生化传感器阵列中的多路复用模拟部件

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

图 4 示出表示纳米孔细胞的电模型的电路的实施例。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

定义

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术语“

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如本文所用，术语“

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具体实施方式

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。

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。

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密度或数量，而不影响细胞的性能。

Ⅰ基于纳米孔的测序芯片

纳米孔传感器芯片可以包括用于生化分析（诸如核酸测序）的纳米孔细胞的阵列。每一个纳米孔细胞可以包括在膜中形成或以其他方式提供的纳米孔。在一些实例中，纳米孔具有 0.1 纳米 (nm) 至约 1000 nm 数量级的特征宽度或直径。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。每一个细胞还可以包括集成在半导体底物上的控制和传感电路。纳米孔传感器芯片上的纳米孔细胞可以以许多不同方式实施。

A

图 1 是示出根据某些实施例，基于纳米孔的测序芯片上的纳米孔细胞 100 的实施例的简化结构。纳米孔细胞 100 可以包括由介电材料（诸如氧化物）形成的阱（例如，绝缘体106）。膜 102 可以在阱的表面上方形成以覆盖阱。在一些实施例中，膜 102 可以是脂质双层。主体电解质 114 置于细胞的表面上，所述主体电解质可以包含例如可溶性蛋白纳米孔跨膜分子复合物 (PNTMC) 和目标分析物。可以通过电穿孔将单个 PNTMC 插入膜 102 中以形成纳米孔 104。纳米孔 104 可以以其他方式在膜 102 中形成。阵列中的各个膜彼此既不化学连接也不电连接。纳米孔 104 对分析物起作用，并调节通过其他不可透过的双层的离子电流。因此，阵列中的每一个细胞是独立的测序仪，产生与纳米孔 104 相关的单个聚合物分子所特有的数据。

模拟测量电路 112 连接至由电解质 108 覆盖的金属工作电极 110。电解质 108通过离子不透膜 102 与主体电解质 114 隔离。纳米孔 104 穿过膜 102，并为离子电流从主体液体流到工作电极 110 提供唯一路径。纳米孔细胞 100 还包括对电极 (CE) 116，其可以是电化学电位传感器。纳米孔细胞 100 还可以包括参考电极 117。

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200 的实施例，诸如图 1 的纳米孔细胞 100。纳米孔细胞 200 可以包括由介电层 201 和204 形成的阱 205；在阱 205 上方形成的膜，诸如脂质双层 214；以及在脂质双层 214 上并通过脂质双层 214 与阱 205 分离的样品室 215。阱 205 可以包含一定体积的电解质206，并且样品室 215 可以容纳包含纳米孔的主体电解质 208，例如，可溶性蛋白纳米孔跨膜分子复合物 (PNTMC)，以及目标分析物（例如，待测序的核酸分子）。

纳米孔细胞 200 可以包括位于阱 205 底部的工作电极 202 和设置在样品室215 中的对电极 210。信号源 228 可以在工作电极 202 与对电极 210 之间施加电压信号。单个纳米孔（例如，PNTMC）可以通过由电压信号引起的电穿孔工艺插入脂质双层 214中，从而在脂质双层 214 中形成纳米孔 216。阵列中的各个膜（例如，脂质双层 214 或其他膜结构）可以彼此既不化学连接也不电连接。因此，阵列中的每一个纳米孔细胞可以是独立的测序仪，产生与纳米孔相关的单个聚合物分子所特有的数据，所述纳米孔对目标分析物起作用，并调节通过其他不可透过的脂质双层的离子电流。

如图 2 所示，纳米孔细胞 200 可以在底物 230 （诸如硅底物）上形成。介电层201 可以在底物 230 上形成。用于形成介电层 201 的介电材料可以包括，例如，玻璃、氧化物、氮化物等。用于控制电刺激并用于处理从纳米孔细胞 200 检测到的信号的电路 222可以在底物 230 上和/或在介电层 201 内形成。例如，多个图案化的金属层（例如，金属 1至金属 6）可以在介电层 201 中形成，并且多个有源器件（例如，晶体管）可以在底物 230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。

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。

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。

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(CaCl

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。

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

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 (CaCl

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。

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。

B

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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、-150mV、-100 mV、-50 mV、-20 mV 和 0 mV 的下限和独立地选自 +10 mV、+20 mV、+50 mV、+100mV、+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 US2014/0134616 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。

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。

C

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

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

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。

电路 400 还可以包括芯片上积分电容器 C

在对积分电容器 C

根据模数转换器 (ADC) 410 的采样率，积分电容器 C

在由 ADC 410 采样之后，积分电容器 C

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。

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。

当在固定的时间段之后测量积分电容器 C

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

积分电容器 C

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

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

D

为了执行核酸测序，积分电容器（例如，积分电容器 C

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。

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。

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 2000Hz。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

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

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

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

在亮周期 520 期间，施加到对电极的电压信号 510 (V

如图 5 所示，在 V

在暗周期 530 期间，施加到对电极的电压信号 510 (V

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

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

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。

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。

Ⅱ 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。

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。

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

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

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

在对积分电容器 C

在积分周期之后，积分电容器 C

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

在积分周期之后，积分电容器 C

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

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

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

Ⅲ 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。

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。

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

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

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。

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

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

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。

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。

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。

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。

如图 9 所示，V

在一些实施例中，V

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

Ⅳ 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

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。

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或多个模拟部件，诸如校准电容器 C

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 (1110) 或细胞 B (1130)。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 1106 或预充电 B 信号 1126）控制的预充电开关（例如，预充电开关 1112 或 1132）。预充电开关可以将纳米孔细胞连接至电压源（例如，V

每一个细胞还可以包括细胞选择开关（例如，细胞选择开关 1116 或 1136）。细胞选择开关可以由细胞选择信号（例如，CS A 信号 1102 或 CS B 信号 1122）控制，以在采样周期内的在不同时间段期间将每一个细胞选择性地连接至校准电容器 C

图 12 是时序图 1200，其示出根据某些实施例的如图 11 所示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。时序图 1200 示出控制信号的实例，包括预充电 A 信号 1210、预充电 B 信号1220、……预充电 N 信号 1230、RS 信号 1240、CS A 信号 1250、CS B 信号1260、……和 CS N 选择信号 1270。传感器芯片的采样周期由时间段1202 指示。因为未使用额外的积分电容器，所以共享一些模拟部件的纳米孔细胞的寄生电容器（例如，电容器 426 (C

例如，当脉冲 1212 在预充电 A 信号 1210 上时，预充电开关 1112 可以闭合并且纳米孔细胞 A 的寄生电容器可以进行预充电。当脉冲 1222 在预充电 B 信号 1220 上时，预充电开关 1132 可以闭合并且纳米孔细胞 B 的寄生电容器可以进行预充电。当脉冲1232 在预充电 N 信号 1230 上时，纳米孔细胞 N 的寄生电容器可以进行预充电。即使图12 显示连续脉冲 1212、1222、……和 1232 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。在一些实施例中，脉冲 1212、1222、……和 1232 可以不重叠。在一些实施例中，脉冲 1212、1222、……和 1232 可以至少部分重叠。

在预充电周期（脉冲 1212、1222、……或 1232 的持续时间）之后，每一个纳米孔细胞可以在相同、重叠或不重叠的时间段期间通过流过对应纳米孔的电流进行充电或放电。当行选择信号 1240 如脉冲 1242 所示处于较高电平时，开关 1154 可以闭合以将读出晶体管 1150 连接至列放大器和 ADC 电路 1160。当开关 1154 闭合时，通过使用脉冲1252、脉冲 1262、……和脉冲 1272，其可以一次一个地接通细胞选择开关（例如，细胞选择开关 1116 和 1136），依次将纳米孔细胞连接至读出晶体管 1150，纳米孔细胞上的寄生电容器的电压电平可以一次读出一个。即使图 12 显示连续脉冲 1252、1262、……和 1272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。

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。

Ⅴ 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。

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

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

Ⅵ 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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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”。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

如上所述的传感器芯片，其中晶体管被配置为源极跟随器。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

如上所述的方法，其中第一信号是电流信号或电压信号。

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。

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。

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。

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。

一种系统，其包括用于执行以上方法中的任何方法的装置。

一种系统，其被配置为执行以上方法中的任何方法。

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。