WO2024138497A1 - 基因测序装置、基因测序方法和核酸检测方法 - Google Patents

基因测序装置、基因测序方法和核酸检测方法 Download PDF

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fluorescent
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史兴
黄扶兴
何琳
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深圳华大智造科技股份有限公司
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6869—Methods for sequencing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence

Definitions

  • the bioluminescent reaction refers to a reaction in which luciferase catalyzes its substrate to produce a fluorescent signal.
  • the quantum image sensor comprises a single photon avalanche diode.
  • determining the type and/or sequence of the target nucleotide base contained in the nucleic acid molecule based on the at least one feature includes: determining the type and/or sequence of the target nucleotide base contained in the nucleic acid molecule based on at least one of the fluorescence intensity and fluorescence quenching time of the fluorescence signal.
  • the bioluminescent substance is luciferase.
  • the nucleic acid detection method is nucleic acid sequencing based on bioluminescence technology.
  • a method for in-situ detection of biological samples comprising: fixing the biological sample on a biosensing layer, the biological sample comprising a plurality of nucleic acid molecules, the biosensing layer comprising one or more sample receiving sites and one or more photosensitive circuits corresponding to the one or more sample receiving sites, the nucleic acid molecules are correspondingly fixed by the sample receiving sites, and the nucleic acid molecules are marked with fluorescent markers or bioluminescent substances; under predetermined conditions, the nucleic acid molecules marked with the fluorescent markers or the bioluminescent substances generate fluorescent signals, and the fluorescent signals are transmitted to a photosensitive circuit having a quantum image sensor, the photosensitive circuit generates an analog electrical signal according to the fluorescent signals; performing digital-to-analog conversion on the analog electrical signals to obtain corresponding digital electrical signals, determining at least one feature of the fluorescent signal received at the quantum image sensor
  • the nucleic acid molecule is coupled to one or more of a protein, a peptide, an antibody, or an affinity tag.
  • the quantum image sensor comprises a single photon avalanche diode.
  • determining the type and/or sequence of nucleotide bases contained in the nucleic acid molecule at the corresponding position in the biological sample based on the at least one feature includes: determining the type and/or sequence of nucleotide bases contained in the nucleic acid molecule at the corresponding position in the biological sample based on at least one of the fluorescence intensity and fluorescence quenching time of the fluorescence signal.
  • the biological sample is a tissue section.
  • the biological sample in situ detection method is spatial transcriptome technology.
  • FIG1 is a schematic diagram showing the structure of a gene sequencing device according to some embodiments of the present disclosure.
  • FIG2 is a schematic diagram showing the structure of a photosensitive circuit according to some embodiments of the present disclosure.
  • FIG3 is a schematic diagram showing the structure of a gene sequencing device according to other embodiments of the present disclosure.
  • FIG4 is a flow chart showing a gene sequencing method according to some embodiments of the present disclosure.
  • FIG5 is a schematic diagram illustrating a gene sequencing method according to some embodiments of the present disclosure.
  • FIG6 is a flow chart showing a nucleic acid detection method according to some embodiments of the present disclosure.
  • FIG7 is a flow chart showing a nucleic acid detection method according to other embodiments of the present disclosure.
  • FIG8 is a flow chart showing a method for in-situ detection of a biological sample according to some embodiments of the present disclosure.
  • a specific device when a specific device is described as being located between a first device and a second device, there may or may not be an intermediate device between the specific device and the first device or the second device.
  • the specific device When a specific device is described as being connected to other devices, the specific device may be directly connected to the other device without an intermediate device, or may not be directly connected to the other device but have an intermediate device.
  • the signal is generated by biological self-luminescence, and the image sensor semiconductor chip directly reads the signal into the internal circuit of the instrument, making the instrument “optical-free". There is no need for leveling and focusing operations when turning on the instrument after transportation, and the environmental requirements are greatly reduced.
  • signal amplification can be performed through chip surface bridge amplification technology; alternatively, template amplification can be completed in solution.
  • Such technology can avoid error accumulation during the amplification process and effectively improve sequencing accuracy.
  • the inventors of the present disclosure have found that, regardless of excitation light or spontaneous light, amplification is required before sequencing due to the weak light signal, which leads to a complicated library construction process and a long library construction time.
  • the short read length and amplification bias also limit the ability to interpret the complete genome.
  • an embodiment of the present disclosure provides a gene sequencing device so as to realize gene detection under weak light signals and improve the sensitivity of gene detection.
  • the gene sequencing device includes a biosensing layer 110.
  • the biosensing layer 110 includes one or more sample receiving sites 111 and one or more photosensitive circuits 112 corresponding to the one or more sample receiving sites.
  • the biosensing layer may include less than three (e.g., one or two) sample receiving sites and less than three (e.g., one or two) photosensitive circuits, or may include more than three (e.g., eight or ten, etc.) sample receiving sites and more than three (e.g., eight or ten, etc.) photosensitive circuits.
  • the sample receiving site 111 is configured to receive a sample.
  • the sample receiving site 111 may adopt a physical structure (e.g., a groove) to receive the sample; or, the sample receiving site 111 may receive the sample through a magnetic ball, a chemical bond, avidin, or an antigen-antibody, for example, to achieve a link between a chip surface group and ssDNA (single stranded DNA).
  • the photosensitive circuit 112 is configured to receive the fluorescent signal emitted by the sample at the corresponding sample receiving site and generate an analog electrical signal according to the fluorescent signal.
  • the photosensitive circuit 112 includes a quantum image sensor (Quanta Image Sensor, referred to as QIS).
  • QIS Quantum Image Sensor
  • the photosensitive circuit 112 is configured to transmit the analog electrical signal to the circuit structure layer 120.
  • the photosensitive circuit includes a quantum image sensor. Since the quantum image sensor has the characteristic of high sensitivity when performing photon detection, the gene sequencing device can realize gene detection under weak light signals, thereby improving the sensitivity of gene detection.
  • the gene sequencing device further includes a circuit structure layer 120.
  • the circuit structure layer 120 includes an analog-to-digital conversion circuit 121.
  • the analog-to-digital conversion circuit 121 is configured to convert an analog electrical signal into a digital electrical signal.
  • the digital electrical signal includes a digital square wave signal.
  • the analog-to-digital conversion circuit includes an analog-to-digital converter.
  • the gene sequencing device further includes a logic processing layer 130.
  • the logic processing layer 130 is configured to determine the characteristics of the fluorescent signal according to the digital electrical signal, and determine the type and/or sequence of the bases contained in the sample according to the characteristics of the fluorescent signal.
  • the logic processing layer 130 includes a logic processing circuit.
  • the logic processing circuit can adopt a known circuit structure, which will not be described in detail here.
  • the characteristic of the fluorescence signal includes at least one of fluorescence intensity and fluorescence quenching time.
  • a photon can cause a square wave to be generated, that is, the number of square waves in the digital square wave signal is equal to the number of photons in the fluorescence signal. Therefore, the number of photons of the received fluorescence signal is determined according to the number of square waves in the digital square wave signal, and the number of photons can reflect the fluorescence intensity and/or fluorescence quenching time of the fluorescence signal. Therefore, the fluorescence intensity and/or fluorescence quenching time of the fluorescence signal can be determined according to the relationship between the number of photons and the fluorescence intensity and/or fluorescence quenching time of the fluorescence signal known in advance.
  • a certain number of photons corresponds to a certain intensity of fluorescence intensity and a certain fluorescence quenching time.
  • the relationship between the number of photons and the fluorescence intensity and/or fluorescence quenching time of the fluorescence signal is a relationship that can be known in advance after multiple experiments, and will not be described in detail here.
  • the type and/or sequence of the bases contained in the sample is determined based on the relationship between at least one of the fluorescence intensity and the fluorescence quenching time of the fluorescence signal and the type and/or sequence of the bases.
  • a certain fluorescence intensity and/or a certain fluorescence quenching time of the fluorescence signal corresponds to a certain type of base and/or a certain sequence of bases.
  • the relationship between at least one of the fluorescence intensity and the fluorescence quenching time of the fluorescence signal and the type and/or sequence of the base is a relationship that can be known in advance after multiple experiments and is not described in detail here.
  • the gene sequencing device includes: a biosensing layer, including one or more sample receiving sites and one or more photosensitive circuits corresponding to the one or more sample receiving sites, the sample receiving sites are configured to receive samples; the photosensitive circuit is configured to receive the fluorescence signal emitted by the sample on the corresponding sample receiving site, and generate an analog electrical signal according to the fluorescence signal, and the photosensitive circuit includes a quantum image sensor; a circuit structure layer, including: an analog-to-digital conversion circuit, configured to convert the analog electrical signal into a digital electrical signal; and a logic processing layer, configured to determine the characteristics of the fluorescence signal according to the digital electrical signal, and determine the type and/or sequence of the bases contained in the sample according to the characteristics of the fluorescence signal.
  • the gene sequencing device can realize gene detection under weak light signals, thereby improving the sensitivity of gene detection.
  • the above gene sequencing device can sequence multiple gene molecules at the same time, thereby increasing the sequencing speed.
  • the quantum image sensor includes a single photon avalanche diode (SPAD).
  • SPDD single photon avalanche diode
  • the quantum image sensor may also use other types of quantum image sensors, and the scope of the present disclosure is not limited thereto.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a photosensitive circuit according to some embodiments of the present disclosure.
  • the photosensitive circuit includes a single photon avalanche diode 210.
  • the single photon avalanche diode 210 is used as a quantum image sensor.
  • the photosensitive circuit further includes a resistor 220.
  • a first end 221 of the resistor 220 is electrically connected to a first voltage end 231, and a second end 222 of the resistor 220 is electrically connected to an anode end 211 of the single-photon avalanche diode 210.
  • a cathode end 212 of the single-photon avalanche diode 210 is electrically connected to a second voltage end 232.
  • the voltage of the second voltage end 232 is greater than the voltage of the first voltage end 231.
  • the first voltage end 231 is a ground end
  • the second voltage end 232 is a power supply voltage end.
  • the resistance value of the resistor 220 ranges from 1000 ohms to 9000 ohms.
  • the range of the resistance value of the resistor is only exemplary, and the scope of the present disclosure is not limited thereto.
  • the resistance value of the resistor can be set according to actual needs.
  • the inventors of the present disclosure have discovered that, on a semiconductor sequencing platform, after amplifying the gene molecule 200 times, the signal intensity and signal-to-noise ratio can achieve high-accuracy gene sequencing, and its read length and error rate are basically the same as those of the mainstream excitation light sequencing principle.
  • QIS quantum image sensors
  • the semiconductorized QIS sensor is a SPAD device, which is a device in which the PN junction operates in Geiger mode. In this mode, the reverse bias voltage of the PN junction is above the breakdown voltage (Break Down). When a photon is absorbed by the depletion region of the semiconductor, it generates an electron-hole pair, which splits and accelerates under the action of the electric field. If the energy of the electron or hole is high enough, impact ionization will generate more electron-hole pairs, triggering a self-sustaining avalanche. This avalanche phenomenon occurs when the impact ionization of carriers occurs when the electric field strength is higher than the critical field of the material. For example, in silicon, the critical field Ecr ⁇ 3 ⁇ 10 5 V/cm.
  • a resistor 220 may be used in series with the SPAD 210 to prevent burnout.
  • the resistor may be in the order of kilo-ohms.
  • the sequencing process can be realized on an ordinary image sensor. Then, after the quantum efficiency is increased by 200 times, the signal generated by a single molecule can be sufficient to realize the gene sequencing process, that is, single-molecule gene sequencing.
  • the SPAD array is built using CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • This change in design and production platform allows for the reliable production of high-pixel-count SPAD detectors, as well as the integration of novel pixel circuits for quenching and recharging, time-stamping, and photon counting.
  • the device supports both single SPAD pulse output and fully digital signal processing.
  • other QIS devices can achieve high-pixel-count (e.g., 165 million pixel) arrays on a single semiconductor chip.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of a gene sequencing device according to other embodiments of the present disclosure.
  • the gene sequencing device shown in Fig. 3 includes a biosensing layer 110, a circuit structure layer 120 and a logic processing layer 130.
  • a biosensing layer 110 Similar to the gene sequencing device shown in Fig. 1, the gene sequencing device shown in Fig. 3 includes a biosensing layer 110, a circuit structure layer 120 and a logic processing layer 130.
  • the same or similar structures will not be described in detail.
  • the circuit structure layer 120 includes a memory 122 in addition to the analog-to-digital conversion circuit.
  • the memory 122 is electrically connected to the analog-to-digital conversion circuit 121 and the logic processing layer 130.
  • the memory 122 is configured to store data.
  • the memory 122 can store comparison data or logic processing data, etc.
  • the memory can store the relationship between the number of photons and the fluorescence intensity and/or fluorescence quenching time of the fluorescence signal, and/or the relationship between at least one of the fluorescence intensity and fluorescence quenching time of the fluorescence signal and the type and/or sequence of the base, etc.
  • the memory may be an SRAM (Static Random-Access Memory).
  • SRAM Static Random-Access Memory
  • the SRAM is a high-speed SRAM.
  • the logic processing layer 130 is located above the substrate 140.
  • the circuit structure layer 120 is located on the side of the logic processing layer 130 away from the substrate 140.
  • the biosensing layer 110 is located on the side of the circuit structure layer 120 away from the substrate 140. In this way, the integration of related structural layers is achieved, which is convenient for the implementation of gene sequencing.
  • the above gene sequencing device is used in the field of gene sequencing, which can reduce costs, realize gene detection under weak light signals, and improve the sensitivity of gene detection.
  • the gene sequencing device can realize basic single-molecule sequencing, high-speed sequencing (for example, high-speed sequencing of hundreds of bases per second) and long read length sequencing (for example, ultra-long read length sequencing of more than 10k).
  • the above gene sequencing device can be used in synthetic sequencing. Since the time resolution of the SPAD device is very high, which can reach the ms (millisecond) level, it can also be applied to the sequencing method that extends to the excision base to generate signals.
  • the above gene sequencing device can achieve ultra-high-speed (for example, 960 frames/second) dynamic image acquisition.
  • the signal detection of a single base molecule on the sequencing biochemical group is realized by an array-type gene sequencing device, thereby realizing the single molecule sequencing technology. Since the gene sequence does not need to be amplified before sequencing, the complexity of the library construction process and the library construction time are greatly reduced. Since the spatial conformation of the single molecule group is simpler than the cluster/ball structure after amplification, the read length of the synthetic sequencing method can be extended and the sequencing time can be reduced.
  • a gene sequencing method comprising: performing gene detection using the gene sequencing device as described above.
  • FIG. 4 is a flow chart showing a gene sequencing method according to some embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a gene sequencing method according to some embodiments of the present disclosure.
  • the gene sequencing method according to some embodiments of the present disclosure is described in detail below in conjunction with FIG. 4 and FIG. 5.
  • the gene sequencing method includes steps S402 to S408. That is, the process of performing gene detection using a gene sequencing device includes steps S402 to S408.
  • DNA fragments can be interrupted in the sample solution, and the linker sequence can be added to denature it; then the capture particles/molecular groups/base sequences/protein sequences, etc. can be mixed into the solution; the sample can be transferred to the chip surface; the sample can be labeled with a dual luciferase-substrate labeling system; and then the sample can be placed in the sample receiving site for detection.
  • the linker sequence can be added to denature it
  • the capture particles/molecular groups/base sequences/protein sequences, etc. can be mixed into the solution
  • the sample can be transferred to the chip surface
  • the sample can be labeled with a dual luciferase-substrate labeling system
  • the sample can be placed in the sample receiving site for detection.
  • one pixel on the array chip can correspond to one ssDNA.
  • step S404 the fluorescent signal emitted by the sample is received, and an analog electrical signal is generated according to the fluorescent signal.
  • a photosensitive circuit is used to receive the fluorescent signal emitted by the sample at the corresponding sample receiving site, and an analog electrical signal is generated according to the fluorescent signal.
  • step S408 the characteristics of the fluorescent signal are determined according to the digital electrical signal, and the type and/or sequence of the bases (i.e., nucleotide bases) contained in the sample are determined according to the characteristics of the fluorescent signal.
  • the characteristics of the fluorescent signal are determined according to the digital electrical signal by the logic processing layer, and the type and/or sequence of the bases contained in the sample are determined according to the characteristics of the fluorescent signal.
  • the digital electrical signal comprises a digital square wave signal.
  • the nucleic acid detection method can be nucleic acid sequencing based on bioluminescence technology.
  • the nucleic acid detection method can realize nucleic acid detection under weak light signals, thereby improving the sensitivity of nucleic acid detection.
  • the above-mentioned nucleic acid detection method can realize signal detection of single base molecules, reduce the complexity and library construction time of the library construction process, and reduce the time of nucleic acid detection.
  • the biological sample is fixed to the biosensing layer, the biological sample contains multiple nucleic acid molecules, the biosensing layer includes one or more sample receiving sites and one or more photosensitive circuits corresponding to the one or more sample receiving sites, the nucleic acid molecules are fixed by the sample receiving sites, and the nucleic acid molecules are marked with fluorescent markers or bioluminescent substances.
  • the fluorescent markers and bioluminescent substances have been described above and will not be repeated here.
  • the biological sample can be fixed to the biosensing layer using known techniques.
  • step S804 under predetermined conditions, the nucleic acid molecules marked with fluorescent markers or bioluminescent substances generate fluorescent signals, and the fluorescent signals are transmitted to a photosensitive circuit having a quantum image sensor, and the photosensitive circuit generates an analog electrical signal according to the fluorescent signals.
  • the predetermined condition may be a condition that causes a nucleic acid molecule labeled with a fluorescent marker to emit light using excitation light or a condition that causes a nucleic acid molecule labeled with a bioluminescent substance to emit light spontaneously.

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Abstract

提供了一种基因测序装置和基因测序方法。基因测序装置包括：生物感应层，包括一个或多个样品接纳位点和与一个或多个样品接纳位点一一对应的一个或多个感光电路，样品接纳位点被配置为接纳样品；感光电路被配置为接收在对应的样品接纳位点上的样品发出的荧光信号，并根据荧光信号产生模拟电信号，感光电路包括量子图像传感器；电路结构层，包括：模数转换电路，被配置为将模拟电信号转换为数字电信号；和逻辑处理层，被配置为根据数字电信号确定荧光信号的特性，并根据荧光信号的特性确定样品所含有的碱基的类型和/或序列。

Description

基因测序装置、基因测序方法和核酸检测方法 技术领域
本公开涉及生物技术领域，特别涉及一种基因测序装置和、基因测序方法和核酸检测方法。
背景技术
在相关技术中，高通量基因测序仪将核酸片段扩增后转移到测序基材上或者直接在测序基材上扩增，然后测序试剂加入到测序基材上，实现碱基合成、切除等生化反应，并通过信号报告基团产生光信号或者电信号被测序仪器获取，通过测序仪器的内部电脑进行算法计算，获得碱基序列。
测序基材也称测序芯片，常见有表面式测序芯片和半导体集成电路两种。这两者都不具备直接计算出碱基序列的能力。由于标记上的荧光基团的信号很微弱，所以核酸片段需要经过扩增放大。
在单分子测序技术中，常见的装置有纳米孔测序仪，通过核酸片段穿过纳米孔导致的阻抗变化来识别单个碱基分子。在另一种技术中，在半导体图像传感器上形成激光的全反射层，通过全反射激光的渐逝场效应激励荧光基团，信噪比足够高，因此也能实现单个碱基分子的检测。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种基因测序装置，包括：生物感应层，包括一个或多个样品接纳位点和与所述一个或多个样品接纳位点一一对应的一个或多个感光电路，所述样品接纳位点被配置为接纳样品；所述感光电路被配置为接收在对应的样品接纳位点上的样品发出的荧光信号，并根据所述荧光信号产生模拟电信号，所述感光电路包括量子图像传感器；电路结构层，包括：模数转换电路，被配置为将所述模拟电信号转换为数字电信号；和逻辑处理层，被配置为根据所述数字电信号确定所述荧光信号的特性，并根据所述荧光信号的特性确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
在一些实施例中，所述感光电路还包括电阻器，其中，所述电阻器的第一端电连 接至第一电压端，所述电阻器的第二端电连接至所述单光子雪崩二极管的阳极端，所述单光子雪崩二极管的阴极端电连接至第二电压端，所述第二电压端的电压大于所述第一电压端的电压。
在一些实施例中，所述荧光信号的特性包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个；所述数字电信号包括：数字方波信号。
在一些实施例中，所述逻辑处理层被配置为根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数，根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个，并根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述电路结构层还包括：存储器，与所述模数转换电路和所述逻辑处理层电连接，被配置为存储数据。
在一些实施例中，所述基因测序装置还包括：衬底；其中，所述逻辑处理层、所述电路结构层和所述生物感应层均位于所述衬底的上方。
在一些实施例中，所述逻辑处理层位于所述衬底的上方；所述电路结构层位于所述逻辑处理层的远离所述衬底的一侧；所述生物感应层位于所述电路结构层的远离所述衬底的一侧。
根据本公开的另一个方面，提供了一种基因测序方法，包括：利用如前所述的基因测序装置进行基因检测。
在一些实施例中，利用所述基因测序装置进行基因检测包括：将样品置于所述样品接纳位点，其中，所述样品发出荧光信号；接收所述样品发出的荧光信号，并根据所述荧光信号产生模拟电信号；将所述模拟电信号转换为数字电信号；和根据所述数字电信号确定所述荧光信号的特性，并根据所述荧光信号的特性确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述荧光信号的特性包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个；所述数字电信号包括：数字方波信号。
在一些实施例中，根据所述数字电信号确定所述荧光信号的特性，并根据所述荧光信号的特性确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列包括：根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个；和根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述荧光信号由生物自发光反应产生。
在一些实施例中，所述生物发光反应是指荧光素酶催化其底物以产生荧光信号的反应。
在一些实施例中，利用所述基因测序装置进行基于生物自发光反应的测序。此类测序方法是本领域已知的。
根据本公开的另一个方面，提供了一种核酸检测方法，包括：用荧光标记对样品接纳位点处的核酸分子进行标记，所述荧光标记用于识别所述核酸分子中的目标核苷酸碱基；用激发光照射标记有所述荧光标记的核酸分子，使得所述标记有所述荧光标记的核酸分子吸收所述激发光以产生荧光信号，并使所述荧光信号传输到具有量子图像传感器的感光电路上，所述感光电路根据所述荧光信号产生模拟电信号；对所述模拟电信号进行数模转换以获得对应的数字电信号，基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征；以及基于所述至少一个特征确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
在一些实施例中，所述荧光信号的至少一个特征包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，所述数字电信号包括数字方波信号；所述基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征，包括：根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；和根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，基于所述至少一个特征确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列，包括：根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述核酸检测方法为基于激发光荧光技术的核酸测序。
根据本公开的另一个方面，提供了一种核酸检测方法，包括：用生物荧光物质对样品接纳位点处的核酸分子进行标记，所述生物荧光物质用于识别所述核酸分子中的目标核苷酸碱基；改变所述核酸分子的环境或加入反应底物，以使标记有所述生物荧光物质的核酸分子发射荧光信号，并使所述荧光信号传输到具有量子图像传感器的感光电路上，所述感光电路根据所述荧光信号产生模拟电信号；对所述模拟电信号进行数模转换以获得对应的数字电信号，基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器 处接收的所述荧光信号的至少一个特征；和基于所述至少一个特征确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
在一些实施例中，所述荧光信号的至少一个特征包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，所述数字电信号包括数字方波信号；所述基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征，包括：根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；和根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，所述基于所述至少一个特征确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列，包括：根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述生物荧光物质为荧光素酶。
在一些实施例中，所述核酸检测方法为基于生物自发光技术的核酸测序。根据本公开的另一个方面，提供了一种生物样本原位检测方法，包括：将生物样本固定于生物感应层，所述生物样本包含多个核酸分子，所述生物感应层包括一个或多个样品接纳位点和与所述一个或多个样品接纳位点一一对应的一个或多个感光电路，所述核酸分子对应地由所述样品接纳位点固定，所述核酸分子标记有荧光标记或生物荧光物质；在预定条件下，使标记有所述荧光标记或所述生物荧光物质的核酸分子产生荧光信号，并使所述荧光信号传输到具有量子图像传感器的感光电路上，所述感光电路根据所述荧光信号产生模拟电信号；对所述模拟电信号进行数模转换以获得对应的数字电信号，基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征；和基于所述至少一个特征确定所述生物样本中对应位置处的所述核酸分子所含有的核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述核酸分子偶联于蛋白、肽段、抗体或亲和标记中的一种或多种分子上。
在一些实施例中，所述核酸分子为寡核酸标签序列。
在一些实施例中，所述量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
在一些实施例中，所述荧光信号的至少一个特征包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，所述数字电信号包括数字方波信号；所述基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征，包括：根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；和根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，基于所述至少一个特征确定所述生物样本中对应位置处的所述核酸分子所含有的核苷酸碱基的类型和/或序列，包括：根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述生物样本中对应位置处的所述核酸分子所含有的核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，所述生物样本为组织切片。
在一些实施例中，所述生物样本原位检测方法为空间转录组技术。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是示出根据本公开一些实施例的基因测序装置的结构示意图；
图2是示出根据本公开一些实施例的感光电路的结构示意图；
图3是示出根据本公开另一些实施例的基因测序装置的结构示意图；
图4是示出根据本公开一些实施例的基因测序方法的流程图；
图5是示出根据本公开一些实施例的基因测序方法的示意图；
图6是示出根据本公开一些实施例的核酸检测方法的流程图；
图7是示出根据本公开另一些实施例的核酸检测方法的流程图；
图8是示出根据本公开一些实施例的生物样本原位检测方法的流程图。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不必须按照实际的比例关系绘制。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述 仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
目前，高通量基因测序系统中，大部分是采用聚焦激光激发四色或者双色荧光染料，然后再用显微镜系统采集激发光进一步处理分析得到碱基序列。这种测序仪往往采用大功率光源，需要对光源进行恒温控制以保证其稳定性。仪器内部包含高精密度、高复杂度的光路系统和科学级相机，需要进行准直、消畸变、聚焦、分光、滤光等操作，光路系统相当精密和复杂，成本高、体积大、对实验室环境有较高要求，因此不利于实现近端现场应用和复杂使用环境应用。
对于某些半导体测序系统，其信号产生方式为生物自发光，图像传感器半导体芯片直接信号读取到仪器内部电路中，使仪器实现“无光学系统”，运输后开机无需调平调焦操作，环境要求大大降低。
目前，可以通过芯片表面桥式扩增技术来进行信号放大；或者，可以在溶液中完 成模板扩增，这样的技术能够在扩增过程避免错误累积的发生，有效提高测序准确度。
本公开的发明人发现，无论是激发光还是自发光，由于光信号的微弱，因此，需要在测序前进行扩增，这导致建库过程复杂，建库时间较长，而读长较短和扩增偏向也限制了对完整基因组的解读能力。
鉴于此，本公开的实施例提供一种基因测序装置，以便在微弱的光信号下能够实现基因检测，提高基因检测的灵敏度。
图1是示出根据本公开一些实施例的基因测序装置的结构示意图。
如图1所示，基因测序装置包括生物感应层110。该生物感应层110包括一个或多个样品接纳位点111和与所述一个或多个样品接纳位点一一对应的一个或多个感光电路112。
需要说明的是，虽然图1中示出了3个样品接纳位点和3个感光电路，但是这仅是示例性的。本公开的范围并不限于样品接纳位点和感光电路的数量。例如，生物感应层可以包括少于3个(例如，1个或2个)的样品接纳位点和少于3个(例如，1个或2个)的感光电路，或者包括多于3个(例如，8个或10个等)的样品接纳位点和多于3个(例如，8个或10个等)的感光电路。
样品接纳位点111被配置为接纳样品。例如，样品接纳位点111可以采用物理结构(例如凹槽)来接纳样品；或者，样品接纳位点111可以通过磁球、化学键、亲和素或者抗原抗体等实现接纳样品，例如，实现芯片表面基团与ssDNA(single stranded DNA，单链DNA)的链接。
感光电路112被配置为接收在对应的样品接纳位点上的样品发出的荧光信号，并根据荧光信号产生模拟电信号。该感光电路112包括量子图像传感器(Quanta Image Sensor，简称为QIS)。感光电路112被配置为将模拟电信号传输到电路结构层120。
这里，感光电路包括量子图像传感器，由于量子图像传感器在进行光子检测时具有灵敏度高的特点，因此，基因测序装置在微弱的光信号下能够实现基因检测，提高基因检测的灵敏度。
如图1所示，基因测序装置还包括电路结构层120。该电路结构层120包括模数转换电路121。模数转换电路121被配置为将模拟电信号转换为数字电信号。例如，该数字电信号包括数字方波信号。例如，模数转换电路包括模数转换器。
如图1所示，基因测序装置还包括逻辑处理层130。逻辑处理层130被配置为根据数字电信号确定荧光信号的特性，并根据荧光信号的特性确定样品所含有的碱基的 类型和/或序列。例如，逻辑处理层130包括逻辑处理电路。逻辑处理电路可以采用已知的电路结构，这里不再详细描述。
例如，荧光信号的特性包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，逻辑处理层130被配置为根据数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数，根据光子数确定荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个，并根据荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定样品所含有的碱基的类型和/或序列。
例如，一个光子可以导致产生一个方波，即数字方波信号中方波的数量等于荧光信号的光子数，因此，根据数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数，而光子数可以反映荧光信号的荧光强度和/或荧光淬灭时间，因此可以根据预先获知的光子数与荧光信号的荧光强度和/或荧光淬灭时间的关系，确定荧光信号的荧光强度和/或荧光淬灭时间。例如，某些光子数对应某种强度的荧光强度和某种荧光淬灭时间。这里，光子数与荧光信号的荧光强度和/或荧光淬灭时间的关系为经过多次实验可以预先已知的关系，这里不再详细描述。
接下来，根据荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个与碱基的类型和/或序列的关系，确定样品所含有的碱基的类型和/或序列。例如，荧光信号的某种荧光强度和/或某种荧光淬灭时间对应某种碱基的类型和/或碱基的某种序列。这里，根据荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个与碱基的类型和/或序列的关系为经过多次实验可以预先已知的关系，这里不再详细描述。
至此，提供了根据本公开一些实施例的基因测序装置。该基因测序装置包括：生物感应层，包括一个或多个样品接纳位点和与一个或多个样品接纳位点一一对应的一个或多个感光电路，样品接纳位点被配置为接纳样品；感光电路被配置为接收在对应的样品接纳位点上的样品发出的荧光信号，并根据荧光信号产生模拟电信号，感光电路包括量子图像传感器；电路结构层，包括：模数转换电路，被配置为将模拟电信号转换为数字电信号；和逻辑处理层，被配置为根据数字电信号确定荧光信号的特性，并根据荧光信号的特性确定样品所含有的碱基的类型和/或序列。该基因测序装置在微弱的光信号下能够实现基因检测，提高基因检测的灵敏度。
另外，上述基因测序装置可以同时对多个基因分子进行测序，从而增加测序速度。
在上述实施例中，通过基因测序装置，实现测序生化基团上单个碱基分子的信号检测，从而实现了单分子测序技术。由于测序前基因序列无需扩增，大幅降低了建库 过程的复杂度和减少了建库时间。由于单分子基团相比扩增后的簇/球结构的空间构象简单，因此可以延长合成测序法的读长，并减少测序时间。
在一些实施例中，量子图像传感器包括单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)。当然，本领域技术人员能够理解，量子图像传感器也可以采用其他类型的量子图像传感器，本公开的范围并不仅限于此。
图2是示出根据本公开一些实施例的感光电路的结构示意图。
如图2所示，该感光电路包括单光子雪崩二极管210。该单光子雪崩二极管210作为量子图像传感器。
在一些实施例中，如图2所示，感光电路还包括电阻器220。电阻器220的第一端221电连接至第一电压端231，电阻器220的第二端222电连接至单光子雪崩二极管210的阳极端211。单光子雪崩二极管210的阴极端212电连接至第二电压端232。第二电压端232的电压大于第一电压端231的电压。例如，第一电压端231为接地端，第二电压端232为电源电压端。该感光电路在接收到光子后，可以产生模拟电信号S A。
在该实施例中，通过在感光电路中设置电阻器，可以起到限流的作用，因而尽可能地防止由于产生的模拟电信号的电流过大导致烧坏单光子雪崩二极管的问题，因此可以对单光子雪崩二极管起到保护的作用。
例如，该电阻器220的电阻值的范围为1000欧姆至9000欧姆。当然，本领域技术人员能够理解，该电阻器的电阻值的范围仅是示例性的，本公开的范围并不仅限于此。该电阻器的电阻值可以根据实际需要来设定。
本公开的发明人发现，在半导体测序平台上，将基因分子扩增200倍后，信号强度和信噪比，都可以实现高准确度的基因测序，其读长、错误率与主流的激发光测序原理基本并无区别。
在室温下，量子图像传感器(QIS)能够进行光子数分辨和高速读出等操作。凭借QIS器件的光子数分辨能力，尽管像素尺寸较小，但是低光成像性能大大增强，并且得益于低光照下的扩展灵敏度，其动态范围得到了改善。
例如，半导体化的QIS传感器为SPAD器件，SPAD是PN结工作在Geiger(盖革)模式下的器件。在这种模式下，PN结反向偏置电压在击穿电压(Break Down)之上。当一个光子被半导体的耗尽区吸收时，它会产生一个电子-空穴对，这个电子-空穴对在电场的作用下分裂和加速。如果电子或空穴的能量足够高，撞击电离就会产生更多的电子-空穴对，引发自我维持的雪崩。当电场强度高于材料的临界场时，载流子 的撞击电离就会发生这种雪崩现象。例如，在硅中，临界场Ecr≈3×10 5V/cm。
在一些情况下，当雪崩开始时，可能会有毫安级的大电流流经设备，将可能摧毁设备。因此可以使用电阻器220与SPAD 210串联防止发生烧毁的情况。该电阻器可以是千欧姆的量级。当阳极电压向过量偏置电压V EB增加时，它通过将电流降低到小于100μA(微安)的方式来抑制(quenching)雪崩。抑制完成后，开始充电过程，使感光电路回到空闲模式，进入下一个周期。
在Geiger模式下，光电二极管的光学增益几乎是无限的，只有雪崩中载流子的数目才会增加。因此，通过雪崩-抑制过程，可轻易实现400000e-/Lux-sec(电子个数/勒克斯-秒)以上的量子效率。
如前所述，基因分子扩增200倍后，即可在普通图像传感器上实现测序过程。那么量子效率提高200倍以后，即可实现单个分子产生的信号足以实现基因测序过程，即单分子基因测序。
通过CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)技术来构建SPAD阵列。这种设计和生产平台的变化可以可靠地生产高像素数SPAD探测器，以及集成用于淬灭和再充电、时间标记和光子计数功能的新型像素电路。在数据采集方面,此种设备既支持单SPAD脉冲输出，也支持全数字化信号处理。除SPAD器件外，其它的QIS器件可以在单颗半导体芯片上实现高像素数(例如，1.65亿像素)的阵列。
图3是示出根据本公开另一些实施例的基因测序装置的结构示意图。
与图1所示的基因测序装置类似地，如图3所示的基因测序装置包括生物感应层110、电路结构层120和逻辑处理层130。这里，相同或相似的结构将不再详细描述。
在一些实施例中，如图3所示，电路结构层120除了包括模数转换电路，还包括存储器122。存储器122与模数转换电路121和逻辑处理层130电连接。存储器122被配置为存储数据。例如，存储器122可以存储比较数据或逻辑处理的数据等。又例如，存储器可以存储光子数与荧光信号的荧光强度和/或荧光淬灭时间的关系、和/或荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个与碱基的类型和/或序列的关系等。
例如，该存储器可以为SRAM(Static Random-Access Memory，静态随机存取存储器)。例如，SRAM为高速SRAM。
在一些实施例中，如图3所示，基因测序装置还包括衬底140。逻辑处理层130、电路结构层120和生物感应层110均位于衬底140的上方。例如，该衬底可以为硅衬 底等。
在一些实施例中，如图3所示，逻辑处理层130位于衬底140的上方。电路结构层120位于逻辑处理层130的远离衬底140的一侧。生物感应层110位于电路结构层120的远离衬底140的一侧。这样实现了相关结构层的集成，方便用于基因测序的实施。
上述基因测序装置用于基因测序领域，可以降低成本，在微弱的光信号下能够实现基因检测，提高基因检测的灵敏度。基因测序装置可以实现基本的单分子测序，可以实现高速测序(例如，每秒数百个碱基的高速测序)和较长读长测序(例如，超过10k的超长读长测序)。
上述基因测序装置可以应用在合成测序法中。由于SPAD器件的时间分辨率很高，可以到ms(毫秒)量级，因此，还可以应用扩展到切除碱基产生信号的测序方法中。上述基因测序装置能够实现超高速(例如，960帧/秒)动态图像采集。
在上述实施例中，通过阵列式的基因测序装置，实现测序生化基团上单个碱基分子的信号检测，从而实现了单分子测序技术。由于测序前基因序列无需扩增，大幅降低了建库过程的复杂度和减少了建库时间。由于单分子基团相比扩增后的簇/球结构的空间构象简单，因此可以延长合成测序法的读长，并减少测序时间。
在本公开的一些实施例中，还提供了一种基因测序方法，包括：利用如前所述的基因测序装置进行基因检测。
图4是示出根据本公开一些实施例的基因测序方法的流程图。图5是示出根据本公开一些实施例的基因测序方法的示意图。下面结合图4和图5详细描述根据本公开一些实施例的基因测序方法。基因测序方法包括步骤S402至S408。即，利用基因测序装置进行基因检测的过程包括步骤S402至S408。
在步骤S402，将样品置于样品接纳位点，其中，样品发出荧光信号。例如，如图5所示，将样品510置于样品接纳位点111，该样品510能够发出荧光信号。
例如，可以在样品溶液中打断DNA片段，增加接头序列，使其变性；然后在溶液中混入捕获颗粒/分子基团/碱基序列/蛋白序列等；将样品转移到芯片表面；在样品中使用双荧光素酶-底物标记体系进行标记；然后将样品置于样品接纳位点以便进行检测。这里，通过捕获颗粒/分子基团/序列，可以实现阵列芯片上一个像素对应一条ssDNA。
在步骤S404，接收样品发出的荧光信号，并根据荧光信号产生模拟电信号。例如，利用感光电路接收在对应的样品接纳位点上的样品发出的荧光信号，并根据荧光信号 产生模拟电信号。
在步骤S406，将模拟电信号转换为数字电信号。例如，利用模数转换电路将模拟电信号转换为数字电信号。例如，数字电信号包括数字方波信号。
在步骤S408，根据数字电信号确定荧光信号的特性，并根据荧光信号的特性确定样品所含有的碱基(即，核苷酸碱基)的类型和/或序列。例如，利用逻辑处理层根据数字电信号确定荧光信号的特性，并根据荧光信号的特性确定样品所含有的碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，荧光信号的特性包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，步骤S408包括：根据数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；根据光子数确定荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个；和根据荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定样品所含有的碱基的类型和/或序列。
至此，提供了根据本公开一些实施例的基因测序方法。该基因测序方法包括：将样品置于样品接纳位点，其中，样品发出荧光信号；接收样品发出的荧光信号，并根据荧光信号产生模拟电信号；将模拟电信号转换为数字电信号；和根据数字电信号确定荧光信号的特性，并根据荧光信号的特性确定样品所含有的碱基的类型和/或序列。该基因测序方法在微弱的光信号下能够实现基因检测，提高基因检测的灵敏度。
在上述基因测序方法中，通过阵列式的基因测序装置，实现测序生化基团上单个碱基分子的信号检测，从而实现了单分子测序技术。由于测序前基因序列无需扩增，大幅降低了建库过程的复杂度和减少了建库时间。由于单分子基团相比扩增后的簇/球结构的空间构象简单，因此可以延长合成测序法的读长，并减少测序时间。
图6是示出根据本公开一些实施例的核酸检测方法的流程图。如图6所示，该核酸检测方法包括步骤S602至S608。
在步骤S602，用荧光标记对样品接纳位点处的核酸分子进行标记，荧光标记用于识别核酸分子中的目标核苷酸碱基。这里，荧光标记可以在激发光的作用下产生荧光，该荧光标记用于识别核酸分子中特定位置处的核苷酸碱基(即，目标核苷酸碱基)。例如，核酸分子为核酸大分子。
在步骤S604，用激发光照射标记有荧光标记的核酸分子，使得标记有荧光标记的核酸分子吸收激发光以产生荧光信号，并使荧光信号传输到具有量子图像传感器的感光电路上，感光电路根据荧光信号产生模拟电信号。
在一些实施例中，量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
在步骤S606，对模拟电信号进行数模转换以获得对应的数字电信号，基于数字电信号确定在量子图像传感器处接收的荧光信号的至少一个特征。
在一些实施例中，荧光信号的至少一个特征包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，数字电信号包括数字方波信号。
在一些实施例中，基于数字电信号确定在量子图像传感器处接收的荧光信号的至少一个特征包括：根据数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；和根据光子数确定荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在步骤S608，基于所述至少一个特征确定核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，步骤S608包括：根据荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，可以将荧光信号的至少一个特征与荧光标记相关联，这样可以根据荧光信号的至少一个特征确定荧光标记，而荧光标记与样品接纳位点处的核酸分子中的目标核苷酸碱基相关联，因此，根据荧光标记确定核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
至此，提供了根据本公开一些实施例的核酸检测方法。该核酸检测方法可以为基于激发光荧光技术的核酸测序。该核酸检测方法在微弱的光信号下能够实现核酸检测，提高核酸检测的灵敏度。上述核酸检测方法可以实现单个碱基分子的信号检测，降低了建库过程的复杂度和建库时间，并且减少核酸检测的时间。
图7是示出根据本公开另一些实施例的核酸检测方法的流程图。如图7所示，该核酸检测方法包括步骤S702至S708。
在步骤S702，用生物荧光物质对样品接纳位点处的核酸分子进行标记，生物荧光物质用于识别核酸分子中的目标核苷酸碱基。即，将生物荧光物质与样品接纳位点处的核酸分子中的目标核苷酸碱基相关联。这里，生物荧光物质是指无需外部激发光照射即可产生生物荧光的物质，该生物荧光物质用于识别核酸分子中特定位置处的核苷酸碱基(即，目标核苷酸碱基)。例如，生物荧光物质为荧光素酶。例如，核酸分子为核酸大分子。
在步骤S704，改变核酸分子的环境或加入反应底物，以使标记有生物荧光物质的核酸分子发射荧光信号，并使荧光信号传输到具有量子图像传感器的感光电路上，感 光电路根据荧光信号产生模拟电信号。
在一些实施例中，量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
在步骤S706，对模拟电信号进行数模转换以获得对应的数字电信号，基于数字电信号确定在量子图像传感器处接收的荧光信号的至少一个特征。
在一些实施例中，荧光信号的至少一个特征包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，数字电信号包括数字方波信号。
在一些实施例中，基于数字电信号确定在量子图像传感器处接收的荧光信号的至少一个特征包括：根据数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；和根据光子数确定荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在步骤S708，基于所述至少一个特征确定核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，步骤S708包括：根据荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，可以将荧光信号的所述至少一个特征与生物荧光物质相关联，这样可以根据荧光信号的至少一个特征确定生物荧光物质，而生物荧光物质与样品接纳位点处的核酸分子中的目标核苷酸碱基相关联，因此，根据生物荧光物质确定核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
至此，提供了根据本公开一些实施例的核酸检测方法。该核酸检测方法可以为基于生物自发光技术的核酸测序。该核酸检测方法在微弱的光信号下能够实现核酸检测，提高核酸检测的灵敏度。上述核酸检测方法可以实现单个碱基分子的信号检测，降低了建库过程的复杂度和建库时间，并且减少核酸检测的时间。
图8是示出根据本公开一些实施例的生物样本原位检测方法的流程图。如图8所示，生物样本原位检测方法包括步骤S802至S808。
在步骤S802，将生物样本固定于生物感应层，生物样本包含多个核酸分子，生物感应层包括一个或多个样品接纳位点和与所述一个或多个样品接纳位点一一对应的一个或多个感光电路，核酸分子对应地由样品接纳位点固定，核酸分子标记有荧光标记或生物荧光物质。这里，荧光标记和生物荧光物质前面已经描述，这里不再赘述。再者，可以采用已知的技术将生物样本固定于生物感应层。
在一些实施例中，所述核酸分子偶联于蛋白、肽段、抗体或亲和标记中的一种或 多种分子上。
在一些实施例中，所述核酸分子为寡核酸标签序列。
在一些实施例中，所述生物样本为组织切片。
在步骤S804，在预定条件下，使标记有荧光标记或生物荧光物质的核酸分子产生荧光信号，并使荧光信号传输到具有量子图像传感器的感光电路上，感光电路根据荧光信号产生模拟电信号。
例如，预定条件可以是利用激发光使得标记有荧光标记的核酸分子发光的条件或者使得标记有生物荧光物质的核酸分子自发光的条件。
在一些实施例中，量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
在步骤S806，对模拟电信号进行数模转换以获得对应的数字电信号，基于数字电信号确定在量子图像传感器处接收的荧光信号的至少一个特征。
在一些实施例中，荧光信号的至少一个特征包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在一些实施例中，数字电信号包括数字方波信号。
在一些实施例中，基于数字电信号确定在量子图像传感器处接收的荧光信号的至少一个特征包括：根据数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；和根据光子数确定荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
在步骤S806，基于所述至少一个特征确定生物样本中对应位置处的核酸分子所含有的核苷酸碱基的类型和/或序列。
在一些实施例中，步骤S806包括：根据荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定生物样本中对应位置处的核酸分子所含有的核苷酸碱基的类型和/或序列。
至此，提供了根据本公开一些实施例的生物样本原位检测方法。该生物样本原位检测方法可以为空间转录组技术。该生物样本原位检测方法在微弱的光信号下能够实现核酸检测，提高核酸检测的灵敏度。上述生物样本原位检测方法可以实现单个碱基分子的信号检测，降低了建库过程的复杂度和建库时间，并且减少核酸检测的时间。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技 术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (32)

  1. 一种基因测序装置，包括：
    生物感应层，包括一个或多个样品接纳位点和与所述一个或多个样品接纳位点一一对应的一个或多个感光电路，
    所述样品接纳位点被配置为接纳样品；
    所述感光电路被配置为接收在对应的样品接纳位点上的样品发出的荧光信号，并根据所述荧光信号产生模拟电信号，所述感光电路包括量子图像传感器；
    电路结构层，包括：模数转换电路，被配置为将所述模拟电信号转换为数字电信号；和
    逻辑处理层，被配置为根据所述数字电信号确定所述荧光信号的特性，并根据所述荧光信号的特性确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列。
  2. 根据权利要求1所述的基因测序装置，其中，所述量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
  3. 根据权利要求2所述的基因测序装置，其中，
    所述感光电路还包括电阻器，
    其中，所述电阻器的第一端电连接至第一电压端，所述电阻器的第二端电连接至所述单光子雪崩二极管的阳极端，所述单光子雪崩二极管的阴极端电连接至第二电压端，所述第二电压端的电压大于所述第一电压端的电压。
  4. 根据权利要求1所述的基因测序装置，其中；
    所述荧光信号的特性包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个；
    所述数字电信号包括：数字方波信号。
  5. 根据权利要求4所述的基因测序装置，其中，
    所述逻辑处理层被配置为根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数，根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至 少一个，并根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列。
  6. 根据权利要求1所述的基因测序装置，其中，所述电路结构层还包括：
    存储器，与所述模数转换电路和所述逻辑处理层电连接，被配置为存储数据。
  7. 根据权利要求1所述的基因测序装置，还包括：
    衬底；
    其中，所述逻辑处理层、所述电路结构层和所述生物感应层均位于所述衬底的上方。
  8. 根据权利要求7所述的基因测序装置，其中，
    所述逻辑处理层位于所述衬底的上方；
    所述电路结构层位于所述逻辑处理层的远离所述衬底的一侧；
    所述生物感应层位于所述电路结构层的远离所述衬底的一侧。
  9. 一种基因测序方法，包括：利用如权利要求1至8任意一项所述的基因测序装置进行基因检测。
  10. 根据权利要求9所述的基因测序方法，其中，利用所述基因测序装置进行基因检测包括：
    将样品置于所述样品接纳位点，其中，所述样品发出荧光信号；
    接收所述样品发出的荧光信号，并根据所述荧光信号产生模拟电信号；
    将所述模拟电信号转换为数字电信号；和
    根据所述数字电信号确定所述荧光信号的特性，并根据所述荧光信号的特性确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列。
  11. 根据权利要求10所述的基因测序方法，其中：
    所述荧光信号的特性包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个；
    所述数字电信号包括：数字方波信号。
  12. 根据权利要求11所述的基因测序方法，其中，根据所述数字电信号确定所述荧光信号的特性，并根据所述荧光信号的特性确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列包括：
    根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；
    根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个；和
    根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述样品所含有的碱基的类型和/或序列。
  13. 根据权利要求10所述的基因测序方法，其中，所述荧光信号由生物自发光反应产生。
  14. 根据权利要求13所述的基因测序方法，其中所述生物发光反应是指荧光素酶催化其底物以产生荧光信号的反应。
  15. 一种核酸检测方法，包括：
    用荧光标记对样品接纳位点处的核酸分子进行标记，所述荧光标记用于识别所述核酸分子中的目标核苷酸碱基；
    用激发光照射标记有所述荧光标记的核酸分子，使得所述标记有所述荧光标记的核酸分子吸收所述激发光以产生荧光信号，并使所述荧光信号传输到具有量子图像传感器的感光电路上，所述感光电路根据所述荧光信号产生模拟电信号；
    对所述模拟电信号进行数模转换以获得对应的数字电信号，基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征；以及
    基于所述至少一个特征确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
  16. 根据权利要求15所述的核酸检测方法，其中，所述量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
  17. 根据权利要求15所述的核酸检测方法，其中，
    所述荧光信号的至少一个特征包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
  18. 根据权利要求17所述的核酸检测方法，其中：
    所述数字电信号包括数字方波信号；
    所述基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征，包括：
    根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；和
    根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
  19. 根据权利要求18所述的核酸检测方法，其中，基于所述至少一个特征确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列，包括：
    根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
  20. 一种核酸检测方法，包括：
    用生物荧光物质对样品接纳位点处的核酸分子进行标记，所述生物荧光物质用于识别所述核酸分子中的目标核苷酸碱基；
    改变所述核酸分子的环境或加入反应底物，以使标记有所述生物荧光物质的核酸分子发射荧光信号，并使所述荧光信号传输到具有量子图像传感器的感光电路上，所述感光电路根据所述荧光信号产生模拟电信号；
    对所述模拟电信号进行数模转换以获得对应的数字电信号，基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征；和
    基于所述至少一个特征确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
  21. 根据权利要求20所述的核酸检测方法，其中，所述量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
  22. 根据权利要求20所述的核酸检测方法，其中，
    所述荧光信号的至少一个特征包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
  23. 根据权利要求22所述的核酸检测方法，其中：
    所述数字电信号包括数字方波信号；
    所述基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征，包括：
    根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；和
    根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
  24. 根据权利要求23所述的核酸检测方法，其中，所述基于所述至少一个特征确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列，包括：
    根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述核酸分子所含有的目标核苷酸碱基的类型和/或序列。
  25. 根据权利要求20所述的核酸检测方法，其中，所述生物荧光物质为荧光素酶。
  26. 一种生物样本原位检测方法，包括：
    将生物样本固定于生物感应层，所述生物样本包含多个核酸分子，所述生物感应层包括一个或多个样品接纳位点和与所述一个或多个样品接纳位点一一对应的一个或多个感光电路，所述核酸分子对应地由所述样品接纳位点固定，所述核酸分子标记有荧光标记或生物荧光物质；
    在预定条件下，使标记有所述荧光标记或所述生物荧光物质的核酸分子产生荧光信号，并使所述荧光信号传输到具有量子图像传感器的感光电路上，所述感光电路根据所述荧光信号产生模拟电信号；
    对所述模拟电信号进行数模转换以获得对应的数字电信号，基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征；和
    基于所述至少一个特征确定所述生物样本中对应位置处的所述核酸分子所含有的核苷酸碱基的类型和/或序列。
  27. 根据权利要求26所述的生物样本原位检测方法，其中，所述核酸分子偶联于 蛋白、肽段、抗体或亲和标记中的一种或多种分子上。
  28. 根据权利要求27所述的生物样本原位检测方法，其中，所述核酸分子为寡核酸标签序列。
  29. 根据权利要求26所述的生物样本原位检测方法，其中，所述量子图像传感器包括单光子雪崩二极管。
  30. 根据权利要求26所述的生物样本原位检测方法，其中，
    所述荧光信号的至少一个特征包括：荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
  31. 根据权利要求26所述的生物样本原位检测方法，其中：
    所述数字电信号包括数字方波信号；
    所述基于所述数字电信号确定在所述量子图像传感器处接收的所述荧光信号的至少一个特征，包括：
    根据所述数字方波信号中方波的数量确定接收的荧光信号的光子数；和
    根据所述光子数确定所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个。
  32. 根据权利要求31所述的生物样本原位检测方法，其中，基于所述至少一个特征确定所述生物样本中对应位置处的所述核酸分子所含有的核苷酸碱基的类型和/或序列，包括：
    根据所述荧光信号的荧光强度和荧光淬灭时间中的至少一个确定所述生物样本中对应位置处的所述核酸分子所含有的核苷酸碱基的类型和/或序列。
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