纳米孔基因测序微电流检测装置及电流稳定的补偿方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供纳米孔基因测序微电流检测装置，该装置包括对DNA分子流经薄膜上的纳米孔道时发生的电流变化的检测电路，检测电路包括第一电极、第二电极、第三电极和恒电位电路；当工作电极发生偏移时，恒电位电路使对电极对地电位始终跟随参比电极对地电位变化，以使得所述第一电极与第二电极之间保持稳定的电压差。本发明专利技术还涉及一种用于纳米孔基因测序微电流稳定的补偿方法。本发明专利技术将工作电极检测到的电流信号通过积分放大器变化为电压信号，积分放大器以电容为反馈元件，并且采用两个采样保持电路实现了相关双取样，具有更低的噪声表现且提高了信号的带宽和线性度，同时对电流信号也进行滤波、去噪、补偿等处理，极大地提高了电流检测的准确率。

Micro current detection device for nanopore gene sequencing and compensation method for current stability

【技术实现步骤摘要】
纳米孔基因测序微电流检测装置及电流稳定的补偿方法
本专利技术涉及电子学
，尤其涉及纳米孔基因测序微电流检测装置。
技术介绍
以单分子、边合成边测序为特点的第三代纳米孔基因测序技术在读长、成本、速度上具备较为显著的优势，是现在的研究热点之一。纳米孔测序的原理是检测解旋后的DNA单链通过纳米孔时产生的微弱特征电流变化来判定其碱基序列。因此精确测量该特征电流是实现高准确性基因测序的关键技术之一，而当前纳米孔基因测序广泛使用两电极电化学体系，在两电极之间施加一定电压用于驱动DNA穿过纳米孔，但是由于非法拉第过程的存在，两电极之间的压差极易波动从而造成电位偏移，并且由于该电流极其微弱，一般在皮安量级，压差的变化将极大地影响电流的检测精度，影响测序的准确性。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供纳米孔基因测序微电流检测装置。本专利技术通过在第一电极与第二电极之间加入第三电极，第三电极使得第一电极与第二电极之间形成恒定电位，以解决上述技术问题。本专利技术提供纳米孔基因测序微电流检测装置，包括对DNA分子流经薄膜上的纳米孔道时发生的电流变化的检测电路，其特征在于，所述检测电路包括第一电极、第二电极、第三电极和恒电位电路，所述第一电极与第二电极设置于薄膜的两侧，在所述第一电极与第二电极之间施加电压以驱动薄膜上的DNA单链穿过所述纳米孔道，所述第二电极用于检测DNA分子经过纳米孔道时产生的电流信号；所述第三电极设置于所述第一电极与第二电极之间，所述第三电极连接所述恒电位电路，所述恒电位电路连接所述第一电极；所述恒电位电路调节所述第一电极对地电位始终跟随所述第三电极对地电位的变化，以使得所述第一电极与第二电极之间保持稳定的电压差。优选地，所述恒电位电路包括恒电位发生器与数据处理组件，所述恒电位发生器与所述第一电极连接，所述数据处理组件位于所述恒电位发生器与第二电极之间；所述数据处理组件将根据检测到的所述第二电极的电位偏移量发送指令用于配置所述恒电位发生器，以使得所述第一电极与第二电极之间形成恒定电位。优选地，所述第二电极与数据处理组件之间包括积分放大器，所述积分放大器用于将所述第二电极检测到的电流信号转换成电压信号；其中，所述积分放大器采用高输入级阻抗。优选地，所述积分放大器与所述数据处理组件之间包括至少一个采样保持器，所述采样保持器用于保持采样值。优选地，所述第二电极对地电位为零。优选地，所述恒电位发生器包括运算放大器，所述运算放大器用于向所述第一电极提供电流，所述运算放大器的反相输入连接所述第三电极。优选地，所述恒电位发生器还包括偏压源所述偏压源电性连接所述数据处理组件，所述数据处理组件发送指令给所述偏压源，所述偏压源用于设定所述第一电极与第二电极之间的恒定电位。本专利技术还提供一种用于纳米孔基因测序微电流稳定的补偿方法，对所述积分放大器放大后的输出信号进行高频补偿，所述高频补偿用于减弱在所述积分放大器放大后的输出信号的高频分量。优选地，在进行所述高频补偿之前通过低通滤波器进行零点过冲补偿；在进行所述零点过冲补偿的同时加入偏置电压后补偿，所述偏置电压后补偿用于消除所述积分放大器中输出的偏置电压。优选地，还包括对电极电容、膜电容以及纳米孔串联电阻的补偿；其中，对所述电极电容与膜电容的补偿包括分别在积分放大器的反相输入端连接第一补偿支路与第二补偿支路，所述第一补偿支路与第二补偿支路分别用于给所述电极电容与膜电容提供电流；所述第一补偿支路与第二补偿支路同时连接有一阶跃电压，所述阶跃电压使得经过所述第一补偿支路与所述电极电容以及所述第二补偿支路与所述膜电容的电流大小相等、方向相反；对所述纳米孔串联电阻的补偿包括将所述积分放大器的输出电压取出一定比例，用于抵消所述纳米孔串联电阻造成的压降，并形成一个校正回路的补偿电路。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术公开了纳米孔基因测序微电流检测装置，该装置包括设置于脂质膜两侧的对电极与工作电极，在对电极与工作电极之间设置参比电极，在工作电极与参比电极之间通过恒电位发生器施加偏置电压，当工作电极发生偏移时，恒电位发生器使对电极对地电位始终跟随参比电极对地电位变化，保证对电极与工作电极之间形成恒定电位用于驱动DNA分子通过纳米孔。另外，将工作电极检测到的电流信号通过积分放大器变化为电压信号，积分放大器以电容为反馈元件，并且采用两个采样保持电路实现了相关双取样，具有更低的噪声表现且提高了信号的带宽和线性度，同时对电流信号也进行滤波、去噪、补偿等处理，极大地提高了电流检测的准确率。本专利技术还公开了一种用于纳米孔基因测序微电流稳定的补偿方法，该方法可精确稳定检测DNA分子过纳米孔时产生的皮安量级的电流信号波动，其检测精度可低至10皮安以下，可实现高准确率的纳米孔基因测序。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本专利技术的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术的纳米孔基因测序微电流检测装置的整体结构图；图2为本专利技术的纳米孔基因测序微电流检测装置的具体结构图；图3为本专利技术的纳米孔基因测序微电流检测装置的恒电位发生器结构图；图4为本专利技术的一种用于纳米孔基因测序微电流稳定的补偿方法的示意图；附图标记：10、脂质膜，20、DNA分子，30、纳米孔道，40、第二电极，50、第一电极，60、第三电极，70、恒电位电路，710、恒电位发生器，720、积分放大器，730、去噪单元，740、第一采样保持器，750、第二采样保持器，760、数据处理组件，711、第一电容，712、第一电阻，713、第二电阻，714、第二电容，715、运算放大器，716、偏压源，800、增压过冲电路，810、高频补偿，820、零点过冲补偿，830、失调补偿，840、偏置电压后补偿，850、低通滤波器，860、第一补偿支路，870、阶跃电压，880、第二补偿支路，890、校正回路的补偿电路。具体实施方式下面，结合附图以及具体实施方式，对本专利技术做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。本专利技术提供纳米孔基因测序微电流检测装置，如图1-3所示，包括对DNA分子流经薄膜上的纳米孔道时发生的电流变化的检测电路，所述检测电路包括第一电极50、第二电极40、第三电极60和恒电位电路70，所述第一电极50与第二电极40设置于薄膜的两侧，在所述第一电极50与第二电极40之间施加电压以驱动薄膜上的DNA单链穿过所述纳米孔道30，所述第二电极40用于检测DNA分子20经过纳米孔道30时产生的电流信号；...

【技术保护点】
1.纳米孔基因测序微电流检测装置，包括对DNA分子流经薄膜上的纳米孔道时发生的电流变化的检测电路，其特征在于，所述检测电路包括第一电极、第二电极、第三电极和恒电位电路，所述第一电极与第二电极设置于薄膜的两侧，在所述第一电极与第二电极之间施加电压以驱动薄膜上的DNA单链穿过所述纳米孔道，所述第二电极用于检测DNA分子经过纳米孔道时产生的电流信号；/n所述第三电极设置于所述第一电极与第二电极之间，所述第三电极连接所述恒电位电路，所述恒电位电路连接所述第一电极；所述恒电位电路调节所述第一电极对地电位始终跟随所述第三电极对地电位的变化，以使得所述第一电极与第二电极之间保持稳定的电压差。/n

【技术特征摘要】
1.纳米孔基因测序微电流检测装置，包括对DNA分子流经薄膜上的纳米孔道时发生的电流变化的检测电路，其特征在于，所述检测电路包括第一电极、第二电极、第三电极和恒电位电路，所述第一电极与第二电极设置于薄膜的两侧，在所述第一电极与第二电极之间施加电压以驱动薄膜上的DNA单链穿过所述纳米孔道，所述第二电极用于检测DNA分子经过纳米孔道时产生的电流信号；
所述第三电极设置于所述第一电极与第二电极之间，所述第三电极连接所述恒电位电路，所述恒电位电路连接所述第一电极；所述恒电位电路调节所述第一电极对地电位始终跟随所述第三电极对地电位的变化，以使得所述第一电极与第二电极之间保持稳定的电压差。


2.如权利要求1所述的纳米孔基因测序微电流检测装置，其特征在于，所述恒电位电路包括恒电位发生器与数据处理组件，所述恒电位发生器与所述第一电极连接，所述数据处理组件位于所述恒电位发生器与第二电极之间；所述数据处理组件将根据检测到的所述第二电极的电位偏移量发送指令用于配置所述恒电位发生器，以使得所述第一电极与第二电极之间形成恒定电位。


3.如权利要求2所述的纳米孔基因测序微电流检测装置，其特征在于，所述第二电极与数据处理组件之间包括积分放大器，所述积分放大器用于将所述第二电极检测到的电流信号转换成电压信号；其中，所述积分放大器采用高输入级阻抗。


4.如权利要求3所述的纳米孔基因测序微电流检测装置，其特征在于，所述积分放大器与所述数据处理组件之间包括至少一个采样保持器，所述采样保持器用于保持采样值。


5.如权利要求1所述的纳米孔基因测序微电流检测装置，其特征在于，所述第二电极对地电位为零。


6....

【专利技术属性】
技术研发人员：周连群，臧佩琳，姚佳，郭振，李超，李金泽，张芷齐，李传宇，张威，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32