CN108350493A - 用于核酸测序的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于核酸分子测序的装置、系统和方法。使用包含传感器阵列的芯片可以高准确度地鉴定核酸分子的序列，其中每一个单独传感器包含至少一个纳米间隙电极对，所述至少一个纳米间隙电极对被构造成在核酸分子流动穿过或接近所述纳米间隙电极对的至少一个纳米间隙时产生电信号。

Description

用于核酸测序的装置、系统和方法

交叉引用

本申请要求于2015年10月8日提交的美国临时专利申请第62/239,171号的权益，该美国临时专利申请通过引用以整体并入本文。

背景技术

核酸测序是确定核酸分子如脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)内核苷酸顺序的过程。核酸分子序列的确定可以提供各种益处，例如帮助诊断和/或治疗对象。例如，对象的核酸序列可用于遗传疾病的鉴定、诊断和潜在开发治疗。

发明内容

虽然目前有可用的核酸测序方法和系统，但在此认识到与这些系统相关的各种局限性，例如，它们可能是昂贵的、或者可能不能在一定时间段内并且以诊断和/或治疗对象所必需的准确度提供充分的序列信息。

本公开提供了可用于物种鉴定和/或核酸测序的方法、系统和计算机程序。这样的方法和系统可以能够通过使用高灵敏度的信号独立或并行地对核酸分子(例如，DNA、RNA或其变体)进行测序来执行高准确度测序，所述信号可以被标准化。

本公开的一个方面提供了一种核酸分子测序方法，所述方法包含：(a)提供芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含电极，所述电极适于在核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分；(b)引导所述核酸分子或其一部分穿过或接近所述至少一个纳米间隙；以及(c)以至少约97％的准确度鉴定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

在本文提供的方面的一些实施方式中，在所述核酸分子的至少约100个连续核酸碱基的跨度上以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。在本文提供的方面的一些实施方式中，在对核酸分子或其一部分不进行重新测序的情况下，以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极与电路耦合。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述传感器与处理所述电信号的集成电路耦合。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述传感器是所述芯片的部分。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述传感器阵列包含单独传感器，其密度大于或等于每1mm²约50或500个单独传感器。在本文提供的方面的一些实施方式中，每一个所述单独传感器都是可独立寻址的。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子包含脱氧核糖核酸(DNA)和/或核糖核酸RNA。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜至少部分地由至少一种选自金属材料和半导体材料的材料形成。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜至少部分地由选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜的电极间电容小于约0.1皮法(pF)。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述准确度为至少约99.5％。在本文提供的方面的一些实施方式中，当鉴定所述核酸分子或其一部分的至多5个核酸碱基时，所述准确度为至少约97％。在本文提供的方面的一些实施方式中，当鉴定所述核酸分子或其一部分的至多3个核酸碱基时，所述准确度为至少约97％。在本文提供的方面的一些实施方式中，当鉴定所述核酸分子或其一部分的单个核酸碱基时，所述准确度为至少约97％。在本文提供的方面的一些实施方式中，至少约97％的所述准确度是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至多20程所收集的数据合并而达到的。在本文提供的方面的一些实施方式中，至少约97％的所述准确度是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至多5程所收集的数据合并而达到的。在本文提供的方面的一些实施方式中，至少约97％的准确度是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙单程所收集的数据合并而达到的。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子或其一部分的核酸序列是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至少10程所收集的数据合并而鉴定的。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子或其一部分的核酸序列是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至少20程所收集的数据合并而鉴定的。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电信号包含电流。在本文提供的方面的一些实施方式中，在至少约1皮安的电流水平、至少约1纳安的背景电流水平、和至少约1比2的信噪比下，引导所述核酸分子以至少约0.5千赫(KHz)的移位速率(translocation rate)穿过所述至少一个纳米间隙。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极包含隧穿电极。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电信号包含隧穿电流。在本文提供的方面的一些实施方式中，在约0.1千赫(KHz)至100KHz的频率下鉴定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于或等于该分子直径的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述鉴定包含产生至少约80％的原始准确度。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述鉴定包含产生共有序列(consensussequence)。在本文提供的方面的一些实施方式中，以至少约80％的单程准确度鉴定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

本公开的另一个方面提供了一种核酸分子测序方法，所述方法包含：(a)提供芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含电极，所述电极适于在核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分；(b)在没有分子马达的情况下引导所述核酸分子或其一部分流动穿过或接近所述至少一个纳米间隙；以及(c)通过在多个时间点检测电信号对所述核酸分子测序。

在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极与电路耦合。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述传感器与处理所述电信号的集成电路耦合。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述传感器是所述芯片的部分。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述传感器阵列包含单独传感器，其密度大于或等于约每1mm²500个单独传感器。在本文提供的方面的一些实施方式中，每一个所述单独传感器都是可独立寻址的。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子包含脱氧核糖核酸(DNA)和/或核糖核酸(RNA)。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜由至少一种选自金属材料和半导体材料的材料形成。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜由选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜具有小于约0.1皮法(pF)的电容。在本文提供的方面的一些实施方式中，以至少约95％的准确度对所述核酸分子进行测序。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电信号包含电流。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极包含隧穿电极。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电信号包含隧穿电流。在本文提供的方面的一些实施方式中，在所述核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时，通过检测所述核酸分子的一个或多个核酸亚基对所述核酸分子进行测序。在本文提供的方面的一些实施方式中，以至少约10比1、50比1或100比1的信噪比检测所述一个或多个核酸亚基。在本文提供的方面的一些实施方式中，在至多约1微秒或1毫秒的时间段内检测所述核酸分子的单独的亚基。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于或等于该分子直径的间隙间隔开。

本公开的另一个方面提供了一种核酸分子测序系统，所述系统包含：(a)芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含被构造成在其中具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含与电路耦合的电极，所述电路适于在核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分；以及(b)与所述芯片耦合的计算机处理器，其中所述计算机处理器被编程为基于从所述单独传感器的阵列接收到的电信号来帮助以至少约97％的准确度表征所述核酸分子或其所述一部分的核酸序列。

在本文提供的方面的一些实施方式中，在所述核酸分子的至少约100个连续核酸碱基的跨度上以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。在本文提供的方面的一些实施方式中，在对核酸分子或其一部分不进行重新测序的情况下，以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述单独传感器的阵列的密度为至少每1mm²约500个单独传感器。在本文提供的方面的一些实施方式中，每一个所述单独传感器都是可独立寻址的。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子包含脱氧核糖核酸(DNA)和/或核糖核酸(RNA)。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜由至少一种选自金属材料和半导体材料的材料形成。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜由选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜具有小于约0.1皮法(pF)的电容。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电信号包含电流。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极包含隧穿电极。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电信号包含隧穿电流。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于或等于该分子直径的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述系统还包含与所述计算机处理器操作性耦合的转阻(transimpedence)放大器。

本公开的另一个方面提供了一种核酸分子测序系统，所述系统包含：(a)芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含被构造成在其中具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含与电路耦合的电极，所述电路适于在核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分，并且其中每一个所述单独传感器都是可独立寻址的；以及(b)与所述芯片耦合的计算机处理器，其中所述计算机处理器被编程为通过在多个时间点检测电信号来帮助表征所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

在本文提供的方面的一些实施方式中，在不使用分子马达的情况下促进所述核酸分子或其一部分的流动。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述单独传感器的阵列的密度为至少每1mm²约500个单独传感器。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子包含脱氧核糖核酸(DNA)和/或核糖核酸(RNA)。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜由至少一种选自金属材料和半导体材料的材料形成。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜由至少一种选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜具有小于约0.1皮法(pF)的电容。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电信号包含电流。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极包含隧穿电极。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电信号包含隧穿电流。在本文提供的方面的一些实施方式中，以至少约95％的准确度对所述核酸分子进行测序。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于或等于该分子直径的间隙间隔开。

本公开的另一个方面提供了一种核酸分子测序方法，所述方法包含：(a)激活芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含电极，所述电极适于在核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开；(b)引导所述核酸分子或其一部分穿过或接近所述至少一个纳米间隙；以及(c)鉴定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

在本文提供的方面的一些实施方式中，在所述核酸分子的至少约100个连续核酸碱基的跨度上以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。在本文提供的方面的一些实施方式中，在对核酸分子或其一部分不进行重新测序的情况下，以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极与电路耦合。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述传感器与处理所述电信号的集成电路耦合。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述传感器是所述芯片的部分。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述传感器阵列包含单独传感器，其密度大于或等于每1mm²约50或500个单独传感器。在本文提供的方面的一些实施方式中，引导所述核酸分子以至少约0.5千赫(KHz)的移位速率穿过所述至少一个纳米间隙。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子或其一部分的核酸序列是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至少10程所收集的数据合并而鉴定的。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子或其一部分的核酸序列是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至少20程所收集的数据合并而鉴定的。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至两倍的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于该分子直径的间隙间隔开。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述鉴定包含产生共有序列。

本公开的另一个方面提供了一种核酸分子测序系统，所述系统包含：(a)芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含电极，所述电极适于在核酸分子或其一部分以至少约0.5千赫(KHz)的移位速率流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生至少约1皮安的电流水平的电流以帮助检测所述核酸分子或其一部分，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开；以及(b)与所述芯片耦合的计算机处理器，其中所述计算机处理器被编程为通过检测所述电流来帮助表征所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

在本文提供的方面的一些实施方式中，在不使用分子马达的情况下促进所述核酸分子或其一部分的流动。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子或其一部分的核酸序列通过在多个时间点检测所述电信号来表征。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述单独传感器的阵列的密度为至少每1mm²约500个单独传感器。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述核酸分子包含脱氧核糖核酸(DNA)和/或核糖核酸(RNA)。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜由选自金属材料和半导体材料的材料制造。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜由选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述固态膜具有小于约0.1皮法(pF)的电容。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电极包含隧穿电极。在本文提供的方面的一些实施方式中，所述电流包含隧穿电流。在本文提供的方面的一些实施方式中，以至少约95％的准确度对所述核酸分子进行测序。

根据下面的详细描述，本公开的其他方面和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见，在下面的详细描述中仅显示和描述了本公开的说明性实施方式。如将认识到的，本公开能够有其他和不同的实施方式，并且它的若干细节能够在各个明显的方面加以修改，所有这些都不背离本公开。因此，附图和描述本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。

附图说明

本发明的新颖特征在权利要求中具体阐述。通过参考下文阐述了利用本发明原理的说明性实施方式的详细描述、以及附图(在本文中也称为“图”)，将获得对本发明的特征和优点的更充分了解，在所述附图中：

图1显示了核酸测序的一般工作流程；

图2示意性地示出了具有传感器阵列的测试芯片的示例以及包含纳米间隙电极的传感器的构造；

图3显示了正在穿过所述纳米间隙的核酸分子；

图4显示了由传感器测量的随时间的信号图；

图5示意性地示出了计算机系统，其被编程或以其他方式被配置以实现本公开的装置、系统和方法。

具体实施方式

虽然本文已经显示和描述了本发明的各种实施方式，但对于本领域技术人员来说将显而易见的是，这样的实施方式仅作为示例提供。在不背离本发明的情况下，本领域技术人员可以想到许多变化、改变和替换。应该理解，可以采用在本文中描述的本发明实施方式的各种替代方案。

术语“间隙”在本文中使用时一般是指在材料中或电极之间形成或以其他方式提供的孔隙、通道或通路。所述材料可以是固态材料，例如衬底。所述间隙可以与传感电路或耦合至传感电路的电极相邻或接近。在一些实例中，间隙具有0.1纳米(nm)至大约1000nm的量级的特征性宽度或直径。具有纳米级宽度的间隙可以被称为“纳米间隙”(在本文中也称为“纳米间隙”)。在一些情况下，纳米间隙的宽度为从约0.1纳米(nm)至约50nm、0.5nm至30nm、或0.5nm或10nm、0.5nm至5nm、或0.5nm至2nm，或不大于约2nm、1nm、0.9nm、0.8nm、0.7nm、0.6nm、或0.5nm。在一些情况下，纳米间隙的宽度为至少约0.5nm、0.6nm、0.7nm、0.8nm、0.9nm、1nm、2nm、3nm、4nm、或5nm。在一些情况下，纳米间隙的宽度可以小于生物分子或生物分子的亚基(例如单体)的直径。

术语“纳米孔”在本文中使用时一般指具有纳米级最小直径并延伸穿过衬底的孔隙或孔洞。纳米孔的尺寸可以变化并且可以在约1纳米(nm)至约数百纳米(例如300nm，400nm，500nm，600nm，700nm，800nm，900nm)或更高的直径范围内。在一些情况下，有效的纳米孔具有大致约1.5nm至30nm的直径。纳米孔延伸穿过的衬底的厚度可以在从约1nm至约1微米(μm)的范围内。在本文中使用时，术语“纳米间隙”和“纳米孔”是可互换的。

术语“电极”在本文中使用时一般是指可用于测量电流的材料或部件。电极(或电极部件)可用于测量进出另一个电极的电流。在一些情况下，电极可以设置在通道(例如纳米间隙)中并用于测量跨过所述通道的电流。所述电流可以是隧穿电流。这样的电流可以在，例如，生物分子(例如蛋白质)流动穿过所述纳米间隙、或所述生物分子或其一部分存在或不存在于所述纳米间隙中的时候被检测到。在一些情况下，与电极耦合的传感电路提供跨电极的外加电压来产生电流。作为替代或补充，所述电极可用于测量和/或鉴定与生物分子(例如氨基酸亚基或蛋白质单体)相关的电导。在这样的情况下，隧穿电流可以与电导有关。

术语“生物分子”或“生物聚合物”在本文中使用时一般是指可以用跨过纳米间隙电极的电参数(例如，电流、电压、差分阻抗、隧穿电流、电阻、电容、和/或电导)进行查询的任何生物材料。生物分子可以是核酸分子、蛋白质或碳水化合物。生物分子可包括一个或多个亚基，例如核苷酸或氨基酸。

术语“移位”在本文中使用时一般是指生物分子穿过纳米间隙或纳米孔从衬底的一侧到另一侧的移动。所述移动可以按限定的或随机的方向发生。关于生物分子穿过纳米间隙或纳米孔的移位，术语“内”包括整个生物分子在所述纳米间隙或纳米孔“之内”和/或其一部分可以在所述纳米间隙或纳米孔外部的情况。例如，在所述纳米间隙或纳米孔“内”的生物分子意指整个生物分子在所述纳米间隙或纳米孔的开口内部或只有其一小部分位于纳米孔内部而大部分在所述纳米间隙或纳米孔的外部。

术语“核酸”在本文中使用时一般是指包含一个或多个核酸亚基的分子。核酸可以包含一个或多个选自腺苷(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)或其变体的亚基，其变体包括，例如，任何天然存在或非天然存在的(例如，修饰的或工程化的)、包含脱碱基位点(abasic bases)的表观遗传修饰的脱氧核苷酸或核糖核苷酸。核苷酸可包含A、C、G、T或U，或其变体。核苷酸可包含任何可以并入生长中的核酸链中的亚基。这样的亚基可以是A、C、G、T或U，或对一种或多种互补A、C、G、T或U具有特异性的或与嘌呤(即A或G，或其变体)或嘧啶(即C、T或U，或其变体)互补的任何其他亚基。亚基可以使单独的核酸碱基或碱基组(例如，AA、TA、AT、GC、CG、CT、TC、GT、TG、AC、CA、或尿嘧啶-其配对物)能被解析。在一些实例中，核酸是脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)或其衍生物。核酸可以是单链或双链的。

术语“蛋白质”在本文中使用时一般指具有一个或多个氨基酸单体、亚基或残基的生物分子或大分子。例如，含有50个或更少的氨基酸的蛋白质可以被称为“肽”。所述氨基酸单体可选自任何天然存在的和/或合成的氨基酸单体，例如20、21或22种天然存在的氨基酸。在一些情况下，对象的遗传密码中编码20种氨基酸。一些蛋白质可以包含选自约500种天然和非天然存在的氨基酸的氨基酸。在一些情况下，蛋白质可包含一种或多种选自异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸、精氨酸、组氨酸、丙氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸、丝氨酸和酪氨酸的氨基酸。

术语“相邻”或“与...相邻”在本文中使用时包括“紧邻”、“邻接”、“接触”和“接近”。在一些情况下，与组件相邻是被一个或多个居间层(intervening layer)彼此分开的。例如，所述一个或多个居间层可具有小于约10微米、1微米、500纳米(“nm”)、100nm、50nm、10nm、1nm或更小的厚度。在一个实例中，当第一层与第二层直接接触时，第一层与第二层相邻。在另一个实例中，当第一层与第二层被第三层分开时，第一层与第二层相邻。

一般性概述

本公开提供用于传感或鉴定生物分子例如蛋白质、多糖、脂质和核酸分子的装置、系统和方法。所述核酸分子可包括DNA、RNA及其变体。核酸分子可以是单链或双链的。本公开的装置和系统可以包含具有传感器阵列的芯片，其还可以包含一个或多个纳米间隙电极对。每一个单独的纳米间隙电极对可以被构造成具有特定的电极间空间(或纳米间隙宽度)，使它可用于对特定类型的分子、例如dsDNA或ssDNA进行测序。

图1显示了本文提供的方法的一般工作流程。在第一操作101中，可以制备样品(例如，核酸分子)用于测序。任何物质都可以是样品的来源。所述物质可以是流体，例如生物流体。流体物质可以包括但不限于血液(例如全血、血浆)、脐带血、唾液、尿液、汗液、血清、精液、阴道液、胃和消化液、脊髓液、胎盘液、腔液、眼液、血清、母乳、淋巴液或其组合。

所述物质可以是固体，例如生物组织。所述物质可以包含正常的健康组织。所述组织可以与各种类型的器官相关。器官的非限制性实例可以包括脑、乳腺、肝、肺、肾、前列腺、卵巢、脾、淋巴结(包括扁桃体)、甲状腺、胰腺、心脏、骨骼肌、肠、喉、食道、胃或其组合。

所述物质可以包含肿瘤。肿瘤可以是良性的(非癌症)或恶性的(癌症)。肿瘤的非限制性实例可以包括：纤维肉瘤、粘液肉瘤、脂肪肉瘤、软骨肉瘤、成骨肉瘤、脊索瘤、血管肉瘤、内皮肉瘤、淋巴管肉瘤、淋巴管内皮肉瘤、滑膜瘤、间皮瘤、尤文氏(Ewing's)瘤、平滑肌肉瘤、横纹肌肉瘤、胃肠系统癌、结肠癌、胰腺癌、乳腺癌、泌尿生殖系统癌、卵巢癌、前列腺癌、鳞状细胞癌、基底细胞癌、腺癌、汗腺癌、皮脂腺癌、乳头状癌、乳头状腺癌、囊腺癌、髓样癌、支气管癌、肾细胞癌、肝细胞癌、胆管癌、绒毛膜癌、精原细胞瘤、胚胎癌、维尔姆斯(Wilms')瘤、宫颈癌、内分泌系统癌、睾丸肿瘤、肺癌、小细胞肺癌、非小细胞肺癌、膀胱癌、上皮癌、神经胶质瘤、星形细胞瘤、髓母细胞瘤、颅咽管瘤、室管膜瘤、松果体瘤、成血管细胞瘤、听神经瘤、少突神经胶质瘤、脑膜瘤、黑素瘤、神经母细胞瘤、视网膜母细胞瘤、或其组合。肿瘤可以与各种类型的器官相关。器官的非限制性实例可以包括脑、乳腺、肝、肺、肾、前列腺、卵巢、脾、淋巴结(包括扁桃体)、甲状腺、胰腺、心脏、骨骼肌、肠、喉、食道、胃或其组合。

样品可以用任何合适的方法或技术与源物质分离。在一些情况下，通过将处理过的源物质(例如分离的核酸分子)进一步经受核酸扩增条件以产生一种或多种扩增产物(或扩增子)而获得样品。

接下来，一旦样品已经制备，则在第二操作102中，可以检测和/或测量与所制备的样品相关的一个或多个信号。所述信号可以作为数据存储。例如，可引导所制备的样品流动穿过或接近本文中提供的芯片的传感器阵列中包含的一个或多个纳米间隙电极对。所述纳米间隙电极对的电极可以被构造成在样品分子的每一个单体或亚基流动穿过所述纳米间隙时产生信号。

接下来，在第三操作103中，可以处理检测或测量到的信号以帮助确定/鉴定样品分子，例如样品分子的序列。接下来，在第四操作104中，样品确定/鉴定(例如，样品分子的序列)的结果可以被输出或传递给接收者(例如，人或电子系统，例如一个或多个计算机和/或一个或多个计算机服务器存储和计算机可读介质)。

在一些情况下，样品分子的一个或多个单体或亚基可以包括标记物(例如，隧穿标记、箍圈标记(hooping label)或电流阻断标记)或用所述标记物修饰。各种标记物可以产生相同或不同的信号。所述标记物可以能够调节样品分子或其一部分的移位速率。所述标记物可以被构造成在样品分子穿过所述纳米间隙的移位期间产生明显的可检测信号。在一些情况下，样品分子的至少约1％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或更多的单体或亚基被标记。在一些情况下，样品分子的少于约100％、80％、60％、40％、20％、10％或5％的单体或亚基被标记。在用各自产生不同信号的标记物修饰所述单体的情况下，这样标记的单体或亚基各自可以在样品分子穿过纳米间隙时被差异性检测。因此，可通过检测至少部分由标记物引起的信号或信号变化来确定样品分子。各种材料，包括例如导体、半导体、磁性材料、有机材料、无机材料或其组合，均可以用作标签。例如，所述单体可以用调节共振隧穿电流的标记物进行修饰，所述标记物包括但不限于直径约100nm或更小的金属和金属合金及其氧化物，例如金、银、铜、锡、钛、铁、钴、铬、钼、钒、铝、锌、铋、氧化锆、碳化钨、镁、铈。

核酸分子测序方法

本公开的一个方面提供了核酸分子测序方法，所述方法包括提供芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列。所述阵列的每一个单独传感器可包含具有至少一个纳米间隙的固态膜。在一些情况下，每一个单独传感器可包含多个纳米间隙。所述至少一个纳米间隙可包含电极，所述电极适于在核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分。

随后，可引导所述核酸分子或其一部分穿过或接近所述至少一个纳米间隙。例如，核酸分子可以经历流动穿过所述纳米间隙，使得所述核酸分子的单个亚基可以流动穿过所述纳米间隙。

接下来，可以鉴定核酸分子或其一部分的核酸序列。可以以至少约60％、70％、80％、85％、90％、95％、95.5％、96％、96.5％、97％、97.5％、98％、98.5％、99％、99.5％、99.9％、或99.99％的准确度鉴定所述核酸序列。在一些情况下，可以以在此描述的任何两个值之间、例如约94％的准确度确定/鉴定所述核酸序列。在一些情况下，预定的准确度由用户规定，并且系统可以修改一个或多个参数，例如分子或其一部分穿过纳米间隙的程数(number of pass)、分子的移位速率、施加于电极的电压、或查询的长度，以达到期望的或预定的准确度。

附加地或替选地，在本公开的另一个方面，核酸分子测序方法可包括激活芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列。所述阵列的每一个单独传感器可包含具有至少一个纳米间隙的固态膜。所述至少一个纳米间隙可包含电极，所述电极适于在核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分。所述电极可以被所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的至少约0.01倍、0.05倍、0.1倍、0.2倍、0.3倍、0.4倍、0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍、0.9倍、1倍、1.5倍、2倍、2.5倍、3倍、3.5倍、4倍、4.5倍、或5倍的间隙间隔开。在一些情况下，所述电极可以被小于或等于所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约100倍、90倍、80倍、70倍、60倍、50倍、40倍、30倍、20倍、15倍、10倍、9倍、8倍、7倍、6倍、5倍、4倍、3倍、2倍、1倍、0.8倍、0.6倍、0.4倍、0.2倍或0.1倍的间隙间隔开。在一些情况下，所述电极可以被落入本文描述的任何两个值之间，例如，从所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开。

接下来，可引导所述核酸分子或其一部分穿过或接近所述至少一个纳米间隙，并且可以基于所产生的电信号鉴定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

可以以至少约60％、70％、80％、85％、90％、95％、95.5％、96％、96.5％、97％、97.5％、98％、98.5％、99％、99.5％、99.9％、或99.99％的准确度鉴定所述核酸序列。在一些情况下，可以以在此描述的任何两个值之间的准确度确定/鉴定所述核酸序列。在一些实例中，在所述核酸分子的至少约5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1,000、2,000或3,000个连续核酸碱基的跨度上以至少约60％、70％、80％、85％、90％、95％、95.5％、96％、96.5％、97％、97.5％、98％、98.5％、99％、99.5％、99.9％或99.99％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

在一些情况下，在对核酸分子或其一部分不进行重新测序的情况下就达到了高准确度。在一些情况下，核酸序列的高准确度鉴定是通过进行多程来达到的(即，对核酸分子或其一部分进行多次测序，例如通过使核酸分子或其一部分数次穿过至少一组电极并在所述分子或其一部分每次穿过所述电极对的至少一个纳米间隙时确定所述核酸序列)。程数可以是任何数字、整数或非整数。在一些情况下，通过对同一核酸分子或其一部分进行至少约2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次、12次、14次、16次、18次、20次、25次、30次、35次、40次、45次、50次、60次、70次、80次、90次、100次、250次、500次或更多次测序来高准确度地鉴定所述核酸序列。在一些情况下，核酸分子或其一部分被最多测序1000次、750次、500次、250次、100次、75次、50次、40次、30次、25次、20次、15次、10次、9次、8次、7次、6次、5次、4次、3次、2次、1次或更少。在一些情况下，程数或多重测序的次数落在本文描述的任何两个值之间，例如11次。

在利用多程的情况下，多程可以在一对(或一组)电极或多组电极上发生，并且来自多程的数据可以合并。例如，可以通过合并从总共约5程、10程、50程或其间的任何程数收集的数据来高准确度地确定核酸序列。在一些实例中，通过合并从最多约100程、80程、60程、50程、40程、30程、20程、10程、9程、8程、7程、6程、5程、4程、3程、2程、或单程收集的数据来达到高准确度(例如，至少约97％)。在一些情况下，多程或结合(binding)被合并在单一数据采集内。

在鉴定核酸序列时，可以产生共有序列。共有序列可以在比对多个测序读数时产生。共有序列可通过对核酸分子测序和重新测序一次或多次来产生。相同的核酸分子序列可以被测序多次。

在一些情况下，使用本公开的方法鉴定一组或多组核酸碱基。例如，通过三个核酸碱基的组合对纳米间隙中产生的电信号的特征性影响来确定它们。在这样的情况下，当鉴定大于或等于约1、2、3、4、5、6、7、或8个核酸碱基(即，作为一组)时，达到了高准确度(例如，至少约90％、95％、97％、或99％)。可选地或附加地，当鉴定至多约10、9、8、7、6、5、4、3、或2个核酸碱基时，核酸测序的准确度高。在一些情况下，当鉴定核酸分子或其一部分的单个核酸碱基时，准确度高(例如，至少约90％、95％、97％、或99％)。

如上文和本文中别处所述，核酸分子可以来自各种来源，例如含有一种或多种核酸分子的生物样品。生物样品可以从对象的身体样品、例如体液获得(例如，提取或分离)。身体样品可以选自血液(例如全血)、血浆、血清、尿液、唾液、粘膜分泌物、痰、粪便和泪液。身体样品可以是对象的体液或组织样本(例如，皮肤样本)。在一些实例中，所述样品得自对象的无细胞体液，例如全血。在这种情况下，所述样品可包含无细胞DNA和/或无细胞RNA。在一些其他实例中，所述样品是环境样品(例如土壤、废物、环境空气等)、工业样本(例如来自任何工业过程的样本)和食物样本(例如乳制品、蔬菜制品和肉制品)。

所述膜可以是装置。例如，所述膜是具有所述至少一个纳米间隙的固态装置。所述膜可由多个固态亚单元形成。所述膜可由各种材料形成(例如，至少部分形成)，所述材料例如生物、非生物、有机、无机、半导体、绝缘、磁性或金属材料。材料的非限制性实例可以包括碳、二氧化硅、硅、氧化铝、塑料、玻璃、金属、金属合金、聚合物、尼龙、聚合LangmuirBlodgett膜、功能化玻璃、Ge、GaAs、Gap、SiN₄、改性硅、或各种凝胶或聚合物例如(聚)四氟乙烯、(聚)偏二氟乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯中的任何一种，或其组合。所述膜可以作为粒子、细条、沉淀物、凝胶、片、管、球、容器、毛细管、垫、薄片、薄膜、板、载片等的形式存在。所述膜可以采取任何表面构造(例如平面或非平面)。例如，所述衬底可以含有凸起或凹陷区域，在该区域上可以进行至少一对电极的制造或沉积。

所述固态膜的厚度可以变化。在一些情况下，所述固态膜的厚度可以大于或等于约0.01纳米(nm)、0.05nm、0.075nm、0.1nm、0.25nm、0.5nm、0.75nm、1nm、2.5nm、5nm、7.5nm、10nm、25nm、50nm、75nm、100nm、250nm、500nm、750nm、1微米(μm)、5μm、10μm、25μm、50μm、75μm、100μm、250μm、500μm、750μm、1毫米(mm)、5mm、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm或更大。在一些情况下，所述固态膜的厚度可以小于或等于约100mm、50mm、25mm、10mm、5mm、1mm、900μm、800μm、700μm、600μm、500μm、400μm、300μm、200μm、100μm、80μm、60μm、40μm、20μm、10μm、9μm、8μm、7μm、6μm、5μm、4μm、3μm、2μm、1μm、800nm、600nm、400nm、200nm、100nm、80nm、60nm、40nm、20nm、10nm、5nm、1nm、0.5nm、0.1nm或更小。在一些情况下，所述固态膜的厚度可以在上述任何两个值之间，例如从约10nm至约1mm。

所述膜可以是功能性的，其可以具有某些电性质，例如电阻、电容和/或电导。例如，所述膜的电容可以小于或等于约10皮法(pF)、9pF、8pF、7pF、6pF、5pF、4pF、3pF、2pF、1pF、0.9pF、0.8pF、0.7pF、0.6pF、0.5pF、0.4pF、0.3pF、0.2pF、0.1pF、0.075pF、0.05pF、0.025pF、0.01pF、0.005pF、0.001pF或在此描述的任何两个值之间。

此外，所述膜可以具有特定的电极间电容(即，电极之间的电容)。在一些情况下，所述电极间电容可以大于或等于约0.1飞法(fF)、0.25fF、0.5fF、0.75fF、1fF、2.5fF、5fF、7.5fF、10fF、20fF、30fF、40fF、50fF、60fF、70fF、80fF、90fF、100fF、200fF、300fF、400fF、500fF、600fF、700fF、800fF、900fF、1,000fF或更大。在一些情况下，所述电极间电容可以小于或等于约2000fF、1500fF、1000fF、800fF、600fF、400fF、200fF、100fF、80fF、60fF、40fF、20fF、10fF、9fF、8fF、7fF、6fF、5fF、4fF、3fF、2fF、1fF、0.5fF、0.1fF或更小。

图2显示了包含n x m(例如，4x 4)传感器阵列的示例芯片，其中‘n’和‘m’可以是大于或等于1的整数，以及包含在每个传感器中的示例性纳米间隙电极对1的构造。如图2所示，对于纳米间隙电极对1，在衬底2上布置相对的电极5和6。在电极5和6之间形成具有纳米级(不大于例如1000纳米)的宽度W1的纳米间隙NG。宽度W1可以在0.1纳米(nm)和1,000nm之间，或者不大于或等于约500nm、400nm、300nm、200nm、100nm、80nm、60nm、40nm、20nm、10nm、9nm、8nm、7nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、1nm、0.9nm、0.8nm、0.7nm、0.6nm、或0.5nm，或如本文所述的任何其他宽度。在一些情况下，所述电极以大于或等于核酸分子的给定核酸亚基(或核酸亚基的组合)的分子直径的约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、40、60、80、或100倍的纳米间隙宽度间隔开。在一些情况下，所述电极间隔开，使得纳米间隙宽度小于或等于核酸分子的给定核酸亚基(或核酸亚基的组合)的分子直径的约20、15、10、8、6、4、2、1、0.5、0.25、或0.1倍。在一些情况下，所述纳米间隙宽度落入上述任何两个值之间的范围，例如从约0.5倍至约5倍、从约0.5倍至约2倍、或从约0.5倍至小于或等于给定核酸亚基的一个分子直径。

衬底2可以由例如硅衬底3和在其上形成的氧化硅层4组成。作为可替选方式，衬底2可以包含其他半导体材料，包括IV族或III-V族半导体，例如砷化锗或砷化镓，包括其氧化物。衬底2可具有在氧化硅层4上可以形成两个成对的电极5和6的构造。电极5和6中的每一个可以由包括例如金属和金属硅化物的材料形成，并且在一些情况下可以在衬底2上几乎两侧对称地跨过纳米间隙NG形成。电极形成材料的非限制性实例可以包括铂、铜、银、金、合金、氮化钛(TiN)、硅化钛、硅化钼、硅化铂、硅化镍、硅化钴、硅化钯、硅化铌、硅化物与其他材料(例如，碳纳米管或石墨烯等)的合金、掺杂有适合掺杂半导体的各种材料的硅化物、或其组合。

在一些情况下，电极5和6具有基本相同的构造并且可以由形成纳米间隙NG的电极前缘5b和6b构成，而基部5a和6a可以与电极前缘5b和6b的根部分一体化形成。电极前缘5b和6b可以包含例如长方形固体，其纵向方向可以在y方向上延伸，并且可以被布置成使得电极前缘5b和6b的顶面彼此面对；前缘5b和6b可以具有曲线(未显示)。

基部5a和6a可以在其中心顶端具有突起，由此可以形成电极前缘5b和6b。朝着每个基部5a和6a的两侧可以形成平缓弯曲的表面，其中心顶端在中央。因此，基部5a和6a可以形成为电极前缘5b和6b位于顶点的曲面形状。注意，电极5和6可以被构造为使得当含有单链DNA的溶液例如从与y方向和z方向正交的x方向供应时，其中y方向可以是电极5和6的纵向方向并且z方向可以是电极5和6的垂直方向并可以与该y方向直角相交，所述溶液可以沿着基部5a和6a的弯曲表面被引导到电极前缘5b和6b以使所述溶液能可靠地穿过纳米间隙NG。

此外，对于如上所述构造的纳米间隙电极对1，可以从例如电源(未显示)向电极5和6供应电流，并可用安培计(未显示)测量跨过电极5和6的电流值。因此，纳米间隙电极对1允许，例如，核酸分子例如单链DNA从x方向穿过电极5和6之间的纳米间隙NG；当单链DNA的碱基(例如修饰的碱基)穿过电极5和6之间的纳米间隙NG时安培计测量跨过电极5和6流动的电流值；并且可以基于相关的电流值确定构成所述单链DNA的碱基。

如上文和本文中别处所述，所述传感器阵列的每一个单独传感器可以取决于应用而包含一个或多个具有相同或不同构造(例如，间隙宽度W1、电极形状、电极间距离、衬底材料和电极材料等)的纳米间隙电极对。纳米间隙电极的设计、制造、构造和应用可以如，例如，PCT专利公布第WO/2015/057870号和PCT专利公布第WO/2015/028886号中描述，所述专利公布各自通过引用以整体并入本文。

图3示意性地示出了当核酸分子穿过纳米间隙时，利用具有纳米间隙电极的传感器检测和/或鉴定核酸序列。参考图3，单链核酸分子的核酸碱基被引导以x方向(示于图2)穿过电极5和6之间的纳米间隙。在有或没有分子马达(例如酶)的帮助或施加电刺激(例如，在电极之间的电势(V)，其可提供引导核酸分子沿特定方向流动的电场)的条件下，均可促进核酸分子穿过所述纳米间隙的流动或移动。在分子马达促进核酸分子流动穿过纳米间隙的情况下，所述分子马达可以是为活生物中必要的运动剂的生物分子机器，或消耗一种形态的能量并将它转化成运动或机械功的装置。例如，许多基于蛋白质的分子马达利用ATP水解释放的化学自由能来做机械功。分子马达的非限制性实例包括RNA聚合酶、DNA聚合酶、RNA依赖性聚合酶、DNA依赖性聚合酶、解旋酶、拓扑异构酶、染色质结构重塑(RSC)复合物、核小体重塑复合物例如SWI/SNF、染色体结构维持(SMC)蛋白质、病毒DNA包装马达、合成分子马达、凝集染色体的蛋白质等。

核酸分子穿过所述至少一个纳米间隙的移位速率可以取决于下列因素而变化：例如，所产生的电信号的水平，背景信号的水平，核酸分子的大小、形状、结构和/或组成，纳米间隙电极对的构造，存在或不存在分子马达，存在或不存在外部刺激(例如电势)，和/或所需的信噪比(S/N比)。例如，在至少约0.1、0.5、1、5、10、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1,000皮安(pA)、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5或5纳安(nA)的电流水平、等于或小于约5、4.5、4、3.5、3、2.5、2、1.5、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1nA的背景电流水平、和至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更高的信噪比下，可以引导核酸分子以至少约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、或5KHz的移位速率穿过所述至少一个纳米间隙。

纳米间隙电极对的两个电极可以间隔开以具有纳米间隙宽度W1，使得每当核酸亚基的单体(即，待测序的核酸分子的每一个核酸碱基)或组合(例如，一组核酸碱基如腺嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶)穿过所述纳米间隙时产生单一的电信号。然后可以检测(或测量)所产生的信号或其改变，并且可以基于每种类型的单体或亚基所对应的检测信号(示于图4)来鉴定核酸序列。在一些情况下，检测或测量电信号可以包括测量核酸分子相对于一种或多种参比分子的电信号改变，并且电信号和参比信号之间的相对值可用于确定所述核酸分子的核酸序列。

所述信号可以是在核酸分子穿过每一个单独传感器上的一个或多个纳米间隙时产生的任何类型的电信号，例如电压、电流、电导等。当利用隧穿电极时，电信号可以包括隧穿电流，并且可以使用量测装置来测量核酸亚基穿过纳米间隙时产生的隧穿电流。在一些情况下，可以提供量测装置(或测量单元)来测量所述信号。所述测量装置可以包括安培计、电流镜或任何其他电流测量或放大方法，以及用于定量电流的方法，其可以包括模数转换器(ADC)、Δ-Σ型ADC、闪烁型ADC、双斜率型ADC、逐次逼近型ADC、积分型ADC或任何其他适当类型的ADC。所述ADC可以在其输出和输入之间具有线性关系，或者可以具有调整到特定电流水平的输出，该特定电流水平可以是针对特定的碱基组合、预期的修饰碱基和在纳米间隙电极对中使用的金属所预期的。响应可以是固定的，或者可以是可调节的，并且可以结合与不同的核碱基和/或可以利用的核碱基修饰相关的不同输出而可具体调节。

此外，基于测量的隧穿电流，可以获得电导以生成电导-时间图谱，然后可以将其用于确定或鉴定核酸序列。电导可通过将隧穿电流的值除以施加于所述纳米间隙电极对的电极的电压V来计算。通过使用电导，即使施加的电压在测量之间变化或波动，也可以获得具有统一参照的图谱。

附加地或可替选地，电流放大器可用于放大由安培计测量的电流。这种电流放大器可以在芯片外、部分嵌入或完全嵌入芯片中。使用电流放大器，可放大所测量的电流的值，并且能以更高的灵敏度和准确度测量信号。

在一些情况下，所述信号至少部分地被噪声信号遮蔽。信噪比(S/N)可以是能以高准确度鉴定核酸序列的任何合适的高值。在一些情况下，所述一个或多个核酸亚基能以大于或等于约1比1、2比1、3比1、4比1、5比1、6比1、7比1、8比1、9比1、10比1、20比1、50比1、75比1、100比1、250比1、500比1、750比1、1000比1、10000比1或更大的S/N比被检测。在一些情况下，所述一个或多个核酸亚基能以上述任何两个值之间、例如从约1至2的S/N比被检测。

虽然用于测量电信号或确定单独的核酸亚基的时间没有限制，但所用的时间段可以小于或等于约1分钟(min)、50秒(s)、40s、30s、20s、10s、5s、1s、800毫秒(ms)、600ms、400ms、200ms、100ms、80ms、60ms、40ms、20ms、10ms、9ms、8ms、7ms、6ms、5ms、4ms、3ms、2ms、1ms、900微秒(μs)、800μs、700μs、600μs、500μs、400μs、300μs、200μs、100μs、80μs、60μs、40μs、20μs、10μs、5μs、1μs或更少。在一些情况下，检测单独的核酸亚基的时间段为至少约0.1μs、0.5μs、1μs、10μs、50μs、100μs、250μs、500μs、750μs、1ms、5ms、10ms、25ms、50ms、75ms、100ms、250ms、500ms、750ms、1s或更多。在一些情况下，检测单独的核酸亚基的时间段在上述任何两个值之间，例如，从1μs至1ms。

可在特定频率(即序列检测速率)下鉴定核酸分子或其一部分的核酸序列。在一些情况下，可在小于或等于约500KHz(1/秒)、400KHz、300KHz、200KHz、150KHz、100KHz、80KHz、60KHz、40KHz、20KHz、10KHz、5KHz、1KHz、0.9KHz、0.8KHz、0.7KHz、0.6KHz、0.5KHz、0.4KHz、0.3KHz、0.2KHz、0.1KHz、0.05KHz、0.01KHz或更低的频率下鉴定所述核酸序列。在一些情况下，可在大于或等于约0.001KHz、0.01KHz、0.1KHz、0.5KHz、1KHz、10KHz、30KHz、50KHz、70KHz、90KHz、100KHz、200KHz、250KHz、300KHz或更高的频率下鉴定所述核酸序列。在一些情况下，可在上述任何两个值之间的频率、例如从约0.1KHz到约100KHz之间的频率下鉴定核酸序列。

核酸分子测序系统

在本公开的另一个方面，核酸分子测序系统包括芯片，所述芯片含有单独传感器的阵列。所述阵列的每一个单独传感器可包含被构造成在其中具有至少一个纳米间隙的固态膜。所述至少一个纳米间隙可包含与电路耦合的电极，所述电路适于在核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分。

本公开的系统可进一步包含与所述芯片耦合的计算机处理器。所述计算机处理器可被编程为基于从所述单独传感器的阵列接收到的电信号来帮助表征所述核酸分子或其一部分的核酸序列。所述电信号可包括任何可测量的信号，例如电压、电流、电导或电阻。所述电信号可在多个时间点检测或实时监测。用检测到的信号，可以产生可用于确定或鉴定所述核酸序列的信号-时间图谱。

可以以至少约60％、70％、80％、85％、90％、95％、95.5％、96％、96.5％、97％、97.5％、98％、98.5％、99％、99.5％、99.9％、99.99％或更高的准确度表征所述核酸分子或其一部分的核酸序列。这么高的准确度可在对所述核酸分子或其一部分不进行重新测序的情况下达到。在一些情况下，所述高准确度通过进行核酸分子或其一部分的单程达到。在一些情况下，通过进行多程(即，多次对核酸分子测序，例如，通过使核酸分子多次穿过或接近一个或多个纳米间隙并对所述核酸分子的核酸碱基进行测序)并且合并从一些或全部程收集的数据来达到所述高准确度。

所述电极可以与电路耦合，该电路被构造成施加跨纳米间隙电极对的电极的电压。在一些情况下，跨不同纳米间隙电极对的电压可以不同，并且特别是可以作为与特定电极对相关的纳米间隙间距的函数而不同。在一些情况下，所述传感器与测量、收集和处理所述电信号的集成电路耦合。在一些情况下，所述传感器与多个集成传感器耦合，并且每一个传感器与可独立寻址的单独集成电路相关联(即，每一个集成电路被构造成独立控制关联传感器、向关联传感器发送信号并从关联传感器收集数据)。在一些情况下，所述传感器被分类为不同的组，并且每组传感器与可独立寻址的集成电路连接。所述集成电路可以是芯片的部分。在一些情况下，所述传感器可以是芯片的部分。在一些情况下，所述系统还可以包括转阻放大器。所述转阻放大器可以与计算机处理器操作性耦合。在一些情况下，所述系统还可以包括电荷灵敏放大器，以离散时间或连续模式使用。

应将领会，在一些情况下，提供具有高密度的单独传感器(即每单位面积的单独传感器数量)的传感器阵列的芯片可以是有利的。例如，具有高密度的单独传感器的芯片可以便于制造占用面积更小的装置，它们可便携且成本更低。在给定的表面积下，具有高密度的单独传感器的芯片允许高通量和/或低成本测序(即，数量更大的核酸分子并行测序)。

所述芯片可包含任何可能合适的密度(例如，适合于以预定的灵敏度和/或准确度进行核酸测序的密度)的传感器阵列。在一些情况下，所述传感器阵列包含的单独传感器的密度大于或等于每mm²约10、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1,000、2,000、3,000、4,000、5,000、6,000、7,000、8,000、9,000、10,000、20,000、30,000、40,000、50,000、60,000、70,000、80,000、90,000、100,000、200,000、300,000、400,000、500,000、750,000、1,000,000、2,000,000、3,000,000、4,000,000、5,000,000、6,000,000、7,000,000、8,000,000、9,000,000、10,000,000、20,000,000、30,000,000、40,000,000、50,000,000、60,000,000、70,000,000、80,000,000、90,000,000、100,000,000、200,000,000、300,000,000、400,000,000、或500,000,000个单独传感器，或更高。在一些情况下，所述传感器阵列包含的单独传感器的密度小于或等于每mm²约1,000,000,000、800,000,000、600,000,000、400,000,000、100,000,000、80,000,000、60,000,000、40,000,000、10,000,000、8,000,000、6,000,000、4,000,000、2,000,000、1,000,000、800,000、600,000、400,000、200,000、100,000、80,000、60,000、40,000、20,000、10,000、8,000、6,000、5,000、4,000、2,000、1,000、800、600、400、200、100、50个单独传感器或更低。在某些情况下，所述单独传感器的密度落在上述任何两个值之间，例如，每mm²约5,500、37,500、或250,000个单独传感器。

所述传感器可以是可独立或单独寻址的。可独立或单独寻址的传感器可被单独或分别控制(例如通过所施加的偏压)、寻址、处理和/或进行数据读取。或者，可以将所述单独传感器分为不同的组，并且每组传感器可独立寻址。每组中包含的传感器可以相同或可以不相同。每组传感器可以包含，例如，大于或等于约1、5、10、25、50、75、100、200、400、600、800、1,000、2,000、3,000、4,000、或5,000个传感器。在一些情况下，每组传感器可以包含小于或等于约50,000、25,000、10,000、8,000、6,000、4,000、2,000、1,000、750、500、250、100、75、50、25、或10个传感器。在一些情况下，每组中包含的传感器数量可以在上述任何两个值之间，例如每组5和500个传感器之间。

计算机系统

本公开提供了被编程或以其他方式配置以实施本文提供的方法、例如校准本公开的传感器的计算机控制系统。图5显示了计算机系统501，其包括中央处理器(CPU，本文中也称为“处理器”和“计算机处理器”)505，它可以是单核或多核处理器，或用于并行处理的多个处理器。计算机系统501还包括存储器或存储器位置510(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪速存储器)、电子存储单元515(例如硬盘)、用于与一个或多个其他系统通信的通信接口520(例如，网络适配器)、以及外围设备525例如缓存、其他存储器、数据存储和/或电子显示适配器。存储器510、存储单元515、接口520和外围设备525通过通信总线(实线)例如母板与CPU 505通信。存储单元515可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据存储库)。计算机系统501可借助于通信接口520与计算机网络(“网络”)530操作性耦合。网络530可以是因特网(Internet)、互联网(internet)和/或外联网，或者与因特网通信的内联网和/或外联网。网络530在一些情况下是电信和/或数据网络。网络530可包括一个或多个计算机服务器，其可以实现分布式计算，例如云计算。网络530，在一些情况下借助于计算机系统501，可以实现对等网络(peer-to-peer network)，这可以使得与计算机系统501耦合的设备能够充当客户端或服务器。

CPU 505可执行一系列机器可读指令，所述指令可体现在程序或软件中。所述指令可以存储在存储器位置例如存储器510中。所述指令可被引导到CPU 505，其可随后编程或以其他方式配置CPU 505来实施本公开的方法。由CPU 505执行的操作的实例可包括提取、解码、执行和写回。

CPU 505可以是电路、例如集成电路的部分。系统501的一个或多个其他组件可包括在所述电路中。在一些情况下，所述电路是专用集成电路(ASIC)。

存储单元515可存储文件，例如驱动程序、库和保存的程序。存储单元515可存储用户数据，例如用户偏好和用户程序。计算机系统501在一些情况下可包括在计算机系统501外部的一个或多个附加数据存储单元，例如位于通过内联网或因特网与计算机系统501通信的远程服务器上。计算机系统501可通过网络530与一个或多个远程计算机系统通信。

如本文中所述的方法可通过存储在计算机系统501的电子存储位置上、例如存储器510或电子存储单元515上的机器(例如，计算机处理器)可执行代码来实现。所述机器可执行或机器可读的代码可以以软件的形式提供。在使用期间，所述代码可由处理器505执行。在一些情况下，所述代码可从存储单元515中检索并存储在存储器510上以供处理器505准备访问。在一些情况下，可取消电子存储单元515，并且机器可执行指令被存储在存储器510上。

代码可被预编译和配置为供具有适合于执行所述代码的处理器的机器使用，或者可以在运行期间编译。代码可用编程语言提供，所述编程语言可加以选择以使所述代码能够以预编译或编译后的方式执行。

计算机系统501可被编程或以其他方式配置以调节一个或多个参数，例如跨纳米间隙电极对的电极施加的电压、温度、核酸分子的流动速率、以及信号采集的时间段。

本文中提供的系统和方法、例如计算机系统501的各个方面可以在编程中体现。该技术的各个方面可以被认为是典型地以在某种类型的机器可读介质中携带或体现的机器(或处理器)可执行代码和/或相关数据的形式的“产品”或“制品”。机器可执行代码可存储在电子存储单元、例如存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、闪速存储器)或硬盘中。“存储”型介质可包括计算机、处理器等的任何或所有的有形存储器，或其相关模块，例如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等，它们可以随时为软件编程提供非临时性存储。所述软件的全部或部分有时可以通过互联网或各种其他电信网络进行通信。这样的通信，例如，可以使所述软件能够从一个计算机或处理器加载到另一个，例如，从管理服务器或主计算机加载到应用服务器的计算机平台中。因此，可以承载所述软件元素的其它类型的介质包括光波、电波和电磁波，例如通过有线和光学陆地线网络以及在各种空中链路上的跨本地设备之间的物理接口使用的光波、电波和电磁波。携带这样的波的物理元素，例如有线或无线链路、光链路等，也可以被认为是承载该软件的介质。在本文中使用时，除非限于非临时性的有形“存储”介质，否则诸如计算机或机器“可读介质”之类的术语是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。

因此，机器可读介质，例如计算机可执行代码，可以采取许多形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，例如任何计算机等中的任何存储设备，如可用于实现附图中显示的数据库等的存储设备。易失性存储介质包括动态存储器，例如这种计算机平台的主存储器。有形的传输介质包括同轴电缆；铜线和光纤，包括构成计算机系统内总线的导线。载波传输介质可以采取电信号或电磁信号、或者声波或光波的形式，例如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间产生的那些。因此，计算机可读介质的常见形式包括，例如：软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、任何具有孔图案的其他物理存储介质、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或存储器盒、载波传输数据或指令、传输这种载波的电缆或链路、或计算机可以读取编程代码和/或数据的任何其他介质。这些形式的计算机可读介质中的许多形式可以参与将一个或多个指令的一个或多个序列携带到处理器以供执行。

计算机系统501可包括电子显示器535或与其通信，电子显示器535包含用于提供例如随时间来自芯片的信号的用户界面(UI)540。UI的实例包括但不限于图形用户界面(GUI)和基于网络的用户界面。

本公开的方法和系统可通过一种或多种算法来实现。算法可通过软件在被中央处理器505执行时实现。

本公开的装置、系统和方法可以与其他装置、系统或方法结合和/或被其修改，所述其他装置、系统或方法是例如在PCT专利公布第WO/2015/057870号和PCT专利公布第WO/2015/028886号中描述的那些，所述专利公布各自通过引用以整体并入本文。

虽然本文已经显示和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员来说将显而易见的是，这样的实施方式仅作为示例提供。本发明不意欲受到说明书内提供的具体示例的限制。尽管已经参考前述说明书描述了本发明，但是本文中实施方式的描述和说明并非旨在以限制性意义来解释。在不背离本发明的情况下，本领域技术人员现在会想到许多变化、改变和替换。此外，应该理解，本发明的所有方面不限于在本文中依赖于各种条件和变量来阐述的具体描述、构造或相对比例。应该理解，本文中描述的本发明实施方式的各种替代方案可以用于实践本发明。因此考虑，本发明还应该涵盖任何这样的替代、修改、变化或等同体。旨在以权利要求书限定本发明的范围，并由此涵盖在这些权利要求范围内的方法和结构及其等同体。

Claims (113)

1.一种核酸分子测序方法，其包含：

a.提供芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含电极，所述电极适于在所述核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分；

b.引导所述核酸分子或其一部分穿过或接近所述至少一个纳米间隙；以及

c.以至少约97％的准确度鉴定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

2.权利要求1的方法，其中在所述核酸分子的至少约100个连续核酸碱基的跨度上以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列。

3.权利要求1的方法，其中在对所述核酸分子或其一部分不进行重新测序的情况下，以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列。

4.权利要求1的方法，其中所述电极与电路耦合。

5.权利要求1的方法，其中所述传感器与处理所述电信号的集成电路耦合。

6.权利要求1的方法，其中所述传感器是所述芯片的部分。

7.权利要求1的方法，其中所述传感器阵列包含单独传感器，其密度大于或等于每1mm²约500个单独传感器。

8.权利要求1的方法，其中每一个所述单独传感器都是可独立寻址的。

9.权利要求1的方法，其中所述核酸分子包含脱氧核糖核酸或核糖核酸。

10.权利要求1的方法，其中所述固态膜至少部分地由至少一种选自金属材料和半导体材料的材料形成。

11.权利要求10的方法，其中所述固态膜至少部分地由至少一种选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。

12.权利要求1的方法，其中所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。

13.权利要求1的方法，其中所述固态膜具有小于约0.1皮法(pF)的电极间电容。

14.权利要求1的方法，其中所述准确度为至少约99.5％。

15.权利要求1的方法，其中当鉴定所述核酸分子或其一部分的至多5个核酸碱基时，所述准确度为至少约97％。

16.权利要求15的方法，其中当鉴定所述核酸分子或其一部分的至多3个核酸碱基时，所述准确度为至少约97％。

17.权利要求16的方法，其中当鉴定所述核酸分子或其一部分的单个核酸碱基时，所述准确度为至少约97％。

18.权利要求1的方法，其中至少约97％的所述准确度是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至多20程所收集的数据合并而达到的。

19.权利要求18的方法，其中至少约97％的所述准确度是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至多5程所收集的数据合并而达到的。

20.权利要求19的方法，其中至少约97％的所述准确度是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙单程所收集的数据合并而达到的。

21.权利要求1的方法，其中所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至少10程所收集的数据合并而鉴定的。

22.权利要求21的方法，其中所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至少20程所收集的数据合并而鉴定的。

23.权利要求1的方法，其中所述电信号包含电流。

24.权利要求23的方法，其中在至少约1皮安的电流水平、至少约1纳安的背景电流水平、和至少约1比2的信噪比下，引导所述核酸分子以至少约0.5千赫(KHz)的移位速率穿过所述至少一个纳米间隙。

25.权利要求1的方法，其中所述电极包含隧穿电极。

26.权利要求25的方法，其中所述电信号包含隧穿电流。

27.权利要求1的方法，其中在约0.1千赫(KHz)至100KHz的频率下鉴定所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列。

28.权利要求1的方法，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开。

29.权利要求28的方法，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。

30.权利要求28的方法，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于或等于该分子直径的间隙间隔开。

31.权利要求1的方法，其中所述鉴定包含产生至少约80％的原始准确度。

32.权利要求1的方法，其中所述鉴定包含产生共有序列。

33.权利要求1的方法，其中以至少约80％的单程准确度鉴定所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列。

34.一种核酸分子测序方法，其包含：

a.提供芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含电极，所述电极适于在所述核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分；

b.在没有分子马达的情况下引导所述核酸分子或其一部分流动穿过或接近所述至少一个纳米间隙；以及

c.通过在多个时间点检测所述电信号对所述核酸分子进行测序。

35.权利要求34的方法，其中所述电极与电路耦合。

36.权利要求34的方法，其中所述传感器与处理所述电信号的集成电路耦合。

37.权利要求34的方法，其中所述传感器是所述芯片的部分。

38.权利要求34的方法，其中所述传感器阵列包含单独传感器，其密度大于或等于每1mm²约500个单独传感器。

39.权利要求34的方法，其中每一个所述单独传感器都是可独立寻址的。

40.权利要求34的方法，其中所述核酸分子包含脱氧核糖核酸或核糖核酸。

41.权利要求34的方法，其中所述固态膜由至少一种选自金属材料和半导体材料的材料形成。

42.权利要求41的方法，其中所述固态膜由至少一种选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。

43.权利要求34的方法，其中所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。

44.权利要求34的方法，其中所述固态膜具有小于约0.1皮法(pF)的电容。

45.权利要求34的方法，其中以至少约95％的准确度对所述核酸分子进行测序。

46.权利要求34的方法，其中所述电信号包含电流。

47.权利要求34的方法，其中所述电极包含隧穿电极。

48.权利要求47的方法，其中所述电信号包含隧穿电流。

49.权利要求34的方法，其中在所述核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时，通过检测所述核酸分子的一个或多个核酸亚基对所述核酸分子进行测序。

50.权利要求49的方法，其中以至少约10比1的信噪比检测所述一个或多个核酸亚基。

51.权利要求49的方法，其中在至多约1毫秒的时间段内检测所述核酸分子的单独的亚基。

52.权利要求34的方法，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开。

53.权利要求52的方法，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。

54.权利要求52的方法，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于或等于该分子直径的间隙间隔开。

55.一种核酸分子测序系统，其包含：

a.芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含被构造成在其中具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含与电路耦合的电极，所述电路适于在所述核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分；以及

b.与所述芯片耦合的计算机处理器，其中所述计算机处理器被编程为基于从所述单独传感器的阵列接收到的所述电信号来帮助以至少约97％的准确度表征所述核酸分子或其所述一部分的核酸序列。

56.权利要求55的系统，其中在所述核酸分子的至少约100个连续核酸碱基的跨度上以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列。

57.权利要求55的系统，其中在对所述核酸分子或其一部分不进行重新测序的情况下，以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列。

58.权利要求55的系统，其中所述单独传感器的阵列的密度为至少每1mm²约500个单独传感器。

59.权利要求55的系统，其中每一个所述单独传感器都是可独立寻址的。

60.权利要求55的系统，其中所述核酸分子包含脱氧核糖核酸或核糖核酸。

61.权利要求55的系统，其中所述固态膜由至少一种选自金属材料和半导体材料的材料形成。

62.权利要求55的系统，其中所述固态膜由至少一种选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。

63.权利要求55的系统，其中所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。

64.权利要求55的系统，其中所述固态膜具有小于约0.1皮法(pF)的电容。

65.权利要求55的系统，其中所述电信号包含电流。

66.权利要求55的系统，其中所述电极包含隧穿电极。

67.权利要求66的系统，其中所述电信号包含隧穿电流。

68.权利要求55的系统，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开。

69.权利要求68的系统，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。

70.权利要求68的系统，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于或等于该分子直径的间隙间隔开。

71.权利要求55的系统，其还包含与所述计算机处理器操作性耦合的转阻放大器。

72.一种核酸分子测序系统，其包含：

a.芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含被构造成在其中具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含与电路耦合的电极，所述电路适于在所述核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分，并且其中每一个所述单独传感器都是可独立寻址的；以及

b.与所述芯片耦合的计算机处理器，其中所述计算机处理器被编程为通过在多个时间点检测所述电信号来帮助表征所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

73.权利要求72的系统，其中在不使用分子马达的情况下促进所述核酸分子或其一部分的所述流动。

74.权利要求72的系统，其中所述单独传感器的阵列的密度为至少每1mm²约500个单独传感器。

75.权利要求72的系统，其中所述核酸分子包含脱氧核糖核酸或核糖核酸。

76.权利要求72的系统，其中所述固态膜由至少一种选自金属材料和半导体材料的材料形成。

77.权利要求72的系统，其中所述固态膜由至少一种选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。

78.权利要求72的系统，其中所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。

79.权利要求72的系统，其中所述固态膜具有小于约0.1皮法(pF)的电容。

80.权利要求72的系统，其中所述电信号包含电流。

81.权利要求72的系统，其中所述电极包含隧穿电极。

82.权利要求81的系统，其中所述电信号包含隧穿电流。

83.权利要求72的系统，其中以至少约95％的准确度对所述核酸分子进行测序。

84.权利要求72的系统，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开。

85.权利要求84的系统，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。

86.权利要求84的系统，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于或等于该分子直径的间隙间隔开。

87.一种核酸分子测序方法，其包含：

a.激活芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含电极，所述电极适于在所述核酸分子或其一部分流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生电信号以帮助检测所述核酸分子或其一部分，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开；

b.引导所述核酸分子或其一部分穿过或接近所述至少一个纳米间隙；以及

c.鉴定所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

88.权利要求87的方法，其中在所述核酸分子的至少约100个连续核酸碱基的跨度上以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列。

89.权利要求87的方法，其中在对所述核酸分子或其一部分不进行重新测序的情况下，以至少约97％的准确度确定所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列。

90.权利要求87的方法，其中所述电极与电路耦合。

91.权利要求87的方法，其中所述传感器与处理所述电信号的集成电路耦合。

92.权利要求87的方法，其中所述传感器是所述芯片的部分。

93.权利要求87的方法，其中所述传感器阵列包含单独传感器，其密度大于或等于每1mm²约单独传感器。

94.权利要求87的方法，其中引导所述核酸分子以至少约0.5千赫(KHz)的移位速率穿过所述至少一个纳米间隙。

95.权利要求87的方法，其中所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至少10程所收集的数据合并而鉴定的。

96.权利要求95的方法，其中所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列是通过将从所述核酸分子或其一部分穿过所述至少一个纳米间隙至少20程所收集的数据合并而鉴定的。

97.权利要求87的方法，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。

98.权利要求97的方法，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于该分子直径的间隙间隔开。

99.权利要求87的方法，其中所述鉴定包含产生共有序列。

100.一种核酸分子测序系统，其包含：

a.芯片，所述芯片包含单独传感器的阵列，其中所述阵列的每一个单独传感器包含具有至少一个纳米间隙的固态膜，其中所述至少一个纳米间隙包含电极，所述电极适于在所述核酸分子或其一部分以至少约0.5千赫(KHz)的移位速率流动穿过所述至少一个纳米间隙时产生至少约1皮安的电流水平的电流以帮助检测所述核酸分子或其一部分，其中所述电极被间距为所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至5倍的间隙间隔开；以及

b.与所述芯片耦合的计算机处理器，其中所述计算机处理器被编程为通过检测所述电流来帮助表征所述核酸分子或其一部分的核酸序列。

101.权利要求100的系统，其中在不使用分子马达的情况下促进所述核酸分子或其一部分的所述流动。

102.权利要求100的系统，其中通过在多个时间点检测所述电信号来表征所述核酸分子或其一部分的所述核酸序列。

103.权利要求100的系统，其中所述单独传感器的阵列的密度为至少每1mm²约500个单独传感器。

104.权利要求100的系统，其中所述核酸分子包含脱氧核糖核酸或核糖核酸。

105.权利要求100的系统，其中所述固态膜由选自金属材料和半导体材料的材料制造。

106.权利要求100的系统，其中所述固态膜由选自氮化硅、二氧化硅和氧化铝的材料形成。

107.权利要求100的系统，其中所述固态膜的厚度在约10纳米(nm)至约1毫米(mm)的范围内。

108.权利要求100的系统，其中所述固态膜具有小于约0.1皮法(pF)的电容。

109.权利要求100的系统，其中所述电极包含隧穿电极。

110.权利要求109的系统，其中所述电流包含隧穿电流。

111.权利要求100的系统，其中以至少约95％的准确度对所述核酸分子进行测序。

112.权利要求100的系统，其中所述电极被所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至2倍的间隙间隔开。

113.权利要求100的系统，其中所述电极被所述核酸分子的给定核酸亚基的分子直径的约0.5倍至小于或等于该分子直径的间隙间隔开。