生化传感器阵列中的多路复用模拟部件的制作方法

生化传感器阵列中的多路复用模拟部件


背景技术：

[0001]
具有内部直径为一纳米数量级的孔径的纳米孔膜器件已显示出在快速核苷酸测序中的前景。当在浸没于导电流体中的纳米孔上施加电压信号时，电场可使导电流体中的离子移动通过纳米孔。离子在导电流体中通过纳米孔的移动可引起小的离子电流。施加的电压还可以将待测序的分子移入、穿过或移出纳米孔。离子电流的电平（或对应的电压）取决于纳米孔的尺寸和化学结构以及已移入纳米孔的特定分子。
[0002]
作为穿过纳米孔的 dna 分子（或其他待测序的核酸分子）的替代，分子（例如，添加到 dna 链的核苷酸）可包括具有特定尺寸和/或结构的特定标签。可以测量包括纳米孔的电路中的离子电流或电压（例如，在积分电容器处），作为测量对应于该分子的纳米孔的电阻的一种方式，从而实现对纳米孔中的特定分子和在核酸的特定位置处的特定核苷酸的检测。
[0003]
为了提高通量，基于纳米孔的测序传感器芯片可以结合大量传感器细胞，这些传感器细胞被配置为用于平行 dna 测序的阵列。例如，基于纳米孔的测序传感器芯片可以包括以二维阵列布置的 100,000 个或更多个细胞，用于平行测序 100,000 个或更多个 dna 分子。在不影响测量的情况下，将如此多的细胞装配到传感器芯片中可能非常困难。


技术实现要素：

[0004]
本文描述的技术涉及传感器芯片，该传感器芯片包括大量生化传感器细胞。在控制芯片尺寸的同时将大量传感器细胞装配在芯片上的一种方式是减小每个传感器细胞的面积。每一个传感器细胞可以包括多个数字和模拟部件。通过使用更先进的处理技术，可以缩小大多数数字部件，而不影响传感器细胞的性能。另一方面，减小模拟部件的尺寸可能严重影响传感器细胞的性能。本文公开的某些实施例可以通过在两个或更多个细胞之间共享一些模拟部件（诸如积分电容器和/或读出晶体管）来减小传感器细胞的平均尺寸。
[0005]
在一个采样周期中，共享相同模拟部件的每一个细胞可以预充电至已知的电压电平，通过流过纳米孔的电流进行充电或放电，并在传感器芯片采样周期的一部分时间内，通过读出电路和 adc 采样。例如，如果采样周期为约 1 ms，积分时间为约 250 μs，则四个细胞可以共享相同的模拟部件，并可以使用相同的模拟部件一次一个地进行测量。数字开关可以添加到每一个细胞，以将细胞连接至模拟部件，诸如积分电容器和读出晶体管。
[0006]
由于模拟部件在多个细胞之间共享，因此它们可以保持较大的尺寸以减少噪声（或偏移）并获得期望的性能。同时，传感器芯片上模拟部件的总数可以减少到，例如，细胞数量的一半、四分之一或八分之一。因此，可以减小细胞的平均尺寸以增加细胞密度或传感器芯片上的细胞数量，而不会显著影响细胞的性能。
[0007]
在各种实施例中，可以通过将积分电容器连接至期望的电压电平来独立地控制每一个细胞以将积分电容器预充电到期望的电压电平。细胞的寄生双层电容器可以用作积分电容器，并且可以足够大以用于噪声性能，因此可以不需要额外的积分电容器，因为添加额外的积分电容器可能减少积分电容器上的电压变化或增加积分时间。检查双层电容器是否
正常工作可能是所期望的，但是不使用额外的电容器可能很难执行检查。因此，在一些实施方式中，开关可以添加到电路，以在信号积分期间断开额外的电容器与细胞的连接，并将额外的电容器连接至细胞以用于评价或验证目的。
[0008]
以下详细描述了本发明的这些和其他实施例。例如，其他实施例可以涉及与本文描述的生化传感器芯片相关的系统、器件、方法和计算机可读介质。
[0009]
参考以下具体实施方式和附图，可以更好地理解本发明的实施例的性质和优点。
附图说明
[0010]
图 1 是示出基于纳米孔的测序芯片上的纳米孔细胞的实施例的简化结构。
[0011]
图 2 示出可以用于表征多核苷酸或多肽的纳米孔传感器芯片中的纳米孔细胞的实施例。
[0012]
图 3 示出使用基于纳米孔的边合成边测序 (nano-sbs) 技术执行核苷酸测序的纳米孔细胞的实施例。
[0013]
图 4 示出表示纳米孔细胞的电模型的电路的实施例。
[0014]
图 5 显示在 ac 循环的亮周期和暗周期期间从纳米孔细胞捕获的数据点实例。
[0015]
图 6 示出包括纳米孔细胞的二维阵列的纳米孔细胞阵列的实例。
[0016]
图 7 示出在包括纳米孔细胞的二维阵列的纳米孔传感器芯片的列上的纳米孔细胞的简化电路。
[0017]
图 8 是示出纳米孔细胞的控制信号的实例的时序图，所述纳米孔细胞在包括纳米孔细胞的二维阵列的纳米孔传感器芯片的列上。
[0018]
图 9 示出根据某些实施例的纳米孔传感器芯片的纳米孔细胞的简化电路。
[0019]
图 10 是时序图，其示出根据某些实施例的用于纳米孔传感器芯片的纳米孔细胞的控制信号的实例。
[0020]
图 11 是根据某些实施例的纳米孔传感器芯片的纳米孔细胞的简化电路。
[0021]
图 12 是时序图，其示出根据某些实施例的用于纳米孔传感器芯片的纳米孔细胞的控制信号的实例。
[0022]
图 13 是示出根据某些实施例，使用传感器进行核酸测序的方法实例的流程图，所述传感器包括一组共享一些电路部件的细胞。
[0023]
图 14 是根据本公开的某些方面，可与系统和方法一起使用的计算机系统实例的框图。
[0024]
定义“核酸”可以指单链或双链形式的脱氧核苷酸或核糖核苷酸及其聚合物。该术语可以涵盖含有已知核苷酸类似物或修饰的骨架残基或键的核酸，这些核苷酸是合成的、天然存在的和非天然存在的，它们具有与参考核酸相似的结合特性，并且其以类似于参考核苷酸的方式代谢。此类类似物的实例可以包括但不限于，硫代磷酸酯、亚磷酰胺、甲基膦酸酯、手性甲基膦酸酯、2-o-甲基核糖核苷酸、肽核酸 (pna)。术语核酸可以与基因、cdna、mrna、寡核苷酸和多核苷酸互换使用。
[0025]
术语“模板”可以指复制到 dna 核苷酸的互补链中用于 dna 合成的单链核酸分子。在一些情况下，模板可以指在 mrna 合成期间复制的 dna 序列。
[0026]
术语“引物”可以指为 dna 合成提供起点的短核酸序列。催化 dna 合成的酶（诸如 dna 聚合酶）可以添加新的核苷酸至引物以用于 dna 复制。
[0027]
术语“纳米孔”指在膜中形成或以其他方式提供的孔、通道或通路。膜可以是有机膜，诸如脂质双层，或合成膜，诸如由聚合材料形成的膜。纳米孔可以设置成邻近或接近于传感电路或耦合至传感电路的电极，诸如，例如，互补金属氧化物半导体 (cmos) 或场效应晶体管 (fet) 电路。在一些实例中，纳米孔具有约 0.1 纳米 (nm) 至约 1000 nm 数量级的特征宽度或直径。一些纳米孔是蛋白。
[0028]
如本文所用，术语“列”通常可以指共享采样和转换电路的纳米孔细胞阵列中的纳米孔细胞。列中的纳米孔细胞可以连接至与连接至采样和转换电路相同的列总线。列中的纳米孔细胞可以或可以不物理地在纳米孔传感器芯片上的列中制造。
[0029]
如本文所用，术语“亮周期”通常可以指标记的核苷酸的标签通过 ac 信号施加的电场而被迫进入纳米孔时的时间段。术语“暗周期”通常可以指标记的核苷酸的标签通过 ac 信号施加的电场被推出纳米孔时的时间段。ac 循环可以包括亮周期和暗周期。在不同的实施例中，施加至纳米孔细胞以将纳米孔细胞置于亮周期（或暗周期）的电压信号的极性可以不同。
具体实施方式
[0030]
本文公开的技术涉及基于纳米孔的核酸测序，并且更具体地，涉及在包括大量平行测序纳米孔细胞的基于纳米孔的测序传感器芯片上增加细胞密度或增加纳米孔细胞的数量。为了增加传感器芯片的通量，增加传感器芯片中的细胞数量是所期望的。可装配在传感器芯片上的细胞数量可以受每一个细胞的最小尺寸的限制，所述细胞可以包括一些数字电路部件（例如，sram 或开关）和模拟电路部件（例如，电容器、缓冲器、放大器等）。细胞的最小尺寸可以受模拟电路部件尺寸的限制。因此，为了增加传感器芯片上细胞的密度，需要减小模拟电路部件所使用的总面积。
[0031]
本文公开的某些技术通过在两个或多个细胞之间共享一些模拟部件（诸如积分电容器和/或读出晶体管）来减小传感器芯片上的细胞的平均尺寸。对于基于纳米孔的传感器芯片，最小采样周期可以取决于 adc 带宽和数字 io 带宽，而每一个细胞的积分周期可以取决于细胞中积分电容器的尺寸。通常，单个细胞的积分周期可以小于最小采样周期的一半。因此，每一个细胞可以仅需要在采样周期的一部分时间内使用积分电容器，从而可以与一个或多个其他细胞共享积分电容器。例如，如果采样周期为约 1 ms，而积分时间为约 250 μs，则四个细胞可以共享相同的模拟部件。小型数字开关可以添加到每一个细胞，以将细胞选择性地连接至共享的模拟部件，诸如积分电容器和读出晶体管。如此，在一个采样周期中，共享相同模拟部件的每一个细胞可以进行预充电、充电或放电，然后在传感器芯片采样周期的一部分时间内通过读出电路和 adc 采样。
[0032]
如此，模拟部件（例如，积分电容器）的物理尺寸可以保持在期望的大小，并且因此可以不影响细胞的性能。因为模拟部件在多个细胞之间共享，所以传感器芯片上的模拟部件（例如，积分电容器）的总数可以减少到例如细胞数量的一半、四分之一或八分之一。同时，可以通过使用具有更小临界尺寸的更先进的制造工艺来缩小细胞的数字电路部件，而不影响细胞的性能。因此，可以减小细胞的平均尺寸。如此，可以增加传感器芯片上的细胞
上制造。在一些实施例中，信号源 228 被包括作为电路 222 的一部分。电路 222 可以包括，例如，放大器、积分器、模数转换器、噪声滤波器、反馈控制逻辑和/或各种其他部件。电路 222 还可以耦合至处理器 224，所述处理器耦合至存储器 226，其中处理器 224 可以分析测序数据以确定已在阵列中测序的聚合物分子的序列。
[0039]
工作电极 202 可以在介电层 201 上形成，并且可以形成阱 205 的底部的至少一部分。在一些实施例中，工作电极 202 是金属电极。对于非法拉第传导，工作电极 202 可以由抗腐蚀和抗氧化的金属或其他材料制成，例如，铂、金、氮化钛和石墨。例如，工作电极 202 可以是具有电镀铂的铂电极。在另一个实例中，工作电极 202 可以是氮化钛 (tin) 工作电极。工作电极 202 可以是多孔的，从而增加其表面积以及与工作电极 202 相关的产生的电容。因为纳米孔细胞的工作电极可以不依赖于另一纳米孔细胞的工作电极，所以在本公开中，该工作电极可以称为细胞电极。
[0040]
介电层 204 可以在介电层 201 之上形成。介电层 204 形成环绕阱 205 的壁。用于形成介电层 204 的介电材料可以包括，例如，玻璃、氧化物、一氮化硅 (sin)、聚酰亚胺或其他合适的疏水绝缘材料。介电层 204 的顶表面可以硅烷化。硅烷化可以在介电层 204 的顶表面之上形成疏水层 220。在一些实施例中，疏水层 220 具有约 1.5 纳米 (nm) 的厚度。
[0041]
由介电层 204 形成的阱 205 包括工作电极 202 之上的电解质 206 的体积。电解质 206 的体积可以缓冲，并且可以包括以下项的一种或多种：氯化锂 (licl)、氯化钠 (nacl)、氯化钾 (kcl)、谷氨酸锂、谷氨酸钠、谷氨酸钾、乙酸锂、乙酸钠、乙酸钾、氯化钙 (cacl2)、氯化锶 (srcl2)、氯化锰 (mncl2) 和氯化镁 (mgcl2)。在一些实施例中，电解质 206 的体积具有约三微米 (
µ
m) 的厚度。
[0042]
同样如图 2 所示，可以在介电层 204 的顶部上形成膜并跨过阱 205。在一些实施例中，膜可包括在疏水层 220 的顶部上形成的脂质单层 218。当膜到达阱 205 的开口时，脂质单层可以转变为跨阱 205 的开口的脂质双层 214。脂质双层可以包括磷脂或由其组成，例如，选自二植烷酰基-磷脂酰胆碱 (dphpc)、1,2-二植烷酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱、1,2-二-o-植烷酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱 (dophpc)、棕榈酰基-油酰基-磷脂酰胆碱 (popc)、二油酰基-磷脂酰-甲基酯 (dopme)、二棕榈酰基磷脂酰胆碱 (dppc)、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰甘油、鞘磷脂、1,2-二-o-植烷酰基-sn-甘油、1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-n-[甲氧基(聚乙二醇)-350];1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-n-[甲氧基(聚乙二醇)-550]；1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-n-[甲氧基(聚乙二醇)-750]；1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-n-[甲氧基(聚乙二醇)-1000]；1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-n-[甲氧基(聚乙二醇)-2000]；1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-n-乳糖酰基；gm1 神经节苷脂、溶血磷脂酰胆碱 (lpc) 或其任意组合。
[0043]
如所示，脂质双层 214 嵌有单个纳米孔 216，所述纳米孔例如由单个pntmc 形成。如上所述，纳米孔 216 可以通过电穿孔将单个 pntmc 插入脂质双层 214 中形成。纳米孔 216 可以足够大以使至少一部分目标分析物和/或小离子（例如，na
+
、k
+
、ca
2+
、ci-）在脂质双层 214 的两侧之间通过。
[0044]
样品室 215 位于脂质双层 214 上方，并且可以容纳目标分析物的溶液以用于表
征。所述溶液可以是含有主体电解质 208 的水溶液，并缓冲至最佳离子浓度且维持在最佳 ph 以保持纳米孔 216 开放。纳米孔 216 穿过脂质双层 214，并为从主体电解质 208 至工作电极 202 的离子流动提供唯一路径。除纳米孔（例如，pntmc）和目标分析物之外，主体电解质 208 还可以包括以下项的一种或多种：氯化锂 (licl)、氯化钠 (nacl)、氯化钾 (kcl)、谷氨酸锂、谷氨酸钠、谷氨酸钾、乙酸锂、乙酸钠、乙酸钾、氯化钙 (cacl2)、氯化锶 (srcl2)、氯化锰 (mncl2) 和氯化镁 (mgcl2)。
[0045]
对电极 (ce) 210 可以是电化学电位传感器。在一些实施例中，对电极 210 可以在多个纳米孔细胞之间共享，并且因此可以称为共用电极。在一些情况下，共用电位和共用电极可以为特定分组内的所有纳米孔细胞或至少所有纳米孔细胞所共用。共用电极可以被配置为向与纳米孔 216 接触的主体电解质 208 施加共用电位。对电极 210 和工作电极 202 可以耦合至信号源 228，以提供跨脂质双层 214 的电刺激（例如，电压偏置），并且可以用于感测脂质双层 214 的电特性（例如，电阻、电容和离子电流）。在一些实施例中，纳米孔细胞 200 还可包括参考电极 212。
[0046]
在一些实施例中，作为评价的一部分，可以在创建纳米孔细胞期间进行各种检查。一旦纳米孔细胞创建，可以执行进一步的评价步骤，例如，以识别性能符合期望的纳米孔细胞（例如，细胞中的一个纳米孔）。此类评价检查可以包括物理检查、电压校准、开放通道校准以及具有单个纳米孔的细胞识别。
[0047]
b 纳米孔测序细胞的检测信号纳米孔传感器芯片中的纳米孔细胞，诸如纳米孔细胞 100，可以使用基于单分子纳米孔的边合成边测序 (nano-sbs) 技术进行平行测序。
[0048]
图 3 示出使用 nano-sbs 技术执行核苷酸测序的纳米孔细胞 300 的实施例。在 nano-sbs 技术中，可以将待测序的模板 332（例如，核苷酸分子或另一目标分析物）和引物引入纳米孔细胞 300 样品室中的主体电解质 308 中。作为实例，模板 332 可以呈圆形或线形。核酸引物可以与模板 332 的一部分杂交，可以该模板的一部分添加四种带不同聚合物标签的核苷酸 338。
[0049]
在一些实施例中，酶（例如，聚合酶 334，诸如 dna 聚合酶）可以与纳米孔 316 缔合，以用于合成模板 332 的互补链。例如，聚合酶 334 可以共价附接至纳米孔 316。聚合酶 334 可以使用单链核酸分子作为模板以催化核苷酸 338 掺入到引物上。核苷酸 338 可以包括标签种类（“标签”），其中核苷酸是四种不同类型中的一种：a、t、g 或 c。当标记的核苷酸与聚合酶 334 正确复合时，可以通过电动力将标签拉到（负载）到纳米孔中，诸如在电场作用下产生的力，所述电场由跨脂质双层 314 和/或纳米孔 316 施加的电压生成。标签尾可以位于纳米孔 316 的筒体中。由于标签的独特的化学结构和/或尺寸，保持在纳米孔 316 的筒体中的标签可以生成独特的离子阻断信号 340，从而电子识别标签所附接的添加碱基。
[0050]
如本文所用，“负载的”或“穿线的”标签可以是定位在纳米孔中和/或保持在纳米孔中或附近相当长的时间，例如，0.1 毫秒 (ms) 至 10000 ms。在一些情况下，标签在从核苷酸释放之前被负载在纳米孔中。在一些情况下，在核苷酸掺入事件释放后，负载的标签穿过纳米孔（和/或被其检测）的概率适当较高，例如，90% 至 99%。
[0051]
在一些实施例中，在将聚合酶 334 连接至纳米孔 316 之前，纳米孔 316 可以具
有高电导，例如，约 300 皮西门子 (300 ps)。当标签负载在纳米孔中时，由于标签的独特的化学结构和/或尺寸，生成独特的电导信号（例如，信号 340）。例如，纳米孔的电导可以为约 60 ps、80 ps、100 ps 或 120 ps，各自对应于四种类型的标记的核苷酸中的一种。然后，聚合酶可以进行异构化和转磷酸化反应以将核苷酸掺入到正在生长的核酸分子中并释放标签分子。
[0052]
在一些情况下，一些标记的核苷酸可以与核酸分子（模板）的当前位置不匹配（互补碱基）。不与核酸分子碱基配对的标记的核苷酸也可以穿过纳米孔。这些未配对的核苷酸可以在比正确配对的核苷酸保持与聚合酶缔合的时间范围更短的时间范围内被聚合酶拒绝。与未配对核苷酸结合的标签可以快速穿过纳米孔，并在短时间内（例如，少于 10 ms）检出，而与配对核苷酸结合的标签可以负载到纳米孔中并在长时间内（例如，至少 10 ms）检出。因此，未配对的核苷酸可以由下游处理器至少部分地基于在纳米孔中检测核苷酸的时间来进行识别。
[0053]
包括负载的（穿线的）标签的纳米孔的电导（或等效电阻）可以通过流过纳米孔的电流来进行测量，从而提供标签种类的识别，并由此提供当前位置的核苷酸的识别。在一些实施例中，直流 (dc) 信号可以施加至纳米孔细胞（例如，使得标签移动穿过纳米孔的方向不是反向的）。但是，使用直流电长时间操作纳米孔传感器可以改变电极的组成，使穿过纳米孔的离子浓度失衡，并产生其他不期望的效果，从而影响纳米孔细胞的寿命。施加交流 (ac) 波形可以减少电迁移，从而避免这些不期望的效果，并具有如下所述的某些优点。本文所述的利用标记的核苷酸的核酸测序方法与施加的 ac 电压完全兼容，因此 ac 波形可用于实现这些优点。
[0054]
当使用牺牲电极，即在载流反应中改变分子特性的电极（例如，含银电极），或在载流反应中改变分子特性的电极时，在 ac 检测循环期间对电极再充电的能力可能有利。当使用直流信号时，电极可以在检测循环期间耗尽。再充电可以防止电极达到耗尽极限，诸如变得完全耗尽，这在电极较小时（当电极足够小以提供具有每平方毫米至少 500 个电极的电极阵列时）可能会出现问题。在一些情况下，电极寿命与电极的宽度成比例，并且至少部分取决于电极的宽度。
[0055]
用于测量流过纳米孔的离子电流的合适条件是本领域已知的，并且本文提供了实例。可以通过跨膜和孔施加电压来进行测量。在一些实施例中，使用的电压可以在
ꢀ-
400 mv 至 +400 mv 的范围内。使用的电压优选地在具有选自
ꢀ-
400 mv、-300 mv、-200 mv、-150 mv、-100 mv、-50 mv、-20 mv 和 0 mv 的下限和独立地选自 +10 mv、+20 mv、+50 mv、+100 mv、+150 mv、+200 mv、+300 mv 和 +400 mv 的上限的范围内。使用的电压可以更优选地在 100 mv 至 240 mv 的范围内，并且最优选地在 160 mv 至 240 mv 的范围内。使用增加的施加电位，通过纳米孔来增加不同核苷酸之间的区别是可能的。使用 ac 波形和标记的核苷酸进行核酸测序在 2013 年 11 月 6 日提交的题为“使用标签的核酸测序”的美国专利公开号 us 2014/0134616 中有描述，该美国专利全文以引用方式并入本文。除了 us 2014/0134616 中描述的标记的核苷酸外，还可以使用缺少糖或无环部分的核苷酸类似物，例如，五个常见核碱基：腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、尿嘧啶和胸腺嘧啶的 (s)-甘油核苷三磷酸 (gntp)（horhota 等人，organic letters, 8:5345-5347 [2006]）进行测序。
[0056]
纳米孔传感器芯片中的纳米孔细胞可以以许多不同的方式实施或使用。例如，在
一些实施例中，不同尺寸和/或化学结构的标签可以附接至待测序的核酸分子中的不同核苷酸。在一些实施例中，待测序的核酸分子的模板的互补链可以通过使带不同聚合物标签的核苷酸与模板杂交来合成。在一些实施方式中，核酸分子和附接的标签两者可以移动通过纳米孔，并且由于附接至核苷酸的标签的特定尺寸和/或结构，因此流过纳米孔的离子电流可以指示纳米孔中的核苷酸。在一些实施方式中，仅标签可以移入纳米孔中。还可以有许多不同的方式可以检测纳米孔中的不同标签。
[0057]
c纳米孔测序细胞的电路图 4 示出表示纳米孔细胞的电模型（诸如纳米孔细胞 200）的电路 400（该电路可以包括图 2 中的电路 222 的部分）的实施例。如上所述，在一些实施例中，电路 400 包括对电极 440（例如，对电极 210），该电极可以在纳米孔传感器芯片中的多个纳米孔细胞或所有纳米孔细胞之间共享，并且因此也可以称为作为共用电极。共用电极可以被配置为通过连接至电压源 v
liq 420 而向与纳米孔细胞中的脂质双层（例如，脂质双层 214）接触的主体电解质（例如，主体电解质 208）施加共用电位。在一些实施例中，可以利用 ac 非法拉第模式来用 ac 信号（例如，方波）调节电压 v
liq ，并将其施加到与纳米孔细胞中的脂质双层接触的主体电解质上。在一些实施例中，v
liq 是幅度为
ꢀ±
200-250 mv 且频率介于例如 25 至 400 hz 之间的方波。对电极 440 和脂质双层之间的主体电解质可以通过诸如 100 μf 或更大的大电容器（未示出）来进行建模。
[0058]
图 4 还示出根据某些实施例的表示工作电极 402（例如，工作电极 202）和脂质双层（例如，脂质双层 214）的电特性的电模型 422。电模型 422 包括对脂质双层相关的电容进行建模的电容器 426 (c
bilayer
) 和对纳米孔相关的可变电阻进行建模的电阻器 r
pore 428，所述电模型可以基于纳米孔中特定标签的存在而变化。电模型 422 还包括电容器
cdbl 424，所述电容器具有双层电容 c
dbl 并且表示工作电极 402 和细胞的阱（例如，阱 205）的电特性。工作电极 402 可以被配置为不依赖于其他纳米孔细胞中的工作电极来施加不同的电位。
[0059]
通路器件 406 可以是开关，该开关可以用于将脂质双层和工作电极连接至电路 400 或者断开与之的连接。通路器件 406 可以由存储位控制，以启用或禁用跨纳米孔细胞中的脂质双层施加的电压刺激。在脂质沉积以形成脂质双层之前，两个电极之间的阻抗可以非常低，因为纳米孔细胞的阱未密封，因此通路器件 406 可以保持开放以避免短路情况。在脂质溶剂已经沉积到纳米孔细胞以密封纳米孔细胞的阱之后，通路器件 406 可以关闭。
[0060]
电路 400 还可以包括芯片上积分电容器 c
int 408 (n
cap
)。积分电容器 c
int 408 可以通过使用复位信号 403 来闭合开关 401 而进行预充电，使得积分电容器 c
int 408 连接至电压源 v
pre 405。在一些实施例中，电压源 v
pre 405 提供幅度为例如 900 mv 的恒定正电压。当开关 401 闭合时，积分电容器 c
int 408 可以预充电至电压源 v
pre 405 的正电压电平。
[0061]
在对积分电容器 c
int 408 进行预充电之后，复位信号 403 可以用于断开开关 401，以断开积分电容器 c
int 408 与电压源 v
pre 405 的连接。此时，根据电压源 v
liq
的电平，对电极 440 的电位可以处于高于工作电极 402（和积分电容器 c
int 408）的电位的电平，或反之亦然。例如，在来自电压源 v
liq 的方波的正相位期间（例如，ac 电压源信号循环
的亮周期或暗周期），对电极 440 的电位处于高于工作电极 402 的电位的电平。在来自电压源 v
liq 的方波的负相位期间（例如，ac 电压源信号循环的暗周期或亮周期），对电极 440 的电位处于低于工作电极 402 的电位的电平。因此，在一些实施例中，由于对电极 440 与工作电极 402 之间的电位差，积分电容器或 c
int 408 还可以在从电压源 v
pre 405 的预充电电压电平预充电至较高电平的亮周期期间充电，并在暗周期期间放电至较低电平。在其他实施例中，充电和放电可以分别在暗周期和亮周期中发生。
[0062]
根据模数转换器 (adc) 410 的采样率，积分电容器 c
int 408 可以在固定的时间段充电或放电，所述采样率可以高于 1 khz、4 khz、10 khz、100 khz 或更多。例如，以 1 khz 的采样率，积分电容器 c
int 408 可以在约 1 ms 的时间段充电/放电，然后可以在积分周期结束时由 adc 410 对电压电平进行采样和转换。特定的电压电平将对应于纳米孔中的特定标签种类，并且因此对应于模板上当前位置的核苷酸。
[0063]
在由 adc 410 采样之后，积分电容器 c
int 408 可以通过使用复位信号 403 来闭合开关 401 而再次进行预充电，使得积分电容器 c
int 408 再次连接至电压源 v
pre 405。可以在整个测序过程的循环中重复以下步骤：对积分电容器 c
int 408 进行预充电，等待积分电容器 c
int 408 在固定的时间段充电或放电，以及由 adc 410 对积分电容器的电压电平进行采样和转换。
[0064]
数字处理器 430 可以处理 adc 输出数据，例如，用于归一化、数据缓冲、数据过滤、数据压缩、数据缩减、事件提取、或将来自纳米孔细胞阵列的 adc 输出数据组装成各种数据帧。在一些实施例中，数字处理器 430 还可以执行下游处理，诸如碱基确定。数字处理器 430 可以作为硬件实施（例如，在 gpu、fpga、asic 等中）或作为硬件和软件的组合。
[0065]
因此，跨纳米孔施加的电压信号可用于检测纳米孔的特定状态。当纳米孔的筒体中不存在标记的多磷酸盐时，纳米孔的一种可能状态是开放通道状态。纳米孔的另外四种可能状态各自对应于四种不同类型的标记的多磷酸核苷酸（a、t、g 或 c）中的一种被保持在纳米孔的筒体中的状态。纳米孔的另一种可能状态是脂质双层破裂时。
[0066]
当在固定的时间段之后测量积分电容器 c
int 408 上的电压电平时，纳米孔的不同状态可以产生对不同电压电平的测量。这是因为积分电容器 c
int 408 上的电压衰减率（通过放电降低或通过充电而增加）（即，积分电容器 c
int 408 上的电压斜率的陡度与时间曲线图）取决于纳米孔电阻（例如，电阻器 r
pore 428 的电阻）。更特别地，由于分子（标签）的不同化学结构，与处于不同状态的纳米孔相关的电阻不同，因此可以观察到对应的不同电压衰减率，并且可以用于识别纳米孔的不同状态。电压衰减曲线可以是具有 rc 时间常数 τ= rc 的指数曲线，其中 r 是与纳米孔相关的电阻（即，r
pore 428），c 是与 r 平行的膜相关的电容（即，电容器 426 (c
bilayer
)）。纳米孔细胞的时间常数可以是，例如，约 200-500 ms。由于双层的详细实施方式，衰减曲线可以非完全拟合指数曲线，但是衰减曲线可以类似于指数曲线并且是单调的，从而实现标签检测。
[0067]
在一些实施例中，与处于开放通道状态的纳米孔相关的电阻可以在 100 mohm 至 20 gohm 的范围内。在一些实施例中，在标签在纳米孔的筒体内的状态下，与纳米孔相关的电阻可以在 200 mohm 至 40 gohm 的范围内。在其他实施例中，可以省略积分电容器 c
int 408，因为通向 adc 410 的电压仍将随电模型 422 中的电压衰减而变化。
[0068]
积分电容器 c
int 408 上的电压衰减率可以以不同的方式确定。如上所述，电压衰
减率可以通过在固定的时间间隔内测量电压衰减来确定。例如，积分电容器 c
int 408 上的电压可以首先在时间 t1 处由 adc 410 测量，然后在时间 t2 处由 adc 410 再次测量电压。当积分电容器 c
int 408 上的电压斜率相对于时间曲线较陡时，电压差较大，而当电压曲线的斜率较缓时，电压差较小。因此，电压差可以用作确定积分电容器 c
int 408 上的电压衰减率以及纳米孔细胞状态的度量。
[0069]
在其他实施例中，电压衰减率可以通过测量所选电压衰减量所需的持续时间来确定。例如，可以测量电压从第一电压电平 v1 下降或增加至第二电压电平 v2 所需的时间。当电压相对于时间曲线的斜率较陡时，所需的时间较少，而当电压相对于时间曲线的斜率较缓时，所需的时间较多。因此，所需的测量时间可以用作确定积分电容器 c
int 408 上的电压 v
ncap 衰减率以及纳米孔细胞状态的度量。本领域技术人员将理解可用于测量纳米孔的电阻的各种电路，例如，包括电流测量技术。
[0070]
在一些实施例中，电路 400 可以不包括在芯片上制造的通路器件（例如，通路器件 406）和额外的电容器（例如，积分电容器 c
int 408），从而有助于减小基于纳米孔的测序芯片的尺寸。由于膜（脂质双层）的薄性质，仅与膜相关的电容（例如，电容器 426 (c
bilayer
)）就足以产生所需的 rc 时间常数，而无需额外的芯片上电容。因此，电容器 426 可以用作积分电容器，并且可以通过电压信号 v
pre 预充电并且随后可以通过电压信号 v
liq 放电或充电。消除原本在电路中的芯片上制造的额外电容器和通路器件，可以显著减小纳米孔测序芯片中单个纳米孔细胞的占位面积，从而有利于纳米孔测序芯片的缩放以包括越来越多的细胞（例如，在纳米孔测序芯片中具有数百万个细胞）。
[0071]
d纳米孔细胞中的数据采样为了执行核酸测序，积分电容器（例如，积分电容器 c
int 408 或电容器 426 (
bilayer
)）的电压电平可以由 adc（例如，adc 410）采样和转换，同时将标记的核苷酸添加到核酸中。例如，当所施加的电压使得 v
liq 低于 v
pre 时，核苷酸的标签可以通过穿过对电极和工作电极施加的跨纳米孔的电场推入纳米孔的筒体中。
[0072]
1 穿线穿线事件是将标记的核苷酸附接至模板（例如，核酸片段），并且标签进出纳米孔的筒体时。在穿线事件期间，这可以发生多次。当标签位于纳米孔的筒体中时，纳米孔的电阻可以更高，并且更低的电流可以流过纳米孔。
[0073]
在测序期间，标签可以不在某些 ac 循环（称为开放通道状态）的纳米孔中，其中电流最高，因为纳米孔的电阻较低。当标签被吸引至纳米孔的筒体中时，纳米孔处于亮模式。当标签从纳米孔的筒体中推出时，纳米孔处于暗模式。
[0074]
2 亮周期和暗周期在 ac 循环内，adc 可以多次采样积分电容器上的电压。例如，在一个实施例中，以例如约 100hz 跨系统施加 ac 电压信号，并且 adc 的获取速率可以是每个细胞约 2000 hz。因此，每个 ac 循环（ac 波形的循环）可以捕获约 20 个数据点（电压测量）。对应于 ac 波形的一个循环的数据点可以称为一组。在 ac 循环的一组数据点中，亚组可以例如在 v
liq 低于 v
pre 时捕获，所述亚组可以对应于亮模式（周期），在该模式下标签被迫进入纳米孔的筒体中。另一亚组可以对应于暗模式（周期），在该模式下标签在例如 v
liq 高于 v
pre 时由所施加的电场从纳米孔的筒体中推出。
[0075]
3 测得电压对于每个数据点，当开关 401 断开时，积分电容器（例如，积分电容器 c
int 408 或电容器 426 (c
bilayer
)）处的电压将因 v
liq 的充电/放电而以衰减的方式发生变化，例如，当 v
liq 高于 v
pre 时从 v
pre 增加到 v
liq
，或者当 v
liq 低于 v
pre 时从 v
pre 减少到 v
liq
。当工作电极充电时，最终电压值可以偏离 v
liq
。积分电容器上电压电平的变化率可以由双层的电阻值控制，所述双层可以包括纳米孔，该纳米孔反过来可以包括纳米孔中的分子（例如，标记的核苷酸的标签）。电压电平可以在开关 401 断开之后的预定时间测量。
[0076]
开关 401 可以以数据获取速率操作。开关 401 可以在两次数据获取之间相对短的时间段内闭合，通常在 adc 测量之后立即闭合。所述开关允许在 v
liq 的每一个 ac 循环的每一个子周期（亮或暗）期间收集多个数据点。如果开关 401 保持断开，则积分电容器上的电压电平以及 adc 的输出值将完全衰减并保持不动。相反，当开关 401 闭合时，积分电容器再次预充电（至 v
pre
），并且准备好进行另一次测量。因此，开关 401 允许针对每一个 ac 循环的每一个子周期（亮或暗）收集多个数据点。如此多次测量可以利用固定的 adc 实现更高的分辨率（例如，由于更多的测量次数，因此为 8 位至 14 位，所述次数可以取平均）。多次测量还可以提供有关进入纳米孔中穿线的分子的动力学信息。定时信息可以确定穿线发生的时间长短。这也可以用于帮助确定添加到核酸链的多个核苷酸是否正在测序。
[0077]
图 5 示出在 ac 循环的亮周期和暗周期期间从例如纳米孔细胞捕获的数据点实例。施加到工作电极或积分电容器的电压 (v
pre
) 处于恒定电平，诸如 500 mv。施加到纳米孔细胞的对电极的电压信号 510 (v
liq
) 是显示为矩形波的 ac 信号，其中占空比可以是任何合适的值，诸如小于或等于 50%，例如，约 40%。在图 5 中，出于说明目的，放大数据点的变化（与 v
liq 的比例不同）。
[0078]
在亮周期 520 期间，施加到对电极的电压信号 510 (v
liq
) 低于施加到工作电极的电压 v
pre
，使得标签可能通过施加在工作电极和对电极上的不同电压电平（例如，由于标签上的电荷和/或离子的流动）所引起的电场而被迫进入纳米孔的筒体中。当开关 401 断开时，adc 之前的节点处（例如，积分电容器处）的电压将减小。在捕获电压数据点之后（例如，在指定时间段之后），开关 401 可以闭合，并且测量节点处的电压将再次增加回到 v
pre
。该工艺可以重复以测量多个电压数据点。以这种方式，可以在亮周期期间捕获多个数据点。
[0079]
如图 5 所示，在 v
liq 信号的符号改变之后的亮周期中的第一数据点 522（也称为第一点变化量 (fpd)）可以低于随后的数据点 524。这可能是因为纳米孔（开放通道）中没有标签，因此它具有低电阻和高放电速率。数据点 524 可以在发生穿线事件之后捕获，即，标签被迫进入纳米孔的筒体中，其中纳米孔的电阻以及积分电容器的放电速率取决于标签的特定类型，所述标签被迫进入纳米孔的筒体中。如下所述，由于电荷在双层电容器（例如，c
dbl 424）处累积，因此对于每次测量，数据点 524 可能稍微减小。
[0080]
在暗周期 530 期间，施加到对电极的电压信号 510 (v
liq
) 高于施加到工作电极的电压 (v
pre
)，使得任何标签将被推出纳米孔的筒体。当开关 401 断开时，因为电压信号 510 的电压电平 (v
liq
) 高于 v
pre
，所以测量节点处的电压增加。在捕获电压数据点之后（例如，在指定时间段之后），开关 401 可以闭合，并且测量节点处的电压将再次降低回到 v
pre
。该工艺可以重复以测量多个电压数据点。因此，可以在暗周期期间捕获多个数据点，包
括第一点变化量 532 和后续数据点 534。如上所述，在暗周期期间，任何核苷酸标签被推出纳米孔，因此除了用于归一化之外，还获得了关于任何核苷酸标签的最少信息。因此，在暗周期期间来自细胞的输出电压信号可以很少使用或没有使用。
[0081]
图 5 还示出在亮周期 540 期间，即使施加到对电极的电压信号 510 (v
liq
) 低于施加到工作电极的电压 (v
pre
)，也不会发生穿线事件（开放通道）。因此，纳米孔的电阻低，并且积分电容器的放电速率高。结果，包括第一数据点 542 和后续数据点 544 的捕获数据点显示低电压电平。
[0082]
对于纳米孔的恒定电阻的每一次测量，可以预期在亮周期或暗周期期间测量的电压大致相同（例如，在既定 ac 循环的亮模式下，当一个标签在纳米孔中时进行测量），但是当电荷在双层电容器 c
dbl 处累积时，情况可以并非如此。这种电荷累积可以导致纳米孔细胞的时间常数变长。结果，电压电平可以发生偏移，从而导致在循环中每一个数据点的实测值减小。因此，在循环内，数据点可以从一个数据点到另一个数据点有所变化，如图 5 所示。因此，测量双层电容以进行数据归一化和基线调整可能是所期望的，以便更准确地确定与测得电压电平相关的碱基。
[0083]
4确定碱基对于纳米孔传感器芯片的每一个可用的纳米孔细胞，可以运行生产模式以对核酸进行测序。测序期间捕获的 adc 输出数据可以进行归一化以提供更高准确度。归一化可以考虑偏移效应，诸如循环形状和基线偏移。在归一化之后，实施例可以确定用于穿线的通道的电压群集，其中每一个群集对应于不同的标签种类，并且因此对应于不同的核苷酸。群集可用于确定对应于既定核苷酸的既定电压的概率。作为另一个实例，群集可以用于确定区分不同核苷酸（碱基）的截止电压。
[0084]
关于测序操作的更多详细信息可见，例如，题为“具有可变电压刺激的基于纳米孔的测序”的美国专利公开号 2016/0178577、题为“具有可变电压刺激的基于纳米孔的测序”的美国专利公开号 2016/0178554、题为“使用对电刺激的双层响应测量进行无损双层监测”的美国专利申请号 15/085,700 和题为“双层形成的电增强”的美国专利申请号 15/085,713。
[0085]
ⅱꢀ
纳米孔细胞阵列当测序纳米孔细胞布置在纳米孔传感器芯片上时，许多核酸分子可以平行测序。每一个细胞可以具有一些专用电路（例如，积分电容器），但是也可以共享一些电路，例如，adc、信号源、电极或控制电路。
[0086]
图 6 示出包括纳米孔细胞 608 的二维阵列的纳米孔细胞阵列 600 的实例。纳米孔细胞阵列 600 可以包括数千或甚至数百万个纳米孔细胞。例如，在一个实施例中，纳米孔细胞阵列 600 可以包括以 512 行和 512 列布置的 512
×
512 纳米孔细胞。纳米孔细胞阵列 600 可以分组为不同的库 606，其中每一个库可以包括纳米孔细胞阵列 600 中的纳米孔细胞的亚组。在一些实施例中，纳米孔细胞阵列 600 的每一列中的纳米孔细胞可以分组在一起，并且每一列中的纳米孔细胞的积分电容器处的电压电平可以由 adc 612 采样和转换。列中的纳米孔细胞可以共享相同的 adc，以减少纳米孔传感器芯片的总面积和功耗。
[0087]
行驱动器和预充电电路 618 可以用于选择性地对一个或多个行中的纳米孔细胞
进行预充电（例如，通过闭合图 4 的开关 401 以使用行选择线（或字线）614 将一个或多个行中的纳米孔细胞连接至 v
pre
）。行驱动器和预充电电路 618 还可以用于使用行选择线（即，字线）614 顺序地选择每一行。来自选定行上的纳米孔细胞的信号可以耦合至对应的列线 616（例如，通过晶体管和开关（未示出））。来自选定行上的纳米孔细胞的电压信号可以由对应的列放大器 620 可选地处理（例如，感测和放大），并且由对应的 adc 612 转换成数字输出。在一些实施例中，多个列可以由相同的列放大器和 adc 服务。
[0088]
图 7 示出在包括纳米孔细胞的二维阵列的纳米孔传感器芯片的列上的纳米孔细胞的简化电路 700。电路 700 包括在二维阵列的列上的两个或更多个纳米孔细胞 705、715 等。纳米孔细胞 705 可以包括细胞 a (712)。如以上关于图 4 所述，细胞 a (712) 可以包括工作电极（例如，工作电极 402）、对电极（例如，对电极 440）、对双层相关的电容器进行建模的双层电容器（例如，电容器 426 (c
bilayer
)）、对纳米孔相关的可变电阻进行建模的电阻器 r
pore
（例如，电阻器 r
pore 428）以及代表工作电极和细胞的阱（例如，阱 205）的电特性的双层电容器（例如，c
dbl 424）。
[0089]
纳米孔细胞 705 还可以包括由预充电 a 信号 704 控制的开关 706。开关 706 可以将纳米孔细胞 705 连接至电压源 v
pre 702 以对纳米孔细胞 705 充电。通路器件 710 用于将细胞 a (712) 连接至电压源 v
pre 702 和/或测量电路或者断开与的连接（如下所述）。通路器件 710 可以由存储位 708 控制。测量电路可以包括芯片上积分电容器 c
int 714 和读出电路。积分电容器 c
int 714 可以由电压源 v
pre 702 通过开关 706 进行预充电。在一些实施例中，电压源 v
pre 702 提供幅度为例如 900 mv 的恒定电压。当开关 706（和/或通路器件 710）闭合时，积分电容器 c
int 714（和/或细胞 a (712)）可以预充电至电压源 v
pre 702 的电压电平。
[0090]
在对积分电容器 c
int 714 进行预充电之后，预充电 a 信号 704 可以用于断开开关 706，以断开积分电容器 c
int 714 与电压源 v
pre 702 的连接。此时，根据细胞 a 的对电极（例如，对电极 440）上的电压源（例如，电压源 v
liq 420）的电平，积分电容器 c
int 714 可以在固定的积分周期内充电或放电，如以上关于图 4 和图 5 所述。
[0091]
在积分周期之后，积分电容器 c
int 714 的电压电平可以通过读出电路读出并且转换为数字信号。例如，在读出周期期间，通路器件 710 可以断开，并且读出电路的开关 722 可以在行选择 (rs) a 信号 718 的控制下闭合。因此，积分电容器 c
int 714 的电压电平可以由列放大器和 adc 电路 782 通过读出电路的读出晶体管 716 和列总线 780 进行采样。在一些实施例中，读出晶体管 716 连接至列电源 pcol 720，作为源极跟随器实施，并且可以充当具有电流放大能力的电压缓冲器。因此，读出晶体管 716 可以用作缓冲放大器，以使积分电容器 c
int 714 与列总线 780 和开关 722 上的噪声隔离。
[0092]
列中的其他纳米孔细胞可以具有与纳米孔细胞 705 相同的电路。例如，纳米孔细胞 715 可以包括细胞 b (762)，由预充电 b 信号 754 控制的开关 756，所述开关用于将纳米孔细胞 715 连接至电压源 v
pre 752，以及测量电路，所述电路包括积分电容器 c
int 764 和读出电路，该读出电路可以包括读出晶体管 766 和开关 772。电压源 v
pre 752 可以用于对积分电容器 c
int 764 和/或细胞 b (762) 进行充电。通路器件 760 可以用于将细胞 b (762) 连接至电压源 v
pre 752 或测量电路或者断开之的连接。通路器件 760 可以由存储位 758 控制。积分电容器 c
int 764 可以由电压源 vpre 702 通过开关 756 预
充电至电压源 v
pre 752 的电压电平。在对积分电容器 c
int 764 进行预充电之后，预充电 b 信号 754 可以用于断开开关 756，以断开积分电容器 c
int 764 与电压源 v
pre 752 的连接。根据细胞 b 的对电极（例如，对电极 440）上的电压源（例如，电压源 v
liq 420）的电平，积分电容器 c
int 764 可以在固定的积分周期内充电或放电，如以上关于图 4 和图 5 所述。
[0093]
在积分周期之后，积分电容器 c
int 764 的电压电平可以读出并且转换为数字信号。在读出周期期间，开关 772 可以在 rs b 信号 768 的控制下闭合。因此，积分电容器 c
int 764 的电压电平可以由列放大器和 adc 电路 782 通过读出晶体管 766 和列总线 780 进行采样。读出晶体管 766 可以类似于读出晶体管 716，并且可以连接至列电源 pcol 770。
[0094]
相同列上的其他纳米孔细胞可以具有相似的功能。如图 7 所示，每一个纳米孔细胞（例如，705 或 715）可以包括其自己的模拟部件，诸如积分电容器（例如，积分电容器 c
int 714 或 764）和读出晶体管（例如，读出晶体管 716 或 766）。积分电容器可能需要足够大以减小纳米孔细胞上的噪声。读出晶体管可能需要足够大以减小例如闪烁噪声和读出晶体管的偏移（这可能限制 adc 的最小范围或动态范围）。因此，减小模拟部件的尺寸可以影响细胞的性能。如此，每一个纳米孔细胞可能需要具有大的积分电容器和读出晶体管，这可能限制每一个纳米孔细胞的最小尺寸。
[0095]
图 8 是示出纳米孔细胞的控制信号的实例的时序图 800，所述纳米孔细胞在包括如以上关于图 7 所述的纳米孔细胞的二维阵列的纳米孔传感器芯片的列上。时序图 800 显示控制信号的实例，包括预充电 a 信号 810、rs a 信号 820、预充电 b 信号 830、rs b 信号 840、
……
、预充电 n 信号 850 和 rs n 信号 860。每一个纳米孔细胞的采样周期由时间段 816 指示。预充电 a 信号 810 和 rs a 信号 820 可用于控制第一纳米孔细胞（例如，纳米孔细胞 705）的预充电、积分和读出。例如，当脉冲 812 在预充电 a 信号 810 上（这可以接通开关 706）时，第一纳米孔细胞的积分电容器（例如，积分电容器 c
int 714）被预充电。
[0096]
如上所述，在脉冲 812 之后，积分电容器可以由与纳米孔细胞的状态有关的电流信号充电或放电。当脉冲 822 在 rs a 信号 820 上（例如，以接通开关 722）时，第一纳米孔细胞的积分电容器的电压电平被读出并转换为数字信号。类似地，当脉冲 832 在预充电 b 信号 830 上（例如，以接通开关 756）时，第二纳米孔细胞的积分电容器（例如，积分电容器 c
int 764）被预充电。如上所述，在脉冲 832 之后，积分电容器可以由与纳米孔细胞的状态有关的电流信号充电或放电。当脉冲 842 在 rs b 信号 840 上以接通例如开关 772 时，第二纳米孔细胞的积分电容器的电压电平被读出并转换为数字信号。类似地，预充电 n 信号 850 和 rs n 信号 860 可用于控制列中第 n 纳米孔细胞的预充电、积分和读出。例如，预充电 n 信号 850 上的脉冲 852 可用于控制纳米孔细胞 n 上积分电容器的预充电，rs n 信号 860 上的脉冲 862 可用于控制对积分电容器上电压电平的读出。
[0097]
ⅲꢀ
具有共享部件的纳米孔细胞阵列如上所述，对于基于纳米孔的传感器芯片，最小采样周期可以取决于 adc 带宽和数字 io 带宽，而每一个细胞的积分周期可以取决于细胞的积分电容器的尺寸。在许多情况下，单个细胞的积分周期可以小于时间段 816 所示的传感器芯片采样周期的一半。换言之，每
一个细胞可以仅需要在采样周期的一部分时间内使用积分电容器进行上述预充电、积分和读出。
[0098]
根据某些实施例，多个纳米孔细胞可以共享相同的模拟部件，诸如积分电容器和读出电容器。例如，如果采样周期为约 1 ms 并且每一个细胞的积分时间为约 250 μs，则四个细胞可以共享相同的模拟部件。小型数字开关可以添加到每一个细胞，以将细胞选择性地连接至共享的模拟部件，诸如积分电容器和读出晶体管。在一个采样周期中，共享相同模拟部件的每一个细胞可以在传感器芯片采样周期的一部分时间内进行预充电、充电或放电，然后读出。细胞的数字部件可以通过使用更先进的制造技术来减少，这些技术可以实现更小的临界尺寸。如此，可以减小纳米孔细胞的平均尺寸。
[0099]
图 9 是根据某些实施例的纳米孔传感器芯片的纳米孔细胞的简化电路 900。电路 900 包括共享模拟测量电路 905 的两个或多个纳米孔细胞（例如，纳米孔细胞 915、纳米孔细胞 925 等），所述模拟测量电路包括一个或多个模拟部件，诸如积分电容器 c
int 940 和读出器晶体管 950。模拟测量电路 905 还可以包括开关 954，所述开关通过列总线 980 将积分电容器 c
int 940 和读出晶体管 950 连接至列放大器和 adc 电路 960。开关 954 可以由 rs 信号 952 控制。读出晶体管 950 可以类似于读出晶体管 716，并且可以连接至列电源 pcol 956 并形成源极跟随器。共享一些模拟部件的每一个纳米孔细胞可以包括细胞，诸如细胞 a (910) 或细胞 b (930)。如以上关于图 4 和图 7 所述，每一个细胞可以包括工作电极（例如，工作电极 402）、对电极（例如，对电极 440）、对双层相关的电容器进行建模的双层电容器（例如，电容器 426 (c
bilayer
)）、对纳米孔相关的可变电阻进行建模的电阻器 r
pore
（例如，电阻器 r
pore 428）以及代表工作电极和细胞的阱（例如，阱 205）的电特性的双层电容器（例如，c
dbl 424）。
[0100]
每一个纳米孔细胞还可以包括由预充电信号（例如，预充电 a 信号 906 或预充电 b 信号 926）控制的预充电开关（例如，预充电开关 912 或 932）。预充电开关可以将纳米孔细胞连接至电压源（例如，v
pre 信号 904 或 v
pre 信号 924），以将纳米孔细胞（包括积分电容器）预充电至已知电压电平。纳米孔细胞的通路器件（例如，通路器件 914 或 934）可用于将细胞（细胞 a (910) 或细胞 b (930)）连接至电压源或积分电容器 c
int 940 和读出晶体管 950 或者断开与之的连接。通路器件可以由存储位（例如，存储位 908 或 928）控制。每一个纳米孔细胞还可以包括细胞选择开关（例如，细胞选择开关 916 或 936）。细胞选择开关可以由细胞选择 (cs) 信号（例如，cs a 信号 902 或 cs b 信号 922）控制，以在采样周期内的不同时间段期间将每一个纳米孔细胞选择性地连接至积分电容器 c
int 940 和读出晶体管 950。
[0101]
图 10 是时序图 1000，其示出根据某些实施例的用于共享如以上关于图 9 所述的一些模拟部件的纳米孔细胞的控制信号的实例。时序图 1000 示出控制信号的实例，包括预充电 a 信号 1010、预充电 b 信号1020、
……
预充电 n 信号 1030、rs 信号 1040、细胞选择 (cs) a 信号 1050、cs b 信号 1060 和 cs n 信号 1070。传感器芯片的采样周期由时间段 1002 指示。
[0102]
当脉冲 1052（或高电压电平）在 cs a 信号 1050 上时，细胞选择开关（例如，细胞选择开关 916）可以闭合，并且因此第一纳米孔细胞（例如，纳米孔细胞 915）可以连接至共享模拟测量电路（例如，模拟测量电路 905），所述电路包括共享积分电容器（例如，共享
积分电容器 c
int 940）。当脉冲 1012 在第一纳米孔细胞的预充电周期内在预充电 a 信号 1010 上时，第一纳米孔细胞的预充电开关（例如，预充电开关 912）和通路器件（例如，通路器件 914）可以闭合，并且因此第一纳米孔细胞和共享积分电容器 c
int 940 可以预充电至由 v
pre 信号 904 确定的电压电平。在脉冲 1012 之后，在积分周期 1014 期间，预充电开关可以断开，并且第一纳米孔细胞和共享积分电容器 c
int 940 可以通过与第一纳米孔细胞状态有关的电流进行放电或充电。在积分周期 1014 之后，用于第一纳米孔细胞的通路器件和细胞选择开关可以断开，并且脉冲 1016 可以在读出周期期间施加到 rs 信号 1040 上以接通开关 954，使得积分电容器 c
int 940 的电压电平可以通过列总线 980 读出，并由列放大器和 adc 电路 960 数字化，以生成第一纳米孔细胞的测量值。因此，用于测量第一纳米孔细胞的时间段 1018 包括由脉冲 1012 指示的预充电周期、积分周期 1014 和由脉冲 1016 指示的读出周期。
[0103]
当脉冲 1062（或高电压电平）在 cs b 信号 1060 上时，细胞选择开关（例如，细胞选择开关 936）可以闭合，并且因此第二纳米孔细胞（例如，纳米孔细胞 925）可以连接至共享模拟测量电路，所述电路包括共享积分电容器。当脉冲 1022 在第二纳米孔细胞（例如，纳米孔细胞 925）的预充电周期期间施加到预充电 b 信号 1020 上时，第二纳米孔细胞的预充电开关（例如，预充电开关 932）和通路器件（例如，通路器件 934）可以闭合，并且因此第二纳米孔细胞和共享积分电容器 c
int 940 可以预充电至由 v
pre 信号 924 确定的电压电平。在脉冲 1022 之后，在积分周期 1024 期间，预充电开关可以断开，并且第二纳米孔细胞和共享积分电容器 c
int 940 可以通过与第二纳米孔细胞状态有关的电流进行放电或充电。在积分周期 1024 之后，用于第二纳米孔细胞的通路器件和细胞选择开关可以断开，并且脉冲 1026 可以施加到 rs 信号 1040 上以接通开关 954，使得积分电容器 c
int 940 的电压电平可以通过列总线 980 读出，并由列放大器和 adc 电路 960 数字化，以生成第二纳米孔细胞的测量值。因此，用于测量第二纳米孔细胞的时间段 1028 包括由脉冲 1022 指示的预充电周期、积分周期 1024 和由脉冲 1026 指示的读出周期。
[0104]
共享相同模拟部件的其他纳米孔细胞可以类似地连接至共享的模拟部件（例如，在脉冲 1072 期间），在预充电周期期间（例如，在脉冲 1032 期间）预充电，在积分周期期间（例如，积分周期 1034）充电或放电，以及在读出周期期间（例如，在脉冲 1036 期间）读出。用于测量第 n 纳米孔细胞的时间段 1038 包括由脉冲 1032 指示的预充电周期、积分周期 1034 和由脉冲 1036 指示的读出周期。以这种方式，几个纳米孔细胞可以共享相同的模拟部件，并且可以在采样周期的不同时间段期间进行测量。
[0105]
在一些实施例中，细胞选择开关和细胞选择信号可以不使用，并且通路器件可以用于将每一个细胞连接至共享的模拟部件。例如，在纳米孔细胞的预充电期间，纳米孔细胞的预充电开关（例如，预充电开关 912）和通路器件（例如，通路器件 914）可以闭合。在积分周期期间，预充电开关可以断开，并且通路器件可以闭合。在读出期间，预充电开关和通路器件两者可以断开。当一个纳米孔细胞处于预充电、积分或读出周期时，预充电开关和共享相同模拟部件的其他纳米孔细胞的通路器件可以断开。以这种方式，可以独立地测量共享相同模拟部件的每一个纳米孔细胞。
[0106]
在各种实施例中，由模拟测量电路（例如，模拟测量电路 905）测量的纳米孔细胞的信号值可以表示与纳米孔的电阻率相关的任何可测量的量，并且可以从中推导出纳米孔
（穿线和/或未穿线）的电阻率。例如，由模拟测量电路测量的信号可以是（或表示）电压或电流信号。所测量的信号值可以表示电压和/或电流的直接测量的结果，或者可以表示间接测量。例如，信号值可以是所测量的持续时间，在该持续时间内，电压或电流达到指定值。
[0107]
在各种实施例中，不同数量的纳米孔细胞，诸如 2 个、3 个、4 个、6 个、8 个、9 个或更多个纳米孔细胞，可以共享相同的模拟部件。在一些实施例中，共享相同模拟部件的纳米孔细胞可以布置为一维或二维阵列。例如，在一个实施例中，共享相同模拟部件的纳米孔细胞可以在传感器芯片的纳米孔细胞阵列的相同列上。
[0108]
如图 9 所示，v
pre 信号 904 或 924 可以通过 v
pre 开关（例如，v
pre 开关 918 或 938）连接至处于不同电压电平（例如，v1 和 v2）的两个或多个电压源中的一个。v
pre 开关可以将纳米孔细胞的工作电极选择性地连接至高电压电平或低电压电平。例如，v
pre 开关可以通过 ac 控制信号（诸如方波或矩形波信号）进行控制，使得工作电极可以在 ac 控制信号的循环的一部分期间连接至高电压电平，并且可以在循环的另一部分期间连接至低电压电平。v
pre 开关可以位于细胞内，也可以位于细胞外，例如，在每一行的末端。
[0109]
在一些实施例中，v
pre 开关可以使用由反向控制信号控制的两个开关来实施，其中一个开关可以被配置为将工作电极连接至高电压电平，而另一个开关可以被配置为将工作电极连接至低电压电平。ac 控制信号可以是数字信号，诸如数字时钟信号。高电压电平可以高于共用信号（例如，信号 v
liq
），而低电压电平可以低于共用信号。如此，ac v
pre 信号可以有效地施加到纳米孔细胞。通过将不同的数字 ac 控制信号（例如，具有不同的电平、周期或相位延迟）施加到纳米孔细胞，可以将不同的 v
pre 信号施加到不同的纳米孔细胞。以这种方式，可以独立地控制每一个纳米孔细胞。同样，纳米孔细胞的行可以通过对纳米孔细胞的不同行施加不同的控制信号来独立地控制。
[0110]
在一些实施例中，如果纳米孔细胞未连接至积分电容器（例如，积分电容器 c
int 940），则纳米孔细胞可在预充电后快速放电。为了避免快速放电，纳米孔细胞可以在充电、放电和测量之前保持在一定的电压电平，诸如 v2。例如，通过接通预充电开关 912 和切换 v
pre 开关 918 以将 v
pre 信号 904 连接至电压电平 v2，纳米孔细胞 915 可以保持在电压电平 v2（其可以对应于暗周期，在所述期间可以不测量数据）。
[0111]
ⅳꢀ
无需额外的积分电容器的纳米孔细胞在一些实施例中，纳米孔细胞的寄生双层电容器（例如，电容器 426 (c
bilayer
)）可以用作积分电容器，并且可以足够大以用于所期望的噪声性能，并且因为增加了额外的积分电容器可以增加纳米孔细胞的尺寸并降低电压电平或增加积分时间，因此不需要额外的积分电容器。因此，由一组纳米孔细胞共享的模拟部件可以包括读出晶体管 950，但是可以不包括积分电容器 c
int 940。
[0112]
在一些情况下，检查双层电容器是否正常工作可能是所期望的。但是，不使用额外的电容器可能很难执行检查。因此，可以将校准电容器用于评价或验证。在一些实施方式中，开关可以添加到电路，以在信号积分期间断开校准电容器的连接，并将校准电容器连接至细胞以用于评价或验证目的。由于校准电容器在预充电、积分和读出期间断开与细胞的连接，因此它不会影响测量结果（例如，测量结果中的噪声），并且可以减小体积。
[0113]
图 11 是根据某些实施例的纳米孔传感器芯片的纳米孔细胞的简化电路 1100。电路 1100 可以包括共享模拟测量电路 1105 的纳米孔细胞，所述模拟测量电路包括一个
之间没有时间间隙，时间间隙也可以在任何两个连续脉冲之间插入。
[0119]
在以上关于图 9 和图 10 所述的纳米孔传感器芯片中，每一个纳米孔细胞可以在预充电、积分和读出周期期间连接至共享的测量电路。相反地，在以上关于图 11 和图 12 所述的纳米孔传感器芯片中，每一个纳米孔细胞只能在读出周期期间连接至共享的测量电路。
[0120]
ⅴꢀ
实例方法图 13 是示出根据某些实施例，使用传感器芯片的核酸测序方法的实施例的流程图 1300，所述传感器芯片包括一组纳米孔细胞。每一个纳米孔细胞可以包括如上所述的纳米孔。一组纳米孔细胞中的两个或多个纳米孔细胞可以共享一些模拟电路部件，例如，如以上关于图 9-12 所述。
[0121]
在框 1310，细胞选择开关（诸如细胞选择开关 916）可以将第一纳米孔细胞（例如，第一纳米孔细胞 915）连接至测量电路（例如，模拟测量电路 905）。细胞选择开关可以由细胞选择信号（例如，cs a 信号 902）控制。当第一纳米孔细胞连接至测量电路时，其他纳米孔细胞可以断开与测量电路的连接。如上所述，在一些实施例中，测量电路包括积分电容器（例如，积分电容器 c
int 940）、缓冲放大器（例如，读出晶体管 950）和用于将积分电容器连接至模数转换电路（例如，列放大器和 adc 电路 960）的开关（例如，开关 954）。
[0122]
在框 1320，与第一纳米孔细胞的纳米孔的状态相关的第一信号可以在测量电路处生成。在一些实施例中，积分电容器可以首先预充电至电压电平，然后可以通过流过第一纳米孔细胞的纳米孔的电流对积分电容器进行充电或放电达积分周期。在一些实施例中，积分电容器可以通过开关连接至两个或多个电压源中的一个，以预充电至两个或多个电压电平中的一个。积分时间可以小于，例如，传感器芯片的采样周期的一半、四分之一、八分之一（例如，1 ms）。流过第一纳米孔细胞的纳米孔的电流可以与第一纳米孔细胞的状态相关，诸如如上所述的在第一纳米孔细胞处发生的开放通道或穿线事件。积分周期之后积分电容器上随之生成的电压电平可以成为第一信号。
[0123]
在框 1330，测量电路和模数转换电路可以测量第一信号。例如，开关（例如，开关 954）可以通过缓冲放大器将积分电容器连接至模数转换电路。开关可以由行选择信号（例如，rs 信号 952）控制。在一些实施例中，缓冲放大器可以包括被配置为源极跟随器的晶体管。模数转换电路可以将从积分电容器读出的电压信号转换为数字值，该数字值可以用于确定第一纳米孔细胞的状态。
[0124]
在框 1340，细胞选择开关（例如，细胞选择开关 916）可以断开第一纳米孔细胞（例如，第一纳米孔细胞 915）与测量电路（例如，模拟测量电路 905）的连接。例如，细胞选择开关可以在细胞选择信号（例如，cs a 信号 902）的控制下断开，以断开测量电路与第一纳米孔细胞的连接。
[0125]
在框 1350，在测量第一信号之后，第二细胞选择开关（诸如细胞选择开关 936）可以将第二纳米孔细胞（例如，第二纳米孔细胞 925）连接至测量电路（例如，模拟测量电路 905）。第二细胞选择开关可以由第二细胞选择信号（例如，cs b 信号 922）控制。当第二纳米孔细胞连接至测量电路时，其他纳米孔细胞可以断开与测量电路的连接。在一些实施例中，第二纳米孔细胞和第一纳米孔细胞在传感器芯片的相同列上在框 1360，与第二纳米孔细胞的纳米孔的状态相关的第二信号可以在测量电路处生
成。例如，积分电容器（例如，积分电容器 c
int 940）可以首先预充电至电压电平，然后可以通过流过第二纳米孔细胞的纳米孔的电流进行充电或放电达积分周期。流过第二纳米孔细胞的纳米孔的电流可以与第二纳米孔细胞的状态相关，诸如如上所述的在第二纳米孔细胞处发生的开放通道或穿线事件。积分周期之后积分电容器上随之生成的电压电平可以成为第二信号。
[0126]
在框 1370，测量电路和模数转换电路可以测量第二信号。例如，测量电路的开关（例如，开关 954）可以通过测量电路的缓冲放大器（例如，读出晶体管 950）将积分电容器连接至模数转换电路。模数转换电路可以将从积分电容器读出的电压信号转换为数字值，该数字值可以用于确定第二纳米孔细胞的状态。
[0127]
在框 1380，细胞选择开关（例如，细胞选择开关 936）可以断开第二纳米孔细胞（例如，第二纳米孔细胞 925）与测量电路（例如，模拟测量电路 905）的连接。例如，第二细胞选择开关可以在细胞选择信号（例如，cs b 信号 922）的控制下断开，以断开测量电路与第二纳米孔细胞的连接。
[0128]
注意，即使图 13 将操作描述为顺序工艺，许多操作也可以并行或同时执行。另外，操作的顺序可以重新布置。例如，在一些实施例中，框 1330 和 1340 的操作可以交换，或者框 1370 和 1380 的操作可以交换。操作可以具有图中未包括的其他步骤。一些操作可以是可选的，因此在各种实施例中可以省略。一个框中描述的一些操作可以与另一框中的操作一起执行。例如，一些操作可以并行执行。此外，实施例的方法可以以硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合实施。
[0129]
ⅵꢀ
计算机系统本文提及的任何计算机系统，诸如处理器 224 和存储器 226、数字处理器 430 等，均可以利用任何合适数量的子系统。此类子系统的实例如计算机系统 10 中的图 14 所示。在一些实施例中，计算机系统包括单个计算机设备，其中子系统可以是计算机设备的部件。在其他实施例中，计算机系统可以包括多个计算机设备，每一个计算机设备是具有内部部件的子系统。计算机系统可以包括台式计算机和便携式计算机、平板电脑、移动电话和其他移动设备。
[0130]
图 14 所示的子系统通过系统总线 75 互连。示出了额外的子系统，诸如打印机 74、键盘 78、存储器件 79、监测器 76（其耦合至显示适配器 82）以及其他子系统。耦合至 i/o 控制器 71 的外围器件和输入/输出 (i/o) 器件可以通过本领域已知的任何数量的装置，诸如输入/输出 (i/o) 端口 77（例如，usb、firewire
®
）连接至计算机系统。例如，i/o 端口 77 或外部接口 81（例如，以太网、wi-fi 等）可用于将计算机系统 10 连接至广域网，诸如互联网、鼠标输入器件或扫描仪。通过系统总线 75 的互连允许中央处理器 73 与每一个子系统通信并控制对来自系统存储器 72 或存储器件 79（例如，固定磁盘，诸如硬盘驱动器，或光盘）的多个指令的执行，以及子系统之间的信息交换。系统存储器 72 和/或存储器件 79 可以体现计算机可读介质。另一子系统是数据采集器件 85，诸如照相机、麦克风、加速度计等。本文提到的任何数据均可以从一个部件输出至另一部件，并可以输出给用户。
[0131]
计算机系统可以包括多个相同的部件或子系统，例如，通过外部接口 81、通过内部接口或通过可移动存储器件连接在一起，该可移动存储器件可以从一个部件连接或移动
至另一个部件。在一些实施例中，计算机系统、子系统或设备可以通过网络进行通信。在这种情况下，一台计算机可以被视为客户端，另一台计算机可以被视为服务器，其中每一台计算机可以被视为相同计算机系统的一部分。客户端和服务器可以各自包括多个系统、子系统或部件。
[0132]
实施例的各方面可以使用硬件（例如，专用集成电路或现场可编程门阵列）和/或使用具有一般可编程处理器的计算机软件，以控制逻辑的形式，以模块化或集成方式来实施。如本文所用，处理器包括单核处理器、在同一集成芯片上的多核处理器、或在单电路板上或联网的多个处理单元。基于本文提供的公开内容和教导，本领域普通技术人员将知晓并理解使用硬件以及硬件和软件的组合来实施本发明的实施例的其他方式和/或方法。
[0133]
本申请中描述的任何软件部件或功能可以使用例如传统或面向对象技术，作为将由处理器执行的软件代码实施，所述处理器使用任何合适的计算机语言诸如，例如，java、c、c++、c＃、objective-c、swift 或脚本语言（诸如 perl 或 python）。软件代码可以作为一系列指令或命令存储在计算机可读介质上，以进行存储和/或传输。合适的非暂时性计算机可读介质可以包括随机存取存储器 (ram)、只读存储器 (rom)、磁性介质（诸如硬盘驱动器或软盘）、或光学介质（诸如光盘 (cd) 或 dvd（数字通用磁盘）、闪存等）。计算机可读介质可以是这种存储或传输器件的任何组合。
[0134]
此类程序还可以使用载波信号进行编码和传输，该载波信号适合于通过符合在各种协议（包括互联网）的有线、光学和/或无线网络进行传输。如此，计算机可读介质可以使用经这种程序编码的数据信号来创建。用程序代码编码的计算机可读介质可以与兼容器件打包在一起，或者与其他器件分开提供（例如，通过互联网下载）。任何此类计算机可读介质可以驻留在单个计算机产品（例如，硬盘驱动器、cd 或整个计算机系统）上或内部，并且可以存在于系统或网络内的不同计算机产品上或内部。计算机系统可以包括监视器、打印机或其他合适的显示器，用于向用户提供本文提到的任何结果。
[0135]
本文描述的任何方法可以由包括一个或多个处理器的计算机系统完全或部分执行，该计算机系统可以被配置为执行步骤。因此，实施例可以针对被配置为执行本文描述的任何方法的步骤的计算机系统，潜在地具有执行相应步骤或各自步骤组的不同部件。尽管以编号的步骤显示，但是本文的方法的步骤可以同时或以不同顺序执行。此外，这些步骤的一部分可以与其他方法的其他步骤的一部分一起使用。而且，步骤的全部或部分可以是可选的。另外，任何方法的任何步骤可以用模块、单元、电路或其他用于执行这些步骤的装置来执行。
[0136]
在不脱离本发明实施例的精神和范围的情况下，可以以任何合适的方式组合特定实施例的具体详细信息。然而，本发明的其他实施例可以针对与每一个单独方面有关的特定实施例，或者这些单独方面的特定组合。
[0137]
为了说明和描述的目的，已经提供本发明的示例性实施例的以上描述。并不旨在穷举本发明或将本发明限制为所描述的精确形式，并且根据以上教导，许多修改和变化是可能的。
[0138]
除非特别指出是相反情况，否则对“一个”、“一种”或“该”的引用旨在表示“一个或多个”。除非特别指出是相反情况，否则“或”的使用旨在表示“包含或”，而不是“排除或”。提及“第一”部件并不一定要求提供第二部件。此外，除非明确说明，否则对“第一”或“第二”部
件的引用并不是将所引用的部件限于特定位置。术语“基于”旨在表示“至少部分基于”。
[0139]
本文提及的所有专利、专利申请、出版物和说明书全文出于所有目的以引用方式并入本文。没有一项被认为是现有技术。
[0140]
描述以下实施例：一种用于核酸测序的传感器芯片，其包括：一组细胞，每一个细胞包括纳米孔，其中与纳米孔相关的电信号对应于细胞的状态；用于一组细胞的读出总线；模拟测量电路，其被配置为对电信号进行采样并通过开关将采样的电信号发送至读出总线，其中采样的电信号的信号电平指示细胞的状态；以及一组细胞选择开关，每一个细胞选择开关被配置为将相应的细胞连接至模拟测量电路，其中一组细胞选择开关被配置为在传感器芯片的周期性采样周期内一次激活一个细胞选择开关，以将一组细胞一次一个地连接至模拟测量电路。
[0141]
本文描述的传感器芯片，其中电信号包括流过纳米孔的电流信号。
[0142]
本文描述的传感器芯片，其中模拟测量电路包括积分电容器，所述积分电容器被配置为对电流信号进行积分以生成电压信号。
[0143]
本文描述的传感器芯片，其中一组细胞中的每一个细胞包括预充电开关，所述预充电开关被配置为与对应的细胞选择开关组合，将细胞和模拟测量电路连接至预充电信号。
[0144]
本文所述的传感器芯片，其中一组细胞中的每一个细胞包括电压选择开关，所述电压选择开关被配置为将细胞交替地连接至两个预充电电压电平。
[0145]
如上所述的传感器芯片，其中模拟测量电路包括晶体管，所述晶体管被配置为将模拟测量电路连接至模数转换电路。
[0146]
如上所述的传感器芯片，其中晶体管被配置为源极跟随器。
[0147]
如上所述的传感器芯片，其还包括：校准电容器；和校准开关，其被配置为：在细胞评价期间将校准电容器连接至模拟测量电路；以及在细胞评价后断开校准电容器与模拟测量电路的连接。
[0148]
如上所述的传感器芯片，其中：一组细胞在传感器芯片的相同列上；并且读出总线是传感器芯片的列总线。
[0149]
一种使用传感器芯片进行核酸测序的方法，所述传感器芯片包括一组纳米孔细胞，每一个纳米孔细胞包括纳米孔，所述方法包括：将一组纳米孔细胞中的第一纳米孔细胞连接至模拟测量电路，其中模拟测量电路位于一组纳米孔细胞与传感器芯片的读出总线之间；在模拟测量电路处生成第一信号，所述第一信号与第一纳米孔细胞的纳米孔的状态相关；通过读出总线和将模拟测量电路连接至读出总线的开关，测量在模拟测量电路处生成
的第一信号；断开第一纳米孔细胞与模拟测量电路的连接；将一组纳米孔细胞中的第二纳米孔细胞连接至模拟测量电路；在模拟测量电路处生成第二信号，所述第二信号与第二纳米孔细胞的纳米孔的状态相关；通过读出总线和开关测量在模拟测量电路处生成的第二信号；以及断开第二纳米孔细胞与模拟测量电路的连接。
[0150]
如上所述的方法，其中：生成第一信号包括：将第一纳米孔细胞和模拟测量电路的积分电容器连接至第一预充电电压源，以对积分电容器和第一纳米孔细胞进行预充电；断开第一纳米孔细胞和积分电容器与第一预充电电压源的连接；以及通过流过第一纳米孔细胞的纳米孔的电流信号对积分电容器进行充电或放电达积分周期，以生成第一信号；并且生成第二信号包括：将第二纳米孔细胞和积分电容器连接至第二预充电电压源，以对积分电容器和第二纳米孔细胞进行预充电；断开第二纳米孔细胞和积分电容器与第二预充电电压源的连接；以及通过流过第二纳米孔细胞的纳米孔的电流信号对积分电容器进行充电或放电达积分周期，以生成第二信号。
[0151]
如上所述的方法，其还包括：将第一预充电电压源和第二预充电电压源连接至高电平信号或低电平信号。
[0152]
如上所述的方法，其中积分周期短于传感器芯片的采样周期的一半。
[0153]
如上所述的方法，其中：第一信号是电压信号；并且测量第一信号包括使用模数转换电路通过缓冲放大器测量第一信号。
[0154]
如上所述的方法，其还包括：在断开第一纳米孔细胞与模拟测量电路的连接之后，将第一纳米孔细胞连接至电压信号。
[0155]
一种使用传感器芯片进行核酸测序的方法，所述传感器芯片包括一组纳米孔细胞，每一个纳米孔细胞包括纳米孔，所述方法包括，对于一组纳米孔细胞中的每一个纳米孔细胞：将纳米孔细胞连接至模拟测量电路，其中模拟测量电路位于一组纳米孔细胞与传感器芯片的读出总线之间；在模拟测量电路处生成与纳米孔细胞的纳米孔的状态相关的信号；通过读出总线和将模拟测量电路连接至读出总线的开关，测量在模拟测量电路处生成的信号；以及断开纳米孔细胞与模拟测量电路的连接。
[0156]
一种使用传感器芯片进行核酸测序的方法，所述传感器芯片包括一组纳米孔细
胞，每一个纳米孔细胞包括纳米孔，所述方法包括：将一组纳米孔细胞中的第一纳米孔细胞连接至模拟测量电路，其中：传感器芯片包括用于一组纳米孔细胞的共享读出总线；一组纳米孔细胞共享模拟测量电路；并且模拟测量电路通过开关耦合至共享读出总线，并且被配置为一次一个地连接至一组纳米孔细胞；使用模拟测量电路，测量与第一纳米孔细胞的纳米孔的状态相关的第一信号；断开第一纳米孔细胞与模拟测量电路的连接；将一组纳米孔细胞中的第二纳米孔细胞连接至模拟测量电路；使用模拟测量电路，测量与第二纳米孔细胞的纳米孔的状态相关的第二信号；以及断开第二纳米孔细胞与模拟测量电路的连接。
[0157]
如上所述的方法，其中第一信号是电流信号或电压信号。
[0158]
如上所述的方法，其中模拟测量电路包括积分电容器和缓冲器。
[0159]
如上所述的方法，其中测量第一信号包括：将模拟测量电路连接至共享读出总线，其中共享读出总线连接至模数转换电路。
[0160]
一种计算机产品，其包括计算机可读介质，所述计算机可读介质存储多个用于控制测序系统执行以上方法中的任何方法的操作的指令。
[0161]
一种测序系统，其包括：如上所述的计算机产品；以及一个或多个电路，其用于执行存储在计算机可读介质上的指令。
[0162]
一种系统，其包括用于执行以上方法中的任何方法的装置。
[0163]
一种系统，其被配置为执行以上方法中的任何方法。
[0164]
一种系统，其包括分别执行以上方法中的任何方法的步骤的模块。

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