ES2843732T3 - Encapsulado de múltiples chips de circuitos integrados y celdas de flujo para secuenciación por nanoporos - Google Patents

Abstract

Un sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos, que comprende: una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos (804), comprendiendo cada uno de los chips para secuenciación basada en nanoporos una pluralidad de sensores de nanoporos; al menos una celda de flujo (806) acoplada a al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, en el que la celda de flujo acoplada al al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos comprende uno o más canales de flujo fluídicos (808) que permiten que un fluido externo al sistema fluya por encima del chip para secuenciación basada en nanoporos y fuera del sistema; y una placa de circuito impreso (802) conectada eléctricamente a la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

Description

DESCRIPCIÓN

Encapsulado de múltiples chips de circuitos integrados y celdas de flujo para secuenciación por nanoporos

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los avances en microminiaturización dentro de la industria de los semiconductores en los últimos años han posibilitado que los biotecnólogos comenzaran a encapsular herramientas de detección tradicionalmente voluminosas en factores con formas cada vez más pequeñas, en los llamados biochips. Sería deseable desarrollar técnicas para los biochips que los hicieran más sólidos, eficaces y rentables.

El documento WO2016/009672 divulga un sistema de encapsulado de chips con nanoporos conocido formado como un chip para secuenciación basada en nanoporos montado en una placa de circuito impreso. El encapsulado de chips para secuenciación basada en nanoporos incluye además un depósito que encierra las celdas con nanoporos y el fluido conductor que fluye a través del depósito.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

En un primer aspecto, la presente invención proporciona un sistema para secuenciación basada en nanoporos, que comprende una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, comprendiendo cada uno de los chips para secuenciación basada en nanoporos una pluralidad de sensores de nanoporos; al menos una celda de flujo acoplada a al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, en el que la celda de flujo acoplada al al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos comprende uno o más canales de flujo fluídicos que permiten que un fluido externo al sistema fluya por encima del chip para secuenciación basada en nanoporos y fuera del sistema; y una placa de circuito impreso conectada eléctricamente a la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

La al menos una celda de flujo se puede acoplar a al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos y al menos una celda de flujo se puede conectar a una entrada, una salida y una bomba fluídica. El uno o más canales de flujo fluídicos pueden dirigir el fluido para que fluya a través de un margen entre chips, en el que el margen entre chips es un margen entre los al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos. El margen entre chips se puede sellar herméticamente, por ejemplo, cortando las paredes laterales de los al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos para que sean sustancialmente verticales y planas; colocando las paredes laterales de los al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos de modo que las paredes laterales linden entre sí; y depositando un material de sellado hermético en las paredes laterales. El margen entre chips también se puede sellar herméticamente uniendo los al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos a la al menos una celda de flujo. La al menos una celda de flujo puede comprender un material plegable moldeado o un material de vidrio.

Al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos puede comprender una superficie de unión que se une a la al menos una celda de flujo, en la que la superficie de unión no incluye circuitos u otros componentes. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos puede comprender además una pluralidad de hilos de unión, en el que la placa de circuito impreso puede comprender además una pluralidad de conectores de metal, y la pluralidad de hilos de unión puede conectar eléctricamente al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos a al menos algunos de la pluralidad de conectores de metal, y la pluralidad de hilos de unión se pueden arquear hacia arriba y no tocarse entre sí. El sistema para secuenciación basada en nanoporos puede comprender además una capa de encapsulación que cubra la pluralidad de hilos de unión.

La pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos se puede incrustar en la placa de circuito impreso, y la placa de circuito impreso puede comprender además una pluralidad de conectores de metal, y al menos uno de la pluralidad de conectores de metal puede tener una parte que descanse plana sobre una superficie superior de la placa de circuito impreso y que descanse plana sobre una superficie superior de uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, y el al menos uno de la pluralidad de conectores de metal se puede conectar eléctricamente al uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos. El sistema o instrumento puede comprender además una capa de encapsulación, en el que la parte que descansa plana sobre la superficie superior de la placa de circuito impreso y que descansa plana sobre la superficie superior del uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos está cubierta por la capa de encapsulación.

La placa de circuito impreso puede comprender una pluralidad de cavidades, y el al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos se puede situar derecho y por debajo de la placa de circuito impreso de modo que la pluralidad de sensores de nanoporos del chip para secuenciación basada en nanoporos quede expuesta por una de la pluralidad de cavidades. A continuación, la al menos una celda de flujo se incrusta en un hoyo formado por la una de la pluralidad de cavidades y el al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento de integración de un sistema para secuenciación basada en nanoporos, que comprende: acoplar al menos una celda de flujo a al menos uno de una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, en el que la celda de flujo acoplada al al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos comprende uno o más canales de flujo fluídicos que permiten que un fluido externo al sistema fluya por encima del chip para secuenciación basada en nanoporos y fuera del sistema, y en el que cada uno de los chips para secuenciación basada en nanoporos comprende una pluralidad de sensores de nanoporos; y conectar eléctricamente una placa de circuito impreso a la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

El procedimiento puede comprender acoplar la al menos una celda de flujo a al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos y, opcionalmente conectar la al menos una celda de flujo a una entrada, una salida y una bomba fluídica. El uno o más canales de flujo fluídicos puede dirigir el fluido para que fluya a través de un margen entre chips preferente, en el que el margen entre chips es un margen entre los al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, y en el que dicho margen se puede sellar herméticamente. Dicho sellado herméticamente del margen entre chips puede comprender cortar las paredes laterales de los al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos para que sean sustancialmente verticales y planas; colocar las paredes laterales de los al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos de modo que las paredes laterales linden entre sí; y depositar un material de sellado hermético en las paredes laterales. De forma alternativa, dicho sellado herméticamente del margen entre chips puede comprender unir los al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos a la al menos una celda de flujo.

El procedimiento también puede comprender moldear la al menos una celda de flujo usando un material plegable o usando un material de vidrio. El procedimiento también puede comprender unir una superficie de unión del al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos a la al menos una celda de flujo, en la que la superficie de unión no incluye circuitos u otros componentes.

El procedimiento también puede comprender conectar eléctricamente el al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos a al menos algunos de una pluralidad de conectores de metal de la placa de circuito impreso usando una pluralidad de hilos de unión, en el que la pluralidad de hilos de unión se arquean hacia arriba y no se tocan entre sí, y opcionalmente cubrir la pluralidad de hilos de unión usando una capa de encapsulación.

El procedimiento también puede comprender incrustar la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos en la placa de circuito impreso, en el que la placa de circuito impreso comprende además una pluralidad de conectores de metal, y en el que al menos uno de la pluralidad de conectores de metal tiene una parte que descansa plana sobre una superficie superior de la placa de circuito impreso y que descansa plana sobre una superficie superior de uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, y en el que el al menos uno de la pluralidad de conectores de metal está conectado eléctricamente al uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos. A continuación, además, el procedimiento puede comprender cubrir la parte que descansa plana sobre la superficie superior de la placa de circuito impreso y que descansa plana sobre la superficie superior del uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos por una capa de encapsulación.

Si la placa de circuito impreso comprende una pluralidad de cavidades, el procedimiento también puede comprender situar derecho el al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos y por debajo de la placa de circuito impreso de modo que la pluralidad de sensores de nanoporos del chip para secuenciación basada en nanoporos quede expuesta por una de la pluralidad de cavidades. A continuación, la al menos una celda de flujo se puede incrustar en un hoyo formado por la una de la pluralidad de cavidades y el al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Diversos modos de realización de la invención se divulgan en la siguiente descripción detallada y en los dibujos adjuntos.

La figura 1 ilustra un modo de realización de una celda 100 en un chip para secuenciación basada en nanoporos.

La figura 2 ilustra un modo de realización de una celda 200 que realiza una secuenciación de nucleótidos con la técnica nano-SBS.

La figura 3 ilustra un modo de realización de una celda a punto de realizar una secuenciación de nucleótidos con marcas precargadas.

La figura 4 ilustra un modo de realización de un procedimiento 400 para la secuenciación de ácidos nucleicos con marcas precargadas.

La figura 5 ilustra un modo de realización de una celda 500 en un chip para secuenciación basada en nanoporos.

La figura 6 ilustra la vista superior de un sistema para secuenciación basada en nanoporos 600 con una cámara de flujo que encierra un chip de silicio que permite que los líquidos y gases pasen sobre y entren en contacto con sensores en la superficie de chip.

La figura 7A ilustra una vista ejemplar de un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos 700 con un canal de flujo fluídico en serpentín. La figura 7B ilustra los diversos componentes que se laminan entre sí para formar un sistema para secuenciación basada en nanoporos 700.

La figura 8A ilustra un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips 800 que incluye una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos integrados con una celda de flujo en un único sistema.

La figura 8B ilustra un ejemplo de unión, en primer lugar, de los chips para secuenciación basada en nanoporos a la celda de flujo.

La figura 9 ilustra un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips 900 que incluye una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos integrados con una pluralidad de celdas de flujo en un único sistema.

La figura 10 ilustra un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips 1000 que incluye una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos integrados con una celda de flujo en un único sistema.

La figura 11 ilustra un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips 1100 que incluye una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos integrados con una pluralidad de celdas de flujo en un único sistema.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

La invención se implementa como un sistema y un procedimiento como se explica en las reivindicaciones independientes. A menos que se establezca de otro modo, un componente, tal como un procesador o una memoria, descrito como que está configurado para realizar una tarea se puede implementar como un componente general que está configurado temporalmente para realizar la tarea en un momento dado o un componente específico que está fabricado para realizar la tarea. Como se usa en el presente documento, el término 'procesador' se refiere a uno o más dispositivos, circuitos y/o núcleos de procesamiento configurados para procesar datos, tal como instrucciones de un programa informático.

A continuación se proporciona una descripción detallada de uno o más modos de realización de la invención junto con figuras adjuntas que ilustran los principios de la invención. La invención se describe en relación con dichos modos de realización, pero la invención no está limitada a ningún modo de realización. El alcance de la invención está limitado únicamente por las reivindicaciones. Se exponen numerosos detalles específicos en la siguiente descripción para proporcionar un entendimiento completo de la invención. Se proporcionan estos detalles para el propósito de ejemplo y la invención se puede poner en práctica de acuerdo con las reivindicaciones sin algunos o todos de estos detalles específicos. Para el propósito de claridad, el material técnico que es conocido en los campos técnicos relacionados con la invención no se ha descrito en detalle, de modo que la invención no quede innecesariamente eclipsada.

Los dispositivos de membrana con nanoporo que tienen tamaños de poro en el orden de un nanómetro de diámetro interno han demostrado ser prometedores en la secuenciación de nucleótidos rápida. Cuando se aplica un potencial eléctrico a través de un nanoporo sumergido en un fluido conductor, se puede observar una pequeña corriente de iones atribuida a la conducción de iones a través del nanoporo. El tamaño de la corriente es sensible al tamaño de poro.

Se puede usar un chip para secuenciación basada en nanoporos para la secuenciación de ácidos nucleicos (por ejemplo, ADN). Un chip para secuenciación basada en nanoporos incorpora un gran número de celdas de sensor configuradas como una matriz. Por ejemplo, una matriz de un millón de celdas puede incluir 1000 filas por 1000 columnas de celdas.

La figura 1 ilustra un modo de realización de una celda 100 en un chip para secuenciación basada en nanoporos. Se forma una membrana 102 sobre la superficie de la celda. En algunos modos de realización, la membrana 102 es una bicapa lipídica. El grueso del electrólito 114 que contiene complejos moleculares transmembranarios de nanoporos de proteínas (PNTMC) solubles y el analito de interés se coloca directamente en la superficie de la celda. En un modo de realización, se inserta un único PNTMC 104 en la membrana 102 por electroporación. Las membranas individuales en la matriz no están conectadas ni química ni eléctricamente entre sí. Por tanto, cada celda en la matriz es una máquina de secuenciación independiente, que produce datos únicos para la única molécula de polímero asociada con el PNTMC. El PNTMC 104 actúa sobre los analitos y modula la corriente iónica a través de la bicapa de otro modo impermeable.

Con referencia continuada a la figura 1, los circuitos de medición analógicos 112 están conectados a un electrodo de metal 110 cubierto por un volumen de electrolito 108. El volumen de electrolito 108 queda aislado del grueso del electrolito 114 por la membrana impermeable a iones 102. El PNTMC 104 cruza la membrana 102 y proporciona el único recorrido para que la corriente iónica fluya desde el grueso del líquido al electrodo de trabajo 110. La celda también incluye un contraelectrodo (CE) 116, que está en contacto eléctrico con el grueso del electrolito 114. La celda también puede incluir un electrodo de referencia 117.

En algunos modos de realización, una matriz de nanoporos posibilita una secuenciación paralela usando la técnica de secuenciación por síntesis basada en nanoporos de molécula única (nano-SBS). La figura 2 ilustra un modo de realización de una celda 200 que realiza una secuenciación de nucleótidos con la técnica nano-SBS. En la técnica nano-SBS, se introducen un molde 202 que se va a secuenciar y un cebador en la celda 200. A este complejo moldecebador, se añaden cuatro nucleótidos marcados de forma diferente 208 al grueso de la fase acuosa. A medida que el nucleótido marcado correctamente forma un complejo con la polimerasa 204, la cola de la marca se sitúa en el hueco cilíndrico del nanoporo 206. La marca contenida en el hueco cilíndrico del nanoporo 206 genera una señal de bloqueo iónico 210 única, identificando electrónicamente, de este modo, la base añadida debida a las distintas estructuras químicas de las marcas.

La figura 3 ilustra un modo de realización de una celda a punto de realizar una secuenciación de nucleótidos con marcas precargadas. Se forma un nanoporo 301 en una membrana 302. Una enzima 303 (por ejemplo, una polimerasa, tal como una ADN polimerasa) se asocia con el nanoporo. En algunos casos, la polimerasa 303 se acopla de forma covalente al nanoporo 301. La polimerasa 303 se asocia con una molécula de ácido nucleico 304 que se va a secuenciar. En algunos modos de realización, la molécula de ácido nucleico 304 es circular. En algunos casos, la molécula de ácido nucleico 304 es lineal. En algunos modos de realización, un cebador de ácido nucleico 305 se hibrida a una parte de la molécula de ácido nucleico 304. La polimerasa 303 cataliza la incorporación de nucleótidos 306 en el cebador 305 usando una molécula de ácido nucleico monocatenario 304 como molde. Los nucleótidos 306 comprenden especies de marca ("marcas") 307.

La figura 4 ilustra un modo de realización de un procedimiento 400 para la secuenciación de ácidos nucleicos con marcas precargadas. La fase A ilustra los componentes como se describe en la figura 3. La fase C muestra la marca cargada en el nanoporo. Una marca "cargada" puede ser una que se sitúa en y/o permanece en o cerca del nanoporo durante una cantidad de tiempo apreciable, por ejemplo, de 0,1 milisegundos (ms) a 10.000 ms. En algunos casos, una marca que está precargada se carga en el nanoporo antes de liberarse del nucleótido. En algunos casos, una marca está precargada si la probabilidad de que la marca pase a través de (y/o se detecte por) el nanoporo después de liberarse tras un acontecimiento de incorporación de nucleótidos es adecuadamente alta, por ejemplo, de un 90 % a un 99 %.

En la fase A, un nucleótido marcado (uno de cuatro tipos diferentes: A, T, G o C) no se asocia con la polimerasa. En la fase B, un nucleótido marcado se asocia con la polimerasa. En la fase C, la polimerasa se fija al nanoporo. La marca penetra en el nanoporo durante la fijación por una fuerza eléctrica, tal como una fuerza generada en presencia de un campo eléctrico generado por una tensión aplicada a través de la membrana y/o el nanoporo.

Algunos de los nucleótidos marcados asociados no tienen emparejamiento de bases con la molécula de ácido nucleico. Típicamente estos nucleótidos no emparejados se rechazan por la polimerasa dentro de una escala de tiempo que es más corta que la escala de tiempo durante la que los nucleótidos emparejados correctamente permanecen asociados con la polimerasa. Puesto que los nucleótidos no emparejados solo se asocian de forma transitoria con la polimerasa, el procedimiento 400 como se muestra en la figura 4 típicamente no procede más allá de la fase D. Por ejemplo, un nucleótido no emparejado se rechaza por la polimerasa en la fase B o poco después de que el procedimiento entre en la fase C.

Antes de que la polimerasa se fije al nanoporo, la conductancia del nanoporo es de ~300 picosiemens (300 pS). En la etapa C, la conductancia del nanoporo es de aproximadamente 60 pS, 80 pS, 100 pS o 120 pS, correspondiente a uno de los cuatro tipos de nucleótidos marcados, respectivamente. La polimerasa experimenta una isomerización y una reacción de transfosforilación para incorporar el nucleótido en la molécula de ácido nucleico creciente y liberar la molécula de marca. En particular, a medida que la marca queda contenida en el nanoporo, se genera una señal de conductancia única (por ejemplo, véase la señal 210 en la figura 2) debido a las distintas estructuras químicas de la marca, identificando, de este modo, la base añadida electrónicamente. La repetición del ciclo (es decir, de la fase A a la E o de la fase A a la F) permite la secuenciación de la molécula de ácido nucleico. En la fase D, la marca liberada pasa a través del nanoporo.

En algunos casos, los nucleótidos marcados que no se incorporan en la molécula de ácido nucleico creciente también pasarán a través del nanoporo, como se ve en la fase F de la figura 4. El nucleótido no incorporado se puede detectar por el nanoporo en algunos casos, pero el procedimiento proporciona un medio para distinguir entre un nucleótido incorporado y un nucleótido no incorporado en base a, al menos en parte, el tiempo durante el que el nucleótido se detecta en el nanoporo. Las marcas unidas a nucleótidos no incorporados pasan a través del nanoporo rápidamente y se detectan durante un corto periodo de tiempo (por ejemplo, menos de 10 ms), mientras que las marcas unidas a nucleótidos incorporados se cargan en el nanoporo y se detectan durante un largo periodo de tiempo (por ejemplo, al menos 10 ms).

La figura 5 ilustra un modo de realización de una celda 500 en un chip para secuenciación basada en nanoporos. La celda 500 incluye un hoyo 505 que tiene dos paredes laterales y una parte inferior. En un modo de realización, cada pared lateral comprende una capa dieléctrica 504 y la parte inferior comprende un electrodo de trabajo 502. En un modo de realización, el electrodo de trabajo 502 tiene un lado superior y un lado inferior. En otro modo de realización, el lado superior de 502 constituye la parte inferior del hoyo 505, mientras que el lado inferior de 502 está en contacto con la capa dieléctrica 501. En otro modo de realización, la capa dieléctrica 504 está por encima de la capa dieléctrica 501. La capa dieléctrica 504 forma las paredes que rodean un hoyo 505 en el que un electrodo de trabajo 502 se localiza en la parte inferior. Los materiales dieléctricos adecuados para su uso en la presente invención (por ejemplo, la capa dieléctrica 501 o 504) incluyen, sin limitación, porcelana (cerámica), vidrio, mica, plásticos, óxidos, nitruros (por ejemplo, mononitruro de silicio o SiN), oxinitruro de silicio, óxidos de metal, nitruros de metal, silicatos de metal, óxidos de metal de transición, nitruros de metal de transición, silicatos de metal de transición, oxinitruros de metales, aluminatos de metal, silicato de circonio, aluminato de circonio, óxido de hafnio, materiales aislantes (por ejemplo, polímeros, epoxis, fotoprotectores y similares), o combinaciones de los mismos. Los expertos en la técnica apreciarán otros materiales dieléctricos que son adecuados para su uso en la presente invención.

En un aspecto, la celda 500 también incluye una o más capas hidrófobas. Como se muestra en la figura 5, cada capa dieléctrica 504 tiene una superficie superior. En un modo de realización, la superficie superior de cada capa dieléctrica 504 puede comprender una capa hidrófoba. En un modo de realización, la silanización forma una capa hidrófoba 520 por encima de la superficie superior de la capa dieléctrica 504. Por ejemplo, se puede realizar otra silanización con moléculas de silano (i) que contienen cadenas de 6 a 20 carbonos de longitud (por ejemplo, octadeciltriclorosilano, octadeciltrimetoxisilano u octadeciltrietoxisilano), (ii) dimetiloctilclorosilano (DMOC), o (iii) moléculas de alcoxisilano organofuncional (por ejemplo, dimetilclorooctodecilsilano, metildiclorooctodecilsilano, triclorooctodecilsilano, trimetiloctodecilsilano o trietiloctodecilsilano) en la superficie superior de la capa dieléctrica 504. En un modo de realización, la capa hidrófoba es una capa silanizada o una capa de silano. En un modo de realización, la capa de silano puede tener el espesor de una molécula. En un aspecto, la capa dieléctrica 504 comprende una superficie superior adecuada para la adhesión de una membrana (por ejemplo, una bicapa lipídica que comprende un nanoporo). En un modo de realización, la superficie superior adecuada para la adhesión de una membrana comprende una molécula de silano como se describe en el presente documento. En algunos modos de realización, la capa hidrófoba 520 tiene un espesor proporcionado en una escala nanométrica (nM) o micrométrica (pm). En otros modos de realización, la capa hidrófoba se puede extender hacia abajo a lo largo de toda o una parte de la capa dieléctrica 504. (véase también Davis et al., documento U.S. 20140034497).

En otro aspecto, el hoyo 505 (formado por las paredes de capa dieléctrica 504) incluye además un volumen de solución salina 506 por encima del electrodo de trabajo 502. En general, los procedimientos de la presente invención comprenden el uso de una solución (por ejemplo, una solución salina, solución tamponadora salina, electrolito, solución de electrolito o grueso del electrolito que comprende osmolitos. Como se usa en el presente documento, el término "osmolito" se refiere a cualquier compuesto soluble que cuando se disuelve en solución incrementa la osmolaridad de esa solución. En la presente invención, un osmolito es un compuesto que es soluble en solución dentro de la arquitectura de un sistema para secuenciación por nanoporos, por ejemplo, un hoyo que contiene una solución salina o un grueso del electrolito como se describe en el presente documento. Como tales, los osmolitos de la presente invención afectan a la ósmosis, en particular, la ósmosis a través de una bicapa lipídica. Los osmolitos para su uso en la presente invención incluyen, sin limitación, sales iónicas, tales como cloruro de litio (LiCl), cloruro de sodio (NaCl), cloruro de potasio (KCl), glutamato de litio, glutamato de sodio, glutamato de potasio, acetato de litio, acetato de sodio, acetato de potasio, cloruro de calcio (CaCh), cloruro de estroncio (SrCh), cloruro de manganeso (MnCh) y cloruro de magnesio (MgCh); polioles y azúcares, tales como glicerol, eritritol, arabitol, sorbitol, manitol, xilitol, manisidomanitol, glucosilglicerol, glucosa, fructosa, sacarosa, trehalosa e isofluorosido; polímeros, tales como dextranos, levanos y polietilenglicol; y algunos aminoácidos y derivados de los mismos, tales como glicina, alanina, alfa-alanina, arginina, prolina, taurina, betaína, octopina, glutamato, sarcosina, ácido Y-aminobutírico y N-óxido de trimetilamina ("TMAO") (véase también, por ejemplo, Fisher et al., documento U.S. 20110053795). En un modo de realización, la presente invención utiliza una solución que comprende un osmolito, en la que el osmolito es una sal iónica. Los expertos en la técnica apreciarán otros compuestos que son osmolitos adecuados para su uso en la presente invención. En otro aspecto, la presente invención proporciona soluciones que comprenden dos o más osmolitos diferentes.

La arquitectura del chip para secuenciación basada en nanoporos descrito en el presente documento comprende una matriz de hoyos (por ejemplo, la figura 5) que tienen un volumen de entre 1 atolitro y 1 nanolitro.

Como se muestra en la figura 5, se forma una membrana en las superficies superiores de la capa dieléctrica 504 y se expande a lo largo del hoyo 505. Por ejemplo, la membrana incluye una monocapa lipídica 518 formada por encima de la capa hidrófoba 520. A medida que la membrana alcanza la abertura del hoyo 505, la monocapa lipídica pasa a ser una bicapa lipídica 514 que se expande a lo largo de la abertura del hoyo. La monocapa lipídica 518 también se puede extender a lo largo de toda o una parte de la superficie vertical (es decir, la pared lateral) de una capa dieléctrica 504. En un modo de realización, la superficie vertical 504 a lo largo de la que se extiende la monocapa 518 comprende una capa hidrófoba. Un grueso del electrolito 508 que contiene complejos moleculares transmembranarios de nanoporos de proteínas (PNTMC) y el analito de interés se coloca directamente por encima del hoyo. Se inserta un único PNTMC/nanoporo 516 en la bicapa lipídica 514. En un modo de realización, la inserción en la bicapa es por electroporación. El nanoporo 516 cruza la bicapa lipídica 514 y proporciona el único recorrido para el flujo iónico desde el grueso del electrolito 508 al electrodo de trabajo 502.

La celda 500 incluye un contraelectrodo (CE) 510, que está en contacto eléctrico con el grueso del electrolito 508. La celda 500 puede incluir opcionalmente un electrodo de referencia 512. En algunos modos de realización, el contraelectrodo 510 se comparte entre una pluralidad de celdas y, por lo tanto, también se denomina electrodo común. El electrodo común se puede configurar para aplicar un potencial común al grueso del líquido en contacto con los nanoporos en las celdas de medición. El potencial común y el electrodo común son comunes a todas las celdas de medición.

En algunos modos de realización, el electrodo de trabajo 502 es un electrodo de metal. Para la conducción no faradaica, el electrodo de trabajo 502 puede estar hecho de metales que sean resistentes a la corrosión y oxidación, por ejemplo, platino, oro, nitruro de titanio y grafito. Por ejemplo, el electrodo de trabajo 502 puede ser un electrodo de platino con platino electrodepositado. En otro ejemplo, el electrodo de trabajo 502 puede ser un electrodo de trabajo de nitruro de titanio (TiN).

Como se muestra en la figura 5, se inserta el nanoporo 516 en la bicapa lipídica 514 plana suspendida sobre el hoyo 505. Una solución de electrolito está presente tanto en el interior del hoyo 505, es decir, el lado trans (véase la solución salina 506), como en un depósito externo 522 mucho más grande, es decir, el lado cis (véase grueso del electrolito 508). El grueso del electrolito 508 en el depósito externo 522 está por encima de los múltiples hoyos del chip para secuenciación basada en nanoporos. La bicapa lipídica 514 se extiende sobre el hoyo 505 y pasa a ser una monocapa lipídica 518 donde la monocapa se acopla a la capa hidrófoba 520. Esta geometría sella tanto eléctrica como físicamente el hoyo 505 y separa el hoyo del depósito externo más grande. Mientras que las moléculas neutras, tales como agua y gases disueltos, pueden pasar a través de la bicapa lipídica 514, los iones no pueden hacerlo. El nanoporo 516 en la bicapa lipídica 514 proporciona un único recorrido para que los iones se conduzcan dentro y fuera del hoyo 505.

Para la secuenciación de ácidos nucleicos, una polimerasa se acopla al nanoporo 516. Un molde de ácido nucleico (por ejemplo, ADN) queda contenido por la polimerasa. Por ejemplo, la polimerasa sintetiza ADN incorporando mononucleótidos hexafosfato (HMN) de la solución que son complementarios al molde. Se acopla una marca polimérica única a cada HMN. Durante la incorporación, la marca se enhebra en el nanoporo ayudada por un gradiente de campo eléctrico producido por la tensión entre el contraelectrodo 510 y el electrodo de trabajo 502. La marca bloquea parcialmente el nanoporo 516, lo que propicia un cambio mensurable en la corriente iónica a través del nanoporo 516. En algunos modos de realización, se aplica una polarización en corriente alterna (CA) o una tensión de corriente continua (CC) entre los electrodos.

La secuenciación de ácidos nucleicos usando el chip para secuenciación basada en nanoporos incluye etapas en las que diferentes tipos de fluidos (por ejemplo, líquidos o gases) se hacen fluir a través de las celdas del chip para secuenciación basada en nanoporos por medio de una cámara de flujo. Se hacen fluir múltiples fluidos con propiedades significativamente diferentes (por ejemplo, compresibilidad, hidrofobia y viscosidad) sobre una matriz de sensores en la superficie del chip para secuenciación basada en nanoporos. Para una eficacia mejorada, cada uno de los sensores en la matriz debe quedar expuesto a los fluidos de una manera consecuente. Por ejemplo, cada uno de los diferentes tipos de fluidos se debe hacer fluir sobre el chip para secuenciación basada en nanoporos de modo que el fluido se pueda suministrar al chip, uniformemente recubriendo y entrando en contacto con cada una de las superficies de las celdas, y, a continuación, suministrar fuera del chip. Como se describe anteriormente, un chip para secuenciación basada en nanoporos incorpora un gran número de celdas de sensor configuradas como una matriz. A medida que el chip para secuenciación basada en nanoporos se ajusta a escala para que incluya más y más celdas, el logro de un flujo uniforme de los diferentes tipos de fluidos a través de las celdas del chip se vuelve más complicado.

En algunos modos de realización, el sistema para secuenciación basada en nanoporos incluye una cámara de flujo que tiene un canal de flujo fluídico en serpentín que dirige los fluidos para que atraviesen diferentes sensores del chip a lo largo de la longitud del canal. El canal de flujo se puede usar para contener el grueso del electrolito 114 en la figura 1 y el grueso del electrolito 508 en la figura 5. El canal de flujo se puede usar para formar un depósito externo 522 en la figura 5. La figura 6 ilustra la vista superior de un sistema para secuenciación basada en nanoporos 600 con una cámara de flujo que encierra un chip de silicio que permite que los líquidos y gases pasen sobre y se pongan en contacto con sensores en la superficie de chip. La cámara de flujo incluye un canal de flujo fluídico en serpentín o devanado 608 que dirige los fluidos para que fluyan directamente por encima de una única columna (o una única fila) de bancadas de sensores 606 (incluyendo cada bancada varios miles de celdas de sensor) desde un extremo del chip al extremo opuesto y, a continuación, dirige los fluidos para que retornen en bucle repetidamente y fluyan directamente por encima de otras columnas contiguas de bancadas de sensores, hasta que todas las bancadas de sensores se hayan atravesado al menos una vez. Como se muestra en la figura 6, el sistema 600 incluye una entrada 602 y una salida 604.

Con referencia a la figura 6, se dirige un fluido al sistema 600 a través de la entrada 602. El tipo de fluido, la concentración del fluido o la velocidad de flujo se pueden seleccionar por un sistema fluídico que incluya un procesador para controlar el sistema fluídico y una bomba fluídica para bombear el fluido a la entrada y fuera de la salida. La entrada 602 puede ser un tubo o una aguja. Por ejemplo, el tubo o aguja pueden tener un diámetro de un milímetro. En lugar de alimentar directamente el líquido o gas a una cámara de flujo ancha con un único espacio continuo, la entrada 602 alimenta el líquido o gas a un canal de flujo fluídico en serpentín 608 que dirige el líquido o gas para que fluya directamente por encima de una única columna de bancadas de sensores 606. El canal de flujo fluídico en serpentín 608 se puede formar apilando entre sí una placa superior y una junta con divisores 610 que dividen la cámara en el canal en serpentín para formar una celda de flujo, y, a continuación, montando la celda de flujo por encima del chip. Una vez que el líquido o gas fluye a través del canal de flujo fluídico en serpentín 608, el líquido o gas se dirige hacia arriba a través de la salida 604 y fuera del sistema 600.

El sistema 600 permite que los fluidos fluyan más uniformemente por encima de todos los sensores en la superficie de chip. La anchura del canal está configurada para ser lo suficientemente estrecha de modo que la acción capilar pueda tener efecto. Más en particular, la tensión de superficie (que está provocada por cohesión dentro del fluido) y las fuerzas adhesivas entre el fluido y las superficies circundantes actúan para mantener el fluido unido, evitando, de este modo, que el fluido o las burbujas de aire se rompan y creen zonas muertas. Por ejemplo, el canal puede tener una anchura de 1 milímetro o menos. El canal estrecho posibilita el flujo controlado de los fluidos y minimiza la cantidad de restos de un flujo previo de fluidos o gases.

La figura 7A ilustra una vista ejemplar de un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos 700 con un canal de flujo fluídico en serpentín. La figura 7B ilustra los diversos componentes que se laminan entre sí para formar un sistema para secuenciación basada en nanoporos 700. El sistema 700 incluye diversos componentes, que incluyen una placa de circuito impreso 701, un chip con matriz de nanoporos 702, una junta 704 con divisores 703, una placa de soporte 707, un contraelectrodo 706 en el lado inferior de la placa de soporte 707, un circuito plano flexible 716 que se conecta al contraelectrodo 706, una entrada 708, una salida 710, una placa de resorte 712 y una pluralidad de elementos físicos de sujeción 714. El canal de flujo fluídico en serpentín es el espacio formado entre la placa de soporte 707, la junta 704 y el chip con matriz de nanoporos 702. El canal de flujo en serpentín se forma apilando entre sí la placa de soporte 707 y la junta 704 para formar una celda de flujo, y, a continuación, montando la celda de flujo encima del chip con matriz de nanoporos 702. Se pueden encontrar modos de realización adicionales del canal de flujo en Yuan, documento U.S. 20160274082, que se incorpora en el presente documento por referencia en su totalidad.

Para incrementar el rendimiento de la secuenciación, el chip para secuenciación basada en nanoporos se necesita ajustar a escala para que incluya más y más celdas, por encima de los millones o decenas de millones de celdas. Sin embargo, un chip que incluya millones de celdas puede alcanzar rápidamente el máximo tamaño de chip permitido por los tamaños de retícula en la industria de los semiconductores. Puede que no se pueda lograr el ajuste a escala de los semiconductores por fuerza bruta del chip para secuenciación basada en nanoporos debido a una serie de motivos. Como se muestra en la figura 5, el hoyo 505 incluye un volumen de solución salina 506 por encima del electrodo de trabajo 502. Las dimensiones del hoyo no se pueden reducir fácilmente porque cada hoyo necesita contener una determinada cantidad de solución salina para que el procedimiento de secuenciación funcione apropiadamente. Además, el espaciado entre los hoyos no se puede reducir fácilmente porque la reducción del espaciado puede introducir interferencias entre las celdas. Además, cada celda incluye componentes de medición analógicos (por ejemplo, convertidores de analógico a digital (ADC)) que no se pueden disminuir a escala en tamaño fácilmente. Otra motivación es reducir el coste de un encapsulado para secuenciación basada en nanoporos que tenga un mayor número de celdas. Aún otro objetivo es acortar el ciclo de diseño y reducir el coste cuando se cambia el número de celdas en el sistema en base a los requisitos del producto. Por lo tanto, serían deseables técnicas mejoradas para incrementar el número de celdas en un sistema/encapsulado para secuenciación basada en nanoporos.

En la presente solicitud, se divulga un sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips que incluye una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos y una o más celdas de flujo integradas en un único encapsulado. El sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips tiene una serie de ventajas. El ajuste a escala del número de celdas en el encapsulado no está limitado por una serie de factores, incluyendo el máximo tamaño de pastilla permitido por los tamaños de retícula en la industria de los semiconductores, el mínimo tamaño y espaciado entre hoyos y los mínimos tamaños de los diferentes componentes analógicos. El encapsulado para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips también es más rentable, porque el número de celdas se puede aumentar a escala sin incrementar el tamaño de pastilla, lo que puede dar lugar a un menor rendimiento porcentual. El ciclo de diseño se reduce significativamente porque no existe la necesidad de rediseñar el silicio o el procedimiento de ensamblaje para cambiar el número de celdas en el encapsulado. El número de celdas en el sistema se puede incrementar simplemente incrementando el número de unidades de diseño modulares integradas en el sistema. Por ejemplo, cada unidad de diseño es un mosaico que se puede ensamblar independientemente y los mosaicos se pueden ensamblar uno al lado del otro. Debido al ciclo de diseño acortado, el número de celdas por encapsulado se puede personalizar para proporcionar una gama más amplia de productos a un coste relativamente bajo.

La figura 8A ilustra un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips 800 que incluye una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos integrados con una celda de flujo en un único sistema. La figura 8A ilustra una vista en sección transversal del sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips. El sistema 800 incluye una placa de circuito impreso (PCB) 802, una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos 804 y una celda de flujo 806. Como se muestra en la figura 8A, el sistema 800 incluye tres chips para secuenciación basada en nanoporos 804. Sin embargo, se debe reconocer que se puede integrar un número diferente de chips para secuenciación basada en nanoporos 804 en el sistema 800 para aumentar o bien disminuir a escala el número total de celdas en el sistema.

Cada chip para secuenciación basada en nanoporos 804 incorpora un número de celdas de sensor configuradas como una matriz. Por ejemplo, una matriz de un millón de celdas puede incluir 1000 filas por 1000 columnas de celdas. En algunos modos de realización, cada chip para secuenciación basada en nanoporos 804 es un chip de única oblea. En algunos modos de realización, cada chip para secuenciación basada en nanoporos 804 es un chip de obleas apiladas (véase, por ejemplo, Tian, documento U.S. 20150275287). Los diferentes tipos de componentes del chip, por ejemplo, los componentes analógicos, digitales y de memoria, se pueden fragmentar en dos o más obleas que se apilan verticalmente para formar el chip para secuenciación basada en nanoporos de obleas apiladas. Por ejemplo, cada oblea apilada incluye un tipo diferente de componente, por ejemplo, solo componentes analógicos o solo componentes digitales. Una ventaja de separar los componentes digitales y los componentes analógicos en diferentes obleas es que elimina la necesidad de obleas de señal mixta en el chip, que son más costosas que las obleas analógicas o las obleas digitales; además, las obleas analógicas y digitales se pueden diseñar individualmente con diferentes tipos de tecnologías, por ejemplo, tecnología de 180 nm para diseño analógico y tecnología de 28 nm para diseño digital.

La celda de flujo 806 se puede formar usando diferentes materiales. En algunos modos de realización, la celda de flujo 806 se forma apilando entre sí una placa de soporte y una junta. La junta se puede moldear con un material flexible, compresible o plegable, tal como plástico o caucho. El espacio entre la placa de soporte, la junta y los chips forma los canales de flujo fluídicos en serpentín 808. Este tipo de celda de flujo se ha divulgado en las figuras 6, 7A y 7B y se denomina celda de flujo moldeada de material flexible. En algunos modos de realización, la celda de flujo 806 se forma con un material no flexible, tal como vidrio. La celda de flujo de vidrio está moldeada para que incluya una pluralidad de canales de flujo fluídicos en serpentín 808 que puede dirigir los fluidos para que pasen sobre y se pongan en contacto con los sensores en las superficies de los chips.

La placa de circuito impreso 802 incluye una pluralidad de bloques de metal térmico 814 para conducir térmicamente el calor lejos de los chips para secuenciación basada en nanoporos 804. Aunque la figura 8A muestra que existe una separación entre cada bloque de metal térmico 814 y su chip 804 correspondiente, se debe reconocer que, en realidad, el bloque de metal térmico está en contacto con el chip, facilitando, de este modo, la retirada de calor del chip. La placa de circuito impreso 802 también incluye una pluralidad de conectores de metal 816. Se pueden transmitir señales de sensor y otra información desde las celdas por medio de una pluralidad de vías a través de silicio 810 a las superficies inferiores de los chips. A continuación, se transmiten además las señales e información fuera del sistema 800 a través de las bolas de soldadura 812 y los conectores de metal 816. Se pueden transmitir de forma similar señales de control desde un procesador o controlador externo por medio de los conectores de metal 816, bolas de soldadura 812 y vías a través de silicio 810 a las celdas en los chips.

En algunos modos de realización, la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos 804 se une en primer lugar a la celda de flujo 806, y, a continuación, los chips y la PCB 802 se unen entre sí. La figura 8B ilustra un ejemplo de unión, en primer lugar, de los chips para secuenciación basada en nanoporos a la celda de flujo. La figura 8B ilustra una vista en sección transversal de los chips para secuenciación basada en nanoporos y la celda de flujo. La celda de flujo 806 se sitúa en la parte inferior. Cabe señalar que la celda de flujo 806 en la figura 8B está orientada del revés, en comparación con la celda de flujo 806 en la figura 8a . La pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos también está orientada del revés, es decir, con las celdas (por ejemplo, las celdas 500) orientadas del revés y unidas a la celda de flujo 806. Después de que los chips 804 se unan a la celda de flujo 806, los chips y la PCB 802, a continuación, se unen entre sí. Una ventaja de unir, en primer lugar, los chips a la celda de flujo es que la celda de flujo proporciona una superficie de unión plana, lo que facilita la unión de los chips con la celda de flujo. Una celda de flujo 806 que se forma con un material de vidrio se puede unir a los chips usando una técnica de unión por láser. Algunas técnicas de unión pueden generar mucho calor en el área de unión, lo que puede provocar daños en los circuitos o en otros componentes en los chips. En consecuencia, los chips se diseñan para que incluyan superficies de unión (por ejemplo, en la periferia de los chips) que no incluyan circuitos u otros componentes.

En el sistema 800, una celda de flujo 806 se comparte entre múltiples chips para secuenciación basada en nanoporos 804. La ventaja de usar una celda de flujo 806 para dirigir el fluido para que fluya por encima de los sensores de todos los chips para secuenciación basada en nanoporos 804 en el sistema es que solo se requieren una entrada, una salida y una bomba fluídica para todo el sistema, lo que reduce, de este modo, el coste global del sistema. Sin embargo, hacer fluir el fluido a través de los márgenes entre chips crea una serie de complicaciones. Para garantizar que el fluido pueda fluir sin esfuerzo por medio de los canales de flujo fluídicos en serpentín 808 a través de los márgenes entre chips, los chips 804 deben lindar entre sí, en lugar de tener separaciones entre medias como se muestra en las figuras 8A y 8B. Por ejemplo, la pared lateral de un primer chip que sea contigua a la pared lateral de un segundo chip debe ser recta y plana, de modo que las paredes laterales de los dos chips puedan lindar bien entre sí. Se pueden usar técnicas de corte vertical para cortar los chips para secuenciación basada en nanoporos de las obleas, de modo que las paredes laterales de los chips sean verticales y planas. Por ejemplo, se pueden usar herramientas de grabado con plasma. Además, los márgenes entre chips se deben sellar herméticamente para que sean estancos y excluyan el paso de líquidos. Por ejemplo, las paredes laterales de dos chips que sean contiguas entre sí se deben sellar herméticamente. En algunos modos de realización, las paredes laterales de dos chips contiguos se sellan herméticamente depositando un material de sellado hermético, tal como cromo. Otro modo de garantizar que el fluido pueda fluir sin esfuerzo por medio de los canales de flujo fluídicos en serpentín 808 a través de los márgenes entre chips es unir, en primer lugar, los chips a la celda de flujo 806 y, a continuación, unir los chips y la PCB 802 entre sí, como se analiza anteriormente. La ventaja de unir, en primer lugar, los chips a la celda de flujo es que la celda de flujo proporciona una superficie de unión plana, de modo que los chips se puedan alinear verticalmente al mismo nivel, lo que facilita la formación de un sello hermético entre cada uno de los márgenes entre chips.

La figura 9 ilustra un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips 900 que incluye una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos integrados con una pluralidad de celdas de flujo en un único sistema. La figura 9 ilustra una vista en sección transversal del sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips. El sistema 900 incluye una placa de circuito impreso (PCB) 902, una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos 904 y una pluralidad de celdas de flujo 906. Como se muestra en la figura 9, el sistema 900 incluye tres chips para secuenciación basada en nanoporos 904. Sin embargo, se debe reconocer que se puede integrar un número diferente de chips para secuenciación basada en nanoporos 904 en el sistema 900 para aumentar o bien disminuir a escala el número total de celdas en el sistema.

En algunos modos de realización, cada chip para secuenciación basada en nanoporos 904 es un chip de única oblea. En algunos modos de realización, cada chip para secuenciación basada en nanoporos 904 es un chip de obleas apiladas. La pluralidad de celdas de flujo 906 puede ser de un tipo similar a la celda de flujo moldeada de material flexible o celda de flujo de vidrio como se describe en el sistema 800, pero, en lugar de tener una única celda de flujo para dirigir el fluido para que fluya por encima de los sensores de todos los chips en el sistema, el sistema 900 incluye una celda de flujo 906 para cada chip 904, y cada celda de flujo 906 tiene su propia entrada, salida y bomba fluídica. Cada celda de flujo 906 incluye una pluralidad de canales de flujo fluídicos 908 para dirigir los fluidos para que fluyan por encima de los sensores de un único chip para secuenciación basada en nanoporos 904 en el sistema.

La placa de circuito impreso 902 incluye una pluralidad de placas de metal térmicas 914 para conducir térmicamente el calor lejos de los chips para secuenciación basada en nanoporos 904. De forma alternativa, la placa de circuito impreso 902 puede incluir una pluralidad de bloques de metal térmicos (no mostrados en la figura 9), por ejemplo, el tipo de bloques de metal térmicos mostrados en el sistema 800, para conducir térmicamente el calor lejos de los chips. La placa de circuito impreso 902 también incluye una pluralidad de conectores de metal 916 para transmitir señales de control o de sensor y otra información. Se pueden transmitir señales de sensor y otra información desde las celdas por medio de una pluralidad de hilos de unión 912 a los conectores de metal 916. A continuación, se transmiten además las señales e información a través de los conectores de metal 916 a la superficie inferior de la PCB 902 y fuera del sistema 900. Se pueden transmitir de forma similar señales de control desde un procesador o controlador externo por medio de los conectores de metal 916 e hilos de unión 912 a las celdas en los chips.

En algunos modos de realización, la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos 904 se une, en primer lugar, a la PCB 902. Después de que los chips 904 se unan a la PCB 902, se usan hilos de unión 912 para conectar eléctricamente los chips 904 a los conectores de metal 916 de la PCB 902. Para minimizar el espacio en la PCB 902 que está ocupado por los chips 904, los chips se colocan bien juntos. Con los chips colocados bien juntos, se usa una técnica con hilo de unión para colocar los hilos de unión 912 que se arquean hacia arriba y están muy bien espaciados entre sí, mientras se previene que los cables de unión se toquen entre sí.

Los hilos de unión 912 están protegidos y cubiertos por una capa de encapsulación 910. La capa de encapsulación 910 se puede formar usando diferentes materiales, tales como epoxi. En algunos modos de realización, las celdas de flujo 906 se unen a los chips 904 antes de que se deposite la capa de encapsulación 910. La ventaja de colocar las celdas de flujo 906 antes de la capa de encapsulación 910 es que las celdas de flujo 906 pueden actuar como un dique que evite que el material de encapsulación se deposite en los componentes de los chips. Algunos procedimientos de encapsulación son procedimientos a alta temperatura, que pueden provocar que las celdas de flujo moldeadas de material flexible se fundan. En este caso, solo se usan celdas de flujo que están hechas con materiales que pueden soportar una alta temperatura, por ejemplo, vidrio. Algunos procedimientos de encapsulación no son procedimientos a alta temperatura. En este caso, se pueden usar ambas, celdas de flujo moldeadas de material flexible o celdas de flujo de vidrio. En algunos modos de realización, el procedimiento de encapsulación es un procedimiento a alta temperatura y se usan celdas de flujo moldeadas de material flexible. Debido a que las altas temperaturas pueden dañar a este tipo de celda de flujo, en primer lugar, se deposita la capa de encapsulación y, a continuación, las celdas de flujo se inmovilizan por encima de los chips aplicando presión hacia abajo en las partes superiores de las celdas de flujo.

Algunas técnicas de unión para unir las celdas de flujo 906 a los chips 904 pueden generar mucho calor en el área de unión, lo que puede provocar daños en los circuitos u otros componentes en los chips. En consecuencia, los chips 904 se diseñan para que incluyan superficies de unión (por ejemplo, en la periferia de los chips) que no incluyan circuitos u otros componentes.

La figura 10 ilustra un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips 1000 que incluye una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos integrados con una celda de flujo en un único sistema. La figura 10 ilustra una vista en sección transversal del sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips. El sistema 1000 incluye una placa de circuito impreso (PCB) 1002, una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos 1004 y una celda de flujo 1006. Como se muestra en la figura 10, el sistema 1000 incluye tres chips para secuenciación basada en nanoporos 1004. Sin embargo, se debe reconocer que se puede integrar un número diferente de chips para secuenciación basada en nanoporos 1004 en el sistema 1000 para aumentar o bien disminuir a escala el número total de celdas en el sistema.

La placa de circuito impreso 1002 incluye una pluralidad de placas de metal térmicas 1014 para conducir térmicamente el calor lejos de los chips para secuenciación basada en nanoporos 1004. De forma alternativa, la placa de circuito impreso 1002 puede incluir una pluralidad de bloques de metal térmicos (no mostrados en la figura 10), por ejemplo, el tipo de bloques de metal térmicos mostrados en el sistema 800, para conducir térmicamente el calor lejos de los chips. La placa de circuito impreso 1002 también incluye una pluralidad de conectores de metal 1016 para transmitir señales de control o de sensor y otra información. Se transmiten señales de sensor y otra información desde las celdas de los chips a través de los conectores de metal 1016 a la superficie inferior de la PCB 1002 y fuera del sistema 1000. Se pueden transmitir de forma similar señales de control desde un procesador o controlador externo por medio de los conectores de metal 1016 a las celdas en los chips.

En algunos modos de realización, cada chip para secuenciación basada en nanoporos 1004 es un chip de única oblea. En algunos modos de realización, cada chip para secuenciación basada en nanoporos 1004 es un chip de obleas apiladas. Los chips para secuenciación basada en nanoporos 1004 se incrustan dentro de la placa de circuito impreso 1002. Una de las ventajas de incrustar los chips 1004 dentro de la PCB 1002 es que no se necesitan hilos de unión (por ejemplo, los usados en el sistema 900) para conectar los chips con los conectores de metal 1016 de la PCB 102 y se pueden reemplazar por las partes de los conectores de metal 1016 que pueden descansar planas sobre las superficies superiores de la PCB 1002 y los chips 1004, lo que ahorra, de este modo, espacio vertical y lo que posibilita el uso de una única celda de flujo para todo el sistema. La ventaja de usar una celda de flujo 1006 para dirigir el fluido para que fluya por encima de los sensores de todos los chips para secuenciación basada en nanoporos 1004 en el sistema es que solo se requieren una entrada, una salida y una bomba fluídica para todo el sistema, lo que reduce, de este modo, el coste global del sistema.

La celda de flujo 1006 se puede formar usando diferentes materiales. En algunos modos de realización, la celda de flujo 1006 se forma con un material no flexible, tal como vidrio. La celda de flujo 1006 de vidrio está moldeada para que incluya una cavidad 1008 o una pluralidad de canales de flujo fluídicos (no mostrados en la figura 10) que puede dirigir los fluidos para que pasen sobre y se pongan en contacto con los sensores en las superficies de los chips. Una celda de flujo con una única cavidad grande, a diferencia de una celda de flujo con múltiples canales de flujo fluídicos, tiene la ventaja de simplificar el diseño e integración de celdas de flujo con el resto del sistema. Las partes de los conectores de metal 1016 que quedan expuestas en las superficies superiores de los chips 1004 y PCB 1002 están cubiertas por una capa de encapsulación 1010, de modo que están protegidas de los fluidos en la celda de flujo 1006. La capa de encapsulación 1010 se puede formar usando diferentes materiales, tales como epoxi. La encapsulación de los conectores de metal 1016 se puede controlar mejor porque los conectores de metal proporcionan una superficie más plana que los hilos de unión en el sistema 900.

En algunos modos de realización, la celda de flujo 1006 se forma apilando entre sí una placa de soporte y una junta. La junta se puede moldear con un material flexible, compresible o plegable, tal como plástico o caucho. El espacio entre la placa de soporte, la junta y los chips forma la cavidad 1008 o una pluralidad de canales de flujo fluídicos (no mostrados en la figura 10). En algunos modos de realización, la capa de encapsulación 1010 no es una capa depositada por separado, por ejemplo, una capa epoxi, sino que es una parte de la junta.

La celda de flujo 1006 queda asentada por encima de la PCB 1002, en lugar de los chips para secuenciación basada en nanoporos 1004. Para una celda de flujo hecha con un material flexible, la celda de flujo se inmoviliza por encima de la PCB 1002 aplicando presión hacia abajo en la parte superior de la celda de flujo. Para una celda de flujo hecha con un material no flexible, la celda de flujo se puede unir a la PCB 1002 usando una técnica de unión por láser. Algunas técnicas de unión pueden generar mucho calor en el área de unión. Puesto que la celda de flujo 1006 se une a la PCB 1002 y no a los chips 1004, el procedimiento de unión no dañará a los chips 1004 y los chips ya no necesitan tener superficies de unión reservadas que no incluyan circuitos u otros componentes, lo que ahorra, de este modo, una cantidad significativa del área de superficie de los chips.

La figura 11 ilustra un modo de realización de un sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips 1100 que incluye una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos integrados con una pluralidad de celdas de flujo en un único sistema. La figura 11 ilustra una vista en sección transversal del sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips. El sistema 1100 incluye una placa de circuito impreso (PCB) 1102, una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos 1104 y una pluralidad de celdas de flujo 1106. Como se muestra en la figura 11, el sistema 1100 incluye tres chips para secuenciación basada en nanoporos 1104. Sin embargo, se debe reconocer que se puede integrar un número diferente de chips para secuenciación basada en nanoporos 1104 en el sistema 1100 para aumentar o bien disminuir a escala el número total de celdas en el sistema.

En algunos modos de realización, cada chip para secuenciación basada en nanoporos 1104 es un chip de única oblea. En algunos modos de realización, cada chip para secuenciación basada en nanoporos 1104 es un chip de obleas apiladas. Como se muestra en la figura 11, los chips para secuenciación basada en nanoporos 1104 están situados en la parte inferior, por debajo de la placa de circuito impreso 1102. La ventaja es que los chips 1104 pueden estar en contacto directo desde abajo con una pluralidad de bloques de metal térmicos (no mostrados en la figura 11) para conducir térmicamente el calor lejos de los chips 804, lo que da como resultado un mejor control de temperatura del sistema.

La pluralidad de celdas de flujo 1106 puede ser de un tipo similar a la celda de flujo moldeada de material flexible o celda de flujo de vidrio como se describe en el sistema 800, pero, en lugar de tener una única celda de flujo para dirigir el fluido para que fluya por encima de los sensores de todos los chips en el sistema, el sistema 1100 incluye una celda de flujo 1106 para cada chip 1104, y cada celda de flujo 1106 tiene su propia entrada, salida y bomba fluídica. Cada celda de flujo 1106 incluye una pluralidad de canales de flujo fluídicos 1108 para dirigir los fluidos para que fluyan por encima de los sensores de un único chip para secuenciación basada en nanoporos 1104 en el sistema.

La placa de circuito impreso 1102 incluye una pluralidad de cavidades 1114. Para ensamblar el sistema, cada uno de los chips para secuenciación basada en nanoporos 1104 se sitúa derecho con los sensores mirando hacia arriba, es decir, con los hoyos (por ejemplo, el hoyo 505 de la figura 5) derechos. La PCB 1102 se coloca por encima de los chips 1104 de tal modo que las matrices de sensores en los chips 1104 queden expuestas por la pluralidad de cavidades 1114. Con un chip 1104 colocado en una de las dos aberturas de una cavidad 1114, el chip 1104, conjuntamente con la cavidad 1114, forma un hoyo en la PCB 1102. A continuación, una celda de flujo 1106 se incrusta en el hoyo y se une al chip 1104 de tal modo que los canales de flujo fluídicos 1108 de la celda de flujo puedan dirigir los fluidos para que fluyan por encima de los sensores del chip 1104. Además, las bolas de soldadura 1112 proporcionan los contactos entre los chips 1104 y la PCB 1102.

El sistema para secuenciación basada en nanoporos de múltiples chips divulgado en la presente solicitud se puede optimizar además determinando un tamaño de chip óptimo en base a la compensación entre el rendimiento y las reducidas áreas de chip de unión desperdiciadas. Si los chips para secuenciación basada en nanoporos son demasiado grandes en tamaño, entonces el rendimiento de chip debido a la fabricación de semiconductores disminuye, lo que incrementa, de este modo, el coste del chip de silicio. Si los chips para secuenciación basada en nanoporos son demasiado pequeños en tamaño, entonces se incrementa el porcentaje de áreas de chip usadas por los hilos de unión y las paredes de celda de flujo, lo que incrementa, de este modo, los costes de los chips de silicio. Dado el conjunto de reglas del modelo de rendimiento de chip y del diseño de hilos de unión/celdas de flujo, se puede optimizar el tamaño de chip en cuanto al coste del chip más bajo.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos, que comprende:

una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos (804),

comprendiendo cada uno de los chips para secuenciación basada en nanoporos una pluralidad de sensores de nanoporos;

al menos una celda de flujo (806)

acoplada a al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, en el que la celda de flujo acoplada al al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos comprende uno o más canales de flujo fluídicos (808)

que permiten que un fluido externo al sistema fluya por encima del chip para secuenciación basada en nanoporos y fuera del sistema; y

una placa de circuito impreso (802)

conectada eléctricamente a la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

2. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos de la reivindicación 1, en el que la al menos una celda de flujo está acoplada a al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

3. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos de la reivindicación 2, en el que la al menos una celda de flujo está conectada a una entrada, una salida y una bomba fluídica.

4. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos de la reivindicación 2, en el que el uno o más canales de flujo fluídicos dirigen el fluido para que fluya a través de un margen entre chips, en el que el margen entre chips es un margen entre los al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

5. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos de la reivindicación 4, en el que el margen entre chips está sellado herméticamente.

6. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos de la reivindicación 1, en el que la al menos una celda de flujo comprende un material plegable moldeado o material de vidrio.

7. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos de la reivindicación 1, en el que el al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos comprende una superficie de unión que se une a la al menos una celda de flujo, en el que la superficie de unión no incluye circuitos u otros componentes.

8. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos de la reivindicación 1, que comprende además una pluralidad de hilos de unión, y en el que la placa de circuito impreso comprende además una pluralidad de conectores de metal, y en el que la pluralidad de hilos de unión conectan eléctricamente al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos a al menos algunos de la pluralidad de conectores de metal, y en el que la pluralidad de hilos de unión se arquean hacia arriba y no se tocan entre sí.

9. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos se incrusta en la placa de circuito impreso, y en el que la placa de circuito impreso comprende además una pluralidad de conectores de metal, y en el que al menos uno de la pluralidad de conectores de metal tiene una parte que descansa plana sobre una superficie superior de la placa de circuito impreso y que descansa plana sobre una superficie superior de uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, y en el que el al menos uno de la pluralidad de conectores de metal está conectado eléctricamente al uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

10. El sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos de la reivindicación 1, en el que la placa de circuito impreso comprende una pluralidad de cavidades, y en el que el al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos se sitúa derecho y por debajo de la placa de circuito impreso de modo que la pluralidad de sensores de nanoporos del chip para secuenciación basada en nanoporos quede expuesta por una de la pluralidad de cavidades.

11. Un procedimiento de integración de un sistema o instrumento para secuenciación basada en nanoporos que comprende:

acoplar al menos una celda de flujo (806)

a al menos uno de una pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos (804),

en el que la celda de flujo acoplada al al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos comprende uno o más canales de flujo fluídicos que permiten que un fluido externo al sistema fluya por encima del chip para secuenciación basada en nanoporos y fuera del sistema, y en el que cada uno de los chips para secuenciación basada en nanoporos comprende una pluralidad de sensores de nanoporos; y

conectar eléctricamente una placa de circuito impreso (802)

a la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

12. El procedimiento de la reivindicación 11, que comprende además:

acoplar la al menos una celda de flujo a al menos dos de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

13. El procedimiento de la reivindicación 11, que comprende además:

conectar eléctricamente el al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos a al menos algunos de una pluralidad de conectores de metal de la placa de circuito impreso usando una pluralidad de hilos de unión, en el que la pluralidad de hilos de unión se arquean hacia arriba y no se tocan entre sí.

14. El procedimiento de la reivindicación 11, que comprende además:

incrustar la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos en la placa de circuito impreso, y en el que la placa de circuito impreso comprende además una pluralidad de conectores de metal, y en el que al menos uno de la pluralidad de conectores de metal tiene una parte que descansa plana sobre una superficie superior de la placa de circuito impreso y que descansa plana sobre una superficie superior de uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos, y en el que el al menos uno de la pluralidad de conectores de metal está conectado eléctricamente al uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos.

15. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que la placa de circuito impreso comprende una pluralidad de cavidades, comprendiendo el procedimiento:

situar derecho el al menos uno de la pluralidad de chips para secuenciación basada en nanoporos y por debajo de la placa de circuito impreso de modo que la pluralidad de sensores de nanoporos del chip para secuenciación basada en nanoporos quede expuesta por una de la pluralidad de cavidades.