相控纳米孔阵列
阅读说明：本技术 相控纳米孔阵列 (Phased nanopore array ) 是由 S.费南德斯-戈梅斯 J.W.曼尼 于 2018-04-18 设计创作，主要内容包括：本文中描述的技术可以将具有不同相位的AC信号施加到纳米孔传感器芯片中的纳米孔单元的不同群组。当纳米孔单元的第一群组处于暗时段并且没有被模数转换器(ADC)采样或被最小采样来捕获有用数据时,纳米孔单元的第二群组处于亮时段,在此期间来自纳米孔的单元的第二群组的输出信号由模数转换器采样。ADC的参考电平设置基于施加的AC信号动态改变以充分利用ADC的动态范围。(When the th group of nanopore cells are in a dark period and are not sampled or minimally sampled by an analog-to-digital converter (ADC) to capture useful data, the second group of nanopore cells are in a bright period during which output signals from the second group of nanopore cells are sampled by the ADC.)
背景技术
具有在内直径方面大约一纳米的孔大小的纳米膜器件在快速核苷酸测序方面示出了希望。当跨浸在导电流体中的纳米孔而施加电压信号的时候，电场可使导电流体中的离子移动通过纳米孔。离子在导电流体中通过纳米孔的移动可以引起小的离子电流。施加的电压还可以将待测序的分子移动到纳米孔中、移动穿过纳米孔或从纳米孔移出。离子电流的水平（或相应的电压）取决于纳米孔的大小和化学结构以及已移动到纳米孔中的特定分子。
作为移动通过纳米孔的DNA分子（或其它待测序的核酸分子）的替代，分子（例如，被添加至DNA链的核苷酸）可以包括特定大小和/或结构的特定标记。可以测量包括纳米孔的电路中的离子电流或电压（例如，在积分电容器处），作为测量对应于分子的纳米孔电阻的方式，从而允许检测纳米孔中的特定分子以及核酸的特定位置处的特定核苷酸。
基于纳米孔的测序传感器芯片可以用于DNA测序。基于纳米孔的测序传感器芯片可以并入大量传感器单元，其被配置为用于并行DNA测序的阵列。例如，基于纳米孔的测序传感器芯片可以包括被布置在二维阵列中的100,000或更多单元，用于并行地为100,000或更多DNA分子测序。在不损害测量的情况下，可能难以将这么多单元装入传感器芯片中。高效地操作这样的传感器芯片上的电路可能也是困难的。
发明内容
本文中描述的技术涉及将具有不同相位的AC信号施加到由纳米孔传感器芯片中的相同数据采样电路服务的纳米孔单元的不同群组。由于AC信号的不同相位，在一定时间段期间，纳米孔单元的第一群组可处于暗时段，并且没有被数据采样电路（例如，模数转换器（ADC））采样或被最小采样来捕获有用的数据，而纳米孔单元的第二群组可处于亮时段，并且来自纳米孔单元的第二群组的输出信号可被模数转换器采样。可以基于施加的AC信号来动态地改变ADC 的参考电平设置，以充分利用ADC的动态范围。本文中描述的技术还可以应用于使用周期性改变的DC偏压的系统，其在电极被再充电的时候也可具有“暗”时段。
根据一个实施例，用于核酸（例如 ，DNA）测序的传感器芯片包括组织成N个群组的第一组单元，其中N是两个或更多的整数。每个单元包括单元电极，其被配置为向单元提供AC信号用于表征核酸分子的核苷酸。用于核酸测序的传感器芯片还包括至少N个电路，其中至少N个电路中的每个电路被配置为向单元的N个群组中的单元的相应群组的一个或多个单元电极提供单独可配置的AC信号。
根据另一个实施例，用于核酸测序的传感器芯片包括一组单元。该组单元中的每个单元可以包括被配置为接收与核苷酸连接的标记的纳米孔；纳米孔驻留在其中的膜，其中该膜在电路中起电容器的作用并且纳米孔起电阻器的作用；第一电极，其电耦合到单元的第一端上的电路；以及第二电极，其耦合到所述单元的第二端上的电路并由该组单元中的两个或更多单元共享。传感器芯片还包括控制电路，该控制电路被配置为通过第一电极施加第一AC信号以对电容器进行预充电，并且通过第二电极施加第二信号以经由纳米孔来对预充电的电容器进行充电或放电。
根据另一个实施例，一种使用包括一组单元的传感器芯片进行核酸测序的方法可以包括：将第一AC信号施加到该组单元中的单元的第一群组，以及将第二AC信号施加到该组单元中的单元的第二群组，其中第一AC信号和第二AC信号具有不同的相位。该方法还可以包括在第一AC信号的第一部分期间，使用模数转换器（ADC）对来自单元的第一群组的输出信号进行采样，而不对来自单元的第二群组的输出信号进行采样。该方法可以进一步包括，在第一AC信号的第二部分期间，使用ADC对来自单元的第二群组的输出信号进行采样，而不对来自单元的第一群组的输出信号进行采样。
以下详细描述本发明的这些和其它实施例。例如，其它实施例涉及与本文中描述的方法相关联的系统、设备和计算机可读介质。
换句话说，本发明提供了一种用于核酸测序的传感器芯片，所述传感器芯片包括组织成N个群组的第一组单元，N是两个或更多的整数，每个单元具有单元电极，其被配置为向单元提供AC信号以用于表征核酸分子的核苷酸；以及至少N个电路，至少N个电路中的每个电路都配置为向N个群组中的一个或多个单元的相应群组的一个或多个单元电极提供可单独配置的AC信号。
第一组单元中的每个单元可包括配置为向该单元提供第二信号的公共电极，该公共电极由第一组单元中的两个或更多单元共享。第一组单元中的每个单元可以进一步包括定位在单元电极和公共电极之间的纳米孔，其中该纳米孔被配置为接收与核苷酸连接的标记，并充当单元电极和公共电极之间的可变电阻器。第一组单元中的每个单元还可以进一步包括耦合到单元电极的积分电容器；并且至少N个电路中的每个电路可以被配置为用AC信号对来自N个群组的一个或多个单元的相应群组的积分电容器进行预充电。在这种情况下，一个或多个单元的群组的预充电积分电容器可以被配置为由第二信号充电或放电。
传感器芯片还可以进一步包括耦合至第一组单元的采样电路，其中N个电路被配置为向N个群组提供不同的AC信号；并且采样电路被配置为基于提供给N个群组的AC信号来选择性地对来自N个群组的一个或多个单元的一个或多个群组的电压信号进行采样。在第一时间段期间，提供给N个群组的一个或多个单元的第一群组的一个或多个单元电极的AC信号的电压水平可以高于提供给一个或多个单元的第一群组的公共电极的第二信号的电压水平；提供给N个群组的一个或多个单元的第二群组的一个或多个单元电极的AC信号的电压水平可以低于提供给一个或多个单元的第二群组的公共电极的第二信号的电压水平；并且采样电路可以被配置为对来自一个或多个单元的第一群组或一个或多个单元的第二群组的电压信号进行采样，但不是二者。在第二时间段期间，提供给N个群组的一个或多个单元的第一群组的一个或多个单元电极的AC信号的电压水平可以高于提供给一个或多个单元的第一群组的公共电极的第二信号的电压水平；提供给N个群组的一个或多个单元的第二群组的一个或多个单元电极的AC信号的电压水平可以高于提供给一个或多个单元的第二群组的公共电极的第二信号的电压水平；并且所述采样电路可以被配置为执行以下各项之一：以第一采样速率对来自一个或多个单元的第一群组的电压信号进行采样，而不对来自一个或多个单元的第二群组的电压信号进行采样；以第一采样速率对来自一个或多个单元的第二群组的电压信号进行采样，而不对来自一个或多个单元的第一群组的电压信号进行采样；以及以第二采样速率对来自一个或多个单元的第一群组的电压信号进行采样和以第三采样速率对来自一个或多个单元的第二群组的电压信号进行采样，其中第二采样速率和第三采样速率低于第一采样速率。采样电路还可以包括模数转换器（ADC）；采样电路可以被配置为基于提供给N个群组的不同AC信号动态地改变针对ADC的参考电平设置。
传感器芯片的AC信号可以是矩形波，并且可以具有等于或小于50％的占空比。所述第二信号可以是频率低于所述AC信号的频率的第二AC信号，或者可以是DC信号。N个电路可以被配置为向N个群组中的一个或多个单元的不同群组提供具有不同相位的AC信号。
传感器芯片可以进一步包括组织成N个群组的第二组单元，第二组单元中的每个单元具有单元电极，该单元电极被配置为向单元提供AC信号以用于表征核酸分子的核苷酸，其中至少N个电路中的每个电路被配置为向第一组单元的N个群组中的相应群组的一个或多个单元电极以及第二组单元的N个群组中的相应群组的一个或多个单元电极提供可单独配置的AC信号。另外，传感器芯片还可以包括第一采样电路，该第一采样电路耦合到第一组单元并且被配置为对来自第一组单元的N个群组中的一个或多个群组的电压信号选择性地采样；以及第二采样电路，其耦合到第二组单元并且被配置为对来自第二组单元的N个群组中的一个或多个群组的电压信号选择性地采样。
传感器芯片还可包括两个或更多流体通道，其中不同流体通道中的单元被组织成N个群组中的不同群组。至少N个电路中的每个电路可以包括开关，该开关被配置为将单元电极交替地连接到两个电压水平；并且每个开关由AC控制信号控制。N个群组中的每一个可以包括至少一个单元。
第一组单元中的每个单元可以包括开关，该开关被配置为将单元电极交替地连接到两个电压水平；每个开关由AC控制信号控制；其中至少N个电路中的每个电路包括相应群组中的一个或多个单元的一个或多个开关；并且相应群组中的一个或多个单元的一个或多个开关接收相同的AC控制信号。
本发明还提供了一种用于核酸测序的传感器芯片，其包括一组单元，其中该组单元中的每个单元均包括被配置为接收连接至核苷酸的标记的纳米孔；纳米孔驻留在其内的膜，其中该膜在电路中起电容器的作用并且纳米孔起电阻器的作用；在单元的第一端上电耦合到电路的第一电极；第二电极，其在单元第二端上耦合到电路并由该组单元中的两个或更多单元共享；以及控制电路，其被配置为通过第一电极施加第一AC信号以对电容器进行预充电；并通过第二电极施加第二信号以经由纳米孔对预充电的电容器进行充电或放电。
在这种情况下，每个单元的第一电极可以独立于该组单元中的其它单元的第一电极。该组单元中的每个单元还可以包括积分电容器；并且控制电路还可以被配置为通过第一电极施加第一AC信号以对积分电容器进行预充电；并通过第二电极施加第二信号以经由纳米孔对预充电的积分电容器进行充电或放电。第二信号可以是DC信号或频率小于第一AC信号的频率的第二AC信号。该组单元可以耦合到模数转换器。该组单元中的每个单元还可以包括开关，该开关被配置为由AC控制信号控制以将第一电极交替地连接到两个电压水平以用于将第一AC信号施加到第一电极。
本发明还提供用于核酸测序的传感器芯片，其包括组织为N个群组的第一组单元，N是两个或更多的整数，每个单元具有被配置为向单元提供AC信号以用于表征核酸分子的核苷酸的单元电极；模数转换器（ADC），其耦合到第一组单元并被配置为转换来自第一组单元的输出信号；以及控制电路，被配置为将第一AC信号施加到单元的N个群组中的单元的第一群组；将第二AC信号施加到单元的N个群组中的单元的第二群组，其中第一AC信号和第二AC信号具有不同的相位；并且在第一AC信号的第一部分期间，使ADC转换来自单元的第一群组的输出信号，而不转换来自单元的第二群组的输出信号。
本发明还提供了一种使用包括一组单元的传感器芯片进行核酸测序的方法，该方法包括将第一AC信号施加至该组单元中的单元的第一群组；将第二AC信号施加到该组单元中的单元的第二群组，其中第一AC信号和第二AC信号具有不同的相位；在第一AC信号的第一部分期间，使用模数转换器（ADC）对来自单元的第一群组的输出信号进行采样，而不对来自单元的第二群组的输出信号进行采样；并且在第一AC信号的第二部分期间，使用ADC对来自单元的第二群组的输出信号进行采样，而不对来自单元的第一群组的输出信号进行采样。
将所述第一AC信号施加到该组单元中的单元的第一群组可以包括：将所述第一AC信号施加到单元的第一群组中的每个单元的单元电极；并且将第二AC信号施加到该组单元中的单元的第二群组可以包括将第二AC信号施加到单元的第二群组中的每个单元的单元电极。
该方法可以进一步包括将公共信号施加到由该组单元组共享的公共电极，其中该公共信号是DC信号或第三AC信号，其频率小于第一AC信号的频率和第二AC信号的频率。而且，该方法可以进一步包括在第一AC信号的第三部分期间，使用ADC对来自单元的第二群组和单元的第一群组二者的输出信号进行采样。而且，可以改变基于第一AC信号和第二AC信号的针对ADC的参考电平设置。
本发明还提供一种包括计算机可读介质的计算机产品，该计算机可读介质存储了用于控制计算机系统以执行以上方法中的任何的操作的多个指令。
本发明进一步提供一种系统，该系统包括所公开的计算机产品和用于执行存储在计算机可读介质上的指令的一个或多个处理器。
附图说明
图1是具有纳米孔单元的阵列的纳米孔传感器芯片的实施例的顶视图。
图2图示了可以用于表征多核苷酸或多肽的纳米孔传感器芯片中的纳米孔单元的实施例。
图3图示了通过使用基于纳米孔的合成测序（纳米-SBS）技术来执行核苷酸测序的纳米孔单元的实施例。
图4图示了纳米孔单元中的电路的实施例。
图5示出了在AC循环的亮时段和暗时段期间从纳米孔单元捕获的示例数据点。
图6是示例纳米孔传感器芯片中的纳米孔单元的阵列的截面图 。
图7是包括纳米孔单元的二维阵列的示例纳米孔单元的阵列的顶视图。
图8是包括纳米孔单元的二维阵列的示例纳米孔单元的阵列的示意图。
图9图示了从纳米孔单元阵列的列中的纳米孔单元捕获的示例数据样本。
图10是根据本公开的某些方面的包括纳米孔单元的二维阵列的示例纳米孔单元阵列的示意图。
图11图示了根据本公开的某些方面的用于纳米孔单元阵列的示例控制信号。
图12图示了根据本公开的某些方面从纳米孔单元阵列的列中的纳米孔单元捕获的示例数据样本。
图13示出了根据本公开的某些方面的用于纳米孔单元阵列的示例控制信号。
图14A示出了根据本公开的某些方面的用于纳米孔传感器芯片中的ADC的固定参考电平。
图14B图示了根据本公开的某些方面的用于纳米孔传感器芯片中的ADC的可变参考电平。
图15是图示了根据本公开的某些方面的使用包括一组单元的传感器进行核酸测序 的示例方法的流程图。
图16是根据本公开的某些方面的可与系统和方法一起使用的示例计算机系统的框图。
定义
“核酸”可以是指以单链或双链形式的脱氧核苷酸或核糖核苷酸及其聚合物。该术语可以包括核酸，其包含已知的核苷酸类似物或经修改的主干残余或链接，其是合成的、自然出现的以及非自然出现的，其具有与参考核酸类似的结合性质，并且以与参考核苷酸类似的方式被新陈代谢。这样的类似物的示例可以无限制地包括硫代磷酸、亚磷酰胺、甲基膦酸酯、手性甲基膦酸酯、2-O-甲基核糖核苷酸、肽核酸（PNA）。术语核酸可与基因、cDNA、mRNA、寡核苷酸和多核苷酸互换地使用。
术语“模板”可以是指单链核酸分子，其被拷贝到DNA核苷酸的互补链中以用于DNA合成。在一些情况中，模板可以是指在mRNA的合成期间被拷贝的DNA的序列。
术语“引物”可以是指短核酸序列，其提供用于DNA合成的起始点。催化DNA合成的酶（诸如DNA聚合酶）可以将新的核苷酸添加到引物以用于DNA复制。
如本文中所使用的，术语“列”通常可以是指共享采样和转换电路的纳米孔单元阵列中的纳米孔单元。列中的纳米孔单元可以或可以不被物理地制造在纳米孔传感器芯片上的列中。
如本文中所使用的，术语“亮时段”可以一般是指当经标记的核苷酸的标记通过经由AC信号所施加的电场而被强制进入纳米孔中的时间段。术语“暗时段”可以一般指代当经标记的核苷酸的标记通过经由AC信号所施加的电场而从纳米孔中被推出的时间段。AC循环可以包括亮时段和暗时段。在不同的实施例中，被施加到纳米孔单元以将纳米孔单元置于亮时段（或暗时段）中的电压信号的极性可以是不同的。
具体实施方式
本文中所公开的技术涉及基于纳米孔的核酸测序，并且更具体地涉及通过基于纳米孔的测序传感器芯片来增加数据采样速率，所述基于纳米孔的测序传感器芯片包括大量并行测序纳米孔单元。
在基于纳米孔的合成测序（Nano-SBS）中，通常期望较高的采样速率，因为例如较高的采样速率允许观察到具有较短持续时间的事件，这可以增大碱基读出的准确性。此类事件的示例可以包括未结合的核苷酸标记短暂进入纳米孔，核苷酸被短暂结合但未被催化，以及核苷酸被快速催化（潜在地跟随着相同的核苷酸在下一个定位处被催化）。然而，由于例如模数转换器的有限的采样和转换速度和/或总线、数据存储设备或数据处理电路的有限的带宽，可能的采样速率存在上限。
AC信号可以用于Nano-SBS中以改善包括纳米孔单元的阵列的纳米孔传感器芯片的寿命。例如，可以将恒定水平施加到纳米孔传感器芯片中的每个纳米孔单元的工作电极，并且可以将通用AC信号施加到纳米孔单元的共享对电极。在该示例中，每个纳米孔单元以基本上相同的相位经历AC循环。每个AC循环可以包括亮时段（标记可以被推入纳米孔中以用于标识核苷酸）和暗时段，其中占空比可以是低的（即，暗时段可以比亮时段长得多）。因此，纳米孔传感器芯片的所有纳米孔单元将大致同时处于亮时段或暗时段。
在亮时段期间，与列中的纳米孔单元相关联的数据采样和转换电路可以对来自列中每个纳米孔单元的输出电压信号顺序地采样和转换，作为标识标记并因此掺入核苷酸的一部分。AC信号在亮时段中将结合的核苷酸标记吸引（穿过）纳米孔中，并且因此测得的信号提供了关于当前结合了哪个标记（以及因此哪个核苷酸）的信息。在暗时段（任何核苷酸标记被推出纳米孔）期间，不可获得关于纳米孔中任何核苷酸标记的信息，并且因此来自单元的输出电压信号很少有用或者没有用。然而，在暗时段期间，总之仍然可以对来自单元的输出电压信号进行采样和转换，或者数据采样和转换电路可以是空闲的。因此，至少在暗时段期间，数据采样和转换电路的带宽的很大一部分可能不被用来捕获有用的数据。
此外，对于具有高单元密度的纳米孔传感器芯片，单个采样和转换电路可以服务多个单元。因此，可以以比采样和转换电路的完整采样速率低得多的速率来对每个单元进行采样。
本文中公开的技术通过将具有不同相位的AC信号施加于列中的不同纳米孔单元来解决以上问题，使得当列中的一些纳米孔单元处于暗时段时，同一列中的一些其它纳米孔单元处于亮时段。例如，列中的纳米孔单元可以被组织成两个或更多群组。可以将恒定电压水平施加到所有纳米孔单元的对电极，并且施加到纳米孔单元的每个群组中的纳米孔单元的工作电极的AC信号的相位可以延迟不同的值。
以这种方式，在任何给定时间，数据采样和转换电路可以对来自列中的处于亮时段的纳米孔单元的部分的输出电压信号进行采样和转换，其中暗时段被最小地采样，例如，仅用于归一化目的。照此，由于该电路在任何给定时间正服务较少的单元，因此在亮时段期间可以为每个纳米孔单元以较高的速率执行数据采样和转换。此外，因为暗时段仅被最小地采样，所以所捕获的数据中的所有或几乎所有将是有用的，这与其中暗时段被以不必要的高速率进行采样的情况相反。以这种方式，实施例可以减少在任何时间段内由采样和转换电路服务的单元的数目，并且因此即使不使用较快的数据采样和转换电路也可以增大每单元的采样速率。
基于纳米孔的测序芯片
图1是具有纳米孔单元150的阵列140的纳米孔传感器芯片100的实施例的顶视图。每个纳米孔单元150包括控制电路，所述控制电路被集成在纳米孔传感器芯片100的硅衬底上。在一些实施例中，侧壁136可以被包括在阵列140中，以分离纳米孔单元150的群组，使得每个群组可以接收不同的样本以用于表征。每个纳米孔单元可以用于对核酸进行测序。在一些实施例中，纳米孔传感器芯片100可以包括覆盖板130。在一些实施例中，纳米孔传感器芯片100还可以包括多个引脚110以便与其它电路（诸如计算机处理器）对接。
在一些实施例中，纳米孔传感器芯片100可以包括在同一封装中的多个芯片，诸如例如多芯片模块（MCM）或封装中系统（SiP）。所述芯片可以包括例如存储器、处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、数据转换器、高速I/O接口等等。
在一些实施例中，纳米孔传感器芯片100可以被耦合到（例如停驻到）纳米芯片工作站120，所述纳米芯片工作站120可以包括用于实施（例如自动实施）本文中所公开的过程的各种实施例的各种组件，例如包括分析物递送机构（诸如用于递送脂质悬浮液或其它膜结构悬浮液、分析物溶液和/或其它液体、悬浮液或固体的移液管）、机器人臂、计算机处理器和/或存储器。可以在纳米孔单元150的阵列140上检测多个多核苷酸。在一些实施例中，每个纳米孔单元150可以是单独可寻址的。
纳米孔测序单元
纳米孔传感器芯片100中的纳米孔单元150可以用许多不同的方式被实现。例如，在一些实施例中，不同大小和/或化学结构的标记可以被附连到待测序的核酸分子中的不同核苷酸。在一些实施例中，待测序的核酸分子的模板的互补链可以通过利用模板来杂交不同地经聚合物标记的核苷酸而被合成。在一些实现方式中，核酸分子和所附连的标记可以二者都移动通过纳米孔，并且通过纳米孔的离子电流由于附连到核苷酸的标记的特定大小和/或结构而可以指示处于纳米孔中的核苷酸。在一些实现方式中，仅仅标记可以被移动到纳米孔中。还可以存在用于检测纳米孔中的不同标记的许多不同方式。
A. 纳米孔测序单元结构
图2图示了可以用于表征多核苷酸或多肽的纳米孔传感器芯片中的示例纳米孔单元200的实施例，诸如图1的纳米孔传感器芯片100中的纳米孔单元150。纳米孔单元200可以包括由介电层201和204所形成的井205；膜，诸如在井205之上形成的脂质双层214；以及在脂质双层214上并且通过脂质双层214而与井205分离的样本腔室215。井205可以包含电解质体积206，并且样本腔室215可以持有包含纳米孔的大块电解质208（例如可溶性蛋白质纳米孔跨膜分子复合物（PNTMC））以及感兴趣的分析物（例如待测序的核酸分子）。
纳米孔单元200可以包括在井205底部的工作电极202，以及被布置在样本腔室215中的对电极210。信号源228可以在工作电极202与对电极210之间施加电压信号。单个纳米孔（例如PNTMC）可以通过由电压信号所引起的电穿过过程而被***到脂质双层214中，从而在脂质双层214中形成纳米孔216。阵列中的单独的膜（例如脂质双层214或其它膜结构）可以既不化学地也不电气地连接到彼此。因而，阵列中的每个纳米孔单元可以是独立的测序机器，其产生对于与纳米孔相关联的单个聚合物分子而言唯一的数据，所述纳米孔在感兴趣的分析物上操作，并且对通过以其它方式不可渗透的脂质双层的离子电流进行调制。
如图2中所示，纳米孔单元200可以被形成在衬底230（诸如硅衬底）上。可以在衬底230上形成介电层201。用于形成介电层201的介电材料可以包括例如玻璃、氧化物、氮化物等等。用于控制电激励并且用于处理自纳米孔单元200所检测的信号的电路222可以被形成在衬底230上和/或介电层201内。例如，多个经图案化的金属层（例如金属1至金属6）可以被形成在介电层201中，并且多个有源器件（例如晶体管）可以被制造在衬底230上。在一些实施例中，信号源228被包括作为电路222的一部分。电路222可以包括例如放大器、积分器、模拟到数字转换器、噪声滤波器、反馈控制逻辑和/或各种其它组件。电路222可以此外被耦合到处理器224，所述处理器224被耦合到存储器226，其中处理器224可以分析测序数据以确定已经在阵列中被测序的聚合物分子的序列。
工作电极202可以被形成在介电层201上，并且可以形成井205的底部的至少一部分。在一些实施例中，工作电极202是金属电极。对于非法拉第传导，工作电极202可以由金属或抗腐蚀和氧化的其它材料（诸如例如铂、金、氮化钛和石墨）制成。例如，工作电极202可以是具有经电镀的铂的铂电极。在另一示例中，工作电极202可以是氮化钛（TiN）工作电极。工作电极202可以是多孔的，从而增大其表面面积以及与工作电极202相关联的结果得到的电容。由于纳米孔单元的工作电极可以独立于另一纳米孔单元的工作电极，所以在本公开中工作电极可以被称为单元电极。
可以在介电层201上方形成介电层204。介电层204形成围绕井205的壁。用于形成介电层204的介电材料可以包括例如玻璃、氧化物、氮化硅（SiN）、聚酰亚胺或其它合适的疏水绝缘材料。介电层204的顶表面可以被硅烷化。硅烷化可以在介电层204的顶表面上方形成疏水层220。在一些实施例中，疏水层220具有大约1.5纳米（nm）的厚度。
由介电层壁204形成的井205包括在工作电极202上方的电解质206的体积。电解质206的体积可以被缓冲并且可以包括以下中的一个或多个：氯化锂（LiCl）、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、谷氨酸锂、谷氨酸钠、谷氨酸钾、醋酸锂、醋酸钠、醋酸钾、氯化钙（CaCl2）、氯化锶（SrCl2）、氯化锰（MnCl2）、以及氯化镁（MgCl2）。在一些实施例中，电解质206的体积具有大约三微米（μm）的厚度。
还如图2中所示，膜可以被形成在介电层204顶部并且跨越过井205。在一些实施例中，膜可以包括被形成在疏水层220顶部的脂质单层218。在膜抵达井205的开口时，脂质单层208可以转变成脂质双层214，所述脂质双层214跨越过井205的开口。脂质双层可以包括磷脂或由磷脂组成，所述磷脂例如选自选自二植烷酰基-磷脂酰胆碱（DPhPC）、1,2-二植烷酰基-sn-甘油-3磷酸胆碱、1,2-二-O-植烷基-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DoPhPC）、棕榈酰基-油酰基-磷脂酰胆碱（POPC）、二油酰基-磷脂酰-甲基酯（DOPME）、二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酸、磷脂酰肌醇、磷脂酰甘油、鞘磷脂、1,2-二-O-植烷基-sn-甘油；1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧基（聚乙二醇）-350]; 1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧基（聚乙二醇）-550]; 1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧基（聚乙二醇）-750]; 1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧基（聚乙二醇）-1000]; 1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧基（聚乙二醇）-2000]; 1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-乳糖苷; GM1神经节苷脂、溶血磷脂酰胆碱（LPC）或其任何组合。
如所示的，脂质双层214被嵌入有单个纳米孔216，其例如由单个PNTMC形成。如上所述，可以通过如下来形成纳米孔216：通过电穿过而将单个PNTMC***到脂质双层214中。纳米孔216可以足够大以用于在脂质双层214的两侧之间传递感兴趣的分析物和/或小离子（例如Na+、K+、Ca2+、CI-）中的至少一部分。
样本腔室215在脂质双层214之上，并且可以持有感兴趣的分析物的溶液以用于表征。溶液可以是水溶液，其包含大块电解质208并且被缓冲成最优离子浓度，并且被维持在最优PH处，以保持纳米孔216打开。纳米孔216跨脂质双层214，并且提供用于离子流从大块电解质208到工作电极202的仅有路径。除了纳米孔（例如PNTMC）和感兴趣的分析物之外，大块电解质208可以此外包括以下中的一个或多个：氯化锂（LiCl）、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、谷氨酸锂、谷氨酸钠、谷氨酸钾、醋酸锂、醋酸钠、醋酸钾、氯化钙（CaCl2）、氯化锶（SrCl2）、氯化锰（MnCl2）、以及氯化镁（MgCl2）。
对电极（CE）210可以是电化学电势传感器。在一些实施例中，对电极210可以在多个纳米孔单元之间被共享，并且可以因此被称为公共电极。在一些情况中，公共电势和公共电极可以对于所有纳米孔单元、或至少特定分组内的所有纳米孔单元而言是公共的。公共电极可以被配置成将公共电势施加到与纳米孔216接触的大块电解质208。对电极210和工作电极202可以被耦合到信号源228，以用于跨脂质双层214而提供电激励（例如偏压），并且可以用于感测脂质双层214的电特性（例如电阻、电容和离子电流流动）。在一些实施例中，纳米孔单元200还可以包括参考电极212。
在一些实施例中，可以在创建纳米孔单元期间、作为校准的一部分而做出各种检查。一旦创建了纳米孔单元，就可以执行此外的校准步骤，例如用于标识如期望的那样执行的纳米孔单元（例如单元中一个纳米孔）。这样的校准检查可以包括物理检查、电压校准、开放通道校准以及标识具有单个纳米孔的单元。
B. 纳米孔测序单元的检测信号
纳米孔传感器芯片中的纳米孔单元，诸如纳米孔传感器芯片100中的纳米孔单元150，可以使能实现并行测序，其使用通过合成（纳米-SBS）技术的基于单分子纳米孔的测序。
图3图示了通过使用纳米-SBS技术来执行核苷酸测序的纳米孔单元300的实施例。在纳米-SBS技术中，待测序的模板332（例如核苷酸分子或另一感兴趣的分析物）以及引物可以被引入到纳米孔单元300的样本腔室中的大块电解质308中。例如，模板332可以是圆形或线性的。核酸引物可以被与模板332的一部分杂交，向所述模板332的一部分可以添加四个不同地经聚合物标记的核苷酸338。
在一些实施例中，酶（例如聚合酶334，诸如DNA聚合酶）可以相关联于纳米孔316，以用于在将互补链合成到模板332中使用。例如，聚合酶334可以共价地附连到纳米孔316。聚合酶334可以通过使用单链核酸分子作为模板而催化核苷酸338往引物上的并入。核苷酸338可以包括标记种类（“多个标记”），其中核苷酸是四个不同的类型A、T、G或C之一。当经标记的核苷酸与聚合酶334恰当地复合的时候，可以通过电力而将标记拉入（加载）到纳米孔中，所述电力诸如在电场存在的情况下所生成的力，所述电场通过跨脂质双层314和/或纳米孔316所施加的电压而被生成。标记的尾部可以定位在纳米孔316的桶管（barrel）中。在纳米孔316的桶管中所保持的标记由于标记的独特的化学结构和/或大小而可以生成唯一的离子阻塞信号340，从而电子地标识标记所附连到的所增添的碱基。
如本文中所使用的，“被加载”或“穿过的”的标记可以是如下一个：其被定位在纳米孔中和/或保持在纳米孔中或其近旁达相当可观量的时间（例如0.1毫秒（ms）到10,000ms）。在一些情况中，标记在从核苷酸释放之前被加载到纳米孔中。在一些实例中，在被释放之后、在核苷酸并入事件时所加载的标记通过纳米孔（和/或被纳米孔检测到）的概率适当地高，例如90%到99%。
在一些实施例中，在聚合酶334被连接到纳米孔316之前，纳米孔316的电导可以很高，诸如例如大约300皮西门子（300pS）。在标记被加载到纳米孔中时，由于标记的独特的化学结构和/或大小而生成唯一的电导信号（例如信号340）。例如，纳米孔的电导可以是大约60 pS、80 pS、100 pS或120 pS，其各自对应于四种类型的经标记的核苷酸中之一。聚合酶然后可以经历异构化和转磷酸反应，以将核苷酸并入到增长的核酸分子中并且释放标记分子。
在一些情况中，经标记的核苷酸中的一些可能不与核酸分子（模板）的当前定位匹配（互补碱基）。不与核酸分子碱基配对的经标记的核苷酸也可通过纳米孔。这些不配对的核苷酸可以在如下时标内被聚合酶拒绝：所述时标短于恰当配对的核苷酸保持与聚合酶相关联的时标。被结合到不配对的核苷酸的标记可以快速通过纳米孔，并且在短的时间段（例如小于10ms）内被检测到，而被结合到配对核苷酸的标记可以被加载到纳米孔中，并且在长的时间段（例如至少10ms）内被检测到。因此，可以由下游处理器至少部分地基于在纳米孔中检测到核苷酸的时间而标识不配对的核苷酸。
包括被加载（穿过）的标记的纳米孔的电导（或等效地电阻）可以经由通过纳米孔的电流而被测量，从而提供标记种类以及因而在当前定位处的核苷酸的标识。在一些实施例中，直流（DC）信号可以被施加到纳米孔单元（例如，使得标记移动通过纳米孔所按的方向不被反转）。然而，通过使用直流而在长的时间段内操作纳米孔传感器可改变电极的组成，使跨纳米孔的离子浓度不平衡，并且具有能影响纳米孔单元寿命的其它不合期望的效应。施加AC（AC）波形可减少电迁移，以避免这些不合期望的效应并且具有如下所述的某些优点。利用经标记的核苷酸的本文中所述的核酸测序方法与所施加的AC电压完全兼容，并且因此AC波形可以用于实现这些优点。
在使用牺牲电极、在载流反应中改变分子特性的电极（例如包括银的电极）、或在载流反应中改变分子特性的电极的时候，在AC检测循环期间为电极再充电的能力可以是有利的。当使用DC信号的时候，在检测循环期间，电极可耗尽。再充电可防止电极达到耗尽限制，诸如变得完全耗尽，这在电极很小的时候可能是个问题（例如当电极足够小以提供具有每平方毫米至少500个电极的电极阵列的时候）。在一些情况中的电极寿命随着电极的宽度和总面积而缩放，并且至少部分地取决于电极的宽度。
用于测量通过纳米孔的离子电流的合适条件在本领域中是已知的，并且在本文中提供了示例。可以利用跨膜和孔所施加的电压来实施测量。在一些实施例中，所使用的电压范围可以从-400 mV到+400 mV。所使用的电压优选地在具有下限和上限的范围中，所述下限选自-400 mV、-300 mV、-200 mV、-150 mV、-100 mV、-50 mV、-20 mV和0 mV，所述上限独立地选自+10 mV、+20 mV、+50 mV、+100 mV、+150 mV、+200 mV、+300 mV和+400 mV。所使用的电压可以更优选地在100mV到240mV的范围中，并且最优选地在160mV到240mV的范围中。可能的是通过使用增大的所施加电势而按纳米孔增大在不同核苷酸之间的区别。通过使用AC波形和经标记的核苷酸来为核酸测序在2013年11月6日提交的、题为“Nucleic AcidSequencing Using Tags”、专利公布号为US 2014/0134616的美国专利中被描述，所述美国专利通过引用以其全部被并入本文中。除了在US 2014/0134616中所描述的经标记的核苷酸之外，可以通过使用核苷酸类似物来执行测序，所述核苷酸类似物缺乏糖或非循环半部，例如以下五个常见核酸碱基的（S）-甘油核苷三磷酸（gNTP）：腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、尿嘧啶和胸腺嘧啶（Horhota等人，Organic Letters， 8:5345-5347 [2006]）。
C. 纳米孔测序单元的电路
图4图示了纳米孔单元，诸如纳米孔单元200中的电路400（其可以包括图2中的电路222的部分）的实施例。如上所述，在一些实施例中，电路400包括对电极210，所述对电极210可以在纳米孔传感器芯片中的多个纳米孔单元或所有纳米孔单元之间被共享，并且因此还可以被称为公共电极。所述公共电极可以被配置成通过连接到电压源VLIQ 420而将公共电势施加到与纳米孔单元中的脂质双层（例如脂质双层214）接触的大块电解质（例如大块电解质208）。在一些实施例中，AC非法拉第模式可以用于利用AC信号（例如方波）来调制电压VLIQ，并且将它施加到与纳米孔单元中的脂质双层接触的大块电解质。在一些实施例中，VLIQ是方波，其具有±200-250 mV的量值，以及例如在25与400 Hz之间的频率。在对电极210与脂质双层（例如，脂质双层214）之间的大块电解质可以通过大的电容器（未示出）来被建模，所述大的电容器诸如例如100μF或更大。
图4还示出了电气模型422，其表示工作电极（例如工作电极202）和脂质双层（例如脂质双层214）的电气性质。电气模型422包括对与脂质双层相关联的电容进行建模的电容器426（CBilayer）以及对与纳米孔相关联的可变电阻进行建模的电阻器428（RPORE），其可基于纳米孔中特定标记的存在而改变。电气模型422还包括电容器424，所述电容器424具有双层电容（CDouble Layer）并且表示工作电极202和井205的电气性质。工作电极202可以被配置成施加独立于其它纳米孔单元中的工作电极的不同电势。
传通设备406是一开关，其可以用于从电路400连接或断开脂质双层和工作电极。传通设备406可以由存储器位控制，以启用或禁用将跨纳米孔单元中的脂质双层来施加的电压激励。在脂质被沉积以形成脂质双层之前，在两个电极之间的阻抗可以非常低，因为纳米孔单元的井没有被密封，并且因此传通设备406可以被保持断开以避免短路状况。在脂质溶剂已经被沉积到纳米孔单元以密封纳米孔单元的井之后，可以闭合传通设备406。
电路400可以此外包括芯片上积分电容器408（ncap）。积分电容器408可以通过使用预设信号403来闭合开关401而被预充电，使得积分电容器408被连接到电压源VPRE 405。在一些实施例中，电压源VPRE 405提供具有例如900mV量值的恒定正电压。当开关401闭合的时候，积分电容器408可以被预充电到电压源VPRE 405的正电压水平。
在积分电容器408被预充电之后，预设信号403可以用于断开开关401，使得积分电容器408从电压源VPRE405断开。在该点处，取决于电压源Vliq的水平，对电极210的电势可以处于比工作电极202（以及积分电容器408）的电势更高的水平处，或反之亦然。例如，在来自电压源VLIQ的方波的正相位（例如AC电压源信号循环的亮或暗时段）期间，对电极210的电势处于比工作电极202的电势更高的水平处。在来自电压源VLIQ的方波的负相位（例如AC电压源信号循环的暗或亮时段）期间，对电极210的电势处于比工作电极202的电势更低的水平处。因而，在一些实施例中，积分电容器408可以此外在来自电压源VPRE405的预充电的电压水平的亮时段期间被充电到较高水平，并且在暗时段期间被放电到较低水平，其由于在对电极210和工作电极202之间的电势差所致。在其它实施例中，充电和放电可以相应地发生在暗时段和亮时段中。
积分电容器408可以在固定时间段内被充电或放电，所述固定时间段取决于模拟到数字转换器（ADC） 410的采样速率，其可以高于1 kHz、5 kHz、10 kHz、100 kHz或更多。例如，利用1 kHz的采样速率，积分电容器408可以在大约1ms的时段内被充电/放电，然后电压水平可以在积分时段结束时被ADC 410采样并且转换。特定的电压水平将会对应于纳米孔中的特定标记种类，并且因而对应于模板上的当前定位处的核苷酸。
在通过ADC 410被采样之后，积分电容器408可以通过使用预设信号403来闭合开关401而被再次预充电，使得积分电容器408再次被连接到电压源VPRE 405。贯穿测序过程可以在循环中重复如下步骤：为积分电容器408预充电，等待固定的时间段以用于积分电容器408充电或放电，并且通过ADC 410来对积分电容器的电压水平进行采样和转换。
数字处理器430可以处理ADC输出数据，例如用于归一化、数据缓冲、数据过滤、数据压缩、数据缩减、事件提取、或将来自纳米孔单元的阵列的ADC输出数据组装成各种数据帧。在一些实施例中，数字处理器430可以执行进一步的下游处理，诸如碱基确定。数字处理器430可以被实现为硬件（例如以GPU、FPGA、ASIC等等来实现），或被实现为硬件和软件的组合。
因此，跨纳米孔所施加的电压信号可以用于检测纳米孔的特定状态。纳米孔的可能的状态之一是当标记附连的多磷酸盐从纳米孔的桶管中缺席的时候的开放通道状态。纳米孔的另四个可能的状态各自对应于当四个不同类型的经标记附连的多磷酸盐核苷酸（A、T、G或C）中的一个被保持在纳米孔的桶管中的时候的状态。纳米孔的又一可能的状态是当磷脂双层破裂的时候。
当在固定时间段之后测量积分电容器408上的电压水平的时候，纳米孔的不同状态可导致不同电压水平的测量。这是因为积分电容器408上的电压衰减（通过放电减小或通过充电增大）的速率（即积分电容器408上的电压相对于时间的曲线的斜率的陡度）取决于纳米孔电阻（例如电阻器RPORE 428的电阻）。更具体地，在与不同状态中的纳米孔相关联的电阻由于分子的（标记的）不同化学结构而不同时，电压衰减的不同的对应速率可以被观察并且可以被用于标识纳米孔的不同状态。电压衰减曲线可以是具有RC时间常量τ = RC的指数曲线，其中R是与纳米孔相关联的电阻（即RPORE 428），并且C是与R并联的、与膜（即电容器426（CBilayer））相关联的电容。纳米孔单元的时间常量可以是例如大约200-500 ms。衰减曲线可能不确切地拟合到指数曲线，这是由于双层的详细实现方式所致，但是衰减曲线可以类似于指数曲线并且是单调的，因而允许对标记的检测。
在一些实施例中，与开放通道状态中的纳米孔相关联的电阻可以是在100 MOhm到20 GOhm的范围中。在一些实施例中，与处于其中标记在纳米孔桶管内部的状态中的纳米孔相关联的电阻可以是在200 MOhm到40 GOhm的范围内。在其它实施例中，积分电容器408可以被省略，因为由于电气模型422中的电压衰减，通向ADC 410的电压将仍变化。
积分电容器408上的电压的衰减速率可以用不同的方式被确定。如以上所解释的，可以通过测量在固定时间间隔期间的电压衰减来确定电压衰减的速率。例如，积分电容器408上的电压可以首先通过ADC 410在时间t1处被测量，然后电压再次通过ADC 410在时间t2处被测量。当积分电容器408上的电压相对于时间的曲线的斜率更陡的时候，电压差更大，并且当电压曲线的斜率不太陡的时候，电压差更小。因而，电压差可以被用作用于确定积分电容器408上的电压衰减速率以及因而纳米孔单元的状态的度量。
在其它实施例中，可以通过如下来确定电压衰减的速率：测量对于所选量的电压衰减所需要的持续时间。例如，对于电压从第一电压水平V1降落或增大到第二电压水平V2所需要的时间可以被测量。当电压相对于时间的曲线的斜率更陡的时候，所需时间更少，并且当电压相对于时间的斜率不太陡的时候，所需的时间更大。因而，被测量的所需时间可以被用作用于确定积分电容器ncap408上的电压的衰减速率以及因而纳米孔单元的状态的度量。本领域技术人员将领会到可以用于测量纳米孔电阻的各种电路，例如包括电流测量技术。
在一些实施例中，电路400可以不包括被制造在芯片上的传通设备（例如传通设备406）和额外电容器（例如积分电容器408（ncap）），从而促进在基于纳米孔的测序芯片的尺寸方面的缩减。由于膜（脂质双层）的薄性质，与单独的膜（例如电容器426（CBilayer））相关联的电容可足以创建所需的RC时间常量，而无需附加的芯片上电容。因此，电容器426可以被用作积分电容器，并且可以通过电压信号VPRE被预充电，并且随后通过电压信号VLIQ被放电或充电。消除否则在电路中被制造在芯片上的额外电容器和传通设备可以显著减小纳米孔测序芯片中的单个纳米孔单元的占用空间，从而促进纳米孔测序芯片的缩放以包括越来越多的单元（例如在纳米孔测序芯片中具有数百万单元）。
D. 纳米孔单元中的数据采样
为了执行核酸测序，积分电容器（例如，积分电容器408（ncap）或电容器426（CBilayer））的电压水平可以由ADC（例如，ADC 410）采样并转换，而经标记的核苷酸被添加到核酸中。核苷酸的标记可以通过经由对电极和工作电极而被施加的跨纳米孔的电场来被推送到纳米孔的桶管中，例如当所施加的电压是使得VLIQ低于VPRE那样的时候。
穿过
穿过事件是当经标记的核苷酸被附连到模板（例如核酸片段）并且标记进和出纳米孔的桶管的时候。这在穿过事件期间可发生多次。当标记处于纳米孔的桶管中的时候，纳米孔的电阻可以较高，并且较低的电流可以流过纳米孔。
在测序期间，在一些AC循环中标记可不处于纳米孔中（被称为开放通道状态），其中由于纳米孔的较低电阻，电流是最高的。当标记被吸引到纳米孔的桶管中的时候，纳米孔处于亮模式中。当标记从纳米孔的桶管中被推出的时候，纳米孔处于暗模式中。
亮和暗时段
在AC循环期间，在积分电容器上的电压可以被ADC采样多次。例如，在一个实施例中，AC电压信号跨系统以例如大约100Hz被施加，并且ADC的获取速率可以是大约每单元2000Hz。因而，可存在每AC循环（AC波形的循环）所捕获的大约20个数据点（电压测量结果）。与AC波形的一个循环相对应的数据点可以被称为集合。在针对AC循环的数据点的集合中，可存在当例如VLIQ低于VPRE的时候所捕获的子集，其可以对应于亮模式（时段），其中标记被强制进入到纳米孔的桶管中。另一子集可以对应于暗模式（时段），其中当例如VLIQ高于VPRE的时候，通过所施加的电场而将标记从纳米孔的桶管中推出。
所测量的电压
对于每个数据点，当开关401断开的时候，在积分电容器（例如积分电容器408（ncap）或电容器426（CBilayer））处的电压将作为通过VLIQ充电/放电的结果而以衰减方式改变，例如，如当Vliq高于VPRE的时候从VPRE到VLIQ的增大，或当VLIQ低于VPRE的时候从VPRE到Vliq的减小。在工作电极充电时，最终电压值可从VLIQ偏离。积分电容器上的电压水平的改变速率可以通过双层的电阻值来被管控，所述双层可以包括纳米孔，其进而可以包括在纳米孔中的分子（例如经标记的核苷酸的标记）。可以在开关401断开之后的预定时间处测量电压水平。
开关401可以按数据获取速率而运作。在两个数据获取之间、典型地正好在通过ADC的测量之后可以闭合开关401达相对短的时间段。所述开关允许针对每个循环收集多个数据点。如果开关401保持断开，则积分电容器上的电压水平，以及因而ADC的输出值将会完全衰减并且停留在那里。这样的多个测量可以允许在固定ADC情况下的较高分辨率（例如由于较大数目的测量的8位到14位，所述测量可以被求平均）。所述多个测量还可以提供关于穿过进入纳米孔中的分子的动力学信息。定时信息可以允许确定穿过发生了多长时间。这还可以用于有助于确定被添加到核酸链的多个核苷酸是否正被测序。
图5示出了在AC循环的亮时段和暗时段期间从纳米孔单元所捕获的示例数据点。在图5中，为了图示的目的而夸大数据点中的改变。被施加到工作电极或积分电容器的电压（VPRE）处于恒定水平，诸如例如900mV。被施加到纳米孔单元的对电极的电压信号510（VLIQ）是被示出为矩形波的AC信号，其中占空比可以是任何合适的值，诸如小于或等于50%，例如大约40%。
在亮时段520期间，被施加到对电极的电压信号510（VLIQ）低于被施加到工作电极的电压VPRE，使得可以通过电场而强制使标记进入到纳米孔的桶管中，所述电场由在工作电极和对电极处所施加的不同的电压水平（例如由于标记上的电荷和/或离子流动所致）引起。当开关401打开的时候，在ADC之前的节点处（例如在积分电容器处）的电压将减小。在捕获了电压数据点之后（例如在所指定的时间段之后），开关401可以闭合，并且测量节点处的电压将再次增大回到VPRE。所述过程可以重复以测量多个电压数据点。以这种方式，在亮时段期间可以捕获多个数据点。
如图5中所示，在VLIQ信号的符号中的改变之后在亮时段中的第一数据点522（其还被称为第一点增量（FPD））可以低于后续数据点524。这可以是因为在纳米孔（开放通道）中没有标记，并且因而它具有低电阻和高放电速率。在一些实例中，第一数据点522可超过如图5中所示的VLIQ水平。这可以是由将信号耦合到芯片上电容器的双层的电容所引起的。在已经发生穿过事件（即标记被强制进入到纳米孔的桶管中）之后可以捕获数据点524，其中纳米孔的电阻以及因而积分电容器的放电速率取决于被强制进入到纳米孔的桶管中的标记的特定类型。由于在CDouble Layer 424处所积聚的电荷，针对每个测量，数据点524可稍微减小，如以下所提及的。
在暗时段530期间，被施加到对电极的电压信号510（VLIQ）高于被施加到工作电极的电压（VPRE），使得任何标记将会被推出纳米孔的桶管。当开关401打开的时候，测量节点处的电压增大，因为电压信号510（VLIQ）的电压水平高于VPRE。在捕获了电压数据点之后（例如在所指定的时间段之后），开关401可以闭合，并且测量节点处的电压将再次减小回到VPRE。所述过程可以重复以测量多个电压数据点。因而，在暗时段期间可以捕获多个数据点，包括第一点增量532和后续数据点534。如上所述，在暗时段期间，任何核苷酸标记从纳米孔中被推出，并且因而除了用于在归一化中使用之外，获得与任何核苷酸标记相关的最小限度的信息。因此，在暗时段期间来自单元的输出电压信号可很少有用或没有用。
图5还示出了在亮时段540期间，尽管被施加到对电极的电压信号510（VLIQ）低于被施加到工作电极的电压（VPRE），但是没有穿过事件发生（开放通道）。因而，纳米孔的电阻很低，并且积分电容器的放电速率很高。作为结果，所捕获的数据点（包括第一数据点542和后续数据点544）示出低电压水平。
可预期在亮或暗时段期间所测量的电压对于纳米孔的恒定电阻的每个测量（例如当一个标记在纳米孔中的时候在给定AC循环的亮模式期间进行）是大约相同的，但是当电荷在双层电容器424（CDouble Layer）处积聚的时候可能不是这种情况。该电荷积聚可使得纳米孔单元的时间常量变得更长。作为结果，电压水平可移位，从而使得对于循环中的每个数据点，所测量的值减小。因而，在循环内，数据点可从数据点到另一数据点而稍微改变，如图5中所示。
确定碱基
对于纳米孔传感器芯片的每个可用纳米孔单元，生产模式可以运行到序列核酸。在测序期间所捕获的ADC输出数据可以被归一化以提供更大的准确性。归一化可以计及偏移效应，诸如循环形状和基线移位。在归一化之后，实施例可以确定所穿过的通道的电压簇，其中每个簇对应于不同的标记种类，并且因而对应于不同的核苷酸。簇可以用于确定与给定核苷酸对应的给定电压的概率。作为另一示例，簇可以用于确定截止电压，以用于在不同的核苷酸（碱基）之间进行区分。
关于测序操作的另外的详细信息可以在例如标题为“Nanopore-BasedSequencing With Varying Voltage Stimulus”的美国专利公开号2016/0178577、标题为“Nanopore-Based Sequencing With Varying Voltage Stimulus”的美国专利公开号2016/0178554、标题为“Non-Destructive Bilayer Monitoring Using Measurement ofBilayer Response To Electrical Stimulus”的美国专利申请号15/085,700号以及标题为“Electrical Enhancement of Bilayer Formation”的美国专利申请号15/085,713中找到。
纳米孔单元阵列
当测序纳米孔单元被布置在纳米孔传感器芯片上时，许多核酸分子可以被并行测序。每个单元可以具有一些专用电路（例如，积分电容器），但是也可以共享一些电路，例如，ADC、信号源、电极或控制电路。
图6是沿图1中所示的线A-A查看的示例纳米孔传感器芯片中的纳米孔单元的阵列600，诸如纳米孔传感器芯片140中的纳米孔单元150的阵列的截面图。图6示出了纳米孔单元的阵列600的行或列中的多个纳米孔单元。如以上关于图2所述，每个纳米孔单元包括集成在纳米孔传感器芯片的硅衬底630和/或介电层601上的电路622。每个纳米孔单元包括相应的井605，其由介电层601和604以及在井605的底部处的工作电极602形成。井605可以保持电解质606的体积。脂质双层614可以形成在介电层604上并覆盖每个井605。脂质双层614在每个井605的顶部包括纳米孔616。脂质双层614的顶部上的样本腔室615可以被配置为保持大块电解质608，所述大块电解质608可以包括待分析的分子以及聚合物标记的核苷酸，或者如上所述的引物。可例如通过聚合酶和分子670之间的相互作用将待分析的分子670停驻在纳米孔616上。在一些实施例中，侧壁636（诸如图1中所示的侧壁136）可以被包括在阵列600中以分离纳米孔单元的群组，使得每个群组可以接收不同的样本以用于表征。在一些实施例中，纳米孔传感器芯片可以包括围封样本腔室615的覆盖板630。
来自不同纳米孔单元的对电极610可以设置在样本腔室615中，并且可以连接到电压源628以用于将公共VLIQ施加到纳米孔单元。用于不同纳米孔单元的对电极610可以彼此物理连接以形成公共电极。不同纳米孔单元的工作电极602可以连接到公共电压源，或者可以独立地连接到不同电压源。在一些实施例中，不同的纳米孔单元的电路622可以连接到总线660，并且可以通过顺序地选择不同的纳米孔单元来通过总线660顺序地读出不同纳米孔单元的积分电容器上的电压水平，如以下详细描述的。
图7是包括纳米孔单元708的二维阵列的示例纳米孔单元阵列700的俯视图。纳米孔单元阵列700可以包括数千个甚至数百万个纳米孔单元。例如，在一个实施例中，纳米孔单元阵列700可以包括以512行和512列布置的512×512个纳米孔单元。在一些实施例中，纳米孔单元阵列700可以被分组为不同的储库（bank）706，其中每个储库可以包括纳米孔单元阵列700中的纳米孔单元的子集。在一些实施例中，纳米孔单元阵列700的每一列中的纳米孔单元可以被分组在一起，并且每一列中的纳米孔单元的积分电容器处的电压水平可以被ADC 712采样并转换。列中的纳米孔单元可以共享相同的ADC，以减少纳米孔传感器芯片的总面积和功耗。
行驱动器和预充电电路718可以用于选择性地对一个或多个行中的纳米孔单元进行预充电（例如，通过闭合图4的开关401以使用行选择线（或字线）714来将一个或多个行中的纳米孔单元连接至VPRE）。行驱动器和预充电电路718还可用于使用行选择线（即，字线）714顺序地选择每一行。所选行上的纳米孔单元的积分电容器可以连接到对应的列线716（例如，通过在芯片上积分电容器408（ncap）和ADC 410之间的开关（未示出），或者如果不使用片上积分电容器408（ncap）则传通设备406）。来自所选行上的纳米孔单元的电压信号可以由对应的列放大器720可选地处理（例如，感测和放大），并由对应的ADC 712转换为数字输出。在一些实施例中，同一列放大器和ADC可以服务多个列。
图8是示例纳米孔单元阵列800的示意图，该示例纳米孔单元阵列800包括纳米孔单元802的二维阵列。纳米孔单元阵列800可以包括纳米孔传感器芯片的所有纳米孔单元，或者可以仅包括纳米孔传感器芯片的纳米孔单元的子集（例如，储库）。每个纳米孔单元802的工作电极可以连接到电压源（例如，图4的VPRE）（未示出），并且每个纳米孔单元802的对电极可以连接到公共信号VLIQ 。纳米孔单元阵列800包括多个列线820，每个列线820耦合到同一列中的纳米孔单元802并耦合到ADC 840。纳米孔单元阵列800包括M行纳米孔单元802，其中M行中的每个可由行选择线810-0至810-M-1选择。
在测序过程期间，每个纳米孔单元802的积分电容器可以首先由施加到工作电极（例如，通过如图4中所示的开关401）的电压源VPRE预充电，并且公共信号VLIQ可以被施加到纳米孔单元802的对电极，如上所述。在纳米孔单元802上的积分电容器已经被充电/放电之后，可以顺序地选择M行中的每个以将一行上的纳米孔单元的积分电容器连接到对应的列线和对应的ADC。积分电容器可以被缓冲以防止通过寄生电容器的耦合。因此，用于一列的ADC 840可以对该列中的纳米孔单元的积分电容器的电压水平顺序地采样和转换。
以这种方式，在每个预充电和充电/放电操作之后，可以从纳米孔单元阵列的列中的纳米孔单元捕获一组数据样本。当在AC循环的亮和暗时段中执行多次预充电和充电/放电操作时，可以捕获多组数据样本，其中每组数据样本包括来自该列中的纳米孔单元中的每个的一个数据样本。
图9图示了在AC循环期间从纳米孔单元阵列例如诸如纳米孔单元阵列800的列中的纳米孔单元捕获的示例数据样本。在图9中，水平轴表示在测序过程期间的时间。图9示出，在AC循环的亮时段的时间TB期间，可通过服务该列的ADC从每个纳米孔单元中捕获总共K个样本。
如以上关于图8所述，纳米孔单元阵列的一列可以包括M个纳米孔单元，每个在不同的行上。ADC可以在行0中捕获针对纳米孔单元的一个数据样本，在行1中捕获针对纳米孔单元的一个数据样本……，以及在行M-1中捕获针对纳米孔单元的一个数据样本。每个ADC捕获都可以由时钟信号控制，该时钟信号比施加到纳米孔单元的电极的AC信号快得多。在对列中的每个纳米孔单元进行一次采样之后，可以再次通过电压源VPRE对列中的纳米孔单元进行预充电，并通过公共信号VLIQ进行充电/放电。之后，可以顺序地或在管线中从该列中的M个纳米孔单元中的每个捕获第二数据样本。可以重复测序过程，以在亮时段期间从列中的M个纳米孔单元中的每个捕获K个样本。作为结果，可以在亮时段的时间TB期间从每个列中的M个纳米孔单元捕获M×K个采样的总数目。因此，ADC的采样速率可以是至少M×K/TB以便在亮时段的时间TB期间捕获M×K个样本。在暗时段期间可以以类似方式捕获数据样本。
相控纳米孔单元阵列
如以上所讨论的，由于例如模数转换器的有限的采样和转换速度和/或总线、数据存储设备或数据处理电路的有限带宽，可能的采样速率存在上限。当一列中的所有纳米孔单元都受到公共VLIQ信号控制时，在公共亮时段期间捕获几乎所有有用的数据，而在暗时段期间却可捕获很少或没有有用的数据。因此，至少在暗时段期间，数据采样和转换电路的带宽的很大一部分可能不被利用来捕获有用的数据。
本文中公开的技术解决了以上问题，并且通过将具有不同相位的AC信号施加到一列中的不同纳米孔单元来增大采样和转换电路的每单元的有效采样速率。作为结果，当一些纳米孔单元处于暗时段时，一些其它纳米孔单元处于亮时段并由共享采样和转换电路采样。例如，在一些实施例中，一列中的纳米孔单元可以被组织为两个或更多群组。可以将公共VLIQ施加到所有纳米孔单元的对电极，并且施加到纳米孔单元的每个群组中的纳米孔单元的工作电极的AC信号VPRE的相位可以延迟不同的值。以这种方式，在任何给定时间，数据采样和转换电路可以对来自一列中处于亮时段的纳米孔单元的部分的输出电压信号进行采样并转换，其中暗时段被最小地采样，例如，仅用于归一化目的。照此，可以针对处于亮时段的每个纳米孔单元以较高速率执行数据采样和转换。此外，因为暗时段仅被最小地采样，所以所捕获的数据中的所有或几乎所有将是有用的，这与其中暗时段被以不必要的高速率进行采样的情况相反。
A. 架构
图10是根据本公开的某些方面的包括纳米孔单元1002的二维阵列的示例纳米孔单元阵列1000的示意图。类似于图8的纳米孔单元阵列800，纳米孔单元阵列1000可以包括纳米孔传感器芯片的所有纳米孔单元，或者可以仅包括纳米孔传感器芯片的纳米孔单元的子集。纳米孔单元阵列1000包括多个列线1020，每个列线1020耦合到同一列中的纳米孔单元1002并耦合到ADC 1040。纳米孔单元阵列1000包括M行纳米孔单元1002，其中M行中的每个可由行选择线1010选择。纳米孔单元阵列1000中的纳米孔单元1002可以被组织成N个群组，其中N可以是2与该列中的纳米孔单元的总数目之间的任何数目。在一个实施例中，可以将纳米孔单元阵列1000组织成使得N个群组中的每个群组可以包括M/N行中的纳米孔单元。在其它实施例中，纳米孔单元阵列1000中的纳米孔单元1002可以以不同的方式被组织成N个群组。例如，一些群组可比一些其它的群组具有更多的纳米孔单元。在一些实施例中，每隔一行中的纳米孔单元可以在同一群组中。在一些实施例中，交替的成对的行中的纳米孔单元可以在同一群组中。在一些实施例中，一群组中的纳米孔单元可以在同一区中。在一些实施例中，一群组中的纳米孔单元可以不在同一区中，并且可以被其它群组中的纳米孔单元分离。
纳米孔单元阵列1000中的每个纳米孔单元1002的对电极可以连接到公共信号VLIQ（未示出），该公共信号VLIQ可以是恒定电压水平。N个群组中的每个群组中的纳米孔单元1002的工作电极可以连接到公共信号VPRE（1030），其中用于N个群组的信号VPRE（即，VPRE 1、VPRE 2、……、VPRE N）可以独立地被施加于N个群组，并且可以处于彼此不同的相位。例如，用于N个群组的信号VPRE可以来自相同的信号源，但是可以被延迟线或栅极不同地延迟。延迟允许采样主要针对亮时段，如以下在图11中所图示的。以这种方式，可以利用纳米孔单元的更多群组接收不同VPRE信号来实现更高粒度的控制。因为通过将相同的VPRE信号施加到一群组中的纳米孔单元来电气地完成分组，所以当纳米孔单元的工作电极在子群组水平或单元水平上可独立寻址时，分组可以是可扩展并且可动态配置的。
在一些实现方式中，每个纳米孔单元可以包括开关。开关可以连接到图4的开关401，例如，在开关401的上游或与开关401并联，但是具有协调的控制信号。开关可以选择性地将纳米孔单元的工作电极（和电压信号VPRE 405）连接到高电压水平或低电压水平。例如，可以通过诸如方波或矩形波信号之类的AC控制信号来控制开关，使得在AC控制信号的循环的一部分期间，工作电极可以连接至高电压水平，并且可以在循环的另一部分期间连接到低电压水平。在一些实施例中，可以使用由相反控制信号控制的两个开关来实现该开关，其中一个开关可以被配置为将工作电极连接至高电压水平，并且另一开关可以被配置为将工作电极连接至低电压水平。AC控制信号可以是数字信号，诸如数字时钟信号。高电压水平可以高于公共信号VLIQ，并且低电压水平可以低于公共信号VLIQ。照此，可以将AC VPRE信号有效地施加到纳米孔单元。通过将不同的数字AC控制信号（例如，具有不同的相位延迟）施加到纳米孔单元，可以将不同的VPRE信号施加到不同的纳米孔单元。一些纳米孔单元可以接收具有相同相位的数字AC控制信号，以形成纳米孔单元的N个群组中的一群组。以这种方式，一群组可以包括一个或多个纳米孔单元，并且纳米孔单元的分组可以更加灵活和动态。例如，可以通过改变施加到纳米孔单元的数字AC控制信号来动态地改变分组，并且不在同一附近的纳米孔单元可以形成一群组。
在一些实现方式中，纳米孔传感器芯片可以在纳米孔传感器芯片的纳米孔单元上方包括两个或更多不同的流体通道。纳米孔传感器芯片中的纳米孔单元可以基于它们所在的流体通道被分组。例如，可以将不同流体通道中的纳米孔单元分配给不同的群组。在一些实现方式中，可以将两个或更多流体通道中的纳米孔单元分组在一起。然后可以使用不同的AC信号VLIQ来驱动不同群组中的纳米孔单元的对电极。例如，用于驱动不同群组中的纳米孔单元的对电极的AC信号可以具有不同的相位或延迟。由于VLIQ信号的不同相位，不同群组中的纳米孔单元可以在不同时间处于亮时段，并且因此可以通过共享采样电路在不同时间对不同群组中的纳米孔单元的输出进行采样。
B. 具有不同相位的不同单元群组的AC信号
图11图示了根据本公开的某些方面的用于诸如纳米孔单元阵列1000之类的纳米孔单元阵列的示例AC信号（VPRE）。具有M行的纳米孔单元阵列1000中的纳米孔单元可以被组织成N个群组。图11包括多个曲线图，每个曲线图示出施加到N个群组中的单元的一群组的AC信号和相应的采样点。图11中的水平轴表示在测序过程期间的时间。
如图11中所示，纳米孔单元阵列1000中的每个纳米孔单元的对电极可以连接到公共信号VLIQ，该公共信号VLIQ可以是恒定电压水平。N个群组中的每个群组中的纳米孔单元的工作电极可以连接到信号VPRE，其中用于N个群组的信号VPRE （即，VPRE 1、VPRE 2、……、VPRE N）可以彼此处于不同的相位。
在一些实施例中，用于N个群组的信号VPRE可各自相对于其它群组被递增地延迟大约等于亮时段的时间段。在图11中所示的示例中，N个VPRE信号是矩形AC信号，其在高电压水平和低电压水平之间切换。VPRE信号彼此延迟，使得当一个群组中的纳米孔单元处于亮时段时（例如，当VLIQ低于VPRE时），其他群组中的纳米孔单元处于暗时段。
例如，对于群组1中的纳米孔单元，在亮时段期间，信号VPRE 1可处于可高于恒定VLIQ的高电压水平，并且受VPRE 1控制的群组1中的每个纳米孔单元中的积分电容器可以首先被预充电到VPRE 1的高电压水平。然后可以将积分电容器与VPRE 1断开，并通过纳米孔由低电平信号VLIQ放电。放电速率取决于纳米孔的电阻，如上所述，当迫使不同结构和尺寸的标记进入纳米孔的桶管中时，所述电阻可变化。在积分电容器已经放电了选择的时间段之后，可以通过采样和转换电路（例如，ADC）来测量积分电容器的电压水平。在亮时段期间，可以以这种方式从纳米孔单元中捕获一个或多个样本。
当受VPRE1控制的群组1中的纳米孔单元处于亮时段的宽度TB中的时候，受信号VPRE 2至VPRE Ñ控制的群组2-N中的纳米孔单元分别可以处于暗时段。在此时间段TB期间，一个ADC可以服务一列中的M / N个而不是M个纳米孔单元。因此，为了在时间段TB期间捕获针对每个纳米孔单元的K个样本，可以使用采样速率为（M×K/TB）/N的ADC。换句话说，采样速率为M×K/TB的ADC可能够在时间段TB期间捕获针对每个纳米孔单元的K×N（而不是K）个样本。因此，可以以更快的速率（例如，是其N倍）对每个纳米孔单元进行采样，并且因此可以检测具有较短持续时间的事件。
在信号VPRE 1切换到低电压水平后，群组1中的纳米孔单元可进入暗时段。在暗时段期间，信号VPRE 1可以处于可以低于恒定VLIQ水平的低电压水平，并且与核苷酸相关联的标记可以被推出纳米孔。在各种实施例中，例如，在暗时段期间可以不捕获任何数据样本，或者在每个AC循环中可以捕获暗时段结束（或开始）时的一个或多个数据样本以用于归一化目的。为了进一步限制在暗时段中的采样，可以仅对一些暗时段采样，例如，每n个暗时段，诸如每8个暗时段。为了在暗时段中捕获数据样本，可以首先将受VPRE 1控制的群组1中的每个纳米孔单元中的积分电容器预充电至VPRE 1的低电压水平。然后可以将积分电容器与VPRE 1断开，并通过纳米孔由信号VLIQ充电。如上所述，充电速率取决于纳米孔的电阻。
在信号VPRE 1切换到低电压水平之后，信号VPRE 2可以从低电压水平切换到高电压水平，使得由信号VPRE 2控制的群组2中的纳米孔单元可以进入亮时段，并且来自群组2中的纳米孔单元的数据样本可以被共享的采样和转换电路捕获。如上所述，可以在亮时段期间针对群组2中的每个纳米孔单元捕获多个数据样本，并且可以在一个或多个AC循环期间的暗时段结束时捕获来自群组2中的每个纳米孔单元的一个或多个数据样本以用于归一化目的。
群组3至N中的每一个中的纳米孔单元可以顺序地进入亮时段，并且可以通过共享采样和转换电路以上述方式捕获来自每个群组中的纳米孔单元中的每个的多个数据样本。在来自群组N的纳米孔单元从亮时段进入暗时段之后，来自群组1的纳米孔单元可在新的AC循环中再次进入亮时段以用于对数据采样进行测序。
图12图示了根据本公开的某些方面，从诸如纳米孔单元阵列1000的纳米孔单元阵列的列中的纳米孔单元捕获的示例数据样本。图12中的水平轴表示在测序过程期间的时间。图中的灰色框指示行选择事件。纳米孔单元阵列的列包括M个纳米孔单元，每个在不同的行上。M个纳米孔单元被组织在N个不同的群组中，其中每个群组中有M/N个纳米孔单元。当受到VPRE 1的群组1中的纳米孔单元（行0至M/N-1中的纳米孔单元）处于亮时段T B时，受信号VPRE 2至VPRE N的控制的群组2至N中的纳米孔单元分别可处于暗时段。因此，在亮时段TB期间，可以通过服务该列的ADC捕获仅来自行0到M/N-1中的纳米孔单元的输出。
群组1中的纳米孔单元中的每个可以被预充电到信号VPRE 1的高水平，并通过纳米孔被信号VLIQ放电。在选择的放电时间之后，ADC可以在行0中捕获针对纳米孔单元的一个数据样本，在行1中捕获针对纳米孔单元的一个数据样本，……并且在行M/N-1中捕获针对纳米孔单元的一个数据样本。在对属于群组1的列中的每个单元进行一次采样之后，可以再次将群组1中的纳米孔单元中的每个预充电到信号VPRE 1的高水平，并通过纳米孔通过信号VLIQ放电。在选择的放电时间之后，ADC可以在行0中捕获针对纳米孔单元的第二个数据样本，在行1中捕获针对纳米孔单元的第二个数据样本，……并且在行M/N-1中捕获针对纳米孔单元的第二个数据样本。在亮时段期间，可以重复测序过程以捕获来自群组1中的M/N个纳米孔单元中的每个的多个样本。因此，对于采样速率为M×K/TB的ADC，与在图9中所图示的在亮时段TB期间从纳米孔单元中的每个捕获K个样本相比，在亮时段TB期间，可以从群组1中的M/N单元中的每个捕获总数目N×K个样本。因此，与纳米孔单元阵列800中的纳米孔单元相比，纳米孔单元阵列1000中的每个纳米孔单元可以被N倍快地测量，而无需使用更快的采样和转换电路，并且因此可以检测到具有较短持续时间的事件。
类似地，当群组2（或群组3至N中的任何）中的纳米孔单元处于亮时段而其它群组中的纳米孔单元处于暗时段时，在亮时段TB 期间可以从群组2（或群组3至N中的任何）中的M/N个单元中的每个捕获总数目N×K个样本。
以这种方式，数据采样和转换电路可以通过在给定时间仅服务一列中的纳米孔单元的一部分而以较高的采样速率对来自纳米孔单元的该部分中的每个纳米孔单元的输出信号进行采样并转换，即使数据采样和转换电路的整体速度并没有改变。因此，可以检测到具有较短持续时间的事件。
附加地或替代地，可以在增加或不增加在亮时段期间捕获的样本数目的情况下增加AC控制信号（例如，VPRE）的频率。作为结果，由于较短的AC循环，对具有一定数目的单元（例如，碱基）的聚合物分子进行测序可花费较短的时间段。另外，因为对于具有较短AC循环的每个纳米孔单元，有效采样速率较高，所以可以检测到具有较短持续时间的事件。
图11和图12图示了在用于纳米孔单元的不同群组的不同的VPRE信号的亮时段之间可能没有重叠的实施例。当每个AC控制信号的亮时段短于AC循环的时段除以群组的数目N，即AC控制信号的占空比不大于1/N时，可以发生这样的实施例。例如，当将纳米孔单元阵列中的纳米孔单元组织为两个群组，并且AC控制信号的占空比不大于50％，即亮时段等于或短于暗时段时，在用于纳米孔单元的两个群组的VPRE信号的亮时段之间没有重叠可能发生。尽管在图11和12中用于不同群组的VPRE信号被示出具有一些相似的属性（例如，相同的电压水平、占空比和循环时间），并且可以通过不同的延迟从相同的信号源中得到，但是因为每个纳米孔单元的工作电极可以独立于其它纳米孔单元的工作电极，所以用于不同群组的VPRE信号可以彼此独立。因此，VPRE信号可以具有不同的电压水平、占空比、循环时间和相位。
如上所述，在一些实现方式中，每个纳米孔单元可以包括开关，其可以由AC控制信号控制以将纳米孔单元的工作电极（和VPRE）交替地连接到高电压水平和低电压水平。高电压水平可以高于公共信号VLIQ，并且低电压水平可以低于公共信号VLIQ 。因此，通过将具有不同相位的数字AC控制信号用于开关，可以将具有不同相位的VPRE信号有效地施加到纳米孔单元的不同群组或不同的单独的纳米孔单元的工作电极。
如上所述，在一些实现方式中，可以基于纳米孔传感器芯片中的纳米孔单元所在的流体通道来对所述纳米孔单元进行分组，并且可以使用不同的AC信号VLIQ来驱动不同群组中的纳米孔单元的对电极，而不是如关于图11所描述的针对每个群组使用不同的AC信号VPRE。在这样的实现方式中，类似于在图11中配置VPRE信号的方式，可以不同地延迟用于不同群组的VLIQ信号。可以通过共享采样电路（例如，ADC）在不同的时间对不同群组中的纳米孔单元的输出进行采样，这以与如关于图12所描述的对纳米孔单元进行采样的方式类似的方式。
C. 自适应和选择性采样
在一些实现方式中，可以配置VPRE信号，使得在施加到纳米孔单元的不同群组的不同VPRE信号的亮时段之间可以存在重叠时段。在这样的实现方式中，数据采样和转换电路或控制电路可以被配置为确定在不同的AC循环中的每个重叠时段期间要对来自纳米孔单元的哪个群组的输出电压信号进行采样和转换。
图13示出了根据本公开的某些方面的用于诸如纳米孔单元阵列1000之类的纳米孔单元阵列的示例控制信号（VPRE）。图13中的水平轴表示在测序过程期间的时间。如图13中所示，纳米孔单元阵列1000中的每个纳米孔单元的对电极可以连接到公共信号VLIQ，该公共信号VLIQ可以是恒定电压水平。N个群组中的每个群组中的纳米孔单元的工作电极可以连接到信号VPRE ，其中针对N个群组的信号VPRE（即，VPRE 1、VPRE 2、……，VPRE N）处于彼此不同的相位。例如，在信号VPRE的占空比大于1/N的情况下，用于N个群组的信号VPRE中的一个或多个可以各自相对于其它被递增地延迟比亮时段更短的时间段。作为结果，在施加于纳米孔单元的不同群组的不同VPRE信号的亮时段之间可能存在重叠时段。这种实现方式的优点在于，可以使用具有高于50％的亮时段的占空比，或者可以将单元划分为多于两个群组，并可以通过多于两个具有不同相位的信号进行控制。
在非重叠的亮时段期间，处于亮时段的纳米孔单元阵列1000的群组中的每个纳米孔单元可以以比图8所示的纳米孔单元更高的速率（如以上关于图11和图12所述）被采样。在某些情况下，在重叠时段期间，数据采样和转换电路或控制电路可以动态确定要采样的纳米孔单元的（多个）群组，而忽略来自处于重叠亮时段的纳米孔单元的其它（多个）群组的输出信号。在一些情况下，在重叠间隔期间，由于来自多于一个群组的纳米孔单元处于亮时段中，因此可降低处于亮时段的不同群组中的纳米孔单元的采样速率。例如，在一些情况下，相对于在只有一个群组处于亮时段时的采样速率，在亮时段中的不同群组中的纳米孔单元的采样速率可以处于相等但降低的速率。在其它情况下，处于亮时段的不同群组中的纳米孔单元的采样速率可处于降低并且不同的速率。
D. 优点
本公开中描述的技术使得能够以更高的粒度，诸如在单独的单元水平或在群组水平而不是向所有纳米孔单元施加公共控制信号来控制纳米孔单元。照此，处于亮时段的单元数目可以随时间更恒定，并且可以在不改变数据采样和转换电路的整体速度的情况下增加对于处于亮时段的每个单元的采样和转换速率，因为在任何给定时间更高效地利用可用资源。
除了如上所述增加用于每个纳米孔单元的有效采样速率以检测具有短持续时间的事件并减少测序时间之外，使用本文中公开的技术可以实现其它优点。例如，可以在任何给定时间充分利用数据采样和转换电路的带宽，以捕获对测序有用的数据样本。因此，具有更高密度或更高数目的单元的纳米孔传感器芯片可变得可能。附加地或替代地，在从处于暗时段的单元捕获的减少的采样数据下，可以减少要从纳米孔传感器芯片传输并由后续存储或处理电路处理的数据量，这可以降低测序系统的成本，因为可以使用具有较低性能（例如，速度或带宽）或容量（例如，存储空间或数据通道）的电路。
此外，因为某些纳米孔单元在同一时间期间处于暗时段，而一些其他纳米孔单元处于亮时段，并且因为公共VLIQ被施加到所有单元的对电极（由它们共享），因此对电极上的总电流可以在任何给定时间至少部分地减小。这是由于来自处于暗时段的单元的电流与来自处于亮时段的单元的电流的相反极性导致，其中电子流入对电极中和电子流出电极可使对电极上的净电流减少。此外，因为VPRE信号的AC性质，用于每个单元的对电极和工作电极上的电流也可随时间平衡。
在一些实现方式中，施加到对电极的VLIQ信号也可以是AC信号，而不是恒定电压水平，但是其频率低于施加到工作电极的VPRE信号。以这种方式，即使在给定时间在来自处于暗时段的单元的电流与来自处于亮时段的单元的电流之间存在任何不平衡（例如，因为占空比不同于50％，并且处于暗时段的纳米孔单元的群组的数目可不同于处于亮时段的纳米孔单元的群组的数目），对电极上的总电流可随时间而平衡。照此，可以减小对电极上的电压降并因此减小输出电压的偏移。
输入范围控制
在许多情况下，要测量的积分电容器（例如，积分电容器408（ncap））上的电压水平可以聚集在某些较小的范围内。因此，如果ADC的输入范围是固定的，则ADC的动态范围可能不会得到充分利用。为了充分利用ADC的动态范围，可以通过基于估计的要测量的电压水平自适应地改变ADC的参考电平来动态改变ADC的输入范围。
在ADC中，ADC的满量程输入范围和共模电压可取决于ADC的参考电平，如正参考电平（VREFP）和负参考电平（VREFN）。共模电压可以是VREFP和VREFN的平均值。当要由ADC采样的信号处于接近VREFN的电压水平时，ADC的输入可能接近零刻度，也就是说，ADC的输出可能代表接近最低可能值的值；确切的输出代码可能取决于ADC的编码方案，其例如可包括直接二进制，偏移二进制，二进制补码等。
当要由ADC采样的信号处于接近于VREFP的电压水平时，ADC的输入可以接近满量程，并且ADC的输出可以代表接近最大可能值的值。为了充分利用ADC的动态范围（即ADC可以解析的信号幅度的范围），希望输入信号电平在VREFP和VREFN之间更充分地分布，而不是聚集在某些较小的范围内。对于8位ADC，如果输入信号电平在0 V和1 V之间，则VREFP可以设置为1 V，并且VREFN可以设置为0 V；并且ADC可能够区分两个信号电平，其差值大于约4 mV。如果输入信号电平在0.25 V和0.5 V之间，则可以将VREFP设置为0.5 V，并且可将VREFN设置为0.25V；并且ADC可能够区分两个信号电平，其差值大于大约1 mV。
然而，如图11或13所示，在某些情况下，要由ADC采样的积分电容器的电压水平可能不分布在VPRE信号的低电压水平和高电压水平之间的整个范围内。因此，在ADC的固定参考电平（VREFP和VREFN）下，ADC的动态范围可能不会得到充分利用，因为输出代码可能仅包括所有可能代码的一部分（例如，对于8位ADC，256个不同的代码），或者换句话说，可能无法以ADC的最大可能分辨率解析信号电平。
图14A示出了纳米孔传感器芯片中的ADC的固定参考电平。如图14A所示，要由ADC采样的积分电容器的电压水平1430可能接近VPRE的低电压水平1410或VPRE的高电压水平1420。因此，为了将所有这些电压水平包括在ADC的输入范围中，可以将用于ADC的VREFP设置为略高于VPRE的高电压水平1420的水平，以避免饱和（例如，由过冲引起）和/或在满量程输入附近的失真。ADC的VREFN可以被设置为略低于VPRE的低电压水平1410的水平。然而，积分电容器的电压水平没有落入输入范围的中间部分（示出为图案化的区1440）。因此，可能根本不会使用ADC满量程输入范围的中间范围，并且可能不会充分利用ADC的动态范围。为了充分利用ADC的动态范围，可以动态改变ADC的参考电平，以使ADC的输入范围不包括图案化的区1440。
图14B图示了纳米孔传感器芯片中的ADC的可变参考电平。参考电平包括参考电平VREFP和VREFN，它们确定满量程输入范围和ADC的共模电压。参考电平VREFP和VREFN可随VPRE信号而改变，其使纳米孔单元进入亮和暗时段。因此，在亮和暗时段间，ADC的满量程输入范围和/或共模可不同。以这种方式，纳米孔单元的输出电压信号可以更好地适合在ADC的满量程输入范围内，而不是仅分布在ADC的满量程输入范围的某些窄范围内。
例如，如图14B中所示，为了在暗时段中捕获数据样本1430，可以将VREFP设置为低于VLIQ的水平1450。可以将VREFN设置为低于VPRE的低电压水平1455的水平1460，从而ADC的输入范围（显示为阴影区）仅包括低于VLIQ且在1450和1460之间的区，但不包括包括在水平1450以上的区，其中积分电容器的电压水平均不落入该区。为了在亮时段中捕获数据样本，可以将VREFP设置为高于VPRE的高电压水平1475的水平1470，并且可以将VREFN设置为高于VLIQ的水平1480。因此，ADC的输入范围（显示为阴影区）可能仅包括高于VLIQ且在水平1470和1480之间的区，而不包括低于1480的区，其中积分电容器的电压水平均不会落入该区。当没有数据样本被从群组中的纳米孔单元捕获并且数据样本被从处于亮时段的其它群组中的纳米孔单元捕获时，可以在该群组的暗时段1490期间使用相同的参考设置。
以这种方式，ADC的输入范围（和共模输入）可以动态改变为仅包括积分电容器的电压水平可能落入的范围。因此，可以确定输入范围内的电压水平以具有ADC的最大可能分辨率。
提高每单元的采样速率的示例方法
图15是流程图1500，图示了根据本公开的某些方面的使用包括一组单元的传感器的核酸测序的示例方法。流程图1500所图示的方法可以将具有不同相位的AC信号施加到纳米孔传感器芯片中的不同群组的纳米孔单元。作为结果，当一些纳米孔单元处于暗时段时，一些其它纳米孔单元处于亮时段并由共享的采样和转换电路采样。因此，该方法可以减少在任何时间瞬间由采样和转换电路服务的单元的数目，并且因此在不使用更快的数据采样和转换电路的情况下增加每单元的采样速率。
在框1510中，第一电路，诸如图6的电路622，可以将第一AC信号施加到纳米孔传感器芯片中的一组单元中的单元的第一群组。如以上关于图10所描述的，纳米孔传感器芯片中的一组单元可以被组织成多个群组，其中每个群组可以独立于其它群组并且具有用于将AC信号施加到纳米孔单元的第一群组的对应电路。AC信号可以是矩形波，并且可以具有选择的占空比。可以将AC信号施加到该群组中的每个纳米孔单元的工作电极，例如，图4中的纳米孔单元400的工作电极402或图6中的工作电极602。
在框1520中，第二电路可以将第二AC信号提供给该组单元中的单元的第二群组。在一些实施例中，第一AC信号和第二AC信号可以具有不同的相位并且可以通过不同的延迟从相同的信号源得到。在一些实施例中，第一AC信号和第二AC信号在幅度、占空比或频率中的至少一个上也可以不同。
在框1530中，在第一AC信号的第一部分期间，单元的第一群组可以处于亮时段，并且模数转换器可以对来自单元的第一群组的输出信号进行采样。在同一时间段期间，由于第一AC信号和第二AC信号之间的相位差，单元的第二群组可能处于暗时段，并且来自单元的第二群组的输出信号可能不会被模数转换器信号采样。因此，在第一AC信号的第一部分期间，模数转换器可以仅服务单元的第一群组。
在框1540中，在第一AC信号的第二部分期间，单元的第一群组可以处于暗时段，并且模数转换器可以不对来自单元的第一群组的输出信号进行采样。在同一时间段期间，单元的第二群组可能处于亮时段，并且来自单元的第二群组的输出信号可以由模数转换器采样。因此，在第一AC信号的第二部分期间，模数转换器可以仅服务单元的第二群组。在如图11所示的一些实施例中，在单元的第一群组的亮时段与单元的第二群组的亮时段之间可能不存在重叠。在如图13所示的其它实施例中，单元的第一群组的亮时段和单元的第二群组的亮时段可以部分重叠，并且可以使用不同的方案来确定来自单元的两个群组的输出信号可如何由模数转换器采样，如上面关于图13所描述的。
注意到，尽管图15将数据处理描述为顺序过程，但是操作中的许多可以并行或同时被执行。另外，操作的次序可以被重布置。操作可具有没有被包括在图中的附加步骤。一些操作可以是可选的，并且因而在各种实施例中可以被省略。在一个框中所描述的一些操作可以连同在另一框处的操作一起被执行。例如，可以并行地执行一些操作。此外，方法的实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来被实现。
VII. 计算机系统
本文中所提及的计算机系统中的任一个可以利用任何合适数目的子系统。这样的子系统的示例在图16中被示出在计算机系统10中。在一些实施例中，计算机系统包括单个计算机装置，其中子系统可以是计算机装置的组件。在其它实施例中，计算机系统可以包括多个计算机装置，各自是子系统，具有内部组件。计算机系统可以包括台式和膝上型计算机、平板设备、移动电话和其它移动设备。
图16中所示的子系统经由系统总线75而被互连。示出了附加的子系统、诸如打印机74、键盘78、（多个）存储设备79、被耦合到显示适配器82的监控器76，以及测序。耦合到I/O控制器71的外设和输入/输出（I/O）设备可以被连接到计算机系统，其通过本领域中已知的任何数目的手段，诸如输入/输出（I/O）端口77（例如USB、FireWire®）。例如，I/O端口77或外部接口81（例如以太网、Wi-Fi等等）可以用于将计算机系统10连接到广域网，诸如因特网、鼠标输入设备或扫描仪。经由系统总线75的互连允许中央处理器73与每个子系统通信，并且控制来自系统存储器72或（多个）存储设备79（例如固定盘、诸如硬驱动器或光盘）的多个指令的执行，以及信息在子系统之间的交换。系统存储器72和/或（多个）存储设备79可以具体化计算机可读介质。另一子系统是数据收集设备85，诸如相机、麦克风、加速计等等。本文中所提及的任何数据可以从一个组件被输出到另一组件，并且可以被输出给用户。
计算机系统可以包括多个相同的组件或子系统，其例如通过外部接口81、通过内部接口、或经由可移除的存储设备而被连接在一起，所述可移除的存储设备可以从一个组件到另一组件地被连接和移除。在一些实施例中，计算机系统、子系统或装置可以通过网络而通信。在这样的实例中，一个计算机可以被视为客户端，并且另一计算机是服务器，其中每一个都可以是相同的计算机系统的部分。客户端和服务器可以各自包括多个系统、子系统或组件。
实施例的各方面可以如下被实现：以控制逻辑的形式，使用硬件（例如专用集成电路或现场可编程门阵列），和/或使用计算机软件，其利用以模块化或集成方式的一般可编程处理器。如本文中所使用的，处理器包括相同集成芯片上的单核处理器、多核处理器、或者单个电路板上或联网的多个处理单元。基于本文中所提供的公开内容和教导，本领域普通技术人员将知道并且领会用于通过使用硬件以及硬件与软件的组合来实现本发明实施例的其它方式和/或方法。
本申请中所描述的软件组件或功能中的任一个可以被实现为将由处理器执行的、使用任何合适的计算机语言的软件代码，所述计算机语言诸如例如Java、 C、C++、C#、对象-C, Swift、或脚本语言，诸如Perl或Python，其使用例如常规或面向对象的技术。软件代码可以作为一系列指令或命令而被存储在计算机可读介质上以供存储和/或传输。合适的非暂时性计算机可读介质可以包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、磁性介质、诸如硬驱动器或软盘、或者光学介质、诸如光盘（CD）或DVD（数字通用盘）、闪速存储器等等。计算机可读介质可以是这样的存储或传输设备的任何组合。
这样的程序还可以被编码并且通过使用载波信号被传输，所述载波信号被适配用于经由符合各种协议的有线、光学和/或无线网络、包括因特网来被传输。因而，可以通过使用利用这样的程序被编码的数据信号来创建计算机可读介质。被编码有程序代码的计算机可读介质可以与兼容设备一起被封装或与其它设备分离地被提供（例如经由因特网下载）。任何这样的计算机可读介质可以驻留在单个计算机产品（例如硬驱动器、CD、或整个计算机系统）上或其内，并且可以存在于系统或网络内的不同的计算机产品上或其内。计算机系统可以包括监控器、打印机、或用于将本文中所提及的任何结果提供给用户的其它合适的显示器。
本文中所述的任何方法可以完全或部分地利用计算机系统来被执行，所述计算机系统包括一个或多个处理器，其可以被配置成执行步骤。因而，实施例可以针对被配置成执行本文中所述的任何方法的步骤的计算机系统，其潜在地具有执行相应的步骤或步骤的相应群组的不同组件。尽管被呈现为经编号的步骤，但是本文中的方法的步骤可以同时或以不同次序被执行。另外，这些步骤的部分可以与来自其它方法的其它步骤的部分一起使用。而且，步骤的全部或部分可以是可选的。另外，任何方法的任何步骤可以利用用于执行这些步骤的模块、单元、电路或其它构件来被执行。
特定实施例的具体细节可以用任何合适的方式被组合，而不偏离本发明的实施例的精神和范围。然而，本发明的其它实施例可以针对与每个单独方面或这些单独方面的特定组合有关的特定实施例。
本发明的示例实施例的以上描述已被呈现以用于说明和描述的目的。不意图是详尽的或将本发明限制到所描述的精确形式，并且鉴于以上教导，许多修改和改变都是可能的。
对“一”、“一个”或“该”的记载意图意指“一个或多个”，除非特别相反地指示。对“或”的使用意图意指“包含的或”，而不是“排外的或”，除非特别相反地指示。对“第一”组件的提及不一定要求提供第二组件。对“第一”或“第二”组件的此外的提及不将所提及的组件限制到特定的位置，除非明确声明。