纳米孔阵列 背景技术 [0001] 近年来半导体行业内的微小型化的发展已使得生物技术能够开始将其传统上庞大的感测工具封装成越来越小的外形因数，到所谓的生物芯片上。开发用于生物芯片的使得其更加稳健、高效且节省成本的技术将是期望的。 附图说明 [0002] 在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。 [0003] 图1是图示出用于使用纳米孔器件来分析分子的系统100的实施例的框图。 [0004] 图2是图示出用于向纳米孔阵列102中的单元（cell）施加电压激励的实施例的框图。 [0005] 图3是图示出纳米孔阵列102的单元内的纳米孔器件300的实施例的图示。 [0006] 图4A是图示出纳米孔器件300处于其中尚未形成脂双层的状态中的图示。 [0007] 图4B是图示出纳米孔器件300处于其中已形成脂双层302的状态中的图示。 [0008] 图4C是图示出纳米孔器件300处于其中已将具有纳米孔310的纳米孔结构308插入到脂双层302中的状态中的图示。 [0009] 图5是图示出用于使用纳米孔器件来分析分子的过程500的实施例的流程图。 具体实施方式 [0010] 可以以许多方式来实现本发明，包括作为过程；装置；系统；物质组成；在计算机可读存储介质上包含的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置成执行存储在被耦合到处理器的存储器上和/或由该存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实施方式或者本发明可采取的任何其它形式可称为技术。一般地，可在本发明的范围内改变公开过程的步骤的顺序。除非另外说明，可将诸如描述为被配置成执行任务的处理器或存储器之类的部件实现为被临时地配置成在给定时间执行任务的一般部件或者被制造成执行该任务的特定部件。如这里所使用的，术语‘处理器’指的是被配置成处理数据（诸如计算机程序指令）的一个或多个器件、电路和/或处理核。 [0011] 在各种实施例中，以多种系统或形式来实现这里所述的技术。在某些实施例中，用硬件将技术实现为专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）。在某些实施例中，使用处理器（例如，诸如ARM核之类的嵌入式处理器），其中，为处理器提供或加载指令以执行这里所述的技术。在某些实施例中，将技术实现为在计算机可读存储介质中包含并包括计算机指令的计算机程序产品。 [0012] 下面连同图示出本发明的原理的附图一起提供本发明的一个或多个实施例的详细描述。结合此类实施例来描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限制，并且本发明涵盖许多替换、修改和等价物。在以下描述中阐述了许多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。这些细节是出于示例的目的而提供的，并且可在没有这些特定细节中的某些或全部的情况下根据权利要求来实施本发明。为了清楚的目的，并未详细地描述在与本发明有关的技术领域中已知的技术材料，以使得本发明不必要地含糊难懂。 [0013] 近年来半导体行业内的微小型化的发展已使得生物技术专家能够开始将其传统上庞大的感测工具封装成越来越小的外形因数，到所谓的生物芯片上。这些芯片本质上是可以执行数百或者数千个同时生化反应的小型化实验室。生物芯片使得研究人员能够出于多种目的快速地筛选大量的生物分析物，从疾病诊断到生物恐怖试剂的检测。 [0014] 通常，生物芯片包括大型单元阵列。例如，用于核苷酸排序的生物芯片可包含在阵列中的数千个或数百万个单一单元。每个单元包括由单体构成的分子复合体，该单体构成低聚物纳米孔。每个单元还可包括单链DNA以及被结合到该单链DNA的任何事物。纳米孔是可以用作单一分子检测器的电绝缘薄膜中的小孔。可使用生物材料来形成纳米孔，诸如α溶血素或MspA。可以使用固态材料来形成纳米孔，诸如半导体材料。当小电压被施加在包含纳米孔的分子复合体的两端时，可以测量通过分子复合体的离子电流以提供关于经过分子复合体的分子的结构的信息。在阵列的单一单元中，可将电路用于控制在包含纳米孔的脂双层两端施加的电激励，并用于检测和分析通过纳米孔的分子的电图案或签名。 [0015] 图1是图示出用于使用纳米孔器件来分析分子的系统100的实施例的框图。系统 100包括纳米孔阵列102、主控制器104、温度控制器106、流体系统108、用于存储提取的结果的存储器件110以及存储器112。在某些实施例中，可将模块中的某些组合在一起作为单一模块，并且模块中的某些可以是可选的。在某些实施例中，纳米孔阵列102的单元和单元内的纳米孔器件由系统100的其它模块（包括由主控制器104、温度控制器106以及流体系统108）单个地可控制和单个地可寻址。在某些实施例中，可将对应于单元中的每个的性能数据或其它数据从纳米孔阵列102发送到系统100中的其它模块。可分别地经由信号线 114、116和118A在纳米孔阵列102与系统100中的其它模块之间传送控制、地址、性能或其它数据信号。 [0016] 在某些实施例中，纳米孔阵列102的单元和单元内的纳米孔器件由主控制器104单个地可控制和单个地可寻址。这允许主控制器104控制纳米孔阵列102中的单元中的每个或每组单元，使得特定单元或特定的单元组独立地执行不同的功能或者通过不同的状态，而不影响纳米孔阵列102中的其它单元或其它单元组的运行或进展。在一个示例中，可由主控制器104将纳米孔阵列102中的发生故障的单元置于一个状态（例如，禁用状态），使得发生故障的单元不影响纳米孔阵列102中的其它单元的运行。例如，如果脂双层在特定单元中未能形成，则可禁用该单元，使得不向该单元施加电激励；否则，单元可能汲取大的电流，这可影响纳米孔阵列102中的其它单元的性能。 [0017] 在另一示例中，主控制器104可向纳米孔阵列102发送控制信号，使得向不同的单元或单元组施加不同的激励。例如，在时间t1，向第一组单元施加第一激励（例如，电压），并向第二组单元施加第二激励。第一激励可以是对应于单元的特定状态的激励，并且第二激励可以是对应于单元的不同状态的激励。施加于第一组单元的激励可随时间、随着第一组单元从一个状态转变至另一状态而改变。图2是图示出用于向纳米孔阵列102中的单元施加电压激励的实施例的框图。如图2中所示，可使用来自主控制器104的控制信号作为到多路复用器202的输入以选择可以施加于纳米孔阵列102中的单元的两个电压中的一个。 [0018] 在某些实施例中，对应于单元中的每个的性能或其它数据可被主控制器104接收。通过监视单元的性能或其它数据，主控制器104可确定单元的任何状态转变。可由主控制器104将单元的状态信息存储在存储器112中。另外，如果纳米孔阵列102的总体性能下降至某个阈值以下，则主控制器104可将纳米孔阵列102重置并重新初始化，使得可终止并再次重新开始在纳米孔阵列102上运行的任何过程。在某些实施例中，还可将纳米孔阵列102重新使用多次。例如，可将纳米孔阵列102用于在不同的运行期间分析不同类型的样本。在另一示例中，可通过多次运行将纳米孔阵列102重新用于分析单一类型的样本。 在某些实施例中，可在纳米孔阵列102中的内含物已被主控制器104和流体系统108冲掉或洗掉之后重新使用纳米孔阵列102。 [0019] 在某些实施例中，纳米孔阵列102的单元由温度控制器106经由信号线116是单个地可控制的和单个地可寻址的。对应于单元的温度或其它数据可经由信号线116被温度控制器106接收。取决于特定单元或单元组的状态或条件，可由温度控制器106向该单元或单元组施加不同的温度激励。在某些实施例中，温度控制器106经由信号线120来接收单元的状态信息，并且至少部分地基于状态信息向纳米孔阵列102中的单元施加适当的温度激励。在某些实施例中，温度控制器106经由信号线120从主控制器104接收控制信号，并且然后温度控制器106基于接收的控制信号向纳米孔阵列102中的单元施加适当的温度激励。 [0020] 在某些实施例中，纳米孔阵列102的单元由流体系统108单个地可控制并单个地可寻址。经由信号线118A在纳米孔阵列102与流体系统108之间传送控制和地址信息。可经由信道118B进出纳米孔阵列102的单个单元来输送不同的内含物。该内含物可以是被用于在纳米孔阵列102的单元内操作的任何流体或试剂，包括用于冲洗的盐溶液、将由纳米孔阵列102分析的样本、脂双层形成试剂、纳米孔形成试剂、气体催化剂等。从纳米孔阵列102输送出来的内含物可以是从已经由纳米孔阵列102分析的样本提取的任何分子，并且可由流体系统108将提取的分子进一步输送到存储器件110。该内含物可以采取任何形式，包括液体或气体。取决于特定单元或单元组的状态或条件，可由流体系统108向或从单元或单元组输送不同的流体。在某些实施例中，流体系统108经由信号线122接收单元的状态信息，并至少部分地基于该状态信息向或从纳米孔阵列102中的单元输送适当流体。在某些实施例中，流体系统108经由信号线122从主控制器104接收控制信号，并且然后流体系统108基于接收的控制信号向或从纳米孔阵列102中的单元输送适当流体。在某些实施例中，可在纳米孔阵列102中的内含物已被主控制器104和流体系统108冲掉或洗掉之后重新使用纳米孔阵列102。 [0021] 纳米孔阵列102包括大型单元阵列。每个单元包括用于分析和表征分子的纳米孔器件。在纳米孔器件内，形成脂双层，并且然后在脂双层上形成纳米孔结构。纳米孔结构具有大到足以用于包围被分析的分子的至少一部分或者在脂双层的两侧之间传递分子的至少一部分的纳米孔。纳米孔器件还包括用于保持被分析分子的溶液的样本室。可在脂双层上提供该溶液以引入被分析的分子以用于表征。纳米孔器件还包括用于提供电激励、感测电特性、检测并处理纳米孔器件的信号的装置。 [0022] 图3是图示出纳米孔阵列102的单元内的纳米孔器件300的实施例的图示。纳米孔器件300包括在导电固体衬底306的脂双层相容表面304上形成的脂双层302。可用脂双层不相容表面305将脂双层相容表面304隔离，并且可用绝缘材料307将导电固体衬底 306电隔离。可用在脂双层不相容表面305上形成的无定型脂质303将脂双层302包围。 [0023] 在某些实施例中，用具有纳米孔310的单一纳米孔结构308嵌入脂双层302，所述纳米孔310大到足以用于在脂双层302的两侧之间传递被表征的分子312的至少一部分和+ + 2+ - /或小的离子（例如，Na、K、Ca 、Cl）。可在脂双层相容表面304上吸收一层水分子（也称为水膜314）并将其夹在脂双层302与脂双层相容表面304之间。在亲水性脂双层相容表面304上吸收的水膜314可促进脂质分子的排序，并便于脂双层相容表面304上的脂双层 302的形成。 [0024] 可在脂双层302上提供样本室316以便引入样本以用于表征。该样本可以是被表征的分子312的溶液。该溶液可以是包含电解质并被缓冲至最佳离子浓度且保持在最佳pH以保持纳米孔310开放的水溶液。在某些实施例中，样本室316从流体系统108接收样本。 还可在已执行样本的表征之后由流体系统108将样本从纳米孔器件300冲掉。还可由流体系统108用盐溶液来冲洗样本室316，使得纳米孔器件300可再次重新使用。 [0025] 纳米孔器件300包括被耦合到可变电压源320以用于在脂双层302两端提供电激励（例如，电压偏置）且用于感测脂双层302的电特性（例如，电阻、电容以及离子电流）的一对电极318（包括负节点318a和正节点318b）。负正电极318b的表面是或者形成脂双层相容表面304的一部分。导电固体衬底306可被耦合到或形成电极318中的一个的一部分。纳米孔器件300还可包括用于控制电激励且用于处理检测的信号的电路322。在某些实施例中，包括可变电压源320作为电路322的一部分。电路322可包括放大器、积分器、噪声滤波器、反馈控制逻辑和/或各种其它部件。在某些实施例中，电路322可以是集成在硅衬底328内的集成电路，并且可进一步耦合到被耦合到存储器326的计算机处理器324。 例如，计算机处理器324可以是主控制器104的一部分，并且存储器326可以是被耦合到主控制器104的存储器112。主控制器104可经由电路322来控制纳米孔器件300的各种部件。主控制器104还可经由电路322接收由纳米孔器件300收集的数据。 [0026] 脂双层相容表面304可以由适合于离子转导和气体形成的各种材料形成以便于脂双层形成。在某些实施例中，与绝缘亲水性材料相反的导电或半导电亲水性材料是优选的，因为其可允许更好地检测脂双层电特性的变化。示例性材料包括Ag-AgCl、Ag-Au合金、Ag-Pt合金或掺杂硅或其它半导体材料。 [0027] 脂双层不相容表面305可以由不适合于脂双层形成的各种材料形成，并且其通常是疏水性的。在某些实施例中，非导电疏水性材料是优选的，因为其除了将脂双层区域相互分离之外还使脂双层区域电绝缘。示例性脂双层不相容材料包括氮化硅（例如，Si3N4）和聚四氟乙烯。 [0028] 在一个特定示例中，图3的纳米孔器件300是阿尔法溶血素（αHL）纳米孔器件，其具有嵌入在涂敷于铜材料306上的脂双层相容银-金合金表面304上形成的二植烷酰基磷脂酰胆碱（DPhPC）脂双层302中的单一αHL蛋白质。脂双层相容银-金合金表面304被脂双层不相容氮化硅表面305隔离，并且铜材料306被氮化硅材料307电绝缘。铜306被耦合到集成在硅衬底328中的电路322。放置在芯片上或者从盖板向下延伸的银-氯化银电极接触包含dsDNA分子的水溶液。 [0029] αHL纳米孔是七个单个肽的组合。αHL纳米孔的入口或通道（vestible）在直径方面为约26Å，其宽到足以容纳dsDNA分子的一部分。从通道起，αHL纳米孔首先加宽且然后缩窄成具有约15Å的直径的管状物，其宽到足以允许单一ssDNA分子通过，但并未宽到足以允许dsDNA分子通过。在给定时间，约1—20个DNA碱基可以占用αHL纳米孔的管状物。 [0030] 除DPhPC之外，纳米孔器件的脂双层可以是从基于各种考虑而选择的各种其它适当的两亲性材料组合的，所述各种考虑为诸如所使用的纳米孔的类型、正在被表征的分子的类型以及所形成的脂双层的各种物理、化学和/或电特性，诸如形成的脂双层的稳定性和渗透率、电阻以及电容。示例性两亲性材料包括各种磷脂，诸如磷脂酰胆碱（POPC）和二油磷脂酰甲酯（DOPME）、二植烷酰基磷脂酰胆碱（DPhPC）、二棕榈酰磷脂酰胆碱（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、磷脂酰甘油以及鞘磷脂。 [0031] 除上文所示的αHL纳米孔之外，纳米孔可以是各种其它类型的纳米孔中的一个； 示例包括γ溶血素、杀白细胞素、蜂毒素以及各种其它自然发生的、改性天然的以及合成的纳米孔。可基于分析物分子的各种特性来选择适当的纳米孔，诸如相对于纳米孔的孔尺寸的分析物分子的尺寸。例如，αHL纳米孔是具有约15Å的限制性孔尺寸的纳米孔。其适合于分析DNA分子，因为其允许单链DNA（ssDNA）通过，同时限制双链DNA（dsDNA）。 [0032] 图4A—4C图示出纳米孔器件300的三个不同状态。图4A是图示出纳米孔器件 300处于其中尚未形成脂双层的状态中的图示。图4B是图示出纳米孔器件300处于其中已形成脂双层302的状态中的图示。图4C是图示出纳米孔器件300处于其中已将具有纳米孔310的纳米孔结构308插入到脂双层302中的状态中的图示。 [0033] 图5是图示出用于使用纳米孔器件来分析分子的过程500的实施例的流程图。在某些实施例中，过程500是由图1的系统100执行的过程。 [0034] 在502处，验证系统100的各种功能。在某些实施例中，主控制器104可向系统100的模块发送测试信号，包括纳米孔阵列102、温度控制器106以及流体系统108。作为响应，每个模块可在模块处执行验证步骤。例如，纳米孔阵列102可测量在特定纳米孔器件中流动的电流。在模块处执行验证步骤之后，模块中的每个可出于验证目的向主控制器104发回响应。取决于从各种模块接收的响应，主控制器104可确定是否需要进一步验证。在某些实施例中，可将验证结果存储在日志文件中。在某些实施例中，如果主控制器104已检测到任何错误，则可触发警报，或者可终止过程500。 [0035] 在某些实施例中，可在不同的层级执行不同模块的验证，并且层级可以是可配置的。例如，主控制器104可在印刷电路板层级或在半导体芯片层级验证纳米孔阵列102的功能。在某些实施例中，主控制器104可验证一组单元的功能。如果正在适当地运行的组内的单元的数目下降到某个阈值以下，则主控制器104可确定该组单元正发生故障，并且应禁用该组单元。 [0036] 在504处，将脂双层组合。在某些实施例中，主控制器104可引起流体系统108向纳米孔阵列102的单元输送脂质形成试剂。然后在单元内的脂双层相容表面304上沉积脂质形成试剂。如上文所讨论的，可使用不同的材料来形成脂双层，包括不同的两亲性材料。 取决于要形成的脂双层的类型，主控制器104可引起向单元施加不同的激励（例如，电、温度、化学或气体）以便于脂双层的组合。 [0037] 在506处，确定是否适当地形成脂双层。取决于要形成的脂双层的类型，可在单元处进行不同的物理或电性质测量（例如，电阻、电流或电容测量），并且然后经由信号线114将其发送到主控制器104以用于确定脂双层是否被适当地组合。在某些实施例中，重复步骤504和506，直至主控制器104已确定已在纳米孔阵列102中的最小数目的单元中适当地组合脂双层。在某些实施例中，如果在固定时间段之后具有适当地组合的脂双层的单元的数目下降到某个阈值以下，则主控制器104可终止过程500。另外，可触发警报，或者可向日志文件写入错误消息。在某些实施例中，如果具有适当地组合的脂双层的单元的数目在某个阈值以上，则主控制器104可引起系统100前进至步骤508。 [0038] 在508处，插入具有纳米孔的纳米孔结构。在某些实施例中，主控制器104可引起流体系统108向纳米孔阵列102的单元输送纳米孔形成试剂（例如，包含α溶血素的溶液）。 主控制器104可引起向单元施加不同的激励（例如，电、温度、化学或气体）以便于纳米孔结构到脂双层中的插入。 [0039] 在510处，确定是否适当地形成纳米孔结构。取决于要形成的纳米孔的类型，可在单元处进行不同的测量（例如，电阻、电流或电容测量），并且然后经由信号线114将其发送到主控制器104以用于确定纳米孔是否被适当地插入。在某些实施例中，重复步骤508和 510直至主控制器104已确定已在纳米孔阵列102中的最小数目的单元中适当地插入纳米孔。在某些实施例中，如果在固定时间段之后具有适当地插入的纳米孔的单元的数目下降到某个阈值以下，则主控制器104可终止过程500。另外，可触发警报，或者可向日志文件写入错误消息。在某些实施例中，如果具有适当地插入的纳米孔的单元的数目在某个阈值以上，则主控制器104可引起系统100前进至步骤512。 [0040] 在512处，使用纳米孔阵列102中的纳米孔来分析样本。在某些实施例中，主控制器104可引起流体系统108向纳米孔阵列102中的样本室316输送样本。取决于不同的因素（包括正在分析的样本的类型和形成的纳米孔的类型），主控制器104可引起向单元施加不同的激励（例如，电、温度、化学或气体）以便于纳米孔中的分子的操纵、检测、相关、表征、分析和/或排序。可在单元处进行不同的测量（例如，电阻、电流或电容测量），并且然后经由信号线114将其发送到主控制器104。主控制器104可使用接收的测量结果随着分子停留在纳米孔内部、穿过纳米孔或与纳米孔相互作用而对分子的各种结构和化学特征进行检测、相关、确定、表征、排序和/或辨别。 [0041] 在514处，将纳米孔阵列重置并重新初始化以用于重复使用。在某些实施例中，可将纳米孔阵列102重新使用多次。例如，可将纳米孔阵列102用于在不同的运行期间分析不同类型的样本。在另一示例中，可重新使用纳米孔阵列102以用于通过多次运行来分析单一类型的样本。可在纳米孔阵列102中重新形成新的纳米孔，使得可重新使用纳米孔阵列102。可在纳米孔阵列102中的内含物（例如，具有插入的纳米孔的脂双层、没有插入的纳米孔的脂双层以及样本）已被主控制器104和流体系统108冲掉或洗掉（例如，使用盐溶液）之后在纳米孔阵列102中重新形成新的纳米孔。 [0042] 在某些实施例中，主控制器104可检测并确定在纳米孔阵列102的单元中是否存在剩余的任何分子或感兴趣的其它内含物。主控制器104和流体系统108可选择性地冲掉其中未发现分子或感兴趣的其它内含物的单元内的内含物（例如，脂双层）。可取回剩余单元中的分子或感兴趣的其它内含物。在一个示例中，可手动地取回分子。在另一示例中，主控制器104和流体系统108可在剩余内含物被洗掉之前将分子或感兴趣的其它内含物输送到存储器件110。在514之后，纳米孔阵列102再次准备好重复使用，并且可在502处重新开始过程500。在某些实施例中，在第一次使用纳米孔阵列102之前执行步骤514。例如，在502处检查系统100的功能之前用盐溶液冲洗纳米孔阵列102。 [0043] 虽然已出于清楚理解的目的而相当详细地描述了前述实施例，但本发明不限于提供的细节。存在实现本发明的许多替换方式。公开实施例是说明性的，并且是非限制性的。