(57)【要約】  ナノポア測定回路を開示する。このナノポア測定回路は、ナノポア電極と、第１アナログ・メモリと、第２アナログ・メモリとを含む。また、このナノポア測定回路は、ナノポア電極を、第１アナログ・メモリおよび第２アナログ・メモリの内少なくとも１つに選択的に接続するスイッチ・ネットワークも含む。【選択図】図２２
2018535396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノポア測定回路であって、
ナノポア電極と、
第１アナログ・メモリと、
第２アナログ・メモリと、
前記ナノポア電極を前記第１アナログおよび第２アナログ・メモリの内少なくとも１つに選択的に接続するスイッチ・ネットワークと、
を含む、ナノポア測定回路。
【請求項２】
請求項１記載の回路であって、更に、前記第１アナログ・メモリおよび前記第２アナログ・メモリを測定回路に選択的に接続する出力回路を含む、回路。
【請求項３】
請求項２記載の回路において、前記出力回路が、前記第１アナログ・メモリを選択的に接続するスイッチを含む、回路。
【請求項４】
請求項２記載の回路において、前記出力回路が、前記第１アナログ・メモリの電圧を選択的に出力する、回路。
【請求項５】
請求項２記載の回路において、前記測定回路が、アナログ／ディジタル変換器を含む、回路。
【請求項６】
請求項２記載の回路において、前記測定回路が比較器を含む、回路。
【請求項７】
請求項２記載の回路において、前記測定回路が、前記第１アナログ・メモリと前記第２アナログ・メモリとの間の差の第１ディジタル値と、前記第１アナログ・メモリの絶対電気的値の第２ディジタル値と、前記第２アナログ・メモリの絶対電気的値の第３ディジタル値とを出力する、回路。
【請求項８】
請求項１記載の回路であって、更に、前記第１アナログ・メモリの電圧と前記第２アナログ・メモリの電圧との間の電圧差を出力する測定回路を含む、回路。
【請求項９】
請求項１記載の回路において、前記第１アナログ・メモリがキャパシタである、回路。
【請求項１０】
請求項１記載の回路において、前記スイッチ・ネットワークが、ナノポアの状態に対応する電気的値を選択的に格納する、回路。
【請求項１１】
請求項１記載の回路において、前記スイッチ・ネットワークが、前記第１アナログ・メモリに、ナノポアの第１測定サンプルに対応する第１電気的値を選択的に格納し、前記スイッチ・ネットワークが、前記第２アナログ・メモリに、前記ナノポアの第２測定サンプルに対応する第２電気的値を選択的に格納する、回路。
【請求項１２】
請求項１記載の回路であって、更に、交流個閏電圧源に接続された第２ナノポア電極を含む、回路。
【請求項１３】
請求項１記載の回路において、前記第１アナログ・メモリおよび前記第２アナログ・メモリが、連続的に得られた連続ナノポア電気測定サンプルを格納する、回路。
【請求項１４】
請求項１記載の回路において、前記第１アナログ・メモリおよび前記第２アナログ・メモリが、不連続的に得られた不連続ナノポア電気測定サンプルを格納する、回路。
【請求項１５】
ナノポア・イベントを検出する方法であって、
第１電圧を第１アナログ・メモリに格納するステップと、
第２電圧を第２アナログ・メモリに格納するステップと、
前記第１アナログ・メモリの第１電圧と、前記第２アナログ・メモリの第２電圧との差を出力するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
近年、半導体業界内における超小型化の進展により、バイオテクノロジーが、従前では嵩張っていた検知ツールを、いわゆるバイオチップ上に詰め込み、フォーム・ファクタを増々小さくすることを可能にした。多くの場合、バイオチップからエクスポートすることができるデータ量は、通信帯域の制限のために、制約がかけられる。増々多くの情報がバイオチップによって生成されつつあるので、バイオチップからエクスポートされなければならないデータの量を削減することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００２】
本発明の種々の実施形態を、以下の詳細な説明および添付図面において開示する。
【図１】図１は、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップにおけるセル１００の一実施形態を示す。
【図２】図２は、ナノ−ＳＢＳ技法によってヌクレオチド・シーケンシングを実行するセル２００の一実施形態を示す。
【図３】図３は、予め装填されたタグによってヌクレオチド・シーケンシングを実行しようとしているセルの一実施形態を示す。
【図４】図４は、予め装填されたタグによる核酸シーケンスのプロセス４００の一実施形態を示す。
【図５】図５Ａは、ファラデー伝導の間における小信号回路モデルの一実施形態を示す。図５Ｂは、ファラデー伝導によるＰＮＴＭＣの異なる状態を示す。
【図６】図６は、非ファラデーおよび容量結合測定のために構成されたナノポア・ベースのシーケンシング・チップにおけるセルの一実施形態を示す。
【図７】図７は、非ファラデー伝導の小信号回路モデルの一実施形態を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、二重層の容量性応答の一実施形態を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、二重層の容量性応答の一実施形態を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、非ファラデーＡＣ変調によるナノポア電流を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、非ファラデーＡＣ変調によるナノポア電流を示す。
【図１０】図１０は、定常状態におけるピーク正電流が、デューティ・サイクルおよび印加電圧の関数として変動することを示す。
【図１１】図１１は、図１０のデータに一致させたシミュレーション・モデルの一実施形態を示す。
【図１２Ａ】図１２Ａは、印加信号が５０％デューディ・サイクルを有するときのシミュレーション結果を示す。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、印加信号が５０％デューディ・サイクルを有するときのシミュレーション結果を示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、印加信号が２５％デューティ・サイクルを有するときの測定電流を示す。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、印加信号が２５％デューティ・サイクルを有するときのシミュレーション電流(simulated current)を示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、印加信号が５０％デューティ・サイクルを有するときの、ナノポアに印加した電圧と時間の関係を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、印加信号が２５％デューティ・サイクルを有するときの、ナノポアに印加した電圧と時間の関係を示す。
【図１５】図１５は、分子を同定するプロセスの一実施形態を示す。
【図１６】図１６は、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップのセルにおける回路１６００の一実施形態を示す。
【図１７】図１７は、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップのセルにおける回路１７００の一実施形態を示し、ナノポアが特定の検出可能な状態にある時間期間では、ナノポアの両端間に印加される電圧は時間と共に変動するように構成することができる。
【図１８Ａ】図１８Ａは、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップのセルにおける回路（１８００および１８０１）の他の実施形態を示し、ナノポアが特定の検出可能な状態にある時間期間では、ナノポアの両端間に印加される電圧はときの経過と共に変動するように構成することができる。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップのセルにおける回路（１８００および１８０１）の他の実施形態を示し、ナノポアが特定の検出可能な状態にある時間期間では、ナノポアの両端間に印加される電圧はときの経過と共に変動するように構成することができる。
【図１９】図１９は、ナノポアがメンブレーン内に挿入されているときに、ナノポアの内側において分子を分析するプロセス１９００の一実施形態を示す。
【図２０】図２０は、プロセス１９００を実行し３回繰り返したときの、ナノポアの両端間に印加した電圧に対する時間のプロットの一実施形態を示す。
【図２１】図２１は、ナノポアが異なる状態にあるときにおける、ナノポアの両端間に印加した電圧に対する時間のプロットの一実施形態を示す。
【図２２】図２２は、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップのセルにおける回路の一実施形態を示す回路図であり、シーケンシング・チップは、測定値を格納するアナログ・メモリを含む。
【図２３】図２３は、ナノポアを測定するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。
【図２４】図２４は、ＡＣ電圧源を、ナノポアの対向電極(counter electrode)の基準電圧として利用するときの回路測定値のグラフを示す図である。
【図２５】図２５は、ナノポアの状態を検出し、出力されるデータを最適化するためにナノポア状態データを適応的に処理するシステムの一実施形態を示すブロック図である。
【図２６】図２６は、ナノポア状態データを報告するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。
【図２７】図２７は、基準ＡＣ電圧源信号の１サイクルの間に受け取られる周期的な電気測定サンプルの一例を示す図である。
【図２８】図２８は、出力されるデータを適応的に分析するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。
【図２９】図２９は、圧縮技法を決定するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。
【図３０】図３０は、出力されるデータを変更／フィルタリング(filtering)するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。
【図３１】図３１は、通過(threaded)ナノポア多状態検出を処理するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００３】
本発明は多数の方法で実現することができ、プロセス、装置、システム、物質の組成(composition of matter)、コンピュータ読み取り可能記憶媒体上に具体化されたコンピュータ・プログラム製品、および／またはプロセッサに結合されたメモリ上に格納された命令および／またはメモリによって供給された命令を実行するように構成されたプロセッサのような、プロセッサとして実現することを含む。本明細書では、これらの実施態様、または本発明が採用することができるあらゆる他の形態を技法(techniques)と呼ぶことがある。一般に、開示するプロセスのステップの順序は、本発明の範囲内で変更されてもよい。特に注記しない限り、タスクを実行するように構成されるものとして記述されるプロセッサまたはメモリのようなコンポーネントは、所与の時点においてそのタスクを実行するように一時的に構成される汎用コンポーネント、またはそのタスクを実行するように製造された特定コンポーネントとして実現することができる。本明細書において使用する場合、「プロセッサ」という用語は、コンピュータ・プログラム命令のようなデータを処理するように構成された１つ以上のデバイス、回路、および／または処理コアを指す。
【０００４】
以下に、本発明の原理を図示する添付図面と共に、本発明の１つ以上の実施形態の詳細な説明を示す。このような実施形態と関係付けて本発明について説明するが、本発明はいずれの実施形態にも限定されない。本発明の範囲は請求項によってのみ限定され、本発明は、多数の代替、変更、および均等を包含する。以下の説明では、本発明の完全な理解を得るために、多数の具体的な詳細を明記する。これらの詳細は例示の目的に限って提示するのであり、本発明は、これら具体的な詳細の一部または全部がなくても、請求項にしたがって実施することができる。明確さを得るという目的のために、本発明に関係する技術分野において周知の技術的素材については、本発明を不必要に曖昧にしないように、詳細には説明しないこととする。
【０００５】
内径が１ナノメートル程度のポア・サイズを有するナノポア・メンブレーン・デバイスは、急速ヌクレオチド・シーケンシング(rapid nucleotide sequencing)において有望である。導電性液体内に浸漬されたナノポアの両端間に電圧電位を印加すると、ナノポアを横切るイオンの導通に起因する小さなイオン電流を観察することができる。電流の大きさは、ポア・サイズに感応する(sensitive)。
【０００６】
ナノポア・ベースのシーケンシング・チップは、ＤＮＡシーケンシングに使用することができる。ナノポア・ベースのシーケンシング・チップは、アレイとして構成された大多数のセンサ・セルを組み込む。例えば、百万個のセルから成るアレイが、１０００行×１０００列のセルを含むこともできる。
【０００７】
図１は、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップにおけるセル１００の一実施形態を示す。セルの表面上にメンブレーン１０２が形成されている。ある実施形態では、メンブレーン１０２は脂質二重層である。可溶性タンパク質ナノポア膜貫通分子複合体（ＰＮＴＭＣ： soluble protein nanopore transmembrane molecular complexes）と対象検体とを含有するバルク電解質(bulk electrolyte)１１４が、セルの表面上に直接載置されている。電気穿孔法によって、１つのＰＮＴＭＣ１０４がメンブレーン１０２内に挿入される。アレイ内にある個々のメンブレーンは、互いに化学的にも電気的にも接続されない。つまり、アレイにおける各セルは独立したシーケンシング・マシン(sequencing machine)であり、ＰＮＴＭＣと会合した１つのポリマー分子に一意のデータを生成する。ＰＮＴＭＣ１０４は、検体に対して作用し、そうでなければ不浸透性である二重層を通るイオン電流を変調する。
【０００８】
引き続き図１を参照すると、アナログ測定回路１１２が、電解質１０８の薄膜によって覆われている金属電極１１０に接続されている。この電解質１０８の薄膜は、イオン不浸透性のメンブレーン１０２によって、バルク電解質１１４からは分離されている。ＰＮＴＭＣ１０４は、メンブレーン１０２を交差し、イオン電流がバルク液体から作用電極１１０に流れる唯一の経路を提供する。また、セルは、電気化学電位センサである対向電極（ＣＥ）１１６も含む。
【０００９】
ある実施形態では、ナノポア・アレイが、合成（ナノーＳＢＳ）技法による１つの分子ナノポア・ベース・シーケンシングを使用し、並列シーケンシングを可能にする。図２は、ナノ−ＳＢＳ技法によってヌクレオチド・シーケンシングを実行するセル２００の一実施形態を示す。ナノ−ＳＢＳ技法では、シーケンシングする鋳型２０２およびプライマをセル２００に導入する。この鋳型−プライマ複合体に対して、４つの異なるタグ付きヌクレオチド２０８をバルク水相(bulk aqueous phase)に追加する。正しくタグ付けされたヌクレオチドがポリメラーゼ２０４と複合体を形成すると、タグの尾部(tail)がナノポア２０６のバレル(barrel)に位置する。ナノポア２０６のバレル内に保持されたタグは、一意のイオン遮断信号(ionic blockade signal)２１０を生成し、これによって、タグの化学構造が全く別であることから、追加された塩基を電子的に同定する。
【００１０】
図３は、予め装填されta
タグによってヌクレオチド・シーケンシングを実行しようとするセルの一実施形態を示す。ナノポア３０１はメンブレーン３０２内に形成される。酵素３０３（例えば、ＤＮＡポリメラーゼのようなポリメラーゼ）がナノポアと会合している。場合によっては、ポリメラーゼ３０３がナノポア３０１に共有結合することもある。ポリメラーゼ３０３は、シーケンシングする核酸分子３０４と会合している。ある実施形態では、核酸分子３０４は円形である。場合によっては、核酸分子３０４が直線状となることもある。ある実施形態では、核酸プライマ３０５が核酸分子３０４の一部に交雑される(hybridize)。ポリメラーゼ３０３は、触媒として機能して、一本鎖核酸分子３０４を鋳型として使用して、プライマ３０５上にヌクレオチド３０６の取り込み(incorporation)を触媒する。ヌクレオチド３０６はタグ種（「タグ」）３０７を含む。
【００１１】
図４は、予め装填されたタグによる核酸シーケンシングのプロセス４００の一実施形態を示す。ステージＡは、図３において説明したようなコンポーネントを示す。ステージＣは、ナノポアに装填されたタグを示す。「装填された」タグ(loaded tag)とは、かなりの時間量、例えば、０．１ミリ秒（ｍｓ）から１００００ｍｓの間ナノポア内に位置しているもの、および／またはナノポア内または付近に居続けるものとして差し支えない。場合によっては、予め装填されたタグが、ヌクレオチドから放出される前に、ナノポアに装填されることがある。ある実例では、ヌクレオチド取り込みイベントによって放出された後にナノポアを通過する（および/またはナノポアによって検出される）タグの可能性が、適度に高い場合、例えば、９０％〜９９％である場合、タグは予め装填される。
【００１２】
ステージＡにおいて、タグ付きヌクレオチド（４つの異なるタイプＡ、Ｔ，Ｇ、またはＣの内の１つ）は、ポリメラーゼと会合していない。ステージＢにおいて、タグ付きヌクレオチドがポリメラーゼと会合する。ステージＣにおいて、ポリメラーゼがナノポアにドッキングする。メンブレーンおよび／またはナノポアの両端間に印加された電圧によって生成される電界の存在の下で発生する力のような、電気的な力によって、ドッキングの間にタグはナノポア内に引き込まれる。
【００１３】
会合したタグ付きヌクレオチドの一部は、核酸分子と塩基対合しない(base paired)。これら非対合ヌクレオチドは、通例、正しく対合したヌクレオチドがポリメラーゼと会合し続ける時間尺度より短い時間尺度でポリメラーゼによって拒絶される。非対合ヌクレオチドは一時的にしかポリメラーゼと会合しないため、図４に示すプロセス４００は、通例、ステージＤを越えて進行しない。例えば、非対合ヌクレオチドは、ステージＢにおいて、またはプロセスがステージＣに入った直後に、ポリメラーゼによって拒絶される。
【００１４】
ポリメラーゼがナノポアとドッキングする前では、ナノポアのコンダクタンスは〜３００ピコ・ジーメンス（３００ｐＳ）である。ステージＣにおいて、ナノポアのコンダクタンスは、タグ付けされたヌクレオチドの４つの型の１つに対応して、約６０ｐＳ、８０ｐＳ、１００ｐＳ、または１２０ｐＳとなる。ポリメラーゼは、成長中の核酸分子にヌクレオチドを取り込み、タグ分子を放出するため、異性化およびトランスリン酸化の反応を起こす。具体的には、タグがナノポア内に保持されると、タグの化学構造が全く別であるために、一意のコンダクタンス信号（例えば、図２における信号２１０を参照のこと）が生成され、これによって、付加された塩基が電子的に同定される。サイクル（即ち、ステージＡからＥまでまたはステージＡからＦまで）を繰り返すことによって、核酸分子のシーケンシングを可能にする。ステージＤにおいて、放出されたタグはナノポアを通過する。
【００１５】
場合によっては、図４のステージＦにおいて見られるように、成長中の核酸分子へ取り込まれないタグ付きヌクレオチドもナノポアを通過することもある。この取り込まれないヌクレオチドは、実例の中には、ナノポアによって検出できる場合もあるが、本方法は、取り込まれたヌクレオチドと取り込まれないヌクレオチドとの間で、少なくとも部分的に、ヌクレオチドがナノポアにおいて検出される時間に基づいて区別する手段を提供する。取り込まれていないヌクレオチドに結合している(bound)タグは、ナノポアを素早く通過し、短い時間期間（例えば、１０ｍｓ未満）検出されるが、取り込まれたヌクレオチドに結合しているタグは、ナノポアへ装填され、長い時間期間（例えば、少なくとも１０ｍｓ）検出される。
【００１６】
２種類のイオン流(ionic flow)、ファラデー伝導および非ファラデー伝導を、ＮＴＭＣによって駆動することができる。ファラデー伝導では、金属電極の表面上で化学反応が起こる。ファラデー電流とは、電極における何らかの化学物質の還元または酸化によって発生する電流である。非ファラデー伝導では、金属の表面において化学反応は起こらない。金属電極と電解質の薄膜との間における二重層容量(double layer capacitance)上で変化する電位がイオン流を駆動する。
【００１７】
ファラデー伝導によるイオン流(ionic flow)には多数の欠点がある。イオン電流(ionic current)がＰＮＴＭＣを通過するに連れて電極内の金属が消費され消耗するので、電極の動作寿命が短くなる(limited)。これについては以下で更に詳しく説明する。
【００１８】
図５Ａは、ファラデー伝導中における小信号回路モデルの一実施形態を示す。ＰＮＴＭＣおよびＷＥは、この小信号回路モデルでは単純な抵抗器を表す。図５Ｂは、ファラデー伝導によるＰＮＴＭＣの異なる状態を示す。イオン電流ｉ（ｔ）は、５つの状態を有する。即ち、ナノポア・チャネルが開いている（図示せず）最高電流状態、およびＰＮＴＭＣのアクティブな部位に結合されたヌクレオチドの４つの異なる型の各々に対応する、４つの低電流状態である。正の電流ｉ（ｔ）は、ＶＣＥ、ＶＲＥノードに入り、ＶＷＥノードから出る電子を記述する。陰イオン（例えば、Ｃｌ−）はＣＥを離れ、バルク電解質を通過し、ＰＮＴＭＣを介して脂質二重層を交差し、続いて電解質の薄膜を貫通し、ＷＥの金属と結合する(combine)。
【００１９】
例えば、銀金属（Ａｇ）を含む電極では化学反応は次の通りである。
Ａｇ（固体）＋Ｃｌ−（水性）→ＡｇＣｌ（固体）＋電子（アナログ回路内を流れる）    式１
以上の式１に示すように、金属銀の原子は、ＰＮＴＭＣを通過する塩素陰イオン（Ｃｌ−）毎に、不溶性塩である塩化銀（ＡｇＣｌ）に変換される。場合によっては、数分の動作の内に(within minutes of operation)、銀が消耗する。
【００２０】
金属電極の消耗を回避するために、同じ期間だけ負電圧を印加し、塩化銀（ＡｇＣｌ）を銀金属に逆変換させることによって、イオン電流の流れる方向を逆転させることができる。しかしながら、このように再充電またはリフレッシュすると、金属電極の表面上に、髪の毛状構造(hair-like features)として銀を再堆積させることになり、全体的な性能に影響を及ぼすおそれがあり、特に、セル形状(cell geometry)が小さい程、つまり電極が小さい程、チップにおいて影響を及ぼすおそれがある。
【００２１】
別の方法は、電圧を印加してポリメラーゼをナノポアに引き寄せ(draw)、検出のためにタグを引きつけて(pull)ナノポアを通過させるかまたは近傍まで持って行き、次いである時間期間この電圧を止めて、タグをナノポアから放出することによって、金属電極の消耗を遅らせることである。電圧が止まっている間電流はないあので、変換される銀原子が減少し、金属電極の寿命が長くなる。しかしながら、それに応じて、検出時間が短くなる。
【００２２】
金属電極の消耗に加えて、ファラデー伝導はセル内部のバルク電解質の濃度がときの経過と共に不均衡になる原因にもなる。例えば、一方の電極においてＫＣＩ分子の正味の利得があり、反対側の電極においてＫＣＩ分子の正味の損失がある。このように、一方の電極における塩濃度蓄積、および反対側の電極における塩消耗は、セル内部において望ましくない浸透圧を生じる。
【００２３】
ＰＮＴＭＣを通るイオン流の別の型式(alternative type)は、非ファラデー伝導によるものである。非ファラデー伝導では、金属の表面において化学反応（化学物質の還元または酸化）が発生しない。金属電極と電解質の薄膜との間における二重層容量の両端にかかる電位を変化させることによって、イオン流を駆動する。
【００２４】
非ファラデー伝導では、金属電極は、腐食および酸化に強い金属で作ることができる。例えば、プラチナまたは金のような貴金属は酸化し難く、酸化しても容易に元に戻すことができる(reversible)。電解質内にあるプラチナ／金に小さい電位（例えば、ＶＣＥに対して±１Ｖ未満）を印加すると、初期の容量性過渡電流を別にして、イオン電流は流れない。これによって、金属から、電解質内において混合された酸化還元(redox)（酸化−還元）活性種にトンネリングする電子の測定が可能になる。電解質内に酸化還元活性種（フェリシアン化物またはフェロシアン化物のような）がないと、金属−液体界面を横切って定常状態イオン（あるいは電子またはホール）電流が流れない。プラチナ／金と電解質との間に化学的（即ち、結合）相互作用がないにも拘わらず、印加される電位に応答して、金属−液体界面におけるイオン消耗領域の成長および縮小から、電解質内においてイオンの一過性の物理的変位が生じる。このイオン消耗領域を、電気化学用語では「二重層」と呼ぶ。電気設計モデルを使用すると、平行板キャパシタが形成され、金属が一方の板になり、消耗領域が誘電体となり、液体におけるイオンのびまん性分布(diffuse distribution)が他方の板となる。
【００２５】
図６は、非ファラデーおよび容量性結合測定のために構成されたナノポア・ベースのシーケンシング・チップにおけるセルの一実施形態を示す。セルの表面上に脂質二重層６０２が形成されている。可溶性タンパク質ナノポア膜貫通分子複合体（ＰＮＴＭＣ）および対象検体６１４が、直接セルの表面上に載置されている。電気穿孔法によって、１つのＰＮＴＭＣ６０４が脂質二重層６０２内に挿入されている。アレイ内にある個々の脂質自重層は、互いに化学的にも電気的にも接続されない。つまり、アレイにおける各セルは独立したシーケンシング・マシン(sequencing machine)であり、ＰＮＴＭＣと会合した単一ポリマー分子に一意のデータを生成する。
【００２６】
セルは、非ファラデーおよび容量性結合測定を行うためにアナログ測定回路６１２を含む。測定値は、ディジタル情報に変換され、セル外部に送信される。ある実施形態では、送信データ・レートは毎秒ギガビット単位である。ある実施形態では、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）または特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）が、送信されたデータを受け取り、このデータを処理し、このデータをコンピュータに転送する。
【００２７】
引き続き図６を参照すると、アナログ測定回路６１２は、電解質の薄膜６０８によって覆われた金属電極６１０に接続されている。電解質の薄膜６０８は、イオン非浸透性脂質二重層６０２によって、バルク電解質６１４から分離されている。ＰＮＴＭＣ６０４は、脂質二重層６０２を交差して、バルク液体から金属電極６１０までの唯一の経路をイオン流に提供する。金属電極６１０のことを作用電極（ＷＥ）とも呼ぶ。非ファラデー伝導では、金属電極６１０を、腐食や酸化に強い金属、例えば、プラチナ、金、およびグラファイトで作ることができる。金属電極６１０は、以下で更に詳しく説明するように、海綿状電極であってもよい。また、セルは対向／基準電極（ＣＥ／ＲＥ）６１６も含み、これは電気化学電位センサとなる。
【００２８】
図７は、非ファラデー伝導の小信号回路モデルの一実施形態を示す。ＰＮＴＭＣは、この小信号回路モデルでは、単純な抵抗器７０２として表されている。二重層容量は、この小信号回路モデルにおいてキャパシタ７０４として表されている。ある実施形態では、図７におけるＶ１が、グラウンドから例えば５００ｍＶまでの漸増電圧となるように設定され、一方Ｖ２は、Ｖ１に印加信号、例えば、１０Ｈｚから１ｋＨｚまでの印加ＡＣ信号を加算した値となるように設定される。
【００２９】
ある実施形態では、印加信号はＡＣ信号である。一方の極性において、印加されたＡＣ信号は、ポリメラーゼをナノポアに向けて引き寄せ、検出のために、タグを引き込んでナノポアを貫通させるか、またはナノポアの近傍に寄せる。印加ＡＣ信号の極性が逆転すると、タグがナノポアから放出され、電気化学的変化が金属電極に発生しないように、電極が再充電／リフレッシュされる。ＡＣ信号が繰り返し極性を変化するに連れて、タグ付きヌクレオチドに会合されたタグの一部が、複数回にわたって、ナノポア内に入るように導かれ、そしてナノポアから出るように導かれる。この１つのタグの反復装填(loading)および排除(expulsion)によって、複数回タグを読み取ることが可能になる。複数回の読み取りによって、ナノポアに進入する(threading into)および／またはナノポアから抜け出る(threading out of)タグに関連する誤差のような、誤差の訂正を可能にすることができる。
【００３０】
ある実施形態では、ＡＣ信号の周波数は、少なくとも部分的に、タグ付けヌクレオチドがポリメラーゼと会合される時間期間に基づいて選択される。ＡＣ信号の周波数は、ポリメラーゼと会合するタグ付きヌクレオチドを、少なくとも１回、ナノポアに引き込み、タグを検出することができるように十分な時間長にわたって装填することを可能にしなければならない。さもないと、ポリメラーゼと会合するタグの一部が、本システムによって検出不能になる。言い換えると、イベントを見過ごさないように、イベントのシーケンスが発生するレートよりも速いレートでサンプリングを行われなければならない。
【００３１】
引き続き図６を参照すると、脂質二重層６０２が形成される前では、バルク電極６１４は作用電極６１０と直接接触しており、つまり電解質と作用電極間に短絡が生じる。図８Ａおよび図８Ｂは、二重層の容量性応答の一実施形態を示す。これらの図は、電解質と作用電極との間において短絡が生じたときの二重層のプロパティを示す。この例では、電解質は０．５Ｍの酢酸カリウムと１０ｍＭのＫＣ１とを含有する。対向電極６１６はＡｇＣｌを含む。作用電極６１０は、プラチナが電気めっきされたプラチナ電極である。水の粘度が、印加場(applied field)に応答するイオンの容易な流れを妨げる。これは、二重層容量性応答において直列抵抗として明示される。この抵抗は、図８Ａに示すように、ピーク電流を制限する。ＲＣ電気化学接続の直列性は、応答の減衰に見ることができ、これはＲＣ時定数によって特徴付けられる。図８Ｂにおいて、電流が、システムの検出限界よりも低い、ｅｘｐ（−２５）＝１３．８ｐＡまで低下することが示されている。これは、分路抵抗（電気的な視点から）およびファラデー電流（電気化学的な視点から）の双方がないことを実証する。
【００３２】
作用電極６１０は、所与の体積に対してその表面積を最大化するように構成されている。表面積が増大すると、二重層の容量が増大し、キャパシタが充電される前では、同じ印加電位で、より多くの量のイオンを変位させることができる。図７を参照すると、ＣＤｏｕｂｌｅ  Ｌａｙｅｒのインピーダンス＝１／（ｊ＊２＊ｐｉ＊ｆ＊Ｃ）であり、ここでｆは周波数であり、Ｃ＝ＣＤｏｕｂｌｅ  Ｌａｙｅｒである。
【００３３】
ｆまたはＣ、あるいはｆおよびＣの双方を大きくすることによって、キャパシタのインピーダンスは、ＲＰＮＴＭＣと比較して非常に小さくなり、測定する電流は大きくなる。小信号モデルのインピーダンスはＲＰＮＴＭＣによって支配されるので、測定電流は５つの状態を一層正確に差別化することができる。即ち、ナノポア・チャネルが開いているときの最高電流状態、およびＰＮＴＭＣのアクティブ部位に結合された４つの異なる型のヌクレオチドの各々に対応する４つの低(lower)電流状態である。
【００３４】
例えば、作用電極の表面積は、電極を「海綿状」にすることによって、増大させることができる。ある実施形態では、洗剤(detergent)の存在下で、プラチナ金属を直径５ミクロンの滑らかなプラチナ電極上に電気めっきすることによって、二重層のバルク液体に対する容量を高めることができる。洗剤は、プラチナ金属においてナノスケール間質空間を形成し、それを「海綿状」にする。プラチナ海綿は、電解質を吸収し、大きな有効表面積を形成する（例えば、電極の垂直方向エリア(top-down area)の平方ミクロン当たり３３ｐＦ）。二重層の表面積を最大化することによって、「ＤＣ遮断」キャパシタが形成され、これによって二重層上の電圧が定常状態に達し、動作中は殆ど変化しない。直列のＰＮＴＭＣ抵抗（図７におけるＲＰＮＴＭＣ）および二重層容量（図７におけるＣＤｏｕｂｌｅ  Ｌａｙｅｒ）が、低周波数ゼロ(low frequency zero)を形成し、これがハイ・パス・フィルタとして作用する。一例では、ＲＰＮＴＭＣは〜１０ギガオーム、ＣＤｏｕｂｌｅ  Ｌａｙｅｒは〜８００ｐＦであり、その結果、時定数が、〜１０ギガオーム×〜８００ｐＦ＝〜８秒となる。次いで、１００Ｈｚで測定値を断ち切ることによって、ＤＣドリフトを排除し、測定されたタグにおける低周波数情報内容を１／１０００に減衰させる。
【００３５】
タグがまったく存在しないとき、ＰＮＴＭＣはアルファ溶血素タンパク質ナノポア(alpha hemolysin protein nanopore)と同様の挙動を示す。溶血素ナノポアは、整流特性を有し、方形波駆動のデューティ・サイクルに応じて、そのバイアスを変化させる。ファラデー伝導の場合とは異なり、電極に印加される全電圧は、ナノポアに印加される電圧と同じではない。二重層上の電圧は、ナノポアに印加される電位を偏向させ(bias)、この偏向がデューティ・サイクルと共に変化する。
【００３６】
図９Ａおよび図９Ｂは、非ファラデーＡＣ変調によるナノポア電流を示す。この例では、印加信号は、５Ｈｚにおいてデューティ・サイクルが５０％、ピーク・ピーク値が２００ｍＶの方形波である。電解質は、０．５Ｍの酢酸カリウム、および１０ｍＭのＫＣ１を含有する。対向電極６１６はＡｇＣｌを含む。作用電極６１０は、プラチナが電気めっきされたプラチナ電極である。
【００３７】
図９Ａは、正極性を有する２００ｍＶをナノポアに印加したときの初期過渡(startup transient)を示し、２００ｍＶを直接印加したときの開放チャネル電流(open-channel current)が約７０ｐＡであることを示す。図９Ａは、〜２０秒後に定常状態に達することを示す。図９Ｂにおいて、二重層キャパシタ上の電圧の減衰率を観察することができる。この減衰率は、二重層の容量のサイズ、およびナノポアの負荷抵抗によって決定される。
【００３８】
図１０は、デューティ・サイクルおよび印加電圧の関数として、定常状態におけるピーク正電流が変動することを示す。プロット１０１０は、印加電圧が２００ｍＶピーク・ピーク方形波であるときに、異なるデューティ・サイクルと対比させてプロットした、アンペア（Ａ）単位の定常状態ピーク電流を示す。プロット１０２０は、印加電圧が１００ｍＶピーク・ピーク方形波であるときに、異なるデューティ・サイクルと対比してプロットした定常状態ピーク電流（Ａ単位）を示す。この例では、電解質は、０．５Ｍの酢酸カリウムおよび１０ｍＭのＫＣ１を含有する。対向電極６１６はＡｇＣｌを含む。作用電極６１０は、プラチナが電気メッキされたプラチナ電極である。溶血素ナノポアは、整流特性を有する（またはオーミックでない）ので、同じ大きさの電流を通過させるためは、正極性の電圧が印加されるときよりも大きさが大きい負極性電圧が必要となる。デューティ・サイクルを増大させると、ピーク正電流は低下する。デューティ・サイクルが小さい程、二重層容量を介してナノポアに印加される正電圧は高くなる。
【００３９】
図１１は、図１０のデータに合わせたシミュレーション・モデルの一実施形態を示す。このシミュレーションは、ナノポア上の実際の電圧を推定するように組み立てられ、二重層キャパシタがナノポアと直列に接続されているので、ナノポア上の実際の電圧は、作用電極に印加された電圧と同じではない。この電圧は、非ファラデーの場合、直接測定することができない。酢酸カリウムにおける非線形性は、１Ｍの塩化カリウムの非線形に直接比例すると仮定した。図１２Ａおよび図１２Ｂは、印加信号が５０％デューティ・サイクルを有するときのシミュレーション結果を示す。図１２Ｂにおいて、減衰の傾きは、負電流よりも正電流に対して急になる。これは、溶血素ナノポアの整流特性のためである。この特性は、図１１において多項式Ｂ１およびＢ２でモデル化されている。
【００４０】
図１３Ａは、印加信号が２５％デューティ・サイクルを有するときの測定電流を示す。図１３Ｂは、印加信号が２５％デューティ・サイクルを有するときのシミュレーション電流(simulated current)を示す。これらの図は、２５％という低いデューティ・サイクルでは、ナノポアを通過する正電流（４３ｐＡ）の大きさ(magnitude)が、ナノポアを通過する負電流（−１３ｐＡ）の大きさよりもはるかに大きいことを示す。定常状態において無分路抵抗（無ファラデー電流）を達成するためには、１発振期間に二重層を通過する正および負電荷の和がゼロにならなければならない。i＝ｄＱ／ｄｔであるので、電流対時間のグラフでは、電荷は曲線の下のエリアにある。ここで、i＝電流、およびＱ＝電荷である。例えば、正極性の電流対時間プロットの曲線の下にある面積（図１３Ｂの面積１３０２）が、大まかに、負極性の電流対時間プロットの曲線の下にある面積（図１３Ｂの面積１３０４）と同じである場合、１発振期間にわたって二重層を通過する正および負電荷の合計はゼロに近くなる。
【００４１】
図１４Ａは、印加信号が５０％のデューティ・サイクルを有するときにナノポアに印加した電圧の時間に対する関係を示す。図１４Ｂは、印加信号が２５％デューティ・サイクルを有するときにナノポアに印加した電圧の時間に対する関係を示す。デューティ・サイクルが低い方の図１４Ｂでは、ナノポアに印加される電圧が高く、ポリメラーゼおよびタグをナノポアに向けて高い有効性で引き寄せる。デューティ・サイクルが長い方の図１４Ａでは、ヌクレオチド特異末端(nucleotide specific tail)が適所にある間、タグを読み取り検出するのに費やされる時間が長くなる。
【００４２】
図１５は、分子を同定するプロセスの一実施形態を示す。１５０２において、第１電圧信号を１対の電極（例えば、作用電極および対向／基準電極）に第１期間印加することによって分子をナノポアに引き寄せる。ここで、第１電圧信号は、第１イオン電流にナノポアを通過させる。第１イオン電流は、ナノポアに近接する分子の一部（例えば、タグ付きヌクレオチド）のプロパティを示す。例えば、４つの型のタグ付きヌクレオチドは異なるプロパティを有し、特定の型のタグ付きヌクレオチドがナノポアに引き込まれると、このプロパティを示すイオン電流がナノポアを通過する。
【００４３】
１５０４において、第２電圧信号を１対の電極に第２期間印加することによって、分子をナノポアから放出する。ここで、第２電圧信号は、第２イオン電流にナノポアを通過させる。
【００４４】
１５０６において、少なくとも部分的に、第１イオン電流および第２イオン電流を含む、ナノポアを通過する正味のイオン電流に基づいて、第１および第２期間を決定する。例えば、第１および第２期間は、正味のイオン電流を低減させるように決定することができる。ある実施形態では、第２電圧信号をオフに設定することによって、正味のイオン電流を低減させる。第２電圧信号を止めると、第２イオン電流はゼロになり、先に説明したように、金属電極の消耗が遅延される。ある実施形態では、第２電圧信号を、第１電圧信号とは極性が反対の信号に設定することによって、正味のイオン電流を低減させる。例えば、第１電圧信号と第２電圧信号との間で交替することによって、ＡＣ信号を生成する。第２イオン電流は、第１イオン電流を相殺し(offset)、こうしてナノポアを通過する正味のイオン電流を低減させる。図１０に示すように、電流はデューティ・サイクルおよび印加電圧の関数として変動する。したがって、第１イオン電流の曲線の下にある面積が、第２イオン電流の曲線の下にある面積と実質的に同じになり、１発振期間（即ち、第１期間および第２期間）にわたって二重層を通過する正および負電荷の合計がゼロに近づくように、デューティ・サイクル（即ち、第１期間および第２期間）を調節することができる。
【００４５】
図１６は、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップのセルにおける回路１６００の一実施形態を示す。前述のように、タグがナノポア１６０２に保持されると、タグの化学構造が全く別であることにより、一意のコンダクタンス信号（例えば、図２の信号２１０を参照のこと）が生成され、これによって追加された塩基(base)を電子的に同定する。図１６における回路は、電流が測定されるとき、ナノポア１６０２の両端間に一定電圧を維持する。具体的には、この回路は、演算増幅器１６０４とパス・デバイス(pass device)１６０６とを含み、これらはナノポア１６０２の両端間にＶａまたはＶｂに等しい一定電圧を維持する。ナノポア１６０２を通過する電流は、キャパシタｎｃａｐ１６０８において積分され、アナログ／ディジタル（ＡＤＣ）変換器１６１０によって測定される。
【００４６】
しかしながら、回路１６００には多数の欠点がある。欠点の１つは、回路１６００が一方向の電流の流れしか測定できないことである。他の欠点は、回路１６００における演算増幅器１６０４が多数の性能問題を持ち込むことである。例えば、演算増幅器１６０４のオフセット電圧および温度ドリフトが、異なるセル間において、ナノポア１６０２の両端間に印加される実際の電圧がばらつく原因になるおそれがある。ナノポア１６０２の両端間に印加される実際の電圧は、所望値の上下に数十ミリボルトだけドリフトするおそれがあり、これによって重大な測定精度低下が生じる原因となる。加えて、演算増幅器のノイズが更に別の検出誤差の原因になるおそれがある。他の欠点は、この回路において、電流測定の間ナノポアの両端間に一定電圧を維持するための部分が、広いエリアを必要とする(area-intensive)ことである。例えば、演算増幅器１６０４は、他のコンポーネントよりもセルにおいてはるかに多い空間を占める。ナノポア・ベースのシーケンシング・チップが増々多くのセルを含むように拡大される(scaled)に連れて、演算増幅器によって占められるエリアは無理なサイズまで増大するおそれがある。生憎、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップにおいて大型アレイによって演算増幅器のサイズを縮小すると、他の性能問題が発生するおそれがある。例えば、セルにおけるオフセットおよびノイズの問題を更に一層悪化させるおそれがある。
【００４７】
図１７は、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップのセルにおける回路１７００の一実施形態を示し、ナノポアが特定の検出可能な状態にある時間期間にわたって、ナノポアの両端間に印加される電圧が変動するように構成することができる。ナノポアの可能な状態の１つは、タグ添付ポリ燐酸塩(tag-attached polyphosphate)がナノポアのバレルにないときの開放チャネル状態である。ナノポアの他の４つの可能な状態は、４つの異なる型のタグ添付ポリ燐酸ヌクレオチド（Ａ、Ｔ、Ｇ、またはＣ）がナノポアのバレル内に保持される状態に対応する。ナノポアの更に別の可能な状態は、メンブレーンが破裂したときである。図１８Ａおよび図１８Ｂは、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップのセルにおける回路（１８００および１８０１）の更に他の実施形態を示し、ナノポアが特定の検出可能な状態にある時間期間にわたってナノポアの両端間に印加される電圧が変動するように構成することができる。以上の回路では、演算増幅器はもはや不要である。
【００４８】
図１７は、メンブレーン１７１２に挿入されたナノポア１７０２を示し、ナノポア１７０２およびメンブレーン１７１２は、ナノポア１７０２の両端間に電圧が印加されるように、セルの作用電極１７１４と対向電極１７１６との間に位置する。ある実施形態では、パス・デバイス１７０６が、ＶａまたはＶｂに等しい一定電圧をナノポア１７０２の両端間に維持する。ナノポア１７０２を通過する電流は、キャパシタｎｃａｐ１７０８において積分され、アナログ／ディジタル（ＡＤＣ）変換器１７１０によって測定される。また、ナノポア１７０２は、バルク液体／電解質１７１８とも接触する。尚、図１におけるナノポアおよびメンブレーンと比較すると、ナノポア１７０２およびメンブレーン１７１２が上下逆さに描かれていることを注記しておく。以下では、セルとは、少なくともメンブレーン、ナノポア、作用セル電極、および付随する回路を含むことを意味することとする。ある実施形態では、対向電極が、複数のセル間で共有されることもあり、したがって共通電極とも呼ばれる。共通電極は、測定セルにおけるナノポアと接触するバルク液体に共通電位を印加するように構成することができる。共通電位および共通電極は、測定セルの全てに共通である。各測定セル内には作用セル電極があり、共通電極とは対照的に、作用セル電極１７１４は、他の測定セルにおける作用セル電極とは独立した別個の電位を印加するように構成可能である。
【００４９】
図１８Ａおよび図１８Ｂにおいて、メンブレーン内に挿入されたナノポアおよびナノポアを包囲する液体を示す代わりに、電気モデル１８０２は、ナノポアおよびメンブレーンの電気的プロパティを表す。電気モデル１８０２は、メンブレーンに伴う容量（Ｃｍｅｍｂｒａｎｅ）をモデル化するキャパシタ１８０６と、異なる状態（例えば、開放チャネル状態、または異なる型のタグ／分子をナノポア内部に有することに対応する状態）においてナノポアに伴う抵抗をモデル化する抵抗器１８０４とを含む。作用電極に伴う容量は、二重層容量（Ｃｄｌ）と呼んでもよい。尚、図１８Ａおよび図１８Ｂにおいて、それぞれの回路には、チップ上に製作される余分なキャパシタ（例えば、図１６におけるｎｃａｐ１６０８）がなくてもよく、これによってナノポア・ベースのシーケンシング・チップの小型化を容易にすることを注記しておく。
【００５０】
図１９は、ナノポア内部にある分子を分析するプロセス１９００の一実施形態を示す。ここでは、ナノポアはメンブレーンに挿入されている。プロセス１９００は、図１７、図１８Ａ、または図１８Ｂに示す回路を使用して、実行することができる。図２０は、プロセス１９００が実行され３回繰り返されたときの、ナノポア両端間に印加された電圧に対する時間のプロットの一実施形態を示す。以下で更に詳しく説明するが、ナノポアの両端間に印加される電圧は一定に保持されるのではない。逆に、ナノポアの両端間に印加される電圧は、ときの経過と共に変化する。電圧減衰率（即ち、ナノポアの両端間の印加電圧に対する時間のプロットの傾きの鋭さ）は、セルの抵抗（例えば、図１８Ａにおける抵抗器１８０４の抵抗）に依存する。更に具体的には、異なる状態（例えば、開放チャネル状態、ナノポア内部に異なる型のタグ／分子を有することに対応する状態、およびメンブレーンが破裂したときの状態）にあるナノポアに伴う抵抗は、分子／タグの化学構造が全く別であることから、異なるので、対応して異なる電圧減衰率を観察することができ、したがってナノポアの異なる状態を同定するために使用することができる。
【００５１】
図１９および図１８Ａを参照すると、プロセス１９００の１９０２において、ナノポアを電圧源に結合することによって、ナノポアの両端間に電圧を印加する。例えば、図１８Ａに示すように、スイッチＳ１  １８０８が閉じているときに電圧Ｖｐｒｅ１８１０をセル作用電極に印加する。図２０に示すように、ナノポアの両端間に印加される初期電圧は、Ｖｐｒｅ−Ｖｌｉｑｕｉｄであり、ここで、Ｖｌｉｑｕｉｄは、ナノポアに接触するバルク液体の電圧である。電圧源が作用電極に接続されているので、メンブレーンに伴うキャパシタは充電され、メンブレーンを跨ぐ電界内にエネルギが蓄積される。
【００５２】
プロセス１９００の１９０４において、ナノポアおよびメンブレーンを電圧源から切断することによって、メンブレーンに伴うキャパシタ（キャパシタ１８０６）を放電し、これによって、メンブレーンを跨ぐ電界に蓄積されているエネルギを消散させる。例えば、図１８Ａに示すように、スイッチＳ１  １８０８を開いたときに、電圧源が切断される。スイッチＳ１  １８０８を開いた後、ナノポアの両端間の電圧は、図２０に示すように、指数的に減衰し始める。この指数的減衰は、ＲＣ時定数τ＝ＲＣを有する。ここで、Ｒはナノポアに伴う抵抗（抵抗器１８０４）であり、ＣはＲと平行なメンブレーンに伴う容量（キャパシタ１８０６）である。
【００５３】
プロセス１９００の１９０６において、ナノポアの両端間に印加された電圧の減衰率を判定する。電圧減衰率は、図２０に示すように、ナノポア両端間印加電圧対時間曲線の傾きの鋭さである。電圧減衰率は、異なる方法で判定することもできる。
【００５４】
ある実施形態では、固定時間間隔内で発生した電圧減衰を測定することによって、電圧減衰率を判定する。例えば、作用電極に印加された電圧を、最初に時点ｔ１においてＡＤＣ１８１２によって測定し、次いで時点ｔ２においてこの電圧を再度ＡＤＣ１８１２によって測定する。電圧差ΔＶａｐｐｌｉｅｄは、ナノポア両端間電圧対時間曲線の傾きが鋭い程大きくなり、電圧差ΔＶａｐｐｌｉｅｄは、電圧曲線の傾きが緩い程小さくなる。このように、ナノポアの両端間に印加された電圧の減衰率を判定するためのメトリックとして、ΔＶａｐｐｌｉｅｄを使用することができる。ある実施形態では、電圧減衰率の測定精度を高めるために、固定間隔で電圧を測定する回数を追加することもできる。例えば、ｔ３、ｔ４、．．．等において電圧を測定してもよく、複数の時間間隔におけるΔＶａｐｐｌｉｅｄの複数の測定値を、ナノポアの両端間に印加された電圧の減衰率を判定するメトリックとして、合同して使用してもよい。ある実施形態では、電圧減衰率の測定精度を高めるために、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：correlated double sampling）を使用してもよい。
【００５５】
ある実施形態では、選択した電圧減衰量に必要な時間期間を測定することによって、電圧減衰率を判定する。ある実施形態では、電圧が固定電圧Ｖ１から第２固定電圧Ｖ２まで低下するのに要する時間を測定してもよい。この必要な時間は、電圧曲線の傾きが鋭い程短くなり、この必要な時間は、電圧曲線の傾きが緩い程長くなる。つまり、ナノポアの両端間に印加した電圧の減衰率を判定するためのメトリックとして、測定に必要な時間を使用してもよい。
【００５６】
プロセス１９００の１９０８において、判定した電圧減衰率に基づいて、ナノポアの状態を判定する。ナノポアの可能な状態の１つは、タグ添付ポリ燐酸塩がナノポアのバレルにはない開放チャネル状態である。ナノポアの他の可能な状態は、異なる型の分子がナノポアのバレル内に保持されているときの状態に対応する。例えば、ナノポアの他の４つの可能な状態は、４つの異なる型のタグ添付ポリ燐酸ヌクレオチド（Ａ、Ｔ、Ｇ、またはＣ）がナノポアのバレル内に保持されているときの状態に対応する。ナノポアの更に他の可能な状態は、メンブレーンが破裂したときである。ナノポアの状態は、判定した電圧減衰率に基づいて判定することができる。何故なら、電圧減衰率は、セル抵抗、即ち、図１８Ａにおける抵抗器１８０４の抵抗に依存するからである。更に具体的には、異なる状態におけるナノポアに伴う抵抗は、分子／タグの化学構造が全く別であるために、異なるので、対応する異なる電圧減衰率を観察することができ、したがってナノポアの異なる状態を同定するために使用することができる。
【００５７】
図２１は、ナノポアが異なる状態にあるときにおける、ナノポアの両端間に印加した電圧に対する時間のプロットの一実施形態を示す。曲線２１０２は、開放チャネル状態における電圧減衰率を示す。ある実施形態では、開放チャネル状態にあるナノポアに伴う抵抗は、１００Ｍオームから２０Ｇオームの範囲となる。曲線２１０４、２１０６、２１０８、および２１１０は、４つの異なる型のタグ添付ポリ燐酸ヌクレオチド（Ａ、Ｔ、Ｇ、またはＣ）がナノポアのバレル内に保持されているときの４つの捕捉状態(capture state)に対応する、異なる電圧減衰率を示す。ある実施形態では、捕捉状態にあるナノポアに伴う抵抗は、２００Ｍオームから４０Ｇオームの範囲内となる。尚、プロットの各々の傾きは互いに区別可能であることを注記しておく。
【００５８】
プロセス１９００の１９１０において、プロセス１９００を繰り返すか否か決定する。例えば、このプロセスは、ナノポアの各状態を検出するために複数回繰り返すことができる。このプロセスを繰り返さない場合、プロセス１９００は終了する。そうでない場合、このプロセスは１９０２において再開する。１９０２において、電圧源に接続することによって、ナノポアの両端間に電圧を再度アサートする。例えば、図１８Ａに示すように、スイッチＳ１  １８０８が閉じているときに、電圧Ｖｐｒｅ１８１０をナノポアの両端間に印加する。図２０に示すように、印加電圧２００２はＶｐｒｅのレベルまで再度ジャンプする。プロセス１９００の複数回繰り返すと、ときの経過と共に、鋸歯状の電圧波形がナノポアの両端間に印加される。また、図２０は、電圧Ｖｐｒｅ１８１０が再度アサートされなかった場合における、ときの経過と共にＲＣ電圧減衰を示す外挿補間曲線２００４も示す。
【００５９】
以上で示したように、ナノポアが特定の検出可能な状態にある時間期間にわたって変動するように、ナノポアの両端間に印加する電圧を構成することには、多くの利点がある。これらの利点の１つは、本発明でなければセル回路内にチップ上で製作される演算増幅器、パス・デバイス、およびキャパシタ（例えば、図１６におけるｎｃａｐ１６０８）の排除によって、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップにおける１つのセルのフットプリントを大幅に縮小することにより、より多くのセルを含ませる（例えば、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップ内に数百万のセルを有する）ためのナノポア・ベースのシーケンシング・チップのスケーリング(scaling)が容易になることである。ナノポアと並列な容量は、２つの部分、即ち、メンブレーンに伴う容量、および集積チップ（ＩＣ）に伴う容量を含む。メンブレーンは薄いという本質により、メンブレーンに伴う容量だけで、必要なＲＣ時定数を形成するには十分であり、余分なオンチップ容量が不要になることにより、セル・サイズおよびチップ・サイズの大幅な縮小を可能にすることができる。
【００６０】
他の利点は、セルの回路がオフセット低精度(offset inaccuracies)の影響を受けないことである。何故なら、Ｖｐｒｅは、介在する回路が全くなく、直接作用電極に印加されるからである。他の利点は、測定間隔の間スイッチを開いたり閉じたりしないので、電荷注入量が最小に抑えられることである。
【００６１】
更に、以上で説明した技法は、正電圧を使用してもまたは負電圧を使用しても、等しく良好に動作する。双方向測定は、分子複合体を特徴付けるのに役立つことが示されている。加えて、双方向測定は、ナノポアを通して駆動されるイオン流の型式が非ファラデー伝導であるときに必要になる。２つの型式のイオン流、ファラデー伝導および非ファラデー伝導を、ナノポアを通して駆動することができる。ファラデー伝導では、金属電極の表面において化学反応が発生する。ファラデー電流とは、電極における何らかの化学物質の還元または酸化によって生成される電流である。非ファラデー伝導の利点は、金属電極の表面において化学反応が起こらないことである。
【００６２】
図２２は、ナノポア・ベースのシーケンシング・チップのセルの回路の一実施形態を示す回路図であり、ここでは、シーケンシング・チップは測定値を格納するためにアナログ・メモリを含む。
【００６３】
１つの手法では、アナログ回路値（例えば、電圧、電流、抵抗、電荷、容量、時間等）のナノポア測定値は、規則的な間隔で捕捉し、処理のためにディジタル表現に変換することができる。多くの場合、ナノポアについて注目に値するイベントが検出されたか否か判定するために、２つの測定値を互いから減算する。１００万個ものセルを有する大型高平行システムでは、プロセッサを使用してディジタル的に減算するために値を出力することは、時間がかかり、帯域幅を狭める(limit)可能性がある。ある実施形態では、格納しディジタル的に処理するためにあらゆる回路測定値をディジタル形態で出力する代わりに、異なる測定サンプル毎に異なる時点においてアナログ・コンポーネントを使用して、少なくとも２つの測定値を捕捉し、そして減算して、２つの測定値双方の絶対値をディジタル的に出力するのではなく、２つの測定値の間の差分値だけをディジタル的に出力する。例えば、ディジタル差分値を出力するためにアナログ／ディジタル（即ち、ＡＤＣ）変換器によって互いから減算される測定値に対応するレベルまでキャパシタを充電／放電することによって、２つの回路測定値を２つの別々のキャパシタによって格納する。場合によっては、絶対値の代わりに差を出力することにより、通信、格納、およびディジタル処理リソースを節約するだけでなく、アナログによる格納およびＡＤＣによる差分測定は、通常、注入されるノイズ（例えば、基板から）の影響を受け難くなると言って差し支えない。
【００６４】
この差の大きさを、対象イベントを同定するために利用することができる。例えば、差分値が閾値よりも大きい場合、ナノポアが通された(threaded)（例えば、開放ナノポア・チャネルからタグ通り抜けナノポアに）ことを同定するために差分値の大きさが利用され、差分値が閾値未満である場合、ナノポアの状態は不変のままである（例えば、状態差が検出されなかった場合、差および関連値を破棄することができる）ことを同定する。ある実施形態では、差分値は、ＡＣ刺激電圧源の正区間(positive phase)における開放ナノポア・チャネルが、ＡＣ刺激電圧源の負区間(negative phase)において開放ナノポア・チャネルのままであることの結果生じる値の変化を示すことができる。ある実施形態では、差分値は、ＡＣ刺激電圧源の負区間における開放ナノポア・チャネルから、ＡＣ刺激電圧源の正区間におけるタグ通過ナノポア(tag threaded nanopore)になる結果生ずる値の変化を示すことができる。
【００６５】
回路２２００は、ナノポアの電気的プロパティを表す電気モデル２２０２と、作用電極の電気的プロパティを表すメンブレーンおよびキャパシタ２２１４とを含む。電気モデル２２０２は、脂質二重層に伴う容量（Ｃｂｉｌａｙｅｒ）をモデル化するキャパシタ２２０６と、異なる状態（例えば、開放チャネル状態、またはナノポア内を通された異なる型のタグ／分子に対応する状態）にあるナノポアに伴う抵抗をモデル化する抵抗器２２０４とを含む。キャパシタ２２１４は、作用電極に伴う容量をモデル化する。作用電極に伴う容量を、二重層容量（Ｃｄｂｌ）とも呼ぶ。
【００６６】
２２０２による(across)電圧減衰率（例えば、ナノポア両端間の印加電圧対時間の傾きの鋭さ）は、ナノポアの抵抗（即ち、Ｒｐｏｒｅ２２０４）に依存する。分子／タグの化学的構造が全く別であるために、異なる状態（例えば、開放チャネル状態、ナノポア内に異なる型のタグ／分子を有することに対応する状態、そしてメンブレーンが破裂したときの状態）にあるナノポアに伴う抵抗が異なるので、対応する異なる電圧減衰率を観察することができ、したがってナノポアの異なる状態を同定するために使用することができる。
【００６７】
キャパシタ２２０８およびキャパシタ２２１０は、各々、モデル・キャパシタ２２０６および２２１４の両端間の電圧を、異なる時点において測定されたサンプルのために、効果的に捕捉し格納することを可能にし（例えば、キャパシタ２２０８およびキャパシタ２２１０の各々は、ナノポアを通過する電流を事実上「積分する」）、実際にはアナログ・メモリを形成する。例えば、１つのサンプル測定値に対して１つの電圧サンプル測定値をキャパシタ２２０８に格納し、後続のサンプル測定値をキャパシタ２２１０に格納する。これら格納された値を読み出し、減算して、キャパシタ２２０８およびキャパシタ２２１０双方の絶対値の代わりに（またはこれに加えて）、差分値を出力することができる。キャパシタ２２０８およびキャパシタ２２１０は、連続サンプル値または不連続サンプル値を格納することができる。
【００６８】
１つ以上のアナログ・メモリ・キャパシタにおける測定サンプルの準備、捕捉、および格納を制御するために、スイッチのネットワークを利用する。スイッチ２２２４は、ナノポアおよび電極を測定回路に接続するため、および切断するために利用することができる。例えば、スイッチ２２２４は、二重層が形成された後に閉じられ、二重層がないときは（例えば、二重層がないときの非常に低いインピーダンスのため）スイッチ２２２４は開いたままとなる。サンプル測定値を捕捉するためにキャパシタ２２０８を初期化するとき、キャパシタ２２０８は初期状態にプリチャージされる。スイッチ２２２０およびスイッチ２２２２が開いている間、スイッチ２２１６、スイッチ２２１８、およびスイッチ２２２４は閉じている。この時点において、電圧源２２１２の電圧レベルにキャパシタ２２０８を充電する。次いで、捕捉を開始するために、スイッチ２２１６を開き、キャパシタ２２０８に格納された電荷は、有効な(effective)モデル抵抗器２２０４によって消散される。電圧減衰率は抵抗器２２０４（例えば、ナノポア内にあるタグ／分子の型に対応するナノポアの抵抗）の値に依存し、この場合もスイッチ２２１８を開くことによって、捕捉のために減衰を停止させることができる。この時点において、キャパシタ２２０８に格納されている電圧／電荷は、最小の減衰だけを受け（例えば、定量化および／または補償することができる些細な電荷漏れを受ける）、この電圧／電荷は後の使用のため効果的に格納され、一方、他の測定サンプルは、スイッチ２２１６および２２１８が開いたままでいる間にスイッチ２２２０および２２２２を使用して、判定されキャパシタ２２１０に格納される。ある実施形態では、キャパシタ２２０８およびキャパシタ２２１０に格納された測定値は、連続測定サンプルである。例えば、ナノポアの状態に対応する電荷／電圧の格納は、後続のサンプル測定値毎に、キャパシタ２２０８とキャパシタ２２１０との間で切り替えられる。ある実施形態では、キャパシタ２２０８およびキャパシタ２２１０に格納された測定値は、連続測定サンプルではない。例えば、一旦測定値が１つのアナログ・ストレージ・キャパシタに格納されると、キャパシタに格納される電荷／電圧間の差が、差閾値よりも大きくなるまで、後続の測定サンプルは、他方のアナログ・ストレージ・キャパシタに格納され置き換えられる。
【００６９】
キャパシタ２２０８に格納された電圧は、出力回路を使用して、スイッチ２２３２を閉じてトランジスタ２２２８に電圧を出力させることによって、読み出すことができる。キャパシタ２２１０に格納された電圧は、スイッチ２２３０を閉じてトランジスタ２２２６に電圧を出力させることによって、読み出すことができる。出力された電圧値は、比較回路（例えば、比較器、アナログ／ディジタル変換器等）に供給することができ、比較回路が出力された電圧を減算する。ある実施形態では、２つの異なる測定サンプルに対応する絶対／実際の出力電圧値の代わりに、差分値のみを出力する。ある実施形態では、差分値と、２つの異なる測定サンプルに対応する絶対／実際の出力電圧値を出力する。ある実施形態では、差分値が閾値よりも小さい場合、差分値を破棄し出力しない。
【００７０】
回路２２００は、バイオチップの複数のセルの内１つのセルの回路の一部だけを示せばよい。ある実施形態では、バイオチップのセルは、行および列の格子状に編成され（例えば、セルの各列は複数の列値を出力することができる）、セルの各行は実質的に同時に読み出される。回路２２００に示す出力は、読み取られるバイオチップのセルの１つの行の複数の列値の内、２つの列出力だけを表せばよい。図２２に示す例は、ナノポアの２つの電圧値だけを格納するように設計された回路を示すが、他の実施形態では、図２２の例を拡張し、追加のキャパシタ、スイッチ、および出力回路を利用することによって、ナノポアの任意の数の電圧値を、回路が格納することを可能にすることができる。図２２に示すスイッチは、任意の型式のスイッチでよい。トランジスタ２２２６および２２２８は単なる例に過ぎず、任意の他の型式の出力回路を利用して、キャパシタ２２０８および／または２２１０の電気的値を読み出すことができる。
【００７１】
図示した例では、電圧源２２４０はＡＣ電圧源である。例えば、対向電極を電解質内において二重層の上に浸漬し、ＡＣ非ファラデー・モードを利用して、方形波電圧源をＶｌｉｑ２２４０として変調する。方形波電圧源は、その対向電極の電位を、方形波の正区間（即ち、ＡＣ電圧源信号サイクルの闇期間）における他方の電極と比較して高いレベルにし、方形波の負区間（即ち、ＡＣ電圧源信号サイクルの明期間）における他方の電極と比較して、低いレベルにすることができる。この電位差を仮定すると、キャパシタ２２０８を闇期間において充電し、明期間において放電することができる。一般に、明期間において、分子／タグが引き寄せられてナノポア内に通され、一方闇期間において、分子／タグは通常ナノポアから排除される（例えば、闇期間において、ナノポアを開放チャネル状態にする）。このように、ある実施形態では、タグがナノポアに引き寄せられる明期間においてのみタグ検出が実行される。
【００７２】
２つの異なる測定サンプル間の電圧差を判定することによって、闇期間と明期間との間の遷移を識別することができる（例えば、差が閾値よりも大きいときを識別する）。加えて、明期間において、タグがナノポアに通されるのに要する時間量が変動する可能性がある。待機期間中では、ナノポアに通されるのを待つ間、得られる電圧サンプルは比較的一定のままあり続けることができ、ナノポアの開放チャネル状態を表すので、ナノポアが通り抜けられるまでは対象にならなくてもよい。電圧サンプル測定値間の差を判定し、この差が特定の閾値範囲内に入ったときを検出することによって、ナノポア通過（nanopore threading)を検出し、差の大きさは、通過の分子／細線の型 (type of molecule/thread of the threading)を示すことができる。アナログ・メモリを利用してこの差を判定することによって、処理および格納効率を高めることができる。場合によっては、明期間における通過が素早く生じることもあり、通過状態(threaded state)を検出する前に、開放チャネル・ナノポア状態を明期間中に検出／サンプリングできないおそれがある。これは、通過状態が、明期間におけるナノポアの最初のサンプリング／測定の前に、達成されるからである。この素早い通過を検出するために、１つのアナログ・ストレージ・キャパシタに格納された闇期間における開放チャネル状態の電圧測定値と、他のアナログ・ストレージ・キャパシタに格納された後続の明期間における通過ナノポア状態(threaded nanopore state)の電圧測定値との差を利用して（例えば、差は特定の範囲内に入る）、通過状態を検出することができ、この差の大きさは、通過の分子／細線の型を示すことができる。
【００７３】
代替実施形態では、ファラデー・モードを、ＡＣ電圧源の代わりに、ＤＣ電圧源と共に利用する。
図２３は、ナノポアを測定するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。図２３のプロセスは、図２２の回路２２０上に実装することができる。図２３の例は、図２２の回路を使用して説明するが、種々の実施形態において、図２２の回路以外の回路が図２３のプロセスを実装することもできる。
【００７４】
ナノポアに伴う抵抗は、ナノポア内にある分子／タグが異なることに起因する、その異なる状態（例えば、開放チャネル状態、ナノポア内に異なる型のタグ／分子を有することに対応する状態、メンブレーンが破裂したときの状態等）にしたがって変動するので、ナノポアの両端間において、対応する異なる電圧減衰率を観察し、ナノポアの異なる状態を同定するために利用することができる。
【００７５】
２３０２において、第１アナログ・ストレージに格納する測定サンプルのために、ナノポア測定回路を準備する。例えば、図２２の回路２２００は、ナノポア電圧測定値をアナログ・メモリ・キャパシタ２２０８に格納するように構成されている。ある実施形態では、ナノポア測定回路を準備するステップは、第１アナログ・ストレージ・キャパシタを充電（または放電）するように１つ以上のスイッチを構成するステップを含む。例えば、キャパシタ２２０８をＶｐｒｅに充電する（または放電する）ために、スイッチ２２１６を閉じる（例えば、キャパシタ２２１０に影響を及ぼさないように、スイッチ２２２０を開いたままにする）。ある実施形態では、ナノポアを電圧源に結合することによって、ナノポアの両端間に電圧を印加する。例えば、スイッチ２２１８も同様に閉じて（例えば、スイッチ２２１６も閉じている間に）モデル・キャパシタ２２１４および２２０６の有効容量を充電することによって、ナノポアに電圧Ｖｐｒｅ２２１２を印加する。電圧源が作用電極に接続されるので、メンブレーンに伴うキャパシタが充電され、メンブレーンを取り巻く(across)電界内にエネルギが蓄積される。ナノポアの両端間に印加されるこの初期電圧は、Ｖｐｒｅ−Ｖｌｉｑｕｉｄとすることができる。ここで、Ｖｌｉｑｕｉｄは、ナノポアに接触するバルク液体の電圧であり、ＶｌｉｑｕｉｄはＡＣ電圧（例えば、Ｖｐｒｅを中心とする方形波電圧源）であってもよい。ある実施形態では、ナノポアをナノポア測定回路に接続するスイッチが存在し、このスイッチは２３０２において閉じたままになっている。例えば、スイッチ２２２４は、二重層が形成された後に、閉じたままになり、二重層がないときには（例えば、二重層がないときの非常に低いインピーダンスのために）、スイッチ２２２４は開いたままになる。
【００７６】
２３０４において、次に捕捉される回路測定サンプルを、第１アナログ・ストレージに捕捉する。例えば、ナノポアの次の測定サンプルを捕捉するために、第１アナログ・ストレージ・キャパシタを更に充電または放電する。例えば、ナノポアを電圧源から切断し、対向電極のＡＣ電圧基準の明期間において、第１アナログ・ストレージ・キャパシタに蓄積されているエネルギを、ナノポアの抵抗によって放電する。他の例では、ナノポアを電圧源から切断し、対向電極のＡＣ電圧基準の闇期間において、第１アナログ・ストレージ・キャパシタに蓄積されているエネルギを、ナノポアの抵抗によって充電する。ナノポアの電圧の減衰率または充電率は、ナノポアの抵抗および／または電流と関連付けられ、ナノポアに挿入されるまたはナノポアから取り出されることが可能な分子／タグの状態を示す。各状態に関連する減衰／充電率がわかっていると仮定すると、設定された時間期間の後最終的に生じる第１アナログ・ストレージ・キャパシタの電荷／エネルギ／電圧から、ナノポアの状態を同定することができる。第１アナログ・ストレージ・キャパシタに蓄積されたエネルギ／電荷／電圧は、ナノポアの抵抗および／または電流の測定値の代理(proxy)として役割を担うことができる。ある実施形態では、電源２２１２をキャパシタ２２０８から切断するために図２２のスイッチ２２１６を開き、ナノポアの抵抗は、キャパシタ２２０８の放電率または充電率に影響を及ぼす（例えば、ＡＣ電圧基準の位相のため）。
【００７７】
２３０６において、２３０４の捕捉された測定値を第１アナログ・ストレージ・キャパシタに格納する。例えば、設定した時間量の間第１アナログ・ストレージ・キャパシタに消散させることによって、ナノポアの抵抗が大きい程、小さいときの抵抗と比較すると、同じ時間量においてより多くのエネルギ／電荷／電圧を消散する。他の例では、ＡＣ電圧基準の低電圧区間において、ナノポアの抵抗に基づくレートで、２３０２における初期充電よりも多く第１アナログ・ストレージ・キャパシタを充電する。第１アナログ・ストレージ・キャパシタに蓄積されたエネルギ／電荷／電圧は、ナノポアの状態を同定するためのナノポアの抵抗／電流の測定値の代理として役割を担うことができる。ある実施形態では、測定値を保存し測定を停止して、この測定値を格納するために、設定した時点においてスイッチを開く。例えば、ナノポアをキャパシタ２２０８から切断して測定サンプルを第１アナログ・ストレージ・キャパシタに格納するために、スイッチ２２１８を開く。
【００７８】
２３０８において、該当する場合には、格納されている測定値の差の差分値(a difference value of the difference)を出力する。例えば、第１格納キャパシタに格納されている測定電圧に加えて、第２アナログ・ストレージ・キャパシタに格納されている（例えば、２３１６において格納した）、以前に格納された測定電圧も、減算するために供給する。これがステップ２３０８の最初の実行インスタンスである場合、ステップ２３０８を実行することはできない。何故なら、測定値が第２アナログ・ストレージ・キャパシタに格納されていないからである。ある実施形態では、差分値を供給するステップが、測定サンプルを格納しているアナログ・ストレージから、減算しようとする測定値を供給するために、１つ以上のスイッチを閉じるステップを含む。例えば、スイッチ２２３０および／またはスイッチ２２３２を閉じて、図２２のキャパシタ２２０８および／またはキャパシタ２２１０の電圧を供給する。ある実施形態では、バイオチップのセルを行および列の格子に編成し（例えば、セルの各列が複数の列値を出力するのでもよい）、セルの各行を実質的に同時に読み出す。出力は、読み出されているバイオチップのセルの１つの行からの複数の列値の内一部だけを表す場合もある。ある実施形態では、格納されている測定値（１つまたは複数）が、測定の電荷／エネルギ／電圧を格納するアナログ・ストレージ・キャパシタの漏れを補償される。例えば、アナログ・ストレージ・キャパシタの電荷は、キャパシタ・サイズの制約(limitation)のために自然に低い速度で消散する可能性があるので、キャパシタの漏れ速度を判定し、キャパシタの電圧出力に、起こりそうな漏れ量に対応する補償値を、判定した漏れ速度と、測定値がキャパシタによって格納されている時間量とに基づいて追加することによって、この漏れを補正する。ある実施形態では、格納されている測定値（１つまたは複数）を供給した後、出力スイッチ（１つまたは複数）を開く。例えば、スイッチ２２３０および２２３２を開く。
【００７９】
ある実施形態では、アナログ・ストレージ・キャパシタから供給された測定値は、測定値間の差を判定するために利用される。例えば、第１アナログ・ストレージ・キャパシタの電圧出力を、第２アナログ・ストレージ・キャパシタの電圧出力から減算する。ある実施形態では、アナログ／ディジタル変換器、比較器、および任意のその他の回路コンポーネントの内１つ以上を使用して、アナログ・ストレージ・キャパシタから供給された測定値（１つまたは複数）を互いから減算する。ディジタル・マイクロプロセッサを使用してディジタル的に変換および格納された値を減算する代わりに、出力アナログ値を使用して差を判定することによって、ディジタル・メモリ・ストレージおよびディジタル計算リソースにおける効率を高めることができる。この差は、ナノポアのステータスにおける変化のタイミングおよび度合いを検出するために利用することができる。例えば、ナノポアを周期的にサンプリングする間には、ナノポアの状態間における遷移が重要になる場合がある。ナノポアの異なる状態間におけるこれらの遷移を検出するために、閾値よりも大きい測定値の差(difference measurement)は、変化が生じたこと（たとえば、開放チャネルから、タグがナノポア内に挿入された状態へのナノポアの遷移）を示すことができ、異なるナノポア状態遷移変化に対して既知の差分値が予測されるとすれば、変化の差分値は、ナノポアの正確な新たな状態を示すことができる。ある実施形態では、出力された差分値は、バイオチップの出力の一部として出力される。出力された差は、２つの測定値間における値の無変化（例えば、閾値を超えない変化）、開放ナノポア・チャネルからタグ通過ナノポア(tag threaded nanopore)への切り替えによって生ずるナノポア状態の変化、ＡＣ基準電圧の位相変化、またはＡＣ基準電圧源の負区間における開放ナノポア・チャネルからＡＣ基準電圧源の正区間におけるタグ通過ナノポアへの切り替えによって生ずるナノポア状態の変化を示すことができる。
【００８０】
ある実施形態では、差が閾値よりも小さい場合、差分値を出力しない。例えば、バイオチップが出力することができるデータ量に対して帯域幅が限られている場合もあり、バイオチップから出力するデータ量を温存するために、差分値が閾値よりも小さい場合、ナノポアの状態変化が検出されていないので、実際の差分値を出力しない。ある実施形態では、差が閾値よりも小さい場合、実際の差の値を出力する代わりに、差分値が閾値よりも小さいという指示を与える（例えば、ナノポアの状態が明期間には変化していないことの指示）。ある実施形態では、差分値を出力することに加えて、アナログ・ストレージ・キャパシタに格納されている測定値の値も出力する（例えば、差分値を判定するために利用されたキャパシタ２２０８およびキャパシタ２２１０から供給された測定値のディジタル値）。
【００８１】
ある実施形態では、差分値が閾値よりも小さい場合、プロセスは２３０２に戻る。例えば、図２３のプロセスを継続して、異なるアナログ・ストレージ・キャパシタ間でサンプル測定値の格納を切り替える代わりに、同じアナログ・ストレージ・キャパシタを利用して次の測定サンプルを格納する。これによって、アナログ・ストレージ・キャパシタ間における切り替え時間を短縮し、および／または他方のアナログ・ストレージ・キャパシタが以前の測定サンプルを格納している場合、２つの不連続な測定サンプル間の比較を可能にすることができる。不連続な測定サンプルの比較を行わせてもよい(may be allowable)のは、ナノポアの状態が一定のままであり、ＡＣ基準電圧源の位相が変化していない場合、測定サンプル間において測定値が比較的一定のままでいるからである。ある実施形態では、差分値が閾値よりも小さい場合、第２アナログ・ストレージ・キャパシタが測定値を格納しており（例えば、２３１６において格納された）、ＡＣ基準電圧源の位相変化が２３０８において検出されていないならば、プロセスは２３０２に戻る他はない。
【００８２】
２３１２において、第２アナログ・ストレージに格納する測定サンプルのために、ナノポア測定回路を準備する。例えば、図２２の回路２２００は、ナノポア電圧測定値をアナログ・メモリ・キャパシタ２２１０に格納するように構成されている。ある実施形態では、ナノポア測定回路を準備するステップは、第２アナログ・ストレージ・キャパシタを充電（または放電）するように１つ以上のスイッチを構成するステップを含む。例えば、キャパシタ２２１０をＶｐｒｅまで充電する（または放電する）ために、スイッチ２２２０を閉じる（例えば、キャパシタ２２０８に影響を及ぼさないためにスイッチ２２１６は開いたままにする）。ある実施形態では、ナノポアを電圧源に結合することによって、ナノポアの両端間に電圧を印加する。例えば、スイッチ２２２２も閉じて（例えば、スイッチ２２２０も閉じている間）モデル・キャパシタ２２１４および２２０６の有効容量を充電することによって、電圧Ｖｐｒｅ２２１２をナノポアに印加する。電圧源が作用電極に接続されると、メンブレーンに伴うキャパシタが充電され、メンブレーンを取り巻く(across)電界内にエネルギが蓄積される。このナノポアの両端間に印加される初期電圧は、Ｖｐｒｅ−Ｖｌｉｑｕｉｄとすることができる。ここで、Ｖｐｒｅは、ナノポアに接触するバルク液体の電圧であり、Ｖｌｉｑｕｉｄは、ＡＣ電圧（例えば、Ｖｐｒｅを中心とする方形波電圧源）であってもよい。ある実施形態では、ナノポアをナノポア測定回路に接続するスイッチがあり、このスイッチは２３０２において閉じたままでいる。例えば、二重層が形成された後、スイッチ２２２４は閉じたままとなり、二重層がないときは（例えば、二重層が存在しないときは非常に低いインピーダンスのために）スイッチ２２２４は開いたままとなる。
【００８３】
２３１４において、次の回路測定サンプルを第２アナログ・ストレージに捕捉する。例えば、ナノポアの次の測定サンプルを捕捉するために、第２アナログ・ストレージ・キャパシタを更に充電または放電する。例えば、ナノポアを電圧源から切断し、第２アナログ・ストレージ・キャパシタに蓄積されているエネルギを、ナノポアの抵抗によって、対向電極のＡＣ電圧基準の明期間において放電する。他の例では、ナノポアを電圧源から切断し、第２アナログ・ストレージ・キャパシタに蓄積されているエネルギを、ナノポアの抵抗によって、対向電極のＡＣ電圧基準の闇期間において充電する(charge)。ナノポアの電圧の減衰率または充電率は、ナノポアの抵抗および／または電流に関連があり、分子／タグがナノポアに挿入されたまたはナノポアから取り除かれたときにその状態を示す。設定された時間期間後における第２アナログ・ストレージ・キャパシタの最終的な電荷／エネルギ／電圧は、各状態に関連する減衰／充電率が分かっていると仮定すると、ナノポアのこの状態を同定することができる。第２アナログ・ストレージ・キャパシタに蓄積されたエネルギ／電荷／電圧は、ナノポアの抵抗および／または電流の測定値に対する代理として役割を担うことができる。ある実施形態では、図２２のスイッチ２２２０を開いて電源２２１２をキャパシタ２２１０から切断し、ナノポアの抵抗は、キャパシタ２２０８の放電または充電率に影響を及ぼす（例えば、ＡＣ電圧基準の位相のため）。ある実施形態では、測定サンプルを捕捉するためにスイッチを設定時点において動作させる。例えば、スイッチ２２２２を開いてナノポアを容量２２１０から切断する。ある実施形態では、第２アナログ・ストレージ・キャパシタに蓄積された電圧は、有効キャパシタ２２１４および２２０６の両端間における電圧差である。種々の実施形態において、２３１４において第２アナログ・ストレージ・キャパシタの消散を停止させるためにスイッチを開く設定時間量は、２３０６において第１アナログ・ストレージ・キャパシタの消散を停止させるためにスイッチを開く設定時間量と同じである。
【００８４】
２３１６において、２３１４において捕捉した測定値を第２アナログ・ストレージ・キャパシタに格納する。例えば、設定した時間量の間第２アナログ・ストレージ・キャパシタに消散させることによって、ナノポアの抵抗が大きい程、小さいときの抵抗と比較して、同じ時間量においてより少ない量のエネルギ／電荷／電圧を消散する。他の例では、ナノポアの抵抗に基づくレートで、２３１２における初期充電を超えて、ＡＣ電圧基準の低電圧区間(lower voltage phase)において、第２アナログ・ストレージ・キャパシタを充電する。第２アナログ・ストレージ・キャパシタに蓄積されたエネルギ／電荷／電圧は、ナノポアの状態を同定するためのナノポアの抵抗／電流の測定値に対する代理として役割を担うことができる。ある実施形態では、測定値を保存し測定を停止し、更に測定値を格納するために、設定時点においてスイッチを開く。例えば、スイッチ２２２２を開いてナノポアをキャパシタ２２１０から切断し、測定サンプルを第２アナログ・ストレージ・キャパシタに格納する。
【００８５】
２３１８において、該当する場合には、格納されている測定値の差の差分値を出力する。例えば、第２格納キャパシタに格納されている測定電圧に加えて、第１アナログ・ストレージ・キャパシタに格納されている（例えば、２３０６において格納した）、以前に格納された測定電圧も、減算するために供給する。ある実施形態では、差を供給するステップが、測定サンプルを格納しているアナログ・ストレージから、減算しようとする測定値を供給するために、１つ以上のスイッチを閉じるステップを含む。例えば、スイッチ２２３０および／またはスイッチ２２３２を閉じて、図２２のキャパシタ２２０８および／またはキャパシタ２２１０の電圧を供給する。ある実施形態では、バイオチップのセルを行および列の格子に編成し（例えば、セルの各列が複数の列値を出力するのでもよい）、セルの各行を実質的に同時に読み出す。 出力は、読み出されているバイオチップのセルの１つの行からの複数の列値の内一部だけを表す場合もある。ある実施形態では、格納されている測定値（１つまたは複数）が、測定の電荷／エネルギ／電圧を格納するアナログ・ストレージ・キャパシタの漏れを補償される。例えば、アナログ・ストレージ・キャパシタの電荷は、キャパシタの制約(limitation)のために自然に低い速度で消散する可能性があるので、キャパシタの漏れ速度を判定して、キャパシタの電圧出力に、起こりそうな漏れ量に対応する補償値を、判定した漏れ速度と、測定値がキャパシタによって格納されている時間量とに基づいて追加することによって、この漏れを補正する。ある実施形態では、格納されている測定値（１つまたは複数）を供給した後、出力スイッチ（１つまたは複数）を開く。例えば、スイッチ２２３０および２２３２を開く。
【００８６】
ある実施形態では、アナログ・ストレージ・キャパシタから供給された測定値は、測定値間の差を判定するために利用される。例えば、第２アナログ・ストレージ・キャパシタの電圧出力を、第１アナログ・ストレージ・キャパシタの電圧出力から減算する。ある実施形態では、アナログ／ディジタル変換器、比較器、および任意のその他の回路コンポーネントの内１つ以上を使用して、アナログ・ストレージ・キャパシタから供給された測定値（１つまたは複数）を互いから減算する。 ディジタル・マイクロプロセッサを使用してディジタル的に変換および格納された値を減算する代わりに、出力アナログ値を使用して差を判定することによって、ディジタル・メモリ・ストレージおよびディジタル計算リソースにおける効率を高めることができる。この差は、ナノポアのステータスにおける変化のタイミングおよび度合いを検出するために利用することができる。例えば、ナノポアを周期的にサンプリングする間には、ナノポアの状態間における遷移が重要になる場合がある。ナノポアの異なる状態間におけるこれらの遷移を検出するために、閾値よりも大きい測定値の差(difference measurement)は、変化が生じたこと（たとえば、開放チャネルから、タグがナノポア内に挿入された状態へのナノポアの遷移）を示すことができ、異なるナノポア状態遷移変化に対して既知の差分値が予測されるとすれば、変化の差分値は、ナノポアの正確な新たな状態を示すことができる。ある実施形態では、出力された差分値は、バイオチップの出力の一部として出力される。出力された差は、２つの測定値間における値の無変化（たとえば、閾値を超えない変化）、開放ナノポア・チャネルからタグ通過ナノポア(tag threaded nanopore)への切り替えによって生ずるナノポア状態の変化、ＡＣ基準電圧の位相変化、またはＡＣ基準電圧源の負区間における開放ナノポア・チャネルからＡＣ基準電圧源の正区間におけるタグ通過ナノポアへの切り替えによって生ずるナノポア状態の変化を示すことができる。
【００８７】
ある実施形態では、差が閾値よりも小さい場合、差分値を出力しない。 例えば、バイオチップが出力することができるデータ量に対して帯域幅が限られている場合もあり、バイオチップから出力するデータ量を温存するために、差分値が閾値よりも小さい場合、ナノポアの状態変化が検出されていないので、実際の差分値を出力しない。ある実施形態では、差が閾値よりも小さい場合、実際の差の値を出力する代わりに、差分値が閾値よりも小さいという指示を与える（例えば、ナノポアの状態が明期間には変化していないことの指示）。ある実施形態では、差分値を出力することに加えて、アナログ・ストレージ・キャパシタに格納されている測定値の値も出力する（例えば、差分値を判定するために利用されたキャパシタ２２０８およびキャパシタ２２１０から供給された測定値のディジタル値）。
【００８８】
ある実施形態では、２３１８において差分値が閾値よりも小さい場合、プロセスは２３１２に戻る。例えば、図２３のプロセスを継続して、異なるアナログ・ストレージ・キャパシタ間でサンプル測定値の格納を切り替える代わりに、同じアナログ・ストレージ・キャパシタを利用して次の測定サンプルを格納する。これによって、アナログ・ストレージ・キャパシタ間における切り替え時間を短縮し、および／または他方のアナログ・ストレージ・キャパシタが以前の測定サンプルを格納している場合、２つの不連続な測定サンプル間の比較を可能にすることができる。不連続な測定サンプルの比較が許容できるとしてもよい(may be allowable)のは、ナノポアの状態が一定のままでありＡＣ基準電圧源の位相が変化していない場合、測定サンプル間において測定値は比較的一定のままでいるからである。ある実施形態では、差分値が閾値よりも小さい場合、ＡＣ基準電圧源の位相変化が２３１８において検出されていないのであれば、プロセスは２３１２に戻る他はない。
【００８９】
図２３のプロセスは、停止判断基準に達するまで繰り返される。例えば、所定の時間量の後、および／またはある量の測定サンプルが出力された後、図２３のプロセスを停止する。ある実施形態では、ナノポア測定を停止すべきときに、図２３のプロセスを停止する。図２３のステップは一貫した周期的なレートで行うことができる。例えば、ナノポアの測定値は一貫した周期的なレートで捕捉することが望ましく、図２３のステップは、所望の一貫したサンプリング・レートを達成するレートに設定される。例えば、ステップ２３０６および／またはステップ２３１６間のタイミングは、一貫した時間間隔で生じる。
【００９０】
図２４は、ナノポアの対向電極の基準電圧としてＡＣ電圧源を利用したときの回路測定値のグラフを示す図である。例えば、図２２の電圧源２２４０として方形波ＡＣ電圧源を利用する。図２４のグラフは、タグを導入する前のグラフを示し、したがって、これらのグラフはナノポアへのタグの挿入を全く示さない。ナノポアは事実上一貫性のある開放チャネル状態にある。グラフ２４０２は、ＡＣ電圧源のグラフを示す。明期間および闇期間という指示を付けて、方形波電圧源を示す。前述の信号の一部だけが示されている。グラフ２４０４は、ナノポアの両端間における対応する電圧を示す。例えば、図２２の有効キャパシタ２２０６および抵抗器２２０４の両端間の電圧を示す。ナノポアの二重層に伴う容量の放電（明期間における）および充電（闇期間における）から、明および闇期間における測定サンプルのために「鋸歯」形状の電圧が得られる。各「鋸歯」は、取り込まれる各測定サンプルに対応する。グラフ２４０６は、ナノポアを通過する(across)対応する電流を示す。例えば、図２２の有効抵抗器２２０４を通過する電流をグラフに表す。グラフ２４０８は、アナログ・ストレージ・キャパシタの両端間における対応する電圧を示す。各「鋸歯」は、取り込まれる各サンプル測定値に対応する。例えば、測定サンプル毎の明期間において、アナログ・ストレージ・キャパシタは０．９０Ｖにプリチャージされ、この電圧／電荷は、次の測定サンプルのためのキャパシタの次のプリチャージまで、ナノポアの抵抗によって消散される。この例では、測定サンプル毎の闇期間において、アナログ・ストレージ・キャパシタは最初に０．９０Ｖにプリチャージ／消散（リセット）され、この電圧／電荷は、次の測定サンプルのためのキャパシタの次のプリチャージ／リセットまで、ナノポアの抵抗に関連するレートで増大する。グラフ２４１０は、プリチャージ／消散信号の対応する電圧を示す。
【００９１】
図２５は、ナノポアの状態を検出し、出力するデータを最適化するためにナノポア状態データを適応的に処理するシステムの一実施形態を示すブロック図である。図２５に示すように、図２５に示すコンポーネントはバイオチップ内に含まれる。このバイオチップは、図２５に示すコンポーネントを任意の数だけ含むことができる。例えば、バイオチップは、複数のナノポア・セル、測定回路、および適応分析器２５１２に接続されたローカル・イベント検出器を含む。バイオチップは、ＤＮＡシーケンシング・バイオチップであってもよい。例えば、バイオチップからそしてバッファ２５１４から出力されたデータを更に処理して、ＤＮＡに含まれるヌクレオチドのシーケンスを検出することができる。図２５に示すコンポーネントはいずれも、回路、回路コンポーネント、電気コンポーネント、回路モジュール、プロセッサ、比較器、コンピューティング・モジュール、メモリ、ストレージ、マイクロアレイ、およびバイオチップ・コンポーネントの内の１つ以上を任意の数だけ使用して、実装することができる。
【００９２】
ある実施形態では、図２５に示すシステムを利用して、ナノポア・セルのバイオチップから出力されるデータを削減し管理する。例えば、ＤＮＡシーケンシング・バイオチップによって出力することができるデータ量を、バイオチップの最大出力データ速度によって制限することができる。バイオチップ上に多数のセルがある場合、バイオチップによって潜在的に出力することができるデータ量が、バイオチップの最大出力データ速度を超過するおそれがある。ある実施形態では、出力するデータの型および量を、動的に管理し、必要なときに、出力するデータ量を動的に削減する。例えば、データを圧縮および伸長する処理コストを考えると、出力される情報は、必要な場合にのみ圧縮するのがよい。何故なら、バイオチップによって出力される現データ量が閾値を超過するからである。他の例では、バイオチップのセル上でイベントが検出されたとき、出力される関連情報を後に情報の損失なく出力することができる場合、この情報を破棄して出力しないのでもよい。他の例では、バイオチップのセル上においてイベントが検出されたとき、後に情報の損失なく関連情報を出力することができなくても、この情報を破棄して出力しなくてもよい。
【００９３】
ナノポア・セル２５０２は、測定回路２５０４に接続されている。ナノポア・セル２５０２は、図１のナノポア・セル１００、図２のナノポア・セル２００でもよく、および／または本明細書において説明したいずれのナノポアを含んでもよい。ある実施形態では、ナノポア・セル２５０２は、図１６の１６０２、図１７の１７０２、図１８Ａおよび１８Ｂの１０８２、および／または図２２の２２０２として電子的にモデル化することもできる。
【００９４】
測定回路２５０４は、ナノポア・セル２５０２の電気測定値を検出する。電気測定値は、ナノポア・セル２５０２のナノポアの状態を検出するために利用することができる。例えば、測定回路２５０４によって測定される電圧変化は、タグがナノポアに通されたか否か、そしてどのタグかを示す。測定回路２５０４の例は、図１６の１６００、図１７の１７００、図１８Ａの１８００、図１８Ｂの１８０１、または図２２の２２００を含む。
【００９５】
ローカル・イベント検出器２５０６は、測定回路２５０４から、検出された電気測定値を受け取る。ある実施形態では、ローカル・イベント検出器２５０６は、測定回路２５０４からの電気測定値がナノポアの状態変化を示すか否か検出する。例えば、電気測定値は、ナノポアに挿入されたタグの型を判定するために利用され、タグがナノポアに入るときにのみ重視されるのでもよい。ナノポアの状態が変化していないことが分かっていれば、実際の測定値は重要でないと言っても差し支えない。
【００９６】
ある実施形態では、あらゆる周期的な電気測定サンプルについてのバイオチップ電気測定値から出力する代わりに、必要なときにのみ（例えば、ナノポアの通過状態への状態変化が検出されたとき）測定値を出力する。状態変化が特定の測定サンプルによって示されないことが検出された場合、実際の測定サンプル値を報告する代わりに、状態が変化していないことの指示を報告してもよい。ある実施形態では、以前の測定サンプル（例えば、ナノポアの開放チャネル状態に対応する、格納測定サンプル値(stored measurement sample value)）から新たな測定サンプルへの電気測定値の差を判定することによって、この差の大きさが、状態変化が発生したか否か（例えば、差が閾値よりも大きい、特定の範囲内等）示すことができ、更にどのタグがナノポアに挿入されたのか示すことができる。ある実施形態では、開放チャネル・ナノポアのベースライン予測電気測定値(baseline expected electrical measurement)を判定／把握し、新たに受け取った電気測定サンプルと比較して、新たな電気測定サンプルが、タグがナノポアに挿入されたことまたはナノポアから取り出されたことを示すか否か判定するために利用する。
【００９７】
ある実施形態では、状態メモリ２５０８は、測定回路２５０４から以前に受け取られた１つ以上の電気測定サンプルを格納する。例えば、以前に状態メモリ２５０８から引き出され受け取られた電気測定サンプル値は、新たに受け取られた電気測定サンプル値が状態変化を示すか否か判定するために、ローカル・イベント検出器２５０６によって利用される。ある実施形態では、状態メモリ２５０８は、１つ以上のナノポア状態に対応する１つ以上の基準測定値（例えば、ナノポアの開放チャネル状態に対応する測定値）を格納する。
【００９８】
ある実施形態では、状態メモリ２５０８は、ナノポアにおけるタグの挿入が、基準ＡＣ電圧源信号周期の現明期間(current bright period)において、ローカル・イベント検出器２５０６によって報告されたか否かの識別子を格納する。例えば、一旦ナノポアにおけるタグの挿入に対応する電気測定サンプル値が検出され、基準ＡＣ電圧源信号周期の同じ明期間において同じイベントに対して一旦報告されたなら、タグが未だナノポアに挿入されている間に得られた後続の電気測定サンプルを再度報告しないでもよい。何故なら、この状態変化は、既に、ナノポアに挿入されているタグの型を示す関連電気測定値と共に報告されているからである。つまり、格納されている識別子が、基準ＡＣ電圧源信号の現周期の現明期間においてタグ挿入状態が既にローカル・イベント検出器２５０６によって報告されていることを示す場合、その後に受け取られる電気測定値も同じタグ挿入状態に対応するのであれば、報告する必要はない。この格納されている識別子は、基準ＡＣ電圧源信号の新たなサイクル毎にリセットすることができる。
【００９９】
適応分析器２５１２は、ローカル・イベント検出器２５０６から、出力するデータ（例えば、バイオチップから、更なる処理／検出のために）受け取る。ある実施形態では、適応分析器２５１２は複数のローカル・イベント検出器からデータを受け取る。例えば、各ナノポア・セルの各ローカル・イベント検出器は、それぞれのナノポア・セルの状態変化を各々検出および報告し、適応分析器２５１２は、バイオチップの全てのローカル・イベント検出器から報告されたデータを収集し、必要であれば、出力するデータのサイズを縮小しようとして、出力するデータを分析する。ある実施形態では、ナノポア・セルの電気測定値が周期的に得られるに連れて、適応分析器２５１２にはデータが周期的に供給される。
【０１００】
例えば、バイオチップのナノポア毎に状態変化が検出されたか否かを示すビット・ベクトルを、周期的な測定インスタンス毎に、出力のために生成する（例えば、ベクトルの各ビットが、異なるナノポア・セルに対応し、タグがそれぞれのナノポアに挿入されているか否かを示す）。ビット・ベクトルと共に、タグ挿入状態に変化したことが検出されているあらゆるナノポアについて、対応する電気測定サンプル値（例えば、特定の型のタグに対応する値）を、出力のために選択する。適応分析器２５１２は、出力するデータ（例えば、バイオチップから）をバッファ２５１４に入れる(place)。
【０１０１】
バッファ２５１４は、バイオチップからの、出力するデータを格納する。データは、バイチップからそしてバッファ２５１４からデータ出力レートで出力し続けることができる。しかしながら、出力するために生成されるデータ量は、ときの経過と共に変動する場合もあり（例えば、いつタグがナノポアに挿入されたかに応じて）、ときとして、データ出力レートを超過するおそれがある。バッファ２５１４は、出力されるのを待つデータを格納する。バッファ２５１４内におけるデータ量に応じて、適応分析器２５１２は、出力のためにバッファ２５１４に入力される新たなデータのサイズを適応的に縮小しようとする。例えば、バッファ２５１４が比較的空いている場合、適応分析器２５１２は、データを圧縮するために必要なコンピューティング・リソースを節約するために、データをバッファ２５１４に入力する前にデータを圧縮しない。一方、バッファ２５１４が閾値に達するレベルにある場合、適応分析器２５１２は、出力するデータをバッファ２５１４に入力する前にデータを圧縮する。ある実施形態では、バッファ２５１４は、圧縮するデータの特性（例えば、エントロピ）に基づいて、圧縮技法（例えば、圧縮アルゴリズム）および／または圧縮の設定（例えば、圧縮表シンボル）を適応的に選択する。
【０１０２】
ある実施形態では、適応分析器２５１２がデータを所望のサイズに削減／圧縮することができない場合（例えば、損失のない圧縮を使用する）、機能／情報に損失が最終的に生じなければ、適応分析器２５１２は、出力するデータを選択的に修正する。例えば、ナノポアにおけるタグの挿入の報告を、否定的な結果が生じることなく、遅延させることができ（例えば、複数の測定サイクルの間タグがナノポアに挿入されている）、タグの挿入を報告するデータおよびそれに関連する測定データを削除して、次の電気測定サンプル・サイクルにおいてそれを報告させる。タグ挿入状態を示す以前の測定サンプル値は、既に適応分析器２５１２によって報告されそして削除されているので、これは、タグ挿入状態測定値が基準ＡＣ電圧源信号の現サイクルの現明期間において報告されたか否かを示すインディケータをリセットし（適応分析器２５１２によって）、ナノポアの次の測定サンプル値を同じ明期間において報告することを可能にすることによって、遂行することができる。インディケータは、状態メモリ２５０８に格納されている。ある実施形態では、適応分析器２５１２は、出力するデータの所望のサイズ／帯域幅に合わせるために、報告すべきデータの一部（例えば、ランダムに選択された部分、損失のある圧縮等を使用して）を削除する。
【０１０３】
代替実施形態では、図２５に示す１つ以上のコンポーネントを、バイオチップとは別個の１つ以上の他のチップに含めることができる。例えば、バイオチップはナノポア・セル２５０２を含み、バイオチップと通信する別個のコンパニオン・チップが、図２５に示す他のコンポーネントの１つ以上を含む。
【０１０４】
図２６は、ナノポア状態データを報告するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。図２６のプロセスは、図２５のローカル・イベント検出器２５０６上に実装することができる。例えば、図２６のプロセスは、バイオチップのナノポア・セルの複数のローカル・イベント検出器の各々に実装される。
【０１０５】
２６０２において、ナノポアの電気測定サンプル・データを受け取る。例えば、ナノポアの抵抗に対応する電圧測定値を受け取る。ある実施形態では、電気測定サンプル・データは、図２５の測定回路２５０４から受け取られる電気測定サンプル値（例えば、数値）を含む。受け取られた電気測定データは、受け取られた周期的測定サンプルの内の１つに対応することができる。ある実施形態では、電気測定サンプル・データは、アナログ・ストレージ・キャパシタ（例えば、図２２のアナログ・ストレージ・キャパシタ）に格納されている電荷／電圧量の値である。ある実施形態では、電気測定サンプル・データは、図２３の２３０８または２３１８において供給される差分値である。電気測定サンプルの例には、以下の内の１つ以上、即ち、電圧値、電流値、抵抗値、電荷値の量、容量値、または時間値の内の１つ以上が含まれる。
【０１０６】
２６０４において、受取電気測定データ(received electrical measurement data)が、ナノポアの状態変化（例えば、通過状態への状態変化、以前に検出された状態からの変化等）に対応するか否か判定する。例えば、受取電気測定サンプル・データを分析して、受取電気測定データがナノポアの状態変化に対応するか否か判定する。ある実施形態では、受取電気測定データがナノポアの状態変化に対応するか否か判定するステップは、受取電気測定データを、以前の受取電気測定データと比較するステップを含む。例えば、以前に受け取った電気測定値と、２６０４において受け取った電気測定値との間の差を計算し、その差分値がナノポアの状態変化を示すか否か判定するために利用する（例えば、差が既定の範囲内に入る、最小閾値よりも大きい（例えば、些細なばらつき／ノイズのためでない）、最大閾値よりも小さい（例えば、明期間と闇期間との間の変化のためでない）等）。ある実施形態では、受取電気測定データは、以前の電気測定データ・サンプルと、その後に捕捉した電気測定データ・サンプルとの間の差である。ある実施形態では、受取電気測定データがナノポアの状態変化に対応するか否か判定するステップは、受取電気測定データを基準電気測定データと比較するステップを含む。例えば、開放チャネル・ナノポア状態に対応する基準電気測定データ（例えば、既定のまたは以前に受け取った測定データ・サンプル）を、受取電気測定データと比較して、電気測定データが、ナノポアの状態のタグ通過状態への変化に対応するか否か判定する。
【０１０７】
ある実施形態では、受取電気測定データがナノポアの状態変化に対応するか否か判定するステップは、受取電気測定データが通過状態に対応するか否か判定するステップを含む。例えば、基準ＡＣ電圧源信号サイクルの明期間における通過状態に着目し、ＤＮＡをシーケンシングするために検出されることが望ましい。ある実施形態では、基準ＡＣ電圧源信号サイクルの明期間におけるナノポアの状態変化のみが検出されるように構成する。例えば、闇期間では、状態変化識別子および／または電気測定サンプル値は、ローカル・イベント検出器によって出力されない。ある実施形態では、受取電気測定データが基準ＡＣ電圧源信号の現サイクルの闇期間に対応する場合、ナノポアの状態変化検出を実行しない。例えば、闇期間では、ナノポアの状態変化は検出されていないと自動的に判定する。
【０１０８】
ある実施形態では、受取電気測定データがナノポアの状態変化に対応するか否か判定するステップは、新たなナノポア状態が維持されているか否か判定するステップを含む。例えば、一旦ＡＣ電圧源信号サイクルの明期間においてタグがナノポアに挿入されたなら、このタグは、特定のサンプリング条件下で（例えば、明／闇ＡＣ電圧源信号の電気的変調を、生物学的イベントの速度と高速比較する(fast compare)とき）、ＡＣ電圧源信号サイクルの闇期間までナノポアの内側に留まることが予測される。この例では、ナノポアの状態が、１回の明期間においてこの明期間の終了前に、開放チャネル状態から通過状態に変化し、次いで開放チャネル状態に変化する場合、統計的に代表的でないイベントが発生した可能性が高い（例えば、通過状態の検出が、信号ノイズ、またはタグが適正に通されなかったことによる場合もある）。つまり、現明期間の終了前に、通過状態から開放チャネル状態へのナノポアの状態変化が検出されたとき、サンプリング条件に基づいて、通過状態変化を報告してもしなくてもよい。例えば、現明期間において通過状態へのナノポア状態変化が早い時期に検出された場合、特定のサンプリング条件の下では、欠落させることができ、／これ以上処理するのを禁止するおよび／またはバイオチップから出力するのを禁止することができる。
【０１０９】
２６０４において、受取電気測定データがナノポアの状態変化に対応しないと判定した場合、本プロセスは２６０８に進む。２６０４において、受取電気測定データがナノポアの状態変化に対応すると判定した場合、２６０６において、受取電気測定サンプル・データの内、検出されたナノポアの通過状態に対応する電気測定サンプル値が、ＡＣ電圧ソース信号の現サイクルの現明期間において既に報告されているか否か判定する。例えば、同じ通過状態に対応する電気測定サンプル値は、重複する情報が報告されるのを回避するためには、タグ通過ナノポアの測定サンプルが得られる度に報告するのではなく、１回だけ報告することにすればよい（例えば、１回のタグ通過イベント毎に１回だけ、測定値を報告することにする）。ある実施形態では、格納されている報告ステータス識別子（例えば、図２５の状態メモリ２５０８に格納されている）は、通過状態に対応する電気測定値が、ナノポア・セルの基準ＡＣ電圧源信号の現サイクルの現明期間において、既に報告されているか（例えば、適応分析器２５１２に報告されているか）否か追跡する。ある実施形態では、２６０８において、格納されている報告ステータス識別子を入手して、この報告ステータス識別子が、ナノポアの検出された通過状態に対応する電気測定サンプル値が既に報告されていることを示すか否か判定する。報告ステータス識別子が、以前の電気測定サンプル値が既に報告されていることを示す場合、同じ通過ナノポア状態に対応するその後の電気測定サンプル値を報告しなくてもよい。この格納されている報告ステータス識別子は、基準ＡＣ電圧源信号の新たなサイクル毎にリセットすることができる。ある実施形態では、以前に報告された電気測定値を出力せずに破棄して、通過ナノポア状態の電気測定値を報告するのを遅らせた場合に、同じ通過ナノポア状態に対する電気測定値の２回目の報告を許容するために、格納されている報告ステータス識別子をリセットする。
【０１１０】
２６０８において、受取電気測定データがナノポアの状態変化に対応するか否かの指示を報告する。例えば、受取測定サンプル・データについて、基準ＡＣ電圧源信号のサイクルの明期間において、受取測定データが通過ナノポア状態を示すか否かを示す二進ビットを報告する（例えば、適応分析器２５１２に供給する）。この例では、受取電気測定データがナノポア通過状態に対応する場合、「１」の値を報告し、そうでない場合、「０」の値を報告する。ある実施形態では、受取電気測定データがナノポアの状態変化に対応しない場合、データを報告しない。ある実施形態では、基準ＡＣ電圧源信号のサイクルの闇期間では、データを報告しない。ある実施形態では、この指示は、受取電気測定データが、通過状態から開放チャネル状態への状態変化に対応するか否かを示す。ある実施形態では、この指示の受け取り先が、バイオチップの各ナノポア・セルからの各二進ビット指示を一緒に組み合わせて、セルのナノポア状態のビット・アレイ（例えば、ビットマップ、ビットセット、ビット・ストリング、ビット・ベクトル等）表現を生成する。ある実施形態では、この指示は、受取電気測定サンプル値が報告されるか否かを示す（例えば、指示は２６０６の判定に対応する）。例えば、受取電気測定サンプル値が報告されるのは、受取電気測定サンプル値が明期間における通過ナノポア状態を示し、この通過ナノポア状態に対する以前の測定値が未だ報告されていない（例えば、格納されている報告ステータス・インディケータによって示される）ことが検出されたときだけである。
【０１１１】
２６０６において、以前の電気測定サンプル値が既に報告されていたと判定した場合、２６１０において、受取電気測定データの電気測定サンプル値を報告しない（例えば、適応分析器２５１２に供給しない）。２６０６において、以前の電気測定サンプル値が未だ報告されていないと判定した場合、２６１２において、受け取った電気測定値の電気測定サンプル値を報告する（例えば、適応分析器２５１２に供給する）。
【０１１２】
図２６のプロセスは、受取測定サンプル毎に繰り返される。ある実施形態では、二重層およびナノポアがバイオチップのセル内に存在する間だけ、図２６のプロセスを実行する。
【０１１３】
図２７は、基準ＡＣ電圧源信号の１サイクルにおいて受け取った周期的電気測定サンプルの一例を示す図である。グラフ２７００は、方形波ＡＣ電圧源信号２７０２（例えば、図２２の電圧源２２４０の信号）のグラフ表現を示す。図示する信号２７０２のサイクルは、明期間２７０４（例えば、極性がタグをナノポアに通させるとき）、および闇期間２７０６（例えば、極性がタグにナノポアから出させるとき）を含む。電気測定サンプル２７１１〜２７２２は、各々、各電気測定サンプルが周期的な間隔で検出される（例えば、２６０２において受け取られる）に連れて、順次受け取られる電気測定サンプルに対応する。ある実施形態では、電気測定サンプルは、図１６の１６００、図１７の１７００、図１８Ａの１８００、図１８Ｂの１８０１、または図２２の２２００のナノポア測定電圧出力に対応する。
【０１１４】
測定サンプル２７１１〜２７１３は、開放チャネル・ナノポア状態に対応する。タグがナノポア内に入りつつあるとき、測定値が変化し、測定サンプル２７１４〜２７１６における電圧上昇として示される。測定サンプル２７１４〜２７１６をナノポアの通過状態として検出することは、ナノポア内に入ったタグの型を検出しようとするときには、重要になる場合もある。タグが通されている間の測定サンプル値は同様になるので（例えば、測定サンプル２７１４〜２７１６の値は同様である）、タグの型を検出するためには、これらの値の内１つだけを報告すればよい。例えば、測定サンプル２７１４の値を報告する場合、サンプル２７１５および２７１６の値を報告する必要はない。しかしながら、特定の時点において、出力するデータ量を削減するために測定サンプル２７１４を出力しないと決定した場合、サンプル２７１５または２７１６の値を後に報告すれば、現明期間におけるタグ通過状態、およびナノポアに通されたタグの型を検出する能力を失わずに済ませることができる。闇期間（例えば、サンプル２７１７〜２７２２が測定される間）においては、タグがナノポアから放逐されるので、闇期間の測定サンプルには着目されないことが多く、報告しなくてもよい。
【０１１５】
ここで示した例では、従前よりあらゆる未処理の電気測定サンプル値（例えば、サンプル毎に報告される測定値を表す８ビット値）を報告することにより、バイオチップには大量の出力データ帯域幅（例えば、５０ＧＢ／ｓ）が必要であった（出力例２７３０）。しかしながら、出力するデータ量は、意味があり必要なときにのみ電気測定値を報告することによって、劇的に削減することができる。サンプル毎に未処理の電気測定サンプル値を報告する代わりに、測定サンプル毎に二進指示を供給する（出力例２７３２）。この二進指示は、測定サンプルがナノポアの状態変化に対応するか否かを示す（例えば、明期間において開放チャネル状態か通過状態かを示す）。闇期間では、二進指示を供給しなくてもよい。出力例２７３２に加えて、必要なときに、実際の測定サンプル値を報告する（出力例２７３４）。例えば、最初に通過状態へのナノポアの状態変化が検出されたときに、測定サンプル値に対応するタグの同定を可能にするために、対応する測定サンプル値を報告する。従前からの未処理の報告（出力例２７３０）と比較すると、二進指示（出力例２７３２）の報告、および選択的な測定値の報告（出力例２７３４）によって、出力データの帯域幅要件を大幅に削減する（例えば、５０ＧＢ／ｓから７．３ＧＢ／ｓ（即ち、３．１ＧＢ／ｓ＋４．２ＧＢ／ｓの組み合わせ）への削減）。
【０１１６】
図２８は、出力するデータを適応的に分析するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。図２８のプロセスは、図２５の適応分析器２５１２上に実装することができる。ある実施形態では、図２８のプロセスは、受け取って出力するデータ集合毎に繰り返される。
【０１１７】
２８０２において、出力するデータを受け取る。受取データは、ナノポア・セルのグループ内のナノポア・セル毎に、ナノポア状態変化を受けたか否かを示すデータを含むことができる。例えば、バイオチップ上に複数のナノポア・セルがあり、ナノポア・セル毎に、そしてインスタンス毎に、ナノポア・セルの電気測定サンプルを取り込んだときに、ナノポア・セルのナノポア状態を示す１ビットの識別子を受け取る。ある実施形態では、１ビットの識別子を利用する代わりに、ナノポア・セルのナノポア状態を示す複数ビットの識別子を受け取る。ある実施形態では、周期的な間隔で、全てのナノポアの電気測定サンプルを全て一緒にグループとして入手し、電気測定値の各グループに対応する複数の１ビット識別子を一緒に連結して、ナノポア・セルの状態を示すビット・アレイ（例えば、ビットマップ、ビットセット、ビット・ストリング、ビット・ベクトル等）を形成する。ビット・アレイの各エレメント位置は、対応する後続の測定サンプル集合に対して生成される後続の各ビットマップにおいて同じナノポア・セルに対応することができる。ある実施形態では、受取データは、図２６の２６０８および／または２６１２において報告されたデータを含む。例えば、図２６のプロセスを使用して報告されたデータを、図２５のローカル・イベント検出器２５０６によって、バイオチップのナノポア・セル毎に供給する。
【０１１８】
ある実施形態では、受取データは、検出されたナノポアの状態変化に対応する電気測定サンプル値を含む。例えば、ナノポアについて通過状態が検出され、その対応する電気測定値が未だ報告されていない場合（例えば、図２５の状態メモリ２５０８に格納されている状態報告インディケータによって示されるように）、受取データは、対応する電気測定サンプル値を含み、ナノポア内に挿入されたタグの型を判定するために利用することができる。ある実施形態では、ナノポアに対応する１ビット識別子が、ナノポアの対応する電気測定サンプル値が、受取データに含まれるか否かを示す。ある実施形態では、受取データが、図２６の２６１２において報告された測定サンプル値を含む。
【０１１９】
２８０４において、受取データのサイズを削減すべきか否か判定する。例えば、データ見込み量(data budget)を既に超過したので、バイオチップの出力データ速度を制限し、バイオチップによって出力する追加データ量を削減すべきか否か判定する。受取データのサイズを削減する一例は、データを圧縮することを含む。しかしながら、必要でないときにはデータを圧縮しないことによって、データを圧縮および伸長するために必要なコンピューティング・リソース量を節約することができる。ある実施形態では、受取データのサイズを削減すべきか否か判定するステップは、出力するためにバッファ内に残っているデータ量を判定するステップを含む。例えば、図２５のバッファ２５１４は、バイオチップによって出力されるのを待っているデータを格納し、出力帯域幅が利用可能になると、バイオチップからのデータをバッファから出力し、バッファから削除する。ある実施形態では、受取データのサイズを削減するか否か判定するステップは、出力バッファ内に残っているデータ量が閾値レベル／量に達したか否か判定するステップを含む。閾値レベルに達している場合、出力するために受け取るデータのサイズを削減すべきであると判定し、そうでない場合、受取データのサイズを削減する必要はないと判定する。ある実施形態では、受取データのサイズを削減するか否か判定するステップは、受取データを出力バッファに追加することによって、バッファ内のデータ量が閾値レベル／量を超えて増大する結果になるか否か判定するステップを含む。ある実施形態では、受取データのサイズを削減すべきか否か判定するステップは、受取データのサイズが閾値を超えている否か判定するステップを含み、サイズが閾値を超えている場合、受取データを削減する。ある実施形態では、受取データのサイズを削減すべきか否か判定するステップは、受取データを圧縮すべきか否か判定するステップを含む。
【０１２０】
２８０４において、受取データを削減すると決定した場合、２８０６において、受取データを分析して、この受取データのために圧縮技法を決める。例えば、受取データのプロファイルおよび／または内容に基づいて、複数の技法の中から圧縮技法を選択する。ある実施形態では、圧縮技法は損失を出さない。例えば、受取データの少なくとも一部は、変更する必要がないか、または受取データを圧縮するときに失われる。ある実施形態では、ステップ２８０４を実行しない。例えば、図２８のプロセスを実行するとき、ステップ２８０６を常に実行する。
【０１２１】
２８０８において、受取データの圧縮データ・サイズがデータ見込み量を超過するか否か判定する。例えば、受取データに、選択した圧縮技法を適用した後に得られるサイズを判定する。データ見込み量を超過するか否か判定するステップは、受取データを圧縮して出力バッファに追加すると、バッファ内のデータ量が閾値レベル／量を超えて増大する結果になるか否か判定するステップを含むのでもよい。例えば、圧縮データを追加することによって、バッファが溢れる(overfill)結果になる場合、データ見込み量を超過すると判定する。ある実施形態では、データ見込み量を超過するか否か判定するステップは、受取データを圧縮したときのサイズが閾値よりも大きいか否か判定するステップを含む。例えば、受取データを圧縮したときのサイズを、出力バッファ内の最大データ・サイズ、または出力バッファ内に残っている容量(amount of capacity)と比較する。
【０１２２】
２８０８において、圧縮データ・サイズがデータ見込み量を超過すると判定した場合、２８１０において、受取データを変更する。ある実施形態では、受取データを変更するステップは、受取データをフィルタリングするステップを含む。ある実施形態では、受取データを変更するステップは、ナノポアの通過状態に対応する電気測定サンプル値の報告を遅らせるために、圧縮データの内容を変更するステップを含む。例えば、ナノポアの通過状態の間に得られた複数の電気測定サンプルの内任意のものについて、通過ナノポア状態の電気測定サンプル値を報告することができる場合、電気測定サンプルの内１つの電気測定サンプル値を欠落させ、報告しなくてもよい。何故なら、後続の電気測定サンプルの電気測定サンプル値を代わりに報告することができるからである。ある実施形態では、受取データを変更するステップは、電気測定サンプル値を、受取データから削除し、通過ナノポア状態に対応する後続の電気測定サンプル値を出力のために報告すべきことを示すステップを含む。例えば、ナノポアの通過状態の電気測定サンプル値が、基準ＡＣ電圧ソース信号の現サイクルの現明期間について既に報告されているか否かを識別するステータス報告識別子（例えば、状態メモリ２５０８に格納されているステータス報告識別子）をリセットし、通過状態を示す後続の測定サンプル値の報告を可能にする。
【０１２３】
ある実施形態では、受取データを変更するステップは、損失のある圧縮技法を利用することを選択するステップを含む。例えば、データ見込み量を超過した／するが、測定サンプル値を未だ削除すること／出力するのを遅らせることができない場合、そのサイズを更に削減するために、損失のある圧縮技法を使用して、受取データを圧縮する。ある実施形態では、受取データの一部を欠落させる（例えば、ランダム・ノイズを導入するため、データ精度(precision)を低下させるため等）。例えば、他の変更技法（１つまたは複数）ではデータ見込み量を超過させないためにデータを削減することができない場合、受取データのランダムな部分を出力しないことを選択する。ある実施形態では、２８０８における判定は随意である。例えば、図２８のプロセスを実行するとき、ステップ２８１０を常に実行する。
【０１２４】
２８１２において、受取データを変更したか（例えば、２８１０において）または変更しなかったか（例えば、２８０８においてデータ見込み量を超過しないと判定した）には関係なく、圧縮する。例えば、選択した圧縮技能（例えば、損失のない、または損失のある）を使用して、データを圧縮する。
【０１２５】
２８１４において、圧縮したか（例えば、２８１２において）または圧縮しなかったか（例えば、２８０４において削減しないと判定した）には関係なく、最終的な受取データを、出力するために、出力バッファに入れる。例えば、バイオチップからの出力のために、図２５のバッファ２５１４にデータを挿入する。代替実施形態では、最終的な受取データは、未圧縮か圧縮かには関係なく、出力バッファに入れないで、バイオチップから出力する。
【０１２６】
図２９は、圧縮技法を決定するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。図２９のプロセスは、図２５の適応分析器２５１２上に実装することができる。ある実施形態では、図２９のプロセスは図２８の２８０６に含まれる。
【０１２７】
２９０２において、受取データのエントロピを判定する。例えば、図２８の２８０２において受け取ったデータを分析し、この受取データに適した(eligible)技法の中から最良のデータ圧縮技法を決定する。ある実施形態では、エントロピを判定するステップは、受け取って圧縮するデータのシャノン・エントロピを判定するステップを含む。エントロピを判定するステップは、受取データに含まれるデータのランダム性を判定するステップを含むこともできる。エントロピは、受取データの圧縮可能性、および／または受取データを圧縮するのに最も適した圧縮技法の種類（例えば、データのサイズを最も削減する技法）を示すことができる。エントロピは、無損失圧縮技法を使用したときに予測される、受取データの圧縮可能性を示すことができる。ある実施形態では、エントロピを判定するステップは、受取データにおける、同じ連続二進値の長さの統計的尺度（例えば、連続するゼロの平均的な長さ）を判定するステップを含む。
【０１２８】
２９０４において、少なくとも部分的にエントロピに基づいて、圧縮技法を選択する。受取データを圧縮するために利用される圧縮技法の最良の種類は、データのプロファイルおよび／または内容に応じて異なる場合もある。例えば、エントロピが低いデータを最良に圧縮するには、ラン・レングス・エンコーディング圧縮技法を使用するとよく、一方エントロピが高いデータを最良に圧縮するには、Ｌｅｍｐｅｌ−Ｚｉｖベースの圧縮技法（例えば、記号ディクショナリを使用する）を使用するとよい。ある実施形態では、複数の可能な圧縮技法の中から、圧縮されたデータのサイズを最も小さくする圧縮技法を選択する。圧縮技法の例には、任意の圧縮アルゴリズムまたはデータ・エンコーディング／コーディング技法を含むことができる。
【０１２９】
２９０６において、該当する場合、受取データに基づいて、選択した圧縮技法のパラメータを決定する。例えば、圧縮技法のパラメータは、決定したエントロピおよび／または受取データの内容に基づいて決定する。ある実施形態では、受取データに含まれる内容の分析に基づいて、圧縮ディクショナリに含まれる１つ以上の記号を選択する。
【０１３０】
２９０８において、選択した圧縮技法およびその決定したパラメータ（該当する場合）を示す。例えば、受取データを圧縮するのに使用するために選択した圧縮技法を示す。
図３０は、出力するデータを変更／フィルタリングするプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。図３０のプロセスは、図２５の適応分析器２５１２上に実装することができる。ある実施形態では、図３０のプロセスは図２８の２８１０に含まれる。例えば、データ見込み量を超過する場合にデータのサイズを削減するように、出力するデータを変更するために図３０のプロセスを実行する。
【０１３１】
３００２において、受取データが、ナノポアの通過状態に対応する電気測定サンプル値を含むか否か判定する。
３００２において、受取データが、ナノポアの通過状態に対応する電気測定サンプル値を含むと判定した場合、３００４において、この電気測定サンプル値が、基準ＡＣ電圧源信号サイクルの明期間の最後の測定サンプルに対応するか否か判定する。例えば、ナノポアの通過状態は再度検出／測定されるので、測定サンプル値の報告を、ナノポアの次の測定サンプルまで遅らせることができるか否か判定する。
【０１３２】
３００４において、電気測定サンプル値が最後の測定サンプルに対応しないと判定した場合、３００６において、電気測定サンプル値を報告しないように、受取データをフィルタリング／変更する。例えば、受取データに含まれるナノポアの状態のインディケータ（例えば、１ビット・インディケータ）を、状態変化および／または通過状態を示さないように変更する、および／または電気測定値を、受取データから削除する。ある実施形態では、変更した受取データは、元の受取データを出力するのではなく、バイオチップから出力されるデータを変形したもの(version)である。
【０１３３】
３００８において、測定サンプル値が報告されていないことを示すように、ステータス報告インディケータ（例えば、通過状態の測定サンプル値が、ＡＣ電圧源の現サイクルの現明期間において既に報告されているか否かを示す）を変更する。これによって、ナノポアの次の測定サンプルに、その電気測定値の報告を行わせることができる。ある実施形態では、図２５の状態メモリ２５０８に格納されているステータス報告インディケータを変更する。
【０１３４】
３００２において、受取データが、ナノポアの通過状態に対応する電気測定サンプル値を含まないと判定した場合、または３００４において、電気測定サンプル値が最後の測定サンプルに対応すると判定した場合、３０１０において、受取データをフィルタリング／変更しないと決定する。例えば、図２８の２８１０において、通過ナノポア状態に対応する電気測定サンプル値の報告を遅らせるために変更することができない場合、受取データを変更しない。
【０１３５】
図３１は、通過ナノポア多状態検出を処理するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。図３１のプロセスは、図２５の適応分析器２５１２上に実装することができる。ある実施形態では、図２８の２８０１の後に図３１のプロセスを実行する。例えば、受取データを処理して、前に検出されたナノポアの通過状態が、統計的に、代表的であるとみなすことができず、報告することができないか否か判定する。例えば、特定のサンプリング条件の下では、１回の明期間内における通過状態の複数回の変更は、統計的に、代表的であるとみなすことができない。更に、これはバイオチップによって出力されるデータ量を削減することもできる。例えば、通過状態を示すデータを出力し後に通過状態検出の取り消しを示すデータを出力する代わりに、移り変わるナノポア状態の変更を報告しない。
【０１３６】
３１０２において、受取データが、明期間の終了前に、ナノポアの状態が通過状態から開放チャネル状態に変化したことを示すことを検出する。一旦ＡＣ電圧サイクルの明期間においてナノポアにタグが挿入されたなら、特定のサンプリング条件の下で（例えば、電気的変調明／闇ＡＣ信号を生物学的イベントの速度と高速比較するとき）、ＡC電圧サイクルの明期間の終了および闇期間の開始まで、タグがナノポアの内側に留まることが予測される。特定のサンプリング条件に対して、ＡＣ電圧源信号のサイクルの明期間の終了前に、この１回の明期間において、報告されたナノポアの状態が、開放チャネルから通過状態に変化し次いで開放チャネル状態に戻った場合、前に(earlier)検出された通過状態への状態変化は、統計的に無意味であると判定する（例えば、通過状態の前の検出はノイズによるものである可能性がある）。
【０１３７】
３１０４において、前に受け取ったデータがナノポアの通過状態を示した場合、以後通過状態を示さないようにこのデータを変更する。例えば、受取データに含まれる指示を変更する、および／または前に受け取ったデータに含まれる対応する測定値を欠落させる／削除する。これによって、バイオチップから出力するデータ量を削減することができる。前に受け取ったデータは、図２８のプロセスを使用して分析されている最中である場合もあり、出力バッファに入れられるのを待っている場合（例えば、通過状態検出エラーの場合、明期間の終了を待っている）もあり、または出力バッファに含まれている場合（例えば、図２５のバッファ２５１４に）もある。
【０１３８】
３１０６において、該当する場合、通過状態から開放チャネル状態へのナノポアの状態変化を示すデータを出力しない。例えば、前に受け取られて通過状態を示すデータが、通過状態を報告しないように変更されたので、開放チャネル状態に戻る変化を示すデータを出力する必要はない。例えば、受取データにおいて、通過状態から開放チャネル状態への変化を報告する状態変化インディケータを、状態変化が検出されなかったことを示すように（例えば、開放チャネル状態が維持されていることを示す）変更する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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