用于执行电化学反应的装置和方法
【专利说明】
[0001] 本申请为2010年5月27日提交的国际申请号为PCT/US2010/001553、发明名称为 "用于执行电化学反应的装置和方法"的PCT申请的分案申请，该PCT申请进入中国国家阶 段日期为2011年12月29日，国家申请号为201080029374. 6。
[0002] 本申请是2010年5月24日提交的美国专利申请序列号12/785,716的继续申 请，后者是2009年5月29日提交的美国专利申请序列号12/474, 897和12/475,311的部 分继续申请，且本申请要求这些申请和2010年2月22日提交的美国临时专利申请序列号 61/306, 924的利益。所有前述申请都通过引用整体并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及电化学领域。
【背景技术】
[0004] 电化学检测是有吸引力的，因为它会提供高灵敏度、小尺寸、低成本、快响应、和 与微制造工艺的相容性，例如Hughes等人，Science, 254:74-80(1991) ;Mir等人，Elec trophoresis,30:3386-3397(2009) ；Trojanowicz, Anal. Chim. Acta, 653:36-58(2009)； Xu等人，Talanta, 80:8-18(2009);等。这些特征已经导致基于电流信号、电位信号 或阻抗信号的多种传感器的开发以及它们装配进用于化学、生物化学和细胞用途的阵 列中，例如 Yeow 等人，Sensors and Actuators B 44:434-440(1997) ;Martinoia 等 人,Biosensors&Bioelectronics, 16:1043-1050(2001) ；Hammond 等人,IEEE Sensors J. ,4:706-712(2004) ;Milgrew 等人，Sensors and Actuators B 103:37-42(2004); Milgrew等人，Sensors and Actuators B, 111-112:347-353(2005) ;Hizawa等人，Sensors and Actuators B, 117:509-515 (2006) ；Heer 等人,Biosensors and Bioelectroni cs，22:2546_2553(2007) ;Barbaro 等人，Sensors and Actuators B,I18:41-46(2006); Anderson 等人，Sensors and Actuators B, 129:79-86(2008) ;Rothberg 等人，美国专利 公开2009/0127589 ;Rothberg等人，英国专利申请GB24611127;等。具体地，这些开发中 的几个涉及使用大规模电化学传感器阵列来监测被限制在这样的阵列上的大量分析物的 多个反应步骤，例如Anderson等人（上面引用的）；Rothberg等人（上面引用的）；等。通 常，在这样的系统中，将分析物随机地分布在限制区（诸如微孔或反应室）的阵列中，并由 流控系统将试剂递送至这样的区域，所述流控系统引导试剂流通过含有传感器阵列的流动 池。通过一个或多个与每个微孔关联的电子传感器，可以监测在其中发生反应的微孔以及 在其中不发生反应的空孔。
[0005] 这样的系统容易发生许多相关的现象，所述现象使得高灵敏度测量面临挑战，特 别是在低信号条件下。这样的现象包括：电传感器的不稳定的参比电压、缺少关于哪个限制 区含有分析物的知识、由流动流递送给被限制在阵列不同区域的分析物的试剂的量的差异 性、顺序递送的试剂的潜在混合、仪器温度的变化、可能影响流体电势的流体泄漏、外来电 干扰（例如60Hz噪音、手机）等，所有这些都可能影响收集的信号的质量。另外，对于特定 用途，可能存在与下述因素有关的其它挑战：使用的特定试剂、传感器对待测分析物的灵敏 度、干扰化合物（诸如其它反应副产物）的存在与否等。
[0006] 考虑到上述方面，有利的是，具有克服了现有方案的缺陷的可利用的系统，所述系 统用于对大量分析物平行地进行多试剂的电化学反应。
【发明内容】
[0007] 本发明涉及用于将多个试剂递送给多个反应的装置和方法，所述多个反应在大规 模电子传感器阵列上进行并由后者监测。在一个方面，本发明提供了用于减少由这样的电 子传感器响应于反应条件的变化而产生的输出信号中的噪音的装置和方法。在许多实现和 用途中例证了本发明，其中的一些总结在下面和在本说明书中。
[0008] 在一个方面，本发明包括用于进行多步骤电化学反应的装置，其中穿过反应流动 室将稳定的参比电压提供给监测这样的多步骤电化学反应的电子传感器。在一个实施方 案中，所述装置包括：(a) -个或多个反应器，每个反应器连接至用于监测反应器中的产物 的电子传感器，所述电子传感器产生与产物的浓度或存在有关的输出信号，所述输出信号 依赖于参比电压；(b)用于将多种电解质一次一种电解质地顺序地递送给反应器的流控系 统；和（C)与多种电解质中选择的电解质接触的参比电极，所述参比电极与反应室流体连 通，并提供参比电压给每个电子传感器，且所述参比电极不接触任何未选择的电解质。如下 面更完整地描述的，在一个实施方案中，所述一个或多个反应器是设置在chemFET传感器 阵列上的微孔阵列，所述chemFET传感器又设置在与微孔流体连通的流动池中。
[0009] 在另一个方面，本发明包括一种装置，所述装置包括传感器阵列，所述传感器阵列 包括浮动闸离子敏感的场效应晶体管，在所述场效应晶体管上由流动池限定出流动通道， 使得通过电连接它们的浮动闸，灭活在流动通道之外的阵列传感器。在一个方面，这样的装 置包括：(a)传感器阵列，其包括形成在回路支持基质中的多个传感器，所述阵列的每个传 感器包括具有浮动闸的化学敏感的场效应晶体管（chemFET)，所述chemFET被构造成产生 至少一个与在其附近的一种或多种反应产物的浓度或存在有关的电信号；和微孔阵列，其 设置在所述回路支持基质上，使得每个微孔被设置在至少一个传感器上，其中一个或多个 微孔含有分析物；和（b)用于递送试剂给微孔阵列的流控系统，所述流控系统包括具有入 口、出口和流动室的流动池，所述流动室限定试剂从入口至出口经过时试剂的流动通道，其 中所述流动室被构造成在流动通道中经微孔的开放部分横向地递送试剂，且其中在流动通 道之外的传感器的浮动闸被电连接并保持在共同电压。
[0010] 在另一个方面，本发明包括用于定位分布在多个微孔中的分析物的方法，所述方 法包括下述步骤：(a)提供多个设置在传感器阵列上的微孔，其中每个微孔具有与流动室 流体连通的开口且能够保留至少一种分析物，且其中每个微孔被设置在至少一个传感器 上，所述至少一个传感器构造成响应于在其附近的试剂提供至少一个输出信号；(b)将流 动室中的试剂从第一试剂（传感器响应于该第一试剂产生第一输出信号）改变为第二试剂 (传感器响应于该第二试剂产生第二输出信号）；和（c)将响应于所述改变的来自传感器的 第二输出信号的时间延迟与分析物在它的对应的微孔中的存在相关联。
[0011] 在一个有关的方面，本发明另外包括一种制品，所述制品包括：传感器阵列，所述 传感器阵列包括形成在回路支持基质中的多个传感器，所述阵列的每个传感器被构造成产 生至少一个与在其附近的一种或多种预定的物质的浓度或存在有关的电信号；和微孔阵 列，其设置在所述回路支持基质上，使得其中的每个微孔具有在微孔阵列表面上的开口且 被设置在至少一个传感器上；和多种随机地分布在微孔中的分析物，其位置可通过它的对 应的传感器所产生的输出信号来确定。在一个实施方案中，这样的分析物各自包含颗粒，所 述颗粒具有与其相连的核酸片段（诸如基因组DNA片段、cDNA片段等）的克隆群体。
[0012] 在另一个方面，本发明提供了一种减少来自传感器阵列的输出信号中的噪音的方 法，所述输出信号与设置在微孔阵列中的反应和/或分析物有关。这样的方法包括下述步 骤：(a)将分析物设置在微孔阵列上，使得微孔中的部分含有分析物；(b)获得由含有分析 物或反应副产物的微孔产生的输出信号；和（C)从这样的输出信号减去来自不含有分析物 或反应副产物的邻近微孔的输出信号均值。
[0013] 许多例证的实现和应用中，解释了本发明的这些上面表征的方面、以及其它方面， 其中的一些显示在附图中，并表征在附随的权利要求部分中。但是，上面的简介无意描述本 发明的每个例证的实施方案或每个实现。
【附图说明】
[0014] 图IA图解了本发明的装置的一个实施方案的组件。
[0015] 图IB图解了流体-流体参比电极界面的第一个实施例的横截面，其中参比电极引 入在试剂通道中流动池的下游。
[0016] 图IC和ID图解了构建装置来实现图IB的流体-流体界面的方法的2个替代实 施例。
[0017] 图IE图解了流体-流体参比电极界面的第二个实施例的横截面，其中参比电极引 入在试剂通道中流动池的上游。
[0018] 图2A图解了具有外部参比电极的流动池的断面，和一个示例性的电子传感器的 放大图。
[0019] 图2B图解了 2种顺序试剂在一部分微孔阵列上的移动，在所述不同试剂之间具有 理想的均匀流锋线。
[0020] 图2C图解了颗粒如何延迟传感器活性试剂的前进，由此建立输出信号时间延迟， 其可以用于测定颗粒在微孔中的存在。
[0021] 图2D对比了来自含有颗粒的微孔和没有颗粒的微孔的输出信号数据。
[0022] 图3A的图图解了穿过具有对角线相对的入口和出口的流动室的流动通道。
[0023] 图3B是用于制造浮动闸chemFET的传感器阵列的掩模的顶视图，其中在对角线流 动区以外的chemFET的浮动闸在制造过程中被电连接，以便消除由在对角线流动区以外的 未使用的传感器产生的噪音或使其最小化。
[0024] 图3C的图显示了在大规模微孔阵列中的分析物沉积物的密度，这通过暴露于阶 跃函数PH变化所引起的传感器输出信号变化来测定。
[0025] 图4A-4D显示了流动池组件的不同视图和它们与微孔-传感器阵列芯片的集成。
[0026] 图4E显示了具有与微孔-传感器芯片集成的2个流动室的流动池。
[0027] 图5A图解了随机地设置在微孔阵列的微孔中的分析物。
[0028] 图5B和5C图解了鉴别在选择的微孔附近的空微孔的不同方法。
[0029] 图6A-6F图解了使用来自局部微孔的信号来减少选择的微孔的传感器的输出信 号中的噪音。
[0030] 图7A-7C图解了适合基于pH的DNA测序的本发明装置的组件。
[0031] 图8A-8C图解了用于顺序地递送不同试剂给用于DNA测序的流动池的流体回路， 其中参比电极仅与洗涤溶液发生连续的流体接触。
【具体实施方式】
[0032] 尽管本发明可发生多种修饰和替代形式，其细节已经通过实施例显示在附图中， 并将详细描述。但是，应当理解，本发明不将发明限于所述的特定实施方案。相反，本发 明意图覆盖落入本发明精神和范围内的所有修饰、等效方案和替代方案。例如，为了例证 目的，在CMOS工艺中实现装置和阵列的微电子学部分。但是，应当理解，公开内容无意 在这方面受到限制，因为其它基于半导体的工艺可以用于实现本文讨论的系统的微电子 学部分的不同方面。关于制备本发明的阵列的指导，可以参见许多可利用的关于集成电 路设计和制造及微型加工的参考文献和论文，包括，但不限于，Alien等人，CMOS Analog Circuit Design(Oxford University Press,第 2 版,2002) ；Levinson,Principles of Lithography,第 2 版（SPIE Press,2005) ;Doering 和 Nishi 编，Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology,第 2 版（CRC Press, 2〇〇7) ;Baker, CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation(IEEE Press, ffiley-Interscience,2008)； Veendrick, Deep-Submicron CMOS ICs(Kluwer-Deventer, 1998) ；Cao, Nanostructures&N anomaterials(Imperial College Press, 2004);等，它们的相关部分特此通过引用并入。 同样地，关于实现本发明的电化学测量的指导，可以参见许多可利用的关于该主题的参考 文献和论文，包括，但不限于，Sawyer等人，Electrochemistry for Chemists，第2版 (ffiley-Interscience, 1995) ;Bard和Faulkner, Electrochemical Methods:Fundamentals and Applications,第2版（Wiley, 2000);等，它们的相关部分特此通过引用并入。
[0033] 在一个方面，本发明涉及用电子传感器实现和监测多个多步骤反应的装置和方 法。所述多步骤反应可以是循环的，诸如在DNA测序反应、DNA合成反应等中，其中进行一 个或多个步骤的重复循环，或者它们可以是非循环的，诸如在多组分标记反应中，例如，在 使用酶标记的夹心试验中。多步骤反应也可以源自生物材料（诸如活细胞或组织样品） 的存在，其中响应于一系列的试剂暴露而检测应答（例如代谢物的存在与否），所述试剂可 以是药物候选分子等。优选地，将本发明的电子传感器集成在传感器阵列中，所述传感器 阵列适用于测知在阵列表面上或附近处发生的单个反应。在一个实施方案中，反应限制区 阵列与这样的传感器阵列是一体的。反应限制区阵列可以是通过常规的微制造或纳米制 造技术制备的微孔阵列或反应室阵列的形式，例如，描述于：Rothberg等人，美国专利公 开US2009/0127589和Rothberg等人，英国专利申请GB24611127。在一个实施方案中， 这种阵列中的每个微孔或反应室具有至少一个处于传感关系中的传感器，使得可以检测或 测量微孔或反应室中的反应的一个或多个特征。通常，本发明的电子传感器会直接地或间 接地（例如，通过使用结合化合物或标记）测量反应副产物，包括，但不限于，反应产生的 化学物质或由反应造成的物理变化，诸如温度的升高或降低，例如如在Rothberg等人（上 面引用的美国和英国专利公开）中所公开的。优选地，本发明的电子传感器会将反应副 产物的存在、浓度或量的变化转化为输出信号，所述输出信号可以是电压水平或电流水平 的变化，其又可以被处理，以产生关于反应的信息。阵列的电子传感器或这样的传感器的 子集，也可以用于监测反应物、指示剂分子、或其它试剂（诸如用于鉴别含有分析物的微孔 的试剂（下面更完整地描述））的存在或浓度。与本发明一起使用的传感器的结构和/或 设计可以宽泛地变化，如通过引用并入本文的下述参考文献所例证的=Rothberg等人，美 国专利公开US2009/0127589 ;Rothberg等人，英国专利申请GB24611127 ;Barbaro等人， 美国专利7, 535, 232 ;Sawada等人，美国专利7, 049, 645 ;Kamahori等人，美国专利公开 2007/0059741 ;Miyahara 等人，美国专利公开 2008/0286767 和 2008/0286762 ;0'uchi,美 国专利公开 2006/0147983 ;0saka 等人，美国专利公开 2007/0207471 ;Esfandyarpour 等 人，美国专利公开2008/0166727 ;等。在一个优选的实施方案中，所述阵列的传感器包括至 少一个化学敏感的场效应晶体管，其构造成产生至少一个与在其附近的化学反应的性质有 关的输出信号。这样的性质可以包括反应物或产物的浓度（或浓度的变化），或诸如温度