RU2539038C1 - Dna sequencing method and device therefor (versions) - Google Patents

Dna sequencing method and device therefor (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2539038C1
RU2539038C1 RU2013148895/10A RU2013148895A RU2539038C1 RU 2539038 C1 RU2539038 C1 RU 2539038C1 RU 2013148895/10 A RU2013148895/10 A RU 2013148895/10A RU 2013148895 A RU2013148895 A RU 2013148895A RU 2539038 C1 RU2539038 C1 RU 2539038C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dna
sensor
mis
solution
output
Prior art date
Application number
RU2013148895/10A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Олегович Мантуров
Михаил Александрович Гуторов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Гамма"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Гамма" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Гамма"
Priority to RU2013148895/10A priority Critical patent/RU2539038C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2539038C1 publication Critical patent/RU2539038C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: group of inventions relates to genetic engineering. Copies of the DNA molecule to be sequenced are placed in four solutions, each characterised by low concentration of one nucleotide compared to the other three nucleotides. When conducting DNA polymerisation, ion release is detected in each solution using MIS structure-based sensors. The time interval between ion releases is measured and a long time interval indicates binding of the low-concentration nucleotide. The position of said nucleotide in the sequenced DNA is then determined. Determination of the time when the nucleotide binds to the growing DNA chain by measuring the signal from each sensor is carried out in stochastic resonance mode. The stochastic resonance mode is provided by selecting the q-point of the MIS structure in the middle of the bistability portion and by feeding a noise signal from an additional noise generator to the cathode of the MIS structure.
EFFECT: use of the invention increases accuracy of detecting the moment of attachment of a nucleotide during DNA polymerisation.
4 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области генной инженерии и может быть использовано при секвенировании ДНК.The invention relates to the field of genetic engineering and can be used in DNA sequencing.

Уровень техники State of the art

Генетическая информация зашифрована в геноме организма в виде последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Расшифровка генетической информации позволяет определить генетические заболевания и особенности организма, что широко используется при лечении, в криминалистике и других приложениях. Быстрыми темпами растет потребность в недорогих геномных секвенаторах. Genetic information is encrypted in the body’s genome as a sequence of nucleotides in DNA molecules. The decoding of genetic information allows you to determine the genetic diseases and characteristics of the body, which is widely used in treatment, in forensics and other applications. The need for low-cost genomic sequencers is growing rapidly.

Известны флуоресцентные секвенаторы фирм Illumna и Life Technologies, стоимость которых измеряется сотнями тысяч долларов. Для решения задач медицины будущего требуются быстрые и дешевые секвенаторы. Известны пиросеквенаторы компании Roche, но сейчас их быстро заменяют полупроводниковые секвенаторы фирмы IonTorrent.The fluorescent sequencers of Illumna and Life Technologies are known, the cost of which is measured in hundreds of thousands of dollars. To solve the problems of the medicine of the future, fast and cheap sequencers are required. Roche pyrosequencers are known, but now they are quickly replaced by IonTorrent semiconductor sequencers.

Секвенаторы фирмы IonTorrent состоят из трех подсистем: вычислительной, детектирующей и жидкостной. Жидкостная подсистема подает в проточную ячейку, содержащую микрочип с иммобилизированными фрагментами ДНК, поочередно растворы дезоксинуклеотидтрифосфатов (дАТФ, дТТФ, дЦТФ, дГТФ), чередуя их с промывочным буферным раствором. Детекторная подсистема, основу которой составляют размещенные на микрочипе сенсоры на основе ион-чувствительных полевых транзисторов (ISFET), считывает информацию и передает ее в вычислительную систему [1]. Жидкостная система подачи реагентов содержит управляемые многоходовые краны, через которые, в том числе, подаются растворы дорогих дезоксинуклеотидтрифосфатов, что повышает стоимость секвенирования.IonTorrent sequencers consist of three subsystems: computational, detecting, and liquid. The liquid subsystem feeds into a flow cell containing a microchip with immobilized DNA fragments, alternately solutions of deoxynucleotide triphosphates (dATP, dTTP, dTCP, dGTP), alternating them with a washing buffer solution. The detector subsystem, which is based on sensors placed on a microchip based on ion-sensitive field effect transistors (ISFETs), reads information and transfers it to a computer system [1]. The liquid reagent supply system contains controllable multi-way valves, through which, in particular, solutions of expensive deoxynucleotide triphosphates are supplied, which increases the cost of sequencing.

Известен секвенатор, содержащий четыре ячейки, в котором факт подключения нуклеотида определяют с помощью детектора силы движения растущей цепи ДНК [2]. В качестве детектора используют атомно-силовой микроскоп (АСМ), с помощью которого факт перемещения ДНК измеряется за счет движения кантилевера АСМ. Known sequencer containing four cells, in which the fact of connecting the nucleotide is determined using a detector of the strength of the movement of the growing DNA chain [2]. An atomic force microscope (AFM) is used as a detector, with which the fact of DNA movement is measured due to the movement of the AFM cantilever.

Наиболее близким аналогом является заявка на изобретение [3], в которой описан секвенатор, содержащий четыре измерительных ячейки на основе полых волокон с гранулами, на которых иммобилизованы молекулы ДНК. В данном устройстве момент полимеризации нуклеотида определяют по акустическому сигналу, возникающему при перемещении ДНК. К недостатку данной схемы можно отнести недостаточно высокую точность и сложность регистрации аккустических сигналов и программ для обработки сигналов.The closest analogue is the application for the invention [3], which describes a sequencer containing four measuring cells based on hollow fibers with granules on which DNA molecules are immobilized. In this device, the moment of polymerization of the nucleotide is determined by the acoustic signal arising from the movement of DNA. The disadvantage of this scheme is the insufficiently high accuracy and complexity of recording acoustic signals and signal processing programs.

Задачей заявляемого технического решения является создание способа и устройства секвенирования ДНК, обеспечивающих высокие точность и производительность процедуры секвенирования при низких затратах и относительно невысокой стоимости аппаратного обеспечения, что позволяет сделать устройство секвенирования ДНК доступным для большинства молекулярно-генетических лабораторий.The objective of the proposed technical solution is to create a method and device for DNA sequencing, providing high accuracy and performance of the sequencing procedure at low cost and relatively low cost of hardware, which makes the DNA sequencing device available to most molecular genetic laboratories.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении точности регистрации момента присоединения очередного нуклеотида при полимеризации ДНК за счет повышения отношения сигнал/шум при фиксации момента присоединения нуклеотида. Технический результат достигается за счет применения явления стохастического резонанса, реализуемого в бистабильной полупроводниковой схеме каждого сенсора при одновременной подаче на нее напряжения шума и слабого сигнала, соответствующего выделению иона водорода в раствор при разделении зарядов в момент присоединения нуклеотида при полимеризации ДНК.The technical result achieved using the claimed invention is to increase the accuracy of recording the moment of attachment of the next nucleotide during DNA polymerization by increasing the signal-to-noise ratio when fixing the moment of attachment of the nucleotide. The technical result is achieved through the use of the stochastic resonance phenomenon realized in the bistable semiconductor circuit of each sensor while applying a noise voltage and a weak signal to it, corresponding to the release of hydrogen ion into the solution during charge separation at the moment of nucleotide addition during DNA polymerization.

Технический результат также достигается за счет подачи слабого сигнала, поступающего с сенсора, на вход электронной схемы, имеющей область бистабильности и в которой может быть сформирован стохастический резонанс, при этом повышается отношение сигнал/шум при подаче на электронную схему слабого сигнала и шума.The technical result is also achieved by supplying a weak signal from the sensor to the input of an electronic circuit having a bistability region and in which stochastic resonance can be generated, while the signal-to-noise ratio increases when a weak signal and noise are applied to the electronic circuit.

Перечень фигурList of figures

Фиг.1 Сенсор потенциала с МДП-диодом, имеющим область бистабильности на своей вольт-амперной характеристике (ВАХ).Figure 1 Potential sensor with an MIS diode having a bistability region on its current-voltage characteristic (CVC).

Фиг.2 Добавление раствора с ДНК полимеразой к подготовленному раствору для проведения реакции полимеризациии фрагментов ДНК.Figure 2 Adding a solution with DNA polymerase to the prepared solution for the polymerization reaction and DNA fragments.

Фиг.3а Вольт-амперная характеристика бистабильной полупроводниковой структуры "металл-диэлектрик-полупроводник".Fig. 3a. Current-voltage characteristic of a bistable semiconductor metal-insulator-semiconductor structure.

Фиг.3б Вольт-амперная характеристика электронной схемы, обладающей областью бистабильности на ВАХ.Figb current-voltage characteristic of an electronic circuit having a bistability region on the I-V characteristic.

Фиг.4 Функциональная схема, обеспечивающая условия возникновения стохастического резонанса в МДП-диоде.Figure 4 Functional diagram providing the conditions for the occurrence of stochastic resonance in an MIS diode.

Фиг.5 Функциональная схема, обеспечивающая условия возникновения стохастического резонанса в МДП-диоде, включенном последовательно с измерительной ячейкой, в которой проводится реакция полимеризации ДНК.Figure 5 Functional diagram providing the conditions for the occurrence of stochastic resonance in an MIS diode connected in series with a measuring cell in which the DNA polymerization reaction is carried out.

Фиг.6 Функциональная схема, обеспечивающая условия возникновения стохастического резонанса в МДП-диоде, в котором рабочий раствор контактирует со слоем диэлектрика.6 Functional diagram providing the conditions for the occurrence of stochastic resonance in an MIS diode in which the working solution is in contact with a dielectric layer.

Фиг.7 Функциональная схема, обеспечивающая условия возникновения стохастического резонанса в электронной схеме с областью бистабильности на ВАХ, включенной последовательно с измерительной ячейкой, в которой проводится реакция полимеризации ДНК.Fig. 7 Functional diagram providing conditions for the occurrence of stochastic resonance in an electronic circuit with a bistability region on the I-V characteristic connected in series with a measuring cell in which the DNA polymerization reaction is carried out.

Фиг.8 На верхнем графике представлена модель входного сигнала амплитудой 100 мВ. На среднем графике приведена сумма входного сигнала и шума, которые подаются на вход схемы с бистабильным участком на ВАХ, реализующей явление стохастического резонанса. На нижнем графике представлен выходной сигнал.Fig. The top graph shows a model of the input signal with an amplitude of 100 mV. The average graph shows the sum of the input signal and noise, which are fed to the input of the circuit with a bistable section on the I – V characteristic, which realizes the phenomenon of stochastic resonance. The bottom graph shows the output signal.

ОписаниеDescription

Существующие методики секвенирования имеют такие недостатки, как высокую стоимость секвенаторов и реактивов, сложность и длительность процедур подготовки образцов, низкую скорость процедуры секвенирования. Заявляемый способ, который выполнен с возможностью повышения точности секвенирования, реализуют в виде следующей последовательности действий:Existing sequencing techniques have such disadvantages as the high cost of sequencers and reagents, the complexity and duration of sample preparation procedures, and the low speed of the sequencing procedure. The inventive method, which is configured to improve the accuracy of sequencing, is implemented in the form of the following sequence of actions:

1. Проводят копирование фрагментов секвенируемой ДНК с помощью стандартной полимеразной цепной реакции (далее - ПЦР).1. Copy fragments of sequenced DNA are carried out using a standard polymerase chain reaction (hereinafter - PCR).

2. Подготавливают четыре вида растворов для полимеризации фрагментов ДНК (по числу видов нуклеотидов: аденина, тимина, гуанина, цитозина), при этом каждый раствор содержит, как минимум, все четыре вида нуклеотидов, причем концентрация одного из нуклеотидов меньше концентрации трех других. Когда в каком-либо из растворов концентрация какого-либо вида нуклеотида понижена, то в трех остальных растворах концентрация этого вида нуклеотидов имеет нормальное значение. Таким образом, в каждом из подготавливаемых четырех растворов понижена концентрация либо нуклеотида аденина, либо тимина, либо гуанина, или же цитозина.2. Prepare four types of solutions for the polymerization of DNA fragments (according to the number of types of nucleotides: adenine, thymine, guanine, cytosine), while each solution contains at least all four types of nucleotides, and the concentration of one of the nucleotides is less than the concentration of the other three. When the concentration of any type of nucleotide is lowered in any of the solutions, the concentration of this type of nucleotides is normal in the other three solutions. Thus, in each of the four prepared solutions, the concentration of either adenine nucleotide, or thymine, or guanine, or cytosine is lowered.

3. Секвенируемые фрагменты ДНК при помощи жидкостной системы, состоящей из автоматизированной пипетки, или из микрофлюидной системы, помещают на поверхность четырех полупроводниковых сенсоров - структур «металл-диэлектрик-полупроводник», на поверхность диэлектрического слоя, с иммобилизацией на нем или без иммобилизации, в заранее нанесенные растворы четырех видов, для проведения реакции полимеризации ДНК.3. Sequenced DNA fragments using a liquid system consisting of an automated pipette or microfluidic system are placed on the surface of four semiconductor sensors - metal-dielectric-semiconductor structures, on the surface of the dielectric layer, with or without immobilization on it, in pre-applied solutions of four types for the DNA polymerization reaction.

4. При помощи жидкостной системы, описанной выше, в раствор добавляют молекулы ДНК полимеразы.4. Using the liquid system described above, polymerase DNA molecules are added to the solution.

5. Проводят рабочий цикл секвенирования фрагмента ДНК. При этом осуществляют детектирование момента присоединения нуклеотида к растущей цепи ДНК за счет измерения сигнала от каждого сенсора, выполненного на МДП-диоде с возможностью регистрации или изменения концентрации ионов водорода, или изменения количества электронов на полимеризуемом фрагменте ДНК в растворе полимеризации, в режиме стохастического резонанса. Режим стохастического резонанса обеспечивают выбором рабочей точки МДП-структуры сенсора посередине участка бистабильности и вводом сигнала шума от генератора шума на катод МДП-диода.5. Spend the work cycle of sequencing a DNA fragment. In this case, the moment of attachment of the nucleotide to the growing DNA chain is detected by measuring the signal from each sensor performed on an MIS diode with the possibility of detecting or changing the concentration of hydrogen ions, or changing the number of electrons on the polymerized DNA fragment in the polymerization solution, in the stochastic resonance mode. The stochastic resonance mode is provided by selecting the operating point of the MOS sensor structure in the middle of the bistability region and by inputting a noise signal from the noise generator to the cathode of the MIS diode.

6. Регистрируют четыре сигнала с выходов усилителей МДП-сенсоров, размещенных на четырех матрицах, и проводят обработку данных с помощью компьютера. При этом определяют моменты задержки сигнала при включении каждого вида нуклеотида в молекулу ДНК на каждой отдельной сенсоре.6. Register four signals from the outputs of amplifiers of MOS sensors placed on four matrices, and process the data using a computer. In this case, the moments of signal delay when each type of nucleotide is included in the DNA molecule on each individual sensor are determined.

7. Восстанавливают последовательность нуклеотидов в секвенируемой ДНК путем совмещения полученных данных о расположении нуклеотидов с пониженной концентрацией, в каждом из четырех растворов каждого сенсора на четырех матрицах.7. The sequence of nucleotides in sequenced DNA is restored by combining the obtained data on the location of nucleotides with a reduced concentration in each of the four solutions of each sensor on four matrices.

Регистрацию факта разделения зарядов, в частности регистрацию выделения иона водорода в раствор при присоединении ДНК полимеразой очередного нуклеотида осуществляют посредством измерения проводимости раствора при проведении в нем реакции полимеризации ДНК. Регистрацию факта выделения иона водорода в раствор осуществляют с помощью полупроводникового сенсора, представляющего собой МДП-диод, при этом могут быть использованы два варианта сенсора - сенсор потенциала и сенсор тока. The registration of the fact of charge separation, in particular, the detection of the release of a hydrogen ion into a solution upon addition of the nucleotide DNA polymerase, is carried out by measuring the conductivity of the solution during the DNA polymerization reaction. The fact that hydrogen ion is released into the solution is recorded using a semiconductor sensor, which is an MIS diode, and two sensor options can be used - a potential sensor and a current sensor.

При использовании сенсора потенциала раствор для реакции полимеризации ДНК вместе с молекулой полимеразы ДНК и секвенируемой молекулой ДНК при помощи жидкостной системы, описанной выше, помещают на поверхность сенсора (фиг.1). Затем в раствор добавляют молекулы ДНК полимеразы (фиг.2). Слой диэлектрика в этой структуре имеет малую толщину (сотни ангстрем), в результате чего через него может возникать туннельный ток носителей заряда, или же идти токоперенос по другим известным механизмам [4]. Выделяемый в ходе реакции полимеризации ДНК свободный ион водорода действием своего заряда меняет электрическое поле в диэлектрике, что в конечном итоге меняет величину эмиссии электронов в диэлектрик из металла и как результат - изменяет величину общего тока через МДП-диод.When using the potential sensor, the solution for the DNA polymerization reaction together with the DNA polymerase molecule and the sequenced DNA molecule using the liquid system described above, is placed on the surface of the sensor (figure 1). Then, DNA polymerase molecules are added to the solution (FIG. 2). The dielectric layer in this structure has a small thickness (hundreds of angstroms), as a result of which a tunneling current of charge carriers may appear through it, or there may be current transfer by other known mechanisms [4]. The free hydrogen ion released during the polymerization of DNA by the action of its charge changes the electric field in the dielectric, which ultimately changes the amount of electron emission into the dielectric from the metal and, as a result, changes the total current through the MIS diode.

При использовании сенсора тока (см. фиг.5 и фиг.6), свободный ион водорода также меняет электрическое поле в диэлектрике, управляя эмиссией электронов из катода в диэлектрик через раствор, что также изменяет величину общего тока через МДП-диод.When using a current sensor (see Fig. 5 and Fig. 6), a free hydrogen ion also changes the electric field in the dielectric, controlling the electron emission from the cathode to the dielectric through the solution, which also changes the total current through the MIS diode.

В зависимости от установленной в секвенаторе модификации матрицы сенсоров потенциала или матрицы сенсоров тока выполняют следующую процедуру. Сначала, если это предусмотрено модификацией сенсора, на поверхности каждого из четырех МДП-диодов (матрицы сенсоров) при помощи жидкостной системы, описанной выше, размещают по капле раствора, содержащего все реагенты, необходимые для проведения процедуры иммобилизации фрагментов ДНК на поверхность МДП-диода. Этим обеспечивается возможность фрагментам ДНК иммобилизоваться на поверхность МДП-диода до начала реакции полимеризации ДНК. Далее, на поверхности каждого из четырех МДП-диодов (матрицы сенсоров) добавляют по капле раствора, содержащего все реагенты, необходимые для проведения процедуры полимеризации секвенируемых фрагментов ДНК, за исключением молекул полимеразы ДНК. Для начала процесса полимеризации секвенируемых фрагментов ДНК, во все четыре капли на поверхности МДП-диодов, асинхронно по времени (т.е. не требуется синхронизация процессов во времени), при помощи жидкостной системы, описанной выше, вводят раствор, содержащий молекулы полимеразы ДНК. Через некоторое время, определяемое диффузией молекул полимеразы ДНК, реакции полимеризации фрагментов ДНК начнутся во всех четырех растворах; при этом четыре сигнала-циклограммы от четырех МДП-диодов, отображают факты регистрации разделения зарядов во времени, в частности, выделения ионов водорода в раствор (или увеличение отрицательного заряда на полимеризуемых фрагментах ДНК), при каждом акте встраивания полимеразой ДНК комплементарного нуклеотида в секвенируемый фрагмент ДНК. Регистрация фактов разделения зарядов производится, в частности, измерением изменения проводимости раствора или измерением изменения потенциала на слое диэлектрика сенсора, с использованием явления стохастического резонанса, что обеспечивает большую точность в измерении интервалов времени между регистрируемыми фактами разделения зарядов, в частности выбросов ионов водорода в раствор в ходе реакции полимеризации ДНК, против способа измерения этих интервалов времени в заявке-прототипе [3].Depending on the modification installed in the sequencer, the matrix of potential sensors or the matrix of current sensors perform the following procedure. First, if it is provided by a modification of the sensor, on the surface of each of the four MIS diodes (sensor matrix) using a liquid system described above, place a drop of a solution containing all the reagents necessary for the immobilization of DNA fragments on the surface of the MIS diode. This ensures that DNA fragments can be immobilized on the surface of the MIS diode before the start of the DNA polymerization reaction. Next, on the surface of each of the four MIS diodes (sensor matrices), a drop of a solution containing all the reagents necessary for the polymerization of sequenced DNA fragments, with the exception of DNA polymerase molecules, is added dropwise. To start the process of polymerization of sequenced DNA fragments, a solution containing DNA polymerase molecules is injected into all four drops on the surface of MIS diodes asynchronously in time (i.e., no synchronization of processes in time) using the liquid system described above. After some time, determined by the diffusion of DNA polymerase molecules, the reaction of polymerization of DNA fragments will begin in all four solutions; in this case, four signal-cyclograms from four MIS diodes display the facts of registration of charge separation in time, in particular, the release of hydrogen ions in solution (or an increase in the negative charge on polymerized DNA fragments), with each act of incorporation of a complementary nucleotide into the sequenced fragment by the polymerase DNA DNA The registration of the facts of charge separation is carried out, in particular, by measuring the change in the conductivity of the solution or by measuring the change in potential on the sensor dielectric layer using the stochastic resonance phenomenon, which provides greater accuracy in measuring the time intervals between the recorded facts of charge separation, in particular, the emission of hydrogen ions into the solution the course of the DNA polymerization reaction, against the method of measuring these time intervals in the prototype application [3].

Записанные, например, в память компьютера, четыре сигнала-циклограммы (по одному от каждой из четырех МДП-диодов) будут иметь различия в виде задержек (отсутствия изменения сигнала) в те моменты времени, когда молекула полимеразы ДНК в соответствующем растворе, дойдя до того основания фрагмента ДНК, концентрация комплементарного нуклеотида которого в растворе понижена, будет ожидать его подхода из раствора, для встраивания во фрагмент ДНК.For example, four waveforms recorded (for example, in the computer memory) (one from each of the four MIS diodes) will have differences in the form of delays (no signal changes) at those times when the DNA polymerase molecule in the corresponding solution reaches the base of the DNA fragment, the concentration of the complementary nucleotide of which in the solution is lowered, will await its approach from the solution for incorporation into the DNA fragment.

Реконструкцию информационной последовательности секвенируемой ДНК по наблюдаемым задержкам в ходе реакции полимеризации фрагментов ДНК осуществляют следующим образом.The reconstruction of the information sequence of sequenced DNA from the observed delays during the polymerization of DNA fragments is carried out as follows.

После записи реализаций изменения проводимости по времени всех четырех растворов проводят сравнение реализаций путем выравнивания начала реализаций между собой и обнаружения моментов задержек в появлении сигналов изменения проводимости того или иного раствора. Указанные задержки (или же фазы отсутствия) изменения сигнала проводимости данного раствора будут указывать на наличие в данном месте в информационной последовательности секвенируемой ДНК того нуклеотида, концентрация которого существенно понижена по сравнению с остальными в данном растворе. Для повышения достоверности реконструкции ДНК-последовательности указанный опыт необходимо повторить с кратностью, пропорциональной требуемой степени достоверности результата секвенирования. При этом для анализа результатов могут быть использованы методы накопления и мажорирования сигналов, развитые в соответствующих разделах статистической радиофизики [5-6]. Кратность опытов, обеспечивающих ту же достоверность результата секвенирования ДНК, существенно снижается благодаря применению явления стохастического резонанса при регистрации фактов разделения зарядов, в частности, при измерении проводимости раствора каждой МДП-структурой. Таким образом, повышается производительность процедуры секвенирования ДНК при том же алгоритме секвенирования, что и в прототипе, за счет способа и устройства более точного (чем в прототипе) измерения интервалов времени между регистрируемыми фактами встраивания полимеразой ДНК комплементарных нуклеотидов, сопровождающимися разделением зарядов, в частности выбросом иона водорода в раствор.After recording the realizations of the change in the conductivity in time of all four solutions, they compare the realizations by aligning the beginning of the realizations with each other and detecting the delay times in the appearance of signals of changes in the conductivity of a particular solution. The indicated delays (or phases of absence) of a change in the conductivity signal of a given solution will indicate the presence in that place in the information sequence of the sequenced DNA of the nucleotide whose concentration is significantly reduced compared to the others in this solution. In order to increase the reliability of DNA sequence reconstruction, this experiment must be repeated with a ratio proportional to the required degree of reliability of the sequencing result. Moreover, to analyze the results, the methods of accumulation and majorization of signals developed in the corresponding sections of statistical radiophysics can be used [5-6]. The multiplicity of experiments providing the same reliability of the DNA sequencing result is significantly reduced due to the use of the phenomenon of stochastic resonance when registering the facts of charge separation, in particular, when measuring the conductivity of a solution by each MIS structure. Thus, the productivity of the DNA sequencing procedure is improved with the same sequencing algorithm as in the prototype, due to the method and device of more accurate (than in the prototype) measurement of time intervals between the recorded facts of DNA polymerase insertion of complementary nucleotides, accompanied by charge separation, in particular, release hydrogen ion in solution.

Устройство секвенированияSequencing device

Один из вариантов устройства для секвенирования ДНК (структурная схема сенсора приведена на фиг.4) содержит жидкостную систему, компьютерную систему обработки результатов секвенирования и систему детекции на основе МДП-диодов, чувствительных или к выбросам ионов водорода в раствор, или к увеличению количества электронов на полимеризируемом, иммобилизованном фрагменте ДНК. Система детекции может содержать четыре сенсора или содержать четыре планарные матрицы, на поверхности которых размещено от 1 до N сенсоров, и дополнительно содержит источник напряжения смещения и генератор шума. В качестве сенсора используют структуру с возможностью формирования режима стохастического резонанса, которая выполнена на основе МДП-диода, позволяющего обеспечить работу сенсора посередине участка бистабильности на его ВАХ за счет смещения рабочей точки МДП-диода, для чего один выход источника смещения подключен к катоду МДП-диода, а другой выход подключен к генератору шума. При этом анод МДП-диода является выходом сенсора и подключен к одному из N входов усилителя напряжения, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, связанного со входом компьютерной системы. МДП-диод состоит из многослойной конструкции, включающей соединенный с анодом первый металлический контакт, который размещен на нижнем слое p-Si, верхняя поверхность которого соединена с нижней поверхностью слоя n-Si, который в свою очередь защищен слоем диэлектрика, например, SiO2, на верхней поверхности которого образована рабочая зона для иммобилизации фрагментов ДНК и второй металлический слой, соединенный с катодом МДП-диода.One of the variants of the device for DNA sequencing (the block diagram of the sensor is shown in Fig. 4) contains a liquid system, a computer system for processing sequencing results, and a detection system based on MIS diodes that are sensitive either to the emission of hydrogen ions into the solution or to the increase in the number of electrons by polymerizable, immobilized DNA fragment. The detection system may contain four sensors or contain four planar arrays, on the surface of which are located from 1 to N sensors, and further comprises a bias voltage source and a noise generator. As a sensor, a structure is used with the possibility of forming a stochastic resonance mode, which is based on an MIS diode, which allows the sensor to work in the middle of the bistability section on its I – V characteristic due to the displacement of the operating point of the MIS diode, for which one output of the bias source is connected to the MIS cathode diode, and the other output is connected to a noise generator. The anode of the MIS diode is the output of the sensor and is connected to one of the N inputs of the voltage amplifier, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter connected to the input of the computer system. The MIS diode consists of a multilayer structure comprising a first metal contact connected to the anode, which is located on the lower p-Si layer, the upper surface of which is connected to the lower surface of the n-Si layer, which in turn is protected by a dielectric layer, for example, SiO 2 , on the upper surface of which a working zone is formed for the immobilization of DNA fragments and a second metal layer connected to the cathode of the MIS diode.

Другой вариант устройства для секвенирования ДНК (структурная схема сенсора приведена на фиг.5) содержит жидкостную систему, компьютерную систему обработки измеренных данных и получения результатов секвенирования и систему детекции на основе МДП-сенсоров, чувствительных к выбросам ионов водорода в раствор. Система детекции может содержать четыре сенсора или содержать четыре планарные матрицы, на поверхности которых размещено от 1 до N сенсоров, и дополнительно содержит источник напряжения смещения и генератор шума. При этом в качестве сенсора используют структуру с возможностью формирования режима стохастического резонанса, которая выполнена на основе МДП-диода, позволяющего обеспечить работу сенсора посередине участка бистабильности на его ВАХ за счет смещения рабочей точки МДП-диода, для чего один вывод источника смещения подключен к катоду устройства, а другой вывод подключен к генератору шума, при этом анод МДП-диода является выходом сенсора и подключен к одному из N входов усилителя тока, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, связанного со входом компьютерной системы, при этом МДП-диод состоит из многослойной конструкции, включающей соединенный с анодом первый металлический контакт, который размещен на нижнем слое p-Si, верхняя поверхность которого соединена с нижней поверхностью слоя n-Si, верхняя поверхность которого покрыта слоем диэлектрика, который выбирают из группы, состоящей из SiO2, нитрида кремния Si3N4, оксида тантала Ta2O5, алмазоподобной пленки, на верхней поверхности которого образована рабочая зона для иммобилизации фрагментов ДНК, или для формирования ячейки, в которой фрагменты ДНК могут быть не иммобилизованы.Another variant of the device for DNA sequencing (the block diagram of the sensor is shown in Fig. 5) contains a liquid system, a computer system for processing the measured data and obtaining sequencing results, and a detection system based on MIS sensors sensitive to the emission of hydrogen ions into the solution. The detection system may contain four sensors or contain four planar arrays, on the surface of which are located from 1 to N sensors, and further comprises a bias voltage source and a noise generator. In this case, a structure with the possibility of forming a stochastic resonance mode, which is based on an MIS diode, which allows the sensor to operate in the middle of the bistability section on its I – V characteristic due to the displacement of the operating point of the MIS diode, is used as a sensor, for which one output of the bias source is connected to the cathode devices, and the other output is connected to a noise generator, while the anode of the MOS diode is the output of the sensor and connected to one of the N inputs of the current amplifier, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital a generator connected to the input of the computer system, the MIS diode consists of a multilayer structure including a first metal contact connected to the anode, which is located on the lower p-Si layer, the upper surface of which is connected to the lower surface of the n-Si layer, the upper surface of which covered with a dielectric layer which is selected from the group consisting of SiO 2, silicon nitride Si 3 N 4, tantalum oxide Ta 2 O 5, a diamond film on the upper surface of which is formed a work area for the immobilization of DNA fragments Whether to form a cell in which DNA fragments can be immobilized.

Третий вариант устройства для секвенирования ДНК (структурная схема сенсора приведена на фиг. 7) содержит сенсоры в форме измерительных ячеек, изготовленных из диэлектрического материала, и имеющих два проводящих электрода. Сенсоры конструктивно имеют контакт с раствором для полимеризации ДНК и электронную схему, обладающую областью бистабильности на ВАХ. В зависимости от особенностей реализации электронной схемы, область бистабильности на ВАХ может быть симметричной относительно начала координат "напряжение-ток", при этом источник напряжения смещения может не использоваться. Кроме того, электронная схема, обладающая областью бистабильности на ВАХ, может быть конструктивно вынесена за пределы измерительной ячейки, изготовлена конструктивно в виде отдельного экранированного модуля и электрически соединена с электродами измерительной ячейки при помощи экранированных кабелей (см. фиг. 7). В этом варианте устройство для секвенирования ДНК, содержащее жидкостную систему, компьютерную систему обработки измеренных данных и получения результатов секвенирования и систему детекции на основе сенсоров, чувствительных к выбросам ионов водорода в раствор характеризуется тем, что система детекции содержит четыре сенсора и дополнительно содержит четыре электронных узла, а также источник напряжения смещения и генератор шума. В качестве сенсора используют измерительную ячейку, один из электродов которой подключен ко входу электронного узла, обладающего вольт-амперной характеристикой с областью бистабильности, с возможностью формирования режима стохастического резонанса. Выход электронного узла подключен ко входу усилителя, выход которого подключен к одному из входов аналого-цифрового преобразователя, связанного со входом компьютерной системы, при этом другой электрод ячейки через источник смещения подключен к генератору шума. The third variant of the device for DNA sequencing (the block diagram of the sensor is shown in Fig. 7) contains sensors in the form of measuring cells made of dielectric material and having two conductive electrodes. Sensors are structurally in contact with a solution for DNA polymerization and an electronic circuit having a bistability region on the I – V characteristic. Depending on the features of the implementation of the electronic circuit, the bistability region on the I – V characteristic may be symmetrical with respect to the origin of the voltage – current coordinates, and the bias voltage source may not be used. In addition, an electronic circuit having a bistability region on the I – V characteristic can be structurally removed from the measuring cell, constructed structurally as a separate shielded module, and electrically connected to the electrodes of the measuring cell using shielded cables (see Fig. 7). In this embodiment, a DNA sequencing device comprising a liquid system, a computer system for processing the measured data and obtaining sequencing results, and a detection system based on sensors sensitive to the emission of hydrogen ions into the solution is characterized in that the detection system contains four sensors and further comprises four electronic nodes as well as a bias voltage source and noise generator. A measuring cell is used as a sensor, one of the electrodes of which is connected to the input of an electronic unit having a current-voltage characteristic with a bistability region, with the possibility of forming a stochastic resonance mode. The output of the electronic unit is connected to the input of the amplifier, the output of which is connected to one of the inputs of the analog-to-digital converter connected to the input of the computer system, while the other cell electrode is connected to the noise generator through a bias source.

В зависимости от решаемых задач, в секвенаторе может применяться одна из двух модификаций сенсоров на МДП-диоде: сенсор потенциала (см. фиг. 4) или сенсор тока (см. фиг.5, фиг.6). Матричные сенсоры выполняют в секвенаторе съемными и взаимозаменяемыми. При этом в зависимости от модификации сенсора его выполняют или с технологически легко изготавливаемым слоем диэлектрика, например, окисла кремния [7], или используют модификацию сенсора со слоем диэлектрического алмазоподобного материала [8] в качестве диэлектрика. При применении первой модификации сенсора фрагменты ДНК не иммобилизуются на поверхности диэлектрика сенсора. Вторая модификация сенсоров применяется с иммобилизованными фрагментами ДНК на поверхности диэлектрика, т.к. из уровня техники известно [9], что чувствительность сенсора с алмазоподобным диэлектриком примерно в 30 раз выше чувствительности аналогичного сенсора с окислом кремния, к изменению величины отрицательного заряда на иммобилизованных фрагментах ДНК, находящихся в слое Дебая (двойной электрический слой). При этом увеличение отрицательного заряда фрагмента ДНК на один электрон происходит в результате каждого акта присоединения полимеразой ДНК комплементарного нуклеотида к одноцепочечному фрагменту ДНК в ходе его полимеризации (происходит разделение зарядов - ион водорода выделяется в раствор, а электрон фиксируется на фрагменте ДНК).Depending on the tasks to be solved, one of two modifications of the sensors on the MIS diode can be used in the sequencer: a potential sensor (see Fig. 4) or a current sensor (see Fig. 5, Fig.6). Matrix sensors in the sequencer are removable and interchangeable. Depending on the modification of the sensor, it is either performed with a technologically easy-made dielectric layer, for example, silicon oxide [7], or a sensor modification is used with a layer of dielectric diamond-like material [8] as a dielectric. When using the first sensor modification, DNA fragments are not immobilized on the surface of the sensor dielectric. The second modification of the sensors is used with immobilized DNA fragments on the surface of the dielectric, because it is known from the prior art [9] that the sensitivity of a sensor with a diamond-like dielectric is approximately 30 times higher than the sensitivity of a similar sensor with silicon oxide to a change in the negative charge on immobilized DNA fragments located in the Debye layer (double electric layer). In this case, an increase in the negative charge of a DNA fragment by one electron occurs as a result of each act of DNA polymerase addition of a complementary nucleotide to a single-stranded DNA fragment during its polymerization (charges are separated - a hydrogen ion is released into the solution, and the electron is fixed on the DNA fragment).

Полупроводниковые сенсоры идентичны по характеристикам и используются для детекции фактов разделения зарядов, в частности для детекции выделения ионов водорода в раствор при полимеризации ДНК. Сенсор представляет собой полупроводниковый прибор, изготовленный на основе подложки из кремния, например, p-типа. По одной из известных технологий (диффузии, сплавления, эпитаксии, ионного легирования, ионной имплантации или другой) [10] изготавливают p-n переход; p-n переходом называют область на границе двух полупроводников, обладающих различными типами проводимости, толщина p-n перехода имеет величину от 10 нм до 1 мкм, на который по одной из известных технологий [10] наносят диэлектрическую пленку, например, окисла кремния толщиной до 1 нм. Таким образом, сенсор представляет собой многослойную структуру, состоящую из технологически соединенных слоев кремния p-типа, кремния n-типа и окисла, в качестве которого может быть выбран или окисел кремния, или нитрид кремния Si3N4, или оксид тантала Ta2O5, или алмазоподобная пленка [11,12]. Далее, со стороны подложки и со стороны диэлектрического слоя одним из известных способов [10] наносят металлические электроды-контакты (золото, алюминий), как это показано на фиг.2, фиг.5, фиг.6. Для обеспечения защиты металлических контактов МДП-диода от действия раствора, на него, в области расположения контактов, наносится защитная пленка, например, из полимерного водостойкого материала.Semiconductor sensors are identical in characteristics and are used to detect the facts of charge separation, in particular for detecting the release of hydrogen ions into solution during DNA polymerization. The sensor is a semiconductor device made on the basis of a silicon substrate, for example, p-type. According to one of the known technologies (diffusion, fusion, epitaxy, ion doping, ion implantation or another) [10] make the pn junction; A pn junction is a region at the boundary of two semiconductors with different types of conductivity, the thickness of the pn junction is from 10 nm to 1 μm, on which one of the known technologies [10] applies a dielectric film, for example, silicon oxide up to 1 nm thick. Thus, the sensor is a multilayer structure consisting of technologically connected layers of p-type silicon, n-type silicon and oxide, which can be selected either as silicon oxide, or silicon nitride Si 3 N 4 , or tantalum oxide Ta 2 O 5 , or a diamond-like film [11,12]. Further, from the side of the substrate and from the side of the dielectric layer, metal contact electrodes (gold, aluminum) are applied using one of the known methods [10], as shown in FIG. 2, FIG. 5, FIG. 6. To protect the metal contacts of the MIS diode from the action of the solution, a protective film is applied to it, in the area of the contacts, for example, from a polymer waterproof material.

Для увеличения производительности процедуры секвенирования ДНК сенсоры объединяют в матрицы, в частности, в едином цикле последовательных технологических операций при изготовлении матрицы. Сенсоры функционируют независимо друг от друга, имея только общую схему подачи питающих токов и напряжений, общую коммутационную схему вывода полезного сигнала от каждого сенсора на внешние контакты матрицы. Пример матричной организации зарядочувствительных ячеек, в которых регистрируют выделение ионов водорода в раствор в результате встраивания комплементарного нуклеотида в одноцепочечный фрагмент ДНК, но делают это общепринятым способом измерения pH раствора, т.е. путем измерения концентрации ионов водорода в растворе потенциометрическим способом при помощи полевого транзистора, изготовленного по стандартной КМОП технологии, приведен в патенте США №8540865 [13].To increase the productivity of DNA sequencing, the sensors are combined into matrices, in particular, in a single cycle of sequential technological operations in the manufacture of the matrix. The sensors operate independently of each other, having only a common supply circuit for supplying currents and voltages, a common switching circuit for outputting a useful signal from each sensor to the external contacts of the matrix. An example of the matrix organization of charge-sensitive cells in which the release of hydrogen ions into a solution is recorded as a result of embedding a complementary nucleotide in a single-stranded DNA fragment, but this is done by a generally accepted method of measuring the pH of a solution, i.e. by measuring the concentration of hydrogen ions in a solution by a potentiometric method using a field effect transistor manufactured using standard CMOS technology, see US Pat. No. 8,540,865 [13].

Для выделения и регистрации слабого сигнала, получаемого для увеличения отношения сигнал/шум, используют явление стохастического резонанса. Из уровня техники известно, что стохастический резонанс реализуют в бистабильной полупроводниковой структуре при одновременном действии на нее напряжения шума и слабого сигнала. При этом на выходе бистабильной структуры происходит увеличение отношения сигнал/шум. Указанное явление наблюдается в различных системах биологической, физической, электронной природы и описано в литературе [14] и в патенте [15]. В частности, известно применение генератора шума в бистабильной полупроводниковой схеме для реализации стохастического резонанса в натурном радиотехническом эксперименте [16]. Применяемая для реализации явления стохастического резонанса полупроводниковая схема должна иметь область бистабильности по току на ВАХ, например такую, как показано на фиг.3а для МДП-диода.To isolate and register a weak signal obtained to increase the signal-to-noise ratio, the phenomenon of stochastic resonance is used. It is known from the prior art that stochastic resonance is realized in a bistable semiconductor structure with the simultaneous action of noise voltage and a weak signal. At the same time, an increase in the signal-to-noise ratio occurs at the output of the bistable structure. The indicated phenomenon is observed in various systems of biological, physical, electronic nature and is described in the literature [14] and in the patent [15]. In particular, it is known to use a noise generator in a bistable semiconductor circuit to implement stochastic resonance in a full-scale radio engineering experiment [16]. The semiconductor circuit used to implement the stochastic resonance phenomenon should have a current bistability region on the I – V characteristic, for example, as shown in FIG. 3a for an MIS diode.

В качестве бистабильной полупроводниковой структуры может быть применена, например, МДП-структура, описание которой приведено ниже. Для задания рабочего режима стохастического резонанса рабочая точка на ВАХ МДП-структуры должна размещаться посередине участка с бистабильностью. Указанное размещение рабочей точки осуществляется путем подачи на катод МДП-диода (имеющую ВАХ, как показано на фиг.3) постоянного отрицательного напряжения смещения от источника постоянного напряжения. Для обеспечения условия возникновения стохастического резонанса используется генератор напряжения шума, выполненный по одной из известных схем, например, [17-24], выходной сигнал которого преобразуется в аналоговый при помощи цифроаналогового преобразователя, включенный последовательно с МДП-диодом (фиг.4).As a bistable semiconductor structure, for example, an MIS structure can be used, which is described below. To set the operating mode of stochastic resonance, the operating point on the I – V characteristic of the MIS structure should be located in the middle of the region with bistability. The specified location of the operating point is carried out by applying to the cathode of the MOS diode (having a CVC, as shown in figure 3) a constant negative bias voltage from a constant voltage source. To ensure the occurrence of stochastic resonance, a noise voltage generator is used, made according to one of the well-known schemes, for example, [17-24], the output signal of which is converted to analog using a digital-to-analog converter, connected in series with the MIS diode (Fig. 4).

Генератор напряжения шума может быть представлен внешним устройством или же может быть изготовлен по известной интегральной технологии, например, КМОП, при производстве МДП-структуры, в ее составе.The noise voltage generator can be represented by an external device, or it can be manufactured using well-known integrated technology, for example, CMOS, in the production of an MIS structure, in its composition.

Механизм возникновения токовой бистабильности в МДП-диоде на кремниевой подложке (в подложку из кремния p-типа локально имплантируют n-область, получая диодную структуру с p-n переходом) состоит в возникновении специфической положительной обратной связи между потоками дырок и электронов, текущих через структуру диода, образованного p-n переходом и диэлектрическим слоем. Отметим, что в общем, указанный механизм близок к таковому в тиристоре (динисторе), или в триггере на двух биполярных транзисторах [4, 24-25].The mechanism of the occurrence of current bistability in an MIS diode on a silicon substrate (an n-region is locally implanted in a p-type silicon substrate, producing a diode structure with a pn junction) consists in the appearance of a specific positive feedback between the fluxes of holes and electrons flowing through the structure of the diode, formed by the pn junction and the dielectric layer. Note that, in general, this mechanism is close to that in the thyristor (dynistor), or in the trigger on two bipolar transistors [4, 24-25].

При подаче на электрод (катод) МДП-диода некоторого напряжения относительно анода, из материала (металла) полевого электрода начинается процесс токопереноса (электронный ток) через тонкий диэлектрический слой. Отметим, что к одному из наиболее распространенных механизмов такого токопереноса относят туннелирование электронов [26] (что возможно при достаточно малой толщине диэлектрика, обычно порядка сотен ангстрем). Однако конкретный вид механизма токопереноса не оказывает значительного влияния на возникновение положительной обратной связи по току носителей заряда [27].When a voltage is applied to the electrode (cathode) of the MIS diode relative to the anode, the process of current transfer (electron current) through a thin dielectric layer begins from the material (metal) of the field electrode. Note that one of the most common mechanisms of such current transport is electron tunneling [26] (which is possible with a sufficiently small thickness of the dielectric, usually of the order of hundreds of angstroms). However, the specific form of the current transport mechanism does not significantly affect the occurrence of positive feedback on the current of charge carriers [27].

Электроны, пройдя через диэлектрический слой, смещают потенциальный барьер встроенного в подложку p-n перехода, а сам p-n переход оказывается смещенным в прямом направлении. В результате уменьшения потенциального барьера из p-слоя начинается эмиссия дырок, что еще больше открывает p-n переход. Дырки, частично рекомбинировав в n-слое, накапливаются на границе раздела «полупроводник n-типа - диэлектрик», в результате чего увеличивается падение напряжения на диэлектрике. В свою очередь, указанное падение напряжения на диэлектрике еще больше увеличивает эмиссию электронов из металла катода в диэлектрик. Таким образом, в МДП-диоде реализуется положительная обратная связь по току. В пределе, при малом значении сопротивления внешней цепи, происходит инверсия проводимости в подложке, и вся структура МДП-диода лавинообразно переключается в состояние с низким внутренним сопротивлением (иначе говоря, в МДП-диоде реализуется режим обратимого пробоя). При уменьшении напряжение на МДП-диоде происходит постепенное уменьшение эмиссии носителей из катода, что приводит к переходу МДП-диода в состояние с низкой проводимостью (обратное переключение).Electrons passing through the dielectric layer displace the potential barrier of the pn junction embedded in the substrate, and the pn junction itself is biased in the forward direction. As a result of a decrease in the potential barrier from the p-layer, hole emission begins, which further opens the p-n junction. Holes, having partially recombined in the n-layer, accumulate at the “n-type semiconductor – dielectric” interface, as a result of which the voltage drop across the dielectric increases. In turn, the indicated voltage drop across the dielectric further increases the emission of electrons from the cathode metal to the dielectric. Thus, a positive current feedback is realized in the MIS diode. In the limit, for a small value of the external circuit resistance, the conductivity is inverted in the substrate, and the entire structure of the MIS diode switches like an avalanche to a state with low internal resistance (in other words, the reversible breakdown mode is implemented in the MIS diode). With a decrease in the voltage on the MIS diode, a gradual decrease in the emission of carriers from the cathode occurs, which leads to the transition of the MIS diode to a state with low conductivity (reverse switching).

Указанные процессы приводят к формированию области отрицательной дифференциальной проводимости на ВАХ МДП-диода. Указанная область соответствует участку с бистабильностью, который может быть использован для реализации режима стохастического резонанса в МДП-диоде.These processes lead to the formation of a region of negative differential conductivity on the I – V characteristic of an MIS diode. The indicated region corresponds to the bistability region, which can be used to implement the stochastic resonance mode in an MIS diode.

Для реализации режима стохастического резонанса, во-первых, обеспечивают режим МДП-диода по постоянному току, для чего на катод МДП-диода (см. схему на фиг.4) подают постоянное напряжение смещения. Его величину выбирают такой, чтобы падение напряжения на МДП-диоде соответствовало середине участка с бистабильностью на ВАХ МДП-диода. Во-вторых, к МДП-диоду прилагают напряжение шума со средней амплитудой, равной ширине участка бистабильности на ВАХ МДП-диода. Напряжение смещения и напряжение шума суммируют со слабым усиливаемым сигналом, который формируется МДП-структурой чувствительной, в зависимости от конструкции, или к ионам водорода в растворе, или к электронам на полимеризируемом, иммобилизованном фрагменте ДНК.To implement the stochastic resonance mode, firstly, they provide the MIS diode mode for direct current, for which a constant bias voltage is applied to the cathode of the MIS diode (see diagram in Fig. 4). Its value is chosen such that the voltage drop across the MIS diode corresponds to the middle of the section with bistability on the I – V characteristic of the MIS diode. Secondly, a noise voltage with an average amplitude equal to the width of the bistability section on the I – V characteristic of the MIS diode is applied to the MIS diode. The bias voltage and the noise voltage are summed with a weak amplified signal, which is formed by the MIS structure sensitive, depending on the design, either to hydrogen ions in solution or to electrons on a polymerized, immobilized DNA fragment.

Введение слабого сигнала может осуществляться в виде сигнала тока или напряжения. В первом случае, малое изменение потенциала (напряжения) будет происходить в рабочем растворе, соприкасающемся непосредственно со слоем диэлектрика МДП-структуры, в результате появления свободного иона водорода (см. структуру МДП-диода на фиг.4).The introduction of a weak signal can be in the form of a current or voltage signal. In the first case, a small change in potential (voltage) will occur in the working solution in direct contact with the dielectric layer of the MIS structure, as a result of the appearance of a free hydrogen ion (see the structure of the MIS diode in Fig. 4).

Во втором случае, схема будет реагировать на малые изменения тока проводимости раствора при реакции полимеризации фрагмента ДНК, и в этом случае МДП-диод должен быть включен последовательно с измерительной ячейкой, в которой проводится эта реакция (см. структуру МДП-диода на фиг.5 и фиг.6).In the second case, the circuit will respond to small changes in the conductivity current of the solution during the polymerization of the DNA fragment, in which case the MIS diode must be connected in series with the measuring cell in which this reaction is carried out (see the structure of the MIS diode in Fig. 5 and FIG. 6).

Конструкции МДП-диода на фиг.5 и фиг.6 отличаются тем, что для обеспечения защиты тонкого слоя диэлектрика от разрушения, его покрывают слоем металла или механически прочным слоем алмазоподобного материала (фиг.5), последний материал может быть нанесен непосредственно на слой n-Si (вместо SiO2), что делает сенсор более технологически сложным, но дает возможность применять такой сенсор многократно.The designs of the MIS diode in Fig. 5 and Fig. 6 are characterized in that in order to protect the thin layer of the dielectric from destruction, it is covered with a metal layer or a mechanically strong layer of diamond-like material (Fig. 5), the latter material can be applied directly to the layer n -Si (instead of SiO 2 ), which makes the sensor more technologically sophisticated, but makes it possible to use such a sensor repeatedly.

Из уровня науки и техники известно применение кремниевых структур "металл-диэлектрик-полупроводник" с бистабильной ВАХ в качестве устройств функциональной электроники, таких как элементы памяти - триггеры, управляемые напряжением генераторы, оптические сенсоры [17-18, 28-31]. Однако применение таких структур для построения узлов секвенаторов ДНК не было обнаружено.From the level of science and technology, it is known to use silicon metal-insulator-semiconductor structures with bistable I – V characteristics as functional electronics devices, such as memory elements — triggers, voltage-controlled oscillators, optical sensors [17-18, 28-31]. However, the use of such structures for constructing DNA sequencer nodes was not found.

Рассмотрим динамику поведения тока через МДП-диод в случае отсутствия или наличия слабого сигнала. В случае отсутствия слабого сигнала, под действием напряжения шума, приложенного к МДП-диоду, будет происходить непрерывное переключение МДП-диода между состояниями с низкой и высокой проводимостью на области бистабильности ВАХ. Указанное переключение будет иметь случайный характер (оба состояния будут равновероятны), а средний ток через диод будет соответствовать величине тока в середине области бистабильности.Consider the dynamics of the behavior of the current through the MIS diode in the absence or presence of a weak signal. In the absence of a weak signal, under the influence of the noise voltage applied to the MIS diode, the MIS diode will continuously switch between states with low and high conductivity in the bistability region of the I – V characteristic. The indicated switching will be random (both states will be equally probable), and the average current through the diode will correspond to the current in the middle of the bistability region.

В случае действия в схеме слабого усиливаемого сигнала статистика переключений будет меняться, в результате чего МДП-диод будет пребывать преимущественно в том состоянии, которое совпадает с направлением изменения слабого сигнала (т.е. если, например, слабый сигнал уменьшается по модулю, то преимущественным будет состояние с низкой проводимостью МДП-диода, и наоборот).If the weak amplified signal acts in the circuit, the switching statistics will change, as a result of which the MIS diode will remain mainly in the state that coincides with the direction of change of the weak signal (i.e., if, for example, a weak signal decreases in absolute value, then there will be a state with low conductivity of the MIS diode, and vice versa).

Соответствующие изменения тока во внешней цепи МДП-диода могут быть усилены преобразователем «ток-напряжение», а затем подвергнуты фильтрации для выделения огибающей, соответствующей изменению слабого сигнала от выделения ионов водорода в процессе реакции полимеризации фрагмента ДНК. Процесс фильтрации при этом может быть реализован аналоговым образом, например, с помощью пассивных или активных фильтров, либо в цифровом виде после выполнения оцифровки сигнала в АЦП. Усиленный и отфильтрованный сигнал будет содержать информацию о динамике выделения ионов водорода в ходе реакции полимеризации фрагмента ДНК, что можно использовать для измерения временных интервалов между отдельными актами присоединения комплементарных нуклеотидов.Corresponding current changes in the external circuit of the MIS diode can be amplified by a current-voltage converter, and then filtered to isolate the envelope corresponding to a change in the weak signal from the release of hydrogen ions during the polymerization reaction of the DNA fragment. The filtering process can be implemented in an analog way, for example, using passive or active filters, or in digital form after digitizing the signal in the ADC. The amplified and filtered signal will contain information on the dynamics of the release of hydrogen ions during the polymerization of the DNA fragment, which can be used to measure the time intervals between individual acts of addition of complementary nucleotides.

Для оценки возможности повышения величины соотношения сигнал/шум на основе применения электронной схемы, разработанной в соответствии с устройством для обнаружения момента присоединения нуклеотида к растущей цепи ДНК согласно заявляемому изобретению, было выполнено компьютерное моделирование.To assess the possibility of increasing the signal-to-noise ratio based on the use of an electronic circuit developed in accordance with a device for detecting the moment of attachment of a nucleotide to a growing DNA chain according to the claimed invention, computer simulation was performed.

Для моделирования программная модель учитывала суммарное воздействие входного сигнала от сенсора, сигнала шума и особенности их взаимовлияния с учетом бистабильной характеристики ВАХ электронной схемы (фиг.3б). Для ВАХ электронной схемы, изображенной на фиг.3б, напряжение смещения имеет положительную полярность. На модели этот процесс показан в упрощенном виде: во входной сигнал без шума, но малой амплитуды, добавляется шум с диапазоном напряжений шумовых флуктуаций, равным величине области бистабильности; при этом выходной сигнал получается в виде, аналогичном тому, который будет присутствовать на входе реального устройства. Были проверены различные соотношения уровней сигналов друг относительно друга и выявлено, что даже при соотношении сигнал/шум, равном 1/10, на выходе электронной схемы, работающей в режиме стохастического резонанса, присутствует сигнал с отношением сигнал/шум более единицы.For modeling, the program model took into account the total impact of the input signal from the sensor, the noise signal and the features of their mutual influence, taking into account the bistable characteristics of the I-V characteristic of the electronic circuit (Fig.3b). For the I – V characteristic of the electronic circuit shown in FIG. 3b, the bias voltage has a positive polarity. On the model, this process is shown in a simplified form: noise with a voltage range of noise fluctuations equal to the value of the bistability region is added to the input signal without noise, but of small amplitude; the output signal is obtained in a form similar to that which will be present at the input of the real device. Various ratios of signal levels relative to each other were checked and it was found that even with a signal to noise ratio of 1/10, a signal with a signal-to-noise ratio of more than one is present at the output of an electronic circuit operating in stochastic resonance mode.

На фиг.8 изображены три графика сигналов, полученных в ходе моделирования электронной схемы. Верхний график представляет модель входного сигнала (последовательность трапециевидных импульсов) амплитудой 100 мВ. На среднем графике изображена сумма входного сигнала и шума, которые подаются на вход схемы с бистабильным участком на ВАХ, реализующей явление стохастического резонанса. На нижнем графике представлен выходной сигнал.On Fig depicts three graphs of the signals obtained during the simulation of the electronic circuit. The upper graph represents the model of the input signal (a sequence of trapezoidal pulses) with an amplitude of 100 mV. The average graph shows the sum of the input signal and noise, which are fed to the input of the circuit with a bistable section on the I – V characteristic, which realizes the phenomenon of stochastic resonance. The bottom graph shows the output signal.

Как можно видеть, выходной сигнал на нижнем графике фиг.8 содержит полезный сигнал, что соответствует усилению отношения сигнал/шум, т.к. среднее напряжение шума, приложенное к бистабильной структуре было равно 1,0 В. На среднем графике амплитуду суммы входного сигнала и шума можно оценить величиной немного большей, чем 1 В, т.е. шум превышает полезный сигнал (100 мВ) на порядок, и тем не менее на выходе появляется полезный сигнал.As you can see, the output signal in the lower graph of Fig. 8 contains a useful signal, which corresponds to the amplification of the signal-to-noise ratio, since the average noise voltage applied to the bistable structure was 1.0 V. On the average graph, the amplitude of the sum of the input signal and the noise can be estimated as slightly larger than 1 V, i.e. noise exceeds the useful signal (100 mV) by an order of magnitude, and nevertheless, the useful signal appears at the output.

На изготовленном устройстве выходной сигнал с сенсора представляет собой зашумленный сигнал с отношением сигнал/шум не более чем 1/10, далее добавляется шум с диапазоном средних значения напряжения шумовых флуктуаций, равного величине области бистабильности, и на выходе, после фильтрации, получают полезный сигнал.On the manufactured device, the output signal from the sensor is a noisy signal with a signal-to-noise ratio of no more than 1/10, then noise is added with a range of average voltage values of noise fluctuations equal to the value of the bistability region, and after filtering, a useful signal is obtained.

Принципиально важным является то, что на выходе схемы стохастического резонанса присутствует сигнал с отношением сигнал/шум более единицы, который далее подают на аналоговые фильтры для выделения информативной части сигнала, а затем - на АЦП и на вход компьютерной системы.It is fundamentally important that at the output of the stochastic resonance circuit there is a signal with a signal-to-noise ratio of more than unity, which is then fed to analog filters to isolate the informative part of the signal, and then to the ADC and to the input of the computer system.

ЛитератураLiterature

1. Rothberg J. et al. Method and apparatus for measuring analytes using large scale FET arrays. US patent №8470164 (06.25.2013).1. Rothberg J. et al. Method and apparatus for measuring analytes using large scale FET arrays. US patent No. 8470164 (06.25.2013).

2. Allen M. Method and apparatus for DNA sequencing using a local sensitive force detector. №6280939 (28.08.2001).2. Allen M. Method and apparatus for DNA sequencing using a local sensitive force detector. No. 6280939 (08.28.2001).

3. Юдаков М.А. и др. Способ секвенирования ДНК. Евразийская заявка №201001513 (30.04.2012).3. Yudakov M.A. et al. DNA sequencing method. Eurasian application No.201001513 (04.30.2012).

4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1973. - 656 с.4. Zi S. Physics of semiconductor devices. - M.: Energy, 1973. - 656 p.

5. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Ч.1. Случайные процессы. - М.: Наука, 1976.5. Rytov S.M. Introduction to statistical radiophysics. Part 1. Random processes. - M.: Science, 1976.

6. Шиховцев И.В., Якубов В.П. Статистическая радиофизика. Курс лекций / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2011. 157 с.6. Shikhovtsev I.V., Yakubov V.P. Statistical Radiophysics. Course of lectures / Novosib. state un-t Novosibirsk, 2011.157 s.

7. Способ получения пленки окисла кремния SiO2. Патент РФ №2372688. http://www.findpatent.ru/patent/237/2372688.html. Christoph E Nebel1, Bohuslav Rezek2, Dongchan Shin1, Hiroshi Uetsuka1 and Nianjun Yang Diamond for bio-sensor applications //J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 6443-6466 doi:10.1088/0022-3727/40/20/S21.7. A method of obtaining a film of silicon oxide SiO 2 . RF patent No. 2372688. http://www.findpatent.ru/patent/237/2372688.html. Christoph E Nebel1, Bohuslav Rezek2, Dongchan Shin1, Hiroshi Uetsuka1 and Nianjun Yang Diamond for bio-sensor applications // J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 6443-6466 doi: 10.1088 / 0022-3727 / 40/20 / S21.

8. Christoph E Nebel1, Bohuslav Rezek2, Dongchan Shin1, Hiroshi Uetsuka1 and Nianjun Yang Diamond for bio-sensor applications // J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 6443-6466 doi:10.1088/0022-3727/40/20/S21.8. Christoph E Nebel1, Bohuslav Rezek2, Dongchan Shin1, Hiroshi Uetsuka1 and Nianjun Yang Diamond for bio-sensor applications // J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 6443-6466 doi: 10.1088 / 0022-3727 / 40/20 / S21.

9. Kawarada H. and Ruslinda A.R. Diamond electrolyte solution gate FETs for DNA and protein sensors using DNA/RNA aptamers // Phys. Status Solidi A 208, No. 9, 2005-2016 (2011) /DOI 10.1002/pssa.201100503.9. Kawarada H. and Ruslinda A.R. Diamond electrolyte solution gate FETs for DNA and protein sensors using DNA / RNA aptamers // Phys. Status Solidi A 208, No. 9, 2005-2016 (2011) / DOI 10.1002 / pssa.201100503.

10. Пирс К.И. др. Технология СБИС: В 2-х кн. Под редакцией С.Зи. Перевод с английского. - М.: Мир: Редакция литературы по новой технике, 1986.10. Pierce K.I. other VLSI technology: In 2 books. Edited by S.Z. Translation from English. - M .: World: Edition of literature on new technology, 1986.

11. Цыганов Д.Л. Осаждение углеродных и алмазоподобных пленок при помощи плазменных струй. Диссертация на соискание кандидата технических наук. 2005. http://www.dissercat.com/content/osazhdenie-uglerodnykh-i-almazopodobnykh-plenok-pri-pomoshchi-plazmennykh-strui.11. Tsyganov D.L. Precipitation of carbon and diamond-like films using plasma jets. The dissertation for the candidate of technical sciences. 2005. http://www.dissercat.com/content/osazhdenie-uglerodnykh-i-almazopodobnykh-plenok-pri-pomoshchi-plazmennykh-strui.

12. Гальваническая технология получения углеродных наноструктурированных пленок. НПЦ «Квадра», г.Москва, http://npckvadra.ru/wp-content/uploads/2013/04/galv_tehn.pdf.12. Galvanic technology for producing carbon nanostructured films. SPC “Quadra - Power Generation”, Moscow, http://npckvadra.ru/wp-content/uploads/2013/04/galv_tehn.pdf.

13. Rothberg J. et al. Патент США №8540865 В2 от. «Method and apparatus for detecting molecular interactions using FET arrays US patent №8540865 (24.09.2013).13. Rothberg J. et al. US patent No. 8540865 B2 from. "Method and apparatus for detecting molecular interactions using FET arrays US patent No. 8540865 (09.24.2013).

14. Анищенко В.С. Стохастический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения степени порядка / Обзоры актуальных проблем / В.С. Анищенко, А.Б. Нейман, Ф. Мосс, Л. Шиманский-Гайер // Успехи физических наук. - 15/01/1999. - T. 169, N 1. - 7-38.14. Anischenko V.S. Stochastic resonance as a noise-induced effect of increasing the degree of order / Surveys of current problems / V.S. Anishchenko, A.B. Neumann, F. Moss, L. Shimansky-Gayer // Advances in Physical Sciences. - 01/15/1999. - T. 169, N 1. - 7-38.

15. PENG R., CHEN H. Optimized Stochastic Resonance Signal Detection Method US patent №8214177 - (03.07.2012).15. PENG R., CHEN H. Optimized Stochastic Resonance Signal Detection Method US patent No. 8214177 - (03.07.2012).

16. Fauve S., Heslot F. Stochastic resonance in a bistable system. Physics Lett. A 97 (1-2). - 1983. p. 5-7.16. Fauve S., Heslot F. Stochastic resonance in a bistable system. Physics Lett. A 97 (1-2). - 1983. p. 5-7.

17. Ильченко Г.П., Жужа М.А., Яманов И.Л. Функциональные полупроводниковые приборы на основе поверхностно-барьерной неустойчивости тока // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Таганрог. 1995. С. 68.17. Ilchenko G.P., Zhuzh M.A., Yamanov I.L. Functional semiconductor devices based on surface-barrier current instability // Actual problems of solid-state electronics and microelectronics. Taganrog. 1995.S. 68.

18. Сагитов Р.Г., Селезнев В.Н. Бистабильные структуры "металл-изолятор с утечкой - полупроводник" в кн. Электронные процессы в многослойных запоминающих структурах. (Труды ФИАН. т. 184). - М.: Наука. 1987. с.3-23.18. Sagitov R.G., Seleznev V.N. Bistable structures "leakage metal-insulator - semiconductor" in the book. Electronic processes in multilayer storage structures. (Proceedings of the LPI. T. 184). - M .: Science. 1987.S. 3-23.

19. Ярмолик В.Н. и др. Генератор псевдослучайных последовательностей импульсов Авторское свидетельство СССР №978147 (30.11.1982).19. Yarmolik V.N. et al. Generator of pseudorandom sequences of pulses Copyright certificate of the USSR No. 978147 (11.30.1982).

20. Кадиев П.А. и др. ГЕНЕРАТОР ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ИМПУЛЬСОВ НА ОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ С ПРОГРАММНО МЕНЯЮЩЕЙСЯ СТРУКТУРОЙ. Патент РФ №2331915 (20.08.2008).20. Kadiev P.A. and others. Pseudorandom sequence of pulses on a homogeneous medium with a software-changing structure. RF patent No. 2331915 (08.20.2008).

21. Авраменко В.С. и др. ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ. Патент РФ №2313125 (20.12.2007).21. Avramenko V.S. and others. RANDOM SEQUENCE GENERATOR. RF patent No. 2313125 (12.20.2007).

22. Малышев И.И. и др. ФОРМИРОВАТЕЛЬ М-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ. Патент РФ №2419224 (20.05.2011).22. Malyshev I.I. and other M-SEQUENCES FORMER. RF patent No. 2419224 (05.20.2011).

23. Тетерич Н.М. Генераторы шума и измерение шумовых характеристик, изд.2, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1968.23. Teterich N.M. Noise generators and noise measurement, ed. 2, revised. and add. - M.: Energy, 1968.

24. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 3-е. - М.: Энергия, 1973. - 608 с.24. Stepanenko I.P. Fundamentals of the theory of transistors and transistor circuits. Ed. 3rd - M .: Energy, 1973. - 608 p.

25. Блихер А. Физика тиристоров: Пер. с англ.: Под ред. И.В. Грехова. - Л.: Энергоиздат, 1981.25. Bliher A. Physics of thyristors: Per. from English: Ed. I.V. Grekhov. - L .: Energoizdat, 1981.

26. Habib S.E., Simmons J.G. Theory of switching in p-n-insulator (tunnel)-metal devices. PI.-Solid State Electron., 1979, v.22, p.181-192.26. Habib S.E., Simmons J.G. Theory of switching in p-n-insulator (tunnel) -metal devices. PI.-Solid State Electron., 1979, v. 22, p. 181-192.

27. Фомичева О.Ф., Григорьева В.А., Свердлова А.М. Эффекты переключения в слоистых структурах на основе кремния // Электронная техника. сер. Материалы, вып.9(182), 1983, с.19-25.27. Fomicheva O.F., Grigoryeva V.A., Sverdlova A.M. Switching effects in silicon-based layered structures // Electronic Technology. ser. Materials, issue 9 (182), 1983, pp. 19-25.

28. Федоренко Я.Г. Динамические характеристики кремниевых МДП-структур с p-n переходом в подложке: дисс. к.ф.-м.н., спец. 01.04.10, Саратов, 1998. - 156 с.28. Fedorenko Ya.G. Dynamic characteristics of silicon MIS structures with a pn junction in the substrate: diss. Candidate of Physical and Mathematical Sciences, special 04/01/10, Saratov, 1998 .-- 156 p.

29. Мантуров А.О. Математическое моделирование нелинейных эффектов в мультистабильных полупроводниковых системах: дисс. к.ф.-м.н., спец. 05.13.18, Саратов, 2001. - 162 с.29. Manturov A.O. Mathematical modeling of nonlinear effects in multistable semiconductor systems: Diss. Candidate of Physical and Mathematical Sciences, special 05.13.18, Saratov, 2001 .-- 162 p.

30. Муравский Б.С., Яманов И.Л. Неравновесные электронные процессы в слоистых структурах с поверхностно-барьерным переходом // ФТП, 1987, т.21, в.5, с.961.30. Muravsky B.S., Yamanov I.L. Nonequilibrium electronic processes in layered structures with a surface-barrier transition // FTP, 1987, v.21, v.5, s.961.

31. Карева Г.Г., Векслер М.И. Электрофизические явления в структуре металл/наноокисел/p+ -кремний при трансформации ее в резонансно-туннельный диод: - Физика и техника полупроводников, 2013, том 47, вып. 8, с.1087-109331. Kareva G.G., Veksler M.I. Electrophysical phenomena in the structure of a metal / nano-oxide / p +-silicon during its transformation into a resonant tunneling diode: - Physics and Technology of Semiconductors, 2013, Volume 47, no. 8, p. 1087-1093

Claims (4)

1. Способ секвенирования ДНК, включающий:
А) обеспечение устройства, содержащего жидкостную систему, компьютерную систему обработки детектируемых сигналов и получения результатов секвенирования и систему детекции на основе четырех сенсоров, где на рабочей поверхности каждого сенсора иммобилизуют множество фрагментов ДНК, или обеспечивают наличие фрагментов ДНК в растворе, при этом в качестве сенсора используют МДП-диод, чувствительный к ионам водорода в растворе, при этом копии секвенируемых фрагментов ДНК помещают в четыре раствора, каждый из которых характеризуется пониженной концентрацией одного из видов нуклеотидов, по сравнению с остальными тремя видами нуклеотидов, таким образом, что каждый вид нуклеотидов имеет пониженную концентрацию только в одном растворе, подаваемом на соответствующий сенсор;
Б) введение полимеразы ДНК в контакт с секвенируемыми фрагментами ДНК;
В) измерение момента присоединения полимеразой ДНК нуклеотида к растущей цепи ДНК за счет получения сигнала от каждого сенсора, регистрирующего сигнал от появления ионов водорода в растворе, в режиме стохастического резонанса, который обеспечивают выбором рабочей точки МДП-диода посередине участка бистабильности при дополнительном воздействии сигнала шума на сигнал сенсора;
Г) получение четырех сигналов, по одному сигналу с выходов усилителей каждого из четырех сенсоров, и проведение обработки данных с помощью компьютера для определения интервала времени перед встраиванием каждого нуклеотида в молекулу ДНК, при этом по наличию большего интервала времени делают вывод о присоединении нуклеотида с пониженной концентрацией в растворе и определяют расположение данного нуклеотида в секвенируемой ДНК, при этом последовательность нуклеотидов в секвенируемой ДНК восстанавливают путем совмещения полученных данных о расположении нуклеотидов с пониженной концентрацией в каждом из четырех растворов.1. The method of DNA sequencing, including:
A) providing a device containing a liquid system, a computer system for processing the detected signals and obtaining sequencing results and a detection system based on four sensors, where many DNA fragments are immobilized on the working surface of each sensor, or DNA fragments are present in the solution, while as a sensor use an MIS diode sensitive to hydrogen ions in solution, while copies of sequenced DNA fragments are placed in four solutions, each of which is characterized by a lower the actual concentration of one of the types of nucleotides, compared with the other three types of nucleotides, so that each type of nucleotides has a reduced concentration in only one solution supplied to the corresponding sensor;
B) the introduction of DNA polymerase in contact with sequenced DNA fragments;
C) measuring the moment of attachment of the nucleotide DNA polymerase to the growing DNA chain by receiving a signal from each sensor detecting the signal from the appearance of hydrogen ions in solution in the stochastic resonance mode, which provides the choice of the operating point of the MIS diode in the middle of the bistability region with an additional noise signal to the sensor signal;
D) receiving four signals, one signal from the outputs of the amplifiers of each of the four sensors, and processing the data using a computer to determine the time interval before each nucleotide is inserted into the DNA molecule, and, by the presence of a longer time interval, it is concluded that the nucleotide is attached with a reduced concentration in the solution and determine the location of the nucleotide in the sequenced DNA, while the sequence of nucleotides in the sequenced DNA is restored by combining the obtained data s arrangement of nucleotides having a reduced concentration in each of the four solutions. 2. Устройство для секвенирования ДНК, содержащее жидкостную систему, компьютерную систему обработки измеренных данных и получения результатов секвенирования, систему детекции на основе МДП-сенсоров, чувствительных к выбросам ионов водорода в раствор, характеризующееся тем, что система детекции содержит четыре сенсора и дополнительно содержит источник напряжения смещения и генератор шума, при этом в качестве сенсора используют структуру с возможностью формирования режима стохастического резонанса, которая выполнена на основе МДП-диода, позволяющего обеспечить работу сенсора посередине участка бистабильности на его ВАХ за счет смещения рабочей точки МДП-диода, для чего один вывод источника смещения подключен к катоду сенсора, а другой вывод подключен к генератору шума, при этом анод МДП-диода является выходом сенсора и подключен ко входу усилителя напряжения, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, связанного со входом компьютерной системы, где МДП-диод состоит из многослойной конструкции, включающей соединенный с анодом первый металлический контакт, который размещен на нижнем слое p-Si, верхняя поверхность которого соединена с нижней поверхностью слоя n-Si, который, в свою очередь, защищен слоем SiO2, на верхней поверхности которого образована рабочая зона или для иммобилизации фрагментов ДНК, или для формирования ячейки, в которой фрагменты ДНК могут быть не иммобилизованы, и второй металлический слой, соединенный с катодом МДП-диода.2. A device for DNA sequencing, containing a liquid system, a computer system for processing the measured data and obtaining sequencing results, a detection system based on MIS sensors sensitive to the emission of hydrogen ions into a solution, characterized in that the detection system contains four sensors and further comprises a source bias voltage and a noise generator, while a sensor using a structure with the possibility of forming a stochastic resonance mode, which is based on MIS-dio a, which makes it possible to ensure the operation of the sensor in the middle of the bistability region on its I – V characteristic due to the displacement of the working point of the MIS diode, for which one output of the bias source is connected to the sensor cathode, and the other output is connected to the noise generator, while the anode of the MIS diode is the output of the sensor and connected to the input of a voltage amplifier, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter connected to the input of a computer system, where the MIS diode consists of a multilayer structure including a first metal connected to the anode esky contact, which is arranged on the lower layer p-Si, the upper surface of which is connected to the lower surface of the layer of n-Si, which is in turn protected by a layer of SiO 2 on the upper surface of which is formed a work area or to immobilize DNA fragments or forming a cell in which DNA fragments may not be immobilized, and a second metal layer connected to the cathode of the MIS diode. 3. Устройство для секвенирования ДНК, содержащее жидкостную систему, компьютерную систему обработки измеренных данных и получения результатов секвенирования и систему детекции на основе МДП-сенсоров, чувствительных к выбросам ионов водорода в раствор, характеризующееся тем, что система детекции содержит четыре сенсора и дополнительно содержит источник напряжения смещения и генератор шума, где в качестве сенсора используют структуру с возможностью формирования режима стохастического резонанса, которая выполнена на основе МДП-диода, позволяющего обеспечить работу сенсора посередине участка бистабильности на его ВАХ за счет смещения рабочей точки МДП-диода, для чего один вывод источника смещения подключен к катоду устройства, а другой вывод подключен к генератору шума, при этом анод МДП-диода является выходом сенсора и подключен ко входу усилителя тока, выход которого подключен к одному из входов аналого-цифрового преобразователя, связанного со входом компьютерной системы, при этом МДП-диод состоит из многослойной конструкции, включающей соединенный с анодом первый металлический контакт, который размещен на нижнем слое p-Si, верхняя поверхность которого соединена с нижней поверхностью слоя n-Si, верхняя поверхность которого покрыта слоем диэлектрика, который выбирают из группы, состоящей из SiO2, нитрида кремния Si3N4, оксида тантала Ta2O5, алмазоподобной пленки, на верхней поверхности которого образована рабочая зона для иммобилизации фрагментов ДНК, или для формирования ячейки, в которой фрагменты ДНК могут быть не иммобилизованы.3. A device for DNA sequencing containing a liquid system, a computer system for processing the measured data and obtaining sequencing results, and a detection system based on MIS sensors sensitive to the emission of hydrogen ions into a solution, characterized in that the detection system contains four sensors and further comprises a source bias voltage and a noise generator, where a structure with the possibility of forming a stochastic resonance mode, which is based on an MIS diode, is used as a sensor which allows the sensor to work in the middle of the bistability section on its I – V characteristic due to the displacement of the operating point of the MIS diode, for which one output of the bias source is connected to the cathode of the device, and the other output is connected to the noise generator, while the anode of the MIS diode is the output of the sensor and connected to the input of the current amplifier, the output of which is connected to one of the inputs of an analog-to-digital converter connected to the input of the computer system, while the MIS diode consists of a multilayer structure, including the first connected to the anode etallichesky contact, which is arranged on the lower layer p-Si, the upper surface of which is connected to the lower surface of the layer of n-Si, the upper surface of which is covered with a dielectric layer which is selected from the group consisting of SiO 2, silicon nitride Si 3 N 4, tantalum oxide Ta 2 O 5 , a diamond-like film on the upper surface of which a working zone is formed to immobilize DNA fragments, or to form a cell in which DNA fragments may not be immobilized. 4. Устройство для секвенирования ДНК, содержащее жидкостную систему, компьютерную систему обработки измеренных данных и получения результатов секвенирования, систему детекции на основе сенсоров, чувствительных к выбросам ионов водорода в раствор, характеризующееся тем, что система детекции содержит четыре сенсора и дополнительно содержит четыре электронных блока, а также источник напряжения смещения и генератор шума, где в качестве сенсора используют измерительную ячейку, один из электродов которой подключен ко входу электронного блока, имеющего вольт-амперную характеристику с областью бистабильности, с возможностью формирования режима стохастического резонанса, выход блока подключен ко входу усилителя, выход которого подключен к одному из входов аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан со входом компьютерной системы, при этом другой электрод ячейки, через источник напряжения смещения, подключен к генератору шума. 4. A device for DNA sequencing, containing a liquid system, a computer system for processing the measured data and obtaining sequencing results, a detection system based on sensors sensitive to the emission of hydrogen ions into a solution, characterized in that the detection system contains four sensors and further comprises four electronic units as well as a bias voltage source and a noise generator, where a measuring cell is used as a sensor, one of the electrodes of which is connected to the input of an electronic unit a ka having a current-voltage characteristic with a bistability region, with the possibility of forming a stochastic resonance mode, the output of the unit is connected to the input of the amplifier, the output of which is connected to one of the inputs of the analog-to-digital converter, the output of which is connected to the input of a computer system, while the other cell electrode , through a bias voltage source, connected to a noise generator.
RU2013148895/10A 2013-11-02 2013-11-02 Dna sequencing method and device therefor (versions) RU2539038C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013148895/10A RU2539038C1 (en) 2013-11-02 2013-11-02 Dna sequencing method and device therefor (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013148895/10A RU2539038C1 (en) 2013-11-02 2013-11-02 Dna sequencing method and device therefor (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2539038C1 true RU2539038C1 (en) 2015-01-10

Family

ID=53288251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013148895/10A RU2539038C1 (en) 2013-11-02 2013-11-02 Dna sequencing method and device therefor (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2539038C1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2679494C1 (en) * 2017-12-26 2019-02-11 Ооо "Гамма-Днк" Method of non-marking single-molecular sequency of dna and device for its implementation
RU2709986C2 (en) * 2015-08-14 2019-12-23 Иллюмина, Инк. Systems and methods of using magnetosensitive sensors for determining genetic characteristics
RU2719991C2 (en) * 2015-10-22 2020-04-23 Иллюмина, Инк. Filling fluid medium for jet devices
RU2741807C2 (en) * 2016-10-07 2021-01-28 Иллюмина, Инк. System and method for secondary analysis of nucleotide sequencing data
RU2763555C2 (en) * 2018-06-29 2021-12-30 Иллюмина, Инк. Flow cells
RU2780050C1 (en) * 2021-10-27 2022-09-19 Общество С Ограниченной Ответственностью "Гамма-Днк" Method for tagless single-molecular dna sequencing and a device for its implementation based on a charge-sensitive transducer

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6280939B1 (en) * 1998-09-01 2001-08-28 Veeco Instruments, Inc. Method and apparatus for DNA sequencing using a local sensitive force detector
EA201001513A1 (en) * 2010-10-19 2012-04-30 Ооо "Центр Инновационных Технологий-Нано" SPSS Sequencing DNA
RU2487169C2 (en) * 2006-01-19 2013-07-10 Зе Рисерч Фаундейшн Оф Стейт Юниверсити Оф Нью Йорк Methods and devices for detection and identification of encoded granules and biological molecules

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6280939B1 (en) * 1998-09-01 2001-08-28 Veeco Instruments, Inc. Method and apparatus for DNA sequencing using a local sensitive force detector
RU2487169C2 (en) * 2006-01-19 2013-07-10 Зе Рисерч Фаундейшн Оф Стейт Юниверсити Оф Нью Йорк Methods and devices for detection and identification of encoded granules and biological molecules
EA201001513A1 (en) * 2010-10-19 2012-04-30 Ооо "Центр Инновационных Технологий-Нано" SPSS Sequencing DNA

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2709986C2 (en) * 2015-08-14 2019-12-23 Иллюмина, Инк. Systems and methods of using magnetosensitive sensors for determining genetic characteristics
US11512348B2 (en) 2015-08-14 2022-11-29 Illumina, Inc. Systems and methods using magnetically-responsive sensors for determining a genetic characteristic
RU2719991C2 (en) * 2015-10-22 2020-04-23 Иллюмина, Инк. Filling fluid medium for jet devices
RU2741807C2 (en) * 2016-10-07 2021-01-28 Иллюмина, Инк. System and method for secondary analysis of nucleotide sequencing data
US11646102B2 (en) 2016-10-07 2023-05-09 Illumina, Inc. System and method for secondary analysis of nucleotide sequencing data
RU2679494C1 (en) * 2017-12-26 2019-02-11 Ооо "Гамма-Днк" Method of non-marking single-molecular sequency of dna and device for its implementation
WO2019132713A1 (en) * 2017-12-26 2019-07-04 Общество С Ограниченной Ответственностью "Гамма-Днк" Method for lable-free single-molecule dna sequencing and device for implementing same
US20190360039A1 (en) * 2017-12-26 2019-11-28 Limited Liability Company "Gamma-Dna" [Ru/Ru] Method for label-free single-molecule dna sequencing and device for implementing same
US11034998B2 (en) 2017-12-26 2021-06-15 Limited Liability Company “Gamma-Dna” Method for label-free single-molecule DNA sequencing and device for implementing same
RU2763555C2 (en) * 2018-06-29 2021-12-30 Иллюмина, Инк. Flow cells
RU2799005C2 (en) * 2020-10-22 2023-06-30 БиДжиАй Дженомикс Ко., Лтд Gene sequencing data processing method and gene sequencing data processing apparatus
RU2780050C1 (en) * 2021-10-27 2022-09-19 Общество С Ограниченной Ответственностью "Гамма-Днк" Method for tagless single-molecular dna sequencing and a device for its implementation based on a charge-sensitive transducer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2539038C1 (en) Dna sequencing method and device therefor (versions)
US10481123B2 (en) Ion-sensing charge-accumulation circuits and methods
CN107533045B (en) Nanopore sensor including fluidic channel
JP3701241B2 (en) Sensor array and method for detecting the state of a transistor in the sensor array
Stagni et al. CMOS DNA sensor array with integrated A/D conversion based on label-free capacitance measurement
Schienle et al. A fully electronic DNA sensor with 128 positions and in-pixel A/D conversion
EP1212795A1 (en) Sensing devices using chemically-gated single electron transistors
US20130130261A1 (en) Chemical sensor
CN102495121B (en) Microelectrode array sensor
Sun et al. Fluidic-based ion memristors and ionic latches
JP5898969B2 (en) Semiconductor device
JP2015210233A (en) Massively parallel biomolecule detection method and apparatus
Jayakumar et al. Silicon nanowires integrated with CMOS circuits for biosensing application
Hall et al. A CMOS molecular electronics chip for single-molecule biosensing
US20160313282A1 (en) Motft and array circuit for chemical/biochemical applications
KR101204333B1 (en) Bio sensor and detecting method of detecting bio substance using the same
Yagati et al. Multi-bit biomemory consisting of recombinant protein variants, azurin
Al-Ahdal et al. ISFET-based chemical switch
CN103097882A (en) Chemical sensor
US7015963B2 (en) CCD sensor incorporating parallel diffusion regions within the output
Larramendy et al. Parallel detection in liquid phase of N-channel MOSFET/ChemFET microdevices using saturation mode
Ahn et al. Analysis of sensing mechanisms in a gold-decorated SWNT network DNA biosensor
Rigante et al. FinFET integrated low-power circuits for enhanced sensing applications
Keeble et al. A combined isfet-electric field actuation system for enhanced detection of dna: A proof-of-concept
Madou et al. Carbon microelectrode arrays for multiplexed potentiostat performing electrochemical cyclic voltammetry

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161103

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20181204

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201103