ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ АНАЛИЗА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 2021 года по МПК G01N27/27 

[1] Эта заявка заявляет преимущество в соответствии с 35 U.S.C § 119(e) для предварительной заявки США № 62/675,517, зарегистрированной 23 мая 2018 года, которая содержится по ссылке в своей полноте.

Область техники, к которой относится изобретение

[2] Настоящее изобретение относится к интегральным схемам для обнаружения биологических молекул. Интегральные схемы могут быть использованы для измерения импеданса исследуемого биологического образца. Интегральные схемы могут быть использованы для определения последовательности полинуклеотидов с помощью матрицы элементов.

Уровень техники

[3] Платформы для измерения свойств биологических молекул могут включать в себя большие матрицы отдельных элементов, которые обеспечивают высокую производительность и параллельную обработку и анализ. Такие матрицы могут быть использованы, например, в определении последовательности полинуклеотидов и белков. Чтобы обеспечивать быстрые времена измерений, уменьшать потребление мощности и добиваться очень точного и чувствительного измерения, измерительная схема может быть объединена с матрицей элементов, используемой для обработки биологических образцов. Схемы для улучшения точности, чувствительности и скорости измерений являются желательными.

Сущность изобретения

[4] Согласно настоящему изобретению, предоставляются интегральные схемы, содержащие: матрицу элементов, содержащую множество измерительных элементов, при этом каждый из множества измерительных элементов содержит сенсорную схему, сконфигурированную для измерения импеданса исследуемого биологического образца, при этом сенсорная схема содержит множество входов и выход; логическую схему строкового доступа, функционально соединенную с входом каждого из множества измерительных элементов и сконфигурированную для выбора строк матрицы элементов; логическую схему записи элемента, функционально соединенную с входом другого из множества измерительных элементов; аналоговый мультиплексор, функционально соединенный с выходом каждого из множества измерительных элементов; схему столбцового усилителя, функционально соединенную с аналоговым мультиплексором; аналого-цифровой преобразователь, функционально соединенный со столбцовым усилителем; мультиплексор/FIFO («первым пришёл — первым ушёл»)-буфер, функционально соединенный с аналого-цифровым преобразователем; и внешний интерфейс, функционально соединенный с мультиплексором/FIFO-буфером.

[5] Согласно настоящему изобретению, биосенсорные схемы содержат: измерительный элемент, при этом измерительный элемент содержит: объем элемента; противоэлектрод (CE), расположенный в первом фрагменте объема элемента; и рабочий электрод (WE), расположенный во втором фрагменте объема электрода; и измерительную схему, при этом измерительная схема содержит: вход для управляющего напряжения; вход для напряжения сброса; WE-вход, при этом WE-вход является взаимосвязанным с WE; и выход.

[6] Согласно настоящему изобретению, измерительные схемы содержат биосенсорную схему согласно настоящему изобретению.

[7] Согласно настоящему изобретению, устройство молекулярного обнаружения содержит биосенсорную схему согласно настоящему изобретению.

[8] Согласно настоящему изобретению, способы обнаружения молекулы содержат: инициирование биосенсорной схемы согласно настоящему изобретению посредством приложения управляющего напряжения; сброс биосенсорной схемы посредством приложения напряжения сброса к выходу; приложение AC-сигнала (сигнала переменного тока) к CE; и дискретизацию AC-сигнала на выходе.

[9] Согласно настоящему изобретению, способы обнаружения биомолекулы содержат приложение напряжения перехода к CE биосенсорной схемы согласно настоящему изобретению; сброс биосенсорной схемы посредством приложения напряжения сброса к выходу; и дискретизацию напряжения AC-сигнала.

[10] Согласно настоящему изобретению, способы обнаружения исследуемого биологического образца содержат использование интегральной схемы, предоставленной настоящим изобретением.

Краткое описание чертежей

[11] Специалисты в области техники поймут, что чертежи, написанные в данном документе, существуют только в иллюстративных целях. Чертежи не предназначаются, чтобы ограничивать рамки настоящего изобретения.

[12] Фиг. 1 показывает схематичное представление примера интегральной схемы, предоставленной настоящим изобретением.

[13] Фиг. 2 показывает разделение на блоки элементов в интегральной схеме, предоставленной настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

[14] В целях последующего описания следует понимать, что варианты осуществления, предоставленные настоящим изобретением, могут предполагать различные альтернативные варианты и последовательности этапов за исключением того, когда явно указано противоположное. Кроме того, в отличие от примеров, или когда указывается иное, все числа, выражающие, например, количества ингредиентов, используемых в спецификации и формуле изобретения, должны пониматься как модифицируемые во всех случаях термином "приблизительно". Соответственно, пока не указано противоположное, числовые параметры, изложенные в последующей спецификации и прилагаемой формуле изобретения, являются приближениями, которые могут изменяться в зависимости от описанных свойств, которые должны быть получены. Как минимум, а не как попытка ограничить применение основных принципов эквивалентов к рамкам формулы изобретения, каждый числовой параметр должен, по меньшей мере, истолковываться в свете числа сообщенных значащих цифр и посредством применения обычных методов округления.

[15] Несмотря на то, что числовые диапазоны и параметры, излагающие широкие рамки изобретения, являются приближениями, числовые значения, изложенные в конкретных примерах, сообщаются точно, насколько возможно. Любое числовое значение, однако, по своему существу содержит некоторые погрешности, обязательно получающиеся в результате стандартного отклонения, обнаруживаемого в их соответствующих испытательных измерениях.

[16] Также, следует понимать, что любой числовой диапазон, перечисленный в данном документе, предназначается, чтобы включать в себя все поддиапазоны, охваченные в нем. Например, диапазон "с 1 по 10" предназначается, чтобы включать в себя все поддиапазоны между (и включающие в себя) перечисленным минимальным значением, приблизительно равным 1, и перечисленным максимальным значением, приблизительно равным 10, т.е., имеющие минимальное значение, равное или больше приблизительно 1, и максимальное значение, равное или меньше приблизительно 10. Также, в этой заявке, использование "или" означает "и/или", пока специально не сформулировано иное, даже если "и/или" может быть явно использовано в некоторых случаях.

[17] "Исследуемый образец" ссылается на биологический материал, такой как полинуклеотид или белок.

[18] "Полинуклеотид" ссылается на полимерную форму нуклеотидов любой длины, либо дезоксирибонуклеотиды, либо рибонуклеотиды, либо их аналоги. Полинуклеотиды могут иметь любую трехмерную структуру и могут выполнять любую функцию, известную или неизвестную. Примеры полинуклеотидов: включают в себя кодирующие или некодирующие области гена или фрагмента гена, локусы (локус), определенные из анализа групп сцепления, экзоны, интроны, матричную РНК (мРНК), транспортную РНК (тРНК), рибосомную РНК (рРНК), малую интерферирующую РНК (миРНК), короткую шпилечную РНК (кшРНК), микроРНК (микро РНК), рибозимы, кДНК, рекомбинантные полинуклеотиды, разветвленные полинуклеотиды, плазмиды, векторы, выделенную ДНК любой последовательности, выделенную РНК любой последовательности, зонды для нуклеиновой кислоты и праймеры. Полинуклеотид может содержать один или более модифицированных нуклеотидов, таких как метилированные нуклеотиды и нуклеотидные аналоги. Если присутствуют, модификации в структуре нуклеотида могут быть обеспечены перед или после сборки полимера. Последовательность нуклеотидов может быть прервана ненуклеотидными компонентами. Полинуклеотид может быть дополнительно модифицирован после полимеризации, например, посредством соединения с маркирующим компонентом.

[19] Ссылка теперь выполняется на некоторые интегральные схемы, предоставленные настоящим изобретением. Описанные интегральные схемы не предназначаются, чтобы ограничивать формулу изобретения. Напротив, формула изобретения предназначается, чтобы охватывать все альтернативы, модификации и эквиваленты.

[20] Биосенсорные интегральные схемы предназначаются для измерения одного или более свойств биологического материала в отдельных измерительных элементах матрицы элементов. Матрица элементов может содержать, например, от 1000 до 10000000 отдельных элементов, от 2000 до 7000000 отдельных элементов, от 500000 до 5000000 отдельных элементов, или от 2000 до 2000000 измерительных элементов, например, 1048576 элементов. Биосенсорная интегральная схема может быть сконфигурирована, чтобы измерять импеданс биологического материала в измерительном элементе в матрице элементов, оцифровывать измеренный импеданс и выводить оцифрованные результаты.

[21] Биологическая молекула может включать в себя, например, макромолекулу, такую как полинуклеотид или белок. Полинуклеотид может содержать геномную ДНК, геномную кДНК, внеклеточную ДНК, внеклеточную кДНК или сочетание любых из вышеупомянутых. Полинуклеотид может включать в себя внеклеточную ДНК, циркулирующую опухолевую ДНК, геномную ДНК и ДНК из зафиксированных в формалине и залитых парафином образцов. Образец может содержать любой подходящий образец ДНК и/или кДНК, такой как, например, моча, кал, кровь, слюна, ткань, биопсия, телесная жидкость или опухолевые клетки. Образец полинуклеотида может быть получен из любого подходящего источника. Например, образец может быть получен от пациента, от животного, от растения или из окружающей среды, такой как, например, естественная или искусственная среда, водной системы, почвы, система сбора атмосферных патогенов, приповерхностный осадок, подземные воды или установка для очистки сточных вод. Полинуклеотиды из образца могут включать в себя один или более различных полинуклеотидов, таких как, например, ДНК, РНК, рибосомная РНК (рРНК), транспортная РНК (тРНК), микро РНК (микро РНК), матричная РНК (мРНК), фрагменты любого из вышеупомянутого или сочетания любого из вышеупомянутого. Образец может содержать ДНК. Образец может содержать геномную ДНК. Образец может содержать метохондриальную ДНК, хлоропластную ДНК, плазмидную ДНК, бактериальные искусственные хромосомы, искусственные хромосомы дрожжей, олигонуклеотидные метки, или сочетание каких-либо из вышеупомянутых.

[22] Биосенсорная интегральная схема, предоставляемая настоящим изобретением, может быть встроена в платформу, содержащую матрицу измерительных элементов.

[23] Блок-схема примера биосенсорной интегральной схемы показана на фиг. 1. Интегральная схема 100, показанная на фиг. 1, включает в себя матрицу 101 элементов, логику 102 строчного доступа, логику 103 записи элементов, столбцовые аналоговые мультиплексоры 104, столбцовые усилители 105, аналого-цифровые преобразователи (ADC) 106, мультиплексор/FIFO-буфер 107, параллельный USB-интерфейс 108, главное электрическое смещение 109 и датчик 110 температуры.

[24] Матрица 101 элементов содержит множество отдельных измерительных элементов. Каждый измерительный элемент может содержать сенсорную схему, сконфигурированную для измерения импеданса биологического материала, такого как полинуклеотид, фрагмента биологического материала, такого как нуклеиновая кислота, или метка, ассоциированная с биологическим материалом. Сенсорная схема может быть соединена с системой обработки микрожидкостного образца.

[25] Чтобы увеличивать время считывания/преобразования измерительных элементов, матрица элементов может быть разделена на меньшие матрицы элементов, называемые блоками элементов. Например, матрица 101 элементов, содержащая 1048576 отдельных элементов, размещенных в 1024 столбцах и 1024 строках, может быть разделена на 16 блоков элементов, при этом каждый блок элементов содержит 65536 отдельных элементов.

[26] Например, каждый блок элементов может содержать 65536 элементов, состоящих из 256 строк и 256 столбцов, ассоциированную логику доступа к строке для каждого блока элементов, тридцать два (32) 8:1 аналоговых мультиплексора, тридцать два (32) столбцовых усилителя и тридцать два (32) ADC.

[27] Логика 103 записи элемента электрически соединяется с каждым из отдельных измерительных элементов и в соединении с логикой 102 строкового доступа определяет момент времени, когда к сенсорной схеме измерительного элемента осуществляется доступ, и обнаруженный сигнал, такой как импеданс, считывается и отправляется в схему обнаружения. Схема обнаружения может содержать столбцовые аналоговые мультиплексоры 104, столбцовые усилители 105 и аналого-цифровые преобразователи (ADC) 106.

[28] Логика записи элемента предоставляет возможность выбора двух возможных напряжений для каждого отдельного элемента. Два возможных напряжения представляются на двух выводах микросхемы. Выбранное напряжение может быть приложено к схеме элемента и, в зависимости от значения, может служить, чтобы: (1) включать элемент, (2) отключать элемент или (3) включать элемент и определять напряжение, которое пропускается через исследуемый образец.

[29] Каждый блок элементов может быть электрически независимым от каждого из других блоков элементов.

[30] Пример разделения матрицы элементов, разделенной на 16 блоков элементов (блоки элементов с 0 по 15), показан на фиг. 2.

[31] Последующее описание ссылается на матрицу элементов, имеющую всего 1048576 отдельных элементов, размещенных в 1024 столбцах и 1024 строках, которая может быть разделена на 16 блоков элементов, при этом каждый блок элементов содержит 65536 отдельных элементов, имеющих 256 столбцов и 256 строк.

[32] Чтобы осуществлять доступ к элементу в блоке элементов, к каждому из измерительных элементов в строке осуществляется одновременный доступ посредством логики строкового доступа. Аналоговое напряжение каждого из 256 элементов в строке выводится в 8:1 аналоговый мультиплексор. Сенсорная схема измерительного элемента прикладывает напряжение через исследуемый образец, такой как биологическая молекула. Различные напряжения могут быть приложены через исследуемый образец, и выбор того, какое напряжение прикладывать, может быть определен посредством схемы 103 логики записи элемента. Аналоговое напряжение является пропорциональным импедансу измерительного элемента. Когда аналоговый мультиплексор последовательно осуществляет доступ к каждому столбцу матрицы элементов, аналоговое напряжение от сенсорной схемы каждого элемента в столбце предоставляется ассоциированному столбцовому усилителю 105. Столбцовый усилитель возбуждает емкость линии столбца и предоставляет аналоговое напряжение в ADC, такой как 8-битный ADC, для преобразования в цифровой выходной сигнал, такой как 8-битный цифровой сигнал. Для каждой строки ADC выполняет восемь последовательных аналого-цифровых преобразований, по одному для каждого из восьми столбцов, к которым осуществляется доступ. Каждый доступ к строке производит 256 8-битовых цифровых выходных сигналов для каждого из элементов, к которым осуществлен доступ, в строке, к которой осуществлен доступ. Эти 8-битные цифровые выходные сигналы затем отправляются в буфер (mux/FIFO), а впоследствии в подходящий интерфейс взаимосвязывания, такой как параллельный USB-интерфейс, для вывода внешнему устройству. После того как к каждому из элементов в строке осуществлен доступ, считывание и вывод, доступ может быть осуществлен к следующей строке, и процесс повторяется до тех пор, пока каждый измерительный элемент матрицы элементов не будет считан, преобразован и выведен.

[33] Сенсорная схема может включать в себя, например, три (3) аналоговых входа (VC1, VC2 и VRST) и два цифровых входа. Сенсорная схема может содержать множество входов.

[34] Фиг. 2 показывает подробности примера физического размещения блоков элементов устройства интегральной схемы. Устройство включает в себя матрицу элементов, разделенную на 16 блоков элементов, включающих в себя с блока 0 элементов по блок 15 элементов. Строка 0 физически располагается на вершине каждого блока элементов, а строка 255 на дне каждого блока элементов. Столбец 0 физически располагается на левой стороне каждого блока элементов, а столбец 255 физически располагается на правой стороне каждого блока элементов. Блок 0 элементов физически располагается в верхней правой части матрицы элементов, а блок 15 элементов в нижней правой части матрицы элементов.

[35] Чтобы индуцировать ток через исследуемый образец, напряжение может быть приложено через исследуемый образец. Напряжение исследуемого образца предоставляется интегральной схеме по выводам VC1 и VC2, показанным на фиг. 1. Выбранное напряжение исследуемого образца может быть определено логикой записи элемента и логикой строкового доступа.

[36] Несколько настроек конфигурации устройства и выходных сигналов состояния могут быть выбраны и заданы пользователем. Эти настройки конфигурации и выходные сигналы состояния могут быть сохранены во внутренних регистрах (111 на фиг. 1). Внутренние регистры могут быть записаны и считаны через внешний интерфейс, такой как параллельный USB-интерфейс 108, или с помощью последовательной периферийной интерфейсной шины (SPI) 112.

[37] Интегральная схема может включать в себя главное электрическое смещение 109, которое формирует токи и напряжения смещения для внутренних схем. Токи и напряжения смещения могут быть предоставлены главному электрическому смещению посредством внешнего источника.

[38] Интегральная схема может включать в себя внутренний датчик температуры. Выходной сигнал внутреннего датчика температуры может быть использован для наблюдения за температурой интегральной схемы и регулирования внешнего охлаждающего устройства, сконфигурированного, чтобы поддерживать интегральную схему при предварительно определенной температуре.

[39] Каждый измерительный элемент матрицы элементов содержит сенсорную схему для измерения импеданса биологического материала элемента. Биологический материал, такой как полинуклеотид, также называется исследуемым образцом.

[40] Биосенсорная схема может быть сконфигурирована двумя способами. В первой конфигурации сенсорная схема может содержать предварительно заряженный конденсатор, который разряжается посредством импеданса исследуемого образца. В этой конфигурации сенсорная схема может применять уменьшенное число транзисторов и может использовать дублирующее смещение для точного регулирования напряжения.

[41] Чтобы обнаруживать импеданс исследуемого образца, формируется ток, который является пропорциональным импедансу исследуемого образца. Сформированный ток разряжает предварительно заряженный конденсатор, и результирующее напряжение является пропорциональным импедансу исследуемого образца. Этот ток формируется посредством приложения фиксированного напряжения через исследуемый образец, таким образом, создавая постоянный ток, который является функцией импеданса исследуемого образца. Напряжение, которое прикладывается через исследуемый образец, создается опосредованно через дублирующую схему смещения.

[42] Во второй конфигурации может быть использована схема токового зеркала, в которой импеданс исследуемого образца преобразуется в ток, ток усиливается, и усиленный ток преобразуется в напряжение с помощью суммирующего усилителя. Любая подходящая схема токового зеркала может быть использована.

[43] Столбцовые усилители буферизуют каждый измерительный элемент и возбуждают емкость каждого соответствующего столбца. Каждый измерительный элемент последовательно соединяется со своим ассоциированным столбцовым усилителем через мультиплексор. Это напряжение элемента затем вводится в столбцовый усилитель и отправляется в ADC для преобразования в цифровой выходной сигнал. Столбцовые мультиплексоры и столбцовые усилители могут быть раздельными схемами.

[44] Альтернативно, столбцовые мультиплексоры и столбцовые усилители могут быть объединены в единую схему. Объединение столбцовых мультиплексоров и усилителей уменьшает физическую область, используемую для двух функций, и уменьшает потребление мощности.

[45] Импеданс исследуемого образца типично является небольшим. Для преобразования импеданса в напряжение, которое может быть легко обнаружено, предварительно заряженный конденсатор разряжается в течение заданного времени посредством импеданса исследуемого образца, чтобы создавать напряжение, которое является пропорциональным импедансу исследуемого образца и достаточно большим для обнаружения. Этот узел, который имеет конденсатор, является выходом напряжения элемента. Однако, выход напряжения элемента не может быть переключен на линию столбца, поскольку емкость линии столбца будет перераспределяться с емкостью конденсатора элемента и уменьшать сигнал до небольшого значения, которое может не иметь возможности надежного обнаружения. По этой причине, просто размещение мультиплексора между выводом элемента и столбцовым усилителем не даст точных показаний. Традиционным подходом будет наличие одного столбцового усилителя для каждого столбца, и размещение нескольких столбцовых усилителей в каждом элементе для буферизации выхода элемента из емкости линии столбца. Столбцовые усилители могут быть размещены внутри элемента для буферизации выходного напряжения. Однако, чтобы уменьшать площадь интегральной схемы и минимизировать потребление мощности, является желательным, чтобы не было по одному столбцовому усилителю на каждый столбец. Чтобы устранять эту проблему, мультиплексор может быть объединен в столбцовый усилитель, так что выходное напряжение элемента буферизуется посредством нескольких столбцовых усилителей в каждом элементе, но имеет функцию мультиплексирования, встроенную в столбцовый усилитель. Таким образом, с помощью 8:1 встроенного мультиплексора, 1 столбцовый усилитель на 8 столбцов может быть использован, тем самым, уменьшая площадь и потребление мощности.

[46] В типичной работе сенсорная схема измеряет импеданс исследуемого образца в измерительном элементе. Однако, при некоторых условиях, дополнительная емкость может возникать между сенсорной схемой и исследуемым образцом. Такая емкость может быть вызвана, например, химическими реакциями, внешними по отношению к сенсорной схеме элемента в измерительном элементе. Эта дополнительная емкость препятствует или мешает протеканию DC-тока через исследуемый образец.

[47] Чтобы обходить воздействия этой дополнительной емкости и предоставлять возможность точного и чувствительного измерения исследуемого образца, интегральная схема, предоставленная настоящим изобретением, может включать в себя AC-режимы восприятия импеданса исследуемого образца. AC-режим восприятия может быть объединен в интегральную схему или может быть сформирован внешне по отношению к интегральной схеме.

[48] Например, с помощью алгоритма испытания AC-режима низкочастотный AC-сигнал может быть приложен через исследуемый материал. Импеданс исследуемого образца будет функцией времени нарастания и спада AC-сигнала через исследуемый образец. Времена нарастания и спада приложенного AC-сигнала могут быть измерены со случайными интервалами, чтобы измерять импеданс образца. Низкочастотный AC-сигнал ссылается на AC-форму сигнала, такую как квадратная форма сигнала, имеющая характерную частоту, например, от 10 Гц до 1000 Гц.

[49] Альтернативные AC-режимы работы могут обеспечивать улучшенную точность измерения.

[50] В режиме AC-формирования низкочастотная AC-форма сигнала может быть приложена к исследуемому образцу. Схема генератора низкочастотной AC-формы сигнала может быть внешней по отношению к интегральной схеме или может быть встроена в интегральную схему. Генератор сигнала сброса элемента может также быть встроен в интегральную схему. AC-форма сигнала и сигнал сброса элемента могут быть синхронизированы по времени и прикладываться глобально к каждому из измерительных элементов матрицы элементов. Синхронизация AC-сигнала и сигнала сброса элемента обеспечивает быстрое и точное измерение времен нарастания и спада AC-сигнала, сформированного посредством исследуемого образца. Кроме того, AC-сигнал может опрашиваться с программируемыми интервалами, которые могут увеличивать динамический диапазон (чувствительность) измерения AC-сигнала.

[51] В AC-режиме работы сброс элемента и AC-сигнал возникают в точной, синхронизированной последовательности. В стандартном способе измерения сигнал сброса элемента и AC-сигнал могут быть асинхронными друг с другом, поскольку сброс формируется в микросхеме, а AC-сигнал формируется внешне по отношению к микросхеме. В способах измерения, предоставленных настоящим изобретением, сигнал сброса элемента и AC-сигнал являются синхронизированными. Синхронизация может быть достигнута посредством формирования сигнала сброса элемента и AC-сигнала либо внутренне, либо внешне. Если сформирован внутренне, сигнал сброса элемента и AC-сигнал формируются в микросхеме. Альтернативно, сигнал сброса и AC-сигнал могут быть сформированы внешним образом и введены в микросхему.

[52] Предварительно определенное время сброса элемента может быть использовано для установления того, когда начинать дискретизацию AC-сигнала измерения. Без предварительно определенного времени сброса элемента время сброса является случайным, и AC-измерение может начинаться в любой момент времени, приводя в результате к многим недействительным измерениям. Посредством установки предварительно определенного времени сброса и напряжения сброса элемента AC-измерения будут действительными и более точными.

[53] Вместо формирования AC-сигнала и сигнала сброса элемента внутренним образом, т.е., генераторы AC-сигнала и сигнала сброса элемента являются объединенными в интегральную схему, AC-сигнал может быть сформирован внешне и введен в интегральную схему. Этот режим предоставляет возможность большей гибкости в определении характеристик AC-сигнала. Когда AC-сигнал формируется в микросхеме, AC-сигнал может быть квадратной волной. Внешний AC-сигнал может быть сформирован на входе в микросхему. Формирование AC-сигнала внешне предоставляет возможность прикладывать другие формы сигналов, такие как синусоидальные или треугольные формы сигналов.

[54] В качестве другого примера, вместо приложения единственного AC-сигнала к измерительному элементу, два или более AC-сигнала, где каждый из двух или более AC-сигналов имеют различную характерную частоту, могут быть приложены к измерительному элементу. Два или более AC-сигналов могут быть сформированы внутренним образом, внешним образом или их сочетанием. Измеренное пиковое напряжение при каждой частоте будет зависеть от импеданса измерительного элемента и исследуемого образца. Посредством анализа пикового напряжения при различной частоте дополнительная емкость измерительного элемента может быть отсоединена от импеданса исследуемого образца.

[55] В стандартном способе квадратная волна накладывается через исследуемый образец, и результирующие времена нарастания и спада, измеряемые на выходе элемента, являются пропорциональными импедансу исследуемого образца и внутреннего конденсатора. В способах, предоставленных настоящим изобретением, синусоидальная волна накладывается через исследуемый образец, и сочетание импеданса исследуемого образца и внутреннего конденсатора элемента функционирует в качестве низкочастотного фильтра, который ослабляет синусоидальную волну, прикладываемую к исследуемому образцу. Ослабление синусоидальной волны является пропорциональным импедансу исследуемого образца.

[56] Другим способом выполнения AC-измерения является сброс измерительной схемы и формирование импульсов AC-сигнала. В этом режиме конденсатор измерительного элемента может быть сначала сброшен до фиксированного напряжения, а затем в конце периода сброса AC-сигнал прикладывается к исследуемому образцу, и напряжение на конденсаторе измерительного элемента измеряется.

[57] Форма волны сигнала и напряжение на конденсаторе измерительного элемента является функцией импеданса исследуемого образца, емкости внутреннего конденсатора элемента и задержки между нарастанием/спадом AC-сигнала и времени, в течение которого напряжение на внутреннем конденсаторе измеряется.

[58] Напряжение на внутреннем конденсаторе элемента может быть измерено на положительном фронте AC-сигнала, отрицательном фронте AC-сигнала или как на положительном, так и на отрицательном фронтах AC-сигнала. Когда измерение выполняется на обоих фронтах, измеренные напряжения могут быть вычтены, чтобы учитывать систематические погрешности в системе/схеме.

[59] Другим способом выполнения AC-измерения является формирование импульсов AC-сигналов, за которым следует сброс измерительной схемы. В этой конфигурации импульсный AC-сигнал сначала прикладывается к исследуемому образцу, а затем конденсатор измерительного элемента может быть сброшен до фиксированного напряжения. В конце периода сброса напряжение на концах конденсатора измерительного элемента измеряется.

[60] Форма волны сигнала в конденсаторе измерительного элемента является функцией импеданса исследуемого образца и емкости внутреннего конденсатора.

[61] Напряжение на концах конденсатора измерительного элемента может быть измерено на положительном фронте AC-сигнала, отрицательном фронте AC-сигнала или как на положительном, так и на отрицательном фронтах AC-сигнала. Когда измерение выполняется на обоих фронтах, измеренные напряжения могут быть вычтены, чтобы учитывать систематические погрешности в системе/схеме.

[62] Напряжение на концах конденсатора может быть измерено в одной или более точках во время нарастания и/или спада AC-сигнала. Выполнение множества измерений может увеличивать точность и чувствительность с помощью способов усреднения сигнала.

[63] К элементам в блоке элементов может быть последовательно осуществлен доступ по столбцу и по строке. После того как к каждому из 256 элементов строки осуществлен доступ, строка сбрасывается. Поскольку строки считываются последовательно, доступ к строке не будет осуществлен до тех пор, пока каждая из других 255 строк в блоке элементов не будет также считана. В результате, конденсатор, соединенный с каждым элементом, разряжается посредством исследуемого образца в течение интервала, равного времени считывания строки, умноженного на 256, называемого временем цикла элементов.

[64] При некоторых условиях конденсатор элемента может разряжаться до нуля быстрее времени цикла элементов. В этой ситуации, для того, чтобы получать действительные показатели измерения импеданса, время разряда конденсатора необходимо уменьшить (например, уменьшить скорость разряда), чтобы предохранять конденсатор от разряда полностью до нуля, прежде чем к измерительному элементу может быть осуществлен доступ и опрашивание.

[65] Чтобы предохранять конденсатор от разряда до нуля, время между сигналами сброса строки может быть уменьшено до менее чем 256 времен считывания строки. Соответственно, интегральная схема может включать в себя способность программировать интервал между сбросами строки от 1 до 256 времен считывания строки. Это предоставляет возможность пользователю регулировать скорость сброса строки, чтобы соответствовать импедансу исследуемого образца без необходимости модифицировать скорость микросхемы или тактовые импульсы.

[66] Этот отличительный признак может быть использован в AC-режиме, чтобы дискретизировать сигнал в конкретное время(времена), чтобы измерять экспоненциальный компонент сигнала.

[67] Доступ и считывание строк в блоке элементов может быть осуществлен последовательно, например, со строки 0 по строку 255.

[68] Альтернативно, доступ к строкам может быть осуществлен непоследовательно. Например, некоторые строки могут быть пропущены в процессе считывания, и/или доступ к некоторым строкам может быть осуществлен в непоследовательном порядке или в случайном порядке. Для этого интегральная схема, предоставленная настоящим изобретением, может включать в себя способность выбирать последовательность, в которой доступ к строкам осуществляется, и/или к каким строкам в блоке элементов доступ осуществления.

[69] Способы, предоставленные настоящим изобретением, содержат использование интегральных схем, описанных в данном документе, чтобы обнаруживать биологические молекулы.

[70] Способы обнаружения молекулы могут содержать приложение управляющего напряжения к измерительной схеме, сброс измерительной схемы посредством приложения напряжения сброса, приложение AC-сигнала к измерительной схеме; и дискретизацию AC-сигнала.

[71] Способы обнаружения молекулы могут содержать приложение AC-сигнала к измерительной схеме, приложение напряжения сброса к измерительной схеме посредством приложения напряжения сброса, и дискретизацию AC-формы сигнала.

[72] Приложение AC-сигнала может содержать приложение импульсного AC-сигнала.

[73] Дискретизация AC-сигнала может содержать дискретизацию времени нарастания AC-сигнала, дискретизацию времени спада AC-сигнала или дискретизацию времени нарастания и времени спада AC-сигнала. AC-сигнал может быть дискретизирован в один момент времени по времени нарастания и/или времени спада AC-сигнала или во множество моментов времени по времени нарастания и/или времени спада AC-сигнала.

[74] Таким образом, время считывания блока элементов может быть отрегулировано, чтобы приспосабливаться к скорости разряда конденсатора. Кроме того, строки, имеющие аномальные измерительные элементы, могут быть исключены из последовательности считывания и, тем самым, увеличивать общую производительность устройства.

Аспекты изобретения

[75] Аспект 1. Интегральная схема, содержащая: матрицу элементов, содержащую множество измерительных элементов, при этом каждый из множества измерительных элементов содержит сенсорную схему, сконфигурированную для измерения импеданса исследуемого биологического образца, при этом сенсорная схема содержит множество входов и выход; логическую схему строкового доступа, функционально соединенную с входом каждого из множества измерительных элементов и сконфигурированную для выбора строк матрицы элементов; логическую схему записи элемента, функционально соединенную с входом другого из множества измерительных элементов; аналоговый мультиплексор, функционально соединенный с выходом каждого из множества измерительных элементов; схему столбцового усилителя, функционально соединенную с аналоговым мультиплексором; аналого-цифровой преобразователь, функционально соединенный со столбцовым усилителем; мультиплексор/FIFO-буфер, функционально соединенный с аналого-цифровым преобразователем; и внешний интерфейс, функционально соединенный с мультиплксором/FIFO-буфером.

[76] Аспект 2. Интегральная схема из аспекта 1, при этом матрица элементов содержит от 1000 до 10000000 измерительных элементов.

[77] Аспект 3. Интегральная схема по любому из аспектов 1-2, при этом матрица элементов содержит множество блоков элементов, при этом каждый из множества блоков элементов содержит множество измерительных элементов.

[78] Аспект 4. Интегральная схема из аспекта 3, при этом каждый из множества блоков элементов содержит от 1000 до 10000000 измерительных элементов.

[79] Аспект 5. Интегральная схема из аспекта 3, при этом матрица элементов содержит 1048576 измерительных элементов; 16 блоков элементов, и каждый из блоков элементов содержит 65536 измерительных элементов.

[80] Аспект 6. Интегральная схема по любому из аспектов 3-5, при этом каждый из измерительных элементов в блоке элементов соединяется с 1 из 32 8:1 мультиплексоров.

[81] Аспект 7. Интегральная схема по любому из аспектов 3-6, при этом каждый из множества блоков элементов конфигурируется, чтобы работать независимо от каждого из других блоков элементов.

[82] Аспект 8. Интегральная схема по любому из аспектов 1-7, при этом сенсорная схема конфигурируется, чтобы измерять импеданс исследуемого образца в соответствующем измерительном элементе.

[83] Аспект 9. Интегральная схема по любому из аспектов 1-8, при этом сенсорная схема содержит: предварительно заряженный конденсатор, сконфигурированный, чтобы разряжаться посредством импеданса исследуемого образца в соответствующем измерительном элементе; и дублирующий регулятор напряжения смещения, сконфигурированный, чтобы прикладывать напряжение через исследуемый образец.

[84] Аспект 10. Интегральная схема по любому из аспектов 1-9, при этом сенсорная схема содержит схему токового зеркала.

[85] Аспект 11. Интегральная схема по любому из аспектов 1-10, при этом токовое зеркало конфигурируется, чтобы: преобразовывать импеданс исследуемого образца в ток; усиливать ток; и преобразовывать усиленный ток в напряжение с помощью суммирующего усилителя.

[86] Аспект 12. Интегральная схема по любому из аспектов 1-11, при этом аналоговый мультиплексор и столбцовый усилитель объединяются, и каждый измерительный элемент соединяется с мультиплексором-усилителем.

[87] Аспект 13. Интегральная схема по любому из аспектов 1-12, при этом сенсорная схема содержит схему формирования AC, сконфигурированную, чтобы формировать низкочастотный AC-сигнал; и схему сброса конденсатора, сконфигурированную, чтобы формировать сигнал сброса конденсатора; при этом низкочастотный AC-сигнал и сигнал сброса конденсатора синхронизируются во времени.

[88] Аспект 14. Интегральная схема по любому из аспектов 1-13, при этом низкочастотный сигнал содержит частоту от 10 Гц до 1000 Гц.

[89] Аспект 15. Интегральная схема из аспекта 14, при этом импеданс исследуемого образца является функцией времени нарастания и спада AC-сигнала через исследуемый образец.

[90] Аспект 16. Интегральная схема по любому из аспектов 14-15, при этом сенсорная схема конфигурируется, чтобы предоставлять возможность измерения времени нарастания и спада AC-сигнала в выбранные моменты времени.

[91] Аспект 17. Интегральная схема по любому из аспектов 14-16, при этом схема формирования AC конфигурируется, чтобы формировать AC-сигнал, характеризуемый двумя различными частотами.

[92] Аспект 18. Интегральная схема из аспектов 1-17, при этом сенсорная схема измерительного элемента содержит внешнюю схему формирования AC, сконфигурированную, чтобы формировать один или более низкочастотных AC-сигналов; и внешнюю схему сброса конденсатора измерительного элемента, сконфигурированную, чтобы формировать сигнал сброса конденсатора измерительного элемента, при этом низкочастотный AC-сигнал и сигнал сброса конденсатора измерительного элемента являются синхронизированными.

[93] Аспект 19. Интегральная схема из аспекта 18, при этом схема сброса конденсатора измерительного элемента конфигурируется, чтобы сбрасывать конденсатор измерительного элемента до фиксированного напряжения.

[94] Аспект 20. Интегральная схема по любому из аспектов 18-19, при этом низкочастотный AC-сигнал содержит импульсный AC-сигнал.

[95] Аспект 21. Интегральная схема по любому из аспектов 18-20, дополнительно содержащая измерительную схему, сконфигурированную, чтобы измерять напряжение на концах конденсатора измерительного элемента во время положительного фронта импульсного AC-сигнала, во время отрицательного фронта импульсного AC-сигнала, или во время как положительного фронта импульсного AC-сигнала, так и отрицательного фронта импульсного AC-сигнала.

[96] Аспект 22. Интегральная схема из аспекта 21, при этом сенсорная схема конфигурируется, чтобы прикладывать сигнал сброса конденсатора измерительного элемента, прикладывать AC-сигнал и измерять напряжение AC-сигнала на концах конденсатора измерительного элемента.

[97] Аспект 23. Интегральная схема из аспекта 21, при этом сенсорная схема конфигурируется, чтобы прикладывать AC-сигнал, прикладывать сигнал сброса конденсатора измерительного элемента и измерять напряжение AC-сигнала на концах конденсатора измерительного элемента.

[98] Аспект 24. Интегральная схема по любому из аспектов 21-23, при этом сенсорная схема конфигурируется, чтобы выполнять множество измерений AC-сигнала.

[99] Аспект 25. Интегральная схема по любому из аспектов 1-24, содержащая схему времени считывания, сконфигурированную, чтобы задавать продолжительность между временем сброса конденсатора и временем считывания измерительного элемента.

[100] Аспект 26. Интегральная схема из аспекта 25, при этом, продолжительность равна от 1 до 256 времен считывания строки.

[101] Аспект 27. Интегральная схема по любому из аспектов 25-26, при этом продолжительность выбирается, чтобы соответствовать импедансу исследуемого образца.

[102] Аспект 28. Интегральная схема по любому из аспектов 1-27, содержащая схему считывания строк, сконфигурированную, чтобы считывать строки в блоке элементов непоследовательно, при этом схема считывания строк соединяется с сенсорной схемой.

[103] Аспект 29. Интегральная схема из аспекта 28, при этом схема считывания строк является программируемой пользователем.

[104] Аспект 30. Интегральная схема по любому из аспектов 28-29, при этом схема считывания строк конфигурируется, чтобы независимо включать или отключать каждую из строк.

[105] Аспект 31. Способ обнаружения биологического исследуемого образца, содержащий использование интегральной схемы по любому из пп. 1-30.

[106] Следует отметить, что существуют альтернативные способы реализации вариантов осуществления, описанных в данном документе. Соответственно, настоящие варианты осуществления должны рассматриваться как иллюстративные, а не ограничивающие. Кроме того, формула изобретения не должна ограничиваться деталями, предоставленными в данном документе, и предоставляет право в своих полных рамках и своих эквивалентах.

Изобретение относится к интегральным схемам для обнаружения биологических молекул и может быть использовано для определения последовательности полинуклеотидов с помощью матрицы элементов. Интегральная схема для анализа биологических систем содержит матрицу элементов, содержащую множество измерительных элементов, при этом каждый из множества измерительных элементов содержит сенсорную схему, сконфигурированную, чтобы измерять импеданс биологического исследуемого образца, при этом сенсорная схема содержит множество входов и выход; логическую схему строкового доступа, функционально соединенную с входом каждого из множества измерительных элементов и сконфигурированную, чтобы выбирать строки матрицы элементов; логическую схему записи элемента, функционально соединенную с входом другого из множества измерительных элементов; аналоговый мультиплексор, функционально соединенный с выходом каждого из множества измерительных элементов; схему столбцового усилителя, функционально соединенную с аналоговым мультиплексором; аналого-цифровой преобразователь, функционально соединенный со столбцовым усилителем; мультиплексор/FIFO-буфер, функционально соединенный с аналого-цифровым преобразователем; и внешний интерфейс, функционально соединенный с мультиплексором/FIFO-буфером. Техническим результатом является увеличение точности, чувствительности и скорости измерений. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Интегральная схема для анализа биологических систем, содержащая:

матрицу элементов, содержащую множество измерительных элементов, при этом каждый из множества измерительных элементов содержит сенсорную схему, сконфигурированную, чтобы измерять импеданс биологического исследуемого образца, при этом сенсорная схема содержит множество входов и выход;

логическую схему строкового доступа, функционально соединенную с входом каждого из множества измерительных элементов и сконфигурированную, чтобы выбирать строки матрицы элементов;

логическую схему записи элемента, функционально соединенную с входом другого из множества измерительных элементов;

аналоговый мультиплексор, функционально соединенный с выходом каждого из множества измерительных элементов;

схему столбцового усилителя, функционально соединенную с аналоговым мультиплексором;

аналого-цифровой преобразователь, функционально соединенный со столбцовым усилителем;

мультиплексор/FIFO-буфер, функционально соединенный с аналого-цифровым преобразователем; и

внешний интерфейс, функционально соединенный с мультиплексором/FIFO-буфером.

2. Интегральная схема по п. 1, при этом матрица элементов содержит множество блоков элементов, при этом каждый из множества блоков элементов содержит множество измерительных элементов.

3. Интегральная схема по п. 2, при этом каждый из измерительных элементов в блоке элементов соединен с 1 из 32 8:1 мультиплексоров.

4. Интегральная схема по п. 2, при этом каждый из множества блоков элементов сконфигурирован, чтобы работать независимо от каждого из других блоков элементов.

5. Интегральная схема по п. 1, при этом сенсорная схема сконфигурирована, чтобы измерять импеданс исследуемого образца в измерительном элементе.

6. Интегральная схема по п. 1, при этом сенсорная схема содержит:

предварительно заряженный конденсатор измерительного элемента, сконфигурированный, чтобы разряжаться посредством импеданса исследуемого образца в измерительном элементе; и

дублирующий регулятор напряжения смещения, сконфигурированный, чтобы прикладывать напряжение через исследуемый образец.

7. Интегральная схема по п. 1, при этом сенсорная схема содержит схему токового зеркала.

8. Интегральная схема по п. 7, при этом токовое зеркало сконфигурировано, чтобы:

преобразовывать импеданс исследуемого образца в ток;

усиливать ток; и

преобразовывать усиленный ток в напряжение с помощью суммирующего усилителя.

9. Интегральная схема по п. 1, при этом аналоговый мультиплексор и столбцовый усилитель объединены, и каждый измерительный элемент соединен с мультиплексором-усилителем.

10. Интегральная схема по п. 1, при этом сенсорная схема содержит:

схему формирования AC, сконфигурированную, чтобы формировать низкочастотный AC-сигнал; и

схему сброса конденсатора измерительного элемента, сконфигурированную, чтобы формировать сигнал сброса конденсатора измерительного элемента;

при этом низкочастотный AC-сигнал и сигнал сброса конденсатора измерительного элемента являются синхронизированными во времени.

11. Интегральная схема по п. 10, при этом импеданс исследуемого образца является функцией времени нарастания и спада AC-сигнала через исследуемый образец.

12. Интегральная схема по п. 10, при этом сенсорная схема сконфигурирована, чтобы предоставлять возможность измерения времени нарастания и спада AC-сигнала в выбранные моменты времени.

13. Интегральная схема по п. 10, при этом схема формирования AC сконфигурирована, чтобы формировать AC-сигнал, характеризуемый двумя различными частотами.

14. Интегральная схема по п. 1, при этом сенсорная схема содержит:

внешнюю схему формирования AC, сконфигурированную, чтобы формировать один или более низкочастотных AC-сигналов; и

внешнюю схему сброса конденсатора измерительного элемента, сконфигурированную, чтобы формировать сигнал сброса конденсатора измерительного элемента, при этом низкочастотный AC-сигнал и сигнал сброса конденсатора измерительного элемента являются синхронизированными.

15. Интегральная схема по п. 14, при этом низкочастотный AC-сигнал содержит импульсный AC-сигнал.

16. Интегральная схема по п. 14, дополнительно содержащая измерительную схему, сконфигурированную, чтобы измерять напряжение на концах конденсатора измерительного элемента во время положительного фронта импульсного AC-сигнала, во время отрицательного фронта импульсного AC-сигнала, или как во время положительного фронта импульсного AC-сигнала, так и отрицательного фронта импульсного AC-сигнала.

17. Интегральная схема по п. 16, при этом сенсорная схема сконфигурирована, чтобы выполнять множество измерений AC-сигнала.

18. Интегральная схема по п. 1, содержащая схему времени считывания, сконфигурированную, чтобы задавать продолжительность между временем сброса конденсатора измерительного элемента и временем считывания измерительного элемента.

19. Интегральная схема по п. 18, при этом продолжительность выбирается, чтобы соответствовать импедансу исследуемого образца.

20. Интегральная схема по п. 1, содержащая схему считывания строк, сконфигурированную, чтобы считывать строки в блоке элементов непоследовательно, при этом схема считывания строк соединена с сенсорной схемой.

21. Интегральная схема по п. 20, при этом схема считывания строк сконфигурирована, чтобы независимо включать или отключать каждую из строк.

22. Способ обнаружения биологического исследуемого образца, содержащий этап, на котором используют интегральную схему по п. 1.