在溶液中产生酸性或碱性微环境的具有双向电流源的电路的制作方法

1.总体上，本技术涉及生物大分子(例如，寡肽和寡核苷酸)的合成领域。特别地，本技术涉及一种用于在echem溶液中产生酸性或碱性微环境的具有双向电流源的电路。


背景技术：

2.通过使用原位阵列技术，寡核苷酸的合成可以受益于同样的并行化，这种并行化已经彻底改变了dna测序领域。利用半导体行业可以实现最可重复的和高通量的合成。由于可以灵活使用具有先进芯片的简单合成器，因此可以实施行业中具有高序列保真度的最快的合成。
3.当执行核苷酸添加时，首先，输送echem溶液以使dna链去封闭(或去保护，尤其是脱三苯甲基)，并使其准备好接收下一个碱基。然后，在芯片表面上的电极处施加电势，以产生局部酸性环境，从而有效地使dna链去封闭。
4.然而，不可控的或过多的酸会使得寡聚核苷酸耗尽并导致高错误率。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种具有双向电流源的电路，该电路可以以可控的方式在溶液中产生并随后中和酸性或碱性微环境。
6.在一个示例方面中，披露了一种用于例如在核苷酸添加期间在溶液(例如，echem溶液)中产生酸性或碱性微环境的电路。该电路包括：第一输出端子，该第一输出端子连接到包含溶液的容器的第一节点(对应于用于合成的位点)；第二输出端子，该第二输出端子连接到该容器的第二节点；控制子电路，该控制子电路用于提供控制该电路的控制信号；以及电流源子电路，该电流源子电路用于在来自该控制子电路的控制信号的控制下、有选择性地通过该第一输出端子提供从该第一节点流向该第二节点的第一方向电流，或通过该第二输出端子提供从该第二节点流向该第一节点的第二方向电流；其中，该第一方向电流在该溶液中围绕该第一节点产生酸性微环境和/或在该溶液中围绕该第二节点产生碱性微环境，并且该第二方向电流在该溶液中围绕该第一节点产生碱性微环境和/或在该溶液中围绕该第二节点产生酸性微环境。在一个实施例中，首先使用第一方向电流产生酸性或碱性微环境，然后使用第二方向电流中和由第一方向电流产生的酸性或碱性微环境。在另一个实施例中，首先使用第二方向电流产生碱性或酸性微环境，然后使用第一方向电流中和由第二方向电流产生的碱性或酸性微环境。
7.在另一个示例方面中，披露了一种用于在溶液中产生酸性或碱性微环境的装置。该装置包括：多个容器，每个容器具有第一节点和第二节点，该容器用于容纳溶液；以及上述示例方面的电路。
8.在所附的附件、附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。其他特征将从描述和附图以及权利要求中明显看出。
附图说明
9.图1a和图1b展示了通过电化学产生的酸来选择性去保护。
10.图2展示了容器的示例。
11.图3展示了本技术的装置的示例框图。
12.图4展示了本技术的第一示例电路图。
13.图5展示了本技术的第二示例电路图。
14.图6展示了本技术的第三示例电路图。
具体实施方式
15.描述了用于在溶液中产生酸性或碱性微环境的电路和装置。应注意，本披露内容中描述的各种实施例可以在没有部分或全部这些具体细节的情况下进行实践。在其他情况下，未详细描述众所周知的过程操作，以避免不必要地模糊本披露内容中描述的各种实施例。
16.在使用原位阵列技术时，寡核苷酸的合成可以受益于革新了dna测序领域的那种并行。利用半导体行业可以实现最可重复和高通量合成。由于可以灵活使用具有先进芯片的简单合成器，因此可以实施行业中最快的序列保真度高的合成。
17.每次核苷酸添加需要4个步骤。
18.a)脱三苯甲基步骤
19.在脱三苯甲基步骤中，输送echem溶液以使dna链去封闭，以使其准备好接收下一个碱基。在芯片表面上的电极处施加电势，以产生局部酸性环境，从而有效地使dna链去封闭。
20.b)耦合步骤
21.在耦合步骤中，将酰胺(a、c、g或t)溶液与活化剂溶液一起输送到芯片表面。该步骤通过添加新碱基使得链延长。
22.c)加帽步骤
23.在加帽步骤中，加帽混合物与在耦合步骤中未接收碱基的链反应，并永久地停止其生长。加帽有助于避免出现大量单碱基对缺失的链，否则将在测定期间产生错误结果。
24.d)氧化步骤
25.在氧化步骤中，将氧化剂溶液输送到芯片表面。氧化最终确定了添加的碱基的化学性质。
26.e)重复
27.该循环通常以a-c-g-t的顺序重复，这意味着在循环1期间，将输送酰胺a，在循环2期间，将输送酰胺c，依此类推。只有在echem步骤中做了准备的表面位点才会在该循环期间接收碱基。
28.本发明中使用的溶液可以是本领域中可用于合成寡核苷酸或寡肽的任何去封闭溶液，例如，包括氧化还原去封闭体系、尤其是氢醌-苯醌氧化还原体系的溶液。例如，该溶液可以是echem溶液，也就是乙腈中的苯醌25mm、氢醌25mm、以及四丁基六氟磷酸胺25mm。
29.图1a和图1b展示了通过电化学产生的酸来选择性去保护。
30.图1a和图1b展示了通过在电极1和4处产生的电化学产生的酸(质子)来选择性去
保护，以暴露靠近电极1和4的连接分子(l)上的反应性官能团(nh2)。衬底以截面显示，并包含5个电极。
31.图2展示了容器的示例。
32.容器形成在半导体芯片的衬底上。事实上，半导体芯片上存在衬底阵列，并且每个衬底(如电极)都可以用作容器。如图2所示，在脱三苯甲基步骤中，在所选电极下的电路可以产生从节点1到节点2的电流。通过使用电流源和(选择的或未选择的)sram控制的mos开关，产生从节点1到节点2的电流，从而在echem溶液中围绕节点1形成酸性微环境。
33.图3展示了本技术的装置的示例框图。
34.如图3所示，本技术的装置300包括选择电路301、控制电路302和多个容器303。选择电路301选择一个或多个容器303。控制电路302可以与所选择的容器303电耦合。容器303的示例如图2所示。
35.在选择了一个容器303后，通过控制电路302产生从所选择的容器的节点1到节点2的电流，以在容器303的echem溶液中围绕节点1形成酸性微环境。
36.然而，不可控的或过多的酸会使得寡聚核苷酸耗尽并导致高错误率。因此，本技术的控制电路302可以产生双向电流。在脱三苯甲基步骤开始时使用初始方向电流产生酸性微环境，而随后在脱三苯甲基步骤结束时使用反向电流中和所述酸性微环境。因此，该控制电路可以以可控且快速的方式产生和中和酸性微环境。
37.《第一实施例》
38.图4展示了本技术的控制电路的第一示例。如图4所示，控制电路400包括连接到容器303的第一节点(节点1)的第一输出端子(输出1)，以及连接到容器303的第二节点(节点2)的第二输出端子(输出2)。由于容器303包含溶液(如echem溶液)，当电流从节点2流向节点1或从节点1流向节点2时，该溶液可以被认为是负载电阻器r1。
39.控制电路400包括用于提供控制电路400的控制信号的控制子电路401。例如，控制子电路401可以根据容器中发生的脱三苯甲基步骤来提供控制信号。
40.另外，控制电路400包括电流源子电路402，该电流源子电路用于在来自控制子电路的控制信号的控制下、有选择性地通过第一输出端子提供从第一节点流向第二节点的第一方向电流，或通过第二输出端子提供从第二节点流向第一节点的第二方向电流。
41.具体地，电流源子电路402包括两个电流源s1和s2。电流源s1可以通过第二输出端子(输出2)提供从第二节点(节点2)流向第一节点(节点1)的第二方向电流。电流源s2可以通过第一输出端子(输出1)提供从第一节点(节点1)流向第二节点(节点2)的第一方向电流。在容器的溶液中，当s2工作时，第一方向电流在溶液中围绕第一节点(节点1)产生酸性微环境，而当s1工作时，第二方向电流中和在溶液中围绕第一节点(节点1)的所述酸性微环境。
42.另外，控制电路400包括设置在电流源子电路402与第一输出端子(输出1)之间的使能子电路403。例如，选择子电路通常是mos晶体管(j3)。mos晶体管响应于选择电路301提供的sram信号而接通。当mos晶体管接通时，它可以使电流源子电路402的s1从节点2流向节点1，或使电流源子电路402的s2从节点1流向节点2。
43.另外，控制电路400包括开关子电路404。例如，在该实施例中，开关子电路包括具有第一端子、第二端子和第三端子的单刀双掷(spdt)开关(sw1)。如图4所示，第一端子连接
到第二输出端子(输出2)，第二端子连接到第一电流源(s1)，并且第三端子连接到第二电流源(s2)。
44.响应于控制子电路401提供的控制信号，spdt开关sw1有选择性地连接第一端子和第二端子，或连接第一端子和第三端子。
45.例如，在脱三苯甲基步骤开始时，spdt开关sw1连接输出2和s2，使得来自s2的电流可以从节点1流向节点2。在这个阶段，电流围绕节点1产生酸性微环境，并有效地使附接到节点1的dna链去封闭。
46.然后，在脱三苯甲基步骤结束时，spdt开关sw1连接输出2和s1，使得来自s1的电流可以从节点2流向节点1。在这个阶段，电流可以以可控且快速的方式中和围绕节点1的上述酸性微环境。
47.即，控制子电路401提供的控制信号由容器303中发生的脱三苯甲基步骤确定。
48.因此，通过第一实施例的电路，可以在脱三苯甲基步骤开始时使电流从节点1流向节点2以在容器的echem溶液中围绕节点1产生酸性微环境，并在脱三苯甲基步骤结束时使电流从节点2流向节点1以中和在echem溶液中围绕节点1的酸性微环境。因此，其可以降低错误率。
49.《第二实施例》
50.图5展示了本技术的控制电路的第二示例。如图5所示，控制电路500包括连接到容器303的第一节点(节点1)的第一输出端子(输出1)，以及连接到容器303的第二节点(节点2)的第二输出端子(输出2)。由于容器303包含溶液(如echem溶液)，当电流从节点2流向节点1或从节点1流向节点2时，该溶液可以被认为是负载电阻器r1。
51.控制电路500包括用于提供控制电路500的控制信号的控制子电路501。例如，控制子电路501可以根据容器中发生的脱三苯甲基步骤来提供控制信号。
52.另外，控制电路500包括电流源子电路502，该电流源子电路用于在来自控制子电路的控制信号的控制下、有选择性地通过第一输出端子提供从第一节点流向第二节点的第一方向电流，或通过第二输出端子提供从第二节点流向第一节点的第二方向电流。
53.具体地，电流源子电路502包括两个电流源s1和s2。电流源s1可以通过第二输出端子(输出2)提供从第二节点(节点2)流向第一节点(节点1)的第二方向电流。电流源s2可以通过第一输出端子(输出1)提供从第一节点(节点1)流向第二节点(节点2)的第一方向电流。在容器的溶液中，当s2工作时，第一方向电流在溶液中围绕第一节点(节点1)产生酸性微环境，而当s1工作时，第二方向电流中和在溶液中围绕第一节点(节点1)的所述酸性微环境。
54.另外，控制电路500包括设置在电流源子电路502与第一输出端子(输出1)之间的使能子电路503。例如，选择子电路通常是mos晶体管(j3)。mos晶体管响应于选择电路301提供的sram信号而接通。当mos晶体管接通时，它可以使电流源子电路502的s1从节点2流向节点1，或使电流源子电路502的s2从节点1流向节点2。
55.另外，控制电路500包括开关子电路504。例如，在该实施例中，开关子电路包括具有第一端子、第二端子和第三端子的单刀双掷(spdt)开关(sw1)。如图5所示，第一端子经由使能子电路503电连接到第一输出端子(输出1)，第二端子连接到第一电流源(s1)，并且第三端子连接到第二电流源(s2)。
56.响应于控制子电路501提供的控制信号，spdt开关sw1有选择性地连接第一端子和第二端子，或连接第一端子和第三端子。
57.例如，在脱三苯甲基步骤开始时，spdt开关sw1连接输出1和s2，使得来自s2的电流可以从节点1流向节点2。在这个阶段，电流围绕节点1产生酸性微环境，并有效地使附接到节点1的dna链去封闭。
58.然后，在脱三苯甲基步骤结束时，spdt开关sw1连接输出1与s1，使得来自s1的电流可以从节点2流向节点1。在这个阶段，电流可以以可控且快速的方式中和围绕节点1的上述酸性微环境。
59.即，控制子电路501提供的控制信号由容器303中发生的脱三苯甲基步骤确定。
60.因此，通过第二实施例的电路，可以在脱三苯甲基步骤开始时使电流从节点1流向节点2以在容器的echem溶液中围绕节点1产生酸性微环境，并在脱三苯甲基步骤结束时使电流从节点2流向节点1以中和在echem溶液中围绕节点1的酸性微环境。因此，其可以降低错误率。
61.《第三实施例》
62.图6展示了本技术的控制电路的第三示例。如图6所示，控制电路600包括连接到容器303的第一节点(节点1)的第一输出端子(输出1)，以及连接到容器303的第二节点(节点2)的第二输出端子(输出2)。由于容器303包含溶液(如echem溶液)，当电流从节点2流向节点1或从节点1流向节点2时，该溶液可以被认为是负载电阻器r1。
63.控制电路600包括用于提供控制电路600的控制信号的控制子电路601。例如，控制子电路601可以根据容器中发生的脱三苯甲基步骤来提供控制信号。
64.另外，控制电路600包括电流源子电路602，该电流源子电路用于在来自控制子电路的控制信号的控制下、有选择性地通过第一输出端子提供从第一节点流向第二节点的第一方向电流，或通过第二输出端子提供从第二节点流向第一节点的第二方向电流。
65.具体地，电流源子电路602包括两个电流源s1和s2。电流源s1可以通过第二输出端子(输出2)提供从第二节点(节点2)流向第一节点(节点1)的第二方向电流。电流源s2可以通过第一输出端子(输出1)提供从第一节点(节点1)流向第二节点(节点2)的第一方向电流。在容器的溶液中，当s2工作时，第一方向电流在溶液中围绕第一节点(节点1)产生酸性微环境，而当s1工作时，第二方向电流中和在溶液中围绕第一节点(节点1)的所述酸性微环境。
66.另外，控制电路600包括设置在电流源子电路602与第一输出端子(输出1)之间的使能子电路603。例如，选择子电路通常是mos晶体管(j3)。mos晶体管响应于选择电路301提供的sram信号而接通。当mos晶体管接通时，它可以使电流源子电路602的s1从节点2流向节点1，或使电流源子电路602的s2从节点1流向节点2。
67.另外，控制电路600包括一对开关子电路604a和604b。例如，在该实施例中，该对开关子电路包括两个信号开关sw1a和sw1b。开关sw1a具有第一端子和第二端子，该第一端子连接到第一电流源(s1)，并且该第二端子电连接到第二输出端子(输出2)。开关sw1b具有第三端子和第四端子，该第三端子连接到第二电流源(s2)，并且该第四端子经由使能子电路603连接到第一输出端子(输出1)。
68.例如，在脱三苯甲基步骤开始时，开关sw1a响应于控制子电路601提供的控制信号
而断开s1与输出2的连接。同时，开关sw1b响应于控制子电路601提供的控制信号而连接s2与输出1。因此，来自s2的电流可以从节点1流向节点2。在这个阶段，电流围绕节点1产生酸性微环境，并有效地使附接到节点1的dna链去封闭。
69.然后，在脱三苯甲基步骤结束时，开关sw1b响应于控制子电路601提供的控制信号而断开s2与输出1的连接。同时，开关sw1a响应于控制子电路601提供的控制信号而连接s1与输出2。因此，来自s1的电流可以从节点2流向节点1。在这个阶段，电流可以以可控且快速的方式中和围绕节点1的上述酸性微环境。
70.即，控制子电路601提供的控制信号由容器303中发生的脱三苯甲基步骤确定。
71.因此，通过第三实施例的电路，可以在脱三苯甲基步骤开始时使电流从节点1流向节点2以在容器的echem溶液中围绕节点1产生酸性微环境，并在脱三苯甲基步骤结束时使电流从节点2流向节点1以中和在echem溶液中围绕节点1的酸性微环境。因此，其可以降低错误率。
72.所披露的实施例和其他实施例、本文件中描述的模块和功能操作可以在数字电子电路系统中、或在计算机软件、固件或硬件中实施，包括本文件中披露的结构及其结构等效物或其中的一个或多个的组合。所披露的实施例和其他实施例可以作为一个或多个计算机程序产品实施，即编码在计算机可读介质上的一个或多个计算机程序指令模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储衬底、存储器设备、影响机器可读传播信号的物质的组合物或一个或多个它们的组合。术语“数据处理装置”涵盖了用于处理数据的所有装置、设备和机器，例如包括可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，该装置可以包括为相关的计算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、操作系统或其中一个或多个的组合的代码。传播信号是人为生成的信号，例如机器生成的电、光或电磁信号，生成该信号以对信息进行编码以传输到合适的接收器装置。
73.计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序、脚本、或代码)可以用任何形式的编程语言(包括编译或解释性语言)来编写，并且它可以以任何形式部署，包括作为单独的程序或作为模块、组件、子例程、或适合于在计算环境中使用的其他单元。计算机程序不一定与文件系统中的文件相对应。程序可以存储在保存其他程序或数据的文件的一部分(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)中、存储在专用于相关程序的单个文件中、或者存储在多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码各部分的文件)中。可以将计算机程序部署为在位于一个场所或者跨多个场所分布并通过通信网络互连的一个或多个计算机上执行。
74.本文件中所描述的过程和逻辑流可以由一个或多个可编程处理器执行，这些处理器执行一个或多个计算机程序，通过对输入数据进行操作并且生成输出来执行功能。这些过程和逻辑流也可以由专用逻辑电路系统执行，并且装置也可以作为专用逻辑电路系统实施，例如，fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路)。
75.适合于执行计算机程序的处理器同时包括例如通用和专用微处理器、以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机必不可少的元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大
容量储存设备(例如，磁盘、磁光盘、或光盘)，或者可操作地耦合为从一个或多个大容量储存设备接收数据或向其发送数据或两者都有。然而，计算机不需要具有这种设备。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备，例如eprom、eeprom和闪速存储器设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及cd rom和dvd-rom盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路系统补充或并入其中。
76.虽然本文件包含许多特定细节，但这些不应被解释为对任何发明或可能要求保护的事物的范围的限制，而是被解释为对可能特定于具体发明的具体实施例的特征的描述。在本专利文件单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以被单独地或以任何适合的子组合的方式实施在多个实施例中。此外，尽管特征在上文可以被描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在某些情况下可以从组合中去除要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。
77.类似地，虽然附图中以具体顺序描绘了操作，但这不应被理解成要求这种操作以所示的具体顺序或以有序顺序执行，或者所有展示的操作可以被执行，以实现期望的结果。此外，本专利文件中描述的实施例中的各种系统部件的分离不应理解为在所有实施例中都要求这种分离。
78.仅描述了一些实施方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和说明的内容来进行其他实施方式、改进和变体。