DE112011103031T5 - Elektronische und fluidische Schnittstelle - Google Patents

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Abstract

Es wird eine elektronische fluidische Schnittstelle zur Verwendung mit einem elektronischen Abtastchip bereitgestellt. Die elektronische fluidische Schnittstelle stellt fluidische Reagenzien für die Fläche eines Sensorchips bereit. Im elektronischen Abtastchip ist typischerweise ein Feld von elektronischen Sensoren untergebracht, die in der Lage sind, auf parallele Art und Weise Daten zu erfassen. Die elektronische fluidische Schnittstelle wird zum Beispiel als Teil eines Systems verwendet, das den Chip antreibt und Daten vom Chip als Teil eines Systems zum Testen von Chips nach ihrer Herstellung erfasst, speichert, analysiert und anzeigt. Die elektronische fluidische Schnittstelle ist zum Beispiel in Nukleinsäuresequenzierungsanwendungen nützlich.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung ist verwandt mit der US-Patentanmeldung 11/226,696 mit dem Titel „Sensor Arrays and Nucleic Acid Sequencing Applications”, die am 13. September 2005 eingereicht wurde, die gegenwärtig anhängig ist, die eine Teilfortführungsanmeldung ist, die den Vorteil der US-Patentanmeldung 11/073,160 mit dem Titel „Sensor Arrays and Nucleic Acid Sequencing Applications” beansprucht, die am 4. März 2005 eingereicht wurde, und auch mit der US-Patentanmeldung 11/967,600 mit dem Titel „Electronic Sensing for Nucleic Acid Sequencing”, die am 31. Dezember 2007 eingereicht wurde und gegenwärtig anhängig ist, und der US-Patentanmeldung 12/823,995 mit dem Titel „Nucleotides and Oligonucleotides for Nucleic Acid Sequencing”, die am 25. Juni 2010 eingereicht wurde, die gegenwärtig anhängig ist, verwandt ist, wobei diese Offenbarungen durch Literaturhinweis hierin aufgenommen sind.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein fluidische Schnittstellen für elektronische Sensoren, elektronische Sensoren für chemische und biochemische Nachweise, Felder von elektronischen Sensoren, Biomolekülnachweise und Nukleinsäuresequenzierung.
  • INFORMATIONEN ZUM STAND DER TECHNIK
  • Plattformen für molekulare Nachweise, die miniaturisiert sind und in großen Mengen hergestellt werden können, wie beispielsweise elektronische Sensoren, bieten die Fähigkeit des Bereitstellens des Zugangs zum erschwinglichen Nachweis von Krankheiten an Orten und in Situationen, an oder in denen ein solcher Zugang in der Vergangenheit nicht möglich war. Die Verfügbarkeit erschwinglicher Vorrichtungen für die molekulare Diagnostik vermindert die Kosten und verbessert die Qualität des der Gesellschaft zur Verfügung stehenden Gesundheitswesens. Erschwingliche und/oder tragbare Vorrichtungen zur molekularen Diagnostik weisen auch Anwendungen zum Beispiel in den Bereichen der Sicherheit, des Nachweises von Gefahren und der Sanierung auf und bieten die Fähigkeit, unverzüglich und in geeigneter Weise auf wahrgenommene biologische, biochemische und chemische Gefahren zu reagieren.
  • Die Anwendbarkeit elektronischer biochemischer und chemischer Sensoren erstreckt sich auf die Gebiete der molekularen Diagnostik, des Nachweises und der Identifizierung von Substanzen und auf Anwendungen zum DNA-Nachweis und zur DNA-Sequenzierung. Elektronische bio/chemische Sensoren können unter Verwendung von Halbleiterverarbeitungstechniken hergestellt werden. Sensoren können auf einer Fläche eines Siliziumwafers aufgebaut werden, der zerschnitten (abgeschnitten) ist, um einzelne Chips herzustellen. Elektronische Sensoren für bio/chemische Anwendungen können eine Vielzahl von Formen annehmen und so können die Sensoren zum Beispiel Elektroden, Elektroden mit Nano-Abstand, FET (Feldeffekttransistoren), Extended-Gate-FETs, Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistoren und Photonendetektoren sein.
  • Ein Ansatz beim Nachweis von Krankheiten in Pflanzen und Tieren beinhaltet das Analysieren von Sequenzinformationen für Nukleinsäuremoleküle, wie beispielsweise Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Das menschliche Genom enthält ungefähr drei Milliarden Nukleotiden von DNA-Sequenz und schätzungsweise 20.000 bis 25.000 Gene. Die DNA-Sequenzinformationen können verwendet werden, um eine Vielzahl von Merkmalen einer Person wie auch das Vorhandensein von oder die Anfälligkeit für viele häufige Krankheiten, wie beispielsweise Krebs, zystische Fibrose und Sichelzellenanämie, zu bestimmen. Für die Vollendung einer Bestimmung der Sequenz des menschlichen Genoms waren Jahre erforderlich. Der Bedarf an Nukleinsäuresequenzinformationen besteht auch in den Bereichen der Forschung, des Umweltschutzes, der Lebensmittelsicherheit, der Abwehr von Biowaffen und der klinischen Anwendungen, wie beispielsweise dem Nachweis von Krankheitserregern, d. h. dem Nachweis des Vorhanden- oder Nichtvorhandenseins von Krankheitserregern und ihrer genetischen Varianten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1A und 1B beschreiben eine elektronische fluidische Schnittstelle.
  • 2A und 2B stellen Ansichten einer elektronischen Sensor-Chip-Baugruppe bereit.
  • 3A und 3B zeigen eine Vorrichtung, die aus einer elektronischen Sensor-Chip-Baugruppe und einer fluidischen Schnittstelle besteht, die sowohl eine elektronische als auch eine fluidische Schnittstelle für einen Sensorchip bereitstellt.
  • 4 stellt ein vereinfachtes Feld von elektronischen Sensoren bereit, die als Detektoren für Nukleinsäuresequenzierungsreaktionen funktionieren.
  • 5 zeigt eine Feldeffekttransistor-Abtastvorrichtung.
  • 6 zeigt einen elektronischen Sensor, der Elektroden als Abtastelemente einsetzt.
  • 7 umreißt eine allgemeine Strategie zur Nukleinsäuresequenzierung, in der elektronische Sensorchips und elektronische fluidische Schnittstellen nützlich sind.
  • 8 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Durchführen elektronischer Nachweise unter Verwendung eines Felds von Sensoren.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Beim elektrischen biochemischen und chemischen Abtasten besteht ein Bedarf, Fluid an die Sensoren zu liefern und gleichzeitig elektrische Verbindungen zum Sensorchip herzustellen. Fluide, wie diejenigen, die in bio/chemischen Anwendungen verwendet werden, können dazu führen, dass Chips ausfallen, wenn die Fluide mit elektronischen Bauelementen des Chips und der Vorrichtung in Berührung gelangen, in der der Chip untergebracht ist. Der Ausfall von elektronischen Vorrichtungen wird durch die in Fluiden enthaltenen Salze verschlimmert. Anwendungen zur Nukleinsäuresequenzierung, wie zum Beispiel diejenigen, die hier beschrieben werden, erfordern die wiederholte Lieferung und Entfernung von Fluiden an und von den Abtastbereichen eines Chips. Die Unverträglichkeit von Fluiden mit den den elektronischen Sensorchips zugehörigen elektronischen Bauelementen stellt die Gestaltung einer robusten Schnittstelle, die das wiederholte Liefern und Entfernen von Fluiden an und von Chips auf eine Weise, die reproduzierbar robust ist, und auch das Entfernen und Unterbringen von Chips von und in der Vorrichtung ermöglicht, vor Herausforderungen.
  • Auf vorteilhafte Weise ist ein schneller Austausch von Fluid auf und von den Sensoren in den Ausführungsformen der Erfindung möglich. In einigen Ausführungsformen wird Fluid gleichzeitig an alle Sensoren geliefert. Ferner wird die Menge von Fluid, das für jede durchgeführte Reaktion an die Abtastbereiche des Chips geliefert oder an den Sensoren nachgewiesen wird, minimiert, wodurch der Vorteil des Sparens kostspieliger Reagenzien bereitgestellt wird. Zusätzlich sorgen die Ausführungsformen der Erfindung für ein wirbelndes Mischen von Fluiden in den Flächenbereichen des Sensorchips. Während der Zugabe von Lösung ist das wirbelnde Mischen wichtig, um unerwünschte Reagenzien und Produkte von den Sensorflächen zu waschen und Lösungen von Reagenzien zu mischen, die den Abtastbereichen des Abtastchips zugeführt wurden.
  • Chips sind in der Halbleiterindustrie auch als Mikrochips, Chips integrierter Schaltungen oder als Dies bekannt. Abtastbereiche befinden sich auf einer Fläche des Chips und sind elektronisch an andere Bauelemente gekoppelt. Andere elektronische Bauelemente befinden sich wahlweise im Inneren des Chips oder auf der Fläche des Chips und sind in einem inerten Isolationsmaterial eingekapselt. Die Schaltungen ermöglichen es typischerweise, die Sensoren einzeln zu adressieren. Wahlweise ist Elektronik zum Durchführen einiger oder aller Funktionen des Antreibens der Sensoren und des Messens und Verstärkens von Ereignissen an der Fläche der Sensoren innerhalb des Chips enthalten. Nach der Herstellung wird der Abtastchip wahlweise auf eine Weise in einem Package untergebracht, die die Betriebsumgebung berücksichtigt, die durch die Vorrichtung bereitgestellt wird, in der der Chip sich befindet. Im Allgemeinen schützt das Package für einen Chip den Chip vor Schaden und liefert elektronische Verbindungen, die den Chip mit Stromversorgungen und anderen elektronischen Bauelementen verbinden (die zum Beispiel Eingabe/Ausgabefunktionen durchführen), die die Vorrichtung ausmachen, in der sich der Chip befindet. Das Package kann zusätzlich mehrere Dies in einer gestapelten oder Flip-Chip-Gestaltung mit wahlfreien diskreten Bauelementen enthalten, die ein vollständiges System-in-Package (SiP) bilden. Alternativ ist der Sensorchip nicht in einem Package enthalten. Zum Betrieb sind die innerhalb des Chips enthaltenen Schaltungen elektrisch mit zusätzlichen Vorrichtungen verbunden, die zum Beispiel Signale verstärken und aufzeichnen, Signaldaten erfassen und analysieren und Strom bereitstellen.
  • 1A und 1B zeigen eine elektronische und fluidische Schnittstelle für einen bio/chemischen Sensorchip. In 1A zeigt eine Schnittansicht eine fluidische Schnittstelle zu einem Sensorchip, die mit der Elektronik kompatibel ist, die zum Antreiben des Chips verwendet wird. Ein Gehäuse 105 ist eng mit der Fläche eines Abtastchips 110 verbunden und durch das Dichtungselement 115, das sich zwischen der Fläche des Abtastchips und dem Gehäuse 105 befindet, ist zwischen dem Gehäuse 105 und dem Abtastchip 110 eine Fluiddichtung gebildet. Das Dichtungselement 115 besteht typischerweise aus einem verformbaren Polymer, wie beispielsweise Teflon, teflonbeschichtetem Gummi, Viton (ein synthetisches Kautschuk-Flourelastomer), Nitril, Silikon, Polytetrafluorethylen (PTFE), Neopren (Polychloropren) und Naturkautschuk. In dieser Ausführungsform weist das Gehäuse 105 eine zylindrische Form auf und das Dichtungselement 115 ist ein O-Ring. Das Dichtungselement 115 kann irgendeine Form aufweisen, die in der Lage ist, eine Fluiddichtung zwischen dem Chip und dem Gehäuse 105 zu bilden. Die Fluiddichtung ist in der Lage, bei jedem Druck, der durch eine Leitung ausgeübt wird, die während des Betriebs der Vorrichtung mit einer externen Druck/Vakuumquelle verbunden ist, die Bewegung von Flüssigkeit durch die Dichtung zu verhindern. Andere Formen umfassen zum Beispiel ovale, quadratische, rechteckige und mehrseitige Gebilde. Das Gehäuse 105 umfasst wahlweise eines oder mehrere Löcher 120, das oder die es ermöglichen, dass die Kammer 125 während des Betriebs bei einem ausgewählten Druck (beispielsweise atmosphärischem Druck) bleibt oder in diesen versetzt wird. Während des Betriebs enthält die Kammer 125 Fluid, das durch ein oder mehrere Rohre 140 geliefert wird. Eine Kolbenbaugruppe 130 ist innerhalb des Gehäuses 105 untergebracht. Das Gehäuse und die Kolbenbaugruppe sind aus Materialien, wie zum Beispiel Keramik, Saphir, Metalllegierungen (Edelstahl, Titan, Bronze, Kupfer, Gold) oder technischen Kunststoffen (Teflon, Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen) hergestellt. In einigen Ausführungsformen ist die Kolbenbaugruppe 130 abnehmbar innerhalb des Gehäuses 105 befestigt. Wahlweise kann die Kolbenbaugruppe 130 sich in das Gehäuse 105 schrauben und Schraubengewinde 135 sind innerhalb des Gehäuses 105 und in der Kolbenbaugruppe 130 (die Schraubengewinde sind nicht gezeigt) bereitgestellt. Es sind auch andere Befestigungsmechanismen möglich, wie zum Beispiel Halteringe oder Klemmen. Die Befestigungsmechanismen üben einen Druck auf die Baugruppe aus, um eine Dichtung zwischen dem Chip 110 und dem Kolben 130 zu bilden. In alternativen Ausführungsformen sind die Kolbenbaugruppe und das Gehäuse eine Einheit, und zwar entweder, weil sie zum Beispiel mechanisch befestigt oder einteilig geformt wurden oder weil sie aus demselben Substrat bearbeitet wurden.
  • Die Kolbenbaugruppe umfasst mindestens ein Rohr 140, das das Liefern und Entfernen von Fluid an und aus der Kammer 125 ermöglicht. Die Anzahl der Rohre 140 ist teilweise davon abhängig, wie der Abtastchip 110 funktionieren wird, von der Anzahl der Fluide, die an die Sensoren geliefert werden, von der Größe der Rohre und der Größe der Kolbenbaugruppe 130. In einigen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der Rohre 140 zwischen 1 und 25 Rohren. In anderen Ausführungsformen wird eine Anzahl von Rohren 140 verwendet, die zwischen 2 und 10 liegt. In zusätzlichen Ausführungsformen sind mindestens zwei Rohre 140 vorhanden. Wahlweise werden zum Liefern und Entfernen von Fluid getrennte Rohre 140 verwendet. Wahlweise werden auch eines oder mehrere Rohre 140 verwendet, um die Kammer 125 bei einem ausgewählten Druck zu halten. Die Rohre 140 sind wahlweise mikrohergestellte (oder mikrobearbeitete) Löcher in einem festen Kolbenkörper. Alternativ umfasst der Kolbenkörper ein Loch, durch das die Rohrleitungen untergebracht werden. Im Betrieb sind ein oder mehrere Rohre 140 fluidisch mit Fluidbehältern verbunden, die Fluide enthalten, die Reagenzien und andere Materialien umfassen, die an die Abtastbereiche des Abtastchips 110 zu liefern sind, und ein oder mehrere Rohre 140 sind durch Rohrleitungen (nicht gezeigt), die mit dem/den Rohr/en 140 verbunden sind, mit einer Vakuumquelle verbunden.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Kolbenbaugruppe 130 mit einer Elektrode 145 versehen, die in der Lage ist, als eine Gegen- und/oder Bezugselektrode zu wirken und elektrisch mit der Außenseite des Kolbens 150 verbunden ist und in der Lage ist, elektrisch an Elektronik gekoppelt zu werden, die dem Antrieb des Chips (nicht gezeigt) zugehörig ist. Die Elektrode 145 besteht aus einem leitfähigen Material, das unter den für den Betrieb der Vorrichtung gewählten Reaktionsbedingungen inert ist, wie zum Beispiel Platin (Pt), Gold (Au), Palladium (Pd), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Iridium (Ir), Titan (Ti), Rhodium (Rh), wie auch Metalllegierungen, leitfähige Formen von Kohlenstoff, wie beispielsweise Glaskohlenstoff, vernetzter glasförmiger Kohlenstoff, Graphit-Basalebene, Graphit-Randebene, Graphit, leitfähige Polymere, mit Metall dotierte leitfähige Polymere, leitfähige Keramiken und leitfähiger Ton. Die Bezugselektrode besteht zum Beispiel aus Silber (Ag), Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl), Platin (Pt), gesättigtem Kalomel (Quecksilberchlorid) oder einem anderen Material und kann wahlweise in einem Glas- oder Polymergehäuse eingekapselt sein, das gegenüber Fluid halbdurchlässig ist.
  • Wahlweise wird eine Vorrichtung (nicht gezeigt) als ein Teil der Kolbenbaugruppe 130 oder des Chips 110 geliefert, die in der Lage ist, den Druck innerhalb der Kammer 125 zu messen. Auf ähnliche Weise wird eine Vorrichtung (nicht gezeigt) als Teil der Kolbenbaugruppe 130 oder des Chips 110 geliefert, die in der Lage ist, die Temperatur innerhalb der Kammer 125 zu messen. In einigen Ausführungsformen ist die Kolbenbaugruppe 130 mit Heiz- und/oder Kühlelementen (nicht gezeigt) versehen.
  • Zusätzlich sind wahlweise eine oder mehrere Glasfasern in der Kolbenbaugruppe 130 untergebracht, um die Fluide in der Kammer 125 zu beleuchten. Ein Feld von Photonendetektoren ist auf der Fläche des Abtastchips 110 untergebracht und es werden optische Eigenschaften gemessen. So wird zum Beispiel Fluoreszenzspektroskopie durchgeführt.
  • Ein Halteelement 155 befestigt die Kolbenbaugruppe 135 an einem Substrat (nicht gezeigt), in dem der Chip 110 untergebracht ist (oder an einem Substrat, an dem das Gehäuse für den Chip 110 befestigt ist), derart, dass das Dichtungselement 115 eine Fluiddichtung bildet, die die Kammer 125 schafft, die in der Lage ist, Flüssigkeiten zu enthalten. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Dichtungselement 115 in engem Kontakt mit dem Abtastchip 110. In alternativen Ausführungsformen ist das Dichtungselement 115 mit dem Packaging-Substrat (nicht gezeigt) in Kontakt, das den Abtastchip 110 umgibt, auf dem der Abtastchip 110 angebracht wurde. Der Abtastchip 110 ist entweder auf eine Weise in einem Package enthalten, in der die Abtastelemente freiliegend bleiben, oder er ist nicht in einem Package enthalten.
  • Im Allgemeinen ist die Kammer 125 groß genug, um ein wirbelndes Mischen innerhalb der Kammer 125 zu ermöglichen. Der Erhalt des atmosphärischen Drucks kann die Auswirkungen von Druckschwankungen, die auftreten können, wenn Fluid fließt, auf die Reaktion des Sensors mildern. Die in 1A gezeigte Kammer weist typischerweise einen Durchmesser zwischen 100 μm und 10 cm, zwischen 1 mm und 8 cm und zwischen 1 cm und 5 cm auf. Der ausgewählte Durchmesser ist teilweise abhängig von der Größe des Abtastchips. Die Höhe der Kammer 125 (in 1A mit „h” beschriftet) liegt im Bereich von 100 μm bis 10 cm. Die ausgewählte Höhe ist teilweise abhängig von der Anzahl der Fluide, die der Kammer 125 zugeführt werden, und von der Geschwindigkeit der Einspritzung des Fluids in die Kammer 125. Im Allgemeinen enthält die Kammer 125 ein Flüssigkeitsvolumen, das im Bereich von 100 nL bis 1 mL liegt. Der graue Bereich in 1A zeigt die Positionierung von Fluid in der Kammer 125 auf. Der graue Bereich stellt eine ungefähre Angabe dafür bereit, wie viel Fluid sich während des Betriebs des Abtastchips und/oder während des Waschens der Fläche des Abtastchips in der Kammer 125 befindet, obgleich auch größere oder kleinere Mengen möglich sind.
  • 1B stellt eine Ansicht von oben entlang der Linie 2-2 der der in 1A gezeigten Vorrichtung dar. In 1B kapselt das Gehäuse 105 das Dichtungselement 115 ein. Die Ansicht von oben in 1B ermöglicht die Ansicht des Abtastchips 110 durch den Raum zwischen der Kolbenbaugruppe 130 und dem Gehäuse 105. In der Kolbenbaugruppe 130 sind Rohre 140 und wahlweise eine Elektrode 145 untergebracht. Obgleich acht Rohre 140 gezeigt werden, sind, wie vorhergehend erwähnt, auch andere Anzahlen von Rohren 140 möglich, wie zum Beispiel zwischen 1 und 25 Rohre. Das Halteelement 155 wird in der Schnittansicht von 1B mit einem quadratischen Umriss gezeigt, es sind indes andere Formen, wie beispielsweise größere, komplexere und/oder längliche Formen möglich, die dazu dienen, die darunterliegende Elektronik vor Fluiden zu schützen, die während des Betriebs der Vorrichtung an die Kolbenbaugruppe 135 geliefert werden. Im Allgemeinen ist das Halteelement 155 ein Teil, das angepasst ist, um die Kolbenbaugruppe 130 an Ort und Stelle zu halten. Es sind auch andere Gestaltungen für das Halteelement 155 möglich.
  • 2A stellt eine Chip-Baugruppe 250 bildlich dar, die in Verbindung mit der elektronischen und fluidischen Schnittstelle von 1A und 1B nützlich ist. In 2A ist ein Abtastchip 210 auf der Buchse 215, die eine elektronische Schnittstelle (nicht gezeigt) zwischen dem Chip 210 und der externen Elektronik (nicht gezeigt) bereitstellt, die den Sensorchip 210 antreibt und die Informationen vom Chip 210 misst und aufzeichnet, angebracht und elektrisch damit verbunden. In dieser Ausführungsform wurde der Chip 210 mit Flip-Chip-(oder Draht-)Bonding an der Buchse 215 befestigt und die elektronische Schnittstelle mit einem fluidbeständigen Schutzmaterial, wie beispielsweise Epoxyd, Polyimid oder einem anderen Polymer, abgedichtet. Der Chip 210 kann im Allgemeinen an irgendein Substrat gebondet sein, das größere Leitungen zum Herstellen von Verbindungen aufweist (wie beispielsweise eine Leiterplatte (PCB)). Andere Gestaltungen für die elektronische Verbindung des Chips sind möglich und so kann der Sensorchip zum Beispiel an einem Packaging-Substrat befestigt werden, das elektronische Verbindungen bereitstellt. Die Buchse 215 ist zum Beispiel aus einem bearbeitbaren Polymer hergestellt und weist Metallstifte auf, die in der Lage sind, eine Verbindung mit den Kontaktstellen auf dem Chip herzustellen und eine Schnittstelle zur externen Elektronik zu bilden. Die Buchse 215 hält den Chip 210 und stellt feste elektrische Leitungen bereit, die gestaltet sind, um zum Chip zu passen. In einigen Ausführungsformen ist der Chip 210 nicht ständig mit der Buchse 215 verbunden und die Buchse 215 stellt keinen physikalischen Träger zum Fixieren des Chips bereit. In anderen Gestaltungen, wie beispielsweise bei der Verwendung einer Leiterplatte, sind physikalische Träger für den Chip 215 bereitgestellt, die seine Anordnung an einem bestimmten Ort führen und beibehalten. Das Packaging-Substrat, das den Chip (oder den nicht in einem Package enthaltenen Chip selbst) umfasst, wird dann wahlweise derart von der Chip-Baugruppe abmontiert, dass ein neuer Chip oder ein Chip, der in einem unterschiedlichen Package oder in keinem Package enthalten ist, in der Chip-Baugruppe untergebracht werden kann. Im Fall des in einem Package enthaltenen Sensorchips ist der Sensorchip elektrisch mit dem Package-Substrat verbunden, das dann wahlweise elektrisch mit einer elektronischen Schnittstelle verbunden ist, die eine Schnittstelle zwischen der Elektronik bildet, die den Sensorchip mit Strom versorgt, den Sensorchip antreibt und/oder Informationen vom Chip misst und/oder aufzeichnet und/oder analysiert.
  • Alternativ ist der Chip am Umfang des Chips mit externen elektrischen Verbindungspunkten versehen und die Verbindungspunkte vom Chip sind an den elektrischen Verbindungspunkten in der Buchse befestigt. In weiteren alternativen Ausführungsformen weist der Chip externe elektrische Verbindungspunkte auf, die sich am Umfang des Chips befinden und per Wire-Bonding an Leitungen in der Buchse befestigt sind. Zusätzlich kann der Chip auch Sensoren, die sich auf einer Fläche des Chips befinden, und äußere elektrische Verbindungspunkte aufweisen, die sich auf der entgegengesetzten Fläche des Chips befinden. In diesem Fall kann der gesamte Bereich auf der Unterseite des Chips für die elektrische Verbindung verwendet werden und es werden Technologien, wie beispielsweise Ball Grid Array, verwendet. Es können auch mehrere Dies zusammen in einem Package enthalten sein, um zum Beispiel ein vollständiges System-in-Package (SiP) in entweder einer gestapelten oder einer Flip-Chip-Gestaltung aufzubauen.
  • Die Buchse 215 ist in dem Substrat 220 untergebracht, das Klemmen 225 aufweist, die die Chip-Baugruppe mit der Vorrichtung verbinden, in der die fluidische Schnittstelle untergebracht ist. Im Allgemeinen sind andere Gestaltungen möglich, die das abnehmbare Verbinden des Sensorchips mit der fluidischen Schnittstelle ermöglichen, wie beispielsweise solche, die es ermöglichen, den Halter, der den Chip umfasst, aus der Vorrichtung herauszuziehen und einen neuen oder unterschiedlichen Chip in der Vorrichtung unterzubringen. Nachdem der Chip in der Vorrichtung untergebracht wurde, wird zwischen der fluidischen Schnittstelle und der Fläche des Chips, die die elektronischen Sensoren umfasst, eine Fluiddichtung gebildet. In alternativen Ausführungsformen ist der Chip abnehmbar in einer Leiterplatte untergebracht, die elektrische Verbindungen bereitstellt, die derart auf die Kontaktstellen auf dem Die ausgerichtet sind, dass das Die und die Leiterplatte einander gegenüberliegend untergebracht werden und die Leiterplatte auf eine Weise geschnitten wird, dass Bereiche, die die Sensoren auf dem Die enthalten, freigelegt werden.
  • 2B zeigt die Chip-Baugruppe von 2A, die auch ein Dichtungselement 230 umfasst. In alternativen Ausführungsformen wird das Dichtungselement 230 mit der Chip-Baugruppe bereitgestellt, anstatt am Kolbengehäuse befestigt zu sein. Obgleich das Dichtungselement 230 in dieser Ausführungsform mit einem quadratischen Umriss und einem ausgeschnittenen inneren Kreis gezeigt ist, sind andere Formen möglich, wie zum Beispiel ringförmig, oval, quadratisch, rechteckig und mehrseitig (mit drei oder mehr Seiten) für entweder das Innen- oder das Außenprofil oder für beide. Die für das Dichtungselement 230 gewählte Form ermöglicht es ihm, eine Fluiddichtung zwischen dem Gehäuse und der Fläche des Sensorchips bereitzustellen.
  • 3A zeigt eine Chip-Baugruppe wie diejenige von 2A und 2B, die einer fluidischen Schnittstelle zugehörig ist. In 3A ist die Chip-Baugruppe 350 abnehmbar an einer Fläche des Substrats 355 befestigt. Der Sensorchip (der in 3A nicht gezeigt ist) steht einem Loch im Substrat 355 gegenüber. Das Substrat besteht aus Materialien wie zum Beispiel Silizium, Quarz, Glas, Polymer, PCB (polychloriertes Biphenyl). Die fluidische Schnittstelle für den Sensorchip ist an der entgegengesetzten Seite des Substrates 355 befestigt und steht durch ein Loch im Substrat 355 in Fluidverbindung mit dem Sensorchip. Die fluidische Schnittstelle umfasst ein Halteelement 360, das das Gehäuse 365 und die Kolbenbaugruppe 370, die sich innerhalb des Gehäuses 365 befindet, an Ort und Stelle hält. Wahlweise bilden das Halteelement 360 und das Gehäuse 365 eine Einheit oder alternativ ist das Halteelement 360 an das Gehäuse 365 gebondet oder mechanisch daran befestigt, wodurch eine Fluiddichtung gebildet wird, die verhindert, dass unerwünschte Fluide das Substrat 355 erreichen, in dem Elektronik untergebracht sein kann, oder irgendein anderes der elektronischen Bauelemente in der Nähe erreicht. Das Gehäuse 365 ist fluidisch durch das Loch im Substrat 355 mit dem Sensorchip verbunden und es ist eine Fluiddichtung zwischen der Fläche des Sensorchips und dem Gehäuse 365 vorhanden. Mehrere Rohre 375 verbinden die Kolbenbaugruppe 370 mit Fluidbehältern (nicht gezeigt) und einer Vakuumversorgung (nicht gezeigt). Wahlweise wird ein Rohr 375 verwendet, um während des Betriebs, wie beispielsweise beim Füllen der Kammer mit Fluiden, und während die Kammer mit Fluiden gefüllt ist, in der Vorrichtung einen gewünschten Druck, wie beispielsweise atmosphärischen Druck, aufrecht zu erhalten. Die Anzahl der Rohre 375 ist teilweise abhängig von der für den Chip gewünschten Funktionalität. Die Rohre 375 erstrecken sich durch die gesamte Kolbenbaugruppe 370 oder sind an Löchern (nicht gezeigt) im Inneren der Kolbenbaugruppe 370 befestigt.
  • 3B stellt eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von 3A bereit. In 3B ist die Chip-Baugruppe 350 abnehmbar an einer Seite des Substrats 355 befestigt. Der Sensorchip 372 steht einem Loch im Substrat 355 gegenüber. Die fluidische Schnittstelle für den Sensorchip 372 ist an der entgegengesetzten Seite des Substrats 355 befestigt und steht durch das Loch im Substrat 355 in Fluidverbindung mit dem Sensorchip. Die fluidische Schnittstelle umfasst ein Halteelement 360, das das Gehäuse 365 und die Kolbenbaugruppe 370, die sich innerhalb des Gehäuses 365 befindet, an Ort und Stelle hält. Die Kolbenbaugruppe 370 ist wahlweise durch mechanische Mittel, wie beispielsweise Schraubenbohrungen oder Halteklemmen, abnehmbar innerhalb des Gehäuses 365 befestigt. Die abnehmbare Befestigung ermöglicht es, die Kolbenbaugruppe 370 zur Reinigung zu entfernen. Die Kolbenbaugruppe weist eines oder mehrere Löcher 371 auf, die durch Fluid durchquert werden können (oder in denen die Rohrleitungen untergebracht werden können). Wahlweise erstrecken sich die Rohrleitungen 375 durch das oder die Löcher 371 oder sind an (oder in) dem oder den Löchern 371 befestigt. Mit der Befestigung der fluidischen Schnittstelle und der Chip-Baugruppe 350 am Substrat 355 wird aus dem Loch im Substrat 355 eine Kammer 380. Ein Dichtungselement 385 dichtet das Gehäuse 365 an der Fläche des Sensorchips 372 fluidisch ab. Wahlweise ist das Dichtungselement 385 derart am Gehäuse 365 befestigt, dass es an Ort und Stelle bleibt, wenn die Chip-Baugruppe 350 entfernt wird. Wahlweise ist eine Elektrode (nicht gezeigt), die der Kammer 380 gegenüberliegt und die in der Lage ist, als eine Gegenelektrode zu dienen, in der Kolbenbaugruppe 370 vorhanden. Von der Elektrode zur Außenseite des Gehäuses und/oder der Kolbenbaugruppe ist eine elektrische Verbindung bereitgestellt, derart, dass die Elektrode elektrisch mit den Elektroden auf der Außenseite in Verbindung steht. Wahlweise weist das Gehäuse 365 ein Loch (nicht gezeigt) auf, das es ermöglicht, den atmosphärischen Druck (oder anderen Druck) in der Kammer 380 aufrecht zu erhalten. Zusätzlich ist wahlweise eine Glasfaser in der Kolbenbaugruppe 370 untergebracht, um die Fluide in der Kammer 380 zu beleuchten. Auf der Fläche des Abtastchips ist ein Feld von Bildsensoren (Photonendetektoren) vorhanden und es werden optische Eigenschaften gemessen. Es wird zum Beispiel Fluoreszenzspektroskopie durchgeführt.
  • Es werden spezifische Ausführungsformen bereitgestellt, in denen elektronische fluidische Schnittstellen in DNA-Sequenzierungsanwendungen verwendet werden. Die elektronischen fluidischen Schnittstellen, die bereitgestellt werden, sind indes allgemein in Anwendungen nützlich, in denen eine fluidische Schnittstelle mit einem elektronischen Abtastchip gebildet wird. Der elektronische Abtastchip ist in der Lage, eine Analyse der Inhalte des Fluids durchzuführen.
  • 4 stellt ein Feld von elektronischen Sensoren bereit, die als Nukleinsäuresequenzierungssensoren funktionieren. In 4 ist ein Feld von elektronischen Sensoren 400 gezeigt, die Reaktions- und Nachweisbereiche 410 und festgesetzte DNA-Moleküle 420 aufweisen. Die elektronischen Sensoren 400 sind zum Beispiel Feldeffekttransistoren (FET), Extended-Gate-FETs und/oder Elektroden. In diesem Beispiel ist der Nachweisbereich 410 der Bereich in der Nähe der Fläche der Sensoren 400, in denen die Sensoren 400 in der Lage sind, Änderungen in einer Lösung nachzuweisen, die mit den Sensoren in Kontakt ist. In dieser Ausführungsform wird pro Nachweisbereich 410 ein zu sequenzierendes DNA-Molekül festgesetzt, obgleich wahlweise auch mehr als ein DNA-Molekül (die Kopien desselben Moleküls sind) im Sensorbereich festgesetzt werden. Wahlweise sind die Nachweisbereiche 410 in Vertiefungen oder Mulden in einer Substratfläche gebildet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird ein DNA-Molekül im Nachweisbereich 410 festgesetzt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung werden mehrere Moleküle festgesetzt. Vor dem Sequenzieren einer DNA-Probe werden überlappende DNA-Fragmente zufällig auf der Fläche eines Substrats festgesetzt, derart, dass statistisch ein DNA-Molekül 420 den Reaktions- und Nachweisbereich 410 einnimmt.
  • Eine DNA-Probe wird wahlweise unter Verwendung von zum Beispiel Restriktionsenzymen oder mechanischen Kräften (Scheren) in kleinere polymere Moleküle fragmentiert. Die festgesetzte Nukleinsäure wird mit einem Primer 425 geprimt, der mit einer nukleaseresistenten Base endet und es werden Nukleinsäuresynthese- und Zerlegungsreaktionen durchgeführt und verstärkte chemische Produkte der Synthesereaktionen 430 in den Nachweisbereichen 410 erzeugt. Der Nachweis von Reaktionsprodukten gibt die Identität des nächsten komplementären Nukleosids an. Die identifizierte Basenposition wird dann mit einem passenden bekannten nukleaseresistenten Nukleosidpolyphosphat gefüllt (das wahlweise ein umkehrbar sperrendes Nukleosid ist, das in der Lage ist, das weitere Hinzufügen von Nukleosiden zu verhindern), und die Reaktion wird wiederholt, um eine passende Base für die nächste verfügbare Position auf dem DNA-Strang 420 zu bestimmen. Diese Elemente des Verfahrens (Identifizieren einer Basenposition und Füllen der Position mit einer nukleaseresistenten sperrenden Version des passenden Nukleotids, das durch die Identifizierungsreaktion bestimmt wurde) werden wiederholt, um Sequenzinformationen für den an der Fläche angelagerten DNA-Strang 420 zu bestimmen. Die Anzahl der Male, die die Reaktion wiederholt wird, hängt teilweise von der Anzahl der Basen der zu sequenzierenden DNA ab.
  • In 4 werden die verstärkten chemischen Produkte 430 elektronisch nachgewiesen und Sequenzdaten für die festgesetzten DNA-Moleküle zusammengestellt. Verstärkte chemische Produkte in einem Reaktions- und Nachweisbereich 410, zum Beispiel einem Gate eines FET, ändern den Stromfluss und die Kapazität zwischen der Source und dem Drain des FET, was einen elektronischen Nachweis der chemisch verstärkten Produkte der Nukleinsäure-Synthesereaktionen ermöglicht. Die nachgewiesenen Reaktionsprodukte und ihre entsprechenden Positionen im Feld werden unter Verwendung von einem Computer und von Analysesoftware oder auf dem Chip eingebetteter Firmware aufgezeichnet und analysiert. Der Nachweis chemischer Änderungen innerhalb des Sensors wird in Echtzeit, während Konzentrationen von enzymatischen Produkten steigen, oder am Ende der Reaktionen durchgeführt. Daten von Bereichen, die keine festgesetzte Nukleinsäureprobe oder mehrere festgesetzte Proben aufweisen, werden unterschieden. Zusätzlich wird wahlweise ein Computer verwendet, um nicht nur die Adressierung und Überwachung der Reaktionsbereiche des Feldes zu leiten, sondern auch von fluidisch gekoppelten Behältern durch eine elektronische fluidische Schnittstelle Reagenzien für das Feld bereitzustellen. Zusätzlich analysiert ein Computer Daten und stellt Sequenzinformationen zusammen. Der Nachweis chemischer Änderungen innerhalb des Sensors wird in Echtzeit, während Konzentrationen von enzymatischen Produkten ansteigen, oder am Ende der Reaktionen durchgeführt.
  • Elektronische Sensoren werden einzeln oder als Gruppe überwacht. Das Sensorfeld ermöglicht zum Beispiel die gleichzeitige Sequenzierung vieler festgesetzter DNA-Moleküle durch die Überwachung einzelner Reaktionsbereiche. Die festgesetzten DNA-Moleküle können entweder eine zu sequenzierende Probe sein oder Einfang-DNA-Proben mit bekannter Sequenz können zuerst festgesetzt werden und dann kann die zu sequenzierende Probe an den festgesetzten Proben hybridisiert werden. Die Einfangproben weisen eine Sequenz auf, die darauf ausgelegt ist, sich an ergänzenden Abschnitten der DNA-Probe zu hybridisieren. In einigen Ausführungsformen werden die festzusetzenden DNA-Moleküle derart verdünnt, dass statistisch jeder Sensor ein festgesetztes DNA-Molekül aufweist. Die Nukleinsäuresequenzierung wird manchmal auf einer Probe durchgeführt, die lange Polymere von Nukleinsäuren enthält. Die Probe wird vorbereitet, indem die langen Polymere in kürzere Polymere mit einer Länge von 50 Nukleotiden oder weniger geschnitten werden. Das Schneiden langer DNA-Polymere wird zum Beispiel unter Verwendung eines Restriktionsenzyms oder durch Scheren unter Verwendung mechanischer Kräfte bewerkstelligt. Die kleineren einsträngigen Nukleinsäurepolymere werden dann im Hohlraum eines elektronischen Sensors festgesetzt. Informationen von elektronischen Sensoren, die nicht eindeutige Ergebnisse zeigen, werden nicht beachtet. Sequenzinformationen von einzelnen DNA-Molekülen werden zusammengefügt, um die Sequenz der längeren polymeren DNA zu erzeugen, die in kleinere Polymere gebrochen wurde.
  • In zusätzlichen Ausführungsformen werden mehrere Moleküle derselben Sequenz in einem Sensor verwendet. Die Festsetzung vieler DNA-Moleküle, die dieselbe Sequenz aufweisen, in einem Sensorbereich wird zum Beispiel durch Anlagern eines Trägers, der viele DNA-Moleküle mit derselben Sequenz enthält, an einem Sensorbereich unter Verwendung von zum Beispiel Emulsionspolymerisationstechniken bewerkstelligt. Die Emulsionspolymerisation verstärkt die DNA-Moleküle in Wasserblasen, die von Öl umgeben sind. Die Wasserblasen enthalten ein mit einem einzigen Primer beschichtetes Bläschen und ein einziges Ausgangs-DNA-Molekül, das sich am Bläschen festsetzt und durch Enzyme in der Wasserblase verstärkt wird. Das Bläschen wird der Träger einer verstärkten Sequenz von DNA. Das zu sequenzierende DNA-Molekül kann auch vor Ort nach der Anlagerung am Sensorbereich verstärkt werden. Zusätzlich kann das DNA-Molekül unter Verwendung von Rolling-Circle-Amplifikation verstärkt werden, wodurch ein langes Molekül gebildet wird, das viele Wiederholungen derselben Sequenz aufweist.
  • In 4 wird der Einfachheit halber ein Feld gezeigt, das vier Sensoren umfasst. Felder von elektronischen Sensoren, die unter Verwendung von Halbleiterverarbeitungstechniken hergestellt sind, können viel mehr einzeln adressierbare Abtastbereiche pro Abtastchip enthalten. Die Auswahl der Anzahl von Abtasteinheiten ist abhängig von Faktoren wie beispielsweise den Kosten, der gewünschten Genauigkeit (z. B. werden für eine genauere Abtastung redundante Sensorreaktionen eingesetzt) und der Anzahl der unterschiedlichen nachzuweisenden Typen von Molekülen. Trotzdem sind auch Abtastchips (Vorrichtungen) möglich, die nur einen Abtastbereich umfassen. Im Allgemeinen werden Felder von Sensoren in einem Muster oder mit einem/einer regelmäßigen Aufbau oder Gestaltung gebildet oder sind alternativ zufällig verteilte Sensoren. In einigen Ausführungsformen wird ein regelmäßiges Muster von Sensoren verwendet und die Sensoren werden in einer X-Y-Koordinatenebene adressiert. Die Größe des Feldes ist abhängig von der letztendlichen Verwendung des Feldes. Sensorenfelder können das gleichzeitige Überwachen von vielen Reaktionsstellen ermöglichen. Es können Felder hergestellt werden, die von etwa zwei bis zu vielen Millionen unterschiedliche diskrete Sensoren enthalten. Es werden Felder mit sehr hoher Dichte, hoher Dichte, mittlerer Dichte, niedriger Dichte oder sehr niedriger Dichte hergestellt. Einige Bereiche für Felder mit sehr hoher Dichte reichen von etwa 100.000.000 bis etwa 1.000.000.000 Sensoren pro Feld. Felder mit hoher Dichte reichen von etwa 1.000.000 bis etwa 100.000.000 Sensoren. Felder mit mittlerer Dichte reichen von etwa 10.000 bis etwa 100.000 Sensoren. Felder mit niedriger Dichte umfassen allgemein weniger als 10.000 Hohlräume. Felder mit sehr niedriger Dichte umfassen weniger als 1.000 Sensoren.
  • Standard-Silizium- und Halbleiterverarbeitungsverfahren ermöglichen die Herstellung eines hochgradig integrierten Sensorfelds. Zum Beispiel kann ein Silizium-Waferchip von 1 cm2 so viel wie 1 × 108 Sensorbereiche enthalten, die eine Fläche von etwa 1 μm2 aufweisen, und ein Silizium-Waferchip mit 2.5 × 5 cm2 kann so viel wie 5 × 109 Sensoren enthalten, die eine Fläche von etwa 0.5 × 0.5 μm2 einnehmen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung sind elektronische Sensoren Felder von einzeln adressierbaren Sensoren. Es werden Felder aufgebaut, die eine Vielzahl von Abmessungen und Anzahlen von elektronischen Sensorbereichen aufweisen. Die Auswahl der Gestaltung der Anzahl der Sensoren ist abhängig von Faktoren, wie beispielsweise den Typen der nachzuweisenden Analyte, der Größe der Abtastbereiche und den mit der Herstellung der Felder verbundenen Kosten. Die Felder von Sensoren sind zum Beispiel 10 × 10, 100 × 100, 1.000 × 1.000, 105 × 105 und 106 × 106.
  • Elektronische Sensoren umfassen Vorrichtungen, wie beispielsweise FET (Feldeffekttransistor) Vorrichtungen, Extended-Gate-FETs, Elektroden zum Impedanznachweis und/oder Redox-Nachweis, Gestaltungen mit interdigitalen oder eng aufeinanderliegenden Elektroden zum Redox-Zyklus-Nachweis und Materialien, deren elektrische Eigenschaften durch Chemikalien von Interesse (einschließlich bestimmte Polymere) moduliert werden, und Photonendetektoren. Elektronische Sensoren, die Elektroden einsetzen, sind in der Lage, die Impedanz, den Widerstand, die Kapazität und/oder das Redoxpotential der Materialien zu messen, die sich auf oder in der Nähe der Elektrodenfläche befinden. Elektronische Sensoren, die Photonendetektoren einsetzen, sind in der Lage, die Auflösungszeit von fluoreszent markierten Molekülen unter Verwendung von Fluoreszenzspektroskopie zu messen.
  • 5 zeigt eine Vorrichtung 505, die auf einem grundlegenden FET (Feldeffekttransistor) basiert, die in der Lage ist, Änderungen in einer zu analysierenden Lösung (nicht gezeigt) abzutasten, die in der wahlfreien Mulde 510 der Vorrichtung untergebracht ist (oder Änderungen in Molekülen in der Nähe bei Sensoren, die an der Fläche befestigte, zu messende Spezies aufweisen). Die verstärkten chemischen Signale, die in der Mulde 510 von den Nukleinsäure-Synthesereaktionen erzeugt werden, werden durch den elektronischen Sensor 505 in ein elektronisches Signal umgewandelt. Der Sensor 505 kann ein p-Typ-FET, ein n-Typ-FET, ein Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistor oder ein Graphit-Transistor sein. In einer Ausführungsform weist der Sensor 505 eine Reaktionsmulde 510 in Nanogröße und einen Halbleitertransistor auf, die durch eine Isolationsschicht getrennt sind. Die FET-basierte Vorrichtung 505 umfasst ein Substrat 515, eine Source 520, einen Drain 525, leitfähige Elektroden 530 (die aus einem Metall, wie zum Beispiel Gold, Kupfer, Silber, Platin, Nickel, Eisen, Wolfram, Aluminium oder Titanmetall hergestellt sind) und einen Abtastbereich 535. Der Abtastbereich 535 (oder der „Kanal”) besteht typischerweise aus einem dotierten Halbleitermaterial, das mit einer dünnen Schicht aus isolierendem Material 540 beschichtet ist (wie zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Siliziumoxinitrid). Der Kanal 535 des Halbleitertransistors kann zum Beispiel ein im Fach gut bekannter p- oder n-Typ-Halbleiter sein, wie zum Beispiel mit Bor, Arsen, Phosphor oder Antimon dotiertes Silizium oder Germanium. Wahlweise weist die Mulde 510 Abmessungen von weniger als etwa 100 nm, weniger als etwa 1 μm oder weniger als etwa 10 μm auf. Im Allgemeinen ändert in einem FET das elektrische Feld, das durch Materialien erzeugt wird, die sich in der Nähe des Abtastbereichs 535 befinden, wie beispielsweise eine Lösung in der Mulde 510, und/oder Materialien, die direkt an dem isolierenden Material 540 befestigt sind, die Leitfähigkeit des Abtastkanals 535. Messungen der Änderungen der Leitfähigkeit des Abtastkanals 535 zeigen an, dass in den Materialien, die sich in der Nähe des Abtastkanals 535 befinden, wie beispielsweise eine Reaktionslösung, Änderungen aufgetreten sind. Wahlweise umfasst der Biosensor eine Mulde 510, die durch umgebende inerte Seiten 550 geschaffen ist und zum Beispiel aus Siliziumdioxid besteht, in der Reagenzien und/oder Produkte enthalten sind. In alternativen Ausführungsformen umfassen die Sensoren und Felder von Sensoren anstatt einer Mulde oder einer Vertiefung für den Abtastbereich eine ebene Fläche. Ebenfalls wahlweise sind eine Nukleinsäure 555 oder andere zu analysierende Moleküle über dem Abtastbereich 535 angelagert. In anderen Ausführungsformen ist die Nukleinsäure oder das Molekül, die/das zu analysieren ist, zum Beispiel auf einer Fläche angelagert, die über dem Abtastbereich 535 oder auf einer Seitenwand der Mulde liegt. Auf vorteilhafte Weise stellen Sensoren, die derart gestaltet sind, dass sie nachzuweisende Moleküle in der Nähe des Abtastbereichs sammeln, im Vergleich zu Sensoren, die Moleküle nachweisen, die sich in einer Lösung befinden, große Verbesserungen in der Nachweisempfindlichkeit bereit. Beispiele umfassen spezifische, an der Fläche angelagerte Bindemoleküle, Moleküle, die spezifisch ein Zielmolekül von Interesse binden, wie beispielsweise Pyrophosphat oder Phosphat bindende Moleküle, die in der Lage sind, Pyrophosphat- oder Phosphat-Ionen spezifisch zu erkennen und zu binden.
  • Zusätzlich sind die Sensoren mikrohergestellte Metallelektroden, die aus einem Metall bestehen, in dem das Elektrodenmetall über einer Kanalregion eines FET abgeschieden ist. In diesem Fall wird aus der Metallelektrode das Extended-Gate der FET-Vorrichtung. Das Metall des Extended-Gates weist einen Flächenbereich auf, der funktionell mit einem Bereich verbunden ist, an dem die biochemische (Sequenzierungs) reaktion stattfindet. Ein Extended-Gate-FET weist ein Metall auf, das funktionell mit einer FET-Vorrichtung verbunden ist, die zum Beispiel durch einen CMOS-Prozess hergestellt wird. Das Metall-Extended-Gate kann in einem Prozess aufgebaut werden, der dem Prozess ähnlich ist, der verwendet wird, um die Zusammenschaltungen auf dem Siliziumsubstrat zu bilden, an dem sich die FET-Sensoren befinden. Die freiliegende Fläche des Extended-Gates besteht aus elektrochemisch stabilen Edelmetallen, wie beispielsweise Au, Pt oder Pd.
  • Elektroden werden verwendet, um die Impedanz (für Wechselstrom), den Widerstand und/oder die Kapazität einer Lösung zu messen, der sie ausgesetzt sind. In einigen Fällen wird der Strom an einer Elektrode als eine Funktion von angelegter Gleichspannung an der Schnittstelle zwischen Elektrode und Lösung gemessen. Impedanzmessungen beinhalten typischerweise das Messen der elektrischen Impedanz an der Schnittstelle zwischen Elektrode und Lösung unter Bedingungen im eingeschwungenen Wechselstromzustand und bei Vorhandensein einer konstanten Gleichstrom-Vorspannung. 6 stellt einen beispielhaften Biosensor bereit, in dem eine Elektrode das Abtastelement bereitstellt. In 6 sind eine erste Elektrode 610, die als die Arbeitselektrode wirkt, und eine zweite Elektrode 615, die als die Gegenelektrode wirkt, in einem Substrat 605 untergebracht. Zusätzlich wird wahlweise auch eine dritte Elektrode (nicht gezeigt), eine Elektrode, die als eine Bezugselektrode wirkt, verwendet. Eine Reaktionsflüssigkeit 625 stellt eine elektrische Verbindung zwischen der Arbeitselektrode 610 und der Gegenelektrode 615 bereit. Das oder die zu analysierenden Moleküle (nicht gezeigt) sind am Substrat 605, an der Arbeitselektrode 610 oder an einer anderen Struktur (nicht gezeigt) befestigt, die Teil einer Arbeitssensorvorrichtung ist (wie zum Beispiel die Wände einer Mulde, die die Elektroden umgibt, oder ein mikrofluidischer Kanal), derart, dass die zu analysierenden Moleküle sich in einer Lösung und in der Nähe der Elektroden befinden. Wahlweise befindet sich eine Schicht 620 nachzuweisender Moleküle (spezifische Bindemoleküle, Moleküle, die spezifisch ein Zielmolekül von Interesse binden, wie beispielsweise Pyrophosphat- oder Phosphatbindemoleküle, die in der Lage sind, spezifisch Pyorphosphat- oder Phosphationen zu erkennen und zu binden) über der Arbeitselektrode 610. Ein gestrichelter Pfeil 630 zeigt die Bewegung von Strom oder Ladung zwischen den Elektroden 610 und 615. Eine elektronische Schaltung 635 misst die Impedanz, die Kapazität und/oder den Widerstand.
  • Der Strom wird typischerweise unter variierenden Bedingungen nachgewiesen. Das von der Schaltung 635 ermittelte Ausgangssignal ändert sich auf der Grundlage des an die Schaltung 635 gelieferten Eingangssignals. Das Eingangssignal ändert sich hauptsächlich hinsichtlich der Frequenz und der Wellenform. Die Impedanz, die Kapazität und der Widerstand werden auf der Grundlage des ermittelten Stroms (I) unter einer gegebenen Spannung (V) und Frequenz berechnet. Die berechneten Werte sind abhängig vom verwendeten Schaltungsmodell. Siehe zum Beispiel, Daniels, J. S., Pourmand, N., Electroanalysis, 19, 1239–1257 (2007), Carrara, S., et al., Sensors & Transducers Journal, 88, 31–39 (2008), Carrara, S., et al., Sensors & Transducers Journal, 76, 969-977 (2007), und Wang, J. Carmon, K. S., Luck, L. A., Suni, I. I., Electrochemical and Solid-State Letters, 8, H61–H64 (2005). Wahlweise ist die Schaltung 635 eine integrierte Schaltung. Elektronik, die die Eingangs- und Ausgangssteuerung bereitstellt (nicht gezeigt), ist wahlweise im Substrat, wie beispielsweise in einem integrierten Halbleiterchip, untergebracht und wird durch Schaltungen außerhalb des Substrats bereitgestellt.
  • Elektroden, die in elektronischen Abtastanwendungen verwendet werden, umfassen ein leitfähiges Material, das derart ausgewählt wird, dass es unter Reaktionsbedingungen inert ist, wie zum Beispiel Gold oder Platin. In weiteren Ausführungsformen sind die Elektroden aus Metallen, Kombinationen von Metallen oder anderen leitfähigen Materialien hergestellt. Eine Elektrode kann zum Beispiel aus Platin, Palladium, Nickel, Kupfer, Iridium, Aluminium, Titan, Wolfram, Gold, Rhodium, sowie aus Legierungen von Metallen, leitfähigen Formen von Kohlenstoff, wie beispielsweise Glaskohlenstoff, vernetztem glasförmigem Kohlenstoff, Graphit-Basalebene, Graphit-Randebene, Graphit, Indiumzinnoxid, leitfähigen Polymeren, metalldotierten leitfähigen Polymeren, leitfähigen Keramiken und leitfähigem Ton, hergestellt werden. Die Elektrodenfläche ist wahlweise verändert, wie zum Beispiel durch die Silanierung der Fläche als ein Mechanismus zum Erleichtern der Kopplung von Molekülen (Analyten) an der Fläche des Sensors.
  • Elektronische Sensoren werden zum Beispiel unter Verwendung von integrierten Schaltungsprozessen (zum Beispiel CMOS-, bipolare oder BICMOS-Prozesse) hergestellt, die zur Chipherstellung verwendet werden. Grundlegende Techniken bei der Chipherstellung umfassen das Abscheiden dünner Materialschichten auf einem Substrat, das Aufbringen einer gemusterten Maske auf den dünnen Schichten durch photolithographische Abbildung oder andere bekannte Lithographieverfahren und das selektive Ätzen der dünnen Schichten. Eine dünne Schicht kann eine Dicke im Bereich von einigen Nanometern bis zu 100 Mikrometern aufweisen. Die verwendeten Abscheidungstechniken können chemische Verfahren, wie beispielsweise chemische Dampfabscheidung (Chemical Vapor Deposition – CVD), elektrochemische Abscheidung, Epitaxie und thermische Oxidation und physikalische Verfahren, wie beispielsweise physikalische Dampfabscheidung (Physical Vapor Deposition – PVD) und Gießen umfassen. Die mikromechanischen Bauelemente werden unter Verwendung verträglicher Mikrobearbeitungsprozesse hergestellt, die Teile des Siliziumwafers selektiv wegätzen oder neue strukturelle Schichten hinzufügen, um die mechanischen und/oder elektromechanischen Bauelemente zu bilden. Elektronische Sensoren werden auf eine Weise zuverlässig hergestellt, die mit CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – komplementärer Metalloxid-Halbleiter) verträglich sind, was eine dichte Integration der Sensoreinheiten (und wahlweise auch der Antriebselektronik) auf einer einzigen Plattform, wie zum Beispiel einem Chip oder Siliziumwafer ermöglicht, der typischerweise in Anwendungen zur Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet wird. Da elektronische Sensoren sehr klein und sehr empfindlich sein können, stellen sie die Fähigkeit des Nachweises von Molekülen und Biomolekülen in extrem niedrigen Konzentrationen bereit.
  • Zur Verwendung in solchen Chips kann in der offenbarten Vorrichtung irgendein bekanntes Material, einschließlich Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Polydimethyl-Siloxan (PDMS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Kunststoff, Glas und Quarz, verwendet werden.
  • Wahlweise besteht ein Teil oder die gesamte Elektronik zum Abtasten und Antreiben von Elektroden und Aufzeichnen von Daten aus integrierten Schaltungen, die Teil des Substrats sind und in denen ein Feld von elektronischen Sensoren untergebracht ist. Elektronik, die Eingangs- und Ausgangssteuerung bereitstellt, ist wahlweise im Substrat, wie beispielsweise im integrierten Halbleiterchip, untergebracht oder wird durch Schaltungen außerhalb des Substrats bereitgestellt. Ein Feld von Abtastelektroden ist wahlweise mit Schaltungen zum Adressieren der einzelnen Elektroden, zum Antreiben der Elektroden mit gewählten Spannungen, als Speicher zum Speichern von an die Elektroden zu liefernden Spannungsstrominformationen, Speichern und Mikroprozessoren zum Messen der Elektrodenmerkmale, Differentialverstärkern, Stromabtastschaltungen (einschließlich Varianten von Schaltungen, die in CMOS-Bildsensoren verwendet werden) und/oder Feldeffekttransistoren (Direct- und Floating-Gate) ausgestattet. Der Chip umfasst wahlweise auch eingebettete Software (Firmware), die einige Chipfunktionen verwaltet. Eine oder mehrere der Abtastfunktionen kann/können durch externe Instrumente und/oder ein verbundenes Computersystem durchgeführt werden.
  • Die Sensorvorrichtung umfasst wahlweise zusätzlich Heiz- und/oder Kühlelemente, die in der Lage sind, die Temperatur des Abtastbereichs zu regeln. Wahlweise sind die Sensorvorrichtungen elektronisch an elektronische Schaltungen zur Signalerkennung und Temperaturregelung gekoppelt. Die Temperaturregelungselemente befinden sich wahlweise innerhalb der Abtastvorrichtung, innerhalb des Gehäuses der Abtastvorrichtung oder in der elektronischen fluidischen Schnittstelle. Beispiele für Verfahren zur Regelung der Temperatur der Sensorvorrichtung umfassen die Verwendung dünner Metallschichten aus Au, Ag oder Pt als Heizwiderstände und die Verwendung einer separaten dünnen Metallschicht (Pt oder Au) als Temperatursensor zum Bereitstellen einer Temperaturrückführung für die Steuerschaltungen. Die elektronischen Schaltungen koppeln die Abtastvorrichtung an Rechenelemente, die in der Lage sind, Steuersoftware auszuführen, und sorgen für Antriebsleistungseingänge für die Sensoren, die Signalerkennung und die Temperaturregelung.
  • Eine Molekülanlagerungsstelle auf einem Sensor ist ein/e flächenangelagerte/s chemische Funktionsgruppe oder Molekül, die/das das Hinzufügen eines Monomers, Linkers, einer Nukleinsäure, eines Proteins oder eines anderen Moleküls an der Fläche eines Substrats ermöglicht. Die Molekülanlagerungsstelle umfasst in einigen Ausführungsfunktionen eine reaktive Funktionsgruppe, die eine Moleküladdition oder -kopplung ermöglicht. Die Molekülanlagerungsstelle kann geschützt oder ungeschützt sein. Die Sensorflächen sind funktionalisiert, zum Beispiel mit einem Amin, Aldehyd, Epoxyd oder einer Kombination davon und/oder Thiolgruppen und die anzulagernden Moleküle sind mit Amin (für Flächen, die Carboxyl, Epoxyd- und/oder Aldehyd-Funktionsgruppen tragen) und Carboxyl (für Flächen, die Amingruppen tragen), Thiol (für Flächen aus Gold) funktionalisiert, um Molekülanlagerungsstellen zu erzeugen. Es sind verschiedene Konjugationschemien verfügbar, um die Funktionsgruppen zu verbinden. Die Konzentration von Molekülen auf der Fläche des Substrats wird zum Beispiel auf verschiedene Arten geregelt: Durch Begrenzen der Dichte von Flächenfunktionsgruppen oder durch Begrenzen der Menge von anzulagernden Molekülen. In einigen Ausführungsformen ist eine Molekülanlagerungsstelle ein Biotinmolekül und das anzulagernde Molekül ist an ein Avidin-(oder Streptavidin)molekül gekoppelt.
  • Nukleinsäure-Anlagerungsstellen sind Orte auf einer Substratfläche, die Funktionsgruppen, Nukleinsäuren, Affinitätsmoleküle oder andere Moleküle aufweisen, die in der Lage sind, einer chemischen Reaktion unterzogen zu werden, bei der sich eine Nukleinsäure an einer Substratfläche anlagert. DNA-Moleküle werden durch Standardverfahren, wie zum Beispiel Biotin-Avidin- oder Antikörper-Antigen-Bindung auf einer Substrat- oder einer Sensorfläche festgesetzt. Biotin, Avidin, Antikörper oder Antigene lagern sich zum Beispiel durch Derivatisierung der Siliziumdioxidfläche mit zum Beispiel (3-Aminopropyl)triethoxysilan an einer Isolationsschicht an, die aus Siliziumoxid besteht, um eine Fläche zu erzeugen, die eine Amingruppe zur Molekülanlagerung aufweist. Die Moleküle werden unter Verwendung von wasserlöslichen Carbodiimid-Kopplungsreagenzien, wie beispielsweise EDC (1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid) angelagert, das Carbonsäure-Funktionsgruppen mit Amingruppen koppelt. DNA-Mokelüle, die eine entsprechende Kopplungsgruppe tragen, lagern sich dann, zum Beispiel durch eine Biotin-Avidin- oder Antikörper-Antigen-Interaktion, an der Fläche an. Zusätzlich lagern sich zum Beispiel acrydit-modifizierte DNA-Fragmente an einer mit Thiolgruppen modifizierten Fläche an, und amin-modifizierte DNA-Fragmente lagern sich zum Beispiel an epoxyd- oder aldehyd-modifizierten Flächen an. Die Nukleinsäure-Anlagerungsstelle ist auch eine Nukleinsäure, die in der Lage ist, eine an einer Fläche anzulagernde Nukleinsäure zu hybridisieren.
  • Viele Substrat- und Elektrodenmaterialien, wie beispielsweise Metalle, Metalloxide und SiO2 weisen flächenangelagerte -OH-Gruppen auf, die für weitere Reaktionen und Molekülkopplungen verfügbar sind. Ferner werden wahlweise Flächen, die -OH-Gruppen zur Molekülkopplung aufweisen, zum Beispiel durch das Erzeugen einer dünnen Oxidschicht auf einem Metall (wie beispielsweise chemische oder Plasmaätzungsverfahren) oder durch das Abscheiden einer dünnen Schicht aus SiO2 auf der Fläche, auf Substratflächen erzeugt. Wenn die Substratfläche aus SiO2 besteht, wurde die Fläche mit SiO2 beschichtet, oder wenn die die Fläche aus einem Metall besteht, das verfügbare -OH-Gruppen aufweist, werden wahlweise durch die Verwendung von Silanlinkern (Organosilanverbindungen) Moleküle an der Sensorfläche angelagert. Metallflächen, wie beispielsweise Nickel, Palladium, Platin, Titandioxid, Aluminiumoxid, Indiumzinnoxid, Kupfer, Iridium, Aluminium, Titan, Wolfram, Rhodium oder andere Flächen, die verfügbare Hydroxy-Gruppen oder andere ähnliche Flächengruppen aufweisen, können auch zur weiteren Anlagerung von Molekülen silanisiert werden.
  • Die Dichte der angelagerten Moleküle auf einer Substratfläche wird wahlweise durch das Bereitstellen von Sperrgruppen, d. h. Gruppen, die nicht in der Lage sind, gemeinsam mit den Molekülen, die andere Moleküle binden, ein Molekül anzulagern oder zu binden, wie zum Beispiel Rinderserumalbuminprotein oder nicht funktionale Silanmoleküle (Moleküle, die in der Lage sind, eine Siliziumdioxidfläche zu silanisieren aber keine Funktionsgruppe zur weiteren Molekülanlagerung aufweisen), auf der Fläche zur Molekülanlagerung geregelt. Durch die Regelung der Konzentration von sperrenden und nicht sperrenden Molekülen in der Lösung, die verwendet wird, um die Fläche zur DNA-Bindung zu beschichten, wird statistisch ein DNA-Molekül im Abtastbereich zum Nachweis gebunden. Wenn die DNA durch eine Biotin-Avidin-Interaktion an der Fläche gebunden wird, kann die biotinmarkierte DNA auf der Fläche zur Anlagerung in einer Lösung dargestellt werden, die auch freies Biotin in einer Konzentration enthält, damit statistisch ein DNA-Molekül in einem Hohlraum endet.
  • 7 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Bereitstellen von verstärkten chemischen Signalen, und Sequenzierungsdaten für Nukleinsäure-Sequenzierungsreaktionen. Das in 7 gezeigte Verfahren ist nützlich für die Sequenzierung von Segmenten eines DNA-Moleküls unter Verwendung von Feldern von elektronischen Detektoren und einer elektronischen fluidischen Schnittstelle. In 7 wird ein zu sequenzierendes DNA-Molekül 705 mit einem Primer 710 geprimt, der mit einem exonuklease-resistenten Nukleotid endet, das in diesem Beispiel ein Thymin ist (wobei die Nuklease-Resistenz in 7 mit einem „^” angegeben wird). Die chemischen Produkte, die aus der Aufnahme eines komplementären dNTP (zum Beispiel Desoxynukleotid-Triphosphat, z. B. dATP (Desoxyadenosintriphosphat), dCTP (Desoxycytidintriphosphat), dGTP (Desoxyguanosintriphosphat) oder dTTP (Desoxythymidintriphosphat) oder dNTP-Analogon resultieren, das komplementär zu einer Base des zu sequenzierenden Nukleinsäurestrangs 705 ist, werden durch das wiederholte Hinzufügen und Entfernen des nächsten komplementären Nukleotids auf der Priming-Sequenz 710 verstärkt. In einer Ausführungsform werden einzelne Testreaktionen unter Verwendung von einem von vier dNTPs durchgeführt und eine Bestimmung hinsichtlich des nächsten komplementären Nukleotids in der zu sequenzierenden Nukleinsäure vorgenommen. Im Allgemeinen umfasst eine Testreaktion eine Polymerase, eine Exonuklease und ein Desoxynukleosid-Triphosphat (wie beispielsweise dATP, dCTP, dTTP oder dGTP), ein Nukleosid-Oligophosphat, das zwischen 4 und 5 Phosphate umfasst, oder ein markiertes Nukleosid-Analogon (ein markiertes Nukleosid-tri- oder oligophosphat, das zwischen 4 und 5 Phosphate umfasst). Die Markierungen umfassen Redox-Markierungen, die redoxigen sind, wie beispielsweise Aminophenyl, Hydroxyphenyl oder Naphthyl-Gruppen, die an einem Endphosphat des Nukleosid-tri- oder Oligophosphats anlagern, die nach der Entfernung der Phosphatgruppen redoxaktiv werden. Im Allgemeinen ist eine redoxigene Markierung eine Markierung, die nach ihrer Entfernung von dem Polyphosphat-Nukleosid bei der Aufnahme des markierten Nukleosids in ein Nukleinsäuremolekül redoxaktiv wird und an einer Elektrode nachgewiesen werden kann. Die redoxigene Markierung wird nach der durch die Aufnahme bedingten Spaltung von dem Nukleosid-Polyphosphat, wie beispielsweise der Entfernung von Phosphat- oder Pyrophosphatgruppen, einer weiteren Reaktion unterzogen, bevor sie redoxaktiv wird. Nach der Aufnahme des redoxmarkierten Nukleosid-Polyphosphats, werden die Phosphatgruppen unter Verwendung eines Phosphatase-Enzyms von der Markierung entfernt. Die freigesetzte redoxigene Markierung wird elektrochemisch und/oder unter Verwendung von Redoxzyklustechniken nachgewiesen.
  • In 7 wird durch die Wirkung eines Polymerase-Enzyms ein komplementäres Nukleosid in das wachsende DNA-Molekül (Primer-Strang) 710 aufgenommen und davon entfernt. Typische nützliche Polymerase-Enzyme umfassen DNA-Polymerasen, wie zum Beispiel E. coli Polymerase I und die im Handel erhältliche 9 N und ihre modifizierten Derivate, wie beispielsweise Therminator DNA Polymerasen (erhältlich bei New England Biolabs, Inc., Ipswich, MA). Wo auf dem zu sequenzierenden Strang 705 zum Beispiel ein Cytosin vorhanden ist, wird ein Guanin aufgenommen, wo ein Thymin vorhanden ist, wird ein Adenosin aufgenommen und umgekehrt. Wenn das Nukleosidtriphosphat in der Testreaktion in den wachsenden Strang 710 aufgenommen wird, wird ein Pyrophosphation (d. h. ein Pyrophosphat, PPi oder P2O7 –4), Polyphosphat oder markiertes Poly- oder Pyrophosphat freigesetzt. In einer Verstärkungsreaktion wird eine Exonuklease verwendet, um das aufgenommene Nukleosidmonophosphat (dNMP–2) zu entfernen, was die Aufnahme eines weiteren komplementären Nukleosidtriphosphats und die Freisetzung von zusätzlichen PPi ermöglicht. Die Wiederholung dieser Aufnahme- und Entfernungsreaktionen stellt eine Verstärkung der Reaktionsprodukte der Nukleinsäuresynthese bereit. So deutet eine positive Testreaktion (d. h. der Nachweis von chemisch verstärkten Produkten) darauf hin, dass die Base auf dem zu sequenzierenden Template-DNA-Strang 710 unmittelbar nach der Priming-Base (der 3' Base) des Primer-Strangs 710 mit der Testbase (dem einen der vier dNTP, das in der Synthese- und Zerlegungsreaktion verwendet wurde) komplementär ist. Diese Elemente der Aufnahme und Entfernung werden mindestens so lange wiederholt, bis ein erkennbares Signal ausgeführt wird. Wahlweise kann die Reaktionssequenz beendet werden, wenn ein positives Ergebnis erhalten wird, das die Aufnahme eines dNTP angibt, ohne die übrigen Basen auf Aufnahme (Komplementarität) zu testen.
  • In 7 wird zum Sequenzieren der nächsten Base auf dem Template die erste identifizierte Base auf dem Primer-Strang 710 mit einem identifizierten nukleaseresistenten sperrenden Nukleotid gefüllt oder ersetzt (die 3'-Sperre ist in 7 mit einem „°” angegeben), das dann die Priming-Base für die nächste Testreaktion nach der Aufhebung der Sperre wird. Im Allgemeinen verhindern sperrende Nukleotide eine weitere Nukleinsäuresynthese, indem die Aufnahme einer Nukleinsäure am Ende des Nukleinsäuremoleküls umkehrbar gesperrt wird. Die Sperrfunktion des aufzunehmenden Nukleosids ist wahlfrei. Nukleaseresistente sperrende Nukleoside sind zum Beispiel Ribonukleoside oder Nukleoside, die zum Beispiel an der 3'-Position mit einer Azidomethyl-, Allyl- oder O-Nitrobenzyl-Gruppe modifiziert werden. Es sind eine Vielzahl von Polymerasen verfügbar, die Ribonukleotide oder modifizierte Nukleoside in DNA aufnehmen können, wie zum Beispiel die im Handel erhältliche Therminator DNA Polymerase (erhältlich bei New England Biolabs, Inc., Ipswich, MA). Siehe auch zum Beispiel, DeLucia, A. M., Grindley, N. D. F., Joyce, C. M., Nucleic Acids Research, 31:14, 4129–4137 (2003); und Gao, G., Orlova, M., Georgiadis, M. M., Hendrickson, W. A., Goff, S. P., Proceedings of the National Academy of Sciences, 94, 407–411 (1997). Beispiele für nukleaseresistente Basen umfassen Alpha-Phosphorothioat-Nukleoside, die unterschiedliche Chiralitäten aufweisen, und Beispiele für Nukleasen, die das spezifische chirale Isomer der Phosphorothioat-Bindung nicht digerieren können, umfassen Polymerase zugehörige Exonuklease, wie beispielsweise die Exonukleaseaktivität von T4 oder T7 Polymerase (die keine S-chirale Konformation der Phosphorothioat-Bindung digerieren kann). Einige Polymeraseenzyme besitzen eine intrinsische Exonukleaseaktivität und daher ist es nicht immer notwendig, für die Aufnahme- und Entfernungsreaktionen zwei unterschiedliche Enzyme zu verwenden. Reaktionen, in denen keine wesentliche Menge an Produkt nachgewiesen wird, zeigen an, dass die an einem Nukleotid bereitgestellte Testreaktion nicht komplementär mit der nächsten Base der zu sequenzierenden Nukleinsäure war. Nach der Aufnahme des nächsten bekannten, mit dem Primer 710 komplementären Nukleotids, werden die Sperre des Primers 710 durch die Entfernung der sperrenden 3'-Gruppe beseitigt und die Identität des nächsten komplementären Nukleotids durch Wiederholen der vorhergehend beschriebenen Testreaktionen bestimmt.
  • Reversible Terminatoren, die an der 3'-Position modifiziert wurden, zum Beispiel 3'-Azidomethyl oder 3'-Allyl, werden chemisch gespalten, um die Sperre des Nukleotids aufzuheben, zum Beispiel unter Verwendung von TCEP (Triscarboxyethylphosphin) für 3'-Azidomethyl und wässriger Pd-basierter Katalysator zum Entfernen der 3'-Allylgruppe, und die 3'-O-Nitrobenzyl-Sperrgruppen werden petrochemisch gespalten.
  • Nahezu jede natürlich auftretende Nukleinsäure kann sequenziert werden, einschließlich zum Beispiel chromosomale, mitrochondiale oder Chloroplasten-DNA oder ribosomale, transferierte, heterogene nukleare oder Boten-RNA. RNA kann unter Verwendung eines reversen Transkriptionsenzyms (reverse Transkriptase) in stabilere cDNA umgewandelt werden. Die Typen von Nukleinsäuren, die sequenziert werden, umfassen Polymere von Desoxyribonukleotiden (DNA) oder Ribonukleotiden (RNA). und Analoge davon, die durch eine Phosphodiesterbindung verbunden sind. Ein Polynukleotid kann ein Segment eines Genoms, ein Gen oder ein Abschnitt davon, eine cDNA oder eine synthetische Polydesoxyribonukleinsäuresequenz sein. Ein Polynukleotid, einschließlich eines Oligonukleotids (zum Beispiel eine Probe oder ein Primer) können Nukleosid- oder Nukleotid-Analoge oder eine Hauptkettenbindung enthalten, die sich von einer Phosphodiesterbindung unterscheidet. Im Allgemeinen sind die Nukleotide, die ein Polynukleotid umfassen, natürlich vorkommende Desoxyribonukleotide, wie beispielsweise Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin, die mit 2'-Desoxyribose verbunden sind, oder Ribonukleotide, wie beispielsweise Adenin, Cytosin, Guanin oder Uracil, die mit Ribose verbunden sind. Ein Polynukleotid oder Oligonukleotid kann indes Nukleotid-Analoge, einschließlich nicht natürlich vorkommender synthetischer Nukleotide oder modifizierter natürlich vorkommender Nukleotide, enthalten.
  • 8 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das für die Automatisierung der chemischen und biochemischen Abtastung unter Verwendung von Feldern von elektronischen Sensoren nützlich ist. Das System von 8 ist wahlweise als eine tragbare Vorrichtung hergestellt. In 8 ist eine elektronische fluidische Schnittstelle 810 fluidisch an einen elektronischen Sensorchip (nicht gezeigt) gekoppelt. Der Sensorchip ist elektrisch an eine Buchse (nicht gezeigt) angeschlossen, die elektrische Verbindungen bereitstellt, die mit externer Elektronik verbunden sind. Die Buchse ist in dem Chip-Baugruppensubstrat 815 untergebracht, das wahlweise abnehmbar am elektronischen fluidischen Schnittstellensubstrat 820 befestigt ist. Das elektronische fluidische Schnittstellensubstrat 820 ist auch an der elektronischen fluidischen Schnittstelle 810 befestigt. Die elektronische fluidische Schnittstelle 810 ist fluidisch durch ein Loch (nicht gezeigt) im Substrat 820 der elektronischen fluidischen Schnittstelle an der Fläche des Chips versiegelt. Es sind auch andere Gestaltungen für eine umgebende Struktur möglich, die den Abtastchip und die elektronische fluidische Schnittstelle in einer Stellung hält, die derart ist, dass eine Fluiddichtung zwischen dem Abtastchip und der elektronischen fluidischen Schnittstelle gebildet wird. Die Buchse für den Chip ist elektronisch an elektronische Schaltungen 830 zum Antreiben des Chips und zum Messen von Signalen von dem Chip gekoppelt. Ein Teil der elektronischen Schaltungen 830 ist wahlweise im Chip selbst enthalten. Wahlweise stellen die elektronischen Schaltungen 830 auch eine Temperaturregelung für den Chip bereit. Wahlweise sind der Sensorchip und die Buchse oder die Sensorchip-Baugruppe 815 eine Einwegeinheit, die nach der Beendigung der Tests entfernt und durch eine neue Sensorvorrichtung ersetzt wird, die in der Lage ist, zusätzliche oder unterschiedliche Moleküle zu analysieren.
  • Wahlfreie Temperaturregelungselemente (nicht gezeigt) sind innerhalb des Chipbaugruppensubstrats 815, der Buchse, des Chips und des Substrats 820 der elektronischen fluidischen Schnittstelle untergebracht. Beispiele für Verfahren zur Regelung der Temperatur der Sensorvorrichtung umfassen die Verwendung dünner Metallschichten aus Au, Ag oder Pt als Heizwiderstände und die Verwendung einer separaten dünnen Metallschicht (Pt oder Au) als Temperatursensor zum Bereitstellen einer Temperaturrückführung für die Steuerschaltungen 830. In zusätzlichen Ausführungsformen wird eine Umgebungstemperaturregelung bereitgestellt. Die Umgebungstemperaturregelung besteht im Bereitstellen einer Erwärmung oder Kühlung der Sensorvorrichtung durch zum Beispiel eine thermoelektrische Kopplungsvorrichtung (TEC) (nicht gezeigt), die direkt an die Chip-Baugruppe gekoppelt ist. Zusätzlich werden wahlweise Vorrichtungen bereitgestellt, die mit der Kammer in Verbindung stehen, die zwischen der Fläche des elektronischen Abtastchips und der fluidischen Schnittstelle gebildet ist, die in der Lage ist, den Druck innerhalb der Kammer zu messen. Ferner sind wahlweise Steuermechanismen zur Erzeugung und zum Aufrechterhalten eines gewählten Drucks innerhalb der Kammer bereitgestellt. Elektronische Schaltungen 830 koppeln den Abtastchip an Rechenelemente 835, die Steuersoftware ausführen und für die Antriebsleistungseingänge für die Sensoren, die Signalerkennung und die Temperaturregelung sorgen. Die Steuersoftware stellt eine Betriebsschnittstelle für den Benutzer bereit und steuert die Temperaturregelungsfunktionen, die Betriebsabläufe zur Lieferung der fluidischen Reagenzien und die Datenerfassung, -ausgabe, -analyse, -anzeige und/oder die Betriebsabläufe zur Speicherung der Daten. Ein Teil der Steuersoftware befindet sich wahlweise im Chip selbst. Die Rechenelemente 835 umfassen Software zum Anzeigen der Daten, die den Betrieb der Sensoren betreffen, und eine Anzeigevorrichtung. Eine Speichervorrichtung 840 speichert zum Beispiel Softwarecode, Ausführungsroutinen und/oder erfasste Daten. Die elektronischen Schaltungen 830 koppeln auch die wahlfreie Bezugselektrode, die sich in der elektronischen fluidischen Schnittstelle 810 befindet, an die Rechenelemente. Eine Stromquelle 845 (oder eine oder mehrere Stromquellen) versorgen das System mit Strom. Stromquellen umfassen zum Beispiel Wechselstrom/Gleichstromwandler und Batterien.
  • Lieferungssysteme 850 für Fluide und Reagenzien stellen der fluidischen Schnittstelle 810 Reagenzien bereit. Das Fluidlieferungssystem 850 umfasst Rohrleitungen, die die fluidische Schnittstelle 810 mit Behältern verbinden, die Reagenzien enthalten. Die Lieferung der Reagenzien ist durch die Computersoftware automatisiert. Die Lieferung der Reagenzien wird unter Verwendung von Fluidlieferungssystemen, wie beispielsweise Pumpen, Einspritzvorrichtungen, Druckgas, das das Fluid drückt, oder Vakuen, die das Fluid ziehen, mechanisch bewerkstelligt. Zusätzlich umfasst das Fluidlieferungssystem wahlweise eine Vakuumquelle zum Entfernen der Reagenzien von der Fläche des Abtastchips. Wahlweise umfasst das System auch ein Entgasungssystem zum Entfernen von Gasen von den Fluiden und zur Verhinderung der Blasenbildung, einen Mischer zum Mischen der Reagenzien und einen Mikrokühler für Reagenzien, um die Unversehrtheit der Reagenzien zu wahren.
  • Im Betrieb erfordert das Durchführen von DNA-Sequenzierungsreaktionen, wie zum Beispiel derjenigen, die in Verbindung mit 7 beschrieben werden, für jeden Sequenzierungsdurchlauf das Liefern mehrerer Lösungen an die Fläche des Abtastchips. Zum Beispiel sind einzelne Lösungen, die jeweils eines der vier Nukleotide zur Nukleinsäuresynthese und -zerlegung umfassen, wie auch Lösungen, die eine Enzymlösung umfassen, die DNA-Polymerase und -exonuklease enthalten, und eine zweite Menge von Behältern erforderlich, die modifizierte Nukleotide enthalten, die exonukleaseresistent sind. In einigen Ausführungsformen wird der Sensor mit Reagenzien zum Abtasten von auf den durch die Sensoren abgetasteten Bereichen oder in ihrer Nähe festgesetzten Elementen versorgt. In anderen Ausführungsformen sind die durch die Sensoren abgetasteten Bereiche vor Ort mit zu analysierenden Molekülen oder Molekülen funktionalisiert, die spezifisch nachzuweisende oder zu analysierende Moleküle binden. Das Festsetzen von DNA oder anderen Molekülen auf den oder in der Nähe der durch die Sensoren abgetasteten Bereich/en, umfasst die Elemente des Reinigens der Festsetzungsfläche, des Einführens von Verbindungschemikalien und des Anlagerns der zu analysierenden DNA (oder anderen Moleküls) auf der Fläche. Ein Waschfluid entfernt unerwünschte Reagenzien und/oder Produkte von den Abtastbereichen, bevor neue Lösungen eingeführt werden. Wahlweise wird ein besonderes Fluid, wie beispielsweise ein Öl verwendet, um die gesamte Baugruppe einzuschließen.
  • Auf vorteilhafte Weise werden Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung in einer tragbaren Biosensorenvorrichtung ausgeführt. Die elektronische fluidische Schnittstelle wird auch zum Testen von Wafern verwendet. Zum Testen von Wafern werden mehrere elektronische fluidische Schnittstellen eingesetzt, um alle oder einen Teil der Sensorchips zu testen, die in dem Wafer enthalten sind, oder es wird ein Raster verwendet, um die Schnittstelle über die Fläche des Wafers zu bewegen, um jeden Chip im Wafer zu testen. Alternativ werden mehrere elektronische und fluidische Schnittstellen über die Fläche des Wafers bewegt, um Sensorchips zu testen.
  • Obgleich Beispiele für Verwendungen der elektronischen und fluidischen Schnittstelle bereitgestellt werden, sind die Verwendungen der elektronischen und fluidischen Schnittstelle der vorliegenden Erfindung nicht auf eine bestimmte Art von elektronischem Abtasten beschränkt.
  • Der Fachmann wird verstehen, dass Abwandlungen und Änderungen und Kombinationen und Ersetzungen verschiedener gezeigter und beschriebener Bauelemente über die gesamte Offenbarung hinweg möglich sind. In der gesamten Beschreibung ist mit „eine Ausführungsform” gemeint, dass ein/e bestimmte/s Merkmal, Struktur, Material oder Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist, was aber nicht notwendigerweise bedeutet, dass sie in jeder Ausführungsform vorhanden sind. Darüber hinaus können die bestimmten Merkmale, Strukturen, Materialien oder Eigenschaften auf jede zweckmäßige Art in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. Verschiedene zusätzliche Strukturen können in andere Ausführungsformen aufgenommen und/oder es können beschriebene Merkmale weggelassen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Daniels, J. S., Pourmand, N., Electroanalysis, 19, 1239–1257 (2007) [0044]
    • Carrara, S., et al., Sensors & Transducers Journal, 88, 31–39 (2008) [0044]
    • Carrara, S., et al., Sensors & Transducers Journal, 76, 969-977 (2007) [0044]
    • Wang, J. Carmon, K. S., Luck, L. A., Suni, I. I., Electrochemical and Solid-State Letters, 8, H61–H64 (2005) [0044]
    • DeLucia, A. M., Grindley, N. D. F., Joyce, C. M., Nucleic Acids Research, 31:14, 4129–4137 (2003) [0056]
    • Gao, G., Orlova, M., Georgiadis, M. M., Hendrickson, W. A., Goff, S. P., Proceedings of the National Academy of Sciences, 94, 407–411 (1997) [0056]

Claims (27)

  1. Vorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Gehäuse, das ein Ende aufweist, wobei das Ende ein Dichtungselement aufweist, das in der Lage ist, eine Fluiddichtung zwischen der Fläche eines elektronischen Sensorchips und dem Ende des Gehäuses zu bilden, und einen Kolben, der in das Gehäuse passt und der ein oder mehrere Rohre aufweist, die sich innerhalb des Kolbens befinden, wobei die Rohre in der Lage sind, Fluid von außerhalb des Gehäuses an die Fläche des elektronischen Chips zu liefern, wenn der Kolben sich innerhalb des Gehäuses befindet und das Gehäuse mit einem Sensorchip verbunden ist; wobei eine Kammer, die in der Lage ist, eine Flüssigkeit zu enthalten, in der Nähe einer Fläche des elektronischen Sensorchips gebildet ist, wenn das Gehäuse mit dem elektronischen Chip verbunden ist und eine Fluiddichtung zwischen der Fläche des elektronischen Sensorchips und dem Ende des Gehäuses gebildet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die zusätzlich ein Halteelement umfasst, das an dem Gehäuse befestigt ist und an dem ein Chipsubstrat, das einen Sensorchip umfasst, der an einem Substrat befestigt ist, befestigt werden kann.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, die zusätzlich ein Vorrichtungssubstrat, das ein Loch aufweist, in das das Ende des Gehäuses passen kann, und ein Halteelement umfasst, das das Gehäuse am Vorrichtungssubstrat hält.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Chipsubstrat, das einen elektronischen Sensorchip umfasst, das an einem Substrat befestigt ist, in der Lage ist, am Vorrichtungssubstrat befestigt zu werden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kolben abnehmbar innerhalb des Gehäuses befestigt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kolbenbaugruppe und das Gehäuse eine Einheit sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kolben 2 bis 25 Rohre umfasst.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse zusätzlich ein Loch umfasst, durch das ein Druck in der Kammer, die in der Nähe der Fläche des elektronischen Sensorchips gebildet ist, aufrecht erhalten werden kann, wenn das Gehäuse mit dem elektronischen Sensorchip verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, die zusätzlich einen elektronischen Sensorchip umfasst, wobei das Dichtungselement derart zwischen einer Fläche des elektronischen Sensorchips und dem Ende des Gehäuses positioniert ist, dass eine Fluiddichtung zwischen der Fläche des elektronischen Sensorchips und dem Ende des Gehäuses gebildet wird.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der elektronische Sensorchip ein Feld von Sensoren umfasst und die Sensoren von der Gruppe ausgewählt sind, die aus Feldeffekttransistoren, Extended-Gate-Feldeffekttransistoren, Elektroden und Photonendetektoren besteht.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kolben zusätzlich eine Elektrode umfasst, die derart positioniert ist, dass sie in der Lage ist, einen Kontakt mit einer Flüssigkeit herzustellen, die sich in der Kammer befindet, die in der Nähe einer Fläche des elektronischen Sensorchips gebildet ist, wenn das Gehäuse mit dem Sensorchip verbunden ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kolben zusätzlich Glasfasern umfasst, die in der Lage sind, Licht an die Kammer zu liefern, die in der Nähe einer Fläche des elektronischen Sensorchips gebildet ist, wenn das Gehäuse mit dem Sensorchip verbunden ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, die zusätzlich ein Fluidlieferungssystem, das in der Lage ist, Fluide an die Rohre der Kolbenbaugruppe zu liefern, Elektronik, die in der Lage ist, den Sensorchip anzutreiben und Daten vom Sensorchip zu erfassen, einen Computer, der in der Lage ist, eine Schnittstelle mit der Elektronik zu bilden, um den Sensorchip anzutreiben und Daten vom Sensorchip zu erfassen und zu analysieren, und auch in der Lage ist, den Betrieb des Fluidlieferungssystems zu leiten, und einen Speicher umfasst, der in der Lage ist, Daten von dem Sensorchip zu speichern.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, die zusätzlich eine Quelle für verminderten Druck umfasst, die in der Lage ist, Fluide von einem oder mehreren Rohren der Kolbenbaugruppe zu entfernen.
  15. Vorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Gehäuse, das ein Ende aufweist, wobei das Ende in der Lage ist, an einem Dichtungselement befestigt zu werden, das derart mit der Fläche eines elektronischen Sensorchips verbunden ist, dass eine Fluiddichtung zwischen der Fläche eines elektronischen Sensorchips und dem Ende des Gehäuses gebildet wird, und einen Kolben, der in das Gehäuse passt und der ein oder mehrere Rohre aufweist, die sich innerhalb des Kolbens befinden, wobei die Rohre in der Lage sind, Fluid von außerhalb des Gehäuses an die Fläche des elektronischen Chips zu liefern, wenn der Kolben sich innerhalb des Gehäuses befindet und das Gehäuse mit einem Sensorchip verbunden ist, wobei eine Kammer, die in der Lage ist, eine Flüssigkeit zu enthalten, in der Nähe einer Fläche des elektronischen Sensorchips gebildet ist, wenn das Gehäuse mit dem elektronischen Sensorchip verbunden ist, und eine Fluiddichtung zwischen der Fläche des elektronischen Sensorchips und dem Ende des Gehäuses gebildet wird.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, die zusätzlich ein Halteelement umfasst, das an dem Gehäuse befestigt ist und an dem ein Chipsubstrat, das einen Sensorchip umfasst, befestigt werden kann.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15, die zusätzlich ein Vorrichtungssubstrat, das ein Loch aufweist, in das das Ende des Gehäuses passen kann, und ein Halteelement umfasst, das das Gehäuse am Vorrichtungssubstrat hält.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei ein Chipsubstrat, das einen elektronischen Sensorchip umfasst, in der Lage ist, am Vorrichtungssubstrat befestigt zu werden.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Kolben abnehmbar innerhalb des Gehäuses befestigt ist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Kolbenbaugruppe und das Gehäuse eine Einheit sind.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Kolben 2 bis 25 Rohre umfasst.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 15, die zusätzlich einen elektronischen Sensorchip und ein Dichtungselement umfasst, wobei das Dichtungselement derart zwischen einer Fläche des elektronischen Sensorchips und dem Ende des Gehäuses positioniert ist, dass eine Fluiddichtung zwischen der Fläche des elektronischen Sensorchips und dem Ende des Gehäuses gebildet wird.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei der elektronische Sensorchip ein Feld von Sensoren umfasst und die Sensoren von der Gruppe ausgewählt sind, die aus Feldeffekttransistoren, Extended-Gate-Feldeffekttransistoren, Elektroden und Photonendetektoren besteht.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Kolben zusätzlich eine Elektrode umfasst, die derart positioniert ist, dass sie einen Kontakt mit einer Flüssigkeit herstellt, die in der Kammer enthalten ist, die über einem elektronischen Sensorchip gebildet ist, wenn das Gehäuse mit dem Sensorchip verbunden ist.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 15, die ein Fluidlieferungssystem, das in der Lage ist, Fluide an die Rohre der Kolbenbaugruppe zu liefern, Elektronik, die in der Lage ist, den elektronischen Sensorchip anzutreiben und Daten von dem elektronischen Sensorchip zu erfassen, einen Computer, der in der Lage ist, eine Schnittstelle mit der Elektronik zu bilden, um den Sensorchip anzutreiben und Daten von dem elektronischen Sensorchip zu erfassen und zu analysieren, und auch in der Lage ist, den Betrieb des Fluidlieferungssystems zu leiten, und einen Speicher umfasst, der in der Lage ist, Daten vom Sensorchip zu speichern.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 15, die zusätzlich eine Quelle für verminderten Druck umfasst, die in der Lage ist, Fluide von einem oder mehreren Rohren der Kolbenbaugruppe zu entfernen.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Gehäuse zusätzlich ein Loch umfasst, durch das ein Druck in der Kammer aufrecht erhalten werden kann, die in der Nähe der Fläche des elektronischen Sensorchips gebildet ist, wenn das Gehäuse mit dem elektronischen Sensorchip verbunden ist.
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