CN215404243U - 基因测序传感装置 - Google Patents

Abstract

一种用于对样本进行基因测序的传感装置，包括一个CMOS图像传感器，其表面处理成适合承载流体状样本，包括一个CMOS像素阵列，用于接受并检测所述样本发出的光信号，并产生相应的检测信号输出；所述CMOS像素为双转换增益像素，具备两个不同的转换增益，包括一个高转换增益HiCG和一个低转换增益LoCG，所述CMOS像素可以分别在高、低转换增益模式。分别在高、低转换增益下各拍摄取得一组像素检测信号VH和VL，选取其中一个信号，将选中的所有VH信号数值除以高转换增益HiCG与低转换增益LoCG的比值G，然后与选中的VL信号合成为一幅完整的图像信号。

Description

基因测序传感装置

技术领域

本申请涉及基因测序技术领域，特别涉及一种采用双转换增益CMOS图像传感器的基因测序传感装置。

背景技术

基因测序目的在于获得DNA片段碱基排列顺序，从而了解目标DNA片段的序列，这是进行科学研究，实现疾病防控和诊断，甚或进行基因合成改造的基础。

目前主流的检测技术是高通量测序技术(又称为第二代测序技术)，采用边合成边测序的方法，概括而言，就是以化学方式对待测样本中的目标DNA片段进行处理，使其产生与基因信息相关联的信号(电信号或光信号)，通过传感器和处理电路对信号进行识别和处理，推断出DNA序列信息。二代测序技术可以一次性对几十万到几百万条核酸分子完成序列测定。

现有技术中，基于上述二代测序技术原理的基因测序装置通常都采用半导体传感器来识别信号，例如，离子敏场效应晶体管(ISFET)、阻抗检测传感器(Impedance Sensor)，或者CMOS图像传感器(CIS，即CMOS Imager Sensor)。

采用ISFET器件的基因测序过程简述如下。首先对待测样本中的目标DNA片段进行脱氧核糖核苷酸三磷酸(dNTP)的合成处理，送入测序装置中。聚合酶链式反应(PCR)过程中碱基的结合会释放出氢离子(H+离子)，改变样本的PH值，进而在ISFET的源极产生相应的电压变量(ΔV)。将电压变量信号放大输出，并通过ADC电路(Analog Digital convention，模拟数字信号转换)进行处理，可以据此判断出碱基的序列和个数。

但是，ISFET测序装置存在自身的缺陷，即，无法应对连续的相同碱基数量较多的情形。受到器件电压阈值和信号增益倍数的制约，ISFET测序装置只能应对较少连续碱基的情形，实际应用中最多为5个。当连续的相同碱基数量较多时，电势变量(ΔV)太小而导致无法分辨和读出，从而造成检测误差。美国专利申请US2015/0240300A1揭示了一种采用ISFET的现有技术方案。

采用CMOS图像传感器的基因测序过程通常为，首先对待测DNA样本进行聚合酶合成处理和荧光标记，送入基因测序装置中，经过荧光标记的碱基受激发光照射后会发出荧光信号，利用CMOS图像传感器接受荧光信号，并将其转换成电压信号放大输出。对信号进行处理后得到相应的碱基信息。

图1示意性地显示出采用CMOS图像传感器的基因测序传感装置。图中可见，一个CMOS 图像传感器1包含由制作在硅衬底2中的CMOS像素3所组成的像素阵列，图像传感器1的表面为经过处理的样本承载层4，适合于承载流体状的待测DNA样本。将经过合成处理和荧光标记的待测DNA样本引入并置于样本承载层之后，使用激发光照射样本，使样本发出相应的荧光信号。样本产生的荧光信号被CMOS像素3所组成的像素阵列接受，并转换成相应的电压检测信号。通常，像素阵列所产生的电压检测信号会传输至存储装置和处理电路，经处理后得到图像信号，从而推断并获得样本的碱基序列信息，完成基因测序。

图2示意性地显示了现有技术中所普遍采用的一种CMOS像素电路结构。图中所示为一个四晶体管像素，包含：用于一个接受光信号并将其转换成电信号的光电转换器件，通常为光电二极管(PD)，例如钉扎光电二极管(pinned photodiode)；一个传输晶体管M1，用于将光电转换器件PD产生的光生电子传输至一个浮动扩散(FD)；一个复位晶体管M2，用于将浮动扩散FD复位；一个放大晶体管M3，通常为源极跟随器(SF)，用于将浮动扩散 FD形成的电压信号放大输出；一个行选择晶体管M4，用于像素的选址。电压信号V_out通过列输出总线传送至信号处理电路和存储装置。

采用图1和图2所示装置的现有技术中，通过化学试剂一次只对一个碱基进行标记和检测，从而避免了多个连续相同碱基的问题。

在实际中，多个连续的相同碱基出现的情形虽然不多，但总是存在，因而需要应对。因此，存在一种客观的需求，即，不依赖特别的化学试剂，能够以较低的检测成本检测多个连续碱基，同时保持较高的准确度。

发明内容

为了解决现有技术的缺陷，并满足基因测序领域中的上述客观需求，本实用新型提供了一种用于对样本进行基因测序的传感装置，包括：一个CMOS图像传感器，其表面处理成适合承载流体状样本，其包括一个CMOS像素阵列，用于接受并检测所述样本发出的光信号，所述CMOS像素为双转换增益像素，具备两个不同的转换增益，包括一个高转换增益HiCG和一个低转换增益LoCG，所述CMOS像素可以分别在所述高转换增益模式和所述低转换增益模式下工作，并产生相应的检测信号。

本实用新型的一个较佳实施例中，所述双转换增益像素包括：一个光电转换器件，用于接受样本发出的光信号，并将其转换成电信号；一个传输晶体管，连接所述光电转换器件和一个浮动扩散，用于将所述光电转换器件产生的电信号传输至所述浮动扩散；一个复位晶体管，连接所述检测节点，用于使所述浮动扩散复位；一个输出晶体管，将所述浮动扩散的电信号放大后输出；一个双转换增益器件，连接所述浮动扩散；一个行选择晶体管，用于控制像素检测信号的输出。

利用本实用新型的基因测序传感装置，可以实现对多个连续碱基的准确检测，并且，无需采用较为昂贵的特殊化学试剂，检测成本较为低廉。

附图说明

图1是现有技术中采用CMOS图像传感器的基因测序传感装置的示意图。

图2是现有技术中所采用的CMOS像素等效电路示意图。

图3a是本实用新型基因测序传感装置所采用的双转换增益CMOS像素一个实施例的电路图，图3b为该实施例的时序图，图3c显示了高转换增益HiCG和低转换增益LoCG下入射信号光强与像素转换电压的关系。

图4a是本实用新型基因测序传感装置所采用的双转化增益CMOS像素又一个实施例的电路图，图4b为该实施例的时序图。

图5是本实用新型基因测序传感装置信号处理方法一个实施例的步骤框图。

图6a、6b、6c是利用本实用新型基因测序传感装置所得到的图像效果示意图。

具体实施方式

以下根据附图对本实用新型的实施例进行说明。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。

参见图3a，其中显示了本实用新型基因测序传感装置所采用的一种双转换增益(Dual Conversion Gain，简称DCG)CMOS像素电路，包括一个光电二极管PD，用于接受样本发出的光信号，并将其转换成电信号(例如，光生电荷)；一个传输晶体管M1，连接所述光电转换器件和一个浮动扩散，其受传输信号Tx控制，用于将所述光电转换器件产生的电信号传输至所述浮动扩散；一个复位晶体管M2，连接所述浮动扩散FD，其受复位信号RST控制，用于使所述浮动扩散FD复位；一个输出晶体管M3，其栅极连接至所述浮动扩散FD，通常为一个源极跟随器SF，用于将所述浮动扩散FD上形成的电压信号进行放大；一个行选择晶体管M4，其受行选择信号RS控制，用于行寻址，控制像素电压信号V_out的输出；一个双转换增益晶体管M5，其栅极连接所述浮动扩散，其源极和漏极共同耦合一个双转换增益DCG控制信号。

图3a所示像素电路相较于图2的CMOS像素，区别在于多了一个双转换增益晶体管M5。其工作原理说明如下。

以NMOS晶体管为例，当传输晶体管M1将光电二极管PD产生的光生电子传输到浮动扩散FD之后，浮动扩散FD上建立起电压，施加在双转换增益晶体管M5的栅极。光生电子转换成电压的增益(CG，Conversion Gain)与浮动扩散FD的电容值有关。

如果此时DCG控制信号处于低电平，则双转换增益晶体管M5的栅极与源、漏端的电压高于阈值电压，电子堆积在沟道中栅极氧化物与P衬底的交界处，形成一个反型层，晶体管M5工作在强反模式下，其栅极与反型层构成一个很好的电容，叠加到浮动扩散FD上，提升其储存电荷的能力。因此，这个状态下像素的转换增益较小，用LoCG代表。

如果此时DCG控制信号处于高电平，则栅极与源漏端的电压很小，双转换增益晶体管 M5的沟道处于耗尽状态，没有反型层出现，双转换增益晶体管M5工作在耗尽模式下，其栅极与源漏端之间虽然也有一定电容，但远远小于晶体管强反模式下的电容，对浮动扩散FD储存电荷的能力影响很小。因此，这个状态下像素的转换增益较大，用HiCG代表。

图3b为双取样模式下的时序图，其中显示了图3a所示CMOS像素在高、低转换增益模式下的工作时序，高转换增益HiCG下，像素的检测信号数值为SHS1-SHR，而低转换增益LoCG下，像素的检测信号数值为SHS2-SHR。SHR表示复位电平采样(Sample-Hold-Reset)，SHS表示信号电平采样(Sample-Hold-Signal)。

像素工作过程简述如下。

像素的RS信号起初为低电平，行选择晶体管M4关闭。当RS信号升为高电平时，M4打开，像素被选中，可以输出检测信号。此时，高电平的DCG控制信号施加在双转换增益晶体管M5的源漏端，使其处于耗尽模式下，因而M5不起作用，像素工作于高转换增益模式下。然后，复位晶体管M2在高电平的RST信号控制下瞬间打开，固定电压Vpixel会加到浮动扩散FD上，FD上产生取样信号SHR，作为未曝光的原始信号，由放大晶体管M3放大后，经行选择晶体管M4输出。然后，复位晶体管M2被关闭，传输晶体管M1在高电平的 Tx信号控制下打开，光电二极管PD产生的光生电子传送到浮动扩散FD，产生高转换增益模式下的取样信号SHS1，通过放大晶体管M3和行选择晶体管M4作为高转换增益下的检测信号输出。两个输出信号的差值，就是高转换增益下的检测信号VH。

此后DCG控制信号转为低电平，双转换增益晶体管M5形成的电容叠加在浮动扩散FD 上，从而产生低转换增益模式下的取样信号SHS2，并通过放大晶体管M3和行选择晶体管M4作为低转换增益下的检测信号输出。该输出信号与之前SHR信号的差值，形成低转换增益下的检测信号VL。

由此，本实用新型基因测序传感装置的CMOS图像传感器在高转换增益HiCG和低转换增益LoCG模式下连续拍摄，各取得一组像素检测信号VH和VL。但是，必须对每个像素的VH和VL信号进行选择，将两组信号融合成为一幅图像信号。

就本实用新型所涉及的基因测序场景而言，连续相同碱基的数量与其受激产生的荧光强度基本成正比。当样本中连续的相同碱基数量较少时，其受激产生的荧光强度较小，因而希望像素的转换增益较大，这样，单个碱基对应的电压差值更大，信号更容易得到准确检测，而且像素输出信号与荧光强度的关系保持在线性区域。但是，如果连续的相同碱基数量较多，相应地，受激产生的荧光强度较大，产生的光生电子较多，受限于像素的阈值电压，在高转换增益模式下，会更快使得像素输出信号达到饱和，从而无法准确体现出荧光强度的变化，因而无法准确检测碱基数量。这时，希望像素能够工作在低转换增益模式下，保持荧光强度与像素输出信号的线性关系，从而准确检测出连续碱基的数量。入射至CMOS图像传感器像素的荧光强度与像素转换电压的关系，体现在了图3c中。从中可以看到，电压转换值受像素阈值电压的限制，在高转换增益HiCG模式下，较小的光强能产生较大的转换电压，达到阈值电压的光强较小，而在低转换增益LoCG模式下，同样的光强产生较小的转换电压，达到阈值电压的光强较大。也就是说，高转换增益比较适合弱光场合，即，连续相同碱基的数量较少的场景。而低转换增益比较适合强光场合，即，连续相同碱基的数量较多的场景。因此，可以基于上述原理，对每个像素的VH和VL信号进行选择，将两组信号融合成为一幅图像信号。

图4a显示了另一种双转换增益CMOS像素的等效电路图，该实施例与图3a实施例的区别在于，双转换增益晶体管M5’的源极或漏极连接浮动扩散FD，漏极或源极连接一个电容CAP，电容CAP另一端接地。因此，当DCG控制信号为高电平的时候，晶体管M5’打开，浮动扩散FD连接电容CAP，从而增大了浮动扩散FD储存电荷的能力，此时，像素处于低转换增益LoCG模式下。而当DCG控制信号处于低电平时，晶体管M5’关闭，浮动扩散FD 的电容基本不变，此时，像素处于高转换增益HiCG模式下。图4b示意性地显示出了该实施例的一种工作时序，其工作过程与图3b所示类似，只是对于NMOS像素而言，DCG信号电平恰好相反，即，本实施例中，DCG高电平时，像素工作于低转换增益模式下，DCG低电平时，像素工作于高转换增益模式下。其余部分相同。

在采用双转换增益CMOS像素的情况下，如图3b和图4b中的工作时序所示，每个像素在高、低转换增益模式下连续交替拍摄，各取得一组检测信号VH和VL。但考虑到荧光强度(代表连续碱基的数量)与像素输出信号电压的响应曲线，希望在其线性区域进行检测，并且得到较高的信噪比，因此需要进行处理，从两个连续的信号中选择一个较为合适的信号作为图像信号进行显示。

图5示意性地显示了适用于本实用新型基因测序传感装置的信号处理方法的一个实施例。

步骤一，分别在高、低转换增益模式下各拍摄取得一组像素检测信号VH和VL。

步骤二，就每个像素的检测信号VH和VL，以设定的标准选择其中一个信号。例如，设定一个数值，如果VH不大于或小于该设定值，则选用该VH作为该像素的检测信号，放弃该像素的VL信号。否则，就选用VL作为该像素的检测信号，放弃VH。考虑到VH和VL 的取得只有非常短的时间间隔，可以认为两个信号是对同一个场景的检测信号，只是像素的转换增益发生了变化。假定像素的高转换增益HiCG与低转换增益LoCG的比值为G，则两个信号大致存在一个比例关系，即，VH＝G×VL。因此，同样也可以基于VL的数值进行选择，例如，当VL大于或者不小于预定数值时，则选用VL作为该像素的检测信号，放弃VH，否则，选用VH数值，放弃VL数值。

以1.2V的像素阈值电压为例，综合考量荧光强度与像素输出电压的线性区域，以及高、低转换增益的数值和比例，选取0.8V作为设定值。选用所有小于或者不大于0.8V的VH值作为像素的检测信号。假设高、低转换增益HiCG/LoCG的比值G为2倍，则0.8V的 VH值对应于0.4V的VL值。也就是说，所有不小于或大于0.4V的VL同时被选中。这时， VH的数值范围为0V-0.8V，而VL的数值范围为0.4V-1.2V。

步骤三，将选中的所有VH数值除以高转换增益HiCG与低转换增益LoCG的比值G，从而将所有像素的检测信号数值统一到低转换增益模式下的对应数值，从而形成一幅完整的图像信号。同样以上述1.2V像素阈值为例，经过处理之后，VH的数值范围变为0V-0.4V，从而与其它像素被选用的VL数值形成连续的数值范围，也就是说，像素输出与荧光信号强度的响应曲线是连续的，同时，所获得的图像信号的信噪比也不会降低。

另外一种方式是对VL进行处理，使其数值范围变为0.8V-1.2V，同样能够实现连续的光强相应曲线和较好的图像信噪比。

图6a示意性地显示出高转换增益模式下的拍摄图像，图6b示意性地显示出低转换增益模式下的拍摄图像，图6c则显示出通过选择每个像素的检测信号，将高、低转换增益模式下各像素的检测信号融合成一幅图像的效果。

图6a显示出高转换增益模式下的图像，从中可以看出，对于荧光强度较弱(对应于连续碱基数量少的情况)的样本点，可以取得清晰的图像。而对于荧光强度较强(对应于连续碱基数量较多的情况)的样本点，则在高转换增益模式下，由于信号饱和，无法显示出细节，因而图像模糊，无法做出准确检测。

与此相对，图6b显示出低转换增益模式下的图像。从中可以看出，对于荧光强度较弱 (对应于连续碱基数量少的情况)的样本点，由于信号太弱，而噪声较强，无法取得清晰的图像，因而无法做出准确检测。而对于荧光强度较强(对应于连续碱基数量较多的情况)的样本点，则能够获得较清晰的图像和较准确的检测结果。

图6c则显示出，通过对每个像素的检测信号进行选择，对于荧光强度低的，选择高转换增益模式下的检测信号，而对于荧光强度高的，则选择低转换增益模式下的检测信号，从而得到一幅整体较为清晰的图像，获得较为准确的检测结果。

以上虽然通过参照某些优选实施例，对本实用新型进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (4)

1.基因测序传感装置，其包括：

一个CMOS图像传感器，其表面处理成适合承载流体状样本，包括一个CMOS像素阵列，用于接受并检测所述样本发出的光信号，并产生相应的检测信号输出；

其特征在于，所述CMOS像素为双转换增益像素，具备两个不同的转换增益，包括一个高转换增益HiCG和一个低转换增益LoCG，所述CMOS像素可以分别在所述高转换增益模式和所述低转换增益模式下工作，并产生相应的检测信号，

所述双转换增益像素包括：一个光电转换器件，用于接受样本发出的光信号，并将其转换成电信号；一个传输晶体管，连接所述光电转换器件和一个浮动扩散，用于将所述光电转换器件产生的电信号传输至所述浮动扩散；一个复位晶体管，连接所述浮动扩散，用于使所述浮动扩散复位；一个输出晶体管，将所述浮动扩散的电信号放大；一个双转换增益器件，连接所述浮动扩散；一个行选择晶体管，用于控制像素检测信号的输出。

2.如权利要求1所述的基因测序传感装置，其特征在于，所述双转换增益器件包括一个MOS晶体管，其漏极连接所述浮动扩散，其源极连接一个电容，其栅极受一个DCG信号控制，当所述MOS晶体管在DCG信号控制下导通时，所述像素工作于低转换增益模式下，当所述MOS晶体管在DCG信号控制下关闭时，所述像素工作于高转换增益模式下。

3.如权利要求1所述的基因测序传感装置，其特征在于，所述双转换增益器件包括一个NMOS晶体管，其栅极连接所述浮动扩散，其源极和漏极共同受一个DCG信号控制，当所述DCG信号为高电平时，所述像素工作于低转换增益模式下，当所述MOS晶体管在DCG信号控制下关闭时，所述像素工作于高转换增益模式下。

4.如权利要求1所述的基因测序传感装置，其特征在于，所述光电转换器件包括一个光电二极管。

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