[发明专利]一种用于固态纳米孔核酸测序电信号的检测和采集系统

说明书

技术领域

本发明属于遗传学和分子生物学领域，更具体地，涉及一种用于固态纳米孔核酸测序电信号的检测和采集系统。

背景技术

核酸测序技术是遗传学和分子生物学研究的重要手段，也是临床疾病诊断和治疗的一种有效工具。随着基因组计划的推动，核酸测序技术发挥着越来越重要的作用。固态纳米孔核酸测序（见发明专利200610116294.X）是一种低成本、高读长、高通量的第三代测序方法，在目前的方法中它最有望在24小时内仅花费1000美元实现个人全基因组测序的目标。纳米孔核酸测序大多采用电泳的方法，碱基在外加恒定电场的驱动下穿过纳米级的小孔时会引发电流的变化，不同的碱基会产生不同幅度和脉宽的特征电流，通过识别特征电流就能达到测定核酸碱基的目的。

诞生于二十世纪70年代的膜片钳技术是研究细胞离子通道的最重要的技术，是研究细胞电生理的常规方法。该技术利用膜片钳系统检测和采集活细胞离子通道pA～nA量级电流，而该电流量级与单个碱基穿越固态纳米孔产生的特征电流的数量级相同，故被用于纳米孔核酸测序。经对文献检索发现，目前主流的商用膜片钳放大器有Axopatch200B（Molecular Devices）和EPC-10（HEKA Electronik）。如图1所示，为膜片钳系统检测活细胞离子通道电流的框图，离子通道电流经过电流电压变换电路11将离子通道电流转换成电压信号，接着通过信号调理电路12对信号进行放大滤波，最后通过电生理信号数据采集电路13将数据采集到计算机进行显示和处理，在信号检测之前需要通过补偿电路10对电路快、慢电容和串联电阻进行补偿。

膜片钳系统的传统用途是检测细胞离子通道电流，在固态纳米孔核酸测序的应用中存在一些功能冗余和性能不足。现有膜片钳系统多采用12位或16位模数转换器，虽然单通道最高采样率可达200～500kHz，但经多路复用后，各通道共享采样率，无法同时满足多通道高精度并行高速的采集要求。另外，现有膜片钳系统在进行纳米孔核酸测序时，对不同碱基引发的特征电流均以相同放大倍数进行放大，而当特征电流幅度变化范围较大时，对小幅度特征电流检测可能存在分辨率不足的问题。对于纳米孔核酸测序，上述问题带来的后果是不仅极大地压缩了采集数据后处理的空间，而且影响对特征电流细节的辨识。而利用集成电路技术制作的放大器虽然可以降低噪声、扩大带宽，但在利用如外切酶降速进行核酸测序的场合（≤1000bp/s），成本则明显过高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种可以检测和采集大幅度变化的pA～nA级微弱电流信号的用于固态纳米孔核酸测序电信号的检测和采集系统。

本发明提供了一种用于固态纳米孔核酸测序电信号的检测和采集系统，包括：依次连接的电流电压变换电路、调理电路和碱基特征信号数据采集电路；电流电压变换电路的输入端用于连接电泳池的正电极，碱基特征信号数据采集电路的输出端用于连接计算机；所述电流电压变换电路用于将碱基在外加恒定电场的驱动下通过固态纳米孔产生的特征电流信号转换为特征电压信号，所述调理电路用于将所述特征电压信号进行放大和滤波处理后输出，所述碱基特征信号数据采集电路用于长时连续采集所述调理电路的输出并将采集数据输出到所述计算机上用于显示和分析。

更进一步地，所述碱基特征信号数据采集电路包括：依次连接的程控放大电路、同步多通道数据转换电路、数据比较选择单元、数据缓冲单元和USB接口电路，以及连接在数据缓冲单元的反馈输出端与程控放大电路的反馈控制端之间的校准增益控制单元；所述程控放大电路用于对四种不同碱基的特征电压信号进行不同倍数的放大；所述同步多通道数据转换电路用于将放大后的特征电压信号同步转换成数字信号；所述数据比较选择单元用于将四路数字信号进行比较分析并输出转换数据；数据缓冲单元用于缓冲所述数据比较选择单元输出的数据和所述USB接口电路输入的数据；所述USB接口电路用于实现数据缓冲单元与计算机的数据交换；所述校准增益控制单元用于根据所述数据缓冲单元中的校准控制数据控制程控放大电路的放大倍数。