[发明专利]电子传感器及基于电子传感器的基因探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物检测领域，特别涉及一种电子传感器及基于电子传感器的基因探测方法。

背景技术

随着科学技术的发展，脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid，缩写为DNA)测序已成为全世界生物医药研究实验室的常规研究项目。带来这种现象的原因可能是由于测序技术的飞速发展，导致拥有测序设备的成本下降，也可能是由于进行测序所需要的生物化学品和其他必需品成本下降。基于所谓的第一代测序技术进行整体人类基因组测序的成本在2001年至2007年的下降率符合微电子学的摩尔定律。由图可知，下一代大规模并行测序技术在2005年进入应用阶段，导致成本下降率超过了摩尔定律几个数量级，但下降率自2012年以来基本持平。新一轮的技术革命在当时设定的目标是实现仅花费1000美元完成对整个人类基因组进行测序。然而，为了使基因组测序走出科研实验室，并渗透到医疗保健部门，对每个基因组的测序成本应该远远低于1000美元，因此，进一步发展测序技术是绝对必要的。

到目前为止，市售的测序技术几乎完全都是基于光学的荧光/化学标记法的。笨重的机器和冗长的操作时间，以及高昂的成本，是这一技术的主要缺点。由离子激流(Ion Torrent)公司于2010年12月进行商业化的半导体测序技术呈现出革命性的进步。半导体测序技术完全是基于硅微加工技术和微电子的，且无需标记和光学仪器。如图1所示是Ion Torrent系统的离子敏感场效应晶体管(ISFET)示意图(111为衬底，104为参考电极)。图中，磁珠101上承载了大量的(数量大于10⁴至10⁶)相同的单链DNA 102，该磁珠放置在充满电解质的ISFET凹槽107内。该凹槽连接至以预设的顺序供给四种核苷酸(也称为“碱基”)的流体池，四种碱基分别是：腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)，不一定按A、C、G、T的顺序，但基本上每流中每一种类型出现一次。图中，未画出流体池，但画出了碱基进入ISFET凹槽107的方向103。当流体中的探测碱基与单链DNA上的待测碱基出现配对(即A-T或C-G结合，形成双链)时，将在流体中释放大量的氢离子。这将导致ISFET凹槽内电解质的酸碱(pH)值瞬间变化，并且更重要的是导致ISFET的堆叠栅极109、110的上表面的氢离子浓度瞬间变化。而表面氢离子浓度变化将导致ISFET表面电势的变化，从而引起ISFET源极105和漏极106之间的沟道电流的变化。为了最大限度检测到这个变化，可以在堆叠栅极109的表面涂覆对质子化/去质子化(或pH值改变)尤其敏感的金属或金属氧化物108。

Ion Torrent技术的最大优点在于它的成本极其低廉。经过几十年的飞速发展和巨大的投资，目前的半导体工厂的微芯片加工在费用和复杂性上都极具竞争力。片上芯片集成了Ion Torrent传感器阵列与各种电子电路，进行校准，噪声处理，数据管理等，使得这一新兴技术进一步降低了整体成本。

然而，Ion Torrent公司的芯片(到目前为止所有产品)存在一个缺陷，就是在测序中，通常会产生比光学方法更高的误码率。具体地说，Ion Torrent测序技术存在的两大主要缺陷是：

(一)单链DNA上出现大量重复碱基时，无法确定其重复长度的精确数字。例如，GGGGG(重复长度为5)与GGGGGG(重复长度为6)，当出现类似重复时，预期可能产生更强的电信号，因为在单个流体中释放了更多的氢离子，导致了更大的pH值变化。但这种变化却难以确定是由于长重复序列引起的，还是由于使用了大量的相同单链DNA拷贝引起的。

(二)Ion Torrent技术的读取长度(即单链DNA的总碱基数)通常低于400个碱基对，比其他测序方法短。当对存在较多重复或有许多结构变异的DNA进行测序时，较长的读取长度是有利的。比如说，较长的测序读取长度对从头基因组的组装特别有益。

这些缺陷主要是由于平面ISFET相当差的灵敏度导致的，其根源在于平面ISFET的沟道上的锥截体微凹槽结构(如图1所示)，因为其占支配地位的侧壁区域不是有效的检测区。因此，这样的设计应当可以进行改进，从而获得更好的灵敏度。此外，在每一颗磁珠上使用了大量的相同DNA的拷贝，使得释放的氢离子难以协调一致地改变表面电势，从而引起非线性问题，并难以区分长重复。凭直觉来说，用少量的DNA拷贝，甚至只使用一个，进行测序，是非常有利的，因为它不仅解决了非线性问题，也避免了因DNA扩增的聚合酶链反应(PCR)等引起的误测。事实上，可以去除费时的PCR步骤。