KR101856050B1 - 핵산 시퀀싱을 위한 통합 포토닉 전자 센서 어레이 - Google Patents

핵산 시퀀싱을 위한 통합 포토닉 전자 센서 어레이 Download PDF

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Abstract

화합물, 복합체, 및 분자를 검출하고, 식별하며, 시퀀싱하는 디바이스 및 방법이 기술된다. 전자 검출과 광학적 여기를 결합하여 관심 대상 분해물질의 존재 또는 아이덴티티를 결정한다. 본 발명의 실시예는 고도의 병렬 핵산 시퀀스 결정을 허용하는 디바이스 및 방법을 추가로 제공한다.

Description

핵산 시퀀싱을 위한 통합 포토닉 전자 센서 어레이{INTEGRATED PHOTONIC ELECTRONIC SENSOR ARRAYS FOR NUCLEIC ACID SEQUENCING}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2012년 12월 20일에 미국 출원되어 "Photoinduced Redox Current(PIRC) Detection for DNA Sequencing Using Integrated Transducer Array"란 명칭으로 현재 계류 중인 미국 특허 출원 제13/721,488호와 관련이 있으며, 그 개시 내용은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
기술분야
본 발명의 실시예는 전반적으로 전자 센서 및 집적 회로 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 전자 센서 어레이, 포토닉스(photonics), 광 안테나, 핵산 시퀀싱 및 단일 분자 핵산 시퀀싱에 관한 것이다.
생물체 내의 일반적인 정보는 디옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid : DNA) 및 리보핵산(ribonucleic acid : RNA)과 같은 매우 긴 형태의 핵산 분자에 포함되어 있다. 자연적으로 발생하는 DNA 및 RNA 분자는 통상적으로 뉴클레오티드(nucleotides)라 불리는 반복적인 화학적 구축 블록으로 구성되는데, 이는 당분(a sugar)(디옥시리보스 또는 리보스 각각), 인산, 4개의 염기인 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G)과 티민(T) 또는 우라실(U) 중 하나로 구성된다. DNA 분자의 제 1 시퀀스는 1970년대초에 보고되었다. 휴먼 게놈(human genome)은 30억개를 초과하는 염기 쌍의 DNA를 포함한다. DNA의 제 1 시퀀스가 획득되고 30년 후인 2003년까지 인간 개인에 대한 전체 휴먼 게놈의 제 1 시퀀스가 획득되지 않았다. 전체 휴먼 게놈의 이 제 1 시퀀스의 획득에는 약 27억 달러의 비용이 들었으며 (National Human Genome Research Institute에 따라) 10년을 넘는 시간이 소요되었다. 인간 개인의 전체 게놈에 대한 지식은 인간에 대한 치료 요법과 의학적 치료법을 맞춤화할 수 있는 엄청난 기회를 제공하여, 많은 질병의 분자적 기초를 이해하고 활용할 수 있도록 한다. 그러나, 제 1 DNA 분자가 시퀀싱된 후 40년이 지난 현재에도 전체 휴먼 게놈을 신속 정확하며 비용 효과적으로 시퀀싱하는 기법에 대한 연구는 여전히 달성하기 어려운 목표로 남아 있다.
본 명세서에서 기술되고 도시된 내용은 본 발명의 여러 측면을 예시하기 위해 제공되는 것이고 본 발명의 범위를 제한하려는 의도는 아니다. 간결하고 명확한 설명을 위해, 도면에 도시된 구성요소는 반드시 실제 축척대로 도시된 것은 아니다. 또한, 참조 부호는 적절한 경우, 대응하거나 또는 유사한 구성요소를 나타내도록 도면에 걸쳐 반복되어 있다.
도 1a 내지 도 1d는 센서 영역 및 연관된 광학 안테나의 뷰 및 연관된 광학 안테나를 갖는 센서 어레이의 뷰를 개략적으로 도시한다.
도 2a 내지 도 2e는 연관된 광학 안테나 및 고정화 분자(immobilized molecules)를 갖는 추가의 센서 영역을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 센서 표면에서의 전기 신호 검출을 위한 모드를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 전자 센서 및 감광체 레이블 뉴클레오티드(a photosensitizer-labeled nucleotide)를 이용하는 핵산 시퀀싱 반응을 개략적으로 도시한다.
도 5는 감광체 레이블 뉴클레오티드를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 핵산 분자를 시퀀싱하는 방법을 개략적으로 도시한다.
후술하는 설명에서는 본 발명의 실시예의 이해를 돕기 위한 구체적인 세부사항이 제공되어 있다. 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 바와 같이, 실시예는 이들 구체적인 세부 사항 중 하나 이상을 빼더라도 실시될 수 있고, 한 실시예의 세부 사항이 다른 실시예에서 사용될 수 있는 경우도다. 다른 예들에서 잘 알려진 특징은 설명을 모호하게 하지 않도록 상세하게 기술되어 있지 않다.
선택적인 연관 광학 안테나를 갖는 전자 센서 어레이를 이용하는 분자 검출을 위한 디바이스 및 방법이 기술된다. 전자 검출과 광학적 여기를 결합하여 관심 있는 분해물질(analyte)의 존재 또는 아이덴티티(identity)를 결정한다. 본 발명의 실시예는 고도의 병렬 핵산 시퀀스 결정을 허용하고, 정확도, 높은 수율 및 합리적인 비용이라는 장점을 제공하는 디바이스 및 방법을 제공한다. 그러나, 본 명세서에서 기술된 광학 안테나와 결합된 전자 센서 어레이는 다른 타입의 분해물질 검출에도 유용하다는 것에 주목해야 한다.
집광성 안테나(a light harvesting antenna)는 포톤(photon)을 플라즈몬(plasmon)으로 변환하고, 플라즈몬 공명, 플라즈몬 포커싱, 또는 양자를 지원할 수 있는 구조일 수 있다. 플라즈몬 공명을 지원할 수 있는 구조의 비제한적인 예들은 보우 타이 구조(bow tie structures), 스파이크 안테나, 및 보우 타이 크로스 구조(bow tie cross structures)를 포함하고, 플라즈몬을 포커싱할 수 있는 구조의 비제한적인 예들은 제로 모드(zero mode) 도파관, 플라즈몬 도파관 및 불스아이(bullseye) 안테나를 포함하며, 플라즈몬 포커싱 및 플라즈몬 공명을 모두 제공하는 구조의 비제한적인 예들은 중심 애퍼쳐(apertures)를 갖는 불스아이 안테나를 포함한다. 구조는, 예를 들어, 상이한 파장에 대해 직교 보우 타이 안테나를 최적화함으로써 하나의 파장에 대해 최적화되거나, 또는 2 이상의 파장에 대해 최적화될 수 있다. 구조는 보우 타이 안테나와 같은 포지티브 구조, 또는 제로 모드 도파관과 같은 네거티브 구조로부터 선택적 에칭 또는 증착에 의해 제조될 수 있다. 나노 라이스(nano-rice) 및 나노 크레센트(nano-crescents)와 같은 이러한 비제한적인 예들에서, 집광성 구조, 예를 들어, 보우 타이 안테나는 평탄면 상에서 제조될 수 있거나, 또는 평탄면과 분리된 구조로서 형성될 수 있는 구조일 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 기판(100)이 센서(110) 및 집광성 안테나(120)를 포함하는 예시적인 디바이스의 뷰를 제공한다. 도 1a는 도 1b의 라인 1-1상에서의 컷어웨이(cutaway) 뷰이다. 본 발명의 실시예에서, 기판(100)은 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 칩과 같은 전자 칩(집적 회로 또는 IC 칩)을 포함하고, 기판(100)은 센서(또는 트랜스듀서)(110)에 동작 가능하게 접속되며, 센서(110)로부터 신호를 개별적으로 어드레싱하고, 구동하며, 증폭하고, 센서(110)로부터 데이터를 수집하고, 센서(110)로부터 데이터를 분석하는 기능 중 하나 이상을 수행하는 것이 가능한 전자장치(도시되지 않음)를 포함한다. 다른 실시예에서는, 센서(110)로부터 신호를 개별적으로 어드레싱하고, 구동하며, 증폭하고, 센서(110)로부터 데이터를 수집하고, 센서(110)로부터 데이터를 분석하는 기능 중 하나 이상이 외부 전자장치, 하나 이상의 컴퓨터, 또는 그 조합에 의해 수행된다. 센서(110)가 정방형 표면을 갖는 것으로서 도시되어 있으나, 다른 형상 및 상대적 크기를 취할 수도 있다. 예를 들어, 센서(110)는 원형, 타원형, 장방형, 또는 육각형이나 오각형과 같은 다른 타입의 다중측면의 형태일 수 있다. 센서(110)는 물리적 이벤트를 전자 신호로 변환할 수 있는 전자 센서 또는 트랜스듀서이다. 본 발명의 실시예에서, 물리적 이벤트는 전자 전이 이벤트(an electron transfer event)이다. 도 1a에서, 센서 표면은 선택적 센서 코팅층(들)(112)을 포함한다. 선택적 센서 코팅층(들)(112)은 본 명세서에서 전체적으로 기술되어 있다. 선택적 센서 코팅층(들)(112)은 또한 센서(110) 표면만을 부분적으로 커버하는 층일 수 있다. 몇몇 실시예에서 보호층(도시되지 않음)은 결합된 감광체 레이블 뉴클레오티드의 여기 상태가 금속 구조에 의해 원치 않는 방식으로 억제(quench)될 수 있는 위치에 고정화 효소(immobilized enzyme)가 부착되어 금속 구조에 전자가 전달되거나, 또는 금속 구조에 여기 상태 에너지가 전달되는 것을 방지할 수 있다. 선택적 층은 금속 구조로부터 감광체 레이블 분자를 멀리 이격시키도록 5 내지 20nm 두께일 수 있는 유전체 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 집광성 안테나(120)는 광을 집중시키고 포톤을 플라즈몬으로 변환할 수 있다. 표면 플라즈몬은 안테나(120)의 코너에서 특히 형성되고, 플라즈몬과 연관된 전계의 강도는, 평탄한 금속층에 애퍼쳐(aperture)로서 형성된 안테나 구조에서 발생할 수 있듯이, 2 이상의 광 안테나의 접합부에서 또는 상호 작용하는 하나의 안테나의 부분들 사이에서 증가된다. 도 1b 내지 도 1d는 집광성 안테나(120)가 내부에 구성될 수 있는 몇몇 예시적인 형태를 도시한다. 안테나(120)의 형태 및 (센서(110)의 개수에 대한) 상대적인 개수는 이와 다를 수 있다. 도 1b 및 도 1d에 비해 도 1c에서 알 수 있는 바와 같이, 예를 들어, 센서 당 상이한 개수의 안테나(120)가 가능하다. 안테나(120)는 센서 영역에 위치하는 분해될 분자에 표면 플라즈몬을 제공하도록 구성되고 적어도 하나의 안테나(120)가 센서(110)와 연관된다. 반응(또는 센서) 영역(111)은 하나 이상의 연관된 집광성 안테나(120)를 갖는다. 집광성 안테나(120)는, 예를 들어, 금, 은, 알루미늄, 플래티늄, 아연, 구리, 다른 동전용 금속 또는 그 합금과 같은 얇은 금속층으로 구성된다. 본 발명의 실시예에서, 집광성 안테나(120)는 나노스케일 재료층을 포함하고, 예를 들어, 집광성 안테나(120)의 두께는 20 내지 100nm 또는 100nm보다 큰 수치일 수 있다. 도 1d에서 집광성 안테나(120)의 어레이는 안테나가 하나 이상의 경계를 공통으로 갖고 센서(110)가 안테나 재료의 컷아웃(cut-out) 영역에 위치하도록 형성될 수 있다.
선택적으로, 하나 이상의 카운터 및/또는 레퍼런스 전극(125)이 기판(100)의 표면 내에 또는 표면상에 위치한다. 도 1b 내지 도 1d에 하나 이상의 카운터 또는 레퍼런스 전극(125)이 도시되어 있으나, 카운터 및/또는 레퍼런스 전극(125)의 형태, 크기, 위치 및 개수는 이와 다를 수도 있다. 다른 선택적인 실시예에서는, 하나 이상의 카운터 전극이 센서 영역에 반응물을 제공하도록 채용되는 용액에 위치한다. 하나 이상의 레퍼런스 전극이 센서 영역에 반응물을 제공하도록 채용되는 용액에도 제공될 수 있다. 카운터 및 레퍼런스 전극은 전류, 전압, 캐패시턴스, 및/또는 저항이 전극 센서에 의해 측정되는 실시예에서 유용하다.
예를 들어, 제로 모드 도파관과 같은 다른 집광성 구조가 본 명세서에서 기술된 센서 및 방법과 함께 사용될 수도 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따라 고정화 효소(immobilized enzyme)를 갖는 집광성 안테나 및 센서 영역을 도시한다. 도 2a 내지 도 2d에서, 기판(200)은 센서(210) 및 집광성 안테나(220)를 포함한다. 도 2a 내지 도 2e에는, 센서 어레이 및 안테나 중 하나의 센서(210)와 2개의 집광성 안테나(220)가 도시되어 있다. 도 2a, 도 2c, 도 2d, 및 도 2e에서 센서 표면은 분자 부착을 용이하게 하고 센서 표면을 보호하도록 선택적 센서 코팅층(들)(212)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 선택적 보호층(도시되지 않음)은 금속 가까이에 위치함으로 인해 결합 감광체 레이블 뉴클레오티드가 바람직하지 않게 억제되는 위치에 고정화 효소가 부착되는 것을 방지하는 데 사용될 수 있다. 선택적 보호층은 유전체 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 하나 이상의 센서 코팅층(212)이 센서(210)의 표면을 넘어 연장되어 안테나(220)를 커버할 수 있다. 도 2b에서 센서 표면은 분자 부착을 용이하게 하도록 재료의 부분적인 층 또는 분자 부착 패드(214)를 포함한다. 도 2b의 분자 부착 패드(214)는 도 2c 내지 도 2e의 디바이스에서도 사용 가능한데, 도시된 패드 또는 부분적인 층보다 크거나 작을 수 있다. 도 2d에서, 선택적 보호층(221)은 안테나(220)를 코팅하는데, 예를 들어, 유전체 재료일 수 있다. 도 2e에서, 센서(210)는 연관된 집광성 안테나를 갖지 않는다. 집광성 안테나를 갖거나 갖지 않는 실시예에서, 광은 렌즈릿 어레이(lenslet arrays)를 이용하여 센서 영역으로 지향(directed)될 수 있다. 도 2e의 센서 영역은 도 2b의 부분적인 층 또는 부착 부착 패드 및/또는 도 2c의 효소 부착을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 렌즈릿 어레이, 프레즈넬 렌즈(Fresnel lenses), 또는 렌즈는 집광성 안테나와 결합하여 광을 국소화하는 데 사용된다.
도 2a 내지 도 2e는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 칩과 같은 전자 칩(IC 칩)을 포함하고, 기판(200)은 센서(210)에 동작 가능하게 접속되는 전자장치(도시되지 않음)를 포함하며, 센서(210)로부터 신호를 개별적으로 어드레싱하고, 구동하며, 증폭하고, 센서(210)로부터 데이터를 수집하고, 센서(210)로부터 데이터를 분석하는 기능 중 하나 이상을 수행하기 위한 것이다. 다른 실시예에서는, 센서(210)로부터 신호를 개별적으로 어드레싱하고, 구동하며, 증폭하고, 센서(210)로부터 데이터를 수집하고, 센서(210)로부터 데이터를 분석하는 기능 중 하나 이상이 외부 전자장치, 하나 이상의 컴퓨터, 또는 그 조합에 의해 수행된다.
하나 이상의 효소(230)가 센서 영역에 위치하고, 선택적 링커(235)를 통해 센서 영역의 표면에 부착된다. 본 발명의 실시예에서, 효소(230)는, 예를 들어, DNA 폴리메라제(polymerase), RNA 폴리메라제, 말단 전이효소(terminal transferase), 역전사효소(reverse transcriptase), 또는 텔로메라제(telomerase)이다. 효소(230)를 센서 영역에 앵커링(anchoring)하는 링커(235)는, 예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol : PEG), 카르보닐 링커, 직쇄(straight chain) 탄소 링커, 광활성화 가능한(photoactivatable) 링커, 또는 화학적으로 절개 가능한(cleavable) 링커, 또는 다른 적절한 링커를 포함한다. 링커(235)는 반응 영역 내부에서, 표면이나 변형된 표면(층, 코팅, 화학적 변형, 또는 그 조합을 갖는 표면)에 부착될 수 있다. 다른 실시예에서는, 링커(235)가 존재하지 않고 효소(230)가 센서 영역 내부의 표면에 직접 부착된다. 도 2d에서, 효소(230) 및/또는 선택적 링커(235)는 광 부착을 통해 안테나에 부착될 수 있고, 여기서 안테나의 광 활성화가 부착을 용이하게 한다. 본 발명의 실시예에서는, 하나의 효소(230)가, 어레이의 적어도 일부에 대해, 센서 어레이의 각 센서에 대한 하나의 센서 영역에 존재한다. 본 발명의 실시예에서, 하나의 효소가 존재하는 센서 영역의 개수는 프와송 분포(Poisson distribution)로 성취 가능한 것보다 크다. 어레이의 센서 영역 당 하나의 효소가, 예를 들어, 프와송 분포를 이용하여 통계적인 방식으로 성취될 수 있다. 통계적으로 센서 영역 당 하나의 효소를 갖는 센서의 최대 개수는, 예를 들어, 통계적으로 하나의 효소가 센서 영역 당 부착되도록 표면 부착 동안 링커의 농도를 제어하거나 또는 효소의 농도를 제어함으로써 획득된다. 통계적으로 어레이 내의 하나의 센서 당 하나의 효소가 존재하는 최대 개수의 센서의 실시예는 센서 당 하나의 효소를 갖는 것으로 기술되지만, 어레이 내의 몇 퍼센트의 센서는 그러하지 않을 것이라는 점을 당어자는 이해할 것이다. 효소를 포함하지 않거나 1개를 초과하는 효소를 포함하는 센서 영역으로부터 데이터가 검출되고(효소를 포함하지 않거나 1개를 초과하는 효소를 포함하는 영역은 신호를 반환하지 않거나 하나의 효소 센서 영역에 대해 증가된 신호를 각각 가짐) 핵산 시퀀싱을 위한 제어로서 폐기되거나 혹은 사용될 수 있다.
다른 실시예에서는, 1개를 초과하는 효소가 센서 영역 당 존재할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블은 동일한 센서(트랜스듀서)의 센서 영역의 상이한 응답에 의해 분해된다.
선택적으로, 하나 이상의 카운터 및/또는 레퍼런스 전극(도시되지 않음)이 도 1a 내지 도 1d에서와 같이 기판(200) 표면 내에 또는 표면 상에 제공된다. 다른 선택적인 실시예에서, 카운터 및/또는 레퍼런스 전극은 센서 영역에 반응물을 제공하도록 채용되는 용액에 제공된다. 카운터 및 레퍼런스 전극은 전류, 전압, 또는 캐패시턴스가 전극 센서에 의해 측정되는 실시예에서 유용하다.
본 발명의 실시예에서, 센서 영역(또는 반응 영역)은 전극 센서와 센서에 근접하고 센서를 둘러싸는 센서 표면의 영역을 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 반응 영역(또는 센서 영역)은 하나 이상의 집광성 안테나의 플라즈몬 증강 영역 내의 영역이다. 센서 영역에서, 고정화 효소는 부분적으로 더블 스트랜디드(double stranded) 핵산과 복합체 형성될 수 있고 뉴클레오티드가 핵산 스트랜드로 중합되는 반응이 발생할 수 있다. 다른 실시예에서, 반응 영역은 부분적으로 더블 스트랜디드 핵산과 복합체 형성되는 고정화 폴리메라제가 결합되거나 부착될 수 있는 영역이고, 렌즈릿 어레이의 일부일 수 있는 렌즈 또는 렌즈릿에 의해 형성되는 플로드 조명 필드(a flood illumination field) 또는 광 빔의 필드를 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 센서 영역은 표면상의 영역 내에서 피팅(fit)되며 광 에너지는 렌즈릿에 의해 포커싱되고, 집광성 안테나 및/또는 에너지를 포커싱하는 것은 집광성 안테나에 의한 플라즈몬 공진에 의해 공진되게 된다. 본 발명의 실시예에서, 센서 영역은 그 가장 넓은 치수로 12 내지 15nm, 15 내지 20nm, 12 내지 50nm, 12 내지 100nm, 또는 100nm 내지 500nm의 폭을 갖는다. 본 발명의 실시예에서, 센서 표면은 그 가장 넓은 치수로 10 내지 50nm, 10 내지 100nm, 또는 10nm 내지 1㎛의 폭을 갖는다. 센서 영역은 센서 표면과 그 센서 표면 영역을 넘어서 10 내지 30% 연장되는 센서를 둘러싸는 기판 표면의 영역을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서 센서 영역은 감광제 레이블에 의해 흡수되는 에너지의 금속 억제를 방지하기 위해 집광성 안테나의 금속 위의 유전체 또는 반도체층을 가질 수 있다. 센서 영역은 (방사광으로부터 발하는) 국소화된 에너지가 센서 영역으로 지향되도록 위치하는 하나 이상의 집광성 안테나를 갖는다. 센서 영역과 연관된 다른 개수의 집광성 안테나가 가능하며, 예를 들어, 도 1b는 센서 영역과 연관된 4개의 집광성 안테나를 도시하고, 도 1c는 센서 영역과 연관된 8개의 집광성 안테나를 도시한다. 집광성 안테나와의 광 상호작용은 통상적으로 광의 편광 기능이고, 2개 이상의 상이한 광 파장은 효과적인 직교 방식으로 동일한 안테나 세트와 상호작용할 수 있고, 하나의 파장의 제 1 조명 광은 하나의 편광을 가질 수 있고, 플라즈몬을 포커싱하고 및/또는 플라즈몬 공명을 생성하도록 하나의 안테나 세트와 상호작용할 수 있는 한편, 제 1 조명 광에 직교하는 편광을 갖는 다른 파장의 제 2 조명 광은 플라즈몬 및/또는 제 1 안테나 세트에 직교하는 플라즈몬 공명을 포커싱하도록 구성되는 제 2 안테나 세트와 상호작용할 수 있다. 집광성 안테나는 광학 방사선을 국소화된 에너지(표면 플라즈몬)로 변환하는 구조이다. 하나의 집광성 안테나는 1개를 초과하는 센서 영역과 연관될 수 있다. 집광성 안테나는 상이한 파장의 광이 상이한 에너지의 포톤을 흡수하고 동일하거나 유사한 편광의 입력 광원이 상이한 집광성 안테나와 상호작용하도록 하기 위해 상이하게 크기 조정될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 유용한 전자 센서의 타입은, 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터(field effect transistors : FET), 이온 선택적 트랜스듀서, 이온 선택적 전계 효과 트랜지스터, 화학적 전계 효과 트랜지스터, 확장형 게이트 FET, 고 밴드갭 반도체 코팅 전기화학적 트랜스듀서, 전기화학적 트랜스듀서, 전위차(potentiometric) 센서, 및 전극 트랜스듀서를 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 센서는 1KHz보다 큰 샘플링 레이트를 갖고, 전류를 측정하는 센서에 대해, 1pA보다 적은 검출 감도를 갖는다. 확장형 게이트 플로팅 게이트 전계 효과 트랜지스터일 수 있는 플로팅 게이트 전계 효과 트랜지스터는 센서 표면상에서의 전하의 변화 또는 센서 표면에 근접한 전하의 변화에 응답하고, 이는 FET의 채널의 전하 분포, 및 그에 따른 FET의 채널을 통과하는 전류의 특성을 변화시킨다. 전극은 센서 표면에서 전류, 전압, 캐패시턴스, 및 저항 변화를 측정하는 것이 가능하다. 센서는 도전성 또는 반도전성일 수 있고, 예를 들어, Au, Ag, Pt, 또는 Au, Ag, 및/또는 Pt의 합금과 같은 재료, 도핑 다이아몬드 재료와 같은 도전성 탄소 재료, TiO2, ITO(인듐 주석 산화물), Ta205, 및 ZnO와 같은 반도전성 재료, 유기 반도체 재료, 및 붕소 도핑 다이아몬드, 알루미늄, 갈륨과 붕소 질화물, 및 실리콘 탄화물과 같은 고 밴드갭 반도체 재료로 구성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 분자 시퀀싱 반응을 검출하는데 유용한 전기 신호 검출 방식을 도시한다. 도 3a에서, 센서(310)는 고 밴드갭 반도체 코팅 전극, 유전체 코딩 전극, 또는 도전성 재료로 구성된 전극이다. 동작 시에, 전자(e)는 반응 영역으로부터 전달되고, 또는 감광제 일부분으로부터 직접 전달되거나, 또는 전자 전이 체인의 일부로서 전달되고, 센서(310)로부터 전류로서 출력된다. 센서에서의 전류 변화는 고정화 효소로 결합된 감광제 일부분의 존재를 표시할 수 있다. 이 모드에서, 전자는 센서(310)를 통해 이동한다. 전류는 도 3a에서 특정의 방향으로 센서 영역으로부터 흐르는 것으로 도시되어 있으나, 전류 흐름을 위한 다른 방향이 또한 가능하며, 어떻게 센서가 기판(도시되지 않음) 내에 전기적으로 구성되는지에 의존한다. 도 3b는 센서(310)에서 전자-정공 재결합 검출 방식을 도시한다. 도 3b에서, 전자는 센서의 반도체 부분으로 주입되고, 정공과 재결합하며, 센서에서 캐패시턴스, 전압 또는 전류를 통해 검출된다. 전자는 반도체로 주입될 수 있다. 도 3c는 하나 이상의 표면 부착 전자 억셉터(acceptors)(315)를 갖는 센서(310)를 도시한다. 도 3c에 도시된 검출 방식에서, 반응 영역으로부터의 전자는 표면 부착 전자 억셉터(315)를 감소시키고 감소된 전자 억셉터(315)는 센서의 표면에서 전위차로서 검출된다. 다른 실시예에서, 표면 부착 전자 억셉터(315)는 전자 도너(donors)이다. ISFET 또는 CHEMFET 센서의 전류 변화로부터 발생될 수 있는 센서의 표면에서의 전위차는 전자화학적 센서의 전위 변화 또는 전류 변화로서 검출되거나, 또는 전위차 센서를 이용하여 캐패시턴스 변화로서 검출될 수 있다. 다른 실시예에서, 전자는 표면 부착 전자 억셉터(315)의 산화로부터 반응 영역으로 공급될 수 있고 산화된 전자 억셉터(315)는 센서의 표면에서 전위치로서 검출된다. 본 발명의 실시예에서, 전자 억셉터는 반대로 감소될 수 있는 분자이다. 다른 실시예에서, 전자 억셉터는 감소될 수 있지만, 전자 전이는 비가역적이다. 도 3d는 FET의 게이트 영역층(350) 상에서 표면 부착 전자 억셉터(315)를 갖는 전계 효과 트랜지스터의 부분을 도시한다. 게이트가 채널보다 클 수 있고 FET의 게이트 영역이 부착 전자 억셉터/도너(315)를 포함하는데, 게이트 영역층(350)은 FET의 채널 영역(355) 위에 적어도 부분적으로 존재한다. 반응 영역에서 생성되는 전자는 표면 부착 전자 억셉터(315)를 감소시키고 FET의 표면의 증가된 음(negative)전위는 채널 영역(355)을 통해 전류 흐름의 변화로서 검출된다. 대안적으로, 전자는 표면 부착 전자 억셉터(315)에 의해 반응 영역에 공급되고 FET의 표면의 증가된 양(positive)전위는 채널 영역(355)을 통해 전류 흐름의 변화로서 검출될 수 있다. 표면 부착 전자 억셉터(315)로서 유용한 화합물 및 분자는, 예를 들어, Ru(bpy)3 2 +이나, Rh(bpy)3 2 + , Fe(bpy)3 2 +, 또는 Co(bpy)3 2+와 같은 복합체를 함유하는 다른 금속 또는 센서의 표면에 부착되는 폴리메라제에 의해 결합될 수 있는 다른 감광제, 메틸 바이올로겐, 다른 바이올로겐과 같은 전자 전이 체인 내의 매개체, 또는 다른 매개체를 포함한다. 예시적인 전자 도너는 하이드록실 함유 아민, 글리신과 같은 카르복실 함유 아민, 및 트리에탄올라민을 포함한다.
센서가 확장형 게이트 FET인 실시예에서, 금속 전극(도시되지 않음)은 FET 디바이스의 확장형 게이트가 된다. FET 기반 디바이스는 통상적으로 (예를 들어, 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 및/또는 실리콘 산질화물과 같은) 얇은 절연 재료층으로 코팅된 도핑 반도체 재료로 구성되는 채널을 포함한다. FET의 채널은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있는 바와 같이, 예를 들어, 붕소, 비소, 인, 또는 안티몬으로 도핑된 실리콘 또는 게르마늄과 같은 P 또는 N 타입 반도체로 구성될 수 있다.
전극 센서는 하나 이상의 센서 코팅층 또는 코팅층들을 포함할 수 있다. 센서 코팅층은 금속 산화물, 반도체 또는 반도체 산화물, 또는 유전체의 코팅을 포함한다. 예를 들어, 다이아몬드, 금, ITO, 이리듐 산화물, 또는 그 합금과 같은 임의의 다른 전자화학적으로 활성인 재료 또는 플래티늄으로 구성되는 전극 센서는, 예를 들어, Ta205, Ti02, Si02, Y203, A1203, Hf02, Zr02, ZrSi04, BaTi03, BaZr03, 또는 Si3N4와 같은 재료로 구성되는 유전체(또는 반도체) 박막으로 코팅될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 막은 0 내지 7nm 두께 사이에 있다. 전극 센서는 전극을 환원하고 산화함에 있어 전자 전이를 크게 감소시키지 않고, 트랜스듀서 재료의 전체 촉매 반응을 용액 및/또는 용액 첨가제로 감소시키거나 방지하고 산화 환원 태그의 흡수를 감소시키도록, 잘 정의되어 있거나 또는 자체 어셈블링된 단층(monolayer)으로 코팅되거나, 또는 매우 얇은 다중층의 친수성 및 생체적합성의 유기 화합물, 폴리머, 또는 바이오폴리머, 예를 들어, 폴리에틸렌 클리콜, 아닐린, 포스포네이트, 티올, 아자아데닌, 폴리아데노신(poly A), 메르캅토운데카놀(Thiol-Cl10H), 또는 펩티드로 코팅될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 유기 또는 생체 분자 코팅은 에너지 배리어를 통해 전자 터널링 또는 호핑이 배어(bare) 전극으로서 유사한(예를 들어, 90 내지 100%) 전자 전이를 유지할 수 있도록 저 에너지 배리어를 갖는다. 실시예에서, 코팅은 무촉매 및 비전자화학적 활성이고(또는 감소된 촉매 및 전자화학적 활성을 가짐), 동작 동안 전극의 부착물(fouling) 또는 변성(denaturing)을 감소시키도록 보호막으로서 또한 사용될 수 있다. 테트라-DTT 인산염와 테트라-DTT-페로센 인산염, 알렌드로네이트, 티올 화합물 및 티올 함유 폴리머와 같은 추가의 분자 및 화합물이 표면 코팅 분자로서 사용될 수 있다. 또한, 전극 재료 및 코팅층은 2013년 12월 12일에 출원되고 "Highly Selective Coated Electrode Nanogap Transducers for the Detection of Redox Molecules"이란 명칭의 미국 특허 출원 제14/104,546호에 기술되어 있으며, 이는 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
기판, 센서, 센서 코팅 및 금속, 금속 산화물, 및 SiO2와 전극 재료는 많은 예에서, 다른 반응 및 분자 커플링을 위해 이용 가능한 표면 부착 -OH 그룹을 갖는다. 추가적으로, 선택적 층이 부착을 촉진하기 위해 사용될 수 있는데, 예를 들어, 폴리스티렌, 폴리비닐 알콜, 폴리아크릴아미드와 같은 폴리머 또는 다른 적절한 폴리머가 사용될 수 있다. 부착 촉진층은 비오틴, 아비딘, 스트렙타비딘, 변형 PEG와 같은 결합 에이전트, 또는 다른 적절한 에이전트 또는 부착 촉진 표면에 대한 변형 에이전트를 이용하여 층에 대한 결합을 가능하게 하는 기능을 가질 수도 있다. 또한, 분자 커플링을 위해 -OH 그룹을 제공하는 표면은, 예를 들어, (화학적 또는 플라즈마 에칭 프로세스를 통하거나 또는 산소 분위기로의 노광에 의한 것과 같이) 금속 또는 반도체 상에 얇은 산화물층을 생성하거나 또는 표면 상에 SiO2의 얇은 층 또는 영역을 증착하는 것을 통해 기판 표면 상에 선택적으로 생성된다. 분자 부착을 위해 -OH 함유 또는 SiO2 표면을 제공할 수 있는 반응 영역은 센서의 표면, 센서를 둘러싸는 기판의 표면, 전체적인 또는 부분적인 층, 패드, 센서 표면상의 코팅 또는 센서(센서 영역)를 둘러싸는 기판의 영역상의 코팅을 포함한다. SiO2의 표면 또는 이용 가능한 -OH 그룹을 갖는 금속의 표면에 대해, 분자는 실란 링커(유기 실란 화합물)의 사용을 통해 표면에 선택적으로 부착된다. 통상적으로, 실란 링커는 실리콘을 함유하는 분자이다. 유용한 실란 분자는 분자 Y-R-Si-(X)2의 실란 원자에 본딩되는 적어도 2개의 상이한 반응 그룹을 갖는 분자를 포함한다. 반응 그룹 중 하나인 X로서 표시된 그룹은 SiO2 및 금속과 같은 무기 재료에 본딩할 수 있다. 무기 재료에 본딩할 수 있는 이들 기능 그룹은 메톡시, 에톡시, 클로린, 및 실라놀 하이드록실 그룹과 같은 그룹이다. Y로서 표시된 제 2 기능 그룹은 (폴리머를 형성하는데 사용되는 모노머와 같은) 유기 재료에 화학적 본드를 형성할 수 있는 비닐, 에폭시, 메타크릴, 아미노, 메르캅토, 또는 카르복실산 그룹과 같은 그룹이다. R 그룹은 통상적으로 직쇄(straight chain) 또는 브랜치 알칸(branched alkane)과 같이, 1 내지 10 탄소 원자로 구성되는 유기 그룹이지만 알켄 또는 알킨 그룹을 또한 포함할 수 있고, 알콜 또는 다른 기능 그룹을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하이드록시프로필트리에톡시실란과 같은 실라네이팅 에이전트(a silanating agent)가 실라네이팅될 표면에 용액으로 증착되거나 공급될 수 있다. 반응 후에, 표면은 추가의 분자 커플리을 위해 -OH 그룹을 제공한다. 니켈, 팔라듐, 플래니튬, 티탄 이산화물, 알루미늄 산화물, 인듐 주석 산화물, 구리, 이리듐, 알루미늄, 티탄, 텅스텐, 로듐과 같은 금속 표면 또는 이용 가능한 하이드록시 그룹을 갖는 다른 표면 또는 다른 유사한 표면 그룹이 추가의 분자 분착을 위해 또한 실라네이팅될(silanated) 수 있다.
예를 들어, 아민, 알데하이드, 에폭시, 티올 그룹을 함유하는 분자 중 하나 또는 분자의 조합으로 기능화되는 영역은 (카르복시, 에폭시, 및/또는 알데하이드 기능 그룹을 갖는 표면에 대한) 아민 기능 그룹 또는 (아민 그룹을 갖는 표면에 대한) 카르복실 기능 그룹을 갖는 분자를 부착하는 것이 가능하다. 추가적으로, 티올 그룹을 갖는 분자는 금 또는 다른 귀금속 표면에 대한 분자 부착을 촉진하는데 사용될 수 있다. 각종의 결합 화학반응은 기능 그룹(예를 들어, 아민 카르복실을 위한 EDC)을 결합하는 데 이용 가능하다. 기판 표면상의 분자의 농도는, 예를 들어, 표면 기능 그룹의 밀도를 제한하거나, 또는 부착될 분자의 양을 제한함으로써 몇 가지 방식으로 제어될 수 있다.
하나 이상의 센서 어레이 및 하나 이상의 집광성 안테나 어레이, 하나 이상의 광원, (렌즈릿 어레이, 프레즈넬 렌즈, 또는 다른 렌즈와 같은) 광학장치, 센서와 기록 측정을 구동하는 전자장치, 및 데이터를 기록하고 분석하는 컴퓨터를 포함하는 분자 시퀀싱을 위한 시스템은 또한 선택적으로 반응 영역에 유체를 전달할 수 있는 유체 시스템을 포함한다. 유체 시스템은 센서 어레이의 반응 영역에 유체를 전달하는 시약 및 세정 용액, 펌프 및 혼합 챔버, 웨이스트(waste) 챔버, 및 유체 전달 시스템을 위한 저장소(reservoirs)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 센서 및 기록 측정을 구동하는 전자장치의 일부 또는 전부는 센서가 개별적으로 어드레싱될 수 있도록 하는 방식으로 센서 어레이를 갖는 기판에 수용되고 센서에 동작 가능하게 접속된다. 본 발명의 실시예에서 유용한 광원은, 예를 들어, 명목상으로 단색 LED, 백색광 LED, 다중색 LED, 단일 또는 다중 라인 레이저, 아크 램프일 수 있고, 넓은 스펙트럼 광원이거나 라인 스펙트럼을 가질 수 있는 LED를 포함한다. 넓은 스펙트럼 광원인 광원들은 적절한 범위의 광 파장을 제공하기 위해 필터링될 수 있다. 이러한 여과는 그레이팅, 간섭 필터, 또는 흡수 필터 또는 그 조합의 사용에 의해 발휘될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 센서는 개별적으로 어드레싱 가능한 트랜스듀서의 어레이이다. 각종의 치수 및 센서 개수를 갖는 센서 어레이가 구축될 수 있다. 센서의 개수 및 레이아웃의 선택은, 예를 들어, 검출될 분해물질의 타입 및 개수, 센서 영역의 크기, 센서를 제조하는 데에 수반되는 비용과 같은 인자에 의해 통지된다. 예를 들어, 센서 어레이는 10x10, 100x200, 1,000x5,000, 104x104, 105x105, 및 106x106이다. 다른 어레이 치수가 또한 가능하다. 매우 높은 밀도, 높은 밀도, 중간 밀도, 낮은 밀도, 또는 매우 낮은 밀도일 수 있다. 매우 높은 밀도 어레이에 대한 몇몇 범위는 약 100,000,000 내지 약 100,000,000,000 어레이 당 센서이다. 높은 밀도 어레이는 약 1,000,000 내지 약 100,000,000 센서이다. 중간 밀도 어레이는 약 10,000 내지 약 100,000 센서이다. 낮은 밀도 어레이는 통상적으로 약 10,000보다 적은 센서이다. 매우 낮은 밀도 어레이는 약 1,000보다 적은 센서이다.
개별적으로 어드레싱 가능한 센서의 어레이는 IC 칩(CMOS 칩)상에 수용되고 IC 칩(CMOS 칩)에 전기적으로 접속될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 칩의 표면은 센서 연관 집광성 안테나를 또한 포함한다. IC 칩은 통상적으로 개별적인 IC 칩을 생산하도록 떨어져서 다이싱되는 반도체 웨이퍼와 같은 반도체 기판상에 구축된다. 본 발명의 실시예가 사용되는 기판의 타입에 의존하지 않는다 하더라도, IC 칩이 구축되는 베이스 기판은 통상적으로 실리콘 기판이다. 기판은 또한 게르마늄, 인듐 안티모나이드, 납 텔루라이드, 인듐 아세나이드, 인듐 포스파이드, 갈륨 아세나이드, 갈륨 안티모나이드, 및/또는 다른 그룹 III-V 재료 단독으로 또는 실리콘 또는 실리콘 이산화물 또는 다른 절연 재료와 조합하여 구성될 수 있다. 층과 디바이스를 포함하는 층은 본 발명의 실시예가 수용되거나 제조되는 기판 또는 기판의 부분으로서 또한 기술될 수 있다.
센서 어레이는 다수의 핵산 분자가 동시에 시퀀싱될 수 있게 하는데, 다른 용도도 가능하다. 핵산 샘플의 증폭이 선택적으로 발생할 필요가 없는 핵산을 시퀀싱하는(즉, 샘플 내의 핵산 분자의 복제의 개수를 증가시키는) 방법이 제공된다.
도 4a 및 도 4b는 감광제 레이블 뉴클레오티드의 존재가 전자 센서에 의해 검출되는 핵산 시퀀싱 방법을 도시한다. 도 4a에서, 센서(410)의 영역은 링커(435)를 통해 고정화된 효소(430)를 갖는다. 본 발명의 실시예에서, 효소(430)는 DNA 폴리메라제이다. 센서(410)는 집광성 안테나(도시되지 않음)를 또한 선택적으로 포함하는 보다 큰 센서 어레이(도시되지 않음)의 부분이다. 센서(410), 효소(430), 링커(435), 센서 어레이, 및 집광성 안테나는, 예를 들어, 도 1a 내지 도 1d, 도 2a 내지 도 2e, 및 도 3a 내지 도 3d에 대해 본 발명의 실시예로서 기술된 것일 수 있다. 도 4a에서, 고정화된 폴리메라제(430)는 타겟 프라이머, 일반적 프라이머, 또는 헤어핀 프라이머일 수 있는 혼성화 DNA 프리머(465)를 포함하는 시퀀싱될 DNA 분자(460)와 복합체 형성된다. 감광제(PS) 레이블 뉴클레오티드(PS-(Phos)xN)가 고정화된 폴리메라제(430)와 접촉하는 용액(도시되지 않음)에 부가된다. 시금(assay)은 경쟁적 시금(동기형 또는 비동기형)일 수 있거나(여기서 복수의 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블 뉴클레오티드가 일시에 제공됨), 또는 경쟁적 동기형 시금(여기서 하나의 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블 뉴클레오티드는 통합 가능한 뉴클레오티드일 수 있는 다른 3개의 뉴클레오티드가 제공됨)일 수 있다. 감광제 레이블 뉴클레오티드가 시퀀싱될 핵산 분자(460)의 다음 염기에 상보적(complementary)인 경우, 감광제 레이블 뉴클레오티드가 시퀀싱될 핵산 분자의 다음 염기에 상보적이지 않은 경우보다 긴 시간 구간 동안 폴리메라제 핵산 분자 복합체와 결합한다. 결합된 감광제 레이블은 광원(도시되지 않음)으로부터 집광성 안테나(도시되지 않음)에 의한 플라즈몬 공명에 의해 집중되고 및/또는 라사이클링되는 플라즈몬의 형태일 수 있는 광 에너지를 조명함으로써 여기된다. 내부 및 외부 디퓨젼(diffusion)이 비상보형 뉴클레오티드의 폴리메라제에 의해 결합 시간을 극단적으로 짧게 하므로, 검출 캐비티 내의 복합체 형성되지 않은 감광제 레이블 뉴클레오티드에 대한 상주 시간이 복합체 형성된 감광제 레이블 뉴클레오티드에 대한 상주 시간(밀리초)보다 현저하게 짧다(마이크로초). DNA 폴리메라제를 이용하는 경우나, 또는 폴리메라제에 불충분한 마그네슘 및/또는 망간이 제공되지만 칼슘과 같은 다른 이온이 제공되는 경우, 감광제 레이블 뉴클레오티드가 폴리메라제에 의해 결합되지만 통합되는 것이 불가능하면, 뉴클레오티드는 리보뉴클레오티드와 같은 통합 불가능한 뉴클레오티드이므로 이는 폴리메라제의 금속 촉매 영역에 결합되지만 중합반응을 촉진시키지 않고, 결합 시간이 훨씬 길어져서, 수초 (seconds) 또는 그 이상의 시간이 소요될 수 있다.
감광제 레이블 뉴클레오티드가 폴리메라제에 의해 통합되는 실시예에서, 레이블이 인산염 체인을 통해 뉴클레오티드에 결합되지 않으면 레이블이 유지될 수 있고, 감광제 레이블의 절개 이전의 임의의 시간에서 검출이 발생할 수 있고, 감광제 레이블이 인산염 체인을 통해 뉴클레오티드에 결합되는 실시예에서, 레이블은 뉴클레오티드의 편입 이전에 검출 가능하다.
본 발명의 실시예에서, 레이블링된 뉴클레오티드 결합 이벤트는 도 4b에 도시된 것으로서 검출될 수 있다. 여기된 감광제(이 실시예에서, Ru(bpy)3 2 +*)는 전자를 전자 억셉터(EA)에 제공하고 이 전자 억셉터(EA)는 또한 센서(410) 또는 센서(410)상의 전자 억셉터층에 전자를 전달하고 여기서 전자 전이 이벤트가 센서(410)에 의해 검출된다. 산화된 Ru(bpy)3 3 +는 전자 도너(ED)에 의해 Ru(bpy)3 2 +로 다시 환원되고 여기서 또한 집광성 안테나로부터의 집중된 광 에너지에 의해 Ru(bpy)3 2+*로 여기되고 전자 억셉터(EA)에 전자를 전달하는 것이 가능하다. 몇몇 실시예에서, 고정화 폴리메라제(430)는 밀리초만큼 긴 동안 감광제 레이블 뉴클레오티드를 일시적으로 유지할 수 있다. 고정화 폴리메라제(430)와의 감광제 레이블 뉴클레오티드의 결합 지속기간은 복수의 전자가 결합 이벤트 동안 생성되고 센서(410)에 의해 검출 가능한 전류가 생성될 수 있게 한다. 다른 실시예에서, 전자 도너는 센서 표면과 연관되고 전하 또는 전류의 변화는 전자 도너의 산화 결과로서 검출된다.
감광제는 광원으로부터의 집광성 안테나에 의한 플라즈몬 공명에 의해 집중되고 및/또는 리사이클링되는 플라즈몬의 형태일 수 있는 조명 광 에너지를 흡수하고 여기 상태로 천이하는 것이 가능하다. 여기된 감광제는 가역적으로 혹은 비가역적으로 산화될 수 있다.
1KHz보다 큰 검출 레이트, 예를 들어, 10KHz의 검출 레이트를 갖는 센서(410)를 채용하는 비동기형 시퀀싱 시스템은 초 당 많은 베이스 레이트로 하나의 베이스 편입 이벤트를 해결할 수 있다. 이 레이트에서, 1백만개의 센서의 센서 어레이는 잠재적으로 한 시간에 휴먼 게놈 시퀀스(3xl09 베이스)의 10X와 동등한 데이터를 생성할 수 있다. 1분보다 짧은 화학반응 사이클 시간으로 동기형 화학반응 및 관련 시약 전달을 사용하는 다른 시스템에서, 1억개의 센서의 센서 어레이로, 10X 휴먼 게놈과 동등한 데이터가 5시간에 발생될 수 있다. 전자 도너 또는 전자 억셉터는 전자를 가역적으로 제공할 수 있거나, 또는 도너의 공급을 보충하기 위해 진행하는 방식으로 충분한 개수로 제공될 수 있다.
도 4a를 다시 참조하면, 몇몇 실시예에서, 상보형 감광제 레이블 뉴클레오티드가 폴리메라제 핵산 분자 복합체에 결합한 후에, 감광제는 절개된 인산염 (Phos)x-i으로 새롭게 편입된 염기로부터 절개된다. 시퀀싱 반응은 시퀀싱될 핵산 분자(460)의 다음 염기에 상보적인 뉴클레오티드를 편입하기를 반복할 수 있다. 싱글 스트랜디드(single-stranded) 핵산 템플레이트(시퀀싱될 분자)가 더블 스트랜디드(double-stranded) 핵산으로 복사될 때까지 시퀀싱 반응이 반복할 수 있다. 다른 실시예에서, 템플레이트가 순환형 핵산을 포함하고, 원 주위의 원하는 수의 반복이 완료될 때까지 중합반응이 반복될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 전자 억셉터는, 예를 들어, 메틸 비올로겐, 에틸 비올로겐, 베타인 비올로겐, 벤질 비올로겐, 확장형 비올로겐과 같은 4,4-바이피리딜의 바이피리듐 파생물이며 여기서 아릴, 에틸렌, 또는 티오펜 그룹은 2개의 피리된 그룹들 사이에서 결합될 수 있다. 상이한 전자 억셉터 및 도너가 감광제 및 작업 전극의 요구되는 산화 환원 전위와 정렬하도록 적절하게 상이한 감광제와 함께 사용될 수 있다. 감광제 레이블은 하나 이상의 감광제 일부분을 함유할 수 있다. 예시적인 감광제는 유로퓸 코어 4-(4-(4-(2-에틸헥실-옥시)페닐)나프탈렌) 벤조산과 같은 란탄 계열 원소 염료 등의 염료, 또는 Ru(bpy)3 2 +, Ru(bpy)3 2 +의 파생물, Cr(bpy)3 2+, Fe(bpy)3 2 +, Co(bpy)3 2 +, Rh(bpy)3 2 +와 같은 금속 함유 복합체, 및 바이피리된과 결합되는 다른 금속 또는 등방성 화합물를 포함한다. 트리스(2,2'바이피리된)오스뮴2 +은 페로센, 하이드로퀴닌, 도파민과 같은 카테콜, 노르에피네프린, 세로토닌과 5 하이드록시인돌 아세틴산과 같은 인돌 및 페로센을 산화하는데 사용될 수 있다. 예시적인 전자 도너는 하이드록실 함유 아님, 글리신과 트리에탄올라민과 같은 카르복실 함유 아민을 포함한다. 전자 도너 및 억셉터는 전자 전이 체인을 형성하도록 감광제와 함께 사용된다. 전자 도너 및 억셉터는 산화 환원 사이클링이 가능하거나, 혹은 산화 환원 사이클링이 불가능하고, 시퀀싱 실행 동안 보충될 수 있다. 이 보충은 연속적이거나 또는 주기적일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 유용한 예시적인 감광체 레이블 뉴클레오티드를 도시한다. 도 5에서, B는 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T), 우라실(U), 또는 상술한 임의의 핵 염기의 변형된 버전이며 여기서 변형은 종결자 또는 가상 종결자(핵산 합성이 변형된 핵산의 편입으로 정지하게 하는 부분)를 포함할 수 있거나, 또는 특히 천연 염기보다 적거나 많게 페어링할 수 있는 이노신과 같은 다른 합성 염기를 포함할 수 있고, Y는 H로서 종결자 일부분(핵산 합성이 변형된 핵산의 편입으로 정지하게 하는 일부분)이거나, 또는 감광제 레이블 일부분이며, 여기서 종결자 또는 감광제 레이블 일부분이 화학적으로 또는 광화학적으로 절개 가능하고, L은 링커이고 알칸 탄소 체인이거나, 또는 본 명세서에서 기술된 바와 같은 다른 링커이며, M은 독립적으로 Ru2 +, Cr2 +, Fe2 +, Co2 +, 또는 Rh2 +; R1 및 R2은 독립적이고, H는 메틸 그룹과 같은 알킬 그룹, (Ru(bpy)3 2 +, Ru(bpy)3 2 +의 파생물, Cr(bpy)3 2+, Fe(bpy)3 2 +, Co(bpy)3 2 +, 또는 Rh(bpy)3 2 +와 같은) 금속 이온 함유 복합체이고, x는 1 이상으로서, 인산염 체인에 대한 변형 및 대체를 포함할 수 있다. 바이피리된 복합체는 Δ 또는 Λ 이소머(isomer)일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 리보스의 2' 위치에 화학적으로 절개 가능하거나 광화학적으로 절개 가능한 변형 또는 추가일 수 있는 리보스에 대한 변형이 이루어질 수 있고, 종결자 및 다른 감광제 일부분을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 감광제가 절개 가능하 링커를 통해 핵산의 염기에 부착된다. 절개 가능한 링커는, 예를 들어, 아미도 알릴, 니트로벤질 그룹, 아지도 메틸 그룹, 및 3' O-알릴 그룹이다. 성장 프라이머 스트랜드로 상보형 뉴클레오티드가 편입되고 편입된 뉴클레오티드가 검출된 이후에, 팔라듐 촉매 알릴 절개, 트리스(2-카르복실에틸)포스핀(TCEP) 아지도 절개, 또는 니트로벤질 그룹의 광 절개를 포함할 수 있는 화학적 절개에 의해 편입 염기로부터 감광제가 절개될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 고유하게 식별 가능한 레이블은 뉴클레오티드에 결합된 복수의 감광제로 구성될 수 있고, 하나의 고유하게 식별 가능한 레이블은 다른 상이한 고유하게 식별 가능한 레이블보다 많은 수의 동일한 감광제를 가질 수 있고, 레이블은 상이한 레이블과 연관된 전류 또는 전압의 차이를 결정함으로써 고유하게 구별될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 상이한 타입의 감광제는 하나의 고유하게 식별 가능한 레이블의 부분으로서 결합될 수 있다. 예를 들어, 4개의 고유하게 식별 가능한 레이블 세트는 100% 레이블 A, 66% 레이블 A와 33% 레이블 B, 33% 레이블 A와 66% 레이블 B, 및 100% 레이블 B를 포함할 수 있다.
제 1 실시예에서, 시퀀스 데이터는 시퀀싱될 DNA 샘플을 4개의 서브샘플로 분할하거나 제 2 스트랜드의 변성 및 제거에 의해 시퀀싱을 반복하고. 이어서 상이한 레이블 인코딩으로 상이한 뉴클레오티드 세르를 이용하는 템플레이트 스트랜드를 리시퀀싱함으로써 획득된다. DNA 샘플을 폴리메라제와의 연관 이전에, 연관 후에 또는 연관 동안에 프라이머와 연관될 수 있다. 각각의 서브샘플은 센서 영역 내의 고정화된 폴리메라제 및 선택적 센서 연관 집광성 안테나를 갖는 상이한 센서 어레이(또는 센서 어레이의 상이한 유동적으로 구분된(분리된) 영역)상에 배치된다. 제 1 서브샘플은 공통의 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블로 레이블링되는 3개의 타입의 뉴클레오티드(예를 들어, A, C, G) 및 상이한 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블로 레이블링되는 제 4 타입의 뉴클레오티드(예를 들어, T)를 함유하는 반응 혼합물과 반응된다. 제 2 서브샘플은 공통의 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블로 레이블링되는 3개의 타입의 뉴클레오티드(예를 들어, A, C, T) 및 상이한 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블로 레이블링되는 제 4 타입의 뉴클레오티드(예를 들어, G)를 함유하는 반응 혼합물과 반응된다. 제 3 및 제 4 서브샘플은 2개의 다른 서브샘플(예를 들어, A 및 C 각각)과 상이한 레이블로 레이블링되는 제 4 타입의 뉴클레오티드와 마찬가지로 처리된다. 다른 실시예에서, 제 4 서브샘플은 사용되지 않는다. 공통의 감광제 레이블로 레이블링되는 뉴클레오티드는 염기 카운팅을 위해 사용되고, 별개의 레이블로 레이블링되는 뉴클레오티드는 염기 식별을 위해 사용된다. 획득될 수 있는 데이터의 타입은 도 6a에 개략적으로 도시되어 있으며 여기서는 상이한 레이블를된 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블 데이터가 도시되어 있다. DNA 샘플의 시퀀스는 4개의 서브샘플(도 6a에서 "A", "C", "G" 및 "T"로 레이블링됨)로부터 감광제 레이블 신호의 시퀀스에 따라 어셈블링된다. 상이한 감광제 레이블은, 예를 들어, 광 입력의 양을 위해 생성된 센서에서 전자 신호의 강도(예를 들어, 초 당 전자의 수)를 통해 검출된다. 본 명세서에서 기술된 베이스 인코딩 방식은 프레임(베이스) 당 하나의 에러의 정정이 가능한 전체적으로 결정된 시스템이다.
다른 실시예에서, 프레임(베이스) 내의 에러 정정 또는 에러 검출이 가능하지 않은 인코딩 방식이 사용될 수 있으나, 간단한 이진 인코딩 방식을 이용하여, 각각의 시퀀스에 대해 2개의 데이터 세트만을 필요로 한다. 다른 실시예에서, 에러 검출 방식이 사용될 수 있고, 여기서 데이터 프레임(베이스) 내의 하나의 에러가 검출될 수 있으나, 정정되지는 않는다. 또 다른 실시예에서, 프레임 당 1개를 초과하는 에러의 검출 및/또는 1개를 초과하는 에러의 정정을 가능하게 하는 인코딩 방식이 사용될 수 있다.
Figure 112016050682529-pct00001
다른 실시예에서, 시퀀스 데이터는 센서 영역 내의 고정화 폴리메라제 및 선택적 센서 연관 집광성 안테나를 갖는 센서 어레이상에 시퀀싱될 DNA 샘플을 배치함으로써 획득된다. DNA 샘플은 폴리메라제와의 연관 이전에, 연관 후에 또는 연관 동안에 프라이머와 연관될 수 있다. 센서 어레이상의 DNA 샘플은 각각의 상이한 뉴클레오티드(예를 들어, A, C, T 및 G)가 상이한 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블로 레이블링되는 감광제 레이블 뉴클레오티드를 함유하는 반응 혼합물과 반응된다. 획득될 수 있는 데이터의 타입이 도 6b에 개략적으로 도시되어 있다. 상이한 감광제 레이블은, 예를 들어, 광 입력의 양에 대해 생성된 전자 신호의 강도(예를 들어, 초 당 전자의 수)를 통해 검출되거나 또는 상이한 고유하게 식별 가능한 감광제 레이블과 연관된 상이한 전자 전이 체인과 연관된 상이한 작업 전극을 통해 전류로서 검출되거나, 또는 상이한 작업 전극과 연과되는 전류와 결합되는 작업 전극상에서의 상이한 전류 레벨의 조합에 의해 검출될 수 있다. 레이블링된 뉴클레오티드로부터의 시간 경과에 따른 상이한 신호는 도 6b에서 "A", "C", "G" 및 "T"로서 표시되어 있다.
일반적으로, 시퀀싱될 수 있는 핵산의 타입은 포스포디에스테르 본드에 의해 함께 링크되는 디옥시리보뉴클레오티드(DNA) 또는 리보뉴클레오티드(RNA) 및 그 아날로그(analogs)를 포함한다. 폴리뉴클레오티드는 게놈의 세그먼트, 미토콘드리아 DNA, 유전자 또는 그 일부, cDNA, nRNA와 같은 단백질 합성에 수반되는 RNA, snRNA와 같은 전사후(post transcriptional) 변형에 수반되는 RNA, miRNA와 같은 정규 RNA, 바이러스 RNA와 같은 기생 RNA, 합성 핵산 시퀀스, 또는 하나 이상의 합성과 하나 이상의 천연 핵산 시퀀스의 조합일 수 있고, 이는 알려진 초기 시퀀스를 제공하기 위해 사용될 수 있고 개개의 센서에 대해 신호 레벨을 정규화하기 위해 사용될 수 있는 프라이머의 일부 및/또는 샘플 식별을 위해 사용되는 핵산 바코드를 포함할 수 있다. 올리고뉴클레오티드(예를 들어, 프로브 또는 프라이머)를 포함하는 폴리뉴클레오티드는 뉴클레오티드나 뉴클레오티드 아날로그, 또는 포스포디에스테르 본드 이외의 백본 본드를 함유할 수 있다. 일반적으로, 폴리뉴클레오티드를 포함하는 뉴클레오티드는 2'-디옥시리보스에 링크되는 아데닌, 시토신, 구아닌 또는 티민과 같은 디옥시리보뉴클레오티드, 또는 리보스에 링크되는 아데닌, 시토신, 구아닌 또는 우라실과 같은 리보뉴클레오티드가 자연적으로 발생하고 있다. 그러나, 폴리뉴클레오티드 또는 올리고뉴클레오티드는 비자연적으로 발생한느 합성 뉴클레오티드 또는 변형된 자연적으로 발생하는 뉴클레오티드를 포함하는 뉴클레오티드 아날로그를 또한 함유할 수 있다. 아날로그 및 합성 뉴클레오티드는 핵산에 편입되거나 또는 핵산 뉴클레오티드를 형성하는 경우 상보형 폴리뉴클레오티드 용액으로 혼성화를 허용하도록 천연 뉴클레오티드와 공통으로 구조적 특징을 갖는 분자이다. 아날로그는 뉴클레오티드의 인산염 그룹, 염기, 당분 그룹, 또는 그 조합을 대체하거나 그에 부가될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 모두 4개보다 적은 뉴클레오티드를 포함하는 종결자 또는 복수의 흐름을 갖는 뉴클레오티드를 사용하는 시퀀싱 화학반응과 같은 동기형 화하반응이 사용된다. 다른 실시예에서, 모두 4개의 핵염기가 종결자 없이 제공되어, 연속적인 시퀀싱 화학반응을 허용하는 비동기형 화학반응이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서 하나의 고유하게 식별 가능한 레이블이 각각의 핵염기와 연관될 수 있도록, 4개의 상이한 고유하게 식별 가능한 레이블을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 시스템은 각각의 센서 영역과 연관된 1개를 초과하는 작업 전극을 갖도록 구성될 수 있고, 여기서 각각의 센서 영역과 연관된 작업 전극의 상이한 작업 전극이 상이한 작업 전위로 동작하도록 구성될 수 있고, 각각의 센서 영역과 연관된 상이한 작업 전극이 상이한 전자 전이 체인과 사용될 수 있고, 여기서 상이한 전자 전이 체인은 상이한 감광제를 사용할 수 있고, 상이한 감광제는 활성화를 위한 하나의 입력 광원을 사용하거나, 활성화를 위한 상이한 파장으로 상이한 광원을 사용할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 광원은 전자 전이 체인이 상이한 고유하게 식별 가능한 레이블과 고유하게 연관되고, 그에 따라 4개의 작업 전극과 연관될 수 있는 시스템에 대해 동시에 조명될 수 있다. 이것은 모든 고유하게 식별 가능한 레이블에 대해 동시에 모니터링하는 것이 바람직할 수 있는 비동기형 화학반응에 대해 특히 바람직할 수 있다. 다른 실시예에서, 몇몇 작업 전극이 1개를 초과하는 고유하게 식별 가능한 레이블에 대해 사용될 수 있으므로, 광원은 감광제의 광 활성화를 위해 요구되는 광의 파장의 결정에 의해 고유하게 식별 가능한 레이블의 식별을 허용하고, 보다 적은 작업 전극의 사용을 허용하는 것을 교대로 행할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 2개의 광원이 감광제를 동시에 조명하지 않도록, 광원은 순차적인 방식으로 인가될 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 순차적인 패턴이 사용될 수 있고, 1개를 초과하는 광원이 일시에 조명될 수 있고, 이것은 특히 광의 2개 이상이 동시에 인가되는 파장과 연관된 광의 파장이 상이한 작업 전극에 의해 식별될 수 있는 전자 체인과 상호작용할 수 있는 시스템에 대해, 각각의 센서 영역과 연관되는 하나의 작업 전극만큼 적은 수를 허용할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 특히 본 명세서에서 기술된 바와 같은 동기형 방식으로 사용되는 시스템에 대해, 4개보다 적은 수의 고유하게 식별 가능한 레이블이 사용될 수 있으며, 여기서 레이블 코딩 시스템은 어느 염기가 편입되는지를 판정하는데 사용될 수 있고, 동일한 센서 영역 내의 동일한 스트랜드의 동일한 부분의 복수의 시퀀스 반응이 수행될 수 있다. 핵산의 템플레이트 스트랜드는 센서 영역, 또는 센서 영역 내의 구조와 상호작용할 수 있는 안테나의 단부에 대해, 폴리메라제에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 특정의 또는 일반적인 프라이머는 더블 스트랜디드 DNA를 생성하기 위해 제공될 수 있고 폴리메라제는 시퀀싱 반응을 수행하도록 감광제 레이블 뉴클레오티드와 함께 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 헤어핀 프라이머는 템플레이트 스트랜드의 부분으로서 사용될 수 있다. 시퀀싱 반응은 원하는 길이에 대해 수행될 수 있고, 이는 템플레이트 스트랜드의 전체 길이일 수 있거나, 또는 템플레이트 스트랜드의 일부일 수 있으며, 그 후 템플레이트 스트랜드에 상보적인 스트랜드가 변성되고 제거될 수 있다. 변성은 열 변성이 될 수 있거나, 혹은 화학적 변성이 될 수 있다. 헤어핀 프라이머를 사용하는 실시예에 대해, 시퀀싱되는 게놈에서 통상적으로 발견되지 않는 제한 사이트일 수 있는 제한 사이트가 변성 이전에 적절한 제한 효소로 절개될 수 있다.
리보뉴클레오티드 또는 변형된 뉴클레오티드를, 예를 들어, 상업적으로 입수 가능한(New England Biolabs, Inc., Beverly, MA로부터 입수 가능한) 서미네이터(Therminator) DNA 폴리메라제 또는 통상적으로 엔지니어링된 DNA 폴리메라제와 같은 핵산으로 편입할 수 있는 각종의 폴리메라제가 이용 가능하다. (예를 들어, DeLucia, A.M., Grindley, N.D.F., Joyce, CM., Nucleic Acids Research. 31:14, 4129-4137(2003); 및 Gao, G., Orlova, M., Georgiadis, M.M., Hendrickson, W.A., Goff, S.P., Proceedings of the National Academy of Sciences. 94, 407-411 (1997) 참조)
유전체 재료는 특히, 예를 들어, S1O2, SiN, 및 SiON를 또한 포함한다.
당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시 내용 전반에 걸쳐 도시되고 기술된 각종의 구성요소에 대한 대체예로서 변경예 및 변형예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 지칭은 실시예와 결합하여 기술된 특정의 특징, 구조, 재료, 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예에 포함되는 것을 의미하지만, 이들이 반드시 모든 실시예에 존재한다는 것을 나타내지는 않는다. 다른 실시예에서는 각종의 추가적인 층 및/또는 구조가 포함될 수 있고 및/또는 기술된 특징이 생략될 수 있다.

Claims (27)

  1. 집적 회로 칩을 포함하는, 표면을 갖는 기판;
    상기 기판에 커플링된 효소;
    뉴클레오티드 및 상기 효소에 커플링된 감광제(photosensitizer);
    상기 효소에 커플링된 DNA 분자; 및
    상기 기판 표면상에 센서 어레이(an array of sensors)를 포함하는 디바이스로서,
    상기 센서 어레이는,
    상기 효소에 커플링되고, 집적 회로 칩을 통해 개별적으로 어드레스 가능한, 제 1 센서; 및
    제 1 센서에 인접하고, 상기 기판 표면을 조명하는 광을 제 1 센서로 국소화(localizing)하도록 지향된, 상기 기판 표면 상의 적어도 4 개의 안테나
    를 포함하고,
    상기 감광제는, (a) 상기 효소에 모두 커플링된 감광제 및 DNA 분자, 및 (b) 상기 적어도 4 개의 안테나로부터 국소화된 광에 노출된 감광제에 반응하여, 감광제와 하나 이상의 전자 리셉터(receptor) 및 전자 도너(donor) 사이에서 전자가 상호작용하도록 구성되며;
    상기 센서는, 감광제와 상호작용하는 전자를 감지하도록 구성되어 DNA 분자에 커플링된 뉴클레오티드를 표시하는, 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 센서의 제 1 부분을 커버하되, 제 1 센서의 제 2 부분은 커버하지 않는 층을 포함하고, 상기 층이 유전체를 포함하는,
    디바이스
  3. 제 1 항에 있어서,
    (a) 적어도 4 개의 안테나의 제 1 안테나는 적어도 4 개의 안테나의 제 2 안테나보다 크고; (b) 상기 제 1 안테나는 제 1 파장의 광을 집중시키도록 구성되고, 제 2 안테나는 제 1 파장에 불균등한 제 2 파장의 광을 집중시키도록 구성되는,
    디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    적어도 4 개의 안테나의 제 1 안테나가, 센서 어레이에 포함되는 제 1 센서 및 제 2 센서 모두에 광을 집중시키는,
    디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서가 전자 억셉터를 포함하는 표면을 포함하고, 상기 전자 억셉터는 바이피리듐 파생물을 포함하는,
    디바이스.
  6. 제 2 항에 있어서,
    (a) 적어도 4 개의 안테나의 제 1 안테나는 적어도 4 개의 안테나의 제 2 안테나보다 크고; (b) 상기 제 1 안테나는 제 1 파장의 광을 집중시키도록 구성되고, 제 2 안테나는 제 1 파장에 불균등한 제 2 파장의 광을 집중시키도록 구성되는,
    디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 1 안테나가, 센서 어레이에 포함되는 제 1 센서 및 제 2 센서 모두에 광을 집중시키는,
    디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 센서가 전자 억셉터를 포함하는 표면을 포함하고, 상기 전자 억셉터는 바이피리듐 파생물을 포함하는,
    디바이스.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 센서가 전자 억셉터를 포함하는 표면을 포함하는,
    디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서가 전자 억셉터를 포함하는 표면을 포함하는,
    디바이스.
  11. 핵산을 시퀀싱하는(sequencing) 방법으로서,
    집적 회로 칩을 포함하는 기판의 표면 상에서,
    적어도 2개의 고유하게 식별 가능한 레이블(labels)로 레이블링된 복수의 상이한 뉴클레오티드(a plurality of different nucleotides)를 포함하는 용액을, 고정화된 폴리메라제(polymerase)로 하여금 시퀀싱될 DNA 분자의 염기(base)에 상보적인 레이블링된 뉴클레오티드를 결합할 수 있게 하는 조건 하에서, 상기 기판 표면에 제공하는 단계와,
    폴리메라제에 결합된 뉴클레오티드의 고유하게 식별 가능한 레이블을 여기 상태로 천이시키는 광에 상기 기판의 상기 표면을 노출시키는 단계와,
    센서에 의한 전자 전이 이벤트의 검출을 통해 폴리메라제에 결합된 뉴클레오티드의 여기 상태로 천이한 고유하게 식별 가능한 레이블의 존재를 검출하는 단계와,
    폴리메라제에 결합된 뉴클레오티드의 여기 상태로 천이한 상기 고유하게 식별 가능한 레이블의 존재의 검출을 통해 시퀀싱될 DNA 분자의 염기에 상보적인 뉴클레오티드의 아이덴티티(identity)를 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 기판 표면은 센서 어레이 및 집광성 안테나 어레이를 포함하고, 상기 센서 어레이의 적어도 서브세트에 대한 센서 영역에서 폴리메라제가 고정화되고, 시퀀싱될 DNA 분자 및 프라이머(primer) DNA 분자가 상기 고정화된 폴리메라제로 복합체 형성되어(complexed) 있으며,
    상기 고유하게 식별 가능한 레이블은 감광제를 포함하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    적어도 2개의 상이한 고유하게 식별 가능한 레이블로 레이블링된 복수의 상이한 뉴클레오티드를 포함하는 용액에 전자 억셉터가 제공되는
    핵산 시퀀싱 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서는 전극이고, 상기 센서에서의 전자 전이 이벤트의 검출은 상기 센서에서의 전류의 변화를 검출하는 것을 포함하는
    핵산 시퀀싱 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서는 전계 효과 트랜지스터 또는 확장형 게이트 전계 효과 트랜지스터이고, 상기 센서에서의 전자 전이 이벤트의 검출은 상기 전계 효과 트랜지스터의 표면 상에서 전자 억셉터 또는 전자 도너의 전하의 변화를 검출하는 것을 포함하는
    핵산 시퀀싱 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서는 이온 감지성 전계 효과 트랜지스터 또는 화학적 전계 효과 트랜지스터인
    핵산 시퀀싱 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 상이한 뉴클레오티드는 4개의 상이한 뉴클레오티드이고, 각각의 뉴클레오티드는 서로 다른 고유하게 식별 가능한 레이블로 레이블링되며, 상기 고유하게 식별 가능한 레이블은 감광제를 포함하는
    핵산 시퀀싱 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서 영역은 가장 넓은 치수가 10 내지 100nm 폭인
    핵산 시퀀싱 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 집광성 안테나는 알루미늄을 포함하는
    핵산 시퀀싱 방법.
  19. 핵산을 시퀀싱하는 방법으로서,
    집적 회로 칩을 포함하는 기판의 표면 상에서,
    적어도 2개의 고유하게 식별 가능한 레이블로 레이블링된 복수의 상이한 뉴클레오티드를 포함하는 용액을, 고정화된 폴리메라제로 하여금 상기 시퀀싱될 DNA 분자의 염기에 상보적인 레이블링된 뉴클레오티드를 결합할 수 있게 하는 조건 하에서, 상기 기판 표면에 제공하는 단계와,
    폴리메라제에 결합된 뉴클레오티드의 고유하게 식별 가능한 레이블을 여기 상태로 천이하도록 하는 광에 상기 기판의 상기 표면을 노출시키는 단계와,
    상기 센서에 의한 전자 전이 이벤트의 검출을 통해 폴리메라제에 결합된 뉴클레오티드의 여기 상태로 천이한 고유하게 식별 가능한 레이블의 존재를 검출하는 단계와,
    폴리메라제에 결합된 뉴클레오티드의 여기 상태로 천이한 상기 고유하게 식별 가능한 레이블의 존재의 검출을 통해 시퀀싱될 DNA 분자의 염기에 상보적인 뉴클레오티드의 아이덴티티를 결정하는 단계
    를 포함하는 핵산 시퀀싱 방법으로서,
    상기 기판 표면은 센서 어레이를 포함하고, 상기 센서 어레이의 적어도 서브세트에 대한 센서 영역에서 폴리메라제가 고정화되고, 시퀀싱될 DNA 분자 및 프라이머 DNA 분자가 상기 고정화된 폴리메라제로 복합체 형성되어 있으며,
    상기 고유하게 식별 가능한 레이블은 감광제를 포함하는, 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    적어도 2개의 고유하게 식별 가능한 레이블로 레이블링된 복수의 상이한 뉴클레오티드를 포함하는 용액에 전자 억셉터가 제공되는
    핵산 시퀀싱 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 센서는 전극이고, 상기 센서에서의 전자 전이 이벤트의 검출은 상기 센서에서의 전류의 변화를 검출하는 것을 포함하는
    핵산 시퀀싱 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 센서는 전계 효과 트랜지스터 또는 확장형 게이트 전계 효과 트랜지스터이고, 상기 센서에서의 전자 전이 이벤트의 검출은 상기 전계 효과 트랜지스터의 표면 상에서 전자 억셉터 또는 전자 도너의 전하의 변화를 검출하는 것을 포함하는
    핵산 시퀀싱 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 센서는 이온 감지성 전계 효과 트랜지스터 또는 화학적 전계 효과 트랜지스터인
    핵산 시퀀싱 방법.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 상이한 뉴클레오티드는 4개의 상이한 뉴클레오티드이고, 각각의 뉴클레오티드는 고유하게 식별 가능한 레이블로 레이블링되며, 상기 고유하게 식별 가능한 레이블은 감광제를 포함하는
    핵산 시퀀싱 방법.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 센서 영역은 가장 넓은 치수가 10 내지 100nm 폭인
    핵산 시퀀싱 방법.
  26. 제 4 항에 있어서,
    제 1 센서 표면의 제 1 부분을 커버하되, 상기 표면의 제 2 부분은 커버하지 않는 층을 포함하고;
    상기 층이 유전체를 포함하고;
    상기 센서가 표면 및 기판 사이에 존재하고;
    상기 기판이 기판의 폭을 정의하는 장축을 포함하고;
    상기 표면이 상기 장축에 평행한,
    디바이스.
  27. 제 4 항에 있어서,
    제 1 센서 상부 표면의 제 1 부분을 커버하되, 상기 상부 표면의 제 2 부분은 커버하지 않는 층을 포함하고;
    상기 상부 표면이 제 1 센서의 측부 표면에 연결되고;
    상기 측부 표면이 제 1 센서의 상부 표면 및 하부 표면의 사이에 존재하고;
    상기 하부 표면이 상기 기판의 상부 표면 및 하부 표면 사이에 존재하는,
    디바이스.
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