包括：1.微流控装置及测序芯片，用于实现对DNA测序的杂交探针单元单双链制备，将单双链通过测序芯片纳米孔空间占位产生电信号；非操作区包括，1.膜片钳单元，用于把电信号放大并处理转换为数字信号输出；2.本地计算装置和控制软件单元，搭载在具有CPU的集成电路板上，用于DNA测序数字信号的处理；3.通信处理单元，用于进行无线通信的通信处理单元，实现数字信号通过5G网络通信传输至云平台；

如图2所示，本发明中使用的DNA测序装置包括如下部分：

一种基于纳米孔的DNA测序装置，其包括Si₃N₄硅片1，置于Si₃N₄硅片下内的硅基底2，在Si₃N₄硅薄膜上直径在20nm以下的纳米孔3，样品池4，纵向电极和外部导电线路5，横向电极和外部导电线路6；

所述纵向电极和外部导电线路5，横向电极和外部导电线路6中的微电流采样电极位于所述样品池4内，导电线路直接往样品池上方延伸并与膜片钳信息采集系统连接构成回路；

优选的，所述硅基底2的尺寸为2.5mm×2.5mm×0.4mm。

优选的，所述固态纳米孔3的直径为20nm以下。

优选的，所述纵向电极和外部导电线路5，横向电极和外部导电线路6中使用的微量电流测量装置均为皮安级电流表。

优选的，所述纵向电极为铂电极，所述横向电极为金电极。

优选的，所述样品池4内溶液为KCl、NaCl或LiCl溶液，其浓度为0.8～1.5mol/L，pH值为8.0。

优选的，所述纵向电极和外部导电线路5，横向电极和外部导电线路6中使用的电源的偏置电压为0.05～0.2V，硅片上方的电极接电源负极，硅片下方电极接电源正极，纳米孔左侧的电极接电源负极，纳米孔右侧的电极接电源正极。

如图3所示，Si₃N₄固态纳米孔测序装置安装流程分为四个步骤：

在准备好各器件之后，在空置的样品池中放入固态纳米孔测序芯片；

在固态纳米孔测序芯片固定于样品池中后，在样品池中加入所述浓度为0.8～1.5mol/L，pH值为8.0的KCl、NaCl或LiCl溶液；

加入溶液之后，接入未通电的纵向电极和外部导电线路，横向电极和外部导电线路；

连接电路完成后，最后将放置有需进行纳米孔测序的生物分子插片置入样品池中。

如图4所述，纳米孔测序芯片中的单纳米孔制作工艺主要在于：

在2.5mm×2.5mm×0.4mm的硅基底上通过低压化学气相沉积(LPCVP)技术沉积上一层100nm厚的Si₃N₄薄膜；

在Si₃N₄薄膜一侧的中心处通过光刻技术和反应离子刻蚀的方法加工出一个720μm×720μm的正方形窗口；

通过湿法刻蚀技术在硅基底上刻蚀出一个160μm×160μm的深槽，当刻蚀到Si₃N₄薄膜时就会停止。此时,该部分的薄膜下硅基底已经被完全腐蚀掉,薄膜处于悬空状态；

在膜的中心区域1μm×1μm正方形内，通过离子束刻蚀技术(FIB)将薄膜减薄至20nm左右；

在减薄区域用FIB加工出直径在20nm以下纳米孔。

纵向电极和电流测量装置及电源构成纵向微弱电流测量回路，横向电极和微弱电流测量装置及电源构成横向微弱电流测量回路；将Si₃N₄硅片、电源和电流表组成电路，通过测定杂交后的DNA分子，形成单双链DNA，穿过纳米孔时电路中电流强度的变化模式的差异，实现对DNA测序。

综上，所述DNA测序装置采用多级电流脉冲在所述半导体材料窗口薄膜上制备出所述固态纳米孔，该纳米孔是连接两个所述样品池的唯一通道，通过施加电压驱使待测标识物分子通过纳米孔并产生过孔信号，分析信号得到待测标识物分子的生物学信息。

结合附图以及具体实施方式，对本发明中膜片钳装置做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本发明提供位于移动端的电信号记录软件，记录软件的功能分布如图5所示，电信号记录软件本身与数字控制以及上位机接口进行数据交互，所述数字控制以及上位机接口实际上为所述软件控制单元。电信号记录软件并从移动端接收信号进行膜片钳装置的控制，对电路中各器件进行参数写入，并进行一定程度的数据处理，使得所述膜片钳装置和微量电流采集电路中采集的电信号可以转化为上位机可以识别的数据文件。

本发明提供用于小分子穿过纳米孔产生的微电流检测的膜片钳装置202，连接系统和自身组成如图6所示。所述膜片钳装置202连接纳米孔阵列201和数据接收和处理系统203，作用方式为接收纳米孔阵列201的电流信号，并将处理结果传输至数据接收和处理系统203。

所述膜片钳装置202包括电流-电压I/V转换电路204，模数转换器件ADC205、数模转换器件DAC206、补偿电路207和滤波电路208，所述补偿电路207包括电极偏移补偿电路209和快电容补偿电路210。

所述膜片钳装置202的阵列电路如图7所示。检测阵列203包含若干个检测单元，检测单元即为所述膜片钳装置202，每个所述检测单元连接一个纳米孔装置211，检测纳米孔的微电流信号，每个所述检测单元都连接一个单元处理电路212，运算放大器213、低通滤波器214和模数转换器件ADC205，运算放大器213将检测单元的处理结果进行放大，低通滤波器214对信号进行滤波处理后经模数转换器件ADC205传入数字控制与上位机接口215进行数据接收和进一步分析处理，同时，所述数字控制与上位机接口203通过数模转换装置206传信号到各个纳米孔中控制纳米孔电极参考电压V_ref。

所述膜片钳装置202的电流-电压I/V转换电路204组成如图8所示。连接参考电压的纳米孔因为电极参考电压V_ref的存在，会传输一个纳米孔电流i至电路内，该电流即为目标测量电流，电流经过转换子电路216转化为电压信号v，所述转换子电路包括运算放大器A1、积分反馈电容Cf和复位开关1，其中运算放大器A1由工作电压V_cmd提供其所需要的工作电压。所述电压信号v经过电容输入差分放大子电路进行放大，输出经过放大的电压信号v2，所述差分放大子电路217包括运算放大器A2，反馈电容C_b和复位开关2，其中运算放大器A2同样由外部电压V_cmd提供其所需要的工作电压。所述电压信号v2经过低通滤波器件214和模数转换器件ADC205输出V_out到所述数字控制与上位机接口中。

所述膜片钳装置202的数模转换器DAC206和模数转换器ADC205均源自采购的AD9081。所述转换器是高度集成，搭载4个16位、12GSPS(RF)数模转换器(DAC)内核和4个12位、4GSPS速率的RF模数转换器(ADC)内核。它具有16通道、24.75Gbps JESD204C或15.5GbpsJESD204B数据收发器端口、片内时钟倍频器和数字信号处理功能。

所述膜片钳装置202的补偿电路包括电极偏移补偿子电路209和快电容补偿子电路210。所述电极偏移子电路209如图9所示。端口1连接所述电流-电压I/V转换电路204的输出端实现输入电压V_out，端口2连接外部补偿电压V_con，端口3连接如图6的快电容补偿电路209的输入端口即端口1。所述电极偏移补偿子电路包括3个运算放大器A3、A4和A5，1个数模转换器D1、电阻和电容若干。所述外部补偿电压V_con连接电阻和电容进入所述运算放大器A4，实现电压跟随和稳压并得到稳定电压V_con2，所述稳定电压Vcon2经过数模转换器D1输出至运算放大器A5的反相端，所述运算放大器A5的同相端接地，得到稳定补偿电压Vo，在所述运算放大器A3的反相端所述补偿稳定电压Vo和所述放大电压信号v2相叠加，经过所述运算放大器A3处理得到电极偏移修正电压Vx。

另外，所述快电容补偿子电路210如图10所示。所述快电容补偿子电路包括子电路R1、R2、C和Rf2，所述子电路R1连接所述运算放大器A1同相输出端和所述运算放大器A2反相输入端，包括数模转换器D2、电阻和复位开关S1若干。所述子电路R2连接所述运算放大器A1同相输入端和所述运算放大器A2反相输入端包括数模转换器D3、电阻和复位开关S2若干。所述子电路C包含电容和复位开关S3若干，连接所述运算放大器A1同相输入端和地。所述Rf2与所述运算放大器A2相并联。所述R1、R2、C和Rf2共4个子电路共同补偿源于纳米孔膜和基底的快电容，所述Rf2和R2共2个子电路共同补偿来自电极本身、电极和溶液和电极和地面的分布电容。端口1输入所述经电极偏移补偿的输出电压V_x，端口2输出得到电极偏移补偿电压V_x2。

在电路工作过程中，各个器件均会对所述微电流信号i产生噪声干扰，主要噪声来源如图11所示，包含纳米孔等效子电路218、电极和电线等效电阻RELE和所述膜片钳简化子电路219。所述纳米孔等效子电路218为电容C_np和R_np并联，V_np表示所述纳米孔等效子电路218对所述微电流信号i的噪声，主要为闪烁噪声1/f、热噪声f0和电容噪声f2；VELE表示所述电极和电线等效电阻RELE对所述微电流信号i的噪声，主要为热噪声f0；所述膜片钳简化子电路包含电容CEQ和运算放大器AEQ，V_amp表示所述膜片钳简化子电路对所述微电流信号i噪声，主要为运算放大器AEQ的热噪声f0、散粒噪声f和电容噪声f2。

另外，各个噪声的频率分布如图12。所述闪烁噪声1/f主要分布在低频区域，所述热噪声f0主要分布在中频区域，所述散粒噪声f和电容噪声f2主要分布在高频区域。

所述膜片钳装置202的滤波电路(部分)如图13所示，本发明使用的滤波器，即图7中的低通滤波器214，为4阶低通滤波器，其第1、2级结构相同，故图13仅展示其中一个二阶低通滤波器。所述二阶低通滤波器由电阻、电容、运算放大器和数模转换器组成，外部施加调节电压V_ref2输入数模转换器D5，转换后的稳定信号V_ref2*输入到运算放大器A5的反相输入端，所述放大后的输入经过电极补偿和快电容补偿的电压信号V_x2，即输入至所述运算放大器A5的同相输入端，两信号叠加后经过运算放大器A6放大和稳压和数模转换器D3调节，再经过运算放大器A7放大和稳压和数模转换器D4调节并通过运算放大器A8进行输出。所述数模转换器D5可以调节所述外部电压V_ref2的进入电路的有效幅度，调节所述的数模转换器D3及D4实现可以调节截止频率的Bessel或Butterworth低通滤波器。

另外，所述低通滤波器的传递函数、Bessel和Butterworth传递特性分别为：

其中

ω_r为特征角频率，ω_r和-3dB截止频率f_c在不同特性下的关系为：

ω_{r_Butterworth}＝6.28f_c

ω_{r_Bessel}＝2.972f_c

所述膜片钳装置202电路的噪声电压频率分布如图14，结果显示在低频范围内噪声最大，并随着频率增加噪声电压逐渐减小，在9.5MHz附近噪声电压约为10^-8V/sqrt(Hz)。

所述噪声电压信号被所述4阶低通滤波器处理后，频率分布如图15，结果显示所述噪声信号在低频率内被大幅度降低，中频率范围内变化不明显，高频率范围内所述噪声信号几乎被过滤干净，对于所述4阶低通滤波器和所述膜片钳装置202电路其他部分电路的在一起的总体效果相当于带通滤波器。

所述膜片钳装置202的输出结果为电流和时间的二维数据，在所述纳米孔电极参考电压V_ref条件下的稳定纳米孔电流的幅值为I，分子通过纳米孔时对所述稳定纳米孔电流有阻碍作用，所述纳米孔电流的幅值在所述分子通过所述纳米孔时明显减小。

软件控制单元将膜片钳装置202输出结果的数据文件接收，经过本地计算之后，再将数据文件通过通信处理单元传输给云端服务器，进行DNA序列数据分析；

如图16所示的软件控制单元，通过图形化界面显示软件界面；

软件结构如图16，其中，处理器与显示终端耦合，接收来自于显示终端的操作命令；

其中，处理器与一个执行机构耦合，这个执行机构为膜片钳装置的电路控制接口，通过该执行机构，将所述配置信息写入到膜片钳单元；

其中，处理器与存储器耦合；

其中，第一网络接口与膜片钳单元耦合，通过信道接收膜片钳单元传输的电信号，通过处理器进行信号采集和文件封装；

处理器根据采集到的电信号的标识不同，初始化基于预写入存储器的本地计算配置脚本，搭建本地计算环境；

根据本地计算脚本和采集到的电信号文件，进行本地计算，可选的，对数据进行数据筛选和数据清洗；

在本地计算完成后，处理器通过第一网络分流器，将处理好的数据输出给通信处理单元；

在本地计算完成后，处理器通过第一网络分流器，将处理好的数据输出给显示终端。

将处理好的数据文件流转至5G通信模块，上传至云端服务器单元，对测序结果实时分析，分析结果可反馈至本地终端。

所述云端服务器单元，拥有大量高性能计算资源，可对测序结果进行高速分析。

所述本地终端，包括所述的DNA测序装置及手机终端、计算机等。

所述5G通信模块，所述的DNA测序装置的输出端与5G通信模块的接收端相连接，5G通信模块的输出端与云服务器的接收端相连接。

具体地，所述5G通信模块包含：

电源模块，用于给模块提供稳定的外部供电；

(U)SIM卡座，用于插入(U)SIM卡，获取网络信号；

蜂窝天线，用于与云服务器间通信；

多规格接口，包括PCIe接口、PCM接口、USB接口等，可以拓展数据传输类型，用于多种数据交换传输；

散热模块，保证所述通信模块可靠工作，提高所述通信模块的稳定性。在正常温度范围外工作时，模组仍能保持正常工作状态，具备数据收发等功能。

优选的，所述5G通信模块同时支持5G/4G/3G；

优选的，所述5G通信模块支持5GNR，NSA和SA双模式，全面覆盖LTE-FDD、LTE-TDD和WCDMA等多种网络制式；

优选的，所述5G通信模块支持多种网络协议；

优选的，所述PCIe接口，用于发送AT命令、数据传输、固件升级、软件调试和GNSSNMEA语句输出，支持EP和RC两种模式。EP模式时，模块被配置为根节点设备。RC模式时，模块被配置为根聚合体设备；所述USB接口，支持USB虚拟串口驱动，可用于发送AT命令、数据传输、固件升级、软件调试和GNSS NMEA语句输出；

更多的，在有线网络许可的条件下，可通过数据线接入所述通信模块的网络接口，所述通信模块获取网络信号后，通过以太网传递数据至云服务器；

更多的，在无线网络许可的条件下，可通过WLAN接入所述通信模块的网络接口，所述通信模块获取网络信号后，传递数据至云服务器；

综上，所述的DNA测序装置依赖通信模块实现不同场景下与云服务器之间的数据互通，实现快速测序并获取结果。

在操作实例中，操作人员按照以下步骤进行DNA测序。

步骤S1，显示操作终端显示DNA测序画面让操作人员选择进行DNA测序操作，在操作人员确认后进入步骤S2；

步骤S2，显示器驱动板发送一个测序请求信息给软件控制单元，然后进入步骤S3；

步骤S3，软件控制单元在接收到步骤S2的测序请求信息时，启动电信号记录软件，并通过该软件控制微流控电路发送一个测序命令给膜片钳控制单元，然后进入步骤S4；

步骤S4，膜片钳控制单元根据步骤S3发送的测序命令对膜片钳电路中相关器件进行参数写入，完成后发送一个测序信号给DNA测序反应池，然后进入步骤S5；

步骤S5，DNA测序反应池根据步骤S4发送的测序命令对样本DNA进行杂交，形成DNA双链，然后进入步骤S6；

步骤S6，微流控装置在接收到步骤S5的DNA双链后，控制测序芯片对样本进行DNA双链序列过孔，产生电信号，然后进入步骤S7；

步骤S7，膜片钳单元根据步骤S6产生的电信号，进行信号抓取，并通过膜片钳装置对信号进行转换、放大、补偿和滤波，并发送一个第一处理信息给软件控制单元，进入步骤S8；

步骤S8，软件控制单元在接收到S7的第一处理信息后，启动处理器中预存储的计算机程序，并发送一个第二处理信息到通信处理单元，然后进入步骤S9；

步骤S9，软件控制单元启动计算步骤，对接收到的DNA测序原始数据进行本地计算，并发送一个第三处理信息到通信处理单元，与云端服务器建立通信连接，然后进入步骤S10；

步骤S10，云端服务器单元在接收到步骤S9的第三处理信息后，发送一个第四处理信息到通信处理单元，然后进入步骤S11；

步骤S11，通信处理单元接收到步骤S10的第四处理信息后，通知软件控制单元将本地计算后的DNA测序数据通过通信处理单元传输给云端服务器单元，然后进入步骤S12；

步骤S12，云端服务器单元对步骤S11发送的测序数据进行数据分析并输出单双链构象判断，并通过步骤S9建立的通信连接将该测序分析结果发送给显示操作终端，然后进入步骤S13；

步骤S13，显示终端显示测序结果显示画面并在该画面中显示测序分析结果让操作人员查看，步骤结束。

发明作用与效果：

根据本发明提供的一体化DNA测序装置，通过软件控制单元将DNA测序设备，膜片钳单元，通信处理单元进行集成，调节各个设备进行有序的运行以及输出样本和数据，再通过云端服务器单元完成DNA单双链数据分析，从而将DNA测序技术、IC芯片设计、软件控制、无线通信以及机器学习数据分析相结合，形成了对DNA测序设备的一体化，极大地简化、方便了用户进行DNA测序的实验过程；同时，该系统具有高通量、高特异性、高纯度、自动化以及高实用性的特点，能够精准、效率的完成DNA测序，得到结果。

本发明中，多个导流装置分别对各个设备进行连接，在软件控制单元的控制下，能够准确地在不同单元之间进行数据获取与传递。

本发明中，由于具有多个实体单元，用于分别实现不同功能，需要进行单元之间的通信连接。

本发明中，膜片钳单元中具有多个电信号处理装置，能够精确感知微弱电流并放大。

本发明中，由于具有本地计算方法，可将膜片钳单元输出的DNA序列数据进行预处理并传输，降低了通信所需资源。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内容。

Claims (2)

1.一种基于固态纳米孔的DNA测序一体化装置，其特征在于，其包括微流控装置和

一种膜片钳装置(1)，包括依次连接的电流-电压转换电路、模数转换器、数模转换器、补偿电路和滤波电路，实现将电信号放大并处理转换为数字信号输出的功能；

一种用于DNA测序序列的本地计算和软件控制单元(2)，其包括第一网络接口，第二网络接口，第一网络分流器，处理器，其用于DNA测序数字信号的处理；

一种5G通信处理单元(3)，其包括：SIM卡座，电源模块，蜂窝天线，预留多规格接口，散热模块；用于实现与5G通信功能，将软件控制单元输出的数据分组与远程云平台终端进行数据交互；

一种数据处理云端服务器单元(4)，其包括：处理器、存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，对所述5G通信处理单元传出数据进行接收，实现数据分析功能；

一种显示操作终端(5)，其包括：液晶显示器、显示器驱动板；

所述机箱包括：显示区和序列处理区；

其中，膜片钳装置和一个固态纳米孔DNA测序芯片连接；

其中，膜片钳与软件控制单元通信连接，软件控制单元与5G通信处理单元通信连接，5G通信处理单元与数据处理云端服务器单元通信连接；

其中，本地计算和软件控制单元搭载在显示操作终端实体上；

其中，软件控制单元对膜片钳装置进行基于电信号的操作控制；

所述液晶显示器指令下达画面以及测序结果显示画面；

所述液晶显示器显示测序操作画面让所述操作人员选择进行DNA测序操作；

当所述操作人员确认后，所述显示器驱动板发送一个DNA测序请求信息给所述软件控制单元；

所述软件控制单元在接收到所述DNA测序请求信息时，控制所述微流控装置发送一个DNA测序指令给所述DNA杂交探针；

所述DNA杂交探针对获取的所述目标序列进行杂交，形成DNA双链；

所述DNA杂交探针在形成DNA双链后，通过所述微流控装置将杂交DNA样本通过测序芯片纳米孔，并产生电流信号；

所述膜片钳装置抓取电流信号，并进行信号转换、放大、补偿和滤波；

所述软件控制单元抓取所述膜片钳装置产生的电信号输出，并产生数据文件；

所述软件控制单元发送一个通信指令和所述数据文件给所述通信处理单元；

所述通信处理单元在接收到通信指令之后，与所述数据处理云端服务器单元建立通信连接；

所述云端服务器单元通过通信连接发送一个通信指令给所述通信处理单元，控制通信处理单元将所述数据文件发送给云端服务器；

所述云端服务器通过所述存储器中存储的计算机程序，对接受的DNA序列文件进行测序分析，并将该测序分析结果发送给所述通信处理单元；

所述通信处理单元对接收的所述测序分析结果发送给所述软件控制单元；

所述软件控制单元将所述测序分析结果发送给所述显示操作终端；

所述输入显示部分显示所述测序结果显示画面并在该画面中显示所述测序分析结果让所述操作人员查看。

2.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述本地计算和软件控制单元，用于处理操作人员操作指令，进行DNA测序数字信号的处理和传输，其中，第一网络接口，其能接受膜片钳传来的数据分组，第二网络接口，其能够输出未处理的数据分组或处理的数据分组；第一网络分流器，其与所述第二网络接口耦合，接收来自所述数据分组，并将其分流后发出；处理器，其与所述网络接口耦合，并对所述数据分组进行处理；存储器，其与所述处理器耦合，并对处理器输出数据进行存储，实现对DNA测序信号进行数字化处理、存储和输出；

所述本地计算和软件控制单元搭载在显示控制终端的显示驱动电路板上，并通过电路板与显示终端耦合；

所述本地计算和软件控制单元的处理器通过一种电信号接口直接与一种执行机构耦合。

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