ES2928144T3 - Sensores con circuitos protectores integrados - Google Patents
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Abstract
Un sensor de ejemplo incluye una celda de flujo, un dispositivo de detección y un controlador. La celda de flujo incluye una capa de pasivación que tiene superficies opuestas y un sitio de reacción en la primera de las superficies opuestas. La celda de flujo también incluye una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente un canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción. El dispositivo de detección está en contacto con una segunda de las superficies opuestas de la capa de pasivación e incluye una capa de metal incrustada que está aislada eléctricamente de otros circuitos de detección del dispositivo de detección. El controlador debe conectar a tierra la capa de metal incrustada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sensores con circuitos protectores integrados
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
Esta solicitud reclama el beneficio de la solicitud provisional de Estados Unidos con número de serie 62/489.840, presentada el 25 de abril de 2017, y de la solicitud de Holanda con número de serie N2019043, presentada el 9 de junio de 2017.
Antecedentes
Varios protocolos en la investigación biológica o química implican realizar una gran cantidad de reacciones controladas, en superficies de soporte locales o dentro de cámaras de reacción predefinidas. Las reacciones designadas, a continuación, se pueden observar o detectar y el posterior análisis puede ayudar a identificar o revelar propiedades de productos químicos implicados en la reacción. En algunos ensayos múltiples, un analito desconocido que tiene una etiqueta identificable (por ejemplo, una etiqueta fluorescente) puede exponerse a miles de sondas conocidas en condiciones controladas. Cada sonda conocida puede depositarse en un pocillo correspondiente de una microplaca. Observar cualesquiera reacciones químicas que se produzcan entre las sondas conocidas y el analito desconocido dentro de los pocillos puede ayudar a identificar o revelar propiedades del analito. Otros ejemplos de tales protocolos incluyen procesos de secuenciación de ADN conocidos, tales como secuenciación por síntesis (SBS) o secuenciación de matriz cíclica.
En algunos protocolos de detección fluorescente, se usa un sistema óptico para dirigir una luz de excitación sobre analitos etiquetados con fluorescencia y para detectar las señales fluorescentes que puedan emitir los analitos. Sin embargo, tales sistemas ópticos pueden ser relativamente caros y conllevan un mayor espacio de ocupación. Por ejemplo, el sistema óptico puede incluir una disposición de lentes, filtros y fuentes de luz. En otros sistemas de detección propuestos, las reacciones controladas se producen inmediatamente sobre un generador de imágenes de estado sólido (por ejemplo, un dispositivo de acoplamiento de carga (CCD) o un detector de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS)) que no involucra un gran conjunto ópti
fluorescentes.
La solicitud de patente internacional WO 2015/089092 A1 y la publicación de solicitud de patente de Estados Unidos US/20160356715 describen biosensores para el análisis biológico o químico, y métodos para fabricar los mismos. El biosensor según estos documentos incluye una base de dispositivo que tiene una matriz de sensores de luz y una matriz de guías de luz. Las guías de luz tienen regiones de entrada que están configuradas para recibir luz de excitación y emisiones de luz generadas por sustancias biológicas o químicas. Las guías de luz se extienden al interior de la base de dispositivo hacia los correspondientes sensores de luz, y tienen un material de filtro. La base de dispositivo incluye un circuito de dispositivo acoplado eléctricamente a los sensores de luz, y configurado para transmitir señales de datos. El biosensor también incluye una capa de blindaje que tiene aberturas que están posicionadas en relación con las regiones de entrada de las correspondientes guías de luz, de manera que las emisiones de luz se propaguen a través de las aberturas al interior de las correspondientes regiones de entrada. La capa de blindaje se extiende entre aberturas adyacentes y está configurada para bloquear la luz de excitación y las emisiones de luz que inciden sobre la capa de blindaje entre las aberturas adyacentes.
La publicación de solicitud de patente de Estados Unidos US 2009/223832 A1 describe un método y un aparato para prevenir la corrosión galvánica durante el procesamiento de semiconductores. El método y el aparato según la presente memoria se refieren a la limpieza de un sustrato semiconductor que incluye en una superficie del mismo al menos una estructura que comprende un primer material conductor o semiconductor, rodeada por una capa de un segundo material conductor o semiconductor, extendiéndose dicha capa esencialmente sobre la totalidad de dicha superficie, estando el primer y segundo materiales en contacto físico, comprendiendo el método las etapas de: proporcionar el sustrato, posicionar un contraelectrodo orientado hacia la superficie del sustrato, y suministrar un fluido electrolítico al espacio entre la superficie y el electrodo, actuando el contraelectrodo a modo de ánodo en la celda galvánica definida por la superficie del sustrato, el fluido de limpieza y el contraelectrodo.
Resumen
En un primer aspecto, un sensor comprende una celda de flujo, que incluye una capa de pasivación que tiene superficies opuestas y un sitio de reacción, que es una región localizada del sensor donde puede producirse una reacción designada, y en donde una reacción designada incluye un cambio en al menos una de una propiedad química, eléctrica, física u óptica de un analito de interés, en una primera de las superficies opuestas, y una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente un canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción, un dispositivo detector en contacto con una segunda de las superficies opuestas de la capa de pasivación, incluyendo el dispositivo detector una capa metálica embebida que está aislada eléctricamente de otro circuito detector del dispositivo detector, y un controlador configurado para poner a tierra la capa metálica embebida.
En un ejemplo de este primer aspecto, el dispositivo detector incluye además un sensor óptico conectado eléctricamente al otro circuito detector del dispositivo detector para transmitir señales de datos, en respuesta a los fotones detectados por el sensor óptico; y una brecha eléctricamente no conductora entre la capa metálica embebida y el otro circuito detector. En este ejemplo, el sensor puede comprender además un segundo controlador que conecta eléctricamente el sensor óptico al otro circuito detector.
Otro ejemplo de este primer aspecto comprende además un reactivo que se introduce en el canal de flujo, teniendo el reactivo un pH que oscila entre 6,5 y 10 y una conductividad que oscila entre 45 mS/cm y 85 mS/cm.
Debe entenderse que cualesquiera características de este primer aspecto del sensor pueden combinarse entre sí de cualquier manera y/o con cualquier configuración deseada.
En un segundo aspecto, un sensor comprende un dispositivo detector, que incluye una guía de ondas óptica, un sensor óptico asociado operativamente con la guía de ondas óptica y los circuitos de dispositivo, que incluye una primera capa metálica embebida; y una segunda capa metálica embebida que está conectada eléctricamente al sensor óptico, en donde la primera capa metálica embebida está separada de la segunda capa metálica embebida por una brecha de aislamiento eléctrico, estando al menos una porción de una capa de pasivación en contacto con la primera capa metálica embebida y una región de entrada de la guía de ondas óptica, teniendo la al menos una porción de la capa de pasivación un sitio de reacción, que es una región localizada del sensor donde puede producirse una reacción designada, y en donde una reacción designada incluye un cambio en al menos una de una propiedad química, eléctrica, física u óptica de un analito de interés, al menos parcialmente adyacente a la región de entrada de la guía de ondas óptica, una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente un canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción, un primer controlador conectado eléctricamente a la primera capa metálica embebida y configurado para poner selectivamente a tierra la primera capa metálica embebida, y un segundo controlador que conecta eléctricamente la segunda capa metálica embebida al sensor óptico y configurado para transmitir señales de datos en respuesta a los fotones detectados por el sensor óptico.
Debe entenderse que cualesquiera características de este segundo aspecto del sensor pueden combinarse entre sí de cualquier manera y/o con cualquier configuración deseadas. Además, debe entenderse que puede usarse en conjunto cualquier combinación de características del primer aspecto del sensor y/o del segundo aspecto del sensor, y/o que cualesquiera características de cualquiera de estos aspectos, o de ambos, pueden combinarse con cualquiera de los ejemplos descritos en la presente memoria.
En un tercer aspecto, un método comprende introducir un reactivo en un canal de flujo de un sensor que incluye una celda de flujo, que incluye una capa de pasivación que tiene superficies opuestas y un sitio de reacción, que es una región localizada del sensor donde puede producirse una reacción designada, y en donde una reacción designada incluye un cambio en al menos una de una propiedad química, eléctrica, física u óptica de un analito de interés, en una primera de las superficies opuestas, y una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente el canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción, un dispositivo detector en contacto con una segunda de las superficies opuestas de la capa de pasivación, incluyendo el dispositivo detector una capa metálica embebida que está aislada eléctricamente de otros circuitos detectores del dispositivo detector, realizar con el sensor una operación de detección en respuesta a una reacción en el sitio de reacción que involucra al menos algunos componentes de reacción del reactivo, y, durante la operación de detección, poner a tierra la capa metálica embebida para proporcionar de este modo protección pasiva a la capa metálica embebida.
En un ejemplo de este tercer aspecto, el dispositivo detector incluye además un sensor óptico conectado eléctricamente al otro circuito de dispositivo; la capa metálica embebida está separada del otro circuito de dispositivo que está conectado eléctricamente al sensor óptico mediante una brecha de aislamiento eléctrico; y la puesta a tierra de la capa metálica embebida es ortogonal a la operación de detección.
Debe entenderse que cualesquiera características de este tercer aspecto pueden combinarse entre sí de cualquier manera y/o con cualquier configuración deseadas. Además, debe entenderse que puede usarse en conjunto cualquier combinación de características del tercer aspecto del método y/o del primer aspecto del sensor y/o del segundo aspecto del sensor, y/o que cualesquiera características de cualquiera de estos aspectos, o de todos, pueden combinarse con cualquiera de los ejemplos descritos en la presente memoria.
En un cuarto aspecto, un sensor comprende una celda de flujo, que incluye una capa de pasivación que tiene unas superficies opuestas y un sitio de reacción, que es una región localizada del sensor donde puede producirse una reacción designada, y en donde una reacción designada incluye un cambio en al menos una de una propiedad química, eléctrica, física u óptica de un analito de interés, en una primera de las superficies opuestas, y una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente un canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción, un dispositivo detector en contacto con una segunda de las superficies opuestas de la capa de pasivación, incluyendo el dispositivo detector una capa metálica embebida, un electrodo de reactivo colocado para estar en contacto con un reactivo que debe introducirse en el canal de flujo, y un controlador que conecta eléctricamente el electrodo de reactivo y la capa metálica embebida, y configurado para aplicar selectivamente una polarización eléctrica que convierta el
electrodo de reactivo en uno de un ánodo o un cátodo y que convierta la capa metálica embebida en el otro del cátodo o el ánodo.
En un ejemplo de este cuarto aspecto, el electrodo de reactivo está conectado al menos a una porción de una superficie interior de la tapa.
En otro ejemplo de este cuarto aspecto, el electrodo de reactivo está definido o embebido en una porción de la capa de pasivación.
En otro ejemplo más de este cuarto aspecto, una porción de la capa de pasivación tiene una abertura definida en la misma, y el electrodo de reactivo queda expuesto a través de la abertura.
En un ejemplo de este cuarto aspecto, el dispositivo detector incluye además un sensor óptico, un circuito de dispositivo conectado eléctricamente al sensor óptico para transmitir señales de datos en respuesta a los fotones detectados por el sensor óptico, y una brecha eléctricamente no conductora entre el circuito de dispositivo y la capa metálica embebida. En otro ejemplo de este cuarto aspecto, el dispositivo detector incluye además un sensor óptico y un circuito de dispositivo conectado eléctricamente al sensor óptico y a la capa metálica embebida.
En otro ejemplo más de este cuarto aspecto, el dispositivo detector incluye además una guía de ondas óptica que conecta ópticamente el sitio de reacción a un sensor óptico, y una capa de blindaje que está en contacto con al menos una porción de la segunda superficie opuesta de la capa de pasivación y tiene una abertura al menos parcialmente adyacente a una región de entrada de la guía de ondas óptica.
En un ejemplo de este cuarto aspecto, el sensor comprende además el reactivo introducido en el canal de flujo, teniendo el reactivo un pH que oscila entre 6,5 y 10 y una conductividad que oscila entre 45 mS/cm y 85 mS/cm. Debe entenderse que cualesquiera características de este cuarto aspecto del sensor pueden combinarse entre sí de cualquier manera y/o con cualquier configuración deseadas. Además, debe entenderse que puede usarse en conjunto cualquier combinación de características del cuarto aspecto del sensor y/o del primer aspecto del sensor y/o del segundo aspecto del sensor y/o del tercer aspecto del método, y/o que cualesquiera características de cualquiera de estos aspectos, o de todos, pueden combinarse con cualquiera de los ejemplos descritos en la presente memoria.
Es más, debe entenderse que cualesquiera características de cualquiera de los sensores y/o de cualquiera de los métodos pueden combinarse de cualquier manera deseada, y/o pueden combinarse con cualquiera de los ejemplos descritos en la presente memoria.
Breve descripción de los dibujos
Las características de los ejemplos de la presente descripción se harán evidentes como referencia a la siguiente descripción detallada y los siguientes dibujos, en los cuales los mismos números de referencia corresponden a componentes similares, aunque quizás no idénticos. En aras de la brevedad, los números de referencia o las características cuya función ya se haya descrito anteriormente podrán o no describirse en relación con otros dibujos en los que aparezcan.
La Fig. 1 es un diagrama de bloques de un ejemplo de un sistema para análisis biológico o químico;
la Fig. 2 es un diagrama de bloques de un ejemplo de un controlador de sistema que puede utilizarse en el sistema de la Fig. 1;
la Fig. 3 es un diagrama de bloques de un ejemplo de una estación de trabajo para análisis biológico o químico según un ejemplo de los métodos descritos en la presente memoria;
la Fig. 4 es una vista en perspectiva, en corte, de un ejemplo de una estación de trabajo y de un cartucho;
la Fig. 5 ilustra los componentes internos de un ejemplo del cartucho;
la Fig. 6 es una vista en sección transversal de un ejemplo de un sensor descrito en la presente memoria;
la Fig. 7 es una porción ampliada de la sección transversal de la Fig. 6, que ilustra el sensor con mayor detalle; la Fig. 8 es una vista en sección transversal de otro ejemplo del sensor descrito en la presente memoria;
la Fig. 9 es una porción ampliada de la sección transversal de la Fig. 8, que ilustra el sensor con mayor detalle;
las Figs. 10A a 10H son vistas en sección transversal de varios ejemplos del sensor, cada uno con una configuración de electrodo de reactivo diferente;
la Fig. 11 es un diagrama de flujo que ilustra un ejemplo del método descrito en la presente memoria;
la Fig. 12 es una vista en sección transversal de otro ejemplo más del sensor descrito en la presente memoria;
la Fig. 13 es un gráfico que representa la pérdida de espesor (en nm) después de 1 ciclo de prueba para un ejemplo de valor de referencia, y varios esquemas de voltaje a modo de ejemplo y comparación en una configuración de microbalanza de cristal de cuarzo que simula un ejemplo del sensor descrito en la presente memoria; y
la Fig. 14 es un gráfico que representa la velocidad de daños por corrosión (como porcentaje) para sensores de ejemplos comparativos, sensores de un primer ejemplo expuestos a protección pasiva y sensores de un segundo ejemplo expuestos a protección catódica.
Descripción detallada
Los ejemplos del sensor descritos en la presente memoria integran protección doble en al menos algunos del uno o más componentes de un dispositivo detector de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS), que forma parte del sensor. Los componentes de CMOS metálicos pueden ser susceptibles a la corrosión, por ejemplo, si entran en contacto con entornos que sean muy ácidos o muy básicos. En los ejemplos descritos en la presente memoria, una capa de pasivación, que se coloca entre el dispositivo detector de CMOS y un reactivo que se introduce en una celda de flujo que se acopla al dispositivo detector de CMOS, proporciona un nivel de protección contra la corrosión. Un circuito protector proporciona otro nivel de protección contra la corrosión. En algunos de los ejemplos descritos en la presente memoria, el circuito protector está configurado para proporcionar protección catódica o anódica al menos al componente que contiene metal del dispositivo detector de CMOS que pueda verse expuesto al reactivo. A modo de ejemplo, cuando se aplica polarización de protección catódica o anódica, puede reducirse la velocidad de corrosión del CMOS de aproximadamente x5000 (veces) a aproximadamente x10000 con respecto a una velocidad de corrosión típica (por ejemplo, exposición al mismo reactivo sin protección catódica o anódica). En otro de los ejemplos descritos en la presente memoria, el circuito protector está configurado para proporcionar protección pasiva o protección semipasiva al menos al componente que contiene metal del dispositivo detector de CMOS que pueda verse expuesto al reactivo. En un ejemplo, cuando se aplica una polarización de protección pasiva o semipasiva, la velocidad de corrosión del CMOS puede reducirse de aproximadamente x500 (veces) a aproximadamente x1000 con respecto a una velocidad de corrosión típica (por ejemplo, exposición al mismo reactivo sin protección pasiva o semipasiva).
Los ejemplos de sensor descritos en la presente memoria pueden usarse en diversos procesos y sistemas biológicos o químicos para el análisis académico o comercial. Por ejemplo, los sensores de ejemplo descritos en la presente memoria se pueden usar en diversos procesos y sistemas cuando sea deseable detectar un suceso, propiedad, calidad o característica que indique una reacción designada. Algunos de los sensores pueden usarse en cartuchos y/o sistemas de bioensayo.
Los sistemas de bioensayo pueden configurarse para realizar una pluralidad de reacciones designadas que pueden detectarse de forma individual o colectiva. Los sensores y los sistemas de bioensayo pueden configurarse para realizar numerosos ciclos en los cuales la pluralidad de reacciones designadas se produce en paralelo. Por ejemplo, los sistemas de bioensayo pueden usarse para secuenciar una matriz densa de características de ADN a través de ciclos iterativos de manipulación enzimática y adquisición de imágenes. Como tal, los sensores pueden incluir uno o más canales fluídicos/de flujo que suministran reactivos u otros componentes de reacción a un sitio de reacción.
Debe entenderse que los términos utilizados en la presente memoria adoptarán su significado habitual en la técnica correspondiente, a menos que se especifique lo contrario. A continuación se exponen varios términos utilizados en la presente memoria, y sus significados.
Las formas singulares “un” , “uno/a” y “el/la” incluyen la referencia a formas plurales salvo que el contexto indique claramente algo distinto.
Las expresiones “que comprende” , “que incluye” , “que contiene” , y las diversas formas de estas expresiones, son sinónimos entre sí y pretenden ser igualmente amplios. Además, a menos que se indique explícitamente lo contrario, los ejemplos que comprenden, incluyen o tienen un elemento o una pluralidad de elementos que tienen una propiedad particular pueden incluir elementos adicionales, tanto si los elementos adicionales tienen esa propiedad como si no.
Además, los términos “conectar” , “conectado/a” , “contacto” y/o similares se definen ampliamente en la presente memoria para abarcar diversas disposiciones divergentes y técnicas de ensamblaje. Estas disposiciones y técnicas incluyen, aunque no de forma limitativa, (1) el acoplamiento directo de un componente y otro componente sin componentes intermedios entre los mismos (es decir, los componentes están en contacto físico directo); y (2) el
acoplamiento de un componente y otro componente con uno o más componentes entre los mismos, siempre que el componente que esté “conectado a” o “en contacto con” el otro componente esté de alguna manera en comunicación operativa (por ejemplo, eléctrica, fluida, física, ópticamente, etc.) con el otro componente (sin perjuicio de la presencia de uno o más componentes adicionales entre los mismos). Debe entenderse que algunos componentes que están en contacto físico directo entre sí pueden o no estar en contacto eléctrico y/o en contacto fluido entre sí. Además, dos componentes que están conectados eléctricamente o conectados fluidamente pueden o no estar en contacto físico directo, y uno o más componentes pueden estar colocados entre los mismos.
Como se usa en la presente memoria, una “ reacción designada” incluye un cambio en al menos una propiedad (o calidad) química, eléctrica, física u óptica de un analito de interés. En ejemplos particulares, la reacción designada es un suceso de unión positiva (por ejemplo, la incorporación de una biomolécula etiquetada con fluorescencia con el analito de interés). Más generalmente, la reacción designada puede ser una transformación química, un cambio químico o una interacción química. Algunas reacciones de ejemplo incluyen reacciones químicas, tales como reducción, oxidación, adición, eliminación, reordenamiento, esterificación, amidación, eterificación, ciclación o sustitución; interacciones de unión en las cuales se une una primera sustancia química a una segunda sustancia química; reacciones de disociación en las cuales se separan dos o más sustancias químicas entre sí; fluorescencia; luminiscencia; bioluminiscencia; quimioluminiscencia; y reacciones biológicas, tales como la replicación de ácidos nucleicos, la amplificación de ácidos nucleicos, la hibridación de ácidos nucleicos, la ligadura de ácidos nucleicos, la fosforilación, la catálisis enzimática, la unión a receptores o la unión a ligandos.
En ejemplos particulares, la reacción designada incluye la incorporación de una molécula etiquetada con fluorescencia a un analito. El analito puede ser un oligonucleótido y la molécula etiquetada con fluorescencia puede ser un nucleótido. La reacción designada puede detectarse cuando se dirige una luz de excitación hacia el oligonucleótido que tiene el nucleótido etiquetado, y el fluoróforo emite una señal fluorescente detectable. En otros ejemplos, la fluorescencia detectada es el resultado de quimioluminiscencia o bioluminiscencia. Una reacción designada también puede aumentar la transferencia de energía de resonancia (FRET) fluorescente (o Forster), por ejemplo, acercando un fluoróforo donante a un fluoróforo aceptor, disminuir la FRET separando los fluoróforos donador y aceptor, aumentar la fluorescencia separando un fluoróforo y un inhibidor, o disminuir la fluorescencia colocando un inhibidor y un fluoróforo.
Como se usa en la presente memoria, un “componente de reacción” o “ reactivo” incluye cualquier sustancia que pueda usarse para obtener una reacción designada. Por ejemplo, los componentes de reacción incluyen reactivos, enzimas, muestras, otras biomoléculas y soluciones reguladoras. Los componentes de reacción pueden suministrarse en un sitio de reacción en una solución, y/o pueden inmovilizarse en un sitio de reacción. Los componentes de reacción pueden interactuar directa o indirectamente con otra sustancia, tal como el analito de interés.
Como se usa en la presente memoria, la expresión “sitio de reacción” se refiere a una región localizada del sensor donde puede producirse una reacción designada. Un sitio de reacción puede formarse en la superficie de un soporte (p. ej., una capa de pasivación), y puede tener una sustancia inmovilizada sobre el mismo. Por ejemplo, un sitio de reacción puede ser un área que está definida en una capa de pasivación y que tiene una colonia de ácidos nucleicos sobre la misma. En algunos casos, los ácidos nucleicos de la colonia tienen la misma secuencia, siendo, por ejemplo, copias clonales de una plantilla de hebra sencilla o hebra doble. Sin embargo, en otros casos, un sitio de reacción puede contener una única molécula de ácido nucleico, por ejemplo, en forma de hebra sencilla o hebra doble.
En algunos ejemplos, una pluralidad de sitios de reacción se distribuye aleatoriamente a través de una superficie sustancialmente más plana (por ejemplo, a través de la capa de pasivación). Por ejemplo, los sitios de reacción pueden tener una distribución irregular en la cual algunos sitios de reacción están ubicados más cerca entre sí que otros sitios de reacción. En otros ejemplos, los sitios de reacción se colocan en patrón a lo largo de una superficie sustancialmente más plana de manera predeterminada (por ejemplo, unos al lado de otros en una matriz, tal como en microarreglos).
Cada sitio de reacción puede ubicarse en una cámara de reacción. Como se usa en la presente memoria, la expresión “cámara de reacción” define al menos parcialmente una región o volumen espacial que está en comunicación fluida con un canal de flujo y que está configurada para compartimentar reacciones designadas que tienen lugar en el sitio de reacción. Una cámara de reacción puede estar al menos parcialmente separada del entorno circundante y/o de otra cámara de reacción. Por ejemplo, una pluralidad de cámaras de reacción pueden estar separadas entre sí por paredes compartidas. A modo de ejemplo más específico, la cámara de reacción puede incluir una cavidad definida por las superficies interiores de un pocillo y tener una abertura o agujero para que la cavidad pueda estar en comunicación fluida con un canal de flujo. Los píxeles de un dispositivo detector asociado pueden asignarse a cámaras de reacción seleccionadas, de modo que la actividad detectada por los píxeles indique que se ha producido una reacción deseada dentro de la cámara de reacción seleccionada.
Las cámaras de reacción pueden estar dimensionadas y conformadas en relación a elementos sólidos (incluidos los semisólidos), de modo que puedan insertarse total o parcialmente los sólidos en las mismas. Por ejemplo, una sola cámara de reacción puede tener el tamaño y la forma necesarios para acomodar solo una perla de captura. La perla
de captura puede tener ADN amplificado clonalmente u otras sustancias sobre la misma. De forma alternativa, las cámaras de reacción pueden estar dimensionadas y conformadas para recibir un número aproximado de perlas o sustratos sólidos. A modo de otro ejemplo, las cámaras de reacción pueden llenarse con un gel o sustancia porosa que está configurada para controlar la difusión o filtrar los fluidos que pueden fluir hacia la cámara de reacción.
En algunos de los ejemplos descritos en la presente memoria, cada uno de los sitios de reacción puede estar asociado con uno o más sensores ópticos (por ejemplo, sensores de luz tales como fotodiodos) que detectan la luz del sitio de reacción asociado. Un sensor óptico que está asociado con un sitio de reacción está configurado para detectar emisiones de luz, desde el sitio de reacción asociado, cuando se ha producido una reacción designada en el sitio de reacción asociado. En algunos casos, una pluralidad de sensores de luz (por ejemplo, varios píxeles de un dispositivo de cámara) pueden estar asociados con un solo sitio de reacción. En otros casos, un solo sensor de luz (por ejemplo, un solo píxel) puede estar asociado con un solo sitio de reacción o con un grupo de sitios de reacción. El sensor de luz, el sitio de reacción y otras características del sensor pueden configurarse de modo que el sensor de luz detecte al menos parte de la luz sin que haya sido reflejada.
Como se usa en la presente memoria, el término “ adyacente” cuando se usa con respecto a un sitio de reacción y una región de entrada de una guía de ondas óptica significa que el sitio de reacción está al menos parcialmente alineado con la guía de ondas óptica, de modo que las emisiones de luz del sitio de reacción se dirijan hacia la guía de ondas óptica. Se pueden colocar una o más capas ópticamente transmisivas entre el sitio de reacción adyacente y la región de entrada. El término adyacente también puede usarse para describir dos componentes del sensor (por ejemplo, dos sitios de reacción, dos sensores ópticos, etc.). Cuando se usa en este aspecto, “ adyacente” significa que ningún otro componente en particular (por ejemplo, un sitio de reacción, un sensor óptico, etc.) está ubicado entre los dos componentes (por ejemplo, entre los sensores de luz adyacentes no hay otro sensor de luz). Los sitios de reacción adyacentes pueden ser contiguos, de manera que colinden entre sí, o los sitios adyacentes pueden ser no contiguos, teniendo un espacio intermedio entre los mismos. En algunos ejemplos, un sitio de reacción puede no ser adyacente a otro sitio de reacción, pero aún puede estar en la cercanía inmediata del otro sitio de reacción. Por ejemplo, un primer sitio de reacción puede estar en las inmediaciones de un segundo sitio de reacción cuando el sensor óptico asociado con el segundo sitio de reacción detecta señales de emisión fluorescente del primer sitio de reacción.
Como se usa en la presente memoria, una “sustancia” incluye elementos o sólidos, tales como perlas de captura, así como sustancias biológicas o químicas. También como se usa en la presente memoria, una “ sustancia biológica o química” incluye biomoléculas, muestras de interés, analitos de interés y uno o más otros compuestos químicos. Una sustancia biológica o química puede usarse para detectar, identificar o analizar uno o más otros compuestos químicos, o puede funcionar como intermediario para estudiar o analizar uno o más otros compuestos químicos. En ejemplos particulares, la sustancia biológica o química incluye una biomolécula. Como se usa en la presente memoria, una “ biomolécula” incluye al menos uno de un biopolímero, un nucleósido, un ácido nucleico, un polinucleótido, un oligonucleótido, una proteína, una enzima (que, en un ejemplo, se puede usar en una reacción acoplada para detectar el producto de otra reacción, por ejemplo, una enzima utilizada para detectar pirofosfato en una pirosecuenciación), un polipéptido, un anticuerpo, un antígeno, un ligando, un receptor, un polisacárido, un carbohidrato, un polifosfato, un célula, un tejido, un organismo o fragmento del mismo o cualquier otro compuesto químico biológicamente activo, tales como análogos o miméticos de las especies anteriormente mencionadas.
Las biomoléculas, las muestras y las sustancias biológicas o químicas pueden ser naturales o sintéticas, y pueden suspenderse en una solución o mezcla. Las biomoléculas, las muestras y las sustancias biológicas o químicas también pueden ligarse a una fase sólida (p. ej., perlas, etc.) o un material de gel (p. ej., en un sitio de reacción, en una cámara de reacción). Las biomoléculas, las muestras y las sustancias biológicas o químicas también pueden incluir una composición farmacéutica. En algunos casos, las biomoléculas, las muestras y las sustancias biológicas o químicas de interés pueden denominarse dianas, sondas o analitos.
Como se usa en la presente memoria, un “ sensor” incluye una estructura que tiene una pluralidad de sitios de reacción que está configurada para detectar reacciones designadas que se produzcan en o cerca de los sitios de reacción. Los ejemplos de sensor descritos en la presente memoria incluyen un generador de imágenes de CMOS (es decir, un dispositivo detector) y una celda de flujo conectada al mismo. La celda de flujo puede incluir al menos un canal de flujo que está en comunicación fluida con los sitios de reacción. A modo de ejemplo específico, el sensor está configurado para acoplarse eléctrica y fluídicamente a un sistema de bioensayo. El sistema de bioensayo puede suministrar reactivos a los sitios de reacción según un protocolo predeterminado (p. ej., secuenciación por síntesis) y realizar una pluralidad de sucesos de formación de imágenes. Por ejemplo, el sistema de bioensayo puede dirigir los reactivos para que fluyan a lo largo de los sitios de reacción. Al menos uno de los reactivos puede incluir cuatro tipos de nucleótidos que tengan etiquetas fluorescentes iguales o diferentes. Los nucleótidos pueden unirse a los correspondientes oligonucleótidos ubicados en los sitios de reacción. El sistema de bioensayo puede entonces iluminar los sitios de reacción utilizando una fuente de luz de excitación (por ejemplo, fuentes de luz de estado sólido, tales como diodos emisores de luz o LED). La luz de excitación puede tener una o más longitudes de onda predeterminadas, incluyendo un rango de longitudes de onda. Las etiquetas fluorescentes excitadas proporcionan señales de emisión que pueden ser detectadas por los sensores ópticos.
En otros ejemplos, el sensor puede incluir electrodos u otros tipos de sensores (es decir, distintos del sensor óptico) configurados para detectar otras propiedades identificables. Por ejemplo, los sensores pueden configurarse para detectar un cambio en la concentración de iones. En otro ejemplo, los sensores pueden configurarse para detectar el flujo de corriente de iones a través de una membrana.
Los ejemplos de sensor descritos en la presente memoria se utilizan para realizar una operación de detección. Como se usa en la presente memoria, una “operación de detección” se refiere a la detección de una propiedad identificable en respuesta a y/o como resultado de una reacción en el sitio de reacción. En los ejemplos descritos en la presente memoria, la operación de detección puede ser una detección óptica.
Como se usa en la presente memoria, un “cartucho” incluye una estructura configurada para contener un ejemplo del sensor descrito en la presente memoria. En algunos ejemplos, el cartucho puede incluir características adicionales, tales como una fuente de luz (por ejemplo, LED) que puede proporcionar luz de excitación a los sitios de reacción del sensor. El cartucho también puede incluir un sistema de almacenamiento fluídico (p. ej., almacenamiento de reactivos, muestras y reguladores) y un sistema de control fluídico (p. ej., bombas, válvulas y similares) para transportar fluídicamente a los sitios de reacción componentes de reacción, muestras y similares. Por ejemplo, después de preparar o fabricar el sensor, puede acoplarse el sensor a un alojamiento o recipiente del cartucho. En algunos ejemplos, los sensores y los cartuchos pueden ser unidades desechables autónomas. Sin embargo, otros ejemplos pueden incluir un conjunto con partes extraíbles que permitan a un usuario acceder al interior del sensor o cartucho para el mantenimiento o el reemplazo de componentes o muestras. El sensor y el cartucho se pueden acoplar o enganchar de manera extraíble con sistemas de bioensayo más grandes, tal como un sistema de secuenciación que lleve a cabo reacciones controladas.
Como se usa en la presente memoria, cuando se usan juntos los términos “extraíble” y “ acoplado/a” (o “encajado/a” ) para describir una relación entre el sensor (o cartucho) y un receptáculo de sistema o interfaz de un sistema de bioensayo, el término pretende significar que pueden separarse fácilmente el sensor (o cartucho) y el receptáculo de sistema conectados sin destruir o dañar el receptáculo de sistema y/o el sensor (o cartucho). Los componentes son fácilmente separables cuando pueden separarse entre sí sin un esfuerzo indebido o sin invertir una cantidad significativa de tiempo para separar los mismos. Por ejemplo, el sensor (o cartucho) se puede acoplar o enganchar de manera extraíble con el receptáculo de sistema de manera eléctrica, de modo que no se destruyan ni se dañen los contactos de acoplamiento del sistema de bioensayo. El sensor (o cartucho) también puede acoplarse o engancharse de manera extraíble con el receptáculo de sistema de manera mecánica, de modo que no se destruyan o dañen las características que sujetan el sensor (o cartucho). El sensor (o cartucho) también puede acoplarse o engancharse de manera extraíble con el receptáculo de sistema de forma fluídica, de modo que no se destruyan o dañen los puertos del receptáculo de sistema. No se considera que el receptáculo de sistema o un componente del mismo se ha destruido o dañado si, por ejemplo, solo conlleva un simple ajuste del componente (p. ej., realineación) o un simple reemplazo (p. ej., reemplazo de una boquilla).
Como se usan en la presente memoria, las expresiones “comunicación fluida” , “ acoplado/a fluídicamente” y “conectado/a fluídicamente” se refieren a dos regiones espaciales conectadas entre sí de manera que un líquido o gas pueda fluir entre las mismas. Por ejemplo, un canal microfluídico puede estar en comunicación fluida con una cámara de reacción de modo que un fluido pueda fluir libremente hacia la misma desde el canal microfluídico. Las dos regiones espaciales pueden estar en comunicación fluida a través de una o más válvulas, limitadores u otros componentes fluídicos que estén configurados para controlar o regular un flujo de fluido a través de un sistema.
Como se usa en la presente memoria, el término “ inmovilizado/a” , cuando se usa con respecto a una biomolécula o sustancia biológica o química, incluye al menos la fijación sustancial de la biomolécula o sustancia biológica o química a una superficie, a nivel molecular. Por ejemplo, puede inmovilizarse una biomolécula o sustancia biológica o química en una superficie del material de soporte utilizando técnicas de adsorción que incluyen interacciones no covalentes (p. ej., fuerzas electrostáticas, fuerzas de Van der Waals y deshidratación de interfases hidrófobas), y técnicas de unión covalente donde grupos o enlazadores funcionales faciliten la fijación de las biomoléculas a la superficie. La inmovilización de biomoléculas o sustancias biológicas o químicas en una superficie de un material de sustrato puede basarse en las propiedades de la superficie de soporte, el medio líquido que porta la biomolécula o sustancia biológica o química, y/o las propiedades de las propias biomoléculas o sustancias biológicas o químicas. En algunos casos, a una superficie de soporte pueden agregarse grupos funcionales (p. ej., modificarse química o físicamente) para facilitar la inmovilización de las biomoléculas (o sustancias biológicas o químicas) en la superficie del sustrato. La superficie de soporte puede modificarse primero para unir grupos funcionales a la misma. Luego pueden unirse los grupos funcionales a biomoléculas o sustancias biológicas o químicas para inmovilizarlos sobre las mismas. Puede inmovilizarse una sustancia en una superficie a través de un gel, por ejemplo, poli(N-(5-azidoacetamidilpentil)acrilamida-co-acrilamida (es decir, PAZAm , que puede ser lineal o ligeramente reticulado, y que puede tener un peso molecular peso que oscile entre aproximadamente 10 kDa y aproximadamente 1500 kDa).
PAZAM, y otras formas del copolímero de acrilamida, se representan generalmente por una Fórmula unitaria recurrente (I):
en donde:
R1 es H o alquilo sustituido en forma opcional;
R A es un azido/azida; R 5 , R6 , y R8 se selecciona independientemente del grupo que consiste en H y alquilo sustituido en forma opcional;
cada uno de los -(CH2)p- puede ser sustituido en forma opcional;
p es un número entero en el rango de 1 a 50;
n es un número entero en el rango de 1 a 50.000; y
m es un número entero en el rango de 1 a 100.000.
Un experto en la materia reconocerá que la disposición de las funciones recurrentes “ n” y “ m” en la Fórmula (I) son representativas, y que las subunidades monoméricas pueden estar presentes en cualquier orden en la estructura del polímero (por ejemplo, aleatorio, en bloque, en patrón o una combinación de los mismos).
representa ejemplos específicos de PAZAM:
en donde n es un número entero en el rango de 1-20.000, y m es un número entero en el rango de 1-100.000.
El peso molecular del PAZAM puede oscilar entre aproximadamente 10 kDa y aproximadamente 1500 kDa, o puede ser, en un ejemplo específico, aproximadamente 312 kDa.
En algunos ejemplos, PAZAM es un polímero lineal. En algunos otros ejemplos, PAZAM es un polímero ligeramente reticulado.
En otros ejemplos, la molécula funcionalizada con azida puede ser una variación de la Fórmula (I). En un ejemplo, la
, , , ,
y R9 y R10 son cada uno un grupo metilo (en lugar de H, como es el caso de la acrilamida). En este ejemplo, q puede ser un número entero en el rango de 1 a 100.000. En otro ejemplo, se puede usar el A/,A/-dimetilacrilamida además
de la unidad de acrilamida. En este ejemplo, la Fórmula (I) puede incluir
además de las funciones recurrentes “ n” y “ m” , donde R6, R7, y R8 son cada uno H, y R9 y R10 son cada uno un grupo metilo. En este ejemplo, q puede ser un número entero en el rango de 1 a 100.000.
En algunos ejemplos, pueden fijarse ácidos nucleicos a una superficie y amplificarse mediante amplificación por exclusión cinética o amplificación puente. Otro método útil para amplificar ácidos nucleicos en una superficie es la amplificación por círculo rodante (RCA). En algunos ejemplos, pueden fijarse los ácidos nucleicos a una superficie y amplificarse utilizando uno o más pares de iniciadores. Por ejemplo, uno de los iniciadores puede estar en solución y el otro iniciador puede inmovilizarse sobre la superficie (por ejemplo, fijación en 5'). A modo de ejemplo, una molécula de ácido nucleico puede hibridar con uno de los iniciadores en la superficie, tras lo cual se extiende el iniciador inmovilizado para producir una primera copia del ácido nucleico. Luego, el iniciador en solución hibrida con la primera copia del ácido nucleico, pudiendo extenderse usando la primera copia del ácido nucleico como plantilla. En algunos ejemplos, después de producir la primera copia del ácido nucleico, la molécula de ácido nucleico original puede hibridar con un segundo iniciador inmovilizado en la superficie, y puede extenderse al mismo tiempo o después de que se extienda el iniciador en solución. Rondas repetidas de extensión (p. ej., amplificación) utilizando el iniciador inmovilizado y el iniciador en solución proporcionarán múltiples copias del ácido nucleico.
En ejemplos particulares, los protocolos de ensayo ejecutados por los sistemas y métodos descritos en la presente memoria incluyen el uso de nucleótidos naturales y también de enzimas que pueden interactuar con los nucleótidos naturales. Los nucleótidos naturales incluyen una base heterocíclica que contiene nitrógeno, un azúcar y uno o más grupos fosfato. Algunos ejemplos de nucleótidos naturales incluyen, por ejemplo, ribonucleótidos o desoxirribonucleótidos. En un ribonucleótido, el azúcar es una ribosa, y en los desoxirribonucleótidos el azúcar es una desoxirribosa, es decir, un azúcar que carece de un grupo hidroxilo que está presente en la posición 2' de la ribosa. Los nucleótidos naturales pueden estar en forma de mono-, di- o trifosfato y la base heterocíclica (es decir, la nucleobase) puede ser una base de purina o una base de pirimidina. Las bases de purina incluyen adenina (A) y guanina (G), y derivados modificados o análogos de las mismas. Las bases de pirimidina incluyen citosina (C), timina (T) y uracilo (U) y derivados modificados o análogos de los mismos. El átomo C-1 de la desoxirribosa se une al N-1 de una pirimidina o al N-9 de una purina. Debe entenderse además que también se pueden usar nucleótidos no naturales, nucleótidos modificados o análogos de los nucleótidos mencionados anteriormente.
En los ejemplos que incluyen cámaras de reacción, los elementos o sustancias sólidas (incluidas las sustancias semisólidas) pueden disponerse dentro de las cámaras de reacción. Una vez dispuesto, el elemento o sólido puede retenerse físicamente o inmovilizarse dentro de la cámara de reacción mediante un ajuste de interferencia, adhesión o retención. Ejemplos de elementos o sólidos que pueden disponerse dentro de las cámaras de reacción incluyen perlas de polímero, gránulos, gel de agarosa, polvos, puntos cuánticos u otros sólidos que pueden comprimirse y/o contenerse dentro de la cámara de reacción. En algunos ejemplos, puede disponerse en una cámara de reacción una superestructura de ácido nucleico, tal como una bola de ADN, por ejemplo fijándola a una superficie interior de la cámara de reacción o incluyéndola en un líquido dentro de la cámara de reacción. Puede formarse previamente una bola de ADN u otra superestructura de ácido nucleico, y luego disponerse en la cámara de reacción. De forma alternativa, se puede sintetizar una bola de ADN in situ en la cámara de reacción. A modo de ejemplo, puede sintetizarse una bola de ADN mediante amplificación por círculo rodante para producir un concatámero de una secuencia de ácido nucleico particular y puede tratarse el concatámero con condiciones que formen una bola relativamente compacta. En una cámara de reacción puede contenerse o mantenerse una sustancia en estado sólido, líquido o gaseoso.
Las Figs. 1 a 3 ilustran diagramas de bloques funcionales, y debe entenderse que los bloques funcionales no son necesariamente indicativos de la división entre circuitos de hardware. Así, por ejemplo, uno o más de los bloques funcionales (p. ej., procesadores o memorias) pueden implementarse en una sola pieza de hardware (p. ej., un procesador de señales de propósito general o memoria de acceso aleatorio, disco duro y similares). De manera similar, los programas pueden ser programas independientes, pueden incorporarse como subrutinas en un sistema operativo, pueden ser funciones en un paquete de software instalado, y similares. A lo largo del análisis de todas las figuras, debe entenderse que los diversos ejemplos no se limitan a las disposiciones e instrumentos mostrados.
La Fig. 1 es un diagrama de bloques de un ejemplo de un sistema 100 de bioensayo para análisis biológico o químico. El término “bioensayo” no pretende ser limitativo, ya que el sistema 100 de bioensayo puede funcionar para obtener cualquier información o datos relacionados con al menos una sustancia biológica o química. En algunas realizaciones, el sistema 100 de bioensayo es una estación de trabajo que puede ser similar a un dispositivo de mesa o a un ordenador de sobremesa. Por ejemplo, la mayoría de (o todos) los sistemas y componentes para realizar las reacciones designadas pueden estar dentro de un alojamiento común 116.
En ejemplos particulares, el sistema 100 de bioensayo es un sistema de secuenciación (o secuenciador) de ácidos nucleicos que puede realizar diversas aplicaciones, incluyendo la secuenciación de novo, la resecuenciación de genomas completos o regiones genómicas diana, y la metagenómica. El secuenciador también se puede utilizar para análisis de ADN o ARN. En algunos ejemplos, el sistema 100 de bioensayo también puede configurarse para que genere reacciones en un sensor 10, 10', 10" situado en los sitios de reacción. Por ejemplo, el sistema 100 de bioensayo puede recibir una muestra y dirigirla al sensor 10, 10', 10", donde se generan grupos unidos a la superficie de ácidos nucleicos clonalmente amplificados derivados de la muestra.
El sistema 100 de bioensayo puede incluir un receptáculo o interfaz 102 de sistema que puede interactuar con el sensor 10 (mostrado en las Figs. 6 y 7), 10' (mostrado en las Figs. 8 y 9) o 10" (mostrado en la Fig. 12) para realizar reacciones designadas dentro del sensor 10, 10', 10". En la siguiente descripción con respecto a la Fig. 1, el sensor 10, 10', 10" se
carga en el receptáculo 102 de sistema. Sin embargo, se entiende que se puede insertar en el receptáculo 102 de sistema un cartucho reemplazable o permanente que incluya el sensor 10, 10', 10". Como se describe en la presente memoria, el cartucho puede incluir, entre otras cosas, componentes de control fluídico y de almacenamiento fluídico.
El sistema 100 de bioensayo puede realizar un gran número de reacciones paralelas dentro del sensor 10, 10', 10". El sensor 10, 10', 10" incluye uno o más sitios de reacción donde pueden producirse reacciones designadas. Los sitios de reacción pueden incluir uno o más componentes reactivos inmovilizados en una superficie sólida del sensor 10, 10', 10", o inmovilizados en perlas (u otros sustratos móviles) ubicadas dentro de las correspondientes cámaras de reacción del sensor 10, 10', 10". Los sitios de reacción pueden incluir, por ejemplo, grupos de ácidos nucleicos amplificados clonalmente. El sensor 10, 10', 10" puede incluir un dispositivo de formación de imágenes de estado sólido (por ejemplo, un generador de imágenes de CMOS) y una celda de flujo montada en el mismo. La celda de flujo puede incluir uno o más canales de flujo que reciban una solución del sistema 100 de bioensayo y dirijan la solución hacia los sitios de reacción. En algunos ejemplos, el sensor 10, 10', 10" puede configurarse para que enganche con un elemento térmico para transferir energía térmica dentro o fuera del canal de flujo.
El sistema 100 de bioensayo puede incluir varios componentes, conjuntos y sistemas (o subsistemas) que interactúen entre sí para realizar ejemplos del método descrito en la presente memoria. Por ejemplo, el sistema 100 de bioensayo incluye un controlador 104 de sistema que puede comunicarse con los diversos componentes, conjuntos y subsistemas del sistema 100 de bioensayo y también con el sensor 10, 10', 10".
En algunos de los ejemplos descritos en la presente memoria, el controlador 104 de sistema está conectado al circuito del dispositivo detector del sensor de modo que pueda ejecutar tanto una operación de protección como una operación de detección con respecto al sensor 10, 10', 10". En un ejemplo de uso del sensor 10, 10', el controlador 104 de sistema se puede programar para que aplique selectivamente una polarización a través de un electrodo de reactivo y una capa metálica embebida del sensor 10, 10', para la protección catódica o anódica de la capa metálica embebida, y también puede programarse para que controle componentes ópticos y/o eléctricos del sensor 10, 10' para realizar la operación de detección.
En otros ejemplos descritos en la presente memoria, el sistema 100 de bioensayo puede incluir dos controladores 104 y 104' de sistema de modo que la operación de protección sea ortogonal a la operación de detección. En un ejemplo de uso del sensor 10 o 10', puede programarse uno de los controladores 104 de sistema para que aplique la polarización eléctrica mencionada anteriormente para proporcionar protección catódica o anódica a la capa metálica embebida, y el otro de los controladores 104' de sistema puede programarse para que opere los componentes ópticos y/o eléctricos involucrados en la operación de detección. En otro ejemplo de uso del sensor 10 o 10', se puede programar uno de los controladores 104 de sistema para aplicar una polarización eléctrica reducida (por ejemplo, en comparación con la polarización aplicada para lograr la protección catódica) a fin de proporcionar una protección semipasiva de la capa metálica embebida, y el otro de los controladores 104' de sistema puede programarse para que opere los componentes ópticos y/o eléctricos involucrados en la operación de detección. Con la protección semipasiva, se aplica una polarización eléctrica que no equivale a protección catódica o anódica, sino que es un potencial reducido que resulta en cierta reducción de la corrosión. En otro ejemplo más de uso del sensor 10", puede programarse uno de los controladores 104 de sistema para que ponga a tierra la capa metálica embebida para proporcionar protección pasiva a la misma, y puede programarse el otro de los controladores 104' de sistema para que opere los componentes ópticos y/o eléctricos involucrados en la operación de detección.
En algunos de los ejemplos de uso del sensor 10, 10’ descritos en la presente memoria, el módulo 134 de protección establece una compensación de polarización eléctrica desde el reactivo (en contacto con el electrodo de reactivo) a la capa metálica embebida (que se va a proteger mediante protección catódica o anódica).
Otros componentes, conjuntos y subsistemas del sistema 100 de bioensayo pueden incluir un sistema 106 de control fluídico para controlar el flujo de fluido a través de una red de fluidos del sistema 100 de bioensayo y el sensor 10, 10', 10"; un sistema 108 de almacenamiento de fluidos para contener todos los fluidos (por ejemplo, gas o líquidos) que pueda utilizar el sistema 100 de bioensayo; un sistema 110 de control de temperatura que puede regular la temperatura del fluido en la red de fluidos, el sistema 108 de almacenamiento de fluidos y/o el sensor 10, 10', 10"; y un sistema 112 de iluminación para iluminar el sensor 10, 10', 10". Si se carga en el receptáculo 102 de sistema un cartucho que tiene el sensor 10, 10', 10", el cartucho también puede incluir componentes de control fluídico y de almacenamiento fluídico.
El sistema 100 de bioensayo también puede incluir una interfaz 114 de usuario para la interacción con un usuario. Por ejemplo, la interfaz 114 de usuario puede incluir una pantalla 113 para mostrar información o solicitar información al usuario, y un dispositivo 115 de entrada de usuario para recibir entradas de usuario. En algunos ejemplos, la pantalla 113 y el dispositivo 115 de entrada de usuario pueden ser el mismo dispositivo. Por ejemplo, la interfaz 114 de usuario puede incluir una pantalla táctil para detectar el toque de un usuario y también para identificar la ubicación del toque en la pantalla. Sin embargo, se pueden utilizar otros dispositivos 115 de entrada de usuario, tales como un ratón, un panel táctil, un teclado numérico, un escáner de mano, un sistema de reconocimiento de voz, un sistema de reconocimiento de movimiento y/o similares.
El sistema 100 de bioensayo puede comunicarse con varios componentes, incluido el sensor 10, 10', 10", para realizar las reacciones designadas. El sistema 100 de bioensayo también puede configurarse para analizar los datos obtenidos del sensor 10, 10', 10" para proporcionar al usuario la información deseada.
El uno o más controladores 104, 104' de sistema pueden incluir cualquier sistema de tipo procesador o microprocesador, incluidos sistemas que utilizan microcontroladores, ordenadores con conjunto de instrucciones reducido (RISC), circuitos integrados de aplicación específica (ASIC), matrices de puertas programables en campo (FPGA), circuitos lógicos, y cualquier otro circuito o procesador que pueda ejecutar las funciones descritas en la presente memoria. Si bien se han proporcionado varios ejemplos, debe entenderse que estos no pretenden limitar de ninguna manera la definición y/o el significado del término controlador de sistema. En un ejemplo, el controlador 104 de sistema ejecuta un conjunto de instrucciones que se almacenan en uno o más elementos de almacenamiento, memorias o módulos para aplicar selectivamente una polarización que dé como resultado una protección semipasiva, catódica o anódica de la capa metálica embebida del sensor 10, 10'. En otro ejemplo, el controlador 104 de sistema ejecuta un conjunto de instrucciones que se almacenan en uno o más elementos de almacenamiento, memorias o módulos para poner a tierra la capa metálica embebida del sensor 10", lo que da como resultado una protección pasiva de la capa metálica embebida. En un ejemplo, el uno o más controladores 104, 104’ de sistema ejecutan un conjunto de instrucciones que se almacenan en uno o más elementos de almacenamiento, memorias o módulos para al menos obtener o al menos analizar datos de detección. Los elementos de almacenamiento pueden estar en forma de fuentes de información o elementos de memoria física dentro del sistema 100 de bioensayo.
El conjunto de instrucciones puede incluir varias instrucciones para que el sistema 100 de bioensayo o el sensor 10, 10', 10" realice operaciones específicas, tales como los métodos y procesos de los diversos ejemplos descritos en la presente memoria. El conjunto de instrucciones puede tener la forma de un programa de software, que puede formar parte de uno o más medios legibles por ordenador tangibles y no transitorios. Tal como se utilizan en la presente memoria, los términos “software” y “firmware” son intercambiables y se refieren a cualquier algoritmo y/o programa informático almacenado en la memoria para que lo ejecute un ordenador. Algunos ejemplos de memoria incluyen memoria RAM, memoria ROM, memoria EPROM, memoria EEPROM y memoria RAM no volátil (NVRAM).
El software puede tener varias formas, tal como un software de sistema o un software de aplicación. Además, el software puede tener la forma de una colección de programas separados, o un módulo de programa dentro de un programa más grande o una porción de un módulo de programa. El software también puede incluir programación modular en forma de programación orientada a objetos. Después de obtener los datos de detección, el sistema 100 de bioensayo puede procesar automáticamente los datos de detección, pueden procesarse los mismos en respuesta a entradas del usuario o pueden procesarse los mismos en respuesta a una solicitud realizada por otra máquina de procesamiento (por ejemplo, una solicitud remota a través de un enlace de comunicación).
Si bien no se muestra en la Fig. 1, debe entenderse que los controladores 104, 104' de sistema pueden conectarse al sensor 10, 10', 10" y a los otros componentes del sistema 100 de bioensayo a través de enlaces de comunicación. El uno o más controladores 104, 104' de sistema también se pueden conectar de forma comunicativa a sistemas o servidores remotos fuera del sitio. Los enlaces de comunicación pueden ser cableados o inalámbricos. El uno o más controladores 104, 104' de sistema pueden recibir entradas o instrucciones del usuario desde la interfaz 114 de usuario y el dispositivo 115 de entrada del usuario.
El sistema 106 de control fluídico incluye una red de fluidos y puede emplearse para dirigir y regular el flujo de uno o más fluidos a través de la red de fluidos. La red de fluidos puede estar en comunicación fluida con el sensor 10, 10', 10" y el sistema 108 de almacenamiento de fluidos. Por ejemplo, pueden extraerse fluidos seleccionados del sistema 108 de almacenamiento de fluidos y dirigirse los mismos hasta el sensor 10, 10', 10" de manera controlada, o pueden extraerse los fluidos desde el sensor 10, 10', 10" y dirigirse los mismos hacia un receptáculo de desechos del sistema 108 de almacenamiento de fluidos, por ejemplo. Aunque no se muestra, el sistema 106 de control fluídico puede incluir sensores de flujo que detecten un caudal o presión de los fluidos dentro de la red de fluidos. Los sensores de flujo pueden comunicarse con el uno o más controladores 104, 104' de sistema.
El sistema 110 de control de temperatura se puede emplear para regular la temperatura de fluidos en diferentes regiones de la red de fluidos, el sistema 108 de almacenamiento de fluidos y/o el sensor 10, 10', 10". Por ejemplo, el sistema 110 de control de temperatura puede incluir un termociclador que interactúe con el sensor 10, 10', 10" y controle la temperatura del fluido que fluye a lo largo de los sitios de reacción del sensor 10, 10', 10". El sistema 110 de control de temperatura también puede regular la temperatura de elementos sólidos o componentes del sistema 100 de bioensayo o del sensor 10, 10', 10". Aunque no se muestra, el sistema 110 de control de temperatura puede incluir sensores para detectar la temperatura del fluido y/u otros componentes. Estos sensores también pueden comunicarse con el uno o más controladores 104, 104' de sistema.
El sistema 108 de almacenamiento de fluidos está en comunicación fluida con el sensor 10, 10', 10", y puede almacenar diversos componentes de reacción o reactivos que se utilizan para realizar las reacciones designadas en el uno o más sitios de reacción del sensor 10, 10', 10". El sistema 108 de almacenamiento de fluidos también puede almacenar fluidos para lavar o limpiar la red de fluidos y el sensor 10, 10', 10", y para diluir los reactivos. Por
ejemplo, el sistema 108 de almacenamiento de fluidos puede incluir varios receptáculos para almacenar muestras, reactivos, enzimas, otras biomoléculas, soluciones reguladoras, soluciones acuosas y no polares, y similares. Además, el sistema 108 de almacenamiento de fluidos también puede incluir receptáculos de desechos para recibir productos de desecho desde el sensor 10, 10', 10".
En los ejemplos que incluyen un cartucho, el cartucho puede incluir uno o más de un sistema de almacenamiento de fluidos, un sistema de control fluídico o un sistema de control de temperatura. En consecuencia, uno o más de los componentes expuestos en la presente memoria en relación con esos sistemas 108, 106, 110 pueden estar contenidos dentro de un alojamiento de cartucho. Por ejemplo, un cartucho puede tener varios receptáculos para almacenar muestras, reactivos, enzimas, otras biomoléculas, soluciones reguladoras, soluciones acuosas y no polares, desechos y similares. Como tal, en algunos ejemplos, uno o más de un sistema de almacenamiento de fluidos, un sistema de control fluídico o un sistema de control de temperatura pueden acoplarse de manera extraíble con el sistema 100 de bioensayo a través del cartucho.
El sistema 112 de iluminación puede incluir una fuente de luz (por ejemplo, uno o más dispositivos LED) y una pluralidad de componentes ópticos para iluminar el sensor 10, 10', 10". Algunos ejemplos de fuente de luz pueden incluir, por ejemplo, láseres, lámparas de arco, dispositivos LED o diodos láser. Los componentes ópticos pueden ser, por ejemplo, reflectores, dicroicos, divisores de haz, colimadores, lentes, filtros, cuñas, prismas, espejos, detectores y similares. En los ejemplos que usan un sistema de iluminación, el sistema 112 de iluminación puede posicionarse operativamente para que dirija una luz de excitación al uno o más sitios de reacción del sensor 10, 10', 10". A modo de ejemplo, los fluoróforos pueden excitarse mediante longitudes de onda de luz verde y, como tal, la longitud de onda de la luz de excitación puede ser de aproximadamente 532 nm.
El receptáculo o interfaz 102 de sistema puede acoplarse con el sensor 10, 10', 10" al menos de manera mecánica, eléctrica o fluídica. El receptáculo 102 de sistema puede contener el sensor 10, 10', 10" en una orientación deseada para facilitar el flujo de fluido a través del sensor 10, 10', 10". El receptáculo 102 de sistema también puede incluir contactos eléctricos que pueden acoplarse al sensor 10, 10', 10" para que el sistema 100 de bioensayo pueda comunicarse con el sensor 10, 10', 10" y/o proporcionar energía al sensor 10, 10', 10". Además, el receptáculo 102 de sistema puede incluir puertos fluídicos (por ejemplo, boquillas) que pueden acoplarse con el sensor 10, 10', 10". En algunos ejemplos, el sensor 10, 10', 10" se acopla de manera extraíble al receptáculo 102 de sistema, de manera mecánica, eléctrica y también fluídica.
Además, el sistema 100 de bioensayo puede comunicarse de forma remota con otros sistemas o redes, o con otros sistemas 100 de bioensayo. Los datos de detección obtenidos por el uno o más sistemas 100 de bioensayo pueden almacenarse en una base de datos remota.
La Fig. 2 es un diagrama de bloques de un ejemplo del controlador 104 de sistema. En un ejemplo, el controlador 104, 104' de sistema incluye uno o más procesadores u otros módulos de hardware que puedan comunicarse entre sí. Cada uno de los procesadores o módulos de hardware puede ejecutar un algoritmo (por ejemplo, instrucciones almacenadas en un medio de almacenamiento legible por ordenador, tangible y/o no transitorio) o subalgoritmos para realizar procesos/operaciones particulares. El controlador 104, 104' de sistema se ilustra conceptualmente como una colección de módulos de hardware y puede implementarse utilizando cualquier combinación de placas de hardware dedicadas, procesadores, etc. De forma alternativa, el controlador 104, 104' de sistema puede implementarse utilizando un ordenador personal (PC) listo para la venta con un único procesador o múltiples procesadores, con las operaciones funcionales distribuidas entre los procesadores. A modo de opción adicional, los módulos de hardware que se describen a continuación pueden implementarse utilizando una configuración híbrida en la que ciertas funciones modulares se realicen utilizando hardware dedicado, mientras que las funciones modulares restantes se realicen utilizando un PC comercial o similar. En otros ejemplos más, en lugar de módulos de hardware, los módulos descritos en la presente memoria también pueden implementarse como módulos de software dentro de una unidad de procesamiento.
Durante el funcionamiento, un enlace 118 de comunicación puede transmitir información (p. ej., instrucciones) o recibir información (p. ej., datos) desde el sensor 10, 10', 10" (Fig. 1) y/o los subsistemas 106, 108, 110 (Fig. 1). Un enlace 120 de comunicación puede recibir una entrada del usuario desde la interfaz 114 de usuario (Fig. 1) y transmitir datos o información a la interfaz 114 de usuario. Los datos procedentes del sensor 10, 10', 10" o los subsistemas 106, 108, 110 pueden ser procesados por el controlador 104, 104' de sistema en tiempo real durante una operación de protección y/o una operación de detección. De forma adicional o alternativa, los datos pueden almacenarse temporalmente en una memoria del sistema durante una operación de protección y/o una operación de detección, y procesarse en una operación más lenta que que en tiempo real o fuera de línea.
Como se muestra en la Fig. 2, el controlador 104, 104' de sistema puede incluir una pluralidad de módulos 122-138 que se comunican con un módulo principal 140 de control. El módulo principal 140 de control puede comunicarse con la interfaz 114 de usuario (Fig. 1). Aunque los módulos 122-138 se muestran en comunicación directa con el módulo principal 140 de control, los módulos 122-138 también pueden comunicarse directamente entre sí, con la interfaz 114 de usuario y con el sensor 10, 10', 10". Además, los módulos 122-138 pueden comunicarse con el módulo principal 140 de control a través de los otros módulos (no mostrados).
La pluralidad de módulos 122-138 incluye, en un ejemplo, módulos 122, 124, 126, 128 de sistema que se comunican respectivamente con los subsistemas 106, 108, 110 y 112. El módulo 122 de control fluídico puede comunicarse con el sistema 106 de control fluídico, para controlar las válvulas, y con los sensores de flujo de la red de fluidos, para controlar el flujo de uno o más fluidos a través de la red de fluidos. El módulo 124 de almacenamiento de fluidos puede notificar al usuario cuando los fluidos están bajos o cuando el receptáculo de desechos está lleno o casi lleno. El módulo 124 de almacenamiento de fluidos también puede comunicarse con el módulo 126 de control de temperatura para que los fluidos puedan almacenarse a la temperatura deseada. El módulo 128 de iluminación puede comunicarse con el sistema 112 de iluminación para iluminar el uno o más sitios de reacción en momentos designados durante un protocolo, por ejemplo, después de que se hayan producido las reacciones designadas (por ejemplo, sucesos de unión).
La pluralidad de módulos 122-138 también puede incluir un módulo 130 de dispositivo que se comunica con el sensor 10, 10', 10" y un módulo 132 de identificación que determina la información de identificación relacionada con el sensor 10, 10', 10". El módulo 130 de dispositivo puede, por ejemplo, comunicarse con el receptáculo 102 de sistema para confirmar que el sensor 10, 10', 10" ha establecido una conexión eléctrica y fluídica con el sistema 100 de bioensayo. El módulo 132 de identificación puede recibir señales que identifiquen el sensor 10, 10', 10". El módulo 132 de identificación puede usar la identidad del sensor 10, 10', 10" para proporcionar otra información al usuario. Por ejemplo, el módulo 135 de identificación puede determinar y luego mostrar un número de lote, una fecha de fabricación o un protocolo recomendable para ejecutar con el sensor 10, 10', 10".
La pluralidad de módulos 122-142 también puede incluir un módulo 134 de protección, un módulo 136 de operación de detección y un módulo 138 de análisis.
En algunos ejemplos, el módulo 134 de protección se comunica eléctricamente con un electrodo de reactivo y una capa metálica embebida del sensor 10, 10'. En algunos de los ejemplos descritos en la presente memoria, el módulo 134 de protección establece una compensación de polarización eléctrica desde el reactivo (en contacto con el electrodo de reactivo) hasta la capa metálica embebida (que debe protegerse mediante protección catódica o anódica). En otras palabras, el reactivo se polariza con respecto a la capa metálica embebida que debe protegerse de la corrosión. El módulo 134 de protección puede incluir un potenciostato que establezca, modifique y elimine la compensación de polarización, ya sea controlando el voltaje o la corriente. En algunos ejemplos, el módulo 134 de protección puede transmitir selectivamente señales que generen la polarización eléctrica en el reactivo entre el electrodo de reactivo (haciendo que funcione como ánodo) y la capa metálica embebida (haciendo que funcione como cátodo). Esto proporciona protección catódica a la capa metálica embebida.
En otros ejemplos, el módulo 134 de protección puede transmitir selectivamente señales que generen la polarización eléctrica en el reactivo entre el electrodo de reactivo (haciendo que funcione como cátodo) y la capa metálica embebida (haciendo que funcione como ánodo). Esto proporciona protección anódica a la capa metálica embebida. La polarización eléctrica que se aplica y, por lo tanto, la protección (es decir, catódica o anódica) resultante depende del reactivo utilizado, del pH y del metal que se esté protegiendo. El módulo 134 de protección también puede recibir señales desde el electrodo de reactivo y la capa metálica embebida, que le permitan alterar adecuadamente la polarización eléctrica en respuesta a las señales. Por ejemplo, la capa metálica embebida puede ser un componente funcional de la línea AVdd (Vdd analógico) de CMOS (es decir, voltaje de suministro para suministrar la lectura del sensor óptico), y el módulo 134 de protección puede monitorear las fluctuaciones en la línea AVdd para poder ajustar la polarización eléctrica de manera que tenga en cuenta estas fluctuaciones. En algunos ejemplos, el módulo 134 de protección también puede medir la polaridad de la corriente entre el electrodo de reactivo y la capa metálica embebida, y puede ajustar la corriente basándose en esta medición. En los ejemplos descritos en la presente memoria, las corrientes positivas pueden ser anódicas (es decir, oxidación en la capa metálica embebida) y las corrientes negativas pueden ser catódicas (es decir, reducción en la capa metálica embebida). Dependiendo de la polaridad de la corriente medida, puede ajustarse la polarización para poner la corriente a una polaridad de interés (es decir, de modo que la capa metálica embebida funcione como cátodo cuando se deseé protección catódica y como ánodo cuando se deseé protección anódica).
El módulo 134 de protección puede aplicar selectivamente la polarización eléctrica. En algunos ejemplos, la polarización eléctrica se puede aplicar de manera continua. Cuando el voltaje se aplica de manera continua y la capa de pasivación está intacta (y, por lo tanto, el electrodo de reactivo no está en contacto con la capa metálica embebida), puede usarse un potencial de circuito abierto de la capa metálica embebida como valor de referencia para detectar si se produce una conexión a través del reactivo. Cuando se produce un cambio en el potencial de circuito abierto, esto indica que el reactivo se ha filtrado, por ejemplo, a través de una fisura en la capa de pasivación. En este ejemplo, puede ajustarse la polarización eléctrica para proteger la capa metálica embebida del reactivo mediante protección catódica o protección anódica. En otros ejemplos, la polarización eléctrica puede activarse y desactivarse. Por ejemplo, si se sabe que un reactivo específico es menos reactivo durante un estado abierto que durante un estado polarizado, entonces puede desactivarse la polarización eléctrica durante estas reacciones particulares en una operación de detección. Sin embargo, cuando no se aplica la polarización eléctrica, el circuito protector no está en funcionamiento y, por lo tanto, no puede utilizarse para detectar una rotura, fisura, etc. en la capa 24 de pasivación, hasta que se vuelva a activar la polarización eléctrica.
En un ejemplo, la protección catódica se puede lograr utilizando un reactivo de secuenciación de ADN y una polarización aplicada que oscile entre aproximadamente 300 mV y aproximadamente 800 mV.
En algunos ejemplos, el módulo 134 de protección se comunica eléctricamente con el electrodo de reactivo y la capa metálica embebida del sensor 10, 10' de manera que la polarización eléctrica aplicada sea tan baja que el reactivo quede efectivamente en un estado semipasivo. Esta polarización eléctrica no equivale a protección catódica o anódica, pero reduce la corrosión. Este método se puede realizar sin el uso de un interruptor mecánico e intenta efectivamente poner a tierra la capa metálica embebida.
En otros ejemplos más, el módulo 134 de protección se comunica eléctricamente con la capa metálica embebida del sensor 10 o 10" (que, en este ejemplo, puede incluir o no el electrodo de reactivo) para que la capa metálica embebida quede puesta a tierra. La puesta a tierra de la capa metálica embebida puede brindar protección pasiva a la misma. Cuando el electrodo de reactivo no está incluido (p. ej., como se muestra en los sensores 10"), el reactivo no tiene un voltaje de referencia explícito. En estos ejemplos, la capa metálica embebida está puesta directamente a tierra (es decir, 0 voltios) y el módulo 134 de protección no incluye un potenciostato. Como tal, en algunos ejemplos, el módulo 134 de protección puede ser un circuito de control sin potenciostato.
El módulo 136 de reacción/detección se comunica con el módulo principal 140 de control para controlar el funcionamiento de los subsistemas 106, 108 y 110 cuando se llevan a cabo protocolos predeterminados (por ejemplo, protocolos de ensayo). El módulo 136 de reacción/detección puede incluir submódulos, tales como unos módulos 142, 144 de protocolo que incluyen conjuntos de instrucciones para instruir al sistema 100 de bioensayo para que realice operaciones específicas conforme a protocolos predeterminados para diferentes procesos, operaciones de detección, etc.
Como se muestra en la Fig. 2, uno de los módulos 142, 144 de protocolo puede ser un módulo 142 de secuenciación por síntesis (SBS) que puede emitir diversas instrucciones para realizar procesos de secuenciación por síntesis. En la SBS, se controla la extensión de un iniciador de ácido nucleico a lo largo de una plantilla de ácido nucleico para determinar la secuencia de nucleótidos en la plantilla. El proceso químico subyacente puede ser polimerización (p. ej., catalizada por una enzima polimerasa) o ligadura (p. ej., catalizada por una enzima ligasa). En un proceso particular de SBS a base de polimerasa, se agregan los nucleótidos etiquetados con fluorescencia a un iniciador (extendiendo así el iniciador) de forma dependiente de la plantilla, de modo que puedan usarse la detección del orden y el tipo de nucleótidos agregados al iniciador para determinar la secuencia de la plantilla. Por ejemplo, para iniciar un primer ciclo de SBS, se pueden dar instrucciones para suministrar uno o más nucleótidos etiquetados, a Dn polimerasa, etc., en/a través de una celda de flujo del sensor 10, 10', 10" que aloje una matriz de plantillas de ácido nucleico. Las plantillas de ácido nucleico pueden ubicarse en los correspondientes sitios de reacción. Los sitios de reacción donde la extensión del iniciador provoque la incorporación de un nucleótido etiquetado se pueden detectar a través de un suceso de formación de imágenes.
Durante un suceso de formación de imágenes, el sistema 112 de iluminación puede proporcionar una luz de excitación a los sitios de reacción. En algunos ejemplos, los nucleótidos pueden incluir además una propiedad de terminación reversible que finalice la extensión adicional del iniciador una vez que se haya agregado un nucleótido a un iniciador. Por ejemplo, puede añadirse a un iniciador un análogo de nucleótido que tenga una fracción de terminador reversible, de modo que no se produzca una extensión posterior hasta que se suministre un agente desbloqueante para eliminar la fracción. Por lo tanto, en los ejemplos que hacen uso de la terminación reversible, se puede enviar una instrucción al sistema 106 de control fluídico para suministrar un reactivo de desbloqueo a la celda de flujo del sensor 10, 10', 10" (antes o después de que se produzca la detección). Pueden proporcionarse una o más instrucciones al sistema 106 de control fluídico para efectuar uno o más lavados entre las diversas etapas de suministro. Luego, puede repetirse el ciclo n veces para extender el iniciador sobre n nucleótidos, detectando así una secuencia de longitud n.
Para la etapa de suministro de nucleótidos de un ciclo de SBS, se puede suministrar un solo tipo de nucleótido cada vez o se pueden suministrar múltiples tipos de nucleótidos diferentes (p. ej., A, C, T y G juntos). Para una configuración de administración de nucleótidos en la que solo esté presente un solo tipo de nucleótido cada vez, no es necesario que los diferentes nucleótidos tengan etiquetas distintas, ya que se pueden distinguir en función de la separación temporal inherente a la administración individualizada. En consecuencia, un método o aparato de secuenciación puede usar detección de un solo color. Por ejemplo, una fuente de excitación solo necesita proporcionar excitación en una sola longitud de onda o en un solo rango de longitudes de onda. Para una configuración de administración de nucleótidos en la que la administración dé como resultado la presencia de múltiples nucleótidos diferentes en la celda de flujo al mismo tiempo, pueden distinguirse los sitios que incorporen diferentes tipos de nucleótidos en función de las diferentes etiquetas fluorescentes que hay fijadas a los respectivos tipos de nucleótidos en la mezcla. Por ejemplo, pueden usarse cuatro nucleótidos diferentes, cada uno con uno de cuatro fluoróforos diferentes. En un ejemplo, los cuatro fluoróforos diferentes se pueden distinguir usando excitación en cuatro regiones diferentes del espectro. Por ejemplo, se pueden usar cuatro fuentes de radiación de excitación diferentes. De forma alternativa, se pueden usar menos de cuatro fuentes de excitación diferentes, pero se puede usar filtración óptica de la radiación de excitación desde una sola fuente para producir diferentes rangos de radiación de excitación en la celda de flujo.
En otros ejemplos, se pueden detectar menos de cuatro colores diferentes en una mezcla que tenga cuatro nucleótidos diferentes. Por ejemplo, puede detectarse un par de tipos de nucleótidos en la misma longitud de onda, pero distinguirse en función de la diferencia de intensidad de un miembro del par en comparación con el otro, o en función de un cambio en un miembro del par (por ejemplo, mediante modificación química, modificación fotoquímica o modificación física) que haga que aparezca o desaparezca una señal aparente en comparación con la señal detectada para el otro miembro del par. A modo de segundo ejemplo, pueden detectarse tres de los cuatro tipos de nucleótidos diferentes en condiciones particulares mientras que un cuarto tipo de nucleótido carecerá de una etiqueta detectable en esas condiciones. En un ejemplo relacionado con la SBS del segundo ejemplo, puede determinarse la incorporación de los primeros tres tipos de nucleótidos en un ácido nucleico basándose en la presencia de sus respectivas señales, y puede determinarse la incorporación del cuarto tipo de nucleótido en el ácido nucleico basándose en la ausencia o detección mínima de cualquier señal. A modo de tercer ejemplo, puede detectarse un tipo de nucleótido en dos imágenes diferentes o en dos canales diferentes (por ejemplo, puede usarse una mezcla de dos especies que tengan la misma base pero pueden usarse etiquetas diferentes, o puede usarse una sola especie que tenga dos etiquetas, o puede usarse una sola especie que tenga una etiqueta que se detecte en ambos canales), mientras que otros tipos de nucleótidos no se detectarán en más de una de las imágenes o canales. En este tercer ejemplo, la comparación de las dos imágenes o dos canales sirve para distinguir los diferentes tipos de nucleótidos.
Como también se muestra en la Fig. 2, otro de los módulos 142, 144 de protocolo puede ser un módulo 144 de preparación (o generación) de muestras (módulo de preparación) que emita instrucciones al sistema 106 de control fluídico y al sistema 110 de control de temperatura para amplificar un producto dentro del sensor 10, 10', 10". Por ejemplo, el módulo 144 de preparación puede enviar instrucciones al sistema 106 de control fluídico para suministrar componentes de amplificación a las cámaras de reacción dentro del sensor 10, 10', 10". Debe entenderse que, en algunos ejemplos, los sitios de reacción pueden contener ya algunos componentes para la amplificación, tal como ADN y/o iniciadores plantilla. Después de suministrar los componentes de amplificación a las cámaras de reacción, el módulo 144 de preparación puede indicar al sistema 110 de control de temperatura que pase por diferentes etapas de temperatura según protocolos de amplificación conocidos. En algunas realizaciones, la amplificación y/o la incorporación de nucleótidos se realizan de forma isotérmica.
El módulo 142 de SBS puede emitir instrucciones para realizar una PCR de puente donde se forman grupos de amplicones clonales en áreas localizadas dentro de un canal de una celda de flujo. Después de generar los amplicones a través de la PCR de puente, pueden “ linealizarse” los amplicones para producir ADN plantilla de hebra sencilla (o sstADN), y puede hibridarse un iniciador de secuenciación con una secuencia universal que flanqueé una región de interés. Por ejemplo, puede usarse un método de secuenciación por síntesis a base de terminador reversible como se ha expuesto anteriormente o como se expone a continuación. Cada ciclo de secuenciación puede extender un sstADN en una sola base, lo que puede lograrse por ejemplo utilizando una polimerasa de ADN modificada y una mezcla de cuatro tipos de nucleótidos. Los diferentes tipos de nucleótidos pueden tener etiquetas fluorescentes únicas, y cada nucleótido puede tener además un terminador reversible que solo permita una incorporación de base única en cada ciclo. Después de agregar una sola base al sstADN, la luz de excitación puede incidir sobre los sitios de reacción y pueden detectarse emisiones fluorescentes. Tras la detección, pueden escindirse químicamente del sstADN la etiqueta fluorescente y el terminador. A esto puede seguirle otro ciclo de secuenciación similar. En tal protocolo de secuenciación, el módulo 142 de SBS puede indicar al sistema 106 de control fluídico que dirija un flujo de soluciones de reactivos y enzimas a través del sensor 10, 10', 10".
En algunos ejemplos, los módulos 144, 142 de preparación y de SBS pueden operar en un único protocolo de ensayo donde, por ejemplo, se amplifique el ácido nucleico de plantilla y posteriormente se secuencie dentro del mismo cartucho.
El sistema 100 de bioensayo también puede permitir al usuario reconfigurar un protocolo, tal como un protocolo de ensayo. Por ejemplo, el sistema 100 de bioensayo puede ofrecer opciones al usuario a través de la interfaz 114 de usuario para modificar el protocolo determinado. Por ejemplo, si se determina que va a utilizarse el sensor 10, 10', 10" para la amplificación, el sistema 100 de bioensayo puede solicitar una temperatura para el ciclo de recocimiento. Además, el sistema 100 de bioensayo puede emitir advertencias para el usuario si un usuario ha proporcionado entradas de usuario que generalmente no sean aceptables para el protocolo seleccionado.
El controlador 104, 104' de sistema también incluye un módulo 138 de análisis. El módulo 138 de análisis recibe y analiza datos de señal (por ejemplo, datos de imagen) del sensor 10, 10', 10". Los datos de señal pueden almacenarse para un análisis posterior o pueden transmitirse a la interfaz 114 de usuario para mostrar la información deseada al usuario. En algunos ejemplos, los datos de señal pueden procesarse mediante el generador de imágenes de estado sólido (por ejemplo, el sensor de imagen CMOS del sensor 10, 10', 10") antes de que el módulo 138 de análisis reciba los datos de señal.
La Fig. 3 es un diagrama de bloques de un ejemplo de una estación 200 de trabajo para análisis biológico o químico. La estación 200 de trabajo puede tener características, sistemas y conjuntos similares a los del sistema 100 de bioensayo descrito anteriormente. Por ejemplo, la estación 200 de trabajo puede tener un sistema de control fluídico, como el sistema 106 de control fluídico (Fig. 1), que se acople fluídicamente con un sensor (o cartucho) 10, 10', 10" a través de
una red 202 de fluidos. La red 202 de fluidos puede incluir un cartucho 204 de reactivo, un bloque 206 de válvulas, una bomba principal 208, un desgasificador 210, una válvula 212 de 3 vías, un limitador 214 de flujo, un sistema 216 de eliminación de desechos y una bomba 218 de purga. La mayoría de los componentes o todos los componentes descritos anteriormente pueden colocarse dentro de un alojamiento de estación de trabajo común (no mostrado).
Aunque no se muestra, la estación 200 de trabajo también puede incluir un sistema de iluminación, tal como el sistema 112 de iluminación, que puede proporcionar una luz de excitación a los sitios de reacción del sensor 10, 10', 10".
Se indica mediante flechas un flujo de fluido a lo largo de la red 202 de fluidos. Por ejemplo, las soluciones de reactivo pueden salir del cartucho 204 de reactivo y fluir a través del bloque 206 de válvulas. El bloque 206 de válvulas puede facilitar la creación de un volumen muerto nulo del fluido que fluye al sensor/cartucho 10, 10', 10" desde el cartucho 204 de reactivo. El bloque 206 de válvulas puede seleccionar o permitir que uno o más líquidos dentro del cartucho 204 de reactivo fluyan a través de la red 202 de fluidos. Por ejemplo, el bloque 206 de válvulas puede incluir válvulas de solenoide que tengan una disposición compacta. Cada válvula de solenoide puede controlar el flujo de un fluido desde una única bolsa de receptáculo. En algunos ejemplos, el bloque 206 de válvulas puede permitir que dos o más líquidos diferentes fluyan hacia la red 202 de fluidos al mismo tiempo, mezclando así los dos o más líquidos diferentes.
Después de salir del bloque 206 de válvulas, el fluido puede fluir a través de la bomba principal 208 y al desgasificador 210. El desgasificador 210 puede eliminar los gases no deseados que hayan entrado en la red 202 de fluidos o se hayan generado dentro de la misma. Desde el desgasificador 210, el fluido puede fluir a la válvula 212 de 3 vías donde el fluido se dirige al sensor 10, 10', 10" o se deriva al sistema 216 de eliminación de desechos. Un limitador 214 de flujo, ubicado aguas abajo del sensor 10, 10', 10", puede controlar al menos parcialmente un flujo del fluido por dentro del sensor 10, 10', 10". Además, el limitador 214 de flujo y la bomba principal 208 pueden coordinarse entre sí para controlar el flujo de fluido a través de los sitios de reacción y/o controlar la presión dentro de la red 202 de fluidos. El fluido puede fluir a través del sensor 10, 10', 10" y hacia el sistema 252 de eliminación de desechos. En algunos ejemplos, el fluido puede fluir a través de la bomba 218 de purga y hacia una bolsa de receptáculo de desechos dentro del cartucho 204 de reactivo, por ejemplo.
Como se muestra en la Fig. 3, la estación 200 de trabajo puede incluir un sistema de control de temperatura, tal como el sistema 110 de control de temperatura (Fig. 1), que puede regular o controlar un entorno térmico de los diferentes componentes y subsistemas de la estación 200 de trabajo. El sistema 110 de control de temperatura puede incluir un enfriador 220 de reactivos que puede controlar la temperatura de varios fluidos utilizados por la estación 200 de trabajo, y un termociclador 222 que puede controlar la temperatura del sensor 10, 10', 10". El termociclador 222 puede incluir un elemento térmico (no mostrado) que interactúa con el sensor 10, 10', 10".
Además, la estación 200 de trabajo puede incluir un controlador de sistema o placa 224 de SBS que puede tener características similares a las del controlador 104, 104' de sistema descrito anteriormente. La placa 224 de SBS puede comunicarse con los diversos componentes y subsistemas de la estación 200 de trabajo, así como con el sensor 10, 10', 10". Además, la placa 224 de SBS puede comunicarse con sistemas remotos para, por ejemplo, almacenar datos o recibir instrucciones de los sistemas remotos.
La placa 224 de SBS incluye el módulo 134 de protección. En algunos ejemplos, el módulo 134 de protección puede conectarse eléctricamente al electrodo de reactivo y la capa metálica embebida del sensor 10, 10', y también a la válvula 212 de 3 vías. El módulo 134 de protección puede sincronizarse con la bomba principal 208, de modo que la polarización eléctrica se aplique de forma continua o selectiva cuando se transporte el reactivo al sensor 10, 10'. En otros ejemplos, el módulo 134 de protección puede conectarse eléctricamente a la capa metálica embebida del sensor 10", y también a la válvula de 3 vías 212. El módulo 134 de protección puede sincronizarse con la bomba principal 208, de modo que la capa metálica embebida se ponga a tierra de forma continua o selectiva cuando se transporte el reactivo al sensor 10".
La estación 200 de trabajo también puede incluir una interfaz 226 de usuario de pantalla táctil que se acopla operativamente a la placa 224 de SBS a través de un ordenador 228 de placa única (SBC). La estación 200 de trabajo también puede incluir uno o más puertos y/o unidades de comunicación de datos accesibles para el usuario. Por ejemplo, una estación 200 de trabajo puede incluir una o más conexiones de bus serie universal (USB) para periféricos de ordenador, tal como una unidad de tipo flash o jump, una unidad flash compacta (CF) y/o un disco duro 230 para almacenar datos de usuario además de otro software.
Debe entenderse que los componentes de la estación 200 de trabajo no interferirán con la función del módulo 134 de protección y el circuito protector asociado. Por ejemplo, el estado eléctrico del cartucho 204 de reactivo y otros componentes que llevan el reactivo al sensor 10, 10', 10" puede ser no conductor para no interferir con la conductividad del reactivo y/o el circuito protector del sensor 10, 10', 10".
La Fig. 4 es una vista en perspectiva recortada de una estación 300 de trabajo y un cartucho 302 que puede incluir uno o más sensores (no mostrados en esta figura), como se describe en la presente memoria. La estación 300 de trabajo puede
incluir componentes similares a los descritos anteriormente con respecto al sistema 100 de bioensayo y la estación 200 de trabajo, y puede funcionar de manera similar. Por ejemplo, la estación 300 de trabajo puede incluir un alojamiento 304 de estación de trabajo y un receptáculo 306 de sistema configurado para recibir y enganchar el cartucho 302. El receptáculo 306 de sistema puede acoplarse al menos eléctrica o fluídicamente al cartucho 302. El alojamiento 304 de estación de trabajo puede contener, por ejemplo, un controlador de sistema, un sistema de almacenamiento de fluidos, un sistema de control fluídico y un sistema de control de temperatura como se ha descrito anteriormente.
En la Fig. 4, la estación 300 de trabajo no incluye una interfaz de usuario o pantalla que se acople con el alojamiento 304 de estación de trabajo. Sin embargo, puede acoplarse comunicativamente una interfaz de usuario al alojamiento 304 (y a los componentes/sistemas del mismo) a través de un enlace de comunicación. Por lo tanto, la interfaz de usuario y la estación 300 de trabajo pueden ubicarse remotamente entre sí. Juntas, la interfaz de usuario y la estación 300 de trabajo (o una pluralidad de estaciones de trabajo) pueden constituir un sistema de bioensayo.
Como se muestra, el cartucho 302 incluye un alojamiento de cartucho 308 que tiene al menos un puerto 310 que proporciona acceso al interior del alojamiento 308 de cartucho. Por ejemplo, un usuario o la estación 300 de trabajo puede insertar una solución que está configurada para usarse en el cartucho 302 durante las reacciones controladas a través del puerto 310. El receptáculo 306 de sistema y el cartucho 302 pueden tener un tamaño y una forma correspondientes entre sí, de modo que pueda insertarse el cartucho 302 en una cavidad de receptáculo (no mostrada) del receptáculo 306 de sistema.
La Fig. 5 ilustra varias características de un ejemplo del cartucho 302 mostrado en la Fig. 4. Como se muestra en la Fig. 5, el cartucho 302 puede incluir un conjunto 320 de muestras y el receptáculo 306 de sistema puede incluir un conjunto 322 de luz. La etapa 346 que se muestra en la Fig. 5 representa la relación espacial entre el primer y segundo subconjuntos 320 y 322 cuando están separados entre sí. La etapa 348 que se muestra en la Fig. 5 ilustra el momento en que se unen el primer y segundo subconjuntos 320 y 322. El alojamiento 308 de cartucho (Fig. 4) puede encerrar el primer y segundo subconjuntos 320 y 322 unidos.
En el ejemplo ilustrado, el primer subconjunto 320 incluye una base 326 y un cuerpo 324 de componente-reacción que se monta sobre la base 326. Aunque no se muestra, pueden montarse uno o más sensores 10, 10', 10" en la base 326 en un rebaje 328 que está definido, al menos en parte, por el cuerpo 324 de componente-reacción y la base 326. Por ejemplo, pueden montarse al menos cuatro sensores 10, 10', 10" en la base 326. En algunos ejemplos, la base 326 es una placa de circuito impreso que tiene un circuito que permite la comunicación entre los diferentes componentes del cartucho 302 y la estación 300 de trabajo (Fig. 4). Por ejemplo, el cuerpo 324 de componente-reacción puede incluir una válvula giratoria 330 y receptáculos 332 de reactivo que se acoplan fluidamente a la válvula giratoria 330. El cuerpo 324 de componente-reacción también puede incluir receptáculos 334 adicionales.
El segundo subconjunto 322 incluye un conjunto 336 de luz que incluye una pluralidad de canales 338 de direccionamiento de luz. Cada canal 338 de direccionamiento de luz está ópticamente acoplado a una fuente de luz (no mostrada), tal como un diodo emisor de luz (LED). La una o más fuentes de luz están posicionadas para proporcionar una luz de excitación que es dirigida por los canales 338 de direccionamiento de luz hacia los sensores 10, 10', 10". En ejemplos alternativos, el cartucho 302 puede no incluir una o más fuentes de luz. En tales ejemplos, la una o más fuentes de luz pueden estar ubicadas en la estación 300 de trabajo. Cuando se inserta el cartucho 302 en el receptáculo 306 de sistema (Fig. 4), el cartucho 302 puede quedar alineado con la una o más fuentes de luz para que el uno o más sensores 10 del cartucho 302 puedan iluminarse.
Como se muestra en la Fig. 5, el segundo subconjunto 322 también incluye una bomba 340 de cartucho que está acoplada fluídicamente a los puertos 342 y 344. Cuando se unen el primer y segundo subconjuntos 320 y 322 entre sí, se acopla el puerto 342 a la válvula giratoria 330 y se acopla el puerto 344 a los otros receptáculos 334. La bomba 340 de cartucho puede activarse para dirigir los componentes de reacción desde los receptáculos 332 y/o 334 hasta los sensores 10, 10', 10", según un protocolo designado.
Debe entenderse que cualquier ejemplo del sistema 100 de bioensayo y las estaciones 200, 300 de trabajo descritos en la presente memoria puede incorporar cualquier ejemplo del sensor 10, 10', 10" descrito en la presente memoria. Las Figs. 6 y 7 ilustran secciones transversales de porciones de un ejemplo del sensor 10, las Figs. 8 y 9 ilustran secciones transversales de porciones de un ejemplo del sensor 10', la Fig. 12 ilustra una sección transversal de una porción de un ejemplo del sensor 10".
Cada uno de los sensores 10, 10', 10" mostrados en las Figs. 6 a 9 y 12 incluye una celda 12 de flujo acoplada directa o indirectamente a (es decir, en contacto con) un ejemplo de un dispositivo detector 14, 14'. En los ejemplos ilustrados, la celda 12 de flujo puede fijarse directamente a, y por lo tanto estar en contacto físico con, el dispositivo detector 14 o 14' a través de uno o más mecanismos de seguridad (por ejemplo, adhesivo, unión, sujetadores y similares). Debe entenderse que la celda 12 de flujo puede acoplarse de manera extraíble al dispositivo detector 14 o 14'.
Los dispositivos detectores 14, 14' descritos en la presente memoria son dispositivos de CMOS que incluyen una pluralidad de capas apiladas 16, 16', incluidas por ejemplo una o más capas de silicio, una o más capas dieléctricas, una o más capas metálicas dieléctricas, una o más capas metálicas, etc.). Las capas apiladas 16, 16' forman los circuitos del dispositivo, que incluyen el circuito protector y el circuito detector. El circuito protector y el circuito detector pueden conectarse eléctricamente entre sí (como se muestra en las Figs. 6 y 7), de manera que la operación de protección y la operación de detección sean integrales entre sí. De forma alternativa, el circuito protector y el circuito detector pueden aislarse o desconectarse eléctricamente entre sí (como se muestra en las Figs. 8, 9 y 12), de modo que la operación de protección y la operación de detección sean ortogonales entre sí. Las diversas capas apiladas 16, 16' de cada dispositivo detector 14, 14' se describen con más detalle con referencia a las Figs. 7 y 9, respectivamente.
Los dispositivos detectores 14, 14' también incluyen componentes ópticos, tales como uno o más sensores ópticos 18 y una o más guías 20 de ondas ópticas. En cada ejemplo de los dispositivos detectores 14, 14' mostrados, los componentes ópticos están dispuestos de tal manera que cada sensor óptico 18 esté alineado al menos sustancialmente, y por lo tanto asociado operativamente, con una única guía 20 de ondas óptica y un único sitio 22 de reacción de la celda 12 de flujo. Sin embargo, en otros ejemplos, un único sensor óptico 18 puede recibir fotones a través de más de una guía 20 de ondas óptica y/o más de un sitio 22 de reacción. En estos otros ejemplos, el único sensor óptico 18 está asociado operativamente con más de una guía 20 de ondas óptica y/o más de un sitio 22 de reacción.
Como se usa en la presente memoria, un único sensor óptico 18 puede ser un sensor de luz que incluya un píxel o más de un píxel. A modo de ejemplo, cada sensor óptico 18 puede tener un área de detección de menos de aproximadamente 50 pm2. A modo de otro ejemplo, el área de detección puede ser inferior a aproximadamente 10 pm2. A modo de otro ejemplo más, el área de detección puede ser inferior a aproximadamente 2 pm2. En el último ejemplo, el sensor óptico 18 puede constituir un solo píxel. El ruido de lectura medio de cada píxel del sensor óptico 18 puede ser, por ejemplo, inferior a unos 150 electrones. En otros ejemplos, el ruido de lectura puede ser inferior a unos 5 electrones. La resolución del uno o más sensores ópticos 18 puede ser superior a aproximadamente 0,5 megapíxeles (Mpíxeles). En otros ejemplos, la resolución puede ser mayor de aproximadamente 5 Mpíxeles y, más particularmente, mayor de aproximadamente 10 Mpíxeles.
También, como se usa en la presente memoria, una única guía 20 de ondas óptica puede ser una guía de luz que incluya un material de filtro curado que i) filtre la luz 36 de excitación (que se propaga desde el exterior del sensor 10 hacia el canal 32 de flujo), y ii) permita que las emisiones de luz (no mostradas, resultantes de reacciones en el sitio 22 de reacción) se propaguen a través del mismo hacia los correspondientes sensores ópticos 18. En un ejemplo, la guía 20 de ondas óptica puede ser, por ejemplo, un filtro de absorción orgánico. A modo de ejemplo específico, el filtro de absorción orgánico puede filtrar la luz 36 de excitación con una longitud de onda de aproximadamente 532 nm y permitir emisiones de luz con longitudes de onda de aproximadamente 570 nm o más. La guía de ondas óptica puede formarse formando primero una cavidad de guía en la capa dieléctrica D y, a continuación, llenando la cavidad de guía con un material de filtro adecuado.
La guía 20 de ondas óptica puede configurarse con respecto a un material circundante (por ejemplo, el material dieléctrico D) del dispositivo detector 14, 14' para formar una estructura de guía de luz. Por ejemplo, la guía 20 de ondas óptica puede tener un índice de refracción de aproximadamente 2,0 de modo que las emisiones de luz se reflejen sustancialmente en una interfaz entre la guía 20 de ondas óptica y el material dieléctrico circundante. En determinados ejemplos, la guía 20 de luz está configurada de tal manera que la densidad óptica (DO) o la absorbancia de la luz 36 de excitación tenga una DO de al menos aproximadamente 4. Más específicamente, puede seleccionarse el material de filtro y puede dimensionarse la guía 20 de luz para lograr una DO de al menos 4. En ejemplos más particulares, puede configurarse la guía 20 de luz para lograr una DO de al menos aproximadamente 5 o una Do de al menos aproximadamente 6.
La celda 12 de flujo de los sensores 10, 10', 10" incluye una capa 24 de pasivación que tiene unas superficies opuestas 26, 28 (también denominadas en la presente memoria primera superficie opuesta 26 y segunda superficie opuesta 28). Al menos una porción de la capa 24 de pasivación está en contacto con la primera capa 34 metálica embebida del dispositivo detector 14, 14', y también con una región de entrada 21 de la guía 20 de ondas óptica. El contacto entre la capa 24 de pasivación y la primera capa 34 metálica embebida puede ser un contacto directo (como se muestra en las Figs. 8, 9 y 12) o puede ser un contacto indirecto a través de una capa 46 de blindaje (como se muestra en las Figs. 6 y 7). En un ejemplo, una porción de la segunda superficie opuesta 28 está en contacto con la capa más superior (por ejemplo, la capa 34 metálica embebida) del dispositivo detector 14, 14'.
La capa 24 de pasivación puede proporcionar un nivel de protección contra la corrosión a la capa 34 metálica embebida del dispositivo detector 14, 14' que esté más cerca de la superficie opuesta 28. La capa 24 de pasivación puede incluir un material que sea transparente a las emisiones de luz resultantes de las reacciones en el sitio 22 de reacción (por ejemplo, luz visible), y que sea al menos inicialmente resistente al entorno fluídico y a la humedad que pueda introducirse o estar presente en el canal 32 de flujo. Un material al menos inicialmente resistente actúa a modo de barrera contra el ataque químico para los reactivos de pH alto (p. ej., un rango de pH de 8 a 14) y como barrera contra la humedad. Algunos ejemplos de materiales adecuados para la capa 24 de pasivación incluyen nitruro de silicio (SialSU), óxido de silicio (SiO2), pentóxido de tantalio (TaOs), óxido de hafnio (HaO2), silicio p+ dopado con boro, o similares. El espesor de la capa 24 de pasivación puede variar dependiendo en parte de las
dimensiones del sensor 10, 10', 10". En un ejemplo, el espesor de la capa 24 de pasivación oscila entre unos 100 nm y unos 500 nm.
La celda 12 de flujo también incluye una tapa 30 que está operativamente conectada a la capa 24 de pasivación para definir parcialmente el canal 32 de flujo entre la capa 24 de pasivación (y el uno o más sitios 22 de reacción en la misma o sobre la misma) y la tapa 30. La tapa 30 puede ser de cualquier material que sea transparente a la luz 26 de excitación que se dirige hacia el uno o más sitios 22 de reacción. A modo de ejemplos, la tapa 30 puede incluir vidrio (por ejemplo, borosilicato, sílice fundida, etc.), plástico, etc. Un ejemplo comercialmente disponible de vidrio de borosilicato adecuado es D 263®, comercializado por Schott North America Inc. Algunos ejemplos comercialmente disponibles de materiales plásticos adecuados, a saber polímeros de cicloolefina, son los productos ZEONOR® comercializados por Zeon Chemicals L.P.
La tapa 30 puede estar conectada físicamente a la capa 24 de pasivación a través de una o más paredes laterales 38. La una o más paredes laterales 38 están acopladas a la superficie opuesta 26 de la capa 24 de pasivación, y se extienden entre la superficie 26 y una superficie interior 40 de la tapa 30. En algunos ejemplos, la una o más paredes laterales 38 y la tapa 30 pueden estar formadas integralmente de modo que 38, 30 sean una pieza continua de material (por ejemplo, vidrio o plástico). En otros ejemplos, la una o más paredes laterales 38 y la tapa 30 pueden ser componentes separados que se acoplen entre sí. En estos otros ejemplos, la una o más paredes laterales 38 pueden ser del mismo material que la tapa 30 o de un material diferente. En algunos de estos otros ejemplos, al menos una de la una o más paredes laterales 38 incluye un material de electrodo (véanse, por ejemplo, las Figs. 10C y 10F). En otros ejemplos más, la una o más paredes laterales 38 incluyen una capa adhesiva curable que une la tapa 30 a la superficie opuesta 26.
En un ejemplo, la tapa 30 puede ser un bloque sustancialmente rectangular que tiene una superficie exterior 42 al menos sustancialmente plana y una superficie interior 40 al menos sustancialmente plana, que define una porción del canal 32 de flujo. El bloque se puede montar en la una o más paredes laterales 38. De forma alternativa, puede atacarse químicamente el bloque para definir la tapa 30 y las paredes laterales 38. Por ejemplo, puede grabarse químicamente un rebaje en el bloque transparente. Cuando se monta el bloque grabado químicamente en la capa 24 de pasivación, el rebaje puede convertirse en el canal 32 de flujo.
La tapa 30 puede incluir unos puertos 48, 50 de entrada y salida que están configurados para acoplarse fluídicamente a otros puertos (no mostrados) para dirigir uno o más fluidos hacia el canal 32 de flujo (por ejemplo, desde el cartucho 204 de reactivo u otro componente del sistema 108 de almacenamiento de fluido), y fuera del canal 32 de flujo (por ejemplo, al sistema 216 de eliminación de residuos). Por ejemplo, los otros puertos pueden originarse en el cartucho 302 (Fig. 4) o en la estación 300 de trabajo (Fig. 4).
La celda 12 de flujo está dimensionada y conformada para que el canal 32 de flujo esté presente entre la tapa 30 y la superficie opuesta 26 de la capa 24 de pasivación. El canal 32 de flujo puede estar dimensionado y conformado para dirigir un fluido a lo largo del uno o más sitios 22 de reacción. La altura del canal 32 de flujo (es decir, desde la superficie 26 hasta la superficie 40) y otras dimensiones del canal 32 de flujo pueden configurarse para mantener un flujo sustancialmente uniforme del fluido a lo largo del uno o más sitios 22 de reacción. Las dimensiones del canal 32 de flujo también pueden configurarse para controlar la formación de burbujas. En un ejemplo, la altura del canal 32 de flujo puede oscilar entre aproximadamente 50 pm y aproximadamente 400 pm. En otro ejemplo, la altura del canal 32 de flujo puede oscilar entre aproximadamente 80 pm y aproximadamente 200 pm. Debe entenderse que la altura del canal 32 de flujo puede variar, y puede ser mayor cuando el sitio 22 de reacción está ubicado en una cámara 44 de reacción definida en la superficie 26 de la capa 24 de pasivación. En estos ejemplos, la cámara 44 de reacción aumenta la altura del canal 32 de flujo en esta área particular.
En los ejemplos mostrados en las Figs. 6-9 y 12, el uno o más sitios 22 de reacción están ubicados en la superficie opuesta 26 de la capa 24 de pasivación. Más específicamente, cada sitio 22 de reacción es una región localizada en la superficie 26 donde puede producirse una reacción designada. En la región localizada en la superficie 26 pueden agregarse grupos funcionales, es decir, modificarse química o físicamente de manera adecuada para realizar o participar en la una o más reacciones designadas. En un ejemplo (no mostrado), el sitio 22 de reacción se puede formar en la superficie opuesta 26, que es al menos sustancialmente plana. En otro ejemplo (como se muestra en las Figs. 6-9 y 12), el sitio 22 de reacción se puede formar en la superficie opuesta 26, que es parte de una cámara 44 de reacción de lados abiertos definida en la capa 24 de pasivación. La cámara 44 de reacción de lados abiertos puede estar definida, por ejemplo, por una hendidura o cambio en la profundidad a lo largo de la superficie opuesta 26. Cada una de las cámaras 44 de reacción de lados abiertos puede incluir un único sitio 22 de reacción o múltiples sitios 22 de reacción.
Como se muestra en las Figs. 6, 8 y 12, los sitios 22 de reacción pueden distribuirse en un patrón a lo largo de la superficie opuesta 26. Por ejemplo, los sitios 22 de reacción pueden ubicarse en filas y columnas a lo largo de la superficie opuesta 26 de manera similar a una micromatriz. Sin embargo, se entiende que pueden usarse varios patrones para los sitios 22 de reacción.
En un ejemplo, el sitio 22 de reacción está al menos sustancialmente alineado con la región 21 de entrada de una única guía 20 de ondas óptica. Como tal, las emisiones de luz en la reacción 22 pueden dirigirse a la región 21 de
entrada, a través de la guía 20 de ondas, y a un sensor óptico 18 asociado. En otros ejemplos, un sitio 22 de reacción puede estar alineado con varias regiones 21 de entrada de varias guías 20 de ondas ópticas. En otros ejemplos, varios sitios 22 de reacción pueden estar alineados con una región 21 de entrada de una guía 20 de ondas óptica.
En los ejemplos descritos en la presente memoria, los sitios 22 de reacción pueden incluir sustancias biológicas o químicas que emitan señales ópticas (por ejemplo, luz). Por ejemplo, las sustancias biológicas o químicas de los sitios 22 de reacción pueden generar emisiones de luz en respuesta a la luz 36 de excitación. En ejemplos particulares, los sitios 22 de reacción incluyen grupos o colonias de biomoléculas (por ejemplo, oligonucleótidos) que están inmovilizados en la superficie opuesta 26.
Como se señaló anteriormente, la capa 24 de pasivación es al menos inicialmente resistente al entorno fluídico y a la humedad que pueda estar presente en el canal 32 de flujo. Sin embargo, se ha descubierto que al usar el sensor durante tiempo, la capa 24 de pasivación puede debilitarse en presencia de reactivos de pH alto (p. ej., un pH que oscile entre 8 y 14) y/o de la humedad, y puede volverse más susceptible al ataque químico, a las fisuras, etc. Los sensores 10, 10', 10" de ejemplo descritos en la presente memoria incluyen el circuito protector (además de la capa 24 de pasivación) para proporcionar otro nivel de protección contra la corrosión. En algunos ejemplos, el circuito protector incluye un electrodo 52 de reactivo y la capa 34 metálica embebida del dispositivo detector 14, 14'. Debe entenderse que la capa 34 metálica embebida es la capa metálica del dispositivo detector 14, 14' de CMOS que es adyacente a la capa 24 de pasivación. En algunos ejemplos, debe proporcionarse protección catódica o anódica a esta capa 34. En otros ejemplos, debe proporcionarse protección semipasiva a esta capa 34. En otros ejemplos más, el circuito protector incluye la capa 34 metálica embebida del dispositivo detector 14', con o sin el electrodo 52 de reactivo. En estos otros ejemplos, la capa 34 metálica embebida está eléctricamente aislada del circuito detector y es un electrodo variable en el dispositivo detector 14' que se pone a tierra para proporcionar protección pasiva.
En los sensores 10, 10' (Figs. 6-9), el electrodo 52 de reactivo se puede colocar en cualquier ubicación del canal 32 de flujo de modo que quede en contacto (por ejemplo, en contacto físico y eléctrico) con un reactivo que se introduzca en el canal 32 de flujo. El electrodo 52 de reactivo puede ser un componente separado de cualquier componente que defina el canal 32 de flujo, puede fijarse a la tapa 30, puede fijarse a la pared lateral 38 o puede formar la pared lateral 38. En las Figs. 10A a 10H se muestran y describen varias configuraciones del electrodo 52 de reactivo. Las dimensiones del electrodo 52 de reactivo dependerán de cómo se integre en el canal 32 de flujo.
El electrodo 52 de reactivo puede ser cualquier material adecuado para electrodo, tal como oro (Au), plata (Ag), cloruro de plata (AgCI), platino (Pt), etc.
En cualquiera de los sensores 10, 10', 10" descritos en la presente memoria, la capa 34 metálica embebida puede ser de cualquier metal adecuado para CMOS, tal como aluminio (Al), cloruro de aluminio (AlCu), tungsteno (W), níquel (Ni), o cobre (Cu).
En los ejemplos 10, 10', el electrodo 52 de reactivo está eléctricamente conectado a la capa 34 metálica embebida del dispositivo detector 14, 14' a través del controlador 104, 104'. En un ejemplo, el electrodo 52 de reactivo y la capa 34 metálica embebida están conectados eléctricamente a través del módulo 134 de protección (que puede incluir un potenciostato) del controlador 104, 104'. Como se ha descrito anteriormente, el módulo 134 de protección puede usarse para establecer una polarización eléctrica entre el electrodo 52 de reactivo y la capa 34 metálica embebida, aplicada desde el reactivo (en el canal 32 de flujo y en contacto con el electrodo 52 de reactivo) hasta la capa 34 metálica embebida.
Con referencia ahora a la Fig. 7, se representa una porción del sensor 10. En este ejemplo del sensor 10, el dispositivo detector 14 incluye la pluralidad de capas apiladas 16. Más específicamente, la Fig. 7 muestra un único sensor óptico 18, una sola guía 20 de ondas óptica para dirigir las emisiones de luz hacia el sensor óptico 18 y un circuito integrado 54 de protección y detección para aplicar selectivamente la polarización eléctrica a la capa 34 metálica embebida (para proporcionar protección catódica o anódica a la misma), y también para transmitir señales en función de las emisiones de luz (por ejemplo, fotones) detectadas por el sensor óptico 18.
En este ejemplo, la capa 34 metálica embebida es una parte funcional de la línea AVdd de CMOS y también está conectada eléctricamente al sensor óptico 18, a través del circuito 54. Por lo tanto, la capa 34 metálica embebida participa en la operación de detección. En este ejemplo, la capa 34 metálica embebida también está conectada al electrodo 52 de reactivo a través del controlador 104, 104'. Así, la capa 34 metálica embebida también participa en la operación de protección catódica o anódica. Entonces, en este ejemplo, el controlador 104, 104' único puede realizar tanto la función de protección como la función de detección.
Se entiende que los otros sensores 18 ópticos del sensor 10 (Figura 6) y los componentes asociados pueden configurarse de manera idéntica o similar. Sin embargo, también debe entenderse que es posible no fabricar el dispositivo detector 14 de manera idéntica o uniforme en su totalidad. En cambio, pueden fabricarse uno o más sensores ópticos 18 y/o componentes asociados de manera diferente o con diferentes relaciones entre sí.
El circuito integrado 54 de protección y detección puede incluir elementos conductores interconectados (por ejemplo, conductores, trazas, vías, interconexiones, etc.) que pueden conducir la corriente eléctrica. El circuito 54 puede configurarse para aplicar selectivamente la polarización eléctrica y transmitir señales de datos en función de fotones detectados. El circuito 54 también puede configurarse para la amplificación, digitalización, almacenamiento y/o procesamiento de señales. El circuito 54 puede captar y analizar las emisiones de luz detectadas y generar señales de datos para comunicar datos de detección a un sistema 100 de bioensayo (Fig. 1). El circuito 54 también puede realizar un procesamiento adicional de señales analógicas y/o digitales en el detector 14.
El dispositivo detector 14 puede fabricarse utilizando procesos de fabricación de circuitos integrados, tales como los procesos utilizados para fabricar semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS).
El dispositivo detector 14 puede incluir unas capas 56-66, que incluyen una base/capa 56 de sensor (por ejemplo, una capa u oblea de silicio). La base 56 de sensor puede incluir el sensor óptico 18. Cuando el dispositivo detector 14 está completamente formado, el sensor óptico 18 puede acoplarse eléctricamente al circuito 54 a través de una o más puertas, transistores, etc.
Como se usa en la presente memoria, el término “capa” no se limita a un solo cuerpo continuo de material a menos que se indique lo contrario. Por ejemplo, la base/capa 56 de sensor puede incluir múltiples subcapas de diferentes materiales y/o puede incluir revestimientos, adhesivos y similares. Además, pueden modificarse (por ejemplo, grabarse químicamente, depositarse material en las mismas, etc.) una o más de las capas (o subcapas) para proporcionar las características descritas en la presente memoria.
Las capas 16 de dispositivo pueden incluir una pluralidad de capas dieléctricas 58-66. Cada una de estas capas 58-66 incluye elementos metálicos (p. ej. M1-M5, que pueden ser por ejemplo W (tungsteno), Cu (cobre), Al (aluminio) o cualquier otro material conductor adecuado para CMOS) y un material dieléctrico D (p. ej., SiO2). Se pueden usar diversos elementos metálicos M1-M5 y materiales dieléctricos D, tales como los adecuados para la fabricación de circuitos integrados.
En el ejemplo que se muestra en la Fig. 7, cada una de la pluralidad de capas metálicas-dieléctricas 58-66 incluye unos elementos metálicos M1, M2, M3, M4, M5 y un material dieléctrico D. En cada una de las capas 58-66, los elementos metálicos M1, M2, M3, M4, M5 están interconectados y embebidos dentro del material dieléctrico D. En algunas de las capas metálicas-dieléctricas 58, 60, 62 también se incluyen elementos metálicos M2', M3', M4’ adicionales. Algunos de estos elementos metálicos M2' y M3' pueden usarse para direccionar píxeles individuales a través de un selector de filas y columnas. Los voltajes en estos elementos m 2' y M3' pueden variar y cambiar entre aproximadamente -1,4 V y aproximadamente 4,4 V, dependiendo de qué píxel esté leyendo el sensor 10.
La configuración de los elementos metálicos M1, M2, M3, M4, M5 y la capa dieléctrica D en las Figs. 6 y 7 es ilustrativa del circuito integrado 54 de protección y detección, y debe entenderse que otros ejemplos pueden incluir menos capas o capas adicionales y/o pueden tener diferentes configuraciones de los elementos metálicos M1-M5.
En el ejemplo que se muestra en la Fig. 7, el dispositivo detector 14 también incluye la capa 46 de blindaje en contacto con al menos una porción de la segunda superficie opuesta 28 de la capa 24 de pasivación. La capa 36 de blindaje tiene una abertura 70 al menos parcialmente adyacente a la región 21 de entrada de la guía 20 de ondas óptica. Esta abertura 70 permite conectar el sitio 22 de reacción (y al menos algunas de las emisiones de luz del mismo) ópticamente a la guía 20 de ondas. Si bien se muestra una única abertura 70, debe entenderse que la capa 46 de blindaje puede tener una abertura 70 al menos parcialmente adyacente a la región de entrada 21 de cada guía 20 de ondas óptica en el dispositivo detector 14. La capa 46 de blindaje puede extenderse continuamente entre las aberturas 70 adyacentes.
Como se ilustra en la Fig. 7, la capa 46 de blindaje se puede depositar directamente a lo largo de al menos una porción de la capa 34 metálica embebida.
La capa 46 de blindaje puede incluir cualquier material que pueda bloquear, reflejar y/o atenuar significativamente las señales de luz que se propagan a través del canal 32 de flujo. Las señales de luz pueden ser la luz 36 de excitación y/o las emisiones de luz procedentes del uno o más sitios 22 de reacción. A modo de ejemplo, la capa 46 de blindaje puede ser tungsteno (W).
Con referencia ahora a la Fig. 9, se representa una porción del sensor 10'. En este ejemplo del sensor 10', el dispositivo detector 14' incluye la pluralidad de capas apiladas 16'. Más específicamente, la Fig. 9 muestra un único sensor óptico 18, una única guía 20 de ondas óptica para dirigir las emisiones de luz hacia el sensor óptico 18 y un circuito protector 72 y un circuito detector 74 separados. El circuito protector 72 aplica selectivamente la polarización eléctrica para proporcionar protección catódica o anódica a la capa 34 metálica embebida. El circuito detector 74 transmite señales en función de las emisiones de luz (por ejemplo, fotones) detectadas por el sensor óptico 18. Los dos conjuntos de circuitos 72, 74 están separados por un brecha 76 de aislamiento eléctrico. Más específicamente, la capa 34 metálica embebida que recibe protección catódica o anódica está separada del circuito detector 74 de
dispositivo (que está conectado eléctricamente al sensor óptico 18) por la brecha 76. Esta brecha 76 de aislamiento eléctrico hace que la aplicación de la polarización eléctrica sea ortogonal a la operación de detección.
En este ejemplo, el electrodo 52 de reactivo está conectado eléctricamente al circuito protector 72, y en particular a la capa 34 metálica embebida, a través del controlador 104. Este ejemplo del sensor 10' también incluye un segundo controlador 104', que es externo al circuito de CMOS y está conectado eléctricamente al uno o más componentes de entrada del circuito detector 74. Como se muestra, el segundo controlador 104' está conectado a los voltajes de entrada del sensor de CMOS, tal como la capa metálica embebida más alta del circuito detector 74. En el ejemplo mostrado, el segundo controlador 104' está conectado a la porción superior del elemento metálico M3. En este ejemplo, el controlador 104 puede dirigir la función de protección (es decir, aplica selectivamente la polarización que hace que el electrodo 52 de reactivo sea un ánodo y la capa 34 metálica embebida un cátodo), y el controlador 104' puede dirigir la función de detección.
Se entiende que los otros sensores ópticos 18 del sensor 10' (Fig. 8) y los componentes asociados pueden configurarse de manera idéntica o similar. Sin embargo, también debe entenderse que es posible no fabricar el dispositivo detector 14' de manera idéntica o uniforme en su totalidad. En cambio, pueden fabricarse uno o más sensores ópticos 18 y/o componentes asociados de manera diferente o con diferentes relaciones entre sí.
Cada uno del circuito protector 72 y el circuito detector 74 pueden incluir elementos conductores interconectados (por ejemplo, conductores, trazas, vías, interconexiones, etc.) que pueden conducir corriente eléctrica. El circuito protector 74 puede configurarse para aplicar selectivamente la polarización eléctrica para proporcionar protección catódica o anódica a la capa 34 metálica embebida, y el circuito detector puede configurarse para transmitir señales de datos en función de fotones detectados. El circuito 74 también puede configurarse para la amplificación, digitalización, almacenamiento y/o procesamiento de señales. El circuito 74 puede captar y analizar las emisiones de luz detectadas y generar señales de datos para comunicar datos de detección a un sistema 100 de bioensayo (Fig. 1). El circuito 74 también puede realizar un procesamiento adicional de señales analógicas y/o digitales en el detector 14.
El dispositivo detector 14' puede fabricarse utilizando procesos de fabricación de circuitos integrados, tales como los procesos utilizados para fabricar semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS).
Al igual que el dispositivo detector 14, el dispositivo detector 14' también puede incluir varias capas metálicas-dieléctricas, incluidas las capas M1-M5 (p. ej. de W (tungsteno), Cu (cobre) o Al (aluminio)) y un material dieléctrico D (p. ej. SiO2).
En el ejemplo que se muestra en la Fig. 9, los elementos metálicos M1, M2, M3 del circuito detector 74 están interconectados y embebidos dentro del material dieléctrico D, y los elementos metálicos M4, M5 del circuito protector 72 están interconectados y embebidos dentro material dieléctrico D. La brecha 76 de aislamiento eléctrico se llena con el material dieléctrico D. En algunas de las capas metálicas-dieléctricas del circuito detector 74 también se incluyen unos elementos metálicos M2', M3' y M4’ adicionales.
La configuración de los elementos metálicos M1-M5 y la capa dieléctrica D en las Figs. 8 y 9 es ilustrativa del circuito protector 72 y el circuito detector 74 separados, y debe entenderse que otros ejemplos pueden incluir menos capas o capas adicionales y/o pueden tener diferentes configuraciones de los elementos metálicos M1-M5.
Debe entenderse que el dispositivo detector 14, 14' puede incluir brechas de aislamiento eléctrico adicionales entre los componentes eléctricos. Por ejemplo, el material dieléctrico D puede separar diferentes capas de tensión del dispositivo 14, 14'.
Aunque no se muestra, el circuito protector 54, 72 puede ser un sistema de tres electrodos, que incluye el electrodo 52 de reactivo, la capa 34 metálica embebida y un electrodo de referencia (fabricado de forma similar al electrodo 52 de reactivo). El electrodo de referencia puede conectarse al controlador 104, 104' y usarse en ese caso para detectar la polarización eléctrica. Con la adición del electrodo de referencia, la detección y la aplicación de la polarización eléctrica pueden ser más precisas.
Además, aunque no se muestra, el módulo 134 de protección (en algunos ejemplos, el potenciostato) puede estar integrado en el circuito de CMOS. En estos ejemplos, el controlador 104, 104' puede estar conectado a configuraciones internas de voltaje apropiadas o a entradas del circuito.
Con referencia ahora a la Fig. 12, se representa una porción del sensor 10" de ejemplo para protección pasiva. El sensor 10" que se muestra en la Fig. 12 es similar al sensor 10' que se muestra en la Fig. 8 y se describe con referencia a las Figs. 8 y 9, excepto por que el electrodo 52 de reactivo no está incluido. En este ejemplo, el circuito protector 72 pone a tierra la capa 34 metálica embebida y el circuito detector 74 transmite señales en función de las emisiones de luz (por ejemplo, fotones) detectadas por el sensor óptico 18. Los dos conjuntos de circuitos 72, 74 están separados por la brecha 76 de aislamiento eléctrico. Más específicamente, la capa 34 metálica embebida que está puesta a tierra (y que por lo tanto recibe protección pasiva) está separada del otro circuito 74 de dispositivo (que está conectado eléctricamente al sensor óptico 18) por la brecha 76. Esta brecha 76 de aislamiento eléctrico hace que la puesta a tierra de la capa 34 metálica embebida sea ortogonal a la operación de detección.
En un ejemplo, el sensor 10" incluye la celda 12 de flujo, que incluye: la capa 24 de pasivación que tiene las superficies opuestas 26, 28 y un sitio 22 de reacción en la primera de las superficies opuestas 26; y una tapa 30 conectada operativamente a la capa 24 de pasivación para definir parcialmente un canal 43 de flujo entre la tapa 30 y el sitio 22 de reacción; un dispositivo detector 14' en contacto con una segunda de las superficies opuestas 28 de la capa 24 de pasivación, incluyendo el dispositivo detector 14' la capa 34 metálica embebida, que está aislada eléctricamente de otros circuitos detectores 74 del dispositivo detector 14'; y un controlador 104 para poner a tierra la capa 34 metálica embebida. En algunos ejemplos, el sensor 10" incluye además un sensor óptico 18 conectado eléctricamente al otro circuito detector 74 del dispositivo detector 14', para transmitir señales de datos en respuesta a los fotones detectados por el sensor óptico 18; y la brecha 76 eléctricamente no conductora entre la capa 34 metálica embebida y el otro circuito detector 74. Este ejemplo puede incluir además un segundo controlador 104' que conecta eléctricamente el sensor óptico 18 al otro circuito detector 74.
En otro ejemplo, el sensor 10" incluye el dispositivo detector 14', que incluye: una guía 20 de ondas óptica; un sensor óptico 18 asociado operativamente con la guía 20 de ondas óptica; y un circuito 16' de dispositivo, que incluye: una primera capa 34 metálica embebida; y una segunda capa metálica embebida (parte del circuito detector 74) conectada eléctricamente al sensor óptico 18; en donde la primera capa 34 metálica embebida está separada de la segunda capa metálica embebida por una brecha 76 de aislamiento eléctrico; al menos una porción de una capa 24 de pasivación está en contacto con la primera capa 34 metálica embebida y una región de entrada 21 de la guía 20 de ondas óptica, teniendo la al menos una porción de la capa 24 de pasivación un sitio 22 de reacción al menos parcialmente adyacente a la región 21 de entrada de la guía 20 de ondas óptica; una tapa 30 conectada operativamente a la capa 24 de pasivación para definir parcialmente un canal 32 de flujo entre la tapa 30 y el sitio 32 de reacción; un primer controlador 104 conectado eléctricamente a la primera capa 34 metálica embebida, para poner selectivamente a tierra la primera capa 34 metálica embebida; y un segundo controlador 104' que conecta eléctricamente la segunda capa metálica embebida al sensor óptico 18, para transmitir señales de datos en respuesta a los fotones detectados por el sensor óptico 18.
Como se ha mencionado anteriormente en los ejemplos del sensor 10, 10', pueden usarse diversas configuraciones del electrodo 52 de reactivo. En las Figs. 6-9 se muestra un ejemplo, donde el electrodo 52 de reactivo está conectado al menos a una porción de la superficie interior 40 de la tapa 30. El electrodo 52 puede conectarse mediante un adhesivo. También se pueden utilizar otros mecanismos para unir, sujetar o conectar el electrodo 52 de reactivo.
En las Figs. 10A a 10H se muestran y describen otras configuraciones del electrodo 52 de reactivo. Debe entenderse que a lo largo de esta descripción puede utilizarse el circuito integrado 54 de protección y detección (y por lo tanto el dispositivo detector 14) o el circuito protector 72 y el circuito detector 74 separados (y por lo tanto el dispositivo detector 14'), y por lo tanto no se muestran los diversos elementos metálicos M y el material dieléctrico D.
En la Fig. 10A, el electrodo 52 de reactivo incluye una capa que está conectada a una porción de la superficie interior 40 de la tapa 30 y también está dispuesta en al menos una porción de un puerto fluídico (es decir, el puerto 48 de entrada o el puerto 50 de salida) que está definido en la tapa 30. En este ejemplo, el electrodo 52 de reactivo puede conectarse eléctricamente al controlador 104, 104' o a otros componentes eléctricos del circuito integrado 54 de protección y detección o el circuito protector 72, a través de un componente conductor 78 (por ejemplo, un adhesivo conductor, una traza conductora, un conector conductor, y/o similares, y/o combinaciones de los mismos). Las trazas conductoras, conectores conductores, etc. pueden ser de metal o de un polímero conductor. En este ejemplo, el componente conductor 78 se extiende a través de una abertura en la capa 24 de pasivación y se conecta eléctricamente a otros componentes conductores, tal como un conductor o conector metálico 80.
En la Fig. 10B, el electrodo 52 de reactivo incluye una capa que está conectada a una porción de la superficie exterior 44 de la tapa 30 y también está dispuesta en al menos una porción de un puerto fluídico (es decir, el puerto 48 de entrada o el puerto 50 de salida) que está definido en la tapa 30. En este ejemplo, el electrodo 52 de reactivo puede conectarse eléctricamente al controlador 104, 104' a través de uno o más componentes conductores (no mostrados).
En la Fig. 10C, el electrodo 52 de reactivo incluye una capa que está conectada a una porción de la superficie interior 40 de la tapa 30 y que forma una pared lateral 38 del canal 32 de flujo. Como tal, el electrodo 52 es siempre una de las paredes laterales 38. En este ejemplo, la porción de la pared lateral 38 del electrodo 52 de reactivo puede conectarse eléctricamente al controlador 104, 104' a través de la otra porción del electrodo 52 de reactivo que está conectada a la porción de la superficie interior 40 de la tapa 30, y también a través del componente conductor 78 (colocado a través de una abertura en la capa 24 de pasivación). En el ejemplo que se muestra en la Fig. 10C, el componente conductor 78 se conecta eléctricamente al conductor o conector metálico 80.
En la Fig. 10D, la tapa 30 incluye una característica 82 que define una pared lateral 38 del canal 32 de flujo. La característica 82 está formada integralmente con la tapa 30, y es una protuberancia que se extiende desde la porción al menos sustancialmente plana de la tapa 30. En este ejemplo, el electrodo 52 de reactivo incluye una capa que está dispuesta sobre la característica 82. El electrodo 52 de reactivo envuelve de manera conformada la característica 82. La capa del electrodo 52 de reactivo también se puede conectar a una porción de la superficie
interior 40 de la tapa 30. En este ejemplo, la capa del electrodo 52 de reactivo puede conectarse eléctricamente al controlador 104, 104' o a otros componentes eléctricos del circuito integrado 54 de protección y detección, o el circuito protector 72, a través de un componente conductor 78. En este ejemplo, el componente conductor 78 se extiende a través de una abertura en la capa 24 de pasivación y se conecta eléctricamente a un conductor o conector metálico 80.
La Fig. 10E es similar al ejemplo que se muestra en las Figs. 6-9, donde el electrodo 52 de reactivo está conectado a una porción de la superficie interior 40 de la tapa 30. En este ejemplo, la capa del electrodo 52 de reactivo puede conectarse eléctricamente al controlador 104, 104' o a otros componentes eléctricos del circuito integrado 54 de protección y detección, o el circuito protector 72, a través de un componente conductor 78. En este ejemplo, el componente conductor 78 se extiende a través de una abertura en la capa 24 de pasivación y se conecta eléctricamente a un conductor o conector metálico 80.
La Fig. 10F es similar a la Fig. 10C, en el sentido de que el electrodo 52 de reactivo incluye una capa que está conectada a una porción de la superficie interior 40 de la tapa 30 y que forma una pared lateral 38 del canal 32 de flujo. Sin embargo, en este ejemplo la porción de la pared lateral 38 del electrodo 52 de reactivo se extiende a través de una abertura en la capa 24 de pasivación y, por lo tanto, conecta directamente eléctrica y mecánicamente con el conductor o conector metálico 80, que conecta eléctricamente con el controlador 104, 104'.
En la Fig. 10G, el electrodo 52 de reactivo está definido o embebido en la capa 24 de pasivación. En el ejemplo que se muestra, el electrodo 52 de reactivo está embebido en la capa 24 de pasivación. La capa 24 de pasivación incluye una abertura (p. ej., una abertura de tipo almohadilla) definida en la misma (en todo su espesor), y el electrodo 52 de reactivo define un pocillo 84 que está anidado en la abertura de la capa de pasivación. En este ejemplo, el electrodo 52 de reactivo se extiende a través de la abertura en la capa 24 de pasivación y conecta directa y eléctricamente con el conductor o conector metálico 80.
Al igual que en la Fig. 10G, el ejemplo que se muestra en la Fig. 10H incluye una abertura (p. ej., una abertura de tipo almohadilla) definida a través de la capa 24 de pasivación. Sin embargo, en este ejemplo el electrodo 52 de reactivo queda expuesto a través de la abertura. En este ejemplo, el electrodo 52 de reactivo está colocado debajo de la capa 24 de pasivación y conecta directa y eléctricamente con el conductor o conector metálico 80. La abertura es una abertura de tipo almohadilla y, aunque no se muestra, el electrodo 52 de reactivo es coplanario con la capa 34 metálica embebida.
En un ejemplo del método descrito en la presente memoria, puede usarse cualquier ejemplo del sensor 10, 10'. En la Fig. 11 se muestra un ejemplo del método 400. Como se muestra en la Fig. 11 con el número de referencia 402, el método 400 incluye introducir un reactivo en un canal de flujo de un sensor que incluye: una celda de flujo, que incluye: una capa de pasivación que tiene superficies opuestas y un sitio de reacción en la primera de las superficies opuestas; y una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente el canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción; un dispositivo detector en contacto con una segunda de las superficies opuestas de la capa de pasivación, incluyendo el dispositivo detector una capa metálica embebida; y un electrodo de reactivo conectado eléctricamente a la capa metálica embebida y posicionado para estar en contacto con el reactivo introducido en el canal de flujo. Como se representa con el número de referencia 404, el método 400 también incluye realizar una operación de detección con el sensor en respuesta a una reacción en el sitio de reacción que implica al menos algún componente de reacción del reactivo. Como se muestra con el número de referencia 406, el método 400 también incluye aplicar, durante la operación de detección, una polarización eléctrica que hace que el electrodo de reactivo sea uno de un ánodo o un cátodo y la capa metálica embebida sea el otro del cátodo o el ánodo, proporcionando así protección catódica o protección anódica a la capa metálica embebida.
Se introduce un reactivo en el canal 32 de flujo del sensor 10, 10' (número de referencia 402 en la Fig. 11). El reactivo puede ser acuoso (es decir, incluir agua) y puede incluir una o más sales, metales, iniciadores de ADN, reguladores, componentes activos o similares. En un ejemplo, el reactivo tiene un pH que oscila entre 6,5 y 10, y una conductividad que oscila entre 45 mS/cm y 85 mS/cm.
El reactivo se puede dirigir para que fluya a lo largo de los sitios 22 de reacción, donde tiene lugar una reacción entre al menos un componente del reactivo y un componente del sitio 22 de reacción. Por ejemplo, al menos uno de los reactivos puede incluir cuatro tipos de nucleótidos que tengan etiquetas fluorescentes iguales o diferentes, donde los nucleótidos se unen a los correspondientes oligonucleótidos ubicados en los sitios 22 de reacción.
El método incluye realizar una operación de detección con el sensor 10, 10', en respuesta a la una o más reacciones en el sitio 22 de reacción que involucran al menos algún componente de reacción del reactivo (número de referencia 404 en la Fig. 11). A modo de ejemplo, la operación de detección puede implicar iluminar los sitios 22 de reacción utilizando una fuente de luz de excitación (por ejemplo, fuentes de luz de estado sólido, tales como diodos emisores de luz o LED). Las etiquetas fluorescentes excitadas proporcionan señales de emisión que pueden ser detectadas por los sensores ópticos 18.
El método también incluye aplicar (durante la operación de detección) una polarización eléctrica que convierte el electrodo 52 de reactivo en un ánodo y la capa 34 metálica embebida en un cátodo, proporcionando así protección catódica o anódica a la capa 34 metálica embebida (número de referencia 406 en la Fig. 11). La aplicación de la polarización se puede lograr usando el circuito integrado 54 de protección y detección o el circuito protector 74 separado, como se ha descrito anteriormente.
La polarización se puede establecer según cualquier método adecuado que consiga la protección anódica o catódica deseada. En un ejemplo, la polarización máxima está por debajo del potencial de oxidación más bajo del reactivo más sensible. Por ejemplo, la polarización máxima puede limitarse al potencial de oxidación del agua para mitigar la formación de burbujas. La polarización máxima puede variar según el reactivo y la tolerancia del sensor 10, 10'.
La relación de polarización puede determinarse experimentalmente y luego sincronizarse entre los controles fluídicos y el controlador de polarización eléctrica (por ejemplo, el módulo 134 de protección) a través del sistema 100 de bioensayo, dado que los reactivos utilizados son conocidos y están controlados.
La polarización eléctrica se puede ajustar en función del pH del reactivo. Por ejemplo, se puede utilizar el diagrama analítico de Pourbaix (diagrama de potencial/pH) para el metal en cuestión. La polarización usaría el diagrama de Pourbaix precalculado para mantener el potencial de pH medido en la fase estable o protegida del diagrama.
Otro ejemplo del método consiste en proporcionar una protección semipasiva contra la corrosión. Cualquier ejemplo del sensor 10, 10' puede usarse en este método de protección semipasiva contra la corrosión. En este ejemplo, el método incluye introducir un reactivo en un canal 32 de flujo de un sensor 10, 10' que incluye: una celda 12 de flujo, que incluye: una capa 24 de pasivación que tiene unas superficies opuestas 26, 28 y un sitio 22 de reacción en una primera de las superficies opuestas 26; y una tapa 30 conectada operativamente a la capa 24 de pasivación para definir parcialmente el canal 32 de flujo entre la tapa 30 y el sitio 22 de reacción; un dispositivo detector 14, 14' en contacto con una segunda de las superficies opuestas 28 de la capa 24 de pasivación, incluyendo el dispositivo detector 14, 14' una capa 34 metálica embebida; y un electrodo 52 de reactivo conectado eléctricamente a la capa 34 metálica embebida y posicionado para estar en contacto con el reactivo introducido en el canal 32 de flujo. Este método de protección semipasiva contra la corrosión también puede incluir realizar una operación de detección con el sensor 10, 10' en respuesta a una reacción en el sitio 22 de reacción que implica al menos algún componente de reacción del reactivo. Esta protección semipasiva contra la corrosión también incluye aplicar, durante la operación de detección, una polarización eléctrica que hace que el electrodo 52 de reactivo y la capa 34 metálica embebida pasen a un estado semipasivo, proporcionando así una protección semipasiva a la capa 34 metálica embebida. En un ejemplo, la polarización eléctrica para lograr la protección semipasiva es de aproximadamente 300 pV.
Otro ejemplo del método también implica proporcionar protección pasiva contra la corrosión. En este método de ejemplo puede usarse cualquier ejemplo del sensor 10". En este ejemplo, el método incluye introducir un reactivo en un canal 32 de flujo de un sensor 10" que incluye: una celda 12 de flujo, que incluye: una capa 24 de pasivación que tiene unas superficies opuestas 26, 28 y un sitio 22 de reacción en la primera de las superficies opuestas 26; y una tapa 30 conectada operativamente a la capa 24 de pasivación para definir parcialmente el canal 32 de flujo entre la tapa 30 y el sitio 22 de reacción; y un dispositivo detector 14' en contacto con una segunda de las superficies opuestas 28 de la capa 24 de pasivación, incluyendo el dispositivo detector 14' una capa 34 metálica embebida que está aislada eléctricamente de otros circuitos detectores 74 del dispositivo detector. Este método también incluye realizar una operación de detección con el sensor 10" en respuesta a una reacción en el sitio 22 de reacción que implica al menos algún componente de reacción del reactivo. El método también incluye poner a tierra la capa 34 metálica embebida, durante la operación de detección, proporcionando así protección pasiva a la capa 34 metálica embebida. Este ejemplo del método puede o no utilizar el electrodo 52 de reactivo como se describe en la presente memoria y, por lo tanto, el reactivo (en los ejemplos que no incluyen electrodo de reactivo) no tiene un voltaje de referencia explícito.
Como se ha mencionado anteriormente, los ejemplos del método descrito en la presente memoria pueden reducir la velocidad de corrosión de las capas de CMOS al menos en varios órdenes de magnitud. Los métodos también pueden reducir la aparición de defectos profundos por corrosión (es decir, una o más capas metálicas inferiores (por ejemplo, 2M, 3M) del CMOS que sufran un ataque químico como resultado de la exposición al reactivo a través de una fisura física). En algunos casos, el método elimina los defectos profundos por corrosión (es decir, no hay casos de defectos profundos por corrosión cuando se aplica la polarización de protección). En otros casos, el método reduce el porcentaje de defectos profundos por corrosión, por ejemplo desde un porcentaje superior al 80 % (cuando no se aplica la polarización de protección) hasta un porcentaje de entre el 0 % y el 10 % (cuando se aplica la polarización de protección). El uno o más métodos también pueden reducir la velocidad de daños por corrosión. Los daños por corrosión pueden detectarse cuando se observa una característica distintiva en las imágenes emitidas por el sensor de imagen, donde la característica distintiva se ha correlacionado previamente con un defecto de corrosión. En algunos casos, el método de protección pasiva reduce la velocidad de daños por corrosión desde un porcentaje superior al 70 % (cuando no se aplica la protección pasiva) hasta un porcentaje de entre aproximadamente el 15 % y el 20 % (cuando se aplica la protección pasiva). En otros casos, el método de protección catódica o anódica reduce la velocidad de daños por corrosión desde un porcentaje superior al 70 %
(cuando no se aplica protección catódica o anódica) hasta un porcentaje de entre aproximadamente el 5 % y el 15 % (cuando se aplica protección catódica o anódica).
Para ilustrar adicionalmente la presente descripción, la presente memoria incluye ejemplos. Debe entenderse que estos ejemplos se proporcionan con fines ilustrativos y no deben considerarse limitantes del alcance de la descripción.
Ejemplos
Ejemplo 1
Este ejemplo utilizó una configuración de microbalanza de cristal de cuarzo (QCM) para ilustrar el efecto de la protección pasiva y la protección catódica dentro de una pequeña celda de flujo contenida. Se depositaron muestras de tungsteno (W) y aluminio (Al), respectivamente, en las superficies de la QCM para simular los metales sensibles internos del CMOS (es decir, ejemplos de la capa metálica embebida superior). Se controló apropiadamente el espesor de las respectivas capas, y se varió de 100 nm a 400 nm. Luego, se encerró la QCM en una celda electroquímica con un electrodo de platino (es decir, el electrodo de reactivo). El reactivo consistió en un reactivo de secuenciación de ADN con un pH superior a 8,5.
En el Ejemplo de valor de referencia, se puso a tierra cada uno de los electrodos de el sistema de 2 electrodos. En el Ejemplo 1, se estableció una polarización entre el electrodo de platino y el electrodo de QCM tan baja (300 pV) que el estado de los electrodos se consideró semipasivo. En el Ejemplo 2 y en los Ejemplos comparativos 3-6, se estableció una polarización entre el electrodo de platino y el electrodo de QCM a niveles de voltaje variables que imitaron los niveles que pueden aplicarse durante una operación de secuenciación. El esquema de voltaje fue diferente para cada ejemplo, y se aplicó durante un (1) ciclo. Los esquemas de voltaje se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1
Se midieron el espesor de las capas de tungsteno (W) y de aluminio (Al) para el valor de referencia, para cada ejemplo y para cada ejemplo comparativo, antes de aplicar los diversos esquemas de voltaje. Después de aplicar los esquemas de voltaje, se realizó una medición directa de la velocidad de corrosión midiendo nuevamente el espesor de las capas de tungsteno (W) y de aluminio (Al). Los resultados se muestran en la Fig. 13 como la pérdida de espesor (en nm) de las capas tras un ciclo. Tanto el Ejemplo de valor de referencia, como el Ejemplo 1 y el Ejemplo 2 presentaron una velocidad de corrosión reducida en comparación con cada uno de los Ejemplos comparativos. Cuando se aplicó la protección pasiva (Ejemplo 1), la velocidad de corrosión de las capas de CMOS en los reactivos de secuenciación se redujo aproximadamente x600 (veces) en comparación con una velocidad de corrosión típica cuando se aplica continuamente una polarización operativa (compárese el Ejemplo 1 con el Ejemplo comparativo 4). Cuando se aplicó la polarización de protección catódica, la velocidad de corrosión de las capas de CMOS en los reactivos de secuenciación se redujo aproximadamente x6700 (veces) con respecto a la velocidad de corrosión típica (compárese el Ejemplo 2 con el Ejemplo Comparativo 4).
Ejemplo 2
En este ejemplo se utilizaron sensores de ejemplo y sensores de ejemplos comparativos. Tanto los sensores de ejemplo como los sensores de ejemplos comparativos incluían un CMOS estándar a modo de dispositivo detector (por ejemplo, similar al dispositivo detector 14 que se muestra en la Fig. 6), con una capa de pasivación química depositada sobre la superficie superior del CMOS. Los sensores de ejemplo incluían una tapa de vidrio adherida a la capa de pasivación, y electrodos reactivos adheridos a una superficie interior de la tapa de vidrio. Los electrodos reactivos también estaban conectados eléctricamente a una capa metálica superior del CMOS, mediante un controlador de potenciostato externo. Los sensores de ejemplos comparativos incluían una tapa de vidrio adherida a la capa de pasivación, pero no incluían electrodos reactivos.
Se probaron los sensores de ejemplo y los sensores de ejemplos comparativos en un paquete de prueba que interactúa con un instrumento de prueba. Se practicó nanoindentación en la superficie de la capa de pasivación de los sensores de ejemplo y de los sensores de ejemplo comparativo, con una fuerza controlada de 35 mN, de modo que hubiera una fisura física conocida en la capa de pasivación química. Se esperaba que tanto los sensores de ejemplo como los sensores de ejemplos comparativos presentaran defectos profundos por corrosión en la salida del sensor tras las pruebas químicas.
Las pruebas para los sensores de ejemplo y para los sensores de ejemplos comparativos implicaron la exposición a reactivos de secuenciación de ADN. Los reactivos tenían un pH elevado, que oscilaba entre 8 y 10. Se aumentó a 80 °C la temperatura de los sensores para acelerar la corrosión en las porciones del CMOS, y las porciones del CMOS estuvieron ENCENDIDAS activamente durante toda la prueba de 30 minutos (es decir, todos los voltajes dentro del CMOS estaban activos y operativos para capturar y transferir datos). Durante la prueba de 30 minutos, también se probó cada sensor de ejemplo de las siguientes maneras: a.) no se aplicó polarización entre los electrodos reactivos y el CMOS y b.) se aplicó polarización de protección de 300 mV - 400 mV entre los electrodos reactivos y el CMOS. La Tabla 2 ilustra los resultados como el porcentaje de defectos por corrosión (es decir, (n.° de sensores que presentaron un defecto profundo por corrosión/n.° total de sensores probados)*100). Se observó un defecto profundo por corrosión cuando la una o más capas metálicas inferiores (por ejemplo, 2M, 3M) del CMOS sufrieron un ataque químico como resultado de la exposición al reactivo, a través de la fisura física.
Tabla 2
Incluso con la fisura física, los sensores de ejemplo a los que se había aplicado la polarización de protección no presentaban defectos profundos por corrosión. Estos resultados demuestran que la protección catódica descrita en la presente memoria protege el CMOS (es decir, el dispositivo detector) durante la operación funcional y la exposición a reactivos corrosivos.
Ejemplo 3
En este ejemplo se utilizaron dos tipos de sensores de ejemplo y un tipo de sensor de ejemplo comparativo.
Los sensores (A) de ejemplos comparativos incluían un CMOS estándar como dispositivo detector, con una capa de pasivación química depositada en la superficie superior del CMOS y una tapa de vidrio adherida a la capa de pasivación. Los sensores (A) de ejemplos comparativos no incluían un electrodo de reactivo.
Los sensores (B) del primer ejemplo incluían un CMOS modificado con un electrodo variable o capa superior metálica embebida aislados eléctricamente (es decir, de manera similar al dispositivo detector 14' que se muestra en la Fig. 8). Los sensores (B) del primer ejemplo también incluían una capa de pasivación química depositada sobre la superficie superior del CMOS modificado y una tapa de vidrio adherida a la capa de pasivación. Los sensores (B) del primer ejemplo no incluían un electrodo de reactivo.
Al igual que los sensores (B) del primer ejemplo, los sensores (C) del segundo ejemplo también incluían un CMOS modificado con un electrodo variable o capa superior metálica embebida eléctricamente aislados. Los sensores (C) del segundo ejemplo incluían una tapa de vidrio adherida a la capa de pasivación y un electrodo de reactivo adherido a una superficie interior de la tapa de vidrio. El electrodo de reactivo también estaba conectado eléctricamente a una capa metálica superior del CMOS modificado, con un controlador de potenciostato externo.
Las pruebas para los sensores (B) (C) del primer y segundo ejemplos y para los sensores (A) de ejemplos comparativos implicaron la exposición a reactivos de secuenciación de ADN en un canal de flujo ensamblado de un instrumento de secuenciación. El instrumento de secuenciación bombeó los reactivos de secuenciación de ADN al canal de flujo mientras los respectivos sensores (A), (B), (C) capturaban datos funcionalmente. Como tal, las partes de CMOS de los respectivos sensores (A), (B), (C) estuvieron activamente ENCENDIDAS durante toda la prueba de 30 minutos (es decir, todos los voltajes dentro del CMOS estuvieron activos y operativos para capturar y transferir datos). Además, el electrodo variable de los sensores (B) del primer ejemplo se puso a tierra (GND) para proporcionar protección pasiva; y el electrodo variable de los sensores (C) del segundo ejemplo se puso a tierra (GND) mientras que el electrodo de reactivo se ajustó a 800 mV, para proporcionar protección catódica.
La Tabla 3 y la Fig. 14 ilustran los resultados como la velocidad de daños por corrosión (es decir, (n.° de sensores que presentaron daños por corrosión/n.° total de sensores probados)*100). Se observaron daños por corrosión cuando se observó una característica distintiva en las imágenes emitidas por el sensor de imagen. Las
características distintivas eran características del sensor de imagen previamente conocidas y caracterizadas, que se han correlacionado directamente con los defectos por corrosión.
Tabla 3
Tanto los sensores (B) del primer ejemplo (expuestos a protección pasiva) como los sensores (C) del segundo ejemplo (expuestos a protección catódica) presentan una velocidad de daños por corrosión significativamente mejorada, en comparación con los sensores de los ejemplos comparativos. Estos resultados demuestran que las técnicas tanto de protección pasiva como las de protección catódica descritas en la presente memoria protegen el CMOS (es decir, el dispositivo detector) durante la operación funcional.
Debe tenerse en cuenta que todas las combinaciones de los conceptos anteriores (siempre que tales conceptos no sean mutuamente contradictorios) se contemplan como parte del objeto de la invención descrita en la presente memoria. En particular, todas las combinaciones del objeto reivindicado que aparecen al final de esta descripción se contemplan como parte del objeto de la invención descrito en la presente memoria.
La referencia a lo largo de la memoria descriptiva a “un ejemplo” , “otro ejemplo” , etc., significa que un elemento particular (por ejemplo, una función, estructura y/o característica) descrito en relación con el ejemplo está incluido en al menos un ejemplo descrito en la presente memoria, y puede o no estar presente en otros ejemplos. Además, debe entenderse que los elementos descritos para cualquier ejemplo pueden combinarse de cualquier manera adecuada en los diversos ejemplos, a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
Debe entenderse que los rangos proporcionados en la presente memoria incluyen el rango indicado y cualquier valor o sub-rango dentro del rango indicado, como si el uno o más valores o sub-rangos dentro del rango indicado se mencionaran explícitamente. Por ejemplo, un rango de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 400 pm debe interpretarse como incluyente no solo de los límites explícitamente enumerados de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 400 pm, sino también como incluyente de valores individuales, tales como aproximadamente 58 pm, aproximadamente 125 pm, aproximadamente 285 pm, aproximadamente 375,5 pm, etc., y los sub-rangos, tales como desde aproximadamente 150 pm hasta aproximadamente 350 pm, desde aproximadamente 55 pm hasta aproximadamente 280 pm, etc. Además, cuando se utilizan “aproximadamente” y/o “ sustancialmente” para describir un valor, se pretende que abarquen las variaciones menores (hasta /- 10 %) del valor indicado.
Si bien se han descrito en detalle varios ejemplos, debe entenderse que los ejemplos descritos pueden modificarse. Por lo tanto, la descripción anterior debe considerarse no limitativa.
Claims (15)
1. Un sensor, que comprende:
una celda de flujo, que incluye:
una capa de pasivación que tiene unas superficies opuestas y un sitio de reacción, que es una región localizada del sensor donde puede producirse una reacción designada, y en donde una reacción designada incluye un cambio en al menos una de una propiedad química, eléctrica, física u óptica de un analito de interés en una primera de las superficies opuestas; y
una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente un canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción;
un dispositivo detector en contacto con una segunda de las superficies opuestas de la capa de pasivación, incluyendo el dispositivo detector una capa metálica embebida que está aislada eléctricamente de otros circuitos detectores del dispositivo detector; y
un controlador configurado para poner a tierra la capa metálica embebida.
2. El sensor como se define en la reivindicación 1, en donde el dispositivo detector incluye además:
un sensor óptico conectado eléctricamente al otro circuito detector del dispositivo detector para transmitir señales de datos en respuesta a los fotones detectados por el sensor óptico; y una brecha eléctricamente no conductora entre la capa metálica embebida y el otro circuito detector.
3. El sensor como se define en la reivindicación 2, que comprende además un segundo controlador que conecta eléctricamente el sensor óptico al otro circuito detector.
4. El sensor como se define en la reivindicación 1, que comprende además un reactivo introducido en el canal de flujo, teniendo el reactivo un pH que oscila entre 6,5 y 10 y una conductividad que oscila entre 45 mS/cm y 85 mS/cm.
5. Un sensor, que comprende:
un dispositivo detector, que incluye:
una guía de ondas óptica;
un sensor óptico asociado operativamente con la guía de ondas óptica; y
circuitos de dispositivo, que incluyen:
una primera capa metálica embebida; y
una segunda capa metálica embebida, conectada eléctricamente al sensor óptico;
en donde la primera capa metálica embebida está separada de la segunda capa metálica embebida por una brecha de aislamiento eléctrico;
al menos una porción de una capa de pasivación está en contacto con la primera capa metálica embebida y una región de entrada de la guía de ondas óptica, teniendo la al menos una porción de la capa de pasivación un sitio de reacción que es una región localizada del sensor donde puede producirse una reacción designada, y en donde una reacción designada incluye un cambio en al menos una de una propiedad química, eléctrica, física u óptica de un analito de interés al menos parcialmente adyacente a la región de entrada de la guía de ondas óptica;
una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente un canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción;
un primer controlador conectado eléctricamente a la primera capa metálica embebida, configurado para poner selectivamente a tierra la primera capa metálica embebida; y
un segundo controlador que conecta eléctricamente la segunda capa metálica embebida al sensor óptico, configurado para transmitir señales de datos en respuesta a los fotones detectados por el sensor óptico.
6. Un método, que comprende:
introducir un reactivo en un canal de flujo de un sensor que incluye:
una celda de flujo, que incluye:
una capa de pasivación que tiene unas superficies opuestas y un sitio de reacción, que es una región localizada del sensor donde puede producirse una reacción designada, y en donde una reacción designada incluye un cambio en al menos una de una propiedad química, eléctrica, física u óptica de un analito de interés en una primera de las superficies opuestas; y
una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente el canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción;
un dispositivo detector en contacto con una segunda de las superficies opuestas de la capa de pasivación, incluyendo el dispositivo detector una capa metálica embebida que está aislada eléctricamente de otros circuitos detectores del dispositivo detector;
realizar una operación de detección con el sensor en respuesta a una reacción en el sitio de reacción que implica al menos algún componente de reacción del reactivo; y
durante la operación de detección, poner a tierra la capa metálica embebida, proporcionando así protección pasiva a la capa metálica embebida.
7. El método como se define en la reivindicación 6, en donde:
el dispositivo detector incluye además un sensor óptico conectado eléctricamente al otro circuito de dispositivo;
la capa metálica embebida está separada del otro circuito de dispositivo, que está conectado eléctricamente al sensor óptico mediante una brecha de aislamiento eléctrico; y la puesta a tierra de la capa metálica embebida es ortogonal a la operación de detección.
8. Un sensor, que comprende:
una celda de flujo, que incluye:
una capa de pasivación que tiene unas superficies opuestas y un sitio de reacción, que es una región localizada del sensor donde puede producirse una reacción designada, y en donde una reacción designada incluye un cambio en al menos una de una propiedad química, eléctrica, física u óptica de un analito de interés en una primera de las superficies opuestas; y
una tapa conectada operativamente a la capa de pasivación para definir parcialmente un canal de flujo entre la tapa y el sitio de reacción;
un dispositivo detector en contacto con una segunda de las superficies opuestas de la capa de pasivación, incluyendo el dispositivo detector una capa metálica embebida; un electrodo de reactivo colocado para estar en contacto con un reactivo que deba introducirse en el canal de flujo; y
un controlador que conecta eléctricamente el electrodo de reactivo y la capa metálica embebida, configurado para aplicar selectivamente una polarización eléctrica que hace que el electrodo de reactivo sea uno de un ánodo o un cátodo y la capa metálica embebida sea el otro del cátodo o el ánodo.
9. El sensor definido en la reivindicación 8, en donde el electrodo de reactivo está conectado al menos a una porción de una superficie interior de la tapa.
10. El sensor definido en la reivindicación 8, en donde el electrodo de reactivo está definido o embebido en una porción de la capa de pasivación.
11. El sensor como se define en la reivindicación 8, en donde una porción de la capa de pasivación tiene una abertura definida en la misma, y en donde el electrodo de reactivo queda expuesto a través de la abertura.
12. El sensor como se define en la reivindicación 8, en donde el dispositivo detector incluye además:
un sensor óptico;
circuitos de dispositivo, conectados eléctricamente al sensor óptico para transmitir señales de datos en respuesta a los fotones detectados por el sensor óptico; y
una brecha eléctricamente no conductora entre el circuito de dispositivo y la capa metálica embebida.
13. El sensor como se define en la reivindicación 8, en donde el dispositivo detector incluye además:
un sensor óptico; y
circuitos de dispositivo conectados eléctricamente al sensor óptico y a la capa metálica embebida.
14. El sensor como se define en la reivindicación 8, en donde el dispositivo detector incluye además:
una guía de ondas óptica que conecta ópticamente el sitio de reacción a un sensor óptico; y una capa de blindaje en contacto con al menos una porción de la segunda superficie opuesta de la capa de pasivación, y que tiene una abertura al menos parcialmente adyacente a una región de entrada de la guía de ondas óptica.
15. El sensor como se define en la reivindicación 8, que comprende además el reactivo introducido en el canal de flujo, teniendo el reactivo un pH que oscila entre 6,5 y 10 y una conductividad que oscila entre 45 mS/cm y 85 mS/cm.
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