專利名稱：化學(xué)感測(cè)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到化學(xué)感測(cè)器件。特別地，本發(fā)明可用于根據(jù)液體中離子濃度提供數(shù)字輸出信號(hào)。本發(fā)明適用于核酸的鑒定和測(cè)序。
背景技術(shù)：
此前出版物已經(jīng)披露了離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)檢測(cè)靠近敏感表面的化學(xué)物質(zhì)的能力?？赏ㄟ^檢測(cè)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物來確定目標(biāo)分析物的存在。在一個(gè)實(shí)例中，離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)可用于通過檢測(cè)核酸末端由核苷酸插入引起的pH值變化來確定核酸模板的一個(gè)或多個(gè)部分的特性(identity)。通常在反應(yīng)過程中釋放氫離子(質(zhì)子)。離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)電信號(hào)的強(qiáng)度取決于釋放的氫離子的量，該電信號(hào)表達(dá)為模擬輸出信號(hào)，可以是電壓信號(hào)或電流信號(hào)。對(duì)于例如可用于DNA測(cè)序的大型離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)陣列，發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到處理這些模擬數(shù)據(jù)需要巨大的計(jì)算能力和千兆比特每秒的帶寬。另外，通常的方法需要精確的模擬讀出電路，并且對(duì)寄生元件及環(huán)境電噪聲敏感。高精度的大型模擬系統(tǒng)限制了處理速度和集成能力；從而制約了檢測(cè)效率和可量測(cè)性。而且高性能前端接口電路會(huì)消耗大量的系統(tǒng)面積和功耗，使得片上數(shù)據(jù)處理不切實(shí)際。發(fā)明人在本文中提出了能夠解決上述一個(gè)或多個(gè)缺陷的新穎的半導(dǎo)體及方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明第一方面提供了一種半導(dǎo)體器件，其包括具有第一輸出信號(hào)并配置為接收電輸入的變換器。變換器切換第一輸出信號(hào)的開(ON)和關(guān)(OFF)狀態(tài)。該器件包括耦合到所述變換器的化學(xué)感測(cè)表面，配置為接收化學(xué)輸入。信號(hào)生成器使所述輸入中的一個(gè)或多個(gè)振蕩來改變變換器的開關(guān)點(diǎn)。振蕩輸入可以是化學(xué)輸入和/或是電輸入。輸出信號(hào)可以是其開或關(guān)周期由化學(xué)輸入調(diào)制的振蕩輸入所確定的脈沖。信號(hào)生成器可以包括配置為釋放或吸收化學(xué)物質(zhì)的滴定電極，該化學(xué)物質(zhì)影響化學(xué)感測(cè)表面檢測(cè)的離子濃度。信號(hào)生成器還可以包括控制器，來向滴定電極提供振蕩電流。所述化學(xué)物質(zhì)優(yōu)選為氫離子和氫氧離子。該信號(hào)生成器可以使化學(xué)輸入信號(hào)振蕩，以在第一周期使第一輸出信號(hào)切換為開并且在第二周期切換為關(guān)。信號(hào)生成器也可以使電輸入信號(hào)振蕩，以使第一電輸出信號(hào)在第一周期切換為開并且在第二周期切換為關(guān)；并且其中所述化學(xué)輸入信號(hào)調(diào)制第一周期和第二周期的周期。信號(hào)生成器可以將振蕩電輸入信號(hào)提供給包括在變換器中的晶體管的柵極、源極、漏極以及塊體之一。檢測(cè)到的靠近化學(xué)感測(cè)表面的離子可以提供使變換器偏置的化學(xué)輸入信號(hào)，以調(diào)制第一輸出信號(hào)。
變換器可以包括連接到第二類型的第二晶體管的第一類型的第一晶體管，以形成CMOS反相器。化學(xué)感測(cè)表面可以耦合到第一晶體管和第二晶體管的柵極。該柵極可以是浮柵。第一電輸出信號(hào)可以提供給另外一個(gè)或多個(gè)晶體管以形成邏輯電路。該裝置還可以包括接收第一電輸出信號(hào)的解調(diào)器，解調(diào)器提供表示化學(xué)輸入信號(hào)幅度的第二數(shù)字輸出信號(hào)。該解調(diào)器可以是相位解調(diào)器或時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)之一。該裝置還可以包括連接到第二輸出信號(hào)的編碼器，該編碼器配置為提供包括2位二進(jìn)制代碼的第三輸出信號(hào)。優(yōu)選地，信號(hào)生成器的振蕩波形是鋸齒波、正弦波或三角波中的一種。根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供一種使用根據(jù)第一方面的裝置來確定液體中分析物的一種或多種成分的方法，包括:(i )向化學(xué)感測(cè)表面提供液體；(ii )使一個(gè)或多個(gè)輸入振蕩以提供調(diào)制的第一輸出信號(hào)解調(diào)調(diào)制的第一輸出信號(hào)以提供表不第一離子濃度的第一數(shù)據(jù)；(iv)使分析物特定試劑和液體結(jié)合，由此如果試劑與分析物發(fā)生反應(yīng)則產(chǎn)生離子；(V)使一個(gè)或多個(gè)輸入振蕩以提供調(diào)制的第一輸出信號(hào)；(vi)解調(diào)調(diào)制的第一輸出信號(hào)以提供表示第二離子濃度的第二數(shù)據(jù)；(vii)比較第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)以量化離子濃度的變化；(viii)然后將離子濃度的變化與閥值進(jìn)行比較，以確定試劑是否與分析物發(fā)生反應(yīng)，從而確定分析物的成分。該方法可進(jìn)一步包括解調(diào)第一和第二調(diào)制的輸出信號(hào)以提供表示離子濃度的第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)，然后對(duì)第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)進(jìn)行比較以量化液體中離子濃度的變化。該方法還可以在(iv)之后進(jìn)一步包括從液體中去除現(xiàn)存的試劑。事實(shí)上，還優(yōu)選至少重復(fù)(ii)至(vi)以進(jìn)一步確定分析物的成分。該分析物優(yōu)選是待測(cè)序的核酸模板，并且試劑是已知類型的核苷酸。因此優(yōu)選地，離子濃度依據(jù)核苷酸是否插入到核酸模板中而改變。離子濃度的改變理想地與插入到核酸模板中的核苷酸堿基數(shù)量相關(guān)。編碼器可提供表示所插入的核苷酸類型的2位二進(jìn)制代碼。根據(jù)本發(fā)明第三方面提供了一種測(cè)量緩沖液中的離子濃度的方法，該方法包括:
(i)從暴露于液體中的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)中監(jiān)測(cè)電輸出信號(hào)；(ii)從滴定電極向液體釋放或吸收化學(xué)物質(zhì)以改變所述離子濃度，直到輸出信號(hào)達(dá)到預(yù)定閥值；以及
(iii)確定釋放或吸收的化學(xué)物質(zhì)的量。該方法可根據(jù)緩沖容量的知識(shí)和釋放及吸收的化學(xué)物質(zhì)的量來確定初始離子濃度。因此，該方法可進(jìn)一步包括(iv)根據(jù)緩沖容量的知識(shí)和釋放及吸收的化學(xué)物質(zhì)的量來確定初始離子濃度。該方法還可以包括在兩個(gè)不同的時(shí)間或以不同的液體來重復(fù)部分(ii)和(iii)，然后:(iv)根據(jù)在每個(gè)部分(ii)釋放或吸收的化學(xué)物質(zhì)的量的差別的知識(shí)來確定初始離子濃度的差別，其中在每一部分(ii )之前緩沖容量基本相同。該方法可在兩個(gè)不同的時(shí)間或以不同液體來重復(fù)步驟(ii)和步驟(iii)，然后
(iv)根據(jù)在步驟(ii)釋放或吸收的化學(xué)物質(zhì)的量的差別的知識(shí)來確定初始離子濃度的差別，其中在每一步驟(ii )之前緩沖容量基本相同。該方法還可以包括通過滴定電極從液體吸收或向液體釋放與所述化學(xué)物質(zhì)基本相同的量來撤銷步驟(i i)的影響。因此，該方法還優(yōu)選包括通過滴定電極從液體吸收或向液體釋放與所述化學(xué)物質(zhì)基本相同的量來撤銷或部分地反轉(zhuǎn)部分(ii)的影響。因此，該方法還優(yōu)選包括通過第二滴定電極從液體中吸收或向液體釋放與第二化學(xué)物質(zhì)基本相同的量來撤銷或部分地反轉(zhuǎn)部分(ii)的影響。優(yōu)選地是部分(ii)的周期大于2秒，優(yōu)選地大于5秒、10秒或30秒。還優(yōu)選地是部分(ii)的周期小于200秒，優(yōu)選地少于100秒、60秒或50秒。上述輸出信號(hào)和離子濃度之間的關(guān)系優(yōu)先為已知的。優(yōu)先地，閥值是以下之一:預(yù)定的輸出信號(hào)的變化；預(yù)定的輸出信號(hào)的變化率；或是輸出信號(hào)從開到關(guān)或者從關(guān)到開而改變的狀態(tài)。離子濃度變化優(yōu)選地取決于化學(xué)反應(yīng)。釋放或吸收的化學(xué)物質(zhì)的量優(yōu)選地被確定為控制器提供到滴定電極的總電荷。本發(fā)明提供了一個(gè)簡化的處理離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)信號(hào)的架構(gòu)，這增加了傳感器的集成能力和加工到單一芯片的能力。在優(yōu)選實(shí)施例中固有的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換不僅不再需要信號(hào)調(diào)節(jié)和模擬處理的幾個(gè)步驟，而且相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)器件還減少了與這些步驟相關(guān)聯(lián)的電噪聲。因此，在另一方面，提供上述所討論的裝置的陣列。該陣列可包括多路復(fù)用器，其連接到每個(gè)器件以選擇要解調(diào)的第一輸出信號(hào)。優(yōu)選地，在該陣列中的裝置中所述變換器包括連接到第二類型的第二晶體管的第一類型的第一晶體管來組成CMOS反相器。優(yōu)選地，所述陣列包括連接到每一個(gè)所述的第二晶體管的多路復(fù)用器來激活或停用各個(gè)器件。該陣列還可以包括CDMA處理器以對(duì)來自每個(gè)設(shè)備的輸出信號(hào)進(jìn)行編碼，優(yōu)選地使所述輸出信號(hào)在單一通道中發(fā)送。


本發(fā)明的具體實(shí)施例將僅通過示例的方式參照附圖進(jìn)行描述，在附圖中:圖1是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)的框圖；圖2示出了變換器的四種示意構(gòu)造；圖3是示意性的讀出電路；圖4示出了核酸反應(yīng)的輸出信號(hào)的曲線圖；圖5示出了具有振蕩化學(xué)輸入的系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)的曲線圖。
具體實(shí)施例方式在包括本發(fā)明的系統(tǒng)中，典型地包括容納傳感器和信號(hào)處理器的半導(dǎo)體襯底，其由包括液體通道和一個(gè)或多個(gè)腔室的基片覆蓋。這些腔室包含具有待測(cè)量離子濃度的液體。該離子濃度是恒定或可變的。這種變化可以是釋放或吸收離子的化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。此系統(tǒng)的檢測(cè)極限通過a)掩蔽離子濃度變化的該液體中的緩沖量和b)需要離子電荷來形成電場(chǎng)以允許電流流動(dòng)并可以檢測(cè)到的晶體管的電特性來進(jìn)行控制。這些可以看做是要超過的閥值。在本發(fā)明中，將受控的振蕩信號(hào)提供給系統(tǒng)，該振蕩信號(hào)與化學(xué)/離子信號(hào)相結(jié)合超過一個(gè)或兩個(gè)閥值以提供可檢測(cè)的輸出信號(hào)。受控信號(hào)的影響被從輸出信號(hào)中扣除以確定化學(xué)信號(hào)貢獻(xiàn)的影響。隨著時(shí)間的推移通過振蕩被控信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的凈影響變?yōu)榱?。振蕩信?hào)理想化地在一部分周期內(nèi)連續(xù)變化，以便確定超過閥值的點(diǎn)。在一實(shí)施例中，振蕩信號(hào)是一種提供到液體中的化學(xué)物質(zhì)，用來改變緩沖液內(nèi)的離子濃度。在另一實(shí)施例中，振蕩信號(hào)是一種提供到傳感器變換器的電信號(hào)，用來改變電操作點(diǎn)。這些實(shí)施例的結(jié)合是可以設(shè)想的并且落在本發(fā)明范圍內(nèi)。在這樣一個(gè)系統(tǒng)中化學(xué)信號(hào)可以視為對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并且是以一種高效的形式進(jìn)行調(diào)制以用于數(shù)據(jù)處理。理想地，化學(xué)物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以便進(jìn)一步處理。該信號(hào)處理可以由硬件或軟件來執(zhí)行。電振蕩圖1示出了示例性系統(tǒng)的框圖。包括分析物的濃度(包括分析物不在樣本中的零濃度)的液體樣本與離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)的化學(xué)感測(cè)表面接觸，ISFET將分析物的濃度轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)。變換器將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。變換器連接到振蕩信號(hào)輸入。該化學(xué)信號(hào)及振蕩信號(hào)結(jié)合以產(chǎn)生振蕩輸出信號(hào)。如果變換器包括形成部分CMOS反相器的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)，則變換器將開、關(guān)以產(chǎn)生如圖所示的脈沖輸出信號(hào)。模擬化學(xué)信號(hào)有助于調(diào)制輸出信號(hào)使得相位移動(dòng)或脈沖寬度改變。這種變化表示化學(xué)物質(zhì)的濃度。然后時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器或相位解調(diào)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼并輸出數(shù)字信號(hào)。振蕩輸入信號(hào)的貢獻(xiàn)可被扣除從而留下純化學(xué)貢獻(xiàn)。這些信號(hào)可以預(yù)處理并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以為以下類型:Jianjun Yu et al, 12-Bit Vernier RingTime-to-Digital Converter in0.13 μ m CMOS Technology, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATECIRCUITS, VOL.45, N0.4, April2010 ；或 Gordon ff.Roberts, A Brief Introduction toTime-to-DigitalDigital-to-Time Converters.1EEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS ANDSYSTEMS I1:EXPRESS BRIEFS, VOL.57，N0.3，March2010。如下文進(jìn)一步討論，信號(hào)可代表一系列片段化DNA鏈的核苷酸合并反應(yīng)，在此情況下，通過映射算法單元進(jìn)一步處理信號(hào)以測(cè)定完整的DNA序列。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖2a所示，化學(xué)感測(cè)層23耦合到由布置成反相器的兩個(gè)晶體管(24和25)共用的浮柵20。輸出22連接到漏極。柵極上的電壓將具有打開一個(gè)晶體管并關(guān)閉另一個(gè)晶體管的作用，使得輸出在本質(zhì)上為數(shù)字的。對(duì)該構(gòu)造及操作的進(jìn)一步參考見申請(qǐng)PCT/IB2011/002376。其它器件及方法可擴(kuò)展到使用塊體(bulk)輸入調(diào)制的2 (b)或2 (C)，或使用偽CMOS邏輯的2 (d)。通過將信號(hào)生成器連接到晶體管終端，可以偏置該晶體管以使輸出為預(yù)定形式，從而使得化學(xué)信號(hào)能夠如期望地調(diào)制輸出。振蕩信號(hào)可以由電容性地耦合到晶體管柵極的半導(dǎo)體襯底中的信號(hào)生成器提供。例如來自信號(hào)生成器的振蕩信號(hào)能夠?qū)⒕w管電偏置為在設(shè)置周期內(nèi)開和關(guān)，任何化學(xué)信號(hào)與該偏置累加來調(diào)制這些周期。典型地，振蕩的電壓將在Vss和Vdd之間持續(xù)改變。例如，信號(hào)可以在OV到3.3V之間改變。優(yōu)選鋸齒波、正弦波或三角波。振蕩信號(hào)的頻率被諸如掃描陣列的頻率、觀察到的化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間間隔以及數(shù)字輸出信號(hào)檢測(cè)離子濃度的變化所需的分辨率等因素來決定。離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)反相器可以由特定頻率的公用或單獨(dú)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)，輸出信號(hào)相位將由氫離子或其他目標(biāo)離子的濃度調(diào)制?；咀兂闪嘶瘜W(xué)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)的輸出信號(hào)大大地簡化了讀出和處理模塊，而且不受大多數(shù)電氣噪聲的影響。
變換器和腔室的數(shù)量取決于實(shí)際應(yīng)用，不過在優(yōu)選的實(shí)施例中可以是一組超過
10、超過100、超過1000、超過10000、超過100000、或超過1000000的陣列。在實(shí)際應(yīng)用中需要更多的變換器并且典型地腔室的尺寸會(huì)更小。在優(yōu)選的實(shí)施例中，腔室的容量小于lrnl、小于IOul、小于IOOnl、小于30nl、小于Inl或小于IOOpl。碼分多址(CDMA)技術(shù)也可納入到系統(tǒng)中以根據(jù)變換器陣列的每一變換器像素來編碼數(shù)據(jù)，允許所有像素?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到單一通道。由于是簡化的讀出系統(tǒng)，本發(fā)明的方法和器件可以廣泛地實(shí)施于不同的技術(shù)領(lǐng)域，如離散玻璃離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)或基于CMOS的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)0為了大規(guī)模的集成目的，可優(yōu)選基于離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)的CMOS并在下文描述以進(jìn)一步解釋其實(shí)施。與圖2 Ca)的實(shí)施例對(duì)比，振蕩信號(hào)可連接到圖2 (b)示出的塊體。圖2 (C)示出了器件行的第三實(shí)施例，其中化學(xué)感測(cè)表面耦合到單一 FET (場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，反相器的第二 FET的由行選擇信號(hào)26來切換開和關(guān)狀態(tài)。對(duì)于二維變換器陣列，圖2 (d)示出的實(shí)施例是期望得到的。在圖2 (d)中，單個(gè)像素具有感測(cè)晶體管、導(dǎo)通晶體管和選擇晶體管。選擇晶體管可用于控制單行或單列的末級(jí)輸出22。行選擇控制26或列選擇控制27都可連接到振蕩信號(hào)。由于輸出信號(hào)是數(shù)字的，晶體管的尺寸可進(jìn)一步縮小到亞微米級(jí)，并且僅受化學(xué)設(shè)置(chemical setup)的限制。在這些配置中，由于使用數(shù)字輸出，信號(hào)損耗和失真可忽略不計(jì)。所有變換器像素可共用同一緩沖器和同一前端讀出。然而，為進(jìn)一步加快處理速度，一行(或一列)中的變換器能夠共享同一讀出通道。在每一讀出通道，數(shù)字脈沖通過數(shù)字反相器(或位緩沖器)來緩沖。圖3示出了讀出相位調(diào)制脈沖信號(hào)并輸出數(shù)字序列的計(jì)數(shù)器系統(tǒng)。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出將被截短至表示化學(xué)信號(hào)的變化的較短長度。這種構(gòu)造可減少處理的數(shù)據(jù)和需要的存儲(chǔ)器。例如，通常具有12位分辨率的整個(gè)輸出可以減少到4位并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中?；鶖?shù)(base line)將視為共用信號(hào)并存儲(chǔ)。因此針對(duì)每一像素，所需的最大數(shù)據(jù)是基本計(jì)數(shù)乘以4位加上10位共模信號(hào)。核酸檢測(cè)與識(shí)別的應(yīng)用在基因檢測(cè)領(lǐng)域中，期望鑒別核酸(諸如DNA和RNA)的一個(gè)或更多核苷酸。典型地，核酸單鏈用探針退火(anneal)直到或包括要識(shí)別的核酸中一個(gè)點(diǎn)。核苷酸將并入到探針的3’端來延長鏈。這種合并反應(yīng)已證明可釋放出氫離子，其可以通過具有適當(dāng)處理過的感測(cè)表面的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)檢測(cè)到。例如，表面可以是氮化硅、二氧化硅、氧化鉭或已知對(duì)氫離子敏感的其他物質(zhì)。核苷酸僅在其與相對(duì)的核苷酸互補(bǔ)時(shí)才可以合并。通過將所添加的已知化合物(例如核苷酸dATP、dNTP、dTTP、dGTP的類型，或等位基因特異性探針)與輸出信號(hào)的變化(或其缺位)相關(guān)，可以識(shí)別核酸上關(guān)注點(diǎn)的核苷酸。此應(yīng)用及實(shí)施的細(xì)節(jié)在專利申請(qǐng)US11/625844、專利US7686929和US7888015中描述，通過引用并入本文中。測(cè)序作為識(shí)別核酸中單一核苷酸堿基的延伸，期望能夠識(shí)別幾十到幾百個(gè)核苷酸堿基的序列。在已知為射擊槍的方法中，整個(gè)DNA鏈切割成小片段，并復(fù)制以增加檢測(cè)冗余。這些片段被分割到傳感器像素陣列中。因此每一像素?cái)?shù)據(jù)表示一個(gè)DNA小片段的復(fù)制本。識(shí)別堿基序列的重疊(即存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的相似性)，提供完整的DNA堿基序列。這種比較可以由數(shù)字邏輯實(shí)施，即XOR、AND、NOR、NAND等實(shí)施。數(shù)字處理模塊可基于比較結(jié)果把序列聯(lián)系起來。該處理可以與感測(cè)功能并行執(zhí)行，將映射結(jié)果反饋到預(yù)處理部分，從而減少計(jì)算的復(fù)雜性和對(duì)存儲(chǔ)器的需求。結(jié)果圖4示出了基于6個(gè)堿基長度的DNA的仿真結(jié)果，其中曲線圖示出了(a)在整個(gè)反應(yīng)周期(16秒)中每4個(gè)傳感器的堿基引入次序(base calling order)和堿基延伸(baseextension)以及(b)每個(gè)傳感器在單一反應(yīng)(2秒)中的振蕩參考信號(hào)和調(diào)制的輸出信號(hào)。下面描述一種測(cè)序方法的示例性仿真，如圖4所示。在下表中給出的設(shè)置參數(shù)和輸出示出了簡化的處理結(jié)果。要識(shí)別的核酸(TGACCC)被復(fù)制并切割以提供四個(gè)片段(片段
1、2、3、4)，其中每一片段置于一個(gè)腔室內(nèi)，每一腔室具有一個(gè)傳感器(傳感器1、2、3、4)。通常在一個(gè)腔室內(nèi)具有數(shù)百萬的給定片段的相同復(fù)制本。探針連接到每一片段但不包括圖示的堿基。為簡單起見探針未被示出。添加的核苷酸的次序(堿基引入次序)是dATP、dCTP、dTTP、dGTP (A、C、T、G)，反復(fù)進(jìn)行直到每個(gè)片段完全延伸。液體最初設(shè)置為PH7并且在添加每個(gè)堿基之后復(fù)位到pH7。在這種情況下，每2秒鐘一個(gè)新的堿基按上述給定次序添加到每個(gè)腔室內(nèi)。如果添加的堿基與相對(duì)的堿基片段互補(bǔ)，則發(fā)生延伸以釋放氫離子。對(duì)于每一堿基延伸，釋放的氫離子將引入特定的PH降低。在本實(shí)例中，每延伸一個(gè)堿基下降0.2pH。這個(gè)pH值將直接被輸出信號(hào)反映，該輸出信號(hào)的調(diào)制寬度和相位與PH值的變化相關(guān)(圖4 (b))。需要注意的是，在使用了反相器的情況下，更多的堿基延伸導(dǎo)致更多的離子釋放，減少了輸出信號(hào)開的周期。傳感器的振蕩輸入信號(hào)是如圖4 (b)所示的三角波，其具有高于堿基增加率的頻率，優(yōu)選地高于能夠被檢測(cè)到的最小變化率。通過去除初始脈沖寬度(即在pH7處)，可以從此信號(hào)中提取pH值的變化量。通過將PH值變化除以每個(gè)堿基的變化率(本實(shí)例中為0.2pH/每堿基)，可以轉(zhuǎn)換成延伸的堿基數(shù)量。參見圖4 Ca)中的傳感器輸出。在現(xiàn)實(shí)中，PH值的變化對(duì)延伸堿基不是線性的，pH值的變化在反應(yīng)中也不是瞬時(shí)和穩(wěn)定變化。通過將已知堿基的增加與延伸計(jì)數(shù)相關(guān)，可以識(shí)別每個(gè)片段的次序。每個(gè)片段的堿基可以由編碼器提供的2位二進(jìn)制代碼表示(例如，00=A，01=T，IO=G, 11=C)。最終，識(shí)別的片段用已知的映射技術(shù)重新組裝(沒有示出):
權(quán)利要求
1.一種裝置器件，包括: 變換器，其提供第一電輸出信號(hào)并配置為接收電輸入信號(hào)，該變換器切換第一電輸出信號(hào)的開關(guān)狀態(tài)； 耦合到變換器的化學(xué)感測(cè)表面，用于接收化學(xué)輸入信號(hào)；以及 信號(hào)生成器，用于使一個(gè)或多個(gè)所述輸入信號(hào)振蕩來改變變換器的切換點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中信號(hào)生成器包括滴定電極，該滴定電極配置為釋放或吸收化學(xué)物質(zhì)，所述化學(xué)物質(zhì)影響由化學(xué)感測(cè)表面檢測(cè)到的離子濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述信號(hào)生成器還包括控制器，用來向滴定電極提供振蕩電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的裝置，其中所述化學(xué)物質(zhì)是氫離子或氫氧離子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述信號(hào)生成器使化學(xué)輸入信號(hào)振蕩，以在第一周期使第一輸出信號(hào)切換為開，并且在第二周期切換為關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述信號(hào)生成器使電輸入信號(hào)振蕩，以在第一周期使第一電輸出信號(hào)切換為開，并且在第二周期切換為關(guān)；并且其中化學(xué)輸入信號(hào)調(diào)制第一周期和第二周期的周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6的裝置，其中所述信號(hào)生成器將振蕩電輸入信號(hào)提供給包括在變換器中的晶體管的柵極、源極、漏極及塊體之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、6或7的裝置，其中檢測(cè)到的靠近化學(xué)感測(cè)表面的離子提供使變換器偏置的化學(xué)輸入信號(hào)，以調(diào)制第一輸出信號(hào)。
9.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的裝置，其中所述變換器包括連接到第二類型的第二晶體管的第一類型的第一晶體管，以形成CMOS反相器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述化學(xué)感測(cè)表面耦合到第一晶體管和第二晶體管的柵極。
11.根據(jù)權(quán)利要求7或10的裝置，其中所述柵極是浮柵。
12.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的裝置，其中所述第一電輸出信號(hào)提供給另外一個(gè)或多個(gè)晶體管，以組成邏輯電路。
13.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的裝置，還包括接收第一電輸出信號(hào)的解調(diào)器，所述解調(diào)器提供表示化學(xué)輸入信號(hào)的幅度的第二數(shù)字輸出信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，其中所述解調(diào)器從下列組中選擇:相位解調(diào)器或時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的裝置，還包括連接到第二輸出信號(hào)的編碼器，該編碼器配置為提供由2位二進(jìn)制代碼組成的第三輸出信號(hào)。
16.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的裝置，其中所述信號(hào)生成器提供如下振蕩波形之一:鋸齒波、正弦波或三角波。
17.根據(jù)前面任一權(quán)利要求的裝置的陣列。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的陣列，包括連接到每一器件的多路復(fù)用器，用于選擇要被解調(diào)的第一輸出信號(hào)。
19.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置的陣列，包括連接到每個(gè)第二晶體管以激活或停用各個(gè)器件的多路復(fù)用器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19的陣列，還包括CDMA處理器，用來對(duì)每個(gè)器件的輸出信號(hào)進(jìn)行編碼，優(yōu)選地使所述輸出信號(hào)能夠在單一通道中發(fā)送。
21.用于確定液體中分析物的一種或多種成分的方法，包括: (i)向化學(xué)變換器提供液體； ( )使變頻器的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)振蕩以提供調(diào)制的第一輸出信號(hào)； (iii)將分析物特定試劑與該液體結(jié)合，由此若試劑與分析物發(fā)生反應(yīng)則產(chǎn)生離子； (iv)使變頻器的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)振蕩以提供調(diào)制的第二輸出信號(hào)； (V)比較第一調(diào)制與第二調(diào)制的第二輸出信號(hào)，來量化液體中離子濃度的變化；以及 (vi)將離子濃度的變化與閥值對(duì)比以確定分析物是否與試劑發(fā)生反應(yīng)，從而確定分析物的成分。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，進(jìn)一步包括解調(diào)第一調(diào)制和第二調(diào)制的輸出信號(hào)以提供表示離子濃度的第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)，然后比較該第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)以量化液體中的離子濃度變化。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22的方法，還包括在(iv)之后從液體中去除現(xiàn)存試劑。
24.根據(jù)權(quán)利要求21、22或23的方法，還包括重復(fù)(ii)至(vi)以確定分析物的其他成分。
25.根據(jù)權(quán)利要求21至24中任一項(xiàng)的方法，其中分析物是待測(cè)序的核酸模版而試劑是已知類型的核苷酸，并且其中離子濃度變化取決于核苷酸是否插入到核酸模版上。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中離子濃度的變化與插入核酸模版上的核苷酸堿基的數(shù)量相關(guān)。
27.根據(jù)權(quán)利要求24或26的方法，其中編碼器提供表示插入的核苷酸的類型的2位二進(jìn)制代碼。
28.在緩沖液中測(cè)量離子濃度的方法，包括: (i)監(jiān)測(cè)暴露在液體中的離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)的電輸出信號(hào)； (ii)從滴定電極對(duì)液體釋放或吸收化學(xué)物質(zhì)來改變離子濃度，直到輸出信號(hào)達(dá)到預(yù)定閥值；以及 (iii)當(dāng)達(dá)到預(yù)定閥值時(shí)，確定釋放或吸收的化學(xué)物質(zhì)的量。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，還包括(iv)根據(jù)緩沖容量的知識(shí)以及釋放或吸收的化學(xué)物質(zhì)的量來確定初始離子濃度。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，還包括在兩個(gè)不同的時(shí)間或以不同的液體重復(fù)部分(ii)和(iii )，然后: (iv)根據(jù)在每個(gè)部分(ii)釋放或吸收的化學(xué)物質(zhì)的量的差別的知識(shí)來確定初始離子濃度的差別，其中在每一部分(ii )之前緩沖容量基本相同。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，還包括(V)通過滴定電極從液體中吸收或向液體中釋放基本等量的所述化學(xué)物質(zhì)，以撤銷部分(ii)的影響。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，還包括(iv)通過第二滴定電極從液體中吸收或向液體中釋放基本等量的第二化學(xué)物質(zhì)，以撤銷部分(ii)的影響。
33.根據(jù)權(quán)利要求28至32中任一項(xiàng)的方法，其中部分(ii)的周期大于2秒，優(yōu)選地大于5秒、10秒或30秒。
34.根據(jù)權(quán)利要求28至33中任一項(xiàng)的方法，其中部分(ii)的周期小于200秒，優(yōu)選地小于100秒、60秒或50秒。
35.根據(jù)權(quán)利要求28至34中任一項(xiàng)的方法，其中所述輸出信號(hào)和離子濃度兩者之間的關(guān)系是已知的。
36.根據(jù)權(quán)利要求28至35中任一項(xiàng)的方法，其中所述閥值是從下面的組中選擇的:輸出信號(hào)的預(yù)定變化、輸出信號(hào)的預(yù)定變化率、或者輸出信號(hào)從開到關(guān)或從關(guān)到開的狀態(tài)變化。
37.根據(jù)權(quán)利要求28至36中任一項(xiàng)的方法，其中離子濃度由于化學(xué)反應(yīng)而變化。
38.根據(jù)權(quán)利要求28至37中任一項(xiàng)的方法，其中釋放或吸收的化學(xué)物質(zhì)的量被確定為控制器提供給滴定電極的總電荷量。 ·
全文摘要
一種裝置包括具有第一輸出信號(hào)并配置為接收電輸入的變換器。該變換器切換第一輸出信號(hào)的開關(guān)狀態(tài)。該裝置包括耦合到變換器并配置為接收化學(xué)輸入的化學(xué)感測(cè)表面。信號(hào)生成器使一個(gè)或多個(gè)所述輸入振蕩來改變變換器的切換點(diǎn)。振蕩輸入可以是化學(xué)輸入和/或電輸入。輸出信號(hào)可以是其開關(guān)周期由化學(xué)輸入調(diào)制的振蕩輸入所確定的脈沖。
文檔編號(hào)G01N27/44GK103189741SQ201180052589
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者克里斯托弗·圖馬佐烏, 劉彥, 潘泰利斯·喬治烏, 歐昌沛, 薩姆·里德 申請(qǐng)人:Dna電子有限公司