一种用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法
【专利摘要】本发明公开一种用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法，包括以下步骤：获得硅纳米线的伏安特性曲线函数；对伏安特性曲线函数求导获得电导函数，电导函数仅与电压相关；在规定的电压范围内，对电导函数进行定积分，得到规定的电压范围内电导的表征量；获得上样前后同一硅纳米线芯片结构的电导变化比值的表征量；以及计算电导变化比值的表征量的倒数获得硅纳米线的电阻变化比值。本发明针对硅纳米线的电阻的特点，采用伏安特性曲线函数经多阶函数拟合后求导获得电导函数，在一定范围内对电导求定积分，得到一个可以表征电导的量，利用该量对样品检测前后的电导的变化进行比较，进而推算出电阻的变化比值，实现对特定分子进行检测的目的。
【专利说明】—种用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物分子检测领域，特别涉及一种用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法。
【背景技术】
[0002]硅纳米线(SiNW)生物芯片属于一种场效应晶体管设备，其工作的基本原理是通过对硅纳米线表面进行特殊修饰，使其能够仅与特定的分子结合，由于所结合的分子带有电荷，通过场效应影响硅纳米线的电阻，根据电阻的变化实现对特定分子的检测。由于硅纳米线生物芯片是一种半导体元件，主要通过内部的电子和空穴导电，是一种非线性元件，其伏安特性曲线函数是一条曲线，电阻值会随着电压的变化而变化，因而只能选择一个固定的电压来计算其在该电压下的电阻值。这种通过选择单一电压的检测方法的稳定性以及灵敏性会受到制作工艺，测试条件和测试设备等多种因素的影响，不利于硅纳米线生物芯片在临床以及其他检测领域的广泛应用。
[0003]利用一个一定范围的扫描电压测定纳米硅线在不同电压下的电流，将所测数据进行非线性拟合，因为电导为电流与电压的比值，则此拟合函数求导后可得电导函数，且电导函数只与电压相关。再利用积分的方法，对电导函数在一定的电压范围内计算定积分，在电压范围固定，且各种测试条件相同的情况下，该定积分的值可作为一个电导的表征量，而电阻为电导的倒数，因而积分面积的倒数也可作为电阻的表征量。通过比较上样前后的该定积分值，可以得出其电阻的变化情况。
[0004]但是研究表明所加检测电压范围不宜超过10V，通常电流随电压增大而增大，但部分硅纳米线结构在高电压区出现电流回落或平台现象(参阅附图1)，提示过度的电压负荷可能会导致硅纳米线被击穿，而检测电压在O?5V范围内时具有典型的电压电流分布散点图(参阅附图2)。同时根据所得的电压-电流散点图还可以对硅纳米线结构是否完好进行初步判断，这也是集成电路产业稳定性测试的技术手段。若呈连续平滑的趋势，则可以初步认为该器件处于完好的状态，若是呈现出波动弥散的形态，则可以认为该器件已经损坏(参阅附图3)。
【发明内容】
[0005]本发明克服了现有检测分析方法的缺陷，提出了一种用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法。
[0006]本发明提出了一种用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法，包括以下步骤:
[0007]获得所述硅纳米线的伏安特性曲线函数；
[0008]对所述伏安特性曲线函数求导获得电导函数，所述电导函数仅与电压相关；
[0009]在规定的电压范围内，对所述电导函数进行定积分，得到所述规定的电压范围内电导的表征量AUC,即电导函数的曲线下面积(area under curve,简称AUC)；
[0010]获得生物分子上样前后同一硅纳米线芯片结构的电导变化比值的表征量AUC/AUC0 ；
[0011]以及计算电导变化比值的表征量的倒数获得硅纳米线的电阻变化比值，即R/R。。
[0012]本发明提出的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法中，获得所述硅纳米线的伏安特性曲线函数进一步包括以下步骤:
[0013]在规定电压范围内，以特定电压值为一个梯度测定相应电压下硅纳米线结构的电流值；
[0014]用所测得的所述电流值数据进行三阶函数拟合，得到伏安特性曲线函数。
[0015]本发明提出的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法中，所述电阻变化比值R/Ro和所检测的样品浓度具有相关性，可用于生物分子的浓度检测。
[0016]本发明提出的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法中，所述生物分子包括miRNA、DNA和蛋白质。
[0017]本发明提出的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法中，所述规定电压的范围为0-5V。
[0018]本发明提出的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法中，所述特定电压值为0.1V。
[0019]本发明针对硅纳米线的电阻的特点，采用伏安特性曲线函数经多阶函数拟合后求导获得电导函数，在一定范围内对电导求定积分，得到一个可以表征电导的量，利用该量对样品检测前后的电阻的变化进行比较，实现对特定分子进行检测的目的，可有效避免在使用单一电压时一些诸如制作工艺、检测设备等偶然性因素对实验结果的影响，增加检测的稳定性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为检测电压范围在0-40V时，硅纳米线的伏安特性曲线函数；其中，图1A与图1B表示通常电流随电压增大而增大的曲线，图1C与图1D分别表示部分硅纳米线结构在高电压区出现电流回落或平台现象时的曲线。
[0021]图2为检测电压范围在0-5V时的电压电流分布散点图；其中，图2A与图2B分别为典型的电压电流分布散点图。
[0022]图3为硅纳米线器件已经损坏时电压-电流散点图呈现出波动弥散形态的示意图。
[0023]图4为本发明用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法的流程图。
[0024]图5为硅纳米线结构测得伏安特性曲线函数的拟合曲线；其中图5A、图5C、图5E、图5G分别为同一个硅纳米线结构所得的伏安特性曲线函数，图5B、图5D、图5F、图5H分别为另一个硅纳米线结构所得的伏安特性曲线函数。
[0025]图6为同一系列数据直接拟合电导的对比图；其中图6A为拟合电导相对于电压的二阶函数效果图，图6B为拟合电流电压三阶函数的效果图，电导为此函数的一次导数。
[0026]图7为本发明检测分析人肝癌细胞HepG2中提取总RNA中内参U6含量的曲线。
[0027]图8为具体实施例1中上样前后的伏安特性曲线函数的三阶函数拟合曲线；其中图8A为上样前的拟合曲线，图SB为上样后的拟合曲线。
[0028]图9为具体实施例2中电阻变化比值的柱形图。
[0029]图10在具体实施例3中电阻变化比值的柱形图。
【具体实施方式】
[0030]结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
[0031]如图4所示，本发明用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法，包括以下步骤:
[0032]步骤SI，获得硅纳米线的伏安特性曲线函数；
[0033]步骤S2，对伏安特性曲线函数求导获得电导函数，电导函数仅与电压相关；
[0034]步骤S3，在规定的电压范围内，对电导函数进行定积分，得到规定的电压范围内电导的表征量AUC,即电导函数的曲线下面积(area under curve,简称AUC)。电导函数的曲线下面积的倒数也可作为电阻的表征量。
[0035]步骤S4，获得生物分子上样前后同一硅纳米线芯片结构的电导变化比值的表征量AUC/AUC0 ；以及
[0036]步骤S5，以及计算电导变化比值的表征量的倒数获得硅纳米线的电阻变化比值，即 R/Rq。
[0037]其中，获得硅纳米线的伏安特性曲线函数进一步包括以下步骤:
[0038]在规定电压范围内，以特定电压值为一个梯度测定相应电压下硅纳米线结构的电流值；
[0039]用所测得的电流值数据进行三阶函数拟合，得到伏安特性曲线函数。
[0040]本发明之所以采用三阶函数进行拟合，是在获取了超过1000个硅纳米线结构的电压电流散点图的基础上，尝试了多种拟合函数，并发现多阶函数拟合效果较好，而且随着所用拟合函数的阶数的增加，拟合度会越来越好，在利用三阶函数数拟合时的R2值已经普遍大于0.98，参阅附图5，其中图5A、图5B用一阶函数拟合，图5C、图用二阶函数拟合，图5E、图5F用三阶函数拟合，图5G、图5H用四阶函数拟合。如图可见函数阶数越高拟合效果越好。本发明选择三阶函数作为代表性的拟合函数，该方法充分利用了一定电压范围内的所有的数据，与仅利用单一电压的数据的数据处理方法相比，可以有效的避免由于各种偶然性因素所造成的误差，提高检测的稳定性和可靠性，具有较高的应用前景。此外，也尝试直接用电流电压相除计算电导，用二阶函数拟合电导相对于电压的函数，但拟合效果不如伏安特性曲线函数(参阅附图6)。因此，本发明以选择三阶函数拟合伏安特性曲线函数，求导获得电导函数，在一定电压范围内对电导函数积分获得曲线下面积(AUC)作为电导的表征量，因为电阻为电导的倒数，比较上样前后AUC的变化比值可获得电阻变化RZR0的表征量。
[0041]以下对本发明用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法的各步骤作进一步阐述。原始检测数据的获得包括两个阶段，首先为硅纳米线芯片表面修饰探针完成阶段，即生物分子上样前，采用以0.1V递增，在0-5V电压范围内分别检测50个电压值下的电流数值；然后为芯片与被检测的生物分子杂交反应完成阶段，即生物分子上样后，同样采用以0.1V递增，在0-5V电压范围内分别检测50个电压值下的电流数值。
[0042]原始检测数据的初步分析采用对伏安特性曲线函数进行三阶函数拟合，获得硅纳米线的伏安特性曲线函数，即
[0043]f(I) = aU3+bU2+cU+d ；
[0044]式中，U表示电压；1表示电流；a、b、c和d分别表示常数。
[0045]对伏安特性曲线函数求导，获得电导函数，该电导函数仅与电压相关，即
[0046]f (G) = dl/dU = 3aU2+2bU+c ；
[0047]式中，G表不电导；U表不电压；1表不电流；a、b和c分别常数。
[0048]本发明中，因为电导是随电压变化的函数，而不是常数，因此用在一定电压范围内，比如0-5V，的电导函数积分来作为电导的表征量，或称为曲线下面积(area under
curve, AUC)，电导的表征量即
【权利要求】
1.一种用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法，其特征在于，包括以下步骤: 获得所述硅纳米线的伏安特性曲线函数； 对所述伏安特性曲线函数求导获得电导函数，所述电导函数仅与电压相关； 在规定的电压范围内，对所述电导函数进行定积分，得到所述规定的电压范围内电导的表征量AUC ； 获得生物分子上样前后同一硅纳米线芯片结构的电导变化比值的表征量AUC/AUQ;#及 计算电导变化比值的表征量的倒数获得硅纳米线的电阻变化比值，即R/R。。
2.根据权利要求1所述的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法，其特征在于，获得所述硅纳米线的伏安特性曲线函数进一步包括以下步骤: a、在规定电压范围内，以特定电压值为一个梯度测定相应电压下硅纳米线结构的电流值； b、用所测得的所述电流值数据进行三阶函数拟合，得到伏安特性曲线函数。
3.根据权利要求1所述的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法，其特征在于，所述电阻变化比值R/Ro和所检测的样品浓度具有相关性，可用于生物分子的浓度检测。
4.根据权利要求1所述的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法，其特征在于，所述生物分子包括miRNA、DNA和蛋白质。
5.根据权利要求2所述的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法，其特征在于，所述规定电压的范围为0-5V。
6.根据权利要求2所述的用于硅纳米线芯片检测生物分子的数据分析方法，其特征在于，所述特定电压值为0.1V。
【文档编号】G06F19/00GK104077471SQ201410264065
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】赵宇岚, 朱建军, 巩昌国, 何靖, 蒋宾, 张巍, 胡少坚 申请人:华东师范大学, 上海集成电路研发中心有限公司