BR112016011084A2 - Dispositivo integrado para analisar uma pluralidade de amostras em paralelo, métodosde análise desta pluralidade de amostras, para a fabricação de uma cavidade de amostra e estrutura ótica alinhada à referida cavidade, de sequenciamento de uma molécula de ácido nucleico e de formação de uma fonte de excitação de escala nano alinhada, e instrumento portátil - Google Patents

Dispositivo integrado para analisar uma pluralidade de amostras em paralelo, métodosde análise desta pluralidade de amostras, para a fabricação de uma cavidade de amostra e estrutura ótica alinhada à referida cavidade, de sequenciamento de uma molécula de ácido nucleico e de formação de uma fonte de excitação de escala nano alinhada, e instrumento portátil Download PDF

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Ali Kabiri
Jason W. Sickler
Brett J. Gyarfas
Jeremy Lackey
Gerard Schmid
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Abstract

DISPOSITIVO INTEGRADO, DE PIXEL DE FONTE ATIVO PARA RÁPIDA ANÁLISE DE ESPÉCIMENS BIOLÓGICOS E QUÍMICOS. É descrito um dispositivo integrado de píxel de fonte ativo capaz de realizar a detecção e/ou análise de biomolécula, tal como sequenciamento de ácido nucleico de única molécula. Um píxel ativo do dispositivo integrado inclui a cavidade amostra na qual uma amostra a ser analisada pode difundir-se, uma fonte de excitação para fornecer energia de excitação para a cavidade amostra, e um sensor configurado para detectar a emissão da amostra. O sensor pode compreender dois ou mais segmentos que produzem um conjunto de sinais que são analisados para diferenciar entre e identificar rótulos que são ligados a, ou associados com, a amostra. A diferenciação de rótulo pode ser com base espectral e/ou temporal. A identificação dos rótulos pode ser usada para detectar, analisar, e/ou sequenciar a biomolécula.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPO-
SITIVO INTEGRADO PARA ANALISAR UMA PLURALIDADE DE AMOSTRAS EM PARALELO, MÉTODOS DE ANÁLISE DESTA PLURALIDADE DE AMOSTRAS, PARA A FABRICAÇÃO DE UMA CAVIDADE DE AMOSTRA E ESTRUTURA ÓTICA ALINHADA À REFERIDA CAVIDADE, DE SEQUENCIAMENTO DE UMA MOLÉ- CULA DE ÁCIDO NUCLEICO E DE FORMAÇÃO DE UMA FONTE DE EXCITAÇÃO DE ESCALA NANO ALINHADA, E INSTRUMENTO PORTÁTIL". PEDIDOS RELACIONADOS
[001] Este pedido reivindica prioridade para o pedido provisional dos Estados Unidos No. 61/905282 intitulado "Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules" depositado em 17 de no- vembro de 2013. Este pedido também reivindica prioridade para o pe- dido provisional dos Estados Unidos No. 61/917926 intitulado "Integra- ted Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules" depositado em 18 de dezembro de 2013. Este pedido também reivindica priorida- de para o pedido provisional dos Estados Unidos No. 61/941916 intitu- lado "Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecu- les" depositado em 19 de fevereiro de 2014. As descrições inteiras dos pedidos anteriores são incorporadas aqui por referência.
CAMPO
[002] O presente pedido é direcionado a dispositivos e métodos para análises de espécimes biológicas e químicas e reações envol- vendo amostras biológicas e químicas.
ANTECEDENTE
[003] Análises de espécimens biológicos e químicos podem ser realizadas convencionalmente usando equipamento de laboratório grande, caro, requerendo cientistas experientes treinados para operar o equipamento e interpretar os resultados. Os espécimens podem ser Segue-se folha 1a/204
1a/204 analisados para determinar a presença de um ou mais analisados den- tro do espécimen, por exemplo, um patógeno ou vírus, um produto químico particular, e antígeno ou anticorpo, etc, para propósitos médi- cos.
Em alguns casos, bioensaios são realizados por rotulagem de uma amostra com um rótulo fluorescente que emite luz de um compri- mento de onda particular.
O rótulo pode ser iluminado com uma fonte
Segue-se folha 2/204 de luz de excitação para causar fluorescência. A fluorescência é detec- tada com um fotodetector, e o sinal analisado para determinar uma propriedade sobre a amostra. Bioensaios usando rótulos fluorescentes convencionalmente envolvem fontes de luz de laser caras e óticas dis- postas para iluminar amostras. Os ensaios podem também envolver óticas de coleção caras, volumosas dispostas para coletar a fluores- cência das amostras, bem como instrumentação eletrônica cara para processar os sinais.
[004] Por que equipamento analítico convencional é tipicamente caro e requer um operador versado, espécimens a ser analisadas po- dem necessitar ser enviados para uma facilidade no sítio ou fora do sítio para processamento. Isto pode introduzir retardo apreciável e cus- to associado com ainda análise de rotina de um espécime. Por exem- plo, um paciente pode ter que esperar diversos dias e agendar uma visita de retorno ao consultório médico para aprender sobre os resul- tados de um teste de laboratório sobre um espécime fornecido pelo paciente.
SUMÁRIO
[005] A tecnologia descrita aqui se refere a aparato e métodos para analisar espécimens rapidamente usando um pixel-fonte-ativo, dispositivo integrado que pode ser interfaceado com um instrumento de computação móvel. O dispositivo integrado pode ser na forma de um módulo embalado ou um lab-on-chip descartável ou reciclável que é configurado para receber uma pequena quantidade de um espécime e executar, em paralelo, um grande número de análises de amostras dentro do espécimen. O dispositivo integrado pode ser usada para de- tectar a presença de analisados biológicos ou químicos particulares em algumas modalidades, para avaliar uma reação química ou biológi- ca em algumas modalidades, e para determinar sequências genéticas em algumas modalidades. De acordo com algumas implementações, o dispositivo integrado pode ser usada para sequenciamento de gene de única molécula.
[006] De acordo com algumas implementações, um usuário de- posita um espécimen em uma câmara sobre o dispositivo integrado, e insere o dispositivo integrado em um instrumento receptor. O instru- mento receptor, sozinho ou em comunicação com um computador, au- tomaticamente interfaces com o dispositivo integrado, recebe dados do dispositivo integrado, processa os dados recebidos, e fornece resulta- dos da análise para o usuário. Como pode ser apreciado, integração e inteligência de computação no chip, instrumento receptor, e ou compu- tador reduzem o nível de experiência requerida do usuário.
[007] Modalidades incluem métodos para sequenciamento de moléculas de ácido nucleico. De acordo com algumas modalidades, um primeiro método de sequenciamento de uma molécula de ácido nucleico pode compreender fornecer energia de excitação a uma amostra bem formada em um primeiro pixel sobre um substrato, e re- ceber, em um sensor formado no primeiro pixel, uma primeira emissão da cavidade de amostra, em que a primeira emissão está associada com um tipo de subunidade de ácido nucleico entre diferentes tipos de subunidades de ácido nucleico. O método pode também incluir produ- zir, pelo sensor, um primeiro sinal e um segundo sinal representativos da primeira emissão recebida, analisar o primeiro sinal e o segundo sinal, e identificar o tipo da subunidade de ácido nucleico com base na análise do primeiro sinal e do segundo sinal.
[008] Em alguns aspectos do primeiro método, o fornecimento de energia de excitação pode compreender ativar uma fonte de excitação formada no primeiro pixel. Em algumas implementações, a fonte de excitação pode compreender um diodo emissor de luz orgânica. Em algumas implementações, a fonte de excitação pode compreender uma fonte de excitação microescala ou nanoescala que é auto-
alinhada à cavidade amostra. Em alguns aspectos, uma fonte de exci- tação de escala nano pode compreender um diodo emissor de luz, um diodo a laser, ou um laser de emissão em superfície de cavidade verti- cal. O diodo emissor de luz, diodo de laser, ou laser emissor de super- fície de cavidade vertical pode ser um diodo de laser desenvolvido ver- ticalmente, de microescala ou nanoescala que é formado por cresci- mento epitaxial e alinhado à cavidade amostra. Uma dimensão trans- versa da fonte de excitação pode ser menor do que 500 nm Em algu- mas implementações, e menor do que 200 nm Em algumas implemen- tações. Em alguns aspectos, a fonte de excitação de escala nano compreende um diodo semicondutor. Em algumas implementações, a fonte de excitação, cavidade amostra, e o sensor estão localizados dentro de um primeiro pixel de uma pluralidade de pixels formados so- bre o substrato, e cada um da pluralidade de pixels compreende uma respectiva fonte de excitação, cavidade amostra, e o sensor
[009] De acordo com algumas implementações do primeiro mé- todo, a cavidade amostra compreende um guia de ondas de modo ze- ro ou nanoabertura de sub-corte. Em alguns aspectos, a primeira emissão determina um nível de sinal não zero tanto do primeiro sinal quanto do segundo sinal. Em algumas implementações, o sensor compreende pelo menos dois segmentos fotodetectores espacialmen- te separados, e o primeiro sinal e o segundo sinal são representativos de um padrão de distribuição espacial para uma primeira faixa espec- tral da primeira emissão.
[0010] De acordo com alguns aspectos, o primeiro método pode também compreender adquirir o primeiro sinal em um primeiro mo- mento e o segundo sinal em um segundo momento. O primeiro sinal e segundo sinal pode ser adquirido durante um mesmo período de acú- mulo de carga no sensor para a primeira emissão. Durante este perío- do de acúmulo de carga e entre a aquisição do primeiro sinal e segun-
do sinal, uma voltagem ou voltagens em um nodo ou nodos de acúmu- lo de carga do sensor podem não ser reinicializadas. Em algumas im- plementações, a análise compreende avaliar uma relação de níveis de sinal para o primeiro sinal e o segundo sinal.
[0011] As características e atos anteriores associados com aspec- tos e implementações do primeiro método podem ser incluídos em qualquer combinação adequada em uma ou mais modalidades de um método de sequenciamento de uma molécula de ácido nucleico.
[0012] De acordo com algumas modalidades, um segundo método para sequenciamento de uma molécula alvo de ácido nucleico pode compreender fornecimento de um dispositivo integrado que inclui (i) uma cavidade amostra contendo a referida molécula de ácido nucleico alvo, uma enzima de polimerização e uma pluralidade de tipos de nu- cleotídeos ou análogos de nucleotídeo, e (ii) pelo menos uma fonte de excitação que direciona energia de excitação para a referida cavidade amostra, e realização de uma reação de extensão em uma localização de imprimadura da referida molécula de ácido nucleico alvo na pre- sença da referida enzima de polimerização para sequencialmente in- corporar os referidos nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo em um filamento em crescimento que é complementar à referida molécula de ácido nucleico alvo, em que na incorporação e excitação por energia de excitação da referida fonte de excitação, os referidos nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo produzem emissões a partir da referida cavidade amostra. O segundo método pode também incluir detecção das referidas emissões em um sensor que é configurado para receber s referidas emissões a partir da referida cavidade amostra, recebi- mento de conjuntos de sinal do sensor para cada emissão detectada, em que os conjuntos de sinal são representativos de distribuições es- paciais e/ou temporais das referidas emissões detectadas e distingue tipos de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo, e identificação dos tipos de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo com base nos refe- ridos conjuntos de sinais recebidos, desse modo sequenciando a refe- rida molécula de ácido nucleico alvo.
[0013] Em alguns aspectos do segundo método os referidos nu- cleotídeos ou análogos de nucleotídeos incluem rótulos que produzem as referidas emissões em incorporação no referido filamento em cres- cimento. Os referidos rótulos podem ser rótulos luminescentes. Em algumas implementações, os referidos nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo são identificados subsequentes à detecção dos referidos grupos de sinais. Em alguns aspectos, a referida pluralidade de tipos de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo podem incluir quatro dife- rentes tipos de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo, e os referi- dos conjuntos de sinal estão associados com os referidos quatro dife- rentes tipos de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo e são distin- guíveis uns dos outros. Os referidos padrões de distribuição espacial podem ser distinguíveis, com base em comprimentos de onda das re- feridas emissões.
[0014] Em algumas implementações do segundo método a referi- da localização de imprimadura inclui um iniciador que é complementar à referida molécula de ácido nucleico alvo. Em alguns aspectos, reali- zação de uma reação de extensão compreende a realização de uma reação de extensão de iniciador usando o referido iniciador hibridizado para a referida molécula de ácido nucleico alvo para produzir o referido filamento em crescimento. Em alguns aspectos, a referida molécula de ácido nucleico alvo é de filamento duplo. Em alguns aspectos, a referi- da localização de imprimadura é um intervalo ou um entalhe em uma referida molécula de ácido nucleico alvo. Em algumas implementa- ções, a referida enzima de polimerização é imobilizada na referida ca- vidade. Em algumas implementações, a referida enzima de polimeri- zação é imobilizada em uma porção de base da referida cavidade. Em algumas implementações, a referida enzima de polimerização é imobi- lizada usando um ligante que é ligada a uma superfície da referida ca- vidade. Em algumas implementações, a referida enzima de polimeri- zação exibe atividade de deslocamento de filamento.
[0015] De acordo com algumas implementações of o segundo mé- todo, a referida cavidade amostra é entre uma pluralidade de cavida- des amostras no referido dispositivo integrado. Em alguns aspectos, o referido dispositivo integrado inclui uma pluralidade de fontes de exci- tação operativamente acopladas à referida pluralidade de cavidades amostras. De acordo com alguns aspectos, o referido dispositivo inte- grado inclui uma pluralidade de sensores configurados para receber emissões da referida pluralidade de cavidades amostras.
[0016] As características e atos anteriores associados com aspec- tos e implementações do segundo método podem ser incluídos em qualquer combinação adequada em uma ou mais modalidades de um método de sequenciamento de uma molécula alvo de ácido nucleico.
[0017] Várias modalidades de dispositivo integrados are contem- plated. De acordo com algumas modalidades, um dispositivo integrado para analisar uma pluralidade de amostras em paralelo pode compre- ender uma pluralidade de pixels dispostos sobre um substrato, em que um pixel individual da pluralidade de pixels compreende (i) uma cavi- dade amostra que tem uma região de excitação configurada para reter uma amostra biológica, (ii) umA primeira estrutura localizada adjacente a, ou dentro de uma cavidade amostra e configurada para realizar o acoplamento de pelo menos energia de excitação na região de excita- ção, e (iii) um sistema de sensibilização incluindo um sensor que é configurado para discriminar entre pelo menos duas diferentes emis- sões da cavidade amostra, em que as duas diferentes emissões com- preendem diferenças espectrais e/ou temporais. A primeira estrutura pode adicionalmente afetar o acoplamento de emissão de uma cavi-
dade amostra ao sensor. O dispositivo integrado pode também incluir pelo menos uma fonte de excitação sobre o substrato que é disposta para fornecer a energia de excitação para a cavidade amostra, e cir- cuitos dispostos sobre o substrato para receber pelo menos um sinal do sensor.
[0018] Em alguns aspectos de um dispositivo integrado, a primeira estrutura compreende uma estrutura plasmônica tridimensional, de mi- cro- ou nano-escala que melhora o acoplamento da energia de excita- ção na região de excitação por meio de plasmônios excitados na pri- meira estrutura. Em algumas implementações, a primeira estrutura compreende uma molécula ou ponto quântico que recebe pelo menos alguma energia de excitação e não radiativamente transfere energia de excitação para uma amostra na região de excitação. Em algumas implementações, a primeira estrutura compreende pelo menos um dis- positivo semicondutor configurado para liberar, não radiativamente, energia para uma amostra dentro da região de excitação. Em algumas implementações, a primeira estrutura compreende uma estrutura mi- cro-ótica ou nano-ótica que aumenta uma intensidade da energia de excitação dentro da região de excitação.
[0019] Em algumas implementações de um dispositivo integrado, o pixel também compreende uma segunda estrutura localizada adjacen- te à cavidade amostra que é configurada para direcionar as radiações emitidas da cavidade amostra para dentro de uma pluralidade de dife- rentes distribuições espaciais que são dependentes dos comprimentos de ondas das radiações emitidas e para condensar as radiações emiti- das em cada de uma pluralidade de diferentes direções. De acordo com algumas implementações, o sistema de sensibilização compreen- de pelo menos uma molécula ou ponto quântico configurado para re- ceber, não radiativamente, energia de uma amostra dentro da região de excitação. De acordo com algumas implementações, o sistema de sensibilização compreende pelo menos um dispositivo semicondutor configurado para receber, não radiativamente, energia de uma amos- tra dentro da região de excitação.
[0020] Em alguns aspectos de um dispositivo integrado, a plurali- dade de pixels é disposta em uma disposição N × M sobre o substrato, onde N é um número de pixels a disposição estende-se em uma pri- meira direção e onde M é um número de pixels a disposição estende- se em uma segunda direção. Em alguns aspectos, cada de N e M tem um valor entre 50 pixels e 100000 pixels.
[0021] De acordo com algumas implementações, um dispositivo integrado pode também compreender uma câmara de parede formada em torno da pluralidade de pixels que é configurada para reter um es- pécime. Em algumas implementações, o espécimen pode ser um es- pécimen fluido. Um dispositivo integrado pode também compreender uma cobertura disposta para fechar sobre a câmara de paredes para impedir que a luz externa para a câmara de paredes ilumine a plurali- dade de pixels. Em algumas implementações, o dispositivo integrado e a câmara são empacotados em um único módulo tendo contato elétri- co exterior que são dispostos para conexão elétrica com contatos de um encaixe de recebimento de um instrumento.
[0022] De acordo com alguns aspectos de um dispositivo integra- do, a cavidade amostra compreende uma nanoabertura subcortada em pelo menos uma primeira camada de material. De acordo com alguns aspectos de um dispositivo integrado, a cavidade amostra compreende uma nanoabertura subcortada formada em uma primeira camada de material. Em alguns aspectos, um dispositivo integrado também com- preende uma depressão (divot) que se estende da cavidade amostra para dentro de um material oticamente transparente adjacente à pri- meira camada, em sque a região de excitação inclui a depressão. Em alguns aspectos, o material oticamente transparente é um dielétrico.
Em alguns aspectos, a primeira camada é uma camada condutiva. Em algumas implementações, a camada condutiva inclui um eletrodo de pelo menos um elemento integrado adjacente à cavidade amostra. Em algumas implementações, pelo menos um elemento integrado é um diodo emissor de luz orgânica.
[0023] Em algumas implementações de um dispositivo integrado, o dispositivo integrado e cavidade amostra são dispostos para receber amostras em uma suspensão fluida. Em algumas implementações, as paredes de uma cavidade amostra são curvas em uma direção longi- tudinal. Em algumas implementações, as paredes de uma cavidade amostra são afuniladas. De acordo com algumas implementações, as paredes afuniladas formam uma abertura adjacente ao espécimen em uma primeira extremidade da cavidade amostra que é menor em se- ção transversal do que uma abertura de entrada da cavidade amostra em uma segunda extremidade da cavidade amostra.
[0024] De acordo com alguns aspectos, um dispositivo integrado também compreende uma estrutura plasmônica formada dentro de uma cavidade amostra, em que a estrutura plasmônica realça a ener- gia de excitação dentro da região de excitação. Em algumas imple- mentações, a cavidade amostra compreende uma abertura de entrada na qual a energia de excitação é recebida. Em algumas implementa- ções, um diâmetro da abertura de entrada é menor do que um com- primento de onda característico da energia de excitação. Em algumas implementações, um diâmetro da abertura é entre aproximadamente 30 nanômetros e aproximadamente 250 nanômetros. Em algumas im- plementações, um diâmetro da abertura é menor do que aproximada- mente 500 nanômetros.
[0025] De acordo com algumas implementações, o dispositivo in- tegrado também compreende um refletor espaçado da cavidade amos- tra, onde o refletor e o material em que a cavidade amostra é formada compreende uma cavidade ressonante ou ressonador que aumenta a intensidade de energia de excitação na região de excitação. O refletor pode ser uma pilha refletiva, em alguns aspectos. Em algumas imple- mentações, a cavidade amostra também compreende um aderente disposto dentro da região de excitação. O aderente pode ser configu- rado para reter uma amostra na região de excitação. O aderente pode ser disposto sobre pelo menos uma superfície de base da cavidade amostra e/ou depressão. O aderente pode ser biotina, Em algumas implementações. Em alguns aspectos, o aderente é configurado para reter a amostra durante um período de tempo entre aproximadamente 1 milissegundo e aproximadamente 1 segundo. Em alguns aspectos, o aderente compreende uma substância biológica ou química formada sobre pelo menos uma superfície dentro de uma cavidade amostra. Em algumas implementações, o aderente compreende uma molécula, enzima, proteína, molécula pequena, anticorpo, ligante, ou antígeno.
[0026] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado, a cavidade amostra também compreende um inibidor dis- posto dentro de uma cavidade amostra, onde o inibidor é configurado para inibir a adesão de uma amostra pelo menos uma superfície da cavidade amostra. O inibidor pode compreender um revestimento so- bre as paredes de uma cavidade amostra e/ou depressão. Em algu- mas implementações, um inibidor pode compreender uma camada de passivação que inibe a adesão de amostras às paredes da cavidade amostra. Em algumas implementações, a cavidade amostra é configu- rado para reter uma amostra dentro de uma distância de aproximada- mente 30 nm da primeira estrutura. Por exemplo, um aderente pode ser localizado sobre uma superfície da cavidade amostra dentro de 30 nm da primeira estrutura. De acordo com algumas implementações, pelo menos uma porção da cavidade amostra é localizada adjacente a uma junção de semicondutor. Em alguns aspectos, pelo menos uma porção da cavidade amostra é localizada dentro de 100 nm de uma junção de semicondutor.
[0027] Em algumas implementações de um dispositivo integrado, a primeira estrutura compreende uma estrutura ressonante para uma frequência característica da energia de excitação e a cavidade amos- tra é posicionada em uma posição que corresponde a uma região de acoplamento da estrutura ressonante. A região de acoplamento pode ser uma região dentro da estrutura ressonante ou adjacente à estrutu- ra ressonante na qual energia de excitação acopla-se dentro de uma cavidade amostra em intensidade aumentada quando comparado a outras regiões dentro de ou adjacente à estrutura ressonante. Por exemplo, a região de acoplamento pode estar em um nodo de intensi- dade aumentada dentro da estrutura ressonante. Em alguns aspectos, a estrutura ressonante é localizada na mesma camada da cavidade amostra. Em algumas implementações, a estrutura ressonante pode compreender um cristal fotônico formado em torno da cavidade amos- tra. Em algumas implementações, a estrutura ressonante é localizada em uma camada diferente da . Em alguns aspectos, a estrutura resso- nante é um ressonador Gire-Tournois. Em algumas implementações, a estrutura ressonante é um ressonador linear ou ressonador de anel. Em algumas implementações, a estrutura ressonante compreende um refletor Bragg distribuído.
[0028] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado, a primeira estrutura compreende pelo menos uma partícula de transferência de energia disposta para receber a energia de excita- ção e liberar, não radiativamente, energia convertida para a amostra. Em algumas implementações, a energia de excitação é liberada para uma amostra por meio de Transferência de Energia Ressonante Fös- ter (FRET), transferência de energia de elétron duplo, ou Transferência de Energia Dexter (DET).
[0029] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado em que A primeira estrutura compreende uma estrutura plasmônica, a estrutura plasmônica é localizada centro de uma cavi- dade amostra e realça a energia de excitação dentro da região de ex- citação. Em algumas implementações, a estrutura plasmônica com- preende uma nanopartícula formada de um material condutivo. De acordo com alguns aspectos, a estrutura plasmônica é localizada ad- jacente à cavidade amostra e realça a energia de excitação dentro da região de excitação. Em alguns aspectos, a estrutura plasmônica compreende a nanoantena. Em algumas implementações, a estrutura plasmônica compreende uma estrutura ressonante. Em algumas im- plementações, a estrutura plasmônica compreende um ressonador li- near plasmônico ou de anel. Em alguns aspectos, a estrutura plasmô- nica é formada em pelo menos um eletrodo de um dispositivo, em que pelo menos um eletrodo é localizado adjacente à cavidade amostra. Em algumas implementações, a estrutura plasmônica é configurado para ressonar em mais de uma frequência, em que a mais de uma fre- quência inclui uma frequência característica da energia de excitação e/ou frequências características das emissões da cavidade amostra.
[0030] De acordo com alguns aspectos de um dispositivo integra- do, a primeira estrutura compreende pelo menos uma partícula de transferência de energia conjugado à amostra por meio de um ligante, em que a partícula de transferência de energia é selecionada para transferir, não radiativamente, pelo menos uma porção da energia de excitação para a amostra. Em algumas implementações, a primeira estrutura compreende uma pluralidade de partículas de transferência de energia dispostas centro de uma cavidade amostra de modo que a energia de excitação possa ser transferida não radiativamente de pelo menos uma das partículas de transferência de energia para a amostra. Em alguns aspectos, pelo menos uma partícula de transferência de energia é adaptada à energia de transferência para a amostra por meio de Transferência de Energia Ressonante Föster (FRET). De acordo com algumas implementações, a primeira estrutura compreen- de uma pluralidade de partículas de transferência de energia dispostas adjacentes à cavidade amostra de modo que a energia de excitação possa ser transferida não radiativamente de pelo menos uma das par- tículas de transferência de energia para a amostra. Em algumas im- plementações, pelo menos uma partícula de transferência de energia compreende um ponto quântico. Em alguns aspectos, pelo menos uma partícula de transferência de energia converte uma primeira frequência característica da energia de excitação em pelo menos uma frequência característica maior para a energia liberada para a amostra das partí- culas de transferência de energia. De acordo com alguns aspectos, um comprimento de onda que corresponde à primeira frequência caracte- rística é entre cerca de 900 nm e cerca de 1100 nm e pelo menos um comprimento de onda que corresponde à maior frequência caracterís- tica é entre cerca de 480 nm e cerca de 700 nm. Em alguns aspectos, pelo menos uma partícula de transferência de energia converte uma primeira frequência característica da energia de excitação em uma menor frequência característica para a energia liberada para a amostra das partículas de transferência de energia. De acordo com alguns as- pectos, um comprimento de onda que corresponde à primeira frequên- cia característica é entre cerca de 500 nm e cerca de 700 nm e um comprimento de onda que corresponde à menor frequência caracterís- tica é entre cerca de 620 nm e cerca de 720 nm. Em algumas imple- mentações, uma pluralidade das partículas de transferência de energia é disposta em uma camada que é separada de uma camada em que a cavidade amostra é formada.
[0031] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado em que A primeira estrutura compreende um dispositivo se-
micondutor, o dispositivo semicondutor compreende pelo menos uma camada semicondutora formada adjacente à cavidade amostra, e tam- bém compreendendo uma camada de partículas de transferência de energia formada entre a camada semicondutora e a cavidade amostra, em que a camada de partículas de transferência de energia é adapta- da à energia de transferência da pelo menos uma camada semicondu- tora para uma amostra na cavidade amostra.
Transferência de energia das partículas para a amostra pode ser por um processo radiativo (por exemplo, uma super conversão ou subconversão), ou um processo não radiativo (por exemplo, FRET ou DET). Em algumas implementa- ções, a transferência de energia entre a camada semicondutora e a camada de partículas de transferência de energia ou entre a camada de partículas de transferência de energia e a amostra é não radiativa.
Em alguns aspectos, o dispositivo semicondutor compreende pelo me- nos uma camada semicondutora formada adjacente à cavidade amos- tra, e também compreendendo pelo menos uma partícula de transfe- rência de energia conjugada a uma amostra na cavidade amostra, em que pelo menos uma partícula de transferência de energia é adaptada à energia de transferência da pelo menos uma camada semicondutora para a amostra.
De acordo com algumas implementações, transferên- cia de energia entre a camada semicondutora e pelo menos uma par- tícula de transferência de energia ou entre pelo menos uma partícula de transferência de energia e a amostra é não radiativa.
Em alguns aspectos, a transferência de energia entre a camada semicondutora e pelo menos uma partícula de transferência de energia e entre pelo menos uma partícula de transferência de energia e a amostra é não radiativa.
Em algumas implementações, o dispositivo semicondutor compreende uma junção p-n.
Em algumas implementações, o disposi- tivo semicondutor compreende um semicondutor orgânico.
Em algu- mas implementações, o dispositivo semicondutor compreende um se-
micondutor inorgânico. De acordo com alguns aspectos, pelo menos um pouco da energia transferida da pelo menos uma camada semi- condutora para a amostra é por meio de Transferência de Energia Ressonante Föster (FRET).
[0032] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado, a primeira estrutura compreende um cristal fotônico bidi- mensional ou tridimensional formado em torno da cavidade amostra. Em alguns aspectos, o cristal fotônico inclui um defeito na cavidade amostra. Em alguns aspectos, o cristal fotônico compreende uma dis- posição periódica de microestruturas tendo um primeiro índice de re- fração que é diferente do segundo índice de refração de uma camada em que a disposição periódica é formada. De acordo com algumas im- plementações, a primeira estrutura compreende um elemento ótico difrativo configurado para concentrar a energia de excitação na região de excitação.
[0033] Em algumas implementações de um dispositivo integrado, a primeira estrutura compreende uma película com finas perdas adja- cente à cavidade amostra. Em algumas implementações, um dispositi- vo integrado também compreende uma camada dielétrica disposta en- tre A fina camada de perda e a cavidade amostra. Em alguns aspec- tos, um índice de refração dA fina camada de perda inclui-se em uma mesma ordem de magnitude como um coeficiente de extinção para a fina camada de perda em um comprimento de onda da energia de ex- citação. Em alguns aspectos, a fina camada de perda é formada de silício ou germânio, ou uma combinação dos mesmos. Em alguns as- pectos, a fina camada de perda é entre aproximadamente 3 nm e aproximadamente 80 nm. Em algumas implementações, a fina camada de perda inclui múltiplas camadas de pelo menos dois diferentes mate- riais. Em algumas implementações, a fina camada de perda compre- ende um material orgânico. Em algumas implementações, a fina ca-
mada de perda compreende um material inorgânico.
[0034] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado, a primeira estrutura compreende uma microcavidade locali- zada adjacente à cavidade amostra e configurada para concentrar a energia de excitação na região de excitação. Em alguns aspectos, a microcavidade é configurado para ressonar em mais de um compri- mento de onda ótico que inclui um comprimento de onda da energia de excitação. Em alguns aspectos, a primeira estrutura compreende a es- trutura Gire-Tourneois ressonante formada adjacente à cavidade amostra. Em alguns aspectos, a estrutura Gire-Tourneois ressonante é configurada para ressonar em mais de um comprimento de onda ótico que inclui um comprimento de onda da energia de excitação. De acor- do com algumas implementações, um primeiro refletor da estrutura Gire-Tourneois ressonante compreende uma camada condutora em que a cavidade amostra é formada. Em alguns aspectos, um segundo refletor da estrutura Gire-Tourneois ressonante compreende uma pilha de múltiplas camadas formadas adjacentes à camada condutora.
[0035] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado, o sistema de sensibilização compreende a filtro de discrimi- nação do comprimento de onda configurado para suprimir uma quanti- dade de energia de excitação no sensor. Em alguns aspectos, o filtro de discriminação do comprimento de onda compreende uma pilha de múltiplas camadas. Em algumas implementações, o filtro de discrimi- nação do comprimento de onda compreende uma superfície seletiva da frequência. A superfície seletiva da frequência pode compreender uma camada padronizada dentro do pixel que inclui amplitude e/ou estruturas de fase que afetam a amplitude e/ou fase de radiação ótica atravessando a superfície seletiva de frequência. De acordo com al- gumas implementações, o sistema de sensibilização compreende uma blindagem à luz que bloqueia pelo menos alguma energia de excitação da fonte de excitação. Em algumas implementações, o sistema de sensibilização compreende pelo menos uma máscara de fase ótica. Uma máscara de fase pode compreender uma camada padronizada dentro do pixel que inclui estruturas de fase que afetam a fase de radi- ação ótica atravessando a máscara de fase. Em algumas implementa- ções, uma máscara de fase pode não apreciavelmente afetar a ampli- tude de radiação ótica atravessando a máscara de fase.
[0036] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado que inclui uma segunda estrutura localizada adjacente à ca- vidade amostra que é configurada para direcionar as radiações emiti- das da cavidade amostra para dentro de uma pluralidade de diferentes distribuições espaciais, a segunda estrutura compreende uma estrutu- ra plasmônica. Em algumas implementações, a estrutura plasmônica é formada no campo próximo ao ótico da cavidade amostra. Em algu- mas implementações, a estrutura plasmônica é formada pelo menos em parte em uma mesma camada em que a cavidade amostra é for- mada. De acordo com alguns aspectos, a estrutura plasmônica com- preende uma pluralidade de projeções anulares formada em uma ca- mada e centralizada sobre a cavidade amostra. Em algumas imple- mentações, uma distância radial entre cada uma da pluralidade de pro- jeções anulares é aproximadamente a mesma. Em algumas implemen- tações, uma distância radial entre cada uma da pluralidade de proje- ções anulares é entre aproximadamente 25 nanômetros e aproxima- damente 600 nanômetros. Em algumas implementações, a estrutura plasmônica compreende uma grade espiral. Em algumas implementa- ções, a estrutura plasmônica compreende uma disposição de nanoan- tena. De acordo com algumas implementações, a disposição de nano- antena compreende uma disposição de orifícios circulares distribuídos em torno do volume alvo, em que os orifícios são formados em uma camada condutora. Em alguns aspectos, a camada condutiva em que os orifícios são formados é uma mesma camada em que a cavidade amostra é formada. De acordo com alguns aspectos, os orifícios circu- lares são de múltiplos diferentes diâmetros. Em algumas implementa- ções, a disposição de nanoantena compreende uma disposição de discos circulares distribuídos em torno da cavidade amostra, em que os discos são formados em um material condutor. De acordo com al- guns aspectos, os discos circulares são de múltiplos diferentes diâme- tros. Em algumas implementações, a estrutura plasmônica compreen- de pelo menos uma camada compreendida de um ou mais metais se- lecionados do grupo que consiste em: ouro, cobre, ródio, alumínio, ti- tânio, cromo, níquel, paládio, platina, e prata.
[0037] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado que inclui uma segunda estrutura localizada adjacente à ca- vidade amostra que é configurada para direcionar as radiações emiti- das da cavidade amostra para dentro de uma pluralidade de diferentes distribuições espaciais, a segunda estrutura compreende uma estrutu- ra ótica formada no campo distante ótico da cavidade amostra. Em al- gumas implementações, a segunda estrutura compreende um elemen- to ótico difrativo. Em alguns aspectos, o elemento ótico difrativo é uma grade circular. Em alguns aspectos, o elemento ótico difrativo é uma grade espiral. Em alguns aspectos, o elemento ótico difrativo é uma disposição de abertura. Em algumas implementações, a segunda es- trutura compreende uma placa de zona. De acordo com algumas im- plementações, a segunda estrutura também compreende uma micro- lente. Em algumas implementações, a segunda estrutura compreende uma antena ressonante dielétrica. Em algumas implementações, a se- gunda estrutura compreende uma lente Fresnel.
[0038] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado em que o sistema de sensibilização compreende pelo menos uma molécula ou ponto quântico configurado para receber, não radia-
tivamente, energia de uma amostra, pelo menos uma molécula ou ponto quântico é dispostas sobre um dispositivo adjacente à cavidade amostra para converter a energia recebida em um sinal elétrico que é detectado pelo Circuito CMOS. Em algumas implementações, o dispo- sitivo semicondutor compreende uma junção p-n localizada adjacente à cavidade amostra e é configurado para converter a energia recebida em um sinal elétrico que é detectado pelo circuito CMOS.
[0039] Em alguns aspectos de um dispositivo integrado, o sensor compreende um fotodetector bullseye tendo um detector de luz central e pelo menos um detector de luz em forma de anel espaçado de e cir- cundando o detector de luz central. Em algumas implementações, o detector de luz central compreende um primeiro fotodiodo e pelo me- nos um detector de luz em forma de anel compreende pelo menos um segundo fotodiodo. Em algumas implementações, o detector de luz central compreende um primeiro ponto quântico detector e pelo menos um detector de luz em forma de anel compreende pelo menos a se- gundo ponto quântico detector. De acordo com algumas implementa- ções, o sensor compreende pelo menos dois detectores espacialmente separados. Em alguns aspectos, o sensor compreende pelo menos dois detectores de setor anular. Em alguns aspectos, o sensor com- preende pelo menos dois detectores de faixa. Em alguns aspectos, o sensor compreende pelo menos dois detectores dispostas em um pa- drão de quadrante. Em algumas implementações, o sensor compreen- de pelo menos dois detectores empilhados. De acordo com algumas implementações, o dispositivo integrado pode também compreender circuito de leitura configurado para discernir a detecção de quatro dife- rentes energias de emissão da amostra detectada por dois ou mais detectores espacialmente separados. Em algumas implementações, o sensor e circuito de leitura compreendem elementos de circuito CMOS. De acordo com algumas implementações, uma superfície sen-
sível dos detectores é formada de um material tendo um primeiro índi- ce ótico de refração que é maior do que um índice de refração para o espécimen. Em alguns aspectos, o sensor também compreende pelo menos um ressonador criticamente acoplado formado adjacente pelo menos um detector, em que um ressonador criticamente acoplado é configurado para admitir um primeiro comprimento de onda associado com uma primeira emissão da cavidade de amostra e substancialmen- te bloquear um segundo comprimento de onda associado com uma segunda emissão da cavidade amostra. Um ressonador criticamente acoplado pode ter uma cavidade ressonante que é uma metade do comprimento de onda característico de uma emissão da cavidade amostra, ou um múltiplo integral do mesmo (quando modificado pelo índice refrativo da cavidade de ressonador criticamente acoplado). Em alguns aspectos, pelo menos um ressonador criticamente acoplado é formado de pelo menos uma camada dielétrica.
[0040] Em algumas implementações de um dispositivo integrado, pelo menos uma fonte de excitação compreende pelo menos uma fon- te de radiação ótica tendo um comprimento de onda característico en- tre aproximadamente 350 nm e aproximadamente 1000 nm e é confi- gurado para excitar pelo menos uma cavidade amostra. Em alguns aspectos, pelo menos uma fonte de excitação compreende pelo me- nos uma fonte de radiação ótica tendo um comprimento de onda ca- racterístico entre aproximadamente 1 mícron e aproximadamente 5 mícrons e é configurado para excitar pelo menos uma cavidade amos- tra. Em algumas implementações, pelo menos uma fonte de excitação compreende uma primeira fonte de energia de excitação tendo um primeiro comprimento de onda característico e configurado para exci- tar pelo menos um primeiro cavidade amostra, e a segundo fonte de energia de excitação tendo um segundo comprimento de onda carac- terístico diferentes do primeiro comprimento de onda característico e configurado para excitar pelo menos a segundo cavidade amostra. De acordo com algumas implementações, pelo menos uma fonte de exci- tação é uma fonte única de excitação configurada para excitar o pri- meiro grupo da pluralidade de pixels simultaneamente. Em algumas implementações, pelo menos uma fonte de excitação é localizada en- tre a cavidade amostra e o sensor. Em algumas implementações, a cavidade amostra é localizada entre pelo menos uma fonte de excita- ção e o sensor.
[0041] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado, pelo menos uma fonte de excitação compreende uma jun- ção de semicondutor de nanoescala alinhada à cavidade amostra que é configurada para excitar a partícula de transferência de energia. Em algumas implementações, a junção de semicondutor de nanoescala é autoalinhada à cavidade amostra. Em alguns aspectos, pelo menos uma fonte de excitação compreende um diodo emissor de luz orgânica (OLED). Em algumas implementações, um eletrodo do OLED é forma- do de uma camada condutora em que a cavidade amostra é formada. Em algumas implementações, aspectos de superfície são padroniza- dos no eletrodo adjacente à cavidade amostra e dispostas para realçar a onda de superfície que é excitada pelo OLED e libera energia de ex- citação para a região de excitação. Em alguns aspectos, as caracterís- ticas de superfície compreendem estruturas de plasmônio de superfí- cie.
[0042] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado, pelo menos uma fonte de excitação compreende uma fonte de luz coerente. Em algumas implementações, pelo menos uma fonte de excitação compreende uma pluralidade de OLEDs, PhOLEDs, QLED, LEDs, diodos a laser, ou VCSELs cada um disposto para for- necer energia de excitação pelo menos uma cavidade amostra. Em alguns aspectos, pelo menos uma cavidade amostra é formada dentro de ou imediatamente adjacente a uma fonte de excitação da pelo me- nos uma fonte de excitação. Em alguns aspectos, um dispositivo inte- grado também inclui recursos para estabilizar um comprimento de on- da de saída e/ou intensidade da pelo menos uma fonte de excitação. Em algumas implementações, pelo menos uma fonte de excitação compreende um ou mais pontos quânticos. Em alguns aspectos, um ou mais pontos quânticos são eletricamente estimulados. Em algumas implementações, a energia de excitação do um ou mais pontos quânti- cos é acoplada à amostra por meio de um processo não radiativo.
[0043] Em algumas implementações de um dispositivo integrado, pelo menos uma fonte de excitação compreende uma junção p-n ou p- i-n de semicondutor formada adjacente à cavidade amostra. Em al- guns aspectos, a junção p-n ou p-i-n é configurada para não radiati- vamente transferir energia dos doadores e/ou aceptores excitados pa- ra a amostra. Em alguns aspectos, a junção p-n ou p-i-n é configurada para injetar veículos de carga na cavidade amostra para excitar a amostra.
[0044] De acordo com algumas implementações de um dispositivo integrado, o circuito inclui uma interface de comunicação para transmi- tir e receber dados para e de um dispositivo de computação externo para o dispositivo integrado. Em algumas implementações, a interface de comunicação compreende uma interface USB, uma interface Thun- derbolt, e/ou uma interface digital de alta velocidade. Em alguns as- pectos, o dispositivo de computação compreende um computador pes- soal, um computador laptop, um computador tablet, um auxiliar digital pessoal, um smart phone, ou um dispositivo móvel. De acordo com algumas implementações, o circuito compreende Circuito CMOS que inclui conversores de análogo-em-digital de múltiplos canais. Em al- guns aspectos, o circuito CMOS inclui pelo menos uma disposição de intervalo de campo programável (FPGA) e/ou pelo menos um circuito integrado de aplicação específica (ASIC). Em algumas implementa- ções, o circuito CMOS compreende uma camada de metal fornecendo conexão elétrica ou um plano de base para pelo menos um elemento de circuito CMOS e do qual um eletrodo para pelo menos uma fonte de excitação é formado. Em algumas implementações, pelo menos uma cavidade amostra é formada na camada de metal.
[0045] Os aspectos anteriores e funcionalidades associadas com aspectos e implementações de um dispositivo integrado podem ser incluídos em qualquer combinação adequada em uma ou mais moda- lidades de um dispositivo integrado. Em algumas modalidades, um dispositivo integrado pode compreender uma pluralidade de cavidades amostras, fontes de excitação, e o sensores tendo qualquer combina- ção adequada dos aspectos e funcionalidades anteriores. Além disso, a pluralidade de cavidades amostras, fontes de excitação, e os senso- res sobre um dispositivo integrado podem ser substancialmente idênti- cos para algumas modalidades de um dispositivo integrado, ao passo que em outras modalidades, as cavidades amostras, fontes de excita- ção, e o sensores podem diferir de um dispositivo integrado. Por exemplo, pode haver grupos de cavidades amostras, fontes de excita- ção, e os sensores sobre um dispositivo integrado, cada grupo tendo um subgrupo distinguível dos aspectos e funcionalidades anteriores associado com a cavidade amostra, fonte de excitação, e/ou sensor.
[0046] Instrumentos são também contemplados que podem ser configurados para receber e comunicados com um dispositivo integra- do. De acordo com algumas modalidades, um instrumento portátil con- figurado para receber e comunicar com um dispositivo integrado pode compreender pelo menos um processador, um encaixe configurada para receber um dispositivo integrado como descrito em qualquer das modalidades acima, uma cobertura configurada para impedir a pene- tração da maior parte da luz externa no encaixe, e uma primeira plura-
lidade de contatos elétricos configurados para se conectar a uma se- gunda pluralidade de contatos elétricos on o dispositivo integrado, em que a força pode ser fornecida para o dispositivo integrado por meio de pelo menos algum da primeira pluralidade de contatos elétricos e pelo menos um sinal de cada sensor pode ser recebido por meio de pelo menos algum da primeira pluralidade de contatos elétricos. Em algumas implementações, a primeira pluralidade de contatos elétricos é formada em um interpositor removível pelo usuário. Em algumas im- plementações, a primeira pluralidade de contatos elétricos é configu- rado para contatar um terço da pluralidade de contatos sobre um inter- positor substituível pelo usuário. De acordo com algumas modalida- des, o instrumento portátil também compreende uma interface de co- municação, em que a interface de comunicação compreende uma in- terface USB, uma interface Thunderbolt, ou uma interface digital de alta velocidade.
[0047] De acordo com algumas modalidades, um terceiro método de analisar uma pluralidade de amostras em paralelo pode compreen- der receber, em uma superfície de um substrato, um espécimen con- tendo amostras, retendo, em uma pluralidade de cavidades amostras localizada em uma pluralidade de pixels sobre o substrato, amostras da suspensão fluida, e fornecer energia de excitação para uma ou mais das cavidades amostras de pelo menos uma fonte de excitação. O terceiro método pode também incluir, pelo menos para um da plura- lidade de pixels, detectar uma emissão da cavidade amostra em um sensor que é disposto para receber a emissão da cavidade amostra, recebendo um conjunto de sinal do sensor representativo da emissão detectada, e identificando uma propriedade de uma amostra retida na cavidade amostra com base em uma análise do conjunto de sinal.
[0048] Em algumas implementações do terceiro método, o conjun- to de sinal compreende dois sinais não zero produzidos pelo sensor da emissão e que são representativos de uma distribuição espacial e/ou temporal da emissão. Em alguns aspectos, o sensor compreende um sensor de múltiplos segmentos. Em algumas implementações, o ter- ceiro método também compreende analisar o conjunto de sinal. Em algumas implementações, a análise compreende avaliar uma relação de sinais dentro do conjunto de sinal, e identificando um tipo de emis- sor que gerou a emissão com base na relação avaliada. De acordo com algumas implementações, pelo menos uma fonte de excitação compreende pelo menos uma fonte de excitação de nanoescala for- mada dentro de cada pixel e alinhada a uma ou mais cavidades amos- tras. Em alguns aspectos, a fonte de excitação de escala nano com- preende um diodo emissor de luz, um diodo de laser vertical, ou uma laser de emissão de superfície de cavidade vertical. Em algumas im- plementações, dimensões transversas de pelo menos uma cavidade amostra e fonte de excitação de nanoescala alinhada a pelo menos uma cavidade amostra are menor do que 200 nm.
[0049] As características e atos anteriores associados com aspec- tos e implementações do terceiro método podem ser incluídos em qualquer combinação adequada em uma ou mais modalidades de um método de análise de uma pluralidade de amostras em paralelo.
[0050] Métodos associado com fabricação de um dispositivo inte- grado são também contemplados. De acordo com algumas modalida- des, um primeiro método para fabricar a cavidade amostra e estrutura ótica alinhada à cavidade amostra pode compreender atos de formar, em uma mesma etapa de padronização, um padrão para a cavidade amostra e para a estrutura ótica em uma primeira camada de resistên- cia disposta sobre um substrato, abrangendo pelo menos o padrão da cavidade amostra com uma segunda camada de resistência, gravando um padrão da estrutura ótica no substrato, removendo porções da pri- meira camada de resistência não cobertas pela segunda camada de resistência, removendo a segunda camada de resistência, depositando um material sobre o substrato, e removendo a porção restante da pri- meira camada de resistência.
[0051] Em algumas implementações do primeiro método para fa- bricar a cavidade amostra, formando um padrão para a cavidade amostra compreende formar um pilar cilíndrico na primeira camada de resistência tendo um diâmetro menor do que 500 nm. Em algumas im- plementações, formando um padrão para a estrutura ótica compreen- de formando um padrão de uma grade circular, em que o padrão para a cavidade amostra é localizada em um centro do padrão da grade cir- cular. De acordo com alguns aspectos, depositar um material sobre o substrato compreende depositar uma camada condutora. De acordo com alguns aspectos, depositar um material sobre o substrato com- preende depositar múltiplas camadas incluindo uma camada conduto- ra. De acordo com algumas implementações, a remoção da porção restante da primeira camada de resistência define a cavidade amostra no material depositado. Em algumas implementações, o substrato compreende um material oticamente transparente.
[0052] As características e ações anteriores associadas com as- pectos e implementações do primeiro método para formar a cavidade amostra podem ser incluídas em qualquer combinação adequada em uma ou mais modalidades de um método para formar a cavidade amostra.
[0053] De acordo com algumas modalidades, um segundo método para fabricar a cavidade amostra pode compreender formar, em uma mesma etapa de padronização, um padrão para a cavidade amostra e para a estrutura ótica em uma primeira camada disposta sobre um substrato, gravando o padrão da cavidade amostra e a estrutura ótica no substrato, abrangendo pelo menos o padrão da cavidade amostra com uma camada de resistência, depositando um material sobre o substrato, em que o material enche vazios gravados no substrato da gravação do padrão da estrutura ótica, e removendo uma camada de resistência. Em algumas implementações, a primeira camada compre- ende um material condutor. Em alguns aspectos, a estrutura ótica compreende uma grade circular. Em algumas implementações, o substrato é oticamente transparente. De acordo com algumas imple- mentações, a remoção de uma camada de resistência deixa uma cavi- dade amostra tendo uma dimensão transversa de menos do que 500 nm e incluindo uma depressão em uma base da cavidade amostra gravada no substrato.
[0054] As características e atos anteriores associados com aspec- tos e implementações do segundo método para formar a cavidade amostra podem ser incluídos em qualquer combinação adequada em uma ou mais modalidades de um método para formar a cavidade amostra.
[0055] Métodos para fabricar fontes de excitação são também con- templados. De acordo com algumas modalidades, um método de for- mar uma fonte de excitação de escala nano alinhada à cavidade amostra pode compreender gravar uma via dentro de uma camada de isolamento de um substrato, o substrato compreendendo uma camada semicondutora, uma camada de isolamento adjacente à camada semi- condutora, e uma primeira camada condutora adjacente à camada de isolamento, formando um revestimento sacrificial sobre as paredes da via, gravando a via na camada semicondutora, e epitaxialmente de- senvolvendo um pilar semicondutor tendo um primeiro tipo de conduti- vidade dentro da via da camada semicondutora. Em algumas imple- mentações, o método pode também compreender remover um reves- timento sacrificial para expor as paredes do pilar a uma porção do pi- lar, epitaxialmente desenvolvendo uma camada semicondutora tendo um segundo tipo de condutividade sobre a porção do pilar, e confor-
malmente depositando uma segunda camada condutora sobre a ca- mada semicondutora, em que a segunda camada condutora eletrica- mente conecta-se à primeira camada condutora. Em alguns aspectos, o pilar semicondutor e camada semicondutora compreendem um diodo emissor de luz ou diodo a laser. Em alguns aspectos, o pilar semicon- dutor e camada semicondutora compreendem um diodo semicondutor. Em algumas implementações, uma extremidade do pilar semicondutor epitaxialmente desenvolvido mais próxima da primeira camada condu- tora situa-se a uma distância de uma superfície mais próxima da pri- meira camada condutora. Em algumas implementações, uma região não carregada da via forma a cavidade amostra. De acordo com algu- mas implementações, uma dimensão transversa do pilar semicondutor é menor do que 200 nm. Em alguns aspectos, a camada de isolamen- to é oticamente transparente.
[0056] As características e atos anteriores associados com aspec- tos e implementações do método para formar uma fonte de excitação podem ser incluídos em qualquer combinação adequada em uma ou mais modalidades de um método para formar uma fonte de excitação.
[0057] Embora os métodos e dispositivos anteriores possam ser descritos em referência a um único elemento (por exemplo, a cavidade amostra, uma fonte de excitação, a sensor, uma estrutura de acopla- mento à excitação, uma estrutura de acoplamento à emissão), os mé- todos podem ser implementados em paralelo para fabricar um grande número de dispositivos em paralelo (por exemplo, usando processos de micro- e nanofabricação). Além disso, os dispositivos podem ser dispostos em um grande número sobre um dispositivo integrado.
[0058] O termo "pixel" pode ser usada na presente descrição para referir-se a uma célula unitária de um dispositivo integrado. A célula unitária pode incluir a cavidade amostra e a sensor. A célula unitária pode também incluir uma fonte de excitação. A célula unitária pode também incluir pelo menos uma estrutura ótica de acoplamento à exci- tação (que pode ser referida como uma "primeira estrutura") que é configurada para realçar o acoplamento de energia de excitação da fonte de excitação à cavidade amostra. A célula unitária pode também incluir pelo menos uma estrutura de acoplamento à emissão que é configurada para realçar o acoplamento de emissão da cavidade amostra ao sensor. A célula unitária pode também incluir dispositivos eletrônicos integrados (por exemplo, dispositivos CMOS). Pode haver uma pluralidade de pixels dispostas em uma disposição sobre um dis- positivo integrado.
[0059] O termo "ótico" pode ser usada na presente descrição para referir-se a faixas espectrais de infravermelho de comprimento de on- da de infravermelho próximo, visível, curto.
[0060] O termo "rótulo" pode ser usada na presente descrição para se referir a um rótulo, sonda, marcador, ou repórter ligado a uma amostra a ser analisadas ou ligado a um reagente que pode ser reagi- do com uma amostra.
[0061] A frase "energia de excitação" pode ser usada na presente descrição para referir-se a qualquer forma de energia (por exemplo, radiativa ou não radiativa) liberada para uma amostra e/ou rótulo den- tro de uma cavidade amostra. Energia radiativa de excitação pode compreender radiação ótica em um ou mais comprimentos de onda característicos.
[0062] A frase "comprimento de onda característico" pode ser usa- da na presente descrição para referir-se a um comprimento de onda central ou predominante dentro de uma amplitude de faixa de radiação limitada. Em alguns casos, pode referir-se a um comprimento de onda de pico de uma amplitude de faixa de radiação. Exemplos de compri- mentos de onda característicos de fluoroforos são 563 nm, 595 nm, 662 nm, e 687 nm.
[0063] A frase "energia característica" pode ser usada na presente descrição para referir-se a uma energia associada com um compri- mento de onda característico.
[0064] O termo "emissão" pode ser usado na presente descrição para referir-se à emissão de um rótulo e/ou amostra. Isto pode incluir emissão radiativa (por exemplo, ótico emissão) ou transferência de energia não radiativa (por exemplo, Transferência de Energia Dexter ou Transferência de Energia Ressonante Föster). Resultados de emis- são de excitação de uma amostra e/ou rótulo dentro de uma cavidade amostra.
[0065] A frase "emissão de uma cavidade amostra" ou "emissão de uma amostra" pode ser usada na presente descrição para referir-se à emissão de um rótulo e/ou amostra centro de uma cavidade amos- tra. A frase "emissão de uma cavidade amostra" pode também ser usada na presente descrição para referir-se à emissão de uma partícu- la de calibração (por exemplo, uma conta de poliestireno fluorescente, um ponto quântico, etc.) centro de uma cavidade amostra.
[0066] O termo "autoalinhado" pode ser usado na presente descri- ção para se referir a um processo de microfabricação em que pelo menos dois elementos distintos (por exemplo, a cavidade amostra e uma estrutura de acoplamento de emissão, a cavidade amostra e uma fonte de excitação) pode ser fabricado e alinhados entre si sem usar duas etapas de padronização litográfica separadas em que uma pri- meira etapa de padronização litográfica (por exemplo, fotolitografia, litografia de raio de íon, litografia EUV) imprime um padrão de um pri- meiro elemento e uma segunda etapa de padronização litográfica é alinhada à primeira etapa de padronização litográfica e imprime um padrão do segundo elemento. Um processo autoalinhado pode com- preender incluir o padrão tanto do primeiro quanto do segundo ele- mento em uma etapa de padronização litográfica única, ou pode com-
preender formando o segundo elemento usando aspectos de uma es- trutura fabricada do primeiro elemento.
[0067] O termo "sensor" pode ser usado na presente descrição para referir-se a um ou mais dispositivos de circuito integrado configu- rado para emissão de sentido da cavidade amostra e produzir pelo menos um sinal elétrico representativo da emissão percebida.
[0068] O termo "nanoescala" pode ser usado na presente descri- ção para se referir a uma estrutura tendo pelo menos uma dimensão ou tamanho de característica mínima na ordem de 150 nanômetros (nm) ou menos, porém não maior do que aproximadamente 500 nm.
[0069] O termo "microescala" pode ser usada na presente descri- ção para se referir a uma estrutura tendo pelo menos uma dimensão ou tamanho de característica mínima entre aproximadamente 500 nm e aproximadamente 100 mícrons .
[0070] O termo "nanoabertura" pode ser usado na presente des- crição para se referir a uma apertura de nanoescala ou abertura em pelo menos uma camada de material. Por exemplo, um diâmetro ou amplitude da abertura é menor do que aproximadamente 500 nm.
[0071] O termo "nano-orifício" pode ser usado na presente descri- ção para se referir a um orifício de nanoescala formado em pelo me- nos uma camada de material. Um nano-orifício pode ter um compri- mento ou dimensão longitudinal que é maior do que uma nanoabertu- ra.
[0072] O termo "nanoabertura de sub-corte" pode ser usada na presente descrição para se referir a uma estrutura de guia de onda que não suporta um modo de propagação para um comprimento de onda selecionado de radiação que pode ser incidente sobre a estrutura de guia de onda. Por exemplo, o comprimento de onda selecionado pode ser maior do que um comprimento de onda de corte para a estru- tura de guia de onda, e a força cai exponencialmente na guia de onda.
[0073] A frase "realça a energia de excitação" pode ser usada na presente descrição para se referir a aumento de uma intensidade de energia de excitação em uma região de excitação da cavidade amos- tra. A intensidade pode ser aumentada concentrando e/ou ressonando a energia de excitação incidente sobre a cavidade amostra, por exem- plo. Em alguns casos, a intensidade pode ser aumentada por revesti- mentos antirreflexivos ou camadas de perda que permitem a energia de excitação para penetrar ainda na região de excitação da cavidade amostra. Um realce de energia de excitação pode ser uma referência comparativa a uma modalidade que não inclui estruturas para realçar a energia de excitação em uma região de excitação da cavidade amos- tra.
[0074] O termos "cerca de," "aproximadamente," e "substancial- mente" podem ser usados na presente descrição para se referir a um valor, e são destinados a abranger o valor referenciado mais e menos variações aceitáveis. A quantidade de variação pode ser menor do que 5% em algumas modalidades, menos do que 10% em algumas moda- lidades, e ainda menos do que 20% em algumas modalidades. Em modalidades onde um aparato pode funcionar apropriadamente sobre uma grande faixa de valores, por exemplo, uma faixa incluindo uma ou mais ordens de magnitude, a quantidade de variação pode ser um fa- tor de dois. Por exemplo, se um aparato funciona apropriadamente pa- ra um valor variando de 20 a 350, "aproximadamente 80" pode abran- ger valores entre 40 e 160.
[0075] O termo "adjacente" pode ser usado na presente descrição para se referir a dois elementos dispostos dentro de proximidade ínti- ma um do outro (por exemplo, dentro de uma distância que é menor do que cerca de um quinto de uma dimensão transversa ou vertical de um pixel). Em alguns casos pode haver estruturas ou camadas inter- mediárias entre elementos adjacentes. Em alguns casos elementos adjacentes podem ser imediatamente adjacentes um ao outro sem ne- nhuma estrutura ou elemento intermediário.
[0076] O termo "detectar" pode ser usado na presente descrição para se referir ao recebimento de uma emissão em um sensor de uma cavidade amostra e produção de pelo menos um sinal elétrico repre- sentativo de, ou associado com, a emissão. O termo "detectar" pode também ser usado na presente descrição para se referir uma determi- nação da presença de, ou identificação de uma propriedade de, uma particular amostra ou rótulo na cavidade amostra com base na emis- são da cavidade amostra.
[0077] Os anteriores e outros aspectos, implementações, atos, funcionalidades, características e, modalidades dos presentes ensi- namentos podem ser mais totalmente entendidos a partir da seguinte descrição em conjunto com os desenhos de acompanhamento.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0078] O técnico versado entenderá que as figuras, descritas aqui, são para os propósitos de ilustração apenas. Deve ser entendido que em alguns casos vários aspectos da invenção podem ser mostrados exagerados ou ampliados para facilitar um entendimento da invenção. Nos desenhos, como caracteres de referência geralmente referem-se a aspectos semelhantes, funcionalidade similar e/ou elementos estru- turalmente similares em todas as várias figuras. Os desenhos não são necessariamente para dimensionar, enfatizar em vez de ser colocados para ilustração dos princípios dos ensinamentos. Os desenhos não são destinados a limitar o escopo dos presentes ensinamentos de mo- do algum.
[0079] FIG. 1-1 representa os espectros comprimento de onda de emissão, de acordo com algumas modalidades.
[0080] FIG. 1-2A representa espectros de comprimento de onda de absorção, de acordo com algumas modalidades.
[0081] FIG. 1-2B representa espectros de comprimento de onda de emissão, de acordo com algumas modalidades.
[0082] FIG. 2-1 é uma representação de diagrama de bloco de um aparato compacto que pode ser usado para análise móvel, rápida, de espécimens biológicos e químicos, de acordo com algumas modalida- des.
[0083] FIG. 2-2 representa e dispositivo integrado, de acordo com algumas modalidades.
[0084] FIG. 2-3 representa um sistema de computação, de acordo com algumas modalidades.
[0085] FIG. 3-1 representa uma cavidade amostra formada em uma região de pixel de um dispositivo integrado, de acordo com uma modalidade.
[0086] FIG. 3-2 representa energia de excitação incidente sobre a cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[0087] FIG. 3-3 ilustra atenuação de energia de excitação ao longo de uma cavidade amostra que é formada como um guia de onda de modo zero, de acordo com algumas modalidades.
[0088] FIG. 3-4 representa uma cavidade amostra que inclui uma depressão, que aumenta a energia de excitação em uma região de excitação associada com a cavidade amostra em algumas modalida- des.
[0089] FIG. 3-5 compara as intensidades de excitação para cavi- dades amostras com e sem uma depressão, de acordo com uma mo- dalidade.
[0090] FIG. 3-6 representa uma cavidade amostra e depressão formados em uma protrusão, de acordo com algumas modalidades.
[0091] FIG. 3-7A representa uma cavidade amostra tendo paredes laterais afuniladas, de acordo com algumas modalidades.
[0092] FIG. 3-7B representa uma cavidade amostra tendo paredes laterais curvas e uma depressão com uma menor dimensão transver- sa, de acordo com algumas modalidades.
[0093] FIG. 3-7C e FIG. 3-7D representam a cavidade amostra formada de estruturas plasmônicas de superfície.
[0094] FIG. 3-7E representa uma cavidade amostra que inclui uma estrutura de realce da energia de excitação formada ao longo de pare- des laterais da cavidade amostra, de acordo com algumas modalida- des.
[0095] FIG. 3-7F representa uma cavidade amostra formada em uma pilha de múltiplas camadas, de acordo com algumas modalida- des.
[0096] FIG. 3-8 ilustra revestimento de superfície formado sobre as superfícies da cavidade amostra, de acordo com algumas modalida- des.
[0097] FIG. 3-9A a FIG. 3-9E representam estruturas associadas com um processo de levantamento de formação de uma cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[0098] FIG. 3-9F representa uma estrutura associada com um pro- cesso alternativo de levantamento de formação de uma cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[0099] FIG. 3-10A a FIG. 3-10D representam estruturas associa- das com um processo de gravação direta de formação de uma cavida- de amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00100] FIG. 3-11 representa uma cavidade amostra que pode ser formada em múltiplas camadas usando um processo de levantamento ou um processo de gravação direta, de acordo com algumas modali- dades.
[00101] FIG. 3-12 representa uma estrutura associada com um pro- cesso de gravação que pode ser usado para formar uma depressão, de acordo com algumas modalidades.
[00102] FIG. 3-13A a FIG. 3-13C representam estruturas associa- das com um processo alternativo de formação de uma depressão, de acordo com algumas modalidades.
[00103] FIG. 3-14A a FIG. 3-14D representam estruturas associa- das com um processo para deposição de um aderente e camadas de passivação, de acordo com algumas modalidades.
[00104] FIG. 3-15 representa uma estrutura associada com um pro- cesso para deposição de um aderente centralmente centro de uma cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00105] FIG. 4-1A e FIG. 4-1B representam faixas de excitação es- pectrais de fontes de excitação, de acordo com algumas modalidades.
[00106] FIG. 4-2A a FIG. 4-2D representam, em vista plana, várias disposições de fontes de excitação que podem ser incluídas em um dispositivo integrado, de acordo com algumas implementações.
[00107] FIG. 4-2E representa, em vista de elevação, uma disposi- ção de uma fonte de excitação localizada adjacente a uma região de pixel, de acordo com algumas modalidades.
[00108] FIG. 4-3A representa um diodo emissor de luz orgânica (OLED) integrado dentro de um pixel, de acordo com algumas modali- dades.
[00109] FIG. 4-3B representa outros detalhes de uma estrutura de diodo emissor de luz integrado dentro de um pixel, de acordo com al- gumas modalidades.
[00110] FIG. 4-3C representa uma laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL) integrado dentro de um pixel, de acordo com algumas modalidades.
[00111] FIG. 4-3D representa um nano-LED autoalinhado integrado dentro de um pixel, de acordo com algumas modalidades.
[00112] FIG. 4-3E representa a autoalinhado nano-VCSEL integra- do dentro de um pixel, de acordo com algumas modalidades.
[00113] FIG. 4-4A a FIG. 4-4F representam estruturas associadas com etapas de processo para fabricar um nano-LED ou nano-VCSEL, de acordo com algumas modalidades.
[00114] FIG. 4-4G a FIG. 4-4I representam estruturas associadas com alternative etapas de processo para fabricar um nano-LED, de acordo com algumas modalidades.
[00115] FIG. 4-5A representa uma fonte de excitação não radiativa que pode ser integrado em um pixel, de acordo com algumas modali- dades.
[00116] FIG. 4-5B representa, em vista de elevação, uma fonte de excitação não radiativa que pode ser integrado em um pixel, de acordo com algumas modalidades.
[00117] FIG. 4-5C representa, em vista plana, interconecta-se para uma fonte de excitação não radiativa, de acordo com algumas modali- dades.
[00118] FIG. 4-5D representa uma fonte de excitação não radiativa, de nanodiodo, que pode ser integrado em um pixel, de acordo com algumas modalidades.
[00119] FIG. 4-6A a FIG. 4-6U representam estruturas associadas com etapas de processo para fabricar a autoalinhado, fontes não radi- ativas de excitação, de acordo com algumas modalidades.
[00120] FIG. 5-1A e FIG. 5-1B representam uma estrutura de plas- mônio de superfície, de acordo com exatamente uma modalidade.
[00121] FIG. 5-1C representa uma estrutura de plasmônio de super- fície formada adjacente à cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00122] FIG. 5-1D e FIG. 5-1E representam estruturas de plasmônio de superfície formada em a cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00123] FIG. 5-2A a FIG. 5-2C representam exemplos de estruturas periódicas de plasmônio de superfície, de acordo com algumas moda- lidades.
[00124] FIG. 5-2D representa uma simulação numérica de radiação de excitação em uma cavidade amostra formada adjacente a uma es- trutura de plasmônio-superfície periódica, de acordo com algumas mo- dalidades.
[00125] FIG. 5-2E a FIG. 5-2G representam estruturas periódicas de plasmônio de superfície, de acordo com algumas modalidades.
[00126] FIG. 5-2H e FIG. 5-2I representam a nanoantena compre- endendo estruturas de plasmônio de superfície, de acordo com algu- mas modalidades.
[00127] FIG. 5-3A a FIG. 5-3E representam estruturas associadas com etapas de processo para formar uma estrutura de plasmônio de superfície, de acordo com algumas modalidades.
[00128] FIG. 5-4A a FIG. 5-4G representam estruturas associadas com etapas de processo para formar uma estrutura de plasmônio de superfície e cavidade amostra autoalinhada, de acordo com algumas modalidades.
[00129] FIG. 5-5A a FIG. 5-5E representam estruturas associadas com etapas de processo para formar uma estrutura de plasmônio de superfície e cavidade amostra autoalinhada, de acordo com algumas modalidades.
[00130] FIG. 5-6A representa uma fina película de perda formada adjacente à cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00131] FIG. 5-6B e FIG. 5-6C representam resultados de simula- ções numéricas de radiação de excitação nas proximidades de uma cavidade amostra e fina película de perda, de acordo com algumas modalidades.
[00132] FIG. 5-6D representa uma fina película de perda espaçada de uma cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00133] FIG. 5-6E representa uma pilha de fina película de perda formada adjacente à cavidade amostra, de acordo com algumas mo- dalidades.
[00134] FIG. 5-7A ilustra uma pilha refletiva que pode ser usada para formar uma cavidade ressonante adjacente à cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00135] FIG. 5-7B representa uma estrutura dielétrica que pode ser usada para concentrar a radiação de excitação na cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00136] FIG. 5-7C e FIG. 5-7D representam uma estrutura de inter- valo de faixa fotônica que pode ser padronizada adjacente à cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00137] FIG. 5-8A a FIG. 5-8G representam estruturas associadas com etapas de processo para formar estruturas dielétricas e uma cavi- dade amostra auto-alinhada, de acordo com algumas modalidades.
[00138] FIG. 5-9A e FIG. 5-9B representam estruturas para acoplar energia de excitação a uma amostra por meio de um processo não ra- diativo, de acordo com algumas modalidades.
[00139] FIG. 5-9C e FIG. 5-9D representam uma estrutura para acoplamento da energia de excitação a uma amostra por múltiplos processos não radiativos, de acordo com algumas modalidades.
[00140] FIG. 5-9E representam uma estrutura que incorpora uma ou mais partículas conversoras de energia para acoplar energia de exci- tação a uma amostra por meio de um processo radiativo ou não radia- tivo, de acordo com algumas modalidades.
[00141] FIG. 5-9F representa espectros associados com subcon- versão de energia de excitação para uma amostra, de acordo com al- gumas modalidades.
[00142] FIG. 5-9G representa espectros associados com super conversão de energia de excitação para uma amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00143] FIG. 6-1A representa uma grade circular plasmônica, con- cêntrica, de acordo com algumas modalidades.
[00144] FIG. 6-1B representa uma grade plasmônica espiral, de acordo com algumas modalidades.
[00145] FIG. 6-2A a FIG. 6-2D representam padrões de distribuição espacial de emissão de uma grade circular plasmônica, concêntrica para vários comprimentos de onda de emissão, de acordo com algu- mas modalidades.
[00146] FIG. 6-3A a FIG. 6-3D representam nanoantenas plasmôni- cas, de acordo com algumas modalidades.
[00147] FIG. 6-4A representa um padrão para uma nanoantena plasmônica, espiral, de acordo com algumas modalidades.
[00148] FIG. 6-4B representa resultados de uma simulação numéri- ca de campo eletromagnético nas proximidades da nanoantena plas- mônica, espiral de FIG. 6-4A, de acordo com algumas modalidades.
[00149] FIG. 6-4C a FIG. 6-4E ilustram várias configurações de na- noantenas plasmônicas espirais, de acordo com algumas modalida- des.
[00150] FIG. 6-5A a FIG. 6-5D representa resultados de simulações numéricas de padrões de distribuição espacial associados com dife- rentes comprimentos de onda que emitem de uma cavidade amostra circundada por uma nanoantena plasmônica, de acordo com algumas modalidades.
[00151] FIG. 6-6A e FIG. 6-6B representa óticas de classificação espectral de campo distante, de acordo com algumas modalidades.
[00152] FIG. 6-7A e FIG. 6-7B representa óticas de filtragem espec- tral de campo distante, de acordo com algumas modalidades.
[00153] FIG. 7-1A representa, em vista de elevação, um sensor 3- 260 dentro de um pixel, de acordo com algumas modalidades.
[00154] FIG. 7-1B representa um sensor bullseye tendo duas áreas ativas separadas e concêntricas, de acordo com algumas modalida- des.
[00155] FIG. 7-1C representa um sensor de faixa tendo quatro áreas ativas separadas, de acordo com algumas modalidades.
[00156] FIG. 7-1D representa um sensor quad tendo quatro áreas ativas separadas, de acordo com algumas modalidades.
[00157] FIG. 7-1E representa um sensor de segmento de arco ten- do quatro áreas ativas separadas, de acordo com algumas modalida- des.
[00158] FIG. 7-1F representa um sensor de segmento em pilhas, de acordo com algumas modalidades.
[00159] FIG. 7-2A representa uma distribuição de emissão de uma cavidade amostra para radiação emitida em um primeiro comprimento de onda, de acordo com algumas modalidades.
[00160] FIG. 7-2B representa um padrão de radiação recebida por um sensor bullseye correspondendo à distribuição de emissão repre- sentada na FIG. 7-2A, de acordo com algumas modalidades.
[00161] FIG. 7-2C representa uma distribuição de emissão de uma cavidade amostra para radiação emitida em um segundo comprimento de onda, de acordo com algumas modalidades.
[00162] FIG. 7-2D representa um padrão de radiação recebida por um sensor bullseye correspondendo à distribuição de emissão repre- sentada na FIG. 7-2C, de acordo com algumas modalidades.
[00163] FIG. 7-2E representa resultados de uma simulação numéri- ca de detecção de sinal para um sensor bullseye tendo duas áreas ati- vas para um primeiro comprimento de onda de emissão de uma amos- tra, de acordo com algumas modalidades.
[00164] FIG. 7-2F representa resultados de uma simulação numéri- ca de detecção de sinal para o sensor bullseye associado com FIG. 7-
2E para um segundo comprimento de onda de emissão de uma amos- tra, de acordo com algumas modalidades.
[00165] FIG. 7-2G representa resultados de uma simulação numéri- ca de detecção de sinal para o sensor bullseye associado com FIG. 7- 2E para um terceiro comprimento de onda de emissão de uma amos- tra, de acordo com algumas modalidades.
[00166] FIG. 7-2H representa resultados de uma simulação numéri- ca de detecção de sinal para o sensor bullseye associado com FIG. 7- 2E para um quarto comprimento de onda de emissão de uma amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00167] FIG. 7-2I representa resultados de uma simulação numérica de detecção de sinal para um sensor bullseye tendo quatro áreas ati- vas para um primeiro comprimento de onda de emissão de uma amos- tra, de acordo com algumas modalidades.
[00168] FIG. 7-2J representa resultados de uma simulação numéri- ca de detecção de sinal para o sensor bullseye associado com FIG. 7- 2I para um segundo comprimento de onda de emissão de uma amos- tra, de acordo com algumas modalidades.
[00169] FIG. 7-3A representa circuito em um dispositivo integrado que pode ser usado para ler sinais de um sensor compreendendo du- as áreas ativas, de acordo com algumas modalidades.
[00170] FIG. 7-3B representa um circuito de três transistores que pode ser incluído em um segmento sensor para acúmulo de sinal e leitura, de acordo com algumas modalidades.
[00171] FIG. 7-3C representa circuito em um dispositivo integrado que pode ser usado para ler sinais de um sensor compreendendo qua- tro áreas ativas, de acordo com algumas modalidades.
[00172] FIG. 7-4A representa características de emissão temporal para dois diferentes emissores que podem ser usados para análise de amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00173] FIG. 7-4B representa evolução temporal de uma fonte de excitação e luminescência de uma amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00174] FIG. 7-4C ilustra amostra de atraso de tempo, de acordo com algumas modalidades.
[00175] FIG. 7-4D representa características de emissão temporal para dois diferentes emissores, de acordo com algumas modalidades.
[00176] FIG. 7-4E representa dinâmicas de voltagem em um nodo de acúmulo de carga de um sensor, de acordo com algumas modali- dades.
[00177] FIG. 7-4F representa uma leitura dupla de um segmento sensor sem reinicialização, de acordo com algumas modalidades.
[00178] FIG. 7-4G e FIG. 7-4H ilustram primeiro e segundo níveis de sinal de leitura associados com dois emissores tendo característi- cas de emissão temporalmente distintas, de acordo com algumas mo- dalidades.
[00179] FIG. 8-1 representa um método de operação de um aparato compacto que pode ser usado para análise móvel, rápida, de espéci- mens biológicos e químicos, de acordo com algumas modalidades.
[00180] FIG. 8-2 representa um procedimento de calibração, de acordo com algumas modalidades.
[00181] FIG. 8-3 representa um procedimento de análise de dados, de acordo com algumas modalidades.
[00182] As características e vantagens da presente invenção tornar- se-ão mais evidentes a partir da descrição detalhada mencionada abaixo quando tomada em conjunto com os desenhos.
[00183] Quando descrevendo modalidades em referência aos de- senhos, referências de direção ("acima," "abaixo," "topo," "base," "es- querda," "direita," "horizontal," "vertical," etc.) podem ser usadas. Tais referências são destinadas meramente como um auxílio ao leitor na visualização dos desenhos em uma orientação normal. Estas referên- cias direcionais não são destinadas a descrever uma orientação prefe- rida ou única de um dispositivo representado. Um dispositivo pode ser representado em outras orientações.
DESCRIÇÃO DETALHADA I. Introdução
[00184] Os inventores reconheceram e apreciaram que aparatos convencionais para realizar bioensaios são grandes, caros, e reque- rem técnicas de laboratório avançadas para realizar. Os inventores reconheceram e apreciaram que existe uma necessidade de um dis- positivo compacto que possa simplesmente e com baixo custo analisar espécimens biológicos e/ou químicos para propósitos médicos, fo- rênsicos, de pesquisa, e vários diagnósticos. Uma aplicação de tal dis- positivo pode ser para sequenciamento de uma biomolécula, tal como uma molécula de ácido nucleico ou um polipeptídeo (por exemplo, pro- teína) tendo uma pluralidade de aminoácidos. Uma aparato de alta ve- locidade, compacto, para realizar a detecção e quantificação de únicas moléculas ou partículas pode reduzir o custo de realização de medi- ções quantitativas complexas de amostras biológicas e/ou químicas e rapidamente avançar a velocidade de pesquisa e desenvolvimento em vários campos de bioquímica. Além disso, um dispositivo de baixo cus- to é facilmente transportável pode transformar não apenas a forma como bioensaios são realizados no mundo desenvolvido, porém pro- vêm pessoas em regiões em desenvolvimento, pela primeira vez, pronto acesso a testes diagnósticos essenciais que podem dramati- camente melhorar sua saúde e bem estar. Por exemplo, em algumas modalidades, um aparato para realizar bioensaios é usado para reali- zar testes diagnósticos de amostras biológicas, tal como sangue, urina e/ou saliva que podem ser usadas por indivíduos em sua casa, por um médico no campo, ou em uma clínica remota em países em desenvol-
vimento ou qualquer outra localização, tal como consultórios de médi- cos rurais. Tais testes diagnósticos podem incluem a detecção de bi- omoléculas em uma amostra biológica de um indivíduo, tal como uma molécula de ácido nucleico ou proteína. Em alguns exemplos, testes diagnósticos incluem sequenciamento de uma molécula de ácido nu- cleico em uma amostra biológica de um indivíduo, tal como sequenci- amento de moléculas de ácido deoxiribonucleico livre de célula ou produtos de expressão em uma amostra biológica do indivíduo.
[00185] Embora um instrumento compacto possa ser usado para detectar a presença de espécies bioquímicas (por exemplo, ácidos nu- cleicos, proteínas, antígenos, anticorpos, viroses, moléculas peque- nas, etc.) em espécimens ou amostras biológicas, o instrumento pode ser usado para tarefas mais complicadas, tal como análise de proces- sos bioquímicos dinâmicos. Um campo de interesse em que o instru- mento pode ser usado é o sequenciamento genético de única molécu- la. De acordo com algumas modalidades, sequenciamento de ácido nucleico de única molécula, de tempo real pode ser realizado com o instrumento para descodificar genes ou segmentos de gene. Isto pode permitir médicos, por exemplo, para rastrear mutações de viroses pre- judiciais, em tempo real.
[00186] O termo "ácido nucleico," como usado aqui, geralmente re- fere-se a uma molécula compreendendo uma ou mais subunidades de ácido nucleico. um ácido nucleico podem incluir uma ou mais subuni- dades selecionadas de adenosina (A), citosina (C), guanina (G), timina (T) e uracila (U), ou variantes das mesmas. Em alguns exemplos, um ácido nucleico é ácido deoxiribonucleico (DNA) ou ácido ribonucleico (RNA), ou derivados dos mesmos. Um ácido nucleico pode ser de fi- lamento único ou de filamento duplo. um ácido nucleico pode ser circu- lar.
[00187] O termo "nucleotídeo," como usado aqui, geralmente refe-
re-se a uma subunidade de ácido nucleico, que pode incluir A, C, G, T ou U, ou variantes ou análogos dos mesmos. Um nucleotídeo pode incluir qualquer subunidade que pode ser incorporada em um filamento de ácido nucleico em desenvolvimento. Tal subunidade pode ser um A, C, G, T, ou U, ou qualquer outra subunidade que é específica para um ou mais complementar A, C, G, T ou U, ou complementar a uma purina (isto é, A ou G, ou variantes ou análogos dos mesmos) ou uma pirimidina (isto é, C, T ou U, ou variantes ou análogos dos mesmos). Uma subunidade pode possibilitar bases de ácido nucleico individuais ou grupos de bases (por exemplo, AA, TA, AT, GC, CG, CT, TC, GT, TG, AC, CA, ou contrapartes de uracila dos mesmos) serem resolvi- dos.
[00188] Um nucleotídeo geralmente inclui um nucleosídeo e pelo menos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, ou mais grupos de fosfato (PO3). Um nucleotídeo pode incluir uma nucleobase, um açúcar de cinco carbo- nos (ou ribose ou deoxiribose), e uma ou mais grupos de fosfato. Ri- bonucleotídeos são nucleotídeos em que o açúcar é ribose. Deoxirri- bonucleotídeos são nucleotídeos em que o açúcar é deoxiribose. Um nucleotídeo pode ser um monofosfato de nucleosídeo ou um polifosfa- to de nucleosídeo. Um nucleotídeo pode ser um polifosfato de deoxir- ribonucleosídeo, tal como, por exemplo, um trifosfato de deoxiribonu- cleosídeo, que pode ser selecionado de trifosfato de deoxiadenosina (dATP), trifosfato de deoxicitidina (dCTP), trifosfato deoxiguanosina (dGTP), trifosfato de deoxiuridina (dUTP) e trifosfato de deoxitimidina (dTTP) dNTPs, que incluem rótulos detectáveis, tais como marcadores ou rótulos luminescentes (por exemplo, fluoroforos).
[00189] Um polifosfato de nucleosídeo pode ter grupos de fosfato 'n', onde 'n' é um número que é maior do que ou igual a 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, ou 10. Exemplos de polifosfatos de nucleosídeo incluem difosfato de nucleosídeo e trifosfato de nucleosídeo. Um nucleotídeo pode ser um nucleosídeo rotulado por fosfato terminal, tais como um polifosfato de nucleosídeo rotulado por fosfato terminal. Tal rótulo pode ser um rótulo luminescente (por exemplo, fluorescente ou quimioluminescen- te), um rótulo fluorogênico, um rótulo colorido, um rótulo cromogênico, um rótulo de massa, um rótulo eletrostático, ou um rótulo electroquími- co. Um rótulo (ou marcador) pode ser acoplado a um fosfato terminal por meio de um ligante. O ligante pode incluir, por exemplo, pelo me- nos um ou uma pluralidade de grupos hidroxila, grupos sulfidrila, gru- pos amino ou grupos haloalquila, que podem ser adequados para for- mar, por exemplo, um éster de fosfato, um tioéster, um fosforamidato ou uma ligação de fosfonato de alquilano fosfato terminal de um nu- cleotídeo natural ou modificado. Um ligante pode ser clivável a fim de separar um rótulo do fosfato terminal, tal como com o auxílio de uma enzima de polimerização. Exemplos de nucleotídeos e ligantes são fornecidos na Patente dos Estados Unidos No. 7.041.812, que é total- mente incorporado aqui por referência.
[00190] O termo "polimerase," como usado aqui, geralmente refere- se a qualquer enzima (ou enzima de polimeerização) capaz de catali- sar uma reação de polimerização. Exemplos de polimerases incluem, sem limitação, um ácido nucleico polimerase, uma transcriptase ou uma ligase. Uma polimerase pode ser uma enzima de polimerização.
[00191] O termo "genoma" geralmente refere-se à íntegra de uma informação hereditária do organismo. Um genoma pode ser codificado ou em DNA ou em RNA. Um genoma pode compreender regiões de codificação que codificam para proteínas, bem como regiões de não codificação. Um genoma pode incluir a sequência de todos os cromos- somas juntos em um organismo. Por exemplo, o genoma humano tem um total de 46 cromossomas. A sequência de todos estes juntos conti- tui o genoma humano.
[00192] A presente descrição fornece dispositivos, sistemas e mé-
todos para detectar biomoléculas ou subunidades das mesmas, tais como moléculas de ácido nucleico. Tal detecção pode incluir sequen- ciamento. Uma biomolécula pode ser extraída de uma amostra biológi- ca obtida de um indivíduo. A amostra biológica pode ser extraída de um tecido ou fluido corporal do indivíduo, tais como respiração, saliva, urina ou sangue (por exemplo, sangue total ou plasma). O indivíduo pode ser suspeito de ter uma condição de saúde, tal como uma doen- ça (por exemplo, câncer). Em alguns exemplos, uma ou mais molécu- las de ácido nucleico são extraídas do tecido ou fluido corporal do indi- víduo. um ou mais ácidos nucleicos pode ser extraído de uma ou mais células obtidas do indivíduo, tais como parte do tecido do indivíduo, ou obtido de um fluido corporal livre de célula do indivíduo, tal como san- gue total.
[00193] Uma amostra biológica pode ser processada em prepara- ção para detecção (por exemplo, sequenciamento). Tal processamen- to pode incluir isolamento e/ou purificação da biomolécula (por exem- plo, molécula de ácido nucleico) da amostra biológica, e geração de mais cópias da biomolécula. Em alguns exemplos, uma ou mais molé- culas de ácido nucleico são isoladas e purificadas de um tecido ou flu- ido corporal do indivíduo, e amplificadas por meio de amplificação de ácido nucleico, tal como reação de cadeia de polimerase (PCR). Em seguida, a uma ou mais moléculas de ácido nucleico ou subunidades das mesmas podem ser identificadas, tal como por meio de sequenci- amento.
[00194] Sequenciamento pode incluir a determinação de subunida- des individuais de uma biomolécula padrão (por exemplo, molécula de ácido nucleico) por sintetização de outra biomolécula que é comple- mentar ou análoga ao padrão, tal como por sintetização de uma molé- cula de ácido nucleico que é complementar a uma molécula de ácido nucleico padrão e identificação da incorporação de nucleotídeos ao longo do tempo (isto é, sequenciamento por síntese). Como uma alter- nativa, o sequenciamento pode incluir a identificação direta de subuni- dades individuais da biomolécula.
[00195] Durante o sequenciamento, sinais indicativos de subunida- des individuais de uma biomolécula podem ser coletados em memória e processados em tempo real ou em um ponto posterior do tempo para determinar uma sequência da biomolécula. Tal processamento pode incluir uma comparação dos sinais aos sinais de referência que possi- bilitam a identificação das subunidades individuais, que em alguns ca- sos produz leituras. As leituras podem ser sequências de comprimento suficiente (por exemplo, pelo menos cerca de 30 pares de base (bp)) que podem ser usados para identificar uma sequência ou região maior, por exemplo, que pode ser alinhada à localização em um cromossoma ou gene ou região genômica.
[00196] Leituras de sequência pdoem ser usadas para reconstruir uma região maior de um genoma de um indivíduo (alinhamento). As leituras podem ser usadas para reconstruir regiões cromossômicas, cromossomas inteiros, ou o genoma inteiro. Leituras de sequência ou uma sequência maior gerada de tais leituras podem ser usadas para analisar um genoma de um indivíduo, tal como identificar variantes ou polimorfismos. Exemplos de variantes incluem, porém não estão limi- tados a, polimorfismos de único nucleotídeo (SNPs) incluindo SNPs tandem, deleções ou inserções de múltiplas bases de pequena escala, também referidas como polimorfismos de inserção de indels ou dele- ção ou DIPs), Polimorfismos de Múltiplos Nucleotídeos (MNPs), Repe- tições Tandem Curtas (STRs), deleções, incluindo microdeleções, in- serções, incluindo microinserções, variações estruturais, incluindo du- plicações, inversões, translocações, multiplicações, variantes de múlti- plos sítios complexas, variações de número de cópias (CNV). Sequên- cias genômicas podem compreender combinações de variantes. Por exemplo, sequências genômicas podem abranger a combinação de uma ou mais SNPs e uma ou mais CNVs.
[00197] Subunidades Individuais de biomoléculas podem ser identi- ficadas usando marcadores. Em alguns exemplos, marcadores lumi- nescentes são usados para identificar subunidades individuais de bio- moléculas, como descrito em outras partes deste documento.
[00198] Sequenciamento de ácido nucleico (por exemplo, DNA) permite a determinação da ordem e posição de nucleotídeos em uma molécula alvo de ácido nucleico. Tecnologias de sequenciamento de ácido nucleico podem variar nos métodos usados para determinar a sequência de ácido nucleico, bem como na taxa, comprimento da leitu- ra, e incidência de erros no processo de sequenciamento. Por exem- plo, alguns métodos de sequenciamento de ácido nucleico são com base em sequenciamento por síntese, em que a identidade de um nu- cleotídeo é determinada quando o nucleotídeo é incorporado em um filamento de ácido nucleico recentemente sintetizado que é comple- mentar à molécula alvo de ácido nucleico.
[00199] Durante o sequenciamento, uma enzima de polimerização pode acoplar-se (por exemplo, ligar-se) a uma localização de imprima- ção de uma molécula de ácido nucleico alvo. A localização de impri- mação pode ser um iniciador que é complementar à molécula alvo de ácido nucleico. Como uma alternativa a localização de imprimação é uma lacuna ou entalhe que é fornecido dentro de um segmento de fi- lamento duplo da molécula alvo de ácido nucleico. Uma lacuna ou en- talhe pode ser de 0 a pelo menos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, ou 40 nucleotídeos de comprimento. Um entalhe pode fornecer uma rup- tura em um filamento de uma sequência de filamento duplo, que pode fornecer uma localização de imprimadura para uma enzima de polime- rização, tal como, por exemplo, um filamento deslocando a enzima po- limerase.
[00200] Em alguns casos, um iniciador de sequenciamento pode ser anelado a uma molécula alvo de ácido nucleico que pode ou não ser imobilizada a suporte sólido, tal como uma cavidade amostra. Em algumas modalidades, um iniciador de sequenciamento pode ser imo- bilizado em um suporte sólido e a hibridização da molécula alvo de ácido nucleico também imobiliza a molécula alvo de ácido nucleico ao suporte sólido. Por meio da ação de uma enzima (por exemplo, uma polimerase) capaz de adicionar ou incorporar um nucleotídeo ao inici- ador, nucleotídeos podem ser adicionados ao iniciador em 5' a 3', mo- do de ligação padrão. Tal incorporation de nucleotídeos a um iniciador (por exemplo, por meio da ação de uma polimerase) pode geralmente ser referida como uma reação de extensão de iniciador. Cada nucleo- tídeo pode ser associado com um rótulo detectável pode ser detectado e usado para determinar cada nucleotídeo incorporado no iniciador e, desse modo, uma sequência da molécula de ácido nucleico recente- mente sintetizada. Por meio de complementaridade de sequência da molécula de ácido nucleico recentemente sintetizada, a sequência da molécula alvo de ácido nucleico pode também ser determinada. Em alguns casos, anelamento de um iniciador de sequenciamento a uma molécula alvo de ácido nucleico e incorporação de nucleotídeos ao iniciador de sequenciamento podem ocorrer em condições de reação similares (por exemplo, a mesma ou similar temperatura de reação) ou em divergentes condições de reação (por exemplo, diferentes tempe- raturas de reação). Além disso, algum sequenciamento por métodos de síntese pode incluir a presença de uma população de moléculas alvo de ácido nucleico (por exemplo, cópias de um ácido nucleico alvo) e/ou uma etapa de amplificação do ácido nucleico alvo para obter uma população de ácidos nucleicos alvos.
[00201] Dispositivos e sistemas da presente descrição são capazes de moléculas de ácido nucleico de único sequenciamento com alta precisão e longos comprimentos de leitura, tais como uma precisão de pelo menos cerca de 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.9%, 99.99%, 99.999%, ou 99.9999%, e/ou comprimentos de leitura maiores do que ou igual a cerca de 10 pares de base (bp), 50 bp, 100 bp, 200 bp, 300 bp, 400 bp, 500 bp, 1000 bp, 10,000 bp, 20,000 bp, 30,000 bp, 40,000 bp, 50,000 bp, ou 100,000 bp.
Em algumas modalidades, a molécula alvo de ácido nucleico usa- da em sequênciamento de única molécula é um ácido nucleico alvo de único filamento (por exemplo, ácido deoxiribonucleico (DNA), deriva- dos de DNA, ácido ribonucleico (RNA), derivados de RNA,) padrão que é adicionada ou imobilizada à cavidade amostra contendo pelo menos um componente adicional de uma reação de sequenciamento (por exemplo, uma polimerase tal como, uma DNA polimerase, um ini- ciador de sequenciamento) imobilizada ou ligada a um suporte sólido tal como a base da cavidade amostra.
A molécula alvo de ácido nu- cleico ou a polimerase pode ser ligada a uma cavidade amostra, tal como na base da cavidade amostra diretamente ou por meio de um ligante.
A cavidade amostra pode também conter quaisquer outros re- agentes necessários para síntese de ácido nucleico por meio de uma reação de extensão de iniciador, tal como, por exemplo tampões ade- quados, cofatores, enzimas (por exemplo, uma polimerase) e polifosfa- tos de deoxiribonucleosídeo, tal como, por exemplo, trifosfatos de deoxiribonucleosídeo, incluindo trifosfato de deoxiadenosina (dATP), trifosfato de deoxicitidina (dCTP), trifosfato de deoxiguanosina (dGTP), trifosfato de deoxiuridina (dUTP) e trifosfato de deoxitimidina (dTTP) dNTPs, que incluem rótulos luminescentes, tais como fluoroforos.
Ca- da classe de dNTPs (por exemplo, dNTPs contendo adenina (por exemplo, dATP), dNTPs contendo citosina (por exemplo, dCTP), dNTPs contendo guanina (por exemplo, dGTP), dNTPs contendo ura- cila (por exemplo, dUTPs) e dNTPs contendo timina (por exemplo,
dTTP)) é conjugada a um rótulo luminescen te distinto, de modo que a detecção de luz emitida do rótulo indique a identidade do dNTP que foi incorporada no ácido nucleico recentemente sintetizado. A luz emitida do rótulo luminescente pode ser detectada e atribuída a seu rótulo lu- minescente apropriado (e, desse modo, dNTP associada) por meio de qualquer dispositivo e/ou método adequado, incluindo tais dispositivos e métodos para detecção descrita em outras partes deste documento. O rótulo luminescente pode ser conjugado ao dNTP em qualquer posi- ção de modo que a presença do rótulo luminescente não iniba a incor- poração do dNTP no filamento de ácido nucleico recentemente sinteti- zado ou a atividade da polimerase. Em algumas modalidades, o rótulo luminescente é conjugado ao fosfato terminal (o gama fosfato) do dNTP.
[00202] O padrão de ácido nucleico alvo de filamento único pode ser contactado com um iniciador de sequenciamento, dNTPs, polime- rase e outros reagentes necessários para a síntese de ácido nucleico. Em algumas modalidades, todos os dNTPs apropriados podem ser contactados com o padrão de ácido nucleico alvo de filamento único simultaneamente (por exemplo, todos os dNTPs estão simultaneamen- te presentes) de modo que a incorporação de dNTPs pode ocorrer continuamente. Em outras modalidades, os dNTPs podem ser contac- tados com o padrão de sequenciamento de ácido nucleico alvo de fi- lamento único, onde o padrão de ácido nucleico alvo de filamento úni- co é contactado com cada dNTP apropriado separadamente, com eta- pas de lavagem entre o contato do padrão de ácido nucleico alvo de filamento único com dNTPs divergentes. Tal ciclo de contato com o padrão de ácido nucleico alvo de filamento único com cada dNTP se- paradamente seguido por lavagem pode ser repetido para cada su- cessiva posição base do padrão de ácido nucleico alvo de filamento único a ser identificado.
[00203] O iniciador de sequenciamento anela-se ao padrão de áci- do nucleico alvo de filamento único e a polimerase consecutivamente incorpora os dNTPs (ou outro polifosfato de deoxiribonucleosídeo) ao iniciador por meio do padrão de ácido nucleico alvo de filamento único. O rótulo luminescente único associado com dada dNTP incorporado pode ser excitado com a luz de excitação apropriada durante ou após a incorporação do dNTP ao iniciador e sua emissão pode ser subse- quentemente detectada, usando, quaisquer dispositivo(s) e/ou méto- do(s) adequados, incluindo dispositivos e métodos para detecção des- crita em outras partes deste documento. Detecção de uma particular emissão de luz pode ser atribuído a um particular dNTP incorporado. A sequência obtida da coleção de rótulos luminescentes detectados po- de então ser usada para determinar a sequência do padrão de ácido nucleico alvo de filamento único por meio de complementaridade de sequência.
[00204] Embora a presente descrição faça referência a dNTPs, dis- positivos, sistemas e métodos fornecidos aqui podem ser usados com vários tipos de nucleotídeos, tais como ribonucleotídeos e deoxiribo- nucleotídeos (por exemplo, polifosfatos de deoxiribonucleosídeo com pelo menos 4, 5, 6, 7, 8, 9, ou 10 grupos de fosfato). Tais ribonucleotí- deos e deoxiribonucleotídeos podem incluir vários tipos de rótulos (ou marcadores) e ligantes.
[00205] Sinais emitidos na incorporação de nucleosides podem ser armazenados em memória e processados em um último momento pa- ra determinar a sequência do padrão de ácido nucleico alvo. Isto pode incluir a comparação dos sinaisa a sinais de referência para determi- nar as identidades dos nucleosídeos incorporados como uma função de tempo. Alternativo ou em adição a, sinal emitido na incorporação de nucleosídeo pode ser coletado e processado em tempo real (isto é, em incorporação de nucleosídeo) para determinar a sequência do padrão de ácido nucleico alvo em tempo real.
[00206] Sequenciamento de ácido nucleico de uma pluralidade de padrões de ácido nucleico alvo de filamento único pode ser completa- do onde múltiplas cavidades amostras estão disponíveis, como é o ca- so em dispositivos descritos em outras partes deste documento. Cada cavidade amostra pode ser fornecida com um padrão de ácido nuclei- co alvo de filamento único e uma reação de sequenciamento pode ser completada em cada cavidade amostra. Cada uma das cavidades amostras pode ser contactado com os reagentes apropriados (por exemplo, dNTPs, iniciadors de sequenciamento, polimerase, cofatores, tampões apropriados, etc.) necessários para a síntese de ácido nuclei- co durante uma reação de extensão de iniciador e a reação de se- quenciamento pode prosseguir em cada cavidade amostra. Em algu- mas modalidades, as múltiplas cavidades amostras são contactadas com todos os dNTPs apropriados simultaneamente. Em outras moda- lidades, as múltiplas cavidades amostras são contactadas com cada dNTP apropriado separadamente e cada uma lavada entre os contatos com diferentes dNTPs. Os dNTPs incorporados podem ser detectados em cada cavidade amostra e uma sequência determinada para o ácido nucleico alvo de filamento único em cada cavidade amostra como é descrito acima.
[00207] Modalidades direcionadas a sequenciamento de ácido nu- cleico de única molécula podem usar qualquer polimerase que é capaz de sintetizar um ácido nucleico complementar a uma molécula alvo de ácido nucleico. exemplos de polimerases incluem uma DNA polimera- se, uma RNA polimerase, uma polimerase termoestável, uma polime- rase tipo selvagem, uma polimerase modificada, E. coli DNA polimera- se I, T7 DNA polimerase, bacteriofago T4 DNA polimerase φ29 (psi29) DNA polimerase, Taq polimerase, Tth polimerase, Tli polimerase, Pfu polimerase, Pwo polimerase, VENT polimerase, DEEPVENT polimera-
se, EX-Taq polimerase, LA-Taq polimerase, Sso polimerase, Poc poli- merase, Pab polimerase, Mth polimerase, ES4 polimerase, Tru polime- rase, Tac polimerase, Tne polimerase, Tma polimerase, Tca polimera- se, Tih polimerase, Tfi polimerase, Platina Taq polimerases, Tbr poli- merase, Tfl polimerase, Tth polimerase, Pfutubo polimerase, Pyrobest polimerase, Pwo polimerase, KOD polimerase, Bst polimerase, Sac polimerase, fragmento Klenow, polimerase com atividade de exonu- clease 3' a 5', e variantes, produtos modificados e derivados dos mesmos. Em algumas modalidades, a polimerase é uma polimerase de única subunidade. Em algumas modalidades, a polimerase é uma polimerase com alta processividade. A processividade da polimerase geralmente refere-se à capacidade de uma polimerase para consecuti- vamente incorporar dNTPs em um padrão de ácido nucleico sem libe- rar o padrão de ácido nucleico. Em pareamento de base entre uma nucleobase de um ácido nucleico alvo e o dNTP complementar, a po- limerase incorpora o dNTP no filamento de ácido nucleico recentemen- te sintetizado por formação de uma ligação de fosfodiéster entre a ex- tremidade de 3' hidroxila do filamento recentemente sintetizado e o alfa fosfato do dNTP. Nos exemplos em que o rótulo luminescente conju- gado ao dNTP é um fluoroforo, sua presença é sinalada por excitação e um pulso de emissão é detectado durante ou após a etapa de incor- poração. Para rótulos de detecção que são conjugados ao (gama) fos- fato terminal do dNTP, incorporação do dNTP no filamento recente- mente sintetizado resultados em liberação dos beta e gama fosfatos e o rótulo de detecção, que é livre para difundir na cavidade amostra, resultando em um decréscimo em emissão detectado do fluoroforo.
[00208] Modalidades direcionadas ao sequenciamento de RNA de única molécula podem usar qualquer transcriptase reversa que é ca- paz de sintetizar DNA complementar (cDNA) de um padrão de RNA. Em tais modalidades, uma transcriptase reversa pode funcionar de uma maneira similar à polimerase pelo fato de que cDNA pode ser sin- tetizado de um padrão de RNA por meio da incorporação de dNTPs a um iniciador de transcrição reversa anelado a um padrão de RNA. O cDNA pode então participar em uma reação de sequenciamento e sua sequência determinada como descrito acima. A sequência determina- da do cDNA pode então ser usada, por meio de complementaridade de sequência, para determinar a sequência do padrão de RNA original. Exemplos de transcriptase reversa incluem transcriptase reversa do Vírus da Leucemia de Murino Moloney (M-MLV), transcriptase reversa do vírus de mieloblastose aviária (AMV), transcriptase reversa do vírus da imunodeficiência humana (HIV-1) e transcriptase reversa de telo- merase.
[00209] Tendo reconhecida a necessidade de aparatos menos complexos, simples, para realizar detecção de única molécula e/ou sequenciamento de ácido nucleico, a presente descrição fornece téc- nicas para detectar moléculas individuais usando conjuntos de rótulos, tais como rótulos óticos (por exemplo, luminescente), para rotular dife- rentes moléculas. Tais moléculas individuais podem ser nucleotídeos ou aminoácidos tendo rótulos. Rótulos podem ser detectados embora ligados a moléculas individuais, em liberação das moléculas individu- ais, ou embora ligados a e em ligeração das moléculas individuais. Em alguns exemplos, os rótulos são rótulos luminescentes. Cada rótulo luminescente em um conjunto selecionado está associado com uma respectiva molécula. Por exemplo, um conjunto de quatro rótulos pode ser usado para "rotular" as nucleobases presentes em DNA – cada rótulo do conjunto que está sendo associado com uma diferente nu- cleobase, por exemplo, um primeiro rótulo sendo associado com ade- nina (A), um segundo rótulo sendo associado com citosina (C), um ter- ceiro rótulo sendo associado com guanina (G), e um quarto rótulo sen- do associado com timina (T). Além disso, cada dos rótulos luminescen-
tes no conjunto de rótulos tem diferentes propriedades que podem ser usadas para distinguir um primeiro rótulo do conjunto dos outros rótu- los do conjunto. Deste modo, cada rótulo é unicamente identificável usando uma ou mais destas características de distinção. A título de exemplo e não de limitação, as características dos rótulos que podem ser usados para distinguir um rótulo de outro podem incluir a energia de emissão e/ou comprimento de onda da luz que é emitida pelo rótulo em resposta à excitação e/ou a energia e/ou comprimento de onda da luz de excitação que excita um rótulo particular.
[00210] Modalidades podem usar qualquer combinação adequada de características de rótulo para distinguir um primeiro rótulo em um conjunto de rótulos dos outros rótulos no mesmo conjunto. Por exem- plo, algumas modalidades podem usar apenas o comprimento de onda da luz de emissão dos rótulos para identificar os rótulos. Em tais mo- dalidades, cada rótulo em um conjunto selecionado de rótulos tem um diferente comprimento de onda de emissão de pico dos outros rótulos no conjunto e os rótulos luminescentes são todos excitados por luz de uma única fonte fonte de excitação. A FIG. 1-1 ilustra os espectros de emissão de quatro rótulos luminescentes de acordo com uma modali- dade onde os quatro rótulos exibem seu respectivo pico de intensidade em diferentes comprimentos de onda de emissão, referidos aqui como o "comprimento de onda de emissão de pico" do rótulo. Um primeiro espectro de emissão 1-101 de um primeiro rótulo luminescente tem um comprimento de onda de emissão de pico a λ1, um segundo espectro de emissão 1-102 de um segundo rótulo luminescente tem um com- primento de onda de emissão de pico a λ2, um terceiro espectro de emissão 1-103 de um terceiro rótulo luminescente tem um comprimen- to de onda de emissão de pico a λ3, e um quarto espectro de emissão 1-104 de um quarto rótulo liminescente tem um comprimento de onda de emissão de pico a λ4. Nesta modalidade, os picos de emissão dos quatro rótulos luminescentes podem ter quaisquer valores adequados que satisfazem a relação λ1 < λ2 < λ3 < λ4. Os quatro espectros de emissão podem ou não se sobreporem. Entretanto, se os espectros de emissão de dois ou mais rótulos sobrepõem-se, é desejável selecionar um conjunto de rótulo luminescente, de modo que um rótulo emita substancialmente mais luz do que qualquer outro rótulo em cada res- pectivo comprimento de onda de pico. Nesta modalidade, o compri- mento de onda de excitação no qual cada um dos quatro rótulos ma- ximamente absorve luz da fonte de excitação é substancialmente o mesmo, porém que não necessita ser o caso. Usando o conjunto de rótulo acima, quatro diferentes moléculas podem ser rotuladas com um respectivo rótulo da conjunto de rótulo, os rótulos podem ser excitados usando uma única fonte de excitação, e os rótulos podem ser distin- guidos um do outro detectando o comprimento de onda de emissão dos rótulos usando um sistema ótico e os sensores. Ao mesmo tempo em que a FIG. 1-1 ilustra quatro diferentes rótulos, deve ser apreciado que qualquer número adequado de rótulos possam ser usados.
[00211] Outras modalidades podem usar tanto o comprimento de onda da emissão luz dos rótulos quanto o comprimento de onda na qual os rótulos absorvem luz de excitação para identifidar os rótulos. Em tais modalidades, cada rótulo em um conjunto selecionado de rótu- los tem uma diferente combinação de comprimento de onda de emis- são e comprimento de onda de excitação dos outros rótulos no conjun- to. Desse modo, alguns rótulos dentro de um conjunto de rótulos sele- cionado podem ter o mesmo comprimento de onda de emissão, porém ser excitados por luz de diferentes comprimentos de onda. Ao contrá- rio, alguns rótulos dentro de um conjunto de rótulos selecionado po- dem ter o mesmo comprimento de onda de excitação, but emit luz em diferentes comprimentos de onda. FIG. 1-2A ilustra os espectros de emissão de quatro rótulos luminescentes de acordo com para uma modalidade onde dois dos rótulos have um primeiro comprimento de onda de emissão de pico e os outros dois rótulos têm um segundo comprimento de onda de emissão de pico.
Um primeiro espectro de emissão 1-105 de um primeiro rótulo luminescente tem um compri- mento de onda de emissão de pico a λ1, um segundo espectro de emissão 1-106 de um segundo rótulo luminescente também tem um comprimento de onda de emissão de pico a λ1, um terceiro espectro de emissão 1-107 de um terceiro rótulo luminescente tem um compri- mento de onda de emissão de pico a λ2, e um quarto espectro de emissão 1-108 de um quarto rótulo liminescente também tem um com- primento de onda de emissão de pico a λ2. Nesta modalidade, os pi- cos de emissão dos quatro rótulos luminescentes podem ter quaisquer valores adequados que satisfazem a relação λ1 < λ2. FIG. 1-2B ilustra os espectros de absorção dos quatro rótulos luminescentes, onde dois dos rótulos têm um primeiro comprimento de onda de absorção de pi- co e os outros dois rótulos têm um segundo comprimento de onda de absorção de pico.
Um primeiro espectro de absorção 1-109 para o primeiro rótulo luminescente tem um comprimento de onda de absor- ção de pico a λ3, a segundo espectro de absorção 1-110 para o se- gundo rótulo luminescente tem um comprimento de onda de absorção de pico a λ4, um terceiro espectro de absorção 1-111 para o terceiro rótulo luminescente tem um comprimento de onda de absorção de pico a λ3, e um quarto espectro de absorção 1-112 para o quarto rótulo lu- minescente tem um comprimento de onda de absorção de pico a λ4. Observe que os rótulos que compartilham um comprimento de onda de emissão de pico na FIG. 1-2A não compartilham um comprimento de onda de pico de absorção na FIG. 1-2B.
O uso de tal conjunto de rótu- lo permite distinguir entre quatro rótulos mesmo quando existem ape- nas dois comprimentos de onda de emissão paa os quatro pigmentos.
Isto é possível usando duas fontes de excitação que emitem diferentes comprimentos de onda ou uma única fonte de excitação capaz de emi- tir múltiplos comprimentos de onda. Se o comprimento de onda da luz de excitação é conhecido para cada evento de emissão detectada, en- tão pode ser determinado se rótulo está presente. A(s) fonte(s) de ex- citação podem alternar entre um primeiro comprimento de onda de ex- citação e um segundo comprimento de onda de excitação, que é refe- rido como intercalante. Alternativamente, dois ou mais pulsos do pri- meiro comprimento de onda de excitação podem ser usados seguidos por dois ou mais pulsos do segundo comprimento de onda de excita- ção.
[00212] Embora não ilustrado nas figuras, outras modalidades po- dem determinar a identidade de a rótulo luminescente com base na frequência de absorção apenas. Tais modalidades são possíveis se a luz de excitação puder ser tonalizada parum comprimentos de onda específicos que compartilham o espectro de absorção dos rótulos em um conjunto de rótulo. Em tais modalidades, o sistema ótico e o sen- sor usados para direcionar e detectar a luz emitida de cada rótulo não necessita ser capaz de detectar o comprimento de onda da luz emiti- da. Isto pode ser vantajoso em algumas modalidades por que reduz a complexidade do sistema ótico e dos sensores por que a detecção do comprimento de onda de emissão não é requerida em tais modalida- des.
[00213] Como descrito acima, os inventores reconheceram e apre- ciaram a necessidade de ser capaz de distinguir diferentes rótulos lu- minescentes de outro, usando várias características dos rótulos. O tipo de características usado para determinar a identidade de um rótulo impacta o dispositivo físico usado para realizar esta análise. O presen- te pedido descreve diversas modalidades de um aparato, dispositivo, instrumento e métodos para realizar estes diferentes experimentos.
[00214] Em síntese, os inventores reconheceram e apreciaram que um dispositivo pixelizado com um grande número de pixels (por exem- plo, centenas, milhares, milhões ou mais) permite a detecção de uma pluralidade de moléculas ou particles individuais em paralelo. As molé- culas podem ser, a título de exemplo e não de limitação, proteínas e/ou DNA. Além disso, um dispositivo de alta velocidade que pode ad- quirir dados para mais de uma centena de estruturas por segundo permite a detecção e análise de processos dinâmicos ou mudanças que ocorrem ao longo do tempo dentro da amostra que está sendo analisada.
[00215] O aparato compacto descrito aqui pode ser usado para tra- zer bioanalíticos automatizados para regiões do mundo que anterior- mente não poderiam realizar análise quantitativa de amostras biológi- cas. Por exemplo, testes sanguíneos para crianças podem ser realiza- dos colocando uma amostra de sangue sobre um chip de ensaio inte- grado descartável ou reciclável (também referido aqui como um "dis- positivo integrado"), colocando o dispositivo integrado no instrumento pequeno portátil para análise, e processando os resultados por um computador que se conecta ao instrumento para supervisão imediata pelo usuário. Os dados podem também ser transmitidos sobre uma rede de dados para uma localização remota a ser analisada, e/ou ar- quivados para subsequentes análises clínicas. Alternativamente, o ins- trumento pode incluir um ou mais processadores capazes de análise de dados obtidos do dispositivo integrado, e fornecer resultados para revisão sem a necessidade de um computador externo. II. Visão geral do Aparato
[00216] Uma visão geral esquemática de aparato 2-100 para anali- sar espécimens é ilustrada na FIG. 2-1. De acordo com algumas mo- dalidades, o aparato 2-100 compreende um chip de ensaio integrado (também referido aqui como um "dispositivo integrado") 2-110 e um instrumento de base 2-120, no qual o dispositivo integrado pode ser inserido. O instrumento de base 2-120 pode compreender uma interfa- ce de computador 2-124, pelo menos um processador eletrônico 2- 123, e uma interface de usuário 2-125. O dispositivo integrado pode compreender uma interface do instrumento 2-130, pelo menos uma cavidade amostra 2-111, pelo menos uma fonte de excitação 2-121, e pelo menos um sensor 2-122, embora em modalidades preferidas, ha- verá uma pluralidade de cavidades amostras, fontes de excitação, e o sensores dispostos sobre um dispositivo integrado 2-110. De acordo com algumas modalidades, o instrumento 2-120 inclui qualquer toma- da adequada para fazer a interface com o dispositivo integrado 2-110. Por exemplo, o instrumento 2-120 pode incluir uma tomada (não ilus- trada) compreendendo registro mecânico e conexão elétrica de múlti- plos pinos para receber o dispositivo integrado 2-110.
[00217] Em algumas modalidades, uma interface de computador 2- 124 é usada para conectar com um dispositivo de computação 2-130. Qualquer interface de computador adequada 2-124 e dispositivo de computação 2-130 pode ser usada. Por exemplo, a interface de com- putador 2-124 pode ser uma interface USB ou uma interface Firewire. O dispositivo de computação 2-130 pode ser qualquer computador de propósito geral, tal como um computador laptop ou desktop. A interfa- ce de computador 2-124 facilita a comunicação de informação entre o instrumento 2-120 e o dispositivo de computação 2-130. Informação de entrada para controle e/ou configuração do instrumento 2-120 pode ser fornecida através do dispositivo de computação 2-130 conectado à interface de computador 2-124 do instrumento. Adicionalmente, infor- mação de saída do instrumento pode ser recebida pelo dispositivo de computação 2-130 através da interface de computador 2-124. Tal in- formação de saída pode incluir feedback sobre o desempenho do ins- trumento 2-120 e informação relativa a sinais dos sensores 2-122, que podem compreender dados brutos e/ou processados em algumas mo-
dalidades.
[00218] O instrumento 2-120 pode também incluir pelo menos um dispositivo de processamento 2-123 para analisar dados recebidos dos sensores 2-122. Em algumas modalidades, o dispositivo de processa- mento 2-123 pode compreender um processador especialmente adap- tado (por exemplo, uma unidade de processamento central (CPU) tal como um ou mais núcleos de microprocessador ou microcontrolador, um dispositivo de porta de campo programável (FPGA), um circuito integrado específico da aplicação (ASIC), um circuito integrado perso- nalizado, um processador de sinal digital (DSP), ou uma combinação dos mesmos.) A memória (não) mostrada pode armazenar instruções interpretáveis por máquina que especialmente adapta-se ao processa- dor 2-123 para executar funções de controle do instrumento, coleção de sinal e funções de processamento, bem como sinais de controle de edição para o dispositivo integrado para vários propósitos, tais como operação das fontes de excitação. Em algumas modalidades, o pro- cessamento de dados dos sensores 2-122 pode ser realizado tanto pelo dispositivo de processamento 2-123 quanto pelo dispositivo de computação externa 2-130. Em outras modalidades, o dispositivo de computação 2-130 pode ser omitido e o processamento de dados do sensor 2-122 pode ser realizado somente por dispositivo de proces- samento 2-123.
[00219] Em algumas modalidades, o instrumento 2-120 inclui uma interface do usuário 2-125 para operação interativa do instrumento. A interface do usuário 2-125 pode ser configurada para permitir o usuário inserir informação no instrumento, tais como comandos e/ou configu- rações usados para controlar o funcionamento do instrumento. Em al- gumas modalidades, a interface do usuário 2-125 pode incluir qualquer uma de ou uma combinação de botões, interruptores, mostradores, tela de toque, teclado sensível ao toque, display, e microfone para re-
ceber comandos de voz. Adicionalmente, a interface do usuário 2-125 pode permitir um usuário receber feedback sobre o desempenho do instrumento e/ou dispositivo integrado, tal como alinhamento apropria- do e/ou informação obtida por sinais de leitura dos sensores sobre o dispositivo integrado. Em algumas modalidades, a interface do usuário 2-125 pode fornecer feedback usando um autofalante para fornecer feedback de áudio, e/ou luzes indicadoras e/ou uma tela de exibição para fornecer feedback visual.
[00220] Em algumas modalidades, o dispositivo integrado 2-110 compreende uma pluralidade de pixels, cada pixel associado com sua própria individual cavidade amostra 2-111 e seu próprio sensor asso- ciado 2-122. A pluralidade de pixels pode ser disposta em uma dispo- sição, e pode haver qualquer número adequado de pixels. Por exem- plo, o dispositivo integrado podem incluir entre 100 e 1,000 pixels de acordo com algumas modalidades, entre 1,000 e 10,000 pixels de acordo com algumas modalidades, entre 10,000 e 100,000 pixels de acordo com algumas modalidades, entre 100,000 e 1,000,000 pixels de acordo com algumas modalidades, e ainda entre 1,000,000 e 10,000,000 pixels de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, pode haver menos ou mais pixels em um dispositivo integrado. O dispositivo integrado 2-110 e instrumento 2-120 podem incluir ligações de comunicação de alta velocidade de múltiplos canais para manipular dados associados com grandes disposições de pixel (por exemplo, mais do que 1000 pixels).
[00221] Um dispositivo integrado pode aparecer como representado na FIG. 2-2. Estruturas eletrônicas, óticas, e relacionadas, podem to- das ser incorporadas sobre um único substrato 2-200. O dispositivo integrado pode incluir uma disposição de pixels de fonte ativa 2-205 e circuito eletrônico integrado. O circuito eletrônico integrado pode incluir unidade de disco e circuito de leitura 2-215 acoplados aos sensores da disposição de pixel, e circuito de processamento de sinal. O circuito de processamento de sinal pode incluir conversores de análogo em digital 2-217 e uma ou mais disposições de porta de campo programável, e algumas modalidades podem ter componentes de menor circuito inte- grados sobre o substrato. Embora os componentes do dispositivo inte- grado 2-110 sejam representados em único nível na FIG. 2-2, os com- ponents podem ser fabricados em múltiplos níveis sobre o substrato 2-
200.
[00222] De acordo com algumas modalidades, pode haver uma câmara de paredes formada em torno de uma pluralidade de pixels 2- 205 no dispositivo integrado. A câmara de paredes pode ser configu- rada para reter um espécimen fluido sobre a pluralidade de pixels. Em algumas implementações, pode haver uma cobertura que pode fechar sobre a câmara de paredes para impedir a luz externa para a câmara de paredes de iluminar a pluralidade de pixels. De acordo com algu- mas implementações, pode haver um espinhaço correndo em torno da pluralidde de pixels 2-205, ou a pluralidade de pixels pode ser formada em uma depressão. A câmara de paredes, espinhaço, ou depressão pode ser configurada para reter um espécimen fluido sobre a plurali- dade de pixels. O dispositivo integrado pode ser inserido em um en- caixe receptor de um instrumento 2-120, e uma cobertura fechada so- bre o encaixe receptor para impedir a luz externa para o encaixe re- ceptor de iluminar a pluralidde de pixels. Em algumas modalidades, o dispositivo integrado 2-110 e a câmara são empacotados em uma úni- ca molécula. O módulo pode ter contatos elétricos exteriores que são dispostos para eletricamente contatar os pinos de um encaixe de re- cebimento de um instrumento 2-120.
[00223] Em algumas modalidades, pode haver elementos óticos (não mostrados) localizados no dispositivo integrado 2-110 que estão dispostos para guiar e acoplar a energia de excitação de uma ou mais fontes de excitação 2-121 às cavidades amostras 2-111. Tais elemen- tos de fonte paa cavidade podem incluir estruturas plasmônicas e ou- tras estruturas microfabricadas localizadas adjacentes às cavidades amostras. Adicionalmente, em algumas modalidades, pode haver ele- mentos óticos localizados no dispositivo integrado que são configura- dos para guiar energia de emissão das cavidades amostras 2-111 para os correspondentes sensores 2-122. Tais elementos de cavidade para amostra podem incluir estruturas plasmônicas e outras estruturas mi- crofabricadas localizadas adjacentes às cavidades amostras. Em al- gumas modalidades, um único componente pode desempenhar um papel tanto em acoplamento de energia de excitação à cavidade amostra quanto em liberação de energia de emissão de uma cavidade amostra para um correspondente sensor.
[00224] Em algumas implementações, um dispositivo integrado 2- 110 podem incluir mais de um tipo de fonte de excitação que é usado para excitar amostras em uma cavidade amostra. Por exemplo, pode haver múltiplas fontes de excitação configuradas para produzir múlti- plas energias de excitação ou comprimentos de onda para excitar uma amostra. Em algumas modalidades, uma única fonte de excitação po- de ser configurada para emitir múltiplos comprimentos de onda que são usados para excitar amostras nas cavidades amostras. Em algu- mas modalidades, cada sensor em um pixel do dispositivo integrado 2- 110 pode incluir múltiplos sub-sensores configurados para detectar diferentes características de energia de emissão da amostra.
[00225] Em operação, análises paralelas de amostras dentro da ca- vidades amostras 2-111 são realizadas por excitação das amostras dentro das cavidades usando uma fonte de excitação 2-121 e detec- tando sinais de emissão da amostra com o sensores 2-122. Energia de emissão de uma amostra pode ser detectada por um correspondente sensor 2-122 e convertida em pelo menos um sinal elétrico. O sinal ou sinais resultantes, podem ser processados no dispositivo integrado 2- 110 em algumas modalidades, ou transmitidos para o instrumento 2- 120 para processamento pelo dispositivo de processamento 2-123 e/ou dispositivo de computação 2-130. Sinais de uma cavidade amos- tra podem ser recebidos e processados independentemente de sinais associados com os outros pixels.
[00226] Quando uma fonte de excitação 2-121 libera energia de ex- citação para a cavidade amostra, pelo menos uma amostra dentro da cavidade pode luminescer, e a emissão resultante pode ser detectada por um sensor. Como usadas aqui, as frases "a amostra pode lumi- nescer" ou "a amostra pode emitir radiação" ou "emissão de uma amostra" significam que um rótulo luminescente, marcador, ou repór- ter, a própria amostra, ou um produto de reação associado com a amostra pode produzir a radiação emitida.
[00227] Em algumas modalidades, as amostras podem ser rotula- das com um ou mais rótulos, e emissão associada com os rótulos é discernível pelo instrumento. Por exemplo, os componentes do dispo- sitivo integrado podem afetar a emissão de uma cavidade amostra pa- ra produzir umpadrão de distribuição de emissão espacial que é de- pendente do comprimento de onda de emissão. Um correspondente sensor para a cavidade amostra pode ser configurado para detectar os padrões de distribuição espacial de uma cavidade amostra e produzir sinais que se diferenciam entre os diferentes comprimentos de onda de emissão, como descrito em maiores detalhes abaixo.
[00228] Vários rótulos, marcadores, ou repórteres podem ser usa- dos com o dispositivo integrado e instrumento. Os marcadores lumi- nescentes (também referidos aqui como "marcadores") podem ser marcadores exógenos ou endógenos. Marcadores exógenos podem ser marcadores luminescentes externos usados como um repórter e/ou rótulo para rotulagem luminescente. Exemplos de marcadores exógenos podem incluir, porém não estão limitados a moléculas fluo- rescentes, fluoroforos, pigmentos fluorescentes, manchas fluorescen- tes, pigmentos orgânicos, proteínas fluorescentes, espécies que parti- cipam em transferência de energia de ressonância de fluorescência (FRET), enzimas, e/ou pontos quânticos. Outros marcadores exóge- nos são conhecidos na técnica. Tais marcadores exógenos podem ser conjugados a uma sonda ou grupo funcional (por exemplo, molécula, íon, e/ou ligante) que especificamente se liga a um alvo ou componen- te particular. A ligação de um rótulo ou repórter exógeno a uma sonda permite a identificação do alvo através da detecção da presença do rótulo ou repórter exógeno. Exemplos de sondas podem incluir proteí- nas, ácido nucleico (por exemplo, DNA, RNA) moléculas, lipídeos e sondas de anticorpo. A combinação de um marcador exógeno e um grupo funcional pode formar quaisquer sondas, etiquetas e/ou rótulos usados para detecção, incluindo sondas moleculares, sondas rotula- das, sondas de hibridização, sondas de anticorpo, sondas de proteína (por exemplo, sondas de ligação à biotina), rótulos de enzima, sondas fluorescentes, rótulos fluorescentes, e/ou repórteres de enzima.
[00229] Embora a presente descrição faça referência a marcadores luminescentes, outros tipos de marcadores podem ser usados com dispositivos, sistemas e métodos fornecidos aqui. Tais marcadores podem ser rótulos de massa, rótulos eletrostáticos, ou rótulos eletro- químicos.
[00230] Enquanto marcores exógenos podem ser adicionados a uma amostra, marcadores endógenos podem ser já parte da amostra. Marcadores endógenos podem incluir qualquer marcador luminescente presente que pode luminescer ou "autofluorescer" na presença de energia de excitação. A autofluorescência de fluoroforos endógenos pode prover rotulagem livre de rótulo e não invasiva sem requerer a introdução de fluoroforos exógenos. Exemplos de tais fluoroforos en-
dógenos podem incluir reticulações de hemoglobina, oxihemoglobina, lipídeos, colágenos e elastina, reduzido nicotinamida adenina dinucleo- tídeo (NADH), flavinas oxidadas (FAD e FMN), lipofuscina, ceratina, e/ou profirinas, a título de exemplo e não de limitação.
[00231] A FIG. 2-3 representa componentes de um dispositivo de computação 2-310. Alguns ou todos os componentes mostrados po- dem estar presentes em modalidades de um aparato 2-100 para anali- sar espécimens. Em um ambiente de computação distribuído, alguns componentes podem ser localizados em um sevidor e alguns compo- nentes podem estar localizados em um dispositivo do cliente. Em al- gumas implementações, um dispositivo de computação 2-130 em communication com um instrumento de base 2-120 pode compreender alguns ou todos os componentes de um sistema de computação 2-300 que é representado na FIG. 2-3. Em algumas modalidades, um instru- mento de base 2-120 pode incluir alguns ou todos os componentes de um dispositivo de computação 2-310.
[00232] Os componentes de dispositivo de computação 2-310 po- dem incluir, porém não estão limitados a, uma unidade de processa- mento 2-320, uma memória 2-330, e um barramento 2-321 que acopla vários componentes incluindo a memória à unidade de processamento 2-320. O barramento 2-321 pode ser qualquer de diversos tipos de es- truturas de barramento incluindo um barramento de memória ou con- trolador de memória, um barramento periférico, e um barramento local usando qualquer de uma variedade de arquiteturas de barramento. A título de exemplo, e não de limitação, tais arquiteturas incluem o bar- ramento Arquitetura Padrão da Indústria (ISA), barramento Arquitetura de Micro Canal (MCA), barramento ISA (EISA) Realçado, Barramento local de Associação de Padrões Eletrônicos de Video (VESA), e Bar- ramento de Interconexão de Componente Periférico (PCI) também co- nhecido como barramento Mezzanine.
[00233] Computador 2-310 podem incluir um ou mais tipos de mei- os interpretáveis por máquina. Meios interpretáveis por máquina po- dem ser qualquer meio disponível que possa ser acessado por compu- tador 2-310 e inclui tanto os meios de armazenagem fabricados volá- teis e não voláteis, quanto os meios de armazenagem fabricados re- movíveis e não removíveis. A título de exemplo, e não de limitação, meios interpretáveis por máquina podem compreender informação, tais como instruções interpretáveis por computador, estruturas de da- dos, módulos de programa ou outros dados. Meios interpretáveis por máquina incluem, porém não estão limitados a, RAM, ROM, EEPROM, memória flash ou outra tecnologia de dispositivo de memória, CD- ROM, discos versáteis digitais (DVD) ou outra armazenagem em disco ótico, cassetes magnéticos, fita magnética, armazenagem em disco magnético ou outros dispositivos de armazenagem magnética, ou qualquer outro dispositivo de armazenagem de dados fabricado que podem ser usados para armazenar a informação desejada e que pode ser acessada por computador 2-310.
[00234] A memória 2-330 pode incluir meio de armazenagem por computador na forma de memória volátil e/ou não volátil tal como leitu- ra de apenas memória (ROM) 2-331 e memoria de acesso aleatório (RAM) 2-332. um sistema de entrada/saída básico 2-333 (BIOS), con- tendo as rotinas básicas que ajudam a transferir informação entre ele- mentos dentro de computador 2-310, tal como durante inicialização, podem ser armazenados em ROM 2-331. RAM 2-332 pode conter da- dos e/ou módulos de programa que são imediatamente acessíveis a e/ou no momento sendo operados pela unidade de processamento 2-
320. A título de exemplo, e não de limitação, a FIG. 2-3 ilustra um sis- tema de operação 2-334, programas de aplicação 2-335, outros módu- los de programa 2-336, e dados de programa 2-337.
[00235] O computador 2-310 pode também incluir outros meios in-
terpretáveis por máquina removíveis/não removíveis, voláteis/não volá- teis. A título de exemplo apenas, a FIG. 2-3 ilustra uma unidade de disco rígido 2-341 que lê de ou escreve em meios magnéticos não re- movíveis, não voláteis, uma unidade de disco magnético 2-351 que lê de ou escreve em um disco magnético removível, não volátil 2-352, e um unidade de disco ótico 2-355 que lê de ou escreve em um disco ótico removível, não volátil 2-356, tal como um CD-ROM ou outro meio ótico. Outros meios interpretáveis por máquina removíveis/não remo- víveis, voláteis/não voláteis que podem ser usados no ambiente de operação exemplar incluem, porém não estão limitados a, cassetes de fita magnética, cartões de memória flash, discos versáteis digitais, fita de vídeo digital, RAM de estado sólido, ROM de estado sólido, e simi- lares. A unidade de disco rígido 2-341 pode ser conectada ao barra- mento do sistema 2-321 por meio de uma interface de memória não removível, tal como interface 2-340, e a unidade de disco magnético 2- 351 e a unidade de disco ótico 2-355 podem ser conectadas ao bar- ramento do sistema 2-321 por uma interface de memória removível, tal como interface 2-350.
[00236] As unidades e seus meios associados interpretáveis por máquina descritos acima e ilustrados na FIG. 2-3, fornecem armaze- nagem de instruções interpretáveis por máquina, estruturas de dados, módulos de programa e outros dados para o computador 2-310. Na FIG. 2-3, por exemplo, unidade de disco rígido 2-341 é ilustrada como sistema de operação de armazenagem 2-344, programas de aplicação 2-345, outros módulos de programa 2-346, e dados de programa 2-
347. Estes componentes podem ou ser iguais a, ou diferentes de, sis- tema de operação 2-334, programas de aplicação 2-335, outros módu- los de programa 2-336, e dados de programa 2-337. Sistema de ope- ração 2-344, programas de aplicação 2-345, outros módulos de pro- grama 2-346, e dados de programa 2-347 são dados diferentes núme-
ros aqui para ilustrar que, em um mínimo, eles são diferentes cópias.
[00237] Um usuário pode inserir comandos e informação no compu- tador 2-310 por meio de dispositivos de entrada, tais como um teclado 2-362 e dispositivo indicador 2-361, comumente referido como um mouse, trackball ou almofada sensível ao toque. Outros dispositivos de entrada (não mostrados) podem incluir um microfone, joystick, almofa- da de jogo, disco satélite, escâner, ou similar. Estes e outros dispositi- vos de entrada podem ser conectados à unidade de processamento 2- 320 por meio de uma interface de entrada do usuário 2-360 que é acoplada ao barramento de sistema, porém pode ser conectada por outra interface e estruturas de barramento, tal como uma porta parale- la, porta de jogo ou um barramento serial universal (USB). Um monitor 2-391 ou outro tipo de dispositivo de exibição pode também ser conec- tado ao barramento do sistema 2-321 por meio de uma interface, tal como uma interface de vídeo 2-390. Além do monitor, um dispositivo de computação 2-310 pode também incluir outros dispositivos de saída periféricos tais como autofalantes 2-397 e impressora 2-396, que po- dem ser conectados por meio de uma interface periférica de saída 2-
395.
[00238] O computador 2-310 pode operar em um ambiente de rede usando conexões lógicas a um ou mais dispositivos remotos, tais co- mo um computador remoto 2-380. O computador remoto 2-380 pode ser um computador pessoal, um servidor, um roteador, um PC de re- de, um dispositivo hierárquico ou outro nó de rede comum, e podem incluir muitos ou todos os elementos descritos acima relativos ao com- putador 2-310, embora apenas um dispositivo de armazenagem de memória 2-381 tenha sido ilustrado na FIG. 2-3. As conexões lógicas representadas na FIG. 2-3 incluem uma rede de área local (LAN) 2- 371 e uma rede de área ampla (WAN) 2-373, porém podem também incluir outras redes. Tais ambientes de rede podem ser locais comuns em escritórios, redes de computador central, intranets e a Internet. Conexões de rede podem ser com fio, com base em fibra ótica, ou sem fio.
[00239] Quando usado em um ambiente de rede LAN, o computa- dor 2-310 pode ser conectado ao LAN 2-371 por meio de uma interfa- ce de rede ou adaptador 2-370. Quando usado em um ambiente de rede WAN, o computador 2-310 pode incluir um modem 2-372 ou ou- tros recursos para estabelecer comunicações na WAN 2-373, tal como a Internet. O modem 2-372, que pode ser interno ou externo, podem ser conectados ao barramento do sistema 2-321 por meio da interface de entrada 2-360, ou outro mecanismo apropriado. Em um ambiente de rede, módulos de programa representados relativos ao computador 2-310, ou porções dos mesmos, podem ser armazenados em um dis- positivo de armazenagem de memória remota. A título de exemplo, e não de limitação, a FIG. 2-3 ilustra programas de aplicação remota 2- 385 como residindo em dispositivo de memória 2-381. Será apreciado que as conexões de rede mostradas sejam exemplares e outros recur- sos de estabelecimento de uma ligação de comunicações entre os computadores possa ser usados. III. Pixel de Fonte Ativa e Cavidade Amostra III. A. Pixel de fonte Ativa
[00240] Referindo-se agora à FIG. 3-1, em várias modalidades, um dispositivo integrado pode incluir uma pluralidade de pixels de fonte ativa 3-100. Um pixel de fonte ativa (também referido como "pixel" aqui) pode compreender uma fonte de excitação localizada no pixel. A pluralidade de pixels pode ser disposta sobre um substrato 3-105 em uma disposição regular (por exemplo, uma disposição unidimensional ou bidimensional). Os pixels 3-100 podem ser dispostos para ter pelo menos um espaçamento periódico entre os pixels, de acordo com uma modalidade. Por exemplo, pixels ao longo de uma primeira direção
(uma direção da linha) pode ter um primeiro espaçamento periódico, e os pixels ao longo de uma segunda direção (uma direção da coluna) pode ter um segundo espaçamento periódico. Entretanto, algumas im- plementações podem não ter espaçamentos periódicos regulares entre os pixels, ou podem ter outras disposições dos pixels que possam in- cluir mais de dois espaçamentos periódicos. Pode haver entre 100 pixels e 1 milhão de pixels on um dispositivo integrado 2-110, embora em algumas modalidades, possa haver mais pixels em um dispositivo integrado.
[00241] Como representado na FIG. 3-1 e de acordo com uma mo- dalidade de um dispositivo integrado 2-110, um pixel ativo pode incluir a cavidade amostra 3-210 em que pelo menos uma amostra 3-101 de um espécimen pode ser retida para observação. Um pixel pode tam- bém incluir pelo menos uma fonte de excitação 3-240 que fornece energia para excitar uma amostra na cavidade amostra e um sensor 3- 260 que detecta a emissão da amostra. De acordo com algumas mo- dalidades, um pixel 3-100 pode incluir estruturas adicionais. Por exemplo, um pixel 3-100 pode incluir uma estrutura de acoplamento de excitação 3-220 que afeta o acoplamento de energia de excitação para uma amostra dentro de uma cavidade amostra. Um pixel pode também incluir uma estrutura de acoplamento de emissão 3-250 que afeta o acoplamento de energia de emissão de uma amostra dentro da cavi- dade para o sensor 3-260.
[00242] Em algumas modalidades, um pixel 3-100 pode incluir pelo menos um dispositivo semicondutor de óxido de metal complementar integrado r (CMOS) (por exemplo, pelo menos um amplificador inte- grado, pelo menos um transistor de propagação, etc, não mostrado no desenho) que é usado para processar sinais do sensor 3-260. O circui- to integrado CMOS pode ser localizado em um ou mais níveis próxi- mos ao sensor 3-260. Planos de base e/ou interconexão podem tam-
bém ser localizados dentro de um pixel de um dispositivo integrado.
[00243] A disposição de componentes em um pixel não está limita- da àqlas mostradas na FIG. 3-1. Em algumas modalidades, a primeira estrutura 3-220, fonte de excitação 3-240, segunda estrutura 3-250, e o sensor 3-260 podem estar dispostos em uma order, do topo para a base, diferentes do mostrado no desenho. III. B Modalidades da Cavidade Amostra
[00244] De acordo com algumas modalidades, a cavidade amostra 3-210 pode ser formada em um ou mais pixels de um dispositivo inte- grado. A cavidade amostra pode compreender um pequeno volume ou região formada em uma superfície de um substrato 3-105 e disposta de modo que as amostras 3-101 possam difundir-se dentro ou fora da cavidade amostra de um espécimen depositado sobre a superfície do substrato, como representado na FIG. 3-1 e FIG. 3-2. A cavidade amostra 3-210 pode ter um comprimento ou profundidade que se es- tende em uma direção normal para a superfície do substrato, algumas vezes referida como uma direção longitudinal da cavidade amostra. Em várias modalidades, a cavidade amostra 3-210 pode ser disposta para receber energia de excitação de uma fonte de excitação 3-240. Amostras 3-101 que se difundem dentro a cavidade amostra podem ser retidas, temporariamente ou permanentemente, dentro de uma re- gião de excitação 3-215 da cavidade amostra por um aderente 3-211. Na região de excitação, uma amostra pode ser excitada por energia de excitação (por exemplo, radiação de excitação 3-247), e subsequen- temente emitir radiação que pode ser observada e evaliada para ca- racterizar a amostra.
[00245] Em outros detalhes de operação, pelo menos uma amostra 3-101 a ser analisada pode ser introduzida em uma cavidade amostra 3-210, por exemplo, de um espécimen (não mostrado) contendo uma suspensão fluida de amostras. Energia de uma fonte de excitação 3-
240 sobre o substrato pode excitar a amostra ou pelo menos um rótulo (também referido como um marcador biológico, repórter, ou sonda) ligado à amostra ou de outro modo associado com a amostra embora esteja dentro de uma região de excitação 3-215 dentro de uma cavi- dade amostra. De acordo com algumas modalidades, um rótulo pode ser uma molécula luminescente (por exemplo, a rótulo luminescente ou sonda) ou ponto quântico. Em algumas implementações, Pode ha- ver mais de um rótulo que é usado para analisar uma amostra (por exemplo, rótulos distintos que são usados para sequenciamento gené- tico de única molécula como descrito em "Real-Time DNA Sequencia- mento from Single Polimerase Molecules," por J. Eid, et al., Science 323, p. 133 (2009), que é incorporado por referência). Durante e/ou após excitação, a amostra ou rótulo pode emitir energia de emissão. Quando múltiplos rótulos são usados, eles podem emitir em energias características diferentes e/ou emitir com diferentes características temporais. As emissões de uma cavidade amostra podem radiar ou de outro modo viajar para um sensor 3-260 onde elas são detectadas e convertidas em sinais elétricos que podem ser usados para caracteri- zar a amostra.
[00246] De acordo com algumas modalidades, a cavidade amostra 3-210 pode ser uma estrutura parcialmente fechada, como represen- tado na FIG. 3-2. Em algumas implementações, a cavidade amostra 3- 210 compreende um orifício ou abertura de tamanho submícron (ca- racterizado por pelo menos uma dimensão transversa Dsw) formado em pelo menos uma camada de material 3-230. Em alguns casos, o orifício pode ser referido como um "nano-orifício." uma dimensão transversa de uma cavidade amostra pode ser entre aproximadamente 20 nanômetros e aproximadamente 1 mícron, de acordo com algumas modalidades, embora tamanhos maiores e menores possam ser usa- dos em algumas implementações. Um volume da cavidade amostra 3-
210 pode ser entre cerca de 10-21 litros e cerca de 10-15 litros, em al- gumas implementações. A cavidade amostra pode ser formada como um guia de onda que pode ou não, suportar um modo de propagação. Em algumas modalidades, a cavidade amostra pode ser formada co- mo um guia de onda de modo zero (ZMW) tendo uma forma cilíndrica (ou forma similar) com um diâmetro (ou dimensão transversa maior) Dsw. Uma ZMW pode ser formada em uma camada de metal individual como um orifício de nanoescala que não suporta um modo ótico de propagação através do orifício.
[00247] Por que a cavidade amostra 3-210 tem um pequeno volu- me, detecção de eventos de única amostra (por exemplo, eventos de única molécula) em cada pixel pode ser possível, mesmo que as amostras possam ser concentradas em um espécimen examinado em concentrações que são similares àquelas encontradas em ambientes naturais. Por exemplo, concentrações micromolares da amostra pode estar presentes em um espécimen que e colocado em contato com o dispositivo integrado, porém no nível de pixel apenas de uma amostra (ou evento de única molécula) podem estar dentro de uma cavidade amostra em qualquer tempo determinado. Estatisticamente, algumas cavidades amostras podem não conter nenhuma amostra e algumas podem conter mais de uma amostra. Entretanto, um número apreciá- vel de cavidades amostras pode conter uma única amostra (por exem- plo, pelo menos 30% em algumas modalidades), de modo que análise de única molécula pode ser realizada em paralelo para um grande número de pixels. Por que Eventos de molécula individual ou amostra individual podem ser analisados em cada pixel, o dispositivo integrado torna possível detectar eventos raros que podem de outro modo pas- sar despercebidos em médias de conjunto.
[00248] Uma dimensão transversa Dsw da cavidade amostra pode ser entre cerca de 500 nanômetros (nm) e cerca de um mícron em al-
gumas modalidades, entre cerca de 250 nm e cerca de 500 nm em algumas modalidades, entre cerca de 100 nm e cerca de 250 nm em algumas modalidades, e ainda entre cerca de 20 nm e cerca de 100 nm em algumas modalidades. De acordo com algumas implementa- ções, uma dimensão transversa de uma cavidade amostra é entre aproximadamente 80 nm e aproximadamente 180 nm, ou entre apro- ximadamente um quarto e um oitavo do comprimento de onda de exci- tação ou comprimento de onda de emissão. Em algumas modalidades, a profundidade ou altura da cavidade amostra 3-210 pode ser entre cerca de 50 nm e cerca de 500 nm. Em algumas implementações, a profundidade ou altura da cavidade amostra 3-210 pode ser entre cer- ca de 80 nm e cerca de 250 nm.
[00249] Em uma cavidade amostra 3-210 tendo a sub-comprimento de onda, uma dimensão transversa pode melhorar a operação de um pixel 3-100 de um dispositivo integrado 2-110 de pelo menos duas maneiras. Por exemplo, energia de excitação incidente sobre a cavi- dade amostra de um lado oposto, o espécimen pode acoplar-se na re- gião de excitação 3-215 com uma decadência exponencial de força, e não propagar-se como um modo de propagação através da cavidade amostra para o espécimen. Como um resultado, a energia de excita- ção é aumentada na região de excitação onde ela excita uma amostra de interesse, e é reduzida no espécimen onde ela pode excitar outras amostras que pdoem contribuir para ruído de base. Além disso, a emissão de uma amostra retida em uma base da cavidade (por exem- plo, mais próxima ao sensor 3-260) é preferivelmente direcionada para o sensor, visto que a emissão que se propaga através da cavidade amostra é altamente suprimida. Ambos estes efeitos podem melhorar a relação de sinal para ruído no pixel. Os inventores reconheceram diversos aspectos da cavidade amostra que podem ser melhorados para também fomentar os níveis de sinal para ruído no pixel. Estes as-
pectos referem-se à forma e estrutura da cavidade, e também às es- truturas óticas e plasmônicas adjacentes (descrito abaixo) que auxili- am em acoplamento de energia de excitação à cavidade amostra e radiação emitida da cavidade amostra.
[00250] De acordo com algumas modalidades, a cavidade amostra 3-210 pode ser formada como uma nanoabertura subcortada (SCN). Por exemplo, a cavidade amostra 3-210 pode compreender um orifício ou perfuração de forma cilíndrica em uma camada condutora. A seção transversal da cavidade amostra necessita não ser redonda, e pode ser elíptica, quadrada, retangular, ou poligonal em algumas modalida- des. Energia de excitação 3-247 (por exemplo, radiação ótica) pode entrar na cavidade amostra através de uma abertura de entrada 3-212 que pode ser definida pelas paredes 3-214 da cavidade amostra em uma primeira extremidade da cavidade, como representado na FIG. 3-
2. Quando formada como um SCN, a energia de excitação pode cair exponencialmente ao longo do comprimento do SCN (por exemplo, na direção do espécimen). Em algumas implementações, o guia de onda pode compreender um SCN para radiação emitida da amostra, porém pode não ser um SCN paa energia de excitação. Por exemplo, a aber- tura e guia de onda formado pela cavidade amostra pode ser suficien- temente grande para suportar um modo de propagação para a energia de excitação, visto que ele pode ter um comprimento de onda menor do que a radiação emitida. A emissão, em um comprimento de onda maior, pode ser além de um comprimento de onda de corte para um modo de propagação no guia de onda. De acordo com algumas moda- lidades, a cavidade amostra 3-210 pode compreender um SCN para a energia de excitação, de modo que a maior intensidade de energia de excitação seja localizada em uma região de excitação 3-215 da cavi- dade amostra em uma entrada na cavidade amostra 3-210 (por exem- plo, localizada próximo da interface entre a camada 3-235 e a camada
3-230 como representado no desenho). Tal localização da energia de excitação pode melhorar a localização de energia de emissão da amostra, e limitar a emissão observada àquela emitida de uma amos- tra individual (por exemplo, uma molécula individual).
[00251] Um exemplo de localização de excitação próximo a uma entrada da cavidade amostra que compreende um SCN é representa- do na FIG. 3-3. Uma simulação numérica foi realizada para determinar a intensidade de radiação de excitação dentro de e próximo à cavida- de amostra 3-210 formada como um SCN. Os resultados mostram que a intensidade da radiação de excitação é de cerca de 70% da energia incidente em uma abertura de entrada da cavidade amostra e cai para cerca de 20% da intensidade incidente dentro de cerca de 100 nm na cavidade amostra. Para esta simulação, o comprimento de onda ca- racterístico da energia de excitação foi de 633 nm e o diâmetro da ca- vidade amostra 3-210 foi de 140 nm. A cavidade amostra 3-210 for- mou-se em uma camada de metal ouro. Cada divisão horizontal nos gráficos é de 50 nm. Como mostrado pelo gráfico, mais de metade da energia de excitação recebida na cavidade amostra é localizada para cerca de 50 nm dentro da abertura de entrada 3-212 da cavidade amostra.
[00252] Para melhorar a intensidade de energia de excitação que é localizada em uma cavidade amostra, outras estruturas da cavidade amostra foram desenvolvidas e estudadas pelos inventores. FIG. 3-4 representa uma modalidade da cavidade amostra que inclui uma cavi- dade ou depressão 3-216 em uma extremidade de excitação da cavi- dade amostra 3-210. Como pode ser observado nos resultados de si- mulação da FIG. 3-3, uma região de intensidade de excitação maior existe exatamente antes da abertura de entrada 3-212 da cavidade amostra. A adição de uma depressão 3-216 para estender a cavidade amostra, como representado na FIG. 3-4 por exemplo, permite uma amostra mover-se para dentro de uma região de maior intensidade de excitação, de acordo com algumas modalidades. Em algumas imple- mentações, a forma e estrutura da depressão altera o campo de exci- tação local (por exemplo, por causa de uma diferença em índice refra- tivo entre a camada 3-235 e fluido na cavidade amostra), e pode tam- bém aumentar a intensidade da energia de excitação na depressão.
[00253] A depressão pode ter qualquer forma adequada. A depres- são pode ter uma forma transversa que é substancialmente equivalen- te a uma forma transversa da cavidade amostra, por exemplo, redon- da, elíptica, quadrada, retangular, polígona, etc. Em algumas modali- dades, as paredes laterais da depressão podem ser substancialmente retas e verticais, como as paredes da cavidade amostra. Em algumas implementações, as paredes laterais da depressão podem ser inclina- das e/ou curvas, como representado no desenho. uma dimensão transversa da depressão pode ser aproximadamente o mesmo tama- nho da dimensão transversa de uma cavidade amostra em algumas modalidades, pode ser menor do que uma dimensão transversa de uma cavidade amostra em algumas modalidades, ou pode ser maior do que uma dimensão transversa de uma cavidade amostra em algu- mas modalidades. A depressão 3-216 pode estender-se entre aproxi- madamente 10 nm e aproximadamente 200 nm além da cavidade amostra. Em algumas implementações, a depressão pode estender-se entre aproximadamente 50 nm e aproximadamente 150 nm além da cavidade amostra. Formando a depressão, a região de excitação 3- 215 pode estender-se para fora da região da cavidade amostra que é circundada pela camada 3-230, como representado na FIG. 3-4.
[00254] A FIG. 3-5 representa melhora da energia de excitação na região de excitação para a cavidade amostra contendo uma depressão (mostrado na imagem de simulação esquerda). Para comparação, o campo de excitação é também simulado para a cavidade amostra sem uma depressão, mostrado à direita. A magnitude do campo foi conver- tida de uma reprodução de cor nestes plotes, e a região escura na ba- se da depressão representa maior intensidade do que a região de luz dentro de uma cavidade amostra. As regiões escuras acima da cavi- dade amostra representam a menor intensidade. Como pode ser ob- servado, a depressão permite uma amostra 3-101 mover-se para uma região de maior intensidade de excitação, e a depressão também au- menta a localização de região de maior intensidade em uma extremi- dade de excitação da cavidade amostra. Observe que a região de alta intensidade é mais distribuída para a cavidade amostra sem a depres- são. Em algumas modalidades, a depressão 3-216 fornece um aumen- to em energia de excitação na região de excitação por um fator de dois ou mais. Em algumas implementações, um aumento de mais de um fator de dois pode ser obtido dependendo da forma e comprimento da depressão. Nestas simulações, a cavidade amostra compreende uma camada 3-230 de A1 que é de 100nm de espessura, com uma depres- são 3-216 que é de 50nm de profundidade, com energia de excitação a 635nm de comprimento de onda.
[00255] A FIG. 3-6 representa outra modalidade da cavidade amos- tra 3-210 em que a cavidade amostra e depressão são formados usando uma protusão 3-615 em uma superfície de um substrato. Uma estrutura resultante para a cavidade amostra pode aumentar a energia de excitação na amostra em mais de um fator de dois comparado à cavidade amostra mostrada na FIG. 3-1, e pode condensar a emissão de uma cavidade amostra para um sensor 3-260. De acordo com al- gumas modalidades, a protusão 3-615 é padronizada em uma primeira camada 3-610 de material. A protusão pode ser formada como um pe- destal circular pedestal em algumas implementações, e uma segunda camada 3-620 de material pode ser depositada sobre a primeira ca- mada e a protusão. Na protusão, a segunda camada pode formar uma forma acima da protusão que se aproxima de uma porção esférica 3- 625, como representado. Em algumas modalidades, uma camada condutora 3-230 (por exemplo, um metal refletivo) pode ser depositada sobre a segunda camada 3-620 e padronizada para formar uma cavi- dade amostra 3-210 em uma camada condutiva acima da protusão. Uma depressão 3-216 pode então ser gravada em uma segunda ca- mada. A depressão pode estender-se entre cerca de 50 nm e cerca de 150 nm abaixo da camada condutiva 3-230. De acordo com algumas modalidades, a primeira camada 3-610 e a segunda camada 3-620 podem ser oticamente transparentes, e podem ou não ser formadas de um mesmo material. Em algumas implementações, a primeira camada 3-610 pode ser formada de um óxido (por exemplo, SiO2) ou um nitreto (por exemplo, Si3N4), e a segunda camada 3-620 pode ser formada de um óxido ou um nitreto.
[00256] De acordo com algumas modalidades, a camada condutiva 3-230 acima da protusão 3-625 é formada aproximadamente como um refletor esférico 3-630. A forma da porção esférica pode ser controlada por seleção da altura h da protusão, diâmetro ou dimensão transversa w da protusão, e uma espessura t da segunda camada 3-620. A locali- zação da região de excitação e posição da amostra pode ser ajustada com respeito a um ponto focal ótico do refletor esférico por seleção da profundidade d da depressão. Pode ser apreciado que o refletor esfé- rico 3-630 possa concentrar a energia de excitação na região de exci- tação 3-215, e possa também coletar a radiação emitida de uma amostra e refletir e concentrar a radiação para o sensor 3-260.
[00257] Como mencionado acima, a cavidade amostra pode ser formada em qualquer forma adequada, e não está limitada a apenas formas cilíndricas. Em algumas implementações, a cavidade amostra pode ser cônica, tetra-hedron, penta-hedron, etc. As FIG. 3-7A – FIG. 3-7F ilustram algumas formas e estruturas de cavidade amostra exemplo que podem ser usadas em algumas modalidades. A cavidade amostra 3-210 pode ser formada para ter uma abertura de entrada 3- 212 que é maior do que uma abertura de saída 3-218 para a energia de excitação, de acordo com algumas modalidades. As paredes late- rais da cavidade amostra podem ser afuniladas ou curvas. A formação de uma cavidade amostra desta maneira pode admitir mais energia de excitação para a região de excitação, ainda ainda apreciavelmente atenuar a energia de excitação que viaja para o espécimen. Adicio- nalmente, a emissão irradiada por uma amostra pode preferencialmen- te irradiar para a extremidade da cavidade amostra com a maior aber- tura, por causa da transferência de energia favorável naquela direção.
[00258] Em algumas modalidades, uma depressão 3-216 pode ter uma menor dimensão transversa do que a base da cavidade amostra, como representado na FIG. 3-7B. Uma menor depressão pode ser formada por revestimento das paredes laterais da cavidade amostra com uma camada sacrificial antes da gravação da depressão, e sub- sequentemente removendo uma camada sacrificial. Uma menor de- pressão pode ser formada para reter uma amostra em uma região que é mais equidistante das paredes condutivas da cavidade amostra. A retenção de uma amostra equidistante das paredes da cavidade amos- tra pode reduzir efeitos indesejáveis das paredes da cavidade amostra sobre a radiação da amostra, por exemplo, saciamento da emissão, e/ou alteração de tempos de vida da radiação.
[00259] FIG. 3-7C e 3-7D representam outra modalidade de uma cavidade amostra. De acordo com esta modalidade, uma cavidade amostra 3-210 pode compreender estruturas de realce da energia de excitação 3-711 e um aderente 3-211 formado adjacente às estruturas de realce da energia de excitação. As estruturas de realce da energia 3-711 podem compreender plasmônio de superfície ou estruturas de nanoantena formadas em materiais condutivos sobre uma camada oti-
camente transparente 3-235, de acordo com algumas modalidades. FIG. 3-7C representa uma vista de elevação da cavidade amostra 3- 210 e próxima estrutura, e FIG. 3-7D representa uma vista plana. As estruturas de realce da energia de excitação 3-711 podem ser mode- ladas e dispostas para realçar a energia de excitação em uma peque- na região localizada. Por exemplo, as estruturas podem incluir condu- tores pontiagudos tendo ângulos agudos em uma cavidade amostra que aumenta a intensidade da energia de excitação dentro de uma re- gião de excitação 3-215. No exemplo representado, as estruturas de realce de energia de excitação 3-711 são na forma de uma gravata borboleta. Amostras 3-101 difundindo-se na região podem ser retidas, temporariamente ou permanentemente, pelo aderente 3-211 e excita- das por energia de excitação que pode ser liberada de uma fonte de excitação 3-240 localizada adjacente à cavidade amostra 3-210. De acordo com algumas modalidades, a energia de excitação pode direci- onar ondas de plasmônio de superfície nas estruturas de realce da energia 3-711. As ondas de plasmônio de superfície resultantes po- dem produzir campoos elétricos elevados nos pontos agudos das es- truturas 3-711, e estes campos elevados podem excitar uma amostra retida na região de excitação 3-215. Em algumas modalidades, a cavi- dade amostra 3-210 representada na FIG. 3-7C pode incluir uma de- pressão 3-216.
[00260] Outra modalidade da cavidade amostra é representada na FIG. 3-7E, e mostra uma estrutura de realce da energia de excitação 3-720 formada ao longo do interior das paredes de uma cavidade amostra 3-210. A estrutura de realce de energia de excitação 3-720 pode compreender um metal ou condutor, e pode ser formada usando uma deposição direcional angular (ou sobreada) onde o substrato no qual a cavidade amostra é formada é girado durante a deposição. Du- rante a deposição, a base da cavidade amostra 3-210 é obscurecida pelas paredes superiores da cavidade, de modo que o material deposi- tado não se acumule na base. A estrutura resultante 3-720 pode for- mar um ângulo agudo 3-722 na base da estrutura, e este ângulo agu- do do condutor pode realçar a energia de excitação dentro de uma ca- vidade amostra.
[00261] Em uma modalidade como representado na FIG. 3-7E, o material 3-232 em que a cavidade amostra é formada não necessita ser um condutor, e pode ser qualquer dielétrico adequado. De acordo com algumas implementações, a cavidade amostra 3-210 e estrutura de realce da energia de excitação 3-720 pode ser formada em um ori- fício cego gravado em uma camada dielétrica 3-235, e uma camada separada 3-232 não necessita ser depositada.
[00262] Em algumas implementações, uma evaporação sombreada pode ser subsequentemente realizada sobre a estrutura mostrada na FIG. 3-7E para depositar uma estrutura de realce da energia metálica ou condutiva, por exemplo, uma estrutura trapezoidal ou cone pontia- gudo na base da cavidade amostra, como representado pela linha tra- cejada. A estrutura de realce de energia pode realçar a energia de ex- citação dentro da cavidade por meio de plasmônios de superfície. Após a evaporação sombreada, um processo de planarização (por exemplo, uma etapa de polimento quimicomecânico ou um processo de gramação de plasma) pode ser realizado para remover ou gravar novamente o material depositado no topo da cavidade amostra, ao mesmo tempo em que deixando a estrutura de realce da energia den- tro da cavidade.
[00263] Em algumas modalidades, a cavidade amostra 3-210 pode ser formada de mais de uma camada de metal individual. A FIG. 3-7F ilustra uma cavidade amostra formada em uma estrutura de múltiplas camadas, onde diferentes materiais podem ser usados para as dife- rentes camadas. De acordo com algumas modalidades, a cavidade amostra 3-210 pode ser formada em uma primeira camada 3-232 (que pode ser uma material semicondutor ou condutor), uma segunda ca- mada 3-234 (que pode ser um isolador ou dielétrico), e uma terceira camada 3-230 (que pode ser um conductor ou semicondutor). Em al- gumas modalidades, um semicondutor degenerativamente dopado ou grafeno pode ser usado para uma camada da cavidade amostra. Em algumas implementações, uma cavidade amostra pode ser formada em duas camadas, e em outras implementações uma cavidade amos- tra pode ser formada em quatro ou mais camadas. Em algumas moda- lidades, materiais de múltiplas camadas usadas para formar uma cavi- dade amostra podem ser selecionados para aumentar a geração de plasmônio de superfície na base da cavidade amostra ou suprimir a radiação de plasmônio de superfície no topo da cavidade. Em algumas modalidades, materiais de múltiplas camadas usados para formar a cavidade amostra podem ser selecionados para suprimir a radiação de excitação de propagação além da cavidade amostra e estrutura de múltiplas camadas no espécime de volume.
[00264] Em algumas modalidades, materiais de múltiplas camadas usados para formar uma cavidade amostra podem ser selecionados para aumentar ou suprimir éxcitons interfaciais que podem ser gerados por radiação de excitação incidente sobre a cavidade amostra. Por exemplo, multi-éxcitons, tais como biéxcitons e triéxitons, podem ser gerados em uma interface entre duas diferentes camadas semicondu- toras adjacentes a uma cavidade amostra. A cavidade amostra pode ser formada tanto na camada de metal, quanto na primeira camada semicondutora, de modo que a interface entre a primeira camada se- micondutora e a segunda camada semicondutora é em uma região de excitação 3-215 da cavidade amostra. Éxcitons interfaciais pode ter maiores tempos de vida do que os éxcitons dentro do volume da ca- mada semicondutora individual, aumentando a probabilidade de que os éxcitons excitem uma amostra ou rótulo por meio de FRET ou DET. Em algumas modalidades, pelo menos um ponto quântico no qual múl- tiplos éxcitons podem ser excitados pode ser ligado a uma base da cavidade amostra (por exemplo, por uma molécula de ligação). Éxci- tons excitados em um ponto quântico podem também ter tempos de vida maiores do que os éxcitons dentro do volume de uma camada semicondutora individual. Éxcitons interfaciais ou éxcitons gerados em um ponto quântico podem aumentar a taxa de FRET ou DET, de acor- do com algumas modalidades.
[00265] Vários materiais podem ser usados para formar cavidades amostras descritas nas modalidades anteriores. De acordo com algu- mas modalidades, a cavidade amostra 3-210 pode ser formada de pe- lo menos uma camada de material 3-230, que pode compreender qualquer um de ou uma combinação de um material condutivo, a se- micondutor, e um insolador. Em algumas modalidades, a cavidade amostra 3-210 compreende uma camada metálica altamente conduti- va, por exemplo, ouro, prata, alumínio, cobre. Em algumas modalida- des, a camada 3-230 pode compreender uma pilha de múltiplas cama- das que inclui qualquer um ou uma combinação de ouro, prata, alumí- nio, cobre, titânio, nitreto de titânio, paládio, platina, e cromo. Em al- gumas implementações, outros metais podem ser usados adicional- mente ou alternativamente. De acordo com algumas modalidades, uma cavidade amostra pode compreender uma liga tal como AlCu ou AlSi.
[00266] Em algumas modalidades, as múltiplas camadas de dife- rentes metais ou ligas podem ser usadas para formar uma cavidade amostra. Em algumas implementações, o material em que a cavidade amostra 3-210 é formada pode compreender camadas alternativas de metais e não metais, por exemplo, camadas alternativas de metal e um ou mais óxidos. Em algumas modalidades, o não metal pode incluir um polímero, tais como ácido polivinil fosfônico ou um polieltileno glicol (PEG)-tiol.
[00267] Uma camada 3-230 em que a cavidade amostra é formada pode ser depositada em ou adjacente pelo menos uma camada otica- mente transparente 3-235, de acordo com algumas modalidades, de modo que a energia de excitação (na forma de ótico) e energia de emissão (na forma de ótico) possam viajar para e da cavidade amostra 3-210 sem significante atenuação. Por exemplo, energia de excitação de uma fonte de excitação 3-240 pode passar através da pelo menos ona camada oticamente transparente 3-235 para a região de excitação 3-215, e emissão da amostra pode passar através da mesma camaa ou camadas para o sensor 3-260.
[00268] Em algumas modalidades, pelo menos uma superfície da cavidade amostra 3-210 pode ser revestida com uma ou mais cama- das 3-211, 3-280 de material que afetam a ação de uma amostra den- tro de uma cavidade amostra, como representado na FIG. 3-8. Por exemplo, uma camada dielétrica fina 3-280 (por exemplo, alumina, ni- treto de titânio, ou sílica) pode ser depositada como um revestimento de passivação sobre as paredes laterais da cavidade amostra. Tal re- vestimento pode ser implementado para reduzir a adesão da amostra de uma amostra fora da região de excitação 3-215, ou para reduzir a interação entre uma amostra e o material 3-230 em que a cavidade amostra 3-210 é formada. A espessura de um revestimento de passi- vação dentro de uma cavidade amostra pode ser entre cerca de 5 nm e cerca de 50 nm, de acordo com algumas modalidades.
[00269] Em algumas implementações, um material para uma cama- da de revestimento 3-280 pode ser selecionado com base em uma afi- nidade de um agente químico para o material, de modo que a camada 3-280 possa ser tratada com uma substância química ou biológica pa- ra também inibir a adesão de uma espécie de amostra à camada. Por exemplo, uma camada de revestimento 3-280 pode compreender alu- mina, que pode ser passivada com uma camada de passivação de po- lifosfonato, de acordo com algumas modalidades. Revestimentos adi- cionais ou alternativos e agentes de passivação podem ser usados em algumas modalidades.
[00270] De acordo com algumas modalidades, pelo menos uma su- perfície de base da cavidade amostra 3-210 e/ou depressão 3-216 po- de ser tratada com um aderente químico ou biológico 3-211 (por exemplo, biotina) para promover retenção de uma amostra. A amostra pode ser retida permanentemente ou temporariamente, por exemplo, durante pelo menos um período de tempo entre cerca de 0,5 milisse- gundos e cerca de 50 milissegundos. Em outra modalidade, o aderen- te pode promover retenção temporária de uma amostra 3-101 durante períodos maiores. Qualquer aderente adequado pode ser usado em várias modalidades, e não está limitado à biotina.
[00271] De acordo com algumas modalidades, a camada de mate- rial 3-235 adjacente à cavidade amostra pode ser selecionada com base em uma afinidade de um aderente para o material daquela ca- mada. Em algumas modalidades, a passivação das paredes laterais da cavidade amostra pode inibir o revestimento de um aderente sobre as paredes laterais, de modo que o aderente 3-211 preferencialmente deposita na base da cavidade amostra. Em algumas modalidades, um revestimento aderente pode estender-se até uma porção das paredes laterais da cavidade amostra. Em algumas implementações, um ade- rente pode ser depositado por um processo de deposição física aniso- trópica (por exemplo, evaporação, pulverização catódica), de modo que o aderente acumule-se na base da cavidade amostra ou depres- são e não apreciavelmente forma-se sobre as paredes laterais da ca- vidade amostra. III. C Fabricação da cavidade amostra
[00272] Várias técnicas de fabricação podem ser empregadas para fabricar cavidades amostras 3-210 para um dispositivo integrado. Al- guns processos exemplo são descritos abaixo, porém a invenção não está limitada a apenas estes exemplos.
[00273] A cavidade amostra 3-210 pode ser formada por qualquer processo de micro- ou nanofabricação adequado, que pode incluir, po- rém não está limitado a, etapas de processamento associados com fotolitografia, fotolitografia ultravioleta profunda, fotolitografia de imer- são, fotolitografia de contato ótico de campo próximo, litografia EUV, litografia de raio-x, litografia de nanoimpressão, litografia interferomé- trica, litografia em etapas e flash, litografia de raio de elétrom branco direto, litografia de raio de íon, moagem de raio de íon, processamento de levantamento, gravação de íon reativo, etc. De acordo com algu- mas modalidades, a cavidade amostra 3-210 pode ser formada usan- do fotolitografia e processamento de levantamento. Etapas de fabrica- ção exemplares associadas com o processamento de levantamento da cavidade amostra são representadas na FIG. 3-9. Embora fabricação de apenas uma cavidade amostra ou estrutura individual em um pixel seja tipicamente representada nos desenhos, será entendido que um grande número de cavidades amostras ou estruturas pode ser fabrica- do sobre um substrato (por exemplo, em cada pixel) em paralelo.
[00274] De acordo com algumas modalidades, uma camada 3-235 (por exemplo, uma camada de óxido) sobre um substrato pode ser co- berta com uma camada antirreflexo (ARC) 3-910 e fotorresistente 3- 920, como representado na FIG. 3-9A. O fotorresistente pode ser ex- posto e padronizado usando fotolitografia e desenvolvimento da resis- tência. A resistência pode ser desenvolvida para remover porções ex- postas ou porções não expostas (dependendo do tipo de resistência), deixando um pilar 3-922 que tem um diâmetro aproximadamente igual a um diâmetro desejado para a cavidade amostra, como representado na FIG. 3-9B. A altura do pilar pode ser maior do que uma profundida- de desejada da cavidade amostra.
[00275] O padrão do pilar 3-922 pode ser transferido para a camada ARC 3-910 por meio de gravação de íon reativo anisotrópica (RIE), por exemplo como mostrado na FIG. 3-9C. A região pode então ser reves- tida com pelo menos um material 3-230, por exemplo, um condutor ou metal, que é desejado para formar a cavidade amostra. Uma porção do material, ou materiais depositados, forma uma tampa 3-232 sobre o pilar 3-922, como representado na FIG. 3-9D. A resistência e ARC po- de então ser removida do substrato, usando uma remoção seletiva (por exemplo, usando um banho químico com ou sem agitação que dissolve pelo menos a resistência e libera ou "levanta" a tampa). Se a ARC permanece, ela pode ser removida do substrato usando uma gravação seletiva, deixando a cavidade amostra 3-210 como mostrado na FIG. 3-9E. De acordo com algumas modalidades, as paredes late- rais 3-214 da cavidade amostra podem ser inclinadas, devido à natu- reza da deposição do pelo menos um material 3-230.
[00276] Como usado aqui, uma "gravação seletiva" significa um processo de gravação em que um decapante seletivamente grava um material que deseja-se que seja removido ou gravado em uma taxa maior (por exemplo, pelo menos duas vezes a taxa) do que o deca- pante grava outros materiais que não se pretende que seja removido.
[00277] Por que a resistência e ARC são tipicamente com base em polímero, são consideradas materiais macios que podem não ser ade- quados para formar cavidades amostras tendo relações de alto aspec- to (por exemplo, relações de aspecto maiores do que cerca de 2:1 com respeito a altura-para-largura). Para cavidades amostras tendo maio- res relações de aspecto, um material duro pode ser incluído no pro- cesso de levantamento. Por exemplo, antes da deposição de ARC e fotorresistência, uma camada de um material duro (por exemplo, inor-
gânico) pode ser depositada. Em algumas modalidades, uma camada de titânio ou nitreto de silício pode ser depositada. A camada de mate- rial duro deve exibir gravação preferencial sobre o material, ou materi- ais, 3-230 em que a cavidade amostra é formada. Após um fotorresis- tente ser padronizada, um padrão do pilar pode ser transferido para a ARC e o material duro subjacente 3-930 produzindo uma estrutura como representado na FIG. 3-9F. um fotorresistente e ARC pode ser então removida, o(s) material(ais) 3-230 depositados, e uma etapa de levantamento realizada para formar a cavidade amostra.
[00278] De acordo com algumas modalidades, um processo de le- vantamento pode ser usado para formar a cavidade amostra compre- endendo estruturas de realce da energia 3-711, como representado na FIG. 3-7C e FIG. 3-7D.
[00279] Um processo alternativo para formar uma cavidade amostra é representado na FIG. 3-10. Neste processo, a cavidade amostra po- de ser diretamente gravada em pelo menos um material 3-230. Por exemplo, pelo menos um material 3-230 em que uma cavidade amos- tra deve ser formada pode ser depositada sobre um substrato. A ca- mada pode ser coberta por uma camada ARC 3-910 e uma fotorresis- tente 3-920, como ilustrado na FIG. 3-10A. um fotorresistente pode ser padronizada para formar um orifício tendo um diâmetro aproximada- mente igual a um diâmetro desejado da cavidade amostra, como re- presentado na FIG. 3-10B. O padrão do orifício pode ser transferido para a ARC e através da camada 3-230 usando uma gravação de íon reativo anisotrópica, como mostrado na FIG. 3-10C por exemplo. A resistência e ARC podem ser removidas, produzindo uma cavidade amostra como representado na FIG. 3-10D. De acordo com algumas modalidades, as paredes laterais de uma cavidade amostra formada por gravação na camada de material 3-230 podem ser mais verticais do que as paredes laterais, resultantes de um processo de levanta-
mento.
[00280] Em algumas modalidades, o fotorresistente e ARC podem ser usadad para padronizar uma máscara dura (por exemplo, uma camada de nitreto de silício ou óxido, não mostrada) sobre o material 3-230. O orifício padronizado pode então ser transferido para a másca- ra dura, que é então usada para transferir o padrão para dentro da camada de material 3-230. Uma mácara dura pode permitir maiores profundidades de gravação na camada de material 3-230, a fim de formar cavidades amostras de maior relação de aspecto.
[00281] Será apreciado que processos de levantamento e técnicas de fabricação de gravação direta descritas acima possam ser usados para formar uma cavidade amostra quando múltiplas camadas de dife- rentes materiais são usadas para formar uma pilha de material 3-230 em que a cavidade amostra é formada. Uma pilha exemplo é mostrada na FIG. 3-11. De acordo com algumas modalidades, uma pilha de ma- terial pode ser usada para formar uma cavidade amostra para melho- rar o acoplamento de energia de excitação à região de excitação da cavidade amostra, ou para reduzir a transmissão ou nova radiação de energia de excitação no espécime de volume. Por exemplo, uma ca- mada absorvente 3-942 pode ser depositada sobre uma primeira ca- mada 3-940. A primeira camada pode compreender um metal ou liga de metal, e a camada absorvente pode compreender um material que inibe os plasmônios de superfície, por exemplo, silício amorfo, TaN, TiN, ou Cr. Em algumas implementações, uma camada de superfície 3-944 pode também ser depositada para passivar a superfície que cir- cunda a cavidade amostra (por exemplo, inibe a adesão de molécu- las).
[00282] Formação de uma depressão 3-216 adjacente à cavidade amostra pode ser feita de qualquer maneira adequada. Em algumas modalidades, uma depressão pode ser formada por gravação ainda dentro de uma camada adjacente 3-235, e/ou qualquer camada ou camadas intermediárias, adjacentes à cavidade amostra. Por exemplo, após formação de uma cavidade amostra em uma camada de material 3-230, aquela camada 3-230 pode ser usada como uma máscara de gravação para padronização de uma depressão, como representado na FIG. 3-12. Por exemplo, o substrato pode ser submetido a uma gravação de íon reativo anisotrópico seletivo, de modo que uma de- pressão 3-216 possa ser gravada em camada adjacente 3-235. Por exemplo, em uma modalidade onde o material 3-230 é metálico e a camada adjacente 3-235 óxido de silício, uma gravação de plasma de íon reativo tendo uma alimentação de gás compreendendo CHF3 ou CF4 pode ser usada para preferencialmente remover o óxido de silício exposto abaixo da cavidade amostra e formar a depressão 3-216. Co- mo usado aqui, "óxido de silício" geralmente refere-se a SiOx e pode incluir dióxido de silício, por exemplo.
[00283] Em algumas modalidades, condições dentro do plasma (por exemplo, polarização para o substrato e pressão) durante uma grava- ção podem ser controladas para determinar o perfil de gravação da depressão. Por exemplo, uma baixa pressão (por exemplo, menos do que cerca de 100 mTorr) e alta polarização de DC (por exemplo, maior do que cerca de 20V), a gravação pode ser altamente anisotrópica e formar paredes laterais substancialmente retas e verticais da depres- são, como representado no desenho. Em pressões maiores, e menor polarização, a gravação pode ser mais isotrópica produzindo paredes laterais afuniladas e/ou curvas da depressão. Em algumas implemen- tações, uma gravação úmida pode ser usada para formar a depressão, que pode ser substancialmente isotrópica e formar uma depressão aproximadamente esférica, que pode estender-se lateralmente sob o material 3-230, até e além das paredes laterais da cavidade amostra.
[00284] As FIG. 3-13A a FIG. 3-13C representam etapas de pro-
cesso que podem ser usadas para formar uma depressão 3-216 tendo uma menor dimensão transversa do que a cavidade amostra 3-210 (por exemplo, uma depressão como aquele representada na FIG. 3- 7B). Em algumas implementações, após formação uma cavidade amostra, uma camada sacrificial conformal 3-960 pode ser depositada sobre uma região incluindo a cavidade amostra. De acordo com algu- mas modalidades, a camada sacrificial 3-960 pode ser depositada por um processo de deposição de vapor, por exemplo, deposição de vapor químico (CVD), CVD realçada pelo plasma, ou deposição de camada atômica (ALD). A camada sacrificial pode então ser gravada novamen- te usando uma primeira gravação anisotrópica que é seletiva para a camada sacrificial 3-960, remove a camada de superfícies horizontais, deixa revestimentos de parede lateral 3-962 sobre as paredes da cavi- dade amostra, como representado na FIG. 3-13B. A nova gravação pode ser seletiva e deter-se sobre o material 3-230 e camada adjacen- te 3-235 em algumas modalidades, ou pode ser uma gravação não seletiva programada em algumas modalidades.
[00285] Uma segunda gravação anisotrópica que é seletiva para a camada adjacente 3-235 pode ser executada para gravar uma depres- são 3-216 na camada adjacente como representado na FIG. 3-13C. Os revestimentos da parede lateral sacrificial 3-962 podem então opci- onalmente ser removidos por uma gravação úmida ou seca seletiva. A remoção dos revestimentos da parede lateral abrem a cavidade amos- tra para ter uma maior dimensão transversa do que a depressão 3-
216.
[00286] De acordo com algumas modalidades, a camada sacrificial 3-960 pode compreender o mesmo material da camada adjacente 3-
235. Em tais modalidades, a segunda gravação pode remover pelo menos um pouco do revestimento da parede lateral 3-962 quando a depressão é gravada na camada adjacente 3-235. Esta regravação do revestimento da parede lateral pode formar paredes laterais afuniladas da depressão em algumas modalidades.
[00287] Em algumas implementações, a camada sacrificial 3-960 pode ser formada de, ou incluem uma camada de, um material que é usado para passivar as paredes laterais da cavidade amostra (por exemplo, reduzir a adesão de amostras às paredes laterais da cavida- de amostra). Pelo menos um pouco da camada 3-960 pode então es- tar à esquerda das paredes da cavidade amostra após formação da depressão.
[00288] De acordo com algumas modalidades, a formação dos re- vestimentos da parede lateral 3-962 ocorre após a formação da de- pressão. Em tal modalidade a camada 3-960 reveste as paredes late- rais da depressão. Tal processo pode ser usado para passivar as pa- redes laterais da depressão e localizar a amostra no centro da depres- são.
[00289] Etapas de processo associado com deposição de um ade- rente 3-211 em uma base de uma cavidade amostra 3-210, e uma ca- mada de passivação 3-280 são representada na FIG. 3-14. De acordo com algumas modalidades, uma cavidade amostra pode incluir uma primeira camada de passivação 3-280 sobre as paredes da cavidade amostra. A primeira camada de passivação pode ser formada, por exemplo, como descrito acima em conexão com FIG. 3-13B ou FIG. 3-
8. Em algumas modalidades, uma primeira camada de passivação 3- 280 pode ser formada por qualquer processo de deposição adequado e regravação. Em algumas modalidades, uma primeira camada de passivação pode ser formada por oxidação do material 3-230 em que a cavidade amostra é formada. Por exemplo, a cavidade amostra pode ser formada de alumínio, que pode ser oxidado para criar uma cober- tura de alumina sobre paredes laterais da cavidade amostra.
[00290] Um aderente 3-980 ou um aderente precursor (por exem-
plo, um material que preferencialmente liga-se a um aderente) pode ser depositado sobre o substrato usando um processo de deposição física anisotrópico, por exemplo, uma deposição evaporativa, como representado na FIG. 3-14A. O aderente ou precursor de aderente po- de formar uma camada aderente 3-211 na base da cavidade amostra, como representado na FIG. 3-14B, e pode coat uma superfície superi- or do material 3-230 em que a cavidade amostra é formada. A subse- quente angled, directional deposição representado na FIG. 3-14C (al- gumas vezes referido como um deposição sombreada ou processo de evaporação sombreada) pode ser usada para depositar uma segunda camada de passivação 3-280 sobre uma superfície superior do materi- al 3-230 sem cobrir a camada aderente 3-211. Durante o processo de deposição sombreada, o substrato pode ser girado em torno de um eixo normal para o substrato, de modo que a segunda camada de passivação 3-280 deposita-se mais uniformemente em torno de um aro superior da cavidade amostra. Uma estrutura resultante é repre- sentada FIG. 3-14D, de acordo com algumas modalidades. Como uma alternativa para a deposição da segunda camada de passivação, uma gravação de planarização (por exemplo, uma etapa de CMP) pode ser usada para remover o aderente de uma superfície superior do material 3-230.
[00291] De acordo com algumas implementações, uma camada aderente 3-211 pode ser depositada centralmente na base de uma amostra de cavidade afunilada, como representado na FIG. 3-15. Por exemplo, um aderente, ou precursor de aderente, pode ser direcional- mente depositado, como representado na FIG. 3-14A, em uma cavi- dade amostra afunilada, formada como descrito acima. As paredes de uma cavidade amostra pode ser passivada por um processo de oxida- ção antes ou após a deposição da camada aderente 3-211. Aderente ou precursor restante sobre uma superfície do material 3-230 pode ser passivado como descrito em conexão com FIG. 3-14D. Em algumas modalidades, um aderente sobre uma superfície superior do material 3-230 pode ser removido por uma etapa de polimento quimicomecâni- co. Formando uma camada aderente, ou um precursor de camada aderente, centralmente na base de uma cavidade amostra, efeitos de- letérios sobre a emissão de uma amostra (por exemplo, supressão ou saciamento de radiação de amostra de paredes de amostra, distribui- ção de radiação desfavorável de uma amostra por que ela não é loca- lizada centralmente com com respeito às estruturas de acoplamento de energia formada em torno de uma cavidade amostra, efeitos adver- sos sobre o tempo de vida luminescente para uma amostra) podem ser reduzidos.
[00292] Em algumas modalidades, processos de padronização de de levantamento, gravação, e deposição usados para formar a cavida- de amostra e depressão podem ser compatíveis com processos CMOS que são usados para formar circuitos de CMOS integrados em um dispositivo integrado. Consequentemente, um dispositivo integrado pode ser fabricado usando facilidades de CMOS convencionais e téc- nicas de fabricação, embora facilidades de fabricação personalizadas ou especializadas possam ser usadas em algumas implementações.
[00293] Variações das etapas de processo acima descrito podem ser usadas para formar modalidades alternativas cavidades amostras. Por exemplo, uma cavidade amostra afunilada tal como representado na FIG. 3-7A ou FIG. 3-7B pode ser formada usando um processo de deposição angulado representado na FIG. 3-14C. Para a cavidade amostra de FIG. 3-7B, o ângulo de deposição pode ser mudado duran- te o processo de deposição. Para tais modalidades, uma cavidade amostra tendo paredes laterais substancialmente retas e verticais po- de primeiro ser formada, e em seguida material adicional 3-230 depo- sitado por uma deposição angulada para afunilar as paredes laterais da cavidade amostra.
[00294] Em algumas modalidades, a cavidade amostra 3-210 pode ser formada em um pixel após uma fonte de excitação ser formada. Por exemplo, uma fonte de excitação para um pixel pode ser formada em outra região e/ou em outro nível no dispositivo integrado, dentro de, ou fora de um pixel. O tipo de fonte de excitação pode colocar res- frições de processamento nas etapas usadas para fabricar a cavidade amostra 3-210. Por exemplo, se a fonte de excitação compreende um diodo emissor de luz orgânica (OLED), então as etapas de processa- mento usadas para fabricar a cavidade amostra 3-210 não podem ex- ceder temperatures maiores do que cerca de 100°C. A lém disso, as etapas de processamento não podem submeter o OLED a ambientes químicos ou ambientes oxidantes agressivos.
[00295] Qualquer uma ou mais das modalidades anteriores de cavi- dades amostras pode ser incluída em uma modalidade de um disposi- tivo integrado. IV. Fontes de excitação
[00296] Referindo-se novamente à FIG. 3-1, existem diferentes ti- pos de fontes de excitações 3-240 que podem ser usados em um dis- positivo integrado para excitar uma amostra 3-101 dentro de uma ca- vidade amostra 3-210. De acordo com algumas modalidades, uma fon- te de excitação pode excitar uma amostra por meio de um processo radiativo. Por exemplo, uma fonte de excitação pode fornecer radiação visível (por exemplo, radiação tendo um comprimento de onda entre cerca de 350 nm e cerca de 750 nm), radiação de infravermelho pró- xima (por exemplo, radiação tendo um comprimento de onda entre cerca de 0,75 mícron e cerca de 1,4 mícrons), e/ou radiação de infra- vermelho de comprimento de onda curto (por exemplo, radiação tendo um comprimento de onda entre cerca de 1,4 mícrons e cerca de 3 mí- crons) para pelo menos uma região de excitação 3-215 de pelo menos uma cavidade amostra. De acordo com algumas implementações, uma fonte de excitação pode fornecer energia que excita uma amostra por meio de um processo não radiativo. Por exemplo, energia pode ser transferida para uma amostra por meio de Transferência de Energia Ressonante Föster (FRET) ou Transferência de Energia Dexter (DET).
[00297] Combinações de séries de reação de transferência de energia são também contempladas. Por exemplo, uma fonte de excita- ção radiativa pode fornecer energia para excitar um intermediário (por exemplo, uma molécula, um ponto quântico, ou uma camada de mate- rial compreendendo moléculas selecionadas e/ou ponto quânticos) que é imediatamente adjacente a uma região de excitação de uma cavida- de amostra. O intermediário pode transfer sua energia para uma amostra por meio de um processo não radiativo (por exemplo, por meio de FRET ou DET).
[00298] Em algumas modalidades, uma fonte de excitação pode fornecer mais de uma fonte de energia de excitação. Por exemplo, uma fonte de excitação radiativa pode liberar energias de excitação tendo duas ou mais características espectrais distintas. Como um exemplo, um LED de múltiplas cores pode emitir energias centraliza- das em dois ou mais comprimentos de onda, e estas energias podem ser liberadas para uma região de excitação da cavidade amostra. IV. A. Fontes de excitação radiativas
[00299] Na visão geral e de acordo com algumas modalidades, um dispositivo integrado pode incluir pelo menos uma fonte de excitação radiativa disposta sobre o dispositivo para fornecer energia de excita- ção pelo menos uma região de excitação de pelo menos uma cavidade amostra ou pelo menos um intermediário que converte ou acopla a energia de excitação pelo menos uma amostra dentro de uma ou mais regiões de excitação. Como representado na FIG. 3-2, radiação 3-247 de uma fonte de excitação 3-240 pode incidir sobre uma região em torno de uma cavidade amostra 3-210, por exemplo. Em algumas mo- dalidades, pode haver estruturas de acoplamento de excitação (não mostrado) que auxiliam na concentração da energia de excitação inci- dente dentro de uma região de excitação 3-215 da cavidade amostra.
[00300] Uma fonte de excitação radiativa pode ser caracterizada por uma ou mais faixas espectrais distintas cada tendo um comprimen- to de onda característico. Para os propósitos instrucionais apenas, um exemplo de emissão espectral de uma fonte de excitação é gráfico es- pectral representado de FIG. 4-1A. A energia de excitação pode ser substancialmente contida dentro de uma faixa de excitação espectral 4-110. Um comprimento de onda de pico 4-120 da faixa de excitação espectral pode ser usado para caracterizar a energia de excitação. A energia de excitação pode também ser caracterizada por uma distri- buição espectral, por exemplo, um valor metade do máximo de ampli- tude total (FWHM) como mostrado no desenho. Uma fonte de excita- ção produzindo energia como representado na FIG. 4-1A, pode ser caracterizada como liberando energia em um comprimento de onda de aproximadamente 540 nm radiação e tendo uma amplitude de faixa de FWHM de aproximadamente 55 nm.
[00301] FIG. 4-1B representa características espectrais de uma fon- te de excitação (ou fontes de excitação) que pode fornecer duas faixas de energia de excitação para uma ou mais cavidades amostras. De acordo com algumas modalidades, uma primeira faixa de excitação 4- 112 é em aproximadamente 532 nm, e uma segunda faixa de excita- ção 4-114 é em aproximadamente 638 nm, como ilustrado no dese- nho. Em algumas modalidades, uma primeira faixa de excitação pode ser em aproximadamente 638 nm, e uma segunda faixa de excitação pode ser em aproximadamente 650 nm. Em algumas modalidades, uma primeira faixa de excitação pode ser em aproximadamente 680 nm, e uma segunda faixa de excitação pode ser em aproximadamente
690 nm. De acordo com algumas modalidades, os picos das faixas de excitação podem ser dentro de ±5 nm destes valores. Outras faixas de excitação podem ser usadas em algumas modalidades.
[00302] Em alguns casos, uma fonte de excitação radiativa pode produzir uma ampla faixa de excitação como representado na FIG. 4- 1A. Uma ampla faixa de excitação 4-110 pode ter uma amplitude de faixa maior do que aproximadamente 20 nm, de acordo com algumas modalidades. Uma ampla faixa de excitação pode ser produzida por um diodo emissor de luz (LED), por exemplo. Em algumas implemen- tações, uma fonte de excitação radiativa pode produzir uma estreita faixa de excitação, como representado na FIG. 4-1B. Uma estreita fai- xa de excitação pode ser produzida por um diodo a laser, por exemplo, ou pode ser produzida espectralmente filtrando uma saída de um LED.
[00303] Em algumas modalidades, pelo menos uma fonte de exci- tação 3-240 pode ser formada em cada pixel ativo 3-100 sobre um substrato 1-100 de um dispositivo integrado, como representado na FIG. 4-2A. Visto que uma cavidade amostra e sua região de excitação são pequenas (por exemplo, tendo uma dimensão transversa na or- dem de 100 nm), uma fonte de excitação 3-240 pode ser formada apenas nas proximidades de uma cavidade amostra 3-210, como re- presentado na FIG. 4-2A, de acordo com algumas modalidades. Por exemplo, uma fonte de excitação pode ter uma dimensão transversa que é menor do que cerca de 20 vezes uma dimensão transversa de uma cavidade amostra (por exemplo, menos do que cerca de 2 mí- crons em diâmetro para uma cavidade amostra tendo a diâmetro of cerca de 100 nm.) Embora FIG. 4-2A representa apenas quatro pixels, Pode haver muito mais pixels sobre um substrato 1-100.
[00304] Em alguns aspectos, cada fonte de excitação pode ser indi- vidualmente controlada. Isto pode requerer interconectar-se e impulsi- onar o circuito (não mostrado na FIG. 4-2A) sobre o substrato 1-100 para o controle linha-e-coluna de cada fonte. A interconexão pode fun- cionar abaixo dos pixels e/ou nos intervalos 4-230 entre os pixels 3-
100. De acordo com algumas modalidades, cabeamento e circuito in- tegrados podem ser dispostos para controlar e direcionar linhas ou co- lunas de fontes de excitação separadamente. Por exemplo, todas as fontes de excitação 3-240 em uma linha podem ser direcionadas junto com um sinal de controle comum. Em algumas modalidades, cabea- mento e circuito integrados podem ser dispostos para controlar e dire- cionar groups de fontes de excitação sobre um substrato com um sinal de controle comum. Em algumas implementações, cabeamento e cir- cuito integrados podem ser dispostos para controlar e direcionar todas as fontes de excitação com um sinal de controle comum. Direcionando um número maior de fontes de excitação juntas, menos interconexão e controladores eletrônicos são requeridos para as fontes de excitação.
[00305] FIG. 4-2B representa uma modalidade onde as fontes de excitação 4-242 são dispostas em tiras sobre um substrato 1-100 de um dispositivo integrado. Quando dispostas em tiras, as fontes de ex- citação podem exibir propriedades de orientação de onda, e a luz das fontes de excitação pode pode ser orientada lateralmente ao longo das tiras para as cavidades amostras 3-210. As fontes de excitação em tiras 4-242 podem ser orientadas individualmente em algumas modali- dades, ou podem ser orientadas juntas. Em algumas modalidades, as tiras podem ser dispostas em um padrão de grade que intersecta nas cavidades amostras.
[00306] Em algumas implementações, pode haver menos fontes de excitação formadas em um dispositivo integrado do que 0pixels, e a luz de uma fonte de excitação pode ser liberada para mais de uma ca- vidade amostra por meio de uma estrutura de acoplamento de excita- ção tal como um guia de onda. Em alguns casos, uma única fonte de excitação pode estender-se através de todos os pixels ativos, ser con-
trolada por um único sinal de direcionamento, e simultaneamente ilu- minar regiões de excitação em todas as cavidades amostras.
[00307] De acordo com algumas modalidades, fontes de excitação 4-244 pode ser dispostas em um padrão de placa de verificação, como representado na FIG. 4-2C. Em tal modalidade, as fontes de excitação 4-244 podem ser localizadas em regiões onde não existe nenhum pixel 3-100. A localização das fontes de excitação em regiões distantes dos pixels pode facilitar as restrições de fabricação para fabricar um dispo- sitivo integrado. Por exemplo, fabricação das fontes de excitação pode ser realizada após a fabricação dos sensores e cavidades amostras. A energia das fontes de excitação pode pode ser fornecida para os pixels por meio de guias de onda de tira ou placa (não mostrado), por exemplo. As fontes de excitação 4-244 podem ser orientadas individu- almente de acordo com algumas modalidades, em grupos de acordo com algumas modalidades, ou todos junto em algumas modalidades. Fontes motrizes de excitação individualmente podem requerer um maior número de circuitos de controle e interconexão do que pode ser requerido para direcionamento um grupo de fontes de excitação.
[00308] Em algumas implementações, uma fonte de excitação 4- 246 pode ser formada em torno de um grupo de pixels 3-100, como representado na FIG. 4-2D. Radiação da fonte de excitação 4-246 po- de ser liberada para os pixels 3-100 por meio de um guia de onda de placa ou guias de onda de tira, de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, pode haver uma parede refletiva na pe- riferia da fonte de excitação 4-246 para refletir radiação para dentro dos pixels. Em algumas modalidades, pode haver circuitos integrados 4-210 (por exemplo, dispositivos eletrônicos de direcionamento, ampli- ficadores, transistores, e/ou circuito de leitura) localizada em torno da periferia do dispositivo integrado no substrato 1-100.
[00309] Colocando as fontes de excitação em regiões onde não existe nenhum pixel, a fabricação do dispositivo integrado pode ser simplificada. Por exemplo, um processo de fabricação para as fontes de excitação 4-244 pode ser substancialmente independente do pro- cesso de fabricação para os pixels 3-100 Por exemplo, as fontes de excitação representado na FIG. 4-2C e FIG. 4-2D pode ser fabricado após a fabricação dos pixels e/ou integrado circuito 4-210. Isto pode ser desejável quando a fonte de excitação compreende um material orgânico ou outro que possa ser sensível a, ou degradado por altas temperaturas de processo que podem ser necessárias para fabricar as estruturas de pixel e/ou circuitos integrados do dispositivo integrado.
[00310] A FIG. 4-2E representa uma modalidade onde uma fonte de excitação 4-246 é padronizada em uma região do substrato 1-100 ad- jacente um grupo de pixels. O desenho representa uma vista de eleva- ção tanto da fonte de excitação 4-246, quanto de uma cavidade amos- tra 3-210 que pode ser localizada mais de 100 mícrons da fonte de ex- citação. A cavidade amostra pode ser localizada dentro de qualquer pixel dentro de um grupo de pixels on o dispositivo integrado. A fonte de excitação 4-246 pode compreender um diodo emissor de luz de emissão nas bordas (LED) Em algumas implementações, ou diodo a laser em algumas modalidades, e compreendem uma pilha de diodo 4-
250. Conexão elétrica à pilha de diodo podem incluir uma almofada de catódio 4-281 e almofada de ânodo 4-282. O catódio e ânodo podem ser metálicos e refletivos e podem incluir estruturas de dispersão para refletir e/ou dispersar radiação lateralmente.
[00311] De acordo com algumas modalidades, luz do diodo 4-246 pode acoplar-se em um guia de onda de placa que direciona a radia- ção para as cavidades amostras dentro de um grupo de pixels. O guia de onda de placa pode compreender uma primeira camada dielétrica 3-235, uma camada núcleo 4-270, e uma segunda camada dielétrica 3-245. O índice refrativo da camada núcleo 4-270 pode ser maior do que o índice refrativo da primeira e segunda camadas dielétricas. Por exemplo, a camada núcleo pode compreender uma camada de nitreto de silício, e a primeira e segunda camadas dielétricas podem compre- ender camadas de óxido de silício. A luz da fonte de excitação 4-246 pode ser substancialmente confinada à camada dielétrica núcleo 4- 270, e direcionada para as cavidades amostras 3-210. Em algumas modalidades, uma depressão da cavidade amostra pode estender-se a, parcialmente através, ou totalmente através da camada núcleo 4-
270. Em algumas modalidades, a camada núcleo pode servir como uma interrupção da gravação durante gravação das depressões nas cavidades amostras.
[00312] Embora a modalidade representada na FIG. 4-2E seja des- crita em conexão com a fonte de excitação distribuída 4-246 como re- presentado na FIG. 4-2D, em outras modalidades fontes de excitação discretas podem ser localizadas na periferia de um grupo de pixels e liberadas para pelo menos alguns pixels (por exemplo, pixels em uma ou mais linhas ou colunas) por meio de guias de onda de tira em vez de uma guia de onda de placa.
[00313] Vários tipos de fontes de excitação radiativa são represen- tadas na FIG. 4-3A a FIG. 4-3E. De acordo com algumas modalidades, uma fonte de excitação pode compreender um diodo emissor de luz orgânica (OLED). Um OLED pode compreender uma camada emissiva orgânica 4-342 e uma camada condutora orgânica 4-344, como repre- sentado na FIG. 4-3A. Cada camada orgânica pode compreender mo- léculas orgânicas e/ou ser formada de um polímero orgânico. Molécu- las orgânicas na camada emissiva podem ser selecionadas para emitir em um comprimento de onda desejado ou uma combinação de com- primentos de onda desejados. Contato elétrico vom o OLED pode ser feito através de um catódio e um ânodo 4-346. O ânodo pode ser for- mado de qualquer material condutor adequado, e pode ser formado antes da deposição das camadas orgânicas. O ânodo 4-346 pode in- cluir uma abertura 4-347 adjacente à cavidade amostra, de modo que emissão de uma amostra possa passar através do substrato para um sensor localizado abaixo a amostra, de acordo com algumas modali- dades. Em algumas modalidades, o catódio pode compreender mate- rial condutor 3-230 ou uma camada condutora em que a cavidade amostra 3-210 é formado. Em algumas implementações, uma depres- são 3-216 pode ser formada na camada emissiva 4-342 do OLED, de modo que a luz do OLED pode ser liberada mais eficientemente na região de excitação da cavidade amostra.
[00314] Em algumas implementações, um OLED pode ser vertical- mente espaçado mais distante de uma cavidade amostra do que é mostrado na FIG. 4-3A. Por exemplo, um OLED pode ser formado abaixo de uma camada de isolamento ou transparente 3-235. Em tais modalidades, um catódio do OLED pode compreender um condutor transparente, tais como óxido de estanho de índio (ITO), de modo que a luz do OLED possa passar através da cavidade amostra. De acordo com algumas modalidades, um OLED pode ser espaçada abaixo de uma cavidade amostra entre 500 nm e 10 mícrons .
[00315] Uma vantagem do uso de um OLED para o dispositivo inte- grado é que os OLEDs modernos são capazes de saída de alta inten- sidade de luz. Outra vantagem é um baixo custo de OLEDs. Questões associadas com tempo de vida do OLED não são problemáticas para um dispositivo integrado, visto que um dispositivo integrado pode ser usado uma ou algumas vezes, e pode ser disposto antes que haja su- ficiente uso do OLED para degradar sua performance.
[00316] LEDs de semicondutor ou estado sólido podem também ser usados para iluminar cavidades amostras de acordo com algumas modalidades. FIG. 4-3B representa um diodo emissor de luz semicon- dutor integrado que pode ser fabricado adjacente à cavidade amostra,
em algumas implementações. Um semiconductor LED pode compre- ender uma pluralidade de camadas, como representado no desenho. As camadas podem incluir uma camada de transporte de elétron 4- 352, uma camada de bloqueio de orifício 4-354, e camada emissiva 4- 356, uma camada de transporte de orifício 4-357, e uma camada blo- queadora de elétron 4-359, em algumas implementações. A pilha de camadas pode ser eletricamente contactado por um ânodo e catódio como descrito em conexão com FIG. 4-3A. A estrutura de LED repre- sentada na FIG. 4-3B pode ser usada para outros tipos de LEDs, inclu- indo porém não limitada às OLEDs, PhOLEDs, e um ponto quântico LEDs (QLEDs).
[00317] De acordo com algumas modalidades, um diodo a laser de semicondutor pode ser integrado sobre o substrato 1-100. FIG. 4-3C representa um laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL) que pode ser usado em algumas implementações. Um VCSEL pode compreender pilhas reflectivas 4-364, 4-362 formadas de extremidades opostas de uma cavidade de VCSEL. Uma cavidade quântica múltipla 4-365 pode ser formada dentro da cavidade de VCSEL. Em algumas implementações, um material refletivo 3-230 po- de formar um catódio ou ânodo em um final da cavidade de VCSEL, e a cavidade amostra 3-210 pode ser formada no catódio ou ânodo. De acordo com algumas modalidades, uma depressão 3-216 pode exten- der-se na cavidade do VCSEL, como mostrado no desenho.
[00318] Visto que a depressão estende-se para dentro do ressona- dor VCSEL, a amostra pode ser exposta à intensidade sensivelmente maior do que se ele estivesse localizado fora da cavidade. Por exem- plo, se a pilhas reflectivas da cavidade de VCSEL forem maiores do que 90%, então a intensidade dentro da cavidade pode ser entre apro- ximadamente 10 e 100 vezes maiores do que a intensidade fora da cavidade. Em algumas modalidades, pelo menos um reflector da cavi-
dade de VCSEL pode ser dicroico, de modo que ele seja altamente reflectivo para a energia de excitação (por exemplo, maior do que cer- ca de 90%) e transmite uma alta porcentagem de emissão da amostra (por exemplo, mais do que cerca de 60%).
[00319] Nas FIG. 4-3B e FIG. 4-3C, as fontes de excitação exten- dem-se através de uma área sensivelmente maior do que uma dimen- são transversa de uma cavidade amostra. Consequentemente, emis- são de uma amostra pode passar através da fonte de excitação para alcançar um sensor localizado abaixo da cavidade amostra. Algumas da emissão de uma amostra podem ser absorvidas dentro da fonte de excitação em tais modalidades.
[00320] FIG. 4-3D e FIG. 4-3E representam fontes de excitação de nanoescala tendo dimensões transversas aproximadamente iguais a uma dimensão transversa de uma cavidade amostra. Por exemplo, uma dimensão transversa da fonte de excitação de nanoescala pode ser entre 50 nm e 500 nm, de acordo com algumas modalidades, em- bora possa ser maior em outras modalidades. Estas fontes de excita- ção de nanoescala podem ser autoalinhadas à cavidade amostra du- rante fabricação, de acordo com algumas modalidades. Em algumas modalidades, fontes de excitação de microescalas podem ser forma- das adjacentes à cavidade amostra, similares às fontes de excitação de nanoescala, porém tendo dimensões transversas de microescalas.
[00321] FIG. 4-3D representa um nano-LED que é formado abaixo da cavidade amostra. O nano-LED pode compreender um pilar 4-374 tendo um primeiro tipo de condutividade e um cap 4-376 tendo um se- gundo tipo de condutividade para formar uma junção p-n. O pilar 4-374 pode ser formado por crescimento epitaxial de uma camada semicon- dutora 4-380. Durante o desenvolvimento do pilar, uma pilha refletiva 4-375 pode ser formada por materiais alternativos do pilar e/ou con- centração de dopante, de acordo com algumas modalidades. Contato elétrico com o pillar 4-374 pode ser feito através da camada semicon- dutora 4-380. O nano-LED pode também compreender um revestimen- to de superfície condutiva 4-372 que é usado para eletricamente co- nectar-se ao cap 4-376 por meio de um material condutor 3-230 em que a cavidade amostra é formada. Em algumas modalidades, pode haver mais camadas no nano-LED do que mostrado na figura. Por exemplo, o nano-LED pode incluir camadas de transporte de elétron, bloqueio de elétron, transporte de orifício, e/ou bloqueio de orifício. Uma camada de passivação 4-378 (por exemplo, um óxido) pode ser depositada sobre uma região em torno e dentro da cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades.
[00322] Em algumas modalidades, a camada de passivação 4-378 na camada condutiva 4-372 pode ser transparente à radiação emitida por uma amostra na cavidade amostra. Por exemplo, a camada de passivação 4-378 pode compreender alumina ou um óxido. O revesti- mento condutivo 4-372 pode também ser transparente à radiação emi- tida por uma amostra, e pode compreender óxido de estanho de índio (ITO), de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementa- ções, o revestimento condutivo 4-372 pode compreender grafeno, óxi- do de zinco dopado com índio, óxido de zinco dopado com alumínio, ou óxido de zinco dopado com gálio. Porque a camada de passivação e revestimento condutivo são transparentes, luz de uma amostra pode viajar ao substrato de semicondutor 4-380 sem passar através de silí- cio ou semicondutor, como pode ocorrer nos dispositivos representa- dos nas FIG. 4-3B e FIG. 4-3C. Em algumas modalidades, um ou mais sensores (não mostrados) podem ser formados no substrato 4-380 pa- ra detectar emissão da amostra.
[00323] De acordo com algumas modalidades, um nano-LED 4-371 ou fonte de excitação de nanoescala pode compreender um guia de onda vertical. Por exemplo, o índice refrativo do nano-LED pode ser sensivelmente maior do que o índice refrativo da camada circundante 3-235. Consequentemente, emissão do nano-LED 4-371 pode ser ver- ticalmente guiada para e concentrada em uma região de excitação da cavidade amostra 3-210. Como tal, o nano-LED pode mais eficiente- mente iluminar a região de excitação do que um dispositivo maior, tal como o diodo representado na FIG. 4-3B, por exemplo.
[00324] Em algumas modalidades, o cap 4-376 tendo um segundo tipo de condutividade do nano-LED pode ser gravado novamente para expor o pilar. Um revestimento reflectivo pode então ser formado em uma superfície superior, oposta à pilha reflectiva 4-375 para formar um diodo a laser de emissão de gravação vertical de nanoescala (nano- VEELD).
[00325] A altura do nano-LED pode ser cuidadosamente controlada por crescimento epitaxial. Consequentemente, uma distância entre uma extremidade de emissão do nano-LED e uma superfície inferior do material 3-230, em que a cavidade amostra é formada, pode ser cuidadosamente controlada. Adicionalmente, uma deposição física di- recional (tal como descrito em conexão com FIG. 3-9D) de um material de passivação ou dielétrico pode ser usada para cuidadosamente con- trolar uma distância entre uma região de excitação da cavidade amos- tra e a extremidade de emissão do nano-LED. Cuidadoso controle des- tas distâncias em combinação com estruturas de acoplamento forma- das adjacentes à cavidade amostra pode melhorar acoplamento de energia de excitação na região de excitação e acoplamento de emis- são da amostra para um ou mais sensores.
[00326] FIG. 4-3E representa um nano-VCSEL autoalinhado forma- do abaixo da cavidade amostra, de acordo com algumas implementa- ções. O nano-VCSEL pode ser formado usando técnicas similares àquelas usadas para formar o nano-LED (descritas em maiores deta- lhes abaixo). De acordo com algumas modalidades, o nano-VCSEL pode compreender uma primeira pilha reflectiva 4-377, uma estrutura de cavidade quântica múltipla 4-330 ou ponto quântico, e uma segun- do pilha reflectiva 4-373 formada durante crescimento epitaxial do pi- lar. Conexão elétrica a uma extremidade do nano-VCSEL pode ser fei- ta por um revestimento condutivo 4-372, como descrito em conexão com o nano-LED.
[00327] Por causa dos seus tamanhos pequenos, o nano-LED 4- 371 e nano-VCSEL terão baixas capacitâncias de junção. Consequen- temente, eles podem ser modulados em velocidades elevadas. Em algumas modalidades, um nano-LED, nano-VEELD, ou nano-VCSEL pode ter tempos de ligado e desligado menores do que aproximada- mente 1 microssegundo. Um nano-LED, nano-VEELD, ou nano- VCSEL pode ter tempos de ligado e desligado menores do que apro- ximadamente 100 nanossegundos em algumas implementações, me- nores do que aproximadamente 10 nanossegundos em algumas im- plementações, menores do que aproximadamente 1 nanossegundo em algumas modalidades, e ainda menos do que aproximadamente 100 picossegundos em algumas modalidades.
[00328] Adicionalmente, visto que energia de excitação intensa é apenas necessária na região de excitação da cavidade amostra, um nano-LED, nano-VEELD, ou nano-VCSEL pode mais eficientemente excitar uma amostra com menos potência de saída total. Isto pode ser benéfico em algumas implementações, visto que dissipação de alta potência pode aquecer um espécimen para inaceitavelmente elevar temperaturas e possivelmente danificar a amostra. Além disso, visto que a emissão do nano-LED, nano-VEELD, ou nano-VCSEL é liberada principalmente apenas para a região de excitação, menos energia de excitação total é requerida, quando comparada a uma maior radiação de emissão de fonte de excitação sobre uma área substancialmente maior do que a região de excitação 3-215 da cavidade amostra 3-210.
Porque menos energia de excitação total é requerida, a relação sinal- ruído para emissão da amostra pode aumentar devido a menos ante- cedente radiação da fonte de excitação, de acordo com algumas mo- dalidades.
[00329] Várias técnicas podem ser usadas para fabricar as fontes de excitação descritas na FIG. 4-3A a FIG. 4-3D. De acordo com al- gumas modalidades, técnicas convencionais pode ser usadas para formar pelo menos um OLED, PhOLED, ou QLED em um dispositivo integrado. Por exemplo, deposições de camada múltipla podem ser realizadas em regiões onde os LEDs são formados, ao mesmo tempo que outras regiões podem ser mascaradas para prevenir deposições sobre o substrato naquelas regiões. Porque um dispositivo OLED, PhOLED, ou QLED pode ser sensível à temperaturas elevadas, tem- peraturas de processamento após formação de tais dispositivos po- dem necessitar serem mantidas abaixo de uma temperatura limite, acima da qual dano pode ocorrer aos dispositivos OLED, PhOLED, ou QLED. Por exemplo, um OLED pode ser danificado ou degradado por exposição à temperaturas acima aproximadamente 100 °C. Conse- quentemente, após formação de um OLED em um dispositivo integra- do, temperaturas de processamento podem ser limitadas a aproxima- damente 100 °C durante subsequentes etapas de fabri cação.
[00330] Formação de LEDs de semicondutor inorgânico, diodos a laser, ou VCSEL's em um dispositivo integrado podem ser realizados usando técnicas convencionais (por exemplo, usando difusões e im- plantações de íon e/ou deposições epitaxiais múltiplas), de acordo com algumas modalidades. Em outras implementações, LEDs de se- micondutor inorgânico, diodos a laser, VCSELs, e/ou cavidades amos- tras podem ser formados sobre um substrato semicondutor sobre iso- lador (SOI) separadoque é subsequentemente alinhado e ligado ao substrato 1-100 do dispositivo integrado. Por exemplo, camadas epita-
xiais para um diodo a laser ou VCSEL podem ser formadas em um substrato SOI, que pode então ser ligado a uma camada dielétrica 3- 235 representada na FIG. 4-3B, por exemplo. Após a ligação, a cama- da de silício tendo o VCSEL formado pode ser liberada do substrato SOI, e pode também ser gravada novamente de acordo com algumas modalidades. As cavidades amostras 3-210 podem então ser forma- das em cada pixel. IV. B. Fabricação de Fontes de Excitação Radiativa
[00331] FIG. 4-4A a FIG. 4-4I representam estruturas associadas com etapas de processo que podem ser usadas para formar um nano- LED, nano-VEELD, ou nano-VCSEL que é autoalinhado à cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades. As etapas de processo retratadas ilustram apenas algumas modalidades de métodos que po- dem ser usadas para fabricar os dispositivos. Os dispositivos nano- LED, nano-VEELD, ou nano-VCSEL podem ser fabricados usando ou- tras ou adicionais etapas de processo em algumas modalidades. Por exemplo, alguns processos podem requerer alinhamento fotolitográfico destes dispositivos para as cavidades amostras. Em algumas modali- dades, fontes de excitação de microescala podem ser fabricadas usando uma ou mais etapas descritas para fabricação de fontes de excitação de nanoescala.
[00332] De acordo com algumas implementações, um orifício ou via 4-410 pode ser formado em um substrato compreendendo uma cama- da semicondutora 4-380, uma camada isolante 3-235 e uma camada de topo 3-230, como representado na FIG. 4-4A. O orifício pode ser formado por padronização de um orifício em resistência sobre a cama- da de topo 3-230, como descrito em conexão com FIG. 3-10A a FIG. 3-10D. Uma primeira gravação anisotrópica seletiva pode ser usada para gravar o padrão de orifício através da camada de topo, e uma se- gunda gravação anisotrópica seletiva pode ser usada para gravar o padrão de orifício na camada de isolamento 3-235.
[00333] A camada superior pode compreender um material ou pilha de materiais em que a cavidade amostra é formada, e o orifício 4-410 pode definir a localização da cavidade amostra. Em algumas modali- dades, a camada semicondutora 4-380 pode compreender silício, em- bora outros materiais semicondutores possam ser usados. Em alguns casos, a camada semicondutora 4-380 pode compreender uma cama- da semicondutora fina, ou ultrafina (por exemplo, menos do que apro- ximadamente 50 nm de espessura), de um substrato SOI, de modo que emissão de uma cavidade amostra pode passar através da cama- da com menos do que cerca de 30% de perda. A camada de isolamen- to 3-235 pode compreender um óxido (por exemplo, SiO2) ou qualquer material adequado que transmita radiação da fonte de excitação e emissão da amostra. A camada superior 3-230 pode compreender um metal condutivo, de acordo com algumas implementações, uma pilha de materiais (por exemplo, um semicondutor, um metal, e um isola- dor), ou qualquer combinação adequada de materiais descritos aqui em conexão com fabricação da cavidade amostra 3-210.
[00334] Um revestimento sacrificial 4-420 pode então ser deposita- do para alinhar o orifício 4-410, como representado na FIG. 4-4B. O revestimento sacrificial 4-420 pode primeiro ser depositado sobre a região que é uma camada uniforme (não mostrada). Por exemplo, o revestimento sacrificial pode ser depositado usando um processo de deposição conformacional, tal como um processo de deposição de va- por químico (CVD) ou um processo de deposição de camada atômica (ALD). Após a deposição, o revestimento sacrificial pode ser gravado novamente para remover o material sacrificial sobre as superfícies planares horizontais (como visto na figura). Tal processo de deposição e regravação é descrito em conexão com FIG. 3-13A e FIG. 3-13 B. Qualquer material adequado pode ser usado para o revestimento sa-
crificial 4-420. Em várias modalidades, o material usado para o reves- timento sacrificial 4-420 exibirá seletividade de gravação sobre a ca- mada superior 3-230, a camada de isolamento 3-235, e um material semicondutor que será epitaxialmente desenvolvida da camada semi- condutora 4-380. Em algumas modalidades, o revestimento sacrificial 4-420 pode ser formado de nitreto de silício, por exemplo. Após forma- ção do revestimento sacrificial 4-420, um segundo orifício 4-412 pode ser gravado para a camada semicondutora 4-380 para expor uma su- perfície da camada semicondutora. A estrutura resultante pode apare- cer como representado na FIG. 4-4C, de acordo com algumas imple- mentações.
[00335] Um pilar semicondutor 4-374 pode então ser desenvolvido da camada semicondutora 4-380, como representado na FIG. 4-4D. De acordo com algumas modalidades, o pilar pode ser desenvolvido por meio de um processo de crescimento epitaxial, tal como deposição de vapor químico orgânico molecular (MOCVD). De acordo com algu- mas modalidades, o pilar pode formar-se no orifício que foi gravado para a camada semicondutora e é definido por paredes da camada de isolamento 3-235 e o revestimento sacrificial 4-420. O orifício pode fornecer um molde para o desenvolvimento do pilar. Visto que uma cavidade amostra 3-210 será subsequentemente formada em uma porção superior do orifício, o pilar 4-374 desenvolve-se autoalinhado à cavidade amostra 3-210 subsequentemente formada.
[00336] Em algumas modalidades, durante desenvolvimento do pi- lar, uma pilha refletiva 4-375 pode, ou não pode, ser formada na base do pilar. A pilha reflectiva pode exibir uma alta reflectividade para emissão do nano-LED, de acordo com algumas implementações, e pode ser usada para refletir aproximadamente metada da emissão do nano-LED para a cavidade amostra. Em algumas modalidades, a pilha reflectiva 4-375 pode exibir uma baixa reflectividade (por exemplo,
menos do que cerca de 30%) para emissão de uma amostra na cavi- dade amostra.
[00337] O pilar 4-374 pode ser formado com qualquer tipo de con- dutividade selecionada. Por exemplo, espécies doadoras ou recepto- ras podem ser adiciondas durante crescimento epitaxial do pilar para definir o tipo de condutividade do pilar. Em algumas modalidades, o pilar pode ser tipo p, e em outras modalidades o pilar pode ser tipo n.
[00338] Após formação do pilar 4-374, o revestimento sacrificial 4- 420 pode ser removido por um processo de gravação seletivo. O pro- cesso de gravação pode ser uma gravação úmida ou uma gravação seca que preferencialmente remove o revestimento sacrificial, porém não apreciavelmente remove a camada de isolamento 3-235, camada superior 3-230 ou pilar semicondutor 4-374. Remoção do revestimento sacrificial 4-420 deixa uma porção superior do pilar semicondutor ex- posta dentro do orifício.
[00339] Um segundo crescimento epitaxial pode então ser executa- do para formar um semicondutor cap 4-376 sobre o pilar, como repre- sentado na FIG. 4-4E. O tipo de condutividade do semiconductor cap 4-376 pode ser feito oposto ao tipo de condutividade do pilar 4-374 pa- ra formar uma junção p-n. Em algumas modalidades, a tampa do se- micondutor 4-376 pode encher uma região mediana do orifício 4-410 como desenvolver-se do pilar exposto. Em algumas implementações, a tampa do semicondutor não carrega totalmente a região inferior do orifício, e pode deixar um espaço aberto entre ela e as paredes laterais de camada isolante 3-235.
[00340] Uma camada de superfície condutiva 4-372 pode então ser depositada sobre a região, como representado na FIG. 4-4E. A cama- da de superfície condutiva pode compreender uma camada de ITO em algumas modalidades, e fornecer conexão elétrica da camada superior 3-230 com a tampa do semicondutor 4-376 (por exemplo, um conexão elétrica com uma região p ou n do nano-LED). A camada de superfície condutiva 4-372 pode ser depositada por qualquer processo de depo- sição conformacional adequado, por exemplo, deposição de camada atômica ou deposição de vapor químico, de acordo com algumas mo- dalidades.
[00341] Em algumas implementações, uma camada de passivação 4-378 pode então ser depositada conformemente sobre a região, como representado na FIG. 4-4F. A camada de passivação pode ser uma camada isolante de acordo com algumas modalidades, tais como alu- mina ou óxido de silício. Um aderente (não mostrado) pode ser deposi- tado na base da cavidade amostra, como descrito em conexão com FIG. 3-14 ou FIG. 3-15, por exemplo. Como pode ser visto na FIG. 4- 4F, a cavidade amostra resultante 3-210 e nano-LED são autoalinha- dos.
[00342] Estruturas associadas com etapas de processo para moda- lidades alternativas de fabricação de um nano-LED são mostradas nas FIG. 4-4G a FIG. 4-4I. Após obter uma estrutura representada na FIG. 4-4B, por exemplo, etapas de gravação anisotrópicas seletivas podem ser executadas para seletivamente remover superfícies planares hori- zontais da camada de revestimento 4-372 e uma porção do semicon- dutor cap 4-376 e pilar semicondutor 4-374. A estrutura resultante po- de aparecer como representado na FIG. 4-4G.
[00343] Em algumas modalidades, uma camada de espaçamento 4- 440 pode então ser depositada sobre a região. A camada de espaça- mento pode compreender um material transparente, por exemplo, óxi- do de silício. A camada de espaçamento pode ser depositada por um processo de deposição física, por exemplo, evaporação por feixe de elétron. A camada de espaçamento pode formar um plug 4-442 na ba- se da cavidade amostra. O plug pode ser usado para cuidadosamente espaçar a localização de uma amostra de uma terminação do nano-
LED. Visto que a espessura de uma camada depositada pode ser con- trolada com muita precisão, para alguns nanômetros, o espaçamento entre uma terminação do nano-LED e a localização da amostra pode ser controlado com bastante precisão. Uma camada de passivação 4- 378 pode então ser depositads sobre a região, como representado na FIG. 4-4I, e um aderente subsequentemente depositado.
[00344] Algumas etapas de processo usadas para formar um nano- LED autoalinhado podem também ser usadas para fabricar um nano- VEELD autoalinhado ou nano-VCSEL autoalinhado. Fabricação de um nano-VCSEL pode não requerer etapas representadas na FIG. 4-4B e FIG. 4-4C. Em vez disso, o orifício 4-410 pode ser gravado para a ca- mada semicondutora 4-380, e uma primeira porção do pilar VCSEL (por exemplo, uma porção tipo p), incluindo uma pilha refletiva 4-375, pode ser formada no orifício por crescimento epitaxial. Subsequente- mente, uma porção tipo n do pilar pode ser formada, e contato elétrico feito para a porção tipo n usando uma etapa como representado na FIG. 4-4E, por exemplo.
[00345] De acordo com algumas implementações, uma espessura da camada de isolamento 3-235 par formar um nano-LED, nano- VEELD, ou nano-VCSEL pode ser entre aproximadamente 100 nm e aproximadamente 2 mícrons. Em algumas implementações, um ou mais sensores 3-260 (não mostrados nos desenhos) podem ser pa- dronizados na camada semicondutora 4-380 para detectar emissão de uma cavidade amostra 3-210. Um ou mais sensores podem ser padro- nizados perto da fonte de excitação de nanoescala, de modo que a fonte de excitação, cavidade amostra, e o sensor estejam contidos dentro de uma medição de volume menor do que cerca de 20 mícrons em uma dimensão transversa máxima e menor do que cerca de 2 mí- crons de altura. Em algumas modalidades, o volume pode ser menor do que cerca de 5 mícrons em uma dimensão transversa máxima.
[00346] Se maior fluxo de fóton for necessário, um nano-LED, nano- VEELD, ou nano-VCSEL pode ser fabricado para ter uma dimensão transversa maior do que uma dimensão transversa de uma cavidade amostra, usando etapas de processo similares àquelas representadas nas FIG. 3-13A e FIG. 3-13B após formação da fonte de excitação de nanoescala. IV. C. Fontes não radiativas de excitação
[00347] Amostras 3-101 em uma região de excitação da cavidade amostra podem ser excitadas por meio de processos não radiativos, de acordo com algumas modalidades. Um processo não radiativo pode incluir Transferência de Energia Ressonante Föster (FRET), que pode ocorrer sobre distâncias até cerca de 10 nm, ou Transferência de Energia Dexter (DET), que pode ocorrer sobre distâncias até cerca de 1 nm. Consequentemente, fontes não radiativas de excitação que po- dem ser incluídas em um dispositivo integrado foram também contem- pladas pelos inventores. Como com as fontes de excitação radiativa, pode haver uma ou mais fontes não radiativas de excitação separa- damente controláveis, em um dispositivo integrado. Por exemplo, em algumas modalidades uma fonte não radioativa simples pode ser com- partilhada por um grupo de pixels ou uma matriz de pixel inteira de um dispositivo integrado. Em algumas implementações, uma fonte não radiativa de excitação pode ser fabricada em cada pixel.
[00348] FIG. 4-5A representa apenas uma modalidade de uma fon- te de excitação não radiativa que pode ser formada em um pixel de um dispositivo integrado. De acordo com algumas modalidades, uma ca- mada semicondutora 4-510 pode ser formada em um substrato isolan- te 4-530. A camada semicondutora pode compreender um semicondu- tor orgânico ou um semicondutor inorgânico. Em algumas implementa- ções, a camada semicondutora pode ser uma camada semicondutora fina ou ultrafina de um substrato SOI. A camada semicondutora pode ter uma espessura entre aproximadamente 10 nm e aproximadamente 100 nm, de acordo com algumas modalidades. Primeiros eletrodos 4- 520 podem ser dispostos sobre a camada semicondutora. Os eletro- dos 4-520 podem correm ao longo de uma superfície da camada se- micondutora 4-510, por exemplo, extendendo-se ao longo de espaços entre cavidades amostras 3-210, e fornecer uma primeira conexão elé- trica à camada semicondutora. Uma segunda camada isolante 4-540 pode ser formada adjacente à camada semicondutora e os primeiros eletrodos 4-520. Uma camada condutora 4-542 pode ser formada ad- jacente à segunda camada isolante 4-540. A cavidade amostra 3-210 pode ser formada na segunda camada isolante e na camada condutiva 4-542, de acordo com algumas modalidades, e um revestimento con- dutivo 4-544 pode ser formado sobre as paredes da cavidade amostra, como representado no desenho. O revestimento condutivo 4-544 pode fornecer um segundo contato elétrico à camada semicondutora.
[00349] Em operação, a polarização elétrica pode ser aplicada entre os primeiros eletrodos 4-520 e a camada condutiva 4-542. Uma cor- rente pode fluir através da camada semicondutora 4-510 próxima à cavidade amostra, e gerar éxcitons 4-508 dentro da camada semicon- dutora 5-510. Os éxcitons podem ser gerados por excitação colisional, de acordo com algumas modalidades, e podem difundir-se para a su- perfície da camada semicondutora 4-510 em uma cavidade amostra 3-
210. Quando próximos à superfície em uma cavidade amostra, os éxcitons podem liberar energia para uma amostra dentro da cavidade amostra por meio de FRET ou DET.
[00350] Uma modalidade alternativa de uma fonte não radiativa de excitação é representada FIG. 4-5B. De acordo com algumas modali- dades, uma fonte não radiativa de excitação pode compreender um diodo lateral 4-512 formado adjacente à base de cavidade amostra 3-
210. Em algumas modalidades, o diodo pode compreender junção p-n ou pode compreender uma região intrínseca ou não dopada 4-513 pa- ra formar uma junção p-i-n. Uma fonte não radiativa de excitação como representado na FIG. 4-5B pode incluir eletrodos de catódio e ânodo 4-520 para fazer contato elétrico às regiões p e n do diodo. Em algu- mas modalidades, pode haver uma camada de passivação fina (por exemplo, menos do que 10 nm) e/ou camada aderente 4-550 forma- das na região de junção do diodo.
[00351] Uma vista plana de uma modalidade de uma fonte não ra- diativa de excitação representada na FIG. 4-5B é mostrado na FIG. 4- 5C, de acordo com algumas modalidades. A vista plana é tirada em uma interface entre a primeira camada isolante 4-530 e a segunda camada isolante 4-540. A vista plana representa apenas uma modali- dade de como as regiões p e n do diodo e eletrodos podem ser dispos- tas sobre o dispositivo integrado. Em algumas modalidades, regiões fortemente dopadas de semicondutor 4-515, 4-517 podem ser forma- das próximo aos eletrodos, e podem extender-se para uma região pró- xima a cada cavidade amostra. Qualquer padrão adequado pode ser usado para organizar as regiões p e n dos diodos em um dispositivo integrado. Por exemplo, em vez de usar um padrão interdigitado como representado na FIG. 4-5C, um padrão de serpentina dos diodos pode ser usado em seu lugar.
[00352] FIG. 4-5D representa em uma modalidade alternativa de uma fonte de excitação não radiativa que pode ser formada por cres- cimento vertical em uma cavidade amostra 3-210. Em algumas imple- mentações, a fonte compreende um diodo 4-514 que é autoalinhado à cavidade amostra 3-210. O diodo pode compreender um diodo p-n ou p-i-n de nanoescala tendo um pilar cilíndrico formado de um semicon- dutor tendo um primeiro tipo de condutividade que é rodeado por um invólucro cilíndrico de semicondutor tendo um segundo tipo de condu- tividade, como representado no desenho. A forma do nano-diodo pode ser qualquer forma adequada e não precisa ser cilíndrica. Por exem- plo, se a cavidade amostra for formada para ter um corte transversal quadrado, retangular, ou poligonal, então o nano-diodo pode assumir uma forma similar.
[00353] Uma conexão a uma primeira região (por exemplo, uma re- gião n) do diodo pode ser feita através de uma camada semicondutora 4-380. Em algumas modalidades, uma cavidade fortemente dopada 4- 582 pode ser formada sobre a camada semicondutora em uma base do nano-diodo para melhorar a conexão elétrica ao diodo. Uma cone- xão à segunda região do diodo pode ser feita através de uma camada condutora 3-230, em que a cavidade amostra é formada, e um reves- timento condutivo 4-372. Em algumas modalidades, o revestimento condutivo 4-372 pode compreender ITO.
[00354] Em operação, a corrente elétrica dentro do nano-diodo po- de gerar éxcitons que se difundem para a superfície do diodo onde uma maioria recombina. Em alguns casos, éxcitons podem transferir energia não radiativamente para uma amostra dentro da cavidade amostra 3-210 mediante recombinação. Consequentemente, excitação da amostra dentro da cavidade amostra pode ocorrer sem emissão radiativa de uma fonte de excitação. Um benefício de excitação não radiativa é que a fonte de excitação pode contribuir nenhum ruído de radiação apreciável no sensor durante detecção de sinal. Um segundo benefício é que a excitação de amostra é localizada em cerca de 10 nm da fonte de excitação. Isto pode ser benéfico para energia de aco- plamento da amostra ao sensor, e pode também reduzir ou eliminar radiação de ruído de outras amostras no espécimen que são mais do que cerca de 10 nm da fonte de excitação.
[00355] Várias técnicas de fabricação podem ser usadas para fabri- car fontes não radiativas representadas nas FIG. 4-5A a FIG. 4-5D. Fabricação de um dispositivo representado na FIG. 4-5A pode empre-
gar etapas de processo de gravação e padronização convencionais, e pode incluir etapas de processo associadas com formação de uma ca- vidade amostra como descrito aqui. Em algumas modalidades, um na- no-diodo como representado na FIG. 4-5A pode ser formado empre- gando etapas de fabricação que são usadas para formar o nano-LED, como descrito em conexão com FIG. 4-4G. IV. D. Fabricação de fontes não radiativas de excitação
[00356] FIG. 4-6A a FIG. 4-6U representam estruturas associadas com etapas de processo que podem ser usadas para formar uma fonte não radiativa de excitação de junção lateral, que é autoalinhada à ca- vidade amostra, como representado na FIG. 4-5B, por exemplo. A re- gião intrínseca, ou junção p-n pode ser autoalinhada a uma base da cavidade amostra.
[00357] De acordo com algumas modalidades, o processo pode começar com obtenção de um silício sobre substrato isolante como representado na FIG. 4-6A, compreendendo um substrato semicondu- tor 4-535, uma camada isolante 4-530, e uma camada semicondutora intrínseca ou não dopada 4-513. Em algumas modalidades, circuito integrado pode ser formado no substrato semicondutor 4-535, tais co- mo um ou mais sensores usados para detectar emissão de uma amos- tra e circuitos integrados associados que podem ser usados no dispo- sitivo integrado. A camada de isolamento 4-530 pode ter uma espes- sura entre cerca de 50 nm e cerca de 500 nm, de acordo com algumas modalidades, embora outras espessuras possam ser usadas em ou- tras modalidades. A camada semicondutora 4-513 pode ser disposta sobre a camada de isolamento e ter uma espessura entre aproxima- damente 10 nm e aproximadamente 100 nm.
[00358] Uma máscara 4-610 compreendendo barras pode ser pa- dronizada sobre a camada semicondutora 4-513, como representado na FIG 4-6B. As barras podem correr ao longo da superfície da cama-
da semicondutora, e podem ter a aparência de uma grade. A máscara pode ser uma máscara dura em algumas modalidades, por exemplo, uma máscara formada de óxido de silício, embora outros materiais possam ser usados. Em outras modalidades uma máscara macia, por exemplo, formada de um polímero, pode ser usada. A máscara pode exibir seletividade de gravação sobre a camada semicondutora 4-513. Uma espessura da máscara pode ser entre aproximadamente 50 nm e aproximadamente 250 nm. Um espaçamento entre as barras da más- cara pode ser na ordem da distância de separação entre os pixels do dispositivo integrado. Uma largura das barras pode também ser na or- dem da distância de separação entre os pixels do dispositivo integra- do. As barras podem estender-se através da região de pixel ativo do dispositivo integrado. Em algumas implementações, a máscara 4-610 pode ser alinhada para o substrato, de modo que as bordas das barras sejam aproximadamente centralizadas sobre os sensores formados sobre o substrato semicondutor 4-535.
[00359] Em algumas modalidades, uma camada 4-620 pode ser conformavelmente depositada sobre a máscara 4-610, como represen- tado na FIG. 4-6C. A camada pode compreender um material duro, tal como nitreto de silício, de acordo com algumas modalidades. A cama- da 4-620 pode exibir seletividade de gravação sobre a camada semi- condutora 4-513 e sobre a máscara 4-610, de acordo com algumas modalidades. Uma espessura da camada 4-620 pode ser aproxima- damente igual a um tamanho desejado da cavidade amostra 3-210, em algumas implementações. Por exemplo, uma espessura da cama- da 4-620 pode ser entre aproximadamente 80 nm e aproximadamente 250 nm, embora outras espessuras possam ser usadas em algumas modalidades.
[00360] A camada 4-620 pode então ser gravada novamente usan- do um processo de gravação anisotrópica seletiva, produzindo a estru-
tura como mostrado na FIG. 4-6D. A gravação da camada 4-620 re- move porções horizontais da camada e deixa as paredes laterais verti- cais 4-622 adjacentes às barras da máscara 4-610. A região do subs- trato pode então ser submetida ao implante de íon, como representado no desenho. Por exemplo, íons doadores ou aceptores podem ser im- plantados na camada semicondutora 4-513 onde a camada é exposta. Os íons podem ser bloqueados de entrarem na camada semiconduto- ra pelas paredes laterais verticais 4-622 e a máscara 4-610. Em algu- mas modalidades, o implante de íon pode compreender doadores e produzir regiões semicondutoras do tipo n 4-632, como representado na FIG 4-6E. As regiões sob as paredes laterais verticais e a máscara podem permanecer regiões intrínsicas de semicondutor 4-630.
[00361] Uma camada fina 4-624 pode então ser conformalmente depositada sobre a região, como representado na FIG. 4-6F. De acor- do com algumas modalidades, a camada fina pode ser formada de um mesmo material como a camada 4-620. De acordo com algumas mo- dalidades a camada fina pode ser nitreto de silício, embora outros ma- teriais possam ser usados em outras modalidades. Uma espessura da camada 4-624 pode ser entre aproximadamente 5 nm e aproximada- mente 20 nm, de acordo com algumas modalidades.
[00362] Um material de planarização 4-640 pode então ser deposi- tado sobre a região, como representado na FIG. 4-6G. De acordo com algumas modalidades, o material de planarização 4-640 exibe seletivi- dade de gravação sobre a máscara 4-610, as paredes laterais verticais 4-622, e a camada fina 4-624. Em algumas modalidades, o material de planarização pode também exibir seletividade de gravação sobre a re- gião intrínseca da camada semicondutora 4-630. De acordo com al- gumas implementações, o material de planarização 4-640 pode com- preender silício amorfo, embora outros materiais possam ser usados em outras modalidades.
[00363] O material 4-640 e superfície do substrato pode então ser planarizados, como representado na FIG. 4-6H. Por exemplo, uma etapa de polimento quimico-mecânico (CMP) pode ser usada para planarizar a região. A etapa CMP pode seletivamente gravar o material 4-640, porém não gravar a camada 4-624, e essencialmente parar so- bre a camada 4-624, em algumas implementações. Uma gravação não seletiva de planarização pode então ser usada para regravação do substrato para expor as barras de máscara 4-610, como representado na FIG. 4-6I.
[00364] As barras de máscara 4-610 pode então ser removidas por um processo de gravação seletivo. O processo de gravação seletivo pode ser uma gravação seca ou uma gravação úmida. A estrutura re- sultante pode aparecer como representado na FIG. 4-6J. O substrato pode então ser submetido a um segundo implante de íon como indica- do no desenho. Por exemplo, íons aceptores pode ser implantados nas regiões expostas da camada semicondutora intrínsica 4-512, con- vertendo estas regiões a regiões semicondutoras do tipo p 4-634. O material de planarização 4-640 pode então ser removido por uma gra- vação seca ou úmida seletiva.
[00365] Em algumas modalidades, um polímero de planarização adicional ou camada de óxido (não mostrado) pode ser formada sobre o substrato para proteger as regiões do tipo p 4-634 e planarizada pa- ra expor o material de planarização 4-640, antes de remover um mate- rial de planarização 4-640. Após remoção do material de planarização 4-640, o material de planarização adicional pode ser seletivamente gravado deixando porções das paredes laterais verticais 4-622 e o porção restante da camada fina 4-624.
[00366] Quando as paredes laterais verticais 4-622 e a camada fina 4-624 são expostas, elas pode ser gravadas novamente com uma gra- vação seletiva anisotrópica para remover a porção horizontal da ca-
mada fina 4-624 que cobre as regiões de tipo n 4-632. A estrutura re- sultante pode aparecer como representado na FIG. 4-6K, e mostra as barras verticais restantes 4-626 que compreendem as porção restan- tes das paredes laterais verticais 4-622 e porção restante da camada fina 4-624. Regiões intrínsicas não dopadas 4-630 da camada semi- condutora permanecem sob as barras verticais 4-626. Em algumas modalidades, um processo de difusão térmico, por exemplo, um reco- zimento de pico, pode ser usado para conduzir dopantes sob as barras verticais para reduzir a extensão espacial de uma junção p-i-n, ou se uma junção p-n é preferida em lugar de uma junção p-i-n.
[00367] Uma resistência 4-650 (por exemplo, uma fotorresistência) pode ser depositada sobre a região, de acordo com algumas modali- dades, como indicado na FIG. 4-6L. A resistência pode ser padroniza- da usando uma máscara que é alinhada às barras verticais 4-626, de modo que porções da resistência sobre as regiões do tipo n e p da es- trutura de diodo lateral sejam expostas e desenvolvidas afastadas. Eletrodos 4-520 podem então ser formados usando um processo de levantamento, de acordo com algumas modalidades. Por exemplo, material eletrodo pode ser depositado sobre as regiões expostas do tipo n e p do diodo. A resistência restante pode ser removida das por- ções de levantamento do do material eletrodo sobre o topo da resis- tência 4-650, deixando as barras verticais e eletrodos sobre as regiões laterais p-i-n.
[00368] Um material de planarização 4-660 pode então ser deposi- tado sobre a região e o material e região planarizada, como represen- tado na FIG. 4-6M. O material de planarização 4-660 pode ser um óxi- do em algumas modalidades ou polímero em algumas modalidades. Em algumas implementações, uma etapa de CMP pode ser usada pa- ra planarizar a região e expor as barras verticais 4-626. FIG. 4-6N re- presenta uma vista plana da região após planarização, de acordo com algumas modalidades. A linha tracejada indica a localização de uma seção cruzada correspondendo à vista de elevação mostrada na FIG. 4-6M.
[00369] Barras de mascaramento adicionais 4-670 podem então ser padronizadas sobre o topo da região de pixel ativo, como representado na vista plana de FIG 4-6O. As barras podem ser padronizadas usan- do qualquer processo de litografia adequado, e pode ter uma amplitu- de que é aproximadamente igual a uma amplitude das barras verticais 4-626. As barras de mascaramento 4-670 podem ser orientadas trans- versas às barras verticais 4-626, e as barras de mascaramento podem ser espaçadas distantes em uma distância que é aproximadamente igual a uma distância entre pixels do dispositivo integrado. Em várias modalidades, as barras de mascaramento são alinhadas aos centros de sensores que podem ser localizados no substrato semicondutor 4- 535 abaixo das barras verticais 4-626. De acordo com algumas moda- lidades as barras de mascaramento 4-670 exibem seletividade de gra- vação sobre as barras verticais 4-626. Por exemplo, as barras de mascaramento podem ser formadas de um polímero ou um óxido, e uma barra vertical pode compreender nitreto de silício.
[00370] Como indicado na FIG. 4-6P, uma gravação anisotrópica seletiva pode ser usada para gravar porções distantes das barras ver- ticais 4-626 para expor as regiões intrínsicas subjacentes 4-630 da camada semicondutora. Por causa das barras de mascaramento 4- 670, porções das barras verticais 4-626 permanecem sob as barras de mascaramento.
[00371] As barras de mascaramento 4-670 pode então ser removi- das da região, e uma camada de planarização 4-680 (por exemplo, uma camada de óxido) depositada sobre a região. Uma etapa de CMP pode ser usada para planarizar a região de pixel produzindo uma es- trutura como representado na FIG. 4-6Q, em vista plana, e FIG. 4-6R,
em vista de elevação. As porções restantes das barras verticais for- mam pilares verticais 4-628, de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, uma dimensão transversa dos pilares verti- cais 4-628 é entre aproximadamente 80 nm e aproximadamente 250 nm. Os pilares verticais podem ter uma forma aproximadamente qua- drada ou transversal retangular. Os pilares 4-628 podem então ser se- letivamente gravados e removidos do substrato para produzir cavida- des amostras que são substancialmente autoalinhadas à junção de diodo subjacente, como representado na FIG. 4-6S.
[00372] Como representado na FIG. 4-6Q, um espaçamento entre os pilares 4-628 pode ser aproximadamente equivalente em uma pri- meira direção (uma direção vertical como observada na página). O es- paçamento entre os pilares pode não ser equivalente na segunda dire- ção (uma direção horizontal como observado na página). Em algumas modalidades, uma amplitude e espaçamento das barras de máscara 4- 610, uma espessura da camada 4-622, e uma espessura da camada 4-624 pode ser selecionada para produzir espaçamento aproximada- mente equivalente entre as cavidades amostras na segunda direção.
[00373] Em algumas implementações, em vez de um material indi- vidual sendo depositado para a camada de planarização 4-680 (como representado na FIG. 4-6R), a pilha de materiais pode ser depositada, por exemplo, uma combinação de um isolador, um semicondutor, e um metal. A pilha pode então ser planarizada para produzir uma estrutura em camadas para a cavidade amostra.
[00374] Na FIG. 4-6S, as regiões tipo p e n dos diodos são plana- res. Em algumas modalidades, e referindo-se novamente à FIG. 4-6L, as regiões do tipo p e n expostas podem ser gravadas após padroni- zação da resistência 4-650 e antes da deposição dos eletrodos, como representado na FIG. 4-6T. Como um exemplo, uma gravação aniso- trópica úmida pode ser usada para seletivamente gravar ao longo de planos cristalográficos do semicondutor. A gravação pode ser uma gravação programada que enfraquece a resistência restante 4-650 como indicado no desenho, de acordo com algumas modalidades. O material eletrodo pode então ser depositado como representado na FIG. 4-6U.
[00375] Em algumas modalidades, o material eletrodo 4-520 pode ser um condutor transparente, por exemplo ITO, de modo que emissão de uma amostra possa passar através do material eletrodo. Em algu- mas implementações, uma fina camada semicondutora 4-512 é usada, de modo que a absorção de emissão de uma amostra que passa atra- vés da camada semicondutora seja menor do que cerca de 30%. Por exemplo, uma espessura da camada semicondutora da qual os diodos são formados pode ser menor do que aproximadamente 50 nm.
[00376] Qualquer uma ou mais das modalidades anteriores de fon- tes de excitação podem ser incluídas em uma modalidade de um dis- positivo integrado. V. Acoplamento de Excitação
[00377] O acoplamento energia de uma fonte de excitação à cavi- dade amostra pode ser melhorado ou afetado formando estruturas de acoplamento de excitação dentro de e/ou adjacente à cavidade amos- tra. Estruturas de acoplamento de excitação podem compreender es- truturas de micro- ou nanoescala fabricadas em torno de uma cavida- de amostra em algumas modalidades, ou pode compreender estrutu- ras ou partículas formadas em uma cavidade amostra em algumas modalidades. Estruturas de acoplamento de excitação podem afetar excitação radiativa de uma amostra em algumas implementações, e podem afetar excitação não radiativa de uma amostra em algumas im- plementações. Em várias modalidades, estruturas radiativas de aco- plamento de excitação podem aumentar uma intensidade de energia de excitação dentro de uma região de excitação da cavidade amostra.
Estruturas não radiativas de acoplamento de excitação podem melho- rar e/ou alterar series de reação de transferência de energia não radia- tiva de uma fonte de excitação (que pode ser radiativa ou não radiati- va) para uma amostra. V. A. Estruturas Plasmônicas Radiativas de Acoplamento de Excitação
[00378] Existem diversos diferentes tipos de estruturas de acopla- mento de excitação radiativas que podem ser usadas para afetar o acoplamento de energia de excitação de uma fonte de excitação para uma região de excitação dentro de uma cavidade amostra. Algumas estruturas de acoplamento radiativas podem ser formadas de um con- dutor (por exemplo, incluem uma camada de metal), e suportam osci- lações de plasmônio de superfície que localmente afetam a energia de excitação (por exemplo, localmente alteram um campo eletromagnéti- co). Em alguns casos, estruturas de plasmônio de superfície podem realçar a energia de excitação dentro de uma região de excitação da cavidade amostra por um fator de dois ou mais. Algumas estruturas de acoplamento radiativas podem alterar a fase e/ou amplitude de um campo de excitação para realçar a energia de excitação dentro de uma cavidade amostra. Várias modalidades de radiative estruturas de aco- plamento de excitação são descritas nesta seção.
[00379] A FIG. 5-1A representa justamente um exemplo de uma estrutura de plasmônio de superfície 5-120 que pode ser usada para realçar o acoplamento de energia de excitação em uma cavidade amostra. O desenho representa uma vista plana de uma região em torno de uma estrutura de plasmônio de superfície 5-120, e representa resultados de uma simulação numérica de intensidade de campo elé- trico em torno da estrutura. O desenho representa uma estrutura de plasmônio de superfície compreendendo três características triangula- res tendo vértices afiados que estão localizados em proximidade ínti- ma à cavidade amostra (não mostrado). De acordo com algumas mo-
dalidades, uma estrutura de plasmônio de superfície pode compreen- der um metal ou condutor (por exemplo, uma película fina padronizada de qualquer um ou combinação dos seguintes metais ou ligas de me- tal: Al, Au, Ag, Ti, TiN). Uma espessura da película pode ser entre aproximadamente 10 nm e aproximadamente 100 nm em algumas modalidades, embora outras espessuras possam ser usadas em ou- tras modalidades. Uma estrutura de plasmônio de superfície, em al- gumas modalidades, pode incluir características afiadas 5-110 locali- zadas em proximidade íntima com uma cavidade amostra (por exem- plo, dentro de cerca de 100 nm).
[00380] A FIG. 5-1B representa uma vista de elevação transversal da estrutura de plasmônio de superfície de FIG. 5-1A, tirada na linha tracejada. A simulação mostra uma região de alta intensidade, locali- zada 3-505 da energia de excitação adjacente um ápice de um triângu- lo da estrutura de plasmônio de superfície. Para esta simulação, a es- trutura de plasmônio de superfície 5-120 foi localizada em uma cama- da dielétrica 5-135 (por exemplo, dióxido de silício) acima um guia de onda 5-130. A estrutura de plasmônio de superfície controla a energia de um campo evanescente do guia de onda, e realça a intensidade em uma cavidade amostra.
[00381] Em algumas modalidades, o realce de energia de excitação por uma estrutura de plasmônio de superfície pode ser localizada de tal forma que uma cavidade amostra 3-215 não seja necessária. Por exemplo, se uma região de alta intensidade 3-505 é formada tendo um diâmetro de aproximadamente 100 nm com um valor de intensidade de pico maior do que cerca de 80% de uma intensidade fora da região, então uma cavidade amostra profunda pode não ser necessária. Ape- nas amostras dentro da região de alta intensidade 3-505 podem con- tribuir emissão apreciável para os propósitos de detecção.
[00382] Quando um campo eletromagnético incidente interage com uma estrutura de plasmônio de superfície, correntes de onda de super- fície são geradas na estrutura. A forma da estrutura pode afetar a in- tensidade e distribuição destes plasmônios de superfície. Estas corren- tes localizadas podem interagir com e significantemente alteram e in- tensificam o campo eletromagnético incidente na proximidade imediata da estrutura de plasmônio de superfície, por exemplo, como represen- tado pela região de alta intensidade 3-505 na FIG. 5-1B. Em algumas modalidades, um emissor (por exemplo, uma etiqueta fluorescente) que emite radiação próxima de uma estrutura de plasmônio de super- fície pode ter sua emissão alterada pela estrutura, a fim de alterar um padrão de radiação de campo distante do emissor.
[00383] Outra modalidade de uma estrutura de plasmônio de super- fície 5-122 é representada na vista plana de FIG. 5-1C. A estrutura de gravata borboleta ilustrada compreende duas estruturas metálicas tri- angulares localizadas adjacentes a uma cavidade amostra 3-210. As estruturas podem ser padronizadas abaixo de uma cavidade amostra, por exemplo, e/ou adjacente a uma região de excitação da cavidade amostra. Pode haver uma lacuna 5-127 entre a cavidade amostra e aspectos pontiagudos 5-125 da estrutura de plasmônio de superfície, em algumas implementações. A lacuna 5-127 pode ser entre aproxi- madamente 10 nm e aproximadamente 200 nm, de acordo com algu- mas modalidades. Em algumas implementações, a lacuna 5-127 pode ser entre aproximadamente 10 nm e aproximadamente 100 nm. Os aspectos pontiagudos 5-125 podem compreender um ponto ou uma curva pontiaguda em uma borda da estrutura de plasmônio de superfí- cie, como representado no desenho. Os aspectos pontiagudos podem ter qualquer forma adequada. Em algumas modalidades um raio de curvatura de um aspecto afiado 5-125 pode ser menor do que aproxi- madamente cinco comprimentos de onda associados com a energia de excitação incidente. Em algumas modalidades um raio de curvatura de um aspecto pontiagudo 5-125 pode ser menor do que aproximada- mente dois comprimentos de onda associados com a energia de exci- tação incidente. Em algumas modalidades um raio de curvatura de um aspecto afiado 5-125 pode ser menor do que aproximadamente cinco comprimentos de onda associados com uma onda de plasmônio de superfície que é excitada pela energia de excitação incidente. Em al- gumas modalidades um raio de curvatura de um aspecto afiado 5-125 pode ser menor do que aproximadamente dois comprimentos de onda associados com uma onda de plasmônio de superfície que é excitada pela energia de excitação incidente.
[00384] De acordo com algumas modalidades, estruturas de plas- mônio de superfície 5-122 podem ser padronizadas dentro de uma ca- vidade amostra 3-210 como ilustrado na vista de elevação de FIG. 5- 1D. Em algumas modalidades, uma estrutura de plasmônio de superfí- cie dentro de uma cavidade amostra pode compreender um ou mais dedos (por exemplo, dedos metálicos) padronizados sobre paredes laterais da cavidade amostra, como representado no desenho. FIG. 5- 1E representa uma vista plana da cavidade amostra 3-210 mostrando as estruturas de plasmônio de superfície 5-122 formadas sobre pare- des laterais dentro de uma cavidade amostra. Em algumas modalida- des, as extremidades inferiores destas estruturas de plasmônio de su- perfície 5-122 formam aspectos afiados ou curvaturas onde o campo eletromagnético será realçado. As estruturas de plasmônio de superfí- cie 5-122 podem ou não, estender-se até uma base da cavidade amostra.
[00385] Em algumas modalidades, as estruturas de plasmônio de superfície 5-122 podem ser dispostas para afetar a polarização da energia de excitação e/ou radiação emitida de uma cavidade amostra. Por exemplo, um padrão, como representado na FIG. 5-1E pode ser usado para afetar uma orientação preferida de polarização de excita-
ção linear ou elíptica e/ou uma orientação preferida de polarização li- near ou elíptica de um emissor dentro de uma cavidade amostra.
[00386] Estruturas de plasmônio de superfície podem ser padroni- zadas em formas que não aquelas representadas na FIG. 5-1A a FIG. 5-1E. Por exemplo, estruturas de plasmônio de superfície podem ser padronizadas como estruturas regulares ou periódicas, como repre- sentado na FIG. 5-2A, de acordo com algumas modalidades. Por exemplo, uma estrutura de plasmônio de superfície pode ser padroni- zada em uma disposição de aspectos de protuberância 5-210 sobre uma superfície mais baixa de um material 3-230 em que a cavidade amostra 3-210 é formada. Estruturas periódicas de plasmônio de su- perfície podem ser formadas em uma disposição regular, por exemplo, uma grade, uma grelha, uma treliça, uma grade circular, uma grade espiral, uma grade elíptica, ou qualquer outra estrutura adequada. Em algumas implementações, pode haver um espaçamento s substanci- almente uniforme entre as protusões 5-210 de uma estrutura de plas- mônio de superfície. Em algumas implementações, o espaçamento s pode ter qualquer valor entre aproximadamente 40 nm e aproximada- mente 250 nm. De acordo com algumas modalidades, as protusões podem ter uma altura h entre aproximadamente 20 nm e aproximada- mente 100 nm. Em algumas implementações, o espaçamento s pode não ser uniforme ou pode ser chirped (tendo um valor decrescente em distâncias radiais maiores). Em algumas modalidades, as protusões 5- 210 de uma estrutura de plasmônio de superfície podem ser padroni- zadas como uma placa de zona Fresnel. De acordo com algumas mo- dalidades, uma estrutura de plasmônio de superfície de 5-210 pode ser formada adjacente a uma camada transparente e/ou camada dielé- trica 3-235.
[00387] Em algumas implementações, uma estrutura de plasmônio de superfície 5-212 pode ser espaçada de um material 3-230 em que a cavidade amostra é formada como representado na FIG. 5-2B. Por exemplo, pode haver uma camada dielétrica intermediária 5-247 entre a estrutura de plasmônio de superfície 5-212 e o material 3-230. De acordo com algumas modalidades, uma estrutura de plasmônios de superfície 5-212 pode ser localizada adjacente a uma depressão 3-216 de uma cavidade amostra, como representado no desenho. Por exem- plo, uma estrutura de plasmônio de superfície 5-212 pode ser localiza- da adjacente a paredes laterais de uma depressão 3-216, como repre- sentado na FIG. 5-2B.
[00388] FIG. 5-2C ilustra uma estrutura de plasmônio de superfície 5-214 que é formada como uma grade circular, concêntrica. A estrutu- ra 5-214 pode compreender anéis condutores concêntricos 5-215, de acordo com algumas modalidades. Os anéis podem ser separados por um espaçamento s regular e ter uma altura h, como descrito em cone- xão com FIG. 5-2A. De acordo com algumas modalidades, uma cavi- dade amostra 3-210 com uma opcional depressão pode ser localizada em um centro dos anéis. A grade circular pode ser padronizada adja- cente a uma base da cavidade amostra.
[00389] Uma periodicidade de uma estrutura de plasmônio de su- perfície pode ser selecionada para formar uma estrutura ressonante de acordo com algumas modalidades. Por exemplo um espaçamento s de uma estrutura de plasmônio de superfície pode ser selecionado para ser aproximadamente metade do comprimento de onda de uma onda de plasmônio de superfície que é gerada na estrutura pela energia de excitação. Quando formada como uma estrutura ressonante, uma es- trutura de plasmônio de superfície pode acumular e ressonar energia de excitação ao longo da direção da estrutura de plasmônio de super- fície periódica. Tal comportamento ressonante pode intensificar ener- gia eletromagnética dentro de uma cavidade amostra, ou adjacente a uma cavidade amostra, como representado na FIG. 5-2D.
[00390] A FIG. 5-2D representa resultados de campo eletromagné- tico numericamente simulados na base da cavidade amostra e em tor- no de uma estrutura de plasmônio de superfície periódica. A estrutura de plasmônio de superfície 5-216 é localizada adjacente ao material 3- 230 em que a cavidade amostra é formada, e é adjacente a uma base de uma cavidade amostra 3-210. A estrutura de plasmônio de superfí- cie pode ser na forma de uma grade ou grade circular que repete em intervalos de espaçamento regular em regiões distantes da cavidade amostra e fora da região simulada. Por exemplo, pode haver entre três e 50 protusões de grade repetidas da estrutura de plasmônio de super- fície 5-216. Uma região de alta intensidade 5-240 pode ser observada na base da cavidade amostra 3-210. A intensidade dentro desta região foi realçada por mais de um fator de 2 durante a região circundante exatamente abaixo da estrutura de plasmônio de superfície.
[00391] A FIG. 5-2E representa, em vista de elevação, uma modali- dade alternativa de uma estrutura de plasmônio de superfície resso- nante 5-218. De acordo com algumas modalidades, uma estrutura de plasmônio de superfície pode ser formada como padrões de grade ou grelha periódicos, e pode ser padronizada em múltiplas camadas 5-
247. Uma cavidade amostra 3-210 pode ser padronizada por meio das múltiplas camadas 5-247 e dentro da estrutura de plasmônio de super- fície ressonante 5-218, de acordo com algumas modalidades. Em al- gumas implementações, a estrutura de plasmônio de superfície resso- nante pode compreender elementos condutivos discretos 5-222 e é representada na vista plana de FIG. 5-2F. Em algumas implementa- ções, a estrutura de plasmônio de superfície ressonante pode compre- ender um padrão de treliça contínua 5-250, como representado na FIG. 5-2G. Uma carga dielétrica 5-252 pode ser localizada em espaços vazios do material condutor 5-250, e uma cavidade amostra 3-210 po- de ser localizada com um espaço vazio.
[00392] Existe uma variedade de diferentes estruturas de plasmônio de superfície que podem ser usadas para realçar o acoplamento em uma cavidade amostra ou para afetar a emissão de uma amostra den- tro da cavidade amostra. FIG. 5-2H representa, em vista plana, ainda uma modalidade alternativa da estrutura de plasmônio de superfície. Uma vista de elevação da estrutura é representada na FIG. 5-2I. De acordo com algumas implementações, uma estrutura de plasmônio de superfície pode compreender uma disposição de discos distribuídos em torno de uma cavidade amostra 3-210. Em algumas implementa- ções, em vez de usar discos condutivos 5-260, uma estrutura de plas- mônio de superfície pode compreender uma camada condutora atra- vés da qual um padrão distribuído de orifícios é formado. Tal estrutura pode ser referida como um "nanoantena." V. B. Fabricação de estruturas de acoplamento de excitação plasmôni- cas
[00393] Uma variedade de diferentes processos pode ser usada para padronizar estruturas de plasmônio de superfície adjacente a uma cavidade amostra. FIG. 5-3A a FIG. 5-5E representam estruturas associadas com etapas de processo que podem ser usadas para for- mar estruturas de plasmônio de superfície adjacentes a uma cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades. Referindo-se agora à FIG. 5-3A, um processo para formar uma estrutura de plasmônio de superfície pode compreender formar uma camada de resistência 5-310 em um revestimento antirreflexivo (ARC) 5-320 sobre uma camada de mascaramento 5-330. As camadas podem ser dispostas sobre uma camada dielétrica transparente 3-235, de acordo com algumas imple- mentações. A camada de resistência 5-310 pode compreender um fo- torresistente ou uma resistência ao raio de elétron ou íon que pode ser litograficamente padronizada. A camada de mascaramento 5-330 pode compreender uma máscara dura formada de um material inorgânico
(por exemplo, silício ou nitreto de sílica, ou qualquer outro material adequado), de acordo com algumas modalidades.
[00394] Em algumas implementações, um processo fotolitográfico pode ser usado para padronizar a resistência 5-310 como representa- do na FIG. 5-3B. O padrão selecionado pode compreender um layout de protusões ou orifícios que serão usados para formar uma estrutura desejada de plasmônio de superfície. Após o desenvolvimento da re- sistência 5-310, regiões da ARC serão expostas, e o padrão pode ser gravado na camada ARC 5-320 e em seguida na camada de masca- ramento 5-330. A resistência e ARC podem ser removidas do substra- to, e uma estrutura resultante pode aparecer como mostrado na FIG. 5-3C. A camada de mascaramento 5-330 pode então ser usada como uma máscara de gravação, de modo que o padrão possa ser transferi- do para dentro da camada dielétrica subjacente 3-235 por meio de uma gravação anisotrópica seletiva, como representado na FIG. 5-3D.
[00395] A material condutor 3-230, ou uma camada de materiais compreendendo um condutor, pode então ser depositado sobre a regi- ão, como ilustrado na FIG. 5-3E. Qualquer material condutor adequado pode ser usado para formar uma estrutura de plasmônio de superfície, se ou não ele for depositado como uma camada separada do material 3-230. Por exemplo, em alguns casos, um primeiro material condutor pode ser depositado como uma camada de base de material 3-230 em que uma estrutura de plasmônio de superfície é formada. Exemplos de materiais que podem ser usados para formar uma estrutura de plas- mônio de superfície incluem, porém não estão limitados a, Au, Al, Ti, TiN, Ag, Cu, e ligas ou camadas de combinação das mesmas.
[00396] O material 3-230, ou camada de materiais, pode ser deposi- tado por qualquer processo de deposição adequado, incluindo porém não limitado a um processo de deposição física ou um processo de deposição de vapor químico. Em algumas modalidades, o material 3-
230 pode ter uma espessura entre aproximadamente 80 nm e aproxi- madamente 300 nm. Em algumas implementações, o material 3-230 pode ser planarizado (por exemplo, usando um processo de CMP), embora a planarização não seja necessária. A cavidade amostra pode ser formada no material 3-230 usando qualquer processo adequado descrito aqui em conexão com fabricação de uma cavidade amostra.
[00397] Os inventores reconheceram que a formação de uma estru- tura de plasmônio de superfície de acordo com as etapas mostradas na FIG. 5-3A a FIG. 5-3E pode requerer alinhamento preciso da cavi- dade amostra à estrutura de plasmônio de superfície. Por exemplo, uma estrutura de plasmônio de superfície compreendendo uma grade concêntrica, como representado na FIG. 5-2C, pode requerer alinha- mento preciso da cavidade amostra 3-210 ao centro da estrutura de plasmônio de superfície 5-214. Para evitar as dificuldades de fabrica- ção associadas com tal alinhamento preciso, os inventores desenvol- veram processos de autoalinhamento que são representados na FIG. 5-4A a FIG. 5-5E.
[00398] Referindo-se agora à FIG. 5-4A, um processo para formar uma estrutura de plasmônio de superfície e cavidade amostra que é autoalinhada à estrutura de plasmônio de superfície pode compreen- der a formação de uma camada de mascaramento 5-410 sobre uma camada dielétrica transparente 3-235. A camada de mascaramento pode compreender uma máscara dura formada de um material inorgâ- nico, tal como silício ou nitreto de sílica, de acordo com algumas mo- dalidades. Uma espessura da camada de mascaramento 5-410 pode ser aproximadamente igual a uma altura desejada da cavidade amos- tra 3-210. Por exemplo, a espessura da camada de mascaramento pode ser entre aproximadamente 50 nm e aproximadamente 200 nm, de acordo com algumas modalidades, embora outras espessuras pos- sam ser usadas em outras modalidades.
[00399] A camada de mascaramento 5-410 pode ser padronizada para criar espaços vazios 5-430 tendo o padrão desejado de uma es- trutura de plasmônio de superfície que será padronizada na camada dielétrica 3-235. A padronização da camada de mascaramento 5-410 pode ser feita com qualquer processo de litografia adequado (por exemplo, fotolitografia, litografia de raio de elétron, litografia de raio de íon, litografia EUV, litografia de raio-x). A estrutura resultante pode aparecer como mostrado na FIG. 5-4B. A estrutura pode incluir um pi- lar central 5-420, que será usado subsequentemente para formar a cavidade amostra autoalinhada.
[00400] Uma resistência 5-440 (por exemplo, um fotorresistente) pode então ser padronizada sobre a camada de mascaramento padro- nizada 5-410, como representado na FIG. 5-4C. Alinhamento para pa- dronização da resistência 5-440 (por exemplo, alinhamento da másca- ra ao substrato) não necessário ser altamente preciso, e apenas re- quer a resistência 5-440 para cobrir um pilar central 5-420 e não cobrir espaços vazios 5-430 que serão usadas para formar a estrutura de plasmônio de superfície.
[00401] Uma gravação anisotrópica seletiva pode então ser usada para gravar a camada dielétrica 3-235 e transferir o padrão da estrutu- ra de plasmônio de superfície para dentro do dielétrico, como repre- sentado na FIG. 5-4D de acordo com algumas modalidades. Uma gra- vação isotrópica seletiva pode então ser usada para remover as por- ções expostas da camada de mascaramento 5-410. A gravação iso- trópica pode ser uma gravação úmida, por exemplo, embora uma gra- vação seca isotrópica possa ser usada em algumas modalidades. Por que a resistência 5-440 cobre o pilar central 5-420, o pilar central não será gravado e permanecerá sobre o substrato, como representado na FIG. 5-4E. A resistência 5-440 pode então ser removida do substrato expondo o pilar 5-420, como representado na FIG. 5-4F.
[00402] De acordo com algumas modalidades, um material condu- tor de metal 3-230, ou uma pilha de materiais incluindo um material condutor, pode então ser depositado sobre a região como ilustrado na FIG. 5-4G. O pilar central 5-420 e uma tampa de material depositado sobre o pilar pode então ser removida por uma gravação úmida seleti- va do pilar, levantamento da tampa. A remoção do pilar central deixa uma cavidade amostra que é autoalinhada à estrutura subjacente de plasmônio de superfície 5-450.
[00403] Um processo alternativo pode ser usado para formar uma cavidade amostra que é autoalinhada a uma estrutura de plasmônio de superfície, e é representada FIG. 5-5A a FIG. 5-5E. De acordo com algumas modalidades, uma ou mais camadas condutivas 5-510, 5-520 podem ser padronizadas sobre uma camada dielétrica transparente 3- 235 usando qualquer processo de litografia adequado, como represen- tado na FIG. 5-5A. Em algumas implementações, uma primeira cama- da 5-510 pode compreender alumínio, e uma segunda camada 5-520 pode compreender nitreto de titânio, embora outras combinações de material possam ser usadas em várias modalidades. Uma espessura total de uma ou mais camadas pode ser aproximadamente equivalente a uma altura desejada da cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades. A padronização pode formar a cavidade amostra 3-210, e espaço vazios 5-525 adjacentes à cavidade amostra na uma ou mais camadas de metal. Os espaços vazios podem ser dispostos no padrão de uma estrutura desejada de plasmônio de superfície.
[00404] Em algumas implementações, a camada dielétrica 3-235 pode ser gravada para transferir o padrão da estrutura de plasmônio de superfície e cavidade amostra 3-210 dentro da camada dielétrica, como representado na FIG. 5-5B. A profundidade da gravação dentro da dielétrica pode ser entre aproximadamente 20 nm e aproximada- mente 150 nm, de acordo com algumas modalidades. Uma resistência
5-440 pode ser padronizada para cobrir a cavidade amostra, como re- presentado na FIG. 5-5C. Alinhamento para padronização da resistên- cia não necessita ser altamente preciso, e apenas necessita cobrir a cavidade amostra sem cobrir as regiões gravadas adjacentes da ca- mada dielétrica 3-235 que serão usadas para formar a estrutura de plasmônio de superfície.
[00405] Como ilustrado na FIG. 5-5D, um material condutor 5-512, ou camadas de materiais incluindo um conductor, pode ser depositado sobre a região usando qualquer processo de deposição adequado. O material 5-512 pode encher as regiões gravadas da camada dielétrica, e pode estender-se acima da uma ou mais camadas 5-510, 5-520. A resistência 5-440 e o material que cobre a resistência podem então ser removidos de acordo com um processo de levantamento. A estrutura resultante, mostrada na FIG. 5-5E, deixa uma cavidade amostra que é autoalinhada à estrutura circundante de plasmônio de superfície. A ca- vidade amostra inclui uma depressão 3-216.
[00406] Em algumas modalidades o processo representado na FIG. 5-5A a FIG. 5-5E pode ser usado para formar uma cavidade amostra que não tem uma depressão 3-216. Por exemplo, a resistência 5-440 pode ser padronizada sobre a cavidade amostra 3-210 antes da ca- mada dielétrica 3-235 ser gravada. A camada dielétrica 3-235 pode então ser gravada, que transferirá o padrão da estrutura de plasmônio de superfície para a camada dielétrica, porém não formará uma de- pressão. O processo pode então ser processado como ilustrado na FIG. 5-5D e FIG. 5-5E para criar uma cavidade amostra auto-alinhada não tendo nenhuma depressão. V. C. Estruturas de acoplamento de excitação Fase/Amplitude
[00407] Outras estruturas, em adição a, ou como uma alternativa a estruturas de plasmônio de superfície, podem ser padronizadas nas proximidades de uma cavidade amostra 3-210 para aumentar a ener-
gia de excitação dentro da cavidade amostra. Por exemplo algumas estruturas podem alterar a fase e/ou a amplitude do campo de excita- ção incidente a fim de aumentar a intensidade da energia de excitação dentro de uma cavidade amostra. FIG. 5-6A representa uma fina pelí- cula de perda 5-610 que pode ser usada para alterar a fase e amplitu- de de radiação de excitação incidente e aumentar a intensidade de radiação eletromagnética dentro de uma cavidade amostra.
[00408] De acordo com algumas modalidades, uma fina película de perda pode criar interferência construtiva da radiação de excitação, resultando em realce do campo dentro de uma região de excitação da cavidade amostra. FIG. 5-6B representa uma simulação numérica de radiação de excitação incidente em uma cavidade amostra onde uma fina película de perda 5-610 foi formada imediatamente adjacente à cavidade amostra. Para simulação, a cavidade amostra tem um diâme- tro de aproximadamente 80 nm e é formada em uma camada metálica de ouro de aproximadamente 200 nm de espessura. A cavidade amos- tra compreende um SCN, e suprime a propagação de radiação de ex- citação através da cavidade amostra. A fina camada de perda 5-610 é aproximadamente de 10 mm de espessura, é formada de germânio, e cobre um dielétrico transparente subjacente compreendendo dióxido de silício. A fina camada de perda estende-se através de uma abertura de entrada da cavidade amostra. A simulação mostra que a intensida- de da radiação de excitação é um maior valor na abertura de entrada da cavidade amostra. A intensidade da radiação de excitação nesta região brilhante 5-620 é mais de duas vezes o valor da intensidade para a esquerda e direita da cavidade amostra.
[00409] Uma fina película de perda pode ser feita de qualquer ma- terial adequado. Por exemplo, uma fina película de perda pode ser fei- ta de um material onde o índice de refração n é aproximadamente a mesma ordem de magnitude como o coeficiente de extinção k para o material. Em algumas modalidades, uma fina película de perda pode ser feita de um material onde o índice de refração n é dentro de cerca de duas ordens de diferença de magnitude do valor do coeficiente de extinção k do material. Exemplos não limitantes de tais materiais em comprimentos de onda visíveis são germânio e silício.
[00410] A fina película de perda pode ser de qualquer espessura adequada, que pode depender de um comprimento de onda caracte- rístico, ou comprimentos de onda, associados com a fonte ou fontes de excitação. Em algumas modalidades, uma fina película de perda pode ser entre aproximadamente 1 nm e aproximadamente 45 nm de espessura. Em outras modalidades, uma fina película de perda pode ser entre aproximadamente 15 nm e aproximadamente 45 nm de es- pessura. Em ainda outras modalidades, uma fina película de perda pode ser entre aproximadamente 1 nm e aproximadamente 20 nm thick.
[00411] Efeitos de uma fina película de perda sobre a reflectância do material 3-230 em que a cavidade amostra é formada, perda de energia de excitação dentro da fina película de perda, e perda de energia de excitação dentro da material 3-230 são mostradas no gráfi- co de FIG. 5-6C. Uma curva plotada no gráfico representa uma curva de reflectância 5-634, e mostra quão a reflectância do material 3-230 e a fina camada de perda 5-610 variam quando a espessura da fina ca- mada de perda varia de 0 nm a 100 nm. A reflectância atinge um valor mínimo em cerca de 25 nm, de acordo com a modalidade simulada. A reflectância mínima ocorrerá em diferentes espessuras, dependendo de um comprimento de onda característico da energia de excitação e materiais usados para a fina camada de perda e material 3-230. Em algumas implementações uma espessura de fina película de perda é selecionada de modo que a reflectâmcoa seja de aproximadamente em seu valor mínimo.
[00412] Em algumas modalidades, uma fina película de perda 5-610 pode ser espaçada de uma cavidade amostra 3-210 e material 3-230, como representado na FIG. 5-6D. Por exemplo, uma fina camada di- elétrica 5-620 (por exemplo, a óxido de silício SiOx) pode ser formada sobre uma fina película de perda, e a cavidade amostra 3-210 pode ser formada adjacente à camada dielétrica 5-620. Uma espessura da camada dielétrica 5-620 pode ser entre aproximadamente 10 nm e aproximadamente 150 nm de acordo com algumas modalidades, em- bora outras espessuras possam ser usadas em algumas modalidades.
[00413] Embora representada como uma única camada, uma fina película de perda pode compreender múltiplas camadas de dois ou mais materiais. Em algumas implementações, uma pilha de múltiplas camadas compreendendo camadas alternativas de uma fina película de perda 5-610 e a camada dielétrica 5-620 pode ser formada adja- cente à cavidade amostra 3-210, como representado na FIG. 5-6E. Uma espessura de uma fina película de perda 5-610 em uma pilha de camadas pode ser entre aproximadamente 5 nm e aproximadamente 100 nm, e uma espessura da camada dielétrica 5-620 dentro da pilha pode ser entre aproximadamente 5 nm e aproximadamente 100 nm, de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, a pilha de múltiplas camadas pode compreender uma camada de dióxi- do de silício tendo uma espessura entre aproximadamente 2 nm e aproximadamente 8 nm, uma camada de silício tendo uma espessura entre aproximadamente 5 nm e aproximadamente 20 nm, e uma ca- mada de germânio tendo uma espessura entre aproximadamente 2 nm e aproximadamente 12 nm, embora outras espessuras possam ser usadas em outras modalidades. Em algumas implementações, a pilha de múltiplas camadas pode compreender uma camada de dióxido de silício (aproximadamente 4,2 nm de espessura), uma camada de silício (aproximadamente 14.4 nm de espessura), e uma camada de germâ-
nio (aproximadamente 6.5 nm de espessura), embora outras espessu- ras possam ser usadas em outras modalidades.
[00414] A fina película de perda pode ser fabricada de qualquer ma- terial adequado que exibe pelo menos alguma perda para a radiação incidente. Em algumas modalidades, uma fina película de perda pode compreender um material semicondutor, por exemplo silício e germâ- nio, embora outros materiais possam ser usados (por exemplo, SiGe, Ga, N, C, GaN, InP, AlGaN, InGaP, etc.). Em algumas implementa- ções, uma fina película de perda pode compreender material inorgâni- co ou um metal. Em algumas modalidades, uma fina película de perda pode compreender uma liga ou composto semicondutor. Por exemplo, uma fina película de perda pode compreender uma liga incluindo Si (57,4% em peso), Ge (25,8% em peso), e SiO2 (16,8% em peso), em- bora outras relações e composições possam ser usadas em outras modalidades.
[00415] De acordo com algumas modalidades, uma fina película de perda pode ser formada sobre o substrato usando qualquer processo de deposição de manta adequada, por exemplo, um processo de de- posição física, um processo de deposição de vapor químico, uma rota- ção no processo, ou uma combinação dos mesmos. Em algumas mo- dalidades, uma fina película de perda pode ser tratada após deposi- ção, por exemplo, cozida, anelada e/ou submetida à implante de íon.
[00416] Outras estruturas de alteração de fase/amplitude pode ser usada adicionalmente ou alternativamente para realçar a energia de excitação dentro de uma cavidade amostra. De acordo com algumas implementações e como mostrado na FIG. 5-7A, uma pilha refletiva 5- 705 pode ser espaçada de uma cavidade amostra 3-210. Em algumas modalidades, uma pilha refletiva pode compreender uma pilha dielétri- co de materiais tendo índices alternativos de refração. Por exemplo uma primeira camada dielétrica 5-710 pode ter um primeiro índice de refração, e uma segunda camada dielétrica 5-720 pode ter um segun- do índice de refração diferentes do primeiro índice de refração. A pilha refletiva 5-705 pode exibir uma refletividade elevada para radiação de excitação em algumas modalidades, e exibir uma baixa refletividade para emissão radiativa de um emissor dentro de uma cavidade amos- tra. Por exemplo, uma pilha refletiva 5-705 pode exibir uma refletivida- de maior do que aproximadamente 80% para radiação de excitação e uma refletividade menor do que aproximadamente 40% para emissão de uma amostra, embora outros valores de refletividade possam ser usados em algumas modalidades. A camada dielétrica 5-730 que transmite a energia de excitação pode ser localizada entre a pilha re- fletiva e a cavidade amostra.
[00417] De acordo com algumas implementações, uma pilha refleti- va 5-705 representada na FIG. 5-7A pode formar um ressonador ou cavidade ressonante com o material 3-230 em que a cavidade amostra 3-210 é formada. Por exemplo, a pilha refletiva pode ser espaçada do material 3-230 por uma distância que é aproximadamente igual a me- tade do comprimento de onda da radiação de excitação dentro da ma- terial dielétrico 5-730, ou um múltiplo integral do mesmo. Formando um ressonador, energia de excitação pode passar através da pilha re- fletiva, ressonar, e acumular-se no espaço entre o material 3-230 e a pilha refletiva 5-705. Isto pode aumentar a intensidade de excitação dentro de uma cavidade amostra 3-210. Por exemplo, a intensidade pode aumentar dentro da estrutura ressonante em mais de um fator de 2 em algumas modalidades, e mais de um fator de 5 em algumas mo- dalidades, e ainda mais de um fator de 10 em algumas modalidades.
[00418] Uma cavidade ressonante formada em uma cavidade amostra pode compreender um ressonador Gires-Tournois, de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, uma estru- tura ressonante pode compreender uma cavidade ressonante linear ou ressonador de anel. Em algumas implementações, uma estrutura res- sonante pode compreender um refletor Bragg distribuído formado ad- jacente à cavidade amostra. O refletor Bragg distribuído pode compre- ender camadas alternativas de material tendo diferentes indices de refração. Em algumas implementações, uma cavidade ressonante po- de compreender uma microcavidade. A microcavidade pode ter di- mensões de microescala. Em alguns aspectos, uma microcavidade pode ter um tamanho que é aproximadamente igual à metade do com- primento de onda característico de uma fonte de excitação ou um múl- tiplo integral do mesmo (quando modificado pelo índice refrativo n da cavidade ressonante). Por exemplo, a dimensão de uma microcavida- de pode ser Mλ/2n, onde M é um número inteiro.
[00419] Estruturas adicionais podem ser adicionadas nas proximi- dades de uma cavidade amostra, como representado na FIG. 5-7B e FIG. 5-7C. De acordo com algumas modalidades, um plugue dielétrico 5-740 tendo um primeiro índice de refração que é maior do que um segundo índice de refração da camada dielétrica 5-730 pode ser for- mada adjacente à cavidade amostra 3-210, como representado na FIG. 5-7B. O plugue pode ser na forma de um cilindro tendo um diâ- metro aproximadamente igual àquele da cavidade amostra, embora outras formas e tamanhos possam ser usados. Por causa de seu mai- or índice refrativo, o plugue dielétrico 5-740 pode condensar e guiar a radiação de excitação para a cavidade amostra.
[00420] Uma estrutura dielétrica, tal como o plugue 5-740, pode ser usada com ou sem uma pilha refletiva 5-705, de acordo com algumas modalidades. Tal estrutura dielétrica pode ser referida como uma an- tena ressonante dielétrica. A antena ressonante dielétrico pode ter qualquer forma adequada, por exemplo, cilíndrica, retangular, quadra- da, polígono velho, trapezoidal, ou pirâmide.
[00421] FIG. 5-7C e FIG. 5-7D representa uma estrutura de interva-
lo de faixa fotônico (PBG) que pode ser formada nas proximidades de uma cavidade amostra 3-210, de acordo com algumas modalidades. Uma estrutura de intervalo de faixa fotônica pode compreender uma disposição regular ou treliça de estruturas de contraste ótico 5-750. As estruturas de constraste ótico podem compreender material dielétrico tendo um índice refrativo que é diferente de um índice refrativo do ma- terial dielétrico circundante, de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, as estruturas de contraste ótico 5-750 po- dem ter um valor de perda que é diferente do meio circundante. Em algumas implementações, uma cavidade amostra 3-210 pode ser loca- lizada em um defeito na treliça como representado na FIG. 5-7D. De acordo com várias modalidades, o defeito na treliça fotônica pode con- finar fótons dentro da região do defeito e pode realçar a intensidade da energia de excitação em uma cavidade amostra. O confinamento devi- do à estrutura de intervalo de faixa fotônico pode ser substancialmente em duas dimensões transverse à superfície do substrato. Quando combinado com a pilha refletiva 5-705, o confinamento pode ser em três dimensões em uma cavidade amostra. Em algumas modalidades, uma estrutura de intervalo de faixa fotônica pode ser usada sem uma pilha refletiva.
[00422] Vários métodos foram contemplados para fabricar a estrutu- ra de acoplamento de excitação representada na FIG. 5-6A a FIG. 5- 7D. As estruturas que requerem finas películas planares (por exemplo, películas dielétricas de índice refrativo alternativo) podem ser forma- das por processos de deposição planares, de acordo com algumas modalidades. Processos de deposição planares podem compreender processos de deposição física (por exemplo, evaporação de raio de elétron ou pulverização catódica) ou deposição de vapor químico. Es- truturas que requerem discretos dielétricos embutidos formados em formas tridimensionais, tais como uma antena ressonante dielétrica 5-
740 mostrada na FIG. 5-7B ou as estruturas de contraste ótico 5-750 mostradas na FIG. 5-7C, podem ser formadas usando processos de padronização litográfica e gravação para gravar o padrão no substrato, e usando subsequente deposição de uma camada dielétrica, e uma planarização do substrato, por exemplo. São também contempladas técnicas de processamento de autoalinhamento para formação de an- tenas ressonantes dielétricas, bem como estruturas de intervalo de faixa fotônicas nas proximidades da cavidade amostra 3-210. V. D. Fabricação de estruturas de acoplamento de excitação de fa- se/amplitude
[00423] FIG. 5-8A a FIG. 5-8G representam estruturas associadas com etapas de processo exatamente para um processo de autoali- nhamento que pode ser usado para formar uma estrutura de intervalo de faixa fotônica e uma cavidade amostra autoalinhada como ilustrado na FIG. 5-7C. De acordo com algumas modalidades, uma pilha refleti- va 5-705 pode ser primeiro formada sobre um substrato acima da ca- mada dielétrica 3-235, como ilustrado na FIG. 5-8A. Uma segunda camada dielétrica 5-730 pode então ser depositada sobre a pilha refle- tiva. A espessura da camada dielétrica 5-730 pode ser aproximada- mente igual a cerca metade de um comprimento de onda da radiação de excitação no material, ou um múltiplo integral do mesmo. Etapas de processo descritas em conexão com FIG. 5-4A a FIG. 5-4E podem en- tão ser realizadas para formar um pilar 5-420 acima da camada dielé- trica 5-730 e um padrão de aspectos gravados 5-810 para a estrutura de intervalo de faixa fotônica. Os aspectos gravados podem estender- se para dentro da camada dielétrica 5-730 e opcionalmente na pilha refletiva 5-705. A estrutura resultante pode aparecer como mostrado na FIG. 5-8A.
[00424] Uma resistência 5-440 cobrindo o 5-420 pode ser removida do substrato e uma deposição conformal realizada para encher o as-
pecto gravado com um material de enchimento 5-820, como represen- tado na FIG. 5-8B. O material de enchimento 5-820 pode ser o mesmo material que é usado para formar o pilar 5-420, de acordo com algu- mas modalidades. Por exemplo o material de enchimento 5-820 e o pilar 5-420 podem ser formados de nitreto de silício e a camada dielé- trica 5-730 pode compreender um óxido, por exemplo, SiO2.
[00425] Uma gravação anisotrópica pode então ser realizada para regravação do material de enchimento 5-820. O material de enchimen- to pode ser regravado para expor uma superfície da camada dielétrica 5-730, de acordo com algumas modalidades, resultando em uma es- trutura como representado na FIG. 5-8C. A gravação pode deixar um pilar 5-830 compreendendo o pilar original 5-420 e paredes laterais 5- 822 que permanecem do material de enchimento 5-820.
[00426] Uma resistência 5-440 pode então ser padronizada sobre o substrato como representado na FIG. 5-8D. Por exemplo, a resistência pode ser revestida sobre o substrato, um orifício padronizado na resis- tência, e a resistência desenvolvida para abrir uma região na resistên- cia em torno do pilar 5-830. O alinhamento do orifídio ao pilar não ne- cessita ser altamente preciso, e apenas necessita expor o pilar 5-830 sem expor as estruturas de intervalo de faixa fotônicas subjacentes embutidas na camada dielétrica 5-730.
[00427] Posteriormente o pilar 5-830 é exposto, e a gravação iso- trópica pode ser usada para reduzir uma dimensão transversa do pilar. De acordo com algumas modalidades, o pilar resultante pode aparecer como representado na FIG. 5-8E. A resistência 5-440 pode então ser removida do substrato e um material 3-230, ou camadas de materiais, podem ser depositadas sobre a região. Em algumas modalidades, o material 3-230 pode ser regravado usando um processo de CMP para planarizar a região como representado na FIG. 5-8F. Subsequente- mente, uma gravação úmida seca seletiva pode ser usada para remo-
ver a estrutura de pilar restante, deixando a cavidade amostra 3-210, como ilustrado na FIG. 5-8G. Como indicado pelos desenhos, a cavi- dade amostra 3-210 é autoalinhado à estrutura de intervalo de faixa fotônica padronizada na camada dielétrica 5-730.
[00428] Como um processo alternativo, o material de enchimento 5- 820 pode compreender um material diferente do material usado para formar o pilar 5-420. Neste processo, as etapas associadas com as FIG. 5-8D e FIG. 5-8E podem ser omitidas. Após deposição de materi- al 3-230 e planarização, como representado na FIG. 5-8F, uma grava- ção seletiva pode ser realizada para remover o pilar 5-420. Isto pode deixar as paredes laterais do material de enchimento 5-820 revestindo a cavidade amostra 3-210. V. E. Estruturas de acoplamento de excitação não radiativo e fabrica- ção
[00429] Estruturas para acoplamento não radiativo de energia de excitação para uma amostra dentro da cavidade amostra foram tam- bém contempladas pelos inventores. Justamente uma modalidade de uma estrutura de acoplamento não radiativo é representada FIG. 5-9A. De acordo com algumas modalidades, uma estrutura de acoplamento não radiativo pode compreender uma camada semicondutora 5-910 formada imediatamente adjacente a uma cavidade amostra 3-210. A camada semicondutora 5-910 pode ser um semicondutor orgânico em algumas modalidades, ou um semicondutor inorgânico em algumas modalidades. Em algumas implementações, uma depressão 3-216 po- de ou não, ser formada na camada semicondutora. A camada semi- condutora 5-910 pode ter uma espessura entre aproximadamente 5 nm e aproximadamente 100 nm de acordo com algumas modalidades, embora outras espessuras possam ser usadas em algumas modalida- des. De acordo com algumas implementações, radiação de excitação ou fótons 5-930 de uma fonte de excitação pode impingir-se sobre a camada semicondutora 5-910 e produzir éxcitons 5-920. Os éxcitons podem difudir-se em uma superfície da cavidade amostra onde eles podem não radiativamente recombinar e transferir energia para uma amostra adjacente às paredes da cavidade amostra.
[00430] FIG. 5-9B representa outra modalidade em que uma cama- da semicondutora 5-912 pode ser usada para não radiativamente transferir energia de energia de excitação para uma amostra. Em al- gumas modalidades, uma camada semicondutora 5-912 pode ser for- mada na base de uma cavidade amostra ou em uma depressão da cavidade amostra 3-210, como representado no desenho. A camada semicondutora 5-912 pode ser formada em uma cavidade amostra usando um processo de deposição direcional como descrito aqui em conexão com etapas de processo para deposição de um aderente na base da cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades. A camada semicondutora 5-912 pode ter uma espessura entre aproxi- madamente 5 nm e aproximadamente 100 nm de acordo com algumas modalidades, embora outras espessuras possam ser usadas em ou- tras modalidades. Radiação incidente pode gerar éxcitons dentro da camada semicondutora, que pode em seguida difundir-se para uma superfície de base da cavidade amostra 3-210. Os éxcitons podem en- tão não radiativamente transferir energia para uma amostra dentro da cavidade amostra.
[00431] Múltiplas séries de reação não radiativas para transferir energia de excitação para uma amostra foram também contempladas pelos inventores. De acordo com algumas modalidades, e como repre- sentado na FIG. 5-9C, uma partícula de transferência de energia 5-940 pode ser depositada dentro de uma cavidade amostra. A partícula de transferência de energia pode compreender um ponto quântico em al- gumas modalidades, ou pode compreender a molécula em algumas modalidades. Em algumas implementações, a partícula de transferên-
cia de energia 5-940 pode ser funcionalizada para uma superfície da cavidade amostra através de uma molécula de ligação. Uma camada semicondutora fina 5-910 pode ser formada adjacente à cavidade amostra, ou dentro de uma cavidade amostra, e éxcitons podem ser gerados dentro da camada semicondutora da radiação de excitação incidente na camada semicondutora, como representado no desenho. Os éxcitons podem difundir-se para a superfície da cavidade amostra, e não radiativamente transferir energia para a partícula de transferên- cia de energia 5-940. A partícula de transferência de energia 5-940 pode então não radiativamente transferir energia para uma amostra 3- 101 dentro da cavidade amostra.
[00432] De acordo com algumas implementações, pode haver mais de uma partícula de transferência de energia 5-940 dentro de uma ca- vidade amostra. Por exemplo, uma camada de partículas de transfe- rência de energia 5-942 pode ser depositada dentro de uma cavidade amostra, tais como a cavidade amostra representado na FIG. 5-9C.
[00433] A FIG. 5-9D ilustra uma camada de partículas de transfe- rência de energia 5-942 depositada em uma base da cavidade amos- tra adjacente a uma camada semicondutora eletricamente excitada 4-
510. Éxcitons gerados dentro da camada semicondutora 4-510 podem transferir energia não radiativamente para as partículas de transferên- cia de energia 5-942 que podem por sua vez transferir energia não ra- diativamente para uma amostra 3-101 dentro da cavidade. A estrutura representado na FIG. 5-9D é descrita aqui em conexão com FIG. 4-5A.
[00434] Em algumas implementações, partículas de transferência de energia 5-942, ou uma partícula de transferência de energia indivi- dual 5-940, pode ser depositada em uma base da cavidade amostra, como representado na FIG. 5-9E. A partícula ou partículas de transfe- rência de energia,, podem radiativamente ou não radiativamente trans- ferir energia de excitação para uma amostra 3-101 dentro da cavidade.
Por exemplo, uma partícula de transferência de energia pode absorver radiação incidente para formar um estado excitado da partícula de transferência de energia, e em seguida radiativamente ou não radiati- vamente transferir energia para a amostra 3-101.
[00435] Em algumas implementações, uma partícula de transferên- cia de energia pode absorver energia de excitação incidente, e em se- guida re-emitir a energia radiativa em um comprimento de onda que é diferente do comprimento de onda da energia de excitação absorvida. A energia re-emitida pode então ser usada para excitar uma amostra dentro da cavidade amostra. FIG. 5-9F representa gráficos espectrais associados com uma partícula de transferência de energia de subcon- versão. De acordo com algumas modalidades, uma partícula de trans- ferência de energia de sub-conversão compreende um ponto quântico que pode absorver comprimento de onda radiação curto (maior ene- ria), e emite uma ou mais radiações de comprimento de onda maior (menor energia). Um exemplo curva de absorção 5-952 é representa- da no gráfico como uma linha tracejada para um ponto quântico tendo um raio entre 6 a 7 nm. O ponto quântico pode emitir uma primeira fai- xa de radiação ilustrada pela curva 5-954, uma segunda faixa de radi- ação ilustrada pela 5-956, e uma terceira faixa de radiação ilustrated pela 5-958.
[00436] Em algumas implementações uma partícula de transferên- cia de energia pode super converter energia de uma fonte de excita- ção. FIG. 5-9G representa espectros associados com super conversão de uma partícula de transferência de energia. De acordo com algumas modalidades, um ponto quântico pode ser excitado com radiação em aproximadamente 980 nm, e em seguida re-emitir em uma de três fai- xas espectrais como ilustrado no gráfico. Uma primeira faixa pode ser centralizada em aproximadamente 483 nm, uma segunda faixa pode ser centralizada em aproximadamente 538 nm, e uma terceira faixa pode ser centralizada em aproximadamente 642 nm. Os fótons re- emitidos do ponto quântico são mais energéticos do que os fótons da radiação usada para excitar o ponto quântico. Consequentemente, energia da fonte de excitação é super convertida. Uma ou mais das faixas espectrais emitidas pode ser usada para excitar uma ou mais uma ou mais amostras dentro da cavidade amostra.
[00437] Qualquer uma ou mais das modalidades anteriores de es- truturas de acoplamento de excitação pode ser incluída em uma moda- lidade de um dispositivo integrado. VI. Acoplamento de Emissão
[00438] Um ou mais componentes de acoplamento de emissão po- dem ser formados entre a cavidade amostra e um correspondente sensor em um pixel para melhorar a coleção de energia de emissão da cavidade amostra pelo sensor. Componentes de acoplamento de emissão podem melhorar a relação de sinal para ruído da energia de sinal de emissão para um sinal de base, a fim de melhorar a detecção de um rótulo, por exemplo, para os propósitos de análise de uma amostra. De acordo com algumas modalidades, componentes de aco- plamento de emissão podem ser configurados para energias de emis- são espacialmente direta e/ou espacialmente separadas de diferentes comprimentos de onda característicos.
[00439] Em algumas implementações, componentes de acoplamen- to de emissão podem direcionar energia de excitação de uma cavida- de amostra para um ou mais segmentos sensores dentro de um pixel. Em algumas modalidades, a localização da estrutura de acoplamento de emissão com respeito à cavidade amostra é selecionada a fim de direcionaar a energia de emissão de uma cavidade amostra de um modo particular para um ou mais segmentosw sensores. Por exemplo, uma estrutura de acoplamento de emissão pode ser configurado para direcionar energia de emissão em um padrão de distribuição de radia-
ção que tem uma forma que depende do comprimento de onda carac- terístico emitido para um rótulo. Um sensor pode ser configurado para discernir diferentes padrões de distribuição espacial e produzir sinais que podem ser analisados para diferenciar entre os diferentes pa- drões. Consequentemente, múltiplos diferentes rótulos, cada um emi- tindo dentro de diferentes faixas espectrais, podem ser distinguíveis por seus respectivos padrões de radiação que se formam quando a emissão acopla-se a eles, e é afetada por, uma estrutura de acopla- mento de emissão formada adjacente à cavidade amostra. Outros componentes, tais como filtros, podem ser incluídos dentro de um pixel e podem reduzir a radiação de base (por exemplo, energia de excita- ção e outra energia não associada com emissão da amostra). VI. A. Óticas de Superfície
[00440] Componentes de acoplamento de emissão ou estruturas podem ser formados dentro de um pixel e localizados próximos próxi- mos à cavidade amostra (por exemplo, dentro de cerca de 5 mícrons da cavidade amostra em algumas implementações). Estes componen- tes de acoplamento de emissão podem ser referidos como "óticos de surfície," e podem suportar plasmônios de superfície. Em várias moda- lidades, componentes de acoplamento de emissão podem ser configu- rados para acoplar-se com e afetar ou alaterar a emissão de uma amostra com a cavidade amostra. Em algumas modalidades, estrutu- ras óticas de superfície podem ser formadas em uma interface entre duas camadas dentro de um pixel do dispositivo integrado. Por exem- plo, alguns componentes de acoplamento de emissão podem ser for- mados na interface entre uma camada em que a cavidade amostra é formada e uma camada adjacente em uma em uma extremidade de abertura de entrada da cavidade amostra. Em alguns casos, a camada adjacente à cavidade amostra é uma camada dielétrica, embora outros materiais (por exemplo, películas de perda, semicondutor, condutor transparente) possam ser usados para a camada adjacente.
[00441] Elementos de acoplamento de energia de superfície podem ser estruturas óticas de superfície que são excitadas por e interagem com emissão radiativa da cavidade amostra. As estruturas óticas de superfície podem ser configuradas para formar diferentes padrões de radiação espacial para energias de emissão de diferentes comprimen- tos de onda característicos.
[00442] Uma dimensão característica da estrutura ótica de superfí- cie, tal como um período de graduação, tamanho do aspecto, ou dis- tance da cavidade amostra pode ser selecionada para maximamente acoplar-se a um componente paralelo de um vetor de momento de energia de emissão em um vetor de momento de onda de superfície para um plasmônio de superfície. Por exemplo, o componente paralelo do vetor de momento de energia de emissão pode ser comparado ao vetor de momento de onda de superfície para um plasmônio de super- fície suportado pela estrutura, de acordo com algumas modalidades. Em algumas modalidades, uma distância d da cavidade amostra a uma borda ou aspecto característico de uma estrutura ótica de super- fície pode ser selecionada a fim de direcionar a energia de emissão de uma cavidade amostra em uma direção selecionada, tal como normal para a superfície ou inclinada em um ângulo θ de normal à superfície. Por exemplo, a distância, d, pode ser um número inteiro de compri- mentos de onda de plasmônio de superfície para direcionar emissão normal para a superfície. Em algumas modalidades, distância, d, pode ser selecionada ser um comprimento de onda de plasmônio de super- fície fracional, ou módulo de comprimento de onda da mesma, para direcionar a emissão em um ângulo θ de normal para a superfície.
[00443] Em operação, um complemento de acoplamento de emis- são e cavidade amostra pode ser configurado para aumentar a quanti- dade de energia de emissão que é irradiada de uma cavidade amostra para um ou mais segmentos sensores no pixel contendo a cavidade amostra. Sem um complemento de acoplamento de emissão, uma amostra excitada pode emitir radiação em uma meia concha ou distri- buição Lambertian devido principalmente à presença da camada em que a cavidade amostra é formada. Se a cavidade amostra permite propagação de energia de emissão, alguma emissão pode ir para den- tro do espécimen de volume. Se a cavidade amostra compreende uma ZMW, por exemplo, a emissão pode ser aproximadamente Lambertian na direção de um sensor. A adição de componentes de acoplamento de emissão na cavidade amostra pode criardistribuição de emissão altamente anisotrópica que pode significantemente diferir de uma dis- tribuição Lambertian, e o padrão de distribuição pode ser dependente do comprimento de onda de emissão.
[00444] De acordo com algumas modalidades, uma estrutura de acoplamento de emissão pode acoplar emissão radiativa energia de uma cavidade amostra a um primeiro comprimento de onda caracterís- tico em uma primeira direção e/ou em um primeiro padrão espacial ca- racterístico. A energia acoplada pode ser direcionada na primeira dire- ção em um padrão de radiação anisotrópica estreito, por exemplo. Em algumas modalidades, a estrutura de acoplamento de emissão pode também acoplar emissão radiativa energia da mesma cavidade amos- tra a um segundo comprimento de onda característico em uma segun- da direção e/ou segundo padrão espacial característico que é diferente da primeira direção e/ou em um primeiro padrão espacial característi- co. A segunda emissão pode também ser direção em um padrão de radiação anisotrópica estreito. Em algumas modalidades, radiação com um primeiro comprimento de onda característico é direcionada em um lóbulo estreito normal para a superfície na qual a estrutura ótica de superfície é formada, e radiação de um segundo comprimento de onda característico é direcionada em lóbulos anulares em um ângulo de normal à superfície. Outros padrões de distribuição espacial podem ser produzidos em outros comprimentos de onda característicos para a mesma estrutura de acoplamento de emissão.
[00445] Um exemplo não limitante de uma estrutura de acoplamen- to de emissão é uma grade concêntrica, como representado na FIG. 6- 1A. De acordo com algumas modalidades, uma estrutura de grade concêntrica pode ser formada em um pixel do dispositivo integrado e configurada para direcionar energia de emissão para um ou mais segmentos sensores dentro do pixel. Uma grade concêntrica pode compreender anéis anulares ou protusões, dispostas em um padrão bullseye, formado em torno de uma cavidade amostra. A estrutura de graduação concêntrica pode acoplar-se com emissão da cavidade amostra para melhorar a propagação de energia de emissão fora da cavidade amostra e concentração da energia de emissão a um ou mais segmentos sensores dentro do pixel.
[00446] Um exemplo de uma estrutura de acoplamento de emissão de grade circular concêntrica 6-102 é representada na FIG. 6-1A. Uma grade circular pode compreender qualquer número adequado de anéis e o número de anéis mostrado na FIG. 6-1A é um exemplo não limi- tante. Uma grade circular pode compreender anéis de protusão de uma superfície de uma película condutiva. Por exemplo, a grade circu- lar pode ser formada na interface da camada da uma camada dielétri- ca formada embaixo da camada da cavidade amostra. A camada da cavidade amostra pode ser um material condutor e a grade concêntri- ca pode ser formada por padronização da estrutura de graduação na interface entre o material condutor e o dielétrico. Os anéis da grade circular podem ser em um espaçamento periódico regular, ou podem ter espaçamentos irregulares ou aperiódicos entre os anéis. A cavida- de amostra pode ser localizada em ou próxima ao centro da grade cir- cular. Em algumas modalidades, a cavidade amostra pode ser locali-
zada fora do centro de uma grade circular e pode ser posicionada em certa distância do centro da grade.
[00447] Em algumas modalidades, um complemento de acoplamen- to de emissão tipo grade pode compreender uma grade espiral. Um exemplo de uma grade espiral 6-202 é representada na FIG. 6-1B. Uma grade espiral 6-202 pode compreender uma abertura espiral em uma película condutiva em algumas modalidades, ou pode compreen- der uma protusão espiral formada sobre uma camada condutora de acordo com algumas modalidades. Quaisquer dimensões adequadas da grade espiral podem ser usadas para formar uma grade espiral.
[00448] Uma estrutura de grade tal como aquelas representadas na FIG. 6-1A ou FIG. 6-1B formada adjacente à cavidade amostra pode produzir diferentes padrões de distribuição espacial para origem de emissão de uma cavidade amostra. Exemplos de possíveis padrões de distribuição espacial que podem forma-se devido à influência da gra- duação são representados na FIG. 6-2A a FIG. 6-2D. Por exemplo, uma camada 6-306 de um dispositivo integrado pode conter uma cavi- dade amostra com uma estrutura de grade concêntrica 6-302 posicio- nada sob a cavidade amostra. Quando energia de emissão tendo um primeiro comprimento de onda característico é emitida por uma amos- tra na cavidade amostra, a energia de emissão acopla-se com a grade concêntrica e forma um primeiro padrão de distribuição especial 6-304 ilustrado na FIG. 6-2A. Adicionalmente, quando energia de emissão tendo um segundo comprimento de onda característico é emitia por uma amostra na cavidade amostra, um segundo padrão de distribuição pode formar-se, tal como o padrão de distribuição 6-404 mostrado na FIG. 6-2B. Similarmente, a FIG. 6-2C ilustra um terceiro padrão de dis- tribuição espacial 6-504 para energia de emissão tendo um terceiro comprimento de onda característico e FIG. 6-2D ilustra um quarto pa- drão de distribuição espacial 6-604 tendo um quarto comprimento de onda característico. Os diferentes padrões de distribuição espacial po- dem ser detectados por segmentos sensores espacialmente separa- dos dentro do pixel para diferenciar entre o primeiro, segundo, terceiro, e quarto comprimentos de onda característicos.
[00449] Outro exemplo de uma estrutura ótica de superfície ou de plasmônio de superfície é uma estrutura de nanoantena, um exemplo da qual é representado na FIG. 6-3A. Uma estrutura de nanoantena pode ser configurada para energias de emissão espacialmente direta e/ou espacialmente separadas de diferentes comprimentos de onda característicos. Em algumas modalidades, a localização da estrutura de nanoantena com respeito à Ca vidade amostra é selecionada a fim de direcionaar a energia de emissão de uma cavidade amostra de um modo particular para um ou mais segmentosw sensores. Nanoantenas podem compreender estruturas de antena dipolo de nanoescala que são configuradas para produzir um padrão de radiação direcional quando excitadas por energia de emissão. As nanoantenas podem ser distribuídas em torno de uma cavidade amostra. O padrão de radiação direcional pode resultar de uma soma dos campos eletromagnéticos de antenas. Em algumas modalidades, o padrão de radiação direcional pode resultar de uma soma dos campos eletromagnéticos de antenas com o campo emitido diretamente da amostra. Em algumas implemen- tações, o campo emitido diretamente da amostra pode ser mediado por ondas de plasmônio de superfície associadas com a estrutura de nanoantena.
[00450] As dimensões das nanoantenas individuais que formam a estrutura de nanoantena podem ser selecionadas quanto a capacidade combinada da estruturageral de nanoantena para produzir padrões de distribuição específica de uma ou mais energias de emissão. Por exemplo, os diâmetros das nanoantenas individuais podem variar den- tro da estrutura de nanoantena. Entretanto, em alguns casos, os diâ-
metros podem ser os mesmos dentro de um conjunto de nanoantenas. Em outras implementações, alguns diâmetros selecionados podem ser usados em toda a estrutura geral de nanoantena. Algumas nanoante- nas podem ser distribuídas em um círculo de raio R e algumas podem ser deslocadas em uma direção radial do círculo. Algumas nanoante- nas podem ser igualmente espaçadas em torno de um círculo de raio R (por exemplo, centralizadas em incrementos de ângulo polar equiva- lente), e algumas podem ser deslocadas de espaçamento igual em torno do círculo. Em algumas modalidades, as nanoantenas podem ser dispostas em uma configuração de espiral em torno de uma cavi- dade amostra. Adicionalmente ou alternativamente, outras configura- ções de nanoantenas são possíveis, tais como uma disposição de ma- triz em torno de uma cavidade amostra, uma distribuição cruzada, e distribuições de estrela. Nanoantenas individuais podem ser em for- mas que não um círculo, tais como quadrada, retangular, cruz, triângu- los, gravata borboleta, anel anular, pentágono, hexágono, polígonos, etc. Em algumas modalidades, a circunferência de uma abertura ou disco pode ser aproximadamente um múltiplos de número inteiro de um comprimento de onda fracional, por exemplo, (N/2)λ.
[00451] Uma disposição de nanoantena pode direcionar energia de emissão de uma amostra em lóbulos de radiação concentrada que têm um padrão espacial dependente de um comprimento de onda caracte- rístico da energia de emissão. Quando uma amostra emite energia, pode excitar plasmônios de superfície que se propagam da cavidade amostra para as nanoantenas distribuídas em torno da cavidade amostra. Os plasmônios de superfície podem então excitar modos de radiação ou emissores dipolo nas nanoantenas que emitem radiação perpendicular à superfície da camada de cavidade amostra. A fase de um modo excitado ou dipolo em uma nanoantena dependerá da dis- tância da nanoantena de uma cavidade amostra. Selecionar a distân-
cia entre a cavidade amostra e uma nanoantena individual controla a fase de radiação emitida da nanoantena. O modo de radiação espacial excitada em uma nanoantena dependerá a geometria e/ou tamanho da nanoantena. A seleção do tamanho e/ou geometria de uma nanoante- na individual controla o modo de radiação espacial emitida da nanoan- tena. Contribuições de todas as nanoantenas na disposição e, em al- guns casos a cavidade amostra, podem determinar um lóbulo ou lóbu- los de radiação total que formam o padrão de radiação. Como pode ser apreciado, o modo de radiação espacial e de fase emitida de uma nanoantena individual pode depender do comprimento de onda, de modo que o lóbulo ou lóbulos de radiação total que formam o padrão de radiação também será dependente do comprimento de onda. Situa- ções numéricas do campos eletromagnéticos podem ser empregadas para determinar padrões de lóbulo de radiação total para energias de emissão de diferentes comprimentos de onda característicos.
[00452] A nanoantena pode compreender uma disposição de orifí- cios ou aberturas em uma película condutiva. Por exemplo, a estrutura de nanoantena pode ser formada na interface entre uma camada de amostra de cavidade condutiva e uma camada dielétrica adjacente. Os orifícios podem compreender conjuntos de orifícios distribuídos em cír- culos concêntricos circundando um ponto central. Em algumas modali- dades, a cavidade amostra é localizada no ponto central da disposi- ção, enquanto em outras modalidades a cavidade amostra pode ser fora do centro. Cada conjunto de orifícios circularmente distribuídos pode compreender uma coleção de diferentes diâmetros dispostos menores a maiores em torno da distribuição circular. Os diâmetros do orifício podem ser diferentes entre os conjuntos (por exemplo, um orifí- cio menor em um conjunto pode ser maior do que um menor orifício em outro conjunto), e uma localização do menor orifício pode ser ori- entado em um diferente ângulo polar para cada conjunto de círculos.
Em algumas modalidades, pode haver um a sete conjuntos dos orifí- cios circularmente distribuídos em uma nanoantena. Em outras moda- lidades, pode haver mais de sete conjuntos. Em algumas modalidades, os orifícios podem não ser circulares, podem ser de qualquer formato adequado. Por exemplo, os orifícios podem ser elipses, triângulos, re- tângulos, etc. Em outras modalidades, a distribuição de orifícios pode não ser circular, porém pode criar uma forma espiral.
[00453] FIGs. 6-3A e 6-3B ilustram uma estrutura exemplar de na- noantena compreendida de orifícios ou aberturas em uma camada condutora. FIG. 6-3A mostra uma vista planar de topo da superfície de um dispositivo integrado com a cavidade amostra 6-108 circundada pelos orifícios 6-122. Os orifícios da nanoantena são distribuídos apro- ximadamente em orno de um círculo de raio R. Neste exemplo não limitante, os diâmetros do orifício variam incrementalmente aumentan- do em torno da circunferência do círculo de orifícios. FIG. 6-3B mostra uma vista de elevação esquemática da nanoantena mostrada na FIG. 6-3A ao longo da linha B-B. Uma cavidade amostra 6-116 pode com- preender um condutor e incluir a cavidade amostra 6-108 e aberturas 6-122 que são distantes da estrutura de nanoantena. Uma camada adjacente 6-118 pode ser um material dielétrico e/ou um material oti- camente transparente.
[00454] Em algumas modalidades, a estrutura de nanoantena pode compreender uma pluralidade de discos. Os discos da estrutura de nanoantena podem ser formados como discos condutivos que se pro- jetam de uma superfície de um material condutivo. O material condutor pode ser adjacente a um material oticamente transparente, de acordo com algumas modalidades. Em algumas modalidades, as nanoante- nas podem ser distribuídas em torno de uma cavidade amostra. Em alguns casos, as nanoantenas podem ser distribuídas em torno de uma cavidade amostra com seus centros aproximadamente em um círculo de raio R. Uma disposição de nanoantena pode compreender múltiplos conjuntos de nanoantenas distribuídas aproximadamente em círculos adicionais de diferentes raios em torno de uma cavidade amostra.
[00455] FIGs. 6-3C e 6-3D ilustram uma modalidade exemplar de uma estrutura de nanoantena compreendendo discos que se projetam de uma camada condutora. FIG. 6-3C mostra uma vista esquemática planar de topo da superfície de um dispositivo integrado com a cavida- de amostra 6-208 circundada por discos 6-224. Os discos de nanoan- tena são distribuídos aproximadamente em torno de um círculo de raio R. Neste exemplo não limitante, dois diâmetros são usados para os discos e os discos alternam-se entre estes dois diâmetros em torno da circunferência do círculo de nanoantena. A FIG. 6-3D mostra uma vista de elevação esquemática da nanoantena mostrada na FIG. 6-3C ao longo da linha D-D. Uma camada de cavidade amostra 6-216 pode compreender um condutor e incluir a cavidade amostra 6-208 e os dis- cos 6-224 que são parte da estrutura de nanoantena. Os discos 6-224 projetam-se da camada de cavidade amostra 6-216 em uma determi- nada distância. Em algumas modalidades, a distância em que os dis- cos estende-se da camada de cavidade amostra pode variar dentro de uma estrutura de nanoantena. Uma camada adjacente 6-218 pode compreender um material dielétrico e/ou um material oticamente transparente. A camada de cavidade amostra 6-216 e os discos que se projetam pode ser um material condutor.
[00456] Os orifícios e/ou discos que formam uma estrutura de na- noantena podem ser qualquer padrão adequado ou distribuição de modo que energia de emissão da cavidade amostra acople-se com uma ou mais das nanoantenas da estrutura de nanoantena. Outro exemplo de uma estrutura de nanoantena é ilustrado na FIG. 6-4A, que representa um padrão espiral em que uma nanoantena pode ser formada. A cavidade amostra pode ser localizada dentro de uma ca- mada da cavidade amostra na posição 6-308 com respeito à estrutura de nanoantena 6-312. Plasmônios de superfície podem formar-se na área da estrutura de nanoantena quando energia de emissão é emitida da cavidade amostra. FIG. 6-4B ilustra resultados de uma simulação numérica de plasmônios de superfície nas proximidades de uma estru- tura de nanoantena, de acordo com algumas modalidades. Os resulta- dos também mostrar a intensidade de campo eletromagnético com as aberturas da nanoantena. Outros padrões exemplares e distribuições de nanoantenas que formam uma estrutura de nanoantena dentro de um pixel são mostrada na FIG. 6-4C a FIG. 6-4E.
[00457] Uma estrutura de nanoantena pode ser usada para distin- guir emissões em diferentes comprimentos de onda característicos. A estrutura de abertura de nanoantena pode produzir lóbulos de radia- ção que se estendem de uma cavidade amostra em diferentes dire- ções para energia de emissão de diferentes comprimentos de onda característicos. Os lóbulos de radiação formam um padrão de distribui- ção espacial que difere dependendo do comprimento de onda caracte- rístico da energia de emissão. Exemplos de possíveis padrões de dis- tribuição espacial que se formam como um resultado de ter uma estru- tura de nanoantena posicionada embaixo de uma cavidade amostra é representada na FIG. 6-5A a FIG. 6-5D. Por exemplo, uma camada 6- 906 dentro de um pixel pode conter uma cavidade amostra com uma estrutura de nanoabertura 6-902 posicionada adjacente à cavidade amostra. Quando energia de emissão tendo um primeiro comprimento de onda característico é emitida por uma amostra na cavidade amos- tra, o energia de emissão acopla-se com as nanoantenas na estrutura de nanoantena que direciona a energia de emissão para dentro de um primeiro padrão de distribuição espacial 6-904 ilustrados na FIG. 6-5A. Adicionalmente, quando energia de emissão tendo um segundo com-
primento de onda característico é emitida por uma amostra na cavida- de amostra, um segundo padrão de distribuição pode formar-se, tal como o padrão de distribuição 6-1004 mostrado na FIG. 6-5B. Simi- larmente, a FIG. 6-5C ilustra um terceiro padrão de distribuição espa- cial 6-1104 para energia de emissão tendo um terceiro comprimento de onda característico, e FIG. 6-5D ilustra um quarto padrão de distri- buição espacial 6-1204 tendo um quarto comprimento de onda carac- terístico. Os diferentes padrões de distribuição espacial podem ser de- tectados por sensores espacialmente separados dentro do pixel para diferenciar-se entre o primeiro, segundo, terceiro, e quarto comprimen- tos de onda característicos. VI. B. Óticas de Campo Distante
[00458] Energia de emissão emitida de uma amostra na cavidade amostra pode ser transmitida ao sensor de um pixel de uma variedade de maneiras, alguns exemplos das quais são descritos em detalhes abaixo. Algumas modalidades podem usar componentes óticos e/ou plasmônicos para aumentar a probabilidade de que luz de um particu- lar comprimento de onda seja direcionada para um ou mais segmentos do sensor. O sensor pode incluir múltiplos segmentos para simultane- amente detectar energia de emissão de diferentes comprimentos de onda.
[00459] A FIG. 6-6A é um diagrama esquemático de um único pixel de um dispositivo integrado de acordo com algumas modalidades onde pelo menos um elemento de classificação é usado para direcionar energia de emissão de um particular comprimento de onda para um respectivo segmento sensor, de acordo com algumas modalidades. A cavidade amostra 6-601 formada em um material condutor 6-603 re- cebe uma amostra e pode emitir energia de emissão 6-604. Para cla- reza, detalhes de quaisquer componentes óticos e plasmônicos na ca- vidade amostra não são mostrados. A energia de emissão 6-604 viaja através de um material dielétrico 6-605 até ele atingir um elemento de classificação 6-607. O elemento de classificação 6-607 acopla o com- primento de onda da energia de emissão 6-604 a um grau espacial de liberação, desse modo separando a energia de emissão em seus componentes de comprimento de onda constituintes, referidos como energia de emissão classificada. A FIG. 6-6B ilustra esquematicamen- te a energia de emissão 6-604 sendo dividida em quatro séries de energia de emissão classificadas através de um material dielétrico 6- 609, cada das quatro séries associadas com um sub-sensor 6-611 através de 6-614 do pixel. Deste modo, cada segmento sensor pode ser associado com uma diferente porção do espectro, formando um espectrômetro para cada pixel do dispositivo integrado.
[00460] Qualquer elemento de classificação adequado 6-607 pode ser usado para separar os diferentes comprimentos de onda da ener- gia de emissão. Modalidades podem usar elementos óticos ou plas- mônicos. Exemplos de elementos de classificação óticos incluem, po- rém não estão limitados a, classificações holográficas, classificações de máscara de fase, classificações de máscara de amplitude, superfí- cies seletivas de frequência, elementos óticos difrativos, e lentes Fres- nel de offset. Exemplos de elementos de classificação plasmônica in- cluem, porém não estão limitados a disposições de nanoantena de fa- se, e quase-cristais plasmônicos.
[00461] A FIG. 6-6B é um diagrama esquemático de um pixel indi- vidual de um dispositivo integrado de acordo com algumas modalida- des onde pelo menos um elemento de filtragem é usado para direcio- nar energia de emissão de um particular comprimento de onda para um respectivo sub-sensor e prevenir energia de emissão de outros comprimentos de onda de atingir o sub-sensor. Onde os componentes de FIG. 6-6B são similares àqueles de FIG. 6-6A, os mesmos nume- rais de referência são usados. A cavidade amostra 6-601 formada em um material condutor 6-603 recebe uma amostra e pode emitir energia de emissão 6-604. Para clareza, detalhes de componentes óticos e plasmônicos em uma cavidade amostra não são mostrados. A energia de emissão 6-604 viaja através de um material dielétrico 6-605 até ele atingir um dos elementos de filtragem 6-621 através de 6-624. Os ele- mentos de filtragem 6-621 a 6-624, podem cada um ser associado com um particular segmento de um sensor 6-611 a 6-614, e são cada um configurado para transmitir energia de emissão de um respectivo comprimento de onda e rejeitar energia de emissão de outros compri- mentos de onda classificando a energia de emissão (não ilustrado na FIG. 6-6B) e/ou refletindo a energia de emissão. Após passar através de um respectivo elemento de filtragem, a energia filtrada de emissão viaja através de um material dielétrico 6-609 e se impinge sobre um correspondente sub-sensor 6-611 a 6-614 do pixel. Deste modo, cada sub-sensor está associado com uma diferente porção do espectro, formando um espectrômetro para cada pixel do dispositivo integrado.
[00462] Quaisquer elementos de filtragem adequados podem ser usados para separar os diferentes comprimentos de onda da energia de emissão. Modalidades podem usar elementos de filtragem óticos ou plasmônicos. Exemplos de elementos de classificação óticos incluem, porém não estão limitados a, filtros dielétricos de multicamada refleti- vos ou filtros absortivos. Exemplos de elementos de classificação plasmônicos incluem, porém não estão limitados à superfícies seleti- vas de frequência configuradas para transmitir energia em um particu- lar comprimento de onda e cristais de intervalo de faixa fotônicos.
[00463] Alternativamente, ou em adição aos elementos de classifi- cação acima mencionados e elementos de filtragem, elementos de fil- tragem adicionais podem ser colocados adjacentes a cada sub-sensor 6-61 a 6-614. Os elementos de filtragem adicionais podem incluir uma fina película de perda configurada para criar interferência construtiva para energia de emissão de um particular comprimento de onda no sensor ou segmento sensor para um particular comprimento de onda. A fina camada de perda pode ser uma película individual ou de múlti- plas camadas. Uma fina camada de perda pode ser feita de qualquer material adequado. Por exemplo, a fina camada de perda pode ser fei- ta de um material onde o índice de refração n é aproximadamente da mesma ordem de magnitude do coeficiente de extinção k. Em outras modalidades, a fina camada de perda pode ser feita de um material onde o índice de refração n é dentro de cerca de duas ordens de dife- rença de magnitude do valor do coeficiente de extinção k do material. Exemplos não limitantes de tais materiais em comprimentos de onda visíveis são germânio e silício.
[00464] A fina película de perda pode ser de qualquer espessura adequada. Em algumas modalidades, a fina camada de perda pode ser 1 - 45 nm de espessura. Em outras modalidades, a fina camada de perda pode ser de 15 a 45 nm de espessura. Em ainda outras modali- dades, a fina camada de perda pode ser de 1 a 20 nm de espessura. A FIG. 6-7A ilustra uma modalidade onde as finas películas de perda 6- 711 a 6-714 cada uma tem uma diferente espessura determinada pelo menos em parte pelo comprimento de onda que é associado com cada sub-sensor 6-61 a 6-614. A espessura da película determina, pelo me- nos em parte, um distinto comprimento de onda que seletivamente passará através da fina camada de perda para o sub-sensor. Como ilustrado na FIG. 6-7A, fina película de perda 6-711 tem uma espessu- ra d1, a fina película de perda 6-712 tem uma espessura d2, a fina pe- lícula de perda 6-713 tem uma espessura d3, e a fina película de per- da 6-714 tem uma espessura d4. A espessua de cada subsequente fina película de perda é menor do que a fina película de perda anterior, de modo que d1 > d2 > d3 > d4.
[00465] Adicionalmente, ou alternativamente, as finas películas de perda podem ser formadas de um diferente material com uma diferen- te propriedade, de modo que a energia de emissão de diferentes com- primentos de onda construtivamente interfira em cada respectivo sub- sensor. Por exemplo, o índice de refração n e/ou o coeficiente de ex- tinção k pode ser selecionado para otimizar a transmissão de energia de emissão de um particular comprimento de onda. A FIG. 6-7B ilustra finas películas de perda 6-721 a 6-724 com a mesma espessura, po- rém cada fina película de perda é formada de um diferente material. Em algumas modalidades, tanto os materiais de finas películas de perda e a espessura das finas películas de perda pode ser seleciona- da de modo que a energia de emissão de um desejado comprimento de onda construtivamente interfira e seja transmitida através da pelícu- la.
[00466] Qualquer uma ou mais das anteriores modalidades de ele- mentos de acoplamento de emissão pode ser incluída em uma moda- lidade de um dispositivo integrado. VII. Sensores
[00467] Várias modalidades de sensores, operação de sensor, e métodos de processamento de sinal foram contemplados pelos inven- tores. De acordo com algumas modalidades, um sensor 3-260 em um pixel pode compreender qualquer sensor adequado capaz de receber energia de emissão de um ou mais rótulos na cavidade amostra, e produzir um ou mais (por exemplo, pelo menos 2, 3, ou 4) sinais elétri- cos representativos das emissões recebidas. Em algumas modalida- des, um sensor pode compreender pelo menos um, dois, três, ou qua- tro fotodetectores. Cada fotodetector pode compreender uma junção p- n formada em um substrato semicondutor. A FIG. 7-1A representa exatamente uma modalidade de um sensor que pode ser fabricado dentro de um pixel 3-100 de um dispositivo integrado.
[00468] De acordo com algumas modalidades, um sensor 3-260 pode ser formado em cada pixel ativo 3-100 de um dispositivo integra- do. O sensor pode ser centralizado próximo da cavidade amostra 3- 210, e espaçado de uma cavidade amostra por uma distância entre aproximadamente 1 mícron e aproximadamente 20 mícrons. Pode ha- ver uma ou mais camadas transparentes 7-110 entre a cavidade amostra e o sensor, de modo que emissão de uma cavidade amostra possa viajar ao sensor sem significante atenuação. O sensor 3-260 pode ser formado em um substrato semicondutor 7-120 em uma base do pixel, de acordo com algumas modalidades, e ser localizado sobre um mesmo lado da cavidade amostra como a fonte de excitação (não mostrado).
[00469] O sensor pode compreender um ou mais segmentos foto- detectores de junção semicondutores. Cada junção de semicondutor pode compreender uma cavidade de um primeiro tipo de condutivida- de. Por exemplo, cada junção de semicondutor pode compreender uma cavidade tipo n formada em um substrato tipo p, como represen- tado no desenho. De acordo com algumas modalidades, um sensor 3- 260 pode ser disposto como um detector bullseye 7-162, como repre- sentado na vista plana de FIG. 7-1B. Um primeiro fotodetector 7-124 pode ser localizada em um centro do sensor, e um segundo fotodetec- tor anular 7-122 pode circundar o centro do fotodetector. Contatos elé- tricos para as cavidades podem ser feitos através de traços condutivos 7-134 formados em um primeiro ou subsequente nível de metalização e através de vias condutivas 7-132. Pode haver uma região de materi- al semicondutor altamente dopado 7-126 em regiões de contato das vias. Em algumas modalidades, um óxido de campo 7-115 pode ser formado em superfícies entre os fotodetectores e ou pode abranger uma porção of cada fotodetector. Em algumas implementações, pode haver dispositivos semicondutores adicionais 7-125 (por exemplo, transistores, amplificadores, etc.) formados dentro do pixel adjacente ao sensor 3-260. Pode haver níveis de metalização adicional 7-138, 7- 136 dentro do pixel.
[00470] Em algumas implementações, um nível de metalização 7- 136 pode estender-se através de uma maior parte do pixel e ter uma abertura abaixo da cavidade amostra 3-210, de modo que emissão da cavidade amostra possa atingir o sensor. Em alguns casos, um nível de metalização 7-136 pode servir como um potencial de referência ou um plano de base, e adicionalmente serve como um bloco ótico para prevenir pelo menos alguma radiação de base (por exemplo, radiação de uma fonte de excitação ou do meio ambiente) de atingir o sensor 3-
260.
[00471] Como representado na FIG. 7-1A e FIG. 7-1B, um sensor 3-260 pode ser subdividido em uma pluralidade de segmentos fotode- tectores 7-122, 7-124 que são espacialmente e eletricamente separa- dos um do outro. Em algumas modalidades, segmentos de um sensor 3-260 pode compreender regiões de material semicondutor oposta- mente dopado. Por exemplo, uma primeira cavidade de acúmulo de carga 7-124 para um primeiro segmento sensor pode ser formada do- pando uma primeira região de um substrato para ter um primeiro tipo de condutividade (por exemplo, tipo n) dentro da primeira cavidade. O substrato pode ser tipo p. Uma segunda cavidade de acúmulo de car- ga 7-122 para um segundo segmento sensor pode ser formada do- pando uma segunda região do substrato para ter o primeiro tipo de condutividade dentro da segunda cavidade. A primeira e segunda ca- vidades podem ser separadas por uma região do tipo p do substrato.
[00472] A pluralidade de segmentos do sensor 3-260 pode ser dis- posta em qualquer meio que não um layout bullseye, e pode haver mais de dois segmentos em um sensor. Por exemplo, em algumas modalidades, uma pluralidade de segmentos fotodetectores 7-142 po- dem ser lateralmente separados um do outro para formar um sensor de faixa 7-164, como representado na FIG. 7-1C. Em algumas modali- dades, um sensor quadrante 7-166 pode ser formado dispondo os segmentos 7-144 em um padrão quad, como representado na FIG. 7- 1D. Em algumas implementações, segmentos arc 7-146 podem ser formados em combinação com um padrão bullseye, como representa- do na FIG. 7-1E, para formar um sensor de segmento arc 7-168. Outra configuração de sensor pode compreender seções de parte de torta, que podem incluir sensores individuais dispostos em seções separa- das de um círculo. Em alguns casos, segmentos sensores podem ser dispostos simetricamente em torno de uma cavidade amostra 3-210 ou assimetricamente em torno de uma cavidade amostra. A disposição de segmentos sensores não está limitada a apenas as disposições ante- riores, e qualquer distribuição adequada de segmentos sensores pode ser usada.
[00473] Os inventores descobriram que um sensor quadrante 7- 166, sensor de setor torta, ou sensor de setor similar pode escalonar para tamanhos de pixel menores mais favoravelmente do que outras configurações de sensor. Detectores de quadrante e setor podem con- sumir menos área de pixel para diversos comprimentos de onda detec- tados e área de sensor ativo. Detectores de quadrante e setor podem ser usados em combinação com disposições de nanoantena ou estru- turas de plasmônio de superfície para produzir distintos padrões de distribuição espacial que são discerníveis pelos detectores. Os senso- res podem ser dispostos em várias configurações geométricas. Em alguns exemplos, sensores são dispostos em uma configuração qua- drada ou configuração hexagonal.
[00474] Sensores da presente descrição podem ser independente- mente (ou individualmente) controláveis. Um sensor individualmente controlável é capaz de detectar emissão de uma correspondente cavi- dade amostra e fornecer sinais de saída independentes de outros sen-
sores. Um sensor individualmente controlável pode ser individualmente interpretável.
[00475] Em algumas modalidades, um sensor empilhado 7-169 po- de ser formado fabricando uma pluralidade de segmentos sensores separados 7-148 em uma pilha vertical, como representado na FIG. 7- 1F. Por exemplo, os segmentos podem ser localizados um acima do outro, e pode ou não, havaer camadas de isolamento entre os seg- mentos empilhados. Cada camada vertical pode ser configurada para absorver a energia de emissão de uma particular energia, e passar emissão para diferentes energias. Por exemplo, um primeiro detector pode absorver e detectar radiação de menor comprimento de onda (por exemplo, radiação de comprimento de onda azul abaixo de cerca de 500 nm de uma amostra). O primeiro detector pode passar emis- sões de comprimento de onda verde e vermelho de uma amostra. A segundo detector pode absorver e detectar radiação de comprimento de onda verde (por exemplo, entre cerca de 500 nm e cerca de 600 nm) e passar emissões vermelhas. Um terceiro detector pode absorver e detectar as emissões vermelhas. Películas refletivas 7-149 podem ser incorporadas na pilha, em algumas modalidades, para refletir luz de uma faixa de comprimento de onda selecionado novamente através de um segmento. Por exemplo, uma película pode refletir radiação de comprimento de onda verde que não foi absorvido pelo segundo seg- mento novamente através do segundo segmento para aumentar sua eficiência de detecção.
[00476] Em algumas modalidades com sensores de segmento ver- ticalmente empilhados, componentes de acoplamento de emissão não podem ser incluídos na cavidade amostra para produzir distintos pa- drões de distribuição espacial de emissão da amostra que são depen- dentes do comprimento de onda de emissão. Discernimento de emis- sões espectralmente diferentes emissões pode ser conseguido com um sensor verticalmente empilhado 7-169 analisando a relação de si- nais de seu segmento empilhado, de acordo com algumas modalida- des.
[00477] Em algumas modalidades, segmentos de um sensor 3-260 são formados de silício, embora qualquer semicondutor adequado (por exemplo, Ge, GaAs, SiGe, InP, etc.) possa ser usado. Em algumas modalidades, um segmento sensor pode compreender uma película fotocondutora orgânica. Em outras modalidades, fotodetectores de ponto quântico podem ser usados para sensores de segmento. Foto- detectores de ponto quântico podem responder a diferentes energias de emissão com base no tamanho do ponto quântico. Em algumas modalidades, uma pluralidade de pontos quânticos de tamanhos variá- veis pode ser usada para discriminar entre diferentes energias de emissão ou comprimentos de onda recebidos da cavidade amostra. Por exemplo, um primeiro segmento pode ser formado de pontos quânticos tendo um primeiro tamanho, e um segundo segmento pode ser formado de pontos quânticos tendo um segundo tamanho. Em vá- rias modalidades, sensores 2-260 podem ser formados usando pro- cessos convencionais CMOS.
[00478] Como descrito acima, componentes de acoplamento de emissão podem ser fabricados adjacentes à cavidade amostra em al- gumas modalidades. Os componentes de acoplamento de emissão podem alterar a emissão de uma amostra dentro da cavidade amostra 3-210 para produzir distintos padrões de distribuição espacial de emis- são da amostra que são dependentes do comprimento de onda de emissão. FIG. 7-2A representa um exemplo de um primeiro padrão de distribuição espacial 7-250 que pode ser produzido de uma primeiro amostra em um primeiro comprimento de onda. O primeiro padrão de distribuição espacial 7-250 pode ter um lóbulo central proeminente di- recionado a um segmento central de um sensor bullseye 7-162, por exemplo. Justamente com um exemplo, tal padrão 7-250 pode ser produzido de uma cavidade amostra circundada por uma estrutura de grade circular 7-220 de acoplamento de emissão, onde a amostra emi- te em um comprimento de onda de cerca de 663 nm. Um padrão proje- tado 7-252 incidente sobre o sensor pode aparecer como ilustrado na FIG. 7-2B.
[00479] A FIG. 7-2C representa um padrão de distribuição espacial 7-260 que pode ser produzido de um segundo amostra emitindo em um segundo comprimento de onda da mesma cavidade amostra, de acordo com algumas modalidades. O segundo padrão de distribuição espacial 7-260 pode compreender dois lóbulos de radiação e diferir do primeiro padrão de distribuição espacial 7-250. Um padrão projetado 7-262 do segundo padrão de distribuição espacial 7-260 pode apare- cer como representado na FIG. 7-2D, de acordo com algumas modali- dades. Justamente como um exemplo, um segundo padrão de distri- buição espacial 7-260 pode ser produzido da mesma cavidade amos- tra circundada por uma estrutura de grade circular 7-220 de acopla- mento de emissão, onde a amostra emite em um comprimento de on- da de cerca de 687 nm.
[00480] Os segmentos de um sensor 3-260 podem ser dispostos para detectar particulares energias de emissão, de acordo com algu- mas modalidades. Por exemplo, estrutura de acoplamento de emis- sões adjacentes à cavidade amostra e segmentos de um sensor pode ser configurada em combinação para aumentar a diferenciação de si- nal entre particulares energias de emissão. As energias de emissão podem corresponder a rótulos selecionados que serão usados com o dispositivo integrado. Como um exemplo, um sensor bullseye 7-162 pode ter seus segmentos delimitados e/ou localizados para melhor comparar os padrões projetados 7-260, 7-262 de uma amostra, de modo que as regiões de de maior intensidade incluam-se mais cen-
tralmente dentro de segmentos ativos do sensor. Alternativamente ou adicionalmente, estrutura de acoplamento de emissões pode ser con- figurada para alterar os padrões projetados 7-260, 7-262 de modo que intensas regiões incluam-se mais centralmente dentro de segmentos do sensor.
[00481] Embora um sensor 3-260 possa compreender dois seg- ments, é possível em algumas modalidades discernir mais de duas faixas de emissão espectralmente distintas de uma amostra. Por exemplo, cada faixa de emissão pode produzir um distinto padrão pro- jetado sobre os segmentos sensores e produzir uma distinta combina- ção de sinais dos segmentos sensores. A combinação de sinais pode ser analisada para discernir e identificar a faixa de emissão. FIG. 7-2E a FIG. 7-2H representam resultados de simulações numéricas de con- juntos de sinais de segmento de dois sensores 3-260 expostos para quatro padrões distintos de emissão de quatro diferentes emissores. Os padrões de emissão foram simulados como sendo produzidos em quatro comprimentos de onda (565 nm, 595 nm, 663 nm, 687 nm) de uma cavidade amostra tendo uma grade circular formada adjacente à cavidade amostra. Como pode ser observado, cada combinação de sinais (ou conjunto de sinal) dos dois segmentos sensores é distinta, e pode ser usada para discriminar entre emissores nos quatro compri- mentos de onda. Para simulação, por que o segmento detector externo do sensor bullseye 7-162 teve uma maior área, mais sinal foi integrado para aquele detector. Adicionalmente, luz que impingiu em uma área entre os detectores gerou veículos que podem drenar para qualquer segmento detector e contribuir para sinais de ambos os segmentos.
[00482] Em algumas modalidades, pode haver N segmentos fotode- tectores por pixel, onde N pode ser qualquer valor inteiro. Em algumas modalidades, N pode ser maior do que ou igual a 1 e menos do que ou igual a 10. Em outras modalidades, N pode ser maior do que ou igual a
2 e menos do que ou igual a 5. O número M de emissões de amostra discerníveis (por exemplo, comprimentos de onda de emissão distintos de diferentes rótulos luminescentes) que podem ser detectadas pelos detectores N que podem ser iguais a ou maior do que N. O discern- mento de emissões de amostra M pode ser alcançado avaliando a re- lação de sinais de cada segmento sensor, de acordo com algumas modalidades. Em algumas implementações, a relação, soma e/ou am- plitudes dos sinais recebidos podem ser medidas e analisadas para determinar um comprimento de onda característico de emissão da ca- vidade amostra.
[00483] Em algumas modalidades, mais de um emissor pode emitir pode em diferentes comprimentos de onda característicos em uma de- terminada janela de tempo dentro de uma cavidade amostra 3-210. Um sensor 3-260 pode simultaneamente detectar sinais de múltiplas emissões em diferentes comprimentos de onda e fornecer o sinal so- mado para processamento de dados. Em algumas implementações, múltiplas emissões de comprimento de onda podem ser distinguíveis como outro conjunto de valores de sinal dos segmentos sensores (por exemplo, valores de sinal diferentes daqueles mostrados na FIG. 7-2E a FIG. 7-2H). Os valores de sinal podem ser analisados para discernir que múltiplas emissões de comprimento de onda ocorreram e para identificar uma combinação particular de emissores associados com as emissões.
[00484] Os inventores também contemplaram e analisaram um sensor bullseye tendo pelo menos dois, três, ou quatro segmentos concêntricos. Conjuntos de sinal dos segmentos são plotados na FIG. 7-2I e FIG. 7-2J para as mesmas condições de emissão associadas com FIG. 7-2G e FIG. 7-2H, respectivamente. O sensor bullseye de quatro segmentos também mostra sinais discerníveis que podem ser analisados para identificar um emissor particular dentro de uma cavi-
dade amostra.
[00485] Quando filtragem do comprimento de onda é usado em ca- da segmento sensor, ou uma separação espectral é elevada, cada segmento de um sensor pode detectar substancialmente apenas uma faixa de emissão selecionada. Por exemplo, um primeiro comprimento de onda pode ser detectada por um primeiro segment, um segundo comprimento de onda pode ser detectado por um segundo segmento, e um terceiro comprimento de onda pode ser detectado por um tercei- ro segmento.
[00486] Referindo-se novamente à FIG. 7-1A, pode haver circuito eletrônico adicional 7-125 dentro de um pixel 2-205 que pode ser usa- do para coletar e ler sinais de cada segmento de um sensor 3-260. FIG. 7-3A e FIG. 7-3D representam circuito que pode ser usado em combinação com um sensor de múltiplos segmentos, de acordo com algumas modalidades. Como um exemplo, circuito de coleção de sinal 7-310 pode compreender três transistores para cada segmento sensor. Uma disposição dos três transistores é representada na FIG. 7-3B, de acordo com algumas implementações. Um nível de sinal em um nódu- lo de acúmulo de carga 7-311 associado com cada segmento pode ser reinicializado por um transistor de reinicialização RST antes de um pe- ríodo de acúmulo de carga, e um nível de sinal para o segmento (de- terminado pela quantidade de carga no nodo de acúmulo de carga) pode ser lido com um transisto de leitura RD durante e/ou na conclu- são de um período de acúmulo de carga. Sinais podem ser fornecidos para um processor (não mostrado) para análise para discernir a detec- ção de diferentes comprimentos de onda de emissão M da amostra detectada por detectores N espacialmente separados, como descrito acima.
[00487] O circuito de pixel pode também incluir amplificação e cir- cuito de amostragem dupla correlacionada 7-320, de acordo com al-
gumas modalidades. A amplificação e circuito de amostragem dupla pode compreender transistores configurados para amplificar sinais dos segmentos sensores, bem como transistores configurados para reini- cializar o nível de voltagem no nódulo de acúmulo de carga e para ler uma base, ou "reinicializar", sinal no nódulo quando nenhuma radiação de emissão radiação está presente no sensor (por exemplo, antes da aplicação de energia de excitação em uma cavidade amostra) e para ler um subsequente sinal de emissão, por exemplo.
[00488] De acordo com algumas modalidades, amostragem dupla correlacionada é empregada para reduzir o ruído de base subtraindo um nível de sinal de base ou de reinicialização do nível de sinal de emissão detectado. O sinal de emissão coletado e sinal de base asso- ciado com cada segmento do sensor pode ser lido sobre linhas de co- luna 7-330. Em algumas modalidades, um nível de sinal de emissão e sinal de base são multiplexados com o tempo em uma linha de coluna comum. Pode haver a separate column line for cada segmento sensor. Sinais das linhas de coluna podem ser tamponados e/ou amplificados com circuito de amplificação 7-340 (que pode ser localizado foram de uma disposição de pixel ativo), e fornecidos para outro processamento e análise. Em algumas modalidades a subtração dos sinais de amostra dupla é calculada fora do chip, por exemplo, por um processador de sistema. Em outras modalidades, a subtração pode ser realizada no chip ou em circuito do instrumento de base.
[00489] Algumas modalidades de amostragem dupla correlacionado podem operar selecionando uma linha para amostra, em que os sen- sores associados com a linha têm cargas de sinal integrado em um período de amostragem e contêm níveis de sinal. Os níveis de sinal podem ser simultaneamente lidos nas linhas de coluna. Após amos- tragem dos níveis de sinal integrado, todos os pixels na linha selecio- nada podem ser reinicializados e imediatamente amostrados. Este ní-
vel de reiinicialização pode ser correlacionado com o próximo sinal in- tegrado que inicia o acúmulo após a reinicialização ser liberada, e ter- mina integrando uma estrutura momentos após, quando a mesma li- nha é selecionada novamente. Em algumas modalidades, os valores de reinicialização da estrutura podem ser armazenados fora do chip, de modo que quando os sinais tiverem terminado a integração e tive- rem sido amostrados, os valores de reinicialização correlacionados armazenados podem ser subtraídos.
[00490] Em algumas modalidades, um sensor 3-260 com mais de dois segmentos pode requerer circuito adicional. A FIG. 7-3C repre- senta coleção de sinal 7-312, amplificação 7-320, e circuito de dupla amostragem associado com um sensor quad. De acordo com algumas modalidades, sinais de dois ou mais segmentos podem ser multiplexa- dos com o tempo em um canal de sinal comum no pixel, como repre- sentado no desenho. Os sinais multiplexados com o tempo podem in- cluir sinais de base amostrados para cada segmento para acancela- mento de ruído. Adicionalmente, os sinais de dois ou mais segmentos podem ser multiplexados com o tempo em uma linha de coluna co- mum.
[00491] De acordo com algumas modalidades, técnicas de aquisi- ção de sinal temporal podem ser usadas para reduzir níveis de sinal de base de uma fonte ou fontes de excitação, e/ou discernir diferentes emissões de diferentes emissores associados com uma amostra. A FIG. 7-4A representa emissão fluorescente e decadência de dois dife- rentes emissores que podem ser usados para rotular uma amostra, de acordo com algumas modalidades. As duas emissões têm característi- cas de decadência com o tempo, apreciavelmente diferentess. Uma primeira curva de tempo-decadência 7-410 de um primeiro emissor pode corresponder a uma molécula fluoreswcente comum, tal como rodamina. Uma segunda curva de tempo-decadência 7-420 pode ser característica de um segundo emissor, tal como um ponto quântico ou um emissor fosforescente. Ambos os emissores exibem uma cauda de emissão-decadência que se estende por algum tempo após excitação incial do emissor. Em algumas modalidades, técnicas de coleção de sinal aplicadas para a cauda de emissão-decadência podem ser deli- mitadas para reduzir um sinal de base de uma fonte de excitação, em algumas modalidades, e para distinguir entre os emissores, em algu- mas modalidades.
[00492] De acordo com algumas implementações, amostragem pro- longada pode ser empregada durante a cauda de emissão-decadência para reduzir um sinal de base, devido à radiação de uma fonte de exci- tação. FIG. 7-4B e FIG. 7-4C ilustram a amostra de atraso de tempo, de acordo com algumas modalidades. A FIG. 7-4B representa a evolu- ção temporal de um pulso de excitação 7-440 de radiação de excita- ção de uma fonte de excitação, e um pulso de emissão subsequente 7-450 que pode seguir de uma amostra que é excitada dentro de uma cavidade amostra. O pulso de excitação 7-440 pode resultar do direci- onamento de uma fonte de excitação com um sinal motriz 7-442 du- rante um breve período de tempo, como representado na FIG. 7-4C. Por exemplo, o sinal motriz pode começar em um primeiro tempo t1 e terminar em um segundo momento t2. A duração do sinal motriz (t2 – t- 1) pode ser entre cerca de 1 picossegundo e cerca de 50 nanossegun- dos, de acordo com algumas modalidades, embora durações menores possam ser usadas em algumas implementações.
[00493] Em um tempo t3 após o término do sinal motriz para a fonte de excitação, um sensor 3-260 (ou segmento sensor) no pixel pode ser fechado para acumular carga em um nódulo de acúmulo de carga 7- 311 (com referência à FIG. 7-3B) durante um segundo intervalo de tempo que se estendem de um tempo t3 a um tempo t4. O segundo in- tervalo de tempo pode ser entre cerca de 1 nanossegundo e cerca de
50 microssegundos, de acordo com algumas modalidades, embora outras durações possam ser usadas em algumas implementações. Como pode ser observado em referência à FIG. 7-4B, um nódulo de acúmulo de carga coletará mais cargas de sinal devido à amostra de emissão, em seguida devido à fonte de excitação. Consequentemente, uma melhorada relação de sinal-para-ruído pode ser obtida.
[00494] Referindo-se novamente à FIG. 7-4A, por causa de diferen- tes características de emissão temporal dos emissores, os correspon- dentes sinais em um sensor podem atingir o máximo em diferentes tempos. Em algumas implementações, técnicas de aquisição de sinal aplicadas durante a cauda de emissão-decadência pode ser usada para discernir diferentes emissores. Em algumas modalidades, técni- cas de detecção temporal podem ser usadaa em combinação com técnicas espaciais e espectrais (como descrito acima em conexão com FIG. 7-2, por exemplo) para discernir diferentes emissores.
[00495] FIG. 7-4D a FIG. 7-4H ilustram quão amostragem dupla em um sensor, ou segmento sensor, pode ser usada para distinguir entre dois emissores tendo diferentes características de emissão temporal. FIG. 7-4D representa curvas de emissão 7-470, 7-475 associadas com um primeiro emissor e segundo emissor, respectivamente. Como um exemplo, o primeiro emissor pode ser um fluoroforo comum tal como rodamina, e o segundo emissor pode ser um ponto quântico ou emis- sor fosforescente.
[00496] A FIG. 7-4E representa níveis de voltagem dinâmicos em um nódulo de acúmulo de carga 7-311 que pode ocorrer em resposta às duas diferentes características de emissão de FIG. 7-4D. No exem- plo, uma primeira curva de voltagem 7-472 que corresponde ao emis- sor fluorescente pode mudar mais rapidamente, por causa do menor ciclo de emissão, e atinge seu máximo (ou mínimo, dependendo da polaridade do nódulo) em um primeiro tempo t1. A segunda curva de voltagem 7-477 pode mudar mais lentamente devido às características de emissão mais longas do segundo emissor, e atinge seu máximo (ou mínimo) em um segundo momento t2.
[00497] Em algumas modalidades, amostragem do nódulo de acú- mulo de carga pode ser feita em dois tempos t3, t4 após a excitação de amostra, como representado na FIG. 7-4F. Por exemplo, um primeiro sinal de leitura 7-481 pode ser aplicado para leitura de um primeiro va- lor de voltagem do nódulo de acúmulo de carga em um primeiro tempo t3. Subsequentemente, um segundo sinal de leitura 7-482 pode ser aplicado para leitura de um segundo valor de voltagem do nódulo de acúmulo de carga em um segundo momento t4 sem reinicializar o nó- dulo de acúmulo de carga entre a primeira leitura e a segunda leitura. A primeira leitura e a segunda leitura em tempo t3 e t4 podem ocorrer durante um mesmo período de acúmulo de carga para o sensor duran- te a emissão da cavidade amostra. Uma análise dos dois valores de sinal amostrados pode então ser usada para identificar qual dos dois emissores forneceu os níveis de sinal detectados.
[00498] FIG. 7-4G representa um exemplo de um primeiro conjunto de sinal da primeira leitura e segunda leitura que pode ser obtido para o primeiro emissor tendo uma curva de emissão 7-470 como represen- tado na FIG. 7-4D. A FIG. 7-4H representa um exemplo de um segun- do conjunto de sinal da primeira leitura e segunda leitura que pode ser obtido para o segundo emissor tendo uma curva de emissão 7-475 como representado na FIG. 7-4D. Por exemplo, a sequência de amos- tragem mostrada na FIG. 7-4F para o primeiro emissor amostrará a curva 7-472 e obterá aproximadamente os mesmos valores nos dois tempos de leitura. No caso do segundo emissor, a sequência de amos- tragem representado na FIG. 7-4F amostra dois diferentes valores da curva 7-477 nos dois tempos de leitura. Os pares resultantes de sinais dos dois tempos de leitura distinguem-se entre os dois emissores, e podem ser analisados para identificar cada emissor. De acordo com algumas modalidades, dupla amostragem para subtração de base po- de também ser executada para subtrair um sinal de base do primeiro e segundo sinais de leitura.
[00499] Em operação, sensores 2-260 de um dispositivo integrado podem ser submetidos a um procedimento de calibração de compri- mento de onda antes da coleção de dados de um espécimen a ser analisado. O procedimento de calibração de comprimento de onda po- de incluir submeter os sensores a diferentes energias conhecidas ten- do comprimentos de onda característicos que podem ou não, corres- ponder a comprimentos de onda de fluoroforo, que podem ser usados com um dispositivo integrado. As diferentes energias podem ser apli- cadas em uma sequência de modo que os sinais de calibração pos- sam ser registrados dos sensores para cada energia. Os sinais de ca- libração podem então ser armazenados como sinais de referência, que podem ser usados para processar real aquisição de dados e para de- terminar qual comprimento ou comprimentos de onda de emissão são detectados para os sensores.
[00500] De acordo com algumas modalidades, um sensor pode compreender uma junção de semicondutor formada adjacente à cavi- dade amostra 3-210. A junção de semicondutor pode ser como repre- sentado na FIG. 4-5B ou FIG. 4-5D, por exemplo. Em algumas imple- mentações, a junção de semicondutor pode ser formada como uma estrutura de múltiplas camadas, e a cavidade amostra pode ser forma- da na estrutura de múltiplas camadas, como representado na FIG. 3- 7F, por exemplo. Em algumas modalidades, uma amostra excitada pode não radiativamente transferir energia de emissão para uma jun- ção de semicondutor formada adjacente à cavidade amostra por meio de FRET ou DET, criando éxcitons na junção de semicondutor. A jun- ção de semicondutor pode compreender uma junção p-n ou p-i-n que converte a energia recebida em um sinal elétrico que é detectado por circuito CMOS associado com a cavidade amostra. Em algumas im- plementações, um ponto quântico ou molécula pode ser ligada à jun- ção de semicondutor por meio de um ligante e pode participar em transferência de energia não radiativa de uma amostra excitada para a junção de semicondutor.
[00501] Qualquer uma ou mais das modalidades anteriores de sen- sores pode ser incluída em uma modalidade de um dispositivo integra- do. VIII. Operação de Instrumento
[00502] O instrumento 2-120 pode ser controlado usando software e/ou hardware. Por exemplo, o instrumento pode ser controlado usan- do um dispositivo de processamento 1-123, tal como um ASIC, um FPGA e/ou um software de execução do processador de propósito ge- ral.
[00503] A FIG. 8-1 ilustra um gráfico de fluxo de operação do ins- trumento 2-120 de acordo com algumas modalidades. Após um usuá- rio ter adquirido um espécimen para analisar, o usuário começa uma nova análise na ação 8-101. Isto pode ser feito provendo uma indica- ção para o instrumento 2-120 por meio da interface do usuário 2-125, por exemplo, pressionando um botão. Na ação 8-103, o instrumento 2- 120 checa se o dispositivo integrado 2-110 de uma análise previamen- te realizada é ainda inserida no instrumento 2-120. Se for determinado que um velho dispositivo integrado está presente, então a força para a fonte de excitação pode ser desligada na ação 8-105, o usuário está prontamente na ação 8-107 para ejetar o dispositivo integrado anterior, usando um indicator da interface do usuário 2-125 e o instrumento 2- 120 espera pelo velho dispositivo integrado para ser ejetado na ação 8-109.
[00504] Quando o dispositivo integrado anterior é ejetado pelo usu-
ário, ou se o instrumento 2-120 determinou na ação 8-103 que o dis- positivo integrado anterior já foi removido, o usuário está pronto para inserir um novo dispositivo integrado 2-110 para a nova análise na ação 8-111. O instrumento 2-120 então espera pelo novo dispositivo integrado 2-110 a ser inserido na ação 8-113. Quando o usuário insere o novo dispositivo integrado, o usuário está pronto na ação 8-115 por um indicator da interface do usuário 2-125 para colocar o espécimen a ser analisado sobre a superfície de topo exposta do dispositivo inte- grado 2-110 e também pronto para fechar a tampa sobre o instrumento 2-120. O instrumento 2-120 então espera a tampa ser fechada na ação 8-117. Quando a tampa é fechada pelo usuário, na ação 8-119 a fonte de excitação pode ser direcionada para produzir a energia de excita- ção para excitar as porções da amostra do espécimen presente nas cavidades amostras do dispositivo integrado 2-110. Na ação 8-121, a energia de emissão das amostras é detectada pelo sensor 2-122 e da- dos do sensor 2-122 são transmitidos para o dispositivo de processa- mento 2-123 para análise. Em algumas modalidades, os dados podem ser transmitidos para o dispositivo de computação externo 2-130. Na ação 2-123, o instrumento 2-120 checa se a aquisição de dados está completa. A aquisição de dados pode estar completa após um período particular de tempo, um número particular de pulsos de excitação da fonte de excitação ou um particular alvo ter sido identificado. Quando a aquisição de dados é completada, a análise de dados é acabada em 8-125.
[00505] A FIG. 8-2 ilustra um exemplo de rotina de autocalibração, de acordo com algumas modalidades. A rotina de calibração pode ser executada em qualquer tempo adequado antes da análise de um es- pécimen. Por exemplo, ela pode ser feita uma vez pelo fabricante para cada instrumento antes do envio para o usuário final. Alternativamente, o usuário final pode realizar uma calibração em qualquer tempo ade-
quado. Como descrito acima, o instrumento 2-120 é capaz de distin- guir entre a energia de emissão tendo diferentes comprimentos de on- da emitidos de diferentes amostras. O instrumento 2-120 e/ou disposi- tivo de computação 2-130 pode ser calibrado com calibração associa- da com cada particular cor de luz associada, por exemplo, com um ró- tulo luminescente usado para rotular moléculas de um espécimen sen- do analisado. Deste modo, o preciso sinal de saída associado com uma cor particular pode ser determinado.
[00506] Para calibrar o dispositivo, um espécimen de calibração as- sociado com um único rótulo luminescente é fornecido para o instru- mento 2-120 um de cada vez. A autocalibração começa na ação 8- 201quando um usuário coloca um espécimen compreendendo rótulos luminescentes que emitem energia de emissão de um único compri- mento de onda em um dispositivo integrado 2-110 e insere o dispositi- vo integrado 2-110 no instrumento 2-120. Usando a interface do usuá- rio 2-125, o usuário instrui o instrumento 2-120 para iniciar a autocali- bração. Em resposta, na ação 8-203, o instrumento 2-120 executa a análise de calibração iluminando o corte de en saio 2-110 com energia de excitação e medindo a única energia de emissão de comprimento de onda do espécimen de calibração. O instrumento 2-120 pode então, na ação 8-205, salvar o padrão de detecção medido na dispoosição de subsensores do sensor 2-122 para cada pixel da disposição de sensor. O padrão de detecção para cada rótulo luminescente pode ser consi- derado uma assinatura de detecção associada com o rótulo lumines- cente. Deste modo, as assinaturas podem ser usadas como um con- junto de dados de treinamento usado para analisar os dados recebidos de amostras desconhecidas analisadas em subseqüentes ciclos de análise.
[00507] A rotina de calibração acima pode então ser executada pa- ra toda espécimen de calibração associada com um único rótulo lumi-
nescente. Deste modo, cada sensor 2-122 da disposição de pixels é associado com dados de calibração que podem ser usados para de- terminar o rótulo luminescente presente na cavidade amostra durante uma subsequente análise implementada na ação 8-207 após a compe- tição da rotina de calibração.
[00508] A FIG. 8-3 também ilustra como os dados de calibração po- dem ser adquiridos e usados para analisar os dados de acordo com algumas modalidades. Na ação 8-301 os dados de calibração são ob- tidos dos sensores. Isto pode ser feito usando a rotina de autocalibra- ção anteriormente mencionada. Na ação 8-303, uma matriz de trans- formação é gerada com base nos dados de calibração. A matriz de transformação mapeia dados de sensor para o comprimento de onda de emissão de uma amostra e é uma matriz m x n, onde m é o número de rótulos luminescentes com diferentes comprimentos de onda de emissão e n é o número de subsensores usados para detectar a ener- gia de emissão por pixel. Desse modo, cada coluna da matriz de trans- formação representa os valores de calibração para o sensor. Por exemplo, se existirem quatro subsensores por pixel e cinco diferentes rótulos luminescentes, então a matriz de transformação é uma matriz 4 x 5 matrix (isto é, quatro linhas e cinco colunas) e cada coluna é asso- ciada com um diferente rótulo luminescente, os valores na coluna que correspondem aos valores medidos obtidos dos subsensores durante a rotina de autocalibração. Em algumas modalidades, cada pixel pode ter sua própria matriz de transformação. Em outras modalidades, pode ser calculada a média dos dados de calibração de pelo menos alguns dos pixels e todos os pixels podem então usar a mesma matriz de transformação com base na média dos dados.
[00509] Na ação 8-305, os dados de análise associados com um bioensaio são obtidos dos sensores. Isto pode feito em qualquer dos meios acima descritos. Na ação 8-307, o comprimento de onda da energia de emissão e/ou a identidade do rótulo luminescente pode ser determinada usando a matriz de transformação e os dados de análise. Isto pode ser feito de qualquer modo adequado. Em algumas modali- dades, os dados de análise são multiplicados pelo pseudo-inverso da matriz de transformação, resultando em um vetor m x 1. O rótulo lumi- nescente associado com o componente vetor com o valor máximo po- de então ser identificado como o rótulo luminescente presente na cavi- dade amostra. Modalidades não são limitadas a esta técnica. Em al- gumas modalidades, para prevenir possíveis patologias que podem surgir quando o inverso de uma matriz com pequenos valores é adota- do, uma rotina de otimização restrita, tal como um método de quadra- do mínimo ou uma técnica de probabilidade máxima, pode ser realiza- do para determinar o rótulo luminescente presente na cavidade amos- tra.
[00510] O método anterior de uso dos dados de calibração para analisar dados dos sensores pode ser implementado por qualquer pro- cessador adequado. Por exemplo, dispositivo de processamento 2-123 do instrumento 2-120 pode realizar a análise, ou dispositivo de compu- tação 2-130 pode realizar a análise.
[00511] A FIG. 8-2 ilustra o controle do instrumento de base da amostragem dupla correlacionada anteriormente mencionada dos pixels do dispositivo de bioanálise integrado 212 de acordo com algu- mas modalidades. No início de uma nova estrutura de aquisição de dados, um registro de mudança de linha é reinicializado. O valor de reinicialização de pixel da estrura anterior é lido incrementando o re- gistro da coluna. Simultaneamente os níveis de amostra de pixel de estruturas atuais são armazenados dentro do elemento de leitura no dispositivo integrado. Visto que o número desejado de colunas a ser medido é alcançado, o registro da coluna é reinicializado. Então os ní- veis de amostra de pixel da estrutura atual são lidos incrementando o registro da coluna e produzindos oito pixels de valores da amostra em um tempo para um tampão, em algumas modalidades a primeira estru- tura de níveis da amostra pode ser descartada. O tampão pode ser localizado fora do dispositivo integrado em memória ou em algumas modalidades ele pode ser armazenado localmente no dispositivo inte- grado. Visto que o número de colunas a ser medido é atendido o regis- tro da linha é incrementado. Este processo é repetido até uma estrutu- ra ser completada. Na conclusão de uma estrutura de dados o proces- so é iniciado novamente com a alteração de que os níveis de amostra das estruturas são subtraídos dos níveis de reinicialização de estrutu- ras anteriores. IX. Conclusão
[00512] Tendo desse modo descrito diversos aspectos de diversas modalidades de um dispositivo de bioanálise integrado, deve ser apre- ciado que várias alterações, modificações, e melhoras facilmente ocor- rerão para aqueles versados na técnica. Tais alterações, modificações, e melhoras são destinados a ser parte desta descrição, e pretende-se que se incluam no espírito e escopo da invenção. Embora os presen- tes ensinamentos tenham sido descritos em conjunto com várias mo- dalidades e exemplos, não se pretende que os presentes ensinamen- tos estejam limitados a tais modalidades ou exemplos. Ao contrário, os presentes ensinamentos abrangem várias alternativas, modificações, e equivalentes, como será apreciado por aqueles versados na técnica.
[00513] Por exemplo, modalidades podem ser modificadas para in- cluir qualquer configuração de fonte de excitação, componentes de acoplamento de energia, volume alvo, e componentes de coleção de energia acima descritos. Além disso, o dispositivo integrado pode ser usado para quantitativamente analisar amostras não biológicas. Adici- onalmente, vários elementos óticos aqui descritos, tais como guias de ondas, refletores, e cavidades, podem ser substituídos com seu equi-
valente de cristal fotônico; qualquer material de metal pode ser substi- tuído com um semicondutor altamente degeneradamente dopado; gra- feno pode ser usado em lugar de metais e/ou semicondutores; fosfo- rescência pode ser usada em vez de luminescência; e qualquer cama- da funcional individual pode ser substituída com uma pluralidade de camadas funcionais.
[00514] Embora várias modalidades inventivas tenham sido descri- tas e ilustradas, aqueles versados na técnica facilmente visionarão uma variedade de outros métodos e/ou estruturas para realizar a fun- ção e/ou obter os resultados e/ou uma ou mais das vantagens descri- tas, e cada de tais variações e/ou modificações é considerada incluir- se no escopo das modalidades inventivas descritas. De modo mais geral, aqueles versados na técnica facilmente apreciarão que todos os parâmetros, dimensões, materiais, e configurações descritas sejam entendidos ser exemplos e que os reais parâmetros, dimensões, mate- riais, e/ou configurações dependerão da aplicação ou aplicações es- pecíficas para as quais os ensinamentos inventivos são usados. Aque- les versados na técnica reconhecerão, ou serão capazes de verificar usando não mais do que experimentação de rotina, muitos equivalen- tes às modalidades inventivas específicas descritas. Deve, portanto, ser entendido que as modalidades anteriores são apresentadas a título de exemplo apenas e que, dentro do escopo das reivindicações ane- xas e equivalentes a elas, modalidades inventivas podem ser pratica- das de outro modo que não como especificamente descrito e reivindi- cado. Modalidades inventivas da presente descrição podem ser direci- onadas a cada individual aspecto, upgrade do sistema, e/ou método descrito. Além disso, qualquer combinação de dois ou mais de tais as- pectos, sistemas, e/ou métodos, se tais aspectos, sistemas, upgrade de sistema, e/ou métodos não são mutuamente inconsistentes, é inclu- ída no escopo inventivo da presente invenção.
[00515] Além disso, embora algumas vantagens da presente inven- ção possam ser indicadas, deve ser apreciado que nem toda modali- dade da invenção incluirá toda vantagem descrita. Algumas modalida- des podem não implementar quaisquer características descritas como vantajosas. Consequentemente, a descrição anterior e os desenhos são a título de exemplo apenas.
[00516] Toda literatura e material similar citado neste pedido, inclu- indo, porém não limitado a, patentes, pedidos de patente, artigos, li- vros, tratados, e páginas da web, independente do formato de tal lite- ratura e materiais similares, são expressamente incorporados por refe- rência em sua íntegra. No evento de que uma ou mais da literatura in- corporada e materiais similares diferem de, ou contradizem este pedi- do, incluindo porém não limitado a termos definidos, uso do termo, técnicas descritas, ou similares, que este pedido controla.
[00517] Os títulos da seção usados são para os propósitos organi- zacionais e não devem ser construídos como limitando a matéria obje- to descrita de modo algum.
[00518] O termos "programa" ou "software" podem ser usados na presente descrição para se referir a um código de computador ou con- junto de instruções executáveis por computador que podem ser em- pregados para programar um computador ou outro processador para implementar vários aspectos da presente tecnologia, como acima des- crito. Adicionalmente, deve ser apreciado que, de acordo com um as- pecto desta modalidade, um ou mais programas de computador que quando executados realizam métodos da presente tecnologia não ne- cessitem residir em um computador individual ou processador, porém possam ser distribuídos de um modo modular entre diversos diferentes computadores ou processadores para implementar vários aspectos da presente tecnologia.
[00519] O termo "associado com," quando usado em conexão com estruturas de dados, pode ser usado para descrever uma combinação de estruturas de dados em algumas modalidades. Por exemplo, pri- meiros dados associados com segundos dados pode significar adicio- nar o primeiro dado a um registro de dados contendo o segundo dado, ou vice versa. "Associado com" pode significar estabelecer uma estru- tura de dados relacional entre os primeiro e segundo dados em algu- mas modalidades. Por exemplo, o iniciadoro dado pode ser inserido em uma tabela ou aumentado com um identificador que faz referências cruzadas ou liga o primeiro dado ao segundo dado, mesmo que o pri- meiro e segundo dados possam ser armazenados em diferentes ar- mazenamento de dados.
[00520] O termo "transmite," quando usado em conexão com estru- turas de dados, pode ser usado para descrever um ou mais atos de recuperação de dados, preparando os dados em um formato adequa- do para transmissão, identificando pelo menos uma destinação para os dados, e fornecendo os dados para um dispositivo de transmissão de dados.
[00521] Onde os monitores interativos do usuário são descritos, tex- to ativo ou butões podem alterar sua aparência quando selecionados ou clicados por um usuário. Por exemplo, texto ativo ou butões podem mudar a cor ou ser realçados de qualquer maneira adequada quando selecionados, a fim de indicar que o texto ou botão foi selecionado.
[00522] Além disso, a tecnologia descrita pode ser representada como um método, do qual pelo menos um exemplo foi fornecido. As ações realizadas como parte do método podem ser ordenadas de qualquer modo adequado. Consequentemente, modalidades podem ser construídas nas quais as ações são realizadas em uma ordem di- ferente daquela ilustrada, que podem incluir realizar algumas ações simultaneamente, mesmo se mostradas como ações sequenciais em modalidades ilustrativas.
[00523] Todas as definições, como definidas e usadas, devem ser entendidas para controle sobre definições de dicionário, definições em documentos incorporados por referência, e/ou significados ordinário dos termos definidos.
[00524] Os artigos indefinidos "um, uma, uns, umas (a)" e "um, uma, uns, umas (an)," como usados no relatório descritivo e nas rei- vindicações, a menos que claramente indicado ao contrário, deve ser usados para significar "pelo menos um."
[00525] A frase "e/ou," como usado no relatório descritivo e nas rei- vindicações, deve ser usada para significar "qualquer dos dois ou am- bos" os elementos desse modo conjugados, isto é, elementos que es- tão conjuntamente presentes em alguns casos e disjuntivamente pre- sentes em outros casos. Múltiplos elementos listados com "e/ou" de- vem ser construídos do mesmo modo, isto é, "um ou mais" dos ele- mentos desse modo combinados. Outros elementos podem opcional- mente estar presente que não os elementos especificamente identifi- cados pela cláusula "e/ou", se relacionada ou não relacionada com aqueles elementos especificamente identificados. Desse modo, como um exemplo não limitante, uma referência a "A e/ou B", quando usada em conjunto com linguagem livre, tal como "compreendendo" pode re- ferir-se, em uma modalidade, a A apenas (opcionalmente incluindo elementos que não B); em outra modalidade, a B apenas (opcional- mente incluindo elementos que não A); em ainda outra modalidade, a ambos A e B (opcionalmente incluindo outros elementos); etc.
[00526] Como usado no relatório descritivo e nas reivindicações, "ou" deve ser entendido ter o mesmo significado de "e/ou" como acima definido. Por exemplo, quando separando itens em uma lista, "ou" ou "e/ou" devem ser interpretados como sendo inclusivos, isto é, a inclu- são de pelo menos um, porém também incluindo mais de um, de dive- ros ou lista de elementos, e, opcionalmente, itens não listados adicio-
nais. Apenas termos claramente indicados ao contrário, tais como "apenas um de" ou "exatamente um de," ou, quando usados nas rei- vindicações, "consistindo em," referir-se-ão à inclusão de exatamente um elemento de diversos ou lista de elementos. Em geral, o termo "ou" como usado deve apenas ser interpretado como indicando alternativas exclusivas (isto é "um ou o outro, porém não ambos") quando precedi- do pelos termos de exclusividade, tais como "qualquer dos dois," "um de," "apenas um de," ou "exatamente um de." "Consistindo essencial- mente em," quando usado nas reivindicações, deve ter seu significado comum como usado no campo da lei de patentes.
[00527] Como usado no relatório descritivo e nas reivindicações, a frase "pelo menos um," em referência a uma lista de um ou mais ele- mentos, deve ser usada para significar pelo menos um elemento sele- cionado de qualquer um ou mais dos elementos na lista de elementos, porém não necessariamente incluindo pelo menos um de cada e todo elemento especificamente listado na lista de elementos e não excluin- do quaisquer combinações de elementos na lista de elementos. Esta definição também permite que os elementos possam opcionalmente estar presente, exceto os elementos especificamente identificados na lista de elementos aos quais a frase "pelo menos um" refere-se, se re- lacionados ou não relacionados àqueles elementos especificamente identificados. Desse modo, como um exemplo não limitante, "pelo me- nos um de A e B" (ou, equivalentemente, "pelo menos um de A ou B," ou, equivalentemente "pelo menos um de A e/ou B") pode referir-se, em uma modalidade, a pelo menos um, opcionalmente incluindo mais de um, A, sem nenhum B presente (e opcionalmente incluindo elemen- tos que não B); em outra modalidade, a pelo menos um, opcionalmen- te incluindo mais de um, B, sem nenhum A presente (e opcionalmente incluindo elementos que não A); em ainda outra modalidade, a pelo menos um, opcionalmente incluindo mais de um, A, e pelo menos um,
opcionalmente incluindo mais de um, B (e opcionalmente incluindo ou- tros elementos); etc.
[00528] Nas reivindicações, bem como no relatório descritivo acima, todas as frases transicionais tais como "compreendendo," "incluindo," "transportando," "tendo," "contendo," "envolvendo," "retendo," "com- posto de," e similares devem ser entendidas serem de extremidade aberta, isto é, para significar incluindo, porém não limitado a. Apenas as frases transicionais "consistindo em" e "consistindo essencialmente em" devem ser frases transicionais fechadas ou semifechadas, respec- tivamente.
[00529] As reivindicações não devem ser lidas como limitadas à or- dem ou elementos descritos, a menos que estabelecido para aquele efeito. Deve ser entendido que várias mudanças em forma e detalhes podem ser feitas por alguém versado na técnica sem afastar-se do es- pírito e escopo das reivindicações anexas. Todas as modalidades que se incluem no espírito e escopo das reivindicações que seguem e equivalentes a elas são reivindicadas.

Claims (22)

REIVINDICAÇÕES
1. Dispositivo integrado para analisar uma pluralidade de amostras em paralelo, caracterizado pelo fato de compreender: uma pluralidade de pixels dispostos sobre um substrato, em que um pixel individual da pluralidade de pixels compreende: uma cavidade de amostra que tem uma região de excitação configurada para reter uma amostra biológica; uma primeira estrutura localizada adjacente a, ou dentro da cavidade de amostra e configurada para realizar o acoplamento pelo menos da energia de excitação para dentro da região de excitação; e um sistema de sensibilização incluindo um sensor que é configurado para discriminar entre pelo menos duas diferentes emis- sões da cavidade de amostra, em que as duas diferentes emissões compreendem diferenças espectrais e/ou temporais; e circuitos dispostos sobre o substrato para receber pelo me- nos um sinal do sensor.
2. Dispositivo integrado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda pelo menos uma fonte de excitação sobre o substrato, que é arranjado para prover a energia de excitação para a cavidade de amostra.
3. Dispositivo integrado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira estrutura compreende uma estrutura plasmônica tridimensional, de micro ou nanoescala que me- lhora o acoplamento da energia de excitação na região de excitação por meio de plasmônios excitados na primeira estrutura.
4. Dispositivo integrado de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira estrutura compreende uma estrutura micro-ótica ou nano-ótica que aumenta uma intensidade da energia de excitação dentro da região de excitação.
5. Dispositivo integrado de acordo com a reivindicação 1,
caracterizado pelo fato de que o pixel ainda compreende uma segunda estrutura localizada adjacente à cavidade de amostra que é configura- da para direcionar as radiações emitidas da cavidade de amostra para dentro de uma pluralidade de diferentes distribuições espaciais que são dependentes dos comprimentos de ondas das radiações emitidas e para condensar as radiações emitidas em cada de uma pluralidade de diferentes direções.
6. Dispositivo integrado de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a cavidade de amostra compreende uma abertura de entrada, na qual a energia de excitação é recebida, em que o diâmetro da abertura de entrada está entre aproximadamente 30 nanômetros e aproximadamente 250 na- nômetros.
7. Dispositivo integrado de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a segunda estrutura compreende uma estrutura plasmônica que é formada próxima ao campo ótico da cavi- dade de amostra e, opcionalmente, em que a estrutura plasmônica é formada, pelo menos em parte, na mesma camada na qual a cavidade de amostra é formada.
8. Dispositivo integrado de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o sensor compre- ende pelo menos dois detectores espacialmente separados, opcional- mente, em que o sensor compreende um fotodetector do centro do al- vo que tem um detector de luz central e pelo menos um detector de luz em forma de anel espaçado de e circundando o detector de luz central.
9. Dispositivo integrado de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma fonte de excitação compreende uma pluralidade de OLEDs, PhOLEDs, QLED, LEDs, diodos de laser, ou VCSELs cada um disposto para for- necer energia de excitação para pelo menos uma cavidade de amos-
tra.
10. Método de análise de uma pluralidade de amostras em paralelo, caracterizado pelo fato de compreender: receber, em uma superfície de um substrato, um espécime contendo amostras; reter, em uma pluralidade de cavidades de amostras locali- zadas em uma pluralidade de pixels sobre o substrato, amostras da suspensão fluida; fornecer energia de excitação para um ou mais cavidades de amostras de pelo menos uma fonte de excitação; pelo menos uma para uma pluralidade de pixels: detectar uma emissão da cavidade de amostra em um sen- sor que é disposto para receber emissão da cavidade de amostra; receber um conjunto de sinal do sensor representativo da emissão detectada; e identificar uma propriedade de uma amostra retida na cavi- dade de amostra com base em uma análise do conjunto de sinal.
11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracteriza- do pelo fato de que o conjunto de sinal compreende dois sinais não zero produzidos pelo sensor da emissão e que são representativos de uma distribuição espacial e/ou temporal da emissão.
12. Método de acordo com a reivindicação 10 ou 11, carac- terizado pelo fato de que o sensor compreende um sensor de múltiplos segmentos.
13. Método de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 10 a 12, caracterizado pelo fato de que a análise compreende: avaliar uma relação de sinais dentro do conjunto de sinal; e identificar um tipo de emissor que gerou a emissão com ba- se na relação avaliada.
14. Método de acordo com qualquer uma das reivindica-
ções 10 a 13, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma fonte de excitação compreende pelo menos uma fonte de excitação de escala nano, formada dentro de cada pixel e alinhada a uma ou mais cavida- des de amostras.
15. Método para a fabricação de uma cavidade de amostra e estrutura ótica alinhada à cavidade de amostra, o método caracteri- zado pelo fato de que compreende: formar, em uma mesma etapa de padronização, um padrão para a cavidade de amostra e para a estrutura ótica em uma primeira camada disposta sobre um substrato; gravar o padrão da cavidade de amostra e a estrutura ótica dentro do substrato; cobrir pelo menos o padrão da cavidade de amostra com uma camada de resistência; depositar um material sobre o substrato, em que o material enche os vazios gravados dentro do substrato da gravação do padrão da estrutura ótica; e remover a camada de resistência.
16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracteriza- do pelo fato de que a estrutura ótica compreende uma grade circular.
17. Método de acordo com a reivindicação 15 ou 16, carac- terizado pelo fato de que a remoção da camada de resistência deixa a cavidade de amostra tendo uma dimensão transversa menor do que 500 nm e incluindo uma depressão em uma base da cavidade de amostra gravada dentro do substrato.
18. Método de sequenciamento de uma molécula de ácido nucleico, caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer energia de excitação a uma amostra bem formada em um primeiro pixel sobre um substrato; receber, em um sensor formado no primeiro pixel, uma pri-
meira emissão da cavidade de amostra, em que a primeira emissão está associada com um tipo de subunidade de ácido nucleico entre diferentes tipos de subunidades de ácido nucleico; produzir, pelo sensor, um primeiro sinal e um segundo sinal representativos da primeira emissão recebida; analisar o primeiro sinal e o segundo sinal; e identificar o tipo da subunidade de ácido nucleico com base na análise do primeiro sinal e do segundo sinal.
19. Método para sequenciamento de uma molécula de áci- do nucleico alvo, caracterizado pelo fato de que o método compreen- de: fornecimento de um dispositivo integrado que inclui (i) uma cavidade de amostra contendo a referida molécula de ácido nucleico alvo, uma enzima de polimerização e uma pluralidade de tipos de nu- cleotídeos ou análogos de nucleotídeo, e (ii) pelo menos uma fonte de excitação que direciona energia de excitação para a referida cavidade amostra; realização de uma reação de extensão em uma localização de imprimadura da referida molécula de ácido nucleico alvo na pre- sença da referida enzima de polimerização para sequencialmente in- corporar os referidos nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo em um filamento em crescimento que é complementar à referida molécula de ácido nucleico alvo, em que na incorporação e excitação por energia de excitação da referida fonte de excitação, os referidos nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo produzem emissões a partir da referida cavidade de amostra; detecção das referidas emissões em um sensor que é con- figurado para receber as referidas emissões a partir da referida cavi- dade de amostra; recebimento de conjuntos de sinal do sensor para cada emissão detectada, em que os conjuntos de sinal são representativos de distribuições espaciais e/ou temporais das referidas emissões de- tectadas e distingue tipos de nucleotídeos ou análogos de nucleotídeo; e identificação dos tipos de nucleotídeos ou análogos de nu- cleotídeo com base nos referidos conjuntos de sinais recebidos, desse modo sequenciando a referida molécula de ácido nucleico alvo.
20. Instrumento portátil, caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos um processador; uma plataforma configurada para receber um dispositivo integrado como definido na reivindicação 1; uma cobertura configurada para excluir a penetração a maior parte de luz externa na plataforma; e uma primeira pluralidade de contatos elétricos configurada para conectar uma segunda pluralidade de contatos elétricos no dis- positivo integrado, em que a força pode ser fornecida para o dispositi- vo integrado por meio de pelo menos algum da primeira pluralidade de contatos elétricos e pelo menos um sinal de cada sensor pode ser re- cebido por meio de pelo menos algum da primeira pluralidade de con- tatos elétricos.
21. Método para a fabricação de uma cavidade de amostra e estrutura ótica alinhada à cavidade de amostra, o método caracteri- zado pelo fato de que compreende: formar, em uma mesma etapa de padronização, um padrão para a cavidade de amostra e para a estrutura ótica em uma primeira camada de resistência disposta sobre um substrato; cobrir pelo menos o padrão da cavidade de amostra com uma segunda camada de resistência; gravar um padrão da estrutura ótica dentro do substrato;
remover porções da primeira camada de resistência não coberta pela segunda camada de resistência; remover a segunda camada de resistência; depositar um material sobre o substrato; e remover a porção restante da primeira camada de resistên- cia.
22. Método de formação de uma fonte de excitação de es- cala nano alinhada à cavidade de amostra, o método caracterizado pelo fato de que compreende: gravar uma via dentro de uma camada de isolamento de um substrato, o substrato compreendendo uma camada semiconduto- ra, uma camada de isolamento adjacente à camada semicondutora, e uma primeira camada condutora adjacente à camada de isolamento; formar um revestimento sacrificial sobre as paredes da via; gravar a via na camada semicondutora; e desenvolver epitaxialmente um pilar semicondutor tendo um primeiro tipo de condutividade dentro da via da parede semicondutora.
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