用于高效電子測(cè)序與檢測(cè)的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本公開(kāi)涉及用于高效率核酸電子測(cè)序和分子檢測(cè)的系統(tǒng)和方法。在本公開(kāi)的示例實(shí)施方式中，針對(duì)諸如DNA測(cè)序、DNA雜交或蛋白質(zhì)檢測(cè)等所關(guān)注的應(yīng)用，可采用納米針來(lái)檢測(cè)由與諸如DNA或蛋白質(zhì)等所關(guān)注的生物分子相關(guān)聯(lián)的反荷離子濃度或德拜長(zhǎng)度的調(diào)制所產(chǎn)生的阻抗變化。
【專利說(shuō)明】用于高效電子測(cè)序與檢測(cè)的系統(tǒng)和方法
[0001] 本申請(qǐng)要求 2011 年 12 月 1 日提交的、題為"GENIUS ELECTRONIC SEQUENCING TECHNOLOGIES AND METHODS THEREFOR"的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/565,651 的優(yōu)先權(quán)。美國(guó)臨 時(shí)申請(qǐng)No. 61/565,651的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用而全文并入于此。
[0002] 本申請(qǐng)的主題涉及2010年10月4日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/389, 490、2010 年10月4日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/389, 484、2011年2月15日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng) No.61/443, 167、2011年5月27日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)Ν〇·61，491，081、2012年4月4日提 交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/620, 38U2012年2月15日提交的美國(guó)申請(qǐng)序號(hào)No. 13/397,581、 2012年10月1日提交的美國(guó)申請(qǐng)序號(hào)No. 13/632, 513以及2011年5月27日提交的美國(guó) 申請(qǐng)序號(hào)No. 13/118, 044,上述每個(gè)申請(qǐng)通過(guò)引用而全文并入于此。
[0003] 如在通過(guò)引用而全文并入于此的、題為"BIOSENSOR DEVICES, SYSTEMS AND METHODS THEREFOR"的美國(guó)公開(kāi)專利申請(qǐng)No. US 2012/0138460中所描述的，納米橋 (NanoBridge)可發(fā)揮pH傳感器的功能。
[0004] 本申請(qǐng)涉及通過(guò)引用而全文并入于此的PCT/US2011/054769。
[0005] 本申請(qǐng)還涉及通過(guò)引用而全文并入于此的PCT/US2012/039880。

【背景技術(shù)】
[0006] 包括高通量DNA測(cè)序在內(nèi)的用于快速而成本高效的遺傳和生物分析的方法仍然 是發(fā)展個(gè)體化醫(yī)療及診斷試驗(yàn)的重要方面。當(dāng)前的高通量或微型化系統(tǒng)具有局限性。例如， 當(dāng)前用于DNA測(cè)序的系統(tǒng)--包括采用光學(xué)檢測(cè)的系統(tǒng)--是笨重而昂貴的，并且具有有 限的通量。雖然一些系統(tǒng)使用傳感器和測(cè)序流通池 （sequencing flow cell)來(lái)解決這些 局限，但它們一般為單次使用的一次性用品，這大幅增加了對(duì)用戶的成本并且限制了傳感 器的復(fù)雜度，因?yàn)楸仨氠槍?duì)單次使用而成本高效地制造傳感器。
[0007] 需要用于遺傳和生物分析的系統(tǒng)和方法，特別是需要既靈敏又成本高效的用于高 度并行或克隆測(cè)序反應(yīng)的方法和系統(tǒng)。 納米針（NanoNeedle)
[0008] 納米針型生物傳感器可以用于表征諸如抗體和抗原等生化物質(zhì)，以及/或者用于 涉及DNA測(cè)序、DNA雜交、實(shí)時(shí)PCR、蛋白質(zhì)或其他生物物質(zhì)及化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)中的一種或多種 的應(yīng)用。
[0009] 在本公開(kāi)的示例實(shí)施方式中，納米針可用于針對(duì)諸如DNA測(cè)序、DNA雜交或蛋白質(zhì) 檢測(cè)等所關(guān)注的應(yīng)用，來(lái)檢測(cè)因關(guān)聯(lián)于諸如DNA或蛋白質(zhì)等所關(guān)注的生物分子的反荷離子 濃度或德拜長(zhǎng)度（Debye length)的調(diào)制（modulation)而造成的阻抗變化。例如，在DNA測(cè) 序中，阻抗的變化與核苷酸的摻入相關(guān)聯(lián)，并且這樣的變化可用于檢測(cè)摻入事件和DNA序 列的身份。核苷酸可按已知的順序注入，從而允許通過(guò)經(jīng)阻抗測(cè)量對(duì)摻入的檢測(cè)，來(lái)識(shí)別互 補(bǔ)堿基。生物分子，諸如單鏈DNA，可附著到諸如微珠（bead)等載體上，或者可以直接結(jié)合 到襯底的表面上。
[0010] 納米針的電極相對(duì)于它們與載體的距離的物理位置可影響阻抗測(cè)量的靈敏度， DNA結(jié)合到所述載體，該載體諸如微珠等。舉例而言，如果在納米針的電極與DNA所結(jié)合到 的諸如微珠等載體之間沒(méi)有足夠的物理對(duì)準(zhǔn)，則傳感器阻抗可能會(huì)被本體試劑的阻抗所主 導(dǎo)。舉例而言，如果本體試劑的阻抗構(gòu)成電極之間總阻抗的90%，并且微珠上的DNA及其關(guān) 聯(lián)的反荷離子的阻抗構(gòu)成電極之間總阻抗的10%，則DNA和關(guān)聯(lián)的反荷離子的阻抗中1% 的變化將會(huì)導(dǎo)致電極之間總阻抗中〇. 1 %的變化。為了使傳感器測(cè)量電極之間總阻抗的百 分比變化的能力最大化，同時(shí)使來(lái)自本體試劑的阻抗的干擾最小化，可以相對(duì)于傳感器電 極離微珠的距離來(lái)更改傳感器電極的位置。
[0011] 圖1A提供了展示可由接收與發(fā)射電極100檢測(cè)的各個(gè)路徑的示意圖。Cb和凡分 別代表因本體溶液而產(chǎn)生的電容和電阻。R DNA為因緊靠固定于微珠140上的模板DNA鏈120 的區(qū)域而產(chǎn)生的電阻。由于靠近并關(guān)聯(lián)于（在微珠和/或DNA鏈的德拜層中的）固定的 DNA鏈的移動(dòng)離子的改變的濃度，RDNA不同于Rb。因在固定于微珠140上的模板DNA鏈120 上的核苷酸摻入而造成的對(duì)R DNA的調(diào)制可以由納米針用以檢測(cè)摻入事件，從而檢測(cè)DNA鏈 120的序列。Cdl為接收與發(fā)射電極100周圍的雙電層電容。
[0012] 還存在未示出的CDNA，其關(guān)聯(lián)于微珠和固定在微珠上的DNA鏈，在模型中有效地與 RDNA并聯(lián)作為集總元件。
[0013] 現(xiàn)參考圖1B，為了測(cè)量因核苷酸摻入造成的電阻的改變，傳感器可大致在中頻 (mid-range frequency) 110下運(yùn)行，以便幫助消除電極之間任何電容的影響。在一些實(shí)施 方式中，該運(yùn)行條件如圖1C中所示，取決于電極尺寸以及發(fā)射電極與接收電極的間距。該 圖示出，如可由當(dāng)進(jìn)行例如用于DNA測(cè)序的核苷酸堿基對(duì)摻入的反應(yīng)時(shí)電流相對(duì)于基線電 流的較大百分比變化看出，減小電極的長(zhǎng)度可導(dǎo)致靈敏度的提高。在低頻下，雙電層電容可 主導(dǎo)阻抗，并且傳感器對(duì)電阻變化的靈敏度可能變小。在非常高的頻率下，兩個(gè)電極之間的 寄生電容可能占主導(dǎo)地位。電流直接經(jīng)過(guò)該區(qū)域，并且對(duì)電阻變化的靈敏度降低。因此，基 于電極尺寸和幾何形狀，可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)最高傳感器靈敏度的最佳運(yùn)行條件。
[0014] 圖1D提供了對(duì)一些潛在的電極實(shí)施方式和電極長(zhǎng)度示例范圍（1-3 μ m)的圖示。 電極尺寸在長(zhǎng)度、重量和深度上可為7nm至70nm，或者介于70nm至700nm之間或700nm至 7 μ m之間。圖1E的電場(chǎng)線160示出離微珠最遠(yuǎn)的部分電極如何主要感測(cè)本體溶液180的 電阻或電容的變化。在離微珠最遠(yuǎn)的部分電極處的電場(chǎng)線具有從微珠遠(yuǎn)離的方向，指示出 電流路徑經(jīng)過(guò)試劑，而不是在微珠周圍。在其中電極更小并且更靠近微珠的一些實(shí)施方式 中，電流的較大部分經(jīng)過(guò)微珠，這可以提高傳感器的靈敏度?？梢源嬖谧罴央姌O配置，該配 置增大基線電流并提高靈敏度，以便更好地檢測(cè)DNA摻入事件。
[0015] 在一些實(shí)施方式中，可能期望使得用于諸如納米針之類的傳感器的傳感器電極靠 近微珠，以便使可能存在于納米針電極與微珠或顆粒之間的本體試劑（bulk reagent)體積 量最小化。一個(gè)實(shí)施方式可具有通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng)或者經(jīng)由連接體的連接而被保持在平坦的 或大體平坦的表面上的微珠。一個(gè)實(shí)施方式可具有如圖2A、圖2B和圖2C中所不的被保持 在凹陷（depression)中的微珠。
[0016] 如圖2A中所示，凹陷可例如由諸如沉積在襯底202上的介電層203等材料所形 成，并且形成凹陷的材料可具有活性區(qū)域205以用于感測(cè)形成于所述材料上的目標(biāo)反應(yīng)。 電極204的活性區(qū)域205可感測(cè)目標(biāo)分子和/或目標(biāo)反應(yīng)。凹陷可用于保留載體，諸如暴 露于本體溶液200的微珠201。
[0017] 圖2B示出進(jìn)一步的實(shí)施方式，其類似于圖2A，不同之處在于具有較淺的凹陷以便 允許微珠201的更多的表面積暴露于本體溶液200。該實(shí)施方式可能是所期望的，因?yàn)槲⒅?210的表面積更多地暴露于本體溶液200,并且這可導(dǎo)致向微珠表面的更高效的試劑遞送， 并且可允許更多的目標(biāo)分子結(jié)合到該表面，從而潛在地增強(qiáng)可由活性區(qū)域205檢測(cè)的來(lái)自 目標(biāo)反應(yīng)的信號(hào)。
[0018] 圖2C示出納米針傳感器的進(jìn)一步實(shí)施方式的俯視圖，其中將活性區(qū)域205形成為 弧形，該弧形可吻合于形成到介電層203中的凹陷的邊緣，并從而吻合于微珠的邊緣?；钚?區(qū)域205可連接至電極204,并且該納米針實(shí)施方式暴露于本體溶液200以供檢測(cè)目標(biāo)分子 和/或反應(yīng)。電極204可具有水平跡線或者可以直接延伸至位于下面的層中的讀出電路，例 如CMOS讀出電路。在高密度的納米針傳感器陣列中，能夠由陣列中可具有不同形狀和/或 尺寸的傳感器的活性區(qū)域205來(lái)檢測(cè)來(lái)自目標(biāo)反應(yīng)的信號(hào)。傳感器陣列可為每一陣列100 至100000個(gè)傳感器，或者1000000至1百萬(wàn)個(gè)傳感器，或者1百萬(wàn)至1千萬(wàn)個(gè)傳感器，或者 1千萬(wàn)至1億個(gè)傳感器，或者1億至10億個(gè)傳感器。
[0019] 因此，電極可處于微珠或顆粒的表面以及與之附著或結(jié)合的DNA的德拜長(zhǎng)度之 內(nèi)。納米針器件可允許由本體試劑溶液對(duì)納米針電極之間總阻抗造成的最小影響，以及由 附著至或接合至微珠或顆粒的表面的DNA造成的最大影響。
[0020] 在一些其他實(shí)施方式中，可將微珠保持在無(wú)任何凹陷的平坦表面上。在此類實(shí)施 方式中，傳感器或納米針的電極可靠近DNA包覆的微珠，但不存在凹陷或凹洞，并且微珠被 置于平坦的或幾乎平坦的表面上，由包括但不限于磁場(chǎng)或電場(chǎng)或不同的力的組合等虛擬 場(chǎng)力所保持。通過(guò)這種方式，在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，可以如圖3中所示創(chuàng)造出"虛擬阱 (virtual well)"陣列。這些虛擬阱300還可稱為"約束單元"300,這是因?yàn)樵谝恍?shí)施 方式中磁力或電力可將諸如模板DNA等目標(biāo)顆粒約束在微珠320上或其附近。根據(jù)"虛擬 阱"或"約束單元"的結(jié)構(gòu)和操作，它們可以充當(dāng)"三維籠"或反應(yīng)器。所述反應(yīng)器可用于不 同的應(yīng)用，諸如化學(xué)物質(zhì)或生物物質(zhì)的擴(kuò)增、分離、約束、濃縮、檢測(cè)。例如，其可用于高效率 DNA無(wú)乳劑擴(kuò)增，或者高效率DNA或RNA合成，或者DNA雜交陣列等。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施方式中，如圖3所示，微珠320被裝載到約束單元中，并且可具有已經(jīng) 附著的目標(biāo)顆粒，諸如DNA模板。可以將核苷酸或其他試劑注入到虛擬阱/約束單元陣列 中。在諸如DNA測(cè)序的目標(biāo)反應(yīng)完成并由諸如納米針或納米橋或其他類型傳感器的傳感 器檢測(cè)之后，可以沖洗試劑、目標(biāo)分子和微珠。該方法可以允許可重復(fù)使用的約束單元300 的陣列。使用約束單元來(lái)替代凹陷或物理阱可能是期望的，這是因?yàn)槠淇稍试S更容易地沖 洗微珠、試劑和目標(biāo)分子，否則它們可能固著在凹陷中并且可能難以移除。在一個(gè)實(shí)施方式 中，電場(chǎng)可在微珠和/或模板DNA周圍包含或移動(dòng)核苷酸、DNA鏈或其他分子。
[0022] 在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，可以通過(guò)物理連接體（linker)將微珠放置到納米傳感 器陣列的襯底的表面。
[0023] 在替代實(shí)施方式中，如圖4A中所示，可將一個(gè)電極405A直接附接至襯底402?？?以將納米針上的第二電極405B附接在用于將微珠401或顆粒定位在固定位置的傳感器413 的一部分上。微珠或顆粒因此與全部?jī)蓚€(gè)電極相接觸，從而使本體試劑溶液400對(duì)納米針 電極405A和405B之間總阻抗的影響最小化，這不同于因與微珠或顆粒以及附著或結(jié)合于 微珠或顆粒的DNA相關(guān)聯(lián)的德拜長(zhǎng)度內(nèi)的反荷離子而產(chǎn)生的阻抗，即所關(guān)注的阻抗測(cè)量。
[0024] 在圖4B中示出了如圖4A中所示的實(shí)施方式的俯視圖。該俯視圖示出電極405A， 其可直接附接至襯底402,位于微珠401下方并與之靠近。第二電極405B可與傳感器413 相接觸，該傳感器413用于將微珠401定位在固定的位置。
[0025] 在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，如圖4C中所示，可將微珠401或顆粒在襯底402上保持 就位。納米針的第一電極405A可直接附接至襯底402,或者附接至被粘附至所述襯底的粘 附層（未示出）。繼而可制造介電層414,以便覆蓋所述第一電極。繼而可在納米針的介電 質(zhì)和所述第一電極之上制造納米針的第二電極405B。第二電極可比第一電極更短。由于電 極之間長(zhǎng)度的差異，可以創(chuàng)造出斜坡，以便吻合于微珠的曲線。所述長(zhǎng)度差異可以是微珠或 顆粒的直徑、以及兩個(gè)電極和電極之間的電介質(zhì)的厚度的函數(shù)。通過(guò)這種方式，電極可與微 珠相接觸，或者可以極其靠近微珠，使得因與微珠或顆粒以及附著或結(jié)合至微珠或顆粒的 DNA相關(guān)聯(lián)的德拜長(zhǎng)度內(nèi)的反荷離子所產(chǎn)生的阻抗大于本體試劑溶液400的阻抗。
[0026] 在一些實(shí)施方式中，微珠或顆粒在襯底上的放置可經(jīng)由物理阱或凹陷來(lái)進(jìn)行，或 者，也可以通過(guò)經(jīng)磁力或電力或者經(jīng)連接體機(jī)構(gòu)和/或化合物的物理結(jié)合或者兩種或更多 種所述方法的組合保持微珠來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0027] 通過(guò)使用介電襯底來(lái)屏蔽電極也可最大化由傳感器進(jìn)行的阻抗測(cè)量。所述襯底可 由玻璃、石英、塑料或任何其他介電材料所構(gòu)成或制成。在一些實(shí)施方式中，可以由諸如氧 化硅、氮化硅或其他氧化物層或者甚至諸如聚二甲基硅氧烷（PDMS)、SU8或其他聚合物的 聚合物之類的介電層來(lái)覆蓋硅襯底。使用這種類型的襯底以便使流經(jīng)襯底的電流最小化， 從而增強(qiáng)微珠周圍的阻抗的變化并使輸出到傳感器的期望信號(hào)最大化。
[0028] 在另一實(shí)施方式中，一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)電極的一些部分可由介電層所覆蓋。在一些 實(shí)施方式中，最靠近微珠或DNA的電極的部分保持無(wú)覆蓋。這些實(shí)施方式可通過(guò)對(duì)電極加 以屏蔽來(lái)優(yōu)化傳感器的阻抗測(cè)量。這些配置可協(xié)助防止對(duì)來(lái)自本體溶液的阻抗的測(cè)量。
[0029] 在一個(gè)實(shí)施方式中，一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)電極的尖端涂覆有薄介電層。這種薄介電層 提供電極與溶液之間的屏障，從而減少腐蝕量和/或降低腐蝕速率。通過(guò)這種方式，有涂層 電極的有效壽命可相比于無(wú)薄介電層的電極的壽命得到延長(zhǎng)。所述層的厚度可介于〇. 3nm 至10nm之間，并且在一些實(shí)施方式中該厚度可大于10nm。
[0030] 這種涂層還可允許從可能在暴露于本體溶液時(shí)不發(fā)揮期望作用的更寬范圍的電 極材料中進(jìn)行選擇。例如，可以選擇易受腐蝕的鋁、銅、鎢或其他材料作為電極材料，并且將 其涂覆薄介電層。這樣還允許選擇可能與CMOS制造工藝不兼容的材料。此外，這樣允許選 擇可能較為便宜的材料。這種薄介電層可經(jīng)由原子層沉積（ALD)或其他制造技術(shù)來(lái)涂覆。 納米針可在交流（AC)模式下運(yùn)行，并且因此信號(hào)可穿過(guò)薄介電層。在一個(gè)實(shí)施方式中，電 極材料可由硅或其他半導(dǎo)體材料制成，諸如由摻雜多晶硅或摻雜晶體硅制成。該材料可具 有天然氧化物層或摻雜薄層。
[0031] 在一些實(shí)施方式中，除了電極附近的介電層之外，可能還存在接地層或屏蔽層 (或者起屏蔽作用的低阻抗導(dǎo)電層）。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，接地/屏蔽層位于襯底基層 中，例如，位于硅基底中。該接地/屏蔽層可為金屬，舉例而言，諸如銅、鋁、鉬、金或其他金 屬。接地/屏蔽層可減少來(lái)自本體溶液或來(lái)自基底材料的信號(hào)干擾，使得經(jīng)過(guò)電極的信號(hào) 被優(yōu)化，以便測(cè)量因核苷酸摻入而造成的電導(dǎo)（conductance)變化。在另一實(shí)施方式中，接 地/屏蔽層可位于電極上方并被介電層所包圍。接地/屏蔽層可減少來(lái)自本體溶液的信號(hào) 干擾，因?yàn)榭勺柚贡倔w溶液中的變動(dòng)或噪聲影響不靠近于傳感器的電極或電極跡線。
[0032] 在一個(gè)實(shí)施方式中，接地/屏蔽層可覆蓋發(fā)射電極的一部分，但不覆蓋接收電極。 在另一實(shí)施方式中，可以使用兩個(gè)單獨(dú)的接地/屏蔽層來(lái)覆蓋接收電極的部分和發(fā)射電極 的部分。所述用于發(fā)射電極和接收電極的單獨(dú)的接地/屏蔽層可在電極之間提供附加的隔 離，并進(jìn)一步提高系統(tǒng)的靈敏度以便測(cè)量因核苷酸摻入而造成的電導(dǎo)變化。
[0033] 在一些實(shí)施方式中，納米針可與關(guān)聯(lián)于一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)電極的一個(gè)或多個(gè)局部電 容器相耦合，以便防止因來(lái)自驅(qū)動(dòng)器電路的直流（DC)偏壓電平所造成的影響，或者防止來(lái) 自芯片傳感器內(nèi)的泄漏影響到輸出信號(hào)。
[0034] 納米針可制造成平面結(jié)構(gòu)，或者可制造成同軸結(jié)構(gòu)。納米針結(jié)構(gòu)可制造成納米針 的陣列，從而允許同時(shí)對(duì)大量的單個(gè)DNA分子進(jìn)行測(cè)序。如圖4D中所示，可以將聚合酶或 連接體分子附著到傳感器的表面，例如附著在兩個(gè)電極之間的介電層上，或者附著至所述 電極中之一，并且繼而DNA鏈可以摻入核苷酸，從而導(dǎo)致改變兩個(gè)電極之間的可檢測(cè)阻抗。
[0035] 在替代實(shí)施方式中，可以使用其他分子和測(cè)定，尤其是允許對(duì)諸如其他酶促反應(yīng) 等單個(gè)分子反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行檢測(cè)的那些分子和測(cè)定。納米針或納米橋陣列可用于檢測(cè)單 個(gè)或多個(gè)分子以供DNA測(cè)序。
[0036] 在一些實(shí)施方式中，所述陣列為如圖5A中所示的納米針陣列，該圖中同時(shí)圖示了 納米針的特寫(xiě)圖（左）和納米針陣列的俯視圖（右）。納米針傳感器的特寫(xiě)圖示出這樣的 實(shí)施方式：其中傳感器的寬度為1 μ m并且與目標(biāo)分子所位于的微流體通道相接觸。圖5B 為處于微流體通道中的納米針傳感器的一個(gè)實(shí)施方式的俯視圖的顯微照片。在一些實(shí)施 方式中，信號(hào)放大發(fā)生在所述通道中，并且由納米傳感器所檢測(cè)。由于放大發(fā)生在微流體 通道內(nèi)或包含納米傳感器陣列的納米傳感器芯片附近，而將該過(guò)程稱為片上放大（on-chip amplification) 〇
[0037] 在一個(gè)實(shí)施方式中，這種片上放大可以通過(guò)使用化學(xué)反應(yīng)或過(guò)程來(lái)進(jìn)行，以放大 信號(hào)。例如，在一些實(shí)施方式中，可以使用諸如T4聚合酶的聚合酶來(lái)放大靠近微珠和傳感 器的區(qū)域中的無(wú)機(jī)焦磷酸鹽或PPi濃度。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，可以使用諸如焦磷酸鹽 的酶來(lái)將二磷酸鹽或焦磷酸鹽分成兩個(gè)磷酸基團(tuán)，從而產(chǎn)生不同的離子濃度?？梢允褂貌?同的化學(xué)放大法來(lái)提高用納米傳感器進(jìn)行的信號(hào)檢測(cè)。在一些實(shí)施方式中，使用靠近納米 傳感器的局部放大器來(lái)進(jìn)行信號(hào)放大。
[0038] 圖6示出納米針陣列的示意圖，并在頂部有納米針傳感器600的特寫(xiě)圖。在納米針 的一些實(shí)施方式中，電極620部分地由介電層640所覆蓋并擱置在介電層640上。在一些實(shí) 施方式中，納米針傳感器可包含兩個(gè)跨圈的（inter-circled)或"同軸尖（coaxial tip)" 電極或者類似的形狀。
[0039] 在圖7中所示的進(jìn)一步的實(shí)施方式中，納米針或納米橋傳感器陣列關(guān)聯(lián)于載體， 例如微珠740,以便結(jié)合諸如DNA等目標(biāo)分子以供DNA測(cè)序。納米傳感器700可鄰近能夠保 留磁珠740的磁區(qū)720。所述陣列暴露于本體溶液760,其中引入諸如DNA和核苷酸（dNTP) 等目標(biāo)顆粒和試劑以用于所關(guān)注的反應(yīng)，例如DNA測(cè)序。磁區(qū)720可形成于結(jié)構(gòu)如圖7中 所示的矩形條中或者形成為任何其他形狀，例如圓形或正方形或其他形狀，以便將微珠捕 獲在磁區(qū)上或磁區(qū)附近。
[0040] 在一些實(shí)施方式中，納米針可經(jīng)由DC信號(hào)來(lái)運(yùn)行。測(cè)量可以通過(guò)檢測(cè)DC信號(hào)（例 如，電流）的變化和/或電場(chǎng)的調(diào)制或者兩個(gè)電極之間離子濃度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí) 施方式中，可將電解（氧化還原反應(yīng)）速率的變化用作對(duì)發(fā)生所關(guān)注的反應(yīng)的指示，例如， 在DNA測(cè)序中這樣的變化可指示出核苷酸的摻入。這樣的變化可因與兩個(gè)電極之間的離子 濃度相關(guān)聯(lián)的阻抗調(diào)制而發(fā)生。這種離子濃度的變化還可由諸如質(zhì)子、無(wú)機(jī)焦磷酸鹽（PPi) 等與核苷酸摻入相關(guān)的副產(chǎn)物所造成，或者由因 DNA分子的負(fù)電荷增加而產(chǎn)生的反荷離子 濃度所造成。
[0041] 在一些實(shí)施方式中，可以使用化學(xué)層來(lái)放大信號(hào)和/或氧化/還原效應(yīng)。這些化 學(xué)層還可減少在電極處的氣泡形成。對(duì)于此類實(shí)施方式，可以使用諸如具有可逆氧化還原 性質(zhì)的材料或聚合物，例如，氫醌（HQ)和對(duì)苯醌（Q)。
[0042] 在一些實(shí)施方式中，可以向微流體納米陣列的流添加作為HQ與Q的復(fù)合物的醌氫 醌（QH)。通過(guò)增加 QH的濃度以增大電流，可以發(fā)生QH在電極上的成膜和沉積。HQ濃度增 加越大，就有越多的分子在電極附近可用于還原氧化（氧化還原）反應(yīng)。如果HQ的濃度低， 則在短時(shí)間段之后電極周圍的區(qū)域可能耗盡一種產(chǎn)物（例如，陽(yáng)極附近的H2Q和陰極附近 的Q)，而反應(yīng)可在此時(shí)停止。在一些實(shí)施方式中，可能期望濃度足夠高以便確保有充足的 H2Q在陽(yáng)極電極附近可用或者擴(kuò)散以繼續(xù)反應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，諸如納米針等傳感器可 在非常低的頻率下運(yùn)行，以便電極可在陽(yáng)極作用與陰極作用之間切換，其中HQ、Q和H2Q可 以總是在電極附近可用。所述低頻率可為〇. 01Hz至10Hz，或者10Hz至1000Hz，或者更高。 在一些實(shí)施方式中，可基于HQ產(chǎn)物濃度和在緩沖液中的擴(kuò)散速率來(lái)優(yōu)化該低頻率。所施加 的電壓可以是低頻信號(hào)與高頻信號(hào)的組合。
[0043] 在水在納米傳感器陣列中單元的正電極附近水解的情況下，可能生成02氣泡和H+ 離子。在一些實(shí)施方式中，可以通過(guò)向溶液中添加化學(xué)物來(lái)克服氣泡問(wèn)題，其中該化學(xué)物的 放電電位低于水，因此不生成氣體。如圖8中所示，HQ具有比水低的水解電壓（分別為0.6V 與1. 2V)，并因此具有較低的放電電位，這可允許通過(guò)電極施加較低的電壓而由此產(chǎn)生的信 號(hào)與無(wú) HQ的溶液相比可能相同或增大。HQ-Q氧化還原反應(yīng)可以解決氣泡問(wèn)題，但氧化還原 反應(yīng)可生成H+離子，從而降低pH。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，可以通過(guò)向測(cè)序和/或擴(kuò)增緩 沖液中添加 HQ以便調(diào)控pH使其可更接近于期望的pH(例如，大約為7的pH水平）來(lái)解決 這個(gè)問(wèn)題。
[0044] 在一些實(shí)施方式中，納米針可配置成操作作為溫度傳感器和/或pH傳感器，以檢 測(cè)核苷酸摻入。該方法在全文并入于此的題為"Heat and pH measurement for sequencing of DNA"的美國(guó)專利申請(qǐng)2008/0166727中有進(jìn)一步描述。
[0045] 在一些實(shí)施方式中，如圖9A、圖9B和圖9C中所示，傳感器可為納米橋傳感器，其 中可將活性區(qū)域制造成使得所述活性區(qū)域部分地包圍微珠或顆粒，并且緊鄰所述微珠或顆 粒。
[0046] 圖9A為"環(huán)"納米橋的側(cè)視圖，其中活性區(qū)域905的內(nèi)部部分處于微珠601或顆 粒和可與之結(jié)合的DNA的德拜長(zhǎng)度之內(nèi)?；钚詤^(qū)域可整體處于所述微珠或顆粒的德拜長(zhǎng)度 之內(nèi)，從而導(dǎo)致整個(gè)活性區(qū)域的阻抗響應(yīng)于與微珠或顆粒相結(jié)合或關(guān)聯(lián)的電荷的變化和/ 或核苷酸或核苷酸類似物的摻入事件而變化。電導(dǎo)體904提供了用于測(cè)量活性區(qū)域905的 阻抗的手段。所述環(huán)及關(guān)聯(lián)的支撐結(jié)構(gòu)903的直徑的大小可設(shè)定成使得微珠緊密貼合在所 述環(huán)內(nèi)，并且可位于襯底902之上。在一些實(shí)施方式中，納米橋的電導(dǎo)或阻抗的變化是由于 離子濃度調(diào)制的影響，例如，由于核苷酸摻入而對(duì)諸如質(zhì)子等離子的釋放或無(wú)機(jī)焦磷酸鹽 的釋放。
[0047] 可選地，如圖9B中所示，環(huán)905和支撐結(jié)構(gòu)903的尺寸可設(shè)定成小于微珠901或顆 粒的直徑，使得微珠可擱置在環(huán)上--特別是當(dāng)其由磁陣列或電場(chǎng)所保持時(shí)--從而確保 所述環(huán)處于微珠或顆粒以及與之結(jié)合的DNA的德拜長(zhǎng)度之內(nèi)。環(huán)結(jié)構(gòu)還可用于其他結(jié)構(gòu)。
[0048] 圖9C為使用環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的納米橋的俯視圖，其示出微珠901重疊在傳感器的活性 區(qū)域905上，以及可提供用以測(cè)量活性區(qū)域905的阻抗的手段的電導(dǎo)體904。
[0049] 根據(jù)輸出信號(hào)的期望特性，可以選擇圖9A中所示的實(shí)施方式或圖9B中所示的實(shí) 施方式。在圖9A中所示的實(shí)施方式中，納米橋的電阻可大于圖9B中所示納米橋的電阻。這 可歸因于圖9A中所示納米橋環(huán)由于其在微珠的較寬部分周圍的放置而造成的周長(zhǎng)增大。 電阻與面積相關(guān)，如以下公式所描述 ：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于感測(cè)流體中的局部化學(xué)擾動(dòng)或電擾動(dòng)的裝置，該裝置包括： 一個(gè)或多個(gè)傳感器，其配置為檢測(cè)鄰近反應(yīng)載體上的化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)的流體的阻 抗、電荷、pH和溫度中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的變化，從而生成指示出所述生物反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)的信 號(hào)； 支撐襯底，其包含流體通道，該流體通道配置為將包含反應(yīng)底物或生物材料的流體傳 遞越過(guò)反應(yīng)載體； 至少兩個(gè)電極， 其中所述電極測(cè)量靠近反應(yīng)事件的環(huán)境中的穩(wěn)態(tài)變化，并且可選地測(cè)量至少一個(gè)瞬態(tài) 事件， 其中至少一個(gè)傳感器的形狀和/或相對(duì)于所述反應(yīng)載體的接近度實(shí)質(zhì)地增大相對(duì)于 所述流體的阻抗、電荷、pH和/或溫度的所述變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述穩(wěn)態(tài)變化是由于鄰近所述化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)的 環(huán)境或流體周圍的德拜長(zhǎng)度的調(diào)制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中至少一個(gè)傳感器的電極處于所述反應(yīng)載體的德拜長(zhǎng)度 之內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3的裝置，其中該裝置為基本上是平面的納米傳感器陣列。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4的裝置，其中所述穩(wěn)態(tài)變化或瞬態(tài)變化是由于靠近所述化學(xué)反 應(yīng)或生物反應(yīng)或者靠近所述電極的環(huán)境或流體周圍的離子濃度的改變。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中與所述化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的所述離子濃度的 改變可來(lái)自移動(dòng)離子或固定離子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的裝置，其中所述反應(yīng)為DNA測(cè)序反應(yīng)，并且所述傳感 器測(cè)量與一個(gè)或多個(gè)核苷酸向DNA鏈或DNA鏈的克隆群中的摻入相關(guān)聯(lián)的阻抗。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的裝置，其中所述反應(yīng)為多核苷酸的擴(kuò)增。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)的裝置，其中所述化學(xué)反應(yīng)涉及直接或間接結(jié)合至所 述反應(yīng)載體的目標(biāo)生物材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述反應(yīng)載體為微珠。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述微珠被可逆地保持靠近所述傳感器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中所述微珠被保持在凹陷中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12的裝置，其中所述傳感器電極形成基本上吻合于所述凹陷和 /或微珠的邊緣的弧形。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中至少一個(gè)傳感器的電極將所述微珠定位在固定位 置，并且所述傳感器的第二電極與所述微珠下方的所述傳感器的表面相接觸。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中至少一個(gè)傳感器的兩個(gè)電極被制造于所述微珠下方 的所述襯底上，并且形成基本上吻合于所述微珠的形狀的斜坡。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9至15中任一項(xiàng)的裝置，其中所述微珠為磁性的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其中所述微珠由電場(chǎng)或磁場(chǎng)中的至少一個(gè)來(lái)保持。
18. 根據(jù)權(quán)利要求9至15中任一項(xiàng)的裝置，其中所述微珠由物理連接體來(lái)保持。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)的裝置，其中所述傳感器的一個(gè)或多個(gè)電極由介電 襯底所屏蔽。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中所述電極的一部分由介電層所覆蓋。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中一個(gè)或多個(gè)電極的尖端涂覆有薄介電層，或者一個(gè) 或多個(gè)電極的尖端保持不被介電層所覆蓋。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1至21中任一項(xiàng)的裝置，其中所述傳感器運(yùn)行于AC模式、DC模式或 全部?jī)煞N模式之中的至少一種模式下。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中所述支撐襯底包含接地層。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中所述接地層位于所述電極之上，并由介電層所包圍。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23的裝置，其中所述接地層覆蓋發(fā)射電極的一部分，但不覆蓋接收 電極。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1至25中任一項(xiàng)的裝置，還包括與至少一個(gè)電極相關(guān)聯(lián)的至少一個(gè) 局部電容器。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1至26中任一項(xiàng)的裝置，其中所述傳感器為納米橋。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，其中所述納米橋形成圍繞所述微珠的環(huán)結(jié)構(gòu)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28的裝置，其中所述納米橋環(huán)的尺寸顯著提高信噪比。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27至29中任一項(xiàng)的裝置，其中所述納米橋包含電導(dǎo)體，該電導(dǎo)體連 接至所述納米橋的重?fù)诫s區(qū)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1至26中任一項(xiàng)的裝置，其中所述納米傳感器為納米針。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31的裝置，其中所述納米針形成圍繞所述微珠的環(huán)結(jié)構(gòu)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求1至32中任一項(xiàng)的裝置，還包括參考電極。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，還包括背柵。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34的裝置，其中所述背柵是分段的。
36. 根據(jù)權(quán)利要求1至35中任一項(xiàng)的裝置，還包括積分器，該積分器與所述傳感器合 并。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36的裝置，其中所述積分器包括與所述傳感器相關(guān)聯(lián)的電容器。
38. 根據(jù)權(quán)利要求1至37中任一項(xiàng)的裝置，還包括多個(gè)讀出端口，該多個(gè)讀出端口可選 地位于所述支撐襯底的一個(gè)或多個(gè)邊角或側(cè)邊處。
39. 根據(jù)權(quán)利要求1至38中任一項(xiàng)的裝置，包括選自Fin FET、納米針、納米橋、ISFET、 CHEMFET、pH傳感器和微懸臂之中的至少一種傳感器。
40. 根據(jù)權(quán)利要求1至39中任一項(xiàng)的裝置，還包括富集模塊，該富集模塊用于將包含帶 電目標(biāo)分子的反應(yīng)載體與不包含帶電目標(biāo)分子的反應(yīng)載體相分離。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中所述富集模塊包含微流體通道、配置用于傳遞所述 反應(yīng)載體的第一流體輸入、配置用于傳遞緩沖溶液的第二流體輸入、收集帶有所述帶電目 標(biāo)分子的反應(yīng)載體的第一輸出端口、收集無(wú)所述帶電目標(biāo)分子的反應(yīng)載體的第二輸出端 口；以及用于朝著所述第一輸出端口引導(dǎo)包含所述帶電目標(biāo)分子的所述反應(yīng)載體的電場(chǎng)生 成組件。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41的裝置，其中存在用于分離帶有所述帶電目標(biāo)分子的反應(yīng)載體的 多個(gè)輸出端口。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41至42中任一項(xiàng)的裝置，其中所述電場(chǎng)生成為與流動(dòng)路徑相垂直。
44. 根據(jù)權(quán)利要求40至43中任一項(xiàng)的裝置，其中所述帶電目標(biāo)分子為多核苷酸。
45. 根據(jù)權(quán)利要求1至44中任一項(xiàng)的裝置，還包括多個(gè)電極，多個(gè)電極該關(guān)聯(lián)于每個(gè)傳 感器，并且配置為通過(guò)生成電場(chǎng)來(lái)形成約束單元。
46. 根據(jù)權(quán)利要求1至45中任一項(xiàng)的裝置，還包括與所述至少一個(gè)傳感器相關(guān)聯(lián)的張 弛振蕩器電路。
47. -種用于感測(cè)流體中的局部化學(xué)擾動(dòng)或電擾動(dòng)的裝置，該裝置包括： 一個(gè)或多個(gè)傳感器，其配置為檢測(cè)鄰近化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)的流體的阻抗、電荷、pH和 溫度中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的變化，從而生成指示出所述生物反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)的信號(hào)； 支撐襯底，其包含流體通道，該流體通道配置為將包含反應(yīng)底物或生物材料的流體傳 遞越過(guò)反應(yīng)載體； 至少兩個(gè)電極， 其中所述檢測(cè)是通過(guò)對(duì)所述電極之間的阻抗調(diào)制的直接測(cè)量而進(jìn)行的，該阻抗調(diào)制是 由于因所述電極之間溶液中的所述反應(yīng)而產(chǎn)生的德拜層調(diào)制或所述生物分子周圍的移動(dòng) 離子濃度的變化所造成的， 其中至少一個(gè)傳感器的形狀和/或相對(duì)于所述反應(yīng)載體的接近度實(shí)質(zhì)地增大相對(duì)于 所述流體的阻抗、電荷、pH和/或溫度的所述變化。
48. -種用于檢測(cè)生物反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)的方法，包括：在根據(jù)權(quán)利要求1至47中任一 項(xiàng)的裝置中傳遞含有一種或多種反應(yīng)底物或生物分子的本體流體，以及測(cè)量pH、電荷、阻抗 和溫度變化之中的一項(xiàng)或多項(xiàng)。
49. 根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中所述反應(yīng)為DNA測(cè)序反應(yīng)。
50. 根據(jù)權(quán)利要求49的方法，還包括基于所述反應(yīng)載體上的DNA的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)傳感器 的電壓。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中傳感器信號(hào)包括穩(wěn)態(tài)阻抗測(cè)量。
52. 根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中向反應(yīng)供應(yīng)適合于DNA合成的緩沖液以用于核苷酸 摻入，隨后供應(yīng)低離子強(qiáng)度緩沖液以用于指示核苷酸摻入的穩(wěn)態(tài)阻抗測(cè)量。
53. 根據(jù)權(quán)利要求48至52中任一項(xiàng)的方法，還包括使用差分測(cè)量來(lái)從由所述測(cè)量產(chǎn)生 的輸出信號(hào)中移除噪聲。
54. 根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中所述差分測(cè)量采用一個(gè)或多個(gè)空反應(yīng)載體作為參 考。
55. 根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中所述差分測(cè)量采用所述裝置中不具有生物反應(yīng)或化 學(xué)反應(yīng)的區(qū)域作為參考。
56. 根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中所述差分測(cè)量采用無(wú)反應(yīng)載體的傳感器作為參考。
57. 根據(jù)權(quán)利要求53至56中任一項(xiàng)的方法，其中所述反應(yīng)載體為磁珠。
58. 根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中所述差分測(cè)量采用相鄰傳感器作為參考。
59. 根據(jù)權(quán)利要求53至58中任一項(xiàng)的方法，其中所述差分測(cè)量采用所述裝置中的傳感 器區(qū)域作為參考。
60. 根據(jù)權(quán)利要求53至59中任一項(xiàng)的方法，還包括使用串?dāng)_反褶積函數(shù)矩陣來(lái)從所述 輸出信號(hào)中移除噪聲。
61. 根據(jù)權(quán)利要求53至60中任一項(xiàng)的方法，其中基于讓試劑團(tuán)穿越流通池所需的時(shí)間 來(lái)利用所述差分測(cè)量。
62. 根據(jù)權(quán)利要求48至61中任一項(xiàng)的方法，還包括通過(guò)將傳感器電子器件的讀出與試 劑團(tuán)穿過(guò)流通池的移動(dòng)相同步來(lái)減少所述裝置的數(shù)據(jù)輸出。
63. -種裝置，包括： 微流體通道； 第一流體輸入，其配置用于傳遞載體微珠； 第二流體輸入，其配置用于傳遞緩沖溶液； 第一輸出端口，其收集具有較高電荷密度的載體微珠； 第二輸出端口，其收集具有較低電荷密度的載體微珠；以及 電場(chǎng)生成組件，其用于朝向所述第一輸出端口引導(dǎo)具有較高電荷密度的載體微珠。
64. 根據(jù)權(quán)利要求63的裝置，其中所述較高電荷密度是由于關(guān)聯(lián)的多核苷酸引起的。
65. 根據(jù)權(quán)利要求64的裝置，其中所述多核苷酸為多核苷酸的克隆群。
66. 根據(jù)權(quán)利要求63或65中任一項(xiàng)的裝置，其中所述電場(chǎng)生成為與流動(dòng)路徑相垂直。
67. 根據(jù)權(quán)利要求63至66中任一項(xiàng)的裝置，其中所述微流體通道配置用于減少電滲 流。
68. 根據(jù)權(quán)利要求63至67中任一項(xiàng)的裝置，其中所述緩沖溶液配置用于減少電滲流。
69. 根據(jù)權(quán)利要求63至68中任一項(xiàng)的裝置，其中所述裝置功能耦合至納米傳感器陣 列。
70. 根據(jù)權(quán)利要求69的裝置，其中所述載體微珠為磁珠。
71. 根據(jù)權(quán)利要求70的裝置，其中所述納米傳感器陣列包含磁區(qū)陣列，每個(gè)所述磁區(qū) 配置為將所述微珠中之一保持靠近至少一個(gè)傳感器。
72. 根據(jù)權(quán)利要求71的裝置，其中每個(gè)傳感器具有多個(gè)關(guān)聯(lián)的電極，所述電極配置用 于產(chǎn)生電場(chǎng)約束單兀。
73. -種用于將具有較高電荷密度的載體微珠與具有較低電荷密度的載體微珠相分離 的方法，包括：沿著根據(jù)權(quán)利要求63至72中任一項(xiàng)的微流體通道傳遞載體微珠和緩沖溶 液，以及施加電場(chǎng)以便朝向第一輸出端口引導(dǎo)具有較高電荷密度的載體微珠。
74. -種用于約束或濃縮流體中的帶電材料的裝置，包括： 位于襯底上的多個(gè)磁結(jié)構(gòu)，所述磁結(jié)構(gòu)配置用于磁性載體的固位； 多個(gè)電極，其配置用于通過(guò)電場(chǎng)將所述帶電材料約束在所述磁結(jié)構(gòu)附近； 供應(yīng)電信號(hào)的源，該源連接至所述至少一個(gè)電極以供生成電場(chǎng)，其中所述電信號(hào)具有 基本上不干擾靠近所述磁性載體的化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)的波形。
75. 根據(jù)權(quán)利要求74的裝置，其中所述波形是移除了正弦曲線頂部附近的電壓的經(jīng)修 改的正弦波形。
76. 根據(jù)權(quán)利要求74或75的裝置，其中所述信號(hào)在循環(huán)期間被中斷一次到多次。
77. 根據(jù)權(quán)利要求74至76中任一項(xiàng)的裝置，其中所述電信號(hào)為DC信號(hào)、AC信號(hào)或同 時(shí)具有AC分量和DC分量的混合信號(hào)之中的至少一種。
78. 根據(jù)權(quán)利要求77的裝置，包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)電極以及一個(gè)或多個(gè)外電極。
79. 根據(jù)權(quán)利要求78的裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)內(nèi)電極具有交替的正電荷和負(fù)電 荷。
80. 根據(jù)權(quán)利要求78的裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)外電極具有負(fù)電荷。
81. 根據(jù)權(quán)利要求74至80中任一項(xiàng)的裝置，其中所述電極的一些部分覆蓋有介電材 料。
82. 根據(jù)權(quán)利要求81的裝置，其中靠近所述磁性載體的所述電極的尖端覆蓋有薄介電 層。
83. 根據(jù)權(quán)利要求74至82中任一項(xiàng)的裝置，其中所述裝置包括微流體通道。
84. 根據(jù)權(quán)利要求83的裝置，其中所述通道的高度為所述磁性載體的高度的至少3-5 倍。
85. 根據(jù)權(quán)利要求83的裝置，其中所述磁結(jié)構(gòu)為鐵磁性或順磁性的。
86. 根據(jù)權(quán)利要求85的裝置，其中所述磁結(jié)構(gòu)用粘附層磁化。
87. 根據(jù)權(quán)利要求85的裝置，其中所述磁結(jié)構(gòu)具有夾心層成分。
88. 根據(jù)權(quán)利要求85的裝置，其中所述夾心層包含交替的非磁性材料層和磁性材料 層。
89. 根據(jù)權(quán)利要求85的裝置，其中所述非磁性材料和磁性材料分別為鉻和鉬。
90. 根據(jù)權(quán)利要求85的裝置，其中所述磁結(jié)構(gòu)還包含至少一個(gè)基層。
91. 根據(jù)權(quán)利要求85的裝置，其中所述磁結(jié)構(gòu)還包含至少一個(gè)氧化物層。
92. 根據(jù)權(quán)利要求85至91中任一項(xiàng)的裝置，其中多個(gè)磁結(jié)構(gòu)具有尖銳的邊緣。
93. 根據(jù)權(quán)利要求74至92中任一項(xiàng)的裝置，其中約束單元中的多個(gè)磁結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出間 隙。
94. 根據(jù)權(quán)利要求93的裝置，其中磁性載體擱置在所述間隙內(nèi)。
95. 根據(jù)權(quán)利要求74至92中任一項(xiàng)的裝置，其中有一個(gè)或多個(gè)磁體關(guān)聯(lián)于所述微流體 通道并且位于所述電極和關(guān)聯(lián)于所述電極的磁體對(duì)面。
96. 根據(jù)權(quán)利要求95的裝置，其中關(guān)聯(lián)于所述微流體通道的磁體為磁性層。
97. 根據(jù)權(quán)利要求74至96中任一項(xiàng)的裝置，還包括用于遞送或移除帶電材料和/或反 應(yīng)底物的溝槽。
98. 根據(jù)權(quán)利要求97的裝置，其中所述溝槽關(guān)聯(lián)于所述載體，使可用于所述帶電材料 的載體的表面積最大化。
99. 根據(jù)權(quán)利要求74至98中任一項(xiàng)的裝置，其中磁體與所述電極相接觸并位于其上 方。
100. 根據(jù)權(quán)利要求74至98中任一項(xiàng)的裝置，其中磁體與所述電極相接觸并位于其下 方。
101. 根據(jù)權(quán)利要求74至100中任一項(xiàng)的裝置，其中所述帶電材料為DNA。
102. 根據(jù)權(quán)利要求74至101中任一項(xiàng)的裝置，其中所述電場(chǎng)為介電電泳的或電泳的。
103. 根據(jù)權(quán)利要求74至102中任一項(xiàng)的裝置，還包括由所述一個(gè)或多個(gè)磁結(jié)構(gòu)中的多 個(gè)磁結(jié)構(gòu)固位的磁性載體。
104. 根據(jù)權(quán)利要求103的裝置，其中所述磁性載體為磁珠。
105. 根據(jù)權(quán)利要求104的裝置，其中所約束的帶電材料為DNA或dNTP中的至少一種。
106. 根據(jù)權(quán)利要求105的裝置，其中目標(biāo)生物分子通過(guò)連接體結(jié)合至所述載體。
107. -種系統(tǒng)，其包含根據(jù)權(quán)利要求74至106中任一項(xiàng)的裝置，以及根據(jù)權(quán)利要求1 至47中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，以及/或者根據(jù)權(quán)利要求63至72中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置。
108. -種用于測(cè)量通過(guò)DNA聚合酶進(jìn)行的DNA堿基摻入的分布的方法，包括： 在微流體腔室中提供模板DNA的引物區(qū)域； 向所述微流體腔室添加 DNA聚合酶和至少一種核苷酸以供摻入； 測(cè)量靠近摻入事件的環(huán)境中的穩(wěn)態(tài)變化，以及可選地測(cè)量至少一個(gè)瞬態(tài)事件。
109. 根據(jù)權(quán)利要求108的方法，包括測(cè)量選自摻入反應(yīng)的副產(chǎn)物的增加、流體環(huán)境的 阻抗、pH或溫度的環(huán)境的變化。
110. 根據(jù)權(quán)利要求108的方法，其中核苷酸摻入發(fā)生在含有核苷酸摻入所需的離子成 分的緩沖液溶液中，并且在低離子強(qiáng)度緩沖液中測(cè)量穩(wěn)態(tài)變化。
111. 根據(jù)權(quán)利要求110的方法，包括： 對(duì)有可能的全長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)序反應(yīng)，使經(jīng)延伸的引物鏈解鏈，引入新的引物，以及繼續(xù)進(jìn)行 合成反應(yīng)。
112. -種用于非常靠近地進(jìn)行多個(gè)測(cè)序反應(yīng)的方法，包括：使所述測(cè)序反應(yīng)的成分與 在載體上隔開(kāi)的DNA模板相接觸，以便減少位阻。
113. 根據(jù)權(quán)利要求112的方法，其中通過(guò)使模板接觸與雙鏈或單鏈DNA形成復(fù)合物并 且大于聚合酶的結(jié)合部分來(lái)間隔開(kāi)所述DNA模板，以及使間隔開(kāi)的DNA模板在核苷酸摻入 條件下接觸所述聚合酶。
114. 根據(jù)權(quán)利要求113的方法，其中所述部分為持續(xù)性聚合酶。
115. 根據(jù)權(quán)利要求108至114中任一項(xiàng)的方法，其中每次添加一種dNTP，并測(cè)量摻入。
116. 根據(jù)權(quán)利要求108至115中任一項(xiàng)的方法，其中在陣列上進(jìn)行平行的測(cè)序反應(yīng)。
117. 根據(jù)權(quán)利要求116的方法，其中每個(gè)反應(yīng)涉及傳感器和約束單元，所述約束單元 由電場(chǎng)形成。
118. 根據(jù)權(quán)利要求116或117的方法，其中所述測(cè)序反應(yīng)發(fā)生在微珠陣列上。
119. 根據(jù)權(quán)利要求118的方法，其中所述微珠為磁性的，并且由磁結(jié)構(gòu)保持靠近所述 傳感器。
120. 根據(jù)權(quán)利要求119的方法，其中傳感器電極處于微珠的德拜長(zhǎng)度之內(nèi)。
121. -種用于多核苷酸測(cè)序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于感測(cè)核苷酸向多個(gè)多核苷酸的摻 入的多個(gè)傳感器，以及多個(gè)積分器，所述多個(gè)積分器中的每一個(gè)耦合至所述多個(gè)傳感器中 之一并且適于減少所述多個(gè)傳感器中的每一個(gè)中的噪聲。
122. 根據(jù)權(quán)利要求121的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適于測(cè)量電荷積聚而不是電流。
123. -種用于通過(guò)感測(cè)用第一聚合酶進(jìn)行的在DNA上的核苷酸摻入來(lái)減少DNA測(cè)序中 的位阻的方法，該方法包括使用選自大于所述第一聚合酶的第二聚合酶以及與DNA結(jié)合的 蛋白質(zhì)或部分的化合物，使得該化合物幫助將DNA分隔開(kāi)并從而減少位阻。
124. 根據(jù)權(quán)利要求123的方法，其中所述第二聚合酶是持續(xù)性聚合酶。
125. -種用于減少碳酸對(duì)用于感測(cè)核苷酸向多核苷酸的摻入的pH測(cè)量的影響的方 法，該方法包括使用兩種緩沖液來(lái)同時(shí)提供足夠的緩沖和低離子強(qiáng)度。
126. 根據(jù)權(quán)利要求125的方法，其中使用組合的Tris和HEPES來(lái)貢獻(xiàn)于緩沖。
127. -種用于減少來(lái)自多核苷酸載體的電荷的方法，該方法包括改變所述多核苷酸載 體的表面上的S0 4的量。
128. -種用于減少來(lái)自多核苷酸載體的電荷的方法，該方法包括在所述多核苷酸載體 的表面上添加一定量的負(fù)電荷。
129. 根據(jù)權(quán)利要求128的方法，其中所述負(fù)電荷的量足以減少多核苷酸或核苷酸與所 述多核苷酸載體的表面的結(jié)合，但不足以影響耦合至所述多核苷酸載體的傳感器的動(dòng)態(tài)范 圍。
130. -種用于通過(guò)感測(cè)核苷酸向多核苷酸的摻入來(lái)進(jìn)行多核苷酸測(cè)序的方法，該方法 包括向多核苷酸上提供四種核苷酸或核苷酸類似物，其中所述四種核苷酸或核苷酸類似物 中的三種為不可摻入的核苷酸類似物。
131. 根據(jù)權(quán)利要求130的方法，其中所述不可摻入的核苷酸或核苷酸類似物選自：PNA 核苷酸、LNA核苷酸、單磷酸腺嘌呤、二磷酸腺嘌呤、腺苷、脫氧腺苷、單磷酸鳥(niǎo)嘌呤、二磷酸 鳥(niǎo)嘌呤、鳥(niǎo)苷、脫氧鳥(niǎo)苷、單磷酸胸腺嘧啶、二磷酸胸腺嘧啶5-甲基尿苷、胸苷、二磷酸胞嘧 啶、尿苷和脫氧尿苷。
132. 根據(jù)權(quán)利要求130的方法，其中核苷酸及核苷酸類似物的濃度水平匹配于相對(duì)聚 合物活性。
133. 根據(jù)權(quán)利要求130的方法，其中不可摻入的核苷酸或核苷酸類似物的濃度水平高 于針對(duì)可摻入核苷酸的等效聚合酶結(jié)合效率的濃度水平。
134. -種用于利用傳感器來(lái)感測(cè)多核苷酸上的核苷酸摻入的方法，該方法包括將所述 傳感器耦合至張弛振蕩器電路，以生成具有與傳感器電導(dǎo)成正比的頻率的時(shí)鐘信號(hào)。
135. -種用于在多核苷酸測(cè)序中使用試劑的方法，該方法包括使用至少兩種不同的試 齊U，其中第一試劑至少用于提高聚合酶準(zhǔn)確度和降低失相中之一，并且其中第二試劑用于 提高感測(cè)裝置的準(zhǔn)確度。
136. -種用于多核苷酸測(cè)序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括襯底和納米針裝置，該納米針裝置適 于感測(cè)核苷酸向多核苷酸的摻入，所述納米針具有第一電極和第二電極，所述第一電極直 接附接至所述襯底，所述第二電極附接在傳感器上，該傳感器用于將多核苷酸載體定位在 基本上固定的位置上。
137. -種用于多核苷酸測(cè)序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括襯底和納米針裝置，該納米針裝置適 于感測(cè)核苷酸向多核苷酸的摻入，所述納米針具有第一電極和第二電極，所述第一電極直 接附接至所述襯底或粘附層，所述第二電極位于介電層之上，該介電層覆蓋所述第一電極。
138. -種用于多核苷酸測(cè)序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括納米針裝置，該納米針裝置適于感測(cè) 核苷酸向多核苷酸的摻入，所述納米針耦合到至少一個(gè)電容器，以減少來(lái)自驅(qū)動(dòng)電路的DC 偏壓電平的影響和來(lái)自芯片傳感器的泄漏之中的至少一項(xiàng)。
139. -種用于多核苷酸測(cè)序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于感測(cè)核苷酸向多核苷酸的摻入的 納米橋傳感器，該納米橋傳感器具有活性區(qū)域，該活性區(qū)域部分地包圍并緊鄰多核苷酸載 體。
140. 根據(jù)權(quán)利要求139的系統(tǒng)，其中所述多核苷酸載體為微珠。
141. 根據(jù)權(quán)利要求140的系統(tǒng)，其中所述微珠為磁性的。
142. 根據(jù)權(quán)利要求139的系統(tǒng)，其中所述活性區(qū)域的內(nèi)部處于所述多核苷酸載體的德 拜長(zhǎng)度之內(nèi)。
143. 根據(jù)權(quán)利要求139的系統(tǒng)，其中所述活性區(qū)域小于所述多核苷酸載體的直徑。
144. 一種用于多核苷酸測(cè)序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于感測(cè)核苷酸向多核苷酸的摻入的 納米橋傳感器，該納米橋傳感器具有活性區(qū)域，所述活性區(qū)域被重?fù)诫s以提供更好的電連 接。
145. -種用于多核苷酸測(cè)序的系統(tǒng)，包括適于檢測(cè)由核苷酸向多核苷酸的摻入所產(chǎn)生 的電荷、pH和阻抗變化中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的多個(gè)納米傳感器，所述多個(gè)納米傳感器具有附加 的參考電極以提供商動(dòng)態(tài)范圍和商靈敏度。
146. 根據(jù)權(quán)利要求145的系統(tǒng)，其中可在所述參考電極與多個(gè)納米傳感器的活性區(qū)域 之間外加可變電壓。
147. 根據(jù)權(quán)利要求145的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)傳感器為ChemFET和非橋式傳感器中之 〇
148. -種用于多核苷酸測(cè)序的方法，該方法包括通過(guò)測(cè)量核苷酸向多核苷酸的摻入的 副產(chǎn)物來(lái)測(cè)量所述核苷酸摻入。
149. 根據(jù)權(quán)利要求148的系統(tǒng)，其中所述副產(chǎn)物包括PPi和水合氫離子中的至少一種。
150. 根據(jù)權(quán)利要求148的系統(tǒng)，其中在所述核苷酸摻入期間有效進(jìn)行副產(chǎn)物的測(cè)量。
【文檔編號(hào)】C12Q1/68GK104105797SQ201280068919
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月1日
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