(57)【要約】  技術は、配列決定セルの二重層静電容量を測定することに関する。特定の実施形態では、二重層静電容量は、配列決定セル内のウェルを覆う膜の形成の前に測定される。二重層コンデンサは、初期電圧レベルに事前充電される。既知の静電容量値を有するコンデンサが、二重層コンデンサを繰り返し充電または放電するために使用される。二重層コンデンサが充電または放電される割合は、二重層静電容量を決定するために使用される。いくつかの実施形態では、二重層静電容量は、二重層およびナノポアの形成後に測定される。二重層コンデンサは、初期電圧レベルに事前充電される。次いで、初期電圧レベルとは異なる電圧レベルが、配列決定セルに印加される。二重層コンデンサにおける電圧レベルの減衰と関連付けられたタイミングが、二重層静電容量を決定するために使用される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列決定セル内の二重層コンデンサの静電容量を測定するための方法であって、
前記配列決定セルにより電解質を受け取るステップであって、ここで前記電解質が、前記配列決定セルのウェル内に配置された前記配列決定セルの作用電極と接触するように、前記電解質を受け取る、前記ステップ；
前記ウェルを被覆する膜内にナノポアを形成するステップであって、前記膜が前記電解質を区切るものである、前記ステップ；
前記電解質と前記作用電極との間の界面に形成された前記二重層コンデンサを事前充電するステップ；
前記膜の上部の前記電解質、または前記作用電極にステップ電圧信号を印加するステップ；
前記ステップ電圧信号が印加される時間の間の複数の時点に、前記作用電極または前記膜の上部の前記電解質における複数の電圧または電流レベルを測定するステップ；
前記複数の時点に前記作用電極または前記膜の上部の前記電解質において測定された前記複数の電圧または電流レベルに基づいて、前記作用電極または前記膜の上部の前記電解質における電圧レベルの減衰時間を決定するステップ；および、
前記作用電極または前記膜の上部の前記電解質における前記電圧レベルの前記減衰時間に基づいて、前記二重層コンデンサの前記静電容量を決定するステップ；
を含む、前記方法。
【請求項２】
前記二重層コンデンサを事前充電するステップが、
前記作用電極を第１の電圧レベルにある電圧源に接続するステップ；
第２の電圧レベルを前記膜の上部の前記電解質に印加するステップ；および、
前記作用電極を前記電圧源から切断するステップ；
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ステップ電圧信号を前記膜の上部の前記電解質に印加する前に、
前記作用電極を第１の電圧レベルにある電圧源に接続するステップ；
第２の電圧レベルを前記膜の上部の前記電解質に印加するステップ；および、
前記作用電極を前記電圧源から切断するステップ；
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の電圧レベルが前記膜の上部の前記電解質に印加される間に、複数の第２の時点において、前記作用電極における複数のホールド電圧レベルを測定するステップ；および、
前記複数のホールド電圧レベルに基づいてベースラインレベルを決定するステップ；
をさらに含み、
前記電圧レベルの前記減衰時間がさらに、前記ベースラインレベルに基づくものである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ステップ電圧信号が、ＡＣ方形波信号の一部である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記減衰時間が、７５％減衰時間、５０％減衰時間、または３７％減衰時間のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記作用電極における前記電圧レベルの前記減衰時間に基づいて、前記二重層コンデンサの前記静電容量を決定するステップが、
減衰時間定数、または二重層静電容量と前記減衰時間との相関に基づいて、前記二重層コンデンサの前記静電容量を決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記減衰時間定数が、前記二重層コンデンサの前記静電容量および前記ナノポアの抵抗に比例する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
配列決定セル内の二重層コンデンサの静電容量を測定するための方法であって、
前記配列決定セルのウェル内に電解質を受け取るステップであって、ここで、前記電解質が前記ウェル内に配置された前記配列決定セルの作用電極と接触するように、電解質を受け取り、前記二重層コンデンサが、前記電解質と前記作用電極との間の界面に形成されるものである、前記ステップ；
第１の電圧レベルを前記電解質に印加して、前記二重層コンデンサを前記第１の電圧レベルへ事前充電するステップ；
複数の充電サイクルを実施するステップであって、各充電サイクルが、スイッチングコンデンサを前記第１の電圧レベルとは異なる第２の電圧レベルに設定すること、および、前記スイッチングコンデンサを使用して前記二重層コンデンサを充電または放電することを含む、前記ステップ；
前記スイッチングコンデンサに接続された測定回路を使用して、前記スイッチングコンデンサにおける第３の電圧レベルを測定するステップ；ならびに、
前記スイッチングコンデンサの静電容量、前記第３の電圧レベルを測定する前に実施された充電サイクルの数、および前記第１の電圧レベルと前記第３の電圧レベルとの差分に基づいて、前記二重層コンデンサの前記静電容量を決定するステップ；
を含む、前記方法。
【請求項１０】
前記スイッチングコンデンサを前記第２の電圧レベルに設定することが、
前記スイッチングコンデンサを前記第２の電圧レベルにある電圧源に接続して、前記スイッチングコンデンサを前記第２の電圧レベルに設定すること；および、
前記スイッチングコンデンサを使用して前記二重層コンデンサを充電または放電する前に、前記スイッチングコンデンサを前記電圧源から切断すること；
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記スイッチングコンデンサを使用して前記二重層コンデンサを充電または放電することが、
前記スイッチングコンデンサを前記作用電極に接続し、それにより、前記スイッチングコンデンサおよび前記二重層コンデンサに格納された電荷の再配分を引き起こすことを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記スイッチングコンデンサが、電圧測定用の積分回路と関連付けられたコンデンサを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記スイッチングコンデンサの静電容量が、前記二重層コンデンサの前記静電容量の１／１００未満である、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第３の電圧レベルを測定する前に実施された前記充電サイクルの数が１００よりも大きい、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記二重層コンデンサの前記静電容量を決定するステップが、
前記第３の電圧レベルを測定する前に実施された前記充電サイクルの数、および前記第１の電圧レベルと前記第３の電圧レベルとの前記差分に基づいて、前記二重層コンデンサの前記静電容量と前記スイッチングコンデンサの静電容量との比率を決定するステップ；ならびに、
前記スイッチングコンデンサの前記静電容量、および前記二重層コンデンサの前記静電容量と前記スイッチングコンデンサの前記静電容量との前記比率に基づいて、前記二重層コンデンサの前記静電容量を決定するステップ；
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
複数の反復にわたって、
前記複数の充電サイクルを実施するステップ；
前記スイッチングコンデンサを前記測定回路に接続して、前記スイッチングコンデンサにおける前記第３の電圧レベルを測定することを含む動作を実施するステップ；および、
前記複数の反復中に測定された前記第３の電圧レベルに基づいて、前記二重層コンデンサの前記静電容量を決定するステップ；
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
上記方法のいずれかの動作を実施するように配列決定システムを制御するための複数の命令を格納するコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータ製品。
【請求項１８】
請求項１７に記載のコンピュータ製品、およびコンピュータ可読媒体に格納された命令を実行するための１つまたは複数の回路を備える、配列決定システムまたは機器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]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膜装置は、迅速なヌクレオチド配列決定において見込みを示してきた。電圧信号が導電性流体に浸漬されたナノポアを横断して印加されるとき、電界は、イオンを、ナノポアを通り導電性流体内を移動させ得る。ナノポアを通る導電性流体内でのイオンの移動は、わずかなイオン電流をもたらし得る。印加電圧はまた、配列決定されることになる分子（または配列決定されることになる分子の分子プロキシ）を、ナノポア内へ、ナノポアを通り、またはナノポアの外に、移動させ得る。イオン電流（または対応する電圧）のレベルは、ナノポアおよびナノポア内に移動された個々の分子の、サイズおよび化学的構造に依存する。
【０００２】
[0002]ナノポアを通り移動するＤＮＡ分子（または配列決定されることになる他の核酸分子）の代替として、分子（例えば、ＤＮＡ鎖に加えられたヌクレオチド）は、プロキシとして作用する特定のサイズおよび／または構造の特定のタグを含み得る。ナノポアを含む回路内のイオン電流または電圧（例えば、積分コンデンサでの）は、分子に対応するナノポアの抵抗の測定方法として測定され得て、それによりナノポア内の個々の分子、および核酸の特定の位置の特定のヌクレオチドの検出が可能になる。
【０００３】
[0003]ナノポアベースの配列決定チップは、並行ＤＮＡ配列決定のためのアレイとして構成される大量のセンサセルを組み込み得る。ナノポアベースの配列決定チップの製作および／または使用中、様々なパラメータが、品質保証、均一性チェック、ベースライン較正、データ正規化、および／または塩基分類などの目的のため、製造および／または配列決定プロセスの異なる段階で測定される必要があり得る。
【発明の概要】
【０００４】
[0004]本明細書に説明される技術は、ナノポアベースの核酸配列決定に関する。静電容量値ｃｄｂｌを有する二重層コンデンサＣｄｂｌが、電解質とナノポア配列決定セル内の作用電極との間の界面に存在し得る。静電容量値ｃｄｂｌは、経時的に変化し得、一定印加電圧について実施される測定において減衰を引き起こす。より高いｃｄｂｌは、サイクル内減衰を低減し得る。セル毎にｃｄｂｌを知ることにより、正確な塩基分類のための測定データに対する知的調整が可能になり得る。ｃｄｂｌは、ナノポアセル内の二重層およびナノポアの形成の前および／または後に測定され得る。
【０００５】
[0005]特定の実施形態では、ｃｄｂｌは、電解質をナノポアセルに加えた後だが、配列決定セル内のウェルを覆う膜（例えば、二重層）の形成、およびナノポアの形成の前に、測定され得る。二重層コンデンサは、初期電圧レベルに事前充電され得る。既知の静電容量値を有するコンデンサ、例えば、測定に使用される１つまたは複数の積分回路と関連付けられ、既知の静電容量値ｃｉｎｔを有するコンデンサＣｉｎｔ（以後、積分コンデンサと称される）が、二重層コンデンサを繰り返し充電または放電するために使用され得る。二重層コンデンサにおける電圧レベルは、特定の数の充電または放電後に測定され得る。二重層コンデンサが充電または放電される割合は、ｃｄｂｌとｃｉｎｔとの比率、ゆえに、ｃｉｎｔが知られているときのｃｄｂｌの絶対値を決定するために使用され得る。
【０００６】
[0006]例えば、積分コンデンサは、繰り返し、二重層コンデンサから切断され、二重層コンデンサの初期電圧レベルとは異なる既知の電圧レベルへ充電され、二重層コンデンサに再接続され得る。そのようなサイクルの各々において、積分コンデンサは、二重層コンデンサと積分静電容量との初期電圧差に依存する、およびｃｄｂｌとｃｉｎｔとの比率に依存する量だけ、二重層コンデンサにおける電圧レベルを増大または減少させ得る。
【０００７】
[0007]いくつかの実施形態では、ｃｄｂｌは、二重層およびナノポアの形成後に測定され得、二重層およびナノポアの形成の時点で、ナノポアと関連付けられた、抵抗ｒｐｏｒｅを有する抵抗器Ｒｐｏｒｅ（例えば、開放チャネル抵抗器）および／またはコンデンサ（ＣＢｉｌａｙｅｒ）が形成されていてもよい。二重層コンデンサは、初期電圧レベルに事前充電され得る。次いで、初期電圧レベルとは異なる電圧レベルが、脂質二重層の上部のバルク電解質およびナノポアに印加され得る。電圧差は、二重層コンデンサにおける電圧レベルを、ナノポアと関連付けられた抵抗器および／またはコンデンサを介して充電または放電（すなわち、減衰）させ得る。二重層コンデンサにおける電圧レベルは、ある特定のサンプリングレートで、または特定の時点に、測定され得る。二重層コンデンサにおける電圧レベルの減衰の時間定数（τ〜ｒｐｏｒｅｃｄｂｌ）は、ｒｐｏｒｅが知られているときにｃｄｂｌを決定するために使用され得る。
【０００８】
[0008]本発明のこれらおよび他の実施形態は、以下に詳細に説明される。例えば、他の実施形態は、本明細書に説明される方法と関連付けられたシステム、デバイス、およびコンピュータ可読媒体を対象とする。
【０００９】
[0009]本発明の実施形態の性質および利点のより良い理解は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照して得られ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】[0010]例となるナノポアベースの配列決定チップ内のナノポアセルの一実施形態を例証する簡略構造を示す図である。
【図２】[0011]ポリヌクレオチドまたはポリペプチドを特徴づけるために使用され得るナノポアセンサチップ内の例となるナノポアセルを例証する図である。
【図３】[0012]ナノポアベースの、合成による配列決定（ナノ−ＳＢＳ）技術を使用してヌクレオチド配列決定を実施するナノポアセルの一実施形態である。
【図４】[0013]導電性電極と隣接する液体電解質との間の界面に形成された二重層コンデンサを例証する図である。
【図５】[0014]導電性電極と隣接する液体電解質との間の界面において、図４に示されるような二重層コンデンサの形成と同時に形成され得る疑似静電容量効果を例証する図である。
【図６】[0015]ナノポアセルの電気モデルを表す、例となる電気回路を例証する図である。
【図７】[0016]ヌクレオチド配列決定中のナノポアセルに対する例となる制御および測定信号を例証する図である。
【図８】[0017]ナノポアセル内の非ファラデー性伝導のための例となる小信号モデルを例証する図である。
【図９】[0018]ＡＣサイクルの明期間および暗期間中のナノポアセルから取得された例となるデータポイントを示す図である。
【図１０】[0019]図１０Ａ：特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定中にベースラインを確立するためのナノポアセル内の回路の例となる構成を例証する図である。[0020]図１０Ｂ：特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定中に負のステップ応答を測定するためのナノポアセル内の回路の例となる構成を例証する図である。[0021]図１０Ｃ：特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定中に正のステップ応答を測定するためのナノポアセル内の回路の例となる構成を例証する図である。
【図１１】[0022]特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定技術を使用して二重層静電容量を測定するための例となるＡＣステップ信号を例証する図である。
【図１２Ａ】[0023]特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定技術を使用して、より低い静電容量を有する二重層静電容量を測定するための例となる結果を例証する図である。
【図１２Ｂ】[0024]特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定技術を使用して、より高い静電容量を有する二重層静電容量を測定するための例となる結果を例証する図である。
【図１３】[0025]特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定中の二重層コンデンサにおける電圧信号の減衰を例証する図である。
【図１４】[0026]電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を使用して測定された二重層静電容量とステップ応答静電容量測定技術を使用して測定された減衰時間との間の相関を例証する図である。
【図１５】[0027]特定の実施形態に従う、より高い静電容量を有する二重層コンデンサの静電容量を測定するための例となるステップ応答静電容量測定技術を例証する図である。
【図１６】[0028]特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定の例となる方法を例証するフローチャートである。
【図１７】[0029]図１７Ａ：特定の実施形態に従う、電荷タイトレーション静電容量測定中のナノポアセル内の回路の例となる構成を例証する図である。[0030]図１７Ｂ：特定の実施形態に従う、電荷タイトレーション静電容量測定中に積分コンデンサを充電するためのナノポアセル内の回路の例となる構成を例証する図である。[0031]図１７Ｃ：特定の実施形態に従う、電荷タイトレーション静電容量測定中に積分コンデンサを放電するためのナノポアセル内の回路の例となる構成を例証する図である。
【図１８】[0032]特定の実施形態に従う、二重層コンデンサの静電容量と積分コンデンサの静電容量との異なる静電容量比率についての電荷タイトレーション静電容量測定の例となるシミュレーション結果を例証する図である。
【図１９】[0033]特定の実施形態に従う、電荷タイトレーション静電容量測定の例となる方法を例証するフローチャートである。
【図２０】[0034]特定の実施形態に従う、本開示の方法およびシステムおよび方法と共に使用可能な例となるコンピュータシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
定義
[0035]「核酸」は、デオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチド、および一本または二本鎖の何れかの形態の、その重合体を指し得る。この用語は、合成の、自然発生的、非自然発生的であり、参照核酸と同様の結合特性を有し、参照ヌクレオチドと同様の挙動で代謝する、周知のヌクレオチドの類似物または修飾された主鎖の残基または連鎖を含む核酸を包含し得る。そのような類似物の例は、それだけには限らないが、ホスホロチオエート、ホスホルアミダイト、メチルホスホン酸塩、キラルメチルホスホン酸塩、２−Ｏ−メチルリボヌクレオチド、ペプチド核酸（ＰＮＡｓ）を含み得る。用語、核酸は、遺伝子、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、およびポリヌクレオチドと交換可能に用いられ得る。
【００１２】
[0036]別途示されない限り、特定の核酸配列はまた、保守的に修飾されたその変異体（例えば、変性したコドン置換）および相補的配列、ならびに明白に示された配列を暗黙的に包含する。具体的には、変性したコドン置換は、１つまたは複数の選択された（またはすべての）コドンの第３の位置が混合基および／またはデオキシイノシン残渣と置換される配列を生成することによって達成され得る（Ｂａｔｚｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｒｅｓ．１９：５０８１（１９９１）；Ｏｈｔｓｕｋａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２６０：２６０５−２６０８（１９８５）；Ｒｏｓｓｏｌｉｎｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｍｏｌ．Ｃｅｌｌ．Ｐｒｏｂｅｓ８：９１−９８（１９９４））。核酸という用語は、遺伝子、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、およびポリヌクレオチドと交換可能に使用される。
【００１３】
[0037]用語「ヌクレオチド」は、文脈が明白に別のことを示さない限り、天然由来のリボヌクレオチドまたはデオキシリボヌクレオチドモノマーを指すことに加えて、ヌクレオチドが使用されている特定の文脈に対して機能的に同等である（例えば、相補的塩基へのハイブリダイゼーション）、派生物および類似体を含む、その関連した構造的変異体を指すことが理解され得る。
【００１４】
[0038]用語「鋳型」は、ＤＮＡ合成のためのＤＮＡヌクレオチドの相補的鎖へ複製される一本鎖核酸分子を示し得る。場合によっては、鋳型は、ｍＲＮＡの合成中に複製されるＤＮＡの配列を示し得る。
【００１５】
[0039]用語「プライマ」は、ＤＮＡ合成の開始点を提供する短い核酸配列を示し得る。ＤＮＡポリメラーゼなどのＤＮＡ合成を触媒する酵素は、新らたなヌクレオチドをＤＮＡ複製用プライマに加え得る。
【００１６】
[0040]「ナノポア」は、膜内に形成される、または別のやり方で提供される、細孔、チャネル、または通路を指す。膜は、脂質二重層などの有機膜、またはポリマー材料で形成された膜などの合成膜であってもよい。ナノポアは、センシング回路またはセンシング回路に結合された電極、例えば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）または電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）回路などに隣接して、または近接して配置され得る。いくつかの例において、ナノポアは、０．１ナノメートル（ｎｍ）程度〜約１０００ｎｍの特徴的な幅または直径を有する。いくつかのナノポアはタンパク質である。
【００１７】
[0041]本明細書で用いられるとき、用語「明期間」は、通常、タグ付けされたヌクレオチドのタグが、ＡＣ信号を通して印加される電界によってナノポア内に押し込まれる期間を指す。用語「暗期間」は、通常、タグ付けされたヌクレオチドのタグが、ＡＣ信号を通して印加される電界によってナノポア外に押し出される期間を指す。ＡＣサイクルは、明期間および暗期間を含み得る。異なる実施形態では、ナノポアセルを明期間（または暗期間）内に入れるためにナノポアセルに印加される電圧信号の極性は、異なり得る。
【００１８】
[0042]本明細書で用いられるとき、用語「信号値」は、配列決定セルから出力される配列決定信号の値を指し得る。特定の実施形態によると、配列決定信号は、１つまたは複数の配列決定セルの回路内のあるポイントから測定および／または出力される電気信号であり得、例えば、信号値は、電圧または電流であり得る（またはこれを表し得る）。信号値は、電圧および／もしくは電流の直接測定の結果を表し得、ならびに／または間接測定を表し得、例えば、信号値は、電圧もしくは電流が指定した値に達するまでにかかる、測定された継続時間であり得る。信号値は、ナノポアの抵抗性と相関する任意の測定可能な量を表し得、そこからナノポア（充填および／または非充填）の抵抗性および／または伝導性が導出され得る。
【００１９】
[0043]本明細書に開示される技術は、ナノポアベースの核酸配列決定に関する。様々な実施形態では、個々のナノポアセル（配列決定セルとも称される）またはナノポアセルのグループの構成要素（例えば、二重層コンデンサ）をより正確に特徴づけるための方法が提供される。構成要素は、品質保証、均一性チェック、ベースライン較正、データ正規化、および／または塩基分類などの目的のための配列決定プロセスの異なる段階において特徴づけられ得る。
【００２０】
[0044]ナノポアベースの、合成による配列決定（ナノ−ＳＢＳ）において、ナノポアセル内の作用電極（例えば、ＰｔまたはＴｉＮ）と液体電解質との間の界面は、二重層コンデンサ（Ｃｄｂｌ）と称され得るコンデンサのように挙動し得る。ナノポアセルの二重層コンデンサを特徴づけることにより、セルの均一性またはセル内の欠陥など、製造されたナノポアセルの品質を知らせることができる。二重層コンデンサＣｄｂｌの静電容量ｃｄｂｌは、セルに印加される電圧のサイクル内電圧減衰、および測定信号の他の特徴、ならびに測定された信号値の正規化、ゆえに塩基分類の正確性に影響を与え得る。非常に大きいＣｄｂｌでは、測定データのサイクル内減衰は、取るに足りないものであり得る。より小さい値のｃｄｂｌでは、サイクル内減衰はより顕著であり得、測定データの正規化を複雑にし得る。したがって、測定データに対する知的調整が行われ得るようにセル毎にｃｄｂｌの値を知ることが望ましい。例えば、個々のナノポアセルの二重層コンデンサの静電容量値ｃｄｂｌの知識を持つことにより、データ正規化は、個々のセルについて実施され得る。
【００２１】
[0045]いくつかの既存の技術は、二重層静電容量を測定するために使用され得る。しかしながら、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）技術など、これらの技術のうちの一部は、個々のセルの二重層静電容量を測定できない場合がある。一部の技術は、二重層静電容量を測定するための外部機器を必要とし得る。一部の技術は、配列決定セルのウェルを覆う膜および膜内に形成されるナノポアの形成の前など、配列決定プロセスの早期段階で二重層静電容量を測定することができない場合がある。一部の利用可能な技術は、測定に長い時間を必要とし得るか、または正確な配列決定のために所望されるほど正確ではない場合がある。
【００２２】
[0046]本明細書に開示される技術は、配列決定プロセスの異なる段階で二重層コンデンサを特徴づけるための方法を提供する。二重層コンデンサは、作用電極が液体電解質と接触するときに形成され得、作用電極と液体電解質との間の界面が容量性の挙動を呈する。それゆえ、二重層コンデンサは、ナノポアセル内の二重層およびナノポアの形成の前または後のいずれかに測定され得る。開示される方法は、配列決定プロセスの始まりに（例えば、二重層または細孔の導入前）に、個々のセルまたはセルのグループのための二重層静電容量をより効率的かつより正確に測定するために使用され得る。
【００２３】
Ｉ．ナノポア配列決定セル
[0047]ナノポアセンサチップ内のナノポアセルは、多くの異なる方法で実施され得る。例えば、いくつかの実施形態では、異なるサイズおよび／または化学的構造のタグが、配列決定されるために、核酸分子内の異なるヌクレオチドに取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、配列決定されることになる核酸分子の鋳型への相補鎖が、別の仕方で重合体がタグ付けされたヌクレオチドを鋳型とハイブリッド形成することによって、合成され得る。いくつかの実施態様では、核酸分子および取り付けられたタグは、両方ともナノポアを通り移動し、ナノポアを通過するイオン電流が、ヌクレオチドに取り付けられたタグの個々のサイズおよび／または構造によって、ナノポア内に存在するヌクレオチドを示し得る。いくつかの実施態様では、タグだけが、ナノポア内へ移動し得る。ナノポア内で異なるタグを検出するために、多数の異なる方法も存在し得る。
【００２４】
Ａ．ナノポア配列決定セル構造
[0048]図１は、ナノポアベースの配列決定チップ内のナノポアセル１００の一実施形態を例証する簡略構造である。ナノポアセル１００は、酸化物１０６などの誘電性材料によって形成されるウェルを含み得る。膜１０２は、ウェルを被覆するためにウェルの表面を覆って形成され得る。いくつかの実施形態では、膜１０２は、脂質二重層であり得る。例えば、可溶性タンパク質ナノポア膜貫通分子複合体（ＰＮＴＭＣ）および対象の分析物を含有し得るバルク電解質１１４が、セルの表面上に置かれる。単一のＰＮＴＭＣ１０４が、電気穿孔によって膜１０２内へ挿入され得る。アレイ内の個々の膜は、化学的にも電気的にも互いに接続されない。それゆえ、アレイ内の各セルは、独立した配列決定機械であり、ＰＮＴＭＣと関連付けられた単一のポリマー分子に固有のデータを生成する。ＰＮＴＭＣ１０４は、分析物に対して作用し、さもなければ不透過性の二重層を通るイオン電流を変調する。
【００２５】
[0049]アナログ測定回路１１２は、電解質１０８の薄膜によって被覆された金属作用電極１１０に接続される。電解質１０８の薄膜は、イオン不透過性膜１０２によってバルク電解質１１４から隔離される。ＰＮＴＭＣ１０４は、膜１０２を横断し、イオン電流がバルク液体から作用電極１１０へ流れる唯一の経路を提供する。セルは、電気化学的電位センサである対電極（ＣＥ）１１６も含む。セルは、参照電極１１７も含む。
【００２６】
[0050]図２は、ポリヌクレオチドまたはポリペプチドを特徴づけるために使用され得る、ナノポアセンサチップ内の一例のナノポアセル２００の一実施形態を示す。ナノポアセル２００は、誘電体層２０１および２０４から形成されたウェル２０５と、ウェル２０５を覆って形成された脂質二重層２１４と、脂質二重層２１４上の、脂質二重層２１４によってウェル２０５から隔てられた試料室２１５とを、含み得る。ウェル２０５は、ある体積の電解質２０６を収容し得て、試料室２１５は、例えば、可溶性タンパク質ナノポア膜貫通分子複合体（ＰＮＴＭＣ）などのナノポア、および対象の分析物（例えば、配列決定されることになる核酸分子）を収容するバルク電解質２０８を保持し得る。
【００２７】
[0051]ナノポアセル２００は、ウェル２０５の底部に作用電極２０２と、試料室２１５内に配置された対電極２１０とを含み得る。信号源２２８は、電圧信号を作用電極２０２と対電極２１０との間に印加し得る。単一のナノポア（例えば、ＰＮＴＭＣ）が、電圧信号による電気穿孔法プロセスによって脂質二重層２１４内へと挿入され、それにより脂質二重層２１４内のナノポア２１６を形成し得る。アレイ内の個々の膜（例えば、脂質二重層２１４または他の膜構造）は、化学的にも電気的にも互いに接続されていないこともある。それゆえ、アレイ内の各ナノポアセルは、独立した配列決定機械であり、対象の分析物に対して作用し、そうでなければ不透過性の脂質二重層を介してイオン電流を調節するナノポアに関連付けられる、単一のポリマー分子に固有のデータを生成する。
【００２８】
[0052]図２に示すように、ナノポアセル２００は、シリコン基板などの基板２３０上に形成され得る。誘電体層２０１は、基板２３０上に形成され得る。誘電体層２０１を形成するために用いられる誘電体材料は、例えば、ガラス、酸化物、窒化物、その他を含み得る。電気的刺激を制御し、ナノポアセル２００から検出されるデータを処理する電気回路２２２は、基板２３０上および／または誘電体層２０１内部に形成され得る。例えば、複数のパタニングされた金属層（例えば、金属１〜金属６）が、誘電体層２０１内に形成され、複数の能動デバイス（例えば、トランジスタ）が、基板２３０上に製造され得る。いくつかの実施形態では、信号源２２８は、電気回路２２２の一部に含まれる。電気回路２２２は、例えば、増幅器、積算器、アナログデジタル変換器、ノイズフィルタ、フィードバック制御ロジック、および／または多様な他の構成要素を含み得る。電気回路２２２は、メモリ２２６に結合されたプロセッサ２２４にさらに結合され得て、ここでプロセッサ２２４は、アレイ内に配列されている重合体分子の配列を決定するために、配列決定データを分析することができる。
【００２９】
[0053]作用電極２０２は、誘電体層２０１上に形成され、ウェル２０５の底部の少なくとも一部を形成し得る。いくつかの実施形態では、作用電極２０２は、金属電極である。非ファラデー性伝導のために、作用電極２０２は、腐食および酸化に耐性を示す、例えば、白金、金、チタン窒化物、およびグラファイトなどの金属または他の材料で形成され得る。例えば、作用電極２０２は、電気めっきを用いた白金電極であってもよい。別の実施例では、作用電極２０２は、チタン窒化物（ＴｉＮ）作用電極であってもよい。作用電極２０２は、多孔質であってもよく、それによりその表面積および結果として生じる作用電極２０２に付随する静電容量を増大させ得る。ナノポアセルの作用電極は、別のナノポアセルの作用電極から独立していることもあることから、作用電極は、本開示内でセル電極と呼ばれ得る。
【００３０】
[0054]誘電体層２０４は、誘電体層２０１上に形成され得る。誘電体層２０４は、ウェル２０５を囲む壁を形成する。誘電体層２０４を形成するために用いられる誘電体材料は、例えば、ガラス、酸化物、シリコン一窒化物（ＳｉＮ）、ポリイミド、または他の適切な疎水性の絶縁材料を含み得る。誘電体層２０４の上面は、シラン処理され得る。シラン処理は、誘電体層２０４の上面の上に疎水性層２２０を形成し得る。いくつかの実施形態では、撥水性層２２０は、約１．５ナノメートル（ｎｍ）の厚さを有する。
【００３１】
[0055]誘電体層２０４によって形成されるウェル２０５は、作用電極２０２の上部の電解質２０６の体積を含む。電解質２０６の体積は、緩衝性を有し、以下の、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、グルタミン酸リチウム、グルタミン酸ナトリウム、グルタミン酸カリウム、酢酸リチウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ２）、塩化マンガン（ＭｎＣｌ２）、および塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）、のうちの１つまたは複数を含み得る。いくつかの実施形態では、電解質２０６の体積は、約３マイクロメートル（μｍ）の厚さを有する。
【００３２】
[0056]図２にも示すように、膜は、誘電体層２０４の上面に形成され、ウェル２０５全体に及ぶ。いくつかの実施形態では、膜は、疎水性層２２０の上面に形成された脂質単一層２１８を含み得る。膜がウェル２０５の開口に達したとき、脂質単一層２１８は、ウェル２０５の開口全体に及ぶ脂質二重層２１４に遷移し得る。脂質二重層は、例えば、ジフィタノイル−ホスファチジルコリン（ＤＰｈＰＣ）、１，２−ジフィタノイル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホコリン、１，２−ジ−Ｏ−フィタニル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホコリン（ＤｏＰｈＰＣ）、パルミトイル−オレオイル−ホスファチジルコリン（ＰＯＰＣ）、ジオレオイル−ホスファチジル−メチルエステル（ＤＯＰＭＥ）、ジパルミトイルホスファチジルコリン（ＤＰＰＣ）、ホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジン酸、ホスファチジルイノシトール、ホスファチジルグリセロール、スフィンゴミエリン、１，２−ジ−Ｏ−フィタニル−ｓｎ−グリセロール、１，２−ジパルミトイル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホエタノールアミン−Ｎ−［メトキシ（ポリエチレングリコール）−３５０］、１，２−ジオレオイル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホエタノールアミン−Ｎ−ラクトシル、ＧＭ１ガングリオシド、リゾホスファチジルコリン（ＬＰＣ）またはその任意の組合せから選択されるリン脂質を含み、またはそれらから構成され得る。
【００３３】
[0057]示したように脂質二重層２１４には、例えば、単一のＰＮＴＭＣによって形成された単一のナノポア２１６が埋め込まれる。上述のように、ナノポア２１６は、単一のＰＮＴＭＣを脂質二重層２１４内に電気穿孔法によって挿入することによって、形成され得る。ナノポア２１６は、対象の分析物および／または小さなイオン（例えば、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｃｌ−）の少なくとも一部分を脂質二重層２１４の両側間を通過させるのに十分に大きくてもよい。
【００３４】
[0058]試料室２１５は、脂質二重層２１４を覆っており、特徴づける対象の分析物の溶液を保持し得る。溶液は、バルク電解質２０８を含み、最適なイオン濃度への緩衝性を有し、ナノポア２１６を開口状態に維持するために最適なｐＨに維持された水性溶液であり得る。ナノポア２１６は、脂質二重層２１４を横切り、バルク電解質２０８から作用電極２０２へのイオン流のための唯一の経路を提供する。ナノポア（例えば、ＰＮＴＭＣ）および対象の分析物に加えて、バルク電解質２０８は、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、グルタミン酸リチウム、グルタミン酸ナトリウム、グルタミン酸カリウム、酢酸リチウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ２）、塩化マンガン（ＭｎＣｌ２）、および塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）、のうちの１つまたは複数をさらに含み得る。
【００３５】
[0059]対電極（ＣＥ）２１０は、電気化学的電位センサであり得る。いくつかの実施形態では、対電極２１０は、複数ナノポアセル間で共有され、それゆえ、共通電極とも称され得る。いくつかの場合では、共通の電位および共通電極は、全てのナノポアセルに対して、または少なくとも個々のグループ内の全てのナノポアセルに対して共通であり得る。共通電極は、共通の電位を、ナノポア２１６と接触するバルク電解質２０８に印加するように構成可能である。対電極２１０および作用電極２０２は、脂質二重層２１４を横断する電気的刺激（例えば、電圧バイアス）を供給するための信号源２２８に結合され、脂質二重層２１４の電気的特性（例えば、抵抗、電気容量、およびイオン電流）を検知のために用いられ得る。いくつかの実施形態では、ナノポアセル２００は、参照電極２１２も含み得る。
【００３６】
[0060]いくつかの実施形態では、様々なチェックが、ナノポアセルの作成中に検証または品質制御の一部として行われ得る。ナノポアセルが作成されると、さらなる検証ステップが、例えば、所望の通りに（例えば、各セル内に１つのナノポア）実施しているナノポアセルを識別するために実施され得る。そのような検証チェックは、物理的チェック、電圧較正、開放チャネル較正、および単一のナノポアを有するセルの識別を含み得る。
【００３７】
Ｂ．ナノポア配列決定セルの信号検出
[0061]ナノポアセンサチップ内のナノポアセルは、合成による単分子ナノポアベースの配列決定（ナノ−ＳＢＳ）技術を用いる並行配列決定を可能にし得る。
【００３８】
[0062]図３は、ナノ−ＳＢＳ技術を用いてヌクレオチド配列決定を実行するナノポアセル３００の一実施形態を示す。ナノ−ＳＢＳ技術では、配列決定されることになる鋳型３３２（例えば、ヌクレオチド酸分子または別の対象の分析物）およびプライマは、ナノポアセル３００の試料室内のバルク電解質３０８内に導入され得る。例として、鋳型３３２は、円形状または直線状であり得る。核酸プライマは、４つの別の仕方で重合体がタグ付けされたヌクレオチド３３８が付加され得る、鋳型３３２の一部にハイブリッド形成され得る。
【００３９】
[0063]いくつかの実施形態では、酵素（例えば、ＤＮＡポリメラーゼなどのポリメラーゼ３３４）が、鋳型３３２への相補鎖を合成するのに用いるナノポア３１６に関連付けられ得る。例えば、ポリメラーゼ３３４は、ナノポア３１６に共有結合していてもよい。ポリメラーゼ３３４は、ヌクレオチド３３８のプライマ上への、一本鎖核酸分子を鋳型として用いる取り込みを触媒する。ヌクレオチド３３８は、４つの異なるタイプＡ、Ｔ、ＧまたはＣのうちの１つであるヌクレオチドを伴うタグ種（「タグ」）を含み得る。タグ付けされたヌクレオチドが、ポリメラーゼ３３４と正しく複合体を形成するとき、タグは、電気的な力、例えば、脂質二重層３１４および／またはナノポア３１６を横断して印加される電圧により生成される電界の存在下で生成される力によってナノポア内に引き込まれ（装填され）得る。タグの尾部は、ナノポア３１６の筒内に位置決めされ得る。ナノポア３１６の筒内に保たれるタグは、タグの別個の化学的な構造および／またはサイズにより、固有のイオン遮断信号３４０を生成し、それにより、タグが取り付けられた付加された塩基を、電子的に同定する。
【００４０】
[0064]本明細書で用いられるとき、「装填された」または「充填された」タグは、認識可能な長さの時間、例えば、０．１ミリ秒（ｍｓ）から１００００ｍｓの間、ナノポア内に位置決めされる、および／または、ナノポア内または近くに留まるタグでもよい。いくつかの場合では、タグは、ヌクレオチドから放出される前に、ナノポア内に装填される。いくつかの例では、装填されたタグが、ヌクレオチド組み込み事象の際に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り検出される）確率が適度に高く、例えば９０％から９９％である。
【００４１】
[0065]いくつかの実施形態では、ポリメラーゼ３３４がナノポア３１６に接続される前に、ナノポア３１６のコンダクタンスは、例えば約３００ピコジーメンス（３００ｐＳ）のように高いことがあり得る。タグがナノポア内に装填されるとき、固有のコンダクタンス信号（例えば、信号３４０）は、タグの別個の化学構造および／またはサイズにより生成される。例えば、ナノポアのコンダクタンスは、約６０ｐＳ、８０ｐＳ、１００ｐＳまたは１２０ｐＳであり、それぞれは、タグ付けされたヌクレオチドの４つのタイプのうちの１つに対応する。ポリメラーゼは、次に異性化およびリン酸基転移反応を経て、ヌクレオチドを成長している核酸分子内に組み込み、タグ分子を放出する。
【００４２】
[0066]いくつかの場合では、タグ付けされたヌクレオチドのいくつかは、核酸分子（鋳型）の目下の位置（相補的塩基）と一致し得ない。核酸分子と塩基対合されていないタグ付けされたヌクレオチドも、ナノポアを通過し得る。これらの対合されていないヌクレオチドは、典型的には、正しく対合されたヌクレオチドがポリメラーゼと結合したままである時間スケールより短い時間スケール内で、ポリメラーゼによって拒絶される。対合されていないヌクレオチドに結合されたタグは、ナノポアを迅速に通過し、短期間（例えば、１０ｍｓ未満）の間検出され得て、一方、対合したヌクレオチドに結合されたタグは、ナノポア内に装填され、長期間（例えば、少なくとも１０ｍｓ）の間検出され得る。それゆえ、対合されていないヌクレオチドは、ヌクレオチドがナノポア内で検出される時間に少なくとも部分的に基づいて、下流のプロセッサによって識別され得る。
【００４３】
[0067]装填された（充填された）タグを含むナノポアのコンダクタンス（または等価的に抵抗）が、ナノポアを通過する電流を介して測定され得て、タグ種の識別、それによる目下の位置にあるヌクレオチドを提供する。いくつかの実施形態では、直流（ＤＣ）信号が、ナノポアセルに印加され得る（例えば、タグがナノポアを通って移動する方向が反転しないように）。しかし、直流を用いた長期間のナノポアセンサの運転は、電極の組成を変化させ得て、ナノポア全体のイオン濃度を不平衡にさせ、ナノポアセルの寿命に影響し得る他の望ましくない効果を有し得る。交流（ＡＣ）波形を印加することは、電界移動を低減し、これらの望ましくない効果を回避し、下記のある一定の利点を有し得る。タグ付けされたヌクレオチドを利用する本明細書で説明される核酸配列決定方法は、印加されるＡＣ電圧に完全に共存可能であり、それゆえＡＣ波形が、これらの利点を達成するために用いられ得る。
【００４４】
[0068]ＡＣ検出サイクルの間に電極を再充電する能力は、犠牲電極、電流通過反応で分子特性を変化させる電極（例えば、銀を含む電極）、または電流通過反応で分子特性を変化させる電極が使用されるとき、有益であり得る。電極は、直流信号が使用されるとき、検出サイクル中に消耗し得る。再充電は、電極が小さいとき（例えば、平方ミリメートル当たり少なくとも５００の電極を有する電極アレイに供給するために十分に小さいとき）問題になり得る、電極が完全に枯渇するなどの消耗限界に到達することを防止し得る。電極寿命は、場合によっては、電極幅と共に進み、少なくとも部分的に、それに依存する。
【００４５】
[0069]ナノポアを通過するイオン電流を測定する好適な状態は、当技術分野で知られており、例が本明細書で提供される。測定は、膜および細孔を横断して印加される電圧により実行され得る。いくつかの実施形態では、電圧は、−４００ｍＶ〜＋４００ｍＶの範囲にあり得る。用いられる電圧は、−４００ｍＶ、−３００ｍＶ、−２００ｍＶ、−１５０ｍＶ、−１００ｍＶ、−５０ｍＶ、−２０ｍＶ、および０ｍＶから選択される下限と、＋１０ｍＶ、＋２０ｍＶ、＋５０ｍＶ、＋１００ｍＶ、＋１５０ｍＶ、＋２００ｍＶ、＋３００ｍＶ、および＋４００ｍＶから別々に選択される上限とを有する範囲にあることが好ましい。用いられる電圧は、１００ｍＶ〜２４０ｍＶの範囲にあることがさらに好ましく、１６０ｍＶ〜２４０ｍＶの範囲にあることが最も好ましい。増大された印加電位を用いたナノポアによって異なるヌクレオチド間の識別能力を増大させることが可能である。ＡＣ波形およびタグ付けされたヌクレオチドを用いた核酸の配列決定は、その全体が引用することにより本明細書に組み込まれる、２０１３年１１月６日に提出された「Ｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｔａｇｓ（タグを用いた核酸配列決定）」という名称の米国特許公開第ＵＳ２０１４／０１３４６１６で説明されている。米国２０１４／０１３４６１６で説明されたタグ付けされたヌクレオチドに加えて、配列決定は、例えば、５つの一般的な核酸塩基、アデニン、シトシン、グアニン、ウラシル、およびチミンの（Ｓ）−グリセロール・ヌクレオシド・三リン酸塩（ｇＮＴＰｓ）などの糖または非環式の部分を欠く、ヌクレオチド類似物を用いて実行され得る（Ｈｏｒｈｏｔａら、Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、８：５３４５−５３４７［２００６］）。
【００４６】
[0070]いくつかの実施態様では、加えて、または代替的に、電流値などの他の信号値が、測定され、ナノポア内に充填されたヌクレオチドを識別するために使用され得る。
【００４７】
ＩＩ．ナノポアセル内の二重層静電容量
[0071]電気二重層は、例えば、スーパーコンデンサにおいて観察されるように、導電性電極とその周囲電解質との間の界面上に存在し得る。この界面において、電圧が印加される場合、反対極性を有するイオンの２つの層が形成し得る。２つの層は、電解質からのイオンが電極表面に向かって吸収されるときに形成され得る。イオンの２つの層（そのうちの一方は、電極表面上に吸収される場合とそうでない場合とがある）は、典型的なコンデンサ内の誘電体のような働きをする溶媒（例えば、水）分子の層（図４には示されない）によって区切られ得る。溶媒分子の層の厚さは、オングストローム程度であり得る。溶媒分子の層によって隔てられる電荷は、こうしてコンデンサを形成し得る。二重層静電容量は、電気二重層効果を用いて電気エネルギーを格納する容量である。二重層コンデンサの静電容量値は、電極電位、温度、イオン濃度、イオンの種類、酸化物層、電極ラフネス、不純物吸着などの多くの因子に依存し得る。
【００４８】
[0072]ナノポアセル１００、２００、および３００などのナノポアセルにおいて、静電容量は、作用電極および液体電解質と関連付けられ得る。作用電極および液体電解質と関連付けられた静電容量は、電気化学静電容量（ｃｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ）とも称され得る。電気化学静電容量ｃｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌは、二重層静電容量を含み得、また疑似静電容量をさらに含み得る。二重層コンデンサＣＢｉｌａｙｅｒの静電容量ｃＢｉｌａｙｅｒと、作用電極と関連付けられた電気化学静電容量ｃｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌとの比率は、最適な全体的なシステム性能を達成するために調整され得る。例えば、増大されたシステム性能は、ｃＢｉｌａｙｅｒを低減する一方でｃｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌを最大にすることによって達成され得る。二重層コンデンサＣＢｉｌａｙｅｒの値は、例えば、ウェルの面積を変えること、または膜材料を変えることによって調整され得る。電気化学静電容量ｃｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌの値は、例えば、ウェルの面積を変えること、または作用電極材料の気孔率を変えることによって調整され得る。
【００４９】
[0073]図４は、導電性電極４１０（例えば、作用電極１１０、２０２、または３０２）と隣接する液体電解質４２０（例えば、バルク電解質１１４、２０８、または３０８）との間の界面に形成される二重層コンデンサ４３０を例証する。上に説明されるように、導電性電極は、例えば、白金、金、チタン窒化物、およびグラファイトなど、腐食および酸化に耐性を示す、金属または他の材料で作製され得る。例えば、導電性電極は、電気めっきされた白金を用いた白金電極であってもよい。別の例では、導電性電極は、チタン窒化物（ＴｉＮ）作用電極であってもよい。いくつかの場合において、導電性電極は、多孔質であってもよい。いくつかの実施態様では、導電性電極は、多孔質のＴｉＮ電極層を導電層の上に配置することによって形成され得る。それゆえ、電解質は、円柱状のＴｉＮ構造間の空間を通って、導電性電極の非被覆部分を垂直に下へ、次いで図２に示されるように誘電体層の真下にある導電性電極の被覆部分に水平に、浸透することができ、それにより、その表面積、および導電性電極と関連付けられた結果として生じる静電容量を増大させる。
【００５０】
[0074]電圧が印加されるとき、電子電荷（正または負）は、導電性電極と隣接する液体電解質との間の界面における電極に蓄積し得る。示される例では、電極表面は、負電荷を持ち、電解質内に正電荷を持った種４４０の蓄積を結果としてもたらす。別の例では、すべての電荷の極性は、示される例と反対であってもよい。電極内の電荷は、双極子の再配向および界面近くの電解質内の反対の電荷のイオンの蓄積によって均衡が保たれ得る。電解質内の荷電種および溶媒分子の有限サイズに起因する小さい距離だけ隔てられる電極と電解質との間の界面の両側における電荷の蓄積は、容量効果を生み出す。それゆえ、用語「二重層」は、電極層とバルク液体電解質層との間の界面付近の電子およびイオン電荷分布の群を指し得る。
【００５１】
[0075]図５は、導電性電極５１０と隣接する液体電解質５２０との間の界面において、図４内のような二重層コンデンサの形成と同時に形成され得る疑似静電容量効果を例証する。疑似コンデンサは、電極と電解質との間の電子電荷転送によって電磁誘導的に電気エネルギーを格納し得る。これは、電気的収着、還元酸化反応、またはインターカレーションプロセスにより達成され得る。図５は、利用可能な表面積によって制限される吸着、インターカレーション、または還元酸化反応（中黒の円によって表される）を結果としてもたらす電荷転送からの疑似静電容量の追加と共に二重層コンデンサ５３０を示す。
【００５２】
[0076]作用電極が高い静電容量を有し、それにより回路に対するそのインピーダンス効果を低減することが望ましく、これが、複数の測定後に増大される電荷の結果として電圧レベルをわずかに動かし得る。
【００５３】
ＩＩＩ．ナノポア配列決定セルの電気モデル
[0077]図６は、ナノポアセル２００などのナノポアセル内の電気モデルを表す電気回路６００（図２の電気回路２２２の部分を含み得る）を例証する。上に説明されるように、いくつかの実施形態では、電気回路６００は、ナノポアセンサチップ内の複数ナノポアセルまたはすべてのナノポアセル間で共有され得、したがって共通電極とも称され得る対電極６４０（例えば、対電極２１０）を含む。共通電極は、電圧源Ｖｌｉｑ６２０に接続することによって、共通の電位を、ナノポアセル内の脂質二重層（例えば、脂質二重層２１４）と接触するバルク電解質（例えば、バルク電解質２０８）に印加するように構成されることが可能である。いくつかの実施形態では、ＡＣ非ファラデー性モードが、電圧ＶｌｉｑをＡＣ信号（例えば、方形波）で変調するために利用され、それをナノポアセル内で脂質二重層に接触するバルク電解質に印加し得る。いくつかの実施形態では、Ｖｌｉｑは、±２００〜２５０ｍＶの大きさおよび例えば２５〜６００Ｈｚの周波数を有する方形波である。対電極６４０と脂質二重層との間のバルク電解質は、１００μＦ以上などの大きなコンデンサ（図示せず）によってモデル化され得る。
【００５４】
[0078]図６は、作用電極６０２（例えば、作用電極２０２）および脂質二重層（例えば、脂質二重層２１４）の電気特性を表す電気モデル６２２も示す。電気モデル６２２は、脂質二重層に関連付けられた静電容量をモデル化するコンデンサ６２６（ＣＢｉｌａｙｅｒ）と、ナノポア内の個々のタグの存在に基づいて変化し得る、ナノポアに関連付けられた可変抵抗をモデル化する抵抗器Ｒｐｏｒｅ６２８とを含む。電気モデル６２２は、二重層静電容量ｃｄｂｌを有し、作用電極６０２およびセルのウェル（例えば、ウェル２０５）の電気特性を表すコンデンサＣｄｂｌ６２４も含む。作用電極６０２は、他のナノポアセル内の作用電極から独立した別個の電位を印加するように構成され得る。
【００５５】
[0079]パスデバイス６０６は、脂質二重層および作用電極を電気回路６００から接続または切断するために使用され得るスイッチであってもよい。パスデバイス６０６は、電圧刺激がナノポアセル内の脂質二重層を横断して印加されることを有効化または無効化するために、メモリビットによって制御され得る。脂質が、脂質二重層を形成するために堆積される前では、２つの電極間のインピーダンスは、セルのウェルが封止されていないため、非常に低く、それゆえパスデバイス６０６は、短絡状態を回避するために開路に維持され得る。パスデバイス６０６は、脂質溶媒がナノポアセルに堆積されてナノポアセルのウェルを封止した後、閉じられ得る。
【００５６】
[0080]電気回路６００は、オンチップ積分コンデンサＣｉｎｔ６０８（ｎｃａｐ）をさらに含み得る。積分コンデンサＣｉｎｔ６０８は、リセット信号６０３を使用しスイッチ６０１を閉じ、その結果、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８が電圧源Ｖｐｒｅ６０５に接続されることによって、事前充電され得る。いくつかの実施形態では、電圧源Ｖｐｒｅ６０５は、例えば、９００ｍＶの大きさの固定の正電圧を提供する。スイッチ６０１が閉じられているとき、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８は、電圧源Ｖｐｒｅ６０５の正電圧レベルまで事前充電され得る。
【００５７】
[0081]積分コンデンサＣｉｎｔ６０８が事前充電された後、リセット信号６０３が使用されスイッチ６０１が開路され、その結果、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８は、電圧源Ｖｐｒｅ６０５から切断される。この時点では、電圧源Ｖｌｉｑのレベルにより、対電極６４０の電位は、作用電極６０２（および積分Ｃｉｎｔ６０８）の電位より高いレベルにあるか、その反対でもあり得る。例えば、電圧源Ｖｌｉｑからの方形波の正位相の間（例えば、ＡＣ電圧源信号サイクルの明または暗期間）、対電極６４０の電位は、作用電極６０２の電位より高いレベルにある。電圧源Ｖｌｉｑからの方形波の負位相の間（例えば、ＡＣ電圧源信号サイクルの暗または明期間）、対電極６４０の電位は、作用電極６０２の電位より低いレベルにある。したがって、いくつかの実施形態では、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８は、対電極６４０と作用電極６０２との間の電位差により、明期間の間に電圧源Ｖｐｒｅ６０５の事前充電された電圧レベルからさらに高いレベルまで充電され、暗期間中により低いレベルに放電され得る。他の実施形態では、充電および放電は、それぞれ暗期間および明期間に発生し得る。
【００５８】
[0082]積分コンデンサＣｉｎｔ６０８は、１ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、またはそれを超え得る、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）６１０のサンプリング速度による固定された期間に、充電または放電され得る。例えば、１ｋＨｚのサンプリング速度で、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８は、約１ｍｓの期間中、充電／放電し、次に、電圧レベルがサンプリングされ、積分期間の終わりにＡＤＣ６１０によって変換され得る。個々の電圧レベルは、ナノポア内の個々のタグ種に対応し、それゆえ、鋳型上の目下の位置でのヌクレオチドに対応し得る。
【００５９】
[0083]ＡＤＣ６１０によるサンプリングされた後、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８は、リセット信号６０３を使用しスイッチ６０１を閉じ、その結果、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８が電圧源Ｖｐｒｅ６０５に再接続されることによって、再び事前充電され得る。積分コンデンサＣｉｎｔ６０８を事前充電するステップと、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８が充電または放電する一定の期間待機するステップと、積分コンデンサの電圧レベルをＡＤＣ６１０によってサンプリングおよび変換するステップとが、配列決定プロセスの間中サイクルで繰り返され得る。
【００６０】
[0084]デジタルプロセッサ６３０は、例えば、正規化、データバッファリング、データフィルタリング、データ圧縮、データ削減、イベント抽出、またはナノポアセルアレイからのＡＤＣ出力データを多様なデータフレームへのアセンブリングなどのために、ＡＤＣ出力データを処理し得る。いくつかの実施形態では、デジタルプロセッサ６３０は、塩基判定などのさらに下流の処理を実行し得る。デジタルプロセッサ６３０は、ハードウェア（例えば、ＧＰＵ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣなどの内部の）またはハードウェアとソフトウェアとの組合せとして実装され得る。
【００６１】
[0085]したがって、ナノポアを横断して印加される電圧信号は、ナノポアの個々の状態を検出するために用いられ得る。ナノポアの可能な状態の１つは、タグが取り付けられたポリホスフェートがナノポアの筒に存在しない場合、開放チャネル状態である。ナノポアの別の４つの可能な状態は、タグが取り付けられたポリホスフェートヌクレオチドの４つの異なるタイプ（Ａ、Ｔ、ＧまたはＣ）のうちの１つがナノポアの筒内に保持されるときの状態に各々対応する。ナノポアのさらに別の可能な状態は、脂質二重層が断裂するときである。
【００６２】
[0086]積分コンデンサＣｉｎｔ６０８での電圧レベルが、固定された期間後に測定されるとき、ナノポアの異なる状態は、異なる電圧レベルの測定値をもたらし得る。これは、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８（すなわち、時間に対する積分コンデンサＣｉｎｔ６０８の電圧のグラフの傾きの程度）での電圧減衰率（放電による減少または充電による増大）が、ナノポアの抵抗（例えば、抵抗器Ｒｐｏｒｅ６２８の抵抗）に依存するからである。より詳しくは、異なる状態のナノポアに関連付けられた抵抗が、分子（タグ）の別個の化学構造に起因して異なるので、異なる対応する電圧減衰率は、観察され得るようになり、ナノポアの異なる状態を識別するために用いられ得る。電圧減衰曲線は、ＲＣ時定数τ＝ＲＣを有する指数関数曲線であり得て、ここで、Ｒは、ナノポアに関連付けられた抵抗（すなわち、Ｒｐｏｒｅ６２８）であり、Ｃは、Ｒに並列の膜に関連付けられた静電容量（すなわち、コンデンサ６２６（ＣＢｉｌａｙｅｒ））である。ナノポアセルの時定数は、例えば、約２００〜５００ｍｓであり得る。減衰曲線は、二重層の詳細な実施により、指数関数曲線に正確に一致し得ないが、減衰曲線は、指数関数曲線に類似し、単調であり得て、それゆえ、タグの検出を可能にする。
【００６３】
[0087]いくつかの実施形態では、開放チャネル状態にあるナノポアに関連付けられた抵抗は、１００Ｍｏｈｍ〜２０Ｇｏｈｍまでの範囲内にあり得る。いくつかの実施形態では、タグが、ナノポアの筒内部に存在する状態にあるナノポアに関連付けられた抵抗は、２００ＭＯｈｍ〜４０ＧＯｈｍまでの範囲内にあり得る。他の実施形態では、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８は、ＡＤＣ６１０へ導く電圧が、電気モデル６２２内の電圧減衰によりやはり変化することになるため、省略され得る。
【００６４】
[0088]積分コンデンサＣｉｎｔ６０８での電圧の減衰率は、異なる方法で決定され得る。上で説明したように、電圧減衰率は、一定の時間間隔の間の電圧減衰を測定することによって決定され得る。例えば、積分コンデンサ６０８での電圧は、最初に時間ｔ１でＡＤＣ６１０により測定され、次に、電圧は、時間ｔ２でＡＤＣ６１０により再び測定される。時間曲線に対する積分コンデンサＣｉｎｔ６０８での電圧の傾きがより急であるとき、電圧差はより大きく、電圧曲線の傾きがより緩やかなとき、電圧差はより小さい。このように、電圧差は、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８での電圧の減衰率を、ゆえに、ナノポアセルの状態を決定するための測定基準として用いられ得る。
【００６５】
[0089]他の実施形態では、電圧減衰率は、選択された電圧減衰量のために必要な持続時間を測定することによって決定され得る。例えば、電圧が第１の電圧レベルＶ１から第２の電圧レベルＶ２に降下または増大するのに必要な時間が測定され得る。時間に対する電圧曲線の傾きがより急であるとき、必要な時間はより少なく、時間に対する電圧曲線の傾きがより緩やかなとき、必要な時間はより大きい。このように、必要な測定時間は、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８での電圧Ｖｎｃａｐの減衰率を、ゆえに、ナノポアセルの状態を決定するための測定基準として用いられ得る。当業者には、例えば、電流測定技術を含む、ナノポアの抵抗を測定するために必要とされ得る多様な回路を理解されよう。
【００６６】
[0090]いくつかの実施形態では、電気回路６００は、オンチップに、パスデバイス（例えば、パスデバイス６０６）および追加のコンデンサ（例えば、積分コンデンサ６０８（Ｃｉｎｔ））を含まないことがあり、それによりナノポアベースの配列決定チップのサイズの削減を支援する。膜（脂質二重層）の薄い性質のため、膜に関連付けられた静電容量（例えば、コンデンサ６２６（ＣＢｉｌａｙｅｒ））のみで、追加のオンチップの静電容量を必要とすることなく必要なＲＣ時定数を生み出すのに十分とすることができる。それゆえ、コンデンサ６２６は、積分コンデンサとして使用され得て、電圧信号Ｖｐｒｅによって事前充電され、続いて、電圧信号Ｖｌｉｑによって放電または充電され得る。そうでなければ電気回路内にオンチップで作製される追加のコンデンサおよびパスデバイスをなくすことにより、ナノポア配列決定チップ内の単一のナノポアセルのフットプリントを著しく減少させることができ、それにより、（例えば、ナノポア配列決定チップ内の数百万ものセルを有する）ますます多くのセルを含むためにナノポア配列決定チップを拡大することが容易になる。
【００６７】
ＩＶ．ナノポアセル内でのデータサンプリング
[0091]核酸の配列決定を実行するために、積分コンデンサ（例えば、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８（ｎｃａｐ））またはコンデンサ６２６（ＣＢｉｌａｙｅｒ）の電圧レベルは、タグ付けされたヌクレオチドが核酸に加えられている間に、ＡＤＣ（例えば、ＡＤＣ６１０）によってサンプリングされ変換され得る。ヌクレオチドのタグは、例えば、ＶｌｉｑがＶｐｒｅより低いような印加電圧のとき、対電極および作用電極を介して印加される、ナノポアを横断する電界によって、ナノポアの筒内へと押し入れられ得る。
【００６８】
Ａ．充填
[0092]充填事象は、タグ付けされたヌクレオチドが、鋳型（例えば、核酸断片）に取り付けられ、タグがナノポアの筒の内外に進むときにあたる。これは、充填事象の間に複数回発生し得る。タグが、ナノポアの筒内にあるとき、ナノポアの抵抗は、より高く、より低い電流がナノポアを通り流れ得る。
【００６９】
[0093]配列決定の間、タグは、いくつかのＡＣサイクル状態でナノポア内に存在しないことがあり（開放チャネル状態と呼ぶ）、この場合電流は、ナノポアのより低い抵抗のために、最も高い。タグがナノポアの筒内へ引き込まれるとき、ナノポアは、明モードである。タグがナノポアの筒外へと押し出されるとき、ナノポアは、暗モードである。
【００７０】
Ｂ．明および暗期間
[0094]ＡＣサイクルの間、積分コンデンサでの電圧は、ＡＤＣによって複数回サンプリングされ得る。例えば、ある実施形態では、ＡＣ電圧信号が、システム全体に、例えば、約１００Ｈｚで印加され、ＡＤＣの取得速度は、セルあたり約２０００Ｈｚであり得る。このように、ＡＣサイクル（ＡＣ波形のサイクル）毎に取得される約２０のデータポイント（電圧測定値）が存在し得る。ＡＣ波形の１サイクルに対応するデータポイントは、１セットと呼ばれ得る。ＡＣサイクル毎のデータポイントの１セット内には、例えば、明モード（期間）に対応し得る、ＶｌｉｑがＶｐｒｅより低いときキャプチャされるサブセットが存在し得て、このときタグは、ナノポアの筒内へと押し込まれる。別のサブセットは、暗モード（期間）に対応し得て、このときタグは、例えば、ＶｌｉｑがＶｐｒｅより高いとき、印加される電界によってナノポアの筒外へと押し出される。
【００７１】
Ｃ．測定電圧
[0095]データポイント毎に、スイッチ６０１が開路のとき、積分コンデンサ（例えば、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８（ｎｃａｐ）またはコンデンサ６２６（ＣＢｉｌａｙｅｒ））における電圧は、例えば、ＶｌｉｑがＶｐｒｅより高いとき、ＶｐｒｅからＶｌｉｑに増大し、ＶｌｉｑがＶｐｒｅより低いとき、ＶｐｒｅからＶｌｉｑに減少するように、Ｖｌｉｑによる充電／放電の結果として減衰する挙動で変化していく。最終的な電圧値は、Ｖｌｉｑから作用電極の電荷だけずれる。積分コンデンサでの電圧レベルの変化率は、ナノポアを含み、結果としてナノポア内の分子（例えば、タグ付けされたヌクレオチドのタグ）を含み得る、二重層の抵抗の値によって支配され得る。電圧レベルは、スイッチ６０１が開路した後の所定時間に測定され得る。
【００７２】
[0096]スイッチ６０１は、データ収集速度で動作し得る。スイッチ６０１は、通常、ＡＤＣによる測定の直後の２回のデータ取得間の比較的短時間、閉路され得る。スイッチは、複数データポイントがサイクル毎に収集されることを可能にする。スイッチ６０１が開路のままのとき、積分コンデンサでの電圧レベルおよび、それゆえ、ＡＤＣの出力値は、完全に減衰し、そこに留まり得る。そのような複数の測定は、固定されたＡＤＣ（例えば、平均化され得る、より多数の測定による８ビットから１４ビット）を用いたより高い分解能を可能にさせ得る。複数の測定は、ナノポア内に充填される分子に関する動態情報をさらに提供し得る。時間の情報により、どれだけの長さで充填が発生するかの決定を可能にさせ得る。これは、核酸鎖に加えられる複数のヌクレオチドが配列決定されつつあるか否かを判定することを支援することにも用いられ得る。
【００７３】
[0097]図７は、タグを導入する前の、ヌクレオチド配列決定中のナノポアセルに対する例となる制御および測定信号を例証する。したがって、ナノポアは、効果的に、一貫した開放チャネル状態にあり、測定された信号は、ナノポア内のいかなるタグの挿入も示さない場合がある。電圧源Ｖｌｉｑ６２０などのＡＣ電圧源は、ナノポアセルの対電極（例えば、対電極６４０）における参照電圧Ｖｌｉｑ７１０として利用され得る。図７では、参照電圧Ｖｌｉｑ７１０は、標識付きの明期間および暗期間を有する方形波電圧信号であり得る。リセット信号７２０（例えば、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８および二重層コンデンサ（Ｃｄｂｌ）６２４を電圧源Ｖｐｒｅ６０５に接続するためのスイッチ６０１を制御するために使用されるリセット信号６０３）など、対応する制御信号も示される。
【００７４】
[0098]各フレーム内で、リセット信号７２０は、二重層コンデンサ（例えば、Ｃｄｂｌ６２４）が、例えば、電圧源Ｖｐｒｅ６０５に接続され得、Ｖｐｒｅに事前充電され得る事前充電期間Ｔｐｒｅｃｈａｒｇｅにおいては高くてもよい。リセット信号７２０は、二重層コンデンサが、例えば、Ｒｐｏｒｅ６２８および／またはコンデンサ６２６（ＣＢｉｌａｙｅｒ）を介して参照電圧Ｖｌｉｑ７１０に接続され得、参照電圧Ｖｌｉｑ７１０によって充電または放電され得る積分期間Ｔｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇにおいては低くてもよい。図７に示される例では、明期間中、参照電圧Ｖｌｉｑ７１０はＶｐｒｅよりも低く、それゆえ、二重層コンデンサは放電される。暗期間中、参照電圧Ｖｌｉｑ７１０は、Ｖｐｒｅよりも高く、それゆえ、二重層コンデンサは充電される。
【００７５】
[0099]二重層コンデンサにおける電圧レベルは、ＡＤＣ（例えば、ＡＤＣ６１０）を使用して積分コンデンサ（例えば、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８）から測定され得る。経時的な積分コンデンサにわたる電圧Ｖｎｃａｐ７３０が図７に示される。電圧の「鋸歯」形状は、明期間および暗期間中の二重層コンデンサの放電（明期間中）および充電（暗期間中）から生じる。各「鋸歯」は、取得される各測定サンプルに対応し得る。例えば、各測定サンプルについての明期間中、二重層コンデンサは、０．９０Ｖに事前充電され得、この電圧／電荷は、次の測定サンプルのための二重層コンデンサの次の事前充電まで、ナノポアの抵抗器Ｒｐｏｒｅによって消散される。この例では、各測定サンプルについての暗期間中、二重層コンデンサは、まず、０．９０Ｖに事前充電／消散され（リセットされ）、この電圧は、次の測定サンプルのためのコンデンサの次の事前充電／リセットまで、ナノポアの抵抗と関連付けられた割合で増大される。
【００７６】
[0100]図７は、例証を容易にするために、明期間または暗期間内のいくつかの測定サンプルを示すことに留意されたい。より多いまたはより少ない測定サンプルが各期間内に取得され得る。例えば、数十のサンプルまたは数百ものサンプルが、明期間または暗期間中に取得され得る。いくつかの他の制御信号が配列決定のために使用され得るが、図７では示されない場合があることに留意されたい。いくつかの実施態様では、参照電圧Ｖｌｉｑ７１０は、一定レベルにあり得る一方、電圧源Ｖｐｒｅは、ＡＣ信号であり得るということにさらに留意されたい。
【００７７】
[0101]図８は、上に説明されるようなナノポアセル内の非ファラデー性伝導のための例となる小信号モデル８００を例証する。小信号モデルは、ｃｄｂｌの静電容量を有する二重層コンデンサＣｄｂｌ８０４、任意選択の積分コンデンサＣｉｎｔ８０６、ナノポアを表す抵抗ｒｐｏｒｅを有する細孔抵抗器Ｒｐｏｒｅ８０２、および二重層（例えば、脂質二重層２１４）を表す二重層コンデンサＣＢｉｌａｙｅｒ８０８を含み得る。図８は、二重層コンデンサＣｄｂｌ８０４が、細孔抵抗器Ｒｐｏｒｅ８０２および二重層コンデンサＣＢｉｌａｙｅｒ８０８を介して充電または放電され得ることを示す。二重層コンデンサＣＢｉｌａｙｅｒ８０８は、小さくてもよく、それゆえ、ＣＢｉｌａｙｅｒ８０８のインピーダンスは、Ｒｐｏｒｅ８０２と比較してはるかに大きくてもよい。したがって、二重層コンデンサＣＢｉｌａｙｅｒ８０８は、小信号モデル８００においては任意選択であってもよい（点線によって示される）。小信号モデル８００は、二重層コンデンサＣｄｂｌ８０４における電圧信号の減衰を決定するために使用され得る。例えば、減衰は、τ〜ｒｐｏｒｅｃｄｂｌによって決定される時間定数τを有し得、時間定数τは、電圧レベルが初期値の１／ｅ≒３６．８％まで減衰するのに要する時間を表し得る。
【００７８】
[0102]いくつかの実施形態では、開放チャネル状態にあるナノポアと関連付けられた抵抗は、１００ＭＯｈｍ〜２０ＧＯｈｍの範囲内にあり得る。いくつかの実施形態では、タグがナノポアの筒の内側にある状態にあるナノポアと関連付けられた抵抗は、２００ＭＯｈｍ〜６０ＧＯｈｍの範囲内にあり得る。
【００７９】
[0103]積分コンデンサＣｉｎｔ６０８における電圧の減衰率は、異なる方法で決定され得る。上に説明されるように、電圧減衰率は、一定の時間間隔の間の電圧減衰を測定することによって決定され得る。例えば、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８における電圧は、まず時間ｔ１でＡＤＣ６１０によって測定され得、次いで、電圧は、時間ｔ２でＡＤＣ６１０によって再び測定される。時間曲線に対する積分コンデンサＣｉｎｔ６０８における電圧の傾きがより急であるとき、電圧差はより大きく、電圧曲線の傾斜がより緩やかなとき、電圧差はより小さい。このように、電圧差は、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８における電圧の減衰率を、ゆえに、ナノポアセルの状態を決定するための基準として使用され得る。
【００８０】
[0104]他の実施形態では、電圧減衰率は、選択された電圧減衰量のために必要とされる時間分を測定することによって決定され得る。例えば、電圧が第１の電圧レベルＶ１から第２の電圧レベルＶ２へ降下または増大するのに必要な時間が測定され得る。時間曲線に対する電圧の傾きが急であるときは、必要とされる時間はより少なく、時間曲線に対する電圧の傾きが緩やかであるときは、必要とされる時間はより大きい。このように、必要とされる測定時間は、積分コンデンサＣｉｎｔ６０８における電圧の減衰率を、ゆえに、ナノポアセルの状態を決定するための基準として使用され得る。当業者には、例えば、電流測定技術を含む、ナノポアの抵抗を測定するために使用され得る様々な回路を理解されよう。
【００８１】
[0105]図９は、ＡＣサイクルの明期間および暗期間中のナノポアセルから取得されたデータポイントの例を示す。図９では、データポイントでの変化は、図解目的用に強調されている。作用電極または積分コンデンサに印加される電圧（Ｖｐｒｅ）は、９００ｍＶなどの一定のレベルにある。ナノポアセルの対電極に印加される電圧信号９１０（Ｖｌｉｑ）は、方形波として示されるＡＣ信号であり、このときデューティサイクルは、９０％以下、例えば約４０％のような任意の好適な値であり得る。
【００８２】
[0106]明期間９２０の間、対電極に印加される電圧信号９１０（Ｖｌｉｑ）は、作用電極に印加される電圧Ｖｐｒｅより低く、その結果、タグは、作用電極および対電極に印加される、異なる電圧レベルに起因する電界によって、ナノポアの筒内に押し込まれ得る（例えば、タグ上の電荷および／またはイオンの流れにより）。スイッチ６０１が開路のとき、ＡＤＣの前のノードでの（例えば、積分コンデンサでの）電圧は、減少していく。電圧データポイントが取得された後（例えば、指定された期間の後）、スイッチ６０１は、閉路され得て、測定ノードでの電圧は、Ｖｐｒｅへと再び戻るように増大していく。プロセスは、複数の電圧データポイントを測定するために繰り返され得る。このようにして、複数のデータポイントは、明期間の間に取得され得る。
【００８３】
[0107]図９に示すように、Ｖｌｉｑ信号の符号の変化の後の明期間内の第１のデータポイント９２２（第１のポイントデルタ（ＦＰＤ）とも呼ばれる）は、後続のデータポイント９２４よりも低いことがあり得る。これは、ナノポア内にタグが存在しないからであり（開放チャネル）、それゆえ、それは低抵抗および高放電率を有するためであり得る。いくつかの例では、第１のデータポイント９２２は、図９に示すようなＶｌｉｑレベルを超え得る。これは、信号をオンチップコンデンサに結合する二重層の静電容量に起因し得る。データポイント９２４は、充填事象が発生した、すなわち、タグがナノポアの筒内に押し込まれた後取得され得て、この場合ナノポアの抵抗、およびそれゆえの積分コンデンサの放電速度は、ナノポアの筒内に押し込まれるタグの個々のタイプに依存する。データポイント９２４は、以下で述べられるように、二重層コンデンサ（例えば、Ｃｄｂｌ８０４）で増大される電荷により、測定毎にわずかに減少し得る。
【００８４】
[0108]暗期間９３０の間、対電極に印加される電圧信号９１０（Ｖｌｉｑ）は、作用電極に印加される電圧Ｖｐｒｅより高く、その結果、何れのタグも、ナノポアの筒外に押し出され得る。スイッチ６０１が開路のとき、測定ノードでの電圧は、電圧信号９１０（Ｖｌｉｑ）の電圧レベルがＶｐｒｅより高いので、増大する。電圧データポイントが取得された後（例えば、指定された期間の後）、スイッチ６０１は、閉路され得て、測定ノードでの電圧は、Ｖｐｒｅへと再び戻るように減少していく。プロセスは、複数の電圧データポイントを測定するために繰り返され得る。このように、複数のデータポイントは、第１のポイントデルタ９３２および後続のデータポイント９３４を含む暗期間の間に取得され得る。上述のように、暗期間の間に、何れのヌクレオチドタグもナノポアの外に押し出され、それゆえ、任意のヌクレオチドタグに関する最小限度の情報が取得され、さらに正規化に用いられる。したがって、暗期間の間のセルからの出力電圧信号は、ほとんどまたは全く必要がない場合がある。
【００８５】
[0109]図９は、明期間９４０の間、対電極に印加される電圧信号９１０（Ｖｌｉｑ）は、作用電極に印加される電圧Ｖｐｒｅより低いにもかかわらず、充填事象が発生しない（開放チャネル）ことも示す。したがって、ナノポアの抵抗は低く、積分コンデンサの放電速度は高い。結果的に、第１のデータポイント９４２および後続のデータポイント９４４を含む、取得されたデータポイントは、低電圧レベルを示す。
【００８６】
[0110]明または暗期間の間に測定される電圧は、ナノポアの一定の抵抗（例えば、１つのタグがナノポア内にある間に所与のＡＣサイクルの明モードの間に形成される）の測定毎にほぼ同一であると期待され得るが、このことは、電荷が二重層コンデンサＣｄｂｌで生成する場合であり得ない。この電荷生成は、ナノポアセルの時定数をより長くさせる結果をもたらし得る。結果的に、電圧レベルは移動し、それにより測定値がサイクル内のデータポイント毎に減少するという結果をもたらし得る。このように、サイクル内で、データポイントは、図９に示すように、ある程度データポイントから別のデータポイントへ変化し得る。それゆえ、測定された電圧レベルと関連付けられた塩基をより正確に決定するために、データ正規化およびベースライン調整のために二重層静電容量を測定することが望ましい場合がある。
【００８７】
Ｄ．塩基決定
[0111]ナノポアセンサチップの有効なナノポアセル毎に、生成モードが、核酸を配列決定するために実行され得る。配列決定中に取得されるＡＤＣ出力データは、より高い精度を提供するために、正規化され得る。正規化は、サイクル形状およびベースラインシフトなどの偏位効果を引き起こし得る。正規化の後、実施形態は、充填された経路の電圧のクラスタを決定し得て、ここで各クラスタは、異なるタグ種、およびそれゆえの異なるヌクレオチドに対応する。クラスタは、所与のヌクレオチドに対応する所与の電圧の確率を算出するために使用され得る。別の例として、クラスタは、異なるヌクレオチド（塩基）間での差別化のための分離電圧を決定するために用いられ得る。正規化に関するさらなる詳細は、米国特許出願第１５／６３２，１９０および同第１５／６２８，３５３の中で見つけることができ、これらは参照によりそれらの全体が組み込まれる。
【００８８】
[0112]配列決定動作に関するさらなる詳細は、例えば、「Ｎａｎｏｐｏｒｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  Ｗｉｔｈ  Ｖａｒｙｉｎｇ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｔｉｍｕｌｕｓ（電圧刺激を変化させるナノポアベースの配列決定）」という名称の米国特許公開第２０１６／０１７８５７７、「Ｎａｎｏｐｏｒｅ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  Ｗｉｔｈ  Ｖａｒｙｉｎｇ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｔｉｍｕｌｕｓ（電圧刺激を変化させるナノポアベースの配列決定）」という名称の米国特許公開第２０１６／０１７８５５４、「Ｎｏｎ−Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｂｉｌａｙｅｒ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｏｆ  Ｂｉｌａｙｅｒ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  Ｔｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｓｔｉｍｕｌｕｓ（電気的刺激に応答した二重層の測定を用いた非破壊二重層モニタリング）」という名称の米国特許出願第１５／０８５，７００、および「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｏｆ  Ｂｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ（二重層形成の電気的増強）」という名称の米国特許出願第１５／０８５，７１３の中で見つけることができ、これらは参照によりそれらの全体が組み込まれる。
【００８９】
Ｖ．二重層静電容量測定
[0113]二重層静電容量は、様々な方法を使用して測定され得る。例えば、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）は、電気化学システムを特徴づけるための、およびこれらのシステムにおける電極または電解プロセスの寄与を決定するための技術である。ＥＩＳは、任意の液体および固体材料間の界面領域の体積内の結合電荷または可動性電荷の動態を決定するために使用され得る。ＥＩＳ技術は、周波数領域内で作用し、界面が、受動電気回路要素、すなわち、抵抗、静電容量、およびインダクタンスの組合せとして見られ得るという概念に基づく。小振幅（例えば、５〜２０ｍＶ）の交流信号が、電解質内へ挿入された電極に印加されるとき、結果として生じる電流は、オームの法則に基づいてインピーダンスを決定するために獲得され使用され得る。初期外乱（印加される）および電極の応答は、電流および電圧成分の位相シフトを測定することによって、またはそれらの増幅の測定によって比較され得る。これは、スペクトル分析器または周波数応答分析器などの外部機器を使用して時間領域内または周波数領域内で行われ得る。しかしながら、電解質を介して測定される電流は、電解質に露出された複数の作用電極（例えば、１０００を超える作用電極）を通過する電流を含み得ることから、ＥＩＳ技術は、二重層およびナノポアの形成の前または後のいずれかにおいて個々のセルの二重層静電容量を測定することができない。さらには、ＥＩＳ技術は、容量性成分を測定するだけというよりも、合計インピーダンスの一部として抵抗成分を取得し得る。加えて、ＥＩＳ技術の正確性は、刺激に対する応答の振幅によって、および測定されていないセルからの寄生的な寄与の難読化効果によって制限され得る。これらの理由およびいくつかの他の理由により、ＥＩＳ測定の正確性は制限され得る。
【００９０】
[0114]本明細書に開示される方法は、配列決定プロセスの異なる段階で個々の（ナノポア）セルまたは（ナノポア）セルのグループの二重層コンデンサをより正確に測定することができる。１つの例となる方法は、既知の静電容量値および既知の初期電圧レベルを有するより小さいコンデンサを使用して二重層コンデンサを繰り返し充電または放電することによって二重層およびナノポアの形成の前に二重層静電容量を測定することができ、これは電荷タイトレーション静電容量測定（ＣＴＣＭ）技術と称され得る。別の例となる方法は、二重層コンデンサを充電すること、およびナノポアを通る二重層コンデンサにおける電圧の参照電圧レベルへの減衰を測定することによって二重層およびナノポアの形成の後に二重層静電容量を測定することができ、これはステップ応答静電容量測定（ＳＲＣＭ）技術と称され得る。ＣＴＣＭ技術およびＳＲＣＭ技術の両方は、ナノポアセンサチップ上の既存の回路を使用して実施され得る。それゆえ、外部機器が測定のために必要とされない場合がある。加えて、測定は、いくつかの他の技術を使用した場合の１５〜２０分ではなく、１分未満など、かなり迅速に実施され得る。
【００９１】
Ａ．ステップ応答静電容量測定（ＳＲＣＭ）
[0115]図８に関して上に説明されるように、ナノポアセルの小信号モデルは、ｃｄｂｌの静電容量を有する二重層コンデンサＣｄｂｌ、積分コンデンサＣｉｎｔ、ナノポアを表す抵抗ｒｐｏｒｅを有する細孔抵抗器Ｒｐｏｒｅ、および二重層を表す二重層コンデンサＣＢｉｌａｙｅｒを含み得る。二重層コンデンサＣｄｂｌ（および積分コンデンサＣｉｎｔ）は、細孔抵抗器Ｒｐｏｒｅおよび二重層コンデンサＣＢｉｌａｙｅｒを介して充電または放電され得る（取るに足りないものであり得る）。それゆえ、二重層コンデンサＣｄｂｌまたは積分コンデンサＣｉｎｔにおける電圧レベルの減衰は、τ〜ｒｐｏｒｅｃｄｂｌによって決定された時間定数τを有し得る。二重層コンデンサまたは積分コンデンサＣｉｎｔにおける電圧レベルの減衰を測定することによって、時間定数、ゆえにｃｄｂｌは、既知のｒｐｏｒｅにより決定され得る。いくつかの実施態様では、減衰もまた細孔抵抗器Ｒｐｏｒｅの抵抗によって影響を受けることから、二重層静電容量よりも、時間定数が、正規化のために使用され得る。いくつかの実施態様では、減衰時間は、二重層コンデンサＣｄｂｌおよび細孔抵抗器Ｒｐｏｒｅを通って流れる電流の経時的な変化を測定することによって決定され得る。
【００９２】
[0116]ＳＲＣＭ技術のいくつかの実施態様では、二重層が形成され得、ナノポアが上に説明されるように挿入され得る。電圧レベル（Ｖｐｒｅ）は、作用電極に印加され得、電圧レベル（Ｖｌｉｑ）は、対電極に印加され得る。続いて、作用電極は、Ｖｐｒｅから切断され得、小振幅を有する遅い方形波ＡＣ信号が、対電極Ｖｌｉｑに印加され得、これが、ＡＣサイクル中、二重層コンデンサおよび積分コンデンサＣｉｎｔにおける電圧レベルがシフトして次いで減衰する（充電および放電する）ことを引き起こし得る。サイクル内信号減衰がその初期値の設定された分画に達するのに必要とされる時間は、例えば、積分コンデンサＣｉｎｔにおける測定された電圧信号に基づいて決定され得る。獲得される時間定数は、データ正規化のために使用され得る。いくつかの実施態様では、ＳＲＣＭベースの二重層静電容量測定は、配列決定プロセス毎の配列決定信号が最新の関連したＳＲＣＭベースの二重層静電容量測定結果を有し得るように、配列決定プロセス毎に実施され得る。
【００９３】
１．ステップ応答のための回路
[0117]図１０Ａは、特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定中にベースラインを確立するためのナノポアセル内の回路１０００の例となる構成を例証する。回路１０００は、二重層コンデンサＣｄｂｌ１００４、細孔抵抗器Ｒｐｏｒｅ１００２、二重層コンデンサＣＢｉｌａｙｅｒ１００８、積分コンデンサＣｉｎｔ１００６、作用電極および積分コンデンサＣｉｎｔ１００６を電圧源Ｖｐｒｅに接続するためのスイッチ１０１０、積分コンデンサＣｉｎｔ１００６をＡＤＣ１０１４に接続するためのスイッチ１０１２を含み得る。図１０Ａでは、電圧信号Ｖｐｒｅは、スイッチ１０１０を介して作用電極に接続されていてもよく、Ｖｓｅｑのレベルにある電圧信号Ｖｌｉｑは、対電極に接続されていてもよい。作用電極は、Ｖｐｒｅから切断されていてもよく、ナノポアセルは、安定状態に達していてもよい。
【００９４】
[0118]図１０Ｂは、特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定中に負のステップ応答を測定するためのナノポアセル内の回路１０００の例となる構成を例証する。図１０Ｂでは、負のステップ信号（例えば、Ｖｓｅｑ−ΔＶに等しいレベルにある）は、対電極（Ｖｌｉｑ）に印加され得、これが、作用電極（および二重層コンデンサＣｄｂｌ１００４）における電圧レベルを、瞬時に降下させ（二重層コンデンサＣｄｂｌ１００４にわたる電圧は瞬時に変化することができないため）、次いで徐々に減衰（増大）させ得る。一連のサンプルは、積分コンデンサＣｉｎｔ１００６にわたる電圧Ｖｎｃａｐ（作用電極における電圧ＶＷＥに等しくてもよい）をサンプリングするためにスイッチ１０１２を繰り返しオンおよびオフに切り替えることによって、減衰中にＡＤＣ１０１４によって取得され得る。
【００９５】
[0119]図１０Ｃは、特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定中に正のステップ応答を測定するためのナノポアセル内の回路１０００の例となる構成を例証する。図１０Ｃでは、正のステップ信号（例えば、Ｖｓｅｑ＋ΔＶに等しいレベルにある）は、対電極（Ｖｌｉｑ）に印加され得、これが、作用電極（および二重層コンデンサＣｄｂｌ１００４）における電圧レベルを、瞬時に増大させ（二重層コンデンサＣｄｂｌ１００４にわたる電圧は瞬時に変化することができないため）、次いで徐々に減衰（減少）させ得る。一連のサンプルは、積分コンデンサＣｉｎｔ１００６にわたる電圧Ｖｎｃａｐサンプリングするためにスイッチ１０１２を繰り返しオンおよびオフに切り替えることによって、減衰中にＡＤＣ１０１４によって取得され得る。
【００９６】
２．ステップ応答のための信号
[0120]図１１は、特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定技術を使用して二重層静電容量を測定するための例となるＡＣ信号１１００を例証する。ＡＣ信号１１００は、対電極（Ｖｌｉｑ）に印加され得る。図１１に示される特定の例では、ＡＣ信号１１００は、上で論じられるように作用電極で安定した状態を確立するために約３０秒間２２５ｍＶにあり得る。その後、２２５ｍＶのオフセット、２０ｍＶの振幅（４０ｍＶピークツーピーク）、および０．２Ｈｚの周波数（すなわち、５秒の期間）を有する方形波信号のいくつかのサイクル（例えば、６回）が対電極に印加され得る。ＡＣ信号１１００が２４５ｍＶにあるときの各サイクル内の２．５秒の期間の間、積分コンデンサにわたる電圧Ｖｎｃａｐは、正のステップ減衰曲線を測定するために複数回（例えば、数十回または数百回）サンプリングされ得る。ＡＣ信号１１００が２０５ｍＶにあるときの各サイクル内の２．５秒の期間の間、積分コンデンサにわたる電圧Ｖｎｃａｐは、負のステップ減衰曲線を測定するために複数回サンプリングされ得る。
【００９７】
[0121]図１１に示されるＡＣ信号１１００は、本明細書に開示される技術の１つの潜在的な実施態様にすぎないことに留意されたい。様々な実施態様では、異なる周波数、振幅、および／またはオフセットが使用され得る。さらには、様々な実施態様では、異なる数の方形波信号サイクルが使用され得る。１つの実施態様では、単一の方形波サイクルが使用され得る。いくつかの実施態様では、２つ以上の方形波サイクルが使用され得、複数の方形波サイクルにおいて測定される結果の平均が、ノイズを低減し、測定結果の正確性を向上させるために取られ得る。
【００９８】
[0122]いくつかの実施態様では、ＡＣ信号１１００が作用電極に印加され得る一方、対電極（Ｖｌｉｑ）における電圧は、安定状態に維持され得る。ＡＣ信号１１００が高いときの各サイクル内の時間期間の間、積分コンデンサにわたる電圧Ｖｎｃａｐは、減衰曲線を測定するために複数回（例えば、数十回または数百回）サンプリングされ得る。ＡＣ信号１１００が低いときの各サイクル内の時間期間の間、積分コンデンサにわたる電圧Ｖｎｃａｐは、減衰曲線を測定するために複数回サンプリングされ得る。いくつかの実施態様では、電圧Ｖｎｃａｐが測定されているとき、作用電極は、ＡＣ信号１１００から一時的に切断され得る。
【００９９】
[0123]図１２Ａは、特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定技術を使用してより低い静電容量を有する二重層静電容量を測定するための例となる結果を例証する。図１１のＡＣ信号１１００に関して上に説明されるような保持期間１２４０およびいくつかの方形波ＡＣサイクル１２５０を含むＡＣ信号１２１０は、対電極（Ｖｌｉｑ）に印加され得る。積分コンデンサにわたる測定された電圧（例えば、８ビットＡＤＣ出力値（０〜２５５）によって表される）（すなわち、作用電極における電圧レベル）は、数十または数百またはそれ以上のデータポイントなど、データポイントを含み得る測定された信号１２２０によって表される。図１２Ａにおいて見ることができるように、より低い静電容量を有する二重層コンデンサでは、減衰は、より速く、方形波内の各電圧ステップについてより大きく現われ得、ベースラインシフトは、正のステップおよび負のステップの両方について比較的低い。
【０１００】
[0124]図１２Ｂは、特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定技術を使用してより高い静電容量を有する二重層静電容量を測定するための例となる結果を例証する。図１１のＡＣ信号１１００に関して上に説明されるような保持期間およびいくつかの方形波サイクルを含むＡＣ信号１２１０は、対電極（Ｖｌｉｑ）に印加され得る。積分コンデンサにわたる測定された電圧（例えば、８ビットＡＤＣ出力値（０〜２５５）によって表される）（すなわち、作用電極における電圧レベル）は、測定された信号１２３０によって表される。図１２Ｂにおいて見ることができるように、より高い静電容量を有する二重層コンデンサでは、減衰は、方形波内の各電圧ステップについて比較的遅くかつ小さく、電圧が減衰するベースラインは、著しくシフトし得、正のステップおよび負のステップでは異なり得る。
【０１０１】
[0125]ＳＲＣＭ技術を使用した二重層静電容量測定のための測定された信号１２２０または１２３０の波形のより詳細な説明および分析は以下に提供される。
【０１０２】
[0126]図１３は、特定の実施形態に従う、ステップ応答静電容量測定中の二重層コンデンサまたは積分コンデンサにおける電圧信号１３００の減衰を例証する。図１３に示される測定された電圧信号１３００は、保持期間に測定された電圧レベル１３１０を含む。保持期間は、保持ベースラインを決定するための保持期間の終了前に電圧信号１３００が安定状態（変化しないまたはほとんど変化しない）まで減衰し得るように十分に長くてもよい（例えば、約３０秒）。例えば、保持期間に取得された最後の３０個のサンプルポイントの中央値が、保持ベースライン１３２０のための値として使用され得る。
【０１０３】
[0127]正のステップ毎に、作用電極における電圧レベルが一連のデータポイントとして測定され得る。最初の数個（例えば、５）のデータポイントは、これらのデータポイントが、作用電極における電圧信号がオーバーシュートを有するときに取得され得るため、データ分析から除去され得る。いくつかの実施態様では、移動平均フィルタリングが、波形を平均するためにデータポイントに対して実施され得る。正のステップ期間内の最後の数個（例えば、１０）のデータポイントは、正のベースラインレベル１３６０を決定するために使用され得る。次いで、各データポイントは、各データポイントについての測定された電圧レベルから正のベースラインレベル１３６０を差し引くことによって調整され得る。正のステップ期間内の調整されたデータポイントのうちの最大電圧レベル１３３０は、ナノポアセルの正のゲインとして使用され得、これは、ナノポアセルの開放チャネルゲインに比例し得、二重層静電容量または積分静電容量、およびナノポアセルの細孔抵抗ｒｐｏｒｅ（約１／（ｒｐｏｒｅｃｉｎｔ））に依存し得る。作用電極における電圧レベルが正のゲイン値（電圧レベル１３３０）から、例えば、正のゲインの７５％（電圧レベル１３４０）まで減衰するのにかかる時間は、７５％減衰時間ｐｏｓ＿７５として決定され得る。作用電極における電圧レベルが正のゲイン値（電圧レベル１３３０）から、例えば、正のゲインの５０％（電圧レベル１３５０）まで減衰するのにかかる時間は、５０％減衰時間ｐｏｓ＿５０として決定され得る。次いで、７５％減衰時間ｐｏｓ＿７５および／または５０％減衰時間ｐｏｓ＿５０は、以下に説明されるように減衰時間定数τ〜ｒｐｏｒｅｃｄｂｌまたは二重層静電容量を決定するために使用され得る。異なる実施態様では、減衰時間は、作用電極における電圧レベルが正のゲインの７５％または５０％以外のレベルまで減衰するのにかかる時間に基づいて決定され得ることに留意されたい。
【０１０４】
[0128]いくつかの実施態様では、異なる正のステップ期間に取得される対応するデータポイントは、平均され、正のゲイン、正のベースライン、ｐｏｓ＿７５、ｐｏｓ＿５０、他の電圧レベルの減衰時間、減衰時間定数、および二重層静電容量などの上に説明されたパラメータを決定するための単一の正のステップ期間の波形として使用され得る。測定の正確性は、正のステップ期間からの結果を平均することによって向上され得る。
【０１０５】
[0129]加えて、または代替的に、負のステップ毎に、データポイントは、負のゲイン、負のベースライン、７５％負の減衰時間、５０％負の減衰時間、他の電圧レベルの減衰時間、減衰時間定数、二重層静電容量などのパラメータを決定するために、同様のやり方で取得および分析され得る。例えば、いくつかの実施態様では、負のステップからの測定結果および正のステップからの測定結果は、必ずしも同じではないが、一般に類似しているため、負のステップからの測定結果は、正のステップからの測定結果を検証するために使用され得、またはその逆も然りである。
【０１０６】
３．正確性
[0130]図１４は、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を使用して測定された二重層静電容量とステップ応答静電容量測定技術を使用して測定された減衰時間との相関を例証する。図１４では、ｘ軸は、ＥＩＳを使用してナノポアチップについて測定された平均二重層静電容量（セルあたりのｐＦ）を表す。Ｙ軸は、ＳＲＣＭ技術を使用して対応するナノポアチップ上の個々のセルについて測定された減衰時間を表し、ナノポアチップ上の個々のセルについて測定された減衰時間の分布は、平均値および標準偏差値によって表される。
【０１０７】
[0131]図１４は、ＥＩＳを使用して測定されたナノポアチップにおける平均二重層静電容量と、ＳＲＣＭ技術を使用して測定された対応するナノポアチップ上の個々のセルについて測定された５０％正の減衰時間ｐｏｓ＿５０（青）の統計的平均値との相関のピアソン相関係数が、１に非常に近い（約０．９８７）ことを示す。図１４はまた、ＥＩＳを使用して測定されたナノポアチップにおける平均二重層静電容量と、ＳＲＣＭ技術を使用して測定された対応するナノポアチップ上の個々のセルについて測定された７５％正の減衰時間ｐｏｓ＿７５（緑）の統計的平均値との相関のピアソン相関係数が、約０．９３１であることを示す。このように、ＥＩＳを使用して測定された平均二重層静電容量と、ＳＲＣＭ技術を使用して測定された５０％または７５％正の減衰時間との間には非常に良い相関がある。それゆえ、相関は、測定された減衰時間に基づいて静電容量値を決定するために使用され得る。
【０１０８】
４．高静電容量での例となる減衰
[0132]図１５は、特定の実施形態に従う、より高い静電容量（例えば、＞３００ｐＦ）を有する二重層コンデンサの静電容量を測定するための例となるステップ応答静電容量測定技術を例証する。上に説明されるように、大きい静電容量値を有する二重層コンデンサでは、減衰は遅くなり得る。したがって、正のステップ期間の終わりに、二重層コンデンサにおける電圧レベルは、実際の正のベースラインまで減衰していない場合がある。それゆえ、期間の終わりにおける最後の測定は、特定の割合の減衰、例えば、７５％または５０％が、いつ発生したかを決定するためのベースラインとして使用することができない。そのような状況では、保持期間からのベースラインが代わりに使用され得る。例えば、保持期間に取得された最後の３０個のサンプルポイントの中央値が、保持ベースライン１５２０のための値、ならびに減衰率を決定するためのベースラインのためのデフォルト値として使用され得る。
【０１０９】
[0133]この例を例証するため、正（または負の）ステップ毎に、作用電極における電圧レベル１５７０は、遅い減衰（大きい減衰時間定数）が理由で、小さい静電容量値を有する二重層コンデンサの場合の電圧レベル１５８０と比較して、実際の正のベースラインまで減衰していない場合がある。それゆえ、正のステップ期間の終わりに測定された正のベースライン１５６０は、実際の正のベースラインよりもはるかに高い場合がある。正のベースライン１５６０が、データポイントを調整するためにベースラインとして使用される場合、調整されたデータポイントに基づいて決定される、結果としての正のゲインは、セルの実際の正のゲインよりもはるかに低い場合がある。その結果、作用電極における電圧レベルが正のゲイン値から正のゲインの７５％（電圧レベル１５４５として示される）または５０％（電圧レベル１５５５として示される）まで減衰するための測定時間は、実際の７５％（または５０％）正の減衰時間よりも短い場合がある。それゆえ、大きな誤差が測定結果において発生し得る。
【０１１０】
[0134]いくつかの実施態様では、保持ベースライン１５２０は、大きい静電容量値を有する二重層コンデンサを測定の正確性を犠牲にすることなく測定するための正のベースラインとして使用され得る。これは、上に説明されるように、大きい静電容量値を有する二重層コンデンサでは、ベースラインシフトが比較的小さくなり得るためである。それゆえ、各データポイントは、各データポイントについての測定された電圧レベルから保持ベースライン１５２０の電圧レベルを差し引くことによって調整され得る。正のステップ期間内の調整されたデータポイントのうちの最大電圧レベル１５３０は、ナノポアセルの正のゲインとして使用され得る。作用電極における電圧レベルが正のゲイン値（電圧レベル１５３０）から正のゲインの７５％（電圧レベル１５４０）まで減衰するのにかかる時間は、７５％減衰時間ｐｏｓ＿７５として決定され得る。作用電極における電圧レベルが正のゲイン値（電圧レベル１５３０）から正のゲインの５０％（電圧レベル１５５０）まで減衰するのにかかる時間は、５０％減衰時間ｐｏｓ＿５０として決定され得る。次いで、７５％減衰時間ｐｏｓ＿７５および／または５０％減衰時間ｐｏｓ＿５０は、減衰時間定数τ〜ｒｐｏｒｅｃｄｂｌおよび／または二重層静電容量をより正確に決定するために使用され得る。
【０１１１】
５．フローチャート
[0135]図１６は、本開示の特定の態様に従う、ステップ応答静電容量測定の例となる方法を例証するフローチャート１６００である。本方法は、ナノポアセル内の二重層および／またはナノポアの形成後に実施され得る。例となる方法では、電解質とナノポアセルの作用電極との間に形成される二重層コンデンサの静電容量は、ナノポアを介した作用電極における電圧レベルの減衰を測定することによって測定され得、減衰の時間定数は、二重層コンデンサの静電容量およびナノポアの等価の抵抗に比例し得る。
【０１１２】
[0136]ブロック１６１０において、電解質は、電解質がナノポアセルのウェル内に配置されるナノポアセルの作用電極と接触し得るように、ナノポアセルに追加され得る。上に説明されるように、電解質は、例えば、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、グルタミン酸リチウム、グルタミン酸ナトリウム、グルタミン酸カリウム、酢酸リチウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ２）、塩化マンガン（ＭｎＣｌ２）、および塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）のうちの１つまたは複数を含み得る。
【０１１３】
[0137]ブロック１６２０において、ウェルを被覆する二重層は、例えば、図１〜図３に関して上に説明されるように形成され得る。二重層は、二重層の上部のバルク電解質をウェル内の電解質から隔て得る。ナノポアもまた、上に説明されるように二重層内に形成され得る。ナノポアは、バルク電解質とウェル内の電解質との間に経路を形成し得る。二重層およびナノポアは、例えば、図６、図８、および図１０に関して上に説明されるように二重層コンデンサおよび細孔抵抗器としてモデル化され得る。
【０１１４】
[0138]任意選択的に、作用電極は、第１の電圧レベル（例えば、Ｖｐｒｅ）にある電圧源に接続され得、第２の電圧レベルが、二重層の上部の電解質（例えば、Ｖｌｉｑ）に印加され得る。それゆえ、二重層コンデンサは、第１の電圧レベルと第２の電圧レベルとの差分（Ｖｐｒｅ−Ｖｌｉｑ）に等しい、コンデンサにわたる電圧で充電され得る。続いて、作用電極は、第１の電圧レベル（例えば、Ｖｐｒｅ）にある電圧源から切断され得る一方、第２の電圧レベルが、二重層の上部の電解質に依然として印加され得る。これにより、作用電極における電圧レベルを次第に減衰させる。第２の電圧レベルは、作用電極における電圧レベルが安定状態（ベースライン）に達するのに十分な時間期間（例えば、３０秒）にわたって印加され得る。いくつかの実施態様では、複数の電圧レベルが、第２の電圧レベルが電解質に印加される間の複数の時点に、作用電極で測定され得る。複数の時点に測定された作用電極における複数の電圧レベルは、例えば、図１３および図１５に関して上に説明されるように、保持ベースラインを決定するために使用され得る。
【０１１５】
[0139]ブロック１６３０において、電解質と作用電極との間の界面に形成された二重層コンデンサが事前充電され得る。例えば、作用電極は、第１の電圧レベル（例えば、Ｖｐｒｅ）にある電圧源に接続され得、第２の電圧レベルが、二重層の上部の電解質（例えば、Ｖｌｉｑ）に印加され得る。それゆえ、二重層コンデンサは、第１の電圧レベルと第２の電圧レベルとの差分（Ｖｐｒｅ−Ｖｌｉｑ）に等しい、コンデンサにわたる電圧で充電され得る。続いて、作用電極は、第１の電圧レベル（例えば、Ｖｐｒｅ）にある電圧源から切断され得る。
【０１１６】
[0140]ブロック１６４０において、ステップ電圧信号は、例えば、図１１〜図１３および図１５に関して上に説明されるように、バルク電解質に印加され得る。ステップ電圧信号は、方形波（ｓｑｕａｒｅ  ｗａｖｅ）または方形波（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｗａｖｅ）ＡＣ信号の一部であり得る。ステップ電圧信号は、正のステップ信号または負のステップ信号であり得る。ステップ電圧信号は、作用電極での電圧レベルを瞬時に増大／減少させ、次いで徐々に減衰させ得る。
【０１１７】
[0141]ブロック１６５０において、複数の電圧レベルは、ステップ電圧信号がバルク電解質に印加される間の複数の時点に作用電極において測定され得る。複数の電圧レベルの測定は、例えば、図１３および図１５に関して上に説明されるように実施され得る。
【０１１８】
[0142]ブロック１６６０において、作用電極における電圧レベルの減衰の時間は、複数の時点に測定された作用電極における複数の電圧レベルに基づいて決定され得る。例えば、図１３および図１５に関して上に説明されるように、例えば、７５％減衰時間、５０％減衰時間、または３７％（すなわち、１／ｅ）減衰時間は、作用電極において測定された複数の電圧レベルに基づいて決定され得る。説明されるように、大きい二重層コンデンサでは、保持ベースラインが、ゲインおよび減衰時間を決定するための正または負のベースラインとして使用され得る。
【０１１９】
[0143]ブロック１６７０において、二重層コンデンサの静電容量は、作用電極における電圧レベルの減衰の時間に基づいて決定され得る。例えば、二重層コンデンサの静電容量は、減衰時間定数が二重層コンデンサおよびナノポアの抵抗に比例するため、３７％減衰時間（すなわち、減衰時間定数）に基づいて決定され得る。二重層コンデンサの静電容量はまた、図１４に示されるように、二重層静電容量と電圧レベルの減衰の時間（例えば、７５％減衰時間、５０％減衰時間、または３７％減衰時間）との相関に基づいて決定され得る。
【０１２０】
[0144]図１６は、データ処理を連続プロセスとして説明しているが、動作の多くは、並行して、または同時に実施され得ることに留意されたい。加えて、動作の順序は並べ替えられてもよい。動作は、図に含まれない追加のステップを有してもよい。いくつかの動作は、任意選択的であり得、それゆえに、様々な実施形態においては省略され得る。１つのブロックにおいて説明されるいくつかの動作は、別のブロックにおける動作と一緒に実施されてもよい。例えば、いくつかの動作は、並行して実施されてもよい。さらには、本方法の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはそれらの任意の組合せで実装され得る。
【０１２１】
Ｂ．電荷タイトレーション静電容量測定（ＣＴＣＭ）
[0145]上に説明されるように、ＳＲＣＭ技術は、ナノポアの形成の後に二重層静電容量を測定するために使用され得る。しかしながら、ＳＲＣＭ技術は、二重層およびナノポアの形成前など、配列決定プロセスの早期段階で二重層静電容量を測定することができない。本開示の特定の態様によると、電荷タイトレーション静電容量測定技術が、配列決定プロセスの早期段階において、例えば、電解質（緩衝液）が作用電極に接触するためにセルに印加された後の任意の時間に、個々のセルの二重層静電容量を測定するために使用され得る。
【０１２２】
[0146]１つの例において、液体（例えば、緩衝液または電解質）がセルのウェルに追加され、ウェルの底にある作用電極の１つの表面と接触状態になった後、ある電圧レベルが、例えば、対電極を介して緩衝液に印加され得る。別の電圧レベルが、電気回路を介して作用電極の他の表面に印加され得る。ゆえに、初期電圧（電位差）が、二重層コンデンサに初期電荷を格納するために二重層コンデンサに印加され得る。初期電荷が二重層コンデンサに格納された後、スイッチングコンデンサ回路は、既知の静電容量値および初期電圧レベルを有するスイッチングコンデンサ（例えば、積分コンデンサ）を使用して、各充電または放電サイクルにおいて二重層コンデンサを繰り返し充電または放電し得る。充電または放電は、スイッチングコンデンサ（Ｃｉｎｔ）を既知の電圧レベルを有する信号源および作用電極に交互に接続することによって達成され得る。スイッチングコンデンサが、既知の電圧レベルを有する信号源に接続されるとき、スイッチングコンデンサは、既知の数の電荷を格納するために充電または放電され得る。スイッチングコンデンサが作用電極に接続されるとき、電荷は、作用電極に接続されるスイッチングコンデンサの端子における電位および作用電極における電位が同じであるように、スイッチングコンデンサと二重層コンデンサとの間で再分配され得る。それゆえ、後に作用電極に接続されるスイッチングコンデンサの端子における初期電圧レベルが作用電極における初期電圧レベルよりも高い場合、接続後、スイッチングコンデンサは、二重層コンデンサを充電し得る。そうでない場合、スイッチングコンデンサは、二重層コンデンサを放電し得る。
【０１２３】
[0147]簡略化した例では、二重層コンデンサＣｄｂｌは、ｃｄｂｌの静電容量および二重層コンデンサＣｄｂｌにわたる初期電圧Ｖ１を有し得、スイッチングコンデンサＣｉｎｔは、ｃｉｎｔの静電容量およびスイッチングコンデンサＣｉｎｔにわたる初期電圧Ｖ２を有し得る。２つのコンデンサが並列に接続されるとき、２つのコンデンサにわたる電圧は、
【数１】
2020535398.tif 000002
になり得る。したがって、それぞれの電荷再分配後の電圧変化は
【数２】
2020535398.tif 000003
である。ｃｉｎｔがｃｄｂｌよりもはるかに小さい場合、電圧変化ΔＶは、
【数３】
2020535398.tif 000004
と書かれ得る。それゆえ、電圧変化率は、
【数４】
2020535398.tif 000005
に比例する。例えば、Ｖ２がゼロである（すなわち、スイッチングコンデンサＣｉｎｔが、それぞれの電荷再分配後に接地される）場合、二重層コンデンサは、スイッチングコンデンサＣｉｎｔによって放電されることになり、放電毎のスイッチングコンデンサＣｉｎｔにおける電圧変化は、
【数５】
2020535398.tif 000006
である。Ｖ２がＶ１よりも大きい場合、二重層コンデンサは、スイッチングコンデンサＣｉｎｔによって充電されている。既知の静電容量および初期電圧レベルを有するスイッチングコンデンサを使用して二重層コンデンサを繰り返し充電または放電し、特定の回数の充電または放電サイクル後の二重層静電容量における電圧変化を測定することにより、ｃｉｎｔとｃｄｂｌとの比率が決定され得る。
【０１２４】
[0148]充電／放電サイクルが、ある特定の割合（例えば、１秒あたり１０００サイクル）で実施される場合、Ｃｄｂｌが充電または放電される割合は、ｃｉｎｔおよび充電／放電サイクルの周波数ｆに比例し得る。例えば、Ｃｉｎｔが、各電荷再分配後に接地される場合、Ｃｉｎｔは、１／（ｆｃｉｎｔ）から接地までのインピーダンスを有する抵抗素子として働き得る。それゆえ、二重層コンデンサにわたる電圧の減衰は、時間定数τ〜ｃｄｂｌ／／（ｆｃｉｎｔ）を有し得る。
【０１２５】
１．電荷タイトレーションのための回路
[0149]図１７Ａは、特定の実施形態に従う、例となる電荷タイトレーション静電容量測定中のセル内の回路１７００の例となる構成を例証する。回路１７００は、二重層およびナノポアが形成される前のセルの簡略化された電気モデルであり得る。回路１７００は、二重層コンデンサＣｄｂｌ１７０２、スイッチング（積分）コンデンサＣｉｎｔ１７０４、ＡＤＣ１８０６、ならびにスイッチ１７０８、１７１０、および１７１２を含み得る。図１７Ａは、電圧レベルＶｌｉｑが作用電極と接触している液体（緩衝液または電解質）に印加された後の回路１７００の構成を示し、スイッチ１７０８、１７１０、および１７１２は開いている。上に説明されるように、電圧レベルＶｌｉｑは、対電極を介して液体に印加され得る。作用電極における電圧レベルＶＷＥは、Ｖｌｉｑに等しくてもよい。スイッチングコンデンサＣｉｎｔにわたる電圧Ｖｎｃａｐは、任意のレベルにあってもよく、例えば、事前充電レベルＶｐｒｅに等しくてもよい。
【０１２６】
[0150]図１７Ｂは、特定の実施形態に従う、電荷タイトレーション静電容量測定中に積分コンデンサを充電するための回路１７００の例となる構成を例証する。図１７Ｂでは、スイッチ１７１０は閉じられ、それゆえ、スイッチングコンデンサＣｉｎｔにわたる電圧Ｖｎｃａｐは、事前充電レベルＶｐｒｅに等しいレベルに充電され得る。電圧レベルＶｌｉｑは、依然として、液体に印加され得、ゆえに、作用電極における電圧レベルＶＷＥは、依然として、Ｖｌｉｑに等しくてもよい。
【０１２７】
[0151]図１７Ｃは、特定の実施形態に従う、電荷タイトレーション静電容量測定中に積分コンデンサを放電するための回路１７００の例となる構成を例証する。図１７Ｃでは、スイッチ１７１０は開かれ、スイッチ１７０８は閉じられる。それゆえ、スイッチングコンデンサＣｉｎｔにわたる電圧レベルＶｎｃａｐは、作用電極における電圧レベルＶＷＥに等しく、これは、スイッチ１７０８が閉じられる前の異なる電圧レベルＶｎｃａｐおよびＶＷＥによって引き起こされる電荷再分配に起因して、Ｖｌｉｑ＋ΔＶに等しくてもよい。ΔＶの値は、スイッチングコンデンサＣｉｎｔ１７０４および二重層コンデンサＣｄｂｌ１７０２の静電容量値の比率に比例し得る。
【０１２８】
[0152]図１７Ｃに示される電荷再分配の後、別の充電サイクルが開始し得る。スイッチ１７０８は、開かれ得、スイッチ１７１０は、スイッチングコンデンサＣｉｎｔ１７０４を再充電するために図１７Ｂに示されるように閉じられ得る。スイッチングコンデンサＣｉｎｔ１７０４がＶｐｒｅに再充電された後、スイッチ１７１０は、開かれ得、スイッチ１７０８は、再充電スイッチングコンデンサＣｉｎｔ１７０４が二重層コンデンサＣｄｂｌ１７０２を再び充電し得るように、図１７Ｃに示されるように閉じられ得る。
【０１２９】
[0153]上で説明した充電サイクルは、二重層コンデンサＣｄｂｌ１７０２を徐々に充電または放電するために、例えば、数十回、数百回、または数千回繰り返され得る。Ｖｎｃａｐ（ゆえにＶＷＥ）は、特定の数のサイクル後に、または、スイッチ１７０８および１７１０を開き、スイッチングコンデンサＣｉｎｔ１７０４をＡＤＣ１７０６に接続するためにスイッチ１７１２を閉じることによる、繰り返された充電サイクル中の所与の時間に、定期的に測定され得る。
【０１３０】
２．シミュレーション結果
[0154]図１８は、特定の実施形態に従う、二重層コンデンサＣｄｂｌの静電容量とスイッチングコンデンサＣｉｎｔの静電容量との異なる静電容量比率についての電荷タイトレーション静電容量測定の例となるシミュレーション結果を例証する。二重層コンデンサＣｄｂｌにおける電圧レベルは、各充電サイクル後に徐々に増大され得る。充電のための時間定数は、二重層コンデンサＣｄｂｌの静電容量とスイッチングコンデンサＣｉｎｔの静電容量との比率に比例し得、充電サイクルの割合に反比例し得る。二重層コンデンサＣｄｂｌの静電容量とスイッチングコンデンサＣｉｎｔの静電容量との比率が大きいとき、電荷再分配後のスイッチングコンデンサＣｉｎｔにおける測定された電圧は、実施された充電サイクルの数の線形関数に近くなり得る。Ｃｉｎｔにおける電圧レベルの測定曲線は、図１８に示されるシミュレーション曲線に一致され得、一致したシミュレーション曲線についての二重層コンデンサＣｄｂｌの静電容量とスイッチングコンデンサＣｉｎｔの静電容量との対応する比率は、測定されるべき二重層静電容量と測定に使用されるスイッチングコンデンサＣｉｎの静電容量との比率であり得る。１つの例として、測定曲線が曲線１８１０に一致し、測定に使用されるスイッチングコンデンサＣｉｎｔの静電容量が約６７ｆＦである場合、二重層コンデンサＣｄｂｌの静電容量は、約１５０ｐＦであると決定され得る。同様に、測定曲線が曲線１８２０に一致し、測定に使用されるスイッチングコンデンサＣｉｎｔの静電容量が約２６ｆＦである場合、二重層コンデンサＣｄｂｌの静電容量は、約１５０ｐＦであると決定され得る。
【０１３１】
３．フローチャート
[0155]図１９は、本開示の特定の態様に従う、電荷タイトレーション静電容量測定の例となる方法を例証するフローチャート１９００である。本方法は、配列決定プロセスの早期段階で、例えば、電解質がセルに追加された後であるが、セル内の二重層および／またはナノポアの形成の前に、実施され得る。例となる方法では、電解質とセルの作用電極との間に形成される二重層コンデンサの静電容量は、各充電サイクルの始まりに既知の電圧レベルに充電される小さいスイッチングコンデンサにより二重層コンデンサを充電または放電するために繰り返しの充電サイクルを実施することによって測定され得る。二重層コンデンサの静電容量とスイッチングコンデンサの静電容量との比率は、いくつかの充電サイクル後に二重層コンデンサにおける電圧変化に基づいて決定され得る。
【０１３２】
[0156]ブロック１９１０において、電解質がセルに追加され得る。電解質は、電解質がウェル内に配置されるセルの作用電極と接触するように、セルのウェルに入り得る。上に説明されるように、電解質は、例えば、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、グルタミン酸リチウム、グルタミン酸ナトリウム、グルタミン酸カリウム、酢酸リチウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ２）、塩化マンガン（ＭｎＣｌ２）、および塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）のうちの１つまたは複数を含み得る。
【０１３３】
[0157]ブロック１９２０において、第１の電圧レベルが電解質に印加され得る。上に説明されるように、電圧が電解質と作用電極との間に印加されるとき、二重層コンデンサが、電気二重層効果に起因して電解質と作用電極との間の界面に形成され得る。第１の電圧レベルを電解質に印加することが、作用電極を第１の電圧レベルに事前充電させ得る。
【０１３４】
[0158]ブロック１９３０において、いくつかの充電サイクルが実施され得る。各充電サイクルは、スイッチングコンデンサを既知の初期電圧レベル（例えば、第２の電圧レベル）に設定すること、および第２の電圧レベルに事前充電されたスイッチングコンデンサにより二重層コンデンサを充電または放電することを含み得る。
【０１３５】
[0159]より詳細には、ブロック１９３２において、スイッチングコンデンサは、第１の電圧レベルとは異なる第２の電圧レベルにある電圧源に接続され、ウィッチングコンデンサを第２の電圧レベルに事前充電し得る。例えば、スイッチングコンデンサは、スイッチ１７１０を使用して電圧源Ｖｐｒｅに接続され得る。上に説明されるように、第２の電圧レベルは、第１の電圧レベルよりも低くてもよく、または高くてもよい。例えば、いくつかの実施態様では、第２の電圧レベルは、スイッチングコンデンサが完全に放電され得るように、ゼロであってもよい。いくつかの実施態様では、第２の電圧レベルは、第１の電圧レベルより高くてもよい。
【０１３６】
[0160]ブロック１９３４において、スイッチングコンデンサが第２の電圧レベルに設定された後、スイッチングコンデンサは、例えば、スイッチ１７１０を切断することによって、電圧源から切断され得る。
【０１３７】
[0161]ブロック１９３６において、スイッチングコンデンサは、作用電極（例えば、スイッチ１７０８を介して）に接続され得、それにより、例えば、図１７Ｃに関して上に説明されるように、スイッチングコンデンサおよび二重層コンデンサに格納された電荷の再分配を引き起こす。例えば、第２の電圧が第１の電圧レベルよりも高い場合、電荷は、二重層コンデンサを充電するために、スイッチングコンデンサから二重層コンデンサへ転送され得、作用電極での電圧レベルは、第１の電圧レベルよりも高くてもよい。第２の電圧レベルが第１の電圧レベルよりも低い場合、電荷は、二重層コンデンサを放電するために、二重層コンデンサからスイッチングコンデンサへ転送され得、作用電極での電圧レベルは、第１の電圧レベルよりも低くてもよい。
【０１３８】
[0162]ブロック１９３８において、電荷再分配後、スイッチングコンデンサは、例えば、スイッチ１７０８を開くことによって、作用電極から切断され得る。
【０１３９】
[0163]スイッチングコンデンサが二重層コンデンサよりもはるかに小さい場合、作用電極での電圧レベルは、各充電サイクル後にほとんど変化しなくてもよい。数十、数百、または数千のサイクルなど、いくつかの充電サイクルが、作用電極（およびスイッチングコンデンサ）での電圧レベルがサンプリングされ測定される前に実施され得る。大きいスイッチングコンデンサが使用される場合、作用電極（およびスイッチングコンデンサ）での電圧レベルは、１つまたは複数の充電サイクルの後にサンプリングされ測定され得る。
【０１４０】
[0164]ブロック１９４０において、スイッチングコンデンサは、スイッチングコンデンサにおける第３の電圧レベルを測定するために測定回路に接続され得る。例えば、スイッチングコンデンサは、図１７Ａ〜図１７Ｃに示されるスイッチ１７１２を介してＡＤＣに接続され得る。スイッチングコンデンサ（および作用電極）における第３の電圧レベルは、スイッチングコンデンサが作用電極に接続された後であるが、スイッチングコンデンサが次の充電サイクルにおいて第２の電圧レベルにある電圧源に接続される前に、測定され得る。例えば、スイッチングコンデンサにおける第３の電圧レベルは、ブロック１７３８の後に測定され得る。
【０１４１】
[0165]ブロック１９５０において、二重層コンデンサの静電容量は、スイッチングコンデンサの静電容量、第３の電圧レベルの測定前に実施された充電サイクルの数、および第１の電圧レベルと第３の電圧レベルとの差分に基づいて決定され得る。上に説明されるように、第１の電圧レベルと第３の電圧レベルとの差分は、第３の電圧レベルの測定の前に実施された充電サイクルの数、および二重層コンデンサの静電容量とスイッチングコンデンサの静電容量との比率の関数であり得る。それゆえ、二重層コンデンサの静電容量とスイッチングコンデンサの静電容量との比率は、第３の電圧レベルの測定前に実施された充電サイクルの数、および第１の電圧レベルと第３の電圧レベルとの差分に基づいて決定され得る。例えば、図１８の線１８３０によって示されるように、２００回の充電サイクル後、二重層コンデンサの静電容量とスイッチングコンデンサの静電容量との比率は、スイッチングコンデンサ（および作用電極）における測定された電圧変化（または電圧変化の比率）に基づいて決定され得る。例えば、測定された電圧変化（または電圧変化の比率）がポイント１８４０によって示される値にある場合、二重層コンデンサの静電容量とスイッチングコンデンサの静電容量との比率は、１０００であると決定され得る。次いで、二重層コンデンサの実際の静電容量が、より精密に設計および製造され得るスイッチングコンデンサの既知の静電容量値に基づいて決定され得る。
【０１４２】
[0166]いくつかの実施態様では、ブロック１９３０および１９４０における動作は、二重層コンデンサの静電容量とスイッチングコンデンサの静電容量との比率、ゆえに二重層コンデンサの静電容量をより正確に決定するために、複数反復にわたって繰り返し実施され得る。各反復が静電容量の測定を提供する。例えば、図１８に示されるシミュレーション曲線上の１つのデータポイントを使用するのではなく（ノイズの影響を受けやすい場合がある）、いくつかの測定および静電容量比率決定が実施され得、平均比率が、決定された静電容量比率として使用され得る。いくつかの実施形態では、上に説明されるように、測定された電圧変化曲線は、静電容量比率を決定するために、シミュレーション電圧変化曲線に最良に一致され得る。
【０１４３】
[0167]図１９はデータ処理を連続プロセスとして説明しているが、動作の多くは、並行または同時に実施され得ることに留意されたい。加えて、動作の順序は並べ替えられてもよい。動作は、図に含まれない追加のステップを有してもよい。いくつかの動作は、任意選択的であり得、それゆえに、様々な実施形態においては省略され得る。１つのブロックにおいて説明されるいくつかの動作は、別のブロックにおける動作と一緒に実施されてもよい。例えば、いくつかの動作は、並行して実施されてもよい。さらには、本方法の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはそれらの任意の組合せで実装され得る。
【０１４４】
ＶＩ．コンピュータシステム
[0168]本明細書で説明したコンピュータシステムの任意のものは、任意の適切な数のサブシステムを利用し得る。そのようなサブシステムの例は、図１６のコンピュータシステム１０内で示した。いくつかの実施形態では、コンピュータシステムは、単一のコンピュータ装置を含み、ここでサブシステムは、コンピュータ装置の構成要素であり得る。他の実施形態では、コンピュータシステムは、各々がサブシステムであり、内部に構成要素を有する、複数のコンピュータ装置を含み得る。コンピュータシステムは、デスクトップおよびラップトップコンピュータ、タブレット、携帯電話、ならびに他の携帯機器を含み得る。
【０１４５】
[0169]図２０で示したサブシステムは、システムバス７５を介して相互接続されている。プリンタ７４、キーボード７８、記憶デバイス７９、ディスプレイアダプタ８２に結合されているモニタ７６、およびその他などの付加的なサブシステムを示す。Ｉ／Ｏ制御装置７１に結合された外付けおよび入出力（Ｉ／Ｏ）デバイスは、入出力（Ｉ／Ｏ）ポート７７（例えば、ＵＳＢ、Ｆｉｒｅ  Ｗｉｒｅ（登録商標））などの当技術分野で知られている任意の数の手段によって、コンピュータシステムに接続され得る。例えば、Ｉ／Ｏポート７７または外部インタフェース８１（例えば、イーサネット、Ｗｉ−Ｆｉ、など）は、コンピュータシステム１０をインターネットなどの広域ネットワーク、マウス入力装置、またはスキャナに接続するために用いられ得る。システムバス７５を介した相互接続により、サブシステム間での情報交換を可能にするだけでなく、セントラルプロセッサ７３が、各サブシステムと通信すること、システムメモリ７２または記憶デバイス７９（例えば、ハードドライブまたは光ディスクなどの固定ディスク）からの複数の命令実行を制御することを可能にする。システムメモリ７２および／または記憶デバイス７９は、コンピュータ可読媒体を含み得る。別のサブシステムは、カメラ、マイクロフォン、加速度計、その他などのデータ収集デバイス８５である。本明細書で説明したデータの任意のものは、ある構成要素から別の構成要素へ出力され得て、ユーザに出力され得る。
【０１４６】
[0170]コンピュータシステムは、例えば、外部インタフェース８１によって、内部インタフェースによって、または１つの構成要素から別の構成要素へ接続され得るおよび取り外され得るリムーバル記憶デバイスを介して、共に接続される、複数の同一の構成要素またはサブシステムを含み得る。いくつかの実施形態では、コンピュータシステム、サブシステム、または装置は、ネットワークを通して通信し得る。そのような事例では、あるコンピュータは、クライアント、別のコンピュータは、サーバと考えることができ、ここで各々は、同一のコンピュータシステムの一部であり得る。クライアントおよびサーバは、各々複数のシステム、サブシステム、または構成要素を含み得る。
【０１４７】
[0171]実施形態の態様は、ハードウェア（例えば、特定用途向け集積回路またはフィールドプログラマブルゲートアレイ）を用いて、および／またはモジュラーまたは統合された様式の一般にプログラム可能なプロセッサを伴う、コンピュータソフトウェアを用いて、制御ロジックの形態で実施され得る。本明細書で使用されるとき、プロセッサは、同一の集積チップ上のシングルコアプロセッサ、マルチコアプロセッサ、または単一の回路基板上のマルチプロセシングユニット、あるいはネットワーク接続されたプロセッサを含む。本開示および本明細書で提供された教示に基づいて、ハードウェアならびにハードウェアおよびソフトウェアの組合せを用いて、本発明の実施形態を実施するための他の方法および／または方法が、当業者には、知られ、かつ理解されよう。
【０１４８】
[0172]本出願で説明されるソフトウェアの構成要素または機能の任意のものは、例えばＪａｖａ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ−Ｃ、Ｓｗｉｆｔなどの任意の好適なコンピュータ言語、または例えば、従来のまたはオブジェクト指向の技術を用いたＰｅｒｌもしくはＰｙｔｈｏｎなどのスクリプト言語を用いてプロセッサによって実行されるソフトウェアコードとして実装され得る。ソフトウェアコードは、一連の命令または指令として、保存および／または伝送用の、コンピュータ可読媒体上に格納され得る。好適な非一時的コンピュータ可読媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ハードドライブ、フロッピーディスクなどの磁気媒体、コンパクトディスク（ＣＤ）もしくはＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）などの光学的媒体、またはフラッシュメモリ、などを含み得る。コンピュータ可読媒体は、そのような記憶または伝送デバイスの任意の組合せであり得る。
【０１４９】
[0173]そのようなプログラムは、さらにエンコードされ、インターネットを含む、多様なプロトコルに従う有線、光学、および／または無線ネットワークを介した伝送に適応された、搬送波信号を用いて伝送され得る。そのように、コンピュータ可読媒体は、そのようなプログラムを用いてエンコードされたデータ信号を使用して作成され得る。プログラムコードを用いてエンコードされたコンピュータ可読媒体は、互換性のあるデバイスを用いて包装され得て、または別個に他のデバイスから供給され得る（例えば、インターネットでのダウンロード）。任意のそのようなコンピュータ可読媒体は、個々のコンピュータ製品（例えば、ハードドライブ、ＣＤ、または完全なコンピュータシステム）上にまたは内部に備えられ得て、また、システムまたはネットワーク内部の異なるコンピュータ製品上にまたは内部に存在し得る。コンピュータシステムは、本明細書で説明した成果の任意のものをユーザに提供するための、モニタ、プリンタ、または他の好適なディスプレイを含み得る。
【０１５０】
[0174]本明細書で説明した方法の任意のものは、ステップを実行するように構成され得る１つまたは複数のプロセッサを含むコンピュータシステムを用いて、全体的にまたは部分的に実行され得る。したがって、各ステップまたはステップの各グループを実行する異なる構成要素を潜在的に有する、本明細書で説明した方法の任意のもののステップを、実行するように構成されたコンピュータシステムに、実施形態は、向けられ得る。番号を付されたステップが提示されたが、本明細書の方法のステップは、同時にまたは異なる順序で実行され得る。さらに、これらのステップの部分は、他の方法からの他のステップの部分と共に用いられ得る。また、ステップの全てまたは部分は、任意選択的であり得る。さらに、任意の方法の任意のステップは、モジュール、ユニット、回路、またはこれらのステップを実行するための他の手段を用いて、実行され得る。
【０１５１】
[0175]個々の実施形態の個別の詳細が、本発明の実施形態の技術概念および範囲から逸脱することのなく、任意の好適な方法で組み合わされ得る。しかし、本発明の他の実施形態は、各々の個別の態様に関する特定の実施形態に、またはこれらの個別の態様の特定の組合せに、向けられ得る。
【０１５２】
[0176]列挙の「ａ」、「ａｎ」、または「ｔｈｅ」は、具体的にそうでないことに示さない限り、「１つまたは複数」を意味することを意図する。「ｏｒ」のを使用法は、具体的にそうでないことに示さない限り、「排他的論理和」でなく、「包含的論理和」を意味することを意図する。「第１の」構成要素への言及は、第２の構成要素がもたらされることを必ずしも必要としない。さらに「第１の」または「第２の」構成要素への言及は、明確に規定されない限り、言及された構成要素を特定の位置に限定しない。用語「に基づく」は、「に少なくとも部分的に基づく」を意味することが意図される。
【０１５３】
[0177]本明細書に記されるすべての特許、特許出願、刊行物、および説明は、あらゆる目的のためにそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。先行技術であると認められるものはない。
【図１】
2020535398.tif 000007
【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８】
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【図９】
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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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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