CN107850627A - 用于测量电流的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了例如在例如经由分子实体与两亲膜中插入的膜蛋白之间的交互来感测所述分子实体的上下文中以高灵敏度测量小电流的布置。在一个布置中，提供一种被配置成对在多个感测帧(62)中的每一个期间由传感器元件(56)输出的电流求积分的电流感测电路(52)。在每一感测帧(62)中，在第一和第二时间窗口(71、72)期间取得所述积分的第一模拟样本和第二模拟样本。读出电路(54)处理所述第一模拟样本和所述第二模拟样本，以输出表示由所述传感器元件(56)输出的所述电流的数字输出信号。所述处理包括模数转换处理和输出处理。排他性地在处于所述第一和第二时间窗口外部的周期期间执行所述输出处理。

Description

用于测量电流的设备和方法
技术领域
本发明涉及例如通过感测分子实体与包括两亲膜中插入的膜蛋白的传感器之间的交互尤其但非排他性地在所述分子实体的上下文中以高灵敏度测量小电流。
背景技术
已知使用两亲膜中插入的膜蛋白来感测分子实体。分子实体与膜蛋白之间的交互可引起跨越两亲膜出现的电信号的特性调制。举例来说，流经是蛋白孔的膜蛋白的离子电流可通过交互调制。通过监测跨越两亲膜出现的电信号，有可能检测特性调制并由此感测分子实体。已基于此原理而提议多种技术，在WO-2008/102120中公开了一个实例。
使用此技术来感测分子实体提供直接识别单个分子和分子实体而不需要萤光标记和检测的方法。存在广泛范围的可能应用，例如对DNA或其它核酸进行定序；出于安全性和防御而感测化学或生物分子；出于诊断而检测生物标记；药物开发的离子通道筛选；以及生物分子之间的交互的标记自由分析。
检测到的电流通常介于20pA到100pA范围内以用于DNA定序，且在打开的孔的情况下，电流介于50pA到500pA范围内。此类电流的电子检测具有挑战性。多通道装置可结合传感器的阵列使用。可使用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)来实施所述装置。
在其它应用中还需要灵敏电流测量。举例来说，医疗X射线检测器已知，其中检测到由直接和间接转换材料中的X射线量子产生的电荷。此类检测器还通常使用ASIC，且最小电荷检测等级可以是约具有RMS噪声的约1000个电子的约10000个电子。X射线检测器可通过在电容上累积电荷来操作。电荷可例如在毫秒的周期内累积。累积的电荷可在数微秒后读出到电荷放大器中。在这种类型的配置中，电流电平因此在毫微安区域中。使用数千个感测通道的X射线检测器已知。
见于已知纳米孔定序应用中的电荷电平类似于见于已知X射线检测器中的电荷电平。还需要类似的噪声级，通常在10kHz取样下相当于约2pA RMS电流噪声。
图1展示被配置成测量流经纳米孔的电流的实例电流测量设备。可提供适当时适配的对应布置以用于医疗X射线检测器中或其它电荷或电流测量装置中。
实例设备包括电荷积分放大器12，电荷积分放大器12用以对流经由电阻器10表示的纳米孔的电荷求积分。50pA电流将在具有图中展示的分量值的100μs上方产生约50mV的电压。在100μs之后，电路通过集成电容(图1中的100fF电容)上的开关(未展示)重设。图2展示示意性地电压输出如何在求积分过程期间依据时间而上升。
可大约如下分析固有噪声性能。图3展示图1的设备中的主噪声源。电阻器RPORE(其具有电阻RPORE)表示纳米孔的电阻。电阻器中的噪声由VNPORE表示。RPORE将通常介于3G欧姆到20G欧姆或更高的范围内，且将产生与成正比的白噪声VNPORE，其中kB是玻尔兹曼常数且T是温度。放大器噪声源展示为VNAMP，且将通常在1Hz下是约直到CMOS积分放大器的100kHz以上的的白噪声层。重要的分量是两亲膜(其可以是双脂质层)的电容，标记为CBL。CBL是相对大的，通常是约例如30pF。最后，标示电极电阻RELE和相关联噪声VNELE。RELE可通常具有约4k欧姆的值。
虽然纳米孔电阻RPORE极高，但是其很大程度上由电容CBL滤波，且其对总体RMS噪声的比重除了在极低频率下以外可忽略不计。放大器噪声VNAMP和电极电阻噪声VNELE是主要比重，这是因为她们按电容CBL与积分电容器12的电容CFB的比放大。通常此比是约300。
图4展示电荷积分放大器12的输出处的噪声频谱。RMS电流噪声在这些条件下是约5pA RMS，5pA RMS是相对高的。可通过应用已知滤波技术来降低RMS电流噪声。举例来说，通过将相关双取样(correlated double sampling，CDS)和低通(low pass，LP)滤波应用于图3的布置，有可能使噪声级降低直到约1.4pA，这对于许多应用是可接受的，包含检测纳米孔中的生物分子。相关双取样具有高通滤波器的效果，因此组合是电路的取样率(或积分周期)下的带通滤波器。图5展示已执行滤波之后的噪声频谱。图5展示有可能原则上在存在上文所论述的类型的固有噪声源的情况下实现所需噪声级。然而，在实践中，存在其它噪声源，且低通滤波和相关双取样并非始终足以达到所需噪声性能。
发明内容
本发明的目标是至少部分地解决上文所论述的问题中的一个或多个。本发明的特定目标是降低灵敏电流测量中的噪声级，特别是在感测分子实体的上下文中经由其与传感器元件的互动降低噪声级。
根据本发明的方面，提供一种用于测量由传感器元件输出的电流的电流测量设备，所述电流测量设备包括：电流感测电路，其被配置成对由所述传感器元件在多个感测帧中的每一个期间输出的所述电流求积分，且在每一感测帧中，在所述感测帧中的第一时间窗口期间获得积分的第一模拟样本并在所述感测帧中的第二时间窗口期间获得所述积分的第二模拟样本，在每一感测帧中所述第二时间窗口比所述第一时间窗口晚；以及读出电路，其被配置成处理所述第一模拟样本和所述第二模拟样本，以便在每一感测帧中的所述第一时间窗口与所述第二时间窗口之间输出表示由所述传感器元件输出的所述电流的数字输出信号，所述处理包括用以获得所述数字输出信号的模数转换处理和用以输出所述数字输出信号的输出处理，其中：所述读出电路被配置成排他性地在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的周期期间执行所述输出处理。
本发明人已认识到，如果未采取计数器措施，那么与所述读出电路相关联的操作可致使显著量的噪声连接到所述积分放大器电路的灵敏电路(例如放大器)中。这些噪声连接效应可例如起因于混合信号(Mixed Signal，MS)电路(即，处理模拟信号和数字信号两者的电路)。所述噪声可通过ASIC的硅衬底连接到所述积分放大器电路，例如其中所述电流感测电路与所述读出电路实施于同一ASIC上。所述噪声还可通过电源或参考电压源连接，在电源或电压源中提供这些电路。噪声连接对于需要相对高功率的操作尤其成问题，所述操作例如所述输出处理。
根据本发明的实施例，通过将所述读出电路的至少所述输出处理被布置成仅在用以获得用以导出所述电流测量的所述模拟样本的第一时间窗口和第二时间窗口外部操作，极大地降低或消除了与所述读出电路的处理相关联的噪声的影响。因此，虽然来自所述输出处理的所述噪声可暂时占来自所述积分放大器电路的输出的比重，但是所述噪声的在许多情形下将是所述噪声的唯一或主要比重的AC分量将倾向于在所述噪声已停止之后对所述积分过程的轨迹具有极少或不具有影响。通过将所述第一模拟样本和所述第二模拟样本被布置成在至少所述读出电路的所述输出处理可操作的周期外部获得，极大地降低或消除来自所述读出电路的噪声对所述电流测量的影响。
在实施例中，所述读出电路被配置成排他性地在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的周期期间执行所述模数转换处理的所有数字操作。所述模数处理的数字操作通常比所述输出处理涉及更低的功率，但可仍显著地促成噪声。避免在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口期间执行此类操作可进一步降低所述电流测量中的噪声级。
在实施例中，排他性地在所述第一和第二窗口外部的周期期间执行所述读出电路的所有操作。所述读出电路的除所述输出处理以外的操作和所述模数处理的所述数字操作通常涉及更低的功率，但可仍促成噪声。在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口期间避免所述读出电路的所有操作可进一步降低所述电流测量中的所述噪声级。
在实施例中，所述读出电路被配置成在所述感测帧中的一个或多个期间执行以下各项中的一个或多个的部分或全部：所述输出处理、所述模数转换处理的所有数字操作、所述读出电路的所有操作。在实施例中，对于由所述传感器元件在每一感测帧中输出的所述电流，所述读出电路被配置成在那个感测帧外部的一个或多个周期期间执行所述输出处理(并任选地，执行其它处理)。在实施例中，所述一个或多个周期包括对由所述传感器元件在一个或多个更晚的感测帧中输出的所述电流求积分期间的周期。
在所述积分期间(但在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部)执行所述输出处理(并任选地，执行其它处理)通常比替代性方法提供长得多的操作周期，所述替代性方法仅允许使用所述积分外部的周期(例如在重设周期中)。为了实现所述输出处理(和任选地，其它处理)的更长的操作周期，可另外使用所述重设周期。
常常需要并行执行对电流的许多测量，这需要高读出率以便切实可行。本发明使得有可能实现所述所需高灵敏度和高读出率，这是因为可使所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的所述周期相对较长，而不会增大所述感测帧本身的大小。这是因为所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的所述周期可以是每一感测帧的持续时间的大部分，或甚至大于每一感测帧的所述持续时间(其中使用了每一感测帧内第一时间窗口和第二时间窗口之间的周期和每一感测帧的第二时间窗口与每一后续感测帧的第一时间窗口之间的周期两者)。可观的时间因此可用以完成所述读出电路的可针对来自许多传感器元件或传感器元件的群组的读出所需要而不会在所述感测帧之间引入额外的延迟的操作。
在实施例中，所述电流测量设备将实施于意图是一次性的装置中。在此情况下，将需要提供低引脚计数以实现到主机装置的可重复连接，例如USB连接。低引脚计数将提高在所述ASIC上设置大量数字电路以用于复杂读出电路功能性的需要，例如可在纳米孔应用中需要。本发明的实施例在此情况下特别有利，其中所述大量数字电路将倾向于增加噪声的潜在源。
在实施例中，所述传感器元件各自被布置成支撑其中能够插入膜蛋白的两亲膜，且所述分子实体与所述传感器元件之间的所述交互是所述两亲膜中的所述分子实体与所述膜蛋白之间的交互。本发明的实施例良好地适合于这种类型的应用，其中正被测量的电流可极其小，且其中可需要并行进行成千上万次测量。
根据替代性方面，提供一种用于测量由传感器元件输出的电流的电流测量设备，所述电流测量设备包括：电流感测电路，其被配置成对由所述传感器元件在多个感测帧中的每一个期间输出的所述电流求积分，并在每一感测帧中，在所述感测帧中的第一时间窗口期间获得积分的第一模拟样本并在所述感测帧中的第二时间窗口期间获得所述积分的第二模拟样本，在每一感测帧中所述第二时间窗口比所述第一时间窗口晚；以及读出电路，其被配置成处理所述第一模拟样本和所述第二模拟样本，以便在每一感测帧中的所述第一时间窗口与所述第二时间窗口之间输出表示由所述传感器元件输出的所述电流的数字输出信号，所述处理包括用以获得所述数字输出信号的模数转换处理和用以输出所述数字输出信号的输出处理，其中：所述读出电路被配置成排他性地在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的周期期间执行所述输出处理。
附图说明
现将参考附图而仅作为实例来描述本发明的实施例，在附图中，对应元件符号指示对应部件，且在附图中：
图1是用于使用电荷积分放大器来测量电流的实例现有技术电路；
图2是示意性地展示图1的电路的电压输出如何在积分过程期间随时间的推移而上升的图形；
图3是图1的电路中的噪声的来源的示意性说明；
图4是展示图1的电路的实例噪声频谱的图形；
图5是展示低通滤波和相关双取样应用于电路之后的图1的电路的实例噪声频谱的图形；
图6是说明根据实施例的设备中的操作的实例相对时序的一组图形；
图7是根据实施例的用于测量电流的设备的示意性绘图；
图8是比较不同时序方案的一组图形；
图9描绘实施图8的方案的读出电路的实例芯片配置；
图10是用于感测分子实体于两亲膜中插入的膜蛋白的交互的系统的示意性绘图；
图11是用于与图10的系统一起使用的传感器装置的示意性绘图；
图12是用于与图10的系统一起使用的检测电路的示意性绘图；
图13是来自图12中所描绘的类型的积分放大器电路的实例输出。
具体实施方式
在实施例中，提供用于测量由传感器元件56输出的电流的设备50。在图7中展示设备的实例配置。在实施例中，传感器元件56被配置成通过以电流形式输出电信号来感测物理事件或现象的发生。物理事件或现象可以是分子实体与传感器元件56之间的交互，例如分子实体与例如蛋白孔等膜蛋白之间的交互。
设备50包括被配置成在具体相对时序时执行各种操作的电流感测电路52和读出电路54。在图6和8的图形中说明实例时序，其中横轴表示时间且纵轴表示表示具体功能性的脉冲的存在或不存在。所展示脉冲分别对应于感测帧62、第一时间窗口71、第二时间窗口72、读出周期73和其它读出周期74，将在下文进一步详细描述以上各项中的每一个。图6大体上描绘哪一读出周期73和74可供用于在第一时间窗口71和第二时间窗口72外部处理。图8比较具体实例时序方案。
电流感测电路52被配置成在在本文中被称为感测帧62的多个周期中的每一个期间对由传感器元件56输出的电流求积分。在实施例中，使用积分放大器电路58来执行积分。感测帧62任选地具有恒定预定持续时间(即图6和8的描述中的恒定水平长度)。积分过程停止，并在定位于邻近的感测帧62之间的重设时间窗口64期间在每一感测帧62之间重设。重设操作引起来自积分放大器电路58的输出被重设成参考值。在每一感测帧62内(即在每一感测帧62期间)，电流感测电路52在感测帧62中的第一时间窗口71期间获得积分的第一模拟样本，并在感测帧62中的第二时间窗口72期间获得积分的第二模拟样本，第二时间窗口72在每一感测帧62中比第一时间窗口71晚。在实施例中，取样保持电路60用以获得第一模拟样本和第二模拟样本，并暂时存储第一模拟样本和第二模拟样本。在实施例中，样本用以执行相关双取样，且可分别被称作CDS1时间窗口71和CDS2时间窗口72。
读出电路54被配置成处理例如从取样保持电路60获得的第一模拟样本和第二模拟样本，以便例如使用相关双取样(CDS)规程来例如基于第一模拟样本与第二模拟样本之间的差别而输出表示来自由传感器元件56输出的电流的数字输出信号55。读出电路54的处理包括模数转换(analogue to digital conversion，ADC)处理，以获得数字输出信号和输出处理以输出数字输出信号。
读出电路54可实施于单个芯片(例如ASIC)上，且输出处理可包括输出数字输出信号55偏离芯片。输出处理可包括放大数字信号。如果在第一时间窗口71和第二时间窗口72期间执行，那么数字信号的放大将大体上对于噪声级尤其具破坏性。读出电路54还可被配置成执行来自不同传感器元件56的输出之间的多路复用。
在实施例中，读出电路54被配置成排他性地在第一时间窗口71和第二时间窗口72外部的周期期间执行ADC处理的所有数字操作。虽然ADC处理的操作将通常不大可能将大量噪声连接到在第一时间窗口71和第二时间窗口72中取得的样本中，但是仍然需要ADC处理的至少所有数字操作在第一时间窗口71和第二时间窗口72外部进行。数字操作可包含临时存储ADC处理的数字输出和/或跨越准备好输出处理的芯片传输局部存储的数字输出(例如传输数字输出偏离芯片)。
在实施例中，读出电路54被配置成执行输出处理以在更晚的感测帧62中，任选地在紧接着的感测帧62中对由传感器元件56输出的电流求积分期间输出每一感测帧62的数字输出信号55。举例来说，在图6的布置中，可在更晚的感测帧(例如感测帧“B”或“C”更晚)期间提供最左侧感测帧62(标示“A”)的数字输出。在实施例中，对于每一感测帧62，读出电路54分别被配置成在不同感测帧62中执行ADC处理和输出处理。举例来说，可在第一感测帧62中执行ADC处理，且可在紧接着的感测帧62中执行对应于那个ADC处理的输出处理。
在图6中展示第一时间窗口71和第二时间窗口72外部的实例读出周期73、74(用于输出处理且任选地用于读出电路54的其它处理)。在此实例中，读出周期73、74设置于每一感测帧62内的第一时间窗口71与第二时间窗口72之间和每一感测帧62中的第二时间窗口72与每一紧接着的感测帧62中的第一时间窗口71之间两者(由此处于重设时间窗口64内或与重设时间窗口64重叠)。因此降低或消除来源于读出电路54中的电活动的将噪声添加到第一模拟样本和第二模拟样本。当有必要快速读出较大数目个传感器元件56时，可能需要读出电路54在感测帧62的一部分内(但在第一时间窗口71和第二时间窗口72外部)，即在图6中展示的实例中的至少读出周期73内至少部分地操作，以便提供充足的时间来完成读出操作，而不扩展感测帧62或感测帧62之间的周期。
图13展示依据时间t、在设备50的典型操作期间、在感测帧62期间的来自积分放大器电路58的实例输出V。可见由于读出电路54中的处理而连接到积分放大器电路58的输入的噪声源在积分放大器电路58的积分输出上产生噪声90。本发明人已认识到，如果噪声源是周期性的(其在典型应用中可主要被布置成周期性的)，那么一旦干扰已停止，那么干扰消失，即积分放大器电路58的积分输出92在其原始轨迹上持续(从其在噪声发生之前具有的轨迹推断)。因此，在时间窗口71和72中在受噪声90影响的周期前后取得的样本不受噪声90影响。在最切实可行的应用中，到积分放大器电路58的输入的大部分噪声路径是AC。使用在实施低噪声ASIC时已知的三井硅CMOS技术可促进降低此噪声。存在通过纳米孔电阻的DC噪声路径，将不通过此技术移除纳米孔电阻。然而，在典型应用中，此噪声比重比10kHz的电路带通中的达到最大值的AC路径(如果未移除)小了100,000倍，这是因为纳米孔电阻太大。此DC噪声比重因此被视为可忽略的。
在实施例中，设备50被配置成例如通过应用低通滤波器来在积分处理之前对来自由传感器元件56输出的电流进行滤波。在这种类型的实施例中，连接到由传感器元件56输出的电流的积分中的噪声可随着由滤波器的属性界定的时间常数衰减。因此需要将读出电路54的输出处理(任选地还有ADC处理的数字操作，任选地所有操作)被布置成不仅在第一时间窗口71和第二时间窗口72外部，而且排他性地在周期66A外部和/或周期66B外部操作，周期66A在第一时间窗口71的开始之前开始滤波器(例如低通滤波器)的至少一个时间常数，并在第一时间窗口71的开始处结束，周期66B在第二时间窗口72的开始之前开始滤波器的至少一个时间常数，并在第二时间窗口72的开始处结束(如图6中所说明)。
在实施例中，电流感测电路52与读出电路54实施于同一专用集成电路(ASIC)上。此可对于使得能够在高速下执行处理(例如以从大量通道读出数据)的目的是有利的。
防止读出电路54在第一时间窗口71和第二时间窗口72期间的操作可在此上下文中是尤其有益的，其中与读出电路54相关联的电气组件一定非常接近于与电流感测电路52相关联的电气组件，且其中噪声可通过ASIC的衬底连接。
图6和8说明测量单个传感器元件56的时序。在实践中，可提供传感器元件56的阵列，从而使得有可能同时测量多个传感器元件56。在这种类型的实施例中，图6和8的时序方案中的每一个可并行地应用于多个传感器元件56。在这种类型的实施例中，并行地对来自多个传感器元件56的输出求积分。任选地，图6或8中展示的时序并行地应用于多个传感器元件56，使得感测帧62、第一窗口71和第二窗口72和读出周期73和74中的一个或多个分别在相同时间发生。
可见，可使读出周期73(和就较轻微程度来说，读出周期74)成为感测帧62周期的相对大部分。在许多状况下，读出周期73、74将充分地长以允许测量许多传感器元件56，而不需要停止检测电流。这提高可相对于进行其它读出布置的布置而收集传感器元件56数据的速率(例如其中仅在感测帧62之间、在重设时间窗口64中读出数据。当对分子实体的感测随机地发生时，降低了错过对分子实体的感测的风险。
在实施例中，可在读出周期73和74外部允许一些数字信令。举例来说，用于控制第一窗口71和第二窗口72中的取样的数字信令可在读出周期73和74外部操作。此性质的数字信令合乎需要地从外部源引入到ASIC上，且并不在ASIC自身上操纵。举例来说，可提供时钟未设置于ASIC上的实施例(但是在其它实施例中，时钟设置于ASIC上)。用于控制第一时间窗口71和第二时间窗口72中的取样的数字信令一定在可能在未采取计数器措施的情况下引起一些噪声的重要时间时主动。可通过使用低噪声完全差动电流模式逻辑来将数字信令路由到传感器元件56来降低噪声。这将对于对此单个信号是切实可行的，但为了ASIC上需要的所有数字信号而进行此操作将会出于面积和功率原因而不合需要。不必在第一时间窗口71和第二时间窗口72内操作的数字信令，例如与多路复用操作相关联的数字信令，合乎需要地被布置成在第一时间窗口和第二时间窗口中的任一个或两个的外部进行。
在实施例中，从传感器元件56的阵列读出的第一模拟样本和第二模拟样本可能具有源于对积分放大器电路58中的电流信号和噪声的放大的随机噪声元素。需要避免此噪声回馈到放大器中，这可通过确保这些信号线在已取得样本之后返回到参考电压电平来得以实现。大体上需要所有数字信号在每一重设周期64期间返回到其启动参考状态，尤其是与输出处理块126相关联的垫124的逻辑状态(见图9)。
图8描绘用于分布ADC处理和输出处理的七个实例方案。在所展示的所有实例中，在其期间执行ADC处理的周期中没有一个与在其期间执行输出处理的周期中的任一个重叠。此方法避免两个过程之间的噪声的连接。在方案1中，在读出周期73内时间交错的多个短周期中执行ADC处理和输出处理。在方案2中，排他性地在读出周期73期间执行ADC处理，且排他性地在读出周期74期间执行输出处理。在方案3中，在读出周期74内时间交错的多个短周期中执行ADC处理和输出处理。在方案4中，排他性地在读出周期74期间执行ADC处理，且排他性地在读出周期73期间执行输出处理。在方案5中，在读出周期73中的每一个中的单个块中执行ADC处理，且在读出周期73中的每一个中的不同单个块中执行输出处理。在方案6中，在读出周期74期间在重设周期64与第一时间窗口71之间的周期中ADC处理，且在读出周期73中执行输出处理。在方案7中，在读出周期73内的单个块内执行ADC处理，且在两个单独块中执行输出处理，所述两个单独块中的一个在读出周期74中，且另一个在读出周期73中(在与执行ADC处理的单个块不同的部分中)。所有方案合乎需要地经配置，使得当在通过第二时间窗口72同时通过第一时间窗口71时，所有逻辑栅极在相同状态下。在方案5和方案7中，其中读出周期73含有单个ADC处理块和单个输出处理块，所述两个块应由噪声稳定周期(标示102)分离。还展示了通过组合方案4、5与6获得的方案。
在图8中展示的所有配置中，针对输出处理分配的周期还可用以容纳芯片输入配置信号。芯片输入配置信号可例如用以改变设定，例如增益、滤波、偏压等。芯片输入配置信号应在可能的情况下在第一时间窗口71和第二时间窗口72外部的周期中发送，且大体上需要当在通过第二时间窗口72同时通过第一时间窗口71时，所有逻辑栅极在相同状态下。
在实施例中，读出电路54包括通过对应的多个通道用于从多个不同传感器元件56接收电流输出的电路。在此类实施例中，读出电路54将包括个体通道电路元件的阵列连同一个或多个全局电路元件，所述个体通道电路元件各自被配置成针对通道中的一个个体通道而处置处理，所述全局电路元件被配置成针对通道中的多于一个(任选地全部)而处置处理操作。由读出电路54执行的处理(例如ADC处理和/或输出处理)可以各种方式分布与个体通道电路元件与全局电路元件之间。图9展示图8中展示的不同方案的实例配置。在虚线的左边展示个体通道电路元件132的实例。在虚线的右边展示全局电路元件134的实例。可能便利的是将个体通道电路元件132定位于芯片的中心区域中并将全局电路元件134定位于芯片的外围区域中，虽然这并非必不可少的。
用于对应于方案2的实例配置的个体通道电路元件132包括通道块110和ADC块112。通道块110包括用于从第一时间窗口71和第二时间窗口72提供模拟样本的电路。ADC块112包括用于执行ADC处理的电路114。在此实例中，ADC块112进一步包括用于局部地存储从ADC处理输出的数据的数据存储装置，以便允许个体通道电路元件132与负责输出处理的全局电路元件之间的数据的延迟串行传输(箭头128)。
用于对应于方案2的实例配置的全局电路元件134包括输出处理块126。输出处理块126包括垫驱动器122和垫124。输出处理块126还可被称作读出引脚。垫驱动器122驱动垫124的电压状态下的移动以便执行输出处理。输出处理需要相对高的功率。因此尤其需要垫124的移动排他性地在第一时间窗口71和第二时间窗口72外部发生，以避免将噪声引入到电流测量中。
对应于方案1和3的实例配置的个体通道电路元件132包括通道块110。通道块110包括用于在经多路复用信号中从第一时间窗口71和第二时间窗口72提供模拟样本的电路。经多路复用信号被发射到全局电路元件134(箭头118)。
用于对应于方案1和3的实例配置的全局电路元件134包括ADC块112。ADC块112在此实例中包括被配置成存储来自经多路复用输入信号的累积电荷的阵列的电容器存储阵列120。ADC块112进一步包括用于执行ADC处理的电路114。来自ADC块112的串行数据输出发送(箭头130)到输出处理块126。输出处理块126可以与上文参考方案2的实例配置所描述的输出处理块126相同的方式配置。
用于对应于方案4、5、6和7的实例配置的个体通道电路元件132包括通道块110，通道块110以与上文参考方案1和3的实例配置所描述的通道块110相同的方式配置。经多路复用信号从通道块110发送到全局电路元件134(箭头118)。
用于对应于方案4、5、6和7的实例配置的全局电路元件134包括ADC块112，ADC块112包括与上文参考方案1和3的实例配置所描述的ADC块112相同的元件。本实例的ADC块112另外包括数据存储装置116以允许ADC块112与输出处理块126之间的数据的延迟串行传输(箭头128)。输出处理块126可如上文参考用于方案1到3的实例配置所描述而配置。
方案2的上文所描述的实例配置促进实现低噪声，这是因为局部地(即，在个体通道电路元件132中)执行ADC处理。因此降低了跨越芯片传输数据的需要，由此促进避免第一时间窗口71和第二时间窗口72同时维持高数据吞吐量。用于方案1和3的上文所描述的实例配置具有需要较少硅的优点，这是因为ADC处理块112并不对于每一通道需要。用于方案4到7的上文所描述的实例配置组合方案2与方案1和3的优点。首先，在用于执行ADC处理的电路114之后提供数据存储装置116允许到垫124的串行数据输出延迟，从而促进在第一时间窗口71和第二时间窗口72期间避免此类传输同时维持高数据吞吐量，串行数据输出可需要相对高的功率并因此潜在地显著促成系统性噪声。局部数据存储装置需要极低的功率，并因此极少地促成系统性噪声。瞬态对于局部电路快速地稳定。其次，需要更少的硅，这是因为ADC处理块112并不设置于每一通道中。
在实施例中，用于执行方案3到7的ADC处理的电路114包括管线ADC。管线ADC可例如通过约100的块大小在约60MHz与100MHz之间操作。可使用移位寄存器(例如每通道11位)来实施数据存储装置116。
在实施例中，用于执行用于方案1或方案2的ADC处理的电路114包括逐次近似寄存器(Successive Approximation Register，SAR)ADC。
方案2和4到7全部都允许数据发射到垫124的延迟。这便于避免在第一时间窗口71和第二时间窗口72期间或附近的任何垫移动，由此避免系统性噪声通过垫移动输入到电流测量。
需要垫124的所有逻辑状态在第一时间窗口71和第二时间窗口72两者期间在相同状态下。
在实施例中，电流测量设备50用于分子实体感测设备中以便确定分析物的特性。感测设备包括包括传感器元件56的阵列的传感器装置。传感器装置的传感器元件56中的每一个被布置成输出电流，电流取决于取决于正感测到的分子实体的物理现象。在实施例中，使用多个电流测量设备50。在此类实施例中电流测量设备50中的每一个被配置成测量由传感器元件56中的一个或多个输出的电流，并提供表示由传感器元件56中的一个或多个输出的电流的数字输出信号55。
在实施例中，物理现象是随机事件。在实施例中，随机事件是分子实体与传感器元件56之间的交互。在实施例中，传感器元件56中的每一个包括包括离子通道的膜。离子通道可以是例如生物孔，例如跨膜蛋白孔。在实施例中，传感器元件56各自被布置成支撑其中能够插入膜蛋白的两亲膜，且物理现象是分子实体与两亲膜中的膜蛋白的交互。
待确定的分析物可以是高分子，例如胺基酸、肽、多肽、蛋白质或多核苷酸。多核苷酸可包括任何核苷酸的任何组合。核苷酸可以是天然产生的或人造的。多核苷酸中的一个或多个核苷酸可经氧化或甲基化。多核苷酸中的一个或多个核苷酸可损坏。举例来说，多核苷酸可包括嘧啶二聚物。此类二聚物通常与紫外光的损坏相关联，且是皮肤黑素瘤的主要病因。多核苷酸中的一个或多个核苷酸可例如以标注或标记修改。多核苷酸可以是核酸，例如脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)或核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)。多核苷酸可包括杂交成一个链的DNA的一个链的RNA。多核苷酸可以是此项技术中已知的任何合成核酸。待确定的分析物可以是核酸适体。致使分子实体使孔移位，且测量分子实体与孔之间的交互。
通过孔的分析物的移位可由例如多核苷酸处置酶等发动蛋白辅助。优选酶类是聚合酶、核酸外切酶、解螺旋酶和拓扑异构酶，例如回旋酶。可在本发明中使用任何解螺旋酶。解螺旋酶可以是或从Hel308解螺旋酶、例如TraI解螺旋酶或TrwC解螺旋酶等RecD解螺旋酶、XPD解螺旋酶或Dda解螺旋酶衍生。解螺旋酶可以是第PCT/GB2012/052579号(公开为WO2013/057495)；第PCT/GB2012/053274号(公开为WO 2013/098562)；第PCT/GB2012/053273号(公开为WO 2013/098561)国际申请中公开的解螺旋酶、改造的解螺旋酶或解螺旋酶构成物中的任一个。替代地，通过孔的分析物的移位还可由例如由国际专利申请PCTTT/US2008/004467公开的电压控制辅助。
待确定的特性可以是聚合物的序列特性。可通过由国际专利申请PCT/GB2012/052343和PCT/GB2013/050381公开的方法执行对序列特性的确定。
生物孔可以是天然产生的孔或可以是突变孔。另外，生物纳米孔可以是跨膜蛋白孔。典型的孔描述于第2012/1007802号美国专利申请中，且描述于Stoddart D等人《美国国家科学院院刊(Proc Natl Acad Sci)》12；106(19):7702-7、Stoddart D等人《应用化学国际英文版(Angew Chem Int Ed Engl.)》2010；49(3):556-9、Stoddart D等人《纳米快报(Nano Lett.)》2010年9月8日；10(9):3633-7、Butler TZ等人《美国国家科学院院刊(ProcNatl Acad Sci)》2008；105(52):20647-52、美国专利申请公开2014/186823和WO2013/153359中，所有以上各项由此以引用的方式并入。孔可以是同寡聚的，即，从相同单体衍生。孔可以是异寡聚的，即，其中至少一个单体不同于其它单体。孔可以是DNA折纸(DNAorigami)孔，如由此以引用的方式并入的Langecker等人《科学(Science)》2012；338:932-936描述。
生物孔可设置于膜两亲层(也被称作两亲膜)内。两亲层是从例如磷脂等两亲分子形成的层，两亲分子具有亲水性和亲油性属性两者。两亲层可以是单层或双层。两亲层可以是例如由Gonzalez-Perez等人《朗缪尔(Langmuir)》2009,25,10447-10450和U.S.No 6,723,814所公开的共嵌段聚合物，这两个由此以引用的方式并入。聚合物可以是PMOXA-PDMS-PMOXA三嵌段共聚物。
在另一实施例中，膜是包括一个或多个孔隙的固态层。支撑结构可从任一种或两种有机和无机材料形成，包含但不限于微电子材料(不论导电与否)；电半导电或电绝缘材料，包含例如II-IV和III-V材料等材料；氧化物和氮化物，比如Si3N4、Al2O3和SiO；有机和无机聚合物，例如聚酰胺；塑料，例如或弹性体，例如二组分加成型硅酮橡胶，和玻璃。固态支撑结构可从例如石墨烯等单原子层或仅数个原子厚的层形成，例如第8,698,481号美国专利案和美国专利申请公开2014/174927中公开的那些层，美国专利案和美国专利申请公开都由此以引用的方式并入。可包含多于一个支撑层材料，例如多于一个石墨烯层，如以引用之方式并入本文中的美国专利申请公开案2013/309776中所公开。第6,627,067号美国专利案中公开的合适氮化硅膜和支撑结构可以化学方式功能化，例如美国专利申请公开2011/053284中所公开，美国专利案和美国专利申请公开都由此以引用的方式并入。
在另一实施例中，生物纳米孔可设置于固态孔隙内。此结构公开于例如由此以引用的方式并入的第8,828,211号美国专利案中。
在另一实施例中，本发明提供电流测量方法以便确定分析物的特性。
本发明的实施例的方法涉及测量在分析物相对于孔移动时通过孔的电流。用于测量通过跨膜蛋白孔的离子电流的合适条件在此项技术中已知。通常通过跨越膜和孔施加的电压执行方法。所使用电压通常是从+5V到-5V，例如从+4V到-4V、+3V到-3V或+2V到-2V。所使用电压通常是从-600mV到+600mV或-400mV到+400mV。所使用电压优选地处于具有下限和上限的范围内，下限选自以下各项：-400mV、-300mV、-200mV、-150mV、-100mV、-50mV、-20mV和0mV，上限独立地选自以下各项：+10mV、+20mV、+50mV、+100mV、+150mV、+200mV、+300mV和+400mV。所使用电压更优选地处于100mV到240mV的范围内，且最佳地处于120mV到220mV的范围内。有可能通过使用增大的所施加电势来增大孔的不同核苷酸之间的区别。
通常在存在任何电荷载流子的情况下执行方法，电荷载流子例如金属盐，例如碱金属盐、卤盐，例如氯化物盐，例如碱金属氯化物盐。电荷载流子可包含离子液体或有机盐，例如四甲基氯化铵、三甲基苯基氯化铵、苯基三甲基氯化铵或1-乙基-3-甲基咪唑氯化物。在下文论述的示范性设备中，盐在腔室中的含水溶剂中存在。通常使用氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)、氯化铯(CsCl)或亚铁氰化钾与铁氰化钾的混合物。KCl、NaCl和亚铁氰化钾与铁氰化钾的混合物是优选的。电荷载流子可跨越膜非对称。举例来说，电荷载流子的类型和/或浓度可在膜的每一侧上不同。
盐浓度可在饱和下。盐浓度可以是3M或更低，且通常是从0.1M到2.5M。高盐浓度提供高信噪比，并允许在正常电流波动的背景下识别指示核苷酸的存在的电流。
方法通常在缓冲剂存在下进行。在下文论述的示范性设备中，缓冲剂在腔室中的含水溶剂中存在。可使用任何缓冲剂。通常，缓冲剂是磷酸缓冲液。
在实施例中，每一感测元件56包括相应电极，相应电极被布置成输出取决于与感测元件56相关联的物理现象的电流。在此实施例的实例中，传感器装置进一步包括对所有传感器元件共同的共同电极。
下文参考图10到12论述说明可组合上文所论述的一些特征的一个方式的详细实例。
在图10中示意性地展示用于感测分子实体于两亲膜中插入的膜蛋白的交互的系统1。系统1包括连接到检测电路3的传感器装置2。检测电路3连接到数据处理器4。检测电路3包括对应于上文参考图6到9所论述的电流测量设备50的元件。
在实施例中，传感器装置2是如在第PCT/GB08/004127号国际专利申请中详细描述的设备，所述国际专利申请以引用的方式并入本文中。不限于其中的教示的概括性，这种类型的传感器装置2具有如图11真的横截面中所展示的构造，其包括形成有多个井21的主体20，井21各自是在其中布置有井电极22的凹部。提供大量井21以优化设备1的数据采集率。一般来说，可存在任何数目个井21，通常256或1024个，但在图11中仅展示了井21中的数个。
每一井21和对应井电极22是如上文参考图6到9所论述的传感器元件56的实例。
在此实施例中，主体20由盖板23覆盖，盖板23在主体20上方延伸，且是中空的以界定井21中的每一个通往的腔室24。共同电极25安置于腔室23内。
传感器装置2准备跨越每一井21形成两亲膜26，并将膜蛋白插入到两亲膜26中。可通过使用详细地描述于第PCT/GB08/004127号国际专利申请中的技术和材料来实现此准备，所述准备可如下概括。含水溶剂引入到腔室24中以跨越每一井21形成两亲膜26，两亲膜26分离井21中的含水溶剂与腔室24中的含水溶剂的剩余体积。举例来说，通过在引入到腔室24中之前或之后将膜蛋白引入到含水溶剂中或通过使膜蛋白沉积于腔室24的内表面上，将膜蛋白提供到含水溶剂中。膜蛋白自发地从含水溶剂插入到两亲膜26中。此自发插入是动态过程，且因此存在插入到个体两亲膜中的膜蛋白的数目的统计变化，所述统计变化通常具有泊松分布。
在第PCT/GB2013/052776号国际专利申请中公开了适合用于本发明中的其它传感器装置。
相对于任何给定的井21，当两亲膜26已形成且膜蛋白插入到两亲膜26中时，接着井21能够用作被配置成感测分子实体与膜蛋白之间的交互的传感器元件56的部分。这些交互是随机物理事件。在交互引起输出电信号的特性改变的意义上，跨越两亲膜26的输出电信号取决于交互。举例来说，在膜蛋白是蛋白孔的状况下，接着将通常存在蛋白孔与特定分子实体(分析物)之间的交互，所述交互调制离子通过孔的流动。对离子通过孔的流动的调制产生通过孔的电流流动的特性改变。分子实体可以是分子或分子的部分，例如DNA碱基。此类交互通常是极其简要的，从而需要高时间分辨力，并连续地监测是否需要检测每次交互。
在图12中展示检测电路3的实例，其中示意性地展示传感器装置2。在此实施例中，井21按群组提供。在图12中，每个群组由四个井21组成。在其它实施例中，群组可包括不同数目个井21。检测电路3具有与井21的每个群组相关联的检测通道30。为了清晰起见，图12展示井21的单个群组和单个检测通道30，但通常存在多组井21，其各自具有如图12中所展示而布置的相关联检测通道30。举例来说，对于一些应用，传感器装置2可包括总共4096个井21和1024个检测通道30。
在此实施例中，系统1进一步包含开关布置31，开关布置31能够将检测通道30选择性地连接到群组中的井21中的任一个。具体地说，开关布置31是1到4多路复用器(一般是1到N多路复用器，其中N是群组中的井21的数目)，包括各自连接于井21中的一个的井电极22与共同触点33之间的四个开关32，共同触点33自身连接到检测通道30(电流感测电路52)的输入。
开关32可原则上是任何类型的模拟开关，但优选地是例如由晶体管形成的半导体开关，优选地是场效应晶体管。开关32经选择以提供从不经由断开的开关32连接的井21或从通过开关32的锁存器34到检测通道30的最少泄漏。在实施例中，通过在使开关在大部分时间内处于静态配置的情况下来运行设备1来避免动态电荷注入效应。
在实施例中，开关布置31的状态由存储于数字锁存器34中的数据控制，数字锁存器34由解码器逻辑35控制。解码器逻辑根据由解码器逻辑35接收到的控制信号而控制锁存器34，以使得一次关闭任何一个单个开关32，由此将对应井21连接到检测通道30。解码器逻辑35允许切换关于井21的每个群组的开关布置31，而不影响关于任何其它群组的开关布置31的状态。
可能不存在能够快速改变开关布置31的配置的要求。在典型实施例中，按分钟的时间尺度需要改变，且完全的更新可按高达0.1s到1s的时间尺度实现。在此类实施例中，可接受的是，将锁存器34实施为移位寄存器并实施解码器逻辑35的串行数据接口，同时任选地利用差动信令。
在此实施例中，井21通过连接到共同电极35的偏压电源36相对于检测通道30的输入被加偏压。通常偏压电压高达200mV。
在实施例中，允许不主动地连接到检测通道30的任何井21通过井21中的流体浮动到共同电极25的电势，且将因此不传递电流。此通过不具有两亲膜26的井21而消除放大器饱和的可能性。解码器逻辑35还可控制锁存器34以提供所有开关32断开的状态，因此允许群组中的所有井21浮动。在此状态下，检测通道30不具有输入电流，且也没有井21传递任何电流。
为了降低成本，在实施例中，检测电路3实施于从传感器装置2单独地提供的半导体芯片中。在其它实施例中，检测电路3的一个或多个组件，例如开关布置31、锁存器34和解码器逻辑35，设置于集成到传感器装置2中的单独半导体芯片中。此方法降低互连要求，但可需要传感器装置2具有几个额外数字控制线以向解码器逻辑35供应控制信号。任选地，检测电路3如下布置以出于测试目的而将具有已知量值，相当于由工作井21传递的电流，通常具有50pA到100pA的量值的校准电流供应给检测通道30，以使得可在引入任何化学方法之前保证检测电路3的功能性。检测电路3包含可操作以供应校准电流的校准源37和连接于校准源37与共同触点33之间的另一开关38。另一开关38由锁存器34和解码器逻辑35以与开关布置31相同的方式控制，以允许将校准源37到检测通道30，而非井21中的任一个。
在此实施例中，每一检测通道30如下布置，以放大来自通过开关布置31连接到检测通道30的井21的电信号。检测通道30因此经设计以放大具有充足的分辨力以检测由所关注的交互引起的特性改变的极小电流。检测通道30还被设计成具有足够大的带宽以提供检测每一此交互需要的时间分辨力。
检测通道30包括积分放大器电路58(对应于在上文参考图6到9提及的积分放大器电路58)。在此实施例中，积分放大器电路58包含电荷放大器40。电荷放大器40是具有以下各项的差分放大器：反相输入，其构成检测通道30的输入并连接到共同触点33；以及连接到内部参考源41的非反相输入。
偏压源36连接于传感器装置2的共同电极25与电荷放大器40的非反相输入之间，以在其之间施加偏压电压。
电荷放大器40被布置成借助于电容器42操作为积分放大器电路58，电容器42连接于电荷放大器40的反相输入与电荷放大器40的输出之间。控制开关43与电容器42并联连接以控制由电荷放大器40执行的积分。积分放大器电路58在每一感测帧62中对从井21供应到其的电流求积分，以提供表示第一时间窗口71和第二时间窗口72之间供应的电荷的输出，在所述时间窗口中取得积分的模拟样本。感测帧62选择为足够短，以提供充足的时间分辨力来监测在井21中发生的所关注事件。
电荷放大器40(和积分放大器电路58)的输出连接到取样保持电路60。在此实施例中，取样保持电路60包括并联地布置且视情况配备有电压增益的两个取样保持放大器44。在使用中，操作取样保持放大器44以通过各自与控制开关43同步地切换到样本来提供相关双取样，并分别在第一时间窗口71和第二时间窗口72期间保持电荷放大器40的输出。通过取得取样保持放大器44的两个输出之间的差异来导出有用信号。取样率足够高与时间解析输出信号。在此实施例中，由取样保持放大器44输出的放大后的信号供应给多路复用器45。多路复用器45对由所有检测通道30输出的放大后的信号进行多路复用，并将所述放大后的信号供应给数据处理器4。在实施例中，多路复用器45包括通过A/D转换器46连接到数据处理器4的移位寄存器。在其它实施例中，多路复用器45呈其它合适的形式，例如包含是具有在取样保持放大器44与多路复用器45之间的发生的A/D转换的数字装置。
多路复用器45和A/D转换器46是形成读出电路54的部分的组件的实例，如上文参考图6和7所描述。读出电路54可包括不同元件或替代性元件。
在替代实施例中，每一检测通道30配备有两个电荷放大器，所述电荷放大器并联地布置且替代地用以通过在每一电荷放大器正执行积分时重设另一电荷放大器来提供更大的效率。
偶尔有必要通过通过共同电极25反转跨越井21施加的电势来开放是蛋白孔的膜蛋白。为了这有效，电荷放大器40的输入经设计以甚至在呈现有负电流(其具有类似于正常电流的量值，通常具有量值50pA到100pA)时也保持在恒定的偏压电势下。
数据处理器4从从检测电路3输出的每一检测通道30接收信号，并处理所述信号。数据处理器4存储并处理放大后的信号。数据处理器4任选地包括形成读出电路54的部分或全部的一个或多个组件。
在实施例中，数据处理器4还控制检测电路3的操作，并通过向解码器电路35供应控制信号来充当用于开关布置31的开关控制器。数据处理器4可以是运行适当的程序的微处理器，或可包含专用硬件。数据处理器4可包括待插塞到例如台式计算机或笔记本电脑等电脑中的卡。此计算机可包含用于向用户显示放大后的信号的图形工具，并还可取决于所关注的交互而提供对放大后的信号的分析。
在操作中，在实施例中，数据处理器4监测由每一检测通道30输出的放大后的信号，并基于信号而控制开关布置31。具体地说，数据处理器4控制开关布置31以将检测通道30连接到井21中的具有可接受性能质量的一个，即在此实例中意味着在那儿两亲膜26跨越两亲膜形成，在其中插入有单个膜蛋白。此可通过例如使用WO 2008/102120(第PCT/GB08/000562号国际专利申请)中公开的分析技术来分析放大后的信号，以检测是井21的物理状态的特性的信号来得以实现，所述国际专利申请以引用的方式并入本文中。
上文所描述的设备1经设计以感测是分子实体与两亲膜26中的膜蛋白的交互的物理现象。然而，通过此实现的优点同等地适用于使用传感器元件来感测其它物理现象。举例来说，通过被布置成通过在电极处输出取决于那些发生的电信号来感测物理事件的发生的传感器元件的阵列，在用于感测分子实体的其它类型的交互和/或其它类型的物理事件的设备中实现类似优点。在用于使用传感器元件进行感测的设备中实现类似优点，传感器元件各自包括形成于衬底中的相应井，且相应电极布置于所述传感器元件内。
权利要求书中定义的特征可以任何组合一起使用。

Claims (43)

1.一种用于测量由传感器元件输出的电流的电流测量设备，所述电流测量设备包括：
电流感测电路，其被配置成对由所述传感器元件在多个感测帧中的每一个期间输出的所述电流求积分，且在每一感测帧中，在所述感测帧中的第一时间窗口期间获得积分的第一模拟样本并在所述感测帧中的第二时间窗口期间获得所述积分的第二模拟样本，在每一感测帧中，所述第二时间窗口比所述第一时间窗口晚；以及
读出电路，其被配置成处理所述第一模拟样本和所述第二模拟样本，以便在每一感测帧中的所述第一时间窗口与所述第二时间窗口之间输出表示由所述传感器元件输出的所述电流的数字输出信号，所述处理包括用以获得所述数字输出信号的模数转换处理和用以输出所述数字输出信号的输出处理，其中：
所述读出电路被配置成排他性地在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的周期期间执行所述输出处理。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述读出电路被配置成排他性地在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的周期期间执行所述模数转换处理的所有数字操作。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述读出电路被配置成排他性地在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的周期期间操作。
4.根据在前的任一项权利要求所述的设备，其中所述读出电路被配置成在所述感测帧中的一个或多个期间执行以下各项中的一个或多个的部分或全部：所述输出处理、所述模数转换处理的所有数字操作、所述读出电路的所有操作。
5.根据在前的任一项权利要求所述的设备，其中对于每一感测帧中由所述传感器元件输出的所述电流，所述读出电路被配置成在那个感测帧外部的一个或多个周期期间执行所述输出处理。
6.根据权利要求5所述的设备，其中那个感测帧外部的所述一个或多个周期包括对由所述传感器元件在一个或多个更晚的感测帧中输出的所述电流求积分期间的周期。
7.根据在前的任一项权利要求所述的设备，其中对于由所述传感器元件在每一感测帧中输出的所述电流，所述读出电路被配置成在不同感测帧中分别执行所述模数转换处理和所述输出处理。
8.根据权利要求1到6中任一项所述的设备，其中所述读出电路被配置成在重设对由所述传感器元件输出的所述电流的所述积分的重设周期期间执行所述输出处理的至少一部分。
9.根据在前的任一项权利要求所述的设备，包括传感器元件的阵列。
10.根据在前的任一项权利要求所述的设备，其中所述电流感测电路与读出电路实施于同一专用集成电路上。
11.根据在前的任一项权利要求所述的设备，其中所述电流感测电路包括积分放大器电路和连接到所述积分放大器电路的输出的取样保持电路。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述读出电路被配置成从所述取样保持电路提取所述第一模拟样本和所述第二模拟样本。
13.根据在前的任一项权利要求所述的设备，其中所述读出电路被配置成执行来自不同传感器元件的输出之间的多路复用。
14.根据在前的权利要求中任一项所述的设备，其中所述设备被配置成将低通滤波器应用于所述积分电流。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述读出电路被配置成排他性地在每一感测帧中的所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部且在在每一时间窗口的开始之前开始所述低通滤波器的至少一个时间常数并在每一时间窗口的所述开始时结束的周期外部的周期期间执行所述输出处理。
16.一种分子实体感测设备，包括：
传感器装置，其包括传感器元件的阵列，每一传感器元件被布置成输出取决于分子实体与所述传感器元件之间的交互的电流；以及
多个根据权利要求1到15中任一项所述的电流测量设备，其中每一电流测量设备被配置成测量由所述传感器元件中的一个或多个输出的所述电流，并提供取决于由所述传感器元件中的所述一个或多个输出的所述电流的数字输出信号。
17.根据权利要求16所述的设备，其中每一感测元件包括相应电极，所述相应电极被布置成输出取决于所述分子实体与所述传感器元件之间的所述交互的所述电流，且所述传感器装置进一步包括对于所有所述传感器元件共同的共同电极。
18.根据权利要求16或17所述的设备，其中所述传感器元件中的每一个包括离子通道。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述离子通道是膜蛋白。
20.根据权利要求16到19中任一项所述的设备，其中所述传感器元件各自被布置成支撑其中能够插入膜蛋白的两亲膜，且所述分子实体与所述传感器元件之间的所述交互是所述两亲膜中的所述分子实体与所述膜蛋白之间的交互。
21.一种用于测量由传感器元件输出的电流的电流测量方法，所述方法包括：
对由所述传感器元件在多个感测帧中的每一个期间输出的所述电流求积分，且在每一感测帧中，在所述感测帧中的第一时间窗口期间获得所述积分的第一模拟样本并在所述感测帧中的第二时间窗口期间获得所述积分的第二模拟样本，在每一感测帧中，所述第二时间窗口比所述第一时间窗口晚；以及
处理所述第一模拟样本和所述第二模拟样本，以在每一感测帧中的所述第一时间窗口与所述第二时间窗口之间输出表示由所述传感器元件输出的所述电流的数字输出信号，所述处理包括用以获得所述数字输出信号的模数转换处理和用以输出所述数字输出信号的输出处理，其中：
排他性地在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的周期期间执行所述输出处理。
22.根据权利要求21所述的方法，其中排他性地在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的周期期间执行所述模数转换处理的所有数字操作。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中排他性地在所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部的周期期间执行所述第一模拟样本和所述第二模拟样本的所述处理的全部。
24.根据权利要求21到23中任一项所述的方法，其中在所述感测帧中的一个或多个期间执行以下各项中的一个或多个的部分或全部：所述输出处理、所述模数转换处理的所有数字操作、所述第一模拟样本和所述第二模拟样本的所述处理的全部。
25.根据权利要求21到24中任一项所述的方法，其中对于由所述传感器元件在每一感测帧中输出的所述电流，在那个感测帧外部的一个或多个周期期间执行所述输出处理。
26.根据权利要求25所述的方法，其中在那个感测帧外部的所述一个或多个周期包括对由所述传感器元件在一个或多个更晚的感测帧中输出的所述电流求积分期间的周期。
27.根据权利要求21到26中任一项所述的方法，其中对于由所述传感器元件在每一感测帧中输出的所述电流，在不同感测帧中分别执行所述模数转换处理和所述输出处理。
28.根据权利要求21到26中任一项所述的方法，其中在重设对由所述传感器元件输出的所述电流的所述积分的重设周期期间执行所述输出处理的至少一部分。
29.根据权利要求21到28中任一项所述的方法，其中使用同一专用集成电路来执行对由所述传感器元件输出的所述电流的所述积分与对所述第一模拟信号和所述第二模拟信号的所述处理。
30.根据权利要求21到29中任一项所述的方法，其中使用积分放大器电路和连接到所述积分放大器电路的输出的取样保持电路来执行对由所述传感器元件输出的所述电流的所述积分。
31.根据权利要求30所述的方法，其中对所述第一模拟信号和所述第二模拟信号的所述处理包括从所述取样保持电路提取所述第一模拟信号和所述第二模拟信号。
32.根据权利要求21到31中任一项所述的方法，其中对所述第一模拟信号和所述第二模拟信号的所述处理包括来自不同传感器元件的输出之间的多路复用。
33.根据权利要求21到32中任一项所述的方法，其中在紧接着的感测帧期间执行每一帧的所述输出处理。
34.根据权利要求21到33中任一项所述的方法，其中所述方法包括使用所述第一模拟样本和所述第二模拟样本来将相关双取样应用于由所述传感器元件输出的所述电流。
35.根据权利要求21到34中任一项所述的方法，其中所述方法包括将低通滤波器应用于所述积分电流。
36.根据权利要求35所述的方法，其中排他性地在每一帧中的所述第一时间窗口和所述第二时间窗口外部且在在所述每一时间窗口的开始之前开始所述低通滤波器的至少一个时间常数并在每一时间窗口的所述开始时结束的周期外部的周期期间执行所述输出处理。
37.一种分子实体感测方法，所述方法包括：
提供包括传感器元件的阵列的传感器装置，每一传感器元件被布置成输出取决于分子实体与所述传感器元件之间的交互的电流；以及
使用根据权利要求21到36中任一项所述的方法以测量由所述传感器元件中的一个或多个输出的所述电流，并提供取决于由所述传感器元件中的所述一个或多个输出的所述电流的数字输出信号。
38.根据权利要求37所述的方法，其中每一感测元件包括相应电极，所述相应电极被布置成输出取决于所述分子实体与所述传感器元件之间的所述交互的所述电流，且所述传感器装置进一步包括对于所有所述传感器元件共同的共同电极。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述传感器元件中的每一个包括离子通道。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述离子通道是膜蛋白。
41.根据权利要求37到40中任一项所述的方法，其中所述传感器元件各自被布置成支撑其中能够插入膜蛋白的两亲膜，且所述分子实体与所述传感器元件之间的所述交互是所述两亲膜中的所述分子实体与所述膜蛋白之间的交互。
42.一种电流测量设备或一种分子实体感测设备，被布置且被配置成大体上如参考附图在上文中描述和/或如附图中所说明而操作。
43.一种如参考附图在上文中描述和/或如附图中所说明的电流测量方法或分子实体感测方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113631925A (zh) * 2019-03-19 2021-11-09 牛津纳米孔科技公司 电流测量设备、分子实体感测设备、测量电流的方法、感测分子实体的方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9863904B2 (en) 2014-12-19 2018-01-09 Genia Technologies, Inc. Nanopore-based sequencing with varying voltage stimulus
US10126262B2 (en) 2015-09-24 2018-11-13 Genia Technologies, Inc. Differential output of analog memories storing nanopore measurement samples
GB201819378D0 (en) 2018-11-28 2019-01-09 Oxford Nanopore Tech Ltd Analysis of nanopore signal using a machine-learning technique
US20220155207A1 (en) * 2019-05-10 2022-05-19 Aipore Inc. Particle Identification Sensor and Particle Identification Device
GB201907243D0 (en) 2019-05-22 2019-07-03 Oxford Nanopore Tech Ltd Sensing interactions between molecular entities and nanapores
WO2023094806A1 (en) 2021-11-29 2023-06-01 Oxford Nanopore Technologies Plc Nanopore measurement signal analysis
GB202202716D0 (en) 2022-02-28 2022-04-13 Oxford Nanopore Tech Plc Apparatus and methods for controlling insertion of a membrane channel into a membrane
GB202207267D0 (en) 2022-05-18 2022-06-29 Oxford Nanopore Tech Plc Calibration and profiling of a nanopore array device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070072169A1 (en) * 2005-09-29 2007-03-29 Combimatrix Corporation Process and apparatus for measuring binding events on a microarray of electrodes
EP1847003A2 (en) * 2005-01-19 2007-10-24 Atmel Corporation Current sensing analog to digital converter and method of use
CN101312681A (zh) * 2005-11-21 2008-11-26 皇家飞利浦电子股份有限公司 检测模块
US20090026350A1 (en) * 2005-09-08 2009-01-29 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Determination of low currents with high dynamic range for optical imaging
CN103503043A (zh) * 2011-01-24 2014-01-08 吉尼亚科技公司 用于从传感器阵列传送信息的系统
CN203414511U (zh) * 2013-07-04 2014-01-29 清华大学 电流测量电路

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2568685B1 (fr) * 1984-08-03 1986-09-26 Telemecanique Electrique Procede et dispositif pour la determination de la valeur moyenne du courant delivre par un pont redresseur a valves commandables
JPS62134565A (ja) * 1985-12-09 1987-06-17 Fuji Electric Co Ltd 電流測定装置
US6627067B1 (en) 1999-06-22 2003-09-30 President And Fellows Of Harvard College Molecular and atomic scale evaluation of biopolymers
US6723814B2 (en) 2000-05-16 2004-04-20 Biocure, Inc. Amphiphilic copolymer planar membranes
DK2122344T3 (da) 2007-02-20 2019-07-15 Oxford Nanopore Tech Ltd Lipiddobbeltlags-sensorsystem
EP3543357A1 (en) 2007-05-08 2019-09-25 Trustees of Boston University Chemical functionalization of solid-state nanopores and nanopore arrays and applications thereof
EP2195648B1 (en) 2007-09-12 2019-05-08 President and Fellows of Harvard College High-resolution molecular graphene sensor comprising an aperture in the graphene layer
GB0905140D0 (en) 2009-03-25 2009-05-06 Isis Innovation Method
CN103154729B (zh) 2010-06-08 2015-01-07 哈佛大学校长及研究员协会 具有由石墨烯支持的人工脂质膜的纳米孔装置
US8845880B2 (en) * 2010-12-22 2014-09-30 Genia Technologies, Inc. Nanopore-based single DNA molecule characterization, identification and isolation using speed bumps
WO2012107778A2 (en) 2011-02-11 2012-08-16 Oxford Nanopore Technologies Limited Mutant pores
JP6046058B2 (ja) * 2011-03-04 2016-12-14 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア 可逆的なイオン及び分子検出又は移動用ナノポアデバイス
US10761043B2 (en) 2011-07-22 2020-09-01 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Graphene-based nanopore and nanostructure devices and methods for macromolecular analysis
EP2737536B1 (en) 2011-07-27 2018-05-09 The Board of Trustees of the University of Illionis Nanopore sensors for biomolecular characterization
KR20140090633A (ko) 2011-10-21 2014-07-17 옥스포드 나노포어 테크놀로지즈 리미티드 포어 및 hel308 헬리카제를 사용하여 표적 폴리뉴클레오티드를 특성화하는 방법
CN104136631B (zh) 2011-12-29 2017-03-01 牛津纳米孔技术公司 使用xpd解旋酶表征多核苷酸的方法
WO2013098562A2 (en) 2011-12-29 2013-07-04 Oxford Nanopore Technologies Limited Enzyme method
CN107828877A (zh) * 2012-01-20 2018-03-23 吉尼亚科技公司 基于纳米孔的分子检测与测序
JP2013205325A (ja) * 2012-03-29 2013-10-07 Asahi Kasei Electronics Co Ltd 電流測定装置
BR112014025157B1 (pt) 2012-04-10 2022-02-08 Oxford Nanopore Technologies Limited Monômero de lisenina mutante, construto, poro, método para caracterizar um analito alvo, uso de um poro, e, kit
US8702940B2 (en) * 2012-07-27 2014-04-22 International Business Machines Corporation Increased molecule capture rate into a nanopore
GB201219110D0 (en) 2012-10-24 2012-12-05 Univ Glasgow Cell seeding method and device
CA2895989A1 (en) * 2012-12-20 2014-07-10 Nathaniel J. Kemp Optical coherence tomography system that is reconfigurable between different imaging modes
EP3039435B1 (en) * 2013-08-30 2020-01-15 Honeywell International Inc. Stray magnetic field rejection for in-hole current-measurement systems

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1847003A2 (en) * 2005-01-19 2007-10-24 Atmel Corporation Current sensing analog to digital converter and method of use
US20090026350A1 (en) * 2005-09-08 2009-01-29 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Determination of low currents with high dynamic range for optical imaging
US20070072169A1 (en) * 2005-09-29 2007-03-29 Combimatrix Corporation Process and apparatus for measuring binding events on a microarray of electrodes
CN101312681A (zh) * 2005-11-21 2008-11-26 皇家飞利浦电子股份有限公司 检测模块
CN103503043A (zh) * 2011-01-24 2014-01-08 吉尼亚科技公司 用于从传感器阵列传送信息的系统
CN203414511U (zh) * 2013-07-04 2014-01-29 清华大学 电流测量电路

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113631925A (zh) * 2019-03-19 2021-11-09 牛津纳米孔科技公司 电流测量设备、分子实体感测设备、测量电流的方法、感测分子实体的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107850627B (zh) 2020-10-16
US10962523B2 (en) 2021-03-30
JP2018518666A (ja) 2018-07-12
JP6731422B2 (ja) 2020-07-29
WO2016181118A1 (en) 2016-11-17
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EP3295187A1 (en) 2018-03-21
GB201508003D0 (en) 2015-06-24

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