一种基于非线性斜坡量化的纳米孔DNA测序电路

一种基于非线性斜坡量化的纳米孔dna测序电路
技术领域
1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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：
6.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：
7.检测阵列，所述检测阵列包括多个呈阵列排布的检测单元；
8.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；
9.量化模块，包括：信号发生单元、比较单元及转换单元；其中，
10.所述信号发生单元，用于生成斜坡信号；
11.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；
12.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。
13.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，
14.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。
15.在本发明的一个实施例中，所述检测阵列中，所述检测单元包括积分放大器，所述比较单元采用与所述检测单元相同的方式阵列排布；其中，
16.所述比较单元包括第二比较器，每个所述积分放大器的输入端与对应的单元电极连接、输出端与对应的第二比较器的第一输入端连接，形成阵列排布的多个第一子模块。
17.在本发明的一个实施例中，所述信号发生单元包括第二斜坡发生器；其中，
18.位于同一行的所述第一子模块中，各所述第二比较器的第二输入端连接至同一第二斜坡发生器。
19.在本发明的一个实施例中，所述转换单元包括第二时间数字转换器；其中，
20.位于同一列的所述第一子模块中，各所述第二比较器的输出端连接至对应的行选择开关，并通过对应的行选择开关与同一第二时间数字转换器连接。
21.在本发明的一个实施例中，所述生物膜所在的平面与所述公共电极和所述单元电极均平行，且所述生物膜将所述生物腔划分为第一腔体和第二腔体；
22.其中，所述第一腔体位于所述单元电极和所述生物膜之间，所述第二腔体位于所述生物膜与所述公共电极之间。
23.在本发明的一个实施例中，所述生物腔包括具有导电性的离子溶液。
24.在本发明的一个实施例中，所述纳米孔的直径为1～3nm。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
26.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，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、以及位于公共电极和单元电极之间的生物腔，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；量化模块包括：信号发生单元、比较单元及转换单元；其中，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，信号发生单元用于生成斜坡信号，比较单元用于根据斜坡信号及电压信号生成脉冲信号，转换单元用于将脉冲信号的时域宽度量化为数字码，得到碱基序列信息。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，而时域信号具有数字信号的特点，数字信号边沿跃迁的时域分辨率会优于模拟信号的电压域分辨率，因此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，从而进一步降低了量化时所消耗的功耗与占用的版图面积。
27.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
28.图1是本发明实施例提供的基于非线性斜坡量化的纳米孔dna测序电路的一种结
构示意图；
29.图2是本发明实施例提供的量化模块的一种电路图；
30.图3是本发明实施例提供的基于非线性斜坡量化的纳米孔dna测序电路的一种工作时序图；
31.图4a是本发明实施例提供的量化过程的一种示意图；
32.图4b是本发明实施例提供的量化过程的另一种示意图；
33.图4c是本发明实施例提供的量化过程的另一种示意图；
34.图5是本发明实施例提供的检测阵列与量化模块的一种结构示意图；
35.图6是本发明实施例提供的基于非线性斜坡量化的纳米孔dna测序电路的另一种工作时序图；
具体实施方式
36.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
37.目前，基于纳米孔的分子检测方法被用于检测dna的碱基序列，由于纳米孔dna测序的读出电路需要检测的电流信号通常在皮安(pa)量级，且非常微弱、嘈杂，因而根据电流信号读出的电压信号(mv量级)在接入后级量化模块时容易被干扰，造成信息丢失，影响量化精度。并且，由于现有的量化模块所占用的版图面积较大，因此在形成纳米孔dna测序的检测阵列时，难以提高检测阵列的密度。
38.有鉴于此，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。
39.图1是本发明实施例提供的基于非线性斜坡量化的纳米孔dna测序电路的一种结构示意图。请参见图1，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1，包括：
40.检测阵列10，检测阵列10包括多个呈阵列排布的检测单元；
41.多个纳米孔传感单元20；每个纳米孔传感单元20包括相对设置的公共电极201和单元电极202、以及位于公共电极201和单元电极202之间的生物腔203；生物腔203包括生物膜204，生物膜204包括纳米孔205，多个检测单元的输入端分别与多个单元电极202对应连接；检测单元，用于将不同碱基穿过纳米孔205时产生的电流信号转换为电压信号；
42.量化模块30，包括：信号发生单元、比较单元及转换单元；其中，
43.信号发生单元，用于生成斜坡信号；
44.比较单元，用于根据斜坡信号及电压信号生成脉冲信号；
45.转换单元，用于将脉冲信号的时域宽度量化为数字码，得到碱基序列信息。
46.本实施例中，基于非线性斜坡量化的纳米孔dna测序电路包括：检测阵列10、多个纳米孔传感单元20和量化模块30。具体来说，检测阵列10由多个检测单元组成，多个检测单元以矩阵的形式排布，每个纳米孔传感单元20均包括：公共电极201、单元电极202、以及位于二者之间的生物腔203，其中，公共电极201与单元电极202相对设置，生物腔203中设有生物膜204，生物膜204包括纳米孔205。当公共电极201与单元电极202之间存在电位差δv时，纳米孔205中会流过离子电流，同时单链dna在压差作用下会通过纳米孔205使离子电流幅度发生变化；当不同碱基通过纳米孔205时，电流幅度变化不同，进而产生电流信号，由于多个检测单元的输入端与多个纳米孔205传感单元20中的单元电极202一一对应连接，因而检
测单元可将该电流信号转换为电压信号。
47.可选地，本实施例中碱基的穿孔速度为一个周期ts内通过一个碱基，一个周期ts＝100μs。
48.应当理解，纳米孔dna测序时检测单元读出的电压信号为周期性三角波，其周期与检测单元所连接的复位信号的周期相同、幅度与通过纳米孔205的碱基种类有关。进一步地，量化模块30包括：信号发生单元、比较单元及转换单元；在将电压信号量化为数字码的过程中，比较单元将电压信号与信号发生单元生成的斜坡信号进行比较，生成脉冲信号，再将脉冲信号的时域宽度量化转换为数字码，转换单元输出的不同数字码代表检测到了不同的碱基穿过纳米孔205。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，而时域信号具有数字信号的特点，数字信号边沿跃迁的时域分辨率会优于模拟信号的电压域分辨率，因此可以降低在量化阶段产生的噪声与失调。另外，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，从而进一步降低了量化时所消耗的功耗与占用的版图面积。
49.需要说明的是，为实现dna测序，上述纳米孔dna测序电路1中还包括外围电路，例如：产生电极驱动信号的数模转换器、带隙基准电路、偏置电路、电源管理电路、锁相环等，本技术对此不做限定。
50.图2是本发明实施例提供的量化模块的一种电路图。如图2所示，检测单元包括积分放大器301，比较单元包括第一比较器cmp1，信号发生单元包括第一斜坡发生器302，转换单元包括第一时间数字转换器tdc1；其中，
51.针对每个检测单元，积分放大器301的输入端与对应的单元电极202连接、输出端与第一比较器cmp1的第一输入端连接，第一比较器cmp1的第二输入端与第一斜坡发生器302连接、输出端与第一时间数字转换器tdc1的输入端连接。
52.本实施例中，检测阵列10中的每个检测单元都与一个量化模块30对应连接，示例性地，对每个检测单元来说，积分放大器301的输入端与对应的单元电极202连接、输出端与第一比较器cmp1的第一输入端连接，第一比较器cmp1的第二输入端与第一斜坡发生器302连接、输出端与第一时间数字转换器tdc1的输入端连接。
53.图3是本发明实施例提供的基于非线性斜坡量化的纳米孔dna测序电路的一种工作时序图。具体地，请结合图2-3，t
quantization
为电压信号vc的量化时间，ts为积分周期，i
signal
表示不同碱基穿过纳米孔205时产生的电流信号，被检测单元感知检测后，检测单元将电流信号读出为电压信号vc，送入第一比较器cmp1的第一输入端，第一比较器cmp1的第二输入端为斜坡发生器产生的斜坡信号vramp。第一比较器cmp1将电压信号vc的电压幅值与斜坡信号vramp的电压幅值进行比较，输出时域宽度不同脉冲信号vo。进一步地，第一时间数字转换器tdc1将不同脉冲信号vo的不同脉冲宽度量化为不同的数字码，dout表示第一时间数字转换器tdc1输出的不同数字码，代表检测到不同的碱基穿过纳米孔205，以此便分辨出通过纳米孔205碱基的种类，即腺嘌呤(a)、胞嘧啶(c)、鸟嘌呤(g)或胸腺嘧啶(t)。
54.本实施例中，检测单元读出的电压信号为周期性的三角波，其周期与复位信号rst周期相同、幅度与通过纳米孔的碱基种类有关，可以通过第一比较器cmp1将电压域幅度不一的三角波转化为时域宽度不一的脉冲方波，从而实现电压信号到时间信号的转换。
55.另外，第一比较器cmp1把模拟信号转换为脉冲信号后，以脉冲信号的延时、相位或
频率作为信息载体，然后将脉冲信号送入转换单元，由于转换单元采用第一时间数字转换器tdc1，因此可以利用数字电路晶体管的开关特性将信号处理成数字信号，此种数字过程即不需要大面积的电容阵列，也使得消耗的功耗相比于模拟电路降低了许多。进一步地，由于数字信号边沿跃迁的时域分辨率会优于模拟信号的电压分辨率、且数字信号的抗噪声能力比模拟电路强，噪声性能更好，因此量化时，采用时域adc的量化方法会明显提高量化结果的精确性以及抗干扰能力。
56.图4a、4b和4c是本发明实施例提供的量化过程的一种示意图。请结合图4a、4b和4c，当采用恒定电压作为斜坡信号时，若恒定电压值的选取不当，就会影响量化模块30的精度以及性能。具体地，如果恒定电压值幅度较高，那么在积分电压vc幅度很低时，第一比较器cmp1不能产生有效比较，即在将电压信号转换为脉冲信号的过程中可能漏掉部分信息，这对于测序而言是致命的缺陷，如图4(a)中vref2所示；反之，如果恒定电压值幅度较低、脉冲信号vo的脉冲宽度很大，则会增大对第一时间数字转换器tdc1的位数要求，进而增大面积和功耗，如图4(a)中vref1所示。
57.此外，斜坡信号中t
quantization
的不同也会影响第一时间数字转换器tdc1的位数以及精度。如图4(b)所示，当t
quantization
接近一个积分周期，面对积分幅度很低与积分幅度很高这两种极限情况时，得到的脉冲信号vo的脉冲宽度差别较大，也就是说，第一时间数字转换器tdc1所需的位数相对较大。如图4(c)所示，当t
quantization
很小时，转换得到的脉冲信号vo的脉冲宽度差别很小，因此要求第一时间数字转换器tdc1的精度较高，增大了对时钟频率的要求。因此选取一个合适的t
quantization
对量化过程至关重要。
58.本发明提供的上述基于非线性斜坡量化的纳米孔dna测序电路中，在检测单元读出的电压信号进行量化时，由于只需要分辨出构成dna的四种碱基：腺嘌呤(a)、胞嘧啶(c)、鸟嘌呤(g)和胸腺嘧啶(t)，因而可以使用非线性的斜坡量化方法，从而提高读出信号在量化时的抗干扰能力，同时降低在形成阵列时量化电路所占用的版图面积与消耗的功耗。
59.图5是本发明实施例提供的检测阵列与量化模块的一种结构示意图。如图5所示，检测阵列10中，检测单元包括积分放大器301，比较单元采用与检测单元相同的方式阵列排布；其中，
60.比较单元包括第二比较器cmp2，每个积分放大器301的输入端与对应的单元电极202连接、输出端与对应的第二比较器cmp2的第一输入端连接，形成阵列排布的多个第一子模块cell_s。
61.可选地，信号发生单元包括第二斜坡发生器303；其中，
62.位于同一行的第一子模块cell_s中，各第二比较器cmp2的第二输入端连接至同一第二斜坡发生器303；
63.可选地，转换单元包括第二时间数字转换器tdc2；其中，
64.位于同一列的第一子模块cell_s中，各第二比较器cmp2的输出端连接至对应的行选择开关，并通过对应的行选择开关与同一第二时间数字转换器tdc2连接。
65.具体而言，非线性斜坡量化方法应用于纳米孔dna测序阵列时，由于量化时间t
quantization
具有可调性，因此检测阵列10中的每列检测单元可以共用一个第二时间数字转换器tdc2。可选地，每个积分放大器301的输入端与对应的单元电极202连接、输出端与对应的第二比较器cmp2的第一输入端连接，将第二比较器cmp2与检测单元对应集成在一起，形
成多个阵列排布的第一子模块cell_s，第二比较器cmp2可设于检测阵列10外，以进一步节约功耗和版图面积。进一步地，请继续参见图6，将第一子模块cell_s排列为一个m*n的阵列，每行第一子模块cell_s共用一个第二斜坡发生器303，每列第一子模块cell_s中的量化结果在一个积分周期ts内串行输出至对应存储单元保存，在同一时刻，n个第二时间数字转换器tdc2同时并行输出数据。
66.采用斜坡信号作为量化参考信号时，第二比较器cmp2的量化时间t
quantization
只占积分周期ts的一小部分，这使得在一个ts内的剩余时间，第二比较器cmp2与第二时间数字转换器tdc2都处在非工作状态，故列共用的第二时间数字转换器tdc2无需在同一时刻输出m个量化结果。示例性地，t
quantization
和ts可以根据第一子模块cell_s形成的阵列中行的数量进行调整，使得二者满足ts＝m*t
quantization
，其中，m表示第一子模块cell_s形成的阵列的行数，即每一列中第一子模块cell_s的数量，每一列的m个第一子模块cell_s可以分时复用同一个量化通道。可以理解的是，列共用第二时间数字转换器tdc2量化通道每隔一个t
quantization
便会输出一组数据，达到了分时复用的效果。
67.图6是本发明实施例提供的基于非线性斜坡量化的纳米孔dna测序电路的另一种工作时序图。由于复位信号与斜坡信号的行共用，因此以第n列中第m行和第m 1行为例，第m 1行的复位信号rst《m 1》和积分信号vc[m 1,n]比第m行的复位信号rst《m》和积分信号vc[m,n]延迟一个t
quantization
。以rst《m》复位时间点为t0时刻，第m行的单元在t0 t
s-t
quantization
处占用量化通道，tdc2量化比较输出的脉冲宽度；第m 1行的单元在t0 ts处占用量化通道。相邻两行单元占据共用tdc2的时间刚好相差一个t
quantization
。则在一个ts周期内，第n列中的单元从第1行到第m行根据行选择切换串行被tdc2量化，tdc2每隔t
quantization
串行输出一个单元的检测信息，tdc2便一直处在工作的状态，达到分时复用的效果。
[0068]
可见，本发明考虑到量化时间t
quantization
的可调性，在对纳米孔dna测序阵列进行量化时采用分时复用的方式列共用第二时间数字转换器tdc2，既提高了量化数据的吞吐能力，也有利于降低量化电路占用的版图面积和功耗。
[0069]
请继续参见图1，生物膜204所在的平面与公共电极201和单元电极202均平行，且生物膜204将生物腔203划分为第一腔体203a和第二腔体203b；其中，第一腔体203a位于单元电极202和生物膜204之间，第二腔体203b位于生物膜204与公共电极201之间。
[0070]
可选地，生物腔203包括具有导电性的离子溶液。
[0071]
可选地，纳米孔205的直径为1～3nm。
[0072]
通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
[0073]
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，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、以及位于公共电极和单元电极之间的生物腔，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；量化模块包括：信号发生单元、比较单元及转换单元；其中，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，信号发生单元用于生成斜坡信号，比较单元用于根据斜坡信号及电压信号生成脉冲信号，转换单元用于将脉冲信号的时域宽度量化为数字码，得到碱基序列信息。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，而时域信号具有数字信号的特点，数字信号边沿跃迁的时域分辨率会优于模拟信号的电压域分辨率，因
此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，从而进一步降低了量化时所消耗的功耗与占用的版图面积。
[0074]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0075]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0076]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0077]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。