用于核酸定序的磁性传感器阵列以及制造及使用其的方法技术

本文公开了用于使用磁性标记(例如，磁性粒子)及磁性传感器进行核酸定序的装置。本文还公开了制造及使用这些装置的方法。用于核酸定序的装置包含多个磁性传感器；配置在所述多个磁性传感器上方的多个结合区域，所述结合区域各用于容纳流体；及至少一个管线，用于检测所述多个磁性传感器的至少第一磁性传感器的特性，所述特性指示存在或缺乏一个或一个以上耦合到与所述第一磁性传感器相关联的第一结合区域的磁性纳米粒子。合区域的磁性纳米粒子。合区域的磁性纳米粒子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于核酸定序的磁性传感器阵列以及制造及使用其的方法
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2020年3月10日申请且标题为“用于核酸定序的磁性传感器阵列及制造及使用其的方法”(第ROA
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1001P
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US/P35967
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US号律师案卷)的第62/987,831号美国临时申请案的优先权，并通过全文引用的方式并入本文中。

技术介绍

[0003]合成定序(SBS)已成为获得大量DNA定序数据的成功的商业可行方法。SBS涉及结合引子杂交的模板DNA，引入脱氧核苷三磷酸(dNTP)，及检测引入的dNTP。
[0004]当前定序系统使用荧光信号检测。使用四个经荧光标记的核苷酸以平行定序数百万个群集。在DNA合成的连续循环期间，DNA聚合酶催化将经荧光标记的dNTP并入DNA模板链内。在各循环期间，将单个经标记的dNTP添加到核酸链。所述核苷酸标记充当聚合作用的“可逆终止子”。在已并入所述dNTP后，通过激光激发及成像鉴定荧光染料，然后酶促裂解以容许下一轮引入。在各循环期间，直接从信号强度测量鉴定碱基。
[0005]依赖于荧光信号检测的目前最佳技术定序系统每次运行可以提供高达200亿个读段的通量。然而，实现此性能需要大面积流动池、高精度自由空间成像光学器件及昂贵的高功率激光器以产生足够的荧光信号来成功进行碱基检测。
[0006]两种通用策略已使SBS通量逐渐增加(例如，以每次运行的碱基读段为特征)。第一种方法已通过增加序列发生器中流动池的大小及数量来进行向外缩放。这种方法增加试剂的成本及所述定序系统的价格，因为其需要额外的高功率激光器及高精度纳米定位器。
[0007]第二种方法涉及向内缩放，其中减小个别DNA测试位点的大小，使得在固定大小的流动池中定序的DNA链的数量更高。这第二种方法在降低总体定序成本方面更具吸引力，因为附加成本仅涉及实现更好的成像光学器件，同时保持消耗品成本不变。但必须采用更高数值孔径(NA)的透镜以区分信号与相邻的荧光团。这种方法具有局限性，因为瑞利(Rayleigh)标准将可分辨光点源之间的距离设置为0.61λ/NA，也就是说，即使在先进的光学成像系统中，两个定序的DNA链之间的最小距离也无法减小超过约400nm。相似的分辨率限度适用于直接在成像阵列顶部定序，在所述成像阵列上，迄今为止获得的最小像素尺寸小于1μm。所述瑞利标准目前代表光学SBS系统向内缩放的基本限制。克服这些限制可能需要超分辨率成像技术，其在高度多任务系统中尚未实现。因此，目前阶段，增加光学SBS序列发生器通量的唯一可行方法是构建更大的流动池及更昂贵的光学扫描及成像系统。
[0008]因此，仍需要改善SBS。
附图说明
[0009]结合附图，从某些实施例的下列描述，将显而易见本专利技术的目的、特征及优点，其中：
[0010]图1阐述根据一些实施例的磁性传感器的一部分。
[0011]图2A及2B阐述根据一些实施例的磁阻式(MR)传感器的电阻。
[0012]图3A阐述使用根据一些实施例的自旋转矩振荡器(STO)传感器的概念。
[0013]图3B显示当跨根据一些实施例的STO施加AC磁场时，通过延迟检测电路的STO的实验反应。
[0014]图3C及3D阐述STO可以用作根据一些实施例的纳米级磁场检测器的方式。
[0015]图4A是根据一些实施例的定序装置的一部分的俯视图。
[0016]图4B及4C是图4A中显示的定序装置的部分的横截面图。
[0017]图4D是显示根据一些实施例的图4A、4B及4C的装置的组件的方块图。
[0018]图5A及5B阐述选择根据一些实施例的磁性传感器的两种方法。
[0019]图6阐述一种制造根据一些实施例的定序装置的方法。
[0020]图7阐述一种根据一些实施例使用定序装置进行核酸定序的方法。
[0021]图8阐述一种使用其中根据一些实施例大体上同时引入多个核苷酸前体的定序装置的方法。
[0022]为促进理解，在可能的情况下，已使用相同的参考数字来指定所述图式共同的的相同组件。经审慎考虑，一个实施例中公开的组件可有利地用于其它实施例中而无需具体列举。此外，在一张附图的上下文中对组件的描述适用于说明所述组件的其它图式。
具体实施方式
[0023]本文公开了使用磁性标记(例如，磁性粒子)及磁性传感器进行核酸定序的装置。本文还公开了制造及使用这些装置的方法。为简单起见，下文中的一些讨论参考定序DNA作为实例。应了解本公开一般适用于核酸定序。
[0024]专利技术人知晓，如先前技术SBS中使用，荧光显微镜术及互补式金氧半导体图像(CMOS imagers)的分辨率限度不适用于电荷(例如，硅纳米线场效应晶体管(FET))或磁场传感器(例如，自旋阀、磁性隧道结(MTJ)、自旋转矩振荡器(STO)等)，其中与在目前最佳技术SBS系统中相比，感测组件的尺寸小一个量级且多任务水平也更高。SBS中的磁场感测尤其吸引人，因为DNA及定序试剂是非磁性的，与CMOS组件中基于电子传输调制的电荷感测方案相比，这可以显着改善信噪比(SNR)。此外，磁性感测无需并入的碱基与结直接接触。可使用小型化磁场传感器以检测纳米级磁性纳米粒子以进行SBS。
[0025]使用磁性传感器阵列进行SBS可以通过提供另外向内缩放(例如，约100倍)显着增加通量并降低定序的成本，同时消除定序系统中对高功率激光及高分辨率光学器件的需求。
[0026]本文件公开使用经磁性标记的核苷酸前体结合包括磁性感测组件(例如，MTJ、STO、自旋阀等)的阵列的定序器件一起的SBS方案。所述器件还包括一个或多个蚀刻的结合区域，所述区域容许磁性传感器检测经磁性标记的核苷酸前体中的磁性标记，同时保护所述磁性传感器免受损坏(例如，使用绝缘体薄层)。
[0027]在本公开中，公开一种用于核酸定序的装置，所述装置包含多个磁性传感器；配置在所述多个磁性传感器上方的多个结合区域，所述结合区域各用于容纳流体；及至少一个管线，用于检测所述多个磁性传感器中的至少第一磁性传感器的特性，所述特性指示存在或缺乏一个或多个耦合到与所述第一磁性传感器相关联的第一结合区域的磁性纳米粒子。在一些实施例中，所述第一磁性传感器包含磁阻式(MR)器件。所述MR器件可包含钉扎层、自
由层，及配置在所述钉扎层与所述自由层之间的势垒层。在一些这类实施例中，在缺乏一个或多个耦合到第一结合区域的磁性纳米粒子的情况下，所述钉扎层的磁矩距所述自由层的磁矩约90度。
[0028]第一结合区域可包括经配置以将核酸锚定到第一结合区域的结构(例如，空腔或脊)。
[0029]在一些实施例中，第一磁性传感器的形状是大体上圆柱形或大体上立方形。在一些实施例中，所述第一磁性传感器的横向尺寸介于约10纳米(nm)与约1微米之间。
[0030]所述装置还可包括经由至少一个管线耦合到多个磁性传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于核酸定序的装置，所述装置包含：多个磁性传感器；配置在所述多个磁性传感器上方的多个结合区域，所述结合区域各用于容纳流体；及至少一个管线，用于检测所述多个磁性传感器中的至少第一磁性传感器的特性，所述特性指示存在或缺乏一个或多个耦合到与所述第一磁性传感器相关联的第一结合区域的磁性纳米粒子。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一磁性传感器包含磁阻式器件。3.根据权利要求2所述的装置，其中所述磁阻式器件包含：钉扎层；自由层；及配置在所述钉扎层与所述自由层之间的势垒层。4.根据权利要求3所述的装置，其中，在缺乏所述一个或多个耦合到所述第一结合区域的磁性纳米粒子的情况下，所述钉扎层的磁矩距所述自由层的磁矩约90度。5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的装置，其中所述第一磁性传感器的形状是大体上圆柱形或大体上立方形。6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的装置，其中所述第一磁性传感器的横向尺寸介于约10纳米与约1微米之间。7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的装置，其进一步包含经由所述至少一个管线耦合到所述多个磁性传感器的感测电路，其中所述感测电路经配置以：将电流施加到所述至少一个管线以检测所述第一磁性传感器的所述特性。8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的装置，其中所述特性包含磁场或电阻。9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的装置，其中所述特性包含磁场的变化或电阻的变化。10.根据权利要求7到9中任一权利要求所述的装置，其中所述感测电路包含磁控振荡器，且其中所述特性包含与所述磁控振荡器相关联或由其产生的信号的频率。11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的装置，其中所述特性包含噪声级。12.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的装置，其进一步包含配置在所述多个磁性传感器与所述多个结合区域之间的绝缘材料。13.根据权利要求12所述的装置，其中所述绝缘材料包含二氧化硅、氧化铝或氮化硅中的至少一种。14.根据权利要求12或权利要求13所述的装置，其中所述绝缘材料包含氧化物或氮化物中的至少一种。15.根据权利要求12到14中任一权利要求所述的装置，其中在所述第一磁性传感器的顶部与所述第一结合区域之间的所述绝缘材料的厚度是介于约3纳米与约20纳米之间。16.根据权利要求1到15中任一权利要求所述的装置，其中所述至少一个管线包括配置在所述第一磁性传感器的顶面上方的第一管线，且其中所述第一结合区域位于所述第一管线中的沟槽内，所述沟槽在所述第一磁性传感器的所述顶面上方。17.根据权利要求1到16中任一权利要求所述的装置，其中所述多个磁性传感器是以矩形阵列安置，且其中所述至少一个管线包括至少第一管线及第二管线，其中所述第一管线
是配置在所述第一磁性传感器上方且所述第二管线是配置在所述第一磁性传感器下方。18.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一结合区域位于所述第一管线中的沟槽内。19.根据权利要求17或权利要求18所述的装置，其中所述第一管线是耦合到所述矩形阵列的行且所述第二管线是耦合到所述矩形阵列的列，或反之亦然。20.根据权利要求1到19中任一权利要求所述的装置，其中所述第一结合区域包含经配置以将核酸锚定到所述第一结合区域的结构。21.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构包含空腔或脊。22.一种使用装置定序核酸的方法，所述装置包含多个磁性传感器；配置在所述多个磁性传感器上方的多个结合区域，所述结合区域各用于容纳流体；及至少一个管线，用于检测所述多个磁性传感器中的至少第一磁性传感器的特性，所述方法包括：(a)将至少一个核酸链结合到第一结合区域；(b)在一或多轮添加中，向所述第一结合区域添加可延伸引子及核酸聚合酶；(c)向所述第一结合区域添加第一核苷酸前体，所述第一核苷酸前体由第一可裂解磁性标记进行标记；及(d)定序所述核酸链，其中定序所述核酸链包括：使用所述至少一个管线，检测所述第一磁性传感器的所述特性，所述特性指示存在或缺乏所述第一可裂解磁性标记。23.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括扩增所述至少一个核酸链。24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其进一步包括在将所述至少一个核酸链结合到所述第一结合区域后，扩增所述至少一个核酸链。25.根据权利要求23或权利要求24所述的方法，其中，由于所述扩增，将一个或多个扩增子结合到所述第一结合区域。26.根据权利要求22到25中任一权利要求所述的方法，其中定序所述核酸链进一步包括：响应于所述特性指示存在一个或多个耦合到所述第一结合区域的磁性纳米粒子的判定，将所述第一核苷酸前体的互补碱基记录在所述核酸链的核酸序列的记录中。27.根据权利要求22到26中任一权利要求所述的方法，其中所述第一核苷酸前体无法由所述核酸聚合酶延伸，且所述方法进一步包括：在检测所述特性后，移除所述第一可裂解磁性标记且使所述第一核苷酸前体能够由所述核酸聚合酶延伸。28.根据权利要求22到26中任一权利要求所述的方法，其中所述第一核苷酸前体无法由所述核酸聚合酶延伸。29.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一核苷酸前体呈现为能够通过化学裂解延伸。30.根据权利要求22到29中任一权利要求所述的方法，其进一步包括在定序所述核酸链后，通过酶促或化学裂解移除所述可裂解磁性标记。31.根据权利要求22到30中任一权利要求所述的方法，其进一步包括：
在各重复期间，以不同核苷酸前体重复步骤(c)及(d)，所述不同核苷酸前体各经磁性标记。32.根据权利要求31所述的方法，其中所述第一及不同核苷酸前体各选自经磁性标记的腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶，或其等同物。33.根据权利要求22到32中任一权利要求所述的方法，其进一步包括在步骤(c)前，清洗所述第一结合区域。34.根据权利要求22到33中任一权利要求所述的方法，其中所述第一可裂解磁性标记具有第一磁性，且其中所述方法进一步包括：在所述一或多轮添加中，向所述第一结合区域添加由具有第二磁性的第二可裂解磁性标记进行标记的第二核苷酸前体。35.根据权利要求34所述的方法，其进一步包括：在所述一或多轮添加中，向所述第一结合区域添加由具有第三磁性的第三可裂解磁性标记进行标记的第三核苷酸前体，及由具有第四磁性的第四可裂解磁性标记进行标记的第四核苷酸前体。36.根据权利要求22到35中任一权利要求所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：赫孚孟拉罗股份公司，
类型：发明
国别省市：