用于執(zhí)行電化學反應的裝置和方法
【專利說明】
[0001] 本申請為2010年5月27日提交的國際申請?zhí)枮镻CT/US2010/001553、發(fā)明名稱為 "用于執(zhí)行電化學反應的裝置和方法"的PCT申請的分案申請，該PCT申請進入中國國家階 段日期為2011年12月29日，國家申請?zhí)枮?01080029374. 6。
[0002] 本申請是2010年5月24日提交的美國專利申請序列號12/785,716的繼續(xù)申 請，后者是2009年5月29日提交的美國專利申請序列號12/474, 897和12/475,311的部 分繼續(xù)申請，且本申請要求這些申請和2010年2月22日提交的美國臨時專利申請序列號 61/306, 924的利益。所有前述申請都通過引用整體并入本文。
技術領域
[0003] 本發(fā)明涉及電化學領域。
【背景技術】
[0004] 電化學檢測是有吸引力的，因為它會提供高靈敏度、小尺寸、低成本、快響應、和 與微制造工藝的相容性，例如Hughes等人，Science, 254:74-80(1991) ;Mir等人，Elec trophoresis,30:3386-3397(2009) ；Trojanowicz, Anal. Chim. Acta, 653:36-58(2009)； Xu等人，Talanta, 80:8-18(2009);等。這些特征已經(jīng)導致基于電流信號、電位信號 或阻抗信號的多種傳感器的開發(fā)以及它們裝配進用于化學、生物化學和細胞用途的陣 列中，例如 Yeow 等人，Sensors and Actuators B 44:434-440(1997) ;Martinoia 等 人,Biosensors&Bioelectronics, 16:1043-1050(2001) ；Hammond 等人,IEEE Sensors J. ,4:706-712(2004) ;Milgrew 等人，Sensors and Actuators B 103:37-42(2004); Milgrew等人，Sensors and Actuators B, 111-112:347-353(2005) ;Hizawa等人，Sensors and Actuators B, 117:509-515 (2006) ；Heer 等人,Biosensors and Bioelectroni cs，22:2546_2553(2007) ;Barbaro 等人，Sensors and Actuators B,I18:41-46(2006); Anderson 等人，Sensors and Actuators B, 129:79-86(2008) ;Rothberg 等人，美國專利 公開2009/0127589 ;Rothberg等人，英國專利申請GB24611127;等。具體地，這些開發(fā)中 的幾個涉及使用大規(guī)模電化學傳感器陣列來監(jiān)測被限制在這樣的陣列上的大量分析物的 多個反應步驟，例如Anderson等人（上面引用的）；Rothberg等人（上面引用的）；等。通 常，在這樣的系統(tǒng)中，將分析物隨機地分布在限制區(qū)（諸如微孔或反應室）的陣列中，并由 流控系統(tǒng)將試劑遞送至這樣的區(qū)域，所述流控系統(tǒng)引導試劑流通過含有傳感器陣列的流動 池。通過一個或多個與每個微孔關聯(lián)的電子傳感器，可以監(jiān)測在其中發(fā)生反應的微孔以及 在其中不發(fā)生反應的空孔。
[0005] 這樣的系統(tǒng)容易發(fā)生許多相關的現(xiàn)象，所述現(xiàn)象使得高靈敏度測量面臨挑戰(zhàn)，特 別是在低信號條件下。這樣的現(xiàn)象包括：電傳感器的不穩(wěn)定的參比電壓、缺少關于哪個限制 區(qū)含有分析物的知識、由流動流遞送給被限制在陣列不同區(qū)域的分析物的試劑的量的差異 性、順序遞送的試劑的潛在混合、儀器溫度的變化、可能影響流體電勢的流體泄漏、外來電 干擾（例如60Hz噪音、手機）等，所有這些都可能影響收集的信號的質量。另外，對于特定 用途，可能存在與下述因素有關的其它挑戰(zhàn)：使用的特定試劑、傳感器對待測分析物的靈敏 度、干擾化合物（諸如其它反應副產(chǎn)物）的存在與否等。
[0006] 考慮到上述方面，有利的是，具有克服了現(xiàn)有方案的缺陷的可利用的系統(tǒng)，所述系 統(tǒng)用于對大量分析物平行地進行多試劑的電化學反應。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明涉及用于將多個試劑遞送給多個反應的裝置和方法，所述多個反應在大規(guī) 模電子傳感器陣列上進行并由后者監(jiān)測。在一個方面，本發(fā)明提供了用于減少由這樣的電 子傳感器響應于反應條件的變化而產(chǎn)生的輸出信號中的噪音的裝置和方法。在許多實現(xiàn)和 用途中例證了本發(fā)明，其中的一些總結在下面和在本說明書中。
[0008] 在一個方面，本發(fā)明包括用于進行多步驟電化學反應的裝置，其中穿過反應流動 室將穩(wěn)定的參比電壓提供給監(jiān)測這樣的多步驟電化學反應的電子傳感器。在一個實施方 案中，所述裝置包括：(a) -個或多個反應器，每個反應器連接至用于監(jiān)測反應器中的產(chǎn)物 的電子傳感器，所述電子傳感器產(chǎn)生與產(chǎn)物的濃度或存在有關的輸出信號，所述輸出信號 依賴于參比電壓；(b)用于將多種電解質一次一種電解質地順序地遞送給反應器的流控系 統(tǒng)；和（C)與多種電解質中選擇的電解質接觸的參比電極，所述參比電極與反應室流體連 通，并提供參比電壓給每個電子傳感器，且所述參比電極不接觸任何未選擇的電解質。如下 面更完整地描述的，在一個實施方案中，所述一個或多個反應器是設置在chemFET傳感器 陣列上的微孔陣列，所述chemFET傳感器又設置在與微孔流體連通的流動池中。
[0009] 在另一個方面，本發(fā)明包括一種裝置，所述裝置包括傳感器陣列，所述傳感器陣列 包括浮動閘離子敏感的場效應晶體管，在所述場效應晶體管上由流動池限定出流動通道， 使得通過電連接它們的浮動閘，滅活在流動通道之外的陣列傳感器。在一個方面，這樣的裝 置包括：(a)傳感器陣列，其包括形成在回路支持基質中的多個傳感器，所述陣列的每個傳 感器包括具有浮動閘的化學敏感的場效應晶體管（chemFET)，所述chemFET被構造成產(chǎn)生 至少一個與在其附近的一種或多種反應產(chǎn)物的濃度或存在有關的電信號；和微孔陣列，其 設置在所述回路支持基質上，使得每個微孔被設置在至少一個傳感器上，其中一個或多個 微孔含有分析物；和（b)用于遞送試劑給微孔陣列的流控系統(tǒng)，所述流控系統(tǒng)包括具有入 口、出口和流動室的流動池，所述流動室限定試劑從入口至出口經(jīng)過時試劑的流動通道，其 中所述流動室被構造成在流動通道中經(jīng)微孔的開放部分橫向地遞送試劑，且其中在流動通 道之外的傳感器的浮動閘被電連接并保持在共同電壓。
[0010] 在另一個方面，本發(fā)明包括用于定位分布在多個微孔中的分析物的方法，所述方 法包括下述步驟：(a)提供多個設置在傳感器陣列上的微孔，其中每個微孔具有與流動室 流體連通的開口且能夠保留至少一種分析物，且其中每個微孔被設置在至少一個傳感器 上，所述至少一個傳感器構造成響應于在其附近的試劑提供至少一個輸出信號；(b)將流 動室中的試劑從第一試劑（傳感器響應于該第一試劑產(chǎn)生第一輸出信號）改變?yōu)榈诙噭?(傳感器響應于該第二試劑產(chǎn)生第二輸出信號）；和（c)將響應于所述改變的來自傳感器的 第二輸出信號的時間延遲與分析物在它的對應的微孔中的存在相關聯(lián)。
[0011] 在一個有關的方面，本發(fā)明另外包括一種制品，所述制品包括：傳感器陣列，所述 傳感器陣列包括形成在回路支持基質中的多個傳感器，所述陣列的每個傳感器被構造成產(chǎn) 生至少一個與在其附近的一種或多種預定的物質的濃度或存在有關的電信號；和微孔陣 列，其設置在所述回路支持基質上，使得其中的每個微孔具有在微孔陣列表面上的開口且 被設置在至少一個傳感器上；和多種隨機地分布在微孔中的分析物，其位置可通過它的對 應的傳感器所產(chǎn)生的輸出信號來確定。在一個實施方案中，這樣的分析物各自包含顆粒，所 述顆粒具有與其相連的核酸片段（諸如基因組DNA片段、cDNA片段等）的克隆群體。
[0012] 在另一個方面，本發(fā)明提供了一種減少來自傳感器陣列的輸出信號中的噪音的方 法，所述輸出信號與設置在微孔陣列中的反應和/或分析物有關。這樣的方法包括下述步 驟：(a)將分析物設置在微孔陣列上，使得微孔中的部分含有分析物；(b)獲得由含有分析 物或反應副產(chǎn)物的微孔產(chǎn)生的輸出信號；和（C)從這樣的輸出信號減去來自不含有分析物 或反應副產(chǎn)物的鄰近微孔的輸出信號均值。
[0013] 許多例證的實現(xiàn)和應用中，解釋了本發(fā)明的這些上面表征的方面、以及其它方面， 其中的一些顯示在附圖中，并表征在附隨的權利要求部分中。但是，上面的簡介無意描述本 發(fā)明的每個例證的實施方案或每個實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0014] 圖IA圖解了本發(fā)明的裝置的一個實施方案的組件。
[0015] 圖IB圖解了流體-流體參比電極界面的第一個實施例的橫截面，其中參比電極引 入在試劑通道中流動池的下游。
[0016] 圖IC和ID圖解了構建裝置來實現(xiàn)圖IB的流體-流體界面的方法的2個替代實 施例。
[0017] 圖IE圖解了流體-流體參比電極界面的第二個實施例的橫截面，其中參比電極引 入在試劑通道中流動池的上游。
[0018] 圖2A圖解了具有外部參比電極的流動池的斷面，和一個示例性的電子傳感器的 放大圖。
[0019] 圖2B圖解了 2種順序試劑在一部分微孔陣列上的移動，在所述不同試劑之間具有 理想的均勻流鋒線。
[0020] 圖2C圖解了顆粒如何延遲傳感器活性試劑的前進，由此建立輸出信號時間延遲， 其可以用于測定顆粒在微孔中的存在。
[0021] 圖2D對比了來自含有顆粒的微孔和沒有顆粒的微孔的輸出信號數(shù)據(jù)。
[0022] 圖3A的圖圖解了穿過具有對角線相對的入口和出口的流動室的流動通道。
[0023] 圖3B是用于制造浮動閘chemFET的傳感器陣列的掩模的頂視圖，其中在對角線流 動區(qū)以外的chemFET的浮動閘在制造過程中被電連接，以便消除由在對角線流動區(qū)以外的 未使用的傳感器產(chǎn)生的噪音或使其最小化。
[0024] 圖3C的圖顯示了在大規(guī)模微孔陣列中的分析物沉積物的密度，這通過暴露于階 躍函數(shù)PH變化所引起的傳感器輸出信號變化來測定。
[0025] 圖4A-4D顯示了流動池組件的不同視圖和它們與微孔-傳感器陣列芯片的集成。
[0026] 圖4E顯示了具有與微孔-傳感器芯片集成的2個流動室的流動池。
[0027] 圖5A圖解了隨機地設置在微孔陣列的微孔中的分析物。
[0028] 圖5B和5C圖解了鑒別在選擇的微孔附近的空微孔的不同方法。
[0029] 圖6A-6F圖解了使用來自局部微孔的信號來減少選擇的微孔的傳感器的輸出信 號中的噪音。
[0030] 圖7A-7C圖解了適合基于pH的DNA測序的本發(fā)明裝置的組件。
[0031] 圖8A-8C圖解了用于順序地遞送不同試劑給用于DNA測序的流動池的流體回路， 其中參比電極僅與洗滌溶液發(fā)生連續(xù)的流體接觸。
【具體實施方式】
[0032] 盡管本發(fā)明可發(fā)生多種修飾和替代形式，其細節(jié)已經(jīng)通過實施例顯示在附圖中， 并將詳細描述。但是，應當理解，本發(fā)明不將發(fā)明限于所述的特定實施方案。相反，本發(fā) 明意圖覆蓋落入本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的所有修飾、等效方案和替代方案。例如，為了例證 目的，在CMOS工藝中實現(xiàn)裝置和陣列的微電子學部分。但是，應當理解，公開內(nèi)容無意 在這方面受到限制，因為其它基于半導體的工藝可以用于實現(xiàn)本文討論的系統(tǒng)的微電子 學部分的不同方面。關于制備本發(fā)明的陣列的指導，可以參見許多可利用的關于集成電 路設計和制造及微型加工的參考文獻和論文，包括，但不限于，Alien等人，CMOS Analog Circuit Design(Oxford University Press,第 2 版,2002) ；Levinson,Principles of Lithography,第 2 版（SPIE Press,2005) ;Doering 和 Nishi 編，Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology,第 2 版（CRC Press, 2〇〇7) ;Baker, CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation(IEEE Press, ffiley-Interscience,2008)； Veendrick, Deep-Submicron CMOS ICs(Kluwer-Deventer, 1998) ；Cao, Nanostructures&N anomaterials(Imperial College Press, 2004);等，它們的相關部分特此通過引用并入。 同樣地，關于實現(xiàn)本發(fā)明的電化學測量的指導，可以參見許多可利用的關于該主題的參考 文獻和論文，包括，但不限于，Sawyer等人，Electrochemistry for Chemists，第2版 (ffiley-Interscience, 1995) ;Bard和Faulkner, Electrochemical Methods:Fundamentals and Applications,第2版（Wiley, 2000);等，它們的相關部分特此通過引用并入。
[0033] 在一個方面，本發(fā)明涉及用電子傳感器實現(xiàn)和監(jiān)測多個多步驟反應的裝置和方 法。所述多步驟反應可以是循環(huán)的，諸如在DNA測序反應、DNA合成反應等中，其中進行一 個或多個步驟的重復循環(huán)，或者它們可以是非循環(huán)的，諸如在多組分標記反應中，例如，在 使用酶標記的夾心試驗中。多步驟反應也可以源自生物材料（諸如活細胞或組織樣品） 的存在，其中響應于一系列的試劑暴露而檢測應答（例如代謝物的存在與否），所述試劑可 以是藥物候選分子等。優(yōu)選地，將本發(fā)明的電子傳感器集成在傳感器陣列中，所述傳感器 陣列適用于測知在陣列表面上或附近處發(fā)生的單個反應。在一個實施方案中，反應限制區(qū) 陣列與這樣的傳感器陣列是一體的。反應限制區(qū)陣列可以是通過常規(guī)的微制造或納米制 造技術制備的微孔陣列或反應室陣列的形式，例如，描述于：Rothberg等人，美國專利公 開US2009/0127589和Rothberg等人，英國專利申請GB24611127。在一個實施方案中， 這種陣列中的每個微孔或反應室具有至少一個處于傳感關系中的傳感器，使得可以檢測或 測量微孔或反應室中的反應的一個或多個特征。通常，本發(fā)明的電子傳感器會直接地或間 接地（例如，通過使用結合化合物或標記）測量反應副產(chǎn)物，包括，但不限于，反應產(chǎn)生的 化學物質或由反應造成的物理變化，諸如溫度的升高或降低，例如如在Rothberg等人（上 面引用的美國和英國專利公開）中所公開的。優(yōu)選地，本發(fā)明的電子傳感器會將反應副 產(chǎn)物的存在、濃度或量的變化轉化為輸出信號，所述輸出信號可以是電壓水平或電流水平 的變化，其又可以被處理，以產(chǎn)生關于反應的信息。陣列的電子傳感器或這樣的傳感器的 子集，也可以用于監(jiān)測反應物、指示劑分子、或其它試劑（諸如用于鑒別含有分析物的微孔 的試劑（下面更完整地描述））的存在或濃度。與本發(fā)明一起使用的傳感器的結構和/或 設計可以寬泛地變化，如通過引用并入本文的下述參考文獻所例證的=Rothberg等人，美 國專利公開US2009/0127589 ;Rothberg等人，英國專利申請GB24611127 ;Barbaro等人， 美國專利7, 535, 232 ;Sawada等人，美國專利7, 049, 645 ;Kamahori等人，美國專利公開 2007/0059741 ;Miyahara 等人，美國專利公開 2008/0286767 和 2008/0286762 ;0'uchi,美 國專利公開 2006/0147983 ;0saka 等人，美國專利公開 2007/0207471 ;Esfandyarpour 等 人，美國專利公開2008/0166727 ;等。在一個優(yōu)選的實施方案中，所述陣列的傳感器包括至 少一個化學敏感的場效應晶體管，其構造成產(chǎn)生至少一個與在其附近的化學反應的性質有 關的輸出信號。這樣的性質可以包括反應物或產(chǎn)物的濃度（或濃度的變化），或諸如溫度