專利名稱：對生物微粒進行測序的生物傳感器裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物傳感器裝置。此外，本發(fā)明涉及對生物微粒進行測序的方法。
背景技術(shù)：
生物傳感器可以表示用于檢測分析物的裝置，該裝置將生物部件與物理化學或物 理檢測器部件相結(jié)合。例如，生物傳感器可以基于以下現(xiàn)象例如，當抗體的抗體結(jié)合片段或者DNA單鏈 序列作為捕獲分子與目標分子的相應序列或結(jié)構(gòu)匹配時，固定在生物傳感器表面上的捕獲 分子可以選擇性地與流體樣本中的目標分子雜交。當這樣的雜交或傳感器事件發(fā)生在傳感 器表面時，這可以改變表面電特性，這可以作為傳感器事件檢測到。DNA測序是生物化學的重要應用。術(shù)語DNA測序包括用于確定DNA低(聚)核苷 酸中的以下物質(zhì)的順序的生物化學方法核苷酸堿基、腺嘌呤、鳥嘌呤、胞核嘧啶以及胸腺 嘧唳。DNA的序列構(gòu)成了細胞核、質(zhì)粒、線粒體、以及葉綠體的遺傳基因信息，該遺傳基因信 息形成所有生物體的進化進程的基礎(chǔ)。因此，確定DNA序列對于研究基本生物過程的基礎(chǔ) 研究以及諸如診斷或法醫(yī)研究等應用領(lǐng)域是有用的。桑格方法(Sanger method)是用于DNA測序的傳統(tǒng)方法，以及用于確定DNA片段 的核苷酸序列的酶方法。然而，傳統(tǒng)上桑格方法依賴于使用標簽來執(zhí)行DNA測序。該桑格 方法還受到在傳統(tǒng)桑格方法的情形中執(zhí)行的液膠電泳方法的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于對生物微粒進行測序的簡單系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，提出了根據(jù)獨立權(quán)利要求所述的用于對生物微粒進行測序的 生物傳感器裝置和方法。根據(jù)本發(fā)明的示例實施例，提供了一種對生物微粒進行測序(即，用于確定生物 微粒的序列)的生物傳感器裝置，該生物傳感器裝置包括至少一個襯底(例如，一個襯底、 四個襯底、或者任何其他數(shù)目的襯底)；在所述至少一個襯底中的每一個上提供的多個傳 感器活性區(qū)，其中每個傳感器活性區(qū)包括具有與生物微粒序列的一部分互補(或相反)的 序列的引物(primer)，使得能夠在引物處(具體地，在存在生物微粒序列的序列單元時，以 及在存在復制酶時)產(chǎn)生具有與生物微粒序列的一部分相反(或互補)的序列的片段；以 及確定單元(例如，處理器)，適于單獨地確定在所述多個傳感器活性區(qū)中的每一個的引物 處復制的片段的大小(可以指示長度、質(zhì)量、質(zhì)量分布、慣性矩等)，在存在復制終止序列單 元時，終止(或完成)片段產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的另一示例實施例，提供了一種對生物微粒進行測序的方法，該方法 包括在至少一個襯底中的每一個上提供多個傳感器活性區(qū)，所述多個傳感器活性區(qū)中的 每一個包括具有與生物微粒序列的一部分互補的序列的引物，使得能夠在引物處(具體地，在存在生物微粒序列的序列單元時，以及在存在復制酶時)產(chǎn)生具有與生物微粒序列 的一部分相反的序列的片段；以及單獨地確定在所述多個傳感器活性區(qū)中的每一個的引物 處復制的片段的大小，在存在復制終止序列單元時，終止(或完成)片段產(chǎn)生。術(shù)語“生物傳感器”具體表示可以用于檢測包括諸如DNA、RNA、蛋白質(zhì)、酶、細胞、細 菌、病毒等生物分子的分析物的組分的任何裝置。生物傳感器可以將生物部件(例如，能夠 檢測分子的傳感器活性表面處的捕獲分子)與物理化學或物理檢測器部件(例如，具有可 由傳感器事件修改的電容量的電容器，或者可由傳感器事件機械修改的梁)相結(jié)合。這樣 的傳感器可以完成確定序列的任務(wù)，即，生物微粒的組分的順序。術(shù)語“測序”可以具體地表示確定生物微粒的序列，該序列是連續(xù)的堿基單元 (basic unit)，由此構(gòu)成生物微粒。這種堿基單元的示例是DNA序列的核堿基(或核苷酸 堿基)或者蛋白質(zhì)的氨基酸。DNA或RNA分子的序列是沿著DNA或RNA分子的核苷酸的線 性順序，獲得該序列的過程可以表示為測序?；蚪M測序的目的在于，產(chǎn)生有機體的細胞核 DNA中存在的所有核苷酸的線性順序。術(shù)語“生物傳感器芯片”可以具體地表示形成為集成電路的生物傳感器，S卩，具體 地半導體技術(shù)、更具體地硅半導體技術(shù)，更具體地CMOS技術(shù)的電子芯片。由于微處理技術(shù) 的使用，單片集成生物傳感器芯片具有極小尺寸的特性，并因此在生物傳感器芯片的尺寸， 或更準確地生物傳感器的部件的尺寸接近或達到生物分子的尺寸的量級的情況下，可以具 有大空間分辨率，以及高信噪比。術(shù)語“傳感器活性區(qū)”可以具體地表示傳感器的暴露區(qū)域，可以使其與流體樣本交 互，使得檢測事件可以發(fā)生在傳感器活性區(qū)中。換言之，傳感器活性區(qū)可以是傳感器裝置的 實際敏感區(qū)域，在該區(qū)域中進行區(qū)域處理，從而構(gòu)成感測的基礎(chǔ)。相應感測原理可以是電感 測原理(即，傳感器活性區(qū)的電特性的改變)、機械感測原理(即，傳感器活性區(qū)的機械特性 的改變)、或光感測原理(即，傳感器活性區(qū)的光特性的改變)術(shù)語“襯底”可以具體地表示諸如半導體、玻璃、塑料等之類的任何合適的材料。根 據(jù)示例實施例，術(shù)語“襯底”可以用于一般地定義在感興趣的層或部分之下或之上的層的元 件。此外，襯底還可以是在其上形成例如半導體晶片(如，硅晶片或硅芯片)之類的層的任 何其他基底。若干不同襯底可以是在不同襯底之間具有機械連接或不具有機械連接的分離 體。術(shù)語“流體樣本”可以具體地表示物相的任何子集。這樣的流體可以包括液體、氣 體、等離子體以及某種程度上的固體及其混合物。流體樣本的示例是包含DNA的流體、血 液、皮下組織、肌肉或腦組織中的間質(zhì)液、尿或其他體液。例如，流體樣本可以是生物物質(zhì)。 這樣的物質(zhì)可以包括蛋白質(zhì)、多肽、核酸、DNA鏈等。術(shù)語“生物微?！笨梢跃唧w地表示在生物學或在生物學或生物化學過程中起到重 要作用的任何微粒，例如，基因、DNA、RNA、蛋白質(zhì)、酶、細胞、細菌、病毒等。術(shù)語“引物”可以具體地表示短序列的堿基單元，由此可以發(fā)起生物微粒的復制。 這樣的短序列可以是氨基酸或核堿基的序列。由短序列的核堿基可以發(fā)起DNA復制。術(shù)語“互補序列”或“反向序列”可以具體地表示引物的堿基單元的相應序列，以 及彼此相反的生物微粒的序列。例如，腺嘌呤是與胸腺嘧啶相反或互補，鳥嘌呤與胞核嘧啶 相反或互補。
術(shù)語“序列單元”可以具體地表示生物微粒、引物或片段的基本構(gòu)建塊或組分，在 DNA復制的情況下，表示核堿基、腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞核嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)。術(shù)語“復制酶”可以具體地表示酶，在存在這種酶時能夠促進核堿基序列的復制。 這種DNA復制酶的示例是DNA聚合酶。術(shù)語“片段”可以具體地表示從引物開始形成、并與生物微粒中與與引物互補的一 部分對準(align)的基本構(gòu)建塊的序列。術(shù)語“復制終止序列單元”可以具體地表示與基本構(gòu)建塊相比，在化學上略微修改 的分子(例如，雙脫氧核苷酸)。然而，當在當前片段末端在生物微粒處生長的情況下存在 復制終止序列單元時，以及當這樣的復制終止序列單元與當前片段末端處的生物微粒的暴 露部分互補時，可以將這樣的復制終止序列單元添加至片段的末端，并終止片段形成。因 此，在要測序的生物微粒處對準該復制終止序列單元之后，復制過程終止，并且不向復制終 止序列單元添加其他基本構(gòu)建塊。在DNA復制的示例中，ddT、ddC、ddG和ddA可以表示為 分別與胸腺嘧啶(T)、胞核嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)、腺嘌呤(A)有關(guān)的復制終止測序單元。根據(jù)本發(fā)明的示例實施例，提供了一種修改的無標簽的小型化桑格測序系統(tǒng)，用 于利用結(jié)合襯底的生物傳感器裝置進行測序。在這樣的實施例中，可以向多個傳感器活性 區(qū)域提供固定引物和接受分析的生物微粒，使得在添加序列單元、復制酶以及復制終止序 列單元(應當針對襯底的不同部分或不同襯底而不同)時，根據(jù)生物微粒的序列以及根據(jù) 特定復制終止序列單元，在特定部分開始和終止復制。換言之，對于襯底的每個部分或者對 于每個襯底，可以存在指定的復制終止序列單元，使得可以在每個部分表示特性地產(chǎn)生特 定長度的片段，其中，片段在復制終止序列單元的端部。當不同復制終止序列單元用于襯底 的不同部分時，存在于襯底的不同部分處的片段集合可以允許導出與生物微粒的序列有關(guān) 的信息。然后來自于襯底的不同部分的片段集合信息的組合(具體地，集合中片段長度與 相應復制終止序列單元的組合)可以用于導出或重構(gòu)生物微粒的完整序列。根據(jù)本發(fā)明的 示例實施例，可以在不同傳感器活性區(qū)處感測到這些片段的存在以及它們的長度或其他數(shù) 量特性，其中，取決于長度，表示特性地調(diào)整在該特定傳感器活性區(qū)處的電、機械或其他物 理參數(shù)，從而允許利用傳感器陣列來測量所有存在的片段，以重構(gòu)生物微粒的序列。更具體地，提供了一種DNA測序的方法，允許使用能夠使用傳統(tǒng)CMOS工藝制造的 技術(shù)來執(zhí)行無標簽DNA測序。本發(fā)明的實施例應用修改的桑格方法，其中，通過酶(DNA聚 合酶)進行DNA合成，該酶朝著引物DNA鏈的5，末端將核苷酸(A、T、G、C)添加至引物DNA 鏈的3’末端。當使用雙脫氧核苷酸時能夠停止聚合酶(即，DNA復制)反應。雙脫氧核苷 酸幾乎與普通核苷酸相同。將雙脫氧核苷酸添加至DNA鏈的3’ -OH末端，停止聚合酶的作 用并終止鏈延長。雙脫氧測序(也被稱為鏈終止或桑格方法)使用酶過程來合成變化長度 的DNA鏈，在四個基之一處停止DNA復制，并且然后確定獲得的片段長度。每個測序反應襯底(ddT襯底、ddC襯底、ddG襯底以及ddA襯底)可以包含-DNA模板集合(未知序列)、引物序列集合(每模板一個)、以及DNA聚合酶(每 引物和模板一個)，以在將引物與模板雜交的點處發(fā)起新DAN鏈的合成；-足夠高濃度的四個核苷酸(A、T、C和G)，以延長與模板互補的DNA弓丨物鏈；-足夠低濃度的四個雙脫氧核苷酸之一(僅一個)，無論在何處包含，都終止生長 鏈。例如，襯底部分ddA具有ddA，襯底部分ddC具有ddC、襯底部分ddG具有ddG，襯底部分
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作為示例，對在被稱為ddT的襯底部分處發(fā)生了什么進行說明。聚合酶沿著引物 開始添加與DNA模板互補的核苷酸，直到其包含ddT為止。然后聚合酶停止。襯底部分ddT 的結(jié)果是，始終以ddT結(jié)束的、不同長度的DNA模板的片段集合。除了所有片段分別以ddA、 ddG或ddC結(jié)束以外，其他三個襯底部分的結(jié)果是類似的。通過在襯底上和/或在襯底中布置傳感器活性區(qū)，并且通過由確定單元讀取來自 襯底的信息，本發(fā)明的實施例實現(xiàn)了無標簽并不受(傳統(tǒng)桑格方法所需的)電泳方法限制 的DNA測序，并且還允許增加并行的程度(level of parallelism)。因此，本發(fā)明的實施例提供了一種小型化并具有結(jié)合襯底的傳感器活性區(qū)的生物 傳感器裝置，該傳感器活性區(qū)以電、光或機械方式允許檢測信號，該信號指示取決于存在于 不同襯底部分處的復制終止序列單元的、在生物微粒的特定部分處終止的特定片段的長度 /質(zhì)量/尺寸，從而允許從不同襯底部分獲得與不同堿基單元有關(guān)的信息。當根據(jù)本發(fā)明的實施例執(zhí)行這種修改的桑格方法時，雙脫氧核苷酸與普通核苷酸 的濃度比可以是1 100。這樣，可以確保例如ddT的包含是“稀少但不太稀少”，從而可以 確實獲得不同長度的鏈。此外，通過這樣的濃度調(diào)整，可以確保當聚合酶反應由于消耗了所 有或大多數(shù)ddT而停止時能夠有一定時間。利用足夠次數(shù)的執(zhí)行(rim)(或者利用單次執(zhí)行中的大量電極)，可以確保能夠接 收包含到引物的所有組合，使得能夠精確重構(gòu)序列。此外，能夠在電極處獲得重復的組合， 使得產(chǎn)生足夠的冗余測量，以免讀取中的任何錯誤。例如，有可能將以下因素考慮在內(nèi)例如在第一芯片或襯底上，僅發(fā)生以ddA結(jié)束 的組合(在第二芯片或襯底上發(fā)生以ddT結(jié)束的組合，在第三芯片或襯底上僅發(fā)生以ddG 結(jié)束的組合，在第四芯片或襯底上僅發(fā)生以ddC結(jié)束的組合)，并且這些組合通過模板中未 知的核苷酸序列指示。引物僅逐個堿基地重構(gòu)模板的互補序列。接著，將說明生物傳感器裝置的另一示例實施例。然而，這些實施例也可以應用到 所述方法。確定單元適于，考慮與指定類型的復制終止序列單元有關(guān)的信息，基于單獨確定 的片段大小，來確定生物微粒的序列。換言之，例如，可以向不同襯底或不同襯底部分指定 唯一復制終止序列單元，例如，四個雙脫氧核苷酸(ddA、ddT、ddG、ddC)中指定的那一個。然 后，可以確保在每個襯底或襯底部分處，所產(chǎn)生的片段以添加至該特定襯底或襯底部分的 四個雙脫氧核苷酸中的僅一個結(jié)束。這允許從每個襯底或襯底部分導出與生物分子序列中 四個核堿基中特定的一個有關(guān)的確定信息。然后，每個傳感器活性區(qū)可以基于檢測到的電、 光或機械信號，來確定特定部分處的核苷酸的尺寸、長度或質(zhì)量或數(shù)目。然后，不同襯底或 襯底部分的組合可以允許明確確定生物微粒的序列(例如，DNA序列)。至少一個襯底可以僅由一個襯底組成，該襯底具有分隔室，具體地具有四個分隔 室，每個分隔室包括多個傳感器活性區(qū)，并被指定給唯一類型的復制終止序列單元。當提供 作為空間分隔區(qū)域的四個分隔室時，可以形成不同的腔，在這些腔內(nèi)可以執(zhí)行利用特定復 制終止序列單元的相應實驗。利用空間分隔室，可以確保在包括不同復制終止序列單元的 不同流體樣本之間不會發(fā)生混合。這可以避免不期望的干擾。備選地，至少一個襯底可以包括多個分離的襯底，具體地，包括四個分離的襯底，每個分離襯底包括多個傳感器活性區(qū)，并被指定給特定類型的復制終止序列單元。具體地， 四個不同的生物傳感器芯片可以用于不同的復制終止序列單元，即用于四個不同的雙脫氧 核苷酸(ddA、ddT、ddG、ddC)。作為另一備選，有可能在單個襯底上進行實驗，并且同時僅使該襯底與特定類型 的復制終止序列單元接觸。在這種部分實驗之后，可以對生物傳感器裝置或襯底進行漂洗， 以準備對另一復制終止序列單元進行測試的下個步驟或過程。該過程可以重復四次，允許 逐一地導出與不同堿基單元/復制終止序列單元有關(guān)的信息。在DNA測序的情況下，必須 逐一地執(zhí)行四個實驗。在一個實施例中，多個傳感器活性區(qū)可以包括電極。利用電極，在電極的情形下測 量電信號，其中，片段的復制或產(chǎn)生可以表示特性地修改電特性，例如，在電極情形下的電 容量。在這樣的實施例中，在電極出固定引物，并且可以將生物微粒與引物雜交。然后，可 以觸發(fā)片段產(chǎn)生，并通過存在于生物微粒的暴露部分的末端處的復制終端序列單元來識別 片段集合，這可以表示特性地修改電極的電特性?？梢韵虼_定單元(可以是集成電路)提供從電極接收的電信號，電信號指示指定 的片段大小，這是由于片段大小可以在電極情形下修改介電特性。具體地，確定單元可以執(zhí) 行允許從電信號中獲取或?qū)С銎伍L度的算法。結(jié)合相應復制終止序列單元的認知，可以 在沿著DNA序列的特定位置處導出與特定堿基單元有關(guān)的信息。電極信號的組合然后可以 允許導出生物微粒的整個序列。備選地，多個傳感器活性區(qū)可以包括懸臂，具體地，根據(jù)片段大小以表示特性的方 式可彎曲的納米懸臂。當將引物固定在懸臂處時，耦合至懸臂的片段的產(chǎn)生可以通過影響 扭矩來改變作用在可彎曲懸臂上的機械負載。因此，可以以電方式，或者由于修改的激光束 偏轉(zhuǎn)而以光學方式感測機械彎曲信號。這樣的懸臂可以是MEMS結(jié)構(gòu)(微機電結(jié)構(gòu))，從而 增加系統(tǒng)的精確性?？赡苓m當?shù)氖撬降貙蕬冶郏栽谥亓Φ淖饔孟麓龠M由于生長的片 段而引起的彎曲。仍參照懸臂實施例，確定單元可以適于，使用電磁輻射束(具體地，激光束)對懸 臂的彎曲進行采樣，其中，可彎曲懸臂處電磁輻射束的偏轉(zhuǎn)可以指示指定的片段大小。片段 越大，在片段的機械負載下懸臂彎曲的程度越大。因此，可以檢測到電磁輻射束(具體地， 光束)的改變的反射或偏轉(zhuǎn)特性，并允許計算相應片段的大小、質(zhì)量或長度。利用生物傳感 器裝置的不同部分中的不同復制終止序列單元，可以在這些部分中的每一個中感測到不同 片段。特定部分中的特定類型的復制終止序列單元的認知然后可以允許向生物微粒的相應 片段指定相應的彎曲，從而獲得與生物微粒的序列有關(guān)的信息。懸臂可以是納米懸臂。術(shù)語“納米懸臂”可以具體地表示以下事實懸臂至少一個 維度具有至幾十納米或幾百納米的納米量級，或者更小。例如，這樣的納米懸臂可以是碳納米管。當傳感器活性區(qū)包括納米電極時，電極的尺寸可以是納米量級，例如，可以小于 300nm，例如，可以小于或等于250nm，或者可以小于或等于130nm。納米電極越小，獲得的傳 感器區(qū)域越敏感。納米電極可以包括銅材料，具體地由自組裝單分子層(SAM)覆蓋的銅材料。這些 材料可以用作氧化保護層或者阻擋層，或者用于實現(xiàn)捕獲分子的鍵合，從而允許實現(xiàn)相對敏感的銅材料，這種銅材料由于其高電導率而非常適合并符合過程要求。銅材料與金具有 類型的化學特性，傳統(tǒng)上在生物傳感中使用金，但是金具有顯著的缺點，這是由于其快速擴 散到硅制造技術(shù)中使用的許多材料中，從而劣化了 IC的性能，刻蝕困難，并且在清洗步驟 中很難移除金殘留物。然而，本發(fā)明的備選實施例也可以包括金。此外，也可以使用諸如鋁 等材料。生物傳感器可以包括形成生物傳感器芯片的表面的一部分并具有凹口的電絕緣 層，其中，提供傳感器活性區(qū)的暴露表面作為凹口中的感測袋(pocket)。通過提供感測袋， 可以形成其中可以發(fā)生傳感器事件的屏蔽或限定區(qū)域。在凹口的底部，可以提供具有小尺 寸的納米電極，使得可以實現(xiàn)高靈敏度。因此，甚至可以在苛刻條件下使用生物傳感器芯 片。可以采用MEMS(微機電結(jié)構(gòu))技術(shù)來制造生物傳感器裝置。通常，MEMS的大小從 微米(一米的百萬分之一)變化到毫米(一米的千分之一)。通過這樣的技術(shù)，例如，能夠 制造對于復制片段足夠敏感的懸臂梁。可以采用CMOS技術(shù)來制造生物傳感器芯片。CMOS技術(shù)(具體地，最新一代CMOS 技術(shù))允許制造尺寸非常小的結(jié)構(gòu)，使得通過實現(xiàn)CMOS技術(shù)(具體地，前端制程)來提高裝 置的(空間)精度。CMOS工藝也是優(yōu)選的選擇。BiCMOS工藝實際上是具有添加雙極晶體 管的一些附加處理步驟的CMOS工藝。對于具有其他嵌入選項(如，嵌入式燒瓶(flask)、嵌 入式DRAM等)的CMOS工藝也同樣成立。具體地，因為選項的存在通常提供了 “以零成本” 使用來自選項的附加材料的機會，所以這是相關(guān)的。例如，可以“以零成本”使用來自嵌入 式DRAM工藝的適當高k材料(具有高介電常數(shù)的絕緣材料，例如氧化鋁)，在納米電極的銅 表面上覆蓋保護介電層，隨后可以在該保護介電層上沉積SAM(SAM的功能應當是“功能化” 傳感器表面，例如以能夠附著捕獲試探分子)。生物傳感器可以包括在前端制程中形成并電耦合至傳感器活性區(qū)的開關(guān)晶體管 結(jié)構(gòu)。這樣的開關(guān)晶體管可以是實現(xiàn)為η-MOSFET或p-MOSFET的場效應晶體管。傳感器活 性表面可以電耦合至這種開關(guān)晶體管結(jié)構(gòu)的源極/漏極區(qū)之一，使得施加于晶體管的柵極 的讀出電壓可以獲得源極/漏極電流，該電流取決于流體樣本的微粒存在還是不存在(并 且還取決于流體樣本的微粒的量)，因為這會對電容器的電壓有影響，可以將該電壓傳送至 源極/漏極區(qū)之一。備選地，這樣的電壓可以直接對MOSFET的柵極區(qū)起作用，從而改變閾 值電壓，或者在源極和漏極之間施加電壓時改變其間流動的電流的值。傳感器活性區(qū)的暴露表面的尺寸是用于制造生物傳感器芯片的COMS工藝的最小 光刻特征尺寸的至多1.6倍，具體地至多1. 1倍，更具體地至多0.7倍。具體地，可以假設(shè)， 生物傳感器具有利用銅互連在先進CMOS工藝的后端制程部分的表面處制造生物敏感部 分，其中，經(jīng)由相應CMOS工藝的孔，暴露銅表面的直徑等于或小于最小銅最小光刻特征尺 寸的1. 6倍。略微小于1的制(例如，下至大約0. 7)可以與通過添加少量附加加工步驟或 者通過應用第一金屬特征大小來制造的子特征大小的孔相對應。這將需要一些附加加工步 驟，或者對更苛刻標準CMOS步驟(例如，在應用第一金屬特征尺寸的情況下)的更嚴格的 控制。原則上甚至能夠?qū)崿F(xiàn)更小的值，但是將需要更多附加加工工作。此外，這些附加加工 工作將導致生物傳感器單元的敏感區(qū)域部分的顯著減小。同樣，通過更多減小半徑不會顯 著提高傳感器的靈敏度，這是由于納米電極傳感器節(jié)點的總體電容量還是受到寄生電容量的限制。為了能夠真正受益于更小納米電極半徑，還將需要減小晶體管和互連層的尺寸， 即，轉(zhuǎn)換至下個CMOS節(jié)點。生物傳感器裝置可以單片集成在半導體襯底中，具體地包括由IV族半導體(如， 硅或鍺)和III - V族半導體(如，砷化鎵)構(gòu)成的組中的一種。生物傳感器芯片或微流體裝置可以是傳感器裝置、傳感器讀出裝置、電泳裝置、樣 本傳送裝置、樣本混合裝置、樣本洗滌裝置、樣本提純裝置、樣本放大裝置、樣本提取裝置或 雜交分析裝置或其一部分。具體地，可以以任何類型的生命科學裝置來實現(xiàn)生物傳感器或 微流體裝置。對于任何方法步驟而言，可以實現(xiàn)從半導體技術(shù)中已知的任何傳統(tǒng)過程。形成層 或部件可以包括沉積技術(shù)，例如，CVD (化學汽相沉積),PECVD (等離子增強化學汽相沉積)、 ALD(原子層沉積)或濺射。去除層或部件可以包括諸如濕蝕刻、等離子蝕刻等蝕刻技術(shù)以 及諸如光刻、UV光刻、電子束光刻等圖案化技術(shù)。本發(fā)明的實施例不限于特定材料，因此可以使用許多不同的材料。對于導電結(jié)構(gòu)， 能夠使用金屬化結(jié)構(gòu)、硅化物結(jié)構(gòu)或多晶硅結(jié)構(gòu)。對于半導體區(qū)域或部件，可以使用晶體 硅。對于絕緣部分，可以使用氧化硅或氮化硅?？梢栽诩兙w硅晶片上或SOI晶片(絕緣體上硅)上形成生物傳感器?？梢詫崿F(xiàn)諸如CMOS、BIPOLAR、BICMOS等任何工藝技術(shù)。根據(jù)以下描述的示例實施例，并參照這些示例實施例進行說明，本發(fā)明的上述方 面和其他方面將變得顯而易見。


以下將參照示例實施例來更詳細描述本發(fā)明，然而本發(fā)明不限于這些示例實施 例。圖1說明了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的用于對DNA進行測序的生物傳感器裝置。圖2至圖5是示出了傳統(tǒng)桑格方法的圖示。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的生物傳感器裝置的平面圖。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器裝置的單片集成部分的截面圖。圖8至圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的制造的生物傳感器裝置實驗圖像。圖11說明了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的生物傳感器裝置的傳感器活性區(qū)的延長部 分。圖12說明了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的生物傳感器裝置的不同襯底。圖13說明了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的生物傳感器的傳感器活性區(qū)的陣列以及從 中導出的相應信息。圖14至圖17示意性說明了如何從圖12所示的各個單獨襯底中的每一個導出與 DNA序列的特定核苷酸堿基有關(guān)的信息的方式。圖18示意性說明了如何從源自圖14至17的信息中導出DNA序列。圖19說明了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的懸臂類型的生物傳感器裝置。圖20說明了如何從圖19的懸臂彎曲導出DNA序列信息。圖21示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的具有多個襯底的傳感 裝置，其中多個襯底中的每一個承載多個懸臂。圖22示意性說明了如何從圖21所示結(jié)構(gòu)的懸臂中單獨的懸臂導出信息。
具體實施例方式附圖中的描述是示意性的。在不同的附圖中，相似或相同的單元具備相同的附圖標記。在下文中，參照圖1，說明根據(jù)本發(fā)明示例實施例的用于對DNA分子102進行測序 的生物傳感器裝置100。生物傳感器裝置100包括硅襯底104。在硅襯底104表面上提供多個傳感器活性 區(qū)106。在每個傳感器活性區(qū)106上，固定引物分子108，該引物分子108是與DNA序列102 的端部互補的寡聚核苷酸。引物108具有與生物微粒102的序列的末端互補的序列。因此， DNA 102的上部保持暴露于流體環(huán)境130，在該流體環(huán)境130中，存在核苷酸堿基110 (A、T、 C和G)以及作為復制酶的DNA聚合酶112。可以將由圖1的實施例中的多個傳感器活性區(qū)106、納米電極中的每一個檢測到 的電信號提供給作為硅襯底104中的單片集成電路而提供(備選地，例如作為分離電路而 與襯底104分離提供)的中央處理單元114，或者具有處理能力的任何其他實體。確定單元 114適于單獨地確定在多個傳感器區(qū)域106中的每一個的引物108處復制的片段(圖1中 未示出)的大小，其中，片段復制在各個單獨分隔室120至123中的每一個中DNA 102的特 有部分處終止，這是由于不同雙脫氧核苷酸116至119存在于分隔室120至123中的每一 個中。更具體地，確定單元114適于考慮與分隔室120至123中的每一個中的指定類型 的雙脫氧核苷酸有關(guān)的信息，基于單獨地確定的片段大小，來確定DNA 102的序列。在圖1的實施例中，僅提供具有分隔室120至123(有隔離壁132分隔)的單一硅 襯底104。分隔室120至123中的每一個包括多個傳感器活性區(qū)106，并被指定給特定類型 的雙脫氧核苷酸。具體地，分隔室120包括ddA 116，分隔室121包括ddC 117，分隔室122 包括ddG 118，以及分隔室123包括ddT 119。因此，取決于DNA 102的序列，在引物108未 覆蓋的DNA 102的暴露部分處形成的片段取決于DNA序列和相應的雙脫氧核苷酸116。由 于在分隔室120至123中的每一個中形成根據(jù)DNA分子102序列的多個片段，并且可以基 于從電極106向確定單元114提供的電信號來檢測片段的長度，確定單元114可以將混亂 的(puzzle)片放在一起，以導出與DNA 102序列有關(guān)的信息。在下文中，參照圖2至圖5來說明本發(fā)明人對傳統(tǒng)桑格方法的一些認識，并基于這 些考慮，已經(jīng)導出本發(fā)明的示例實施例。雙脫氧測序(也被稱作鏈終止或桑格方法)使用酶過程來合成變化長度的DNA 鏈，在四個堿基之一處停止DNA復制，然后確定獲得的片段長度。傳統(tǒng)桑格方法的每個測序 反應管(即，ddT管、ddC管、ddG管以及ddA管)可以包含-DNA模板集合(未知序列)、引物序列集合(每模板一個)、以及DNA聚合酶(每 引物和模板一個)，以在將引物與模板雜交的點處發(fā)起新DAN鏈的合成；-足夠高濃度的四個核苷酸(A、T、C和G)，以延長與模板互補的DNA弓丨物鏈；-足夠低濃度的四個雙脫氧核苷酸之一，無論在何處包含，都終止生長鏈。例如，管
11ddA具有ddA，管ddC具有ddC、管ddG具有ddG，管ddT具有ddT。圖2再次示出了寡聚核苷酸引物108和未知DNA序列(模板)102。DNA序列102 的各個單獨堿基由A(腺嘌呤)、G(鳥嘌呤)、C(胞核嘧啶)、T(胸腺嘧啶)。如圖2所示， 寡聚核苷酸引物108與DNA序列102的一部分互補。當添加DNA聚合酶和A、T、G、C時，將 這些組分插入到四個不同的管202、204、206、208中。在管202中，添加ddA，在管204中，添 加ddG，在管206中，添加ddC，以及在管208中，添加ddT。因此，準備了包含上述成分的四 種溶液，并且能夠激活DNA聚合酶。然后通過酶(DNA聚合酶)進行DNA合成，即，朝著DNA 102的5，末端將核苷酸添 加至引物108DNA鏈的3，末端。當使用雙脫氧核苷酸時能夠停止聚合酶(即，DNA應用)。雙脫氧核苷酸幾乎與普 通核苷酸相同。然而，向DNA鏈的3’-0H末端添加雙脫氧核苷酸停止了 DNA聚合酶的作用， 并終止鏈延長。在圖3中包括ddT的管208的示例情況下示出了這一點。產(chǎn)生了第一至第 四片段 300、302、304、306。聚合酶開始沿著引物108添加與DNA模板102互補的核苷酸，直到其包含ddT為 止。然后聚合酶停止。ddT管208中的結(jié)果是始終以ddT結(jié)束的、不同長度的DNA模板的片 段300、302、304、306的集合。除了分別以ddA、ddG或ddC結(jié)束以外，其他三個管202、204、 206的結(jié)果是類似的。圖4示出了如何利用傳統(tǒng)桑格方法導出DNA序列。圖4示出了針對ddA、ddG、ddC和ddT的片段的凝膠電泳分析的結(jié)果400。此夕卜， 示出了合成的DNA序列402，該序列402與模板DNA序列102互補。通過附圖標記404示 意性指示的反向轉(zhuǎn)換或互補操作，可以明確地從合成的DNA序列402中導出模板DNA序列 102。當聚合酶反應停止時，將所有溶液注入電泳凝膠中。電場根據(jù)所有片段的長度拖 曳(drag)這些片段。由于已知鏈終止(ddA、ddG、ddC和ddT)，有可能通過讀取凝膠來重構(gòu) 模板序列。模板序列與已在凝膠中讀出的一個序列互補。圖5再次示出了 20bp的引物的情況下的結(jié)果。根據(jù)圖5的實施例，當不同熒光標簽用于每個dd核苷酸時，可以在單次執(zhí)行中進 行與圖2至圖4相同的操作。在過程步驟500中，合成繼續(xù)，直到包含雙脫氧核苷酸(ddG、 ddA、ddT或ddC)為止。在過程步驟502中，沿向下方向執(zhí)行產(chǎn)物的電泳。結(jié)果示出為片段 504的長度以及雙脫氧506的終止。如箭頭508所示，序列與DNA模板鏈102互補。不同熒 光標簽510、512、514、516用于每個核堿基。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的生物傳感器裝置600的平面圖。在單個襯底104上，以類似矩陣方式(S卩，以行和列的方式)布置了多個納米電極 106。在不期望受限于特定理論的情況下，目前相信，每個納米電極106足夠敏感，以通過電 容量變化來檢測包含到引物108中的單個核苷酸。當將單個、兩個或若干核苷酸添加至DNA 引物108時，預先以能夠區(qū)分的方式來校準從每個納米電極106接收的每個信號。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的生物傳感器裝置700的截面圖。圖7是能夠使用并實現(xiàn)電子桑格方法的裝置700的示例。生物傳感器芯片700適于檢測生物微粒12，并包括傳感器活性區(qū)701，傳感器活性
12區(qū)701對生物微粒102敏感，并被布置在生物傳感器芯片700的后端制程部分702的頂端。 更具體地，將傳感器活性區(qū)701布置在生物傳感器芯片700的BEOL區(qū)域702的上表面703 處。在BEOL部分702中提供多個中間金屬化結(jié)構(gòu)704至706，使得傳感器活性區(qū)701 經(jīng)由多個中間金屬化結(jié)構(gòu)704至706電耦合至生物傳感器芯片700的前端制程(FEOL)部 分 707。更具體地，形成傳感器活性區(qū)701的一部分的納米電極708經(jīng)由多個中間金屬化 結(jié)構(gòu)704至706電耦合至集成在FEOL區(qū)域707中的場效應晶體管713。在后端制程部分702中部分地形成電容器結(jié)構(gòu)，布置該電容器結(jié)構(gòu)，使得電容器 的電容值受傳感器活性區(qū)701處的檢測事件(S卩，對于固定在傳感器活性區(qū)701的表面703 上的生物分子-引物復合體(complexes)的片段的產(chǎn)生，未示出)的影響，這是由于這種檢 測事件對傳感器凹口 717中的介電常數(shù)有影響。更具體地，銅層708形成這種電容器的第 一電極，該電容器的第二電極由電解液750形成，并由相對電極(counter electrode) 709 連接，在本實施例中，與單片集成層序列700分離地提供相對電極709。備選地，有可能將形 成電容器的第二電極的導電結(jié)構(gòu)集成到層堆疊中。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的生物傳感器700中的實際電容器是電解電 容器。在測量期間傳感器700浸入在電解液750中。電解液750可以是分析物本身，或者 在實驗之后代替分析物的其他導電流體。銅納米電極708是一個電容器極板，導電流體750 是另一個電容器“極板”。兩個極板708、750由SAM715分開，SAM715可以對電容器的電介 質(zhì)做貢獻。當生物分子-引物復合體712附著至SAM 715時，電容器的電介質(zhì)的介電特性 改變，并因此電容器的電容量也改變。電解液750與相對電極709相連接。如圖7示意性所示，晶體管結(jié)構(gòu)713在前端制程部分707中形成，并經(jīng)由多個金屬 化結(jié)構(gòu)704至706、708電耦合至傳感器活性區(qū)701。示出了這種晶體管713的柵極區(qū)710 以及溝道區(qū)711。源極/漏極區(qū)分別位于附圖的平面的前面和后面，因此在圖7中沒有明顯 地示出。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的，源極/漏極區(qū)可以形成為電耦合至溝道區(qū)711的兩側(cè) 的摻雜區(qū)域。如圖7可知，可以將單個生物分子_引物復合體712固定在傳感器活性區(qū)701的 表面703上，并且該復合體712適于與生物微粒相互作用。銅金屬化結(jié)構(gòu)708在表面703處的尺寸可以為250nm，并從而形成可以發(fā)生檢測 事件的納米電極。納米電極708由以氮化鉭層714為襯里的銅材料形成。如圖7進一步可 知，SAM層715(自組裝單分子層)與銅結(jié)構(gòu)708和生物分子-引物復合體712橋接。在最后CMP步驟之后殘留的裸銅表面可以在空氣或水中氧化。因此，通常在該CMP 步驟期間(或者在后續(xù)清洗步驟期間)沉積BTA (腐蝕阻抑劑)以抑制這種氧化。這樣，在 沉積SAM 175之前，可以將晶片存儲若干時間(若干天，或者可能甚至若干星期)。就在SAM沉積之前，必須從銅表面移除BTA。用實驗方法發(fā)現(xiàn)，一些濕化學SAM沉 積制法實際移除了 BTA本身。在這種情況下，在SAM沉積之前，不必嚴格移除BTA，這是由于 BAT移除會自動進行。在SAM沉積之后，由于BTA將污染SAM表面，因此不再可能沉積BTA。 取而代之，適當?shù)腟AM 715應當自己起到腐蝕阻抑劑的作用?；蛘咴赟AM沉積之后，必須將 傳感器芯片存儲在無氧化性氣氛中。
13
除此之外，生物傳感器芯片700包括形成生物傳感器芯片700表面的一部分并具 有凹口 717的絕緣層716，其中，提供傳感器活性區(qū)701的暴露表面703作為凹口 717中感 測袋體積。采用CMOS技術(shù)，從硅襯底718開始，制造生物傳感器芯片700，在圖7中示出了硅 襯底718的表面，并且硅襯底718可以具有P阱或N阱?？梢蕴峁┯糜陔娊佑|生物傳感器芯片700的鍵合焊盤(bong pad)，但是圖7中未示出。更具體地，在半導體襯底718上/中提供電絕緣淺溝絕緣結(jié)構(gòu)719。柵極710包括 多晶硅材料和CoSi硅化物結(jié)構(gòu)。此外，在淺溝絕緣層719和柵極堆疊710上提供碳化硅層 720。氧化硅層721具有其中形成鎢觸點706的接觸孔。在該結(jié)構(gòu)的頂部，提供了另一碳化 硅層741。在碳化硅層741的頂部，氮化鉭襯里722被預見為，給填充銅材料的溝加襯，以形 成銅金屬結(jié)構(gòu)705。這可以嵌入在另一氧化硅層723中。在該結(jié)構(gòu)頂部，形成另一碳化硅層 724，隨后在另一氧化硅層726中形成的過孔中形成氮化鉭襯里725。在有襯里的過孔中填 充銅材料，從而形成銅通道704。接著，可以沉積碳化硅層727，隨后設(shè)置另一氧化硅層728， 在另一氧化硅層728中，可以刻蝕另一溝，該另一溝可以以另一氮化鉭結(jié)構(gòu)729為襯里。該 有襯里的溝道可以填充銅材料，從而形成銅金屬層708?？梢詧?zhí)行CMP(化學機械拋光)過程來在生物傳感器芯片700中產(chǎn)生實質(zhì)上平坦表面。圖8示出了說明納米電極的示例的圖像800。圖9給出了晶體管900的示例。圖10示出了說明裝置700的頂視圖的圖像1000，示出了多個納米電極。示出了劃 線保護訪問區(qū)(scratch protection access area) 1002 以及電極陣列 1004。圖11示出了傳感器活性區(qū)106的放大圖1100。在感測袋1102內(nèi)，可以在電極106 處固定引物108，該感測袋1102可以是溝等，并有電絕緣側(cè)壁1104分隔。還示出了未知的 DNA鏈(模板)102。此外，示出了 DNA聚合酶112。有可能在每個納米電極106中包含引 物108和未知DNA鏈102。A、T、G、C以及ddA、ddG、ddT和ddC可以浮在溶液(圖11中未 示出)中。圖12示出了生物傳感器裝置700，該生物傳感器裝置700具有第一襯底1202、分 離的第二襯底1204、分離的第三襯底1206以及分離的第四襯底1208。在襯底1202、1204、 1206,1208中的每一個的表面上示出了多個類似矩陣布置的納米電極106。在第一芯片1202上，提供了 A、T、G、C和ddA，以及聚合酶、引物和未知的DNA序 列。向第二芯片1206，添加A、T、G、C、ddT、聚合酶、引物以及未知的DNA序列。向第三芯片 1204，添加A、T、G、C、ddG、聚合酶、引物以及未知的DNA序列。向第四芯片1208，添加A、T、 G、C、ddC、聚合酶、引物以及未知的DNA序列.如圖12可知，每個納米電極106暴露于所示溶液。聚合酶的作用類似于桑格方法 中。圖13是再次示出了第一芯片1202的圖像1300。圖13是通過讀取第一芯片1202而獲得的這種類型的信息的示例。如附圖標記 1302所示，在電極(1，1)上不包含核苷酸并以ddA結(jié)束。如附圖標記1304所示，在電極(2，2)上包含2個核苷酸并以ddA結(jié)束。如附圖標記1306所示，在電極(3，3)上包含7個核苷 酸并以ddA結(jié)束。因此，每個電極106接收與包含的核苷酸的數(shù)目成比例的不同的電容信 號。圖13中所示的序列僅是示例性的。任何其他組合是可能的，例如，電極(1，1)上0個 核苷酸，電極(1，2)上2個核苷酸，電極(1，3)上7個核苷酸。圖14示意性說明了通過讀取第一芯片1202而獲得這種類型的信息的示例。在該 示例中，將ddA視作核苷酸。如箭頭1402所指，聚合酶始終沿該方向在引物中包含核苷酸。 如附圖標記1404所示，電極(3，3)包含7個核苷酸，并以ddA結(jié)束。如附圖標記1406所示， 電極(2，2)包含2個的核苷酸，并以ddA結(jié)束。如附圖標記1408所示，電極(1，1)沒有包 含核苷酸，并以ddA結(jié)束。因此，可以從第一芯片1202中導出序列中所有的“A”位置。圖15示出了在讀取第二芯片1206之后如何獲得信息。如附圖標記1500所示，根 據(jù)片段，可以導出“T”位置。圖16示出了在讀取第三芯片1204之后可以導出哪些信息。如附圖標記1600所 示，可以導出“G”位置。圖17示出了在讀取第四芯片1208之后可以導出哪些信息。如附圖標記1700所 示，可以導出與“C”有關(guān)的信息。如圖18所示，在已經(jīng)讀出4個芯片1202、1204、1206、1208之后，可以重構(gòu)未知DNA 鏈102。用附圖標記402表示由引物構(gòu)建的DNA鏈，而先前未知的DNA鏈102與引物鏈402互補。圖19示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的生物傳感器裝置1950。與圖11相比，納米懸臂1952被示為感測元件而不是納米電極。納米懸臂1952在 所附著的分子108、102的機械力下可彎曲(參見箭頭1954)。如圖11所示，核苷酸和雙脫 氧核苷酸浮在溶液中。每個納米懸臂1952可以附著有聚合酶112、引物108和模板102。如圖20示意性所示，當達到ddA，聚合酶反應停止。懸臂1952經(jīng)歷與已經(jīng)添加的 質(zhì)量成比例的偏轉(zhuǎn)。因此，以可彎曲方式安裝懸臂1952，有可能從彎曲程度中導出指示添加 的片段的長度的信息。圖21說明了根據(jù)本發(fā)明示例實施例的電子桑格生物傳感器裝置1900。在圖21中，示出了 4個納米懸臂的陣列，納米懸臂分別具有襯底1202、1204、1206、 1208以及附著的懸臂1902。向連接至襯底1202的納米懸臂陣列提供A、T、G、C、ddA、聚合 酶、引物以及未知DNA序列。向指定給襯底1204的納米懸臂提供A、T、G、C以及ddT、聚合 酶、引物以及未知DNA序列。向與襯底1206連接的納米懸臂陣列提供々、1\6、(、(1(^、聚合 酶、引物以及未知DNA序列。向指定給襯底1208的納米懸臂提供A、T、G、C、ddC、聚合酶、引 物以及未知DNA序列。如圖21所示，確定單元114這里還起到控制單元的作用?？刂茊卧?114控制受激激光器1920，該受激激光器1920將光束1906指向懸臂1902中特定的一個。 如箭頭1922所示，激光器1920可以掃描整個裝置1900。光電二極管或CXD探測器1924檢 測反射光，以導出反射特性，并因此計算懸臂1902的偏轉(zhuǎn)。圖22示意性說明了針對指定給襯底1202的納米懸臂陣列如何導出信息。如附圖 標記2000所示，納米懸臂(1，1)沒有包含核苷酸，并以ddA結(jié)束。納米懸臂2002 (2，2)包含 2個核苷酸，并以ddA結(jié)束。如附圖標記2004所示，懸臂(3，3)包含7個核苷酸，并以ddA結(jié)束。可以向圖21所示的陣列中的每一個懸臂1902引導激光，并且讀取偏轉(zhuǎn)值，該偏轉(zhuǎn) 值代表包含到引物中的核苷酸的數(shù)目。因此，采用與圖14至圖18所示方式相同的方式，可 以從懸臂彎曲中導出DNA序列。可以給出偏轉(zhuǎn)值與包含的核苷酸的數(shù)目之間的比例關(guān)系。最終，應注意，上述實施例示出而非限制本發(fā)明，在不脫離如所附權(quán)利要求所限定 的本發(fā)明的范圍的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計出許多備選實施例。在權(quán)利要求中， 置于圓括號中的任何附圖標記不應被解釋為限制權(quán)利要求。詞語“包括”和“包含”等并不 排除除了任何權(quán)利要求或說明書全文中所列的元件或步驟以外的其他元件或步驟的存在。 元件的單數(shù)引用并不排除對這種元件的復數(shù)引用，反之亦然。在列舉了若干裝置的設(shè)備權(quán) 利要求中，可以由同一軟件或硬件來實現(xiàn)這些裝置中的若干裝置。重要的是，在互不相同的 從屬權(quán)利要求中闡述特定措施并不表示不能有利地使用這些措施的組合。
權(quán)利要求
一種對生物微粒(102)進行測序的生物傳感器裝置(100)，所述生物傳感器裝置(100)包括至少一個襯底(104)；在所述至少一個襯底(104)中的每一個上提供的多個傳感器活性區(qū)(106)，其中，每個傳感器活性區(qū)(106)包括具有與生物微粒(102)的序列的一部分互補的序列的引物(108)，使得能夠在引物(108)處產(chǎn)生具有與生物微粒(102)的序列的一部分相反的序列的片段；以及確定單元(114)，適于單獨地確定在所述多個傳感器活性區(qū)(106)中的每一個的引物(108)處復制的片段的大小，在存在復制終止序列單元(116至119)時，終止片段產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(100)，其中，確定單元(114)適于考慮與指 定類型的復制終止序列單元(116至119)有關(guān)的信息，基于單獨地確定的片段大小，來確定 生物微粒(102)的序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(100)，其中，所述至少一個襯底僅由一個襯 底(104)組成，所述襯底(104)具有分隔室(120至123)，具體地具有四個分隔室(120至 123)，每個分隔室(120至123)包括多個傳感器活性區(qū)(106)，并被指定給一種類型的復制 終止序列單元(116至119)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(1200)，其中，所述至少一個襯底包括多 個分離的襯底(1202、1204、1206、1208)，具體地，包括四個分離的襯底(1202、1204、1206、 1208)，每個分離襯底(1202、1204、1206、1208)包括多個傳感器活性區(qū)(106)，并被指定給 一種類型的復制終止序列單元(116至119)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(100)，其中，多個傳感器活性區(qū)包括電極 (106)，具體地，納米電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物傳感器裝置(100)，其中，電極(106)的暴露表面具有小 于300nm的尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物傳感器裝置(100)，其中，電極(106)包括銅材料，具體 地，由自組裝單分子層覆蓋的銅材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物傳感器裝置(100)，其中，電極(106)形成電容器結(jié)構(gòu)， 所述電容器結(jié)構(gòu)被布置為使得電容器的電容值受相應傳感器活性區(qū)(106)中的檢測事件 的影響。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物傳感器裝置(100)，其中，確定單元(114)適于對在電極 (106)處接收到的電信號進行評估，所述電信號指示指定的片段大小。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(1900)，其中，多個傳感器活性區(qū)包括懸臂 梁(1902)，具體地，納米懸臂梁，所述懸臂梁(1902)可基于片段大小以表示特性的方式彎曲ο
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的生物傳感器裝置(1900)，其中，確定單元(1904)適于使用 電磁輻射束(1906)，具體地激光束，對懸臂梁(1902)的彎曲進行采樣，其中，可彎曲懸臂梁 (1902)處的電磁輻射束(1906)的偏轉(zhuǎn)指示指定的片段大小。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(100)，其中，傳感器活性區(qū)(106)的暴露 表面的尺寸是用于制造生物傳感器裝置(100)的COMS工藝的最小光刻特征尺寸的至多1. 6倍，具體地至多1. 1倍，更具體地至多0. 7倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(700)，包括電耦合至傳感器活性區(qū)(717) 的開關(guān)晶體管結(jié)構(gòu)(713)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(100)，采用CMOS技術(shù)或MEMS技術(shù)進行制造。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(100)，單片集成在半導體襯底(104)中， 具體地包括由IV族半導體和III - V族半導體構(gòu)成的組中的一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物傳感器裝置(100)，其中，引物(108)適于在存在生物 微粒(102)的序列的序列單元(110)時以及在存在復制酶(112)時，使得能夠在引物(108) 處產(chǎn)生具有與生物微粒(102)的序列的一部分相反的序列的片段。
17.—種對生物微粒(102)進行測序的方法，所述方法包括在至少一個襯底(104)中的每一個上提供多個傳感器活性區(qū)(106)，所述多個傳感器 活性區(qū)(106)中的每一個包括具有與生物微粒(102)的序列的一部分互補的序列的引物 (108)，使得能夠在引物處(108)產(chǎn)生具有與生物微粒(102)的序列的一部分相反的序列的 片段；以及單獨地確定在所述多個傳感器活性區(qū)(106)中的每一個的引物(108)處產(chǎn)生的片段的 大小，在存在復制終止序列單元(116至119)時，終止片段復制。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，包括考慮與指定類型的復制終止序列單元(116至 119)有關(guān)的信息，基于單獨地確定的片段大小，來確定生物微粒(102)的序列。
全文摘要
一種對生物微粒(102)進行測序的生物傳感器裝置(100)，所述生物傳感器(100)包括至少一個襯底(104)；在所述至少一個襯底(104)中的每一個上提供的多個傳感器活性區(qū)(106)，其中，每個傳感器活性區(qū)(106)包括具有與生物微粒(102)的序列的一部分互補的序列的引物(108)，使得能夠在引物(108)處產(chǎn)生具有與生物微粒(102)的序列的一部分相反的序列的片段；以及確定單元(114)，適于單獨確定在所述多個傳感器活性區(qū)(106)中的每一個的引物(108)處產(chǎn)生的片段的大小，在存在復制終止序列單元(116至119)時，終止片段復制。
文檔編號C12Q1/68GK101896624SQ200880120253
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日
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