CN109837207A - 基因测序芯片及方法 - Google Patents

Abstract

一种基因测序芯片及方法，芯片包括：衬底(1)；第一光波导(2)、第二光波导(3)及金属针尖(5)，均形成在衬底(1)上，三者呈T字形相对分布，第一光波导(2)与第二光波导(3)位置相对；纳米孔(6)，其设置在三者的接触区域，贯穿衬底(1)；第一光波导(2)及第二光波导(3)一端均为三维渐变结构，两者具有三维渐变结构的一端相对；第一光波导(2)与具有三维渐变结构一端相对的另一端设有光源耦合器(7)，第二光波导(3)与具有三维渐变结构一端相对的另一端设有第一信号采集器(8)。该芯片及方法提高了碱基单分子的检测效率，降低了成本，提高了芯片***的集成度和稳定性，同时减少了数据量，提高了采集速度。

Description

基因测序芯片及方法

技术领域

本发明涉及基因测序领域，尤其涉及一种基因测序芯片及方法。

背景技术

核苷酸测序技术是基因组学乃至生命科学研究的关键和基本技术之一，也是基本生物信息数据主要获取手段，是推动生物计算和生物信息学发展的原动力。自Sanger测序法诞生以来，测序技术极大推动生命科学和医学的发展。最近10年来，高通量的第二代DNA测序技术的成功应用再次推动了医药生命科学领域的飞速发展，并催生了“精准医学”的产生。然而，所有的第二代DNA测序技术都是利用DNA聚合酶或链接酶的生化反应间接测定DNA测序，即：间接测序。即使是“第三代”的单分子测序技术(如PacBio测序仪)还是应用了DNA聚合酶的聚合反应来进行测序，因此同属间接测序。

由于目前的DNA测序技术都是间接法测序，即基于对核酸的酶促生化反应过程中标记荧光或自发荧光的观测来实现的，此类技术受限于“酶疲劳”导致的荧光衰减和光学检测器件尺寸等因素，造成序列分析的持续性和同时监测反映数量的不足，从而导致读长短，或者通量低。与此同时，荧光检测技术需要高昂的标记试剂或自发荧光反应体系，致使在通量水平上几乎达到极限的基础上难以进一步降低成本。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有的技术问题，本发明提出一种基于针尖增强拉曼效应的基因测序芯片及方法，用于至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明一方面提出一种基因测序芯片，包括：衬底1；第一光波导2、第二光波导3及金属针尖5，都形成在衬底1上，三者呈T字形相对分布，第一光波导2与第二光波导3位置相对；纳米孔6，其设置在第一光波导2、第二光波导3与金属针尖5三者的接触区域，贯穿衬底1；第一光波导2及第二光波导3一端均为三维渐变结构，第一光波导2及第二光波导3具有三维渐变结构的一端相对；第一光波导2与具有三维渐变结构一端相对的另一端设有光源耦合器7，第二光波导3与具有三维渐变结构一端相对的另一端设有第一信号采集器8。

可选地，第一光波导2及第二光波导3为金属-介质-金属结构，金属的材料为具有表面等离子体效应的金属。

可选地，第一光波导2及第二光波导3上制作有至少一个布拉格周期结构。

可选地，第一光波导2及第二光波导3传输的激发光经三维渐变结构压缩后，纵向尺寸小于10nm。

可选地，第一光波导2及第二光波导3传输的激发光波长范围为400nm～900nm。

可选地，金属针尖5为单层或多层具有平面针尖的金属层。

可选地，第一信号采集器8包括至少一个信号传输波导、至少一个滤波器、至少一个信号采集波导及至少一个光电探测器。

可选地，基因的单链碱基链的尺寸小于纳米孔6尺寸。

可选地，基因测序芯片还包括第三光波导4及第二采集器9，其形成在衬底1上；第三光波导4与T字形相对分布的第一光波导2、第二光波导3及金属针尖5构成十字形结构，第三光波导4具有三维渐变结构一端与金属针尖5位置相对，第二采集器9位于第三光波导4与具有三维渐变结构一端相对的另一端，第三光波导4为金属层-介质-金属层结构。

本发明另一方面提出一种基因测序方法，包括：S1，光源耦合器7产生的光信号的光场通过第一光波导2及第二光波导3进行压缩增强及谐振增强，形成激发光；S2，控制待测基因的碱基链以单链的形式通过纳米孔6，激发光激发碱基链产生拉曼信号；S3，金属针尖5对拉曼信号进行针尖增强，并通过第一光波导2及第二光波导3进行谐振增强；S4；第一信号采集器8采集经针尖增强与谐振增强后的拉曼信号，并与理论的碱基链拉曼信号数据对比，实现基因测序。

(三)有益效果

本发明提出一种基于针尖增强拉曼效应的基因测序芯片及方法，具有以下有益效果：

1、采用金属-介质-金属三维渐变光波导结构取代传统的激光器与高数值孔径镜头构成的信号读取光路***，有效地将激发光聚焦在10nm尺度以内的光斑，减小激发区域，增强激发光场。

2、采用平面化金属针尖实现对激发的基因碱基链的拉曼信号进行针尖增强，提高了碱基单分子的检测效率，降低了成本，同时提高了芯片***的集成度和稳定性。

3、采用了片上滤波***，仅探测基因测序所涉及的碱基的拉曼特征峰，减少了数据量，提高了采集速度。

附图说明

图1是本发明实施例1基于针尖增强拉曼效应的基因测序芯片结构示意图。

图2是本发明实施例1第一光波导2及第二光波导3的结构示意图。

图3是本发明实施例1第一信号采集器8的结构示意图。

图4是本发明实施例2基于针尖增强拉曼效应的基因测序芯片结构示意图。

图5是本发明实施例3基于基因测序芯片的基因测序方法流程图。

【附图标记】

1-衬底

2-第一光波导

201-介质层 202-金属层

203-布拉格周期结构 204-三维渐变结构

3-第二光波导

301-介质层 302-金属层

303-布拉格周期结构 304-三维渐变结构

4-第三光波导

5-金属针尖

6-纳米孔

7-光源耦合器

8-第一信号采集器

801-信号传输波导 802-微环滤波器

803-信号采集波导 804-光电探测器

9-第二信号采集器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种基于针尖增强拉曼效应的基因测序芯片，采用微纳加工工艺制作的金属-介质-金属(MIM)三维渐变波导结构取代传统的激光器与高数值孔径镜头构成的光路***，将激光聚焦在小于10nm尺度的光斑，同时MIM波导上的布拉格周期结构(等离子激元谐振腔结构)能够进一步增强压缩的光场，并照射在平面化的金属针尖上，形成了针尖增强的效果，通过纳米孔的单链碱基的拉曼信号可以通过针尖增强的效果增强。所产生的增强的拉曼信号，可以通过MIM光波导采集，最终实现基因测序的效果。本发明提供的一种基于针尖增强拉曼效应的基因测序芯片，用MIM三维渐变波导结构取代传统的激光器与高数值孔径镜头构成的光路***，有效地将激光聚焦在～10nm尺度的光斑，减小激发区域，增强激发光场，同时采用平面化的金属针尖实现针尖增强拉曼散射效应，提高了碱基单分子的检测效率，降低了成本的同时，提高了芯片***的集成度和稳定性。下面做详细介绍。

实施例1

图1示出了本发明实施例1基于针尖增强拉曼效应的基因测序芯片结构示意图。如图1所示，该芯片包括：

衬底1，第一光波导2、第二光波导3、金属针尖5、纳米孔6、光源耦合模块7、第一信号采集模块8。第一光波导2、第二光波导3、金属针尖5、纳米孔6、光源耦合模块7、第一信号采集模块8均形成于衬底1上。

衬底1采用硅衬底，第一光波导2、第二光波导3及金属针尖5呈T字形相对分布在硅衬底上，纳米孔6设置在第一光波导2、第二光波导3及金属针尖5相接触的区域，贯穿整个硅衬底，其中，基因的单链碱基链的尺寸小于所述纳米孔6尺寸，以使基因的单链碱基链顺利通过。第一光波导2及第二光波导3一端均为三维渐变结构，第一光波导2及第二光波导3具有三维渐变结构的一端位置相对，第一光波导2与具有三维渐变结构一端相对的另一端设有光源耦合器7，第二光波导3与具有三维渐变结构一端相对的另一端设有第一信号采集器8。

第一光波导2及第二光波导3均为MIM三维渐变波导结构，如图2所示，包括介质层201(301)、两层金属层202(302)、至少一个布拉格周期结构203(303)和三维渐变结构204(304)，其中至少一个布拉格周期结构203(303)仅设在光波导上，不穿透衬底1，其形状不仅限于圆形，也可以是其它周期性结构，如光栅等。MIM结构中金属的材料为具有强表面等离子体效应的金属，如金或银等，这种MIM结构的光波导能够有效传输用于激发样品拉曼信号特定波长的激发光，传输的激发光波长范围为400nm～900nm。布拉格周期结构203(303)构成等离子体激元光子晶体谐振腔结构，用于高效地在纳米孔6区域形成激发光谐振增强光场，该布拉格周期结构203(303)的布拉格周期由激发光的波长决定。第一光波导2及第二光波导3一端的三维渐变结构为纵向渐变结构，用于对布拉格周期结构203(303)谐振增强后的激发光进行压缩，以进一步提高激发光的强度，第一光波导2及第二光波导3传输的激发光经三维渐变结构204(304)压缩后，纵向尺寸小于10nm。

金属针尖5为通过微纳加工工艺制作的单层或多层具有平面针尖的金属层，金属针尖的材料可为能够实现针尖增强拉曼检测的金属材料，如金等。在经过第一光波导2及第二光波导3压缩增强及谐振增强后的激发光的作用下，通过纳米孔6的碱金属单链产生拉曼信号，经过金属针尖5的针尖增强及第一光波导2与第二光波导3中至少一个布拉格周期结构203(303)的共同谐振增强后，由第一信号采集器8采集信号并分析，从而实现对基因的测序。

第一信号采集器8的结构示意图如图3所示，包括：至少一个信号传输波导801、至少一个微环滤波器802、至少一个信号采集波导803及至少一个光电探测器804，至少一个信号传输波导801与第二光波导3连接，其两侧分布有至少一个微环滤波器802。至少一个微环滤波器802的参数是基于基因测序所涉及到的多种碱基的拉曼特征峰，通过信号采集波导803将滤波后的拉曼信号耦合输出到光电探测器804上，实现数字化采集目标特征峰，并与理论值对比，实现基因测序。

实施例2

在实施例1描述的基于针尖增强拉曼效应的基因测序芯片基础上，本实施例增加了第二种拉曼信号采集方式，如图4所示，该基因测序芯片还包括第三光波导4及第二采集器9，其形成在衬底1上，第三光波导4与T字形相对分布的第一光波导2、第二光波导3及金属针尖5构成十字形结构，纳米孔6置于十字中间，第三光波导4具有三维渐变结构一端与金属针尖5位置相对，第二采集器9位于第三光波导4与具有三维渐变结构一端相对的另一端，第三光波导4为MIM结构，MIM结构中金属的材料为具有强表面等离子体效应的金属，如金或银等。

在第一光波导2及第二光波导3增强后的激发光的共同作用下，通过纳米孔6的碱金属单链产生拉曼信号，经过金属针尖5的针尖增强后，通过第三光波导4的信号光在第二信号采集模块9中片上光耦合结构直接输出到光纤中，通过外部拉曼光谱仪分析所采集到的拉曼信号，实现碱基分类。该拉曼信号采集方式与第三光波导及第一信号采集器8的拉曼信号采集方式结合，提高了基因测序芯片信号采集的稳定性。

实施例3

本实施例提出一种基于基因测序芯片的基因测序方法，如图5所示，方法包括：

S1，光源耦合器7产生的光信号的光场通过第一光波导2及第二光波导3进行压缩增强及谐振增强，形成激发光。

具体地，光源耦合器7发出的光信号通过第一光波导2及第二光波导3上的至少一个布拉格周期结构203(303)形成来回反射，实现谐振增强，通过三维渐变结构204(304)进一步对光信号光场进行压缩增强，形成激发光。

S2，控制待测基因的碱基链以单链的形式通过纳米孔6；

因纳米孔6的尺寸大于待测基因的碱基链单链的尺寸，所以待测基因的碱基链能以单链的形式顺利通过。激发光在碱基链通过时激发碱基链产生拉曼信号。

S3，金属针尖5对拉曼信号进行针尖增强，并通过第一光波导2及第二光波导3上的至少一个布拉格周期结构203(303)共同对针尖增强后的拉曼信号进行谐振增强；

S4；第一信号采集器8采集经针尖增强与谐振增强后的拉曼信号，并与理论的碱基链拉曼信号数据对比，实现基因测序。

具体地，信号传输波导801将第二光波导3传输的拉曼信号传输至微环滤波器802，微环滤波器802对拉曼信号进行滤波，通过信号采集波导803将滤波后的信号耦合输出到光电探测器804上，实现数字化采集拉曼信号的拉曼特征峰，将所有采集到的拉曼特征峰与理论的碱基链拉曼信号数据对比对比，最终实现碱基的分类。信号采集过程中不采集完整拉曼谱信号，值采集拉曼特征峰，减少了数据量和提高了采集速度。

综上所述，本发明提出一种基于针尖增强拉曼效应的基因测序芯片及方法，该芯片及方法能够有效地将激发光聚焦在10nm尺度以内的光斑，减小激发区域，增强激发光场，提高了碱基单分子的检测效率，降低了成本，提高了芯片***的集成度和稳定性，同时减少了数据量，提高了采集速度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基因测序芯片，其特征在于，包括：

衬底(1)；

第一光波导(2)、第二光波导(3)及金属针尖(5)，都形成在所述衬底(1)上，三者呈T字形相对分布，所述第一光波导(2)与第二光波导(3)位置相对；

纳米孔(6)，其设置在所述第一光波导(2)、第二光波导(3)与金属针尖(5)三者的接触区域，贯穿所述衬底(1)；

所述第一光波导(2)及第二光波导(3)一端均为三维渐变结构，所述第一光波导(2)及第二光波导(3)具有三维渐变结构的一端相对；

所述第一光波导(2)与具有三维渐变结构一端相对的另一端设有光源耦合器(7)，所述第二光波导(3)与具有三维渐变结构一端相对的另一端设有第一信号采集器(8)。

2.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述第一光波导(2)及第二光波导(3)为金属-介质-金属结构，金属的材料为具有表面等离子体效应的金属。

3.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述第一光波导(2)及第二光波导(3)上制作有至少一个布拉格周期结构。

4.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述第一光波导(2)及第二光波导(3)传输的激发光经所述三维渐变结构压缩后，纵向尺寸小于10nm。

5.根据权利要求2所述的基因测序芯片，其特征在于，所述第一光波导(2)及第二光波导(3)传输的激发光波长范围为400nm～900nm。

6.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述金属针尖(5)为单层或多层具有平面针尖的金属层。

7.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述第一信号采集器(8)包括至少一个信号传输波导、至少一个滤波器、至少一个信号采集波导及至少一个光电探测器。

8.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述基因的单链碱基链的尺寸小于所述纳米孔(6)尺寸。

9.根据权利要求1所述的基因测序芯片，其特征在于，所述基因测序芯片还包括第三光波导(4)及第二采集器(9)，其形成在所述衬底(1)上；

所述第三光波导(4)与所述T字形相对分布的第一光波导(2)、第二光波导(3)及金属针尖(5)构成十字形结构，所述第三光波导(4)具有三维渐变结构一端与所述金属针尖(5)位置相对，所述第二采集器(9)位于所述第三光波导(4)与具有三维渐变结构一端相对的另一端，所述第三光波导(4)为金属层-介质-金属层结构。

10.一种基因测序方法，其特征在于，包括：

S1，光源耦合器(7)产生的光信号的光场通过第一光波导(2)及第二光波导(3)进行压缩增强及谐振增强，形成激发光；

S2，控制待测基因的碱基链以单链的形式通过纳米孔(6)，所述激发光激发所述碱基链产生拉曼信号；

S3，金属针尖(5)对所述拉曼信号进行针尖增强，并通过所述第一光波导(2)及第二光波导(3)进行谐振增强；

S4；第一信号采集器(8)采集经针尖增强与谐振增强后的拉曼信号，并与理论的碱基链拉曼信号数据对比，实现基因测序。