全文摘要
本实用新型公开一种智能采样的少分子数遗传序列检测装置，属于遗传信息载体脱氧核糖核酸检测领域，一种智能采样的少分子数遗传序列检测装置，包括微晶颗粒双层结构模块、遗传信息载体脱氧核糖核酸分子动力模块、单电子读出模块、系统响应矩阵模块、以及遗传信息载体脱氧核糖核酸序列估计模块。本实用新型的智能采样的少分子数遗传序列检测装置具有更好的应用适应性和输入灵敏度、降低系统成本，并且具有良好的模块化特征。
主设计要求
1.一种智能采样的少分子数遗传序列检测装置，其特征在于：包括微晶颗粒双层结构模块(100)，用于形成序列检测的电子学、动力学的双薄膜结构的间隙结构；遗传信息载体脱氧核糖核酸分子动力模块(200)，用于控制遗传信息载体脱氧核糖核酸分子在所述双薄膜结构的间隙中游动，在特定的场合进行精确控制遗传信息载体脱氧核糖核酸分子的速度和加速度；单电子读出模块(300)，以单电子器件对聚乙烯薄膜上的电位电荷变化进行实时测量，并以数字形式进行存储；系统响应矩阵模块(400)，用于计算所述双薄膜结构的间隙内的每一个像素对工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列的系统响应矩阵；以及遗传信息载体脱氧核糖核酸序列估计模块(500)，用于对遗传信息载体脱氧核糖核酸序列进行估计，反演所述系统响应矩阵。
设计方案
1.一种智能采样的少分子数遗传序列检测装置，其特征在于：
包括微晶颗粒双层结构模块(100)，用于形成序列检测的电子学、动力学的双薄膜结构的间隙结构；
遗传信息载体脱氧核糖核酸分子动力模块(200)，用于控制遗传信息载体脱氧核糖核酸分子在所述双薄膜结构的间隙中游动，在特定的场合进行精确控制遗传信息载体脱氧核糖核酸分子的速度和加速度；
单电子读出模块(300)，以单电子器件对聚乙烯薄膜上的电位电荷变化进行实时测量，并以数字形式进行存储；
系统响应矩阵模块(400)，用于计算所述双薄膜结构的间隙内的每一个像素对工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列的系统响应矩阵；以及
遗传信息载体脱氧核糖核酸序列估计模块(500)，用于对遗传信息载体脱氧核糖核酸序列进行估计，反演所述系统响应矩阵。
2.根据权利要求1所述的智能采样的少分子数遗传序列检测装置，其特征在于：
所述微晶颗粒双层结构模块(100)包括散列微晶颗粒模块(110)、双层膜模块(120)、以及光密闭层模块(140)；
所述散列微晶颗粒模块(110)提供空间上散列分布的微晶颗粒，用于黏合所述双层膜模块(120)，产生强烈的隧道电流；
所述双层膜模块(120)在空间上包夹散列分布的所述微晶颗粒并使两层膜间形成一个膜间腔体模块(130)；
散列分布的所述微晶颗粒固定在所述膜间腔体模块(130)中，用于约束遗传信息载体脱氧核糖核酸分子的流动；
所述光密闭层模块(140)用于使闪烁晶体衬底和散列分布的所述微晶颗粒处于无光的环境下，避免环境光带来的响应。
3.根据权利要求2所述的智能采样的少分子数遗传序列检测装置，其特征在于：
所述遗传信息载体脱氧核糖核酸分子动力模块(200)包括二极管模块(210)、电泳道模块(220)、微流控模块(230)、以及湍流抑制模块(240)；
所述二极管模块(210)用于隔离背景光激发产生的信号，减少噪声分量；
所述电泳道模块(220)在空间上由所述双层膜模块(120)包夹，并被散列分布的所述微晶颗粒隔离而成，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子在所述电泳道模块(220)中游动，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子游动的能量来源于所述电泳道模块(220)中液体的流动；
所述微流控模块(230)用于控制所述电泳道模块(220)的流速和流向；
所述湍流抑制模块(240)用于抑制湍流，减少高速信号的噪声。
4.根据权利要求1所述的智能采样的少分子数遗传序列检测装置，其特征在于：
所述单电子读出模块(300)包括光子光电转换模块(310)、电子倍增模块(320)、以及电信号数字化模块(330)；
所述光子光电转换模块(310)吸收遗传信息载体脱氧核糖核酸分子激发产生的光子能量并将其转换成电信号；
所述电子倍增模块(320)对所述光子光电转换模块(310)产生的电信号进行高增益的倍增放大，得到电子流；
所述电信号数字化模块(330)通过AD芯片把所述电子倍增模块(320)倍增后得到的模拟信号转化成数字信号，易于传输及存储。
5.根据权利要求1所述的智能采样的少分子数遗传序列检测装置，其特征在于：
所述系统响应矩阵模块(400)包括单点电激励模块(410)、电响应接收模块(420)、单点移位模块(430)、响应正交化模块(440)、以及矩阵合成模块(450)；
所述单点电激励模块(410)设置有一个激励源，每个单信号对系统产生一个响应；
所述电响应接收模块(420)接收信号的系统响应，并串行传输至AD通道；
所述单点移位模块(430)用于需要在薄膜的不同位置测量电信号时，对所述AD通道进行移位，以节省AD通道；
所述响应正交化模块(440)用于对响应进行测量并生成正交化向量；
所述矩阵合成模块(450)用于对所述响应正交化模块(440)产生的正交化向量进行合成，获得不同碱基信号的逆向矩阵。
6.根据权利要求1所述的智能采样的少分子数遗传序列检测装置，其特征在于：
所述遗传信息载体脱氧核糖核酸序列估计模块(500)包括处理器模块(510)、遗传信息载体脱氧核糖核酸数据输入接口(520)、以及输出显示模块(530)；
所述处理器模块(510)根据所述系统响应矩阵模块(400)的逆矩阵和不同像素点的像素反演系统响应矩阵，存为θ×d行，n2列的矩阵形式，其中θ为投影角，d为原点到投影线的距离，n是图像边长；
所述遗传信息载体脱氧核糖核酸数据输入接口(520)将所述系统响应矩阵模块(400)反演的系统响应矩阵数据按照数值特征并行传输至所述输出显示模块(530)；
所述输出显示模块(530)接收所述系统响应矩阵模块(400)反演的系统响应矩阵数据，并显示计算得到的带有次序的核苷酸种类组成的向量，即为脱氧核糖核酸序列的次序。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于遗传信息载体脱氧核糖核酸检测、数字采样技术、生物信息和生物医学检测领域，尤其涉及一种智能采样的少分子数遗传序列检测装置。
背景技术
遗传信息载体脱氧核糖核酸链序列检测是指分析特定遗传信息载体脱氧核糖核酸链片段的碱基序列，也就是腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶与鸟嘌呤的排列方式。快速的遗传信息载体脱氧核糖核酸链序列检测方法的出现极大地推动了生物学和医学的研究和发现。
在基础生物学研究中，和在众多的应用领域，如诊断，生物技术，法医生物学，生物系统学中，遗传信息载体脱氧核糖核酸链序列知识已成为不可缺少的知识。具有现代的遗传信息载体脱氧核糖核酸链序列检测技术的快速序列检测速度已经有助于达到序列检测完整的遗传信息载体脱氧核糖核酸序列，或多种类型的遗传信息载体脱氧核糖核酸链组序列检测和生命物种，包括人类遗传信息载体脱氧核糖核酸链组和其他许多动物，植物和微生物物种的完整遗传信息载体脱氧核糖核酸序列。
基因测序技术能锁定个人病变基因，提前预防和治疗。自上世纪90年代初，学界开始涉足“人类基因组计划”。而传统的测序方式是利用光学测序技术。用不同颜色的荧光标记四种不同的碱基，然后用激光光源去捕捉荧光信号从而获得待测基因的序列信息。虽然这种方法检测可靠，但是价格不菲也是有目共睹的，一台仪器的价格大约在50万到75万美元，而检测一次的费用也高达5千到1万美元。
最新的基因测序仪中，芯片代替了传统激光镜头、荧光染色剂等，芯片就是测序仪。通过半导体感应器，仪器对遗传信息载体脱氧核糖核酸复制时产生的离子流实现直接检测。当试剂通过集成的流体通路进入芯片中，密布于芯片上的反应孔立即成为上百万个微反应体系。
这种技术组合，使研究人员能够在短短2小时内获取基因信息。而使用传统的光学测序技术需等待数周乃至数月后才能得到结果。同时，检测一次的费用也降到了最低1千美元。目前的遗传序列检测过程需要对原始分子进行倍增和其他预备过程，脱氧核糖核酸链扩增会带来的偏向性误差，并且升级和矫正不方便。
实用新型内容
为了克服现有技术的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题在于提出一种智能采样的少分子数遗传序列检测装置，具有更好的应用适应性和输入灵敏度、降低系统成本，并且具有良好的模块化特征。
为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型还提供一种智能采样的少分子数遗传序列检测装置，包括微晶颗粒双层结构模块，用于形成序列检测的电子学、动力学的双薄膜结构的间隙结构，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子动力模块，用于控制遗传信息载体脱氧核糖核酸分子在双薄膜结构的间隙中游动，在特定的场合进行精确控制遗传信息载体脱氧核糖核酸分子的速度和加速度，单电子读出模块，以单电子器件对聚乙烯薄膜上的电位电荷变化进行实时测量，并以数字形式进行存储，系统响应矩阵模块，用于计算双薄膜结构的间隙内的每一个像素对工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列的系统响应矩阵、以及遗传信息载体脱氧核糖核酸序列估计模块，用于对遗传信息载体脱氧核糖核酸序列进行估计，反演系统响应矩阵。
本实用新型优选地技术方案在于，微晶颗粒双层结构模块包括散列微晶颗粒模块、双层膜模块、膜间腔体模块、以及光密闭层模块，散列微晶颗粒模块提供空间上散列分布的微晶颗粒，用于黏合双层膜模块，产生强烈的隧道电流，双层膜模块在空间上包夹散列分布的微晶颗粒并使两层膜间形成一个膜间腔体模块，散列分布的微晶颗粒固定在膜间腔体模块中，用于约束遗传信息载体脱氧核糖核酸分子的流动，光密闭层模块用于使闪烁晶体衬底和散列分布的微晶颗粒处于无光的环境下，避免环境光带来的响应。
本实用新型优选地技术方案在于，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子动力模块包括二极管模块、电泳道模块、微流控模块、以及湍流抑制模块，二极管模块用于隔离背景光激发产生的信号，减少噪声分量，电泳道模块在空间上由双层膜模块包夹，并被散列分布的微晶颗粒隔离而成，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子在电泳道模块中游动，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子游动的能量来源于电泳道模块中液体的流动，微流控模块用于控制电泳道模块的流速和流向，湍流抑制模块用于抑制湍流，减少高速信号的噪声。
本实用新型优选地技术方案在于，单电子读出模块包括光子光电转换模块、电子倍增模块、以及电信号数字化模块，光子光电转换模块吸收遗传信息载体脱氧核糖核酸分子激发产生的光子能量并将其转换成电信号，电子倍增模块对光子光电转换模块产生的电信号进行高增益的倍增放大，得到电子流，电信号数字化模块通过AD芯片把电子倍增模块倍增后得到的模拟信号转化成数字信号，易于传输及存储。
本实用新型优选地技术方案在于，系统响应矩阵模块包括单点电激励模块、电响应接收模块、单点移位模块、响应正交化模块、以及矩阵合成模块，单点电激励模块设置有一个激励源，每个单信号对系统产生一个响应，电响应接收模块接收信号的系统响应，并串行传输至AD通道，单点移位模块用于需要在薄膜的不同位置测量电信号时，对AD通道进行移位，以节省AD通道，响应正交化模块用于对响应进行测量并生成正交化向量，矩阵合成模块用于对响应正交化模块产生的正交化向量进行合成，获得不同碱基信号的逆向矩阵。
本实用新型优选地技术方案在于，遗传信息载体脱氧核糖核酸序列估计模块包括处理器模块、遗传信息载体脱氧核糖核酸数据输入接口、以及输出显示模块，处理器模块根据系统响应矩阵模块的逆矩阵和不同像素点的像素反演系统响应矩阵，存为θ×d行，n2列的矩阵形式，其中θ为投影角，d为原点到投影线的距离，n是图像边长，遗传信息载体脱氧核糖核酸数据输入接口将系统响应矩阵模块反演的系统响应矩阵数据按照数值特征并行传输至输出显示模块，输出显示模块接收系统响应矩阵模块反演的系统响应矩阵数据，并显示计算得到的带有次序的核苷酸种类组成的向量，即为脱氧核糖核酸序列的次序。
本实用新型的有益效果为：
(1)具有较好的模块化特征，易于升级、矫正、可重用。
(2)避免了繁琐的PCR过程，降低了系统成本。
(3)系统的输入仅需要单个细胞的DNA分子，因而系统具有更好的应用适应性和输入灵敏度。
附图说明
图1为本发明切智能采样的少分子数遗传序列检测装置的框图；
图2为本发明的系统原型模块间示意图；
图3为本发明的单电子读出模块的电路示意图；
图4为本发明典型的工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列的示意图；
图5为本发明典型的散列微晶颗粒示意图。
图中：
100、微晶颗粒双层结构模块；110、散列微晶颗粒模块；120、双层膜模块；130、膜间腔体模块；140、光密闭层模块；200、遗传信息载体脱氧核糖核酸分子动力模块；210、二极管模块；220、电泳道模块；230、微流控模块；240、湍流抑制模块；300、单电子读出模块；310、光子光电转换模块；320、电子倍增模块；330、电信号数字化模块；400、系统响应矩阵模块；410、单点电激励模块；420、电响应接收模块；430、单点移位模块；440、响应正交化模块；450、矩阵合成模块；500、遗传信息载体脱氧核糖核酸序列估计模块；510、处理器模块；520、遗传信息载体脱氧核糖核酸数据输入接口；530、输出显示模块。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
本实用新型公开的一种智能采样的少分子数遗传序列检测装置，通过以散列微晶颗粒的形式读出遗传信息载体脱氧核糖核酸分子的核苷酸序列在薄膜二极管中施加的电磁力，再利用相应的物理电子学技术获取遗传信息载体脱氧核糖核酸碱基序列。
如图1至图2所示，本实用新型提供一种智能采样的少分子数遗传序列检测装置，包括微晶颗粒双层结构模块100，用于形成序列检测的电子学、动力学的双薄膜结构的间隙结构，双薄膜结构的间隙结构是遗传信息载体脱氧核糖核酸序列检测的主要工作场所，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子动力模块200，用于控制遗传信息载体脱氧核糖核酸分子在双薄膜结构的间隙中游动，在特定的场合进行精确控制遗传信息载体脱氧核糖核酸分子的速度和加速度，单电子读出模块300，以单电子器件对聚乙烯薄膜上的电位电荷变化进行实时测量，并以数字形式进行存储，系统响应矩阵模块400，用于计算双薄膜结构的间隙内的每一个像素对工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列的系统响应矩阵、以及遗传信息载体脱氧核糖核酸序列估计模块500，用于对遗传信息载体脱氧核糖核酸序列进行估计，反演系统响应矩阵，主要是反演一个大规模的线性方程组。
进一步地，微晶颗粒双层结构模块100包括散列微晶颗粒模块110、双层膜模块120、膜间腔体模块130、以及光密闭层模块140，散列微晶颗粒模块110提供空间上散列分布的微晶颗粒，用于黏合双层膜模块120，产生强烈的隧道电流，双层膜模块120在空间上包夹散列分布的微晶颗粒并使两层膜间形成一个膜间腔体模块130，一般由带有氢原子的高分子材料构成，提供氢原子来产生空间上不同的吸附力，用于标记遗传信息载体脱氧核糖核酸链中不同的碱基，散列分布的微晶颗粒固定在膜间腔体模块130中，用于约束遗传信息载体脱氧核糖核酸分子的流动，光密闭层模块140用于使闪烁晶体衬底和散列分布的微晶颗粒处于无光的环境下，避免环境光带来的响应。
进一步地，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子动力模块200包括二极管模块210、电泳道模块220、微流控模块230、以及湍流抑制模块240，二极管模块210用于隔离背景光激发产生的信号，减少噪声分量，电泳道模块220在空间上由双层膜模块120包夹，并被散列分布的微晶颗粒隔离而成，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子在电泳道模块220中游动，遗传信息载体脱氧核糖核酸分子游动的能量来源于电泳道模块220中液体的流动，微流控模块230用于控制电泳道模块220的流速和流向，湍流抑制模块240用于抑制湍流，减少高速信号的噪声。
进一步地，单电子读出模块300包括光子光电转换模块310、电子倍增模块320、以及电信号数字化模块330，光子光电转换模块310吸收遗传信息载体脱氧核糖核酸分子激发产生的光子能量并将其转换成较高信噪比的电信号，电子倍增模块320对光子光电转换模块310产生的电信号进行高增益的倍增放大，得到电子流，电信号数字化模块330通过AD芯片把电子倍增模块320倍增后得到的模拟信号转化成数字信号，易于传输及存储。
进一步地，系统响应矩阵模块400包括单点电激励模块410、电响应接收模块420、单点移位模块430、响应正交化模块440、以及矩阵合成模块450，单点电激励模块410设置有一个激励源，每个单信号对系统产生一个响应，电响应接收模块420接收信号的系统响应，并串行传输至AD通道，单点移位模块430用于需要在薄膜的不同位置测量电信号时，对AD通道进行移位，为了减少AD通道的数目，需要在薄膜的不同位置测量电信号时，需要采用移位操作，以重复利用较少的AD通道，以节省AD通道，降低成本，响应正交化模块440用于对响应进行测量并生成正交化向量，使求逆的过程变得简洁，并且单次测试获得的有效信息更多，在需要对不同的响应测量时，可以测量出更多的自由度，以保证系统响应矩阵的秩最多，系统更趋于良态，矩阵合成模块450用于对响应正交化模块440产生的正交化向量进行合成，获得不同碱基信号的逆向矩阵。
进一步地，遗传信息载体脱氧核糖核酸序列估计模块500包括处理器模块510、遗传信息载体脱氧核糖核酸数据输入接口520、以及输出显示模块530，处理器模块510根据系统响应矩阵模块400的逆矩阵和不同像素点的像素反演系统响应矩阵，存为θ×d行，n2列的矩阵形式，其中θ为投影角，d为原点到投影线的距离，n是图像边长，遗传信息载体脱氧核糖核酸数据输入接口520将系统响应矩阵模块400反演的系统响应矩阵数据按照数值特征并行传输至输出显示模块530，输出显示模块530接收系统响应矩阵模块400反演的系统响应矩阵数据，并显示计算得到的带有次序的核苷酸种类组成的向量，即为脱氧核糖核酸序列的次序。
本实用新型的少分子数遗传序列检测装置可以用于生物信息技术，包括司法检测样本、动物样本、植物样本分析、临床样本仪器。
通过对比可以看出，通过采用本实用新型的少分子数遗传序列检测装置，能有效提高装置的序列检测信噪比，抵御外界噪声信号影响，特别适合于小动物或者临床等快速序列检测的应用场景。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)具有较好的模块化特征，易于升级、矫正、可重用。
(2)避免了繁琐的PCR过程，降低了系统成本。
(3)系统的输入仅需要单个细胞的DNA分子，因而系统具有更好的应用适应性和输入灵敏度。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本实用新型是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本实用新型保护的范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920042460.9
申请日:2019-01-10
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:36(江西)
授权编号:CN209822284U
授权时间:20191220
主分类号:G16B30/00
专利分类号:G16B30/00
范畴分类:申请人:南昌大学
第一申请人:南昌大学
申请人地址:330000 江西省南昌市红谷滩新区学府大道999号
发明人:邓玉姗;邓宏晟;赵欣;邓贞宙;刘志涛;段志文;韩春雷
第一发明人:邓玉姗
当前权利人:南昌大学
代理人:王超
代理机构:36129
代理机构编号:南昌赣专知识产权代理有限公司 36129
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计