一种纳米孔DNA测序电路、方法以及DNA芯片

技术领域

本申请涉及分子生物学领域，特别是涉及一种纳米孔DNA测序电路、方法以及DNA芯片。

背景技术

基于纳米孔的脱氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid，DNA）测序技术，其核心可归结于对微弱信号的传感与量化过程。一般采用纳米孔进行DNA测序时，需要电流获取电路（积分电路）获取纳米孔上的电流信息，从而实现DNA测序。图1为传统的纳米孔DNA测序电路的电路结构图；如图1所示，由于DNA通过纳米孔的速度较慢，而DNA测序电路中的电流获取电路测序的速度较快，因此在一个DNA测序电路中会设置多个并联的纳米孔，并联结构的两端分别接入不同电压，电流获取电路与并联结构的其中一端连接用于获取电流。多个单链DNA分别同时通过对应的纳米孔，电流获取电路轮流获取各纳米孔上的电流信息，从而实现通过一个电流获取电路同时测到多个DNA测序结果。在应用中，一个电流获取电路在同一时刻只能获取一个纳米孔的电流信息，因此需要采用互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS）传输门来实现开关功能，在并联结构中每个纳米孔串联有一个CMOS传输门，在获取其中一个纳米孔的电流信息时，控制对应的CMOS传输门闭合，其余的CMOS传输门断开（如图1中纳米孔A对应的传输门闭合，纳米孔B、C、D对应的传输门断开），即可获取当前测序的纳米孔中通过的DNA的信息。

但是，由于CMOS传输门不是物理开关，在断开后并不是完全断路，仍然会有电流通过，电流获取电路在测序时得到的电流除了包括实际测序的纳米孔对应的电流，还会受到其余纳米孔泄漏的电流影响，从而导致测序结果不准确。

由此可见，如何提高DNA测序结果的准确性，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种纳米孔DNA测序电路、方法以及DNA芯片，以解决目前DNA测序结果准确性低的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供一种纳米孔DNA测序电路，包括：电流获取电路、多个纳米孔以及与所述纳米孔一一对应的多个开关电路；所述开关电路包括第一传输门、第二传输门；

各所述第一传输门的第一端与对应的所述纳米孔的第一端连接，各所述纳米孔的第二端相互连接，各所述第一传输门的第二端相互连接且与各所述第二传输门的第二端接入同一大小电压，所述纳米孔的第二端和所述第一传输门的第二端接入电压不同；

各所述第二传输门的第一端与对应的所述第一传输门的第一端连接；

各所述第一传输门的第二端与所述电流获取电路连接；其中，同一时刻最多存在一个所述纳米孔进行DNA测序，进行DNA测序的所述纳米孔对应的所述第一传输门闭合，所述第二传输门断开；其余的所述纳米孔对应的所述第一传输门断开，所述第二传输门闭合。

优选地，所述开关电路还包括：第三传输门；

所述第一传输门的第一端、对应的所述第二传输门的第一端以及对应的所述第三传输门的第一端相互连接；

所述第三传输门的第二端与对应的所述纳米孔的第一端连接；其中，进行DNA测序的所述纳米孔对应的所述第一传输门以及所述第三传输门闭合，所述第二传输门断开；其余的所述纳米孔对应的所述第一传输门以及所述第三传输门断开，所述第二传输门闭合。

优选地，所述电流获取电路包括：第一电容、复位开关以及第一运算放大器；

所述第一电容的第一端、所述复位开关的第一端、所述第一运算放大器的反相输入端以及各所述第一传输门的第二端相互连接；

所述第一运算放大器的同相输入端与所述纳米孔的第二端接入不同电压；

所述第一电容的第二端、所述复位开关的第二端以及所述第一运算放大器的输出端相互连接；

所述复位开关在各所述纳米孔开始DNA测序时闭合一次并断开。

优选地，所述电流获取电路还包括：第一比较器；

所述第一比较器的同相输入端与所述第一电容的第二端、所述复位开关的第二端以及所述第一运算放大器的输出端相互连接；

所述第一比较器的反相输入端接入基准电压。

优选地，所述第一运算放大器的同相输入端与各所述第二传输门的第二端连接。

优选地，所述电流获取电路包括：第二电容、第二运算放大器、第二比较器、电源、单刀双掷开关；

所述第二电容的第一端、所述第二运算放大器的反相输入端、各所述第一传输门的第二端以及所述单刀双掷开关的定端相互连接；

所述第二运算放大器的同相输入端与所述纳米孔的第二端接入不同电压；

所述第二电容的第二端、所述第二运算放大器的输出端以及所述第二比较器的同相输入端相互连接；

所述第二比较器的反相输入端接入基准电压，所述第二比较器的输出端与所述单刀双掷开关的动端的第一端相互连接；所述电源与所述单刀双掷开关的动端的第二端连接；

所述单刀双掷开关的动端常闭于第一端，且在电压大于预设值后跳变至第二端以降低所述第二电容的第二端的电压，并随后跳变回第一端。

为解决上述技术问题，本申请还提供一种DNA芯片，包括上述的纳米孔DNA测序电路。

为解决上述技术问题，本申请还提供一种纳米孔DNA测序方法，应用于上所述的纳米孔DNA测序电路，所述方法包括：

控制进行DNA测序的所述纳米孔对应的所述第一传输门闭合，所述第二传输门断开；并控制其余的所述纳米孔对应的所述第一传输门断开，所述第二传输门闭合；

通过所述电流获取电路获取当前进行DNA测序的所述纳米孔中流过的电流；

根据获取的电流确定所测DNA的序列。

优选地，各所述纳米孔按顺序循环进行DNA测序。

优选地，控制所述纳米孔进行DNA测序包括：

控制所有的所述纳米孔中预先设定的所述纳米孔进行DNA测序。

本申请所提供的一种纳米孔DNA测序电路，包括电流获取电路、多个纳米孔以及与纳米孔一一对应的多个开关电路；开关电路包括第一传输门、第二传输门。各第一传输门的第一端与对应的纳米孔的第一端连接，各纳米孔的第二端相互连接，各第一传输门的第二端相互连接且与各第二传输门的第二端接入同一大小电压，纳米孔的第二端和第一传输门的第二端接入电压不同。各第二传输门的第一端与对应的第一传输门的第一端连接；各第一传输门的第二端与电流获取电路连接。其中，同一时刻最多存在一个纳米孔进行DNA测序，进行DNA测序的纳米孔对应的第一传输门闭合，第二传输门断开；其余的纳米孔对应的第一传输门断开，第二传输门闭合。本电路中，除了当前进行测序的纳米孔的第二端和对应的第一传输门的第二端之间直接接通，其余的纳米孔对应的第一传输门均断开，且由于第二传输门闭合，此时其余的纳米孔对应的第一传输门的第一端的电压与第二传输门的第二端的电压相同，则不会再受纳米孔的泄漏电流的影响。因此，只有进行测序的纳米孔中通过DNA而引起第一传输门的第二端电流变化，再通过电流获取电路获取电流并确定所测DNA的序列，从而保证了DNA测序结果的准确性。

本申请还提供了一种DNA芯片，包括上述纳米孔DNA测序电路，故具有与上述电路相同的有益效果。

本申请还提供了一种纳米孔DNA测序方法，与上述纳米孔DNA测序电路对应，故具有与上述电路相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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1为传统的纳米孔DNA测序电路的电路结构图；

图2为本申请实施例提供的一种纳米孔DNA测序电路的电路结构图；

图3为本申请实施例提供的另一种纳米孔DNA测序电路的电路结构图；

图4为本申请实施例提供的第一种电流获取电路的电路结构图；

图5为本申请实施例提供的第二种电流获取电路的电路结构图；

图6为本申请实施例提供的第三种电流获取电路的电路结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护范围。

本申请的核心是提供一种纳米孔DNA测序电路、方法以及DNA芯片，以解决目前DNA测序结果准确性低的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

随着分子生物学与微电子学的发展，基于纳米孔的分子检测技术成为本领域的研究热点。纳米孔可用于对DNA进行测序，单链DNA通过纳米孔时，构成DNA分子的四种含氮碱基：腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）会影响流过纳米孔的离子电流，当不同碱基通过时，产生的特征电流也不同。因此，通过集成电路对特征电流信号进行检测读出，并将其量化为数字即可实现对DNA碱基序列的测定。

由于DNA通过纳米孔的速度较慢，而DNA测序电路中的电流获取电路测序的速度较快，因此在一个DNA测序电路中会设置多个并联的纳米孔，并联结构的两端分别接入不同电压，电流获取电路与并联结构的其中一端连接用于获取电流。多个单链DNA同时分别通过对应的纳米孔，电流获取电路轮流获取各纳米孔上的电流信息，从而实现通过一个电流获取电路同时测到多个DNA测序结果。在应用中，一个电流获取电路在同一时刻只能获取一个纳米孔的电流信息，因此需要采用CMOS传输门来实现开关功能，在并联结构中每个纳米孔串联有一个CMOS传输门，在获取其中一个纳米孔的电流信息时，控制对应的CMOS传输门闭合，其余的CMOS传输门断开，即可获取当前测序的纳米孔中通过的DNA的信息。但是，由于CMOS传输门不是物理开关，在断开后并不是完全断路，仍然会有电流通过，电流获取电路在测序时得到的电流除了包括实际测序的纳米孔对应的电流，还会受到其余纳米孔泄漏的电流影响，从而导致测序结果不准确。

因此，本申请提供一种纳米孔DNA测序电路，图2为本申请实施例提供的一种纳米孔DNA测序电路的电路结构图；如图2所示，包括电流获取电路、多个纳米孔（A、B、C、D）以及与纳米孔一一对应的多个开关电路；开关电路包括第一传输门1、第二传输门2。各第一传输门1的第一端与对应的纳米孔的第一端连接，各纳米孔的第二端相互连接，各第一传输门1的第二端相互连接且与各第二传输门2的第二端接入同一大小电压VREF，纳米孔的第二端和第一传输门1的第二端接入电压不同，纳米孔的第二端接入电压VCOM。各第二传输门2的第一端与对应的第一传输门1的第一端连接；各第一传输门1的第二端与电流获取电路连接。其中，同一时刻最多存在一个纳米孔进行DNA测序，进行DNA测序的纳米孔对应的第一传输门1闭合，第二传输门2断开；其余的纳米孔对应的第一传输门1断开，第二传输门2闭合。如图2所示，在纳米孔A进行DNA测序时，纳米孔A对应的第一传输门1闭合，第二传输门2断开；纳米孔B、C、D对应的第一传输门1断开，第二传输门2闭合。

本申请的重点在于在一电流获取电路多纳米孔的DNA测序电路中，消除未进行DNA测序的纳米孔的泄漏电流的影响，从而得到准确的测序结果。因此，本申请实施例加入了第二传输门，因为同一时刻最多存在一个纳米孔进行DNA测序，则进行DNA测序的纳米孔对应的第一传输门闭合，第二传输门断开；其余的纳米孔对应的第一传输门断开，第二传输门闭合。此时进行DNA测序的纳米孔的电流正常流过，而其余未进行DNA测序的纳米孔不仅线路断开，且在第一传输门的第一端还接入了与第一传输门的第二端相同的电压，则其余未进行DNA测序的纳米孔对应的第一传输门的第二端不会再受纳米孔的泄漏电流的影响，进而电流获取电路获取的电流变化仅仅由进行测序的纳米孔提供，从而保证了测序的准确性。

图3为本申请实施例提供的另一种纳米孔DNA测序电路的电路结构图；如图3所示，为了进一步消除未进行DNA测序的纳米孔的第二端的电压影响，本实施例还可以在第一传输门1与纳米孔之间设置第三传输门3，则进行DNA测序的纳米孔对应的第一传输门1以及第三传输门3闭合，第二传输门2断开；其余的纳米孔对应的第一传输门1以及第三传输门3断开，第二传输门2闭合。如图3所示，在纳米孔A进行DNA测序时，纳米孔A对应的第一传输门1以及第三传输门3闭合，第二传输门2断开；纳米孔B、C、D对应的第一传输门1以及第三传输门3断开，第二传输门2闭合。

本申请实施例并不限定电流获取电路的具体结构，只需要根据当前进行DNA测序的纳米孔中流过的电流确定出DNA序列即可。下面提供一些具体的实施方式，但需要注意的是，本申请并不限于这些方式。

图4为本申请实施例提供的第一种电流获取电路的电路结构图；如图4所示，电流获取电路包括：第一电容C1、复位开关4以及第一运算放大器U1。第一电容C1的第一端、复位开关4的第一端、第一运算放大器U1的反相输入端以及各第一传输门1的第二端相互连接；第一运算放大器U1的同相输入端与纳米孔的第二端接入不同电压，第一运算放大器U1的同相输入端接入电压VREF，由于运算放大器的虚短虚断原理，各第一传输门1的第二端的电压也为VREF。第一电容C1的第二端、复位开关4的第二端以及第一运算放大器U1的输出端相互连接；复位开关4在各纳米孔开始DNA测序时闭合一次并断开。

图5为本申请实施例提供的第二种电流获取电路的电路结构图；如图5所示，在图4所示结构的基础上，电流获取电路还可包括：第一比较器U2；第一比较器U2的同相输入端与第一电容C1的第二端、复位开关4的第二端以及第一运算放大器U1的输出端相互连接；第一比较器U2的反相输入端接入基准电压VREF1，VREF1的大小并不作具体限定。因为运算放大器的虚短虚断原理，还可直接将第一运算放大器U1的同相输入端与各第二传输门的第二端连接，则保证了第二传输门2第二端电压与第一传输门1第二端电压相同，第二传输门2第二端不需要额外接入电源。第一比较器U2的输出端可接一个计数器，通过计时来确定第一电容C1第二端电压到达VREF1的时间，从而得到DNA信息。

图6为本申请实施例提供的第三种电流获取电路的电路结构图；如图6所示，电流获取电路包括：第二电容C2、第二运算放大器U3、第二比较器U4、电源VDD、单刀双掷开关5。第二电容C2的第一端、第二运算放大器U3的反相输入端、各第一传输门的第二端以及单刀双掷开关5的定端相互连接；第二运算放大器U3的同相输入端与纳米孔的第二端接入不同电压，第二运算放大器U3的同相输入端接入VREF。第二电容C2的第二端、第二运算放大器U3的输出端以及第二比较器U4的同相输入端相互连接；第二比较器U4的反相输入端接入基准电压VREF1，第二比较器U4的输出端与单刀双掷开关5的动端的第一端相互连接；电源与单刀双掷开关5的动端的第二端连接；单刀双掷开关5的动端常闭于第一端，且在电压大于预设值后跳变至第二端以降低第二电容C2的第二端的电压，并随后跳变回第一端。这种电流获取电路是基于三角积分调变（Sigma delta modulation）技术，把电流输入与 Sigmadelta中的积分电路整合，把量化过程的量化杂讯转移至高频，经过数字低频滤波器后能够得到十分精确的结果。

本申请实施例所提供的一种纳米孔DNA测序电路，包括电流获取电路、多个纳米孔以及与纳米孔一一对应的多个开关电路；开关电路包括第一传输门、第二传输门。各第一传输门的第一端与对应的纳米孔的第一端连接，各纳米孔的第二端相互连接，各第一传输门的第二端相互连接且与各第二传输门的第二端接入同一大小电压，纳米孔的第二端和第一传输门的第二端接入电压不同。各第二传输门的第一端与对应的第一传输门的第一端连接；各第一传输门的第二端与电流获取电路连接。其中，同一时刻最多存在一个纳米孔进行DNA测序，进行DNA测序的纳米孔对应的第一传输门闭合，第二传输门断开；其余的纳米孔对应的第一传输门断开，第二传输门闭合。本电路中，除了当前进行测序的纳米孔的第二端和对应的第一传输门的第二端之间直接接通，其余的纳米孔对应的第一传输门均断开，且由于第二传输门闭合，此时其余的纳米孔对应的第一传输门的第一端的电压与第二传输门的第二端的电压相同，则不会再受纳米孔的泄漏电流的影响。因此，只有进行测序的纳米孔中通过DNA而引起第一传输门的第二端电流变化，再通过电流获取电路获取电流并确定所测DNA的序列，从而保证了DNA测序结果的准确性。

上述实施例中提到，本申请中的开关电路还可包括第三传输门，其中，第一传输门的第一端、对应的第二传输门的第一端以及对应的第三传输门的第一端相互连接；第三传输门的第二端与对应的纳米孔的第一端连接；其中，进行DNA测序的纳米孔对应的第一传输门以及第三传输门闭合，第二传输门断开；其余的纳米孔对应的第一传输门以及第三传输门断开，第二传输门闭合。通过加入第三传输门，可以进一步避免未进行DNA测序的纳米孔的泄漏电流影响。

上述实施例中并未限定电流获取电路的具体结构，一般是通过电流对电容进行充电，从而根据充电速度得到进行DNA测序的纳米孔的电阻大小，进而得出DNA序列。因此，电流获取电路包括：第一电容、复位开关以及第一运算放大器；第一电容的第一端、复位开关的第一端、第一运算放大器的反相输入端以及各第一传输门的第二端相互连接；第一运算放大器的同相输入端与纳米孔的第二端接入不同电压；第一电容的第二端、复位开关的第二端以及第一运算放大器的输出端相互连接。复位开关在各纳米孔开始DNA测序时闭合一次并断开，闭合即对第一电容第二端电压进行复位，断开后第一电容开始充电，在预设时长后获取第一电容第二端的电压，便能够确定第一电容的充电速度（即充电电流大小），进而确定纳米孔的阻值以得到DNA信息，最后根据多个结果可推导出DNA序列。在实际应用中，第一运算放大器的同相输入端可直接与各第二传输门的第二端连接，因为运算放大器的虚短虚断，可保证第一传输门的第二端以及第二传输门的第二端电压相同，而不需要在第二传输门的第二端额外接入电源，节省了硬件成本。

进一步的，本实施例提供的电流获取电路在上述结构基础上，还设置第一比较器；第一比较器的同相输入端与第一电容的第二端、复位开关的第二端以及第一运算放大器的输出端相互连接；第一比较器的反相输入端接入基准电压，通过本申请实施例提供的第一比较器可以得到第一电容的第二端达到基准电压的时间，进而推导得到第一电容的充电速度。

此外，基于Sigma delta modulation技术，本申请实施例还提供另外一种电流获取电路，具体包括：第二电容、第二运算放大器、第二比较器、电源、单刀双掷开关。第二电容的第一端、第二运算放大器的反相输入端、各第一传输门的第二端以及单刀双掷开关的定端相互连接；第二运算放大器的同相输入端与纳米孔的第二端接入不同电压；第二电容的第二端、第二运算放大器的输出端以及第二比较器的同相输入端相互连接；第二比较器的反相输入端接入基准电压，第二比较器的输出端与单刀双掷开关的动端的第一端相互连接；电源与单刀双掷开关的动端的第二端连接。单刀双掷开关的动端常闭于第一端，且在电压大于预设值后跳变至第二端以降低第二电容的第二端的电压，并随后跳变回第一端。本实施例的电流获取电路是基于Sigma delta modulation技术，通过本申请实施例提供的方案，能够得到十分精确的DNA测序结果。

为解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种纳米孔DNA测序方法，应用于上述实施例中的纳米孔DNA测序电路，该方法包括：

S10：控制进行DNA测序的纳米孔对应的第一传输门闭合，第二传输门断开；并控制其余的纳米孔对应的第一传输门断开，第二传输门闭合；

S11：通过电流获取电路获取当前进行DNA测序的纳米孔中流过的电流；

S12：根据获取的电流确定所测DNA的序列。

在具体实施中，各纳米孔可按顺序循环进行DNA测序。且在实际应用时，可以是全部的纳米孔都进行DNA测序，也可以只选取指定的部分纳米孔进行DNA测序。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种DNA芯片，包括上述实施例中的纳米孔DNA测序电路。

由于DNA芯片部分的实施例与纳米孔DNA测序电路部分的实施例相互对应，因此DNA芯片部分的实施例请参见纳米孔DNA测序电路部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本实施例提供的DNA芯片，与上述纳米孔DNA测序电路对应，故具有与上述纳米孔DNA测序电路相同的有益效果。

以上对本申请所提供的一种纳米孔DNA测序电路、方法以及DNA芯片进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存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“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。