用于核酸测序阵列的自旋扭矩振荡器（STO）传感器和用于核酸测序的检测方案的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年4月12日提交的名称为“spintorqueoscillator(sto)sensorsusedinnucleicacidsequencingarraysanddetectionschemesfornucleicacidsequencing”的美国临时申请no.62/833,161和2020年2月14日提交的名称为“spintorqueoscillator(sto)sensorsusedinnucleicacidsequencingarraysanddetectionschemesfornucleicacidsequencing”的美国非临时申请no.16/791,759的权益，这两个申请据此以引用方式并入本文以用于所有目的。
背景技术：
本公开的实施方案整体涉及用于检测耦接到磁性纳米颗粒(mnp)的分子(诸如用于核酸测序，诸如脱氧核糖核酸(dna)测序)的磁阻(mr)传感器阵列，以及使用此类mr传感器阵列进行分子检测的方法。
相关领域的描述
当前最先进的测序系统基于荧光信号检测，并且每次运行提供200亿个读段的吞吐量(https://www.illumina.com/systems/sequencing-platforms/novaseq.html)。然而，实现这种性能可能需要大面积流通池、高精度自由空间成像光学器件和昂贵的高功率激光器来产生足够的荧光信号以成功检测碱基。
用于dna测序的一类核酸测序被称为“合成测序”(sbs)。sbs涉及引物杂交的模板dna的结合、脱氧核苷三磷酸(dntp)的掺入以及掺入的dntp的检测。已经采用两种方法实现了sbs吞吐量的逐渐增加，第一种方法是向外缩放，其中测序器中的流通池的大小和数量增加。该方法提高了试剂的成本和测序系统的价格，因为必须采用更高功率的激光器和高精度的纳米定位器。第二种方法涉及向内缩放，其中增加dna测试位点的密度，使得固定大小的流动池中测序的dna链的总数更多。为了实现向内缩放，必须采用越来越高数值孔径(na)的透镜以在相邻荧光团之间的间距减小时将信号与相邻荧光团区分开。然而，该方法不能无限地实施，因为瑞利标准将可分辨的光源之间的距离设定为0.61λ/na，从而将两条测序dna链之间的最小距离约束为不小于约400nm。类似的分辨率极限适用于直接在成像阵列的顶部上(类似于手机相机)进行测序，其中迄今为止实现的最小像素尺寸为大约1μm(https://www.ephotozine.com/article/complete-guide-to-image-sensor-pixel-size-29652)。
瑞利准则目前表示光学sbs系统的向内缩放的基本限制，这只能通过应用超分辨率成像技术(参见a.m.sydor、k.j.czymmek、e.m.puchner和v.mannella，“super-resolutionmicroscopy:fromsinglemoleculestosupramolecularassemblies”quantitativecellbiology特刊，第25卷，第730页，2015年)来克服，并且尚未在高度复用的系统中实现。因此，由于需要构建更大的流通池和实现更昂贵的光学扫描和成像系统，光学sbs测序器的吞吐量增加和成本降低一直进展缓慢。
因此，需要克服常规装置和方法的限制的用于检测分子诸如核酸的存在的新的和改进的装置和方法。
技术实现要素：
本概述代表本发明的非限制性实施方案。
本文公开了使用磁性颗粒和包括自旋扭矩振荡器(sto)的磁性传感器来执行分子检测的装置和方法，诸如用于核酸测序(例如，使用sbs化学方法的dna测序)。
本文公开了使用磁性纳米颗粒(mnp)来鉴定分子(例如核酸)的改进的检测设备、系统和方法。本文的公开内容包括具有sto的传感器的实施方案，该传感器允许检测指示传感器附近mnp的存在或不存在的特性。本文还公开了检测方法实施方案，该方法可用于检测(例如，测量或获得)由传感器生成的指示存在或不存在mnp的特性或特性变化(例如，响应于由磁性纳米颗粒标签生成的磁场或不生成磁场)。例如，设备和方法可以确定传感器是否正在生成具有处于特定频率或在指定频率范围内的频率的信号，并且基于此来确定传感器是否检测到一个或多个mnp。又如，设备和方法可以检测由传感器生成的信号的变化或不生成信号，并且基于此来确定传感器是否检测到一个或多个mnp。
在一些实施方案中，一种检测设备包括：传感器，该传感器包括sto；至少一个流体通道，该至少一个流体通道被配置为接收待检测的分子，其中待检测的分子中的至少一些分子由mnp标记；以及耦接到该传感器的检测电路，其中该传感器由将该传感器与该至少一个流体通道分开的材料封装，该材料的表面为待检测的分子提供结合位点，并且该检测电路被配置成响应于耦接到与该传感器相关联的一个或多个结合位点的至少一个mnp的存在或不存在而检测sto在指定频带中的磁化振荡的存在或不存在。在一些实施方案中，该至少一个mnp为超顺磁性或铁磁性的。检测电路可包括模拟部件(例如，放大器、混频器、包络检测器等)、数字部件(例如，数字信号处理器或任何其他类型的处理器等)、在模拟域和数字域之间转换信号的部件(例如，模数转换器等)，或这些部件的组合。
在一些实施方案中，检测电路被配置为通过部分地向sto施加dc电流来检测sto在指定频带中的磁化振荡的存在或不存在。
在一些实施方案中，sto的磁化被配置为在不存在该至少一个mnp的情况下在指定频带中振荡，并且在存在该至少一个mnp的情况下不在指定频带中振荡。在其他实施方案中，sto的磁化被配置为在存在该至少一个mnp的情况下在指定频带中振荡，并且在不存在该至少一个mnp的情况下不在指定频带中振荡。
在一些实施方案中，sto的磁化被配置为在不存在该至少一个mnp的情况下在指定频带中振荡，并且在存在该至少一个mnp的情况下在不同频带中振荡，该不同频带与指定频带不相交。在其他实施方案中，sto的磁化被配置为在存在该至少一个mnp的情况下在指定频带中振荡，并且在不存在该至少一个mnp的情况下在不同频带中振荡，该不同频带与指定频带不相交。
在一些实施方案中，检测电路包括超外差检测电路。在一些此类实施方案中，超外差检测电路包括被配置为生成参考信号的参考振荡器，以及耦接到sto的混频器，其中该混频器被配置为将从sto输出的信号与参考信号混合以产生用于处理的输出信号。在具有参考振荡器的一些实施方案中，参考信号的频率基本上等于sto的预期振荡频率，该预期振荡频率在指定频带内。在一些实施方案中，参考信号的频率是能够选择的，并且该检测电路被进一步配置为选择参考信号的频率以基本上匹配sto在存在该至少一个mnp的情况下的预期振荡频率。在一些实施方案中，参考信号的频率是能够选择的，并且该检测电路被进一步配置为选择参考信号的频率以基本上匹配sto在不存在该至少一个mnp的情况下的预期振荡频率。
在一些实施方案中，参考振荡器是第一参考振荡器，并且参考信号是处于第一频率的第一参考信号，该第一频率基本上等于sto响应于存在第一mnp类型的一个或多个mnp的预期振荡频率，并且该超外差电路还包括：第二参考振荡器，该第二参考振荡器被配置为生成处于第二频率的第二参考信号，该第二频率基本上等于sto响应于存在第二类型的一个或多个mnp的预期振荡频率；以及开关，该开关耦接到混频器的第一输入并且被配置为将第一参考振荡器或第二参考振荡器耦接到混频器的第一输入。
在一些实施方案中，检测电路还包括：射频(rf)放大器；耦接到sto和rf放大器的输入并且设置在sto和rf放大器的输入之间的滤波器；以及耦接到混频器的输出的二极管或包络检测器。在一些此类实施方案中，rf放大器耦接到滤波器的输出和混频器的输入并且设置在滤波器的输出和混频器的输入之间。在一些此类实施方案中，该滤波器为高通滤波器或带通滤波器。在一些实施方案中，该滤波器为第一滤波器，并且检测电路还包括：耦接到混频器的输出的第二滤波器；以及附加放大器，该附加放大器耦接到第二滤波器的输出和二极管或包络检测器的输入并且设置在第二滤波器的输出和二极管或包络检测器的输入之间。在一些此类实施方案中，第二滤波器为低通滤波器或带通滤波器。
在一些实施方案中，检测电路包括：耦接到sto的参考振荡器；处理器(例如，数字信号处理器(dsp))；耦接到处理器的输入的模数转换器(adc)；以及低通滤波器或带通滤波器，该低通滤波器或带通滤波器耦接到adc的输入并且被配置为对从sto和参考振荡器输出的信号进行滤波以生成待由该adc和该处理器处理的信号。在一些此类实施方案中，传感器为第一传感器并且该sto为第一sto，并且检测设备还包括第二传感器，该第二传感器具有第二sto，该第二传感器由将该第二传感器与该至少一个流体通道分开的材料封装。在一些此类实施方案中，检测电路被进一步配置为响应于耦接到与第二传感器相关联的一个或多个结合位点的至少一个mnp的存在或不存在而检测第二sto在指定频带中的磁化振荡的存在或不存在，并且参考振荡器也耦接到第二sto。
在一些实施方案中，检测电路包括：直接射频rfadc；耦接到该直接rfadc的输出的数字信号处理器；以及高通或带通滤波器，该高通或带通滤波器设置在该sto和该直接rfadc的输入之间并且耦接到该sto和该直接rfadc的输入。
在一些实施方案中，检测电路包括：耦接到sto的放大器；耦接到放大器的输出的adc；以及耦接到adc的输出的处理器(例如，dsp)。在一些此类实施方案中，处理器被配置为执行机器可执行指令，该机器可执行指令在被执行时，使得处理器识别sto在指定频带内的磁化振荡的存在。在一些实施方案中，检测电路还包括以下中的一者或多者：(a)设置在sto和放大器之间的高通滤波器，(b)设置在sto和放大器之间的带通滤波器，(c)具有第一输入和第二输入以及输出的混频器，第一输入耦接到放大器的输出，第二输入耦接到参考振荡器的输出，并且该混频器的输出耦接到adc的输入，(d)设置在放大器的输出和adc的输入之间的低通滤波器，或(e)设置在放大器的输出和adc的输入之间的带通滤波器。
在包括处理器和adc的一些实施方案中，处理器被配置为执行机器可执行指令，该机器可执行指令在被执行时，使得dsp从adc接收由sto生成的信号的样本，将傅里叶变换应用于该样本，以及确定傅里叶变换的结果是否指示sto在指定频带中的磁化振荡的存在或不存在，以便检测sto在指定频带中的磁化振荡的存在或不存在。
在一些实施方案中，该检测电路包括：处理器(例如，dsp)；和设置在sto与处理器之间的adc。在一些此类实施方案中，adc被配置为向处理器提供由sto生成的信号的样本，并且处理器被配置为执行机器可执行指令，该机器可执行指令在被执行时，使得处理器执行样本的频域分析以检测sto在指定频带中的磁化振荡的存在或不存在。
在一些实施方案中，sto包括钉扎层、自由层以及设置在钉扎层和自由层之间的隔层。在一些此类实施方案中，钉扎层包括一个或多个铁磁(fm)层。在一些实施方案中，该一个或多个fm层是第一一个或多个fm层，并且自由层包括第二一个或多个fm层。在一些实施方案中，隔层包括绝缘层或金属层。在一些实施方案中，在平衡时，自由层的磁矩被取向成与钉扎层的磁矩基本上共线。在一些实施方案中，在平衡时，自由层的磁矩被取向成基本上平行于或反平行于钉扎层的磁矩。在一些实施方案中，在平衡时，自由层的磁矩被取向成与钉扎层的磁矩成角度，其中该角度在大约20度和大约60度之间。
本文还公开了使用包括多个sto和至少一个流体通道的检测设备进行核酸测序的方法。在一些实施方案中，该方法包括：用mnp标记核苷酸前体，将所标记的核苷酸前体添加到该检测设备的流体通道，确定该多个sto中的至少一个sto是否正在生成信号，以及至少部分地基于该多个sto中的该至少一个sto是否正在生成信号的确定，确定是否已检测到所标记的核苷酸前体。在一些实施方案中，确定多个sto中的该至少一个sto是否正在生成信号包括检测在耦接到该多个sto中的该至少一个sto的超外差电路的输出处信号的存在或不存在。在一些实施方案中，确定该多个sto中的至少一个sto是否正在生成信号包括确定该多个sto中的至少一个sto是否正在生成指定频带内的信号。
在一些实施方案中，该方法还包括：在流体通道中将至少一条核酸链结合到结合位点，以及在将所标记的核苷酸前体添加到检测设备的流体通道之前，向流体通道添加可延伸引物和多个核酸聚合酶分子。
在一些实施方案中，该方法还包括响应于确定已检测到所标记的核苷酸前体，记录(a)核苷酸前体的身份，或(b)与所标记的核苷酸前体互补的碱基的身份。
在一些实施方案中，使用包括多个sto和至少一个流体通道的检测设备进行核酸测序的方法包括：用第一mnp类型标记第一核苷酸前体，该第一mnp类型被选择为使得该多个sto中的每个sto的磁化以第一频率振荡；用第二mnp类型标记第二核苷酸前体，该第二mnp类型被选择为使得该多个sto中的每个sto的磁化以第二频率振荡；将所标记的第一核苷酸前体和第二核苷酸前体添加到检测设备的流体通道；检测由该多个sto中的至少一个sto生成的信号的频率；确定由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的频率是匹配第一频率还是匹配第二频率；以及响应于该确定，识别是已检测到第一核苷酸前体还是第二核苷酸前体。
在一些实施方案中，检测由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的频率包括：收集由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的样本；以及将傅里叶变换应用于该样本。在一些实施方案中，检测由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的频率包括：收集由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的样本；以及确定该样本的频率成分。
在一些实施方案中，检测由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的频率包括：将由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号与大约第一频率的第一参考信号混合；以及将由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号与大约第二频率的第二参考信号混合。在一些此类实施方案中，确定由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的频率是匹配第一频率还是匹配第二频率包括：响应于混合的结果大于第一阈值而将由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的频率识别为第一频率；以及响应于混合的结果大于第一阈值或第二阈值，将由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的频率识别为第二频率。
在一些实施方案中，确定由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的频率是匹配第一频率还是匹配第二频率包括：确定由该多个sto中的该至少一个sto生成的信号的频率是大约第一频率还是大约第二频率。
在一些实施方案中，一种用于分子检测的装置包括：至少一个流体通道；多个sto，该多个sto中的每个sto被配置为响应于检测到标记待在至少一个流体通道内检测的分子的mnp而生成rf信号；用于确定该多个sto中的至少一个sto正在生成rf信号的装置；以及用于响应于确定该多个sto中的该至少一个sto正在生成rf信号而确定已检测到待检测的分子的装置。在一些此类实施方案中，用于确定该多个sto中的该至少一个sto正在生成rf信号的装置包括耦接到该多个sto中的该至少一个sto的超外差电路。
在一些实施方案中，一种用于分子检测的装置包括：至少一个流体通道；多个sto，该多个sto中的每个sto被配置为响应于检测到标记待在至少一个流体通道内检测的分子的mnp而停止生成rf信号；用于确定该多个sto中的至少一个sto没有在生成rf信号的装置；以及用于响应于确定该多个sto中的该至少一个sto没有在生成rf信号而确定已检测到待检测的分子的装置。在一些实施方案中，用于确定该多个sto中的该至少一个sto没有在生成rf信号的装置包括耦接到该多个sto中的该至少一个sto的超外差电路。
附图说明
为了可以详细理解本公开的上述特征，参考实施方案对本公开进行更具体的描述，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施方案并且因此不应视为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。
图1a示出了根据一些实施方案的传感器的一部分。
图1b示出了根据一些实施方案的可利用自旋扭矩振荡来感测由磁性颗粒引起的局部磁场的示例性传感器。
图1c示出了根据一些实施方案的传感器的参考层和自由层的分解示意图。
图2a、图2b和图2c示出了根据一些实施方案的电流中的电子如何与薄膜铁磁层相互作用。
图3a、图3b和图3c示出了根据一些实施方案的基于sto的传感器的工作原理。
图4a、图4b和图4c示出了根据一些实施方案的用于分子检测的装置。
图5a、图5b、图5c和图5d示出了根据一些实施方案的用于分子检测的另一个示例性装置的部分。
图5e示出了根据一些实施方案的传感器选择方法。
图5f示出了根据一些实施方案的另一种传感器选择方法。
图6a、图6b和图6c示出了根据一些实施方案的传感器元件的交叉点阵列架构。
图7a示出了根据一些实施方案的用于分子检测的示例性超外差电路。
图7b示出了根据一些实施方案的用于分子检测的另一个示例性超外差电路。
图8a和图8b示出了根据一些实施方案的包括模数转换器(adc)的示例性检测电路。
图9示出了根据一些实施方案的示例性传感器内混频电路。
图10示出了根据一些实施方案的示例性并联阵列操作检测电路，其中参考振荡器耦接到多个sto。
图11示出了根据一些实施方案的适用于使用单个mnp类型进行dna测序的示例性方法。
图12a示出了根据一些实施方案的适用于使用mnp标记的核苷酸前体和可调参考振荡器的dna测序的方法。
图12b示出了根据一些实施方案的适用于使用mnp标记的核苷酸前体和多个参考振荡器的dna测序的方法。
图13a示出了根据一些实施方案的制造检测设备的方法。
图13b示出了根据一些实施方案的图13a的制造工艺的每个步骤的结果。
为了有助于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。可以设想是，在一个实施方案中公开的元件可以有利地用于其他实施方案而无需具体叙述。
具体实施方式
本文公开了使用磁性纳米颗粒(mnp)来鉴定分子(例如核酸)的改进的检测设备、系统和方法。本文的公开内容包括具有自旋扭矩振荡器(sto)的传感器的实施方案，该传感器允许检测指示传感器附近mnp的存在或不存在的特性。本文还公开了检测方法实施方案，该方法可用于检测(例如，测量或获得)由传感器生成的指示存在或不存在mnp的特性或特性变化(例如，响应于由磁性纳米颗粒标签生成的磁场或不生成磁场)。例如，设备和方法可以确定传感器是否正在生成具有处于特定频率或在指定频率范围内的频率的信号，并且基于此来确定传感器是否检测到一个或多个mnp。又如，设备和方法可以检测由传感器生成的信号的变化或不生成信号，并且基于此来确定传感器是否检测到一个或多个mnp。
如本文所用，术语“自旋扭矩振荡器”和首字母缩略词“sto”是指利用由自旋极化电流引起的自旋扭矩所致的磁化进动的任何设备。
在一些实施方案中，mnp偶联到待检测的分子。例如，在dna测序应用中，mnp可标记核苷酸前体，然后将核苷酸前体掺入附连到传感器附近的结合位点的靶dna链中。作为掺入mnp标记的核苷酸前体的结果，至少一个mnp在传感器附近，并且其存在可对sto的行为产生影响。可检测该影响，从而检测mnp的存在。然后可使用mnp的存在来确定特定核苷酸前体已掺入到靶dna链中。
在一些实施方案中，sto传感器被设计成当向sto施加偏置电流时，在存在mnp的情况下以选定频率振荡。然后可通过确定sto是否以选定频率振荡来检测与mnp偶联的分子。具有频率与选定频率大致相同的参考振荡器的超外差检测电路可用于检测sto是否正以选定频率振荡。
在用于dna测序的一些此类实施方案中，单一类型的mnp可标记不同的核苷酸前体。待测序的单链dna可偶联到具有sto的传感器附近的结合位点，并且可掺入由该mnp类型标记的第一核苷酸前体。如果掺入第一核苷酸前体，则在施加偏置电流时sto以选定频率振荡，这允许鉴定掺入的核苷酸前体。在分离和洗去磁性标记并制备用于下一碱基配对的dna链的化学步骤之后，可掺入用相同mnp类型标记的第二核苷酸前体，并重复该检测程序。通过对四种核苷酸前体中的每一种前体重复该过程，可对dna链进行测序，这四种核苷酸前体中的每一种前体均用相同的mnp类型标记。
在一些实施方案中，sto被设计成当施加偏置电流时，在不存在mnp的情况下以选定频率振荡。然后可将类似于上述程序的程序用于dna测序应用，但根据不存在所选频率的振荡来检测核苷酸前体的掺入。
在一些实施方案中，当施加偏置电流时，sto响应于不同mnp类型而以不同频率振荡。例如，由第一mnp类型生成的磁场可使得sto以第一频率振荡，并且由第二mnp类型生成的磁场可使得sto以第二频率振荡。通过确定sto振荡的频率，可确定是否存在第一mnp类型、是否存在第二mnp类型，或者是否既不存在第一mnp类型，也不存在第二mnp类型。
在用于dna测序的一些此类实施方案中，不同类型的mnp可标记不同的核苷酸前体。待测序的单链dna可偶联到具有sto的传感器附近的结合位点，并且可掺入所有四种核苷酸前体，每一种前体用不同的mnp类型标记。如果掺入由第一mnp类型标记的第一核苷酸前体，则当施加偏置电流时，sto以第一频率振荡。如果掺入由第二mnp类型标记的第二核苷酸前体，则当施加偏置电流时，sto以第二频率振荡，依此类推。通过检测sto振荡的频率，可确定所掺入的核苷酸前体的身份，并且可对dna链进行测序。
在下文中，参考本公开的实施方案。然而，应当理解的是，本公开不限于具体描述的实施方案。相反，思考以下特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施方案相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方案可以实现优于其他可能解决方案和/或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施方案来实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方案和优点仅是例示性的，并且不被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在一项或多项权利要求中明确地叙述。同样地，对“本公开”的引用不应当被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且不应当被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求中明确地叙述。
应当理解，一开始，本文的公开内容可用于检测磁性颗粒可附接的任何类型的分子。本发明假定附接到待检测的分子的颗粒为磁性纳米颗粒，但此假定为示例性的并且并非旨在进行限制。因此，术语“磁性纳米颗粒”包括可附接到待检测的分子的所有类型的磁性颗粒。
可使用本文所公开的设备和方法来检测可由磁性纳米颗粒标记的任何分子类型。此类分子类型可为生物分子类型，诸如蛋白质、抗体等。例如，本文的公开内容可用于检测核酸(例如，在dna测序中)。本文的公开内容还可用于检测非生物(无机或非活性)分子，诸如污染物、矿物质、化合物等。本公开在核酸测序的语境中的呈现仅仅是示例性的，并非意图限制本发明的范围。因此，虽然本文的公开内容中的一些是在核酸测序，并且具体地讲dna测序的语境中提供的，但应当理解，本文的实施方案通常可用于检测磁性纳米颗粒可附接的任何类型的分子。
此外，虽然本文的描述集中于dna作为示例性核酸，但所述的各种实施方案一般可应用于核酸测序。类似地，尽管sbs用于以下描述中的示例性目的，但各种实施方案不限于sbs测序方案(例如，可替代地使用动态测序)。
常规的核酸测序，诸如用于dna测序的核酸测序，通常依赖于荧光的检测。具体地讲，用于区分样品中的不同碱基的基于荧光的技术(例如，在基于荧光的核酸测序技术中)依赖于例如由与特定类型的核苷酸相关联的检测部分产生的信号的质量。例如，常规的荧光测序技术利用可鉴定地不同的荧光部分，这些荧光部分各自附接到测序反应中利用的四种核苷酸a、t、c和g中的一种。
一种常规的dna测序方法涉及使单链dna(ssdna)适应于与测序装置的固相支撑物的附接，并使用诸如聚合酶链反应的技术来扩增ssdna的量，以产生具有短前导序列的许多dna分子。然后可添加与短前导序列互补的寡核苷酸，使得在前导序列处存在双链dna(dsdna)的短区段。结合分子的双链部分是在高温下有效的合适dna聚合酶(诸如taq聚合酶)的引物。
然后可采用若干方法中的一种来进行测序。例如，测序可使用四种荧光标记的3'-阻断dntp(荧光标记的双脱氧核苷酸终止子)的混合物，其中荧光标记是3'-阻断基团的一部分。荧光标记用作聚合反应的“可逆终止子”。ntp中的每一种通过不同的标记进行标记(即，a、g、c和t核苷酸中的每一种具有不同的荧光标记)，并且不同的标记可通过荧光光谱法或通过其他光学手段进行区分。
四种荧光标记的核苷酸前体可用于对数百万簇平行的dna链进行测序。dna聚合酶催化在dna合成的顺序循环期间将荧光标记的dntp掺入dna模板链中。在每个测序循环中，将结合的双链dna分子暴露于dna聚合酶和四种荧光标记的3'-阻断ntp的混合物。聚合酶将四种dntp之一添加到生长中的寡核苷酸链(无论哪种dntp与ssdna中的下一个未配对碱基互补)。然后通过在防止游离dntp与ssdna结合但不会高到使dsdna去杂交的温度下进行洗涤，将未掺入的dntp和在反应期间留下未反应或产生的其他杂质从支撑物结合的dna附近分离。
因为四种类型的dntp中仅有一种将被添加到寡核苷酸，而且四种荧光标记是能够区分的，所以可通过激光激发和成像来鉴定掺入的dntp的身份。具体地讲，四个滤光器中的每一个用于确定是否发射特定波长(例如，颜色)的光。然后可将荧光标记酶促裂解以允许下一轮掺入。因为每个碱基类型可与仅一个其他碱基类型配对，所以可从掺入的dntp的身份(其从发射光的波长获知)来知道未知ssdna序列中的刚好配对的碱基的身份。因此，在每个循环期间直接从荧光测量来鉴定碱基。
上述方法的一个缺点是，需要复杂的光学系统来滤除不同波长的光以检测所掺入的dntp的荧光标记和区分不同的发射颜色(波长)。已经开发出其他方法来简化光学系统，但它们的测序较慢并且在每个测序循环内需要中间化学步骤。因此，这些方法已被引入到较小、较便宜的入门级测序系统中，但未被引入到需要快速吞吐的较高级的系统中。
如前所述，本文的公开内容可用于检测磁性颗粒(例如，mnp)可附接的任何类型的分子(例如，生物分子、有机分子、无机分子或非活性分子)。本文所公开的装置和方法使用mnp和传感器来执行分子的检测，诸如在核酸测序(例如，使用sbs化学方法的dna测序)中。具体地讲，本公开的实施方案包括具有sto的传感器，该sto可用于检测由mnp发射的磁场(或磁场变化)，并且具体地讲用于区分由传感器附近的mnp发射或不发射的磁场的存在和不存在。公开了针对所有待检测的分子使用相同mnp类型的实施方案，以及使用多种mnp类型的实施方案，每种类型标记不同的分子类型。本发明所公开的实施方案允许区分不同类型的分子。
本公开的实施方案还包括各种检测方法以获得或确定(例如，测量)由用作传感器附近的标签的mnp引起的传感器的特性或来自传感器的输出(例如，以特定频率振荡的存在或不存在，和/或振荡频率的变化)。然后可使用关于特定mnp标记所附接的特定分子类型(例如，在dna测序应用中，核苷酸前体的类型)的知识来鉴定特定分子类型(例如，在dna测序应用中，与所鉴定的核苷酸前体互补的ssdna链的最后配对碱基)。
sto传感器
在本文所公开的一些实施方案中，提供了自旋扭矩振荡磁阻传感器来感测由偶联到被检测的分子的mnp引起的磁场。该传感器被配置为检测磁层磁化的连续振荡频率的变化或存在或不存在，以感测mnp的磁场。该传感器可包括磁性自由层、磁性钉扎层和位于自由层和钉扎层之间的非磁性层。在操作中，耦接到这些层的检测电路感应出通过这些层的电(dc)电流。行进穿过该传感器的电子的自旋极化引起一个或多个层的磁化的自旋扭矩所致的进动。该振荡的频率响应于传感器附近的mnp所产生的磁场而变化。在一些实施方案中，了解特定类型的mnp如何改变传感器的振荡频率允许检测振荡频率，从而检测磁场的存在或不存在，进而检测mnp的存在或不存在。在一些实施方案中，特定类型的mnp对传感器振荡频率的影响是已知的。例如，特定类型的mnp可导致传感器以频率f1振荡，并且使用来自传感器的处于频率f1或附近的信号的存在或不存在来检测传感器附近特定类型的mnp的存在或不存在。
图1a示出了根据一些实施方案的传感器105的三层结构。图1的示例性传感器105具有底部108和顶部109。传感器105包括sto，该sto是具有包括三个层的有效区域的图案化磁性设备，在图1a中示出为由非磁性隔层107分开的两个铁磁(fm)层106a、106b。
在一些实施方案中，fm层106a、106b被设计成使它们的磁矩被取向成基本上在该膜的平面内或基本上垂直于该膜的平面。用于fm层106a、106b的合适材料包括例如co、ni和fe的合金(有时与其他元素混合)。上述示例性材料仅仅是示例性的，并非旨在进行限制。适用于fm层106a、106b的材料是本领域普通技术人员已知的。
非磁性隔层107可为例如金属材料或金属材料的组合，诸如例如铜或银，在这种情况下，该结构被称为自旋阀(sv)。另选地，非磁性隔层107可为绝缘体材料，诸如例如氧化铝(在本领域中也称为氧化铝)或氧化镁，在这种情况下，该结构被称为磁性隧道结(mtj)。区分用于绝缘体材料的材料仅仅是示例性的，并非旨在进行限制。适用于非磁性层107的材料是本领域普通技术人员已知的。
传感器105的有效区域位于图1a所示的三层结构中。如下文在图1b的讨论中进一步所述，可在图1a所示的层106a、106b、107上方和下方添加额外的层以用于各种目的，诸如例如界面平滑、纹理化和避免经受用于图案化整个检测设备的处理(例如，如下文在例如图4a至图4c、图5a至图5d等的上下文中所示和所述)，以及传感器105的钝化/保护。因此，与磁性传感器105接触的部件可与三个所示层106a、106b或107中的一者接触，或者它可与传感器105的图1a中未示出的另一部分接触。
如下文进一步所述，通过将电流施加到该设备，传感器105的fm层106a、106b中的一者或两者的磁矩可通过称为自旋转移的效应而被激励到进动轨道中。自旋转移(或有时称为自旋扭矩转移)涉及自旋极化电流(即，其中较大部分的电子具有以相同方向取向的自旋的电流)与fm层(例如，106a、106b)的相互作用。
图1b是可利用自旋扭矩振荡来感测由磁性颗粒(例如，mnp)引起的局部磁场的另一个示例性传感器105的视图。图1b示出了传感器105的剖视图，其中被感测的mnp被示出为位于传感器105的右侧。
图1b的示例性传感器105包括夹在任选的第一磁屏蔽件306a和第二磁屏蔽件306b之间的传感器堆叠304。如果存在磁屏蔽件306a、306b，则它们可由导电磁性材料诸如nife制成，使得它们可用作电引线以及磁屏蔽件。传感器堆叠304包括钉扎层结构311、自由层310和夹在自由层310和钉扎层结构311之间的非磁性隔层107。如上文在图1a的上下文中所解释的，非磁性隔层107可为非磁性导电隔层，或者它可为薄的非磁性电绝缘阻隔层。封盖层328(例如，包括钽)可邻近自由层310定位，如图1b所示。应当理解，图1b示出了具有层(例如，钉扎层结构311位于自由层310上方)的示例性取向的传感器105，但其他取向也是可能的(例如，钉扎层结构311可位于自由层310下方，传感器105可相对于图1b所示的方式旋转，可省略图1b所示的一些元件(例如，屏蔽件306a、306b)等)。
钉扎层结构311可包括磁性钉扎层314、参考层319和夹在钉扎层314和参考层319之间的非磁性反平行耦接层321。钉扎层314和参考层319可包括诸如例如cofe的材料，并且反平行耦接层321可包括诸如例如厚度为例如约10埃的ru的材料。钉扎层314可与反铁磁材料层(afm层312)交换耦接，该afm层可包括诸如例如irmn、ptmn的材料或一些其他合适的反铁磁材料。afm层312和钉扎层314之间的交换耦接在如图所示的第一方向上将钉扎层314的磁化324强烈地钉扎。钉扎层314和参考层319之间的强反平行耦接在如图所示的第二(反平行)方向上钉扎参考层319的磁化326。
在图1b所示的示例性实施方案中，自由层310使其磁化330在与参考层319的磁化326基本上反平行的方向上偏置。在一些实施方案中，在磁化的静止状态下(例如，当sto不振荡时)，自由层310的磁化330相对于参考层319的磁化326成适中的角度。这可以参考图1c看出，该图示出了参考层319和自由层310的分解示意图。如图所示，参考层319具有磁化326，该磁化在平行于(或反平行于)所施加的磁场327的方向上被钉扎，但自由层310具有磁化330，该磁化在几乎反平行于参考层磁化326的方向的方向上偏置，但可偏移角度329。角度329(如果存在)通常为约20-60度，但可大到几乎90度。自由层310的偏置可以由图1b中未示出但将进入和离开图1b中的页面的硬磁偏置层提供。当自由层310被磁性偏置时，自由层310的磁化330以进动自旋扭矩振荡337自由地移动，如图1b所示并且如先前所讨论的。
再次参考图1c，自由层310磁化330方向相对于参考层319的磁化326方向的倾斜可由具有垂直于参考层319的磁化326方向和/或垂直于所施加磁场327的方向取向的分量的磁各向异性提供。该磁各向异性可由与自由层310弱交换耦接的反铁磁材料层产生，或者由形状各向异性产生，或者由纹理感应的磁各向异性产生。自由层310的倾斜还可通过将高矫顽磁力磁性材料放置在自由层310附近并且利用具有垂直于参考层319的显著分量的磁化来实现，这类似于可用于记录头中以稳定gmr和tmr回读传感器的自由层的硬偏置结构。然而，这些仅以举例的方式给出；也可使用其他机制。
如下面进一步详细描述的，当由一个磁化层产生的高电流密度的自旋极化电子冲击在第二磁化层上时，观察到自旋扭矩效应，并且这些自旋扭矩效应通过称为自旋转移的机制动态地激励第二层的磁化。此处，行进穿过铁磁体的电子趋于使其自旋平行于铁磁体的磁化对准，从而损失横向于磁化的自旋角动量的任何分量。为了保存角动量，极化电流随后必须对磁化施加扭矩。
图2a至图2c更详细地示出了电流中的电子如何与薄膜fm层相互作用。量子力学表明，与fm层相互作用的电子将使得电子自旋被取向成优先地平行于或反平行于fm层的矩的方向，以分别获得透射和反射的电子。如图2a所示，具有与fm层204的矩206平行的自旋210的电子优先地穿过fm层204，而具有与fm层204的矩206反平行的自旋208的电子优先地反射回来。由于该现象，非磁性(nm)层202(出于该解释的目的，假定它为金属层，但如上所述，nm层202可另选地为绝缘体)和fm层204之间的界面充当可用于自旋极化(即，使一个自旋方向更优先)传入电流的自旋滤波器。
对于具有由非磁性金属层226(隔层)分开的两个fm层224和228的设备，如图2b和2c所示，由第一fm层(fm1)224极化的传入电流自旋与第二fm层(fm2)228不同地相互作用，具体取决于第二fm层228的磁矩的取向。如果fm层224和228两者的矩彼此平行(图2b)，则许多电子将穿过该设备，因为电流中的许多电子将随着第二fm层228(自旋234)的矩而自旋取向。很少的电子会被反射回去(自旋232)。
在相反的情况下，当两个fm层224和228的矩以反平行方式取向时(图2c)，许多电子将被阻挡穿过第二fm层228(自旋236)，并且少得多的电子将横穿该设备(自旋238)。这意味着经过设备的电流量取决于两个fm层224和228的矩相对于彼此的取向。由于包括fm层224和228以及nm层226的设备的电阻与电流成反比，因此该设备的电阻取决于两个fm层224和228的矩的取向(即，矩平行时的电阻小于它们反平行时的电阻)。
尽管上述说明假定使用将两个fm层224和228分开的非磁性金属层226(也称为自旋阀(sv)或巨磁阻(gmr)设备的配置)，但被称为隧穿阻隔层的绝缘层可另选地用作将fm层224、228分开的隔层(例如，代替nm层226)。在此类实施方式中，隔层可由基于氧化物的材料制成。这些类型的设备被称为磁隧道结(mtj)，并且由于自旋极化隧穿而不是自旋滤波，它们表现出类似的电阻响应(称为隧道磁阻或tmr)。
再次参考图1b，在电子从参考层319流过非磁性隔层107到达自由层310的情况下，流过参考层319的电子的自旋被参考层319的磁化326极化。然后，这些极化电子可向自由层磁化330施加扭矩，从而产生导致无序磁化动力学(噪声)或集体激发(振荡)的自旋波，具体取决于系统的各种参数，诸如传感器105形状、各向异性、层材料和厚度，以及所施加的电流和磁场。
如上所述，自旋扭矩振荡涉及磁化沿铁磁体的平衡轴线的自旋扭矩激发的进动。例如，参考图1b，磁化330的进动或振荡由振荡337指示。需注意，尽管钉扎层314的磁化324受到与反铁磁层312的交换各向异性的约束，但钉扎层314的磁化也可以振荡，并且在所施加的电流密度足够高以在钉扎层314中产生自旋扭矩激励时贡献传感器105信号。
该进动的频率(振荡频率)随着磁场的施加而偏移。在适当选择传感器材料和几何形状的情况下，这种偏移可能非常大。已经证明了高达180ghz/t的频率偏移，并且更高的值是可能的。本文所述的一些实施方案利用这些频率偏移来检测由传感器105附近的磁性纳米颗粒引起的自由层310处的磁场变化。
参见图1b，传感器105经由引线341a、341b连接到处理电路344。可为磁性或非磁性的引线341a、341b可与任选的屏蔽件/引线层306a、306b(如果存在)连接，使得一个引线341a与一个引线/屏蔽层306a连接，而另一个引线341b与另一个引线/屏蔽层306b连接。处理电路344发送穿过传感器堆叠304的感测(偏置)电流，并且还测量传感器堆叠304两端的电阻。如本领域技术人员将理解的，非磁性隔层107两端的电阻随着自由层310的磁化330的取向相对于参考层319的磁化326改变而改变。这些磁化330、326越接近并联，电阻将越低。相反，这些磁化330、326越接近反并联，电阻将越高。该设备的电阻有效地充当磁场-电压换能器。
传感器105附近mnp的存在引起磁化330的振荡337的频率的上述变化。当磁化330振荡时，该振荡337的频率可由处理电路344通过测量传感器堆叠304两端的电阻的变化来测量。除此之外或另选地，可检测特定频率处振荡337的存在或不存在，以确定mnp是否在传感器105附近。因此，根据本文所公开的一些实施方案，自旋扭矩振荡用于检测由磁性纳米颗粒引起的磁场的存在或不存在。
图3a至图3c进一步示出了基于sto的传感器105的基本工作原理。图3a示出了具有任意自旋方向的入射电子904如何透射穿过fm层906或被该fm层反射。如图所示，自旋平行于fm层906的磁矩的那些入射电子904为透射电子908，而自旋反平行于fm层906的磁矩的入射电子904为反射电子902。任何自旋角动量损失都变成作用在fm层906上的扭矩。来自单电子相互作用的扭矩较小，但是对于大约几毫安的自旋极化电流，每秒有大约1015个电子与fm层906相互作用。因此，fm层906上的净扭矩可足以引起矩进入动态模式。这些动力学由landau-lifshitz-gilbert-slonczewski(llgs)公式决定：
其中γ是磁旋比，
该公式中被称为larmor进动项的第一项指示在不存在任何阻尼的情况下，fm层906的矩将在作用于fm层906上的有效磁场附近进动。然而，第二项(gilbert阻尼)来自发生在每个铁磁体中的固有阻尼，该固有阻尼用来衰减矩的任何动力学。最后一项是slonczewski自旋扭矩项，其作用类似阻尼项或抗阻尼项，具体取决于所施加电流的极性。在抗阻尼的情况下，自旋扭矩将在足够的电流振幅下完全抵消gilbert阻尼，并且将导致磁化振荡，如图3c所示。随着电流振幅进一步增大，振荡振幅也增大，最终导致矩与平衡成90度的交叉点。在该区域中，slonczewski项中的叉积改变符号并且用于衰减该运动，使得矩将从原始位置旋转180度，如图3b所示。
因此，考虑到与上述类似的完整sto器件，其中一个fm层906通过自旋转移效应激发，并且第二fm层906具有在某个选定方向上固定的矩(它们是共线的)，如图3c所示激发的sto将由于磁阻效应引起的电阻波动(以及因此电压和电流波动)而从所施加的dc电流产生射频(rf)电压信号。所生成的rf信号的频率可为大约ghz。
利用这些工作原理进行检测，本文所公开的一些实施方案涉及包括sto设备的传感器105的阵列，诸如图1a、图1b和图1c所示的传感器105以及例如图4a至图4c、图5a至图5d所示的阵列等。该传感器阵列中的每个传感器105可用于检测在检测设备的流体通道中的磁性颗粒(例如，mnp)。每个传感器105可具有小于约30nm的尺寸以检测几毫特斯拉(mt)量级的磁场。在一些实施方案中，该传感器阵列中的各个传感器105被配置为仅在窄带磁场内生成rf信号(例如，约零外加场，尽管这不是必需的)，该磁场例如介于50和–50oe之间。在一些实施方案中，该传感器阵列中的各个传感器105被配置为在存在较大外加场的情况下生成rf信号。
在dna测序应用中，可通过确定传感器105是否在指定频带内生成rf信号来检测由mnp标记并由聚合酶掺入的核苷酸前体(或更一般地说，核酸)。例如，在一些实施方案中，在不存在mnp但存在标记dna碱基的mnp(或掺入被测序的靶dna链中的核苷酸前体)的情况下，传感器105以特定频率或接近特定频率生成rf信号，局部磁场足以在该频率处或附近使sto“断开”(例如，局部磁场可使rf信号的频率偏移)。在其他实施方案中，传感器105在存在mnp的情况下生成rf信号，但在不存在mnp的情况下以其他方式“断开”。因此，应当理解，检测可使用包括sto的传感器105来执行，该sto被设计成仅在由传感器105附近的一个或多个mnp生成的所施加的磁场的存在时“接通”并生成处于特定频率或在特定频带内的rf信号，或仅在不存在由传感器105附近的一个或多个mnp生成的所施加的磁场的情况下“关闭”并生成处于特定频率或在特定频带内的rf信号。
使用包括sto设备的传感器105执行检测的优点是用作标签的mnp可以是超顺磁性的(例如，热不稳定的，使得产生的磁场随时间推移而波动)或铁磁性的。此外，sto的使用不需要各个mnp的矩沿相同方向对准(例如，可在不使用外部磁场的情况下完成检测)。超顺磁性颗粒的一个益处在于，它们不是铁磁性的，并且当被引入检测设备的流通池(例如，下面在例如图4a至图4c和图5a至图5d的上下文中描述的流体通道)中时不会明显地彼此粘着或吸引。
检测设备
上述基于sto的传感器105可结合到用于检测偶联到相应磁性纳米颗粒的分子(例如，用于核酸测序)的装置中。图4a、图4b和图4c示出了根据一些实施方案的可用于例如核酸测序的检测设备100。图4a是该装置的顶视图，并且图4b是图4a所示位置处的剖视图。图4c是示出检测设备100的部件的框图。如图4a所示，示例性检测设备100包括传感器阵列110，该传感器阵列包括多个传感器105，图4a示出了四个传感器即105a、105b、105c和105d。(为简单起见，本文档通常通过参考标号105指代传感器。各个传感器以参考标号105后接字母来给出。)图4a的示例性实施方案中所示的传感器阵列110为线性阵列。
在一些实施方案中，该多个传感器105中的每个传感器耦接到至少一条流通道120以用于读取传感器105中的一个或多个的特性或从这些传感器中的一个或多个输出(例如，检测传感器105是否正在振荡，确定传感器105是否正在特定频率振荡等)。(为简单起见，本文档通常通过参考标号120指代流通道。各个流通道以参考标号120后接字母来给出。)在图4a所示的示例性实施方案中，传感器阵列110的每个传感器105耦接到两条流通道120。具体地讲，传感器105a耦接到流通道120a和120e，传感器105b耦接到流通道120b和120e，传感器105c耦接到流通道120c和120e，并且传感器105d耦接到流通道120d和120e。流通道120a、120b、120c和120d分别驻留在传感器105a、105b、105c和105d下方，并且流通道120e驻留在传感器105上方。图4b示出了传感器105d与流通道120d和120e的关系。
检测设备100还包括与传感器阵列110相邻的流体通道115(其也可称为纳米通道或流通池)。顾名思义，流体通道115被配置为当检测设备100在使用中时保持流体(例如，液体、气体、等离子体)。流体通道115可为开放的(例如，如果其形状为矩形，则其可具有三个侧面；如果其形状为弯曲的，则其可具有为圆柱体的一部分的形状；等)或闭合的(例如，如果其形状为矩形，则其可具有四个侧面；如果其形状为弯曲的，则其可为圆柱形的；等)。流体通道115的形状沿着其长度可以是规则或不规则的。流体通道115可耦接到迫使流体进入流体通道115中的设备(例如，泵)。另选地，流体通道115可不耦接到注入或移除流体的设备。
如图4b所示，流体通道115具有与传感器阵列110相邻的壁117。壁117也可称为近侧壁。壁117可为基本上竖直的，如图4b所示。另选地，壁117可以至少部分地倾斜(例如，流体通道115的内部的一些或全部可以成非90度的角度，或者其可以是弯曲的(例如，呈圆柱体的一部分或全部的形状))。一般来讲，流体通道115和壁117可具有允许传感器105检测壁117的另一侧上的位于流体通道115内的磁性颗粒的存在的任何形状。
当检测设备100在使用中时，传感器105能够通过壁117检测流体通道115中是否存在磁性纳米颗粒(mnp)。因此，壁117具有保护传感器105免受流体通道115中的任何流体的影响，同时仍然允许传感器105检测流体通道115内的mnp的性质和特性。例如，壁117的材料(以及可能的流体通道115的其余部分的材料)可以是绝缘体材料或包括绝缘体材料。例如，在一些实施方案中，壁117的表面包括聚丙烯、金、玻璃和/或硅。此外，可选择壁117的厚度，使得传感器105可检测流体通道115内的mnp。在一些实施方案中，壁117的厚度介于约2nm和约20nm之间。
在一些实施方案中，壁117具有被配置为将待感测的分子(例如，核酸或核酸聚合酶的分子)锚定或结合到壁117的结构(或多个结构)。例如，壁117的结构(或多个结构)可包括提供与传感器105相关联的结合位点的一个或多个腔/脊。
为了简化说明，图4a和图4b示出了具有单个流体通道115和在传感器阵列110中仅具有四个传感器即105a、105b、105c、105d的示例性检测设备100。应当理解，检测设备100可在传感器阵列110中具有更多的传感器105，并且其可具有额外的流体通道115或更复杂的单个流体通道115(例如，具有不同的形状或具有互连的通道)。一般来讲，可使用传感器105和允许传感器105检测流体通道115中的mnp的流体通道115的任何配置。
如图4c所示，检测设备100包括经由流通道120耦接到传感器阵列110的检测电路130。在一些实施方案中，在操作中，检测电路130将电流施加到流通道120以检测传感器阵列110中的多个传感器105中的至少一个传感器的特性或从该传感器输出，其中该特性或输出指示流体通道115中磁性标记的分子的存在或不存在。例如，在一些实施方案中，该特性或输出为信号或不存在信号。检测电路130可包括任何合适的部件，通常包括合适的检测电路。此类检测电路130可包括硬件和/或软件。检测电路130可包括例如以下中的一者或多者：能够执行机器可执行指令的处理器、专用集成电路(asic)、控制器、可编程电路(例如，fpga)等。
作为在传感器阵列110中具有较大数量的传感器105的检测设备100的示例，图5a、图5b、图5c和图5d示出了包括若干通道的示例性检测设备100的部分，这些通道中的一个或多个通道可为根据一些实施方案的单独的流体通道115，或者这些通道中的聚集可被视为单个流体通道115。在图5a、图5b、图5c和图5d所示的检测设备100的实施方案中，传感器阵列110的多个传感器105被布置成矩形网格图案。每个流通道120识别传感器阵列110的一行或一列。应当理解，图5a、图5b、图5c和图5d示出了检测设备100的仅一部分以避免模糊所讨论的检测设备100的部件。应当理解，各种所示部件(例如，流通道120、传感器105、流体通道115等)在检测设备100的物理实例化中可能不可见(例如，其中的一些或全部可被保护材料诸如绝缘体材料覆盖)。
图5a是根据一些实施方案的示例性检测设备100的透视图。检测设备100包括九个流通道120，分别标记为120a、120b、120c、120d、120e、120f、120g、120h和120i。它还包括五个流体通道，分别标记为115a、115b、115c、115d和115e。如上所述，流体通道115a、115b、115c、115d和115e可被认为是单独的流体通道115或单个流体通道115。检测设备100还具有底部表面119。
图5b是图5a的示例性检测设备100的顶视图。在该顶视图中不可见的流通道120g、120h和120i用虚线示出以指示它们的位置。流通道120a-120f以实线示出，但如上所述，流通道120a-120f在该顶视图中也可能不可见(例如，它们可被保护材料诸如绝缘体材料覆盖)。
图5c是检测设备100沿图5a中标记为“5c”的流通道的剖视图。如图所示，流通道120a、120b、120c、120d、120e和120f中的每一者沿着该剖面与传感器105之一的顶部接触(即，流通道120a与传感器105a接触，流通道120b与传感器105b接触，流通道120c与传感器105c接触，流通道120d与传感器105d接触，流通道120e与传感器105e接触，流通道120f与传感器105f接触)。流通道120h与传感器105a、105b、105c、105d、105e和105f中的每一者的底部接触。应当理解，尽管图5a至图5d示出了与传感器105接触的流通道120，但流通道120一般可耦接到传感器105(即，它们可直接连接，或者可存在设置在流通道120和传感器105之间的居间部件)。
传感器105a和105b由流体通道115a(在图5c中未标记但在图5a中示出)分开。类似地，传感器105b和105c由流体通道115b分开，传感器105c和105d由流体通道115c分开，传感器105d和105e由流体通道115d分开，并且传感器105e和105f由流体通道115e分开。如下面进一步讨论的，每个流体通道115的竖直壁中的任一个或两个可以是壁117。
在一些实施方案中，每个传感器105被分配给单个流体通道115。例如，在图5a至图5d所示的示例性设备中，耦接到流通道120a的传感器105可被配置为感测流体通道115a中的mnp，耦接到流通道120b的传感器105可被配置为感测流体通道115b中的mnp，耦接到流通道120c的传感器105可被配置为感测流体通道115c中的mnp，耦接到流通道120d的传感器105可被配置为感测流体通道115d中的mnp，并且耦接到流通道120e的传感器105可被配置为感测流体通道115e中的mnp。
在图5a至图5c所示的示例性实施方案中，存在比流体通道115更多的传感器105列(即，在所示的示例性实施方案中，存在对应于流通道120a-120f的六列和仅五个流体通道115a-115e)。在此类实施方案中，一个流体通道115的每个竖直壁可为壁117。换句话讲，单个流体通道115可由数量为每个其他流体通道115的两倍的传感器105感测。例如，在图5a至图5d的示例性实施方案中，流体通道115中的任一个可由两列传感器105感测。例如，流体通道115b可由耦接到流通道120b和120c两者的传感器105感测。在该示例中，耦接到流通道120a的传感器105将被分配用于感测流体通道120a的内容物，耦接到流通道120d的传感器105将被分配用于感测流体通道120c的内容物，耦接到流通道120e的传感器105将被分配用于感测流体通道120d的内容物，并且耦接到流通道120f的传感器105将被分配用于感测流体通道120e的内容物。
图5c是检测设备100沿图5a中标记为“5d”的流通道的剖视图。如图所示，流通道120e沿着该剖面与传感器105g、105e和105h中的每一者的顶部接触。流通道120g、120h和120i中的每一者沿着该剖面与传感器105中的一者的底部接触(即，流通道120g与传感器105g接触，流通道120h与传感器105e接触，并且流通道120i与传感器105h接触)。如上所述，图5d所示的流通道120不需要与传感器105直接接触；相反，它们可通过居间部件连接。
在一些实施方案中(参见例如图5e、图5f)，检测设备100包括多个选择器元件111，每个选择器元件耦接到传感器105中的相应传感器，其中选择器元件111中的每个表现出门限行为，使得对于高于给定值(即，vth)的电压，选择器元件111具有高电导率，并且在该电压以下，选择器元件111的电导率实际上为零。选择器元件111可包括例如晶体管、二极管等。本领域的普通技术人员将会知道，可以使用不同的寻址(选择)传感器105的方案(单独地或成组地)，以确保只有预期传感器105两端的电压降高于vth。因此，可使用选择器元件111来减少可传输通过相邻元件的“潜行”电流并且降低检测设备100的性能的可能性。
图5e示出了根据一些实施方案的示例性传感器105选择方法。在图5e所示的示例性实施方案中，相应的选择器元件111(例如，示出为cmos晶体管)与传感器105串联耦接。在该示例性实施方案中，三条流通道120a、120b和120c允许感测传感器105的特性。在概念上，流通道120a可被视为读出流通道，流通道120c可被视为控制流通道，并且流通道120b可被视为读出流通道和控制流通道中的任一者或两者。关于诸如图5e所示的示例性配置的配置的更多细节，参见b.n.engel、j.
图5f示出了根据一些实施方案的另一个示例性传感器105选择方法。在图5f所示的示例性实施方案中，选择器元件111(例如，本领域已知的二极管或类似的门限元件，诸如半导体二极管、运算跨导放大器(ota)、氧化钒层、电容阈值逻辑门等)与传感器105的磁性膜一起“堆叠内”沉积，然后置于交叉点架构中。虽然图5f示出了传感器105下方的堆叠内选择器元件111，但应当理解，堆叠内选择器元件111和传感器105的顺序可以颠倒。相应的选择器设备(例如，cmos晶体管)可用于接通各个流通道120a、120b以寻址/访问检测设备100中的各个传感器105。cmos选择晶体管的使用可能是简单的，这是由于可用于制造前端的器件厂的普及(即，用于构建cmos晶体管和底层电路的纳米加工)，但是用于操作的电流类型可使用交叉点设计来最终达到所需的密度。有关适用于选择传感器105(例如，采用交叉点阵列)的配置的附加细节可见于c.chappert、a.fert和f.n.vandaul，“theemergenceofspinelectronicsindatastorage”，naturematerials，第6卷，第813页(2007年)和j.woo等人，“selector-lessrramwithnon-linearityofdeviceforcross-pointarrayapplications”，microelectronicengineering109(2013年)第360-363页。
图6a至图6c示出了根据一些实施方案的可包括在检测设备100中的交叉点阵列架构300的实施方案。例如，图6a至图6c所示的传感器105包括mtj元件308，但应当理解，如上所述，传感器105中的一些或全部可以是自旋阀。
参见图6a，交叉点阵列架构300包括顶部导线318和底部导线320。如图6a的示例性实施方案所示，顶部导线318被取向为基本上垂直于底部导线320(与该底部导线成大约90度角)。示例性mtj元件308(例如，传感器105)位于该阵列的交叉点(虚线圆)之间。示例性mtj元件308包括由一个或多个非磁性层107(例如，包含mgo)分开的两个或更多个fm层310、314。如图所示，fm层中的一个是将在存在磁场的情况下旋转的自由层310，并且fm层中的另一个是钉扎(或固定)层314，其可以是耦接到afm层312的单个fm层。另选地，可使用被称为合成反铁磁体(saf)的复合物结构。saf包括由磁耦合层(例如，钌)分开的两个fm层，其中这两个fm层中的一个耦接到afm层。应当理解，虽然mtj元件308的示例性层布置示出了在其他层上方或下方具有层的一般结构，但可插入未示出的居间层。此外，如上所述，可将附加层设置在所示结构的上方和/或下方。
为了示出交叉点阵列架构300的一些特征，图6b示出了交叉点阵列架构300沿着顶部导线318方向(如图6a由标记为“6b”的虚线表示)的剖面，并且图6c示出了交叉点阵列架构300沿着底部导线320方向(在图6a中由标记为“6c”的虚线表示)的剖面。如图所示，mtj元件308(传感器105)的侧面由材料336封装，该材料可为绝缘体。任选地，如图6b所示，也可将硬偏置磁性材料338沉积在mtj元件308之间。在包括硬偏置磁性材料338的实施方案中，还将绝缘体340的薄层沉积在硬偏置磁性材料338的顶部上以使其与顶部导线318电绝缘。
参见图6c，该剖面示出了流体通道115(例如，纳米流体通道或微米流体通道)，其可以是例如在绝缘体中蚀刻的沟槽。如图所示，少量绝缘体322留在传感器105(示出为mtj元件308)的侧壁上，使得mnp不与传感器105电相互作用。该绝缘体的暴露于(并形成)流体通道115的部分可形成壁117，聚合酶分子或待检测的分子(例如，核酸样品)可附接到该壁以用于检测。
检测电路
确定传感器105的状态(例如，确定sto是否正在振荡、确定其是在特定频率下还是在特定频带内振荡、确定sto正在振荡的频率等)可使用各种类型的检测电路来实现。
在一些实施方案中，使用超外差检测电路来完成传感器105的状态的确定。一般来讲，超外差检测可用于使用频率混合技术来检测rf信号，该频率混合技术采用高频信号并将其“下移”到低得多的频率(例如，基带或中频)，在该频率下可更方便地处理信号。该方法涉及使用非线性混频器元件，该元件添加具有函数形式vnsin(ωnt)的交流电(ac)电压信号，其中vn和ωn分别是第n个信号的峰值电压和频率。为了理解该元件的行为，将混频器的输出vmix视为两个输入信号的函数：
vmix＝f(v1sin(ω1t)+v2sin(ω2t))
因为该混频器是非线性元件，所以以幂级数展开求和产生以下表达式：
其中忽略高于二阶的项。使用三角恒等式
忽略较高频率项，混频信号现在由频率为原始输入信号频率之差和总和的项组成：
vmix＝α2v1v2cos(ω1-ω2)t-α2v1v2cos(ω1+ω2)t+…
图7a示出了根据一些实施方案的示例性超外差检测电路600a。在例示的实施方案中，当施加dc偏置电流602时，sto604生成rf信号(例如，响应于由其附近的mnp生成的磁场)。由sto604生成的rf信号的频率(例如，响应于所选择的mnp类型的存在或不存在)可通过所选择的材料、尺寸、所施加的dc偏置电流602的振幅、磁场和其他变量来选择/设计，如本领域中所公知的。
在图7a的示例性实施方案中，来自sto604的rf信号(例如，在1-10ghz的范围内)首先通过高通或带通滤波器606，以从该rf信号中基本上消除来自dc偏置电流602的用于激励sto604的任何dc信号。假设sto604以具有小变化的已知频率振荡，则具有以sto的振荡频率为中心的频带的带通滤波器可用于降低噪声并改善信噪比(snr)。例如，如果sto604的频率变化较大和/或在传感器阵列110上存在sto604的频率的较大变化(例如，如图4a至图4c、图5a至图5d等所示)，则可使用高通滤波器。
如图7a所示，来自滤波器606的输出(可为大约皮瓦至纳瓦功率)任选地由rf放大器608放大并发送到混频器612，其中来自参考振荡器610的固定参考信号用于将输出混合到例如低于100mhz的频率。参考振荡器610可产生频率接近sto604的频率的参考信号。另选地，代替参考振荡器610，参考信号源可为参考sto604(例如，与传感器阵列110中的传感器105的sto604基本上相同，但从流体通道115移除并与传感器阵列110物理分离)或生成频率大约等于sto604预期生成的信号的频率的高频信号的任何其他元件。例如，用于超大规模集成(vlsi)设计的环形振荡器或其他信号发生器可能是合适的。
在图7a所示的示例性实施方案中，混频器612的输出随后通过低通或带通滤波器614以移除更高频率的分量。如图7a所示，来自低通或带通滤波器614的输出信号可任选地由第二放大器616放大。然后将输出信号传递到二极管检测器电路618(或例如，用作包络检测器的任何其他合适的电路)，并且可将输出信号的包络检测为dc电压(输出620)。
如本领域的普通技术人员将理解的，在图7a的示例性实施方案中，如果在rf放大器608的输入处不存在输入rf信号，则混频器612的输出(ω1-ω2)也将为大约零。因此，仅当由sto604生成的rf信号的频率大致匹配由参考振荡器610生成的信号的频率时，电路600a的输出将是dc电压。因此，示例性超外差检测电路600a对sto604从“开”变为“关”的响应将从有限的测量电压变为(大约)零伏。换句话讲，存在非零dc输出620指示sto604“开”，而不存在dc输出620(或低于阈值的dc输出620)指示sto604“关”。
应当理解，如果sto604不响应于其附近的mnp的存在(或不存在)而“断开”，则实现示例性超外差检测电路600a的另一种操作模式，相反，由于来自mnp的场而使其频率充分改变，使得(ω1-ω2)大于低通/带通滤波器614的截止频率，这也将导致dc输出620处(大约)无信号。在任一种方法中，检测mnp标签(例如，拴系到dna碱基(或所掺入的核苷酸前体))的存在(或不存在)可为二元操作，其中检测电路130在传感器105附近不存在mnp的情况下检测输出电压，并且在nmp存在时检测不到信号(或反之亦然)。该方法允许快速评估包括sto604的传感器105的大面积阵列110中mnp的存在或不存在，这可提高检测系统(例如，用于dna测序应用)的吞吐量并提高数据收集的速度。
如前所述，一些实施方案允许检测不同的mnp类型，每个mnp类型对sto604的振荡具有可区分的影响。例如，第一mnp类型可使得sto604以第一频率振荡，第二mnp类型可使得sto604以第二频率振荡，第三mnp类型可使得sto604以第三频率振荡，并且第四mnp类型可使得sto604以第四频率振荡。在一些此类实施方案中，图7a所示的参考振荡器610可为可调谐的，使得由参考振荡器610生成的信号的频率可在不同时间处于第一频率、第二频率、第三频率和第四频率中的任一者或附近。
另选地，示例性电路600a可如图7b所示进行修改，其中单个参考振荡器610已被耦接到开关611的一组四个参考振荡器610a、610b、610c和610d替换。图7b的电路600b可用于dna测序应用，其中每种核苷酸前体用不同的mnp类型标记，其中每个mnp类型使得sto604生成具有不同频率的rf信号(例如，第一mnp类型使得sto604以第一频率振荡，第二mnp类型使得sto604以第二频率振荡，第三mnp类型使得sto604以第三频率振荡，并且第四mnp类型使得sto604以第四频率振荡)。在将全部四种mnp标记的核苷酸前体引入测序装置的流体通道115中，并且经过足够的时间掺入后，开关611可被激活，继而将参考振荡器610a、610b、610c和610d中的每一者连接到混频器612。只有当与标记所掺入的核苷酸前体的mnp类型相关联的参考振荡器610连接到混频器612时，电路600b的dc输出620才应为非零的。例如，如果参考振荡器610a生成与sto604在存在第一mnp类型的情况下将振荡的预期频率大致相同的第一频率的参考信号，并且当开关611将参考振荡器610a连接到混频器612时dc输出620不为零，可以推断所掺入的核苷酸前体是由第一mnp类型标记的核苷酸前体。
在具有多个参考振荡器610(例如，图7b)或可调谐的单个参考振荡器610的一些实施方案中，低通或带通滤波器614是截止频率高于第一频率、第二频率、第三频率和第四频率中的最高频率的低通滤波器。在其他实施方案中，低通或带通滤波器614是可调谐带通滤波器，其可以被调谐成使得其通频带中心在不同时间大致位于第一频率、第二频率、第三频率和第四频率，并且如此中心不与第一频率、第二频率、第三频率或第四频率中的任何其他频率重叠。
在一些实施方案中，sto604被设计成生成rf信号，该rf信号的特征在于由于由mnp生成的磁场而引起的频率的较大变化。此处，根据在上述检测电路中使用的参考振荡器610频率的选择，sto604也可被认为“关”或“开”。例如，参见图7a，如果在平衡时(即，当不存在mnp时)，由sto604生成的信号的频率为f1，并且参考振荡器610的频率为f0≈f1，则混频器612的输出处的信号的频率即(f1–f0)将小于二极管检测器618之前的低通(或带通)滤波器614的截止频率。然后可在电路600a的输出处读取有限电压。当存在mnp并且在sto604上施加附加磁场时，sto604的频率变为f2，该频率远大于或远小于f0。因此，混频器612的输出被低通(或带通)滤波器614强烈衰减，因为信号频率(远)高于滤波器614的截止频率。然后，检测器电路600a的输出有效地为零，如上文所述的情况，而不需要其中发生sto振荡的严格的磁场频带。应当指出的是，再次地，可通过选择不同于平衡时sto604频率的参考振荡器610频率来反转该响应，并且将该响应设置为在存在mnp的情况下接近sto604频率，使得仅在存在颗粒的情况下检测到信号。
需注意，尽管图7a和图7b示出了在超外差电路600a、600b的输入处的单个sto604，在其他实施方案中，sto604的整体使用例如复用器将输入提供到单个检测器电路600a、600b中。此类实施方案可减少检测电路130在检测设备100(例如，用于核酸测序的微流体芯片)上消耗的占有面积。还设想了单独的电路板或芯片来处理检测系统内的超外差检测，但该方法可增加系统的延迟以及使用信号放大(例如，图7a和图7b中所示的rf放大器608和/或放大器616)，如果电路600a、600b包括在检测设备100本身(例如，dna测序芯片)上，则可能不使用这些部件。
图8a、图8b、图9和图10示出了根据一些实施方案的用于检测由sto604生成的信号的频率和/或存在/不存在的附加和/或另选的示例性检测电路130实施方案。图8a和图8b示出了两个另选的基于模数转换器(adc)的实施方案。图8a和图8b的若干元件与图7a和图7b所示的那些相同，并具有相同的参考标号。以上描述了这些元件，并且该讨论适用于图8a和图8b的上下文，并且不再重复。
图8a的检测电路700不同于图7a和图7b的检测电路，因为使用了数字信号处理而不是模拟信号处理。具体地讲，如图所示，来自低通或带通滤波器614的输出被提供作为adc626的输入。adc626的输出被提供给数字信号处理器(dsp)628，该数字信号处理器随后可使用已知方法(例如，通过计算快速傅里叶变换或通过应用任何其他已知的频率分析技术来评估rf信号的频率成分等)来检测rf信号的频率。应当理解，虽然本文的图8a和其他图示出了dsp628，但除此之外或作为替代，也可使用其他部件。例如，dsp628可由部件诸如通用处理器、专用集成电路(ic)、微处理器、控制器、可编程逻辑设备、现场可编程门阵列或本领域已知的其他类似部件增强或替换。此外，尽管图8a示出了许多与图7a和图7b相同的部件，这些部件中的若干部件是任选的。例如，高通或带通滤波器606、参考振荡器610、混频器612以及低通或带通滤波器614是任选的，并且它们中的一者或多者可以从图8a中省略。如本领域的普通技术人员将理解的，在省略任选的混频器612和任选的参考振荡器610的情况下，图8a允许数字地检测/测量由sto604生成的rf信号的频率。例如，dsp628可执行傅里叶变换(或用于评估信号的频率成分的任何其他技术)并且识别频谱中的峰值。然后可根据用于识别哪些mnp类型(如果有的话)已被检测到的mnp类型的预期rf信号频率来评估峰值的位置。
图8b中的检测电路710是使用直接rf转换的另一种数字方法。在该示例性实施方案中，高通或带通滤波器606的输出是以高频率(采样速率)和相对小带宽操作的直接rf转换adc630的输入。直接rf转换adc630的输出被提供给dsp628，该dsp然后可使用已知方法(例如，通过计算快速傅里叶变换或通过应用任何其他已知的频率分析技术来评估rf信号的频率成分等)来检测由sto604生成的rf信号的频率。该实施方案在一些应用中可能是有利的，因为adc630和dsp628在不进行下变频的情况下处理信号(例如，adc630和dsp628处理处于由sto604生成的rf信号频率的信号)。需注意，在图8b的示例性实施方案中，由于sto604的带宽有限，抗混叠滤波器的使用是可选的。任选地，检测电路710可另外包括低噪声放大器。
图9示出了根据一些实施方案使用的示例性传感器内混频电路720。换句话讲，电路720的至少一部分可结合到传感器105中。图9的电路720类似于图8b的电路710，不同的是在图9a中，参考振荡器610在低通或带通滤波器632之前与sto604耦接。应当理解，虽然图9示出了使用数字处理的实施方案，但也设想了传感器内混频的使用，以用于纯模拟检测实施方案，诸如图7a和图7b所示的那些实施方案。
图10示出了根据一些实施方案的另一个检测电路730。电路730是并联阵列操作实施方案，其中单个参考振荡器610耦接到两个或更多个sto604及其相关联的检测电路。图10的示例性电路730进一步扩展了图9的概念，使得参考振荡器610在两个或更多个sto604及其相关联的电路之间共享。应当理解，图9和图10的实施方案也可适于与图7a和图7b所示的配置一起操作。
除了在图7a至图10的上下文中描述的电路中的一个或多个之外，如上所述，检测电路130可包括例如被配置为执行机器可执行指令的处理器，该机器可执行指令使得处理器能够解释电路的输出的含义。在其中电路的输出为模拟信号(例如，图7a、图7b)的一些实施方案中，检测电路130可包括设置在电路600a、600b的输出与处理器之间的模数转换器。
检测方法
上述传感器105和/或检测设备100可用于检测由mnp标记的分子，如下文进一步所述。合适的检测方法包括其中作出关于mnp以及因此mnp所偶联的分子是否存在于传感器105附近的二元决策(例如，是/否、1/0等)的那些检测方法。为简单起见，下面的解释以dna测序为背景给出，但如前所述，应当理解，所描述的方法也可用于其他应用并用于检测除核酸之外的类型的分子。
在一些实施方案中，待检测的靶分子(例如，待测序的核酸链)附接到检测设备100的流体通道115的壁117。此时可引入聚合酶。例如，聚合酶可与待测序的靶ssdna一起结合(附接或耦接)到壁117。然后可将由mnp标记的核苷酸前体引入流体通道115中。聚合酶用于将由mnp标记的互补核苷酸前体掺入靶dna链中。仅掺入适当的(互补)碱基(即，对于dna测序，胞嘧啶(c)与鸟嘌呤(g)互补，或腺嘌呤(a)与胸腺嘧啶(t)互补)，并且其存在可通过传感器105检测。假设该过程一次处理一个碱基对，则标记互补核苷酸前体的mnp的存在或不存在，以及因此靶dna链中具有该碱基身份的核苷酸前体可使用例如图4a至图5f的各种设备实施方案来确定。
可通过跨传感器105施加磁场并施加偏置电流以读取传感器105来检测特定传感器105附近mnp的存在或不存在。跨传感器105施加磁场是任选的，但在其中存在多种类型的mnp的应用中(例如，在其中不同的核苷酸前体由不同的mnp类型标记并且多个核苷酸前体基本上同时添加到流体通道115的dna测序应用中)可能是有益的。可使用电磁体(例如，通过将磁极片放置在检测设备的任一侧上)、分布式线圈、垂直于流体通道115取向的螺线管等施加磁场，以产生在钉扎层314的矩的方向上的磁场。用于产生磁场的装置可安装在例如检测设备100的底部表面119上。又如，用于产生磁场的设备可包括在包括检测设备100的系统中。应当理解，诸如例如通过使用永磁体或超导磁体来产生磁场的其他合适的装置是可能的，这些装置在本文中具体设想并且不排除在外。所施加的磁场在共同方向上对准所有mnp的矩，使得由于mnp的存在而测得的信号相似。
在自由层通过自旋转移效应激发并且固定层的矩固定的情况下，如上所述激发的sto(例如，在图3c的上下文中)将由于磁阻效应引起的电阻波动而从所施加的dc电流产生rf电压信号。因此，通过如上所述将传感器105连接到检测电子器件/电路，可以检测传感器105附近mnp的存在和/或不存在。在例如dna测序应用中，可通过确定传感器105是否正在生成rf信号(例如，处于指定频率或在指定频带内)来检测mnp标记并且通过聚合酶掺入到靶dna链中的核苷酸前体(或者更一般地，核酸)，因为只有在存在标记被测序的靶dna链中掺入的核苷酸前体的mnp的情况下，局部磁场才足以使sto“接通”(或“关闭”，或改变其振荡频率)。
分子检测方法可使用单一mnp类型或多种mnp类型。图11示出了根据一些实施方案的适用于dna测序的示例性顺序二元方法500，其中使用单个mnp类型来标记所有四种核苷酸前体。图11适用于传感器105附近mnp的存在是导致sto“接通”还是“关闭”的情况。应当理解，图11示出了针对单个传感器105的过程。在检测设备100包括多个传感器105的实施方案中，方法500的一些步骤(例如，步骤510、512、514)可针对多个传感器105中的每个传感器独立地执行。
在502处，方法500开始。在504处，四种核苷酸前体(a、t、c和g)中的每一者的分子均由相同类型的mnp标记。然后将各自用相同mnp类型标记的不同核苷酸前体一次一个地掺入到例如检测设备100的流体通道115中。因此，在506处，选择待测试的第一核苷酸前体。在508处，将所选择的(经磁性标记的)核苷酸前体添加到检测设备100的流体通道115。在经过足够的时间以允许核苷酸前体掺入被测序的靶dna链中之后，510处，确定所选择的传感器105的sto是否生成具有指定特性的rf信号。该特性可包括例如振幅和/或频率。
如上所述，在一些实施方案中，sto响应于一个或多个mnp在其附近而生成rf信号，但在其他情况下不生成rf信号。在此类实施方案中，一个或多个mnp的存在导致sto“接通”。在其他实施方案中，sto在普通过程中生成rf信号，并且响应于一个或多个mnp在其附近而停止生成rf信号。在此类实施方案中，一个或多个mnp的存在导致sto“关闭”。由一个或多个mnp的存在或不存在引起的rf信号的存在或不存在可使用合适的检测电路130来检测，包括例如上文在图5e、图5f和图7a至图10的上下文中所述的示例性实施方案。
在其中mnp导致sto“接通”的实施方案中(rf信号的存在指示在传感器105附近存在一个或多个mnp)，如果在510处确定所选传感器105的sto正在生成具有指定特性的rf信号，则在512处，确定所测试的核苷酸前体已掺入到偶联到与传感器105相关的结合位点的dna链中。然后可记录与所测试的核苷酸前体配对的碱基(其互补序列)的身份。然而，如果在510处确定所选择的传感器105的sto未生成具有指定特性的rf信号(解释为意指先前测试的核苷酸前体未在与传感器105相关联的结合位点处掺入)，那么在516处，确定先前测试的核苷酸前体是否为待测试的四种核苷酸前体中的最后一种。如果是，则该方法在514处结束。如果不是，则该方法返回506，在该处选择待测试的下一种核苷酸前体，并且重复至少步骤508和510。
在其中mnp导致sto“关闭”的实施方案中(不存在rf信号指示在传感器105附近存在一个或多个mnp)，如果在510处确定所选传感器105的sto未生成具有指定特性的rf信号，则在512处，确定所测试的核苷酸前体已掺入到偶联到与传感器105相关的结合位点的dna链中。然后可记录与所测试的核苷酸前体配对的碱基(其互补序列)的身份。然而，如果在510处确定所选择的传感器105的sto正在生成具有指定特性的rf信号(解释为意指先前测试的核苷酸前体未在与传感器105相关联的结合位点处掺入)，那么在516处，确定先前测试的核苷酸前体是否为待测试的四种核苷酸前体中的最后一种。如果是，则该方法在514处结束。(同样，应当理解，当检测设备100包括多个传感器105时，如果被测序的dna片段不相同并且由不同传感器105完成和检测的碱基对不同，则方法500可对于一些传感器105结束，而对于其他传感器未结束。)如果不是，则该方法返回506，在该处选择待测试的下一种核苷酸前体，并且重复至少步骤508和510。
方法500可使用一个或多个传感器105来执行。应当理解，当使用多于一个传感器105时，510处的决定可针对不同的传感器105而不同。例如，在一些类型的sbs中，长链dna(或来自单个供体生物体的dna的多个长链)在测序之前被分割成较小的随机长度片段。来自相同供体的所有这些较短链是待测序的完整链的随机化子链。例如，如果完整链包括序列atggcttag，则较短链可包括例如不同的子链(例如，atgg和ttag)，以及如果将多个较长链分割成子链，则较短链可包括部分或完全与其他子链重叠的子链(例如，ggctta和ttag)。所有较短的随机化子链可同时被测序，这可能是在扩增之后。在此类应用中，应当理解，因为子链不表示相同的子序列，所以可能有利的是检测由每个传感器105生成(或不生成)的rf信号以检测mnp，因为子链的测序将不在子链之间协调(或同步)。例如，在单个测序循环期间，第一子链可掺入胞嘧啶，第二子链可掺入胸腺嘧啶，并且第三子链可掺入腺嘌呤。为了对较大核酸链的多个随机片段进行测序，希望在每个测序循环中确定是否掺入了每种dntp类型以及每种dntp类型在哪个物理位置掺入。因此，当使用图11所示的示例性方法500时，510处的决定对于添加特定核苷酸前体之后的一个传感器105可以是“是”，对于另一个传感器可以是“否”。因此，当对核酸(诸如dna)的随机化子链进行测序时，可能有利的是在每个测序循环期间测试所有四种核苷酸前体，即使对于一些传感器105而言，510处针对第一、第二或第三测试的核苷酸前体的决定是“是”。
虽然图11假定每种核苷酸前体由相同类型的mnp标记，但并不需要对每种核苷酸前体使用相同类型的mnp。例如，对每种核苷酸前体使用相同类型的mnp可能是方便的，但作为另外一种选择，可用不同类型的mnp来标记不同的核苷酸前体。换句话讲，两种或更多种核苷酸前体可用相同类型的mnp进行标记，或者两种或更多种核苷酸前体可用不同类型的mnp进行标记。
例如，各种其他实施方案涉及使用多种mnp类型(例如，mnp1、2、3和4)，每种类型都使传感器105生成可分辨的rf信号。关注dna示例来举例说明，每个单独的碱基(a、t、c、g)可用不同类型的mnp进行标记(例如，用mnp1标记碱基a，用mnp2标记碱基c，用mnp3标记碱基g，用mnp的4标记碱基t)，具体方法是分别标记每个碱基，然后将它们混合在一起，或以不同方式官能化每种类型的mnp，使得其对特定(例如，其指定的)碱基具有亲和力。在单次化学运行中，可将所有标记的(经磁性标记的)碱基引入微流体池(例如，检测设备100的流体通道115)中，其中待测序的dna链(例如，片段)已附接在微流体池内(例如，如上文关于检测设备100的讨论所述)。
在将待测序的靶dna链结合到检测设备100之后，可将所有四种经磁性标记的核苷酸前体同时引入流体通道中。聚合酶用于将与那些核苷酸前体互补的核苷酸前体掺入靶链中。由检测设备100的sto生成(或未生成)的rf信号的变化可用于识别哪个mnp(以及因此核苷酸前体)(如果有的话)已结合在每个传感器105附近。在每种核苷酸前体已被引入流体通道115中并且传感器105已被读取之后，可使用例如酶促或化学切割从所引入的经磁性标记的核苷酸前体切割mnp，如本领域中所公知的。然后可对被测序的链中的下一个未配对碱基重复该过程。
因此，在dna测序应用的一些实施方案中，代替对每个碱基读段(测序循环)使用具有四个化学步骤的二元方法，四个不同的mnp(每个导致sto生成可区分的rf信号)可用作磁性标记，并且它们全部可在单个化学步骤中被检测。例如，可用不同的mnp类型标记每种类型的分子(例如，在dna测序应用中，每种dntp类型)，其中每种mnp类型使得sto生成(或不生成)具有至少一种特性(例如，频率)的rf信号，该特性使得mnp的存在或不存在能够与用作磁性标记的所有其他mnp区分开。例如，在dna测序应用中，a可由mnp1标记，t可由mnp2标记，c可由mnp3标记，g可由mnp4标记，其中由受mnp1、mnp2、mnp3、和mnp4影响的sto生成的rf信号的频率全部足够地不同，使得可通过检测sto是否正在生成(或已停止生成)具有指定特征(例如，频率)的rf信号来区分这三种或四种类型的mnp。检测电路130(例如，在图7a至图10的上下文中示出和描述的示例性实施方案)可检测由每个sto产生的rf信号的频率(或频率变化)，以识别哪些核苷酸前体已掺入到在该sto附近结合并与之相关联的dna链中。
例如，如上所述(参见例如图7a的讨论)，检测电路130可包括可调谐参考振荡器(ro)610，并且检测电路130可在测量sto信号时扫描ro610的频率范围。当ro610频率接近sto频率(例如，使用图7a的电路600a)时，dc输出620不为零。当dc输出620不为零时，可基于非零dc输出620和ro610的频率来确定sto信号的频率。了解sto频率如何由于由用作标记的不同mnp发射的磁场而变化，可确定存在哪种颗粒。
图12a示出了根据一些实施方案的适用于使用mnp标记的核苷酸前体和可调参考振荡器610的dna测序的方法550。在552处，方法550开始。在554处，每种核苷酸前体类型(g、a、c、t)用不同的mnp类型来标记(例如，a用mnp1标记，t用mnp2标记，c用mnp3标记，g用mnp4标记)。在556处，将待测序的核酸链、聚合酶分子和mnp标记的核苷酸前体引入到检测设备100的流体通道115中。在适于允许掺入核苷酸前体的时间段之后，在558处，扫描参考振荡器的频率，并且检测电路(例如，电路600a)确定每个传感器105(例如，检测设备100的传感器105中的一些或全部传感器)的状态。在560处，对每个传感器105的状态(例如，其输出信号)进行分析/处理，以识别在每个传感器105处检测到四种mnp类型中的哪一种。然后可确定所掺入的核苷酸前体的身份，并且成对碱基的身份是已知的并且可记录。方法550在562处结束。
另选地，同样如上所述(参见例如图7b的讨论)，检测电路130可包括多个参考振荡器610，每个参考振荡器被配置为生成接近在存在所使用的mnp之一的情况下sto的rf信号的频率的频率。在每个测序循环期间，在引入四种mnp标记的核苷酸前体之后，开关611可循环通过每个ro610，并且可检测电路600b的dc输出620，如上文对图7b的讨论中所述。同样，仅当开关611连接到以大约sto的频率振荡的ro610时，dc输出620才应为非零的。根据该信息，可确定颗粒的身份。
图12b示出了根据一些实施方案的适用于使用mnp标记的核苷酸前体和多个参考振荡器610的dna测序的方法570。图12b假设有四个mnp在使用中，并且因此有四个参考振荡器610，但是应当理解，可以存在多于或少于四个的参考振荡器610。方法570在572处开始。在574处，每种核苷酸前体类型(g、a、c、t)用不同的mnp类型来标记(例如，a用mnp1标记，t用mnp2标记，c用mnp3标记，g用mnp4标记)。在576处，将待测序的核酸链、聚合酶分子和mnp标记的核苷酸前体引入到检测设备100的流体通道115中。在适于允许掺入核苷酸前体的时间段之后，在578处，开关611被设置为连接到第一参考振荡器610a(参见图7b)。在580处，对于检测设备100的一个或多个传感器105中的每个传感器，确定检测电路的输出是否不为零或高于阈值。如果是，则可在594处识别检测到的mnp类型，记录配对碱基的身份，并且方法570对于测序循环的该传感器105结束。如果检测电路的输出为零或低于阈值，则在582处，开关611被设置为连接到第二参考振荡器610b(参见图7b)。在584处，确定检测电路的输出是否不为零或高于阈值(该阈值可与先前使用的阈值相同或不同)。如果是，则可在594处识别检测到的mnp类型，记录配对碱基的身份，并且方法570对于测序循环的该传感器105结束。如果检测电路的输出为零或低于阈值，则在586处，开关611被设置为连接到第三参考振荡器610c(参见图7b)。在588处，确定检测电路的输出是否不为零或高于阈值(该阈值可与先前使用的阈值相同或不同)。如果是，则可在594处识别检测到的mnp类型，记录配对碱基的身份，并且方法570对于测序循环的该传感器105结束。如果检测电路的输出为零或低于阈值，则在590处，开关611被设置为连接到第四参考振荡器610d(参见图7b)。在592处，确定检测电路的输出是否不为零或高于阈值(该阈值可与先前使用的阈值相同或不同)。如果是，则可在594处识别检测到的mnp类型，记录配对碱基的身份，并且方法570对于测序循环结束。如果不是，则方法570在596处结束。
制造传感器和检测设备的方法
在一些实施方案中，使用光刻工艺和薄膜沉积来制造检测设备100。图13a示出了制造检测设备100的方法850，并且图13b示出了根据一些实施方案的制造方法850的步骤的结果，其中最终面板示出了结合到邻近传感器105的壁117的聚合酶(例如，当检测设备100用于核酸测序时)。在852处，方法850开始。在854处，在基底上制造至少一条流通道120，具体方法是例如通过沉积一个或多个金属层，使用例如光刻法将施加在金属层顶部上的聚合物层中的流通道和空间的阵列图案化，使用该聚合物层作为掩模以用于将金属层蚀刻成流通道的阵列，沉积绝缘电介质材料，剥离流通道上方的聚合物层和电介质材料，以及执行化学机械抛光以使表面平面化。在856处，在至少一条流通道120上制造传感器阵列110。传感器阵列110的每个传感器105具有底部部分108和顶部部分109。(参见图1a。)底部部分108耦接到至少一条流通道120。在一些实施方案中，每个传感器105的底部部分108与至少一条流通道120接触。
在858处，将电介质材料沉积在传感器阵列110的传感器105之间。在860处，制造附加的流通道120。这些附加的流通道120中的每个流通道耦接到传感器阵列110中的至少一个传感器105的顶部部分109。在一些实施方案中，每个传感器105的顶部部分109与流通道120接触。在一些实施方案中，传感器105的底部部分108与第一流通道120a接触，并且传感器105的顶部部分109与第二流通道120b接触。在862处，移除邻近传感器105的电介质材料的一部分(例如，通过铣削、蚀刻或任何其他合适的移除工艺)以形成流体通道115。在864处，方法850结束。
本公开中描述的用于dna测序的电检测可提供优于当前使用的涉及光学检测方法的技术的多种优点。例如，就标度流通池尺寸而言，电检测不受限制，其方式与光学检测由于衍射受限的光学成像而受到限制的方式相同。磁检测是一种用于测序的电检测形式，其具有优于通常提出的隧道电流检测方案的优点，因为隧道电流检测方法测量非常小的电流(这降低了snr)，并且隧道结元件直接暴露于测序化学物质，这可能导致腐蚀或降低测序过程准确性的其他有害问题。相比之下，磁检测具有更大的信号(和更好的snr)并且可在不标记颗粒与传感器105直接接触的情况下执行，从而允许传感器105被涂覆能够减轻与测序试剂的相互作用的保护层。
根据本文所述的各种实施方案，sto检测技术可用于相对简单的二元方法中以检测掺入的dna核苷酸前体的存在(例如，经由在模拟检测电路输出处检测有限或大约为零的电压)。因此，其可降低以高准确度操作检测系统所需的snr，这使得sto设计更容易。它还为用作待检测分子的标记的mnp的选择提供了灵活性，因为只有没有任何特定场方向的小磁场才会使sto关闭或接通。因此，可在不使用外部磁场的情况下使用超顺磁性和铁磁颗粒两者来使颗粒在流通池(例如，传感器阵列110)中的不同位点处对准。
本文的使用数字处理进行检测的实施方案还可有利于使用可靠、准确的硬件部件(例如，adc和dsp或其他类似部件)和熟知的算法(例如，傅里叶变换或用于评估rf信号的频率成分的任何其他已知频率分析技术)来检测sto振荡频率和/或sto振荡频率的变化。
磁检测的限制可能是传感器105的snr。所公开的一些实施方案的优点是sto604在较高频率下操作，并且因此将具有减小的1/f噪声，这导致总噪声减小。另一个优点是，因为在检测器的输出处检测到单个电压，所以sto604的使用应是快速的并且应允许高数据收集吞吐量，这在检测系统(例如，用于dna测序)中是期望的。
在前面的描述和附图中，阐述了特定术语来提供对本发明所公开的实施方案的透彻理解。在一些情况下，术语或附图可暗示实践本发明所不需要的具体细节。
为了避免不必要地模糊本公开，熟知的部件以框图形式示出和/或并未详细讨论，或在一些情况下完全不讨论。
除非本文另有具体定义，否则所有术语应被赋予其最广泛的可能解释，包括本说明书和附图所暗示的含义以及本领域技术人员理解的和/或如字典、图书等中所定义的含义。如本文明确阐述的，一些术语可能不符合其普通或惯常含义。
如本文所用，术语“在……上方”、“在……下方”、“在……之间”、“在……上”和其他类似术语是指一层相对于其他层的相对位置。因此，例如，设置在另一层上方或下方的一层可直接与另一层接触，或者可具有一个或多个中间层。此外，设置在层之间的一层可直接与两层接触，或者可具有一个或多个中间层。相反，“在第二层上”的第一层与第二层接触。这些术语的相对位置并非将这些层限定或限制于这些层的某向量空间取向。
术语“示例性”和“实施方案”用于表示示例，而不是偏好或要求。除非另外特别说明或在所使用的上下文内以其他方式理解，否则本文所用的条件语言诸如“可以”、“可”、“可能”、“可能会”、“例如”等通常旨在传达某些实施方案包括某些特征、元件和/或步骤，而其他实施方案不包括该某些特征、元件和/或步骤。因此，此类条件语言通常不旨在暗示特征、元件和/或步骤以任何方式是一个或多个实施方案所需要的，或者一个或多个实施方案必须包括用于在具有或不具有其他输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或步骤是否包括在任何具体实施方案或将在任何具体实施方案中执行的逻辑。术语“包含”、“包括”、“具有”等是同义的，并且以开放式方式包含性地使用，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等。另外，术语“或”以其包含性意义(而不是以其排他性意义)使用，使得当用于例如连接要素列表时，术语“或”是指该列表中的一个、一些或所有要素。
除非另外特别说明，否则诸如短语“x、y和z中的至少一者”、“x、y或z中的至少一者”、“x、y和z中的一者或多者”以及“x、y或z中的一者或多者”之类的析取语言是结合通常用于呈现项目、术语等可为x、y或z或它们的任何组合(例如，x、y和/或z)的上下文另外理解的。因此，此类析取语言通常不旨在且不应暗示某些实施方案要求至少一个x、至少一个y或至少一个z各自存在。
除非另有明确说明，否则诸如“一个”或“一种”之类的冠词通常应解释为包括一个或多个所述项目。因此，短语诸如“被配置为……的设备”旨在包括一个或多个所述设备。此类一个或多个所述设备还可以被共同配置为执行所述叙述。例如，“被配置为执行叙述a、b和c的处理器”可以包括被配置为执行叙述a的第一处理器，其与被配置为执行叙述b和c的第二处理器结合工作。
附图未必按比例绘制，并且特征的维度、形状和尺寸可显著不同于它们在附图中的描绘方式。
虽然以上详细描述已经示出、描述并指出了应用于各种实施方案的新颖特征，但可理解，在不脱离本公开的实质的情况下，可对所例示的设备或算法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。可以认识到，本文所述的某些实施方案可体现为不提供本文所述的所有特征和有益效果的形式，因为一些特征可与其他特征分开使用或实践。本文所公开的特定实施方案的范围由所附权利要求而不是前述描述所指示。在权利要求书等同的含义和范围内的所有变化均包含在其范围内。因此，本说明书和附图被认为是示例性意义的而不是限制性意义的。
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