CN217997176U - 一种集成化生物光电子单分子测序芯片和测序器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种集成化生物光电子单分子测序芯片和测序器件，集成化生物光电子单分子测序芯片包括：衬底层，衬底层包括检测区和与检测区邻接的传输区；位于衬底层的检测区上的图像传感层；位于图像传感层和衬底层的传输区上的波导结构；位于检测区的波导结构上的阵列孔膜层，阵列孔膜层中具有若干纳米孔。本实用新型的集成化生物光电子单分子测序芯片可以实现一体化激发及探测，具有小体积，极大的简化了结构的复杂性。

Description

一种集成化生物光电子单分子测序芯片和测序器件

技术领域

本实用新型涉及基因测序领域，具体涉及一种集成化生物光电子单分子测序芯片和测序器件。

背景技术

快速和准确地获取生物体的遗传信息对于生命科学研究一直具有十分重要的意义，而获取遗传信息的主要手段之一是测序技术。近年来，基于纳米孔器件的DNA单分子测序技术被认为是实现快速、低成本测序的技术手段之一。

单分子光学测序技术采用四色荧光标记的脱氧核糖核苷酸三磷酸(Deoxy-Ribonucleoside Triphosphate，dNTP)和零模波导(Zero-Mode Waveguides，ZMWs)对单个DNA分子进行测序。当DNA模板被聚合酶捕获后，4种不同荧光标记的dNTP通过布朗运动随机进入检测区域并与聚合酶结合，与模板匹配的碱基生成化学键的时间远远长于其他碱基停留的时间。因此统计荧光信号存在时间的长短，可区分匹配的碱基与游离碱基。通过统计4种荧光信号与时间的关系，即可测定基因模板序列。ZMW是一个直径只有10nm～50nm的孔，当激光打在ZMW底部时，只能照亮很小的区域，DNA聚合酶就被固定在这个区域。只有在这个区域内，碱基携带的荧光基团被激活从而被检测到，大幅地降低了背景荧光干扰。磷酸化的核苷酸可帮助固定的DNA聚合酶完成一个全天然的DNA链合成过程，也就是当加入的碱基和DNA链连接形成化学键的时候，带荧光的基团会随之掉落，这样有个很大的好处就是不会影响接下来的碱基检测。

然而，目前单分子测序时采用的激光光源一般外置，生物光电子单分子测序器件通常需要独立且复杂的光学元件构建激发及探测系统。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的生物光电子单分子测序器件的激发系统与探测系统独立且复杂的缺陷，从而提供一种集成化生物光电子单分子测序器件。

本实用新型的第一方面提供了一种集成化生物光电子单分子测序芯片，包括：衬底层，衬底层包括检测区和与检测区邻接的传输区；位于衬底层的检测区上的图像传感层；位于图像传感层和衬底层的传输区上的波导结构；位于检测区的波导结构上的阵列孔膜层，阵列孔膜层中具有若干纳米孔。

可选的，集成化生物光电子单分子测序芯片还包括：位于图像传感层和波导结构之间的滤光层。

可选的，滤光层包括横向排布的第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区；第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区用于透过不同颜色的光。

可选的，所述衬底层还包括与所述传输区连接的耦合区；集成化生物光电子单分子测序芯片还包括：位于衬底层的耦合区上的耦合结构，耦合结构的出射端与波导结构的入射端连接。

可选的，波导结构包括至少一个波导组，波导组包括自传输区至检测区延伸的第一波导层和第二波导层，第一波导层和第二波导层在检测区连接。

本实用新型的第二方面提供了一种集成化生物光电子单分子测序器件，包括：前述集成化生物光电子单分子测序芯片；底框体，底框体环绕集成化生物光电子单分子测序芯片，且图像传感层与底框体电学连接。

可选的，衬底层还包括与传输区连接的耦合区；集成化生物光电子单分子测序芯片还包括：位于衬底层的耦合区上的耦合结构，耦合结构的出射端与波导结构的入射端连接；集成化生物光电子单分子测序器件还包括：封装外壳，封装外壳位于底框体上且覆盖集成化生物光电子单分子测序芯片，封装外壳贯穿封装外壳的第一开口和第二开口，第一开口位于阵列孔膜层的上方，第二开口位于耦合结构的上方。

可选的，集成化生物光电子单分子测序器件还包括：位于集成化生物光电子单分子测序芯片背离底框体一侧的支撑体，支撑体中具有贯穿支撑体的第三开口和第四开口，第三开口与第一开口贯通，第四开口与第二开口贯通；封装外壳覆盖支撑体的侧壁和顶壁。

可选的，集成化生物光电子单分子测序器件还包括：延伸体，位于封装外壳的上方；延伸体中具有与第一开口贯通的容纳槽。

可选的，封装外壳中还具有第五开口，第五开口适于容纳加持件。

本实用新型可以实现以下技术效果：

1.本申请的集成化生物光电子单分子测序芯片波导结构、阵列孔膜层及图像传感层，在实际应用中，激发光源通过波导结构和阵列孔膜层，照射到位于阵列孔膜层的纳米孔底部的核苷酸分子上，激发碱基的荧光基团，发出的荧光被图像传感层探测到，可以实现单分子测序过程中的激发与探测一体化，减小器件体积，简化传统生物光电子单分子测序器件的复杂性。

2.本申请的集成化生物光电子单分子测序芯片还包括位于图像传感层和波导结构之间的滤光层，滤光层包括用于透过不同颜色的光的第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区。第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区可以透过由不同种类的核苷酸分子的碱基的荧光基团发射的荧光，有利于实现多色荧光的同时检测。

3.本申请的集成化生物光电子单分子测序芯片还包括耦合结构，耦合结构能够实现将外置的激发光源充分的经由波导结构传输至阵列孔膜层，用于后续的光学激发和探测。

4.本申请的波导结构包括至少一个波导组，波导组包括自传输区至检测区延伸的第一波导层和第二波导层，第一波导层和第二波导层在检测区连接。由于波导组中的第一波导层和第二波导层在检测区连接，外置激发光源的光进入第一波导层使位于第一波导层上方的纳米孔被照亮后，进入第二波导层使位于第二波导层上方的纳米孔被照亮；同理，外界光源的光进入第二波导层使位于第二波导层上方的纳米孔被照亮后，进入第一波导层使位于第一波导层上方的纳米孔被照亮；即，通过使所述波导组中的第一波导层和第二波导层在检测区连接，能够使同一纳米孔被两条路径的光照亮，补偿了光在传播过程中的能量损耗，从而提高了纳米孔中光的强度，进而有利于激发纳米孔中的测序反应试剂产生荧光，提高了检测效果；进一步的，还避免了由于能量损耗程度随着光传播距离的增大而增大导致的纳米孔中光强的均匀性差，还提高了纳米孔中光强的均匀度。

5.本申请的集成化生物光电子单分子测序器件包括集成化生物光电子单分子测序芯片和底框体，集成化生物光电子单分子测序芯片包括波导结构、阵列孔膜层及图像传感层，在实际应用中，激发光源通过波导结构和阵列孔膜层，照射到位于阵列孔膜层的纳米孔底部的核苷酸分子上，激发碱基的荧光基团，发出的荧光被图像传感层探测到，可以实现单分子测序过程中的激发与探测一体化，减小器件体积，简化传统生物光电子单分子测序器件的复杂性；底框体与图像传感层电连接，能够及时将探测到的信号发送到监测设备，便于对探测到的信号进行实时的收集和分析。

6.本申请的集成化生物光电子单分子测序器件还包括封装外壳，封装外壳具有第一开口和第二开口，第一开口位于阵列孔膜层的上方，用于使得测序反应试剂能够与阵列孔膜层接触，第二开口位于耦合结构的上方，能够保证外置光源穿过其照射至集成化生物光电子单分子测序芯片的耦合结构。

7.本申请的集成化生物光电子单分子测序器件还包括位于封装外壳上方的延伸体，延伸体具有与第一开口贯通的容纳槽，容纳槽可以提供空间用于盛放测序反应试剂，防止测序反应试剂溢出。

8.本申请的集成化生物光电子单分子测序器件的封装外壳还具有第五开口，第五开口适于容纳夹持件，在使用加持件取用集成化生物光电子单分子测序器件时起到支撑作用。

9.本申请的集成化生物光电子单分子测序器件还包括支撑体，支撑体中具有贯穿支撑体的第三开口和第四开口，第三开口与第一开口贯通，第四开口与第二开口贯通。支撑体与集成化生物光电子单分子测序芯片的衬底均为硅基材料，能够经等离子体处理和压合处理后，彼此键合，保证测序反应试剂经过第三开口后仅与阵列孔膜层接触，而不会渗透到集成化生物光电子单分子测序芯片的其他区域。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。

图1为本实用新型实施例的集成化生物光电子单分子测序器件的爆炸图；

图2为本实用新型实施例的集成化生物光电子单分子测序芯片的耦合结构的放大图；

图3为本实用新型实施例的集成化生物光电子单分子测序器件在阵列孔膜层区域的剖视图；

图4为本实用新型实施例的波导组的结构示意图。

附图标记说明：

100-底框体；200-集成化生物光电子单分子测序芯片；210-衬底层；220-滤光层；230-波导结构；231-第一波导层；232-第二波导层；240-阵列孔膜层；250-耦合结构；251-光耦合元件；252-粗对准元件；253-精对准元件；2531-对准监测光栅；2532-对准监测波导；300-支撑体；310-第三开口；320-第四开口；400-封装外壳；410-容纳槽；411-第一凸起条；420-第二开口；430-第二凸起条；440-第五开口。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

参见图1，本实用新型提供了一种集成化生物光电子单分子测序器件，包括：集成化生物光电子单分子测序芯片200和底框体100，底框体100环绕集成化生物光电子单分子测序芯片200。具体的，结合图3，集成化生物光电子单分子测序芯片200包括：衬底层210，衬底层210包括检测区和与检测区邻接的传输区；位于衬底层210的检测区上的图像传感层(未示出)；位于图像传感层和衬底层210的传输区上的波导结构230；位于检测区的波导结构230上的阵列孔膜层240，阵列孔膜层240中具有若干纳米孔。其中，图像传感层与底框体100电学连接。在一些实施例中，图像传感层为CMOS探测单元。

在上述实施例中，激发光源通过波导结构230和阵列孔膜层240，照射到位于阵列孔膜层240的纳米孔底部的核苷酸分子上，激发碱基的荧光基团，发出的荧光经滤光层220过滤后被图像传感层探测到，可以实现单分子测序过程中的激发与探测一体化，减小器件体积，简化传统生物光电子单分子测序器件的复杂性；底框体100与图像传感层电连接，能够及时将探测到的信号发送到监测设备，便于对探测到的信号进行实时的收集和分析。

在一些实施例中，参见图3，集成化生物光电子单分子测序芯片200还包括滤光层220，滤光层220包括间隔设置的第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区；第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区用于透过不同颜色的光。在一个实施例中，如图3所示，滤光层220包括从左至右依次排布的第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区。在其他实施例中，第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区按照其他任意组合的方式进行排布。第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区或第四滤光区的数量为一个或多个，本实用新型对此不作具体限制。

在上述实施例中，第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区可以透过由不同种类的核苷酸分子的碱基的荧光基团发射的荧光，有利于实现多色荧光的同时检测。

在一些实施例中，衬底层210还包括与传输区连接的耦合区；参见图2，集成化生物光电子单分子测序芯片200还包括：位于衬底层210的耦合区上的耦合结构250，耦合结构250的出射端与波导结构230的入射端连接。

具体的，参见图2，耦合结构250包括光耦合元件251、位于光耦合元件251两侧的粗对准元件252、位于光耦合元件251两侧且位于光耦合元件251与粗对准元件252之间的精对准元件253。光耦合元件251包括耦合光栅、耦合棱镜器或耦合端射；耦合光栅包括但不限于闪耀光栅、啁啾光栅或二元光栅；外置的激发光源的光照射至光耦合元件251后，从光耦合元件251的出射端出射并进入波导结构230的入射端，随后沿着波导结构230的延伸方向进行传播。粗对准元件252为阵列图案结构，阵列图案结构包括但不限于阵列排布的圆形结构、椭圆结构、矩形结构或三角形结构；在进行粗对准操作时，来自外界光源的光经过分束器进行分束后，得到若干子光束，当位于最外侧的两个子光束照射至粗对准元件上并在粗对准元件252上形成光斑时，即完成粗对准，保证了外界光源的光能够照射至光耦合元件251。精对准元件253包括对准监测光栅2531和与对准监测光栅2531连接的对准监测波导2532。对准监测光栅2531包括若干个子光栅，对准监测波导2532包括若干个子波导，子光栅的数量与子波导的数量相同，每个子光栅对应连接有一个子波导，以使进入子光栅的光传输至子波导中。

在上述实施例中，耦合结构能够实现将外置的激发光源充分的经由波导结构传输至阵列孔膜层，用于后续的光学激发和探测。

在一些实施例中，参见图4，波导结构230包括至少一个波导组，波导组包括自传输区至检测区延伸的第一波导层231和第二波导层232，第一波导层231和第二波导层232在检测区连接。

具体的，参见图4，第一波导层231包括从波导结构230的入射端向阵列孔膜层240延伸的第一主波导通路以及位于阵列孔膜层240下方的具有“Y”形分叉结构的多级第一波导支路；第二波导层232包括从波导结构230的入射端向阵列孔膜层240延伸的第二主波导通路以及位于阵列孔膜层240下方的具有“Y”形分叉结构的多级第二波导支路。第一波导层231的第一波导支路和第二波导层232的第二波导支路在阵列孔膜层240下方连接。

在上述实施例中，由于所述波导组中的第一波导层231和第二波导层232在检测区连接，外界光源的光进入第一波导层231使位于第一波导层231上方的纳米孔被照亮后，进入第二波导层232使位于第二波导层232上方的纳米孔被照亮；同理，外界光源的光进入第二波导层232使位于第二波导层232上方的纳米孔被照亮后，进入第一波导层231使位于第一波导层231上方的纳米孔被照亮；即，通过使所述波导组中的第一波导层231和第二波导层232在检测区连接，能够使同一纳米孔被两条路径的光照亮，补偿了光在传播过程中的能量损耗，从而提高了纳米孔中光的强度，进而有利于激发纳米孔中的测序反应试剂产生荧光，提高了检测效果；进一步的，还避免了由于能量损耗程度随着光传播距离的增大而增大导致的纳米孔中光强的均匀性差，还提高了纳米孔中光强的均匀度。

在一些实施例中，参见图1，集成化生物光电子单分子测序器件还包括：封装外壳400，封装外壳400位于底框体100上且覆盖集成化生物光电子单分子测序芯片200，封装外壳400具有贯穿封装外壳400的第一开口(未示出)和第二开口420，第一开口位于阵列孔膜层240的上方，第二开口420位于耦合结构250的上方。

在上述实施例中，第一开口用于使得测序反应试剂能够与阵列孔膜层240接触，第二开口420能够保证外置光源穿过其照射至集成化生物光电子单分子测序芯片200的耦合结构250。

在一些实施例中，参见图1，封装外壳400还包括：延伸体，位于封装外壳的上方；延伸体中具有与第一开口贯通的容纳槽410。容纳槽410可以具有不同的形状，例如，参见图1，容纳槽410的四个侧壁两两之间形成的夹角具有向外突出的弧形。

在上述实施例中，容纳槽410可以提供空间用于盛放测序反应试剂，防止测序反应试剂溢出。

在一些实施例中，参见图1，封装外壳400还包括第五开口440，第五开口440适于容纳加持件。

在上述实施例中，第五开口440能够在使用加持件取用集成化生物光电子单分子测序器件时起到支撑作用。加持件可以为与本申请的集成化生物光电子单分子测序器件适配使用的专用加持件，也可以为例如移液枪等实验用仪器或者其他物件，本申请对此不做具体限定。

本申请的封装外壳400可以具有不同的形状，以便于制备、美观和/或实现一些其他的功能。

在一些实施例中，参见图1，容纳槽410的侧壁的外表面具有向外突出的至少一个第一凸起条411。在一个实施例中，第一凸起条411具有如图1所示的沿着容纳槽410竖直延伸的形状。在其他实施例中，第一凸起条411具有其他形状，本申请对此不做具体限制。

在一些实施例中，参见图1，封装外壳还包括位于第五开口440的两侧的第二凸起条430。第二凸起条430可以对称设置，也可以如图1所示具有不同的形状，本申请对此不做具体限定。

在一些实施例中，参见图1，集成化生物光电子单分子测序器件还包括：位于集成化生物光电子单分子测序芯片200背离底框体100一侧的支撑体300，支撑体300中具有贯穿支撑体的第三开口310和第四开口320，第三开口310与第一开口贯通，第四开口320与第二开口420贯通；封装外壳400覆盖支撑体300的侧壁和顶壁。

在上述实施例中，支撑体300与集成化生物光电子单分子测序芯片200的衬底层210均为硅基材料，能够经等离子体处理和压合处理后，彼此键合，保证测序反应试剂经过第三开口310后仅与阵列孔膜层240接触，而不会渗透到集成化生物光电子单分子测序芯片200的其他区域。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“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实用新型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。

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。在本实用新型的描述中，“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。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种集成化生物光电子单分子测序芯片，其特征在于，包括：

衬底层，所述衬底层包括检测区和与检测区邻接的传输区；

位于所述衬底层的检测区上的图像传感层；

位于所述图像传感层和所述衬底层的传输区上的波导结构；

位于检测区的波导结构上的阵列孔膜层，所述阵列孔膜层中具有若干纳米孔。

2.根据权利要求1所述的集成化生物光电子单分子测序芯片，其特征在于，还包括：位于所述图像传感层和所述波导结构之间的滤光层。

3.根据权利要求2所述的集成化生物光电子单分子测序芯片，其特征在于，所述滤光层包括横向排布的第一滤光区、第二滤光区、第三滤光区和第四滤光区；所述第一滤光区、所述第二滤光区、所述第三滤光区和所述第四滤光区用于透过不同颜色的光。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的集成化生物光电子单分子测序芯片，其特征在于，所述衬底层还包括与所述传输区连接的耦合区；

所述集成化生物光电子单分子测序芯片还包括：位于所述衬底层的耦合区上的耦合结构，所述耦合结构的出射端与所述波导结构的入射端连接。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的集成化生物光电子单分子测序芯片，其特征在于，所述波导结构包括至少一个波导组，所述波导组包括自传输区至检测区延伸的第一波导层和第二波导层，所述第一波导层和所述第二波导层在检测区连接。

6.一种集成化生物光电子单分子测序器件，其特征在于，包括：

权利要求1-5中任一项所述的集成化生物光电子单分子测序芯片；

底框体，所述底框体环绕所述集成化生物光电子单分子测序芯片，且所述图像传感层与所述底框体电学连接。

7.根据权利要求6所述的集成化生物光电子单分子测序器件，其特征在于，所述衬底层还包括与传输区连接的耦合区；所述集成化生物光电子单分子测序芯片还包括：位于所述衬底层的耦合区上的耦合结构，所述耦合结构的出射端与所述波导结构的入射端连接；

所述集成化生物光电子单分子测序器件还包括：封装外壳，所述封装外壳位于所述底框体上且覆盖所述集成化生物光电子单分子测序芯片，所述封装外壳具有贯穿所述封装外壳的第一开口和第二开口，所述第一开口位于所述阵列孔膜层的上方，第二开口位于所述耦合结构的上方。

8.根据权利要求7所述的集成化生物光电子单分子测序器件，其特征在于，还包括：位于所述集成化生物光电子单分子测序芯片背离所述底框体一侧的支撑体，所述支撑体中具有贯穿所述支撑体的第三开口和第四开口，所述第三开口与所述第一开口贯通，所述第四开口与所述第二开口贯通；

所述封装外壳覆盖所述支撑体的侧壁和顶壁。

9.根据权利要求7所述的集成化生物光电子单分子测序器件，其特征在于，还包括：延伸体，位于所述封装外壳的上方；所述延伸体中具有与第一开口贯通的容纳槽。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的集成化生物光电子单分子测序器件，其特征在于，所述封装外壳中还具有第五开口，所述第五开口适于容纳加持件。

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