JP2022500055A - ヌクレオチド配列決定素子、チップ及び配列決定分析の方法 - Google Patents

ヌクレオチド配列決定素子、チップ及び配列決定分析の方法 Download PDF

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Abstract

半導体基板と、トランジスタと、誘電体層と、環状電極群と、導体と、を備えるヌクレオチド配列決定素子を提供する。更に、前記ヌクレオチド配列決定素子と、センス増幅器と、を含むヌクレオチド配列決定チップを提供する。更に、上記のようなヌクレオチド配列決定チップを提供し、被試験ヌクレオチド配列フラグメント及び既知のヌクレオチド配列フラグメントをそれぞれ穴溝内に配置して、重合反応及び電気化学反応を行い、反応によって生成された電気信号を分析して、配列決定結果を得る配列決定分析の方法を提供する。

Description

本発明は、配列決定素子、チップ及び配列決定分析の方法に関し、特に、ヌクレオチド配列決定素子、チップ及び配列決定分析の方法に関する。
デオキシリボ核酸（ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ；ＤＮＡ）の配列決定とは、特定のＤＮＡフラグメントの塩基配列、つまり、アデニン（Ａ）、チミン（Ｔ）、シトシン（Ｃ）、及びグアニン（Ｇ）の配列形態を分析することである。ＤＮＡ配列決定は広く使用されており、その範囲が基礎研究（遺伝子構造、遺伝子機能）、ゲノムの研究、生命の起源、人種や種の違い、特定の遺伝子変更と疾患、検査試薬や新薬の開発の６つの主要プロジェクトに大別される。
現在、ＤＮＡ配列決定は、既に次世代の配列決定に改良されており、その１つとして、集積回路チップによって化学信号をデジタル信号に直接変換する、Ｉｏｎ Ｔｏｒｒｅｎｔ社に基づく配列決定方法がある。Ｉｏｎ Ｔｏｒｒｅｎｔ社の設計は、蓄積電荷の電界効果トランジスタ（ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＦＥＴ）のカットオフ電圧（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ）に対する変化に基づいた検出である。ただし、配列決定処理中に電荷（水素イオン）が発生するので、チップ穴溝を緩衝液で定期的に洗浄しても、完全に除去することはできない。チップ穴溝における電荷の蓄積によりノイズが増加するので、ＤＮＡ配列は、約２００塩基対（ｂａｓｅ ｐａｉｒ；ｂｐ）の長さしか読み取ることができない。また、技術上、チッププロセスの短縮化に直面する場合、チップ穴溝に電荷が残っていると、ノイズの影響が更に発生しやすくなる。
これに鑑みて、より迅速且つ正確なＤＮＡ配列決定チップ及び方法を如何に提供するかについて、従来の技術としては、確かに改善する必要がある。
本開示内容の目的は、配列決定時に発生した電荷を除去し、電荷の蓄積によるノイズの増加を回避するためのヌクレオチド配列決定素子、チップ、及び配列決定分析の方法を提供することである。
本開示は、半導体基板と、半導体基板上に設けられるトランジスタと、トランジスタを覆う誘電体層と、少なくとも１つの第１の環状電極と、第１の環状電極上に位置する第２の環状電極と、第２の環状電極上に位置する第３の環状電極と、を含み、誘電体層の上に位置し、誘電体層を露出させる開口を有し、誘電体層と共に穴溝を形成する環状電極群と、誘電体層の中に配置され、一端がトランジスタのソース又はドレインに接続され、他端が環状電極群の第１の環状電極又は第２の環状電極に接続される導体と、を備えるヌクレオチド配列決定素子を提供する。
いくつかの実施形態において、各第１の環状電極、第２の環状電極、及び第３の環状電極は、リング状の輪郭を有し、且つ互いに整列している。
いくつかの実施形態において、各第１の環状電極、第２の環状電極、及び第３の環状電極は、多角形の輪郭を有し、且つ互いに整列している。
いくつかの実施形態において、環状電極群は、誘電体層と第１の環状電極との間に位置する少なくとも１つの第１の環状隔壁層と、第１の環状電極と第２の環状電極との間に位置する第２の環状隔壁層と、第２の環状電極と第３の環状電極との間に位置する第３の環状隔壁層と、を更に含む。
いくつかの実施形態において、第１の環状電極は複数であり、第１の環状隔壁層も複数であり、第１の環状電極と第１の環状隔壁層は交互に積み重ねられ、且つ第１の環状電極は導体に電気的に接続される。
いくつかの実施形態において、ヌクレオチド配列決定素子は、穴溝の中に位置し、誘電体層から突出して導体に電気的に接続される突出部を有する少なくとも１つのバンプ電極を更に含む。
いくつかの実施形態において、突出部は、約０．１２５〜約７．５のアスペクト比を有する。
いくつかの実施形態において、突出部は、誘電体層の上面から約０．０１マイクロメートル〜約０．５マイクロメートル突出している。
いくつかの実施形態において、バンプ電極は、２〜２０個である。
本開示内容は、更に、上記のような複数のヌクレオチド配列決定素子と、各トランジスタのソース又はドレインに接続されるセンス増幅器と、を含むヌクレオチド配列決定チップを提供する。
いくつかの実施形態において、複数のヌクレオチド配列決定素子は、少なくとも１つの第１のヌクレオチド配列決定素子及び少なくとも１つの第２のヌクレオチド配列決定素子を含み、第１のヌクレオチド配列決定素子は、被試験ヌクレオチドの配列決定に使用され、第２のヌクレオチド配列決定素子は、参照値としての既知のヌクレオチド配列の配列決定に使用される。
本開示内容は、更に、配列決定分析のための方法を提供する。配列決定分析のための方法は、下記の工程を備える。少なくとも１つの第１のヌクレオチド配列決定素子及び少なくとも１つの第２のヌクレオチド配列決定素子を含む上記のようなヌクレオチド配列決定チップを提供する。第１及び第２のヌクレオチド配列決定素子の前記環状電極群に電流を印加する。次に、少なくとも１つの第１のプライマーを含む少なくとも１つの第１のベクター、及び少なくとも１つの被試験ヌクレオチド配列フラグメントを混合して、更に、被試験ヌクレオチド配列フラグメントを第１のプライマーに接着させる。次に、接着された第１のベクターと被試験ヌクレオチド配列フラグメントを第１のヌクレオチド配列決定素子の穴溝内に配置する。次に、少なくとも１つの第２のプライマーを含む第２のベクターを、第２のヌクレオチド配列決定素子の穴溝内に配置する。更に、ポリメラーゼ及びデオキシリボヌクレオシド三リン酸を含む溶液を、第１及び第２のヌクレオチド配列決定素子の前記穴溝内に加え、デオキシリボヌクレオシド三リン酸は、第１のヌクレオチド配列決定素子の穴溝内の被試験ヌクレオチド配列フラグメントと重合して、水素イオン及び第１の電気信号を生成する。同時に、デオキシリボヌクレオシド三リン酸は、第２のヌクレオチド配列決定素子の穴溝内の第２のプライマーと重合して、水素イオン及び第２の電気信号を生成し、前記環状電極群を通過する電流は、前記水素イオンを水素分子に変換する。最後に、第１及び第２のヌクレオチド配列決定素子の前記トランジスタによって、第１の電気信号及び第２の電気信号を読み取って、配列決定結果を取得する。
いくつかの実施形態において、溶液は、水酸化ナトリウム、硫酸二ナトリウム、フェリシアン化カリウム、又はそれらの組み合わせを更に含む。
いくつかの実施形態において、各第１のベクターは、磁気ビーズ及び前記第１のプライマーを含む。
いくつかの実施形態において、各第２のベクターは、磁気ビーズ及び前記第２のプライマーを含み、前記第２のプライマーは、既知のヌクレオチド配列である。
本発明の上記及び他の態様、特徴及び他の利点については、添付図面に合わせて明細書の内容を参照すると、より明確に理解される。
本開示内容に係るヌクレオチド配列決定素子の環状電極群を示す部分斜視図である。 本開示内容に係るヌクレオチド配列決定素子の環状電極群を示す断面図である。 本開示内容に係るヌクレオチド配列決定素子の別の実施形態の環状電極群を示す断面図である。 本開示内容の図２のヌクレオチド配列決定素子を示す部分回路図である。 本開示内容に係るヌクレオチド配列決定チップを示す部分回路図である。
本開示内容の説明をより詳細且つ完全にするために、以下、本発明の実施形態及び具体的な実施形態を、添付図面に合わせて説明するが、これは、本開示内容の具体的な実施形態を実施又は使用する唯一の方法ではない。下記で開示された各実施例は、有益の場合、互いに組み合わせ又は取って代わってもよく、更なる記載又は説明もなしに、１つの実施例に他の実施例を加えてもよい。
また、「下」、「上」等の空間の相対的な用語は、ある素子又は特徴と、他の素子又は他の特徴との添付図面における相対的関係を記述しやすくするためのものである。これらの空間上の相対的な用語は、図面に示す方位以外の、使用又は操作の時の異なる方位を含むことを目指す。装置は、別に位置決めされる（例えば、９０°又は他方向に回転される）されてもよく、ここで用いられる空間に関連する記述は、適宜解釈される。
本明細書において、本文で冠詞について特に限定しない限り、「一」と「前記」は、単一又は複数のものを指してよい。更に理解すべきなのは、本明細書に用いる「備える」、「含む」、「有する」及び類似な語彙は、記載される特徴、領域、整数、工程、操作、素子及び／又はアセンブリを明らかに示すが、他の特徴、領域、整数、工程、操作、素子及び／又はアセンブリを排除しない。
図１は、本開示内容の一実施形態に係るヌクレオチド配列決定素子１００を示す部分斜視図である。図２は、半導体基板１１０、トランジスタ１２０、誘電体層１３０、環状電極群１４０、導体１５０、及びバンプ電極１６０を含むヌクレオチド配列決定素子１００を示す断面図である。一実施形態において、ヌクレオチド配列決定素子１００は、順位の分析に使用される。
半導体基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム、又はそれらの組み合わせ等の半導体材料を含むが、それらに限定されず、他の半導体材料を含んでもよい。技術分野における設計要件に応じて、半導体基板１１０は、様々な異なるドープ構成を含んでよい。
トランジスタ１２０は、半導体基板１１０上に配置され、ゲート１２１、ソース１２２、及びドレイン１２３を含む。ソース１２２及びドレイン１２３は半導体基板１１０上に配置され、ゲート１２１はソース１２２とドレイン１２３との間に介在する。一実施形態において、ソース１２２及びドレイン１２３の位置は交換可能である。
誘電体層１３０は、トランジスタ１２０を覆い、対向する上面１３１及び下面１３２を有する。誘電体層１３０の材料は、酸化物、窒化物、酸窒化物、又はそれらの組み合わせ、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸窒化ケイ素を含むが、それらに限定されない。誘電体層１３０としては、低誘電率（ｌｏｗ−Ｋ）材料を選用して、ヌクレオチド配列決定素子１００に優れた絶縁特性を持たせる。いくつかの実施形態において、誘電体層１３０の高さは、約０．０２マイクロメートル（μｍ）〜約０．２５マイクロメートル、例えば、約０．１０マイクロメートル、約０．１５マイクロメートル、又は約０．２０マイクロメートルである。
環状電極群１４０は、誘電体層１３０の上面１３１上に配置され、誘電体層１３０を露出させる開口を有する。環状電極群１４０及び誘電体層１３０は、被試験サンプル溶液を収容するように配置される穴溝１４１を形成する。一実施形態において、環状電極群１４０は、円形、楕円形等のリング状の輪郭、又は三角形、四角形、五角形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形、十一角形、十二角形、又は円形に近い多角形等の多角形の輪郭を有する。一実施形態において、環状電極群１４０の幅Ｄ１は、約０．１マイクロメートル〜約０．５マイクロメートル、例えば、約０．２マイクロメートル、約０．３マイクロメートル、又は約０．４マイクロメートルであり、好ましくは約０．２マイクロメートルである。
環状電極群１４０は、少なくとも１つの第１の環状隔壁層１４２、少なくとも１つの第１の環状電極１４３、第２の環状隔壁層１４４、第２の環状電極１４５、第３の環状隔壁層１４６及び第３の環状電極１４７を含む。一実施形態において、環状電極群１４０は、下から上へ順に第１の環状隔壁層１４２、第１の環状電極１４３、第２の環状隔壁層１４４、第２の環状電極１４５、第３の環状隔壁層１４６、及び第３の環状電極１４７である。第１の環状電極１４３、第２の環状電極１４５、及び第３の環状電極１４７は、互いに同じ形状であり、互いに整列している。第１の環状隔壁層１４２は、誘電体層１３０上に配置される。第１の環状電極１４３の高さは、０．１マイクロメートル未満であり、好ましくは、約０．００１ミクロン〜約０．１マイクロメートル、例えば、約０．００２マイクロメートル、約０．００５マイクロメートル、約０．０１マイクロメートル、約０．０３マイクロメートル、約０．０５マイクロメートル、約０．０７マイクロメートル、又は約０．０９マイクロメートルである。
一実施形態において、第１の環状隔壁層１４２、第２の環状隔壁層１４４、及び第３の環状隔壁層１４６の材料は、酸化物、窒化物、酸窒化物、又はそれらの組み合わせ、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、好ましくは窒化ケイ素を含むが、それらに限定されない。いくつかの実施形態において、第１の環状隔壁層１４２、第２の環状隔壁層１４４、及び第３の環状隔壁層１４６の高さは、約０．０２マイクロメートル（μｍ）〜約１マイクロメートル、例えば、約０．１０マイクロメートル、約０．１５マイクロメートル、約０．２０マイクロメートル、約０．５０マイクロメートル、又は約０．７５マイクロメートルである。
一実施形態において、第１の環状電極１４３、第２の環状電極１４５、及び第３の環状電極１４７の材料は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅アルミニウム合金（ＡｌＣｕ）、銅アルミニウムシリコン合金（ＡｌＳｉＣｕ）、又はそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない。好ましい実施形態において、第１の環状電極１４３、第２の環状電極１４５、及び第３の環状電極１４７の材料は、窒化チタン（ＴｉＮ）である。一実施形態において、第１の環状電極１４３は作用電極（ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；ＷＥ）であり、第２の環状電極１４５は参照電極（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；ＲＥ）であり、第３の環状電極１４７は補助電極（ｃｏｕｎｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；ＣＥ）である。別の実施形態において、第１の環状電極１４３及び第２の環状電極１４５は交換可能であり、すなわち、第１の環状電極１４３は参照電極であり、第２の環状電極１４５は作用電極である。
図３は、本開示内容の別の実施形態によるヌクレオチド配列決定素子１００’’を示す断面図であり、第１の環状隔壁層１４２は３つであり、第１の環状電極１４３は３つであり、第１の環状電極１４３と第１の環状隔壁層１４２とは交互に積み重ねられ、最下位の第１の環状隔壁層１４２は誘電体層１３０上に配置され、第２の環状隔壁層１４４は最上層の第１の環状電極１４３上に配置され、これらの第１の環状電極１４３は導体１５０に電気的に接続される。一実施形態において、これらの第１の環状電極１４３は作用電極である。
再び図２を参照すると、導体１５０は誘電体層１３０の中に配置され、その一端がトランジスタ１２０のソース１２２に接続され、その他端が環状電極群１４０の第１の環状電極１４３に接続される。図２は、導体１５０の一端がトランジスタ１２０のソース１２２に接続される様子のみを示すが、他の実施形態では、導体１５０の一端がトランジスタ１２０のドレイン１２３に接続される。図２は、導体１５０が第１の環状電極１４３に接続される様子のみ示すが、他の実施形態では、導体１５０が第２の環状電極１４５に接続されてよい。一実施形態において、導体１５０の材料は、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅アルミニウム合金（ＡｌＣｕ）、銅アルミニウムシリコン合金（ＡｌＳｉＣｕ）又はそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されず、銅アルミニウム合金は好ましい。
バンプ電極１６０は、穴溝１４１の中に位置し、立体的電極を形成するように、誘電体層１３０の上面１３１から突出する突出部を有する。バンプ電極１６０が導体１５０及び第１の環状電極１４３に等電位で電気的に接続されるため、バンプ電極１６０と第１の環状電極１４３とは、同じ電圧を有することができる。一実施形態において、第１の環状電極１４３及びバンプ電極１６０は、作用電極である。バンプ電極１６０は、誘電体層１３０から突出する突出部を有する。いくつかの実施形態において、突出部の高さＨ１は、約０．０５マイクロメートル〜約０．６マイクロメートル、例えば、約０．０５マイクロメートル、０．１マイクロメートル、０．２マイクロメートル、約０．３マイクロメートル、又は約０．４マイクロメートルである。いくつかの実施形態において、突出部の幅Ｄ２は、約０．０８マイクロメートル〜約０．４マイクロメートル、例えば、約０．０８マイクロメートル、０．１マイクロメートル、０．２マイクロメートル、又は約０．３マイクロメートルである。別の実施形態において、突出部のアスペクト比は、約０．１２５〜約７．５、例えば約０．２又は約０．３である。また別の実施形態において、突出部の形状は、円柱、正三角柱、正四角柱、正五角柱、正六角柱、又は正八角柱であってよい。いくつかの実施形態において、バンプ電極１６０の材料は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅アルミニウム合金（ＡｌＣｕ）、銅アルミニウムシリコン合金（ＡｌＳｉＣｕ）、又はそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない。好ましい実施形態において、バンプ電極１６０の材料は窒化チタン（ＴｉＮ）である。いくつかの実施形態において、バンプ電極１６０は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、２０、５０、又は１００個等の複数のバンプ電極１６０であり、好ましくは、６つのバンプ電極１６０が等距離でリング形状に配列される。
具体的には、バンプ電極１６０に電圧が印加されると、バンプ電極１６０にバンプ電極１６０の突出部を取り囲む電界が発生する。電界の被覆範囲が突出部の頂上面に限定されず、突出部の側壁まで延びるため、電気化学反応が大幅に増加し、更に、信号の強度が増加する。同じ電圧の印加下で、立体構造を有するバンプ電極１６０は、従来の平面作用電極よりも優れた感度を提供する。なお、突出部のアスペクト比は約０．１２５〜約７．５である。突出部のアスペクト比が７．５を超えると、作用電極の構造に欠陥が生じやすく、装置全体の信頼性が低下する。
図４は、図２のヌクレオチド配列決定素子１００に対応する部分回路図であり、図２及び図４を同時に参照すると、第１の環状電極１４３は作用電極であり、第２の環状電極１４５は参照電極であり、第３の環状電極１４７は補助電極である。第１の環状電極１４３に定電流が印加され、第１の環状電極１４３と穴溝１４１内のサンプル溶液との間に第１の電気二重層コンデンサ２１０及び第１の環状電極電荷移動抵抗器２２０が形成され、第３の環状電極１４７と穴溝１４１内のサンプル溶液との間に第３の電気二重層コンデンサ２４０及び第３の環状電極電荷移動抵抗器２５０が形成される。第２の環状電極１４５は接地され、第２の環状電極１４５と穴溝１４１内のサンプル溶液との間に第２の環状電極電荷移動抵抗器２３０が形成される。電流が第１の環状電極１４３から穴溝１４１内のサンプル溶液を介して第３の環状電極１４７へ流れる場合、第１の環状電極１４３に近いのサンプル溶液は第１の溶液抵抗２６０を形成し、第３の環状電極１４７に近いの溶液は、第２の溶液抵抗２７０を形成する。ワード線２８０は、電流信号がセンス増幅器３００に流れるように制御するために、要求に応じて、トランジスタ１２０の導通の有無を制御する電圧を提供する。
いくつかの実施形態において、本開示内容に係るヌクレオチド配列決定素子１００において、誘電体層１３０及び環状電極群１４０によって囲まれる穴溝１４１のサイズは、製造プロセスに応じて任意のサイズに縮小されてよいが、ここで限定されない。一実施形態において、穴溝１４１のサイズは、約０．５×０．５×１．６立方ミクロン（μｍ3）〜５．０×５．０×１．６立方ミクロン、例えば、１．２×１．２×１．６立方ミクロン、１．５×１．５×１．６立方ミクロン、２．０×２．０×１．６立方ミクロン、３．０×３．０×１．６立方ミクロンである。
本開示は、更に、ヌクレオチド配列決定チップ４００を提供する。図５は、ヌクレオチド配列決定チップ４００を示す部分回路図であり、ヌクレオチド配列決定チップ４００は、少なくとも１つの第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａ、少なくとも１つの第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂ、及び少なくとも１つの第３のヌクレオチド配列決定素子１００Ｃに分けることができる複数のヌクレオチド配列決定素子と、トランジスタ１２０Ａ、１２０Ｂ、及び１２０Ｃに接続されるセンス増幅器３００と、を含む。第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａは、被試験ヌクレオチドの配列決定に使用され、第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂ及び第３のヌクレオチド配列決定素子１００Ｃは対照群であり、配列決定時の基準電圧値として既知のヌクレオチド配列を提供する。図１及び図２を参照すると、一実施形態において、ヌクレオチド配列決定素子１００の各第１の環状電極１４３（作用電極）同士は互いに導通せず、各第２の環状電極１４５（参照電極）同士は互いに導通し、各第３の環状電極１４７（補助電極）同士は互いに導通する。図５を参照すると、一実施形態において、ヌクレオチド配列決定チップ４００の複数のヌクレオチド配列決定素子の配置及びアドレス指定方法は、従来のメモリチップの関連技術を使用することができる。配列重合反応の時に、小信号（すなわち、少量の被試験ヌクレオチド）のみを発生すればよく、センス増幅器３００によって増幅されると、判断に十分な信号を得ることができる。
センス増幅器３００は、電流モードにあり、電流信号を増幅する。一実施形態において、ヌクレオチド配列決定チップ４００は、複数のヌクレオチド配列決定素子１００によって検出マトリックス（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ）を形成し、検出される遺伝子の数に従って検出マトリックスのサイズを調整し、一実施形態において、マトリックスのサイズは、０．１Ｋ×０．１Ｋ〜１００Ｋ×１００Ｋ、例えば、１Ｋ×１Ｋ、３Ｋ×３Ｋ、５Ｋ×５Ｋ、８Ｋ×８Ｋ、１０Ｋ×１０Ｋ、又は５０Ｋ×５０Ｋ等である。一実施形態において、ヌクレオチド配列決定素子１００のアドレス信号は、１３行、９列、及び１６個の出力装置によって制御される。行選択レジスタ（ｒｏｗ ｓｅｌｅｃｔ ｒｅｇｉｓｔｅｒ）は、信号電圧を列に駆動するように、ヌクレオチド配列決定素子１００の１行を同時に読み取ってよい。列選択レジスタ（ｃｏｌｕｍｎ ｓｅｌｅｃｔ ｒｅｇｉｓｔｅｒ）は、その中の１列を選択してセンス増幅器３００に信号を出力し、ワード線２８０にパルスを与えて列を検出し、ワード線２８０がオフになる前にＩＳＯ信号を生成する。
センス増幅器３００は、各ヌクレオチド配列決定素子１００によって出力された信号を増幅し、異なるヌクレオチド配列決定素子１００における電気化学反応の電圧差を比較する。一実施形態において、バイオセンシングチップは、２つの差動型センス増幅器３１０（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｅｎｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、１つのラッチ型センス増幅器３２０（ｌａｔｃｈ ｔｙｐｅ ｓｅｎｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、３つのｐチャネル金属酸化物半導体イコライゼーション（ｐ−ｃｈａｎｎｅｌ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ＰＭＯＳ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）と第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａ、第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂ及び第３のヌクレオチド配列決定素子１００Ｃを有する。
本開示内容は、更に、配列決定分析の方法を提供する。
以下、一連の操作又はステップによって、本明細書で開示される方法を説明するが、これらの操作又はステップの示す順序は、本発明の限定として解釈されるべきではない。例えば、ある操作又はステップは、異なる順序で行われ、及び／又は他のステップと同時に行われてよい。また、本発明の実施形態を実現するために、図示されたすべての操作、ステップ及び／又は特徴を実行する必要はない。また、本明細書で説明される各操作又はステップは、いくつかのサブステップ又は動作を含んでよい。
本開示内容は、更に、以下の操作ステップを含む配列決定分析の方法を提供する。
（１）複数の第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａと、複数の第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂと、を含むヌクレオチド配列決定チップ４００を提供する。
（２）第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａの環状電極群１４０Ａ及び第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの環状電極群１４０Ｂに電流を印加する。
（３）複数の第１のベクター及び複数の被試験ヌクレオチド配列フラグメントを提供する。例えば、複数の第１のベクターは第１のベクターＸ１、第１のベクターＸ２等を含み、第１のベクターＸ１は磁気ビーズ及び複数の第１のプライマーＡ１を含み、第１のベクターＸ２は磁気ビーズ及び複数の第１のプライマーＡ２を含み、その他についてはこのように類推すればよい。複数の被試験ヌクレオチド配列フラグメントは、被試験ヌクレオチド配列から２０００Ｋ ｂｐ以下、例えば、１９００Ｋ ｂｐ、１７００Ｋ ｂｐ、１６００Ｋ ｂｐ、１５００Ｋ ｂｐ、１３００Ｋ ｂｐ、１０００Ｋ ｂｐ、５００Ｋ ｂｐ、１００Ｋ ｂｐ、５０Ｋ ｂｐ、１０Ｋ ｂｐ、５Ｋ ｂｐ、３Ｋ ｂｐ、１Ｋ ｂｐ、０．１Ｋ ｂｐ、又は０．０１Ｋ ｂｐに断片化される。これらの被試験ヌクレオチド配列フラグメントは、更に、例えば、被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１、被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ２等に分けられてよい。被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１の両端にアダプタＵ１（ａｄａｐｔｏｒ）が接続され、被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ２の両端にアダプタＵ２が接続され、その他についてはこのように類推すればよい。
（４）これらの第１のベクターとこれらの被試験ヌクレオチド配列フラグメントを混合する場合、第１のベクターＸ１上の第１のプライマーＡ１は被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１の両端のアダプタＵ１を特異的に同定して接着し、第１のベクターＸ２上の第１のプライマーＡ２は被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ２の両端のアダプタＵ２を特異的に同定して接着する。本明細書では、「アダプタ」とは、サイズが約１０ｂｐ〜１００ｂｐである、第１のプライマーに相補的に対応して接続することができる特定のヌクレオチド配列を指す。好ましい実施形態において、第１のプライマーＡ１と被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１とが接着された後、被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１に対してポリメラーゼ連鎖反応（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ；ＰＣＲ）を行って増幅及び複製して、複数の被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１を得る。次に、各被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１を第１のベクターＸ１上の他の第１のプライマーＡ１に接着して、第１のベクターＸ１に複数の同一の被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１を持たせ、その他についてはこのように類推すればよい。
（５）接着された第１のベクターＸ１及び被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１を、第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａの穴溝１４１Ａ内に配置する。接着された第１のベクターＸ２及び被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ２を、別の第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａの穴溝１４１Ａ内に配置し、その他についてはこのように類推すればよい。すなわち、第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａの穴溝１４１Ａ内には、１つの第１のベクターしか存在しない。
（６）複数の第２のベクターを提供し、上記の複数の第２のベクターは、例えば、第２のベクターＹ１、第２のベクターＹ２等を含む。第２のベクターＹ１は、磁気ビーズ及び複数の第２のプライマーＢ１を含み、各第２のプライマーＢ１は、単一のアデニンを含む。第２のベクターＹ２は、磁気ビーズ及び複数の第２のプライマーＢ２を含み、これらの第２のプライマーＢ２は、３つの連続するアデニンを含む。つまり、同じ第２のベクター上のこれらの第２のプライマーの配列は、すべて同じである。一実施形態において、第２のプライマーは、人工的に合成された既知のヌクレオチド配列であり、単一のアデニン（Ａ）、単一のチミン（Ｔ）、単一のシトシン（Ｃ）、単一のグアニン（Ｇ）、単一のウラシル（Ｕ）、又は、ＡＡＡ、ＴＴＴ、ＣＣＣ、ＧＧＧ、ＵＵＵのような複数の繰り返されるアデニン（Ａ）、複数の繰り返されるチミン（Ｔ）、複数の繰り返されるシトシン（Ｃ）、複数の繰り返されるグアニン（Ｇ）、複数の繰り返されるウラシル（Ｕ）を含むが、それらに限定されない。
（７）各第２のベクターを各第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの穴溝１４１Ｂ内に配置し、すなわち、１つの第２のベクターは１つの第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの穴溝１４１Ｂ内に配置される。
（８）ポリメラーゼ及びデオキシリボヌクレオシド三リン酸（ｄＮＴＰ）を含む溶液を、各第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａの穴溝１４１Ａ及び各第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの穴溝１４１Ｂ内に加える。デオキシリボヌクレオシド三リン酸は、第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａの穴溝１４１Ａ内の被試験ヌクレオチド配列フラグメントと重合して、水素イオン及び第１の電気信号を生成する。例えば、第１のベクターＸ１及び被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ１が搭載された第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａは第１の電気信号Ｅ１を生成し、第１のベクターＸ２及び被試験ヌクレオチド配列フラグメントＰ２が搭載された第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａは第１の電気信号Ｅ２を生成する。他方、デオキシリボヌクレオシド三リン酸は、第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの穴溝１４１Ｂ内の第２のプライマーと重合して、水素イオン及び第２の電気信号を生成する。例えば、第２のベクターＹ１が搭載された第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂは第２の電気信号Ｆ１を生成し、第２のベクターＹ２の第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂは第２の電気信号Ｆ２を生成する。上記の重合反応において、これらの環状電極群１４０Ａ及び１４０Ｂに印加される電流によって、生成された水素イオンを水素分子に変換する。
一実施形態において、溶液は、純水、水酸化ナトリウム、ポリメラーゼ、マグネシウム塩、硫酸二ナトリウム、及びフェリシアン化カリウムを含み、酸塩基値（ｐＨ）は、重合反応に必要な物質を提供するように、アルカリ性である。その中で、硫酸二ナトリウム及びフェリシアン化カリウムは、電気化学反応の酸化及び還元を助ける媒体であり、電流の変化量を増やし、信号を検出しやすくする。
（９）これらの第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａのトランジスタ１２０Ａ及びこれらの第２の塩基配列決定素子１００Ｂのトランジスタ１２０Ｂを使用して、第１の電気信号及び第２の電気信号を読み取って、配列決定結果を取得する。
一実施形態において、デオキシリボヌクレオシド三リン酸は順次に添加され、例えば、デオキシアデノシン三リン酸（ｄｅｏｘｙａｄｅｎｏｓｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ；ｄＡＴＰ）、デオキシチミジン三リン酸（ｄｅｏｘｙｔｈｙｍｉｄｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ；ｄＴＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄｅｏｘｙｃｙｔｉｄｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ；ｄＣＴＰ）、及びデオキシグアノシン三リン酸（ｄｅｏｘｙｇｕａｎｏｓｉｎｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ；ｄＧＴＰ）を、これらの第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａの穴溝１４１Ａ及びこれらの第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの穴溝１４１Ｂ内に順次添加し、次のデオキシリボヌクレオシド三リン酸を添加する前に予め洗浄される。具体的には、デオキシリボヌクレオシド三リン酸は、これらの被試験ヌクレオチド配列フラグメント又はこれらの第２のプライマーと相補的に結合する場合、水素イオン（Ｈ+）を放出し、酸塩基値（ｐＨ）が低下し、更に、インピーダンス値が低下する。インピーダンス値が低下するので、これらの環状電極群１４０Ａ及び１４０Ｂを流れる電流が増加し、トランジスタ１２０Ａ及び１２０Ｂを流れる電流が減少し、更に、電気信号を生成する。このとき、水素イオンは、作用電極から放出された電子と迅速に中和して水素ガスを形成して放出するため、これらの穴溝１４１Ａ、１４１Ｂに後の解釈に影響を与えるような残留水素イオンは存在しない。図２を参照すると、第３の環状電極１４７（補助電極）が環状電極群１４０の最上層に配置されてバリアを形成するため、重合時に発生した水素イオンは、第３の環状電極１４７を越えて隣の穴溝１４１に至ることがないため、配列決定プロセスはより正確になる。
一実施形態において、図５を参照すると、一回重合反応された第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａを洗浄し、再び溶液に加えて混合して重合反応を行い、これらの被試験ヌクレオチド配列フラグメントの配列が完了するまでこのステップを繰り返す。別の実施形態において、一回重合反応された第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａを洗浄しなくもてよく、再び溶液に加えて混合して重合反応を行い、これらの被試験ヌクレオチド配列フラグメントの配列が完了するまでこのステップを繰り返す。
もう一度図５を参照すると、第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａの第１の電気信号は、２つの差動型センス増幅器３１０を介して、それぞれ第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの第２の電気信号及び第３のヌクレオチド配列決定素子１００Ｃの第３の電気信号と比較し、２つの差動型センス増幅器３１０は、またそれぞれの発生した信号をラッチ型センス増幅器３２０に出力して比較及び分析を行う。
一実施形態において、第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの環状電極群１４０Ｂの穴溝１４１Ｂ内に１つの第２のベクターが配置され、第２のベクターの第２のプライマーは単一のチミン（Ｔ）を含む。第３のヌクレオチド配列決定素子１００Ｃの環状電極群１４０Ｃの穴溝１４１Ｃ内に第３のベクターが配置され、第３のベクターの第３のプライマーは３つのチミン（ＴＴＴ）を含む。第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａの穴溝１４１Ａ、第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの穴溝１４１Ｂ、及び第３のヌクレオチド配列決定素子１００Ｃの穴溝１４１Ｃ内にｄＡＴＰが添加される場合、第２のヌクレオチド配列決定素子１００Ｂの穴溝１４１Ｂ内に単一ヌクレオチドの重合反応（Ａ−Ｔペアリング）が実行され、第２の電気信号（例えば、０．３Ｖ）を生成する。第３のヌクレオチド配列決定素子１００Ｃの穴溝１４１Ｃ内に３つのヌクレオチドの重合反応（３つのＡ?Ｔペアリング）が実行され、第３の電気信号（例えば、１Ｖ）を生成する。第１のヌクレオチド配列決定素子１００Ａは、電気信号が０Ｖである場合に重合が発生しないことを意味し、電気信号が０．３Ｖである場合に単一のヌクレオチド（Ａ）の重合が発生することを意味し、電気信号が０．６Ｖである場合に２つのヌクレオチド（ＡＡ）の重合が発生することを意味し、電気信号が１Ｖである場合に３つのヌクレオチド（ＡＡＡ）の重合が発生すること意味する。具体的には、第２の電気信号と第３の電気信号との何れも基準電圧である。
一実施形態において、複数のヌクレオチド配列決定素子は、異なる種類のヌクレオチド（Ａ、Ｔ、Ｃ、Ｇ）の基準電圧値を提供する以外、更に、同じヌクレオチドであるが異なるヌクレオチド数の基準電圧値を提供し、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、又は２０個を含むが、それらに限定されない。配列決定の最初に、チップの環境及び温度等の条件に応じて、人工的に合成された既知のヌクレオチド配列のプライマーから相対基準電圧を取得する。従って、異なるバッチであるが同じヌクレオチド及び同じヌクレオチド数の基準電圧値は、被試験ヌクレオチドの配列をより正確に決定するように、現在の環境によって僅かに異なる。
本開示内容の利点は次のとおりである。
作用電極が電気化学反応中に電子を提供することで、重合反応によって生成された水素イオンを中和して水素ガスを生成するので、配列決定時に発生した電荷を効果的に除去し、電荷の蓄積によるノイズの増加を回避する。
電気化学反応が速いため、水素イオンを除去した直後に次のヌクレオチドの配列決定を行うことができるので、全体の配列決定時間を短縮することができる。
穴溝内の水素イオンを効果的に除去できるため、同じ穴溝から最大２０００ＫｂｐのＤＮＡフラグメントを読み取ることができる。
金属酸化物半導体技術によって配列決定の装置コストを削減し、大量生産及びプロセスの短縮により、より高密度でより大きなアレイサイズを得る。
プロセスが短縮されると、ヌクレオチド配列素子における穴溝の体積がより小さくなり、重合反応及び電気化学反応が発生すると、ｐＨ値が更に変化して、検出時間が短縮され、被試験ヌクレオチド配列フラグメントの数が減らされ、試薬の消費量が減らされ、更に、コストが削減される。
各バッチの基準電圧値が当時の環境によって僅かに異なることを考慮すると、人工的に合成された既知のヌクレオチド配列プライマーから相対基準電圧を取得することで、被試験ヌクレオチド配列フラグメントの配列をより正確に判断することができる。
本開示内容は実施形態を前述の通りに開示したが、これは本開示内容を限定するものではなく、当業者であれば、本開示内容の精神と範囲から逸脱しない限り、多様の変更や修飾を加えることができる。従って、本開示内容の保護範囲は、下記特許請求の範囲で指定した内容を基準とするものである。
１００、１００’’ ヌクレオチド配列決定素子
１００Ａ 第１のヌクレオチド配列決定素子
１００Ｂ 第２のヌクレオチド配列決定素子
１００Ｃ 第３のヌクレオチド配列決定素子
１１０ 半導体基板
１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ トランジスタ
１２１ グリッド
１２２ ソース
１２３ ドレイン
１３０ 誘電体層
１３１ 上面
１３２ 下面
１４０、１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ 環状電極群
１４１、１４１Ａ、１４１Ｂ、１４１Ｃ 穴溝
１４２ 第１の環状隔壁層
１４３ 第１の環状電極
１４４ 第２の環状隔壁層
１４５ 第２の環状電極
１４６ 第３の環状隔壁層
１４７ 第３の環状電極
１５０ 導体
１６０ バンプ電極
２１０ 第１の電気二重層コンデンサ
２２０ 第１の環状電極電荷移動抵抗器
２３０ 第２の環状電極電荷移動抵抗器
２４０ 第３の電気二重層コンデンサ
２５０ 第３の環状電極電荷移動抵抗器
２６０ 第１の溶液抵抗
２７０ 第２の溶液抵抗
２８０ ワード線
３００ センス増幅器
３１０ 差動型センス増幅器
３２０ ラッチ型センス増幅器
４００ ヌクレオチド配列決定チップ
Ａ１、Ａ２ 第１のプライマー
Ｂ１、Ｂ２ 第２のプライマー
Ｄ１、Ｄ２ 幅
Ｅ１、Ｅ２ 第１の電気信号
Ｆ１、Ｆ２ 第２の電気信号
Ｈ１ 高さ
Ｐ１、Ｐ２ 被試験ヌクレオチド配列フラグメント
Ｕ１、Ｕ２ アダプタ
Ｘ１、Ｘ２ 第１のベクター
Ｙ１、Ｙ２ 第２のベクター

Claims (15)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられるトランジスタと、
    前記トランジスタを覆う誘電体層と、
    少なくとも１つの第１の環状電極と、前記第１の環状電極の上に位置する第２の環状電極と、前記第２の環状電極の上に位置する第３の環状電極と、を含み、前記誘電体層の上に位置し、前記誘電体層を露出させる開口を有し、前記誘電体層と共に穴溝を形成する環状電極群と、
    前記誘電体層の中に配置され、一端が前記トランジスタのソース又はドレインに接続され、他端が前記環状電極群の前記第１の環状電極又は前記第２の環状電極に接続される導体と、
    を備えるヌクレオチド配列決定素子。
  2. 各前記した第１の環状電極、第２の環状電極、及び第３の環状電極は、リング状の輪郭を有し、且つ互いに整列している請求項１に記載のヌクレオチド配列決定素子。
  3. 各前記した第１の環状電極、第２の環状電極、及び第３の環状電極は、多角形の輪郭を有し、且つ互いに整列している請求項１に記載のヌクレオチド配列決定素子。
  4. 前記環状電極群は、更に、
    前記誘電体層と前記第１の環状電極との間に位置する少なくとも１つの第１の環状隔壁層と、
    前記第１の環状電極と前記第２の環状電極との間に位置する第２の環状隔壁層と、
    前記第２の環状電極と前記第３の環状電極との間に位置する第３の環状隔壁層と、
    を含む請求項１に記載のヌクレオチド配列決定素子。
  5. 前記第１の環状電極は複数であり、前記第１の環状隔壁層も複数であり、
    前記第１の環状電極と前記第１の環状隔壁層は交互に積み重ねられ、且つ前記第１の環状電極は前記導体に電気的に接続される請求項４に記載のヌクレオチド配列決定素子。
  6. 前記穴溝の中に位置し、前記誘電体層から突出して前記導体に電気的に接続される突出部を有する少なくとも１つのバンプ電極を更に含む請求項１に記載のヌクレオチド配列決定素子。
  7. 前記突出部は、約０．１２５〜約７．５のアスペクト比を有する請求項６に記載のヌクレオチド配列決定素子。
  8. 前記突出部は、前記誘電体層の上面から約０．０１マイクロメートル〜約０．５マイクロメートル突出している請求項６に記載のヌクレオチド配列決定素子。
  9. 前記バンプ電極は、２〜２０個である請求項６に記載のヌクレオチド配列決定素子。
  10. 請求項１に記載の複数のヌクレオチド配列決定素子と、
    各前記トランジスタの前記ソース又は前記ドレインに接続されるセンス増幅器と、
    を含むヌクレオチド配列決定チップ。
  11. 複数の前記ヌクレオチド配列決定素子は、少なくとも１つの第１のヌクレオチド配列決定素子及び少なくとも１つの第２のヌクレオチド配列決定素子を含み、前記第１のヌクレオチド配列決定素子は、被試験ヌクレオチドの配列決定に使用され、前記第２のヌクレオチド配列決定素子は、既知のヌクレオチド配列の配列決定に使用される請求項１０に記載のヌクレオチド配列決定チップ。
  12. 少なくとも１つの第１のヌクレオチド配列決定素子及び少なくとも１つの第２のヌクレオチド配列決定素子を含む請求項１０に記載のヌクレオチド配列決定チップを提供する工程と、
    前記第１及び前記第２のヌクレオチド配列決定素子の前記環状電極群に電流を印加する工程と、
    少なくとも１つの第１のプライマーを含む少なくとも１つの第１のベクター、及び少なくとも１つの被試験ヌクレオチド配列フラグメントを混合して、更に、前記被試験ヌクレオチド配列フラグメントを前記第１のプライマーに接着させる工程と、
    接着された前記第１のベクターと前記被試験ヌクレオチド配列フラグメントを前記第１のヌクレオチド配列決定素子の前記穴溝内に配置する工程と、
    少なくとも１つの第２のプライマーを含む第２のベクターを前記第２のヌクレオチド配列決定素子の前記穴溝内に配置する工程と、
    ポリメラーゼ及びデオキシリボヌクレオシド三リン酸を含む溶液を、前記第１及び前記第２のヌクレオチド配列決定素子の前記穴溝内に加え、前記デオキシリボヌクレオシド三リン酸は、前記第１のヌクレオチド配列決定素子の前記穴溝内の前記被試験ヌクレオチド配列フラグメントと重合して、水素イオン及び第１の電気信号を生成し、また、前記デオキシリボヌクレオシド三リン酸は、前記第２のヌクレオチド配列決定素子の前記穴溝内の前記第２のプライマーと重合して、水素イオン及び第２の電気信号を生成し、前記環状電極群を通過する前記電流は、前記水素イオンを水素分子に変換する工程と、
    前記第１及び前記第２のヌクレオチド配列決定素子の前記トランジスタによって、前記第１の電気信号及び前記第２の電気信号を読み取って、配列決定結果を得る工程と、
    を備える配列決定分析の方法。
  13. 前記溶液は、水酸化ナトリウム、硫酸二ナトリウム、フェリシアン化カリウム、又はそれらの組み合わせを更に含む請求項１２に記載の方法。
  14. 各前記第１のベクターは、磁気ビーズ及び前記第１のプライマーを含む請求項１２に記載の方法。
  15. 各前記第２のベクターは、磁気ビーズ及び前記第２のプライマーを含み、前記第２のプライマーは、既知のヌクレオチド配列である請求項１２に記載の方法。
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