核苷酸定序元件、芯片及定序分析方法技术

提供一种核苷酸定序元件，包含半导体基板、晶体管、介电层、环状电极组以及导体。另提供一种核苷酸定序芯片，包含前述核苷酸定序元件与感测放大器。另提供一种定序分析的方法，包含提供如前述核苷酸定序芯片，将待测核苷酸序列片段与已知核苷酸序列片段分别置于孔槽内进行聚合反应与电化学反应，将反应所产生的电信号进行分析以获得定序结果。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】核苷酸定序元件、芯片及定序分析方法
本专利技术是有关于一种定序元件、芯片及定序分析方法，且特别是有关于一种核苷酸定序元件、芯片及定序分析方法。
技术介绍
去氧核醣核酸(deoxyribonucleicacid，DNA)的定序是指分析特定DNA片段的碱基序列，也就是分析腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤的(G)的排列方式。DNA定序已被广泛运用，范围大致分为六大项目：基础研究(基因结构，基因功能)、基因体研究、生命的起源、人种或物种的差异、特定基因变异与疾病、以及检验试剂与新药开发。目前DNA定序已经改良至次世代定序，其中一种为以IonTorrent公司为主的定序方法，采用集成电路芯片直接将化学信号转换为数字信号。IonTorrent公司的设计是以累积电荷对场效晶体管(field-effecttransistor，FET)截止电压(thresholdvoltage)变化为基础的感测。然而，因定序过程中产生电荷(氢离子)，纵使定时以缓冲液清洗芯片孔槽仍无法完全清除。由于芯片孔槽电荷累积造成噪声升高，最终使得DNA序列仅能读取约为200碱基对(basepair，bp)的长度。再者，当技术上面临当芯片制程微缩时，芯片孔槽若残留有电荷将更易产生噪声的影响。有鉴于此，如何提供更快速且精准的DNA定序芯片与方法，现有技术实有待改善的必要。
技术实现思路
本揭示内容的目的在于提供一种核苷酸定序元件、芯片及定序分析方法，以清除定序时产生的电荷，避免电荷累积造成噪声升高。本揭示内容提供了一种核苷酸定序元件，包含半导体基板、晶体管、介电层、环状电极组、以及导体。晶体管设于半导体基板上。介电层覆盖晶体管。环状电极组位于介电层上方，并具有开口露出介电层，且环状电极组与介电层形成孔槽。环状电极组包含至少一第一环状电极、第二环状电极以及第三环状电极。第二环状电极位于第一环状电极之上，第三环状电极位于第二环状电极之上。导体配置于介电层中，导体的一端连接晶体管的源极或漏极，导体的另一端连接环状电极组的第一环状电极或第二环状电极。在一些实施方式中，各第一环状电极、第二环状电极及第三环状电极具有环形轮廓，且第一、第二及第三环状电极彼此对准。在一些实施方式中，各第一环状电极、第二环状电极及第三环状电极具有多边形轮廓，且第一、第二及及第三环状电极彼此对准。在一些实施方式中，环状电极组还包含至少一第一环状间隔层、第二环状间隔层及第三环状间隔层。第一环状间隔层位于介电层与第一环状电极之间，第二环状间隔层位于第一环状电极与第二环状电极之间，第三环状间隔层位于第二环状电极与第三环状电极之间。在一些实施方式中，至少一第一环状电极包含复数个第一环状电极，至少一第一环状间隔层包含复数个第一环状间隔层，其中这些第一环状电极与这些第一环状间隔层彼此交错堆叠，且这些第一环状电极电性连接导体。在一些实施方式中，核苷酸定序元件还包含至少一凸电极位于孔槽中，且凸电极具有凸出部凸出介电层，且电性连接导体。在一些实施方式中，凸出部具有高宽比为约0.125至约7.5。在一些实施方式中，凸出部凸出介电层的上表面约0.01微米至约0.5微米。在一些实施方式中，至少一凸电极的数量为2-20个。本揭示内容另提供了一种核苷酸定序芯片，包含多个如上所述的核苷酸定序元件以及感测放大器。感测放大器连接各晶体管的源极或漏极。在一些实施方式中，复数核苷酸定序元件包含至少一第一核苷酸定序元件以及至少一第二核苷酸定序元件，第一核苷酸定序元件作为定序待测核苷酸，第二核苷酸定序元件作为定序已知核苷酸序列做为参考值。本揭示内容另提供了一种定序分析的方法，包含提供如上所述的核苷酸定序芯片，核苷酸定序芯片包含至少一第一核苷酸定序元件以及至少一第二核苷酸定序元件。施加电流至第一及第二核苷酸定序元件的这些环状电极组。接着，混合至少一第一载体与至少一待测核苷酸序列片段，第一载体包含至少一第一引子，且进一步使待测核苷酸序列片段黏合于第一引子。然后，将黏合后的第一载体与待测核苷酸序列片段置于第一核苷酸定序元件的孔槽内。接着，将第二载体置于第二核苷酸定序元件的孔槽内，第二载体包含至少一第二引子。再者，加入含有聚合酶及去氧核糖核苷三磷酸的溶液于第一及第二核苷酸定序元件的这些孔槽内，其中去氧核糖核苷三磷酸与第一核苷酸定序元件的孔槽内的待测核苷酸序列片段聚合，而产生氢离子及第一电信号。同时，去氧核糖核苷三磷酸与第二核苷酸定序元件的孔槽内的第二引子聚合，而产生氢离子及第二电信号，其中通过这些环状电极组的电流使这些氢离子转变为氢分子。最后，利用第一及第二核苷酸定序元件的这些晶体管读取第一电信号及第二电信号，以获得定序结果。在一些实施方式中，溶液还包含氢氧化钠、硫酸二钠、铁氰化钾或其组合。在一些实施方式中，各第一载体包含磁珠及这些第一引子。在一些实施方式中，各第二载体包含磁珠及这些第二引子，这些第二引子为已知的核苷酸序列。附图说明本专利技术上述和其他态样、特征及其他优点参照说明书内容并配合附加附图得到更清楚的了解，其中：图1绘示本揭示内容的核苷酸定序元件的环状电极组的局部立体图；图2绘示本揭示内容的核苷酸定序元件的环状电极组的剖面图；图3绘示本揭示内容的核苷酸定序元件的另一实施例的环状电极组的剖面图；图4绘示本揭示内容图2的核苷酸定序元件的部分电路图；图5绘示本揭示内容的核苷酸定序芯片的局部电路图。【符号说明】100、100”核苷酸定序元件100A第一核苷酸定序元件100B第二核苷酸定序元件100C第三核苷酸定序元件110半导体基板120、120A、120B、120C晶体管121栅极122源极123漏极130介电层131上表面132下表面140、140A、140B、140C环状电极组141、141A、141B、141C孔槽142第一环状间隔层143第一环状电极144第二环状间隔层145第二环状电极146第三环状间隔层147第三环状电极150导体160凸电极210第一双电层电容220第一环状电极电荷转移电阻230第二环状电极电荷转移电阻240第三双电层电容250第三环状电极电荷转移电阻260第一溶液电阻270第二溶液电阻280字符线300感测放大器310差动型感测放大器320栓锁型感测放大器400核苷酸定序芯片A1第一引子A2第一引子B1第二引子B2第二引子D1宽度D2宽度E1第一电信号E2第一电信号F1第二电信号F2第二电信号H1高度P1待测核苷酸序列片段P2待测核苷酸序列片段U1衔接子...

【技术保护点】
一种核苷酸定序元件，包含：/n一半导体基板；/n一晶体管，设于该半导体基板上；/n一介电层，覆盖该晶体管；/n一环状电极组，位于该介电层上方，并具有一开口露出该介电层，且该环状电极组与该介电层形成一孔槽，其中该环状电极组包含：/n至少一第一环状电极；/n一第二环状电极，位于该第一环状电极之上；以及/n一第三环状电极，位于该第二环状电极之上；以及/n一导体，配置于该介电层中，该导体的一端连接该晶体管的一源极或一漏极，该导体的另一端连接该环状电极组的该第一环状电极或该第二环状电极。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】一种核苷酸定序元件，包含：
一半导体基板；
一晶体管，设于该半导体基板上；
一介电层，覆盖该晶体管；
一环状电极组，位于该介电层上方，并具有一开口露出该介电层，且该环状电极组与该介电层形成一孔槽，其中该环状电极组包含：
至少一第一环状电极；
一第二环状电极，位于该第一环状电极之上；以及
一第三环状电极，位于该第二环状电极之上；以及
一导体，配置于该介电层中，该导体的一端连接该晶体管的一源极或一漏极，该导体的另一端连接该环状电极组的该第一环状电极或该第二环状电极。


根据权利要求1所述的核苷酸定序元件，其中各该第一环状电极、第二环状电极及第三环状电极具有一环形轮廓，且该第一、该第二、及该第三环状电极彼此对准。


根据权利要求1所述的核苷酸定序元件，其中各该第一环状电极、第二环状电极及第三环状电极具有一多边形轮廓，且该第一、该第二、及该第三环状电极彼此对准。


根据权利要求1所述的核苷酸定序元件，其中该环状电极组还包含：
至少一第一环状间隔层，位于该介电层与该第一环状电极之间；
一第二环状间隔层，位于该第一环状电极与该第二环状电极之间；以及
一第三环状间隔层，位于该第二环状电极与该第三环状电极之间。


根据权利要求4所述的核苷酸定序元件，其中该至少一第一环状电极包含复数个第一环状电极，该至少一第一环状间隔层包含复数个第一环状间隔层，
其中该些第一环状电极与该些第一环状间隔层彼此交错堆叠，且该些第一环状电极电性连接该导体。


根据权利要求1所述的核苷酸定序元件，还包含：
至少一凸电极，位于该孔槽中，且该凸电极具有一凸出部凸出该介电层，且电性连接该导体。


根据权利要求6所述的核苷酸定序元件，其中该凸出部具有高宽比为约0.125至约7.5。


根据权利要求6所述的核苷酸定序元件，其中该凸出部凸出该介电层的上表面约0.01微米至约0.5微米。

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【专利技术属性】
技术研发人员：连俊龙，萧正辉，
申请(专利权)人：连俊龙，萧正辉，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71