[发明专利]传感装置及方法

说明书

背景技术

在过去的二十年中，伴随着现有可获得的装置仪器的测量范围的增加，在核酸分析，特别是核酸扩增和DNA测序技术领域已有了快速发展。检测和分析核酸序列的传统方法主要依赖于荧光核酸染料、荧光标记的寡核苷酸探针、荧光或放射性标记的核苷酸。

随后，一种利用基于半导体的检测系统，例如离子敏场效应晶体管(ion sensitive field effect transistor)(ISFET)分析核酸合成和测序的新方法已被开发，参见例如我们的PCT公布文本WO 03/073088。一种离子敏场效应晶体管为基础的平台，不同于传统的基于荧光的核酸分析系统，检测不需要昂贵的光学仪器或危险的放射性同位素，因此使得该平台低成本、安全和简单替换(simple alternative)以用于测序和核酸扩增分析。

具体地，已经采用测量溶液中离子浓度的ISFTE通过检测由反应引起的氢离子(H⁺，质子)浓度变化以检测核苷酸结合到核酸链中。

在核酸聚合反应过程中释放出氢离子。例如，如下化学式I显示通过DNA聚合酶调解单个核苷酸水解促进氢离子释放：

dNTP→dNMP+PPi+ZH⁺   (化学式I)

其中dNTP为三磷酸核苷，dNMP为一磷酸核苷，z为描述每个核苷酸转交(nucleotide turnover)产生质子的平均数的整数或分数，H⁺为质子和PPi为焦磷酸盐(离去基团或反应产物)

可以通过将焦磷酸盐水解形成两个正磷酸盐(Pi)驱动所述反应以进一步产生更多的氢离子。焦磷酸酶促进这种二次化学反应，且描述于化学式II中：

PPi→2Pi+zH⁺   (化学式II)

现有的“合成测序(sequencing-by–synthesis)”方法的工作流程可以大体上分为模板制备、测序和检测，以及数据分析。所述第一步骤，模板制备，通常包括无性系扩增所述模板以获得足够数量的扩增模板以确保在测序步骤中检测核苷酸合并信号(incorporation signal)。目前，这种无性系扩增步骤通常在与测序反应相分离的隔间中进行，典型的在分隔装置(separate machine)中进行。然而，这种两个步骤的空间上的分离需要熟练技工，按时安排大量人手(high levels of hands on time)，引入增加误差并可能增加样品损失，因此降低了对测序的检测敏感性并提高成本。

通常练习(standard practice)是用来扩增所述核酸以方便准确的测序。公知各种各样扩增核酸的方法。实际上，PCT公布文本(WO2008/107014)披露了一种使用固态(Solid-State)pH传感器，例如ISFET，监测qPCR的方法。反应监测是在靶向(核酸)序列存在下，当扩增进行超过了用于克服样品的缓冲能力的循环阈值时，借助检测质子释放所引起的pH变化。其并没有披露通过合成测序(sequencing-by-synthesis)进行序列检测，仅检测了扩增的自身活性(amplification activity)。WO2008/076406A2也公开了在ISFET背景下的各种各样的扩增方法，例如桥式扩增。

使用ISFET用于测定的测序方法也是公知的。US2010/031398A1披露了一种在测序方法中使用的装置，该装置包括一组微孔和传感器，其可以是ISFET，所述传感器具有浮栅结构(floating gate structure)，该浮栅结构相应地(in turn)具有与分析物分离的设置在浮栅上方的保护材料层。保护材料具有达到约的厚度。同时提供了制备方法。然而，这些测序方法和关于DNA的预制备[无性系]的特定过程(distinct process)一样操作。

因此，本发明一个目标是提供一种用于扩增和测序的离子敏感装置，以及用于核酸扩增和测序的方法，其克服了或减轻了现有测序方法中存在的不足。

本发明的进一步目标是提供用于扩增和测序的离子传感装置，其克服了来自于需要将扩增和随后的测序两者在没有任何空间隔离下相结合所引起的困难。

发明内容

为此在本发明的第一个方面提供了一种传感装置，该传感装置包括用于集成样品中的模板多核苷酸的扩增和测序的芯片(chip)，所述装置包括：

-芯片，所述芯片在阱(well)或室(chamber)中有至少一个ISFET；