CN103975240B - 金刚石电极纳米间隙换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了能够将氧化还原活性化学信号转换成电信号的换能器。换能器包括以纳米间隙分离的两个电极。至少一个电极由传导金刚石构成。提供了制造纳米间隙换能器和纳米间隙换能器阵列的方法。可以将单独可寻址的纳米间隙换能器的阵列设置在集成电路芯片上并可操作地耦合到该集成电路芯片。

Description

金刚石电极纳米间隙换能器
相关申请的交叉引用
本申请涉及现在待决的2009年12月31日提交的题为“Nanogap Chemical and Biochemical Sensors”的美国申请No.12/655,578；现在待决的2005年9月13日提交的题为“Sensor Arrays and Nucleic Acid Sequencing Applications”的美国专利申请No.11/226,696，其为要求2005年3月4日提交的题为“Sensor Arrays and Nucleic Acid Sequencing Applications”的美国专利申请No.11/073,160的权益的部分继续申请；以及现在待决的2007年12月31日提交的题为“Electronic Sensing for Nucleic Acid Sequencing”的美国专利申请No.11/967,600，这些申请的公开被通过引用合并到本文中。
技术领域
本发明的实施例一般地涉及换能器、纳米间隙换能器、电子感测、电化学、氧化还原循环以及生物分子检测。
背景技术
提供增加的准确度和/或鲁棒性、减少的对分析样本的需要和/或高吞吐量的分析设备是有价值的分析和生物医学工具。
另外，小型化且可以高容量制造的分子检测平台提供对处于某些位置和情况下的许多人的负担得起的疾病监测的接触机会，在该位置和情况下，此类接触机会在过去是不可能的。负担得起的分子诊断设备的可用性降低可获得保健的成本并改善其质量。
另外，便携式分子检测设备被应用于安全和危害检测及补救领域，并且提供立即适当地对察觉的安全或意外生物或化学危害进行响应的能力。
活有机体中的遗传信息是以非常长的核酸分子的形式包含的，诸如脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。自然发生的DAN和RNA分子通常由称为核苷酸的重复化学砌块组成。例如，人类基因组包含大约三十亿个DNA核苷酸序列和估计20,000至25,000个基因。
人类基因组的全部三十亿个核苷酸序列的确定已提供了用于识别许多疾病的遗传学基础的根据，所述疾病诸如癌症、囊性纤维化以及镰刀形红细胞贫血病。将个体的基因组或基因组的区段定序提供使医学治疗个性化的机会。在研究、环境保护、食品安全、生物防御以及临床应用中也存在对核酸序列信息的需要，例如，所述临床应用诸如病原体检测，即病原体和/或其他遗传变体的存在或不存在的检测。
附图说明
图1是图示出纳米间隙换能器的示意图。
图2是图示出沿着图1的纳米间隙换能器的2-2的视图的示意图。
图3A—B图示用于制造具有包括传导金刚石材料的一个或两个电极的纳米间隙换能器的方法。
图4A—B用图表示用于具有传导金刚石电极的纳米间隙换能器的循环伏安测量。
图5提供了用于确定核酸分子的序列的方法的流程图。
图6提供了用于通过氧化还原活性品类的氧化还原反应的检测来将核酸分子定序的方法的反应图解。
具体实施方式
在超低浓度下检测生物反应和分子的能力可应用于例如分子检测和分析、分子诊断、疾病检测、物质识别以及DAN检测和定序。本发明的实施例提供了能够检测生物反应和分子并展示出高灵敏度、极大减小的覆盖区以及高度可制造性的电子传感器。根据本发明的实施例的纳米间隙换能器可以采取纳米间隙换能器的大型阵列的形式。例如，提供了包括1000至1千万或一百万至100亿换能器的纳米间隙换能器阵列，其中50%或以上、75%或以上、85%或以上、90%或以上、95%或以上或者98%或以上的换能器是运行的传感器。
本发明的实施例提供了能够充当电子传感器和氧化还原循环传感器的换能器。一般地，氧化还原循环是其中能够被可逆地氧化和/或还原的分子（即，氧化还原活性分子）在被独立地偏置的至少两个电极之间移动的电化学方法，所述至少两个电极一个在用于正在检测的氧化还原活性分子的还原电位以下且另一个在氧化电位以上，使电子在独立偏置电极之间穿梭往返（即，分子在第一电极处被氧化，并且然后扩散至第二电极，其在那里被还原，或者反之亦然，其首先被还原且然后被氧化，这取决于分子和电极被偏置时的电位）。在氧化还原循环中，同一分子能够因此向被记录电流贡献多个电子，导致信号的净放大。
根据本发明的实施例的纳米间隙换能器能够以CMOS（互补金属氧化物半导体）兼容方式可靠地制造，允许传感器到单个平台上的密集集成（并且可选地驱动电子装置），例如，所述单个平台诸如通常在集成电路制造应用中使用的芯片或硅晶片。由于由本发明的实施例提供的纳米间隙换能器是非常小且非常灵敏的，所以其提供了以大量并行方式在超低浓度下检测分子和生物分子的能力。单独纳米间隙换能器可以例如在阵列或其他芯片表面上占据少到0.5μm2。在其他实施例中，单独纳米间隙换能器占用阵列或其他芯片表面上的介于0.5μm2至50μm2或0.5μm2至100μm2之间的面积。以高度灵敏的方式检测分子的能力被应用于诊断、蛋白质组学、基因组、安全及化学和生物危害检测的领域。
图1图示出能够充当电子传感器、检测氧化还原分子和/或充当氧化还原循环传感器的纳米间隙换能器。在图1中，衬底105具有介电层110和第一电极115。第二电极120与第一电极以具有高度h1的间隙分离。在本发明的实施例中，间隙的高度h1小于500nm或在10和200nm之间、在10和150nm之间或在25和150nm之间。可选电子互连125和130、诸如通过介电层110的通孔实现到被容纳在衬底105中的可选电子装置（未示出）的连接。在本发明的实施例中，衬底105是集成电路（IC）芯片且包括用于例如驱动电极115和120、信号读取、信号放大和/或数据输出的电子装置。衬底可以是其他材料，例如，诸如玻璃、钝化金属、聚合物、半导体、PDMS（聚二甲硅氧烷）和/或柔性弹性体物质。在其中衬底并未容纳电子装置的实施例中，到电极115和120的电连接可以沿着绝缘层110的表面或通过衬底105伸出，但是其他配置也是可能的。绝缘层135接近于第二电极120。绝缘层135可以例如由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化铝或诸如聚酰亚胺的聚合物构成。用于绝缘层135的其他介电材料也是可能的。
电极115和120由传导材料构成，例如，诸如金刚石、铂和/或金。在本发明的实施例中，至少一个电极115或120由传导金刚石材料构成。在本发明的实施例中，电极115由传导金刚石构成。在本发明的其他实施例中，电极115和120两者都由传导金刚石材料构成。例如，可以通过对金刚石进行掺杂来使其传导电力。掺杂剂包括例如硼、氮和磷。在本发明的实施例中，掺杂剂是硼。用于硼掺杂金刚石材料的掺杂浓度包括大于1020原子/cm3和小于1022原子/cm3的浓度。在本发明的实施例中，当第一电极115由传导金刚石材料构成时，电极的高度h2在200和1000nm之间。在替换实施例中，传导金刚石电极的高度h2在5和25nm之间。在本发明的实施例中，传导金刚石膜是微晶或纳米晶体金刚石。在本发明的其他实施例中，可选地，传导金刚石第一电极115具有接近介电区域117。介电材料可以是例如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或与制造过程兼容的其他电化学非电抗（non-reactive）材料。在操作中，通常还将参考电极（未示出）与纳米间隙换能器一起使用。参考电极与正在测量的溶液接触，但是不必位于纳米间隙内。
图2是沿着图1的纳米间隙换能器的2-2的视图。图2的特征与相对于图1所述的那些相同。简要地，描绘了第一电极115、介电层110、第二电极120以及绝缘层135。对于电极115和120而言其他形状是可能的，例如，诸如椭圆形、正方形、矩形、三角形或其他多边形状。在图2中未示出可选介电区域117，但是其将位于标记为110的区域中。
图3A—B图示出用于制造具有由传导金刚石材料构成的第一电极和可选地具有由传导金刚石材料构成的第一和第二电极二者的纳米间隙换能器的方法。在图3A中，结构（i）包括衬底305、介电层310、由传导金刚石材料构成的第一电极层315以及硬掩膜层320。可以例如使用热丝CVD（化学汽相沉积）、微波等离子体CVD或燃烧火焰辅助CVD过程来沉积传导金刚石材料。可以在籽晶层上沉积传导金刚石材料，其中，例如通过将衬底浸没在包括金刚石颗粒的溶液中并使用超声破碎（ultrasonication）将该颗粒附着于表面或通过使金刚石颗粒悬浮在自旋到衬底表面上的材料中来沉积籽晶层。在本发明的实施例中，传导金刚石材料是硼掺杂金刚石。在本发明的实施例中，以大于1020原子/cm3或小于1022原子/cm3的硼掺杂浓度来沉积传导金刚石材料。在本发明的实施例中，硬掩膜层320由例如铬或二氧化硅构成。在本发明的实施例中，衬底305是例如包括用于例如驱动电极、信号检测、信号放大和/或数据输出的电子装置的IC芯片。可选地，传导通孔325和330被提供通过介电层310而至衬底305，其将电极与被容纳在衬底305中的可选电子装置互连。用于衬底305的其他材料也是可能的。
在本发明的实施例中，当第一电极315由传导金刚石材料构成时，已发现可能期望使第一电极的厚度最小化以便使顶部和底部电极之间的短路概率最小化。已发现用于第一电极的高纵横比引起电极边缘处的牺牲保形涂层的薄化。然而，还已发现对于微晶金刚石材料而言需要用于第一电极的最小电极高度以便避免过大表面粗糙度。已发现第一电极的过大表面粗糙度还可以引起牺牲保形涂层中的开口及第一和第二电极之间的短路。在本发明的实施例中，当第一电极由传导金刚石构成时，第一电极的高度可以在300和1000nm之间、300和800nm之间、350和700nm之间以便平衡高度最小化与表面粗糙度的考虑。
可以通过将硬掩膜层320图案化、去除不想要区域中的硬掩膜层320并蚀刻暴露金刚石电极层315来产生图3A的结构（ii）。可以例如使用氧等离子体来蚀刻暴露金刚石电极层315。诸如在70和100C之间的提高温度能够促进氧等离子体蚀刻。然后去除硬掩膜层320，并且可选地通过沉积介电层（例如，诸如二氧化硅或氮化硅）并且在第一电极表面315上执行化学机械抛光（CMP）来使第一电极315表面平面化。可选CMP过程使电极315表面平面化，并且能够改善随后层的保形涂层性质。
沉积牺牲材料335的保形膜并将其图案化，产生图3A的结构（iii）。可以通过首先沉积光致抗蚀剂、将光致抗蚀剂图案化、例如通过溅射或原子层沉积（ALD）来沉积牺牲材料并剥离光致抗蚀剂以在期望区域中限定牺牲材料的保形膜（剥离过程）来将牺牲材料335的保形膜图案化。在本发明的实施例中，牺牲材料包括铬或钨。可以例如通过溅射ALD沉积来沉积牺牲材料335的保形膜以实现缠绕底部电极315的膜。在本发明的实施例中，牺牲材料335的薄膜具有小于500nm或在10和200nm之间、在10和150nm之间或在25和150nm之间的厚度。在其中沉积介电层并执行CMP的本发明的实施例中，可选介电区域332保持在结构中。在其中不沉积介电层的实施例中，图3A的结构（iii）中的区域332包括牺牲材料335的保形膜。
在牺牲材料335的保形层上沉积第二电极材料340并将其图案化，从而产生图3A的结构（iv）。可以使用剥离过程以平版印刷方式将第二电极材料340图案化。在本发明的实施例中，第二电极材料是传导金刚石。可以例如通过使用热丝CVD、微波等离子体CVD或燃烧火焰辅助CVD过程来播种且然后沉积层来沉积传导金刚石。在本发明的实施例中，当第二电极340材料是金刚石时，牺牲材料335的保形膜包括钨。在本发明的其他实施例中，第二电极340由铂或金构成。可以例如通过将铬薄层（其可以约为10nm厚）溅射为粘附层且然后溅射一层铂来沉积铂电极。可以例如通过溅射、蒸发、电沉积或无电沉积过程来沉积金电极材料。在本发明的实施例中，当第二电极340由金构成时，牺牲材料335是钨。
然后在图3A的结构（iv）上沉积介电层345，从而产生图3B的结构（v）。介电材料可以是例如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化铝或聚合物，但其他材料也是可能的。进入孔（access hole）350被创建通过介电层345和第二电极340。通过使用光致抗蚀剂掩膜来以平版印刷方式限定孔且然后使用干法蚀刻过程来制作孔而创建进入孔350。去除牺牲材料335，从而在第一和第二电极315和340之间产生间隙。例如，在其中牺牲材料335是钨或铬的实施例中，可以使用湿法蚀刻来去除牺牲材料335。结果产生的结构在图3B（iv）中示出。在本发明的实施例中，间隙的高度h1小于500nm或在10和200nm之间、在10和150nm之间或在25和150nm之间。在其中使用CMP过程来使第一电极315平面化的实施例中，区域332包括介电材料，诸如二氧化硅，并且在其中不使用介电沉积和CMP的实施例中，区域332是空的。
介电材料还包括例如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳掺杂氧化物（CDO）、碳化硅、诸如八氟环丁烷或聚四氟乙烯之类的有机聚合物、氟硅酸盐玻璃（FSG）和/或诸如倍半硅氧烷、硅氧烷或有机硅酸盐玻璃之类的有机硅酸盐。介电材料还可以包括聚合物，例如，诸如聚酰亚胺。
图4A—B图示出根据本发明实施例的用于具有传导金刚石第一电极和铂第二电极的纳米间隙换能器的循环伏安图表。从图4A—B能够看到有可能制造具有不展示第一-第二电极短路的金刚石电极的操作纳米间隙换能器。在图4A中，使用具有处于约0.240 V的氧化还原电位的模型化合物（二茂铁）作为电极电位的函数对电极电流进行绘图。在磷酸盐缓冲盐水溶液对比银线参考电极（Ag准参考电极（QRE））中进行测量。虽然用铂电极来观察高本底电流，但有利地已发现传导金刚石电极情况下的本底电流是最小的。图4B图示出在纳米间隙换能器情况下使用缓冲溶液的循环伏安测量。从图4B能够看到与铂电极相比较的更大的金刚石电极的操作电压窗口和显著降低的本底电流（金刚石电极记录接近于无电流，而铂电极由于本底电流而具有偏移电流）。
由于传导金刚石电极情况下的本底电流是小的，所以有可能使用两个工作电极中的仅一个来记录关于少数的分子的测量。可以关于少到一个分子来记录测量。在替换实施例中，使用在两个电极处记录的测量来生成信号。用于测量并记录纳米间隙换能器中的电极电位和电流流动的系统包括例如双恒电位仪。使用双恒电位仪，控制两个电极的电位对比溶液电位，并且测量流过电极的电流。用于驱动电极并测量且记录电流流动的系统的某些或所有部分可以位于被电耦合到容纳在IC芯片上的单独可寻址纳米间隙换能器阵列的集成电路（IC）芯片中。在本发明的实施例中，与单独可寻址纳米间隙换能器阵列相关联的计算机系统包括用于使用来自仅一个电极的测量来测量和记录电极电位和电流值的软件，其中，该电极由传导金刚石构成。在替换实施例中，计算机系统包括用于从两个电极和/或从两个电极和一个电极两者测量并记录电极电位的软件。可以使用诸如电化学相关能谱法之类的技术来从来自纳米间隙设备中的两个相反偏置的电极的测量产生信号。
一般地，诸如纳米间隙换能器的之类的采用电极的电子传感器能够测量位于电极表面上或附近的材料的阻抗、电阻、电容和/或氧化还原电位。纳米间隙换能器存在于其上面的衬底还可包括检测和/或驱动电路、用于切换的逻辑、锁存器、存储器和/或输入/输出器件。可选地，用于感测和驱动电极并记录数据的电子装置中的某些或全部是作为容纳纳米间隙换能器阵列的衬底的部分的集成电路。提供输入和输出控制的电子装置可选地被容纳在衬底中，诸如在集成电路芯片中，或者通过在衬底外部的电路来提供。纳米间隙换能器阵列可选地装配有用于单独地对电极进行寻址、在所选电压下驱动电极的电路、用于存储电压电流信息以便供应给电极的存储器、用于测量电极特性的存储器和微处理器、差分放大器、电流感测电路（包括在CMOS图像传感器中使用的电路的变体）和/或场效应晶体管（直流和浮置栅极）。替换地，可以由外部仪器和/或附着的一个或多个计算机系统来执行这些功能中的一个或多个。
在氧化还原循环测量中，使用相反偏置的电极来反复地使溶液中的氧化还原活性分子的充电状态翻转，允许每个氧化还原活性分子参与多个氧化还原反应并从而对测量的电流值贡献多个电子。在氧化还原循环测量中，电极之间的间隙的高度处于纳米级。两个电极之间的腔中的氧化还原活性分子使多个电子在电极之间穿梭往返，导致所测量的电化学电流的放大。来自氧化还原活性品类的信号潜在地能够被放大大于100倍，这取决于诸如氧化还原品类的稳定性和氧化还原品类扩散到感测区域之外的能力之类的因素。
在本发明的实施例中，纳米间隙换能器中的电极在要检测的氧化还原品类的氧化和还原电位下被独立地偏置。氧化还原品类随着电荷穿梭往返而起作用，并且分子从一个电极到另一个的扩散导致氧化还原分子的还原和氧化及净电荷转移。通过任一电极的电流的大小与腔中的分析物（氧化还原品类）浓度成比例。电极之间的间隙可选地用珠密封以防止氧化还原活性品类从腔扩散出来，从而增加氧化还原品类的有效浓度。腔的密封能够防止氧化还原品类在传感器测量期间从腔逸出。
一般地，氧化还原品类是能够通过氧化和/或还原的状态可逆地循环多次的分子。
在本发明的实施例中，纳米间隙换能器可以是单独可寻址纳米间隙换能器阵列。构建具有各种维度和数目的纳米间隙换能器的阵列。通过各个因素来告知纳米间隙换能器的数目布局的选择，例如，所述因素诸如要检测分析物的类型和数目、感测区域的尺寸以及在制造阵列时涉及到的成本。例如，纳米间隙换能器阵列是10×10、100×100、1,000×1,000、105×l05以及106×l06。能够制造甚高密度、高密度、中等密度、低密度或甚低密度阵列。用于甚高密度阵列的某些范围为每个阵列从约100,000,000至约1,000,000,000个传感器。高密度阵列范围从约1,000,000至约100,000,000个传感器。中等密度阵列范围从约10,000至约100,000个传感器。低密度阵列一般小于10,000个腔。甚低密度阵列小于1,000个传感器。
可以将单独可寻址纳米间隙换能器阵列容纳在IC芯片上并电耦合到该IC芯片。通常在半导体衬底上构建IC芯片，诸如在被分割开以产生单独IC芯片的半导体晶片上。在其上面构建IC芯片的基底衬底通常是硅晶片，但是本发明的实施例并不取决于所使用的衬底类型。衬底还可以单独地或以与硅或二氧化硅或其他绝缘材料组合的方式由锗、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓、锑化镓和/或其他III-V族材料构成。还可以将层或包括器件的层描述为在其上面容纳或制造本发明的实施例的衬底或衬底的部分。
纳米间隙换能器阵列允许例如同时地将许多固定DNC分子定序，但是其他用途也是可能的。固定DNA分子可以是要定序的样本，或者可以首先将已知序列的捕捉DNA探针固定且然后可以将要定序的样本混合到该固定探针。捕捉探针具有被设计成混合到样本DNA的区段的序列。在本发明的实施例中，将要固定的DNA片段（或捕捉探针）稀释，使得在统计上每个传感器具有一个被固定的DNA分子。从具有被固定的单个DNA分子的纳米间隙换能器组装序列信息。可以忽视示出不明确结果的来自纳米间隙换能器的信息。
提供了用于将核酸定序的方法，其中核酸样本的放大（即，增加样本中的核酸分子的副本数目）可选地不必发生。图5提供了描述对将核酸分子定序、SNP（单核苷酸多态）检测以及基因表达检测有用的方法的流程图。在图5中，将核酸分子附着于在电子传感器内部的表面。向包含与核酸靶的区段互补的引物的传感器腔提供溶液。引物DNA分子混合到被附着在腔内的DNA分子的区段，并使附着的DNA分子准备好用于DNA的互补链合成。如果在腔内部的DNA序列是未知的，则引物可以是在传感器内部提供给DNA链的具有随机序列的许多中的一个。引物可以以抗核酸酶核苷酸终止。在允许引物混合到腔内部的DNA分子之后，添加包含DNA聚合酶和氧化还原中心改性核苷酸三磷酸盐（NTP或dNTP）的溶液。dNTP包含氧化还原改性脱氧腺苷三磷酸（dATP）、三磷酸脱氧胞苷（dCTP）、脱氧鸟苷三磷酸盐（dGTP）、三磷酸脱氧胸苷（dTTP）或尿苷三磷酸（UTP）。例如，如果已经提供了氧化还原改性dATP且胸腺嘧啶核苷是序列中的下一互补核酸，则将氧化还原改性dATP合并到生长DNA链中。在存在要定序的链上的胞嘧啶的情况下，将合并鸟嘌呤，在存在胸腺嘧啶核苷的情况下，将合并腺苷，反之亦然。如果dATP不是下一互补核酸，则在传感器腔内部不发生化学作用。然后检测反应的产物。如果未发生反应，则未检测到氧化还原中心改性反应产物。因此，肯定结果（氧化还原中心改性反应产物的检测）指示dATP（在本示例中）是生长链中的下一互补核酸。如果发现否定结果，则针对三个剩余的氧化还原中心改性核苷酸重复这种方法直至获得肯定结果以确定互补碱基的同源性。在已确定核苷酸的同源性之后，互补DNA的生长链可以以抗核酸酶核苷酸终止。
图6图示出用于通过将在核苷酸碱基与由正在定序的模板链提供的碱基互补时获得的氧化还原信号以化学方式放大来将DNA分子定序的方法。图6的方法提供互补碱基被合并到生长互补链中时的信号的化学放大。准备好的生长DNA分子通过聚合酶的作用以抗核酸酶碱基终止。在本示例中，标记为NTP的氧化还原是γ-氨基苯基-腺嘌呤-三磷酸盐（dATP）。互补氧化还原标记核苷酸到生长链中的合并将氧化还原标记焦磷酸盐（PPi）基团释放到溶液中。磷酸酶的作用从氧化还原分子去除焦磷酸盐。有用的磷酸酶包括例如碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、蛋白质磷酸酶、多磷酸磷酸酶、糖磷酸酶以及焦磷酸酶。在本示例中，氧化还原活性品类是p-氨甲基（pAP）和醌亚胺对。被释放到溶液中的p-氨甲基分子的数目通过氧化还原标记NTP合并和切除反应的循环而被放大。具体地，合并互补氧化还原标记核苷酸，核酸外切酶去除合并的互补核苷酸，并且然后DNA聚合酶合并第二氧化还原标记互补核苷酸，并且第二氧化还原标记焦磷酸盐基团被释放到溶液中。通过合并和去除的这些重复循环，在溶液中累积氧化还原活性品类的浓度。以这种方式，从互补碱基到生长互补链中的合并引起的信号被放大。磷酸基团的去除激活氧化还原活性品类。用电化学方式来检测没有磷酸基团的氧化还原活性品类的存在。可以使氧化还原活性品类在纳米间隙换能器的两个电极之间再循环以经由氧化还原循环反应将信号进一步放大。如在本文中更全面地描述的，将使氧化还原活性品类在电极之间循环的信号放大技术称为氧化还原循环。通过在纳米间隙换能器的电极之间移动，每个氧化还原活性品类向所测量的电流贡献多个电子，从而将所测量的电流放大。如果供应给反应的核苷酸并不与生长DNA链互补，则未检测到自由氧化还原活性品类。一旦已检测到核苷酸合并，则为生长链提供与正在被定序的模板DNA分子中的下一间隔互补的抗核酸酶碱基。
氧化还原基因核苷酸具有被附着于核苷的γ-磷酸基团的氧化还原活性品类。用于氧化还原基因核苷酸的碱基可以是A、G、C或T。氧化还原活性品类包括例如氨基苯基、羟苯基和/或萘基基团。还可以将氧化还原活性品类附着于核苷酸碱基。该碱基可以是A、G、C或T，并且氧化还原活性品类可以是例如二茂铁、蒽醌或次甲基蓝分子。第三氧化还原活性基团附着基序包括其中氧化还原活性基团被附着于核苷酸碱基的糖基团的一个。对于糖附着氧化还原改性核苷酸而言，碱基可以是A、G、C或T，并且氧化还原活性品类可以是例如二茂铁、蒽醌或次甲基蓝分子。
聚合酶是可用的，其能够将核糖核苷酸或改性核苷酸合并到DNA中，例如，诸如商业可获得Therminator DNA聚合酶（可从马萨诸塞州贝弗利的New England Biolabs公司获得）或基因工程DNA聚合酶。还参见例如DeLucia、A.M., Grindley, N.D.F., Joyce, CM., Nucleic Acids Research, 31:14, 4129—4137 （2003）；以及Gao, G., Orlova, M., Georgiadis, M.M., Hendrickson, W.A., Goff, S.P., Proceedings of the National Academy of Sciences, 94, 407—411（1997）。抗核酸酶核苷酸可以是核糖核苷酸或其他改性核苷酸。可以合并到生长DNA链但通过核酸外切酶而抵抗消化的示例性抗核酸酶碱基（诸如3'至5'核酸外切酶活性DNA聚合酶或核酸外切酶I和III）包括阿尔法硫逐磷酸酯核苷酸（可从加利福尼亚州圣地亚哥的Trilink Biotechnologies公司获得）。另外，可以通过Therminator DNA聚合酶或其他基因工程或变异聚合酶将核糖核苷酸合并到生长DNA链中，但是核糖核苷酸碱基通过核酸外切酶而抵抗消化，所述核酸外切酶诸如核酸外切酶I或核酸外切酶III（可从New England Biolabs获得）。不能消化这些抵抗性碱基的示例性核酸酶包括核酸外切酶I、核酸酶III以及3'至5'核酸外切酶活性DNA聚合酶。
在本发明的实施例中，要定序的单个核酸分子被附着于纳米间隙换能器内部的表面。用以抗核酸酶核苷酸终止的互补链来使核酸准备好。互补氧化还原改性dNTP分子通过存在于纳米间隙换能器腔中的溶液中的DNA聚合酶的作用而被合并到生长链中。纳米间隙换能器的电极在氧化还原品类的氧化还原电位下被相反地偏置，并且当存在氧化还原品类时，在电极表面处检测电流。来自聚合酶反应的过多氧化还原改性dNTP被从反应点冲走。然后通过存在于电极腔中的溶液中的核酸酶的作用而从生长互补DNA链切除任何合并的dNMP。然后针对三个其他核苷酸可选地重复这种方法。一旦已经确定了下一个互补核苷酸，生长互补核酸链可以以互补抗核酸酶碱基终止，并且可以确定下一互补碱基。
在替换实施例中，在电极腔中附着要定序的核酸分子的不止一个副本。要定序的核酸的多个副本的附着将在互补核苷酸三磷酸盐被提供给腔时检测到的信号放大。然后可以可选地通过氧化还原循环技术将所检测到的信号进一步放大。
可以使用单独可寻址纳米间隙换能器的阵列以大量并行方式来执行核算定序。包括核酸分子的样本被以导致在统计上每个反应腔一个核酸分子的方式呈现给阵列。被耦合到反应腔的电子装置检测腔中的核酸的合并。可以将来自腔的不一致的数据丢弃。通过多个反应循环来构建用于腔中的每个核酸的序列信息。
可以可选地用例如胺、醛、环氧树脂、硫醇、基团中的一个或组合来将纳米间隙换能器的一个或多个表面功能化，并且用胺（对于承载羧基、环氧树脂和/或醛官能团的表面）和羧基（对于承载胺基团的表面）、硫醇（对于金的表面）来将要附着的分子功能化以促进分子附着。各种共轭化学作用可用来结合官能团（例如，用于胺-羧基的EDC）。例如以若干方式来控制衬底表面上的分子浓度：通过限制表面官能团的密度或通过限制要附着分子的数量。例如通过使用被附着于用硫醇基改性的表面的聚丙烯酸脂塑料改性DNA片段来将DNA固定在表面上。可以将胺改性DNA片段附着于环氧树脂或醛改性表面。
包括纳米间隙换能器的一个或多个阵列（诸如IC器件表面上的纳米间隙换能器阵列）、用于驱动换能器并记录测量的电子装置以及用于记录分析数据的计算机的传感器系统还可以包括能够向纳米间隙换能器输送流体的流体输送系统。流体系统可以包括用于试剂的储存器、泵和混合室、洗涤液、废物室以及向纳米间隙换能器阵列的表面输送流体的流体输送系统。
一般地，能够被定序的核酸类型包括脱氧核糖核苷酸（DNA）或核糖核苷酸（RNA）以及被磷酸二酯键链接在一起的其类似物的聚合物。多核苷酸可以是基因组的片段、基因或其一部分、cDNA或合成聚脱氧核糖核酸序列。包括低聚核苷酸（例如，探针或引物）的多核苷酸可以包含核苷或核苷酸类似物或除磷酸二酯键之外的骨架键。一般地，包括多核苷酸的核苷酸是自然发生的脱氧核糖核苷酸，诸如腺嘌呤、胞嘧啶、被链接到2'-脱氧核糖的鸟嘌呤或胸腺嘧啶，或者诸如被链接到核糖的腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤或尿嘧啶之类的核糖核苷酸。然而，多核苷酸或低聚核苷酸还可以包含核苷酸类似物，包括非自然发生的合成核苷酸或改性自然发生核苷酸。
可以如下分析来自传感器的数据。如果纳米间隙换能器具有被附着在其腔内的超过一个DNA分子，则将存在来自定序位置中的至少一个的超过一个可能读数。因此，在序列分析中仅使用来自具有被附着在纳米间隙换能器腔（有效传感器）中的一个分子的那些纳米间隙换能器的数据。有效传感器的序列被计算机程序对准。可以将该序列信息用作从头定序信息或参考定序信息。根据数据的质量和定序任务的目的而执行进一步分析。
另外，根据本发明的实施例的纳米间隙换能器能够执行不限于本文所述那些的各种生物学上重要的检测。例如，纳米间隙换能器能够检测DNA中的变异并通过DNA定序反应来识别病原体。另外，使用电子传感器通过测定新陈代谢酶活动来诊断疾病。焦磷酸盐是作为新陈代谢和信号换能通道的部分的许多酶反应的副产物。可以为根据实施例的纳米间隙换能器提供用于目标分析物的识别和整合点。产生具有感兴趣的识别和整合点的纳米间隙换能器，并通过使样本溶液暴露于生物传感器设备的分析物整合区域来对样本溶液执行测试以允许整合感兴趣的任何具体识别生物分子。可以将一个或多个纳米间隙换能器集成到提供过滤和样本净化功能的微米或纳米流体系统中。因此，在电子生物传感器中整合要针对功能被测试的酶并提供其中反应产物为用氧化还原中心标记的PPi的反应溶液。例如，生物传感器设备探测腺苷酸酶的功能，其将脂肪酸转换成酰基腺苷酸，并通过在生物传感器设备中整合感兴趣的腺苷酸酶并在反应溶液中提供脂肪酸基质以及ATP来产生PPi。附加示例包括儿茶酚。在其他示例中，具体地将活细菌整合到生物传感器。可选地通过具体地识别细菌上的表面抗原的抗体来在传感设备中整合细菌。执行抗体夹心测定。在抗体夹心测定中，提供了具有对于要检测的分子而言特定的抗体的电子传感器，并使传感器暴露于要检测的分子，并且将对于要检测的分子的不同抗原表位而言特定的第二抗体整合到要检测的分子。第二抗体具有能够将氧化还原标记ATP转换成氧化还原标记PPi的附着分子。通过氧化还原循环来检测氧化还原标记PPi。氧化还原标记包括例如二茂铁、蒽醌以及次甲基蓝分子以及氨基苯基、羟苯基和/或萘基基团。
计算机或计算机系统包括处理系统，处理系统包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被通信耦合到一个或多个易失性或非易失性数据存储器件，诸如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、诸如串行高级技术附件（SATA）或小型计算机系统接口（SCSI）硬盘驱动器之类的大容量存储器件和/或能够访问介质的器件，诸如软盘、光学储存器、磁带、闪速存储器、记忆棒、CD-ROM和/或数字视频磁盘（DVD）。术语ROM指的是非易失性存储器件，诸如可擦可编程ROM（EPROM）、电可擦可编程ROM（EEPROM）、闪速ROM和/或闪速存储器。还可以将处理器通信耦合到附加部件，诸如图形控制器、存储器接口集线器、SCSI（小型计算机系统接口）控制器、网络控制器、网络接口以及通用串行总线（USB）控制器。计算机系统、附加处理器和/或外部计算机和计算机网络的元件之间的某些或全部通信还可以使用各种有线和/或无线近程协议发生，所述协议包括USB、WLAN（无线局域网）、射频（RF）、卫星、微波、电气和电子工程师学会（IEEE）802.11、蓝牙、光学、光纤、红外、电缆以及激光。通常，还将计算机系统耦合到其他输入/输出设备，例如，诸如显示屏、键盘、触控板、鼠标。
本领域的技术人员意识到贯穿本公开的作为所示和所描述的各种部件的替换的修改和变型是可能的。贯穿本说明书提及“一个实施例”或“实施例”意指在本发明的至少一个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构、材料或特性，但是不一定表示它们在每个实施例中都存在。此外，可以在一个或多个实施例中以任何适当方式将在实施例中公开的特定特征、结构、材料或特性组合。在其他实施例中可包括各种附加层和/或结构和/或可省略所描述的特征。

Claims (23)

1.一种设备，包括
衬底，其具有表面，以及
设置在衬底表面上的换能器，其中，所述换能器包括：
第一电极和第二电极，其中，第一或第二电极由传导金刚石构成，其中，第一和第二电极每个被耦合到传导线，通过所述传导线能够独立地向第一和第二电极施加电压，并独立地从第一和第二电极中的每一个测量电流，并且其中，第一电极具有面且第二电极具有面，并且第一电极的面与第二电极的面分离小于500nm的距离，
腔，其能够包含在第一电极的面与第二电极的面之间的流体，以及
通过第二电极的进入孔，其能够允许流体进入和离开所述腔。
2.如权利要求1所述的设备，其中，第一电极的面与第二电极的面分离介于在10和200nm之间的距离。
3.如权利要求1所述的设备，其中，传导金刚石是纳米晶体金刚石。
4.如权利要求1所述的设备，其中，传导金刚石是硼掺杂金刚石。
5.如权利要求1所述的设备，其中，第一和第二电极两者都由传导金刚石构成。
6.如权利要求1所述的设备，其中，第一电极由传导金刚石构成且第一电极的高度在300nm与1000nm之间。
7.如权利要求1所述的设备，其中，第一或第二电极由金或铂构成。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述衬底是集成电路芯片且第一电极和第二电极通过所述传导线被独立地电耦合到所述集成电路芯片内的电子装置。
9.一种设备，包括，
集成电路芯片，其具有表面，以及
设置在所述集成电路芯片的表面上的换能器的阵列，其中，所述阵列包括至少1000个换能器且至少85%的换能器是功能换能器，其中，构成所述阵列的换能器被电耦合到所述集成电路芯片中的电子装置且通过所述电子装置可单独寻址，并且其中，换能器包括：
第一电极和第二电极，其中，第一或第二电极由传导金刚石构成，其中，第一和第二电极被独立地耦合到所述集成电路芯片，通过所述集成电路芯片能够独立地向第一和第二电极施加电压并从第一和第二电极中的每一个测量电流，并且其中，第一电极具有面且第二电极具有面，并且第一电极的面与第二电极的面分离小于500nm的距离，
腔，其能够包含在第一电极的面与第二电极的面之间的流体，以及
通过第二电极的进入孔，其能够允许流体进入和离开所述腔。
10.如权利要求9所述的设备，其中，第一电极的面与第二电极的面分离介于在10和200nm之间的距离。
11.如权利要求9所述的设备，其中，传导金刚石是纳米晶体金刚石。
12.如权利要求9所述的设备，其中，传导金刚石是硼掺杂金刚石。
13.如权利要求9所述的设备，其中，第一和第二电极两者都由传导金刚石构成。
14.如权利要求9所述的设备，其中，第一电极由传导金刚石构成且第一电极的高度在300nm与1000nm之间。
15.如权利要求9所述的设备，其中，第一或第二电极由金或铂构成。
16.一种系统，包括，
计算机，其可操作地耦合到集成电路芯片，其中，所述集成电路芯片包括设置在所述集成电路芯片的表面上的换能器的阵列，
流体系统，其能够向所述集成电路芯片的包括换能器的所述阵列的表面供应流体，
其中，构成所述阵列的换能器被电耦合到所述集成电路芯片内的电子装置且通过所述电子装置可单独寻址，并且其中，换能器包括：
第一电极和第二电极，其中，第一或第二电极由传导金刚石构成，其中，第一和第二电极被独立地耦合到所述集成电路芯片，通过所述集成电路芯片能够独立地向第一和第二电极施加电压并从第一和第二电极中的每一个测量电流，并且其中，第一电极具有面且第二电极具有面，并且第一电极的面与第二电极的面分离小于500nm的距离，
腔，其能够包含在第一电极的面与第二电极的面之间的流体，以及
通过第二电极的进入孔，其能够允许流体进入和离开所述腔。
17.如权利要求16所述的系统，第一电极的面与第二电极的面分离介于在10和200nm之间的距离。
18.如权利要求16所述的系统，其中，所述阵列包括至少1000个换能器且至少90%的换能器的是功能换能器。
19.如权利要求16所述的系统，其中，传导金刚石是纳米晶体金刚石。
20.如权利要求16所述的系统，其中，传导金刚石是硼掺杂金刚石。
21.如权利要求16所述的系统，其中，第一和第二电极两者都由传导金刚石构成。
22.如权利要求16所述的系统，其中，第一或第二电极由金或铂构成。
23.如权利要求16所述的系统，其中，所述计算机被配置成使用来自第一或第二电极中的一个的电流测量来执行数据分析，其中，第一或第二电极中从其测量电流的一个由传导金刚石构成。
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