基因测序芯片、基因测序设备及基因测序方法与流程

本发明涉及基因测序领域，尤其是涉及一种基因测序芯片、基因测序设备及基因测序方法。

背景技术：

基因测序技术是现代分子生物学研究中最常用的技术，从1977第一代基因测序发展至今，基因测序技术已经取得了相当大的发展，主要包括第一代sanger测序技术、第二代高通量测序技术、第三代单分子测序技术和第四代纳米孔测序技术。而目前市场主流的测序技术仍以第二代高通量测序为主。

第二代高通量测序技术主要包括Illumina的边合成边测序技术、ThermoFisher的离子半导体测序技术、连接法测序技术和Roche的焦磷酸测序技术等。其中Illumina的边合成边测序法和Thermo Fisher的连接法测序都需要进行荧光标记，还需要有激光光源和光学系统。Roche的焦磷酸测序虽然没有激光光源和光学系统，但是也需要进行荧光标记。离子半导体测序法需要采用CMOS工艺制作一个离子传感器和两个场效应晶体管。

由于Illumina的边合成边测序法和Thermo Fisher的连接法测序都需要进行荧光标记，还需要有激光光源和光学系统，这样使得测序变的复杂，增加了测序时间和成本。而离子半导体测序法由于要采用CMOS工艺制作一个离子传感器和两个场效应晶体管，因此工艺复杂，制作困难。

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基因测序芯片，该基因测序芯片不需要激光光源和光学系统，也不需要任何场效应管，制造工艺简单，能够大大降低制造难度和成本。本发明还涉及包括该基因测序芯片的基因测序设备。

此外，本发明还提供一种基因测序方法，该基因测序方法应用本发明的基因测序芯片，不需要对脱氧核糖核苷酸进行荧光标记，能够简单方便地进行基因测序。

发明的技术方案

本发明提供一种基因测序芯片，包括：透明的第一基板；第二基板，所述第二基板与所述第一基板相对设置；第一电极和/或第二电极，其中，所述第一电极设置在所述第一基板上并且是透明电极，所述第二电极设置在所述第二基板上；电子墨水层，所述电子墨水层设置在所述第一基板和所述第二基板之间；微孔层，所述微孔层设置在所述第二基板远离所述第一基板的一侧，在所述微孔层上与所述第一电极或所述第二电极相对应的位置设置有微孔。其中，所述电子墨水层包括多个微胶囊，每个所述微胶囊中包括带正电的白色颗粒和带负电的黑色颗粒。

优选地，所述微孔中在靠近所述第二基板的一侧设置有离子敏感膜，所述离子敏感膜可使所述电子墨水层的颜色变化更加明显。

优选地，所述离子敏感膜由四氮化三硅制成，由四氮化三硅制成的离子敏感膜对氢离子更加敏感。

优选地，所述第一电极设置在所述第一基板面向所述第二基板的一侧，和/或，所述第二电极设置在所述第二基板面向所述第一基板的一侧。

优选地，所述第一电极与所述第二电极均为块状电极，并且所述第一电极与所述第二电极在所述第一基板或所述第二基板上的投影相互重合。

优选地，所述第一电极、所述第二电极和所述微孔在所述第一基板或所述第二基板上的投影相互重合。

优选地，所述第一电极为铺满所述第一基板的面状电极，所述第二电极为块状电极；

或者所述第二电极为铺满所述第二基板的面状电极，所述第一电极为块状电极，有助于进一步降低制造难度和成本。

优选地，所述第一基板上设置有向所述第一电极施加电压的第一信号引线，和/或所述第二基板上设置有向所述第二电极施加电压的第二信号引线。

优选地，所述第一电极由氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)制成，所述第二电极、所述第一信号引线和所述第二信号引线由ITO、钼、铝、铜等制成，所述微孔层由氮化硅或氧化硅制成。

本发明还提供一种基因测序设备，包括一种基因测序芯片，所述基因测序芯片包括：第一基板；第二基板，所述第二基板与所述第一基板相对设置；电子墨水层，所述电子墨水层设置在所述第一基板和所述第二基板之间；第一电极，所述第一电极设置于所述第一基板上，或者所述第一电极设置于所述第二基板上；绝缘层，所述绝缘层设置在所述第二基板远离所述第一基板的一侧，在所述绝缘层上与所述第一电极相对应的位置设置有微孔。其中，所述电子墨水层包括多个微胶囊，每个所述微胶囊中包括带正电的白色颗粒和带负电的黑色颗粒。

本发明还提供一种基因测序方法，所述基因测序方法包括以下步骤：

将包含DNA链的DNA微珠加入所述微孔中进行PCR扩增；

向所述第一电极施加电压，和/或向所述第二电极施加电压，使得在所述第一基板与所述第二基板之间形成电场方向由所述第一基板指向所述第二基板的电场；

依次向所述微孔中加入四种脱氧核糖核苷三磷酸，并检测所述第一基板一侧的所述电子墨水层的颜色是否发生变化；

根据所述第一基板一侧的所述电子墨水层的颜色发生变化时加入的脱氧核糖核苷三磷酸确定DNA链上的碱基类型。

优选地，所述脱氧核糖核苷三磷酸为可逆终止脱氧核糖核苷三磷酸，所述基因测序方法还包括：清洗掉向所述微孔中加入的可逆终止脱氧核糖核苷三磷酸，并加入疏基试剂。

发明的有益效果

本发明中的基因测序芯片不需要激光光源和光学系统，也不需要任何场效应管，制造工艺简单，能够大大降低制造难度和成本。本发明还涉及包括该基因测序芯片的基因测序设备。

本发明中的基因测序方法应用本发明的基因测序芯片，不需要对脱氧核糖核苷酸进行荧光标记，能够简单方便地进行基因测序。

附图说明

图1示出本发明的一种基因测序芯片的剖视图，剖切线为图2和图3中A-A’线；

图2示出图1中基因测序芯片的第一基板的平面图；

图3示出图1中基因测序芯片的第二基板的平面图；

图4示出图1中基因测序芯片在发生碱基配对反应时的剖视图；

图5-1示出图1中基因测序芯片在未发生碱基配对反应时第一基板一侧的电子墨水层的颜色；

图5-2示出图1中基因测序芯片在发生碱基配对反应时第一基板一侧的电子墨水层的颜色。

附图标记说明

1第一基板，2第二基板，3第一电极，4第二电极，5电子墨水层，6微孔层，7微孔，8离子敏感膜，90微胶囊，91带正电的白色颗粒，92带负电的黑色颗粒，10第一信号引线，11第二信号引线

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

图1示出本发明的一种基因测序芯片的剖视图，剖切线为图2和图3中A-A’线。如图1所示，本发明的一种基因测序芯片包括透明的第一基板1，与第一基板1相对设置有第二基板2，第一电极3设置在第一基板1上，并且第一电极3是透明电极，第二电极4设置在第二基板2上。在第一基板1和第二基板2之间设置有电子墨水层5，电子墨水层5包括多个微胶囊90，每个微胶囊90中包括带正电的白色颗粒91和带负电的黑色颗粒92。在第二基板2远离第一基板1的一侧设置有微孔层6，微孔层6中与所述第一电极3或所述第二电极4相对应的位置设置有微孔7。第一电极3、第二电极4和微孔7在第一基板1或者第二基板2上的投影相互重合。

微孔7中靠近第二基板2的一侧设置有离子敏感膜8，优选地，离子敏感膜8由四氮化三硅制成。当微孔7中发生碱基互补配对时，会释放氢离子，这样就会在离子敏感膜8表面感应出能斯特电位，进而对第一基板1和第二基板2之间的电场造成影响，改变带电颗粒的分布。

图2示出图1中基因测序芯片的第一基板的平面图，图3示出图1中基因测序芯片的第二基板的平面图。如图2所示，第一电极3为块状电极，其设置在第一基板1上，并且由第一基板1上的向其施加电压的第一信号引线10连接。如图3所示，第二电极4同样为块状电极，其设置在第二基板2上，并且由第二基板2上的向其施加电压的第二信号引线11连接。

如图1至图3所示，第一电极3和第二电极4为块状电极，并且第一电极3设置在第一基板1面向第二基板2的一侧，第二电极4设置在第二基板2面向第一基板1的一侧。需要说明的是，上述为一个优选的实施例，本发明中对第一电极3和第二电极4的形状和位置并不做限定。具体的，第一电极3既可以是块状电极，也可以是面状电极。第二电极4既可以是块状电极，也可以是面状电极。第一电极3既可以设置在第一基板1靠近第二基板2的一侧，也可以设置在第一基板1远离第二基板2的一侧。第二电极4既可以设置在第二基板2靠近第一基板1的一侧，也可以设置在第二基板2远离第一基板1的一侧。其中，第一电极3由氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)制成，第二电极4、第一信号引线10和所述第二信号引线11由ITO、钼、铝、铜等制成，所述微孔层由氮化硅或氧化硅制成。

同样的，本发明中的第一电极3和第二电极4既可以同时存在，也可以只存在第一电极3或者第二电极4。

另外还需要说明的是，离子敏感膜8并不是必须的，当不存在离子敏感膜8时，微孔7中发生碱基互补配对产生的氢离子同样会对第一电极1和第二电极2之间的电场造成影响，进而改变带电颗粒的分布。

下面说明使用本发明的基因测序芯片的基因测序方法。该基因测序方法包括以下步骤：

将包含DNA链的DNA微珠加入所述微孔7中进行PCR扩增；

向第一电极3施加电压，和/或向所述第二电极4施加电压，使得在第一基板1与第二基板2之间形成电场方向由第一基板1指向第二基板2的电场；

依次向微孔7中加入四种脱氧核糖核苷三磷酸，并检测第一基板1一侧的电子墨水层5的颜色是否发生变化；

根据第一基板1一侧的电子墨水层5的颜色发生变化时加入的脱氧核糖核苷三磷酸确定DNA链上的碱基类型。

优选地，上述脱氧核糖核苷三磷酸为可逆终止脱氧核糖核苷三磷酸，具体包括可逆终止三磷酸腺嘌呤脱氧核糖核苷酸、可逆终止三磷酸胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸、可逆终止三磷酸胞嘧啶脱氧核糖核苷酸和可逆终止三磷酸鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸。

在包含DNA链的DNA微珠加入所述微孔7中进行PCR扩增之后，通过第一信号引线10向第一电极3施加电压信号，通过第二信号引线11向第二电极4施加电压信号，使得在第一基板1和第二基板2之间存在一个由第一基板1指向第二基板2方向的电场，此时，微胶囊90中带正电的白色颗粒91会聚集在第二基板2一侧，带负电的黑色颗粒92聚集在第一基板1一侧，如图1和图5-1所示，在第一基板1一侧观察时，电子墨水层5的颜色为黑色。

当微孔7中的脱氧核糖核苷三磷酸被合成到DNA分子中时，会释放氢离子，进而产生一个由第二基板2指向第一基板1方向的电场，此电场会使微胶囊90中的带正电的白色颗粒91向第一基板1方向运动，带负电的黑色颗粒92向第二基板2方向运动，此时，如图4和图5-2所示，在第一基板1一侧观察时，电子墨水层5的颜色为白色。

如果微孔7中设置有离子敏感膜8，那么氢离子会在离子敏感膜8的表面感应出能斯特电位，该电位同样会产生一个由第二基板2指向第一基板1方向的电场，进而使微胶囊90中的带正电的白色颗粒91向第一基板1方向运动，带负电的黑色颗粒92向第二基板2方向运动，根据第一基板1一侧的电子墨水层5的颜色发生变化时加入的脱氧核糖核苷三磷酸确定DNA链上的碱基类型。

具体的，第一基板1一侧的电子墨水层5的颜色发生变化时，如果向微孔7中加入的脱氧核糖核苷三磷酸为三磷酸腺嘌呤脱氧核糖核苷酸，则此时待测DNA链上的碱基为胸腺嘧啶；如果向微孔7中加入的脱氧核糖核苷三磷酸为三磷酸胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸，则此时待测DNA链上的碱基为腺嘌呤；如果向微孔7中加入的脱氧核糖核苷三磷酸为三磷酸胞嘧啶脱氧核糖核苷酸，则此时待测DNA链上的碱基为鸟嘌呤；如果向微孔7中加入的脱氧核糖核苷三磷酸为三磷酸鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸，则此时待测DNA链上的碱基为胞嘧啶。

在完成DNA一个位置的碱基类型检测后，需要清洗掉向微孔7中加入的可逆终止脱氧核糖核苷三磷酸，并加入疏基试剂。与普通的脱氧核糖核苷三磷酸不同，可逆终止脱氧核糖核苷三磷酸的3′端连接一个叠氮基团，在DNA合成过程中不能形成磷酸二酯键，因而会中断DNA的合成，如果加入疏基试剂，叠氮基团就会断裂，并在原来位置形成一个羟基。在加入疏基试剂后可继续进行后续位置的碱基类型检测，检测方法与上述方法相同，在此不再赘述。

优选地，可以在第一基板1的一侧设置有图像采集装置，该图像采集装置可用于捕捉第一基板1一侧的电子墨水层5的颜色变化。

优选地，上述图像采集装置为CCD照相机。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰。本发明的保护范围以权利要求书为准。