[發明專利]采用圖像傳感器的DNA測序裝置及方法

有效

• 申請號: 201910149308.5
• 申請日: 2019-02-28
• 公開（公告）號: CN109825428B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 徐辰;莫要武;馬偉劍;邵澤旭
• 申請（專利權）人: 思特威（上海）電子科技股份有限公司
• 主分類號: C12M1/34
• 分類號: C12M1/34;C12Q1/6869
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供一種采用圖像傳感器的DNA測序裝置，所述裝置包括發射激光脈沖的激光源；具有光學透明的核苷酸堿基樣品容器；具有全局曝光模式的圖像傳感器芯片，其輸出圖像信號以響應所述核苷酸堿基樣品的熒光發射光及圖像傳感器的入射光；以及其上設置有電路塊的電路芯片。激光源發射激光照射到核苷酸堿基樣品上時，圖像傳感器芯片的像素陣列不工作或處于復位狀態；激光源不發射激光照射到核苷酸堿基樣品上時，圖像傳感器芯片的像素陣列開始累積熒光發射光并傳輸相應的圖像信號。本發明還提供一種采用圖像傳感器的DNA測序方法。

技術領域

本發明涉及一種DNA測序裝置，尤其涉及一種具有核苷酸采樣容器和具有堆疊芯片的全局曝光讀出的CMOS圖像傳感器的DNA測序裝置及方法。

背景技術

DNA測序是確定DNA分子中核苷酸序列的過程，包括多種方法和技術用來測定DNA鏈中含氮堿基的四個部分素腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶。DNA快速測序方法加速了生物和醫學研究及發現。DNA序列的知識成為生物研究及大量應用領域，例如醫療診斷，生物技術，法醫，病毒學及生物學系統不可或缺的部分。

現代DNA測序技術的快速發展在測試完整的DNA序列，多樣性基因組，及生物種類中起到非常大的作用，包括人類基因和其他多種動物，植物及微生物種類完整的NDA序列。第一個DNA序列是在1970’s早期通過采用兩維層析法的學術研究獲得。隨著基于熒光性基礎的測序方法的發展，DNA測序變得更容易及更快速。

Sanger法測序是基于通過DNA聚合酶的鏈終止雙脫氧核苷酸的選擇性合并的一種測序方法。由Frederick Sanger和他的同事在1977年發展起來的，也是近40年來被廣泛應用的測序方法。近年來，大量Sanger測序被下一代測序(Next-Gen sequencing)方法所取代，尤其是大規模的，自動化基因組分析。微流控Sanger測序是DNA測序的實驗室芯片(lab-on-a-chip)應用，這種Sanger測序步驟(熱循環，采樣凈化，及毛細管電泳)采用納升級采樣量集成在晶圓芯片上。當避免通過集成和自動的測試步驟的傳統Sanger測序方法(例如，昂貴試劑的耗費，依賴于昂貴設備，人員密集型等)中重大缺陷時，這種技術會產生長及準確的序列讀取。

現代初期，高通量基因組測序涉及將基因組分割成小的單鏈片段，然后用聚合酶鏈反應(PCR)擴增片段。采用Sanger測序法，每一個DNA片段都被一個熒光標記的雙脫氧鏈終止核苷酸摻入而不可逆轉地終止，從而產生一個DNA“梯狀”的片段，每個片段的長度各有一個堿基，在末端堿基上帶有堿基特異性熒光標簽。鏈終止方法大大簡化了DNA測序。在染料終止劑測序中，四個雙脫氧核苷酸鏈終止劑中的每一個都用熒光染料標記，每一個都發射不同波長的光。圖像捕獲設備，如BSI CMOS圖像傳感器，為DNA測序系統提供了一個以緊湊且經濟有效的方式對熒光染料發出的光進行圖像處理的條件。

圖像捕獲裝置，一般包括圖像傳感器和成像透鏡。成像透鏡將光聚焦到圖像傳感器上形成圖像，圖像傳感器將光轉換成電信號。電信號從圖像捕捉裝置輸出到主機電子系統的其他部件。所述圖像捕獲裝置和所述主機電子系統的其他部件構成圖像傳感器系統或成像系統。圖像傳感器已經無處不在，可以在各種電子系統中看到，例如移動設備、數碼相機、醫療設備或DNA測序系統。

典型的圖像傳感器，通常包括布置在二維陣列中的若干感光像素單元(像素)。所述圖像傳感器可以配置為通過在像素上形成彩色濾波器陣列(CFA)來產生彩色圖像。用于制造圖像傳感器的技術，特別是互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器，一直在飛速發展。例如，對高分辨率和低功耗的要求促使這些圖像傳感器進一步小型化和集成化。然而，微型化伴隨著像素感光度和動態范圍的損失，需要新的方法來解決這些問題。

隨著像素尺寸的減小，半導體襯底內的光吸收深度對于某些光，特別是長波長光而言變得不足。這對于使用背面照明(BSI)技術的圖像傳感器來說是一個典型的問題，其圖像光被入射到傳感器半導體襯底的背面。在BSI技術中，傳感器硅襯底的厚度可能只有兩微米，足以吸收藍光，但不足以吸收紅光，紅光可能需要10微米的厚度才能完全吸收。