[发明专利]一种基于非线性斜坡量化的纳米孔DNA测序电路

说明书

本发明公开了一种基于非线性斜坡量化的纳米孔DNA测序电路，包括：检测阵列，包括多个呈阵列排布的检测单元；多个纳米孔传感单元；每个纳米孔传感单元包括相对设置的公共电极和单元电极、以及生物腔；生物腔包括生物膜，生物膜包括纳米孔，多个检测单元的输入端分别与多个单元电极对应连接；检测单元，用于将不同碱基穿过纳米孔时产生的电流信号转换为电压信号；量化模块，包括信号发生单元、比较单元及转换单元；由于本发明将电压信号转换为脉冲信号，即从电压域转换至时域，可以降低在量化阶段产生的噪声与失调；同时，时域信号的处理也避免了在电压域处理时需要电容阵列或面积较大的模拟模块，降低了量化时所消耗的功耗与占用的版图面积。

技术领域

本发明属于生物微电子技术领域，具体涉及一种基于非线性斜坡量化的纳米孔DNA测序电路。

背景技术

随着分子生物学与微电子学的快速发展，基于纳米孔的分子检测技术，也被成为第四代测序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。

基于纳米孔的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。目前，以ADC为主的电压域量化方案应用于基于纳米孔的DNA测序量化时，量化方式数据处理电路功耗大，采样保持电路一般由电容阵列构成，在测序阵列扩展时量化模块面积成倍增加，且由于工艺中电容失配的影响加大了信号量化过程中产生的误差；除此之外，测序单元内输出的小摆幅模拟电压信号易受开关切换的影响，易在模块中引入噪声与失真对敏感信号产生破坏，例如采样保持阶段和ADC中量化比较阶段都会引入非理想效应。

进一步地，相关技术中还存在一种用单斜ADC(Single-Slope ADC)的量化方法来量化传感信号的单元结构，单斜ADC的量化方法可以节约部分面积，但仍然存在采样比较的过程，并且其量化的时间随采样电压幅值变化而变化，纳米孔DNA测序通过生物化学方法控制了碱基穿孔的速度，检测周期与量化时间已经确定，因此单斜ADC的量化方式不适用于纳米孔DNA测序。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于非线性斜坡量化的纳米孔DNA测序电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供一种基于非线性斜坡量化的纳米孔DNA测序电路，包括：

检测阵列，所述检测阵列包括多个呈阵列排布的检测单元；

多个纳米孔传感单元；每个所述纳米孔传感单元包括相对设置的公共电极和单元电极、以及位于所述公共电极和单元电极之间的生物腔；所述生物腔包括生物膜，所述生物膜包括纳米孔，多个所述检测单元的输入端分别与多个所述单元电极对应连接；所述检测单元，用于将不同碱基穿过纳米孔时产生的电流信号转换为电压信号；

量化模块，包括：信号发生单元、比较单元及转换单元；其中，

所述信号发生单元，用于生成斜坡信号；

所述比较单元，用于根据所述斜坡信号及所述电压信号生成脉冲信号；

所述转换单元，用于将所述脉冲信号的时域宽度量化为数字码，得到碱基序列信息。

在本发明的一个实施例中，所述检测单元包括积分放大器，所述比较单元包括第一比较器，所述信号发生单元包括第一斜坡发生器，所述转换单元包括第一时间数字转换器；其中，

针对每个所述检测单元，所述积分放大器的输入端与对应的单元电极连接、输出端与所述第一比较器的第一输入端连接，所述第一比较器的第二输入端与所述第一斜坡发生器连接、输出端与所述第一时间数字转换器的输入端连接。