CN118056130A - 用于纳米孔测序的具有水平纳米通道的装置 - Google Patents

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Abstract

公开了用于对生物聚合物进行测序的装置、制造该装置的方法和使用该装置的方法。在一个示例中，此类装置具有纳米孔和水平纳米通道。在一些实施方案中，该水平纳米通道可以采取曲折路径。在一些实施方案中，此类装置包括气泡或空气泡发生器或压力脉冲发生器以阻塞或不阻塞该水平纳米通道。

Description

用于纳米孔测序的具有水平纳米通道的装置
背景技术
一些多核苷酸测序技术涉及在支持物表面上或在预定的反应腔室内执行大量受控反应。然后可以观察或检测受控反应，并且随后的分析可以有助于鉴定该反应中所涉及的多核苷酸的特性。此类测序技术的示例包括涉及连接测序、合成测序、可逆终止子化学或焦磷酸测序方法的下一代测序或大规模并行测序。
一些多核苷酸测序技术利用纳米孔，该纳米孔可以提供用于离子电流的路径。例如，当多核苷酸穿过纳米孔时，该多核苷酸影响通过纳米孔的离子电流。穿过纳米孔的每个通过核苷酸或一系列核苷酸产生特征电流。可以记录作为穿越多核苷酸的结果的这些特征电流以确定多核苷酸的序列。
发明内容
本文示例中提供了用于对生物聚合物(例如多核苷酸、蛋白质或肽)进行测序的装置、制造该装置的方法以及使用该装置的方法。
在一些实施方案中，公开了纳米孔测序装置。在一些实施方案中，纳米孔测序装置包括：基板，该基板包括介电层和在该介电层的表面上的至少一个感测电极；与顺式电极相关联的顺式阱；与反式电极相关联的反式阱；与该感测电极相关联并且定位在该基板上的中间阱，其中该中间阱定位在该基板上并且与该顺式阱和该反式阱流体连通；纳米孔，该纳米孔以流体方式连接该顺式阱和该中间阱；和纳米通道，该纳米通道以流体方式连接该中间阱和该反式阱，其中该纳米通道形成在该基板的表面上。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米通道在基板中不包括通孔。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米孔定位在分离顺式阱和中间阱的膜中并且穿过该膜。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中膜由脂质、硅、石墨烯、固态材料、合成材料、脂质的仿生等同物或它们的任何组合形成。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米孔是设置于膜中的结构中的空洞，该结构由一种或多种多核苷酸、一种或多种多肽、一种或多种类型的生物聚合物、一种或多种碳纳米管、一种或多种类型的固态材料或它们的任何组合形成。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米孔包括生物衍生的材料。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米孔包括孔蛋白。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米孔包括非生物衍生的材料。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中至少顺式阱或反式阱与中间阱水平并列地定位。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中顺式阱和反式阱均与中间阱水平并列地定位。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中顺式阱与中间阱水平并列地定位，并且反式阱与中间阱垂直相邻地定位。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中反式阱与中间阱水平并列地定位，并且顺式阱与中间阱垂直相邻地定位。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中中间阱具有约5μm至约200μm的特征宽度。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中中间阱具有约5μm至约200μm的特征深度。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中顺式阱具有约10μm至约10mm的特征宽度。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中反式阱具有约10μm至约10mm的特征尺寸。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米通道具有曲折路径。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中曲折路径包括矩形波形状、正弦波形状、锯齿形状、Z字形形状、螺旋形状或它们的任何组合。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米通道具有被选择以实现期望的流体、离子和/或电阻的路径长度。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米通道为约5nm至约200nm宽。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米通道具有长度为约5μm与约500μm之间的占有面积。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中纳米通道的路径长度是纳米通道占有面积的长度的约1.5至约50倍。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，进一步包括至少一个气泡发生器、至少一个压力脉冲发生器或它们的任何组合，以控制第二纳米级开口中的至少一者中的液体流动。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，进一步包括：多个中间阱，其中每个中间阱与相应的感测电极相关联；每个中间阱通过相应的纳米孔与顺式阱流体连通；并且每个中间阱通过相应的纳米通道与反式阱流体连通，其中该相应的纳米通道定向成平行于基板表面。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中相应的纳米孔定位在分离中间阱中的每个中间阱和顺式阱的相应的膜中并且穿过相应的膜。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中反式阱是通过相应的纳米通道与多个中间阱流体连通的公共反式通道。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中顺式阱是通过相应的纳米孔与多个中间阱流体连通的公共顺式通道。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中中间阱以有序阵列排列。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中该装置包括至少1,000,000个中间阱。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中该装置进一步包括气泡发生器，该气泡发生器配置为产生气泡以调节或阻断相应的纳米通道中的电流、离子和/或流体的流动。
根据权利要求29所述的纳米孔测序装置，其中气泡发生器包括配置为经由电解来产生气泡的相应的感测电极。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中气泡发生器包括在纳米通道的底部上的电极，该电极配置为经由电解或电极润湿来产生气泡。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中气泡发生器包括在纳米通道下面的电阻加热器，该电阻加热器配置为产生气泡。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，进一步包括气泡消除器。
前述实施方案中任一项的纳米孔测序装置，其中该气泡消除器包括致动器或压电元件。
在一些实施方案中，公开了一种制造纳米孔测序装置的方法。在一些实施方案中，方法包括：提供第一基板，该第一基板包括介电层和在该第一基板的表面上的至少一个感测电极；在该第一基板的表面上形成至少一个纳米通道；在该基板上形成第一图案化层，其中该第一图案化层包括与该至少一个纳米通道相邻的反式阱和该感测电极上方的至少一个中间阱。
前述实施方案中任一项的方法，其中至少一个纳米通道沿着第一基板的表面形成，而不在该基板中形成通孔。
前述实施方案中任一项的方法，其中形成至少一个纳米通道包括将纳米通道蚀刻到第一基板的表面中。
前述实施方案中任一项的方法，其中形成至少一个纳米通道包括在第一基板的表面上形成图案化纳米通道结构。
前述实施方案中任一项的方法，其中形成第一图案化层包括在基板上沉积图案化材料层，并且使该图案化材料层图案化以暴露至少一个感测电极和通向至少一个纳米通道的开口。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：在至少一个纳米通道中形成氧化物或氮化物层，从而减小该纳米通道的宽度。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：在形成第一图案化层之前，在第一基板之上沉积封盖层；以及使该封盖层图案化以暴露至少一个感测电极和通向至少一个纳米通道的开口。
前述实施方案中任一项的方法，其中反式阱和中间阱并列地定位在第一基板上。
前述实施方案中任一项的方法，其中第一图案化层进一步包括与至少一个中间阱紧挨着并且并列地定位的顺式阱。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：提供具有附着的第二图案化层的第二基板；以及将第二图案化层与第一图案化层结合，从而进一步限定第一基板与第二基板之间的顺式阱、中间阱和反式阱。
前述实施方案中任一项的方法，其中第二基板进一步包括流体入口和/或出口孔。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：在顺式阱与中间阱之间引入膜。
前述实施方案中任一项的方法，其中顺式阱与中间阱之间的膜是脂质膜。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：将蛋白质沉积到顺式阱与中间阱之间的膜中，从而形成穿过该膜的纳米孔。
在一些实施方案中，公开了制造纳米孔测序装置的另一种方法。在一些实施方式中，方法包括：提供第一基板，该第一基板包括介电层和在该第一基板的表面上的至少一个感测电极；在该第一基板的表面上形成至少一个纳米通道；将牺牲材料沉积到该至少一个纳米通道中；在该基板之上形成第一图案化层，其中该第一图案化层包括与该至少一个纳米通道相邻的反式阱和在该感测电极上方的至少一个中间阱；以及移除该牺牲材料，从而打开该至少一个纳米通道。
前述实施方案中任一项的方法，其中至少一个纳米通道沿着第一基板的表面形成，而不在该基板中形成通孔。
前述实施方案中任一项的方法，其中形成至少一个纳米通道包括将纳米通道蚀刻到第一基板的表面中。
前述实施方案中任一项的方法，其中形成至少一个纳米通道包括在第一基板的表面上形成图案化纳米通道结构。
前述实施方案中任一项的方法，其中形成第一图案化层包括在基板上沉积图案化材料层，并且使该图案化材料层图案化以暴露至少一个感测电极和通向至少一个纳米通道的开口。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：在至少一个纳米通道中形成氧化物或氮化物层，从而减小该纳米通道的宽度。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：在形成第一图案化层之前，在第一基板之上沉积封盖层；以及使该封盖层图案化以暴露至少一个感测电极和通向至少一个纳米通道的开口。
前述实施方案中任一项的方法，其中反式阱和中间阱并列地定位在第一基板上。
前述实施方案中任一项的方法，其中第一图案化层进一步包括与至少一个中间阱紧挨着并且并列地定位的顺式阱。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：提供具有附着的第二图案化层的第二基板；以及将第二图案化层与第一图案化层结合，从而进一步限定第一基板与第二基板之间的顺式阱、中间阱和反式阱。
前述实施方案中任一项的方法，其中第二基板进一步包括流体入口和/或出口孔。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：在顺式阱与中间阱之间引入膜。
前述实施方案中任一项的方法，其中顺式阱与中间阱之间的膜是脂质膜。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：将蛋白质沉积到顺式阱与中间阱之间的膜中，从而形成穿过该膜的纳米孔。
在一些实施方案中，公开了一种制造纳米孔测序装置的方法。在一些实施方式中，方法包括：提供第一基板，该第一基板包括介电层和在该第一基板的表面上的至少一个感测电极；在该介电层中形成反式阱；以及在该第一基板的表面上在该反式阱与该至少一个感测电极之间形成至少一个纳米通道。
前述实施方案中任一项的方法，进一步包括：在基板之上沉积图案化材料层；以及使该图案化材料层图案化以形成图案化层，该图案化层包括在至少一个感测电极上方的至少一个中间阱，其中该中间阱通过至少一个纳米通道与反式阱流体连通。
前述实施方案中任一项的方法，其中反式阱是通过多个纳米通道与多个中间阱流体连通的公共反式阱。
前述实施方案中任一项的方法，其中图案化材料层包括干膜光刻胶。
前述实施方案中任一项的方法，其中第一图案化层进一步包括与至少一个中间阱紧挨着并且并列地定位的顺式阱。
本文公开的系统、装置、套件和方法各自具有几个方面，其中没有任何一个方面单独负责其期望的属性。在不限制权利要求书的范围的情况下，现在将简要讨论一些突出的特征。还设想了许多其他示例，包括具有更少、额外和/或不同部件、步骤、特征、对象、益处和优点的示例。各部件、方面和步骤也可以通过不同的方式进行布置和排序。在考虑该讨论之后，特别是在阅读题为″具体实施方式″的部分之后，将理解本文公开的装置和方法的特征如何提供优于其他已知装置和方法的优点。
应当理解，本文公开的装置和/或阵列的任何特征可以以任何期望的方式和/或构型组合在一起。此外，应当理解，使用该装置的方法的任何特征可以以任何期望的方式组合在一起。此外，应当理解，此方法和/或装置和/或阵列的特征的任何组合可以一起使用，和/或可以与本文公开的示例中的任一示例组合。更进一步，应当理解，装置中的任一装置和/或阵列中的任一阵列和/或方法中的任一方法的任何特征或特征组合可以以任何期望的方式组合在一起，和/或可以与本文公开的示例中的任一示例组合。
应当理解，前述概念和下文更详细讨论的额外概念的所有组合都被设想为是本文公开的发明主题的一部分并且可用于实现本文所述的益处和优点。
附图说明
通过参考以下具体实施方式和附图，本公开的示例的特征将变得显而易见，其中类似的附图标号对应于类似但可能不相同的部件。为了简洁起见，具有先前描述的功能的附图标号或特征可结合或可不结合它们出现的其他附图来描述。
图1A是示例性纳米孔测序装置的横截面侧视图。
图1B示出了用于产生水电解的另一示例。
图2示出了由图1A的纳米孔测序装置提供的电阻的示意性电路图。
图3A是图1A的纳米孔测序装置的横截面顶视图。
图3B是具有另选的纳米通道结构的图1A的纳米孔测序装置的横截面顶视图。
图4是使用图1A的纳米孔测序装置的示例性测序系统的横截面顶视图。
图5A至图5M示出了制造纳米孔测序装置的示例性工艺流程。
图6示出了可产生水电解的又一示例性纳米孔测序装置。
图7A示出了具有电阻加热器的示例性纳米孔测序装置。
图7B是具有用于产生水电解的一对电极的另一示例性测序系统的横截面顶视图。
图8是使用图1A的纳米孔测序装置的另一示例性测序系统的横截面顶视图。
图9A示出了纳米孔测序装置的另选的实施方案的一部分的横截面视图，其中膜是水平形成的。
图9B示出了纳米孔测序装置的另选的实施方案的顶视图，其中膜是水平形成的。
图9C示出了纳米孔测序装置的另选的实施方案的另一顶视图，其中膜是水平形成的。
图10是纳米孔测序装置的另一实施方案的一部分的横截面视图，示出了反式阱和中间阱的相对位置。
具体实施方式
本文所提及的所有专利、申请、已公布的申请和其他公布内容全文以引用参考资料的方式并入本文。如果本文使用术语或短语的方式与以引用方式并入本文的专利、申请、已公布的申请和其他公布中阐述的定义相反或不一致，则本文的使用优于以引用方式并入本文的定义。
定义
本文所用的所有技术和科学术语都具有本公开文本所属技术领域普通技术人员通常理解的相同含义，除非另有明确说明。
如本文所用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式″一个″、″和″以及″该″包括复数指代。因此，例如，对″一个序列″的提及可以包括多个此类序列，等等。
术语包含、包括、容纳和这些术语的各种形式彼此同义，并且意在是同样宽泛的。此外，除非有相反的明确说明，否则包括或具有带有特定性质的一个或多个元件的示例可包括额外元件，无论额外元件是否具有该性质。
如本文所用，术语″流体地连接″、″流体连通″、″流体地耦合″等是指连接在一起使得流体(例如，液体或气体)可以在两个空间区之间流动的两个空间区。例如，顺式阱可以以流体方式通过中间阱和/或纳米通道连接到反式阱，使得流体(例如，电解质的至少一部分)可以在连接的阱之间流动。
如本文所用，术语″离子连接″等是指两个空间区域连接在一起，使得特定种类的离子可以在这两个空间区域之间流动。
如本文所用，术语″电连接″等是指两个空间区域连接在一起，使得电子、空穴、离子或其他电荷载体可以在这两个空间区域之间流动。
如果电解质在两个连接的肼之间流动，离子和电流也可以在连接的肼之间流动。在一些示例中，两个空间区域可以通过第一和第二纳米级开口或通过一个或多个阀门、限流器或其他用于控制或调节通过系统的流体、离子或电流的流动的流体部件流体/离子/电子连通。
如本文所用，术语″可操作地连接″是指元件的配置，其中一个元件的动作或反应影响另一元件，但是是以保留每个元件的功能性的方式。
如本文所用，术语″膜″是指分离两个液体/凝胶室(例如，顺式阱和流体腔或贮存器)的非渗透性或半渗透性屏障或其他片材，其可以在其中包含相同的组合物或不同组合物。膜对任何给定物质的渗透性取决于膜的性质。在一些示例中，膜可以是离子、电流和/或流体不可渗透的。例如，脂质膜可以是离子不可渗透的(即，不允许任何离子转运通过)，但可以至少部分地可渗透水(例如，水扩散率在约40μm/s到约100μm/s范围内)。对于另一示例，合成/固态膜(其的一个示例是氮化硅)可以是离子、电荷和流体不可渗透的(即，所有这些物质的扩散为零)。根据本公开可以使用任何膜，只要该膜可以包括跨膜纳米级开口并且可以保持跨膜的电势差即可。膜可以是单层或多层膜。多层膜包括两个或更多个层，该层中的每一个层是非渗透性或半渗透性材料。
膜可由生物或非生物来源的材料形成。生物来源的材料是指衍生自或分离自生物环境(诸如生物体或细胞)的材料，或生物可用结构的合成制造形式(例如，仿生材料)。
由生物来源的材料制成的示例性膜包括由勃拉脂质(bolalipid)形成的单层。由生物来源的材料制成的另一示例性膜包括脂质双层。合适的脂质双层包括例如细胞的膜、细胞器的膜、脂质体、平面脂质双层和支持的脂质双层。脂质双层可例如由两个相对的磷脂层形成，该两个磷脂层被布置成使得它们的疏水性尾部基团彼此面对以形成疏水性内部，而脂质的亲水性头部基团向外朝向双层每一侧上的水性环境。脂质双层也可以例如通过其中脂质单层被携带在水溶液/空气界面上经过基本上垂直于该界面的孔隙的任一侧的方法形成。通常通过首先将脂质溶解在有机溶剂中，然后使一滴溶剂在孔隙的任一侧上的水溶液表面上蒸发来将脂质添加到水性电解质溶液的表面。一旦有机溶剂至少部分地蒸发，孔隙的任一侧上的溶液/空气界面就物理地上下移动通过孔，直到形成双层。双层形成的其他合适方法包括尖端浸渍、涂覆双层和脂质体双层的膜片钳。还可使用用于获得或产生脂质双层的任何其他方法。
非生物来源的材料也可用作膜。这些材料中的一些材料是固态材料并且可以形成固态膜，并且这些材料中的其他材料可以形成薄的液体薄膜或膜。固态膜可以是单层，诸如支持基板(即固体支持物)上的涂层或薄膜，或独立元件。固态膜也可以是夹层构型的多层材料的复合材料。可使用任何非生物来源的材料，只要所得膜能够包括跨膜纳米级开口并且能够保持跨膜的电势差即可。膜可包括有机材料、无机材料或两者。合适的固态材料的示例包括例如微电子材料、绝缘材料(例如，氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)，氧化铪(HfO2)、五氧化二钽(Ta2O5)，氧化硅(SiO2)等)、一些有机和无机聚合物(例如，聚酰胺、塑料，诸如聚四氟乙烯(PTFE)，或弹性体，诸如双组分加成固化硅橡胶)，以及玻璃。此外，固态膜可以由单层石墨烯(其是致密地堆积成二维蜂窝晶格的原子级薄片的碳原子)、多层石墨烯或与一层或多层其他固态材料混合的一层或多层石墨烯制成。含石墨烯的固态膜可以包括至少一个石墨烯层，该石墨烯层是石墨烯纳米带或石墨烯纳米间隙，其可以用作电传感器以表征目标多核苷酸。应当理解，固态膜可以通过任何合适的方法制造，例如化学气相沉积(CVD)。在一个示例中，石墨烯膜可以通过CVD或从石墨剥离来制造。可以使用的合适的薄液体薄膜材料的示例包括二嵌段共聚物或三嵌段共聚物，诸如两亲性PMOXA-PDMS-PMOXA ABA三嵌段共聚物。
如本文所用，术语″纳米孔″旨在表示与膜分离或限定在膜中并且延伸穿过膜的中空结构。纳米孔允许离子、电流和/或流体从膜的一侧穿越到该膜的另一侧。例如，抑制离子或水溶性分子通过的膜可以包括纳米孔结构，该纳米孔结构延伸穿过膜以允许离子或水溶性分子从膜的一侧通过(通过延伸穿过纳米孔结构的纳米级开口)到膜的另一侧。延伸穿过纳米孔结构的纳米级开口的直径可以沿其长度(即，从膜的一侧到膜的另一侧)变化，但在任何点处都在纳米级上(即，约1nm到约100nm，或到小于1000nm)。纳米孔的示例包括例如生物纳米孔、固态纳米孔，以及生物和固态杂化纳米孔。
如本文所用，术语″直径″旨在表示通过纳米级开口的横截面的质心在纳米级开口的横截面中可刻写的最长直线。应当了解，纳米级开口可以具有或可以不具有圆形或基本上圆形的横截面。此外，横截面可以是规则或不规则形状的。
如本文所用，术语″生物纳米孔″旨在表示其结构部分由生物来源的材料制成的纳米孔。生物来源是指衍生自或分离自生物环境(诸如生物体或细胞)的材料，或生物可用结构的合成制造形式。生物纳米孔包括例如多肽纳米孔和多核苷酸纳米孔。
如本文所用，术语″多肽纳米孔″旨在表示延伸穿过膜的蛋白质/多肽，并且允许离子、电流、生物聚合物(诸如DNA或肽)或适当尺寸和电荷的其他分子和/或流体从膜的一侧流过到膜的另一侧。多肽纳米孔可以是单体、均聚物或杂聚物。多肽纳米孔的结构包括例如α-螺旋束纳米孔和B-桶纳米孔。示例性多肽纳米孔包括α-溶血素、耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)孔蛋白A(MspA)、短杆菌肽A、麦芽糖孔蛋白、OmpF、OmpC、PhoE、Tsx、F-菌毛、气单胞菌溶素等。蛋白质α-溶血素天然存在于细胞膜中，在细胞膜中它充当离子或分子转运进出细胞的孔。耻垢分枝杆菌孔蛋白A(MspA)是由分枝杆菌产生的膜孔蛋白，其允许亲水性分子进入细菌。MspA形成紧密互连的八聚体和跨膜β-桶，其类似于高脚杯并含有中心孔。
多肽纳米孔可以是合成的。合成多肽纳米孔包括在自然界中不存在的蛋白质样氨基酸序列。蛋白质样氨基酸序列可包括已知存在但不形成蛋白质基础的氨基酸中的一些氨基酸(即，非蛋白原氨基酸)。蛋白质样氨基酸序列可以人工合成而不是在生物体中表达，然后纯化/分离。
如本文所用，术语″多核苷酸纳米孔″旨在包括延伸穿过膜并允许离子、电流和/或流体从膜的一侧流到膜的另一侧的多核苷酸。多核苷酸孔可以包括例如多核苷酸折纸(例如，DNA的纳米级折叠以产生纳米孔)。
同样如本文所用，术语″固态纳米孔″旨在表示其结构部分由固态膜限定并且包括非生物来源(即，不是生物来源)的材料的纳米孔。固态纳米孔可以由无机或有机材料形成。固态纳米孔包括例如氮化硅纳米孔、二氧化硅纳米孔和石墨烯纳米孔。
本文公开的纳米孔可以是杂化纳米孔。″杂化纳米孔″是指包含生物来源和非生物来源两者的材料的纳米孔。杂化纳米孔的示例包括多肽-固态杂化纳米孔和多核苷酸-固态纳米孔。
在一些实施方案中，纳米孔可以包括固态材料，诸如氮化硅、改性氮化硅、硅、氧化硅或石墨烯或它们的组合。在一些实施方案中，纳米孔是在插入双层、膜、薄膜或固态孔时形成通道的蛋白质。在一些实施方案中，纳米孔包含在脂质双层中。在一些实施方案中，纳米孔包含在包含分枝菌酸的人工膜中。纳米孔可以是耻垢分枝杆菌(Mycobacteriumsmegmatis)孔蛋白(Msp)，其具有限定通道的前庭和收缩区。Msp孔蛋白可以是突变体MspA孔蛋白。在一些实施方案中，突变体MspA孔蛋白的位置90、91和93处的氨基酸各自被天冬酰胺取代。一些实施方案可以包括通过移除、添加或替换Msp孔蛋白的至少一个氨基酸来改变易位速度或测序灵敏度。″突变体MspA孔蛋白″是多聚体复合物，该多聚体复合物与其相应的野生型MspA膜孔蛋白具有至少或至多70％、75％、80％、85％、90％、95％、98％或99％或更高的同一性，或可从其中衍生的任何范围，但小于100％，并且保留通道形成能力。突变体MspA孔蛋白可以是重组蛋白。任选地，突变体MspA孔蛋白是在野生型MspA孔蛋白的收缩区或前庭中具有突变的突变体MspA孔蛋白。任选地，突变可以发生在野生型MspA孔蛋白的周质环的边缘或外部。突变体MspA孔蛋白可以用于本文所述的任何实施方案中。
″前庭″是指Msp孔蛋白内部的锥形部分，其直径通常沿着中心轴从一端向另一端减小，其中前庭的最窄部分连接至收缩区。前庭也可以被称为″杯状”。前庭和收缩区一起限定了Msp孔蛋白的通道。″收缩区″或″读头″是指Msp孔蛋白的通道的直径最窄的部分，其连接到前庭。收缩区的长度可以在从约0.3nm到约2nm的范围内。任选地，长度为约、至多约、或至少约0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2或3nm、或其中可衍生的任何范围。收缩区的直径可以在从约0.3nm至约2nm的范围内。任选地，直径为约、至多约或至少约0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2或3nm，或可从其中衍生的任何范围。″通道″是指由前庭和收缩区限定的Msp孔蛋白的中心空部分，气体、液体、离子或分析物可以通过该中心空部分。通道是纳米孔的开口的示例。
各种条件，诸如光和接触纳米孔的液体介质，包括其pH、缓冲液组成、洗涤剂组成和温度，可以影响纳米孔的表现，特别是相对于其通过通道的传导性以及分析物相对于通道的移动(临时地或永久地)。
在一些实施方案中，所公开的用于纳米孔测序的系统包括具有限定通道的前庭和收缩区的Msp孔蛋白，其中该通道定位在第一液体介质与第二液体介质之间，其中至少一种液体介质包括分析物多核苷酸，并且其中该系统可操作以检测分析物的性质。系统可以操作以检测任何分析物的性质，包括使Msp孔蛋白经受电场，使得分析物与Msp孔蛋白相互作用。系统可以操作以检测分析物的性质，包括使Msp孔蛋白经受电场，使得分析物电泳地易位通过Msp孔蛋白的通道。在一些实施方案中，系统包括具有限定通道的前庭和收缩区的Msp孔蛋白，其中该通道定位在第一液体介质与第二液体介质之间的脂质双层中，并且其中该第一和第二液体介质之间唯一的液体连通点出现在该通道中。此外，本文所述的任何Msp孔蛋白可以包含在本文所述的任何系统中。
系统可以进一步包括与流体或电解质连通的一个或多个温度调节装置。本文所述的系统可以操作以通过电泳或其他方式将分析物转移通过Msp孔蛋白通道。
如本文所用，术语″纳米孔测序仪″是指本文公开的可以用于纳米孔测序的任何装置。在本文公开的示例中，在纳米孔测序期间，将纳米孔浸入本文公开的电解质的示例中，并且跨膜施加电势差。在示例中，电势差是电气电势差或电化学电势差。可以通过电压源在膜上施加电势差，该电压源向顺式阱或一个或多个反式阱中包含的电解质的至少一种离子注入或施用电流。电化学电势差可通过顺式和反式阱的离子组成的差异与电势的组合来建立。不同的离子组成可以是例如每个阱中的不同离子或每个阱中相同离子的不同浓度。
跨纳米孔施加位差可迫使核酸通过纳米孔易位。产生对应于核苷酸易位通过纳米孔的一个或多个信号。因此，当靶多核苷酸或单核苷酸或衍生自靶多核苷酸或单核苷酸的探针通过纳米孔时，跨膜的电流由于例如收缩部的碱基依赖性(或探针依赖性)阻塞而改变。可使用各种方法中的任一种方法来测量来自该电流变化的信号。每个信号对于纳米孔中的核苷酸(或探针)的种类是独特的，使得所得信号可用于确定多核苷酸的特征。例如，可以确定产生特征信号的一种或多种核苷酸(或探针)种类的身份。
如本文所用，″报告基因″由一种或多种报告基因元件组成。报告基因包含所谓的″标记″和″标签″。报告基因用于解析靶标核酸的遗传信息。″编码″或″解析″是动词，是指从一种形式转变为另一种形式，并且是指将目标模板碱基序列的遗传信息转变为报告基因的排列。
如本文所用，″肽″是指通过酰胺键(即，″肽键″)连接在一起的两个或更多个氨基酸。肽包含多达或包含50个氨基酸。肽可以是线性或环状的。肽可以是α、β、γ、δ或更高的，或混合的。肽可以包含本文所定义的氨基酸的任何混合物，诸如包含D、L、α、β、γ、δ或更高级氨基酸的任何组合。
如本文所用，″蛋白质″是指具有51个或更多个氨基酸的氨基酸序列。
如本文所用，聚合酶是通常用于连接3′-OH 5′-三磷酸核苷酸、低聚物和它们的类似物的酶。聚合酶包括但不限于DNA依赖性DNA聚合酶、DNA依赖性RNA聚合酶、RNA依赖性DNA聚合酶、RNA依赖性RNA聚合酶、T7 DNA聚合酶、T3 DNA聚合酶、T4 DNA聚合酶、T7 RNA聚合酶、T3 RNA聚合酶、SP6 RNA聚合酶、DNA聚合酶I、克伦诺片段、水生栖热菌(Thermophilusaquaticus)DNA聚合酶、Tth DNA聚合酶、DNA聚合酶(New England Biolabs)、DeepDNA聚合酶(New England Biolabs)、Bst DNA聚合酶大片段、Stoeffel片段、90NDNA聚合酶、90N DNA聚合酶、Pfu DNA聚合酶、TfI DNA聚合酶、Tth DNA聚合酶、RepliPHIPhi29聚合酶、TIi DNA聚合酶、真核DNA聚合酶β、端粒酶、TherminatorTM聚合酶(New England Biolabs)、KOD HiFiTMDNA聚合酶(Novagen)、KOD 1DNA聚合酶、Q-β复制酶、末端转移酶、AMV逆转录酶、M-MLV逆转录酶、Phi6逆转录酶、HIV-1逆转录酶、通过生物勘探发现的新型聚合酶，以及US2007/0048748、US 6,329,178、US 6,602,695和US 6,395,524(以引用方式并入本文)中引用的聚合酶。这些聚合酶包括野生型、突变同种型和遗传工程变体。
如本文所用，″核苷酸″包括含氮杂环碱基、糖以及一个或多个磷酸基团。核苷酸是核酸序列的单体单元。核苷酸的示例包括例如核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸。在核糖核苷酸(RNA)中，糖是核糖，并且在脱氧核糖核苷酸(DNA)中，糖是脱氧核糖，即在核糖中缺少存在于2′位置处的羟基基团的糖。含氮杂环碱基可以是嘌呤碱基或嘧啶碱基。嘌呤碱基包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)以及它们的经修饰的衍生物或类似物。嘧啶碱基包括胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)以及它们的经修饰的衍生物或类似物。脱氧核糖的C-1原子与嘧啶的N-1或嘌呤的N-9键合。磷酸基团可以是单磷酸、二磷酸或三磷酸形式。这些核苷酸是天然核苷酸，但是应当进一步理解，也可以使用非天然核苷酸、经修饰的核苷酸或前述核苷酸的类似物。
如本文所用，″核碱基″是杂环碱基，诸如腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶、肌苷、黄嘌呤、次黄嘌呤，或者它们的杂环衍生物、类似物或互变异构体。核碱基可以是天然存在的或合成的。核碱基的非限制性实例是腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶、黄嘌呤、次黄嘌呤、8-氮杂嘌呤、在8位被甲基或溴取代的嘌呤、9-氧代-N6-甲基腺嘌呤、2-氨基腺嘌呤、7-脱氮黄嘌呤、7-脱氮鸟嘌呤、7-脱氮-腺嘌呤、N4-Z醇基胞嘧啶、2，6-二氨基嘌呤、N6-乙醇基-2，6-二氨基嘌呤、5-甲基胞嘧啶、5-(C3-C6)-炔基胞嘧啶、5-氟尿嘧啶、5-溴尿嘧啶、硫尿嘧啶、假异胞嘧啶、2-羟基-5-甲基-4-三唑并吡啶、异胞嘧啶、异鸟嘌呤、次黄苷、7，8-二甲基咯嗪、6-二氢胸腺嘧啶、5，6-2氢尿嘧啶、4-甲基-吲哚、乙醇腺嘌呤，以及美国专利号5,432,272和6,150,510，PCT申请WO 92/002258、WO 93/10820、WO 94/22892和WO 94/24144，以及Fasman(″Practical Handbook of Biochemistry and MolecularBiology″，第385至394页，1989，CRC Press，Boca Raton，LO)中描述的非天然存在的核碱基，所有这些文献均全文以引用方式并入本文。
术语″核酸″或″多核苷酸″是指单链或双链形式的脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸聚合物，除非另外限制，否则涵盖以类似于天然存在的核苷酸的方式与核酸杂交的天然核苷酸的已知类似物，诸如肽核酸(PNA)和硫代磷酸酯DNA。除非另外指明，否则特定核酸序列包括其互补序列。核苷酸包括但不限于ATP、dATP、CTP、dCTP、GTP、dGTP、UTP、TTP、dUTP、5-甲基-CTP、5-甲基-dCTP、ITP、dITP、2-氨基-腺苷-TP、2-氨基-脱氧腺苷-TP、2-硫代胸苷三磷酸、吡咯并嘧啶三磷酸和2-硫代胞苷，以及所有上述物质的α-硫代三磷酸酯，和所有上述碱基的2′-O-甲基-核糖核苷酸三磷酸。修饰碱基包括但不限于5-Br-UTP、5-Br-dUTP、5-F-UTP、5-F-dUTP、5-丙炔基dCTP和5-丙炔基-dUTP。
例如，模板多核苷酸链可以是待测序的任何样品，并且可以由DNA、RNA或其类似物(例如，肽核酸)构成。模板(或靶)多核苷酸链的源可以是基因组DNA、信使RNA、或来自天然来源的其他核酸。在一些情况下，来源于此类来源的模板多核苷酸链可以在使用之前进行扩增。可以使用各种已知扩增技术中的任何一种扩增技术，包括但不限于聚合酶链式反应(PCR)、滚环扩增(RCA)、多重置换扩增(MDA)或随机引物扩增(RPA)。应理解的是，模板多核苷酸链在使用之前进行扩增是任选的。如此，在一些示例中模板多核苷酸链将不在使用之前进行扩增。模板/靶多核苷酸链可任选地来源于合成文库。合成核酸可具有天然DNA或RNA组合物，或者可以是其类似物。
模板多核苷酸链可来源于的生物样品包括例如来自以下的那些生物样品：哺乳动物，诸如啮齿动物、小鼠、大鼠、兔、豚鼠、有蹄类动物、马、绵羊、猪、山羊、牛、猫、狗、灵长类动物、人或非人灵长类动物；植物，诸如拟南芥(Arabidopsis thaliana)、玉米、高梁、燕麦、小麦、水稻、低芥酸菜籽或大豆；藻类，诸如莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)；线虫，诸如秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)；昆虫，诸如黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)、蚊虫、果蝇、蜜蜂或蜘蛛；鱼，诸如斑马鱼；爬行动物；两栖动物，诸如青蛙或非洲爪蟾(Xenopus laevis)；盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)；真菌，诸如卡氏肺孢子虫(pneumocystis carinii)、红鳍东方鲀(Takifugu rubripes)、酵母、酿酒酵母(Saccharamoyces cerevisiae)或粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)；或恶性疟原虫(Plasmodium falciparum)。模板多核苷酸链48也可以来源于原核生物，诸如细菌、大肠杆菌(Escherichia coli)、葡萄球菌属(staphylococci)或肺炎支原体(Mycoplasmapneumoniae)；古细菌；病毒，诸如丙型肝炎病毒、埃博拉病毒或人类免疫缺陷病毒；或类病毒。模板多核苷酸链可以来源于上述生物的同质培养物或群体，或者替代地来源于几种不同生物的集合，例如在群落或生态系统中。
此外，模板多核苷酸链可以不来源于天然来源，而是可以使用已知技术合成。例如，基因表达探针或基因分型探针可被合成并用于本文所述的示例中。
在一些示例中，模板多核苷酸链可以作为一个或多个较大核酸的片段获得。片段化可以使用本领域已知的多种技术中的任一种技术进行，这些技术包括例如雾化、超声处理、化学裂解、酶促裂解、或物理剪切。片段化也可能是由于使用特定的扩增技术导致的，该扩增技术通过仅复制较大核酸链的一部分来产生扩增子。例如，PCR扩增产生的片段的大小由原始模板上的位于在扩增期间侧翼引物杂交的位置之间的核苷酸序列的长度限定。模板多核苷酸链的长度可以按照核苷酸的数量表示，或者按照公制长度(例如，纳米)表示。
模板/靶多核苷酸链的群体或其扩增子可具有对特定测序装置来说期望或合适的平均链长。例如，平均链长可以小于约100,000个核苷酸、约50,000个核苷酸、约10,000个核苷酸、约5,000个核苷酸、约1,000个核苷酸、约500个核苷酸、约100个核苷酸、或约50个核苷酸。可替代地或另外地，平均链长可以大于约10个核苷酸、约50个核苷酸、约100个核苷酸、约500个核苷酸、约1,000个核苷酸、约5,000个核苷酸、约10,000个核苷酸、约50,000个核苷酸、或约100,000个核苷酸。另选地或除此之外，平均链长可大于约10,000个核苷酸、约50,000个核苷酸、约100,000个核苷酸、约500,000个核苷酸、约1,000,000个核苷酸、约5,000,000个核苷酸、约10,000,000个核苷酸、约50,000,000个核苷酸或约100,000,000个核苷酸。另选地或除此之外，平均链长可大于约10,000,000个核苷酸、约50,000,000个核苷酸、约100,000,000个核苷酸、约500,000,000个核苷酸、约1,000,000,000个核苷酸、约5,000,000,000个核苷酸、约10,000,000,000个核苷酸、约50,000,000,000个核苷酸或约100,000,000,000个核苷酸。靶多核苷酸链的群体或其扩增子的平均链长可在介于上述最大值与最小值之间的范围内。
在一些情况下，模板/靶多核苷酸链的群体可在条件下产生，或以其他方式被配置为具有其构件的最大长度。例如，构件的最大长度可以小于约100,000个核苷酸、约50,000个核苷酸、约10,000个核苷酸、约5,000个核苷酸、约1,000个核苷酸、约500个核苷酸、约100个核苷酸、或约50个核苷酸。例如，构件的最大长度可小于约100,000,000个核苷酸、约50,000,000个核苷酸、约10,000,000个核苷酸、约5,000,000个核苷酸、约1,000,000个核苷酸、约500,000个核苷酸、约100,000个核苷酸或约50,000个核苷酸。例如，构件的最大长度可小于约100,000,000,000个核苷酸、约50,000,000,000个核苷酸、约10,000,000,000个核苷酸、约5,000,000,000个核苷酸、约1,000,000,000个核苷酸、约500,000,000个核苷酸、约100,000,000个核苷酸或约50,000,000个核苷酸。另选地或除此之外，模板多核苷酸链的群体或其扩增子可在条件下产生，或以其他方式被配置为具有其构件的最小长度。例如，构件的最小长度可以是大于约10个核苷酸、约50个核苷酸、约100个核苷酸、约500个核苷酸、约1,000个核苷酸、约5,000个核苷酸、约10,000个核苷酸、约50,000个核苷酸、或约100,000个核苷酸。例如，构件的最小长度可大于约10,000个核苷酸、约50,000个核苷酸、约100,000个核苷酸、约500,000个核苷酸、约1,000,000个核苷酸、约5,000,000个核苷酸、约10,000,000个核苷酸、约50,000,000个核苷酸或约100,000，000个核苷酸。例如，构件的最小长度可大于约10,000,000个核苷酸、约50,000,000个核苷酸、约100,000,000个核苷酸、约500,000,000个核苷酸、约1,000,000,000个核苷酸、约5,000,000,000个核苷酸、约10,000,000,000个核苷酸、约50,000,000,000个核苷酸或约100,000,000,000个核苷酸。群体中模板多核苷酸链的最大链长和最小链长可在介于上述最大值与最小值之间的范围内。
如本文所用，术语″信号″旨在意味着表示信息的指示符。信号包括例如电信号和光学信号。术语″电信号″是指表示信息的电质量的指示符。指示符可以是例如电流、电压、隧穿、电阻、电势、电压、电导或横向电效应(以及任何时间倒数或这些的瞬态)。″电子电流″或″电流″是指电荷流。在示例中，电信号可以是穿过纳米孔的电流，并且电流可以在跨纳米孔施加电势差时流动。
术语″基板″是指刚性的固体支持物，其不溶于水性液体，并且在没有孔隙、端口或其他类似液体导管的情况下不能使液体通过。在本文公开的示例中，基板可以具有限定在其中的阱或室。合适的基板的示例包括玻璃和改性或官能化玻璃、塑料(包括丙烯酸类、聚苯乙烯和苯乙烯与其他材料的共聚物、聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚氨酯、聚四氟乙烯(PTFE)(诸如来自Chemours的)、环烯烃/环烯烃聚合物(COP)(诸如来自Zeon的)、聚酰亚胺等)、尼龙、陶瓷、二氧化硅或二氧化硅基材料、硅和改性硅、碳、金属、无机玻璃和光纤束。
如本文所用，术语″间隙区″是指基板/固体支持物或膜中的区域，或表面上将与支持物或膜或表面相关的其他区域、区、特征分离的区域。例如，膜的间隙区可以将阵列的一个纳米孔与阵列的另一纳米孔分离。又如，基板的间隙区可将一个反式/顺式阱与另一反式/顺式阱分离。彼此分离的两个区域可为离散的，即彼此缺乏物理接触。在许多示例中，间隙区是连续的，而区域是离散的，例如，对于在其他方面连续的膜中限定的多个纳米孔，或对于在其他方面连续的基板/支持物中限定的多个阱，情况就是如此。由间隙区域提供的分离可以是部分分离或完全分离。间隙区域可具有与限定在表面中的特征部的表面材料不同的表面材料。例如，间隙区处的表面材料可以是脂质材料，并且在脂质材料中形成的纳米孔可以具有超过间隙区处存在的量或浓度的多肽的量或浓度。在一些示例中，多肽可能不存在于间隙区处。
术语顶部、底部、下部、上部、上等在本文中用于描述装置/纳米孔测序仪和/或装置的各种部件。应当理解，这些方向术语并非意在暗示特定取向，而是用于指定部件之间的相对取向。方向术语的使用不应被解释为将本文所公开的示例限制于任何特定取向。如本文所用，术语″上部″、″下部″、″垂直″、″水平″等意味着指示相对取向。
如本文所用，″顺式″是指这样的纳米孔开口的侧面，分析物或经修饰的分析物通过该侧面进入开口，或者分析物或经修饰的分析物跨该侧面的面移动。
如本文所用，″反式″是指这样的纳米孔开口的侧面，分析物或经修饰的分析物(或其片段)通过该侧面离开开口，或者分析物或经修饰的分析物不会跨该侧面的面移动。
如本文所用，″易位″是指分析物(例如，DNA)进入纳米孔的开口的一侧并且移动至开口的另一侧并且从其移出。预期本文包括易位的任何实施方案可以指电泳易位或非电泳易位，除非特别指出。电场可以移动分析物(例如，多核苷酸)或经修饰的分析物。″相互作用″是指分析物(例如，DNA)或经修饰的分析物移动进入并且任选地通过开口，其中″通过开口″(或″易位″)是指进入开口的一侧并且移动到开口的另一侧并且从其移出。任选地，设想不采用电泳易位的方法。在一些实施方案中，物理压力导致经修饰的分析物与开口相互作用、进入其或易位通过其(在改变后)。在一些实施方案中，磁珠在反侧附着于分析物或经修饰的分析物，并且磁力导致经修饰的分析物与开口相互作用、进入其或易位通过其(在改变后)。用于易位的其他方法包括但不限于重力、渗透压、温度和诸如向心力的其他物理力。
如本文所用，术语″阱″、″腔″、″贮存器″和″室″同义地使用，并且是指在装置中限定的可容纳流体(例如，液体、凝胶、气体)的离散特征。顺式阱是含有顺式电极或由其部分限定的室，并且还以流体方式连接到进行测量的中间阱(例如，通过FET，或通过连接到放大器、数据采集装置或其他信号调节元件(诸如模拟滤波器、缓冲器、增益放大器、ADC等)的金属电极)。在一些示例中，中间阱继而以流体方式连接到反式阱/室。本装置的阵列的示例可以具有一个顺式阱，例如一个整体顺式室/贮存器，或多个顺式阱。反式阱是包括其自身的反式电极或部分地由该反式电极限定的单个室，并且还流体地连接到顺式阱。在包括多个反式阱的示例中，每个反式阱与每个另一反式阱电隔离。进一步地，应当了解，平行于至少部分地限定肼的基板的表面截取的肼的横截面可以是弯曲的、正方形的、多边形的、双曲线的、圆锥形的、有角的等。如本文所用，″场效应晶体管″或″FET″通常包括由半导体材料(例如，硅、锗、砷化镓、碳化硅等)形成并且由沟道区分离的经掺杂的源极/漏极区。n-FET是具有n沟道的FET，其中电流载流子是电子。p-FET是具有p沟道的FET，其中电流载体是空穴。n-FET装置的源极/漏极区可以包含与p-FET装置的源极/漏极区不同的材料。在一些示例中，源极/漏极区或沟道可以不掺杂。可以通过将掺杂剂原子添加到本征半导体来形成掺杂区。这改变了在热平衡下本征半导体的电子和空穴载流子浓度。掺杂区可以是p型或n型。如本文所用，″p型″是指将杂质添加到本征半导体中，从而产生价电子缺陷。对于硅，示例性p型掺杂剂(即，杂质)包括但不限于硼、铝、镓和铟。如本文所用，″n型″是指添加对本征半导体贡献自由电子的杂质。对于硅，示例性n型掺杂剂(即，杂质)包括但不限于锑、砷和磷。可以通过离子注入或等离子体掺杂引入掺杂剂。
例如，在具有多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的集成电路中，每个MOSFET具有通过在半导体材料层中注入n型或p型杂质而形成在半导体层的有源区中的源极和漏极。设置在源极与漏极之间的是沟道(或主体)区。设置在主体区上方的是栅极电极。栅极电极和主体通过栅极电介质(栅极氧化物)层间隔开。沟道区连接源极和漏极，并且电流从源极到漏极流过沟道区。通过施加在栅电极处的电压在沟道区中感应出电流。
在一些实施方案中，位于源极与漏极之间的FET传感器的沟道可以由相对薄的栅极氧化物层覆盖，例如热生长的二氧化硅层。另选地，绝缘体的薄层可以由高K电介质形成，诸如HfO2、Al2O3、氮氧化硅、Si3N4、TiO2、Ta2O5、Y2O3、La2O3、ZrO2、ZrSiO4、钛酸锶钡、锆钛酸铅、ZrSixOy或ZrAlxOy。栅极氧化物层的厚度可以为约10nm，或在其他示例中，厚度小于约9nm、约8nm、约7nm、约6nm、约5nm、约4nm、约3nm、约2nm或约1nm。
非平面晶体管装置架构，诸如纳米片(或纳米线)晶体管，可以提供比平面晶体管增加的装置密度和增加的性能。″全环栅极″晶体管是其中栅极被构造成环绕沟道的晶体管。″纳米片晶体管″是指一种类型的FET，其可以包括在一对源极/漏极区之间延伸从而形成沟道的多个堆叠的纳米片。与常规平面FET相比，纳米片晶体管可以包括环绕多个纳米片沟道区的整个周边的栅极堆叠。纳米片晶体管构型使得能够在纳米片沟道区中实现更充分的耗尽并减少短沟道效应。″纳米线晶体管″可以类似于纳米片晶体管，除了沟道可以包括纳米线而不是纳米片之外。纳米片或纳米线晶体管中的全环栅极结构可以提供具有更好的开关控制、更低的漏电流、更快的操作和更低的输出电阻的非常小的装置。
增加沟道电导率和减小FET大小的方法是将沟道形成为纳米结构。例如，全环栅极(GAA)纳米片FET是用于通过将沟道区形成为一系列纳米片来提供相对小的FET占用面积的架构。在GAA构型中，基于纳米片的FET包括源极区、漏极区，以及源极区与漏极区之间的堆叠纳米片沟道。栅极围绕堆叠的纳米片沟道并调节通过源极区与漏极区之间的纳米片沟道的电子流。GAA纳米片FET可以通过形成沟道纳米片和牺牲纳米片的交替层来制造。在FET装置完成之前，牺牲纳米片从沟道纳米片释放。对于n型FET，沟道纳米片通常是硅(Si)，并且牺牲纳米片通常是硅锗(SiGe)。对于p型FET，沟道纳米片通常是SiGe，并且牺牲纳米片通常是Si。在一些实施方案中，p-FET的沟道纳米片可以是SiGe或Si，并且牺牲纳米片可以是Si或SiGe。由第一类型的半导体材料(例如，用于n型FET的Si，以及用于p型FET的SiGe)形成的沟道纳米片和由第二类型的半导体材料(例如，用于n型FET的SiGe，以及用于p型FET的Si)形成的牺牲纳米片的交替层形成GAA纳米片提供了优异的沟道静电控制，这有利于将栅极长度连续地缩放到七纳米CMOS技术及以下。使用多层SiGe/Si牺牲/沟道纳米片(或Si/SiGe牺牲/沟道纳米片)来形成GAA FET半导体装置中的沟道区提供了期望的装置特性，包括在SiGe与Si之间的界面处引入应变。
在一些示例中，″纳米线″的特征在于临界尺寸小于约30nm，而″纳米片″的特征在于临界尺寸为约30nm或更大。在示例性装置中，沿栅极测量临界尺寸。在该方向上，如果沟道的宽度小，则沟道横截面像″线″，而如果沟道的宽度大，则沟道横截面像″片″。
在一些示例中，纳米片或纳米线的最小尺寸在约1nm-10nm、约1nm-50nm、约1nm-100nm、约1nm-500nm或约1nm-1000nm之间。在一些示例中，纳米片或纳米线的最小尺寸在约1nm-5nm、约3nm-10nm、约5nm-15nm、约10nm-20nm、约15nm-30nm、约20nm-40nm、约30nm-50nm、约40nm-75nm、约50nm-100nm、约75nm-150nm、约100nm-200nm、约150nm-300nm、约200nm-400nm、约300nm-500nm、约400nm-750nm或约500nm-1000nm之间。在一些示例中，纳米片的最小尺寸比纳米片的其他两个尺寸小至少约3倍、约5倍、约7倍、约10倍、约15倍、约20倍、约50倍、约100倍、约150倍、约200倍、约250倍、约300倍、约350倍、约400倍、约450倍、约500倍、约600倍、约700倍、约800倍、约900倍、约1000倍、约2000倍、约2500倍、约3000倍、约4000倍或约5000倍。在一些示例中，纳米片的最小尺寸比纳米片的其他两个尺寸小约2倍-5倍、约3倍-7倍、约5倍-10倍、约7倍-15倍、约10倍-20倍、约15倍-50倍、约20倍-100倍、约50倍-150倍、约100倍-200倍、约150倍-250倍、约200倍-300倍、约250倍-350倍、约300倍-400倍、约350倍-450倍、约400倍-500倍、约450倍-600倍、5约00倍-700倍、约600倍-800倍、约700倍-900倍、约800倍-1000倍、约900倍-2000倍、约1000倍-2500倍、约2000倍-3000倍、约2500倍-4000倍或约3000倍-5000倍之间。在一些示例中，纳米片的最小尺寸比纳米片的其他两个尺寸小最多约3倍、约5倍、约7倍、约10倍、约15倍、约20倍、约50倍、约100倍、约150倍、约200倍、约250倍、约300倍、约350倍、约400倍、约450倍、约500倍、约600倍、约700倍、约800倍、约900倍、约1000倍、约2000倍、约2500倍、约3000倍、约4000倍或约5000倍。在一些示例中，纳米线的最大尺寸比纳米线的其他两个尺寸大至少约3倍、约5倍、约7倍、约10倍、约15倍、约20倍、约50倍、约100倍、约150倍、约200倍、约250倍、约300倍、约350倍、约400倍、约450倍、约500倍、约600倍、约700倍、约800倍、约900倍、约1000倍、约2000倍、约2500倍、约3000倍、约4000倍或约5000倍。在一些示例中，纳米线的最大尺寸比纳米线的其他两个尺寸大约2倍-5倍、约3倍-7倍、约5倍-10倍、约7倍-15倍、约10倍-20倍、约15倍-50倍、约20倍-100倍、约50倍-150倍、约100倍-200倍、约150倍-250倍、约200倍-300倍、约250倍-350倍、约300倍-400倍、约350倍-450倍、约400倍-500倍、约450倍-600倍、约500倍-700倍、约600倍-800倍、约700倍-900倍、约800倍-1000倍、约900倍-2000倍、约1000倍-2500倍、约2000倍-3000倍、约2500倍-4000倍或约3000倍-5000倍之间。在一些示例中，纳米线的最大尺寸比纳米线的其他两个尺寸大最多约3倍、约5倍、约7倍、约10倍、约15倍、约20倍、约50倍、约100倍、约150倍、约200倍、约250倍、约300倍、约350倍、约400倍、约450倍、约500倍、约600倍、约700倍、约800倍、约900倍、约1000倍、约2000倍、约2500倍、约3000倍、约4000倍或约5000倍。
鉴于上述定义，可理解本文所阐述的和在权利要求中列举的方面和示例。
概述
在一些方面，本公开提供了用于实现纳米孔测序装置的水平架构的一种工艺整合方案、一种具有水平架构的纳米孔测序装置和一种使用此类装置的方法。
本文公开了一种纳米孔测序装置，其包括与感测电极相关联的中间阱、与顺式电极相关联的顺式阱和与反式电极相关联的反式阱。在一些实施方案中，中间阱定位在顺式阱与反式阱之间，并且顺式阱、中间阱和反式阱水平并列地定向。在一些实施方案中，顺式阱相对于中间阱和/或反式阱垂直地定向。在一些实施方案中，反式阱相对于中间阱垂直地定向。在一些实施方案中，装置可以包括由所有测序单元格共享的一个或多个公共顺式阱和一个或多个公共反式阱。例如，公共反式壁和公共顺式阱可以与多个中间阱流体连通。在一些实施方案中，顺式和反式阱可以比中间阱中的每个中间阱大得多，以避免离子耗尽，而每个中间阱可以含有其自己的、单独可寻址的感测电极。
纳米孔测序装置进一步包括设置在顺式阱与中间阱之间的第一纳米级开口，例如布置在纳米孔中的纳米级开口，以及在基板的表面上在反式阱与中间阱之间形成的第二纳米级开口，例如水平纳米通道。在一些实施方案中，纳米通道是水平地制造在基板的表面上的。例如，在一些实施方案中，纳米通道是通过蚀刻半导体晶圆来形成的。在一些实施方案中，纳米通道是由半导体晶圆上的图案化层形成的。在一些实施方案中，纳米通道在基板中不包括通孔。纳米孔测序装置的中间阱将顺式阱与反式阱以流体方式连接。
当靶DNA的一个或多个核苷酸靠近或在第一纳米级开口处，例如靠近或在纳米孔处时，第一纳米级开口的电阻可以响应于一个或多个核苷酸的同一性而变化。第二纳米级开口(例如，纳米通道)可以具有固定或基本上固定的电阻。在一些实施方案中，针对其电阻选择纳米通道的长度。在一些实施方案中，第一纳米通道的电阻通过改变纳米通道的长度来改变。在一些实施方案中，此类装置可以进一步包括电子器件以主动地控制第二纳米级开口，例如以控制纳米通道。例如，压力脉冲发生器、空气泡/气泡发生器/消除器、刺激响应聚合物或凝胶可以用于控制第二纳米级开口中的液体/离子/电流流动。在一些实施方案中，电子器件或致动器可以形成在第二纳米级开口下(或周围)，例如形成在纳米通道下(或周围)。
在一些实施方案中，装置可以进一步包括一个或多个附加中间阱，每个附加中间阱与相应的附加感测电极相关联，其中相应的附加第一纳米级开口设置在顺式阱与每个附加中间阱之间，其中相应的附加第二纳米级开口设置在反式阱与每个附加中间阱之间，并且其中该一个或多个附加中间阱将顺式阱以流体方式连接到反式阱。在一些实施方案中，附加第一纳米级开口中的至少一些第一纳米级开口可以布置在纳米孔中。在一些实施方案中，附加第二纳米级开口中的至少一些第二纳米级开口可以布置在纳米通道中。在一些实施方案中，在基板上形成中间阱阵列，该中间阱与一个或多个公共反式阱或反式通道流体连通，并且还与一个或多个公共顺式阱或顺式通道流体连通。
在一些实施方案中，为了使用此类装置对生物聚合物进行测序，方法可以包括将电解质引入顺式阱、反式阱和中间阱中的至少一个中间阱。方法可以进一步包括在顺式电极与反式电极之间施加电压以控制生物聚合物的运动。方法可以进一步包括从相应的感测电极测量中间阱中的电解质的电势，其中相应的第一纳米级开口(例如，纳米孔)的电阻响应于生物聚合物中的一个或多个单体的同一性而变化，该一个或多个单体靠近或在相应的第一纳米级开口处。
在一些实施方案中，制造此类装置的方法可以包括形成底部晶圆，该底部晶圆包括第二纳米级开口(例如纳米通道)中的至少一者、相应的感测电极中的至少一者和第一图案化层。在一些实施方案中，纳米通道是水平纳米通道。在一些实施方案中，将纳米通道制造到基板中。例如，在一些实施方案中，将纳米通道蚀刻到半导体晶圆中。在一些实施方案中，纳米通道是由半导体晶圆之上的图案化层形成的。方法可以进一步包括形成包括第二图案化层的顶部晶圆。方法可以进一步包括将第一图案化层与第二图案化层对齐。方法可以进一步包括经由粘合剂在多个位置处将第一图案化层与第二图案化层结合，使得在底部晶圆与顶部晶圆之间形成顺式阱、反式阱和相应的中间阱中的至少一个中间阱。
在某些实施方案中，具有水平结构的纳米孔测序装置包括以下方面中的一个或组合：
(i)不需要(a)将高长径比的硅通孔/腔蚀刻到Si基板中，(b)执行可能损害晶圆正面的背面晶圆处理，(c)使用昂贵的193nm光刻掩模以及(d)执行晶圆到晶圆键合的易于或更精确的制造工艺。与垂直穿Si纳米通道相比，制造特定流体/电阻的水平纳米通道减少了不期望的步骤(诸如复杂的多个蚀刻步骤、牺牲蚀刻停止层的沉积、再氧化和晶圆背面处理步骤)的数量。
(ii)在可制造性和再现性方面，与纳米通道的垂直实施方式相比，可更好地控制在晶圆上沿单个纳米通道和跨纳米通道的水平纳米通道宽度(或直径)的均匀性。此外，可采用非破坏性计量来评估跨纳米通道和晶圆的临界尺寸的均匀性。
(iii)通过增加总纳米通道长度来增加纳米通道电阻的能力，例如，使用如图3B所示的弯曲/曲折/蜿蜒布局而不是线性布局。纳米通道电阻的变化可通过改变纳米通道长度而容易地在同一基板上实现。与垂直装置实施方式中的垂直纳米通道的长度不同，水平纳米通道的长度不受基板厚度限制并且可在一个晶圆上实现多个长度/电阻，从而允许更快的学习循环和工艺优化。更宽的纳米通道宽度(或直径)对于降低中间阱内的压力是有益的，但是这种更宽的纳米通道宽度可能需要伴随着增加的纳米通道长度以实现所要求的纳米通道电阻，这对依赖于穿Si蚀刻的垂直装置实施方式造成了困难。
(iv)实现更长的纳米通道的能力放宽了纳米通道直径，并且消除了随后沉积厚的(例如，＞500nm)层以减小纳米通道宽度的需要。例如，可以从使用便宜的i线光刻或纳米压印光刻限定的350nm的纳米通道宽度开始，并且沉积135nm的氧化物或氮化物层以实现80nm的最终纳米通道宽度，如图5F′所示。
(v)将有源电子器件整合在纳米通道下面以控制电阻和/或充当电子开关/阀的能力。水平纳米通道的实施方式还允许在每个纳米通道下面或附近整合有源电路/致动器以控制/调节纳米通道电阻或其他表现。例如，整合的加热元件(例如，电阻器)可用于产生纳米气泡(水蒸气)，该纳米气泡阻塞纳米通道并且因此切断通过相应的纳米通道和测序单元格的电流/离子/流体流动。这有助于避免电流/离子/流体流过识别为损坏或无功能的测序单元格。又如，压电元件(例如，超声致动器)可用于消除纳米通道中的气泡或其他不想要的碎片(例如，阻塞的DNA模板)。在涉及刺激响应聚合物或水凝胶的数字微流体(诸如电润湿)或阀元件中采用的其他控制模态也可以整合进所公开的装置的纳米通道中。
(vi)通过将顺式和反式流体阱整合到芯片上从而消除对复杂设置固定装置或硬件整合的需要而改进的装置稳健性。
(vii)顺式和反式阱可通过晶圆到晶圆键合直接整合到芯片上，从而产生完全容纳的流动池，在一些实施方案中，该流动池仅需要用于与外部固定装置/盒的流体和电连接的入口/出口端口(例如参见图1A)。外部流体贮存器和电极可制造得足够大以维持流动池内的恒定离子浓度而没有离子耗尽的风险。
示例性纳米孔测序装置
图1A是具有水平架构的示例性纳米孔测序装置110的横截面侧视图。示出的是并列地布置并且相对于反式阱轴对称的两个测序单元格的示意图，即，两个测序单元格共享同一反式阱。纳米孔测序装置110的流动池170布置在底部晶圆157与顶部晶圆167之间。流动池170可以填充有电解质。在顶部晶圆167上方，纳米孔测序装置110的顶部部分180可以连接到外部流体固定装置。开口或孔160可以形成在顶部晶圆167内以允许流体连通。
纳米孔测序装置110包括与顺式阱114相关联的顺式电极130。纳米孔测序装置110进一步包括与反式阱116相关联的反式电极134。在一个示例中，顺式电极130和反式电极134相对于晶圆沿至少基本上水平的方向布置。在其他示例中，顺式电极和反式电极可以相对于彼此并且相对于晶圆处于任何合适的定向。隔离壁139可以将顺式电极130/顺式阱114与反式电极134/反式阱116隔开。中间阱115定位在顺式阱114与反式阱116之间，并且顺式阱、中间阱和反式阱水平并列地定向。
顺式阱114连接到纳米孔123，其中形成第一纳米级开口。在一些实施方案中，纳米孔123可以形成于设置在膜124中的蛋白质118中。在一些实施方案中，膜124可以相对于晶圆和纳米通道垂直地布置在顺式阱114的一侧上。纳米孔123提供了供电解质在顺式阱114与中间阱115之间通过的流体通路。纳米孔123通过中间阱115与纳米通道125以流体方式连通。其中形成第二纳米级开口的纳米通道125提供了供电解质/电流在中间阱115与反式阱116之间通过的流体/离子/电通路。反式电极134可以可操作地连接到电压供应器111。流动池170包括顺式阱114、反式阱116、多个中间阱和它们相应的纳米孔和纳米通道，所有这些都是流体连通的。中间阱115的特征宽度可以是约5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、150μm、200μm或它们之间的任何值。.中间阱115的特征深度可以是约5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、150μm、200μm或它们之间的任何值。顺式阱或反式阱的特征宽度可以是约10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1mm、5mm、10mm或它们之间的任何值。中间阱115的壁可以至少部分地由壁结构147、159和149限定。
在一些实施方案中，纳米通道125可以相对于晶圆水平地或至少部分地水平地形成在晶圆的表面上。在一些实施方案中，纳米通道在基板中不包括通孔。纳米通道125的宽度或直径可以是约5nm、10nm、15nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、150nm、200nm或它们之间的任何值。纳米通道125的宽度可以通过沉积层137来调节。纳米通道的宽度可以通过沉积层变窄约5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或它们之间的任何值。在一些实施方案中，纳米通道125可以具有弯曲、蜿蜒或曲折路径，以便实现更长的纳米通道路径长度，同时保持小的占有面积。纳米通道占有面积的特征尺寸(例如，占有面积的长度)可以是约5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm或它们之间的任何值。纳米通道的总路径长度可以是纳米通道占有面积的特征尺寸的约1.5、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50倍或它们之间的任何值。更长的纳米通道路径长度可以允许更大的纳米通道电阻。曲折路径可以是矩形波形状、正弦波形状、锯齿形状、Z字形形状、螺旋形状或它们的任何组合。曲折路径可以包括矩形波形、正弦波形状、锯齿形状、Z字形形状、螺旋形状或它们的任何组合作为其形状的一部分。
在一些实施方案中，纳米孔测序装置(诸如装置110)可以进一步包括相对布置在一些或全部纳米通道下方、上方、侧面和/或周围的电子器件或致动器，以主动地控制一些或全部纳米通道中的液体流动。在一些示例中，可以包括微型加热器(诸如图7A中示出的电阻加热器)、光学换能器、基于压力的换能器、电磁声换能器。又如，超声换能器可以用于在液体中产生压力脉冲以从纳米通道消除气泡或其他不想要的碎片。操纵液体流动的另外的方法可在Arango，Yulieth等″Electro-actuated valves and self-vented channelsenable programmable flow control and monitoring in capillary-drivenmicrofluidics.″Science Advances 6.16(2020)：eaay8305中找到，其公开内容以引用方式并入本文。
在一些实施方案中，纳米孔测序装置可以进一步包括电极，以通过纳米通道中的流体的电解来产生气泡以阻断液体流动。例如，在膜和/或纳米孔破裂和/或失效的情况下，可产生气泡以阻断非执行性测序单元格的离子电流流动，以便其他执行性顺式/反式单元格可以继续适当地执行。电极可产生跨纳米通道的电场和/或为电场内流体的电解提供电子源/汇。
在一些实施方案中，第一和第二电极可在纳米通道上方和/或下方。在一些实施方案中，第一和第二电极可在纳米通道的每一侧上。在一些实施方案中，第一电极可围绕通道的第一部分，并且第二电极可围绕通道的第二部分。在图1A所示的一个示例中，电极对1001和1002可以形成在纳米通道125下面。在图8所示的另一示例中，电极对1001和1002可以形成在纳米通道125的外部，在纳米通道125的入口和出口附近。图1B示出了用于产生水电解的另一示例。如该图所示，在一些实施方案中，气泡可在作为电极对中的一个电极的底部感测电极/FET上产生，并且顺式电极和/或反式电极或另一电极可用作另一电极对。
通过使电极处于不同电势而在第一和第二电极之间产生电场。例如，施加在第一电极上的电压可以在从+1伏特至+2伏特的范围内，并且施加在第二电极上的电压可以在从-1伏特至-2伏特的范围内，或者反之亦然。在一些实施方案中，电极中的一个电极可经偏压并且另一电极可接地。在一些实施方案中，电极中的一个电极可经偏压并且另一电极可为浮动的。在一些实施方案中，两个电极可经偏压但处于不同的电势。在一些实施方案中，用于产生水电解的电极可以不与电解质反应。例如，电极可以由铂、铱、钌、钯、钽、金、TiN或它们的任何组合形成。
如图1A中举例说明的，感测电极122可以布置在底部晶圆(或第一基板)157中并且可以暴露于中间阱115中的电解质。感测电极122可以用于检测中间阱中的电解质的电势，并且将检测到的信号发送到电压检测器电路或场效应晶体管。电压检测器电路或场效应晶体管可以在纳米孔测序装置110的外部，或者可以布置在底部晶圆157中。感测电极122可以由相对于电解质的耐腐蚀金属制成。感测电极122可以由铂、铱、钌、钯、钽、金、TiN或它们的任何组合制成。感测电极122处不会发生电化学反应。
纳米孔测序装置中的膜可以由任何合适的天然或合成材料形成。在一些实施方案中，膜可以由非渗透性或半渗透性材料形成。在图1A所示的示例中，膜124选自由脂质和脂质的仿生等效物组成的组。纳米孔测序装置中的纳米孔可以是本文所述的生物纳米孔、固态纳米孔、杂化纳米孔和合成纳米孔中的任一者。在一些实施方案中，纳米孔可以是由例如多核苷酸结构、多肽结构或固态结构(例如碳纳米管)限定的空洞，其设置在膜中。在一些实施方案中，膜可以是合成膜(例如，固态膜，该固态膜的一个示例是氮化硅)，并且纳米孔是延伸穿过膜的空洞。在示例中，纳米孔内径在约0.5nm至约3nm的范围内。在另一示例中，纳米孔内径在约1nm至约2nm的范围内。在又一示例中，纳米孔内径在约1nm至约3nm的范围内。针对上面给出的纳米孔的示例性范围旨在是纳米孔的最小直径。
例如，如图1A所示，可以将具有空洞的蛋白质118直接插入膜124中，或者可以在蛋白质周围形成膜。在示例中，蛋白质可以将自身插入形成的脂质双层膜中。例如，呈单体形式或聚合形式(例如，八聚体)的蛋白质可以将自身插入脂质双层中并且组装成跨膜孔。在另一示例中，可以将蛋白质以期望的浓度添加到脂质双层的接地侧，其中该纳米孔将自身插入脂质双层中。在又一示例中，脂质双层可以跨聚四氟乙烯(PTFE)膜或任何可光图案化的材料(例如，NIL树脂)、聚酰亚胺、硅或玻璃中的孔形成，该孔是化学稳定的并且不溶解于用于测序的化学品中，并且定位在顺式阱与中间阱之间。可以将蛋白质添加到顺式隔室中，并且可以将自身插入形成PTFE孔的区域处的脂质双层中。在又一示例中，蛋白质可以被拴系到固体支持物(例如，硅、氧化硅、石英、氧化铟锡、金、聚合物等)。拴系分子(其可以是蛋白质自身的一部分或可以附接到蛋白质)可以将蛋白质附接到固体支持物。经由拴系分子的附接可以使得单个蛋白质被固定(在顺式阱与中间阱之间)。然后可以围绕蛋白质形成脂质双层。
用于本文所公开的纳米孔测序装置的顺式电极至少部分地取决于电解质中的氧化还原对。作为示例，顺式电极可以是金(Au)、铂(Pt)、碳(C)(例如，石墨、金刚石等)、钯(Pd)、银(Ag)、铜(Cu)等。在示例中，顺式电极可以是银/氯化银(Ag/AgCl)电极。在一个示例中，顺式阱能够保持电解质与第一纳米级开口接触。在一些示例中，顺式阱可以与纳米孔阵列接触，并且因此能够保持电解质与阵列中的纳米孔中的每个纳米孔接触。
用于本文所公开的纳米孔测序装置的反式电极至少部分地取决于电解质中的氧化还原对。作为示例，反式电极可以是金(Au)、铂(Pt)、碳(C)(例如，石墨、金刚石等)、钯(Pd)、银(Ag)、铜(Cu)等。在示例中，反式电极可以是银/氯化银(Ag/AgCl)电极。
在一些示例中，在NaCl或KCl溶液中，Ag/AgCl电极在电极处的相关电化学半反应是：
顺式(阴极)：AgCl+e-→Ag0+Cl-；以及
反式(阳极)：Ag0+Cl-→AgCl+e-。
对于电流的每一单位电荷，在反式电极处消耗一个Cl原子。尽管以上讨论是针对在NaCl或KCl溶液中的Ag/AgCl电极，但应当理解，可用于传递电流的任何电极/电解质对均可适用。
在使用中，可以将电解质填充到顺式阱、中间阱和反式阱中。在替代示例中，顺式阱、中间阱和反式阱中的电解质可以是不同的。电解质可以是能够解离成抗衡离子(阳离子和其缔合阴离子)的任何电解质。作为示例，电解质可以是能够解离成钾阳离子(K+)或钠阳离子(Na+)的电解质。这种类型的电解质包括钾阳离子和缔合阴离子，或钠阳离子和缔合阴离子，或它们的组合。含钾电解质的示例包括氯化钾(KCl)、铁氰化钾(K3[Fe(CN)6]·3H2O或K4[Fe(CN)6]·3H2O)或其他含钾电解质(例如，碳酸氢盐(KHCO3)或磷酸盐(例如，KH2PO4、K2HPO4、K3PO4)。含钠电解质的示例包括氯化钠(NaCl)或其他含钠电解质，诸如碳酸氢钠(NaHCO3)、磷酸钠(例如，NaH2PO4、Na2HPO4或Na3PO4)。作为另一示例，电解质可以是能够解离成含钌阳离子的任何电解质(例如，钌六胺，诸如[Ru(NH3)6]2+或[Ru(NH3)6]3+)。可以使用能够解离成锂阳离子(Li+)、铷阳离子(Rb+)、镁阳离子(Mg+)或钙阳离子(Ca+)的电解质。
图2示出了本文所述的纳米孔测序装置的等效电路图210。为了使用纳米孔测序装置，将电解质引入顺式阱、反式阱和中间阱的每一者中。电压差V由电压供应器(在图1A中指示为特征111并且在图2中指示为特征211)施加在顺式电极(在图2中指示为节点230)与反式电极(在图2中指示为节点234)之间。在操作期间，施加的电压的范围可选自从约-0.1mV至约0.1mV以上、从约-0.5mV至约0.5mV以上、从约-1mV至约1mV以上、从约-1.5mV至约1.5mV以上、从约-2.0mV至约2.0mV以上、从约-3.0mV至约3.0mV以上、从约-5.0mV至约5.0mV以上、从约-0.1V至约0.1V以上、从约-0.5V至约0.5V以上、从约-1V至约1V以上、从约-1.5V至约1.5V以上、从约-2.0V至约2.0V以上、从约-3.0V至约3.0V以上或从约-5.0V至约5.0V以上。在一些情况下，可以施加电压极性，使得带负电的核酸被电泳驱动朝向反式电极。在一些情况下，可以施加电压极性，使得带正电荷的蛋白质被电泳驱动朝向反式电极。在一些情况下，可以降低电压或反转极性，以促进装置的适当功能。
在一些示例中，多核苷酸被驱动通过纳米孔。在纳米孔测序操作期间，跨顺式电极130和反式电极施加电压差V可以迫使核苷酸与携带电荷的阴离子一起易位通过纳米孔。取决于电压差的极性，核苷酸可以从顺式阱转运到中间阱，或从中间阱转运到顺式阱。当核苷酸通过纳米孔时，由于纳米孔收缩的核碱基依赖性阻塞，跨膜的电流可能会发生变化。
在替代示例中，多核苷酸不穿过纳米孔，但所标记的核苷酸通过作用于多核苷酸的聚合酶掺入。在某些实施方案中，单链多核苷酸、双链多核苷酸、掺入的核苷酸的标签或标记，或掺入的核苷酸的其他代表，以及它们的任何组合可以穿过纳米孔。在某些实施方案中，掺入的核苷酸的标签或标记可以从多核苷酸分离或解离，并且此类标签或标记可以在多核苷酸穿过或不穿过纳米孔的情况下穿过纳米孔。示例不限于多核苷酸如何与纳米孔连通以引起纳米孔测序装置中的信号生成。
例如，纳米孔(在图2中指示为电阻器223)的电阻Rp响应于纳米孔附近或纳米孔处的一个或多个核碱基的同一性而变化，同时多核苷酸的核苷酸通过纳米孔，或通过作用于多核苷酸的聚合酶掺入带标记的核苷酸，因此带标记的核苷酸的不同标记改变纳米孔的电阻。在一些示例中，当多核苷酸进入纳米孔的收缩部时，基于多核苷酸中的碱基的同一性来调节电阻Rp。在其他示例中，基于纳米孔收缩部中的标签的同一性来调节抗性Rp，同时通过作用于多核苷酸的聚合酶掺入相应的带标记的核苷酸。在一些示例中，纳米孔的电阻Rp作为纳米孔处或附近的核碱基的函数而变化，并且可以在约0.5至约5千兆欧姆(GΩ)的范围内。电阻Rp可以相对较大，并且作为纳米孔处或附近的不同多核苷酸碱基的函数可以变化30％-40％。在一些示例中，电阻Rp可以在约0.001％到约1％、约1％到约5％、约5％到约20％、约20％到约40％、约40％到约60％或60％到约100％之间变化。
在一些示例中，纳米通道具有固定的或基本上固定的电阻Rc(在图2中指示为电阻器225)。纳米通道的电阻Rc不受纳米孔处或附近的多核苷酸的核碱基调节。在一些示例中，纳米通道的电阻Rc可为约1至5千兆欧姆(GΩ)。
图2所示的等效电路210是分压器，其中点215的电势是中间阱中的电解质的电势。在某些实施方案中，纳米孔测序装置的等效电路满足以下等式：
点215处的电势VM由以下给出：
VM＝DV (1)
其中D是分压器比
并且V是顺-反偏压。
中间阱(在图2中指示为分压器点215)中的电解质的电势VM响应于纳米孔的电阻Rp的变化而变化。因此，当电阻Rp变化时测量分压器点215处的电势允许确定电阻Rp，并且这种信息可用于识别多核苷酸中的核碱基。在一些示例中，测量分压器点215处的电势可以通过将感测电极耦合到电压检测器来实现。在一些示例中，测量分压器点215处的电势可以通过将FET传感器耦合到中间阱来实现。在一个实施方案中，FET栅极被耦合到感测电极，使得分压器点215的电势充当FET栅极电势并且建立FET操作点。测量FET的响应的示例包括测量源极-漏极电流或测量源极和/或漏极处的电势。另外，可测量FET沟道的电阻以识别多核苷酸中的核碱基。
使用纳米孔测序装置的方法可以包括将电解质引入顺式阱、反式阱和中间阱中的每一者中。在引入电解质之后，方法可以包括将待测序的多核苷酸提供到顺式阱中。在提供多核苷酸之后，方法可以包括在顺式电极与反式电极之间施加偏压。在一些实施方案中，偏压可以将多核苷酸通过纳米孔从顺式阱驱动到中间阱。当多核苷酸通过纳米孔时，该纳米孔的电阻响应于该纳米孔处的多核苷酸中的核碱基的同一性而变化。在另选的实施方案中，多核苷酸不通过纳米孔，但是通过作用于多核苷酸的聚合酶掺入的核苷酸的标签或标记可以通过纳米孔或可以暂时驻留在纳米孔中。因此，纳米孔的电阻响应于被掺入的核苷酸的同一性而变化，该同一性与多核苷酸中的碱基的同一性互补。结果，中间阱中的电解质的电势(VM)随多核苷酸中的碱基的同一性而变化。可以从感测电极测量电势(VM)。电势(VM)可以是施加到FET的栅极电压，其调节FET沟道的电导率。因此，FET的响应的测量值可以确定多核苷酸中的碱基的身份。
在纳米孔测序装置的一些实施方案中，一个或多个反式阱通过多个中间阱和相应的纳米孔和纳米通道以流体方式连接到一个或多个顺式阱。在各种实施方案中，一个或多个反式阱可以或可以不相互连接。在各种实施方案中，一个或多个顺式阱可以或可以不相互连接。一个或多个反式阱中的每个反式阱可以与相应的反式电极相关联。在各种实施方案中，反式电极可以或可以不可操作地彼此连接。一个或多个顺式阱中的每个顺式阱可以与相应的顺式电极相关联。在各种实施方案中，顺式电极可以或可以不可操作地彼此连接。在一些实施方案中，至少一组反式阱是相互连接的，至少一组顺式阱是相互连接的，至少一组反式电极是可操作地相互连接的，至少一组顺式电极是可操作地相互连接的，或它们的任何组合。
在其中多个测序单元格在芯片上形成阵列的实施方案中，阵列中的多个测序单元格中的每个测序单元格可以共享公共顺式电极和公共反式电极。在另一示例中，多个测序单元格中的每个测序单元格共享公共顺式电极，但具有不同的反式电极。在又一示例中，多个测序单元格中的每个测序单元格具有不同的顺式电极和不同的反式电极。在又一示例中，多个测序单元格中的每个测序单元格具有不同的顺式电极并且共享公共反式电极。在一些实施方案中，阵列中的至少一组测序单元格可以共享公共顺式电极和公共反式电极。在一些实施方案中，至少一组测序单元格共享公共顺式电极，但该组的每个成员具有不同的反式电极。在一些实施方案中，至少一组测序单元格共享公共反式电极，但该组的每个成员具有不同的顺式电极。
图3A是图1A的纳米孔测序装置的横截面顶视图，示出了测序单元格的阵列300A。直纳米通道阵列将中间阱阵列连接到反式阱。例如，顺式阱314A连接到测序单元格，该测序单元格包括具有设置在其中的纳米孔(未示出)的膜324A、中间阱315A和直纳米通道325A。中间阱315A的底部处的感测电极322A可以用于检测该测序单元格的中间阱中的电解质的电势。测序单元格然后连接到反式阱316A。直纳米通道325A的有效宽度通过沉积层337A变窄。在图3A中还示出了分离各个测序单元格的壁结构359A。
图3B是具有另选的纳米通道结构的图1A的纳米孔测序装置的横截面顶视图。图3B示出了测序单元格的阵列300B，其中弯曲/蜿蜒/曲折纳米通道的阵列将中间阱的阵列连接到反式阱。例如，顺式阱314B连接到测序单元格，该测序单元格包括具有设置在其中的纳米孔(未示出)的膜324B、中间阱315B和弯曲纳米通道325B。中间阱315B的底部处的感测电极322B可以用于检测该测序单元格的中间阱中的电解质的电势。测序单元格然后连接到反式阱316B。弯曲纳米通道325B的有效宽度通过沉积层337B变窄。在图3B中还示出了分离各个测序单元格的壁结构359B。在图3B所示的示例中，弯曲纳米通道325B具有矩形波形状。另选地，弯曲纳米通道325B可以具有正弦波形状、锯齿形状、Z字形形状、螺旋形状或它们的任何组合。
图4是包括图1A的纳米孔测序装置和允许与顺式/反式肼流体和电接触的入口/出口孔的示例性测序系统400的横截面顶视图。例如，顺式阱414连接到测序单元格阵列。测序单元格包括膜(示例是标记为424的特征)、中间阱(示例是标记为415的特征)和纳米通道(示例是标记为425的特征)。膜包括设置在其中的纳米孔(但未示出)。中间阱415的底部处的感测电极(示例是标记为422的特征)可以用于检测该中间阱中的电解质的电势。测序单元格连接到反式阱416。纳米通道的有效宽度通过沉积层变窄(示例是标记为437的特征)。在图4中还示出了分离各个测序单元格的壁结构459。为了允许流体或电接触以及与外部流体固定装置的材料交换，顺式阱414与顺式入口/出口494连接，并且反式阱416与顺式反式/出口496连接。
图8是包括图1A的纳米孔测序装置和允许与顺式阱866和/或反式阱867流体和电接触的入口/出口孔的另一示例性测序系统800的横截面顶视图。在一些实施方案中，阵列包括单个共享或公共顺式阱814。在一些实施方案中，阵列包括共享或公共反式阱816。测序单元格包括膜(示例是标记为824的特征)、中间阱(示例是标记为815的特征)和纳米通道(示例是标记为825的特征)。在一些实施方案中，纳米通道在基板中不包括通孔。膜包括设置在其中的纳米孔(但未示出)。中间阱815的底部处的感测电极(示例是标记为822的特征)可以用于检测该中间阱中的电解质的电势。测序单元格连接到反式阱816。为了允许流体或电接触以及与外部流体固定装置的材料交换，顺式阱814与顺式入口/出口866连接，并且反式阱816与反式入口/出口867连接。
在一些实施方案中，纳米孔测序装置可以具有在中间阱之上的顺式阱或顺式通道位置。图9A示出了示例性纳米孔测序装置的横截面侧视图，其中顺式阱在装置的顶部上作为流体固定装置的一部分并且未整合到装置中。如图9A、9B和9C中所示，在实施方案900中，顺式阱914定位成以便膜924水平平行于水平纳米通道925形成。在一些实施方案中，纳米通道在基板中不包括通孔。例如，在一些实施方案中，纳米通道925被蚀刻到基板中。在一些实施方案中，基板包括半导体晶圆。
在一些实施方案中，反式阱可以形成在第一基板的介电层中，从而产生相对于中间阱垂直定位的反式阱。图10示出了具有通过相应的纳米通道1025与两个中间阱1015以流体方式连接的公共反式阱1016的示例性纳米孔测序装置的横截面侧视图。反式阱1016形成于基板中，并且因此在基板表面下方。中间阱1015形成于图案化层中并且因此在基板上方。纳米通道1025形成在基板表面上，并且其在基板中不含有通孔。在一些实施方案中，与图1A所示的实施方案类似，顺式阱(未示出)可以与中间阱1015并列并且紧邻其。在其他实施方案中，类似于图9A中所示的实施方案，顺式阱可以定位在中间阱1016上方。
在具有纳米孔测序装置阵列的芯片中，可以存在一个公共顺式阱和一个公共反式阱，该顺式阱和该反式阱与芯片中的阵列内的纳米孔测序单元格的一部分或全部连通。然而，应当理解，纳米孔装置阵列还可以包括彼此以流体方式隔离并且以流体方式连接到相应的一个或多个反式阱的若干顺式阱，该一个或多个反式阱彼此以流体方式隔离。可能需要多个顺式阱，例如，以便能够测量单个芯片上的多个样品。在一些实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的芯片包括一个公共顺式电极、一个公共反式电极、一个公共顺式阱、一个公共反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可分别测量多核苷酸的单个分子。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的芯片包括一个公共顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的芯片包括多个顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。
附加实施方案
图6示出了可经由水电解产生气泡的又一示例性纳米孔测序装置。示出的是并列地布置并且共享同一反式阱616的两个测序单元格的例证。纳米孔测序装置的流动池布置在第一基板与第二基板之间。流动池可以填充有电解质。
在第二基板上方，纳米孔测序装置的顶部部分可以连接到外部流体固定装置。顺式阱614连接到纳米孔623，其中形成第一纳米级开口。在一些实施方案中，纳米孔623可以形成于设置在膜624中的蛋白质618中。在一些实施方案中，膜624可以相对于第一和第二基板垂直地布置在顺式阱614的一侧上。纳米孔623提供了供电解质在顺式阱614与中间阱615之间通过的流体通路。纳米孔623通过中间阱615与纳米通道625以流体方式连通。其中形成第二纳米级开口的纳米通道625提供了供电解质/电流在中间阱615与反式阱616之间通过的流体/离子/电通路。反式电极可以可操作地连接到电压供应器。流动池包括顺式阱614、反式阱616、多个中间阱615和它们相应的纳米孔623和纳米通道625，所有这些都是流体连通的。
中间阱615的壁可以至少部分地由壁结构659限定。在一些实施方案中，装置可以进一步包括电极，以通过纳米通道中的流体的电解来产生气泡662以阻断液体流动。例如，在膜和/或纳米孔破裂和/或失效的情况下，可产生气泡以阻断非执行性测序单元格的离子电流流动，以便其他执行性顺式/反式单元格可以继续适当地执行。
感测电极622可以布置在第一基板中并且可以暴露于中间阱615中的电解质。感测电极622可以用于检测中间阱中的电解质的电势，并且将检测到的信号发送到电压检测器电路或场效应晶体管。在一些实施方案中，底部感测电极/FET 622用作电极对中的一个电极，并且金属化的水平纳米通道625用作用于电解的另一个电极。可以添加两个开关：(1)添加第一开关以在感测模式中启用底部电极/FET以及(2)添加第二开关以在电解模式中启用底部电极加水平通道电极。
图7A是示例性纳米孔测序装置700的横截面侧视图。纳米孔测序装置700具有与图6所示的实施方案相同的结构，除了气泡产生元件是微加热器或电阻加热器764。在图7A中，加热元件764在纳米通道下面。加热元件可以在纳米通道725内产生气泡762。
图7B是另一示例性纳米孔测序装置700的顶视图。纳米孔测序装置700具有与图6所示的实施方案相同的结构，除了两个电解电极770位于纳米通道725的开口附近。电极可在纳米通道内产生气泡。
制造纳米孔测序装置的示例性工艺
本公开的一些方面涉及制造纳米孔测序装置的方法。在一些实施方案中，方法包括：提供第一基板，该第一基板包括介电层和在该第一基板的表面上的至少一个感测电极；在该第一基板的表面上形成至少一个纳米通道；在该至少一个纳米通道中沉积牺牲填料层；在该牺牲填料层上沉积封盖层；使该封盖层图案化以暴露该至少一个感测电极和通向该至少一个纳米通道的开口；以及移除该牺牲填料层，从而打开该至少一个纳米通道。在一些实施方案中，制造纳米孔测序装置的方法包括：提供第一基板，该第一基板包括介电层和在该第一基板的表面上的至少一个感测电极；在该介电层中形成反式阱；以及在该第一基板的表面上在该反式阱与该至少一个感测电极之间形成至少一个纳米通道。在一些实施方案中，纳米通道在基板中不包括通孔。
图5A至图5L示出了制造如本文所公开的纳米孔测序装置的示例性制造工艺流程。
在图5A所示的工艺步骤中，提供包括介电层和至少一个感测电极的第一基板。第一基板包括由用集成电路制造的Si基板形成的CMOS晶圆557，例如由Ru或TiN形成的感测电极522。感测电极522可以连接到电压检测器电路、FET传感器或放大器5221。在该步骤中还可以提供用于电解的电极5001或5002中的至少一个电极。在另选的实施方案中，诸如超薄玻璃、金属箔和塑料(聚合物)膜的柔性基板可以用于底部晶圆，该底部晶圆可以用由有机或碳基晶体管制成的柔性电子器件来制造。
在图5B所示的工艺步骤中，纳米通道525的路径的限定和形成可以通过光刻和蚀刻技术来执行。
在图5C所示的任选的工艺步骤中，纳米通道宽度的减小可以通过经由保形氧化物/氮化物层沉积形成沉积层537来实现。
在图5D所示的工艺步骤中，可以执行牺牲填料层5001的沉积以用牺牲材料填充纳米通道。牺牲层5001可以由Ti或Al形成。
在图5E所示的工艺步骤中，可以通过抛光来执行牺牲层的平坦化。暴露感测电极522，同时用牺牲材料填充纳米通道路径。图5F示出了具有沉积的牺牲材料和暴露的感测电极522的纳米通道的横截面顶视图。
在图5G所示的工艺步骤中，通过沉积可由氧化物/氮化物形成的封盖层547来执行晶圆表面的钝化。封盖层547的一部分可以提供图1A中的壁结构147的基础。在一些实施方案中，钝化还可以为纳米通道提供亲水性顶盖。
在图5H所示的工艺步骤中，封盖层547经图案化以将感测电极和纳米通道的开口暴露于中间阱和反式阱(仍待形成)。纳米通道现在形成有封盖层，该封盖层封闭纳米通道路径的顶部并且具有在纳米通道路径的每一端上形成的两个开口。该步骤可以通过光刻和蚀刻技术来执行。
图5G和5H所示的工艺步骤可以是可选的。如果在纳米通道路径中沉积牺牲材料后不沉积封盖层，则在图5K所示的工艺步骤之后执行图5I所示的工艺步骤移除牺牲材料。
在图5I所示的工艺步骤中，可以通过湿法蚀刻技术实现纳米通道中牺牲材料的移除。一旦牺牲材料被移除，纳米通道被打开并且将允许在随后的步骤中形成中间阱与反式阱之间的流体连通。
在图5J所示的工艺步骤中，在晶圆表面上沉积厚的图案化材料层559。图案化材料层559的一部分可以提供图1A中的壁结构159。图案化材料层559可以由SU-8光刻胶或纳米压印光刻(NIL)树脂、聚酰亚胺、任何种类的可光图案化的厚的(旋涂或层压)抗蚀剂(诸如TMMF、TMMR)、硅酮(诸如PDMS)、热塑性塑料(诸如PMMA、COC、PC(聚碳酸酯))或任何合适的电介质材料形成。
在图5K所示的工艺步骤中，通过光刻或纳米压印光刻方法对图案化材料层进行图案化和蚀刻可以形成第一图案化层，该第一图案化层部分地限定了中间阱和反式阱，诸如分别为515和516。在一些实施方案中，第一图案化层还可以部分地限定顺式壁，诸如514。在一些实施方案中，反式阱包括公共反式阱。
在图5L所示的工艺步骤中，提供互补的第二基板。第二基板包括顶部晶圆567和SU-8或NIL树脂的第二图案化层。顶部晶圆567可以进一步包括流体入口/出口孔，以及由例如可光固化树脂(诸如SU-8或苯并环丁烯(BCB))或其他合适的聚合物、旋涂玻璃、抗蚀剂和聚酰亚胺、PDMS、SiO2表面的熔融粘合或共价键合、COC、甲基丙烯酸粘合剂形成的图案化粘合剂层549(参见US20200009556A1，其通过引用并入本文)。图案化粘合剂层549可以提供图1A中的壁结构149。底部晶圆的第一图案化层与顶部晶圆的第二图案化层对齐，并且经由粘合剂层549执行第一图案化层与第二图案化层的晶圆键合。在晶圆键合之后，在底部晶圆与顶部晶圆之间形成顺式、中间和反式阱。
在图5M所示的工艺步骤中，膜524可以引入到顺式阱与中间阱之间并且可以垂直地布置。该膜具有设置在其中的纳米孔，以提供顺式阱与中间阱之间的流体连通。在一些实施方案中，蛋白质(诸如MspA)可以沉积到脂质膜中以形成穿过膜的纳米孔。
在一些实施方案中，可能不需要图5L中所示的工艺步骤。例如，对于其中顺式阱在图9A中所示的中间阱之上的实施方案，在一些情况下可以不需要第二基板。在一些实施方案中，膜924可以水平地沉积在中间阱915之上，将中间阱915和顺式阱914分离。
在一些实施方案中，如图10所示的纳米孔测序装置可以通过以下步骤制造。类似于上述方法，提供在表面上包括介电层和至少一个感测电极1022的第一基板。这些实施方案中的第一基板可以具有较厚的介电层。通过图案化并且蚀刻到第一基板的介电层中来形成反式阱1016。因此，反式阱在第一基板的表面下方。
接下来，在第一基板的表面上在反式阱1016与感测电极1025之间形成纳米通道1025，这将提供反式阱1016与中间阱1015之间的流体连通，中间阱将在稍后的步骤中形成。然后将图案化材料层设置在第一基板上。例如，图案化材料层可以是层压在基板上的干膜光刻胶。干膜光刻胶可以是任何合适的光刻胶材料，包括但不限于TMMF和SU8。图案化材料层随后经图案化以形成图案化层，该图案化层包括如上所述定位在感测电极1022上方的中间阱1015。
在一些实施方案中，顺式阱可以形成在图案化层中，从而导致顺式阱和中间阱并列地定位的实施方案。在一些实施方案中，顺式阱可以类似于图9A中所示的实施方案定位在中间阱之上。
附加说明
应当理解，前述概念和下文更详细讨论的附加概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分。具体地讲，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分。还应当理解，本文明确采用的也可出现在以引用方式并入的任何公开中的术语应被赋予与本文所公开的特定概念最一致的含义。
本说明书通篇提及的″一个示例″、″另一个示例″、″一种示例″等意指结合该示例描述的特定元素(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文所述的至少一个示例中，并且可存在于或不存在于其他示例中。此外，应当理解，用于任何示例的所述元素可以任何合适的方式组合在各种示例中，除非上下文另有明确说明。
应当理解，本文提供的范围包括规定范围和规定范围内的任何值或子范围，如同此类值或子范围被明确列举一样。例如，约2nm到约20nm的范围应被解释为不仅包括明确列举的约2nm到约20nm的限值，而且还包括单个值，诸如约3.5nm、约8nm、约18.2nm等，以及子范围，诸如约5nm到约10nm等。此外，当使用″约″和/或″基本上″来描述值时，这意味着包括所陈述值的微小变化(至多+/-10％)。
虽然已经详细描述了若干示例，但是应当理解，可以对所公开的示例进行修改。因此，上述说明应被认为是非限制性的。
尽管已经描述了某些示例，但是这些示例仅作为示例而呈现，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，本文描述的新颖方法和系统可以各种其他形式来体现。而且，在不脱离本公开的精神的情况下，可以在本文中描述的系统和方法中进行各种省略、替换和改变。所附权利要求书及其等同形式旨在涵盖将落入本公开的范围和实质内的此类形式或修改。
结合特定方面或示例描述的特征、材料、特性或组应理解为可适用于在本部分或本说明书中其他地方描述的任何其他方面或示例，除非与之不相容。本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤都可以任何组合方式进行组合，而其中此类特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤相互排斥的组合除外。保护不限于任何前述示例的细节。保护延伸到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖特征或其任何新颖组合，或者延伸到如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖步骤或其任何新颖组合。
而且，在本公开中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以组合形式在单个实施方式中实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施方式中实施。此外，尽管特征可在上文中描述为以某些组合起作用，但在一些情况下，可从组合中删除来自要求保护的组合的一个或多个特征，并且可以要求保护该组合作为子组合或子组合的变型。
此外，虽然可以以特定顺序在附图中描绘或在说明书中描述操作，但不需以所示的特定顺序或按顺序执行此类操作或执行所有操作以实现期望的结果。未描绘或描述的其他操作可以并入示例方法和过程中。例如，可以在任何所描述的操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个附加操作。此外，这些操作可以在其他实施方式中重新排列或重新排序。本领域技术人员将理解，在一些示例中，在所示和/或公开的过程中采取的实际步骤可以不同于图中所示的实际步骤。取决于示例，可以去除上述某些步骤，或者可以添加其他步骤。此外，上文公开的具体示例的特征和属性可以以不同方式组合以形成额外示例，所有这些都落入本公开的范围内。而且，上文所描述的实施方式中各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要此类分离，并且应当理解，所描述的部件和系统通常可一起集成在单个产品中或打包到多个产品中。例如，本文所描述的能量存储系统的部件中的任何部件都可以单独提供，或者集成在一起(例如，打包在一起或附接在一起)以形成能量存储系统。
出于本公开的目的，本文描述了某些方面、优点和新颖特征。不一定所有这些优点都可以根据任何特定示例来实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本公开可以实现本文所教导的一个优点或一组优点而不一定实现本文可教导或建议的其他优点的方式来实施或执行。
除非另外具体陈述或以其他方式在所使用的上下文内理解，否则如″可能(can/could)″、或″可以(might/may)″的条件性语言通常旨在传达某些示例包括而其他示例不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件性语言通常并不意味着一个或多个示例以任何方式需要特征、元件和/或步骤，或者一个或多个示例必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下做出决定的逻辑，不管特征、元件和/或步骤是否包括在特定示例中或将要在任何特定示例中执行。
除非另有特别说明，否则诸如短语″X、Y和Z中的至少一者″的连接语言在上下文中通常被理解为用于传达项目、术语等可以是X、Y或Z。因此，这种连接语言通常不旨在暗示某些示例需要存在X中的至少一者、Y中的至少一者和Z中的至少一者。
本文使用的程度语言，诸如术语″大约″、″约″、″一般″和″基本上″表示接近仍执行预期功能或实现预期结果的陈述值、量或特性的值、量或特性。
本公开的范围不旨在受本章节中或本说明书中其他地方的优选示例的具体公开内容的限制，并且可以由本章节中或本说明书中其他地方呈现的或将来呈现的权利要求限定。权利要求的语言应基于权利要求中采用的语言而广泛地解释，并且不限于本说明书中或在申请的审查期间描述的示例，这些示例应被理解为非排他性的。

Claims (68)

1.一种纳米孔测序装置，包括：
基板，所述基板包括介电层和在所述介电层的表面上的至少一个感测电极；
与顺式电极相关联的顺式阱；
与反式电极相关联的反式阱；
与所述感测电极相关联并且定位在所述基板上的中间阱，其中所述中间阱定位在所述基板上并且与所述顺式阱和所述反式阱流体连通；
纳米孔，所述纳米孔以流体方式连接所述顺式阱和所述中间阱；以及
纳米通道，所述纳米通道以流体方式连接所述中间阱和所述反式阱，其中所述纳米通道形成在所述基板的所述表面上。
2.根据权利要求1所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米通道在所述基板中不包括通孔。
3.根据权利要求1或2所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米孔定位在分离所述顺式阱和所述中间阱的膜中并且穿过所述膜。
4.根据权利要求3所述的纳米孔测序装置，其中所述膜由脂质、硅、石墨烯、固态材料、合成材料、脂质的仿生等同物或它们的任何组合形成。
5.根据权利要求3或4所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米孔是设置于所述膜中的结构中的空洞，所述结构由一种或多种多核苷酸、一种或多种多肽、一种或多种类型的生物聚合物、一种或多种碳纳米管、一种或多种类型的固态材料或它们的任何组合形成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米孔包括生物衍生的材料。
7.根据权利要求6所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米孔包括孔蛋白。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米孔包括非生物衍生的材料。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的纳米孔测序装置，其中至少所述顺式阱或所述反式阱与所述中间阱水平并列地定位。
10.根据权利要求9所述的纳米孔测序装置，其中所述顺式阱和所述反式阱均与所述中间阱水平并列地定位。
11.根据权利要求9所述的纳米孔测序装置，其中所述顺式阱与所述中间阱水平并列地定位，并且所述反式阱与所述中间阱垂直相邻地定位。
12.根据权利要求9所述的纳米孔测序装置，其中所述反式阱与所述中间阱水平并列地定位，并且所述顺式阱与所述中间阱垂直相邻地定位。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述中间阱具有约5μm至约200μm的特征宽度。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述中间阱具有约5μm至约200μm的特征深度。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述顺式阱具有约10μm至约10mm的特征宽度。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述反式阱具有约10μm至约10mm的特征宽度。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米通道具有曲折路径。
18.根据权利要求17所述的纳米孔测序装置，其中所述曲折路径包括矩形波形状、正弦波形状、锯齿形状、Z字形形状、螺旋形状或它们的任何组合。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米通道具有被选择以实现期望的流体、离子和/或电阻的路径长度。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米通道为约5nm至约200nm宽。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述纳米通道具有长度为约5μm与约500μm之间的占有面积。
22.根据权利要求21的纳米孔测序装置，其中所述纳米通道的所述路径长度是所述纳米通道占有面积的所述长度的约1.5至约50倍。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的纳米孔测序装置，进一步包括至少一个气泡发生器、至少一个压力脉冲发生器或它们的任何组合，以控制第二纳米级开口中的至少一者中的液体流动。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的纳米孔测序装置，进一步包括：
多个中间阱，其中每个中间阱与相应的感测电极相关联；
每个中间阱通过相应的纳米孔与所述顺式阱流体连通；以及
每个中间阱通过相应的纳米通道与所述反式阱流体连通，其中所述相应的纳米通道定向成平行于所述基板表面。
25.根据权利要求24所述的纳米孔测序装置，其中所述相应的纳米孔定位在分离所述中间阱中的每个中间阱和所述顺式阱的相应的膜中并且穿过所述相应的膜。
26.根据权利要求24或25所述的纳米孔测序装置，其中所述反式阱是通过相应的纳米通道与所述多个中间阱流体连通的公共反式通道。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述顺式阱是通过相应的纳米孔与所述多个中间阱流体连通的公共顺式通道。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述中间阱以有序阵列排列。
29.根据权利要求24至28中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述装置包括至少1,000,000个中间阱。
30.根据权利要求24至29中任一项所述的纳米孔测序装置，其中所述装置进一步包括气泡发生器，所述气泡发生器配置为产生气泡以调节或阻断所述相应的纳米通道中的电流、离子和/或流体的流动。
31.根据权利要求30所述的纳米孔测序装置，其中所述气泡发生器包括配置为经由电解来产生所述气泡的所述相应的感测电极。
32.根据权利要求30所述的纳米孔测序装置，其中所述气泡发生器包括在所述纳米通道的底部上的电极，所述电极配置为经由电解或电极润湿来产生所述气泡。
33.根据权利要求30所述的纳米孔测序装置，其中所述气泡发生器包括在所述纳米通道下面的电阻加热器，所述电阻加热器配置为产生所述气泡。
34.根据权利要求30至33中任一项所述的纳米孔测序装置，进一步包括气泡消除器。
35.根据权利要求34所述的纳米孔测序装置，其中所述气泡消除器包括致动器或压电元件。
36.一种制造纳米孔测序装置的方法，包括：
提供第一基板，所述第一基板包括介电层和在所述第一基板的表面上的至少一个感测电极；
在所述第一基板的所述表面上形成至少一个纳米通道；以及在所述基板之上形成第一图案化层，其中所述第一图案化层包括与所述至少一个纳米通道相邻的反式阱和在所述感测电极上方的至少一个中间阱。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述至少一个纳米通道沿着所述第一基板的所述表面形成，而不在所述基板中形成通孔。
38.根据权利要求36或37所述的方法，其中形成至少一个纳米通道包括将所述纳米通道蚀刻到所述第一基板的所述表面中。
39.根据权利要求36或37所述的方法，其中形成至少一个纳米通道包括在所述第一基板的所述表面上形成图案化纳米通道结构。
40.根据权利要求36至39中任一项所述的方法，其中形成第一图案化层包括在所述基板之上沉积图案化材料层，并且使所述图案化材料层图案化以暴露所述至少一个感测电极和通向所述至少一个纳米通道的开口。
41.根据权利要求36至40中任一项所述的方法，进一步包括在所述至少一个纳米通道中形成氧化物或氮化物层，从而减小所述纳米通道的宽度。
42.根据权利要求36至41中任一项所述的方法，进一步包括：
在形成所述第一图案化层之前，在所述第一基板之上沉积封盖层；以及
使所述封盖层图案化以暴露所述至少一个感测电极和通向所述至少一个纳米通道的开口。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述反式阱和所述中间阱并列地定位在所述第一基板上。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述第一图案化层进一步包括与所述至少一个中间阱紧挨着并且并列地定位的顺式阱。
45.根据权利要求44所述的方法，进一步包括：
提供具有附着的第二图案化层的第二基板；以及
将所述第二图案化层与所述第一图案化层结合，从而进一步限定所述第一基板与所述第二基板之间的所述顺式阱、所述中间阱和所述反式阱。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述第二基板进一步包括流体入口和/或出口孔。
47.根据权利要求36至46中任一项所述的方法，进一步包括在所述顺式阱与中间阱之间引入膜。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述顺式阱与中间阱之间的所述膜是脂质膜。
49.根据权利要求47或48所述的方法，进一步包括将蛋白质沉积到所述顺式阱与中间阱之间的所述膜中，从而形成穿过所述膜的纳米孔。
50.一种制造纳米孔测序装置的方法，包括：
提供第一基板，所述第一基板包括介电层和在所述第一基板的表面上的至少一个感测电极；
在所述介电层中形成反式阱；以及
在所述第一基板的所述表面上在所述反式阱与所述至少一个感测电极之间形成至少一个纳米通道。
51.根据权利要求50所述的方法，进一步包括：
在所述基板之上沉积图案化材料层；以及
使所述图案化材料层图案化以形成图案化层，所述图案化层包括在所述至少一个感测电极上方的至少一个中间阱，
其中所述至少一个中间阱通过所述至少一个纳米通道与所述反式阱流体连通。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述图案化材料层包括干膜光刻胶。
53.根据权利要求51或52所述的方法，其中所述反式阱是通过多个纳米通道与多个中间阱流体连通的公共反式阱。
54.根据权利要求51所述的方法，其中所述第一图案化层进一步包括与所述至少一个中间阱紧挨着并且并列地定位的顺式阱。
55.一种制造纳米孔测序装置的方法，包括：
提供第一基板，所述第一基板包括介电层和在所述第一基板的表面上的至少一个感测电极；
在所述第一基板的所述表面上形成至少一个纳米通道；
将牺牲材料沉积到所述至少一个纳米通道中；
在所述基板之上形成第一图案化层，其中所述第一图案化层包括与所述至少一个纳米通道相邻的反式阱和在所述感测电极上方的至少一个中间阱；以及
移除所述牺牲材料，从而打开所述至少一个纳米通道。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述至少一个纳米通道沿着所述第一基板的所述表面形成，而不在所述基板中形成通孔。
57.根据权利要求55或56所述的方法，其中形成至少一个纳米通道包括将所述纳米通道蚀刻到所述第一基板的所述表面中。
58.根据权利要求55或56所述的方法，其中形成至少一个纳米通道包括在所述第一基板的所述表面上形成图案化纳米通道结构。
59.根据权利要求55至58中任一项所述的方法，其中形成第一图案化层包括在所述基板之上沉积图案化材料层，并且使所述图案化材料层图案化以暴露所述至少一个感测电极和通向所述至少一个纳米通道的开口。
60.根据权利要求55至59中任一项所述的方法，进一步包括在所述至少一个纳米通道中形成氧化物或氮化物层，从而减小所述纳米通道的宽度。
61.根据权利要求55至60中任一项所述的方法，进一步包括：
在形成所述第一图案化层之前，在所述第一基板之上沉积封盖层；以及
使所述封盖层图案化以暴露所述至少一个感测电极和通向所述至少一个纳米通道的开口。
62.根据权利要求61所述的方法，其中所述反式阱和所述中间阱并列地定位在所述第一基板上。
63.根据权利要求62所述的方法，其中所述第一图案化层进一步包括与所述至少一个中间阱紧挨着并且并列地定位的顺式阱。
64.根据权利要求63所述的方法，进一步包括：
提供具有附着的第二图案化层的第二基板；以及
将所述第二图案化层与所述第一图案化层结合，从而进一步限定所述第一基板与所述第二基板之间的所述顺式阱、所述中间阱和所述反式阱。
65.根据权利要求64所述的方法，其中所述第二基板进一步包括流体入口和/或出口孔。
66.根据权利要求55至65中任一项所述的方法，进一步包括在所述顺式阱与中间阱之间引入膜。
67.根据权利要求66所述的方法，其中所述顺式阱与中间阱之间的所述膜是脂质膜。
68.根据权利要求66或67所述的方法，进一步包括将蛋白质沉积到所述顺式阱与中间阱之间的所述膜中，从而形成穿过所述膜的纳米孔。
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Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69126530T2 (de) 1990-07-27 1998-02-05 Isis Pharmaceutical, Inc., Carlsbad, Calif. Nuklease resistente, pyrimidin modifizierte oligonukleotide, die die gen-expression detektieren und modulieren
US5432272A (en) 1990-10-09 1995-07-11 Benner; Steven A. Method for incorporating into a DNA or RNA oligonucleotide using nucleotides bearing heterocyclic bases
JP3739785B2 (ja) 1991-11-26 2006-01-25 アイシス ファーマシューティカルズ，インコーポレイティド 修飾されたピリミジンを含有するオリゴマーを使用する増強された三重らせんおよび二重らせんの成形
EP0691980B1 (en) 1993-03-30 1997-06-04 Sanofi 7-deazapurine modified oligonucleotides
EP0695306A1 (en) 1993-04-19 1996-02-07 Gilead Sciences, Inc. Enhanced triple-helix and double-helix formation with oligomers containing modified purines
US6150510A (en) 1995-11-06 2000-11-21 Aventis Pharma Deutschland Gmbh Modified oligonucleotides, their preparation and their use
WO1998023733A2 (en) 1996-11-27 1998-06-04 University Of Washington Thermostable polymerases having altered fidelity
US6329178B1 (en) 2000-01-14 2001-12-11 University Of Washington DNA polymerase mutant having one or more mutations in the active site
US20070048748A1 (en) 2004-09-24 2007-03-01 Li-Cor, Inc. Mutant polymerases for sequencing and genotyping
US20070178507A1 (en) * 2006-01-31 2007-08-02 Wei Wu Method and apparatus for detection of molecules using nanopores
US9034637B2 (en) * 2007-04-25 2015-05-19 Nxp, B.V. Apparatus and method for molecule detection using nanopores
DE102014207183A1 (de) * 2014-04-15 2015-10-15 Siemens Aktiengesellschaft Sequenziervorrichtung zum elektronischen Einzelmolekül-Sequenzieren eines biologischen Makromoleküls
AU2019222673B2 (en) * 2018-02-16 2022-01-20 Illumina, Inc. Device for sequencing
NL2021377B1 (en) 2018-07-03 2020-01-08 Illumina Inc Interposer with first and second adhesive layers
CN115867797A (zh) * 2020-07-02 2023-03-28 伊鲁米纳公司 具有场效应晶体管的装置

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