CN109844528A

CN109844528A - 用于纳米孔测序的集成电路和流动池的多芯片包装

Info

Publication number: CN109844528A
Application number: CN201780066187.7A
Authority: CN
Inventors: Y.米特尼克; X.欧阳; J.沃吉托维奇
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: CN109844528B; EP3532843B1; JP7543340B2; EP3532843A1; US20240219369A1; JP2020504808A; US20220091095A1; US11193922B2; JP2022106943A; WO2018077845A1; ES2843732T3; US11953494B2; US20190250144A1

Abstract

基于纳米孔的测序系统包括多个基于纳米孔的测序芯片。每个基于纳米孔的测序芯片包括多个纳米孔传感器。该系统包括至少一个流动池，其耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个，其中耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个的流动池包括一个或多个流体流动通道，其允许系统外部的流体在基于纳米孔的测序芯片的顶部流动并流出系统。该系统还包括电连接到多个基于纳米孔的测序芯片的印刷电路板。

Description

用于纳米孔测序的集成电路和流动池的多芯片包装

背景技术

近年来半导体行业内微小型化方面的进步使得生物技术专家能够开始将传统上庞大的感测工具打包到越来越小的形状因子中，打包到所谓的生物芯片上。将会希望开发使生物芯片更加强健、高效并且成本有效的用于生物芯片的技术。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种基于纳米孔的测序系统，其包括多个基于纳米孔的测序芯片，每个基于纳米孔的测序芯片包括多个纳米孔传感器；耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个的至少一个流动池（cell），其中耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个的流动池包括允许系统外部的流体流动在基于纳米孔的测序芯片之上并流出系统的一个或多个流体流动通道；以及印刷电路板，其电连接到多个基于纳米孔的测序芯片。

所述至少一个流动池可以耦合到所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个，并且至少一个流动池可以连接到入口，出口和流体泵。一个或多个流体流动通道可引导流体流过芯片间边界（chip-to-chip boundary），其中芯片间边界是多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个之间的边界。芯片间边界可以是气密密封的，例如通过将多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个的侧壁切割成基本上垂直和平坦的；放置多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个的侧壁，使得侧壁彼此对接；并在侧壁上沉积气密密封材料。还可以通过将多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个结合到至少一个流动池上来气密密封芯片间边界。所述至少一个流动池可包括模制的柔韧材料或玻璃材料。

所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个可包括结合到所述至少一个流动池的结合表面，其中所述结合表面不包括电路或其他组件。基于纳米孔的测序系统或仪器还可包括多个结合线，其中印刷电路板还可包括多个金属连接器，并且多个结合线可将多个基于纳米孔测序芯片中的至少一个电连接到多个金属连接器中的至少一些，并且多个结合线可以向上拱起并且彼此不接触。基于纳米孔的测序系统还可以包括覆盖多个结合线的封装层。

多个基于纳米孔的测序芯片可以嵌入在印刷电路板中，并且印刷电路板还可以包括多个金属连接器，并且多个金属连接器中的至少一个可以具有平放在所述印刷电路板的顶表面上并且平放在所述多个基于纳米孔的测序芯片中的一个的顶表面上的部分，并且所述多个金属连接器中的所述至少一个可以电连接到所述多个基于纳米孔的测序芯片中的一个。该系统或仪器可以进一步包括封装层，其中平放在印刷电路板的顶表面上并且平放在多个基于纳米孔的测序芯片中的一个的顶表面上的部分被封装层覆盖。

印刷电路板可以包括多个腔，并且多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个可以定位成正面朝上并且位于印刷电路板的下方，使得基于纳米孔的测序芯片的多个纳米孔传感器由多个腔中的一个暴露。然后，将至少一个流动池嵌入由多个腔中的一个和多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个形成的井中。

在第二方面，本发明提供一种集成基于纳米孔的测序系统的方法，包括：将至少一个流动池耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个，其中耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个的流动池包括允许系统外部的流体流动在基于纳米孔的测序芯片之上并流出系统的一个或多个流体流动通道，并且其中每个基于纳米孔的测序芯片包括多个纳米孔传感器；将印刷电路板电连接到多个基于纳米孔的测序芯片。

该方法可以包括将至少一个流动池耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个，并且可选地将至少一个流动池连接到入口，出口和流体泵。一个或多个流体流动通道可以引导流体流过优选的芯片间边界，其中芯片间边界是多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个之间的边界，并且其中所述边界可以是气密密封的。所述气密密封芯片间边界可以包括将所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个的侧壁切割成基本上垂直和平坦；放置多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个的侧壁，使得所述侧壁彼此对接；并在所述侧壁上沉积气密密封材料。或者，所述气密密封芯片间边界可包括将多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个结合到至少一个流动池上。

该方法还可包括使用柔韧材料或使用玻璃材料模制至少一个流动池。该方法还可以包括将所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个的结合表面结合到所述至少一个流动池，其中所述结合表面不包括电路或其他组件。

该方法还可以包括使用多个结合线将多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个电连接到印刷电路板的多个金属连接器中的至少一些，其中多个结合线向上拱起并且不彼此接触，并且可选地使用封装层覆盖多个结合线。

该方法还可以包括将多个基于纳米孔的测序芯片嵌入印刷电路板中，其中印刷电路板还包括多个金属连接器，并且其中多个金属连接器中的至少一个具有平放在所述印刷电路板的顶表面上并且平放在所述多个基于纳米孔的测序芯片中的一个的顶表面上的部分，并且其中所述多个金属连接器中的至少一个电连接到所述多个基于纳米孔的测序芯片中的一个。然后，该方法可以另外包括通过封装层覆盖平放在印刷电路板的顶表面上并且平放在多个基于纳米孔的测序芯片中的一个的顶表面上的部分。

如果印刷电路板包括多个腔，则该方法还可以包括将多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个定位成正面朝上并且位于印刷电路板的下方，使得基于纳米孔的测序芯片的多个纳米孔传感器由多个腔中的一个暴露。然后，所述至少一个流动池可以嵌入由多个腔中的一个和多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个形成的井中。

附图说明

在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。

图1图示了基于纳米孔的测序芯片中的池100的实施例。

图2图示了利用Nano-SBS技术来执行核苷酸测序的池200的实施例。

图3图示了即将利用预加载的标签来执行核苷酸测序的池的实施例。

图4图示了用于利用预加载的标签进行核酸测序的过程400的实施例。

图5图示了基于纳米孔的测序芯片中的池500的实施例。

图6图示了基于纳米孔的测序系统600的顶视图，其中流动室包围硅芯片，该流动室允许液体和气体通过并接触芯片表面上的传感器。

图7A图示了具有蛇形流体流动通道的基于纳米孔的测序系统700的一个实施例的示例性视图。图7B图示了层压在一起以形成基于纳米孔的测序系统700的各种组件。

图8A图示了基于多芯片纳米孔的测序系统800的实施例，其包括与流动池集成到单个系统中的多个基于纳米孔的测序芯片。

图8B图示了首先将基于纳米孔的测序芯片结合到流动池的示例。

图9图示了基于多芯片纳米孔的测序系统900的实施例，其包括与多个流动池集成到单个系统中的多个基于纳米孔的测序芯片。

图10图示了基于多芯片纳米孔的测序系统1000的实施例，其包括与流动池集成到单个系统中的多个基于纳米孔的测序芯片。

图11图示了基于多芯片纳米孔的测序系统1100的实施例，其包括与多个流动池集成到单个系统中的多个基于纳米孔的测序芯片。

具体实施方式

本发明可以以众多方式实现，包括作为过程；装置；系统；物质的组成；体现在计算机可读存储介质上的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置成执行存储在耦合到处理器的存储器上和/或由耦合到处理器的存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，可以将这些实现方式或本发明可以采取的任何其他形式称为技术。一般而言，可以在本发明的范围内改变所公开的过程的步骤的顺序。除非另有说明，否则可以将被描述为被配置成执行任务的诸如处理器或存储器之类的组件实现为暂时地被配置成在给定时间执行任务的通用组件或被制造成执行所述任务的专用组件。如本文中使用的，术语“处理器”是指被配置成处理数据（诸如计算机程序指令）的一个或多个设备、电路和/或处理核心。

下面连同图示本发明的原理的附图一起提供对本发明的一个或多个实施例的详细描述。结合这样的实施例对本发明进行描述，但是本发明并不限于任何实施例。本发明的范围仅受权利要求书限制，并且本发明涵盖众多替换方案、修改和等同物。在以下描述中阐述了众多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。这些细节被提供用于示例的目的，并且可以根据权利要求书而在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本发明。为了清晰起见，在与本发明有关的技术领域中已知的技术材料并未被详细描述，以免不必要地模糊本发明。

具有大约一纳米内径的孔大小的纳米孔膜设备在快速核苷酸测序方面显示了希望。当跨沉浸于导电流体中的纳米孔施加电压电位时，可以观察到归因于离子传导通过纳米孔的的小离子电流。该电流的大小对孔大小敏感。

基于纳米孔的测序芯片可以用于核酸（例如，DNA）测序。基于纳米孔的测序芯片包括被配置为阵列的大量传感器池。例如，一百万个池的阵列可以包括1000行×1000列个池。

图1图示了基于纳米孔的测序芯片中的池100的实施例。膜102形成于池的表面之上。在一些实施例中，膜102是脂质双分子层。包含可溶性蛋白质纳米孔跨膜分子复合物（PNTMC）和感兴趣的分析物的主体电解质（bulk electrolyte）114被直接放置到池的表面上。在一个实施例中，单个PNTMC 104通过电穿孔而被插入到膜102中。阵列中的个体膜既不化学地也不电气地彼此连接。因此，阵列中的每个池是独立的测序机器，从而产生对与PNTMC相关联的单个聚合物分子而言唯一的数据。PNTMC 104对分析物操作并且通过另外的不可渗透的双分子层来调制离子电流。

继续参考图1，模拟测量电路112连接到被大量电解质108所覆盖的金属电极110。大量电解质108通过离子不可渗透膜102与主体电解质114隔离。PNTMC 104跨过膜102并且提供用于使离子电流从主体液体（bulk liquid）流到工作电极110的唯一路径。该池还包括对电极（CE）116，其与主体电解质114电接触。该池还可包括参考电极117。

在一些实施例中，纳米孔阵列使用基于单分子纳米孔的合成测序（Nano-SBS）技术实现了并行测序。图2图示了利用Nano-SBS技术来执行核苷酸测序的池200的实施例。在Nano-SBS技术中，将要被测序的模板202和先导物引入到池200。针对该模板-先导物复合物，四个不同地加标签的核苷酸208被添加到主体水相。随着被正确加标签的核苷酸与聚合酶204复合，标签的尾部被定位在纳米孔206的桶状体中。保持在纳米孔206的桶状体中的标签生成唯一离子阻挡信号210，从而由于标签的不同化学结构而以电子方式标识所添加的碱基。

图3图示了即将利用预加载的标签来执行核苷酸测序的池的实施例。在膜302中形成纳米孔301。酶303（例如，聚合酶，诸如DNA聚合酶）与纳米孔相关联。在一些情况中，聚合酶303共价结合地附连到纳米孔301。聚合酶303与要被测序的核酸分子304相关联。在一些实施例中，核酸分子304是圆形的。在一些情况中，核酸分子304是线形的。在一些实施例中，核酸先导物305与核酸分子304的一部分杂交。聚合酶303使用单链核酸分子304作为模板来催化核苷酸306结合到先导物305上。核苷酸306包括标签种类（“标签”）307。

图4图示了用于利用预加载的标签进行核酸测序的过程400的实施例。阶段A图示了如图3中描述的组件。阶段C示出了被加载到纳米孔中的标签。“被加载的”标签可以是被定位在纳米孔中和/或保持在纳米孔中或附近达可感知时间量的标签，所述可感知时间量例如0.1毫秒（ms）到10,000 ms。在一些情况中，预加载的标签在从核苷酸释放之前被加载到纳米孔中。在一些实例中，如果在核苷酸结合事件时标签在被释放之后穿过纳米孔（和/或被纳米孔检测到）的概率合适地高，例如90%到99%，则标签被预加载。

在阶段A，标记的核苷酸（四种不同类型之一：A，T，G或C）与聚合酶无关。在阶段B处，加标签的核苷酸与聚合酶相关联。在阶段C处，聚合酶停驻到纳米孔。标签在停驻期间被电动力拉到纳米孔中，所述电动力诸如是在由跨膜和/或纳米孔施加的电压所生成的电场存在的情况下生成的力。

相关联的加标签的核苷酸中的一些不是与核酸分子配对的碱基。这些非配对的核苷酸通常在一时间尺度内被聚合酶拒绝，该时间尺度比正确配对的核苷酸保持与聚合酶相关联的时间尺度短。由于非配对核苷酸仅与聚合酶瞬时相关联，因此如图4所示的过程400通常不会进行超过阶段D。例如，在阶段B或在该过程进入阶段C.后不久，聚合酶排斥未配对的核苷酸。

在聚合酶停驻到纳米孔之前，纳米孔的电导是大约300微微西门子(300 pS)。在阶段C，纳米孔的电导是分别与四个类型的被标记的核苷酸之一对应的大约60 pS、80 pS、100pS或120 pS。聚合酶经受异构化和转磷酸反应以将核苷酸结合到生长的核酸分子中并且释放标签分子。特别地，当标签保持在纳米孔中时，由于标签的不同化学结构而生成唯一电导信号（例如，参见图2中的信号210），从而以电子方式标识所添加的碱基。重复所述循环（即，阶段A到E或者阶段A到F）允许对核酸分子测序。在阶段D处，所释放的标签穿过纳米孔。

在一些情况中，未被合并到生长的核酸分子中的加标签的核苷酸也将穿过纳米孔，如图4的阶段F中所看到的。在一些实例中，未被合并的核苷酸可以被纳米孔检测到，但该方法提供了用于至少部分地基于在纳米孔中检测到核苷酸的时间来区分被结合的核苷酸与未被结合的核苷酸的手段。结合到未被合并的核苷酸的标签快速地穿过纳米孔并且在短时间段（例如，小于10ms）内被检测到，而被结合到被结合的核苷酸的标签加载到纳米孔中并且在长时间段（例如，至少10 ms）内被检测到。

图5图示了基于纳米孔的测序芯片中的池500的实施例。池500包括具有两个侧壁和底部的井505。在一个实施例中，每个侧壁包括介电层504，并且底部包括工作电极502。在一个实施例中，工作电极502具有顶侧和底侧。在另一实施例中，502的顶侧构成井505的底部，而502的底侧与电介质层501接触。在另一实施例中，介电层504位于介电层501上方。介电层504形成围绕井505的壁，工作电极502位于井505的底部。用于本发明的合适的介电材料（例如，介电层501或504）包括但不限于瓷（陶瓷），玻璃，云母，塑料，氧化物，氮化物（例如，一氮化硅或SiN），氮氧化硅，金属氧化物，金属氮化物，金属硅酸盐，过渡金属氧化物，过渡金属氮化物，过渡金属硅酸盐，金属氧氮化物，金属铝酸盐，硅酸锆，铝酸锆，氧化铪，绝缘材料（如聚合物，环氧树脂，光刻胶，等等）或其组合。本领域普通技术人员将理解适用于本发明的其他介电材料。

在一个方面，池500还包括一个或多个疏水层。如图5所示，每个介电层504具有顶表面。在一个实施例中，每个介电层504的顶表面可包括疏水层。在一个实施例中，硅烷化在介电层504的顶表面上方形成疏水层520。例如，利用（i）含有6至20个碳-长链（例如，十八基-三氯甲硅烷，十八基-三甲氧基甲硅烷或十八基-三乙氧基硅烷）的硅烷分子，（ii）正辛基二甲基化氯硅烷（DMOC），或（iii）有机官能烷氧基硅烷分子（例如，二甲基氯-十八烷基-硅烷，甲基二氯-十八烷基-硅烷，三氯-十八烷基-硅烷，三甲基-十八烷基-硅烷，或三乙基-十八烷基-硅烷）的进一步硅烷化可以在介电层504的顶表面上进行。在一个实施例中，疏水层是硅烷化层或硅烷层。在一个实施例中，硅烷层可以有一个分子那么厚。在一个方面，介电层504包括适于粘附膜的顶表面（例如，包含纳米孔的脂质双层）。在一个实施例中，适于粘附膜的顶表面包含如本文所述的硅烷分子。在一些实施例中，疏水层520具有以纳米（nM）或微米（μm）标度提供的厚度。在其他实施例中，疏水层可以沿着介电层504的全部或一部分向下延伸。（另见Davis等人，US 20140034497，其通过引用整体并入本文）。

在另一方面，井505（由介电层壁504形成）还包括在工作电极502上方的一定体积的盐溶液506。通常，本发明的方法包括使用包含渗透剂的溶液（例如，盐溶液，盐缓冲溶液，电解质，电解质溶液或主体电解质）。如本文所用，术语“渗透剂”是指任何可溶性化合物，其在溶解于溶液中时增加该溶液的渗透压。在本发明中，渗透剂是在纳米孔测序系统的架构内可溶于溶液的化合物，例如，含有如本文所述的盐溶液或主体电解质的井。因此，本发明的渗透剂影响渗透，特别是跨脂质双层的渗透。用于本发明的渗透剂包括但不限于：离子盐，诸如氯化锂（LiCl），氯化钠（NaCl），氯化钾（KCl），谷氨酸锂，谷氨酸钠，谷氨酸钾，乙酸锂，乙酸钠，乙酸钾，氯化钙（CaCl₂），氯化锶（SrCl₂），氯化锰（MnCl₂）和氯化镁（MgCl₂）；多元醇和糖类，诸如甘油，赤藓糖醇，阿拉伯糖醇，山梨糖醇，甘露醇，木糖醇，甘露糖甘露醇，糖基甘油，葡萄糖，果糖，蔗糖，海藻糖和异氟代苷；聚合物，诸如葡聚糖，左聚糖和聚乙二醇；和一些氨基酸及其衍生物，诸如甘氨酸，丙氨酸，α-丙氨酸，精氨酸，脯氨酸，牛磺酸，甜菜碱，章鱼碱，谷氨酸，肌氨酸，γ-氨基丁酸和三甲胺N-氧化物（“TMAO”）（参见例如，Fisher等人，US 20110053795，其全部内容通过引用并入本文）。在一些实施例中，本发明利用包含渗透剂的溶液，其中渗透剂是离子盐。本领域普通技术人员将理解适于用于本发明的渗透剂的其他化合物。另一方面，本发明提供了包含两种或更多种不同渗透剂的溶液。

本文描述的基于纳米孔的测序芯片的架构包括具有1阿升（attoliter）和1纳升之间的体积的井阵列（例如，图5）。

如图5所示，膜形成在介电层504的顶表面上并跨越井505。例如，膜包括形成在疏水层520顶部的脂质单层518。当膜到达井505的开口时，脂质单层转变为跨越井的开口的脂质双层514。脂质单层518还可以沿着介电层504的垂直表面（即，侧壁）的全部或一部分延伸。在一个实施例中，单层518沿其延伸的垂直表面504包括疏水层。包含蛋白质纳米孔跨膜分子复合物（PNTMC）和感兴趣的分析物的主体电解质508被直接放置到井的上面。单个PNTMC/纳米孔516被插入到脂质双分子层514中。在一个实施例中，通过电穿孔插入双层中。纳米孔516跨过脂质双分子层514并且提供用于从主体电解质508到工作电极502的离子流动的唯一路径。

池500包括对电极（CE）510，其与主体电解质508电接触。池500可以可选地包括参考电极512。在一些实施例中，对电极510在多个池之间被共享，并且因此也被称为公用电极。公用电极可以被配置成向与测量池中的纳米孔接触的主体液体施加公用电位。公用电位和公用电极对所有测量池而言是公用的。

在一些实施例中，工作电极502是金属电极。针对非法拉第传导，工作电极502可以由耐腐蚀和氧化的金属（例如铂、金、氮化钛和石墨）制成。例如，工作电极502可以是具有电镀铂的铂电极。在另一个示例中，工作电极502可以是氮化钛（TiN）工作电极。

如图5所示，将纳米孔516插入悬浮在井505上方的平面脂质双层514中。电解质溶液既存在于井505内部（即穿透侧（trans side）（参见盐溶液506））又存在于大得多的外部贮存器522中（即顺侧（cis side））（参见体电解质508）。外部贮存器522中的主体电解质508位于基于纳米孔的测序芯片的多个井之上。脂质双层514在井505上延伸并过渡到脂质单层518，其中该单层附着到疏水层520。该几何形状在电学上和物理上都密封井505并将井与较大的外部贮存器隔开。虽然中性分子（例如水和溶解的气体）可以通过脂质双层514，但离子可不通过。脂质双层514中的纳米孔516提供了用于将离子导入和导出井505的单一路径。

对于核酸测序，聚合酶附着于纳米孔516。核酸（例如DNA）的模板由聚合酶保持。例如，聚合酶通过合并来自与模板互补的溶液的六磷酸单核苷酸（HMN）来合成DNA。每个HMN都附有一个独特的聚合物标签。在合并期间，通过由对电极510和工作电极502之间的电压产生的电场梯度使标签穿入纳米孔。标签部分地阻挡纳米孔516，从而实现通过纳米孔516的离子电流的可测量的变化。在一些实施例中，在电极之间施加交流（AC）偏压或直流（DC）电压。

使用基于纳米孔的测序芯片的核酸测序包括其中不同类型的流体（例如，液体或气体）经由流动室流过基于纳米孔的测序芯片的池的步骤。具有显著不同性质（例如，可压缩性，疏水性和粘度）的多种流体流过基于纳米孔的测序芯片的表面上的传感器阵列。为了提高效率，阵列中的每个传感器应以一致的方式暴露在流体中。例如，每种不同类型的流体应该流过基于纳米孔的测序芯片，使得流体可以被输送到芯片，均匀地涂覆和接触每个池的表面，以及然后被输送出芯片。如上所描述的，基于纳米孔的测序芯片包含被配置为阵列的大量传感器池。随着基于纳米孔的测序芯片被缩放以包括越来越多的池，实现不同类型的流体的跨芯片的池的均匀流动变得更具挑战性。

在一些实施例中，基于纳米孔的测序系统包括具有蛇形流体流动通道的流动室，所述蛇形流体流动通道引导流体沿着通道的长度遍历芯片的不同传感器。流动通道可用于包含图1中的主体电解质114和图5中的主体电解质508。流动通道可用于形成图5中的外部贮存器522。图6图示了基于纳米孔的测序系统600的顶视图，其具有包围硅芯片的流动室，该流动室允许液体和气体通过并与芯片表面上的传感器接触。流动室包括蛇形或弯曲的流体流动通道608，其引导流体在传感器组606（每组包括数千个传感器池）的单列（或单行）上方从芯片的一端直接流到相反端然后引导流体反复回环并直接流到传感器组的其他相邻列上，直到所有传感器组已经遍历至少一次。如图6中所示，系统600包括入口602和出口604。

参考图6，流体通过入口602被引导到系统600中。流体的类型，可以通过流体系统来选择流体的浓度或流速，该流体系统包括用于控制流体系统的处理器和用于将流体泵送到入口内和出口之外的流体泵。入口602可以是管或针。例如，该管或针可具有一毫米的直径。代替将液体或气体直接馈送入具有单个连续空间的宽流动室，入口602将液体或气体馈送到蛇形流体流动通道608中，该流体流动通道608引导液体或气体直接在传感器组606的单列的上方流动。蛇形流体流动通道608可以通过将顶板和垫圈与分隔器610堆叠在一起而形成，分隔器610将室分成蛇形通道以形成流动池，然后将流动池安装在芯片的顶部。一旦液体或气体流过蛇形流体流动通道608，该液体或气体就被向上引导通过出口604并离开系统600。

系统600允许流体更均匀地流动在芯片表面上的所有传感器的顶部。通道宽度被配置为足够窄，使得毛细管作用可以起效。更具体地，表面张力（由流体内的内聚力引起）和流体与封闭表面之间的粘合力用于将流体保持在一起，从而防止流体或气泡破裂并产生死区。例如，通道可以具有1毫米或更小的宽度。窄通道能够控制流体的流动并使来自先前流体或气体流动的残余物的量最小化。

图7A图示了具有蛇形流体流动通道的基于纳米孔的测序系统700的一个实施例的示例性视图。图7B图示了层压在一起以形成基于纳米孔的测序系统700的各种组件。系统700包括各种组件，包括印刷电路板701，纳米孔阵列芯片702，带有分隔器703的垫圈704，背板707，位于背板707下侧的对电极706，连接到对电极706上的柔性扁平电路716，入口708，出口710，弹簧板712和多个紧固硬件714。蛇形流体流动通道是在背板707，垫圈704和纳米孔阵列芯片702之间形成的空间。通过将背板707和垫圈704堆叠在一起来形成流动池，以及然后将流动池安装在纳米孔阵列芯片702的顶部上而形成蛇形流动通道。流动通道的另外的实施例可以在Yuan，US 20160274082（其通过引用整体并入本文）中找到。

为了提高测序吞吐量，基于纳米孔的测序芯片需要按比例缩放以包含一个或多个池，超过数百万或数千万个池。然而，包括数百万个池的芯片可以快速达到半导体工业中掩模板（reticle）尺寸所允许的最大芯片尺寸。由于许多原因，可能无法实现基于纳米孔的测序芯片的强力半导体缩放。如图5所示，井505包括在工作电极502上方的一定体积的盐溶液506。由于每个井需要保持一定量的盐溶液以使测序过程正常操作，因此井的尺寸不能轻易减小。此外，井之间的间距不能轻易减小，因为减小间距可能引入池之间的串扰。此外，每个池包括模拟测量组件（例如，模数转换器（ADC）），其尺寸不能轻易缩小。另一个动机是降低具有更多池的基于纳米孔的测序包装的成本。另一个目标是在系统中的池数量基于产品要求而改变时缩短设计周期并降低成本。因此，将期望用于增加基于纳米孔的测序系统/包装中的池数量的改进技术。

在本申请中，公开了一种基于多芯片纳米孔的测序系统，其包括多个基于纳米孔的测序芯片和一个或多个集成到单个包装中的流动池。基于多芯片纳米孔的测序系统具有许多优点。包装中池数量的缩放不受许多因素的限制，所述因素包括半导体工业中掩模板尺寸所允许的最大管芯尺寸，最小井尺寸和间距，以及不同的模拟组件的最小尺寸。基于多芯片纳米孔的测序包装也更具成本效益，因为可以在不增加管芯尺寸的情况下按比例增加池的数量，这可能导致较低的百分比产率。由于不需要重新设计硅或组装工艺以改变包装中的池数量，因此设计周期显著降低。通过简单地增加集成到系统中的模块化设计单元的数量，可以增加系统中的池数量。例如，每个设计单元是可以独立组装的瓦片，并且瓦片可以并排组装。由于缩短了设计周期，每包装的池数量可以定制，以便以相对低的成本提供更广泛的产品。

图8A图示了基于多芯片纳米孔的测序系统800的实施例，其包括与流动池集成到单个系统中的多个基于纳米孔的测序芯片。图8A图示了基于多芯片纳米孔的测序系统的横截面视图。系统800包括印刷电路板（PCB）802，多个基于纳米孔的测序芯片804和流动池806。如图8A所示，系统800包括三个基于纳米孔的测序芯片804。然而，应该认识到，可以将不同数量的基于纳米孔的测序芯片804集成到系统800中，以扩大或缩小系统中的池的总数。

每个基于纳米孔的测序芯片804包括被配置为阵列的许多传感器池。例如，一百万个池的阵列可以包括1000行×1000列个池。在一些实施例中，每个基于纳米孔的测序芯片804是单晶片芯片。在一些实施例中，每个基于纳米孔的测序芯片804是堆叠晶片芯片（参见例如Tian，US 20150275287，其通过引用整体并入本文）。芯片的不同类型的组件（例如，模拟，数字和存储器组件）可以被划分为两个或更多个垂直堆叠的晶片，以形成基于堆叠晶片纳米孔的测序芯片。例如，每个堆叠晶片包括不同类型的组件，例如仅模拟组件或仅数字组件。将数字组件和模拟组件分开到不同晶片中的一个优点是它不需要芯片上的混合信号晶片，其比模拟晶片或数字晶片更昂贵；此外，可以利用不同类型的技术（例如，用于模拟设计的180nm技术和用于数字设计的28nm技术）单独设计模拟晶片和数字晶片。

流动池806可以使用不同的材料而形成。在一些实施例中，流动池806通过将背板和垫圈堆叠在一起而形成。垫圈可以用柔性，可压缩或柔韧的材料（例如塑料或橡胶）来模制。背板，垫圈和芯片之间的空间形成蛇形流体流动通道808。这种类型的流动池已在图6、7A和7B中公开，并且被称为柔性材料模制的流动池。在一些实施例中，流动池806由非柔性材料（例如玻璃）形成。玻璃流动池被模制成包括多个蛇形流体流动通道808，其可引导流体通过芯片表面上的传感器并与芯片表面上的传感器接触。

印刷电路板802包括多个热金属块814，用于将热量从基于纳米孔的测序芯片804导热离开。尽管图8A示出了在每个热金属块814与其对应的芯片804之间存在间隙，但应该认识到热金属块实际上与芯片接触，从而有助于从芯片移除热量。印刷电路板802还包括多个金属连接器816。传感器信号和其他信息可以经由多个通过硅的通孔810从池传输到芯片的底表面。然后，信号和信息通过焊球812和金属连接器816进一步传输出系统800。控制信号可以类似地经由金属连接器816，焊球812和通过硅的通孔810从外部处理器或控制器传输到芯片中的池。

在一些实施例中，首先将多个基于纳米孔的测序芯片804结合到流动池806，以及然后将芯片和PCB 802结合在一起。图8B图示了首先将基于纳米孔的测序芯片结合到流动池的示例。图8B图示了基于纳米孔的测序芯片和流动池的横截面视图。流动池806位于底部。注意，与图8A中的流动池806相比，图8B中的流动池806取向倒置。多个基于纳米孔的测序芯片也取向倒置，即，其中池（例如，池500）取向倒置，并结合到流动池806。在芯片804结合到流动池806之后，然后将芯片和PCB 802结合在一起。首先将芯片结合到流动池的一个优点是流动池提供平坦的结合表面，这有利于芯片与流动池的结合。可以使用激光结合技术将由玻璃材料形成的流动池806结合到芯片。一些结合技术可能在结合区域产生大量热量，这可能导致电路或芯片上的其他组件的损坏。因此，芯片被设计为包括不包括电路或其他组件的结合表面（例如，在芯片的外围）。

在系统800中，在多个基于纳米孔的测序芯片804之间共享一个流动池806。使用一个流动池806引导流体在系统中的所有基于纳米孔的测序芯片804的传感器上方流动的优点在于整个系统仅需要一个入口，一个出口和一个流体泵，从而降低系统的总体成本。然而，使流体流过芯片间边界会产生许多挑战。为了确保流体能够通过蛇形流体流动通道808平滑地流过芯片间边界，各芯片804应该彼此对接，而不是如图8A和8B所示在它们之间具有间隙。例如，与第二芯片的侧壁相邻的第一芯片的侧壁应该是直的和平坦的，使得两个芯片的侧壁可以紧密地相互抵靠。垂直切割技术可用于从晶片切割基于纳米孔的测序芯片，使得芯片的侧壁是垂直且平坦的。例如，可以使用等离子体蚀刻工具。此外，芯片间边界应气密密封以保持密闭并排除液体通过。例如，两个彼此相邻的芯片的侧壁应该是气密密封的。在一些实施例中，通过沉积气密密封材料（例如铬）来气密密封两个相邻芯片的侧壁。确保流体可以通过蛇形流体流动通道808平滑地流过芯片间边界的另一种方式是首先将芯片结合到流动池806，以及然后将芯片和PCB 802结合在一起，如上所述。首先将芯片结合到流动池的优点在于，流动池提供平坦的结合表面，使得芯片可以在相同的水平垂直对齐，这有利于在每个芯片间边界之间形成气密密封。

图9图示了基于多芯片纳米孔的测序系统900的实施例，其包括与多个流动池集成到单个系统中的多个基于纳米孔的测序芯片。图9图示了基于多芯片纳米孔的测序系统的横截面视图。系统900包括印刷电路板（PCB）902，多个基于纳米孔的测序芯片904和多个流动池906。如图9所示，系统900包括三个基于纳米孔的测序芯片904。然而，应该认识到，可以将不同数量的基于纳米孔的测序芯片904集成到系统900中，以扩大或缩小系统中的池的总数。

在一些实施例中，每个基于纳米孔的测序芯片904是单晶片芯片。在一些实施例中，每个基于纳米孔的测序芯片904是堆叠晶片芯片。多个流动池906可以是类似于系统800中描述的柔性材料模制的流动池或玻璃流动池的类型，但是不是具有单个流动池来引导流体在该系统中的所有芯片的传感器上方流动，系统900包括用于每个芯片904的一个流动池906，并且每个流动池906具有其自己的入口，出口和流体泵。每个流动池906包括多个流体流动通道908，以引导流体在系统中的单个基于纳米孔的测序芯片904的传感器上方流动。

印刷电路板902包括多个热金属板914，用于将热量从基于纳米孔的测序芯片904导热离开。或者，印刷电路板902可包括多个热金属块（图9中未示出），例如系统800中所示的热金属块的类型，用于将热量从芯片导热离开。印刷电路板902还包括多个金属连接器916，用于传输控制或传感器信号和其他信息。传感器信号和其他信息可以通过多个结合线912从池传输到金属连接器916。然后，信号和信息通过金属连接器916进一步传输到PCB902的底表面并传输出系统900。控制信号可以类似地从外部处理器或控制器经由金属连接器916和结合线912传输到芯片中的池。

在一些实施例中，首先将多个基于纳米孔的测序芯片904结合到PCB 902。在芯片904结合到PCB 902之后，结合线912用于将芯片904电连接到PCB 902的金属连接器916。为了最小化PCB 902上由芯片904占据的的空间，芯片被紧密地放置在一起。在芯片紧密放置在一起的情况下，使用结合线技术来放置向上拱起并且非常紧密地隔开在一起的结合线912，同时保持结合线彼此不接触。

结合线912由封装层910保护和覆盖。封装层910可以使用不同的材料（例如环氧树脂）形成。在一些实施例中，在沉积封装层910之前，将流动池906结合到芯片904。将流动池906放置在封装层910之前的优点在于，流动池906可以用作防止封装材料沉积到芯片的组件上的挡板（dam）。一些封装过程是高温过程，这可能导致柔性材料模制的流动池熔化。在这种情况下，仅使用由能够承受高温的材料（例如玻璃）制成的流动池。一些封装过程不是高温过程。在这种情况下，可以使用柔性材料模制的流动池或玻璃流动池两者。在一些实施例中，封装过程是高温过程并且使用柔性材料模式的流动池。因为高温可能损坏这种类型的流动池，所以首先沉积封装层，以及然后通过在流动池的顶部施加向下的压力将流动池固定在芯片的顶部。

用于将流动池906结合到芯片904的一些结合技术可能在结合区域处产生大量热量，这可能导致对芯片上的电路或其他组件的损坏。因此，芯片904被设计为包括不包括电路或其他组件的结合表面（例如，在芯片的外围）。

图10图示了基于多芯片纳米孔的测序系统1000的实施例，其包括与流动池集成到单个系统中的多个基于纳米孔的测序芯片。图10图示了基于多芯片纳米孔的测序系统的横截面视图。系统1000包括印刷电路板（PCB）1002，多个基于纳米孔的测序芯片1004和流动池1006。如图10所示，系统1000包括三个基于纳米孔的测序芯片1004。然而，应该认识到，可以将不同数量的基于纳米孔的测序芯片1004集成到系统1000中，以扩大或缩小系统中的池的总数。

印刷电路板1002包括多个热金属板1014，用于将热量从基于纳米孔的测序芯片1004导热离开。或者，印刷电路板1002可包括多个热金属块（图10中未示出）——例如，系统800中所示的热金属块的类型——用于将热量从芯片导热离开。印刷电路板1002还包括多个金属连接器1016，用于传输控制或传感器信号和其他信息。传感器信号和其他信息从芯片的池通过金属连接器1016传输到PCB 1002的底表面并传输出系统1000。控制信号可以类似地从外部处理器或控制器经由金属连接器1016传输到芯片中的池。

在一些实施例中，每个基于纳米孔的测序芯片1004是单晶片芯片。在一些实施例中，每个基于纳米孔的测序芯片1004是堆叠晶片芯片。基于纳米孔的测序芯片1004被嵌入在印刷电路板1002内。将芯片1004嵌入PCB 1002内的优点之一是不需要用于将芯片与PCB102的金属连接器1016连接的结合线（例如，在系统900中使用的结合线），并且可以由金属连接器1016的部分替换，金属连接器1016可以平放在PCB 1002和芯片1004的顶表面上，从而节省垂直空间并且能够为整个系统使用单个流动池。使用一个流动池1006引导流体在系统中的所有基于纳米孔的测序芯片1004的传感器上方流动的优点在于，整个系统仅需要一个入口，一个出口和一个流体泵，从而降低系统的总体成本。

流动池1006可以使用不同的材料形成。在一些实施例中，流动池1006以非柔性材料（例如玻璃）形成。玻璃流动池1006被模制成包括腔1008或多个流体流动通道（图10中未示出），其可引导流体通过并与芯片表面上的传感器接触。与具有多个流体流动通道的流动池相比，具有单个大腔的流动池具有简化流动池设计和与系统的其余部分集成的优点。金属连接器1016的暴露在芯片1004和PCB 1002的顶表面上的部分被封装层1010覆盖，使得它们免受流动池1006中的流体的影响。封装层1010可以使用不同的材料（例如环氧树脂）形成。可以更好地控制金属连接器1016的封装，因为金属连接器提供比系统900中的结合线更平坦的表面。

在一些实施例中，流动池1006通过将背板和垫圈堆叠在一起而形成。垫圈可以用柔性，可压缩或柔韧的材料（例如塑料或橡胶）来模制。背板，垫圈和芯片之间的空间形成腔1008或多个流体流动通道（图10中未示出）。在一些实施例中，封装层1010不是单独沉积的层（例如环氧树脂层），而是垫圈的一部分。

流动池1006搁置在PCB 1002的顶部而不是基于纳米孔的测序芯片1004的顶部。对于由柔性材料制成的流动池，通过在流动池顶部施加向下的压力将流动池固定在PCB1002的顶部上。对于由非柔性材料制成的流动池，可以使用激光结合技术将流动池结合到PCB 1002。一些结合技术可能在结合区域产生大量热量。由于流动池1006结合到PCB 1002而不结合到芯片1004，因此结合过程不会损坏芯片1004，并且芯片不再需要预留不包括电路或其他组件的结合表面，从而节省了大量的芯片表面积。

图11图示了基于多芯片纳米孔的测序系统1100的实施例，其包括与多个流动池集成到单个系统中的多个基于纳米孔的测序芯片。图11图示了基于多芯片纳米孔的测序系统的横截面视图。系统1100包括印刷电路板（PCB）1102，多个基于纳米孔的测序芯片1104和多个流动池1106。如图11所示，系统1100包括三个基于纳米孔的测序芯片1104。然而，应该认识到，可以将不同数量的基于纳米孔的测序芯片1104集成到系统1100中，以扩大或缩小系统中的池的总数。

在一些实施例中，每个基于纳米孔的测序芯片1104是单晶片芯片。在一些实施例中，每个基于纳米孔的测序芯片1104是堆叠晶片芯片。如图11所示，基于纳米孔的测序芯片1104位于印刷电路板1102下方的底部。优点在于芯片1104可以从下方与多个热金属块（图11中未示出）直接接触，用于将热量从芯片804导热离开，这导致系统的更好的温度控制。

多个流动池1106可以是类似于系统800中描述的柔性材料模制的流动池或玻璃流动池的类型，但是不是具有单个流动池来引导流体在该系统中的所有芯片的传感器上方流动，系统1100包括用于每个芯片1104的一个流动池1106，并且每个流动池1106具有其自己的入口，出口和流体泵。每个流动池1106包括多个流体流动通道1108，以引导流体在系统中的单个基于纳米孔的测序芯片1104的传感器上方流动。

印刷电路板1102包括多个腔1114。为了组装系统，每个基于纳米孔的测序芯片1104定位成正面朝上（使传感器面向上），即，使井（例如，图5的井505）正面朝上。PCB 1102以这样的方式放置在芯片1104上方，使得芯片1104上的传感器阵列被多个腔1114暴露。利用放置在腔1114的两个开口之一上的芯片1104，芯片1104与腔1114一起在PCB 1102中形成井。然后将流动池1106嵌入井中并且以这样的方式结合到芯片1104，使得流动池的流体流动通道1108可以引导流体在芯片1104的传感器上方流动。另外，焊球1112提供芯片1104和PCB1102之间的接触。

通过基于产量和减少的浪费的结合芯片面积之间的折衷来确定最佳芯片尺寸，可以进一步优化本申请中公开的基于多芯片纳米孔的测序系统。如果基于纳米孔的测序芯片尺寸太大，则由于半导体制造导致的芯片产量降低，从而增加了硅芯片成本。如果基于纳米孔的测序芯片尺寸太小，则结合线和流动池壁使用的芯片面积的百分比增加，从而增加了硅芯片成本。给定芯片产量模型和结合线/流动池设计规则的集合，可以针对最低芯片成本优化芯片尺寸。

Claims

1.一种基于纳米孔的测序系统或仪器，包括：

多个基于纳米孔的测序芯片，每个基于纳米孔的测序芯片包括多个纳米孔传感器；

至少一个流动池，其耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个，其中耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个的流动池包括允许系统外部的流体流动在基于纳米孔的测序芯片之上并流出系统的一个或多个流体流动通道；以及

印刷电路板，其电连接到所述多个基于纳米孔的测序芯片。

2.根据权利要求1所述的基于纳米孔的测序系统或仪器，其中所述至少一个流动池耦合到所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个。

3.根据权利要求2所述的基于纳米孔的测序系统或仪器，其中所述至少一个流动池连接到入口，出口和流体泵。

4.根据权利要求2所述的基于纳米孔的测序系统或仪器，其中所述一个或多个流体流动通道引导流体流过芯片间边界，其中所述芯片间边界是所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个之间的边界。

5.根据权利要求4所述的基于纳米孔的测序系统或仪器，其中所述芯片间边界是气密密封的。

6.根据权利要求1所述的基于纳米孔的测序系统或仪器，其中所述至少一个流动池包括模制的柔韧材料或玻璃材料。

7.根据权利要求1所述的基于纳米孔的测序系统或仪器，其中所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个包括结合到所述至少一个流动池的结合表面，其中所述结合表面不包括电路或其他组件。

8.根据权利要求1所述的基于纳米孔的测序系统或仪器，还包括多个结合线，并且其中所述印刷电路板还包括多个金属连接器，并且其中所述多个结合线将所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个电连接到多个金属连接器中的至少一些，并且其中多个结合线向上拱起并且彼此不接触。

9.根据权利要求1所述的基于纳米孔的测序系统或仪器，其中所述多个基于纳米孔的测序芯片被嵌入在所述印刷电路板中，并且其中所述印刷电路板还包括多个金属连接器，并且其中所述多个金属连接器中的至少一个具有平放在印刷电路板的顶表面上并且平放在多个基于纳米孔的测序芯片中的一个的顶表面上的部分，并且其中所述多个金属连接器中的至少一个电连接到所述多个基于纳米孔的测序芯片中的一个。

10.根据权利要求1所述的基于纳米孔的测序系统或仪器，其中所述印刷电路板包括多个腔，并且其中所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个被定位成正面朝上并且位于所述印刷电路板的下方，使得基于纳米孔的测序芯片的多个纳米孔传感器被多个腔中的一个暴露。

11.一种集成基于纳米孔的测序系统或仪器的方法，包括：

将至少一个流动池耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个，其中耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个的流动池包括允许系统外部的流体流动在基于纳米孔的测序芯片之上并流出系统的一个或多个流体流动通道，并且其中每个基于纳米孔的测序芯片包括多个纳米孔传感器；以及

将印刷电路板电连接到多个基于纳米孔的测序芯片。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

将至少一个流动池耦合到多个基于纳米孔的测序芯片中的至少两个。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：

使用多个结合线将所述多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个电连接到所述印刷电路板的多个金属连接器中的至少一些，其中所述多个结合线向上拱起并且彼此不接触。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括：

将多个基于纳米孔的测序芯片嵌入印刷电路板中，并且其中所述印刷电路板还包括多个金属连接器，并且其中多个金属连接器中的至少一个具有平放在所述印刷电路板的顶表面上并且平放在所述多个基于纳米孔的测序芯片中的一个的顶表面上的部分，并且其中所述多个金属连接器中的至少一个电连接到所述多个基于纳米孔的测序芯片中的一个。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述印刷电路板包括多个腔，所述方法包括：

将多个基于纳米孔的测序芯片中的至少一个定位成正面朝上并且位于印刷电路板的下方，使得基于纳米孔的测序芯片的多个纳米孔传感器被多个腔中的一个暴露。