具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。

在纳米孔测序装置中，通常借助施加在测试腔两端的电压驱动用于合成的核苷酸分子和连接子通过纳米孔，通过检测纳米孔输出的微电流特征信号来检测通过纳米孔的核苷酸分子类型，进而实现测序。

图1为本公开实施例中采用的一种纳米孔测试腔101的结构和电气模型示意图。如图1所示，该测试腔101包括由磷脂双分子膜105分隔的第一隔室和第二隔室，以及连接至第一隔室的电极103和连接至第二隔室的电极102。磷脂双分子膜105上具有纳米孔104，连接有连接子107的核苷酸分子106位于第一隔室，在施加在电极102和103的电压作用下通过纳米孔104。图1中，可以采用纳米孔等效电容108和纳米孔等效电阻109来模拟纳米孔104的电气特性，为方便说明，本公开实施例将测试腔102简化为纳米孔等效电路模型113。

图2为一种可实现的纳米孔测序装置中检测电路的电路示意图。如图2所示，该检测电路包括纳米孔电压施加单元、积分电路单元、输出电路单元。其中，纳米孔电压施加单元用于向纳米孔测试腔207的公共电极和检测电极208施加电压，从而借助纳米孔测试腔207的公共电极和检测电极208之间的电压差来驱动单个核苷酸分子通过纳米孔。在一个实施方式中，纳米孔电压施加单元包括钳位管201。

积分电路单元用于对纳米孔测试腔207的检测电极208输出的微电流信号进行积分放大，转换为积分电压信号。在一个实施方式中，积分电路单元包括积分电容203和积分复位开关202。

输出电路单元接收该积分电路单元转换后的积分电压信号并输出。在一个实施方式中，输出电路单元包括源极跟随器204和选择开关205(图2中以选择管205实现)。

该检测电路的示例中，纳米孔测试腔207的公共电极(对应图1中电极112)上施加参考电压VCMD 210，钳位管201的源极连接纳米孔测试腔207的检测电极208(对应图1中电极110)，钳位管201的漏极连接积分电容203的一端。钳位管201的栅极输入钳位电压VP209，钳位电压VP为固定电压，从而保证纳米孔测试腔的检测电极208的输入电压为某个固定值。当参考电压VCMD施加正向电压，例如比检测电极208上电压高约100mV～200mV，纳米孔测试腔内的核苷酸分子在电场作用下通过纳米孔，此时纳米孔出现特征电流，特征电流通过钳位管201后输入到积分电容203，积分电容203在一定时间内对特征电流进行积分放大，产生积分电压信号211，该积分电压信号211经过源极跟随器204和选择开关205输出到公共信号线213，然后经由该公共信号线213输出至模数转换器ADC 206进行模数转换。其中，复位开关202在复位信号Rst的控制下周期性清除积分电容203上的电荷。

图3为上述检测电路的工作波形示意图。如图3所示，301为参考电压VCMD所施加的电压波形；302为积分电容的周期复位信号的波形，303为积分电容上的积分电压波形。在参考电压施加正向电压时，积分电压在积分电容上累积，并按照复位信号周期，产生周期性的锯齿信号。

以下简要介绍图2所示的检测电路的工作原理。

首先，当钳位管201工作于亚阈值状态，其钳位电压VP随检测电流变化而变化。

MOS管在亚阈值状态下的电流和电压关系式为：

其中，n是与工艺相关的常数，根据经验可以取值1.5；VT为热电压，常温下取26mV；Ids0为MOS管电流参数，与工艺相关；Vth为MOS管的阈值电压；Ids为流过MOS管的电流值，Vgs为该电流值对应的MOS管电压值。

对于不同的电流，例如Ids1和Ids2，分别对应不同的Vgs1和Vgs2，两者存在的电压差△Vgs为：

参考图1所示，假如纳米孔等效电容108为2pF，纳米孔等效电阻109范围为250MΩ～20GΩ，暂时不考虑溶液电阻111的影响，在纳米孔两端加200mV电压时会产生5pA～800pA的电流。

如上所述，检测电路需要检测的电流范围为5pA～800pA范围内，令Ids1和Ids2分别取最大和最小，则可以推算出△Vgs的变化，如下所示：

如上所述，对于图2所示的检测电路，在检测过程中，检测电极208将会存在最大约200mV的变化。经过简化计算，该种结构最终稳定时间有如下关系式：

其中，n是与工艺相关的常数，根据经验可以取值1.5；VT为热电压，常温下取26mV；C为纳米孔等效电容，参考图1中纳米孔等效电容108；△Vgs为纳米孔电流突变前后引起检测电极的电压变化；I0为流过钳位管的初始电流值，此处即纳米孔电流突变前的电流值；I1为流过钳位管的最终电流值，此处即纳米孔电流突变后的电流值。

在检测电路处于非稳定状态时，特别对于检测过程中的电流快速变化，以核苷酸分子穿过纳米孔为例，核苷酸分子在纳米孔滞留时间最短约100us，这样快速的电流变化，图2所示检测电路无法保证正确识别。另外，不同检测电流会引起钳位管的电压值Vgs的不同变化，最终体现在纳米孔两端电压，造成检测误差。

针对上述检测电路的缺陷，本公开提供一种改进的微电流检测电路，能够快速、准确地实现对通过纳米孔的核苷酸分子类型进行判断，完成测序功能。

图4为根据本公开实施例一的微电流检测电路的电路示意图。如图4所示，本公开实施例的微电流检测电路包括纳米孔电压施加单元、积分电路单元、输出电路单元和补偿电流输入单元。

其中，纳米孔电压施加单元用于向纳米孔测试腔407的公共电极和检测电极408施加电压，从而借助纳米孔测试腔407的公共电极和检测电极208之间的电压差来驱动单个核苷酸分子通过纳米孔，实现单向微电流信号检测。

积分电路单元用于对纳米孔测试腔407的检测电极408输出的微电流信号进行积分放大，转换为积分电压信号。

输出电路单元用于接收该积分电路单元转换后的积分电压信号并输出。

补偿电流输入单元用于施加补偿电流到纳米孔测试腔407的检测电极408，用于减小检测电极408输出的微电流信号引起的电压变化，从而降低检测电极的电压随检测电流的依赖性，降低电路稳定时间，提升响应速度。

在一个实施方式中，所述纳米孔电压施加单元包括钳位管401，所述钳位管401的第一通路端连接所述检测电极408，所述钳位管的第二通路端连接所述积分电路单元，所述钳位管的控制端输入钳位电压VP 409，钳位电压VP的作用使得检测电极408的电压为固定值。在一个实施方式中，所述第一通路端可以是MOS管的源极，第二通路端可以MOS管的漏极，控制端是MOS管的栅极。

在一个实施方式中，积分电路单元包括积分电容403和积分复位开关402(图4中示例性地以复位管402实现)。积分电容403的第一端连接至钳位管401的第二通路端，第二端接地电位，用于对检测电极的微电流信号进行积分放大。积分复位开关402的第一通路端与积分电容403的第一端相连，积分复位开关402的第二通路端连接复位电压Vpre，用于在复位信号Rst的作用下周期性对所述积分电容403的电压进行复位。

在一个实施方式中，补偿电流输入单元包括电流源414。其中，电流源414的负端连接至电源VDD，正端连接到纳米孔测试腔407的检测电极408。补偿电流输入单元通过电流源414为钳位管401提供补偿电流，降低检测电极408的电压随微电流信号引起的变化。

在一个实施方式中，输出电路单元包括源极跟随器404和选择开关405(图4中示例性地以选择管405实现)。所述源极跟随器404的输入端与积分电容403的第一端相连，输出端串接选择开关405的第一端，选择开关405的第二端用于将积分电压信号411输出。在一个实施方式中，选择开关405的第二端可以连接至公共信号线413，可以将积分电压信号411输出至公共信号线413，公共信号线413可以连接至模数转换器406，进一步将积分电压信号411转换为数字信号。

本实施例中，如上述公式(3)所示，检测电路的稳定时间Tset与△Vgs和I1/I0正相关，与I1反相关，因此，降低△Vgs和提升I1将会有效降低稳定时间。

检测电极408并联输入补偿电流414，引入的补偿电流414能降低检测电极输出的检测电流(微电流信号)引起的电压变化，即上述的△Vgs。作为示例，当补偿电流为200pA，检测电流为5pA～800pA，加入补偿电流后检测范围为205pA～1000pA，检测电流所引起的电压差△Vgs’＝59.4mV，电压变化明显降低。同时，该补偿电流也会流过钳位管401，从而提升钳位管401的电流，即上述的I1。因此，该补偿电流414会导致检测电路的稳定时间有效降低，实现对快速变化的纳米孔微电流信号的检测。

图5A和图5B分别呈现了图2所示传统检测电路和图4所述实施例一的检测电路对不同纳米孔电流的响应波形图。

如图5A所示，当纳米孔有核苷酸分子穿过时，纳米孔电阻变化可以采用曲线501A模拟其行为，1GΩ表示纳米孔为开孔状态，突变至20GΩ表示有核苷酸分子进入纳米孔，持续时间可在100us～10ms内变化，然后再次突变至5GΩ表示核苷酸分子连接子在纳米孔内。图中曲线502A表示积分电容复位信号，周期对积分电容复位。图中曲线503A表示加入补偿电流情况下的积分电压，即图4结构中积分电压411；图中曲线504A表示传统结构的积分电压，即图2中积分电压211。对比图5A中曲线503A和504A，加入补偿电流时，其具备更短的稳定时间，能够分辨出核苷酸分子进入到纳米孔的状态。

图5B表示没有核苷酸分子进入纳米孔的情况，其中1GΩ表示纳米孔为开孔状态，突变至5GΩ表示只有连接子进入纳米孔，相对应的曲线503B表示加入补偿电流情况下积分电压，曲线504B表示传统结构的积分电压，两者都没有检测到核苷酸分子穿过纳米孔。

图5A和5B中曲线504A和504B表示传统检测电路积分电压信号，分别对应核苷酸分子进入纳米孔和没有核苷酸分子进入纳米孔的情况，曲线504A和504B的积分电压信号类似，可以看出传统检测电路结构不能有效识别出核苷酸分子穿过纳米孔的过程，特别是在快速穿过时；而对比曲线503A和503B，增加补偿电流时，检测电路则能够响应快速的检测电流变化并转换为电压信号，在核苷酸分子进入纳米孔时，具有更低的电压信号，如曲线503A所示，则根据电压信号能够区分出是否有核苷酸分子穿过纳米孔。

图6为根据本公开实施例二的微电流检测电路的电路示意图。如图6所示，本公开实施例的微电流检测电路同样包括纳米孔电压施加单元、积分电路单元、输出电路单元和补偿电流输入单元。

其中，纳米孔电压施加单元用于向纳米孔测试腔607的公共电极和检测电极608施加电压，从而借助纳米孔测试腔607的公共电极和检测电极608之间的电压差来驱动单个核苷酸分子通过纳米孔，实现双向微电流信号检测。

积分电路单元用于对纳米孔测试腔607的检测电极608输出的微电流信号进行积分放大，转换为积分电压信号。

输出电路单元用于接收该积分电路单元转换后的积分电压信号并输出。

补偿电流输入单元用于施加补偿电流到纳米孔测试腔607的检测电极608，用于减小检测电极608输出的微电流信号引起的电压变化，从而降低检测电极的电压随检测电流的依赖性，降低电路稳定时间，提升响应速度。该实施例具备正向和反向检测能力，能够降低电路稳定时间，提升响应速度。

在一个实施方式中，纳米孔电压施加单元包括正向钳位管601B和反向钳位管601A，所述正向钳位管601B和反向钳位管601A的第一通路端连接所述检测电极608，所述正向钳位管601B和反向钳位管601A的第二通路端连接所述积分电路单元，所述正向钳位管的控制端输入第一钳位电压VP，所述反向钳位管的控制端输入第二钳位电压VN，分别完成正向和反向钳位功能。正向钳位管601B的电流方向是从所述检测电极608流向所述积分电路单元，所述反向钳位管601A的电流方向是从所述积分电路单元流向所述检测电极608。在一个实施方式中，所述第一通路端可以是MOS管的源极，第二通路端可以MOS管的漏极，控制端是MOS管的栅极。

在一个实施方式中，积分电路单元包括积分电容603、积分复位开关602(图6中示例性地以复位管602实现)和复位电压选择电路单元609。积分电容603的第一端连接所述正向钳位管601B和反向钳位管601A的第二通路端，积分电容603的第二端接地。积分复位开关602的第一通路端与所述积分电容的第一端相连，积分复位开关602的第二通路端连接复位电压选择电路单元609。复位电压选择电路609用于切换选择积分复位开关602的第二通路端输入的复位电压(图6中Vpre1和Vpre2)。

在一个实施方式中，纳米孔电压施加单元还包括参考电压选择电路单元610，用于切换选择输入至纳米孔测试腔607的公共电极的参考电压(图6中VCMD1和VCMD2)。

在一个实施方式中，补偿电流输入单元包括电流源614B和614A、选择开关615B和615A。其中，电流源614B的负端连接至电源VDD，正端串接选择开关615B到纳米孔测试腔607的检测电极608。电流源614A的正端连接地，负端串接选择开关615A到纳米孔测试腔607的检测电极608，选择开关615B和615A的控制端连接至相同的控制信号CMD。补偿电流输入单元通过电流源614B、614A分别为正向钳位管和反向钳位管执行正向和反向钳位功能时提供补偿电流。

在一个实施方式中，纳米孔电压施加单元还包括偏置电路，用于产生第一钳位电压VP和第二钳位电压VN。其中，偏置电路可以包括第一偏置电路619A和第二偏置电路619B。第一偏置电路619A包括第一电流源、第一MOS管，第二偏置电路619B包括第二电流源、第二MOS管。第一MOS管和第二MOS管为二极管组态，各自的控制端和第二通路端相连，第一MOS管和第二MOS管的第一通路端连接共模电压VCM；第一电流源负端接电源VDD，正端接第一MOS管的控制端和第二通路端，第二电流源正端接地，负端接第二MOS管的控制端和第二通路端。在一个实施方式中，所述第一通路端可以是MOS管的源极，第二通路端可以MOS管的漏极，控制端是MOS管的栅极。在一个实施方式中，所述第一MOS管和第二MOS管可以是NMOS管或PMOS管。

在一个实施方式中，纳米孔电压施加单元还包括第一选择开关对617A和第二选择开关对617B，第一偏置电路619A连接第一选择开关对617A，第二偏置电路619B连接第二选择开关对617B，配合第一选择开关对617A和第二选择开关对617B的切换分别向正向钳位管601B和反向钳位管601A的控制端输出第一钳位电压VP和第二钳位电压VN，从而实现正向和反向检测的切换。第一选择开关对617A和第二选择开关对617B的控制端连接至相同的控制信号CMD。第一选择开关对617A和第二选择开关对617B各自包括一对选择开关，第一选择开关对617A的其中一个选择开关用于根据控制信号CMD选择输出所述第二钳位电压VN，另一个选择开关用于将输出短接至电源；第二选择开关对617B的其中一个选择开关用于根据控制信号CMD选择输出所述第一钳位电压VP，另一个选择开关用于将输出短接至地。

在一个实施方式中，如图6所示，考虑到第一偏置电路619A和第二偏置电路619B产生的电压驱动能力较弱，还可以在第一偏置电路619A和第一选择开关对617A之间增加第一驱动滤波电路618A，在第二偏置电路619B和第二选择开关对617B之间增加第二驱动滤波电路618B，以实现驱动增强和降噪功能，具体电路可以采用现有的实施方式，具体不再赘述。

在一个实施方式中，纳米孔电压施加单元还包括输入复位开关616，输入复位开关616的第一通路端连接预置电压VCM，第二通路端连接纳米孔测试腔的检测电极608，输入复位开关616的控制端连接复位控制信号Rst_cmd。输入复位开关616用于在正反检测切换时，将检测电极608固定在预置电压VCM，可以提高检测电路在正反检测切换时的响应速度，有利于电路工作点快速建立。

在一个实施方式中，输出电路单元包括源极跟随器604和选择开关605(图6中是示例性地以选择管605实现)。所述源极跟随器604的输入端与积分电容603的第一端相连，输出端串接选择开关605的第一端，选择开关605的第二端将积分电压信号611输出。在一个实施方式中，选择开关605的第二端可以连接至公共信号线613，公共信号线613可以连接至模数转换器606，进一步将积分电压信号611转换为数字信号。

如图7为根据本公开实施例二的微电流检测电路的工作波形示意图，如图7所示，701为积分复位信号Rst的波形，702为切换检测方向的控制信号CMD的波形，703为输入复位开关的复位控制信号Rst_cmd的波形，704为复位电压Vpre的波形，705为参考电压VCMD的波形。参考电压VCMD跟随控制信号CMD同步切换，在进行检测方向切换时，通过Rst_cmd控制图6中输入复位开关616，将纳米孔的检测电极固定为预置电压VCM。

图8为根据本公开实施例的基因测序装置的结构示意图。如图8所示，本实施例的基因测序装置包括多个测量单元，每个测量单元包括纳米孔测试腔802和对应连接的检测电路单元805；其中，纳米孔测试腔802包括位于第一隔室的连接至公共电极801的电极808以及位于第二隔室的检测电极809。多个检测电路单元805采用前述实施例一或实施例二所述的微电流检测电路实现。

在一个实施方式中，检测电路单元805的输出电压通过检测电路单元内的选择开关输出至共享的公共信号线806，并经过模数转换器807转换为数字信号后输出。

在一个实施方式中，该基因测序装置还可以包括尾电流源810，尾电流源810的负端连接至公共信号线806，正端接地。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合，另外电路中涉及的器件按照CMOS器件进行阐述，其他器件，如BJT、JFET等也可实现本公开的技术方案。以上所述仅是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些变化和改进也应视为落入本公开的保护范围。