用於分析和識別分子的方法與裝置的製作方法

2023-04-25 19:17:56

專利名稱：用於分析和識別分子的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及分析和識別分子，尤其涉及提供實時的、可攜式的、基於納米孔 (nanopore)的分子分析裝置。
背景技術：
核酸、脫氧核糖核酸(DNA)和/或核糖核酸(RNA)是存在的，並且在每個活體有機體中都具有唯一的序列。其自然地將其自己作為各種生物主體(bioagent)的決定性標識。因此，對核酸、DNA和/或RNA的分析(這裡其被概括地稱為基因分析)在研究活體有機體方面是非常有用的。然而，當前商業可用的核酸測序技術(諸如微陣列、焦磷酸基因測序(pyrosequencing)、通過綜合的測序和通過結紮的測序)在各種方面都是非常受限制的。例如，這些技術中的一些或全部不能執行實時分析，需要長的樣本核酸放大過程和協議(諸如聚合酶鏈反應)，具有長的周轉時間(通常要花費幾天到幾周的時間來分析小片段的樣本核酸)，具有高的運營成本(其中一些使用昂貴的化學試劑)，具有高的假陽性 (false-positive)誤差率並且是非便攜性的。由於當前核酸測序技術的上述局限性，工作在該領域中的人們(諸如醫工、安全人員、科學家等)不能在本地執行現場基因分析。相反地，現場工作人員不得不收集並輸送樣本到專門實驗室來進行幾天甚至幾周的分析，以識別存在於樣本中的核酸。這種長而乏味的過程很難滿足當今基因分析的需求，尤其是在流行病爆發期間(諸如英國的口蹄疫流行病、亞洲的嚴重急性呼吸道症候群(SARS)和最近在墨西哥和美國的Hmi流感(也通常被稱為豬流感)。通過使用當前的核酸測序技術，官方很難形成迅速且有根據的決定(如果不是不可能的)，而這將對社會產生巨大的安全和經濟影響。為了應對當前核酸測序技術的缺點，科學家已經開發了各種基於納米孔的測序技術。近來，牛灃大學的Hagan Bayley教授和他的同事在生物納米孔試驗中證明通過使用α-溶血素能夠實現精度為99.8%的長讀取(long read)。基於已建立的檢測速度， 256X256個納米孔的陣列通常足夠用於在大約30分鐘內分析整個的人類基因組。如果人們能夠成功實現生物納米孔陣列，則這將是具有轉折意義的成功。然而，生物納米孔的一個缺點是在形成生物納米孔中使用的蛋白質和酶的壽命相對短，其典型地為幾小時到幾天。固態納米孔是對生物納米孔的更穩健的替代，因為在構建固態納米孔時不涉及生物試劑。然而，在半導體工業中採用的傳統光刻技術不能定義基於固態納米孔的測序技術所需的2nm的特徵尺寸。迄今為止，已經使用不同的製造技術(例如，電子/離子銑削)來順序地一次切割納米孔。但是這些技術不能調整(sacle)來以不太昂貴的成本和合理的生產時間產生256X256的陣列。


在附圖中通過示例而非限制的方式示出了本發明，其中圖1示出了基於納米孔的測序器(sequencer)和相關的基於納米孔的測序生物晶片的一個實施方式；圖2A示出了在基於納米孔的核酸測序的檢測和分析期間分子的易位過程的一個實施方式；圖2B示出了與空孔的背景信號相比核酸序列的示例性電讀出；圖3示出了在用於刻蝕和澱積兩者的納米縮放儀中使用中的單透鏡的一個實施方式的側視圖和俯視圖；圖4A-4E示出了用於製造納米孔和/或納米孔陣列的減去法(subtractive method)的一個實施方式；圖5A-5I示出了用於製造納米孔和/或納米孔陣列的添加法(additive method) 的一個實施方式；圖6示出了納米環的一個實施方式和納米隙縫的一個實施方式；圖7示出了用於形成測量腔室的底部空腔的鍵合的納米孔陣列晶圓和集成電路晶圓的一個實施方式；圖8示出了用於形成測量腔室的頂部空腔的鍵合的頂部晶圓和複合晶圓的一個實施方式；圖9示出了能夠用基於納米孔的測序器操作的電壓偏置方案和電流感測電路的一個實施方式；圖IOA示出了基於納米孔的測序器的一個實施方式；圖IOB示出了多測量腔室的一個實施方式；圖11示出了基於納米孔的測序器的一個實施方式的沿著從樣本入口、沿著微流體通道和納米流體通道、通過測量腔室之後到達樣本出口的選定路徑的截面圖；圖12示出了具有嵌入電極的三層生物晶片結構的一個實施方式；圖13A示出了用於納米孔檢測的偏置和感測方案的一個實施方式；圖13B示出了平面電極實現方式的一個實施方式；圖13C示出了平面電極實現方式中的感測電極和納米隙縫的一個實施方式的俯視圖；圖14示出了基於納米孔的測序器的一個實施方式的高級硬體結構；以及圖15示出了用於基於納米孔的測序器的一個實施方式中的作業系統和基因分析軟體的軟體和相關硬體部件的高級結構。
具體實施例方式在下面的描述中，闡述了諸如特定部件、設備、方法等的示例的若干特定細節，以便提供對本發明實施方式的透徹理解。然而，對本領域技術人員顯而易見的是，不需要採用這些特定細節並以實踐本發明的實施方式。在其他實例中，沒有詳細描述眾所周知的材料或方法，以避免不必要地模糊本發明的實施方式。
下面描述用於執行分子(諸如核酸、胺基酸、縮氨酸、蛋白質和酶)和納米尺寸的粒子(諸如碳納米管、矽納米杆和塗覆/未塗覆的金納米粒)的分析和識別的裝置和方法的各種實施方式。注意，下面的討論集中於分子分析(即基因分析)的一個示例，以便說明思想。本領域技術人員將容易地意識到本文公開的技術能夠應用於分析和識別一般的分子。在一個實施方式中，基於納米孔的測序器是可攜式基因分析系統。圖1示出了可攜式基於納米孔的測序器Iio和關聯的基於納米孔的測序生物晶片120的一個實施方式。在檢測和分析期間，待測樣本中的分子在溶液中被電泳地驅動穿過納米級的孔(也稱為納米孔)， 如圖2A所示。在一些實施方式中，納米孔的尺寸大約2nm。注意，納米孔的尺寸在不同的實施方式中可以改變。例如，納米孔在一些實施方式中具有固定的相同尺寸。在一些可替換實施方式中，納米孔具有不同的尺寸。另外，在同一實施方式或者不同實施方式中，納米孔的形狀也可以改變，諸如圓形、橢圓形、拉長隙縫等。依賴於納米孔所限定的空間中的分子的相對尺寸和移動速度，各種電學特性(諸如由圖2B所表示的具有不同幅度和持續時間的電流脈衝)能夠被觀察並用於識別分子。結果，能夠在不破壞待測分子的情況下實現對核酸序列的直接讀取。換言之，能夠對核酸序列進行測量，同時保持核酸序列的完整。在不具有基本限制的情況下，可以利用多個製造技術來大量生產納米孔陣列，該納米孔陣列在一些實施方式中包括具有大於2nm的孔的陣列。一些示例性製造技術的細節將在下面進行詳細描述，以說明該思想。本領域技術人員將意識到，也可以採用其他兼容的製造技術或這些技術的變形方式來生產納米孔陣列。通過併入微流體/納米流體通道的網絡，基於納米孔的測序器能夠以前所未有的速度和在沒有人類幹預的情況下精確地破譯基因組。除了基因分析中的小的波形因數(form-factor)和速度，基於納米孔的測序器的一些實施方式還提供下述其他優點。其中一個優點是能夠容易地提供對生物主體中的任何變異的進一步證明。這是有可能的，因為基於納米孔的測序技術是一種直接讀取技術，它的結果不需要待測基因組的之前信息。另外，基於納米孔的測序器的一些實施方式能夠在極端情況和不明環境中進行操作，因為總是能夠保證納米孔的無菌狀態和潔淨，因為在整個分析過程期間，納米孔總是被封閉在基於納米孔的測序生物晶片內並且沒有被暴露給任何不期望的外來物質。作為手持可攜式設備，基於納米孔的測序器的一些實施方式能夠加速許多不同的工業和科學的進步。例如，在商業和研究與開發中，基於納米孔的測序器的一些實施方式在基本研究、藥物基因組學、細菌診斷、病原體檢測、農業、食品工業、生物燃料等方面是有用的。作為進一步的示例，基於納米孔的測序器的一些實施方式在快速DNA辯論學、進口港生物篩分等方面是有用的。用於基於納米孔的測序的納米孔陣列在20世紀70年代，基於庫爾特計數器的電阻脈衝技術，DeBlois和他的同事成功地證明在通過粒子尺寸和電泳淌度來表徵粒子時使用單個亞微米直徑的孔。之後，Deamer 提出將納米尺寸的孔用於基因測序的思想。他和他的同事證明，單鏈DNA(ssDNA)和RNA分子能夠被驅動通過成孔蛋白質並能夠通過它們對通過該納米孔的離子電流的影響而得到檢測。假定最近被證明的高測序速度，基於納米孔的測序的進展因缺乏廉價且並行寫入的製造過程來創建用於快速基因分析的納米孔大陣列而在很大程度上受到限制。許多常規的光刻方法(例如電子銑削、離子銑削和矽回蝕)不是用於製造實時基因分析所需的納米孔陣列的切實可行的方式。直到近來，休斯頓大學的Donnelly和他的同事研發了納米縮放儀的一些實施方式，這些實施方式能夠大量產生2nm的納米孔陣列，而不會受到太多的限制。 根據他們的模擬結果，納米縮放儀能夠定義具有像Inm那樣小的尺寸的孔或點。通過併入微流體/納米流體技術，納米縮放儀展現了實現實時或接近實時基因分析系統的可能性。在納米縮放儀中，寬的、準直的、單能離子束被指向製造在導電襯底(例如，摻矽 (Si)的晶圓)上的亞微米直徑靜電透鏡(也稱為單透鏡，如圖3所示)陣列。通過將適當的電壓施加到透鏡電極上，進入透鏡的「細光束(beamlet)」聚焦到能夠比透鏡的直徑小100 倍的點上。這意味著可以由IOOnm的透鏡來定義Inm的特徵，這能夠通過在當前的半導體處理中使用的光刻技術來處理。而且，每個透鏡都將其自己的納米特徵寫在襯底上，因此納米縮放儀是並行寫入過程，其與聚焦的電子束或離子束的順序寫是非常不同的。由於透鏡陣列是襯底的一部分，所以該方法實質上(substantially)不受振動或熱膨脹導致的未對準的影響。納米特徵的尺寸由預定義的透鏡的尺寸控制，這些預定義透鏡的直徑可以相同或不同，即相同或不同的納米特徵陣列能夠被實質上同時處理。在存在Cl2氣體的情況下具有Ar+束，得到了直徑為lOnm、深度為IOOnm的刻蝕Si孔。刻蝕可以僅出現在這樣的孔中，即電壓被施加到上金屬層以便離子細光束被聚焦。其餘的孔將不具有被施加到上金屬層的電壓，細光束將不被聚焦，並且電流密度將太小而不能導致任何明顯的刻蝕。通過採用納米縮放儀，存在著兩種方法，即減去法和添加法，來製造用於基因分析的納米孔。下面將首先討論直接刻蝕方法的一個實施方式，之後討論間接刻蝕方法的一個實施方式。A、用於製造納米孔和/或納米孔陣列的減去法的一個實施方式圖4A-4E示出了用於製造納米孔和/或納米孔陣列的減去法的一個實施方式。參照圖4A，氮化物420被澱積到Si(矽)(100)晶圓410上。在圖4B中，澱積底部導電材料 422(摻矽或金屬)，隨後是介電分離器(spacer)似4和上金屬層426。之後，限定多個單透鏡。參照圖4C，對導電材料422執行納米縮放刻蝕以限定納米孔430，該納米孔430被用作氮化物層420中的納米孔刻蝕的硬掩膜。在圖4D中，移除單透鏡。之後，將氧化物435塗覆到納米孔430上以進行保護。最後，在圖4E中，通過對矽襯底410的背部進行化學機械拋光(CMP)、光刻技術和氫氧化物(KOH)刻蝕來形成測量腔室的底部空腔440。氧化物層435 之後被移除以露出納米孔430。B、用於製造納米孔和/或納米孔陣列的添加法的一個實施方式圖5A-5I示出了用於製造納米孔和/或納米孔陣列的添加法的一個實施方式。參照圖5A，氮化物520被澱積到Si (100)晶圓510上。在圖5B中，澱積底部導電材料522 (摻矽或金屬)、介電分離器5M和上金屬層526。之後，限定單透鏡。在圖5C中，澱積用於納米杆或納米管生長的納米種子530。在圖5D中，形成納米杆或納米管535。在圖5E中，澱積氧化物討0。在圖5F中，去除納米杆或納米管535。剩餘的氧化物納米孔550被用作用於導電層或氮化物層的硬掩膜。在圖5G中，將圖案從氧化物層540轉移到導電層522上， 之後轉移到氮化物層520。在圖5H中，移除單透鏡，之後移除氧化物層M0。納米孔被塗覆用於保護的氧化物552。最後，在圖51中，通過在矽襯底510的背部上進行CMP、光刻技術和KOH刻蝕來形成測量腔室的底部空腔560。氧化物層552之後被移除以露出納米孔565。
圖6示出了在本發明的一些實施方式中使用的納米隙縫的一個實施方式和納米環的一個實施方式。拉長的納米尺寸的納米隙縫610和納米環620可以由具有單透鏡的減去法的一些實施方式(其在上面已經討論)限定，其中開口分別為矩形和半圓形，如圖6所示。基於本文做出的公開，本領域技術人員應當意識到，能夠通過使用類似的圖案化技術來定義任何二維形狀。由於在一些實施方式中在整個過程中晶圓載物臺實質上是靜止的，所以該非圓形圖案化方法解決了傾斜晶圓載物臺的常規方法所面臨的至少三個主要技術問題。首先，不需要精確控制晶圓載物臺的傾斜角度和速度。其次，其總體上克服了將晶圓相對於離子的入射束進行傾斜而引入的線路加寬效應和線路寬度非均勻性。第三，其允許在大約同時定義圖案的不同形狀和尺寸。基於納米孔的測序牛物晶片在用減去法或者添加法形成了納米孔陣列之後，納米孔陣列晶圓750可以被鍵合到具有預製造的集成電路720和微流體通道730的晶圓上，如圖7所示。這完成了測量腔室的底部空腔的形成。如果期望的話，可以通過底部晶圓上的微流體通道將核酸樣本從生物晶片中提取出來。類似地，在一些實施方式中，通過將具有集成電路820和/或流體通道830的頂部晶圓810鍵合到複合晶圓上來形成測量腔室的頂部空腔，該複合晶圓包括鍵合的納米孔晶圓840和底部晶圓850。該三層晶圓結構800在圖8中示出。電壓偏置方案910和關聯的電流感測電路920的一個實施方式如圖9所示。通過採用恰當的流體I/O連接，諸如具有最小死體的那些，該三層複合晶圓800之後被安裝到支撐框架上以進行引線鍵合或柵鈴 (bell grid)引線鍵合。典型的封裝技術(例如環氧封裝和陶瓷封裝)能夠用於封閉整個組件來形成基於納米孔的測序生物晶片。可替換地，集成電路(諸如與感測和偏置關聯的那些集成電路)可以製造在納米孔晶圓840上，該納米孔晶圓840可以被鍵合到空白襯底上而非其上具有集成電路的另一晶圓。另外，在一些實施方式中，存在著嵌入到頂部晶圓810上的兩個或更多個特徵，即沿著微流體通道1010的樣本引導電極1015和通向測量腔室1030的納米流體通道1013，如圖IOA和11所示。為了進一步說明通過基於納米孔的測序生物晶片的樣本流，下面將詳細討論一個示例。緩衝器入口 1025和緩衝器出口 1027用於在裝入用於檢測的樣本之前預溼和預填充微流體通道1010、納米流體通道1013和測量腔室1030的網絡。在檢測期間，微流體通道中的流體流能夠通過使用晶片上或晶片外的微泵或微閥門通過緩衝器入口和出口的流速率進行調節。在一個示例中，單鏈核酸分子的磷酸鹽-去氧核醣主鏈(baclcbone)被充電有用於每個基本片段的負電荷，並且在該分子的5'末端處存在著兩個負電荷。沿著從接收容器 1020通過樣本入口連接器1023到達目標測量腔室1030的樣本引導電極鏈1015的正電壓脈動能夠從接收容器1020中提取核酸分子，並將該分子遞送給預分配的測量腔室1030。類似地，樣本引導電極1017也被沿著微流體通道1010嵌入到底部晶圓上，以用於以類似方式從基於納米孔的測序生物晶片中提取樣本。通過使用沿著流體通道網絡的樣本引導電極的類似方案，人們能夠將測量腔室 1040的數量擴展到不止一個。以樹形結構布置的測量腔室的一個示例如圖IOB所示。除了用於執行多個獨立分析的能力之外，DNA片段被從樣本接收容器1020中提取時的順序在一些實施方式中被預分配給每個測量腔室。如圖IOB所示，測量腔室1040用2個十進位數標記。第一個十進位數表示分支編號而第二個十進位數表示分支中測量腔室的位置。測量腔室1040的分配順序可以簡單地以升序順序，即首先使用具有最低編號的腔室之後是具有下一較高編號的腔室。這樣，在移動到下一分支之前能夠使用分支中的所有測量腔室。可替換地，在當前示例中，樣本可以被分配給每個分支中具有最低編號的腔室，其中最低的分支編號被首先使用，即11、21、31、41，之後是12、22、32、42等。根據該分配方法，每個分支的與中心微流體通道具有最遠距離的測量腔室可以被首先分配，之後是每個分支的下一測量腔室。該方法可以降低中心微流體通道中的樣本引導電極的電信號對測量到的信號的幹擾。 當整個測量完成時，能夠根據片段的提取順序來對整個DNA樣本的序列進行系統地彙編。 這可以消除其他傳統測序技術(諸如微陣列，其中，雜交過程將樣本的原始序列隨機化，並且需要計算加強和易錯後檢測分析來修補後恰當的序列)所需要的費時的後檢測分析。另外，由於片段的提取順序被記錄，所以能夠重新組合這些片段來形成原始的DNA樣本。對於其他常規測序技術，原始樣本通常被損壞並且不能被恢復以供後續使用。返回參照圖10A，通過頂部晶圓和複合晶圓的晶圓鍵合形成的納米流體通道1013 可以用作濾波器、樣本流速率控制器以及分子拉伸器(stretcher)。在一些實施方式中，納米流體通道通過開啟和關閉頂部晶圓上的頂部電極而用作濾波器，人們能夠選擇性地從微流體通道中拉(pull)入樣本。在一些實施方式中，納米流體通道通過調節頂部電極和底部電極的電壓而用作樣本流速率控制器，人們能夠控制通過納米流體通道的樣本的流速率。 納米流體通道1013還可以用作分子拉伸器，因為單鏈核酸分子1101在通過納米流體通道 1013時會被從自然的彎曲狀態拉伸，如圖11所示。在一些實施方式中，利用納米流體通道的速度控制特性來允許更準確地分析分子。如圖12所示，感測電極1205被嵌入納米孔1225中，在控制通過納米孔1225的分子流時其成為微通道/納米通道網絡的主要部分。除了納米流體通道，所施加的DC電壓還被設計成在通過納米孔1225改變位置時微調分子的速度和方向。通過交替分別施加到頂部驅動電極1230和底部驅動電極1235的DC偏置電壓的幅度以及嵌入的感測電極1205，待測分子能夠被通過納米孔1225來回拖動多次以進行反覆分析，以便通過消除統計誤差來增加識別分子的精度，即能夠降低假陽性誤差率。不同於一些常規方法(其中，感測電極被集成到納米孔中)，DNA中的每個基部或許僅花費幾納米就能通過納米孔。該渡越時間對於任何有意義的測量而言都是太短了。鑑於該缺點，已經開發了其他常規方法來減慢分子通過納米孔的移動。一個常規方法提出用於通過向納米孔中嵌入額外電極來控制分子的速度的電壓誘捕方案。所提出的電壓誘捕方案很難實現，因為其需要在彼此頂部堆疊並且通過在導電電極之間夾入介電材料而彼此電絕緣的四個或更多個導電電極。形成在該多層膜上的所要求的2-3nm的納米孔可以具有大於30 1的縱橫比，即使不是不能實現，這也是用當前的集成電路製造技術很難實現的。如圖13A所示，所施加的AC感測電壓1310用於在分子通過納米孔1325改變位置時詢問分子。因此，能夠採用各種感測機制來識別分子，例如，電阻變化、電容變化、相位變化和/或隧道電流。由於嵌入的感測電極1305與待測分子的緊密接近，所以能夠改善信噪比。
上面的示例性樣本遞送和濾波機製作為用於說明納米孔測量腔室陣列如何被實現的示例。本領域技術人員將意識到，在不同的實施方式中可以採用上面的遞送和濾波機制的變形。另外，可以通過使用所示出的方法來實現具有不同尺寸的孔的陣列。將蛋白質孔(諸如α-溶血素)與上面提到的固態納米孔陣列連同在一起也能夠實現生物納米孔陣列。在一些實施方式中，兩個感測電極都可以被布置到同一導電層上，來替代上面描述的位於不同導電層上的堆疊電極。圖13Β示出了平面電極實現方式的一個實施方式。在該平面電極實現方式中，兩個感測電極1307都布置在同一導電層上，其中納米隙縫1327限定在感測電極1307之間。感測電極1307和納米隙縫1327的俯視圖如圖13C所示。如上所述，納米孔和納米隙縫都使用納米縮放儀來定義。在一些實施方式中，用於實質上實時執行分子檢測的能力、用於執行單個分子檢測而不需要預檢測樣本放大的能力、用於執行多個且實質上同時的檢測的能力、用於進行多通道檢測的能力、用於識別樣本而不要計算加強後檢測分析的能力和/或用於在檢測之後保留樣本供後續使用的能力在提供低成本、快速且準確的基因分析方面(例如，在識別單個核苷酸多態性方面)是非常關鍵的。基於納米孔的測序器基於納米孔的測序器提供了可攜式基因檢測和分析系統。在一些實施方式中，基於納米孔的測序器包括兩個主要部件，即硬體和軟體。下面討論高級架構和子單元的一些實施方式。A、硬體系統在一些實施方式中，基於納米孔的測序器的硬體系統包括兩個主要單元，即計算、 通信和控制單元和基於納米孔的測序生物晶片接口單元，以及各種模塊。高級架構的一個實施方式如圖14所示。下面將進一步解釋各種元件的細節。I、計算、通信和控制單元在一個實施方式中，硬體系統1400包括具有顯示設備的可攜式計算系統1410。這可以通過使用圖形輸入板、可攜式電腦、上網本、一體化臺式計算機、智慧型電話、個人數字助理(PDA)或任何手持計算設備等來實現。其用作用於運行作業系統(OS)、執行數據分析軟體、存儲數據、控制基於納米孔的測序生物晶片的操作以及從基於納米孔的測序生物晶片收集數據的中央單元。在一個實施方式中，硬體系統1400進一步包括網絡通信模塊1420。網絡通信模塊 1420包括WiFi、WiMAX、乙太網、藍牙、電話能力、衛星鏈路和全球定位系統(GPQ等中的一者或多者。網絡通信模塊1420用作通信集線器，該通信集線器用於與用於數據共享、程序更新、數據分析等的中央計算系統進行通信，用於與其他計算設備進行通信以便數據能夠被共享以及能夠在多個計算設備中並行地運行數據分析，用於與其他藍牙使能的設備(例如，蜂窩電話、印表機等)、數據共享、程序更新等進行通信，以及用於發送並接收GPS信號。在一個實施方式中，硬體系統1400還包括輸入設備1430。輸入設備1430可以包括鍵盤、觸控螢幕、滑鼠、跟蹤球、紅外(IR)定點設備和語音設備設備等中的一者或多者。輸入設備1430用作用於命令輸入和數據輸入的人機接口。在一個實施方式中，硬體設備1400還包括輸入/輸出埠 1440，其可以包括快閃記憶體卡接口、IEEE 1394接口和通用串行總線(USB)接口等。I/O埠 1440用作與其他電子設備的串行接口、次級數據存儲接口以及用於基於納米孔的測序生物晶片的測量數據I/O。11、基於納米孔的測序生物晶片接口單元在一些實施方式中，基於納米孔的測序(r^eq)生物晶片接口單元1450耦合到 nSeq電子模塊1460、流體控制模塊1470、化學存儲和流體I/O連接模塊1480以及nSeq流體控制和樣本I/O連接模塊1490。r^eq電子模塊1460控制核酸模塊的分布，控制納米流體通道的流速率，收集測量數據以及向計算、通信和控制單元輸出數據。在一些實施方式中，流體控制模塊1470經由緩衝器入口 /出口連接器和片上或片外微泵和微閥門的使用來控制化學存儲和nSeq生物晶片之間的流體流。化學存儲和流體 I/O連接模塊1480能夠在需要時向nSeq生物晶片供應化學藥品，並且還能夠用作化學和/ 或生物廢品存儲器。nSeq流體控制和樣本I/O連接模塊1490能夠控制nSeq生物晶片中的流體和樣本流，以及控制nSeq生物晶片的樣本入口和出口。例如，返回參照圖10B，如果人們希望在測量腔室#11處執行檢測，則用於分支#1的緩衝器出口將被打開，而所有的其他緩衝器出口都被關閉。結果，流體將從樣本入口流向分支#1，並且與沿著微流體通道的樣本引導電極同步工作來向測量腔室#11提供樣本。B、軟體架構圖15示出了用於基於納米孔的測序器的一個實施方式中的作業系統和基因分析軟體的軟體和相關硬體部件的高級結構。所示出的軟體架構中的各種邏輯處理模塊可以由用於執行嵌入在計算機可讀介質中的指令的處理設備(諸如圖14中的可攜式計算系統 1410)來實現。計算機可讀介質包括用於提供(即，存儲和/或傳送)計算機(例如，伺服器、個人計算機、網絡設備、個人數字助理、製造工具、具有一個或多個處理器組的任何設備等)可訪問形式的信息的任何機構。例如，計算機可讀介質包括可記錄/不可記錄媒體(例如，只讀存儲器(ROM)；隨機存取存儲器(RAM)；磁碟存儲媒體；光存儲媒體；快閃記憶體設備等)寸。如上面提到的，作業系統1510被安裝在計算、通信和控制單元中。作業系統1510 可以包括Windows、Linux或者適用於計算設備的任何作業系統。除了安裝在計算、通信和控制單元中的作業系統1510之外，基因分析軟體還包括五個處理模塊，即圖形用戶接口 (⑶I) 1520、數據觀察器1530、基因數據分析器接口巧40、基因數據分析器1550和基因資料庫1560。作業系統1510、上面的處理模塊1520-1560和其他硬體部件之間的交互的一些實施方式將在下面參照圖15進行討論。在一些實施方式中，基因數據分析器接口 1540用作基因分析軟體架構中的數據流控制單元。在從輸入設備獲得了命令和/或輸入數據之後，作業系統1510通過基因數據分析器接口 1540將該信息傳送給基因數據分析器1550。基因數據分析器1550之後相應地進行動作。通過採用恰當的命令(例如，GET、ADD等)，基因數據分析器接口 1540控制I/ 0埠 1570與基因資料庫1560之間的數據流，從而存儲在資料庫1560中的數據能夠被發送出去或更新。類似地，分析器軟體能夠經由I/O埠 1570和/或輸入設備1580被周期性地更新。基因數據分析器接口 1540還耦合到nSeq生物晶片接口 1590，以監控nSeq生物晶片。nSeq生物晶片的狀態被監控並經由分析器接口 1540在顯示單元(諸如圖14中的可攜式計算系統1410的顯示設備)中被顯示。基因數據分析器接口 1540還從基因數據分析器1550獲取結果，並將它們在顯示單元中顯示。
在一些實施方式中，基因數據分析器1550是基因分析軟體的主要數據分析單元。 其從nSeq生物晶片獲取測量結果，執行分析並之後將這些結果與存儲在資料庫1560中的數據進行比較以識別生物主體。分析結果能夠在顯示單元中被顯示，並存儲在資料庫1560 中供後續參考。基因資料庫1560是用於存儲現有的生物主體和新發現的核酸序列的數據儲藏室。數據觀察器1530包括從其他單元中的一些或所有單元中獲取數據和信息的軟體例程， 並將他們在顯示識別上進行顯示。因此，已經描述了用於分子的可攜式實時分析和識別的方法和裝置。根據前面的描述顯而易見的是，本發明的各個方面可以至少部分地在軟體中得到體現。也就是說，可在計算機系統或其它數據處理系統中響應於其處理器執行存儲器中包含的指令序列來實現所述技術。在各種實施方式中，可以將硬連線電路與軟體指令結合使用來實施本發明。因此，所述技術並不局限於硬體電路和軟體的任何具體組合或局限於由數據處理系統執行的指令的任何特定源。另外，在整個說明書中，將各種功能和操作描述為由軟體代碼執行或導致，以簡化描述。然而，本領域技術人員應當意識到，這種表述的意思是，所述功能是由處理器或控制器對代碼的執行引起的。應當意識到，整個說明書中提及的「一個實施方式」或「實施方式」意味著結合該實施方式描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個實施方式中。因此，應當強調或者應當意識到，在本說明書的各個部分中，對「一些實施方式」或「一個實施方式」或「可替代實施方式」的兩次或更多次提及並非必須都參考同一實施方式。另外，特定的特徵、結構或特性可以被組合為適用於本發明的一個或多個實施方式。另外，雖然已經就幾個實施方式描述了本發明，但是本領域技術人員將意識到，本發明並不局限於所描述的實施方式。 本發明的實施方式能夠用位於所附權利要求的範圍內的修改和替換來實踐。因此，說明書和附圖應當被認為是說明性的而非用於限制本發明。
權利要求
1.一種可攜式分子分析器，該可攜式分子分析器包括樣本輸入/輸出連接器，用於接收樣本；基於納米孔的測序晶片，包括多個納米孔，用於實質上實時地測量所述樣本的一個或多個電特性；以及可攜式計算系統，用於實質上實時地對來自所述基於納米孔的測序晶片的測量數據執行分析。
2.根據權利要求1所述的可攜式分子分析器，其中，所述基於納米孔的測序晶片測量所述樣本的所述一個或多個電特性，同時保持所述樣本中的分子實質上不受損傷。
3.根據權利要求1所述的可攜式分子分析器，該可攜式分子分析器還包括基於納米孔的測序電子控制模塊，用於控制通過所述基於納米孔的測序晶片的所述多個納米孔的所述樣本的流速率，以及用於將來自所述基於納米孔的測序晶片的測量數據發送給所述可攜式計算系統。
4.根據權利要求3所述的可攜式分子分析器，其中，所述基於納米孔的測序電子控制模塊可操作用於調節施加到所述基於納米孔的測序晶片上的多個驅動電極的電壓，以控制所述樣本中的分子流過所述多個納米孔的速度。
5.根據權利要求3所述的可攜式分子分析器，其中，所述基於納米孔的測序電子控制模塊可操作用於將一組可調節電壓施加到所述基於納米孔的測序晶片上的多個驅動電極上，以促使所述樣本中的分子多次通過所述多個納米孔中的其中一個納米孔。
6.根據權利要求1所述的可攜式分子分析器，其中，所述一個或多個電特性包括電阻、 電容、隧道電流和相位中的至少一者。
7.一種基於納米孔的測序晶片，該基於納米孔的測序晶片包括納米孔陣列晶圓，用於定義多個納米孔；頂部晶圓，鍵合到所述納米孔陣列晶圓的頂部；以及底部晶圓，鍵合到所述納米孔陣列晶圓的底部，其中所述頂部晶圓和所述納米孔陣列晶圓一起限定一個或多個納米流體通道，並且所述底部晶圓和所述納米孔陣列晶圓一起限定一個或多個微流體通道。
8.根據權利要求7所述的基於納米孔的測序晶片，其中，所述多個納米孔中的每一個納米孔具有固定的相同尺寸。
9.根據權利要求7所述的基於納米孔的測序晶片，該基於納米孔的測序晶片還包括耦合到所述頂部晶圓的底部的頂部驅動電極；製造在所述頂部晶圓上的第一組感測和偏置電路，其中所述頂部驅動電極電耦合到所述第一組感測和偏置電路；耦合到所述底部晶圓的頂部的底部驅動電極；以及製造在所述底部晶圓上的第二組感測和偏置電路，其中所述底部驅動電極電耦合到所述第二組感測和偏置電路。
10.根據權利要求8所述的基於納米孔的測序晶片，該基於納米孔的測序晶片還包括嵌入所述納米孔陣列晶圓中的第二頂部驅動電極；以及嵌入所述納米孔陣列晶圓中的第二底部驅動電極。
11.根據權利要求8所述的基於納米孔的測序晶片，該基於納米孔的測序晶片還包括嵌入所述納米孔陣列晶圓中的多個感測電極，所述多個感測電極中的每個感測電極鄰接所述多個納米孔中的其中一個納米孔。
12.一種製造可在可攜式分子分析器中使用的基於納米孔的測序晶片的方法，該方法包括將納米縮放刻蝕施加至澱積到納米孔陣列晶圓的矽襯底上的導電材料層，以在所述納米孔陣列晶圓上限定多個納米孔；將所述納米孔陣列晶圓鍵合到頂部晶圓的底部，以限定所述納米孔陣列晶圓與所述頂部晶圓之間的一個或多個納米流體通道；以及將所述納米孔陣列晶圓鍵合到底部晶圓的頂部，以限定所述納米孔陣列晶圓與所述底部晶圓之間的一個或多個微流體通道。
13.根據權利要求12所述的方法，該方法還包括在將所述頂部晶圓鍵合到所述納米孔陣列晶圓之前，在所述頂部晶圓上製造頂部驅動電極和一組感測與偏置電路。
14.根據權利要求12所述的方法，該方法還包括在將所述底部晶圓鍵合到所述納米孔陣列晶圓之前，在所述底部晶圓上製造底部驅動電極和一組感測與偏置電路。
15.根據權利要求12所述的方法，該方法還包括將準直的單能離子束指向亞微米直徑的靜電透鏡陣列，以在所述納米孔陣列晶圓的所述矽襯底上的導電層上限定多個納米特徵，其中施加納米縮放刻蝕包括將電壓施加到在其上限定所述多個納米特徵的導電材料層上，以便所述多個納米孔被形成在所述多個納米特徵被限定的位置處。
16.根據權利要求12所述的方法，其中所述多個納米孔中的每個納米孔的尺寸位於 Inm至200nm的範圍內。
17.一種包含指令的計算機可讀存儲介質，當所述指令由處理設備執行時將促使所述處理設備執行一種方法，該方法包括從可攜式分子分析器中的基於納米孔的測序晶片接收測量數據，其中所述測量數據與被輸入給所述可攜式分子分析器的分子樣本相關；以及分析所述測量數據以實質上實時地識別所述分子樣本。
18.根據權利要求17所述的計算機可讀存儲介質，其中，該方法還包括 從存儲在所述可攜式分子分析器中的資料庫中獲取多個分子的數據；以及將分析的結果與所述多個分子的數據進行比較以識別所述分子樣本。
19.根據權利要求18所述的計算機可讀存儲介質，其中，該方法還包括 在所述資料庫中存儲分析的結果以供後續參考。
20.根據權利要求18所述的計算機可讀存儲介質，其中，該方法還包括 從遠程源周期性地下載信息以更新所述資料庫。
21.根據權利要求19所述的計算機可讀存儲介質，其中，該方法還包括 將來自所述可攜式分子分析器的分析結果無線地傳送給遠程計算系統。
22.根據權利要求19所述的計算機可讀存儲介質，其中，該方法還包括生成要被顯示在所述可攜式分子分析器的顯示設備上的圖形用戶界面(GUI)；以及在所述GUI中顯示分析的結果。
全文摘要
呈現了用於執行分子的分析和識別的裝置和方法。在一個實施方式中，可攜式分子分析器包括用於接收樣本的樣本輸入/輸出連接、用於實質上實時地對樣本執行分析的基於納米孔的測序晶片以及用於輸出分析結果的輸出接口。
文檔編號C07K5/00GK102498201SQ201080021139
公開日2012年6月13日 申請日期2010年5月12日 優先權日2009年5月12日
發明者D·偉昌·蘇 申請人:D·偉昌·蘇