纳米孔感测装置、组件和操作方法与流程

纳米孔感测装置、组件和操作方法
1.本发明总体上涉及一种具有可配置为纳米孔传感器的纳米孔结构阵列的用于进行纳米孔感测的装置以及用于操作纳米孔传感器或制造纳米孔结构阵列的方法。
2.纳米孔传感器已被开发用于对宽范围的物种(包含单分子，如聚合物分子)进行感测。已知的纳米孔传感器装置是由牛津纳米孔技术有限公司(oxford nanopore technologies ltd.)制造和销售的minion
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。其中基于纳米孔的感测采用对穿过定位于高电阻两亲性膜中的生物纳米孔的离子电流的测量。minion
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具有纳米孔传感器阵列。当使得分子(如聚合物分析物，例如dna)使纳米孔移位时，对离子电流中的波动的测量可以用于确定dna链的序列。还从wo2013/123379中已知用于检测除多核苷酸之外的分析物(如蛋白质)的纳米孔装置。
3.生物纳米孔装置(如minion
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)的替代物是固态纳米孔装置。图1示出了在wo2016/127007(其以全文引用的方式特此并入)中公开的具有固态纳米孔4的单个传感器装置2的一部分，其中：分析物6从顺式储存器10穿过主体8、穿过固态纳米孔4并进入到流体通路12中；穿过定位靠近固态纳米孔4的传感器16读取信号。电极18设置在顺式储存器10和反式储存器14中，以将分析物6诱导穿过固态纳米孔4。
4.固态纳米孔传感器的性能受到感测组件、制造技术以及可能会由于纳米孔的形成或传感器的组装的变化而发生的其公差的限制。这些因素和其它因素损害了控制此类纳米孔传感器的带宽、灵敏度和能力。
5.一些方面，本公开涉及克服与实施具有多个纳米孔传感器的纳米孔传感器阵列相关联的问题。
6.本发明人试图通过以下来改进已知的纳米孔感测装置：在一些方面提供控制分析物的移动的能力，同时也通过减轻阻碍测量的因素(如由寄生和受到污染的感测组件引起的噪声)来提高测量准确性。此外，改进的装置允许纳米孔结构和由其实施的纳米孔传感器以有效的方式形成于大阵列中，而不会抑制阵列的控制或性能。
7.第一方面，本发明提供了一种用于进行纳米孔感测的装置，所述装置具有：被布置成将分析物储存器与出口室分开的结构，所述结构包括纳米孔结构阵列，每个纳米孔结构包括用于穿过所述结构实现所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接的通路；
8.驱动电极，所述驱动电极分别连接到所述分析物储存器和所述出口室，以跨所述通路强加电位差；
9.电换能元件，每个元件连接到或暴露于相应纳米孔结构的所述通路，以测量所述纳米孔结构中的所述电换能元件处的流体电位；以及
10.控制端子，每个控制端子连接到相应纳米孔结构，以施加控制信号来改变跨所述纳米孔结构的所述电位差或改变所述通路内的电位。
11.所述结构可以是支撑结构。所述纳米孔结构可以被安置在对应的通路阵列中和/或上。每个纳米孔结构可以具有形成所述通路的一部分的孔口。所述纳米孔结构阵列中的每个纳米孔结构具有相应通路。所述控制端子可以连接到所述结构中的相应通路，以施加控制信号来改变围绕相应纳米孔结构的流体电位分布。当提供有流体使得所述驱动电极与
所述纳米孔结构之间存在流体连接时，则施加到所述纳米孔结构的控制信号可以改变跨所述纳米孔结构相对于驱动电极的电位差。所述控制端子可以连接到所述电换能元件。所述控制端子可以可切换地连接到所述电换能元件。
12.所述阵列的所述纳米孔结构可以具有纳米孔、能够支撑纳米孔或能够支撑具有纳米孔的膜。
13.在作为纳米孔感测装置进行操作时，所述装置包括纳米孔阵列。
14.当提供有流体时，可以在所述电换能元件处测量流体电位。当提供有流体时，可以改变围绕所述纳米孔结构的流体电分布。
15.在操作中，流体驻留在装置的所述分析物储存器、所述出口室和所述通路中，其中所述储存器和所述腔室流体连接。所述纳米孔结构的所述储存器、所述腔室和所述通路中的流体可以是不同的流体。
16.纳米孔结构可以包括宽度为纳米尺寸的孔口。所述孔口可以是固态载体中的通孔，如固态纳米孔。
17.可替代地，在实施例中，所述纳米孔结构可以是能够支撑纳米孔以提供纳米尺寸的通路的结构。在这个实施例中，所述纳米孔结构可以包括微米或纳米孔尺寸的孔口。可以用于支撑纳米孔的示例性纳米孔结构公开于以全文引用的方式特此并入的wo2014064443中。可以由纳米孔结构支撑的纳米孔的实例是生物纳米孔，如蛋白质纳米孔。所述纳米孔可以设置在膜(如两亲性膜)中。所述膜可以由所述纳米孔结构支撑。
18.当用于纳米孔感测时，所述装置可以包括纳米孔阵列。
19.所述分析物储存器可以用于收纳分析物以供所述纳米孔阵列进行感测。所述出口室可以用于收纳穿过所述纳米孔阵列的分析物。
20.所述纳米孔(在存在的情况下)将所述装置的顺式侧与反式侧分开。所述分析物储存器可以被认为是所述装置的顺式侧，并且所述分析物出口室可以被认为是反式侧的一部分。
21.所述装置可以被提供有或没有流体。所述纳米孔结构的所述分析物储存器、所述出口室和所述通路中的流体可以是不同的流体。
22.另外的方面，本发明提供了一种结构，所述结构包括纳米孔结构阵列，每个纳米孔结构包括用于穿过所述结构实现流体连接的通路。每个纳米孔结构具有电换能元件，每个元件连接到或暴露于相应纳米孔结构的所述通路，以测量所述纳米孔结构中的所述电换能元件处的流体电位。每个纳米孔结构还具有控制端子，每个控制端子连接到相应纳米孔结构，以施加控制信号来改变所述通路内或围绕相应纳米孔结构的流体电位分布。
23.所述结构可以是支撑结构。所述纳米孔结构可以被安置在对应的通路阵列中和/或上。每个纳米孔结构可以具有形成所述通路的一部分的孔口。所述纳米孔结构阵列中的每个纳米孔结构具有相应通路。所述控制端子可以连接到所述结构中的相应通路，以施加控制信号来改变围绕相应纳米孔结构的流体电位分布。所述阵列的每个孔口可以与相应电换能元件和控制端子相关联。
24.所述纳米孔结构阵列中的每个纳米孔结构可以被认为是像素，每个像素包括孔口、电换能元件和控制端子。像素阵列可以以类似于像素在电视屏幕上的布置的方式布置为直线网格。所述纳米孔在存在于所述纳米孔结构中时会形成所述通路的一部分，即，所述
通路的具有纳米宽度的区段。所述纳米孔可以是固态纳米孔，即，其中纳米孔宽度的孔口设置在固体载体中。可替代地，所述纳米孔可以是混合纳米孔，其中生物纳米孔设置在固体载体的孔口中。所述生物纳米孔可以支撑在两亲性膜中。所述两亲性膜可以由如wo2014/064443中所公开的柱支撑。能够支撑纳米孔的纳米孔结构可以包括宽度大于纳米孔尺寸(如微米尺寸)的孔口。所述纳米孔结构可以包括通过其来支撑两亲性膜的装置。所述分析物储存器可以用于储存分析物(如分析物)以供分析。所述分析物可以穿过所述阵列的纳米孔传感器中的纳米孔。在穿过所述纳米孔之后，所述分析物可以保留在所述通路中或从所述通路流出进入到所述出口室中。当所述纳米孔结构阵列的所述分析物储存器、所述出口室和所述通路被提供有流体时，所述驱动电极可以跨所述通路强加电位差。所述驱动电极可以提供跨孔口的电位差以诱导带电荷的分析物经过所述阵列的纳米孔。所述电位差可以被改变，以改变所述分析物的移位的速度或方向。
25.所述阵列中的每个电换能元件用作传感器电极。穿过所述纳米孔的离子电流的变化引起由离子电流的变化引起的电位的波动，可以对所述电位进行测量，以确定分析物的存在或性质。所述装置中的流体(其可能是水性的)可以含有离子。多种分析物可能会移位。
26.所述驱动电极用于提供跨所述纳米孔阵列的共同的电位差，其中多种分析物可以在所述阵列中同时进行测量。在每个纳米孔结构中的所述电换能元件处进行测量。
27.在一些实施例中，每个纳米孔结构可以具有相关联的控制端子。这种控制端子可以是与在结构外部生成的控制信号的独立连接。这允许独立于改变跨所述阵列中其它纳米孔结构的电位差施加电位。
28.所述控制信号可以响应于外部触发器或开关而在所述纳米孔结构内生成。或者，所述控制信号可以从所述纳米孔结构内部的电路生成。所述控制信号具有改变每个纳米孔结构处的电压电平的影响。所述控制信号可以通过所述电换能元件施加，以修改所述通路与所述驱动电极之间的电压。另外地或可替代地，所述控制信号可以通过所述通路中的电连接(如控制端子或另外的控制电极)施加。
29.所述装置可以具有设置在与所述分析物储存器的电连接中的单个驱动电极和设置在与所述出口室的电连接中的单个驱动电极，其中所述驱动电极用于提供跨纳米孔阵列的共同的电位差。
30.可替代地，所述装置可以在所述装置的顺式和/或反式侧上包括多个驱动电极。
31.向单独的纳米孔结构施加控制信号可以起到改变跨所述纳米孔结构以及所述纳米孔结构与所述驱动电极之间的电位差的作用。举例来说，所述分析物储存器中的所述驱动电极可以具有
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0.1伏的电压电平，而所述出口室中的所述驱动电极可以具有0.2伏的电压电平，使得跨所述阵列的所述通路的电位差为0.3伏。施加控制信号以在所述纳米孔结构处强加
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2伏的电压会分别在所述纳米孔结构与顺式电极之间和所述纳米孔结构与反式电极之间引起
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1.9伏和
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1.8伏的电位差。
32.每个纳米孔的所述电换能元件和所述控制端子可以直接连接。这样做时，所述电换能元件可以用作传感器电极和控制电极两者。这可以通过提供具有两个端子的电换能元件来实施：一个电换能元件用于连接到感测电路系统，另一个电换能元件用于连接到控制电路系统。实际上，所述感测电路系统和所述控制电路系统可以驻留在同一电路或组件中。任何电路都可以定位于结构外并且通过例如引线接合连接到所述结构。
33.所述控制端子可以被配置成响应于所述电换能元件对每个相应纳米孔结构的所述电换能元件处的流体电位的测量结果而施加控制信号，以改变从所述驱动电极到所述纳米孔结构的电位差。所述控制信号的所述施加可以被配置成改变所述控制端子中的至少一个控制端子与所述驱动电极中的至少一个驱动电极之间的电位差。
34.施加到纳米孔结构的控制端子的控制信号可以改变所述纳米孔与驱动电极之间的电位差的大小和/或极性，这可以改变分析物经过所述纳米孔结构的通路的速率或改变所述分析物的移动的方向。
35.所述控制信号可以可连接到多个所述纳米孔结构，以同时改变所连接的控制端子与所述驱动电极中的至少一个驱动电极之间的所述电位差。
36.所述控制信号可以出于除拒绝分析物或控制其移位的速度和/或方向之外的目的而被施加。例如，所述控制信号可以被施加用于诱导生物纳米孔插入在由所述纳米孔结构支撑的膜中。所述电换能元件可以连接到测量电路，以读取从所述电换能元件接收到的信号。所述纳米孔结构可以被提供有与测量电路的可切换连接。所述可切换连接可以在施加控制信号之前断开所述测量电路。以这种方式，所述控制信号可以与测量电路系统断开并阻止所述控制信号影响测量电路系统的性能。
37.换句话说，所述电换能元件可以可在所述控制信号的所述施加之前隔离。每个纳米孔结构的每个单独的电换能元件可以在施加所述控制信号之前选择性地隔离。
38.所述控制信号可以出于各种目的而被施加。
39.所述控制信号可以独立于所述分析物的测量结果而被施加。例如，所述控制信号可以被施加到由所述纳米孔结构支撑的膜，以诱导生物纳米孔插入在所述膜中。
40.所述控制信号可以响应于由所述电换能元件进行的测量而被施加到纳米孔结构。
41.举例来说，当所述装置确定穿过纳米孔的通路被例如分析物阻塞时，所述控制信号可以出于疏通所述纳米孔的目的而被施加。所述控制信号然后可以被施加用于疏通所述通路。
42.所述装置能够通过对抑制电流穿过所述纳米孔所引起的电位的变化的测量来确定所述纳米孔被阻塞。在不存在分析物与所述纳米孔相互作用的情况下，由于水性样品中离子盐的存在而穿过所述纳米孔的离子电流可以被称为开孔电流。当分析物与所述纳米孔相互作用时，穿过所述孔的离子电流减少并且离子电流减少的变化可以被测量为随着分析物(如dna)使所述纳米孔移位时传感器电极处的电位随时间的波动。例如由于分析物变得固定在所述孔中而引起的所述纳米孔的堵塞会导致离子电流减少，其值随时间变化非常小。在另外的实例中，所述控制信号可以被施加用于从所述纳米孔喷射不感兴趣或不再感兴趣的分析物。测量可以实时执行，使得可以在对所述分析物的全面测量之前做出喷射所述分析物的决定，例如做出喷射多核苷酸的决定。
43.关于先前提到的用于对多核苷酸进行测序的装置，如minion
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装置，穿过纳米孔的电流是通过在设置在纳米孔中的每个纳米孔的一侧上的相应电极阵列与设置在分析物储存器中的纳米孔的另一侧上的共同电极之间施加电位差来测量的。因为每个纳米孔具有相关联的电极，所以单独地控制跨阵列的每个纳米孔的电位差并喷射分析物是可能的。在下文所描述的实施例中，展示了与借助于电换能元件对每个纳米孔处的局部电位进行测量相关联的各种优点。所述驱动电极用于提供跨越所述纳米孔阵列的电位差，而不是对分析物
进行测量。因此，通过驱动电极单独控制纳米孔处的电位差是不可能的。然而，通过控制端子对跨每个纳米孔的电位差进行单独控制是可能的。
44.所述纳米孔结构阵列可以具有电路，每个电路与相应纳米孔结构相关联并连接到所述电换能元件。每个电路可以被配置成修改和/或处理从所述电换能元件接收到的信号。所述电路还可以将控制信号施加导所述电换能元件。所述电路可以将施加到所述电换能元件的所述控制信号与其它感测和处理功能隔离。
45.每个电路可以驻留在所述纳米孔结构的所述像素内。每个电路可以是可寻址的。每个纳米孔结构可以是可寻址的。寻址功能可以允许外部处理器与纳米孔结构通信，以进行以下中的至少一项：接收测量信息或控制分析物在通路中的移动。以这种方式，可以单独地控制对每个单独的通路处的感测的测量和控制。所述电路可以设置在支撑结构上或嵌入在支撑结构内。
46.每个电子电路可以与一组纳米孔结构相关联。举例来说，电子电路可以由一组四个纳米孔结构共享。对所述组中的纳米孔结构的感测和控制可以是多路复用的。以这种方式，所述电子电路可以是可寻址的，并且可以使用多路复用来控制单独的纳米孔结构。
47.每个电路可以与相应纳米孔结构或一组纳米孔结构相关联。每个电路可以连接到所述控制端子和/或所述电换能元件，使得所述电路被配置成响应于所述电换能元件处和/或来自附接到其的外部处理器的测量结果而改变相应纳米孔结构处由所述驱动电极强加的电位。
48.所述结构可以具有结合有纳米孔和/或结合有用于支撑固态薄膜或具有纳米孔的膜的孔的纳米孔层。当提供有纳米孔时，所述纳米孔结构可以作为纳米孔传感器进行操作。在所述纳米孔结构已经形成之后，所述纳米孔层可以被提供有纳米孔。纳米孔可以在已经向其提供具有纳米孔结构的装置之后由用户来提供。所述纳米孔层可以被替换，使得所述装置是可回收的。所述纳米孔结构还可以包含基础层，所述基础层结合有通道。所述纳米孔层和所述基础层可以夹置或层压在一起，使得所述纳米孔和/或所述孔对齐以限定所述通路。所述电换能元件、所述电路或所述控制端子中的至少一个安置在所述结构的外表面上或之间。单独的纳米孔结构可以包含单个结构或一个或多个彼此连接的子结构。单个结构或子结构可以是平面的或薄片状的。
49.每个纳米孔结构都可以由其通路来限定。所述通路可以流体连接顺式和反式。所述通路可以通过每个纳米孔结构中的形成而形成，举例来说，所述形成由以下形成：用于支撑纳米孔的纳米孔层，所述层具有通孔；具有通道的基础层，所述基础层用作通孔。所述纳米孔层和所述基础层的所述通孔对齐以形成通路。
50.所述电换能元件限定所述通路的一部分。举例来说，所述电换能元件可以夹置或层压在所述纳米孔层与所述基础层之间。然而，所述电换能元件可以定位于所述通路中的其它位置。如果在所述电换能元件与设置在所述纳米孔层中的纳米孔之间存在流体连接并且可能存在直接流体连接，则所述电换能元件可以被配置成围绕所述通路。
51.所述电换能元件和/或所述电路可以在感测层上实施。所述感测层可以是子结构。所述感测层可以夹置或嵌入在所述纳米孔层与所述基础层之间，所述感测层的通孔与所述纳米孔层和所述基础层的所述通孔对齐。明确地说，所述纳米孔层、所述感测层和所述基础层可以是被堆叠以提供纳米孔结构阵列的子结构。
52.纳米孔在设置在所述纳米孔结构中时形成通路的一部分。可以使用控制信号来管理对分析物的拒绝，这起到控制分析物在纳米孔中的移动的作用，例如拒绝来自所述纳米孔的所述分析物。所述通路中的所述纳米孔可能会变得被阻塞。可以感测所述纳米孔的阻塞，并将控制信号施加到所述纳米孔结构以清除所述阻塞。
53.所述纳米孔可以是固态纳米孔，即，设置在固态膜中的纳米宽度的孔。这种膜可以是纳米孔层，或者是放置在纳米孔层上的膜。固态纳米孔可以定位于纳米孔层上。可替代地，所述纳米孔可以是定位于固态薄膜或膜中的生物纳米孔。进一步可替代地，所述纳米孔层可以形成有孔，膜(如两亲性膜或脂质双层)可以跨所述孔形成，使得纳米孔可以插入在所述膜中。在这些纳米孔实例中的每个纳米孔实例中，所述阵列中的每个纳米孔结构可以被提供有一个纳米孔。
54.本发明人还试图改进纳米孔传感器的架构，特别是这些改进可以优化灵敏度和性能的地方。总体上，发明人试图通过提供具有纳米孔结构的结构来实现这一点，其中定位于所述结构中的所述纳米孔结构通过设置在每个纳米孔结构中的通路提供从所述结构的一侧到另一侧的流体连通。以这种方式，所述结构可以将顺式与反式分开。所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构具有传感器电极。为了最小化从所述传感器电极导出的信号的衰减并避免噪声对所述信号的任何损害，每个纳米孔结构都被提供有用于在经处理的信号被传送以进行进一步处理和/或分析之前处理来自所述传感器电极的信号的电路。所述电路可以嵌入在所述纳米孔结构中。所述电路可以占据与所述纳米孔结构相同的占用空间，使得所述纳米孔结构可以被认为是有源像素。具有其自身电路的纳米孔结构可以通过在本地生成和施加控制信号来补充本文中所公开的改进的控制机制，从而最小化所述控制信号对所述阵列的其它纳米孔结构的影响。
55.因此，在第二方面，本发明提供一种用于感测分析物的具有纳米孔结构的装置，所述纳米孔结构被布置成将分析物储存器与出口室分开，每个纳米孔结构提供用于穿过所述结构实现所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接的通路，其中每个纳米孔结构包括：电换能元件；以及电子电路，所述电子电路被配置成检测并且任选地放大来自所述电换能元件的信号，其中所述结构中的每个结构被配置成进行以下中的一个或多个：存储所述信号的至少一部分；传输所述至少一部分；处理所述至少一部分；以及将所述至少一部分传送到可连接处理器。
56.所述纳米孔结构可以作为整体结构的一部分被包括，其中单独的纳米孔结构彼此连接。
57.所述结构可以被配置成将用于收纳分析物的分析物腔室与用于收集所述分析物的出口室分开。驱动电极可以分别连接在所述分析物储存器和所述出口室中，以跨所述纳米孔结构中的所述通路强加电位差。当提供有纳米孔时，所述纳米孔结构可以用作纳米孔传感器，并且所述装置可以是纳米孔感测装置。
58.所述阵列中的所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构可以进一步包括补偿电路。所述补偿电路的功能可以与所述纳米孔结构中的所述电路的其它处理功能结合。所述补偿电路可以具有在所述补偿电路的反馈回路中的可变增益放大器和/或可变电容器。
59.如第一方面中所描述的，所述结构可以具有控制端子，以施加控制信号来改变跨所述纳米孔结构的电位差。所述控制信号可以可切换地施加到所述控制端子，以调整强加
在所述孔上的可配置电压电平。
60.结合有所述电路的所述纳米孔结构(其可以包含补偿电路)可以被封装在限定的占用空间或像素空间中。像素间隔的纳米孔结构阵列可以被布置成棋盘格形阵列。
61.通过至少部分地在所述纳米孔结构本身内处理来自电换能元件的信号，可以在本地对所述信号进行处理或管理。例如，可以在本地放大所述信号，使得在其它地方分析所述信号之前，影响所述信号的衰减或噪声最小化。所述电路还可以存储所述信号、信号值或从所述信号导出的数据。以这种方式，可以根据需要将从所述纳米孔结构导出的信息传送到远离所述纳米孔结构的处理器。每个纳米孔结构或所述纳米孔结构中的电路可以是可寻址的。所述电路可以连接到定位于所述纳米孔结构之外的模数转换器(adc)。
62.进一步地，发明人试图提供一种总体上改进纳米孔结构阵列的可制造性、同时改进灵敏度和性能的结构。本文中的所述纳米孔结构阵列不仅可以提供改进的纳米孔结构，而且所述纳米孔结构阵列可以补充控制功能和本地控制的集成。
63.因此，第三方面，本发明提供了一种具有纳米孔结构阵列的装置。所述结构可以被配置在薄片中，所述薄片包括：纳米孔层，所述纳米孔层具有纳米孔阵列和/或用于支撑纳米孔的孔阵列；以及基础层，所述基础层具有通道阵列，所述基础层夹置或层压到所述纳米孔层以形成所述薄片，其中所述纳米孔和/或所述孔与所述通道对齐，其中所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构包括通路，每个通路至少部分地由以下限定：所述通路的一侧的所述纳米孔层的所述纳米孔之一和/或所述孔之一；所述通路的另一侧的所述基础层的通道；以及电换能元件。
64.另一方面，本发明提供了所述纳米孔结构阵列本身。当提供有纳米孔时，所述阵列的每个纳米孔结构用作纳米孔传感器。每个纳米孔结构具有由纳米孔(如果提供的话)或孔、通道和电换能元件限定的通孔。
65.所述薄片可以是基本上平面的纳米孔结构阵列。当所述纳米孔结构被提供有纳米孔时，所述纳米孔结构可以用作纳米孔传感器。所述薄片可以被配置在所述装置中以将分析物储存器与出口室分开。所述分析物储存器和所述出口室可以容纳流体。所述通路可以填充有流体并且提供所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接。
66.将所述纳米孔层和所述基础层配置为单独的层可以提高所述薄片的可伸缩性。所述层可以促进所述装置的组装，从而降低制造成本。所述薄片的分层可以以有效的方式将所述纳米孔结构的组件聚集在一起。此外，通过在不同层上具有所述纳米孔结构的不同组件可以使得所述组件的形成或配置能够得到优化。在通常情况下，在一个组件的制造中使用的过程与另一个组件的制造不兼容或对其有所损害。此外，用于形成一个组件的最优材料可以不同于用于形成其它组件的最优材料。例如，所述纳米孔阵列和/或所述纳米孔的孔阵列可以与所述基础层分开形成。所述纳米孔层和所述基础层可以包括不同的材料。所述单独的层可以使得所述纳米孔结构的所述组件能够被最优地配置和/或定位。
67.层的提供可以使得层能够被替换。纳米孔层可以可移除地附接。以这种方式，纳米孔层可以被替换纳米孔替换，使得如果例如所述纳米孔层变得受到污染，则所述装置可以被回收。
68.所述薄片的每个纳米孔结构由所述通路限定。所述纳米孔结构的各个组件(即，所述纳米孔或纳米孔孔、所述电换能元件和所述通道)形成所述通路。所述纳米孔层不必具有
纳米孔并且可以被提供有纳米孔。所述纳米孔可以被配置在所述纳米孔层的所述孔之上，并且在这样做时，所述孔之上的这个另外的纳米孔也形成所述通路的元件。
69.每个通路中的所述电换能元件可以安置在所述纳米孔层与所述通道的至少一部分之间。所述电换能元件可以被配置有用于在所述结构被提供有纳米孔并且在所述通路中提供流体时测量所述流体在所述电换能元件的定位处的电位的连接。
70.通过连接顺式和反式的所述通路中的流体，所述电换能元件可以产生指示所述通路中的所述电换能元件处的流体电位的特性。所述电换能元件可以是电连接。所述电换能元件可以定位于顺式或反式储存器中、所述纳米孔结构的表面上、所述通路内的位置处或所述纳米孔结构内的其它定位处。
71.所述电换能元件可以是对所述装置的所述电换能元件处的流体电位进行感测的装置或装置的区域和/或电路、导线或电路元件的组合。另外地或可替代地，所述电路可以被提供为转导元件以产生指示局部电位的信号。
72.如上文所描述的，所述装置可以具有至少部分地由所述薄片分开的分析物储存器和出口室。所述分析物储存器在被提供有传感器时可以用作顺式并保持要由所述纳米孔结构进行分析的分析物。所述阵列的所述纳米孔结构的所述通路将所述分析物储存器连接到所述出口室。所述分析物储存器与所述出口室之间的交界面可以是通路，或者更具体地，纳米孔传感器(即，提供有纳米孔的纳米孔结构)中的纳米孔。
73.所述装置可以具有驱动电极，所述驱动电极连接在所述分析物储存器和所述出口室中，以跨所述分析物储存器与所述出口室之间的所述通路阵列强加电位差。
74.所述薄片可以基本上是平面的。作为结合有所述纳米孔结构阵列的所述结构，所述薄片的表面可以具有所述纳米孔层上的用于面向分析物储存器并且限定顺式平面的顺式表面和所述基础层的用于面向出口室并且限定反式平面的反式表面。所述电换能元件阵列可以至少部分地在所述顺式平面与所述反式平面之间嵌入在所述薄片内。所述阵列的所述电换能元件可以夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。
75.所述阵列的每个纳米孔结构可以具有在所述通路的第一端处形成的孔。每个孔的第一端处可以配置有纳米孔。所述电换能元件可以配置在所述孔的与所述纳米孔相对的一侧上。所述孔的大小可以大于所述纳米孔的大小并且使所述纳米孔周围的流体的体积增加。明确地说，所述孔的直径可以大于所述纳米孔的直径。所述纳米孔可以驻留在跨越所述孔的膜中。所述膜可以是固态膜、两亲性膜或脂质双层。所述纳米孔限定了所述通路的一部分。进入和离开所述孔是通过所述纳米孔和孔出口。
76.所述孔可以被配置成用于支撑流体膜，如聚合物膜或脂质双层。所述纳米孔层可以由与所述基础层的材料不同的材料制成。通过针对所述纳米孔层使用不同的材料，可以选择具有使跨用于支撑纳米孔的所述孔的膜的形成得到优化的表面能的材料。
77.所述电换能元件可以是传感器电极。所述传感器电极能够直接连接到晶体管装置的基极或栅极，以在所述通路中提供流体时测量所述流体在所述电换能元件的定位处的电位的变化。如本文中所描述的，被提供有形成所述通路的一部分的纳米孔的纳米孔结构用作纳米孔传感器，并且感测是由所述电换能元件来执行的。
78.所述阵列的所述纳米孔结构的所述电换能元件可以连接到边缘连接器或引线接合。所述连接器可以提供与薄片外(即，与所述纳米孔结构阵列分开)的测量电路的连接。所
述连接器可以连接到通孔，所述通孔通向所述薄片的边缘处的连接，以便随后连接到薄片外的测量电路。所述晶体管装置可以是场效应晶体管。
79.现在为止已经描述了具有纳米孔层和基础层的所述薄片。所述电换能元件可以是所述薄片内的层，或者可以具有夹置在层之间的元件。然而，所述装置的所述薄片可以进一步包括具有所述电换能元件的阵列的感测层，其中所述感测层夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。所述电换能元件可以形成于所述感测层上。所述电换能元件可以具有用于连接到所述通路中的流体的暴露部分以及嵌入在所述薄片内的嵌入部分。另外地或可替代地，所述电换能元件可以具有用于连接到与所述薄片分开的测量电路的连接部分。通过在所述感测层中或上结合有所述电换能元件，这使得所述电换能元件的形成能够与其它层的制造分开。所述感测层可以使用与其它层不同的材料、工艺和/或技术来制造。
80.所述电换能元件可以至少部分地覆盖所述通路的壁。所述电换能元件可以在横截面上覆盖所述通道的壁的一部分。所述电换能元件可围绕所述通路和/或所述通路内的孔或空腔的基底形成环。
81.所述电换能元件可以形成于所述感测层的一个表面上。所述感测层可以夹置在所述基础层与所述纳米孔层之间，其中所述电换能元件与所述纳米孔层的所述纳米孔或所述孔和所述基础层的所述通道对齐。当对齐时，所述感测层的面可以使所述电换能元件暴露于所述纳米孔层，使得所述纳米孔层形成或放置在具有所述电换能元件的表面上；在这种布置中，可以说所述电换能元件面向所述纳米孔层。可替代地，当对齐时，所述感测层的面可以使所述电换能元件暴露于所述基础层，使得所述电换能元件形成或放置在所述基础层的表面上；在这种布置中，可以说所述电换能元件面向所述基础层。
82.所述电换能元件至少部分地围绕所述通路形成所述感测层的所述表面并且具有被布置成面向所述出口室的暴露部分。所述暴露部分可以形成空腔的壁的一部分，所述空腔在所述孔与所述通道之间形成于所述感测层中。所述空腔使得所述传感器电极能够暴露于所述通路中的流体的面积更大。这可以提高所述传感器电极的灵敏度。
83.所述电换能元件可以具有形成所述通路的一部分的孔口和暴露部分，其中在横截面上，所述电换能元件的所述暴露部分的大小与所述孔口的大小的比率为1:1。所述比率可以为约5:1。
84.所述电换能元件可以具有形成所述通路的一部分的孔口和暴露部分，其中在平面图中，所述电换能元件的所述暴露部分的大小与所述孔口的大小的比率为1:1。所述电换能元件可以具有形成所述通路的一部分的孔口和暴露部分，其中所述比率为约5:1。所述孔口可以是圆形的。
85.所述电换能元件可以具有较大的暴露面积以增加对所述通路中的流体的暴露，以提高元件对由于分析物经过或穿过所述通路中的纳米孔而引起的电压波动的灵敏度。
86.针对每个纳米孔结构，所述感测层可以结合有电子电路。所述电路可以连接到所述电换能元件，以修改和/或处理从所述电换能元件接收到的信号。通过在每个纳米孔结构内结合有电子电路，则可以在本地对来自所述电换能元件的信号进行处理，以防止从其导出的信号中的信息的任何衰减和/或防止噪声对所述信号的任何损害。相应纳米孔结构中的每个电路可以在所述经处理的信号被传送到薄片外以进行进一步处理和/或分析之前处理来自所述传感器电极的信号。通过在所述感测层中结合有所述电路，所述电路可以嵌入
在所述纳米孔结构中。所述电路可以占据与所述纳米孔结构相同的占用空间，使得所述纳米孔结构可以被认为是有源像素。具有其自身电路的纳米孔结构可以通过在本地生成和施加控制信号来补充本文中所公开的改进的控制机制，从而最小化所述控制信号对所述阵列的其它纳米孔结构的影响。所述纳米孔电路的所述感测层内的所述电路可以是补偿电路。
87.所述电子电路可以被配置成在分析物穿过相应通路中的纳米孔或邻近所述纳米孔时检测所述纳米孔处的电阻变化。所述电路可以检测通过所述传感器中的流体检测到的电阻变化。
88.虽然所述装置已经被描述为适合于对分析物进行感测，但是应当了解，所述分析物是可以使用纳米孔测量的一种分析物。举例来说，所述分析物可以是蛋白质、聚合物、多核苷酸等。
89.所述电子电路可以检测在聚合物通过所述纳米孔时所述纳米孔处的电阻变化并且将所述电阻变化转换成电压信号并放大所述电压信号。所述电子电路可以对所述信号进行滤波。所述电子电路可以对从电换能元件获得的信号进行采样和/或数字化。
90.每个纳米孔结构可以具有对应于每个相应纳米孔结构的多个电换能元件。类似地，每个纳米孔结构可以具有对应于每个相应纳米孔结构和/或设置在所述纳米孔结构中的电换能元件的多个电路。所述电换能元件和/或电路中的每个电换能元件和/或电路可以被配置成可寻址阵列。每个纳米孔结构可以具有两个或更多个传感器电极。两个或多个传感器电极可以连接到所述纳米孔结构内的单个电路，或者每个传感器电极可以连接到其自身的电路。
91.所述纳米孔结构阵列可以连接到用于使得能够在矩阵阵列中单独地从每个纳米孔结构(其可以被称为像素)进行读出的架构。每个纳米孔结构可以具有行号和列号。
92.每个电换能元件可以具有专用电子电路，并且每个电换能元件和电子电路可以定位于占用空间中。所述占用空间可以是像素，使得所述纳米孔结构在阵列中呈棋盘格形。
93.虽然所述阵列的每个纳米孔结构具有电换能元件和任选地电路和/或控制端子，但是根据本文中的教导，应当了解，每个纳米孔结构可以具有多个电换能元件和/或多个电路，每个电路提供一个或多个功能。举例来说，纳米孔结构可以具有用于进行感测的电换能元件以及用于处理来自所述电换能元件的信号的对应电路，并且具有适用于将控制信号施加到所述纳米孔结构中的所述通路的第二电换能元件，所述第二电换能元件具有用于可控制地施加所述控制信号的电路。
94.因此，多个电换能元件可以被布置在具有多个相应纳米孔结构的模块中。所述模块可以具有共同的专用电子电路，并且所述电换能元件中的每个电换能元件和所述电子电路定位于由所述多个纳米孔结构占据的占用空间中。所述模块可以具有例如四个纳米孔结构，每个纳米孔结构具有相应电换能元件，其中每个电换能元件连接到共同的电路。所述共同的电路可以可寻址地连接到外部结构外或薄片外电子电路。
95.所述多个纳米孔结构可以被布置成二维矩阵。所述多个纳米孔结构可以被布置成棋盘格形图案。
96.所述电换能元件可以连接到晶体管的基极或栅极以进行感测。所述晶体管可以是场效应晶体管。
97.所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构可以具有控制端子，以施加控制信号来改变
跨相应纳米孔结构的电位差。所述控制端子可以可切换地连接到所述电换能元件。所述控制端子可以可切换地连接到电源，以改变强加在所述孔上的可配置电压电平。所述电换能元件和用于测量所述流体的电位的所述连接可以与所述控制信号可切换地隔离。所述电换能元件和控制电极可以在物理上分开。所述电换能元件的至少一部分和所述控制电极的至少一部分可以在同一平面中延伸。所述电换能元件的至少一部分和所述控制电极的至少一部分至少部分地形成孔的基部。所述电换能元件的至少一部分和所述控制电极的至少一部分可以彼此垂直延伸。所述控制电极的至少一部分可以至少部分地被配置在所述通道中。所述电换能元件暴露于所述通路的表面积可以小于所述控制电极暴露于所述通路的表面积。
98.本文中的所述装置可以配置有导电保护装置，所述导电保护装置被配置在所述纳米孔层、所述基础层或所述感测层中的至少一个中。所述导电保护装置可以在所述电换能元件和连接到所述电环能元件的信号导体中的至少一个与所述纳米孔层、所述基础层或所述感测层中的寄生导电元件之间延伸，以阻止寄生电容影响从所述连接获得的测量结果。输入信号的缓冲版本可以施加到保护导体。因此，跨从输入信号导体到导电衬底的电容没有电压差。
99.所述导电保护装置可以至少部分地包含具有绝缘层的绝缘保护导体。所述导电保护装置可以被配置成至少部分地在所述基础层与所述通道之间延伸。
100.本发明人进一步考虑了本文中所公开的装置的操作和可制造性。
101.另外的方面，本发明提供了一种操作如所描述的用于进行纳米孔感测的装置的方法，所述方法包括：在跨纳米孔阵列施加电位差的情况下使分析物移位穿过所述阵列；借助于相应电换能元件测量每个纳米孔处的流体电位的变化并对所述测量做出响应；性电换能元件的控制端子施加控制信号，以改变跨所述纳米孔的所述电位差。因此，另外的方面，本发明提供了一种操作用于进行纳米孔感测的装置的方法，所述方法包括：跨安置在将分析物储存器与出口室分开的结构中的纳米孔传感器阵列强加电位差，每个纳米孔传感器具有用于在所述分析物储存器与所述出口室之间提供流体连接的通路；提供用于由所述纳米孔传感器进行分析的分析物，每个纳米孔传感器具有电换能元件，所述电换能元件用于在分析物被诱导穿过所述纳米孔传感器的纳米孔时测量所述纳米孔传感器的所述电换能元件处的流体电位的变化；以及向所述阵列的纳米孔传感器的电换能元件的控制端子施加控制信号，以改变跨所述纳米孔传感器的所述电位差。可以在所述电换能元件处测量流体电位。当所述装置被提供有流体时，可以改变跨所述纳米孔结构的流体电分布。在操作中，流体驻留在所述纳米孔结构的所述储存器、所述腔室和所述通路中。所述纳米孔结构的所述储存器、所述腔室和所述通路中的流体可以是不同的流体。
102.跨所述阵列强加的电位差用于将分析物诱导穿过所述通路或至少进入到所述通路中。要分析的分析物提供在所述分析物储存器中并且被诱导到所述出口室，这是通过驱动电极实现的。然而，这种情形可以颠倒，因为分析物可以提供在所述出口室中，或者所述出口中的分析物可以通过驱动电极，例如通过改变驱动电极之间的电位差，诱导到所述分析物储存器中。
103.在每种情况下，每个纳米孔结构(其被提供有纳米孔以用作纳米孔传感器)的所述电换能元件可以测量流体电位的变化。所述纳米孔结构阵列的尺寸被设定成使得一个纳米
孔传感器的所述电换能元件被阻止对穿过相邻纳米孔结构中的纳米孔的分析物进行检测。
104.控制信号可以施加到元件，以改变跨所述元件驻留在其中的纳米孔传感器的电位差。
105.连接到所述电换能元件的所述控制端子可以可切换地连接到所述电换能元件的所述控制端子以向所述电换能元件施加所述控制信号。另外地或可替代地，可以对所述装置进行操作以将任何感测电路系统与所述电换能元件隔离，以在施加所述控制信号时阻止对所述电路系统的损坏。
106.所述方法可以包含对所述纳米孔传感器处的电位的局部变化的特性进行分析以及响应于预定特性而向所述纳米孔传感器施加所述控制信号。所述方法向纳米孔传感器的电换能元件施加控制信号，以改变由所述驱动电极强加在所述纳米孔传感器处的电位差。电位差的变化可以引起分析物或可以带电荷的自由移动的纳米孔的移动。
107.所述控制信号可以执行多个操作，包含但不限于：诱导孔插入到跨所述通路形成的膜中；疏通纳米孔；拒绝分析物；改变分析物穿过所述纳米孔移位的速率。
108.在形成用于感测分析物的具有纳米孔结构的装置方面，形成方法包括：在结构中形成纳米孔结构并且将所述结构布置成将所述装置的分析物储存器与出口室分开，使得每个纳米孔结构提供用于穿过所述结构实现所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接的通路；以及在每个纳米孔结构中制造以下：电换能元件；以及电子电路，所述电子电路被配置成测量来自所述电换能元件的信号，其中所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构被配置成进行以下中的至少一个：存储所测量信号的至少一部分或由所述至少一部分得出的信息；传输所述至少一部分或所述信息；处理所述至少一部分或所述信息；以及将所述至少一部分或所述信息传送到可连接处理器。
109.在每个纳米孔结构中制造电子电路可以使得在所述纳米孔结构被提供有纳米孔以用作传感器时，能够在所述纳米孔结构处的所述电换能元件处进行测量。
110.虽然从传感器获取的测量可以直接传送到结构外电路以进行分析，但是本地处理或调节来自其的信号或信息的能力可以改进噪声性能、数据管理或放大。举例来说，定位于所述纳米孔结构内的电路可以放大从所述电换能元件接收到的信号，并且通过局部放大所述信号，经放大的噪声水平被最小化。例如，如果从所述电换能元件接收到的信号在放大之前要传送到结构外以进行分析，则所述信号对噪声的暴露将增加并且随后被放大，从而降低信噪比。
111.所述方法可以进一步包含配置用于收纳分析物的分析物储存器和用于收集所述分析物的出口室，以及将纳米孔层配置成将所述分析物储存器与所述出口室分开。所述结构可以将所述装置的顺式与反式分开。
112.所述方法可以进一步包含配置驱动电极，所述驱动电极分别连接在所述分析物储存器和所述出口室中，以跨所述纳米孔结构的所述通路强加电位差。所强加的电位差跨所述多个纳米孔结构可以是共同的。可以提供多个驱动电极以实现跨所述纳米孔结构阵列的共同的电位差。
113.所述方法可以进一步包括将所述电子电路配置有可切换连接，所述可切换连接用于将信号施加到所述电换能元件的相应控制端子，以改变由所述驱动电极跨每个相应纳米孔结构强加的电位。
114.所述方法可以进一步包括在每个纳米孔传感器的所述通路中形成控制电极，所述控制电极可以可选择地连接到用于改变由所述驱动电极跨每个相应纳米孔结构强加的电位的信号。
115.在制造用于感测分析物的具有纳米孔结构的装置方面，制造方法包括形成具有被配置在薄片中的纳米孔结构阵列的装置，所述方法包含将所述薄片布置成将所述装置的分析物储存器与出口室分开，使得每个纳米孔结构提供用于穿过所述结构实现所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接的通路，所述方法包括：形成具有纳米孔阵列和/或用于支撑纳米孔的支撑结构(如孔)阵列的纳米孔层；形成电换能元件阵列；形成具有通道阵列的基础层，所述基础层夹置或层压到所述纳米孔层以形成所述薄片，使得所述纳米孔和/或所述孔与所述电换能元件和所述通道对齐；以及提供穿过所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构的通路，使得每个通路至少部分地由以下限定：所述通路的一侧的所述纳米孔层的所述纳米孔之一和/或所述孔之一；所述通路的另一侧的所述基础层的通道；以及电换能元件。
116.使所述纳米孔层、所述基础层和所述电换能元件阵列对齐可以包含将所述电换能元件阵列夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。所述夹置步骤可以包含将所述两层接合或以其它方式连接。
117.所述方法可以进一步包括邻近所述电换能元件中的每个电换能元件的至少一部分形成空腔。这些空腔可以增加所述元件暴露于所述通路中的流体的面积。
118.所述方法可以进一步包括：将在感测层上形成所述电换能元件阵列；以及将所述感测层夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。
119.所述方法可以进一步包括：在感测层上形成所述电换能元件阵列；在所述感测层中制造电子电路阵列，所述电路连接到相应电换能元件，以修改和/或处理从所述电换能元件接收到的信号；以及将所述感测层夹置在所述纳米孔层与所述基础层之间。
120.所述方法可以进一步包括将所述电换能元件布置成具有以下：(i)用于连接到所述通路中的流体的暴露部分；和(ii)嵌入在所述结构内的嵌入部分；和/或(iii)用于连接到与所述结构分开的测量电路的连接部分。
121.所述方法可以进一步包括在所述纳米孔层、所述基础层或所述感测层中的至少一个中形成导电保护装置，所述导电保护装置被配置成在所述电换能元件和连接到所述电换能元件的信号导体中的至少一个与所述纳米孔层、所述基础层或所述感测层中的至少一个中的寄生导电元件之间延伸，以阻止寄生电容影响从所述连接获得的测量结果。
122.所述方法可以进一步包括为每个纳米孔结构提供缓冲器，所述缓冲器将所述纳米孔结构的所述电换能元件的输出连接到导电保护装置。
123.所述方法可以进一步包括在所述阵列的所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构中提供两亲性膜并将生物纳米孔插入在所述膜中。
124.所述方法可以包含可移除地附接所述结构和/或移除所述纳米孔层并将所述纳米孔层替换为另一个纳米孔层。以这种方式，所述装置可以被回收。
125.本文中已经描述了许多方面，并且不同方面的要素可以根据本文中教导进行组合。因此，根据描述和附图的教导，许多另外的方面是隐含的，其通常会将本文中所描述的方面中的两个或更多个方面组合。总体上，不同的方面可以以任何组合方式组合在一起。
126.下文将参考附图仅通过非限制性实例来讨论本发明的实施例，在附图中：
127.图1是已知的纳米孔传感器的横截面视图；
128.图2是被配置在结构中并且通过导线连接到测量电路的纳米孔阵列内的单个传感器电极和对应的生物纳米孔的横截面；
129.图3(a)是单个传感器电极和对应生物纳米孔的替代性横截面，所述传感器电极配置在夹置在纳米孔结构阵列的结构的一部分内的纳米孔层与基础层之间的传感器层上，其中所述传感器电极通过导线连接到电子电路，而图3(b)与所述感测层结合有电子电路系统的图3(a)相当；
130.图4(a)是图3(b)的纳米孔传感器的布局的示意图，其指示孔相对于电子电路的位置；
131.图4(b)示出了添加纳米孔之前的两个相邻传感器电极；
132.图4(c)和4(d)是具有图4(a)的纳米孔传感器阵列的结构的部分的实例；
133.图4(e)是示出了如何结构可以被布置成将装置中的两个腔室分开的示意图；
134.图4(f)是四个纳米孔结构的替代性布局；
135.图5(a)到5(d)示出了实施与电换能元件界接的电子功能的各个电子电路；
136.图6(a)到6(e)是被配置在阵列的纳米孔传感器中的传感器电极和控制电极的横截面示意图；
137.图7(a)分别示出了两个示意性电路，其展示了有和无保护的阵列中的寄生电容，而图7(b)是图2中所示出的横截面视图的替代性横截面视图，其中保护导体被配置在结构中并且通过另外的导线连接到测量电路，并且图7(c)和7(d)示出了其中配置有保护的替代性横截面；并且
138.图8和9是包含纳米孔结构阵列的装置的相应实例的侧视图。
139.实施例包含通常由相同的附图标记来标记的对应组件。为了清楚起见，除非上下文另有要求，否则对应组件的描述不重复，而是总体上适用于所有实施例。未在每个图中标记每个组件，也未示出本发明的每个实施例的每个组件，其中说明对于理解本发明来说不是必需的。
140.概述地，描述了用于进行经改进的纳米孔感测的装置。示例装置可以具有被布置成将分析物储存器与出口室分开的结构。所述结构可以具有纳米孔结构阵列，每个纳米孔结构包括用于穿过所述结构实现所述分析物储存器与所述出口室之间的流体连接的通路。可以包含控制端子，其中每个端子连接到相应纳米孔结构，以施加控制信号来改变跨所述纳米孔结构的电位差。另外的方面，一种用于对分析物进行感测的经改进的纳米孔结构可以包含电子电路，所述电子电路被配置成检测来自电换能元件的信号，并且其中所述结构中的每个结构可以被配置成进行以下中的至少一个：存储所述信号的至少一部分；传输所述至少一部分；处理所述至少一部分；以及将所述至少一部分传送到处理器。
141.一种具有纳米孔结构阵列的用于进行经改进的纳米孔感测的装置的一些实施例具有被配置在薄片中的纳米孔结构阵列，所述薄片包括：纳米孔层，所述纳米孔层具有纳米孔阵列和/或用于支撑纳米孔的孔阵列；以及基础层，所述基础层具有通道阵列，所述基础层夹置或层压到所述纳米孔层以形成所述薄片，其中所述纳米孔和/或所述孔与所述通道对齐，其中所述纳米孔结构中的每个纳米孔结构包括通路，每个通路至少部分地由以下限
定：所述通路的一侧的所述纳米孔层的所述纳米孔之一和/或所述孔之一；所述通路的另一侧的所述基础层的通道；以及电换能元件。
142.本发明方面进一步涉及一种操作用于进行纳米孔感测的装置的方法，所述方法包含：向阵列的纳米孔结构的电换能元件的控制端子施加控制信号，以改变跨所述纳米孔结构的电位差。
143.另外的实施例涉及形成用于感测分析物的具有纳米孔结构的装置的方法。示例方法可以包含在每个纳米孔结构中制造以下：电换能元件；以及被配置成测量来自所述电换能元件的信号的电子电路。
144.图2到4(a)是其中结合有纳米孔结构的结构100的一部分的截面视图。结构100具有纳米孔结构阵列，每个纳米孔结构适于支撑纳米孔116。当被配置有纳米孔时，装置的纳米孔结构可以用作纳米孔传感器。本文中的纳米孔传感器102是具有纳米孔的纳米孔结构。
145.图4(b)到4(f)展示了图2到4(a)中所示出的多个纳米孔传感器102可以被布置为纳米孔结构阵列104的一部分。此种布置可以被称为纳米孔结构的二维矩阵或纳米孔传感器阵列。
146.可以采取薄片形式的结构100结合有纳米孔结构阵列104(注意：仅示出了阵列的一个纳米孔传感器102)并且可以被配置在如图4(e)中所示出的用于对分析物进行分析的装置或装置内。
147.结构100将用于收纳分析物的分析物储存器106与出口室108分开。结构100具有被配置在基础层112上的纳米孔层110，其一起形成具有多个纳米孔传感器102的结构100的至少一部分。阵列104中的每个纳米孔传感器102具有通路114或流体通路，所述通路或流体通路被配置成延伸通过阵列104的纳米孔层110和基础层112，以连接分析物储存器106和出口室108。分析物储存器106也可以被称为分析物腔室、样品腔室、顺式、顺式储存器或第一流体储存器。出口室也可以被称为反式、反式储存器或第二流体储存器。
148.每个纳米孔传感器102的纳米孔层110可以任选地在由纳米孔层110支撑的膜118中被提供有纳米孔116。可替代地，纳米孔116可以是所谓的固态纳米孔，即，设置在固态支撑层中的纳米大小的通孔。进一步可替代地，纳米孔116可以是所谓的混合纳米孔，即，设置在固态膜中的孔口中的生物纳米孔。无论哪种方式，纳米孔116设置在靠近通路114的第一端120或孔端(例如，在如所示出的传感器的顶部处)的膜118中。
149.基础层112具有靠近第二端124或通道端的通道122，所述第二端或通道端是通路114的与第一端120相对的端(例如，在如所示出的纳米孔传感器102的底部处)。通路114延伸通过将一侧连接到另一侧的纳米孔结构100。通道122形成通路114的一部分。通道122在结构和几何上被配置成用作流体电阻器。这可以通过限定通道122的长宽比来实现。另外地或可替代地，可以使用用于在通道122中实施流体电阻的其它技术。
150.通道122的流体电阻可以通过改变其尺寸(具体地，其长宽比)以及通过改变分析物储存器106和出口室108中的流体的离子浓度而改变。例如，通道122可以被配置有高长宽比以增加电阻。另外地或可替代地，与分析物储存器106和出口室108中的流体相比，通道122中的流体可以具有更低的离子浓度，以增加通道的电阻。在分析物储存器106和出口室108中维持较高的离子浓度使信噪比提高。
151.在一些实施例中，长宽比可以例如在约100:1到约2000:1之间，这是通道长度与通
道直径或最大横向尺寸的比率。
152.在一些实施例中，离子浓度差可以在约1:1到约2000:1之间，例如1000:1左右，这是分析物储存器106和/或出口室108中的离子浓度与通道122中的离子浓度的比率。
153.通道122可以被配置成使得通道122和纳米孔116的电阻在通路114被流体占据时基本上匹配，并且相对于分析物储存器106和出口室108中的流体的电阻而言相对较高，使得分析物储存器106和出口室108的电阻不会明显影响测量。换句话说，通道122被配置为流体电阻器以接近纳米孔116的电阻。这意指其它电路元件(如分析物储存器106和出口室108中的流体)的电阻不太重要，并且在进行测量时不需要对其进行补偿。
154.可以通过选择通道122的流体电阻等于纳米孔116的电阻来优化信噪比。然而，这不是必需的，并且通道122的流体电阻可以根据这个值变化以将其它因素纳入考虑，同时仍然会获得可接受的信噪比。可接受的信噪比可以通过通道122的流体电阻显著小于纳米孔116的电阻来实现，例如通道122的流体电阻是纳米孔116的电阻的10％或更小，例如纳米孔116的电阻的2％或更小。在一些实施例中，通道122的流体电阻的下限可以通过期望的信噪比来设置。在其它实施例中，通道122的流体电阻的下限可以通过轻弹(如下文所描述的)期间相邻通道之间的串扰的阈值来设置。也就是说，通道122的流体电阻令人期望地显著大于从通道122的端到电换能元件的电阻，以防止这些电阻形成将所强加电压的一小部分强加到相邻通道122的分压器。
155.在选择通道122的流体电阻时可以考虑的其它因素如下。
156.随着通道122的流体电阻增加，离子的扩散减少，从而导致孔附近离子的消耗增加，并且由此导致信号在获得信号的典型事件的时间尺度内衰减。为了增加由这种效应引起的读取长度的限制，可以减小通道122的流体电阻。在许多实施例中，这种因素可以对通道122的流体电阻设置上限。
157.由于通道122和纳米孔116充当分压器，因此跨纳米孔116的电压受到流过其的电流的影响。随着通道122的流体电阻增加，跨纳米孔116的电压的变化增加，这会使信号处理复杂化。为了限制这种效应，可以减小通道122的流体电阻。
158.具有较低流体电阻的通道更容易制造，并且可以开创提高产量或降低成本的替代性制造技术。
159.减小通道122的流体电阻可以增加带宽或为通路114中的另外的电容提供余地。
160.考虑到这些因素，通道122的流体电阻可以小于纳米孔116的电阻，通常为纳米孔116的电阻的至多50％或至多25％。在一些实施例中，通道122的最优流体电阻可以是纳米孔116的电阻的10％左右。
161.当减小通道122的流体电阻与纳米孔116的电阻的比率时，信噪比不与所述电阻比率直接成比例。例如，在一些实施例中，当通道122的流体电阻为纳米孔116的电阻的10％左右时，则信噪比为其最优值的30％左右。
162.通道122可以形成于晶片中，并且在通路114形成通过其之后，可以使用氧化层来减小通过基础层112的通路114的直径，从而使得氧化量能够调整长宽比。
163.传感器电极126或传感器元件安置在纳米孔116与通道122的至少一部分之间。在这个实例中，传感器电极126形成电换能元件。更一般地，传感器电极126可以适于形成wo2016/127007中所公开的各种类型中的任何类型的电换能元件。
164.传感器电极126至少部分地暴露于纳米孔传感器102中的通路114，并且配置有用于在通路114中提供流体时测量流体在传感器电极126的定位处的电位的连接128。传感器电极126与纳米孔层110和基础层112一起限定通路114的壁。连接128可以是与单独的电子电路130的引线接合，所述电子电路130被配置成分析从传感器电极126获得的信号。
165.分析物储存器106可以用作第一流体储存器，而出口室108可以用作第二流体储存器。结构100可以至少部分地将分析物储存器106与出口室108分开，并且传感器102的通路114将分析物储存器106连接到出口室108。
166.在使用中，每个纳米孔传感器102的通路114被流体占据。进一步地，分析物储存器106和出口室108中的驱动电极132包括至少一个相应的顺式电极132a(也被称为分析物电极)和至少一个相应的反式电极132b(也被称为出口电极)，所述至少一个相应的顺式电极和所述至少一个相应的反式电极被配置成跨分析物储存器106与出口室108之间的阵列104中的纳米孔传感器102的通路114强加电位差。
167.结构100可以基本上是平面的。阵列104可以基本上是平面的。非平面配置是由发明人设想的，但在本文中并未描述。阵列104中的纳米孔传感器102具有纳米孔层110的被布置成面向分析物储存器106并且限定顺式平面136的顺式表面134以及基础层112的用于面向出口室108并且限定反式平面140的反式表面138。这个顺式平面136和反式平面140由图2、3(b)和7(b)中的虚线指示。传感器电极126嵌入在顺式平面136与反式平面140之间的结构100内。纳米孔116可以基本上位于通路114的第一端120处的顺式平面136上，而通路114的第二端124可以基本上位于反式平面140上。
168.如图2的组合件中所示出的，传感器电极126可以至少部分地嵌入在纳米孔层110与基础层112之间的结构100中。换句话说，传感器电极126夹置或层压在纳米孔层110与基础层112之间。
169.纳米孔层110具有形成于通路114的第一端120处的孔142。在图2的实例中，纳米孔116被配置在通路114的第一端120处，在孔142的一侧上，基本上在顺式平面136上。如所示出的，传感器电极126配置在孔142的与纳米孔116相对的一侧上。孔142被示出为杯形凹部，膜118在横截面中被示出跨所述孔的边缘。孔142被配置成收纳已经穿过纳米孔116的分析物。注意，孔142通过孔孔口142a流体连接到通道122，所述孔孔口可以被描述为孔出口。孔孔口142a起到使分析物腔室能够流体连接到出口室的作用。孔孔口142a不用作纳米孔。在一些实施方案中，孔孔口142a被配置成使分析物能够不受阻碍地(即在不影响分析物从分析物储存器106到出口室108的移动的情况下)从其中穿过。
170.尽管孔孔口142a提供了分析物储存器106与出口室108之间的流体连接，但是已经经过纳米孔116的分析物可以保留在孔142中。孔142和通道122可以被认为是出口室108的一部分。在图2中所示出的实例中，孔孔口142a定位于传感器电极126内的孔142的基部的中心。
171.孔142并且更一般地纳米孔层110被配置成用于支撑膜118，如聚合物膜或脂质双层，所述膜可以被称为流体膜。纳米孔层110可以与基础层112分开制造。纳米孔层110可以由与基础层112的材料不同的材料形成。纳米孔层110可以由以下中的至少一个形成：光刻制备材料；模制聚合物；或激光蚀刻塑料。
172.在一些实施例中，传感器电极126可直接连接到感测晶体管153(如图5(a)中所示
出并在下文进一步描述的)的基极或栅极，以在通路114中提供流体时测量流体在传感器电极126的定位处的电位。在一些情况下，传感器电极126可以连接到边缘连接器或任选地通过导电通孔和/或互连引线接合到电子电路130，所述电子电路是结构外测量电路的实例。感测晶体管153可以是场效应晶体管(fet)，并且在下面的实例中描述了感测晶体管153的配置和其任选地集成到结构100中。在一些实施例中，感测晶体管153(未示出)可以定位于电子电路130中。
173.图2中所示出的纳米孔传感器102是其中传感器电极126可以形成于基础层112上的实例。虽然图2的传感器电极126可以直接形成于基础层112上，但是可替代地，其可以单独形成于感测层144上，如图3(a)和图3(b)中所描绘的。在将传感器电极126形成于感测层144上之后，感测层144然后可以夹置在纳米孔层110与基础层112之间，从而产生图3(a)中所示出的结构。
174.感测层144可以以与基础层112类似的方式制造，其中晶片具有形成通过其的基本上垂直于晶片的表面的通路114。可替代地，可以对晶片进行后处理以打开通路114。通路114和/或通道122可以使用如光刻或深反应离子蚀刻(drie)或其组合之类的技术形成。晶片可以被氧化层包围。晶片可以是cmos晶片。传感器电极126可以形成于感测层144上，在感测层144的一侧上围绕通路114。穿过感测层144的通路114和围绕这些通路114形成的传感器电极126被布置成具有导致与基础层112上的通道122对齐的间距或布局。当固定在一起时，感测层144的通路114与基础层112的通道122对齐。
175.举例来说，纳米孔层110可以由聚合物制成，其可以是模制的或光刻蚀刻的；基础层112可以由硅晶片形成；和/或感测层144可以是cmos晶片。
176.感测层144可以在两个朝向之一上与基础层112对齐并接合。在一个朝向(未示出)上，传感器电极126在接合后保持完全暴露，也就是说，传感器电极126：未夹置在感测层144之间；在感测层144固定到基础层112之后，位于基础层112远侧；并且随后夹置在感测层144与纳米孔层110之间。在另一个朝向上，如图3(a)中所示出的，传感器电极126形成于感测层144的顶部上，然后，所述感测层在接合到基础层112之前倒置，使得传感器电极126面朝下(如所看见的)并且夹置在感测层144和基础层112之间。在以这种配置进行接合之前，可以将基础层112上的氧化层围绕通道122的区段蚀刻掉或以其它方式移除，以产生空腔146，使得传感器电极126暴露于通路114的面积在接合之后增加。可以使暴露的传感器电极126的面积最大化以增加与通路114中的流体的接触。
177.纳米孔层110的孔142与通路114和传感器电极126对齐并且接合到感测层144，传感器电极126夹置在其之间。参见图3(b)，并且注意到感测层144是从底部向上制造的，最后阶段是将传感器电极126施加在顶部上。在组装时，翻转感测层144，使得位于顶部上的传感器电极126现在面朝下，如图3(b)中所示出的。蚀刻掉基础层112的氧化层(灰色部分)的空腔146意味着传感器电极126充分暴露。
178.传感器电极126至少部分地保持暴露于通路114，并且被配置有用于在通路114中提供流体时在纳米孔116处测量流体在传感器电极126的定位处的电位的连接。传感器电极126的布置(所述布置最小化所述传感器电极开放地面向分析物储存器106或出口室108之一的表面积(例如，图2或图3(a)的布置))用于限制对分析物储存器106或出口室108的暴露，以防止对传感器电极126的表面的污染。一个此种实例示出于图3(a)中，其示出了基本
上部分地包围在通路114中的传感器电极126。在填充有流体之前，或者在形成用于支撑生物纳米孔的两亲性膜期间，传感器电极126的表面可能暴露于可能污染传感器电极126的表面的流体，因此如果存在污染风险，则其可以被减轻。
179.在一种配置中，传感器电极126的至少一部分可以被布置成背离孔142朝向通道122，如图3(a)中所示出的。传感器电极126的暴露部分提供与通路114中的流体的连接，以在分析物经过纳米孔116时感测传感器电极126处的流体电位的波动。传感器电极126还可以具有嵌入在结构100内的嵌入部分。传感器电极126还可以具有连接128(如引线接合)，以连接到电子电路130(如测量电路或控制电路)，所述电子电路可以与结构100分开，如图3(a)中所示出的。
180.在实例的每个实例中，传感器电极126可以被配置成暴露于通路114内的流体的各种配置，并且可以进行以下中的至少一个：至少部分地覆盖通路114的壁；在横截面上覆盖通路114的壁的一部分；围绕通路114形成的环；至少部分地围绕通路114形成基础层112或感测层144的表面并且具有被布置成面向分析物储存器106的暴露部分；至少部分地围绕通路114形成感测层144的表面并且具有被布置成面向出口室108的暴露部分。具体地，空腔146可以形成于通路114中，以产生使得传感器电极126暴露的面积能够增加并与增加量的流体接触的区域。空腔146由在基础层112和感测层144对齐并连接之前形成于基础层112和/或感测层144中的凹部形成。
181.虽然传感器电极126可以最小程度地暴露于孔中的流体，如以纳米线的形式，但是本发明人已经提出本文中的实例以优化纳米孔传感器102的性能并提高可制造性。
182.如图2和3(a)中所示出的，传感器电极126基本上是平面的并且成形为容纳通路114。换句话说，传感器电极126被配置成能够在分析物储存器106与出口室108之间实现不受阻碍的流体连通，这可以通过以下实现：(i)将传感器电极126成形为围绕通路114或孔孔口142a延伸和/或(ii)将传感器孔口148形成于传感器电极126中。
183.传感器电极126的暴露部分的占用空间可以是任何形状。图2的孔142和图3(a)的空腔146可以是圆柱形的，使得孔142的底板是圆形的，或者空腔146的平面表面是弯曲的。这些配置导致传感器电极126的暴露部分是圆形的或盘形的。在所示出的实例中，提供传感器孔口148，使得暴露部分的占用空间的形状像环。传感器电极126的暴露面积可以最大化，这可以意味着覆盖孔142和/或空腔146的至少一个面或表面。
184.传感器电极126和传感器孔口148被示出为圆形的，但是可以具有其它形状。在具有圆形形状的一些实施例中，传感器电极126的暴露部分的半径与传感器孔口148的半径的比率可以在100:1到10:1的范围内或为约2:1。在非圆形形状的情况下，面积的平方根的比率可以具有相同的值。
185.可替代地，传感器电极126的暴露部分的面积可以以与传感器孔口148的如所看到的面积或占用空间之间的比率表示，所述比率可以为约1:1、或约10:1或约100:1。
186.举例来说，传感器电极126的直径(或最大尺寸)的范围可以为10μm到50μm，并且传感器孔口148的直径(或最大尺寸)的范围可以为0.5μm以上。传感器孔口148不用作传感器，因此其大小在期望使传感器电极126的其余面积的限制最小化的界限内没有上限。
187.传感器电极126可以由适合的导电材料(例如，铂或金)形成。
188.虽然图2和3(a)具有传感器电极126，所述传感器电极具有与单独的电子电路130
的连接128，但是图3(b)展示了结构100和阵列104可以容纳集成电路150。集成电路150可以结合有电子电路130的功能中的一种或多种功能。换句话说，可以在单独的电子电路130上实施的各种功能(如感测、放大、控制、滤波、读出等)可以可替代地在集成电路150上实施。集成电路150可以形成于单独的层或晶片上并且随后连接到其上具有传感器电极126的感测层144。然而，本发明人设想集成电路150与传感器电极126一起制造在感测层144内。可以针对每个纳米孔传感器102提供集成电路150。
189.在一些方法中，在制造具有形成和暴露于一侧上的集成电路150和传感器电极126的感测层144之后，感测结构以与关于图3(a)的方式相同的方式翻转并接合到基础层。连接128(图3(b)中未示出)将集成电路150与连接器151连接，以将由集成电路150产生的信号或数据发送到结构外。连接128可以连接到连接器151，如图4(e)中所示出的，尽管其它配置也是可实施的。在感测层144连接到基础层112的情况下，纳米孔层110可以形成于其上，使得感测层144夹置在纳米孔层110与基础层112之间。与图3(a)之前一样，当接合在一起时，感测层144的通路与基础层112的通道对齐，并且纳米孔层142的孔142形成通路114的一部分。
190.在使用中，电子电路130和/或集成电路150被配置成在分析物(如聚合物)经过纳米孔116时检测纳米孔116处的电阻变化，所述电阻变化是通过纳米孔传感器102中的流体来检测的(严格地说，电阻的度量被检测为如上文所描述的有效分压器上的电压)。在阵列104中，每个纳米孔传感器102的集成电路150可以是可通信寻址的。鉴于寄生、通信噪声和背景噪声，检测到的电阻可能难以使用板外处理器直接读取。为了向处理器提供更好的信号(即，更干净的降低噪声的信号)，集成电路150可以被配置成局部变换或修改或以其它方式处理由检测到多核苷酸或其它分析物经过纳米孔116得出的信号。集成电路150可以被配置成进行以下中的至少一个：放大信号，如放大信号的电压电平；对信号进行滤波，例如以去除噪声；对信号进行采样；使用在电子电路130中实施的模数转换器(adc)对信号进行数字化。
191.集成电路150可以形成于结构100的阵列104内的纳米孔传感器102的占用空间内。
192.举例来说，阵列104的每个纳米孔传感器102可以包含在作为纳米孔传感器102的占用空间的像素101内，如图4(a)中所看到的，所述像素可以被认为是表示图3(b)中所示出的纳米孔传感器102的示意性平面图。如所看到的，每个像素101容纳纳米孔传感器102、传感器电极126和集成电路150。传感器电极126和集成电路150可以被布置成防止由集成电路150产生的噪声干扰被传感器电极126检测到。例如，集成电路150可以与纳米孔传感器102分开，如图4(a)中所描绘的。这种分开可以通过将集成电路150配置成定位于像素101的外部来实施，如所看到的。
193.这种分开还可以简化制造过程。可替代地，集成电路150可以与传感器电极126有距离(即，传感器电极126与集成电路150之间在深度方向上的距离或结构100的厚度增加)以使噪声干扰最小化。注意，图4(a)的深度方向是进出页面的方向，如所看到的。
194.在所示出的实例中，像素101是正方形的并且具有20μm的边长，但是在其它实例中，边长的范围可以为10μm到50μm。
195.举例来说，集成电路150占据像素101的约四分之三，而其余的四分之一被传感器电极126占据，在所示出的实例中，所述传感器电极的直径为10μm。
196.设想了其它布置。在一些实施例中，传感器电极126可以大于图4(a)中所示出的实
例，例如覆盖纳米孔传感器102的几乎所有面积。在一些实施例中，传感器电极126可以具有覆盖更多面积的其它形状，例如正方形或矩形。传感器电极126的尺寸可以高达50μm，在这种情况下，其面积可以高达250μm2，这取决于其形状。
197.为了封装效率，像素101可以呈棋盘格形，并且例如，所述棋盘格形可以是六边形。
198.每个纳米孔传感器102具有通路114，尽管在制造基础层112期间，可以在基础层112中产生比需要更多的通道122，这取决于制造方法。一些制造方法(如反应离子蚀刻)可以针对每个像素101蚀刻单个通道122。一些其它方法(如光辅助电化学蚀刻)需要同时蚀刻高密度的通道阵列122以维持这些通道122的几何形状，在这种情况下，基础层112中未使用的通道122在制造阵列104的期间被阻塞，使得每个像素101仅被提供有一个通道122和一个通路114。形成于基础层112中的通道122的密度可以变化。作为比较，图4(b)示出了其被阻塞的通道122a的密度低于图4(a)中所示出的被阻塞的通道的密度的纳米孔传感器102的横截面。如图4(b)中所示出的，通道122可以在感测层144添加到基础层112之前被阻塞，或者可以被感测层144的衬底阻塞。应当注意，图4(b)示出了两个纳米孔传感器102的一部分，每个纳米孔传感器具有其自身的通路114，并且尚未在感测层144上添加纳米孔层110。
199.图4(c)示出了以提供了36个纳米孔传感器102的阵列104的6
×
6布局布置的图4(a)的纳米孔传感器102的像素101，而图4(d)示出了具有324个纳米孔传感器102的18
×
18阵列。阵列大小可以是1000
×
1000，从而提供了1,000,000个纳米孔传感器102。在本实例中，图4(a)中所示出的类型的一百万个纳米孔传感器102的阵列的占用空间将为4cm2，然而，像素101小至5μm的纳米孔传感器102可以使一百万个纳米孔传感器阵列104的占用空间缩小至25mm2左右。阵列大小可以是100,000。阵列104可以包括任何数量的纳米孔传感器102，介于1000个与1000万个之间的纳米孔传感器102。
200.图4(e)示出了具有如本文中所描述的被布置在设置在装置149中的结构100中以收纳和分析聚合物分析物(如核酸)的纳米孔传感器102的阵列104。装置149也可以被称为传感器装置或测量系统。阵列104可以是装置149的子组件。阵列104可以是一次性组件并且可替换。另外地或可替代地，阵列104的纳米孔层110可以是一次性组件并且可替换。虽然本发明的一些方面总体上涉及装置149，但是本发明的其它方面也可以涉及纳米孔传感器102或具有纳米孔结构阵列104的纳米孔传感器102。装置149可以包含如上文所描述的电子电路130。
201.在一些实施例中，对由纳米孔传感器102测量的信号的处理可以由电子电路130来执行。集成电路150可以在装置149的电子电路130进行进一步分析之前执行预处理。
202.在一些实施例中，装置149容纳结构100以分开和限定分析物储存器106和出口室108。虽然通常分别被称为顺式和反式，但是分析物可以从分析物储存器106流动到出口室108。阵列104具有多个纳米孔传感器102，每个纳米孔传感器具有通过其中的通路114，以将分析物储存器106和出口室108流体连接。举例来说，分析物储存器106和出口室108中的驱动电极132可以跨分析物储存器106与出口室108之间的通路114强加电位差，以诱导分析物从分析物储存器106流动到出口室108。驱动电极132可以被配置成使得跨所有纳米孔传感器102的电位差基本上相同。
203.另外地或可替代地，装置149可以被配置成使用其它技术将分析物从分析物储存器106诱导到出口室108。当分析物经过纳米孔116时，由传感器电极126来检测由于离子电
流的变化而引起的电位的波动。
204.传感器电极126可以用作或直接连接到感测晶体管153(如图5(a)所示出并在下文进一步描述的)的基极或栅极，所述感测晶体管可以是例如场效应晶体管(fet)装置。感测晶体管153输出可以由每个纳米孔传感器102的集成电路150处理的信号，然后可以以行
‑
列类型方式对所述信号进行寻址。例如，感测晶体管153的漏极处的电压可以取决于由传感器电极126感测的电位，并且可以以行
‑
列方式读出漏极处的电压以及阵列104中其它纳米孔传感器102上的其它漏极电压。然后，可以在阵列104外进一步分析经处理的信号，以确定分析物的一种或多种性质。
205.在以上实例中，每个像素101具有其自身的集成电路150，但是集成电路150可以被配置成服务于多个纳米孔传感器102。在图4(f)中，四个纳米孔传感器102被示出为传感器模块102a(其可以是更大的纳米孔传感器102阵列的一部分)，其中集成电路150对于四个中心定位的传感器电极126是共同的，如所示出的。其它配置是可行的。在此类模块配置中，从每个单独的纳米孔传感器102获得的信息或数据是可寻址的，以便控制和/或检索信息。虽然以上实例具有针对每个纳米孔传感器102的专用集成电路150，但是将纳米孔传感器102组合在传感器模块102a中使得布局的效率能够提高。例如，因为针对传感器模块102a内的纳米孔116中的每个纳米孔使用共同的滤波器，所以效率提高可以实现。如果集成电路150依次在单独的纳米孔传感器102之间切换或多路复用，则这是可能的。通过在纳米孔传感器102之间共享功能，可以减少集成电路150的占用空间，或者可替代地，可以容纳更多功能。
206.图5(a)是传感器电极126与阵列104中的每个纳米孔传感器102的直接连接的示意性表示。顺式电极132a可以连接到接地，同时移位电压施加到反式电极132b。纳米孔116的电阻和通道122的电阻(其被配置成用作流体电阻器)通过每个纳米孔传感器102的每个通路114支配顺式电极132a与反式电极132b之间的电路。以这种方式，电路的行为就像具有值类似的两个电阻器的分压器。纳米孔电阻和通道122或流体电阻器的电阻大约相同，使得定位于其之间的电极被最优地定位成检测由穿过其中的分析物引起的纳米孔电阻的变化。如上文所描述的，传感器电极126驻留在每个纳米孔116的区域中。传感器电极126可以位于纳米孔116与通道122之间。纳米孔116和通道122的有效阻抗远大于分析物储存器106和出口室108的体流体电阻，这意味着图5(a)可以用于模拟顺式电极132a与反式电极132b之间的电路。
207.电路系统包含感测电路152，所述感测电路测量纳米孔传感器102的传感器电极126处的流体电位，以从纳米孔116获取测量。感测电路152可以包含例如可以是场效应晶体管(fet)的感测晶体管153。在这种情况下，传感器电极126可以连接到感测晶体管153的基极。感测电路152可以至少部分地驻留在集成电路150中。因此，传感器电极126可以连接到感测电路152的传感器端子154，如图5(a)中所示出的。
208.任选地，感测电路152可以包含控制电路155，所述控制电路向传感器电极126施加信号，以响应于控制信号而改变由驱动电极132跨纳米孔116强加的电位差。控制电路155可以包含例如可以是场效应晶体管(fet)的控制端子156。在这种情况下，传感器电极126可以连接到控制端子156的漏极。控制电路155可以至少部分地驻留在集成电路150中。因此，传感器电极126可以连接到如图5(a)中所示出的控制电路155的用于施加控制信号的控制端子156。
209.通过改变控制电路155的控制连接与顺式电极132a和/或反式电极132b之间的电位差，控制信号的施加能够改变跨单独的纳米孔116强加的电位差。施加到传感器电极126的信号可以是反向电压，其诱导带电荷的分析物(如物种)改变其通过通路114移动的方向。
210.在一些情况下，所施加的电压可以是交流电压，尽管可以可替代地施加其它电压波形(例如，斜坡、阶跃、脉冲、dc)。
211.图5(a)的集成电路150使得能够为分析物储存器106和出口室108中的每一个配置共同的电极，而每个纳米孔传感器102可以操作以通过检测由纳米孔电阻的变化引起的电位的变化来检测对跨通路114的离子电流的干扰。此外，集成电路150使得阵列104内的每个纳米孔传感器102能够被单独控制，以使得传感器电极126能够通过例如与感测晶体管153的连接来检测穿过纳米孔116的分析物或通过使用例如控制晶体管156调整施加到传感器电极126的电压来控制带电荷的分析物(如物种)在阵列104中的单独的纳米孔传感器102的通路114中的流动。控制带电荷的分析物(如物种)在阵列104中的单独的纳米孔传感器102的通路114中的流动允许分析物穿过纳米孔116或阻塞纳米孔116的分析物通过控制晶体管156施加的电压通回或喷射。这个动作可以被描述为“轻弹”或“拒绝”并且通过使用控制电压发生，使得从结构100的一侧穿过通路114的分析物被修改(停止、反转或加速)。控制电压可以单独地施加到每个纳米孔116，因为每个纳米孔传感器102可单独地寻址，以进行控制和感测。明确地说，向每个纳米孔传感器102中的传感器电极126施加控制信号意味着可以控制每个像素101处的纳米孔116附近的电压。
212.可以响应于来自包含以下的情况中的至少一种情况而施加控制电压以改变分析物通过纳米孔116的移动：在检测到被阻塞的纳米孔116时；当所检测的分析物不再被感兴趣或者出于使得另一个样品能够被收纳和测量的目的而要被喷射时；并且以改变分析物被诱导进入或离开纳米孔116的速率。
213.电子传感器不可避免地具有与传感器信号沿其行进的路径相关联的电容、电阻和电感，这可以被称为寄生现象。这是由于构成传感器的材料的性质、传感器的几何形状以及制造传感器的可行方法。在没有任何类型的电容补偿的情况下，这些寄生现象(最常见的是电阻和电容)会相互作用以限制信号的带宽。在最简单的情况下，电阻器
‑
电容器电路将会将带宽限制为1/(2πrc)。
214.图5(b)是图5(a)的替代性示意图，其展示了纳米孔116和通道122的电阻器模型161并且进一步包含连接到分压器的补偿电路160。根据一些实施例，补偿电路160具有连接到传感器电极126的输出的增益为g的在线放大器168，所述在线放大器受寄生输入电容162(也被称为杂散电容)的影响。在线放大器168的输出具有连接到其输入的反馈回路，所述反馈回路具有增益为h的反馈放大器170和表示补偿电容c
补偿
的电容器c。
215.寄生输入电容162被示出与表示通道122的电阻器平行布置，所述寄生输入电容表示以下中的至少一个中的寄生电容：纳米孔116位于其中的膜118；通道122的流体壁；传感器电极126；以及与连接器或引线接合相关联的迹线电容。传感器电极126实际上连接到纳米孔116与通道122之间的分压器中的中点并连接到补偿电路160。与反向或轻弹电压的连接由如fet之类的轻弹开关164表示。任选的保护开关166被示出为在传感器电极126与补偿电路160之间实施。可以使用fet实施的这个保护开关166可以起到将补偿电路160和/或与其连接的任何感测电路系统与通过轻弹开关164施加的轻弹电压隔离的作用。
216.总体而言，补偿电路160减轻总寄生输入电容162在到感测电路152的输入处的影响。尽管寄生电容驻留在纳米孔传感器102的各个元件中，但是其可以如图5(b)中所示出的建模。在不受特定理论限制的情况下，总寄生输入电容162c
p
可以被认为是寄生电容之和，如下。
217.c
p
＝c
膜
c
流体壁
c
电极
c
迹线
218.输入电容充电的速率与流过其的电流成正比。进而，电阻将充电电流限制于有限值。补偿电路160起到提供另外的电流以更快地对输入电容进行充电的作用，从而增加带宽。
219.图5(b)的补偿电路160具有连接到传感器电极126的输出的增益为g的在线放大器168，所述在线放大器受寄生输入电容162的影响。在线放大器168的输出具有连接到其输入的反馈回路，所述反馈回路具有增益为h的反馈放大器170和表示补偿电容c
补偿
的补偿电容器c172。
220.在一些实施例中，输入电压被放大并通过补偿电容器172反馈回，以提供另外的电流来对总寄生输入电容162进行充电。这个电路的有效输入电容可以表示为：
221.c
有效
＝c
in
‑
c
补偿
222.其中
223.c
补偿
＝c
×
(g
×
h
–
1)
224.补偿电路160的组件被配置成使得总寄生输入电容c
p 162基本上被消除或抵消。实际上，补偿的程度受到组件值和参数(例如，温度依存性)的动态变化的限制。如果使电容c、在线增益g或反馈增益h可调整，则补偿电路160可以补偿一系列不同的寄生输入电容值，因此反馈放大器170在图5(b)中被展示为可变的。增益g可以是固定的，使得来自补偿电路160的输出具有一致的增益，因此补偿电容器c 172和/或反馈增益h可以改变。
225.前端电子器件可以至少部分地驻留在集成电路150中，其在图5(c)中被形象地表示。控制电路155和/或补偿电路160可以任选地结合在集成电路150内。集成电路150或电子电路130可操作以如通过轻弹、通过施加反向电压和放大来自纳米孔传感器102的信号来影响分析物在纳米孔116中的移动。集成电路150或电子电路130可以另外地结合有对信号的进一步处理(如滤波)，并且在集成电路150的情况下，可以包含用于在传感器102本地存储信息的电路系统，以与外部处理器进行受管理的通信。
226.每个纳米孔传感器102，如图2和图3(a)中所示出的那些纳米孔传感器，可以是可寻址的。图5(c)表示图3(b)的纳米孔传感器102，其在图4(a)中所示出的像素101内结合有集成电路150并且也可通过行选择和列总线寻址。图5(d)是通过图5(c)中所示出的行选择和列总线连接而连接到阵列104(如图4(d)中所示出的阵列104)中的每个纳米孔传感器102的行
‑
列读出电路174的实例。每个纳米孔传感器102通过模数转换器(adc)180连接到行解码器176和列读出器178。行
‑
列读出电路174可以连接到每个纳米孔传感器102或一组纳米孔传感器102的集成电路150，但是可以直接连接到阵列104内的每个纳米孔传感器102中的传感器电极126。
227.上述实例描述了传感器电极126可连接到集成电路150并在施加控制电压时具有双重功能的选项(即，传感器电极126可以用于在分析物经过纳米孔116时感测离子流的变化并且在控制电路155的控制下在通路114内产生电位并跨顺式电极132a和/或反式电极
132b之间的通路114产生电位差)。在这种情况下，传感器电极126直接连接到控制端子156，所述控制端子是集成电路150的端子，以在通路114内产生电位，如图5(a)中所示出并在下文进一步描述的。
228.在一些实施方案中，每个纳米孔传感器102中的感测和控制功能可以通过例如如下单独的电极来实施。图6(a)示出了像环一样布置的传感器电极126和控制电极182，而图6(b)到6(e)是纳米孔传感器102的横截面示意图，所述纳米孔传感器具有其中除传感器电极126之外还提供有控制电极182的配置。在这种情况下，控制电极182连接到控制电路155的控制端子156，以在通路114内产生电位。
229.在本文中的实例中，传感器电极126已被描述为环，如图4(a)中所展示的。传感器电极126也可以由暴露的导线来实施。传感器电极126可以是纳米线，但可以是占据例如孔142的基本上全部基部(如图6(e)中所示出的)或凹部146的一个面的更大的表面积。类似地，单独的控制电极182可以是纳米线，但是可以具有大的表面积，如图6(d)中所示出的。
230.从可制造性和成本的角度来看，图6(a)中示出了控制电极182的基本实施方案，其中基本上维持了适合于孔142的基部的环形占用空间，而占用空间的一半形成传感器电极126，并且与传感器侧在物理上断开或解耦的另一半形成控制电极182。传感器电极126与控制电极182之间不存在有线或固态连接。传感器电极126和控制电极182被示出为具有占据占用空间的两个相同大小的半圆形形状。电极的大小可以不同，并且例如，控制电极182的表面积可以大于传感器电极126的表面积，以增加与通路114内的流体的电导率。
231.具有单独的传感器和控制电极126、182可以简化集成电路150，因为通过分开，提供了额外程度的分开，尽管它们仍将通过通路114中的流体连接。然而，可以避免需要隔离开关来保护例如可以形成感测电路152的一部分的补偿电路160免受控制电路155所施加的电压的影响。传感器和控制电极126、182可以在形状、大小和配置上定制以针对其目的进行优化。
232.图6(b)指示如何图3(b)的传感器电极126可以分成单独的传感器电极126和控制电极182。在这个实例中，传感器和控制电极126、182在同一平面中延伸。在图6(c)中所示出的替代性配置中，传感器电极126驻留在空腔146中并在平行于顺式表面134和反式表面138延伸的平面中延伸，而控制电极182在通道122中延伸并从所述顺式和反式表面134、138垂直延伸。在图6(c)中，传感器电极126的形状像环，而控制电极182的形状像圆柱体。在又另一个替代方案中，如图6(d)中所示出的，传感器电极126驻留在空腔146中并在平行于顺式表面134和反式表面138延伸的平面中延伸，而控制电极182在通道122和空腔146中延伸，从而在竖直和水平平面中延伸，如所看见的。类似于图6(b)的图6(e)示出了形成于孔142的基部处的传感器和控制电极126、182，这可以提供更容易的制造。
233.如上文所描述的，电子传感器不可避免地具有与传感器信号沿其行进的路径相关联的电容、电阻和电感，这可以被称为寄生现象，其包含寄生电容。作为上文所描述的补偿电路160的补充或替代，阵列104和其中的纳米孔传感器102可以被制造成具有结合在其中的保护导体184，如图7(b)到(d)中所示出的，而图7(a)示出了具有和不具有保护导体184的第一示意性电路201和第二示意性电路202，以便展示保护导体184是如何配置的。
234.在图7(a)的左手边的第一示意性电路201中，寄生电容c
寄生
示出在纳米孔传感器102的两个导电元件203、204之间，所述两个导电元件通常是导体，如传感器电极126和基础
层112的导电衬底。第一导电元件203(例如，传感器电极126)可以承载电压v
传感器
，并且第二导电元件204(例如，导电衬底)可以承载不同的电压v
衬底
。
235.保护被示出为在右手边的第二示意性电路202中实施，其中作为第三导电元件的保护导体184被配置在承载信号的第一导电元件203与第二导电元件204之间，使得两个寄生电容c
par1
、c
par2
可以被建模为串联连接。在这个第二示意性电路202中，寄生电容在(i)承载信号的第一导电元件203余保护导体184之间发生(即，c
par1
)以及在(ii)保护导体184与第二导电元件204之间发生(即，c
par2
)。缓冲器205(其可以是放大器)连接在第一导电元件203与保护导体184之间，以将输入信号的缓冲版本施加到保护导体184。因此，跨第一导电元件203与保护导体184之间的寄生电容c
par1
没有电压差。
236.对于电容器，电流通过以下给出：
237.在右手边的示意图中，v
保护
＝v
传感器
，因此
238.没有电流流过电容器c
par1
，因此有效电容为零。保护导体184与衬底导体之间的电容仍必须充电，但是缓冲器205能够提供比高阻抗传感器输入多得多的电流，因此其充电快得多。
239.当v
保护
准确地跟随v
传感器
时，这些条件得到满足，这取决于具有足够的带宽以使得电容能够无效的缓冲器205的性能。可以实施具有若干mhz的带宽的精确缓冲器205。
240.图7(b)类似于图2(b)并且通过比较示出了保护导体184如所看到的垂直地沿通道122的长度在氧化层192之间延伸并且继续如所看到的水平地沿传感器电极126下方的基础层112的顶部延伸。值得注意的是，传感器电极126和保护导体184两者都连接到单独的电子电路130。在这个配置中，保护导体184阻止传感器电极126与基础层112的衬底之间的寄生电容中的电流。导电保护装置可以至少部分地包含保护导体184和绝缘层，如氧化层192，所述绝缘层使保护导体184与被保护的导体或被保护远离的导体绝缘。绝缘层不是保护导体184的一部分并且起到将保护导体184与周围导体隔离的作用。因此，绝缘层可以是结构100的非导电组件。保护导体184可以是插入到寄生电容的中间部中以将其一分为二的导体，因为电容器本质上是绝缘体，所以这是可能的，因此保护导体184定位于现有的绝缘层中。
241.导电保护装置(包含绝缘层)可以被配置成多种不同的配置或其组合，包括以下中的至少一个：在纳米孔层110的至少一部分之上延伸，以将纳米孔层110与分析物储存器106中的分析物分开，如图7(c)中所示出的，这会保护纳米孔116下面的溶液免受上面的溶液的影响；在纳米孔层110的至少一部分与感测层144之间延伸，以将传感器电极126和集成电路150与顺式106中的溶液分开，也如图7(c)中所示出的；在基础层112与感测层144之间延伸，以至少部分地将传感器电极126和集成电路150与基础层112分开，也如图7(c)中所示出的；以及多个导电保护装置，如图7(d)中所示出的，其中第一导电保护装置在通道122的壁与基础层112之间延伸，并且第二导电保护装置在感测层144与基础层112之间延伸。
242.根据本文中的教导，技术人员将理解，可以实施本文所教导的保护布置之一或其组合。还应当理解，保护导体184可以设置在纳米孔结构阵列104(例如，图4(c)的阵列104)中。
243.应当注意，如图7(a)到7(d)中所示出的基于保护的电容补偿技术的优点在于其通常不会明显增加信号的噪声水平。然而，当跨膜118的电位差用于驱动被研究的分析物通过
纳米孔116时，此种技术无法补偿膜电容，但是可以通过另一种方式(例如，压力)驱动分析物。另一方面，补偿电路160可以补偿整个输入电容，但这样做是以增加噪声为代价。补偿电容器172的噪声增益随频率增加。因此，输入信号中的噪声通过这个反馈增益“g”缩放并添加到整体噪声中。这在较高频率下或在补偿较大输入电容时变得很重要。图7(b)到(d)中所示出的保护导体184可以以任何组合和/或与补偿电路160组合在阵列104中实施。
244.纳米孔传感器102可以使用多种不同的技术制造，并且例如参考图2(其指示了本技术中所教导的其它传感器)对功能进行了教导。尽管图2中仅示出了阵列104的纳米孔传感器102之一，但是可以从本文中的教导中理解阵列104的制造。基础层112由标准硅(si)晶片形成，所述标准硅晶片中形成有通道122以从基础层112的一侧穿到另一侧。图2中仅示出了一个通道122，其通过基本上垂直于晶片的表面延伸的si晶片形成。在实践中，阵列104具有使用如光刻或深反应离子蚀刻(drie)或其组合之类的技术跨晶片形成的通道122。针对每个纳米孔传感器102形成至少一个通道122。如果需要，可以使用如热氧化之类的技术来调整通道122的直径以校准长宽比。例如，si晶片和通道可以嵌入在氧化层中，所述氧化层可以形成于硅晶片上。
245.图2的实例示意性地示出了具有纳米孔传感器102(仅示出了其中之一)的阵列104并且被配置成将其中具有驱动电极132的分析物储存器106与出口室108分开的结构100的一部分。本文中的所有纳米孔传感器102可以定位于如图4(e)中所示出的结构100中。纳米孔116位于分析物储存器106与出口室108之间的被流体填充的通路114中。通路114是流体填充的，使得分析物储存器106和出口室108流体连接。明确地说，纳米孔116位于分析物储存器106与出口室108之间的流体连通路径中。
246.图8和9示出了包含结构100的装置149的两个另外的实例。在每种情况下，结构100采用图3(a)或3(b)中所示出的包含纳米孔层110、感测层144和基础层112的形式，如上文详细描述的(尽管在每种情况下，其可以被采用图2中所示出的形式的结构100替换)。
247.在图8和9的实例中的每个实例中，结构100将分析物储存器106与出口室108分开并且连接到印刷电路板210，但具有如下不同的配置。
248.在图8的实例中，分析物储存器106和出口室108各自由相应垫圈216、218形成，所述垫圈分别抵靠纳米孔层110和基础层112密封。例如通过跨垫圈216、218延伸的相应构件，分析物储存器106和出口室108可以如图8中所示出的敞开或可以封闭。
249.在图8的实例中，印刷电路板210通过与纳米孔层110相对的一侧上的机械接合212(例如，粘合剂)安装到基础层112。因此，印刷电路板210安置在出口室108的外部，如图8中所示出的。感测层144通过引线接合214或任何其它适合的电连接而连接到印刷电路板210。纳米孔层110的面积小于感测层144的面积，以为引线接合214提供空间。
250.在图9的实例中，印刷电路板210通过与纳米孔层110在同一侧上的焊料凸点连接222(例如，粘合剂)安装到感测层144。因此，纳米孔层110的面积小于感测层144的面积，以为焊料凸点连接222提供空间。焊料凸点连接222提供印刷电路板210与感测层144之间的机械和电连接。
251.在图9的实例中，分析物储存器106和出口室108各自形成于可以由任何适合的材料(例如，塑料)制成的相应流通池224、226中。流通池224、226允许流体流入和流出分析物储存器106和出口室108。
252.形成分析物储存器106的流通池224通过垫圈228密封到围绕分析物储存器106的印刷电路板210，并且印刷电路板210通过密封剂230密封到围绕分析物储存器106的纳米孔层110的边缘。
253.形成出口室108的流通池224通过垫圈232密封到围绕出口室108的基础层112。
254.图8和9可以以各种方式进行修改，例如以在其它定位(例如，围绕基础层112的外边缘)以及通过任何适合的方式提供密封。
255.上文已经描述了纳米孔传感器102的电模型。更一般地，图2中未示出的电压源在配置在分析物储存器106和出口室108中的驱动电极132之间施加电位差。驱动电极132跨包含纳米孔116和通道122的通路114强加电位。纳米孔电阻和通道电阻显著高于分析物储存器106和出口室108的整体流体电阻，因此，纳米孔116和通道122是等效电路中的支配组件。如图2中所示出的，传感器电极126位于纳米孔116与通道122之间，使得其可以感测通路114中的电换能元件处的流体电位。换句话说，传感器电极126可以感测指示通路114中的局部电位波动的信号。尽管图2中的配置是实例，但是传感器电极126可以定位于分析物储存器106或出口室108中。传感器电极126可以用作晶体管装置的基极或栅极，以在通路114提供流体中时测量流体在传感器电极126的定位处的电位。传感器电极126可以在物种对象(如dna的链)移位穿过纳米孔116时检测电压的波动。
256.本文中的实施例已经描述了具有通过结构100与单个出口室108分开的单个分析物储存器106的装置149。根据本文中的教导，替代性布置可以实施并且包含装置149，所述装置具有(i)通过结构100与共同的出口室108分开的两个或更多个分析物储存器106、(ii)通过结构100与两个或更多个出口室108分开的共同的分析物储存器106或(iii)通过结构100与两个或更多个相应出口室108分开的两个或更多个分析物储存器106。
257.纳米孔层110可以单独形成具有可以以多种方式形成的孔142阵列，其中之一是通过光刻图案化形成的聚合物层。纳米孔层110中的孔142然后与基础层112的通道122对齐，使得每个纳米孔传感器102具有由孔142和通道122限定的通路114。与定位于膜118中的纳米孔116相比，图2中所示出的孔142是实质性的。图2的纳米孔116是膜118(如两亲性膜)中的生物纳米孔。可替代地，每个纳米孔116可以是定位于固态膜中的固态纳米孔。固态膜本身可以是纳米孔层110。进一步可替代地，纳米孔116可以是定位于固态膜中的生物纳米孔。根据纳米孔116相对于直径更大的通道122的宽度的尺寸，可以说在纳米孔116下方形成有孔142。因此，在替代性纳米孔配置中的每个替代性纳米孔配置中，纳米孔116限定通路114的一部分。
258.根据本文中所描述的各个方面，可以使用任何膜118。适合的膜118在本领域中是众所周知的。膜118可以是两亲性层或固态层。两亲性层是由两亲分子形成的层，所述两亲分子如磷脂，其具有亲水性和亲脂性两种性质。两亲分子可以是合成的或天然存在的。非天然存在的两亲物和形成单层的两亲物在所属领域中是已知的，且包含例如嵌段共聚物(gonzalez
‑
perez等人,《朗缪尔(langmuir)》,2009,25,10447
‑
10450)。共聚物可以是三嵌段、四嵌段或五嵌段共聚物。膜118可以是三嵌段或二嵌段共聚物膜。
259.由嵌段共聚物形成的膜118具有优于生物脂质膜的若干优点。因为三嵌段共聚物是合成的，所以可小心地控制准确的构建，以提供形成膜并与孔和其它蛋白质相互作用所需的正确链长度和特性。
260.还可以由不归类为脂质亚材料的亚基来构建嵌段共聚物，例如可以由硅氧烷或其它非烃基单体来制备疏水性聚合物。嵌段共聚物的亲水性亚区段还可以具备低蛋白质结合性质，这允许产生当暴露于原始生物样品时具有高度抗性的膜118。这种头基单元还可来源于非经典的脂质头基。
261.与生物脂质膜进行比较，三嵌段共聚物膜还具有增加的机械和环境稳定性，例如高许多的操作温度或ph范围。嵌段共聚物的合成性质提供定制用于广泛范围应用的基于聚合物的膜的平台。
262.膜118可以是以全文引用的方式并入本文中的wo2014/064443或wo2014/064444中公开的膜之一。这些文件还公开了适合的聚合物。
263.两亲分子可进行化学修饰或官能化，以便于偶联多核苷酸。
264.两亲性层可以是单层或双层。两亲性层通常是平面的。两亲性层可以是弯曲的。两亲性层可以是支撑式的。两亲性层可以是凹入的。两亲性层可以从凸起的柱子上悬挂下来，使得两亲性层的周边区域(其与柱子连接)高于两亲性层区域。这可以允许微粒如上文所描述的沿着膜行进、移动、滑动或滚动。
265.膜118可以是脂质双层。合适脂质双层公开于wo2008/102121、wo2009/077734和wo2006/100484中。
266.用于形成脂质双层的方法在所属领域中是已知的。脂质双层通常通过montal和mueller的方法(《美国国家科学学院院报(proc.natl.acad.sci.usa.)》,1972；69:3561
‑
3566)来形成，其中脂质单层携载于通过孔口两侧的水溶液/空气界面上，所述孔口垂直于所述界面。
267.固态层可以由有机材料和无机材料两者形成，所述材料包含但不限于：微电子材料、绝缘材料(如si3n4、al2o3和sio)、有机和无机聚合物(如聚酰胺)、塑料(如)或弹性体(如双组分加成固化硅橡胶)以及玻璃。固态层可以由石墨烯形成。合适的石墨烯层公开在wo2009/035647中。yusko等人,《自然
·
纳米技术》(nature nanotechnology),2011；6:253
‑
260和美国专利申请第2013/0048499号描述了在不使用微粒的情况下将蛋白质递送至固态层中的跨膜孔。
268.可以使用任何跨膜孔。纳米孔116可以是生物的或人工的。合适的纳米孔116包含但不限于蛋白质孔、多核苷酸孔和固态孔。纳米孔116可以是dna折纸(origami)孔(langecker等人,《科学(science)》,2012；338:932
‑
936)。
269.跨膜孔可以是跨膜蛋白孔。跨膜蛋白孔是多肽或多肽的集合，其允许如用聚合酶处理多核苷酸所得的副产物等水合离子从膜118的一侧流到膜118的另一侧。在一个实施例，跨膜蛋白孔能够形成纳米孔116，所述纳米孔允许由施加的电位驱动的水合离子从膜118的一侧流到另一侧。跨膜蛋白孔可以允许多核苷酸从膜118(如三嵌段共聚物膜)的一侧流到另一侧。跨膜蛋白孔可以允许如dna或rna等多核苷酸移动通过纳米孔116。
270.跨膜蛋白孔可以是单体或寡聚物。孔可以由几个重复亚基组成，如至少6个、至少7个、至少8个、至少9个、至少10个、至少11个、至少12个、至少13个、至少14个、至少15个或至少16个亚基。孔可以是六聚体、七聚体、八聚体或九聚体孔。孔可为同型寡聚物或异型寡聚物。
271.跨膜蛋白孔通常包括离子可以流过的桶或通道。孔的亚基通常围绕中心轴线，并
向跨膜β桶或通道或跨膜α
‑
螺旋束或通道贡献链。跨膜蛋白孔的桶或通道通常包括促进与核苷酸、多核苷酸或核酸相互作用的氨基酸。这些氨基酸可以定位于桶或通道的收缩部附近。跨膜蛋白孔通常包括一个或多个带正电荷的氨基酸，如精氨酸、赖氨酸或组氨酸，或芳香族氨基酸，如酪氨酸或色氨酸。这些氨基酸典型地促进孔与核苷酸、多核苷酸或核酸之间的相互作用。
272.根据本发明使用的跨膜蛋白孔可以衍生自β桶孔或α螺旋束孔。跨膜孔可以源自或基于msp、α
‑
溶血素(α
‑
hl)、胞溶素、csgg、clya、sp1以及溶血蛋白溶血毒素(fragaceatoxin)c(frac)。跨膜蛋白孔可以源自csgg。在wo2016/034591中公开了衍生自csgg的合适的孔。跨膜孔可以源自胞溶素。wo2013/153359中公开源自胞溶素的合适的孔。
273.分析物(包含例如蛋白质、肽、小分子、多肽、多核苷酸)可以存在于分析物中。分析物可以是任何适合的样品。分析物可以是生物样品。可以在体外对从任何生物体或微生物获得或提取的分析物进行本文所述方法的任何实施例。所述生物体或微生物通常是古细菌、原核或真核生物，并且通常属于五个王国之一：植物界、动物界、真菌、原核生物和原生生物。在一些实施例中，可以对从任何病毒中获得或提取的分析物在体外执行本文所述各个方面的方法。
274.分析物可以是流体样品。分析物可以包括体液。体液可从人或动物获得。人或动物可能患有、疑似患有疾病或有患病风险。分析物可以是尿液、淋巴液、唾液、粘液、精液或羊水，但是可以是全血、血浆或血清。通常，分析物是人类来源的，但是可替代地，它可以来自另一种哺乳动物，例如来自商业养殖的动物，例如马、牛、绵羊或猪，或者可替代地可以为宠物，例如猫或狗。
275.可替代地，分析物可以是植物来源的。
276.分析物可以是非生物样品。非生物样品可以是流体样品。离子盐(如氯化钾)可以添加到样品，以影响通过纳米孔的离子流。
277.多核苷酸可以是单链的或双链的。多核苷酸的至少部分可为双链的。
278.多核苷酸可以是核酸，例如脱氧核糖核酸(dna)或核糖核酸(rna)。聚核苷酸可以包括与一条dna链杂交的一条rna链。多核苷酸可以是本领域中已知的任何合成核酸，如肽核酸(pna)、甘油核酸(gna)、苏糖核酸(tna)、锁核酸(lna)或具有核苷酸侧链的其它合成聚合物。多核苷酸可以是任何长度的。
279.可以研究任何数目个多核苷酸。举例来说，方法可以涉及表征2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、20个、30个、50个、100个或更多个多核苷酸。如果表征两个或更多个多核苷酸，则其可以是不同的多核苷酸或同一多核苷酸的两个实例。
280.多核苷酸可为天然存在的或人造的。
281.所述方法可以涉及测量多核苷酸的两个、三个、四个或五个或更多个特性。一个或多个特性可以选自：(i)多核苷酸的长度；(ii)多核苷酸的一致性；(iii)多核苷酸的序列；(iv)多核苷酸的二级结构；以及(v)多核苷酸是否被修饰。
282.对于(iii)，可以如前所述确定多核苷酸的序列。适合的测序方法，特别是那些使用电测量的测序方法在以下文献中进行了描述：stoddart d等人,《美国国家科学院院刊(proc natl acad sci)》,12；106(19):7702
‑
7；lieberman kr等人,《美国化学会志(j am chem soc.)》2010；132(50):17961
‑
72；以及国际申请wo2000/28312。
283.可以以多种方式测量二级结构。例如，如果所述方法涉及电测量，则可以使用停留时间的变化或流过孔的离子电流的变化来测量二级结构。这允许区分单链多核苷酸和双链多核苷酸的区域。
284.可以测量任何修饰的存在或不存在。所述方法可以包括：用一个或多个蛋白质或用一个或多个标记、标签或间隔区确定多核苷酸是否通过甲基化、通过氧化、通过损坏来修饰。特定的修饰将引起与孔的特定的相互作用，这可以使用下文所描述的方法测量。
285.在本文描述的各个方面的一些实施例中，所述方法可以包括进一步表征靶多核苷酸。在靶多核苷酸与孔接触时，随着多核苷酸相对于孔移动进行一种或多种测量，其指示靶多核苷酸的一个或多个特征。
286.该方法可以包括确定多核苷酸是否被修饰。可以测量任何修饰的存在或不存在。所述方法可以包括：用一个或多个蛋白质或用一个或多个标记、标签或间隔区确定多核苷酸是否通过甲基化、通过氧化、通过损坏来修饰。
287.还提供一种用于表征目标聚核苷酸的试剂盒。试剂盒包括本文中所公开的孔和膜的组分。膜可以由组分形成。孔可以存在于膜中。试剂盒可以包括上文所公开的任何膜的组分，所述膜例如两亲性层或三嵌段共聚物膜。
288.本发明还提供一种用于表征目标分析物(例如目标聚核苷酸)的设备。设备包括如本文所公开的多个孔和多个膜。所述多个孔存在于所述多个膜中。孔和膜的数量可以相等。每个膜中可以存在单个孔。
289.用于表征目标分析物的设备可以在多个膜中包括如本文中所公开的孔阵列。
290.设备可以进一步包括用于执行所述方法的指令。设备可以是用于分析物分析的任何常规设备，如阵列或芯片。上文参考方法所论述的任一个实施例同样适用于本发明的设备。设备可进一步包括存在于如本文所公开的试剂盒中的任一个特征。
291.设备可以被设置成执行如本文中所公开的方法。
292.设备可以包括：传感器装置，其能够支撑多个孔和膜且可操作以使用孔和膜来执行分析物表征；以及至少一个端口，其用于递送用于执行表征的材料。
293.可替代地，设备可以包括：传感器装置，其能够支撑多个孔和膜且可操作以使用孔和膜来执行分析物表征；以及至少一个储存器，其用于保持用于执行表征的材料。
294.设备可以包括：传感器装置，其能够支撑所述膜和多个孔和膜并且可操作用于使用孔和膜来执行分析物表征；至少一个储存器，其用于盛放执行表征用的材料；流体系统，其被配置成可控地从至少一个储存器提供材料到传感器装置；以及一个或多个容器，其用于容纳相应样品，所述流体系统被配置成选择性地将分析物从一个或多个容器提供到传感器装置。
295.设备可以是在wo2009/077734、wo2010/122293、wo2011/067559或wo00/28312中描述的那些装置中的任一个。
296.对分析物相对于纳米孔的移动(例如，移位速度、分析物拒绝等)的控制可以通过以全文引用的方式并入本文中的wo2016/059427中所公开的系统和方法来管理。纳米孔传感器拒绝分析物可以包括分析物从纳米孔喷射。
297.根据本文中的教导，以上描述和附图中的特征是可互换和兼容的。上文仅以举例的方式描述了本发明，并且可以在本发明的精神和范围内进行修改，本发明的精神和范围
扩展到所描述的特征的等同形式和本文所描述的一个或多个特征的组合。本发明还在于本文所描述或暗示的任何个别特征。
298.特征列表：
299.300.