CN107530673A - 印刷电极 - Google Patents

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Abstract

公开一种基于纳米孔的测序芯片封装。基于纳米孔的测序芯片封装包括由多个表面限定的储存器。芯片封装包括纳米孔单元阵列，所述纳米孔单元阵列包括由储存器包围的多个纳米孔传感器单元。每个纳米孔传感器单元具有工作电极。储存器的至少一个表面被配置为当导电流体流经储存器时与导电流体接触。芯片封装还包括布置在储存器的所述至少一个表面上的反电极。

Description

印刷电极
背景技术
近年来半导体产业内在微型化方面的进步已使生物科技人员能够开始将传统上庞大的感测工具包装成越来越小的形状因数，包装到所谓的生物芯片上。将会希望开发使生物芯片更加强健、高效并且成本有效的用于生物芯片的技术。
附图说明
在下面的详细描述和附图中公开本发明的各种实施例。
图1图示基于纳米孔的测序芯片中的单元100的实施例。
图2图示利用Nano-SBS技术执行核苷酸测序的单元200的实施例。
图3图示将要利用预加载标记执行核苷酸测序的单元的实施例。
图4图示利用预加载标记的核酸测序的过程400的实施例。
图5图示基于纳米孔的测序芯片封装500的实施例。
图6图示基于纳米孔的测序芯片封装600的另一实施例。
图7图示基于纳米孔的测序芯片封装700的实施例，其中反电极被定位为基本上与每个纳米孔单元及其对应工作电极等距。
图8A图示基于纳米孔的测序芯片封装800的各种部件和层。
图8B图示当基于纳米孔的测序芯片封装800的部件和层被集成并且层叠在一起时的基于纳米孔的测序芯片封装800。
图9图示反电极902可具有与由流体通道垫片形成的U形通道匹配的表面面积和形状，以使得反电极902与每个纳米孔单元及其对应工作电极基本上等距。
具体实施方式
本发明能够被以许多方式实现，这些方式包括：过程；设备；系统；物质的成分；计算机程序产品，体现在计算机可读存储介质上；和/或处理器，诸如被配置为执行存储在耦合到处理器的存储器上和/或由该存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实现方式或本发明可采用的任何其它形式可被称为技术。通常，可在本发明的范围内改变公开的过程的步骤的次序。除非另外指出，否则诸如被描述成被配置为执行任务的处理器或存储器的部件可被实现为在给定时间暂时地被配置为执行该任务的通用部件或被制造为执行该任务的专用部件。如这里所使用的，术语‘处理器’指代被配置为处理数据(诸如，计算机程序指令)的一个或多个装置、电路和/或处理核。
以下提供本发明的一个或多个实施例以及图示本发明原理的附图的详细描述。结合这种实施例描述本发明，但本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限制，并且本发明包括许多替代物、变型和等同物。在下面的描述中阐述许多特定细节以便提供对本发明的彻底的理解。为了示例的目的而提供这些细节，并且可在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下根据权利要求实施本发明。为了清楚的目的，在与本发明相关的技术领域中已知的技术材料未被详细地描述，以免不必要地模糊本发明。
在内径方面具有大约一纳米的孔尺寸的纳米孔隔膜装置已在快速核苷酸测序方面表现出有前途。当跨浸没在导电流体中的纳米孔施加电压电势时，能够观测到归因于跨纳米孔的离子传导的小离子电流。电流的大小对孔尺寸敏感。
基于纳米孔的测序芯片可被用于DNA测序。基于纳米孔的测序芯片合并配置为阵列的大量传感器单元。例如，具有一百万个单元的阵列可包括单元的1000行乘1000列。
图1图示基于纳米孔的测序芯片中的单元100的实施例。脂双层102被形成在单元的表面上方。包含可溶蛋白质纳米孔跨膜分子络合物(PNTMC)和感兴趣的分析物的主体电解质114被直接放置到单元的表面上。通过电穿孔，单个PNTMC 104被插入到脂双层102中。所述阵列中的个体脂双层不以化学方式或电气方式彼此连接。因此，所述阵列中的每个单元是独立测序机，产生与PNTMC关联的单个聚合物分子特有的数据。PNTMC 104对分析物进行操作，并且调制通过另外不可渗透的双层的离子电流。
继续参照图1，模拟测量电路112连接到由电解质的薄膜108覆盖的金属电极110。金属电极110也被称为工作电极(WE)。通过离子不能渗透的脂双层102，电解质的薄膜108与主体电解质114隔离。PNTMC 104穿过脂双层102，并且在跨电极施加电压时提供唯一路径用于离子电流在金属电极110和位于PNTMC 104的另一侧的反电极116之间的主体液体中流动。反电极116是由纳米孔阵列中的单元共享的共用电极。因为信号电平非常小，所以来自流体和所述系统中的其它部件的外来噪声可影响测量。通过包括第三参考电极118，可减小这些外来信号。参考电极是由纳米孔阵列的单元共享的共用电极。
在一些实施例中，纳米孔阵列通过合成(Nano-SBS)技术使用基于单分子纳米孔的测序来实现并行测序。图2图示利用Nano-SBS技术执行核苷酸测序的单元200的实施例。在Nano-SBS技术中，待测序的模板202和引物被引入到单元200。对于这种模板-引物络合物，四个被不同标记的核苷酸208被添加到主体水相。当被正确标记的核苷酸与聚合酶204络合时，标记的尾部位于纳米孔206的筒中。在正确核苷酸的聚合酶催化的合并之后，保持在纳米孔206的筒中的附接有标记的聚磷酸盐产生独特的离子电流阻滞信号210，由此由于标记的不同的化学结构而以电子方式识别添加的碱基(A、G、C或T)。
图3图示将要利用预加载标记执行核苷酸测序的单元的实施例。纳米孔301被形成在隔膜302中。酶303(例如，聚合酶，诸如DNA聚合酶)与纳米孔关联。在一些情况下，聚合酶303以共价方式附接到纳米孔301。聚合酶303与待测序的单链核酸分子304关联。在一些实施例中，单链或双链核酸分子304是圆形的。在一些情况下，核酸分子304是线性的。在一些实施例中，核酸引物305被混合到核酸分子304的一部分。聚合酶303使用单链核酸分子304作为模板催化核苷酸306到引物305上的合并。核苷酸306包括标记种类(“标记”)307。
图4图示利用预加载标记的核酸测序的过程400的实施例。阶段A图示图3中所述的部件。阶段C示出加载到纳米孔中的标记。“加载”的标记可以是这样的标记：在可感知量的时间(例如，0.1毫秒(ms)到1000 ms)期间位于纳米孔中和/或保持在纳米孔中或附近。在一些情况下，预加载的标记在从核苷酸被释放之前被加载在纳米孔中。在一些实例中，如果标记在核苷酸合并事件时在被释放之后穿过纳米孔(和/或由纳米孔检测到)的概率合适地高(例如，90%至99%)，则标记被预加载。
在阶段A，被标记的核苷酸(四个不同类型A、T、G或C之一)不与聚合酶关联。在阶段B，被标记的核苷酸与聚合酶关联。在阶段C，聚合酶对接到纳米孔。所述标记在对接期间由电动力(诸如，在存在由跨隔膜和/或纳米孔施加的电压产生的电场的情况下产生的力)拉到纳米孔中。
一些关联的被标记的核苷酸是与单链核酸分子配对的碱基(例如，A与T以及G与C)。然而，一些关联的被标记的核苷酸不是与单链核酸分子配对的碱基。这些非配对核苷酸通常在一时间标度内被聚合酶拒绝，所述时间标度比正确配对的核苷酸与聚合酶保持关联的时间标度短。由于非配对核苷酸仅短暂地与聚合酶关联，所以图4中所示的过程400通常不会前进超过阶段D。例如，非配对核苷酸在阶段B或在所述过程进入阶段C之后立即被聚合酶拒绝。
在聚合酶对接到纳米孔之前，穿过纳米孔的电流是大约30微微安(pA)。在阶段C，流经纳米孔的电流是大约6 pA、8 pA、10 pA或12 pA，每个安培数对应于四个类型的被标记的核苷酸之一。聚合酶经受异构化和磷酸根转移反应以将核苷酸合并到生长核酸分子中，并且释放标记分子。在阶段D，被释放的标记穿过纳米孔。标记被纳米孔检测。具体来说，当标记保持在纳米孔中时，由于标记的不同化学结构而产生独特的离子电流阻滞信号(例如，参见图2中的信号210)，由此以电子方式识别添加的碱基。重复所述循环(即，阶段A至E或阶段A至F)允许核酸分子的测序。
在一些情况下，未被合并到生长核酸分子中的被标记的核苷酸也将会穿过纳米孔，如图4的阶段F中所见。在一些实例中，未被合并的核苷酸能够由纳米孔检测到，但所述方法提供一种方式用于至少部分地基于在纳米孔中检测到核苷酸的时间区分被合并的核苷酸和未被合并的核苷酸。绑定到未被合并的核苷酸的标记快速地穿过纳米孔，并且在短时间段(例如，小于10 ms)期间被检测到，而绑定到被合并的核苷酸的标记被加载到纳米孔中并且在长时间段(例如，至少10 ms)期间被检测到。
图5图示基于纳米孔的测序芯片封装500的实施例。基于纳米孔的测序芯片封装500包括基于纳米孔的测序芯片502。基于纳米孔的测序芯片502合并被配置为纳米孔阵列504的大量纳米孔传感器单元。例如，具有一百万个单元的阵列可包括1000行乘1000列的单元。基于纳米孔的测序芯片封装500还包括储存器506，储存器506被安装在基于纳米孔的测序芯片502顶部并且包围纳米孔单元。入口管508将导电流体引导到储存器506中，并且出口管510将导电流体引导出储存器506。在一些实施例中，反电极和参考电极是烧结的银/氯化银(Ag-AgCl)颗粒或导线。这些电极可被插入到管(出口管510或入口管508)中。
图6图示基于纳米孔的测序芯片封装600的另一实施例。基于纳米孔的测序芯片封装600包括基于纳米孔的测序芯片602。基于纳米孔的测序芯片602合并被配置为多个纳米孔组603(a和b)的大量纳米孔传感器单元。例如，十六个具有8K个单元的组形成包括一共128K个单元的纳米孔阵列。基于纳米孔的测序芯片封装600还包括储存器606，储存器606被安装在基于纳米孔的测序芯片602顶部并且包围纳米孔单元。入口管608将导电流体引导到储存器606中，并且出口管610将导电流体引导出储存器606。在一些实施例中，反电极和参考电极是烧结的银/氯化银(Ag-AgCl)颗粒或导线。反电极612可在储存器606内浸没在导电流体中。
然而，图5和图6中示出的实施例具有许多缺点。可商购获得的成品的烧结电极相对较贵。另外，将电极安装到储存器中需要合适的对准和密封步骤，所述对准和密封步骤可能是劳动密集和复杂的。
更重要地，由于与纳米孔阵列相比烧结的反电极的尺寸较小，所以烧结的反电极比较靠近一些单元(并且因此靠近它们的对应工作电极)，但与其它单元相隔较远。例如，如图6中所示，与纳米孔组603b相比，纳米孔组603a更靠近烧结的反电极612。当基于纳米孔的测序芯片被缩放以包括越来越多的单元时，在导电流体中流动的电流增加。当电流增加时，由于导电流体电阻而导致的电压降也变得更大。作为结果，由比较靠近反电极的工作电极看见的电压大于由与反电极相隔较远的工作电极看见的电压。不同单元之间的电压的变化影响生物机制。
图7图示基于纳米孔的测序芯片封装700的实施例，其中反电极被定位为与每个纳米孔单元及其对应工作电极基本上等距。在反电极被定位为与每个纳米孔单元基本上等距的情况下，由导电流体电阻导致的电压降对于所有单元变为基本上相同，并且不同单元之间的电压的变化因此显著减小。
如图7中所示，基于纳米孔的测序芯片封装700包括反电极707，反电极707位于纳米孔单元及其对应工作电极正上方。例如，反电极707具有与下方的纳米孔阵列504的表面面积和形状匹配的表面面积和形状。在这个特定示例中，由于纳米孔阵列504具有矩形形状，所以反电极707具有与纳米孔阵列504匹配的矩形形状。然而，预期反电极也可具有除矩形形状之外的形状(例如，正方形或其它不规则形状)以与具有不同形状的纳米孔阵列匹配。
在一些实施例中，反电极707是位于纳米孔单元阵列正上方的金属板。例如，金属板可被布置在储存器506的顶部的底表面上，以使得当导电流体流经储存器时金属板与导电流体接触。在一些实施例中，可使用银-氯化银(Ag-AgCl)形成固体金属板。然而，也可使用其它类型的金属板。
在一些实施例中，使用镀覆过程形成反电极707。例如，可使用电镀或离子沉积过程形成反电极707，在电镀或离子沉积过程中形成反电极的材料被镀覆到平坦基底上。
在一些实施例中，反电极707被丝网印刷在位于纳米孔单元阵列正上方的表面上。例如，Ag-AgCl墨汁可被丝网印刷在柔性印刷电路(FPC)上以形成反电极和参考电极。所述两个电极中的每个电极可经FPC以电气方式耦合到电压源或其它控制单元。FPC可被布置在储存器506的顶部的底表面上。FPC还可被布置在塑料背板正下方，所述塑料背板形成储存器506的顶部。丝网印刷反电极的优点之一是低成本。
在一些实施例中，反电极707被印刷在位于纳米孔单元阵列正上方的表面上。例如，使用喷墨印刷，反电极707可被直接印刷到安装在芯片顶部的注入成型的流单元上。
图8A和8B图示基于纳米孔的测序芯片封装800的实施例。图8A图示基于纳米孔的测序芯片封装800的各种部件和层。图8B图示当基于纳米孔的测序芯片封装800的部件和层被集成并且层叠在一起时的基于纳米孔的测序芯片封装800。
参照图8A和图8B，基于纳米孔的测序芯片封装800包括安装在印刷电路板802上的基于纳米孔的测序芯片804。基于纳米孔的测序芯片804合并被配置为多个纳米孔组806的大量纳米孔传感器单元。如图8A中所示，十六个具有8K个单元的纳米孔组形成包括一共128K个单元的纳米孔阵列。然而，预期基于纳米孔的测序芯片804可包括具有数百万个单元的纳米孔阵列，该数百万个单元布置在更大数量的纳米孔组中或布置在更大的纳米孔组中。
基于纳米孔的测序芯片封装800还包括储存器，所述储存器包围纳米孔单元和流经储存器的导电流体。所述储存器还包括顶部或顶盖。在这个示例中，储存器的顶部是塑料背板818。在塑料背板818与附接到印刷电路板802的多个顶盖层820层叠之后，塑料背板818和垫片810形成密封储存器，所述密封储存器包围纳米孔单元和流经储存器的导电流体。最上面的顶盖层820包括入口824和出口822。入口824将导电流体引导到储存器中，并且出口822将导电流体引导出储存器。
基于纳米孔的测序芯片封装800还包括流体通道垫片810。流体通道垫片810允许导电流体均匀流经储存器。流体通道垫片810包括分隔壁811，分隔壁811将储存器内的空间划分成蛇形通道。所述蛇形通道可以是U形通道、S形通道等。通过减小通道的宽度，能够实现导电流体更均匀地流经储存器。
基于纳米孔的测序芯片封装800还包括丝网印刷在位于纳米孔单元阵列正上方的表面上的反电极814和参考电极816。在这个示例中，Ag-AgCl墨汁被丝网印刷在柔性印刷电路(FPC) 812上以形成反电极814和参考电极816。所述两个电极中的每个电极经FPC 812以电气方式耦合到电压源或其它控制单元。FPC 812的包括反电极814的部分被布置在形成储存器的顶部的塑料背板818的底侧。如图8A和8B中所示，反电极814被定位为与每个纳米孔单元及其对应工作电极基本上等距。反电极814具有与下方的纳米孔阵列匹配的表面面积和形状。例如，对于任何特定纳米孔单元及其对应工作电极，存在反电极814的布置在一平面上的部分，所述平面基本上平行于纳米孔单元的顶表面并且基本上位于纳米孔单元及其对应工作电极正上方，以使得反电极的各部分与它们的对应纳米孔传感器单元基本上等距。在这个特定示例中，由于纳米孔阵列具有矩形形状，所以反电极814具有与纳米孔阵列匹配的矩形形状。
如图8A和8B中所示，参考电极816被定位为与反电极814相邻。然而，参考电极816可位于其它位置。例如，参考电极816可被插入到入口/出口管中。参考电极816也可被沿纵向布置在储存器的顶部的底侧。例如，图9图示反电极902可具有与由流体通道垫片形成的U形通道匹配的表面面积和形状，以使得反电极902与每个纳米孔单元及其对应工作电极基本上等距。参考电极904被沿纵向布置在U形之间的空隙中。
虽然已为了清楚理解的目的详细描述前面的实施例，但本发明不限于提供的细节。存在实现本发明的许多替代方式。公开的实施例是说明性的而非限制性的。

Claims (24)

1.一种基于纳米孔的测序芯片封装，包括：
储存器，由多个表面限定；
纳米孔单元阵列，包括由所述储存器包围的多个纳米孔传感器单元，每个纳米孔传感器单元具有工作电极；
其中所述储存器的至少一个表面被配置为当导电流体流经所述储存器时与所述导电流体接触；以及
反电极，布置在所述储存器的所述至少一个表面上。
2.如权利要求1所述的基于纳米孔的测序芯片封装，其中所述反电极被定位为与每个纳米孔传感器单元基本上等距。
3.如权利要求1所述的基于纳米孔的测序芯片封装，其中所述反电极具有与纳米孔单元阵列的表面面积和形状匹配的表面面积和形状。
4.如权利要求1所述的基于纳米孔的测序芯片封装，其中每个纳米孔传感器单元对应于反电极的多个部分之一，并且其中反电极的每个部分被布置在一平面上，所述平面基本上平行于纳米孔传感器单元的表面并且基本上位于纳米孔传感器单元正上方，以使得反电极的各部分与它们的对应纳米孔传感器单元基本上等距。
5.如权利要求1所述的基于纳米孔的测序芯片封装，还包括：入口和出口，其中所述入口将导电流体引导到储存器中，并且出口将导电流体引导出储存器。
6.如权利要求1所述的基于纳米孔的测序芯片封装，其中所述反电极被丝网印刷在柔性印刷电路上，并且其中柔性印刷电路被定位为与每个纳米孔传感器单元基本上等距。
7.如权利要求6所述的基于纳米孔的测序芯片封装，还包括：参考电极，并且其中所述参考电极被丝网印刷在柔性印刷电路上。
8.如权利要求6所述的基于纳米孔的测序芯片封装，其中使用银-氯化银(Ag-AgCl)墨汁来丝网印刷反电极。
9.如权利要求1所述的基于纳米孔的测序芯片封装，其中所述反电极被印刷在储存器的所述至少一个表面上，并且其中储存器的所述至少一个表面被定位为与每个纳米孔传感器单元基本上等距。
10.如权利要求1所述的基于纳米孔的测序芯片封装，其中所述反电极包括金属板，所述金属板被定位为与每个纳米孔传感器单元基本上等距。
11.如权利要求1所述的基于纳米孔的测序芯片封装，其中使用镀覆过程形成反电极，并且其中形成反电极的材料被镀覆到基底上。
12.如权利要求1所述的基于纳米孔的测序芯片封装，还包括流体通道垫片，所述流体通道垫片包括多个分隔壁，所述多个分隔壁将储存器内的空间划分成通道。
13.一种构造基于纳米孔的测序芯片封装的方法，包括：
利用储存器包围纳米孔单元阵列，其中所述储存器由多个表面限定，并且其中纳米孔单元阵列包括多个纳米孔传感器单元，其中每个纳米孔传感器单元包括工作电极，并且其中储存器的至少一个表面被配置为当导电流体流经储存器时与所述导电流体接触；以及
将反电极布置在储存器的所述至少一个表面上。
14.如权利要求13所述的方法，其中将反电极布置在储存器的所述至少一个表面上还包括将反电极定位为与每个纳米孔传感器单元基本上等距。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述反电极具有与纳米孔单元阵列的表面面积和形状匹配的表面面积和形状。
16.如权利要求13所述的方法，其中每个纳米孔传感器单元对应于反电极的多个部分之一，并且其中反电极的每个部分被布置在一平面上，所述平面基本上平行于纳米孔传感器单元的表面并且基本上位于纳米孔传感器单元正上方，以使得反电极的各部分与它们的对应纳米孔传感器单元基本上等距。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述储存器包括入口和出口，其中入口将导电流体引导到储存器中，并且出口将导电流体引导出储存器。
18.如权利要求13所述的方法，其中将反电极布置在储存器的所述至少一个表面上还包括：将反电极丝网印刷在柔性印刷电路上，并且将柔性印刷电路定位为与每个纳米孔传感器单元基本上等距。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：将参考电极丝网印刷在柔性印刷电路上。
20.如权利要求18所述的方法，其中丝网印刷反电极包括使用银-氯化银(Ag-AgCl)墨汁进行丝网印刷。
21.如权利要求13所述的方法，其中将反电极布置在储存器的所述至少一个表面上还包括：在定位为与每个纳米孔传感器单元基本上等距的储存器的所述至少一个表面上进行印刷。
22.如权利要求13所述的方法，其中所述反电极包括金属板，所述金属板被定位为与每个纳米孔传感器单元基本上等距。
23.如权利要求13所述的方法，其中使用镀覆过程形成反电极，并且其中形成反电极的材料被镀覆到基底上。
24.如权利要求13所述的方法，还包括：将流体通道垫片集成到基于纳米孔的测序芯片封装中，所述流体通道垫片包括多个分隔壁，所述多个分隔壁将储存器内的空间划分成通道。
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