專利名稱：半導(dǎo)體芯片、半導(dǎo)體酶芯片及篩選目標(biāo)酶的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物電子領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體芯片、一種半導(dǎo)體酶芯片及利用該半導(dǎo)體酶芯片篩選目標(biāo)酶的方法。
背景技術(shù)：
酶制劑行業(yè)是生物產(chǎn)業(yè)的一個(gè)分支，目前全球生產(chǎn)酶制劑有60余種產(chǎn)品，達(dá)到工業(yè)化規(guī)模的有20余個(gè)系列，2011年全球酶制劑產(chǎn)值39億美元，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用到食品、飼料、醫(yī)藥、環(huán)保、能源等各個(gè)重大工業(yè)領(lǐng)域.酶制劑產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)就是新酶菌種的發(fā)現(xiàn)和篩選。目前酶制劑廠商大多數(shù)采用傳統(tǒng)的篩選新酶的方法先隔離選定的微生物，然后用生物培養(yǎng)的方法繁殖，再加入底物，觀察反應(yīng)效果。但是用此方法篩選新酶的基片一般每片幾百個(gè)井(每個(gè)井可用來(lái)觀察一個(gè)反應(yīng))；因?yàn)橐业揭粋€(gè)有效的新酶通常需要篩選上億的反應(yīng)，所以用這種方法發(fā)現(xiàn)和篩選新酶速度很慢，周期長(zhǎng)。生物芯片是90年代中期以來(lái)影響最深遠(yuǎn)的重大科技進(jìn)展之一，可以用于檢測(cè)和研究小量的生物材料的裝置，主要是利用生物分子間的特異性，將生物分子(核酸、蛋白質(zhì)、糖類、細(xì)胞或者組織等)固定在特定基板上形成生物探針，然后將欲檢測(cè)的生物樣本溶液(如血液、尿液、體液或者唾液)在芯片上進(jìn)行混合，由于其內(nèi)部可能含有相對(duì)應(yīng)生物探針且能與其進(jìn)行分子間相互作用的目標(biāo)分子，因此，通過(guò)具有特異性且互為配位體的生物探針與目標(biāo)分子進(jìn)行結(jié)合反應(yīng)或酵素催化反應(yīng)，通過(guò)特定的儀器比如激光共聚焦掃描或電荷偶聯(lián)攝影像機(jī)(CCD)對(duì)雜交信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測(cè)分析，以取得檢測(cè)生物樣本的分析信息。根據(jù)芯片上的固定的探針不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、組織芯片，另外根據(jù)原理還有元件型微陣列芯片、通道型微陣列芯片、生物傳感芯片等新型生物芯片。由于用該技術(shù)可以將極其大量的探針同時(shí)固定于支持物上，所以一次可以對(duì)大量的生物分子進(jìn)行檢測(cè)分析，從而解決了傳統(tǒng)核酸印跡雜交(Southern Blotting和Northern Blotting等)技術(shù)復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、檢測(cè)目的分子數(shù)量少、低通量(lowthrough-put)等不足.值得指出的是，生物芯片技術(shù)盡管常用玻片/硅片作為固相支持物，且在制備過(guò)程有少數(shù)模擬計(jì)算機(jī)芯片的制備技術(shù)，但是目前的生物芯片技術(shù)基本不含電路，不涉及電信號(hào)，與半導(dǎo)體芯片技術(shù)基本上是兩個(gè)不同的領(lǐng)域。二^--世紀(jì)初,美國(guó)Verenium公司開(kāi)始帶頭將生物芯片的方法應(yīng)用到酶領(lǐng)域來(lái)
大幅提聞篩選速度。由于生物芯片在傳統(tǒng)的基片基礎(chǔ)上把井做得更小，從而提聞了井密度，使每個(gè)基片可包含約幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)個(gè)井；同時(shí)，在井中不再采用生物培養(yǎng)的方法繁殖選定的微生物，而是取選定的微生物的關(guān)鍵DNA序列，再打亂DNA序列重新排列組合，然后將新的DAN序列植入每個(gè)井中，用熒光顯微鏡等方法觀察此上萬(wàn)個(gè)反應(yīng)，所以跟傳統(tǒng)的篩選新酶的方法比大幅地提高了篩選速度，在酶行業(yè)帶來(lái)了很大的進(jìn)步和變革。但是生物芯片從樣品的準(zhǔn)備到加樣、反應(yīng)、清洗，仍需要大量的時(shí)間，而DNA序列的可能排列組合有多種，即使采用包含約幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)個(gè)井的生物芯片給新酶的發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了很大的進(jìn)步，新酶的篩選仍然是一個(gè)重要瓶頸.例如，一個(gè)很短的13個(gè)堿基的DAN序列，可能的排列組合為13 !，即62億；如果用60萬(wàn)個(gè)井的生物芯片篩選，假設(shè)每個(gè)芯片需6小時(shí)，則篩選13個(gè)堿基的DAN序列的可能排列組合共需7年。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體芯片以及利用半導(dǎo)體芯片制成的篩選速度快、井密度高的半導(dǎo)體酶芯片。半導(dǎo)體芯片，包括至少一個(gè)傳感器矩陣，每個(gè)傳感器上方對(duì)應(yīng)設(shè)有一個(gè)空洞；傳感器由電路連接，感應(yīng)空洞中離子濃度變化。傳感器矩陣由多行傳感器和多列傳感器排列組合而成。作為優(yōu)選，一層或多層氧化膜層位于傳感器矩陣上方，空洞設(shè)在氧化膜層。作為優(yōu)選，傳感器為離子晶體管傳感器。離子晶體管傳感器設(shè)在半導(dǎo)體芯片中，利用半導(dǎo)體芯片可以大大提高井的密度。 作為優(yōu)選，每個(gè)空洞最多容納一個(gè)細(xì)胞。作為優(yōu)選，空洞為邊長(zhǎng)大于O. I微米且小于20微米的正方形或者為直徑大于O. I微米且小于20微米的圓形。半導(dǎo)體酶芯片，包括至少一個(gè)傳感器矩陣，傳感器由電路連接，感應(yīng)酶化學(xué)反應(yīng)。傳感器矩陣由多行傳感器和多列傳感器排列組合而成，傳感器可以感應(yīng)酶化學(xué)反應(yīng)從而推斷酶的性質(zhì)。半導(dǎo)體酶芯片，是所述的半導(dǎo)體芯片的一種。作為優(yōu)選，半導(dǎo)體酶芯片在，每個(gè)傳感器上方對(duì)應(yīng)設(shè)有一個(gè)空洞。作為優(yōu)選，空洞是物理上的空洞，或者是一種將含有待篩選酶的細(xì)胞固定在傳感器位置的機(jī)制。空洞可以不是實(shí)際存在的空洞，而是通過(guò)一種機(jī)制比如電學(xué)的電場(chǎng)效應(yīng)可以將含有待篩選酶的細(xì)胞固定在傳感器位置的非物理上的空洞；所述的傳感器位置包括傳感器正上方和電學(xué)能感應(yīng)并將含有待篩選酶的細(xì)胞固定的附近位置，并非局限于正上方的傳感器位置。作為優(yōu)選，傳感器為離子晶體管傳感器。作為優(yōu)選，每個(gè)空洞最多容納一個(gè)細(xì)胞。作為優(yōu)選，空洞為邊長(zhǎng)大于O. I微米且小于20微米的正方形或者直徑大于O. I微米且小于20微米的圓形。本發(fā)明還提供了一種利用半導(dǎo)體酶芯片篩選目標(biāo)酶的方法，直接用電路讀出反應(yīng)，比生物芯片方法提速10-1000倍。一種篩選目標(biāo)酶的方法，包括以下步驟
將含有待篩選酶的細(xì)胞移至權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體酶芯片上，含有待篩選酶的細(xì)胞進(jìn)入空洞，每個(gè)空洞容納零個(gè)或一個(gè)細(xì)胞；
將待篩選酶的底物移至半導(dǎo)體酶芯片，待篩選酶中高活性酶與底物反應(yīng)，反應(yīng)信號(hào)被半導(dǎo)體酶芯片相應(yīng)的傳感器檢測(cè)；
信號(hào)大的傳感器位置即對(duì)應(yīng)的空洞中生物反應(yīng)活躍的位置，對(duì)應(yīng)的空洞中的待篩選的酶即目標(biāo)酶。上述半導(dǎo)體酶芯片的每個(gè)空洞最多一個(gè)細(xì)胞，使得篩選目標(biāo)酶時(shí)每個(gè)空洞容納零個(gè)或一個(gè)細(xì)胞，信號(hào)大的傳感器位置即對(duì)應(yīng)的目標(biāo)酶最多只有一個(gè)，不會(huì)影響干擾目標(biāo)酶的篩選。作為優(yōu)選，含有待篩選酶的細(xì)胞由以下方法獲得將多個(gè)酶基因序列和人造細(xì)胞混合，使每個(gè)人造細(xì)胞含有零個(gè)，一個(gè)，或多個(gè)基因序列；然后采用已知生物方法將基因序列在人造細(xì)胞內(nèi)表達(dá)為待篩選的酶。作為優(yōu)選，多個(gè)酶基因序列由以下方法獲得可以從已知基因庫(kù)選擇多個(gè)基因，排列組合成不同的基因序列；也可以從自然界中的生物體中提??；或者通過(guò)其他已知方法獲得。半導(dǎo)體酶芯片采用半導(dǎo)體生產(chǎn)方法，包含半導(dǎo)體電路，用電信號(hào)讀出半導(dǎo)體酶芯片，便于與已有的IT設(shè)備無(wú)縫連接；沒(méi)有顯微鏡和成像裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作；集成度更高，可同時(shí)多個(gè)檢測(cè)，每個(gè)芯片含百萬(wàn)以上感應(yīng)器；充分利用已有半導(dǎo)體工業(yè)成熟技術(shù)和生態(tài)支持，可迅速降低成本。 現(xiàn)行最高的生物芯片菌種篩選技術(shù)為40萬(wàn)，本發(fā)明利用半導(dǎo)體芯片來(lái)篩選酶，與生物芯片相比，更進(jìn)一步地提高新酶篩選速度，半導(dǎo)體芯片特種酶產(chǎn)生菌篩選技術(shù)具有一次可觀察百萬(wàn)以上生物反應(yīng)效果的特點(diǎn)，超出現(xiàn)有技術(shù)10余倍。同時(shí)，用半導(dǎo)體方法可以加大井密度至少10倍以上，而且直接用電路讀出反應(yīng)可進(jìn)一步提高篩選速度，可比生物芯片方法提速10-1000倍。


圖I是半導(dǎo)體酶芯片示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例的方式具體進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例I
半導(dǎo)體酶芯片，包括半導(dǎo)體芯片I以及半導(dǎo)體芯片I表面的氧化膜層2。用掩模光照并刻蝕出空洞3，使得氧化膜層2形成多個(gè)空洞3 ;每個(gè)空洞3最多能容納一個(gè)人造細(xì)胞，每個(gè)空洞呈正方形，邊長(zhǎng)大于O. I微米且小于20微米；空洞3也可以為圓形，直徑大于O. I微米且小于20微米。氧化膜層2為雙脂質(zhì)層或者細(xì)胞膜。半導(dǎo)體酶芯片包括至少一個(gè)離子晶體管傳感器矩陣，設(shè)在半導(dǎo)體芯片I內(nèi)，每個(gè)離子晶體管傳感器上方有一個(gè)空洞3，離子晶體管傳感器由電路連接，可以感應(yīng)空洞3中離子濃度變化或PH值變化。實(shí)施例2
利用半導(dǎo)體酶芯片篩選目標(biāo)酶的方法，包括以下步驟
從基因庫(kù)選擇多個(gè)基因，排列組合成不同的基因序列，將基因序列和人造細(xì)胞混合使每個(gè)人造細(xì)胞最多含有一個(gè)基因序列；
然后采用生物方法將基因序列在人造細(xì)胞表達(dá)為待篩選的酶，將含有待篩選酶的人造細(xì)胞滴在半導(dǎo)體酶芯片的氧化膜層，含有待篩選酶的人造細(xì)胞進(jìn)入空洞，且每個(gè)空洞最多容納一個(gè)含有待篩選酶的人造細(xì)胞；
將待篩選酶的底物滴在半導(dǎo)體酶芯片的氧化膜層2，然后進(jìn)入空洞3與人造細(xì)胞的待篩選酶反應(yīng)，待篩選酶中高活性酶將持續(xù)反應(yīng)放出離子，空洞3中PH值或離子濃度變化產(chǎn)生電荷變化，從而改變離子晶體管傳感器中電流；
電流變化最大的離子晶體管傳感器位置即對(duì)應(yīng)的空洞3中生物反應(yīng)活躍的位置，取出對(duì)應(yīng)的空洞3的人造細(xì)胞和待篩選的酶，即目標(biāo)酶。
總之，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體芯片，包括至少一個(gè)傳感器矩陣，傳感器矩陣中至少一個(gè)傳感器上方對(duì)應(yīng)設(shè)有一個(gè)或多個(gè)空洞；傳感器由電路連接，感應(yīng)空洞中離子濃度變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體芯片，其特征在于一層或多層氧化膜層位于傳感器矩陣上方，空洞設(shè)在氧化膜層；空洞為邊長(zhǎng)大于O. I微米且小于20微米的正方形或者為直徑大于O. I微米且小于20微米的圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體芯片，其特征在于傳感器為離子晶體管傳感器。
4.半導(dǎo)體酶芯片，包括至少一個(gè)傳感器矩陣，傳感器由電路連接，感應(yīng)酶化學(xué)反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體酶芯片，其特征在于傳感器矩陣中至少一個(gè)傳感器上方對(duì)應(yīng)設(shè)有一個(gè)或多個(gè)空洞。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體酶芯片，其特征在于空洞是物理上的空洞，為邊長(zhǎng)大于O. I微米且小于20微米的正方形或者為直徑大于O. I微米且小于20微米的圓形；或者是一種將含有待篩選酶的細(xì)胞固定在傳感器位置的機(jī)制。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體酶芯片，其特征在于傳感器為離子晶體管傳感器。
8.一種篩選目標(biāo)酶的方法，包括以下步驟 將含有待篩選酶的細(xì)胞移至半導(dǎo)體酶芯片上，含有待篩選酶的細(xì)胞進(jìn)入空洞，每個(gè)空洞容納零個(gè)或一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞； 將待篩選酶的底物移至半導(dǎo)體酶芯片，待篩選酶中高活性酶與底物反應(yīng)，反應(yīng)信號(hào)被半導(dǎo)體酶芯片相應(yīng)的傳感器檢測(cè)； 信號(hào)大的傳感器位置即對(duì)應(yīng)的空洞中生物反應(yīng)活躍的位置，對(duì)應(yīng)的空洞中的待篩選的酶即目標(biāo)酶。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的篩選目標(biāo)酶的方法，其中含有待篩選酶的細(xì)胞由以下方法獲得將多個(gè)酶基因序列和人造細(xì)胞混合，使每個(gè)人造細(xì)胞含有零個(gè)，一個(gè)，或多個(gè)基因序列；然后采用生物方法將基因序列在人造細(xì)胞內(nèi)表達(dá)為待篩選的酶。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的篩選目標(biāo)酶的方法，其中多個(gè)酶基因序列由以下方法獲得從已知基因庫(kù)選擇多個(gè)基因，排列組合成不同的基因序列；或者從自然界中的生物體中提取。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種酶芯片，公開(kāi)了一種半導(dǎo)體芯片、半導(dǎo)體酶芯片及利用該半導(dǎo)體酶芯片篩選目標(biāo)酶的方法。半導(dǎo)體酶芯片，包括半導(dǎo)體芯片和氧化膜層，半導(dǎo)體芯片包括至少一個(gè)傳感器矩陣，傳感器由電路連接，感應(yīng)空洞中離子濃度變化。本發(fā)明利用半導(dǎo)體芯片來(lái)篩選酶，與傳統(tǒng)生物芯片相比，可以加大井密度至少10倍以上，而且采用非光學(xué)方法的電路方法讀出反應(yīng)，可以進(jìn)一步提高篩選速度。
文檔編號(hào)C12Q1/02GK102925347SQ20121031080
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者歐陽(yáng)旭 申請(qǐng)人:張楚凡