CN117157383A - 一种检测结构、方法、检测芯片以及传感装置 - Google Patents

一种检测结构、方法、检测芯片以及传感装置 Download PDF

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Abstract

一种检测结构、方法、检测芯片以及传感装置。检测结构(200)包括至少含有检测芯片(000)、流体槽(101)和载板(102)的传感装置(100)，以及用于捕获分析传感装置(100)中产生的信号的探测装置(201)；流体槽(101)设置在载板(102)上，并与载板(102)形成空腔(103)，检测芯片(000)处在空腔(103)内；检测芯片(000)至少包括衬底(001)、设置在衬底的第一电极(002)以及第一电路(003)；第一电极(002)通过第一电路(003)与第二电极(004)连接，形成电回路。针对现有技术中存在的激励和检测信号同类型而不可避免背景噪声的缺陷，该特定的检测结构及方法实现了激励和信号在物理形式上的隔离，可有效规避现有技术中的背景噪声，进而改善检测的准确率。

Description

一种检测结构、方法、检测芯片以及传感装置 技术领域
本发明涉及生物技术领域，尤其是涉及一种检测结构、方法、检测芯片以及传感装置。
背景技术
作为现代分子生物学研究中常用的技术，基因测序技术已经取得了可观的进步，目前的基因测序技术包括第一代Sanger测序技术，第二代高通量测序技术和第三代单分子测序技术。
第一代Sanger测序法，虽依然是基因测序的黄金法则，但其成本极高；二代高通量测序技术主要包括焦磷酸测序、合成测序、离子半导体测序和连接测序技术。其中，以合成测序为核心的大规模平行测序技术在通量和速度方面均有较高改进，是目前商业应用的主流技术。然而，合成测序技术需要对碱基进行荧光标记，并且还需要具有复杂的激光源和光学系统，使得测序系统复杂，后期数据处理难度大，而且标记试剂特别昂贵，导致测序成本下降空间有限，且存在不可避免的人为引入误差。
第三代单分子测序技术，其特点为快速、可测序列长，成为学术及产业界追求的新方向。第三代测序技术原理，主要分为光学单分子测序和电学单分子测序两大阵营。
光学单分子测序代表性的技术为美国太平洋生物(Pacific Bioscience)的“零式波导”技术。电学单分子测序代表性的公司为英国牛津纳米孔公司的新型纳米孔测序法(nanopore sequencing)，具体的，其根据A、T、C、G单个碱基的带电性质不一样，通过电信号的差异从而实现序列分析。然而，“零式 波导”技术仍需激发光源和光学系统，不可避免的，激发光会成为光信号的背景噪声，成本及错误率仍然较高；纳米孔测序法，依赖于电场激励下的电子信号来实现结果分析，而电子信号对电噪声敏感，这种噪声会增加对电子信号的分析难度，信噪比难以提升，进而制约检测准确率的提升。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明提供了检测结构，以解决现有技术中无论是使用具有激发光源和光学系统的检测体系，还是诸如纳米孔测序技术中，通过电激励产生电子信号的方法中，存在的激发信号和检测信号同种类型，进而不可避免存在背景噪声，导致检测准确率不理想的技术问题。
另一方面，本发明还提供了一种基于检测结构进行检测的方法，通过装置以及方法的结合以实现更好的检测效果。又一方面，本发明还提供了一种检测芯片以及传感装置，该检测芯片和传感装置作为核心元件，可助于实现激励和信号在物理形式上的隔离，并在分子检测和分析、物质识别、分子诊断、疾病检测、以及基因检测和测序方面的得以应用。
一种检测结构，包括至少含有检测芯片、流体槽和载板的传感装置，以及；用于捕获分析所述传感装置中产生的信号的探测装置；
所述流体槽设置在所述载板上，并与所述载板形成空腔，所述检测芯片处在所述空腔内；所述检测芯片至少包括衬底、设置在所述衬底的第一电极以及第一电路；
所述第一电极通过所述第一电路与第二电极连接，形成电回路。
本发明中，传感装置设置有检测芯片，以及将检测芯片封闭的流体槽，载板实际作为检测芯片和流体槽的承载部件，通过和流体槽的设置位置形成 了将检测芯片封闭的空腔(在检测的过程中填充有样本)，由于检测芯片包括衬底，以及通过第一电路形成电回路的第一电极和第二电极(其不一定设在检测芯片上)；因此，在对两个电极施加电压进行激励时候，可以激发待测样本中的某些成分产生与激励形式不同类型的信号，产生的信号可通过探测装置捕获后，进行进一步的分析并最终实现检测结果的分析。
和现有技术相比，本发明区别于传统的激发光直接照射物质并产生光学信号，不可避免会存在光噪声的缺陷的方式；同时，本发明也区别于诸如纳米孔测序技术中通过电化学产生并分析电信号存在电噪声的方式。传统的以上的两种方式，均存在激励和检测信号同种类型，不可避免存在背景噪声，加大信号分析难度，影响检测准确率。而本发明中，激励和检测信号不同类型，进而从根本上实现了激励和检测信号在物理形式上的隔离，由此，可有效规避现有技术中的背景噪声，进而改善检测的准确率。
可选的，所述探测装置能够集成设置在所述传感装置内或独立设置在所述传感装置外；和/或；所述第二电极能够集成设置在所述检测芯片上或者独立设置在所述检测芯片外。
探测装置和第二电极的设置位置可多选，从而增加整个检测结构的适用性。当探测装置和传感装置集成一体时，一般优选将探测装置集成在检测芯片的衬底上。另外，探测装置可优选为光探测装置。
更为具体的，所述第二电极可以位于流体槽内，也可以位于检测芯片之上；所述第二电极位于所述检测芯片上时，可以是圆形或椭圆形，也可以是四边形或多边形。所述第二电极位于流体槽内时，可以是圆柱形或多边柱形或片状。所述第二电极数量可以是1个，也可以是多个，如10个、50个、100个等。
可选的，还包括温控装置以及主控装置；
所述温控装置用于控制所述传感装置内流体的温度，所述主控装置分别与所述温控装置、所述传感装置、所述探测装置连接，并用于进行数据采集、存储和分析。
温控装置以及主控装置作为检测结构实现检测效果的重要辅助部件，所述温控装置可用于控制传感装置内的流体温度，流体温度控制范围优选在0-60摄氏度之间；所述探测装置用于探测传感装置产生的信号；而主控装置分别与所述温控装置、所述传感装置、所述探测装置连接；由此而实现数据的采集、存储和分析。
可选的，所述探测装置为光探测装置。
将探测装置优选设置成光探测装置，例如，包括但不限于电荷耦合(CCD)相机、CMOS相机、S-CMOS相机、光电二极管(PD)阵列、雪崩光电二极管(APD)阵列或光电倍增管(PMT)或硅光电倍增管(SiPM)，其在检测应用中，即实现了使用电化学激励的方式，检测光信号的方式。
具体的，通过控制电极电压，利用电化学方法激发出光信号，实现激励和检测信号的不同类型，有效规避背景噪声，降低检测信号的分析难度，从而助于提高检测准确率。
利用电化学激发光信号，具有更好的可控性、选择性和灵敏度。同时，利用电极控制电化学循环，电化学反应实现光信号的可控倍增放大，进一步有利于提高信号的检测率和信噪比。
可选的，所述第一电极呈阵列设置在所述衬底上；
和/或，每相邻的两个所述第一电极之间设置有隔离阱；
和/或，所述第一电路设置在所述衬底内。
呈阵列设置的第一电极，其可以实现在同一衬底的大量设置，以提高检测效率。另外，在第一电极之间设置有隔离阱，其可用于消除或避免相邻第 一电极同时发出的光信号之间的相互干扰。第一电路的主要功能是将阵列化的第一电极以及第二电极连接起来，构成电回路，并按照检测的需要对第一电极的电位进行实时的控制，可以对阵列化的第一电极进行统一控制，也可以分时控制不同区域的第一电极。根据检测的需要，通过第一电路施加给第一电极的电位可以是恒定的，也可以是周期性的一系列电位。
可选的，所述隔离阱的厚度大于所述第一电极的厚度，且所述隔离阱远离所述衬底的一端与所述流体槽的槽底存在空隙。
隔离阱，主要作用用于消除或避免相邻第一电极同时发出的光信号之间的相互干扰，对于第一电极而言，处在其两侧的隔离阱，实际上围成了该第一电极的反应空间；如果隔离阱的厚度小于第一电极的厚度，则消除或者避免干扰的效果就比较有限；另外，流体槽和检测芯片周围的空腔作为反应体系的反应腔，应该是畅通、不间断的；所以，隔离阱远离所述衬底的一端与所述流体槽的槽底存在空隙；应理解，由于流体槽实际是反扣在载板上的，所以，流体槽的槽底，在实际的结构中，是处在顶端的位置。
可选的，所述衬底设置在所述载板上，所述流体槽与所述载板连接，所述载板嵌设有与所述第一电路连接的第二电路。
流体槽固定在所述载板上，为所述检测芯片构建一个承载流体的腔，另一方面，其实现类似将检测芯片密封的效果(具体为其和载板连接的部分属于密封连接，但并非指代其和载板形成的反应腔与外界隔离)；第二电路的功能用于控制第一电路；第一电路用于实现将第一电极和第二电极互联形成电回路。
可选的，所述流体槽上设置有用于向空腔内加注或者吸取样本的样孔。
通过样孔，即可实现向空腔内加注或者吸取样本，另外，样孔的数量、设置位置以及形状等可以是多元的，优选圆孔，数量优选多个，设置位置优 选处在流体槽的底壁上(也即槽口相对的壁，槽口扣在载板上的开口，实际应用中，槽口和载板是密封连接的)。
一种基于检测结构进行检测的方法，包括如下步骤；
将特征酶连接在第一电极上，并将待测样本、至少含有一种经标签分子和/或共反应分子修饰的原料分子加入到可供反应的空腔内；
设置电压，使得反应体系中产生信号并被探测装置捕获，并对捕获的信号进行分析，获得检测结果。
整个检测方法包括将特征酶连接在第一电极上、构建反应体系、设置电压并进行控制，基于检测结构的特殊性以及所加入的反应体系，使得激发及捕获的检测信号不同类型，实现了激励和检测信号在物理形式上的隔离，可有效规避背景噪声，进而改善检测的准确率。
可选的，所述方法具体包括如下步骤：
将核酸聚合酶连接在第一电极上，并将含有待测核酸样的溶液加入到可供反应的空腔内；
将至少含有一种经标签分子和/或共反应分子修饰的原料分子加入到可供反应的空腔内；
通过对第一电极和第二电极设置电压，原料分子和核酸聚合酶作用下形成的和待测核酸样互补的延伸物中发出光信号；
光探测装置捕获光信号，通过对光信号进行分析，获得测序结果。
应理解，多数情况下，待测核酸样的溶液和原料分子一起作为反应体系加入至反应腔中。但是，在一些情况，两者还可以是单独加入的方式。还需说明的是，若含有待测核酸样的溶液以及原料分子以单独的方式加入空腔，二者没有先后顺利的限定。
反应的过程中，原料分子具有和核苷酸分子一样的基本功能，可以被聚 合到核酸分子链上，同时原料分子上所携带的标签分子可以与原料分子上的和/或溶液中的共反应分子一起在第一电极施加一定的特征电位的情况被激发发生电化学反应，并最终发射出光信号。
该反应在第一电极表面发生，因此，未被结合到核酸分子链上的原料分子不会发生该发光反应。通常需要4种核苷酸，即分别具有A、T、C、G碱基的核苷酸，4种核苷酸分别被修饰上4种不同的标签分子。不同的标签分子，或具有不同的特征电位，或可以发出不同波长的光信号，或两种特征兼具。
可选的，所述延伸物中的标签分子和/或共反应分子还包括被核酸聚合酶剪切后形成游离分子的步骤。
可选的，所述标签分子包括金属有机配合物及其衍生物、多环芳烃类化合物及其衍生物或酰肼类化合物及其衍生物；
和/或；所述共反应分子包括草酸根、过硫酸根、三丙胺或过氧化氢；
和/或；所述原料分子包括核苷酸。
优选的，原料分子可以是被1个或多个标签分子修饰的核苷酸，也可以是被1个或多个标签分子及1个或多个共反应分子同时修饰的核苷酸。
一种检测芯片，所述检测芯片至少包括衬底、第一电极以及第一电路，所述第一电极设置在所述衬底上；
所述第一电极通过所述第一电路与第二电极连接，并形成电回路。
检测芯片中，包括衬底、第一电极以及第一电路，第一电极设置在所述衬底上；由此在第一电极上即可形成电化学反应的场所，而第一电路可以将第一电极和第二电极连通，因此，存在反应体系的前提下，通过对两个电极施加电压，即可实现电化学反应，并促使反应体系产生可被收集以及进一步分析的非电信号(如光信号)，从而实现激励和检测信号在物理形式上的隔离。
可选的，所述第一电极通过所述第一电路将能够集成设置在所述检测芯片上或者独立设置在所述检测芯片外的第二电极连接，并形成电回路。
可选的，所述检测芯片包括所述第二电极，且所述第二电极设置在所述衬底上。
第二电极其作用在于和第一电极通过第一电路形成电回路，设置位置随意，比如，其可以作为检测芯片的一部分设在衬底上，也可以独立于检测芯片，设置在其他位置(如载板)。
可选的，所述衬底包括半导体衬底、绝缘体衬底、绝缘体上半导体衬底或印刷电路板；
和/或；所述第一电极或第二电极包括金属电极、多层金属复合电极、氯化银电极、氧化铟锡、碳基材料电极或碳基材料与金属的复合体电极。
衬底的功能在于为第一电极和第一电路提供载体，其种类也是可多选的，具体可根据应用场景和需求确定。同理，第一电极或第二电极的也可以有多种选择。
一种传感装置，包括上述的检测芯片以及流体槽和载板；
所述流体槽设置在所述载板上，并与所述载板形成空腔，所述检测芯片处在所述空腔内。
传感装置作为整个检测结构中非常重要的部件，其是电化学反应发生的场所，通过检测芯片、载板以及流体槽等组成。在载板以及流体槽形成的空腔内设置有检测芯片，由此，检测芯片以及其所处的反应腔构成反应体系的反应场所，通过电压作用于两个电极后，即可产生被探测装置捕获分析的信号。
可选的，还包括探测装置，所述探测装置设置在所述检测芯片的衬底上，用于捕获所述传感装置中产生的信号。
当探测装置和传感装置集成一体时，一般优选集成检测芯片的衬底上，会使得整个传感装置更为简约一体化。探测装置优选为光探测装置，以便于捕获传感装置中的光信号。
综上所述，本发明中，检测芯片作为核心部件，作为电化学反应产生非电信号的基础保障，传感装置在检测芯片的基础之上，进一步提供了反应腔等反应场所；检测结构集检测芯片、传感装置为一体，利用电化学方法激发出光信号，通过加电激励获得测序光信号，实现了激励和检测信号在物理形式上的隔离，可有效规避现有技术中的背景噪声，进而改善检测的准确率。
本发明中，利用电化学激发光信号，其和传统的利用激发光源和光学系统激发光信号；以及纳米孔测序法，依赖于电场激励下的电子信号来实现结果分析的方法相比，实现了激励和检测信号在物理形式上的隔离，具有极大的降噪优势。
本发明中，利用电化学激发光信号，具有更好的可控性、选择性和灵敏度。利用电极控制电化学循环电化学反应，能实现光信号的可控倍增放大，有利于提高信号的检测率和信噪比。
本发明中，可实现利用集成在传感装置中的探测装置(光电探测器)有助于提高检测结构的集成化并减小检测系统的体积。
本发明的传感装置、检测结构及检测方法可广泛用于分子检测和分析、物质识别、分子诊断、疾病检测、以及基因检测和测序等，具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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1a为本发明的一个实施方案中，检测芯片的平面结构示意图；
图1b为本发明的一个实施方案中，检测芯片的剖面结构示意图；
图1c为本发明的一个实施方案中，检测芯片的另一剖面结构示意图；
图1d为本发明的一个实施方案中，检测芯片的又一剖面结构示意图；
图2a为本发明的一个实施方案中，传感装置的一剖面结构示意图；
图2b为本发明的一个实施方案中，传感装置的又一剖面结构示意图；
图3为本发明的一个实施方案中，检测结构的一系统架构示意图；
图4为本发明的一个实施方案中，原料分子的示意图；
图5为本发明的一个实施方案中，信号检测的示意图；
图6为本发明的一个实施方案中，检测芯片设置有第一电极的示意图；
图7和图8分别为针对图6的第一电极设置方式中，对所有第一电极同时施加周期性电位示意图以及对不同第一电极分时施加电位示意图。
附图标记
检测芯片-000；
衬底-001；第一电极002、第一电路003、第二电极004、隔离阱005；
传感装置-100；
流体槽-101；载板-102；空腔-103；第二电路-104；样孔-105；
检测结构-200；
探测装置-201；温控装置-203；主控装置204；
原料分子300
核苷酸-301；标签分子-302；共反应分子-303；
核酸聚合酶-400；待测核酸分子-500。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上” 或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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发明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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
请参考图1a至图1d；本发明的一个具体的实施方案中，提供了一种检测芯片000。检测芯片000包括衬底001、第一电极002以及第一电路003，第一电极002设置在衬底001上；第一电极002通过第一电路003与第二电极004连接，并形成电回路。
检测芯片000的其他实施方案还可以是在上述实施方案的基础之上所进行的以下一种方案或者多种方案组合的进一步的限定或者增加；
例如，如图1a、图1b和图1d所示出，检测芯片000包括第二电极004，且第二电极004设置在衬底001上；衬底001包括半导体衬底、绝缘体衬底、绝缘体上半导体衬底或印刷电路板；第一电极002或第二电极004包括金属电极、多层金属复合电极、氯化银电极、氧化铟锡、碳基材料电极或碳基材料与金属的复合体电极；第一电极002呈阵列设置在衬底001上；每相邻的 两个第一电极002之间设置有隔离阱005；和/或第一电路003设置在衬底001内。
应理解，和图1a、图1b和图1d的区别之处在于，在图1c中所示出的检测芯片000的方案中，第二电极004没有设置在衬底001上。另外，图1c和图1d中示出的检测芯片000中，和图1a和图1b所示出的检测芯片000的区别主要在于，增加了隔离阱005。
在一些实施方案中，衬底001是半导体，如硅；也可以是绝缘体，如石英玻璃；也可以是绝缘体上半导体，如绝缘体上硅；还可以是印刷电路板，即所谓的PCB板。
衬底001的形状可有多种选择，优选的方案中，衬底001的形状一般为矩形，厚度在100微米-10毫米之间，长度或宽度在0.5毫米-500毫米之间。
在一些实施例中，第一电极002和第二电极004可以是银和氯化银；也可以是惰性金属，如铂、金、钯等；也可以是多层复合金属，如钛铂、镍铂、钛金、镍金、钛钯、镍钯等；也可以是碳基材料，如石墨烯或碳纳米管；还可以是碳基材料和金属的复合体，如石墨烯与铂，石墨烯与金等；还可以是氧化铟锡(ITO)。
第一电极002的拓扑结构可以是圆形或椭圆形，也可以是四边形或多边形。第一电极002的厚度一般在1纳米-100微米之间，在实际设计和制造时通过综合考虑性能和制造成本来决定，优选地，厚度200纳米。第一电极002的直径或长轴或短轴均应在1纳米到1微米之间。
在同一检测芯片000内，第一电极002可以是单个，也可以是多个第一电极002构成的阵列，阵列数量可以根据设计需求来确定，比如10 3、10 9或者10 12个等。相邻两个第一电极002之间的间距优选1纳米-10微米之间。
在一些实施方案中，隔离阱005的材料可以是氧化硅等半导体材料，也 可以是金属材料，还可以是有机材料。隔离阱005的形状可以是圆形或椭圆形，也可以是四边形或多边形。隔离阱005结构线宽在1纳米-10微米之间，高度(厚度)在10纳米-100微米之间。
在一些优选的实施例中，第二电极004位于检测芯片000上，其形状可以是圆形或椭圆形，也可以是四边形或多边形。
本发明的一个具体的实施方案中，提供了一种传感装置100；包括如上所述的任一实施方案中的检测芯片000以及流体槽101和载板102；流体槽101设置在载板102上，并与载板102形成空腔103，检测芯片000处在空腔103内。
本发明传感装置100的其他实施方案还可以是在上述实施方案的基础之上所进行的以下一种方案或者多种方案组合的进一步的限定或者增加。
例如：隔离阱005的厚度大于第一电极002的厚度，且隔离阱005远离衬底001的一端与流体槽101的槽底存在空隙；衬底001设置在载板102上，流体槽101与载板102的连接；载板102嵌设有与第一电路003连接的第二电路104；流体槽101上设置有用于向空腔103内加注或者吸取样本的样孔105；或者；还包括探测装置201，探测装置201设置在检测芯片000的衬底001上，用于捕获传感装置100中产生的信号。
在另一些实施例中，如图2a所示，传感装置100中的第二电极004位于检测芯片000上；在其他一些实施例中，如图2b所示，传感装置100中的第二电极004位于流体槽101内，具体可以设置在载板102上。如图2a和图2b所示的传感装置100中，主要的区别体现在第二电极004的设置位置不同。两种结构中，第二电极004均可以通过注入在空腔103中的反应体系实现电连通，并最终都与第一电路003或第二电路104连通。
在一些实施方案中，载板102可以是印刷电路板、塑料材料，也可以是 陶瓷材料等。如图2a和图2b所示，第二电路104设置在载板102内，用于控制第一电路003，检测芯片000固定在载板102上，并将检测芯片000上的第一电路003连接到载板102上的第二电路104，流体槽101可以是非导电材料，如塑料、陶瓷等。空腔103连通第一电极002和第二电极004，当腔内充满流体(反应体系)时，第一电极002和第二电极004之间构成电回路。
在一些具体的实施方案中；第一电极002的长度或长轴在1纳米-1微米之间；第一电极002的宽度或短轴在1纳米-1微米之间；第一电极002的厚度(高度)在1纳米-100微米之间；第一电极002阵列中相邻两个电极之间的间距在1纳米-10微米之间；
当第二电极004位于检测芯片000上时，长度或长轴在1纳米-100毫米之间；宽度或短轴在1纳米-100毫米之间；厚度在1纳米-100微米之间。当第二电极004不位于检测芯片000上时，长度或直径在1纳米-100毫米之间；宽度或直径在1纳米-100毫米之间；高度或厚度在1纳米-10毫米之间。
衬底001的厚度在100微米-10毫米之间，长度在0.5毫米-500毫米之间，宽度在0.5毫米-500毫米之间。
载板102的厚度在100微米-10毫米之间；长度在0.5毫米-500毫米之间；宽度在0.5毫米-500毫米之间。
流体槽101的长度在0.5毫米-500毫米之间；宽度在0.5毫米-500毫米之间；流体槽101与芯片构成的腔的高度在1微米-10毫米之间。
在一些实施例中，流体槽101固定在检测芯片000和载板102上，并因此在检测芯片000和流体槽101之间形成容纳流体溶液的空腔103。流体槽101上设置有1个或多个用于溶液加注或吸取的样孔105。
请参考图2a、图2b和图3，本发明的一个具体的实施方案中，提供了一 种检测结构200；包括含有检测芯片000、流体槽101和载板102的传感装置100，以及用于捕获分析传感装置100中产生的信号的探测装置201；流体槽101设置在载板102上，并与载板102形成空腔103，检测芯片000处在空腔103内；检测芯片000至少包括衬底001、设置在衬底001的第一电极002以及第一电路003；第一电极002通过第一电路003与第二电极004连接，形成电回路。
检测芯片000和传感装置100可以是上述任一实施例中所列的方案；另外，在一些实施方案中，探测装置201集成设置在传感装置100内(图中并未示出)；或独立设置在传感装置100外(如图5中，传感装置100和探测装置201的相对位置所示)；同时第二电极004能够集成设置在检测芯片000上或者独立设置在检测芯片000外。
在另一些优选的实施方案中，还包括温控装置203以及主控装置204；
温控装置203用于控制传感装置100内流体的温度，主控装置204分别与温控装置203、传感装置100、探测装置201连接，并用于进行数据采集、存储和分析。
流体的温度控制范围在0-60摄氏度之间；探测装置201优选为光信号探测器，用于探测传感装置100产生的光信号。
温控装置203一般采用基于PID逻辑控制的半导体温控模块，是一种成熟的温控技术，此处不做赘述。
探测装置201可以是光探测装置，比如电荷耦合(CCD)相机、CMOS相机、S-CMOS相机、光电二极管(PD)阵列、雪崩光电二极管(APD)阵列或光电倍增管(PMT)或硅光电倍增管(SiPM)。探测装置201可以将传感装置100上在检测过程中发出的光信号进行探测并传输到主控装置204。
本发明的一个具体的实施方案中，提供了一种检测的方法，包括如下步 骤；
将特征酶连接在第一电极002上，并将待测样本、至少含有一种经标签分子302和/或共反应分子303修饰的原料分子300加入到可供反应的空腔103内；设置电压，使得反应体系中产生信号并被探测装置201捕获，并对捕获的信号进行分析，获得检测结果。
可参考图5，示出了本发明的一个实施例中，通过检测结构200实现信号检测示意图，在一些更为具体的检测方法的实施方案中，如具体应用到核酸测序中，方法具体包括如下步骤：
将核酸聚合酶400连接在第一电极002上，并将含有待测核酸样的溶液加入到可供反应的空腔103内；将至少含有一种经标签分子302和/或共反应分子303修饰的原料分子300加入到可供反应的空腔103内；
应理解，在此处的溶液中，可以有多种形式，比如待测核酸样的溶液和含有一种经标签分子302和/或共反应分子303修饰的原料分子300的溶液可以是一体形式，也可以是单独加入。
单独加入的方式中，可以理解成将单独以溶液形式存在的待测核酸样的溶液以及单独的原料分子300的溶液加入反应腔中，同时，没有先后顺利的限定。
通过对第一电极002和第二电极004设置电压，原料分子300和核酸聚合酶400作用下形成的和待测核酸样互补的延伸物中发出光信号；
探测装置201(具体为光探测装置)捕获光信号，通过对光信号进行分析，获得测序结果；
标签分子302具有电化学发光活性，可在第一电极002及共反应分子303的作用下因电化学反应释放光信号；不同的标签分子302，或具有不同的特征电位，或可以发出不同波长的光信号，或两种特征兼具。为了便于理解， 在图4中，示出了经过修饰的原料分子300的示意图。
在一些实施方案中，标签分子302可以是金属有机配合物及其衍生物，如联吡啶钌、联吡啶铱、联吡啶锇等；在其他一些实施例中，标签分子302也可以是多环芳烃类化合物及其衍生物，如9，10-二苯基蒽等；还可以是酰肼类化合物及其衍生物，如鲁米诺等。
共反应分子303可以是草酸根、过硫酸根、三丙胺、过氧化氢等。原料分子300可以是1个或多个标签分子302修饰的核苷酸301，也可以是被1个或多个标签分子302及1个或多个共反应分子303同时修饰的核苷酸301。原料分子300中，携带不同碱基的核苷酸301分子被不同的标签分子302和/或共反应分子303修饰；应理解，被不同标签分子302或共反应分子303修饰的核苷酸301分子可以被激发出不同波长的光信号，或者具有不同的特征电位。
另外，本发明的一个具体实施方案中，提供一种分析核酸分子序列的方法，其包括：
S-1、提供本发明检测结构200；
S-2、将核酸聚合酶400连接在第一电极002上；
S3、将含有待测核酸分子500的溶液加入到腔中；
S4、将至少经一种标签分子302和/或共反应分子303修饰的原料分子300加入到空腔中；
在一些反应，如有必要，构成的反应体系中，为了满足反应的需要，还可以继续额外加入一种或多种共反应分子303；
S5、原料分子300在核酸聚合酶400的作用下合成到待测核酸分子500上成为与待测核酸分子500互补的延伸物；
S6、在第一电极002和第二电极004上设置特定的电位；
S7、在特征电位和共反应分子303的激发下，延伸物上的标签分子302发生电化学反应并发出光信号；
S8、光信号被探测装置201捕获并转换为电信号传输到主控装置204；
S9、延伸物上的标签分子302进一步被核酸聚合酶400剪切并进入溶液成为游离分子；
S10、重复5-8步骤，可获得待测核酸分子500合成过程中的一系列光信号信息；通过分析获得核酸分子的序列信息。
通过分析发光信号的波长或发出光信号时对应的特征电位等信息，可以获得核苷酸301分子被修饰标签分子302或共反应分子303的类别，并进一步分析得到待测核酸分子500的序列信息。
在具体应用的过程中，本发明的一个实施例中，可以在同一时间对同一传感装置100中的第一电极002阵列施加固定的电位或周期性的电位。在本发明的另一个实施例中，可以选择在只为一部分第一电极002施加电位，而对另一部分第一电极002不施加电位，具体如图6-图8所示。
图6本发明的一个实施方案中，检测芯片000设置有第一电极002的示意图，在此基础之上，图7和图8分别针对图6的第一电极002设置方式中，示出了对所有第一电极002同时施加周期性电位示意图以及对不同第一电极002分时施加电位示意图。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (17)

  1. 一种检测结构，其特征在于，包括至少含有检测芯片、流体槽和载板的传感装置，以及；
    用于捕获分析所述传感装置中产生的信号的探测装置；
    所述流体槽设置在所述载板上，并与所述载板形成空腔，所述检测芯片处在所述空腔内；所述检测芯片至少包括衬底、设置在所述衬底的第一电极以及第一电路；
    所述第一电极通过所述第一电路与第二电极连接，形成电回路。
  2. 根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，所述探测装置能够集成设置在所述传感装置内或独立设置在所述传感装置外；
    和/或；
    所述第二电极能够集成设置在所述检测芯片上或者独立设置在所述检测芯片外。
  3. 根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，还包括温控装置以及主控装置；
    所述温控装置用于控制所述传感装置内流体的温度，所述主控装置分别与所述温控装置、所述传感装置、所述探测装置连接，并用于进行数据采集、存储和分析。
  4. 根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，所述探测装置为光探测装置。
  5. 根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，所述第一电极呈阵列设置在所述衬底上；
    和/或，每相邻的两个所述第一电极之间设置有隔离阱；
    和/或，所述第一电路设置在所述衬底内。
  6. 根据权利要求5所述的检测结构，其特征在于，所述隔离阱的厚度大于所述第一电极的厚度，且所述隔离阱远离所述衬底的一端与所述流体槽的槽底存在空隙。
  7. 根据权利要求1-6任一项所述的检测结构，其特征在于，所述衬底设置在所述载板上，所述流体槽与所述载板连接；
    所述载板嵌设有与所述第一电路连接的第二电路。
  8. 根据权利要求7所述的检测结构，其特征在于，所述流体槽上设置有用于向空腔内加注或者吸取样本的样孔。
  9. 一种基于权利要求1-8任一项所述的检测结构进行检测的方法，其特征在于，包括如下步骤；
    将特征酶连接在第一电极上，并将待测样本、至少含有一种经标签分子和/或共反应分子修饰的原料分子加入到可供反应的空腔内；
    设置电压，使得反应体系中产生信号并被探测装置捕获，并对捕获的信号进行分析，获得检测结果。
  10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步 骤：
    将核酸聚合酶连接在第一电极上，并将含有待测核酸样的溶液加入到可供反应的空腔内；
    将至少含有一种经标签分子和/或共反应分子修饰的原料分子加入到可供反应的空腔内；
    通过对第一电极和第二电极设置电压，原料分子和核酸聚合酶作用下形成的和待测核酸样互补的延伸物中发出光信号；
    光探测装置捕获光信号，通过对光信号进行分析，获得测序结果。
  11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述延伸物中的标签分子和/或共反应分子还包括被核酸聚合酶剪切后形成游离分子的步骤。
  12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
    所述标签分子包括金属有机配合物及其衍生物、多环芳烃类化合物及其衍生物或酰肼类化合物及其衍生物；
    和/或；
    所述共反应分子包括草酸根、过硫酸根、三丙胺或过氧化氢；
    和/或；
    所述原料分子包括核苷酸。
  13. 一种检测芯片，其特征在于，所述检测芯片至少包括衬底、第一电极以及第一电路，所述第一电极设置在所述衬底上；
    所述第一电极通过所述第一电路与第二电极连接，并形成电回路。
  14. 根据权利要求13所述的检测芯片，其特征在于，所述检测芯片包括所述第二电极，且所述第二电极设置在所述衬底上。
  15. 根据权利要求13所述的检测芯片，其特征在于，所述衬底包括半导体衬底、绝缘体衬底、绝缘体上半导体衬底或印刷电路板；
    和/或；
    所述第一电极或第二电极包括金属电极、多层金属复合电极、氯化银电极、氧化铟锡、碳基材料电极或碳基材料与金属的复合体电极。
  16. 一种传感装置，其特征在于，包括如权利要求13-15任一项所述的检测芯片以及流体槽和载板；
    所述流体槽设置在所述载板上，并与所述载板形成空腔，所述检测芯片处在所述空腔内。
  17. 根据权利要求16所述的传感装置，其特征在于，还包括探测装置，所述探测装置设置在所述检测芯片的衬底上，用于捕获所述传感装置中产生的信号。
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