JP2020165979A - 生物学的および化学的分析のための集積センサアレイ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の装置は、検出される分析物、補助試薬とのアッセイ反応が必要とされるかどうか、逐次反応が必要とされるか周期的反応が必要とされるかに応じて、大幅に異なりうる。一態様において、本発明の装置は、センサアレイ、および、サンプル流体によって表面に送出される生物学的または化学的分析物を保持するための、センサアレイの表面上のサンプル保持領域のアレイを備える。一実施形態では、サンプル保持領域は、センサアレイと一体であり、いろいろな形式を有してもよい。かかる領域は、センサアレイの表面上の化学反応性基によって、所定の分析物にとって特異的であるセンサアレイの表面に付着した結合性化合物によって、疎水性または親水性領域によって、またはマイクロウェル、キャビティ、ウィヤ(weir)、ダム、リザーバなどのような空間的特徴部によって画定されてもよい。さらなる実施形態では、本発明の装置は、ビーズ、粒子、ゲルマイクロ液滴などの担体、あるいは、対象となる分析物を保持し、サンプル流体によってサンプル保持領域に送出される可能性がある他の支持体、構造、または物質を含んでもよい。かかるサンプル担体は、サンプル保持領域への付着を可能にするために結合部分または反応性基を含んでもよい。かかる付着は特異的であってもよく、かかる結合部分または反応性基は、相補的結合化合物または官能基だけとのリンケージを形成し、または、付着はランダムであってもよく、サンプル担体は、アレイの任意のサンプル保持領域内に保持される、実質的に同じ可能性を有する。以下でより完全に述べるように、サンプル保持領域は、マイクロウェルのアレイであり、マイクロウェルのアレイはそれぞれ、サンプル、分析物、および/または1または2以上のサンプル担体を物理的に保持するために壁および内部を有する。
センサレイアウト設計方法およびアレイ作製方法は、Rothberg他,米国特許公報第2009/0026082号および第2009/0127589号に記載される。特に、トラップ電荷を低減しうるかまたはなくす技法が開示され、したがって、これらの参考文献が参照により組み込まれる。一態様において、センサ設計および信号読み出し回路要素が、本発明において使用されてもよい。例えば、図2に示す一実施形態では、アレイの各chemFETは、浮遊ゲート構造、ならびに、第1の半導体型を有し、第2の半導体型を有する領域内に作製されたソースおよびドレインを備え、第2の半導体型を有する領域をソースまたはドレインに電気的に接続する電気導体は存在しない。各センサは、chemFETを含む3つの電界効果トランジスタ(FET)からなり、各センサは、3つのFETに電気的に接続される複数の電気導体を含む。3つのFETは、複数の電気導体が、各センサによって占められるエリアを横切りかつアレイの複数のセンサを相互接続するわずか4つの導体を含むように配列される。各センサ内のFETは全て、同じチャネル型であり、アレイ基板の単一半導体領域内に実装される。アレイの全てのchemFETからのchemFET出力信号の集合体は、データフレームを構成する。装置はさらに、アレイに結合され、少なくとも20フレーム/秒のフレームレートでアレイから複数のデータフレームを提供する少なくとも1つのアレイ出力信号を生成するように構成された制御回路要素を備える。
いろいろなオンチップアーキテクチャおよび回路設計が、本発明のアレイ内のセンサによって生成される出力信号を取得し処理するために使用されてもよい。いくつかの手法がRothberg他の米国特許公報第2009/0026082号および第2009/0127589号に開示され、これらを本発明のアレイに関して使用してもよい。例えば、図6は、本開示の1つの発明の実施形態による、アレイコントローラ250に結合するセンサアレイ100のブロック図を示す。種々の例示的な実施態様では、アレイコントローラ250は、「独立型」コントローラとして、または、コンピュータ260の一部を形成する1または2以上のコンピュータと互換性のある「カード」として作製されてもよい。一態様において、アレイコントローラ250の機能は、インタフェースブロック252(例えば、USBポートまたはPCIバスを介したシリアルインタフェース、インターネット接続など)を通してコンピュータ260によって制御されてもよい。一実施形態では、アレイコントローラの全てまたは一部分は、1または2以上のプリント回路板として作製され、アレイ100は、従来のICチップと同様に、プリント回路板の1つに差し込まれるように構成される(例えば、アレイ100はゼロ挿入力(zero-insertion-force)「ZIF」ソケットなどのチップソケットに差し込まれるASICとして構成される)。かかる実施形態の一態様において、ASICとして構成されるアレイ100は、アレイコントローラ250によってアクセスされる/読取られる、かつ/または、コンピュータ260上に渡されてもよい識別コードを提供することに専用の1または2以上のピン/端子接続を含んでもよい。かかる識別コードは、アレイ100の種々の属性(例えば、ピクセルのサイズ、数、出力信号の数、電源電圧および/またはバイアス電圧などの種々の動作パラメータなど)を示してもよく、また、多数の異なるタイプのアレイ100の任意のアレイに関して適切な動作を保証するため、アレイコントローラ250によって提供される対応する動作モード、パラメータ、および/または信号を確定するために処理されてもよい。1つの例示的な実施態様では、ASICとして構成されるアレイ100は、識別コードに専用の3つのピンを備えてもよく、また、製造プロセス中に、ASICは、アレイコントローラ250によって読み取られる、考えられる3つの電圧状態の1つをこれらの3つのピンのそれぞれに提供するために符号化されてもよい(すなわち、3状態ピンコーディングスキーム)。この実施形態の別の態様では、アレイコントローラ250の全てまたは所定部分は、以下でさらに詳細に述べる種々のアレイコントローラの機能を実行するように構成されたフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)として実装されてもよい。
他所で論じたように、DNAシークエンシングなどにおける多くの使用の場合、半導体センサのアレイを覆って、対応するマイクロウェルのアレイを設けることが望ましく、各マイクロウェルは、好ましくは1つだけのDNA負荷ビーズ(DNA-loaded bead)を受取るのに十分小さく、これに関連して、アレイの下にあるピクセルは、対応する出力信号を提供することになる。
センサアレイを使用するための完全なシステムは、用途に応じて、適した流体源、バルビング、および、マイクロアレイまたはセンサアレイ上の低い試薬および洗浄液に対してバルビングを動作させるコントローラを含むであろう。これらの要素は、既製のコンポーネントから容易に組み立られ、コントローラは、所望の実験を実施するために容易にプログラムできる。
・フルイディクス送出システムと相互接続するのに適した接続を有すること−例えば、適切なサイズにされた配管による、
・ウェルの上に適切なヘッドスペースを有すること、
・流体が遭遇する死容積を最小にすること、
・(相互汚染を最小化するために)液体に接触するが、フローセルを通る洗浄流体流によって迅速に押し流されない小さな空間を最小にすること、
・ウェルにわたる流れの均一な通過時間を達成するように構成されること、
・ウェルにわたる流れの中で最小の気泡を生成するかまたは伝搬させること、
・フローチャンバ内部にまたはフローチャンバのできる限り近くに、取外し可能な参照電極を配置するようになっていること、
・ビーズの容易なローディングを容易にすること、
・許容可能なコストで製造可能であること、および、
・容易に、組立てられ、チップパッケージに取付けられること
である。
本発明の装置は、核酸取込みによって放出される水素イオンを検出するように適合していてもよく、その検出プロセスは、Rothberg等の米国特許公報第2009/0026082号および第2009/0127589号においてDNAシークエンシング法として開示される。これらの、および種々の他の態様において、できる限り高い信号(および/または信号対雑音比)を達成するために、できる限り多くの放出水素イオンを検出することが重要である。chemFET表面によって最終的に検出される放出陽子の数を増加させる方策は、とりわけ、ウェル内で反応基との放出陽子の相互作用を制限すること、陽子に対して比較的不活性である、ウェルを製造する材料を最初に選択すること、chemFETで検出される前に放出陽子がウェルを出ることを防止すること、および(各ヌクレオチド取込みからの信号を増幅するために)ウェル当たりのテンプレートのコピー数を増加させることを含むが、それに限定されない。
テンプレートまたはプライマーの数(すなわちコピー数)の増加は、センサ当たりの、かつ/または、反応チャンバ当たりのより多くの数のヌクレオチド取込みをもたらし、それにより、より高い信号、したがって、より高い信号対雑音比がもたらされる。コピー数は、とりわけ、例えば、コンカテマー(すなわち、シークエンシングされる核酸の、複数のタンデムに配置されたコピーを含む核酸)であるテンプレートを使用することによって、ビーズ上のまたはビーズ内の核酸の数を、かかるビーズが飽和するまで増加させることによって、また、立体障害を減少させ、かつ/または、(例えば、テンプレートを共有結合で付着させることによる)テンプレート付着を保証する方法で、ビーズまたはセンサ表面にテンプレートまたはプライマーを付着させることによって増加させることができる。コンカテマーテンプレートは、ビーズ上でまたはビーズ内で、あるいは、センサ表面などの他の固体支持体上で不動化されてもよいが、一部の実施形態では、コンカテマーテンプレートは、不動化なしで反応チャンバ内に存在してもよい。例えば、テンプレート(または、テンプレートおよびプライマーを含む複合体)は、chemFET表面に共有結合でまたは非共有結合で付着されてもよく、そのシークエンシングは、放出水素イオンの検出、および/または、ヌクレオチオド取込み事象によるchemFET表面への負電荷の付加を含んでもよい。後者の検出スキームは、緩衝環境または緩衝溶液内で実施されてもよい(すなわち、pHの変化は、chemFETによって全く検出されず、したがって、かかる変化は、chemFET表面への負電荷付加の検出に干渉しないであろう)。
ISFETアレイ上のpHシフトによって検出されるオンチップポリメラーゼ伸長
シークエンシングプライマーおよびT4 DNAポリメラーゼが結合されるビオチン化合成テンプレートを担持するストレプトアビジン被覆2.8ミクロンビーズを、4つのヌクレオチドのそれぞれの3つの逐次的なフローに供した。各ヌクレオチドサイクルは、dATP、dCTP、dGTP、およびdTTPのフローからなり、それぞれの間に、緩衝液のみの洗浄流を流した。第1のサイクルからのフローは青で示され、第2のサイクルからのフローは赤で示され、第3のサイクルからのフローは黄で示される。図10Aに示すように、2つのdATPフローの両方について生成される信号は、非常によく似ていた。図10Bは、dCTPの第1(青)のトレースが、後続のサイクルからのdCTPフローより高く、ポリメラーゼが、1テンプレート分子当たり単一のヌクレオチドを取り込ませたであろうフローに対応することを示す。図10Cは、dGTPの第1(青)のトレースが、後続のサイクルからのdGTPフローより約6カウント高く(ピーク−ピーク)、ポリメラーゼが、1テンプレート分子当たり10のヌクレオチドのストリングを取込むべきであるフローに対応することを示す。図10Dは、dTTPの第1(青)のトレースが、後続のサイクルからのdTTPフローより同様に約6カウント高く(ピーク−ピーク)、ポリメラーゼが、1テンプレート分子当たり10ヌクレオチドのストリングを取り込ませたであろうフローに対応することを示す。
閉じたシステムにおけるシークエンシングおよびデータ操作
配列は、23merの合成オリゴヌクレオチドおよび25merのPCR産物オリゴヌクレオチドから得た。オリゴヌクレオチドは、ビーズに付着され、ビーズは、その後、5.1ミクロンピッチを有する1348×1152のアレイで155万のセンサ(38400センサ/mm2)を有するチップ上の個々のウェル内にロードされた。1ビーズ当たり合成オリゴヌクレオチドの約百万のコピーが負荷され、1ビーズ当たりPCR産物の約300000〜600000のコピー負荷された。アレイを通しかつアレイにわたる4ヌクレオチドのサイクルは、2分の長さであった。ヌクレオチオドは、それぞれ50マイクロモルの濃度で使用した。ポリメラーゼは、当該プロセスで使用した唯一の酵素であった。データは、32フレーム/秒で収集した。
Claims (36)
- 回路支持基材内に化学電界効果トランジスタアレイを備える装置であって、前記トランジスタアレイは、その表面上に、サンプル流体からの化学的または生物学的サンプルを保持することが可能なサンプル保持領域を配設されており、前記トランジスタアレイは、10μm以下のピッチを有し、各サンプル保持領域は、前記サンプル保持領域における化学的または生物学的サンプルの特性に関連する少なくとも1つの出力信号を生成するように構成される少なくとも1つの化学電界効果トランジスタ上に配置される、前記装置。
- 化学的または生物学的サンプルの特性が、帯電した種の濃度であり、化学電界効果トランジスタがそれぞれ、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、サンプル流体に接触し、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項1に記載の装置。
- 誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項2に記載の装置。
- 誘電体層の厚さが、1〜1000ナノメートルである、請求項3に記載の装置。
- 誘電体層が金属酸化物を含む、請求項4に記載の装置。
- 金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化錫、および酸化第二錫からなる群から選択される、請求項5に記載の装置。
- 誘電体層が、サンプル流体と流体接触状態にある電荷感応性層と、前記電荷感応性層を浮遊ゲートに接合するために前記浮遊ゲート上に配設された接着層とからなる2層を備える、請求項4に記載の装置。
- 電荷感応性層が酸化タンタルであり、接着層が二酸化アルミニウムである、請求項7に記載の装置。
- サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、化学的または生物学的サンプルを収容することが可能である、請求項1に記載の装置。
- マイクロウェルのアレイは、化学電界効果トランジスタアレイに密閉的に付着したフローセルによって閉囲され、前記フローセルは、前記マイクロウェルに試薬を送出するように構成され、前記フローセルは、入口、出口を有し、前記アレイとともに前記試薬用の流路を画定するチャンバを形成し、それにより、各マイクロウェルは前記チャンバに流体連通する、請求項9に記載の装置。
- チャンバが、マイクロウェルのそれぞれにおいて実質的に等しい試薬の流量を提供するように構成される、請求項10に記載の装置。
- 前記回路支持基材が、少なくとも1フレーム/秒のレートで化学電界効果トランジスタから出力信号のサンプルを受信するための、前記化学電界効果トランジスタアレイに結合された制御回路要素をさらに含む、請求項11に記載の装置。
- 集積センサアレイであって、
回路支持基材内に形成された複数のセンサを備え、各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、前記センサは、100センサ/mm2より大きい密度の、256個より多いセンサの平面アレイであり、前記アレイの各センサは、前記センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも1つの出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、前記アレイの各センサについて実質的に同じである、前記集積センサアレイ。 - 回路支持基材内に複数のサンプル保持領域をさらに含み、各サンプル保持領域は、前記センサの少なくとも1つの上にありかつ前記センサの少なくとも1つに動作可能に連結される、請求項13に記載の集積センサアレイ。
- 濃度が、帯電した種の濃度を含み、化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、前記誘電体層に隣接する、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項14に記載の集積センサアレイ。
- 誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項15に記載の集積センサアレイ。
- 誘電体層の厚さが、1〜1000ナノメートルである、請求項16に記載の集積センサアレイ。
- 誘電体層が金属酸化物を含む、請求項17に記載の集積センサアレイ。
- 金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化錫、および酸化第二錫からなる群から選択される、請求項18に記載の集積センサアレイ。
- 誘電体層が、サンプル流体と流体接触状態にある電荷感応性層と、前記電荷感応性層を浮遊ゲートに接合するために前記浮遊ゲート上に配設された接着層とからなる2層を備える、請求項16に記載の集積センサアレイ。
- 電荷感応性層が酸化タンタルであり、接着層が二酸化アルミニウムである、請求項20に記載の集積センサアレイ。
- サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、化学的または生物学的サンプルを収容することが可能である、請求項14に記載の集積センサアレイ。
- マイクロウェルのアレイが、化学電界効果トランジスタアレイに密閉的に付着したフローセルによって閉囲され、前記フローセルは、前記マイクロウェルに試薬を送出するように構成され、前記フローセルは、入口、出口、および前記試薬用の流路を画定する内部を有し、それにより、各マイクロウェルは前記フローセルの前記内部に流体連通する、請求項22に記載の集積センサアレイ。
- フローセルの内部が、マイクロウェルのそれぞれにおいて実質的に等しい試薬の流量を提供するように構成される、請求項23に記載の集積センサアレイ。
- 単一チップ化学アッセイデバイスであって、
回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、前記アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも1つの出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、前記アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、
前記回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、各サンプル保持領域が少なくとも1つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、
少なくとも1フレーム/秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから前記出力信号のサンプルを受信するための、前記センサアレイに結合した前記回路支持基材内の制御回路要素とを備えるアッセイデバイス。 - 濃度が、帯電した種の濃度を含み、化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、前記誘電体層に隣接する、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項25に記載のアッセイデバイス。
- 誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項26に記載のアッセイデバイス。
- 誘電体層の厚さが、金属酸化物を含み、1〜1000ナノメートルである、請求項27に記載のアッセイデバイス。
- 誘電体層が、サンプル流体と流体接触状態にある電荷感応性層と、前記電荷感応性層を浮遊ゲートに接合するために前記浮遊ゲート上に配設された接着層とからなる2層を備える、請求項28に記載のアッセイデバイス。
- 電荷感応性層が酸化タンタルであり、接着層が二酸化アルミニウムである、請求項29に記載のアッセイデバイス。
- サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、化学的または生物学的サンプルを収容することが可能である、請求項30に記載のアッセイデバイス。
- 単一チップ核酸アッセイデバイスであって、
回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、前記アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも1つの出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、前記アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、
前記回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、各サンプル保持領域が少なくとも1つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、
前記サンプル保持領域上に配設された粒子固体支持体であって、各粒子固体支持体が、粒子固体支持体に付着したコンカテマー化テンプレートを有する、粒子固体支持体と、
少なくとも1フレーム/秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから前記出力信号のサンプルを受信するための、前記センサアレイに結合した前記回路支持基材内の制御回路要素とを備えるアッセイデバイス。 - 濃度が、コンカテマー化テンプレートの特性に関連する帯電した種の濃度を含み、化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、前記誘電体層に隣接する、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項32に記載のアッセイデバイス。
- 誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項33に記載のアッセイデバイス。
- 誘電体層の厚さが、金属酸化物を含み、1〜1000ナノメートルである、請求項34に記載のアッセイデバイス。
- サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、粒子固体支持体を収容することが可能である、請求項35に記載のアッセイデバイス。
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