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CN108138229B - 使用磁响应式传感器确定遗传特征的系统和方法 - Google Patents

使用磁响应式传感器确定遗传特征的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了边合成边测序(SBS)方法，其包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性。检测装置还包含位于相应指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS事件以通过沿着每条模板链掺入核苷酸来生长互补链。将至少一些核苷酸附着至相应的具有各自磁特性的磁性颗粒。所述多个SBS事件中每个包括检测由磁性颗粒的各自磁特性引起的磁响应式传感器处的电阻变化。所述方法还包括基于检测的电阻变化来确定所述互补链的遗传特征。

Description

使用磁响应式传感器确定遗传特征的系统和方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月14日提交并且题目相同的美国临时申请号62/205,336的权益，将其通过引用整体并入本文。
发明背景
目前，基于边合成边测序(SBS)的下一代测序(NGS)系统是复杂、昂贵和笨重的。因此，SBS仪期望新的检测方法。
发明概述
在实施方案中，提供了边合成边测序(SBS)方法，其包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性。检测装置还包含位于相应指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS事件以通过沿着每条模板链掺入核苷酸来生长互补链。将至少一些核苷酸附着至相应的具有各自磁特性的磁性颗粒。所述多个SBS事件中每个包括检测由磁性颗粒的各自磁特性引起的磁响应式传感器处的电阻变化。所述方法还包括基于检测的电阻变化来确定所述互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法，其包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自所述指定空间的磁特性，检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括向指定空间提供多种反应物。所述反应物包括核苷酸和聚合酶，其中核苷酸或聚合酶中至少一个具有附着于其上的磁性颗粒。方法还包括在多个SBS事件期间检测磁响应式传感器的电阻变化，其中每个SBS事件包括通过将核苷酸之一掺入到互补链中来生长互补链。在所述多个SBS事件期间，当磁性颗粒位于相应的指定空间内时发生电阻变化。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法，其包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自所述指定空间的磁特性。检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将核苷酸递送至指定空间并允许将核苷酸添加至互补链；(b)将磁性颗粒递送至指定空间，所述磁性颗粒由所述核苷酸捕获；(c)检测磁响应式传感器的电阻变化，所述变化由磁性颗粒的磁特性引起；和(d)从所述指定空间除去所述磁性颗粒。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法，其包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自所述指定空间的磁特性。检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将核苷酸递送至指定空间并允许将核苷酸添加至互补链。所述核苷酸包含至少第一、第二和第三核苷酸。所述第一、第二和第三核苷酸具有不同的碱基。每个SBS循环还包括(b)将磁性颗粒递送至指定空间，其中所述磁性颗粒由所述第一核苷酸和由所述第二核苷酸捕获；以及(c)检测磁响应式传感器的电阻变化。每个SBS循环还包括(d)从所述第一核苷酸除去所述磁性颗粒；(e)将磁性颗粒递送至指定空间，其中所磁性颗粒由所述第三核苷酸捕获；和(f)检测磁响应式传感器的电阻变化。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法，其包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自所述指定空间的磁特性。检测装置该包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将至少第一和第二核苷酸递送至指定空间以延伸模板链。第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中第一和第二核苷酸具有对其附着的磁性颗粒。每个SBS循环还包括(b)检测磁响应式传感器的电阻变化，其中由第一核苷酸捕获的磁性颗粒引起不同于由第二核苷酸捕获的磁性颗粒的电阻变化。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法。方法包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自所述指定空间的磁特性。检测装置该包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将至少第一和第二核苷酸递送至指定空间以延伸互补链。所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸分别具有对其附着的第一和第二单分子磁体(SMM)。第一和第二SMM中的每一个具有响应于不同光频率的不同磁性状态。每个SBS循环还包括(b)通过应用第一光频率来改变第一SMM的磁状态，和(c)检测磁响应式传感器的电阻变化，其中所述变化由第一SMM的磁状态引起。每个SBS循环包括(d)通过应用第二光频率来改变第一SMM的磁状态；(e)通过应用第三光频率来改变第二SMM的磁状态；和(f)检测磁响应式传感器的电阻变化，其中所述变化由第二SMM的磁状态引起。方法还包括基于检测的电阻变化来检测互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法。方法包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自所述指定空间的磁特性。检测装置该包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将至少第一和第二核苷酸递送至指定空间以延伸互补链。所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸具有对其附着的单分子磁体(SMM)。第一和第二核苷酸具有不同数目的对其附着的SMM。SMM具有响应不同光频率的磁状态。每个SBS循环还包括(b)通过应用第一光频率来改变SMM的磁状态；(c)检测磁响应式传感器的电阻变化；和(d)通过应用第二光频率来改变SMM的磁状态。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法。方法包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自所述指定空间的磁特性。检测装置该包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS事件以通过使用聚合酶沿着每条模板链添加核苷酸来生长互补链。聚合酶具有相应的对其附着的展示相应磁特性的磁性颗粒，其中每个SBS事件包括检测磁响应式传感器的电阻变化。当聚合酶添加核苷酸时，通过指定空间处磁性颗粒的存在来引起检测的变化。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法。方法包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自所述指定空间的磁特性。检测装置该包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。多个SBS循环的每个包括(a)将第一核苷酸和聚合酶递送至指定空间。聚合酶具有对其附着的磁性颗粒。每个SBS循环还包括(b)检测磁响应式传感器的电阻变化。当聚合酶将第一核苷酸添加至互补链时，指定空间处磁性颗粒的存在引起所述电阻变化。每个SBS循环包括(c)将第二核苷酸和聚合酶递送至指定空间。聚合酶具有对其附着的磁性颗粒。每个SBS循环还包括(d)检测磁响应式传感器的电阻变化。当相应的聚合酶将第二核苷酸添加至互补链时，指定空间处磁性颗粒的存在引起电阻的变化。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
实施方案中，提供了SBS方法。方法包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自所述指定空间的磁特性。检测装置该包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS事件以沿着每条模板链生长互补链。多个SBS事件的每个包括(a)将至少第一和第二核苷酸和聚合酶递送至指定空间，所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基。聚合酶具有对其附着的磁性颗粒。每个SBS事件还包括(b)检测磁响应式传感器的电阻变化。当聚合酶将第一核苷酸或第二核苷酸添加至互补链时，指定空间处磁性颗粒的存在引起电阻变化。第一和第二核苷酸具有不同的掺入速率。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供包含具有磁响应式传感器阵列的检测装置的SBS系统。每个磁响应式传感器包含至少两个铁磁层和隔开两个铁磁层的非磁性层。每个所述磁响应式传感器形成巨磁阻(giant magnetoresistance，GMR)传感器或隧道磁阻(tunnelmagnetoresistance，TMR)传感器中至少一个。所述磁响应式传感器位于隔室(chamber)内的相应的指定空间附近，并配置为检测来自所述相应的指定空间的磁性颗粒。系统还包括通信耦合至所述磁响应式传感器的读出电路。所述读出电路配置为传输对应于所述磁响应式传感器的电阻的信号。检测装置还包含流体控制系统，其配置为使试剂流过用于进行SBS方案的隔室。所述试剂包含多种类型的核苷酸，其中读出电路配置为在每个掺入事件之后传输信号。
在实施方案中，检测装置具有磁响应式传感器阵列。每个磁响应式传感器包含至少两个铁磁层和隔开两个铁磁层的非磁性层。每个磁响应式传感器形成巨磁阻(GMR)传感器或隧道磁阻(TMR)传感器中至少一个。磁响应式传感器位于隔室内的相应的指定空间附近，并配置为检测来自所述相应的指定空间的磁性颗粒。检测装置可以包含通信耦合至所述磁响应式传感器的读出电路。
在实施方案中，SBS系统包含读取头(read head)，其包含臂和附着至所述臂的磁响应式传感器。磁响应式传感器包含巨磁阻(GMR)传感器或隧道磁阻(TMR)传感器中至少一个。磁响应式传感器配置为检测磁性颗粒。系统还包含具有基底表面的样品基底。基底表面配置为具有位于指定空间内沿着基底表面的多条核酸模板链，其中读取头和样品基底中的至少一个配置为相对于另一个移动，以将磁响应式传感器以操作关系定位至指定空间附近。系统还包含通信耦合至所述磁响应式传感器的读出电路。读出电路配置为当位于指定空间之一时，传输对应于磁响应式传感器的电阻的信号。
在实施方案中，提供了SBS方法，其包括提供读取头，所述读取头具有臂和附着至所述臂的磁响应式传感器。磁响应式传感器包含巨磁阻(GMR)传感器或隧道磁阻(TMR)传感器中至少一个。磁响应式传感器配置为检测磁性颗粒。方法包括提供具有多条模板链的样品基底，所述模板链沿着基底表面位于指定空间处。方法还包括进行多个SBS循环以通过沿着每条模板链掺入核苷酸来生长互补链。至少一些核苷酸标记有展示相应磁特性的相应的磁性颗粒。对于每个SBS循环，方法包括将磁响应式传感器沿着基底表面定位于指定空间附近并检测磁响应式传感器的电阻。方法还包括基于检测的电阻变化.来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法，其包括提供具有磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定区域附近以检测来自该区域的磁特性。检测装置还包含固定至所述指定区域的聚合酶。聚合酶配置为捕获相应的模板链。方法还包括进行多个SBS事件以通过沿着相应的模板链掺入核苷酸来生长互补链。核苷酸附着至具有相应磁特性的相应的磁性颗粒。多个SBS事件中的每个包括检测在将核苷酸添加至所述互补链时由所述磁性颗粒的所述相应磁特性引起的磁响应式传感器处的电阻变化。方法还包括基于检测的电阻变化来确定所述互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法，其包括提供具有磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定区域附近以检测来自该区域的磁特性。检测装置还包含固定至所述指定区域的聚合酶。聚合酶配置附着至相应的模板链。方法还包括进行多个SBS事件以沿着模板链生长互补链。每个SBS事件包括(a)将核苷酸递送至指定区域并允许将核苷酸添加至互补链。每个SBS事件还包括(b)将磁性颗粒递送至指定区域。磁性颗粒由核苷酸捕获。磁性颗粒提供了相应的外部磁场。每个SBS事件还包括(c)检测磁响应式传感器的电阻变化，和(d)从指定区域除去磁性颗粒。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，提供了SBS方法，其包括提供具有磁响应式传感器阵列的检测装置。每个所述磁响应式传感器位于相应的指定区域附近以检测来自该区域的磁特性。检测装置还包含固定至所述指定区域的聚合酶。聚合酶配置附着至相应的模板链。方法还包括进行多个SBS事件以沿着模板链生长互补链。每个SBS事件包括(a)将核苷酸递送至指定区域并允许将核苷酸添加至互补链。所述核苷酸包含至少第一、第二和第三核苷酸。所述第一、第二和第三核苷酸具有不同的碱基。每个SBS事件还包括(b)将磁性颗粒递送至指定区域，所述磁性颗粒由第一核苷酸捕获并且由所述第二核苷酸捕获。每个SBS事件还包括(c)检测磁响应式传感器的电阻变化；(d)从所述第一核苷酸除去磁性颗粒；(e)将磁性颗粒递送至指定区域，磁性颗粒是第三核苷酸的；和(f)检测磁响应式传感器的电阻变化。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置，每个磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS事件以通过沿着每条模板链掺入核苷酸来生长互补链，至少一些核苷酸附着至具有相应磁特性的相应的磁性颗粒，其中多个SBS事件的每个包括检测由磁性颗粒的相应磁特性引起的磁响应式传感器的电阻变化。方法还包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，磁响应式传感器包含磁阻传感器。
在实施方案中，磁响应式传感器包含巨磁阻(GMR)传感器，电阻的变化由流过GMR传感器的导电层(conducting layer)的电流的变化引起。
在实施方案中，磁响应式传感器包含隧道磁阻(TMR)传感器，电阻的变化由经过TMR传感器的绝缘层的隧穿(tunneling)电子电流的变化引起。
在实施方案中，每个磁响应式传感器包含第一和第二铁磁层，和隔开所述第一和第二铁磁层的非磁性层。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于在多个SBS事件中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器上是否发生电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器上电阻变化的幅度。
在实施方案中，核苷酸包含多种类型的核苷酸，每种类型的核苷酸具有与其它类型的核苷酸不同数目的对其附着的磁性颗粒。
在实施方案中，磁性颗粒是单分子磁体(SMM)。
在实施方案中，核苷酸包含多种类型的核苷酸，每种类型的核苷酸具有与其它类型的核苷酸不同数目的对其附着的磁性颗粒。
在实施方案中，磁性颗粒具有不同的磁场强度。
在实施方案中，磁性颗粒包含展示顺磁性、反磁性、铁磁性或反铁磁性的材料。
在实施方案中，磁响应式传感器处检测的电阻变化由磁性颗粒材料中电子的固有自旋引起。
在实施方案中，进行多个SBS循环包括进行多个SBS循环，多个SBS循环的每个包括递送多种类型的核苷酸，在不同的时间递送每种类型的核苷酸。
在实施方案中，进行多个SBS循环包括进行多个SBS循环，多个SBS循环的每个包括同时递送多种类型的核苷酸。
在实施方案中，进行多个SBS循环包括进行多个SBS循环，多个SBS循环的每个包括在相应的核苷酸已经添加至互补链之后，将磁性颗粒递送至相应的核苷酸。
在实施方案中，磁性颗粒具有可逆连接。
在实施方案中，可逆连接包含生物素、脱硫生物素、抗生物素蛋白、中性抗生物素蛋白(neutravidin)、链霉亲合素、醛、酰肼、互补寡核苷酸，或核酸类似物。
在实施方案中，磁性颗粒具有非可逆连接。
在实施方案中，磁性颗粒具有光可切割连接。
在实施方案中，磁性颗粒具有光可逆连接。
在实施方案中，磁性颗粒具有光可激活连接。
在实施方案中，磁性颗粒具有可切割连接。
在实施方案中，磁性颗粒配置为短暂结合至相应的核苷酸。
在实施方案中，一种或多种磁性颗粒连接至核苷酸的gamma磷酸，当聚合酶将所述核苷酸添加至互补链时释放所述磁性颗粒。
在实施方案中，每个指定空间包含固定至检测装置的基底表面的模板链的簇。
在实施方案中，每个指定空间包含固定至检测装置的基底表面的单一模板链。
在实施方案中，核苷酸具有生物素标记物。
在实施方案中，磁性颗粒是链霉亲合素包被的磁性纳米颗粒，所述核苷酸和磁性颗粒形成生物素/链霉亲合素磁性纳米颗粒(BSMN)复合物。
在实施方案中，检测装置包含流动池，其限定具有指定空间的隔室，通过将所述核苷酸和磁性颗粒流过所述流动池的隔室来将磁性颗粒递送至所述指定空间。
在实施方案中，检测装置限定包含指定空间的隔室，所述检测装置具有沿着隔室定位的电极，其中递送核苷酸和递送磁性颗粒包括使用电极执行液滴操作。
在实施方案中，通过单锅反应(single pot reaction)进行多个SBS事件。
在实施方案中，磁性颗粒永久地改变相应的磁响应式传感器的磁化，使得在除去所述磁性颗粒之后，维持相应的磁响应式传感的磁化，其中所述方法包括在读取所述磁响应式传感器之后，改变至少一些所述磁响应式传感器的磁化。
在实施方案中，读取所述磁响应式传感器发生在已除去所述磁性颗粒之后。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。所述方法包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，检测装置还包含含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。所述方法包括向所述指定空间提供多个反应物，所述反应物包含核苷酸和聚合酶，其中核苷酸或聚合酶中至少一个具有对其附着的磁性颗粒。方法包括在多个SBS事件期间检测磁响应式传感器的电阻变化，其中每个SBS事件包括通过将核苷酸之一掺入互补链来生长所述互补链，在多个SBS事件期间当磁性颗粒位于相应的指定空前内时发生电阻变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，磁响应式传感器包含磁阻传感器。
在实施方案中，磁响应式传感器包含巨磁阻(GMR)传感器，电阻的变化由流过GMR传感器的导电层的电流的变化引起。
在实施方案中，磁响应式传感器包含隧道磁阻(TMR)传感器，电阻的变化由流过TMR传感器的绝缘层的隧穿电子电流的变化引起。
在实施方案中，每个磁响应式传感器包含第一和第二铁磁层，和隔开所述第一和第二铁磁层的非磁性层。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于在多个SBS事件中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，核苷酸包括多种类型的核苷酸，每种类型的核苷酸具有与其它类型的核苷酸不同数目的对其附着的磁性颗粒。
在实施方案中，磁性颗粒是单分子磁体(SMM)。
在实施方案中，核苷酸包含多种类型的核苷酸，每种类型的核苷酸具有与其它类型的核苷酸不同数目的对其附着的磁性颗粒。
在实施方案中，磁性颗粒具有不同的磁场强度。
在实施方案中，所述磁特性包含磁场、磁方向或磁矩(magnetic moment)的至少一个。
在实施方案中，磁性颗粒包括展示顺磁性、反磁性、铁磁性或反铁磁性的材料。
在实施方案中，磁响应式传感器处检测的电阻变化由磁性颗粒材料中电子的固有自旋引起。
在实施方案中，每个指定空间包含固定至检测装置的基底表面的模板链的簇。
在实施方案中，每个指定空间包含固定至检测装置的基底表面的单一模板链。
在实施方案中，每个指定空间包含固定至检测装置的基底表面的单一聚合酶分子。
在实施方案中，检测装置包含流动池，其限定具有指定空间的隔室，通过同时将反应物流过流动池的隔室来将反应物递送至所述指定空间。
在实施方案中，检测装置限定包含指定空间的隔室，所述检测装置具有沿着隔室定位的电极，其中递送反应物包括使用电极执行液滴操作。
在实施方案中，每个核苷酸具有一个或多个连接至核苷酸的gamma磷酸的磁性颗粒，当聚合酶将所述核苷酸添加至互补链时释放所述磁性颗粒。
在实施方案中，磁性颗粒附着至聚合酶，当聚合酶添加核苷酸时，通过指定空间处磁性颗粒的存在引起检测的变化。
在实施方案中，每种类型的核苷酸具有各自的掺入速率，其不同于其它类型核苷酸的掺入速率。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。所述方法包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。所述方法包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将核苷酸递送至指定空间，并允许将核苷酸添加至互补链。每个SBS循环包括(b)将磁性颗粒递送至指定空间，所述磁性颗粒由核苷酸捕获。每个SBS循环包括(c)检测磁响应式传感器的电阻变化，所述变化由磁性颗粒的磁特性引起。每个SBS循环包括(d)从所述指定空间除去磁性颗粒。所述方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，对于多种类型的多核苷酸，重复(a)-(d)，将每种类型的核苷酸分开递送至指定空间。
在实施方案中，递送核苷酸包括同时递送多种类型的核苷酸，以及递送磁性颗粒包括同时递送多种类型的磁性颗粒，每种类型的磁性颗粒具有与其它类型的磁性颗粒的磁场强度不同的相应的磁场强度。
在实施方案中，每个指定空间包含固定在检测装置的基底表面的模板链的簇。
在实施方案中，每个指定空间包含固定在检测装置的基底表面的单一模板链。
在实施方案中，核苷酸具有生物素标记物。
在实施方案中，磁性颗粒是链霉亲合素包被的磁性纳米颗粒，所述核苷酸和磁性颗粒形成生物素/链霉亲合素磁性纳米颗粒(BSMN)复合物，所述方法还包括除去所述BSMN复合物。
在实施方案中，磁性颗粒是官能化的磁性纳米颗粒。
在实施方案中，磁性颗粒是链霉亲合素包被的磁性纳米颗粒。
在实施方案中，指定空间位于流动池的隔室内，并且其中递送核苷酸和递送磁性颗粒包括分别将核苷酸和磁性颗粒流过所述隔室。
在实施方案中，检测装置限定包含指定空间的隔室，所述检测装置具有沿着隔室定位的电极，其中递送核苷酸和递送磁性颗粒包括使用电极执行液滴操作。
在实施方案中，多个SBS循环的每个还包括在(d)之后检测电阻的背景水平。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，所述方法还包括在(c)之后除去所述封闭基团。
在实施方案中，磁响应式传感器包含磁阻传感器。
在实施方案中，磁响应式传感器包含巨磁阻(GMR)传感器，电阻的变化由流过GMR传感器的导电层的电流的变化引起。
在实施方案中，磁响应式传感器包含隧道磁阻(TMR)传感器，电阻的变化由流过TMR传感器的绝缘层的隧穿电子电流的变化引起。
在实施方案中，每个磁响应式传感器包含第一和第二铁磁层，和隔开所述第一和第二铁磁层的非磁性层。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于在多个SBS事件中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，磁特性包含磁场、磁方向或磁矩的至少一个。
在实施方案中，磁性颗粒包括展示顺磁性、反磁性、铁磁性或反铁磁性的材料。
在实施方案中，磁响应式传感器处检测的电阻变化由磁性颗粒材料中电子的固有自旋引起。
在实施方案中，磁性颗粒永久地改变相应的磁响应式传感器的磁化，使得在除去所述磁性颗粒之后，维持所述相应的磁响应式传感的磁化，其中SBS循环包括在读取所述磁响应式传感器之后，改变至少一些所述磁响应式传感器的磁化。
在实施方案中，读取所述磁响应式传感器发生在已除去所述磁性颗粒之后。
在一些实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将核苷酸递送至指定空间，并允许将核苷酸添加至互补链，所述核苷酸包含至少第一、第二和第三核苷酸，所述第一、第二和第三核苷酸具有不同的碱基。每个SBS循环包括(b)将磁性颗粒递送至指定空间，所述磁性颗粒由第一核苷酸捕获并由所述第二核苷酸捕获。每个SBS循环包括(c)检测磁响应式传感器的电阻变化。每个SBS循环包括(d)从所述第一核苷酸除去磁性颗粒。每个SBS循环包括(e)将磁性颗粒递送至指定空间，所述磁性颗粒由第三核苷酸捕获。每个SBS循环包括(f)检测磁响应式传感器的电阻变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，如果在(c)中检测到电阻变化但在(f)中未检测到，则第一核苷酸在(a)中延伸互补链；如果在(c)中和(f)中检测到电阻变化，则第二核苷酸在(a)中延伸互补链；如果在(c)中未检测到电阻变化但在(f)中检测到，则第三核苷酸在(a)中延伸互补链。
在实施方案中，(a)包括递送第四核苷酸，并且其中如果未在(c)检测到和未在(f)中检测到电阻变化，则所述第四核苷酸在(a)中延伸互补链。
在实施方案中，多个SBS循环的每个还包括：(g)从所述第二和第三核苷酸除去所述磁性颗粒。
在实施方案中，(d)和(e)同时发生。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确认基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于发生在多个SBS循环中每个的磁响应式传感器处的检测的电阻变化。
在实施方案中，所述磁特性包含磁场、磁方向或磁矩的至少一个。
在实施方案中，磁性颗粒包括展示顺磁性、反磁性、铁磁性或反铁磁性的材料。
在实施方案中，磁响应式传感器处检测的电阻变化由磁性颗粒材料中电子的固有自旋引起。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，所述方法还包括在(c)之后除去封闭基团。
在实施方案中，所述磁性颗粒永久地改变相应的磁响应式传感器的磁化，使得在(f)后除去所述磁性颗粒之后，维持所述相应的磁响应式传感的磁化，其中SBS循环包括在读取所述磁响应式传感器之后，改变至少一些所述磁响应式传感器的磁化。
在实施方案中，读取所述磁响应式传感器发生在已除去所述磁性颗粒之后。
在一些实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将至少第一和第二核苷酸递送至指定空间以延伸没互补链，所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸具有对其附着的磁性颗粒。每个SBS循环包括(b)检测磁响应式传感器的电阻变化，其中由所述第一核苷酸捕获的磁性颗粒所引起的电阻变化与由第二核苷酸捕获的磁性颗粒不同。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于多个SBS循环中每个的磁响应式传感器发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否大致等于第一幅度或大致等于第二幅度。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否超过阈值。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否在指定的值范围内。
在实施方案中，确定互补链的序列包括比较通过多个SBS循环检测的每个磁响应式传感器处的变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括对于每个SBS循环，比较与多个磁响应式传感器相关的检测的变化。
在实施方案中，第一和第二核苷酸捕获不同数目的磁性颗粒，不同数目的磁性颗粒配置为引起不同幅度的电阻变化。
在实施方案中，磁性颗粒是单分子磁体(SMM)。
在实施方案中，第一核苷酸捕获第一类型的磁性颗粒，并且第二核苷酸捕获第二类型的磁性颗粒，第一和第二类型的磁性颗粒配置为引起电阻的不同程度的变化。
在实施方案中，第一和第二类型的磁性颗粒具有不同的顺磁材料。
在实施方案中，(a)中递送第一和第二核苷酸包括将第一和第二核苷酸递送至指定空间以延伸互补链并随后将磁性颗粒递送至指定空间，由此磁性颗粒附着于第一和第二核苷酸。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，方法还包括在每个SBS事件之后除去所述封闭基团。
在实施方案中，第一和第二核苷酸中每个具有一个或多个连接至核苷酸的gamma磷酸的磁性颗粒，当聚合酶将第一核苷酸或第二核苷酸添加至互补链时释放所述磁性颗粒。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将至少第一和第二核苷酸递送至指定空间以延伸互补链，所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸分别具有对其附着的第一和第二单分子磁体(SMM)，第一和第二SMM中每个具有响应不同光频率的不同磁状态。每个SBS循环包括(b)通过应用第一光频率来改变第一SMM的磁状态。每个SBS循环包括(c)检测磁响应式传感器的电阻变化，其中通过第一SMM的磁状态引起所述变化。每个SBS循环包括(d)通过应用第二光频率来改变第一SMM的磁状态。每个SBS循环包括(e)通过应用第三光频率来改变第二SMM的磁状态。每个SBS循环包括(f)检测磁响应式传感器的电阻变化，其中通过第二SMM的磁状态引起所述变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，每个SBS循环还包括通过应用第四光频率来改变第二SMM的磁状态。
在实施方案中，SMM包含展示超顺磁行为的金属-有机化合物。
在实施方案中，至少在一些SBS循环中对(b)-(d)或(e)-(f)的至少一个重复多次。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于多个SBS事件中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否与大致等于第一幅度或大致等于第二幅度。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否超过阈值。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否在指定的值范围内。
在实施方案中，确定互补链的序列包括比较通过多个SBS循环检测的每个磁响应式传感器处的变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括对于每个SBS循环，比较与多个磁响应式传感器相关的检测的变化。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，方法还包括在每个SBS事件之后除去所述封闭基团。
在实施方案中，第一和第二核苷酸中每个具有一个或多个连接至核苷酸的gamma磷酸的磁性颗粒，当聚合酶将第一核苷酸或第二核苷酸添加至互补链时，释放所述磁性颗粒。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将至少第一和第二核苷酸递送至指定空间以延伸互补链，所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸具有对其附着的单分子磁体(SMM)，第一和第二核苷酸具有不同数目的对其附着的SMM，所述SMM具有响应不同光频率的磁状态。每个SBS循环包括(b)通过应用第一光频率来改变所述SMM的磁状态。每个SBS循环包括(c)检测磁响应式传感器的电阻变化。每个SBS循环包括(d)通过应用第二光频率来改变所述SMM的磁状态。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，SMM包含展示超顺磁行为的金属-有机化合物。
在实施方案中，至少在一些SBS循环中对(b)-(d)重复多次。
在实施方案中，第一和第二核苷酸包含第一、第二和第三核苷酸，其各自具有对其附着的SMM，所述第一、第二和第三核苷酸具有不同数目的对其附着的SMM。
在实施方案中，SMM包含展示超顺磁行为的金属-有机化合物。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于多个SBS循环中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定检测的变化幅度是否大致等于第一幅度或大致等于第二幅度。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处的检测的变化幅度是否超过阈值。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否在指定的值范围内。
在实施方案中，确定互补链的序列包括比较通过多个SBS循环检测的每个磁响应式传感器处的变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括对于每个SBS循环，比较与多个磁响应式传感器相关的检测的变化。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，方法还包括在每个循环结束时除去所述封闭基团。
在实施方案中，第一和第二核苷酸中每个具有一个或多个连接至核苷酸的gamma磷酸的磁性颗粒，当聚合酶将第一核苷酸或第二核苷酸添加至互补链时，释放所述磁性颗粒。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法包括进行多个SBS事件以通过使用聚合酶沿着每条模板链添加核苷酸来生长互补链。聚合酶具有相应的对其附着的展示相应磁特性的磁性颗粒，其中每个SBS事件包括检测磁响应式传感器的电阻变化，当聚合酶添加核苷酸时，通过指定空间处磁性颗粒的存在来引起检测的变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，磁性颗粒是单分子磁体(SMM)，方法还包括使用一种或多种光频率来改变SMM的磁状态。
在实施方案中，进行多个SBS事件包括：(a)将第一类型的核苷酸递送至指定空间并检测与所述第一类型的核苷酸相关的电阻变化和(b)将第二类型的核苷酸递送至指定空间并检测与所述第二类型的核苷酸相关的电阻变化。
在实施方案中，进行多个SBS事件包括同时将多种类型的核苷酸递送至指定空间并检测电阻变化，其中每种类型的核苷酸具有各自的掺入速率，其不同于其它类型核苷酸的掺入速率，其中互补链的序列基于检测的变化的持续时间。
在实施方案中，确定互补链的序列包括检测变化的持续时间是否大致等于值数目之一，值的数目等于核苷酸类型的数目。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定检测变化的持续时间是否在可能的值范围的数目内，可能的值范围的数目等于核苷酸类型的数目。
在实施方案中，确定互补链的序列包括通过多个SBS事件比较每个磁响应式传感器处的检测的变化的持续时间。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括对于每个SBS事件，比较与多个磁响应式传感器相关的检测的变化的持续时间。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于在多个SBS事件中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，进行多个SBS事件包括同时向指定空间提供多个反应物，反应物包括核苷酸和聚合酶，其中通过单锅反应进行多个SBS事件。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法包括进行多个SBS事件以沿着每条模板链生长互补链。多个SBS循环的每个包括(a)将第一核苷酸和聚合酶递送至指定空间，所述聚合酶具有对其附着的磁性颗粒。多个SBS循环的每个包括(b)检测磁响应式传感器的电阻变化，当聚合酶将第一核苷酸添加至互补链时通过指定空间处磁性颗粒的存在来引起电阻变化。多个SBS循环的每个包括(c)将第二核苷酸和聚合酶递送至指定空间，所述聚合酶具有对其附着的磁性颗粒。多个SBS循环的每个包括(d)检测磁响应式传感器的电阻变化，当聚合酶将第二核苷酸添加至互补链时通过指定空间处磁性颗粒的存在来引起电阻变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，磁性颗粒是单分子磁体(SMM)，方法还包括使用一种或多种光频率来改变SMM的磁状态。
在实施方案中，多个SBS循环的每个还包括(e)将第三核苷酸递送至指定空间和聚合酶，所述聚合酶具有对其附着的磁性颗粒；和(f)检测磁响应式传感器的电阻变化，当聚合酶将第三核苷酸添加至互补链时通过指定空间处磁性颗粒的存在来引起电阻变化。
在实施方案中，多个SBS循环的每个还包括将第四核苷酸递送至指定空间和聚合酶。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于在磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，所述方法还包括在每个循环结束时除去所述封闭基团。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法包括进行多个SBS事件以沿着每条模板链生长互补链。多个SBS事件的每个包括(a)将至少第一和第二核苷酸和聚合酶递送至指定空间，所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，所述聚合酶具有对其附着的磁性颗粒。多个SBS事件的每个包括(b)检测磁响应式传感器处的电阻变化，当聚合酶将第一或第二核苷酸添加至互补链时，通过指定空间处的磁性颗粒的存在来引起电阻变化，其中所述第一和第二核苷酸具有不同的掺入速率。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，磁性颗粒是单分子磁体(SMM)。
在实施方案中，递送至少第一和第二核苷酸包括递送各自具有不同碱基和不同掺入速率的第一、第二和第三核苷酸。
在实施方案中，递送至少第一和第二核苷酸包括递送各自具有不同碱基和不同掺入速率的第一、第二、第三和第四核苷酸。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析所述检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于在磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，方法还包括在每个循环结束时除去封闭基团。
在实施方案中，进行多个SBS事件包括同时向指定空间提供多个反应物，所述反应物包含第一和第二核苷酸和聚合酶，其中通过单锅反应进行多个SBS事件。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)系统。所述系统包含包含磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器包含至少两个铁磁层和隔开两个铁磁层的非磁性层，每个所述磁响应式传感器形成至少一个巨磁阻(GMR)传感器或隧道磁阻(TMR)传感器，所述磁响应式传感器位于隔室内的相应的指定空间附近，并配置为检测来自所述相应的指定空间的磁性颗粒。系统包含通信耦合至所述磁响应式传感器的读出电路，其中所述读出电路配置为传输对应于所述磁响应式传感器的电阻的信号。所述系统包含流体控制系统，其配置为使试剂流过用于进行SBS方案的隔室，所述试剂包含多种类型的核苷酸，其中所述读出电路配置为在每个掺入事件之后传输信号。
在实施方案中，磁响应式传感器包含GMR传感器，其配置为在第一和第二状态之间变化，其中两个铁磁层在第一状态中反铁磁偶联，使得非磁性层具有第一电阻，并且其中外部磁场在第二状态中阻碍反铁磁偶联，使得非磁性层具有第二电阻。
在实施方案中，磁响应式传感器包含TMR传感器，其配置为在第一和第二状态之间变化，其中两个铁磁层在第一状态中具有相反的磁化方向，使得非磁性层具有第一电阻，并且其中所述两个铁磁层在第二状态中具有相同的磁化方向，使得非磁性层具有第一电阻。
在实施方案中，流体控制系统配置为(a)将核苷酸流至指定空间以将核苷酸添加至互补链；和(b)将磁性颗粒流至指定空间，所述磁性颗粒附着至核苷酸，所述磁性颗粒展示相应的可检测的磁特性；和(d)从所述指定空间除去所述磁性颗粒；并且其中所述读出电路配置为检测(b)之后的所述磁响应式传感器处的电阻。
在实施方案中，流体控制系统配置为：(a)将核苷酸递送至指定空间以将核苷酸添加至互补链，所述核苷酸包括至少第一、第二和第三核苷酸，所述第一、第二和第三核苷酸具有不同的碱基；(b)将磁性颗粒递送至所述指定空间，所述磁性颗粒附着至所述第一核苷酸并且由所述第二核苷酸附着；(c)从所述第一核苷酸除去所述磁性颗粒；(d)将磁性颗粒递送至所述指定空间，所述磁性颗粒附着至所述第三核苷酸；其中所述读出电路配置为检测(b)之后和(d)之后磁响应式传感器处的电阻。
在实施方案中，流体控制系统配置为将至少第一和第二核苷酸递送至指定空间以延伸所述互补链，所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸具有对其附着的磁性颗粒，其中读出电路配置为检测磁响应式传感器处的电阻变化，第一核苷酸的磁性颗粒引起与第二核苷酸的磁性颗粒不同的电阻变化。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)系统。系统包含读取头，其包含臂和附着至所述臂的磁响应式传感器，所述磁响应式传感器包含巨磁阻(GMR)传感器或隧道磁阻(TMR)传感器中的至少一个，磁响应式传感器配置为检测磁性颗粒。系统包括具有基底表面的样品基底，基底表面配置为具有位于指定空间内沿着基底表面的多条核酸模板链，其中读取头和样品基底中的至少一个配置为相对于另一个移动，以将磁响应式传感器以操作关系定位至指定空间附近。系统包含通信耦合至所述磁响应式传感器的读出电路，其中读出电路配置为当位于指定空间之一时，传输对应于磁响应式传感器的电阻的信号。
在实施方案中，样品基底可围绕轴线旋转。
在实施方案中，样品基底是盘状的。
在实施方案中，读取头包含附着至臂的多个磁响应式传感器，其中对于至少一些操作性关系，读出电路配置为传输来自至少多个磁响应式传感器的信号。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。所述方法提供包含包含臂和附着至所述臂的磁响应式传感器的读取头，所述磁响应式传感器包含巨磁阻(GMR)传感器或隧道磁阻(TMR)传感器的至少一个，所述磁响应式传感器配置为检测磁性颗粒。方法包括提供具有多个位于指定空间沿着基底表面的模板链的样品基底。方法包括进行多个SBS循环以通过沿着每条模板链掺入核苷酸来生长互补链，至少一些核苷酸用展示相应磁特性的相应的磁性颗粒标记；其中对于每个SBS循环，方法包括沿着基底表面将磁响应式传感器定位在指定空间附近并检测磁响应式传感器的电阻。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，样品基底可围绕轴线旋转并且其中定位所述磁响应式传感器包括使样品基底围绕轴旋转。
在实施方案中，样品基底是盘状的。
在实施方案中，读取头包含多个附着至臂的磁响应式传感器。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含固定至指定区域的聚合酶，所述聚合酶配置为捕获相应的模板链。方法包括进行多个SBS事件以通过沿着相应的模板链掺入核苷酸来生长互补链，所述核苷酸附着至具有相应磁特性的磁性颗粒，其中所述多个SBS事件的每个包括检测当将核苷酸添加至互补链时由磁性颗粒的相应磁特性引起的磁响应式传感器处的电阻变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，磁响应式传感器包含磁阻传感器。
在实施方案中，磁响应式传感器包含巨磁阻(GMR)传感器，电阻的变化由流过GMR传感器的导电层的电流的变化引起。
在实施方案中，磁响应式传感器包含隧道磁阻(TMR)传感器，电阻的变化由穿过TMR传感器的绝缘层的隧穿电子电流的变化引起。
在实施方案中，每个磁响应式传感器包含第一和第二铁磁层以及分开所述第一和第二铁磁层的非磁性层。
在实施方案中，确定所述互补链的所述遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于所述检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于在多个SBS事件中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定是否在磁响应式传感器处发生电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处电阻变化幅度。
在实施方案中，核苷酸包含多种类型的核苷酸，每种类型的核苷酸具有与其它类型的核苷酸不同数目的对其附着的磁性颗粒。
在实施方案中，磁性颗粒是单分子磁体(SMM)。
在实施方案中，核苷酸包含多种类型的核苷酸，每种类型的核苷酸具有与其它类型的核苷酸不同类型的对其附着的磁性颗粒。
在实施方案中，磁性颗粒具有不同的磁场强度。
在实施方案中，磁特性包含磁场，磁方向或磁矩中的至少一种。
在实施方案中，磁性颗粒包含展示顺磁性、反磁性、铁磁性或反铁磁性的材料。
在实施方案中，磁响应式传感器处检测的电阻变化由磁性颗粒材料中电子的固有自旋引起。
在实施方案中，多个SBS事件的每个包括递送多种类型的核苷酸，在不同的时间递送每种类型的核苷酸。
在实施方案中，多个SBS事件的每个包括同时递送多种类型的核苷酸。
在实施方案中，多个SBS循环的每个包括在相应的核苷酸已经添加至互补链之后，将磁性颗粒递送至相应的核苷酸。
在实施方案中，磁性颗粒具有可逆连接。
在实施方案中，每个指定区域包含由聚合酶捕获的单一模板链。
在实施方案中，检测装置包含流动池，其限定具有指定区域的隔室，通过将所述核苷酸和磁性颗粒流过所述流动池的隔室来将磁性颗粒递送至所述指定区域。
在实施方案中，检测装置限定包含指定区域的隔室，所述检测装置具有沿着隔室定位的电极，其中递送核苷酸和递送磁性颗粒包括使用电极执行液滴操作。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含固定至指定区域的聚合酶，所述聚合酶配置为附着至相应的模板链。方法包括进行多个SBS事件以沿着模板链生长互补链。每个SBS事件包括(a)将核苷酸递送至指定区域并允许将核苷酸添加至互补链。每个SBS事件包括(b)将磁性颗粒递送至指定区域，所述磁性颗粒由核苷酸捕获，所述磁性颗粒提供相应的外部磁场。每个SBS事件包括(c)检测磁响应式传感器处的电阻变化。每个SBS事件包括(d)从指定区域除去磁性颗粒。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，对多种类型的核苷酸重复(a)-(d)，将每种类型的核苷酸分别递送至指定区域。
在实施方案中，递送核苷酸包括同时递送多种类型的核苷酸并且递送磁性颗粒包括同时递送多种类型的磁性颗粒，每种类型的磁性颗粒具有与其它类型的磁性颗粒的磁场特性不同的相应的磁场特性。
在实施方案中，每个指定区域包括固定至检测装置的基底表面的单一模板链。
在实施方案中，指定区域位于流动池的隔室内，并且其中递送核苷酸和递送磁性颗粒包括分别将核苷酸和磁性颗粒流过隔室。
在实施方案中，检测装置限定包含指定区域的隔室，所述检测装置具有沿着隔室定位的电极，其中递送核苷酸和递送磁性颗粒包括使用电极执行液滴操作。
在实施方案中，多个SBS事件的每个还包括在(d)之后检测电阻的背景水平。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，方法还包括在每个SBS事件之后除去所述封闭基团。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含固定至指定区域的聚合酶，所述聚合酶配置为附着至相应的模板链。方法包括进行多个SBS事件以沿着模板链生长互补链。每个SBS事件包括(a)将核苷酸递送至指定区域并允许将核苷酸添加至互补链，所述核苷酸包含至少第一、第二和第三核苷酸，所述第一、第二和第三核苷酸具有不同的碱基。每个SBS事件包括(b)将磁性颗粒递送至指定区域，所述磁性颗粒由第一核苷酸和第二核苷酸捕获。每个SBS事件包括(c)检测磁响应式传感器处的电阻变化。每个SBS事件包括(d)从所述第一核苷酸除去磁性颗粒。每个SBS事件包括(e)将磁性颗粒递送至指定区域，所述磁性颗粒是第三核苷酸的。每个SBS事件包括(f)检测磁响应式传感器处的电阻变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，如果在(c)中检测到电阻变化但在(f)中未检测到，则第一核苷酸在(a)中延伸互补链；如果在(c)中和(f)中检测到电阻变化，则第二核苷酸在(a)中延伸互补链；如果在(c)中未检测到电阻变化但在(f)中检测到，则第三核苷酸在(a)中延伸互补链。
在实施方案中，(a)包括递送第四核苷酸，并且其中如果未在(c)和(f)中检测到电阻变化，则所述第四核苷酸在(a)中延伸互补链。
在实施方案中，多个SBS循环的每个还包括：(g)从所述第二和第三核苷酸除去所述磁性颗粒。
在实施方案中，(d)和(e)同时发生。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确认基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于发生在多个SBS循环的每个的磁响应式传感器处的检测的电阻变化。
在实施方案中，所述磁特性包含磁场、磁方向或磁矩的至少一个。
在实施方案中，磁性颗粒包括展示顺磁性、反磁性、铁磁性或反铁磁性的材料。
在实施方案中，磁响应式传感器处检测的电阻变化由磁性颗粒材料中电子的固有自旋引起。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，所述方法还包括在每个SBS事件之后除去所述封闭基团。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含固定至指定区域的聚合酶，所述聚合酶配置为附着至相应的模板链。方法包括进行多个SBS事件以沿着模板链生长互补链。每个SBS事件包括(a)将至少第一和第二核苷酸递送至指定区域以延伸互补链，所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸具有对其附着的磁性颗粒。每个SBS事件包括(b)检测磁响应式传感器处的电阻变化，其中所述第一核苷酸的磁性颗粒引起与所述第二核苷酸的磁性颗粒不同的电阻变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于多个SBS事件中每个的磁响应式传感器发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否大致等于第一幅度或大致等于第二幅度。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否超过阈值。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否在指定的值范围内。
在实施方案中，确定互补链的序列包括通过多个SBS事件比较每个磁响应式传感器处的检测的变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括对于每个SBS事件，比较与多个磁响应式传感器相关的检测的变化。
在实施方案中，第一和第二核苷酸捕获不同数目的磁性颗粒，不同数目的磁性颗粒配置为引起不同幅度的电阻变化。
在实施方案中，磁性颗粒是单分子磁体(SMM)。
在实施方案中，第一核苷酸捕获第一类型的磁性颗粒，并且第二核苷酸捕获第二类型的磁性颗粒，第一和第二类型的磁性颗粒配置为引起电阻的不同幅度的变化。
在实施方案中，第一和第二类型的磁性颗粒具有不同的顺磁材料。
在实施方案中，(a)中递送第一和第二核苷酸包括将第一和第二核苷酸递送至指定区域以延伸互补链并随后将磁性颗粒递送至指定区域，由此磁性颗粒附着于第一和第二核苷酸。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，方法还包括在每个SBS事件之后除去所述封闭基团。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含固定至指定区域的聚合酶，所述聚合酶配置为附着至相应的模板链。方法包括进行多个SBS事件以沿着模板链生长互补链。每个SBS事件包括(a)将至少第一和第二核苷酸递送至指定区域以延伸互补链，所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸分别具有对其附着的第一和第二单分子磁体(SMM)，第一和第二SMM中每个具有响应不同光频率的不同磁状态。每个SBS事件包括(b)通过应用第一光频率来改变第一SMM的磁状态。每个SBS循环包括(c)检测磁响应式传感器的电阻变化，其中通过第一SMM的磁状态引起所述变化。每个SBS事件包括(d)通过应用第二光频率来改变第一SMM的磁状态。每个SBS事件包括(e)通过应用第三光频率来改变第二SMM的磁状态。每个SBS循环包括(f)检测磁响应式传感器的电阻变化，其中通过第二SMM的电磁状态引起所述变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，每个SBS事件还包括通过应用第四光频率来改变第二SMM的磁状态。
在实施方案中，SMM包含展示超顺磁行为的金属-有机化合物。
在实施方案中，对于至少一些SBS事件，对(b)-(d)或(e)-(f)的至少一个重复多次。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于多个SBS事件中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否与大致等于第一幅度或大致等于第二幅度。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否超过阈值。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化是否在指定的值的范围内。
在实施方案中，确定互补链的序列包括比较通过多个SBS循环检测的每个磁响应式传感器处的变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括对于每个SBS循环，比较与多个磁响应式传感器相关的检测的变化。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，方法还包括在每个SBS事件之后除去所述封闭基团。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含固定至指定区域的聚合酶，所述聚合酶配置为附着至相应的模板链。方法包括进行多个SBS事件以沿着模板链生长互补链。每个SBS事件包括(a)将至少第一和第二核苷酸递送至指定区域以延伸互补链，所述第一和第二核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸具有对其附着的单分子磁体(SMM)，第一和第二核苷酸具有不同数目的对其附着的SMM，所述SMM具有响应不同光频率的磁状态。每个SBS事件包括(b)通过应用第一光频率来改变SMM的磁状态。每个SBS事件包括(c)检测磁响应式传感器的电阻变化。每个SBS事件包括(d)通过应用第二光频率来改变SMM的磁状态。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，SMM包含展示超顺磁行为的金属-有机化合物。
在实施方案中，对于至少一些SBS事件，对(b)-(d)重复多次。
在实施方案中，至少第一和第二核苷酸包含第一、第二和第三核苷酸，其各自具有对其附着的SMM，所述第一、第二和第三核苷酸具有不同数目的对其附着的SMM。
在实施方案中，SMM包含展示超顺磁行为的金属-有机化合物。
在实施方案中，确定互补链的遗传特征包括分析检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
在实施方案中，确定遗传特征包括确定互补链的序列，互补链的序列基于多个SBS事件中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定检测的变化幅度是否大致等于第一幅度或大致等于第二幅度。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处的检测的变化幅度是否超过阈值。
在实施方案中，确定互补链的序列包括确定磁响应式传感器处检测的变化的幅度是否在指定的值的范围内。
在实施方案中，确定互补链的序列包括比较通过多个SBS事件检测的每个磁响应式传感器处的变化的幅度。
在实施方案中，确定互补链的序列包括对于每个SBS循环，比较与多个磁响应式传感器相关的检测的变化幅度。
在实施方案中，核苷酸包含封闭基团，方法还包括在每个循环结束时除去所述封闭基团。
在实施方案中，公开了边合成边测序(SBS)方法。方法包括提供含有磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含多个位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法包括进行多个SBS循环以沿着每条模板链生长互补链。每个SBS循环包括(a)将核苷酸递送至指定空间，并允许将核苷酸添加至互补链，所述核苷酸包含至少第一、第二和第三核苷酸，所述第一、第二和第三核苷酸具有不同的碱基，其中所述第一和第二核苷酸包含磁性颗粒并且第三核苷酸不包含磁性颗粒。每个SBS循环包括(b)检测由所述第一和第二核苷酸的磁性颗粒引起的磁响应式传感器处的电阻变化。每个SBS循环包括(c)从所述第一核苷酸除去所述磁性颗粒。每个SBS循环包括(d)将磁性颗粒递送至指定空间，所述磁性颗粒由所述第三核苷酸捕获。每个SBS循环包括(e)检测由第二和第三核苷酸的磁性颗粒引起的磁响应式传感器处的电阻变化。方法包括基于检测的电阻变化来确定互补链的遗传特征。
在实施方案中，如果在(b)中检测到电阻变化但在(e)中未检测到，则第一核苷酸在(a)中延伸互补链；如果在(b)中和(e)中检测到电阻变化，则第二核苷酸在(a)中延伸互补链；如果在(b)中未检测到电阻变化但在(e)中检测到，则第三核苷酸在(a)中延伸互补链；
在实施方案中，(a)包括递送第四核苷酸，并且其中如果未在(b)和(e)中检测到电阻变化，则所述第四核苷酸在(a)中延伸互补链。
附图简述
图1A示出了系统的顶视图，所述系统包含用于支持(例如)磁性生物传感SBS方案的磁性传感器阵列；
图1B示出了图1A的系统的横截面图；
图2A示出了GMR设备的实例；
图2B示出了TMR设备的实例；
图3示出了使用个单一磁性纳米颗粒的GMR生物芯片的灵敏度图；
图4示出了图1A和图1B中显示的检测装置的部分的横截面图并示出了磁性传感器阵列的更多细节。
图5示出了图1A、图1B和图4中显示的检测装置的部分并描绘了磁性生物传感SBS方案的实例，其中掺入的生物素化分子用于捕获链霉亲合素包被的磁性纳米颗粒并产生可检测的信号；
图6A示出了图5的生物素化的核苷酸的部分结构式；
图6B示出了具有偶联至核苷酸的gamma磷酸的磁性颗粒的核苷酸的部分结构式；
图7示出了使用(例如)图1A、图1B和图4中所示的流动池的磁性生物传感SBS方案中碱基确定的方法的实例的流程图；
图8示出了使用(例如)图1A、图1B和图4中所示的流动池的“两-标记物”磁性生物传感SBS方案中碱基辨别的方法的实例的流程图；
图9示出了图解显示图8的方法的步骤的示意图；
图10示出了使用(例如)图1A、图1B和图4中所示的流动池的“四-标记物”磁性生物传感SBS方案中碱基辨别的方法的实例的流程图；
图11示出了使用SMM标记的核苷酸的“四-标记物”磁性生物传感SBS方案中碱基辨别的方法的实例的流程图；
图12示出了使用具有用于碱基辨别的不同的磁性幅度的SMM标记的核苷酸的“四-标记物”磁性生物传感SBS方案中碱基辨别的方法的实例的流程图；和
图13示出了使用SMM标签化的DNA聚合酶和具有不同掺入速率的核苷酸的磁性生物传感SBS方案中碱基辨别的方法的实例的流程图；
图14A示出了磁性传感器阵列的平面图，结合流动池或液滴致动器中的半疏水区的实例；
图14B示出了图14A的磁性传感器阵列的横截面图；
图15A示出了磁性传感器阵列的平面图，结合流动池或液滴致动器中的半疏水区的另一实例；
图15B示出了图15A的磁性传感器阵列的横截面图；
图16A示出了液滴致动器的一部分的平面图，所述液滴致动器包含用于例如支持磁性生物传感SBS方案的磁性传感器阵列。
图16B示出了图16B的液滴致动器的横截面图；
图17示出了基于旋转盘的设备的平面图，其中提供了一种可移动磁性传感器用于支持(例如)磁性生物传感SBS方案；
图18A示出了磁性传感器阵列的平面图，结合其中聚合酶固定至指定区域的实施方案；
图18B分别示出了图18A的磁性传感器阵列的平面图和横截面图；和
图19示出了根据一个实施方案的磁响应式传感器。
发明详述
本文所述的方法可以与包括核酸测序技术在内的多种生物或化学分析技术结合使用。实施方案可以用于基于在生长核酸链时发生的电阻变化来确定样品的遗传特征。特别适用的技术是那些其中生物或化学样品位于指定的位置，使得它们的相对位置在分析期间不改变的技术。例如，核酸可以在其中重复扫描阵列的指定方案期间沿着基底表面附着至固定位置。下述实施方案是特别适用的，其中用不同的通道获得印记，例如，与用于区分一种核苷酸碱基类型与另一种的不同标记物一致。在一些实施方案中，确定靶核酸的核苷酸序列的过程可以是自动化过程。优选的实施方案包括边合成边测序(“SBS”)技术。
如本文所述，可以使用实施方案来确定样品的遗传特征。可以通过分析在磁响应式传感器处发生的电阻变化来确定遗传特征。例如，当将核苷酸添加至核酸时，与核苷酸或聚合酶相关的磁性颗粒可引起磁响应式传感器处的电阻变化。基于电阻的来自磁响应式传感器的信号提供了可分析并用于确定遗传特征的数据。如本文所用，术语“遗传特征”包含核酸序列或基于该核酸序列的任何特征，不管是否确定精确的序列。例如，实施方案可以生长核酸的互补链，其中添加至所述链的每个核苷酸与一种或多种磁性颗粒相关。在一些实施方案中，可以在每个掺入事件中(例如实时)鉴定所述核苷酸。在其它实施方案中，可以仅在多个掺入事件之后或在测序运行已经完成二次分析之后来鉴定核苷酸。
在又一实施方案中，可以在不单独鉴定核苷酸以使得该序列已知的情况下确定遗传特征。例如可以分析在一个或多个掺入事件之后由信号所提供的数据以将一个序列与一个或多个其它序列区分开来。作为一个具体的例子，可以比较源自包含单核苷酸多态性(SNP)的两个(或多个)核酸的数据。在不知道核酸序列的情况下，实施方案可以分析从磁响应式传感器接收到的信号的模式。例如，每个核苷酸可以具有不同磁特性的磁性颗粒。来自一系列核苷酸的检测电阻变化可以形成模式。形成第一模式的信号可以具有一个基因型，并且形成第二模式的信号可以具有第二基因型。因此，提供第一模式的核酸可称为具有某种遗传特征，而提供第二模式的核酸可称为具有不同的遗传特征。另外，可以在不知道核酸序列的情况下进行此类测试。
应当理解，“确定遗传特征”不一定包括具体鉴定样品可具有的哪个遗传特征。例如，当调查基于可疑SNP的某种基因型时，实施方案可以仅鉴定一种或多种样品具有某种模式而其它样品不具有该模式。在任何一种情况下，已确定样品的遗传特征。同样，“确定遗传特征”可以包括确定样品不具有可疑的病原体或确定遗传变异不具有SNP或短串联重复(STR)。
作为另一个例子，来自怀疑患有某种病患的个体的样品可经历测试。所述病患例如可由遗传病，癌症或病原体(例如埃博拉病毒)引起。测试可以包括检测当核酸生长时电阻的变化。再次，不知道核酸的确切序列的情况下，实施方案可以通过分析信号以识别一个或多个模式来确定个体是否具有病患。
“边合成边测序(“SBS”)技术通常涉及通过对模板链反复加入核苷酸酶促延伸新生核酸链。在SBS的传统方法中，可以在每次递送中在存在聚合酶的情况下将单核苷酸单体提供给靶核苷酸。然而，在本文中所述的方法中，可以在递送中在存在聚合酶的情况下对靶核酸提供超过一类核苷酸单体。
SBS可以利用具有终止剂部分的核苷酸单体或缺少任何终止剂部分的核苷酸单体。使用缺少终止剂的核苷酸单体的方法包括例如焦磷酸测序和使用γ-磷酸标记的核苷酸的测序，如下文更为详细阐述。在使用缺乏终止剂的核苷酸单体的方法中，每个循环中添加的核苷酸数目通常是可变的，并且取决于模板序列和核苷酸递送的模式。对于利用具有终止剂部分的核苷酸单体的SBS技术，终止剂可以在使用的测序条件下是有效不可逆转的，利用双脱氧核苷酸的传统Sanger测序就是如此，或者终止剂可以是可逆的，由Solexa(现为Illumina,Inc.)开发的测序方法就是如此。
SBS技术可以利用具有标记物部分的核苷酸单体或缺乏标记物部分的核苷酸单体。因此，可以基于标记物的特性，如标记物的荧光；核苷酸单体的特征如分子量或电荷；核苷酸掺入的副产物，如焦磷酸盐的释放等来检测掺入事件。在测序试剂中存在两种或更多种不同核苷酸的实施方案中，不同的核苷酸可以彼此区分，或者备选地，两种或更多种不同的标记物在所使用的检测技术下可以是不可区分的。例如，测序试剂中存在的不同核苷酸可以具有不同的标记物，并且可以使用合适的光学仪器来区分它们，如由Solexa(现在的Illumina,Inc.)开发的测序方法例示。
焦磷酸测序检测特定的核苷酸被掺入新生链时无机焦磷酸盐(PPi)的释放(Ronaghi,M.,Karamohamed,S.,Pettersson,B.,Uhlen,M.and Nyren,P.(1996)“Real-timeDNA sequencing using detection of pyrophosphate release.”AnalyticalBiochemistry 242(1),84-9；Ronaghi,M.(2001)“Pyrosequencing sheds light on DNAsequencing.”Genome Res.11(1),3-11；Ronaghi,M.,Uhlen,M.and Nyren,P.(1998)“Asequencing method based on real-time pyrophosphate.”Science 281(5375),363；美国专利号6,210,891；美国专利号6,258,568和美国专利号6,274,320，其公开内容通过引用整体并入本文)。在焦磷酸测序中，可以检测通过ATP硫酸化酶被立即转化为三磷酸腺苷(ATP)释放的PPi，并且通过萤光素酶产生的光子检测产生的ATP水平。可以将要测序的核酸附着到阵列中的特征，并且可以对阵列进行成像以捕获由于在阵列的特征处掺入核苷酸而产生的化学发光信号。在用特定核苷酸类型(例如A、T、C或G)处理阵列后，可以获得图像。在添加每种核苷酸类型后获得的图像就阵列中检测的哪些特征而言将有所不同。图像中的这些差异反映了阵列上特征的不同序列内容。然而，每个特征的相对位置在图像中将保持不变。可以使用本文中阐述的方法来存储、处理和分析图像。例如，可以以下述方式处理用每种不同核苷酸类型处理阵列后获得的图像，所述方式与本文中对从基于可逆终止剂的测序方法的不同检测通道获得的图像的例示相同。
在另一种示例性类型的SBS中，循环测序通过逐步添加可逆终止剂核苷酸来完成，所述可逆终止剂核苷酸含有例如可切割或光可漂白染料标记物，如记载于例如国际专利公开号WO 04/018497和美国专利7,057,026，其公开内容通过引用并入本文。此方法正得到Solexa(现在为Illumina Inc.)商业化，并且还记载于国际专利公开号WO 91/06678和国际专利公开号WO 07/123,744，其各自通过引用并入本文。荧光标记的终止剂(其中既可以逆转终止又可以切割荧光标记物)的可用性有助于有效的循环可逆终止(CRT)测序。聚合酶也可以共工程化改造为有效地掺入这些修饰的核苷酸并且从这些修饰的核苷酸延伸。
优选地，在基于可逆终止剂的测序实施方案中，标记物在SBS反应条件下基本上不抑制延伸。然而，检测标记物可以是可除去的，例如通过切割或降解。可以在将标记物掺入排列的核酸特征后捕获图像。在具体实施方案中，每个循环涉及将四种不同核苷酸类型同时递送至阵列，并且每种核苷酸类型具有光谱独特的标记物。然后，可以获得四个图像，每个图像使用对四种不同标记物之一具有选择性的检测通道。或者，可以顺序添加不同的核苷酸类型，并且可以在每个添加步骤之间获得阵列的图像。在此类实施方案中，每个图像将显示已经掺入特定类型的核苷酸的核酸特征。由于每个特征的不同序列内容，不同的图像中将存在或不存在不同的特征。然而，特征的相对位置在图像中将保持不变。可以如本文中阐述的那样储存、处理和分析从此类可逆终止剂-SBS方法获得的图像。在图像捕获步骤后，可以除去标记物，并且可以除去可逆终止剂部分，用于核苷酸添加和检测的随后循环。标记物当它们在特定循环中以及后续循环前被检出后的除去可以提供降低背景信号和循环之间串扰的优点。下文阐述了有用的标记物和除去方法的实例。
在具体实施方案中，一些或全部核苷酸单体可以包括可逆终止剂。在此类实施方案中，可逆终止剂/可切割荧光团(fluors)可以包括通过3’酯连接与核糖部分连接的荧光团(Metzker,Genome Res.15:1767-1776(2005)，其通过引用并入本文)。其它方法已经将终止剂化学与荧光标记物的切割分开(Ruparel等人,Proc Natl Acad Sci USA 102:5932-7(2005)，其全部内容通过引用并入本文)。Ruparel等人描述了可逆终止剂的开发，所述可逆终止剂使用小的3’烯丙基封闭延伸，但是可以通过用钯催化剂的短处理而解封闭。通过光可切割接头将荧光团附着到碱基，该光可切割接头可以通过对长波长UV光的30秒暴露而容易地切割。因此，可以使用二硫化物还原或光切割作为可切割接头。可逆终止的另一种方法是使用在dNTP上放置大体积染料后发生的自然终止。dNTP上带电荷的大体积染料的存在可通过空间和/或静电阻碍起有效终止剂作用。一个掺入事件的存在防止进一步的掺入，除非除去染料。染料的切割除去荧光团，并且有效逆转终止。经修饰的核苷酸的实例也描述于美国专利7,427,673和美国专利7,057,026，其公开的内容通过引用整体并入本文。
可以与本文中所述的方法和系统一起利用的另外的例示性SBS系统和方法描述于美国专利7,541,444、美国专利7,566,537、美国专利7,057,026、美国专利8,460,910、美国专利8,623,628、国际专利公开号WO 05/065814、美国专利7,985,565、国际专利公开号WO06/064199、国际专利公开号WO 07/010,251、美国专利公开号20120270305和美国专利公开号20130260372，其公开内容通过引用完整并入本文。
一些实施方案可以利用使用少于四种不同标记物检测四种不同核苷酸。例如，可以利用美国专利申请公开号2013/0079232的并入材料中描述的方法和系统来进行SBS。作为第一个实例，一对核苷酸类型可以在相同波长处检测，但是基于该对中的一名成员与另一成员相比的强度差异，或者基于对该对中的一名成员的改变(例如通过化学修饰、光化学修饰或物理修饰)来区分，所述改变引起与对所述对中的另一名成员检测的信号相比引起明显信号出现或消失。作为第二个实例，可以在特定条件下检测四种不同核苷酸类型中的三种，而第四种核苷酸类型缺乏在那些条件下可检测的标记物，或者在那些条件下被最小程度检测(例如，由于背景荧光引起的最小程度检测，等等)。将前三种核苷酸类型掺入核酸中可以基于其各自信号的存在来确定，并且将第四种核苷酸类型掺入核酸中可以基于任何信号的不存在或最小程度检测来确定。作为第三个实例，一种核苷酸类型可以包括在两个不同通道中检测到的标记物，而仅在通道之一中检测到其它核苷酸类型。认为上述三种示例性配置不是相互排斥的，并且可以以各种组合使用。组合所有三个实例的示例性实施方案是基于荧光的SBS方法，其使用第一通道中检测的第一核苷酸类型(例如，具有当通过第一激发波长激发时在第一通道中检测到的标记物的dATP)、在第二通道中检测到的第二核苷酸类型(例如具有当通过第二激发波长激发时在第二通道中检测到的标记物的dCTP)、在第一和第二通道两者中检测到的第三核苷酸类型(例如具有当通过第一和/或第二激发波长激发时在这两个通道中检测到的标记物的dTTP)和缺乏在任一通道中检测不到或最小程度检测的标记物的第四种核苷酸类型(例如，没有标记物的dGTP)。
此外，如美国专利公开号20130079232的并入材料所述，可以使用单通道获得测序数据。在此类所谓的单染料测序方法中，第一种核苷酸类型是标记的，但在产生第一图像之后除去标记物，并且第二种核苷酸类型仅在产生第一图像后被标记。第三种核苷酸类型在第一和第二图像两者中保留其标记物，并且第四种核苷酸类型在这两个图像中保持未标记。
一些实施方案可以利用连接测序技术。此类技术利用DNA连接酶掺入寡核苷酸并鉴定此类寡核苷酸的掺入。寡核苷酸通常具有不同标记物，所述标记物同与寡核苷酸杂交的序列中的特定核苷酸的身份相关。与其它SBS方法一样，可以在用标记的测序试剂处理核酸特征阵列后获得图像。每个图像将显示已经并入特定类型的标记物的核酸特征。由于每个特征的不同序列内容，在不同图像中将存在或不存在不同的特征，但是特征的相对位置在图像中将保持不变。可以存储、处理和分析从基于连接的测序方法获得的图像，如本文阐述的。可以与本文中描述的方法和系统一起使用的示例性SBS系统和方法记载于美国专利6,969,488、美国专利6,172,218、和美国专利6,306,597，其公开内容通过引用整体并入本文。
一些实施方案可以利用纳米孔测序(Deamer,D.W.&Akeson,M.“Nanopores andnucleic acids:prospects for ultrarapid sequencing.”Trends Biotechnol.18,147-151(2000)；Deamer,D.and D.Branton,“Characterization of nucleic acids bynanopore analysis”.Acc.Chem.Res.35:817-825(2002)；Li,J.,M.Gershow,D.Stein,E.Brandin,and J.A.Golovchenko,“DNA molecules and configurations in a solid-state nanopore microscope”Nat.Mater.2:611-615(2003)，其公开内容通过引用整体并入本文)。在此类实施方案中，尽管一些纳米孔实施方案可以利用涉及DNA聚合酶核苷酸掺入的实时监测，但靶核酸通过纳米孔。纳米孔可以是合成孔或生物膜蛋白，如α-溶血素。在一个示例性的实施方案中，当靶核酸通过纳米孔时，可以通过测量孔的电导率的波动来鉴定每个碱基对。(美国专利7,001,792；Soni,G.V.&Meller,“A.Progress toward ultrafastDNA sequencing using solid-state nanopores."Clin.Chem.53,1996-2001(2007)；Healy,K.“Nanopore-based single-molecule DNA analysis.”Nanomed.2,459-481(2007)；Cockroft,S.L.,Chu,J.,Amorin,M.&Ghadiri,M.R.“A single-molecule nanoporedevice detects DNA polymerase activity with single-nucleotide resolution.”J.Am.Chem.Soc.130,818-820(2008)，其公开内容通过引用整体并入本文)。可以存储、处理和分析从纳米孔测序获得的数据，如本文中阐述。特别地，根据本文所阐述的光学图像和其它图像的示例性处理，数据可以作为图像处理。
一些实施方案可以利用涉及DNA聚合酶活性的实时监测的方法。可以通过携带荧光团的聚合酶和γ-磷酸标记的核苷酸之间的荧光共振能量转移(FRET)相互作用来检测核苷酸掺入，如记载于例如美国专利7,329,492和美国专利7,211,414(其各自通过引用并入本文)，或者可以用如记载于例如美国专利7,315,019(其通过引用并入本文)的零模式波导，并且使用如例如美国专利7,405,281和美国专利8,343,746(其各自通过引用并入本文)中所述的荧光核苷酸类似物和工程化聚合酶来检测核苷酸掺入。照明可以限于表面栓系的聚合酶周围的仄升(zeptoliter)量级体积，使得可以在低背景下观察到荧光标记的核苷酸的掺入(Levene,M.J.等人“Zero-mode waveguides for single-molecule analysis athigh concentrations.”Science 299,682-686(2003)；Lundquist,P.M.等人“Parallelconfocal detection of single molecules in real time.”Opt.Lett.33,1026-1028(2008)；Korlach,J.等人“Selective aluminum passivation for targetedimmobilization of single DNA polymerase molecules in zero-mode waveguide nanostructures.”Proc.Natl.Acad.Sci.USA 105,1176-1181(2008)，其公开内容通过引用整体并入本文)。可以存储、处理和分析从此类方法获得的图像，如本文中阐述。
在特定实施方案中，聚合酶沿着邻近磁响应式传感器的表面固定至或系留至指定区域。此类实施方案可以不同磁性颗粒可以具有距离磁响应式传感器的相对相等距离的可能性，所述磁性颗粒在生长互补链时由磁响应式传感器检测。
本文描述的实施方案还可以包含γ-磷酸标记的核苷酸，其中偶联至γ-磷酸的标记物包括改变磁响应式传感器的电阻的磁性颗粒。
一些SBS实施方案包括在将核苷酸掺入延伸产物中时释放的质子的检测。例如，基于释放的质子的检测的测序可以使用可从Ion Torrent(Guilford，CT，Life Technologies子公司)商购的电检测器和相关技术或美国专利8,262,900；美国专利7,948,015；美国专利公开号20100137143；或美国专利8,349,167(其各自通过引用并入本文)中描述的测序方法和系统。本文中阐述的使用动力学排除来扩增靶核酸的方法可以容易地应用于用于检测质子的基底。更具体地，本文阐述的方法可用于产生用于检测质子的扩增子的克隆群体。
可以有利地以多重形式进行上述SBS方法，使得同时操作多个不同的靶核酸。在具体实施方案中，可以在常见的反应容器中或在特定基底的表面上处理不同的靶核酸。这允许以多重方式方便地递送测序试剂、除去未反应的试剂和检测掺入事件。在使用表面结合靶核酸的实施方案中，靶核酸可以为阵列形式。在阵列形式中，靶核酸通常可以以空间上可区分的方式结合到表面。靶核酸可以通过直接共价附着、附着于珠或其它颗粒或结合到附着于表面的聚合酶或其它分子来结合。阵列可以包括每个位点(也称为特征)处的靶核酸的单一拷贝，或者可以在每个位点或特征处存在具有相同序列的多个拷贝。可以通过扩增方法如桥式扩增或乳液聚合酶链式反应(PCR)产生多个拷贝，如下文进一步详述。
本文中阐述的方法可以使用以多种密度之任一具有特征的阵列，包括例如至少约10个特征/cm2、100个特征/cm2、500个特征/cm2、1,000个特征/cm2、5,000个特征/cm2、10,000个特征/cm2、50,000个特征/cm2、100,000个特征/cm2、1,000,000个特征/cm2、5,000,000个特征/cm2、或更高。
本文中阐述的方法的优点在于它们提供并行的多个靶核酸的快速和有效检测。因此，本公开提供了能够使用本领域已知的技术(如上面例示的那些)制备和检测核酸的集成系统。因此，本公开的集成系统可以包括能够将扩增试剂和/或测序试剂递送到一个或多个固定化DNA片段的流体组分，该系统包括诸如泵、阀、储器、流体线等的部件。流动池可以在用于检测靶核酸的集成系统中配置和/或使用。示例性流动池记载于例如美国专利8,241,573和美国专利公开号20120270305，其各自通过引用并入本文。如对流动池示例，集成系统的一个或多个流体部件可用于扩增方法和检测方法。以核酸测序实施方案为例，集成系统的一种或多种流体部分可用于本文中阐述的扩增方法并且用于递送测序方法(如上文例示的测试方法)中的测序试剂。或者，集成系统可以包括用于实施扩增方法和实施检测方法的分开的流体系统。能够创建扩增核酸并确定核酸序列的集成测序系统的实例包括但不限于MiSeqTM平台(Illumina,Inc.,San Diego,CA)和美国专利公开号20120270305中描述的装置，其通过引用并入本文。
如本文所用，以下术语具有指示的含义。“液滴”意指液滴致动器上的液体体积。通常，液滴至少部分由填充流体为界。例如，液滴可以由填充流体完全包围或可以由填充流体和液滴致动器的一个或多个表面为界。作为另一个例子，液滴可由填充流体、液滴致动器的一个或多个表面和/或大气为界。作为又一个例子，液滴可由填充流体和大气为界。液滴例如可以是含水的或不含水的或可以是包括含水和不含水成分的混合物或乳胶。液滴可采用极其多种的形状；非限制性实例通常包括盘形、弹形、截球形、椭球体、球形、局部压缩球体、半球形、卵形、圆柱形、此类形状的组合以及在液滴操作期间形成的各种形状，诸如由于此类形状与液滴致动器的一个或多个表面的接触而合并或裂开或形成。对于可经受使用本公开方法的液滴操作的液滴流体的实例，参见Eckhardt等人，于2007年10月25日公开的国际专利公开号WO/2007/120241，名称为“Droplet-Based Biochemistry”，其全部公开通过引用并入本文。
在各种实施方案中，液滴可包括生物样品，诸如全血、淋巴液、血清、血浆、汗液、泪液、唾液、痰、脑脊液、羊水、精液、阴道分泌物、浆液、滑膜液、心包积液、腹水、胸腔积液、渗出液、分泌液、囊液、胆汁、尿液、胃液、肠液、粪便样品、含有单个或多个细胞的液体、含有细胞器的液体、流化组织、流化有机体、含有多细胞有机体的液体、生物拭子和生物洗涤物。此外，液滴可包括试剂，诸如水、去离子水、盐水溶液、酸性溶液、碱性溶液、洗涤剂溶液和/或缓冲液。液滴可以包含核酸，如DNA、基因组DNA、RNA、mRNA或其类似物；核苷酸如脱氧核糖核苷酸、核糖核苷酸或其类似物诸如具有终止剂部分的类似物，诸如以下描述的那些：Bentley等人,Nature 456:53-59(2008)；Gormley等人,国际专利公开号WO/2013/131962,名称为,“Improved Methods of Nucleic Acid Sequencing,”于2013年9月12日公开；Barnes等人,美国专利号7,057,026,名称为“Labelled Nucleotides,”于2006年6月公告；Kozlov等人,国际专利公开号WO/2008/042067,名称为,“Compositions and Methods forNucleotide Sequencing,”于2008年4月10日公开；Rigatti等人,国际专利公开号WO/2013/117595,名称为,“Targeted Enrichment and Amplification of Nucleic Acids on aSupport,”于2013年8月15日公开；Hardin等人,美国专利号7,329,492,名称为“Methodsfor Real-Time Single Molecule Sequence Fetermination,”于2008年2月12日公告；Hardin等人,美国专利号7,211,414,名称为“Enzymatic Nucleic Acid Synthesis:Compositions and Methods for Altering Monomer Incorporation Fidelity,”于2007年5月1日公告；Turner等人,美国专利号7,315,019,名称为“Arrays of OpticalConfinements and Uses Thereof,”于2008年1月1日公告；Xu等人,美国专利号7,405,281,名称为“Fluorescent Nucleotide Analogs and Uses Therefor,”于2008年7月29日公告；和等人,美国专利公开号20080108082,名称为“Polymerase Enzymes and Reagents forEnhanced Nucleic Acid Sequencing”于2008年5月8日公开，整个公开通过引用并入本文；酶诸如聚合酶、连接酶、重组酶或转座酶；结合配偶体诸如抗体、表位、链霉亲合素、抗生物素蛋白、生物素、凝集素或碳水化合物；或其它生物化学活性分子。液滴内含物的其它实例包括试剂，诸如用于生物化学方案的试剂，诸如核酸扩增方案、基于亲和力的测定方案、酶促测定方案、测序方案，和/或生物流体分析方案。液滴可以包含一个或多个珠。
“液滴致动器”意指用于操控液滴的装置。对于液滴致动器的实例参见以下项：Pamula等人,美国专利号6,911,132,名称为“Apparatus for Manipulating Droplets byElectrowetting-Based Techniques,”于2005年6月28日公告；Pamula等人,美国专利号20060194331,名称为“Apparatuses and Methods for Manipulating Droplets on aPrinted Circuit Board,”于2006年8月31日公开；Pollack等人,国际专利公开号WO/2007/120241,名称为“Droplet-Based Biochemistry,”于2007年10月25日公开；Shenderov,美国专利号6,773,566,名称为“Electrostatic Actuators for Microfluidics and Methodsfor Using Same,”2004年8月10日公告；Shenderov,美国专利号6,565,727,名称为“Actuators for Microfluidics Without Moving Parts,”于2003年5月20日公告；Kim等人,美国专利号20030205632,名称为“Electrowetting-driven Micropumping,”于2003年11月6日公开；Kim等人,美国专利号20060164490,名称为“Method and Apparatus forPromoting the Complete Transfer of Liquid Drops from a Nozzle,”于2006年7月27日公开；Kim等人,美国专利号20070023292,名称为“Small Object Moving on PrintedCircuit Board”于2007年2月1日公开；Shah等人,美国专利号20090283407,名称为“Methodfor Using Magnetic Particles in Droplet Microfluidics,”于2009年11月19日公开；Kim等人,美国专利号20100096266,名称为“Method and Apparatus for Real-timeFeedback Control of Electrical Manipulation of Droplets on Chip,”于2010年4月22日公开；Velev,美国专利号7,547,380,名称为“Droplet Transportation Devices andMethods Having a Fluid Surface,”于2009年6月16日公告；Sterling等人,美国专利号7,163,612,名称为“Method,Apparatus and Article for Microfluidic Control viaElectrowetting,for Chemical,Biochemical and Biological Assays and the Like,”于2007年1月16日公告；Becker等人,美国专利号7,641,779,名称为“Method andApparatus for Programmable Fluidic Processing,”于2010年1月5日公告；Becke等人,美国专利号6,977,033,名称为“Method and Apparatus for Programmable FluidicProcessing,”于2005年12月20日公告；Decre等人,美国专利号7,328,979,名称为“Systemfor Manipulation of a Body of Fluid,”于2008年2月12日发行；Yamakawa等人,美国专利号20060039823,名称为“Chemical Analysis Apparatus,”于2006年2月23日公开；Wu,美国专利号20110048951,名称为“Digital Microfluidics Based Apparatus for Heat-exchanging Chemical Processes,”于2011年3月3日公开；Fouillet等人,美国专利号20090192044,名称为“Electrode Addressing Method,”于2009年7月30日公开；Fouillet等人,美国专利号7,052,244,名称为“Device for Displacement of Small LiquidVolumes Along a Micro-catenary Line by Electrostatic Forces,”于2006年5月30日公告Marchand等人,美国专利号20080124252,名称为“Droplet Microreactor,”于2008年5月29日公开；Adachi等人,美国专利号20090321262,名称为“Liquid Transfer Device,”于2009年12月31日公开；Roux等人,美国专利号20050179746,名称为“Device forControlling the Displacement of a Drop Between Two or Several SolidSubstrates,”于2005年8月18日公开；以及Dhindsa等人,“Virtual ElectrowettingChannels:Electronic Liquid Transport with Continuous Channel Functionality,”Lab Chip,10:832–836(2010)，以上项的全部公开内容连同其优先权文件通过引用并入本文。某些液滴致动器将包括在其间布置有液滴操作间隙的一个或多个基底和与一个或多个基底相关联(例如，在其上分层、附着到其和/或嵌入其中)并被布置为进行一个或多个液滴操作的电极。例如，某些液滴致动器将包括基部(或底部)基底、与基底相关联的液滴操作电极、在基底和/或电极顶上的一个或多个介电层以及可选地包括在基底顶上的一个或多个疏水层，介电层和/或形成液滴操作表面的电极。也可提供顶部基底，其通过通常称为液滴操作间隙的间隙与液滴操作表面分开。在顶部和/或底部基底上的各种电极布置由在上面引用的专利和申请中讨论，并且某些新颖的电极布置由在本公开的描述中讨论。在液滴操作期间，优选的是，液滴与接地或参考电极保持连续接触或频繁接触。接地或参考电极可与面向间隙的顶部基底、面向间隙的底部基底、在间隙中相关联。在将电极设置在两个基底上的情况下，用于将电极耦合至液滴致动器仪器以控制或监测电极的电触点可与一个或两个平板相关联。在一些情况下，在一个基底上的电极电耦合至其它基底，使得只有一个基底与液滴致动器接触。在一个实施方案中，导电材料(例如，环氧树脂，诸如可从Master Bond,Inc.,Hackensack,NJ商购获得的MASTERBONDTM聚合物体系EP79)提供一个基底上的电极之间的电连接以及在其它基底上的电通路，例如，顶部基底上的接地电极可通过此类导电材料耦合至底部基底上的电通路。在使用多个基底的情况下，可在基底之间设置间隔区以确定其间的间隙的高度并限定致动器上的分配储器。间隔区高度例如可以为至少约5μm,100μm,200μm,250μm,275μm或更高。或者或另外，间隔区的高度可以是至多约600μm,400μm,350μm,300μm或更少。例如，间隔区可以由形成顶部或底部基底的突起层和/或插入在顶部基底和底部基底之间的材料形成。一个或多个开口可被设置在一个或多个基底中用于形成流体路径，流体可通过所述流体路径被递送至液滴操作间隙中。在一些情况下，可将一个或多个开口对准用于与一个或多个电极相互作用，例如对准而使得流经开口的液体将充分接近一个或多个液滴操作电极，以允许液滴操作由使用液体的液滴操作电极实现。在一些情况下，基部(或底部)基底和顶部基底可形成为一个整体部件。可以将一个或多个参考电极设置在基部(或底部)基底和/或顶部基底和/或间隙中。在上面引用的专利和专利申请中提供了参考电极布置的实例。在各种实施方案中，通过液滴致动器对液滴的操作可以是电极介导的(例如，电润湿介导或介电泳介导或库仑力介导的)。可用于本公开的液滴致动器的用于控制液滴操作的其它技术的实例包括使用引起流体力学流体压力的装置，诸如基于以下运行的那些装置：机械原理(例如，外部注射泵、气动隔膜泵、振动膜泵、真空装置、离心力、压电/超声波泵和声学力)；电或磁原理(例如，电渗流动、电动泵、铁磁流体插头、电水动力泵、使用磁力的吸引或排斥和磁流体动力泵)；热力学原理(例如，气泡生成/相位变化引起的体积膨胀)；其它种类的表面润湿原理(例如，电润湿和光电润湿以及化学、热、结构和放射性引起的表面张力梯度)；重力；表面张力(例如，毛细作用)；静电力(例如，电渗流动)；离心流动(基底被设置在压密盘上并旋转)；磁力(例如，振荡离子引起流动)；磁水动力学力；以及真空或压差。在某些实施方案中，可采用前述技术中的两种或多于两种技术的组合以进行本公开的液滴致动器中的液滴操作。同样地，前述技术中的一种或多种技术可用于将液体递送到液滴操作间隙中(例如，从另一装置中的储器或从液滴致动器的外部储器(例如，与液滴致动器基底相关联的储器和从储器至液滴操作间隙中的流动路径))。本公开的某些液滴致动器的液滴操作表面可由疏水性材料制成或可以被涂覆或处理以使所述液滴操作表面成为疏水性的。例如，在一些情况下，液滴操作表面的某些部分或全部可被用低表面能量材料或化学物来衍生化(例如，通过沉积或使用原位合成，使用化合物诸如溶液中的聚或全氟化化合物或可聚合单体进行)。实例包括
Figure BDA0001573803640000421
AF(购自DuPont,Wilmington,DE)、cytop材料家族的成员、
Figure BDA0001573803640000422
疏水性和超疏水涂层家族中的涂层(购自Cytonix Corporation,Beltsville,MD)、硅烷涂层、氟硅烷涂层、疏水性膦酸衍生物(例如，由Aculon公司销售的那些产品)以及NOVECTM电子涂层(可购自3M公司,St.Paul,M)、用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的其它氟化单体和用于PECVD的有机硅氧烷(例如，SiOC)。在一些情况下，液滴操作表面可包括厚度范围为从约10nm到约1000nm的疏水性涂层。此外，在一些实施方案中，液滴致动器的顶部基底包括导电的有机聚合物，其然后被涂覆有疏水性涂层或以其它方式处理以使液滴操作表面变成疏水性的。例如，沉积到塑料基底上的导电的有机聚合物可以是聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)。导电有机聚合物和可选导电层的其它实例描述于Pollack等人，国际专利公开号WO/2011/002957，名称为“Droplet Actuator Devices and Methods”，于2011年1月6日公开，整个公开通过引用并入本文。可使用作为基底的印刷电路板(PCB)、玻璃、涂覆氧化铟锡(ITO)的玻璃和/或半导体材料来制造一个基底或两个基底。当基底是涂覆ITO的玻璃时，ITO涂层的厚度优选为至少约20nm、50nm、75nm、100nm或更多。或者或另外，所述厚度可以是最多200nm、150nm、125nm或更少。在一些情况下，顶部和/或底部基底包括涂覆有电介质(诸如聚酰亚胺电介质)的PCB基底，在一些情况下，所述电介质也可被涂覆或以其它方式处理以使液滴操作表面变成疏水性的。当基底包括PCB时，下列材料是合适材料的实例：MITSUITM BN-300(可购自MITSUI Chemicals America,Inc.,San Jose CA)；ARLONTM11N(可购自Arlon,Inc,Santa Ana,CA)；
Figure BDA0001573803640000431
N4000-6和N5000-30/32(可从纽约州梅尔维尔(Melville,NY)的ParkElectrochemical公司商购获得)；ISOLATMFR406(可购自Park ElectrochemicalCorp.,Melville,NY)，特别地，为IS620；含氟聚合物家族(适合于荧光检测，因为它具有低背景荧光)；聚酰亚胺家族；聚酯；聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate)；聚碳酸酯；聚醚醚酮；液晶聚合物；环烯烃共聚物(COC)；环烯烃聚合物(COP)；芳纶(aramid)；
Figure BDA0001573803640000432
无纺布芳纶增强(可获自DuPont,Wilmington,DE)；
Figure BDA0001573803640000433
牌纤维(可购自DuPont,Wilmington,DE)；以及纸张。各种材料也适合于用作基底的电介质成分。实例包括：气相沉积的电介质，诸如PARYLENETM C(特别地，在玻璃上)、PARYLENETM N和PARYLENETM HT(用于高温，约300℃)(可购自Parylene Coating Services,Inc.,Katy,TX)；
Figure BDA0001573803640000434
AF涂层；cytop；阻焊层(soldermasks)，诸如液态光可成像阻焊层(例如，在PCB上)，如TAIYOTM PSR4000系列、TAIYOTM PSR和AUS系列(可购自Taiyo America,Inc.CarsonCity,NV)(对于涉及热控制的应用具有良好的热特性)以及PROBIMERTM 8165(对于涉及热控制的应用具有良好的热特性)(可购自Huntsman Advanced Materials Americas Inc.,LosAngeles,CA)；干膜阻焊层，诸如在
Figure BDA0001573803640000435
干膜阻焊层系中的那些干膜阻焊剂(可购自DuPont,Wilmington,DE)；膜电介质，诸如聚酰亚胺膜(例如，可购自DuPont,Wilmington,DE的
Figure BDA0001573803640000441
聚酰亚胺膜)、聚乙烯和含氟聚合物(例如，FEP)、聚四氟乙烯；聚酯；聚萘二甲酸乙二醇酯；环烯烃共聚物(COC)；环烯烃聚合物(COP)；上面列出的任何其它PCB基底材料；黑色基质树脂；聚丙烯；和黑色柔性电路材料诸如DuPontTM
Figure BDA0001573803640000442
HXC和DuPontTM
Figure BDA0001573803640000443
MBC(可购自DuPont,Wilmington,DE)。可根据在特定测定方案中使用的试剂来选择液滴传送电压和频率的性能。可改变设计参数，例如，接通致动器储器的数量和放置、独立电极连接的数量、不同储器的尺寸(体积)、磁体/珠清洗区的放置、电极尺寸、电极之间的间距和间隙高度(在顶部基底和底部基底之间)可被改变用于特定的试剂、方案、液滴体积等。在一些情况下，本公开的基底可被用低表面能量材料或化学物来衍生化(例如，使用沉积或原位合成(使用溶液中的聚或全氟化合物或可聚合单体))。实例包括用于浸涂或喷涂的
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AF涂层和
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涂层、用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的其它氟化单体以及用于PECVD的有机硅氧烷(例如，SiOC)。另外，在一些情况下，液滴操作表面的某些部分或全部可被涂覆有用于降低背景噪声(诸如来自PCB基底的背景荧光)的物质。例如，噪音降低涂层可包括黑色基质树脂(诸如可获自Toray industries,Inc.,Japan的黑色基质树脂)。液滴致动器的电极通常受控制器或处理器控制，所述控制器或处理器本身被设置为系统的部分，其可包括处理功能以及数据和软件存储以及输入能力和输出能力。试剂可被设置在液滴操作间隙中或流体地耦合到液滴操作间隙的储器中的液滴致动器上。试剂可以为液体形式(例如液滴)，或它们可以被以可重构形式在液滴操作间隙中或在流体地耦合到液滴操作间隙的储器中提供。可重构试剂通常可以与液体进行组合用于重构。适合用于本文中阐述的方法和装置的可重构试剂的实例包括在Meathrel等人的在2010年6月1日公告的名称为“Disintegratable Films for Diagnostic Devices”的第7,727,466号美国专利中描述的那些可重构试剂。
“液滴操作”意指对在液滴致动器上的液滴的任何操控。液滴操作例如可包括：将液滴加载至液滴致动器中；从液滴源分发一个或多个液滴，将液滴分裂、分离或划分为两个或多于两个液滴；在任何方向上将液滴从一个位置传送至另一位置；将两个或多于两个液滴合并或组合为单个液滴；稀释液滴；混合液滴；搅动液滴；使液滴变形；保持液滴在适当的位置；培育液滴；加热液滴；蒸发液滴；冷却液滴；处置液滴；将液滴从液滴致动器转运出去；本文描述的其它液滴操作；和/或前述的任何组合。术语“合并”、“组合”等用于描述从两个或多于两个液滴形成一个液滴。应当理解，当此类术语参考两个或多于两个液滴使用时，可以使用足以导致两个或多于两个液滴被组合成一个液滴的液滴操作的任何组合。例如，可以通过转运液滴A以与静态液滴B接触、转运液滴B以与静态液滴A接触或转运液滴A和液滴B以彼此接触来实现“将液滴A与液滴B合并”。术语“分裂”、“分离”和“划分”并不旨在暗示相对于所得液滴的体积(即，所得液滴的体积可以是相同或不同的)或所得液滴的数量(所得液滴的数量可以是2个、3个、4个、5个或更多)的任何特定结果。术语“混合”是指导致在一个液滴内的一种或多种成分的更均匀分布的液滴操作。“加载”液滴操作的实例包括微透析加载、压力辅助加载、机器人加载、被动加载和移液管加载。液滴操作可以是电极介导的。在一些情况下，通过使用表面上的亲水性区域和/或疏水性区域和/或通过物理障碍物来进一步促进液滴操作。对于液滴操作的实例，请参见上面在“液滴致动器”的定义下引用的专利和专利申请。阻抗或电容感测或成像技术有时可用于确定或确认液滴操作的结果。Sturmer等人的在2010年8月5日公布的名称为“Capacitance Detection in a Droplet Actuator”的美国专利公开号20100194408中进行了描述此类技术的实例，其全部公开内容通过引用并入本文。一般而言，感测或成像技术可用于确认在特定电极处的液滴的存在或不存在。例如，在液滴分发操作后的分发液滴在目标电极处的存在确认液滴分发操作是有效的。同样地，在测定方案中的适当步骤时的检测点处液滴的存在可确认先前的一组液滴操作已经成功产生用于检测的液滴。液滴转运时间可以是非常快的。例如，在各种实施方案中，液滴从一个电极到下一个电极的转运可超过约1秒或约0.1秒或约0.01秒或约0.001秒。在一个实施方案中，电极以AC模式操作，但是切换到DC模式用于成像。对于类似于电润湿面积的液滴足迹面积，进行液滴操作是有帮助的；换言之，分别使用1个、2个和3个电极来有效地控制操作1x-、2x-、3x-液滴。如果液滴足迹大于可用于在给定时间时进行液滴操作的电极的数量，则液滴尺寸和电极数量之间的差通常应不大于1；换言之，使用1个电极来有效地控制2x液滴并且使用2个电极来有效地控制3x液滴。当液滴包括珠时，液滴尺寸等于控制液滴(例如转运液滴)的电极的数量是有用的。
“填充流体”意指与液滴致动器的液滴操作基底相关联的流体，其中，流体与液滴相是充分不可混溶的，从而使液滴相经受电极介导的液滴操作。例如，液滴致动器的液滴操作间隙通常填以填充流体。填充流体可例如是或包括低粘度油(诸如硅油或十六烷填充流体)。填充流体可以是或包括卤化油(诸如氟化或全氟化油)。填充流体可填充液滴致动器的整个间隙或可涂覆液滴致动器的一个或多个表面。填充流体可以是导电或非导电的。填充流体可被选择以改善液滴操作和/或减少来自液滴的试剂或目标物质的损失、改善微液滴的形成、减少液滴之间的交叉污染、减少液滴致动器表面的污染、减少液滴致动器材料的降解等。例如，可对填充流体选择与液滴致动器材料的相容性。例如，氟化填充流体可以与氟化表面涂层一起有效地使用。氟化填充流体用于减少亲脂化合物(诸如伞形酮基底，如6-十六酰氨基(hexadecanoylamido)-4-甲基伞形酮基底(例如，用于克拉伯病(Krabbe)、尼曼-匹克病(Niemann-Pick)或其测定)的损失；其它伞形酮基底在2011年5月19日公布的美国专利公布号为20110118132中进行了描述，该美国专利的全部公开内容通过引用并入本文。合适氟化油的实例包括在Galden系中的那些氟化油，诸如Galden HT170(bp＝170℃，粘度＝1.8cSt，密度＝1.77)，Galden HT200(bp＝200C，粘度＝2.4cSt，d＝1.79)，Galden HT230(bp＝230C，粘度＝4.4cSt，d＝1.82)(全部来自Solvay Solexis)；在Novec系中的那些氟化油，诸如Novec 7500(bp＝128C，粘度＝0.8cSt，d＝1.61)，Fluorinert FC-40(bp＝155℃，粘度＝1.8cSt，d＝1.85)，Fluorinert FC-43(bp＝174℃，粘度＝2.5cSt，d＝1.86)(两者来自3M)。一般而言，全氟化填充流体的选择基于运动粘度(<7cSt是优选的，但不是需要的)以及基于沸点(>150℃是优选的，但不是需要的，用于基于DNA/RNA的应用(PCR等))。填充流体可例如掺杂有表面活性剂或其它添加剂。例如，添加剂可被选择以改善液滴操作和/或减少来自液滴的试剂或目标物质的损失、微液滴的形成、液滴之间的交叉污染、液滴致动器表面的污染、液滴致动器材料的降解等。可以对包括表面活性剂掺杂的填充流体的组成选择与用于特定的测定方案的试剂一起的性能以及与液滴致动器材料的有效相互作用或非相互作用。适用于本文阐述的方法和装置的填料流体和填料流体配制剂的实例在以下专利中提供：Srinivasan等人，国际专利公开号WO/2010/027894，名称为“Droplet Actuators,Modified Fluids and Methods,”公开于2010年6月3日；Srinivasan等人,国际专利公开号WO/2009/021173，名称为“Use of Additives for Enhancing Droplet Operations,”于2009年2月12日公开；Sista等人,国际专利公开号WO/2008/098236,名称为“DropletActuator Devices and Methods Employing Magnetic Beads,”公开于2009年1月15日；和Monroe等人,美国专利公开号20080283414,名称为“Electrowetting Devices,”于2008年11月20日公开，其全部公开通过引用并入本文，以及其它专利和本文引用的专利申请。氟化油可在一些情况下被掺杂有氟化表面活性剂(例如Zonyl FSO-100(Sigma-Aldrich)和/或其它氟化表面活性剂)。填充液通常是液体。在一些实施方案中，可以使用填充气体代替液体。
“储器”意指配置用于容纳、存储或供应液体的壳体或局部壳体。本公开的液滴致动器系统可包括接通盒储器和/或断开盒储器。接通盒储器可以是(1)接通致动器储器，其是液滴操作间隙中或液滴操作表面上的储器；(2)断开致动器储器，其是在液滴致动器盒上但是在液滴操作间隙外面并且不与液滴操作表面接触的储器；或(3)混合储器，其具有接通致动器区域和断开致动器区域。断开致动器储器的实例是在顶部基底中的储器。断开致动器储器通常与被布置用于将液体从断开致动器储器流入液滴操作间隙(诸如流入接通致动器储器)中的开口或流动路径流体连通。断开盒储器可以是完全不是液滴致动器盒的一部分但是使液体流向液滴致动器盒的一些部分的储器。例如，断开盒储器可以是系统的一部分或在操作期间与液滴致动器盒偶联的对接站。类似地，断开盒储器可以是试剂存储容器或用于迫使流体流入接通盒储器或流入液滴操作间隙的注射器。使用断开盒储器的系统将通常包括流体通道装置，从而流体可从断开盒储器转移到接通盒储器中或液滴操作间隙中。
在整个说明书中参考流动池和/或液滴致动器的部件的相对位置(诸如流动池和/或液滴致动器的顶部基底和底部基底的相对位置)使用了术语“顶部”、“底部”、“在...上面”、“在...下面”和“在...上”。应当理解，流动池和/或液滴致动器起作用而不管其在空间中的方位。
当以任何形式(例如，液滴或连续体，无论是运动还是静态的)的液体被描述为“在电极、阵列、基体或表面上”、“在电极、阵列、基体或表面”处或“在电极、阵列、基体或表面上面”时，此类液体可以直接接触电极/阵列/基体/表面或可以接触被插入在液体与电极/阵列/基体/表面之间的一个或多个层或薄膜。在一个实例中，填充流体可以被认为是此类液体与电极/阵列/基体/表面之间的薄膜。
当液滴被描述为“在液滴致动器上”或“加载到液滴致动器上”时，应当理解，液滴以下述方式排列在液体制动器上，所述方式便于使用液滴致动器以在液滴上进行一个或多个液滴操作，液滴以下述方式排列在液体制动器上，所述方式便于感测液滴的属性或来自液滴的信号，和/或液滴已在液滴致动器上经受液滴操作。
本文阐述的实施方案可以包括使用磁性传感方案用于生物或化学分析的方法、系统和装置。例如，实施方案可以使用磁性传感检测用于在边合成边测序(SBS)方案过程中碱基的检测和区分。各种实施方案可以提供用于集成CMOS流通池和/或液滴致动器上的基于磁性生物传感的SBS的方法。在一些实施方案中，流动池可以包含一种或多种由表面限定的通道，所述表面可以具有对其固定的模板链。根据预定的时间表，可以引导不同的溶液通过通道以递送用于SBS测序的试剂。在其它实施方案中，可以通过在液滴致动器上控制的液滴来递送试剂。
在一些实施方案中，可以通过单锅反应(也称为单锅合成(one-pot synthesis))来进行SBS测序。例如，可以将引物与聚合酶、可逆封闭核苷酸类似物，和去封闭剂同时提供。核苷酸、聚合酶、可逆封闭核苷酸类似物，和去封闭剂可在反应中同时存在。聚合酶能够催化将单个可逆封闭核苷酸类似物性添加至引物以创建具有封闭的3’末端的延伸的引物。去封闭剂能够去封闭延伸的引物的3’末端使得随后的核苷酸类似物可以添加至延伸的引物。在又一实施方案中，核苷酸可以不具有3’封闭并且不添加去封闭剂。随着聚合酶掺入连续的核苷酸，可以实时监测电阻(resistance)的变化。此类实施方案可以特别适用于分析单一分子。由于试剂同时在一起，可以序贯延伸引物以在单锅反应中掺入几种核苷酸类似物。单锅反应的至少一个优点在于不需要将试剂添加至反应中或从反应中除去，从而减少由重复的流体转移引起的试剂浪费，并通过最小化耗时的流体转移步骤来增加反应的周转时间。通过单锅反应的SBS测序描述于美国专利申请公开号No.2013/0085073中，通过引用以其整体并入本文。
在单锅反应过程中，磁响应式传感器有效地监测互补链和检测核苷酸何时添加至链。在此类实施方案中，核苷酸或聚合酶可具有对其附着的磁性颗粒。例如，每种类型的核苷酸可以具有一个或多个磁性颗粒，其提供独特磁特性，使得核苷酸与其它类型的核苷酸是可区分的。在其它实施方案中，聚合酶可以具有对其附着的磁性颗粒。如本文所用，不同类型的核苷酸可以具有不同的掺入速率，使得实施方案可以鉴定所添加的核苷酸的类型。
如本文所用，在一些实施方案中，模板链可以固定至(例如)流动池的表面。然而，在其它实施方案中，聚合酶可以固定至流动池的表面。聚合酶可以固定在小反应隔室或孔内。例如，聚合酶可以位于小体积内(例如仄升量级)，使得基于信号存在的时间，可以容易地将自由扩散的磁性颗粒与那些与聚合酶稳定结合的颗粒区分开来。可以将每个体积分配至一个或多个磁响应式传感器。
可以使用已知接头将聚合酶固定至表面。此类接头的实例包括：NHS-酯，异氰酸酯和异硫氰酸酯与胺的缀合，马来酰亚胺与半胱氨酸的缀合，使用叠氮化物与炔的点击化学，使用融合标签例如Halotag，Spycatcher-Spytag和其它类似的蛋白质-蛋白质生物缀合方法。有关可以使用的示例性连接的更多信息，请参见以下参考文献，其各自的全部内容通过引用并入本文：Hermanson,Bioconjugate Techniques,2nd Ed.,Elsevier,2008；Zakeriet al.,"Peptide tag forming a rapid covalent bond to a protein,throughengineering a bacterial adhesin,"PNAS 109(12):E691-E697(2012)；and Liu etal.,"Specific Enzyme Immobilization Approaches and Their Application withNanomaterials,"Topics in Catalysis 55(16-18):1146-1156(2012)。
在一个例示性实施方案中，半胱氨酸残基的还原硫醇(-SH)基团(也称为巯基)可以与具有巯基反应性基团的系链反应。此类基团的实例包含马来酰亚胺和碘乙酰胺。包含碘乙酰胺，马来酰亚胺，苄基卤化物和溴甲基酮的伯硫醇反应试剂可以通过硫醇的S-烷基化反应，以产生稳定的硫醚产物；芳基化试剂如7-硝基苯-2,1,3-恶二唑(NBD)卤化物可以通过亲核试剂类似取代芳族卤化物与硫醇或胺反应；并且由于硫醇盐阴离子是比中性硫醇更好的亲核体，半胱氨酸在其PKa以上更具反应性。此外，疏基反应性化学基团包含卤代乙酰基，马来酰亚胺，氮丙啶(aziridines)，丙烯酰基(acryloyls)，芳基化试剂，乙烯基砜，吡啶基二硫化物，TNB-硫醇(2-硝基-5-硫代苯甲酸)和二硫化物还原剂；此类基团可以通过烷基化(例如通过硫醚键的形成)或二硫化物交换(例如形成二硫键)与巯基缀合。也可以适当地使用巯基交换反应。
或者，可以靶向胺(-NH2)。例如，赖氨酸残基的伯胺和多肽N-末端是相对反应性的。胺残基可以用可以形成稳定的酰胺键的N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS酯)或可以与伯胺反应形成脒键的亚氨酸酯交联剂进行靶向。存在许多其它胺反应性化合物。例如，可与伯胺形成化学键的合成化学基团包含异硫氰酸酯，异氰酸酯，酰基叠氮化物，NHS酯，磺酰氯，醛，乙二醛，环氧化物，环氧乙烷，碳酸酯，芳基卤化物，亚氨酸酯，碳二亚胺，酸酐和氟苯基酯；此类基团可以与胺缀合，例如通过酰化或烷基化。在其它实施方案中，修饰的氨基酸残基可以用于引入新颖的功能性，如与点击化学一起使用的叠氮化物或炔。例如，如上描述的硫醇或胺反应性可以与允许添加叠氮化物或炔官能团以进一步用于点击化学反应的接头一起使用。
在一些实施方案中，可通过连接两个部分或分开(切割)两个部分的指定反应进行测序。在许多情况下，指定的反应可以是由化学或酶促引起的。然而，在一些实施方案中，指定的反应可以是由反应物所经历的温度或电学特性的变化引起的。
在一些实施方案中，磁性颗粒具有基本恒定或均匀的磁特性或状态。例如，磁特性可以提供恒定或均一的磁场。然而，在其它实施方案中，磁特性或状态可以是可诱导的或可调的。例如，可以通过应用指定频率的电磁能量来将磁特性从一个状态改变为另一个状态。
各种实施方案还包括系统和/或检测装置。如本文所用，“检测装置”包含磁响应式传感器阵列和隔室，该隔室允许使流体经其流到磁响应式传感器附近。在各种实施方案中，检测装置包含固态装置。例如，流体的流动可以是液体的连续流动，如描述于以下的那些：美国专利申请公开号2015/0079596,美国专利号8,951,781,和国际公开号WO 2015/089092，其各自通过引用以其整体并入本文。或者，还可以经由在本文中更详细地描述的液滴操作，如电润湿操作引导流体流动。
实施方案可以包含基于磁阻和/或自旋电子学的磁性生物传感SBS方案。例如，流动池或液滴致动器可以包含基于巨磁阻(GMR)设备和/或隧道磁阻(TMR)设备的高密度磁性传感器阵列。GMR设备和TMR设备还可分别称为GMR传感器或TMR传感器。在特定的实施方案中，磁性传感器阵列可用于检测DNA的扩增的克隆簇或用磁性颗粒标记的DNA单链。例如，磁性颗粒可以是磁性纳米颗粒和/或单分子磁体(SMM)。
如本文所用，磁响应式传感器阵列包含多个具有指定布置的传感器。阵列可以包含在网格或矩阵布置(如10行和10列)中并排定位的传感器，或者传感器阵列可以具有更多分散的、非均一布置。在一些实施方案中，阵列的磁响应式传感器可以彼此紧邻定位而无需任何居间元件。然而，在其它实施方案中，阵列的磁响应式传感器可以彼此间隔开。可选地，其它元件(例如电极)可以位于相邻的磁响应式传感器之间。
在一些实施方案中，在检测信号之前，可以选择性地将生物或化学样品定位在阵列的一个或多个磁响应式传感器附近。例如，可以将每个磁响应式传感器分配至相应的区域或体积(通常称为指定空间)，使得磁响应式传感器配置为检测来自该指定空间的外部磁场。作为一个具体的例子，模板链可以固定至位于指定空间的表面或矩阵。作为另一个例子，生物或化学样品可以位于定位在一个或多个磁响应式传感器上(over)的凹陷(如孔)内。
或者，在检测之前，生物或化学样品可以具有沿着磁性传感器阵列的未知位置。在此类实施方案中，只有在检测到磁性颗粒后才能确定磁性颗粒是否在磁响应式传感器的指定空间内。在此类实施方案中，一种或多种磁响应式传感器可能不能够检测生物或化学样品。在其它实施方案中，多个磁响应式传感器可以邻近单一样品，使得多个传感器的每个能够检测相同的磁性颗粒或者能够检测偶联至相同样品的不同磁性颗粒。
如本文所用，当用于详述说明和权利要求书时，术语诸如“[元件]的阵列”或“多个[元件]”等不一定包含组件可能具有的每个和每一元素。组件可以具有与多个元件类似的其它元件。例如术语“多个[具有所述特征]的磁响应式传感器”不一定意指检测装置的每个和每一具有所述特征。其它磁响应式传感器可以不包含所述特征。因此，除非另有明确说明(如“[具有所述特征]的每个和每一磁响应式传感器)，实施方案可以包含不具有所述特征的类似元件。
每个磁响应式传感器都可以用来检测电阻的变化。例如，每个磁响应式传感器可以具有与之相关的电阻。磁响应式传感器可以检测由例如位于磁响应式传感器附近的材料的磁特性引起的电阻变化。如本文所用，“磁特性”可以包含磁场、磁方向、磁矩。磁特性可以由展示顺磁性、反磁性、铁磁性，和反铁磁性的材料引起。磁特性还可以至少部分由材料中的电子自旋引起。在一些实施方案中，磁特性可以是不变的。然而，在其它情况下，可以改变或诱导磁特性。
例如，GMR传感器可以具有含有电阻的导电层，该电阻当存在具有指定磁特性的材料时能够发生变化。例如，磁性颗粒可以具有引起电阻变化的相应的磁场或磁矩。当不存在外部磁场时，GMR传感器可以具有第一电阻，并且当存在外部磁场时，GMR传感器可以具有第二电阻。类似地，TMR传感器可以具有呈现隧穿电流的绝缘层。隧穿电流的流动受到TMR传感器电阻的阻碍。当不存在磁性材料时，TMR传感器可以具有第一电阻，并且当存在磁性材料时，TMR传感器可以具有第二电阻。本文的实施方案能够确定电阻的差异以确定是否存在磁性材料。在一些情况下，磁性材料可以具有不同的磁特性。如此，实施方案可以能够区分不同的磁场和/或不同的磁矩。
对于每个磁响应式传感器，检测装置的电路，例如包含在读出电路中的电路，可以传输与磁响应式传感器处的电阻相关的信号。例如，电路可以电偶联至磁响应式传感器的一个或多个层，例如铁磁层之一和/或非磁性层之一。可以将来自外部磁场存在时和不存在时的信号相比较以检测电阻变化。电阻变化可以确定信号传输时是否存在磁性颗粒。例如，电阻的任何实质变化都可以表明存在磁性颗粒。此外，在一些实施方案中，可以分析变化的幅度以确定存在的磁性颗粒的类型或存在的磁性颗粒的数目。换言之，实施方案可以配置为(a)检测指定空间是否存在任何磁场，或(b)鉴定指定空间内存在的磁场强度。利用该数据，实施方案可以能够确定关于生物或化学样本的有用信息。所述有用信息例如可以是核苷酸的身份或核酸序列。
如上所述，当存在磁特性和当不存在磁特性时，实施方案可以接收表示电阻的信号。可以分析该数据以确定电阻变化。应当理解，当磁特性具有第一状态或质量或者当磁特性具有不同的第二状态或质量时，实施方案也可以接收信号。再次，可以分析该数据以确定电阻的变化。例如，磁性材料可以具有改变或诱导的磁特性。作为一个实例，SMM颗粒可以对一组不同的开(ON)/关(OFF)光频率敏感。通过提供开光频率或关光频率可以改变SMM颗粒的磁状态。因此，实施方案可以将应用开光频率之后接收的信号与应用关光频率之后接收的信号相比较。
下面描述的例子包括确定仅由磁场引起的电阻变化。然而，应当理解，取决于实施方案，此类变化可以由其它磁特性(例如磁方向和/或力矩)引起。
在特定的实施方案中，设备和方法可以用于对DNA的扩增克隆簇或DNA的单链进行测序。
在特定的实施方案中，半抗原标记的核苷酸和官能化的磁性纳米颗粒可用于检测和区分磁性生物传感SBS方案中核苷酸掺入事件。
在特定的实施方案中，用SMM标记的核苷酸用于磁性生物传感SBS方案中的碱基检测和区分。
在特定的实施方案中，未标记的核苷酸和官能化的DNA聚合酶用于磁性生物传感SBS方案中的碱基检测和区分。在一个实例中，用磁性颗粒(如单分子磁体)官能化(标签化)DNA。
1.1用于DNA测序的磁阻传感器
本文阐释的实施方案包括使用磁性传感方案的用于生物或化学分析的方法、系统、设备和装置。例如，实施方案可以包括使用用于对DNA测序(如用于支持磁性生物传感SBS方案)的磁性传感的设备和方法。即，一个或多个实施方案提供了包含基于磁阻和/或自旋电子学的磁性生物传感SBS方案的流动池和/或液滴致动器。磁阻是当外部磁场应用于材料时，材料的电阻值发生变化的性质。某些材料(和多层设备)显示巨磁阻(GMR)，庞磁阻(colossal magnetoresistance，CMR)，隧道磁阻(TMR)和特殊磁阻(EMR)。一般来说，电阻可以取决于磁化(由施加的磁场控制)或直接取决于磁场。自旋电子学，也称为自旋电子学(spinelectronics)或者fluxtronic，是一种新兴的技术，在固态设备中，除了电子的基本电荷以外，还利用电子的固有自旋和相关的磁矩两者。在自旋电子学中，自旋不仅由磁场操控而且还由电场操控。
一种或多种实施方案例如可以使用基于GMR的传感器和/或基于TMR的传感器的阵列。鉴于传统SBS设备的检测机制需要庞大且昂贵的光学系统，基于GMR和/或基于TMR的传感器可以利用已知的半导体制造工艺来制造存储器阵列，这可以用于便宜地制造磁性传感器阵列。此外，使用这些已知的半导体制造工艺，可以在例如流通池和/或液滴致动器中的磁性生物传感SBS方案中实现高密度磁性传感器阵列。
在如此进行中，实施方案可以提供便宜的，便携的，非光学的测序装置，其中(1)甚至最复杂的生物样品也缺乏可检测的磁性背景信号，(2)生物样品不会干扰磁性传导机制，和(3)来自盐，pH，荧光背景的污染不是磁生物传感方面的问题。此外，一个或多个实施方案可以很好地用于诊断(血液、细胞裂解物、唾液、尿液等)。就测序而言，这些特征自身导致单分子检测(在一些实施方案中，簇仍具有精确性的优点)和最小的样品制备应用。
图1A和1B分别示出了系统100的实例的顶视图和横截面图。在示出的实施方案中，系统100包含检测装置(或检测器)102，与检测装置102流动通信的流体控制系统104(图1A)，读出电路106(图1A)，和分析电路105(图1A)。检测装置102包含用于支持(例如)磁性生物传感SBS方案的磁性传感器阵列110。例如检测装置102包含底部基底108，该基底含有印刷电路板(PCB)112和在PCB 112上安装的磁性传感器阵列110。检测装置102还包含相对于磁性传感器阵列110设置的顶部基底(或流动池)114。磁性传感器阵列110沿着底部基底108的基底表面109(图1B)定位。隔室或储器118限定在基底表面109和顶部基底114之间。磁性传感器阵列110可以包含位于隔室118内的指定空间附近的多个传感器。例如，传感器可以具有限定隔室118的暴露表面。或者，一层或多层(例如钝化层)可以位于隔室118和磁性传感器阵列110之间。例如，基底表面109可以由钝化层限定。在示出的实施方案中，顶部基底114和底部基底108由间隔物116分开。在其它实施方案中，顶部基底114可以成形以形成凹部，其当顶部基底114安装至底部基底108上时变为隔室118。
例如，顶部基底114可以是玻璃基底或塑料基底。在一个实例中，顶部基底114为约400μm厚。在一个实例中，间隔物116是高度约100μm的粘性间隔物。在另一个实例中，间隔物116是与顶部或底部基底整合的竖板(riser)，且高度约为100μm。测序隔室118是由顶部基底114中的入口120和出口122提供的流动通道。即，使用入口120和出口122，液体可以流入或流出隔室118。
在一个实例中，磁性传感器阵列110是10x 10阵列，其中磁响应式传感器的间距的范围例如可以从约10μm至约100μm。在另一个实例中，磁性传感器阵列110是高密度，基于CMOS的磁性传感器阵列，例如8,000x 8,000阵列，其中磁响应式传感器的间距为约200nm(每个目前64Mbit设备)，或100,000x 100,000阵列，其中磁响应式传感器的间距为约100nm(每个目前10Gbit设备)。在一个实例中，磁性传感器阵列110是100nm x 400nm装置。
形成磁性传感器阵列110的磁响应式传感器例如可以是基于GMR的设备或传感器或者基于TMR的设备或传感器。基于GMR的设备或基于TMR的设备例如可用于检测DNA的扩增克隆簇或用例如磁性颗粒和/或SMM标记的DNA的单链。系统100可用于其它应用，如诊断应用，其中探针或其它部分具有选择地附着至指定的生物或化学靶物的磁性颗粒。
如图1A所示，读出电路106与检测装置102分开。然而，在其它实施方案中，读出电路106可以完全与检测装置102集成在一起。例如，检测装置102可以包括固态设备(如CMOS)，其包含形成读出电路106的至少一部分的电路。在一些实施方案中，底部基底108可以包含CMOS设备。
读出电路106与形成阵列110的磁响应式传感器通信偶联。读出电路106配置为向分析电路105传输信号，其可以基于(或指示或代表)磁响应式传感器的电阻。读出电路106包含导电通路。在一些实施方案中，读出电路106包含配置为在将信号传输至分析电路105之前修改信号的电路。例如，读出电路106可以放大信号，将信号数字化，根据查询表格来转换信号等。或者，在将信号传输分析电路之前，读出电路106不修改信号。
在一些实施方案中，读出电路106确定磁响应式传感器处的电阻并将该数据传输至分析电路105。在其它实施方案中，读出电路106将原始数据传输至分析电路105并且分析电路确定每个磁响应式传感器处的电阻。可通过使用欧姆定律或其他至少部分基于欧姆定律的公式/算法来计算电阻。可以例如通过向查询表格提供信息(例如，检测到的电流或电压)来计算电阻，所述查询表格将信息转换为表示电阻的信号或值。
分析电路105配置为接收(直接或间接)来自读出电路106的信息并根据一种或多种预定算法/公式来分析信号以提供有用的信息。可选地，分析电路105可以与检测装置102集成在一起。例如，分析电路可以固定到底部基底108。
读出电路106和/或分析电路105可以确定检测的每个磁响应式传感器处的电阻变化。如本文所用，词语“确定检测的电阻变化”(等等)并不意在限于简单的数学计算。在某些情况下，唯一必需的信息是电阻(或其他指示电阻的特性，如电流或电压)是否满足一定的条件。例如，如果电阻低于指定值，则读数可以指定为正读数(即，在指定空间内存在磁性颗粒)。如果电阻高于指定值，则读数可以指定为负读数(即，不存在磁性颗粒)。在以上实例中，电阻与指定值不同的量是不相关的。查询只是电阻是否高于或低于指定值。
然而，在其它实施方案中，电阻(或其它电特性)与指定值不同的量可能是有用的。例如，电阻的变化量可以指示磁场的强度。磁场的强度继而可以对应于指定空间内磁性颗粒的数目和磁性颗粒的类型。
因此，确定检测的电阻变化的步骤可以包括(a)确定是否存在任何变化和/或(b)确定变化的量。此外，确定检测的电阻变化的步骤可以包括使用代表其他电学特性(如电流、电压)的值。
作为一个实例，检测的变化可以由第一检测值和第二检测值之间发现的差异来确定，所述第一检测值(例如基线电阻、基线电流或基线电压)在第一时间段(如在切割操作后)获得，所述第二检测值在后续的第二时间段(如在掺入事件之后)获得。
作为另一个实例，可以仅在接收单一检测值后确定检测的变化。例如，可以向阵列中的每个磁响应式传感器分配指定的阈值或基线值。可以通过将指定的值与检测值相比较来将读取鉴定为正值或负值。
在其它实施方案中，检测值可应用于查询表格，其可以提供输出。该输出可以指示磁场的强度，其继而可以对应于指定空间内的磁性颗粒的数目和/或磁性颗粒的类型。
在其它实施方案中，检测值可以与多个不同的值进行比较。这些不同的值中的每个都可以对应于一种磁性颗粒。例如，如果检测值大致等于第一幅度，则第一类磁性颗粒可以在指定空间内。如果检测值大致等于第二幅度，则第二类磁性颗粒可以在指定空间内。类似地，检测值可以与多个不同的数值范围进行比较。如果检测值在第一范围内，则第一类型的磁性颗粒可以在指定空间内。如果检测值在第二范围内，则第二类型的磁性颗粒可以在指定空间内。
检测值可以表示一次获得的单一值。然而，在一些情况下，可以在预定时间段内或在多个预定时间段内获得检测值。例如，检测值可以是在该时间段期间检测到的最大值或最小值，或者可以是在该时间段期间检测到的平均值。在其它实施方案中，电阻变化存在的持续时间也可以提供有用的信息。
分析电路105配置为分析检测到的变化以提供关于生物或化学样品的有用信息。例如，分析电路105可以识别或调用为每个SBS事件添加的核苷酸，以确定核酸的序列。SBS事件可以包括用于引起向互补序列添加核苷酸的一个或多个步骤以及用于检测所述添加的一个或多个步骤。SBS事件可以包括向多个簇(例如，数百，数千个簇)添加单个核苷酸，或者可以包括向单个互补链添加单个核苷酸。本文描述了鉴定核苷酸的各种方法。该方法可以包括上述用于检测电阻变化的步骤。例如，在一些实施方案中，仅单个检测到的变化就足以鉴定核苷酸。在其它实施方案中，可以比较两个或更多检测的变化来鉴定核苷酸。
在一些实施方案中，可以通过调用核苷酸和/或可以通过对每个SBS事件比较检测到的与多个磁响应式传感器相关联的变化来确定序列。例如，如果第一磁响应式传感器具有第一电阻，并且第二磁响应式传感器具有不同的第二电阻，则可以确定由第一和第二传感器检测到的磁性颗粒是不同的。如果第三磁响应式传感器具有与第四磁响应式传感器基本相同的电阻，则可以确定由第三和第四传感器检测到的磁性颗粒是相同的。
在一些实施方案中，可以通过调用核苷酸和/或可以通过比较与每个磁响应式传感器相关联的不同检测变化来确定序列。例如，在SBS方案之后，磁响应式传感器可以具有100个与之相关的不同读取。每个读取可以对应于掺入至互补链的四种碱基之一。基于相同类型(或相同数目)的磁性颗粒将提供相同的电阻变化的假设，可以为每个读取调用核苷酸。
读出电路106和/或分析电路105可以包括运行以执行一个或多个功能的硬件和/或软件系统。例如，读出电路106和/或分析电路105可以包括计算机处理器，控制器或其它基于逻辑的设备，其基于存储在有形和非暂时性计算机可读存储介质，诸如计算机内存上的指令执行操作。或者，读出电路106和/或分析电路105可以包括执行基于设备的硬连线逻辑的操作的硬连线设备。
读出电路106和/或分析电路105可以包含或表示进行一种或多种本文描述操作的硬件和相关联的指令(例如，存储在有形和非瞬态计算机可读存储介质上的软件，诸如计算机硬盘、ROM、RAM等)。硬件可以包括电子电路，其包含一种或多种基于逻辑的设备和/或与一种或多种基于逻辑的设备相关联，所述基于逻辑的设备诸如微处理器、处理器、控制器等。这些设备可以是现成设备，其经适当编程或指示以从上文描述的指令进行本文中描述的操作。另外或或者，这些设备的一个或多个可以是具有逻辑电路的硬连线设备以进行这些操作。
如本文所用，“配置为”进行任务或操作的结构、限制或元件是以对应于任务或操作的方式特别在结构上形成、构建或调整。出于清楚和避免疑义的目的，仅仅能够修改以执行任务或操作的对象不“配置为”进行如本文使用的任务或操作。相反，如本文所用，“配置为”的使用表示结构适应性或特性，并且表示描述为“配置为”进行任务或操作的任何结构，限制或元件的结构要求。例如，“配置为”进行任务或操作的读出电路或分析电路可以理解为具有特定的结构以进行任务或操作(例如具有一种或多种储存其上的程序或指令或与之一起使用，定制或意图进行任务或操作，和/或具有调整或意图进行任务或操作的处理电路布置)。出于清楚和避免疑义的目的，通用目的的计算机(如果适当编程，则其可以称为“配置为”进行任务或操作)不“配置为”进行任务或操作，除非或直到经特别编程或结构修改以进行任务或操作。另外，注意到由读出电路106和/或分析电路105(例如对应于本文讨论的过程或方法的操作或其方面)执行的操作可以足够复杂，使得操作可能不会在合理的时间段内人为进行。
系统和/或检测装置还可以包含流体控制系统，其配置为将试剂按照指定的时间表流过进行预定方案的隔室。流体控制系统包括通道网路，其可以由管、流动池或其它流体设备形成。可以通过选择地激活以递送需要的试剂的一种或多种阀门或泵来控制流动。方案可以是SBS方案，其中将试剂(包含多种类型的核苷酸、酶(如聚合酶)或其它试剂组分)提供至指定空间以延伸模板链。流体控制系统可以与以下描述的系统类似或者与以下描述的系统类似的方式操作：美国申请专利公开号2015/0079596和2015/0045234；美国专利号8,951,781和8,173,080；以及国际公开号WO 2014/143010和WO 2015/089092，其各自通过引用以其整体并入本文。在每个掺入事件之后或期间，读出电路可以将信号传输至分析电路。
在一些实施方案中，流体控制系统提供连续的试剂流。然而，在其它实施方案中，检测装置102包含液滴致动器。例如，顶部和底部基底114,108的至少一个可以包含用于执行液滴操作的电极。电极可以交错或分布在磁性传感器阵列110内。或者，在其它实施方案中，磁性传感器阵列110可以隔着隔室118与电极相对放置。
图2A和图2B分别显示了GMR设备200和TMR设备205的实例。GMR设备200和TMR设备205两者包含由非磁性层分开的一对铁磁层
现在参考图2A，GMR设备200包括第一铁磁层210，非磁性层212和第二铁磁层214。非磁性层212夹在铁磁层210和铁磁层214之间。铁磁层210和铁磁层214是铁磁合金。磁性层212是超薄的非磁性导电层(例如铜层)。
图2A显示了处于两种状态的GMR设备200，其中铁磁层214中的磁化方向是使用铁磁层214顶上的钉扎层(pinning layer)(未示出)固定或“钉扎”。首先，铁磁层210和铁磁层214中的磁矩由于反铁磁耦合而面向相反的方向。在该状态下，对电流(I)的阻力较高。铜非磁性层212通常是优良的导体，但是当它只有几个原子厚时，电子散射导致铜的电阻显著增加。该电阻根据导电层(即非磁性层212)周围的电子自旋的相对取向而变化。
接下来，通过施加克服反铁磁耦合并且对齐铁磁层210和铁磁层214中的磁矩的外部磁场(H)，GMR设备200的状态可以翻转。暴露于外部磁场(H)改变(即减小)设备电阻，因此该结构可用于感测外部场。实用的设备通常由多层交替磁性层和非磁性层组成，以提高灵敏度。当GMR设备200经受磁场时，电阻的变化通常可以从10％到大约20％，这与其他类型的磁性传感器的最大灵敏度几个百分点相比较大。
现在参考图2B，TMR设备205包括铁磁层210，非磁性层212和铁磁层214。然而，其中GMR设备200中的非磁性层212是导电的，在TMR设备205中，非磁性层212是薄的绝缘层。
当两个铁磁层(即铁磁层210和铁磁层214)由薄的绝缘层(即非磁性层212)分开时，在与膜的垂直方向上多层的电阻随由于两个铁磁层之间的自旋依赖性电子隧穿所致的铁磁层的磁化取向而改变。
图2B示出处于两种状态的TMR设备205，其中铁磁层214中的磁化方向使用铁磁层214顶上的钉扎层(未示出)固定或“钉扎”。首先，当两个铁磁层的磁化方向相反时，相对于铁磁层的磁化而言具有相反的自旋取向的电子不能隧穿。然后，与磁化的相同方向的情况相比，隧穿电子电流变得更小(即，更高的电阻)。接下来，当两个铁磁层的磁化方向相同时，通过绝缘层的两个铁磁层之间的电子隧穿的可能性变大，导致较大的隧穿电流(即较低的电阻)。
图2A的GMR设备200和图2B的TMR设备205的设备几何形状基于平行的各向异性，意味着游离和钉扎层磁化与基底的平面平行。然而，磁性传感器阵列110可以基于任何已知的GMR/TMR设备的几何形状。在另一个实例中，磁性传感器阵列110可以基于利用垂直各向异性而不是平行各向异性的GMR/TMR几何形状，意味着游离和钉扎层磁化垂直于基底平面。
对于使用流动池100的基于GMR和/或基于TMR的磁性传感器阵列110来检测DNA的扩增克隆簇或用例如磁性纳米颗粒和/或SMM标记的DNA单链，图3显示了使用单个磁性纳米颗粒的GMR生物芯片的灵敏度曲线图300的实例。现在参考曲线图300，预放大信号的测量的均匀场依赖性证明最小可检测场变化优于0.1Oe。单个纳米颗粒在传感器区域上产生0.12Oe的均匀场(通过模拟)，这表明GMR生物芯片可以执行单个纳米颗粒(分子)检测。预期使用包含一个或多个DNA分子模板的簇将增加读出信号的强度。
图4是图1A和1B所示的检测装置102的一部分的横截面图，并显示了磁性传感器阵列110的磁响应式传感器的更多细节。再次，检测装置100包括安装到PCB 112的磁性传感器阵列110。图4显示了磁性传感器阵列110包括多个磁响应式传感器130。在一些实施方案中，磁响应传感器130可以排列成行和列。然而，可以基于期望的应用来选择其它布置。每个磁响应式传感器130例如可以是基于GMR的设备(如图2A的GMR设备200)或基于TMR的设备(如图2B的TMR设备205)。每个磁响应式传感器130可以包含夹在第一铁磁层210和第二铁磁层214之间的非磁性层212。在这个实例中，每个磁响应式传感器130的第一铁磁层210定向为朝向隔室118。此外，使用与第二铁磁层214相邻的钉扎层216来固定或“钉扎”第二铁磁层214中的磁化方向。尽管图4仅示出了第一和第二铁磁层210，214和非磁性层212，但是应该理解，其他实施方案可以包含相对于彼此堆叠多于一个非磁性层和多于两个铁磁层。
如所示，将磁响应式传感器130中的每一个配置为检测位于或产生在隔室118内的指定或相关空间131内的外部磁场。如本文所用，术语“指定空间”是指可由相应的磁响应式传感器检测一个或多个磁性颗粒的临近空间。应该理解的是，指定空间的尺寸和形状可以基于多个因素，例如磁性颗粒的尺寸和强度、磁响应式传感器的结构(例如尺寸、形状和层数)或者磁响应式传感器的灵敏度。如此，指定空间可能会根据应用而改变。尽管预期磁响应式传感器可以从与传感器的指定空间相邻的空间检测外部磁场，但该外部磁场可能相对较弱，并且任何信号可以识别为噪声。
在说明的实施方案中，每个指定空间仅是隔室118的一小部分或体积，其在磁性传感器阵列110旁连续地延伸，使得相邻的指定空间不会由其它物体，如壁隔开。然而，在其它实施方案中，指定空间可以物理地彼此分开。例如，每个指定空间可以存在于由一个或多个壁限定的孔或凹陷内。壁可以分开指定空间。对于包含液滴致动器的实施方案，当将试剂递送至指定空间时，指定空间可以由液滴占据。在此类实施方案中，可以通过填充液彼此分开指定空间。然而，也可以预期单一液滴可以一次占据多个指定空间。
另外，图4显示了检测装置102可以包含位于磁响应式传感器130和隔室118之间的层140。图4还显示了检测装置102可以包括沿顶部基底114定位的导电层150。顶部基底114上的导电层150例如可以是金层或氧化铟锡(ITO)层。在一个实例中，导电层150可以被用作磁性传感器阵列110的所有磁响应式传感器130所共有的Vdd参考平面。
层140可以由适合在隔室118中进行基于表面的化学的任何亲水性材料、疏水性材料或亲水性和疏水性材料的组合形成。例如，层140的厚度可以是从约300nm至约400nm。在一个实例中，层140是聚丙烯酰胺凝胶涂层，如降冰片烯(norbornene)(或降冰片烯(norbornylene)或降莰烯(norcamphene))与聚(N-(5-叠氮基乙酰胺基戊基)丙烯酰胺-共-丙烯酰胺)的混合物，也称为PAZAM。关于PAZAM的更多细节可以参考George等人,美国专利申请号13/784,368,名称为“Polymer Coatings,”于2013年3月4日提交,其整个公开通过引用以其整体并入本文。
图4中，多个寡核苷酸引物142固定在隔室118中的层140上并相对于磁性传感器阵列110的磁响应式传感器130的位置定位。在一个实例中，寡核苷酸引物142是捕获引物，在其上杂交和扩增单链DNA片段以形成用于SBS的克隆DNA模板簇。
如本文所述，在一些实施方案中，例如可以通过掺入直接或间接用磁性颗粒标记并使用磁响应式传感器130检测的核苷酸来提供SBS反应过程中所提供的信号，如下面更详细描述的。磁性颗粒例如可以是磁性纳米颗粒或SMM。
1.2基于磁性纳米颗粒的SBS
在一个实施方案中，官能化的磁性纳米颗粒和半抗原标记的核苷酸用于检测磁性生物传感SBS方案中核苷酸掺入事件。在一个实例中，核苷酸(A,G,C,和T)是生物标记的并且用链霉亲合素包被所述磁性纳米颗粒。例如，使用单个类型的磁性纳米颗粒并且四(4)流体/检测循环用于在SBS循环中序贯添加核苷酸。
图5-12示出了可以由本文阐述的系统和检测装置进行的各种方法。例如，方法可以包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。磁响应式传感器中的每个可以位于相应的指定空间附近以从其检测外部磁场。检测装置还包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。方法还包括进行多个SBS事件以通过沿着每个模板链掺入核苷酸来生长互补链。将至少一些核苷酸附着至提供相应磁场的相应磁性颗粒上。多个SBS事件的每个包括检测由磁性颗粒的各个磁场引起的磁响应式传感器处的电阻的变化。方法还可以包括确定互补链的序列。互补链的序列基于针对多个SBS事件的每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
图5示出了图1A，图1B和图4中所示的流通池100的一部分，并描绘了磁性生物传感SBS方案500的一个实例。在磁性生物传感SBS方案500中，掺入的生物素化核苷酸用于捕获链霉亲合素包被的磁性纳米颗粒并产生可检测信号。在该实例中，在簇扩增过程中形成的DNA模板链510(即，DNA模板链510a和510b)固定在层140上。DNA模板链510a是第一克隆簇的一条模板链，并且DNA模板链510b是第二克隆簇中的一条模板链。杂交至DNA模板链510a和510b的分别为测序引物515a和515b。在碱基添加反应中，掺入生物素化的核苷酸520掺入延伸测序引物515中。参考图6更详细地描述了生物素化核苷酸520。在一个实例中，生物素化核苷酸520是dATP。生物素化的核苷酸520仅在DNA模板510b上掺入到生长的互补链中(即dATP对DNA模板510a上的碱基添加不是互补的)。将含有多种链霉亲合素包被的磁性纳米颗粒525的溶液(未示出)流入流动池100的测序隔室118中。磁性纳米颗粒525可以是例如直径为约10nm至约50nm的超顺磁性纳米颗粒。磁性纳米颗粒525通过形成生物素-链霉亲合素结合复合物来结合掺入的生物素化的核苷酸520。通过洗涤来除去未结合的磁性纳米颗粒525。与掺入的核苷酸520结合的磁性颗粒525改变磁性传感器130b的电阻并且生成并测量相应的电信号。尽管在磁性传感器130a处不存在与DNA模板链510a/测序引物515a结合的磁性纳米颗粒525，但由磁性传感器130a产生的信号与由磁性传感器130b产生的信号不同。
图6A说明图5的生物素化核苷酸520的部分结构式。生物素化的核苷酸520包括生物素标记物610。生物素标记物610通过可切割的接头620与核苷酸520的碱基615结合。核苷酸520的3’羟基(OH)受封闭基团625保护。在将核苷酸520掺入生长的互补DNA链并且检测(磁性生物传感)掺入事件之后，可以通过切割可切割接头620从核苷酸520除去生物素/链霉亲合素磁性纳米颗粒复合物。在除去生物素/链霉亲合素磁性纳米颗粒复合物后，检测信号返回至背景水平。可通过去封闭反应来除去封闭基团625以进行下一个互补性生物素化的核苷酸的随后掺入。
图6B示出了可用于一些实施方案中的磁标记的核苷酸650的部分结构式。核苷酸650包含碱基655和通过接头670附着至gamma磷酸665的磁性颗粒660。可以使用各种接头和各种磁性颗粒。
图7示出了在磁性生物传感SBS方案中，使用例如图1A，图1B和图4中所示的流动池100的碱基确定方法700的实例的流程图。方法700使用连续添加生物素化的核苷酸(即一次一个核苷酸)和一种类型的链霉亲合素包被的(SA)磁性纳米颗粒用于碱基确定。在一个实例中，方法700使用图5的磁性生物传感SBS方案和图6的生物素化的核苷酸520。现在参考图7，方法700包括但不限于以下步骤。
在步骤710，在SBS循环的第一碱基添加反应中将第一生物素化的核苷酸520掺入生长的互补DNA链中。可以将第一生物素化的核苷酸520递送至具有模板链的指定空间。例如，将含有第一生物素化的核苷酸520(例如生物素化的核苷酸520a)的溶液流入流动池100的测序隔室118并通过指定空间以允许第一生物素化的核苷酸520来延伸生长的互补链。作为另一实例，使用本文描述的液滴操作，可以将含有第一生物素化的核苷酸520的溶液的液滴递送至每个指定空间。液滴可占据指定空间达一段预定的时间以允许第一生物素化的核苷酸520延伸生长的互补链。在一个实例中，第一核苷酸是生物素化的dATP。
在步骤715，将SA磁性颗粒引入流动池。可以将SA磁性纳米颗粒递送至具有模板链的指定空间并且可以检测第一信号。例如，可以将含有SA磁性纳米颗粒525的溶液流入流动池100的隔室118中。SA磁性纳米颗粒525允许由第一生物素化的核苷酸520捕获。例如，可以经由在位置(簇)处的生物素/链霉亲合素结合复合物来捕获磁性纳米颗粒525。作为另一个实例，可以使用本文描述的液滴操作将溶液的液滴递送至每个指定空间。液滴可占据指定空间达一段预定的时间以允许SA磁性纳米颗粒附着至标记的核苷酸。在磁性颗粒附着至标记的核苷酸之后，可以检测第一信号。信号可以是磁响应式传感器处的电阻变化。电阻变化可由位于指定空间内的磁性颗粒引起。
在步骤720，可以从标记的核苷酸除去所述磁性颗粒。例如，可以通过切割可切割接头620来从掺入的核苷酸520除去生物素/链霉亲合素磁性纳米颗粒复合物。在除去生物素/链霉亲合素磁性纳米颗粒复合物之后，信号返回到背景水平。通过去封闭反应来除去核苷酸520的封闭基团625来用于下一个互补性核苷酸的随后掺入。
SBS测序由随后的碱基添加反应继续进行。在特定的实施方案中，可以进行第二、第三和第四碱基添加反应。例如，可以将含有第二生物素化的核苷酸520(如生物素化的核苷酸520b)的溶液流入流动池100的测序隔室118中。在一个实例中，第二核苷酸是生物素化的dGTP。
在步骤725中，将SA磁性纳米颗粒引入流动池中并且检测第二信号。例如在掺入有G的位置(簇)处，经由生物素/链霉亲合素结合复合物来捕获磁性纳米颗粒525，并且在相关联的磁性传感器130处检测第二信号。
在步骤730，通过切割可切割接头620来从掺入的核苷酸520除去生物素/链霉亲合素磁性纳米颗粒复合物。通过去封闭反应来除去核苷酸520的封闭基团625用于下一个互补性核苷酸的随后掺入。通过第三碱基添加反应来继续SBS循环。例如，将含有第三生物素化的核苷酸520(例如生物素化的核苷酸520c)的溶液流入流动池100的测序隔室118中。在一个实例中，第三核苷酸是生物素化的dCTP。
在步骤735，将SA磁性纳米颗粒引入流动池并且检测第三信号。例如，在掺入有C的位置(簇)处，经由生物素/链霉亲合素结合复合物来捕获磁性纳米颗粒525，并且在相关联的磁性传感器130处检测第三信号。
在步骤740，通过切割可切割接头620来从掺入的核苷酸520处除去生物素/链霉亲合素磁性纳米颗粒复合物。通过去封闭反应来除去核苷酸520的封闭基团625用于下一个互补性核苷酸的随后掺入。通过第四碱基添加反应来继续SBS循环。例如，将含有第四生物素化的核苷酸520(即生物素开花的核苷酸520d)的溶液流入流动池100的测序隔室118中。在一个实例中，第四核苷酸是生物素化的dTTP。
在步骤745，将SA磁性纳米颗粒引入流动池中并且检测第四信号，例如在掺入有T的所有位置(簇)处，经由生物素/链霉亲合素结合复合物来捕获磁性纳米颗粒525，并且在相关联的磁性传感器130处检测第四信号。
在判定步骤750，确定是否需要另一个四碱基添加SBS循环。如果需要另一个SBS循环，则将方法700进行至步骤755。如果不需要另一个SBS循环，则方法700结束。
在步骤755，通过切割可切割接头620来从掺入的核苷酸520处除去生物素/链霉亲合素磁性纳米颗粒复合物。通过去封闭反应来除去核苷酸520的封闭基团625用于下一个互补性核苷酸的随后掺入。方法700返回至步骤710。
在另一实例中，“2-标记物”磁性生物传感SBS方案使用半抗原标记的核苷酸和两种类型的官能化的磁性纳米颗粒。在该实例中，使用两个流体/检测循环来进行SBS循环中的碱基区分。
图8示出了在“两标记物”磁性生物传感SBS方案中，使用例如图1A，图1B和图4中所示的流动池100的碱基确定的方法800的实例的流程图。图9示出了图示地显示图8的方法800的步骤的示意图。在一个实例中，方法800使用具有可切割二硫(SS)键的生物素化的A核苷酸(A-LN3-SS-生物素)、生物素化的C核苷酸(C-LN3-生物素)，和链霉亲合素(SA)包被的磁性纳米颗粒来检测A和C的掺入，以及地高辛(DIG)-标记的T核苷酸(T-LN3-DIG)和用对DIG特异的抗体(或抗体片段)包被的磁性纳米颗粒来检测T的掺入。未标记G核苷酸用于检测。现在参考图8，方法800包括但不限于以下步骤。
在步骤810，在SBS循环中将核苷酸掺入生长的互补链。核苷酸可以是A-LN3-SS-生物素,C-LN3-生物素,T-LN3-Dig,或未标记的G。在图9的示意图中也图示性地显示了该步骤。
在步骤815，检测到A或C核苷酸的掺入的第一信号。例如，使用流动池100的磁性传感器130，检测到A或C核苷酸的掺入的第一信号。将链霉亲合素(SA)包被的磁性纳米颗粒的溶液流过流动池100的测序隔室118，并且在具有A或C掺入的位置(簇)处形成生物素/链霉亲合素复合物。在图9的示意图中也图示性地显示了该步骤。
在步骤820，将包含抗DIG包被的磁性纳米颗粒(抗DIG NP)和二硫(SS)-切割物(cleaver)的溶液流过流动池100的测序隔室118。掺入的T-LN3-DIG核苷酸和抗DIG NP之间的组合物形成选择性地鉴定具有T的掺入的位置(簇)。SS-切割物切割掺入的A-LN3-SS-生物素核苷酸中的二硫键并且从A核苷酸中有效除去生物素/链霉亲合素复合物，从而消除可从那些位置生成的信号。在图9的示意图中也图示性地显示了该步骤。
在步骤825，检测到T核苷酸的掺入的第二信号。例如，使用流动池100的磁性传感器130，检测到T核苷酸的掺入的第二信号。也检测到C核苷酸掺入的信号。在图9的示意图中也图示性地显示了该步骤。
在步骤830，使用生物信息学软件进行碱基调用。在该实例中，在第一信号检测中检测A和C的掺入。在第二检测信号中检测T和C的掺入。由于在步骤820，SS-切割物流过流动池，第二信号检测中不存在来自掺入的A核苷酸的信号。基于在第一和第二检测中缺少信号来确定G的掺入。在图9的示意图中也图示性地显示了该步骤。
在判定步骤835，确定是否需要SBS的另一个循环。如果需要另一个SBS循环，则将方法800进行至步骤840。如果不需要另一个SBS循环，则方法800结束。
在步骤840中，进行去封闭反应和裂解反应。去封闭反应用于除去掺入的核苷酸上的封闭基团用于在下一个SBS中的下一个核苷酸添加。切割反应用于从掺入的核苷酸除去结合的磁性纳米颗粒并将信号返回至背景水平。方法800返回至步骤810。在图9的示意图中也图示性地显示了该步骤。
在其它实施方案中，当将核苷酸添加至互补链时，磁性颗粒可以已经附着至一种或多种的核苷酸。例如，流过测序隔室用于添加至互补链的核苷酸可以是A-LN3-SS-磁性颗粒、C-LN3-生物素、T-LN3-磁性颗粒，和未标记的G。在此类实施方案中，在将核苷酸添加至互补链之后，没有必要将磁性颗粒附着至核苷酸A和T。相反，可以检测来自掺入的A和T核苷酸的第一信号。例如，使用用流动池100的磁性传感器130，检测到A或T核苷酸掺入的第一信号。
接着，可以将含有二硫化物(SS)-切割物的溶液流过流动池100的测序隔室118。SS-切割物切割掺入的A-LN3-SS-磁性纳米颗粒核苷酸中的二硫键，从而消除可从那些位置处生成的信号。还可以将含有用于附着至C-LN3-生物素的磁性纳米颗粒的溶液流过测序隔室118。
然后，可以检测T核苷酸和C核苷酸的掺入的第二信号。例如，使用流动池100的磁性传感器130，检测掺入的T核苷酸和掺入的C核苷酸的第二信号。
在检测第一和第二信号之后，可以使用生物信息学软件进行碱基调用。在该实例中，在第一信号检测中检测A和T的掺入。在第二信号检测中检测T和C的掺入。由于将SS-切割物流过流动池，来自掺入的A核苷酸的信号在第二信号检测中是不存在的。基于在第一和第二检测中信号的缺乏来确定G的插入。
如上所述，如果不必需进一步的循环，则可以进行去封闭反应和裂解反应。使用去封闭反应来除去掺入的核苷酸上的封闭基团用于在下一个SBS循环中添加下一个核苷酸。切割反应用于从掺入的核苷酸除去结合的磁性颗粒，并将信号返回至背景水平。
在又一实例中，“四标记物”磁性生物传感SBS方案使用修饰的核苷酸和不同的磁性幅度用于碱基区分。在一个实例中，通过在核苷酸掺入的位置处捕获一种或多种磁性纳米颗粒来提供不同的磁性幅度。例如，修饰dATP以捕获一种磁性纳米颗粒，修饰dTTP以捕获两种磁性纳米颗粒，修饰DCTP以捕获三种磁性纳米颗粒，和修饰dGTP以捕获四种磁性纳米颗粒。然后，检测的信号强度是掺入碱基的函数。
在一个实例中，包含巯基(SH)基团的修饰的核苷酸用于捕获仅具有一个反应性基团的单分子磁体(SMM)(即，马来酰亚胺修饰的SMM)。核苷酸可以包含一个、两个、三个或四个巯基基团以分别捕获一个、两个、三个或四个马来酰亚胺修饰的SMM。醛(CHO)-氨氧(或肼)是可用于使用修饰的核苷酸和SMM的“四标记物”磁性生物传感SBS方案的另一个化学对的实例。
在另一个实例中，多达四种正交化学用于核苷酸修饰，使得单核苷酸可以募集1至4个磁响应性珠。参考图10更详细地描述“四标记物”磁性生物传感SBS方案的一个例子。
在另一个实施方案中，包含不同的顺磁材料的纳米颗粒可用于磁性生物传感SBS方案。例如，选择顺磁材料，使得每种类型的纳米颗粒对施加的外部磁场的频率具有不同的响应。一些顺磁性颗粒可具有可调的谐振频率，并且不会成为顺磁性的，或者在非最佳频率下完全遵循施加的外部场。由于每种类型的纳米颗粒对所施加的外部场有不同的响应，因此每种类型的纳米颗粒可以用于碱基区分。具有包含不同的顺磁材料的纳米颗粒例如可用于“一标记物”、“二标记物”，或“四标记物”磁性生物传感SBS方案。
在另一实施方案中，每个标记物类型的纳米颗粒的直径/体积可以是不同的。例如，10nm直径对50nm直径导致大约100倍的体积差异，以及大约25倍的表面积差异(信号受体积和表面积两者的影响)。
图10示出了使用例如图1A，图1B和图4中所示的流动池100的“四标记物”磁性生物传感SBS方案中碱基区分的方法1000的实例的流程图。在该实例中，修饰dATP以捕获一种磁性颗粒(或SMM)，修饰dTTP以捕获两种磁性颗粒(或SMMs)，修饰dCTP以捕获三种磁性颗粒(或SMMs)，以及修饰dGTP以捕获四种磁性颗粒(或SMMs)。方法1000包括但不限于以下步骤。
在步骤1010，在SBS循环中将核苷酸掺入生长的互补链中。核苷酸可以是A、T、C或G。
在步骤1015，检测掺入的核苷酸的信号。例如使用用流动池100的磁性传感器130来检测掺入的核苷酸的信号。将官能化的磁性纳米颗粒的溶液流过流动池100的测序隔室118，并且在具有掺入A、T、C或G的所有位置(簇)处形成核苷酸/纳米颗粒复合物。
在步骤1020，使用生物信息学软件进行碱基调用。在该实例中，通过第一幅度的信号检测A的掺入，通过第二幅度的信号检测T的掺入，通过第三幅度的信号检测C的掺入，以及通过第四幅度的信号检测G的掺入。
在判定步骤1025，确定是否需要另一个SBS循环。如果需要另一个SBS循环，则将方法1000进行至步骤1030。如果不需要另一个SBS循环，则方法1000结束。
在步骤1030，进行去封闭反应和切割反应。去封闭反应用于除去掺入核苷酸上的封闭基团以用于在下一个SBS循环中添加下一个核苷酸。切割反应用于从掺入的核苷酸除去结合的磁性纳米颗粒并将信号返回至背景水平。方法1000返回至步骤1010。
在图10的替代性实施方案中，可使用单锅反应进行SBS方法。在该实例总，模板链可固定至表面或者聚合酶可固定至表面。对于单锅反应，附着有磁性颗粒的可逆封闭的核苷酸与去封闭剂同时提供。对于模板链固定至表面的那些实施方案，聚合酶可以与核苷酸和去封闭剂一起提供。
在步骤1010，核苷酸可以掺入生长的互补链。在步骤1015，检测掺入的核苷酸的信号。具体而言，当核苷酸由聚合酶添加到互补链中时，磁响应式传感器可以检测由磁性颗粒的存在引起的电阻变化。磁性颗粒可以提供恒定的外部磁场，或备选，可以通过应用外部刺激诱导。
在步骤1020，基于检测的电阻变化来进行碱基调用。例如，通过第一幅度的信号来检测A的掺入，通过第二幅度的信号来检测T的掺入，通过第三幅度的信号来检测C的掺入，和通过第四幅度的信号来检测G的掺入。
在步骤1030，进行去封闭反应和切割反应。去封闭反应用于除去掺入核苷酸上的封闭基团以用于在下一个SBS循环中添加下一个核苷酸。切割反应用于从掺入的核苷酸除去结合的磁性纳米颗粒并将信号返回至背景水平。
在单锅实施方案中，反应物不包含3’封闭剂或去封闭剂。可以监测每个磁响应式传感器的电阻以实时鉴定掺入事件。此类实施方案可以特别适用于单分子方案。
由于以上实施方案示出了单锅反应，应当理解，步骤1010,1015,和1030可出现在不同模板链的不同时间。在一些实施方案中，可以控制一个或多个步骤。例如，步骤1030可以由系统应用的外部刺激来进行。另外，可实时发生步骤1030。或者，可以在多个掺入事件或在完成SBS测序之后发生步骤1030。在另一个可替代实施方案中(如单分子方案中)，不发生步骤1030。
1.3单分子磁体SBS
在另一实施方案中，用单分子磁体(SMM)标记的分子可在磁性生物传感SBS方案中用于碱基区分。SMM是一类显示超顺磁行为的金属有机化合物，例如它们仅在存在外部磁场时才是磁性的。可通过施加外部刺激来改变某些SMM的磁特性或状态。在一个实例中，可以使用光来转换SMM的磁状态。例如，光的一个频率可用于转换SMM开启并且光的另一个频率可用于转换SMM关闭。由于可以转换磁状态，可通过重复采样来改善信噪(S/N)比。可以选择一个或多个SMM，使得SMM的尺寸与核苷酸化学相容。在一个实例中，SMM可以是约1.2的尺寸。
可具有通过施加外部刺激改变的其相应磁特性或状态的SMM描述于Feng等人,“Tristability in a Light-Actuated Single-Molecule Magnet,”J.Am.Chem.Soc.,2013,135(42),pp 15880–15884；Mathonière等人,“Photoinduced Single-MoleculeMagnet Properties in a Four-Coordinate Iron(II)Spin Crossover Complex,”J.Am.Chem.Soc.,2013,135(51),pp 19083–19086；Christou等人“Single-moleculemagnets,”Mrs Bulletin 25.11(2000):66-71；“Single-molecule magnets and relatedphenomena,”Volume 122of Structure and bonding Single-molecule magnets andrelated phenomena,editors Richard Winpenny and Guillem Aromí,Springer(2006)；Sato,“Switchable molecular magnets,”Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci.2012Jun11；88(6):213–225；Sato(2003)“Optically switchable molecular solids:Photoinduced spin-crossover,photochromism,and photoinduced magnetization.”Acc.Chem.Res.36,692–700；Sato et al.(2007)“Control of magnetic propertiesthrough external stimuli.”Angew.Chem.Int.Ed.46,2152–2187。其每篇通过引用以其整体并入本文。
在一个实例中，用SMM标记的核苷酸具有与图6的核苷酸520基本相同的结构。在该实例中，生物素标记物610由一个或多个SMM替换。
在一个实例中，SMM用于“四标记物”磁性生物传感SBS方案。在该实例中，每个核苷酸(A、G、C和T)用SMM标记，该SMM对不同组的开/关光频灵敏。例如，用对第一组开/关光频灵敏的第一SMM标记的A，用对第二组开/关光频灵敏的第二SMM标记G，用对第三组开/关光频灵敏的第三SMM标记C，和用对第四组开/关光频灵敏的第四SMM标记T。
图11示出了“四标记物”磁性生物传感SBS方案中使用SMM标记的核苷酸的方法1100的实例的流程图。在该实例中，用对第一组开/关光频灵敏的第一SMM来标记A，用对第二组开/关光频灵敏的第二SMM来标记G，用对第三组开/关光频灵敏的第三SMM来标记C，和用对第四组开/关光频灵敏的第四SMM来标记T。
在步骤1110，将SMM标记的核苷酸掺入SBS循环中生长的互补链。核苷酸可以是A、G、C或T。
在步骤1115，第一组开/关光频率用于检测第一核苷酸(如A)的掺入。例如，“开”频率用于开启(switch on)掺入的A核苷酸的SMM标记物并且检测到信号。“关”光频率用于关掉SMM并将信号返回至背景水平。
在步骤1120，第二组开/关光频率用于检测第二核苷酸(如G)的掺入。例如，“开”频率用于开启掺入的G核苷酸的SMM标记物并且检测到信号。“关”光频率用于关掉SMM并将信号返回至背景水平。
在步骤1125，第三组开/关光频率用于检测第三核苷酸(如C)的掺入。例如，“开”频率用于开启掺入的C核苷酸的SMM标记物并且检测到信号。“关”光频率用于关掉SMM并将信号返回至背景水平。
在步骤1130，第四组开/关光频率用于检测第四核苷酸(如T)的掺入。例如，“开”频率用于开启掺入的T核苷酸的SMM标记物并且检测到信号。“关”光频率用于关掉SMM并将信号返回至背景水平。
在判定步骤1135，确定是否需要另一个SBS循环。如果需要另一个SBS循环，则将方法1100进行至步骤1140。如果不需要另一个SBS循环，则方法1100结束。
在步骤1140中，进行去封闭反应和切割反应。去封闭反应用于除去掺入的核苷酸上的封闭基团用于在下一个SBS中的下一个核苷酸添加。切割反应用于从掺入的核苷酸除去结合的磁性纳米颗粒。方法1100返回至步骤1110。
在另一个实例中，SMM标记的核苷酸可用于使用不同磁性幅度进行碱基区分的“四标记物”磁性生物传感SBS方案中。在一个实例中，用一个SMM标记dATP，用两个SMMs标记dGTP，用三个SMMs标记dCTP，和用四个SMMs标记dTTP。然后，检测的信号幅度是掺入碱基的函数。
图12示出了使用具有不同磁性幅度的SMM标记的核苷酸进行碱基区分的“四标记物”磁性生物传感SBS方案中的碱基区分方法1200的实例的流程图。在该实例中，使用单个类型的SMM，但每个核苷酸用不同数目的SMM标记。例如，用一个SMM标记dATP，用两个SMMs标记dGTP，用三个SMMs标记dCTP，和用四个SMMs标记dTTP。方法1200例如使用图1A，图1B和图4中所示的流动池100。方法1200包括但不限于以下步骤。
在步骤1210，将SMM标记的核苷酸掺入SBS循环中生长的互补链。核苷酸可以是A、G、C或T。
在步骤1215，使用例如流动池100的磁性传感器130来检测掺入的核苷酸的信号。光的第一频率用于开启SMM标记物并且在具有A、G、C或T的掺入的所有位置处(簇)检测信号。光的第二频率用于关掉SMM并将信号返回至背景水平。
在步骤1220，使用生物信息学软件基于磁性幅度来进行碱基调用。在该实例中，A的掺入由第一幅度的信号检测，G的掺入由第二幅度的信号检测，C的掺入由第三幅度的信号检测，并且T的掺入由第四幅度的信号检测。
在判定步骤1225，确定是否需要SBS的另一个循环。如果需要另一个SBS循环，则将方法1200进行至步骤1230。如果不需要另一个SBS循环，则方法1200结束。
在步骤1230中，进行去封闭反应和切割反应。去封闭反应用于除去掺入的核苷酸上的封闭基团用于在下一个SBS循环中的下一个核苷酸添加。切割反应用于从掺入的核苷酸除去SMM标记物并将信号返回至背景水平。方法1200返回至步骤1210。
1.4磁性生物传感SBS中的官能化的DNA聚合酶
在又一实施方案中，未标记的核苷酸和官能化的DNA聚合酶用于磁性生物传感SBS方案中的碱基区分。在一个实例中，将用单分子磁体标签化DNA聚合酶，并且将核苷酸工程化改造为在SBS期间具有不同的掺入速率。例如，修饰A以具有第一掺入速率，修饰G以具有第二掺入速率，修饰C以具有第三掺入速率，和修饰T以具有第四掺入速率。由于每个核苷酸的掺入率不同，因此DNA聚合酶与掺入位置(簇)结合的时间就是掺入的碱基的函数。表1显示了核苷酸掺入率的一个例子。
Figure BDA0001573803640000721
在一个实例中，工程化的核苷酸的3’羟基(OH)基团不受封闭基团的保护。在另一实例中，工程化的核苷酸的3’羟基(OH)基团受到封闭基团的保护。
在一个或多个实施方案中，如在参照图13描述的那些中，SBS方案可以包括将磁性颗粒附着至聚合酶。磁性颗粒例如可以是磁性纳米颗粒或SMM。更具体地，在一个或多个实施方案中，SBS方法可以包括提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置。检测装置可以与本文描述的那些相似。每个所述磁响应式传感器可以位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的外部磁场。检测装置还可以包含位于相应的指定空间内的多条核酸模板链。模板链可以固定至表面。或者，模板链可以在指定的体积(如孔或凝胶基质)内限定。
方法还包括进行多个SBS循环以通过使用聚合酶沿着每条模板链添加核苷酸来生长互补链。聚合酶可以具有相应的对其附着的提供相应磁场的磁性颗粒。当将聚合酶添加至模板链时，聚合酶可以位于指定空间内。如此，传感器可以能够检测来自附着至聚合酶的磁性颗粒的磁场。
每个SBS循环可以包括检测磁响应式传感器处的电阻变化。更具体地，当聚合酶添加核苷酸时，检测的变化可以由指定空间处磁性颗粒的存在引起。方法还可以包括确定互补链的序列，如本文描述的。
图13示出了使用SMM标签化的DNA聚合酶和具有不同掺入速率的核苷酸的磁性生物传感SBS方案中碱基区分方法1300的实例的流程图。在该实例中，核苷酸是去封闭的，并且具有表1所述的掺入速率。
在步骤1310，将核苷酸掺入SBS循环中生长的互补链。核苷酸可以是A、G、C或T。在一个实例中，具有相同掺入时间的四种核苷酸分开流动。然后，监测聚合酶掺入的结合(其为大概从约30ms至约100ms)。在另一个实例中，具有非常不同的掺入时间的四种核苷酸全部同时流动。
在步骤1315，检测了来自聚合酶SMM标签的信号。例如，使用流动池100的磁性传感器130，在核苷酸掺入的每个位置检测来自SMM标签化的DNA聚合酶的信号。光的第一频率用于开启聚合酶SMM标签并且在具有A、G、C或T掺入的所有位点(簇)处检测信号。第二光频率用于关掉聚合酶SMM标签并将信号返回至背景水平。
在步骤1320，使用生物信息学软件基于核酸掺入速率来进行碱基调用。在该实例中，由第一持续时间(如约10ms)的信号检测A的掺入，由第二持续时间(如约100ms)的信号检测G的掺入，由第三持续时间(如约500ms)的信号检测C的掺入，和由第四持续时间(如约1,000ms)的信号检测T的掺入。
在判定步骤1325，确定是否需要SBS的另一个循环。如果需要另一个SBS循环，则将方法返回至步骤1310。如果不需要另一个SBS循环，则方法1300结束。
然而，本申请的实施方案不限于图1A至图13中所示的实施方案。磁性传感器(如基于GMR和/或基于TMR的传感器)可与其它结构、机制和/或系统组合用于支持磁性生物传感SBS方案；所示的实例在下文参考图14A至图18显示并描述。
图14A和图14B分别示出了与流动池或液滴致动器1400中半疏水区的实例组合的磁性传感器阵列110的平面图和横截面图。如参照图1A，图1B和图4的流动池100所描述的，流动池或液滴致动器1400包含相对于顶部基底114和导电层150位于PCB 112顶上的磁性传感器阵列110。
流动池或液滴致动器1400还包含磁性传感器阵列110顶部的半疏水区1410。在该实例中，半疏水区1410包含基底1418。基底1418例如可以是玻璃基底或CMOS基底。在一个实例中，基底1418是二氧化硅(SiO2)基底。半疏水区1410还包含图案化到基底1418中的多个纳米孔1412。纳米孔1412内部用亲水层1414包被并因此形成亲水纳米孔1412。纳米孔1412外部的基底1418的表面用疏水层1416包被。此外，在每个纳米孔1412的内部提供寡核苷酸引物142。
纳米孔1412内部的亲水层1414可以是适用于在液滴致动器中进行基于表面的化学的任何亲水性材料。在一个实例中，亲水层1414是聚丙烯酰胺凝胶涂层，如降冰片烯(或降冰片烯或降莰烯)与聚(N-(5-叠氮基乙酰胺基戊基)丙烯酰胺-共-丙烯酰胺)的混合物，也称为PAZAM。在另一实例中，亲水层1414包含聚(N-(5-叠氮乙酰胺戊基)丙烯酰胺-共-丙烯酰胺-共-丙烯腈)，也称为PAZAM-PAN。在一些实施方案中，可以将PAZAM和/或PAZAM-PAN修饰为成热响应的，从而形成热响应性聚丙烯酰胺凝胶。有关PAZAM的更多细节可参考George等人，美国专利申请号13/784,368，名称为“Polymer Coatings”，提交于2013年3月4日，其整个公开通过引用并入本文。
疏水层1416填充纳米孔1412之间的间隙空间。疏水层1416可以是适用于在液滴致动器中进行基于表面的化学的任何疏水性材料。在一个实例中，疏水层1416是氟辛基三氯硅烷(FOTS)，正式称为(十三氟-1,1,2,2-四氢辛基)三氯硅烷。在另一个实例中，疏水层1416是氟化的光致抗蚀剂(即疏水性含氟聚合物)，如ALX2010光电介质，可获自AsahiGlass Co.,Ltd.(Tokyo,Japan)，也称为AGC。
在流动池或液滴致动器1400中，纳米孔1412以具有与磁性传感器阵列110的磁性传感器130的行和列基本对应的位置的行和列排列。每个纳米孔1412具有一定的深度和直径。在一个实例中，纳米孔1412具有约350nm的深度和约400nm的直径。在另一个实例中，纳米孔1412具有约350nm的深度和约500nm的直径。
图15A和15B分别示出了磁性传感器阵列110的平面图和横截面图，与流动池或液滴致动器1400中的半疏水区1410的另一个实例组合。在该实例中，反转亲水层1414和疏水层1416的极性。即，并非亲水层1414相对于疏水层1416的平面位于孔中，而是亲水层1414相对于疏水层1416的平面位于基座上。例如，图14A和图14B中描述的半疏水区1410的纳米孔1412由基座1420替代。基座1420顶上是亲水层1414和寡核苷酸引物142，从而形成亲水基座1420。
在流动池或液滴致动器1400的这个实例中，将亲水基座1420排列成行和列，其具有基本对应于磁性传感器阵列110的磁性传感器130的行和列的位置。
图16A和图16B分别示出了包含用于支持例如磁性生物传感SBS方案的磁性传感器阵列110的液滴致动器1600的部分的平面图和横截面图。液滴致动器1600包括由液滴操作间隙1614分开的底部基底1610和顶部基底1612。液滴操作间隙1614包含填充流体1616。填充流体1616例如为硅油或十六烷填充流体等低粘度油。底部基底1610包含电极排列1605，其包含例如供给各种储器电极1620的液滴操作电极1618(例如电润湿电极)的各条线。液滴操作在液滴操作表面上的液滴操作电极1618上方进行。
如所示，尺寸大致与液滴操作电极1618相同的磁性传感器阵列110可以在一个或多个线液滴操作电极1618中提供。在该实例中，顶部基底1612靠近液滴操作电极1618的部分可以包括接地参考平面或电极(未示出)，而磁性传感器阵列110附近的顶部基底1612的部分可以包括Vdd参考平面或电极(未示出)。液滴1630(例如样品或试剂液滴)可以经由液滴操作沿着液滴操作电极1618转运并且转运至磁性传感器阵列110，在该处可以发生某些磁性生物传感操作，诸如参照图5到13描述的那些。
在一些实施方案中，一个或多个磁响应式传感器可以相对于其上具有生物或化学样品的样品基底移动。例如，边合成边测序(SBS)系统可以包含具有臂和附着至臂的磁响应式传感器的读取头。磁响应式传感器可以具有巨磁阻(GMR)传感器或隧道磁阻(TMR)传感器中的至少一个。
系统还可以包含具有基底表面的样品基底。基底表面配置为具有位于沿着基底表面的指定空间内的多条核酸模板链。读取头和样品基板中的至少一个配置为相对于另一个移动，以将磁响应式传感器以操作关系定位在指定空间附近。更具体地，对磁响应式传感器定位使得可以检测由磁性颗粒生成的外部磁场。该系统还包含可通信地耦合到磁响应式传感器的读出电路。读出电路配置为传输信号，所述信号对应于当定位至指定空间之一时响应磁响应式传感器的电阻。读出电路可以与读出电路106类似(图1)。
图17示出了此类系统的平面图。更具体地，图17示出了基于旋转盘的设备1700，该设备中提供了一个可移动式磁性传感器用于支持(例如)磁性生物传感SBS方案。基于旋转盘的设备1700包含盘基底(例如样品基底)1710，其可以是例如塑料光盘(CD)基底。在盘基底1710的表面中提供一组同心轨道(或凹槽)1712。基于旋转盘的设备1700还包含在可移动臂1716上的磁性读取头1714。也就是说，在可动臂1716的一端有一个枢轴点，磁性读取头1714在可动臂1716的相对端。磁性读取头1714包含一个磁性传感器，如基于GMR和/或基于TMR的传感器，如一个磁性传感器130，如参照图1A至图4所述的。然而，可以设想磁性读取头可以包含多于一个磁响应式传感器。
在基于旋转盘的设备1700中，盘基底1710可以使用标准CD技术旋转。同心轨道1712可以填充有多个例如寡核苷酸引物142(未示出)。此外，寡核苷酸引物142是其上杂交有单链DNA片段的捕获引物，并且可以被扩增以形成用于SBS的克隆DNA模板簇。
在一个实例中，存在有约10个同心轨道1712，其具有约100个簇/轨道，即约1000个簇/盘。通过旋转盘基底1710，可以使用向心力将试剂分配并分布到同心轨道1712上。然后，使用磁性读取头1714的一个磁性传感器，可以例如在约10RPM发生磁生物传感操作。磁性读取头1714与在SBS核苷酸掺入反应期间掺入或捕获的磁性颗粒之间的距离必须适当小以便于良好检测。基于旋转盘的设备1700的方面包括便宜的基底(例如CD基底)，节省微流控泵送开销，快速流控，并且由于将盘官能化而可再次使用传感器，适于进行SBS。
尽管仪器1700使用旋转盘。预期可以使用其它类型的移动。例如，样品基底可以包含载玻片。滑动件和/或读取头可以是可移动的，以便将磁响应式传感器相对于指定空间进行定位。例如，滑动件和/或读取头可以可操作地偶联至电动机。
与SBS应用中的传统的光学检测系统相比，本公开的使用磁性传感器阵列支持磁性生物传感SBS方案的SBS设备和方法提供了某些优点，例如但不限于：
(1)小尺寸--磁性传感器阵列占的面积比光机械设备小得多。例如，1吉比特磁性传感器阵列设备可占用约13cm x 3cm x 0.1cm的区域，而光机械装置可占约5.08cm x5.08cm x 5.08cm的区域；
(2)简单且低成本--磁性生物传感系统只需要控制器，而光学检测系统需要平移台，光学组件和控制器；
(3)耐用性--磁性生物传感系统没有精细的运动部件，而光学检测系统有精细的运动部件；和
(4)速度--磁性生物传感方案可以比直接CMOS成像快约6.5倍，并且比XTen光机械装置快约100倍。例如，磁性生物传感可以支持3.2Gbytes/s的数据速率；每秒每I/O传输16亿次，即每秒16亿个簇。
图18A和18B分别示出了流动池或液滴致动器1800中的磁性传感器阵列110的平面图和横截面图。如参考图1A，图1B和图4的流动池100所描述的，流动池或液滴致动器1800包含相对于顶部基底114和导电层150的PCB 112顶部的磁性传感器阵列110。
流动池或液滴致动器1800还包含磁性传感器阵列110顶部的半疏水区1410。在该实例中，半疏水区1810包括基底1818。基底1818例如可以是玻璃基底或CMOS基底。在一个实例中，基底1818是二氧化硅(SiO2)基底。半疏水区1810还包含图案化至基底1818的多个孔1812(如纳米孔)。纳米孔1812的内部用亲水层1814包被并因此形成亲水纳米孔1812。纳米孔1812外部的基底1818的表面用疏水层1816包被。此外，在每个纳米孔1812的内部提供寡核苷酸引物142。
纳米孔1812内部的亲水层1814可以是适用于在液滴致动器中进行基于表面的化学的任何亲水性材料。在一个实例中，亲水层1814是聚丙烯酰胺凝胶涂层，如降冰片烯(或降冰片烯或降莰烯)与聚(N-(5-叠氮基乙酰胺基戊基)丙烯酰胺-共-丙烯酰胺)的混合物，也称为PAZAM。在另一实例中，亲水层1414包含聚(N-(5-叠氮乙酰胺戊基)丙烯酰胺-共-丙烯酰胺-共-丙烯腈)，也称为PAZAM-PAN。在一些实施方案中，可以将PAZAM和/或PAZAM-PAN修饰为成热响应的，从而形成热响应性聚丙烯酰胺凝胶。有关PAZAM的更多细节可参考George等人，美国专利申请号13/784,368，名称为“Polymer Coatings”，提交于2013年3月4日，其整个公开通过引用并入本文。
疏水层1816填充纳米孔1812之间的间隙空间。疏水层1816可以是适用于在液滴致动器中进行基于表面的化学的任何疏水性材料。在一个实例中，疏水层1816是氟辛基三氯硅烷(FOTS)，正式称为(十三氟-1,1,2,2-四氢辛基)三氯硅烷。在另一个实例中，疏水层1416是氟化的光致抗蚀剂(即疏水性含氟聚合物)，如ALX2010光电介质，可获自AsahiGlass Co.,Ltd.(Tokyo,Japan),也称为AGC。
在流动池或液滴致动器1800中，纳米孔1812排列成具有与磁传感器130的阵列110大致对应的位置的阵列。如图18B所示，每个纳米孔可以具有固定至纳米孔1812内指定区域1822的单一聚合酶1820。可以使用接头(如以上描述的那些)来将聚合酶1820固定至指定区域。每个聚合酶1820配置为捕获具有对其附着的引物的模板链。在图18B中，SBS方案是部分完成的。
聚合酶1820固定至表面上时，实施方案可以进行以上描述的方案，其中用磁性颗粒标记的核苷酸。例如，上面关于图7-12描述的过程可以用固定至表面的聚合酶进行。如本文描述，随着附着至核苷酸的磁性颗粒添加至互补链，磁响应式传感器130可以经历电阻变化。对于每个循环，实施方案可以一次递送一个分子，使得必须进行四个分开的子循环。或者，实施方案可以一次同时递送两个或多个核苷酸。然而，在其它实施方案中可以用单锅反应进行SBS方案。
虽然上面的实例是用固定至孔中表面的聚合酶来描述的，但预期聚合酶可以选择性地沿平面表面定位。
现在参考图19，在SBS方案的三个不同的阶段1951、1952、1953处示出TMR设备1905。TMR设备1905可以构成磁响应式传感器，该磁响应式传感器可以是由流动池和/或液滴致动器掺入的传感器阵列的一部分。TMR设备1905包括第一铁磁层1910(或存储层)，非磁性层1912和第二铁磁层1914。非磁性层1912包括诸如Al2O3的薄绝缘层。如上所述，当第一和第二铁磁层1910,1914被非磁性层1912分开时，在与膜的垂直方向上多层的电阻随由于两个铁磁层1910,1914之间的自旋依赖性电子隧穿所致的铁磁层1910,1914的磁化取向而变化。还示出，TMR设备1905包括Ru的分离层1916，通量补偿层1918和反铁磁层1920。TMR设备1905电耦合写入线(write line)(如导电线路(conductive trace))1922和读取线1924至并位于写入线(如导电线路)1922和读取线1924之间。
如上所述，当两个铁磁层1910,1914的磁化方向相反(如第三阶段1953所示)时，相对于铁磁层的磁化而言具有相反自旋取向的电子不能隧穿。然后，与磁化的相同方向的情况相比，隧穿电子电流变得更小(即，更高的电阻)。当两个铁磁层1910,1914的磁化方向相同时(如第一和第二阶段1951,1952所示)，通过绝缘层的两个铁磁层之间的电子隧穿的可能性变大，导致较大的隧穿电流(即较低的电阻)。
实施方案可以执行本文描述的一个或多个方法。例如，在第一阶段1951之前，可以将模板链1928固定至基底表面1926的指定区域，并且对其附着引物。在第一阶段1951期间，可以将核苷酸1930掺入互补链，并且随后可以提供附着至掺入的核苷酸1930的磁性颗粒1932。或者，随着将核苷酸1930添加至互补链，核苷酸1930可以具有对其附着的磁性颗粒1932。
磁性颗粒1932可以具有磁特性，其能够转换第一铁磁层1910，使得除去磁性颗粒1932之后，第一铁磁层1910保持其磁化，如在第二阶段1952所示。更具体地，磁化不是短暂的，而是永久的，直到写入电路1922改变磁化。该操作可以类似于非易失性存储器的操作。在此类实施方案中，TMR设备1905可以在指定的时间通过读取线1924读取指定的时间段。在此类实施方案中，与不具有维持其磁状态的存储层的TMR设备相比，TMR设备1905可以能够实现更高的信噪比。在读取TMR设备1905之后，写入线1922可具有从其流过的电流以改变第一铁磁层1910的磁化。SBS方案然后可以重复另一个SBS循环。
实施方案的以上详细描述参考了附图，其示出了本公开的具体实施方案。具有不同结构和操作的其它实施方案不脱离本公开的范围。应当理解，在不脱离范围的情况下，可以改变各种细节。此外，前方的描述仅是为了说明的目的，而不是为了限制的目的。
以上权利要求书列举了本申请的某些实施方案。权利要求书的语言由此并入到发明详述中。

Claims (24)

1.边合成边测序方法，其包括：
提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器包含至少两个铁磁层和隔开所述两个铁磁层的非磁性层，每个所述磁响应式传感器形成巨磁阻传感器或隧道磁阻传感器中的至少一个，每个所述磁响应式传感器位于相应的指定空间附近以检测来自该空间的磁特性，所述检测装置还包含由间隙空间隔开的多个纳米孔，其中指定空间包括纳米孔内的亲水层或间隙空间内的亲水层，以及位于相应的指定空间内的多条核酸模板链；
进行多个边合成边测序事件以通过沿着相应模板链掺入核苷酸来生长互补链，将至少一些核苷酸附着至具有相应磁特性的相应磁性颗粒，其中所述多个边合成边测序事件中每个包括检测将核苷酸添加至所述互补链时由所述磁性颗粒的相应磁特性引起的所述磁响应式传感器处的电阻变化；和
基于检测的电阻变化来确定所述互补链的遗传特征，
其中所述方法不是用于诊断疾病的目的。
2.权利要求1的方法，其中确定所述互补链的所述遗传特征包括分析所述检测的电阻变化以确定基于检测的变化的信号是否形成指定模式。
3.权利要求1的方法，其中所述核苷酸包含多种类型的核苷酸，每种类型的核苷酸具有与其它类型的核苷酸不同数目的对其附着的磁性颗粒。
4.权利要求3的方法，其中所述磁性颗粒是单分子磁体。
5.权利要求1的方法，其中将一种或多种所述磁性颗粒连接至所述核苷酸的γ-磷酸，当聚合酶将所述核苷酸添加至所述互补链时，释放所述磁性颗粒。
6.权利要求1的方法，其中每个指定空间包含固定至所述检测装置的基底表面的单一模板链。
7.权利要求1的方法，其中所述磁性颗粒永久地改变相应的磁响应式传感器的磁化，使得在除去所述磁性颗粒之后，维持所述相应的磁响应式传感器的磁化，其中所述方法包括在读取所述磁响应式传感器之后，改变至少一些所述磁响应式传感器的磁化。
8.权利要求7的方法，其中读取所述磁响应式传感器发生在已除去所述磁性颗粒之后。
9.边合成边测序系统，其包含：
包含磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器包含至少两个铁磁层和隔开所述两个铁磁层的非磁性层，每个所述磁响应式传感器形成巨磁阻传感器或隧道磁阻传感器中的至少一个，所述磁响应式传感器位于隔室内的相应的指定空间附近，并配置为检测来自所述相应的指定空间的磁性颗粒；
所述检测装置包括被间隙空间隔开的多个纳米孔，其中所述指定空间包括纳米孔内的亲水层或间隙空间内的亲水层以及位于所述指定空间内的多条核酸模板链；
通信耦合至所述磁响应式传感器的读出电路，其中所述读出电路配置为传输对应于所述磁响应式传感器的电阻的信号；和
流体控制系统，其配置为使试剂流过用于进行边合成边测序方案的隔室，所述试剂包含多种类型的核苷酸，其中所述读出电路配置为在每个掺入事件之后传输所述信号。
10.权利要求9的系统，其中所述流体控制系统配置为：
(a)将核苷酸流动至指定空间以将所述核苷酸添加至互补链；和
(b)将磁性颗粒流动至指定空间，所述磁性颗粒附着至所述核苷酸，所述磁性颗粒展示相应的可检测的磁特性；
其中所述读出电路配置为检测(b)之后的所述磁响应式传感器处的电阻。
11.权利要求9的系统，其中所述流体控制系统配置为：
(a)将核苷酸递送至所述指定空间以将所述核苷酸添加至互补链，所述核苷酸包括至少第一、第二和第三核苷酸，所述第一、第二和第三核苷酸具有不同的碱基；
(b)将磁性颗粒递送至所述指定空间，所述磁性颗粒附着至所述第一核苷酸并且由所述第二核苷酸附着；
(c)将磁性颗粒递送至所述指定空间，所述磁性颗粒附着至所述第三核苷酸；
其中所述读出电路配置为检测(b)之后和(c)之后所述磁响应式传感器处的电阻。
12.权利要求9所述的系统，其中每个指定空间在被疏水层包围的亲水层上。
13.边合成边测序方法，其包括：
提供包含磁响应式传感器阵列的检测装置，每个所述磁响应式传感器包含至少两个铁磁层和隔开所述两个铁磁层的非磁性层，每个所述磁响应式传感器形成巨磁阻传感器或隧道磁阻传感器中的至少一个，以及
布置在磁响应传感器阵列上方的基底，该基底包括被间隙空间分隔的多个纳米孔，所述纳米孔涂覆有亲水层，其中所述纳米孔排列成阵列，使得每个所述磁响应式传感器位于相应的指定区域附近以检测来自所述指定区域的磁特性，所述检测装置还包含固定在每个纳米孔内的聚合酶，所述聚合酶配置为捕获相应的模板链；
进行多个边合成边测序事件以通过沿着相应的模板链掺入核苷酸来生长互补链，所述核苷酸附着至具有相应磁特性的相应磁性颗粒，其中所述多个边合成边测序事件中的每个包括检测在将核苷酸添加至所述互补链时由所述磁性颗粒的所述相应磁特性引起的磁响应式传感器处的电阻变化；和
基于检测的电阻变化来确定所述互补链的遗传特征，
其中所述方法不是用于诊断疾病的目的。
14.权利要求13的方法，其中测定所述互补链的所述遗传特征包括分析所述检测的电阻变化以确定基于所述检测的变化的信号是否形成指定模式。
15.权利要求13的方法，其中确定所述遗传特征包括确定所述互补链的序列，所述互补链的所述序列基于多个边合成边测序事件中每个的磁响应式传感器处发生的检测的电阻变化。
16.权利要求15的方法，其中确定所述互补链的序列包括确定磁响应传感器处电阻变化的幅度。
17.权利要求13的方法，其中所述核苷酸包含多种类型的核苷酸，每种类型的核苷酸具有与其它类型的核苷酸不同数目的对其附着的磁性颗粒。
18.权利要求17的方法，其中所述磁性颗粒是单分子磁体。
19.权利要求13的方法，其中所述核苷酸包含多种类型的核苷酸，每种类型的核苷酸具有与其它类型的核苷酸不同类型的对其附着的磁性颗粒。
20.权利要求13的方法，其中所述多个边合成边测序事件中的每个包括同时递送多种类型的核苷酸。
21.权利要求13的方法，其中每个指定区域包含由所述聚合酶捕获的单一模板链。
22.根据权利要求13所述的方法，其中一个或多个磁性颗粒连接至每个核苷酸的γ-磷酸，当所述聚合酶将所述核苷酸添加至所述互补链时，所述磁性颗粒被释放。
23.根据权利要求13所述的方法，其中所述磁性颗粒永久地改变相应的磁响应传感器的磁化，以使得在移除所述磁性颗粒之后保持对应的磁响应传感器的磁化，其中所述方法包括在读取磁响应传感器之后改变至少一些磁响应传感器的磁化。
24.根据权利要求23所述的方法，其中在去除磁性颗粒之后读取磁响应传感器。
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