基于电阻抗检测的片上微槽阵列数字PCR系统及控制方法

本发明属于集成电路，尤其涉及一种基于电阻抗检测的全集成芯片级数字pcr系统及控制方法。

背景技术：

1、pcr作为分子诊断中最为基础和广泛的技术，在医学诊断、基因复制、犯罪取证、考古等应用领域具有重要意义。其中第三代技术数字pcr，通过实现成千上万个微室的分化扩增与对单一微室的检测，得到数字化0/1数据，并由此计算pcr反应结果，实现了全新、精确、高效的绝对核酸定量技术。

2、随着集成电路及相关生物传感器工艺的发展，使pcr系统的集成化成为可能。集成有反应腔、检测电路、温控系统等模块的基因芯片,由于其便携小巧、低功耗、易操作、低成本的优势，有机会打败原有的需要繁杂化学标记与操作步骤、沉重大型设备的dpcr/qpcr装置，迅速建立市场。为了简化pcr系统，带来更加便携、高性价比的应用，电化学技术被应用至pcr系统。它采用了电化学阻抗的测量原理，通过测量微室单元内不同pcr循环后的阻抗变化，以判断是否完成反应。此类pcr系统的检测电极与样品直接接触，不需固定预处理与外置复杂光学仪器。通过在电极端施加特定频率幅度的信号，可以得到不同pcr循环下不同范围的实部或虚部阻抗，进行反应阴性/阳性的判断。交流信号对样品带来的损坏可以忽略不计。

3、纵观数字pcr行业发展，其总是向着便携、简便、低功耗的趋势进行演变。现有的传统荧光dpcr仪器往往不具备上述优点，无法满足临床使用或随时随地的诊疗目的。而现有的电化学检测扩增子通常采用伏安法测样品阻抗，为了增强所需检测的信号，通常采用前置标记过程，这导致了额外的插层剂或是需要额外的固定预处理来提高信噪比。相比伏安法，eis系统通过测量不同频率下样品的复阻抗，虽有效解决了以上问题和缺陷，但已有相关研究及系统或是未做样品电极接触式实验，抑或是只测量了dna浓度与频域阻抗的关系，而没有进行pcr的实时检测。此外，pcr反应需要快速的周期性温度切换以及精准的温度控制，所需热循环仪加热单位通常为板极样品，体积、功耗较大，带来不便携、长检测时间等问题

4、此外，由于qpcr长足的发展时间以及较低的技术门槛，如今其仍占据着绝大部分的分子诊断临床应用技术市场。dpcr，尤其是电阻抗式dpcr仍存在很大的研究空间。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于电阻抗检测的全集成芯片级数字pcr系统及控制方法，以解决上述的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的基于电阻抗检测的全集成芯片级数字pcr系统及控制方法的具体技术方案如下：

3、一种基于电阻抗检测的全集成芯片级数字pcr系统，包括电源管理模块、时钟产生模块、片上反应微槽阵列、片上忆阻器阵列、热循环控制模块、片上加热器模块、数字控制逻辑模块、开关阵列、驱动模块、阻抗检测模块、终值阻值比较模块、数据传输模块；所述电源管理模块分别连接时钟产生模块、片上反应微槽阵列、片上忆阻器阵列、热循环控制模块、片上加热器模块、数字控制逻辑模块、开关阵列、驱动模块、样品阻值检测模块、终值阻值比较模块、数据传输模块；所述时钟产生模块连接数字控制逻辑模块、阻抗检测模块、数据传输模块、热循环控制模块；片上反应微槽阵列连接片上忆阻器阵列、开关阵列，与片上加热器毗邻；片上忆阻器阵列连接片上微槽阵列、开关阵列、驱动模块、终值阻抗比较模块；热循环控制模块连接片上加热器、时钟产生模块、驱动模块、数字控制逻辑；片上加热器连接热循环控制、驱动模块，与片上微槽阵列毗邻；数字控制逻辑模块与阻抗检测模块、开关阵列、时钟产生模块、热循环控制模块连接；驱动模块连接片上加热器、数字控制逻辑、片上忆阻器阵列；阻抗检测模块连接开关阵列、数字控制逻辑、终止阻抗比较模块、时钟产生模块；终值阻抗比较模块连接片上忆阻器阵列、阻抗检测模块、数据传输模块；数据传输模块连接时钟产生模块、终值阻抗比较模块；

4、所述电源管理模块用于为系统进行供电；

5、所述时钟产生模块用于产生四个频率的时钟，分别用作数字控制逻辑时钟、数据传输时钟、阻抗激励、热循环控制时钟；

6、所述片上反应微槽阵列用做pcr反应物的容器；

7、所述片上忆阻器阵列有两组组成，分别为忆阻器阵列a和忆阻器阵列b，所述忆阻器阵列a和忆阻器阵列b在数字逻辑与开关阵列的控制下分别完成对应单元的pcr反应前与反应后阻抗状态记录；

8、所述热循环控制模块用于完成pcr反应的温度控制与循环；

9、所述片上加热器模块用于完成对片上反应微槽阵列的加热；

10、所述数字控制逻辑模块用于完成系统状态控制；

11、所述开关阵列用于完成片上微槽阵列单元以及忆阻器单元的时分选通；以及配合驱动电路更改忆阻器两端的电流极性与大小，完成初始化工作；

12、所述驱动模块用于提供片上忆阻器阵列初始化所需的大电流驱动，以及片上加热器所需的电流驱动；

13、所述阻抗检测模块用于完成pcr反应前后的单元阻抗测量，并写入对应忆阻器阵列；

14、所述终值阻抗比较模块完成对两个忆阻器阵列的对应单元阻值比较，得到反应结果；

15、所述数据传输模块完成对检测结果的数据传输。

16、进一步的，所述电源管理模块采用有线供电方式为系统进行供电，所述电源管理模块包括带隙基准电路和低压差线性稳压器，带隙基准电路产生与温度无关的多路基准电流，作为后续模块的输入；同时产生与温度无关的基准电压，作为ldo模块的输入标准，产生芯片所需的vdd电压值；ldo为低压差典型稳压器，输入为电源电压与带隙基准的参考电压，其作用是通过一个负反馈将输入电源电压输出稳定在所需参考电压值。

17、进一步的，所述时钟产生模块包括多个片上振荡器。

18、进一步的，所述片上反应微槽阵列包括多个片上微槽单元，所述微槽单元由芯片主体、立方体溶液槽和底部双电极构成，所述立方体溶液槽和底部双电极设置在芯片主体上，所述底部双电极在立方体溶液槽围成的容腔内。

19、进一步的，所述忆阻器阵列a和忆阻器阵列b，由与微槽阵列等数目的忆阻器单元构成，所述忆阻器单元结构为“一晶体管一忆阻器”，所述忆阻器两极分别连接行控制总线与晶体管漏极，晶体管栅极与源极接入栅、列控制总线，两个阵列在数字控制逻辑模块与开关阵列的控制下分别完成对应单元的pcr反应前与反应后阻抗状态记录。

20、进一步的，所述加热器模块布置于微槽阵列正上方，将微槽单元内溶液分别加热到92℃、55℃、72℃，并按照所需时间周期进行循环切换。

21、进一步的，所述数字控制逻辑模块包括温度控制部分和阻抗检测部分，所述温度控制部分数字逻辑输出控制信号，完成对温度的稳定与切换，从而满足pcr反应所需的周期性温度循环；所述阻抗检测部分产生控制码字，控制开关阵列实现对忆阻器阵列a、忆阻器阵列b的初始化过程，完成对片上微槽阵列的时分选通，一段时刻内只对一个微槽单元进行阻抗测试，并将有效阻抗值写入对应忆阻器组；反应结束后完成对忆阻器阵列ab的对应单元阻抗比较的逻辑控制。

22、进一步的，所述阻抗检测模块包括振荡器、电流域数模转换器、开关阵列、可变增益放大器、交流-直流转换，将pcr单元的阻抗值转换为不同大小的直流电压值，直流输出电压将通过开关阵列连接忆阻器阵列的晶体管栅极，在忆阻器两端形成不同大小的电流，从而将两个片上忆阻器阵列写至不同大小的阻值。

23、本发明还公开了一种全集成芯片级数字pcr系统的控制方法，包括如下步骤：

24、步骤一：对pcr样品进行配置，并加样进入片上反应微槽，完成密封工作；

25、步骤二：状态一，进行反应前各单元阻抗检测，并写入忆阻器阵列a；时钟产生模块产生方波激励，激励频段取自前置测试结果，选用阻抗变化最为敏感的频段范围；激励信号为电压方波，经过电流域数模转换器得到电流脉冲，方波信号经过样品，获得阻抗信息相关的电压值（u=i*z）；数字控制逻辑模块以及开关阵列完成对单元的依次选通、时分检测；对于单一单元，检测结果经过可变增益放大器进行放大，得到幅度增大的电压值，交流-直流转换器得到一定值的直流电压信号，该信号与样品阻抗成正比，连接至忆阻器阵列的晶体管栅极，此时，忆阻器也即晶体管流过的电流大小与最初始处样品阻抗大小成正比；由于忆阻器特性，一定时间通过的电流大小会导致忆阻器阻值更改，因此该忆阻器记忆样品的相对阻抗信息，遍历将所有的样品反应前阻抗值对应写入忆阻器阵列a；

26、数字逻辑控制热循环控制模块与片上加热器进行pcr反应的温度控制与循环；温度控制部分在92℃、55℃、72℃三个温度依次切换，在经过所设定的循环周期数后，完成pcr反应；

27、步骤三：状态二为状态一的步骤重复，以步骤二相同方式对反应后的反应微槽单元进行检测，并写入忆阻器阵列b；此时，忆阻器阵列a、b分别记忆有反应前后的阻抗信息；

28、步骤四：状态三，终值阻抗比较模块完成对两个忆阻器阵列的对应单元阻值比较，忆阻器中间节点连接至比较器一端输入，另一端连接电源电压的一半，通过判断串联电压结点的电压值与vdd/2的相对大小，得到忆阻器单元的相对大小，也即反应前后阻抗值的相对大小，比较器的数字输出为该单元判断结果，由数据传输模块进行信号发送，实现对各单元的阳性、阴性判断。

29、本发明的基于电阻抗检测的全集成芯片级数字pcr系统及控制方法具有以下优点：本发明无需外部测试板及复杂连接，同时采用电阻抗的测试原理，摒弃了荧光pcr所需的前置步骤以及昂贵仪器；集成有片上加热模块，无需外部热循环仪，大大减小了系统体积与功耗。本发明可以实现pcr的准确分析，其简单、便携、低成本的优势使其在数字pcr分析领域具有广泛的应用前景。