CN109071212A - 使用大规模分子电子传感器阵列测量分析物的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在本公开的各种实施例中，分子电子传感器阵列芯片包括：(a)集成电路半导体芯片；和(b)设置在其上的多个分子电子传感器器件，该传感器器件中的每个包括：(i)由纳米间隙分开的一对纳米级源电极和漏电极；(ii)栅电极；以及(iii)横跨该纳米间隙并连接该源电极和该漏电极的桥分子和/或探针分子，其中该分子电子传感器器件被组织成传感器像素的电子可寻址、可控制和可读的阵列。

Description

使用大规模分子电子传感器阵列测量分析物的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年1月28日提交的且题为“使用大规模分子电子传感器阵列测量分析物的方法和装置”的美国临时专利申请序列第62/288,360号的优先权，其公开通过引用结合于此。

技术领域

本发明总体上是生物纳米技术的领域，且更具体地是分子电子传感器的领域。

背景技术

传感器是离散系统，其响应于特定类别的刺激而经历可检测、可记录的状态变化。当结合合适的解释手段时，传感器可用于表征或量化其他感兴趣的系统。这个概念大体在图1中指示。

图1图示了用于测量物理系统的性质的传感器的一般操作。合适的传感器器件被纳入与感兴趣的物理系统的某种形式的接触或相互作用，该物理系统导致传感器器件的状态的改变，接着是信号的某种形式的读出或记录，其然后可以被随后解释以定义所测量的性质。

原则上，这种传感器的空间阵列允许并行执行许多这样的感测事件。空间阵列可以是1维、2维或甚至3维阵列的形式。当大规模执行这种并行测量时，它们可用于再现或推断正在评估的物理系统的复杂性质，如图2大体所示。特别地，传感器阵列可由同时地通知系统的各种性质的不同的传感器类型以及测量相同性质但在相同时间来自整个物理系统的不同部分的类似类型的传感器组成。因此，传感器阵列结合数据缩减和解释方法，可以几乎同时地实现从不同较低级别性质和系统的不同部分导出的复杂系统性质的测量。

图2图示了传感器阵列可以用于并行获得物理系统的许多测量，其然后可以被处理和解释以确定目标物理系统的感兴趣的更高级别的测量特征。这提供了一种测量取决于不同性质以及在分布式部件或整个系统处的特征的手段。

在生物分析物测量领域中，DNA测序的应用已经吸引了许多大规模传感器阵列方法，因为需要大量测量来确定大多数生物体的全基因组序列，并且这经由某种形式的并行传感器阵列来被最实际地完成。DNA微阵列是第一个成功的传感器阵列方法，在2000年代早期是以通过在微阵列平台上执行杂交来测序的形式。随后，开发了各种形式的传感器阵列型系统，通常以DNA模板(单分子或局部克隆扩增)的大规模阵列的形式，它们进行一系列测序化学检测反应，利用光学报告技术和CCD或CMOS图像传感器以记录结果。开发了更完全集成的DNA测序传感器阵列，这些中的所有传感器阵列都使用完全或部分集成在芯片上的专用电子传感器的阵列，其直接感测与正在进行分析的DNA片段序列相关的合适的电压或电流信号。

图3图示了根据本公开的分子电子传感器元件被组装为桥接在两个电极端子之间的单个分子。如所指示，这些器件具有纳米级。

本发明的目的是提供可以制造为半导体芯片的传感器阵列系统，以及使用这种传感器阵列来产生分析物的准确测量或其他感兴趣的测量的方法。更具体地，可以通过CMOS工艺大部分被制造的传感器阵列芯片设计，以及基于高度并行的单分子感测的结果的合成的方法。本发明包括可以支持特定新颖应用的各种优选实施例。

发明内容

在本公开的各种实施例中，公开了一种分子电子传感器阵列芯片，其包括集成电路半导体芯片和设置在其上的多个分子电子传感器器件，其中每个传感器器件包括(i)由纳米间隙分开的一对纳米级源电极和漏电极；(ii)栅电极；(iii)横跨纳米间隙并连接源电极和漏电极的桥分子或探针分子。多个传感器器件被组织成传感器像素的阵列。在某些方面，传感器器件包括桥分子和探针分子，其中探针分子被结合到横跨纳米间隙的桥分子。在某些实施例中，芯片可包括数百至数亿或更多的传感器器件。电压可用于监测和/或促进分子自组装过程，由此每个桥分子和/或探针分子自组装到每个源电极和漏电极对上。器件电压可以用于监测和/或促进每个桥分子和/或探针分子到每个源电极和漏电极对的分子自组装，包括使用电压引导的重置以根据连续试验的可能需要而将所述传感器恢复到前分子状态。

在各种实施方案中，探针分子可以是用于分析物的结合探针，该分析物包括但不限于DNA、RNA或蛋白质。在其他方面，探针分子可以是酶、DNA杂交探针、DNA聚合酶或RNA聚合酶。在各种实施方案中，探针分子是DNA聚合酶，并且桥分子包括横跨每个电极对上的特定亲和接触点的双链DNA、肽、蛋白质阿尔法螺旋、或天然或工程化IgG抗体。

在各种实施例中，公开了阵列架构。例如，芯片的每个传感器像素可以包括连接到每个传感器器件的读出电容器或读出电阻器。在某些方面，每个传感器像素还可包括基于晶体管的输出开关和/或基于晶体管的重置开关。在各种实施例中，每个传感器像素还可包括行选择线和与其连接的列读出线，并且传感器像素阵列可具有集成的行选择列读出阵列架构，其中行选择线用于激励传感器像素。在一些示例中，行选择线控制输出开关。每个传感器像素可以包括行重置线和列重置线，以用于控制每个重置开关。每个重置开关可以通过行选择线和列重置线的组合来控制，以便提供对每个传感器像素的重置的直接控制。

在本公开的各种实施例中，公开了一种测量应用于芯片的大量的复制引发DNA片段的掺入信号的方法。该方法包括提供如本文所公开的至少一个分子电子传感器阵列芯片，将dNTP和特定碱基终止子的混合物施加到分子电子传感器阵列芯片，并测量沿着片段的特定碱基位置。在一些实例中，利用至少四(4)个分子电子传感器阵列芯片，诸如针对每个碱反应利用一个分子电子传感器阵列芯片。这种过程可用于执行数字片段长度测定。

在本公开的各个方面，公开了一种基于芯片的分析器系统。基于芯片的分析器系统(诸如用于样品分析)包括至少一个本文公开的分子电子传感器阵列芯片、其中集成有该至少一个分子电子传感器阵列芯片的主板、配置成控制将至少样品到多个分子电子传感器器件的引入的液体处理系统、至少一个信号处理器和CPU。基于芯片的分析器系统还可以包括大容量存储器件、系统DRAM和辅助控制计算机中的至少一个，并且它可以集成到多模态生物分析器，由此产生来自样本的多模态综合报告。分析器也可以配置为手持式、可穿戴式或甚至可植入式。分析的类型可包括但不限于DNA指纹识别、基因分型或DNA测序。例如，这些类型的分析可用于医疗保健和执法。

在本公开的各种实施例中，公开了用于分析生物样本的方法。该方法包括提供如上公开的基于芯片的分析器系统，收集来自受试者的生物样本(例如任何活的或死的生物体或来自环境的土壤或水样本)，通过基于芯片的分析器系统处理生物样本以获得与生物样本的分析相关的数据，并将数据传送到存储服务器或云。

在各种示例中，生物样本连同关于受试者的信息从所述受试者收集，并且所述生物样本被分析以便产生综合报告，所述综合报告包括关于所述受试者的信息和与所述生物样本的分析相关的所述数据两者。在某些方面，受试者是人、动物、植物、昆虫、细菌、土壤样本、水样本或包括生物材料的材料样本。分析可以是产生DNA指纹识别、基因分型或DNA测序的遗传分析。可以从大量受试者收集生物样本，并且获得的数据聚集以便形成数据库。对于人或兽医受试者，分析可以是DNA测序，并且数据可以传送到关于受试者的健康和/或医疗保健计划的精确报告(例如，从业者使用的报告)。在某些示例中，该分析产生DNA指纹识别，并且数据被传送到关于(诸如执法中可能需要的)受试者的识别的精确报告。在其他实施例中，受试者是环境，并且基于芯片的分析器用于提供环境的分布式远程监测或土壤或水样本的分析，以用于诸如污染监测的目的。

在本公开的各种实施例中，公开了基于传感器导出的定量性能选择酶的方法。该方法包括提供如本文所公开的至少一个分子电子传感器阵列芯片，并建立大量酶作为探针分子。该方法也可包括基于传感器导出的定量性能选择探针分子。

在各种实施例中，公开了用于估计样本分析物的数量或低维特征的方法。该方法包括提供如本文所公开的至少一个分子电子传感器阵列芯片，并将数据拟合过程应用于数据以确定针对该数量的最佳拟合。在该过程中，拟合过程可以包括求平均、最小二乘拟合、L1优化、成本函数优化、最大似然、和/或压缩感测技术中的至少一个。

在本公开的各种实施例中，公开了基于它们的定量传感器导出的测量来物理地捕获目标的过程。该方法包括提供如本文所公开的至少一个分子电子传感器阵列芯片并将目标应用于分子电子传感器阵列芯片。在该过程中，不期望的目标被从芯片电子地喷射并冲洗，并且期望的目标被保留且接着被电子地喷射以便用于收集。

在本公开的各种实施例中，公开了一种CMOS芯片。CMOS芯片包括集成电路半导体芯片、设置在芯片上的多个分子电子传感器器件，其中每个传感器器件包括(i)由纳米间隙分开的一对纳米级源电极和漏电极；(ii)栅电极；(iii)横跨纳米间隙并连接源电极和漏电极的桥分子或探针分子，以及行选择模块、列解码器模块和I/O模块中的任何一个。传感器器件可以被组织成传感器像素的阵列。在某些实施例中，CMOS芯片可以安装在提供电引出线的封装中，该电引出线提供高带宽I/O，其中芯片被包围在模制塑料流通池中，该流通池为了引入液体试剂或分析物以方便暴露于传感器像素的阵列而提供。

附图说明

本发明的主题在说明书的结论部分被特别指出并明显地要求保护。然而，当结合附图考虑时，通过参考详细描述和权利要求可以最好地获得对本公开的更完整的理解。

图1图示了用于测量物理系统的性质的传感器的一般操作；

图2图示了传感器阵列可以用于并行获得物理系统的许多测量，其然后可以被处理和解释以确定目标物理系统的感兴趣的更高级别的测量特征；

图3图示了包括桥接在两个电极端子之间的单分子的典型的分子电子元件传感器；

图4图示了用于测量探针–目标相互作用的分子电子电路的一个优选形式的示意图；

图5图示了相对于半导体晶体管器件中使用的标准源-漏栅几何形状的局部电极配置的实施例；

图6图示了用于测量探针–目标相互作用的分子电子电路的另一优选形式的示意图；

图7描绘了图4的示意图，在更详细的优选实施例中，具有来自半导体器件的源-漏-栅的几何结构、电极之间的分子桥、以及将酶与桥连接的耦合点或共轭基团；

图8图示了基于芯片的传感器阵列配置的实施例；

图9图示了基于芯片的分析器系统的实施例；

图10图示了紧凑的基于芯片的分析器系统的实施例；

图11图示了高效浸渍液体处理系统的实施例；

图12图示了芯片生产的示例性处理阶段；

图13图示了包括诸如线或点的简单形状的最小尺寸/高分辨率特征的实施例；

图14图示了传感器阵列芯片架构的实施例；

图15图示了基本传感器测量电路的实施例；

图16图示了将读出开关添加到图15的基本测量电路实施例；

图17图示了用于传感器像素的传感器电路的表示；

图18图示了附加的示例性局部电路细节；

图19图示了用于传感器像素的传感器电路的实施例；

图20图示了用于传感器像素的示例性基本阵列架构；

图21图示了用于传感器像素的进一步的优选基本阵列架构；

图22图示了用于传感器像素的另一优选基本阵列架构，其通过包括行重置线来扩展图21的示例性架构；

图23图示了用于传感器像素的另一优选基本阵列架构，其是图22的示例性架构的替代方案；

图24图示了用于传感器像素的整个芯片架构的实施例；

图25图示了封装的传感器阵列芯片的实施例；

图26图示了DNA测序的一个优选实施例，其中探针包括聚合酶；

图27图示了终止子测序的优选实施例，其中在给定的反应中使用仅单个碱基终止子；

图28图示了终止子测序的优选实施例，其中将感兴趣的复制模板加载到指示的每个芯片中，并且从并行传感器阵列上的一次运行累积所有A终止数据以确定所讨论的模板的完整序列；

图29图示了在分子传感器中使用DNA杂交探针来代替附着的酶的实施例，以及通过监测诸如电流的电路参数来检测杂交；

图30图示将杂交探针结合到传感器中的替代实施例，其中探针形成桥分子的全部或部分；

图31图示了数字杂交测定的实施例；

图32图示了杂交的电子加速和对杂交的严格性的电子控制的实施例；

图33图示了探针/酶配置/功能的电子调节、以及局部离子环境的调节(包括产生局部酸或碱基条件以进一步调节探针/酶功能或性能)的实施例。

图34图示了通过使用酶促延伸(由方向箭头指示的探针的3’可延伸末端)以结合一个或多个碱基(诸如包括可检测基团(所示的“延伸产物”)以增强信号)来增强主杂交信号的实施例。

图35图示了数字单碱基延伸基因分型的实施例；

图36图示了电压监测和/或组装的方向的实施例；

图37图示了引导的电压和监测到的重置的实施例；

图38图示了芯片级组装和重置功能的实施例；

图39图示了定量选择具有期望性能性质的酶的实施例；

图40图示了从包含传感器分析物的复杂混合物的溶液中电子评估和收集期望的目标群体的实施例；

图41图示了示例性使用高维度传感器数据以确定低维度的样本性质；

图42图示了基于芯片的分析器(诸如包括扩展系统或紧凑系统)的优选实施例的示例；

图43图示了高级别过程的实施例，其中处理生物样本以用于引入系统，并且诸如在云环境中进一步处理和存储主要数据；

图44图示了受试者的综合分析的实施例；

图45图示了数据库/知识库的创建的实施例；

图46图示了基于接触点芯片的分析器的实施例；

图47图示了可穿戴/可嵌入的分析器的实施例；

图48图示了多模态集成生物分析器的实施例；

图49图示了用于实验工作的分子传感器结构的实施例；

图50图示了用于对分子传感器进行电测量的测试装置的示例性示意图；

图51A、图51B和图51C是包括可用于桥结合的金金属点接触的电极的电子显微镜图像；

图52图示了电极测试芯片架构的示例；

图53图示了在器件上使用钝化层以保护电极免受溶液影响；

图54阐述了表征组装的传感器复合物的电导率的曲线图；

图55示出了包括金点接触电极的分子传感器组件的自组装的电子监测；

图56示出了在完成参考图55讨论的组装阶段之后组装结构的EM图像；

图57展示了用传感器测量分子掺入信号；

图58A和图58B图示了基于肽阿尔法-螺旋桥分子的传感器的实施例；

图59A、图59B、图59C和图59D阐述了来自使用阿尔法-螺旋肽桥的序列感测实验的数据。

图60图示了用于组合与CMOS器件测量像素接口的纳米电极的示例性设计；

图61描绘了在后处理步骤中添加到标准CMOS像素器件的纳米结构的示例；

图62示出了示例性CMOS芯片高级别架构；

图63图示了示例性传感器的电模型；

图64图示了示例性像素电路示意图；

图65阐述了像素电路模拟的结果；

图66总结了用于像素开关性能的示例性参数；

图67图示了用于像素放大器的详细电路设计的实施例；

图68提供了用于放大器频率响应的模拟结果；

图69提供了用于像素放大器性能的参数；

图70基于详细的电路模拟总结了用于传感器像素的参数，以及示出该像素的不同元件的布局面积预算的饼图；

图71是被注释的完整芯片设计的实施例的图像；

图72是在用于像素阵列的5×5部分的详细GDS设计文件的特写图像中看到的示例性像素阵列设计；

图73阐述了示例性被注释的完整像素设计；

图74是制造后的成品芯片的白光显微镜图像；

图75A和图75B提供了布局文件和成品芯片的比较；

图76提供像素阵列图像的集合；

图77A和图77B提供了布局文件和成品芯片像素的比较；

图78A和图78B是成品CMOS芯片和像素的电子显微镜图像；以及

图79图示了用于传感器芯片的主板的示例性示意设计。

具体实施方式

本文中的示例性实施例的具体实施方式参考附图，所述附图通过图示和它们的最佳方式的方式来示出示例性实施例。尽管足够详细地描述了这些示例性实施例以使本领域技术人员能够实践本发明，但应理解的是，可实现其他实施例，并且可在不脱离本发明的精神及范畴的情况下进行逻辑、化学和机械改变。因此，本文中的具体实施方式仅为了说明性而非限制性目的进行呈现。例如，除非以其他方式被提及，方法或过程描述中的任一个中记载的步骤可以任何顺序执行且不一定限于所呈现的顺序。此外，对单数的任何引用包括复数的实施例，并且对多于一个部件或步骤的任何引用可包括单数的实施例或步骤。此外，对附接、固定、连接等的任何引用可包括永久的、可移除的、临时的、部分的、完整的和/或任何其他可能的附接选项。附加地，对没有接触(或类似短语)的任何引用也可包括减少的接触或最小的接触。

本公开的范围涵盖分子电子传感器的一般形式，该分子电子传感器是用于传感器阵列应用的有用元件。这由耦合到包括源电极和漏电极、以及用于附加电压控制的栅电极的三端子器件的探针分子组成。

定义：

任何未明确定义的术语应赋予本领域技术人员已知的共同含义。

如本文所用，术语“分析物”是指诸如DNA、RNA或蛋白质的化学实体，它可以是分析的受试者，诸如以确定化学实体的同一性或量，或者它可以指在分析中使用的试剂。

如本文所用，首字母缩略词“CMOS”指的是“导电金属氧化物半导体”，其是用于构建集成电路的特定方法。

如本文所用，首字母缩略词“FPGA”指的是“现场可编程门阵列”，其是设计为在制造之后(即在“现场”中)由第三方配置的集成电路。

如本文所用，首字母缩略词“GPU”指的是“图形处理单元”，其是快速操纵和改变存储器以加速帧缓冲器中的图像制作的电路。GPU通常与CPU一起使用以加速各种应用。

如本文所用，首字母缩略词“DSP”指的是“数字信号处理器”，且“DSP芯片”指的是数字信号处理器芯片，其是用于测量、滤波和处理模拟信号的专用微处理器。

如本文所用，首字母缩略词“ASIC”指的是“专用集成电路”，并且“ASIC芯片”指的是以芯片形式的ASIC。

如本文所用，术语“CPU”指的是“中央处理单元”，其是执行计算机程序的指令的计算机电路系统，并且术语“多核CPU”指的是具有两个或多个独立的CPU的部件。

如本文所用，术语“N^6引物”是指具有多达4⁶种不同序列的随机序列的短寡脱氧核苷酸。该术语也可以表示为“[d(N)6]”。

如本文所用，首字母缩略词“LNA”是指“锁核酸”，其是一类核酸模拟物，也称为具有连接2'和4'碳的额外桥的“不可接近的RNA”。

如本文所用，首字母缩略词“PNA”是指“肽核酸”，其是与DNA或RNA类似的人工合成的聚合物，但是代替地具有重复的N-(2-氨基乙基)-甘氨酸单元的主链。

如本文所用，首字母缩略词“SNP”是指“单核苷酸多态性”，其是人之间的常见类型的遗传变异。

如本文所用，术语“SNP基因分型”是指一种基因分型，其测量物种成员之间的单核苷酸多态性(SNP)的遗传变异。

如本文所用，术语“受试者”以非限制性方式指的是人、非人动物(或在本文中，“动物”)、植物、细菌、病毒、变形虫、真菌、酵母、土壤样本、水样本或空气样本，或已知含有或可能含有生物材料的任何其他样本。在最广泛的意义上，受试者是活的或死的生物体(海洋或陆地)、环境或环境的样本(例如来自溪流或河流的水样本或土壤样本)。

如本文所用，术语“聚合酶”指的是催化聚合物(诸如DNA或RNA)的形成的酶。“DNA聚合酶”参与核苷酸聚合成DNA。“RNA聚合酶”参与核苷酸聚合成RNA。

如本文所用，首字母缩略词“SMU”指的是“源/监视器单元”，其是能够在同时地测量电压和电流时强制电压和电流的器件。

如本文所用，首字母缩略词“VIA”指的是“垂直互连接入”，意指电子电路中的层之间的电连接。

在本公开的各个方面，分子电子传感器阵列芯片包括集成电路半导体芯片和设置在其上并组织成传感器像素的阵列的多个分子电子传感器器件。每个传感器器件包括由纳米间隙分开的一对纳米级源电极和漏电极、栅电极和横跨纳米间隙并连接源电极和漏电极的桥分子和/或探针分子。多个传感器器件可包括仅桥分子、仅探针分子、或桥分子和探针分子两者。

在本公开的范围内，可以使用任何可扩展阵列架构在芯片上组织多个传感器器件，诸如通过在参数化的设计系列中设置尺度参数允许横跨要设计的若干数量级的芯片的架构。

在芯片架构的各种实施例中，每个传感器像素还可包括连接到每个传感器器件的读出电容器或读出电阻器。而且，每个传感器像素还可包括基于晶体管的输出开关和/或基于晶体管的重置开关。在各种方面中，每个传感器像素可被连接到行选择线和列读出线，并且其中传感器像素的阵列集成为行选择/列读出阵列架构，行选择线可用于激励传感器像素。

在各种实施例中，行选择/列读出阵列架构允许行选择线来控制输出开关。每个传感器像素还包括行重置线和列重置线，以用于控制每个重置开关。在某些实施例中，每个重置开关可以通过行选择线和列重置线的组合来控制，以便提供对每个传感器像素的重置的直接控制。

根据本公开的分子电子传感器阵列芯片可包括至少100个传感器器件。在其他变形中，芯片可包括至少10,000、至少100,000、至少1,000,000、至少10,000,000、或至少100,000,000或更多个传感器器件。

权利要求所述的分子电子传感器阵列芯片可以分阶段制造，诸如通过使用用于电子器件的CMOS工艺、用于纳米电极的纳米光刻、以及用于附接分子元件的分子自组装。纳米光刻方法可包括纳米压印光刻。在某些方面，分子电子传感器阵列芯片可以完全由CMOS技术制造，或者在CMOS芯片中实现。

在各种实施例中，电压用于监测和/或促进每个桥分子和/或探针分子到每个源电极和漏电极对的分子自组装。例如，器件电压可以用于监测和/或促进每个桥分子和/或探针分子到每个源电极和漏电极对的分子自组装，包括使用电压引导的重置以根据连续试验的需要将传感器恢复到前分子状态。

在分子电子传感器阵列芯片的各种实施例中，探针分子可包含酶，诸如例如DNA或RNA聚合酶、或DNA杂交探针。在某些方面，探针分子可包含蛋白质、肽、适体或半抗原形式的结合探针。在芯片的其他变形中，探针分子可以包括DNA聚合酶，并且桥分子可包括横跨每个电极对上的特定亲和接触点的双链DNA、肽、蛋白质阿尔法螺旋、或天然或工程化IgG抗体。这种芯片可应用于测量应用于分子电子传感器阵列芯片的大量引发DNA片段的掺入信号。

在各种实施例中，根据本公开的分子电子传感器阵列芯片还可以包括用于执行数字杂交测定的杂交探针。探针提供用于片段集的基因组映射的SNP基因分型或基因表达测量，或提供设计的通用杂交标签集，用于对产生基于标签的读出的测定进行解码。在某些方面，组合解码杂交与在组合编码的阵列上的识别探针结合使用。

在各种实施例中，分子电子传感器阵列芯片可进一步包括用于执行数字单碱基延伸测序测定的单碱基延伸杂交探针，或用于执行数字结合测定的结合探针。在某些方面，杂交测定使用传感器电压控制的DNA的吸引和排斥来加速杂交并改善测量保真度或获得电子熔点曲线以表征结合。

在各种实施例中，探针分子可包括用于特定分析物的结合探针。分析物可包含DNA、RNA和蛋白质中的至少一种。在某些实施例中，可以确定分析物的浓度。

在分子电子传感器阵列芯片的各种实施例中，关于探针分子、桥和其目标，传感器电压用于产生吸引、排斥、功能变化和局部离子环境的变化。

在各种实施例中，分子电子传感器阵列芯片中的纳米电极的特征使用用于在芯片制造中使用的图案化系统中的最大分辨率的简单的线和点图案来设计。

在本公开的各种实施例中，一种测量应用于芯片的大量的复制引发DNA片段的掺入信号的方法包括：(a)提供分子电子传感器阵列芯片；(b)将dNTP和特定碱基终止子的混合物施加到分子电子传感器阵列芯片；以及(c)测量沿着片段的特定碱基位置。在某些实施例中，该方法可包括使用至少四(4)个分子电子传感器阵列芯片，诸如对于每个碱反应的一个分子电子传感器阵列芯片。这些方法可用于执行数字片段长度测定，或应用于包括DNA指纹识别(诸如可用于识别)的标记片段集。这样的方法可以涉及用于跨阵列的探针-目标相互作用的不同参数的调查，由此确定用于最佳操作的参数设置。

在本公开的各种实施例中，用于样本分析的基于芯片的分析器系统包括集成到主板中的如上所述的至少一个分子电子传感器阵列芯片。这种基于芯片的分析器系统还可以包括液体处理系统、至少一个信号处理器、固态存储缓冲器、数据存储器、至少一个CPU、系统DRAM和大容量存储器件。这种分析器系统还可以包括数据传送能力，并且可以与辅助控制计算机对接。在这样的系统中，样本制备、最小数据处理和数据传送可以集成到系统内的一个压块中，使得它适合在移动式、便携式、手持式或可嵌入式应用中使用。在某些示例中，样本包括取自受试者(诸如人)的生物学样本(生物样本)。生物样本可以连同关于受试者的信息(例如，如果是人类受试者，则为年龄、身高、体重等)从所述受试者收集，并且所述生物样本被分析以产生综合报告，所述综合报告包括关于所述受试者的信息和与所述生物样本的分析相关的所述数据两者。这些报告在健康专业中是有用的。

在本公开的各种实施例中，用于在基于芯片的分析器系统中分析的生物样本可以是例如人、动物、植物、昆虫、细菌、土壤样本、水样本、或包括要分析的至少一些感兴趣的东西的任何其他材料样品，诸如任何生物材料。在各种示例中，分析物可以包括产生DNA指纹识别、基因分型或DNA测序的遗传分析。由此获得的DNA指纹可在识别方法中使用，诸如在执法中。在一些方面，可以从大量受试者收集生物样本，并且接着聚集数据以形成可以在将来的某个时间参考的数据库。这样的数据库可以包括对数据库的机器学习以产生能够提供精确报告的知识库。由此获得的DNA测序可以以与医疗保健相关的精确报告的形式被传送。

在各种实施例中，基于芯片的分析器可以集成到多模态生物分析器中，由此产生来自诸如生物样本之类的样本的多模态综合报告。基于芯片的分析器可以提供遗传分析，诸如但不限于DNA指纹识别、基因分型和DNA测序。在一些实施例中，基于芯片的分析器被配置为手持的、可穿戴的或可植入的。在某些方面，基于芯片的分析器可以提供对环境的分布式远程监测。这种环境监测可用于污染监测和控制。

用于测量探针-目标相互作用的分子电子电路的优选示意性实施例在图4中示出，其中探针分子作为主电路元件被耦合在源电极和漏电极之间，并且整个电路配置有测量电学性质(诸如在施加的源-漏电压和栅电压下的电路中的电流，或在施加的电流下的电压)的仪表，并且其中所测量的迹线由此与探针与其目标的相互作用相关。当探针-目标复合物构造显著地改变通过复合物/在复合物周围的电荷传导时，这种配置是优选的。作为时间迹线的所测量的性质S(t)反映由于构造变化导致的潜在的探针-目标的相互作用，以及在该处理期间作为电子部件的可变性质。

现在参考图5，相对于半导体晶体管器件中使用的标准源-漏和栅极几何形状，以更详细的形式图示了局部电极配置。在该非限制性实施例中，探针分子作为次级或并行电路元件被耦合，其可以相对于主导电元件具有导通和门控活动，并且其中整个电路配置有用于测量电学性质(诸如在施加的电压下的电路中的电流、或在施加的电流下的电压)的仪表，并且其中所测量的迹线由此与探针-目标相互作用相关。当探针-目标构造变化可以将可变栅电压施加到主导电元件，且该主导电元件主要用作施加依赖于序列的栅电压的另一个栅电极时，这种配置是优选的。

图6图示了用于测量探针–目标相互作用的分子电子电路的另一优选形式的示意图。探针分子作为次级元件耦合到源电极和漏电极之间的主导电元件，以形成其中探针可提供门控功能以及传导的电路。该电路包括用于测量电学性质的仪表，诸如在施加的源-漏和栅电压下的电流，或类似的系统性质(诸如恒定施加的电流下的电压)。作为时间迹线的所测量的性质S(t)反映了潜在的探针-目标相互作用。

图7图示了图4的示意图，在更详细的实施例中，具有来自半导体器件的源-漏-栅的几何形状，以及作为主导电元件的电极之间的分子桥，以及将酶耦合到桥的耦合点或共轭基团，作为确保接近度和潜在的电学连接的一种手段。如图所示，探针分子被绳系(tether)以确保探针分子和桥之间的接近度和/或导电连接。

图8图示了基于芯片的传感器阵列配置的实施例。对于本文概述的所有这样的传感器，任何传感器都可以被组织为传感器阵列芯片，诸如图8中所指示，其能够以高采样率或帧速率读出阵列上的传感器信号，使得它们经受暴露于常见的分析物溶液时，可以有效地并行读取。在各种实施例中，这些传感器阵列芯片可包括任何数目的传感器，从100个到1000个到数百万个到数十亿个或更多个这样的传感器。

在各种实施例中，芯片格式可包括以下功能的关键元素：(1)支持分子元件到传感器电路系统以及阵列上的传感器的电子控制的自组装、拆卸(重置/擦除)、重新组装和校准；(2)支持阵列中所有传感器的快速采样，并将这些数据传送出芯片，使得许多传感器可以被有效地并行监控；(3)可扩展的阵列架构，使得可以通过在参数化的电路设计系列中设置阵列尺寸参数来简单地设计具有横跨若干个数量级的传感器计数的芯片。

阵列芯片可以通过工艺的层次来制造，其中电子电路系统和电极阵列中的大部分或全部经由CMOS工艺制造，纳米电极特征使用纳米光刻工艺制造，并且使用分子自组装技术组装分子部件。在实施例中，通过使用电子器件上的电压控制(诸如局部栅电压)来引导或加速这些自组装技术。在各种实施例中，纳米电极也使用在16nm或低于16nm，或优选地在10nm或低于10nm的半导体器件制造节点操作的CMOS制造工艺来制造。替代地，纳米压印光刻可以有效地制造纳米电极的阵列，从每次印模压印整个芯片纳米电极图案。

阵列芯片可以被结合到支持传感器芯片的应用的完整系统中，包括集成的液体处理和数据传送、数据分析和数据存储。

如图8所示，基于芯片的传感器阵列配置可以包括：在半导体芯片82上配置成阵列的分子电子传感器81，且具有合适的输入/输出引脚83(在间隙的相对端上图示为源电极和漏电极的端部上的小块形状)。这种芯片的典型尺寸表示为1mm刻度，而传感器的尺寸下降到10nm刻度。阵列架构可以进一步是可扩展的，允许芯片包括基于通用电路设计的100个到数千个到数百万个到数十亿个传感器。I/O引脚和架构支持组件上的电子控制、传感器的校准、其消除或重置，以及传感器信号的高速采样和读出，以便它们可以以高帧率被有效地并行读取。

高级别系统的实施例具有图9中所示的一般形式。如图所示，主板容纳芯片，该芯片包围在合适的流通池中并连接到液体传输系统。来自芯片的数据被传送到主数据处理单元以用于高速缩减，并且潜在地被传送到第二个这样的处理器以用于进一步缩减。在各种实施例中，这样的处理器可以包括FPGA、GPU或DSP芯片、或定制ASIC芯片或多核CPU中的任何一个。在初始数据处理之后，缩减后的数据存储在快速的短期存储缓冲区中，优先是固态驱动器存储器，随后被传递到CPU以用于进一步处理，并且接着到长期存储装置，以及传送到辅助计算机以用于进一步处理，或传送到另一台计算机或存储服务器。

图9图示了示例性基于芯片的分析器系统。传感器阵列芯片集成到支持样本的有效分析的系统中。这种系统的示例性实施例被示出并且包括：液体处理系统，其可包括泵和阀以控制样本和试剂引入到传感器；第一信号处理器和可选的第二信号处理器；固态高速存储缓冲器；和至少一个系统CPU。在各个方面，来自一个或多个信号处理器的数据可以通过高速缓冲器来缓冲，具有根据需要的短期存储，以用于基于CPU的处理和长期存储，诸如在如图所示的机载大容量存储器器件中。该系统还可以包括如图所示的动态随机存取存储器器件(DRAM)。基于CPU的处理可以缩减和/或以其他方式处理传感器数据。辅助计算机可用于控制系统并提供用户界面，同时具有将数据传送到系统外存储设备或云的能力。出于进一步分析的目的和/或用于报告，可以从系统传送数据。

在各个方面，通过限制机载功能并集成在各种关键功能中，集成系统可以是高度紧凑的。图10中示出了这种紧凑系统的示例，其中样本制备已经被集成到系统中，所有关键系统功能都在一个主板上，并且存在无线/蜂窝数据传送以将传感器数据从系统移出到服务器，或者到基于云的存储资源。这种紧凑的集成系统实现桌面系统、移动系统、便携式系统、使用点、手持式或可穿戴系统。它们进一步实现平台的极度最小化，诸如将在多功能仪器中、在空间中或在生物体中嵌入使用所需的。

图10图示了作为提供更紧凑的形状因素和集成的工作流的集成系统的示例性的基于芯片的紧凑型分析器系统。这样的系统可以集成有样本制备和无线数据传送，以便最小化对外部设备、自动化工作流的需求，以及最小化对系统上的电子器件、计算和存储的需求，并使系统更便携和可嵌入到执行其他测量和功能的更广泛的系统中。

对于集成系统，用于液体处理的泵送系统的替代方案是芯片浸渍系统，诸如例如图11中所示。在该系统中，芯片被分离到迷你主板上，并且数据传送连接回到主板，这允许芯片在顺序曝光所需的不同溶液的池之间物理地移动，同时仍然发送和接收数据。例如，在DNA测序的应用中，需要将一系列一种或多种溶液暴露于芯片传感器表面。与如图9所示的将这种溶液顺序地泵送到包围芯片的流通池中相反，取而代之将芯片浸渍到所需的每种溶液中，并在这些溶液之间机械地传送，如图11所示。这提供了溶液的更快改变以用于提高执行必要曝光的速度以及更经济地使用缓冲液的优点，因为它们在每次曝光后不被作为废物消除。在其他实施例中，数据传送连接是支持高速数据传送协议(诸如带状连接器或同轴线缆，或者更具体地，诸如与无限带宽、SCSI、千兆以太网或10-base T(10兆双绞线以太网)数据传送方法一起使用的线缆)或无线/蜂窝通信链路和相关的高速无线协议(诸如Wi-Fi或蓝牙，或更具体地说，诸如IEEE 802.11-B/G/N/AC/AX无线协议、或3G、4G、LTE或Wi-Max蜂窝通信协议)的柔性线缆。

图11图示了示例性的高效浸渍液体处理系统。通过将传感器芯片配置在可移动的迷你板上，这些芯片自动浸入到给定处理应用所需的不同溶液中。这允许非常高速地暴露于溶液，快速改变溶液和保存缓冲液，从而更快速且有效地处理样本。这种溶液也可以处于不同的温度，以实现节能、快速的热循环。迷你板可以通过柔性线缆或无线连接被连接到主板。

现在参考图12，可以通过工艺层次来制造芯片，在其中CMOS工艺用于大多数或所有电子器件。在一个实施例中，并且如图14至25所图示，这种芯片具有传感器电路系统阵列架构，其支持电源、定时、逻辑控制、读出、以及数据开/关芯片的处理和传送(输入/输出或I/O)。该层电路系统优选地使用CMOS工艺来制造，以便利用现有的半导体制造基础设施。如图6和7所示，设置在该层的顶部的是关键的纳米电极。该工艺涉及在纳米级(优选在20nm或低于20nm，优选在10nm或低于10nm)上制作电极和间隙以及接触特征。在优选实施例中，这些电子元件也将全部或部分地通过依赖于16nm、优选14nm或10nm的制造节点的CMOS工艺来制造，其能够产生这种适当的尺寸特征。不能通过CMOS制造的器件的部件可以通过其他纳米光刻方法制造，并且优选地通过短波长或相移掩模或光刻的多种图案化方法或纳米压印光刻，其中任一种提供比电子束光刻或离子铣更并行的图案化。如图6和7所图示，该器件的最后的方面是分子组件。这些通过使用由特殊材料接触点引导或增强的溶液相处理中的分子自组装被优选地建立，并且还优选地通过使用电子元件的电压(诸如栅电压或源-漏电压)控制被建立，以便影响带电分子和/或溶液的局部离子条件。

图12图示了用于芯片生产的示例性处理阶段。成品芯片需要较多的制造步骤，大多数优选地通过CMOS制造来完成，诸如阵列和传感器电路系统，以及可能是纳米电极制造。然后，电极制造可能需要通过多种纳米光刻方法中的任何一种，优选纳米压印光刻来进一步处理。分子部件通过自组装技术来建立，其可包括利用芯片电子电路系统的电压增强的自组装工艺。

纳米电极和纳米接触点的制造可以与CMOS工艺兼容，诸如通过使用非常简单的电极布局图案化和用于最小尺度特征、纳米接触和纳米间隙的简单图案化。具体地，纳米间隙应该被对准以成为长线性图案特征的一部分，并且对于纳米接触图案特征应该是圆形，如图13所示。在优选实施例中，纳米间隙将被图案化为横跨许多电极对的单个线性沟槽。在另一个实施例中，接触点将被图案化为成对的斑点或盘。

图13还图示了最小尺寸/高分辨率特征应该具有与高分辨率光刻图案化和各种其他图案化方法的最高分辨率模式兼容的简单形状131(例如线或点)。这里特别地，电极间隙132应该是跨许多电极的长线性特征，并且纳米接触应该基于点状或斑点状的图案化133。

现在参考图14，芯片可以包括具有引脚的标准封装，诸如基于其中传感器元件被组织成“传感器-像素”阵列的具体架构的半导体芯片。图14图示了传感器阵列芯片架构的实施例。优选实施例中的芯片具有利用已经为CMOS成像器芯片成熟开发的元件的架构，该芯片包括传感器阵列、行选择器和列解码器、以及用于定时、控制、供电的子系统、以及模拟信号处理或模拟到数字信号处理、以及I/O。存在通常用在芯片(诸如CMOS成像器芯片)上的组织的其他元件，尽管这种标准特征优选地包括电路设计以支持芯片应用所需的实时采样速率和信号强度。

对于这种应用，可能需要以至少10Hz，优选地至少100Hz，更优选地1kHz的频率对所有像素进行采样。一些应用需要以10kHZ、100kHz甚至1MHz进行采样。另外，图6和图7的传感器中的基础电流水平可以在1皮安到1纳安的范围内，并且采样电路也必须设计成支持这些低电流。在一些优选实施例中，像素必须能够在大部分时间内累积电流/电压信号。也就是说，它们不能被过度地“关闭”并可能地错过实时信号特征。优选地，它们在至少50％的时间内收集基于电流的数据，并且优选地达到至少80％的时间，并且在一些应用中，超过95％的时间，以避免丢失实时信号的关键方面。各种实施例可以为收集和保持信息的像素提供几乎100％的时间。必须专门地设计基本电路以支持这些要求。

在各个方面，用于这种芯片的传感器像素设计是基于主传感器，诸如在图6和图7中，通过以下一系列电路架构构造和扩展，其使得能够实现如在这种芯片中的传感器像素的实施例，并且还能够实现将CMOS工艺用于这种芯片制造，即，粘附到可以通过这种工艺有效地制造的电路元件的有限范围。

为了部署为传感器阵列，诸如图4、图5、图6和图7中所示的基本传感器器件必须嵌入基本测量电路中，其中读出电压可由读出线访问。图15图示了基本传感器测量电路的两个实施例。在某些实施例中，传感器元件被嵌入在基本测量电路中，该基本测量电路限定相对于电流收集电容器或分压电阻器的输出电压。对这种基本架构增加了附加的电路系统以支持阵列架构，以及增强了测量的质量和信噪比。在优选实施例中，这些架构在集成半导体电路中实现，并且特别在CMOS电路中实现。

在图15中的一种形式中，电容器与驱动源-漏电压串联添加，以便将传感器电流收集并换能成读出电压。在另一个优选形式中，电阻器被替代地串联放置，以便将传感器电流转换为用于读出的电压。为了与CMOS半导体制造兼容，可以使用晶体管或不同掺杂区域之间的结将这种电容或电阻元件实现为对于CMOS中的这种元件的标准。例如，根据将常见抽象电路元件转换成集成电路和CMOS器件的标准实践，所示的电阻器可以实现为晶体管，电容器也可以被实现。此外，必须选择电容器或电阻器的参数，以用于与各种应用中这种器件所需的电压和电流水平兼容。这些参数包括诸如0.1至10伏特范围内的电压，以及1微安至1纳安培范围内的电流。在某些情况下，电流水平可低至1飞安培。读出频率通常在0.1kHz至100kHz的范围内，其也确定了电容和电阻元件的要求。

基本测量电路优选地嵌入在具有执行传感器阵列中的像素所需的功能的电路中。这些像素要被耦合到导电线阵列中以用于输出测量电压，以及导电控制线，其确定通过有限数目的输出线正读出哪些像素电压，以及可能地控制在读出事件之间重置测量电路。

图16图示出将读出开关(晶体管)添加到图15中的基本测量电路，以便将测量电路系统与输出(读出)线隔离，并且由此改善信号质量。

图17图示用于传感器像素的传感器电路系统的表示。该图示封装了局部分子传感器电路系统的细节，以便于理解这种传感器像素如何被集成到阵列电路架构中。这里，基本传感器像素具有读出线和驱动测量电路的供电电压。图16的阵列电路系统中的一般换能元件可以使用信号到电压转换器符号来描述，如图17中所用，其被理解为表示这些特定测量电路中的任一个，以及可以被添加以实现这种换能的其他电路系统。实现换能的其他电路系统包括但不限于附加的晶体管或二极管电路或半导体工艺特征(诸如pn结二极管或势垒)、或掺杂或应变的其他期望变化等，这改善了信噪比。所有这些技术都是该通用电路符号内的实施例，以用于更简单和有效地描述阵列电路架构。

图18图示附加的局部电路细节的示例。这些特定实施例进一步增强了图15和图16的局部传感器电路系统的性能，其中增加了用于在进行电压测量之前设定限定的初始电压的重置开关/晶体管。这种重置开关在被激活时，将通过释放所需的任何存储的电荷将测量点处的电压重置到已知的参考电平。这提供了已知的参考状态，改善了从所测量的信号值中识别或减去噪声或电压漂移的能力。

图19图示用于传感器像素的传感器电路的表示。该图示封装了图17中例示的局部传感器电路系统的细节，但是教导了在某些实施例中传感器像素具有重置开关和读出开关，以及驱动像素操作的电压。出于描述像素阵列架构的目的，可以使用图17中所示形式的信号换能元件同时地描述诸如图19中例示的阵列电路，这被理解为表示这些特定测量电路中的任一个。

图20图示了用于传感器像素的基本阵列架构的示例。在这种情况下，基本像素与激励像素的行选择线和获取输出电压的列读出线集成。在该实施例中，行选择线上的信号将激励像素测量电路，导致出现在用于该像素列的读出线上的有效测量信号，由此呈现出来自该线上的该像素的读出信号。该实施例最小化了实现阵列传感器像素所需的晶体管的数目，这有利于在芯片上的每单位面积具有更多传感器的能力。每个像素的晶体管总数通常将限制在给定芯片面积上可能制造多少传感器，因为存在基于所考虑的制造或工艺的相关设计规则的空间限制和晶体管尺寸限制。因此，在一些实施例中，最小化每个像素的晶体管数量是重要的电路设计目标，并且通常是设计中的重要考虑因素，以便实现特定阵列架构的最大的像素数量缩放。

图21图示了用于传感器像素的附加的示例性基本阵列架构。通过连线行选择来控制读出，该配置扩展了图20中例示的架构，当未被选择用于读出时提供传感器隔离。将上述传感器像素器件耦合到像素阵列中的这种方法更加稳健，其中行选择线控制用于列读出的开关并且像素与行选择信号被分开地激励。这样更好地将信号输出与像素的测量性能隔离，从而改善信号质量。在该实施例中，像素总是被激励，并且行选择线上的信号将在将来自该像素的读出信号呈现到线的开关(晶体管)上翻转。在某个实施例中，这需要为阵列中的每个像素传感器元件提供附加的晶体管开关。该晶体管计数增加是不期望的，但是实现更多信息信号的权衡。在各种实施例中，在工艺的物理设计规则的限制下，这种开关/控制晶体管应被制造得尽可能小，以便能够在每单位的芯片阵列区域匹配更多的传感器。在其他实施例中，这种开关将被设计为降低功耗、噪声或漂移。

现在参考图22，图示了用于传感器像素的基本阵列架构的实施例。该配置通过包括行重置线来扩展图21的架构，使得在读取之后可以将像素的行重置为已知状态。这是将上述传感器像素器件耦合到像素阵列中的更稳健的手段，其中存在沿着行的附加的重置线，使得行中的每个像素在它们被读出之后可以被重置。

图23图示用于传感器像素的、且尤其用于将上述传感器像素器件耦合到像素阵列中的另一个优选的基本阵列架构。该实施例包括连同行选择线一起控制重置的列线。该配置允许沿着读取行的像素被独立地重新发送，由此允许当像素被读出并在阵列中被重置时在时间顺序中更灵活。该配置还允许用于可单独寻址的像素。

图24图示用于传感器像素阵列的整体芯片架构以及行选择线和列读出线的阵列(例如，图20-图23中指示的局部像素连接)如何与较高级别的芯片架构相关。这些高级别架构元件类似于CMOS成像器传感器阵列中使用的那些元件。这里，主功能块控制行选择和读出过程。此外，存在用于定时、控制逻辑、电源和其他常见芯片功能的块。在该特定实施例中，行线不与电路架构中的列线相交。

在其他实施例中，可以存在在CMOS芯片的其他层中实现的附加控制线，诸如可以向传感器供应特定参考电压的那些控制线，以及控制对这些控制器的访问的适当线和逻辑。该附加架构可以在传感器芯片性能或控制中起作用，或者可以支持用于传感器的定向分子自组装所需的电压相关的处理。此外，各种纳米制造技术可能需要施加到纳米电极的电压，以便以电压引导的方式引导材料的纳米级电沉积，并且这种附加的架构也可以在这里辅助。因此，看到这些优点，CMOS芯片通常具有多达10层或更多层的线布局，以支持这种芯片范围的需求，并且这也将是实现传感器阵列芯片的阵列范围需求的优选手段。

图25图示封装的传感器阵列芯片，其指示图24的芯片如何以与流动池中的最终封装兼容的方式集成到具有数据I/O引出脚的标准封装中。在该实施例中，半导体芯片将被封装使得它被安装在封装中，该封装提供到用于在标准电路板和连接器内使用的引出脚的接口，以便与用于信号处理、数据传送、和存储的其他系统级电子器件连接。这便于集成到更大的电子处理系统中，以及在这种系统中使用标准电子元件。传感器阵列格式和芯片与这个独特种类的传感器像素相结合，能实现用于表征一个分析物或多个分析物的新应用和方法。以下现在提出了这些基于阵列的方法和应用。

大规模并行测序方法

在用于DNA测序的特定实施例中，如图26所示，探针包括聚合酶，其结合到模板DNA分子，所述模板DNA分子具有适合引发用于合成互补链的单链部分，并且相互作用目标是用于酶-DNA复合物的衬底。引发的单链DNA模板的延伸通过在合适的缓冲液中的核苷酸-三磷酸(dNTP)进给。所图示的掺入过程是核苷酸A的掺入，在所测量的电流迹线中产生对应的可识别特征。在此处的相互作用中，dNTP被聚合或被掺入到生长的互补链中。这里的传感器信号可以将碱基掺入事件识别为信号尖峰，并且还可以区分掺入哪个碱基，并且这种信号反过来可以为确定DNA序列的各种测序化学物质提供基础。在图26所阐述的实施例中，信号完全区分不同的碱基，因此可以推导出DNA片段的碱基序列。这可以在这样的芯片上以大规模并行的形式被执行，其中在每个位点读取不同的DNA分子，并且当与图9和图10中所指示的系统级别处理组合时，这为制造大规模并行的DNA测序系统提供了基础。基于芯片的传感器阵列为该过程提供了经济和可制造性的新水平，超出了隔离的传感器或传感器的集成度较低的组件所提供的水平。通过使用RNA聚合酶而不是DNA聚合酶作为探针，完成了用于RNA测序的类似方法。

终止子测序

在用于测序的另一个实施例中，芯片可用于执行有效的终止子测序，如图27和图28所示。图27图示终止子测序的实施例，其中仅有单个碱基终止子、二脱氧三磷酸腺苷终止子(ddATP)被用于给定的反应。在这种模式下，当反应终止时，暗示所讨论的碱基是终止子A，并且掺入峰值的数目的计数给出了模板中该A的位置。使用复制模板为A重复多次运行将随机地确定模板中的所有A的位置，并分别地对其他终止子碱基C、G、T执行类似的一系列运行将确定模板中所有这些碱基的相应的位置，由此确定整个序列。在图27中体现的测序中，假设每个单独的掺入事件作为离散尖峰或特征表示在信号中。如图所示，引发的配置暴露于含有所有4种碱性dNTP加上(对于特异性询问的碱基，例如A)特定的对应的二脱氧终止子(例如，在这种情况下为ddATP)的混合物的溶液。在暴露于该溶液时，掺入的尖峰将产生直到ddATP终止子被掺入这一点，在该点之后掺入的尖峰停止。终止子碱基特征性地可以产生或不产生典型的尖峰。图27体现了它特征性地不产生的情况。这种正常的掺入尖峰的产生的计数确定了终止子A所在的基碱位置。在这个的给定的实现中，取决于ddATP与dATP是否在任何这样的位点被掺入的随机事件，所述位置将已经在沿模板可能的所有A掺入位置中被随机地选择。当在装载有复制模板的传感器芯片阵列上执行该反应时，将从所有阵列像素的传感器阵列输出信号序列以大规模的并行方式获得模板中所述碱基的位置的随机采样集，并且这将以高的统计置信度覆盖模板中所述A碱基的所有位置，只要从芯片传感器获得足够多的读数。如果传感器阵列包含比DNA模板长度大致上更多的传感器，并且如果使用适当比例的终止子核苷酸使得预计在整个实验运行中在多个数目上生成所有长度的终止片段，则情况将是这样。因此，一个这样的芯片运行将可靠地确定片段中所有A碱基的位置。因此，为其他碱基运行其他芯片将提供确定整个序列的信息。

图28图示终止子测序的另一个实施例，其中运行4个单独的反应，针对A、C、G和T的每一个运行一个反应，使得通过处理来自四个单芯片运行的数据实现片段的完全终止子测序。在这种情况下，将感兴趣的复制模板加载到所指示的每个芯片中，并且从并行传感器阵列上的一次运行累积所有A终止数据，如图28的顶部系列所示，并且类似地针对C-、G-和T-终止反应，并且每个反应的单碱基结果被累积(在图28的底部)以确定所讨论的模板的完整序列。

在完整传感器系统的背景下，诸如在图9中所示，系统可以包括主板上的四(4)个芯片，并且这四个芯片可以通过液体处理系统的溶液被引入，如图28中所示。这种系统支持来自4个芯片的数据处理。一旦用引发的模板完全建立，则每个芯片仅需要dNTP和ddXTP的单个溶液，其中X是待询问的相应的碱基(在A、C、G、T之外)。从每个芯片收集和处理数据，然后组合该数据以确定潜在的测序。在一些情况下，基于观察到的数据确定仅最可能的潜在的序列，诸如当存在混淆信号分析的任何类型的噪声时。

确定所需的传感器数目

所需的传感器数目是片段长度和终止子与非终止子的混合的函数。作为示例，如果模板长度为L＝100个碱基，并且该模板以重复形式供应到阵列中的Ns＝10,000个传感器，并且溶液中的ddATP与dNTP的比率使得ddATP在任何给定A被掺入的概率是f＝1％(理想情况下，f＝相对于dATP浓度的ddATP浓度，忽略掺入偏差)，那么基于基本统计，将在模板中的特定位置i上通知A的读数的预期数目N[A,i]被近似地给出如下：

N[A,i]＝Ns f Exp[-m[A,i]f],

其中，m[A,i]是在模板中的位置i之前出现的非A碱基的数目。在位置i处的A的该预期读数在序列的末端最小，i＝L，并且假设所有碱基的～3/4都是非A的典型的序列成分，则近似是(带有一些较小的重写)：

N[A,L]＝(Ns/L)(L f)Exp[-(3/4)(L f)].

该表达式的后部分u Exp[-C u](u＝L f，C＝(3/4))是大约1的量，且如果u＝1/C则最大化，其中最大值为Exp[-1]/C，或L f＝4/3，使得在此处(4/3)Exp[-1]＝0.50，在这种情况中，在这个终止子的最佳浓度处，f＝(4/3)1/L＝1.3/L,＝1.3％。在该示例中，模板近端A的预期观察数目为：

N[A,L]～0.5x(Ns/L).

由于需要N[A,L]>>1，则Ns>>L，即传感器的数目远大于被测序的模板DNA的长度。定量地，如果期望观察每个A位置预期10次，那么需要：

Ns～20x L

或者，对于L＝100个碱基片段，需要Ns＝2,000个传感器以获得片段中每个A位置的至少10个观察值的预期，尤其是在末端的那些。因此，为了执行例如由Sanger(在平板凝胶上)在引入经典终止子测序时执行的原始PhiX基因组测序的传感器芯片版本，由于这是具有5,386个碱基的DNA模板，因此它将耗费Ns～110,000个传感器阵列。在这种情况下使用的终止子的浓度将近似为f＝(4/3)1/5386＝0.00025(或0.025％)。

从该详细分析中进一步注意到，可以这种方式测序的模板长度主要受传感器数目的限制，而经典的Sanger测序主要受限于凝胶分离系统的片段大小分辨率限制。例如，长范围PCR可以产生在长度L＝50,000上多达50kb的复制模板，并且这些模板可以在给定聚合酶的处理速度的1小时内用1百万个传感器阵列读取，只要它在遍历其全长度之前不倾向于释放模板。通过经典终止子测序方法无法读取这些片段。在另一个优选的实施例中，考虑到所有读数是相对于用于在芯片上引发传感器聚合酶的初始引发位点，通过在各自不同的芯片反应中使用多个引发位点也可以在该芯片方法中读取长片段。

在另一个实施例中，使用独特地对应于待询问的束的不同DNA片段的多个引物，其通过来自引物的一些可检测的信号或特征进行区分。这使得每个传感器能够识别存在的特定局部引物，由此也识别哪个DNA序列束正被询问。因此，这种引物可以多重化为单一反应。特别地，在一个优选的实施例中，可以使用沿着片段的多个引物并行地询问长片段。在另一个实施例中，可以根据引物识别教导来询问和解卷积由相应的引物池扩增的多个重复片段的池。因此，这种方法可用于PCR产物组的多重测序，该PCR产物组呈现为合并的DNA混合物，并用相关的引物池扩增。这尤其使得可能进行测定，该测定包括多组捕获(通过PCR或其他方式)片段集，然后在芯片上进行多重终止子测序，使用仅4个芯片的反应，诸如图28所示。在其他实施例中，引物可含有可检测的标签，其有助于确定在所讨论的传感器中正在测序哪个片段。在另一个方面，引物可以包含含有组合杂交代码的尾部序列，该组合杂交代码用就位的引物通过一系列针对传感器阵列的杂交反应被解码，其中杂交结果可测量且由附属的传感器测量。在一些实施例中，用于这种解码过程的杂交寡核苷酸可以用增强其在解码杂交反应中的检测和分化的基团进行修饰。在一个实施例中，引物上的这种尾部是60-merDNA序列，其构成一系列6个10-mer码字，其中每个字来自依赖于寡核苷酸上的N个高度可区分的标签的一组N个选项。这提供了N^6引物的编码，并且能容易地编码仅在6个杂交反应中要解码的数百至数百万个引物。基于尾部的长度和码字，对此进行许多概括是可能的，包括使用错误检测或纠正代码，诸如对码字的组合采用一致性约束(“奇偶校验位”等)以改进解码或拒绝错误解码的准确性。

大规模并行杂交测定

这种传感器阵列的另一个应用领域是大规模并行杂交测定领域，诸如图29、图30和图31所示。历史上使用DNA微阵列技术完成此类测定。在DNA微阵列中，沉积在载玻片衬底上的每个探针斑点包含相同杂交探针的许多复制件，并提供类似或连续的杂交的测量。这种斑点被组织成大阵列布局，并且典型地使用标记的目标材料的荧光成像从测定获得信号。本发明允许对这种经典方法进行若干改进。相反，这种测定使用全电子处理以大规模并行的单分子形式完成，以用于来自掺入的单独的杂交探针的结果的数字读出。单分子数字读出可以允许通过单独的杂交事件的直接计数实现信号的快速数字量化。如图29和图30所示，用于该应用的探针分子包括核酸杂交探针，其通常包括单链DNA或RNA分子(天然的或修改的，诸如核酸模拟物LNA或PNA)，可与暴露于溶液中的传感器的互补单链杂交。传感器产生指示是否发生了适当的杂交事件的信号。在一个优选的实施例中，信号水平可以处于预期的校准水平，指示适当的杂交。该一般的测定形式应用于使用DNA微阵列经典地执行的相同区域，包括将池中的片段映射到代表参考基因组上的位点的探针、SNP基因分型、基因表达分析等。本实施例的独特有价值的特征是因为它是单分子，所以它可以从混合样本池中去卷积信号，其中直接对存在的不同的单个分子杂交事件进行数字计数。这与SNP基因分型尤其相关。这可以支持在法医学中使用，其中发生混合的样本，并且期望对存在的所有不同基因型进行编目、并量化其数量。当使用诸如图10中所示的便携式系统实施例时，基于电子芯片的形式进一步独特地实现了这种系统的使用点和便携式现场应用。

图29图示了在分子传感器中使用DNA杂交探针代替附着的酶，以及通过监测诸如电流的电路参数来检测杂交。杂交由不同的电流水平指示。一个优选的实施例是经由位于探针中的生物素化碱基将DNA杂交探针与链霉抗生物素蛋白291耦合。这种形式的探针和检测测量支持通过杂交测序，其基于使用一组信息探针对复制的模板分子聚集许多这样的测量。

图30图示将杂交探针结合到传感器中的替代实施例，其中探针形成桥分子的全部或部分。在一个实施例中，包含探针的DNA使用金-硫醇键耦合到接触点，在该DNA中具有金接触点和硫醇化核苷酸。图30图示了这种杂交探针30a、30b和30c可以被配置为DNA桥分子的全部或部分的三种不同的方式。这些探针的变形是基于DNA桥分子的性质，诸如是单链DNA还是双链DNA，如图所示。在较低的实例中，杂交探针30c可以进一步部分地对潜在的DNA杂交，以建立与目标的竞争性杂交以增加严格性。经由电子传感器信号的相对于无杂交或不完全杂交的杂交检测如下所示。

图31图示了数字杂交测定。每个传感器基于所测量的信号提供相应分子杂交探针是否找到合适的杂交目标的二进制测量。

图32图示了杂交的电子加速和对杂交严格性的电子控制，证明了可以如何以各种方式使用传感器电压控制来增强杂交测定。一种方法是使用传感器电压(诸如栅电压或源-漏电压)以将典型地带负电的DNA或RNA目标吸引到溶液中的传感器，由此极大地增加目标DNA或RNA的局部浓度，并增加杂交动力学。这加速了杂交反应动力学，并因此可以用于既加速检测反应过程，又极大地减少放入测定中的目标DNA的量，因为它集中在传感器位点。同样如图32所示，将电压反转可以排斥这种目标片段，并且这可以提供严格性的形式来选择或消除不适当配对的杂交(直接错配、不适当配对、交叉杂交、非特异性杂交)并选择用于完美配对杂交的较高能量结合。因此，这减少了适当杂交相对不适当杂交的测量误差。通过扫描这样的电压，可以测量熔化曲线，其可以进一步表征配对的性质，并且还可以用于确定错配的存在。此外，吸引和排斥DNA目标的循环组合可以提供退火，这改善最终杂交的质量，有利于适当配对。

图33图示了探针/酶配置/功能的电子调节，以及局部离子环境的调节，包括产生局部酸或碱基条件以进一步调节探针/酶功能或性能。扩展图32中举例说明的概念，栅电压和/或源-漏电压可用于实现这些调节，该调节可用于加速反应，改变严格性或特异性，或获得电子熔解曲线或光谱，或调查跨阵列的不同条件的影响以用于操作参数的优化。对核酸测量有用的电压引导的浓度和排斥的形式推广到电压定向或增强的反应过程，其可用于加速或改善来自各种其他应用的信号。传感器器件电压(诸如栅电压或源漏电压)可用于改变局部桥/探针分子的性质，以便改变局部离子环境，并且以便吸引或排斥探针分子的潜在的相互作用目标。这些通常可用于加速反应动力学并提高测量速度，以便改善严格性或信噪比，提供光谱测量(该光谱测量向测量结果添加电压扫描尺寸并由此获得关于目标分子的更多数据)，以及直接或通过在局部离子环境中的变化改变探针/桥分子的功能或状态。通过使用可电压分解的化合物可以实现环境变化，所述化合物可以在局部电压控制下(诸如电压诱导的酸或溶液的pH变化)分离成有用的分子组分。特别地，这种手段可用于清洁和重置电极，并且可用于完全地去除探针/桥分子以用于器件再利用目的。

图34图示通过使用酶促延伸(由方向箭头指示的探针的3’可延伸末端)以结合一个或多个碱基(诸如包括用于增强信号的可检测基团341)来增强主杂交信号的一个示例。这种酶促延伸既添加了对正确配对的严格性/检查又添加了增强电子传感器信号的手段，如当前图中的三个级别所示(无杂交、杂交、存在延伸产物)。在单碱基延伸的情况下，如果碱基同一性是可检测的(来自四个dNTP一起或通过一系列单独的dNTP延伸试验)，则它还可以添加序列信息的更多一个碱基，从而增强了该方法的测序能力。该杂交反应(其中单碱基延伸序列)允许在引发位点后测量碱基的一个序列。

图35图示了数字单碱基延伸基因分型。通过使用如图34中的单碱基延伸感测，可以在大量标记物处对样品进行基因分型。当在传感器阵列芯片上以大规模并行方式执行时，这可以在大量标记物上执行SNP基因分型，用于DNA指纹识别和鉴定或遗传分析的应用。本实施例的独特的有价值的特征是它是单分子，所以它可以对来自混合样本池的信号进行去卷积，对存在的不同基因型进行直接数字计数。这可以支持在产生混合样本的法医学中使用，并且期望对存在的所有不同基因型进行编目、并量化其数量。当使用诸如图10中所示的便携式系统实施例时，基于电子芯片的格式进一步独特地实现了这种系统的使用点和便携式现场应用。

阵列操作技术

图36、图37和图38图示了各种阵列操作技术，诸如(i)电压引导的阵列加载、重置和重复负载重置保持以实现超泊松加载；(ii)通过主要组件和操作步骤的传感器的电子探测以用于质量控制，并使用这些传感器以预先地识别可行的传感器；(iii)个体传感器的校准运行；(iv)独立校准。还公开了电压引导的重置，以便去除不期望的配置。

图36图示了生物分子在电极上或彼此之间的电压监测和/或自组装方向。使用栅电压和/或源-漏电压，可以监测电流以检测桥和探针生物分子何时被适当地组装。这些电压也可用于驱动或加速组件。

图37图示了引导的电压和监测到的重置。栅电压和/或源-漏电压可用于消除适当地形成或不适当地形成的分子构造，并监测该过程以便适当的完成。如图33所示，这种重置可能迫使分子离开，或引起局部降解环境变化。

图38图示了芯片级组装和重置功能。使用传感器阵列设置中的电子组装和重置能力，每个像素可以独立地进行多轮组装尝试和重置，直到实现适当的组装。类似地，在先前使用之后，通过这种形式的处理，芯片可以被再循环用于新用途，或者可能在处理样本的过程中发生潜在的像素配置错误检测和校正。在各个方面，本文公开了片上传感器电路，其用于电流感测，数据缩减和编码，与GPU/CPU或FPGA集成到主板中以用于数据转换，以及信号的集成和组合，以实现最终测量的较高准确度，包括冗余或交叉阵列重复测量。在各种方面，所有特征都体现在CMOS中，或者作为CMOS后的处理层。

在一个阵列上的探针多样性：阵列元件可以是多样的，诸如具有r＝不同类型的许多探针，其可以通知在一个芯片上的分析物的多个方面。在一些方面，匿名/部分匿名探针介入三阶或更高阶的相互作用以产生信息。这其中的一个优选的实施例是在DNA测序中，其中探针可以被认为包括聚合酶，以及匿名结合的DNA分子，并且相互作用的目标是四个dNTP核苷酸，当它们被结合在聚合酶、模板和dNTP的三重相互作用中时被感测。

进一步公开的是可以耦合到次级探针/桥(固件可编程传感器阵列)作为通用传感器阵列和作为分子处理器的通用阵列器件。经由具有共轭化学的通用接触或具有共轭化学的通用桥接分子完成该耦合。

杂交测定：本文公开的是使用杂交探针用于大规模并行电子杂交，以及用于量化DNA或RNA目标的复杂混合物的浓度的应用。非限制性示例包括基因表达、SNP基因分型和通用标签读取器阵列。本文进一步公开的是在该上下文中使用阵列杂交探针的组合编码和解码，以在阵列建立后识别哪些探针位于哪些传感器上。公开的是用于检测/表征的电子浓度、电子严格性、电子退火和电子光谱。所公开的单分子测量在基因分型应用中实现独特的去卷积能力，以便处理来自个体的混合物的DNA并且列举存在的不同基因型。

进一步公开的是使用杂交探针用于大规模并行电子杂交，结合酶促延伸或连接反应的步骤以实现单碱基测序，如用于SNP的基因分型。

还公开的是通过重复地结合码字探针，匿名沉积到阵列上的探针的组合解码，诸如例如，用于依赖于电子检测的解码步骤。

通用标签阵列：在各种实施例中，杂交探针可包括通用标签阵列的标签探针。这种阵列可包括1000、或10,000、或100,000、或1,000,000、或10,000,000、或100,000,000个不同的标签。这些标签可以用探针上跟随的寡核苷酸切片进行组合编码，然后在建立阵列后被解码，以映射哪些探针位于阵列上的哪些传感器上，作为阵列制造过程的一部分。

进一步公开的是使用可电压降低的酸或碱基，用于局部生成酸或碱基以促进局部剥离或活化。

本文进一步公开的是使用结合探针用于大规模并行数字结合测定，以及用于数字量化目标分子的复杂混合物的浓度的应用。特别地，此类结合探针可以是肽、蛋白质、半抗原、适体或抗体。这种结合探针也可以是其他化学品，诸如使用电子鼻应用、爆炸物的检测、挥发性化合物的感测等。

酶进化选择：在各种实施例中，其中探针分子是酶的传感器阵列，进行电子测量以表征酶–衬底相互作用，然后使用该详细的性能信息以便从较大的酶的库中选择具有所期望性能性质的酶。这可能涉及组合解码以识别酶，或捕获和是识别功酶的其他方法。

图39图示了具有期望性能性质的酶的定量选择。在阵列上建立多种酶，用定量细节测量它们的性能性质，从而允许识别最期望的曲线/酶。在所示的情况下，监测聚合酶的掺入率，并选择具有最高掺入率的聚合酶，并且还选择在电子检测过程内具有最佳信号强度的聚合酶。

库筛选：进一步公开的是使用传感器阵列用于筛选候选结合分子的库以便选择、识别和/或捕获成功的候选物。这与通常用于实现这些目的的诸如噬菌体显示库筛选的方法形成对比。

蛋白质阵列：在各种实施例中，公开了使用蛋白质或肽探针测量蛋白质-蛋白质相互作用的阵列。还可以使用蛋白质探针测量单个蛋白质-细胞相互作用，并且检测细胞是否存在是经由其对相应的传感器或传感器的本地集合的影响。这种细胞-传感器相互作用可以以阵列的相互作用的空间分辨率进行映射，其可以实现纳米尺度，该纳米尺度比细胞尺寸小得多。以这种方式，可以实现在细胞环境中的传感器目标的高分辨率映射或成像。单分子数据具有独特优势以解卷积和数字化相互作用，并且所有基于电子芯片的测量在速度、反应速度的电子控制、严格性和通过电压扫描的光谱表征方面具有独特的优势。

蛋白质阵列可以更一般地用于实现沉积在阵列上的较大生物复合物的高分辨率传感器–目标成像。这种复合物可以是细胞的，或者可以是细胞器官，或者可以是大的完整DNA分子或整个染色体。在各种实施例中，阵列可以与分子指纹识别方法一起使用，以进行片段集合的从头测序或相对于参考的大尺度结构映射。

进一步公开的是使用针对靶分子或分子类别的结合或瞬时相互作用探针进行浓度测量。特别地，用于测量DNA、RNA或蛋白质的浓度。

传感器目标捕获：被扩展以便执行捕获和收集期望的目标的示例性传感器阵列在图40中图示，其中由相应的传感器测量确定的合适的正结果传感器被设置为保持它们的目标，而其他传感器喷射它们的目标，然后释放保留的目标以供后续采集。图40图示了从包含传感器分析物的复杂混合物的溶液中电子评估和收集期望的目标群体。将样本应用于传感阵列并收集感测曲线。基于特定曲线的不期望的目标以电压引导的方式被电子地释放和喷射，并从系统中冲洗掉。然后可以释放剩余的目标并通过附加的系统冲洗进行物理收集。该过程可以重复地进行以丰富和净化期望的目标集，或者在进一步处理或收集之前累积地以仅用期望的目标加载阵列。可以通过电子装置执行保留和喷射，诸如以电压引导的方式。该过程可以迭代地进行，具有许多捕获和释放的循环，以便跨在阵列上运行的许多样本累积捕获的目标集，和/或从相同样本重复地丰富和分馏以产生更高纯度的最终捕获物。这使得基于传感器分析的高价值分子能够被保持以用于进一步研究、表征、克隆或扩增。一个优选的实施例是收集和研究具有异常修改(诸如DNA损坏或包括修改的核苷酸(诸如为甲基化的那些核苷酸))的DNA片段。类似的应用适用于蛋白质。

本文公开的是跨来自芯片阵列的信号，跨多种传感器或多种桥/酶/电压测量的聚合。跨阵列的许多信号的这种聚合使得能够对样本进行大数据表征，以便表征包含比用于累积测量的传感器少得多的属性或特征的样本。这使得这种阵列通常能够与压缩感测的方法一起使用。这允许聚合非常大量的低信息传感器测量的应用以确定分析物的性质，否则该性质难以测量或者成本更高或更复杂地被测量。此处类型的传感器可以经由使用这种芯片传感器阵列适用于这些压缩感测用途。

图41图示高维度传感器数据的示例性使用以确定低维度样本性质。如上所讨论，将样本应用于阵列，并收集传感器信号。该数据被聚集并结合求平均使用，或者在优选实施例中，结合最大似然或基于优化的参数估计算法使用，以获得单个维度或低维度样本特征值的估计。

系统：图42图示了系统级使用中的传感器系统的各种实施例，其结合了基于芯片的分析器的一般概念，涵盖了为支持传感器芯片的使用而构建的这些和其他系统配置。在各种实施例中，基于芯片的分析器可以是扩展的系统或紧凑的系统。分析器可以表示在系统级应用中的这些系统或类似的系统配置中的任何一个。

图43图示高级别过程。在该示例中，处理生物样本以用于引入到系统，并且进一步处理和存储主要数据。应用过程的基本优选实施例是获得生物样本，合适地制备它以引入到基于芯片的分析器(“样本制备”)，然后将主要数据传送到次级云环境以用于进一步处理和存储。样本制备可包括纯化，诸如从组织或血液中纯化DNA。在非限制性示例中，分析可以是DNA指纹识别、基因分型或DNA测序。优选的目的环境是云计算环境，诸如用于支持可扩展数据处理需求。

图44图示了受试者的综合分析。在图43的基本方法的优选实施例中，受试者提供用于分析的生物样本以及关于受试者的附加信息，并且所述信息和分析器结果被整合到报告中。公开的是基本测量方法的优选实施例，其中测试对象提供生物样本，并且还提供与其身份或表型或其他状态变量相关的其他信息，并且如图所示处理和聚集这样的数据，以产生集成传感器/分析器结果与来自受试者的其他相关信息的报告。一般而言，受试者可以是人类(如在医疗保健相关概况分析的优选实施方案中或在人类识别或法医学中的情况)，或可以是动物、植物或生物样本和附属于当地条件的时间、地点和图象的附属信息的任何其他本地化来源(诸如土壤样本)。例如，附加信息可以包括个人识别符、健康记录或一般表型数据。在本文中，术语“受试者”用于指所有这些概括。在其他实施例中，受试者可以是动物、植物、细菌、病毒或可以通过基于芯片的分析器表征的任何实体。

图45图示了通过应用分析器并编译主题信息和分析器结果的数据库的许多实例来创建数据库/知识库的实施例。如在图44中，许多主题的分析可以以分布式方式完成，以产生这种报告结果的数据库。该数据库还可以面临机器学习技术。机器学习可以应用于此，以创建具有推断、插值或推断结果的能力的知识库，并开发用于从可用内容预测或推断缺失或未来信息的方法。然后，所得到的数据库/知识库用于为原始主题或新主题递送包含增强且更准确或更深刻解释或预测信息的精确报告。在优选实施例中，这用于医疗保健概况应用。基于身份的数据库和DNA指纹识别测量，这也用于人类识别或法医学。通常，受试者可以是动物、植物、细菌、病毒或可以通过基于芯片的分析器表征的任何实体。

紧凑系统：在各种实施例中，芯片器件可以非常小且具有低功耗，使得紧凑、稳健的系统的组建能够适合于便携式和移动的分析系统。这些系统是兼容的，能耦合到移动电话或相关蜂窝电子设备或WiFi/蓝牙级发射器/接收器，以实现被连接的移动传感器器件。小型化和蜂窝的通信还提供可植入的传感器器件，其可植入到人类或动物、或植物、或培养的细胞中，以实现体内监测。示例性器件可以减小到10微米或更小，此时它们也可以在任何部位注射到动物或人体中，包括足够小以在血流中循环。

图46图示了基于接触点芯片的分析器的示例。该芯片格式实现用于接触点或护理点应用的移动、便携或手持式形式的分析仪，允许与受试者的基于现场或高度分布的参与。这可能包括，例如，对在边境或海关或犯罪现场的受试者的应用，或现场的环境监测。许多此类应用由移动、便携或手持式设备实现，并耦合到上述系统级的考虑因素。

图47图示了可穿戴和/或可嵌入的分析器的实施例。芯片格式通过使用数据的无线通信和降至厘米、毫米或微米尺度的小型化，实现可穿戴、可植入或体内分析器。紧凑型系统可以提供可穿戴或可植入的设备，这实现对对象的实时监控的应用，包括定位到对象上或对象内的关键感测位点。在医疗保健环境中，这可以实现监测健康相关的变量，诸如基于存在于皮肤上或肠中的细菌的DNA序列监测的微生物组的内容，或者涉及伤口愈合和感染监测。许多这样的应用程序由可穿戴和可植入的设备实现，并且耦合到上述系统级的考虑因素。

图48图示了多模态集成生物分析器的实施例。使用紧凑型系统，基于芯片的分析器可以集成到测量来自生物样本或生物样本集的多种模态并提供集成的多模式报告的系统中。由芯片传感器阵列格式提供的紧凑/小型化系统还实现嵌入式系统，其中芯片分析器被结合到多模式传感器系统中，该系统本身优选地是紧凑的、便携的、移动的、手持的、或使用点兼容的、或可穿戴或可植入的。通常，受试者可以是动物、植物、细菌、病毒或可以通过基于芯片的分析器表征的任何实体。特别地，该多模式系统中的芯片分析器可以提供遗传分析，特别是以DNA指纹识别/DNA ID、基因分型或DNA测序的形式。

现在参考图49，图示了用于实验工作的分子传感器结构的实施例。该图示显示了通常用于实验工作的桥和探针分子结构。所示的桥是20nm长(60个碱基)的双链DNA分子，在两个5'末端具有硫醇基团，以用于耦合到设置在金属电极上的金接触点。这里使用的探针分子是聚合酶，特别是与链霉抗生物素蛋白化学交联的E.Coli Pol I，链霉抗生物素蛋白又耦合到在合成DNA寡核苷酸中的生物素化核苷酸的桥接。图49示出了分子和原子大小的尺度。

现在参考图50，图示了用于分子传感器上的电测量的测试装置的示例性示意图。在图50的上部，图示了电极-衬底结构的横截面，以及与分析器的附接以用于施加电压和测量通过桥分子的电流。在图50的下部，图示了用于桥接电路的电极阵列的透视图。在这个示例中，每对电极包括设置在“金属-2”(即不同的金属)的电极上的“金属-1”(即第一金属)的接触点。在本实验中，接触点包括金珠或金涂覆的电极尖端，其中任一个都支持自组装过程，在该过程中硫醇化分子经由硫醇-金键锁定在适当位置。

图51A、图51B和图51C是包括可用于桥结合的金金属点接触点的电极的电子显微镜图像。在该示例中，电极设置在硅衬底上，并经由电子束光刻产生。图51A的EM图像示出了电极的阵列，在这种情况下为具有设置在其上的金点接触点的钛。图51B提供了特写的EM图像，其示出了7nm的电极间隙，其中金点接触具有15nm的金至金的间距。图51C是另一个特写EM图像，示出了设置在电极尖端处的近似10nm的金点。

图52图示了电极测试芯片架构的示例。使用电子束光刻在1cm硅衬底上形成该电极阵列。该系列的SEM图像示出了分辨率逐渐增加的20个电极对，电极间隙低至10nm级别。

图53图示在器件上使用钝化层以保护电极免受溶液影响。在该示例中，钝化层是SiO₂。暴露电极区域的钝化层中的开口具有纳米尺寸，并且电接触垫具有10微米的尺寸。

图54阐述了表征组装的传感器复合物的电导率的曲线图。该曲线图是在潮湿(稀释盐缓冲液)和干燥(空气)条件下所测量的DNA桥分子和完整的传感器复合物(与聚合酶桥接)的电流-电压(IV)特征，以及空气、水和稀释盐缓冲液中的开路电极的控制。该曲线图示出在施加1伏的源-漏电压时，桥和传感器复合物导通大约100皮安电流。经由SMU在半导体参数分析器上完成测量。

现在参考图55，示出了到金点接触电极上的分子传感器组件正在被电子地监测。电流与时间测量用于监测桥和分子传感器复合物的自组装。左上角的曲线图示出了自组装的阶段1，其中双链DNA桥与在5'末端的巯基团组装到电极金接触点上，如电流跳跃所证明。右上方的曲线图示出了自组装的阶段2，其中聚合酶-链霉抗生物素蛋白复合物与dsDNA桥上的生物素化位点结合，如通过电流的另一次跳跃所证明。左下方的曲线图示出了自组装过程的阶段3，其中引发的单链DNA模板结合到聚合酶以完成复合物，如电流与时间的另一个峰值所证明。

图56示出了在完成参考图55讨论的组装阶段之后组装结构的EM图像。EM图像示出桥接复合体直接可见而没有标记为模糊的高对比度区域的连接电极(箭头)。

现在参考图57，展示了利用传感器测量掺入信号。图57中的曲线图示出了从向传感器提供各种引发的单链DNA测序模板和用于掺入和聚合的dNTP而产生的电流信号。在每种情况下，主要信号尖峰代表来自离散掺入事件的信号，其中聚合酶向延伸链添加另一个碱基。在左上的曲线图中，模板是20个T碱基。在右上的曲线图中，模板是20个G碱基。在左下的曲线图中，模板是20个A碱基。最后，在右下的曲线图中，模板是20个C碱基。除了由于速率限制因素(例如，较低的dNTP浓度)推测的较低的每秒～1个碱基的速率，观察到的近似掺入速率为约10至20个碱基/秒，这与标准酶动力学一致。

图58A和图58B图示了基于肽阿尔法-螺旋桥分子的传感器的实施例。在图58A中，在一个特定优选实施例中被还原为实践的桥分子是具有66个氨基酸序列的肽，

CAEAAAREAAAREAAAREAAAREAAAREAAA{赖氨酸-Ahx-

生物素}EAAAREAAAREAAAREAAAREAAAREAAARC,(SEQ ID NO:1)

其特征在于基于基序EAAAR的重复的61-氨基肽，已知有利于阿尔法-螺旋结构。在末端的半胱氨酸氨基酸提供与设置在铬电极上的金触点的硫醇-金耦合。将置于肽中的中心赖氨酸修改为包括在Ahx接头上的生物素以支持中性抗生物素蛋白的结合以用于耦合目的。来自肽的阿尔法螺旋长度近似为9nm。图51B示出了完全组装的传感器，其中阿尔法-螺旋桥经由已知的生物素-中性抗生物素蛋白结合反应与中性抗生物素蛋白耦合。聚合酶也被附接，在这种情况下经由已知的马来酰亚胺-半胱氨酸共价耦合反应与附加的生物素-马来酰亚胺接头附接，该生物素-马来酰亚胺接头已经被缀合到在聚合酶上的表面半胱氨酸。

图59A、图59B、图59C和图59D阐述了来自使用阿尔法-螺旋肽桥的序列感测实验的数据。现在参照图59A，电流与电压迹线用于测试芯片上的电极，该电极已经与肽桥分子在1μM肽浓度的PBS缓冲液中培养达1小时，以便将桥附接至金接触点。最高的电流迹线，其在施加的源-漏的2伏处实现3纳安电流，表明具有结合在适当位置的桥分子的电极。图59B是电流与时间迹线，示出当桥接的传感器暴露于施加的源-漏电压为2伏特的中性抗生物素蛋白溶液时，在近似10至50秒的时间处结合到桥的随后的中性抗生物素蛋白的特征。图59C是电流与时间迹线，示出了当中性抗生物素蛋白-桥复合物暴露于聚合酶-马来酰亚胺-生物素的溶液时，在约10至20秒的时间处的聚合酶-马来酰亚胺-生物素结合中性抗生物素蛋白-桥复合物的特征。图59D描绘了当组装的传感器被提供有包含模板DNA的溶液时产生的测序信号，该序列具有一系列GT重复的序列：(10xGT)TTT(10x GT)AAA(10x GT)CCC(10xGT)。图59D的信号曲线图用这些信号的一种可能解释进行注释，其中对应于模板的GT重复束的主要尖峰和总共三种不同的模板DNA分子在所示的45秒期间与传感器接合。

现在参考图60，图示了用于组合与CMOS器件测量像素对接的纳米电极的设计。在该实施例中，标准CMOS层表示为由在底部的晶体管层组成，用于与用于将电路元件连接在一起的一系列金属层一起实现晶体管电路元件。如图所示，金属VIA用于从顶部到底部横跨这些层，一个金属VIA提供源纳米电极的接触(称为“S”)，另一个金属VIA提供漏纳米电极的连接(称为“D”)，另一个金属VIA用于栅纳米电极(称为”G“)。这些VIA从在后CMOS处理期间添加这些纳米结构的上表面传递到支撑的像素电路所在的下层。这些纳米电极在后处理步骤中被添加，其支撑必要的纳米级制造。一个优选的选项是不同的高分辨率CMOS工艺，诸如10nm CMOS节点，其可以添加这些特征，但是它们可以替代地通过使用其他纳米光刻技术(诸如电子束或纳米压印光刻)的后处理来添加。通常，纳米电极将驻留在还在后处理期间被添加的合适衬底上，该衬底在纳米尺度上既薄又平坦，并且可以为剩余的后处理提供合适的表面，并且可以包括绝缘层以及金属栅电极层。纳米结构被添加在来自标准CMOS工艺的平坦化顶层上，这可以通过停止没有向顶层添加典型的最终钝化层的标准处理，或者替代地通过蚀刻掉这样的钝化层以暴露平面化表面来得到。

现在参考图61，描绘了在后处理步骤中添加到标准CMOS像素器件的纳米结构的示例。将该结构添加到来自用于制造像素电路的CMOS工艺的平坦化的顶部金属层的顶部上。

图62示出了示例性CMOS芯片高级架构。图62的左侧部分图示了整个像素阵列芯片的高级架构。图62的右侧部分图示了传感器像素的高级架构，其中指示了分子电子纳米传感器。该芯片包含一个可扩展的传感器像素阵列，以及相关的电源和控制电路。在该实施例中，传感器像素包含放大器、重置开关、以及用于供应源、栅和漏电压以及用于提供结果的读出的电路。

参考图63，图示了示例性传感器电模型。该图示出了传感器的集总的电模型，包括围绕缓冲溶液的区域以及分子和纳米电极结构。该系统近似地如用于电路建模所示，作为由各种电阻器和电容器组成的子电路。分子桥表示在此模型中的2.5兆欧电阻，而缓冲溶液仅具有1千欧电阻，但它也经由电容耦合(包括100aF(十的负十八次方法拉)的电容器)与主桥的连接隔离，如所示。

转到图64，提供了示例性像素电路示意图。这是像素电路的仅一个非限制性实施例的详细示意图。传感器模型指示为该示例性电路的一个子电路。

图65阐述了像素电路模拟的结果。这些结果是像素电路性能的详细模拟。该模拟示出了作为时间的函数(以毫秒为单位)的放大器输出电压(以毫伏为单位)，用于在如指示的不同电平(1、5、10、50和100pA)处产生1ms持续时间的电流脉冲的传感器。例如，如图所示，100pA信号将产生幅度为400mV的电压尖峰(从200mV移动到600mV＝400mV的尖峰)。

图66中提供的表总结了用于像素开关性能的示例性参数。

现在参考图67，图示了用于像素放大器的详细电路设计的实施例。该非限制性示例包括基于晶体管的像素放大器。

图68示出了放大器频率响应的实际模拟结果。该曲线图示出了详细的电路模拟的结果，针对作为测量频率的函数的放大器的增益，以及作为频率函数的放大器相移。如曲线图所见，放大器在大约10kHz的频率处开始失去增益。

图69示出了总结像素放大器性能的参数的表格。

图70基于详细的电路模拟总结了传感器像素的参数。在图70的左侧是表格中列出的性能参数。在图70的右侧的饼图示出了像素的不同元素的布局面积预算。如图所示，80％的像素布局区域被专用于放大器。

现在参考图71，提供了被注释的完整芯片设计的实施例的图像。该图像是CMOS芯片的完整设计，其中芯片的不同功能元件的高级注释。图像由完整的GDS(几何数据流)文件生成，该文件为所有层指定芯片的完整、详细的布局。该特定设计用于具有6个金属层的电子工业标准的180nm CMOS节点。

图72是在用于像素阵列的5×5部分的详细GDS设计文件的特写图像中看到的示例性像素阵列设计。

图73是被注释的完整像素设计。该图像是从GDS文件中取出的最终像素设计，被注释用于指示放大器电路、开关和其他元件的位置。通过在标记为“传感器”的指示区域中进行后处理来添加分子电子纳米传感器。该像素尺寸为80微米×80微米，且包含42个总晶体管。

图74是制造后的成品芯片的白光显微镜图像，其包括制造的器件的示例。

图75A和图75B提供了布局文件和成品芯片的比较。图75A是用于芯片设计的渲染布局(GDS)文件的被注释的图像。图75B是使用TSMC 180nm CMOS工艺生产的成品芯片的图像，没有钝化层。

图76提供像素阵列图像的集合。该图显示了CMOS芯片的一系列特写图像，显示了像素阵列和单个像素。图像是来自未钝化的CMOS芯片的白光显微镜图像。

图77A和图77B提供了布局文件和成品芯片像素的比较。图77A是用于单个像素的渲染布局(GDS)文件的被注释的图像，而图77B是使用TSMC180nm CMOS工艺生成的没有钝化层的成品芯片单个像素的图像。

图78A和图78B是成品CMOS芯片和像素的电子显微镜图像。图78A是CMOS芯片的扫描电子显微镜(SEM)图像(没有顶部钝化层)和暴露的平面化金属6层。图78B是单个像素的SEM图像，示出了表面结构细节。这些图显示了暴露的VIA，其中用于源、漏和栅的纳米电极将在后CMOS纳米处理步骤中被添加。

最后，图79图示了用于传感器芯片的主板的示例性示意设计。该图图示了芯片与FPGA、ADC和电压调节器的连接，以生成用于USB连接到数据采集计算机的主板，以便用于收集和分析来自传感器芯片像素的信号。

Claims (25)

1.一种分子电子传感器阵列芯片，包括：

(a)集成电路半导体芯片；和

(b)设置在其上的多个分子电子传感器器件，每个传感器器件包括：(i)由纳米间隙分开的一对纳米级源电极和漏电极；(ii)栅电极；以及(iii)横跨所述纳米间隙并连接所述源电极和所述漏电极的桥分子或探针分子，

其中所述传感器器件被组织成传感器像素的阵列。

2.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中每个传感器器件包括桥分子和探针分子两者。

3.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中所述探针分子包括用于分析物的结合探针，其中所述分析物是DNA、RNA和蛋白质中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中所述芯片包括至少100个传感器器件。

5.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中电压用于监测和/或促进每个桥分子和/或探针分子到每个源电极和漏电极对的分子自组装。

6.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中器件电压用于监测和/或促进每个桥分子和/或探针分子到每个源电极和漏电极对的分子自组装，包括使用电压–引导的重置以便根据连续试验的需要将所述传感器恢复到前分子状态。

7.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中所述探针分子包括酶。

8.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中所述探针分子包括DNA杂交探针。

9.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中所述探针分子包括DNA聚合酶。

10.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中所述探针分子包括DNA聚合酶，并且所述桥分子包括在每个电极对上跨越特定亲和接触点的双链DNA、肽、蛋白质阿尔法螺旋、或天然或工程化IgG抗体。

11.根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片，其中每个传感器像素还包括连接到每个传感器器件的读出电容器或读出电阻器。

12.根据权利要求11所述的分子电子传感器阵列芯片，其中每个传感器像素还包括基于晶体管的输出开关。

13.根据权利要求12所述的分子电子传感器阵列芯片，其中每个传感器像素还包括基于晶体管的重置开关。

14.根据权利要求13所述的分子电子传感器阵列芯片，其中每个传感器像素还包括行选择线和与其连接的列读出线，并且传感器像素的所述阵列包括集成的行选择列读出阵列架构，由此所述行选择线激励所述传感器像素。

15.根据权利要求14所述的分子电子传感器阵列芯片，其中所述行选择线控制所述输出开关。

16.根据权利要求15所述的分子电子传感器阵列芯片，其中每个传感器像素还包括行重置线和列重置线，用于控制每个重置开关。

17.根据权利要求16所述的分子电子传感器阵列芯片，其中每个重置开关由所述行选择线和所述列重置线的组合来控制，以便提供对每个传感器像素的所述重置的直接控制。

18.一种测量应用于芯片的大量的复制引发DNA片段的掺入信号的方法，所述方法包括：

(a)提供至少一种根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片；

(b)将dNTP和特定碱基终止子的混合物应用于所述分子电子传感器阵列芯片；以及

(c)测量沿着所述DNA片段的所述特定碱基位置。

19.根据权利要求18所述的方法，其中利用至少四(4)个分子电子传感器阵列芯片，针对每个碱基反应利用一个分子电子传感器阵列芯片。

20.根据权利要求18所述的方法，用于执行数字片段长度测定。

21.一种用于样本分析的基于芯片的分析器系统，所述系统包括：

(a)至少一种根据权利要求1所述的分子电子传感器阵列芯片；

(b)主板，其中集成有至少一个所述分子电子传感器阵列芯片；

(c)液体处理系统，配置成控制至少所述样本到所述多个分子电子传感器器件的引入；

(d)至少一个信号处理器；以及

(e)CPU。

22.根据权利要求21所述的基于芯片的分析器系统，其中所述基于芯片的分析器被集成到多模态生物分析器中，由此从所述样本产生多模态集成报告。

23.根据权利要求21所述的基于芯片的分析器系统，被配置为手持式、可穿戴式或可植入式系统。

24.一种分析生物样本的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)提供根据权利要求21所述的基于芯片的分析器系统；

(b)收集来自受试者的生物样本；

(c)通过所述基于芯片的分析器系统处理所述生物样本，以获得与所述生物样本的分析相关的数据；以及

(d)将所述数据传送到存储服务器或云。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述生物样本连同关于受试者的信息从所述受试者收集，并且所述生物样本被分析以产生综合报告，所述综合报告包括关于所述受试者的信息和与所述生物样本的所述分析相关的所述数据两者。