CN105612260A - 在纳米孔单元阵列中的非法拉第的、电容性耦合的测量 - Google Patents

在纳米孔单元阵列中的非法拉第的、电容性耦合的测量 Download PDF

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Abstract

公开了一种标识分子的方法。通过在第一时段期间向电极对施加第一电压信号来将分子吸引到纳米孔，其中所述第一电压信号导致第一离子电流通过纳米孔，所述第一离子电流指示接近纳米孔的分子的一部分的属性。通过在第二时段期间向电极对施加第二电压信号来从纳米孔释放分子，其中所述第二电压信号导致第二离子电流通过纳米孔。至少部分地基于包括第一离子电流和第二离子电流的通过纳米孔的净离子电流来确定第一时段和第二时段。

Description

在纳米孔单元阵列中的非法拉第的、电容性耦合的测量
背景技术
近年来在半导体行业内的微-小型化方面的进步已经使生物技术学家能够开始将传统上庞大的感测工具封装到越来越小的形状因子中，封装到所谓的生物芯片上。将可期望的是开发用于生物芯片的技术以至于使其更健壮、高效和划算。
附图说明
在下面的具体实施方式和附图中公开了本发明的各种实施例。
图1图示了基于纳米孔的测序芯片中的单元（cell）的实施例。在该单元的表面上形成了脂质双分子层102。
图2图示了利用纳-SBS技术来执行核苷酸测序的单元200的实施例。
图3图示了利用预加载的标签来执行核苷酸测序的单元的实施例。
图4图示了用于利用“预加载的”标签进行核酸测序的过程400的实施例。
图5A图示了在法拉第传导期间的小信号电路模型的实施例。
图5B图示了在法拉第传导的情况下的PNTMC的不同状态。
图6图示了被配置用于非法拉第的和电容性耦合的测量的基于纳米孔的测序芯片中的单元的实施例。
图7图示了用于非法拉第传导的小信号电路模型的实施例。
图8A和图8B图示了双层的电容性响应的实施例。
图9A示出了当关于正极性的200mV被施加到纳米孔时的启动瞬态。
图9B图示了双层电容器上的电压的衰减率。
图10图示了在稳态处的峰值正电流根据占空比和施加的电压变化。
图11图示了与图10的数据匹配的仿真模型的实施例。
图12A和12B图示了当施加的信号具有50%占空比时的仿真结果。
图13A图示了当施加的信号具有25%占空比时的测量电流。
图13B图示了当施加的信号具有25%占空比时的仿真电流。
图14A图示了在施加的信号具有50%占空比时的施加到纳米孔的电压相对时间。图14B图示了当施加的信号具有25%占空比时的施加到纳米孔的电压相对时间。
图15图示了用于标识分子的过程的实施例。
具体实施方式
本发明可以以许多方式实施，包括被实施为过程；设备；系统；物质的成分；具体化在计算机可读存储介质上的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置成执行存储在耦合到处理器的存储器上的指令和/或由耦合到处理器的存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实施方式或本发明可以采取的任何其他形式可以被称为技术。一般地，可以在本发明的范围内改变公开的过程的步骤的顺序。除非另有说明，诸如描述为被配置成执行任务的处理器或存储器之类的部件可以被实施为被暂时配置成在给定时间处执行任务的通用部件或被制造成执行任务的具体部件。如本文中使用的，术语“处理器”指的是被配置成处理数据的一个或多个器件、电路和/或处理核心，所述数据诸如计算机程序指令。
下面连同图示了本发明的原理的附图一起来提供本发明的一个或多个实施例的具体实施方式。这样的实施例相联系来描述本发明，但本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限制并且本发明包含许多替代选择、修改和等同物。在下面的描述中阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的提供了这些细节并且可以在没有这些具体细节中的某些或全部的情况下根据权利要求来实践本发明。出于清楚的目的，尚未详细地描述与在本发明有关的技术领域中已知的技术材料以使得本发明没有被不必要的模糊。
在内直径中具有大约一纳米的孔隙大小的纳米孔隔膜器件已经在快速核苷酸测序中显示出前途。当跨越浸入在导电流体中的纳米孔施加电压电位时，可以观察到归因于跨越纳米孔的离子的传导的小的离子电流。电流的大小对孔隙大小敏感。当诸如DNA分子或RNA分子之类的分子部分地或完全地阻塞纳米孔时，通过纳米孔的电流的量值改变。已经示出的是离子电流封锁可以与DNA分子或RNA分子的碱基对序列有关。
基于纳米孔的测序芯片可以被用于DNA测序。基于纳米孔的测序芯片包含被配置为阵列的大量自主操作的传感器单元。例如，一百万个单元的阵列可以包括1000行乘1000列单元。
图1图示了基于纳米孔的测序芯片中的单元的实施例。脂质双分子层102在单元的表面上形成。包含可溶性蛋白质纳米孔跨膜分子复合物（PNTMC）和感兴趣分析物（analyte）的主体电解液（bulkelectrolyte）114被直接放置到单元的表面上。单个PNTMC104通过电穿孔插入到脂质双分子层102中。阵列中的单独的脂质双分子层不化学地或电地彼此连接。因此，阵列中的每个单元是独立的测序机器，产生对与PNTMC相关联的单个聚合物分子而言独特的数据。PNTMC104在分析物上操作并且调制（modulate）通过另外不可渗透的双分子层的离子电流。离子电流由每个单元中的模拟测量电路112读取，被转换成数字信息并且被传输离开单元。在某些实施例中，传输数据速率大约是数吉比特每秒。在某些实施例中，现场可编程门阵列（FPGA）或专用集成电路（ASIC）接收被传输的数据、处理该数据并且将该数据转发到计算机。
继续参考图1，模拟测量电路112连接到由电解液的薄膜108覆盖的金属电极110。电解液的薄膜108通过离子不可渗透的脂质双分子层102与主体电解液114隔离。PNTMC104跨越脂质双分子层102并且提供用于离子电流从主体液体流动到金属电极110的唯一路径。金属电极110也被称作工作电极（WE）。单元也包括对电极/参考电极（CE/RE）116，其是电化学电位传感器。
在某些实施例中，纳米孔阵列使能使用单分子基于纳米孔的边合成边测序（纳-SBS）技术的平行测序。图2图示了利用纳-SBS技术执行核苷酸测序的单元200的实施例。在纳-SBS技术中，要被测序的模板202和引物被引入到单元200。为了该模板-引物复合，四个被不同地加标签的核苷酸208被添加到主体水相。当正确地加标签的核苷酸与聚合酶204复合时，标签的尾部被放置在纳米孔206的前厅（vestibule）中。标签的尾部可以被修改以具有与纳米孔206的前厅中的氨基酸残基的强亲和力。在聚合酶催化合并正确的核苷酸之后，附有标签的多磷酸盐被释放并且穿过纳米孔206以生成独特的离子电流封锁信号210，从而由于标签的不同的化学结构来电子地标识添加的碱基。
图3图示了利用预加载的标签执行核苷酸测序的单元的实施例。纳米孔301在隔膜302中形成。酶303（例如聚合酶，诸如DNA聚合酶）与纳米孔相关联。在某些情况下，聚合酶303共价地附接到纳米孔301。聚合酶303与要被测序的单链核酸分子304相关联。在某些实施例中，单链核酸分子304是圆形的。在某些情况下，核酸分子304是线形的。在某些实施例中，核酸引物305与核酸分子304的一部分杂交。聚合酶303使用单链核酸分子304作为模板来催化核苷酸306到引物305上的合并。核苷酸306包括标签物种（“多个标签”）307。
图4图示了用于利用“预加载的”标签进行核酸测序的过程400的实施例。阶段A图示了如在图3中描述的组成部分。阶段C示出被加载到纳米孔中的标签。“加载的”标签可以是被放置在纳米孔中和/或保持在纳米孔中或附近达时间的可感知量（例如0.1毫秒（ms）到1000ms）的标签。在某些情况下，“预加载的”的标签在从核苷酸释放之前被加载到纳米孔中。在某些情况下，如果标签在根据核苷酸合并事件被释放之后穿过纳米孔（和/或被纳米孔检测到）的概率适当地高（例如90%到99%）则标签被预加载。
在阶段A，加标签的核苷酸（四个不同类型：A、T、G或C中的一个）不与聚合酶相关联。在阶段B，加标签的核苷酸与聚合酶相关联。电压（例如，DC或AC电压）可以被施加到纳米孔或纳米孔驻留在其中的隔膜以将聚合酶吸引到纳米孔。在阶段C，聚合酶对接（dock）到纳米孔。在对接期间通过电力（诸如在存在由跨越隔膜和/或纳米孔施加的电压生成的电场的情况下生成的力）将标签牵引到纳米孔中。
相关联的加标签的核苷酸中的某些与单链核酸分子（例如，A与T和G与C）碱基配对。然而，相关联的加标签的核苷酸中的某些不与单链核酸分子碱基配对。这些未配对的核苷酸通常在短于正确配对的核苷酸保持与聚合酶相关联的时间尺度的时间尺度内被聚合酶拒绝。因为未配对的核苷酸仅与聚合酶瞬态地相关联，所以如在图4中示出的过程400通常不继续进行超过阶段D。例如，未配对的核苷酸在阶段B处或在过程进入阶段C之后不久被聚合酶拒绝。
在聚合酶对接到纳米孔之前，穿过纳米孔的电流是～30微微安培（pA）。在阶段C，流动通过纳米孔的电流约为6pA、8pA、10pA或12pA，每个安培数对应于加标签的核苷酸的四个类型中的一个。聚合酶经历异构化和转磷酸反应以将核苷酸合并到生长中的（growing）核酸分子中并且释放标签分子。在阶段D，被释放的标签穿过纳米孔。标签被纳米孔检测到。特别地，当标签穿过纳米孔时，由于标签的不同的化学结构而生成独特的离子电流封锁信号（例如，参见图2中的信号210），从而电子地标识添加的碱基。重复该循环（即，阶段A到E或阶段A到F）虑及核酸分子的测序。
在某些情况下，没有被合并到生长中的核酸分子中的加标签的核苷酸也将穿过纳米孔，如在图4的阶段F中看到的。在某些情况下，未被合并的核苷酸可以被纳米孔检测到，但该方法提供了一种用于至少部分地基于在纳米孔中检测核苷酸所达的时间来区别被合并的核苷酸和未被合并的核苷酸的手段。绑定到未被合并的核苷酸的标签快速地穿过纳米孔并且被检测达短的时间段（例如，小于10ms），而绑定到被合并的核苷酸的标签被加载到纳米孔中并且被检测达长的时间段（例如，至少10ms）。
可以通过PNTMC-法拉第传导和非法拉第传导来驱动两种类型的离子流动。在法拉第传导中，化学反应发生在金属电极的表面处。法拉第电流是由电极处的某些化学物质的还原或氧化生成的电流。在非法拉第传导中，在金属的表面处没有化学反应发生。在金属电极与电解液的薄膜之间的双层电容上的改变中的电位驱动离子流动。
通过法拉第传导进行的离子流动具有许多缺点。电极的操作寿命是有限的，因为电极中的金属随着离子电流流动通过PNTMC被消耗和耗尽，如下面将更详细地描述的那样。
图5A图示了在法拉第传导期间的小信号电路模型的实施例。PNTMC和WE被表示为小信号电路模型中的简单电阻器。图5B图示了在法拉第传导的情况下的PNTMC的不同状态。离子电流i（t）具有五个状态：具有（未示出的）打开的纳米孔通道的最高的电流状态和与绑定到PNTMC的活性部位的核苷酸的四个不同类型中的每个相对应的四个较低的电流状态。正电流i（t）描述了进入节点和离开节点的电子。阴离子（例如Cl-）离开CE、流动通过主体电解液、经由PNTMC跨越脂质双分子层，并且继续通过电解液的薄膜并且与WE的金属结合。
例如，针对具有银金属（Ag）的电极，化学反应是：
反应式1
如上面在反应式1中示出的，针对穿过PNTMC的每个氯化物阴离子（Cl-），金属银的原子被转变成不溶性盐氯化银（AgCl）。在某些情况下，银在数分钟的操作内被耗尽。
为了避免金属电极的耗尽，可以通过施加负电压达类似的持续时间来颠倒离子电流的方向，导致氯化银（AgCl）被转变回银金属。然而，以该方式再充电或刷新导致银在金属电极的表面上被再沉积为类毛发的特征，这可能影响总体性能，尤其在具有较小的单元几何形状并因此具有较小的电极的芯片中。
另一种方式是通过如下方式来延迟金属电极的耗尽：施加电压以将聚合酶吸引到纳米孔并且牵引标签通过或接近纳米孔以便检测，然后切断电压达一段时间，其将导致标签从纳米孔释放。因为当电压被切断时不存在电流，所以较少的银原子被转变并且金属电极的寿命被延长。然而，检测时间被相应地减少。
除金属电极的耗尽之外，随着时间过去法拉第传导也导致单元内的主体电解液的浓度中的不平衡。例如，在一个电极处存在KCl分子的净增益，但在相对的电极处存在KCl分子的净损耗。在一个电极处的该盐浓度增长和在相对的电极上的盐耗尽在单元内产生不良的渗透压。
通过PNTMC的备选类型的离子流动经由非法拉第传导。在非法拉第传导中，在金属的表面处没有发生化学反应（化学物质的还原或氧化）。跨越金属电极与电解液的薄膜之间的双层电容的改变中的电位驱动离子流动。
针对非法拉第传导，金属电极可以由对腐蚀和氧化有抵抗力的金属制成。例如，诸如铂或金之类的难以氧化的贵金属，并且甚至在它们确实氧化的情况下，该过程可以轻易地逆转。当小的电位（例如，相对于小于+/-1V）被施加到电解液中的铂/金时，除初始的电容性瞬态之外，没有离子电流流动。这允许对从金属到混合到电解液中的氧化还原（还原-氧化）活性物种中的电子隧道效应的测量。在电解液中没有氧化还原活性物种（诸如铁氰化物或亚铁氰化物）的情况下，没有稳态离子（或电子或空穴）电流跨越金属-液体界面流动。尽管缺乏铂/金与电解液之间的化学（即，键合）相互作用，但响应于施加的电位，存在来自金属-液体界面处的离子耗尽区的增长和收缩的电解液中的离子的瞬态物理位移。在电化学用语中，该离子耗尽区被称作“双层”。使用电气工程模型，在金属是一个板、耗尽区是电介质并且在流体中弥漫分布的离子是另一个板的情况下形成平行板电容器。
图6图示了被配置用于非法拉第的和电容性耦合的测量的基于纳米孔的测序芯片中的单元的实施例。脂质双分子层602在单元的表面上形成。包含可溶性蛋白质纳米孔跨膜分子复合物（PNTMC）和感兴趣分析物的电解液614被直接放置到单元的表面上。单个PNTMC604通过电穿孔插入到脂质双分子层602中。阵列中的单独的脂质双分子层不化学地或电地彼此连接。因此，阵列中的每个单元是独立的测序机器，其产生对与PNTMC相关联的单个聚合物分子而言独特的数据。该单元包括模拟测量电路612以便进行非法拉第的和电容性耦合的测量。测量结果被转换成数字信息并且被传输离开单元。在某些实施例中，传输数据速率大约是数吉比特每秒。在某些实施例中，现场可编程门阵列（FPGA）或专用集成电路（ASIC）接收被传输的数据、处理该数据并且将该数据转发到计算机。
继续参考图6，模拟测量电路612被连接到由电解液的薄膜608覆盖的金属电极610。电解液的薄膜608通过离子不可渗透的脂质双分子层602与主体电解液614隔离。PNTMC604跨越脂质双分子层602并且提供用于从主体液体到金属电极610的离子流动的唯一路径。金属电极610也被称作工作电极（WE）。针对非法拉第传导，金属电极610可以由对腐蚀和氧化有抵抗力的金属制成，所述金属例如铂、金和石墨。金属电极610可以是海绵状（spongy）电极，如下面将更详细地描述的那样。单元还包括对电极/参考电极（CE/RE）616，其是电化学电位传感器。
图7图示了用于非法拉第传导的小信号电路模型的实施例。PNTMC被表示为小信号电路模型中的简单电阻器702。双层电容被表示为小信号电路模型中的电容器704。在某些实施例中，图7中的V1被设置成距地的增加电压，例如500mV，而V2被设置成V1加施加的信号，例如从10Hz到1kHz的施加的AC信号。
在某些实施例中，施加的信号是AC信号。在一个极性处，施加的AC信号将聚合酶吸引到纳米孔并且吸引标签通过或接近纳米孔以便检测。当施加的AC信号的极性被颠倒时，从纳米孔释放标签，并且电极被再充电/刷新，使得没有对金属电极做出电化学改变。当AC信号反复地改变极性时，与加标签的核苷酸相关联的标签的一部分被引导到纳米孔中并且被引导出纳米孔达多次。单个标签的该反复的加载和排出允许标签被多次读取。多次读取可以使对错误的改正成为可能，所述错误诸如与穿入到纳米孔中和/或穿出纳米孔的标签相关联的错误。
在某些实施例中，至少部分地基于在其期间加标签的核苷酸与聚合酶相关联的时间段来选择AC信号的频率。AC信号的频率应该允许与聚合酶相关联的加标签的核苷酸至少一次被吸引并且被加载到纳米孔中达足够长的时间以使得标签可以被检测到；否则，与聚合酶相关联的标签中的某些不可能被系统检测到。换言之，应该在比事件的序列正在发生的速率更快的速率处采样，使得没有事件被错过。
继续参考图6，在脂质双分子层602已经形成之前，主体电解液614与工作电极610直接接触，从而造成电解液与工作电极之间的短路。图8A和图8B图示了双层的电容性响应的实施例。这些图图示了在电解液与工作电极之间短路的情况下的双层的属性。在该示例中，电解液包含0.5M乙酸钾和10mMKCl。对电极616包括AgCl。工作电极610是具有电镀的铂的铂电极。水的粘滞性防止响应于施加的电场的离子的轻易流动；这表现为双层电容性响应中的串联电阻。该电阻限制如在图8A中示出的峰值电流。可以在响应的衰减中看出RC电化学连接的该串联性质，其以RC时间常量为特征。在图8B中，电流被示出下降到exp（-25）=13.8pA，低于系统的检测限制。这证明了分流电阻（从电学的视角来看）和法拉第电流（从电化学的视角来看）两者的缺乏。
工作电极610被配置成使它的表面面积最大化达给定量。随着表面积增加，双层的电容增加，并且在电容器变为带电之前可以利用相同的施加的电位使较大量的离子被置换。参考图7，的阻抗=，其中f=频率并且C=。通过使f、C或f和C两者更大，电容器的阻抗变得相对于非常小，并且将被测量的电流变得较大。因为小信号模型的阻抗由来支配，所以测量的电流可以更好的区分五个状态：具有打开的纳米孔通道的最高电流状态和与绑定到PNTMC的活性部位的核苷酸的四个不同类型中的每个相对应的四个较低的电流状态。
例如，可以通过使电极成为“海绵状”来增加工作电极的表面面积。在某些实施例中，可以通过在存在去污剂的情况下将铂金属电镀到5微米直径光滑铂电极上来增强双层到主体流体的电容。去污剂在铂金属中创建纳米尺度的孔隙空间，使其成为“海绵状”。海绵铂吸收电解液并且创建大的有效表面面积（例如，33pF每平方微米的电极自上而下面积）。使双层表面积最大化创建“DC阻塞”电容器，由此双层上的电压达到稳态并且在操作期间几乎不改变。串联PNTMC电阻（图7中的）和双层电容（图7中的）形成低频零，其担当高通滤波器。在一个示例中，～10千兆欧姆，～800pF，导致～10千兆欧姆*～800pF=～8秒时间常量的时间常量。在100Hz处截断（chop）测量然后拒绝DC漂移并且将在测量的标签中的低频信息含量减弱到1/1000。
在没有任何标签存在的情况下，PNTMC起与alpha溶血素蛋白质纳米孔类似的作用。溶血素纳米孔具有整流特性，其依赖于方波驱动的占空比来该改变它的偏置。有别于法拉第传导情况，施加到电极的绝对电压与施加到纳米孔的电压不相同：在双层上的电压使施加到纳米孔的电位偏置，并且该偏置随占空比改变。
图9A和9B图示了利用非法拉第AC调制的纳米孔电流。在该示例中，施加的信号是在5Hz处具有50%占空比的200mV峰到峰方波。电解液包含0.5M乙酸钾和10mMKCl。对电极616包括AgCl。工作电极610是具有电镀的铂的铂电极。
图9A示出了当具有正极性的200mV被施加到纳米孔时的启动瞬态，其指示了利用直接施加的200mV的打开通道电流近似70pA。图9A示出在～20秒之后达到稳态。在图9B中，可以观察到双层电容器上的电压的衰减率。衰减率由双层电容和纳米孔加载电阻的大小确定。
图10图示了在稳态处的峰值正电流根据占空比和施加的电压变化。曲线图1010以安培（A）为单位示出了当施加的电压是200mV峰到峰方波时针对不同的占空比绘制的稳态峰值电流。曲线图1020（以A）示出了当施加的电压是100mV峰到峰方波时针对不同的占空比绘制的稳态峰值电流。在该示例中，电解液包含0.5M乙酸钾和10mMKCl。对电极616包括AgCl。工作电极610是具有电镀的铂的铂电极。因为溶血素纳米孔具有整流特性（或是非欧姆的），所以需要比在正极性电压被施加时更大量值的负极性电压来传递相同量值的电流。峰值正电流随占空比增加而下降。占空比越低，通过双层电容施加到纳米孔的正电压越高。
图11图示了与图10的数据匹配的仿真模型的实施例。构造仿真来估计纳米孔上的实际电压，因为与纳米孔串联地连接的双层电容器所以所述实际电压与施加到工作电极的电压不相同。在非法拉第情况下不可以直接测量该电压。乙酸钾中的非线性被假设直接与1M氯化钾的非线性成比例。图12A和12B图示了当施加的信号具有50%占空比时的仿真结果。在图12B中，因为溶血素纳米孔的整流特性所以衰减的斜率对于正电流比负电流更陡峭，其利用图11中的多项式方程B1和B2来建模。
图13A图示了当施加的信号具有25%占空比时的测量电流。图13B图示了当施加的信号具有25%占空比时的仿真电流。这些图图示了在25%的较低占空比的情况下，通过纳米孔的正电流的量值（43pA）比通过纳米孔的负电流的量值（-13pA）大得多。为了实现在稳态处没有分流电阻（没有法拉第电流），在振荡的一个周期期间通过双层的正电荷和负电荷的总和应该是零。因为i=dQ/dt，其中i=电流并且Q=电荷，所以在电流相对时间的图中，电荷是曲线下的面积。例如，如果正极的电流相对时间曲线图的曲线下的面积（图13B的面积1302）粗略地与负极的电流对时间曲线图的曲线下的面积（图13B的面积1304）相同，那么在振荡的一个周期期间通过双层的正电荷和负电荷的总和接近零。
图14A图示了当施加的信号具有50%占空比时施加到纳米孔的电压相对时间。图14B图示了当施加的信号具有25%占空比时施加到纳米孔的电压相对时间。在图14B中的较低占空比的情况下，施加到纳米孔的电压较高，其以较大的效力将聚合酶和标签引向纳米孔。在图14A中的较长占空比的情况下，当核苷酸具体尾部在原位时，更多的时间花费在读取和检测标签中。
图15图示了用于标识分子的过程的实施例。在1502处，通过在第一时段期间向电极对（例如，工作电极和对电极/参考电极）施加第一电压信号将分子吸引到纳米孔，其中第一电压信号导致第一离子电流通过纳米孔，所述第一离子电流指示接近纳米孔的分子（例如，加标签的核苷酸）的一部分的属性。例如，四个类型的加标签的核苷酸具有不同的属性并且当特定类型的加标签的核苷酸被吸引到纳米孔中时，指示属性的离子电流流动通过纳米孔。
在1504处，通过在第二时段期间向电极对施加第二电压信号来从纳米孔释放分子，其中第二电压信号导致第二离子电流通过纳米孔。
在1506处，至少部分地基于包括第一离子电流和第二离子电流的通过纳米孔的净离子电流来确定第一时段和第二时段。例如，第一时段和第二时段可以被确定以使得净离子电流被减小。在某些实施例中，通过将第二电压信号设置成关闭来减小净离子电流。当第二电压信号被关闭时，第二离子电流变成零并且金属电极的耗尽如上文解释的那样被延迟。在某些实施例中，通过将第二电压信号设置成具有与第一电压信号相反的极性的信号来减小净离子电流。例如，在第一电压信号和第二电压信号之间的交替产生AC信号。第二离子电流抵消第一离子电流，从而减小通过纳米孔的净离子电流。如在图10中示出的那样，电流根据占空比和施加的电压变化。因此，可以调整占空比（即，第一时段和第二时段）以使得在第一离子电流的曲线下的面积基本上与在第二离子电流的曲线下的面积相同，使得在振荡的一个周期（即，第一时段和第二时段）期间通过双层的正电荷和负电荷的总和接近零。
尽管出于理解的清楚的目的已经以某些细节描述了前述实施例，但本发明不限于提供的细节。存在实施本发明的许多备选方式。所公开的实施例是说明性的并且不是限制性的。

Claims (31)

1.一种标识分子的方法，包括：
通过在第一时段期间向电极对施加第一电压信号来将分子吸引到纳米孔，其中所述第一电压信号导致第一离子电流通过纳米孔，所述第一离子电流指示接近纳米孔的分子的一部分的属性；
通过在第二时段期间向电极对施加第二电压信号来从纳米孔释放分子，其中所述第二电压信号导致第二离子电流通过纳米孔；以及
至少部分地基于包括第一离子电流和第二离子电流的通过纳米孔的净离子电流来确定第一时段和第二时段。
2.根据权利要求1所述的方法，其中至少部分地基于净离子电流来确定第一时段和第二时段包括确定减小净离子电流的第一时段和第二时段。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定减小净离子电流的第一时段和第二时段包括将第二电压信号设置成关闭。
4.根据权利要求2所述的方法，其中确定减小净离子电流的第一时段和第二时段包括将第二电压信号设置成具有与第一电压信号相反的极性的信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中第一时段期间的第一电压信号和第二时段期间的第二电压信号包括AC信号。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括至少部分地基于与纳米孔相对应的整流特性来设置AC信号的占空比。
7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括至少部分地基于在包括第一时段和第二时段的组合的时间段期间对应于第一离子电流的电荷和对应于第二离子电流的电荷的总和来设置AC信号的占空比。
8.根据权利要求5所述的方法，进一步包括至少部分地基于足以将分子吸引到纳米孔的电压的量值来设置AC信号的占空比。
9.根据权利要求1所述的方法，其中电极中的一个包括促进非法拉第传导的属性。
10.根据权利要求9所述的方法，其中电极中的一个包括贵金属。
11.根据权利要求9所述的方法，其中电极中的一个包括使电极中的一个的表面面积增加的结构。
12.根据权利要求9所述的方法，其中电极中的一个包括使双层电容增加的结构。
13.根据权利要求9所述的方法，其中电极中的一个包括海绵状结构。
14.根据权利要求13所述的方法，其中通过在存在去污剂的情况下将铂电镀到铂电极上来形成海绵状结构。
15.根据权利要求1所述的方法，其中至少部分地基于分子的部分的属性随时间过去改变多么快来确定第一时段和第二时段。
16.一种用于标识分子的系统，包括：
控制电压源的电压控制单元；
耦合到电压源的电极对；以及
测量电路；
其中电压控制单元被配置成：
通过在第一时段期间控制电压源向电极对施加第一电压信号将分子吸引到纳米孔，其中所述第一电压信号导致第一离子电流通过纳米孔，所述第一离子电流指示接近纳米孔的分子的一部分的属性；
通过在第二时段期间控制电压源向电极对施加第二电压信号从纳米孔释放分子，其中所述第二电压信号导致第二离子电流通过纳米孔；以及
至少部分地基于包括第一离子电流和第二离子电流的通过纳米孔的净离子电流来确定第一时段和第二时段；
并且其中测量电路被配置成测量第一离子电流。
17.根据权利要求16所述的系统，其中至少部分地基于净离子电流来确定第一时段和第二时段包括确定减小净离子电流的第一时段和第二时段。
18.根据权利要求17所述的系统，其中确定减小净离子电流的第一时段和第二时段包括将第二电压信号设置成关闭。
19.根据权利要求17所述的系统，其中确定减小净离子电流的第一时段和第二时段包括将第二电压信号设置成具有与第一电压信号相反的极性的信号。
20.根据权利要求19所述的系统，其中第一时段期间的第一电压信号和第二时段期间的第二电压信号包括AC信号。
21.根据权利要求20所述的系统，其中电压控制单元被进一步配置成至少部分地基于与纳米孔相对应的整流特性来设置AC信号的占空比。
22.根据权利要求20所述的系统，其中电压控制单元被进一步配置成至少部分地基于在包括第一时段和第二时段的组合的时间段期间对应于第一离子电流的电荷和对应于第二离子电流的电荷的总和来设置AC信号的占空比。
23.根据权利要求20所述的系统，其中电压控制单元被进一步配置成至少部分地基于足以将分子吸引到纳米孔的电压的量值来设置AC信号的占空比。
24.根据权利要求16所述的系统，其中电极中的一个包括促进非法拉第传导的属性。
25.根据权利要求24所述的系统，其中电极中的一个包括贵金属。
26.根据权利要求24所述的系统，其中电极中的一个包括使电极中的一个的表面面积增加的结构。
27.根据权利要求24所述的系统，其中电极中的一个包括使双层电容增加的结构。
28.根据权利要求24所述的系统，其中电极中的一个包括海绵状结构。
29.根据权利要求28所述的系统，其中通过在存在去污剂的情况下将铂电镀到铂电极上来形成海绵状结构。
30.根据权利要求16所述的系统，其中至少部分地基于分子的部分的属性随时间过去改变多么快来确定第一时段和第二时段。
31.根据权利要求16所述的系统，其中所述分子包括与聚合酶相关联的加标签的核苷酸，并且其中至少部分地基于在其期间加标签的核苷酸与聚合酶相关联的时间段来确定第一时段和第二时段。
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