用于控制、检测和测量分子复合物的传感器电 路的制作方法
【专利摘要】公开了一种用于控制、检测和测量分子复合物的设备。该设备包括共用电极。该设备还包括多个测量单元。每个测量单元包括单元电极和电子耦合到该单元电极的积分器。该积分器测量在共用电极和单元电极之间流动的电流。该设备还包括多个模拟到数字转换器，其中来自多个测量单元的积分器电气耦合到多个模拟到数字转换器的中的一个模拟到数字转换器。
【专利说明】用于控制、检测和测量分子复合物的传感器电路
[0001] 对其它申请的交叉引用 本申请要求2012年2月27日提交的题为"SENSOR CIRCUIT FOR CONTROLLING, DETECTING, AND MEASURING A MOLECULAR COMPLEX" 的美国临时专利申请 No. 61/603, 782 的优先权，为了所有目的而通过参考将其并入本文。
【背景技术】
[0002] 近些年半导体工业内微小型化的发展已经使得生物技术专家能够开始将传统庞 大的感测工具包装成所谓生物芯片上的越来越小的形状因子（form factor)。将期望为生 物芯片开发使得其更稳健、高效和节约成本的技术。
【专利附图】
【附图说明】
[0003] 在下面的详细描述和附图中公开本发明的各种实施例。
[0004] 图1图示出限制在单元100中的纳米孔中的单链DNA (ssDNA)分子。
[0005] 图2图示出通过合成(纳米SBS)技术以基于纳米孔的排序来执行核苷酸排序的单 元200的实施例。
[0006] 图3图示出传感器单元的四个物理状态。
[0007] 图4图示出单元的库（bank) (MXN)的实施例。
[0008] 图5图示出被实施为十六个库8k元素的128k阵列。
[0009] 图6图示出被实施为库8k元素的8X8阵列的512k阵列。
[0010] 图7图示出库8k块的实施例。
[0011] 图8图示出扫描序列的实施例。
[0012] 图9图示出扫描序列的实施例。
[0013] 图10图示出可以一次扫描阵列的一部分。
[0014] 图11图示出用于测量单元中的电流的电路的实施例。
[0015] 图12图示出用于测量单元中的电流的电路的实施例。
[0016] 图13图示出用于测量单元中的电流的电路的实施例。
【具体实施方式】
[0017] 可以以许多方式来实施本发明，包括作为过程、装置、系统、物质组成、包含在计算 机可读存储介质上的计算机程序产品、和/或处理器(诸如被配置成执行存储在耦合到处 理器的存储器上的和/或由该存储器提供的指令的处理器)。在本说明书中，这些实施方式 或本发明可以采用的任何其它形式可以被称为技术。通常，可以在本发明的范围内更改所 公开的过程的步骤顺序。除非另外地声明，诸如描述成被配置成执行任务的处理器或存储 器之类的部件可以被实施为临时被配置成在给定时间执行该任务的通用部件或被制造为 执行该任务的特定部件。如本文所使用的，术语"处理器"指代被配置成处理数据(诸如计 算机程序指令）的一个或多个设备、电路和/或处理核。
[0018] 下面连同说明本发明原理的附图一起来提供本发明的一个或多个实施例的详细 描述。结合此类实施例来描述本发明，但是不发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权 利要求来限制，并且本发明包括许多替换物、修改和等同物。在下面的描述中阐述许多具体 细节以便提供对本发明的彻底理解。为了示例的目的提供这些细节并且可以在没有这些具 体细节中的一些或全部的情况下根据权利要求来实施本发明。为了清楚的目的，不会详细 地描述在与本发明相关的【技术领域】中已知的技术材料以使得不会没必要地使本发明模糊。
[0019] 在内直径中具有大约1纳米孔大小的纳米孔膜设备已经在迅速核苷酸排序中示 出前景。当在浸入于导电流体中的纳米孔两端施加电压电势时，可以观察到归因于离子在 纳米孔两端的传导的小离子电流。电流的大小对孔大小敏感。当分子(诸如DNA或RNA分子） 通过纳米孔时，其能够部分或完全地堵塞纳米孔，引起通过纳米孔的电流的量值的变化。已 经示出离子电流阻塞可能与DNA或RNA分子的碱基对序列相关。
[0020] 图1图示出限制在单元100中的纳米孔中的单链DNA (ssDNA)分子。如图1中所 示，锚定的ssDNA分子102被限制在通过形成于传感器电极之上的绝缘膜106 (诸如脂双 层）的生物纳米孔104开口内。
[0021] 基于纳米孔的排序芯片并入被配置为阵列的大量自主操作的传感器单元。例如， 一百万个单元的阵列可以包括1000行*100列的单元。此阵列通过测量在纳米孔缠住 (entangle)的分子的收缩区域处各个基（base)之间的导电差能够实现单链DNA (ssDNA) 分子的并行排序。在一些实施例中，可以确定孔-分子复合物的非线性(与电压有关的）导 电特性以便区别在给定位置处的特定核苷酸碱基。
[0022] 纳米孔阵列还使用通过合成的基于单分子纳米孔排序（Nano-SBS)技术来能够实 现并行排序。图2图示出利用Nano-SBS技术来执行核苷酸排序的单元200的实施例。在 Nano-SBS技术中，将要被排序的模板202和引物（primer)引入到单元200中。对于此模 板-引物复合物，将四个不同标记的核苷酸208被添加到散装（bulk)水相。当正确标记的 核苷酸与聚合酶204复合时，该标记的尾部被定位在纳米孔206的外室（vestibule)中。该 标记的尾部可以被修改成在纳米孔206的外室中对氨基酸残基具有强亲和力。在正确核苷 酸的聚合酶催化结合之后，标记附着的多磷酸盐被释放并且将通过纳米孔206来生成独特 的离子电流阻塞信号210,由此识别由于标记的不同化学结构而电子地添加的基。
[0023] 图3图示出传感器单元的四个物理状态。该四个物理状态在下文中被称为 PS1-PS4。在PS1状态中，单元还没有形成脂双层。在PS2状态中，已经形成脂双层但是该 脂双层上还没有形成纳米孔。在PS3状态中，脂双层和纳米孔两者都已形成。在PS4状态 中，分子或分子复合物(例如ssDNA分子或标记的核苷酸）与纳米孔互相作用。在传感器单 元过渡到PS4状态之后，可以获得排序测量结果。
[0024] 向阵列中的每个单元施加电极电势以便使物理状态从PS1按顺序移动到PS4。在 一些实施例中，可以向单元中的每一个施加四个可能的电压以便支持下面的过渡： PS1->PS2 PS2->PS3 PS3->PS4 PSx-〉PSx (没有过渡)， 在一些实施例中，施加给电极的分段线性电压波形刺激的精确控制被用于单元通过不 同物理状态的过渡。
[0025] 可以通过测量电容来确定每个单元的物理状态。此外，可以通过测量施加偏压(例 如飞0-150mV)时的电流流动来确定物理状态。
[0026] 在一些实施例中，电极电压电势被控制并且同时地监测电极电流。在一些实施例 中，根据单元的物理状态来彼此独立地控制阵列的每个单元。单元的独立控制便于可能处 于不同物理状态中的大量单元的管理。
[0027] 在一些实施例中，通过将在任何给定时间可允许施加的电压限定为2并且使阵列 的单元成批地在物理状态之间反复地过渡来实现电路简化和电路尺寸减小。例如，阵列的 单元最初可能被分成具有处于PS1状态中的单元的第一组和具有处于PS2状态中的单元的 第二组。第一组包括还没有形成双分子层的单元。第二组包括已经形成双分子层的单元。 最初，第一组包括阵列中的所有单元并且第二组不包括单元。为了使单元从PS1状态过渡 到PS2状态，将脂双层形成电压施加给单元。然后执行测量(例如电流或电容测量）以便确 定单元中是否已经形成脂双层。如果与单元相对应的测量结果指示已经形成脂双层，则将 该单元确定为已从PS1状态过渡到PS2状态，并且该单元从第一组移动到第二组。因为第 二组中的单元的每个已经形成脂双层，所以第二组中的单元不再需要进一步施加脂双层形 成电压。因此，可以向第二组中的单元施加零伏特偏置以便实现空操作（Ν0Ρ)，以使得单元 保持在同一状态中。第一组中的单元还没有形成脂双层。因此，向第一组中的单元进一步 施加脂双层形成电压。随着时间的逝去，单元从初始PS1状态移动到PS2脂双层状态，并且 一旦足够百分比的单元处于PS2状态中上述步骤就停止。
[0028] 类似地，单元可以被反复地电穿孔（electro-porate)直到足够的百分比已经从 PS2状态过渡到PS3状态或者从PS3状态过渡到PS4状态。
[0029] 在一些实施例中，纳米孔阵列可以被分成单元库。图4图示出MXN单元库的实施 例。行和列选择线被用来控制各个单元的状态。Μ和N可以是任何整数。例如，大小为8k 的库(被称为库8k)可以包括64X 128个单元。
[0030] 因为每个库是自主的，所以可以通过添加附加的库来使纳米孔阵列缩放。例如， 128k阵列可以被实施为如图5中示出的十六个库8k。512k阵列可以被实施为如图6中示 出的库8k元素的8 X 8阵列。在一些实施例中，纳米孔阵列可以被缩放成包括数百万个单 元。小的全局控制块可以被用来生成选择库并且设置单元施加的电压的控制信号。
[0031] 图7图示出库8k块的实施例。库8k构建块可以被配置为如图7中所示的64行 乘128列。每个库8k块可以是具有用于读取/扫描的行和列寻址逻辑的完整子系统、写入 地址解码器、模拟到数字转换器（ADC)和双缓冲输出。
[0032] 在一些实施例中，库8k块的读取路径和写入路径是分开的并且以时分复用的方 式操作。例如，读取之后是写入。通过对行中的所有单元执行模拟到数字转换来扫描每个 行。随后，软件可以可选地将值写入到同一行中的任何单元以便更新状态，由此在两个不同 的施加电压之间进行选择。
[0033] 每个库8k块合并八个ADC 702,其中每个ADC 702被连接到16列。列计数器 (colcnt)704生成16比特列选择总线（csel)706。csel总线706控制八个分开的16:1模 拟多路复用器708并且选择将16列中哪一列电气连接到ADC 702。ADC 702输出被锁存到 驱动低压差分信号（LVDS)输出的寄存器(未示出）中。要注意，从给定行读取的连续单元被 物理定位为col0，coll6，…(3〇1112，(3〇11，(：〇117，*"，等等。以16比特跨越阵列来使该数 据分带（stripe)。类似地，16比特数据被如下写入到单元： d[0;?} ? {coI0,cotl6, .,,?colll2} j d[8:15]^ {coi^coll?, ...?colll3| 在扫描模式中，并行地读出启用的所有库。
[0034] 在一些实施例中，行的扫描需要读取16列，其中每个列需要16个时钟周期。因此， 以128MHz时钟速率在256个时钟或2 μ s中读取行中的所有单元。在行已经被扫描并且持 续2 μ s之后立即发生预充电时段。
[0035] 库8k与在时钟的上升沿捕获的所有信号(包括ast710、wr712和多路复用地址数 据总线714 (ad[15:0])完全同步。在第一时钟周期期间，利用当地址选通脉冲710 (ast) 信号为高时时钟的上升沿上的地址锁存716 (alat)所捕获的写入地址来驱动ad[15:0]。 对七个锁存地址（la) 718比特解码以确定将数据写入到哪个库和字。在第二时钟周期期 间，应该用数据来驱动ad[15:0]并且wr712信号应该被断言为高以便指示这是数据写入周 期。因此，正常的写入需要两个周期：地址周期（由ast710信号指示)，之后是数据周期（由 wr712信号指示）。
[0036] 存在三种类型的写入： ?库启用寄存器写入 ?控制寄存器写入 ?库单元A/B选择写入。
[0037] 锁存地址718的比特中的一些，la[8: 7]，被用来确定写入的类型，如下面的表1中 所示的那样： 表1。
【权利要求】
1. 一种设备，包括： 共用电极； 多个测量单元，每个测量单元包括单元电极和电子耦合到所述单元电极的积分器，其 中所述积分器测量在所述共用电极和单元电极之间流动的电流；以及 多个模拟到数字转换器，其中来自所述多个测量单元的积分器电气耦合到所述多个模 拟到数字转换器中的一个模拟到数字转换器。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中每个测量单元还包括液体室。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中， 当液体室包含电解液时所述共用电极供应共用电势， 当液体室包含电解液时所述单元电极供应可变电势，其中所述共用电极和单元电极之 间的电压等于可变电势减去共用电势， 所述积分器包括积分电容器，该积分电容器两端的电压是在测量时段期间在所述共用 电极和单元电极之间流动的电流的度量，以及 所述单元电极的可变电势由所施加的电压来控制。
4. 根据权利要求3所述的设备，其中所述单元电极的可变电势经由缓冲装置由所施加 的电压来控制。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中所述积分器还包括： 缓冲部件，其中所述缓冲部件电气耦合到所述模拟到数字转换器以便在被连接到所述 模拟到数字转换器之前缓冲所述积分器的输出。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中耦合到所述积分器的模拟到数字转换器测量在测 量时段的开始时所述积分器的输出处的第一电压和在测量时段结束时所述积分器的输出 处的第二电压，并且其中第一电压和第二电压的差与电流的测量结果相对应。
7. 根据权利要求6所述的设备，其中至少部分基于电流以及电流引起饱和将耗费多少 时间来调整测量时段。
8. 根据权利要求1所述的设备，其中， 多于一个积分器经由时分多路复用通道将它们的输出发送给与该多于一个积分器相 对应的所耦合的模拟到数字转换器。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中所述模拟到数字转换器中的至少一个包括比较 器。
10. 根据权利要求9所述的设备，其中所述模拟到数字转换器包括控制模拟输入，并且 该控制模拟输入通过改变该控制模拟输入处的电压来控制电流测量的可变采样速率。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中当电流增加时所述可变采样速率增加。
12. 根据权利要求10所述的设备，其中改变的电压包括比较器阈值。
13. 根据权利要求10所述的设备，其中改变的电压包括所述积分器中的一个的输出处 的初始电压。
14. 根据权利要求13所述的设备，其中从所述初始电压到达比较器阈值的所述积分器 中的一个的输出的时间测量与电流的测量相对应。
15. 根据权利要求1所述的设备，其中， 来自所述多个测量单元的积分器列电气耦合到所述多个模拟到数字转换器中的一个 模拟到数字转换器，以及 该列积分器经由时分多路复用通道共享所耦合的模拟到数字转换器。
16. 根据权利要求2所述的设备，其中所述设备被配置成将至少一种油脂、一种纳米孔 蛋白质和一种分子复合物保留在所述多个测量单元的至少一个测量单元的液体室中。
17. 根据权利要求16所述的设备，其中所述分子复合物包括以下各项中的一个：单链 DNA、单链RNA、和标记的核苷酸。
18. 根据权利要求16所述的设备，其中所述设备被配置成向所述多个测量单元的至少 一个测量单元的液体室中的油脂、纳米孔蛋白质、和分子复合物供应电刺激。
19. 根据权利要求16所述的设备，其中， 所述设备被配置成单个地检测物理状态并且通过调制电压以及测量共用电极和单元 电极之间的电流来单个地从所述多个测量单元中的每个测量单元的液体室中的材料的多 个可能物理状态变换该物理状态，以及 所述多个可能物理状态包括： 没有形成脂双层， 形成脂双层， 纳米孔蛋白质插入在脂双层中，从而形成纳米孔，以及 分子复合物和纳米孔的相互作用。
20. 根据权利要求19所述的设备，其中每个测量单元以所述测量单元自己的步调通过 多个可能物理状态来进展，而与所述多个测量单元中的其它测量单元的物理状态无关。
21. 根据权利要求16所述的设备，其中所述设备被配置成通过测量在所述共用电极和 单元电极之间流动的电流来识别与所述多个测量单元中的一个测量单元的液体室中的分 子复合物相对应的特定的基类型。
22. 根据权利要求2所述的设备，其中所述共用电极和单元电极之间的电流根据施加 给所述积分器端子的控制电势而在任一方向上流动。
23. -种用于施加电压而同时测量在共用电极和单元电极之间流动的电流的电路，该 电路包括： 共用电极，当液体室包含电解液时电气地供应共用电势； 单元电极，当液体室包含电解液时电气地供应可变电势，其中所述共用电极和单元电 极之间的电压等于可变电势减去恒定液体电势，以及 电子耦合到所述单元电极的积分器，该积分器包括积分电容器，其中该积分电容器两 端的电压包括在测量时段期间在所述共用电极和单元电极之间流动的电流的度量，并且所 述单元电极的可变电势由所施加的电压来控制。
24. 根据权利要求23所述的电路，其中所述积分器还包括运算放大器， 所述运算放大器的第一输入电气耦合到所述积分电容器和单元电极的第一端子，所述 第一输入控制所述单元电极的可变电势，以及 所述运算放大器的输出电气耦合到所述积分电容器的第二端子和比较器的输入。
25. 根据权利要求23所述的电路，还包括： 电气耦合到所述积分器的模拟到数字转换器。
26. 根据权利要求23所述的电路，其中所述共用电极和单元电极之间流动的电流根据 施加给所述积分器端子的控制电势而在任一方向上流动。
【文档编号】G01N27/447GK104303050SQ201380009186
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年2月27日 优先权日:2012年2月27日
【发明者】K.戴尔林, R.J.A.陈, D.J.富拉加 申请人:吉尼亚科技公司