CN108139345B - 用于选择性寻址稀疏布置的电子测量装置的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供包括衬底的电路，所述衬底上具有扇区，每一扇区包括时钟和数据线路、与所述时钟和数据线路电连通的控制器、反偏置线路、放大器输入线路以及所述衬底上的纳米电子测量装置。每一装置的源极耦合到所述反偏置线路且每一装置的漏极耦合到所述放大器输入线路以在所述漏极上获得电信号，所述电信号的身份是通过所述装置与电荷标签之间的电交互来确定。每一装置漏极是通过对应开关在接通状态与断开状态之间门控，在所述接通状态中所述漏极连接到所述放大器输入线路，在所述断开状态中所述漏极与所述放大器输入线路隔离。所述控制器响应于时钟信号线路脉冲和数据输入线路数据而控制开关状态。

Description

用于选择性寻址稀疏布置的电子测量装置的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年8月6日提交的标题为“实时电子定序(Real-Time ElectronicSequencing)”的第62/201,731号临时专利申请以及2015年10月8日提交的标题为“单分子纳米场效应晶体管定序系统和方法(Single-Molecule Nanofet Sequencing Systems andMethods)”的第62/239,176号临时专利申请的优先权，以上申请中的每一个出于所有目的以引用的方式由此并入本文中。
关于联邦政府资助的研究的陈述
不适用。
背景技术
核酸序列数据在生物研究和分子药品中的大量应用中是有价值的，包含确定疾病的遗传因子，开发检测疾病和引导疗法的新方法(van de Vijver等(2002)《作为乳癌中的存活预测因子的基因表达标志(A gene-expression signature as a predictor ofsurvival in breast cancer)》，新英格兰药品期刊347：1999-2009)，以及为个体化用药提供合理基础。获得和检验用于在这些分析中使用的序列数据已经使得定序技术必须经受进步以扩展处理量，降低试剂和劳动成本，且改善准确性(参见例如Chan等(2005)《定序技术的进步(Advances in Sequencing Technology)》(修订)突变研究573：13-40，这出于所有目的以全文引用方式并入本文中。
使用各种定序的方法且这些方法各自具有其优势和弱点。单分子实时定序具有优于其它定序方法的优点，包含提供较长读取长度的能力。许多当前的定序方法使用光学标签。需要使用非光学读出的改进的定序仪器和方法，且特别是具有这些特性的实时单分子定序方法。
已经证明了对单个分子和单个粒子的电子检测，包含通过电容性、阻抗和导电方法。本发明提供用于非光学实时单分子定序的仪器、装置和方法。
发明内容
在一些方面中，本发明提供用于寻址低产量纳米电子测量装置的经济的系统和方法。用于核酸定序的方法包括：提供包括纳米电子测量装置(例如，纳米尺度场效应晶体管(nanoFET))阵列的衬底，所述纳米电子测量装置能够测量由于分子交互带来的电学变化，其中多个所述装置具有单个聚合酶复合物。
在一些方面中，本发明提供用于核酸定序的方法，包括：提供包括纳米电子测量装置(例如，纳米场效应晶体管)阵列的衬底，所述纳米电子测量装置各自包括源极、漏极、栅极以及沟道，且其中多个所述装置包括包含聚合酶和模板核酸的单个聚合酶复合物，所述复合物附接到所述装置的栅极，且其中所述聚合酶在一定向上附接到所述沟道，由此所述聚合酶的核苷酸出口区是朝向纳米场效应晶体管的沟道；将所述衬底暴露于多个类型的核苷酸类似物，所述核苷酸类似物各自包括不同电荷标签，所述电荷标签在聚合酶介导核酸合成发生的条件下通过键联子附接到所述核苷酸类似物的磷酸盐部分，从而导致电荷标签的裂解和初生核酸链的增长；在所述源极与漏极之间施加电压，由此当核苷酸类似物驻留于所述酶的活性位点中时，所述核苷酸类似物上的电荷标签产生所述栅极处的电信号的可测量改变；随时间监视所述栅极处的电信号，由此所述电信号指示具有特定电荷标签的一种类型的核苷酸类似物的合并事件；以及使用所述电信号以确定模板核酸的序列。
在一些实施例中，用以确定模板核酸的序列的电信号包含指示核苷酸类似物在聚合酶的活性位点中的驻留时间的所述信号的持续时间。在一些实施例中，每一装置的沟道包括纳米线。在一些实施例中，每一装置的沟道包括碳纳米管。在一些实施例中，所述电信号是跨越沟道的电阻和/或电导、通过沟道的电流、跨越沟道的电压电位，或跨越沟道的AC阻抗。在一些实施例中，跨越沟道在所述源极与漏极之间施加AC电压，且所述AC电压的频率随时间改变。
在一些实施例中，衬底暴露于对应于A、G、C、T或A、G、C、U的四种类型的核苷酸类似物，所述四种类型的核苷酸类似物中的每一个具有不同电荷标签。在一些实施例中，电荷标签包括蛋白质。在一些实施例中，所述蛋白质具有在聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。在一些实施例中，所述蛋白质具有在phi29聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。
在一些实施例中，聚合酶通过键联子在聚合酶上的单个点附接到纳米电子测量装置，所述单个点在所述酶的核苷酸出口区的50埃内。在一些实施例中，聚合酶是phi29类聚合酶，且聚合酶通过键联子在聚合酶上的单个点附接到纳米电子测量装置，所述单个点在距位置375或位置512五个氨基酸内。在一些实施例中，聚合酶是经修饰的phi29聚合酶。
在一些实施例中，聚合酶通过两个键联子在聚合酶上的两个不同位置附接到纳米电子测量装置，其中至少一个键联子附接到在酶的核苷酸出口区的50埃内的位置。在一些实施例中，聚合酶通过两个键联子在聚合酶上的两个不同位置附接到纳米电子测量装置，其中两个键联子都附接到在酶的核苷酸出口区的50埃内的位置。在一些实施例中，聚合酶通过转接子附接到纳米电子测量装置，所述转接子在酶的核苷酸出口区的50埃内的两个不同位置附接到聚合酶，且所述转接子附接到纳米电子测量装置的沟道上的单个点。
在一些实施例中，电荷标签中的至少一个包括具有多个电荷的聚合物链。在一些实施例中，存在四种类型的核苷酸类似物且各自包括电荷标签，所述电荷标签包括具有多个电荷的聚合物链。在一些实施例中，存在四种类型的核苷酸类似物且各自包括电荷标签，所述电荷标签具有不同数目的负电荷。在一些实施例中，存在四种类型的核苷酸类似物且各自包括电荷标签，所述电荷标签具有不同数目的正电荷。在一些实施例中，存在四种类型的核苷酸类似物且各自包括具有负和正电荷两者的电荷标签且各自具有不同净电荷。在一些实施例中，存在四种类型的核苷酸类似物，且两个标签具有净负电荷且两个标签具有净正电荷。
在一些实施例中，存在四种类型的核苷酸类似物且两个标签当其对应核苷酸类似物与聚合酶相关联时导致与装置相关联的电信号的第一特性改变，且两个标签当其对应核苷酸类似物与聚合酶相关联时导致与装置相关联的电信号的第二特性改变。作为非限制性实例，在一些实施例中，两个标签当其对应核苷酸类似物与聚合酶相关联时导致跨越装置的沟道的电压的特性增加，且两个标签当其对应核苷酸类似物与聚合酶相关联时导致跨越装置的沟道的电压的特性减小。
在一些方面中本发明提供用于定序多个单核酸模板分子的芯片，其包括衬底，所述衬底包括：多个纳米电子测量装置(例如，纳米场效应晶体管装置)，其各自包括源极、漏极、沟道以及栅极，以及结合到所述装置的沟道的单个聚合酶复合物，其中所述聚合酶复合物包括聚合酶和模板核酸，其中所述聚合酶在一定向上附接到所述沟道，由此所述聚合酶的核苷酸出口区朝向所述装置的沟道；其中所述衬底被配置成使得所述装置与包括多个类型的核苷酸类似物的定序反应混合物接触，所述核苷酸类似物各自具有不同电荷标签；以及多个电连接位点，其用于将电流和电压带到所述装置，且用于从所述装置接收电信号。
在一些实施例中，每一装置的沟道包括纳米线。在一些实施例中，每一装置的沟道包括碳纳米管。在一些实施例中，所述衬底包括大于1,000个装置。在一些实施例中，所述衬底包括大于10,000个装置。在一些实施例中，所述衬底包括约1,000个装置到约1千万个装置。在一些实施例中，所述衬底包括约10,000个装置到约1百万个装置。
在一些实施例中，所述衬底包括用于以下各项中的一项或多项的电子元件：将电信号提供到装置，测量装置处的电信号，模/数转换，信号处理，以及数据存储。在一些实施例中，所述电元件是CMOS元件。在一些实施例中，所述电荷标签通过键联子在聚合酶上的单个点附接，所述单个点在所述酶的核苷酸出口区的50埃内。在一些实施例中，所述聚合酶是phi29类聚合酶，且电荷标签通过键联子在聚合酶上的单个点附接，所述单个点在距位置375或位置512的5个氨基酸内。在一些实施例中，所述聚合酶是经修饰的phi29聚合酶。
在一些实施例中，电荷标签通过两个键联子在聚合酶上的两个不同位置附接，其中至少一个附接到在所述酶的核苷酸出口区的50埃内的位置。在一些实施例中，电荷标签(例如，作为蛋白质的电荷标签)通过两个键联子在聚合酶上的两个不同位置附接，其中两个键联子都附接到在所述酶的核苷酸出口区的50埃内的位置。
在一些实施例中，电荷标签通过转接子而附接，所述转接子在所述酶的核苷酸出口区的50埃内的两个不同位置附接到聚合酶，且所述转接子附接到测量装置的沟道上的单个点。
在一些方面中，本发明提供用于定序模板核酸的系统，其包括：外壳，其具有外壳电连接位点；芯片，其与所述外壳可逆地配合，所述芯片包括衬底，所述衬底包括：可逆地连接到所述外壳电连接位点的芯片电连接位点，多个纳米电子测量装置(例如，纳米场效应晶体管)，每一测量装置包括源极、漏极、沟道和栅极，以及结合到所述沟道的单个聚合酶复合物，其中所述聚合酶复合物包括聚合酶和模板核酸，其中所述聚合酶在一定向上附接到所述沟道，由此所述聚合酶的核苷酸出口区朝向所述测量装置的沟道；流体储集器，其用于使定序反应混合物与测量装置接触，所述定序反应混合物包括多个类型的核苷酸类似物，各自具有不同电荷标签，其中所述电荷标签是在类似物与所述聚合酶复合物相关联的同时由测量装置感测；电子控制系统，其通过电连接而电连接到所述测量装置以将所需电信号施加到测量装置且用于从测量装置接收电信号；以及计算机，其随时间接收关于测量装置处的电信号的信息且使用这些信息以识别模板核酸的序列。
在一些实施例中，每一测量装置的沟道包括纳米线。在一些实施例中，每一测量装置的沟道包括掺杂硅。在一些实施例中，所述衬底包括大于1,000个测量装置。在一些实施例中，所述衬底包括大于10,000个测量装置。在一些实施例中，所述衬底包括约1,000个测量装置到约1千万个测量装置。在一些实施例中，所述衬底包括约10,000个测量装置到约1百万个测量装置。
在另一些实施例中，所述衬底包括用于以下各项中的一项或多项的电子元件：将电信号提供到测量装置，测量所述测量装置处的电信号，模/数转换，信号处理，以及数据存储。在一些实施例中，所述电元件是CMOS元件。
本公开的另一方面提供包括衬底的电路，所述衬底上具有扇区。每一扇区包括时钟和数据线路、与所述时钟和数据线路电连通的可编程开关控制器、反偏置线路、放大器输入线路以及衬底上的纳米电子测量装置。每一装置的源极耦合到所述反偏置线路且每一装置的漏极耦合到所述放大器输入线路以在所述漏极上获得电信号，所述电信号的身份是通过所述装置与电荷标签之间的电交互(例如，静电交互)来确定。每一装置漏极是通过对应开关在接通状态与断开状态之间门控，在所述接通状态中所述漏极连接到放大器输入线路，在所述断开状态中所述漏极与放大器输入线路隔离。所述控制器响应于时钟信号线路脉冲和数据输入线路数据而控制开关状态。
又一方面提供包括衬底以及布置于衬底上的多个扇区的集成电路。所述多个扇区中的每一扇区包括可编程开关控制器、反偏置线路、放大器输入线路，以及空间地布置于衬底上的多个纳米电子测量装置。所述多个纳米电子测量装置中的每一相应纳米电子测量装置包含耦合到所述反偏置线路的源极和耦合到所述放大器输入线路的漏极，从而在所述相应纳米电子测量装置的所述漏极上获得电信号。此电信号是一组离散电信号中的任一个，所述组离散电信号中的电信号的身份是通过对应纳米电子测量装置与多个电荷标签中的特定电荷标签之间的交互来确定。所述多个扇区中的每一扇区进一步包括多个开关。所述多个开关中的每一开关在以下状态之间门控所述多个纳米电子测量装置中的对应纳米电子测量装置的漏极与所述放大器输入线路之间的电信号：(i)接通状态，其中所述对应纳米电子测量装置的漏极处的电信号被递送到所述放大器输入线路，以及(ii)断开状态，其中所述对应纳米电子测量装置的漏极处的电信号不递送到所述放大器输入线路。所述多个开关中的每一相应开关独立地接线到所述可编程开关控制器，从而响应于所述可编程开关控制器而致使所述相应开关处于所述接通状态和所述断开状态中的一个状态。
所述集成电路的一些实施例提供扫描链寻址。在此类实施例中，所述多个扇区中的每一扇区进一步包括第一时钟信号线路和数据输入线路。在此类实施例中，所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括第一移位寄存器，所述第一移位寄存器包括与所述第一时钟信号线路电连通的第一多个触发器。所述第一多个触发器包括初始触发器和终端触发器。每一触发器包含时钟脉冲输入、串行输入和串行输出，其中所述第一多个触发器中除所述终端触发器外的每一触发器的所述串行输出唯一地电连接到所述第一多个触发器中的另一触发器的所述串行输入，进而串联地电耦合所述第一多个触发器。所述初始触发器的串行输入电连接到所述数据输入线路，其中所述第一移位寄存器被配置成从所述数据输入线路接收装置扫描链序列，所述装置扫描链序列通过连接到所述多个第一触发器中的每一触发器的时钟脉冲输入的第一时钟信号线路中的电脉冲而传播通过所述第一多个触发器，进而将所述第一多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个。所述多个开关中的每一相应开关通过所述第一多个触发器中的对应触发器独立地接线到所述可编程开关控制器，进而当所述对应触发器被偏置到所述第一状态时致使相应开关处于所述断开状态，且当所述对应触发器被偏置到所述第二状态时致使相应开关处于所述接通状态。
所述集成电路的一些实施例提供分路扫描寻址。在此类实施例中，所述多个扇区中的扇区进一步包括分路扫描链输入线路、分路时钟信号线路以及第一多个“与”门。所述可编程开关控制器进一步包括第二移位寄存器，所述第二移位寄存器包括与所述分路时钟信号线路电连通的第二多个触发器。所述第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器。所述第二多个触发器中的每一触发器包含串行输入和串行输出，其中所述第二多个触发器中除所述终端触发器外的每一触发器的所述串行输出唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的所述串行输入，进而串联地电耦合所述第二多个触发器。所述第二多个触发器中的初始触发器的串行输入电连接到所述分路扫描链输入线路，其中所述第二移位寄存器被配置成接收分路扫描链序列，所述分路扫描链序列通过所述分路时钟信号线路中的电脉冲而传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第三状态和第四状态中的一个。所述可编程开关控制器进一步包括多个多路复用器，其中所述多个多路复用器中的每一多路复用器包含第一输入线路、第二输入线路、选择线路以及输出线路。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述第一输入线路与所述第一多个触发器中的第一对应触发器的所述串行输出电连通。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述第二输入线路与所述第一多个触发器中的所述第一对应触发器的所述串行输入电连通。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述选择线路与所述第二多个触发器中的第一对应触发器的所述串行输出电连通。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的输出线路与所述第一多个触发器中的第二对应触发器的串行输入电连通。此外，所述第一多个“与”门中的每一“与”门包括输出、第一输入和第二输入。所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第一输入与所述第一时钟信号线路电连通。所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第二输入与所述第二多个触发器中的所述第一对应触发器的所述串行输出电连通。所述第一多个触发器中的每一相应触发器通过所述第一多个“与”门中的对应“与”门的所述输出与所述第一时钟信号线路电连通。当所述第二多个触发器中的与相应“与”门的所述第二输入电连通的相应触发器在所述第三状态中时，所述第一时钟信号线路不施加于所述第一多个触发器中的所述相应触发器，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的相应触发器的所述输出电连通的多路复用器的所述选择线路被偏置到所述相应多路复用器的所述第二输入线路。当所述第二多个触发器中与相应“与”门的所述第二输入电连通的所述触发器在所述第四状态中时，所述第一时钟信号线路施加于所述第一多个触发器中的相应触发器，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的所述相应触发器的所述输出电连通的多路复用器的所述选择线路被偏置到所述相应多路复用器的所述第一输入线路。在一些此类实施例中，所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述输出线路通过多个缓冲器门中的对应缓冲器门与所述第一多个触发器中的第二对应触发器的所述串行输入电连通。
所述集成电路的一些实施例提供通过分路信号的分路扫描链寻址。在此类实施例中，所述第一多个触发器中的每一触发器进一步包括第一复位。所述第二多个触发器中的每一触发器进一步包括第二复位。此外，所述扇区进一步包括分路信号线路。所述可编程开关控制器进一步包括第二多个“与”门，其中所述第二多个“与”门中的每一“与”门具有输出、第一输入以及第二输入。所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第一输入与所述第一多个触发器中的第一触发器的所述串行输出电连通。所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第二输入与所述分路信号线路电连通。所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门的所述输出与所述第一多个触发器中的对应触发器的所述第一复位以及所述第二多个触发器中的对应触发器的所述第二复位电连通，进而在所述数据输入线路将所述第一多个触发器中的所述对应触发器驱动到所述第二状态的同时断言所述分路信号线路时致使所述第一对应触发器复位到所述第一状态且所述第二对应触发器复位到所述第三状态。
所述集成电路的一些实施例提供行/列寻址。在一些此类实施例中，所述多个扇区中的扇区的开关控制器包括存储器控制器、与存储器控制器电连通的存储器、与存储器电连通的列解码器，以及与存储器电连通的行解码器。此外，所述扇区进一步包括多个“与”门，其中所述多个“与”门中的每一“与”门包括输出、第一输入和第二输入。所述多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第一输入与所述列解码器电连通。所述多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第二输入与所述行解码器电连通。所述多个开关中的每一相应开关独立地接线到所述开关控制器，进而当所述行解码器和所述列解码器均向所述相应开关用信号通知第一状态时致使所述相应开关处于所述接通状态，且否则致使所述相应开关处于所述断开状态。
在本公开的另一方面中，每一扇区进一步包括第一时钟线路、数据输入线路、第二时钟线路以及重新开始扫描链线路。此外，在此类实施例中，所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括行移位寄存器，所述行移位寄存器包括第一多个触发器。所述第一多个触发器中的初始触发器与所述数据输入线路和第一时钟信号线路电连通。行移位寄存器进一步包括多个“与”门。所述多个“与”门中的每一“与”门包括第一输入、第二输入和输出。每一扇区进一步包括多个列移位寄存器。每一列移位寄存器包括第二多个触发器。所述多个“与”门中的每一“与”门的所述第一输入与所述行移位寄存器的所述第一多个触发器中的对应触发器的输出电连通。所述多个“与”门中的每一“与”门的所述第二输入与所述第二时钟线路电连通。所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器的所述相应第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器。所述相应第二多个触发器中的每一触发器包含串行数据输入、时钟脉冲输入以及串行数据输出。所述第二多个触发器中除所述终端触发器外的每一相应触发器的所述串行数据输出唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的所述串行数据输入，进而串联地电耦合所述第二多个触发器。所述第二多个触发器中的每一触发器的所述时钟脉冲输入电连接到所述第一多个“与”门中的“与”门的所述输出。所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器被配置成从所述重新开始扫描链线路接收逻辑“1”或“0”，所述逻辑“1”或“0”通过在所述第二多个触发器中的每一相应触发器的所述时钟脉冲输入处接收的电脉冲而从所述第二多个触发器中的所述初始触发器传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器独立地偏置到所述第一状态和所述第二状态中的一个。所述多个开关中的每一相应开关通过对应列移位寄存器的所述第二多个触发器中的对应触发器的输出独立地接线到所述可编程开关控制器，进而致使相应开关：当对应列移位寄存器的所述第二多个触发器中的对应触发器被偏置到第一状态时处于断开状态，且当对应列移位寄存器的所述第二多个触发器中的对应触发器被偏置到第二状态时处于接通状态。
在本公开的另一方面中，每一扇区进一步包括第一时钟线路、数据输入线路、第二时钟线路、负载缓冲器线路以及重新开始扫描链线路。在此类实施例中，所述多个扇区中的扇区的可编程开关控制器包括行移位寄存器，所述行移位寄存器包括第一多个触发器，其中所述第一多个触发器中的初始触发器与所述数据输入线路和第一时钟信号线路电连通。多个“与”门，所述多个“与”门中的每一“与”门包括第一输入、第二输入以及输出。所述多个扇区中的每一扇区进一步包括多个列移位寄存器。每一列移位寄存器包括第二多个触发器和第三多个触发器。所述第一多个“与”门中的每一“与”门的所述第一输入与所述行移位寄存器的所述第一多个触发器中的对应触发器的输出电连通。所述第一多个“与”门中的每一“与”门的所述第二输入与所述第二时钟线路电连通。所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器的所述相应第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器。所述相应第二多个触发器中的每一触发器包含串行数据输入、时钟脉冲输入以及串行数据输出。所述第二多个触发器中除所述终端触发器外的每一相应触发器的所述串行数据输出唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的所述串行数据输入，进而串联地电耦合所述第二多个触发器。所述第二多个触发器中的每一触发器的所述时钟脉冲输入电连接到所述第一多个“与”门中的“与”门的所述输出。所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器被配置成从所述重新开始扫描链线路接收逻辑“1”或“0”，所述逻辑“1”或“0”通过在所述第二多个触发器中的每一相应触发器的所述时钟脉冲输入处接收的电脉冲而从所述第二多个触发器中的所述初始触发器传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器独立地偏置到所述第一状态和所述第二状态中的一个。所述第三多个触发器中的每一相应触发器包括数据输入、数据输出以及时钟脉冲输入。所述第三多个触发器中的每一相应触发器的时钟脉冲输入电连接到所述负载缓冲器线路，所述第三多个触发器中的每一相应触发器门的数据输入接线到所述第二多个触发器中的对应触发器的输出，进而当所述第二多个触发器中的对应触发器被偏置到第一状态且负载缓冲器线路被断言时致使所述第三多个触发器中的对应触发器的状态被偏置到第一状态，且当所述第二多个触发器中的对应触发器被偏置到第二状态且负载缓冲器线路被断言时致使所述第三多个触发器中的对应触发器的状态被偏置到第二状态。所述多个开关中的每一相应开关通过对应列移位寄存器的所述第三多个触发器中的对应触发器的输出独立地接线到所述可编程开关控制器，进而致使相应开关：当对应列移位寄存器的所述第三多个触发器中的对应触发器被偏置到第一状态时处于断开状态，且当对应列移位寄存器的所述第三多个触发器中的对应触发器被偏置到第二状态时处于接通状态。
在一些实施例中，所述多个纳米电子测量装置中的纳米电子测量装置是包括源极、漏极、栅极和沟道的纳米场效应晶体管，且其中来自反偏置线路的输入从源极跨越沟道施加到漏极。在一些此类实施例中，所述沟道是纳米线、碳纳米管或石墨烯纳米带。在一些此类实施例中，所述沟道是纳米孔。
在一些实施例中，所述反偏置线路运载DC电压，且所述反偏置线路对纳米电子测量装置的施加导致纳米电子测量装置的沟道中的DC电流。
在一些实施例中，反偏置线路运载AC电压，且所述AC电压的频率在反偏置线路对纳米电子测量装置的施加期间随时间改变。
在一些实施例中，所述多个电荷标签中的每一电荷标签表示多个核苷酸类似物中的不同类型的核苷酸类似物。在一些实施例中，聚合酶附接到对应纳米电子测量装置，且与对应纳米电子测量装置形成电交互的特定电荷标签是作为与模板核酸的聚合酶介导核酸合成反应的部分而通过所述聚合酶从所述多个核苷酸类似物中的对应核苷酸类似物释放。在一些此类实施例中，所述多个电荷标签中的电荷标签包括蛋白质。在一些实施例中，所述蛋白质具有在聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。在一些此类实施例中，所述蛋白质具有在phi29聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。
在一些实施例中，所述多个电荷标签中的电荷标签中的至少一个包括由多个电荷表征的聚合物链。
在一些实施例中，所述多个电荷标签中的每一电荷标签包括由唯一净正或负电荷表征的聚合物链。在一些实施例中，所述多个电荷标签中的第一电荷标签包括具有唯一净正电荷的第一聚合物链，且所述多个电荷标签中的第二电荷标签包括具有唯一净负电荷的第二聚合物链。在一些实施例中，所述多个扇区中的扇区的所述多个纳米电子测量装置被布置为所述衬底上的行或列。在一些实施例中，所述多个扇区中的扇区的所述多个纳米电子测量装置被布置为所述衬底上的多个行或多个列。
在一些实施例中，所述电路进一步包括多个放大器，其中所述多个放大器中的每一放大器与所述多个扇区中的对应扇区的放大器输入线路电连通。在一些此类实施例中，所述多个放大器中的放大器是电流/电压放大器。
在一些实施例中，所述多个纳米电子测量装置包括1,000个纳米电子测量装置。在一些实施例中，所述多个纳米电子测量装置包括10,000个纳米电子测量装置。在一些实施例中，所述多个纳米电子测量装置由1,000个纳米电子测量装置与1千万个纳米电子测量装置之间组成。在一些实施例中，所述多个测量装置由10,000个纳米电子测量装置与1百万个纳米电子测量装置之间组成。
本公开的另一方面提供一种测量装置，其包括一个或多个处理器、存储器、存储于存储器中的测量阵列、包括与反偏置线路电子连通的多个可个别寻址的纳米电子测量装置的集成电路，其中所述集成电路的操作状态由所述时钟信号线路控制；以及一个或多个程序。所述一个或多个程序存储于存储器中且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包含用于将所述测量阵列驱动到所述集成电路中的指令。所述测量阵列确定所述多个可个别寻址的纳米电子测量装置中的哪些纳米电子测量装置响应于所述反偏置线路。所述一个或多个程序包含用于将所述反偏置线路驱动到操作状态的指令。所述一个或多个程序包含用于响应于时钟信号线路上的相应时钟信号而从所述多个纳米电子测量装置中被所述测量阵列认为响应于所述反偏置线路的每一纳米电子测量装置个别地获得读取的指令。所述一个或多个程序包含用于将每一获得的读取存储在所述存储器中的指令。
在一些实施例中，所述集成电路包括第一移位寄存器，所述第一移位寄存器包括第一多个触发器。所述多个触发器中的每一触发器与所述多个可个别寻址的纳米电子测量装置中的对应纳米电子测量装置电连通。
在一些此类实施例中，所述将测量阵列驱动到集成电路中包括通过所述时钟信号线路中的电脉冲将测量阵列的个别元件加载到所述多个触发器中的个别触发器中，进而确定所述第一多个触发器中的哪些触发器被偏置到第一状态且所述第一多个触发器中的哪些触发器被偏置到第二状态。当与相应纳米电子测量装置电连通的对应触发器处于接通状态时所述相应纳米电子测量装置被认为响应于反偏置线路，且当与相应纳米电子测量装置电连通的对应触发器处于断开状态时所述相应纳米电子测量装置被认为不响应于反偏置线路。
在一些此类实施例中，所述集成电路包括存储器控制器、与存储器控制器电连通的集成电路存储器、与集成电路存储器电连通的列解码器，以及与集成电路存储器电连通的行解码器。此外，将测量阵列驱动到集成电路中包括将测量阵列加载到集成电路存储器中，且所述多个纳米电子测量装置中的每一相应纳米电子测量装置通过多个“与”门中的对应“与”门独立地接线到所述列解码器和行解码器，进而当所述行解码器和所述列解码器均向所述对应“与”门用信号通知第一状态时致使所述相应纳米电子测量装置被认为响应于所述反偏置线路，且否则致使所述相应纳米电子测量装置被认为不响应于所述反偏置线路。
在一些此类实施例中，所述多个纳米电子测量装置中的纳米电子测量装置是包括源极、漏极、栅极和沟道的纳米场效应晶体管，且其中来自反偏置线路的输入从源极跨越沟道施加到漏极。在一些实施例中，所述沟道是纳米线、碳纳米管或石墨烯纳米带。在一些实施例中，所述沟道是纳米孔。在一些实施例中，所述反偏置线路运载DC电压。在一些实施例中，所述反偏置线路运载AC电压，且所述AC电压的频率随时间改变。
在一些实施例中，来自所述多个纳米电子测量装置中的纳米电子测量装置的读取是作为一组离散电信号中的任一个的电信号，其中所述组离散电信号中的所述电信号的身份是通过对应纳米电子测量装置与多个电荷标签中的特定电荷标签之间的电交互来确定。在一些此类实施例中，所述多个电荷标签中的每一电荷标签表示多个核苷酸类似物中的不同类型的核苷酸类似物。在一些此类实施例中，聚合酶附接到对应纳米电子测量装置，且与对应纳米电子测量装置形成电交互的特定电荷标签是作为与模板核酸的聚合酶介导核酸合成反应的部分而通过所述聚合酶从所述多个核苷酸类似物中的对应核苷酸类似物释放。在一些实施例中，所述多个电荷标签中的电荷标签包括蛋白质。在一些此类实施例中，所述蛋白质具有在聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。在一些此类实施例中，所述蛋白质具有在phi29聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。
在一些实施例中，所述多个电荷标签中的电荷标签中的至少一个包括由多个电荷表征的聚合物链。在一些此类实施例中，所述多个电荷标签中的每一电荷标签包括由唯一净正或负电荷表征的聚合物链。
在一些实施例中，所述多个电荷标签中的第一电荷标签包括具有唯一净正电荷的第一聚合物链，且所述多个电荷标签中的第二电荷标签包括具有唯一净负电荷的第二聚合物链。
在一些实施例中，所述多个纳米电子测量装置包括1,000个纳米电子测量装置，包括10,000个纳米电子测量装置，由1,000个纳米电子测量装置与1千万个纳米电子测量装置之间组成，或由10,000个纳米电子测量装置与1百万个纳米电子测量装置之间组成。
本公开的另一方面包括集成电路，所述集成电路又包括衬底和布置于所述衬底上的多个扇区。所述多个扇区中的每一扇区包括可编程开关控制器、扇区输入线路、扇区输出线路，以及空间地布置于所述衬底上的多个测量装置。所述多个测量装置中的每一相应测量装置电耦合到扇区输入线路和扇区输出线路。每一扇区进一步包括多个开关。所述多个开关中的每一相应开关在以下状态之间门控所述多个测量装置中的对应测量装置：(i)接通状态，其中对应测量装置的电测量信号递送到扇区输出线路，以及(ii)断开状态，其中对应测量装置的电测量信号不递送到扇区输出线路。所述多个开关中的每一相应开关独立地接线到可编程开关控制器，进而致使相应开关响应于可编程开关控制器而处于接通状态和断开状态中的一个，且其中所述多个开关被配置成致使所述多个测量装置中的测量装置的子组在任何给定时间处于接通状态。在一些实施例中，所述测量装置的子组是单个测量装置。在一些实施例中，所述测量装置的子组是两个测量装置、三个测量装置或少于所述多个测量装置的任何数目的测量装置。
在一些实施例中，所述多个测量装置中的每一相应测量装置包括源极、漏极和栅极，且相应扇区进一步包括栅极线路。在此类一些这些实施例中，所述扇区输入线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的源极。此外，所述扇区输出线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的漏极，且所述多个开关中的每一相应开关将所述栅极线路门控到所述多个测量装置中的对应测量装置的栅极。
在一些替代实施例中，所述多个测量装置中的每一相应测量装置包括源极和漏极，且所述扇区输入线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的源极。此外，所述扇区输出线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的漏极，且所述多个开关中哦每一相应开关将所述扇区输入线路门控到所述多个测量装置中的对应测量装置的源极。
在一些替代实施例中，所述多个测量装置中的每一相应测量装置包括源极和漏极，且所述扇区输入线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的源极。在此类实施例中，所述扇区输出线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的漏极，且所述多个开关中的每一相应开关将所述扇区输出线路门控到所述多个测量装置中的对应测量装置的漏极。
附图说明
图1图示使用纳米电子测量装置用于定序的本发明方法。图1A、图1B和图1C示出了定序反应的各个阶段。
图2示出了在纳米电子测量装置的栅极处的电信号可如何用以对模板核酸进行定序。
图3提供纳米电子测量装置定序方法的另一图示。图3(A)图示在聚合酶处的反应，且图3(B)图示在定序反应期间电信号对时间的测量。
图4图示在纳米电子测量装置定序中使聚合酶定向以用于增加的灵敏度的方法。图4A示出了在核苷酸出口区附近到纳米线的单个附接点。图4B示出了从聚合酶到纳米线的多个附接。图4C示出了多次附接到聚合酶且对纳米线做出单个附接的转接子。
图5图示通过聚合酶实行单分子纳米电子测量装置定序，所述聚合酶的核苷酸出口区朝向纳米电子测量装置的碳纳米管栅极定向。
图6示出了用于聚合酶到碳纳米管的共价附接的代表性化学方法。
图7图示结合于纳米电子测量装置沟道与聚合酶之间的融合粒子或蛋白质可如何导致在聚合酶的活性位点处或附近的带电物质的改进检测。
图8A示出使用结合的不可并入的核苷酸用于纳米电子测量装置定序的替代方法。图8B示出可如何使用变构效应将经标记核苷酸的存在传输到纳米电子测量装置的沟道。
图9图示衬底上的纳米电子测量装置阵列可如何产生能够同时定序多个模板核酸的定序装置。
图10图示使用具有大约聚合酶的大小的蛋白质电导标签实行纳米电子测量装置定序。
图11示出长链电导标签可如何到达纳米电子测量装置的沟道附近且进而被检测。
图12示出提供四个可区分的带电电荷标签的一组示例性核苷酸类似物。
图13示出提供四个可区分的纳米粒子电荷标签的一组示例性核苷酸类似物。
图14A图示根据本公开的实施例的用于核酸定序的具有开关控制器的稀疏放大器阵列。
图14B图示根据本公开的实施例的根据图14A的稀疏放大器阵列，其中开关控制器包括移位寄存器。
图15更详细地图示根据本公开的实施例的根据图14B的稀疏放大器阵列。
图16图示根据本公开的实施例的包含第一和第二移位寄存器的用于核酸定序的稀疏放大器阵列。
图17更详细地图示根据本公开的实施例的根据图16的稀疏放大器阵列。
图18图示根据本公开的实施例的用于核酸定序的稀疏放大器阵列，其包含第一和第二移位寄存器且包含对移位寄存器的触发器的分路信号和异步复位输入。
图19更详细地图示根据本公开的实施例的根据图18的稀疏放大器阵列。
图20图示根据本公开的实施例的用于核酸定序的稀疏放大器阵列，其具有可存储N个功能装置的地址的存储器组，且其中具有由所述存储器组驱动的输入的两个解码器用以选择装置。
图21图示根据本公开的实施例的图20的稀疏放大器阵列中的每一装置周围的逻辑。
图22图示根据本公开的实施例的用于核酸定序的稀疏放大器阵列在第一状态中在水平移位寄存器中以数据加载，每一列单个位，并且接着将N个脉冲施加于竖直移位时钟，且其中通过适当的位的选择和N的选择，可在每一列上独立地实施任何数目的移位。
图23图示根据本公开的实施例的图22的稀疏放大器阵列的更多细节。
图24图示根据本公开的实施例的在负载信号已断言之后的图22的稀疏放大器阵列。
图25图示根据本公开的实施例的用于核酸定序的稀疏放大器阵列，其中测量装置电流在像素内被划分且电流值被积分，且当开关接通时，放大器放大积分的电压值。
具体实施方式
在一些方面中，本发明提供针对单分子实时电子定序的方法、装置、系统以及物质组成。可使用纳米电子测量装置(例如本文称为nanoFET的纳米尺度场效应晶体管(nanoscale field effect transistor))执行电子检测，其中所述纳米电子测量装置对装置的沟道附近的分子交互是敏感的。在一些方面中，单聚合酶-模板复合物固定于或接近于纳米电子测量装置的沟道，且来自纳米电子测量装置的电信号用于确定核酸序列。本发明的纳米电子测量装置通常具有纳米尺度沟道，其包括例如碳纳米管等纳米线。
通常存在四种核苷酸类似物，各自具有不同的可区分电荷标签(charge label)。术语电荷标签用以标示将在纳米电子测量装置处产生电信号的改变的标签。在一些情况下，此电信号改变是由于跨越纳米电子测量装置的沟道的电压的改变或者通过纳米电子测量装置的沟道的电流的改变，但所述电信号改变可包含如下文更详细地描述的其它方面。电荷标签通常通过核苷酸类似物的磷酸盐部分连接到核苷酸类似物，以使得当核苷酸类似物通过聚合酶并入到增长的初生核酸链中时，所述标签被释放。电荷标签通常通过键联子连接到所述类似物的核苷酸部分。当核苷酸类似物在合并反应期间保持于聚合酶活性位点时，电荷标签产生纳米电子测量装置的电参数的改变。电信号的改变，例如跨越沟道的电压、通过沟道的电流或者沟道的阻抗(在到测量装置的AC电压的情况下)，可用以确定处于聚合酶的活性位点的核苷酸类似物的存在和身份。在特定核苷酸类型处于所述活性位点的同时纳米电子测量装置的电特性将不同于当其它核苷酸类型处于所述活性位点时的情况。因为特定核苷酸类型的核苷酸在通过酶的合并过程期间保持靠近纳米电子测量装置的沟道，所以其保持在适当的位置足够久以便确定同所述核苷酸类型与纳米电子测量装置的交互相关联的特征电参数值，以便检测核苷酸的存在并且还识别正在并入哪一类型的核苷酸。
用于本发明的合适的阵列描述于2016年8月3日提交的标题为“单分子纳米场效应晶体管定序系统和方法(SINGLE-MOLECULE NANOFET SEQUENCING SYSTEMS AND METHODS)”的美国专利申请中，所述申请出于所有目的以引用的方式并入本文中。特定来说，在2016年8月3日提交的标题为“单分子纳米场效应晶体管定序系统和方法(SINGLE-MOLECULENANOFET SEQUENCING SYSTEMS AND METHODS)”的美国专利申请中，其中控制聚合酶的核苷酸出口区的位置的合适的阵列，描述了通过融合蛋白质或粒子结合的聚合酶，描述了用于碳纳米管到芯片上的辅助装载的技术，描述了测量装置的沟道的增加的德拜(Debye)筛分长度，描述了纳米场效应晶体管栅极的表面处理，描述了参考纳米线的使用，描述了替代的定序模式，描述了凹入区内的纳米场效应晶体管，描述了用于改善信噪比的电容性滤波器，描述了用于序列读段的变构信号的使用，描述了使用切向场、核酸结合剂和/或核酸酶降低背景噪声，且描述了德拜筛分的有意降低，所述美国专利申请出于所有目的以引用的方式并入本文中。
在一些中此特性电参数是跨越纳米电子测量装置的沟道的电压，其响应于跨越所述沟道的AC电压的施加。在一些中此特性电参数是纳米电子测量装置的沟道的阻抗，其响应于跨越所述沟道的AC电压的施加。施加于纳米电子测量装置的AC电压的频率可以允许识别活性位点中的核苷酸类似物的方式而随时间改变，例如具有栅极电信号对频率特性。随后使用碱基判定软件，通过使在相关偏置电压下纳米电子测量装置随时间的特性电参数与标签的预期特性相关而判定碱基。判定的碱基可用以识别模板核酸的序列，其序列与添加的碱基的序列互补。本发明的方法利用如下特性：与未并入的非同源核苷酸或在沟道附近通过的自由扩散核苷酸相比，并入到增长核酸链中的核苷酸类似物在酶的活性位点中花费更多时间并且因此在接近于纳米电子测量装置的沟道处花费更多时间。因此，经标记核苷酸在酶的活性位点中的驻留时间可用作用以区分并入的核苷酸与溶液中的自由扩散核苷酸的特性。
描述了具有纳米尺度电子元件的阵列的芯片，所述纳米尺度电子元件具有纳米电子测量装置。每一纳米电子测量装置实时地执行定序反应，从而允许同时监视数百、数千、数百万、数千万或更多的定序反应。在装置中使用的纳米尺度元件，例如源极、栅极、沟道和漏极，通常被构造成具有小尺寸，并且因此具有低水平的电容噪声。这允许通常在微秒到毫秒时间尺度上发生的事件的电子测量的电流的快速转移。可使用已知的半导体处理技术例如在硅衬底上制备芯片。阵列中的纳米电子测量装置具有在接近于栅极处附接到纳米电子测量装置的沟道的聚合酶模板复合物。
描述了用于实行定序的系统。本发明的纳米电子测量装置定序芯片与插座配对，所述插座将芯片保持在适当的位置且提供与芯片上的互连件的电连接以用于传送电信号去往和来自纳米电子测量装置。电流/电压源提供电流和电压以将纳米电子测量装置带到电位且在某些情况下带到所需AC频率。纳米电子测量装置用以确定与电荷标签的存在相关联的电信号改变。
系统包含用于容纳与芯片上的纳米电子测量装置接触的定序试剂的流体储集器。所述流体储集器可例如为微流体腔室或凹孔。系统也可具有与流体接触的对立电极、参考电极或这两者。对立电极和或参考电极可并入到芯片中或可与芯片分离，且与液体样本接触。在流体储集器中是定序反应混合物，其允许接近于纳米电子测量装置的单个聚合酶执行核酸合成。定序反应混合物具有核苷酸类似物，带有当核苷酸并入到增长核酸链中时裂解的电荷标签。酶接近于沟道以使得当核苷酸类似物与其路径上的聚合酶相关联以并入增长链中时，核苷酸类似物上的电荷标签改变电特性，例如沟道的电导率、跨越沟道的电压或沟道的阻抗。电压/电流源可用以随时间改变纳米电子测量装置处的AC信号。可以使用电流计、电压计或阻抗计测量沟道的电流的电平、跨越沟道的电压，和/或例如阻抗等其它特性。纳米电子测量装置处的电特性的改变的测量指示保持于酶内的核苷酸类似物上的电荷标签的存在。计算机检测且记录纳米电子测量装置处的信号的改变，且使用此信息来确定核苷酸合并的序列。在一些实施例中，使用被称为跨阻抗放大器的电流/电压放大器来测量纳米电子测量装置处的电流。电导率信号指示对应于所述标签的核苷酸正并入到增长的链束中。通过测量合并的时间序列，确定了增长链束的序列，且进而确定了对应模板核酸的序列。
本发明的一个方面提供实时定序，其中使用纳米电子测量装置检测核苷酸进入增长链束的合并，所述纳米电子测量装置为场效应晶体管，例如FET装置、纳米尺度场效应晶体管(nanoFET)、纳米线FET装置、碳纳米管/纳米线、单壁碳纳米管(single-walled carbonnanotube，SWNT)FET以及其它导电纳米线，例如导电硅纳米线。因此，虽然本文的某些具体实施例参考纳米线或纳米管描述本发明的特征，但是应理解，本发明不限于纳米线或纳米管的使用，且可以采用例如上文所列的那些的其它FET装置。将理解在此上下文中，术语“纳米线”和“纳米管”有意涵盖涉及FET装置且特定来说碳纳米管以及具有空间受限沟道的任何其它FET装置的所有概念。可例如通过纳米场效应晶体管的沟道的电导率的改变来检测所述合并。因此，在应用涉及FET装置的沟道的情况下，应理解所述沟道可为纳米线或碳纳米管。在一些情况下，FET沟道(又称为“传感器”)包括纳米线，且通过检测跨越纳米线的电流改变来检测合并。虽然本文所描述的各种实施例包括执行核碱基合并的聚合酶，但本发明不仅限于那些实施例，且也可以或替代地包括其它类型的核酸处理酶，例如解螺旋酶、接合酶、拓扑异构酶、核酸酶及类似物，其中核酸处理酶与核酸的交互导致可检测的电导改变，无论核碱基合并是否正在发生。这些改变被检测为信号，所述信号测量酶与核酸之间的交互的一些方面，例如告知其间的生物化学反应的组成或进展。
在某些实施例中，包含聚合酶和模板核酸的聚合酶复合物固定到纳米线上或接近于纳米线。聚合酶复合物暴露于支持核酸合成的反应混合物。反应混合物包含核苷酸或核苷酸类似物，其中核苷酸类似物的类型中的至少一种具有标签，所述标签在本文中将被称作电导标签(也可被称作电荷标签或电导调制标签)。在某些情况下，所述电导或电荷标签是电荷标签。在某些实施例中，标签连接到核苷酸类似物的聚磷酸盐部分以使得当核苷酸类似物并入时，随着聚磷酸盐链裂解而释放标签。在其它实施例中，标签是核苷酸类似物的在典型核苷酸中不存在的特性，例如碱基修改或延伸聚磷酸盐尾部，其不会阻止通过聚合酶向初生链束中的合并。在其它实施例中，标签是已附接到核碱基或糖环的化学部分。在替代实施例中，电导标签是核苷酸的天然部分，例如核苷酸的天然产生的三磷酸盐可以产生由纳米电子测量装置检测的电场。在一些实施例中，反应混合物中的所有核苷酸是天然的，且从由核碱基、糖环和/或磷酸基的碱基相依性位置改变引起的电信号差异导出碱基的身份。在其它实施例中，核苷酸的子组将是天然的，且其余部分将是如上文所描述的含有不同数目的磷酸盐或终端磷酸盐标签的类似物。
在电荷标签链接到除α磷酸盐外的磷酸基的情况下或者当电荷标签包括β磷酸盐时，核苷酸类似物的合并导致电导标签的释放，从而将纳米线的电导率恢复到不受标签存在的影响的值，例如基线值。在本发明中预期基线值可能受到核酸模板的初级结构和/或酶的不同构形状态的影响，且用于序列内容的基线校正是本发明的一方面。虽然四种类型的核苷酸中的每一种都可以对活性位点进行取样，但并入的核苷酸或核苷酸类似物(同源核苷酸)与未并入的核苷酸或核苷酸类似物相比将在活性位点中花费较长时间。因此，纳米线的电导率检测经标记的核苷酸类似物何时存在于聚合酶的活性位点中。
本发明提供实时定序，其中使用例如纳米尺度场效应晶体管(nanoFET)等纳米电子测量装置来检测核苷酸向增长链束中的合并。可例如通过纳米场效应晶体管的栅极的电导率的改变来检测所述合并，所述电导率的改变是使用例如跨阻抗放大器作为电压的改变而测得。纳米线的电导改变的特性对于不同的电导标签可为不同的。因此，除检测并入的核苷酸的存在之外，本发明的方法还允许区分反应混合物中的两种或更多种核苷酸类似物。通常使用四种类型的核苷酸类似物，针对DNA对应于A、G、T和C且针对RNA对应于A、G、U和C，各自具有不同电导标签。通过观察核苷酸随时间的合并，可确定聚合酶复合物中的模板核酸的序列。聚合酶具体来说将与模板链束中的核苷酸互补的核苷酸添加到增长链束，例如A<->T以及G<->C。通过确定哪些核苷酸已经添加到增长链束，可确定模板链束的序列。
纳米线可用作纳米电子测量装置中的沟道，其中附接到纳米线的任一侧的电极充当源极和漏极。纳米线可例如为碳纳米管或例如掺杂硅等半导体。存在许多可构成纳米线或沟道的材料，其实例在下文更详细地描述。
在一些情况下，纳米电子测量装置的沟道用以通过实时地在酶将核苷酸添加到增长链束时测量酶复合物内的经标记核苷酸类似物的存在而执行核酸定序。图1提供用于以充当源极和漏极的两个纳米尺度电极进行实时核酸定序的方法的示意性表示，其中纳米线沟道连接所述两个电极。聚合酶模板复合物接近于纳米线或沟道而结合。在图1中，聚合酶直接附接到纳米线。在一些情况下，并非直接附接，聚合酶是隔一段距离接近于纳米线而附接到衬底，以使得通过纳米线的电导的改变来检测附接到与所述酶相关联的核苷酸类似物的电荷标签的存在。衬底100在其表面上具有带有两个电极102和106的区，所述两个电极分离大约若干纳米。举例来说，所述分离可为从1nm到400nm，或从2nm到100nm。纳米线104延伸跨越间隙，连接电极102和106(FET的源极和漏极)。在一些情况下，所述源极和漏极覆盖有绝缘材料以使得所述源极和漏极不与溶液直接接触。包括聚合酶110和核酸模板130的聚合酶复合物附接到纳米线或沟道104上。虽然图1中示出线性模板，但可使用其它模板构形，例如发夹或圆形模板，例如以全文引用的方式并入本文中的第8,153,375号美国专利中描述的那些。复合物通过附接部分120附接到纳米线或沟道104。如图1所示，聚合酶附接到纳米线。在一些情况下，模板核酸可直接地或者例如通过以附接到纳米线的引物的杂化而附接到纳米线。在一些情况下，纳米电子测量装置水平地安置于衬底表面上。在一些情况下，电极和纳米线竖直地安置，例如作为层的堆叠。
包括纳米电子测量装置的衬底与包括定序反应混合物的流体接触。定序反应混合物具有实行聚合酶介导核酸合成所需的试剂。定序反应混合物将大体上包含用于激活酶的例如Mn++或Mg++盐等二价催化阳离子，以及用于提供适当离子强度的例如Na+或K+等其它盐。合意的离子强度范围是从用于最小功能的0.01mM向上增大。通常，从50mM到500mM、更优选从100到400mM、并且甚至更优选地在200与300mM之间的离子强度可提供酶的所需水平功能。在一些情况下，可能需要甚至高达3M的浓度以研究这些酶类在高盐浓度下的表现。这些盐也可用以调整在电极处的背景电容。溶液中的离子附着到可能被带到靠近纳米线FET的任何电荷，且与接近电荷具有相反电荷的这些电荷将具有筛分或阻挡电场进入溶液的穿透的作用。这些所谓的抗衡离子的阻挡作用可具有极短的特性长度尺度--在约150mM的盐中仅1nm。因为典型的定序酶可能具有5与15nm之间的直径尺寸，所有酶可存在位于纳米线检测器的检测区域外部的部分，因此降低这些方法的效力和灵敏度。因此，本文所描述的各种策略改善了在可能筛分与核苷酸的存在相关联的电荷的离子强度下定序检测的灵敏度，如下文进一步描述。
定序反应混合物还含有电荷经标记核苷酸类似物，例如经标记核苷酸类似物140。在图1中，核苷酸类似物140是具有与模板核酸130中的下一位置互补的碱基的同源核苷酸。核苷酸类似物140具有核苷酸部分144，其包括核碱基、糖和聚磷酸盐部分。核苷酸类似物140具有电荷标签142，其通过键联子146附接到核苷酸部分144的聚磷酸盐部分。
在图1(B)中，核苷酸类似物140保持于聚合酶110的活性位点中。因为是同源核苷酸，所以核苷酸类似物140因此通过酶而辨识，且与非同源核苷酸相比将保持于酶中更久。在核苷酸类似物140相关联时，其存在将通过纳米线或沟道104的电导率的改变来检测，所述改变导致沟道中的电流改变，所述电流改变在一些实施例中是通过将漏极放置成与例如跨阻抗放大器等放大器电连通而作为电压的改变来测得。以直流或交流电电压来寻址电极102和106。在一些情况下，使电极连续地或成阶梯式地循环通过一系列频率。电荷标签142造成跨越电极或通过漏极所测得的电导率、阻抗或电压的特性改变，从而允许确定其存在以及其身份。
当类似物140的核苷酸部分并入到增长链束中时，如图1(C)所示，聚合酶裂解核苷酸类似物的聚磷酸盐部分。此裂解发生于聚磷酸盐部分中的α与β磷酸盐之间，其释放核苷酸类似物的包括电荷标签142的部分，所述部分扩散远离衬底。标签的此裂解和扩散离开结束了纳米线或沟道的例如电导等电特性受到电荷标签存在的影响的周期。电特性的改变则提供在合并之前核苷酸类似物在活性位点中的驻留时间的测量，其可用以确定核苷酸的合并已发生。
上方段落和图1描述了核苷酸类似物的检测。所描述的方法也可应用于多于一个类型的类似物的合并的测量，例如2、3、4、5或更多种类型的类似物。举例来说，针对DNA对应于A、G、C、T或针对RNA对应于A、G、C、U的通常四个不同类型核苷酸类似物用于定序。所述四种类型的核苷酸类似物中的每一种具有例如来自四种不同电荷标签的不同且可区分的电特性(例如，电导特性、电压特性)。不同类型的核苷酸类似物可具有电特性改变的不同量值、不同的电特性对时间属性，或可具有例如不同电流振荡颜色等其它可区分的电特性，或可具有以上特性的任何组合。
图2示出了本发明的纳米线或沟道可如何用以判定一系列碱基以用于定序。示出了曲线图，指示通过所检测的纳米线或栅极的电导率信号。存在四种类型的核苷酸类似物，各自具有不同电荷标签，例如当在纳米线或沟道附近时各自具有纳米线或沟道中的电流变化的不同量值。举例来说，跨越所述两个电极--源极和漏极的电压在整个实验中可保持恒定，且随时间监视通过纳米线或栅极的电流，且此电流可例如使用跨阻抗放大器作为电压而测得。
图2中通过参考五个不同时间范围来描述所述方法。在时间范围1期间，所述四个核苷酸类似物中并无任一种与聚合酶相关联。在时间范围2中，对应于核碱基A的核苷酸类似物在作为合并的特性的时间(例如，约10毫秒到约500毫秒)中处于活性位点。在其处于活性位点的时间期间，测得的电导率(例如，使用跨阻抗放大器作为电压而测得)上升到所述核苷酸类似物上的标签的水平特性。对应于合并的驻留时间的此水平的电导率指示A的合并。当核苷酸并入时，电荷标签裂解且电导率信号返回到基线。在时间范围3中，如同时间范围1中，无核苷酸类似物处于聚合酶的活性位点，且电导率处于基线水平。在时间范围4期间，对应于T的核苷酸类似物并入到增长链束中。对应于T的核苷酸类似物在合并的时间特性的周期中保持于活性位点内。在其保持于酶内的时间期间，见到T核苷酸类似物上的标签的电导率特性。当类似物并入时，标签裂解，且扩散离开且电导率再次返回到基线。在短时间的时间范围5中，检测到电导率的增加(达到与对应G的标签一致的水平)。增加的电导率的时间太短而无法与合并事件相关联。举例来说，在例如G等非同源核苷酸在取样活性位点的情况下，在其从酶扩散之后，在非同源核苷酸扩散足够靠近纳米线以改变其电导的情况下，或者在G核苷酸非特定地在短时间周期中结合的情况下，可见到此类型的特征。在图2中示出的实验的部分的时间期间，数据指示A和T并入，因此指示模板核酸中存在T，接着是A。虽然此描述涉及两个核苷酸的合并，但此方法可用以对从数百到数万个碱基或更多的核酸的长延伸进行定序。
图2的实例是以四种核苷酸实行，各自具有在纳米线或沟道的例如电压、电流或阻抗等电特性方面展现不同量值的电荷标签。应理解，图2中描述的同一方法可应用于其中使用电特性对时间(电介质频谱)或电流振荡颜色(也被称作噪声颜色，其可受到附接到标签的键联子的长度和刚度的类型、电导标签的类型以及标签的扩散速率的影响)或所述三个的任何组合来识别并入的碱基的情况。
因此，本发明在一些方面中提供用于核酸定序的方法，其包含提供包括纳米电子测量装置(例如，纳米场效应晶体管)阵列的衬底。每一纳米电子测量装置具有源极、漏极、栅极和沟道。源极和漏极通常是纳米微电极，且沟道通常是连接源极和漏极的纳米线或其它纳米结构。栅极用以将纳米电子测量装置的沟道偏置到操作电导率，其随后通过与电荷标签的电交互而更改。沟道可为例如掺杂硅等掺杂半导体。沟道可为单壁或多壁的碳纳米管。可修改或掺杂碳纳米管栅极。纳米场效应晶体管的子组将具有附接到纳米场效应晶体管的沟道或接近于纳米场效应晶体管的沟道附接到衬底的单聚合酶复合物。本领域中已知用于在纳米线检测器上产生附接位点的方法，例如由Sorgenfrei等(2011)自然纳米技术(Nature Nanotechnology)6:126-132或由Olsen等(2013)美国化学会志135(21):7855-7860使用的方法，以上两者以全文引用的方式并入本文中。
用于在CMOS传感器上形成纳米电子测量装置阵列的过程是此项技术中已知的。这些传感器可例如通过将纳米管转移到CMOS集成电路上而形成(参见Meric等《混合碳纳米管-硅互补金属氧化物半导体电路(Hybrid carbon nanotube-silicon complementarymetal oxide semiconductor circuits)》，真空科学与技术期刊B.2007；25(6):2577-80.doi:10.1116/1.2800322，其以全文引用的方式并入本文中。例如此技术帮助避免纳米管增长温度与CMOS装置耐受的最大温度之间的失配。在一些情况下，本发明的装置可通过采用增长的平行管阵列到任意衬底的转移而制得(参见例如Kang等的《使用单壁碳纳米管的密集完美对准阵列的高性能电子器件(High-performance electronics using dense,perfectly aligned arrays of single-walled carbon nanotubes)》，自然纳米技术2007；2(4):230-6)，其以全文引用的方式并入本文中。
使单个复合物附接到沟道或接近于沟道附接到衬底的区的一种方式是将与聚合酶复合物结合的结合试剂附接到沟道或所述区，且使衬底暴露于处于一浓度的聚合酶复合物的溶液，由此一部分纳米场效应晶体管使聚合酶复合物变成在单个分子水平结合到沟道或附近的区。通过选择恰当的稀释水平，泊松统计允许多达36％的栅极附接单个复合物，其余部分不具有复合物或具有多个复合物。包含使用空间交互以及在沟道上提供高度特定结合区的其它方法可提供与通过泊松统计预测的情况相比更高水平的单个复合物。
随后使衬底暴露于反应混合物，所述反应混合物包括多个类型的核苷酸类似物，各自包括附接到所述核苷酸类似物的磷酸盐部分的不同电荷标签。标签到磷酸盐部分的附接允许当将核苷酸类似物的核苷酸部分并入到增长链束中时在其打破聚磷酸盐链束时聚合酶使标签的裂解。电荷标签可通过键联子连接到聚磷酸盐链束。
使用栅极在纳米电子测量装置的源极与漏极之间施加电压，以使得当核苷酸类似物驻留于酶的活性位点中时，核苷酸类似物上的电荷标签产生沟道的电导率的可测量改变。即，纳米线、碳纳米管石墨烯纳米带或其它组件被视为纳米电子测量装置的沟道。栅极与沟道分离且用以用静电方式控制纳米电子测量装置操作点，其方式类似于如何使用MOSFET中的金属或多晶硅栅极来用静电方式控制栅极下方的硅沟道。施加于沟道的电压可为DC、伪DC(其中基本上以DC测量执行测量，但极性是交替的以防止腐蚀)，或AC。在一些情况下，跨越源极和漏极的频率可随时间变化以帮助区别不同电荷标签的身份。电荷标签通常是带电物质，其与沟道的交互导致沟道的电导率的改变。在一些情况下，电荷标签与沟道成直接接触，例如重复直接接触，且在其它情况下电荷标签可以通过其对沟道的接近而影响沟道的电导率。沟道和电荷标签均可以用一方式制作以通过电荷标签改善沟道的电导率的改变。举例来说，如在下文详细描述，沟道可以不同水平掺杂，p掺杂或n掺杂，以便调谐其响应。电荷标签可为可溶于水的带电物质。电荷标签可具有多个电荷，例如从约2到约2,000个电荷。电荷标签可包括树枝状大分子或纳米粒子。可采用多个电荷标签，各自具有不同电荷电平，在一些情况下，一些电荷标签带正电且一些标签带负电。
在聚合酶反应期间且在施加电压的同时，监视纳米电子测量装置随时间的电信号(例如，沟道的电流、跨越沟道的电压、沟道的阻抗)。所述电信号可指示特定类型的核苷酸类似物的合并事件已发生。合并事件的一个指示是信号的持续时间，因为取决于使用的聚合酶的动力学，合并事件将在不同于扩散事件、非同源取样事件或者标签到衬底的粘着的时间范围内发生。电信号的各种特性可用以确定特定核苷酸类似物处于活性位点且正在并入。一个特性是电导率的振幅。举例来说，各自具有不同水平的同一类型电荷的四个带电标签可产生四个不同水平的电导率。电导率水平可被设计成在纳米电子测量装置的给定操作点处的给定电荷标签的存在下增加或减小，例如使用带正电和带负电标签。除电荷的数目之外，标签上的电荷的密度也可影响信号，且可控制电荷标签的电荷密度以便控制纳米场效应晶体管处的电信号。也可通过控制核苷酸类似物的结构以改变其电流振荡颜色特性而控制电信号特性。
电信号可进而提供用于确定聚合酶复合物中的模板核酸的序列所需的信息。例如在第8,370,079和8,703,422号美国专利中描述的那些算法，以上美国专利出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
通常，本发明的方法是以对应天然核苷酸A、G、C、T或A、G、C、U的四种类型的核苷酸类似物来实行，所述四种类型的核苷酸类似物中的每一种具有不同的电荷标签。核苷酸类似物上的核碱基将通常为天然核碱基，但可利用经改质的核碱基，只要使用的聚合酶可有效地将其并入增长链束即可。
在一些方面中，本发明提供用于对多个单核酸模板分子进行定序的芯片。所述芯片具有衬底，所述衬底通常在其顶部表面上具有多个纳米场效应晶体管装置。所述纳米场效应晶体管装置中的每一个具有源极、漏极、栅极和沟道。衬底上的一些纳米场效应晶体管的沟道上是单聚合酶复合物，其结合到沟道或接近于纳米场效应晶体管的沟道而结合到衬底。聚合酶复合物包含聚合酶和模板核酸。模板核酸通常是预致敏的，且准备充当用于核酸合成的模板。衬底被配置成使得纳米电子测量装置与定序反应混合物接触。衬底将通常具有其中分配反应混合物的凹孔，或将具有流体导管或流体腔室，其在表面上提供与纳米电子测量装置接触的反应混合物。所述反应混合物具有用于实行包含多个类型核苷酸类似物的核酸合成所需的试剂。所述核苷酸类似物中的两个或更多个具有不同电荷标签。电荷标签与沟道交互以修改其电导率，如本文中所描述。芯片还具有电连接位点，用于将电流和电压带到纳米电子测量装置，且用于从纳米电子测量装置接收电信号。
在一些实施例中，芯片上的纳米电子测量装置可以是任何类型的纳米场效应晶体管，包含本文所描述的类型的纳米场效应晶体管，例如包括纳米线和/或包括掺杂硅。
芯片将通常具有多个纳米电子测量装置，例如大于1,000个纳米电子测量装置，或大于10,000个纳米电子测量装置。芯片可具有例如约1,000个纳米电子测量装置到约1千万个纳米电子测量装置，或者约10,000个纳米电子测量装置到约1百万个纳米场效应晶体管纳米电子测量装置。
芯片通常是使用半导体处理技术支撑，从而允许在芯片上包含其它功能性，包含用于以下各项中的一种或多种的电子元件：将电信号提供到纳米电子测量装置，测量纳米电子测量装置处的电信号，模/数转换，信号处理，和数据存储。所述电元件可为例如CMOS元件。
图3提供如何实现单分子纳米电子测量装置定序的另一图示。图3(A)示出了聚合酶复合物，其包括聚合酶301以及通过聚合酶结合(此处说明为共价附接)到纳米场效应晶体管的沟道312(例如，碳纳米管)的预致敏模板核酸302。虽然图3(A)中未图示，但纳米电子测量装置由栅极偏置。栅极可采取以下形式：埋入装置下方(例如，沟道312下方)的金属层，或均可用以设定装置的操作点的参考电极+溶液电解质。纳米电子测量装置具有跨越源极310和漏极311的沟道312。在由步骤1表示的时间周期中，有差异地经标记核苷酸类似物304在纳米场效应晶体管附近的溶液中扩散。图3(B)示出了纳米电子测量装置处的信号。在步骤1中，纳米电子测量装置信号处于基线。在步骤2中，对应于碱基A的核苷酸类似物处于正并入到与模板互补的初生链束的过程中。在此时间期间，电荷标签变为接触(或靠近足够的接近度)以增加沟道的电导率(由箭头表示)。图3(B)示出了在步骤2中存在强度的增加(例如，源极与漏极之间的电流的增加)。当对应于A的核苷酸类似物并入时，标签被释放，且信号强度返回到基线(步骤3)。在步骤4中，对应于T的核苷酸类似物并入。此核苷酸类似物具有与对应于A的核苷酸类似物不同的电荷标签，这产生较小的强度增加。这由图3(B)步骤4中的峰图示。距离370表示在所述峰的顶部处的噪声的测量。在所示实例中，信噪比约为20比1。距离390是对应于核苷酸类似物T的合并的峰的宽度，且表示核苷酸类似物从其结合到聚合酶时到标签裂解且释放进入溶液时的驻留时间。在步骤5中，电荷标签裂解且释放，且信号返回到基线，如图3(B)中所见。箭头380表示定序反应的面积且提供以说明定序反应的面积与对应光学检测方法中所需的面积相比可相对较小。举例来说，每定序反应的面积可为约1.5平方微米。
控制聚合酶的核苷酸出口区的位置
如上所述，即时系统具有在定序方法中未通常遇到的问题，且这个问题是在通常用于实行核酸合成的离子强度下，溶液中的电荷在它们距纳米线比例如几纳米更远的情况下趋于被筛分。我们针对本发明的定序方法中的改善信号已经开发的一个方法是控制聚合酶相对于纳米线或纳米管的定向。确切地说，聚合酶附接到纳米电子测量装置的沟道以使得聚合酶的核苷酸出口区朝向纳米电子测量装置而定向。核苷酸出口区是聚合酶的其中核苷酸或核苷酸类似物的磷酸盐部分延伸出聚合酶的区。这当然是在聚合酶的活性位点附近，但是具体来说核苷酸或核苷酸类似物从其延伸或退出聚合酶的区。举例来说，聚合酶在一定向上固定于纳米线上，所述定向当核苷酸处于聚合酶的活性位点中时确保可检测标签靠近纳米线检测器，例如如图4A中示出的示例性示意图中所示，其中存在通过聚合酶的在核苷酸出口区附近的一部分的单个附接。某些DNA聚合酶和其它核酸处理酶类结合核苷酸三磷酸酯以使得终端磷酸盐具有到酶外部的大量溶液的清晰路径。核苷酸类似物保持于酶内处于聚合酶的活性位点的核苷酸类似物结合部分中。附接到驻留于酶的活性位点中的核苷酸的终端磷酸盐标签将从所述结合位点延伸出且将在此位置从酶出现。本发明的一方面是将酶附接到纳米管以使得酶在一定向上固定，所述定向确保或促进其中核苷酸类似物的从聚合酶延伸的部分极为接近纳米线传感器的配置。在某些实施例中，“极为接近”意味着小于德拜筛分长度、小于终端磷酸盐标签的回转半径或者小于德拜长度和标签的回转半径的某一组合的距离。本发明的一方面是大于德拜长度但并不大很多的接近度仍将提供有用的益处。
在一些情况下，聚合酶是通过与酶的核苷酸出口区在酶的同一侧上的聚合酶上的残余而结合。在一些情况下，所述残余与等于从核苷酸出口区跨越聚合酶的表面回到核苷酸出口区的最长距离的四分之一的距离相比更接近核苷酸出口区。在一些情况下，所述残余小于20％、小于15％或小于10％的相关于核苷酸出口区的此距离。使聚合酶结合以使得核苷酸出口区朝向衬底定向通常不是合意的。举例来说，美国专利8,936,926教示了期望通过远离活性位点的域而附接聚合酶活性位点。
此项技术中已知用于将结合基团链接到例如聚合酶的蛋白质的表面上的所要位置的方法。在蛋白质的表面上的并不会不恰当地影响酶的活动的位置处对氨基酸进行取代，例如用一个或多个附接部分进行取代以用于连接到纳米线检测器。举例来说，半胱胺酸残余可具体来说目标是例如附接于总体上或在表面上具有低半胱胺酸密度的蛋白质中。所述蛋白质可能天然地半胱胺酸较低，或者可以经工程化而具有降低的半胱胺酸密度。半胱胺酸残余可添加在所要的位置且随后结合到附接部分，例如在聚合酶的出口隧道附近的残余。替代地，在附接点处可使用蛋白质中的天然产生的半胱胺酸残余。此外，即使在半胱胺酸残余经工程化为蛋白质以充当附接位点的情况下，如果小部分的蛋白质改为经由原生半胱胺酸而结合，那么这不大可能更改信号足以造成问题，因此可能不需要减少原生半胱氨酸的工程化。在其它实施例中，可通过产生第21胺基酸密码子而用非天然氨基酸替换蛋白质中的特定残余。在此情况下，第21胺基酸可为承载附接位点的残余。举例来说，在Phi29DNA聚合酶中，位置375是在核苷酸的磷酸盐部分延伸出聚合酶的核苷酸出口区附近。在一个优选实例中，在位置375处或附近取代附接残余以便使得所述附接在核苷酸出口区附近，且因此核苷酸出口区将极为接近于纳米线的检测区域。在一些情况下，附接残余是在位置375的5个氨基酸内。位置512也靠近此区，且在另一优选实例中，附接位点定位在位置512处或附近。在一些情况下，附接残余是在位置512的5个氨基酸内。
也可使用对聚合酶的多个附接来控制核苷酸出口区相对于纳米线的位置。除控制距离之外，这些方法还约束酶的旋转，且确保核苷酸出口区的其中核苷酸从聚合酶延伸的部分被定位成确保电导标签极为接近于纳米线检测器。图4B示出了具有将聚合酶链接到纳米线的两个附接的实施例。在优选实施例中，附接残余定位在位置375和512两者处或附近，例如一个附接残余是在位置375的5个氨基酸内，且一个附接残余是在位置512的5个氨基酸内。在一些实施例中，两个附接残余与等于从核苷酸出口区跨越聚合酶的表面回到核苷酸出口区(或核苷酸出口区到核苷酸出口区)的最长距离的四分之一的距离相比更接近核苷酸出口区或核苷酸出口区。在一些情况下，两个残余处于小于20％、小于15％或小于10％的相关于核苷酸出口区或核苷酸出口区的此距离的距离。在多个点链接到聚合酶，且具体来说跨越聚合酶的核苷酸出口区的链接例如在以引用的方式并入本文中的第7,745,116号美国专利中描述。
在其它实施例中，使用多于两个附接位点，在下文进一步描述用于在纳米管或纳米线上产生附接位点的方法。
在一些情况下，可使用“转接子分子”，其将结合到酶上的多个结合位点，同时提供将附接到纳米线检测器的单个结合位点。图4C提供在两个位置链接到转接子分子的聚合酶的说明性实例，其中转接子分子(“多价键联子”)附接在纳米线上的仅一个位置。这些转接子分子的具体实例可参见第2015/0011433号美国专利公开案，其描述用于确保对抗生物素蛋白或抗生蛋白链菌素分子的定向结合的多价生物素结合能力且以全文引用的方式并入本文中。在替代实施例中，如果聚合酶上的多个位置将链接到纳米线，那么将多个结合位点工程化到纳米线检测器中。使用随机机会或通过使用可在相对于彼此的经界定位置提供结合位点的例如DNA链束或多肽等模板分子，将这些结合位点布置在彼此的所需距离处。这些结合位点可位于例如活性位点的任一侧上。参见例如以引用的方式并入本文中的第7,745,116号美国专利。
因此，在一个方面中，本发明提供单分子纳米电子测量装置定序装置、方法和系统，其中聚合酶的核苷酸出口区朝向用于定序的纳米电子测量装置的沟道定向。在一些情况下，这涉及通过在聚合酶的核苷酸出口区附近附接的键联子使聚合酶附接到纳米电子测量装置。在此上下文中，附近意味着例如在聚合酶的同一侧上。在一些情况下，聚合酶通过键联子附接到距核苷酸出口区小于50埃、小于40埃、小于30埃、小于20埃或小于10埃的位点。在一些情况下，聚合酶具有到纳米电子测量装置沟道的两个不同的附接点，其中所述附接点中的至少一个在聚合酶的核苷酸出口区附近。在一些情况下，所述附接点中的一个或两个距核苷酸出口区小于50埃、小于40埃、小于30埃、小于20埃或小于10埃。
图5示出了结合到纳米电子测量装置的沟道的聚合酶的实例，其中聚合酶被定向以使得聚合酶的核苷酸出口区朝向沟道定向。在此实施例中，存在聚合酶通过键联子502到碳纳米管沟道520的单个附接点。在此实施例中，到纳米管的链接是共价的，且键联子502的长度相对较短。举例来说，在一些情况下，键联子的长度在约1nm与约10nm之间，或者长度为约1nm到约5nm。虽然聚合酶具有某种运动自由，但链接维持聚合酶以使得聚合酶511的核苷酸出口部分朝向纳米管520定向。这允许处于酶的活性位点中的核苷酸类似物上的电荷标签504延伸，且在一些情况下，如实施例所示，在酶处于并入核苷酸的过程中的同时变为与纳米管接触。如此图示也可见，以此方式定向聚合酶也可具有保持模板核酸远离其中可能产生背景噪声的纳米管的增加益处。此处可见，进入模板530和退出模板531均被定向大体上远离碳纳米管。
本发明的另一方面是使用分割到纳米管的非共价瞬时结合部分以便使核苷酸出口区的定向朝向装置的检测区域偏置。举例来说，在包括多个附接位点的某些实施例中，附接位点中的一个以共价附接(或例如抗生蛋白链菌素-生物素等非共价紧密结合目标)进行改质，且第二结合位点以被设计成较重地分割为与纳米线检测器的结合状态的疏水性部分进行功能化。可使用广泛范围的结合亲和力，只要结合和去结合的合计动力学与参与结合作用的核苷酸类似物上的典型终端磷酸盐标签的驻留时间相比是较快的即可。举例来说，大量益处可来自具有对纳米管的结合的10％或20％或50％工作循环的结合部分，只要解离速率快于约每秒100，或更优选地快于每秒1000即可。在另一模式中，通过简单地耐受由当酶处于错误定向时发生的合并事件引起的定序误差，可以使用提供大于95％的工作循环的部分，即使具有较慢的解离速率。
在一些实施例中，聚合酶与沟道之间需要存在共价连接。图6示出了用于此共价附接的一个方法。首先经由氧化将羧酸引入到纳米管上。所述羧酸衍生为N-羟基丁二酰亚胺基(N-hydroxy succinimidyl，NHS)酯。随后使用具有胺末端和马来酰亚胺末端的小分子延伸所述酯。纳米管上的马来酰亚胺基团将与聚合酶上的半胱胺酸残余的硫醇基反应以提供共价附接。通过使用众所周知的方法改质聚合酶，可引入特定半胱胺酸残余(例如，在核苷酸出口区附近)，且可移除不合需要的半胱胺酸残余。例如在Sorgenfrei等的《以碳纳米管场效应管进行的DNA-杂化动力学的无标签单分子检测(Label-free single-moleculedetection of DNA-hybridization kinetics with a carbon nanotube field-effecttransistor)》，自然纳米技术2011；6(2):125-31.doi:10.1038/nnano.2010.275；Goldsmith等的《监视碳纳米管上的单分子反应性(Monitoring Single-MoleculeReactivity on a Carbon Nanotube)》，纳米快报2008；8(1):189-94.doi:10.1021/nl0724079以及Sorgenfrei等的《单分子碳纳米管场效应传感器中的德拜筛分(DebyeScreening in Single-Molecule Carbon Nanotube Field-Effect Sensors)》，纳米快报2011；11(9):3739-43.doi:10.1021/nl201781q中描述了与纳米管的此共价附接，以上公开出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
通过融合蛋白质或粒子结合的聚合酶
在本发明的一些方面中，通过经由融合蛋白质将例如聚合酶的生物分子附接到纳米电子测量装置的沟道而增强纳米电子测量装置阵列的灵敏度，所述融合蛋白质允许电场线穿透其中，从而允许沟道对例如电荷标签等电荷标签在活性位点中或附近的存在更敏感。
如上文所描述，溶液中包含抗衡离子的离子的存在具有筛分或阻挡电场进入溶液的穿透的作用。在某些方面中，通过使用分子群聚物质使溶液相抗衡离子移位而增强纳米电子测量装置相对于经标记核苷酸的灵敏度，所述分子群聚物质例如电介质纳米颗粒(例如，聚苯乙烯球体，任选地直径为5nm)、两性离子聚合物或者放置于所关注的电荷与纳米线传感器的检测区域之间的其它电介质材料。在一些实施例中，此材料包括酶肽链自身和/或与酶融合或分离的额外多肽或者例如聚苯乙烯或二氧化硅等电介质粒子。
由电介质占据的空间不可用于控制筛分抗衡离子电荷，且因此纳米线的检测范围可具体来说关于形成的电介质空间而延伸以包含活性位点。举例来说，在一些实施例中，核酸处理酶与折叠特性经工程化的多肽进行融合以包封纳米线且使抗衡离子从驻留于纳米线与蛋白质之间移位。在此模式中，源自所关注电荷的电场线将穿过酶或者相关联或融合包络肽中的一者或两者的电介质部分以使得它们能够到达纳米电子测量装置的检测区域，例如如图7中所示。
包括例如Phi29聚合酶的多肽以及具有疏水性核心的另一任选地非功能蛋白质的融合蛋白质的实例先前已经例如在美国专利8,323,939和第2010/0260465号美国专利公开案中描述，以上两个专利以全文引用的方式并入本文中。此融合蛋白质产生进入周围空间的进一步穿透的区域且因此将增加灵敏度。在又其它实施例中，纳米粒子或其它电介质材料链接到纳米线，酶被定位于其附近或其上以阻挡筛分抗衡离子电荷且改进检测。
关于两性离子盐的增强灵敏度
在替代实施例中，单价和二价(和多价)离子的浓度减少，且以总电荷为零或接近零的两性离子盐来补充系统离子强度。这些盐可有助于系统的关键组分的可溶性而无需参与电荷筛分。在一些情况下，两性离子盐可以准许单价盐浓度的10％、20％、30％、50％、80％或更高的减少。德拜筛分长度的所得增加将直接导致纳米电子测量装置对不直接接触纳米电子测量装置沟道的电荷的增加灵敏度。在一些实施例中，两性离子盐构成定序反应混合物中的离子的多于30％、多于40％、多于50％、多于60％、多于70％、多于80％或多于90％。
纳米电子测量装置沟道上的用以延伸灵敏度区的导电聚合物
本发明的增加纳米电子测量装置的灵敏度的其它方面包含用导电聚合物装饰纳米电子测量装置的表面，所述导电聚合物延伸对所关注电荷的灵敏度区。这允许检测更远离纳米电子测量装置的沟道的电荷而无需存在导电聚合物。有用的材料包含具有高密度的成谐振的双键和单键的聚合物。举例来说，聚乙炔或聚噻吩。例如二茂铁等氧化还原部分的聚合物链也可充当分子导体。当用这些电流携载分子装饰纳米线时，所关注电荷所导致的极化将通过所述导体传送到纳米电子测量装置的纳米线沟道。
在此方法的一些实施例中，导电聚合物不是共价附接的，而是允许经由与纳米电子测量装置的例如纳米线或纳米管的沟道的疏水性交互而非共价地关联。在一些情况下，导电聚合物具有促进链的水溶解度的侧基团。在一些情况下，导电聚合物分子具有双重特征，含有非可溶的区以及可溶的区，例如嵌段共聚物。非可溶部分将趋于与疏水性纳米线表面关联，而可溶部分将开发所关注电荷的周围的空间。虽然描述为将带电分子带到更接近纳米线传感器的替代方案，但此策略也可与增加带电分子的接近度以进一步增加灵敏度的策略组合使用。
参考纳米线
本发明的另一方面提供紧邻于结合到聚合酶的纳米线而定位参考纳米线。一些噪声过程将在所述两个纳米线之间相关。因此，通过使用这两个线之间的差信号或交叉相关信号，可获得比单个纳米线或纳米管可获得的情况更高的信噪比。举例来说，由正定序的DNA的长链束的回转所导致的波动可预期在两个邻近电极之间具有某种共模，且因此可通过参考的存在而减轻。举例来说，如果DNA的长链束在定序运行期间经历位置上的大波动，那么在100nm或甚至1000nm内的大量的接近会导致DNA链束与纳米线之间的扩散接触速率的临时增加。这些增加将在长时间尺度下作为电流的向上波动而读出。如果两个纳米线极靠近在一起，那么它们将共享此增加--将对于两个线同时发生。因此在使用两个极紧密间隔的导线且聚合酶附接到一个但不附接到另一个的情况下，所述两个导线之间的电流差异将由于DNA模板移动而具有与仅使用一个电极的对应测量相比更少的噪声。在一些情况下，测量纳米线和参考纳米线分隔在4nm到30nm之间。在一些情况下，测量纳米线和参考纳米线分隔在5nm到20nm之间。
替代的定序模式
在本发明的替代的定序模式中，不可并入的(例如，不可水解的)核苷酸结合到纳米线的表面，其中对于每一碱基具有不同长度键联子。图8A中提供此实施例的示意性表示。溶液中提供允许系统缓慢向前移动的低浓度的自由原生核苷酸。虽然聚合酶在等待每一下一个不可并入的碱基，但其将针对系留核苷酸重复地且不可再生地取样，从而产生包括一个或多个取样事件的信号。由于电压或电流将受用于每一碱基的系链的长度影响，所述信号在取样事件期间对于每一不可水解的核苷酸将是不同的。通常，对多个取样事件进行平均以计算指示正在取样哪一不可水解的核苷酸的信号。用于使用聚合酶取样进行定序的其它方法也在第8,530,164号美国专利中描述，所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。
在其它替代的定序模式中，聚合酶附接到纳米线，使得变构效应通过活性位点中的结合而传送到纳米线表面，如图8B中所示。在聚合酶的结构中产生变化程度的碱基特定变构移位的不同类似物被选择且用作酶将用来合成初生链束的定序衬底。
在凹入区内的纳米电子测量装置
本发明的一些方面提供纳米电子测量装置的阵列，其中纳米电子测量装置中的每一个在衬底上的凹孔或凹入区内。在一些情况下，纳米电子测量装置处于凹入衬底约5nm与约300nm之间的区中。在一些情况下，纳米电子测量装置处于凹入衬底10nm与约50nm之间的区中。在一些情况下，纳米电子测量装置凹入衬底约10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、80nm或100nm。在一些情况下，凹入区可为向下延伸进入衬底的凹孔。凹孔可替代地从侧面延伸进入衬底(例如，进入衬底的垂直壁)或可成任何合适的角度延伸进入衬底。在一些情况下，凹部或凹孔的宽度大于深度，例如具有约1:2到约1:10的深度与宽度的比率，其中深度是凹入的方向。在一些情况下，凹部或凹孔的深度大于宽度，例如具有从约1.5:1到约5:1的深度与宽度的比率。
例如碳纳米管FET传感器等纳米电子测量装置是非常灵敏的检测器，从而带来单分子实时定序的电实施方案的可能性。然而，在一些情况下，来自高度带电模板分子的噪声以及在定序反应期间存在的移位产物会由于核苷酸结合因其较大大小和紧密接近而淹没信号。出于此原因，在一些情况下，保持这些长分子远离聚合酶复合物以最小化噪声是有用的。在一些情况下，使用电场来以电泳方式悬停或拉动带电分子远离检测区域。这些场可竖直地(垂直于衬底表面)或横向地(平行于衬底表面)或在这两者之间的合适角度来施加。
提供这些分子与定序反应的区之间的距离的另一方法是使用结构特征，因此使这些分子结构上偏置远离表面。长链分子当被限制于小空间中时经历减少的熵，且当此分子穿越被限制与未被限制空间之间的边界时，熵的差异会导致自由能量梯度，这产生分子中的可测量拉伸。因此，将感测区置于小到足以减少DNA链的熵的凹部中将不仅仅通过势垒作用使大多数DNA分子实体地移位离开，而且小凹部的存在也将拉动所述分子的几何学上仍受约束而驻留于受限区内部的那些部分且使其偏置远离比凹入区小得多的CN-FET的有效感测区。
用于改善信噪比的电容性滤波器
在一个方面中，本发明提供改善包括纳米电子测量装置阵列的电路的信噪比，但提供电容性滤波器。提供电容性滤波器作为每一纳米电子测量装置上方的溶液中的结构。举例来说，电容性滤波器可为纳米电子测量装置上方的导电材料层，且通常以电方式且实体地连接到安置纳米电子测量装置的衬底。所述导电材料可为例如通常在纳米电子测量装置上方的平面电极，其平面表面平行于衬底。所述平面电极的尺寸与FET相比可为相对大的。电极的面积可为例如4平方纳米到500平方纳米，或从约10平方纳米到约100平方纳米。
在大CMOS阵列中，一个取样循环的总时间的仅小部分可寻址到每一个别装置。即使当存在用于每一行的单独放大器时情况也是这样，因为一千个或更多装置可以由仅一个放大器和ADC服务。这意味着每一装置的工作循环可以是0.001或更低。在例如与寻址纳米电子测量装置一起使用的电流或电压取样应用中，噪声大体上与总取样时间的平方根相反地相关。因此，如果样本的持续时间增加到4倍，那么噪声级将减少一半。因此在0.001的工作循环下的噪声级可以是30倍于放大器的情况。
在光学感测应用中，可通过产生浮动扩散来管理此问题，所述浮动扩散充当储集器以在装置等待读出的同时存储来自传入光子的电荷，因此避免此按比例缩放规则。然而，在具有极高本征信号电平的装置中，使用此方法是困难的，因为在一个循环期间产生的电荷量极大--对于在光感测应用中使用的同一种类的架构来说太大。
本公开的一个方面提供对此问题的解决方案。即使用RC电子滤波器，其充当电荷储集器且在取样事件之间“存储”电荷。这可使噪声按比例缩放曲线移位，但需要相对大的电容器以产生较长RC时间常数。由于有源电子器件的大的需求，芯片自身内存在有限的面积用于构造此电容器结构。本发明提供朝向芯片上方的本体溶液引入这些电容性结构，而不是在芯片自身的衬底中。由于存在可类似于替代的接地平面而使用的导电溶液的大储集器的事实而增强了此解决方案。因此，本公开提供竖直地放置于纳米电子测量装置上方的相对大面积结构。通过材料的适当选择，可使电双层为不导电的，且相对大的电容器区域可被产生为具有被图案化或粗糙的侧壁。对于本发明，流体实际上是对纳米电子测量装置阵列的自图案化对立电极，且提供均匀的大面积电容器层。这些结构提供了与无电容性结构的装置相比具有更高信噪比的纳米电子测量装置阵列。
稀疏放大器阵列
本发明的一个方面是芯片上的纳米电子测量装置的阵列，其中制作所述阵列以使得在操作中仅寻址小百分比的纳米电子测量装置，且剩余部分不使用。在一些情况下，所寻址的纳米电子测量装置的百分比是阵列中制作的纳米电子测量装置的总数目的小于5％、小于2％、小于1％、小于0.5％或小于0.2％。本发明的此方面可通过芯片的结构、寻址芯片的方法、分析芯片的方法以及任何这些的组合而实现。在一些情况下，使用专用放大器的主动切换来选择性寻址具有单个纳米管和单个生物分子(例如，聚合酶复合物)的生产性的纳米电子测量装置。在一些优选方面中，结合CMOS电子器件使用碳纳米管来制作本发明的纳米电子测量装置。
举例来说，在一些方面中本发明提供寻址和分析纳米电子测量装置芯片的方法，其中在制作纳米电子测量装置阵列之后，且在例如聚合酶复合物等所关注的生物分子附接之后，电学探测所述芯片以确定哪些纳米电子测量装置具有单个纳米管和例如聚合酶等单个生物分子。随后，在例如核酸定序的测量阶段期间，仅寻址和分析具有单个纳米管和单个生物分子的纳米电子测量装置(生产性的纳米场效应晶体管)。在一种优选方法中，到芯片的信号被重新配置以使得完全绕过非生产性的纳米电子测量装置。此外，在一些实施例中，基于复发基础而分析纳米电子测量装置以确定哪些纳米电子测量装置具有单个纳米管和单个生物分子(生产性的纳米场效应晶体管)。虽然制作其中仅使用小部分的装置的阵列似乎是反直观的，但我们已发现，不同于晶体管阵列的其它使用，本文公开的单个纳米管与单个聚合酶或其它沟道/聚合酶格式的要求将通常导致仅使用少量的具有单个纳米管和单个生物分子的纳米电子测量装置(生产性的纳米场效应晶体管)。借助本发明的装置和方法，我们已经开发通过主动地仅使用生产性的装置而制作高效装置的方法。在一些情况下，制作具有1亿或更多个纳米电子测量装置的芯片，且当在例如核酸定序的使用中时，寻址和测量2百万或更少的纳米电子测量装置。此方法节省了电子和存储器资源，且可提供比其中寻址和测量所有或大多数纳米电子测量装置的芯片更高质量的信息。此外，此方法加速了芯片读出时间，因为可用的放大器专用于始终从生产性的纳米电子测量装置进行读出。此外，在一些实施例中，此方法减少了芯片上的杂散或不希望的电容，因为芯片上的大多数纳米电子测量装置不被电学读取且因此并不贡献于不希望的杂散电容。
比方说在芯片上的阵列中存在1.7M纳米电子测量装置。这意味着可以通过零、一个、两个或更多个纳米管桥接的1.7M对的电极。我们通常可仅使用具有单个管桥接的那些纳米电子测量装置。即使我们对系统建模使得我们输送的100％的管潜在地起作用(非多壁、不太大等)，如果我们使用基于泊松统计的单个实体装载，那么我们也仅可得到37％的电极对为有用的。如果存在非有用的污染，例如产生短路的纳米管，那么此分数将直接乘以上述效率，因此如果存在50％质量纳米管，那么我们将得到18％有效装置分数，且如果存在10％质量纳米管，那么我们将得到3.7％有效装置分数。另外，在这些纳米管随后例如以羧酸盐部分衍生的情况下，如果通过泊松统计控制所述衍生，那么这些当中的仅37％将是有用的。
在此阶段我们将生物分子附接到衍生的纳米管(或本文公开的其它形式的沟道)，例如聚合酶定序复合物的附接。此反应将具有将受到例如作用中的聚合酶的分数的影响的产量。预期此步骤也可导致生产性的纳米电子测量装置的产量的显著损失。因此，即使对于相对良好开发的协议，具有单个纳米管和单个聚合酶的生产性的纳米电子测量装置的产量将为相对小的，在例如2％到0.2％之间的范围内。
作为本发明的部分提供的解决方案是制作具有大量过量供应的纳米电子测量装置的芯片，但使用可处置所述输出的仅小部分的放大器架构。举例来说，我们将200,000,000个像素(所寻址的纳米电子测量装置)安放到单个裸片(芯片)上，随后通过0.5％有用分数，这产生1,000,000个作用的有用纳米电子测量装置。输出放大器被布置成使得即使较大分数的纳米电子测量装置是有用的，它们也将从不具有读取其所有输出的带宽。
本公开的一个方面提供呈集成电路的形式的稀疏放大器阵列。所述集成电路包括衬底和布置于所述衬底上的多个扇区。图14A图示稀疏放大器阵列的一个此类扇区。在一些实施例中，稀疏放大器阵列在单芯片上包括一百个或更多个此类扇区、一千个或更多个此类扇区、十万个或更多个此类扇区，或者一百万个或更多个此类扇区。在图14A中，所述多个扇区中的每一扇区包括第一时钟信号线路1402、数据输入线路1404以及与第一时钟信号线路1402和数据输入线路1404电连通的开关控制器。扇区进一步包括反偏置线路1408和放大器输入线路1410，也被称作共同测量总线。放大器输入线路1410与放大器1412电连通。在一些实施例中，放大器1412不在芯片上。在一些实施例中，放大器1412在芯片上。扇区进一步包括空间布置于衬底上的多个纳米电子测量装置，图14A中描绘其中一个此类纳米电子测量装置1414。所述多个纳米电子测量装置中的每一相应纳米电子测量装置1414包含耦合到反偏置线路1408的源极1416以及耦合到放大器输入线路1410的漏极1418，进而获得相应纳米电子测量装置的漏极1418上的电信号。如本文所公开的，所述电信号是离散集合的电信号中的任一个，且所述电信号的离散集合中的电信号的身份是由对应纳米电子测量装置1414与多个电荷标签中的特定电荷标签之间的电交互确定。所述扇区进一步包括多个开关，图14A中图示其中的一个。所述多个开关中的每一开关1420在以下状态之间门控所述多个纳米电子测量装置中的对应纳米电子测量装置1414的漏极1418与放大器输入线路1410之间的电信号：(i)接通状态，其中对应纳米电子测量装置1414的漏极1418处的电信号递送到放大器输入线路1410，以及(ii)断开状态，其中对应纳米电子测量装置1414的漏极1418处的电信号不递送到放大器输入线路1410。所述多个开关中的每一相应开关1420独立地接线到开关控制器1406，进而致使相应开关1420随第一时钟信号线路1402上的时钟脉冲和数据输入线路上的数据输入1404而变响应于开关控制器1406而处于接通状态和断开状态中的一个。
图14B图示图14A的稀疏放大器阵列的特定实施例，其中所述多个扇区中的扇区的开关控制器1406包括第一移位寄存器1422。所述移位寄存器能够向右或向左移位其二进制信息。在图14B的图示中，移位是向右，然而在未图示的替代配置中，移位是向右。移位寄存器1422的逻辑配置由级联连接的一连串触发器组成，其中一个触发器的输出连接到下一触发器的输入。所有触发器接收来自第一时钟信号线路1402的共同时钟脉冲，其造成从一个级到下一级的移位。最简单可能的移位寄存器是仅使用触发器的一个，如图15中所图示，然而本公开的教示包含更复杂的移位寄存器，且任何已知的移位寄存器可用作移位寄存器1422。参见由此以引用的方式并入的Mano的《数字逻辑和计算机设计(Digital Logic andComputer Design)》，Prentice-Hall,Inc.，新泽西州Englewood Cliffs，1979，章节7-3，263-264页。
转向图15，更详细地图示根据本公开的实施例的实例性第一移位寄存器1422。第一移位寄存器包括与第一时钟信号线路1402电连通的第一多个触发器。所述第一多个触发器包括初始触发器1424A和终端触发器1424B以及初始触发器1424A与终端触发器1424B之间的彼此串联连通的任何数目的中间触发器1424(未图示)。每一触发器1424包含串行输入1426和串行输出1428。触发器电路可无限地维持二进制状态(只要功率递送到电路)直到由输入信号引导而切换状态。各种触发器之间的一个差异是它们具有的输入的数目以及所述输入影响所述二进制状态的方式。参见由此以引用的方式并入的Mano的《数字逻辑和计算机设计》，Prentice-Hall,Inc.，新泽西州Englewood Cliffs，1979，章节6-2，204-210页。在图15中，所述第一多个触发器中除终端触发器1424B外的每一触发器1424的串行输出1428唯一地电连接到所述第一多个触发器中的另一触发器1424的串行输入1426，进而串联地电耦合所述第一多个触发器。换句话说，参考图15，给定触发器的Q输出连接到其右边的触发器的D输入。时钟1402上的每一时钟脉冲使寄存器1422的内容向右移位一个位的位置(一个触发器)。数据输入线路1404上的串行输入确定在此移位期间什么会进入最左边触发器1424A的输入D。因此，初始触发器1424A的串行输入1426(D)电连接到数据输入线路1404。以此方式，第一移位寄存器1422被配置成从数据输入线路1404接收装置扫描链序列，其通过第一时钟信号线路1420中的电脉冲而传播通过所述第一多个触发器，进而将所述第一多个触发器中的每一触发器1424独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个。所述多个开关中的每一相应开关1420通过所述第一多个触发器中的对应触发器1424的输出1428独立地接线到开关控制器1422，从而当对应触发器1424被偏置到第一状态时致使相应开关1420处于断开状态且当对应触发器1424被偏置到第二状态时致使相应开关1420处于接通状态。
因此图15中图示的稀疏放大器阵列逻辑地布置成像素1450，其中每个像素包含与触发器1424相关联的纳米电子测量装置1414以及能够将像素的输出路由到共同放大器1412的开关1420。当开关1420接通时，像素1450与放大器1412之间的路径完成，且像素1450内的纳米电子测量装置1414可由放大器1412测量。测量通常由跨阻抗放大器执行，所述跨阻抗放大器将纳米电子测量装置1414电流(跨越装置的沟道)转换成输出电压。当开关1420断开时，像素1450从放大器1412断开。如图15中所图示，通过将数据串行地加载到扫描链中来控制开关1420。每次(每放大器)将测量仅一个纳米电子测量装置1414，对应于在其触发器1424内含有逻辑高(1)的像素。为了测量下一装置1414，在第一时钟信号线路1420上断言时钟信号，其使逻辑高测量值移位一个触发器1424。如果待测量的下一测量装置1414不邻近于当前测量装置，那么将时钟信号循环多次直到逻辑高值置于下一适当触发器1424中。像素1450可以线性方式布置，或者它们可以蜿蜒跨越芯片，从而覆盖多个行和列。在图14中图示的稀疏放大器阵列中，有必要推动关于将使用扫描链测量哪些装置1414的数据，所述数据通过将在功能装置1414之间跳跃的变化数目的时钟脉冲而在数据输入线路1404上馈送到移位寄存器。此外，在图14中图示的稀疏放大器阵列中，每一像素1450具有独立的存储器元件(相关联触发器1414)。
图16图示根据本发明的另一方面的稀疏放大器阵列的特定实施例。此架构构建于上文与上述图14和15结合描述的扫描链架构上。稀疏放大器阵列包含作为分路移位寄存器1502的部分的每一像素1450中的第二触发器。此第二触发器可控制在其中像素1450内的纳米电子测量装置1414不应当测量的情况下(或根本不存在装置的情况下)是否应当分路像素1450。所述分路是通过控制多路复用器(MUX)1504来实现，所述多路复用器可在触发器周围的信号中路由装置扫描链。为了编程此架构，首先将数据作为分路扫描链串行地加载到线路1506中的分路扫描链上。这将界定哪些触发器应当分路且哪些不应当分路。一旦分路扫描链完全加载，单个测量逻辑高值将作为装置扫描链在数据输入线路1404上发送。在第一时钟信号线路1402的每一脉冲，下一未分路装置将接收测量逻辑高值，将所述像素的纳米电子测量装置路由到放大器1412。图16的稀疏放大器阵列需要相对于图15的稀疏放大器阵列增加的硅占据面积以用于额外触发器和相关联逻辑电路。
图17更详细地图示图16的稀疏放大器阵列，其中所述多个扇区中的扇区进一步包括分路扫描链输入线路1702和分路时钟信号线路1704。开关控制器1422进一步包括第二移位寄存器，其包括与分路时钟信号线路1704电连通的第二多个触发器。所述第二多个触发器包括初始触发器1706A和终端触发器1706B。所述第二多个触发器中的每一触发器包含串行输入1708和串行输出1710。所述第二多个触发器中除终端触发器1706B外的每一触发器1706的串行输出1710唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的串行输入1708，进而串联地电耦合所述第二多个触发器。所述第二多个触发器中的初始触发器1706的串行输入1708电连接到分路扫描链输入线路1702。以此方式，第二移位寄存器被配置成接收分路扫描链序列，所述分路扫描链序列通过分路时钟信号线路1704中的电脉冲而传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器1706独立地偏置到第三状态(例如，逻辑“1”状态)和第四状态(例如，逻辑“0”状态)中的一个。图17中描绘的稀疏放大器阵列的开关控制器进一步包括多个多路复用器。多路复用器是从许多输入线路中的一个选择二进制信息且将其引导到单个输出线路的组合电路。特定输入线路的选择由一个或多个输入线路控制。针对关于多路复用器的更多信息请参见由此以引用的方式并入的Mano的《数字逻辑和计算机设计》，Prentice-Hall,Inc.，新泽西州Englewood Cliffs，1979，章节5-6，175-178页。因此，本公开中可以使用广泛范围的多路复用器。此处描述的是图16和17的稀疏放大器阵列的最小要求。因此，所述多个多路复用器中的每一多路复用器1712至少包括第一输入线路1714、第二输入线路1716、选择线路1718和输出线路1720。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712的第一输入线路1714与所述第一多个触发器中的第一对应触发器1414A的串行输出Q电连通。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712的第二输入线路1716与所述第一多个触发器中的第一对应触发器1424的串行输入D电连通。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712的选择线路1718与所述第二多个触发器中的第一对应触发器1706的串行输出Q1710电连通。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712的输出线路1720与所述第一多个触发器中的第二对应触发器1424的串行输入D电连通。
图17中描绘的稀疏放大器阵列的开关控制器1422进一步包括多个“与”门(ANDgate)。所述第一多个“与”门中的每一“与”门1722包括输出1724、第一输入1726和第二输入1728。所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门1722的第一输入1726与第一时钟信号线路1402电连通。所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门1722的第二输入1728与所述第二多个触发器中的第一对应触发器1706的串行输出1710电连通。所述第一多个触发器中的每一相应触发器1424通过所述第一多个“与”门中的对应“与”门1722的输出1714与第一时钟信号线路1402电连通。因此，当所述第二多个触发器中的与相应“与”门的第二输入1728电连通的相应触发器1706在第三状态中时，第一时钟信号线路1402不施加于所述第一多个触发器中的相应触发器1424，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的相应触发器1706的输出1710电连通的多路复用器的选择线路1718被偏置到相应多路复用器的第二输入线路1716。相反，当所述第二多个触发器中与相应“与”门的第二输入1728电连通的触发器1706在第四状态中时，第一时钟信号线路1402施加于所述第一多个触发器中的相应触发器1424，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的相应触发器1706的输出1710电连通的多路复用器1712的选择线路1718被偏置到相应多路复用器的第一输入线路1714。
在一些实施例中，所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712的输出线路1720通过多个缓冲器门中的对应缓冲器门1730与所述第一多个触发器中的第二对应触发器1424的串行输入D电连通，如图17中所图示。在一些实施例中，所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712直接与所述第一多个触发器中的第二对应触发器1424的串行输入D电连通而无需利用此缓冲器门。
图18图示根据本发明的另一方面的稀疏放大器阵列的特定实施例。此架构构建于上文与上述图16和17结合描述的扫描链架构上。所述稀疏放大器阵列进一步包含分路信号和到触发器的异步复位输入。所述分路信号允许通过在正测量像素的同时断言异步复位信号而将像素1450设定成‘分路’。此特征允许从扫描链移除像素而不必重新加载整个分路扫描链。
图19更详细地图示图18的稀疏放大器阵列。所述第一多个触发器中的每一触发器1424进一步包括第一复位1902。所述第二多个触发器中的每一触发器1706进一步包括第二复位1904。稀疏放大器阵列的每一扇区进一步包括分路信号线路1906。开关控制器1422进一步包括第二多个“与”门。所述第二多个“与”门中的每一“与”门1908具有输出1910、第一输入1912和第二输入1914。所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门1908的第一输入1912与所述第一多个触发器中的第一触发器1424的串行输出Q电连通。所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门1908的第二输入1914与分路信号线路1906电连通。所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门1908的输出1910与所述第一多个触发器中的对应触发器1424的第一复位1716以及所述第二多个触发器中的对应触发器1706的第二复位1904电连通，进而当在与第一对应触发器1424电连通的纳米电子装置1414由数据输入线路1404驱动1408到第二状态的同时断言分路信号线路1906时，致使第一对应触发器1424复位到第一状态且第二对应触发器1706复位到第三状态。因此，在给定像素1450中，当触发器1424在第二状态中时，意味着对应开关1420闭合(处于接通状态)且纳米电子测量装置1414正由放大器1412测量，分路信号线路1906上的信号将通过“与”门1908且将触发器1424复位到第一状态，进而断开开关1420(将开关设定到断开状态)且将触发器1706复位到第三状态，进而致使数据输入线路1404上的扫描链永久地绕过像素1450。
图20图示根据本发明的另一方面的稀疏放大器阵列的特定实施例。图20的稀疏放大器阵列在单芯片上包括一百个或更多个此类扇区、一千个或更多个此类扇区、十万个或更多个此类扇区或者一百万个或更多个此类扇区，且图20图示一个此类扇区。图20的稀疏放大器阵列的每一扇区具有存储器组2002，其可存储扇区内的N个功能纳米电子测量装置1414的地址。具有存储于存储器组2002中的输入的两个解码器--行解码器2004和列解码器2006用以选择纳米电子测量装置1414。确切地说，在一些实施例中，存储器组2002存储用于每一像素1450的单个位，其中像素的一个值指示对应像素将被读取且像素的另一值指示对应像素将不被读取。解码器用以选择将被读取的纳米电子测量装置1414的行和列，从而将一个此类装置1414的输出(例如，跨越装置的沟道的电流)路由到放大器1412。此架构允许对阵列中的任何像素1450的直接寻址，其中每一此类像素包含纳米电子测量装置1414，且可按任何次序选择像素，且任何数目的像素可因为其测量装置1414不起作用而被永久地封闭免于读取。存储器组2002的大小N是通过估计扇区中的预期起作用装置1414的数目来设计。
参考图20和21，稀疏放大器阵列的所描绘实施例包含多个扇区，示出了其中一个。每一扇区与放大器1412相关联且包含开关控制器，所述开关控制器包括与存储器控制器2008电连通的存储器2002、与存储器2002电连通的列解码器2006，以及与存储器2002电连通的行解码器2004。参考图21，扇区进一步包括多个“与”门。所述多个“与”门中的每一“与”门2102包括输出2004、第一输入2006和第二输入2008。所述多个“与”门中的每一相应“与”门210的第一输入2006与列解码器2006电连通。所述多个“与”门中的每一相应“与”门2102的第二输入2008与行解码器2004电连通。所述多个开关中的每一相应开关1420通过所述多个“与”门中的对应“与”门2102的输出2004而独立地接线到开关控制器，进而当行解码器2004和列解码器2006均向对应“与”门2102用信号通知第一状态时致使相应开关1420处于接通状态，且否则致使相应开关1420处于断开状态。
图22图示根据本发明的另一方面的稀疏放大器阵列的特定实施例。图23图示图22的稀疏放大器阵列的较详细实施例。集成电路包括衬底(图22中未图示)和布置于衬底上的多个扇区。图22图示稀疏放大器阵列的一个此类扇区。在一些实施例中，稀疏放大器阵列在单芯片上包括一百个或更多个此类扇区、一千个或更多个此类扇区、十万个或更多个此类扇区，或者一百万个或更多个此类扇区。在图22中，所述多个扇区中的每一扇区包括第一时钟信号线路1402和数据输入线路1404。扇区进一步包括反偏置线路1408(图22中未图示，但图23中示出)和放大器输入线路1410，也被称作共同测量总线。每一放大器输入线路1410与对应放大器1412电连通。在一些实施例中，对应放大器1412不在芯片上。在一些实施例中，对应放大器1412在芯片上。参考图23，扇区进一步包括空间布置于像素1450中的衬底上的多个纳米电子测量装置1424。如图23中更详细地所示，所述多个纳米电子测量装置中的每一相应纳米电子测量装置1414包含耦合到反偏置线路1408的源极1416和耦合到放大器输入线路1410的漏极1418，进而获得相应纳米电子测量装置1414的漏极1418上的电信号。如本文所公开，所述电信号是离散集合的电信号中的任一个，且所述电信号离散集合中的电信号的身份是由对应纳米电子测量装置1414与多个电荷标签中的特定电荷标签之间的电交互确定。扇区进一步包括多个开关，图23中图示其中两个。所述多个开关中的每一开关1420在以下状态之间门控所述多个纳米电子测量装置中的对应纳米电子测量装置1414的漏极1418与放大器输入线路1410之间的电信号：(i)接通状态，其中对应纳米电子测量装置1414的漏极1418处的电信号递送到放大器输入线路1410，以及(ii)断开状态，其中对应纳米电子测量装置1414的漏极1418处的电信号不递送到放大器输入线路1410。
扇区进一步包括第二时钟线路2202和行移位寄存器2220，所述行移位寄存器包括例如D触发器的第一多个触发器。所述第一多个触发器中的初始触发器2222A的数据输入与数据输入线路1404电连通，且所述第一多个触发器中的每一触发器2222的时钟脉冲输入与第一时钟信号线路1402电连通。扇区进一步包括多个“与”门。所述多个“与”门中的每一“与”门2224包括第一输入、第二输入和输出。扇区进一步包括多个列移位寄存器。每一列移位寄存器2226包括第二多个触发器，且在任选的实施例中包括第三多个触发器。所述第一多个“与”门中的每一“与”门2224的第一输入与行移位寄存器2220的所述第一多个触发器中的对应触发器2222的输出电连通。所述第一多个“与”门中的每一“与”门2224的第二输入与第二时钟线路2202电连通。
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器2226的时钟脉冲信号输入与所述第一多个“与”门中的对应“与”门2224的输出电连通。换句话说，每一“与”门2224的输出线路2204充当对应移位寄存器2226的时钟输入线路，如图22中所图示。因此，线路2204直接连接到列移位寄存器2226中的第二多个触发器中的每一触发器1424的时钟输入，如图23中所图示。到每一列移位寄存器2226中的所述第二多个触发器中的触发器的数据输入作为所述第二多个触发器的初始触发器1424-1-1的输入1426而从“重新开始扫描链”线路2206开始，且从一个触发器1424的输出1428串行地移动到列移位寄存器2226的下一触发器1424的输入1426，如图23中更详细地图示。
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器2226的相应第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器以及所述初始触发器与终端触发器之间的任何数目的串联连接的触发器。图23提供列移位寄存器2226的更多细节。图23的列移位寄存器2226已经旋转而表现为行而不是图22中表现的列，以更好地图示列移位寄存器2226的特征。列移位寄存器2226的相应第二多个触发器中的每一触发器1424包含串行输入1426、串行输出1428和时钟脉冲输入(表示为每一触发器中的三角形)。相应第二多个触发器中除终端触发器外的每一触发器1424的串行输出1428唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器1424的串行输入1426，进而串联地电耦合所述相应第二多个触发器。初始触发器(图23中图示为触发器1424-1-1)的串行数据输入1426电连接到重新开始扫描链2206。因此，返回参看图22，连接2204将“与”门2224A的输出连接到所述第二多个触发器中的每一触发器1424的时钟脉冲输入，且重新开始扫描2206连接到列移位寄存器2226的所述第二多个触发器的初始触发器1424-1-1的数据输入1426。相应列移位寄存器2226被配置成从重新开始扫描链线路2206接收装置扫描链序列，所述装置扫描链序列通过由所述多个“与”门2224滤波的第二时钟信号线路2202中的电脉冲而传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器1424独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个。
再次参见图23，第三多个触发器中的每一触发器2302包括输入(D)、输出(Q)和时钟脉冲输入(表示为每一触发器中的三角形)。第三多个触发器中的每一相应触发器2302的时钟脉冲输入接线到负载缓冲器线路2208。第三多个触发器中的每一相应触发器2302的数据输入(D)接线到所述第二多个触发器中的对应触发器1424的输出1428。这造成当所述第二多个触发器中的对应触发器1424被偏置到第一状态且负载缓冲器2208线路被逻辑地断言时第三多个触发器中的对应触发器2302的状态被偏置到第一状态，且当所述第二多个触发器中的对应触发器1424被偏置到第二状态且负载缓冲器2208线路被逻辑地断言时第三多个触发器中的对应触发器2302的状态被偏置到第二状态。如图23中所图示，所述多个开关中的每一相应开关1420独立地接线到对应列移位寄存器2226的第三多个触发器中的对应触发器2302的输出，进而造成当对应列移位寄存器2226的第三多个触发器中的对应触发器2302被偏置到第一状态时相应开关处于断开状态，且当对应列移位寄存器的第三多个触发器中的对应触发器2302被偏置到第二状态时相应开关处于接通状态。
因此，参考图22，以数据加载水平移位寄存器2220，每一列单个位，并且接着将N个脉冲施加于垂直移位时钟2202。通过位的适当选择和N的选择，可在每一列上独立地实施任何数目的移位。举例来说，如果期望4位移位整数(意味着沿着特定列的最小0且最大24-1＝15移位)，那么将每一4位数字的“1”位置加载到水平移位寄存器2220中。即，将每一触发器2222偏置到第一或第二状态以反映所述四位数字的“1”位置，且将N＝1脉冲施加于垂直时钟2202。在移位寄存器中存在“1”的情况下，此脉冲作为时钟脉冲传送到相关联列移位寄存器2226。在水平移位寄存器2220中存在“0”的情况下，垂直时钟脉冲2202由位于垂直时钟输入2202与列移位寄存器2226之间的第一“与”2224处的逻辑“与”操作阻挡。随后将每一4位数字的“2”位置加载到水平移位寄存器2220的触发器中，且将N＝4脉冲施加于垂直时钟2202。随后将“4”位置加载到水平移位寄存器2220的触发器中，且将N＝8脉冲施加于垂直时钟2202。最后，加载“8”位置且施加N＝16脉冲。以此方式，每一列移位寄存器2226将接收由针对每一个列移位寄存器2226选择的4位数字界定的总数目的脉冲，从而致使将值“1”放入每一列中的完全正确的触发器中。以此方式，使用垂直时钟上的相同数目的脉冲(循环)，可将“1”的值放置于沿一个列移位寄存器2226中的五个触发器以及沿另一列移位寄存器2226中的14个触发器。当循环完成且逻辑“1”已离开移位寄存器的底部时，通过设定“重新开始扫描”线路2206而起始新扫描，所述线路在接收到下一垂直脉冲后即刻将新的逻辑“1”加载到垂直移位寄存器中。图23图示可以如何使用重新开始扫描2206来复位加载到列移位寄存器2226中的扫描序列。
在一些实施例中，在正加载的同时缓冲水平移位寄存器2220，使得在水平移位发生的同时可充分地使用放大器1412。在一些实施例中，在每一列的顶部将全N位移位计数加载到寄存器中，且电路需要按所述数字倒计时以使得完整集合的脉冲无需被数据移位中断。
图22和23中所公开的架构的一个优点是硬件对于位数目或甚至是否将在单纯在基础2中使用系统是不可知的。举例来说，如果存在需要确切17个垂直时钟脉冲的三个或四个列，那么可能的是在垂直时钟2202上已经施加15个脉冲之后以那些列设定成“1”而简单地加载水平移位寄存器，并且接着施加垂直时钟2202的额外N＝2脉冲。在此情况下这将不会节省数据输入，但将减少总时间，因为N＝16脉冲事件将不是必要的。还应当注意在此架构中，位数目在移动之间可以不同。4位串可以是接着为3位，并且接着为7位。每一此类位数字将寻址列移位寄存器2226中的不同数目的触发器。
使用图22中图示的装置的另一方式是沿着水平移位寄存器2220发送仅单个“1”，并且接着施加特定列需要的确切数目的垂直脉冲2202。如果每一放大器1412上的积分时间充分长而允许在每一列的每一移位之间施加N列x<N个脉冲>，那么这可以起作用。
在图示的实施例中，第三多个触发器2302是任选的。举例来说，如在其它实施例中，每一触发器1424的输出可置于与开关1420直接电连通。然而，在其中此第二存储器元件存在的实施例中，每一像素1450中的第三多个触发器2302的使用控制着哪一装置1414连接到放大器1412，如图23中所图示。第三多个触发器的值仅当在线路2208上断言“负载缓冲”信号时改变，这是在所有垂直移位寄存器值被加载到列移位寄存器2226的所述第二多个触发器1424中之后执行。因此举例来说，图22中图示的实施例的线路2208上的“负载缓冲”信号的施加导致图24中图示的状态，其中第三多个触发器中的每一触发器2302的状态匹配于所述第二多个触发器中的其对应第二触发器1424的状态。随后将负载缓冲信号设定解除断言，从而允许水平移位寄存器重新加载列移位寄存器2226，同时像素1450的装置1412中的一个被读出。这允许测量装置1414，即使垂直移位寄存器2220正在将新测量配置加载到列移位寄存器2226中时也是如此。
图25图示根据本公开的另一方面的另一稀疏放大器阵列。虽然常常通过对跨越纳米电子测量装置1414的电压进行箝位且测量通过跨阻抗放大器的电流来测量所述纳米电子测量装置，但图25中图示的替代装置取得纳米电子测量装置电流1414，在像素1450内将其向下划分且积分电流值。当开关1420接通时，放大器1412放大积分的电压值。分流器2502具有重要性，因为纳米电子测量装置1414电流值相当大，且用于积分器电容器的面积将相当有限，因此通过向下划分电流值我们可确保积分器2504不会饱和。可以用上述扫描链或行/列寻址方法来解决此测量方案。
已经详细示出了用于实行图14至25的稀疏放大器阵列的逻辑的电路，包含个别的门及其互连。提供这些图以用于证明特定稀疏放大器阵列的逻辑构造。然而将了解，实际上，可以从可编程小尺度集成(SSI)装置、中等尺度集成(MSI)装置、大尺度集成(ISI)装置或极大尺度集成(VLSI)装置获得所述功能，其中编程者或系统设计者仅接入外部输入和输出但不接入装置中的中间门的输入和输出。举例来说，寄存器进入稀疏放大器阵列的合并更可能通过选择合适的MSI电路来完成，而不是设计本公开的图中示出的个别数字电路。因此，实行本文公开的稀疏放大器阵列的逻辑的任何此类电路在本公开的范围内。
图14至25的稀疏放大器阵列的所有实施例共同的是它们将信息推动到放大器阵列中，所述信息涉及哪些纳米电子测量装置1414在工作(例如，处于例如接通状态或断开状态等某一状态)。此外，虽然这些稀疏放大器阵列的所寻址的测量装置各自是纳米电子测量装置1414，但本公开不如此受限制，且实际上对于使用的测量装置的类型以及这些测量装置的应用是不可知的。即，图14至25的稀疏放大器阵列可用于除核酸定序外的目的。另外，图14至25的稀疏放大器阵列可利用除纳米电子测量装置1414装置外的测量装置。即，其中许多测量装置不起作用的任何形式的阵列测量装置适合于本公开中描述的架构。因此，在一些实施例中，可能有不起作用的高概率的光传感器或任何其它装置可以代替图14至25中的元件1414而服务。以下是利用图14至25的此类装置的一些具体实施例，不同之处在于已经用纳米电子测量装置1414代替更一般的测量装置2602。
在根据这些实施例的一个方面中，提供包括衬底的集成电路，所述衬底上布置多个扇区(例如，10个或更多个扇区、100个或更多个扇区、1000个或更多个扇区)，其中所述多个扇区中的每一扇区包括第一时钟信号线路1402、数据输入线路1404、与第一时钟信号线路1402和数据输入线路1404电连通的开关控制器1406。所述多个扇区中的每一扇区进一步包括反偏置线路1408和放大器输入线路1410。多个测量装置2602空间布置于所述衬底上。所述多个测量装置中的每一相应测量装置2602包含耦合到反偏置线路1408的源极1416和耦合到放大器输入线路1410的漏极1418，进而获得相应测量装置2602的漏极1418上的电信号。所述多个扇区中的每一扇区进一步包括多个开关。所述多个开关中的每一开关1420在以下状态之间门控所述多个测量装置中的对应测量装置2602的漏极1418与放大器输入线路1410之间的电信号：(i)接通状态，其中对应测量装置2602的漏极1418处的电信号递送到放大器输入线路，以及(ii)断开状态，其中对应测量装置的漏极1418处的电信号不递送到放大器输入线路1410。所述多个开关中的每一相应开关1420独立地接线到开关控制器1406，进而致使相应开关1420随第一时钟信号线路1402上的时钟脉冲以及由数据输入线路1404接收的信息而变响应于开关控制器1406而处于接通状态和断开状态中的一个。
参考图15，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，在一些实施例中，所述多个扇区中的扇区的开关控制器包括第一移位寄存器1422，其包括与第一时钟信号线路1402电连通的第一多个触发器。在此类实施例中，所述第一多个触发器包括初始触发器1424A和终端触发器1424B，以及所述初始与终端触发器之间的任何数目的触发器。每一触发器1424包含串行输入1426和串行输出1428，其中所述第一多个触发器中除终端触发器外的每一触发器的串行输出唯一地电连接到所述第一多个触发器中的另一触发器的串行输入，进而串联地电耦合所述第一多个触发器。初始触发器1424A的串行输入1426电连接到数据输入线路1404。第一移位寄存器1422被配置成从数据输入线路1404接收装置扫描链序列，其通过第一时钟信号线路1402中的电脉冲而传播通过所述第一多个触发器，进而将所述第一多个触发器中的每一触发器1424独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个。所述多个开关中的每一相应开关1420通过所述第一多个触发器中的对应触发器1424独立地接线到开关控制器，进而当对应触发器被偏置到第一状态时致使相应开关处于断开状态，且当对应触发器被偏置到第二状态时致使相应开关处于接通状态。
参考图16和17，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，在一些实施例中，所述多个扇区中的扇区进一步包括分路扫描链输入线路1506和分路时钟信号线路1550。开关控制器进一步包括第二移位寄存器，其包括与分路时钟信号线路1506电连通的第二多个触发器。参考图17，所述第二多个触发器包括初始触发器1706A和终端触发器1706B，以及所述初始触发器与终端触发器之间的任何数目的触发器。所述第二多个触发器中的每一触发器1706包含串行输入1708和串行输出1710，其中所述第二多个触发器中除终端触发器外的每一触发器1706的串行输出1710唯一地电连接到所述第二多个触发器1706中的另一触发器的串行输入1708，进而串联地电耦合所述第二多个触发器。所述第二多个触发器中的初始触发器1706A的串行输入1708电连接到分路扫描链输入线路1702。第二移位寄存器被配置成接收分路扫描链序列，所述分路扫描链序列通过分路时钟信号线路1702中的电脉冲而传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器1706独立地偏置到第三状态和第四状态中的一个。在此类实施例中，开关控制器进一步包括多个多路复用器，其中所述多个多路复用器中的每一多路复用器1712包含第一输入线路1714、第二输入线路1716、选择线路1718和输出线路1720。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712的第一输入线路1714与所述第一多个触发器中的第一对应触发器1424的串行输出电连通。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712的第二输入线路1716与所述第一多个触发器中的第一对应触发器1424的串行输入电连通。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712的选择线路1718与所述第二多个触发器中的第一对应触发器1706的串行输出1710电连通。所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的输出线路1720与所述第一多个触发器中的第二对应触发器1424的串行输入电连通。每一扇区进一步包括第一多个“与”门，其中所述第一多个“与”门中的每一“与”门1722包括输出1724、第一输入1726和第二输入1728。所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门1722的第一输入1726与第一时钟信号线路1402电连通。所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门1722的第二输入1728与所述第二多个触发器中的第一对应触发器1706的串行输出1710电连通。所述第一多个触发器中的每一相应触发器1424通过所述第一多个“与”门中的对应“与”门1722的输出1724与第一时钟信号线路1402电连通，使得当所述第二多个触发器中与相应“与”门1722的第二输入1728电连通的相应触发器1706在第三状态中时，第一时钟信号线路1402不施加于所述第一多个触发器中的相应触发器1424，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的相应触发器1760的输出1710电连通的多路复用器1712的选择线路1718被偏置到相应多路复用器1712的第二输入线路1716，且当所述第二多个触发器中与相应“与”门1722的第二输入1728电连通的触发器1706在第四状态中时，第一时钟信号线路1402施加于所述第一多个触发器中的相应触发器1424，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的相应触发器1706的输出1710电连通的多路复用器1712的选择线路1718被偏置到相应多路复用器的第一输入线路1714。
在一些实施例中，所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器1712的输出线路1720通过多个缓冲器门中的对应缓冲器门1730与所述第一多个触发器中的第二对应触发器1424的串行输入D电连通。
参考图18，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，架构构建于上文与上述图16和17结合描述的扫描链架构上。所述稀疏放大器阵列进一步包含分路信号和到触发器的异步复位输入。所述分路信号允许通过在正测量像素的同时断言异步复位信号而将像素1450设定成‘分路’。此特征允许从扫描链移除像素而不必重新加载整个分路扫描链。
参考图19，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，更详细地描绘了图18的稀疏放大器阵列。所述第一多个触发器中的每一触发器1424进一步包括第一复位1902。所述第二多个触发器中的每一触发器1706进一步包括第二复位1904。所述稀疏放大器阵列的每一扇区进一步包括分路信号线路1906。开关控制器1422进一步包括第二多个“与”门。所述第二多个“与”门中的每一“与”门1908具有输出1910、第一输入1912和第二输入1914。所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门1908的第一输入1912与所述第一多个触发器中的第一触发器1424的串行输出Q电连通。所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门1908的第二输入1914与分路信号线路1906电连通。所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门1908的输出1910与所述第一多个触发器中的对应触发器1424的第一复位1716以及所述第二多个触发器中的对应触发器1706的第二复位1904电连通，进而当在与第一对应触发器1424电连通的测量装置2602由数据输入线路1404驱动1408到第二状态的同时断言分路信号线路1906时，致使第一对应触发器1424复位到第一状态且第二对应触发器1706复位到第三状态。因此，在给定像素1450中，当触发器1424在第二状态中时，意味着对应开关1420闭合(处于接通状态)且测量装置2602正由放大器1412测量，分路信号线路1906上的信号将通过“与”门1908且将触发器1424复位到第一状态，进而断开开关1420(将开关设定到断开状态)且将触发器1706复位到第三状态，进而致使数据输入线路1404上的扫描链永久地绕过像素1450。
参考图20，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，根据本公开的另一方面图示稀疏放大器阵列的特定实施例。图20的稀疏放大器阵列在单芯片上包括一百个或更多个此类扇区、一千个或更多个此类扇区、十万个或更多个此类扇区或者一百万个或更多个此类扇区，且图20图示一个此类扇区。图20的稀疏放大器阵列的每一扇区具有存储器组2002，其可存储扇区内的N个起作用测量装置2602的地址。具有存储于存储器组2002中的输入的两个解码器--行解码器2004和列解码器2006用以选择测量装置2602。确切地说，在一些实施例中，存储器组2002存储用于每一像素1450的单个位，其中像素的一个值指示对应像素将被读取且像素的另一值指示对应像素将不被读取。解码器用以选择待读取的测量装置2602的行和列，从而将一个此类装置2602的输出(例如，跨越装置的沟道的电流)路由到放大器1412。此架构允许对阵列中的任何像素1450的直接寻址，其中每一此类像素包含测量装置2602，且可按任何次序选择像素，且任何数目的像素可因为其测量装置2602不起作用而被永久地封闭免于读取。存储器组2002的大小N是通过估计扇区中的预期起作用装置1414的数目来设计。
参考图20和21，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，稀疏放大器阵列的所描绘实施例包含多个扇区，图示了其中的一个。每一扇区与放大器1412相关联且包含开关控制器，所述开关控制器包括与存储器控制器2008电连通的存储器2002、与存储器2002电连通的列解码器2006，以及与存储器2002电连通的行解码器2004。参考图21，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，扇区进一步包括多个“与”门。所述多个“与”门中的每一“与”门2102包括输出2004、第一输入2006和第二输入2008。所述多个“与”门中的每一相应“与”门210的第一输入2006与列解码器2006电连通。所述多个“与”门中的每一相应“与”门2102的第二输入2008与行解码器2004电连通。所述多个开关中的每一相应开关1420通过所述多个“与”门中的对应“与”门2102的输出2004而独立地接线到开关控制器，进而当行解码器2004和列解码器2006均向对应“与”门2102用信号通知第一状态时致使相应开关1420处于接通状态，且否则致使相应开关1420处于断开状态。
参考图22，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，图示了根据本公开的另一方面的稀疏放大器阵列的特定实施例。图23图示图22的稀疏放大器阵列的较详细实施例。集成电路包括衬底(图22中未图示)和布置于衬底上的多个扇区。图22图示稀疏放大器阵列的一个此类扇区。在一些实施例中，稀疏放大器阵列在单芯片上包括一百个或更多个此类扇区、一千个或更多个此类扇区、十万个或更多个此类扇区，或者一百万个或更多个此类扇区。在图22中，所述多个扇区中的每一扇区包括第一时钟信号线路1402和数据输入线路1404。扇区进一步包括反偏置线路1408(图22中未图示，但图23中示出)和放大器输入线路1410，也被称作共同测量总线。每一放大器输入线路1410与对应放大器1412电连通。在一些实施例中，对应放大器1412不在芯片上。在一些实施例中，对应放大器1412在芯片上。参考图23，扇区进一步包括空间布置于像素1450中的衬底上的多个测量装置2602。如图23中更详细地所示，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，所述多个测量装置中的每一相应测量装置2602包含耦合到反偏置线路1408的源极1416以及耦合到放大器输入线路1410的漏极1418，进而获得相应测量装置2602的漏极1418上的电信号。扇区进一步包括多个开关，图23中图示了其中的两个。所述多个开关中的每一开关1420在以下状态之间门控所述多个测量装置2602中的对应测量装置2602的漏极1418与放大器输入线路1410之间的电信号：(i)接通状态，其中对应测量装置2602的漏极1418处的电信号递送到放大器输入线路1410，以及(ii)断开状态，其中对应测量装置2602的漏极1418处的电信号不递送到放大器输入线路1410。
扇区进一步包括第二时钟线路2202和行移位寄存器2220，所述行移位寄存器包括例如D触发器的第一多个触发器。所述第一多个触发器中的初始触发器2222A的数据输入与数据输入线路1404电连通，且所述第一多个触发器中的每一触发器2222的时钟脉冲输入与第一时钟信号线路1402电连通。扇区进一步包括多个“与”门。所述多个“与”门中的每一“与”门2224包括第一输入、第二输入和输出。扇区进一步包括多个列移位寄存器。每一列移位寄存器2226包括第二多个触发器，且在任选的实施例中包括第三多个触发器。所述第一多个“与”门中的每一“与”门2224的第一输入与行移位寄存器2220的所述第一多个触发器中的对应触发器2222的输出电连通。所述第一多个“与”门中的每一“与”门2224的第二输入与第二时钟线路2202电连通。
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器2226的时钟脉冲信号输入与所述第一多个“与”门中的对应“与”门2224的输出电连通。换句话说，每一“与”门2224的输出线路2204充当对应移位寄存器2226的时钟输入线路，如图22中所图示。因此，线路2204直接连接到列移位寄存器2226中的第二多个触发器中的每一触发器1424的时钟输入，如图23中所图示。到每一列移位寄存器2226中的所述第二多个触发器中的触发器的数据输入作为所述第二多个触发器的初始触发器1424-1-1的输入1426而从“重新开始扫描链”线路2206开始，且从一个触发器1424的输出1428串行地移动到列移位寄存器2226的下一触发器1424的输入1426，如图23中更详细地图示。
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器2226的相应第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器以及所述初始触发器与终端触发器之间的任何数目的串联连接的触发器。图23提供列移位寄存器2226的更多细节，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外。图23的列移位寄存器2226已经旋转而表现为行而不是图22中表现的列，以更好地图示列移位寄存器2226的特征。列移位寄存器2226的相应第二多个触发器中的每一触发器1424包含串行输入1426、串行输出1428和时钟脉冲输入(表示为每一触发器中的三角形)。相应第二多个触发器中除终端触发器外的每一触发器1424的串行输出1428唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器1424的串行输入1426，进而串联地电耦合所述相应第二多个触发器。初始触发器(图23中图示为触发器1424-1-1)的串行数据输入1426电连接到重新开始扫描链2206。因此，返回参看图22，连接2204将“与”门2224A的输出连接到所述第二多个触发器中的每一触发器1424的时钟脉冲输入，且重新开始扫描线路2206连接到所述第二多个触发器的初始触发器1424-1-1的数据输入1426。相应列移位寄存器2226被配置成从重新开始扫描链2206线路接收装置扫描链序列，所述装置扫描链序列通过由所述多个“与”门2224滤波的第二时钟信号线路2202中的电脉冲而传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器1424独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个。
再次参见图23，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，第三多个触发器中的每一触发器包括输入(D)、输出(Q)以及时钟脉冲输入(表示为每一触发器中的三角形)。第三多个触发器中的每一相应触发器2302的时钟脉冲输入接线到负载缓冲器线路2208。第三多个触发器中的每一相应触发器2302的数据输入(D)接线到所述第二多个触发器中的对应触发器1424的输出1428。这造成当所述第二多个触发器中的对应触发器1424被偏置到第一状态且负载缓冲器2208线路被逻辑地断言时第三多个触发器中的对应触发器2302的状态被偏置到第一状态，且当所述第二多个触发器中的对应触发器1424被偏置到第二状态且负载缓冲器2208线路被逻辑地断言时第三多个触发器中的对应触发器2302的状态被偏置到第二状态。如图23中所图示，所述多个开关中的每一相应开关1420独立地接线到对应列移位寄存器2226的第三多个触发器中的对应触发器2302的输出，进而造成当对应列移位寄存器2226的第三多个触发器中的对应触发器2302被偏置到第一状态时相应开关处于断开状态，且当对应列移位寄存器的第三多个触发器中的对应触发器2302被偏置到第二状态时相应开关处于接通状态。
因此，参考图22，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602外，以数据加载水平移位寄存器2220，每一列单个位，并且接着将N个脉冲施加于垂直移位时钟2202。通过位的适当选择和N的选择，可在每一列上独立地实施任何数目的移位。举例来说，如果期望4位移位整数(意味着沿着特定列的最小0且最大24-1＝15移位)，那么将每一4位数字的“1”位置加载到水平移位寄存器2220中。即，将每一触发器偏置到第一或第二状态以反映所述四位数字的“1”位置，且将N＝1脉冲施加于垂直时钟2202。在移位寄存器中存在“1”的情况下，此脉冲传送到相关联列移位寄存器2226。在水平移位寄存器2220中存在“0”的情况下，垂直时钟脉冲2202由位于垂直时钟输入2202与列移位寄存器2226之间的第一“与”2224处的逻辑“与”操作阻挡。随后将每一4位数字的“2”位置加载到水平移位寄存器2220的触发器中，且将N＝4脉冲施加于垂直时钟2202。随后将“4”位置加载到水平移位寄存器2220的触发器中，且将N＝8脉冲施加于垂直时钟2202。最后，加载“8”位置且施加N＝16脉冲。以此方式，每一列移位寄存器2226将接收由针对每一个列移位寄存器2226选择的4位数字界定的总数目的脉冲，从而致使将值“1”放入每一列中的完全正确的触发器中。以此方式，使用垂直时钟上的相同数目的脉冲(循环)，可将“1”的值放置于沿一个列移位寄存器2226中的五个触发器以及沿另一列移位寄存器2226中的14个触发器。当循环完成且逻辑“1”已离开移位寄存器的底部时，通过设定“重新开始扫描”线路2206而起始新扫描，所述线路在接收到下一垂直脉冲后即刻将新的逻辑“1”加载到垂直移位寄存器中。图23图示可以如何使用重新开始扫描2206来复位列移位寄存器2226。
在一些实施例中，在正加载的同时缓冲水平移位寄存器2220，使得在水平移位发生的同时可充分地使用放大器1412来测量测量装置2602。在一些实施例中，在每一列的顶部将全N位移位计数加载到寄存器中，且电路需要按所述数字倒计时以使得完整集合的脉冲无需被数据移位中断。
图22和23中所公开的架构的一个优点是硬件对于位数目或甚至是否将在单纯在基础2中使用系统是不可知的。举例来说，如果存在需要确切17个垂直时钟脉冲的三个或四个列，那么可能的是在垂直时钟2202上已经施加15个脉冲之后以那些列设定成“1”而简单地加载水平移位寄存器，并且接着施加垂直时钟2202的额外N＝2脉冲。在此情况下这将不会节省数据输入，但将减少总时间，因为N＝16脉冲事件将不是必要的。还应当注意在此架构中，位数目在移动之间可以不同。4位串可以是接着为3位，并且接着为7位。每一此类位数字将寻址列移位寄存器2226中的不同数目的触发器。
使用图22中图示的装置的另一方式是沿着水平移位寄存器2220发送仅单个“1”，并且接着施加特定列需要的确切数目的垂直脉冲2202。如果每一放大器1412上的积分时间充分长而允许在每一列的每一移位之间施加N列x<N个脉冲>，那么这可以起作用。
在图示的实施例中，第三多个触发器2302和第二多个“与”门2302是任选的。举例来说，如在其它实施例中，每一触发器1424的输出可置于与开关1420直接电连通。然而，在其中此第二存储器元件存在的实施例中，每一像素1450中的此第二存储器元件的使用控制着哪一装置1414连接到放大器1412，如图23中所图示。第三多个触发器的值仅当在线路2208上断言“负载缓冲”信号时改变，这是在所有垂直移位寄存器值加载到列移位寄存器2226的第二触发器1424中之后执行。因此举例来说，图22中图示的实施例的线路2208上的“负载缓冲”信号的施加导致图24中图示的状态，其中每一第三触发器2302的状态匹配于其对应的第二触发器1424的状态。随后将负载缓冲信号设定解除断言，从而允许水平移位寄存器重新加载列移位寄存器2226，同时像素1450的装置1412中的一个被读出。这允许测量装置1414，即使垂直移位寄存器2220正在将新测量配置加载到列移位寄存器2226中时也是如此。
参考图25，除了已经用纳米电子测量装置1414代替更一般测量装置2602，公开了根据本公开的另一方面的另一稀疏放大器阵列。虽然常常通过对跨越测量装置2602的电压进行箝位且测量通过跨阻抗放大器的电流来测量所述测量装置，但图25中图示的替代装置取得测量装置2602电流，在像素1450内将其向下划分且积分电流值。当开关1420接通时，放大器1412放大积分的电压值。分流器2502具有重要性，因为测量装置2602电流值对于一些形式的测量装置可相当大，且用于积分器电容器的面积将相当有限，因此通过向下划分电流值我们可确保积分器2504不会饱和。可以用上述扫描链或行/列寻址方法来解决此测量方案。
在一些实施例中，所述多个纳米电子测量装置中的测量装置是包括源极、漏极、栅极和沟道的纳米场效应晶体管，且其中来自反偏置线路的输入从源极跨越沟道施加到漏极。在一些此类实施例中，所述沟道是纳米线、碳纳米管或石墨烯纳米带。在一些实施例中，所述反偏置线路运载DC电压，且反偏置线路对测量装置的应用导致沟道测量装置中的DC电流。在一些实施例中，反偏置线路运载AC电压，且在反偏置线路对测量装置的应用期间所述AC电压的频率随时间的推移而改变。
在一些实施例中，所述多个测量装置中的每一测量装置2602是光传感器。
在一些实施例中，所述多个扇区中的扇区的多个测量装置中的测量装置2602被布置为衬底上的行或列。在一些实施例中，所述多个扇区中的扇区的多个测量装置中的测量装置2602被布置为衬底上的多个行或多个列。一些实施例提供本文公开的集成电路中的任一个，并且进一步包括多个放大器，其中所述多个放大器中的每一放大器与所述多个扇区中的对应扇区的放大器输入线路电连通。在一些此类实施例中，所述多个放大器中的放大器是电流/电压放大器。
在一些实施例中，所述多个扇区中的扇区中的所述多个测量装置2602包括1,000个测量装置。在一些实施例中，集成电路芯片包括布置于所述多个扇区中的10,000个测量装置2602。在一些实施例中，芯片由布置于所述多个扇区中的1,000个测量装置2602与一千万个测量装置2602之间的测量装置组成。在一些实施例中，芯片由布置于所述多个扇区中的10,000个测量装置2602与一百万个测量装置2602之间的测量装置组成。
在一些实施例中，所述多个测量装置中的仅单个相应测量装置2602在给定时间点在所述多个扇区中的每一扇区中处于接通状态，且所述多个扇区中的扇区的所述多个测量装置包括三百个装置。
在一些实施例中，数据输入线路被配置成接收永久地绕过所述多个扇区中的扇区中的所述多个测量装置中的多于50％的测量装置2602的指令。
在一些实施例中，所述多个扇区包括十个或更多个扇区，且所述多个扇区中的每一扇区中的所述多个测量装置2602包括一百个装置。在一些实施例中，集成电路被配置成在数据输入线路上接收永久地绕过所述多个扇区中的扇区中的5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、50％或60％或更多的测量装置2602进而永久地致使被绕过的测量装置2602处于断开状态的信号。
在一些实施例中，集成电路被配置成在数据输入线路上接收永久地绕过所述多个扇区中的扇区中的80％或更多的测量装置2602进而永久地致使被绕过的测量装置处于断开状态的信号。
在一些实施例中，所述多个扇区包括一百个或更多个扇区，且所述多个扇区中的每一扇区中的所述多个测量装置2602包括一千个装置。
在一些实施例中，所述多个扇区包括一百个或更多个扇区且所述多个扇区中的扇区中的所述多个测量装置2602包括一千个装置，且所述多个扇区中的扇区中的两个或更多个中的单个测量装置2602在所述两个或更多个扇区中的所有其它测量装置2602处于断开状态的情况下处于断开状态。
如上文所论述，图14至25的稀疏放大器阵列的所有实施例共同的是它们将信息推动到放大器阵列中，所述信息涉及哪些测量装置1414在工作(例如，处于例如接通状态或断开状态等某一状态)。此外，在图示的实施例中的每一个中，开关中断测量装置的在测量装置的漏极与放大器输出线路之间的电信号。再次，本公开不如此受限制且实际上对于开关与测量装置的何种组件(例如，门)进行交互是不可知的，只要开关的一个状态防止与测量装置相关联的测量信号到达放大器输出线路即可。这可通过使用开关来完全防止测量装置产生测量信号或者通过隔离测量信号与放大器输出线路而实现。此外，不存在将放大器输出线路路由到放大器的要求，并且因此在一些实施例中，放大器输出线路被称为“扇区输出线路”。此外再者，虽然其中任何给定扇区中的单个测量装置在任何给定时间产生报告给放大器输出线路的测量信号的使用情况场景，但本公开不如此受限制。具体地说，更一般化地，在任何给定时间，给定扇区中的少于全部的多个测量装置在任何给定时间在向放大器输出线路报告测量信号。因此，本公开明确地涵盖其中不同模式的测量装置在任何给定时间向放大器输出线路报告输出(允许处于接通状态)且此输出随后被解卷积的方法。
谨记上文，现将描述如何使用开关来防止与测量装置相关联的测量信号到达扇区输出线路的一些具体实施例。因此将了解，可容易地修改任何图14至25的稀疏放大器阵列以相应地改变开关1420与测量装置1416的交互。
本公开的一个此类方面是一种集成电路，其包括衬底和布置于所述衬底上的多个扇区。所述多个扇区中的每一扇区包括可编程开关控制器、扇区输入线路以及扇区输出线路。参考图14A，扇区输入线路的非限制性实例是线路1408且扇区输出线路的非限制性实例是线路1410。每一扇区包括空间布置于衬底上的多个测量装置。所述多个测量装置中的每一相应测量装置电耦合到扇区输入线路和扇区输出线路。每一扇区进一步包括多个开关。所述多个开关中的每一相应开关在以下状态之间门控所述多个测量装置中的对应测量装置：(i)接通状态，其中对应测量装置的电测量信号递送到扇区输出线路，以及(ii)断开状态，其中对应测量装置的电测量信号不递送到扇区输出线路。在此类实施例中，所述多个开关中的每一相应开关独立地接线到可编程开关控制器，进而致使相应开关响应于可编程开关控制器而处于接通状态和断开状态中的一个，且其中所述多个开关被配置成致使所述多个测量装置中的测量装置的子组在任何给定时间处于接通状态。
在根据本公开的此方面的一些实施例中，所述测量装置的子组是单个测量装置，意味着扇区的所述多个测量装置中的仅一个测量装置被配置成在任何给定时间处于接通状态。在其它实施例中，所述测量装置的子组是两个测量装置、三个或更多个装置、四个或更多个装置或者N个或更多个装置，前提是N小于扇区中的装置的总数目。
在根据本公开的此方面的一些实施例中，所述多个测量装置中的每一相应测量装置包括源极、漏极和栅极。这些实施例的实例是所述测量装置是纳米场效应晶体管。在此类实施例中，相应扇区进一步包括栅极线路。此外，扇区输入线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的源极，且扇区输出线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的漏极。所述多个开关中的每一相应开关将栅极线路门控到所述多个测量装置中的对应测量装置的栅极。换句话说，当开关在断开状态中时，栅极线路不连接到对应测量装置的栅极且因此对应测量装置不将测量信号递送到扇区输出线路。当开关在接通状态中时，栅极线路连接到对应测量装置的栅极，且因此对应测量装置将测量信号递送到扇区输出线路。
在根据本公开的此方面的一些替代实施例中，所述多个测量装置中的每一相应测量装置包括源极和漏极。扇区输入线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的源极，且扇区输出线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的漏极。测量装置可以具有任何数目的额外输入，例如栅极。无论测量装置类型如何，在此类实施例中，所述多个开关中的每一相应开关将扇区输入线路门控到所述多个测量装置中的对应测量装置的源极。换句话说，当开关在断开状态中时，扇区输入线路不连接到对应测量装置的源极且因此对应测量装置不将测量信号递送到扇区输出线路。当开关在接通状态中时，扇区输入线路连接到对应测量装置的源极，且因此对应测量装置将测量信号递送到扇区输出线路。
在根据本公开的此方面的再一些替代实施例中，所述多个测量装置中的每一相应测量装置包括源极和漏极。扇区输入线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的源极，且扇区输出线路连接到所述多个测量装置中的每一相应测量装置的漏极。测量装置可以具有任何数目的额外输入，例如栅极。无论测量装置类型如何，在此类实施例中，所述多个开关中的每一相应开关将扇区输出线路门控到所述多个测量装置中的对应测量装置的漏极。图14至25中明确地图示此实施例。
在一些方面中，稀疏放大器包括能够同时独立地从芯片的多个扇区同时进行读出的芯片。在一些实施例中，本发明包括例如CMOS芯片等成像芯片，其中成像芯片的每一扇区具有单独的移位寄存器。以下描述非限制性实施例以说明本发明的此方面。稀疏放大器可具有例如2000列x2000行或3600列x3600行。如上文所描述，仅一小部分纳米电子测量装置1414将为生产性的装置。此处，生产性的装置分数是大约1.5％(由于上述的产量和泊松加载损失的各个阶段)。存在在一些实施例中与每一行相关联的放大器1412，因此在第二实例中，存在3600个放大器。替代于在CMOS成像器中使用的典型行/列寻址，此处存在用于每一行的单独移位寄存器，或沿着用以当将被探测时“电化”纳米场效应晶体管装置的开关晶体管旁边延伸的3600个单独移位寄存器。
稀疏芯片的此实施例与常规芯片之间的关键差异在于此芯片能够从芯片同时读出来自聚合酶的定序数据，例如列1行16；以及列2行8；以及列3行22中。为了实现此目的，为每一行提供移位寄存器，从而允许我们同时独立地从这些不同行进行读取。
通过以下实例说明移位寄存器的操作。在数据收集(将例如每秒发生1000次)的一个“帧”的开始处，每个移位寄存器的第一时隙中将加载“1”且值的其余部分设定成零。随后将一系列整数加载到在每一列的基础处的3600个寄存器中。如果所述整数是N，那么移位寄存器随后将被脉冲N次。因此，当列接收到“15”时，将其移位寄存器脉冲15次。这具有使“1”移动直到第16行的作用，在第16行处停止。现在从移位寄存器中的值驱动开关；因此在其为“0”的情况下则开关保持断开，且在其为“1”的情况下将其与放大器连接。对于此实例，我们对来自每一行中的50个最佳纳米电子测量装置的读数进行计数，因此在25微秒之后加载另一整数，且移位寄存器再次被脉冲N次，接着是25微秒更多数据的获取。在实施此方法中，选择用以表示数字的位数目以平衡系统的需要。举例来说，较多位将导致需要处理较多数据，但可以提供更高精度。在一些情况下，系统被设计成使得丢失一些精度，但具有更容易的数据处置的益处。举例来说，在以上描述中，装置将在每一“帧”中冲击每一列约50次，从而产生大量数据。
在一些方面中，本发明提供用于对具有外壳和外壳电连接位点的模板核酸进行定序的系统。使外壳电连接位点与芯片上的电连接进行连接以用于将电信号提供到芯片且用于从芯片接收电信号。存在与外壳可逆地配合的芯片。芯片是如本文中所描述的纳米电子测量装置芯片。系统包含电子控制系统，其通过所述电连接而电连接到纳米电子测量装置以将所需电信号施加到纳米电子测量装置且用于从纳米电子测量装置接收电信号。系统通常具有计算机，所述计算机接收关于随时间的纳米电子测量装置处的电信号的信息且使用这些信息来识别模板核酸的序列。计算机也可例如通过将一系列电信号提供到芯片上的纳米电子测量装置而控制芯片的性能。
包括电荷标签的核苷酸类似物将通常是较大的，即具有比天然核苷酸更大的分子量。这些类似物可包含例如标题为《具有蛋白质屏蔽的聚合酶基体(Polymerase EnzymeSubstrates with Protein Shield)》的第9,062,091号美国专利中以及2014年8月5日提交的标题为《受保护荧光试剂化合物(Protected Fluorescent Reagent Compounds)》第14/452,497号美国专利申请中描述的核苷酸类似物，以上专利出于所有目的以引用的方式并入本文中。
在一些情况下，电荷标签包括珠粒，例如包括经由其聚磷酸盐部分附接的多个核苷酸的珠粒。这些类似物例如在出于所有目的以全文引用的方式并入本文中的美国专利8,367,813中描述。珠粒可涂覆有带电官能团、阴离子、阳离子或阴离子和阳离子基团的组合。可控制珠粒上的电荷量以便控制纳米场效应晶体管的栅极处的电信号。珠粒可具有任何可用的大小范围，例如约2nm与约50nm大小之间。珠粒所述形状可为球形、伸长的或其它有效形状以用于控制纳米场效应晶体管的栅极处的电流。
用于制作和寻址包含包括纳米线的纳米场效应晶体管的纳米电子测量装置的方法是此项技术中已知的。参见例如Choi等的《通过电子电路监视的单分子溶菌酶动力学(Single-Molecule Lysozyme Dynamics Monitored by an Electronic Circuit)》科学335,319(2012)，以及Patolsky等的《病毒的电检测(Electrical Detection of Viruses)》PNAS，101(39)，14017，2004，以上出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
虽然与沟道交互的标签称为电荷标签，但测得的信号可来自纳米尺度线的任何合适电学性质的改变，例如电压、电流、电导率、电阻率、电感、阻抗、电学改变、电磁改变等。所述信号可进一步包含反应的动力学的各种方面，例如接通/断开速率、合并速率以及酶中的构形改变的速率。此外，可以实验方式影响所述动力学以增强动力学信号，例如通过改变存在于反应混合物中的离子强度或离子类型或者例如核苷酸、盐等各种组分的浓度，或者将标签附接到核苷酸类似物的键联子的类型/长度，其中那些改变影响反应的动力学。在又其它实施例中，可使用具有更相异并且因此更可检测的构形改变的酶类。可以与本文所描述的方法一起使用的这些和其它改变反应的动力学的方法在此项技术中进一步描述，例如第8,133,672号美国专利、第8,986,930号美国专利、第8,999,676号美国专利以及第9,279,155号美国专利中，其全部以全文引用的方式并入本文中。
因此，聚合酶复合物可以相对于纳米尺度线定位以造成纳米尺度线中的可检测改变。在一些情况下，聚合酶复合物可以定位在纳米尺度线的约100nm内，纳米尺度线的约75nm内，纳米尺度线的约50nm内，纳米尺度线的约20nm内，纳米尺度线的约15nm内，或纳米尺度线的约10nm内。所属领域的技术人员可确定实际接近度。在一些情况下，聚合酶复合物定位距纳米尺度线小于约5nm。在其它情况下，聚合酶复合物定位在纳米尺度线的约4nm内、约3nm内、约2nm内或约1nm内。
在一些实施例中，聚合酶复合物紧固到直接结合(例如，共价)到纳米线(纳米尺度线)或沟道，例如如本文进一步描述。然而，在其它实施例中，聚合酶复合物不直接结合到纳米尺度线，而是另外相对于纳米线固定，即聚合酶复合物相对于纳米线间接固定。举例来说，聚合酶复合物可以通过键联子附接到纳米线，即聚合酶复合物和纳米尺度线各自相对于其固定的物质(或多个物质)，例如与其共价或非共价地结合。作为一实例，键联子可以直接结合到纳米尺度线，且聚合酶复合物可以直接结合到键联子，或者聚合酶复合物可以不直接结合到键联子，但相对于键联子固定，例如通过使用非共价键，例如氢键结合(例如，如互补核酸-核酸交互中)、疏水性交互(例如，烃链之间)、熵交互等等。键联子可以或可以不直接结合(例如，共价)到纳米尺度线。
根据本发明所使用的许多纳米线是个别纳米线。如本文所使用，“个别纳米线”意味着纳米线不与另一纳米线接触(但不排除个别纳米线之间可能需要的类型的接触，例如在纵横式阵列中)。举例来说，“个别”或“自立式”制品在其寿命的某个点可以不附接到另一制品，例如另一纳米线，或者自立式制品可以在溶液中。“个别”或“自立式”制品是可以(但不是必须)作为个别制品从制成其的位置移除并且输送到不同位置且与不同组件组合以制作功能装置的制品，所述功能装置例如本文所描述的那些以及所属领域的技术人员在阅读本公开后将预期的那些。
在另一组实施例中，纳米线(或其它纳米结构材料)可包含额外材料，例如半导体材料、掺杂剂、有机化合物、无机化合物等。以下是可用作纳米线内的掺杂剂的材料的非限制性实例。掺杂剂可为元素半导体，例如硅、锗、锡、硒、碲、硼、金刚石或磷。掺杂剂也可以是各种元素半导体的固溶体。实例包含硼和碳的混合物、硼和P的混合物(BP6)、硼和硅的混合物、硅和碳的混合物、硅和锗的混合物、硅和锡的混合物、锗和锡的混合物等。在一些实施例中，掺杂剂可包含第IV族元素的混合物，例如硅和碳的混合物或硅和锗的混合物。在其它实施例中，掺杂剂可包含第III族和第V族元素的混合物，例如BN、BP、BAs、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs或InSb。还可使用这些组合的混合物，例如BN/BP/BAs或BN/AlP的混合物。在其它实施例中，掺杂剂可包含第III族和第V族元素的混合物。举例来说，混合物可包含AlGaN、GaPAs、InPAs、GaInN、AlGaInN、GaInAsP或类似物。在其它实施例中，掺杂剂还可包含第II族和第VI族元素的混合物。举例来说，掺杂剂可包含ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、HgS、HgSe、HgTe、BeS、BeSe、BeTe、MgS、MgSe或类似物的混合物。这些掺杂剂的合金或混合物也是可能的，例如ZnCd Se或ZnSSe或类似物。另外，半导体的不同基团的混合物也可以是可能的，例如第II族-第VI族以及第III族-第V族元素的组合，例如(GaAs)x(ZnS)1-x。掺杂剂的其它非限制性实例可包含第IV族和第VI族元素的混合物，例如GeS、GeSe、GeTe、SnS、SnSe、SnTe、PbO、PbS、PbSe、PbTe等。其它掺杂剂混合物可包含第I族元素和第VII族元素的混合物，例如CuF、CuCl、CuBr、CuI、AgF、AgCl、AgBr、AgI或类似物。其它掺杂剂混合物可包含这些元素的不同混合物，例如BeSiN2、CaCN2、ZnGeP2、CdSnAs2、ZnSnSb2、CuGeP3、CuSi2P3、Si3N4、Ge3N4、Al2O3、(Al,Ga,In)2(S,Se,Te)3、Al2CO、(Cu,Ag)(Al,Ga,In,Tl,Fe)(S,Se,Te)2或类似物。
作为非限制性实例，p型掺杂剂可以选自第III族，且n型掺杂剂可以选自第V族。举例来说，p型掺杂剂可包含B、Al和In中的至少一种，且n型掺杂剂可包含P、As和Sb中的至少一种。对于第III族-第V族混合物，p型掺杂剂可以选自第II族，包含Mg、Zn、Cd和Hg中的一种或多种，或者第IV族，包含C和Si中的一种或多种。n型掺杂剂可以选自Si、Ge、Sn、S、Se和Te中的至少一种。应理解，本发明不限于这些掺杂剂，但还可包含其它元素、合金或混合物。
如本文所使用，参考周期表的术语“族”被给予其由所属领域的技术人员理解的常见定义。举例来说，第II族元素包含Mg和Ca以及第II族过渡元素，例如Zn、Cd和Hg。类似地，第III族元素包含B、Al、Ga、In和Tl；第IV族元素包含C、Si、Ge、Sn和Pb；第V族元素包含N、P、As、Sb和Bi；且第VI族元素包含O、S、Se、Te和Po。涉及来自每一族的多于一种元素的组合也是可能的。举例来说，第II-VI族材料可包含来自第II族的至少一个元素和来自第VI族的至少一个元素，例如ZnS、ZnSe、ZnSSe、ZnCdS、CdS或CdSe。类似地，第III-V族材料可包含来自第III族的至少一个元素和来自第V族的至少一个元素，例如GaAs、GaP、GaAsP、InAs、InP、AlGaAs或InAsP。关于这些材料及其组合也可以包含其它掺杂剂，举例来说，例如Fe、Co、Te、Au等过渡金属。在一些情况下，本发明的纳米尺度线可进一步包含任何有机或无机到分子。在一些情况下，有机或无机分子是可极化的和/或具有多个电荷态。
在一些实施例中，纳米线的至少一部分可以是本体掺杂半导体。如本文所使用，“本体掺杂”制品(例如，制品或制品的区段或区)是大体上贯穿制品的结晶晶格并入掺杂剂的制品。举例来说，例如碳纳米管等一些制品通常在基底材料增长之后掺杂，且因此掺杂剂从表面或外部仅延伸有限距离进入结晶晶格的内部。在一些实施例中，本体掺杂半导体可以包括两个或更多个本体掺杂区。因此，如本文使用于描述纳米线，“掺杂”指代本体掺杂纳米线，并且因此，“掺杂纳米(或纳米尺度)线”是本体掺杂纳米线。“重掺杂”和“轻掺杂”是所属领域的技术人员理解其含义的术语。
在某些实施例中，可以薄层功能化碳纳米线，所述薄层导致对标签的亲和力，这增加检测层中的电流调制标签的分割。在上述实例中，纳米管的疏水性可用于提供吸引力，所述吸引力可用以募集电导率调制标签靠近纳米线，但也可使用其它交互。任选地，可使用π堆叠。举例来说，例如某些荧光标记等具有大量π电子的分子对于碳纳米管的亲和力将高于仅由于疏水性交互而带来的亲和力。此外，纳米线可涂覆有带电基团以增加对类似物上的电导标签的亲和力。此外，可修改表面电荷以影响标签的分割。
在一组实施例中，本发明包含作为单晶体的纳米尺度线(或其它纳米结构材料)。如本文所使用，“单晶体”物品(例如，半导体)是贯穿物品具有共价结合、离子结合或其组合的物品。此单晶体物品可能在晶体中包含缺陷。
在又一组实施例中，纳米尺度线(或其它纳米结构材料)可以包括具有不同组合物的两个或更多个区。纳米尺度线的每一区可以具有任何形状或尺寸，且这些可在区之间相同或不同。举例来说，区可以具有小于1微米、小于100nm、小于10nm或小于1nm的最小尺寸。在一些情况下，一个或多个区可以是原子的单个单层(即，“δ掺杂”)。在某些情况下区可以小于单个单层厚(例如，如果单层内的一些原子缺乏)。
在再另一组实施例中，纳米尺度线可以接近衬底的表面而定位，即，纳米尺度线可以定位在内衬底的约50nm、约25nm、约10nm或约5nm内。在一些情况下，接近的纳米尺度线可以接触衬底的至少一部分。在一个实施例中，衬底包括半导体和/或金属。非限制性实例包含Si、Ge、GaAs等。上文参考纳米尺度线描述了其它合适的半导体和/或金属。在某些实施例中，衬底可以包括非金属/非半导体材料，例如玻璃、塑料或聚合物、凝胶、薄膜等。可以形成或包含在衬底中的合适聚合物的非限制性实例包含聚乙烯、聚丙烯、聚(对苯二甲酸亚乙酯)、聚二甲基硅氧烷或类似物。
纳米线、纳米尺度线上的纳米级线大体上是线，所述线在沿着其长度的任一点具有至少一个横截面尺寸并且在一些实施例中具有两个正交横截面尺寸，所述横截面尺寸小于约200nm、小于约150nm、小于约100nm、小于约70、小于约50nm、小于约20nm、小于约10nm或小于约5nm。在其它实施例中，所述横截面尺寸可小于2nm或1nm。在一组实施例中，纳米尺度线具有在从0.5nm到100nm或200nm的范围内的至少一个横截面尺寸。在一些情况下，纳米尺度线是导电的。在将纳米尺度线描述为具有例如核心和外部区的情况下，以上尺寸大体上涉及所述核心的那些尺寸。纳米级线的横截面可以具有任何任意形状，包含但不限于圆形、正方形、矩形、环形、多边形或椭圆形，且可以是规则或不规则形状。纳米尺度线可以是实心或中空的。下文展现可制作本发明的纳米尺度线的材料的实例的非限制性列表。本文所述实施例中的任一个中可使用任何纳米尺度线，包含碳纳米管、分子线(即，由单个分子形成的线)、纳米棒、纳米线、纳米晶须、有机或无机导电或半导电聚合物及类似物，除非另外规定。在一些实例中，可能不是分子线但具有各种小纳米级尺度尺寸的其它导电或半导电元件也可用以形成纳米电子测量装置的沟道，例如，例如主族和金属原子基线状硅等无机结构、含过渡金属的线、砷化镓、氮化镓、磷化铟、锗、硒化镉等。
广泛多种这些和其它纳米尺度线可以按有用于纳米电子测量装置的模式生长于表面上和/或施加于表面，其方式类似于本文所描述的涉及用作实例的特定纳米尺度线的技术，而无需过度实验。在一些情况下，纳米尺度线可以形成为具有至少约1微米、至少约3微米、至少约5微米或至少约10微米或约20微米的长度的尺寸，且可小于约100nm、小于约80nm、小于约60nm、小于约40nm、小于约20nm、小于约10nm、或小于约5nm的厚度(高度和宽度)。纳米尺度线可以具有大于约2:1、大于约3:1、大于约4:1、大于约5:1、大于约10:1、大于约25:1、大于约50:1、大于约75:1、大于约100:1、大于约150:1、大于约250:1、大于约500:1、大于约750:1或大于约1000:1或在一些情况下更大的纵横比(长度比厚度)。本发明的纳米线包含实心的且在一些情况下可以伸长的线。在一些情况下，纳米线是伸长的半导体，即纳米尺度半导体。
“纳米管”(例如，碳纳米管)通常是中空的或具有中空核心的纳米级线，包含所属领域的技术人员已知的那些纳米管。纳米管用作用于在本发明中使用的小线的一个实例，且在某些实施例中，本发明的装置包含与纳米管相称的尺度的线。在本发明中可以使用的纳米管的实例包含(但不限于)单壁纳米管(SWNT)。结构上，SWNT由辊压成无缝管的单个石墨烯薄片形成。取决于直径和螺旋形，SWNT可表现为一维金属和/或半导体。包含SWNT的纳米管的制造和表征的方法是已知的。纳米管的末端和/或侧面上的选择性功能化的方法也是已知的，且本发明在某些实施例中利用这些能力用于分子电子器件。多壁纳米管是众所周知的且也可以使用。
本发明的另一方面是隐式马尔可夫模型(hidden-Markov model，HMM)数据分析方法，其中通过产生约4,000,000个不同电压电平的10碱基环境相依性变构查找表而由隐式状态(序列)解释电压转变，但通过持续的聚合酶查询每一碱基位置10次，因此可通过查看电压过渡的完整集合而解析序列。此方法的一个新颖方面是认识到正受到环境的10碱基影响的动力学可能意味着变构交互也将受到环境的10碱基的较强影响。这些影响可与类似物结构对所观察电压改变的影响一样强，意味着一个环境中的同一聚合酶中的同一类似物可以产生正改变，而在另一环境中其可以产生负改变。在某些实施例中，以不同酶类来定序同一DNA以帮助解析HMM模型中的奇异值，这意味着在相同环境中将始终发生误差。在对于不同酶类或对于与那些酶类一起使用的不同类似物来说10碱基环境表是不同的情况下，将通常由不明确的10碱基拉伸引起的系统性误差将被移除。
类似物中的一个或多个(例如，经由电导标签、核碱基、磷酸盐链、糖、其它修改或其组合)可产生正改变且其它类似物产生负改变。举例来说，如果其中两个产生正改变且两个产生负改变，那么将需要静态状态电压的任一侧上的电压的仅两个振幅来辨别进入初生链束的碱基合并的次序。
纳米电子测量装置芯片也可具有其它并入的组件。由于所述装置可通过半导体处理技术来制作，因此包含例如电阻器、电容器、放大器、存储器电路、A/D转换器、逻辑电路及类似物等其它组件是直接的。电路可提供放大、模/数转换、信号处理、存储器和数据输出的功能。通过在装置中包含例如CMOS处理器等组件解决了同时监视多个事件的问题。并非使至少一对线从芯片带出信号，包含这些组件允许例如在DRAM芯片中使用的多路复用输出或可寻址输出。在装置的数目较大的情况下，趋于存在将额外电路建置到芯片上的更多需求。这允许以可显著减少对必须往来于芯片的电信号的量的需要的方式来实行对芯片的部分分析。
装置中使用的包含源极和漏极的电极可由任何合适的导电材料制成。它们通常由经受半导体处理的导电金属制成。金属包含铝、银、金和铂。电极被制造为在至少一个尺寸、至少两个尺寸或三个尺寸上约为若干纳米。电极的大小取决于各种设计参数。当在本申请中论述电极的大小时，我们大体上指代电极的暴露于流体定序混合物的部分。在许多情况下，不接触溶液的导电部分的大小被制作得较大以增加电导率。
图9图示芯片上的两个尺寸中的纳米电子测量装置的阵列。半导体表面可被图案化以产生纳米电子测量装置的阵列。用以将纳米电子测量装置连接到电输入和输出的互连件可通过使穿透通孔到达下部层来提供。到芯片的电连接通常对芯片的侧面或底部做出。
电荷标签
本发明的标签是可造成例如纳米线或纳米管的纳米场效应晶体管的沟道的电性质改变的部分。标签在本文中被称作电导标签、电荷标签、阻抗标签及类似物。所属领域的技术人员应理解，纳米电子测量装置的沟道中的电子改变可由于包围沟道的电场的改变，或例如纳米线或纳米管的电导率的改变。在一些情况下，沟道处的改变可由于包围沟道的溶液中的电荷的位移。常常通过跨越纳米电子测量装置的源极和漏极施加电压且监视纳米电子测量装置的沟道的电学性质来测量沟道处的电信号。所监视电学性质的任何此类改变可用以检测电荷标签。在一些情况下，电荷标签变为与沟道接触(可能重复接触)，且在其它情况下，电荷标签出现在纳米管(沟道)的某一距离内以使得其存在被检测。电荷标签常常是带电物质。它们可带正电、带负电或具有负电荷和正电荷两者。在一些情况下，电荷标签可造成沟道的电导率的增加，且在一些情况下，电荷标签可造成沟道的电导率的减小。在一些情况下，随后纳米电子测量装置可视为离子敏感FET或ISFET。电荷标签可为可溶于水的带电物质。电荷标签可具有多个电荷，例如从约2到约2,000个电荷。电荷标签可包括树枝状大分子或纳米粒子。可采用多个电荷标签，各自具有不同电荷电平，在一些情况下，一些电荷标签带正电且一些电荷标签带负电。
选择电荷标签以使得当其附接到的核苷酸类似物在酶的活性位点内时，电荷标签产生聚合酶附接到的或聚合酶接近的纳米线的电导率的改变。所述改变可为正改变或负改变，且其中在单一反应混合物中使用多个电荷标签，一个子组可以产生正改变，而另一子组产生负改变。预期不同类型的电荷标签与本文所提供的方法一起使用。一般来说，电荷标签包含电荷影响基团，即增强或削弱沟道的阻抗或电导的基团，且有用于其中通过合成复合物处或附近的阻抗或电导的改变来检测合并的应用。电荷影响官能团的实例包含例如：长烷链，其任选地包含例如酰胺基取代的增溶基团；长聚乙二醇链；多糖；粒子，例如乳胶、硅石、聚苯乙烯、金属、半导体或枝晶粒子；支化聚合物，例如分支链烷烃、分支链多糖、分支链芳香基链。电荷标签可以另外或替代地包含电化学基团，所述电化学基团可检测地更改分子的电荷且可以针对其例如总体电荷等电化学性质而进行检测或另外利用。举例来说，可包含高度带电基团作为官能团，例如额外磷酸基、硫酸基、胺基酸基团或链，例如聚离胺酸、聚精氨酸等。同样，可包含氧化还原活性基团，例如氧化还原活性化合物，例如血红素，或氧化还原活性酶类。其它电荷标签可包含例如电化学标签、磁性粒子、珠粒、半导体纳米晶体或量子点、金属纳米粒子(例如，金、银、铂、钴或类似物)、质量标签，例如粒子或其它大部分。广泛多种电荷标签是一般市售的(参见例如在probes.invitrogen.com/handbook/在线可用的Molecular Probes手册)，以引用的方式并入本文中。在一些情况下，纳米粒子用作电荷标签。举例来说，可使用金属、半导体、玻璃、氧化物、碳、硅、蛋白质、聚合物、离子材料的纳米粒子。
如本文中所描述，对于将在纳米电子测量装置的沟道处检测的电荷标签，其通常必须至少足够靠近纳米线以在德拜筛分长度内。因此，核苷酸类似物、键联子和标签的长度或大小必须足以在聚合酶的活性位点与沟道(例如，纳米线或纳米管)之间延伸。在一些情况下，这可通过使用长键联子来实现。在一些情况下，这可使用相对大的电荷标签来实现。此电荷标签可例如为蛋白质。在一些情况下，蛋白质具有与聚合酶相同量级的大小。举例来说，蛋白质电荷标签可具有从聚合酶的分子量的约1/10到聚合酶的分子量的约3倍或者从聚合酶的分子量的约1/5到聚合酶的分子量的约2倍的分子量。聚合酶可为例如phi29 DNA聚合酶。具有大约聚合酶的大小的蛋白质电荷标签的核苷酸类似物的实例在图10中示出。聚合酶1001经由键联子1003例如通过共价键而附接到纳米管1002，所述纳米管是纳米电子测量装置的沟道。聚合酶1001在核酸模板1004上实行模板引导的核酸合成。具有用于合并的校正(同源)碱基的核苷酸类似物1010保持在酶的活性位点内，且核苷酸类似物的磷酸盐部分延伸出聚合酶。电荷标签1011通过键联子1012附接到核苷酸类似物的磷酸盐部分。如图中可见，电荷标签1011具有大约为聚合酶的大小的大小。由于电荷标签的大小的选择以及核苷酸类似物键联子1012和聚合酶到纳米管键联子1002的长度，电荷标签处于适当位置以产生纳米管1002处的电信号的改变。所属领域的技术人员将理解，可选择所描述的组件的大小和长度以便控制在栅极处检测的信号。可用作电荷标签的蛋白质例如在以引用的方式并入本文中的[蛋白质屏蔽应用-146]中描述，其中这些蛋白质用作核苷酸类似物中的屏蔽物。蛋白质电荷标签可通过本文针对聚合酶在别处描述的已知方法而突变以修改蛋白质电荷标签的电荷和可溶性特性，以用于控制在纳米场效应晶体管栅极处测得的信号。
图11图示可如何使用长链电荷标签以在纳米电子测量装置的栅极处提供有效信号。可控制标签的长度以在经标记核苷酸类似物处于聚合酶的活性位点中的同时获得电荷标签与纳米管或纳米线的所期望水平的接触。举例来说，在图11中示出的实施例中，长链电荷标签链接到聚合酶的活性位点中的核苷酸，其中聚合酶经由第一键联子附接到纳米线或纳米管。标签链接到核苷酸的终端磷酸盐且具有足以甚至从聚合酶的活性位点的位置产生回转半径的长度，所述回转半径将包含纳米线检测器的表面。为此目的，通常使用约1nm到约3nm的分子以确保在纳米线检测器的范围内的经标记分子的带电部分的偶然访问，但长度高达5、10、20、40或甚至100nm的较长分子也可为有用的。应注意长链在本文中描述为电荷标签的部分。将理解在一些情况下，长度的某部分可以在核苷酸类似物内的键联子中。
在相关实施例中，终端磷酸盐电荷标签含有嵌段共聚物或其它聚合物以使得标签包含对纳米管具有亲和力的疏水性或其它非共价部分。此标签可为带电或不带电的。聚合物对纳米管的亲和力导致聚合物并且因此标签在纳米管附近的检测区内花费更多时间。即，聚合物将随时间回旋，且其对纳米管的亲和力将允许其朝向纳米管的表面(且因此检测区)分割。在此策略的优选实施例中，非共价结合部分的断开速率大于聚合酶的合并速率的10倍，或更优选地大于聚合酶的合并速率的100倍，或甚至更优选地大于聚合酶的合并速率的500倍。在一些实施例中，与纳米线的关联的工作循环比无所述部分的情况高50％或者比无所述部分的情况高100％或高300％或高1000％或更大。
区别标签--判定碱基
在本发明的定序方法中，存在通常两个或更多个不同类型的经标记核苷酸类似物，且通常存在四个不同类型的核苷酸类似物。存在区分各种类型碱基的各种方法。论述将大体上涉及区别四个碱基，但当然相同方法可用以区分两个、三个、五个或更多类型的核苷酸类似物。
此一组四个不同经标记核苷酸类似物的一个实例在图12中示出。四个不同核苷酸类型中的每一个运载可区分电荷标签，具有3、6、9或18个负电荷。存在四个不同核苷酸类似物。所述类似物对应于用于对应于天然碱基C、G、A和T的DNA合成的类似物。在所述类似物中的每一个中，聚磷酸盐链具有6个磷酸盐。此处带电电荷标签通过几个碳的相对较短键联子而连接。所属领域的技术人员将了解这是说明性的一组核苷酸类似物，且核苷酸部分的改变、聚磷酸盐中磷酸盐的数目改变、键联子的长度和化学结构以及电荷的相对数目可改变，以便选择纳米电子测量装置处的信号的所期望水平以用于所关注的定序系统。
图13中示出此一组四个不同经标记核苷酸类似物的一个实例。所述类似物中的每一个具有包括六磷酸酯、脱氧核糖和核碱基的核苷酸部分。聚乙二醇(PEG)键联子附接到核苷酸部分的终端磷酸盐。PEG键联子具有77个PEG单元且连接到电荷标签。不同大小的球体附接到所述核苷酸类似物中的每一个。在此实例中，使用聚苯乙烯球体。在其它实例中，例如使用二氧化钛或金球体。对应于G的核苷酸类似物具有直径约15nm的聚苯乙烯球体。对应于A的核苷酸类似物具有直径约25nm的聚苯乙烯球体。对应于T的核苷酸类似物具有直径约5nm的聚苯乙烯球体，且对应于C的核苷酸类似物具有直径约10nm的聚苯乙烯球体。这仅是可用于定序的许多组四个不同核苷酸类似物中的一组。在一些情况下，并非四个不同大小的纳米粒子，所述四个不同核苷酸可各自具有相同类型和大小的纳米粒子，但各自具有不同类型的键联子。
区别核苷酸类型是例如使用阻抗的量值、阻抗对频率的特性以及在纳米电子测量装置的沟道处测得的阻抗电流对时间特性(电流振荡颜色)来完成。以上的组合也可为有用的；例如通过使用两个标签和两个振幅；两个类型的阻抗对频率，以及两个类型的电流振荡颜色等。举例来说，控制电荷的数目、密度和类型以及大分子带电标签的使用可用于任一类型的电检测。
可提供沟道电导率的差异的电荷标签是此项技术中已知的。在一些情况下，可使用小分子。在某些情况下，例如纳米粒子等粒子用作电荷标签。可改变纳米粒子的特性以便产生通过纳米场效应晶体管的沟道的不同电信号。纳米粒子的大小可影响粒子的电容以及化学结构。可使用且可产生金属、半导体、玻璃、氧化物、碳、硅、蛋白质、聚合物、离子材料的纳米粒子以具有广泛不同的沟道电导率量值以及栅极电导率对频率特性。粒子的大小可在宽范围上变化，例如直径从约2纳米到约50纳米。对电极附近的电信号改变的一个促成者是纳米电子测量装置和相关联纳米线的电容特性。然而应理解，正测量的阻抗是电极周围的区的阻抗而不仅仅是标签的阻抗。举例来说，纳米粒子标签将使电极附近的溶液移位，以使得在沟道处的测得的电信号将包含所述改变。因此，与当电荷标签不存在时的电导率相比，纳米电子测量装置的沟道附近的标签可导致电导率升高或降低。
可例如通过在核苷酸类似物上提供具有多个导电部分的电荷标签来实行基于量值电导率改变而区别核苷酸类似物。包含具有多价架构的那些核苷酸类似物结构以及具有多个部分的核苷酸可如例如标题为“用于染料轭合物的分子转接子(Molecular Adaptorsfor Dye Conjugates)”的美国专利申请20120058473以及标题为“基于架构的聚合酶基体(Scaffold-Based Polymerase Enzyme Substrates)”的第8,906,612号美国专利中所描述而制备，以上美国专利出于所有目的以引用的方式并入本文中。虽然这些参考大体上描述荧光标记，但与本申请的教示结合应了解，如本文中所描述通过合适键联子连接的合适电荷标签可代替荧光标记。
本文使用术语阻抗、电导率和电容来描述纳米电子测量装置的沟道的电特性。应理解，阻抗是较一般术语，且阻抗通常具有电容性和电阻性(电导率)分量。举例来说，对于给定系统，在低频率的电流由电导率或电阻率的水平控制，而在高频率的电流由电容的水平控制。在一些情况下，频率约为几十千赫兹或更大。在这些频率下，对于所描述的几何形状和材料，阻抗是由电容性而不是电阻性分量支配。在一些情况下，可使用包含DC的低频率，其中电阻率(电导率)是主要分量。虽然在每一情况下阻抗可以由电容或电阻率的一个分量控制，但所属领域的技术人员将理解在一些情况下，这些分量的组合存在，且所属领域的技术人员将通过术语在本文的上下文来理解其含义。
核苷酸类似物也可通过其阻抗对频率特性来区别。标签的测得阻抗也将高度取决于频率。众所周知，贡献于给定系统中的阻抗的分量可随频率显著变化，例如离子运动在一些频率下可为支配的，且两极贡献在其它频率下可为支配的。这种类型的测量有时称为阻抗光谱法或介电谱测量。参见例如Barsoukov等的《阻抗光谱法：理论、实验和应用(Impedance Spectroscopy:Theory,Experiment,and Applications)》，Wiley出版社，2005以及Kremer等的《宽带介电谱(Broadband dielectric spectroscopy)》，Springer出版社，2003，以上内容出于所有目的以引用的方式并入本文中。不同标签展现不同的阻抗对频率特性，且这些特性可用以提供相异标签且增加碱基判定的置信度。
标签的阻抗也可随着在给定频率下施加于纳米尺度电极的电压的振幅而变化。可调整施加的电压以获得各种标签之间的最佳区别。在一些情况下，替代或补充如上文所描述改变频率可以改变电压，从而允许至少部分地通过标签的阻抗对电极电压特性而区别标签。
电流对时间特性可称为电流振荡颜色。举例来说，各自具有相同电荷标签但具有不同长度键联子的两个核苷酸类似物可展现不同的电信号对时间特性。电流振荡颜色可用于纳米电子测量装置。具有较长键联子的核苷酸可以例如不同地扩散，且因此展现与具有较短键联子的核苷酸类似物相比不同的随时间阻抗特性。电流振荡的此频率差异可用以确定哪些核苷酸类似物与酶相关联。除键联子长度之外，还可通过键联子的其它特性来影响电流振荡颜色，例如键联子的弹性常数。电流振荡颜色将取决于测量系统的特性，例如电极几何形状和聚合酶复合物附接。可选择这些因素以控制电流振荡颜色的差异以增强并入了哪一种核苷酸的确定。
因此可通过其产生的电振荡的频谱来识别核苷酸或类似物。在一些情况下，振荡看起来类似于噪声，但具有可再生且可识别的特性，包含信号的频率和量值。可使用这些不同类型的振荡，类似于在光学系统中使用不同有色染料来区别不同核苷酸类似物，因此我们在本文将可区分类型的电流振荡称为电流振荡颜色。
本发明的一个方面是除了仅标签的阻抗改变和阻抗频谱外还利用额外参数来对与酶相关联的物质进行分类。这些参数在脉冲的持续时间中是可测量的。两个一般类别的测量情形是：准平衡测量和非平衡测量。
在准平衡测量中，存在在事件的持续时间中保持在适当位置的一些静态约束，且所述约束的移除有效地确定事件的结束(在可检测对象完全离开电极的同时在结束处的可忽视短间隔除外)。虽然所述约束是固定的，但系统的组件的其余部分自由移动，且这导致信号的波动。举例来说，扩散(或等效地布朗运动)将造成标签的移动。在大多数环境下，所述运动将与跨越纳米孔的电流的改变相关，且因此与系统中在别处可能测得的电压相关。因为这一点，例如亚分子扩散常数(仅分子的所述部分的可扩散性，即使当分子的另一部分受限时)等可检测部分的方面将改变那些运动的速度且因此改变所观察电压或电流将随之改变的特征频率。举例来说，快速扩散器将大体上具有偏白色噪声频谱，而较慢扩散器将趋于产生偏粉色电流振荡频谱。
电流振荡颜色可例如通过以下各项而用作鉴别器的基础：1)取得关注区上(例如，事件的持续时间上)的电流振荡标志，2)执行傅立叶变换分析或自相关分析，以及检查在可用频率的范围内的电流振荡的频谱(例如，从f＝1/T，其中T为脉冲的持续时间，直到放大器系统的截止频率或稍微超出截止的频率)。此过程将导致随频率而变的以数字方式取样的电流振荡振幅。这可以通过少到两个样本(低频率区和高频率区)、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、16、32、64、128、256、512、1024或更多区间来表示。这些区间中的值可以是函数的离散样本，或者它们表示在理想化连续函数的关注区上的积分。此离散值集合可表示为向量，所述向量可通过例如k均值集群、SVM、CART或增强CART、PCA和许多其它的许多机器学习系统中的一种而分类。因此，如本文中所描述，电流振荡颜色可用以区别可检测的部分。基于电流振荡颜色的检测系统可称为“电流振荡颜色识别系统”，且当使用为了产生不同电流振荡颜色而工程化的部分时，它们称为“电流振荡颜色标记物”。在定序系统中，当在此基础上识别核苷酸碱基序列时，其可称为电流振荡颜色定序系统(无论电流振荡颜色是否对碱基或电流振荡颜色标记物的结果是固有的)。
除扩散常数以外的其它方面也可影响信号的电流振荡颜色。举例来说，在使用具有不同弹性常数的键联子的实施例中，这将影响这些扩散波动的量值，其将随后影响电流振荡信号(不应与在事件期间的DC电流的振幅混淆--这是指代在事件的持续时间中信号的RMS噪声)。与具有RGB或HSV的颜色系统类似，颜色可经一般化为包含颜色的“亮度”。在上文所提到的频谱分析模型中，这将导致向量中的值对于能够进行较大偏移的部分较大，且对于在位置上更受限的部分导致较低值。在上文所示的机器学习范例中可采用这些信号中的一些或全部。存在可影响所述偏移的大小的许多方面。
用以连接纳米电子测量装置或作为纳米电子测量装置的部分的纳米尺度电极，例如源极和漏极通常被制备以使得电极具有低电容以便允许快速改变电极上的电压以实行本文所描述的定序方法。通过材料的选择以及通过电极的几何形状和电极的间距，使电阻和电容保持低。一个考虑是保持每一电容性装置的RC时间常数低到足以允许改变电极上的电压以实行本文所描述的方法。在一些情况下，电极的RC时间常数小于100微秒、小于10微秒、小于1微秒、小于0.1微秒或小于0.01微秒。在一些情况下，RC时间常数在0.01微秒与100微秒之间。为了使RC时间常数保持低，电极以及运载电流往来于电极的互连件是由具有大于106S/m的电导率的材料形成。合适的材料包含铜、银、金、铂和铝。为了使电容保持低，电极的尺寸也大体上较小，在纳米尺度上。另外，在如两个电极配置中存在彼此靠近的两个电极的情况下，虽然暴露于表面的电极部分靠近在一起，但电极被配置成不具有其中所述两个电极在几纳米内的较大部分。本发明的方面还有使电极的与导电液体接触的区域最小化以便控制系统的电容。类似地，本发明的一方面是使用绝缘层来增加到接地平面、其它电极或可以产生杂散电容的任何其它导体的距离。
本发明的由于结构的低RC时间常数而快速电学寻址小纳米电子测量装置的能力有用于实行本发明，因为其允许对多个频率体系进行取样以识别存在的不同组分的身份。
本文所描述的方法提供了在并入于结合的聚合酶模板复合物中时识别并入到增长核酸链的核苷酸类似物。通过测量接近于结合聚合酶模板复合物的纳米电子测量装置中的电信号来测量碱基的存在和身份。如上文所描述，在对应于碱基合并的时间的一段时间中对应于接近于纳米电子测量装置的特定碱基的电荷标签的存在指示所述碱基已并入。所述碱基进入增长链束的合并指示模板链束中的互补碱基的存在，从而提供关于所述模板的序列信息。碱基的判定是使用软件完成，所述软件取得电流对时间信息且在一些情况下取得其它信息以便判定已并入的碱基。
用于脉冲辨识的示例性过程如下。一旦在某一时间周期中对于给定纳米电子测量装置已经产生电流迹线，所述电流迹线便经受脉冲辨识过程。在初始步骤中，针对所述迹线建立基线。通常，所述基线可以包括来自若干背景源的信号贡献(取决于频谱和迹线提取步骤的细节)。举例来说，此噪声可包含例如全局背景(例如，大尺度空间串扰)和扩散背景。这些背景在脉冲的时间尺度上大体上稳定，但仍可以在较长时间尺度上缓慢变化。基线移除包括任何数目的技术，范围例如：迹线的中值，具有偏置校正的运行最低百分点，多项式和/或指数拟合，或具有FFT的低通滤波。大体上这些方法将尝试对迹线中的脉冲的存在为稳健的，且可以实际通过迭代方法而导出，所述迭代方法进行多个遍次以识别脉冲且从基线估计的考虑中移除所述脉冲。在某些优选实施例中，针对每一迹线通道计算基线或背景模型以例如设定用于基于阈值的事件检测的尺度。
其它基线化功能包含用于总体信号电平的漂移或衰减的校正。举例来说，有时观察全局背景衰减。此全局背景衰减存在于基体的不存在接近于纳米电子测量装置而结合的酶的部分上，因此允许从这些位置导出的迹线与二维全局背景图象组合使用以估计此信号对跨越芯片的每个迹线/沟道的贡献。可随后从每一迹线减去变化率的此分量且此分量通常极有效于移除此衰减。通常，这是在基线化过程之前实行。
在基线的建立后，迹线经受噪声抑制滤波以最大化脉冲检测。在特别优选的方面中，噪声滤波器是具有所关注脉冲的宽度和形状的‘匹配滤波器’。虽然电流脉冲时间尺度(且因此脉冲宽度)预期在不同的电容性经标记核苷酸之间变化，但优选滤波器将通常寻找随变化的总体持续时间具有特性形状的脉冲。举例来说，寻找例如从约10ms到100或更多ms的长期持续时间的电流脉冲的矩形波滤波器提供合适的滤波器。此滤波大体上通过卷积或低通频域滤波而在时域中执行。其它滤波技术包含：中值滤波(具有取决于所使用时间尺度而从迹线完全移除短时间尺度脉冲的额外作用)，以及Savitsky-Golay滤波，其趋向于再次取决于滤波器中使用的参数而保存脉冲的形状)。
虽然在跨越各种迹线的通用滤波过程的方面描述，但将了解，不同脉冲可以具有不同特性，且因此可以经受迹线特定的滤波协议。举例来说，在一些情况下，给定经标记类似物(例如，A)与另一不同经标记类似物(例如，T)相比可以具有合并事件的不同脉冲持续时间。因此，对应于A类似物的谱迹线的滤波过程与对应于T类似物合并的迹线相比将具有较长持续时间脉冲上的不同滤波度量。一般来说，这些滤波器(例如，多尺度滤波器)增强了信噪比以用于增强的检测灵敏度。即使在同一通道内也可存在某一范围的脉冲宽度。因此通常使用一组这些滤波器以便在同一通道内在某一范围的时间尺度下最大化对脉冲的灵敏度。
在识别经滤波迹线上的脉冲时，可使用若干不同准则。举例来说，可以在具有或不具有正规化的情况下使用绝对电流振幅。替代地，可从作为用于识别脉冲的度量的脉冲与扩散背景比率来识别脉冲。在再其它方法中，可以使用统计显著性测试以识别可能超过给定分析中存在的背景噪声水平的脉冲。后一种方法是特别优选的，因为其允许潜在脉冲强度的变化，且减少从基线中的噪声判定的错误肯定的水平。
如先前所提到，包含电容变化的振幅、阻抗对频率、驻留时间以及电流振荡颜色的若干信号参数可以且大体上用于脉冲识别(以及脉冲分类)。出于说明的目的，下方的论述主要是关于使用两个脉冲度量，即脉冲强度和脉冲宽度。如将了解，所述过程可以大体上包含本文在别处阐述的各种脉冲度量比较中的任何一个或多个。
因此，在滤波后，实行基线(噪声和电流脉冲)的标准偏差以及脉冲检测阈值的确定。用于确定迹线的标准偏差的优选方法包含稳健的标准偏差确定，包含例如基于关于基线的中值绝对差、对基线化强度的直方图的高斯或泊松拟合，或者其中排除极端离群值的迭代Σ-修剪估计。一旦针对每一迹线确定，便在脉冲超过某个预设数目的与基线的标准偏差的情况下识别所述脉冲。构成有效脉冲的标准偏差的数目可取决于若干因素而变化，包含例如有效脉冲的识别或分类中的所需置信度程度、系统的信噪比、对系统的其它噪声贡献的量及类似物。在优选方面中，例如在迹线中的脉冲的起始处的合并事件的上阈值设定于约5个标准偏差或更大，而下阈值(确定脉冲已结束的点)设定于1.25个标准偏差。可使用上阈值低达3.75个标准偏差，且高达将允许的信噪比--高达7、10、20或50个标准偏差。下阈值可设定于从-1标准偏差直到上阈值的任何值。替代地，可从上信号的平均值和标准偏差计算下阈值，在此情况下其可以设定于-3标准偏差到-6标准偏差之间。如果信噪比充分高，那么其可以设定成-7、10、20或50标准偏差。随后从上阈值与下阈值的触发之间的时间确定脉冲宽度。一旦初始地识别有效脉冲，那么它们经受进一步处理以确定是否可判定所述脉冲为特定碱基合并。替代地，可提前对信号进行滤波以消除对应于不大可能对应于真合并事件的时间尺度的频率分量，在此情况下所述进一步处理步骤是任选的。
在一些情况下，通过迹线进行多个遍次从而检查在不同时间尺度的脉冲，从中可以创建在这些不同时间阈值下检测到的非冗余脉冲的列表。这通常包含未经滤波的迹线的分析以便最小化时间上的潜在脉冲重叠，进而最大化对具有处于或接近相机的最高帧速率的宽度的脉冲的灵敏度。这允许将电流振荡颜色或其它度量应用于固有地在不同时间尺度上操作的当前脉冲。确切地说，在较长时间尺度下的分析可以建立在较短时间尺度下不可识别的趋势，例如识别多个短时间尺度脉冲实际对应于单个较长离散脉冲。
另外，可以从考虑/评估中移除一些脉冲，其中它们可能已被识别为系统误差的结果，例如通过邻近装置的空间串扰，或检测通道之间的串扰(在校准过程中尚未解决这些问题的程度上)。通常，校准过程将识别每一装置的串扰系数，且因此允许校正这些组件。
在某些实施例中，迹线文件包括L加权总和(LWS)迹线，其中迹线经优化为对反应混合物中的个别标签具有最大脉冲检测灵敏度。这不是解卷积或多分量迹线表示，且经受频谱串扰。
随后通过将所提取的谱与校准过程中建立的标签集合的谱进行比较来实行将所提取脉冲分类为4(或N)个标签中的一个。可以使用若干比较性方法来产生用于此过程的比较性度量。举例来说，在一些方面中，使用χ2测试来建立所述比较的拟合的良好度。合适的χ2测试例如在美国专利申请20120015825中描述，所述美国专利申请出于所有目的以引用的方式并入本文中。
一旦脉冲频谱被分类为对应于特定标签频谱，那么使用所述相关将碱基分类指派于脉冲。如上所述，碱基分类或“判定”可以被配置成直接识别在反应中添加到延伸引物序列的经标记碱基，或者其可以被设定成判定与所添加碱基的互补碱基(且其中脉冲频谱最佳匹配于标签频谱)。在任一情况下，输出将是对每一所辨识且分类的脉冲的碱基分类的指派。举例来说，碱基分类可以是特定碱基对脉冲的指派，或者将脉冲识别为插入或删除事件。
在理想情形中，一旦脉冲被识别为有效且决定性地识别其频谱，那么基于所述信息简单地判定碱基。然而如上所述，在典型的定序运行中，信号迹线可包含信号噪声，例如遗失的脉冲(例如，未发现脉冲为有效的但对应于合并事件的点)、例如产生于非特异性吸附类似物或标签的错误肯定脉冲，或类似物。因此，脉冲分类(又称为碱基分类)在许多情况下可涉及较复杂的分析。如同上述脉冲识别，碱基分类通常依赖于在将碱基指派于特定经识别有效脉冲时的多个不同信号特性。在许多情况下可以比较两个、三个、五个、十个或更多不同信号特性以便从给定有效脉冲判定碱基。这些特性包含如上文所描述在识别有效脉冲时使用的那些特性，例如脉冲宽度或其衍生物(例如，平滑脉冲宽度估计、同源驻留时间或非同源驻留时间)、脉冲强度、脉冲通道、脉冲的估计平均电流振幅、对应于同一通道的迹线中的所有脉冲的中值电流振幅、通道匹配脉冲身份的背景和/或基线水平、信噪比(例如，匹配通道中的脉冲的信噪比，和/或每一不同通道的信噪比)、功率与噪声比率、脉冲峰中的积分计数、跨越脉冲的最大信号值、随时间(例如，在至少约1、2、5、10、15、20或30秒窗口中)的脉冲密度、相邻脉冲的形状以及与其的距离/时间(例如，脉冲间距离)、相邻脉冲的通道(例如，先前1、2、3或4个脉冲的通道和/或随后1、2、3或4个脉冲的通道)、脉冲通道与一个或多个相邻脉冲的通道的相似性、相邻脉冲的信噪比、脉冲的谱标志、脉冲质心位置及类似物，及其组合。通常，这些比较将基于与已知碱基分类的模式相比使用的度量的标准模式辨识，从而产生有效脉冲与标准碱基简档的模式之间的最接近模式拟合的碱基判定。
脉冲度量与来自与已知碱基身份相关联的脉冲的代表性度量的比较将通常采用预测性或机器学习过程。确切地说，创建“N个先前解决的情况”的“训练”数据库，其包含上述各种度量。举例来说，针对每一脉冲分析特征的向量，且测量用于那些特征的值且用以确定脉冲的分类，例如对应于脉冲的事件，例如合并、删除或插入事件。如本文所使用，合并事件指代与模板链束互补的核苷酸的合并，删除事件对应于导致所观察序列读段中的一个位置间隙的遗失脉冲，且插入事件对应于导致无合并存在下的碱基检测的额外脉冲。举例来说，当聚合酶结合同源或非同源核苷酸但所述核苷酸释放而未合并进入增长多核苷酸链束时可检测到额外脉冲。从所述数据库，将学习程序应用于数据以便从所述数据提取预测函数。广泛多种学习程序是此项技术中已知且容易适用于脉冲度量的数据库。这些包含(例如)线性/逻辑回归算法、神经网络、内核方法、决策树、多变量样条(MARS)、多相加性回归树(MARTTM)、支持向量机。
除在被识别为有效的脉冲处判定碱基之外，本方法还允许对遗失的脉冲进行建模。举例来说，条件随机场(CRF)是在脉冲分类中可使用的概率模型(参见例如Lafferty等(2001)机器学习国际会议会刊01，282-289页，其出于所有目的以全文引用的方式并入本文中)。CRF也可概念化为一般化的隐式马尔可夫模型(HMM)，其一些实例在本文在别处描述且是此项技术中众所周知的。本发明包含使用CRF对所观察脉冲迹线中的遗失碱基进行建模。除碱基判定之外，还可使用用于共识产生和序列对准的算法以从本文所描述的定序方法获得其它信息。
用于判定碱基、共识产生和序列对准的方法例如在出于所有目的并入本文中的以下专利和申请中描述：标题为“用于来自多个源的光学信号的同时实时监视的方法和系统”的US 7995202；标题为“用于来自多个源的光学信号的同时实时监视的方法和系统”的US7626704；标题为“用于通过合并方法判定序列中的碱基的方法和过程”的US 8182993；2012年5月10日提交的标题为“用于序列确定的算法”的US 13/468347；标题为“具有软件屏蔽的分析系统和方法”的US 20120015825；标题为“序列组合以及共同序列确定”的US20110257889；标题为“用于监视反应的方法和系统”的US 20120052490；标题为“用于处理数据的序列确定的算法”的US 20100169026。虽然以上文献中的碱基识别和碱基判定算法通常是参考光学系统而描述，但根据当前规范，所属领域的技术人员将理解如何将这些方法带入本发明的纳米电子测量装置定序系统和方法。
聚合酶-核酸复合物
本发明的聚合酶复合物包括与模板分子相关联的核酸聚合酶。模板还通常具有与其杂交的引物，而一些聚合酶可起始核酸合成而无需添加外部引物。虽然许多酶-基体交互是瞬时的，但一些聚合酶可与核酸形成相对稳定的复合物，所述复合物可被操纵、纯化并且接着用以实行核酸合成。举例来说，具有相对高持续合成能力的DNA聚合酶可具有与模板核酸分子的强关联。示例性DNA聚合酶是
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DNA聚合酶。用于形成和操纵聚合酶-核酸复合物的方法例如在2010年9月22日提交的标题为“用于定序的纯化延伸聚合酶/模板复合物”的同在申请中美国专利申请61/385376以及标题为“聚合酶-核酸复合物的隔离”的第8,658,364号美国专利中描述，以上专利出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
聚合酶-核酸复合物将通常包括具有双股区的聚合酶和核酸。聚合酶-核酸复合物将大体上具有引物，从所述引物将产生与核酸的模板链束互补的初生核酸链。所述引物通常是与模板核酸的一部分互补的短寡核苷酸。本发明的引物可包括天然产生的RNA或DNA寡核苷酸。本发明的引物也可以是合成的类似物。引物可以具有如上文针对本发明的核酸所描述的替代骨架。引物还可具有其它修改，例如杂原子的包含、标签的附接，或仍将允许碱基配对且通过酶而辨识的用官能团的取代。引物可选择较紧密的结合引物序列，例如富GC序列，以及采用在其结构内包含非天然核苷酸或核苷酸类似物的引物，例如肽核酸(PNA)或锁核酸(LNA)，其可展现与模板的较高亲和力配对。在一些情况下，引物是作为单独组分而添加以形成复合物；在其它情况下，引物可为所使用的核酸的部分。举例来说，在一些情况下，加引物可开始于双股核酸的一个链束中的点切或间隙处。
模板核酸可从任何合适的天然或合成源导出。在优选实施例中，模板包括双股DNA，但在一些情况下可使用双股RNA或RNA-DNA异双螺旋。模板核酸可为来自真核生物、细菌或古细菌的基因组DNA。模板核酸可为从包含信使RNA的任何合适源导出的cDNA。模板核酸可包括DNA的双股片段的库。模板核酸可为线性或圆形的。举例来说，核酸可在拓扑上为圆形且具有线性双股区。圆形核酸可例如为带空位的质体。在一些实施例中，核酸是在链束中的一个中具有间隙的双链线性DNA。所述间隙提供用于附接用于核酸合成的聚合酶的位点。具有双股DNA转接子的线性双股DNA可通过DNA片段经由钝端接合或粘端接合而接合到转接子来制得。所述接合产生具有靠近链束中的一个或两个的5'端的间隙的线性DNA。所述间隙可为任何合适的宽度。举例来说，所述间隙可为从1到50个碱基、从2到30个碱基或从3到12个碱基。
本文的术语“核酸”或“寡核苷酸”或语法等效物意味着被共价链接在一起的至少两个核苷酸。本发明的核酸将大体上含有磷酸二酯键，但在一些情况下，包含可以具有交替骨架的核苷酸类似物，包括例如磷酰胺、硫代磷酸酯、二硫代磷酸酯以及肽核酸骨架和键链。其它类似物核酸包含具有正骨架、非离子骨架和非核糖骨架的那些，包含第5,235,033和5,034,506号美国专利中描述的那些。模板核酸还可具有其它修改，例如杂原子的包含、标签的附接，或仍将允许碱基配对和通过酶而辨识的用官能团的取代。
取决于所需应用，可以用若干不同格式类型中的任一种来提供模板序列。模板可以提供为圆形或功能上圆形构造，其允许通过合成复合物对同一核酸序列的冗余处理。这些圆形构造的使用已在例如第7,315,019和7,901,889号美国专利中描述。替代的功能圆形构造也在以下专利中描述：第8,236,499号美国专利“用于核酸样品制备的方法和组合物”；第8,153,375号美国专利“用于核酸定序的组合物和方法”；第8,003,330号美国专利“用于克隆定序的DNA的无误差扩增”；以及2012年1月31日提交的标题为“用于核酸样品制备的方法和组合物”的13/363,066，以上专利中的每一个的完整公开内容处于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
简单来说，这些替代构造包含具有中心双链部分的模板序列，所述中心双链部分通过例如发夹环片段等适当的链接寡核苷酸而链接在每一末端。这些结构不仅提供重复复写单个分子(且因此定序所述分子)的能力，而且通过复制双链部分的正义和反义部分两者而实现额外冗余。在定序应用的背景下，这些冗余定序在序列准确性方面提供大的优点。
核酸可包括核酸的群体，其具有对所述群体中的所有核酸共同的通用序列区并且还具有在所述群体的不同成员中不同的特定区。本发明允许使用通用或特定区来捕获和隔离聚合酶-核酸复合物。
虽然在许多情况下本文将核酸合成描述为从引物延伸，但应理解，一些聚合酶并不需要添加的外部引物，且可使用终端蛋白质来起始。可使用终端蛋白质起始的聚合酶包含
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聚合酶。
聚合酶酶类
对本发明有用的聚合酶酶类可包含任何合适的核酸聚合酶。本文更详细地描述可使用的聚合酶的类型。
DNA聚合酶
DNA聚合酶有时基于各种系统发生的关系而分类成六个主要群组，例如大肠杆菌Pol I(A类)、大肠杆菌Pol II(B类)、大肠杆菌Pol III(C类)、古菌类群Pol II(D类)、人Polβ(X类)，以及大肠杆菌UmuC/DinB和真核RAD30/干皮病着色性变体(Y类)，它们出于所有目的以引用的方式并入本文中。对于最近命名法的回顾，参见例如Burgers等(2001)“真核DNA聚合酶：修改命名法的提议”《生物化学杂志》276(47):43487-90。对于聚合酶的回顾，参见例如Hübscher等(2002)“真核DNA聚合酶”生物化学年度回顾卷71:133-163；Alba(2001)“蛋白质族回顾：复制DNA聚合酶”基因组生物学2(1)：回顾3002.1-3002.4；以及Steitz(1999)“DNA聚合酶：结构分集和共同机制”生物化学杂志274:17395-17398，以上出于所有目的以引用的方式并入本文中。已经确定许多聚合酶的动作的基本机制。几乎数百种聚合酶的序列是公开可用的，且已经确定许多这些聚合酶的晶体结构，或可基于与解决的同源聚合酶的晶体结构的相似性而推断。举例来说，Φ29的晶体结构是可用的，其为将根据本发明修改的优选类型的亲代酶。
除野生型聚合酶之外，还可使用由一大批不同源制成的嵌合聚合酶。举例来说，通过将来自多于一个亲代聚合酶的序列纳入考虑而制得的Φ29聚合酶可用作突变的起始点以产生本发明的聚合酶。可例如使用聚合酶之间的相似性区的考虑来产生嵌合体以界定在嵌合体中使用的共同序列，或使用基因改组技术，其中多个Φ29相关聚合酶经由可用基因改组技术而随机地或半随机地改组(例如，经由“同族基因改组”；参见Crameri等(1998)“来自不同物质的一系列基因的DNA改组加速定向进化”《自然》391:288-291；Clackson等(1991)“使用噬菌体呈现库制作抗体片段”《自然》352:624-628；Gibbs等(2001)“退化寡核苷酸基因改组(DOGS)：用于以同族改组增强重组合频率的方法”《基因》271:13-20；以及Hiraga和Arnold(2003)“用于序列独立的定点嵌合体基因的一般方法：《分子生物学杂志》330:287-296)，以上出于所有目的以引用的方式并入本文中。在这些方法中，可预定重组合点以使得基因片段以正确次序组合。然而，例如嵌合体的组合可以随机形成。举例来说，使用Clarkson等描述的方法，可产生五个基因嵌合体，例如包括Phi29聚合酶、PZA聚合酶、M2聚合酶、B103聚合酶和GA-1聚合酶的片段。用以改善分支分数、增加闭合复合物稳定性或更改反应速率常数的适当突变可引入到嵌合体中。
也已经用多种方式中的任一种修改可用的DNA聚合酶，以例如减少或消除核酸外切酶活动(许多原生DNA聚合酶具有干扰例如定序应用的校对核酸外切酶函数)，通过制作例如克列诺片段重组等蛋白酶消化酶片段而简化产生等等。如所提到，也已经修改聚合酶以带来特殊性的改进、持续合成能力以及聚合酶-DNA-核苷酸复合物中的经标记核苷酸的改进的滞留时间(例如，Hanzel等的WO 2007/076057“用于核苷酸模拟合并的聚合酶”以及Rank等的WO 2008/051530用于增强型核酸定序的聚合酶酶类和试剂)，更改分支分数和定位转移(例如，Pranav Patel等在2009年9月4日提交的标题为“用于经修改合并性质的工程化聚合酶和反应条件”的美国专利申请12/584,481)，增加光稳定性(例如，标题为“抵抗光致损伤的酶类”的美国专利9,127,259)，以及改善表面固定酶活动(例如，Hanzel等的WO2007/075987“作用表面耦合聚合酶”以及Hanzel等的WO 2007/076057“用以优化表面附接蛋白质的活动的蛋白质工程策略”)，以上出于所有目的以引用的方式并入本文中。可根据本发明修改这些可用聚合酶中的任一者以减小分支分数形成、改进闭合聚合酶-DNA复合物的稳定性和/或更改反应速率常数。
适合于修改的许多此类聚合酶是可用的，例如用于定序、标记和扩增技术。举例来说，人DNA聚合酶β可从R&D系统公司购得。DNA聚合酶I可从Epicenter、GE Health Care、Invitrogen、新英格兰生物实验室、Promega、Roche Applied Science、Sigma Aldrich和许多其它公司购得。DNA聚合酶I的克列诺片段以来自例如Ambion、Chimerx、eEnzyme LLC、GEHealth Care、Invitrogen、新英格兰生物实验室、Promega、Roche Applied Science、SigmaAldrich和许多其它公司的重组和蛋白酶消化版本可用。Φ29 DNA聚合酶可从例如Epicentre购得。Poly A聚合酶、逆转录酶、测序酶、SP6 DNA聚合酶、T4 DNA聚合酶、T7 DNA聚合酶以及多种耐热DNA聚合酶(Taq、热启动、钛Taq等)可从多种这些来源和其它来源购得。最近的商业DNA聚合酶包含PhusionTM高保真度DNA聚合酶，可从新英格兰生物实验室购得；
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Flexi DNA聚合酶，可从Promega购得；RepliPHITMΦ29DNA聚合酶，可从Epicentre生物技术公司购得；PfuUltraTM Hotstart DNA聚合酶，可从Stratagene购得；KODHiFi DNA聚合酶，可从Novagen购得；以及许多其它聚合酶。Biocompare(dot)com提供许多不同市售聚合酶的比较。
作为用于突变以减小分支分数、增加闭合复合物稳定性或更改反应速率常数的优选基体的DNA聚合酶包含Taq聚合酶、核酸外切酶不足Taq聚合酶、大肠杆菌DNA聚合酶1、克列诺片段、逆转录酶、Φ29相关聚合酶，包含野生型Φ29聚合酶和这些聚合酶的衍生物，例如核酸外切酶不足形式、T7 DNA聚合酶、T5 DNA聚合酶、RB69聚合酶等。
在一个方面中，经修改的聚合酶是Φ29类DNA聚合酶。举例来说，经修改重组DNA聚合酶可与野生型或核酸外切酶不足Φ29DNA聚合酶同源，例如如第5,001,050、5,198,543或5,576,204号美国专利中所描述，以上专利出于所有目的以引用的方式并入本文中。替代地，经修改重组DNA聚合酶可与其它Φ29类DNA聚合酶同源，例如B103、GA-1、PZA、Φ15、BS32、M2Y、Nf、G1、Cp-1、PRD1、PZE、SF5、Cp-5、Cp-7、PR4、PR5、PR722、L17、Φ21或类似物。对于命名法，还参见Meijer等(2001)“噬菌体的Φ29族”《微生物学和分子生物学评论》，65(2):261-287。合适的聚合酶例如在第8,420,366和8,257,954号美国专利中描述，以上专利出于所有目的以引用的方式并入本文中。
对本发明有用的聚合酶酶类包含突变而具有用于定序的期望性质的聚合酶。举例来说，合适的酶类包含例如以下教示的那些酶类：2012年2月1日提交的61/593569，具有增加的光耐受性的重组聚合酶；标题为“用于改进的单分子定序的重组聚合酶”的美国专利8,999,676；标题为“抵抗光致损伤的酶类”的美国专利9,127,29；标题为“用于单分子定序中的改进准确性的经过修饰的聚合酶的产生”的美国专利8,420,366；标题为“用于单分子定序中的改进准确性的经过修饰的聚合酶的产生”的美国专利8,257,954；标题为“用于增强型核酸定序的聚合酶酶类和试剂”的US 8,343,746；标题为“用于核苷酸模拟合并的聚合酶”的US 20110059505；以及2012年10月1日提交的第61/708469号美国临时专利，以上全部出于所有目的以引用的方式并入本文中。经过修饰的聚合酶可具有经修改性质，例如减小的分支分数形成、改进的特殊性、改进的持续合成能力、更改的速率、改进的滞留时间、闭合复合物的改进的稳定性等等。
另外，可出于专用原因而进一步修改聚合酶，以便增加光稳定性，例如如标题为“抵抗光致损伤的酶类”的美国专利9,127,259中教示，当结合到表面时改善酶的活动，如例如Hanzel等的WO 2007/075987作用表面耦合聚合酶和Hanzel等的WO 2007/076057优化表面附接蛋白质的活动的蛋白质工程策略中教示，或者包含纯化或处置标记物，如所引用参考中教示以及此项技术中常见的那样。类似地，本文所描述的经过修饰的聚合酶可以与其它策略组合使用以改善聚合酶性能，例如用于控制聚合酶速率常数的反应条件，例如标题为“两个缓慢步骤聚合酶系统和方法”的美国专利8,133,672中教示，所述专利出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
在本发明中使用的聚合酶酶类将大体上具有链束位移活动。许多聚合酶具有此能力，且在本发明的上下文中开放且暴露核酸样品的区用于由钩分子捕获是有用的。在一些情况下，链置换是聚合酶自身的部分。在其它情况下，可添加其它辅因子或辅酶以提供链置换能力。
RNA相依性RNA聚合酶
在一些实施例中，用于定序的聚合酶是核糖核酸聚合酶。可使用包含来自细菌、真核生物、病毒或古细菌的RNA聚合酶的任何合适的RNA聚合酶(RNAP)。合适的RNA聚合酶包含RNA PoI I、RNA PoI II、RNA PoI III、RNA PoI IV、RNA PoI V、T7 RNA聚合酶、T3 RNA聚合酶或SP6 RNA聚合酶。RNA聚合酶的使用允许信使RNA、转移RNA、非译码RNA、核糖体RNA、微RNA或催化RNA的直接定序。在使用RNA聚合酶的情况下，聚合试剂将大体上包含NTP或其类似物而不是用于DNA合成的dNTP。另外，RNA聚合酶可以与特定辅因子一起使用。存在可结合到RNAP且修改其行为的许多蛋白质。举例来说，来自大肠杆菌和大多数其它原核细胞中的GreA和GreB可增强RNAP使链的增长末端附近的RNA模板裂解的能力。此裂解可拯救停止聚合酶分子，且可能参与校正由RNAP带来的偶然错误。单独辅因子Mfd参与转录耦合修复，其中RNAP辨识DNA模板中的损坏碱基且补充酶类以恢复DNA的过程。已知其它辅因子起到监管作用；即，它们帮助RNAP选择是否表达某些基因。还可使用包含病毒RNA聚合酶的RNA相依性RNA聚合酶(RNA复制酶)：例如脊髓灰质炎3Dpol、水泡性口炎病毒L、和C型肝炎病毒NS5b蛋白质；以及已知用以使用小干扰RNA作为引物来放大微RNA和小时间RNA且产生双股RNA的真核RNA复制酶。
逆转录酶
本发明的方法或组合物中使用的聚合酶包含RNA相依性DNA聚合酶或逆转录酶。合适的逆转录酶包含HIV-1、M-MLV、AMV和末节逆转录酶。逆转录酶还允许例如信使RNA、转移RNA、非译码RNA、核糖体RNA、微RNA或催化RNA等RNA基体的直接定序。
因此，本发明的系统和方法中可使用任何合适的聚合酶。合适的聚合酶包含DNA相依性DNA聚合酶、DNA相依性RNA聚合酶、RNA相依性DNA聚合酶(逆转录酶)以及RNA相依性RNA聚合酶。
聚合酶-模板复合物的固定
聚合酶-模板复合物可附接到表面，例如附接到纳米电子测量装置的沟道或附接到衬底的接近于纳米电子测量装置的沟道的区。此附接通常是通过结合聚合酶自身而进行，但在一些情况下可通过结合模板核酸或引物而实现。所述结合可为共价的或非共价的。在一些情况下，共价附接是优选的，例如与碳纳米管的共价附接。众所周知在一些情况下，此共价附接可带来单壁碳纳米管，可导致检测共价附接点附近的分子改变的增强能力。参见例如以引用的方式并入本文中的US20130285680。在一些情况下，可选择性功能化表面的SiO2区以结合聚合酶复合物。SiO2的选择性功能化可例如使用硅烷化学方法来实行。举例来说，可用生物素功能化硅烷选择性处理表面的SiO2部分，且可用附接到抗生蛋白链菌素的酶复合物处理表面。抗生蛋白链菌素-聚合酶-模板复合物将特异性地结合于表面的SiO2部分上的生物素从而提供选择性结合。参见例如出于所有目的以引用的方式并入本文中的US8193123。在一些情况下，在表面上可制作小的区，例如球、岛状物或凹点，其允许仅小数目且在一些情况下仅允许单个聚合酶进行结合。结合单个聚合酶复合物的区的产生例如在标题为“单分子装载方法和组合物”的美国专利8,906,831；以及标题为“具有功能性岛状物的纳米尺度孔口”的美国专利申请20110257040中描述，以上出于所有目的以引用的方式并入本文中。DNA分子通常具有强负电荷且因此可在水溶液中使用电场来引导。因为本发明的装置预期具有施加电位且同时测量来自接近标签的电流的方式的电极阵列，所以使用潜在设定容量将结合到DNA分子的聚合酶吸引到电极区并且接着同时或在交替周期中检查聚合酶是否已经结合纳米电子测量装置的沟道的能力存在。以此方式，可通过当检测到DNA-聚合酶复合物的结合时停止吸引电位来用单个聚合酶加载每一作用的纳米电子测量装置。
可以各种方式工程化分析反应的组分的固定。举例来说，酶(例如，聚合酶、逆转录酶、激酶等)可以在反应位点、例如接近于电极而附接到基体。在其它实施例中，分析反应中的基体(例如，核酸模板，例如DNA、RNA或混合物、类似物及其模拟物，或用于激酶的靶分子)可以在反应位点附接到基体。例如在出于所有目的以全文引用的方式并入本文中的美国专利8,481,264中提供模板固定的某些实施例。本领域技术人员应了解，存在固定核酸和蛋白质的许多方式，无论是以共价还是非共价方式、经由键联子部分或者将其系连到固定部分。这些方法是固相合成和微阵列(Beier等《核酸研究》27:1970-1-977(1999))的领域中众所周知的。用于将核酸或聚合酶附接到固体载体的非限制性示例性结合部分包含抗生蛋白链菌素或抗生物素蛋白/生物素键链、氨基甲酸酯键链、酯键链、酰胺、硫酯、(N)功能化硫脲、功能化马来酰亚胺、胺基、二硫化物、酰胺、腙键链等。特异性结合于一个或多个反应组分的抗体也可采用作为结合部分。另外，硅烷基部分可使用此项技术中已知的方法直接附接到核酸到例如玻璃等衬底。
在一些实施例中，通过在反应位点附接包括互补区的引物而将核酸模板固定到反应位点上(例如，接近于纳米电子测量装置的沟道)，所述引物能够与模板杂交，进而将模板固定在适合于监视的位置。在某些实施例中，例如通过首先固定酶组分而组合酶复合物。在其它实施例中，在固定之前在溶液中组合酶复合物。在需要的情况下，可以修改待固定的酶或其它蛋白质反应组分以含有特异性抗体为市售的一个或多个抗原决定基。另外，可修改蛋白质以含有异源结构域，例如麸胱甘肽S转移酶(GST)、麦芽糖结合蛋白(MBP)、特异性结合肽区(参见例如第5,723,584、5,874,239和5,932,433号美国专利)，或免疫球蛋白的Fc部分。用于这些结构域的相应结合剂，即被引导到免疫球蛋白的Fc部分的麸胱甘肽、麦芽糖和抗体，是可用的且可用以涂覆本发明的装置的表面。结合部分或它们固定的反应组分的试剂可通过此项技术中众所周知的常规化学技术施加到支持体。一般来说，这些程序可涉及支持体的标准化学表面修改、在包括结合部分或试剂的不同介质中在不同温度水平下的支持体的培育，以及洗涤和清洁的可能的后续步骤。
可选择性处理装置的表面的各种组件以便将聚合酶-模板复合物结合到基体的特定部分。选择性处理和固定例如在以下专利中描述：U.S.5,624,711；U.S.5,919,523；Hong等，(2003)Langmuir 2357-2365；U.S.5143,854；U.S.5,424,186；US 8137942；US 7993891，“反应性表面、基体及其制作和使用方法”；US 7935310；US 7932035；US 7931867，标题为“用于混合材料基体的统一表面及其制作和使用方法”；以及US 8193123，“具有安置于其上的局部化分子的制品及其制作方法”，以上全部出于所有目的以引用的方式并入本文中。
聚合酶复合物通常直接附接到纳米场效应晶体管(例如，纳米线或碳纳米管)的沟道，但在一些情况下，聚合酶复合物接近于栅极而附接。此附接足够靠近纳米电子测量装置而进行，使得保持于酶的活性位点的核苷酸类似物上的电荷标签可延伸足够靠近纳米电子测量装置的沟道以允许检测。聚合酶复合物可例如距纳米电子测量装置的沟道约1nm到约100nm、距纳米电子测量装置的沟道约2nm到约50nm或者距纳米电子测量装置的沟道约4nm到约20nm而附接。
用于核酸合成的条件
用于核酸合成所需的条件是此项技术中众所周知的。聚合酶反应条件包含缓冲剂的类型和浓度、反应的pH、温度、盐的类型和浓度、影响酶的动力学的特定添加剂的存在，以及包含金属辅因子等各种辅因子的类型、浓度和相对量。为了实行本发明的方法，用于聚合酶介导核酸合成的条件也必须与用于在纳米电子测量装置处测量电信号的条件兼容。在溶液中实行电测量的一个方面是控制介质的离子强度。已知聚合酶可有效地在某一范围离子强度上起作用，且可通过改变例如Li+、Na+、K+、Rb+或Cs+等单价离子的水平而改变离子强度。如已经示出，这些阳离子中的一种或多种的量可对聚合酶的动力学有影响，且可通过改变这些离子的相对量而调谐动力学行为。使用这些离子的组合，可选择条件，其中酶的动力学参数以及用于电检测的离子强度可用于即时方法。参见例如出于所有目的以引用的方式并入本文中的美国专利8,986,930。
酶反应常常在缓冲剂的存在下运行，所述缓冲剂部分地用于控制反应混合物的pH。适合于本发明的缓冲剂包含(例如)TAPS(3-{[三(羟基甲基)甲基]胺基}丙磺酸)，二甘氨酸(N,N-双(2-羟乙基)甘胺酸)，TRIS(三(羟基甲基)甲胺)，ACES(N-(2-乙酰胺基)-2-胺基乙磺酸)，麦黄酮(N-三(羟基甲基)甲基甘氨酸)，HEPES 4-2-羟乙基-1-哌嗪乙磺酸)，TES(2-{[三(羟基甲基)甲基]胺基}乙磺酸)，MOPS(3-(N-吗啉基)丙磺酸)，PIPES(哌嗪-N，N'-双(2-乙磺酸))，以及MES(2-(N-吗啉基)乙磺酸)。
反应的pH可影响聚合酶反应的速率。可调整反应的温度以增强系统的性能。反应温度可取决于采用的聚合酶的类型。
核苷酸类似物
定序反应混合物的组分包含核苷酸或核苷酸类似物。对于本发明的方法，至少一些核苷酸类似物具有与其附接的电荷标签。包括电荷标签的核苷酸类似物经大体上构造以便当标签在酶活性位点中时增强纳米电子测量装置处的电信号。
通常本发明的核苷酸类似物具有以下结构：碱基-糖-PP-键联子-标签。
在一些实施例中，所述碱基是核碱基，糖是例如核糖或去氧核糖的糖，PP是聚磷酸盐部分，键联子是键联基团，且标签是纳米电子测量装置可检测的基团。所述标签可例如为如本文中所描述的电荷标签。
通常在定序反应混合物中存在四个核苷酸，对于DNA对应于A、G、T和C且对于RNA对应于A、G、C、U。在一些情况下，包含第5、第6或更多碱基。在一些情况下，所有核苷酸类似物具有电荷标签，在其它情况下，少于全部的核苷酸将具有电荷标签。在再其它情况中，所有不同核苷酸类似物类型将载有电荷标签，但特定电荷标签将被指派到多于一个碱基类型。通常核苷酸类型中的每一个将具有不同的且可区别于其它核苷酸的核苷酸，例如其它三个核苷酸。如本文中所描述，不同核苷酸可展现不同阻抗强度、不同阻抗对频率特性、不同电流对时间特性(电流振荡颜色)，或以上两种或更多种的不同组合。
所述碱基是核碱基，其可为天然碱基、经修改天然碱基或合成碱基中的一种。所述碱基将在模板核酸上与其互补碱基选择性关联，以使得其将在其互补碱基的对面插入。所述糖是将碱基连接到聚磷酸盐基团的基团。其通常是核糖或去氧核糖，但可为允许核苷酸类似物进入增长链束的复合和合并的任何糖或其它基团。PP是大体上为从2到20个磷酸盐的长度、通常从3到12个磷酸盐的长度、且在一些优选实施例中从4到10个磷酸盐的长度的聚磷酸盐基团。核苷酸类似物可具有例如4、5、6、7或更多磷酸基。这些核苷酸已经例如在出于所有目的以引用的方式并入本文中的第6,936,702和7,041,812号美国专利中描述。核苷酸类似物的碱基、糖和PP部分一起有时被称为核苷酸部分或核苷磷酸盐部分。
如此项技术中所使用，术语核苷酸是指在聚合酶反应中添加到增长核酸链的核苷三磷酸，或可指代核酸分子的个别单元，例如DNA和RNA的单元。在此，术语核苷酸与其在此项技术中的使用一致地使用。术语核苷酸是指代将添加到增长核酸的衬底分子还是核酸链中的单元可以从使用所述术语的上下文导出。
所述键联子是将标签连接到核苷酸类似物的核苷酸部分的键联基团。所述键联子可为长线性的或有分支的部分，其长度和柔性用以控制在正并入的同时保持在聚合酶内的核苷酸类似物的扩散。键联子的长度当完全延伸时例如在2nm与200nm之间。应了解，例如聚合物等长分子在其完全延伸配置中不将会耗费许多时间(如果有)。所述键联子可由包含烷烃、醚、醇、胺、酸、硫酸盐、磺酸盐、磷酸盐、膦酸酯、酰胺、酯、肽和糖的基团组成。键联子上的基团可为中性的、带正电或带负电。在一些情况下，键联子包括聚乙二醇(PEG)。希望键联子具有固定长度(即不是多分散的)以使得群体中的任何类似物分子的大小将是相同的。大体上合意的是键联子与水相容。在一些情况下，所述键联子可包含一种或多种大分子，例如蛋白质，或者一个或多个纳米粒子。
在一些情况中，共价附接位点远离活性位点，但键联子较长，例如大于5nm或大于10nm或大于20nm，从而允许活性位点在检测区域附近耗费一些时间量。当使用长键联子时，聚合酶的旋转自由度准许活性位点进入纳米管的检测区域。在此方法的一个优选实例中，在酶表面上的方便的位置(例如c或n端)提供共价附接，且将亲和标记工程化到活性位点附近的残余(375、512或如前所述的附近)以使定向偏置。此策略提供酶的构造中的自由度。
针对关于使用的纳米电子测量装置的特定几何形状的性能可以选择键联子的长度或大小。电荷标签系连到核苷酸类似物(包括键联子)、酶和附接部分。可使用此完整系连的长度以及聚合酶复合物距纳米电子测量装置(例如，距装置的沟道)的距离以便选择适当键联子。
电荷标签通过键联子和磷酸盐附接到核苷酸类似物的核苷酸部分。键联子通常附接到聚磷酸盐部分中的终端磷酸盐，但在一些情况下，可连接到聚磷酸盐链中并非终端磷酸盐的磷酸盐。键联子通常附接到在核苷酸合并的聚合酶的作用下裂解的磷酸盐。聚合酶裂解α与β磷酸盐之间的聚磷酸盐，因此，键联子应当连接到β(第二)磷酸盐或更大的磷酸盐。
阻抗标签可以由通过纳米电子测量装置提供可测量电信号的一个或多个部分组成。可接受的标签或部分可包括有机化合物、有机金属化合物、纳米粒子、金属或其它合适的取代基。
动力学测量-修饰碱基检测
本发明的方法实现实时测量核苷酸进入增长链的合并。实时测量允许酶动力学的确定，其可对例如二级结构等模板特性和经修饰碱基敏感。检测核酸序列内的修饰的能力可用于例如跨越mRNA转录物的集合、跨越所关注的染色体区或跨越全基因组而在各种类型和/或集合的核酸序列中映射这些修饰。如此映射的修饰可随后与转录活动、核酸的二级结构、siRNA活动、mRNA平移动力学、DNA和RNA结合蛋白的动力学和/或亲和力以及核酸(例如，DNA和/或RNA)代谢的其它方面相关。
在本发明的某些方面中，提供用于使用实时纳米场效应晶体管定序识别核酸分子中的修饰的方法。一般来说，提供包括修饰以及能够处理模板的酶的模板核酸。模板核酸与酶接触，且监视通过酶对模板的后续处理。检测处理中的改变，且此改变指示模板中的修饰的存在。通过本发明的方法可检测的示例性修饰包含(但不限于)甲基化碱基(例如，5-甲基胞嘧啶、N6-甲基腺苷等)、假尿苷碱基、7,8-二氢-8-羟基鸟嘌呤碱基、2'-O-甲基衍生物碱基、切口、脱嘌呤位点、类嘌呤位点、嘧啶二聚体、顺铂交联产品、氧化损坏、水解损坏、巨碱基加成物、胸(腺)嘧啶二聚体、光化性反应产物、链束间交联产品、失配碱基、辅助结构，以及结合试剂。在优选实施例中，并入到由酶合成的初生链束中的核苷酸或其类似物经明显地标记以允许对如此并入的特定核苷酸或核苷酸类似物的序列的识别。标签通过磷酸基链接到核苷酸或核苷酸类似物，所述磷酸基例如除α磷酸基外的磷酸基。因此，在进入初生链束的合并后即刻从核苷酸或核苷酸类似物移除标签。用于以动力学方式识别经修饰的碱基的技术例如在标题为“用于识别核酸修饰的方法”的第9,175,338号美国专利中描述，所述美国专利出于所有目的以引用的方式并入本文中。
如本文所使用的术语“修饰”既定不仅指代核酸的化学修饰，而且指代核酸构形或组合物中的变化、试剂与核酸的交互(例如，结合到核酸)，以及与核酸相关联的其它扰动。因此，修饰的定位或位置是此修饰在核酸内发生的地点(例如，单核苷酸或者多个邻接或不连续的核苷酸)。对于双股模板，此修饰可以在与通过聚合酶处理模板而合成的初生链束互补的链束中发生，或可以在移位链束中发生。虽然本发明的某些特定实施例是在5-甲基胞嘧啶检测方面描述，但也预期其它类型的经修饰核苷酸的检测(例如，N6-甲基腺苷、N3-甲基腺苷、N7-甲基鸟苷、5-羟甲基胞嘧啶、其它甲基化核苷酸、假尿苷、硫尿核苷、异鸟嘌呤核苷、异胞嘧啶、二氢尿苷、Q核苷、丫苷、肌苷、三唑、二氨基嘌呤、β-D-吡喃葡萄糖苷甲基尿嘧啶(也称为，β-D-葡糖基-HOMedU、β-葡糖基-羟甲基尿嘧啶、“dJ”或“碱基J”)、8-氧代鸟苷，以及腺苷、胞嘧啶核苷、鸟苷和尿苷的2'-O-甲基衍生物。此外，虽然主要在DNA模板方面描述，但这些经修饰的碱基可为经修饰的RNA碱基且可在RNA(或主要RNA)模板中检测。这些和其它修饰是所属领域的技术人员已知的且例如在以下文献中进一步描述：Narayan P等(1987)《分子细胞生物学》7(4):1572-5；Horowitz S等(1984)美国国家科学院院刊81(18):5667-71；“RNA的配备：核酸具有几十种化学表现”，(2009)C&EN；87(36):65-68；Kriaucionis等(2009)《科学》324(5929):929-30；以及Tahiliani等(2009)《科学》324(5929):930-35；Matray等(1999)《自然》399(6737):704-8；Ooi等(2008)《细胞》133:1145-8；Petersson等(2005)美国化学会志127(5):1424-30；Johnson等(2004)32(6):1937-41；Kimoto等(2007)《核酸研究》35(16):5360-9；Ahle等(2005)《核酸研究》33(10):3176；Krueger等《化学生物学中的当前意见》2007,11(6):588)；Krueger等(2009)《化学与生物学》16(3):242；McCullough等(1999)生物化学年度评论68:255；Liu等(2003)《科学》302(5646):868-71；Limbach等(1994)《核酸研究》22(12):2183-2196；Wyatt等(1953)生物化学杂志55:774-782；Josse等(1962)《生物化学杂志》237:1968-1976；Lariviere等(2004)《生物化学杂志》279:34715-34720；以及第WO/2009/037473号国际申请公开案，以上公开内容出于所有目的以其全文引用的方式并入本文中。修饰进一步包含模板核酸中的非天然碱基对的存在，包含但不限于：羟基吡啶酮和吡啶嘌呤同碱基对和异碱基对吡啶-2,6-二甲酸酯和吡啶金属碱基对、吡啶-2,6-二甲酰胺和吡啶金属碱基对、金属介导嘧啶碱基对T-Hg(II)-T和C-Ag(I)-C，以及2,6-双(乙硫基甲基)吡啶核碱基的金属同碱基对，以及对嘌呤或吡啶碱基的炔、烯胺、乙醇、咪唑、胍和吡啶基取代(Wettig等(2003)《无机生物化学期刊》94:94-99；Clever等(2005)《应用化学国际版》117:7370-7374；Schlegel等(2009)《有机生物分子化学》7(3):476-82；Zimmerman等(2004)《生物有机化学》32(1):13-25；Yanagida等(2007)核酸研讨会(Oxf)51:179-80；Zimmerman(2002)《美国化学会志》124(46):13684-5；Buncel等(1985)《无机生物化学》25:61-73；Ono等(2004)《应用化学》43:4300-4302；Lee等(1993)《生物化学细胞生物学》71:162-168；Loakes等(2009)《化学通讯》4619-4631；以及Seo等(2009)《美国化学会志》131:3246-3252，以上全部出于所有目的以全文引用的方式并入本文中)。其它类型的修饰包含例如切口、遗失碱基(例如，脱嘌呤或脱吡啶位点)、基于脱氧核苷的核酸内的核苷(或经修饰的核苷)、基于核苷的核酸内的脱氧核苷(或经修饰的脱氧核苷)、嘧啶二聚体(例如，胸(腺)嘧啶二聚体或环丁烷嘧啶二聚体)、顺铂交联、氧化损坏、水解损坏、其它甲基化碱基、巨DNA或RNA碱基加成物、光化性反应产物、链束间交联产品、失配碱基，以及对核酸的其它类型的“损坏”。因此，本文所描述的某些实施例涉及“损坏”且此损坏也视为根据本发明的对核酸的修饰。经修饰的核苷酸可通过DNA暴露于辐射(例如，UV)、致癌化学品、交联剂(例如，甲醛)、某些酶类(例如，切口酶、葡萄糖酶、核酸外切酶、甲基酶、其它核酸酶、葡糖基转移酶等)、病毒、毒素和其它化学品、热破坏及类似情形而造成。在活体内，DNA损坏是导致各种疾病的突变的主要来源，包含癌症、心血管疾病和神经系统疾病(参见例如Lindahl,T.(1993)《自然》362(6422):709-15，其出于所有目的以全文引用的方式并入本文中)。本文所提供的方法和系统也可用以检测DNA的各种构形，确切地说二级结构形式，例如发夹环、主干环、内部环、凸起、伪结、碱基三元组、超螺旋化、内部杂化及类似情况；且也可用于与核酸进行交互的试剂的检测，例如结合蛋白质或其它部分。
在一些实施例中，本发明的定序方法可实行五色DNA定序。五色定序大体上利用具有优先与模板中的第五碱基或无碱基位点缔合的碱基的核苷酸类似物。此五色定序例如在出于所有目的以全文引用的方式并入本文中的美国专利9,175,338中描述。
普通从业者将了解，虽然本文的各种策略是独立地描述，但它们在某些实施例中也可组合使用。举例来说，如上所述，用于延伸对所关注电荷的敏感区的策略可与用于将所关注电荷带到纳米线的策略组合。此外，一实施例可包含参考纳米线以及接近于纳米线定位聚合酶的活性位点的附接。不同类型的电荷标签可与不同类型的蛋白质固定策略组合。因此，策略的组合是预期的且在本发明的范围内。
监视生物反应
虽然本发明的纳米尺度装置和系统贯穿本申请的大部分而描述用于核酸定序，但应理解所述装置和系统也可用于其它分析反应，包含实时监视生物反应，具体来说在单分子水平下监视生物分子的交互。分析这些反应的能力提供了研究那些反应以及潜在地识别用于影响这些反应以例如刺激、增强或抑制这些反应的因子和/或方法的机会。
本发明提供在单分子(或单分子复合物)水平下观察两种或更多种特定交互反应物的交互，以便与其它交互分开地监视所述交互的发展。换句话说，可在支持体上的单个反应位点处监视单个固定反应组分，以使得从所述反应位点接收的电信号可以从所述支持体上的其它反应位点处的其它固定反应组分分辨。在优选实施例中，所述方法以纳米电子测量装置监视电荷标签，以使得包括标签的单个反应物可区分于包括不同标签的不同单个反应物。也可以在纳米电子测量装置阵列中实行多个分析反应。纳米电子测量装置阵列中的分析反应可同时实行，且可以或可以不彼此同步。在此阵列中，因此可同时且独立地监视多个反应。
所述监视通常包括为交互提供一个或多个信令事件，所述事件指示所述交互的一个或多个特性。这些信令事件可以包括经标记反应物接近于给定纳米电子测量装置的保持。举例来说，在一些实施例中，电荷标签提供由检测系统检测的电信号，所述检测系统可操作地连接于发生分析反应的反应位点。如本文所使用，反应位点是在监视分析反应所在的基体上或邻近处的位置，且可指代例如分析反应的一个或多个组分固定于的基体上的位置或者指代监视分析反应所在的“检测体积”。分析所检测信号以确定分析反应的一个或多个特性，例如起始、终止、亲和力、生物化学事件(例如，结合、结合裂解、构形改变等)、基体利用、产物形成、反应的动力学(例如，速率、后续生物化学事件之间的时间、后续生物化学事件的开始/结束之间的时间、持续合成能力、错误分布等)，及类似物。
这些特性可以大体上分为两个类别：反应物特性和交互特性。反应物特性包含特定反应物的特性，例如反应物的类型/身份、反应物的浓度、反应物上的标签等。交互特性包含多个反应物之间的给定交互的特性，例如速率、常数、亲和力等，且通常是基于在此交互期间搜集的反应数据而确定。举例来说，聚合反应的一些特性包含并入到增长聚合物中的单体的身份、合并的速率、聚合酶与模板相关联的时间长度，以及合成的聚合物的长度。在一些实施例中，分析反应的各种不同组分(例如，不同类型的单体)有差异地进行标记以允许在反应的过程期间每一经标记组分区别于其它经标记组分。举例来说，单体A进入聚合物的合并可区别于单体B的合并。
在某些优选实施例中，监视和/或确定反应的多个特性。举例来说，这些可以是一个或多个反应组分的多个特性(例如，身份、浓度等；“反应物特性”)、两个或更多个反应组分之间的交互的一个或多个特性(例如，与产物形成、反应的动力学、结合或解离常数等相关；“交互特性”)，或优选地组合反应物特性和交互特性。
在一些实施例中，反应混合物包括多个类型的非固定结合配偶体，且所确定的特性是所述非固定结合配偶体中例如与特定反应位点缔合的一个的特定类型。通常，电荷标签通过如本文中所描述的键联基团附接到非固定结合配偶体，以使得当与接近于一个或多个纳米尺度电极固定的固定结合配偶体进行交互时非固定结合配偶体上的标签将被感测。在一些实施例中，反应位点阵列包括各自处于不同反应位点的多个类型的固定结合配偶体，且确定识别哪一类型的固定结合配偶体位于所述不同反应位点中的每一个处的特性。在一些实施例中，包括各自处于不同反应位点的多个类型的固定结合配偶体的反应位点阵列与包括多个类型的非固定结合配偶体的反应混合物接触；在反应期间确定的特性用来识别哪一类型的固定结合配偶体位于每一反应位点且哪一类型的非固定结合配偶体与固定结合配偶体缔合。在一些情况下，非固定与固定结合配偶体之间的交互的特殊性足够高，使得对驻存于特定反应位点的非固定结合配偶体上的标签的检测足以识别所述反应位点处的固定结合配偶体。在一些实施例中，确定使反应组分之间的交互的特定方面量化的特性，例如固定结合配偶体与非固定结合配偶体之间的亲和力、反应的催化速率或交互的其它方面。在一些情况下，使用不同的电子信令事件(例如，一个或多个反应组分上的不同标签)来监视或确定观察中的反应的不同特性，但在一些实施例中，单个电信令事件可提供多于一个类型的特性信息。举例来说，如果非固定结合配偶体具有的标签不仅将其识别于多个不同非固定结合配偶体，而且基于实时监视的各种参数而提供关于反应的动力学信息，例如结合发生所花费的时间、保持与反应位点缔合的时间、接通/断开速率等。
在一些实施例中，多个不同交互或反应可发生且被同时或循序地监视，其中每一个别交互与每个其它交互分开地受监视，例如在例如纳米场效应晶体管的电子元件中，使得存在观察中的不同交互之间的解析。举例来说，多个不同非固定反应组分可以同时或循序地与固定反应组分交互；例如，所述多个不同非固定反应组分可为用于固定结合配偶体的不同非固定结合配偶体，或者可以更改两个反应组分之间的交互的不同试剂，或者用于合并到正在反应位点合成的聚合物中的不同单体。在其它实施例中，非固定反应组件与合成反应的产物之间的交互在合成反应期间发生，例如在一旦所述产物适合于此交互时。举例来说，所述产物可能需要为某一长度或呈某一构形(例如，呈特定较高阶结构)以适合于与非固定反应组分的交互。替代地，可在反应位点执行合成反应，且随后暴露于包括非固定反应组分的反应混合物，所述非固定反应组分可随后与合成反应的产物交互，所述产物优选地固定于反应位点。在优选实施例中，监视合成反应以确定正合成的产物的特性(例如，长度、化学组成等)。合成产物的特性以及与特定反应组分的交互的检测相结合的知识提供了额外特性，例如用于特定反应组分的结合位点。用本发明的纳米场效应晶体管装置和系统可测量的生物交互的实例例如在标题为“实时分析方法和系统”的美国专利9,063,156中描述，所述美国专利出于所有目的以引用的方式并入本文中。
系统
在一些方面中，本发明提供用于使用纳米电子测量装置实行实时单分子电子定序的系统。纳米电子测量装置测量系统用以随时间监视纳米电子测量装置，从而允许确定具有电荷标签的核苷酸类似物是否正在与酶缔合。即，纳米电子测量装置元件和酶被配置成使得溶液中自由扩散的电荷经标记核苷酸类似物大体上不会在纳米电子测量装置处被检测。仅当电荷标签由于其与聚合酶的缔合而被带到纳米电子测量装置附近时才检测电荷标签且识别为并入的核苷酸。自由扩散的核苷酸类似物与酶的活性位点中的类似物之间的一个区别是接近于纳米电子测量装置的所花费时间量。扩散的核苷酸类似物将在纳米尺度电极附近快速地扩散进出，而待并入的核苷酸类似物接近于纳米尺度电极将耗费较长时间量，例如约若干毫秒。因此，纳米电子测量装置测量系统将检测当其处于酶的活性位点中时待并入到增长核酸链中的核苷酸类似物的存在。当核苷酸并入到增长链束中时，附接到核苷酸类似物的磷酸盐部分的标签裂解且扩散远离酶和电极。因此，系统在合并之前确定活性位点中的类似物的存在。另外，例如通过电极的栅极处的电学性质改变的量值来确定相异标签的身份。随着聚合酶反应继续且由纳米电子测量装置测量系统监视，可通过互补核苷酸类似物进入增长核酸链束的合并的时间序列来确定模板核酸的序列。
本发明的系统包含芯片，其包括如本文中所描述的纳米电子测量装置的阵列，所述阵列与其它系统组件可逆地配对。具有纳米电子测量装置阵列的芯片可为单次使用芯片，或者所述芯片可多次使用。系统通常具有放置芯片的外壳。所述外壳具有提供与芯片上的电连接件的可逆连接的电连接器。提供与芯片的可靠可逆电连接的插座是众所周知的，芯片插入到所述插座中。可使用与顶部、侧面、底部或这些侧面的组合的电连接。
当芯片插入到外壳中时，系统提供流体储集器，包含定序反应混合物的流体添加于所述流体储集器。在一些情况下，包含流体储集器作为所述芯片的部分。在一些情况下，流体储集器的部分与外壳相关联，以使得芯片的插入形成储集器。流体储集器可例如为可引入流体的凹孔或腔室。引入的流体定序反应混合物变为与芯片的表面上的纳米场效应晶体管装置接触。系统将通常包含环境控制组件，包含温度控制以及对流体上方的气相的控制。例如通过在反应混合物上方提供惰性气体流以最小化样本的氧化，可以控制蒸气的化学构成和温度。在一些情况下，系统可具有流体处置系统以用于在执行定序反应之前、期间或之后将组分递送到流体储集器以及移除组分。
在一些情况下，流体储集器还将提供定序反应混合物与参考电极或对立电极中的任一个或两个的接触。如上文所描述，为了实行所述方法，在一些情况下，使用参考电极、对立电极或这两者。在一些情况中，这些电极中的一个或多个在芯片上。在使用参考电极和/或对立电极且不在芯片上的情况下，使它们与流体储集器中的定序反应混合物接触。
通过外壳上的连接器连接到芯片的是用于对纳米电子测量装置提供电压和用于测量纳米电子测量装置的沟道的电子信号的电子器件，例如电流/电压源和计量表。举例来说，所述源可提供电流和电压以随时间将电极带到恰当的交流电信号以实行本发明的方法。所述计量表可用以测量电信号。在一些情况下，所述源和计量表组合成单个单元。在一些情况下，芯片上的阵列中的电子元件中的每一个是通过系统内的单独源和单独计量表组件来寻址。在一些情况下，使用多路复用，因此单个源可驱动多个电子元件。在一些情况下，单个源将驱动芯片上的所有电子元件，同时以单独的计量表组件测量电子元件中的每一个。可使用源和计量表的任何合适的组合。
通常使用计算机控制和分析系统来控制输入电压和电流且提供计算机实施的控制功能，例如控制机器人技术、环境条件以及系统的各种组件的状态。计算机控制系统还包含用于计算数据分析(例如，用于单分子定序应用、确定和表征核苷酸并入事件)的组件。如上文所描述，在一些情况下，一些控制功能可实施于芯片上，具体来说控制源波功能，或处置来自芯片上的纳米电子测量装置的电信号。在一些情况下，计算机控制和分析系统提供对往来于芯片的信号的大体上全部控制，且芯片简单充当从中提取与电子信号有关的信息的电子元件。在一些情况下，芯片可采用控制和分析的功能性的某个部分。芯片可处理来自电子元件的模拟数据。芯片也可具有模/数组件，且可执行用于数字信号的分析和存储功能。关于在芯片上实施多少功能性以及关于计算机控制和分析系统保持多少的决策可以基于获得的相对功能性对添加功能性的成本而做出。
还提供以操作方式耦合到用于计算数据的组件的用户接口，从而准许系统的用户起始和终止分析，控制各种参数(例如，相对于分析条件、定序反应混合物环境等)，且管理/接收由系统获得的数据(例如，核酸序列数据)。在一些方面中，用户接口附接到计算机控制和分析系统。另外，可提供经由无线网络与总体系统通信的远程用户接口。这些用户输入装置可包含其它用途的装置，例如笔记本计算机，例如Apple iPad，或者运行用户接口应用程序的智能电话。任选地，用户接口包含组件，例如数据端口，用户可从其将由分析系统获得的数据接收到便携式电子存储媒体，以用于在除基体分析系统的位置外的位置使用。
本发明的各方面是针对机器或计算机实施的过程，和/或并入到计算机可读媒体上的指示这些过程的软件。因此，由上述反应和系统产生的信号数据被输入或另外接收到计算机或其它数据处理器中，且经受本文阐述的各种过程步骤或组件中的一个或多个。一旦实行这些过程，便可以用有形的或可观测的格式产生计算机实施过程的所得输出，例如以用户可读报告印刷、显示于计算机显示器上，或者其可以存储于一个或多个数据库中以用于稍后评估、处理、报告或类似用途，或者其可以由计算机保持或传输到不同计算机以用于在配置后续反应或数据过程中使用。
用于实行本发明的过程的计算机的范围可以从例如PC或
Figure GDA0002458921360000891
类型计算机等个人计算机到工作站、实验室设备或高速服务器，运行UNIX、LINUX、
Figure GDA0002458921360000892
或其它系统。本发明的逻辑处理可以完全由执行软件和/或固件逻辑指令的通用逻辑处理器(例如CPU)执行；或完全由并入到实验室或诊断系统或相机系统中的也可包含软件或固件元件的专用逻辑处理电路(例如ASIC)执行；或由通用和专用逻辑电路的组合执行。用于信号数据的数据格式可以包括任何方便的格式，包含基于数字图像的数据格式，例如JPEG、GIF、BMP、TIFF或其它方便的格式，同时可以采用基于视频的格式，例如avi、mpeg、mov、rmv或其它视频格式。本发明的软件过程可以大体上用多种编程语言编程，包含例如Matlab、C、C++、C#、NET、Visual Basic、Python、JAVA、CGI和类似语言。
以下文献提供实行本发明的各种方面的教示。这些文献出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
1.Rosenblatt S、Yaish Y、Park J、Gore J、Sazonova V、McEuen PL。《高性能电解质选通的碳纳米管晶体管》。纳米快报2002；2(8):869-72.doi:Doi 10.1021/Nl025639a.PubMed PMID:ISI:000177485500016。
2.Star A、Tu E、Niemann J、Gabriel J-CP、Joiner CS、Valcke C。《使用碳纳米管网络场效晶体管的DNA杂化的无标记检测》。美国国家科学院院刊。2006；103(4):921-6.doi:10.1073/pnas.0504146103。
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4.Heller I、Janssens AM、Mannik J、Minot ED、Lemay SG、Dekker C。《用碳纳米管晶体管识别生物感测的机构》。纳米快报。2008；8(2):591-5.Epub 2007/12/29.doi:10.1021/nl072996i.PubMed PMID:18162002。
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7.Sorgenfrei S、Chiu C-y、Johnston M、Nuckolls C、Shepard KL。《单分子碳纳米管场效传感器中的德拜筛分》。纳米快报。2011；11(9):3739-43.doi:10.1021/nl201781q。
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16.Patounakis G、Shepard KL、Revicky R。《用于时差式荧光检测的作用CMOS阵列传感器》。IEEE固态电路期刊。2006；41(11):2521-30。
17.Rosenstein JK、Wanunu M、Merchant CA、Drndic M、Shepard KL。《具有亚微秒时间分辨率的集成纳米孔感测平台》。自然方法。2012；9(5):487-92。
18.Schwartz D、Gong P、Shepard KL。《作用CMOS微阵列上的时间分辨福斯特谐振能量转移DNA测定》。生物传感器与生物电子学。2008；24(3):383-90。
19.Bronson JE、Fei J、Hofman JM、Gonzalez Jr RL、Wiggins CH。《从生物物理学时间序列学习速率和状态：模型选择和单分子FRET数据的贝叶斯方法》。生物物理学期刊。2009；97(12):3196-205.doi:DOI:10.1016/j.bpj.2009.09.031。
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22.van Oijen AM、Blainey PC、Crampton DJ、Richardson CC、Ellenberger T、Xie XS。《λ核酸外切酶显露碱基相依性和动态无序的单分子动力学》。科学。2003；301(5637):1235-8.doi:10.1126/science.1084387。
23.Meric I、Caruso V、Caldwell R、Hone J、Shepard KL、Wind SJ。《混合碳纳米管硅互补金属氧化物半导体电路》。真空科学和技术期刊B。2007；25(6):2577-80.doi:10.1116/1.2800322.PubMed PMID:ISI:000251611900161。
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尽管出于清楚和理解的目的已在某些细节上描述前述本发明，但所属领域的技术人员将从本发明的读数中明白，在不脱离本发明的真实范围的情况下可以进行形式和细节上的各种变化。举例来说，上述所有技术和设备可以按各种组合使用。本申请案中引用的所有出版物、专利、专利申请案和/或其它文献都以全文引用的方式并入本文中以用于所有目的，引用的程度就如同个别地且单独地指示将各个别出版物、专利、专利申请案和/或其它文献以引用的方式并入以用于所有目的一样。

Claims (82)

1.一种集成电路，包括：
衬底；
布置于所述衬底上的多个扇区，其中所述多个扇区中的每一扇区包括：
可编程开关控制器；
反偏置线路；
放大器输入线路；
空间地布置于所述衬底上的多个纳米电子测量装置，其中
所述多个纳米电子测量装置中的每一相应纳米电子测量装置包含耦合到所述反偏置线路的源极、耦合到所述放大器输入线路的漏极、以及连接所述源极和所述漏极的纳米结构沟道，从而在所述相应纳米电子测量装置的所述漏极上获得电信号，
所述电信号是一组离散电信号中的任一个，
所述一组离散电信号中的所述电信号的身份是通过对应纳米电子测量装置的所述纳米结构沟道与多个电荷标签中的特定电荷标签之间的电交互而确定；以及
多个开关，其中所述多个开关中的每一开关在以下状态之间门控所述多个纳米电子测量装置中的对应纳米电子测量装置的所述漏极与所述放大器输入线路之间的所述电信号：
(i)接通状态，其中所述对应纳米电子测量装置的所述纳米结构沟道的所述电信号被递送到所述放大器输入线路，以及
(ii)断开状态，其中所述对应纳米电子测量装置的所述纳米结构沟道的所述电信号不被递送到所述放大器输入线路，其中
所述多个开关中的每一相应开关独立地接线到所述可编程开关控制器，从而响应于所述可编程开关控制器而致使所述相应开关处于所述接通状态和所述断开状态中的一个状态，以及
所述多个纳米电子测量装置中的纳米电子测量装置是纳米场效应晶体管，且其中来自所述反偏置线路的输入从所述源极跨越所述纳米结构沟道施加到所述漏极。
2.根据权利要求1所述的集成电路，进一步包括：
第一时钟信号线路和数据输入线路，且其中
所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括第一移位寄存器，所述第一移位寄存器包括与所述第一时钟信号线路电连通的第一多个触发器，其中
所述第一多个触发器包括初始触发器和终端触发器，
每一触发器包含串行输入和串行输出，其中所述第一多个触发器中除所述终端触发器外的每一相应触发器的所述串行输出唯一地电连接到所述第一多个触发器中的另一触发器的所述串行输入，进而串联地电耦合所述第一多个触发器，
所述初始触发器的所述串行输入电连接到所述数据输入线路，其中所述第一移位寄存器被配置成从所述数据输入线路接收装置扫描链序列，所述装置扫描链序列通过所述第一时钟信号线路中的电脉冲而传播通过所述第一多个触发器，进而将所述第一多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个；以及
所述多个开关中的每一相应开关通过所述第一多个触发器中的对应触发器独立地接线到所述可编程开关控制器，进而当所述对应触发器被偏置到所述第一状态时致使相应开关处于所述断开状态，且当所述对应触发器被偏置到所述第二状态时致使相应开关处于所述接通状态。
3.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述多个扇区中的所述扇区进一步包括：
分路扫描链输入线路；以及
分路时钟信号线路；
所述可编程开关控制器进一步包括第二移位寄存器，所述第二移位寄存器包括与所述分路时钟信号线路电连通的第二多个触发器，其中
所述第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器包含串行输入和串行输出，其中所述第二多个触发器中除所述终端触发器外的每一触发器的所述串行输出唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的所述串行输入，进而串联地电耦合所述第二多个触发器，
所述第二多个触发器中的所述初始触发器的所述串行输入电连接到所述分路扫描链输入线路，其中所述第二移位寄存器被配置成接收分路扫描链序列，所述分路扫描链序列通过所述分路时钟信号线路中的电脉冲而传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第三状态和第四状态中的一个；
所述可编程开关控制器进一步包括多个多路复用器，其中所述多个多路复用器中的每一多路复用器包含第一输入线路、第二输入线路、选择线路以及输出线路，其中
所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述第一输入线路与所述第一多个触发器中的第一对应触发器的所述串行输出电连通，
所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述第二输入线路与所述第一多个触发器中的所述第一对应触发器的所述串行输入电连通，
所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述选择线路与所述第二多个触发器中的第一对应触发器的所述串行输出电连通，且
所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述输出线路与所述第一多个触发器中的第二对应触发器的所述串行输入电连通；以及
第一多个“与”门，其中所述第一多个“与”门中的每一“与”门包括输出、第一输入以及第二输入，其中
所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第一输入与所述第一时钟信号线路电连通，
所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第二输入与所述第二多个触发器中的所述第一对应触发器的所述串行输出电连通，且
所述第一多个触发器中的每一相应触发器通过所述第一多个“与”门中的对应“与”门的所述输出与所述第一时钟信号线路电连通，其中
当所述第二多个触发器中的与相应“与”门的所述第二输入电连通的相应触发器在所述第三状态中时，所述第一时钟信号线路不施加于所述第一多个触发器中的所述相应触发器，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的相应触发器的所述输出电连通的多路复用器的所述选择线路被偏置到所述相应多路复用器的所述第二输入线路，且
当所述第二多个触发器中与相应“与”门的所述第二输入电连通的所述触发器在所述第四状态中时，所述第一时钟信号线路施加于所述第一多个触发器中的相应触发器，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的所述相应触发器的所述输出电连通的多路复用器的所述选择线路被偏置到所述相应多路复用器的所述第一输入线路。
4.根据权利要求3所述的集成电路，其中所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述输出线路通过多个缓冲器门中的对应缓冲器门与所述第一多个触发器中的第二对应触发器的所述串行输入电连通。
5.根据权利要求3所述的集成电路，其中
所述第一多个触发器中的每一触发器进一步包括第一复位；
所述第二多个触发器中的每一触发器进一步包括第二复位；
所述扇区进一步包括分路信号线路；以及
所述可编程开关控制器进一步包括第二多个“与”门，其中所述第二多个“与”门中的每一“与”门具有输出、第一输入以及第二输入，其中
所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第一输入与所述第一多个触发器中的第一触发器的所述串行输出电连通，
所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第二输入与所述分路信号线路电连通，且
所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门的所述输出与所述第一多个触发器中的对应触发器的所述第一复位以及所述第二多个触发器中的对应触发器的所述第二复位电连通，进而在所述数据输入线路将所述第一多个触发器中的所述对应触发器驱动到所述第二状态的同时断言所述分路信号线路时致使所述第一对应触发器复位到所述第一状态且所述第二对应触发器复位到所述第三状态。
6.根据权利要求1所述的集成电路，其中
所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括：
存储器控制器，
与所述存储器控制器电连通的存储器，
与所述存储器电连通的列解码器，以及
与所述存储器电连通的行解码器；
且其中所述扇区进一步包括：
多个“与”门，其中所述多个“与”门中的每一“与”门包括输出、第一输入以及第二输入，其中
所述多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第一输入与所述列解码器电连通，
所述多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第二输入与所述行解码器电连通，且
所述多个开关中的每一相应开关通过所述多个“与”门中的对应“与”门的所述输出独立地接线到所述可编程开关控制器，进而当所述行解码器和所述列解码器均向所述相应开关用信号通知第一状态时致使所述相应开关处于所述接通状态，且否则致使所述相应开关处于所述断开状态。
7.根据权利要求1所述的集成电路，其中
所述扇区进一步包括第一时钟线路、数据输入线路、第二时钟线路以及重新开始扫描链线路；
所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括：
行移位寄存器，其包括第一多个触发器，其中所述第一多个触发器中的初始触发器与所述数据输入线路和所述第一时钟信号线路电连通；
多个“与”门，所述多个“与”门中的每一“与”门包括第一输入、第二输入以及输出，以及
多个列移位寄存器，每一列移位寄存器包括第二多个触发器，且其中
所述多个“与”门中的每一“与”门的所述第一输入与所述行移位寄存器的所述第一多个触发器中的对应触发器的输出电连通；
所述多个“与”门中的每一“与”门的所述第二输入与所述第二时钟线路电连通，
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器的所述第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器包含串行数据输入、时钟脉冲输入以及串行数据输出，
所述第二多个触发器中除所述终端触发器外的每一相应触发器的所述串行数据输出唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的所述串行数据输入，进而串联地电耦合所述第二多个触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器的所述时钟脉冲输入电连接到所述第一多个“与”门中的“与”门的所述输出，
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器被配置成从所述重新开始扫描链线路接收逻辑“1”或“0”，所述逻辑“1”或“0”通过在所述第二多个触发器中的每一相应触发器的所述时钟脉冲输入处接收的电脉冲而从所述第二多个触发器中的所述初始触发器传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个，
所述多个开关中的每一相应开关通过对应列移位寄存器的所述第二多个触发器中的对应触发器的所述输出独立地接线到所述可编程开关控制器，进而致使所述相应开关：
当所述对应列移位寄存器的所述第二多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第一状态时处于所述断开状态，且
当所述对应列移位寄存器的所述第二多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第二状态时处于所述接通状态。
8.根据权利要求1所述的集成电路，其中
所述扇区进一步包括第一时钟线路、数据输入线路、第二时钟线路、负载缓冲器线路以及重新开始扫描链线路，
所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括：
行移位寄存器，其包括第一多个触发器，其中所述第一多个触发器中的初始触发器与所述数据输入线路和所述第一时钟信号线路电连通；
多个“与”门，所述多个“与”门中的每一“与”门包括第一输入、第二输入以及输出，以及
多个列移位寄存器，每一列移位寄存器包括第二多个触发器和第三多个触发器，且其中
所述第一多个“与”门中的每一“与”门的所述第一输入与所述行移位寄存器的所述第一多个触发器中的对应触发器的输出电连通；
所述第一多个“与”门中的每一“与”门的所述第二输入与所述第二时钟线路电连通，
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器的所述第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器包含串行数据输入、时钟脉冲输入以及串行数据输出，
所述第二多个触发器中除所述终端触发器外的每一相应触发器的所述串行数据输出唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的所述串行数据输入，进而串联地电耦合所述第二多个触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器的所述时钟脉冲输入电连接到所述第一多个“与”门中的“与”门的所述输出，
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器被配置成从所述重新开始扫描链线路接收逻辑“1”或“0”，所述逻辑“1”或“0”通过在所述第二多个触发器中的每一相应触发器的所述时钟脉冲输入处接收的电脉冲而从所述第二多个触发器中的所述初始触发器传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个，
所述第三多个触发器中的每一相应触发器包括数据输入、数据输出以及时钟脉冲输入，且其中
所述第三多个触发器中的每一相应触发器的所述时钟脉冲输入电连接到所述负载缓冲器线路，
所述第三多个触发器中的每一相应触发器门的所述数据输入接线到所述第二多个触发器中的对应触发器的所述输出，进而当所述第二多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第一状态且所述负载缓冲器线路被断言时致使所述第三多个触发器中的所述对应触发器的状态被偏置到所述第一状态，且当所述第二多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第二状态且所述负载缓冲器线路被断言时致使所述第三多个触发器中的所述对应触发器的状态被偏置到所述第二状态，
所述多个开关中的每一相应开关通过对应列移位寄存器的所述第三多个触发器中的对应触发器的所述输出独立地接线到所述可编程开关控制器，进而致使所述相应开关：
当所述对应列移位寄存器的所述第三多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第一状态时处于所述断开状态，且
当所述对应列移位寄存器的所述第三多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第二状态时处于所述接通状态。
9.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述纳米结构沟道是纳米线、碳纳米管或石墨烯纳米带。
10.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述纳米结构沟道是纳米孔。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述反偏置线路运载DC电压，且所述反偏置线路对所述纳米电子测量装置的施加导致所述纳米电子测量装置的所述纳米结构沟道中的DC电流。
12.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述反偏置线路运载AC电压，且所述AC电压的频率在所述反偏置线路对所述纳米电子测量装置的施加期间随时间而改变。
13.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个电荷标签中的每一电荷标签表示多个核苷酸类似物中的不同类型的核苷酸类似物。
14.根据权利要求13所述的集成电路，其中聚合酶附接到所述对应纳米电子测量装置，且与所述对应纳米电子测量装置形成电交互的所述特定电荷标签是作为与模板核酸的聚合酶介导核酸合成反应的部分而通过所述聚合酶从所述多个核苷酸类似物中的对应核苷酸类似物释放。
15.根据权利要求14所述的集成电路，其中所述多个电荷标签中的电荷标签包括蛋白质。
16.根据权利要求15所述的集成电路，其中所述蛋白质具有在所述聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。
17.根据权利要求15所述的集成电路，其中所述蛋白质具有在phi29聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。
18.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个电荷标签中的所述电荷标签中的至少一个包括由多个电荷表征的聚合物链。
19.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个电荷标签中的每一电荷标签包括由唯一净正或负电荷表征的聚合物链。
20.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中
所述多个电荷标签中的第一电荷标签包括具有唯一净正电荷的第一聚合物链，且
所述多个电荷标签中的第二电荷标签包括具有唯一净负电荷的第二聚合物链。
21.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个扇区中的扇区的所述多个纳米电子测量装置被布置为所述衬底上的行或列。
22.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个扇区中的扇区的所述多个纳米电子测量装置被布置为所述衬底上的多个行或多个列。
23.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，进一步包括多个放大器，其中所述多个放大器中的每一放大器与所述多个扇区中的对应扇区的所述放大器输入线路电连通。
24.根据权利要求23所述的集成电路，其中所述多个放大器中的放大器是电流/电压放大器。
25.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述电交互是静电。
26.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个纳米电子测量装置包括1,000个纳米电子测量装置。
27.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个纳米电子测量装置包括10,000个纳米电子测量装置。
28.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个纳米电子测量装置由1,000个纳米电子测量装置与1千万个纳米电子测量装置之间组成。
29.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个纳米电子测量装置由10,000个纳米电子测量装置与1百万个纳米电子测量装置之间组成。
30.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中
所述多个扇区中的每一扇区中的所述多个纳米电子测量装置中的仅单个纳米电子测量装置在给定时间点处于所述接通状态，且
所述多个扇区中的每一扇区的所述多个纳米电子测量装置包括三百个装置。
31.根据权利要求2到5或7到8中任一项所述的集成电路，其中所述数据输入线路被配置成接收永久地绕过所述多个扇区中的扇区中的所述多个纳米电子测量装置中多于50％的所述装置的指令。
32.根据权利要求31所述的集成电路，其中所述多个扇区包括十个或更多个扇区，且所述多个扇区中的每一扇区中的所述多个纳米电子测量装置包括一百个装置。
33.根据权利要求2到5或7到8中任一项所述的集成电路，其中所述集成电路被配置成在所述数据输入线路上接收永久地绕过所述多个扇区中的扇区中的所述纳米电子测量装置的50％或更多的信号，进而永久地致使被绕过的纳米电子测量装置处于所述断开状态。
34.根据权利要求2到5或7到8中任一项所述的集成电路，其中所述集成电路被配置成在所述数据输入线路上接收永久地绕过所述多个扇区中的扇区中的所述纳米电子测量装置的80％或更多的信号，进而永久地致使被绕过的纳米电子测量装置处于所述断开状态。
35.根据权利要求1到10中任一项所述的集成电路，其中所述多个扇区包括一百个扇区，且所述多个扇区中的每一扇区中的所述多个纳米电子测量装置包括一千个装置。
36.一种集成电路，包括：
衬底；
布置于所述衬底上的多个扇区，其中所述多个扇区中的每一扇区包括：
可编程开关控制器；
反偏置线路；
放大器输入线路；
空间地布置于所述衬底上的多个测量装置，其中所述多个测量装置中的每一相应测量装置包含耦合到所述反偏置线路的源极和耦合到所述放大器输入线路的漏极以及连接所述源极和所述漏极的纳米结构沟道，进而在所述相应测量装置的所述漏极上获得电信号；以及
多个开关，其中所述多个开关中的每一开关在以下状态之间门控所述多个测量装置中的对应测量装置的所述漏极与所述放大器输入线路之间的所述电信号：
(i)接通状态，其中所述对应测量装置的所述纳米结构沟道的所述电信号被递送到所述放大器输入线路，以及
(ii)断开状态，其中所述对应测量装置的所述纳米结构沟道的所述电信号不递送到所述放大器输入线路，其中
所述多个开关中的每一相应开关独立地接线到所述可编程开关控制器，从而响应于所述可编程开关控制器而致使所述相应开关处于所述接通状态和所述断开状态中的一个状态，以及
所述多个测量装置中的测量装置是纳米场效应晶体管，且其中来自所述反偏置线路的输入从所述源极跨越所述纳米结构沟道施加到所述漏极。
37.根据权利要求36所述的集成电路，进一步包括：
第一时钟信号线路和数据输入线路，且其中
所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括第一移位寄存器，所述第一移位寄存器包括与所述第一时钟信号线路电连通的第一多个触发器，其中
所述第一多个触发器包括初始触发器和终端触发器，
每一触发器包含串行输入和串行输出，其中所述第一多个触发器中除所述终端触发器外的每一触发器的所述串行输出唯一地电连接到所述第一多个触发器中的另一触发器的所述串行输入，进而串联地电耦合所述第一多个触发器，
所述初始触发器的所述串行输入电连接到所述数据输入线路，其中所述第一移位寄存器被配置成从所述数据输入线路接收装置扫描链序列，所述装置扫描链序列通过所述第一时钟信号线路中的电脉冲而传播通过所述第一多个触发器，进而将所述第一多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个；以及
所述多个开关中的每一相应开关通过所述第一多个触发器中的对应触发器独立地接线到所述可编程开关控制器，进而当所述对应触发器被偏置到所述第一状态时致使相应开关处于所述断开状态，且当所述对应触发器被偏置到所述第二状态时致使相应开关处于所述接通状态。
38.根据权利要求37所述的集成电路，其中所述多个扇区中的所述扇区进一步包括：
分路扫描链输入线路；以及
分路时钟信号线路；
所述可编程开关控制器进一步包括第二移位寄存器，所述第二移位寄存器包括与所述分路时钟信号线路电连通的第二多个触发器，其中
所述第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器包含串行输入和串行输出，其中所述第二多个触发器中除所述终端触发器外的每一触发器的所述串行输出唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的所述串行输入，进而串联地电耦合所述第二多个触发器，
所述第二多个触发器中的所述初始触发器的所述串行输入电连接到所述分路扫描链输入线路，其中所述第二移位寄存器被配置成接收分路扫描链序列，所述分路扫描链序列通过所述分路时钟信号线路中的电脉冲而传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第三状态和第四状态中的一个；
所述可编程开关控制器进一步包括多个多路复用器，其中所述多个多路复用器中的每一多路复用器包含第一输入线路、第二输入线路、选择线路以及输出线路，其中
所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述第一输入线路与所述第一多个触发器中的第一对应触发器的所述串行输出电连通，
所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述第二输入线路与所述第一多个触发器中的所述第一对应触发器的所述串行输入电连通，
所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述选择线路与所述第二多个触发器中的第一对应触发器的所述串行输出电连通，且
所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述输出线路与所述第一多个触发器中的第二对应触发器的所述串行输入电连通；以及
第一多个“与”门，其中所述第一多个“与”门中的每一“与”门包括输出、第一输入以及第二输入，其中
所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第一输入与所述第一时钟信号线路电连通，
所述第一多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第二输入与所述第二多个触发器中的所述第一对应触发器的所述串行输出电连通，且
所述第一多个触发器中的每一相应触发器通过所述第一多个“与”门中的对应“与”门的所述输出与所述第一时钟信号线路电连通，其中
当所述第二多个触发器中的与相应“与”门的所述第二输入电连通的相应触发器在所述第三状态中时，所述第一时钟信号线路不施加于所述第一多个触发器中的所述相应触发器，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的相应触发器的所述输出电连通的多路复用器的所述选择线路被偏置到所述相应多路复用器的所述第二输入线路，且
当所述第二多个触发器中与相应“与”门的所述第二输入电连通的所述触发器在所述第四状态中时，所述第一时钟信号线路施加于所述第一多个触发器中的相应触发器，且所述多个多路复用器中与所述第二多个触发器中的所述相应触发器的所述输出电连通的多路复用器的所述选择线路被偏置到所述相应多路复用器的所述第一输入线路。
39.根据权利要求38所述的集成电路，其中所述多个多路复用器中的每一相应多路复用器的所述输出线路通过多个缓冲器门中的对应缓冲器门与所述第一多个触发器中的第二对应触发器的所述串行输入电连通。
40.根据权利要求38所述的集成电路，其中
所述第一多个触发器中的每一触发器进一步包括第一复位；
所述第二多个触发器中的每一触发器进一步包括第二复位；
所述扇区进一步包括分路信号线路；以及
所述可编程开关控制器进一步包括第二多个“与”门，其中所述第二多个“与”门中的每一“与”门具有输出、第一输入以及第二输入，其中
所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第一输入与所述第一多个触发器中的第一触发器的所述串行输出电连通，
所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第二输入与所述分路信号线路电连通，
所述第二多个“与”门中的每一相应“与”门的所述输出与所述第一多个触发器中的对应触发器的所述第一复位以及所述第二多个触发器中的对应触发器的所述第二复位电连通，进而在所述数据输入线路将所述第一多个触发器中的所述对应触发器驱动到所述第二状态的同时断言所述分路信号线路时致使所述第一对应触发器复位到所述第一状态且所述第二对应触发器复位到所述第三状态。
41.根据权利要求36所述的集成电路，其中
所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括：
存储器控制器，
与所述存储器控制器电连通的存储器，
与所述存储器电连通的列解码器，以及
与所述存储器电连通的行解码器；
且其中所述扇区进一步包括：
多个“与”门，其中所述多个“与”门中的每一“与”门包括输出、第一输入以及第二输入，其中
所述多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第一输入与所述列解码器电连通，
所述多个“与”门中的每一相应“与”门的所述第二输入与所述行解码器电连通，且
所述多个开关中的每一相应开关通过所述多个“与”门中的对应“与”门的所述输出独立地接线到所述可编程开关控制器，进而当所述行解码器和所述列解码器均向所述相应开关用信号通知第一状态时致使所述相应开关处于所述接通状态，且否则致使所述相应开关处于所述断开状态。
42.根据权利要求36所述的集成电路，其中
所述扇区进一步包括第一时钟线路、数据输入线路、第二时钟线路以及重新开始扫描链线路；
所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括：
行移位寄存器，其包括第一多个触发器，其中所述第一多个触发器中的初始触发器与所述数据输入线路和所述第一时钟信号线路电连通；
多个“与”门，所述多个“与”门中的每一“与”门包括第一输入、第二输入以及输出，以及
多个列移位寄存器，每一列移位寄存器包括第二多个触发器，且其中
所述多个“与”门中的每一“与”门的所述第一输入与所述行移位寄存器的所述第一多个触发器中的对应触发器的输出电连通；
所述多个“与”门中的每一“与”门的所述第二输入与所述第二时钟线路电连通，
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器的所述第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器包含串行数据输入、时钟脉冲输入以及串行数据输出，
所述第二多个触发器中除所述终端触发器外的每一相应触发器的所述串行数据输出唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的所述串行数据输入，进而串联地电耦合所述第二多个触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器的所述时钟脉冲输入电连接到所述第一多个“与”门中的“与”门的所述输出，
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器被配置成从所述重新开始扫描链线路接收逻辑“1”或“0”，所述逻辑“1”或“0”通过在所述第二多个触发器中的每一相应触发器的所述时钟脉冲输入处接收的电脉冲而从所述第二多个触发器中的所述初始触发器传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个，
所述多个开关中的每一相应开关通过对应列移位寄存器的所述第二多个触发器中的对应触发器的所述输出独立地接线到所述可编程开关控制器，进而致使所述相应开关：
当所述对应列移位寄存器的所述第二多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第一状态时处于所述断开状态，且
当所述对应列移位寄存器的所述第二多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第二状态时处于所述接通状态。
43.根据权利要求36所述的集成电路，其中
所述扇区进一步包括第一时钟线路、数据输入线路、第二时钟线路、负载缓冲器线路以及重新开始扫描链线路，
所述多个扇区中的扇区的所述可编程开关控制器包括：
行移位寄存器，其包括第一多个触发器，其中所述第一多个触发器中的初始触发器与所述数据输入线路和所述第一时钟信号线路电连通；
多个“与”门，所述多个“与”门中的每一“与”门包括第一输入、第二输入以及输出，以及
多个列移位寄存器，每一列移位寄存器包括第二多个触发器和第三多个触发器，且其中
所述第一多个“与”门中的每一“与”门的所述第一输入与所述行移位寄存器的所述第一多个触发器中的对应触发器的输出电连通；
所述第一多个“与”门中的每一“与”门的所述第二输入与所述第二时钟线路电连通，
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器的所述第二多个触发器包括初始触发器和终端触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器包含串行数据输入、时钟脉冲输入以及串行数据输出，
所述第二多个触发器中除所述终端触发器外的每一相应触发器的所述串行数据输出唯一地电连接到所述第二多个触发器中的另一触发器的所述串行数据输入，进而串联地电耦合所述第二多个触发器，
所述第二多个触发器中的每一触发器的所述时钟脉冲输入电连接到所述第一多个“与”门中的“与”门的所述输出，
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器被配置成从所述重新开始扫描链线路接收逻辑“1”或“0”，所述逻辑“1”或“0”通过在所述第二多个触发器中的每一相应触发器的所述时钟脉冲输入处接收的电脉冲而从所述第二多个触发器中的所述初始触发器传播通过所述第二多个触发器，进而将所述第二多个触发器中的每一触发器独立地偏置到第一状态和第二状态中的一个，
所述多个列移位寄存器中的每一相应列移位寄存器进一步包括：
第三多个触发器，所述第三多个触发器中的每一相应触发器包括数据输入、数据输出以及时钟脉冲输入，且其中
所述第三多个触发器中的每一相应触发器的所述时钟脉冲输入电连接到所述负载缓冲器线路，
所述第三多个触发器中的每一相应触发器门的所述数据输入接线到所述第二多个触发器中的对应触发器的所述输出，进而当所述第二多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第一状态且所述负载缓冲器线路被断言时致使所述第三多个触发器中的所述对应触发器的状态被偏置到所述第一状态，且当所述第二多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第二状态且所述负载缓冲器线路被断言时致使所述第三多个触发器中的所述对应触发器的状态被偏置到所述第二状态，
所述多个开关中的每一相应开关通过对应列移位寄存器的所述第三多个触发器中的对应触发器的所述输出独立地接线到所述可编程开关控制器，进而致使所述相应开关：
当所述对应列移位寄存器的所述第三多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第一状态时处于所述断开状态，且
当所述对应列移位寄存器的所述第三多个触发器中的所述对应触发器被偏置到所述第二状态时处于所述接通状态。
44.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个测量装置中的测量装置是包括所述源极、所述漏极、栅极以及沟道的纳米场效应晶体管，且其中来自所述反偏置线路的所述输入是从所述源极跨越所述沟道施加到所述漏极。
45.根据权利要求44所述的集成电路，其中所述沟道是纳米线、碳纳米管或石墨烯纳米带。
46.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述反偏置线路运载DC电压，且所述反偏置线路对所述测量装置的施加导致所述测量装置的所述纳米结构沟道中的DC电流。
47.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述反偏置线路运载AC电压，且所述AC电压的频率在所述反偏置线路对所述测量装置的施加期间随时间而改变。
48.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个扇区中的扇区的多个测量装置中的所述测量装置被布置为所述衬底上的行或列。
49.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个扇区中的扇区的多个测量装置中的所述测量装置被布置为所述衬底上的多个行或多个列。
50.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，进一步包括多个放大器，其中所述多个放大器中的每一放大器与所述多个扇区中的对应扇区的所述放大器输入线路电连通。
51.根据权利要求50所述的集成电路，其中所述多个放大器中的放大器是电流/电压放大器。
52.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个测量装置包括1,000个测量装置。
53.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个测量装置包括布置于所述多个扇区中的10,000个测量装置。
54.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个测量装置由布置于所述多个扇区中的1,000个测量装置与1千万个测量装置之间组成。
55.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个测量装置由布置于所述多个扇区中的10,000个测量装置与1百万个测量装置之间组成。
56.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个测量装置中的仅单个相应测量装置在给定时间点在所述多个扇区中的每一扇区中处于所述接通状态，且其中所述多个扇区中的扇区的所述多个测量装置包括三百个装置。
57.根据权利要求37到40或42到43中任一项所述的集成电路，其中所述数据输入线路被配置成接收永久地绕过所述多个扇区中的扇区中的所述多个测量装置中的多于50％的所述测量装置的指令。
58.根据权利要求37到40或42到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个扇区包括十个或更多个扇区，且所述多个扇区中的每一扇区中的所述多个测量装置包括一百个装置。
59.根据权利要求58所述的集成电路，其中所述集成电路被配置成在所述数据输入线路上接收永久地绕过所述多个扇区中的扇区中的50％或更多的所述测量装置的信号，进而永久地致使被绕过的测量装置处于所述断开状态。
60.根据权利要求58所述的集成电路，其中所述集成电路被配置成在所述数据输入线路上接收永久地绕过所述多个扇区中的扇区中的80％或更多的所述测量装置的信号，进而永久地致使被绕过的测量装置处于所述断开状态。
61.根据权利要求36到43中任一项所述的集成电路，其中所述多个扇区包括一百个或更多个扇区，且所述多个扇区中的每一扇区中的所述多个测量装置包括一千个装置。
62.一种测量设备，包括：
一个或多个处理器；
存储器；
存储于所述存储器中的测量阵列；
根据权利要求1-61中任一项所述的集成电路；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序存储于所述存储器中且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包含用于以下操作的指令：
将所述测量阵列驱动到所述集成电路中，其中所述测量阵列确定可个别寻址的所述多个纳米电子测量装置中的哪些纳米电子测量装置响应于所述反偏置线路；
将所述反偏置线路驱动到操作状态；以及
响应于时钟信号线路上的相应时钟信号，从所述多个纳米电子测量装置中被所述测量阵列认为响应于所述反偏置线路的每一纳米电子测量装置个别地获得读取；以及
将每一获得的读取存储在所述存储器中。
63.根据权利要求62所述的设备，其中
所述集成电路包括第一移位寄存器，所述第一移位寄存器包括第一多个触发器，
所述多个触发器中的每一触发器与可个别寻址的所述多个纳米电子测量装置中的对应纳米电子测量装置电连通，
所述将所述测量阵列驱动到所述集成电路中包括通过所述时钟信号线路中的电脉冲将所述测量阵列的个别元件加载到所述多个触发器中的个别触发器中，进而确定所述第一多个触发器中的哪些触发器被偏置到第一状态且所述第一多个触发器中的哪些触发器被偏置到第二状态，
当与相应纳米电子测量装置电连通的对应触发器处于所述接通状态时所述相应纳米电子测量装置被认为响应于所述反偏置线路，且
当与相应纳米电子测量装置电连通的对应触发器处于所述断开状态时所述相应纳米电子测量装置被认为不响应于所述反偏置线路。
64.根据权利要求63所述的设备，其中
所述集成电路包括：
存储器控制器，
与所述存储器控制器电连通的集成电路存储器，
与所述集成电路存储器电连通的列解码器，以及
与所述集成电路存储器电连通的行解码器，
所述将所述测量阵列驱动到所述集成电路中包括将所述测量阵列加载到所述集成电路存储器中，且
所述多个纳米电子测量装置中的每一相应纳米电子测量装置通过多个“与”门中的对应“与”门独立地接线到所述列解码器和所述行解码器，进而当所述行解码器和所述列解码器均向所述对应“与”门用信号通知第一状态时致使所述相应纳米电子测量装置被认为响应于所述反偏置线路，且否则致使所述相应纳米电子测量装置被认为不响应于所述反偏置线路。
65.根据权利要求62到64中任一项所述的设备，其中所述多个纳米电子测量装置中的纳米电子测量装置是包括源极、漏极、栅极以及沟道的纳米场效应晶体管，且其中来自所述反偏置线路的所述输入是从所述源极跨越所述沟道施加到所述漏极。
66.根据权利要求65所述的设备，其中所述沟道是纳米线、碳纳米管或石墨烯纳米带。
67.根据权利要求65所述的设备，其中所述沟道是纳米孔。
68.根据权利要求62到64中任一项所述的设备，其中所述反偏置线路运载DC电压。
69.根据权利要求62到64中任一项所述的设备，其中所述反偏置线路运载AC电压，且所述AC电压的频率随时间改变。
70.根据权利要求62到64中任一项所述的设备，其中来自所述多个纳米电子测量装置中的纳米电子测量装置的所述读取是作为一组离散电信号中的任一个的电信号，其中所述组离散电信号中的所述电信号的身份是通过所述对应纳米电子测量装置与多个电荷标签中的特定电荷标签之间的电交互来确定。
71.根据权利要求70所述的设备，其中所述多个电荷标签中的每一电荷标签表示多个核苷酸类似物中的不同类型的核苷酸类似物。
72.根据权利要求71所述的设备，其中聚合酶附接到所述对应纳米电子测量装置，且与所述对应纳米电子测量装置形成电交互的所述特定电荷标签是作为与模板核酸的聚合酶介导核酸合成反应的部分而通过所述聚合酶从所述多个核苷酸类似物中的对应核苷酸类似物释放。
73.根据权利要求72所述的设备，其中所述多个电荷标签中的电荷标签包括蛋白质。
74.根据权利要求73所述的设备，其中所述蛋白质具有在所述聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。
75.根据权利要求73所述的设备，其中所述蛋白质具有在phi29聚合酶的分子量的1/10与3倍之间的分子量。
76.根据权利要求73所述的设备，其中所述多个电荷标签中的所述电荷标签中的至少一个包括由多个电荷表征的聚合物链。
77.根据权利要求70所述的设备，其中所述多个电荷标签中的每一电荷标签包括由唯一净正或负电荷表征的聚合物链。
78.根据权利要求70所述的设备，其中
所述多个电荷标签中的第一电荷标签包括具有唯一净正电荷的第一聚合物链，且
所述多个电荷标签中的第二电荷标签包括具有唯一净负电荷的第二聚合物链。
79.根据权利要求62到64中任一项所述的设备，其中所述集成电路包括1,000个纳米电子测量装置。
80.根据权利要求62到64中任一项所述的设备，其中所述多个纳米电子测量装置包括10,000个纳米电子测量装置。
81.根据权利要求62到64中任一项所述的设备，其中所述多个纳米电子测量装置由1,000个纳米电子测量装置与1千万个纳米电子测量装置之间组成。
82.根据权利要求62到64中任一项所述的设备，其中所述多个纳米电子测量装置由10,000个纳米电子测量装置与1百万个纳米电子测量装置之间组成。
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