TWI738018B - 用於核酸定序之感測器晶片及方法、定序系統、及電腦產品 - Google Patents

用於核酸定序之感測器晶片及方法、定序系統、及電腦產品 Download PDF

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TWI738018B
TWI738018B TW108122719A TW108122719A TWI738018B TW I738018 B TWI738018 B TW I738018B TW 108122719 A TW108122719 A TW 108122719A TW 108122719 A TW108122719 A TW 108122719A TW I738018 B TWI738018 B TW I738018B
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Ｊ 威廉 二世 馬尼
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瑞士商赫孚孟拉羅股份公司
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    • C12Q2565/60—Detection means characterised by use of a special device
    • C12Q2565/631—Detection means characterised by use of a special device being a biochannel or pore

Abstract

本發明揭示用於增加一奈米孔感測器晶片上之胞之密度及數目之技術。該奈米孔感測器晶片之兩個或兩個以上胞透過一或多個數位繼電器共用一些類比組件(例如，一積分電容器及/或一讀出電晶體)。在該感測器晶片之一取樣週期期間在各種控制信號之控制下，該兩個或兩個以上胞一次一個地連接至該等共用類比組件且使用該等共用類比組件一次一個地被量測。以此方式，減小該感測器晶片上之該等胞之平均大小以增大該胞密度而不影響該等胞之類比量測效能。

Description

用於核酸定序之感測器晶片及方法、定序系統、及電腦產品
本申請案係關於在生化感測器陣列中之多工類比組件。
具有內部直徑為大約一奈米之孔徑之奈米孔薄膜裝置已展示在快速核苷酸定序方面之前景。當跨沈浸在一導電流體中之一奈米孔施加一電壓信號時，電場可使導電流體中之離子移動通過奈米孔。導電流體中之離子通過奈米孔之移動可引起一小離子電流。所施加之電壓亦可將待定序之分子移動至、通過或離開奈米孔。離子電流(或一對應電壓)之位準取決於奈米孔及已移動至奈米孔中之特定分子之大小及化學結構。
作為移動通過奈米孔之一DNA分子(或待定序之其他核酸分子)之一替代例，一分子(例如，待添加至一DNA股之一核苷酸)可包含一特定大小及/或結構之一特定標籤。可量測(例如，在一積分電容器處)包含奈米孔之一電路中之離子電流或一電壓作為量測對應於分子之奈米孔之電阻之一方式，藉此容許奈米孔中之特定分子及一核酸之一特定位置處之特定核苷酸之偵測。
為了改良處理能力，一基於奈米孔之定序感測器晶片可併入經組態為用於並行DNA定序之一陣列之大量感測器胞。例如，一基於 奈米孔之定序感測器晶片可包含配置成用於並行定序100,000或更多個DNA分子之一二維陣列之100,000或更多個胞。可非常難以將如此多的胞配裝至一感測器晶片中而不損及量測。
本文中描述之技術係關於包含大量生化感測器胞之感測器晶片。一種用於將大量感測器胞配裝於一晶片上，同時將晶片之大小保持在控制下之方式係減小各感測器胞之面積。各感測器胞可包含多個數位及類比組件。大多數數位組件可藉由使用更先進處理技術縮小而不影響感測器胞之效能。另一方面，減小類比組件之大小可顯著影響感測器胞之效能。本文中揭示之某些實施例可藉由在兩個或兩個以上胞之間共用一些類比組件(諸如一積分電容器及/或讀出電晶體)而減小感測器胞之平均大小。
在一個取樣週期中，共用相同類比組件之胞之各者可經預充電至一已知電壓位準、藉由通過奈米孔之一電流充電或放電，且藉由一讀出電路及一ADC在感測器晶片之取樣週期之一部分期間取樣。例如，若取樣週期係約1ms且積分時間係約250μs，則四個胞可共用相同類比組件且可使用相同類比組件一次一個地量測。可將一數位開關添加至各胞用於將胞連接至類比組件(諸如積分電容器及讀出電晶體)。
由於類比組件係在多個胞之間共用，故其等可保持大以減少雜訊(或偏移)且達成所要效能。同時，感測器晶片上之類比組件之總數可減小至胞之數目之(例如)一半、四分之一或八分之一。因此，可減小胞之平均大小以增加感測器晶片上之胞之胞密度或數目而不顯著影響胞之效能。
在各項實施例中，可獨立地控制各胞以藉由將積分電容器 連接至所要電壓位準而將積分電容器預充電至一所要電壓位準。胞之一寄生雙層電容器可用作積分電容器且可足夠大以用於雜訊效能，且因此可不需要額外積分電容器，此係因為添加額外積分電容器可減少積分電容器上之電壓改變或增加積分時間。可期望檢查雙層電容器是否恰當地起作用，但可難以在不使用一額外電容器之情況下執行檢查。因此，在一些實施方案中，可將一開關添加至電路以在信號積分期間將額外電容器與胞斷開連接且出於評估或驗證目的將額外電容器連接至胞。
下文詳細描述本發明之此等及其他實施例。例如，其他實施例可係關於與本文中描述之生化感測器晶片相關聯之系統、裝置、方法及電腦可讀媒體。
可參考以下詳細描述及隨附圖式獲取本發明之實施例之性質及優點之一更佳理解。
10:電腦系統
71:輸入/輸出(I/O)控制器
72:系統記憶體
73:中央處理器
74:印表機
75:系統匯流排
76:監視器
77:輸入/輸出(I/O)埠
78:鍵盤
79:儲存裝置
81:外部介面
82:顯示配接器
85:資料收集裝置
100:奈米孔胞
102:薄膜
104:奈米孔
106:絕緣體
108:電解液
110:金屬工作電極
112:類比量測電路
114:本體電解液
116:反電極(CE)
117:參考電極
200:奈米孔胞
201:介電層
202:工作電極
204:介電層
205:井
206:一體積之電解液
208:本體電解液
210:反電極
212:參考電極
214:脂雙層
215:樣品腔室
216:奈米孔
218:脂單層
220:疏水層
222:電路
224:處理器
226:記憶體
228:信號源
230:基板
300:奈米孔胞
308:本體電解液
314:脂雙層
316:奈米孔
332:模板
334:聚合酶
338:核苷酸
340:離子阻塞信號
400:電路
401:開關
402:工作電極
403:重設信號
405:電壓源
406:通路裝置
408:晶片上積分電容器
410:類比轉數位轉換器(ADC)
420:電壓源
422:電模型
424:電容器
426:電容器
428:電阻器
430:數位處理器
440:反電極
510:電壓信號
520:亮週期
522:第一資料點
524:後續資料點
530:暗週期
532:第一點增量
534:後續資料點
540:亮週期
542:第一資料點
544:後續資料點
600:奈米孔胞陣列
606:庫
608:奈米孔胞
612:類比轉數位轉換器(ADC)
614:列選擇線/字線
616:行線
618:列驅動器及預充電電路
620:行放大器
700:簡化電路
702:電壓源
704:預充電A信號
705:奈米孔胞
706:開關
708:記憶體位元
710:通路裝置
712:胞A
714:晶片上積分電容器
715:奈米孔胞
716:讀出電晶體
718:列選擇(RS)A信號
720:行電源
722:開關
752:電壓源
754:預充電B信號
756:開關
758:記憶體位元
760:通路裝置
762:胞B
764:積分電容器
766:讀出電晶體
768:列選擇(RS)B信號
770:行電源
772:開關
780:行匯流排
782:行放大器及類比轉數位轉換器(ADC)電路
800:時序圖
810:預充電A信號
812:脈衝
816:時間段
820:列選擇(RS)A信號
822:脈衝
830:預充電B信號
832:脈衝
840:列選擇(RS)B信號
842:脈衝
850:預充電N信號
852:脈衝
860:列選擇(RS)N信號
862:脈衝
900:簡化電路
902:胞選擇(CS)A信號
904:Vpre信號
905:類比量測電路
906:預充電A信號
908:記憶體位元
910:胞A
912:預充電開關
914:通路裝置
915:奈米孔胞
916:胞選擇開關
918:Vpre開關
922:胞選擇(CS)B信號
924:Vpre信號
925:奈米孔胞
926:預充電B信號
928:記憶體位元
930:胞B
932:預充電開關
934:通路裝置
936:胞選擇開關
938:Vpre開關
940:積分電容器
950:讀出電晶體
952:列選擇(RS)信號
954:開關
956:行電源
960:行放大器及類比轉數位轉換器(ADC)電路
980:行匯流排
1000:時序圖
1002:時間段
1010:預充電A信號
1012:脈衝
1014:積分週期
1016:脈衝
1018:時間段
1020:預充電B信號
1022:脈衝
1024:積分週期
1026:脈衝
1028:時間段
1030:預充電N信號
1032:脈衝
1034:積分週期
1036:脈衝
1038:時間段
1040:列選擇(RS)信號
1050:胞選擇(CS)A信號
1052:脈衝
1060:胞選擇(CS)B信號
1062:脈衝
1070:胞選擇(CS)N信號
1072:脈衝
1100:簡化電路
1102:胞選擇(CS)A信號
1104:Vpre
1105:類比量測電路
1106:預充電A信號
1108:記憶體位元
1110:胞A
1112:預充電開關
1114:通路裝置
1116:胞選擇開關
1122:胞選擇(CS)B信號
1124:Vpre
1126:預充電B信號
1128:記憶體位元
1130:胞B
1132:預充電開關
1134:通路裝置
1136:胞選擇開關
1140:校準電容器
1142:開關
1150:讀出電晶體
1152:列選擇(RS)信號
1154:開關
1156:行電源
1160:行放大器及類比轉數位轉換器(ADC)電路
1180:行匯流排
1200:時序圖
1202:時間段
1210:預充電A信號
1212:脈衝
1220:預充電B信號
1222:脈衝
1230:預充電N信號
1232:脈衝
1240:列選擇(RS)信號
1242:脈衝
1250:胞選擇(CS)A信號
1252:脈衝
1260:胞選擇(CS)B信號
1262:脈衝
1270:胞選擇(CS)N選擇信號
1272:脈衝
1300:流程圖
1310:方塊
1320:方塊
1330:方塊
1340:方塊
1350:方塊
1360:方塊
1370:方塊
1380:方塊
圖1係繪示一基於奈米孔之定序晶片上之一奈米孔胞之一實施例之一簡化結構。
圖2繪示可用於特性化一多核苷酸或一多肽之一奈米孔感測器晶片中之一奈米孔胞之一實施例。
圖3繪示使用一基於奈米孔之合成定序(Nano-SBS)技術執行核苷酸定序之一奈米孔胞之一實施例。
圖4繪示表示一奈米孔胞之一電模型之一電路之一實施例。
圖5展示在AC循環之亮週期及暗週期期間自一奈米孔胞擷取之例示性資料點。
圖6繪示包含奈米孔胞之一二維陣列之一奈米孔胞陣列之一實例。
圖7繪示在包含奈米孔胞之一二維陣列之一奈米孔感測器晶片之一行上之奈米孔胞之一簡化電路。
圖8係繪示在包含奈米孔胞之一二維陣列之一奈米孔感測器晶片之一行上之奈米孔胞之控制信號之實例之一時序圖。
圖9繪示根據某些實施例之一奈米孔感測器晶片之奈米孔胞之一簡化電路。
圖10係繪示根據某些實施例之一奈米孔感測器晶片之奈米孔胞之控制信號之實例之一時序圖。
圖11係根據某些實施例之一奈米孔感測器晶片之奈米孔胞之一簡化電路。
圖12係繪示根據某些實施例之一奈米孔感測器晶片之奈米孔胞之控制信號之實例之一時序圖。
圖13係繪示根據某些實施例之使用包含共用一些電路組件之一組胞之一感測器進行核酸定序之一例示性方法之一流程圖。
圖14係可與根據本發明之某些態樣之系統及方法一起使用之一例示性電腦系統之一方塊圖。
定義
「核酸」可係指去氧核糖核苷酸或核糖核苷酸及呈單股或雙股形式之其等之聚合物。該術語可涵蓋含有已知核苷酸類比物或經改質骨架殘基或鍵之核酸，其等係合成、自然存在及非自然存在的，其等具有 類似於參考核酸之結合性質且以類似於參考核苷酸之一方式代謝。此等類比物之實例可包含(但不限於)硫代磷酸酯、亞磷醯胺、甲基磷酸酯、掌性甲基磷酸酯、2-O-甲基核糖核苷酸、肽核酸(PNA)。術語核酸可與基因、cDNA、mRNA、寡核苷酸及多核苷酸互換使用。
術語「模板」可係指被複製至DNA核苷酸之一互補股中用於DNA分析之一單股核酸分子。在一些情況中，一模板可係指在mRNA之合成期間被複製之DNA序列。
術語「引子」可係指提供DNA分析之一起始點之一短核酸序列。催化DNA分析之酶(諸如DNA聚合酶)可將新核苷酸添加至一引子用於DNA複製。
術語「奈米孔」係指在一薄膜中形成或以其他方式提供之一孔、通道或通路。一薄膜可係一有機薄膜(諸如一脂雙層)或一合成薄膜(諸如由一聚合材料形成之一薄膜)。奈米孔可鄰近或接近一感測電路(諸如(例如)一互補金屬氧化物半導體(CMOS)或場效電晶體(FET)電路)或耦合至一感測電路之一電極安置。在一些實例中，一奈米孔具有大約0.1奈米(nm)至約1000nm之一特性寬度或直徑。一些奈米孔係蛋白質。
如本文中使用，術語「行」可大體上係指一奈米孔胞陣列中共用一取樣及轉換電路之奈米孔胞。一行中之奈米孔胞可經連接至一相同行匯流排，該相同行匯流排連接至取樣及轉換電路。一行中之奈米孔胞可實體製造為或可不實體製造為一奈米孔感測器晶片上之一行。
如本文中使用，術語「亮週期」可大體上係指一經標記核苷酸之一標籤由透過一AC信號施加之一電場壓迫至一奈米孔中之時間段。術語「暗週期」可大體上係指一經標記核苷酸之一標籤由透過AC信 號施加之電場推出奈米孔之時間段。一AC循環可包含亮週期及暗週期。在不同實施例中，施加至一奈米孔胞以將奈米孔胞置於亮週期(或暗週期)中之電壓信號之極性可係不同的。
本文中揭示之技術係關於基於奈米孔之核酸定序且更具體言之，係關於增加胞密度或增加包含大量並行定序奈米孔胞之一基於奈米孔之定序感測器晶片上之奈米孔胞之數目。為了增加感測器晶片之處理能力，可期望增加感測器晶片中之胞之數目。可配裝於一感測器晶片上之胞之數目可由各胞(其可包含一些數位電路組件(例如，SRAM或開關)及類比電路組件(例如，電容器、緩衝器、放大器等))之最小大小限制。胞之最小大小可由類比電路組件之大小限制。因此，為了增加感測器晶片上之胞之密度，需要減小由類比電路組件使用之總面積。
本文中揭示之某些技術藉由在兩個或兩個以上胞之間共用一些類比組件(諸如一積分電容器及/或一讀出電晶體)而減小一感測器晶片上之胞之平均大小。針對一基於奈米孔之感測器晶片，最小取樣週期可取決於ADC頻寬及數位IO頻寬，而各胞之積分週期可取決於胞中之積分電容器之大小。一般言之，一單一胞之積分週期可小於最小取樣週期之一半。因此，各胞可僅需要在取樣週期之一部分期間使用積分電容器，且因此可與一或多個其他胞一起共用積分電容器。例如，若取樣週期係約1ms而積分時間係約250μs，則四個胞可共用相同類比組件。可將一小數位開關添加至各胞以將胞選擇性地連接至共用類比組件(諸如積分電容器及讀出電晶體)。因而，在一個取樣週期中，共用相同類比組件之胞之各者可經預充電、充電或放電，且接著藉由一讀出電路及一ADC在感測器晶片之取樣週期之一部分期間取樣。
以此方式，類比組件(例如，積分電容器)之實體大小可視需要被保持儘可能大，且因此可不影響胞之效能。由於在多個胞當中共用類比組件，故感測器晶片上之類比組件(例如，積分電容器)之總數可減小至(例如)胞之數目之一半、四分之一或八分之一。同時，可藉由使用具有一更小臨界尺寸之一更先進製造程序而縮小胞之數位電路組件而不影響胞之效能。因此，可減小胞之平均大小。因而，可增加感測器晶片上之胞之胞密度或數目而不影響胞之效能。
I.基於奈米孔之定序晶片
一奈米孔感測器晶片可包含用於生化分析(諸如核酸定序)之奈米孔胞之一陣列。各奈米孔胞可包含在一薄膜中形成或以其他方式提供之一奈米孔。在一些實例中，奈米孔具有大約0.1奈米(nm)至約1000nm之一特性寬度或直徑。薄膜可係一有機薄膜(諸如一脂雙層)或一合成薄膜(諸如由一聚合材料形成之一薄膜)。各胞亦可包含整合於一半導體基板上之一控制及感測電路。一奈米孔感測器晶片上之奈米孔胞可以許多不同方式實施。
A.奈米孔定序胞結構
圖1係繪示根據某些實施例之一基於奈米孔之定序晶片上之一奈米孔胞100之一實施例之一簡化結構。奈米孔胞100可包含由介電材料(諸如氧化物)形成之一井(例如，絕緣體106)。一薄膜102可形成於井之表面上方以覆蓋井。在一些實施例中，薄膜102可係一脂雙層。將可含有(例如)可溶性蛋白質奈米孔跨膜分子複合物(PNTMC)及所關注分析物之一本體電解液114放置於胞之表面上。可藉由電穿孔將一單一PNTMC插入薄膜102中以形成一奈米孔104。可以其他方式在薄膜102中形成奈米孔 104。一陣列中之個別薄膜彼此即不化學連接亦不電連接。奈米孔104對分析物進行操作且調變通過否則不可滲透雙層之離子電流。因此，陣列中之各胞係一獨立定序機器，從而產生與奈米孔104相關聯之單聚合物分子獨有之資料。
類比量測電路112連接至由一電解液108覆蓋之一金屬工作電極110。電解液108由離子可滲透薄膜102與本體電解液114隔離。奈米孔104穿過薄膜102且提供供離子電流自本體液體流動至工作電極110之唯一路徑。奈米孔胞100亦包含可係一電化學電位感測器之一反電極(CE)116。奈米孔胞100亦可包含一參考電極117。
圖2繪示可用於特性化一多核苷酸或一多肽之一奈米孔感測器晶片中之一例示性奈米孔胞200(諸如圖1之奈米孔胞100)之一實施例。奈米孔胞200可包含：一井205，其由介電層201及204形成；一薄膜，諸如形成於井205上方之一脂雙層214；及一樣品腔室215，其在脂雙層214上且藉由脂雙層214與井205分離。井205可含有一體積之電解液206，且樣品腔室215可固持含有一奈米孔(例如，一可溶性蛋白質奈米孔跨膜分子複合物(PNTMC)及所關注分析物(例如，待定序之一核酸分子))之本體電解液208。
奈米孔胞200可包含在井205之底部處之一工作電極202及安置於樣品腔室215中之一反電極210。一信號源228可在工作電極202與反電極210之間施加一電壓信號。可藉由由電壓信號引起之一電穿孔程序將一單一奈米孔(例如，一PNTMC)插入脂雙層214中，藉此在脂雙層214中形成一奈米孔216。陣列中之個別薄膜(例如，脂雙層214或其他薄膜結構)彼此即不化學連接亦不電連接。因此，陣列中之各奈米孔胞可係一獨 立定序機器，從而產生與對所關注分析物進行操作且調變穿過否則不可滲透脂雙層之離子電流之奈米孔相關聯之單聚合物分子獨有之資料。
如圖2中展示，奈米孔胞200可形成於一基板230(諸如一矽基板)上。介電層201可形成於基板230上。用於形成介電層201之介電材料可包含(例如)玻璃、氧化物、氮化物及類似者。用於控制電刺激且用於處理自奈米孔胞200偵測之信號之一電路222可形成於基板230上及/或介電層201內。例如，複數個圖案化金屬層(例如，金屬1至金屬6)可形成於介電層201中，且複數個主動裝置(例如，電晶體)可製造於基板230上。在一些實施例中，信號源228被包含作為電路222之一部分。電路222可包含(例如)放大器、積分器、類比轉數位轉換器、雜訊濾波器、回饋控制邏輯及/或各種其他組件。電路222可進一步耦合至一處理器224，該處理器224耦合至一記憶體226，其中處理器224可分析定序資料以判定已在陣列中定序之聚合物分子之序列。
工作電極202可形成於介電層201上，且可形成井205之底部之至少一部分。在一些實施例中，工作電極202係一金屬電極。為了非法拉第(faradaic)導電，工作電極202可由金屬或抗腐蝕及氧化之其他材料(諸如(例如)鉑、金、氮化鈦及石墨)製成。例如，工作電極202可係具有電鍍鉑之一鉑電極。在另一實例中，工作電極202可係氮化鈦(TiN)工作電極。工作電極202可係多孔的，藉此增加其表面積及與工作電極202相關聯之一所得電容。由於一奈米孔胞之工作電極可獨立於另一奈米孔胞之工作電極，故可在本發明中將工作電極稱為胞電極。
介電層204可形成介電層201上方。介電層204形成包圍井205之壁。用於形成介電層204之介電材料可包含(例如)玻璃、氧化物、一 氮化矽(SiN)、聚醯亞胺或其他適合疏水絕緣材料。介電層204之頂表面可經矽烷化。矽烷化可在介電層204之頂表面上方形成一疏水層220。在一些實施例中，疏水層220具有約1.5奈米(nm)之一厚度。
由介電層204形成之井205包含工作電極202上方之電解液206之體積。電解液206之體積可經緩衝且可包含以下項之一或多者：氯化鋰(LiCl)、氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、麩胺酸鋰、麩胺酸鈉、麩胺酸鉀、醋酸鋰、醋酸鈉、醋酸鉀、氯化鈣(CaCl2)、氯化鍶(SrCl2)、氯化錳(MnCl2)及氯化鎂(MgCl2)。在一些實施例中，電解液206之體積具有約3微米(μm)之一厚度。
如圖2中亦展示，一薄膜可形成於介電層204之頂部上且橫跨井205。在一些實施例中，薄膜可包含形成於疏水層220之頂部上之一脂單層218。隨著薄膜到達井205之開口，脂單層可轉變成橫跨井205之開口之脂雙層214。脂雙層可包括磷脂或由磷脂組成，該磷脂(例如)選自以下項：二植烷醯-磷脂醯膽鹼(DPhPC)、1,2-二植烷醯-sn-甘油-3-磷膽鹼、1,2-Di-O-植烷-sn-甘油-3-磷膽鹼(DoPhPC)、棕櫚醯-油醯-磷脂醯膽鹼(POPC)、二油醯-磷脂醯-甲酯(DOPME)、二棕櫚醯磷脂醯膽鹼(DPPC)、磷脂醯膽鹼、磷脂醯乙醇胺、磷脂醯絲胺酸、磷脂酸、磷脂醯肌醇、磷脂醯甘油、鞘磷脂、1,2-二-O-植烷-sn-甘油、1,2-二棕櫚醯-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧(聚乙二醇)-350]、1,2-二棕櫚醯-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧(聚乙二醇)-550]、1,2-二棕櫚醯-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧((聚乙二醇)-750]、1,2-二棕櫚醯-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧(聚乙二醇)-1000]、1,2-二棕櫚醯-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧(聚乙二醇)-2000]、1,2-二油醯-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-乳糖、GM1神經節苷脂、溶 血磷脂醯膽鹼(LPC)或其等之任何組合。
如展示，脂雙層214嵌有(例如)由一單一PNTMC形成之一單一奈米孔216。如上文描述，可藉由憑藉電穿孔將一單一PNTMC插入脂雙層214中而形成奈米孔216。奈米孔216可足夠大以使所關注分析物之至少一部分及/或小離子(例如，Na+、K+、Ca2+、CI-)在脂雙層214之兩個側之間通過。
樣品腔室215在脂雙層214上方，且可固持用於特性化之所關注分析物之一溶液。溶液可係含有本體電解液208且經緩衝至一最佳離子濃度且經維持為一最佳pH以使奈米孔216保持敞開之一水溶液。奈米孔216穿過脂雙層214且提供供離子自本體電解液208流動至工作電極202之唯一路徑。除了奈米孔(例如，PNTMC)及所關注分析物之外，本體電解液208亦可進一步包含以下項之一或多者：氯化鋰(LiCl)、氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、麩胺酸鋰、麩胺酸鈉、麩胺酸鉀、醋酸鋰、醋酸鈉、醋酸鉀、氯化鈣(CaCl2)、氯化鍶(SrCl2)、氯化錳(MnCl2)及氯化鎂(MgCl2)。
反電極(CE)210可係一電化學電位感測器。在一些實施例中，反電極210可在複數個奈米孔胞之間共用，且因此可被稱為一共同電極。在一些情況中，共同電位及共同電極可為全部奈米孔胞或一特定分組內之至少全部奈米孔胞所共有。共同電極可經組態以將一共同電位施加至與奈米孔216接觸之本體電解液208。反電極210及工作電極202可耦合至信號源228用於跨脂雙層214提供電刺激(例如，電壓偏壓)，且可用於感測脂雙層214之電特性(例如，電阻、電容及離子電流流動)。在一些實施例中，奈米孔胞200亦可包含一參考電極212。
在一些實施例中，可在奈米孔胞之產生期間進行各種檢查作為評估之部分。一旦產生一奈米孔胞，便可執行進一步評估步驟(例如)以識別視需要執行之奈米孔胞(例如，胞中之一個奈米孔)。此等評估檢查可包含具有一單一奈米孔之胞之實體檢查、電壓校準、開放通道校準及識別。
B.奈米孔定序胞之偵測信號
奈米孔感測器晶片中之奈米孔胞(諸如奈米孔胞100)可實現使用一基於單分子奈米孔之合成定序(Nano-SBS)技術進行並行定序。
圖3繪示使用Nano-SBS技術執行核苷酸定序之一奈米孔胞300之一實施例。在Nano-SBS技術中，可在奈米孔胞300之樣品腔室中將待定序之一模板332(例如，一核苷酸分子或另一所關注分析物)及一引子引入至本體電解液308中。作為實例，模板332可係環狀或線性的。可將一核酸引子與模板332之一部分雜交，可將四個不同聚合物標記之核苷酸338添加至模板332之該部分。
在一些實施例中，一酶(例如，一聚合酶334，諸如一DNA聚合酶)可與奈米孔316相關聯以在合成模板332之一互補股時使用。例如，聚合酶334可共價附接至奈米孔316。聚合酶334可使用一單股核酸分子作為模板催化核苷酸338併入至引子上。核苷酸338可包括標籤物種(「標籤」)，其中核苷酸係以下四個不同類型之一者：A、T、G或C。當一經標記核苷酸與聚合酶334正確地複合時，標籤可由一電力(諸如在存在由跨脂雙層314及/或奈米孔316施加之一電壓產生之一電場之情況下產生之一力)拉(加載)至奈米孔中。標籤之尾部可定位於奈米孔316之桶狀結構(barrel)中。固持於奈米孔316之桶狀結構中之標籤可歸因於標籤之相異化 學結構及/或大小而產生一獨有離子阻塞信號340，藉此電子識別標籤附接至其之經添加鹼基。
如本文中使用，一「經加載」或「經穿線」標記可係定位於奈米孔中及/或保持於奈米孔中或附近達可觀的時間量(例如，0.1毫秒(ms)至10000ms)之標籤。在一些情況中，在自核苷酸釋放一標籤之前將該標籤加載於奈米孔中。在一些例項中，一經加載標籤在於一核苷酸併入事件後旋即被釋放之後通過奈米孔(及/或由奈米孔偵測)之可能性適合地高，例如90%至99%。
在一些實施例中，在將聚合酶334連接至奈米孔316之前，奈米孔316之電導可係高的，諸如(例如)約300微微西門子(300pS)。隨著標籤被加載至奈米孔中，歸因於標籤之相異化學結構及/或大小而產生一獨有電導信號(例如，信號340)。例如，奈米孔之電導可係約60pS、80pS、100pS或120pS，各對應於四個類型之經標記核苷酸之一者。聚合酶可接著經歷一異構化及一轉磷酸作用反應以將核苷酸併入生長之核酸分子中且釋放標籤分子。
在一些情況中，一些經標記核苷酸可與核酸分子(模板)之一當前位置不匹配(互補鹼基)。未與核酸分子鹼基配對之經標記核苷酸亦可通過奈米孔。此等未配對核苷酸可在短於經正確配對核苷酸保持與聚合酶相關聯之時間尺度之一時間尺度內被聚合酶拒絕。結合至未配對核苷酸之標籤可快速地通過奈米孔，且被偵測達一短時間段(例如，小於10ms)，而結合至配對核苷酸之標籤可被加載至奈米孔中且被偵測達一長時間段(例如，至少10ms)。因此，未配對核苷酸可由一下游處理器至少部分基於在奈米孔中偵測核苷酸之時間識別。
包含經加載(經穿線)標籤之奈米孔之一電導(或等效地電阻)可經由通過奈米孔之一電流量測，藉此提供標籤物種及因此在當前位置處之核苷酸之一識別。在一些實施例中，可將一直流電(DC)信號施加至奈米孔胞(例如，使得標籤移動通過奈米孔之方向不被反轉)。然而，使用一直流電操作一奈米孔感測器達長時間段可改變電極之組成，跨奈米孔使離子濃度失衡且具有可影響奈米孔胞之壽命之其他非所要效應。施加一交流電(AC)波形可減少電遷移以避免此等非所要效應且具有如下文描述之某些優點。利用經標記核苷酸之本文中描述之核酸定序方法與經施加AC電壓完全相容，且因此一AC波形可用於達成此等優點。
當使用犧牲電極、在載流反應中改變分子特性之電極(例如，包括銀之電極)或在載流反應中改變分子特性之電極時，在AC偵測循環期間對電極再充電之能力可係有利的。當使用一直流電信號時，一電極可在一偵測循環期間空乏。再充電可防止電極達到一空乏極限，諸如變得完全空乏，此在電極小時(例如，當電極足夠小以提供每平方毫米具有至少500個電極之一電極陣列)可係一問題。在一些情況中，電極壽命與電極之寬度成比例且至少部分取決於電極之寬度。
用於量測通過奈米孔之離子電流之適合條件在此項技術中已知且在本文中提供實例。可使用跨薄膜及孔施加之一電壓實行量測。在一些實施例中，所使用之電壓可在自-400mV至+400mV之範圍內。所使用之電壓較佳在具有選自-400mV、-300mV、-200mV、-150mV、-100mV、-50mV、-20mV及0mV之一下限及獨立地選自+10mV、+20mV、+50mV、+100mV、+150mV、+200mV、+300mV及+400mV之一上限之一範圍中。所使用之電壓可更較佳在100mV至240mV之範圍 中且最較佳在160mV至240mV之範圍中。可藉由一奈米孔使用一增加之經施加電位而增加不同核苷酸之間之區分。在2013年11月6日申請之標題為「Nucleic Acid Sequencing Using Tags」之美國專利公開案第US 2014/0134616號中描述使用AC波形及經標記核苷酸定序核酸，該案之全文以引用的方式併入本文中。除了在US 2014/0134616中描述之經標記核苷酸之外，亦可使用缺乏一糖或非環部分之核苷酸類比物執行定序，例如，以下五個常見核酸鹼基之(S)-甘油核苷三磷酸(gNTP)：腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤、尿嘧啶及胸腺嘧碇(Horhota等人，Organic Letters，8：5345-5347[2006年])。
一奈米孔感測器晶片中之奈米孔胞可以許多不同方式實施或使用。例如，在一些實施例中，不同大小及/或化學結構之標籤可附接至待定序之一核酸分子中之不同核苷酸。在一些實施例中，可藉由使不同聚合物標記之核苷酸與模板雜交而合成待定序之核酸分子之一模板之一互補股。在一些實施方案中，核酸分子及經附接標籤兩者可移動通過奈米孔，且通過奈米孔之一離子電流可指示由於附接至核苷酸之標籤之特定大小及/或結構而在奈米孔中之核苷酸。在一些實施方案中，僅標籤可移動至奈米孔中。亦可存在用於偵測奈米孔中之不同標籤之許多不同方式。
C.奈米孔定序胞之電路
圖4繪示表示一奈米孔胞(諸如奈米孔胞200)之一電模型之一電路400(其可包含圖2中之電路222之部分)之一實施例。如上文描述，在一些實施例中，電路400包含可在一奈米孔感測器晶片中之複數個奈米孔胞或全部奈米孔胞之間共用且因此亦可被稱為一共同電極之一反電極440(例如，反電極210)。共同電極可經組態以藉由連接至一電壓源Vliq 420而將一共同電位施加至與奈米孔胞中之脂雙層(例如，脂雙層214)接觸之本體電解液(例如，本體電解液208)。在一些實施例中，一AC非法拉第模式可用於使用一AC信號(例如，一方形波)調變電壓Vliq且將其施加至與奈米孔胞中之脂雙層接觸之本體電解液。在一些實施例中，Vliq係具有±200mV至250mV之一量值及在(例如)25Hz與400Hz之間之一頻率之一方形波。反電極440與脂雙層之間之本體電解液可藉由一大電容器(未展示)(諸如100μF或更大)模型化。
圖4亦展示根據某些實施例之表示一工作電極402(例如，工作電極202)及脂雙層(例如，脂雙層214)之電性質之一電模型422。電模型422包含模型化與脂雙層相關聯之一電容之一電容器426(CBilayer)及模型化可基於奈米孔中之一特定標籤之存在改變之與奈米孔相關聯之一可變電阻之一電阻器Rpore 428。電模型422亦包含具有一雙層電容Cdbl且表示胞之工作電極402及井(例如，井205)之電性質之一電容器Cdbl 424。工作電極402可經組態以施加獨立於其他奈米孔胞中之工作電極之一相異電位。
通路裝置406可係可用於將脂雙層及工作電極與電路400連接或斷開連接之一開關。通路裝置406可由一記憶體位元控制以啟用或停用待跨奈米孔胞中之脂雙層施加之一電壓刺激。在沈積脂質以形成脂雙層之前，兩個電極之間之阻抗可係非常低的，此係因為奈米孔胞之井未密封，且因此通路裝置406可保持斷開以避免一短路條件。可在已將脂溶劑沈積至奈米孔胞以密封奈米孔胞之井之後閉合通路裝置406。
電路400可進一步包含一晶片上積分電容器Cint 408(ncap)。積分電容器Cint 408可藉由使用一重設信號403預充電以閉合開關401，使得積分電容器Cint 408連接至一電壓源Vpre 405。在一些實施例 中，電壓源Vpre 405提供具有(例如)900mV之一量值之一恆定正電壓。當閉合開關401時，可將積分電容器Cint 408預充電至電壓源Vpre 405之正電壓位準。
在對積分電容器Cint 408預充電之後，重設信號403可用於斷開開關401，使得積分電容器Cint 408與電壓源Vpre 405斷開連接。此刻，取決於電壓源Vliq之位準，反電極440之電位可處於高於工作電極402(及積分電容器Cint 408)之電位之一位準或反之亦然。例如，在來自電壓源Vliq之一方形波之一正相位期間(例如，AC電壓源信號循環之亮或暗週期)，反電極440之電位處於高於工作電極402之電位之一位準。在來自電壓源Vliq之方形波之一負相位期間(例如，AC電壓源信號循環之暗或量週期)，反電極440之電位處於低於工作電極402之電位之一位準。因此，在一些實施例中，積分電容器Cint 408可在亮週期期間自電壓源Vpre 405之預充電電壓位準經進一步充電至一較高位準，且歸因於反電極440與工作電極402之間之電位差而在暗週期期間經放電至一較低位準。在其他實施例中，充電及放電可分別在暗週期及亮週期中發生。
取決於一類比轉數位轉換器(ADC)410之取樣速率(其可高於1kHz、4kHz、10kHz、100kHz或更多)，積分電容器Cint 408可經充電或放電達一固定時間段。例如，使用1kHz之一取樣速率，積分電容器Cint 408可經充電/放電達約1ms之一時段，且接著電壓位準可在積分週期結束時由ADC 410取樣及轉換。一特定電壓位準將對應於奈米孔中之一特定標籤物種，且因此對應於模板上之一當前位置處之核苷酸。
在由ADC 410取樣之後，積分電容器Cint 408可再次藉由使用重設信號403預充電以閉合開關401，使得積分電容器Cint 408再次連 接至電壓源Vpre 405。預充電積分電容器Cint 408、等待一固定時間段以使積分電容器Cint 408充電或放電及藉由ADC 410取樣及轉換積分電容器之電壓位準之步驟可在整個定序程序中循環重複。
一數位處理器430可處理ADC輸出資料(例如)用於正規化、資料緩衝、資料濾波、資料壓縮、資料簡化、事件提取或將來自奈米孔胞之陣列之ADC輸出資料組合至各種資料框中。在一些實施例中，數位處理器430可執行進一步下游處理，諸如鹼基判定。數位處理器430可實施為硬體(例如，在一GPU、FPGA、ASIC等中)或實施為硬體及軟體之一組合。
因此，跨奈米孔施加之電壓信號可用於偵測奈米孔之特定狀態。奈米孔之可能狀態之一者係當奈米孔之桶狀結構中不存在一標籤附接多磷酸鹽時之一開放通道狀態。奈米孔之另四個可能狀態各對應於當四個不同類型之標籤附接多磷酸核苷酸(A、T、G或C)之一者經固持於奈米孔之桶狀結構中時之一狀態。奈米孔之又一可能狀態係在脂雙層破裂時。
當在一固定時間段之後量測積分電容器Cint 408上之電壓位準時，一奈米孔之不同狀態可導致不同電壓位準之量測。此係因為積分電容器Cint 408上之電壓衰減之速率(藉由放電減小或藉由充電增大)(即，積分電容器Cint 408上之一電壓對時間圖之斜率之陡度)取決於奈米孔電阻(例如，電阻器Rpore 428之電阻)。更特定言之，由於歸因於分子(標籤)之相異化學結構，與不同狀態中之奈米孔相關聯之電阻不同，故電壓衰減之不同對應速率可被觀察且可用於識別奈米孔之不同狀態。電壓衰減曲線可係具有一RC時間常數τ=RC之一指數曲線，其中R係與奈米孔相關聯之電阻(即，Rpore 428)且C係與並聯於R之薄膜相關聯之電容(即，電容器426 (CBilayer))。奈米孔胞之一時間常數可係(例如)約200ms至500ms。歸因於雙層之詳細實施方案，衰減曲線可不與一指數曲線精確擬合，但衰減曲線可類似於一指數曲線且係單調的，因此容許標籤之偵測。
在一些實施例中，與在一開放通道狀態中之奈米孔相關聯之電阻可在100MOhm至20GOhm之範圍中。在一些實施例中，與在其中一標籤在奈米孔之桶狀結構內部之一狀態中之奈米孔相關聯之電阻可在200MOhm至40GOhm之範圍內。在其他實施例中，可省略積分電容器Cint 408，此係因為歸因於電模型422中之電壓衰減，通至ADC 410之電壓仍將變動。
可以不同方式判定積分電容器Cint 408上之電壓之衰減之速率。如上文解釋，可藉由量測一固定時間間隔期間之一電壓衰減而判定電壓衰減之速率。例如，可首先在時間t1藉由ADC 410量測積分電容器Cint 408上之電壓，且接著再次在時間t2藉由ADC 410量測電壓。當積分電容器Cint 408上之電壓對時間曲線之斜率較陡時，電壓差較大，且當電壓曲線之斜率較不陡時，電壓差較小。因此，電壓差可用作用於判定積分電容器Cint 408上之電壓之衰減之速率及因此奈米孔胞之狀態之一度量。
在其他實施例中，可藉由量測一選定量之電壓衰減所需之一持續時間而判定電壓衰減之速率。例如，可量測使電壓自一第一電壓位準V1下降或增大至一第二電壓位準V2所需之時間。當電壓對時間曲線之斜率較陡時，所需時間較少，且當電壓對時間曲線之斜率較不陡時，所需時間較多。因此，所需量測時間可用作用於判定積分電容器Cint 408上之電壓Vncap之衰減之速率及因此奈米孔胞之狀態之一度量。熟習此項技術者將瞭解可用於量測奈米孔之電阻之各種電路，例如，包含電流量測技 術。
在一些實施例中，電路400可不包含在晶片上製造之一通路裝置(例如，通路裝置406)及一額外電容器(例如，積分電容器Cint 408)，藉此促進基於奈米孔之定序晶片之大小之減小。歸因於薄膜(脂雙層)之薄性質，與薄膜相關聯之電容(例如，電容器426(CBilayer))單獨可足以產生所需RC時間常數而不需要額外晶片上電容。因此，電容器426可用作積分電容器，且可藉由電壓信號Vpre預充電且隨後藉由電壓信號Vliq放電或充電。在電路中以其他方式在晶片上製造之額外電容器及通路裝置之消除可顯著減小奈米孔定序晶片中之一單一奈米孔胞之佔據面積，藉此促進奈米孔定序晶片之按比例調整以包含愈來愈多的胞(例如，在一奈米孔定序晶片中具有數百萬個胞)。
D.奈米孔胞中之資料取樣
為了執行核酸之定序，可藉由ADC(例如，ADC 410)取樣並轉換積分電容器(例如，積分電容器Cint 408或電容器426(CBilayer))之電壓位準同時將一經標記核苷酸添加至核酸。例如，當所施加電壓係使得Vliq低於Vpre時，核苷酸之標籤可由透過反電極及工作電極跨奈米孔施加之電場推至奈米孔之桶狀結構中。
1.穿線
一穿線事件係當一經標記核苷酸附接至模板(例如，核酸片段)，且標籤進出奈米孔之桶狀結構時。此在一穿線事件期間可發生多次。當標籤在奈米孔之桶狀結構中時，奈米孔之電阻可較高，且一較低電流可流動通過奈米孔。
在定序期間，一標籤在一些AC循環(被稱為一開放通道狀 態)中可不在奈米孔中，其中電流由於奈米孔之較低電阻而係最高的。當一標籤被吸引至奈米孔之桶狀結構中時，奈米孔在一亮模式中。當標籤被推出奈米孔之桶狀結構時，奈米孔在一暗模式中。
2.亮週期及暗週期
在一AC循環期間，可藉由ADC對積分電容器上之電壓取樣多次。例如，在一項實施例中，跨系統在(例如)約100Hz下施加一AC電壓信號，且ADC之一擷取速率可係每一胞約2000Hz。因此，可存在每一AC循環(一AC波形之循環)擷取之約20個資料點(電壓量測)。對應於AC波形之一個循環之資料點可被稱為一組。在一AC循環之一組資料點中，可存在當(例如)Vliq低於Vpre時擷取之一子集，其可對應於其中標籤被壓迫至奈米孔之桶狀結構中時之一亮模式(週期)。另一子集可對應於其中當(例如)Vliq高於Vpre時標籤由經施加電場推出奈米孔之桶狀結構之一暗模式(週期)。
3.經量測電壓
針對各資料點，當斷開開關401時，積分電容器(例如，積分電容器Cint 408或電容器426(CBilayer))處之電壓將由於Vliq之充電/放電而以一衰減方式改變(例如)作為當Vliq高於Vpre時自Vpre至Vliq之一增加或當Vliq低於Vpre時自Vpre至Vliq之一降低。在工作電極充電時，最終電壓值可自Vliq偏離。積分電容器上之電壓位準之改變之速率可由可包含奈米孔(其可繼而包含奈米孔中之一分子(例如，一經標記核苷酸之一標籤))之雙層之電阻之值控管。可在開關401斷開後之一預定時間量測電壓位準。
開關401可以資料擷取之速率操作。可在資料之兩個擷取之間(通常剛好在藉由ADC之一量測之後)閉合開關401達一相對短時間 段。開關容許在Vliq之各AC循環之各子週期(亮或暗)期間收集多個資料點。若開關401保持斷開，則積分電容器上之電壓位準及因此ADC之輸出值將完全衰減且保持在該處。代替性地，當閉合開關401時，積分電容器再次被預充電(至Vpre)且變得準備好用於另一量測。因此，開關401容許針對各AC循環之各子週期(亮或暗)收集多個資料點。此多個量測可使用一固定ADC容許更高解析度(例如，歸因於較大數目個量測，8位元至14位元，其可經平均化)。多個量測亦可提供關於穿線至奈米孔中之分子之動力學資訊。時序資訊可容許一穿線發生多長時間之判定。此亦可用於幫助判定添加至核酸股之多個核苷酸是否經定序。
圖5展示在AC循環之亮週期及暗週期期間自一例示性奈米孔胞擷取之例示性資料點。施加至工作電極或積分電容器之電壓(Vpre)處於一恆定位準(諸如500mV)。施加至奈米孔胞之反電極之一電壓信號510(Vliq)係被展示為一矩形波之一AC信號，其中工作循環可係任何適合值，諸如小於或等於50%，例如約40%。在圖5中，出於圖解目的(按不同於Vliq之一尺度)誇大資料點之改變。
在一亮週期520期間，施加至反電極之電壓信號510(Vliq)低於施加至工作電極之電壓Vpre，使得一標籤可由憑藉在工作電極及反電極處施加之不同電壓位準(例如，歸因於標籤上之電荷及/或離子之流動)引起之電場壓迫至奈米孔之桶狀結構中。當斷開開關401時，在ADC之前之一節點處(例如，一積分電容器處)之電壓將降低。在擷取一電壓資料點之後(例如，在一指定時間段之後)，可閉合開關401且量測節點處之電壓將再次增加回至Vpre。程序可重複以量測多個電壓資料點。以此方式，可在亮週期期間擷取多個資料點。
如圖5中展示，在Vliq信號之正負號之一改變之後在亮週期中之一第一資料點522(亦被稱為第一點增量(delta)(FPD))可低於後續資料點524。此可係因為在奈米孔(開放通道)中不存在標籤，且因此其具有一低電阻及一高放電速率。可在已發生一穿線事件(即，將一標籤壓迫至奈米孔之桶狀結構中)之後擷取資料點524，其中奈米孔之電阻及因此積分電容器之放電之速率取決於被壓迫至奈米孔之桶狀結構中之標籤之特定類型。歸因於雙層電容器(例如，Cdbl 424)處之電荷累積，資料點524可針對各量測稍微減少，如下文提及。
在一暗週期530期間，施加至反電極之電壓信號510(Vliq)高於施加至工作電極之電壓(Vpre)，使得任何標籤將被推出奈米孔之桶狀結構。當斷開開關401時，量測節點處之電壓增加，此係因為電壓信號510(Vliq)之電壓位準高於Vpre。在擷取一電壓資料點之後(例如，在一指定時間段之後)，可閉合開關401且量測節點處之電壓將再次降低回至Vpre。程序可重複以量測多個電壓資料點。因此，可在暗週期期間擷取多個資料點，包含一第一點增量532及後續資料點534。如上文描述，在暗週期期間，將任何核苷酸標籤推出奈米孔，且因此除了用於正規化之外，亦獲得關於任何核苷酸標籤之最小資訊。因此，在暗週期期間來自胞之輸出電壓信號可具有少或無用途。
圖5亦展示在亮週期540期間，儘管施加至反電極之電壓信號510(Vliq)低於施加至工作電極之電壓(Vpre)，然不發生穿線事件(開放通道)。因此，奈米孔之電阻低，且積分電容器之放電之速率高。因此，經擷取資料點(包含一第一資料點542及後續資料點544)展示低電壓位準。
針對(例如，在一個標籤在奈米孔中時在一給定AC循環之 一亮模式期間進行之)奈米孔之一恆定電阻之各量測，可預期在一亮週期或暗週期期間量測之電壓約相同，但當電荷在雙層電容器Cdbl處累積時，情況可能並非如此。此電荷累積可引起奈米孔胞之時間常數變得更長。因此，電壓位準可移位，藉此引起經量測值在一循環中針對各資料點減小。因此，在一循環內，資料點可自資料點略微改變至另一資料點，如圖5中展示。因此，可期望量測雙層電容用於資料正規化及基線調整以便更準確地判定與經量測電壓位準相關聯之鹼基。
4.判定鹼基
針對奈米孔感測器晶片之各可用奈米孔胞，可運行一生產模式以對核酸定序。可正規化在定序期間擷取之ADC輸出資料以提供更大準確度。正規化可考量偏移效應，諸如循環形狀及基線移位。在正規化之後，實施例可判定經穿線通道之電壓之叢集，其中各叢集對應於一不同標籤物種，及因此一不同核苷酸。叢集可用於判定對應於一給定核苷酸之一給定電壓之可能性。作為另一實例，叢集可用於判定截止電壓以用於在不同核苷酸(鹼基)之間進行區分。
可在(例如)以下案中發現關於定序操作之進一步細節：標題為「Nanopore-Based Sequencing With Varying Voltage Stimulus」之美國專利公開案第2016/0178577號；標題為「Nanopore-Based Sequencing With Varying Voltage Stimulus」之美國專利公開案第2016/0178554號；標題為「Non-Destructive Bilayer Monitoring Using Measurement Of Bilayer Response To Electrical Stimulus」之美國專利申請案第15/085,700號；及標題為「Electrical Enhancement Of Bilayer Formation」之美國專利申請案第15/085,713號。
II.奈米孔胞陣列
當定序奈米孔胞配置於奈米孔感測器晶片上時，許多核酸分子可經並行定序。各胞可具有某一專屬電路(例如，一積分電容器)，但亦可共用某一電路(例如，一ADC、一信號源、一電極或一控制電路)。
圖6繪示包含奈米孔胞608之一二維陣列之一奈米孔胞陣列600之一實例。奈米孔胞陣列600可包含數千個或甚至數百萬個奈米孔胞。例如，在一項實施例中，奈米孔胞陣列600可包含配置成512列及512行之512×512個奈米孔胞。奈米孔胞陣列600可被分組成不同庫606，其中各庫可包含奈米孔胞陣列600中之奈米孔胞之一子集。在一些實施例中，奈米孔胞陣列600之各行中之奈米孔胞可被分組在一起，且各行中之奈米孔胞之積分電容器處之電壓位準可由一ADC 612取樣及轉換。一行中之奈米孔胞可共用一相同ADC以便減小奈米孔感測器晶片之整個面積及功率消耗。
列驅動器及預充電電路618可用於(例如，藉由閉合圖4之開關401以使用列選擇線(或字線)614將一或多個列中之奈米孔胞連接至Vpre)對一或多個列中之奈米孔胞選擇性地預充電。列驅動器及預充電電路618亦可用於使用列選擇線(即，字線)614循序選擇各列。來自選定列上之奈米孔胞之信號可(例如，透過一電晶體及開關(未展示))耦合至對應行線616。來自選定列上之奈米孔胞之電壓信號可視情況藉由對應行放大器620處理(例如，感測並放大)且藉由對應ADC 612轉換為數位輸出。在一些實施例中，多個行可由相同行放大器及ADC伺服。
圖7繪示在包含奈米孔胞之一二維陣列之一奈米孔感測器晶片之一行上之奈米孔胞之一簡化電路700。電路700在二維陣列之一行 上包含兩個或兩個以上奈米孔胞705、715等。奈米孔胞705可包含一胞A(712)。如上文關於圖4描述，胞A(712)可包含一工作電極(例如，工作電極402)、一反電極(例如，反電極440)、模型化與一雙層相關聯之一電容之一雙層電容器(例如，電容器426(CBilayer))、模型化與奈米孔相關聯之一可變電阻之一電阻器Rpore(例如，電阻器Rpore 428)及表示胞之工作電極及井(例如，井205)之電性質之一雙層電容器(例如，Cdbl 424)。
奈米孔胞705亦可包含由一預充電A信號704控制之一開關706。開關706可將奈米孔胞705連接至一電壓源Vpre 702以對奈米孔胞705充電。一通路裝置710用於將胞A(712)與電壓源Vpre 702及/或一量測電路(下文描述)連接或斷開連接。通路裝置710可由一記憶體位元708控制。量測電路可包含一晶片上積分電容器Cint 714及一讀出電路。積分電容器Cint 714可透過開關706藉由電壓源Vpre 702預充電。在一些實施例中，電壓源Vpre 702提供具有(例如)900mV之一量值之一恆定電壓。當閉合開關706(及/或通路裝置710)時，可將積分電容器Cint 714(及/或胞A(712))預充電至電壓源Vpre 702之電壓位準。
在對積分電容器Cint 714預充電之後，預充電A信號704可用於斷開開關706，使得積分電容器Cint 714與電壓源Vpre 702斷開連接。此刻，取決於胞A之反電極(例如，反電極440)上之一電壓源(例如，電壓源Vliq 420)之位準，可對積分電容器Cint 714充電或放電達一固定積分週期，如上文關於圖4及圖5描述。
在積分週期之後，積分電容器Cint 714之電壓位準可透過讀出電路讀出且經轉換為一數位信號。例如，在讀出週期期間，在一列選擇(RS)A信號718之控制下，可斷開通路裝置710，且可閉合讀出電路之 一開關722。因此，積分電容器Cint 714之電壓位準可藉由一行放大器及ADC電路782透過讀出電路之一讀出電晶體716及一行匯流排780取樣。在一些實施例中，讀出電晶體716連接至一行電源Pcol 720，經實施為一源極隨耦器，且可用作具有一電流放大能力之一電壓緩衝器。因此，讀出電晶體716可用作用於隔離積分電容器Cint 714與一行匯流排780及開關722上之雜訊之一緩衝放大器。
行中之其他奈米孔胞可具有與奈米孔胞705相同之電路。例如，奈米孔胞715可包含一胞B(762)、由一預充電B信號754控制用於將奈米孔胞715連接至一電壓源Vpre 752之一開關756及一量測電路，該量測電路包含一積分電容器Cint 764及可包含一讀出電晶體766及一開關772之一讀出電路。電壓源Vpre 752可用於對積分電容器Cint 764及/或胞B(762)充電。一通路裝置760用於將胞B(762)與電壓源Vpre 752或量測電路連接或斷開連接。通路裝置760可由一記憶體位元758控制。積分電容器Cint 764可由電壓源Vpre 702透過開關756預充電至電壓源Vpre 752之電壓位準。在對積分電容器Cint 764預充電之後，預充電B信號754可用於斷開開關756，使得積分電容器Cint 764與電壓源Vpre 752斷開連接。取決於胞B之反電極(例如，反電極440)上之一電壓源(例如，電壓源Vliq 420)之位準，可對積分電容器Cint 764充電或放電達一固定積分週期，如上文關於圖4及圖5描述。
在積分週期之後，積分電容器Cint 764之電壓位準可經讀出且經轉換為一數位信號。在讀出週期期間，在一RS B信號768之控制下，可閉合開關772。因此，積分電容器Cint 764之電壓位準可藉由行放大器及ADC電路782透過讀出電晶體766及行匯流排780取樣。讀出電晶體 766可類似於讀出電晶體716，且可連接至一行電源Pcol 770。
相同行上之其他奈米孔胞可類似地起作用。如圖7中展示，各奈米孔胞(例如，705或715)可包含其自身之類比組件，諸如積分電容器(例如，積分電容器Cint 714或764)及讀出電晶體(例如，讀出電晶體716或766)。積分電容器可需要足夠大以減少奈米孔胞上之雜訊。讀出電晶體可需要足夠大以減少(例如)讀出電晶體之閃爍雜訊及偏移(此可限制ADC之最小範圍或動態範圍)。因此，減小類比組件之大小可影響胞之效能。因而，各奈米孔胞可需要具有一大積分電容器及讀出電晶體，此可限制各奈米孔胞之最小大小。
圖8係一時序圖800，其繪示如上文關於圖7描述之包含奈米孔胞之一二維陣列之一奈米孔感測器晶片之一行上之奈米孔胞之控制信號之實例。時序圖800展示包含預充電A信號810、RS A信號820、預充電B信號830、RS B信號840、...、預充電N信號850及RS N信號860之控制信號之實例。各奈米孔胞之取樣週期由一時間段816指示。預充電A信號810及RS A信號820可用於控制一第一奈米孔胞(例如，奈米孔胞705)之預充電、積分及讀出。例如，當一脈衝812在預充電A信號810上(此可接通開關706)時，對第一奈米孔胞之積分電容器(例如，積分電容器Cint 714)預充電。
在脈衝812之後，可藉由如上文描述之與奈米孔胞之狀態相關之一電流信號對積分電容器充電或放電。當一脈衝822在RS A信號820上(例如，以接通開關722)時，將第一奈米孔胞之積分電容器之電壓位準讀出且轉換為一數位信號。類似地，當一脈衝832在預充電B信號830上(例如，以接通開關756)時，對一第二奈米孔胞之積分電容器(例如，積分 電容器Cint 764)預充電。在脈衝832之後，可藉由如上文描述之與奈米孔胞之狀態相關之一電流信號對積分電容器充電或放電。當一脈衝842在RS B信號840上以接通(例如)開關722時，將第二奈米孔胞之積分電容器之電壓位準讀出且轉換為一數位信號。類似地，預充電N信號850及RS N信號860可用於控制該行中之第N奈米孔胞之預充電、積分及讀出。例如，預充電N信號850上之一脈衝852可用於控制奈米孔胞N上之積分電容器之預充電，且RS N信號860上之一脈衝862可用於控制積分電容器上之電壓位準之讀出。
III.具有共用組件之奈米孔胞陣列
如上文描述，針對一基於奈米孔之感測器晶片，最小取樣週期可取決於ADC頻寬及數位IO頻寬，而各胞之積分週期可取決於胞之積分電容器之大小。在許多情況中，一單一胞之積分週期可小於由時間段816展示之感測器晶片之取樣週期之一半。換言之，各胞可僅需要在上文描述之用於預充電、積分及讀出之取樣週期之一部分期間使用積分電容器。
根據某些實施例，多個奈米孔胞可共用相同類比組件，諸如積分電容器及讀出電容器。例如，若取樣週期係約1ms且各胞之積分時間係約250μs，則四個胞可共用相同類比組件。可將一小數位開關添加至各胞以將胞選擇性地連接至共用類比組件(諸如積分電容器及讀出電晶體)。在一個取樣週期中，共用相同類比組件之胞之各者可經預充電、充電或放電，且在感測器晶片之取樣週期之一部分期間被讀出。可藉由使用可達成一更小臨界尺寸之更先進製造技術而減少胞之數位組件。以此方式，可減小奈米孔胞之平均大小。
圖9係根據某些實施例之一奈米孔感測器晶片之奈米孔胞之一簡化電路900。電路900包含共用包含一或多個類比組件(諸如一積分電容器Cint 940及一讀出電晶體950)之一類比量測電路905之兩個或兩個以上奈米孔胞(例如，一奈米孔胞915、一奈米孔胞925等)。類比量測電路905亦可包含一開關954，該開關954透過一行匯流排980將積分電容器Cint 940及讀出電晶體950連接至一行放大器及ADC電路960。開關954可由一RS信號952控制。讀出電晶體950可類似於讀出電晶體716，且可連接至一行電源Pcol 956且形成一源極隨耦器。共用一些類比組件之奈米孔胞之各者可包含一胞(諸如胞A(910)或胞B(930))。如上文關於圖4及圖7描述，各胞可包含一工作電極(例如，工作電極402)、一反電極(例如，反電極440)、模型化與一雙層相關聯之一電容之一雙層電容器(例如，電容器426(CBilayer))、模型化與奈米孔相關聯之一可變電阻之一電阻器Rpore(例如，電阻器Rpore 428)及表示胞之工作電極及井(例如，井205)之電性質之一雙層電容器(例如，Cdbl 424)。
各奈米孔胞亦可包含由一預充電信號(例如，預充電A信號906或預充電B信號926)控制之一預充電開關(例如，預充電開關912或932)。預充電開關可將奈米孔胞連接至一電壓源(例如，Vpre信號904或Vpre信號924)以將奈米孔胞(包含積分電容器)預充電至一已知電壓位準。奈米孔胞之一通路裝置(例如，通路裝置914或934)可用於將胞(胞A(910)或胞B(930))與電壓源或積分電容器Cint 940及讀出電晶體950連接或斷開連接。通路裝置可由一記憶體位元(例如，記憶體位元908或928)控制。各奈米孔胞可進一步包含一胞選擇開關(例如，胞選擇開關916或936)。胞選擇開關可由一胞選擇(CS)信號(例如，CS A信號902或CS B信號922)控制 以在一取樣週期內之不同時間段期間將各奈米孔胞選擇性地連接至積分電容器Cint 940及讀出電晶體950。
圖10係繪示根據某些實施例之如上文關於圖9描述之共用一些類比組件之奈米孔胞之控制信號之實例之一時序圖1000。時序圖1000展示包含一預充電A信號1010、一預充電B信號1020、...、一預充電N信號1030、一RS信號1040、一胞選擇(CS)A信號1050、一CS B信號1060及一CS N信號1070之控制信號之實例。感測器晶片之取樣週期由一時間段1002指示。
當一脈衝1052(或一高電壓位準)在CS A信號1050上時，可閉合一胞選擇開關(例如，胞選擇開關916)，且因此一第一奈米孔胞(例如，奈米孔胞915)可連接至包含一共用積分電容器(例如，共用積分電容器Cint 940)之一共用類比量測電路(例如，類比量測電路905)。當在一第一奈米孔胞之一預充電週期期間，一脈衝1012在預充電A信號1010上時，可閉合第一奈米孔胞之預充電開關(例如，預充電開關912)及通路裝置(例如，通路裝置914)，且因此可將第一奈米孔胞及共用積分電容器Cint 940預充電至由Vpre信號904判定之一電壓位準。在脈衝1012之後，在一積分週期1014期間，可斷開預充電開關，且第一奈米孔胞及共用積分電容器Cint 940可由與第一奈米孔胞之狀態相關之一電流放電或充電。在積分週期1014之後，在一讀出週期期間，可斷開第一奈米孔胞之通路裝置及胞選擇開關且可將一脈衝1016施加於RS信號1040上以接通開關954，使得積分電容器Cint 940之電壓位準可透過行匯流排980讀出且藉由行放大器及ADC電路960數位化以產生第一奈米孔胞之一量測值。因此，用於量測第一奈米孔胞之時間段1018包含由脈衝1012指示之預充電週期、積分週期 1014及由脈衝1016指示之讀出週期。
當一脈衝1062(或一高電壓位準)在CS B信號1060上時，可閉合一胞選擇開關(例如，胞選擇開關936)，且因此一第二奈米孔胞(例如，奈米孔胞925)可連接至包含共用積分電容器之共用類比量測電路。當在一第二奈米孔胞(例如，奈米孔胞925)之一預充電週期期間，在預充電B信號1020上施加一脈衝1022時，可閉合第二奈米孔胞之預充電開關(例如，預充電開關932)及通路裝置(例如，通路裝置934)，且因此可將第二奈米孔胞及共用積分電容器Cint 940預充電至由Vpre信號924判定之一電壓位準。在脈衝1022之後，在一積分週期1024期間，可斷開預充電開關，且第二奈米孔胞及共用積分電容器Cint 940可由與第二奈米孔胞之狀態相關之一電流放電或充電。在積分週期1024之後，可斷開第二奈米孔胞之通路裝置及胞選擇開關且可將一脈衝1026施加於RS信號1040上以接通開關954，使得積分電容器Cint 940之電壓位準可透過行匯流排980讀出且藉由行放大器及ADC電路960數位化以產生第二奈米孔胞之一第二量測值。因此，用於量測第二奈米孔胞之時間段1028包含由脈衝1022指示之預充電週期、積分週期1024及由脈衝1026指示之讀出週期。
共用相同類比組件之其他奈米孔胞可類似地(例如，在一脈衝1072期間)連接至共用類比組件、在一預充電週期期間(例如，在一脈衝1032期間)預充電、在一積分週期(例如，積分週期1304)期間充電或放電且在讀出週期期間(例如，在一脈衝1036期間)讀出。用於量測第N奈米孔胞之時間段1038包含由脈衝1032指示之預充電週期、積分週期1034及由脈衝1036指示之讀出週期。以此方式，若干奈米孔胞可共用相同類比組件且可在一取樣週期中之不同時間段期間量測。
在一些實施例中，可不使用胞選擇開關及胞選擇信號，且通路裝置可用於將各胞連接至共用類比組件。例如，在一奈米孔胞之預充電週期期間，可閉合奈米孔胞之預充電開關(例如，預充電開關912)及通路裝置(例如，通路裝置914)。在積分週期期間，可斷開預充電開關且可閉合通路裝置。在讀出週期期間，可斷開預充電開關及通路裝置兩者。當一個奈米孔胞在預充電、積分或讀出週期中時，可斷開共用相同類比組件之其他奈米孔胞之預充電開關及通路裝置。以此方式，可獨立地量測共用相同類比組件之各奈米孔胞。
在各項實施例中，由類比量測電路(例如，類比量測電路905)量測之奈米孔胞之信號值可表示與一奈米孔之電阻率相關且可自其導出奈米孔(穿線及/或經穿線)之電阻率之任何可量測數量。例如，由類比量測電路量測之信號可係(或表示)一電壓或一電流信號。經量測信號值可表示一電壓及/或電流之一直接量測之結果或可表示一間接量測。例如，信號值可係使一電壓或電流達到一指定值所花費之一經量測持續時間。
在各項實施例中，不同數目個奈米孔胞(諸如2、3、4、6、8、9或更多個奈米孔胞)可共用相同類比組件。在一些實施例中，共用相同類比組件之奈米孔胞可配置成一維或二維陣列。例如，在一項實施例中，共用相同類比組件之奈米孔胞可在感測器晶片之奈米孔胞陣列之一相同行上。
如圖9中展示，Vpre信號904或924可透過一Vpre開關(例如，Vpre開關918或938)連接至不同電壓位準(例如，V1及V2)下之兩個或兩個以上電壓源之一者。Vpre開關可將奈米孔胞之工作電極選擇性地連接至一高電壓位準或一低電壓位準。例如，Vpre開關可由一AC控制信號(諸 如一方形波或一矩形波信號)控制，使得工作電極可在AC控制信號之一循環之一部分期間連接至高電壓位準，且可在循環之另一部分期間連接至低電壓位準。Vpre開關可在胞內或可在胞外部，例如，在各列之端處。
在一些實施例中，Vpre開關可使用由逆控制信號控制之兩個開關實施，其中一個開關可經組態以將工作電極連接至高電壓位準且另一開關可經組態以將工作電極連接至低電壓位準。AC控制信號可係一數位信號，諸如一數位時脈信號。高電壓位準可高於一共同信號(例如，信號Vliq)，且低電壓位準可低於共同信號。因而，可將一AC Vpre信號有效地施加至奈米孔胞。可藉由將(例如，具有不同位準、週期或相位延遲之)不同數位AC控制信號施加至奈米孔胞而將不同Vpre信號施加至不同奈米孔胞。以此方法，可獨立地控制各奈米孔胞。同樣地，可藉由針對奈米孔胞之不同列施加不同控制信號而獨立地控制奈米孔胞之列。
在一些實施例中，若一奈米孔胞未連接至積分電容器(例如，積分電容器Cint 940)，則可在預充電之後對奈米孔胞快速地放電。為了避免快速放電，可在充電、放電及量測之前將奈米孔胞保持於一特定電壓位準(諸如V2)下。例如，可藉由接通預充電開關912且切換Vpre開關918以將Vpre信號904連接至電壓位準V2而將奈米孔胞915保持於電壓位準V2(其可對應於在其期間無資料可量測之暗週期)下。
IV.無額外積分電容器之奈米孔胞
在一些實施例中，奈米孔胞之寄生雙層電容器(例如，電容器426(CBilayer))可用作積分電容器且可足夠大以用於所要雜訊效能，且因此可不需要額外積分電容器，此係因為添加額外積分電容器可增加奈米孔胞之大小且降低電壓位準或增加積分時間。因此，由一奈米孔胞群組共用 之類比組件可包含讀出電晶體950，但可不包含積分電容器Cint 940。
在一些情況中，可期望檢查雙層電容器是否恰當地起作用。然而，可難以在不使用一額外電容器之情況下執行檢查。因此，一校準電容器可用於評估或驗證。在一些實施方案中，可將一開關添加至電路以在信號積分期間將校準電容器斷開連接且出於評估或驗證目的將校準電容器連接至胞。由於在預充電、積分及讀出週期期間，校準電容器與胞斷開連接，故其將不影響量測結果(例如，量測結果中之雜訊)且因此可使其變小。
圖11係根據某些實施例之一奈米孔感測器晶片之奈米孔胞之一簡化電路1100。電路1100可包含共用包含一或多個類比組件(諸如一校準電容器Ccal 1140及一讀出電晶體1150)之一類比量測電路1105之奈米孔胞。類比量測電路1105亦可包含一開關1154，該開關1154透過一行匯流排1180將校準電容器Ccal 1140及讀出電晶體1150連接至一行放大器及ADC電路1160。開關1154可由一RS信號1152控制。讀出電晶體1150可類似於讀出電晶體716，且可連接至一行電源Pcol 1156且形成一源極隨耦器。
共用一些類比組件之奈米孔胞之各者可包含一胞(諸如胞A(1110)或胞B(1130))。各奈米孔胞亦可包含由一預充電信號(例如，預充電A信號1106或預充電B信號1126)控制之一預充電開關(例如，預充電開關1112或1132)。預充電開關可將奈米孔胞連接至一電壓源(例如，Vpre 1104或Vpre 1124)以將奈米孔胞(例如，寄生雙層電容器426(CBilayer))預充電至一已知電壓位準。奈米孔胞之一通路裝置(例如，通路裝置1114或1134)可用於將胞(胞A(1110)或胞B(1130))連接至電壓源Vpre或校準電容 器Ccal 1140及讀出電晶體1150。通路裝置可由一記憶體位元(例如，記憶體位元1108或1128)控制。
各胞可進一步包含一胞選擇開關(例如，胞選擇開關1116或1136)。胞選擇開關可由一胞選擇信號(例如，CS A信號1102或CS B信號1122)控制以在一取樣週期內之不同時間段期間將各胞選擇性地連接至校準電容器Ccal 1140及讀出電晶體1150。另外，當在正常功能模式中量測奈米孔胞時，一開關1142可用於將校準電容器Ccal 1140與電路之剩餘部分斷開連接。當在評估或驗證模式中量測奈米孔胞時，校準電容器Ccal 1140可連接至電路之剩餘部分。
圖12係繪示根據某些實施例之如圖11中展示之一奈米孔感測器晶片之奈米孔胞之控制信號之實例之一時序圖1200。時序圖1200展示包含一預充電A信號1210、一預充電B信號1220、...、一預充電N信號1230、一RS信號1240、一CS A信號1250、一CS B信號1260、...、及一CS N選擇信號1270之控制信號之實例。感測器晶片之取樣週期由一時間段1202指示。由於未使用額外積分電容器，故可在相同或不同時間對共用一些類比組件之奈米孔胞之寄生電容器(例如，電容器426(CBilayer))預充電。
例如，當一脈衝1212在預充電A信號1210上時，可閉合預充電開關1112且可對奈米孔胞A之寄生電容器預充電。當一脈衝1222在預充電B信號1220上時，可閉合預充電開關1132且可對奈米孔胞B之寄生電容器預充電。當一脈衝1232在預充電N信號1230上時，可對奈米孔胞N之寄生電容器預充電。儘管圖12展示在連續脈衝1212、1222、...、與1232之間無時間間隙，然一時間間隙可插入任何兩個連續脈衝之間。在一些實 施例中，脈衝1212、1222、...、及1232可不具有重疊。在一些實施例中，脈衝1212、1222、...、及1232可至少部分重疊。
在預充電週期(脈衝1212、1222、...、或1232之持續時間)之後，奈米孔胞之各者可接著在相同、重疊或非重疊時間段期間由流動通過對應奈米孔之一電流充電或放電。當列選擇信號1240在如由一脈衝1242展示之一較高位準下時，可閉合開關1154以將讀出電晶體1150連接至行放大器及ADC電路1160。當閉合開關1154時，可藉由使用一脈衝1252、一脈衝1262、...、及一脈衝1272(其可一次一個地接通胞選擇開關(例如，胞選擇開關1116及1136))將奈米孔胞循序連接至讀出電晶體1150而一次一個地讀出奈米孔胞上之寄生電容器之電壓位準。儘管圖12展示在連續脈衝1252、1262、...、與1272之間無時間間隙，然一時間間隙可插入任何兩個連續脈衝之間。
在上文關於圖9及圖10描述之奈米孔感測器晶片中，各奈米孔胞可在預充電、積分及讀出週期期間連接至共用量測電路。相比之下，在上文關於圖11及圖12描述之奈米孔感測器晶片中，各奈米孔胞可僅在讀出週期期間連接至共用量測電路。
V.例示性方法
圖13係繪示根據某些實施例之使用包含一組奈米孔胞之一感測器晶片進行核酸定序之一方法之一實施例之一流程圖1300。奈米孔胞之各者可包含如上文描述之一奈米孔。奈米孔胞組之兩個或兩個以上奈米孔胞可共用如上文關於(例如)圖9至圖12描述之一些類比電路組件。
在方塊1310處，一胞選擇開關(諸如胞選擇開關916)可將一第一奈米孔胞(例如，第一奈米孔胞915)連接至一量測電路(例如，類比 量測電路905)。胞選擇開關可由一胞選擇信號(例如，CS A信號902)控制。當第一奈米孔胞連接至量測電路時，其他奈米孔胞可與量測電路斷開連接。如上文描述，在一些實施例中，量測電路包含一積分電容器(例如，積分電容器Cint 940)、一緩衝放大器(例如，讀出電晶體950)及用於將積分電容器連接至一類比轉數位轉換電路(例如，行放大器及ADC電路960)之一開關(例如，開關954)。
在方塊1320處，可在量測電路處產生與第一奈米孔胞之奈米孔之一狀態相關聯之一第一信號。在一些實施例中，可首先將積分電容器預充電至一電壓位準，且可接著針對一積分週期藉由通過第一奈米孔胞之奈米孔之一電流對積分電容器充電或放電。在一些實施例中，積分電容器可透過一開關連接至兩個或兩個以上電壓源之一者以被預充電至兩個或兩個以上電壓位準之一者。積分時間可小於(例如)感測器晶片之取樣週期(例如，1ms)之一半、四分之一、八分之一。通過第一奈米孔胞之奈米孔之電流可與第一奈米孔胞之狀態(諸如如上文描述在第一奈米孔胞處發生之一開放通道或一穿線事件)相關。積分週期之後積分電容器上之所得電壓位準可變為第一信號。
在方塊1330處，量測電路及類比轉數位轉換電路可量測第一信號。例如，開關(例如，開關954)可透過緩衝放大器將積分電容器連接至一類比轉數位轉換電路。開關可由一列選擇信號(例如，RS信號952)控制。在一些實施例中，緩衝放大器可包含經組態以為一源極隨耦器之一電晶體。類比轉數位轉換電路可將自積分電容器讀出之電壓信號轉換為一數位值，該數位值可用於判定第一奈米孔胞之狀態。
在方塊1340處，胞選擇開關(例如，胞選擇開關916)可將 第一奈米孔胞(例如，第一奈米孔胞915)與量測電路(例如，類比量測電路905)斷開連接。例如，可在胞選擇信號(例如，CS A信號902)之控制下斷開胞選擇開關以將量測電路與第一奈米孔胞斷開連接。
在方塊1350處，在量測第一信號之後，一第二胞選擇開關(諸如胞選擇開關936)可將一第二奈米孔胞(例如，第二奈米孔胞925)連接至量測電路(例如，類比量測電路905)。第二胞選擇開關可由一第二胞選擇信號(例如，CS B信號922)控制。當第二奈米孔胞連接至量測電路時，其他奈米孔胞可與量測電路斷開連接。在一些實施例中，第二奈米孔胞及第一奈米孔胞在感測器晶片之一相同行上。
在方塊1360處，可在量測電路處產生與第二奈米孔胞之奈米孔之一狀態相關聯之一第二信號。例如，可首先將積分電容器(例如，積分電容器Cint 940)預充電至一電壓位準，且可接著針對一積分週期藉由通過第二奈米孔胞之奈米孔之一電流對該積分電容器充電或放電。通過第二奈米孔胞之奈米孔之電流可與第二奈米孔胞之狀態(諸如如上文描述在第二奈米孔胞處發生之一開放通道或一穿線事件)相關。在積分週期之後在積分電容器上之所得電壓位準可變為第二信號。
在方塊1370處，量測電路及類比轉數位轉換電路可量測第二信號。例如，量測電路之開關(例如，開關954)可透過量測電路之緩衝放大器(例如，讀出電晶體950)將積分電容器連接至類比轉數位轉換電路。類比轉數位轉換電路可將自積分電容器讀出之電壓信號轉換為一數位值，該數位值可用於判定第二奈米孔胞之狀態。
在方塊1380處，第二胞選擇開關(例如，胞選擇開關936)可將第二奈米孔胞(例如，第一奈米孔胞925)與量測電路(例如，類比量測 電路905)斷開連接。例如，可在胞選擇信號(例如，CS B信號922)之控制下斷開第二胞選擇開關以將量測電路與第二奈米孔胞斷開連接。
應注意，儘管圖13將操作描述為一循序程序，然許多操作可並行或同時執行。另外，可重新配置操作之順序。例如，在一些實施例中，可互換方塊1330及1340處之操作，或可互換方塊1370及1380處之操作。一操作可具有未包含於圖中之額外步驟。一些操作可係選用的，且因此可在各項實施例中省略。在一個方塊中描述之一些操作可與在另一方塊處之操作一起執行。例如，可並行執行一些操作。此外，可以硬體、軟體、韌體、中介軟體、微代碼、硬體描述語言或其等之任何組合實施方法之實施例。
VI.電腦系統
本文中提及之任何電腦系統(諸如處理器224及記憶體226、數位處理器430等)可利用任何適合數目個子系統。在圖14中於電腦系統10中展示此等子系統之實例。在一些實施例中，一電腦系統包含一單一電腦設備，其中子系統可係電腦設備之組件。在其他實施例中，一電腦系統可包含多個電腦設備，各為具有內部組件之一子系統。一電腦系統可包含桌上型及膝上型電腦、平板電腦、行動電話及其他行動裝置。
圖14中展示之子系統係經由一系統匯流排75互連。展示額外組件，諸如一印表機74、鍵盤78、(若干)儲存裝置79、監視器76(其耦合至顯示器配接器82)及其他組件。耦合至I/O控制器71之周邊設備及輸入/輸出(I/O)裝置可藉由此項技術中已知之任何數目個構件(諸如輸入/輸出(I/O)埠77(例如，USB、FireWire®))連接至電腦系統。例如，I/O埠77或外部介面81(例如，乙太網路、Wi-Fi等)可用於將電腦系統10連接至一廣 域網路(諸如網際網路)、一滑鼠輸入裝置或一掃描器。經由系統匯流排75之互連容許中央處理器73與各子系統通信且控制來自系統記憶體72或(若干)儲存裝置79(例如，一固定磁碟，諸如一硬碟或光碟)之複數個指令之執行以及資訊在子系統之間之交換。系統記憶體72及/或(若干)儲存裝置79可體現一電腦可讀媒體。另一子系統係一資料收集裝置85，諸如一相機、麥克風、加速度計及類似者。本文中提及之任何資料可自一個組件輸出至另一組件且可輸出給使用者。
一電腦系統可包含(例如)藉由外部介面81、藉由一內部介面或經由可抽換式儲存裝置(其等可自一個組件連接及抽換至另一組件)連接在一起之複數個相同組件或子系統。在一些實施例中，電腦系統、子系統或設備可經由一網路通信。在此等例項中，一個電腦可被視為一用戶端且另一電腦可被視為一伺服器，其中各可係一相同電腦系統之部分。一用戶端及一伺服器可各包含多個系統、子系統或組件。
實施例之態樣可使用硬體(例如，一特定應用積體電路或場可程式化閘陣列)以控制邏輯之形式及/或使用具有一通常可程式化處理器之電腦軟體以一模組化或整合方式實施。如本文中使用，一處理器包含一單核心處理器、在一相同積體晶片上之多核心處理器或在一單一電路板上或網路化之多個處理單元。基於本文中提供之揭示內容及教示，一般技術者將知道並瞭解用於使用硬體以及硬體及軟體之一組合實施本發明之實施例之其他方式及/或方法。
本申請案中描述之軟體組件或功能之任何者可實施為軟體程式碼以由一處理器使用任何適合電腦語言(諸如(例如)Java、C、C++、C#、Objective-C、Swift或諸如Perl或Python之指令檔語言)使用(例如)習 知或物件導向式技術執行。軟體程式碼可作為一系列指令或命令儲存於一電腦可讀媒體上以供儲存及/或傳輸。一適合非暫時性電腦可讀媒體可包含隨機存取記憶體(RAM)、一唯讀記憶體(ROM)、一磁性媒體(諸如一硬碟或一軟碟)或一光學媒體(諸如一光碟(CD)或DVD(數位多功能光碟))、快閃記憶體及類似者。電腦可讀媒體可係此等儲存或傳輸裝置之任何組合。
此等程式亦可使用經調適用於經由符合各種協定之有線、光學及/或無線網路(包含網際網路)傳輸之載波信號編碼及傳輸。因而，可使用運用此等程式編碼之一資料信號產生一電腦可讀媒體。運用程式碼編碼之電腦可讀媒體可與一相容裝置一起封裝或與其他裝置(例如，經由網際網路下載)分開提供。任何此電腦可讀媒體可駐留在一單一電腦產品(例如，一硬碟、一CD或一整個電腦系統)上或內，且可存在於一系統或網路內之不同電腦產品上或內。一電腦系統可包含一監視器、印表機或用於將本文中提及之任何結果提供給一使用者之其他適合顯示器。
本文中描述之任何方法可完全或部分使用包含可經組態以執行步驟之一或多個處理器之一電腦系統執行。因此，實施例可係關於經組態以執行本文中描述之任何方法之步驟之電腦系統(潛在地具有執行一各自步驟或步驟之一各自群組之不同組件)。雖然呈現為編號步驟，但本文中之方法之步驟可在一相同時間或以一不同順序執行。另外，此等步驟之部分可與來自其他方法之其他步驟之部分一起使用。又，一步驟之全部或部分可係選用的。另外，任何方法之任何步驟可使用用於執行此等步驟之模組、單元、電路或其他構件執行。
特定實施例之具體細節可以任何適合方式組合而不脫離本 發明之實施例之精神及範疇。然而，本發明之其他實施例可係關於與各個別態樣或此等個別態樣之特定組合相關之特定實施例。
已出於圖解及描述之目的呈現本發明之例示性實施例之上文描述。其不旨在為詳盡性或將本發明限於所描述之精確形式，且鑑於上文中之教示，許多修改及變動係可行的。
「一」、「一個」或「該」之一陳述旨在意謂「一或多個」，除非具體指示為相反情況。「或」之使用旨在意謂一「包含性或」且非一「排他性或」，除非具體指示為相反情況。提及一「第一」組件不一定需要提供一第二組件。再者，提及一「第一」或一「第二」組件不將所提及組件限於一特定位置，除非明確陳述。術語「基於」旨在意謂「至少部分基於」。
本文中提及之全部專利、專利申請案、公開案及描述之全文出於全部目的以引用的方式併入。無案被承認為係先前技術。
描述以下實施例：一種用於核酸定序之感測器晶片，其包括：一組胞，各胞包含一奈米孔，其中與該奈米孔相關聯之一電信號對應於該胞之一狀態；一讀出匯流排，其用於該組胞；一類比量測電路，其經組態以對該電信號取樣且透過一開關將該經取樣電信號發送至該讀出匯流排，其中該經取樣電信號之一信號位準指示該胞之該狀態；及一組胞選擇開關，各胞選擇開關經組態以將一各自胞連接至該類比量測電路， 其中該組胞選擇開關經組態以在該感測器晶片之一週期性取樣週期期間一次一個地被啟動以將該組胞一次一個地連接至該類比量測電路。
本文中描述之該感測器晶片，其中該電信號包含通過該奈米孔之一電流信號。
本文中描述之該感測器晶片，其中該類比量測電路包含經組態以對該電流信號進行積分以產生一電壓信號之一積分電容器。
本文中描述之該感測器晶片，其中該組胞之各胞包含經組態以與一對應胞選擇開關組合，將該胞及該類比量測電路連接至一預充電信號之一預充電開關。
本文中描述之該感測器晶片，其中該組胞之各胞包含經組態以將該胞交替地連接至兩個預充電電壓位準之一電壓選擇開關。
如上文描述之該感測器晶片，其中該類比量測電路包含經組態以將該類比量測電路連接至一類比轉數位轉換電路之一電晶體。
如上文描述之該感測器晶片，其中該電晶體經組態為一源極隨耦器。
如上文描述之該感測器晶片，其進一步包括：一校準電容器；及一校準開關，其經組態以：在胞評估期間將該校準電容器連接至該類比量測電路；且在該胞評估之後將該校準電容器與該類比量測電路斷開連接。
如上文描述之該感測器晶片，其中：該組胞在該感測器晶片之一相同行上；且該讀出匯流排係該感測器晶片之一行匯流排。
一種使用一感測器晶片進行核酸定序之方法，該感測器晶片包含各包含一奈米孔之一組奈米孔胞，該方法包括：將該組奈米孔胞之一第一奈米孔胞連接至一類比量測電路，其中該類比量測電路在該感測器晶片之該組奈米孔胞與一讀出匯流排之間；在該類比量測電路處產生與該第一奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一第一信號；經由該讀出匯流排及將類比量測電路連接至該讀出匯流排之一開關量測在該類比量測電路處產生之該第一信號；將該第一奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接；將該組奈米孔胞之一第二奈米孔胞連接至該類比量測電路；在該類比量測電路處產生與該第二奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一第二信號；經由該讀出匯流排及該開關量測在該類比量測電路處產生之該第二信號；及將該第二奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接。
如上文描述之該方法，其中：產生該第一信號包括：將該第一奈米孔胞及該類比量測電路之一積分電容器連接至一第一預充電電壓源以對該積分電容器及該第一奈米孔胞預充電；將該第一奈米孔胞及該積分電容器與該第一預充電電壓源斷開連接；及藉由通過該第一奈米孔胞之該奈米孔之一電流信號針對一積分週期對該積分電容器充電或放電以產生該第一信號；且 產生該第二信號包括：將該第二奈米孔胞及該積分電容器連接至一第二預充電電壓源以對該積分電容器及該第二奈米孔胞預充電；將該第二奈米孔胞及該積分電容器與該第二預充電電壓源斷開連接；及藉由通過該第二奈米孔胞之該奈米孔之一電流信號針對該積分週期對該積分電容器充電或放電以產生該第二信號。
如上文描述之該方法，其進一步包括：將該第一預充電電壓源及該第二預充電電壓源連接至一高位準信號或一低位準信號。
如上文描述之該方法，其中該積分週期短於該感測器晶片之一取樣週期之一半。
如上文描述之該方法，其中：該第一信號係一電壓信號；且量測該第一信號包含使用一類比轉數位轉換電路透過一緩衝放大器量測該第一信號。
如上文描述之該方法，其進一步包括：在將該第一奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接之後將該第一奈米孔胞連接至一電壓信號。
一種使用一感測器晶片進行核酸定序之方法，該感測器晶片包含各包含一奈米孔之一組奈米孔胞，該方法包括針對該組奈米孔胞之各奈米孔胞：將該奈米孔胞連接至一類比量測電路，其中該類比量測電路在該感 測器晶片之該組奈米孔胞與一讀出匯流排之間；在該類比量測電路處產生與該奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一信號；經由該讀出匯流排及將該類比量測電路連接至該讀出匯流排之一開關量測在該類比量測電路處產生之該信號；及將該奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接。
一種使用一感測器晶片進行核酸定序之方法，該感測器晶片包含各包含一奈米孔之一組奈米孔胞，該方法包括：將該組奈米孔胞之一第一奈米孔胞連接至一類比量測電路，其中：該感測器晶片包含用於該組奈米孔胞之一共用讀出匯流排；該組奈米孔胞共用該類比量測電路；及該類比量測電路透過一開關耦合至該共用讀出匯流排且經組態以一次一個地連接至該組奈米孔胞；使用該類比量測電路量測與該第一奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一第一信號；將該第一奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接；將該組奈米孔胞之一第二奈米孔胞連接至該類比量測電路；使用該類比量測電路量測與該第二奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一第二信號；及將該第二奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接。
如上文描述之該方法，其中該第一信號係一電流信號或一電壓信號。
如上文描述之該方法，其中該類比量測電路包含一積分電容器及一 緩衝器。
如上文描述之該方法，其中量測該第一信號包括：將該類比量測電路連接至該共用讀出匯流排，其中該共用讀出匯流排連接至一類比轉數位轉換電路。
一種電腦產品，其包括儲存用於控制一定序系統以執行上文之方法之任何者之操作之複數個指令之一電腦可讀媒體。
一種定序系統，其包括：如上文描述之電腦產品；及一或多個電路，其或其等用於執行儲存於電腦可讀媒體上之指令。
一種系統，其包括用於執行上文之方法之任何者之構件。
一種系統，其經組態以執行上文之方法之任何者。
一種系統，其包括分別執行上文之方法之任何者之步驟之模組。
100:奈米孔胞
102:薄膜
104:奈米孔
106:絕緣體
108:電解液
110:金屬工作電極
112:類比量測電路
114:本體電解液
116:反電極(CE)
117:參考電極

Claims (25)

  1. 一種用於核酸定序之感測器晶片，其包括：一組胞，各胞包含一奈米孔，其中與該奈米孔相關聯之一電信號對應於該胞之一狀態；一讀出匯流排，其用於該組胞；一類比量測電路，其經組態以對該電信號取樣且透過一開關將該經取樣電信號發送至該讀出匯流排，其中該經取樣電信號之一信號位準指示該胞之該狀態；及一組胞選擇開關，各胞選擇開關經組態以將一各自胞連接至該類比量測電路，其中該組胞選擇開關經組態以在該感測器晶片之一週期性取樣週期期間一次一個地被啟動以將該組胞一次一個地連接至該類比量測電路。
  2. 如請求項1之感測器晶片，其中該電信號包含通過該奈米孔之一電流信號。
  3. 如請求項2之感測器晶片，其中該類比量測電路包含經組態以對該電流信號進行積分以產生一電壓信號之一積分電容器。
  4. 如請求項1至3中任一項之感測器晶片，其中該組胞之各胞包含經組態以與一對應胞選擇開關組合，將該胞及該類比量測電路連接至一預充電信號之一預充電開關。
  5. 如請求項4之感測器晶片，其中該組胞之各胞包含經組態以將該胞交替地連接至兩個預充電電壓位準之一電壓選擇開關。
  6. 如請求項1至3中任一項之感測器晶片，其中該類比量測電路包含經組態以將該類比量測電路連接至一類比轉數位轉換電路之一電晶體。
  7. 如請求項6之感測器晶片，其中該電晶體經組態為一源極隨耦器。
  8. 如請求項1至3中任一項之感測器晶片，其進一步包括：一校準電容器；及一校準開關，其經組態以：在胞評估期間將該校準電容器連接至該類比量測電路；且在該胞評估之後將該校準電容器與該類比量測電路斷開連接。
  9. 如請求項1至3中任一項之感測器晶片，其中：該組胞在該感測器晶片之一相同行上；且該讀出匯流排係該感測器晶片之一行匯流排。
  10. 一種使用一感測器晶片進行核酸定序之方法，該感測器晶片包含各包含一奈米孔之一組奈米孔胞，該方法包括：將該組奈米孔胞之一第一奈米孔胞連接至一類比量測電路，其中該類比量測電路在該感測器晶片之該組奈米孔胞與一讀出匯流排之間； 在該類比量測電路處產生與該第一奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一第一信號；經由該讀出匯流排及將類比量測電路連接至該讀出匯流排之一開關量測在該類比量測電路處產生之該第一信號；將該第一奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接；將該組奈米孔胞之一第二奈米孔胞連接至該類比量測電路；在該類比量測電路處產生與該第二奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一第二信號；經由該讀出匯流排及該開關量測在該類比量測電路處產生之該第二信號；及將該第二奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接。
  11. 如請求項10之方法，其中：產生該第一信號包括：將該第一奈米孔胞及該類比量測電路之一積分電容器連接至一第一預充電電壓源以對該積分電容器及該第一奈米孔胞預充電；將該第一奈米孔胞及該積分電容器與該第一預充電電壓源斷開連接；及藉由通過該第一奈米孔胞之該奈米孔之一電流信號針對一積分週期對該積分電容器充電或放電以產生該第一信號；且產生該第二信號包括：將該第二奈米孔胞及該積分電容器連接至一第二預充電電壓源以對該積分電容器及該第二奈米孔胞預充電； 將該第二奈米孔胞及該積分電容器與該第二預充電電壓源斷開連接；及藉由通過該第二奈米孔胞之該奈米孔之一電流信號針對該積分週期對該積分電容器充電或放電以產生該第二信號。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包括：將該第一預充電電壓源及該第二預充電電壓源連接至一高位準信號或一低位準信號。
  13. 如請求項11之方法，其中該積分週期短於該感測器晶片之一取樣週期之一半。
  14. 如請求項10至13中任一項之方法，其中：該第一信號係一電壓信號；且量測該第一信號包含使用一類比轉數位轉換電路透過一緩衝放大器量測該第一信號。
  15. 如請求項10至13中任一項之方法，其進一步包括：在將該第一奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接之後將該第一奈米孔胞連接至一電壓信號。
  16. 一種使用一感測器晶片進行核酸定序之方法，該感測器晶片包含各包含一奈米孔之一組奈米孔胞，該方法包括針對該組奈米孔胞之各奈米孔 胞：將該奈米孔胞連接至一類比量測電路，其中該類比量測電路在該感測器晶片之該組奈米孔胞與一讀出匯流排之間；在該類比量測電路處產生與該奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一信號；經由該讀出匯流排及將該類比量測電路連接至該讀出匯流排之一開關量測在該類比量測電路處產生之該信號；及將該奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接。
  17. 一種使用一感測器晶片進行核酸定序之方法，該感測器晶片包含各包含一奈米孔之一組奈米孔胞，該方法包括：將該組奈米孔胞之一第一奈米孔胞連接至一類比量測電路，其中：該感測器晶片包含用於該組奈米孔胞之一共用讀出匯流排；該組奈米孔胞共用該類比量測電路；及該類比量測電路透過一開關耦合至該共用讀出匯流排且經組態以一次一個地連接至該組奈米孔胞；使用該類比量測電路量測與該第一奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一第一信號；將該第一奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接；將該組奈米孔胞之一第二奈米孔胞連接至該類比量測電路；使用該類比量測電路量測與該第二奈米孔胞之該奈米孔之一狀態相關聯之一第二信號；及將該第二奈米孔胞與該類比量測電路斷開連接。
  18. 如請求項17之方法，其中該第一信號係一電流信號或一電壓信號。
  19. 如請求項17或18之方法，其中該類比量測電路包含一積分電容器及一緩衝器。
  20. 如請求項17或18之方法，其中量測該第一信號包括：將該類比量測電路連接至該共用讀出匯流排，其中該共用讀出匯流排連接至一類比轉數位轉換電路。
  21. 一種電腦產品，其包括儲存用於控制一定序系統以執行如請求項10至20中任一項之方法之操作之複數個指令之一電腦可讀媒體。
  22. 一種定序系統，其包括：如請求項21之電腦產品；及一或多個電路，其或其等用於執行儲存於電腦可讀媒體上之指令。
  23. 一種定序系統，其包括用於執行如請求項10至20中任一項之方法之構件。
  24. 一種定序系統，其經組態以執行如請求項10至20中任一項之方法。
  25. 一種定序系統，其包括分別執行如請求項10至20中任一項之方法之步驟之模組。
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