专利名称：使用大规模fet阵列测量分析物的方法和装置的制作方法
技术领域：
本公开内容一般地涉及与通过电子传感器检测和测量一种或多种分析物有关的发明方法和装置。
背景技术：
电子装置和组件已经在化学和生物学(更一般地，“生命科学”)中得到众多应用， 特别是用于检测和测量不同的化学和生物反应，以及鉴别、检测和测量不同的化合物。一种这样的电子装置被称作离子敏感的场效应晶体管，在相关文献中经常表示为ISFET(或 pHFET)。ISFET常规地主要在科学和研究团体中采用，用于便利溶液的氢离子浓度(通常表示为“pH”)的测量。
更具体地，ISFET是一种阻抗转化装置，其以类似于MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的方式运行，且为选择性地测量溶液中的离子活性而特别构建(例如，溶液中的氢离子是“分析物”)。在“Thirty years of ISFET0L0GY :what happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years, " P. Bergveld, Sens. Actuators, 88 0003)，第1-20页(所述出版物通过引用并入本文，在下文中称作“Bergveld”)中，给出了 ISFET的详细运行理论。
图1解释了使用常规CMOS (互补金属氧化物半导体)方法制造的ρ-型(ρ-通道) ISFET 50的横截面。但是，也可以使用biCM0S(即，两极的和CMOS)加工，诸如包括PMOS FET阵列的方法，所述阵列具有在外围上的两极结构。以CMOS为例，P-型ISFET制造基于 P-型硅基质52，其中形成η-型孔Μ，它构成晶体管“主体”。在η-型孔M内形成高度掺杂的P-型(P+)区域S和D，它们构成ISFET的源56和排出装置58。在η_型孔内还形成高度掺杂的η-型(η+)区域B，以提供与η-型孔的传导体(或“块”)连接62。氧化物层 65安置在源、排出装置和主体连接区域上面，穿过它们制作开口，以提供与这些区域的电连接(通过电导体)；例如，金属接触体66用作提供与排出装置58的电连接的导体，且金属接触体68用作提供与源56和η-型孔M的普通连接(通过高传导的体连接62)的导体。 在源56和排出装置58之间，在η-型孔M的区域60上面的位置，在氧化物层上面形成多晶硅栅64。因为它安置在多晶硅栅64和晶体管主体(S卩，η-型孔)之间，氧化物层65经常被称作“栅氧化物”。
类似于M0SFET，ISFET的运行基于由MOS (金属氧化物半导体)电容造成的电荷浓度的调节，所述MOS电容由多晶硅栅64、栅氧化物65和在源和排出装置之间的η-型孔M 的区域60组成。当施加通过栅和源区域的负电压(Ves<0伏特)时，通过剥夺该区域的电子，在区域60和栅氧化物65的界面处建立“P-通道” 63。该ρ-通道63在源和排出装置之间延伸，且当栅-源负电势Ves足以从源吸收孔进入通道时，传导电流穿过ρ-通道。通道 63开始传导电流时的栅-源电势称作晶体管的阈值电压VTH(当Ves具有大于阈值电压Vth 的绝对值时，晶体管传导)。源因此得名，因为它是流过通道63的电荷载体(ρ-通道的孔) 的源；类似地，排出装置是电荷载体离开通道63的地方。
在图1的ISFET 50中，通过主体连接62，η-型孔晶体管主体)被施加与源 56相同电势的偏压(即，Vsb = 0伏特)，这从连接到源56和主体连接62上的金属接触体 68可以看出。该连接阻止ρ+源区域和η-型孔的正向偏压，并从而便利地将电荷载体限制于可以在其中形成通道63的区域60的范围。源56和主体/n-型孔M之间的任意电势差 (非零源-至-主体电压Vsb)会根据非线性关系影响ISFET的阈值电压Vth，且通常称作“主体效应”，这在许多应用中是不希望的。
也如图1所示，ISFET 50的多晶硅栅64偶联到多个金属层上，所述金属层安置在一个或多个额外的氧化物层75内，所述氧化物层安置在栅氧化物65的上面，以形成“浮动栅”结构70。浮动栅结构由此得名，这是因为它与其它的ISFET相关导体在电学上分离；也就是说，它夹在栅氧化物65和钝化层72之间。在ISFET 50中，钝化层72构成离子-敏感的膜，其产生装置的离子灵敏度；即，与钝化层72 (尤其在浮动栅结构70上面的敏感区域 78中)相接触的分析物(诸如离子)在“分析物溶液”74(即，含有目标分析物(包括离子) 或被测试目标分析物的存在的溶液)中的存在，会改变ISFET的电特征，从而调节流过源56 和排出装置58之间的ρ-通道63的电流。钝化层72可以包含多种不同材料中的任一种， 以促进对特定离子的灵敏度；例如，包含氮化硅或氮氧化硅以及金属氧化物(诸如硅、铝或钽氧化物)的钝化层通常会提供对分析物溶液74中氢离子浓度(pH)的灵敏度，而包含聚氯乙烯的钝化层(含有缬氨霉素)会提供对分析物溶液74中钾离子浓度的灵敏度。适用于钝化层且对其它离子(诸如钠、银、铁、溴、碘、钙和硝酸盐)敏感的物质是已知的。
关于离子灵敏度，通常称作“表面电势”的电势差出现在钝化层72和分析物溶液 74的固/液界面处，随敏感区域78中的离子浓度而变化，这是由于化学反应(例如，通常包含在敏感区域78附近的分析物溶液74中的离子对氧化物表面基团的解离)。该表面电势又影响ISFET的阈值电压Vth ；因而，ISFET的阈值电压Vth随着在敏感区域78附近的分析物溶液74中的离子浓度的变化而变化。
图2解释了图1所示的P-通道ISFET 50的电路简图。再次参照图1，在分析物溶液74中的参比电极76(常规Ag/AgCl电极)测定分析物溶液74主体的自身的电势，且类似于常规MOSFET的栅末端(gate terminal)，如图2所示。在ISFET的线性的或不饱和的运行区域，排出电流Id给出为
权利要求
1.一种测序核酸的方法，包括将多个模板核酸安置在多个反应室中，其中所述多个反应室中的每一个与ChemFET阵列中的至少一个化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，并且其中所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，通过在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸来合成新核酸链，和通过所述至少一个chemFET处的电参数变化并且所述反应室中没有可感知的pH变化来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入。
2.一种测序核酸的方法，包括将多个模板核酸安置在反应室中，其中所述多个模板核酸连接到单个珠子上，所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，且所述反应室与化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，通过在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸来合成新核酸链，和通过检测在所述chemFET处的第一和第二电脉冲来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入。
3.一种测序核酸的方法，包括将多个模板核酸安置在多个反应室中，其中所述多个反应室中的每一个与chemFET阵列中的至少一个化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，且其中所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，通过在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸来合成新核酸链，和通过非酶检测释放的无机焦磷酸来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入。
4.权利要求3的方法，其中所述检测步骤在所述反应室中不存在可感知的pH变化的情况下进行。
5.一种测序核酸的方法，包括将多个模板核酸安置在多个反应室中，其中所述多个反应室中的每一个与chemFET阵列中的至少一个化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，且其中所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，通过在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸来合成新核酸链，和通过检测释放的无机焦磷酸和未引入的三磷酸核苷酸来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入。
6.权利要求5的方法，其中在、检测释放的无机焦磷酸，且在不同的时间、检测未引入的三磷酸核苷酸，并且所述方法还包括从时间Stftci测定所引入的已知三磷酸核苷酸的数目。
7.一种测序核酸的方法，包括使模板核酸接触测序引物和聚合酶，接触的时间和条件足以允许所述模板核酸结合所述测序引物以形成模板/引物杂合体，并允许所述聚合酶结合所述模板/引物杂合体，和通过在所述测序引物的3’末端依次引入三磷酸核苷酸来合成新核酸链，和通过检测释放的无机焦磷酸和未引入的三磷酸核苷酸来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入。
8.权利要求7的方法，还包括在时间、检测释放的无机焦磷酸，在时间、检测未引入的三磷酸核苷酸，以及从时间差tf、测定所引入的已知三磷酸核苷酸的数目。
9.一种测序核酸的方法，包括使模板核酸接触测序引物和聚合酶，接触的时间和条件足以允许所述模板核酸结合所述测序引物以形成模板/引物杂合体，并允许所述聚合酶结合所述模板/引物杂合体，和通过在低离子强度环境中在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸来合成新核酸链，和通过用chemFET检测一个或多个相应的离子脉冲来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入。
10.权利要求9的方法，其中所述低离子强度环境包含小于ImM的MgCl2或胞(12。
11.权利要求9的方法，其中所述低离子强度环境包含小于0.5mM的MgCl2或胞(12。
12.权利要求9的方法，其中所述低离子强度环境包含小于ΙΟΟμΜ的1%(12或胞(12。
13.一种测定三磷酸核苷酸向新合成的核酸中引入的方法，包括在与chemFET相接触或电容式偶联的溶液中合并三磷酸核苷酸、模板/引物杂合体和聚合酶，并且检测所述chemFET处的电脉冲，其中第一和第二脉冲的检测表明三磷酸核苷酸的引入，并且其中第一而非第二脉冲的检测表明未引入三磷酸核苷酸。
14.一种测定三磷酸核苷酸向新合成的核酸中引入的方法，包括在与chemFET相接触或电容式偶联的溶液中合并三磷酸核苷酸、模板/引物杂合体和聚合酶，并且独立于在所述chemFET的钝化层处的结合事件，检测chemFET处的电脉冲/峰， 其中第一和第二脉冲的检测表明三磷酸核苷酸的引入，并且其中第一而非第二脉冲的检测表明未引入三磷酸核苷酸。
15.一种测定三磷酸核苷酸向新合成的核酸中引入的方法，包括在与chemFET相接触或电容式偶联的溶液中合并三磷酸核苷酸、模板/引物杂合体和聚合酶，并且独立于在所述chemFET的钝化层处的结合事件，检测chemFET处的电脉冲/峰， 其中第一和第二脉冲的检测表明至少一个三磷酸核苷酸的引入。
16.权利要求13、14或15的方法，其中所述第一脉冲发生在时间、，所述第二脉冲发生在时间、，且表明所引入的三磷酸核苷酸的数目。
17.权利要求13、14或15的方法，其中所述三磷酸核苷酸是已知的。
18.权利要求13、14或15的方法，其中所述三磷酸核苷酸是多个相同的三磷酸核苷酸， 所述模板/引物杂合体是多个模板/引物杂合体，并且所述聚合酶是多个聚合酶。
19.一种测序核酸的方法，包括将多个模板核酸安置在多个反应室中，其中所述多个反应室中的每一个与chemFET阵列中的化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，每个反应室留下至少一个chemFET，且其中所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，通过在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸来合成新核酸链，和通过在所述至少一个chemFET处在时间、检测高度为Iitl的第一脉冲和在时间、检测高度为h的第二脉冲来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入，其中Iitl和、各自比基线高至少约5mV，且tft。是10-50毫秒。
20.一种测序核酸的方法，包括将多个珠子安置在多个反应室中，其中每个反应室包含单个珠子，每个珠子连接多个相同的模板核酸，所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，且其中所述多个反应室中的每一个与chemFET阵列中的化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，所述chemFET阵列对于每个反应室包含至少一个chemFET，通过在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸来合成新核酸链，和通过在所述阵列内的至少一个chemFET处检测第一和第二电压脉冲来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入，其中所述chemFET阵列包含至少3个chemFET。
21.一种测序核酸的方法，包括将多个珠子安置在多个反应室中，其中每个反应室包含单个珠子，每个珠子连接多个相同的模板核酸，所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，且其中所述多个反应室中的每一个与阵列中的化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，所述阵列对于每个反应室包含至少一个chemFET，通过将多个已知的相同的三磷酸核苷酸引入到每个反应室中来引发新核酸链的合成，通过在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸来合成新核酸链，并且通过在所述阵列内的至少一个chemFET处检测第一和第二电压脉冲来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入。
22.权利要求21的方法，其中在将多个已知的三磷酸引入每个反应室之前，每个反应室包含三磷酸腺苷。
23.一种测序核酸的方法，包括(a)将多个珠子安置在多个反应室中，每个反应室包含单个珠子，每个珠子连接多个相同的模板核酸，所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，且每个反应室与至少一个化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，(b)将多个已知的相同的三磷酸核苷酸引入到每个反应室中，(c)检测在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个三磷酸核苷酸是否与所述模板核酸中的相应核苷酸互补，(d)从所述反应室中洗去未引入的三磷酸核苷酸，和(e)使用不同的多个已知三磷酸核苷酸，在相同反应室中重复步骤(b)至(d)。
24.权利要求23的方法，其中通过所述chemFET处的第一和第二脉冲来检测一个或多个三磷酸核苷酸的依次引入。
25.权利要求23或M的方法，其中(e)包括，通过将每个不同的多个已知三磷酸核苷酸分开引入到每个反应室中来重复步骤(b)至(d)。
26.一种测序核酸的方法，包括将多个珠子安置在多个反应室中，其中每个反应室包含单个珠子，每个珠子连接多个相同的模板核酸，所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，且其中所述多个反应室中的每一个与chemFET阵列中的至少一个化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，通过将二价阳离子引入到每个反应室中来引发新核酸链的合成， 通过在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸来合成新核酸链，并且通过在所述阵列内的至少一个chemFET处检测第一和第二电脉冲来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入。
27.权利要求沈的方法，其中所述二价阳离子是Mg2+或Mn2+。
28.权利要求沈或27的方法，其中所述二价阳离子的浓度小于ImM。
29.权利要求沈或27的方法，其中所述二价阳离子的浓度小于100μ M。
30.权利要求沈或27的方法，其中所述二价阳离子的浓度为约50μ Μ。
31.一种测序核酸的方法，包括将多个相同的模板核酸安置在反应室中，其中所述反应室与化学敏感的场效应晶体管 (chemFET)相接触或电容式偶联，且其中所述模板核酸中的每一个与测序引物杂交并结合聚合酶，在所述测序引物的3’末端依次引入一个或多个已知的三磷酸核苷酸，以及通过所述chemFET处的电脉冲来检测所述一个或多个已知三磷酸核苷酸的引入， 其中检测出10-1000个三磷酸核苷酸的引入。
32.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、26 或 31 的方法，其中检测出 250-750个三磷酸核苷酸的引入。
33.权利要求1、2、3、5、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述反应室包含多个填充珠子。
34.权利要求7、9、13、14或15的方法，其中在多个填充珠子存在下进行所述检测步骤。
35.权利要求1、2、3、5、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述反应室包含可溶性非核酸聚合物。
36.权利要求35的方法，其中所述可溶性非核酸聚合物是聚乙二醇。
37.权利要求7、8、13、14或15的方法，其中在可溶性非核酸聚合物存在下进行所述检测步骤。
38.权利要求37的方法，其中所述可溶性非核酸聚合物是聚乙二醇。
39.权利要求2、20、21、23或沈的方法，其中所述单个珠子连接到聚乙二醇上。
40.权利要求39的方法，其中所述聚乙二醇是生物素化的聚乙二醇。
41.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述方法在约7-9的pH下进行。
42.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述方法在约8. 5-9. 5的pH下进行。
43.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述方法在约9的pH下进行。
44.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述合成和 /或检测步骤在弱缓冲液中进行。
45.权利要求44的方法，其中所述弱缓冲液包含Tris-HCl、硼酸、硼酸盐缓冲液、吗啉、 醋酸盐、柠檬酸、碳酸或磷酸作为缓冲剂。
46.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述合成和 /或检测步骤在小于ImM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中进行。
47.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述合成和 /或检测步骤在约ImM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中、在约0. 9mM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中、在约0. 8mM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中、在约0.7mM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中、在约0. 6mMTris-HCl或硼酸盐缓冲液中、在约0. 5mM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中、在约0. 4mM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中、在约0. 3mM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中、或者在约0. 2mM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中进行。
48.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述合成和 /或检测步骤在约0. 5mM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中进行。
49.权利要求2、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述检测步骤在没有可检测的PH变化的情况下进行。
50.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、26 或 31 的方法，其中所述 chemFET是相对pH不敏感的。
51.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述合成和 /或检测步骤在约0. 5mM Tris-HCl或硼酸盐缓冲液中进行。
52.权利要求1、2、3、5、7、13、14、15、19、20、21、23、洸或31的方法，其中所述合成和/ 或检测步骤在低离子强度环境中进行。
53.权利要求1、2、3、5、7、13、14、15、19、20、21、23、洸或31的方法，其中所述合成和/ 或检测步骤在包含小于ImM MgCl2或MnCl2的低离子强度环境中进行。
54.权利要求1、2、3、5、7、13、14、15、19、20、21、23、洸或31的方法，其中所述合成和/ 或检测步骤在包含小于0. 5mM MgCl2或MnCl2的低离子强度环境中进行。
55.权利要求1、2、3、5、7、13、14、15、19、20、21、23、洸或31的方法，其中所述合成和/ 或检测步骤在包含小于100 μ M MgCl2或MnCl2的低离子强度环境中进行。
56.权利要求1、2、3、5、7、13、14、15、19、20、21、23、洸或31的方法，其中所述合成和/ 或检测步骤在包含小于0. 5mM MgCl2或MnCl2的低离子强度环境中进行。
57.权利要求1、2、3、5、7、13、14、15、19、20、21、23、洸或31的方法，其中所述合成和/ 或检测步骤在包含约100 μ M MgCl2或MnCl2、约75 μ M MgCl2或MnCl2、约50 μ M MgCl2或 MnCl2、约 40 μ M MgCl2 或 MnCl2、约 30 μ M MgCl2 或 MnCl2、约 20 μ M MgCl2 或 MnCl2、或者约 10 μ M MgCl2或MnCl2的低离子强度环境中进行。
58.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述合成和/或检测步骤在约0. 5mM TRIS和约50 μ MMgCl2中进行。
59.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、26或31的方法，其中所述三磷酸核苷酸未被封闭。
60.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、26或31的方法，其中所述三磷酸核苷酸是三磷酸脱氧核苷酸(dNTP)。
61.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、26 或 31 的方法，其中所述 chemFET包含氮化硅钝化层。
62.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、26 或 31 的方法，其中所述 chemFET包含连接到无机焦磷酸(PPi)受体上的钝化层。
63.权利要求1、2、3、5、19、20、21、23、沈或31的方法，其中每个反应室接触单个 chemFETο
64.权利要求1、2、3、5、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述反应室的体积等于或小于约1皮升(PL)。
65.权利要求1、2、3、5、19、20、21、23、26或31的方法，其中反应室被1-10μ m的中心-中心间距隔开。
66.权利要求1、2、3、5、19、20、21、23、沈或31的方法，其中反应室被约9μ m、约5 μ m 或约2 μ m的中心-中心间距隔开。
67.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23J6或31的方法，其中所述三磷酸核苷酸预浸渍在Mg2+或Mn2+中。
68.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述聚合酶预浸渍在Mg2+或Mn2+中。
69.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述方法在包含单个捕获珠子的反应室中进行，其中反应室宽度与单个捕获珠子直径之比是至少0. 7、 至少0. 8或至少0. 9。
70.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述聚合酶游离在溶液中。
71.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述聚合酶被固定在珠子上。
72.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述聚合酶被固定在捕获珠子上。
73.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中在检测核苷酸引入之前，无机焦磷酸(PPi)没有显著水解。
74.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中在检测第一电脉冲之前，无机焦磷酸(PPi)没有显著水解。
75.权利要求1、2、3、5、7、9、13、14、15、19、20、21、23、沈或31的方法，其中所述模板核酸连接到捕获珠子上。
76.权利要求1、2、3、5、9、13、14、15、19、20、21、23、26 或 31 的方法，其中所述 chemFET 包含未结合到核酸上的钝化层。
77.一种测序核酸的方法，包括检测一个或多个已知的三磷酸核苷酸向测序引物3’末端的引入，所述测序引物与在反应室内的模板核酸杂交，所述反应室与包含至少3个chemFET的chemFET阵列中的化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联。
78.一种测序核酸的方法，包括使靶核酸片段化，以产生多个片段化核酸，使所述多个片段化核酸中的每一个连接单个珠子，以产生各自连接单个片段化核酸的多个珠子，扩增在每个珠子上的片段化核酸，产生在每个珠子上的多个相同的片段化核酸， 将连接片段化核酸的多个珠子递送至反应室的阵列，每个反应室处于与电化学的非光学传感器的感知关系中，其中在每个反应室中仅放置一个珠子，以及在所述多个反应室中同时进行测序反应。
79.权利要求78的方法，其中所述传感器是chemFET。
80.一种测序核酸的方法，包括使靶核酸片段化，以产生多个片段化核酸， 单个地扩增所述多个片段化核酸中的一个或多个，以及使用chemFET阵列测序所述单个扩增的片段化核酸。
81.权利要求78的方法，其中所述chemFET阵列包含至少3个chemFET。
82.权利要求78的方法，其中所述chemFET阵列包含至少500个chemFET。
83.权利要求78的方法，其中所述chemFET阵列包含至少100，000个chemFET。
84.权利要求78的方法，其中使用油包水乳液扩增方法单个地扩增所述多个片段化核酸。
85.一种测序核酸的方法，包括使靶核酸片段化，以产生多个片段化核酸，单个地扩增所述多个片段化核酸中的一个或多个，以及使用chemFET阵列在具有约 1-10 μ m的中心-中心距离的多个反应室中测序所述单个扩增的片段化核酸。
86.权利要求85的方法，其中所述中心-中心距离是约9μ m、约5 μ m、或约2 μ m。
87.一种测序核酸的方法，包括在反应室中测序多个相同的模板核酸，所述反应室与包含至少3个chemFET的阵列中的chemFET相接触或电容式偶联。
88.—种检测三磷酸核苷酸向核酸中的引入的方法，包括在与化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联的反应室中检测三磷酸核苷酸向核酸的3’末端的引入，其中引入的发生速率大于反应室中未引入的三磷酸核苷酸的扩散速率。
89.权利要求88的方法，其中所述chemFET存在于chemFET阵列中。
90.一种测序基因组或其部分的方法，包括将来自基因组或其部分的片段化核酸递送至测序装置，所述测序装置包含反应室的二维阵列，其中所述反应室中的每一个偶联至至少一个chemFET ；以及通过来自所述反应室的chemFET的信号来检测至少一个所述反应室中的测序反应。
91.一种测序基因组或其部分的方法，包括将来自基因组或其部分的核酸递送至反应室的二维阵列，其中所述反应室中的每一个与chemFET电容式偶联；基本上同时将第一 dNTP递送至所述反应室中的每一个；以及由来自所述chemFET的信号测定所述基因组或其部分的序列。
92.权利要求91的方法，其中递送包括基本上同时将所述第一dNTP递送至所述反应室中的每一个。
93.一种用于鉴别与病症有关的序列的方法，包括将来自多个具有所述病症之对象的核酸递送至包含反应室二维阵列的测序装置，其中所述反应室中的每一个与chemFET电容式偶联；由来自所述chemFET的信号测定所述核酸的序列；以及鉴别来自所述多个对象的DNA 之间的共有序列。
94.权利要求93的方法，其中所述病症是癌症、免疫抑制病症、神经病症或病毒感染。
95.一种用于鉴别与对特定活性剂之阳性响应有关的序列的方法，包括使用包含chemFET阵列的测序装置测序DNA，所述DNA来自多个已经对活性剂表现出阳性响应的对象和多个对活性剂具有阴性响应的对象；以及鉴别在所述多个已经表现出阳性响应的对象或已经表现出在其它多个对象中不存在的阴性响应的对象中的共有DNA序列。
96.权利要求95的方法，其中所述测序装置包括多个装置，每个装置包含chemFET的阵列。
97.权利要求93或95的方法，其中所述对象是人。
98.权利要求93或95的方法，其中所述DNA从选自下述的体液或组织得到血液、唾液、CSF、皮肤、毛发、组织、尿、粪便和粘液。
99.权利要求95或96的方法，其中每个测序装置每小时测序至少IO6UO7或IO8个碱基对。
100.权利要求93或95的方法，其中将测序信息提供给个人计算机、个人数字助理、蜂窝电话、视频游戏系统或电视。
101.权利要求93或95的方法，其中通过机器人技术进行测序。
102.一种测序生物聚合物的方法，包括测量单个单体引入到延伸聚合物中的反应时间，以测定所述生物聚合物的序列。
103.权利要求102的方法，其中所述生物聚合物是核酸模板，且所述单体是核苷酸。
104.权利要求102的方法，其中所述生物聚合物是具有200-700个碱基对的核酸模板。
105.权利要求102的方法，其中所述测量包括检测离子脉冲。
106.权利要求102的方法，其中所述聚合物是核酸模板，且在测定所述序列之前扩增所述核酸模板。
107.权利要求102的方法，其中所述测量包括检测电变化。
108.权利要求102的方法，其中所述单个单体是预先确定的。
109.权利要求102的方法，其中所述测量包括检测PPi的释放。
110.权利要求102的方法，其中所述测序以每小时至少IO6UO7或IO8个碱基的速率进行。
111.一种测定核酸序列的方法，包括 同时进行至少100个测序反应；测定所述序列，不使用标记，且不使用光学检测。
112.权利要求111的方法，其中所述核酸序列是哺乳动物基因组。
113.权利要求111的方法，其中所述核酸序列是人基因组。
114.权利要求111的方法，其中所述测定步骤包括测量一个或多个第一单体引入到延伸中的序列中所花费的时间的量。
115.权利要求111的方法，其中所述测序在约1、5、10、15、20或M小时内完成。
116.权利要求111的方法，其中测序所需要的起始材料是小于3μg的核酸。
117.权利要求111的方法，其中所述核酸序列在测序之前扩增，并任选地结合到一个或多个珠子上。
118.权利要求111的方法，其中所述测序包括检测离子脉冲。
119.权利要求111的方法，其中所述测序包括检测PPi的释放。
120.一种使用chemFET测序核酸模板的方法，包括在离子强度高达500 μ Μ、400 μ M或 300 μ M的反应混合物中进行测序反应。
121.权利要求120的方法，其中反应混合物具有不高于100μ M的Mg2+或Mn2+浓度。
122.权利要求120的方法，其中所述测序反应在由聚合材料、光可界定材料或诸如 SiO2的玻璃制成的与chemFET偶联的孔中进行。
123.—种测序生物聚合物的方法，包括将包含单体的流体导向至反应室的阵列，其中所述流体的流体流动雷诺数最大为 2000、1000、200、100、50 或 20。
124.权利要求123的方法，还包括在所述反应室中检测离子脉冲。
125.权利要求123的方法，其中所述导向包括在与反应室下面的基质平行的流中递送所述流体。
126.权利要求123的方法，其中所述导向造成所述流体扩散通过所述反应室的每一个。
127.权利要求123的方法，其中进行所述导向而基本上不混合来自第一反应室和第二反应室的流体。
128.—种用于检测离子脉冲的装置，其包含层流流动系统。
129.权利要求128的装置，其中所述装置用于测序多个核酸模板。
130.权利要求128的装置，其中所述装置用于测序安置在阵列上的多个核酸模板。
131.权利要求128的装置，其中所述装置用于测序多个核酸模板。
132.—种制造测序装置的方法，包括使用光刻，在晶体管阵列上面的玻璃材料中产生孔。
133.—种制造FET阵列的方法，其中每个FET具有浮动栅或被偶联至浮动栅，所述方法包括制造包含多个场效应晶体管(FET)的半导体芯片，其中多个FET包括浮动栅或被偶联至浮动栅；在切割步骤之前对所述半导体进行混合气体退火；切割所述半导体；以及在所述切割步骤之后对所述半导体进行混合气体退火；选择的退火足以将所述浮动栅中的捕获电荷降低至这样的水平在该水平下，其存在不造成所述FET的阈值电压变动超过标称量，不显著影响阵列性能。
134.权利要求133的方法，其中所述半导体芯片包含至少100，000个FET。
135.权利要求133的方法，其中所述多个FET是化学敏感的场效应晶体管(chemFET)。
136.权利要求133的方法，还包括将电介质材料层沉积在所述半导体芯片上。
137.权利要求133的方法，还包括在所述电介质材料中形成反应室的阵列。
138.权利要求136的方法，其中所述电介质材料是聚合材料、玻璃、光可界定的材料或可蚀刻的薄膜材料。
139.—种制造测序装置的方法，包括 制造chemFET的阵列；将电介质材料沉积在所述阵列上；在chemFET阵列上面，在所述电介质材料中形成反应室阵列； 在切割步骤之前对所述阵列进行混合气体退火； 切割所述阵列；在所述切割步骤之后进行混合气体退火。
140.一种测序生物体的整个基因组的方法，包括将来自所述生物体的至多3yg DNA 递送至化学敏感的场效应晶体管(chemFET)的阵列，并基于来自所述chemFET的信号测定所述基因组的序列。
141.一种测序核酸模板的方法，包括将第一 dNTP单体施加于包含所述核酸模板的反应混合物； 施加酶，以降解未使用的dNTP ； 基本上去除所有的所述酶。
142.权利要求141的方法，其中所述酶还降解PPi。
143.权利要求141的方法，其中所有的所述步骤在微流体室中进行。
144.权利要求141的方法，其中所述去除步骤还去除任何降解的dNTP。
145.权利要求141的方法，其中所有的所述步骤在层流中进行。
146.权利要求141的方法，其中去除所有的所述酶而不使用机械泵。
147.—种测定来自多个样品的序列的方法，包括 使第一引物与来自第一样品的核酸退火；使第二引物与来自第二样品的核酸退火；将带有所述第一和第二引物的所述第一和第二核酸施加于chemFET的阵列；以及测定来自所述第一和第二样品的核酸序列。
148.权利要求147的方法，其中所述第一样品来自第一生物体，且所述第二样品来自第二生物体。
149.权利要求147的方法，其中所述测定操作包括(a)测定第一脉冲和第二脉冲之间的时间差，表明引入的三磷酸核苷酸的数目，(b)测定从测序反应释放的PPi的水平；或(c) 测定由测序反应导致的PH的变化。
150.一种装置，其包含化学敏感的场效应晶体管(chemFET)阵列，其包含多个chemFET传感器，每个传感器具有安置在其表面上或附近的PPi受体，其中所述阵列包含至少3个chemFET传感器。
151.权利要求150的装置，其中所述阵列中的相邻chemFET传感器被小于约10μ m的中心-中心距离隔开。
152.权利要求151的装置，其中所述中心-中心距离小于约9μ m、约5 μ m、或约2 μ m。
153.—种装置，其包含化学敏感的场效应晶体管(chemFET)阵列，所述阵列具有反应室的重叠阵列，其中每个反应室与至少一个chemFET相接触或电容式偶联。
154.权利要求153的装置，其中至少90%的所述反应室包含珠子。
155.权利要求154的装置，其中至少95%的所述反应室包含珠子。
156.权利要求153-155中任一项的装置，还包括流动池部件，其构造和排列成接收所述反应室阵列并将所述所述反应室阵列暴露给横跨流过每个反应室的开放部分的流体。
157.权利要求156的装置，其中所述流动基本上是层流。
158.权利要求156的装置，其中每个反应室的开放表面积不大于100、70、50或30μ m2。
159.权利要求158的装置，其中所述chemFET集成在一个或多个半导体芯片中的一个或多个阵列中，且所述反应室阵列安置在至少一个chemFET阵列上，并与其形成单元组件。
160.权利要求158的系统，其中所述反应室阵列包含至少100、1，000、10，000、100，000 或1,000,000个反应室。
161.权利要求158的系统，其中所述系统构造成在至多1、5、10、15、20或M小时内测序整个人基因组。
162.一种适用于不经光学检测而测序未标记聚合物的测序装置，其包含至少100个室的阵列，在所述室中能够进行测序反应。
163.权利要求162的装置，其中所述室与chemFET偶联。
164.权利要求162的装置，其中所述室包含微流体孔。
165.权利要求162的装置，其中所述装置适合每小时测序至少IO6UO7或IO8个碱基对。
166.一种用于检测离子脉冲的装置，其包含层流流动系统。
167.权利要求166的装置，其中所述装置用于测序多个核酸模板。
168.权利要求166的装置，其中所述装置用于测序沉积在阵列上的多个核酸模板。
169.权利要求166的装置，其中所述装置用于测序多个核酸模板。
170.用于聚合物测序的计算机装置，所述计算机装置包含用于测定离子脉冲的逻辑电路，所述离子脉冲与和PPi或dNTP或此二者的离子相互作用有关。
171.权利要求170的计算机装置，其中所述逻辑电路将离子脉冲特征转化成聚合物测序信息。
172.计算机装置，其包含用于基于离子脉冲间的时间来测定核酸模板序列的逻辑电路。
173.权利要求172的计算机装置，还包含用于测定chemFET阵列上离子脉冲的空间位置的逻辑电路。
174.计算机装置，其包含用于测定核酸模板序列的逻辑电路，所述测定基于在测序反应中使用的特定dNTP所需的持续时间。
175.权利要求170-174中任一项的计算机装置，其中所述测序基本上实时地进行。
176.权利要求170-174中任一项的计算机装置，其中所述逻辑电路接收来自一个或多个chemFET的信号。
177.一种电子芯片，其构造成用于在其上进行生物反应，所述电子芯片包含用于将信息递送至接收器的一个或多个针，所述接收器鉴别要在所述芯片上进行的反应的类型或在所述芯片上进行的反应的数目。
178.权利要求177的芯片，其中要进行的反应的类型是短核苷酸多态性检测、短串联重复检测或测序。
179.权利要求177的芯片，其中要进行的反应的数目是100、1，000、10，000、100，000或 1，000，000 个。
180.一种适合在芯片上进行多于一个生物反应的系统，所述系统包含适合接收所述芯片的芯片接收模块；和用于检测来自所述电子芯片的信息的接收器，其中所述信息决定选择哪个生物反应在所述芯片上进行或所述芯片的一个或多个参数。
181.权利要求180的系统，还包含用于进行所述选择生物反应的一种或多种试剂。
182.—种用于测序聚合物模板的装置，包含至少一个集成电路，其构造成传送关于下述的信息反应室的空间位置、加入到所述空间位置中的单体的类型、完成试剂的反应所需的时间，其中所述试剂包含具有延伸聚合物的多个单体。
183.—种至少100个微流体孔的阵列，每个孔与一个或多个chemFET偶联。
184.权利要求183的阵列，其中所述孔形成于电介质材料中。
185.权利要求184的阵列，其中所述电介质材料是玻璃、SiO2、聚合材料、光可界定的材料、离子可蚀刻的薄膜材料或反应性离子可蚀刻的薄膜材料。
186.—种包含孔的阵列的核酸测序装置，其中每个孔与用于感知所述孔中活动的传感器相结合，且每个孔具有水平宽度和垂直深度，其中所述宽度等于或小于所述深度。
187.权利要求186的装置，其中每个传感器包含一个或多个场效应晶体管(FET)。
188.—种包含化学敏感的场效应晶体管(chemFET)的阵列的装置，其中所述chemFET 中的每一个占据至多10平方微米的阵列面积。
189.—种包含至少2个场效应晶体管的装置，其中所述晶体管中的至少一个是与PPi 受体偶联的chemFET。
190.一种测序装置，其包含与电介质材料集成的半导体晶片层。
191.权利要求190的装置，其中所述电介质材料是玻璃、SiO2、聚合材料、光可界定的材料、离子可蚀刻的薄膜材料或反应性离子可蚀刻的薄膜材料。
192.权利要求190的测序装置，其中电介质材料是玻璃，且其中所述玻璃与所述半导体晶片集成。
193.权利要求192的测序装置，还包含聚合层。
194.权利要求193的测序装置，其中所述聚合层是注塑材料。
195.权利要求190的测序装置，其中所述聚合层是聚碳酸酯。
196.权利要求190的测序装置，其中所述玻璃是Si02。
197.权利要求190的测序装置，其中所述玻璃层是非结晶的。
198.—种制造测序装置的方法，包括使用光刻，在晶体管阵列上面的玻璃材料中产生孔。
199.一种半导体装置，其具有至少一个电介质层和浮动栅，它们以将过程诱导的捕获电荷限制至下述程度的方式进行制造和装配其存在不造成所述装置的阵列中晶体管的阈值电压变动超过标称量。
200.权利要求199的半导体装置，其中所述浮动栅和电介质层具有零或基本上零的捕获电荷。
201.权利要求199的半导体装置，其中所述浮动栅的表面积大于45μ m2。
202.一种制备FET的阵列的方法，每个FET具有浮动栅或与浮动栅偶联，所述方法包括制造包含多个场效应晶体管(FET)的半导体芯片，其中多个FET包括浮动栅或与浮动栅偶联；在切割步骤之前对所述半导体进行混合气体退火； 切割所述半导体；以及在所述切割步骤之后对所述半导体进行混合气体退火；选择的退火足以将所述浮动栅中的捕获电荷降低至这样的水平在该水平下，其存在不造成所述FET的阈值电压变动超过标称量，不显著影响阵列性能。
203.权利要求202的方法，其中所述半导体芯片包含至少100，000个FET。
204.权利要求202的方法，其中所述多个FET是化学敏感的场效应晶体管(chemFET)。
205.权利要求202的方法，还包括将电介质材料层沉积在所述半导体芯片上。
206.权利要求202的方法，还包括在所述电介质材料中形成反应室的阵列。
207.权利要求206的方法，其中所述电介质材料是聚合材料、玻璃、光可界定的材料或可蚀刻的薄膜材料。
208.一种制造测序装置的方法，包括 制造chemFET的阵列；将电介质材料沉积在所述阵列上；在所述chemFET阵列上面，在所述电介质材料中形成反应室的阵列； 在切割步骤之前对所述阵列进行混合气体退火； 切割所述阵列；以及在所述切割步骤之后进行混合气体退火。
209.一种流体组件，其包含具有一个或多个孔的元件，所述孔用于引导流体流至至少 100K、500K或IM个微流体反应室的阵列，从而所述流体同时或基本上同时到达所有的所述微流体反应室。
210.权利要求209的流体组件，其中所述流体组件构造成用于层流流动。
211.权利要求209的流体组件，其中所述流体流平行于支持所述反应室的基质。
212.权利要求209的流体组件，其中所述组件具有高达1000、500、200、100、50、20或 10的雷诺数。
213.权利要求209的流体组件，其中所述元件包含用于引导流体离开所述传感器阵列的第二孔。
214.权利要求209的流体组件，其中所述元件构造成基本上同时将所述流体递送至所述微流体反应室中的每一个。
215.权利要求209的流体组件，其中所述反应室中的每一个与chemFET电容式偶联。
216.权利要求209的流体组件，还包括用于移动所述流体的非移动压力供给。
217.—种组件，其包括孔的阵列和流体递送系统，所述每个孔与具有入口和出口的盖子偶联，所述流体递送系统用于从所述入口和出口递送和除去流体。
218.权利要求217的组件，还包含用于移动所述流体的非移动压力供给。
219.—种装置，其适合使用来自基因组的至多3yg DNA测序整个人基因组，而不需要利用光学或标记。
220.权利要求219的装置，其中所述装置包含chemFET的阵列。
221.权利要求219的装置，其中所述装置包含微流体反应室的阵列。
222.权利要求219的装置，其中所述装置包含与电介质材料偶联的半导体材料，所述装置包括在所述半导体材料中形成的chemFET阵列和在所述电介质材料中形成的相应的反应室阵列。
223.—种装置，其包含微流体反应室的阵列，所述阵列与包含chemFET阵列的半导体产品集成地装配。
224.权利要求223的装置，其中所述阵列包含至少100，000个室。
225.权利要求223的装置，其中所述半导体材料包含chemFET阵列。
226.权利要求223的装置，还包含与所述玻璃反应室顶部偶联的聚合层。
227.权利要求223的装置，其中每个室具有水平宽度或跨度和垂直深度，且其具有 1 1或更小的比。
228.权利要求223的装置，其中所述玻璃反应室之间的间距高达10微米。
229.—种试剂盒，其包含权利要求223的装置和一种或多种扩增试剂。
230.一种测序装置，其包含叠加在chemFET上面的电介质层，所述电介质层具有在所述chemFET上面的偏心凹陷。
231.权利要求230的测序装置，还包含叠加在所述电介质层上面的聚合材料层。
232.权利要求230的测序装置，其中所述电介质层由二氧化硅形成。
233.—种计算机可执行的逻辑电路，其用于将生物体的整个基因组显示在手持式计算1 ο
234.—种计算机可执行的逻辑电路，其适合将来自chemFET阵列的数据发送至手持式计算装置。
235.—种计算机可执行的逻辑电路，其用于处理来自chemFET阵列的离子脉冲，以测定目标聚合物的序列。
236.权利要求235的计算机可执行的逻辑电路，其中所述序列基本上实时地显示。
237.权利要求235的计算机可执行的逻辑电路，还包含用于文件管理、文件存储和显示的逻辑电路。
238.权利要求235的计算机可执行的逻辑电路，还包含用于将所述离子脉冲转化成核苷酸序列的逻辑电路。
239.权利要求238的计算机可执行的逻辑电路，还包含用于将所述核苷酸序列递送至手持式计算装置的逻辑电路。
240.一种装置，其包含至少100个的多个反应室，其中所述多个反应室中的每一个与至少一个化学敏感的场效应晶体管(chemFET)相接触或电容式偶联，和读数器，其适合测定在所述chemFET中感知的pH变化。
241.一种系统，其包含多个反应室，其中所述多个反应室中的每一个与至少一个化学敏感的场效应晶体管 (chemFET)相接触或电容式偶联，和流体递送模块，用于在扩散受限条件下将一种或多种试剂递送至所述多个反应室。
242.权利要求Ml的系统，其中所述流体递送模块平行于所述chemFET的钝化层的表面递送流体。
243.一种系统，其包含多个反应室，其中所述多个反应室中的每一个与至少一个化学敏感的场效应晶体管 (chemFET)相接触或电容式偶联，和读数器，其适合测定在时间、的第一脉冲和在时间、的第二脉冲之间的时间差，其中所述差表明在所述反应室的反应中引入的三磷酸核苷酸的数目。
244.一种测定来自多个样品之序列的方法，包括使第一引物与来自第一样品的核酸退火；使第二引物与来自第二样品的核酸退火；将带有所述第一和第二引物的所述第一和第二核酸施加于chemFET阵列；以及测定来自所述第一和第二样品的核酸序列。
245.权利要求对4的方法，其中第一样品来自第一生物体，且所述第二样品来自第二生物体。
246.权利要求245的方法，其中所述测定操作包括(a)测定第一脉冲和第二脉冲之间的时间差，其表明引入的三磷酸核苷酸的数目，(b)测定从测序反应释放的PPi的水平；或 (c)测定由测序反应导致的pH的变化。
全文摘要
与用于分析物测量的非常大规模FET阵列有关的方法和装置。基于改进的FET像素和阵列设计，使用常规CMOS加工技术，可以制造chemFET(例如，ISFET)阵列，其会增加测量灵敏度和准确度，并同时促进明显小的像素尺寸和密集的阵列。改进的阵列控制技术会提供从大和密集阵列快速获取数据。这样的阵列可以用于检测在多种化学和/或生物过程中的不同分析物类型的存在和/或浓度变化。在一个实例中，chemFET阵列会促进DNA测序技术，这基于监测无机焦磷酸(PPi)、氢离子和三磷酸核苷酸的浓度的变化。
文档编号C12Q1/68GK102203282SQ200980133866
公开日2011年9月28日 申请日期2009年6月25日 优先权日2008年6月25日
发明者乔纳森·M·罗思伯格, 沃尔夫冈·欣茨, 金·L·约翰逊, 詹姆斯·M·布斯蒂略, 约翰·H·利蒙, 乔纳森·舒尔茨 申请人:生命技术公司