一种生物电极阵列、其中的电极位点及其电学特性的控制方法技术

一种改进的生物电极阵列（１２）及其使用方法。阵列（１２）中的每个电极（３０）与各个抽样保持电路（２６）耦合。电极（３０）及抽样保持电路（２６）为一体，并在单个的半导体芯片内形成阵列（１２），这样每个抽样保持电路（２６）可被加载上由单个的时分数模转换器（ＤＡＣ）（２２）所提供的预定的电压。所有的抽样保持电路（２６）可被可扫描一些或全部电极位点置（３０）的多路复用器进行存取。每个抽样保持电路（２６）可包含电容器（３２）及一个或多个晶体管开关（３４，３６），当闭合时，在电容器与形成在矩阵（１２）内的电源线（３７）间建立电传递。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于进行及/或监控生物反应的电子系统，更具体的是涉及在显微尺寸下执行和控制多步和多级反应的自-寻址，自-组合微电子系统的设计，生产和应用。
技术介绍
到目前为止，注意力已经集中在用于进行及/或监控生物反应的以阵列为基础的电子系统的设计，制造和使用。例如，已经认识到各种类型的电子生物传感器可被用于监控(或测量)某些生物反应的进程，并可以用与集成电路领域类似的技术生产这些传感器阵列。如图1所示，典型的现有技术的生物传感器1包括其上黏结有固定配位基3的生物定向固定表面2；能够感应在固定配位基3与特定分析物间所发生的化学反应的变送器；及用于过滤，放大和将变送器4所产生的信号转换成对于监控所选的生物反应的进程和发生有用的测量数据的放大和控制部分5。在“蛋白质固定，基础和应用，R.F.Taylor，ed(1991)”和“固定亲和配位基技术，Hermanson et al(1992)(第五章)”中对上述类型的生物传感器进行了详细描述。在美国专利申请No.07/872,582，题目为“用于分子检测的光电方法和装置”(国际公开出版日1993，11，14，公开号为No.WO93/22678，此后指Hollis等的申请)。Hollis等的申请主要是关于生物传感器装置，其包含一阵列检测位点，这些检测位点可用多个导电线进行电子寻址。有各种的生物传感器用在检测位点，所应注意的是，检测位点可通过光刻技术形成在半导体晶片内。另外，检测位点可借助晶体管开关使用行及列的寻址技术在寻址动态随机存取存储器或有源矩阵液晶显示器中与相关的检测线路耦合。除了上述的生物传感器外，还发展了其他的在溶液或其他场合可向所选地点(或检测位点)传送电感应(或信号)的装置。如图2所示，这些装置包含电源6(如电流源、电压源或电源)，与电流源耦合的电极7，形成在电极一个表面上的渗透层8，及形成在渗透层8上的生物附着层9。渗透层8为负离子提供在电极7与溶液(未示出)间的自由传输，附着层9用于特定结合体的耦合。上述的典型系统在PCT申请No.PCT/US94/12270中进行了描述，其在1995年五月公开，题目为“用于分子生物分析和诊断的自寻址及自组合微电子系统和装置”，及PCT申请No.PCT/US95/08570，其在1996年一月公开，题目为“用于分子生物应用的自-寻址及自组合微电子系统和装置”(此后指“Heller等申请”)，二者在这里都作为参考。Heller等的申请描述了可用为刻蚀技术或微加工技术制造的电子设备，最好在表面上包含可寻址的微位置的矩阵。此外，所形成的各个微位置电控制并导引特定结合体与其自身的传输和附着。因此，所描述的装置具有在微型尺寸下有效控制多步及多级反应的能力。所应用的反应包含，例如核酸杂化，抗体/抗原反应，医疗诊断及多级结合生物聚合合成反应等。其他的用于与各种溶液及/或生物体面接的电子系统在以下的文献中进行了描述欧洲专利申请No.89-3133379.3(1990年四月7日公开，题目“电光系统”)，美国专利No.5,378,343(1995年1月3日公开，题目“基于水银紫外微电极阵列的包括铟的电极组合阵列”)，美国专利No.5,314,495(1995年4月24日公开，题目“微电子接口”)，及美国专利No.5,178,161(1993年1月12日公开，题目“微电子接口”)。对于本领与的技术人员而言，在上述专利中所描述的用于进行及/或监控生物反应的传统的电子装置(包括以上专利和专利申请中所描述的)通常都很笨重且昂贵，有时还难于控制。因此，对本领域的技术人员而言，因为传统的生物系统经常使用芯片外(off-chip)电路产生和控制提供给检测位点阵列的电流/电压信号，不使用特定的设备很难精确的控制在特定检测位点产生的电流/电压信号。对于那些使用芯片上电路产生和控制提供给检测位点的电流/电压信号的传统系统，在某些情况下，所遇到的主要问题在于在较大的阵列内需向所选的电极位点提供单独和不同的刺激。其中一个原因在于当在传统的生物传感器阵列中需要单一位的信号特性时，该需求是通过向阵列内的每个电极位点提供单独的信号线路实现的。其结果，传统的生物传感器通常很烦琐且比所需的贵。针对上述传统生物系统的限制，建议改进生物系统，使用最少的芯片外电路，利用大的电极位点阵列，同时在给定的电极位点对所传输的电流/电压提供非常精确的控制。专利技术概要本专利技术的目的在于提供用于进行及/或监控生物反应的电子系统的设计，制造及使用。根据本专利技术的一方面，生物电极阵列包含电极位点的矩阵，其中每个电极位点包含通过放大电路(或驱动电路)与各个抽样保持电路耦合的电极。在最佳的实施例中，电极，放大器及抽样保持电路是集成在单个的半导体芯片内并形成阵列，从而每个抽样保持电路可被加载上由单个时分数模转换器(DAC)所提供的预定电压。此外，所有的抽样保持电路都可通过多路复用器进行存取，该多路复用器可以扫描部分或全部电极位点。在此实施例中，每个抽样保持电路包含电容器及晶体管开关电路，其中的晶体管开关电路当接通时，该电容器与在矩阵内的一电源线路之间提供电传递。然而，在另一实施例中，抽样保持电路包含一些其他类型的存储器，其可用表示将要加到相关电极上的电刺激特性的信号(或数值)进行寻址和加载。此种存储器可包含用做模拟存储器的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)(例如由加利福尼亚的San Jose的信息存储器件公司所生产的非易失模拟信号存储芯片)，或其他类的能够存储控制信息并产生对应模拟输出数值的电路。根据本专利技术的另一方面，生物电极阵列包含其上形成有存储器的单个半导体芯片(例如随机存取存储器(RAM))，与存储器耦合的数摸转换器(DAC)，计数器，与计数器和存储器耦合的行解码器，与计数器和存储器耦合的列解码器，及与行解码器和列解码器耦合的有源生物电极位点的矩阵。在使用中，通过计算机将代表将要提供给阵列内的个电极位点的电压的二进制值存入存储器中。然后，对阵列内的每个地址(或所选的地址数)从存储器中读出一个二进制数值，并提供给DAC，其依次将二进制数值转换为将要存储到所选地址处的存储电容器上的电压。如果在此时一旦阵列(或所选的地址数)的所有地址已经被扫描，依据是否需要在各个电极位点提供的电压/电流的时间变化用最初存储在存储器中的同一数值或新的数值重复该处理过程。本领域的技术人员可以知道，此扫描过程需经常重复进行，从而抽样保持电路上的所存储电压随时间的衰减(由于不可避免的漏电流)不会导致电极上的不可接受的电压/电流误差。如果使用非易失抽样保持电路(即如果使用EEPROM或类似的技术)，这种衰减不会很明显，保证用于任意的慢更新速率。在另一实施例中，存储器，计数器及DAC可以设置在一个或多个单独的芯片上。针对上述情况，可以看出根据本专利技术的生物阵列对传递到阵列内的各电极的电位/电流提供精确的控制，同时使用最少的芯片外电路，并将整个系统成本降到最低。此外，通过用抽样保持电路(或其他的局部存储电路)控制提供给特定检测位点的电刺激的电平，根据本专利技术的阵列与现有技术的系统相比可获得更高水平的信号特性和电极使用效果。根据本专利技术的另一方面，本专利技术提供了在板上所含的可控加热元件的热隔离膜上整个有源阵列表面的制造本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物电极阵列，其特征在于包含：多个可寻址生物电极位点，其中每个电极位点包含一个电极；一输出与所述电极耦合的输出放大器电路；与所述输出放大器电路的输入耦合的一电容器；至少一个与所述电容器耦合的开关。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：格雷格里TA科瓦奇，
申请(专利权)人：内诺金有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]