生化分析儀器的製作方法

2023-09-12 08:42:35

專利名稱：生化分析儀器的製作方法
生化分析儀器本發明的第一和第二方面涉及用於進行樣本的生化分析的儀器，例如多核苷酸的測序和/或利用納米孔進行的生化分析，所述生化分析產生多個平行通道的輸出數據，該輸出數據表示生化分析的結果。本發明的第三方面涉及利用納米孔來進行樣本的生化分析，例如多核苷酸的測序。關於本發明的第一和第二方面，存在許多類型的生化分析，所述生化分析可以產生多個平行通道的輸出數據。用於以自動化方式進行上述生化分析的儀器是已知的並有效地獲得在生化分析中固有的大量輸出數據。僅僅通過舉例的方式，一種上述類型的產生多個平行通道的輸出數據的生化分析是DNA測序。傳統的DNA測序儀、和一般而言的實驗室儀器是基於一種模型，該模型中儀器 作為獨立裝置操作。典型地，儀器在有限的時間內並按照預定的完成標準來進行一個測量任務。我們可以將這種設計模型描述為「單片式(單體式，monolithic)」。作為一個實例，DNA測序是固有高通量的實驗室技術。實驗涵蓋各種各樣的數據大小和持續時間，並且產生的數據是非常複雜的、不同種類的並且需要集約的下遊處理。圍繞DNA測序的研究的特徵使得難以將分析的核心、儀器系統處理作為黑箱測量裝置。對用於DNA測序的可擴展系統(能夠增加和減小)，存在不斷增長的需求。這是由更加便宜、快速和有效地確定更多事物、不同事物的序列的最近市場需求所驅動。因而測序系統還必須能夠適應不同種類的工作流程並且能夠按照使用情況來傳遞不同類型和尺寸的樣本。希望有效和經濟地來實現上述要求。與基底(substrate)有關的測量人工製品、或如何已準備它，不應破壞對儀器的有效處理而導致冗餘停機時間或浪費試劑。可以操作基於測序過程的有效工廠的研究所將控制低成本和高通量應用。然而，這些願望難以實現。目前的單片式DNA測序儀難以擴展到在不同規模下分析。上述儀器不能被設計成適應非常大的工廠操作，但是同時可以由較小項目的不熟練的實驗室工作人員來使用。目前DNA測序儀的可擴展性通常來自增加在一次運行中可以產生的數據量，其是通過一個儀器進行的單個分析。然而，模塊性和靈活性會受到限制，並且為了獲得該特徵，用戶必須求助於劃分基底，使基底通過添加標記而、以及通過劃分測序器的反應室而單獨可尋址。在任何一種情況下，引入人工製品並對於在沒有完全重新設計儀器本身的情況下可以實現多大規模的模塊性存在固有限制。換句話說，儀器的基本設計具有內置資源限制，該限制阻礙了它應對現實世界工作流程的需求的能力。在許多DNA測序儀中，單獨鏈或有限長度的DNA的克隆擴增群體位於表面或位於珠。這種表面/珠陣列通常是在流動室中，該流動室使得試劑可以穿過它們，從而施加各種類型的化學作用，所述化學作用便於解碼DNA。在大多數儀器中的生化分析過程使用逐步循環化學作用，接著是成像階段，以檢測使得能夠解碼所研究的DNA的化學標記螢光探針的摻入、退火或去除。在鹼基鑑定階段期間，在大多數系統中，高解析度成像裝置獲得整個流動室表面的圖像作為連續系列的圖像的平鋪陣列。在一些技術中，對單個區域非常快速地成像，以當異步地摻入鹼基時實時檢測化學循環。
通常，在基於同步化學的系統的連續成像的情況下，在用戶可以獲得數據並分析數據之前，整個成像步驟需要大量時間並且通常必須完成預設數量的化學循環、或預設的運行時間，從而判斷實驗是否已經成功並產生足夠的有用信息。通常，僅在分析之後，用戶才可以決定實驗是否已經成功，並且如果這樣的話，則必須進行全新分析運行，並重複進行直到已收集足夠的所需質量的數據。在大多數情況下，每次運行均具有源自試劑價格的固定成本。因而，成功的代價是難以根據「時間-結果」來預先確定。對於許多儀器來說，一次運行需要至少若干天或經常數周，並在實驗期間存在儀器故障的明顯可能，通常引起數據的截短或甚至完全喪失。可以通過向流動室中填充更多DNA分子而在每次運行中實現較高輸出，然而這傾向於增加獲取圖像的時間，其取決於裝置解析度和速度/靈敏度，並導致淨通量(產生量，throughput)的最終有限改進。例如，公司Helicos BioSciences銷售稱作Heliscope的儀器，其具有連接於兩個流動室的600-800MDNA片段，並且公司Illumina銷售一種稱作具有80M-100MDNA片段的Genome Analyser(基因組分析儀)的儀器。經由比較，在Heliscope上需要約6小時來在每個鏈中摻入和成像新鹼基，而Genome Analyser則對於每個鹼基需要1_2小時。因而,上述兩種儀器各自最適用於不同規模的任務。上述儀器的供應商已認識到，用戶不一定想要對一個樣本的數據的較大輸出，因為這會顯著降低模塊性、靈活性和應用性，因而通常將表面積物理上劃分成單獨可尋址的部分(例如，在用於Genome Analyser的流動室上的8個子通道、或『巷道』，用於Heliscope的每個流動室的25個子通道)，以使用戶可以在每個流動室測量一個以上的樣本，即使隨之減少了每個樣本的數據輸出。一個這樣的區域將仍然產生至少250Mb的DNA序列，因而對包含小基因組的樣本產生較大過採樣，例如0. 5Mb時典型細菌將被覆蓋至少500次。此實例說明，就用戶的時間和成本而言，儀器和試劑的利用低效。對於用戶而言，經受的現有儀器的另外一個問題是，不論測序所需要的DNA/樣本的片段/鏈多麼少，但通量是關聯於測量穿過整個流動室表面的循環時間。目前的儀器僅具有一個處理單元(照相機/流動室表面)並且不能足夠地劃分測量每個樣本的任務以便為用戶提供所期望的輸出。對於用戶而言，另一個問題是，他必須對處理單元的時間(通過儀器的前期成本的折舊)進行支付、以及對穿過整個表面的試劑的成本支付，以達到他的結果，而預先並不知道在運行中是否保證成功。另一複合問題的一個具體實例是，在生化分析過程中並不將鹼基均勻加到每個可獲得的片段(例如一些片段將碰巧具有相對於C的A的不成比例量，構成重複均聚物)，以及並不總是以同樣的準確度測得(集群的移相、超出流動室的重點區域、酶/聚合酶分解、積聚的背景信號)。這意味著流動室的一些區域將產生比其它區域更多的數據，但單個處理單元的特徵意味著它不能適應於最大化那些產生有用和高質量信息的區域，或集中於未能傳送足夠數據的區域。總之，現有系統運行規定的時間並因而運行規定的成本，但產生對於用戶而言可變測量質量的固定數量的鹼基的信息。當考慮到用戶感興趣的應用範圍而進行不同的DNA測序實驗時，淨結果對於用戶而言在時間和成本方面是效率很低的。當用戶在給定類型的測序裝置上試圖平行地分析在一項目內的多個樣本時尤其是如此。、
雖然，已將DNA測序儀作為一個實例進行了討論以用於說明，但在設計用於多種多樣的生化分析的儀器時可以遇到類似特徵的困難，其中所述這些生化分析產生多個平行通道的大量輸出數據。本發明的第一和第二方面尋求消除在對用於進行生化分析的儀器進行縮放規模時面臨的一些問題。關於本發明的第三方面，近年來，利用納米孔來進行樣本的生化分析已有相當大的發展。納米孔是位於電絕緣層中的小孔並且可以例如通過引入雙親性膜中的蛋白質孔或通道來形成。納米孔可以允許離子的流動以穿過雙親性膜，並基於分析物相互作用由納米孔調節，因而使納米孔提供生化分析。已開發了各種類型的納米孔和用於利用它們的分析儀器，以用於多種類型的生化分析。具有商業興趣的一個實例是將納米孔用於諸如DNA的多核苷酸的測序。在WO 2009/077734中披露了利用納米孔來進行樣本的生化分析的分析儀器的一個實例。因此，納米孔提供了用於在商業規模上進行生化分析的平臺的潛力。然而，在這種情況下，期望的是提供在設備中的樣本的有效處理，以最大化通量和最小化用於進行生化 分析的成本。根據本發明的第一方面，提供了一種用於進行生化分析的分析儀器，該儀器包括多個模塊，每個模塊包括可操作以進行樣本的生化分析的分析設備，模塊被布置成產生至少一個通道的輸出數據，輸出數據表示生化分析的結果，模塊的操作以可以變化其性能的方式是可控的，分析儀器進一步包括控制系統，控制系統被布置成接受選擇任意數量的模塊作為集群來進行公共生化分析的輸入以及接受表示關於公共生化分析的全局性能目標的輸入，控制系統被布置成控制集群的模塊的操作以進行公共生化分析，並且其中，控制系統被布置成在公共生化分析的進行期間至少進行一次根據由模塊產生的輸出數據確定每個模塊的性能測量結果，並且控制系統被布置成(a)基於全局性能目標和所有模塊的所確定的性能測量結果來改變集群的模塊的操作的控制、和/或被布置成(b)基於所有模塊的所確定的性能測量結果並響應於當前不可實現的全局性能目標來採取補救措施。代替用戶具有單個儀器(類似於在DNA測序情況下的現有的單片式儀器)的情況，用戶具有由他們處置的模塊的並行組並能夠將任何數量的上述模塊組合到可以進行公共生化分析的較大儀器中。因而，在以下意義上儀器在物理上被並行化其包括多個模塊，每個模塊均包括可操作以進行樣本的生化分析的分析設備。模塊可以是相同的，但不必須是相同的。以這種方式，可以通過任意數量的這種模塊來進行公共生化分析。這提供了可擴展性，因為可以選擇模塊的數量，這適合於進行生化分析，該生化分析根據其特徵通常可需要不同量的資源。集群的大小和應用性是所選的任意數量的各模塊的函數。參照外部控制系統或網關計算機，模塊的設計和封裝功能便於將它們線性放縮為單個操作單元。這種可擴展性可以提供效率增益，因為可以選擇適當數量的模塊用於手頭的任務，從而空閒出其它模塊用於其它任務。任意數量的上述物理模塊可以作為單個邏輯裝置來運行、被尋址和處理。然而，邏輯裝置的大小和應用性是用戶已內置在集組(「集群」)中的任意數量的各模塊的函數。同樣重要地，各個模塊可以由用戶(或軟體)來尋址並作為獨立單元操作，從而作為集組但隔離地進行相同的核心任務。不需要為了獨立地或以較大組來運行它們而對模塊進行進一步改進。另外，可以實現超過純粹源於模塊數量的可擴展性產生的那些效率增益的效率增益，因為各模塊的操作還可以智能地並行。這利用了對每個模塊的分析設備的獨立控制能力，具體如下。每個模塊的性能測量結果從由模塊產生的輸出數據確定。這些性能測量結果用作控制模塊的操作的基礎以滿足通過輸入而設置的全局性能目標，所述輸入為例如關於正在進行的生化分析的用戶輸入或存儲數據。所述性能目標和測量結果可以是產生輸出數據的時間段、輸出數據的數量、和/或輸出數據的質量。在公共生化分析的進行期間，至 少進行一次、或優選重複地、或甚至連續地進行這種確定。可以基於模塊的集群的性能測量結果來改變對各模塊的分析設備的操作的控制，以滿足全局性能目標。通常，每個模塊的性能可以基於多種因素改變，所以每個模塊的操作的這種控制允許管理儀器的總體性能，以滿足全局性能目標。這可以產生效率增益，因為可以更好地利用了在集群中的各模塊。可替換地或附加地，可以響應當前不可實現的全局性能目標來採取補救措施。多種補救措施是可能的，例如增加進行公共生化分析的模塊的數量、產生輸出以通知用戶、或甚至停止生化分析。這可以產生效率增益，這是因為更好地利用了在集群中的各模塊。例如，採用附加模塊允許滿足目標(否則的話該目標將會被錯過)，或甚至停止分析以空閒出模塊來用於另一項生化分析。通過舉例的方式，儀器可以實時測量輸出數據的數量和質量，並且提供動態靈活性以響應和適應於由用戶設置的全局性能目標，從而最大化時間和成本效益。必要時，這樣的儀器可以改變任何模塊中的生化分析的性能。可控制的這種參數的實例包括分析設備的溫度；生化分析的參數，例如電學參數、光學參數；流體參數；或輸出數據的採樣特徵。電學參數的實例是偏壓和電流。流體參數的實例是流速、樣本的添加、樣本的移除、緩衝液的變化、試劑的添加或移除、納米孔的添加或移除、雙層的更換以及系統的更新。採樣特徵的實例是採樣速率、放大器的復位時間和放大器的設置，諸如帶寬、增益、積分電容。這些和其它參數的變化允許改變性能，例如改變輸出數據的數量、質量和速率。例如，當已收集足夠的數據時可以完成分析，或集中於實驗中的尚未產生足夠數據的樣本，同時從根據用戶的實驗要求已產生足夠數據的樣本空閒出資源。例如，在生化分析是對樣本中的多核苷酸測序的情況下，可以以許多不同的方式來操作儀器，例如直到已對規定數量的鹼基測序；直到已檢出特定序列，例如在較大背景中的病原體檢測、在血漿DNA中的癌症突變檢測；進行很長一段時間以使得能夠測量非常少量的多核苷酸；或在沒有用戶指導的情況下以最佳性能提供分析管道(pipeline，流水線)。這樣的智能和模塊化測序儀器允許從根本上改造工作流程以提供對實驗和樣本的有效管道技術。可以在優先權、時間、成本和總體結果方面優化工作流程。相對於傳統的整體式儀器，這產生顯著的效率增益。另外，根據本發明的第一方面，可以提供隔離的單個模塊，其能夠連接於其它模塊以形成這種生化分析設備，或可以提供用於操作分析設備的相應方法。有利地，模塊能夠連接於數據網絡以允許在網絡上連接在一起，例如基於對等網絡(peer-to-peer，對等點對對等點，點對點)。這使控制系統可以利用數據網絡的優點來方便通信和控制。雖然可以在連接於網絡的獨立裝置中實施該控制 系統，但有利地，控制系統包括位於每個模塊中的控制單元，該控制單元可操作以控制該模塊的操作。在這種情況下，控制單元可以是在數據網絡上可訪問的，以提供所述選擇任意數量的模塊作為集群來進行公共生化分析的輸入，以及提供表示關於公共生化分析的全局性能目標的所述用戶輸入。例如，這可以通過控制單元來實現，上述控制單元被布置為在數據網絡上為與其連接的計算機提供用戶界面，例如利用瀏覽器。於是，集群的模塊的控制單元控制它們各自的模塊的操作來進行公共生化分析。將控制系統劃分成模塊的控制單元可允許在簡單地將模塊連接於網絡時模塊本身可被尋址並作為單個儀器操作。可以管理較大組的模塊以便更簡單地提供任何數量的生化分析界面，因為網絡接口允許單個命令可以同時發給集群。類似地，如同來自單個模塊的輸出一樣，來自模塊的任何集群的反饋和數據均可以被整理、邏輯格式化和尋址。操作的這種效率可以表現為管道技術並且可以對樣本的上遊準備和輸出數據的下遊分析具有積極影響。因此，可以更有效地進行實驗室的總體工作流程(從基底到分析)而不管基底或分析是如何複雜或不均勻。在模塊中提供控制單元還意味著，各模塊具有被尋址且作為獨立單元操作的能力，作為集群但隔離地進行相同的核心任務。因此，為了獨立地或以較大組運行它們而不需要對模塊作進一步改進。集群的模塊的各自的控制單元可以被布置成根據由它們的各自的模塊產生的輸出數據來獲得關於它們的各自的模塊的性能測量結果，以及在數據網絡上對性能測量結果進行通信以形成關於進一步控制的決策的基礎。通過局部地在模塊中獲得性能測量結果，只需要共享用於實施控制的性能測量結果。這促進了控制並降低了數據流中的瓶頸，因為與輸出數據相比，性能測量結果需要明顯更小的數據量。集群的模塊的控制單元可以被布置成在數據網絡上進行通信，以對控制進一步的操作作出決策。這具有以下優點通過在每個模塊中提供控制單元來實施控制系統。因此，可以簡單地通過將模塊連接於數據網絡來操作一組模塊，而不需要提供任何附加控制系統。有利地，控制系統被布置成基於全局性能目標來確定用於每個模塊的局部性能目標，並且每個模塊中的控制單元被布置成基於它的局部性能目標來控制該模塊的操作。以這種方式，控制系統可以基於全局性能目標和所確定的性能測量結果改變局部性能目標，以改變集群的模塊的操作的控制。有多種方式來分布局部性能目標的確定。在第一種實施中，可以在所有控制單元中進行這種確定，例如每個控制單元確定它的局部性能目標。這提供了由控制單元進行的處理的負載分擔，以獲得性能測量結果並確定所需要的操作。通過避免單網關或瓶頸計算機系統，這還提供了操作和管理的可擴展性。在第二種實施中，可以在控制單元的一個模塊(或模塊子集)中進行這種確定。這將局部性能目標的確定集中於單個控制單元(或集群中的控制單元的子集)，這增加了控制單元的處理負擔，但可以簡化用於進行確定所需要的處理。在第三種實施中，可以在也連接於數據網絡的單獨的聯合控制單元中進行這種確定。這將局部性能目標的確定集中於單獨的聯合控制單元，這降低了模塊的控制單元的處理負擔。這是以需要附加聯合控制單元為代價的，但可以存在以下優點簡化用於進行確定所需要的處理。儀器可以一般用於進行任何類型的生化分析，例如，對樣本中的分子(molecule)的分析，例如多聚體或更具體地說多核苷酸。在一個有利的實例中，生化分析是對樣本中的多核苷酸的測序，所以輸出數據包括表示多核苷酸的序列的序列數據。在另一有利的實例中，分析設備能夠支撐多個納米孔並可操作以利用納米孔來進行樣本的生化分析，例如利用電極來產生通過每個納米孔殼的電信號，從該電信號獲得輸 出數據。在這種情況下，生化分析可以再次是對多核苷酸的測序，但納米孔可以同樣地用於提供其它類型的生化分析。本發明的第二方面具體涉及利用納米孔來進行樣本的生化分析的儀器，其中電極用於產生通過每個納米孔的電信號以及信號處理電路用於根據電信號產生多個平行通道的輸出數據。這種類型的儀器可參見例如WO 2009/077734。然而，仍然期望優化儀器產生輸出數據的效率。根據本發明的第二方面，提供了用於進行生化分析的模塊，該模塊包括分析設備，分析設備能夠支撐多個納米孔並可操作以利用納米孔來進行樣本的生化分析，分析設備包括電極，電極被布置成產生通過每個納米孔的電信號；以及信號處理電路，被布置成根據從電極產生的電信號來產生多個平行通道的輸出數據，輸出數據表示生化分析的結果，模塊以改變其性能的方式是可控的，並且模塊進一步包括控制單元，控制單元可操作以基於性能目標來控制模塊的操作。上述模塊可以在從生化分析產生輸出數據方面提供效率增益，這是因為可以基於性能目標來控制模塊的操作。上述性能目標和測量結果可以是產生輸出數據的時間段、輸出數據的數量、和/或輸出數據的質量。控制單元被布置成在生化分析的進行期間至少進行一次確定生化分析的性能測量結果，並且被布置成基於性能測量結果來改變模塊的操作的控制以滿足性能目標。這可以在從生化分析產生輸出數據方面提供效率增益，這是因為智能地控制模塊的製作，具體如下。控制單元根據由模塊產生的輸出數據來確定性能測量結果，並且基於性能測量結果來改變生化分析的實驗參數以滿足性能目標。在生化分析期間，可以重複地、或甚至連續地進行這種確定和控制。可以改變的實驗參數的實例包括分析設備的溫度、生化分析的電參數、或輸出數據的採樣特徵。這些和其它實驗參數的變化允許改變性能，例如改變輸出數據的數量、質量和速率。通常，可以基於多種因素來改變模塊的性能，所以這種動態操作控制允許有效地管理儀器的總體性能以滿足目標。這可以產生效率增益。例如，在生化分析是對樣本中的多核苷酸的測序的情況下，可以以多種不同的方式來操作儀器，例如直到已對規定數量的鹼基測序；直到已檢出特定序列，例如在較大背景中的病原體檢測、在血漿DNA中的癌症突變檢測；進行很長一段時間以使得能夠測量非常少量的多核苷酸；或在沒有用戶指導的情況下以最佳性能提供分析管道。美國申請第61/170，729號披露了一種檢測物理現象的方法，該方法包括提供傳感裝置，該傳感裝置包括傳感元件的陣列，傳感元件包括各自的電極，每個傳感元件被布置成根據具有可變性能的物理現象在電極處輸出電信號；提供檢測電路，該檢測電路包括多個檢測通道，每個檢測通道都能夠放大來自傳感元件中的一個的電信號，陣列中的傳感元件的數量大於檢測通道的數量；提供開關裝置，開關裝置能夠選擇性地將檢測通道連接於各自的傳感元件；控制開關裝置以基於從檢測通道輸出的放大電信號選擇性地將檢測通道連接於各自的具有可接受性能的傳感元件。可選地，本發明的第二方面可以不包括美國申請號61/170，729中披露的方法。根據本發明的第二方面的模塊可以可選地能夠作為集群的一部分進行操作以執 行根據本發明的第一方面的公共生化設備。模塊通常可以用於利用納米孔來進行任何類型的生化分析。在一個有利的實例中，生化分析是對樣本中的多核苷酸測序,所以輸出數據包括表示多核苷酸的序列的序列數據。根據本發明的第三方面，提供了用於進行生化分析的模塊，該模塊包括電子單元和可拆卸地可附接於電子單元的盒(cartridge),其中盒包括傳感裝置，能夠支撐多個納米孔並且可操作以利用納米孔進行樣本的生化分析，傳感裝置包括通過每個納米孔的電極布置；至少一個用於接收樣本的容器；至少一個貯存器，用於容納用於進行生化分析的材料；以及流體系統，被構造成將來自至少一個容器的樣本和來自至少一個貯存器的材料可控地供給到傳感裝置，並且電子單元包括驅動電路和信號處理電路，電子單元被布置成當盒附接於電子單元時電子單元連接於通過每個納米孔的電極布置，驅動電路被構造成產生用於進行生化分析的驅動信號，並且信號處理電路被布置成產生輸出數據，輸出數據表示根據從通過每個納米孔的電極布置產生的電信號的生化分析的結果。模塊具有一種結構，該結構封裝為在獨立於電子單元的盒中進行生化分析所必要的部件和材料，其中電子單元包括驅動電路和信號處理電路。具體地，模塊接合有傳感裝置，該傳感裝置可操作以利用納米孔來進行樣本的生化分析，並具有用於容納必要材料的至少一個貯存器以及在適當的控制下可以將材料供給到傳感裝置的流體系統。盒可拆卸地連接於電子單元，從而使得允許更換盒以用於進行其它樣本的分析。這允許有效進行地生化分析。現將通過非限制性實例並參照附圖來描述本發明的實施方式，在附圖中圖I是生化分析儀器的示意圖；圖2是儀器的模塊的立體圖；圖3是在模塊中的可更換的盒的立體圖；圖4是盒的傳感裝置的一部分的橫截面視圖5和6是安裝在PCB上的傳感裝置的頂部和底部立體圖；圖7是模塊的立體圖；圖8是模塊的電路的示意圖；圖9是控制單元的示意圖；

圖10是檢測通道的示意圖；圖11是從具有可替換結構的盒的上方觀看的立體圖；圖12和13是從圖11所示盒的下方觀看的立體圖，其分別示出連接和分開的孔板(well plate)；圖14是孔板的一部分的截面立體圖；圖15和16是分別從接合有閥的閥組件的上方和下方觀看的立體圖；圖17是通過閥組件的橫截面視圖；圖18是從閥組件的圍繞閥的定子的本體的上方觀看的部分平面圖；圖19是從閥的轉子的下方觀看的平面圖；圖20是閥組件的本體以及孔板的孔的部分橫截面視圖；圖21是從閥組件的第二板的下方觀看的平面圖；圖22是包括馬達的閥組件的立體圖；以及圖23是儀器的控制過程的流程圖。將首先描述利用納米孔來進行生化分析的儀器，上述納米孔具有蛋白質孔的形式並被支撐在雙親性膜中，但這並不是用於限制本發明。儀器I形成多個模塊2，每個模塊均連接於數據網絡3。在此實例中，通過每個模塊2經由線纜4連接於網絡交換機5，網絡3形成為傳統的區域網。通常，可以將模塊2連接於任何類型的數據網絡，包括無線網絡、廣域網和網際網路。連接於網絡3的還可以是任何類型的存儲設備6，例如NAS、和外部計算機7，其用於尋址模塊2並且可以是具有HTTP瀏覽器的傳統計算機。由於儀器I的網絡化配置，所以可以根據局部要求在給定位置中提供任何數量的模塊2，例如從在較小規模的研究設施中的較少數量的模塊2或甚至單個模塊2到在商業測序中心中的大量的模塊2。類似地，不需要物理上關閉模塊2，所以儀器I可以由分布在不同位置、甚至不同國家的模塊2形成。現將描述單獨的模塊2。如圖2所示，模塊2具有位於模塊2的外殼11中的可更換的盒10。如現將描述的，盒10形成用於進行生化分析的分析儀器。盒10具有圖3和10所示的兩種可替換的結構。盒10包括例如由模製塑料形成的本體37。盒10的本體37安裝有傳感裝置14，該傳感裝置如詳細描述於WO 2009/077734中的裝置，W02009/077734以引用方式結合於本文。在不限於本文教導的一般性的情況下，傳感裝置14具有如在圖4的橫截面中所示的結構，該結構包、括本體20，本體中形成有多個孔21，每個孔中均布置有孔電極(welleleCtr0de)22的凹槽。提供了較大數量的孔21以優化數據收集速率。雖然在圖4中僅示出幾個孔21，但通常可以存在任何數量的孔21。在一個實例中，孔的數量是256或1024，但可以是其一個、兩個或三個數量級以上。本體20覆蓋有蓋23，蓋在本體20上延伸並且是中空的以限定室24，每個孔21通到室中。將公共電極25設置在室23內。準備傳感裝置14以形成通過每個孔21的雙親性膜26 (諸如脂質雙層)，並將納米孔(其是蛋白質孔)插入雙親性膜26中。上述準備可以利用在WO 2009/077734中詳細描述的技術和材料來實現，然而可以簡要說明如下。將水性溶液引入室24中以形成通過每個孔21的雙親性膜26，其將孔21中的水性溶液和室24中的其餘容積的水性溶液分開。將蛋白質孔提供到水性溶液中，例如通過其在被引入室24中之前或之後引入水性溶液、或通過被沉積在室24的內表面上。蛋白質孔自發地從水性溶液插入雙親性膜26中。蛋白質孔是納米孔的一個實例並且可以用於進行生化分析，具體如下。關於任何給定孔21，當雙親性膜26已形成並且蛋白質孔插入其中時，孔21能夠用作傳感元件來檢測在分子實體與蛋白質孔之間的相互作用，所述相互作用是隨機物理事件，這是因為，通過雙親性膜26的輸出電信號取決於那些相互作用，其中所述相互作用引起其中的特徵變化。例如，在蛋白質孔與特定分子實體(分析物)之間將通常存在相互作用，其會調節離子通過孔的流動，從而產生通過孔的電流的特徵變化。分子實體可以是分子或分子的一部分，例如 DNA鹼基。因此，上述相互作用顯示為通過每個雙親性膜26中的蛋白質孔的電信號的特徵性事件。因此，在下文並直到本說明書結束，將陳述關於傳感裝置14和生化分析的特徵的更多細節。電信號可以檢測為在孔電極22與公共電極25之間的信號，並且可以隨後對該電信號分析以產生表示生化分析的結果的輸出數據。單獨的電信號從不同孔21中的雙親性膜26中的蛋白質孔獲得，每個電信號均形成輸出數據的不同通道。可以進行多種類型的生化分析。一種這樣的生化分析是多核苷酸的測序。在這種情況下，對於每種不同鹼基，不同地調節電信號，從而便於將它們區別開來。盒10的本體37封裝有進行生化分析所必要的部件和材料並且能夠自動地準備傳感裝置14。為此目的，盒10安裝有貯存器30，其容納足夠容積的必要材料，如緩衝溶液、月旨質、蛋白質孔(在溶液中)、預處理物(如果需要的話)、和樣本，使得可進行分析儀器的多種「更新」。因而，盒10是完全自包含的，這是因為生化分析所需要的所有試劑和其它材料是存在的並且可以用於樣本準備。盒10安裝有廢物貯存器35，用於處置來自傳感裝置14的廢物產物，該廢物貯存器35示於圖11中但位於圖3所示結構中的本體37的下方，因而在圖3中看不見。盒10的本體37還安裝有流體系統31，以用於將來自貯存器30的流體供給到傳感裝置14。流體系統31包括供給通道32和輸入泵(inlet pump) 33，以用於將來自貯存器30的流體泵送到傳感裝置14。流體系統31還包括輸出泵(output pump) 34,以用於通過出口通道36將流體泵送出傳感裝置14之外，其中所述出口通道連接於用於處置流體的廢物貯存器35。泵33和34可以是根據所需要的容積和流速的注射泵(例如如由HamiltonCompany, Via Crusch 8, Bonaduz, GR, Switzerland CH-7402 提供的)。流體系統還包括選擇閥(selector valve) 45,其布置在輸出泵34與連接於忙存器30的輸入泵33之間的供給通道32中。選擇閥45選擇性地將傳感裝置14連接於貯存器30或連接於廢物貯存器35。該廢物貯存器35通向大氣。貯存器30中的一個保持脂質，並且流體系統31以與其它材料相同的方式將脂質供給到傳感裝置14。作為用於供給脂質的一種可替換方式，流體系統31的供給通道32可以通過容納脂質的脂質組件而進入傳感裝置14中，使得流入傳感裝置14中的流體獲得脂質並將脂質引入傳感裝置14中。因而可以操作泵33和34以控制流體的流動，以便準備傳感裝置14來形成通過每個孔21的雙親性膜26以及將納米孔(其是蛋白質孔)插入雙親性膜26，如上文所述。在圖3的結構中，盒10的本體37安裝有用於接收樣本的容器44。在使用中，在盒10裝入模塊2之前，將樣本引入容器44。在準備傳感裝置14之後，控制流體系統31以將來自容器44的樣本供給到傳感裝置14，從而進行生化分析。在圖11的結構中，盒10能夠接收多個樣本，如下所述。如圖12所示，盒10的本體37被布置成允許孔板100的連接。具體地，本體37具有一對夾101，夾從其下側突出並且可以通過沿圖13中的箭頭方向將孔板100按壓於夾101上來將孔板100連接於夾。如圖14所示，孔板100具有標準結構並形成使孔板100的上平面103開口的多個 孔102。在此實例中，孔板100具有96個孔102，但通常可以任何數量的孔102。孔102用作用於接收各自的樣本的容器。在使用中，在孔板102連接於盒10之前以及在盒10裝入模塊2之前，將樣本引入各自的孔102。可以利用內在有效的已知的基於板的並行操作技術來使孔板102填充有樣本。因為相對於盒10的本體37，孔板100是單獨的元件，所以在連接之前可以容易地填充孔板，從而方便孔102的填充。更一般地說，可以通過用任何其它類型的容器元件替代孔板100來實現類似的優點，上述容器元件包括多個容器，所述容器可以是孔或封閉容器。在引入樣本之後，將孔板100連接於盒10，其中上平面103抵靠本體37，以將孔板100封裝到盒10中。隨後，將盒10裝入模塊2。流體系統31被構造成利用閥110將來自孔102的樣本選擇性地供給到傳感裝置14，所述閥是迴轉閥，並且現在將對所述閥進行描述。閥110形成在圖15至21所示的閥組件111中，所述閥組件被結合到盒10的本體37中。閥110包括定子112和轉子113。定子112設置在本體120上，該本體由第一板121、第二板122和第三板123形成,第一板、第二板和第三板通過將第一和第二板121和122之間的接觸面124進行連接以及通過將第一和第三板122和123之間的接觸面125而
固定在一起。轉子113可旋轉地安裝在定子112上，以圍繞旋轉軸線R旋轉。由轉子113提供用於旋轉安裝的軸承，該軸承包括支承柱(bearing stub) 114，該支承柱被安裝在形成於定子112中的軸承凹槽115中。具體地，支承柱114的長度選擇成提供支承柱114的端部與第一板121之間的間隙。圍繞軸承凹槽115，第二板122具有環形凸起部126，其朝向第一板121和定子113突出，第二板123具有圓孔127，環形凸起部126適配在該圓孔中。另外，由轉子113提供用於旋轉安裝的軸承，轉子包括具有圓柱形外表面117的圓盤116，該圓盤被安裝在環形壁118中，該環形壁形成在定子112中並從該定子突出，尤其是從圓孔127外側的第三板123突出。可替換地，圓盤116與環形壁118之間可以存在間隙。定子112和轉子113具有連接接觸面130，這些連接接觸面是環形的並且垂直於旋轉軸線R延伸，具體如下所述。轉子113的接觸面130由圓盤116的下表面形成，該下表面垂直於旋轉軸線R延伸，並且與第二板122的環形凸起部126交迭以及與孔127外側的第三板123交迭。因而，定子112的接觸面130由第二板122的環形凸起部126的上表面和第三板123的上表面的相鄰部分形成，該相鄰部分彼此是齊平的。通過在定子112與轉子113之間沿著旋轉軸線R施加載荷來促進定子112和轉子113的連接接觸面130的密封。這是通過如下布置的偏置布置來實現，以將轉子113偏壓抵靠定子112。卡環131連接於定子113，尤其是螺紋連接於環形壁118。盤簧132布置在其間，並接合卡環131和轉子112。盤簧132提供定子112與轉子113之間的彈性偏壓，但是可以由另一種類型的彈性偏壓元件來替換。如圖18 (其是沒有卡環131的定子112的平面圖)所示來布置定子112的接觸面130。具體地，在圍繞旋轉軸線R以圓形布置的定子112的接觸面130中形成多個入口 133。除在一個位置(圖18中的最下部)的間隙之外，入口 133是均勻分布的。入口 133尤其形成在第二板122的環形凸起部126的上表面中，並面對轉子113的接觸面130。 此外，收集室134形成在定子112的接觸面130中。收集室134形成為位於第三板122的上表面中的並面對轉子113的接觸面130的槽。收集室134以圍繞旋轉軸線R的圓形環在入口 133的外側延伸，並成角度地與入口 133對齊，即具有間隙，該間隙圍繞旋轉軸線R成角度地與入口 133中的間隙對齊。定子112進一步包括出口 135，該出口通過形成在收集室134的下表面中而與收集室134連通。轉子113設置有通道136，通道形成為位於轉子113的接觸面130中的槽。通道136從入口 133的位置徑向延伸到收集室135的位置。因此，通道136能夠根據轉子113的旋轉位置而連通入口 133的任何一個。轉子113的旋轉允許選擇不同的入口 133。當收集室134成角度地對齊入口 133時，在通道136連通入口 133的所有旋轉位置處，通道136還連通收集室134，從而將所選擇的入口 133連接於出口 135。因此，轉子136的旋轉選擇性地將各入口 133連接於出口 135。當轉子133對齊入口 133中的間隙和收集室134中的間隙時，通道136抵靠定子112的接觸面130而被關閉，從而關閉閥110。然而，作為一種可替代方法，可以將入口 133設置在一起以省去間隙，使得以完整的環形通路來布置該入口，並且不能關閉閥110。作為用於在定子112的接觸面130中形成收集室134的替代方法，可以通過可替換地形成收集室134來作為轉子113的接觸面130中的通入通道136中的槽而實現類似的操作。為了提供轉子112的定位，定子112的接觸面130具有凹陷部137的圓形陣列(具有與入口 133相同的間距)，並且轉子113的接觸面130具有適配到凹陷部137中的突起(pip)138。突起138可以在轉子112旋轉時被推出凹陷部137之外，但被對齊以將轉子112的旋轉位置保持在步進式(stepped)旋轉位置中(所述步進式旋轉位置中的每一個均將通道136定位得連通各自的入口 133)，或保持在步進式旋轉位置的一個位置中以將通道136定位在入口 133中的間隙和收集室134中的間隙之上。通過將入口 133布置得儘可能靠在一起而使閥110的尺寸最小化，但可以通過增加在入口 133中的間隙的尺寸以使得入口 133圍繞環的較小部分延伸來實現相同操作。在這種情況下，可以相應地減小收集室134的長度以在環的較短部分中延伸。
本體120限定將孔板100的孔102連接於入口 133的通道，具體如下。第一板121在孔板100被連接的位置處布置在盒10的下側上，並具有噴嘴140的陣列，噴嘴向外突出並具有與孔板100的孔102相同的間距以便與其對齊。因此，當將板100連接於盒10時，每個噴嘴140突出進入各自的孔中，如圖20所示。每個噴嘴140包括通孔141，所述通孔通過噴嘴140和第一板121延伸到第一板121的接觸面124以形成與孔102有關的通道的一部分。噴嘴140延伸進入孔102中並延伸一足夠的距離，使得噴嘴140的端部浸沒在孔102中的樣本142的表面以下。以這種方式，樣本142可以有效地密封噴嘴140。這避免了在孔板100與第一板121之間進行氣密封的需要。
第二板122的接觸面124形成有一組槽143，所述槽形成與每個孔102有關的通道的一部分。每個槽143在一處端與延伸通過噴嘴140和通過第一板121的通孔141連通。如圖20所示，槽143從噴嘴140延伸到定子112，尤其是延伸到在第二板122的與出口 133相對的相對側上的環形凸起部126。通道的其餘部分由通孔144形成，通孔144從第二板122的接觸面124中的各自的槽143通過第二板122的凸起部126延伸到各自的入口 133。本體120還限定連接於出口 135的通道，具體如下所述。第三板123具有通孔145，如圖17中虛線輪廓所示，通孔145從出口 135通過第三板123延伸到第三板123的接觸面125，形成通道的一部分。通道的其餘部分由第三板123的接觸面125中的槽146形成，槽146延伸遠離通孔145。如圖17所示,槽146延伸到定量泵147,定量泵可操作以將樣本從通過閥110的旋轉位置所選擇的孔102通過閥110泵送到傳感裝置14。第一、第二和第三板121-123可以由任何合適的材料形成，所述材料為限定在接觸面124和125之間的通道提供密封。合適的材料包括PMMA (聚(甲基丙烯酸甲酯))、PC(聚碳酸酯)或COC (環烯烴共聚物)。可以通過任何合適的技術來密封第一、第二和第三板121-123，例如超聲波焊接、雷射焊接或粘接。因為使用PMMA擴散粘結的能力，所以PMMA是特別有效的。第一、第二和第三板121-123可以注塑模製形成。類似地，轉子113可以由任何合適的材料形成，所述材料為旋轉提供密封和足夠低的摩擦力。一種合適的材料是PTFE (聚四氟乙烯)，其可以被機械加工為具有由彈性體(例如矽樹脂)製成的一部分以提供壓縮。PTFE能夠降低旋轉所需要的轉矩，並具有良好的密封性能。彈性體允許轉子112被夾緊且仍然旋轉。可替換地，轉子113可以由可注塑模製的材料形成，例如，FEP (氟化乙烯丙烯)或UHMWPE (超高分子量聚乙烯)。閥110並不限於用於盒10中，而是還可以用於其它用途中。閥110可以用於沿相反方向從出口 135向入口 133的流動，所以更一般地，入口 133可以稱作第一埠以及出口135可以稱作第二埠。閥110特別適合作為用於處理少量流體的微型元件，其中入口 133、通道136、收集室134和出口 135具有不大於IOmm2的橫截面積，優選不大於1mm2。如圖22所示，通過馬達150來驅動轉子113。轉子113具有從轉子113向外突出的耦接元件152，並且耦接元件中裝配有傳動軸151，傳動軸安裝有齒輪153。馬達151具有輸出軸154，輸出軸安裝有嚙合齒輪153的齒輪輪廓155，使得馬達150驅動傳動軸151的旋轉、並因而驅動轉子113的旋轉。傳動軸151還安裝有編碼輪156，編碼輪的位置通過傳感器157被感測。基於傳感器157的輸出來驅動馬達150，以允許轉子113在周圍旋轉，進而選擇所期望的入口 133。
控制流體系統31以按順序進行與連續樣本有關的生化分析。準備傳感裝置14，然後控制流體系統31以將樣本從孔102中的一個供給到傳感裝置14。在已進行生化分析之後，排空和衝洗傳感裝置14以清除樣本。然後再次準備傳感裝置14並控制流體系統31，以通過旋轉閥110的轉子112從下一個孔102供給樣本。現將描述使用具有圖11所示結構的盒10的方法的一個具體實例。所使用的材料是在WO 2009/077734中詳細描述的那些材料。首先，進行預處理塗覆以使傳感裝置14的本體20的圍繞孔21的表面改性，以增加它與雙親性分子的親和力。所需要的容積預處理是疏水性流體，通常為有機溶劑中的有機物質，其從貯存器30抽出並通過輸入泵33藉助於供給通道32分配，以填充覆蓋本體20和孔21的室24。過量的材料被排出到廢物貯存器35中。

盒10可以採用各種構造來排除過多的預處理。一個實例是用輸入泵33通過供給通道32和室24施加氣體流，以使流體通過出口通道36移動到廢物貯存器35中。可替換地，預處理可以通過所需容積之後的氣體從輸入泵33分配，並且過多的預處理在單個操作中通過室24排出到出口通道36並進入廢物貯存器35。氣流持續通過室24以衝洗來自系統的溶劑蒸汽，直到實現最終的預處理塗覆。在另一種改進中，可以通過升溫氣體流或本體20來更快速地實現該最終步驟。在施加預處理塗覆之後，使包含雙親性分子的水性溶液流過本體20以覆蓋孔21。所需容積的水性溶液從適當的貯存器30抽出，然後通過輸入泵33藉助於供給通道32進行分配，以填充覆蓋本體20和孔21的室24。如果應用多通(multi-pass)技術(其中在最後一次覆蓋孔21之前，水性溶液覆蓋和露出凹孔21至少一次)的話，則用直接的雙親性分子或用改進的雙親性分子來形成雙親性膜26。包含雙親性分子的水性溶液可以直接從貯存器30抽出，或以上文提及的可替換方式，通過使水性溶液通過供給通道32的流動路徑中的脂質組件到達室24。在第一實例中，可以通過室24中的流的逆轉來實現溶液空氣界面的多次通過。通過操作選擇閥45和操作輸出泵34而經由供給通道32從室24抽取包含雙親性分子的溶液並將空氣從出口通道36吸取到廢物貯存器35，來防止到達和源自貯存器30的流動。逆轉出口泵34的方向並使溶液返回通過填充孔21的溶液。當施加電勢時，可以通過監測所產生的通過電極22和25的電信號來觀測雙親性膜26的形成,該形成引入電阻能障(resistive barrier)和測得電流的降低。在雙親性膜26不能形成的情況下，執行水性溶液空氣界面的另一通道是簡單的事情。可替換地，在第二實例中，可以通過沿單個方向的流動和在溶液供應中包括空氣栓(air slug)，來實現溶液空氣界面的多次通過。在此第二實例中，包含雙親性分子的水性溶液被從貯存器30抽入輸入泵33中，然後通過止回閥的操作而被泵入供給通道32中。可以通過停止雙親性分子水性溶液流動、改變選擇閥45的位置以及由另一輸入泵33的作用從廢物貯存器35 (因為它通向大氣)進入溶液之後的通道所需要的空氣容積來形成空氣栓。使選擇閥45返回到先前的位置，並向前泵送另外的雙親性分子水性溶液。隨著輸入泵33使溶液向前移動通過供給通道32到達室24、並通過進入出口通道36而進入廢物貯存器35，包括空氣栓的雙親性分子水性溶液流過孔21。重複此過程以實現所期望數量的通過。通過輸入泵33的作用並通過衝洗來自貯存器30的水性緩衝液，來從室24除去過量的雙親性分子。使多個容積的水性緩衝液通過室24而進入出口通道36，以用於供應到廢物貯存器35。通過輸入泵33的作用使包含膜蛋白(例如a -溶血素或其變體)的水性溶液從貯存器30流入層26以上的室中以允許在一段時間後自發地將膜蛋白插入雙親性分子的層26中而準備傳感裝置14。在一種可替換的方式中，可以乾燥儲存膜蛋白。在這種情況下，通過輸入泵33、經由供給通道32、並通過改變選擇閥45的位置，可以將水性溶液從適當貯存器30弓丨入包含乾燥形式的膜蛋白的第二貯存器30，用於在利用輸入泵33使產生的溶液流入層26以上的室24中之前使膜蛋白再水化。當施加電勢時，可以通過監測所獲得的通過電極22和25的電信號來觀測進入層26中的插入過程，插入導致了離子傳導的增加和測得電流的增加。當插入期完成時，通過輸入泵33的作用並通過衝洗，從供給通道32和室24除去來自貯存器30的水性緩衝液。使多個容積的水性緩衝液通過室24並進入出口通道36，以用於供應到廢物貯存器35。可以在完成傳感裝置14的準備之後開始分析包含在孔板100中的樣本。迴轉閥110被構造成允許流體接觸第一入口 133。定位選擇閥45以停止來自流體貯存器30的流動並操作出口泵34以從樣本孔102抽取樣本材料。重新定位迴轉閥110以將流動引向供給通道32並填充室24以覆蓋傳感系統的膜層26。在完成分析之後，定位選擇閥45以允許來自輸入泵33的水性緩衝液的流動，以便衝洗來自供給通道32、迴轉閥110和室24的樣本，其中多個容積的緩衝液通過出口通道36進入廢物貯存器35以防止後續樣本的汙染。定位選擇閥45以停止來自流體貯存器30的流動，並重新定位閥110以形成與孔板100中的下一個樣本孔102的流體連接。對於所有樣本,重複此過程。在已分析所有樣本之後，可以處置任何盒10。可替換地，由於孔板100是單獨的元件，所以它可以被除去、處置以及用裝載有新鮮樣本的新孔板100更換。作為一次性元件的孔板100的上述使用允許重新使用盒10。將傳感裝置14形成在晶片中，該晶片被安裝在印刷電路板(PCB) 38上並電連接於PCB 38。來自PCB 38的電觸頭被布置為用於電連接於傳感裝置14的邊緣連接盤(edgeconnector pad)。在盒10插入模塊2時,觸頭39電連接於模塊2中的電路的其餘部分,其在下文中進行描述。用於傳感裝置14和PCB 38的三種可替換設計如下。在圖5和6所示的第一種可能的設計中，如在WO 2009/077734中所披露的，傳感裝置14形成為嵌入在製造在矽上的孔中的電極陣列，其中孔形成在矽的頂部上的合適鈍化層中，通過利用貫通晶片過孔的位於矽基底的基部處的電連接，以焊料凸點的方式接合於PCB 38。對於以類似方式接合於PCB 38的相對側的兩個(或通常任何數量的)專用集成電路(ASIC) 40，PCB提供具有相同數量的連接。ASIC 40包括下文描述的模塊2的電路的一些部件。ASIC 40可以包括用於處理來自傳感裝置14的電信號的處理電路的部件，例如放大器、採樣電路以及用於提供數字輸出的模數轉換器(ADC)。數字輸出從觸頭39提供，以利用例如低電壓差動信號傳輸(LVDS)的合適接口使數字輸出可以離開傳感裝置14。可替換地，可以以放大的模擬形式提供輸出信號，其中ADC提供在模塊內。ASIC 40還可以包括控制電路的一些部件，例如經由觸頭接受電源和控制指令以便設置和監視運作參數，包括、例如電流測量採樣速率(IHz至100kHz)、積分電容、位解析度、施加的偏壓。第二種可能的設計是將傳感裝置14形成為簡單的電極陣列晶片，其製造在矽上、安裝在PCB 38上並引線接合於觸頭39。這種連接然後可以連接到電路，以便作為一系列的離散通道或利用適當的ASIC。這種ASIC可以是傳統的電子讀出晶片(例如如由FLIRSystems提供的(例如FLIR ISC 9717))作為陣列式電極測量裝置。第三種可能的設計是將傳感裝置14和ASIC 40製造成一個裝置，然後將它安裝在PCB 38 上。現將參照圖7來描述模塊2的構造，圖7示出了為示出物理布局而除去了外殼11的模塊2。模塊2包括通過PCI數據採集模塊52連接在一起的內部板(internal board,內部接線板)50和嵌入式計算機51，它們一起提供下文描述的電路。在插入到模塊2中時，內部板50接觸盒10的觸頭39。
嵌入式計算機51可以是傳統計算機，包括處理單元和存儲單元。嵌入式計算機51包括允許模塊2連接於網絡3的網絡接口 53，從而將模塊2變為獨立的網絡裝置，並且還提供「掛鈎(hook)」以使得許多模塊2能夠作為集群來運行、被管理和被控制(如下所述)。例如，嵌入式計算機51可以運行一精簡作業系統(例如LINUX)和應用程式來執行下文描述的各種功能。用於這種嵌入式系統的完整開發套件可在商業上獲得。模塊2包括裝載機構54，以用於自動地將盒10裝入模塊2以及使盒10從模塊2彈出。裝載機構54可以是例如由高精度步進馬達驅動的專用機構。模塊2還包括安裝在內部板50上的用於控制模塊2的各種部件的微控制器58和FPGA 72，如下所述。模塊2還包括流體驅動單元60，流體驅動單元被安裝在內部板50上並控制流體系統31。模塊2還包括熱控制元件42，熱控制元件被布置成控制盒10以及尤其是傳感裝置14的溫度。熱控制元件42可以是例如Peltier熱控制器，諸如32瓦Single StageThermoelectric Module (例如，如由 Ferrotec Corp, 33 Constitution Drive, Bedford NH03110 USA所供應的；部件號9500/071/060B)。可以例如將熱控制元件42安裝在盒10下方，並因而在圖7中是看不見的。熱控制元件42可以被看作是主要由盒10形成的分析儀器的一部分並且可以可替換地被安裝在盒10上。最後，模塊2包括用於顯示基礎操作狀態信息的顯示器55、用於為模塊2的各種部件提供電力的電源56、和用於冷卻模塊2的冷卻器組件57。現將參照圖8和9來描述由內部板50和嵌入式計算機51提供的電路。該電路具有兩個主要功能，即信號處理功能和控制功能，所以它作為信號處理電路和作為用於模塊2的控制單元。將信號處理功能分布在內部板50和嵌入式計算機51之間，並如下所述地設置。將傳感裝置14連接於開關裝置62，開關裝置形成在盒10的PCB 38上的ASIC 40中並由與ASIC 40連接的控制器控制。開關裝置62被布置成選擇性地將傳感裝置14的孔電極22連接於各自的觸頭，以用於向檢測通道65提供信號處理功能，其中與檢測通道相比存在更大數量的孔21。如在美國申請第61/170，729號中詳細描述地來布置和操作開關裝置62，該美國申請以引用方式結合於本文。
可替換地，可以獨立於ASIC 40並作為位於傳感裝置14與檢測通道65之間的獨立功能塊來設置和控制開關裝置62，其中檢測通道65被設置在讀出晶片中，所述晶片例如由 FLIR Systems 供應(例如 FLIR ISC9717)。ASIC 40提供檢測通道65的陣列，每個檢測通道均如圖10所示地布置以便放大來自孔電極26中的一個的電信號。因而檢測通道65被設計成通過足夠的解析度來放大非常小的電流以便檢測由感興趣的相互作用引起的特徵變化。檢測通道65還被設計成具有足夠高的帶寬，以提供為檢測每種上述相互作用所需要的時間解析度。這些約束條件需要敏感的、因而昂貴的部件。檢測通道65包括電荷放大器66,該電荷放大器通過連接在電荷放大器66的倒相輸入與電荷放大器66的輸出之間的電容器67而被布置成積分放大器。電荷放大器66對從孔21向電荷放大器供給的電流進行積分，以提供表示在連續的積分時間段中所供給的電荷的輸出。由於積分時間段具有固定的持續時間，所以輸出信號表不電流，其中持續時間 是足夠短的以便提供足夠的解析度來監測在與其連接的孔21中發生的事件。電荷放大器66的輸出通過低通濾波器68和可編程增益階段69而被供給到採樣-保持階段70，該採樣-保持階段被操作以便對從電荷放大器66的輸出信號進行採樣並產生採樣的電流信號。將輸出電流信號供給到ADC 71以將它轉換成數位訊號。從ASIC 40輸出來自每個檢測通道65的數位訊號。從ASIC 40輸出的數位訊號從盒2的PCB 38經由觸頭39而被供給到設置在模塊2的內部板50上的現場可編程門陣列(FPGA) 72。FPGA72包括緩衝器，緩衝器被布置成在經由PCI數據採集模塊52供給到嵌入式計算機51之前緩衝來自每個檢測通道65的數位訊號。在一種可替換的布置中，來自檢測的數字輸出提供自位於模塊2的內部板50上的讀出晶片且被供給到FPGA 72。嵌入式計算機51如下地布置成處理來自每個檢測通道65的數字電流信號，如下所述。PCI數據採集模塊52控制數字電流信號從FPGA 72到嵌入式計算機51的傳輸，在嵌入式計算機中所述數字電流信號被存儲為數字數據。因而，存儲在嵌入式計算機51中的數字數據是原始輸出數據，其是表示從每個檢測通道65測得的電信號的信號數據，即由每個孔電極22測得的關於相應孔的雙親性膜26中的納米孔的電流。來自每個納米孔的電流是測得的電信號的通道。通過處理模塊73來處理該原始輸出數據，其中所述處理模塊包括關於每個通道的管道74。通過在嵌入式計算機51中執行的軟體來實施處理模塊73。在處理模塊73的每個管道74中完成的信號處理的特徵如下所述。管道74處理表示測得的電信號的原始輸出數據，以產生輸出數據，該輸出數據表示關於相應通道的生化分析的結果。如上文所述，在納米孔與樣本之間的相互作用引起電流的特徵變化，這些變化是可識別的事件。例如，通過納米孔的分析物可以引起電流降低一特徵量。因此，管道74檢測那些事件並產生輸出表示那些事件的事件數據的數據。上述處理的實例披露於W02008/102120中，該申請以引用方式結合於本文。作為事件數據的輸出數據在最簡單的情況下可以僅表示事件已發生的事實，但更通常地可包括關於事件的其它信息，例如事件的大小和時間段。
另外，管道可以對事件進行分類，並且輸出數據可以表示事件的分類。例如，納米孔可以具有相互作用，該相互作用不同於在樣本中的不同分析物之間的相互作用並引起對電信號的不同調節。在這種情況下，管道74基於調節的電信號來對分析物分類。其一個實例是，納米孔可以具有與多核苷酸的鹼基的相互作用，其中每種鹼基不同地調節電信號。例如，穿過納米孔的鹼基可以引起電流降低一量，該量為所述鹼基的特徵。在這種情況下，管道74通過按照電信號的調節識別鹼基而 對事件進行分類。以這種方式，生化分析是樣本中的多核苷酸的測序，並且形成的輸出數據是表示多核苷酸的序列的序列數據。這可以稱作「喊基讀出(base calling)」。管道74還產生輸出數據，該輸出數據是表示代表生化分析的結果的輸出數據的質量的質量數據。這可以表示事件的檢測和/或分類是不正確的概率。可以以任何合適的格式來表示輸出數據。在多核苷酸的測序的情況下，可以用FASTQ格式來表示輸出數據(其是序列數據)和質量數據，其中FASTQ格式是用於核苷酸序列及其相關的質量評分的傳統的基於文本的格式。將所有輸出數據存儲在嵌入式計算機51中，並且輸出數據中的一些或所有輸出數據還可以在網絡3上傳輸並存儲於存儲設備6。通常，這至少包括表示事件的分類的輸出數據(例如序列數據)以及質量數據，因為與表示測得的電信號的原始輸出數據相比，這是相對少量的數據。附加地並且根據用戶的要求，還可以傳輸和存儲作為事件數據的輸出數據、和/或表示測得的通過每個納米孔的電信號的原始數據。處理模塊73還可以獲得和存儲表示生化分析本身的參數的質量控制度量。由管道74進行的信號處理的若干方面可以在將數據傳輸到嵌入式計算機51之前在內部板50上進行。這種方式特別用於大量的通道，並且FPGA 72可以特別適合於這種類型的任務。現將描述控制功能，其被布置成控制模塊2的操作。控制功能被分布在內部板50與嵌入式計算機51之間並如下所述地設置。控制功能包括控制器58，例如Cortex M3微控制器，該控制器設置在內部板50上。控制器58控制分析設備13的所有部件的操作。控制器58被布置成經由標準協議並通過低級設備驅動程序來將命令發送到流體系統31的泵33和34並且發送用於讀取數據所需要的必要條件。基於從驅動器獲得的錯誤代碼來存儲狀態信息。控制器58本身受控於控制模塊80，控制模塊在嵌入式計算機51中通過在嵌入式計算機上執行的軟體來實施。控制模塊80經由RS232接口 81與控制器58通信。控制模塊80如下所述地控制控制器58，使得它們一起操作以構成用於模塊2的控制單元。控制器58控制裝載機構54以裝載和彈出盒10。在裝入時，控制器58檢測在觸頭39與內部板50之間是否有適當的電接觸。控制器58控制流體驅動單元60來控制流體系統31以準備傳感裝置14。在準備期間，控制模塊80可以監測從傳感裝置14輸出的電信號以檢測是否正確地進行準備，例如利用在WO 2008/102120中披露的分析技術，該申請以引用方式結合於本文。通常，控制模塊80將確定在運行開始時哪個孔22被正確地設置。這可以包括感測雙層質量、電極質量、孔的佔用率、以及甚至在樣本的檢測之後納米孔是否是活性的。基於這種監測，控制器58還控制交換控制器63，以使開關裝置62以在美國申請號61/170729中詳細披露的方式將檢測通道65連接於傳感裝置14的孔22的孔電極26，所述孔電極具有可接受的性能。在多核苷酸的測序的情況下，控制模塊80還可以感測對納米孔的任何改性的存在和狀態，所述改性為了處理和測量DNA (例如，外切核酸酶、環糊精銜接子的連接)而可能是需要的。控制器設定以下實驗參數。控制器58控制偏壓源59，其將偏壓供給到公共電極25。以這種方式，控制器58控制通過每個納米孔的偏壓。控制器58控制熱控制元件42以改變分析設備13的溫度。控制器58控制ASIC 40的操作以改變採樣特徵，例如採樣速率、積分時間段和電容器67的復位時間段、以及所形成的信號的解析度。控制器58可以經由FPGA 72執行上述控制功能和其它實驗參數。具體地，經由FPGA 72來提供ASIC 40的控制。 在已正確準備傳感裝置14之後，控制器58控制分析設備13以引入樣本並進行生化分析。然後進行生化分析，其中結果是，電信號從傳感裝置13輸出並由處理模塊73處理以產生表不分析的輸出數據。如下文進一步描述的，控制模塊80具有局部性能目標，這些局部性能目標基於輸入獲得，如下文所討論的。局部性能目標表示用於模塊2的操作的所期望的性能。根據生化分析的要求，性能目標可以涉及以下的任何組合產生輸出數據的時間段；所產生的輸出數據的數量；或所產生的輸出數據的質量。在操作期間，控制模塊80根據輸出數據確定生化分析的性能測量結果，這些測量結果具有與局部性能目標相同的特徵，即產生輸出數據的時間段；所產生的輸出數據的數量；或所產生的輸出數據的質量。基於性能測量結果，控制模塊80控制控制器58來控制分析設備13以滿足性能目標。這是通過開始和停止分析儀器的操作和/或改變操作參數來完成。為滿足局部性能目標，就數據收集的速率和質量而言，控制器58控制影響性能的以下操作參數I)熱控制元件42，以改變分析設備13的溫度。這會影響在傳感裝置14中發生的生化分析，例如通過改變分子通過納米孔的移動速率和/或酶(例如在測序的情況下按順序通過納米孔供給鹼基的酶)的處理速率。通常，溫度的增加會增加數據收集速率但降低質量，反之亦然。2)偏壓源59，以改變通過每個納米孔的偏壓。這是生化分析的電參數，其影響性能並可以改變以便改變速率和質量，或用於「微調」納米孔以便集中於特定分析物的高質量測量。3)ASIC 40的操作，以改變採樣特徵，例如採樣速率、積分時間段和電容器67的復位時間段、以及所形成的信號的解析度。這些將影響輸出數據的數量和質量。通常，採樣速率的增加減少了丟失真實事件的機會，但會增加噪聲，導致每個觀測到的事件的測量的較差質量，反之亦然。為了滿足局部性能目標，控制器58還控制分析設備13的操作，例如4)偏壓源59，以改變通過每個納米孔的偏壓。這是生化分析的影響性能的電參數；
5)控制開關裝置62，以改變納米孔，納米孔的電信號被供給到檢測通道65 ；6)添加更多流體；將更多的納米孔添加到沒有或具有一些納米孔的雙親性膜26的運行陣列；7)如果傳感裝置14作為一個整體正進行不充分的測量，則添加更多的樣本；8)如果已滿足對一種樣本的測量要求，則添加不同的樣本；9)在單個納米孔中為零電流的情況下，施加反向偏壓電勢以「解鎖」納米孔；10)如果在晶片上已達到整體失效設置、或者如果需要的話在引入待測量的新樣本之前，或者如果為測量樣本需要不同類型的納米孔，則通過施加足夠的偏壓電勢破裂所 有雙親性膜26來重置分析設備13，並且然後再次準備分析設備13。在多核苷酸的測序的情況下，分析設備13可以包含添加到真實樣本中的對照DNA。這還允許對單個納米孔的狀態的質量監測。從對照樣本添加物獲得的數據還可以用於調整和完善用於處理源自平行地進行的真實DNA樣本的數據的算法。控制模塊80還可以控制信號處理功能，例如控制管道74以進行不同程度的數據處理。在生化設備期間，控制模塊80重複地(通常連續地)進行性能測量結果的確定和操作的控制。以這種方式，可以實時優化單個模塊2的操作，其結果是更有效地利用了模塊2。當控制模塊80根據性能測量結果確定生化分析已完成時，控制模塊80控制控制器58以停止生化分析並控制裝載機構54以彈出盒2。然後模塊2準備好用於新盒2的插入，這可以通過自動化程序進行，該自動程序作為用於由儀器所進行的一個實驗或系列實驗的總個工作流程管道的一部分，以滿足用戶的全局要求。在以上描述的方式中，每個模塊2是獨立的裝置，其可以獨立地進行其它模塊2的生化分析。現將討論模塊2的集群如何作為公共儀器I來操作以進行公共生化分析。這是通過在網絡3上經由網絡接口 53連接在一起的模塊2的集群來實現。概要地說，按照廣泛使用的「電器」模型，模塊2連接於網絡3以作為自認知網絡裝置。因而模塊2可以運行數據和通信服務。配置和協議作為控制模塊80的一部分被存儲和運行。相對於任何其它模塊2，每個模塊2均可以作為需要服務和數據的客戶機、以及作為提供數據和服務的伺服器操作。因而，可以將任意數量的模塊2聚集在一起成為較大的邏輯儀器I。模塊2還可以通信以共享其它信息，如動態地確定的校準標準、啟用來自每個模塊2的一致的數據質量、或用於輸出數據的篩選規則、共享的輸出位置和來自相同命名的基底的數據到共享存儲庫的無衝突同時輸出。每個模塊2包括全球資訊網服務模塊82，該全球資訊網服務模塊提供圖形用戶界面(⑶I)和聯合/控制應用程式編程接口(API)。⑶I在網絡3上被提供到外部計算機7並顯示在其上。例如，可以以在標準HTTP埠上的HTTP或以任何其它格式來展示⑶I，從而允許通過傳統瀏覽器來顯示它。用戶可以查看顯示的⑶I並利用標準協議(例如HTTP)連接於這種全球資訊網服務以利用⑶I來對模塊2提供用戶輸入。GUI可以是一系列網頁，這些網頁允許模塊2的控制、參數的輸入、顯示狀態、圖形數據等。用戶能夠看到他們已選擇的模塊2的狀態並經由該界面對它發送命令。這種相同的服務在所有模塊2上運行並可以以相同方式連接。可以用任何其它合適的界面來代替GUI，例如命令行。
API便於模塊彼此相互作用。GUI便於用戶對模塊2尋址以選擇任意數量的模塊2來作為集群進行操作，從而進行公共生化分析。每個模塊展示GUI，所以任何模塊2均可以被用戶訪問並用於選擇多個模塊2。這使得API將單個命令發送到集群2中的所有模塊，從而通知它們它們被尋址。被選擇用於集群的模塊2被給予臨時和任意標記，稱作「名字空間」，從而對於控制模塊80和用戶以助記符的形式識別它們作為進行公共生化分析的集群。另外，⑶I允許用戶提供表示關於儀器I的全局性能目標的輸入。可替換地，可以通過儀器I來獲得表示全局性能目標的輸入，例如從關於不同類型的生化分析的全局性能目標的存儲表搜索得到。全局性能目標具有與局部性能目標相同的特徵，S卩，根據用戶對生化分析的要求對以下項目的任何組合產生輸出數據的時間段；所產生的輸出數據的數量；或所產生的輸出數據的質量。可以完全限定全局性能目標，或可以保留一些全局性能目標不被限定，例如通過設置數量和質量目標但保留時間目標不被設置來實現用於產生一定量的具有一定質量的數據的要求。例如，模塊全局性能目標可以是，在指定時間段內(比方說6小時)獲得足夠的數據以覆蓋(或過採樣)所考慮的樣本20次以上，並具有最低所需水平的數據質量(比方說，在測得的通過所有鹼基的1000個數據中的少於一個數據的最小平均誤差率)。隨後，用待分析的等分(aliquot)樣本來準備盒10，並將盒裝入集群的模塊2中。此步驟可以由用戶進行。可替換地，可以在某種程度上自動完成此步驟，例如通過具有提供盒10的自動對準的傳感器的模塊2來自動完成。然後，命令被發布到集群的模塊2，指示它們開始分析。在高級系統中，用待分析的樣本來準備盒10，並且/或者將盒10裝入模塊2可以自動完成。在另一種可替換方式中，盒10包括一種機構來按順序地或時分多路復用地(timemultiplexing)管理和處理多個樣本,如例如通過圖11所示的結構,利用孔板100來存儲待由傳感器晶片14按順序地處理的多個樣本。在這種情況下，每個模塊2控制裝入其中的盒10以處理來自所選的孔102的樣本。由用戶來設定在模塊2上的軟體，例如通過接收用戶輸入來設定，以明了哪些樣本在哪些孔102中。這對樣本管理增加了一層信息。集群的所有其它操作保持相同，只是協調現在還考慮到從板100上的給定孔102所處理的哪些樣本正被處理，而不是假設對於每個盒2存在一種樣本的映射。因而，協調發生在每個平板100的樣本的級別上而不是每個盒2的樣本的級別。當插入新盒2時，控制模塊80參照由用戶裝入的樣本-孔表。這還可以利用設置在盒2上的內部條碼作為查找鍵而從中心資料庫訪問(在孔板100連接於盒2時，平板和樣本信息已通過用戶而與此盒關聯)。集群的模塊2現「認知」到它們正在協作並且它們的控制模塊80通信和相互作用如下，使得它們一起為作為整體提供用於儀器I的控制系統。控制過程示於圖23。在步驟SI中，基於全局性能目標90，為儀器I中的每個模塊2確定局部性能目標91，這些局部性能目標一起滿足全局性能目標90。步驟SI是對集群中的所有模塊2進行的全局性確定。最初，僅基於全局性能目標90進行步驟SI，但是如下文所討論的，隨後還基於集群中的每個模塊2的性能測量結果(M. 0. P. , measures of performance) 93來進行、SI，其中性能測量結果從每個模塊2的輸出數據92獲得。步驟S2是關於集群中的每個模塊2的局部控制過程，基於模塊2的局部性能目標91來執行。在圖23中，以說明的方式示出4種個這種局部控制過程，但通常存在與模塊2相同數量的局部控制過程。局部性能目標91有效地指示每個相應模塊2所需要的操作，並且在步驟S2中，根據局部性能目標91來操作每個模塊2，以提供所需要的操作，使得模塊2一起執行公共生化分析。步驟S2自身包括以下步驟。在步驟S3中，基於局部性能目標91，以上述方式來控制分析設備13的操作，即通過開始和停止分析儀器的操作和/或改變操作參數來控制。
最初，僅基於全局性能目標90來執行步驟S3。然而，一旦已開始操作，獲取輸出數據92。作為關於每個模塊2的步驟S2的局部控制過程的一部分，在步驟S3中從輸出數據94獲得性能測量結果93，如上所述。然後，在關於每個模塊2的步驟S2的局部控制過程中，基於性能測量結果93以及局部性能目標91來執行步驟S3。以這種方式，基於實際上由模塊2獲得的性能測量結果91來改變每個模塊2的操作的控制。通過在進行生化分析期間重複地並且通常連續地反饋從輸出數據92獲得的性能測量結果93而以該種方式來更新步驟S3中所執行的控制。另外，在進行生化分析期間將來自集群中的所有模塊2的性能測量結果93反饋到步驟SI進行至少一次。然後，在步驟SI中，如果必須滿足全局性能目標，則基於全局性能目標90和來自所有模塊2的性能測量結果93來改變局部性能目標91。然後在步驟S3中根據更新的局部性能目標91來操作各自的模塊2。局部性能目標91的更新會有效地指示每個各自的模塊2所需要的操作均已改變。根據更新的局部性能目標91，在控制模塊80的控制下的模塊2的操作改變模塊2的所需要的操作，以滿足全局性能目標90。如果有必要，將用於改變局部性能目標的步驟SI的這種更新進行至少一次，但優選地重複進行，優選地定期進行，以及優選地以遠大於生化分析的時間段(通常大至少一個數量級)的且遠大於在步驟S3中更新模塊的操作的控制的時間段(通常大至少一個數量級)的時間間隔進行。增加更新的頻率將提高對模塊2的管理，但這是以佔用嵌入式計算機51和網絡3的資源為代價的，並且這種提高會隨著所述時間間隔接近生化分析的事件的特徵時間間隔而降低。通常，時間間隔可以為大約I至5分鐘，但在更長的時間間隔下模塊2的管理仍然是有效的，比方說大約數小時。但是在生化期間甚至進行一次更新，也可以提供比單片式裝置優越的優點。在步驟SI中，當試圖設置或更新局部性能目標91時，所需要的操作可能是當前不可實現的，這是因為，為滿足全局性能目標90所需要的模塊2的局部性能目標91是當前不可實現的。為了解決這個問題，控制模塊80被布置成確定是否是這種情況並採取補救措施。多種的補救措施是可能的。一種類型的補救措施是增加集群中的用於進行公共生化分析的模塊2的數量。這允許滿足全局性能目標90。為了實現這一點，控制單元80可以產生通知用戶的輸出。作為響應，用戶可以使用Gn來對一個或多個附加模塊2進行尋址以形成集群的一部分，並且以與原始模塊相同的方式設置那些模塊2，包括將樣本引入盒10並將盒裝入所述一個或多個附加模塊2中的每一個中。可替換地，可以自動完成任何這些步驟。
另一種類型的補救措施是控制集群的模塊2以全部地停止生化分析。假定不能滿足全局性能目標，這會空閒出模塊2來用於另一生化分析。步驟SI和S3中的決策制定可以是任何合適的計算方法的執行。最簡單的方式是使用存儲在嵌入式計算機51中的將在給定情形中偶然進行的查找表。例如，一種這樣的情形可以是無法滿足某組性能標準，原因是一個性能標準在執行節點之下，對此，該措施可以用於其它節點以便增加它們的數據採集速率。可以使用簡單的編程邏輯來分析數據並獲得編碼在軟體中的決策。其它更加複雜的方法可以包括對數據中的某些模式的模糊識別以及響應的生成，例如經由受過訓練的神經網絡。現將討論圖23所示的控制過程的各種步驟的實施。步驟S2是關於每個模塊2的局部控制過程，其是基於該模塊2的局部性能目標91來進行的並且涉及根據輸出數據92的性能測量結果93的計算。因而，每個模塊2的控制模塊80有利地進行關於它自身模塊的步驟S2的局部控制過程。以這種方式，步驟S3中的操作的控制以及性能測量結果93的確定可以在模塊2中局部地進行，而不需要在網絡上傳輸任何數據。這有助於具有一定數量的模塊2的控制過程的可擴展性。每個模塊2獨立地 進行步驟S2的局部控制過程，並因而任何數量的模塊2可以被包括在集群中而不對網絡3上的數據傳輸增加負擔(其對於實施步驟S2的局部控制過程是需要的)。當每個控制模塊80進行它自身的處理時，這還有效地在模塊2之間共享步驟S2的處理負載。原則上，可以關於一個或多個模塊2外部地實施步驟S3或步驟S4，即在連接於網絡3的不同的模塊2或另外的計算機內實施。為了外部地進行步驟S4，將必須在網絡3上傳輸獲得的輸出數據，性能測量結果93根據該輸出數據獲得。類似地，為了外部地進行步驟S3，將必須在網絡3上傳輸獲得的性能測量結果94和模塊2的控制信號。這將增加網絡上的負擔，尤其是當在步驟S3中頻繁改變控制時。對於網絡3和外部處理的任何實際實施來說，就數據傳輸和處理中的任何一者或兩者而言，這將產生瓶頸。通過有效地限制可以結合在集群中的模塊2的數量，上述瓶頸將降低可擴展性。在實施步驟SI的地方，靈活性的程度增加。步驟SI確實需要考慮到所有模塊2的性能測量結果94，並因此必須在網絡2上進行一些數據傳輸，使得可以基於性能測量結果94來進行步驟SI。然而，傳輸所需要的數據量相對較小，僅是性能測量結果94和用於在控制模塊80之間實施協商的信息。與輸出數據本身相比，這需要明顯較小的數據量。例如，性能測量結果簡單地表示每次測量的值(其僅是少量的)，而作為序列數據的輸出數據的量將較大，作為事件數據的輸出數據的量通常比序列數據大一個數量級，並且表示測得的信號的輸出數據的量通常比事件數據大一個數量級。另外，應注意到，當以遠大於在步驟S3中更新模塊的操作的控制的時間段的時間段來更新步驟SI時，數據需要在網絡3上傳輸的頻率較低，這進一步使得網絡3上的負擔與如果在模塊2的外部實施步驟S2相比低得多。在第一種實施方式中，在集群中的模塊2的控制模塊80之間共享步驟SI的處理。在這種情況下，控制模塊2彼此協作來執行步驟SI，以確定儀器I中的每個模塊2的局部性能目標91，這些局部性能目標一起滿足全局性能目標90。這可以通過迭代過程來實現。每個控制模塊80獲得自身的建議的局部性能目標，然後將該局部性能目標通信到集群中的其它模塊2。在接收到來自所有其它模塊80的建議的局部性能目標之後，每個控制模塊80確定是否滿足全局性能目標，並且如果有必要，則修訂自身的建議的局部性能目標。重複此過程，直到贊同局部性能目標。當最初進行步驟SI時，這僅基於全局性能目標90而發生，因為還沒有產生輸出數據。當隨後為了更新(如果有必要)每個模塊2的局部性能目標而進行步驟SI時，則基於通過每個模塊2的控制模塊80獲得的關於該模塊2的性能測量結果94來執行步驟SI。為此目的，在網絡3上，控制模塊80彼此對所述性能測量結果94進行通信。以這種方式，控制模塊80彼此主動報告性能測量結果94以最有效地完成生化分析。每個模塊2可以達到自身的決策。然後可以將決策編碼成展示在每個模塊2上的查找表。然後每個模塊2經由全球資訊網服務將它的決策傳輸到其它模塊2，使得每個模塊2現在存儲所建議響應的其它模塊2的表。在已整理此表之後，如果發出一個以上的信號，可以應用一簡單的多數表決來選擇建議的動作過程。因此，每個模塊2的控制模塊80能夠在沒有用戶輸入的情況下進行所需要的計算 和決策制定，但它們也集體地能夠一起做相同的事情。它們還可以共享單個內部決策，併集體地在高於其的水平作出關於總體結果的元決策。以這種方式，聯合/控制API將集群中的模塊2上上制定的決策聯合，以優化實驗室工作流程。以這種方式，集群中的組成儀器I的模塊2從公共生化分析產生多個通道的輸出數據。可選地，模塊可以包括聯合層(未示出)以允許對這些輸出數據的一致過濾、規格化和聚集。在多核苷酸的測序的情況下，模塊2可被控制以一起協同地以高通量對單個樣本進行測序分析，使得每個模塊2相當於在典型的基於流動室的光學測量DNA測序儀上的子通道或「巷道」。此第一實施方式有助於具有一定數量的模塊2的控制過程的可擴展性。每個模塊2同等地有助於步驟SI，所以同樣地共享處理負載，並且集群中的模塊2的數量增加最低限度地增加單個模塊2的處理負載。在集群中的模塊2的數量增加僅使網絡上傳輸的數據量與模塊2的數量成比例地增加。這對於任何給定實用網絡3來說將原則上最終限制集群的大小，但數據的量相對較低，所以實際上可以容納大量的模塊。因為在第一種實施方式中每個模塊2參與決策制定過程，所以這會共享處理負載並具有以下優點儀器I可以由模塊2的任何組合形成，因為它們均具有決策制定的能力。然而，決策制定可以以不同的方式共享。在第二種實施方式中，通過模塊2中的僅一個模塊(該模塊用作主機)的控制單元80、或通過一個子集的模塊2的控制單元80來進行步驟SI的處理，以便基於從其它模塊2通信的性能測量結果94來對集群中的每個模塊2的局部性能目標91作出決策。這仍然需要在網絡3上傳輸表示性能測量結果的數據，並增加作為主機的模塊2的處理負擔。理想地，任何模塊2具有作為主機的能力，所以主機是從被尋址為集群的任何模塊2中任意選擇。可替換地，僅特定模塊2可以作為主機，但這具有以下缺點需要用戶在被尋址的每個集群中選擇模塊2中的一個模塊。在第三種實施方式中，通過連接於網絡3的另一計算機(諸如外部計算機7或並不具有操作性分析設備13的虛擬模塊2)來進行步驟SI的處理，以作為聯合控制單元來作出關於局部性能目標的決策。在這種情況下，該另一計算機變成總體控制系統的一部分，並且性能測量結果被從模塊2通信到該另一計算機以形成決策制定的基礎。然而，在這個意義來說，對一適當編程的另一計算機的需求本身是有缺點的隔離的模塊2並不足以實施控制。另一方面，這種實施方式確實會降低對模塊2本身的處理要求。另一種可替換的方式是將反饋的附加嵌套級引入圖23所示的控制過程。在圖23中，存在性能測量結果94的兩個級別的反饋，首先在用於單個模塊的步驟S2的局部控制過程的級別，以及再者在作為整體的集群的級別。通過將集群的模塊2劃分為模塊2的邏輯組可以引入附加級別，其中所述邏輯組中的每個均是集群中的模塊2的總數的子集。以相同方式獲得每個邏輯組的性能目標和性能測量結果來作為各模塊2的局部性能目標和性能測量結果，如上所述。改進圖23所示的控制過程的步驟SI，以便包括附加級別的反饋。SP，在最高級別，基於每個組的全局性能目標和性能測量結果來確定組性能目標。在下一級別，在關於每個組的單獨的組控制過程中，基於在組中的每個模塊2的組性能目標和性能測量結果來確定在組中的每個模塊2的局部性能目標。類似地，作為整體的組的性能測量結果根據組中的每個模塊2的性能測量結果確定。通常，可以採用任何數量的反饋的嵌套級別，例如通過將組劃分為子組等等。在這種情況下，可以利用步驟SI的任何實施方式來實施附加級別的反饋，如上所 述。這種可替換方式確實會增加控制過程的複雜性，但具有以下優點使控制過程可以適應於公共生化分析的特徵和/或適應於不同的網絡結構。可以在儀器I的不同元件中來實施不同級別的控制過程，並且可以以不同時間段更新，從而相應降低網絡3的負擔。例如，組可以是進行公共生化分析的相同部分的模塊2的組，其有利地參照用於整個組的組性能目標控制。可替換地，組可以是連接於各自的本地網絡(所述本地網絡例如在網際網路上互相連接)的模塊2的組，在這種情況下，減小了本地網絡之間的數據流，而不影響連接於本地網絡的任何單個組的控制。現將討論模塊2連接於網絡3以及基於對等點對對等點進行通信的方式。一般來說，用於主要促進性能管理的自動化決策制定的模塊2之間的狀態數據的交換是基於「最終一致性」來進行的，這是因為低更新頻率是可接受的。模塊2可以利用服務發現協議(例如Universal Plug and Play(UPnP)或Zeroconf(或Bonjour))而識別彼此。可以利用多種類型的分布資料庫技術(諸如CouchDB (HTTP, JSON)、TokyoCabinet、或MemcacheDB)來傳播諸如建議的局部性能目標和性能測量結果的元數據。可替換地，可以利用消息傳遞技術(諸如網絡廣播、網絡多路廣播、SpreadToolkit、ActiveMQ、RabbitMQ、或一般的信息隊列)來實現發現和元數據傳播。—種可能的實施是使用以出版商、訂戶或出版商+訂戶(pub+sub)模式運行的一種peri腳本利用用戶數據報協議(UDP)來實施信標包的網絡廣播，每個信標包均包含編碼JSON (純文本Java腳本對象記法)數據。每個模塊2作為節點，該節點廣播其自身的細節並接聽其它細節。將接收的信標包解碼並合併在內部內存數據結構(諸如模塊名稱上鍵入的散列(hash))中。這具有簡單性的優點，信標包至少包含對等點名稱(默認的主機名)、對等點時間和系統性能及狀態數據。然後模塊2重新傳輸它們的整個數據結構(其包括從其它模塊2接收的數據)。因為UDP包是不可靠的並且信標包的傳遞不能得到保證，所以這種重傳可以提高模塊2從其它模塊2接收數據的可能性。因為信標包可以包括用於集群中的所有模塊2的數據，所以模塊2從不合併聲稱來自於它們本身的外部數據。
UDP包是最有效的，相當於子網的最大傳輸單元(MTU)。按默認，這是約 1500個字節。有效負載的壓縮(例如利用公共gzip/LZW)可能有利於保持傳輸大小低於MTU。在固定的信標頻率的情況下，隨著集群中的模塊2的數量增加，則存在大得多的網絡包衝突的風險並且重傳引起帶寬的擁塞和損失。這可以通過利用與主動模塊2的數量成反比的動態信標頻率來處理。儀器I的優點在於，與單片式儀器相比，可以實現效率增益，這是由於分析設備13本身的模塊化以及由於智能地並行的各模塊2的操作。用戶可使並行組的模塊2由他們處置，並且可以將包括任何數量的這種模塊的集群組合成較大儀器1，以滿足期望進行的公共生化分析的要求。這種可擴展性允許進行各種複雜性的生化分析，而不受限於單個儀器的能力。類似地，模塊2的操作的控制可以優化它們的性能來滿足全局目標。這些因素均產生效率增益，因為可以更好地利用各模塊2、有效地空閒出其它模塊2來進行其它任務。例如較少數量的模塊2或甚至單個模塊2可以用於較低通量的應用，而較大集群可以用於大規模並行的應用(諸如較大的測序項目，例如人類基因組的測序)。這允許工作流程的管理，其在設備的利用中可以提供效率增益。在測序的具體情況下，形成的工作流程 克服了目前的單片式DNA測序儀的問題，並滿足用戶進行較大基因組測序項目(該項目需要高通量)的需要，同時還適應中級實驗室的需要，所述中級實驗室進行較小但高度重複的或不同種類的設計、或只是較小的實驗。儀器I可以通過不同數量的模塊2應用，以進行一系列類型的分析，例如 人類基因組再測序/組裝 低覆蓋率甲基化或癌症重排 高度重複的短讀實驗，如基因表達。 利用小樣本或混合細胞群體進行的單分子分析。現將描述獲得效率的一些具體實例I)用戶設置包括10個模塊2的集群來從單個樣本測量DNA。用戶將實驗設置成使得將樣本的10個等分加入每個模塊2以提供必要的樣本材料，並在用戶選擇他的優選設置(例如完成的時間、數據質量等)之後開始實驗。一個模塊2具有有故障晶片並報告非常少的數據。用戶已要求在一定時間內完成實驗，因而集群中的其它9個模塊2增加它們的測序速率，經由溫度的自動操作來加速每個納米孔的處理速度，以便滿足所述目標。在沒有這種動態的重新調整的情況下，雖然實驗將在設定時間框架內完成，但將產生比用戶預期的少的數據，從而潛在地損害用戶的結果和總體實驗結果。2)在另一種情況下，用戶建立包括8個模塊2的集群以測量單個樣本，再使該單個樣本等分地通過8個模塊2。8個模塊2的4個報告非常低的數據質量並且其它4個不能補償，這是由於用戶所需要的預先規定的性能參數(例如測量結果的輸出和質量)。因而，有故障的模塊2終止它們的運行並經電子郵件報告操作員已做了什麼及原因，因而允許操作員或者能夠在有故障的模塊2內的相同晶片中用備用的樣本等分更新納米孔(這對於用戶來說時間或成本的損失最小)、或者立即裝入另一組的4個晶片(這將最小化時間的任何損失)。在此實例中，可以在運行的早期檢測出故障並可以在用於完成樣本的時間預算已流逝之前裝入其它晶片，從而挽救項目。相較之下，如果用戶在Illumina的基因組分析儀中進行相同實驗，並且它的8個「巷道」中的4個具有引起低數據質量生產的故障，則或者用戶僅可以及早終止整個實驗從而喪失到那個時間點之前通過所有巷道產生的所有數據、或者用戶可以允許完成該運行並且以和全功能實驗相同的成本和同樣的時間但僅以大約一半的預期量的高質量數據而告終。3)作為以上情況的繼續，可以發生另一種有利的情景。所考慮的用戶實驗室僅安裝有8個模塊2，並且4個有故障的模塊已被彈出。但另一個緊急項目正等待在系統上運行。於是操作員可以作出決策允許在其餘模塊2上用更多的時間來完成最初的項目，並儘可能權宜地使用4個空閒出的模塊2來處理所述等待的項目。因而，資源可以總體適應於實驗室的優先級。4)用戶期望對樣本、或樣本陣列進行實驗，並尋找在它們中的特定結果。因而用戶可以指定持續進行樣本或樣本陣列的實驗處理直到已觀測到特定數據(例如精確的DNA基序)一次、或特定次數。具體地，一旦已分析完整的數據集，數據可以被用作實驗的可能的 總體成功的標記或代表。例如，根據利用DNA片段的相同文庫的先前的測序運行，基因組的特定區域的一定水平的覆蓋率是已知的，以確保通過整個樣本的總覆蓋率(過採樣的程度)足以用於用戶所需要的研究。在模塊2的集群上，可以在模塊2上共享這樣的搜索，並且當已觀測到所需類型的足夠數據時，這可以用於設置參與模塊2中的一些或所有參與模塊的停止條件。在目前的DNA測序儀上，不能進行用於達到實驗結果的這種時間和成本的優化。5)為在預定高質量下分析DNA樣本，用戶已設定了模塊2的集群的要求。在實驗期間，模塊2收集比用戶所預期的更多數量的數據，但並不具有足夠高的質量。為了較快地達到所需要的質量目標，模塊2集體地調節它們的分析條件以改善數據質量，即使這是以通量為代價(給定數據數量已超過已經獲得的)。例如，通過降低操作溫度，DNA鹼基更慢地通過每個納米孔(平均而言)，因而使得每個鹼基有更多的分析時間，這改善了鹼基測量的質量，儘管對於每個納米孔來說數據的產率較慢。可替換地或平行地，根據信號噪聲分布和鹼基通過納米孔的速度，可以改變測量電流流過每個納米孔的速率、更快或更慢採樣，這可以改善數據質量的特定方面。6)在實驗期間，集群中的一個模塊2經歷了災難性的硬體故障，並被安全地關掉，且引起了實驗數據的損失(注意直到故障時間之前由模塊2產生的所有數據均是可用的並已被傳入專用的存儲區域)。在沒有用戶幹預的情況下，所有其餘模塊2作出響應增加它們的預期的實驗時間，以滿足用戶對所需要的數據輸出的預設需要。該系統還將自動向製造商發送信息以訂購一更換產品。對用戶的實驗和工作流程來說所發生的破壞最小。在盒2能夠處理多個樣本的情況下，如例如通過圖11所示的結構，可以滿足全局性能目標的實例如下I)在協作的集群中的節點上，在板100上正在處理樣本。用戶已指定需要一定量的數據。該樣本存在於另一板100上並也由另一個集群節點處理。如先前描述地協調模塊2。2)按照如I中所示的情形，但在這種情況下，在第二板100上的第二樣本具有較差質量。模塊2響應性能目標通過掃描內部存儲的「板-樣本」表，以查看是否在它的板100上存在樣本的另一種情況，假如這樣的話，該模塊於是重置它的閥以使用此樣本而不是耗盡的樣本，並繼續協調。3)在另一個實例中，10個模塊2正在處理樣本的相同板100並運行通過它們。用戶改變他/她的樣本中的還未被處理的一個樣本的優先級。集群的一些模塊2現在重置它們的閥來移動到上述樣本上，以便及時傳遞它的數據。集群的其餘模塊2繼續處理原始的樣本並通過改變溫度來加速它們的處理速率。4)在另一個實例中，模塊2的集群正在處理相同的板。在它們開始之前，它們設定它們的閥110以移動通過孔102，在孔處它們提取一點樣本並進行短期運行。通過這樣，然後它們一起預先計算產生自每個樣本(或孔102)的可能的數據質量和數量。然後，它們一起計算處理樣本的最佳順序，以便按照預設的優先級將所需質量和數量的數據傳遞到它們的各自的用戶。如果發現孔102是空的、或樣本的質量太差以致於不能滿足目標，則集群通知用戶需要製作新板並重新準備所述不完善樣本。一個關鍵的保證是模塊2獨立地和協同地決定足夠的並且有時預設的停止條件的能力。這可以確保既不會產生太少也不會產生太多的所需質量的數據。以這種方式，可以實現系統的完全佔用，並且在多餘的情況下不會產生「懈怠」數據。因此，為了調節輸出或質量中的任何缺陷，不需要進行額外的整體運行。這種一般方案允許通過整個測序工作流程來有效地傳送樣本和數據，從而優化通量、質量和成本。對於任何高端實驗室，相對於操作固定運行時間並具有固定數據產率(尤其是如果正如通常情況下那樣那些數據產率並不總是可預見的)的系統，這可以實現效率的若干倍的提高。應注意到，通過在每個模塊2內共享的特定的控制實施，能夠進行所有上述操作。還液壓注意到，可以獨立地運行模塊2，並且在一個模塊2上可以發生一些但並不是所有的上述情況。內部優化可以發生，但在幾個模塊2上的優化不能發生。現將更詳細地描述在實例(I)中的儀器的操作。在這種情況下，儀器I用於DNA測序。這是指檢測對應於鹼基G、C、A和T的至少4種可能的分析物。使用10個模塊2，並且給予它們相同樣本來處理。用戶要求，在I天內需要獲得12千兆(IO9)的數據，其中100%的所記錄的鹼基具有Q20或更高的質量評分(即，鹼基為不正確的機率小於1%)。已選擇數據的量和數據的質量，以確保當分析DNA樣本時，幾乎可以肯定的是用戶將能夠發現遺傳成分(例如他們正尋找的突變)。這些準則可以從先前的實際經驗獲得或者從一些模擬獲得。用戶具有位於適當位置中的至少10個模塊2，並知道在每個模塊2內嵌入式計算機51的網絡地址。用戶以適合於給定實驗的方式來準備他們的DNA樣本。如果這是對人類基因組進行測序，則他們可以利用適當的現成設備來隨機剪切DNA的樣本。基於可能的通量(每單位時間的數據)，用戶已決定為此樣本使用10個模塊2。將樣本引入被裝入模塊2中的10個盒10中。模塊2可以自動地讀取在每個盒10上的唯一地識別盒10的條碼或RFID，並存儲盒10的ID。模塊2識別集群中的其它模塊2，並發送握手信號且接收關於其它模塊2的基本信息。然後將此信息顯示在CTI中。在此實例中，用戶可以看到在此網絡上的20個模塊2，但僅對裝有盒10的且包含他的樣本的10個模塊感興趣。這些模塊經由GUI並通過名稱、地址、狀態、位置等(所有這些均按照底層全球資訊網服務歸類)來識別。以這種方式，任何模塊2均可以用於管理任何其它模塊2，而不需要其它計算機。因而，可以以線性可擴展的方式來連接、管理和運行任何任意數量的模塊2，而沒有通過網關系統工作的瓶頸。用戶現經由⑶I來對感興趣的10個模塊2進行尋址。⑶I元件允許分配名稱(例、如「人」)。相同的⑶I允許命令被尋址，僅此收集和對於從這些模塊2返回的任何數據被處理為聚集並且獨立地來自模塊2的任何其它集群。用戶還可以直接輸入關於所研究樣本的其它信息或者然後將整個過程連結於外部資料庫系統。經由⑶I，用戶現在告訴模塊2的「人」集群它們將被運行直到已收集12千兆的Q20+DNA序列數據。另外，模塊2被告知它們正運行相同樣本。每個模塊2的控制模塊80實施這些命令，存儲性能測量結果(諸如已收集了多少數據以及質量如何)。其它度量可用於不同的使用案例。這種控制模塊80實時地或近乎實時地監測模塊2的數據和狀態並且能夠作出決策。在這種情況下，控制模塊80已存儲以下事實它屬於稱作「人」的組，並且該組作為整體具有12Gb的Q20數據的協作目標。這可以簡單地在內部存儲為位於此過程的存儲器中的表以示出模塊2名稱、產生的數據、目標數據和質量等，或存儲在更為永久的 存儲介質上，如例如表I。表I :
權利要求
1.一種用於進行生化分析的模塊，所述模塊包括電子單元和可拆卸地可附接於所述電子單元的盒，其中 所述盒包括 傳感裝置，能夠支撐多個納米孔並且可操作以利用所述納米孔進行樣本的生化分析，所述傳感裝置包括通過每個納米孔的電極布置； 至少一個用於接收樣本的容器； 至少一個貯存器，用於容納用於進行所述生化分析的材料；以及 流體系統，被構造成將來自所述至少一個容器的樣本和來自所述至少一個貯存器的材料可控地供給到所述傳感裝置，並且 所述電子單元包括驅動電路和信號處理電路，所述電子單元被布置成當所述盒附接於 所述電子單元時所述電子單元連接於通過每個納米孔的所述電極布置，所述驅動電路被構造成產生用於進行所述生化分析的驅動信號，並且所述信號處理電路被布置成產生輸出數據，所述輸出數據表示根據從通過每個納米孔的所述電極布置產生的電信號的所述生化分析的結果。
2.一種用於進行生化分析的分析儀器，所述分析儀器包括多個模塊， 每個模塊包括可操作以進行樣本的生化分析的分析設備，所述模塊被布置成產生至少一個通道的輸出數據，所述輸出數據表示所述生化分析的結果，所述模塊的操作以改變其性能的方式是可控的， 所述分析儀器進一步包括控制系統，所述控制系統被布置成接受選擇任意數量的模塊作為集群來進行公共生化分析的輸入以及接受表示關於所述公共生化分析的全局性能目標的輸入，所述控制系統被布置成控制所述集群的所述模塊的操作以進行所述公共生化分析， 其中，所述控制系統被布置成在所述公共生化分析的進行期間至少進行一次根據由所述模塊產生的輸出數據確定每個模塊的性能測量結果，並且所述控制系統被布置成(a)基於所述全局性能目標和所有所述模塊的所確定的性能測量結果來改變所述集群的所述模塊的操作的控制，和/或被布置成(b)基於所有所述模塊的所確定的所述性能測量結果並響應於當前不可實現的全局性能目標來採取補救措施。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述模塊能夠連接於數據網絡以允許在所述網絡上連接在一起。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所述控制系統包括位於每個模塊中的控制單元，所述控制單元可操作以控制所述模塊的操作。
5.根據權利要求4所述的系統，其中，所述控制單元被布置成在所述數據網絡上為與其連接的計算機提供用戶界面，允許用戶對所述控制單元尋址以便提供所述選擇任意數量的模塊作為集群的輸入並且提供所述表示全局性能目標的輸入。
6.根據權利要求4或5所述的系統，其中，所述控制系統被布置成基於所述全局性能目標 來確定用於每個模塊的局部性能目標，並且每個模塊中的所述控制單元被布置成基於模塊的局部性能目標來控制該模塊的操作。
7.根據權利要求6所述的系統，其中，每個控制單元被布置成基於對於模塊所確定的性能測量結果來改變該模塊的操作的控制，從而滿足其局部性能目標。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述集群的所述模塊的各自的控制單元被布置成根據由它們的各自的模塊產生的所述輸出數據來確定關於它們的各自的模塊的所述性能測量結果。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的系統，其中，所述控制系統被布置成基於所述全局性能目標以及所確定的所 述性能測量結果來改變所述局部性能目標，以便改變所述集群的所述模塊的操作的控制。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述集群的所述模塊的各自的控制單元被布置成根據由它們的各自的模塊所產生的所述輸出數據來確定關於它們的各自的模塊的所述性能測量結果，並且被布置成在所述數據網絡上對所述性能測量結果進行通信。
11.根據權利要求10所述的系統，其中，所述集群的所述模塊中的至少一個模塊的所述控制單元被布置成基於在所述數據網絡上通信的所確定的所述性能測量結果來改變所述局部性能目標。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，所述集群的所有所述模塊的控制單元被布置成基於在所述數據網絡上通信的所確定的所述性能測量結果進行協作來改變所述局部性能目標。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，所述集群的所述模塊的所述控制單元被布置成基於對等網絡進行協作。
14.根據權利要求12或13所述的系統，其中，所述集群的每個模塊的所述控制單元被布置成基於在所述數據網絡上從所述集群的所述模塊的其它控制單元通信的所有所述模塊的所述性能測量結果來改變各自的模塊的所述局部性能目標。
15.根據權利要求11所述的系統，其中，所述模塊中的一個模塊或模塊子集的所述控制單元被布置成基於在所述數據網絡上從其它模塊的所述控制單元通信的所有所述模塊的所述性能測量結果來改變所述集群的所有所述模塊的所述局部性能目標，所述一個模塊或所述模塊子集的所述控制單元被布置成向所述集群的其它模塊的所述控制單元通信所改變的所述局部性能目標。
16.根據權利要求11所述的系統，其中，所述控制系統進一步包括連接於所述網絡的聯合控制單元， 所述聯合控制單元被布置成基於在所述數據網絡上從所述模塊的所述控制單元通信的所有所述模塊的所述性能測量結果來改變所述集群的所有所述模塊的所述局部性能目標，所述聯合控制單元被布置成向各自的所述控制單元通信所改變的所述局部性能目標，各自的所述控制單元被布置成以其響應來改變所述集群的所述模塊的操作的控制。
17.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，所述性能測量結果和所述全局性能目標表示以下中的至少一種 產生輸出數據的時間段； 產生的輸出數據的數量；或 產生的輸出數據的質量。
18.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，所述控制系統被布置成根據在所述公共生化分析期間由所述模塊重複產生的所述輸出數據來確定每個模塊的性能測量結果。
19.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，所述控制系統被布置成(a)基於所述全局性能目標和所有所述模塊的所確定的所述性能測量結果來改變所述集群的所述模塊的操作的控制，並且被布置成(b)基於所有所述模塊的所確定的所述性能測量結果並響應當前不可實現的所述全局性能目標來採取補救措施。
20.根據權利要求19所述的系統，其中，所述補救措施是增加進行所述公共生化分析的模塊的數量。
21.根據權利要求20所述的系統，其中，所述補救措施包括產生輸出以用於向用戶指示需要進一步的模塊來進行所述公共生化分析。
22.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，所述生化分析是對所述樣本中的分子的分析。
23.根據權利要求22所述的系統，其中，所述分子是多聚體。
24.根據權利要求23所述的系統，其中，所述多聚體是多核苷酸。
25.根據權利要求22所述的系統，其中，所述生化分析是對所述多核苷酸的測序，所述輸出數據包括表示所述多核苷酸的序列的輸出序列數據。
26.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，所述分析設備能夠支撐多個納米孔並且可操作以利用所述納米孔來進行樣本的生化分析。
27.根據權利要求26所述的系統，其中，所述分析設備包括電極，所述電極被布置成產 生通過每個納米孔的電信號，所述模塊包括信號處理電路，所述信號處理電路被布置成根據從所述電極產生的所述電信號來產生所述輸出數據。
28.根據權利要求27所述的系統，其中，所述控制系統被布置成通過改變以下中的至少一種來改變所述集群的所述模塊的操作 所述分析設備的溫度； 所述生化分析的電參數； 所述分析儀器的流體參數；或 所述輸出數據的採樣特徵。
29.根據權利要求26至28中任一項所述的系統，其中，所述信號處理電路被布置成根據通過每個納米孔的所述電信號來檢測在所述納米孔處發生的事件，並且產生表示那些事件的輸出數據。
30.一種用於進行生化分析的模塊，所述模塊在數據網絡上能夠連接於其它模塊， 所述模塊包括分析設備，所述分析設備可操作以進行樣本的生化分析，所述模塊被布置成產生表示所述生化分析的結果的至少一個通道的輸出數據，所述模塊的操作以改變其性能的方式是可控的； 所述模塊包括控制單元，所述控制單元可操作以控制所述模塊的操作，所述控制單元在所述數據網絡上是可尋址的，以提供選擇所述模塊作為集群的任意數量的模塊中的一個模塊來進行公共生化分析的輸入、並且提供表示關於所述公共生化分析的全局性能目標的輸入，所述控制單元被布置成基於對其響應來控制所述模塊的操作以進行所述公共生化分析， 所述控制單元被布置成在所述公共生化分析的進行期間至少進行一次根據由所述模塊產生的所述輸出數據確定所述模塊的性能測量結果、並且布置成在所述數據網絡上對所述性能測量結果進行通信，所述控制單元被布置成所述數據網絡上與所述集群的其它模塊的所述控制單元通信，以便(a)基於所述全局性能目標和所有所述模塊的所確定的所述性能測量結果來改變所述集群的所述模塊的操作的控制，和/或(b)基於所有所述模塊的所確定的所述性能測量結果並響應於當前不可實現的所述全局性能目標來採取補救措施。
31.一種操作用於進行生化分析的分析儀器的方法，所述儀器包括多個模塊，每個模塊包括可操作以進行樣本的生化分析的分析設備，所述模塊被布置成產生表示所述生化分析的結果的至少一個通道的輸出數據，所述模塊以改變其性能的方式是可控的， 所述方法包括 選擇任意數量的模塊作為集群以用於進行公共生化分析； 輸入關於所述公共生化分析的全局性能目標；、 控制所述集群的所述模塊的操作以進行所述公共生化分析；以及在所述公共生化分析的進行期間，至少進行一次根據由所述模塊產生的所述輸出數據確定每個模塊的性能測量結果，並且進行以下的一項或兩項(a)基於所述全局性能目標和所有所述模塊的所確定的所述性能測量結果來改變所述集群的所述模塊的操作的控制，和/或(b)基於所有所述模塊的所確定的所述性能測量結果並響應於當前不可實現的所述全局性能目標來採取補救措施。
32.一種用於進行生化分析的模塊，所述模塊包括 分析設備，所述分析設備能夠支撐多個納米孔並可操作以利用所述納米孔來進行樣本的生化分析，所述分析設備包括電極，所述電極被布置成產生通過每個納米孔的電信號；以及 信號處理電路，被布置成根據從所述電極產生的電信號來產生多個平行通道的輸出數據，所述輸出數據表示所述生化分析的結果， 所述模塊以改變其性能的方式是可控的，並且所述模塊進一步包括控制單元，所述控制單元可操作以基於性能目標來控制所述模塊的操作。
33.根據權利要求32所述的模塊，其中，所述控制單元被布置成在所述生化分析的進行期間至少進行一次確定所述生化分析的性能測量結果，並且被布置成基於所述性能測量結果來改變所述模塊的操作的控制以滿足所述性能目標。
34.根據權利要求33所述的模塊，其中，所述性能測量結果和所述性能目標是以下中的至少一種 產生輸出數據的時間段； 所產生的輸出數據的數量；或 所產生的輸出數據的質量。
35.根據權利要求32至34中任一項所述的模塊，所述控制單元被布置成通過控制以下中的至少一種來控制所述集群的所述模塊的操作 所述分析設備的溫度； 所述生化分析的電參數； 所述分析設備的流體參數；或 所述輸出數據的採樣特徵。
36.根據權利要求32至35所述的系統，其中，所述生化分析是對所述樣本中的分子的分析。
37.根據權利要求36所述的系統，其中，所述分子是多聚體。
38.根據權利要求37所述的系統，其中，所述多聚體是多核苷酸。
39.根據權利要求38所述的模塊，其中，所述生化分析是對所述樣本中的多核苷酸的測序，所述輸出數據包括表示所述多核苷酸的序列的輸出序列數據。
40.根據權利要求32至39中任一項所述的模塊，其中，所述信號處理電路被布置成根據通過每個納米孔的電信號來檢測在所述納米孔處發生的事件，以及產生表示那些事件的輸出數據。
41.根據權利要求32至40中任一項所述的模塊，其中，所述分析設備能夠形成雙親性膜並在所述分析設備中支撐所述多個納米孔。
42.根據權利要求32至41中任一項所述的系統，其中，所述控制單元被布置成確定所述生化分析的性能測量結果，並且被布置成在所述公共生化分析期間重複地基於所述性能測量結果來改變所述模塊的操作。
43.根據前述權利要求中任一項所述的系統，其中，所述分析設備以改變其性能的方式是可控的，並且所述控制單元可操作以控制所述分析設備的操作。
44.根據權利要求43所述的系統，其中，所述信號處理電路以改變其性能的方式是可控的，並且所述控制單元可操作以控制所述信號處理電路的操作。
45.根據權利要求32至44中任一項所述的系統，不包括以下情況 所述信號處理電路包括多個檢測通道，每個檢測通道能夠放大來自通過所述納米孔的中的一個的電信號，所述分析設備能夠支撐的納米孔的數量大於檢測通道的數量； 所述模塊包括開關裝置，所述開關裝置能夠選擇性地連接所述檢測通道以接收通過各自的納米孔的電信號；以及 所述控制單元被布置成通過控制所述開關裝置來改變所述集群的所述模塊的操作，從而基於從所述檢測通道輸出的放大電信號選擇性地將所述檢測通道連接於各自的具有可接受性能的傳感元件。
46.一種用於操作用於進行生化分析的模塊的方法，所述模塊包括分析設備，所述分析設備能夠支撐多個納米孔並且可操作以利用所述納米孔進行樣本的生化分析，所述分析設備包括被布置成產生通過每個納米孔的電信號的電極；以及信號處理電路，被布置成根據從所述電極產生的電信號產生多個通道的輸出數據，所述輸出數據表示所述生化分析的結果，所述方法包括 控制所述模塊的操作以進行生化分析，以及 在所述生化分析的進行期間至少進行一次確定所述生化分析的性能測量結果並基於所述性能測量結果來改變所述模塊的操作以滿足所述性能目標。
全文摘要
一種分析儀器包括在數據網絡上連接在一起的多個模塊，每個模塊包括可操作以進行樣本的生化分析的分析設備，每個模塊包括控制分析設備的操作的控制單元。控制單元是可尋址的以便選擇任意數量的模塊作為集群進行操作，從而進行公共生化分析。控制單元在公共生化分析的進行期間重複地在數據網絡上進行通信，以基於從由模塊產生的輸出數據獲得的性能的結果來確定為滿足全局性能目標所需要的每個模塊的分析設備的操作。當模塊以這種方式相互作用時儀器的布置提供可擴展的分析儀器。
文檔編號C12Q1/68GK102741430SQ201080062958
公開日2012年10月17日 申請日期2010年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者克萊夫·加文·布朗, 詹姆士·彼得·維爾科克斯 申請人:牛津楠路珀爾科技有限公司