纳米孔基因测序微电流检测装置

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种纳米孔基因测序微电流检测装置。

背景技术

目前，基于单分子水平的第三代基因测序技术在读长、成本、速度上具备较为显著的优势，是现在研究的热点之一。纳米孔基因测序的原理是电压通过至少两个电极作用于电解液室，使得电解液室中的离子或其他小分子物质可穿过纳米孔形成稳定可检测的离子电流，然后根据DNA分子上不同碱基的化学性质差异导致穿过纳米孔时引起的电流变化幅度不同，从而判定DNA的序列信息。因此精确测量DNA单链通过纳米孔时产生的微弱特征电流变化是实现高准确性基因测序的关键技术之一。

然而，当前用于测量该微弱特征电流变化的微电流检测装置普遍存在测量精度较低的技术问题，具体表现为，在测量过程中，当对位于脂质膜两侧的两电极之间施加一定电压用于驱动单链DNA穿过纳米孔时，两电极之间的压差极易因非法拉第过程的存在而发生波动，同时由于DNA单链通过纳米孔时产生的特征电流变化极其微弱，一般在皮安量级，因此压差的波动将极大地影响微电流的检测精度，进而影响基因测序的准确性。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种纳米孔基因测序微电流检测装置，旨在解决现有微电流检测装置测量精度低的技术问题。

本发明为达到其目的，所采用的技术方案如下：

一种纳米孔基因测序微电流检测装置，包括微电流检测电路，所述微电流检测电路包括电压恒定电路，以及相对设置的传感器电极和公共电极；所述电压恒定电路包括运算放大器、反馈电阻、差分放大器和偏压输出电路，所述运算放大器的负极输入端分别与所述传感器电极、所述反馈电阻的一端电连接，所述公共电极接地；所述运算放大器的正极输入端分别与所述差分放大器的负极输入端、所述偏压输出电路的输出端电连接，所述运算放大器的输出端分别与所述差分放大器的正极输入端、所述反馈电阻的另一端电连接。

进一步地，所述电压恒定电路还包括反馈电容，所述反馈电容与所述反馈电阻相并联。

进一步地，所述微电流检测电路还包括模数转换器和数据处理器，所述偏压输出电路包括数模转换器，所述差分放大器的输出端与所述模数转换器的输入端电连接，所述模数转换器的输出端与所述数据处理器的输入端电连接；所述数模转换器的输入端与所述数据处理器的输出端电连接，所述数模转换器的输出端与所述运算放大器的正极输入端电连接。

进一步地，所述微电流检测电路还包括去噪电路，所述去噪电路设于所述差分放大器的输出端与所述模数转换器的输入端之间的通路上。

进一步地，所述微电流检测电路还包括输入失调补偿电路，所述输入失调补偿电路的输出端分别与所述传感器电极、所述反馈电阻的一端、所述运算放大器的负极输入端电连接。

进一步地，其特征在于，所述微电流检测电路还包括第一加法器、零点过充补偿电路、高频补偿电路和偏置电压后补偿电路，其中，所述第一加法器的输入端分别与所述零点过充补偿电路的输出端、偏置电压后补偿电路的输出端电连接，所述第一加法器的输出端与所述高频补偿电路的输入端电连接；所述高频补偿电路的输出端与所述去噪电路的输入端电连接，所述零点过充补偿电路的输入端与所述差分放大器的输出端电连接。

进一步地，所述纳米孔基因测序微电流检测装置还包括第一补偿电容、第一时间延迟电路和阶跃电压输出电路，其中，所述第一补偿电容的一端与所述运算放大器的负极输入端电连接，另一端通过所述第一时间延迟电路与所述阶跃电压输出电路的输出端电连接。

进一步地，所述纳米孔基因测序微电流检测装置还包括第二补偿电容、第二时间延迟电路和比例调节电路，其中，所述第二补偿电容的一端与所述运算放大器的负极输入端电连接，另一端依次经过所述比例调节电路、所述第二时间延迟电路后与所述阶跃电压输出电路的输出端电连接。

进一步地，所述纳米孔基因测序微电流检测装置还包括第二加法器和校正回路的补偿电路，所述第二加法器的输入端分别与所述校正回路的补偿电路的输出端、所述第一时间延迟电路的输出端、所述比例调节电路的输出端电连接，所述加法器的输出端分别与所述第一补偿电容的另一端、所述第二补偿电容的另一端电连接；所述校正回路的补偿电路的输入端与所述差分放大器的输出端电连接。

进一步地，所述纳米孔基因测序微电流检测装置还包括膜电容检测电路，所述膜电容检测电路包括控制器、定时器、第一电阻和第二电阻；其中，所述第一电阻的一端分别与所述第二电阻的一端、所述定时器的放电端电连接，另一端接电源端；所述第二电阻的另一端分别与所述传感器电极、所述定时器的低电平触发端、所述定时器的高电平触发端电连接；所述定时器的输出端与所述控制器的输入端电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的纳米孔基因测序微电流检测装置，通过设置专门设计的电压恒定电路，可在传感器电极与公共电极之间形成稳定且恒定的用于驱动DNA分子穿过纳米孔的驱动电压，使得传感器电极与公共电极之间的压差在进行基因测序的过程中不易因非法拉第过程的存在而发生波动，从而可避免压差的波动而影响微电流的检测精度，有效地提高了基因测序的准确性；此外，该电压恒定电路还可实现将检测到的电流信号转换为电压信号的功能，如此，只需通过一个电路便可同时实现将电流信号转换为电压信号的功能以及为两电极之间提供稳定且恒定的驱动电压的功能，而无需分别单独设计相应功能的两个电路，从而可减少电子元器件的数量，有利于集成化，提高检测装置的集成度，以更好地满足纳米孔电流检测对于体积小、集成度高的装置要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中纳米孔基因测序微电流检测装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例中膜电容检测电路的结构示意图；

图3为本发明另一实施例中纳米孔基因测序微电流检测装置的结构示意图。

附图标记说明：

11-传感器电极，12-公共电极；

2-电压恒定电路，21-运算放大器，22-反馈电阻，23-差分放大器，24-偏压输出电路，241-数模转换器，25-反馈电容；

3-脂质膜，31-纳米孔，4-DNA分子，5-模数转换器，6-数据处理器；

7-膜电容检测电路，71-控制器，72-定时器，73-第一电阻，74-第二电阻，8-去噪电路；

91-输入失调补偿电路，92-偏置电压后补偿电路，93-零点过充补偿电路，94-第一加法器，95-高频补偿电路，96-第一补偿电容，97-第二加法器，98-第一时间延迟电路，99-阶跃电压输出电路，910-第二补偿电容，911-比例调节电路，912-第二时间延迟电路，913-校正回路的补偿电路。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明一实施例提供一种纳米孔基因测序微电流检测装置，用于测量DNA分子4通过脂质膜3上的纳米孔31时产生的微弱特征电流变化，该纳米孔基因测序微电流检测装置包括微电流检测电路，微电流检测电路包括电压恒定电路2，以及相对设置的传感器电极11和公共电极12；电压恒定电路2包括运算放大器21、反馈电阻22、差分放大器23和偏压输出电路24，运算放大器21的负极输入端分别与传感器电极11、反馈电阻22的一端电连接，公共电极12接地；运算放大器21的正极输入端分别与差分放大器23的负极输入端、偏压输出电路24的输出端电连接，运算放大器21的输出端分别与差分放大器23的正极输入端、反馈电阻22的另一端电连接。图示性地，传感器电极11、公共电极12分别位于脂质膜3的两侧，其中，所述传感器电极11、所述公共电极12可为铂电极、金电极等惰性电极。

本实施例的纳米孔基因测序微电流检测装置的使用原理如下：

在一个电解液室内，脂质膜3将电解液室内的溶液分成上下两个区域，脂质膜3中嵌入有多个溶血素、MspA、CsgG等蛋白质类的纳米孔31。实验前，将接地使用的公共电极12放置于脂质膜3的一侧，将传感器电极11放置于脂质膜3的另一侧，其中，公共电极12可供多个纳米孔31共用，传感器电极11可对应每个纳米孔31各放一个。进行基因测序时，通过偏压输出电路24为运算放大器21的正极输入端提供一个偏压，由于跨接在运算放大器21的负极输入端与输出端的反馈电阻22可提供负反馈，因此使得运算放大器21的负极输入端的电压等于运算放大器21的正极输入端的电压，进而当偏压输出电路24为运算放大器21的正极输入端提供一个偏压时，该偏压被施加于传感器电极11上，使得传感器电极11与公共电极12之间的电压被驱动至与偏压输出电路24产生的电压相同的电位，如此，通过控制偏压输出电路24的输出电压保持恒定，即可保证在传感器电极11与公共电极12之间可形成稳定且恒定的用于驱动DNA分子4穿过纳米孔31的驱动电压；此外，任何流过传感器电极11的电流必须流过反馈电阻22，同时由于运算放大器21的负极输入端没有电流流过，因此当电解液室中的离子或其他小分子物质穿过纳米孔31时所形成的微电流在经过反馈电阻22时，会在反馈电阻22的两端产生一个电压场，从而实现将检测到的电流信号转换为电压信号；在驱动DNA分子4穿过纳米孔31的过程中，运算放大器21的输出电压等于反馈电阻22与输入电流(即检测到的微电流)之积加上偏压输出电路24输出的偏压，该输出电压输入到差分放大器23中，然后差分放大器23将偏压从该输出电压中减去，并将剩下的电压信号(即，将检测到的电流信号经反馈电阻22转换后得到的电压信号)进行放大(例如放大10倍)后输出至后续的测量电路中，由于反馈电阻22已知，因此检测到的微电流只需根据后续测量电路中测得的电压，通过简单计算得到(用测得的电压除以反馈电阻22即可)。

本实施例提出的纳米孔基因测序微电流检测装置，通过设置专门设计的电压恒定电路2，可在传感器电极11与公共电极12之间形成稳定且恒定的用于驱动DNA分子4穿过纳米孔31的驱动电压，使得传感器电极11与公共电极12之间的压差在进行基因测序的过程中不易因非法拉第过程的存在而发生波动，从而可避免压差的波动而影响微电流的检测精度，有效地提高了基因测序的准确性；此外，该电压恒定电路2还可实现将检测到的电流信号转换为电压信号的功能，如此，只需通过一个电路便可同时实现将电流信号转换为电压信号的功能以及为传感器电极11与公共电极12之间提供稳定且恒定的驱动电压的功能，而无需分别单独设计相应功能的两个电路，从而可减少电子元器件的数量，有利于集成化，提高检测装置的集成度，以更好地满足纳米孔31电流检测对于体积小、集成度高的装置要求。

进一步地，参照图1，在一个示例性的实施例中，微电流检测电路还包括模数转换器5和数据处理器6，偏压输出电路24包括数模转换器241，差分放大器23的输出端与模数转换器5的输入端电连接，模数转换器5的输出端与数据处理器6的输入端电连接；数模转换器241的输入端与数据处理器6的输出端电连接，数模转换器241的输出端与运算放大器21的正极输入端电连接。具体地，所述数据处理器6主要由单片机、FPGA(Field ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)处理器、数据传输模块等组成，可用于控制数模转换器241输出的偏压大小、模数转换器5的采样频率、后续膜电容开始检测的时间等；其中，FPGA处理器的输入端与模数转换器5的输出端电连接，FPGA处理器的输出端分别电连接至数模转换器241的输入端、上位机(图中未示意出)。

在本实施例中，基于上述结构设计，在进行基因测序时，可通过FPGA处理器向数模转换器241输出一个恒定的数字信号，数模转换器241将接收到的数字信号转换为电压信号并输出至运算放大器21的正极输入端，从而可为传感器电极11施加一个恒定的偏压，使得传感器电极11与公共电极12之间的电压被驱动至与偏压输出电路24产生的电压相同的电位，保证在传感器电极11与公共电极12之间可形成稳定且恒定的用于驱动DNA分子4穿过纳米孔31的驱动电压；同时，差分放大器23将转换后的电压信号进行放大后输出至模数转换器5中，模数转换器5将接收到的电压信号转换成数字信号并输出至FPGA处理器进行数据处理，从而可测得微电流的电流大小；FPGA处理器将处理得到的相关数据传输至上位机，由上位机进行大规模的数据分析，以实现对DNA分子4的碱基序列的识别和组装。

进一步地，参照图1至图3，在一个示例性的实施例中，上述纳米孔基因测序微电流检测装置还包括膜电容检测电路7，膜电容检测电路7包括控制器71、定时器72、第一电阻73和第二电阻74；其中，第一电阻73的一端分别与第二电阻74的一端、定时器72的放电端电连接，另一端接电源端VDD；第二电阻74的另一端分别与传感器电极11、定时器72的低电平触发端、定时器72的高电平触发端电连接；定时器72的输出端与控制器71的输入端电连接。在具体实施时，所述定时器72可为555定时器，可选用AT89C51、STM32等型号的单片机作为所述控制器71，其中，为减少电子元件的使用数量，提高装置的集成度，上述数据处理器6中的单片机可作为所述控制器71。

在本实施例中，基于上述结构设计，可实现膜电容(脂质膜3在溶液中可以等效成一个电容，称为膜电容)检测的功能(即，检测出膜电容的电容大小，其中，检测出膜电容的电容量越大，说明脂质膜3的膜厚越小)，以对置于电解液室溶液中的脂质膜3的膜厚是否符合后续基因测序的要求进行判断，提高了装置的实用性。具体地，考虑到脂质膜3的膜厚大小会影响微电流检测的精度，因此选择膜厚合适的脂质膜3进行实验有利于进一步提高微电流的检测精度。本实施例的膜电容检测电路7的工作原理如下：

将电源端VDD接通电源后，通过第一电阻73和第二电阻74向传感器电极11充电，当传感器电极11与公共电极12之间的电压上升到一定幅度后，555定时器被复位，同时555定时器内部的放电三极管导通，传感器电极11通过两个电阻和555定时器内部的放电三极管放电，使得传感器电极11与公共电极12之间的电压下降，随之555定时器又被置位，如此周而复始，在555定时器的输出端可得到一个周期性的脉冲信号，控制器71获取该脉冲信号并根据脉冲信号的频率计算出膜电容的电容值大小(关于脉冲信号频率的测量，可采用单片机作为控制器71，通过单片机内部定时/计时器，采用输入捕获模式，构成一个数字式频率测量系统，先由定时/计时器记下两个上升沿或下降沿脉冲间隔的时间测量出脉冲信号的一个周期时间T，将周期时间T转换成频率f，然后根据公式：f＝1/T＝1.44/[(R1+2R2)×C]即可计算出膜电容的电容值C，其中，R1为第一电阻73的阻值，R2为第二电阻74的阻值)。

进一步地，参照图3，在一个示例性的实施例中，电压恒定电路2还包括反馈电容25，反馈电容25与反馈电阻22相并联。其中，所述反馈电容25优选为电容量可调的可变电容。

在本实施例中，基于上述结构设计，通过增设与反馈电阻22并联连接的反馈电容25，可将反馈电阻22的带宽限制在1/(2π·Rc)的频率(其中，R为反馈电阻22的阻值，c为反馈电容25的电容量)，如此可有效降低反馈电阻22输出电压噪声和防止模数转换器5采样时出现混叠。其中，在具体实施时，优选地，通过调整反馈电容25的电容量将反馈电阻22的带宽限制在10kHz的频率。

进一步地，参照图3，在一个示例性的实施例中，微电流检测电路还包括去噪电路8，去噪电路8设于差分放大器23的输出端与模数转换器5的输入端之间的通路上。其中，在具体实施时，可采用现有的低通滤波器作为所述去噪电路8。

在本实施例中，基于上述结构设计，通过在差分放大器23的输出端与模数转换器5的输入端之间的通路上增设去噪电路8，可滤除DNA单分子穿孔时所产生的噪声以及其他干扰信号，从而有利于进一步提高微电流检测的准确性。

进一步地，参照图3，在一个示例性的实施例中，微电流检测电路还包括输入失调补偿电路91，输入失调补偿电路91的输出端分别与传感器电极11、反馈电阻22的一端、运算放大器21的负极输入端电连接。

在本实施例中，基于上述结构设计，可通过输入失调补偿电路91对运算放大器21进行内部或外部的失调调零，以对运算放大器21输出偏置电压调零的输入失调进行补偿，如此，有利于进一步提高微电流检测的精度。此处需要说明的是，输入失调补偿电路91的具体电路结构为现有结构，此处不再赘述。

进一步地，参照图3，在一个示例性的实施例中，其特征在于，微电流检测电路还包括第一加法器94、零点过充补偿电路93、高频补偿电路95和偏置电压后补偿电路92，其中，第一加法器94的输入端分别与零点过充补偿电路93的输出端、偏置电压后补偿电路92的输出端电连接，第一加法器94的输出端与高频补偿电路95的输入端电连接；高频补偿电路95的输出端与去噪电路8的输入端电连接，零点过充补偿电路93的输入端与差分放大器23的输出端电连接。

在本实施例中，基于上述结构设计，通过对微电流检测过程中产生的噪声进行多重补偿处理，有利于进一步提高微电流检测的精度。具体地，通过设置高频补偿电路95，可提高差分放大器23输出的电压信号的带宽，以解决经差分放大器23放大后的电压信号的高频分量可能出现减弱的问题；同时通过差分放大器23与高频补偿电路95之间设置零点过充补偿电路93，可对运算放大器21的零点进行过充补偿，避免运算放大器21的零点对高频补偿电路95的输入信号产生过充现象；另外，在通过零点过充补偿电路93对差分放大器23输出的电压信号进行零点过充补偿的同时加入偏置电压后补偿电路92对零点过充补偿电路93输出的电压信号进行偏置电压后补偿，可消除偏置电压的负面作用。此处需要说明的是，零点过充补偿电路93、高频补偿电路95和偏置电压后补偿电路92的具体电路结构均为现有结构，此处不再赘述。

进一步地，参照图3，在一个示例性的实施例中，纳米孔基因测序微电流检测装置还包括第一补偿电容96、第一时间延迟电路98和阶跃电压输出电路99，其中，第一补偿电容96的一端与运算放大器21的负极输入端电连接，另一端通过第一时间延迟电路98与阶跃电压输出电路99的输出端电连接。

在本实施例中，考虑到在基因测序的过程中，电解液室内的溶液中的过剩电荷会紧贴地排列在传感器电极11、公共电极12的两侧，形成类似平板电容器的电极电容，该电极电容是非纯容性的，其充放电电流会严重淹没检测信号，因此需要对电极电容进行补偿。具体地，本实施例基于上述结构设计，通过在运算放大器21的正极输入端接入一个以第一补偿电容96作为充放电电流注射元件的支路，为电极电容充放电提供电流，并在第一补偿电容96的另一端输入同步的阶跃电压，使得通过第一补偿电容96的电流恰好与待消除的电极电容的充放电电流大小相等、方向相反；同时，由于电极电容时间常数的存在，用于向第一补偿电容96施加的阶跃电压信号也需要通过一个时间常数可调的第一时间延迟电路98后再输出，从而使得补偿电流与电极电容电流更好地匹配。如此，有利于进一步提高微电流检测的精度。

进一步地，参照图3，在一个示例性的实施例中，纳米孔基因测序微电流检测装置还包括第二补偿电容910、第二时间延迟电路912和比例调节电路911，其中，第二补偿电容910的一端与运算放大器21的负极输入端电连接，另一端依次经过比例调节电路911、第二时间延迟电路912后与阶跃电压输出电路99的输出端电连接。

在本实施例中，考虑到脂质膜3在溶液中可以等效成一个电容(称为膜电容)，而膜电容的时间常数高于电极电容，可能会导致输出失真，因此需要对膜电容进行补偿。具体地，本实施例基于上述结构设计，通过在运算放大器21的正极输入端再接入一个与第一补偿电容96相并联的第二补偿电容910，以第二补偿电容910作为充放电电流注射元件的支路，为膜电容充放电提供电流，并在第二补偿电容910的另一端输入同步的阶跃电压，使得通过第二补偿电容910的电流恰好与待消除的膜电容的充放电电流大小相等、方向相反；同时，由于膜电容时间常数的存在，用于向第二补偿电容910施加的阶跃电压信号需要经过第二时间延迟电路912以及比例调节电路911后再输出，从而使得补偿电流与膜电容电流更好地匹配。如此，有利于进一步提高微电流检测的精度。

进一步地，参照图3，在一个示例性的实施例中，纳米孔基因测序微电流检测装置还包括第二加法器97和校正回路的补偿电路913，第二加法器97的输入端分别与校正回路的补偿电路913的输出端、第一时间延迟电路98的输出端、比例调节电路911的输出端电连接，加法器的输出端分别与第一补偿电容96的另一端、第二补偿电容910的另一端电连接；校正回路的补偿电路913的输入端与差分放大器23的输出端电连接。图示性地，校正回路的补偿电路913的输入端与去噪电路8的输出端电连接。

在本实施例中，考虑到脂质膜3上的纳米孔31在溶液中可以等效成若干个相串联的电阻，电流流经若干个相串联的电阻时会造成额外的压降，使得系统的带宽达不到预期，进而会影响DNA快速测量的指标，因此需要对纳米孔31进行补偿。具体地，本实施例基于上述结构设计，通过在运算放大器21的输出端施加一个补偿通道，把正比于检测电流的运算放大器21的输出电压取出一定比例，用于抵消部分压降，形成一个校正回路的补偿电路，如此，可提高检测电流信号的时间分辨率以及提升系统的带宽能力，以满足DNA快速测量的指标。

需要说明的是，本发明公开的纳米孔基因测序微电流检测装置的其它内容可参见现有技术，在此不再赘述。

另外，需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。