纳米孔测序电路、测序方法及装置转让专利
申请号 : CN202110403250.X
文献号 : CN112795476B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 王琎 , 胡庚
申请人 : 成都齐碳科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种纳米孔测序电路,其特征在于,包括:采集单元,电连接纳米孔测序通道,用于采集所述纳米孔测序通道中产生的第一电信号;
周期采样单元,其输入端电连接所述采集单元,用于周期性采样所述第一电信号;
复位限流单元,用于在所述周期采样单元完成一个周期采样并复位时,限制所述周期采样单元内部电信号施加在所述纳米孔测序通道的第二电信号;
所述周期采样单元包括运算放大器、积分电容以及复位开关;所述运算放大器与积分电容用于周期性积分采样所述第一电信号,所述复位开关用于在所述周期采样单元完成一个周期采样后电路复位;
所述复位限流单元包括限流元件或限流结构。
2.根据权利要求1所述的纳米孔测序电路,其特征在于,所述周期采样单元中,所述运算放大器的同相输入端用于接入偏置电压;
所述运算放大器的反相输入端电连接所述采集单元,且所述积分电容电连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端之间,所述积分电容与所述复位开关并联。
3.根据权利要求2所述的纳米孔测序电路,其特征在于,所述复位限流单元包括第一限流元件,所述第一限流元件串联在所述复位开关所在的支路上。
4.根据权利要求2所述的纳米孔测序电路,其特征在于,所述复位限流单元包括第二限流元件,所述第二限流元件串联在所述周期采样单元的输出端。
5.根据权利要求2所述的纳米孔测序电路,其特征在于,所述复位限流单元包括第三限流元件,所述第三限流元件串联在所述采集单元与所述周期采样单元的输入端之间。
6.根据权利要求2所述的纳米孔测序电路,其特征在于,所述复位限流单元包括限流结构,所述限流结构设置在所述复位开关内部,用于增大复位开关的内阻。
7.根据权利要求1所述的纳米孔测序电路,其特征在于,所述采集单元为感测电极。
8.一种纳米孔测序方法,通过权利要求1‑7任一项所述的纳米孔测序电路实现,其特征在于,包括:
通过采集单元,接收所述纳米孔测序通道中产生的第一电信号;
通过周期采样单元周期性采样所述第一电信号;
在所述周期采样单元完成一个周期采样后,进行复位放电。
9.一种测序装置,其特征在于,包括纳米孔测序电路,所述纳米孔测序电路为包含权利要求1‑7任一项所述的纳米孔测序电路。
说明书 :
纳米孔测序电路、测序方法及装置
技术领域
背景技术
许多中,其中的检测手段之一是,采用CTIA(Capacitive Trans‑Impedance Amplifier,电
容跨阻放大器)采样电路。
周期,然后进行复位。复位即通过上述电容上并联的开关,将电容放电,恢复初始状态,进行
下一次电压信号的积分采样,如此重复,完成核酸单链测序。但是,当通过上述电容进行复
位时,复位通道可能会产生冲击性大电流,对附近的CTIA电路单元造成干扰,导致对应的附
近纳米孔测序通道的核酸单链识别不准或无法识别,影响测序结果。
发明内容
纳米孔测序通道上的电信号,可以降低对其他纳米孔测序通道的干扰;同时也能在纳米孔
所在绝缘膜破损时,降低施加在纳米孔测序通道上电压、减小通过的电流,继而降低对附近
其他通道测序信号的干扰。
附图说明
可以根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
描述。应理解,此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开,而不是限定本公开。对于本领
域技术人员来说,本公开可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对
实施例的描述仅仅是为了通过示出本公开的示例来提供对本公开更好的理解。
在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要
素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括……”限定的要素,并不排除在包括
所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
把标准CTIA电路中放大器的反向输入端和输出端接通。本申请的发明人发现,由于该放大
器的输出阻抗一般在几Ω量级,很容易使放大器反向输入端电压仍然维持在正常测序时的
偏置电压,这样复位时复位通道可能会产生冲击性大电流,淹没正常的测序电流信号(一般
在几百pA的范围内)。因此CTIA采样电路在复位时容易干扰其他CTIA采样电路的正常测序
工作。
测序。各纳米孔测序通道均连接公共电极,且各纳米孔测序通道电连接一个采集单元101,
采集核酸链穿过测序通道时各碱基对应的电流信号,感测因链上不同碱基引起的电流信号
变化,即可以通过周期采样单元102将其采样输出到后续的识别处理器件上,完成基因测
序。一个采样周期完成后,本实施例中,通过复位限流单元103限制对周期采样单元102内部
电信号施加在纳米孔测序通道上的电信号,可以防止分布密集的纳米孔测序通道在周期采
样单元102复位阶段产生的较大电流,干扰甚至覆盖附近其他通道上的电信号采集。
应电连接纳米孔测序通道,可以采集纳米孔测序通道中产生的第一电信号;该第一电信号
是核酸链穿过对应纳米孔测序通道时由链上各碱基引起的。
持续获取第一电信号,以输出到后续的ADC(即A/D转换器)器件和处理器中进行第一电信号
的转换和处理识别。一个周期的采样完成后,周期采样单元102进行复位动作。复位时周期
采样单元102放电电流对纳米孔测序通道施加电压,周期采样单元102释放在上一次采样时
积蓄的电荷完成复位后,可以用于下一周期的采样。
放大器)电路;具体包括跨阻放大器U1、积分电容CINT和复位开关K1;其中,
置电压VP,跨阻放大器U1工作,感测电极E1持续采集对应纳米孔测序通道T1中的电流信号,
也即第一电信号。第一电信号传输到积分电容CINT后,积分电容CINT对输入的第一电信号进
行积分,产生电压信号(也即第三电信号,下同),并由跨阻放大器U1的输出端将该电压信号
输出,以传输到后续的ADC器件进行信号转换,再由处理器对转换后的数字信号进行计算处
理和识别。
V(P VP=V‑),会使周期采样单元在复位开关K1导通状态下形成的复位通道产生比正常信号范
围(也即第一电信号范围)大几个数量级的电流I。而复位开关K1断开时,此电流I又立即降
至零。这个幅度很大的交变电流,会通过各纳米孔测序通道之间的感性耦合,严重干扰其它
通道的正常工作。且施加在低阻抗输入端的电压,也会在周期采样单元的每个采样周期内
不断跳变,通过各测序通道之间的容性耦合造成干扰。
的第二电信号。这样,当复位开关闭合时,纳米孔测序通道上经过的第二电信号极小,小于
正常的测序信号,从而避免对其他通道的测序工作造成干扰。
RLIM,限流电阻元件RLIM串联在复位开关K1所在的支路上,具有限流和分压的作用。这样当复
位开关K1闭合时,由于在复位开关K1导通的电路上串联了限流电阻元件RLIM,可以限制该电
路上通过的电流大小,避免复位开关K1导通的电路上的电流对其他测序电路产生干扰。
输入通道的等效电阻会变得非常低,一般在几十kΩ量级。这样周期采样单元在复位开关K1
导通状态下,周期采样单元内部的放电电流对破损的绝缘膜施加电压,会产生达到几十μA
量级的电流,远高于几百pA的正常测序电流信号。本示例中,通过串联在复位开关所在的支
路上的第一限流元件,可以降低周期采样单元施加在对应纳米孔测序通道T1的电压。即使
当测序通道T1出现异常,阻抗很低时,也不会在电路复位阶段产生过大的电流,进而避免对
其它正常检测微弱测序电流的测序通道造成干扰。
位阶段的过程中的波形变化,其中用波形VO0和VO1分别表示放大器输出信号VO在正常的输入
通道(纳米孔所在的绝缘膜完好)和未设置第一限流元件的CTIA电路的波形;图3中用V‑1和
V‑2分别表示在输入阻抗低时(如绝缘膜破损)传统技术中CTIA电路的输出端与本公开示例
中周期采样单元输出端施加在输入通道上的偏置电压,V‑0表示正常的通道上的理想电压;
图3中用I1和I2分别表示输入阻抗低时(如绝缘膜破损)传统技术中CTIA电路与本公开示例
中周期采样单元在输入通道上的产生的电流I,I0表示正常的通道上的理想电流。
干扰。
样单元中运算放大器U1的输出端,降低该放大器反相输入端的电压V‑。这样当复位开关K1闭
合时,通过限制施加在纳米孔测序通道T1上的电压信号,可以降低测序通道T1上产生电流I
的大小,避免纳米孔测序通道T1在电路复位阶段产生较大的干扰电流而对附近其他通道产
生影响。
极E1与跨阻放大器U1的反相输入端之间,可以降低施加在纳米孔测序通道T1上的电压信号,
限制复位开关K1闭合后导通电路上通过的电流I。而且即使当测序通道T1出现异常,阻抗很
低时,也不会产生过大的电流,进而避免对其它正常检测微弱测序电流的通道造成干扰。
元完成一个周期采样并复位时,限制周期采样单元内部电信号施加在纳米孔测序通道的第
二电信号的这一功能即可,本实施例不做唯一限定。
部构造能够增大导通内阻的电路结构,或者通过复位开关内部相关导电结构的材料的改变
来增大导通内阻,达到相当于在复位开关内部实现限流电阻的效果。
信号。
行测序工作。
703;其中:
元102;
控制信号,继而获取周期采样单元102输出的第三电信号,以将第三电信号转换为数字信号
输出到控制器703;第三电信号,是周期采样单元102获取采集单元101采集的第一电信号
后,进行采样处理后输出的;
行识别处理。
造成干扰。
样单元输出的电压信号(也即第三电信号)转换为数字信号。控制器703可以包括MCU或FPGA
处理芯片,至少具有控制DAC单元与ADC单元进行信号转换、以及接收数字信号进行处理的
功能。
实施例中的对应过程,在此不再赘述。应理解,本公开的保护范围并不局限于此,任何熟悉
本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,
这些修改或替换都应涵盖在本公开的保护范围之内。