用于高效電子測序與檢測的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本公開涉及用于高效率核酸電子測序和分子檢測的系統(tǒng)和方法。在本公開的示例實施方式中，針對諸如DNA測序、DNA雜交或蛋白質(zhì)檢測等所關(guān)注的應(yīng)用，可采用納米針來檢測由與諸如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度的調(diào)制所產(chǎn)生的阻抗變化。
【專利說明】用于高效電子測序與檢測的系統(tǒng)和方法
[0001] 本申請要求 2011 年 12 月 1 日提交的、題為"GENIUS ELECTRONIC SEQUENCING TECHNOLOGIES AND METHODS THEREFOR"的美國臨時申請No. 61/565,651 的優(yōu)先權(quán)。美國臨 時申請No. 61/565,651的公開內(nèi)容通過引用而全文并入于此。
[0002] 本申請的主題涉及2010年10月4日提交的美國臨時申請No. 61/389, 490、2010 年10月4日提交的美國臨時申請No. 61/389, 484、2011年2月15日提交的美國臨時申請 No.61/443, 167、2011年5月27日提交的美國臨時申請Ν〇·61，491，081、2012年4月4日提 交的美國臨時申請No. 61/620, 38U2012年2月15日提交的美國申請序號No. 13/397,581、 2012年10月1日提交的美國申請序號No. 13/632, 513以及2011年5月27日提交的美國 申請序號No. 13/118, 044,上述每個申請通過引用而全文并入于此。
[0003] 如在通過引用而全文并入于此的、題為"BIOSENSOR DEVICES, SYSTEMS AND METHODS THEREFOR"的美國公開專利申請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] 本申請涉及通過引用而全文并入于此的PCT/US2011/054769。
[0005] 本申請還涉及通過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)展個體化醫(yī)療及診斷試驗的重要方面。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測序的系統(tǒng)--包括采用光學(xué)檢測的系統(tǒng)--是笨重而昂貴的，并且具有有 限的通量。雖然一些系統(tǒng)使用傳感器和測序流通池 （sequencing flow cell)來解決這些 局限，但它們一般為單次使用的一次性用品，這大幅增加了對用戶的成本并且限制了傳感 器的復(fù)雜度，因為必須針對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測序、DNA雜交、實時PCR、蛋白質(zhì)或其他生物物質(zhì)及化學(xué)物質(zhì)檢測中的一種或多種 的應(yīng)用。
[0009] 在本公開的示例實施方式中，納米針可用于針對諸如DNA測序、DNA雜交或蛋白質(zhì) 檢測等所關(guān)注的應(yīng)用，來檢測因關(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 濃度或德拜長度（Debye length)的調(diào)制（modulation)而造成的阻抗變化。例如，在DNA測 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，從而允許通過經(jīng)阻抗測量對摻入的檢測，來識別互 補堿基。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] 納米針的電極相對于它們與載體的距離的物理位置可影響阻抗測量的靈敏度， 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有足夠的物理對準(zhǔn)，則傳感器阻抗可能會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% 的變化將會導(dǎo)致電極之間總阻抗中〇. 1 %的變化。為了使傳感器測量電極之間總阻抗的百 分比變化的能力最大化，同時使來自本體試劑的阻抗的干擾最小化，可以相對于傳感器電 極離微珠的距離來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檢測的各個路徑的示意圖。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R DNA的調(diào)制可以由納米針用以檢測摻入事件，從而檢測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下運行，以便幫助消除電極之間任何電容的影響。在一些實施 方式中，該運行條件如圖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)進行例如用于DNA測序的核苷酸堿基對摻入的反應(yīng)時電流相對于基線電 流的較大百分比變化看出，減小電極的長度可導(dǎo)致靈敏度的提高。在低頻下，雙電層電容可 主導(dǎo)阻抗，并且傳感器對電阻變化的靈敏度可能變小。在非常高的頻率下，兩個電極之間的 寄生電容可能占主導(dǎo)地位。電流直接經(jīng)過該區(qū)域，并且對電阻變化的靈敏度降低。因此，基 于電極尺寸和幾何形狀，可以實現(xiàn)針對最高傳感器靈敏度的最佳運行條件。
[0014] 圖1D提供了對一些潛在的電極實施方式和電極長度示例范圍（1-3 μ m)的圖示。 電極尺寸在長度、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的電場線160示出離微珠最遠(yuǎn)的部分電極如何主要感測本體溶液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線具有從微珠遠(yuǎn)離的方向，指示出 電流路徑經(jīng)過試劑，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施方式 中，電流的較大部分經(jīng)過微珠，這可以提高傳感器的靈敏度。可以存在最佳電極配置，該配 置增大基線電流并提高靈敏度，以便更好地檢測DNA摻入事件。
[0015] 在一些實施方式中，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。一個實施方式可具有通過磁場或電場或者經(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。一個實施方式可具有如圖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示出進一步的實施方式，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。該實施方式可能是所期望的，因為微珠 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，從而潛在地增強可由活性區(qū)域205檢測的來自 目標(biāo)反應(yīng)的信號。
[0018] 圖2C示出納米針傳感器的進一步實施方式的俯視圖，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,并且該納米針實施方式暴露于本體溶液200以供檢測目標(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來檢測來自目標(biāo)反應(yīng)的信號。傳感器陣列可為每一陣列100 至100000個傳感器，或者1000000至1百萬個傳感器，或者1百萬至1千萬個傳感器，或者 1千萬至1億個傳感器，或者1億至10億個傳感器。
[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的德拜長度之 內(nèi)。納米針器件可允許由本體試劑溶液對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] 在一些其他實施方式中，可將微珠保持在無任何凹陷的平坦表面上。在此類實施 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或電場或不同的力的組合等虛擬 場力所保持。通過這種方式，在進一步的實施方式中，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,這是因為在一些實施 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)的擴增、分離、約束、濃縮、檢測。例如，其可用于高效率 DNA無乳劑擴增，或者高效率DNA或RNA合成，或者DNA雜交陣列等。
[0021] 在一個實施方式中，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?？梢詫⒑塑账峄蚱渌噭┳⑷氲教摂M阱/約束單元陣列 中。在諸如DNA測序的目標(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。使用約束單元來替代凹陷或物理阱可能是期望的，這是因為其可允許更容易地沖 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。在一個實施方式 中，電場可在微珠和/或模板DNA周圍包含或移動核苷酸、DNA鏈或其他分子。
[0022] 在進一步的實施方式中，可以通過物理連接體（linker)將微珠放置到納米傳感 器陣列的襯底的表面。
[0023] 在替代實施方式中，如圖4A中所示，可將一個電極405A直接附接至襯底402。可 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兩個電極相接觸，從而使本體試劑溶液400對納米針 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)的德拜長度內(nèi)的反荷離子而產(chǎn)生的阻抗，即所關(guān)注的阻抗測量。
[0024] 在圖4B中示出了如圖4A中所示的實施方式的俯視圖。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] 在進一步的實施方式中，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。所述長度差異可以是微珠或 顆粒的直徑、以及兩個電極和電極之間的電介質(zhì)的厚度的函數(shù)。通過這種方式，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)由物理阱或凹陷來進行，或 者，也可以通過經(jīng)磁力或電力或者經(jīng)連接體機構(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實現(xiàn)。
[0027] 通過使用介電襯底來屏蔽電極也可最大化由傳感器進行的阻抗測量。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， 從而增強微珠周圍的阻抗的變化并使輸出到傳感器的期望信號最大化。
[0028] 在另一實施方式中，一個或全部兩個電極的一些部分可由介電層所覆蓋。在一些 實施方式中，最靠近微珠或DNA的電極的部分保持無覆蓋。這些實施方式可通過對電極加 以屏蔽來優(yōu)化傳感器的阻抗測量。這些配置可協(xié)助防止對來自本體溶液的阻抗的測量。
[0029] 在一個實施方式中，一個或全部兩個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。通過這種方式，有涂層 電極的有效壽命可相比于無薄介電層的電極的壽命得到延長。所述層的厚度可介于〇. 3nm 至10nm之間，并且在一些實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不發(fā)揮期望作用的更寬范圍的電 極材料中進行選擇。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)來涂覆。 納米針可在交流（AC)模式下運行，并且因此信號可穿過薄介電層。在一個實施方式中，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）。在進一步的實施方式中，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/屏蔽層可減少來自本體溶液或來自基底材料的信號干擾，使得經(jīng)過電極的信號 被優(yōu)化，以便測量因核苷酸摻入而造成的電導(dǎo)（conductance)變化。在另一實施方式中，接 地/屏蔽層可位于電極上方并被介電層所包圍。接地/屏蔽層可減少來自本體溶液的信號 干擾，因為可阻止本體溶液中的變動或噪聲影響不靠近于傳感器的電極或電極跡線。
[0032] 在一個實施方式中，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。 在另一實施方式中，可以使用兩個單獨的接地/屏蔽層來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的接地/屏蔽層可在電極之間提供附加的隔 離，并進一步提高系統(tǒng)的靈敏度以便測量因核苷酸摻入而造成的電導(dǎo)變化。
[0033] 在一些實施方式中，納米針可與關(guān)聯(lián)于一個或全部兩個電極的一個或多個局部電 容器相耦合，以便防止因來自驅(qū)動器電路的直流（DC)偏壓電平所造成的影響，或者防止來 自芯片傳感器內(nèi)的泄漏影響到輸出信號。
[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，從而允許同時對大量的單個DNA分子進行測序。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)致改變兩個電極之間的可檢測阻抗。
[0035] 在替代實施方式中，可以使用其他分子和測定，尤其是允許對諸如其他酶促反應(yīng) 等單個分子反應(yīng)的動力學(xué)進行檢測的那些分子和測定。納米針或納米橋陣列可用于檢測單 個或多個分子以供DNA測序。
[0036] 在一些實施方式中，所述陣列為如圖5A中所示的納米針陣列，該圖中同時圖示了 納米針的特寫圖（左）和納米針陣列的俯視圖（右）。納米針傳感器的特寫圖示出這樣的 實施方式：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實施方式的俯視圖的顯微照片。在一些實施 方式中，信號放大發(fā)生在所述通道中，并且由納米傳感器所檢測。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，而將該過程稱為片上放大（on-chip amplification) 〇
[0037] 在一個實施方式中，這種片上放大可以通過使用化學(xué)反應(yīng)或過程來進行，以放大 信號。例如，在一些實施方式中，可以使用諸如T4聚合酶的聚合酶來放大靠近微珠和傳感 器的區(qū)域中的無機焦磷酸鹽或PPi濃度。例如，在一個實施方式中，可以使用諸如焦磷酸鹽 的酶來將二磷酸鹽或焦磷酸鹽分成兩個磷酸基團，從而產(chǎn)生不同的離子濃度?？梢允褂貌?同的化學(xué)放大法來提高用納米傳感器進行的信號檢測。在一些實施方式中，使用靠近納米 傳感器的局部放大器來進行信號放大。
[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的特寫圖。在納米針 的一些實施方式中，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 施方式中，納米針傳感器可包含兩個跨圈的（inter-circled)或"同軸尖（coaxial tip)" 電極或者類似的形狀。
[0039] 在圖7中所示的進一步的實施方式中，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] 在一些實施方式中，納米針可經(jīng)由DC信號來運行。測量可以通過檢測DC信號（例 如，電流）的變化和/或電場的調(diào)制或者兩個電極之間離子濃度的變化來實現(xiàn)。在一個實 施方式中，可將電解（氧化還原反應(yīng)）速率的變化用作對發(fā)生所關(guān)注的反應(yīng)的指示，例如， 在DNA測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、無機焦磷酸鹽（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] 在一些實施方式中，可以使用化學(xué)層來放大信號和/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。對于此類實施方式，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)和對苯醌（Q)。
[0042] 在一些實施方式中，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， 則在短時間段之后電極周圍的區(qū)域可能耗盡一種產(chǎn)物（例如，陽極附近的H2Q和陰極附近 的Q)，而反應(yīng)可在此時停止。在一些實施方式中，可能期望濃度足夠高以便確保有充足的 H2Q在陽極電極附近可用或者擴散以繼續(xù)反應(yīng)。在一個實施方式中，諸如納米針等傳感器可 在非常低的頻率下運行，以便電極可在陽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。 在一些實施方式中，可基于HQ產(chǎn)物濃度和在緩沖液中的擴散速率來優(yōu)化該低頻率。所施加 的電壓可以是低頻信號與高頻信號的組合。
[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。在一些實施方式中，可以通過向溶液中添加化學(xué)物來克服氣泡問題，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，這可允許通過電極施加較低的電壓而由此產(chǎn)生的信 號與無 HQ的溶液相比可能相同或增大。HQ-Q氧化還原反應(yīng)可以解決氣泡問題，但氧化還原 反應(yīng)可生成H+離子，從而降低pH。在進一步的實施方式中，可以通過向測序和/或擴增緩 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）來解決 這個問題。
[0044] 在一些實施方式中，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"的美國專利申請2008/0166727中有進一步描述。
[0045] 在一些實施方式中，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的德拜長度之內(nèi)?；钚詤^(qū)域可整體處于所述微珠或顆粒的德拜長度 之內(nèi)，從而導(dǎo)致整個活性區(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諸如質(zhì)子等離子的釋放或無機焦磷酸鹽 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)其由磁陣列或電場所保持時--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)輸出信號的期望特性，可以選擇圖9A中所示的實施方式或圖9B中所示的實 施方式。在圖9A中所示的實施方式中，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. 一種用于感測流體中的局部化學(xué)擾動或電擾動的裝置，該裝置包括： 一個或多個傳感器，其配置為檢測鄰近反應(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和溫度中的一項或多項的變化，從而生成指示出所述生物反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)的信 號； 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 遞越過反應(yīng)載體； 至少兩個電極， 其中所述電極測量靠近反應(yīng)事件的環(huán)境中的穩(wěn)態(tài)變化，并且可選地測量至少一個瞬態(tài) 事件， 其中至少一個傳感器的形狀和/或相對于所述反應(yīng)載體的接近度實質(zhì)地增大相對于 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度的調(diào)制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中至少一個傳感器的電極處于所述反應(yīng)載體的德拜長度 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 改變可來自移動離子或固定離子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項的裝置，其中所述反應(yīng)為DNA測序反應(yīng)，并且所述傳感 器測量與一個或多個核苷酸向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中任一項的裝置，其中所述反應(yīng)為多核苷酸的擴增。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項的裝置，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，其中至少一個傳感器的兩個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或磁場中的至少一個來保持。
18. 根據(jù)權(quán)利要求9至15中任一項的裝置，其中所述微珠由物理連接體來保持。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項的裝置，其中所述傳感器的一個或多個電極由介電 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，其中一個或多個電極的尖端涂覆有薄介電層，或者一個 或多個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中任一項的裝置，其中所述傳感器運行于AC模式、DC模式或 全部兩種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中任一項的裝置，還包括與至少一個電極相關(guān)聯(lián)的至少一個 局部電容器。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1至26中任一項的裝置，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中任一項的裝置，還包括多個讀出端口，該多個讀出端口可選 地位于所述支撐襯底的一個或多個邊角或側(cè)邊處。
39. 根據(jù)權(quán)利要求1至38中任一項的裝置，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 多個輸出端口。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41至42中任一項的裝置，其中所述電場生成為與流動路徑相垂直。
44. 根據(jù)權(quán)利要求40至43中任一項的裝置，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中任一項的裝置，還包括多個電極，多個電極該關(guān)聯(lián)于每個傳 感器，并且配置為通過生成電場來形成約束單元。
46. 根據(jù)權(quán)利要求1至45中任一項的裝置，還包括與所述至少一個傳感器相關(guān)聯(lián)的張 弛振蕩器電路。
47. -種用于感測流體中的局部化學(xué)擾動或電擾動的裝置，該裝置包括： 一個或多個傳感器，其配置為檢測鄰近化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)的流體的阻抗、電荷、pH和 溫度中的一項或多項的變化，從而生成指示出所述生物反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)的信號； 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 遞越過反應(yīng)載體； 至少兩個電極， 其中所述檢測是通過對所述電極之間的阻抗調(diào)制的直接測量而進行的，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 離子濃度的變化所造成的， 其中至少一個傳感器的形狀和/或相對于所述反應(yīng)載體的接近度實質(zhì)地增大相對于 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，以及測量pH、電荷、阻抗 和溫度變化之中的一項或多項。
49. 根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中所述反應(yīng)為DNA測序反應(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的長度來調(diào)節(jié)傳感器 的電壓。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中傳感器信號包括穩(wěn)態(tài)阻抗測量。
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)低離子強度緩沖液以用于指示核苷酸摻入的穩(wěn)態(tài)阻抗測量。
53. 根據(jù)權(quán)利要求48至52中任一項的方法，還包括使用差分測量來從由所述測量產(chǎn)生 的輸出信號中移除噪聲。
54. 根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中所述差分測量采用一個或多個空反應(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，其中所述差分測量采用無反應(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中任一項的方法，其中所述差分測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中任一項的方法，還包括使用串?dāng)_反褶積函數(shù)矩陣來從所述 輸出信號中移除噪聲。
61. 根據(jù)權(quán)利要求53至60中任一項的方法，其中基于讓試劑團穿越流通池所需的時間 來利用所述差分測量。
62. 根據(jù)權(quán)利要求48至61中任一項的方法，還包括通過將傳感器電子器件的讀出與試 劑團穿過流通池的移動相同步來減少所述裝置的數(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中任一項的裝置，其中所述電場生成為與流動路徑相垂直。
67. 根據(jù)權(quán)利要求63至66中任一項的裝置，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，每個所述磁區(qū) 配置為將所述微珠中之一保持靠近至少一個傳感器。
72. 根據(jù)權(quán)利要求71的裝置，其中每個傳感器具有多個關(guān)聯(lián)的電極，所述電極配置用 于產(chǎn)生電場約束單兀。
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中任一項的微流體通道傳遞載體微珠和緩沖溶 液，以及施加電場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； 多個電極，其配置用于通過電場將所述帶電材料約束在所述磁結(jié)構(gòu)附近； 供應(yīng)電信號的源，該源連接至所述至少一個電極以供生成電場，其中所述電信號具有 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中任一項的裝置，其中所述電信號為DC信號、AC信號或同 時具有AC分量和DC分量的混合信號之中的至少一種。
78. 根據(jù)權(quán)利要求77的裝置，包括一個或多個內(nèi)電極以及一個或多個外電極。
79. 根據(jù)權(quán)利要求78的裝置，其中所述一個或多個內(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，其中所述一個或多個外電極具有負(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)還包含至少一個氧化物層。
92. 根據(jù)權(quán)利要求85至91中任一項的裝置，其中多個磁結(jié)構(gòu)具有尖銳的邊緣。
93. 根據(jù)權(quán)利要求74至92中任一項的裝置，其中約束單元中的多個磁結(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中任一項的裝置，其中有一個或多個磁體關(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中任一項的裝置，其中所述電場為介電電泳的或電泳的。
103. 根據(jù)權(quán)利要求74至102中任一項的裝置，還包括由所述一個或多個磁結(jié)構(gòu)中的多 個磁結(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中任一項的裝置，以及根據(jù)權(quán)利要求1 至47中的一項或多項的裝置，以及/或者根據(jù)權(quán)利要求63至72中的一項或多項的裝置。
108. -種用于測量通過DNA聚合酶進行的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，以及可選地測量至少一個瞬態(tài)事件。
109. 根據(jù)權(quán)利要求108的方法，包括測量選自摻入反應(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，并且在低離子強度緩沖液中測量穩(wěn)態(tài)變化。
111. 根據(jù)權(quán)利要求110的方法，包括： 對有可能的全長進行測序反應(yīng)，使經(jīng)延伸的引物鏈解鏈，引入新的引物，以及繼續(xù)進行 合成反應(yīng)。
112. -種用于非?？拷剡M行多個測序反應(yīng)的方法，包括：使所述測序反應(yīng)的成分與 在載體上隔開的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)合部分來間隔開所述DNA模板，以及使間隔開的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中任一項的方法，其中每次添加一種dNTP，并測量摻入。
116. 根據(jù)權(quán)利要求108至115中任一項的方法，其中在陣列上進行平行的測序反應(yīng)。
117. 根據(jù)權(quán)利要求116的方法，其中每個反應(yīng)涉及傳感器和約束單元，所述約束單元 由電場形成。
118. 根據(jù)權(quán)利要求116或117的方法，其中所述測序反應(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度之內(nèi)。
121. -種用于多核苷酸測序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于感測核苷酸向多個多核苷酸的摻 入的多個傳感器，以及多個積分器，所述多個積分器中的每一個耦合至所述多個傳感器中 之一并且適于減少所述多個傳感器中的每一個中的噪聲。
122. 根據(jù)權(quán)利要求121的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)適于測量電荷積聚而不是電流。
123. -種用于通過感測用第一聚合酶進行的在DNA上的核苷酸摻入來減少DNA測序中 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. -種用于減少碳酸對用于感測核苷酸向多核苷酸的摻入的pH測量的影響的方 法，該方法包括使用兩種緩沖液來同時提供足夠的緩沖和低離子強度。
126. 根據(jù)權(quán)利要求125的方法，其中使用組合的Tris和HEPES來貢獻于緩沖。
127. -種用于減少來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態(tài)范 圍。
130. -種用于通過感測核苷酸向多核苷酸的摻入來進行多核苷酸測序的方法，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、單磷酸鳥嘌呤、二磷酸 鳥嘌呤、鳥苷、脫氧鳥苷、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感測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)成正比的頻率的時鐘信號。
135. -種用于在多核苷酸測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 提高感測裝置的準(zhǔn)確度。
136. -種用于多核苷酸測序的系統(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 核苷酸向多核苷酸的摻入，所述納米針耦合到至少一個電容器，以減少來自驅(qū)動電路的DC 偏壓電平的影響和來自芯片傳感器的泄漏之中的至少一項。
139. -種用于多核苷酸測序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于感測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序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括適于感測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. -種用于多核苷酸測序的系統(tǒng)，包括適于檢測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或多項的多個納米傳感器，所述多個納米傳感器具有附加 的參考電極以提供商動態(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)，其中所述多個傳感器為ChemFET和非橋式傳感器中之 〇
148. -種用于多核苷酸測序的方法，該方法包括通過測量核苷酸向多核苷酸的摻入的 副產(chǎn)物來測量所述核苷酸摻入。
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行副產(chǎn)物的測量。
【文檔編號】C12Q1/68GK104105797SQ201280068919
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月1日
【發(fā)明者】H·埃斯范德亞珀 申請人:吉納普賽斯股份有限公司