专利名称：脂质双层传感器阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用传感器元件检测物理现象。本发明的一些方面特别应用于随机物理事件的检测，如涉及分子实体与例如插入在脂质双层中的膜蛋白质的相互作用的事件。
背景技术：
为了进行分子实体的感测，已经披露了利用插入在脂质双层中的膜蛋白质。分子实体与膜蛋白质的相互作用能够调节似乎穿过脂质双层的电信号，例如调节流过作为蛋白质孔的膜蛋白质的离子电流。因此，通过监测似乎穿过脂质双层的电信号以检测调节的变化特征，可以感测分子实体与膜蛋白质的相互作用。基于该原理已经提出了许多技术，一个实例被披露在W0-2008/102120中。利用该技术感测分子实体提供了一种直接鉴定单独的分子和分子实体的方法，而不需要荧光标记和检测。存在范围广泛的可能的应用，如DNA或其他核酸的测序；用于安全和防御的化学或生物分子的感测；用于诊断的生物标记物的检测；用于药物开发的离子通道筛�。灰约吧锓肿又涞南嗷プ饔玫奈薇昙欠治�。然而，虽然充分建立了基本原理和优势，但是仍存在技术限制，其使得该技术相对复杂和昂贵，并且难以扩大规模。通常期望例如通过利用传感器元件的阵列来检测大量的相互作用，但是这造成了实践和成本的不利。特别的限制是涉及的电信号量级非常小并发生在非常短的时间，这是因为相互作用涉及单一的分子实体。因此，必须利用具有足够的灵敏度的检测电路以放大来自具有足够的时间分辨率的传感器元件中的每一个的电信号，以允许相互作用的检测。这样的检测电路通常需要对于相互作用被感测的每个传感器元件有单独的检测通道。然而，这些限制影响所述技术的成本。因此，对于许多商业应用，期望的是开发这样的技术，其允许利用传感器元件的阵列来检测较大量的分子实体的相互作用，但成本较低。并且，对于许多商业应用，期望的是允许所述技术应用于较小的样品体积(样品量)。类似的结论应用于用于检测除了使用脂质双层中的膜蛋白质的分子相互作用的其他技术，以及用于感测物理现象的其他技术。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种感测物理现象的方法，所述方法包括-提供传感器装置，所述传感器装置包括包含各自的电极的传感器元件的阵列，每个传感器元件被布置成输出依赖于物理现象的电极处的电信号，所述传感器元件具有可变的性能质量；-提供检测电路，所述检测电路包括多个检测通道，每个检测通道能够放大来自传感器元件之一的电信号，所述阵列中传感器元件的数量大于检测通道的数量；-提供开关装置(开关配置，switcharrangement)，所述开关装置能够将所述检测通道选择性地连接至各自的传感器元件；-控制所述开关装置以基于从检测通道输出的放大的电信号，将检测通道选择性地连接至具有可接受的性能质量的各自的传感器元件。根据本发明的第二方面，提供了一种用于感测物理现象的设备，所述设备包括-传感器装置，包括包含各自的电极的传感器元件的阵列，每个传感器元件被布置成输出依赖于物理现象的电极处的电信号，所述传感器元件具有可变的性能质量；-检测电路，包括多个检测通道，每个检测通道能够放大来自所述传感器元件之一的电信号，所述阵列中传感器元件的数量大于检测通道的数量；-开关装置，能够将所述检测通道选择性地连接至各自的传感器元件。-开关控制器，被布置成控制所述开关装置的开关，以基于从所述检测通道输出的放大的电信号，将检测通道选择性地连接至具有可接受的性能质量的各自的传感器元件。因此，本发明是基于这样的认识，S卩，用于检测一些物理现象的传感器元件具有可变的性能质量。例如，在检测随机物理事件诸如分子实体与脂质双层中的膜蛋白质的相互作用的发生的情况中，单独的传感器元件可能在脂质双层的形成或插入的膜蛋白质的数量方面具有不同的性能质量。这可以导致性能质量变化，因为一些传感器元件完全不能检测物理事件，或者不同的传感器元件输出不同质量的信号。本发明通过利用传感器元件的阵列利用了这个认识，其中传感器元件的数量大于用于放大电信号的检测通道的数量。通过将检测通道选择性地连接至各自的传感器元件， 可以提高检测通道的使用效率。对于给定数量的检测通道，这种效率的提高是通过提供包括在所述阵列中的传感器元件的数量的冗余而有效地实现的。由于选择用于连接至检测通道的具有可接受的性能质量的传感器元件的能力，产生了效率的提高。例如，在检测作为分子实体与脂质双层中的膜蛋白质的相互作用的随机物理事件的发生的情况中，因为在单独的脂质双层中插入的膜蛋白质数量的统计变化，通常发生传感器元件的利用无效。这种统计变化意味着仅有一些传感器元件不可避免地具有可接受数量的插入其中的膜蛋白质。本发明提供了利用所述检测通道的效率的增加，这是因为所述检测通道被选择性地连接至具有可接受的性能质量的传感器元件。在下面更详细讨论的具体实例中，在甚至适度的4的冗余因数的情况下，峰值效率可以从36%提高到超过80%，使得检测通道的利用好得多。检测通道30通常比所述传感器元件生产显著更昂贵。例如，在设备1的一些类型中，传感器装置2可以十分便宜到可任意使用(可任意处理)。因此，为了实现给定数量的有效的检测通道30，检测通道的利用效率的提高导致所述设备的成本总体上相应减少， 这是因为需要提供很少的检测通道。基于前述实例，实现205个有效的检测通道的相同的性能质量，可以从具有以80 %效率工作的256个检测通道的检测电路实现，或者从具有以 36%效率工作的569个检测通道的检测电路实现。本发明的另外的优点是所述冗余提供对所述传感器元件的效率变化的更大程度的容限(容差)，由此维持更均一的总效率。类似地，它也可以潜在地更容忍在操作期间性能质量不再是可接受的传感器元件。性能质量降低的传感器实际上可以变得损害所述传感器阵列的正确运行，并且不仅可以影响其所连接的检测通道，而且还影响其他通道。因此， 取消选定所述传感器，或者隔离它的能力，对于整个传感器阵列的持续运转以及潜在地恢
6复对有问题的检测通道的有用信号非常有益。在它们的电功能方面，开关装置和开关控制器类似于在已知的传感器设备如图像传感器中使用的那些，所述传感器设备在检测通道到传感器元件的连接中采用时分多路转换(TDM)。在这样的已知传感器设备中，单独的检测通道被连接至传感器元件的组的连续的元件，以便又输出来自所述组的每个传感器元件的放大的输出信号。TDM的目的是输出来自具有有限数量的检测通道的阵列的所有传感器元件的信号。当所有传感器元件的输出是感兴趣的时，这样的TDM依赖于来自相对于TDM期(周期)具有低带宽的单独的传感器元件的感兴趣的输出信号，以便当单独的传感器元件没有连接至检测通道时发生的输出信号的特征不被遗漏(忽略，错过)。例如，TDM经常应用于在TDM期整合信号的传感器元件。相反，本发明涉及性能质量变化的传感器元件的冗余的提供(设置)。选自冗余的组以具有可接受的性能质量的仅一个传感器元件被连接至每个检测通道。获得提高的效率的益处的所述技术的内在部分为没有连接至检测通道的其他传感器元件的输出信号损失。 因此，本发明适用于检测随机物理事件，所述事件发生的时间短于检测通道被连接至传感器元件的平均时间。本发明特别应用于感测随机物理事件，如分子实体与例如脂质双层中的膜蛋白质的相互作用。在该领域中，通常的情况是所述传感器元件具有可以或不可以接受的可变的性能质量。例如，在采用脂质双层中的膜蛋白质的传感器元件的情况中，性能质量可以在脂质双层是否形成以及插入的有效的膜蛋白质的数量方面变化。相反地，在随机感测的该领域中，对于检测通道的灵敏度和时间分辨率的严格要求意味着本发明的优点特别强。本发明还具有利用传感器元件感测的特别应用，所述传感器元件中的每一个包括形成在基板中的各自的阱，并且在其内布置有各自的电极。然而，本发明通常应用于通过传感器元件的阵列感测任何类型的物理现象，所述传感器元件被布置成输出依赖于物理现象的电极处的电信号，其中所述传感器元件具有可变的性能质量。在该上下文中，术语“物理”被用于指任何类型的物理现象，包括化学和生物化学领域中的现象。实际上，本发明在这些领域中具有特别的应用。所述传感器元件可以包括离子通道，如固态或生物离子通道。优选地，它为生物离子通道，如膜蛋白质离子通道，例如溶血素。生物离子通道通常将存在于膜中。通常，所述膜将不会是其中离子通道天然存在的膜。所述膜可以为固态膜或生物膜。生物膜包括可被锚定至支撑结构的脂质双层。固态膜包括有机和无机材料，例如微电子材料，绝缘材料如Si3N4、Al2O3和SiO，有机和无机聚合物如聚酰胺，塑料如特氟龙(TM)或弹性体如双组分加成-固化硅酮橡胶和玻
^^ ο固态膜可以为层，如膜或支持物上的涂层。当物理事件是分子实体与离子通道的相互作用时，所述传感器元件可以另外包括分子发动机(马达)，如酶，其在相互作用前、期间或之后与分子实体相互作用。分子发动机的实例包括DNA聚合酶、RNA聚合酶、核酸外切酶、解旋酶(helicase)、噬菌体发动机蛋白、 逆转录酶、DNA转位酶。
现在将参照附图通过非限制性实施例的方式描述本发明的实施方式，其中图1是用于感测分子实体与插入在脂质双层中的膜蛋白质的相互作用的设备的示意图；图2是所述设备的传感器装置的横截面图；图3是所述设备的检测电路的图；图4是对于不同水平的阱的数量的冗余，针对每个阱插入的膜蛋白质的平均数量，检测通道的使用效率的图；图5是对于不同水平的冗余，针对每个阱插入的膜蛋白质的平均数量，相对于没有冗余的效率增益的图；图6是所述检测电路的改进形式的图；图7是所述检测电路的开关布置(排列)的示意图；以及图8是所述检测电路的开关布置的可替换形式的示意图。
具体实施例方式首先将描述用于感测分子实体与插入在脂质双层中的膜蛋白质的相互作用的设备1，其示意性地在图1中示出。设备1包括连接至检测电路3的传感器装置2，所述检测电路3又被检测到数据处理器4。传感器装置2是如在国际专利申请号PCT/GB08/004127中详细描述的设备，其以引用方式并入本文中。不限于那里的一般性教导，传感器装置2具有如图2的横截面中所示的结构，包括主体20，其中形成有多个阱21，每个阱是具有布置在其中的阱电极22的凹进部分(recess)。提供了大量的阱21以优化设备1的数据收集速率。一般来说，可以存在任何数量的阱21，通常为256或IOM个，虽然仅有一些阱21显示在图2中。主体20被盖23覆盖，盖23在主体20上延伸并是空心的以限定室24，每个阱21 通向室对。公共电极25设置室23内。传感器装置2被制备以形成穿过每个阱21的脂质双层沈或其他两亲分子的层， 并将膜蛋白质插入到脂质双层26中。这种制备利用在国际专利申请号PCT/GB08/004127 中详细描述的技术和材料实现，但是可以被总结如下。水溶液被引入到室M中以形成穿过每个阱21的脂质双层沈，其将阱21中的水溶液与室M中残余体积的水溶液分开。例如通过在被引入室M之前或之后被引入到水溶液中或通过被沉积在室M的内表面上，膜蛋白质被提供在所述水溶液中。所述膜蛋白质自发地从水溶液插入到脂质双层沈中。这样的自发插入是动态过程，因此插入到单独的脂质双层中的膜蛋白质的量存在统计差异，通常具有泊松分布。对于任何给定的阱21，当脂质双层沈被形成并且膜蛋白质被插入其中时，此时阱 21能够被用作传感器元件以感测分子实体与膜蛋白质之间的相互作用，其是随机物理事件，这是因为穿过脂质双层26的输出电信号依赖于这些相互作用，原因是相互作用造成了其中的特征性变化。例如，在膜蛋白质是蛋白质孔的情况中，此时通常在蛋白质孔与特定的分子实体(分析物)之间存在相互作用，其调节通过孔的离子流动，造成通过孔的电流的特征性变化。所述分子实体可以是分子或分子的部分，例如DNA碱基。这样的相互作用是非常短暂的，如果希望检测到每个相互作用，则需要高时间分辨率和持续的监测。
然而，作为感测器元件的阱21的性能质量是可变的。脂质双层可能没有形成，意味着阱21没有性能，虽然实践中形成的高效率是可实现的。更显著地，插入到脂质双层中的有效的膜蛋白质的量的变化影响性能质量。清楚地，如果没有膜蛋白质插入，阱21没有性能。性能质量还可以随着有效的膜蛋白质插入的量变化。有时，可能插入对于希望的随机感测无效的膜蛋白质，例如因为它是变性的。一般来说，可接受的有效膜蛋白质的量取决于被实施的随机感测的类型。在下面的实施例中，可接受的性能质量是单一有效膜蛋白质的插入，其中多个膜蛋白质是不可接受的。在其他情况中，多个有效膜蛋白质的插入可以是可接受的。检测电路3如图3中所示布置，其中示意性地示出了传感器装置2。在传感器装置 2中，阱21被分成几个组。在图3中，所述组由4个阱21组成，但是所述组通�？梢杂扇魏胃词康内�21组成。检测电路3具有与阱21的每个组相连的检测通道30。为了清楚， 图3示出了阱21的单一组，并且为了清楚，示出了单一检测通道30，但是通常存在阱21的多个组，每个具有如图3中所示布置的相连的检测通道30。例如，为了一些应用，传感器装置2可以包括总共4096个阱21和IOM个检测通道30。设备1进一步包括开关装置31，其能够将检测通道30选择性地连接至组中的任何一个阱21。特别地，开关装置31是1-到-4多路转换器(multiplexor)(通常为1-到-N 多路转换器，其中N为组中阱21的数量)，包括4个开关32，每个连接在阱21的阱电极22 一个和公共接触部(公共触点)33之间，公共接触部33本身被连接至检测通道30的输入端。开关32原则上可以为任何类型的模拟开关，但是优选为半导体开关，例如通过晶体管，优选场效应晶体管形成的。开关32被选择成向检测通道30提供来自阱21 (其没有通过打开的开关32被连接)或来自锁存器34 (通过开关32)的最小的泄漏。大多数时间， 通过运行具有静态配置的开关的设备1，动态电荷注入影响被避免。开关装置31的状态通过存储在由解码器逻辑电路(logic) 35控制的数字锁存器 34中的数据来控制，所述解码器逻辑电路35按照由解码器逻辑电路35接收的控制信号控制锁存器34，使得任何一个单一的开关32在某时被关闭，由此将相应的阱21连接至检测通道30。解码器逻辑电路35允许相对于阱21的每个组的开关装置31被开关而不影响相对于任何其他组的开关装置31的状态。对于能够迅速改变开关装置31的构造没有要求。通常，改变可以要求在分钟的时间量程(时间尺度)上，并且完全的更新应当在直到0. 1秒到1秒的时间量程上实现。可接受的是实现锁存器34作为移位寄存器，并实现用于解码器逻辑电路35的串行数据接口， 优选利用差动信号。阱21通过连接至公共电极35的偏压供给(bias supply) 36相对于检测通道30 的输出而被偏压。通常偏压可达_200mV。没有有源(主动)连接至检测通道30的任何阱21被允许经由阱21中的流体浮动到公共电极25的电位，因此将没有电流通过。这消除了通过没有双层沈的阱21的放大器饱和的电位。解码器逻辑电路35也可以控制锁存器34以提供所有的开关32均打开的状态，由此允许组中所有的阱21浮动。在该状态下，检测通道30没有输入电流，并且也没有阱21通过任何电流。
为了降低成本，检测电路3在与传感器装置2分开提供的半导体芯片中实现。然而，作为备选方案，原则上，可以将检测电路3的一些组件，如开关装置31、锁存器34和解码器逻辑电路35，装备入整合到传感器装置2中的分开的半导体芯片中。这可以减少互连需求，但是需要传感器装置2具有一些额外的数字控制线以向解码器逻辑电路35供应控制信号。可选地，检测电路3可以如下被布置成为了测试目的向检测通道30供应已知量级的校准电流，相当于通过工作阱21的电流，通常为-50pA到-IOOpA的量级，使得检测电路 3的功能性可以在引入任何化学之前被确保。检测电路3包括可操作性的以供应校准电流的的校准源37和连接在校准源37与公共接触部33之间的另外的开关38。另外的开关38 通过锁存器34和解码器逻辑电路35以与开关装置31相同的方式来控制，以允许校准源37 连接至检测通道30，而不是任何一个阱21。每个检测通道30被如下布置成放大来自通过开关装置31连接其上的阱21的电信号。检测通道30因此被设计成放大具有足够分辨率的非常小的电流，以检测由感兴趣的相互作用造成的特征性变化。检测通道30还被设计成具有足够高的带宽以提供检测每个这样的相互作用所需的时间分辨率。这些限制需要灵敏并因此昂贵的组件。检测通道30包括电荷放大器40，其为差动放大器，具有构成检测通道30的输入并被连接至公共接触部33的倒相输入(反相输入)；以及非倒相输入(非反相输入，正相输入)，其被连接至内部参考源(内部基准源)41。偏压源36被连接在传感器装置2的公共电极25和电荷放大器40的非倒相输入之间以在其间施加偏压。电荷放大器40作为积分放大器通过电容器42被布置，所述电容器42被连接在电荷放大器40的倒相输入和电荷放大器40的输出之间。控制开关43与电容器42并联连接以控制通过电荷放大器40进行的集成。电荷放大器40集成从阱21供应至其的电流以提供代表在每个集成期供应的电荷的输出，集成期为固定的持续时间，使得它们是电流的代表， 所述持续时间足够短以提供用于监测发生在连接于此的阱21中的事件的足够分辨率。电荷放大器40的输出被连接至并联布置并可选地设置有电压增益的两个取样保持放大器44。在使用中，取样保持放大器44被操作以提供关联的复式取样，每个与控制开关43同步开关以在每个集成期的开始和结束取样并保持积分电荷放大器40的输出。有用的信号通过采集取样保持放大器44的两个输出之间的差异获得。取样率足够高以时间分辨输出信号。通过取样保持放大器44输出的放大的信号被供给至多路转换器45，其多路传送通过所有的检测通道30输出的放大的信号并将它们供给至数据处理器4。多路转换器 45可以为通过A/D转换器46连接至数据处理器4的移位寄存器，但是一般来说，多路转换器45可以采取任何合适的形式，包括作为具有发生在取样保持放大器44和多路转换器45 之间的A/D转化的数字器件。可替换地，每个检测通道30可以设置有两个并联布置并交替使用的电荷放大器， 以通过每个电荷放大器被复位同时另一电荷放大器进行集成而提供更高的效率。有时，必须通过反转经由公共电极25穿过阱21施加的电位，接通作为蛋白质孔的膜蛋白质。为了使这个成为有效的，到达电荷放大器40的输入被设计成甚至当被给予负电流(与正常电流类似量级，通常为_50pA到-IOOpA的量级)时维持在恒定的偏压电位。数据处理器4接收并处理从检测电路30输出的来自每个检测通道30的信号。数据处理器4存储并处理放大的信号。数据处理器4还控制检测电路3的操作并通过向解码器电路35供给控制信号作为用于开关装置31的开关控制器起作用。数据处理器4可以是运行合适程序的微处理器或可以包括专用的硬件。数据处理器4可以包括插入计算机如桌上型电脑或膝上型电脑的卡。这样的计算机可以包括用于向用户展示放大的信号的图形工具，并且还可以提供依赖于感兴趣的相互作用的放大的信号的分析。在操作中，数据处理器4监测通过每个检测通道30输出的放大的信号40，并基于其控制开关装置31。尤其是，数据处理器4控制开关装置31以将检测通道30连接至具有可接受的性能质量的阱21之一，所述可接受的性能质量，也就是说，在这个实施例中意味着形成有脂质双层26，穿过所述脂质双层，单独的膜蛋白质插入其中。为了实现此，如上所述，在传感器装置2已经被用户制备后，数据处理器4进行传感器选择过程。在该传感器选择过程中，开关装置31被控制成将检测通道30相对于每个组顺序地连接至每个阱21。在该过程期间，放大的信号被监测以相对于每个阱21确定是否脂质双层形成和插入的膜蛋白质的数量。这可以通过例如利用在WO 2008/102120(国际专利申请号PCT/GB08/000562，其通过引用方式被并入本文中)中披露的分析技术，分析放大的信号以检测作为阱21的物理状态的特征的信号来实现。具有可接受的性能质量的阱21由此基于放大的信号被检测。在传感器选择过程中，组中的每个阱21可以被测试，或者所述过程可以在具有可接受的性能质量的阱21被检测到时就停止。在任一情况中，开关装置31随后被切换到将检测通道30连接至具有可接受的性能质量的阱21。其后，来自阱21的放大的信号被监测以允许感测该阱21中的事件。理想地，检测通道30中的每一个通过开关装置31被连接至阱21。然而，如果没有阱21具有可接受的性能质量，则开关装置31可以随后被切换到断开检测通道30与组中的所有阱21的连接。在该情况中，所述传感器选择过程可以在预定时间段后重复以检测是否阱21的性能质量随后已经变得可接受。检测通道30通过开关装置31持续地被连接至阱21，而不扫描穿过多个阱21的检测通道30。这是因为感测阱21中的事件的需求不持续。这与CMOS光传感器形成对比，其中入射光被整合入传感器元件，并且放大器被顺序地连接至传感器元件的扫描线。类似地，在随后的操作期间，放大的信号被监测以检测是否任何给定的阱21的性能质量例如通过第二膜蛋白质变得插入脂质双层26或者通过插入的膜蛋白质从脂质双层 26分离而不再是可接受的。在该情况中，开关装置31随后被切换到将检测通道30连接至具有可接受的性能质量的不同的阱21。不同的阱21可以是先前测定的具有可接受的性能质量的阱21，或者可以是通过再次进行传感器选择过程重新被选择的。检测通道30随后将继续供应有用的数据，并且设备1的效率将被恢复。然而，注意阱21的性能质量变得不可接受是较稀少的。通常，阱21的性能质量在一定的时间将保持可接受，所述时间足以感测许多膜蛋白质和分子实体之间的感兴趣的相互作用的发生。因此，检测通道30被连接到传感器元件的平均时期远大于需要感测单独的事件所需的时期。如下所述，与检测通道30的数量相比，阱21的数量的冗余提高了检测通道30的使用效率。膜蛋白质插入脂质双层沈是遵循泊松统计的随机过程。这意味着即使当每个阱 21的膜蛋白质的平均数量为1时，相当数量的阱21可能具有零个、两个或更多个插入的膜蛋白质，并且这些阱21因而不再是有用的。例如，发现在一个特别的实施方式中，发现阱21 中只有一个膜蛋白质的最大概率为约36%，并且这仅在条件最佳时实现。较大或较小的膜蛋白质浓度迅速导致可用阱21的减少(尤其是较少的暴露)。对于可能在实际实施方式中实现的效率的目前估计为约20%。在缺乏阱21的数量的冗余时，对于具有IOM个检测通道30的设备1的结论是它可以最多仅产生约368个工作阱21。其余的阱21和它们的检测通道30是不可用的。类似地，对于具有1 个检测通道30的设备1，具有可接受的性能质量的阱21的数量预期最多为约46个。因此，为了没有冗余的实现给定应用所需的阱21的给定数量，必须提供具有大量的检测通道30的装置。然而，由于检测通道30是昂贵的，因此在成本和可靠性方面，以及涉及到需要产生和丢弃大量的无用数据，这是起反作用的。然而，设备1中阱21的数量的冗余通过提高检测通道的使用效率解决了这个问题。脂质双层沈以为了当前目的可以被假定为接近100%的效率形成。随后利用溶液插入膜蛋白质，所述溶液的浓度和暴露时间被调节以使得每个阱21的膜蛋白质的平均数量接近1。因为阱21在实践中可能不具有相同尺寸的脂质双层沈，它们的俘获效率将变化。这与泊松统计结合以产生每个阱21的膜蛋白质数量的散布。设备1表征传感器装置 2以检测哪个阱21具有活性、有用的膜蛋白质。将每个组中阱21的数量作为N，由于每个检测通道30可以接入N个阱21而不是仅仅一个阱21，因此存在较大的机会，即N个阱21中的一个将具有可接受的性能质量。在阵列表征阶段的末尾，设备1由此可以预期具有更多可用的阱。这背后的理论可以理解如下。仅仅一个膜蛋白质插入到给定阱21中的概率Pl遵循泊松分布，具有限定的平均值，其依赖于脂质双层26的面积、溶液中膜蛋白质的浓度和脂质双层沈暴露于膜蛋白质溶液的时间。每个检测通道30可以接入N个阱21的效率通过N个阱21中的至少一个具有正好一个插入的膜蛋白质的概率给出。如果N个阱21中多余一个具有一个插入的膜蛋白质，设备1将不能够收集额外的数据。总效率可以从任何给定的阱21不具有正好一个插入的膜蛋白质的概率Q计算⑴=1-P1)。全部N个阱具有不同于一个插入的膜蛋白质的概率仅仅为QN。至少一个阱21具有单一的插入的膜蛋白质的概率由此为(I-QN)。基于这些概率，创建了模拟，以显示对于阱21的数量的不同水平的冗余，总效率 (即，具有可接受的性能质量的阱21的检测通道的比例)如何随着每个阱21的膜蛋白质的平均数量的变化，从每个检测通道30 —个阱21开始(即，没有冗余)，升高到每个通道 8个阱21。结果在图1和图2中示出，图1示出了通道效率，而图2示出了与没有冗余相比的效率增益。第一个曲线(N = 1)示出了每个检测通道30可以接入一个阱21并且具有约 0.36的峰值效率的情况，如上所述。随着可利用的阱21的数量增加，效率升高。随着每个通道的阱21的数量的增加，起初该升高快速，但是变得较不显著。例如，每个检测通道30 四个阱21的冗余提供了约83%的峰值效率。增加的冗余也使得曲线中的峰轻微变平，意味着即使每个阱21的膜蛋白质的平均数量由于较大的因素而变化，高效率依然维持。这提供了对于系统中可变性的一些测量弹性。虽然在每个阱21—个膜蛋白质的平均值处仍可获得峰值效率，但是图5中的曲线的形状表明当每个阱21的膜蛋白质的平均数量偏离最佳值时，尤其在低侧，冗余提供了不成比例的优势。冗余起作用以给予增益系数，其弥补(没有完全补偿)由每个阱21的降低的膜蛋白质的平均数量造成的效率的损失。这相当于赋予设备1较大的容限。表1显示了在膜蛋白质暴露的4倍变化范围内(膜蛋白质溶液的浓度乘以溶液与脂质双层26接触的时间)，作为冗余因素的函数的最大潜在效率。表1
孔/ 阱单式(1:1,单一，单向，单路，simplex)2:13:14:15:16:10.50.310.510.660.760.840.891.00.370.600.750.840.940.962.00.270.470.610.720.790.85随着冗余增加，作为暴露的函数的总效率变化减小。因此，小量的冗余改善了设备的总效率，如表2所示，其示出了对于不同的假定膜蛋白质插入效率(PIE”)，具有可接受的性能质量的阱21的数量。表2
检测通道PIE 20% 1阱/通道PIE 36% 1阱/通道PIE 20% 4阱/通道PIE 36% 4阱/通道12826467510225652921512045121041843024081024208368604816改进被清楚地示出。例如，具有512个检测通道30和2048个阱21 (4倍冗余) 的设备1被预期在最佳条件下，递送可达408个具有可接受的性能质量的阱21，留下仅约 20%的放大器通道不活动。这种性能质量可以与没有冗余预期的性能质量形成对比，其中具有IOM个检测通道30和IOM个阱21的设备被预期在最佳条件下，仅递送368个具有可接受的质量性能的阱21，对于较差的性能质量，这需要两倍的检测通道30。上面的实施方式使用开关装置31，其将每个检测通道30选择性地连接至N个阱 21的给定组，例如1-到-N多路转换器。这在图7中示意性地示出，显示的实例为布置在两个组中用于连接到两个检测通道30的8个阱21。开关装置31包括连接在每个阱电极22 和相对于阱21所属的那个组的公共接触部33之间的开关32。作为备选方案，原则上，可以使用这样的开关装置31，其将任何的阱21选择性地连接至任何的检测通道30到任何的阱21，例如纵横开关。这在图8中示意性示出，实例为布置用于连接到2个检测通道30的8个阱21。开关装置31包括连接在每个阱电极22和每个公共接触部33之间的开关32。这将进一步改善对于给定程度的冗余的效率增益。阱 21的数量以一个因数超出检测通道30的数量，所述因数反应了经历工作的阱21的预期的概率，并且原则上，如果这个因数足够高，那么可能接近100%的效率。然而，这个接近以复杂性的显著增加为代价，尤其是随着阱21和检测通道30的数量增加，所需的开关32的数量是阱21的数量与检测通道30的数量的乘积。这些效率增加提供了如下优点。关键点是从为了任何给定应用所需的给定数量的阱21获得结果所需的检测通道 30的数量减少。与阱21相比，检测通道30的生产更加复杂和昂贵，这是因为检测通道30 包括灵敏的电子器件，而阱21只是通过普通工艺形成的凹进部分。类似地，在传感器装置 2和检测电路3之间将需要更少的连接。因此，检测通道30的数量减少整体上降低了设备 1的成本，并改善了可靠性和产量。检测电路3的尺寸也减小。类似地，从检测电路3传送到数据处理器4的原始数据量减少。这减小了带宽并提高了数据处理器的资源(包括硬件和软件资源)的利用效率，其再次降低成本，或对于给定的加工资源的可用性，增加了可以被使用的传感器装置2的尺寸。还有一个优点是在要分析的样品的量(体积)有限时，此时造成了可用于相互作用的分子实体的数量的实际限制。传感器元件的使用效率增加意味着较大比例的可得到的相互作用被检测电路检测到。因此在需要获得大量的数据的应用中，提高相互作用的数量是重要的。现在将描述检测电路3的改良形式，其在图6中示出。与图3中示出的检测电路 3共有的部件被给予共同的参考数字，并且为了简短，不再重复其描述。在图3所示的检测电路3中，接通作为蛋白质孔的膜蛋白质可以通过反转施加至公共电极25的反偏压来实现。这是有效的，但是它具有造成整个传感器装置2上的暂时数据丢失的不利副作用。图6中所示的检测电路30的改良形式提供了穿过选择的传感器阱21施加反向电位而不影响其他阱21的功能性。如上所述，公共电极25被维持在由偏压源36提供的电压Vb，所述电压高于由内部参考源41提供的内部参考电压Vr，以便被连接到检测通道30的任何阱21经历所需的正向偏压。开关装置31允许任何或全部阱电极25与允许阱电位浮动的检测通道30的输入隔开。检测电路30另外包括接通偏压源47和另外的开关装置48，所述开关装置48包括 4个开关49并具有与开关装置31相同的结构，用于将接通偏压源47的输出选择性地连接到任何一个阱21的阱电极22。另外的开关装置48由锁存器34和解码器逻辑电路35控制。接通偏压源47提供了足以开通蛋白质孔的偏压Vu。为了确�？煽康目ǎ馔ǔＮ雌梗淙辉蛏险獠皇潜匦氲�。如果数据处理器4，在监测放大的信号的同时，检测蛋白质孔已经变的阻塞，那么数据处理器控制开关装置31打开连接到阻塞的蛋白质孔的开关32并控制另外的开关装置 48以关闭连接到具有阻塞的蛋白质孔的阱21的开关49。这使得涉及的阱21的阱电极22 处于反偏压下，由此开通蛋白质孔。在允许这样的开通的足够的时期后，开关49被打开以断开反偏压，而开关32被关闭以将检测通道30重新连接至涉及的阱21。
上面描述的设备1被设计成感测物理现象，所述物理现象为分子实体与脂质双层 26中的膜蛋白质的相互作用。然而，由此实现的优点同样可应用于感测其他物理现象，其中传感器元件的性能质量是可变的。例如，类似的优点可以在用于感测其他类型的分子实体的相互作用，和/或其他类型的物理事件的设备中，通过输出依赖于那些发生的事件的电极处的电信号，通过布置成感测物理事件的发生的传感器元件的阵列来实现，其中传感器元件的性能质量是可变的。类似的优点在用于利用传感器元件感测的设备中实现，所述传感器元件中的每一个包括形成在衬底上的各个阱，并且其内被布置有各个电极。在上面的实例中，基于是否有单一有效的膜蛋白质被插入穿过阱21的脂质双层， 作为传感器元件起作用的阱21的性能质量被测定为可接受或不可接受的。然而，性能质量的其他测量对于其他类型的感测是合适的。有时，性能质量的测量将是简单的决定传感器元件是否工作，如在上面的实例中，但是在另外的情况中，它可以是输出信号的质量的定量测量，例如与传感器元件相关的增益或噪声。作为随机感测分子实体与脂质双层中的膜蛋白质的相互作用的领域中的实例，输出信号的质量可以依赖于插入的膜蛋白质的数量(其中多个膜蛋白质是期望的)、噪声(其可以随着多个参数如脂质双层的面积或者电极性能而变化)、或漂移(其可以随着参数如电极性能而变化)。权利要求中限定的特征可以以任何组合一起使用。
权利要求
1.一种感测物理现象的方法，所述方法包括提供传感器装置，所述传感器装置包括包含各自的电极的传感器元件的阵列，每个传感器元件被布置成输出依赖于物理现象的所述电极处的电信号，所述传感器元件具有可变的性能质量；提供检测电路，所述检测电路包括多个检测通道，每个检测通道能够放大来自所述传感器元件之一的电信号，所述阵列中传感器元件的数量大于所述检测通道的数量；提供开关装置，所述开关装置能够将所述检测通道选择性地连接至各自的传感器元件；控制所述开关装置以基于从所述检测通道输出的放大的电信号，将所述检测通道选择性地连接至具有可接受的性能质量的各自的传感器元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理现象是随机物理事件的发生。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述物理事件是分子实体的相互作用。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述传感器元件包括离子通道。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述离子通道是膜蛋白质。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，所述传感器元件均被布置成支持其中膜蛋白质能够插入的脂质双层，所述物理事件为分子实体与脂质双层中的膜蛋白质的相互作用。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述传感器元件的性能质量依赖于脂质双层是否形成以及插入的膜蛋白质的数量是可变的，并且所述可接受的性能质量是脂质双层被形成和可接受数量的有效膜蛋白质被插入。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其中，控制所述开关装置的所述步骤包括控制所述开关装置以在大于需要感测单独的事件的时间段的时间段，将所述检测通道选择性地连接至各自的传感器元件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，控制所述开关装置的所述步骤包括控制所述开关装置以持续地将所述检测通道选择性地连接至具有可接受的性能质量的各自的传感器元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，控制所述开关装置的所述步骤包括控制所述开关装置以将所有的所述检测通道选择性地连接至具有可接受的性能质量的各自的传感器元件。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，控制所述开关装置的所述步骤包括控制所述开关装置以选择性地断开检测通道与不再具有可接受的性能质量的各自的传感器元件以及将断开的检测通道重新连接至具有可接受的性能质量的不同的各自的传感器元件。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述传感器元件均包括形成在主体中的各自的阱，并且在所述阱内布置有所述各自的电极。
13.一种用于感测物理现象的设备，所述设备包括传感器装置，所述传感器装置包括包含各自的电极的传感器元件的阵列，每个传感器元件被布置成输出依赖于物理现象的电极处的电信号，所述传感器元件具有可变的性能质量；检测电路，所述检测电路包括多个检测通道，每个检测通道能够放大来自所述传感器元件之一的电信号，所述阵列中传感器元件的数量大于所述检测通道的数量；开关装置，所述开关装置能够将所述检测通道选择性地连接至各自的传感器元件；开关控制器，被布置成控制所述开关装置的开关，以基于从所述检测通道输出的放大的电信号，将所述检测通道选择性地连接至具有可接受的性能质量的各自的传感器元件。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述物理现象是随机物理事件的发生。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述物理事件是分子实体的相互作用。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述传感器元件包括离子通道。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述离子通道是膜蛋白质。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的设备，其中，所述传感器元件均被布置成支持其中膜蛋白质能够插入的脂质双层，所述物理事件是分子实体与脂质双层中的膜蛋白质的相互作用。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述传感器元件的性能质量依赖于脂质双层是否形成以及插入的膜蛋白质的数量是可变的，并且所述可接受的性能质量是脂质双层被形成和可接受数量的膜蛋白质被插入。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的设备，其中，所述开关控制器被布置成控制所述开关装置以在大于需要感测单独的事件的时间段的时间段，将所述检测通道选择性地连接至各自的传感器元件。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的设备，其中，所述开关控制器被布置成控制所述开关装置以持续地将所述检测通道选择性地连接至具有可接受的性能质量的各自的传感器元件。
22.根据权利要求13至21中任一项所述的设备，其中，所述开关控制器被布置成控制所述开关装置以将所有的所述检测通道选择性地连接至具有可接受的性能质量的各自的传感器元件。
23.根据权利要求13至22中任一项所述的方法，其中，所述开关控制器被布置成控制所述开关装置以选择性地断开检测通道与不再具有可接受的性能质量的各自的传感器元件以及将断开的检测通道重新连接至具有可接受的性能质量的不同的各自的传感器元件。
24.根据权利要求13至23中任一项所述的设备，其中，所述传感器元件均包括形成在主体内的各自的阱，并且在所述阱内布置有所述各自的电极。
25.根据权利要求13至M中任一项所述的设备，其中，所述开关控制器被布置成在将检测通道选择性地连接至各自的传感器元件之后，监测从所述检测通道输出的放大的电信号，从而基于从所述检测通道输出的所述放大的电信号确定是否所述传感器元件不再具有可接受的性能质量，并且在该情况下，将所述检测通道选择性地连接至具有可接受的性能质量的不同的传感器元件。
26.根据权利要求13至25中任一项所述的设备，其中，所述开关装置包括多个开关元件，每个开关元件被布置成将所述检测通道中的一个选择性地连接至传感器元件的预定组中的任何传感器元件。
27.根据权利要求沈所述的设备，其中，所述开关元件为N-路多路转换器，所述预定的组包含N个传感器元件。
28.根据权利要求13至25中任一项所述的设备，其中，所述开关装置包括被布置成将任意一个所述检测通道选择性地连接至任意一个所述传感器元件的多个开关元件。
29.根据权利要求13至观中任一项所述的设备，其中，所述检测通道均包括积分放大器电路和连接至所述积分放大器电路的输出的取样-和-保持电路。
30.根据权利要求13至四中任一项所述的设备，其中，所述传感器装置进一步包括所有的所述传感器元件共有的公共电极。
31.根据权利要求13至30中任一项所述的设备，其中，所述设备进一步包括 偏压源；另外的开关装置，能够将所述偏压源选择性地连接至任意一个所述传感器元件。
全文摘要
本发明提供了一种用于感测分子实体与脂质双层中的膜蛋白质的相互作用的设备，包括传感器元件(21)的阵列，其被布置成输出依赖于所述相互作用的发生的电信号。一种检测电路(3)，包括能够放大来自传感器元件的电信号的检测通道(30)。提供的传感器元件(21)多于检测通道(30)，并且基于从所述检测通道输出的放大的电信号，检测通道(30)被选择性地连接至由于脂质双层被形成和可接受数量的膜蛋白质被插入而具有可接受的性能质量的传感器元件(21)。这改善了所述检测通道的利用效率，由于所述传感器元件的利用无效，导致所述设备的成本减少和利用较小的样品进行感测的能力。
文档编号G01N33/487GK102405410SQ201080017555
公开日2012年4月4日 申请日期2010年4月19日 优先权日2009年4月20日
发明者安东尼奥·卡纳斯, 西蒙·阿德里安·韦尔斯 申请人:牛津楠路珀尔科技有限公司
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