CN105980580B - 用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片 - Google Patents

用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片 Download PDF

Info

Publication number
CN105980580B
CN105980580B CN201480073505.9A CN201480073505A CN105980580B CN 105980580 B CN105980580 B CN 105980580B CN 201480073505 A CN201480073505 A CN 201480073505A CN 105980580 B CN105980580 B CN 105980580B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sample
excitation
energy
sample well
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480073505.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105980580A (zh
Inventor
乔纳森·M·罗思伯格
阿里·卡比里
杰森·W·斯克勒
布雷特·J·格亚凡思
杰瑞米·拉基
杰勒德·施密德
本杰明·西普里亚尼
杰克·朱厄尔
罗伦斯·威斯特
迈克尔·费里尼奥
保罗·E·格伦
亚当·E·科恩
安东尼·贝罗菲奥雷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Quantum Si Inc
Original Assignee
Quantum Si Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Quantum Si Inc filed Critical Quantum Si Inc
Priority to CN201910752352.5A priority Critical patent/CN110452809B/zh
Priority to CN202010074109.5A priority patent/CN111235246B/zh
Publication of CN105980580A publication Critical patent/CN105980580A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105980580B publication Critical patent/CN105980580B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6486—Measuring fluorescence of biological material, e.g. DNA, RNA, cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/508—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above
    • B01L3/5085—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above for multiple samples, e.g. microtitration plates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6869—Methods for sequencing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6869—Methods for sequencing
    • C12Q1/6874—Methods for sequencing involving nucleic acid arrays, e.g. sequencing by hybridisation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6452—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/648—Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N21/774—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure
    • G01N21/7743—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure the reagent-coated grating coupling light in or out of the waveguide
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N21/7746—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the waveguide coupled to a cavity resonator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/12—Specific details about manufacturing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0829—Multi-well plates; Microtitration plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0893—Geometry, shape and general structure having a very large number of wells, microfabricated wells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/16—Surface properties and coatings
    • B01L2300/168—Specific optical properties, e.g. reflective coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2521/00—Reaction characterised by the enzymatic activity
    • C12Q2521/10—Nucleotidyl transfering
    • C12Q2521/101—DNA polymerase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2525/00—Reactions involving modified oligonucleotides, nucleic acids, or nucleotides
    • C12Q2525/10—Modifications characterised by
    • C12Q2525/101—Modifications characterised by incorporating non-naturally occurring nucleotides, e.g. inosine
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2537/00—Reactions characterised by the reaction format or use of a specific feature
    • C12Q2537/10—Reactions characterised by the reaction format or use of a specific feature the purpose or use of
    • C12Q2537/157—A reaction step characterised by the number of molecules incorporated or released
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2563/00—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties
    • C12Q2563/103—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties luminescence
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2563/00—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties
    • C12Q2563/107—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties fluorescence
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2565/00—Nucleic acid analysis characterised by mode or means of detection
    • C12Q2565/60—Detection means characterised by use of a special device
    • C12Q2565/607—Detection means characterised by use of a special device being a sensor, e.g. electrode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N2021/6417—Spectrofluorimetric devices
    • G01N2021/6419—Excitation at two or more wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"
    • G01N2021/6439—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes" with indicators, stains, dyes, tags, labels, marks
    • G01N2021/6441—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes" with indicators, stains, dyes, tags, labels, marks with two or more labels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N2021/6463—Optics
    • G01N2021/6478—Special lenses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6452—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
    • G01N21/6454—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates using an integrated detector array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02—Mechanical
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/061—Sources
    • G01N2201/06113—Coherent sources; lasers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/061—Sources
    • G01N2201/06113—Coherent sources; lasers
    • G01N2201/0612—Laser diodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/062—LED's
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/068—Optics, miscellaneous
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/125—Digital circuitry
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)

Abstract

用于分析单分子和进行核酸测序的器械和方法。一种器械可包括测定芯片，其包括具有样品孔的多个像素，所述样品孔被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；至少一个在特定方向中指引所述发射能量的元件；以及光路径，所述发射能量沿所述光路径从所述样品孔向传感器行进。所述器械还包括与所述测定芯片通过接口连接的仪器。所述仪器包括用于在每个样品孔中激发所述样品的激发光源；和与所述样品孔相应的多个传感器。每个传感器可在各样品孔中检测源于样品的发射能量。所述仪器包括至少一个光学元件，其将源于每个样品孔的所述发射能量引向所述多个传感器中的各个传感器。

Description

用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片
相关申请案
本申请根据美国法典第35编第119条要求于2013年11月17日提交的序列号为61/905282且题为“用于探测、检测和分析分子的集成装置”的美国临时专利申请；于2013年12月18日提交的序列号为61/917926且题为“用于探测、检测和分析分子的集成装置”的美国临时专利申请；于2014年2月19日提交的序列号为61/941916且题为“用于探测、检测和分析分子的集成装置”的美国临时专利申请的权益，所有专利均通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明一般涉及用于进行生物和/或化学样品的快速、大规模并行的定量分析的装置、方法和技术以及制造该装置的方法。
背景技术
可使用生物测定(“生物测定bioassays”)进行生物样品的检测和分析。生物测定通常涉及大且昂贵的实验室设备，其需要对做研究的科学家进行培训以操作设备和进行生物测定。此外，照惯例，生物测定是大批量进行的，从而使得大量特定类型的样品对于检测和定量来说是必需的。
一些生物测定是通过用发射具有特定波长的光的发光标记对样品进行标记而进行的。标记用激发光源进行照亮以实现发光，且发光光线是通过光检测器进行检测以量化由该标记发射的发光光线的量。现有的使用发光标记的生物测定涉及用于对样品进行照亮的昂贵的激光光源，以及复杂且庞大的用于从照亮的样品采集发光的检测光学和电子元件。
发明内容
本文所述的技术涉及使用测定芯片和仪器快速分析样本的器械和方法。测定芯片可采用被配置成接收少量的样本且并行执行对在样本中的样品的大量分析的一次性或可回收的芯片。在一些实施例中，测定芯片和仪器可被用于检测特定化学或生物分析物的存在，在一些实施例中，其可被用于评估化学或生物反应，且在一些实施例中，其可被用于确定基因序列。根据一些实施方案，集成装置可被用于单分子基因测序。
根据一些实施方案，用户将室中的样本沉积在测定芯片上并将测定芯片插入接收仪器中。仪器，单独地或与计算机进行通信地，自动与集成装置通过接口连接，从测定芯片发送和接收光，检测和处理所接收的光并将分析结果提供给用户。
根据一些实施例，一种测定芯片包括样品孔，其被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；至少一个在特定方向中指引发射能量的元件；以及光路径，发射能量沿光路径从样品孔向传感器行进。至少一个元件选自由折射元件、衍射元件、等离激元元件和谐振器所组成的组。
在一些实施例中，测定芯片在处置之前仅用于单个生物测定中。
在一些实施例中，至少一个元件包括至少一个被配置成将发射能量引向传感器的透镜。
在一些实施例中，至少一个透镜为折射透镜。
在一些实施例中，光路径包括至少一个抗反射层，其被配置成在测定芯片的一个或多个接口处减少发射能量的反射。
在一些实施例中，测定芯片还包括一次性框架。
在一些实施例中，至少一个元件包括同心环形光栅。
在一些实施例中，同心环形光栅被配置成增加源于耦合至样品孔并激发样品的激发光源的激发光的量。
在一些实施例中，同心环形光栅还被配置成将发射能量引向传感器。
在一些实施例中，同心环形光栅为非周期性同心环形光栅。
在一些实施例中，至少一个透镜为衍射透镜。
在一些实施例中，至少一个元件包括电介质谐振器天线。
根据一些实施例，一种仪器被配置成与包括多个样品孔的测定芯片通过接口连接，多个样品孔中的每个样品孔被配置成接收样品，仪器包括被配置成激发多个样品孔中的至少一部分的样品的至少一个激发光源；多个传感器，多个传感器中的每个传感器与多个样品孔的样品孔相对应，其中多个传感器中的每个传感器被配置成检测源于各个样品孔中的样品的发射能量；以及至少一个光学元件，其被配置成将发射能量从多个样品孔中的每个样品孔引向多个传感器中的各个传感器。
在一些实施例中，仪器还包括多向色镜，其被配置成将源于至少一个激发光源的激发光向测定芯片反射并将源于多个样品的发射能量向多个传感器传输。
在一些实施例中，至少一个光学元件包括中继透镜。
在一些实施例中，至少一个激发光源包括多个光源，多个光源中的每个光源在多个波长中的一个或多个上发射激发光。
在一些实施例中，仪器还包括将从多个光源中的每一个发射出的光在空间上进行重叠的波长合波器。
在一些实施例中，至少一个激发光源包括脉冲光源。
在一些实施例中，仪器还包括至少一个滤谱器，其被配置成传输发射能量并吸收和/或反射源于至少一个激发光源的激发光。
在一些实施例中，仪器还包括用于将第一波长的发射能量与第二波长的发射能量在空间上进行分离的至少一个光谱分选元件。
在一些实施例中，至少一个光谱分选元件包括衍射光学元件。
在一些实施例中，衍射光学元件使发射能量发生色散并聚焦发射能量。
在一些实施例中，衍射光学元件包括偏移菲涅耳透镜。
在一些实施例中，至少一个光谱分选元件为滤光元件。
在一些实施例中，仪器还包括控制系统，其被编程为(i)将激发光引向该多个样品孔，(ii)在该多个传感器检测源于该多个孔的信号，以及(iii)使用该信号的空间分布图式识别该样品或其亚基。
根据一些实施例，一种器械包括测定芯片，其包括多个像素以及被配置成与测定芯片通过接口连接的仪器。测定芯片的多个像素中的每一个包括样品孔，其被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；至少一个在特定方向中指引发射能量的元件，其中至少一个元件选自由折射元件、衍射元件、等离激元元件和谐振器所组成的组；以及光路径，发射能量沿光路径从样品孔向传感器行进。仪器包括至少一个激发光源，其被配置成在每个样品孔中激发样品；多个传感器，多个传感器中的每个传感器与各个样品孔相对应，其中多个传感器中的每个传感器被配置成检测源于在各个样品孔中的样品的发射能量；以及至少一个光学元件，其被配置成将源于每个样品孔的发射能量引向多个传感器中的各个传感器。
在一些实施例中，测定芯片被配置成与仪器连接并从仪器进行移除。
在一些实施例中，当测定芯片被连接至仪器时，在多个样品孔中的样品孔和多个传感器中的相应传感器之间的光学距离小于30cm。
在一些实施例中，当测定芯片被连接至仪器时，在多个样品孔中的样品孔和多个传感器中的相应传感器之间的光学距离小于5cm。
在一些实施例中，当测定芯片被连接至仪器时，在多个样品孔中的样品孔和多个传感器中的相应传感器之间的光学距离小于1cm。
在一些实施例中，仪器为便携式的。
在一些实施例中，每个样品包括在多个波长带的一个波长带内发射出发射能量的发光标记；以及多个传感器中的每个传感器包括子传感器，其被配置成在多个波长带中的每一个上检测发射能量。
在一些实施例中，多个传感器中的每个传感器包括至少两个子传感器。
在一些实施例中，多个传感器中的每个传感器包括至少四个子传感器。
在一些实施例中，仪器还包括至少一个依赖于波长的元件，其将第一波长的发射能量引向至少两个子传感器中的第一子传感器并将第二波长的发射能量引向至少两个子传感器中的第二子传感器。
在一些实施例中，至少一个依赖于波长的元件为衍射光学元件。
在一些实施例中，至少一个依赖于波长的元件为滤谱器。
在一些实施例中，至少一个激发源发射出脉冲光。
在一些实施例中，与第一样品相关联的第一发光标记是由第一波长的光激发的，而不是由第二波长的光激发的；以及与第二样品相关联的第二发光标记是由第二波长的光激发的，而不是由第一波长的光激发的。
根据一些实施例，一种分析样本的方法包括在包括多个样品孔的测定芯片的顶面上提供样本；将芯片与包括至少一个激发光源和至少一个传感器的仪器相对齐；用源于至少一个激发光源的激发光激发在多个样品孔中的至少一个中的源于样本的样品；以及响应于通过激发光进行的激发用至少一个传感器检测在至少一个样品孔中的由样品生成的发射能量。
在一些实施例中，该方法还包括基于对发射能量的检测确定发射出发射能量的分子类型。
在一些实施例中，确定分子类型包括测量发射能量的光谱特性。
在一些实施例中，确定分子类型还包括确定激发样品的激发光的波长。
在一些实施例中，至少一个激发光源发射出连续波光。
在一些实施例中，至少一个激发光源发射出脉冲光。
在一些实施例中，至少一个激发光源包括多个激发光源，多个激发光源中的每个激发光源发射出不同波长的光。
在一些实施例中，样品包括被附至荧光团的至少一个核苷酸。
根据一些实施例，一种对靶核酸分子进行测序的方法包括：(a)提供芯片，该芯片邻近包括激发源和传感器的仪器的芯片，其中该芯片包括至少一个孔，当该芯片位于该仪器的传感位置上时，该至少一个孔被操作性地耦合至该激发源和该传感器，且其中该孔含有该靶核酸分子、聚合酶和多种类型的核苷酸或核苷酸类似物；(b)在存在有该聚合酶的情况下，用在该传感位置上的该芯片在该靶核酸分子的引发位置上进行延伸反应以相继将该核苷酸或核苷酸类似物结合至与该靶核酸分子互补的生长链中，其中在结合和通过源于该激发源的激发能量进行激发后，该核苷酸或核苷酸类似物在该孔中发射信号；(c)使用该传感器检测可对该多种类型的核苷酸或核苷酸类似物进行区分的该信号的空间和/或时间分布图；以及(d)基于该信号的该空间和/或时间分布图式识别该核苷酸或核苷酸类似物，从而对该靶核酸分子进行测序。
在一些实施例中，核苷酸或核苷酸类似物包括在结合至该生长链中后发射该信号的标记。
在一些实施例中，标记为发光标记。
在一些实施例中，核苷酸或核苷酸类似物是在检测该信号的空间和/或时间分布图式后进行识别的。
在一些实施例中，多种类型的核苷酸或核苷酸类似物包括四种不同类型的核苷酸或核苷酸类似物，且其中与该四种不同类型的核苷酸或核苷酸类似物相关联的该信号的空间和/或时间分布图式彼此是可区别的。
在一些实施例中，与该四种不同类型的核苷酸或核苷酸类似物相关联的信号的空间和/或时间分布图式是彼此分开进行检测的。
在一些实施例中，信号的空间和/或时间分布图式可基于空间和/或时间分布图式中的每一个的形状和/或强度分布而彼此区别开来。
在一些实施例中，引发位置包括与靶核酸分子互补的引物。
在一些实施例中，该方法的动作(b)包括使用被杂交至该靶核酸分子以产生该生长链的该引物进行引物延伸反应。
在一些实施例中，靶核酸分子为双链的。
在一些实施例中，引发位置为在该靶核酸分子中的间隙或缺口。
在一些实施例中，聚合酶被固定在该孔中。
在一些实施例中，聚合酶被固定在该孔的底部。
在一些实施例中，聚合酶是使用被附至该孔的表面的连接子进行固定的。
在一些实施例中，聚合酶表现出链置换活性。
在一些实施例中，该孔是在该芯片中的多个孔中的一个。
在一些实施例中，仪器包括被操作性地耦合至该多个孔的多个激发源。
在一些实施例中，在进行方法的动作(c)之前，该信号的空间和/或时间分布图式是根据该信号生成的。
根据一些实施例，一种用于核酸测序的方法包括：(a)提供邻近仪器的芯片，其中该芯片包括多个孔，当该芯片位于该仪器的传感位置上时，该多个孔中的每一个被操作性地耦合至该仪器的(i)激发源和(ii)传感器，且其中该多个孔中的各个孔含有该靶核酸分子、聚合酶和多种类型的核苷酸或核苷酸类似物；(b)在存在有该核苷酸或核苷酸类似物和该聚合酶的情况下用在该传感位置上的该芯片使该靶核酸分子进行聚合反应以产生与该靶核酸分子互补的生长链，其中该核苷酸或核苷酸类似物在结合期间在通过源于该激发源的激发能量进行激发后在该各个孔中发射信号；(c)使用该传感器检测可对该多种类型的核苷酸或核苷酸类似物进行区分的该信号的空间和/或时间分布图式；以及(d)基于该信号的该空间和/或时间分布图式识别该靶核酸分子的序列。
在一些实施例中，核苷酸或核苷酸类似物包括在结合至该生长链中后发射该信号的标记。
在一些实施例中，标记为发光标记。
在一些实施例中，序列是在检测该信号的该空间和/或时间分布图式后进行识别的。
在一些实施例中，多种类型的核苷酸或核苷酸类似物包括四种不同类型的核苷酸或核苷酸类似物，且其中与该四种不同类型的核苷酸或核苷酸类似物相关联的该信号的该空间和/或时间分布图式彼此是可区别的。
在一些实施例中，与该四种不同类型的核苷酸或核苷酸类似物相关联的该信号的空间和/或时间分布图式是彼此分开进行检测的。
在一些实施例中，该方法的动作(b)包括使用被杂交至该靶核酸分子以产生该生长链的引物进行引物延伸反应。
在一些实施例中，靶核酸分子为单链的。
在一些实施例中，聚合酶被固定在该孔中。
在一些实施例中，激发源被操作性地耦合至该多个孔。
在一些实施例中，该方法的动作(c)包括检测该信号的空间和/或时间分布图式。
在一些实施例中，仪器包括被操作性地耦合至该多个孔的多个激发源。
在一些实施例中，仪器包括被操作性地耦合至该多个孔的多个传感器。
在一些实施例中，在进行方法的动作(c)之前，该信号的空间和/或时间分布图式是根据该信号生成的。
根据结合附图的下列描述可更完全地理解本教义的前述和其他方面、实施例和特性。
术语“像素”在本发明中可被用于指代集成装置的单胞。单胞可包括样品孔和传感器。单胞还可包括激发源。单胞还可包括至少一个激发耦合光学结构(可被称之为“第一结构”)，其被配置成加强从激发源至样品孔的激发能量的耦合。单胞还可包括至少一个发射耦合结构，其被配置成加强从样品孔至传感器的发射的耦合。单胞还可包括集成电子装置(例如，CMOS装置)。在集成装置上还可以有按阵列而在的多个像素。
术语“光学”可在本发明中被用于指代可见、近红外和短波长红外光谱带。
术语“标记”可在本发明中被用于指代被附至要进行分析的样品或被附至可在样品中进行反应的反应物的标记、探针、标记物或报告物。
短语“激发能量”可在本发明中被用于指代被(例如，辐射性或非辐射性地)输送至在样品孔内的样品和/或标记的任何形式的能量。辐射性激发能量可包括在一个或多个特征波长上的光学辐射。
短语“特征波长”可在本发明中被用于指代在有限辐射带宽内的中心或主波长。在一些情况下，其可指代辐射带宽的峰值波长。荧光团的特征波长的实例为563nm、595nm、662nm和687nm。
短语“特征波长”可在本发明中被用于指代与特征波长相关联的能量。
术语“发射”可在本发明中被用于指代源于标记和/或样品的发射。这可包括辐射性发射(例如，光学发射)或非辐射性能量传递(例如，德克斯特能量传递或福斯特谐振能量传递)。发射是由源于样品孔内的样品和/或标记的激发而产生的。
短语“源于样品孔的发射”或“源于样品的发射”可在本发明中被用于指代源于样品孔内的标记和/或样品的发射。
术语“自对齐”可在本发明中用于指代微制造工艺，其中至少两个不同的元件(例如，样品孔和发射耦合结构，样品孔和激发源)可在不使用两个分离的光刻图案化步骤的情况下进行制造并与彼此相对齐，在这两个步骤中，第一个光刻图案化步骤(例如，光刻、离子束光刻、EUV光刻)打印出第一元件的图案，且第二个光刻图案化步骤与第一个光刻图案化步骤相对齐并打印出第二个元件的图案。自对齐工艺可包括在单个光刻图案化步骤中包括第一和第二元件的图案或可包括使用第一元件的制造结构的特性形成第二元件。
术语“传感器”可在本发明中被用于指代一个或多个集成电路装置，其被配置成感测源于样品孔的发射并产生代表所感测发射的至少一个电信号。
术语“纳米级”可在本发明中被用于指代一种结构，其具有在150纳米(nm)或更小，但不超过约500nm的级别上的至少一个尺寸或最小特性大小。
术语“微米级”可在本发明中被用于指代一种结构，其具有在约500nm和约100微米之间的至少一个尺寸或最小特性大小。
短语“加强激发能量”可在本发明中被用于指代在样品孔的激发区增加激发能量的强度。例如，强度可通过聚集和/或谐振在样品孔上入射的激发能量而增加。在一些情况下，强度可通过允许激发能量进一步地穿透至样品孔的激发区中的抗反射涂层或有损层而增加。激发能量的加强可以是不包括用于在样品孔的激发区加强激发能量的结构的实施例的比较照应。
术语“约”、“大约”和“基本上”可在本发明中被用于指代数值且旨在包含加减可接受变化的参考值。变化量在一些实施例中可小于5％，在一些实施例中小于10％且在一些实施例中更小于20％。在其中器械可在大数值范围，例如包括一个或多个数量级的范围中正确运行的实施例中，变化量可以是2的因数。例如，如果对于范围在20至350的数值而言器械可正确运行，那么“约80”则可包含在40和160之间的数值。
术语“邻近”可在本发明中被用于指代被布置成彼此紧邻的两个元件(例如，在小于像素的横向或竖向尺寸的五分之一的距离内)。在一些情况下，在相邻的元件之间可具有中间结构或层。在一些情况下，相邻的元件可在不具有中间结构或元件的情况下而彼此紧邻。
术语“检测”可在本发明中被用于指代在传感器接收源于样品孔的发射并产生代表发射或与其相关联的至少一个电信号。术语“检测”可在本发明中被用于指代基于源于样品孔的发射而确定在样品孔中的特定样品或标记的存在或识别其特性。
附图说明
熟练的技术人员将理解本文所述的附图仅用于说明的目的。在某些情况下，要理解的是本发明的各个方面可夸张或放大地示出以便理解本发明。在附图中，相同的参照字符在所有的各个附图中通常指代相同的特性、功能上类似的和/或结构上类似的元件。附图无需按比例绘制，而是将重点放在说明本教义的原理上。附图并不旨在以任何方式限定本发明的范围。
图1-1示出根据一些实施例的发射波长光谱。
图1-2A示出根据一些实施例的吸收波长光谱。
图1-2B示出根据一些实施例的发射波长光谱。
图2-1为表示根据一些实施例的可用于生物和化学样本的快速移动分析的器械的方框图表示。
图2-2为根据一些实施例的在传感器芯片的像素和测定芯片的像素之间关系的示意图。
图2-3示出根据一些实施例的与测定芯片的单个像素和传感器芯片的单个像素相关联的组件。
图2-4示出根据一些实施例的仪器组件的一部分。
图3-1A为根据一些实施例的测定芯片和芯片支架框的俯视图。
图3-1B为根据一些实施例的测定芯片和芯片支架框的仰视图。
图3-1C示出根据一些实施例的测定芯片和芯片支架框。
图3-2示出根据一些实施例的在样品孔上入射的激发能量。
图3-3示出根据一些实施例的沿作为零模式波导形成的样品孔的激发能量的衰减。
图3-4示出包括凹坑的样品孔，其在一些实施例中增加了在与样品孔相关联的激发区处的激发能量。
图3-5根据一些实施例将用于具有且不具有凹坑的样品孔的激发强度进行比较。
图3-6示出根据一些实施例的在突起处形成的样品孔和凹坑。
图3-7A示出根据一些实施例的具有锥形侧壁的样品孔。
图3-7B示出根据一些实施例的具有弯曲侧壁和具有更小横向尺寸的凹坑的样品孔。
图3-7C和3-7D示出从表面等离激元结构形成的样品孔。
图3-7E示出根据一些实施例的包括沿样品孔的侧壁形成的激发能量加强结构的样品孔。
图3-7F示出根据一些实施例的在多层堆中形成的样品孔。
图3-8示出根据一些实施例的在样品孔的表面上形成的表面涂层。
图3-9A至图3-9E示出根据一些实施例的与形成样品孔的剥离工艺相关联的结构。
图3-9F示出根据一些实施例的与形成样品孔的替代剥离工艺相关联的结构。
图3-10A至图3-10D示出根据一些实施例的与形成样品孔的直接蚀刻工艺相关联的结构。
图3-11示出根据一些实施例的可通过使用剥离工艺或直接蚀刻工艺在多层中形成的样品孔。
图3-12示出根据一些实施例的可与可被用于形成凹坑的蚀刻工艺相关联的结构。
图3-13A至图3-13C示出根据一些实施例的与形成凹坑的替代工艺相关联的结构。
图3-14A至图3-14D示出根据一些实施例的与用于沉积粘附剂和钝化层的工艺相关联的结构。
图3-15示出根据一些实施例的与用于在样品孔内中心沉积粘附剂的工艺相关联的结构。
图4-1A和图4-1B示出仅根据一个实施例的表面-等离激元结构。
图4-1C示出根据一些实施例的邻近样品孔形成的表面-等离激元结构。
图4-1D和图4-1E示出根据一些实施例的在样品孔中形成的表面-等离激元结构。
图4-2A至图4-2C示出根据一些实施例的周期性表面等离激元结构的实例。
图4-2D示出根据一些实施例的在邻近周期性表面等离激元结构形成的样品孔处的激发能量的数值模拟。
图4-2E至图4-2G示出根据一些实施例的周期性表面等离激元结构。
图4-2H至图4-2I示出根据一些实施例的包括表面等离激元结构的纳米天线。
图4-3A至图4-3E示出根据一些实施例的与用于形成表面等离激元结构的工艺步骤相关联的结构。
图4-4A至图4-4G示出根据一些实施例的与用于形成表面等离激元结构和自对齐样品孔的工艺步骤相关联的结构。
图4-5A至图4-5E示出根据一些实施例的与用于形成表面等离激元结构和自对齐样品孔的工艺步骤相关联的结构。
图4-6A示出根据一些实施例的邻近样品孔形成的薄有损膜。
图4-6B和图4-6C示出根据一些实施例的源于在样品孔和薄有损膜附近对激发能量进行数值模拟的结果。
图4-6D示出根据一些实施例的与样品孔相间隔的薄有损膜。
图4-6E示出根据一些实施例的邻近样品孔形成的薄有损膜堆。
图4-7A示出根据一些实施例的可被用于形成邻近样品孔的谐振腔的反射堆。
图4-7B示出根据一些实施例的可被用于在样品孔聚集激发能量的电介质结构。
图4-7C和图4-7D示出根据一些实施例的可邻近样品孔进行图案化的光子带隙结构。
图4-8A至图4-8G示出根据一些实施例的与形成电介质结构和自对齐的样品孔的工艺步骤相关联的结构。
图4-9A和图4-9B示出根据一些实施例的用于经非辐射性工艺将激发能量耦合至样品的结构。
图4-9C示出根据一些实施例的用于经多个非辐射性工艺将激发能量耦合至样品的结构。
图4-9D示出根据一些实施例的经辐射性或非辐射性工艺结合一个或多个能量转换粒子以将激发能量耦合至样品的结构。
图4-9E示出根据一些实施例的与激发能量至样品的下转换相关联的光谱。
图4-9F示出根据一些实施例的与激发能量至样品的上转换相关联的光谱。
图5-1示出根据一些实施例的同心等离激元圆形光栅。
图5-2示出根据一些实施例的螺旋等离激元光栅。
图5-3示出根据一些实施例的源于同心等离激元圆形光栅的发射空间分布图式。
图5-4A至图5-4B示出根据一些实施例的等离激元纳米天线。
图5-5A至图5-5B示出根据一些实施例的等离激元纳米天线。
图5-6A示出根据一些实施例的测定芯片的折射光学元件。
图5-6B示出根据一些实施例的测定芯片的菲涅尔透镜。
图6-1示出根据一些实施例的仪器的显微镜学组件。
图6-2A示出根据一些实施例的传感器芯片的远场光谱分拣光学元件。
图6-2B示出根据一些实施例的传感器芯片的远场滤波元件。
图6-3A和图6-3B示出根据一些实施例的传感器芯片的薄有损膜。
图6-4示出根据一些实施例的仪器的光学区块。
图7-1A以正视图示出根据一些实施例的在传感器芯片的像素内的传感器。
图7-1B示出根据一些实施例的具有两个分离的且同心的有源区的靶心传感器。
图7-1C示出根据一些实施例的具有四个分离的有源区的条形传感器。
图7-1D示出根据一些实施例的具有四个分离的有源区的四分象传感器。
图7-1E示出根据一些实施例的具有四个分离的有源区的弧段传感器。
图7-1F示出根据一些实施例的堆叠段传感器。
图7-2A示出根据一些实施例的用于在第一波长发射出的能量的源于分选元件的发射分布。
图7-2B示出根据一些实施例的与图7-2C中所示的发射分布相应的由靶心传感器所接收的辐射图式。
图7-2C示出根据一些实施例的用于在第二波长发射出的能量的源于分选元件的发射分布。
图7-2D示出根据一些实施例的与图7-2C中所示的发射分布相应的由靶心传感器所接收的辐射图式。
图7-2E示出根据一些实施例的对用于源于样品的第一发射波长的用于具有两个有源区的靶心传感器的信号检测进行数值模拟的结果。
图7-2F表示根据一些实施例的对用于源于样品的第二发射波长的用于与图7-2E相关联的靶心传感器的信号检测进行数值模拟的结果。
图7-2G表示根据一些实施例的对用于源于样品的第三发射波长的用于与图7-2E相关联的靶心传感器的信号检测进行数值模拟的结果。
图7-2H表示根据一些实施例的对用于源于样品的第四发射波长的用于与图7-2E相关联的靶心传感器的信号检测进行数值模拟的结果。
图7-2I示出根据一些实施例的对用于源于样品的第一发射波长的用于具有四个有源区的靶心传感器的信号检测进行数值模拟的结果。
图7-2J表示根据一些实施例的对用于源于样品的第二发射波长的用于与图7-2I相关联的靶心传感器的信号检测进行数值模拟的结果。
图7-3A示出根据一些实施例的在可被用于从包括两个有源区的传感器读取信号的仪器的电路。
图7-3B示出根据一些实施例的可被包括在用于信号累积和读出的传感器芯片处的三晶体管电路。
图7-3C示出根据一些实施例的在可被用于从包括四个有源区的传感器读取信号的仪器的电路。
图7-4A示出根据一些实施例的用于可被用于样品分析的两种不同发射体的时间发射特征。
图7-4B示出根据一些实施例的源于样品的激发源和发光的时间演变。
图7-4C示出根据一些实施例的时间延迟采样。
图7-4D示出根据一些实施例的用于两个不同发射体的时间发射特征。
图7-4E示出根据一些实施例的在传感器的电荷累积节点的电压动力学。
图7-4F示出根据一些实施例的不进行重设的传感器段的重复读取。
图7-4G和图7-4H示出根据一些实施例的与具有时间上不同的发射特征的两个发射体相关联的第一和第二读取信号电平。
图8-1A和图8-1B示出根据一些实施例的激发源的光谱激发带。
图9-1示出根据一些实施例的可被用于生物和化学样本的快速移动分析的紧凑器械的操作的方法。
图9-2示出根据一些实施例的校准程序。
图9-3示出根据一些实施例的数据分析程序。
图10示出根据一些实施例的计算环境。
通过下面结合附图的详细描述，本申请的实施例的特性和优点将变得更加显而易见。
具体实施方式
I.发明人对问题及其解决方案的认识
发明人已认识并理解到用于进行生物测定的现有器械是大型且昂贵的且需要先进的实验室技术以用于执行。许多类型的生物测定取决于对样本中的单个分子的检测。照惯例，单个分子检测可能需要用于生成激发分子所需的高强度光的大型庞大的激光系统。此外，庞大的光学组件可被用于将激光引向样本且额外的光学组件可被用于将发光光线从样本引向传感器。这些常规的光学组件可能需要精确的对齐和稳定化。使用这种常规设备所需的常规实验室设备和培训可能导致复杂且昂贵的生物测定。
发明人已经认识并理解到需要一种可简单并廉价地分析生物和/或化学样本以确定其组成部分的身份的装置。这种装置的应用可用于对生物分子，如具有多个氨基酸的核酸分子或多肽(例如，蛋白质)进行测序。用于进行单分子或粒子的检测和定量的紧凑的高速器械可降低对生物和/或化学样品进行复杂定量测量的成本并快速推进生化技术发现的速率。此外，易于运输的具有成本效益的装置不仅能变换在发达世界中进行生物测定的方式，还第一次使在发展中区域中的人们可进行可显著地改善其健康和福利的必要诊断测试。例如，在一些实施例中，用于进行生物测定的器械被用于进行生物样品，如血液、尿液和/或唾液的诊断测试。该器械可由个人在家中使用，由医生在发展中国家中的偏远诊所中或任何其他位置，如在乡村医生的办公室中使用。这种诊断测试可包括检测受试者的生物样品的生物分子，如核酸分子或蛋白质。在一些实例中，诊断测试包括对受试者的生物样品中的核酸分子进行测序，如对受试者的生物样品中的无细胞的脱氧核糖核酸分子或表达产物进行测序。
如本文所使用的，术语“核酸”一般是指包括一个或多个核酸亚基的分子。核酸可包括选自腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)或其变体的一个或多个亚基。在一些实例中，核酸是脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)或其衍生物。核酸可以是单链或双链的。核酸可以是圆形的。
如本文所使用的，术语“核苷酸”通常指核酸亚基，其可包括A、C、G、T或U或其变体或类似物。核苷酸可包括可被结合至生长核酸链的任何亚基。这种亚基可以是A、C、G、T或U或任何其他亚基，其特定于一个或多个互补的A、C、G、T或U或与嘌呤(即，A或G或其变体或类似物)或嘧啶(即，C、T或U或其变体或类似物)互补。亚基可使各个核酸碱基或碱基团(例如，AA、TA、AT、GC、CG、CT、TC、GT、TG、AC、CA或其尿嘧啶的相对物)被溶解。
核苷酸通常包括核苷酸和至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多的磷酸(PO3)基团。核苷酸可包括核碱基、五碳糖(核糖或脱氧核糖)和一个或多个磷酸基团。核糖核苷酸是其中的糖为核糖的核苷酸。脱氧核糖核苷酸是其中的糖为脱氧核糖的核苷酸。核苷酸可以是一磷酸核苷或多磷酸核苷。核苷酸可以是多磷酸脱氧核糖核苷酸，如三磷酸脱氧核糖核苷酸，其可以选自三磷酸脱氧腺苷(dATP)、脱氧胞苷三磷酸(dCTP)、三磷酸鸟苷(dGTP)、三磷酸脱氧尿苷(dUTP)和脱氧胸苷三磷酸(dTTP)dNTP，其包括可检测标记，如发光标记或标记物(例如，荧光团)。
多磷酸核苷可具有“n”个磷酸基团，其中“n”是一个大于或等于2、3、4、5、6、7、8、9或10的数字。多磷酸核苷的实例包括二磷酸核苷和三磷酸核苷。核苷酸可以是末端磷酸标记的核苷酸，如末端磷酸标记的多磷酸核苷。这种标记可以是发光(例如，荧光或化学发光)标记、荧光标记、有色标记、生色标记、质量标记、静电标签或电化学标记。标记(或标记物)可通过连接子被耦合至末端磷酸。连接子可包括，例如，至少一个或多个羟基、巯基、氨基或卤代烷基，其可适于在天然或修改的核苷酸的末端磷酸形成，例如，磷酸酯、硫酯、氨基磷酸酯或烷基磷酸酯连接。连接子是可切割的以从末端磷酸分离标记，如在聚合酶的帮助下进行。在通过引用整体并入本文的美国专利号7041812中提供了核苷酸和连接子的实例。
如本文所使用的，术语“聚合酶”一般是指能够催化聚合反应的任何酶(或聚合酶)。聚合酶的实例包括但不限于核酸聚合酶、转录酶或连接酶。聚合酶可以是聚合酶。
术语“基因组”一般指生物体全部遗传信息。基因组可在DNA或RNA中进行编码。基因组可包括为蛋白质以及非编码区进行编码的编码区。基因组可包括在生物体中的所有染色体在一起的序列。例如，人类基因组总共具有46个染色体。所有这些在一起的序列构成了人类基因组。
本发明提供了用于检测生物分子或其亚基，如核酸分子的装置、系统和方法。这种检测可包括测序。可从源于受试者获得的生物样品中提取出生物分子。生物样品可从受试者的体液或组织，如呼气、唾液、尿液或血液(例如，全血或血浆)中提取出来。受试者可能被怀疑具有健康状况，如疾病(例如，癌症)。在一些实例中，从受试者的体液或组织提取一个或多个核酸分子。一个或多个核酸分子可从源于受试者获得的一个或多个细胞，如受试者的组织的一部分提取出来或从源于受试者的无细胞的体液，如全血获得。
生物样品可在用于检测的准备中进行处理(例如，测序)。这种处理可包括将生物分子(例如，核酸分子)从生物样品分离和/或纯化出来并生成生物分子的更多拷贝。在一些实例中，一个或多个核酸分子从受试者的体液或组织进行分离和纯化，并通过核酸扩增，如聚合酶链反应(PCR)而进行扩增。随后，可识别，如通过测序而识别一个或多个核酸分子或其亚基。
测序可包括通过合成与模板互补或类似的另一个生物分子，如通过合成与模板核酸分子互补的核酸分子并识别核苷酸随时间的结合(即，通过合成进行的测序)而确定模板生物分子(例如，核酸分子)的各个亚基。作为一个替代方案，测序可包括直接识别生物分子的各个亚基。
在测序期间，表示生物分子的各个亚基的信号可在存储器中进行采集并实时或在稍后的时间点进行处理以确定生物分子的序列。这种处理可包括将该信号与启用各个亚基的识别的参考信号埋比较，其在一些情况下会产生读数。读数可以是可用于识别更大的序列或区域，例如，可与染色体或基因区或基因上的位置相对齐的具有充分长度的序列(例如，至少为约30个碱基对(bp))。
序列读数可被用来重建受试者的基因组的较长区域(对齐)。读取可被用于重建染色体区、整个染色体或整个基因组。从这些读数生成的序列读数或更大序列可被用于分析受试者的基因组，如识别变体或多态性。变化的实例包括但不限于单核苷酸多态性(SNP)，其包括串联SNP、小规模多基缺失或插入，其也被称为插入缺失或缺失插入多态性或DIP、多核苷酸多态性(MNP)、短串联重复序列(STR)、缺失，包括微缺失、插入，包括微插入、结构变化，包括复制、倒置、易位、倍增、复杂的多点变体、拷贝数变化(CNV)。基因组序列可包括变体的组合。例如，基因组序列可包含一个或多个SNP以及一个或多个CNV的组合。
生物分子的各个亚基可使用标记物进行识别。在一些实例中，发光标记物被用于识别生物分子的各个亚基。一些实施例使用发光标记物(本文中也被称之为“标记物”)，其可以是外源性或内源性标记物。外源性标记物可以是被用作用于发光标记的报告物和/或标记的外部发光标记物。外源性标记物的实例可包括但不限于荧光分子、荧光团、荧光染料、荧光染色、有机染料、荧光蛋白质、参与荧光谐振能量传递(FRET)的种类、酶和/或量子点。其他外源性标记物在本领域中是已知的。这种外源性标记物可被结合至探针或官能团(例如，分子、离子和/或配体)，其特异性结合至特定的靶或组分。将外源性标记或报告物附至探针允许通过检测外源性标记或报告物的存在而识别靶。探针的实例可包括蛋白质、核酸(例如，DNA、RNA)分子、脂质和抗体探针。外源性标记物和官能团的组合可以形成任何合适的用于检测的探针、标记和/或标签，包括分子探针、标记探针、杂交探针、抗体探针、蛋白探针(例如，生物素结合的探针)、酶标记、荧光探针、荧光标记和/或酶报告物。
尽管本发明参照了发光标记物，但其他类型的标记物也可用本文所提供的装置、系统和方法一起使用。这种标记物可以是质量标记、静电标签或电化学标记。
虽然外源标记物可被添加至样品，但内源性标记物可能已是样品的一部分。内源性标记物可包括在存在有激发能量的情况下可发光或“自发荧光”的任何发光标记物。内源性荧光团的自发荧光可在不要求引入外源性荧光团的情况下提供无标记和无创性的标记。通过示例而非限制的形式，这种内源性荧光团的实例可包括血红蛋白、氧合血红蛋白、脂质、胶原和弹性蛋白交联、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、氧化的黄素(FAD和FMN)、脂褐质、角蛋白和/或卟啉。
虽然一些实施例可能针对通过检测样本中的单分子而进行的诊断测试，但发明人还已认识到本发明的单分子检测能力可被用于进行多肽(例如，蛋白质)测序或一个或多个核酸段，例如，基因的核酸段的核酸(例如，DNA、RAN)测序。核酸测序技术在用于在测序工艺中确定核酸序列以及速率、读取长度和错误的发生率的方法中可有所不同。例如，一些核酸测序方法是基于通过合成进行的测序，其中随着核苷酸被结合至与靶核酸互补的新合成的核酸链中确定核苷酸的身份。
在测序期间，聚合酶可耦合(例如，附接)至靶核酸分子的引发位置。引发位置可以是与靶核酸分子互补的引物。作为一个替代方案，引发位置为在靶核酸分子的双链段内设有的间隙或缺口。间隙或缺口可具有为0-至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30或40个核苷酸的长度。缺口可提供在双链序列中的一个链中的断裂，其可提供用于聚合酶，如链置换聚合酶的引发位置。
在一些情况下，测序引物可被退火至靶核酸分子，其可能或可能未被固定至固体载体，如样品孔。在一些实施例中，测序引物可被固定至固体载体且靶核酸分子的杂化还将靶核酸分子固定至固体载体。经能够将核苷酸添加或结合至引物中的酶(例如，聚合酶)的作用，核苷酸可按模板结合方式被添加至引物的5’至3’位置。核苷酸至引物的这种结合(例如，经聚合酶的作用而进行的)通常可被称为引物延伸反应。每个核苷酸可与可检测标记相关联，该可检测标记可进行检测并被用于确定被结合至引物中的每个核苷酸且从而确定新合成的核酸分子的序列。经新合成的核酸分子的序列互补性，还可确定靶核酸分子的序列。在一些情况下，在类似的反应条件(例如，相同或类似的反应温度)或在不同的反应条件(例如，不同的反应温度)下可发生测序引物至靶核酸分子的退火以及核苷酸至测序引物中的结合。此外，一些通过合成方法进行的测序可包括存在有靶核酸分子的群体(例如，靶核酸的拷贝)或对靶核酸进行扩增以实现靶核酸的群体的步骤。
实施例能够以高精确性和长读取长度对单个核酸分子进行测序，如至少为约50％、60％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、99.9％、99.99％、99.999％或99.9999％和/或大于或等于约10个碱基对(bp)、50bp、100bp、200bp、300bp、400bp、500bp、1000bp、10000bp、20000bp、30000bp、40000bp、50000bp或100000bp的读取长度。在一些实施例中，用于单分子测序中的靶核酸分子是单链靶核酸(例如，脱氧核糖核酸(DNA)、DNA的衍生物、核糖核酸(RNA)、RNA的衍生物)模板，其被添加或固定至样品孔，该样品孔含有被固定或附至固体载体，如样品孔的底部的至少一个测序反应的额外组分(例如，聚合酶，如DNA聚合酶、测序引物)。靶核酸分子或聚合酶可直接地或通过连接子被附至样品孔，如在样品孔的底部。样品孔还可含有经引物延伸反应进行核酸合成所需的任何其他试剂，如合适的缓冲液、辅助因子、酶(例如，聚合酶)和多磷酸脱氧核苷酸，如脱氧核糖核苷三磷酸，包括三磷酸脱氧腺苷(dATP)、脱氧胞苷三磷酸(dCTP)、三磷酸鸟苷(dGTP)、三磷酸脱氧尿苷(dUTP)和脱氧胸苷三磷酸(dTTP)dNTP，其包括发光标记，如荧光团。每个种类的dNTP(例如，含腺嘌呤的dNTP(例如，dATP)、含胞嘧啶的dNTP(例如，dCTP)、含鸟嘌呤的dNTP(例如，dGTP)、含尿嘧啶的dNTP(dUTP)和含胸腺嘧啶的dNTP(例如，dTTP))被结合至不同的发光标记，从而使对源于标记的光的检测表明被结合至新合成的核酸中的dNTP的身份。源于发光标记的发射光可经任何合适的装置和/或方法，包括本文其他地方所述的用于检测的这种装置和方法进行检测并归于其合适的发光标记(且，从而为相关联的dNTP)。发光标记可被结合至在任何位置上的dNTP，从而使发光标记的存在不会抑制dTNP至新合成的核酸链的结合或聚合酶的活性。在一些实施例中，发光标记被结合至dTNP的末端磷酸(γ磷酸)。
单链靶核酸模板可与测序引物、dNTP、聚合酶和核酸合成所需的其他试剂相接触。在一些实施例中，所有合适的dNTP可同时与单链靶核酸模板相接触(例如，所有dNTP均同时存在)，从而使dNTP的结合可连续发生。在其他实施例中，dNTP可相继与单链靶核酸模板相接触，其中单链靶核酸模板分别与每个合适的dNTP相接触，且在使单链靶核酸模板与不同的dNTP相接触之间存在有清洗步骤。使单链靶核酸模板与每个dNTP分别接触并随后进行清洗的这种循环可重复进行以用于要进行识别的单链靶核酸模板的每个连续的碱基位置。
测序引物退火至单链靶核酸模板且聚合酶经单链靶核酸模板将dNTP(或其他多磷酸脱氧核糖核苷酸)连续地结合至引物中。与每个结合的dNTP相关联的唯一发光标记可在将dNTP结合到引物中期间或之后用合适的激发光进行激发，且其发射可随后使用任何合适的装置和/或方法，包括在本文的其他地方描述的用于检测的装置和方法进行检测。特定的光发射的检测可归于所结合的特定dNTP。由采集所检测的发光标记而获得的序列可随后被用于经序列互补性确定单链靶核酸模板的序列。
虽然本发明参照了dNTP，但本文所提供的装置、系统和方法可与各种类型的核苷酸，如核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸(例如，具有至少4、5、6、7、8、9或10个磷酸基的多磷酸脱氧核糖核苷酸)一起使用。这种核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸可包括各种类型的标记(或标记物)和连接子。
在结合核苷酸后发射出的信号可被存储在存储器中且可在稍后的时间点上进行处理以确定靶核酸模板的序列。这可包括将信号与参照信号进行比较以确定作为时间函数的所结合核苷酸的身份。替代地或额外地，在结合核苷酸后发射出的信号可进行采集并实时进行处理(即，在核苷酸结合后)以实时确定靶核酸模板的序列。
可完成多个单链靶核酸模板的核酸测序，其中多个样品孔是可用的，如在本文的其他地方所描述的装置中的情况一样。每个样品孔可设有单链靶核酸模板且可在每个样品孔中完成测序反应。样品孔中的每一个可在引物延伸反应期间与核酸合成所需的合适的试剂(例如，dNTP、测序引物、聚合酶、辅助因子、合适的缓冲液等)进行接触且可在每个样品孔中继续进行测序反应。在一些实施例中，多个样品孔同时与所有合适的dNTP相接触。在其他实施例中，多个样品孔与每个合适的dNTP分别接触，且每一个均在与不同的dNTP接触之间进行清洗。在每个样品孔中可检测到结合的dNTP且如上所述确定用于在每个样品孔中的单链靶核酸模板的序列。
针对单分子核酸测序的实施例可使用任何能够合成与靶核酸分子互补的核酸的聚合酶。聚合酶的实例包括但不限于DNA聚合酶、RNA聚合酶、热稳定聚合酶、野生型聚合酶、改性聚合酶、大肠杆菌DNA聚合酶I、T7DNA聚合酶、噬菌体T4DNA聚合酶(ψ29)DNA聚合酶、Taq聚合酶、Tth聚合酶、Tli聚合酶、Pfu聚合酶、Pwo聚合酶、VENT聚合酶、DEEPVENT聚合酶、EX-Taq聚合酶、LA-Taq酶、Sso聚合酶、Poc聚合酶、Pab聚合酶、Mth聚合酶、ES4聚合酶、Tru聚合酶、Tac聚合酶、Tne聚合酶、Tma聚合酶、Tca聚合酶、Tih聚合酶、Tfi聚合酶、白金Taq聚合酶、Tbr聚合酶、Tfl聚合酶、Tth聚合酶、Pfutubo聚合酶、Pyrobest聚合酶、Pwo聚合酶、KOD聚合酶、Bst聚合酶、Sac聚合酶、Klenow片段、具有3’至5’核酸外切酶活性和变体的聚合酶、改性产物及其衍生物。在一些实施例中，聚合酶为单亚基聚合酶。在一些实施例中，聚合酶为具有高工艺性的聚合酶。聚合酶的工艺性一般是指聚合酶在不释放核酸模板的情况下将dNTP相继结合至核酸模板中的能力。在靶核酸的核碱基和互补的dNTP之间进行碱基配对后，聚合酶通过在新合成链的3’羟基末端和dNTP的α磷酸之间形成磷酸二酯键而将dNTP结合至新合成的核酸链中。在其中被结合至dNTP的发光标记为荧光团的实例中，其存在是通过激发而发出信号的，且发射脉冲是在结合步骤期间或在这之后进行检测的。对于检测被结合至dNTP的末端(γ)磷酸的标记而言，dNTP至新合成链的结合导致β和γ磷酸和检测标记的释放，其在样品孔中自由地扩散，这使得从荧光团检测的发射减少。
针对单分子RNA测序的实施例可使用任何能够根据RNA模板合成互补DNA(cDNA)的逆转录酶。在这种实施例中，逆转录酶可按类似于聚合酶的方式运行，这是因为cDNA可根据RNA模板经dNTP至被退火至RNA模板的逆转录引物的结合而进行合成。随后，cDNA可参与测序反应且按如上所述的方式确定其序列。随后可经序列互补性使用所确定的cDNA的序列以确定原始RNA模板的序列。逆转录酶的实例包括莫洛尼氏鼠白血病病毒逆转录酶(M-MLV)、禽成髓细胞瘤病毒(AMV)逆转录酶、人类免疫缺陷病毒逆转录酶(HIV-1)和端粒酶逆转录酶。
发明人已认识到需要用于进行单分子检测和/或核酸测序的简单且不那么复杂的器械，且已考虑使用发光标记组来标记不同的分子而检测单分子的技术。这种单分子可以是具有标记的核苷酸或氨基酸。标记可在当从单分子释放后被绑定至单分子时或在被绑定至单分子且在从单分子释放后进行检测。在一些实例中，标记为发光标记。在所选组中的每个发光标记与各个分子相关联。例如，一组四个标记可被用于“标记”存在于DNA中的核碱基-该组中的每个标记与不同的核碱基相关联，例如，第一标记与腺嘌呤(A)相关联，第二标记与胞嘧啶(C)相关联，第三标记与鸟嘌呤(G)相关联，且第四标记与胸腺嘧啶(T)相关联。此外，在该组标记中发光标记中的每一个具有可被用于将该组中的第一标记与该组中的其他标记相区别的不同特性。以这种方式，每个标记可使用这些有区别的特征中的一个或多个而唯一地进行识别。通过示例而非限制的方式，可被用于将一个标记与另一个进行区别的标记的特征可包括响应于由特定标记吸收的激发能量和/或激发光的波长而由标记发射出的发射能量和/或光的波长以将标记置于激发状态中。
实施例可使用标记特征的任何合适的组合以将一组标记中的第一标记与在同一组中的其他标记区别开来。例如，一些实施例可仅使用源于标记的发射光的波长而识别标记。在这种实施例中，在所选组中的每个标记具有与在该组中的其他标记不同的峰值发射波长且发光标记均是通过源于单个激发源的光进行激发的。图1-1示出根据一个实施例的源于四个发光标记的发射光谱，其中四个标记在不同的发射波长表现出其各自的强度峰值，其在本文被称之为标记的“峰值发射波长”。源于第一发光标记的第一发射光谱1-101具有在λ1的峰值发射波长，源于第二发光标记的第二发射光谱1-102具有在λ2的峰值发射波长，源于第三发光标记的第三发射光谱1-103具有在λ3的峰值发射波长，且源于第四发光标记的第四发射光谱1-102具有在λ4的峰值发射波长。在该实施例中，四个发光标记的发射峰值可具有满足关系λ1<λ2<λ3<λ4的任何合适的数值。四个发射光谱可能或可能不会重叠。然而，如果两个或多个标记的发射光谱重叠，则需要选择发光标记组，以使一个标记在每个各自的峰值波长发射出比任何其他标记大幅更多的光。在该实施例中，四个标记中的每一个最大化地从激发源吸收光的激发波长基本上是相等的，但这不是必须的情况。使用上述标记组，四个不同的分子可用源于标记组的各个标记进行标记，且标记可使用单个激发源进行激发，且标记可通过使用光学系统和传感器检测标记的发射波长而彼此进行区别。虽然图1-1示出四个不同的标记，但应理解的是也可使用任何合适数量的标记。
其他实施例可使用源于标记的发射光的波长以及标记吸收激发光以识别标记的波长。在这种实施例中，在所选标记组中的每个标记具有源于该组中的其他标记的发射波长和激发波长的不同组合。因此，在选定标记组中的一些标记可能具有相同的发射波长，但可通过具有不同波长的光进行激发。相反地，在选定标记组中的一些标记可能具有相同的激发波长，但却可发射出具有不同波长的光。图1-2A示出根据一个实施例的源于四个发光标记的发射光谱，其中标记中的两个具有第一峰值发射波长，且另外两个标记具有第二峰值发射波长。源于第一发光标记的第一发射光谱1-105具有在λ1的峰值发射波长，源于第二发光标记的第二发射光谱1-106也具有在λ1的峰值发射波长，源于第三发光标记的第三发射光谱1-107具有在λ2的峰值发射波长，且源于第四发光标记的第四发射光谱1-108也具有在λ2的峰值发射波长。在该实施例中，四个发光标记的发射峰值可具有满足关系λ1<λ2的任何合适的数值。图1-2B示出源于四个发光标记的吸收光谱，其中标记中的两个具有第一峰值吸收波长，且另外两个标记具有第二峰值吸收波长。用于第一发光标记的第一吸收光谱1-109具有在λ3的峰值吸收波长，用于第二发光标记的第二吸收光谱1-110具有在λ4的峰值吸收波长，用于第三发光标记的第三吸收光谱1-111具有在λ3的峰值吸收波长，且用于第四发光标记的第四吸收光谱1-112具有在λ4的峰值吸收波长。要注意的是在图1-2A中共享发射峰值波长的标记在图1-2B中并不共享吸收峰值波长。甚至当仅有两个用于四种染料的发射波长时，使用这种标记组允许在四个标记之间进行区别。使用在不同的波长进行发射的两个激发源或能够在多个波长进行发射的单个激发源会使这种情况成为可能。如果对于每个检测的发射事件而言已知激发光的波长，那么则可确定所存在的是哪个标记。激发源可在第一激发波长和第二激发波长之间交替，这被称之为交织。替代地，可使用第一激发波长的两个或多个脉冲，且随后使用第二激发波长的两个或多个波长。
虽然未在图中示出，其他实施例可仅基于吸收频率确定发光标记的身份。如果激发光可被调谐至与标记组中的标记的吸收光谱相匹配的特定波长，那么这种实施例则是可能的。在这种实施例中，用于指引和检测从每个标记发射出的光的光学系统和传感器无需能够检测发射光的波长。这在一些实施例中可能是有利的，这是因为其减少了光学系统和传感器的复杂性，这是由于在这种实施例中不需要检测发射波长。
如上面所讨论的，发明人已认识和理解到需要能够使用标记的各种特征将不同的光学(例如，发光)标记彼此区别开来。用于确定标记身份的特征类型影响了用于进行该分析的特征装置。本发明公开了用于进行这些不同技术的器械、装置、仪器和方法的几个实施例。
简要地说，发明人已经认识并理解到具有相对较大数量(例如，几百、几千、几百万或更多)的像素的像素化传感器装置允许并行检测多个各个分子或粒子。这种单分子可以是具有标记的核苷酸或氨基酸。标记可在当从单分子释放后被绑定至单分子时或在被绑定至单分子且在从单分子释放后进行检测。在一些实例中，标记为发光标记。通过示例而非限制地，分子可以是蛋白质和/或核酸(例如，DNA、RNA)。此外，可按多于每秒一百帧的速度获取数据的高速装置允许对在被分析的样品内随时间发生的动态过程或变化进行检测和分析。
发明人已认识和理解到低成本单次使用的一次性测定芯片可与包括用于测量从生物样品发射出的光学信号(例如，发光光线)的激发光源、光学元件和光传感器的仪器连接起来使用。使用低成本测定芯片减少了进行给定生物测定的成本。生物样品被置于测定芯片上，且在完成单个生物测定后，可进行丢弃。在一些实施例中，可通过同时将多个样品置于测定芯片的不同部分上而同时且并行地分析一种以上类型的样品。测定芯片与可用许多不同的一次性测定芯片重复使用的更昂贵的多用途仪器通过接口连接。与紧凑的便携式仪器通过接口连接的低成本测定芯片可在世界上的任何地方使用，而不会受需要用于分析样品的实验室专门技术的低成本生物实验室的约束。因此，自动化的生物分析可被用于之前不能进行生物样品的定量分析的世界上的地区。例如，可通过将血液样品置于一次性测定芯片上，将一次性测定芯片置于用于分析的小的便携式仪器中并用连接至通过用户进行立即审核的仪器处理结果而进行用于婴儿的血液测试。数据还可通过数据网络被传输至要进行分析和/或存档以用于后续临床分析的远程位置。替代地，仪器可包括用于分析从仪器的传感器获得的数据的一个或多个处理器。
下面将更详细地描述各种实施例。
II.根据一些实施例的器械的概述
在图2-1中示出了器械2-100的示意图。系统包括测定芯片2-110和包括激发源2-121和至少一个传感器2-122的仪器2-120。测定芯片2-110使用任何合适的测定芯片接口与仪器2-120成接口连接。例如，仪器2-120的测定芯片接口可包括用于接收测定芯片2-110并保持其与激发源2-110和至少一个传感器2-122成精准光学对齐的插口(未示出)。仪器2-120中的外部激发源2-121被配置成将激发能量提供至测定芯片2-110以激发在测定芯片2-110的样品孔2-111中的样品。在一些实施例中，测定芯片2-110具有多个像素，每个像素的样品孔2-111被配置成接收用于独立于其他像素的分析中的样品。测定芯片2-110的每个像素包括用于接受、保持和分析源于被分析的样本的样品的样品孔2-211。这种像素可被称之为“无源像素”，这是因为像素从与像素相分离的激发源接收激发能量。在一些实施例中，在仪器2-120中有与存在于测定芯片2-110上的每个像素相对应的像素。仪器2-120的每个像素包括响应于用源于激发源2-121的激发能量进行照亮的样品检测由样品发射出的发射能量的至少一个传感器。在一些实施例中，每个传感器可包括多个子传感器，每个子传感器被配置成检测源于样品的发射能量的不同波长。虽然一个以上的子传感器可检测特定波长的发射能量，但每个子传感器也可检测发射能量的不同波长带。
在一些实施例中，用于将激发能量从激发源2-121引导和耦合至样品孔2-111的光学元件位于测定芯片2-110和仪器2-120上，如通过图2-1中的箭头2-101所表示的。这种源至孔的元件可包括位于仪器2-120上以将激发能量耦合至测定芯片2-110的镜、透镜、电介质涂层和光束组合器以及位于测定芯片1-110上以将从仪器2-120接收的激发能量引向样品孔2-111的透镜、等离激元元件和电介质涂层。额外地，在一些实施例中，用于将激发能量从样品孔2-111引导至传感器2-122的光学元件位于测定芯片2-110和仪器2-120上，如通过图2-1中的箭头2-102所表示的。这种孔至样品的元件可包括位于测定芯片2-110上以将源于测定芯片2-110的发射能量引向仪器2-120的透镜、等离激元元件和电介质涂层以及位于仪器1-120上以将从测定芯片2-110接收的发射能量引向传感器2-111的透镜、镜、电介质涂层、滤波器和衍射光学元件。在一些实施例中，单个组件可发挥将激发能量耦合至样品孔并将发射能量从样品孔输送至传感器的作用。
在一些实施例中，测定芯片2-110包括多个像素，每个像素与其各个样品孔2-111及其在仪器2-120上的相关联的传感器2-122相关联。多个像素可按阵列进行布置且可具有任何适当数量的像素。例如，测定芯片可包括约1,000个像素、约10,000个像素、约100,000个像素、约1,000,000个像素、约10,000,000个像素或约100,000,000个像素。
在一些实施例中，仪器2-120包括传感器芯片，其包括被布置为多个像素的多个传感器2-122。传感器芯片中的每个像素与测定芯片2-110中的像素相对应。多个像素可按阵列进行布置且可具有任何适当数量的像素。在一些实施例中，传感器芯片具有与测定芯片2-110相同数量的像素。例如，传感器芯片可包括约10,000个像素、约100,000个像素、约1,000,000个像素、约10,000,000个像素或约100,000,000个像素。
仪器2-120通过测定芯片接口(未示出)与测定芯片2-110成接口连接。测定芯片接口2-114可包括用于将测定芯片2-110定位和/或与仪器2-120相对齐从而改善激发能量从激发源2-121至测定芯片2-110的耦合的组件。在一些实施例中，激发源2-121包括多个激发源，其组合在一起以将激发能量输送至测定芯片2-110。多个激发源可被配置成产生对应于不同波长的光的多个激发能量。
仪器2-120包括用于控制仪器的操作的用户接口2-125。用户接口2-125被配置成允许用户将信息，如用于控制仪器的运转的命令和/或设置输入仪器。在一些实施例中，用户接口2-125可包括按钮、开关、拨号盘和用于语音命令的麦克风。额外地，用户接口2-125可允许用户接收关于仪器和/或测定芯片的性能的反馈，如通过源于测定芯片上的传感器的读出信号获得的合适的对齐和/或信息。在一些实施例中，用户接口2-125可提供反馈，即使用扬声器以提供听觉反馈以及使用指示灯和/或显示屏以提供视觉反馈。在一些实施例中，仪器2-120包括用于与计算装置2-130相连接的计算机接口2-124。可使用任何合适的计算机接口2-124和计算装置2-130。例如，计算机接口2-124可以是USB接口或火线接口。计算装置2-130可以是任何通用计算机，如笔记本电脑、桌式电脑或平板电脑或移动装置，如蜂窝电话。计算机接口2-124便于在仪器2-120和计算装置2-130之间进行信息通信。用于控制和/或配置仪器2-120的输入信息可通过被连接至仪器的计算机接口2-124的计算装置2-130而提供。额外地，输出信息可通过计算机接口2-124而由计算装置2-130进行接收。这种输出信息可包括关于仪器2-104的性能的反馈以及源于传感器2-122的读出信号的信息。仪器2-120还可包括用于分析从传感器2-110接收的数据的处理装置2-123。在一些实施例中，处理装置2-123可以是通用处理器(例如，中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或定制集成电路，如应用专用集成电路(ASIC)。在一些实施例中，对源于传感器1-122的数据的处理可通过处理装置2-123和外部计算装置2-130进行。在其他实施例中，计算装置2-130可以省略且对源于传感器2-122的数据的处理可仅通过处理装置2-123进行。
当激发源2-121用激发能量照亮测定芯片2-110时，可激发在测定芯片2-110的一个或多个像素内的样品。在一些实施例中，样本是用多个标记物进行标记的，且每一个均与样本内的不同样品相关联的多个标记物可通过发射能量进行识别。从样品孔2-111至传感器2-122的路径可包括有助于基于发射能量而识别多个标记物的一个或多个组件。组件可将发射能量向传感器2-122聚焦且可额外地或替代地对具有不同特征能量且从而为具有不同波长的发射能量进行空间上的分离。在一些实施例中，测定芯片2-110可包括将发射能量引向传感器2-122的组件且仪器2-120可包括用于在空间上分离不同波长的发射能量。例如，滤波器或衍射光学元件可被用于将发射能量的波长耦合至空间自由度。传感器或传感器区可含有多个子传感器，其被配置成检测取决于辐射图式的发射能量的空间分布。发射不同发射能量和/或光谱范围的发光标记可形成不同的辐射图式。传感器或传感器区可检测关于可被用于识别多个标记物中的一个标记物的发射能量的空间分布的信息。
源于样品孔2-110中的样品的发射能量可通过传感器2-122进行检测并被转换成至少一个电信号。电信号可沿仪器2-120的电路中的导电线进行传输并通过处理装置2-123和/或计算装置2-130进行处理和/或分析。
图2-2为测定芯片2-110的俯视图和传感器芯片2-260的俯视图并示出在两个芯片的像素之间的对应性。测定芯片2-110包括多个像素，每个像素包括形成在导电材料2-221中的样品孔2-111。传感器芯片2-260也包括多个像素，每个像素包括形成在衬底2-247中或上的传感器2-121。图2-2中的箭头表示在测定芯片2-110的像素中的两个和传感器芯片2-260的像素中的两个之间的对应性。虽然为了清楚起见而未示出，测定芯片2-110的每个像素与传感器芯片2-260的像素相关联。
图2-3示出与测定芯片2-110的单个像素和传感器芯片2-260的单个像素相关联的一些组件的概况。器械2-100包括测定芯片2-110和仪器2-120。在一些实施例中，测定芯片2-110为被设计用于单个样本的分析的一次性芯片。测定芯片2-110包括一个或多个金属层2-221、一个或多个电介质层2-225和集中元件2-227。在一些实施例中，金属层2-221包括一堆层，其中的一些可包括吸收层。仪器2-120包括一个或多个激发源2-250、至少一个多向色镜2-230以及传感器芯片2-260，其可包括滤波元件2-241、光谱分选元件2-243、集中元件2-245和在衬底2-247中或上的至少一个传感器2-122。虽然图2-3仅示出了测定芯片2-110的单个像素和传感器芯片2-260的单个像素，但仪器2-120的一些组件，如激发源2-250、多向色镜2-230和滤波元件2-241可共用于多个像素。例如，在一些实施例中，单个激发源2-250和多向色镜2-230可将激发能量引向测定芯片2-110的每个像素。
在一些实施例中，样本可包括体液，如血液、尿液和/或唾液。在金属层2-221内的样品孔2-211形成用于使源自样本的样品进入的样品体积。在样品孔2-211一端的开口可被称为纳米孔。纳米孔可具有小于由激发源2-250发射出的激发能量2-251的波长的宽度。被称之为样品的样本的一部分可进入由样品孔2-211限定的样品体积中。样本可以是任何粒子、分子、蛋白质、遗传物质或存在于样本中的任何其他样品。
激发源2-250发射出激发能量2-251，其被引向样品孔以照亮样品。在一些实施例中，激发源2-251可以是单个光源，其提供用于测定芯片2-110的所有像素的激发能量。多向色镜2-230反射源于激发源2-250的光并将激发能量2-251引向测定芯片2-110的一个或多个样品孔2-211。因此，在一些实施例中，可仅有一个单多向色镜2-230，其将激发能量引向所有样品孔而非与其自身的多向色镜相关联的每个像素。同样地，在用于将激发能量引向样品孔2-211的其他光学元件之间可以有一种一对多的关系。
同心圆形光栅2-223可形成在邻近样品孔2-211的底部纳米孔处。同心圆形光栅2-223可从金属层2-221的底面突出。样品孔2-211可位于或接近圆形光栅2-223的中心处。样品孔2-211和同心圆形光栅2-223的纳米孔的子波长标度创建了场增强效应，其增加了在样品孔2-211中的激发能量的强度，从而产生了激发能量至存在于样品孔2-211中的样品的增强耦合。至少在一些时间内，样品吸收源于激发能量的光子并发射出光子(被称为“发射能量”2-253)，其能量小于激发能量2-251的能量。发射能量2-253可在向下的方向上进行发射。圆形光栅2-223充当等离激元元件，其可被用于减少发射能量2-253的传播并将发射能量2-253引向相关联的传感器。
发射能量2-253行进通过电介质层2-225，其可以是用于允许发射能量2-253传播一段距离的间隔层。电介质层2-225也可将结构强度提供至测定芯片2-110。发射能量2-253随后行进通过用于进一步地将发射能量2-253引向在仪器2-120内的传感器芯片2-260的相关像素中的传感器2-122的一个或多个集中元件2-227。
多向色镜2-230随后传输发射能量2-253并反射从测定芯片2-110反射的任何激发能量2-251中的一部分。未经测定芯片2-110反射的激发光中的一部分既不通过测定芯片传输也不通过测定芯片吸收。为了进一步减少通过测定芯片反射的和未通过多向色镜2-230反射的激发能量2-251的量，滤波元件2-241可被设置在朝向传感器芯片2-260的光学路径中。通过示例而非限制的方式，滤波元件2-241可包括宽带滤波器、陷波滤波器或边缘滤波器，其传输发射能量2-253但却吸收和/或反射激发能量2-251。
在实施例中，为了便于使用发射能量2-253的光谱特性确定在样品孔2-211中的标记物的身份，在传感器芯片2-260上可包括有光谱分选元件2-243以将发射能量2-253的光谱自由度耦合至发射能量2-253所行进的方向。例如，衍射光学元件可被用于在第一方向上指引第一波长的发射能量2-253并在第二方向上指引第二波长的发射能量2-253。一个或多个集中元件2-245可被用于将光谱分选光引至传感器2-122上。传感器2-122可包括一个或多个子传感器(未示出)，其中的每一个基于通过光谱分选元件2-243进行的具有不同波长的光重定向与发射能量2-253的不同波长相关联。
根据一些实施例，图2-3的上述内容为根据一些实施例的器械的一些但却不一定是全部组件的概述。在一些实施例中，图2-3的一个或多个元件可能不存在或存在于不同的位置上。下面将更详细地描述测定芯片2-210和仪器2-220的组件。
测定芯片2-110和仪器2-120彼此可机械对齐、可拆卸地耦合和分离。仪器2-120可包括仪器壳体，安装板2-405被设置在该壳体内。图2-4示出可包括在仪器2-120的安装板2-405上的组件中的至少一些。可包括印刷电路板的安装板2-405可具有被安装至其的传感器芯片2-260(在图2-4中为不可见的)、散热器2-407和光学壳体2-401。仪器2-120的各个光学组件可被设置在光学壳体2-401内。在一些实施例中，仪器壳体和安装板可具有任何合适的大小。例如，安装板可大致为直径为7-8”的圆形。
测定芯片2-110耦合至光学壳体2-401以确保在光学壳体2-401内与光学组件的对齐。芯片支架框3-102可与光学壳体2-401的开口相对齐。优选地，测定芯片2-110可拆卸地耦合至仪器2-120。例如，具有任何合适形状的磁性元件2-403a至2-403b，如磁性圆柱体可被置于光学壳体3-401的开口周围，通过该开口，激发能量离开光学壳体2-401。额外地，磁性元件2-403a至2-403b可进行校准，从而将芯片支架框3-102保持为与开口相对齐。芯片支架框可使用对齐圆柱体以微米级精确性进行定位。在一些实施例中，三个磁性圆柱体2-403a至2-403b可被用于创建芯片支架框的对齐。然而，实施例并不局限于此且可使用任何适当数量的磁性、弹簧加载的、气动或其他这种组件以在对齐形态中将芯片保持在位。例如，芯片支架框3-102可用非磁性元件，如弹簧、空气压力或源于真空的吸力而被保持在位。可选地，芯片支架框3-102可使用任何适于定位芯片以使其与光学区块相对齐的刚性材料进行构造。
根据本申请的一些方面，当芯片被连接至系统时，在样品孔和传感器之间的距离可保持为很小的值。在一些实施例中，在样品孔和传感器之间的距离可小于30cm、小于10cm、小于5cm或小于1cm。
III.测定芯片
在一些实施例中，测定芯片2-110不包括任何有源电子组件。用于每个像素的激发源2-250和传感器2-122均位于仪器2-120中的芯片外。
在一些实施例中，测定芯片2-110可被容纳在芯片支架框3-102中，如在图3-1A中所示。芯片支架框3-102可以是一次性的且可在单次使用后与测定芯片2-110一起被丢弃。测定芯片2-110可位于芯片支架框3-102的下侧上，如在图3-1B中所示。芯片支架框3-102可包括任何合适的铁磁性金属，如钢，从而使被固定至光学壳体2-401的磁性组件2-403a至2-403b保持芯片支架框3-102且从而将测定芯片2-110保持在位。在一些实施例中，芯片支架框3-102可被附至光学壳体2-401的顶面，如在图2-4中所示。
在其他实施例中，如在图3-1C中所示，测定芯片可被附至芯片支架框3-102的顶面。塑料盖3-103围绕测定芯片2-110，从而使测定芯片2-110的像素阵列经塑料盖3-103中的开口暴露出来。测定芯片2-110的用户可将样本置于塑料盖3-103的开口中。通过与测定芯片2-110的顶面相接触，样本内的样品可被导入测定芯片2-110的多个像素中的一个或多个中以进行分析。在一些实施例中，不需要用于经强制流体流动将样品中的部分输送至像素中的流体通道或装置。
A.样品孔层
如在图2-3中且如更详细地在图3-2中所示，一些实施例包括形成在测定芯片2-110的一个或多个像素处的样品孔2-211。样品孔可包括小体积或区域，其形成在金属层2-221内并进行布置以使样品可从被沉积在测定芯片2-110表面上的样本扩散进和出样品孔。在各种实施例中，样品孔2-211可被布置成从激发源2-250接收激发能量。扩散至样品孔中的样品可通过粘附剂3-211被暂时或永久地保持在样品孔的激发区3-215中。在激发区中，样品可通过激发能量激发(例如，激发光3-245)且随后发射可进行观测和评价以对样品进行特征化的能量。
在进一步的操作细节中，要进行分析的至少一个样品3-101可被导入样品孔2-211中，例如，从含有样品的流体悬浮液的样本(未示出)导入。源于仪器2-120中的激发源2-250的激发能量3-245可激发样品或被附至样品或以其他方式与样品相关联的至少一个标记(也被称之为生物标记物、报告物或探针)，同时样品或标记位于样品孔内的激发区3-215内。根据一些实施例，标记可以是发光分子(例如，发光标记或探针)或量子点。在一些实施方案中，可以有一个以上的被用于分析样品的标记(例如，被用于单分子基因测序的不同标记，如在通过引用并入本文的J.Eid等，科学323，p.133(2009)的“源于单聚合酶分子的实时DNA测序”中所述)。在激发期间和/或之后，样品或标记可发射出发射能量。当使用多个标记时，其可在不同的特征能量(且因此具有不同的波长)进行发射和/或用不同的时间特征进行发射。源于样品孔2-211的发射可辐射至仪器2-120的传感器2-122，在该传感器处发射被检测和被转换成可被用于对样品进行特征化的电信号。
根据一些实施例，样品孔2-211可以是部分封闭的结构，如在图3-2中所示。在一些实施方案中，样品孔2-211包括形成在至少一层材料2-221中的亚微米大小的孔或开口(其特征在于至少一个横向尺寸Dsw)。根据一些实施例，样品孔的横向尺寸可以在约20纳米和约1微米之间，然而在一些实施方案中也可使用较大和较小的尺寸。在一些实施方案中，样品孔2-211的体积可以在约10-21升和约10-15升之间。样品孔可被形成为波导，其可能或可能不支持传播模式。在一些实施例中，样品孔可被形成为零模式波导(ZMW)，其具有直径(或最大横向尺寸)Dsw的圆柱形状(或类似形状)。ZMW可形成在单金属层中作为不支持通过孔的传播光学模式的纳米级孔。
由于样品孔2-211具有小体积，因此即使样品可按类似于在自然环境中找到的那些的浓度浓缩于所检查样本中，也可在每个像素实现对单样品事件(例如，单分子事件)的检测。例如，样品的微摩尔级浓度可存在于被置于与测定芯片相接触的样本中，但却仅是在约像素级而存在的。测定芯片2-110的样品孔可调整大小以使其在统计学上最有可能不含有样品或含有一个样品，从而可进行单分子分析。例如，在一些实施例中，30-40％的样品孔含有单个样品。然而，样品孔可含有一个以上的样品。由于可在每个像素分析单分子或单样品事件，因此测定芯片可检测采用其他方式将在总体平均测量中被忽视的罕见事件。
样品孔的横向尺寸Dsw在一些实施例中可以是约500纳米(nm)和约1微米之间，在一些实施例中为约250nm和500nm之间，在一些实施例中为约100nm和约250nm之间且在一些实施例中为约20nm和约100nm之间。根据一些实施方案，样品孔的横向尺寸为约80nm和约180nm之间或为激发波长或发射波长的约四分之一和八分之一之间。根据其他实施方案，样品孔的横向尺寸为约120nm和约170nm之间。在一些实施例中，样品孔2-211的深度或高度可以是约50nm和约500nm之间。在一些实施方案中，样品孔2-211的深度或高度可以是约80nm和约200nm之间。
具有子波长横向尺寸的样品孔2-211可按至少两个方式改善测定芯片2-110的像素2-100的操作。例如，在样品孔上从与样本相对的一侧入射的激发能量3-245可按指数下降的功率耦合至激发区3-215中且不会传播通过样品孔至样本。其结果是，激发能量在其激发感兴趣的样品的激发区中增加并在其可激发将造成背景噪声的其他样品的样本中有所减少。此外，源于保持在孔的底部的样品的发射优选为指向在仪器2-120上的传感器，这是因为发射无法传播通过样品孔。这两种效应均会改善在像素的信噪比。发明人已认识到可改善样品孔的几个方面以进一步地提高在像素的信噪水平。这些方面涉及孔形状和结构且涉及有助于将激发能量耦合至样品孔和源于样品孔的发射能量的相对于相邻光学和等离激元结构的放置(如下所述)。
根据一些实施例，样品孔2-211可被形成为子切断纳米孔(SCN)，其不支持传播模式。例如，样品孔2-211可包括在导电层2-221中的圆柱形的孔或孔。在一些实施例中，样品孔的横截面不需要是圆形的且可以是椭圆形、正方形、矩形或多边形。激发能量3-245(例如，可见或近红外辐射)可通过由样品孔2-211在孔的第一端的壁3-214所限定的入口孔3-212进入样品孔，如在图3-2中所示。当被形成为SCN时，激发能量3-245可沿SCN呈指数衰减。在一些实施方案中，波导可包括用于源于样品的发射能量的SCN，但可能不是用于激发能量的SCN。例如，由样品孔所形成的孔和波导可足够得大以支持用于激发能量的传播模式，这是因为其可具有比发射能量更短的波长。在较长波长的发射可超越用于波导中的传播模式的截止波长。根据一些实施例，样品孔2-211可包括用于激发能量3-245的SCN，从而使激发能量的最大强度被局部化至位于样品孔3-211的入口处的样品孔的激发区2-215(例如，接近在层3-235和层2-221之间的接口处进行局部化，如在图3-2中所示)。这种激发能量的局部化可增加对源于样品的发射能量密度并进一步地将激发能量限定在入口孔3-212附近，从而将所观测的发射限定于单个样品(例如，单个分子)。
在图3-3中示出了接近包括SCN的样品孔入口处的激发局部化的实例。进行数值模拟以确定在被形成为SCN的样品孔2-211中和接近其的激发能量的强度。其结果显示激发能量的强度为在样品孔的入口孔处入射能量的约70％并在样品孔中的约100nm内下降至入射强度的约20％。对于该模拟而言，激发能量的特征波长为633nm且样品孔2-211的直径为140nm。样品孔2-211以一层金属金来形成。在图中每个水平划分为50nm。如该图所示，在样品孔中接收的激发能量的一半以上被局部化至样品孔2-211的入口孔3-212内约50nm处。
为了改善在样品孔2-211进行局部化的激发能量的强度，发明人开发和研究了其他样品孔结构。图3-4示出包括在样品孔2-211的激发端的容腔或凹坑3-216的样品孔的一个实施例。从能从图3-3的模拟结果看出的，具有较高激发能量的区域仅存在于样品孔的入口孔2-212之前。根据一些实施例，向样品孔2-211添加凹坑3-216允许将样品移至具有较高激发强度的区域中。在一些实施方案中，凹坑的形状和结构改变了局部激发场(例如，由于在层3-235和在样品孔中的样本流体之间的折射率差异)且可进一步地增加在凹坑中激发能量的强度。
凹坑可具有任何合适的形状。凹坑可具有大致等于样品孔的横向形状的横向形状，例如，圆形、椭圆形、正方形、矩形、多边形等。在一些实施例中，凹坑的侧壁可基本上为直的和垂直的，像样品孔的壁一样。在一些实施方案中，凹坑的侧壁可以是倾斜的和/或弯曲的，如在图中所示。凹坑的横向尺寸在一些实施例中可具有与样品孔的横向尺寸大致相同的大小，在一些实施例中可小于样品孔的横向尺寸或在一些实施例中可大于样品孔的横向尺寸。凹坑3-216可越过样品孔的金属层2-221在约10nm和约200nm之间延伸。在一些实施方案中，凹坑可越过样品孔的金属层2-221在约50nm和约150nm之间延伸。通过形成凹坑，激发区3-215可延伸出样品孔的金属层2-221，如在图3-4中所示。
图3-5示出用于含有凹坑的样品孔的在激发区的激发能量的提高(在左模拟图中所示)。为了进行比较，也为不具有凹坑的样品孔的模拟了激发场，其在右图中示出。场幅值已从这些图中的显色性进行了转换，且在凹坑底部的暗区表示比在样品孔内的明区更高的强度。在样品孔上的暗区表示最低强度。如可以看到的，凹坑允许样品3-101移至具有更高激发强度的区域，且凹坑还增加了在样品孔的激发端的具有最高强度的区域的局部化。要注意的是具有高强度的区域进一步地分布以用于不具有凹坑的样品孔。在一些实施例中，凹坑3-216提供了在激发区处激发能量的二倍或更大因子的增加。在一些实施方案中，可根据凹坑的形状和深度获得大于二倍因子的增加。在这些模拟中，样品孔包括为100nm厚的Al层，其凹坑为50nm深且具有在635nm波长的激发能量。
图3-6示出样品孔2-211的另一个实施例，其中包括凹坑的样品孔形成在位于衬底表面处的突起3-615上方。与图3-2中所示的样品孔相比，所产生的用于样品孔的结构可按大于2倍的因子增加样品处的激发能量，且可将源于样品孔的发射引向仪器2-120中的传感器。根据一些实施例，突起3-615在第一层3-610材料中进行图案化。突起在一些实施方案中可被形成为具有矩形横截面的圆形基架或脊且第二层3-620材料可沉积在第一层和突起的上方。在突起处，第二层可在接近圆柱形部分3-625的突起上方形成一个形状，如图所示。在一些实施例中，导电层3-230(例如，反射金属)可被沉积在第二层3-620上且进行图案化以形成在突起上的导电层中的样品孔3-210。凹坑3-216可随后被蚀刻至第二层中。凹坑可在导电层3-230下延伸约50nm至约150nm。根据一些实施例，第一层3-610和第二层3-620可以是光学透明的且可以或可以不用相同的材料制成。在一些实施方案中，第一层3-610可由氧化物(例如，SiO2)或氮化物(例如，Si3N4)制成且第二层3-620可由氧化物或氮化物制成。
根据一些实施例，在突起3-625上方的导电层3-230被大致形成为球形反射器3-630。球形部分的形状可通过选择突起高度h、突起的直径或横向尺寸w和第二层3-620的厚度t而进行控制。激发区的位置和样品的位置可通过选择凹坑深度d而相关于圆柱形反射器的光学焦点而进行调整。可理解的是球形反射器3-630可在激发区3-215集中激发能量且可采集从样品发射的能量并向传感器3-260反射和集中辐射。
如上所述，样品孔可按任何合适的形状形成且并不仅限于圆柱形。在一些实施方案中，样品孔可以是圆锥的、四面体、五面体等。图3-7A至图3-7F示出可用于一些实施例中的一些实例样品孔形状和结构。根据一些实施例，样品孔2-211可被形成为具有比用于激发能量的第二孔2-218更大的第一孔2-212。样品孔的侧壁可以是锥形的或弯曲的。以这种方式形成样品孔可容许至激发区的更多的激发能量且仍明显衰减向样本行进的激发能量。额外地，由于在该方向上的有利的能量传递，因此由样品辐射的发射优选为向具有较大孔径的样品孔的一端进行辐射。
在一些实施例中，凹坑3-216可具有比样品孔的底部更小的横向尺寸，如在图3-7B中所示。较小的凹坑可通过在蚀刻凹坑之前用牺牲层涂覆样品孔的侧壁且随后移除牺牲层而形成的。可形成较小的凹坑以将样品保持在与样品孔的导电壁更加等距的区域中。将样品保持为与样品孔的壁成等距的方式可减少对在辐射样品上的样品孔壁的不良影响，例如，对发射的压制和/或对辐射寿命的改变。
图3-7C和3-7D示出样品孔的另一个实施例。根据该实施例，样品孔2-211可包括激发能量加强结构3-711和在邻近激发能量加强结构处形成的粘附剂3-211。根据一些实施例，能量加强结构3-711可包括形成在光学透明层3-235上的导电材料中的表面等离激元或纳米天线结构。图3-7C示出样品孔2-211和附近结构的正视图且图3-7D示出平面图。激发能量加强结构3-711可被成形和布置为在小局部化区域中加强激发能量。例如，结构可包括在样品孔处具有锐角的尖导体，其增加了在激发区3-215内的激发能量的强度。在所示的实例中，激发能量加强结构3-711采用蝴蝶结的形式。扩散至该区域中的样品3-101可通过粘附剂3-211而暂时或永久地保持且可通过可从位于仪器2-120中的激发源2-250进行输送的激发能量进行激发。根据一些实施例，激发能量可驱动在能量加强结构3-711中的表面等离激元电流。所产生的表面等离激元电流可在结构3-711的尖点产生高电场且这些高场可激发被保持在激发区3-215中的样品。在一些实施例中，在图3-7C中所示的样品孔2-211可包括凹坑3-216。
样品孔的另一个实施例被示于图3-7E中并示出了沿样品孔2-211的内壁所形成的激发能量加强结构3-720。激发能量加强结构3-720可包括金属或导体且可使用成角度的(或阴影)定向沉积而形成，其中上面形成有样品孔的衬底在沉积期间发生旋转。在沉积期间，样品孔2-211的底部被孔的上壁遮蔽，从而使所沉积的材料不会在底部发生累积。所产生的结构3-720可在结构的底部形成锐角3-722且导体的该锐角可加强在样品孔内的激发能量。
在图3-7E中所示的实施例中，其中形成样品孔的材料3-232不必是导体且可以是任何合适的材料，如电介质材料。根据一些实施方案，样品孔2-211和激发能量加强结构3-720可形成在被蚀刻至电介质层3-235中的盲孔处且无需沉积单独层3-232。
在一些实施方案中，可随后在图3-7E中所示的结构上进行阴影蒸发以将金属或导电能量加强结构，例如，梯形结构或尖锥沉积在样品孔的底部，如虚线所示。能量加强结构可经表面等离激元加强在孔内的激发能量。在阴影蒸发后，可进行平坦化工艺(例如，化学-机械抛光步骤或等离子体蚀刻工艺)以移除或回蚀在样品孔顶部的沉积材料，且同时将能量加强结构留在孔内。
在一些实施例中，样品孔2-211可由一个以上的单金属层制成。图3-7F示出在多层结构中形成的样品孔，其中不同的材料可被用于不同层。根据一些实施例，样品孔2-211可形成在第一层3-232(其可以是半导体或导体材料)、第二层3-234(其可以是绝缘体或电介质)和第三层2-221(其可以是导体或半导体)中。在一些实施例中，可使用简并掺杂的半导体或石墨烯以用于一层样品孔。在一些实施方案中，样品孔可形成在两层中，且在其他的实施方案中，样品孔可形成在四层或更多的层中。在一些实施例中，用于形成样品孔的多层材料可进行选择以增加在样品孔底部的表面-等离激元的生成或抑制在孔的顶部的表面等离激元的辐射。在一些实施例中，用于形成样品孔的多层材料可进行选择以抑制激发能量传播越过样品孔和多层材料进入大样本中。
在一些实施例中，用于形成样品孔的多层材料可进行选择以增加或抑制可通过样品孔上入射的激发能量生成的界面激子。例如，多激子，如双激子和三激子可在邻近样品孔的两个不同半导体层之间的界面处生成。样品孔可被形成在金属层和第一半导体层中，从而使在第一半导体层和第二半导体层之间的界面为样品孔的激发源3-215。界面激子可能具有比在单个半导体层的体积内的激子更长的寿命，这增加了激子将经FRET或DET激发样品或标记的可能性。在一些实施例中，可激发多激子的至少一个量子点可被附至样品孔的底部(例如，通过连接分子而进行)。在量子点激发的激子还可具有比在单个半导体层的体积内的激子更长的寿命。根据一些实施例，在量子点生成的界面激子或激子可增加FRET或DET的速率。
各种材料可被用于形成在上述实施例中所述的样品孔。根据一些实施例，样品孔2-211可由至少一层材料2-221制成，其可包括导电材料、半导体和绝缘体中的任一个或其组合。在一些实施例中，样品孔2-211包括高度导电的金属层，例如，金、银、铝、铜。在一些实施例中，层2-221可包括多层堆，其包括金、银、铝、铜、钛、氮化钛和铬中的任一个或其组合。在一些实施方案中，可额外地或替代地使用其他金属。根据一些实施例，样品孔可包括合金，如AlCu或AlSi。
在一些实施例中，多层不同金属或合金可被用于形成样品孔。在一些实施方案中，其中形成有样品孔2-211的材料可包括交替的金属和非金属层，例如，交替的金属和一种或多种电介质层。在一些实施例中，非金属可包括聚合物，如聚乙烯基膦酸或聚乙二醇(PEG)硫醇。
根据一些实施例，其中形成有样品孔的层2-221可被沉积在至少一个光学透明层3-235上或邻近其处，从而使激发能量(例如，采用可见或近红外辐射的形式)和发射能量(例如，采用可见或近红外辐射)可行进至样品孔2-211和从其开始行进而不造成显著的衰减。例如，源于激发源2-250的激发能量可通过至少一个光学透明层2-235至激发区3-215，且源于样品的发射可通过相同的一层或多层至传感器2-250。
在一些实施例中，样品孔2-211的至少一个表面可涂覆有一层或多层3-211和3-280材料，其在样品孔内影响样品的作用，如在图3-8中所示。例如，薄电介质层3-280(例如，氧化铝、氮化钛或二氧化硅)可被沉积为样品孔的侧壁上的钝化涂层。可实现这种涂层以减少在激发区3-125外的样品的样品粘附或减少在样品和其中形成样品孔2-211的材料2-221之间的交互。根据一些实施例，在样品孔内的钝化涂层的厚度可以是约5nm和约50nm之间。
在一些实施方案中，用于涂层3-280的材料可基于用于材料的化学剂的亲和性来进行选择，从而使该层3-280可用化学或生物物质进行处理以进一步地抑制样品种类至该层的粘附。例如，根据一些实施例，涂层3-280可包括氧化铝，其可用多膦酸盐钝化层进行钝化。在一些实施例中可使用额外或替代的涂层和钝化剂。
根据一些实施例，至少样品孔2-211和/或凹坑3-216的底表面可用化学或生物粘附剂3-211(例如，生物素)进行处理以促进对样品的保持。样品可永久或暂时地进行保持，例如，至少在约0.5毫秒至约50毫秒的一段时间内。在另一个实施例中，粘附剂可在更长的时间段内促进对样品3-101的暂时性的保持。在各种实施例中，可使用任何合适的粘附剂，但这并不限于生物素。
根据一些实施例，邻近样品孔的材料3-235层可基于用于该层材料的粘附剂的亲和性进行选择。在一些实施例中，样品孔的侧壁的钝化可抑制在侧壁上的粘附剂的涂覆，从而使粘附剂3-211优选为沉积在样品孔的底部。在一些实施例中，粘附剂涂层可延伸样品孔侧壁的一部分。在一些实施方案中，粘附剂可通过各向异性物理沉积工艺(例如，蒸发、溅射)进行沉积，从而使粘附剂在样品孔或凹坑的底部累积且不会明显地在样品孔的侧壁上形成。
可采用各种制造技术以制造用于测定芯片的样品孔2-211。下面描述了几种实例工艺，但本发明并不仅限于这些实例。
样品孔2-211可通过任何合适的微米或纳米制造工艺而制成，其可包括但不限于与光刻、深度紫外线光刻、浸渍光刻、近场光学接触光刻、EUV光刻、x射线光刻、纳米压印光刻、干涉光刻、步进和闪光光刻、直接写入电子束光刻、离子束光刻、剥离处理、反应性离子蚀刻、选择性取向附生、分子自组装、有机合成等相关联的处理步骤。根据一些实施例，样品孔2-211可使用光刻和剥离处理而制成。与样品孔的剥离处理相关联的实例制造步骤在图3-9中示出。虽然在图中典型地仅示出在像素处的单个样品孔或结构的制造，但将要理解的是可并行地在衬底(例如，在每个像素)上制造大量的样品孔或结构。
根据一些实施例，在衬底上的层3-235(例如，氧化物层)可覆盖有抗反射(ARC)层3-910和光致抗蚀剂3-920，如在图3-9A中所示。光致抗蚀剂可使用光刻和抗蚀剂的显影而进行暴露和图案化。抗蚀剂可进行显影以消除暴露部分或未暴露部分(这取决于抗蚀剂的类型)，这留下了其直径大致等于用于样品孔的所需直径的支柱3-922，如在图3-9B中所示。支柱的高度可大于样品孔的所需深度。
支柱3-922的图案可经各向异性反应性离子蚀刻(RIE)被转移至ARC层3-910，如在图3-9C中所示。该区域可随后涂覆至少一种形成样品孔所需的材料2-221，例如，导体或金属。沉积材料或多种材料的一部分形成在支柱3-922上的帽子3-232，如在图3-9D中所示。抗蚀剂和ARC可随后使用选择性移除工艺(例如，使用具有或不具有溶解至少抗蚀剂并释放或“剥离”覆层(cap)的搅拌的化学浴)而从衬底进行剥离。如果ARC仍然存在，其可使用选择性蚀刻而从衬底进行剥离，从而留下样品孔3-210，如在图3-9E中所示。根据一些实施例，由于至少一种材料3-221的沉积性质，样品孔的侧壁2-214可以是倾斜的。
如在本文所使用的，“选择性蚀刻”表示蚀刻过程，其中蚀刻剂对要移除或蚀刻的一种材料所进行的选择性蚀刻的速率高于蚀刻剂对不要进行移除的其他材料的蚀刻速率(例如，至少为其两倍)。
由于抗蚀剂和ARC通常是基于聚合物的，其被认为是可能不适于形成具有高的高宽比的样品孔的软材料(例如，关于高度与宽度为大于约2：1的高宽比)。对于具有较高的高宽比的样品孔而言，硬材料可被包括在剥离工艺中。例如，在沉积ARC和光致抗蚀剂之前，可沉积一层硬材料(例如，无机材料)。在一些实施例中，可沉积一层钛或氮化硅。该层硬材料应表现出在其中形成有样品孔的材料或多种材料2-221上的择优蚀刻。在对光致抗蚀剂进行图案化后，支柱的图案可被转移至ARC和下面的硬材料3-930中，从而产生如在图3-9F中所示的结构。光致抗蚀剂和ARC可随后进行剥离，沉积材料2-221并进行剥离步骤以形成样品孔。
根据一些实施例，剥离工艺可被用于形成包括能量加强结构3-711的样品孔，如在图3-7C和图3-7D中所示。
在图3-10中示出了用于形成样品孔的替代工艺。在该工艺中，样品孔可被直接蚀刻至至少一种材料2-211中。例如，其中要形成样品孔的至少一种材料2-211可被沉积至衬底3-325上。该层可被ARC层3-910和光致抗蚀剂3-920覆盖，如在图3-10A中所示。光致抗蚀剂可进行图案化以形成其直径大致等于样品孔的所需直径的孔，如在图3-10B中所示。孔的图案可使用各向异性反应性离子蚀刻被转移至ARC并通过层3-230，如在图3-10C中所示。抗蚀剂和ARC可进行剥离，从而产生如在图3-10D中所示的样品孔。根据一些实施例，由蚀刻至该层材料3-230所形成的样品孔的侧壁比剥离工艺所产生的侧壁更加垂直。
在一些实施例中，光致抗蚀剂和ARC可被用于在材料2-221上对硬掩模(例如，氮化硅或氧化层，未示出)进行图案化。图案化的孔可随后被转移至硬掩模，其随后被用于将图案转移至该层材料2-221中。硬掩模可允许至该层材料2-221中的更大的蚀刻深度，从而形成具有更高的高宽比的样品孔。
将理解的是，当多层不同的材料被用于形成其中形成有样品孔的一堆材料2-211时，如上所述的剥离工艺和直接蚀刻制造技术可被用于形成样品孔。在图2-11中示出了实例堆。根据一些实施例，一堆材料可被用于形成样品孔以改善激发能量至样品孔的激发区的耦合或减少激发能量至大样本的传输或再辐射。例如，可在第一层3-940上沉积吸收层3-942。第一层可包括金属或金属合金，且吸收层可包括抑制表面等离激元的材料，如无定形硅、TaN、TiN或Cr。在一些实施方案中，还可沉积表面层3-944以钝化围绕样品孔的表面(例如，抑制分子的粘附)。
可按任何合适的方式形成包括凹坑3-216的样品孔。在一些实施例中，凹坑可通过进一步地蚀刻至相邻层3-235中和/或邻近样品孔的任何中间层或多层中而形成。例如，在一层材料2-221中形成样品孔后，该层2-221可被用作用于对凹坑进行图案化的蚀刻掩模，如在图3-12中所示。例如，衬底可进行选择性、各向异性的反应性离子蚀刻，从而使凹坑3-216可被蚀刻至相邻层3-235中。例如，在其中材料2-221为金属的且相邻层3-235为硅氧化物的实施例中，具有包括CHF3或CF4的进料气的反应性离子等离子体蚀刻可被用于优先移除位于样品孔下暴露的硅氧化物并形成凹坑3-216。如本文所使用的，“硅氧化物”通常指SiOx且可包括例如二氧化硅。
在一些实施例中，在蚀刻期间在等离子体内的状况(例如，至衬底的偏压和压力)可进行控制以确定凹坑3-216的蚀刻断面图。例如，在低压(例如，小于约100毫托)和高DC偏压(例如，大于约20V)下，蚀刻可以是高度各向异性的且形成凹坑的大致为直的和垂直的侧壁，如在图中所示。在较高的压力和较低的偏压下，蚀刻可以是更加各向异性的，从而产生凹坑的锥形和/或弯曲的侧壁。在一些实施方案中，湿法蚀刻可被用于形成凹坑，其可以是基本上为各向同性的且形成可在材料2-221下横向延伸至或越过样品孔的侧壁的近似为球形的凹坑。
图3-13A至图3-13C示出可被用于形成其横向尺寸小于样品孔2-211的凹坑3-216(例如，像图3-7B中所示的凹坑)。在一些实施方案中，在形成样品孔后，可在包括样品孔的区域上沉积保形牺牲层3-960。根据一些实施例，牺牲层3-960可通过气相沉积工艺，例如，化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的CVD或原子层沉积(ALD)进行沉积。牺牲层可随后使用对于牺牲层3-960来说为选择性的第一各向异性蚀刻进行回蚀，从电压电平表面移除层并在样品孔的壁上留下侧壁涂层3-962，如在图3-13B中所示。回蚀在一些实施例中可以是选择性的并停止在材料2-221和相邻层3-235上或在一些实施例中可以是非选择性的定时蚀刻。
可执行对于相邻层3-235来说为选择性的第二各向异性蚀刻以将凹坑3-216蚀刻至相邻层中，如在图3-13C中所示。随后，牺牲侧壁涂层3-962可选地可通过选择性湿法或干法蚀刻进行移除。移除侧壁涂层打开样品孔以具有比凹坑3-216更大的横向尺寸。
根据一些实施例，牺牲层3-960可包括与相邻层3-235相同的材料。在这种实施例中，随着凹坑被蚀刻至相邻层3-235中第二蚀刻可移除侧壁涂层3-962中的至少一些。在一些实施例中，该侧壁涂层的回蚀可形成凹坑的锥形侧壁。
在一些实施方案中，牺牲层3-960可由用于钝化样品孔的侧壁的一层材料制成或包括其(例如，减少在样品孔侧壁处的样品的粘附)。随后，在形成凹坑后，该层3-960中的至少一些可被留在样品孔的壁上。
根据一些实施例，在形成凹坑后，形成侧壁涂层3-962。在这种实施例中，层3-960涂覆凹坑的侧壁。这种工艺可被用于钝化凹坑的侧壁并将样品局部化在凹坑的中心处。
在图3-14中示出了与在样品孔的底部沉积粘附剂3-211相关联的工艺步骤以及钝化层3-280。根据一些实施例，样品孔可包括在样品孔的壁上的第一钝化层3-280。可形成第一钝化层，如上面结合图3-13B或图3-8所述的。在一些实施例中，第一钝化层3-280可由任何合适的沉积工艺和回蚀而形成。在一些实施例中，第一钝化层可通过氧化其中形成有样品孔的材料3-230而形成。例如，样品孔可由铝制成，其可进行氧化以创建在样品孔的侧壁上的氧化铝涂层。
粘附剂3-980或粘附剂前体(例如，优先结合粘附剂的材料)可使用各向异性物理沉积工艺，例如，蒸发淀积被沉积在衬底上，如在图3-14A中所示。粘附剂或粘附剂前体可在样品孔的底部形成粘附剂层3-211，如在图3-14B中所示，且可涂覆其中形成样品孔的材料2-221的上表面。在图3-14C中所示的后续有角度的定向沉积(有时被称为阴影沉积或阴影蒸发工艺)可被用于在材料2-221的上表面上沉积第二钝化层2-280而不用覆盖粘附剂层3-211。在阴影沉积工艺期间，衬底可绕垂直于衬底的轴线旋转，从而使第二钝化层3-280更均匀地沉积在样品孔的上缘周围。根据一些实施例，在图3-14D中示出了所得到的结构。作为沉积第二钝化层的替代方案，可使用平坦化蚀刻(例如，CMP步骤)以将粘附剂从材料3-230的上表面移除。
根据一些实施方案，可在锥形样品孔的底部中心沉积粘附剂层3-211，如在图3-15中所示。例如，在如上所述形成的锥形样品孔中定向沉积粘附剂或粘附剂前体，如在图3-14A中所示。在沉积粘附剂层3-211前或后，样品孔的壁可通过氧化工艺进行钝化。留在材料2-221表面上的粘附剂或前体可按结合图3-14D所述的方法进行钝化。在一些实施例中，在材料2-221的上表面上的粘附剂可通过化学机械抛光步骤消除。通过在样品孔底部中心处形成粘附剂层或粘附剂层前体，可减少对源于样品的发射的有害影响(例如，对源于样品壁的样品辐射的抑制或压制、由于不位于相关于在样品孔周围形成的能量耦合结构的中心处而导致的源于样品的不利辐射分布以及对样品的发光寿命的不利影响)。
在一些实施例中，用于形成样品孔和凹坑的剥离图案化、蚀刻和沉积工艺可与用于形成在传感器芯片上的集成CMOS电路的CMOS工艺相兼容。额外地，传感器可使用常规CMOS设施和制造技术进行制造，然而在一些实施方案中也可使用定制化或专门的制造设施。
如上所述的工艺步骤中的变化可被用于形成样品孔的替代实施例。例如，可使用在图3-14C中所示的成角度的沉积工艺形成锥形样品孔，如在图3-7A或图3-7B中所示的。对于图3-7B的样品孔而言，在沉积过程中，沉积角度可发生变化。对于这种实施例而言，可先形成具有大致为直且垂直的侧壁的样品孔，随后可通过成角度的沉积进行额外材料2-221的沉积以使样品孔的侧壁成锥形。
B.将激发能量耦合至样品孔
如在图2-1和图2-3中所示，源于激发源2-250的激发能量2-251使用仪器2-120的组件和测定芯片2-110的组件被引导至样品孔2-211。该部分描述了可有助于将激发能量2-251耦合至样品孔2-211的测定芯片2-110的组件。
源于激发源至样品孔的能量耦合可通过在样品孔内和/或邻近样品孔处形成激发-耦合结构而进行改善或受到影响。激发-耦合结构在一些实施例中可包括在样品孔周围制成的微米或纳米级结构或在一些实施例中可包括在样品孔形成的结构或粒子。激发-耦合结构在一些实施方案中可影响样品的辐射性激发且在一些实施方案中可影响样品的非辐射性激发。在各种实施例中，辐射性激发-耦合结构可增加在样品孔的激发区内的激发能量的强度。非辐射性激发-耦合结构可改善和/或改变从激发源(其可以是辐射性的或非辐射性的)至样品的非辐射性能量传递路径。
C.辐射性激发-耦合结构
有许多不同类型的辐射性激发-耦合结构，其可被用于影响从激发源至样品孔内的激发区的激发能量的耦合。一些辐射性耦合结构可由导体(例如，包括金属层)制成并支持接近样品孔和/或在样品孔内局部影响激发能量(例如，局部改变电磁场)的表面等离激元振荡。在一些情况下，表面-等离激元结构可按二倍或更大的因子加强在样品孔的激发区内的激发能量。一些辐射性耦合结构可改变激发场的相位和/或幅度以加强在样品孔内的激发能量。在这个部分中描述了辐射性激发-耦合结构的各种实施例。
图4-1A仅示出可被用于加强激发能量至样品孔中的耦合的表面-等离激元结构4-120的一个实例。该图示出围绕表面-等离激元结构4-120的区域的平面图并表示出围绕该结构的电场强度的数值模拟的结果。该图示出表面-等离激元结构，其包括具有紧邻样品孔(未示出)的尖顶的三个三角形特性。根据一些实施例，表面-等离激元结构可包括金属或导体(例如，具有下列金属或金属合金：Al、Au、Ag、Ti、TiN中的任一个或其组合的图案化薄膜)。膜的厚度在一些实施例中可以是约10nm和约100nm之间，然而在其他实施例中也可使用其他厚度。表面-等离激元结构在一些实施例中可包括紧邻样品孔(例如，在约100nm内)的尖锐特性4-110。
图4-1B示出在虚线截取的图4-1A的表面-等离激元结构的横截面正视图。模拟示出邻近表面-等离激元结构的三角形顶点的激发能量的局部高强度区域4-505。对于该模拟而言，表面-等离激元结构4-120位于在电介质层4-135(二氧化硅)上。表面-等离激元结构接通源于波导的衰逝场的能量并加强在样品孔的强度。
在一些实施例中，通过表面-等离激元结构进行的激发能量的加强可被局部化至不需要深样品孔2-211的范围。例如，如果高强度区4-505被形成为具有约为100nm的直径且其峰强度值不大于在该区域外的强度的约80％，那么则可能不需要深的样品孔。仅有在高强度区4-505内的样品会有助于形成明显发射以用于检测。
当入射电磁场与表面-等离激元结构交互时，在该结构中生成表面-波电流。结构的形状可影响这些表面-等离激元的强度和分布。这些局部化电流可与紧邻表面-等离激元结构的入射电磁场进行交互并显著地改变和强化该入射电磁声，例如在图4-1B中由高强度区4-505所示的。在一些实施例中，在表面-等离激元结构附近发射能量的发射体(例如，荧光标记)可使其发射通过结构进行改变，从而改变源于发射体的远场辐射图式。
在图4-1C的平面图中示出了表面-等离激元结构4-122的另一个实施例。所示的蝴蝶结结构包括位于邻近样品孔2-211处的两个三角形金属结构。例如，结构可在样品孔的下方和/或邻近样品孔的激发区进行图案化。在一些实施方案中，在样品孔和表面-等离激元结构的尖锐特性4-125之间可以有间隙4-127。根据一些实施例，间隙4-127可以是约10nm和约200nm之间。在一些实施方案中，间隙4-127可以是约10nm和约100nm之间。尖锐特性4-125可包括在表面-等离激元结构的边缘中的点或尖锐弯曲部，如在图中所示。尖锐特性可具有任何合适的形状。在一些实施例中，尖锐特性4-125的弯曲部的半径可小于与入射激发能量相关联的约5个波长。在一些实施例中，尖锐特性4-125的弯曲部的半径可小于与入射激发能量相关联的约2个波长。在一些实施例中，尖锐特性4-125的弯曲部的半径可小于与通过入射激发能量激发的表面-等离激元波相关联的约5个波长。在一些实施例中，尖锐特性4-125的弯曲部的半径可小于与通过入射激发能量激发的表面-等离激元波相关联的约2个波长。
根据一些实施例，表面-等离激元结构4-122可在样品孔2-211内进行图案化，如在图4-1D的正视图中所示。在一些实施例中，在样品孔内的表面-等离激元结构可包括被图案化至样品孔的侧壁上的一个或多个指状物(例如，金属指状物)，如在图中所示。图4-1E示出样品孔2-211的平面图，其示出在样品孔的侧壁上形成的表面-等离激元结构4-122。在一些实施例中，这些表面-等离激元结构4-122的下端形成尖锐特性或弯曲部，其中电磁场将被增强。表面-等离激元结构4-122可以或可以不延伸至样品孔的底部。
在一些实施例中，表面-等离激元结构4-122可被布置成影响激发能量的偏振和/或源于样品孔的发射能量。例如，如在图4-1E中所示的图案可被用于影响源于样品孔内的发射体的线性或椭圆激发偏振的优选定向和/或线性或椭圆偏振的优选定向。
表面-等离激元结构可被图案化为除了在图4-1A至图4-1E中所示的那些以外的形状。例如，根据一些实施例，表面-等离激元结构可被图案化为规则的或周期性的结构，如在图4-2A中所示。例如，表面-等离激元结构可被图案化为在其中形成有样品孔2-210的材料2-221的下表面上的突出特性4-211的阵列。周期性的表面-等离激元结构可按规则阵列，例如光栅、网格、晶格、圆形光栅、螺旋光栅、椭圆光栅或任何其他合适的结构形成。在表面-等离激元结构的突起4-210之间可以有大致均匀的间隔s。在一些实施方案中，间隔s可具有在约40nm和约250nm之间的任何数值。根据一些实施例，突起可具有在约20nm和约100nm之间的高度h。在一些实施方案中，间隔s可以是不均匀的或可以是线性调频的(其在较大的径向距离具有减小的值)。在一些实施例中，表面-等离激元结构的突起5-210可被图案化为菲涅耳带片。根据一些实施例，表面-等离激元结构的4-210可形成在邻近透明层和/或电介质层3-235处。在一些实施例中，在突起4-210之间的间隔可以是周期性的，而在其他实施例中，突起4-210可以是非周期性的。
在一些实施方案中，表面-等离激元结构4-212可与其中形成有样品孔的材料2-221相间隔，如在图4-2B中所示。例如，在表面-等离激元结构4-212和材料4-230之间可具有中间电介质层4-247。根据一些实施例，表面等离激元结构4-212可位于邻近样品孔的凹坑3-216处，如在图中所示。例如，表面-等离激元结构4-212可位于邻近凹坑3-216的侧壁处，如在图4-2B中所示。
图4-2C示出被形成为同心圆形光栅的表面-等离激元结构4-214。根据一些实施例，结构4-214可包括同心导电环4-215。该环可通过规则的间隔s分离且具有高度h，如结合图4-2A所述的。根据一些实施例，具有可选的凹坑的样品孔4-210可位于环的中心。圆形光栅可在邻近样品孔的底部处进行图案化。
根据一些实施例，可选择表面-等离激元结构的周期性以形成谐振结构。例如，表面-等离激元结构的间隔s可进行选择以大致为在结构中通过激发能量生成的表面-等离激元波的二分之一波长。当被形成为谐振结构时，表面-等离激元结构可沿周期性表面-等离激元结构的方向进行累积和谐振激发能量。这种谐振行为可强化在样品孔或邻近样品孔的电磁能量，如在图4-2D中所示。虽然表面等离激元结构的间隔在一些实施例中可以是周期性的，但在其他实施例中，间隔也可以是非周期性的。使用非周期性的间隔允许对场增强进行特别设计以用于所涉及的激发能量的波长和发射能量的波长。图4-2D表示在样品孔的底部和在周期性表面-等离激元结构周围产生的数值模拟电磁场。表面-等离激元结构4-216位于邻近其中形成有样品孔的材料2-221处且邻近样品孔2-211的底部。表面-等离激元结构可采用以规则的或不规则的间隔在远离样品孔且在模拟区外的区域中重复的光栅或圆形光栅的形式。例如，可以有表面-等离激元结构4-216的3至50个重复的光栅突起。在样品孔2-211的底部可以看到高强度4-240区域。在该区域中的强度可仅在表面-等离激元结构下方的周围区域的上方以大于2倍的因子进行加强。
图4-2E以正视图示出谐振表面-等离激元结构4-218的替代实施例。根据一些实施例，表面-等离激元结构可被形成为周期性或非周期性的光栅或网格图案且可按多层4-247进行图案化。根据一些实施例，样品孔2-211可通过多层4-247进行图案化且位于谐振表面-等离激元结构4-218内。在一些实施方案中，谐振表面-等离激元结构可包括在图4-2F的平面图中示出的离散的导电元件4-222。在一些实施方案中，谐振表面-等离激元结构可包括连续的晶格图案4-250，如在图4-2G中所示。电介质填料4-252可位于导电材料4-250的空隙中且样品孔2-211可用空隙进行定位。
有许多不同表面-等离激元结构，其可被用于加强至样品孔中的耦合或影响源于样品孔内的样品的发射。图4-2H以平面图示出表面-等离激元结构的替代实施例。在图4-2I中示出了结构的正视图。根据一些实施方案，表面-等离激元结构可包括围绕样品孔2-211分布的圆盘阵列。在一些实施方案中，代替使用导电圆盘4-260，表面-等离激元结构可包括导电层，通过其形成分布式孔的图案。这种结构可被称之为“纳米天线”。
可使用各种不同的工艺对邻近样品孔的表面-等离激元结构进行图案化。图4-3A至图4-5E示出根据一些实施例的与可用于形成邻近样品孔的表面-等离激元结构的工艺步骤相关联的结构。现在参照图4-3A，用于形成表面-等离激元结构的工艺可包括在掩模层4-330上的抗反射涂层(ARC)4-320上形成抗蚀剂层4-310。根据一些实施方案，层可沉积在透明的电介质层3-235上。抗蚀剂层4-310可包括可光刻图案化的光致抗蚀剂或电子或离子束抗蚀剂。根据一些实施例，掩模层4-330可包括由无机材料(例如，硅或二氧化硅氮化物或任何其他合适的材料)制成的硬掩模。
在一些实施方案中，光刻工艺可被用于对抗蚀剂4-310进行图案化，如在图4-3B中所示。所选的图案可包括将被用于形成所需表面-等离激元结构的突起或孔的布局。在布置抗蚀剂4-310后，将暴露ARC的区域，且图案可被蚀刻至ARC层4-320中并随后至掩模层4-330中。抗蚀剂的ARC可从衬底进行剥离，且所产生的结构可能按图4-3C中所示方式出现。掩模层4-330随后可被用作蚀刻掩模，从而使图案可经选择性各向异性蚀刻被转移至下面的电介质层3-235中，如在图4-3D中所示。
导电材料2-221或包括导电的一层材料可随后被沉积在该区域上方，如在图4-3E中所示。任何合适的导电材料可被用于形成表面等离激元结构，而无论其是否被沉积为与材料2-221相分离的层。例如，在一些情况下，第一导电层可被沉积为其中形成有表面-等离激元结构的材料2-221的底层。可被用于形成表面-等离激元结构的材料的实例包括但不限于Au、Al、Ti、TiN、Ag、Cu和其合金或组合层。
材料2-221或材料层可通过任何合适的沉积工艺，包括但不限于物理沉积工艺或化学气相沉积工艺进行沉积。在一些实施方案中，材料2-221可具有约80nm和约300nm之间的厚度。在一些实施方案中，材料2-221可进行平坦化(例如，使用CMP工艺)，然而平坦化并不是必需的。样品孔可使用本文结合制造样品孔所述的任何合适的工艺而在材料2-221中形成。
发明人已认识到根据图4-3A至图4-3E中所示的步骤形成表面-等离激元结构可能需要将样品孔准确地对齐至表面-等离激元结构。例如，如图4-2C中所示的包括同心光栅的表面-等离激元结构可能需要将样品孔2-211准确地对齐至表面-等离激元结构4-214的中心。为了避免与这种精确对齐相关联的制造困难，可使用在图4-4A至图4-5E中所示的自对齐工艺。
现在参照图4-4A，形成表面-等离激元结构和自对齐至表面-等离激元结构的样品孔的工艺可包括在透明的电介质层2-235上形成掩模层4-410。根据一些实施例，掩模层可包括由无机材料，如硅或二氧化硅氮化物制成的硬掩模。掩模层4-410的厚度可大致等于样品孔2-212的所需高度。例如，掩模层的厚度根据一些实施例可以是约50nm和约200nm之间，然而在其他实施例中也可使用其他厚度。
掩模层4-410可进行图案化以创建具有将在电介质层2-235中进行图案化的表面-等离激元结构的所需图案的空隙4-430。可用任何合适的光刻工艺(例如，光刻、电子束光刻、离子束光刻、EUV光刻、x射线光刻)完成掩模层4-410的图案化。所产生的结构可按图4-4B中所示的方式出现。结构可包括中心支柱4-420，其随后将被用于形成自对齐样品孔。
抗蚀剂4-440(例如，光致抗蚀剂)可随后在图案化的掩模层4-410的上方进行图案化，如在图4-4C中所示。用于对抗蚀剂4-440进行图案化的对齐(例如，用于衬底对齐的掩模)不需要是高度精确的且仅要求抗蚀剂4-440覆盖中心支柱4-420而不用覆盖将被用于形成表面-等离激元结构的空隙4-430。
然后，选择性各向异性蚀刻则被用于蚀刻电介质层2-235并将表面-等离激元结构的图案转移至电介质中，如根据一些实施例的在图4-4D中所示。随后，选择性各向同性蚀刻可被用于移除掩模层4-410的暴露部分。各向同性蚀刻可以是湿法蚀刻，例如，然而在一些实施例中也可使用各向同性干法蚀刻。由于抗蚀剂4-440覆盖中心支柱4-420，中心支柱将不进行蚀刻且保留在衬底上，如在图4-4E中所示。抗蚀剂4-440可随后从暴露支柱4-420的衬底剥离，如在图4-4F中所示。
根据一些实施例，金属导电材料2-221或一堆包括导电材料的材料可随后被沉积在该区域的上方，如在图4-4G中所示。中心支柱4-420和在支柱上沉积材料的帽子可通过对支柱进行选择性湿法蚀刻并剥离帽子而进行移除。移除中心支柱留下了自对齐至下面的表面-等离激元结构4-450的样品孔。
替代工艺可被用于形成自对齐至表面-等离激元结构的样品孔且在图4-5A至图4-5E中所示。根据一些实施例，一个或多个导电层4-510、4-520可使用任何合适的光刻工艺被图案化至透明的电介质层2-235上，如在图4-5A中所示。在一些实施方案中，第一层4-510可包括铝且第二层4-520可包括氮化钛，然而在各种实施例中也可使用其他材料组合。根据一些实施例，一层或多层的总厚度可大致等于样品孔的所需高度。图案化可在一个或多个金属层中形成样品孔2-211和邻近样品孔的空隙4-525。空隙可按所需表面-等离激元结构的图案进行布置。
在一些实施方案中，电介质层3-235可进行蚀刻以将表面-等离激元结构和样品孔2-211的图案转移至电介质层中，如在图4-5B中所示。根据一些实施例，至电介质中的蚀刻深度可以是约20nm和约150nm之间。抗蚀剂4-440可进行图案化以覆盖样品孔，如在图4-5C中所示。用于对抗蚀剂进行图案化的对齐不需要是高度精确的且仅需要覆盖样品孔，而不用覆盖将被用于形成表面-等离激元结构的电介质层2-235的相邻蚀刻区。
如在图4-5D中所示，导电材料4-512或包括导体的材料层可使用任何合适的沉积工艺被沉积在该区域的上方。材料4-512可填充电介质层的蚀刻区且可在一层或多层4-510、4-520的上方延伸。抗蚀剂4-440和覆盖抗蚀剂的材料可随后根据剥离工艺进行移除。在图4-5E中所示的所产生的结构留下了自对齐至周围表面-等离激元结构的样品孔。样品孔包括凹坑3-216。
在一些实施例中，在图4-5A至图4-5E中所示的工艺可被用于形成不具有凹坑3-216的样品孔。例如，在蚀刻电介质层2-235前，抗蚀剂4-440可在样品孔2-211的上方进行图案化。电介质层2-235可随后进行蚀刻，其将把表面-等离激元结构的图案转移至未形成凹坑的电介质层。该工艺可随后按图4-5D和图4-5E中所示的方式进行以创建不具有凹坑的自对齐样品孔。
除了或作为表面-激发能量结构的替代方案，其他结构可在样品孔2-211的附近进行图案化以增加在样品孔内的激发能量。例如，一些结构可改变入射激发场的相位和/或幅度，从而增加在样品孔内的激发能量的强度。图4-6A示出可被用于改变入射激发能量的相位和幅度并增加在样品孔内的电磁辐射的强度的薄有损膜4-610。
根据一些实施例，薄有损膜(thin lossy film)可创建激发能量的相长干涉，从而在样品孔的激发区内产生场增强。图4-6B示出在样品孔上入射的激发能量的数值模拟，其中薄有损膜4-610已形成在紧邻样品孔处。对于该模拟而言，样品孔具有约为80nm的直径且形成在约为20nm厚的金的金属层中。样品孔包括SCN并抑制激发能量通过样品孔的传播。薄有损膜4-610为约10nm厚、由锗形成且覆盖包括二氧化硅的下面的透明电介质。薄有损膜延伸越过样品孔的入口孔。该模拟示出激发能量的强度为在样品孔的入口孔的最高值。在该亮区4-620中的激发能量的强度比样品孔的左边和右边的强度值大两倍多。
薄有损膜可由任何合适的材料制成。例如，薄有损膜可由其中折射率n大致与用作材料的消光系数k的数量级相同的材料制成。在一些实施例中，薄有损膜可由其中折射率n位于与材料的消光系数k的值的差在两个数量级以内的材料制成。在可见波长的这种材料的非限制性实例为锗和硅。
薄有损膜可具有任何合适的厚度，其可取决于与激发源或多个源相关联的特征波长或多个波长。在一些实施例中，薄有损膜为约1nm至约45nm厚。在其他实施例中，薄有损膜为约15nm至约45nm厚。在其他实施例中，薄有损膜为约1nm至约20nm厚。
在图4-6C的图中示出薄有损膜对源于其中形成样品孔的材料2-221的反射、对薄有损膜内的激发能量损失和在材料2-221内的激发能量损失的影响。在图中绘制的一个曲线表示反射曲线4-634并示出源于材料2-221和薄有损膜4-610的反射是如何随着薄有损膜的厚度从0nm至100nm的变化而发生变化的。根据模拟的实施例，反射在约25nm处达到最小值。反射最小值将根据用于薄有损膜和材料2-221的激发能量和材料的特征波长而出现在不同的厚度上。在一些实施方案中，选择薄有损膜的厚度，从而使反射大致为其最小值。
在一些实施例中，薄有损膜4-610可与样品孔2-211和材料2-221相间隔，如在图4-6D中所示。例如，薄电介质层4-620(例如，硅氧化物SiOx)可形成在薄有损膜的上方，且样品孔2-211可形成在邻近电介质层4-620处。电介质层4-620的厚度根据一些实施例可以是约10nm和约150nm之间，然而在一些实施例中也可使用其他厚度。
虽然被示作单层，但薄有损膜可包括由两种或多种材料构成的多层。在一些实施方案中，包括交替层的薄有损膜4-610和电介质层4-620的多层堆可形成在邻近样品孔2-211处，如在图4-6E中所示。根据一些实施例，薄有损膜4-610在一堆层中的厚度可以是约5nm和约100nm之间，且电介质层4-620在该堆中的厚度可以是约nm和约100nm之间。在一些实施方案中，多层堆可包括一层二氧化硅(4.2nm厚)，一层硅(14.35nm厚)以及一层锗(6.46nm厚)，然而在其他实施例中也可使用其他厚度。在一些实施方案中，多层堆可包括一层二氧化硅(约4.2nm厚)，一层硅(约14.4nm厚)以及一层锗(约6.5nm厚)，然而在其他实施例中也可使用其他厚度。
薄有损膜可由表现出至少一些入射辐射的损失的任何合适的材料制成。在一些实施例中，薄有损膜可包括半导体材料，如硅和锗，然而也可使用其他材料。在一些实施方案中，薄有损膜可包括无机材料或金属。在一些实施例中，薄有损膜可包括合金或化合物半导体。例如，薄有损膜可包括合金，其包括Si(57.4重量％)、Ge(25.8重量％)和SiO2(16.8重量％)，然而在其他实施例中也可使用其他比率和组合物。
根据一些实施例，薄有损膜可使用任何合适的覆盖沉积工艺，例如物理沉积工艺、化学气相沉积工艺、旋涂工艺或其组合而形成在衬底上。在一些实施例中，薄有损膜可在沉积后进行处理，例如进行烘焙、退火和/或离子注入。
额外地或替代地，可使用其他相位/幅度改变结构以增强在样品孔内的激发能量。根据一些实施方案且如在图4-7A中所示，反射堆4-705可与样品孔2-211间隔开来。在一些实施例中，反射堆可包括具有供替换的折射率的材料的电介质堆。例如，第一电介质层4-710可具有第一折射率，且第二电介质层4-720可具有不同于第一折射率的第二折射率。反射堆4-705在一些实施例中可表现出用于激发能量的高反射性且表现出用于源自样品孔内的发射体的辐射性发射的低反射性。例如，反射堆4-705可表现出大于用于激发能量的约80％的反射性以及低于用于源自样品的发射的约40％的反射性，然而在一些实施例中也可使用其他反射性数值。发射激发能量的电介质层4-730可位于反射堆和样品孔之间。
根据一些实施方案，在图4-7A中所示的反射堆4-705可用其中形成样品孔2-211的材料2-221形成谐振器。例如，反射堆可通过大致等于在电介质材料4-730内的激发能量的波长的一半或其整数倍的距离与材料2-221间隔开来。通过形成谐振器，激发能量可通过反射堆、谐振并在材料2-221和反射堆4-705之间的空间中聚积。这可增加在样品孔2-211内的激发强度。例如，强度在一些实施例中可按大于2倍的因子在谐振结构内增加，在一些实施例中按大于5倍的因子增加且在一些实施例按大于10倍的因子增加。
在样品孔的附近可添加额外的结构，如在图4-7B和图4-7C中所示。根据一些实施例，具有高于电介质层4-730的第二折射率的第一折射率的电介质塞4-740可在邻近样品孔2-211处形成，如在图4-7B中所示。该塞可采用其直径大致等于样品孔直径的圆柱形，然而也可使用其他形状和大小。由于其较高的折射率，电介质塞4-740可向样品孔集中和引导激发能量。
根据一些实施例，电介质结构，如塞4-740可与或不与反射堆4-705一起使用。这种电介质结构可被称之为电介质谐振天线。电介质谐振天线可具有任何合适的形状，例如，圆柱形、矩形、正方形、多边形、梯形或金字塔形。
图4-7C和图4-7D示出根据一些实施例的可形成在样品孔2-211附近的光子带隙(PBG)结构。光子带隙结构可包括规则的光学对比结构4-750阵列或晶格。根据一些实施例，光学对比结构可包括电介质材料，其具有不同于周围电介质材料的折射率的折射率。在一些实施方案中，光学对比结构4-750可具有不同于周围介质的损失值。在一些实施方案中，样品孔2-211可位于晶格中的缺陷处，如在图4-7D中所示。根据各种实施例，在光子晶格中的缺陷可在缺陷的区域内限定光子，其可增强在样品孔的激发能量的强度。由于光子带隙结构实现的限定可大致沿与衬底表面成横向的两个尺寸进行。当与反射堆4-705相结合时，限定可沿样品孔的三个尺寸进行。在一些实施例中，光子带隙结构可在不具有反射堆的情况下使用。
已考虑了用于制造如在图4-6A至图4-7D中所示的激发-耦合结构的各种方法。根据一些实施例，需要薄的平面膜(例如，具有供替换的折射率的电介质膜)的结构可通过平面沉积工艺形成。平面沉积工艺可包括物理沉积(例如，电子束蒸发或溅射)或化学气相沉积工艺。例如，需要按三维形状形成的离散的嵌入电介质，如图4-7B中所示的电介质谐振天线4-740或在图4-7C中所示的光学对比结构4-750的结构可通过使用光刻图案化和蚀刻工艺以将图案蚀刻至衬底中并随后使用电介质层的沉积和衬底的平坦化而形成。还考虑了用于在样品孔2-211的附近形成电介质谐振天线以及光子带隙结构的自对齐加工技术。
图4-8A至图4-8G示出了仅与可被用于形成光子带隙结构和自对齐的样品孔的一种自对齐工艺的工艺步骤相关联的结构，如在图4-7C中所示。根据一些实施例，反射堆4-705可首先形成在位于电介质层3-235上的衬底上，如在图4-8A中所示。第二电介质层4-730可随后沉积在反射堆上。电介质层4-730的厚度可大致等于材料中的激发能量的波长的约一半或其整数倍。可随后进行结合图4-4A至图4-4E所述的工艺步骤以在电介质层4-730上方形成支柱4-420以及用于光子带隙结构的蚀刻特性4-810的图案。蚀刻特性可延伸至电介质层4-730中并可选地至反射堆4-705中。所产生的结构可按图4-8A中所示的方式出现。
覆盖支柱4-420的抗蚀剂4-440可从衬底剥离且进行保形沉积以用填充材料4-820填充蚀刻特性，如在图4-8B中所示。根据一些实施例，填充材料4-820可与用于形成支柱4-420的材料相同。例如，填充材料4-820和支柱4-420可由氮化硅制成，且电介质层4-730可包括氧化物，例如，SiO2。
然后，可进行各向异性蚀刻以回蚀填充材料4-820。根据一些实施例，可回蚀填充材料以暴露电介质层4-730的表面，这产生了如在图4-8C中所示的结构。蚀刻可留下支柱4-830，其包括原始支柱4-420和从填充材料4-820留下的侧壁4-822。
然后，抗蚀剂4-440可在衬底上进行图案化，如在图4-8D中所示。例如，抗蚀剂可被涂覆至衬底上，在抗蚀剂中对孔进行图案化并对抗蚀剂进行显影以在围绕支柱4-830的抗蚀剂中打开区域。孔至支柱的对齐不需要是高度精确的且仅需暴露支柱4-830而不用暴露嵌入电介质层4-730中的下面的光子带隙结构。
在暴露支柱4-830后，可使用各向同性蚀刻以减少支柱的横向尺寸。根据一些实施例，所产生的支柱形状可按图4-8E中所示的方式出现。抗蚀剂4-440可随后从衬底进行剥离且可在该区域上方沉积材料2-221或材料层。在一些实施例中，材料2-221可使用CMP工艺进行回蚀以使该区域平坦化，如在图4-8F中所示。接着，可使用选择性干法或湿法蚀刻以移除剩余的支柱结构，从而留下样品孔2-211，如在图4-8G中所示。如附图所示，样品孔2-211被自对齐至在电介质层4-730中进行图案化的光子带隙结构。
作为一个替代工艺，填充材料4-820可包括与用于形成支柱4-420的材料不同的材料。在该工艺中，可省略与图4-8D和图4-8E相关联的步骤。在对材料2-221进行沉积和进行平坦化后，如在图4-8F中所示，可进行选择性蚀刻以移除支柱4-420。这可以留下衬填样品孔2-211的填充材料4-820的侧壁。
D.非辐射性激发-耦合结构
本发明提供了用于将激发能量非辐射性耦合至样品孔内的样品的结构。在图4-9A中仅示出了非辐射性耦合结构的一个实施例。根据一些实施例，非辐射性耦合结构可包括紧邻样品孔2-211形成的半导体层4-910。半导体层4-910在一些实施例中可以是有机半导体或在一些实施例中可以是无机半导体。在一些实施方案中，凹坑3-216可以或可以不形成在半导体层中。半导体层4-910根据一些实施例可具有约5nm和约100nm之间的厚度，然而在一些实施例中也可使用其他厚度。根据一些实施方案，源于激发源的激发能量或光子4-930可影响半导体层4-910并产生激子4-920。激子可扩散至样品孔的表面，其中其可非辐射性地重组并将能量传递至邻近样品孔的壁的样品。
图4-9B示出另一个实施例，其中半导体层4-912可被用于非辐射地将能量从激发源传递至样品。在一些实施例中，半导体层4-912可形成在样品孔的底部或在样品孔2-211的凹坑中，如在附图中所示。根据一些实施例，半导体层4-912可通过使用本文中结合用于将粘附剂沉积在样品孔的底部的工艺步骤描述的定向沉积工艺而形成在样品孔中。半导体层4-912根据一些实施例可具有约5nm和约100nm之间的厚度，然而在其他实施例中也可使用其他厚度。入射辐射可在半导体层内生成激子，其可随后扩散至样品孔2-211的底表面。激子可随后非辐射性地将能量传递至样品孔内的样品。
本发明还提供了用于将激发能量传递至样品的多个非辐射性路径。根据一些实施例且如在图4-9C中所示，可在样品孔内沉积能量传递粒子4-940。能量传递粒子在一些实施例中可包括量子点或在一些实施例中可包括分子。在一些实施方案中，能量传递粒子4-940可通过连接分子被官能化至样品孔的表面。薄半导体层4-910可形成在邻近样品孔处或在样品孔内，且根据在半导体层上入射的激发能量可在半导体层内生成激子，如在附图中所示。激子可扩散至样品孔的表面且非辐射性地将能量传递至能量传递粒子4-940。能量传递粒子4-940可随后非辐射性地将能量传递至样品孔内的样品3-101。
根据一些实施方案，在样品孔内可能有一个以上的能量传递粒子4-940。例如，可在样品孔，如在图4-9C中所示的样品孔内沉积一层能量传递粒子4-942。
在一些实施方案中，能量传递粒子4-942或单个能量传递粒子4-940可被沉积在样品孔的底部，如在图4-9D中所示。能量传递粒子或多个粒子可辐射性或非辐射性地将激发能量传递至样品孔内的样品3-101。例如，能量传递粒子可吸收入射能量以形成能量传递粒子的激发状态且随后辐射性或非辐射性地将能量传递至样品3-101。
在一些实施方案中，能量传递粒子可吸收入射激发能量并随后在不同于所吸收的激发能量的波长的波长上重新发射辐射能量。重新发射的能量可随后被用于在样品孔内激发样品。图4-9E表示与下转换能量传递粒子相关联的光谱图。根据一些实施例，下转换能量传递粒子包括量子点，其可吸收短波长辐射(较高能量)并发射一种或多种较长波长的辐射(较低能量)。实例吸收曲线4-952在图中被示作用于半径为6至7nm的量子点的虚线。量子点可发射由曲线4-954所示的第一辐射带、由曲线4-956所示的第二辐射带以及由曲线4-958所示的第三辐射带。
在一些实施方案中，能量传递粒子可从激发源对能量进行上转换。图4-9F示出与从能量传递粒子进行的上转换相关联的光谱。根据一些实施例，量子点可用在约980nm的辐射进行激发且随后重新发射至三个光谱带中的一个中，如在图中所示。第一带的中心可在约483nm处，第二带的中心可在约538nm处且第三带的中心可在约642nm处。从量子点重新发射的光子比用于激发量子点的辐射的光子更有活力。因此，对源于激发源的能量进行上转换。发射光谱带中的一个或多个可被用于激发在样品孔内的一个或多个样品。
E.将发射能量引至传感器
测定芯片2-110可每个像素包括一个或多个组件以改善通过仪器上的传感器进行的发射能量的采集。这种组件可被设计为在空间上将发射能量引向传感器并增加源于样品孔2-211的发射能量的定向性。表面光学元件和远场光学元件可被用于将发射能量引向传感器。
1.表面光学元件
位于接近像素的样品孔的测定芯片2-110像素内的组件可被配置成与样品发射的发射能量相耦合。这种组件可被形成在测定芯片的两层之间的界面处。例如，一些发射能量耦合元件可形成在样品孔层和与形成样品孔处相对的邻近样品孔层的层之间的界面处。在一些情况下，在样品孔层以下的层为电介质层且发射能量耦合元件可支持表面等离激元。在其他实施例中，样品孔层可以是邻近光学透明材料的导电材料。表面-能量耦合元件可以是由源于样品孔的辐射性发射激发并与其进行交互的表面光学结构。
表面光学结构的特征尺寸，如光栅周期、特性大小或与样品孔的距离可进行选择以最大化地将发射能量的动量矢量的平行分量耦合至用于表面等离激元的表面波动量矢量。例如，根据一些实施例，发射能量的动量矢量的平行分量可与用于由结构支持的表面等离激元的表面波动量矢量相匹配。在一些实施例中，从样品孔至表面光学结构的特征特性的距离d可进行选择，从而沿选定的方向指引源于样品孔的发射能量，如垂直于表面或从法线至表面按角度θ倾斜。例如，距离d可以是表面-等离激元波长的整数倍以垂直于表面指引发射。在一些实施例中，距离d可被选择为部分表面-等离激元波长或其波长模度。
根据一些实施例，表面光学结构可沿与样品孔层相垂直的方向指引源于样品孔的辐射性发射能量。耦合能量可沿狭窄的定向辐射图式中的法向指引耦合能量。
表面光学结构的实例为同心光栅。同心光栅结构可形成在测定芯片的像素中以向像素的一个或多个传感器指引发射能量。同心光栅结构可形成在样品孔的周围。作为表面等离激元结构的同心圆形光栅表面5-102的实例在图5-1中示出。圆形光栅可包括任何合适数量的环且在图5-1中示出的环的数量为非限制性实例。圆形光栅可包括源于导电层表面的突出环。例如，圆形光栅可形成在样品孔层和形成在样品孔层下面的电介质层的界面上。样品孔层可以是导电材料且同心光栅可通过在导电材料和电介质之间的界面上对光栅结构进行图案化而形成。圆形光栅的环可按规则的周期间隔布置或可在环之间具有不规则或非周期性间隔。样品孔可位于或接近圆形光栅的中心处。在一些实施例中，样品孔可位于偏离圆形光栅的中心处且可位于与光栅的中心成一定距离的地方。在一些实施例中，光栅型表面能量-耦合组件可包括螺旋光栅。在图5-2中示出了螺旋光栅5-202的实例。螺旋光栅5-202可包括在导电膜中的螺旋孔。螺旋光栅的任何合适的尺寸可被用于形成螺旋光栅。
图5-3示出用于源于样品孔2-211的发射能量的辐射图式5-302。与缺乏光栅结构2-223而形成的辐射图式相比，同心光栅结构2-223使发射能量具有更大的定向性。在一些实施例中，发射能量是向下垂直于金属层2-221而进行指引的。
表面光学或表面等离激元结构的另一个实例为纳米天线结构。纳米天线结构可被设计为在空间上指引源于样品孔的发射能量。在一些实施例中，选择样品孔相关于纳米天线结构的位置以将源于样品孔的发射能量沿特定方向引向一个或多个传感器。纳米天线可包括纳米级偶极天线结构，其被设计为当被发射能量激发时产生定向辐射图式。纳米天线可分布在样品孔的周围。定向辐射图式可由对天线的电磁场的求和而产生。在一些实施例中，定向辐射图式可由对具有直接从样品发射的场的天线的电磁场的求和而产生。在一些实施方案中，直接从样品发射的场可通过样品孔和纳米天线结构之间的表面等离激元进行介导。
形成纳米天线结构的各个纳米天线的尺寸可进行选择以用于总纳米天线结构的用于产生特定分布图式的组合能力。例如，各个纳米天线的直径可在纳米天线结构内发生改变。然而，在一些情况下，直径在一组纳米天线内可以是相同的。在其他实施方案中，在整个纳米天线结构中可使用几个选择的直径。一些纳米天线可分布在半径为R的圆周上且一些可在径向上偏离该圆周。一些纳米天线可在半径为R的圆周周围等间隔布置(例如，以相等的极角增量居中)且一些可在圆周周围以相等间隔进行偏离。在一些实施例中，纳米天线可在样品孔的周围按螺旋配置进行布置。额外地或替代地，纳米天线的其他配置是可能的，如在样品孔周围的矩阵阵列、交叉分布和星形分布。各个纳米天线可具有除了圆周以外的形状，如正方形、矩形、十字形、三角形、蝴蝶结形、环形环、五边形、六边形、多边形等。在一些实施中，孔或圆盘的圆周可大致为部分波长的整数倍，例如，(N/2)λ。
纳米天线阵列可将源于样品的发射能量引向集中辐射波瓣中。当样品发射能量时，其可激发从样品孔传播至在样品孔周围分布的纳米天线的表面等离激元。随后，表面等离激元可在垂直于样品孔层的表面发射辐射的纳米天线处激发辐射模式或偶极发射体。在纳米天线的激发模式或偶极的相位将取决于纳米天线与样品孔的距离。选择在样品孔和各个纳米天线之间的距离控制了从纳米天线发射出的辐射相位。在纳米天线激发的空间分布模式将取决于纳米天线的几何形状和/或大小。选择各个纳米天线的大小和/或几何形状控制了从纳米天线发射出的空间辐射模式。源于阵列中的所有纳米天线且在一些情况下为样品孔的贡献可确定形成辐射图式的总的辐射波瓣或多个波瓣。如可理解的，从各个纳米天线发射出的相位和空间辐射模式可取决于波长，从而使形成辐射图式的总的辐射波瓣或多个波瓣还将取决于波长。可采用电磁场的数值模拟以确定用于具有不同特征波长的发射能量的总的辐射波瓣图。
纳米天线可包括在导电膜中的孔或孔口阵列。例如，纳米天线结构可形成在导电样品孔层和下面的电介质层之间的界面处。孔可包括按围绕中心点的同心圆周分布的孔组。在一些实施例中，样品孔位于阵列的中心点，而在其他实施例中，样品孔可偏离中心。每个按圆形分布的孔组可包括围绕圆形分布的从最小到最大进行布置的不同直径的集合。孔的直径在各组之间可以是不同的(例如，在一组中的最小孔可大于在另一组中的最小孔)且对于每组圆周而言，最小孔的位置可被定向在不同的极角上。在一些实施例中，在纳米天线中可能有一至七组按圆形分布的孔。在其他实施例中，可以有七个以上的组。在一些实施例中，孔可能不是圆形的且可以是任何合适的形状。例如，孔可以是椭圆形、三角形、矩形等。在其它实施例中，孔的分布可能不是圆形的，而是可以创建一个螺旋形状。
图5-4A和5-4B示出由导电层中的孔或孔口构成的示例性纳米天线结构。图5-4A示出具有被孔5-122所围绕的样品孔5-108的测定芯片的表面的顶部平面图。纳米天线孔大致以使其中心围绕半径为R的圆周进行分布。在该非限制性实例中，孔的直径通过围绕一圈孔的圆周逐渐增加而发生变化。图5-4B示出在图5-4A中所示的测定芯片沿线B-B’的截面视图。包括样品孔5-108的样品孔层5-116和孔5-122为纳米天线结构的一部分。测定芯片的层5-118位于样品孔层5-116的下面。层5-118可以是电介质材料和/或光学透明材料。
在一些实施例中，纳米天线结构可包括多个圆盘。纳米天线结构的圆盘可被形成为从导电材料的表面突出的导电圆盘。导电材料可邻近光学透明材料。在一些实施例中，纳米天线可分布在样品孔的周围。在一些情况下，纳米天线可大致按半径为R的圆周分布在样品孔的周围。纳米天线阵列可包括多组纳米天线，其大致分布在样品孔周围的具有不同半径的额外圆周上。
图5-5A和5-5B示出包括从导电层突出的圆盘的纳米天线结构的示例性实施例。图5-5A示出具有被圆盘5-224所围绕的样品孔5-208的测定芯片的表面的顶部平面示意图。纳米天线圆盘大致分布在半径为R的圆周周围。在该非限制性实例中，两个直径被用于圆盘，且圆盘围绕一圈纳米天线的圆周在这两个直径之间交替。图5-5B示出在图5-5A中所示的测定芯片沿线C-C’的截面视图。包括样品孔5-208的样品孔层5-216和圆盘5-224为纳米天线结构的一部分。圆盘5-224从样品孔层5-216突出一定距离。在一些实施例中，圆盘从样品孔层延伸的距离可在纳米天线结构内发生变化。测定芯片的层5-218位于样品孔层5-216的下面。层5-18可以是电介质材料和/或光学透明材料。样品孔层5-216和突出的圆盘可以是导电材料。
2.远场光学元件
在一些实施例中，直接位于表面光学元件下面的层可以是具有任何厚度的间隔层2-225且可由任何合适的电介质材料制成。例如，间隔层可具有10μm的厚度且可由二氧化硅制成。替代地，该间隔层可以是48μm或50μm。具有额外的间隔层的一个或多个透镜层可位于间隔层的下面。例如，图5-6A示出可包括至少一个折射透镜的上透镜层5-601。在一些实施例中，上透镜层可位于样品孔层2-221下的5μm处。可以有与每个样品孔相关联的一个或多个透镜。在一些实施例中，可使用透镜阵列。在一些实施例中，上透镜层5-601的每个透镜在样品孔2-211下居中且可具有例如小于10.5μm的半径。上透镜层可由任何合适的电介质材料制成，如通过示例而非限制的方式由氮化硅制成。
直接位于上透镜层下面的层可以是由任何合适的电介质制成的结构和/或光学层5-605。该结构和/或光学层5-605可由采用熔融石英形式的二氧化硅制成。直接位于结构层下面的层可以是可包括至少一个额外透镜的下透镜层5-603。在一些实施例中，在下透镜层5-603中的每个透镜与可在样品孔下居中。下透镜层5-603可由任何合适的电介质材料制成，如通过示例而非限制的方式由氮化硅制成。从上透镜层的顶部至下透镜层的底部的距离可以是100-500μm。直接位于下透镜层下面的层可包括抗反射层，其传送激发能量和发射能量并减少所反射的光的量。直接位于抗反射层下面的层可包括用于允许芯片与仪器相对齐并安装至仪器上的结构组件。直接位于芯片安装层下面的层可包括用于保护系统免受损坏和污染，包括防尘的保护性盖子。
虽然5-6A示出使用折射透镜的两个透镜，但也可使用任何合适的透镜。例如，可使用菲涅耳透镜、微透镜、折射透镜对和/或平板透镜。图5-6B示出在通过结构和/或光学层5-605分离的上透镜层5-611和下透镜层5-613中使用菲涅耳透镜的一个实施例。
在一些实施例中，在芯片中上述层之间的界面中的任何一个可包括抗反射涂层或抗反射层。上透镜层或第二透镜层可被布置在样品孔下以将从样品孔阵列发射的冷光集中至仪器的中继透镜。
IV.仪器组件
I.仪器的显微镜层
在一些实施例中，仪器可包括显微镜层，其可包括子层，如在图6-1中所示。特别地，显微镜层可包括子层，其包括按角度θ倾斜以将激发能量引向测定芯片的多向色镜2-230。该多向色镜可基本上为电介质并反射激发能量，且同时基本上传输源于在测定芯片上的样品孔中的一个或多个中的样品的发射能量。可选地，包括额外的电介质层的象散补偿元件6-101可被设置在多向色镜的下方并以相同的角度θ但却绕与多向色镜的倾斜轴线相垂直的轴线倾斜，从而为多向色镜导入的象散提供补偿。在图6-1中，象散补偿元件6-101被示为在与顶部滤波器相同的平面中倾斜，但应理解的是示意表示相关于顶部滤波器的倾斜，但这并不意味着以任何方式限制象散补偿元件6-101的取向。该象散补偿元件6-101也可提供额外的滤波。例如，象散补偿元件6-101可以是另一个多向色镜，其进一步地对激发能量进行滤波且同时传输发射能量。透镜6-103可被设置在象散补偿元件6-101的下方以进一步地有助于处理源于样品孔的发射能量。例如，透镜6-103可具有25.4μm的直径，但也可使用任何合适的直径。在一些实施例中，透镜为包括多个透镜元件的中继透镜。例如，中继透镜可包括六个分离的透镜元件。在一些实施例中，中继透镜可具有约17.5mm的长度。在透镜6-103前或后可使用额外的滤波元件以进一步地拒绝激发能量，从而防止其到达传感器。
A.传感器芯片
从样品孔中的样品发射出的发射能量可按各种方式被传输至像素的传感器，下面将详细地描述出其的一些实例。一些实施例可使用光学和/或等离激元组件以增加特定波长的光被引向专用于检测该特定波长的光的传感器的区域或一部分的可能性。传感器可包括用于同时检测具有不同波长的发射能量的多个子传感器。
图6-2A为根据一些实施例的传感器芯片的单个像素的示意图，其中至少一个分选元件6-127被用于将具有特定波长的发射能量引向各个子传感器6-111至6-114。发射能量2-253从样品孔行进通过仪器的测定芯片和光学系统直到其到达传感器芯片的分选元件6-127。分选元件6-127将发射能量2-253的波长耦合至空间自由度，从而将发射能量分成其组成波长分量，其被称之为分选的发射能量。图6-2A示意性地示出被分成四个通过电介质材料6-129的分选发射能量路径的发射能量2-253，四个路径中的每一个与像素的子传感器6-111至6-114相关联。以这种方式，每个子传感器与光谱的不同部分相关联，其形成了用于传感器芯片的每个像素的光谱仪。
任何合适的分选元件6-127可被用于分离发射能量的不同波长。实施例可使用光学或等离激元元件。光学分选元件的实例包括但不限于全息光栅、相位掩模光栅、幅度掩模光栅和偏移菲涅尔透镜。等离激元分选元件的实例包括但不限于相控纳米天线阵列和等离激元准晶体。
图6-2B为根据一些实施例的传感器芯片的单个像素的示意图，其中滤波元件6-121至6-124被用于将具有特定波长的发射能量引向各个子传感器并防止其他波长的发射能量到达其他子传感器。发射能量2-253从样品孔行进通过仪器的测定芯片和光学系统直到其到达滤波元件6-121至6-124中的一个。每一个均与特定的子传感器6-11至6-114相关联的滤波元件6-121至6-124中的每一个被配置成通过吸收发射能量(未在图6-1B中所示)和/或反射发射能量而传输具有各个波长的发射能量并拒绝其他波长的发射能量。在通过各个滤波元件后，所滤波的发射能量行进通过电介质材料6-129并影响像素的相应的子传感器6-111至6-114。以这种方式，每个子传感器与光谱的不同部分相关联，其形成了用于传感器芯片的每个像素的光谱仪。
任何合适的滤波元件可被用于分离发射能量的不同波长。实施例可使用光学或等离激元滤波元件。光学分选元件的实例包括但不限于反射多层电介质滤波器或吸收性滤波器。等离激元分选元件的实例包括但不限于被设计成在特定波长传输能量的频率选择性表面和光子带隙晶体。
替代地或除了上述分选元件和滤波元件外，额外的滤波元件可被置于邻近每个子传感器6-11至6-114处。额外的滤波元件可包括薄有损膜，其被配置成创建用于特定波长的发射能量的相长干涉。薄有损膜可以是单层或多层膜。薄有损膜可由任何合适的材料制成。例如，薄有损膜可由其中折射率n大致与用作材料的消光系数k的数量级相同的材料制成。在其他实施例中，薄有损膜可由其中折射率n位于与材料的消光系数k的值的差在两个数量级以内的材料制成。在可见波长的这种材料的非限制性实例为锗和硅。
薄有损膜可具有任何合适的厚度。在一些实施例中，薄有损膜可以是1-45nm厚。在其他实施例中，薄有损膜可以是15-45nm厚。在其他实施例中，薄有损膜可以是1-20nm厚。图6-3A示出一个实施例，其中薄有损膜6-211至6-214中的每一个具有至少部分地通过与每个子传感器6-11至6-114相关联的波长确定的不同厚度。膜的厚度至少部分地确定将选择性地通过薄有损膜至子传感器的不同波长。如在图6-211中所示，薄有损膜6-211具有厚度d1，薄有损膜6-212具有厚度d2，薄有损膜6-213具有厚度d3且薄有损膜6-214具有厚度d4。每个后续薄有损膜的厚度小于之前的薄有损膜，从而使d1>d2>d3>d4。
额外地或替代地，薄有损膜可由具有不同性能的不同材料制成，从而使不同波长的发射能量在每一个各个子传感器进行相长干扰。例如，可选择折射率n和/或消光系数k以优化特定波长的发射能量的传输。图6-3B示出薄有损膜6-221至6-224，其具有相同厚度但每一个薄有损膜均是由不同的材料制成的。在一些实施例中，可选择薄有损膜的材料和薄有损膜的厚度，从而使具有所需波长的发射能量进行相长干扰并传输通过该膜。
图6-1示出一个实施例，其中衍射元件和透镜的组合被用于按波长对发射能量进行分选。传感器芯片的第一层6-105可包括闪耀相光栅。闪耀光栅可以是闪耀的，例如，按大致等于40度的角度φ进行且闪耀光栅(Λ)的行间隔可大致等于1.25μm。本领域的技术人员将理解不同的闪耀角和周期性可被用于实现发射能量的具有不同波长的光的分离。此外，任何合适的衍射光学元件可被用于分离发射能量的不同波长。例如，可使用相位掩模、振幅掩模、闪耀光栅或偏移菲涅尔透镜。
传感器芯片2-260的第二层6-106可包括被设置在第一层6-105下的一个或多个菲涅尔透镜以进一步地分选发射能量并将发射能量引向传感器6-107。此外，任何合适的透镜元件可被用于进一步地分离发射能量的不同波长。例如，可使用折射透镜以代替菲涅尔透镜。
在图6-1中的各种组件可按任何适当的距离而间隔开来。例如，传感器的表面可位于菲涅尔透镜6-106下5μm距离处；从显微镜层的透镜6-103的中心至菲涅尔透镜6-106的距离可以是50.6mm；闪耀相光栅6-105可位于传感器表面上约100μm距离处。替代地，从测定芯片的底部到光栅6-105顶部的距离可大约为53mm。传感器层的宽度可约为10mm。
测定芯片和仪器的各层无需采用上述顺序。在一些实施例中，仪器的集中和/或分选元件和成像光学元件可采用相反的顺序。例如，闪耀相光栅6-105可被置于菲涅尔透镜层6-106之后。替代地，集中和/或分选元件和成像光学元件可被结合至单个衍射光学元件(DOE)中。此外，测定芯片和仪器的各个组件可进行混合，从而使例如成像光学元件可存在于集中和/或分选元件的上方和下方。
在系统中上述层之间的界面，包括在空气和系统的一层之间的界面中的任一个可包括抗反射涂层。
B.仪器的光学区块的实施例
在一些实施例中，仪器1-120的光学区块可包括上述光学组件中的一些或所有。光学区块可提供按图6-4中所示方式进行布置的光学组件。除了上述组件外，光学区块可包括第一纤维连接器6-401，其中载有激发能量的第一波长的第一光纤可在第一纤维连接器6-401进行连接；以及第二纤维连接器6-402，其中载有激发能量的第二波长的第二光纤可在第二纤维连接器6-402进行连接。通过示例而非限制的方式，激发能量的第一激发波长可以是630-640nm。光纤连接器可以是任何合适的常规连接器，如FC或LC连接器。如果输入两个不同的波长，波长可与波长合波器6-403，如二向色或多向色镜组合在一起。第二激发波长可以是515-535nm。输入激发能量可采用任何合适的偏振，如线性偏振。在一些实施例中，载有激发能量的纤维可以是保偏纤维。可选地，激发滤波器和偏振器，如光纤至自由空间耦合器可在光纤输入后被用于进一步地对激发能量的特征进行滤波或修改。
光学区块可包括用于保持透镜和用于光学处理，如光束整形的其他光学组件的一个或多个金属壳体。图6-4示出四个金属壳体6-405至6-408，其中的每一个均保持透镜和/或其他光学组件。可以有用于校准和集中激发能量的任何数量的透镜。一个或多个镜6-411和6-412位于金属壳体的一些之间以将激发能量引向测定芯片2-110。在图6-4中，第一镜6-411将激发能量从第二壳体6-406引向第三壳体6-407且第二镜6-412将源于第四壳体6-408的激发能量发射至多向色电介质镜2-230。多向色电介质镜2-230将激发能量引向象散补偿滤波器6-601。
在一些实施例中，圆偏振光可被引向样品孔以使发光标记物发射出具有类似强度的冷光。四分之一波片可被用于在光线到达测定芯片前将线偏振光传递至圆偏振光。多向色电介质镜2-230将激发能量引向四分之一波片6-415。如在图6-4中所示，四分之一波片6-415可被设置在象散补偿滤波器6-101和测定芯片2-110之间。圆偏振激发能量随后被引向在测定芯片上的多个像素。未被引向像素的激发能量可通过束流收集器组件6-417进行吸收。到达在一个或多个样品孔内的样品的激发能量将使样品发射出被引向传感器2-260的发射能量。发射能量可通过光学组件，如偏振光学元件、象散补偿元件6-101、多向色镜2-230和中继透镜6-103。多向色镜充当滤波器，其可以是例如陷波滤波器、窄带滤波器或截止滤波器。中继透镜6-103可朝向传感器对发射能量进行成像。发射能量的一部分可随后通过位于传感器2-260的上方的一个或多个发射滤波器6-421和6-422，其可进一步地对发射能量进行滤波。在一些实施例中，发射滤波器可按相对于入射发射能量的传播方向的一个角度倾斜，从而调谐滤波器的传输特征和/或减少由背向反射导致的干扰。如果顶部滤波器按角度θ倾斜，那么底部滤波器6-422则可按相同的角度θ但却绕垂直于顶部滤波器倾斜轴线的轴线倾斜，从而确保未将象散导入发射辐射波束路径。
C.传感器
本发明提供了传感器、传感器操作和信号处理方法的各种实施例。根据一些实施例，在传感器芯片2-260的像素的传感器2-122可包括任何合适的传感器，其能够从样品孔中的一个或多个标记接收发射能量并产生代表所接收的发射能量的一个或多个电信号。在一些实施例中，传感器可包括至少一个光检测器(例如，在半导体衬底中形成的p-n结)。图7-1A和图7-1B示出可在传感器芯片的像素2-100内进行制造的传感器的一个实施例。
根据一些实施例，传感器2-122可形成在传感器芯片的每个像素2-100处。传感器可与测定芯片的样品孔2-211相关联。在传感器上可以有一个或多个透明层7-110，从而使源于样品孔的发射可行进至传感器而不会产生显著的衰减。传感器2-122根据一些实施例可形成在像素底部的半导体衬底7-120中且可位于与测定芯片(未示出)相同的样品孔的一侧上。
传感器可包括一个或多个半导体结光检测器段。每个半导体结可包括第一导电类型的孔。例如，每个半导体结可包括形成在p型衬底中的n型孔，如在图中所示。根据一些实施例，传感器2-122可按靶心检测器7-162进行布置，如在图7-1B中的平面图中所示。第一光检测器7-124可位于传感器的中心且第二环形光检测器7-122可围绕中心光检测器。至孔的电触头可被制成通过在第一或后续的金属化层的导电迹线7-134并通过导电导通孔7-132。在导通孔的接触区可以有高度掺杂的半导体材料7-126的区域。在一些实施例中，场氧化层7-115可形成在光检测器之间的表面处和/或可覆盖每个光检测器的一部分。在一些实施方案中，在邻近传感器2-122的像素内可形成有额外的半导体装置7-125(例如，晶体管、放大器等)。在像素内可具有额外的金属化层7-138、7-136。
在一些实施方案中，金属化层7-136可延伸超过大部分的像素且具有在光检测器7-124上居中的开口，从而使源于样品孔的发射可到达传感器。在一些情况下，金属化层7-136可充当参考电位或地平面并额外地充当光学阻挡器以防止至少一些背景辐射(例如，源于激发源或源于周围环境的辐射)到达传感器2-260。
如在图7-1A和图7-1B中所示，传感器2-122可被分成多个光检测器段7-122、7-124，其在空间上和电学上彼此分离。在一些实施例中，传感器2-122的各段可包括反掺杂的半导体材料。例如，用于第一传感器段的第一电荷累积孔7-124可通过掺杂衬底的第一区以在第一孔内具有第一导电类型(例如，n型)而形成。衬底可以是p型的。用于第二传感器段的第二电荷累积孔7-122可通过掺杂衬底的第二区以在第二孔内具有第一导电类型而形成。第一和第二孔可通过衬底的p型区进行分离。
传感器2-122的多个段可按除了靶心布局以外的任何合适的方式进行布置，且在传感器中可具有两个以上的分段。例如，在一些实施例中，多个光检测器段7-142彼此可横向分离以形成条形传感器7-164，如在图7-1C中所示。在一些实施例中，四分(或四分象)的传感器7-166可通过按四分象图案布置各段7-144而形成，如在图7-1D中所示。在一些实施方案中，弧形分段7-146可结合靶心图案而形成，如在图7-1E中所示，从而形成弧形分段的传感器7-168。另一种传感器配置可包括饼片部分，其可包括在圆周的分开部分中进行布置的各个传感器。在一些情况下，传感器段可围绕样品孔2-211对称地进行布置或围绕样品孔不对称地进行布置。传感器段的布置并不仅限于前述布置，且可使用任何合适的传感器段的分布。
发明人已发现四分象传感器7-166、饼扇区传感器或类似的扇区传感器可比其他传感器配置更有利地缩放至更小的像素大小。四分象和扇区检测器可为若干所检测的波长和有源传感器区消耗更小的像素区域。
传感器可按各种几何配置进行布置。在一些实例中，传感器按正方形配置或六边形配置进行布置。
本发明的传感器可独立地(或个别地)进行寻址。可个别寻址的传感器能够检测信号并提供独立于其他传感器的输出。可个别寻址的传感器可个别地进行读取。
在一些实施例中，堆叠传感器7-169可通过在垂直堆中制造多个分离的传感器段7-148而形成，如在图7-1F中所示。例如，各段可以一个位于另一个的上方，且在堆叠的各段之间可以有或可以没有绝缘层。每个垂直层可被配置成吸收特定能量的发射能量且使不同能量的发射通过。例如，第一检测器可吸收和检测较短波长的辐射(例如，源于样品的在约500nm以下的蓝色波长辐射)。第一检测器可使源于样品的绿色和红色波长发射通过。第二检测器可吸收和检测绿色波长辐射(例如，在约500nm和约600nm之间)并使红色发射通过。第三检测器可吸收和检测红色发射。在一些实施例中，反射膜7-149可被结合在该堆中以反射回选定的波长带的光使其通过分段。例如，膜可反射回尚未被第二分段吸收的绿色波长辐射以使其通过第二分段，从而增加其检测效率。
在一些具有垂直堆叠传感器分段的实施例中，发射耦合组件可不包括在样品孔处以产生取决于发射波长的样品发射的不同空间分布图式。根据一些实施例，可通过分析堆叠段的信号比用垂直堆叠的传感器7-169实现光谱不同的发射的识别。
在一些实施例中，传感器2-122的分段是由硅制成的，然而也可使用任何合适的半导体(例如，Ge、GaAs、SiGe、InP等)。在一些实施例中，传感器段可包括有机光电导膜。在其他实施例中，量子点光检测器可被用于传感器段。量子点光检测器可基于量子点的大小而响应不同的发射能量。在一些实施例中，多个具有不同大小的量子点可被用于区别从样品孔接收的不同发射能量或波长。例如，第一分段可由具有第一尺寸的量子点制成，且第二分段可由具有第二尺寸的量子点制成。在各个实施例中，传感器2-122可使用常规CMOS工艺制成。
如上所述，在一些实施例中，发射-耦合组件可在邻近样品孔处制造出来。分选元件2-243可改变源于样品孔2-211内样品的发射，从而产生取决于发射波长的样品发射的不同空间分布图式。图7-2A示出可在第一波长从第一样品产生的第一空间分布图式7-250的实例。例如，第一空间分布图式7-250可具有指向靶心传感器7-162的中心段的主中心波瓣，如在图7-2B中所示。当样品在约663nm的波长进行发射时，这种图式7-250可通过任何合适的衍射元件产生。在传感器上入射的投影图式7-252可按在图7-2B中所示的方式出现。
图7-2C示出根据一些实施例的从源于相同的样品孔的在第二波长发射的第二样品产生的空间分布图式7-260。第二空间分布图式7-260可包括两个辐射波瓣且不同于第一空间分布图式7-250。根据一些实施例，第二空间分布图式7-260的投影图式7-262可按图7-2D中所示的方式出现。当样品在约687nm的波长进行发射时，第二空间分布图式7-260可通过任何合适的衍射元件产生。
根据一些实施例，传感器2-122的各段可进行布置以检测特定发射能量。例如，邻近样品孔的发射-耦合结构以及传感器的各段可结合起来进行设计以增加在特定发射能量之间的信号分化。发射能量可对应于将与传感器芯片一起使用的所选标记。作为一个实例，靶心传感器7-162可使其分段调整大小和/或进行定位以更好地匹配源于样品的投影图式7-260、7-262，从而使具有较高强度的区域更居中地落在传感器的有源段内。替代地或额外地，衍射元件可被设计为改变投影图式7-260、7-262，从而使强烈区更居中地落在传感器的分段内。
尽管传感器2-122可包括两个分段，但在一些实施例中也可分辨源于样品的两个光谱上不同的发射带。例如，每个发射带可在传感器段上产生不同的投影图式并生成源于传感器段的不同信号组合。信号组合可进行分析以分辨和识别发射带。图7-2E至图7-2H表示被暴露于四个不同发射图式的源于两段式传感器2-122的信号的数值模拟的结果。如可以看出的，源于两个传感器段的每个信号组合是不同的且可被用于在四个波长的发射体之间进行区别。对于该模拟而言，由于靶心传感器7-162的外检测器段具有较大区域，因此集成了更多的信号以用于该检测器。额外地，影响在检测器之间区域的光生成载体，其可向任一检测器段漂移并有助于源于这两个分段的信号。
在一些实施例中，每个像素可以有N个光检测器段，其中N可以是任何整数值。在一些实施例中，N可大于或等于1和小于或等于10。在其他实施例中，N可大于或等于2和小于或等于5。可通过N个检测器检测的可予以辨别的样品发射(例如，源于不同发光标记的不同发射波长)的数量M可等于或大于N。根据一些实施例，M个样品发射的辨别可通过评估源于每个传感器段的信号比而实现。在一些实施方案中，所接收信号的比率、总和和/或幅度可进行测量和分析以确定源于样品孔的发射的特征波长。
在一些实施例中，一个以上的发射体可在样品孔内2-211在给定的时间窗中在不同的特征波长进行发射。传感器2-122可同时检测在不同波长的源于多个发射的信号并提供求和信号以进行数据处理。在一些实施方案中，多波长发射可作为源于传感器段的另一组信号值(例如，不同于在图7-2E至图7-2H中所示的那些的信号值)而进行区别。信号值可进行分析以辨别已出现的多波长发射并识别与发射相关联的特定发射体的组合。
发明人也已考虑和分析了具有四个同心分段的靶心传感器。在图7-2I和图7-2J中分别示出了用于与图7-2G和图7-2H相关联的相同发射条件的源于各段的信号。四段靶心传感器还示出可进行分析以识别在样品孔内的特定发射体的可辨别信号。
当在每个传感器段使用波长滤光时或光谱分离很高时，传感器的每个分段可大致仅检测选定的发射带。例如，第一波长可由第一分段检测，第二波长可由第二分段检测且第三波长可由第三分段检测。
再次参照图7-1A，在像素2-100内可以有额外的电子电路7-125，其可用于从传感器2-122的每段采集和读出信号。图7-3A和图7-3D示出根据一些实施例的可结合多段传感器一起使用的电路。作为一个实例，信号采集电路7-310可包括用于每个传感器段的三个晶体管。根据一些实施方案，在图7-3B中示出三个晶体管的布置。在与每个分段相关联的电荷累积节点7-311处的信号电平可通过重设晶体管RST进行重设，且用于该分段的信号电平(由在电荷累积节点的电荷量所确定的)可用读取晶体管RD进行读出。
根据一些实施例，像素电路可进一步包括扩增和相关双采样电路7-320。例如，扩增和相关双采样电路可包括被配置成对源于传感器段的信号进行扩增的晶体管以及被配置成当在传感器上不存在有发射能量时(例如，在施加在样品孔的激发能量前)重设在电荷累积节点处的电压电平和读取背景或“重设”的在节点处的信号并读取后续的发射信号的晶体管。
根据一些实施例，采用相关双采样以通过从检测的发射信号电平减去背景或重设的信号电平而减少背景噪声。与传感器的每个分段相关联的所采集的发射信号和背景信号可被读出至列线7-330上。在一些实施例中，发射信号电平和背景信号被时间多路复用至共同的列线上。可以有用于每个传感器段的单独列线。源于列线的信号可进行缓冲和/或用扩增电路7-340(其可位于有源像素阵列外)进行扩增，并被提供用于进行进一步的处理和分析。在一些实施例中，双采样信号的减除是通过，例如系统处理器在芯片外进行计算的。在其他实施例中，减除可在芯片上或在仪器的电路中进行。
相关双采样的一些实施例可通过选择至样品的一行而进行操作，其中与该行相关联的传感器具有在采样期的集成信号电荷并含有信号电平。信号电平可同时读出至列线上。在对集成的信号电平进行采样后，在所选行中的所有像素可进行重设并立即进行采样。该重设电平可与下一个集成信号相关联，该下一个集成信号在释放重设后开始累积且当再次选择相同的行时完成对稍后的帧时间的集成。在一些实施例中，帧的重设值可在芯片外进行存储，从而当信号已完成集成和已进行采样时，可减除所存储的相关重设值。
在一些实施例中，具有两个分段的传感器2-122可能需要额外的电路。图7-3C示出与四分象传感器相关联的信号采集7-312、扩增7-312和双采样电路。根据一些实施例，源于两个或多个分段的信号可被时间多路复用至在像素上的共同的信号信道上。时间多路复用的信号可包括用于噪声消除的用于每个分段的采样背景信号。额外地，源于两个或多个分段的信号可被时间多路复用至共同的列线上。
根据一些实施例，时间信号获取技术可被用于从激发源或多个源减少背景信号电平和/或分辨源于与样品相关联的不同发射体的不同发射。图7-4A示出根据一些实施例的可用于标记样品的源于两个不同发射体的荧光发射和衰减。两个发射具有明显不同的时间衰减特征。源于第一发射体的第一时间衰减曲线7-410可对应于共同的荧光分子，如若丹明。第二时间衰减曲线7-420可能特征在于第二发射体，如量子点或磷光发射体。两个发射体均表现出在发射体进行初始激发后延伸一段时间的发射衰减尾。在一些实施例中，在发射衰减尾期间应用的信号采集技术可进行定时以在一些实施例中从激发源减少背景信号并且在一些实施例中在发射体之间进行区别。
根据一些实施方案，可在发射衰减尾期间采用时间延迟的取样以减少由于激发源的辐射而产生的背景信号。图7-4B和图7-4C示出根据一些实施例的时间延迟采样。图7-4B示出源于激发源的激发能量的激发脉冲7-440以及可从在样品孔内激发的样品沿行的后续发射脉冲7-450的时间演变。激发脉冲7-440可能是由于用驱动信号7-442驱动激发源一个短暂的时间段而产生的，如在图7-4C中所示。例如，驱动信号可开始于第一时间t1并结束于第二时间t2。根据一些实施例，驱动信号的持续时间(t2–t1)可以是约1皮秒至约50纳秒，然而在一些实施方案中也可使用更短的持续时间。
在用于激发源的驱动信号终止后的时间t3上，在像素处的传感器2-260(或传感器段)可被选通以在从时间t3至t4的第二时间间隔期间在电荷累积节点7-311累积电荷。根据一些实施例，第二时间间隔可以是约1纳秒至约50微秒，然而在一些实施方案中也可使用其他持续时间。如能参照图7-4B看出的，由于发射样品且由于激发源，电荷累积节点将采集更多的信号电荷。因此，可获得改善的信噪比。
再次参照图7-4A，由于发射体的不同时间发射特征，传感器的相应信号的峰值可出现在不同的时间。在一些实施方案中，在发射衰减尾期间应用的信号获取技术可被用于分辨不同的发射体。在一些实施例中，时间检测技术可结合空间和光谱技术使用(例如，如上所述的结合图7-2使用)以分辨不同的发射体。
图7-4D至图7-4H示出在传感器或传感器段的双采样是如何被用于区别具有不同时间发射特征的两个发射体的。图7-4D分别示出与第一发射体和第二发射体相关联的发射曲线7-470、7-475。作为一个实例，第一发射体可以是共同的荧光团，如若丹明，且第二发射体可以是量子点或磷光发射体。
图7-4E示出可响应于图7-4D的两个不同发射特征出现的在电荷累积节点7-311处的动态电压电平。在该实例中，由于较短的发射跨度，与荧光发射体相应的第一电压曲线7-472可更快地发生改变并在第一时间t1达到其最大值(或最小值，这取决于节点的极性)。由于第二发射体的较长的发射特征，第二电压曲线7-477可更慢地发生改变并在第二时间t2达到其最大值(或最小值)。
在一些实施例中，电荷累积节点的采样可在样品激发后的两个时间t3、t4完成，如在图7-4F中所示。例如，可施加第一读取信号7-481以在第一时间t3从电荷累积节点读出第一电压值。接下来，可施加第二读取信号7-482以在第二时间t4从电荷累积节点读出第二电压值而不用在第一读数和第二读数之间重设电荷累积节点。随后，可使用对两个采样信号值的分析以识别两个发射体中的哪一个提供了所检测的信号电平。
图7-4G示出了可获得的用于具有如在图7-4D中所示的发射曲线7-470的第一发射体的源于第一读数和第二读数的两个信号的实例。图7-4H示出了可获得的用于具有如在图7-4D中所示的发射曲线7-475的第二发射体的源于第一读数和第二读数的两个信号的实例。例如，在图7-4F中所示的用于第一发射体的采样序列将对曲线7-472进行采样并在两个读取时间获得大致相同的值。在使用第二发射体的情况下，在图7-4F中所示的采样序列在两个读取时间对曲线7-477的两个不同值进行采样。由两个读取时间产生的信号对在两个发射体之间进行区别且可进行分析以识别每个发射体。根据一些实施例，也可进行用于背景减除的双采样以从第一和第二读取信号减除背景信号。
在操作中，传感器芯片的传感器2-260可在从要进行分析的样本进行数据采集前进行波长校准程序。波长校准程序可包括向传感器施加具有特征波长的不同的已知能量，特征波长可能或可能不对应于可与传感器芯片一起使用的荧光团波长。不同的能量可按序列进行施加，从而可从传感器记录用于每种能量的校准信号。随后，校准信号可作为参照信号进行存储，其可被用于处理真实数据采集并确定传感器检测的是什么发射波长或多个波长。
V.发光标记物
实施例可使用任何合适的发光标记物以标记在所分析的样本中的样品(例如，单个分子)。在一些实施例中，可使用商购荧光团。通过示例而非限制的方式，可使用下列荧光团：Atto Rho14(“ATRho14”)、Dylight 650(“D650”)、SetaTau 647(“ST647”)、CF 633(“C633”)、CF 647(“C647”)、Alexa fluor 647(“AF647”)、BODIPY 630/650(“B630”)、CF640R(“C640R”)和/或Atto 647N(“AT647N”)。额外地和/或可选地，发光标记物可按任何适当的方式进行修改以增加样品分析工艺的速度和精确性。例如，光稳定剂可被结合至发光标记物。光稳定剂的实例包括但不限于氧清除剂或三线态猝灭剂。将光稳定剂结合至发光标记物可增加发射光子的速率且还可减少发光标记物未发射出光子处的“闪烁”效应。在一些实施例中，当生物事件发生于毫秒级时，所增加的光子发射速率可增加检测生物事件的可能性。所增加的光子事件的速率随后可增加发光信号的信噪比并增加进行测量的速率，这产生了更快且更精确的样品分析。
VI.激发源
激发源2-250可以是被布置用于将激发能量输送至测定芯片的至少一个样品孔2-111的任何合适的源。在测定芯片上的像素可以是无源像素。术语“无源像素”被用于指代一个像素，其中激发能量被输送至源于测定芯片的像素或像素芯片外区域的像素，例如，激发可在仪器中进行。
根据一些实施例，激发源可经辐射性工艺激发样品。例如，激发源可将可见辐射(例如，具有波长在约350nm和约750nm之间的辐射)、近红外辐射(例如，具有波长在约0.75微米和约1.4微米之间的辐射)和/或短波长红外辐射(例如，具有波长在约1.4微米和约3微米之间的辐射)提供至测定芯片的至少一个样品孔的至少一个激发区3-215。在一些实施例中，辐射性激发源可提供能量以激发紧邻样品孔的激发区的中间物(例如，分子、量子点或一层包括所选分子和/或量子点的材料)。中间物可经非辐射性工艺(例如，经FRET或DET)将其能量传递至样品。
在一些实施例中，激发源可提供一个以上的激发能量源。例如，辐射性激发源可输送具有两个或多个不同的光谱特征的激发能量。作为一个实例，多色LED可发射在两个或多个波长居中的能量且这些能量可被输送至样品孔的激发区。
在概述中且根据一些实施例，一种仪器可包括至少一个激发源2-250，其用于将激发能量提供至测定芯片的至少一个样品孔的至少一个激发区或至将激发能量转换或耦合至在一个或多个激发区内的至少一个样品的至少一个中间物。例如，如在图2-3中所示，源于激发源2-250的辐射激发能量2-251可对样品孔2-211周围的区域产生影响。在一些实施例中，可以有激发耦合结构2-223，其有助于在样品孔的激发区2-215内集中入射的激发能量。
激发源可能特征在于一个或多个不同的光谱带，其中的每一个均具有特征波长。仅用于教学目的，在图8-1A的光谱图中示出了源于激发源的光谱发射的实例。激发能量可大致包含在光谱激发带8-110内。光谱激发带的峰值波长8-120可被用于对激发能量进行特征化。激发能量也可能特征在于光谱分布，例如，如在图中所示的全宽度半最大值(FWHM)。如在图8-1A中所示的产生能量的激发源可被特征化为在约540nm辐射波长输送能量且具有约为55nm的FWHM带宽。
图4-1B示出可将两个激发能量带提供至一个或多个样品孔的激发源(或多个激发源)的光谱特征。根据一些实施例，第一激发带8-112在约532nm处且第二激发带8-114在约638nm处，如在图中所示。在一些实施例中，第一激发带可在约638nm处且第二激发带可在约650nm处。在一些实施例中，第一激发带可在约680nm处且第二激发带可在约690nm处。根据一些实施例，激发带的峰值可在这些值的±5nm内。
在一些情况下，辐射性激发源可产生如在图8-1A中所示的宽激发带。根据一些实施例，宽激发带8-110可具有大于约20nm的带宽。例如，宽激发带可由发光二极管(LED)产生。在一些实施方案中，辐射性激发源可产生如在图8-1B中所示的窄激发带。例如，窄激发带可由激光二极管产生或可通过对源于LED的输出进行光谱滤波而产生。
在一些实施例中，激发源可以是光源。可使用任何合适的光源。一些实施例可使用非相干源且其他实施例可使用相干光源。通过示例而非限制的方式，根据一些实施例的非相干光源可包括不同类型的发光二极管(LED)，如有机LED(OLED)、量子点(QLED)、纳米线LED和(无)有机半导体LED。通过示例而非限制的方式，根据一些实施例的相干光源可包括不同类型的激光器，如有机激光器、量子点激光器、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、边缘发射激光器和分布反馈(DFB)激光二极管。额外地或替代地，可使用平板耦合光波导激光器(SCOWL)或其他非对称的单模式波导结构。额外地或替代地，可使用固态激光器，如Nd:YAG或Nd:玻璃，其是通过激光二极管或闪光灯进行泵浦的。额外地或替代地，可使用激光二极管泵浦的纤维激光器。在一些实施例中，在非线性晶体或周期性极化铌酸锂(PPLN)或其他类似的周期性极化的非线性晶体中，激光激发源的输出的频率可加倍以使波长减半。该频率加倍过程可允许使用高效的激光器以生成更适合于激发的波长。可以有一个以上类型的用于像素阵列的激发源。在一些实施例中，不同类型的激发源可进行组合。激发源可根据被用于制造所选类型的激发源的常规技术进行制造。
激发能量源的特征波长可基于用于阵列分析中的发光标记物的选择而进行选择。在一些实施方案中，选择激发能量源的特征波长以用于所选荧光团的直接激发(例如，单光子激发)。在一些实施方案中，选择激发能量源的特征波长以用于间接激发(例如，多光子激发或至将提供直接激发的波长的谐波转换。在一些实施例中，激发能量可由被配置成在用于施加至样品孔的特定波长生成激发能量的光源生成。在一些实施例中，激发源的特征波长可小于源于样品的相应发射的特征波长。在一些实施方案中，激发源的特征波长可大于源于样品的发射的特征波长，且样品的激发可通过多光子吸收可发生。
激发源可包括电池或任何其他电源，其可位于除了集成生物分析装置以外的某处。例如，激发源可位于仪器中且电力可经导电线和连接器被耦合至集成生物分析装置。
VII.使用方法、仪器操作和用户界面
仪器2-120可使用软件和/或硬件进行控制。例如，仪器可使用处理装置1-123，如ASIC、FPGA和/或执行软件的通用处理器进行控制。
图9-1示出了根据一些实施例的仪器2-120操作的流程图。在用户已获得要进行分析的样本后，用户在动作9-101中开始新的分析。这可通过经用户界面2-125通过，例如，按下按钮而向仪器2-120提供指示。在动作9-103，仪器2-120检测源于之前进行的分析的测定芯片2-110是否仍被插在该仪器2-120中。如果确定老的芯片存在时，则可在动作9-105中关闭至激发源的电源，在动作9-107中使用用户界面2-125的指示器提示用户弹出之前的芯片且仪器2-120在动作9-109中等待老芯片被弹出。
当用户弹出之前的芯片时或如果仪器2-120在动作9-103中确定已移除之前的芯片，则在动作9-111提示用户插入新的测定芯片2-110以进行新的分析。然后，在动作9-113中仪器2-120等待新测定芯片2-110被插入。当用户插入新芯片时，在动作9-115中通过用户界面2-125的指示器提示用户将要进行分析的样本置于测定芯片2-110的暴露的顶面上且还提示用户关闭在仪器2-120上的盖子。然后，在动作9-117中仪器2-120等待盖子被关闭。当盖子被用户关闭时，在动作9-119中，可驱动激发源产生激发能量以激发存在于测定芯片2-110的样品孔中的样本的样品部分。在动作9-121中，源于样品的发射能量是通过传感器2-122检测的且源于传感器2-122的数量被流传输至处理装置2-123以进行分析。在一些实施例中，数据可被流传输至外部计算装置2-130。在动作2-123中，仪器2-120检测是否完成了数据获取。数据获取可在特定时间长度后完成，且已识别了源于激发源或一个特定目标的特定数量的激发脉冲。当完成数据获取时，在9-125完成数据分析。
图9-2示出根据一些实施例的实例自校准例程。在分析样本前可在任何合适的时间执行校准例程。例如，这可在发货至终端用户前由用于每台仪器的制造商一次性地完成。替代地，终端用户可在任何合适的时间进行校准。如上面所讨论的，仪器2-120能够在从不同样品发射出的具有不同波长的发射能量之间进行区别。仪器2-120和/或计算装置2-130可以用与每个特定的光颜色相关联的校准埋校准，每个特定的光颜色与，例如，用于标记被分析的样本的分子的发光标记。以这种方式，可确定与特定颜色相关联的精确输出信号。
为了校准装置，一次向一台仪器2-120提供与单个发光标记相关联的校准样本。当用户将包括发射单个波长的发射能量的发光标记的样本置于测定芯片2-110上并将测定芯片2-110插入仪器2-120中时，在动作9-201中开始自校准。使用用户界面2-125，用户指示仪器2-120开始自校准。作为响应，在动作9-203中，仪器2-120通过用激发能量照亮测定芯片2-110并测量源于校准样本的单波长发射能量运行校准分析。仪器2-120可随后在动作9-205中保存在用于传感器阵列的每个像素的传感器2-122的子传感器阵列上测量的检测图。用于每个发光标记的检测图可被认为是与发光标记相关联的检测签名。以这种方式，签名可被用作培训数据集，其被用于分析从在后续分析运行中进行分析的未知样品接收的数据。
随后，可执行上述校准例程以用于与单个发光标记相关联的每个校准样本。以这种方式，在完成校准例程后，在动作9-207中进行的后续分析期间，像素阵列的每个传感器2-122可与可被用于确定在样品孔中存在的发光标记的校准数据相关联。
图9-3还示出了根据一些实施例的可如何获取和使用校准数据以分析数据。在动作9-301中，从传感器获得校准数据。这可使用前述的自校准例程完成。在动作9-303中，基于校准数据生成变换矩阵。变换矩阵将传感器数据映射至样品的发射波长且是一个m×n的矩阵，其中m是具有不同发射波长的发光标记的数量且n是用于检测每个像素的发射能量的子传感器的数量。因此，变换矩阵中的每一列表示用于传感器的校准值。例如，如果有每个像素的四个子传感器和五个不同的发光标记，那么变换矩阵则是4×5的矩阵(即，四行和五列)且每一列均与不同的发光标记相关联，在列中的数值与自校准例程期间从子传感器获得的测量值相应。在一些实施例中，每个像素可具有其变换矩阵。在其他实施例中，源于像素中的至少一些的校准数据可进行平均且所有像素可基于平均数据使用相同的变换矩阵。
在动作9-305中，从传感器获得与生物测定相关联的分析数据。这可按上述方式中的任一种完成。在动作9-307中，发射能量的波长和/或发光标记的身份可使用变换矩阵和分析数据进行确定。这可按任何合适的方式完成。在一些实施例中，分析数据与变换矩阵的伪逆子相乘，从而产生m×1的向量。与具有最大值的向量分量相关联的发光标记可随后被识别为存在于样品孔中的发光标记。实施例并不限于该技术。在一些实施例中，为了防止在获取具有小值的矩阵的逆子时可能产生的可能病态，可进行受约束的优化例程，如最小二乘法或最大似然技术以确定存在于样品孔中的发光标记。
使用校准数据以分析源于传感器的数据的前述方法可由任何合适的处理器执行。例如，仪器2-120的处理装置2-123可进行分析或计算装置2-130可进行分析。
IX.计算装置
图10示出在其上可执行实施例的合适的计算系统环境1000的实例。例如，图2-1B的计算装置2-130可根据计算系统环境1000而予以实施。额外地，计算系统环境1000可充当控制系统，其被编程用于控制仪器进行测定。例如，控制系统可控制激发源向测定芯片的样品孔发射和指引光；控制传感器以允许对源于样品孔中的一个或多个样品的发射光进行检测；并分析源于传感器的信号以识别，例如，通过分析发射能量的空间分布而进行，存在于样品孔中的样品。计算系统环境1000仅是合适的计算环境的一个实例且不旨在建议任何关于本发明的用途或功能范围的限制。计算环境1000不应被解释为具有任何关于在示例性操作环境1000中所示的组件中的任一个或组合的依赖性或要求。
实施例可用许多其他通用或专用计算系统环境或配置进行操作。可适于与本发明一起使用的公知的计算系统、环境和/或配置的实例包括但不限于个人计算机、服务器计算机、手持式或膝上型装置、多处理器系统、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括上述系统或装置中的任一个的分布式计算环境等。
计算环境可执行计算机可执行指令，如程序模块。一般地，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，其进行特定任务并实施特定抽象数据类型。本发明还在分布式计算环境中进行了实践，在该环境中，任务是由通过通信网络链接的远程处理装置执行的。在分布式计算环境中，程序模块可位于包括存储器存储装置的本地和远程计算机存储介质中。
参照图10，用于实施本发明的示例性系统包括采用计算机1010形式的通用计算装置。计算机1010的组件可包括但不限于处理单元1020、系统存储器1030和将包括系统存储器的各种系统组件耦合至处理单元1020的系统总线1021。系统总线1021可采用几种类型的总线结构中的任一种类型，包括使用多种总线架构中的任一种的存储器总线或存储器控制器、外围总线和本地总线。通过示例而非限制的方式，这种架构包括工业标准架构(ISA)总线、微通道体系(MCA)总线、增强型ISA(EISA)总线、视频电子标准协会(VESA)本地总线和也被称为夹层总线的外围组件互连(PCI)总线。
计算机1010通常包括多种计算机可读介质。计算机可读介质可以是可由计算机1010存取的且包括易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质的任何可用介质。通过示例而非限制的方式，计算机可读介质可包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质，其是按用于信息存储的任何方法或技术，如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据予以实施的。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光盘存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其他磁存储装置或可用于存储所需信息并可通过计算机存取1010的任何其他介质。通信介质通常在调制数据信号，如载波或其他传输机制中包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据并包括任何信息传递介质。术语“调制数据信号”表示具有其特征组中的一个或多个或按一种方式进行改变以在信号中对信息进行编码的信号。通过示例而非限制的方式，通信介质包括有线介质，如有线网络或直接有线连接和无线介质，如声学、RF、红外和其他无线介质。上述任一组的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
系统存储器1030包括采用易失性和/或非易失性存储器如只读存储器(ROM)1031和随机存取存储器(RAM)1032的形式的计算机存储介质。包含有助于在计算机1010的元件之间传递信息，如在启动期间进行的基本例程的基本输入/输出系统1033(BIOS)通常被存储在ROM 1031中。RAM 1032通常包含可由处理单元1020立即存取的和/或当前在处理单元1020上进行操作的数据和/或程序模块。通过示例而非限制的方式，图10示出操作系统1034、应用程序1035、其他程序模块1036和程序数据1037。
计算机1010还可包括其他可移动/不可移动、易失性/非易失性计算机存储介质。仅通过示例的方式，图10示出硬盘驱动器1041，其从不可移动的非易失性磁介质进行读取或写入其中；磁盘驱动器1051，其从可移动的非易失性磁盘1052进行读取或写入其中；和光盘驱动器1055，其从可移动的非易失性光盘1056，如CD ROM或其他光学介质进行读取或写入其中。可在示例性操作环境中使用的其他可移动/不可移动、易失性/非易失性计算机存储介质包括但不限于磁带盒、闪存卡、数字多功能盘、数字录影带、固态RAM、固态ROM等。硬盘驱动器1041通常通过不可移动的存储器接口，如接口1040被连接至系统总线1021且磁盘驱动器1051和光盘驱动器1055通常通过可移动存储器接口，如接口1050被连接至系统总线1021。
如上所讨论的且在图10示出的驱动器及其相关联的计算机存储介质提供了对用于计算机1010的计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在图10中，例如，硬盘驱动器1041被示为存储操作系统1044、应用程序1045、其它程序模块1046和程序数据1047。要注意的是，这些组件可与操作系统1034、应用程序1035、其他程序模块1036和程序数据1037相同或与其不同。在这里，对操作系统1044、应用程序1045、其他程序模块1046和程序数据1047给出不同的标号以在最低限度上示出其为不同的副本。用户可通过输入装置，如键盘1062和指示装置1061，其通常被称为鼠标、轨迹球或触摸板将命令和信息输入计算机1010中。其他输入装置(未示出)可包括麦克风、操纵杆、游戏手柄、碟形卫星天线、扫描仪等。这些和其它输入装置通常通过被耦合至系统总线的用户输入接口1060被连接至处理单元1020，但也可通过其他接口和总线结构，如并行端口、游戏端口或通用串行总线(USB)进行连接。监视器1091或其他类型的显示装置也经接口，如视频接口1090被连接至系统总线1021。除了监视器外，计算机还可包括其他外围输出装置，如扬声器1097和打印机1096，其可通过一个输出外围接口1095相连。
计算机1010可在使用至一个或多个远程计算机，如远程计算机1080的逻辑连接的联网环境中进行操作。远程计算机1080可以是个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等装置或其他常用网络节点且通常包括上面关于计算机1010所述的许多或所有元件，然而在图10中仅示出了一个存储器存储装置1081。在图10中所示的逻辑连接包括局域网(LAN)1071和广域网(WAN)1073，但也可以包括其他网络。这样的联网环境常见于办公室、企业范围的计算机网络、内联网和互联网中。
当用于LAN联网环境中时，计算机1010通过网络接口或适配器1070被连接至LAN1071。当用于WAN联网环境中时，计算机1010通常包括调制解调器1072或其它用于在WAN1073，如互联网上建立通信的工具。可以是内置或外置的调制解调器1072可经用户输入接口1060或其他适当的机构被连接至系统总线1021。在联网环境中，关于计算机1010或其部分描述的程序模块可被存储在远程存储器存储装置中。通过示例而非限制的方式，图10示出远程应用程序1085，如驻留在存储器装置1081上。将理解的是所示的网络连接是示例性的且可使用在计算机之间建立通信链路的其他工具。
VIII.结论
至此已描述了本发明的至少一个实施例的若干方面，但要理解的是，本领域的技术人员将很容易地想到各种变更、修改和改进。
这种变更、修改和改进旨在成为本发明的一部分且旨在落在本发明的精神和范围之内。进一步地，虽然指出了本发明的优点，但应理解的是不是本发明的每个实施例均要包括每个所描述的优点。一些实施例可能并未实现如在本文和在一些情况下被描述为有利的任何特性。因此，前面的描述和附图仅用于示例。
本发明的上述实施例可按多种方式中的任一方式进行实施。例如，实施例可使用硬件、软件或其组合而进行实施。当在软件中实施时，软件代码可在任何合适的处理器或处理器的集合上执行，其可以是在单个计算机或多个分布式计算机中进行提供的。这种处理器可被实现为在集成电路组件中具有一个或多个处理器的集成电路，其包括在本领域中通过名称如CPU芯片、GPU芯片、微处理器、微控制器或协处理器而已知的可商购的集成电路组件。替代地，处理器可在定制电路，如ASIC或由配置可编程逻辑装置而产生的半定制电路中实现。作为进一步的替代方案，处理器可以是较大电路或半导体装置的一部分，其可以是可商购的、半定制或定制的。作为一个特定实例，一些可商购的微处理器具有多个内核，从而使这些内核中的一个或子集可构成处理器。然而，处理器可使用采用任何适当格式的电路而实现。
进一步地，应理解的是计算机可按多个形式如机架式计算机、台式计算机、膝上型计算机或平板计算机中的任一个进行具体化。额外地，计算机可被嵌入通常不被认为是计算机但却具有适当的处理能力的装置，包括个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其他合适的便携式或固定式电子装置中。
此外，计算机可具有一个或多个输入和输出装置。此外，这些装置可被用于表示用户界面。可被用于提供用户界面的输出装置的实例包括用于输出的视觉表示的打印机或显示屏和用于输出的听觉表示的扬声器或其他声音生成装置。可被用于用户界面的输入装置的实例包括键盘和指示装置，如鼠标，触摸垫和数字化平板。作为另一个实例，计算机可通过语音识别或以其他可听的格式接收输入信息。
这种计算机可通过采用任何适当形式的一个或多个网络，包括局域网或广域网，如企业网络或因特网而进行互连。这种网络可基于任何适当的技术且可根据任何适当的协议而进行操作且可包括无线网络、有线网络或光纤网络。
此外，本文概述的各种方法或工艺可被编码成可在采用多种操作系统或平台中的任一个的一个或多个处理器上进行执行的软件。额外地，这种软件可使用多个合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任一个进行写入且还可被编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。
在这个方面，本发明可被具体化为计算机可读存储介质(或多个计算机可读介质)(例如，计算机存储器、一个或多个软盘、压缩盘(CD)、光盘、数字视频盘(DVD)、磁带、闪速存储器、在现场可编程门阵列中的电路配置或其他半导体装置或其他有形计算机存储介质)，其是用一个或多个程序进行编码的，当在一个或多个计算机或其他处理器上执行时，该程序进行了执行上面所讨论的本发明的各种实施例的方法。如从上面的实例可明显看出的，计算机可读存储介质可在足够长的时间内保留信息以按非短暂性形式提供计算机可读指令。这种计算机可读存储介质可以是可传输的，从而使存储在其上面的程序可被加载至一个或多个不同的计算机或其他处理器上以执行如上面所讨论的本发明的各种方面。如本文所使用的，术语“计算机可读存储介质”仅包含了可被认为是制造品(即，制造出的产品)或机器的计算机可读介质。替代地或额外地，本发明可被具体化为除了计算机可读存储介质以外的计算机可读介质，如传播信号。
术语“程序”或“软件”在本文中是按一般的意义使用的以指代任何类型的计算机代码或计算机可执行指令组，其可被用于对计算机或其他处理器进行编程以执行如上面所讨论的本发明的各种方面。额外地，应理解的是根据该实施例的一个方面，当被执行时进行本发明的方法的一个或多个计算机程序不需要存在于单个计算机或处理器上，但却可按模块化的方式分布在多个不同的计算机或处理器中以实现本发明的各个方面。
计算机可执行指令可采用许多形式，如程序模块，其是通过一个或多个计算机或其他装置执行的。一般地，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，其进行特定任务并实施特定抽象数据类型。通常，在各种实施例中，程序模块的功能可按需要进行组合或分布。
此外，数据结构可被存储在采用任何适当形式的计算机可读介质中。为了实现说明的简单性，数据结构可被示为具有为数据结构中的相关直通位置的字段。这种关系可同样通过对在计算机可读介质中具有位置的字段分配存储，该计算机可读介质传达在字段之间的关系。然而，任何适当的机构均可被用于在数据结构的字段中的信息之间建立关系，包括通过使用在数据元件之间建立关系的指针、标记或其他机构。
本发明的各个方面可单独、组合地或按前述的实施例中未具体讨论的各种布置方式使用且因此不将其应用限制于在前面描述中阐明的或在附图中所示的组件的细节和布置。例如，在一个实施例中描述的各个方面可按任何方式与在其他实施例中所述的方面进行组合。
此外，本发明还被具体化为一种方法，本文已提供了该方法的一个实例。作为本发明的一部分进行的动作可按任何合适的方式进行排序。因此，可构造按不同于所示顺序的顺序进行动作的实施例，其可以包括同时进行一些即使在所示的实施例中被示为连续动作的动作。
在权利要求中使用序数术语，如“第一”、“第二”、“第三”等修饰要求保护的元素时，其本身并不表示所进行方法的动作的任何优先性、优先或一个要求保护的元素与另一个的顺序或时间顺序，而是仅用作标记以区别具有某个名称的一个所要求保护的元素与另一个具有相同名称的元素(如果不使用序数术语则无法进行区别)，从而区别所要求保护的元素。
此外，本文所使用的措辞和术语用于描述且不应被认为是限制。使用“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变型表示含有之后所列的项目及其等同物，以及额外的项目。

Claims (20)

1.一种器械，其包括：
测定芯片，其被支撑在芯片支架框中，该芯片支架框允许样品与测定芯片的表面相接触地放置，该测定芯片包括多个像素，所述多个像素中的每一个包括：
样品孔，其被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；以及
至少一个在特定方向中指引源于所述样品孔的所述发射能量的元件，其中所述至少一个元件选自由折射元件、衍射元件、等离激元元件和谐振器所组成的组；以及
仪器，其被配置成与所述测定芯片通过接口连接，所述仪器包括：
测定芯片接口，其被配置成接收芯片支架框；
至少一个激发光源，其被配置成激发所述样品；
多个传感器，所述多个传感器中的传感器与各个样品孔相对应并被配置成检测源于所述各个样品孔的所述发射能量；以及
至少一个光学元件，其被配置成当芯片支架框被接收在测定芯片接口中时，将源于样品孔的所述发射能量引向所述多个传感器中的各个传感器。
2.根据权利要求1所述的器械，其中所述测定芯片被配置成与所述仪器连接并从所述仪器进行移除。
3.根据权利要求2所述的器械，其中当所述测定芯片被连接至所述仪器时，在所述多个样品孔中的样品孔和所述多个传感器中的相应传感器之间的光学距离小于30cm。
4.根据权利要求2所述的器械，其中当所述测定芯片被连接至所述仪器时，在所述多个样品孔中的样品孔和所述多个传感器中的相应传感器之间的光学距离小于5cm。
5.根据权利要求2所述的器械，其中当所述测定芯片被连接至所述仪器时，在所述多个样品孔中的样品孔和所述多个传感器中的相应传感器之间的光学距离小于1cm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的器械，其中所述仪器为便携式的。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的器械，其中：
所述样品包括在多个波长带的一个波长带内发射出发射能量的发光标记；以及
所述多个传感器中的每个传感器包括至少一个子传感器，其被配置成检测所述多个波长带。
8.根据权利要求7所述的器械，其中所述多个传感器中的每个传感器包括至少两个子传感器。
9.根据权利要求8所述的器械，其中所述多个传感器中的每个传感器包括至少四个子传感器。
10.根据权利要求8所述的器械，其中所述仪器还包括至少一个波长依赖的件，其将第一波长的发射能量引向所述至少两个子传感器中的第一子传感器并将第二波长的发射能量引向所述至少两个子传感器中的第二子传感器。
11.根据权利要求10所述的器械，其中所述至少一个波长依赖元件为衍射光学元件。
12.根据权利要求10所述的器械，其中所述至少一个波长依赖元件为滤谱器。
13.根据权利要求1-5中任一项所述的器械，其中所述至少一个激发光源发射出脉冲光。
14.根据权利要求1-5中任一项所述的器械，其中：
与第一样品相关联的第一发光标记是由第一波长的光激发的，而不是由第二波长的光激发的；以及
与第二样品相关联的第二发光标记是由所述第二波长的光激发的，而不是由所述第一波长的光激发的。
15.根据权利要求1-5中任一项所述的器械，其中所述至少一个元件包括至少一个透镜。
16.根据权利要求15所述的器械，其中所述至少一个透镜为折射透镜。
17.根据前述权利要求1-5中任一项所述的器械，其中所述至少一个元件包括同心环形光栅。
18.根据权利要求17所述的器械，其中所述同心环形光栅为非周期性同心环形光栅。
19.根据权利要求15所述的器械，其中所述至少一个透镜为衍射透镜。
20.根据权利要求1-5中任一项所述的器械，其中所述至少一个元件包括电介质谐振器天线。
CN201480073505.9A 2013-11-17 2014-11-17 用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片 Active CN105980580B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910752352.5A CN110452809B (zh) 2013-11-17 2014-11-17 与测定芯片通过接口连接的仪器
CN202010074109.5A CN111235246B (zh) 2013-11-17 2014-11-17 用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361905282P 2013-11-17 2013-11-17
US61/905,282 2013-11-17
US201361917926P 2013-12-18 2013-12-18
US61/917,926 2013-12-18
US201461941916P 2014-02-19 2014-02-19
US61/941,916 2014-02-19
PCT/US2014/066010 WO2015074001A1 (en) 2013-11-17 2014-11-17 Optical system and assay chip for probing, detecting and analyzing molecules

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010074109.5A Division CN111235246B (zh) 2013-11-17 2014-11-17 用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片
CN201910752352.5A Division CN110452809B (zh) 2013-11-17 2014-11-17 与测定芯片通过接口连接的仪器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105980580A CN105980580A (zh) 2016-09-28
CN105980580B true CN105980580B (zh) 2020-03-03

Family

ID=52014380

Family Applications (5)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010074109.5A Active CN111235246B (zh) 2013-11-17 2014-11-17 用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片
CN201480073505.9A Active CN105980580B (zh) 2013-11-17 2014-11-17 用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片
CN201910752352.5A Active CN110452809B (zh) 2013-11-17 2014-11-17 与测定芯片通过接口连接的仪器
CN201480073365.5A Pending CN106029904A (zh) 2013-11-17 2014-11-17 用于探测、检测和分析分子的具有外部光源的集成装置
CN201480073394.1A Pending CN105917003A (zh) 2013-11-17 2014-11-17 用于生物和化学试样的快速分析的有源像素集成装置

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010074109.5A Active CN111235246B (zh) 2013-11-17 2014-11-17 用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片

Family Applications After (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910752352.5A Active CN110452809B (zh) 2013-11-17 2014-11-17 与测定芯片通过接口连接的仪器
CN201480073365.5A Pending CN106029904A (zh) 2013-11-17 2014-11-17 用于探测、检测和分析分子的具有外部光源的集成装置
CN201480073394.1A Pending CN105917003A (zh) 2013-11-17 2014-11-17 用于生物和化学试样的快速分析的有源像素集成装置

Country Status (10)

Country Link
US (12) US9863880B2 (zh)
EP (6) EP3074531B1 (zh)
JP (5) JP6573899B2 (zh)
KR (4) KR102221637B1 (zh)
CN (5) CN111235246B (zh)
AU (4) AU2014348305B2 (zh)
BR (3) BR112016011084B8 (zh)
CA (3) CA2930834A1 (zh)
MX (4) MX2016006454A (zh)
WO (3) WO2015074001A1 (zh)

Families Citing this family (160)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9593371B2 (en) * 2013-12-27 2017-03-14 Intel Corporation Integrated photonic electronic sensor arrays for nucleic acid sequencing
EP3074531B1 (en) 2013-11-17 2020-01-08 Quantum-Si Incorporated Optical system and assay chip for probing, detecting and analyzing molecules
WO2015117157A1 (en) * 2014-02-03 2015-08-06 Electromagnetic Landmarks Inc. Magnetic sensor array and system
US11747407B2 (en) 2014-02-03 2023-09-05 Innovaura Corporation System and method for characterizing defects in electronic items using magnetic field detection
US11287484B2 (en) 2014-02-03 2022-03-29 Innovaura Corporation Method and apparatus for triage of electronic items using magnetic field detection
CA2957546A1 (en) * 2014-08-08 2016-02-11 Quantum-Si Incorporated Integrated device with external light source for probing, detecting, and analyzing molecules
WO2016023010A1 (en) 2014-08-08 2016-02-11 Quantum-Si Incorporated Optical system and assay chip for probing, detecting, and analyzing molecules
BR112017002485B1 (pt) 2014-08-08 2020-12-01 Quantum-Si Incorporated circuito integrado e método de fotodetecção
US9721751B2 (en) * 2014-08-22 2017-08-01 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Electron microscopy specimen and method of fabrication
US10352899B2 (en) 2014-10-06 2019-07-16 ALVEO Technologies Inc. System and method for detection of silver
US10196678B2 (en) 2014-10-06 2019-02-05 ALVEO Technologies Inc. System and method for detection of nucleic acids
US9506908B2 (en) 2014-10-06 2016-11-29 Alveo Technologies, Inc. System for detection of analytes
US9921182B2 (en) 2014-10-06 2018-03-20 ALVEO Technologies Inc. System and method for detection of mercury
US10627358B2 (en) 2014-10-06 2020-04-21 Alveo Technologies, Inc. Method for detection of analytes
US10184892B2 (en) * 2014-10-29 2019-01-22 Horiba Instruments Incorporated Determination of water treatment parameters based on absorbance and fluorescence
ES2740807T3 (es) * 2015-01-20 2020-02-06 Hyris Ltd Detector para medir la fluorescencia en una muestra de líquido
US10018608B2 (en) * 2015-02-27 2018-07-10 Vitaly Talyansky System to authenticate and identify items
WO2016149397A1 (en) 2015-03-16 2016-09-22 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated devices and systems for free-space optical coupling
US10605730B2 (en) 2015-05-20 2020-03-31 Quantum-Si Incorporated Optical sources for fluorescent lifetime analysis
US11466316B2 (en) 2015-05-20 2022-10-11 Quantum-Si Incorporated Pulsed laser and bioanalytic system
US10174363B2 (en) 2015-05-20 2019-01-08 Quantum-Si Incorporated Methods for nucleic acid sequencing
US9874693B2 (en) 2015-06-10 2018-01-23 The Research Foundation For The State University Of New York Method and structure for integrating photonics with CMOs
CA2989344C (en) 2015-06-12 2023-09-26 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated target waveguide devices and systems for optical coupling
US9891171B2 (en) * 2015-07-27 2018-02-13 Personal Genomics, Inc. Sensing module and sensing method
KR102312555B1 (ko) 2015-07-30 2021-10-14 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 광 공동 pcr
TW201723482A (zh) * 2015-08-18 2017-07-01 新加坡科技研究局 光學結構及光學光偵測系統
US9733188B2 (en) * 2015-09-21 2017-08-15 International Business Machines Corporation Enhancing on-chip fluorescence detection
US11320373B2 (en) 2015-10-22 2022-05-03 Jacob Schneiderman Systems and methods for identifying and treating biological materials
KR101720434B1 (ko) * 2015-11-10 2017-03-28 한국과학기술원 광 위상배열 안테나
US10248838B2 (en) * 2015-12-04 2019-04-02 The Regents Of The University Of California Method and device for single molecule imaging
US10352856B2 (en) * 2015-12-14 2019-07-16 Massachusetts Institute Of Technology Apparatus and methods for spectroscopy and broadband light emission using two-dimensional plasmon fields
WO2017123658A1 (en) 2016-01-12 2017-07-20 Sxaymiq Technologies Llc Light emitting diode display
EP3408220A4 (en) * 2016-01-28 2019-09-04 Roswell Biotechnologies, Inc METHOD AND DEVICE FOR MEASURING ANALYTES USING LARGE CALCULAR MOLECULAR ELECTRONIC SENSOR ARRAYS
CN109328301B (zh) 2016-01-28 2021-03-12 罗斯韦尔生物技术股份有限公司 大规模并行dna测序装置
CN109155354A (zh) 2016-02-09 2019-01-04 罗斯韦尔生物技术股份有限公司 电子无标签的dna和基因组测序
CA3012705A1 (en) 2016-02-17 2017-08-24 Tesseract Health, Inc. Sensor and device for lifetime imaging and detection applications
US10597767B2 (en) 2016-02-22 2020-03-24 Roswell Biotechnologies, Inc. Nanoparticle fabrication
EP3433017A4 (en) * 2016-03-25 2020-01-01 Bioceryx Inc. DEVICES AND METHODS FOR EVALUATING TARGET SEQUENCES
SG10202010314UA (en) * 2016-04-22 2020-11-27 Illumina Inc Photonic stucture-based devices and compositions for use in luminescent imaging of multiple sites within a pixel, and methods of using the same
US10451518B2 (en) * 2016-05-10 2019-10-22 Rd2, Llc All fiber temperature and air density sensor
WO2017205868A1 (en) * 2016-05-27 2017-11-30 Singulex, Inc. Camera-based single molecule reader
US11389277B2 (en) 2016-07-18 2022-07-19 David Akselrod Material property monitoring using backscatter devices
US11529213B2 (en) 2016-05-30 2022-12-20 David Akselrod Backscatter device-based dental imaging apparatus
EP4009330A1 (en) * 2016-06-01 2022-06-08 Quantum-si Incorporated Pulse caller and base caller
CN114674788A (zh) * 2016-06-01 2022-06-28 宽腾矽公司 用于检测及分析分子的集成装置
US10758153B2 (en) * 2016-07-18 2020-09-01 David Akselrod Material property monitoring and detection using wireless devices
US9829456B1 (en) 2016-07-26 2017-11-28 Roswell Biotechnologies, Inc. Method of making a multi-electrode structure usable in molecular sensing devices
EP3491380B1 (en) 2016-08-01 2021-06-16 Genprime, Inc. System and method to interpret tests that change color to indicate the presence or non-presence of a compound
US10656088B2 (en) * 2016-08-12 2020-05-19 Silanna UV Technologies Pte Ltd Ultraviolet biosensor
EP3285052A1 (en) 2016-08-19 2018-02-21 IMEC vzw Photonic circuit with integrated light coupler
AU2017330304A1 (en) 2016-09-23 2019-04-11 Alveo Technologies, Inc. Methods and compositions for detecting analytes
JP7104033B2 (ja) * 2016-11-03 2022-07-20 深▲セン▼華大智造科技股▲ふん▼有限公司 生物学的又は化学的分析のためのバイオセンサ及びその製造方法
FR3058521B1 (fr) * 2016-11-08 2021-01-08 Univ Montpellier Dispositif et procede de detection de presence de molecules determinees, biocapteur
CN110268045B (zh) * 2016-12-15 2023-02-21 豪夫迈·罗氏有限公司 自适应纳米孔信号压缩
US10551624B2 (en) 2016-12-16 2020-02-04 Quantum-Si Incorporated Compact beam shaping and steering assembly
KR20210144919A (ko) 2016-12-16 2021-11-30 퀀텀-에스아이 인코포레이티드 콤팩트한 모드 동기 레이저 모듈
JP2018100959A (ja) * 2016-12-16 2018-06-28 シャープ株式会社 検出器、ならびに、検出器の校正方法、補正方法、検出装置
EP3555314B1 (en) 2016-12-19 2023-08-16 Quantum-Si Incorporated Loading molecules into sample wells for analysis
WO2018119347A1 (en) 2016-12-22 2018-06-28 Quantum-Si Incorporated Integrated photodetector with direct binning pixel
US10902939B2 (en) 2017-01-10 2021-01-26 Roswell Biotechnologies, Inc. Methods and systems for DNA data storage
EP3571286A4 (en) 2017-01-19 2020-10-28 Roswell Biotechnologies, Inc SOLID STATE SEQUENCING DEVICES WITH TWO-DIMENSIONAL LAYER MATERIALS
US11419703B2 (en) 2017-01-27 2022-08-23 David Akselrod Orthodontic braces and feet orthotics with backscatter based sensors
KR101847334B1 (ko) * 2017-02-02 2018-04-10 한국기초과학지원연구원 형광 이미지 획득 장치 및 방법
GB201701829D0 (en) * 2017-02-03 2017-03-22 Norwegian Univ Of Science And Tech (Ntnu) Device
CA3056765C (en) * 2017-03-17 2024-04-02 Apton Biosystems, Inc. Sequencing and high resolution imaging
AU2018237066B2 (en) 2017-03-20 2022-09-15 Mgi Tech Co., Ltd. Biosensors for biological or chemical analysis and methods of manufacturing the same
EP3615685A4 (en) 2017-04-25 2021-01-20 Roswell Biotechnologies, Inc ENZYMATIC CIRCUITS FOR MOLECULAR SENSORS
US10508296B2 (en) 2017-04-25 2019-12-17 Roswell Biotechnologies, Inc. Enzymatic circuits for molecular sensors
AU2018261007A1 (en) 2017-05-05 2019-11-07 Quantum-Si Incorporated Substrates having modified surface reactivity and antifouling properties in biological reactions
EP3622086A4 (en) 2017-05-09 2021-04-21 Roswell Biotechnologies, Inc LINK PROBE CIRCUITS FOR MOLECULAR SENSORS
KR102366788B1 (ko) * 2017-05-23 2022-02-23 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤 배향 특성 측정 방법, 배향 특성 측정 프로그램, 및 배향 특성 측정 장치
KR20230147735A (ko) * 2017-06-16 2023-10-23 듀크 유니버시티 개선된 라벨 검출, 계산, 분석물 감지, 및 조정 가능한 난수 생성을 위한 공진기 네트워크
CN109103090B (zh) * 2017-06-21 2020-12-04 清华大学 纳米带的制备方法
KR102083396B1 (ko) * 2017-06-28 2020-03-02 주식회사 파나진 양자점을 분산광원으로 하는 표적 핵산 검출 방법
CN107390172B (zh) * 2017-07-17 2020-04-28 北京大学 一种无接触感知定位方法
CN111133294B (zh) * 2017-07-24 2024-05-24 宽腾矽公司 光抑制光子结构
CN107402199B (zh) * 2017-07-31 2019-09-10 京东方科技集团股份有限公司 基因测序芯片及其测序方法以及基因测序装置
CN111566261A (zh) 2017-08-18 2020-08-21 诺迪勒思生物科技公司 选择结合试剂的方法
KR20200039795A (ko) 2017-08-30 2020-04-16 로스웰 바이오테크놀로지스 인코포레이티드 Dna 데이터 저장을 위한 진행성 효소 분자 전자 센서들
EP3685426A4 (en) 2017-09-19 2021-06-09 MGI Tech Co., Ltd. MANUFACTURING OF SEQUENCING FLOW CELLS AT THE SLICE LEVEL
US11100404B2 (en) 2017-10-10 2021-08-24 Roswell Biotechnologies, Inc. Methods, apparatus and systems for amplification-free DNA data storage
EP3501651B1 (en) * 2017-12-22 2024-03-06 IMEC vzw Microfluidic routing
SG11201911784PA (en) 2018-01-08 2020-01-30 Illumina Inc Systems and devices for high-throughput sequencing with semiconductor-based detection
CA3086769A1 (en) 2018-01-08 2019-07-11 Quantum-Si Incorporated System and methods for electrokinetic loading of sub-micron-scale reaction chambers
CN108197052B (zh) * 2018-01-17 2021-02-26 上海聚星仪器有限公司 一种新型测试测量仪器
CA3088687A1 (en) 2018-01-26 2019-08-01 Quantum-Si Incorporated Machine learning enabled pulse and base calling for sequencing devices
IT201800004146A1 (it) * 2018-03-30 2019-09-30 St Microelectronics Srl Apparecchio di analisi di molecole tramite rilevamento di segnali fluorescenti e relativo metodo
US10965102B2 (en) * 2018-04-12 2021-03-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Structured light projector and electronic apparatus including the same
EP3581919B1 (en) * 2018-06-15 2022-03-23 IMEC vzw An imaging apparatus and a method for imaging an object
CN112424587A (zh) 2018-06-15 2021-02-26 宽腾矽公司 用于具有脉冲光源的先进分析仪器的数据采集控制
KR102546320B1 (ko) * 2018-06-18 2023-06-22 삼성전자주식회사 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치
AU2019288394A1 (en) 2018-06-22 2021-01-07 Quantum-Si Incorporated Integrated photodetector with charge storage bin of varied detection time
WO2020023496A1 (en) * 2018-07-23 2020-01-30 The University Of Chicago Resonator-based ion-selective sensor
CA3109866A1 (en) 2018-08-29 2020-03-05 Quantum-Si Incorporated Sample well fabrication techniques and structures for integrated sensor devices
US20200072752A1 (en) * 2018-08-29 2020-03-05 Quantum-Si Incorporated System and methods for detecting lifetime using photon counting photodetectors
JP6906489B2 (ja) 2018-09-14 2021-07-21 株式会社東芝 ケミカルセンサキット及び分析方法
US11509116B2 (en) * 2018-10-23 2022-11-22 Analog Photonics LLC Athermal angular output by combining a laser with a grating based antenna
CN111135878B (zh) * 2018-11-06 2021-10-15 京东方科技集团股份有限公司 微流体通道结构及制作方法、微流体检测装置及使用方法
WO2020094233A1 (de) * 2018-11-08 2020-05-14 Diamontech Ag Vorrichtung und verfahren zum analysieren eines stoffs
BR112021008098A2 (pt) 2018-11-15 2021-08-10 Quantum-Si Incorporated métodos e composições para o sequenciamento de proteínas
US11993865B2 (en) 2018-11-20 2024-05-28 Nautilus Subsidiary, Inc. Selection of affinity reagents
KR20210107852A (ko) * 2019-01-03 2021-09-01 퀀텀-에스아이 인코포레이티드 광자 요소들의 어레이에 광을 전달하기 위한 광학 도파관들 및 커플러들
TWI687687B (zh) * 2019-01-11 2020-03-11 國立中正大學 雙光柵感測器、檢測方法及其製備方法
CN113544493A (zh) * 2019-03-05 2021-10-22 宽腾矽公司 用于集成装置的光学吸收滤光器
CN113597558A (zh) * 2019-03-20 2021-11-02 启正生命科学有限公司 用于验证生物分析仪的标准材料组合物和使用其的标准条带
US11534755B2 (en) 2019-04-16 2022-12-27 Boe Technology Group Co., Ltd. Micro-channel device and manufacturing method thereof and micro-fluidic system
CN110066723A (zh) * 2019-05-05 2019-07-30 京东方科技集团股份有限公司 基因测序芯片、设备、制造方法
CN114303082A (zh) 2019-06-14 2022-04-08 宽腾矽公司 具有提升的波束校准灵敏度的分割光栅耦合器
US11085878B2 (en) 2019-06-18 2021-08-10 Eagle Technology, Llc Radiation detection system with surface plasmon resonance detection and related methods
US11009611B2 (en) 2019-06-18 2021-05-18 Eagle Technology, Llc Radiation detection system with surface plasmon resonance detection and related methods
CN110229747A (zh) * 2019-06-18 2019-09-13 京东方科技集团股份有限公司 基因测序芯片、设备及制备方法
MX2021015773A (es) * 2019-06-19 2022-04-12 Quantum Si Inc Rechazador de nanoestructuras ópticas para un dispositivo integrado y métodos relacionados.
US11360028B2 (en) * 2019-06-20 2022-06-14 Cilag Gmbh International Super resolution and color motion artifact correction in a pulsed hyperspectral, fluorescence, and laser mapping imaging system
US11793399B2 (en) 2019-06-20 2023-10-24 Cilag Gmbh International Super resolution and color motion artifact correction in a pulsed hyperspectral imaging system
KR20220030917A (ko) * 2019-07-08 2022-03-11 일루미나, 인코포레이티드 광 검출 디바이스 상의 광학 결합 구조체와의 도파관 통합
MX2022001614A (es) 2019-08-08 2022-05-26 Quantum Si Inc Eficiencia mejorada de recolección de emisiones en dispositivos ópticos integrados.
US10957731B1 (en) * 2019-10-04 2021-03-23 Visera Technologies Company Limited Sensor device and method for manufacturing the same
US11705472B2 (en) * 2019-10-10 2023-07-18 Visera Technologies Company Limited Biosensor and method of distinguishing a light
US11105745B2 (en) * 2019-10-10 2021-08-31 Visera Technologies Company Limited Biosensor
US11630062B2 (en) * 2019-10-10 2023-04-18 Visera Technologies Company Limited Biosensor and method of forming the same
AU2020364058A1 (en) 2019-10-11 2022-05-26 Quantum-Si Incorporated Surface modification in the vapor phase
TWI704342B (zh) * 2019-11-28 2020-09-11 雷科股份有限公司 Aoi(自動光學檢測)應用在雷射蝕薄銅線圈的方法及其設備
KR102351249B1 (ko) * 2020-01-03 2022-01-14 한국과학기술원 분자 다중 이미징 방법 및 장치
US11703454B2 (en) 2020-01-03 2023-07-18 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Method and apparatus for multiplexed imaging of spectrally-similar fluorophores
US11784416B2 (en) * 2020-01-06 2023-10-10 Raytheon Company Tunable radio frequency (RF) absorber and thermal heat spreader
EP4088320A1 (en) 2020-01-14 2022-11-16 Quantum-si Incorporated Integrated sensor for lifetime characterization
AU2021208557A1 (en) 2020-01-14 2022-09-01 Quantum-Si Incorporated Sensor for lifetime plus spectral characterization
US20230114049A1 (en) * 2020-01-24 2023-04-13 Deepdivebio, Inc. Optical array qpcr
CN111308530B (zh) * 2020-02-17 2021-12-03 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 一种基于二维波达方向的短波多站和单星协同直接定位方法
TW202147591A (zh) 2020-03-02 2021-12-16 美商寬騰矽公司 用於多維信號分析之整合感應器
KR20220165754A (ko) 2020-04-08 2022-12-15 퀀텀-에스아이 인코포레이티드 스큐가 감소된 통합 센서
CN111533083B (zh) * 2020-05-08 2023-09-05 中北大学 一种基于石墨烯的微型分子光镊
EP4231174A3 (en) 2020-06-11 2023-11-01 Nautilus Subsidiary, Inc. Methods and systems for computational decoding of biological, chemical, and physical entities
CA3186950A1 (en) * 2020-07-23 2022-01-27 Scott Benson Compositions, systems and methods for biological analysis involving energy transfer dye conjugates and analytes comprising the same
KR102628182B1 (ko) * 2020-08-28 2024-01-24 한국과학기술원 상호정보량 최소화를 통한 다색 분리 방법 및 장치
EP3961194B1 (en) 2020-08-25 2023-11-08 Korea Advanced Institute of Science and Technology Method and apparatus for multiplexed imaging of biomolecules through iterative unmixing of fluorophore signals
KR102423723B1 (ko) * 2020-08-27 2022-07-21 성균관대학교산학협력단 플라즈모닉 우물 기반 핵산 검출장치 및 롤투롤 공정을 이용한 이의 제조방법
GB2599729A (en) * 2020-10-12 2022-04-13 Sumitomo Chemical Co Method comprising light emitting marker
AU2021372457A1 (en) * 2020-10-27 2023-06-15 Quantum-Si Incorporated Single molecule detection system using photobleaching information
TWI824273B (zh) * 2020-12-03 2023-12-01 仁寶電腦工業股份有限公司 天線裝置和配置該天線裝置的方法
CA3203535A1 (en) 2021-01-21 2022-07-28 Gregory KAPP Systems and methods for biomolecule preparation
CN112837620B (zh) * 2021-01-22 2023-07-04 武汉京东方光电科技有限公司 柔性显示屏及电子设备
IL305336A (en) 2021-03-11 2023-10-01 Nautilus Subsidiary Inc Systems and methods for the preservation of biomolecules
DE102021111787A1 (de) * 2021-05-06 2022-11-10 Gesellschaft für angewandte Mikro- und Optoelektronik mit beschränkter Haftung - AMO GmbH Verfahren zur Herstellung einer Lochblende, Lochblende sowie Verwendung einer Lochblende in einem optischen Aufbau
CN112986206B (zh) * 2021-05-20 2021-07-30 北京百奥纳芯生物科技有限公司 一种检测基因芯片杂交结果的方法
US11703445B2 (en) * 2021-05-28 2023-07-18 Visera Technologies Company Limited Biosensor with grating array
AU2022341171A1 (en) 2021-09-09 2024-02-22 Nautilus Subsidiary, Inc. Characterization and localization of protein modifications
AU2022352593A1 (en) 2021-09-22 2024-02-15 Nautilus Subsidiary, Inc. Methods and systems for determining polypeptide interactions
WO2023064190A1 (en) * 2021-10-11 2023-04-20 Quantum-Si Incorporated Light coupling device
WO2023081728A1 (en) 2021-11-03 2023-05-11 Nautilus Biotechnology, Inc. Systems and methods for surface structuring
US20230152211A1 (en) * 2021-11-11 2023-05-18 California Institute Of Technology System for Optically Analyzing a Test Sample and Method Therefor
US20230184678A1 (en) * 2021-12-14 2023-06-15 Quantum-Si Incorporated Methods for loading and data acquisition
US20230221330A1 (en) * 2022-01-12 2023-07-13 Quantum-Si Incorporated Labeled binding reagents and methods of use thereof
US11924963B2 (en) 2022-02-03 2024-03-05 Raytheon Company Printed-circuit isolation barrier for co-site interference mitigation
WO2023164712A2 (en) * 2022-02-28 2023-08-31 Bio-Rad Laboratories, Inc. Wide-spectrum analysis system
US20230314324A1 (en) 2022-03-29 2023-10-05 Nautilus Subsidiary, Inc. Integrated arrays for single-analyte processes
WO2023192162A2 (en) * 2022-03-29 2023-10-05 Pattern Computer, Inc. System and method for spectral-based disease detection
WO2023250364A1 (en) 2022-06-21 2023-12-28 Nautilus Subsidiary, Inc. Method for detecting analytes at sites of optically non-resolvable distances
WO2024073599A1 (en) 2022-09-29 2024-04-04 Nautilus Subsidiary, Inc. Preparation of array surfaces for single-analyte processes
EP4379355A1 (en) * 2022-11-29 2024-06-05 Gnothis Holding AG High throughput analysis of single molecule events

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5355215A (en) * 1992-09-30 1994-10-11 Environmental Research Institute Of Michigan Method and apparatus for quantitative fluorescence measurements
WO2005073407A1 (en) * 2003-10-07 2005-08-11 Ut-Battelle, Llc Advanced integrated circuit biochip

Family Cites Families (198)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5006716A (en) 1989-02-22 1991-04-09 Research Corporation Technologies, Inc. Method and system for directional, enhanced fluorescence from molecular layers
US5198543A (en) 1989-03-24 1993-03-30 Consejo Superior Investigaciones Cientificas PHI29 DNA polymerase
US5302509A (en) 1989-08-14 1994-04-12 Beckman Instruments, Inc. Method for sequencing polynucleotides
CA2044616A1 (en) 1989-10-26 1991-04-27 Roger Y. Tsien Dna sequencing
JP3018687B2 (ja) * 1991-12-12 2000-03-13 松下電器産業株式会社 走査型レーザー顕微鏡
EP0682671A4 (en) 1993-02-01 1998-01-14 Seq Ltd METHOD AND DEVICES FOR SEQUENCING DNA.
JPH07182686A (ja) * 1993-12-21 1995-07-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光モード変換装置および光分岐装置
US5495462A (en) * 1993-06-18 1996-02-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Light beam splitting apparatus
JP3169742B2 (ja) * 1993-06-18 2001-05-28 松下電器産業株式会社 光分岐装置および光ディスク装置
US6570617B2 (en) 1994-01-28 2003-05-27 California Institute Of Technology CMOS active pixel sensor type imaging system on a chip
US5471515A (en) 1994-01-28 1995-11-28 California Institute Of Technology Active pixel sensor with intra-pixel charge transfer
DE69526438T2 (de) 1994-05-27 2002-10-31 Novartis Ag Verfahren zum nachweis abklingend angeregter lumineszenz
US5912155A (en) 1994-09-30 1999-06-15 Life Technologies, Inc. Cloned DNA polymerases from Thermotoga neapolitana
US5814565A (en) 1995-02-23 1998-09-29 University Of Utah Research Foundation Integrated optic waveguide immunosensor
US6261797B1 (en) 1996-01-29 2001-07-17 Stratagene Primer-mediated polynucleotide synthesis and manipulation techniques
US5990506A (en) 1996-03-20 1999-11-23 California Institute Of Technology Active pixel sensors with substantially planarized color filtering elements
WO1998022799A2 (de) 1996-11-18 1998-05-28 Novartis Ag Messvorrichtung und deren verwendung
CA2281205A1 (en) 1997-02-12 1998-08-13 Eugene Y. Chan Methods and products for analyzing polymers
EP0983364B1 (en) 1997-03-12 2002-06-12 PE Corporation (NY) Dna polymerases having improved labeled nucleotide incorporation properties
US6327410B1 (en) 1997-03-14 2001-12-04 The Trustees Of Tufts College Target analyte sensors utilizing Microspheres
US6825921B1 (en) 1999-11-10 2004-11-30 Molecular Devices Corporation Multi-mode light detection system
EP0921196A1 (en) 1997-12-02 1999-06-09 Roche Diagnostics GmbH Modified DNA-polymerase from carboxydothermus hydrogenoformans and its use for coupled reverse transcription and polymerase chain reaction
JPH11173987A (ja) 1997-12-12 1999-07-02 Hamamatsu Photonics Kk マイクロタイタビューア
DE19810879A1 (de) 1998-03-13 1999-09-16 Roche Diagnostics Gmbh Polymerasenchimären
CA2325399A1 (en) 1998-03-23 1999-09-30 Invitrogen Corporation Modified nucleotides and methods useful for nucleic acid sequencing
EP1082458A1 (en) 1998-05-01 2001-03-14 Arizona Board Of Regents Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and dna molecules
US7875440B2 (en) 1998-05-01 2011-01-25 Arizona Board Of Regents Method of determining the nucleotide sequence of oligonucleotides and DNA molecules
GB9810350D0 (en) 1998-05-14 1998-07-15 Ciba Geigy Ag Organic compounds
JP2000004871A (ja) 1998-06-29 2000-01-11 Olympus Optical Co Ltd 培養容器、及び培養容器内の試料を観察する顕微鏡
US6787308B2 (en) 1998-07-30 2004-09-07 Solexa Ltd. Arrayed biomolecules and their use in sequencing
US6716394B2 (en) 1998-08-11 2004-04-06 Caliper Technologies Corp. DNA sequencing using multiple fluorescent labels being distinguishable by their decay times
US6210896B1 (en) 1998-08-13 2001-04-03 Us Genomics Molecular motors
US6280939B1 (en) 1998-09-01 2001-08-28 Veeco Instruments, Inc. Method and apparatus for DNA sequencing using a local sensitive force detector
ATE319857T1 (de) 1998-12-14 2006-03-15 Li Cor Inc Kit und methode zur nukleinsäuresequenzierung einzelner moleküle durch polymerase synthese
US6134002A (en) * 1999-01-14 2000-10-17 Duke University Apparatus and method for the rapid spectral resolution of confocal images
WO2000053805A1 (en) 1999-03-10 2000-09-14 Asm Scientific, Inc. A method for direct nucleic acid sequencing
GB9906929D0 (en) * 1999-03-26 1999-05-19 Univ Glasgow Assay system
US7056661B2 (en) 1999-05-19 2006-06-06 Cornell Research Foundation, Inc. Method for sequencing nucleic acid molecules
EP1681356B1 (en) 1999-05-19 2011-10-19 Cornell Research Foundation, Inc. Method for sequencing nucleic acid molecules
US6137117A (en) 1999-06-21 2000-10-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Integrating multi-waveguide sensor
FR2797053B1 (fr) * 1999-07-13 2001-08-31 Commissariat Energie Atomique Support d'analyse a transmission de lumiere de fluorescence
US6596483B1 (en) * 1999-11-12 2003-07-22 Motorola, Inc. System and method for detecting molecules using an active pixel sensor
US6399335B1 (en) 1999-11-16 2002-06-04 Advanced Research And Technology Institute, Inc. γ-phosphoester nucleoside triphosphates
AU2009401A (en) * 1999-12-17 2001-06-25 Zeptosens Ag Flow cell array and the utilization thereof for multianalyte determination
JP3978307B2 (ja) * 2000-02-09 2007-09-19 株式会社日立製作所 紫外レーザ光発生装置並びに欠陥検査装置およびその方法
US6704104B2 (en) * 2000-03-16 2004-03-09 Spectrumedix Llc Multi-wavelength array reader for biological assay
JP2003532123A (ja) * 2000-04-28 2003-10-28 エッジライト バイオサイエンシズ インコーポレイテッド マイクロアレーエバネッセント波蛍光検出装置
US6917726B2 (en) * 2001-09-27 2005-07-12 Cornell Research Foundation, Inc. Zero-mode clad waveguides for performing spectroscopy with confined effective observation volumes
US6936702B2 (en) 2000-06-07 2005-08-30 Li-Cor, Inc. Charge-switch nucleotides
AU2001268291A1 (en) 2000-06-07 2001-12-17 Li-Cor, Inc. Charge-switch nucleotides
US7158224B2 (en) 2000-06-25 2007-01-02 Affymetrix, Inc. Optically active substrates
US7277166B2 (en) 2000-08-02 2007-10-02 Honeywell International Inc. Cytometer analysis cartridge optical configuration
FR2813121A1 (fr) 2000-08-21 2002-02-22 Claude Weisbuch Dispositif perfectionne de support d'elements chromophores
WO2002018591A1 (en) 2000-08-30 2002-03-07 University Of Rochester Method of performing reverse transcription reaction using reverse transcriptase encoded by non-ltr retrotransposable element
WO2002023167A1 (en) 2000-09-11 2002-03-21 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Fluidics system
JP2004512514A (ja) * 2000-10-23 2004-04-22 ダイアチップ・リミテッド 再スポット機能を有する高精度知能型バイオチップアレイヤー
JP3695340B2 (ja) * 2001-03-30 2005-09-14 株式会社日立製作所 Ｄｎａ検査方法及びその装置並びに蛍光検出方法
WO2002086088A2 (en) 2001-04-24 2002-10-31 Li-Cor, Inc. Polymerases with charge-switch activity and methods of generating such polymerases
AU2002324827B2 (en) 2001-08-29 2007-11-29 Global Life Sciences Solutions Usa Llc Labeled nucleoside polyphosphates
US7033762B2 (en) 2001-08-29 2006-04-25 Amersham Biosciences Corp Single nucleotide amplification and detection by polymerase
US7727722B2 (en) 2001-08-29 2010-06-01 General Electric Company Ligation amplification
US7052839B2 (en) 2001-08-29 2006-05-30 Amersham Biosciences Corp Terminal-phosphate-labeled nucleotides and methods of use
US7244566B2 (en) 2001-08-29 2007-07-17 Ge Healthcare Bio-Sciences Corp. Analyte detection
US7256019B2 (en) 2001-08-29 2007-08-14 Ge Healthcare Bio-Sciences Corp. Terminal phosphate blocked nucleoside polyphosphates
US7223541B2 (en) 2001-08-29 2007-05-29 Ge Healthcare Bio-Sciences Corp. Terminal-phosphate-labeled nucleotides and methods of use
WO2003020488A1 (de) * 2001-08-30 2003-03-13 Zeptosens Ag Verfahren zur herstellung von abformkörpern, insbesondere optischen strukturen, und deren verwendung
EP1436385A4 (en) 2001-09-14 2005-12-14 Invitrogen Corp DNA POLYMERASES AND MUTANTS CORRESPONDING
US7057026B2 (en) 2001-12-04 2006-06-06 Solexa Limited Labelled nucleotides
US7179654B2 (en) 2002-03-18 2007-02-20 Agilent Technologies, Inc. Biochemical assay with programmable array detection
US6924887B2 (en) 2002-03-27 2005-08-02 Sarnoff Corporation Method and apparatus for generating charge from a light pulse
US7595883B1 (en) 2002-09-16 2009-09-29 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Biological analysis arrangement and approach therefor
US7393640B2 (en) 2003-02-05 2008-07-01 Ge Healthcare Bio-Sciences Corp. Terminal-phosphate-labeled nucleotides with new linkers
US7745116B2 (en) 2003-04-08 2010-06-29 Pacific Biosciences Of California, Inc. Composition and method for nucleic acid sequencing
US20040258563A1 (en) 2003-06-23 2004-12-23 Applera Corporation Caps for sample wells and microcards for biological materials
US7169560B2 (en) 2003-11-12 2007-01-30 Helicos Biosciences Corporation Short cycle methods for sequencing polynucleotides
WO2005069737A2 (en) 2004-01-27 2005-08-04 Ramot At Tel Aviv University Ltd. Method and system for detecting analytes
WO2005080605A2 (en) 2004-02-19 2005-09-01 Helicos Biosciences Corporation Methods and kits for analyzing polynucleotide sequences
US7462452B2 (en) 2004-04-30 2008-12-09 Pacific Biosciences Of California, Inc. Field-switch sequencing
EP1786932A4 (en) * 2004-08-23 2010-10-27 Us Genomics Inc SYSTEMS AND METHOD FOR THE DETECTION AND ANALYSIS OF POLYMERS
US7170050B2 (en) 2004-09-17 2007-01-30 Pacific Biosciences Of California, Inc. Apparatus and methods for optical analysis of molecules
AU2005296200B2 (en) 2004-09-17 2011-07-14 Pacific Biosciences Of California, Inc. Apparatus and method for analysis of molecules
US8293430B2 (en) * 2005-01-27 2012-10-23 Applied Materials, Inc. Method for etching a molybdenum layer suitable for photomask fabrication
US7345764B2 (en) 2005-02-07 2008-03-18 Vladimir Bulovic Apparatus and method for a slim format spectrometer
US20060223067A1 (en) 2005-03-31 2006-10-05 Paolo Vatta Mutant DNA polymerases and methods of use
US7738086B2 (en) 2005-05-09 2010-06-15 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Active CMOS biosensor chip for fluorescent-based detection
CN100401041C (zh) * 2005-06-09 2008-07-09 上海交通大学 光波导吸收式气体传感器及测量系统
WO2007002890A2 (en) 2005-06-28 2007-01-04 Agencourt Personal Genomics Corporation Methods of producing and sequencing modified polynucleotides
EP1919930B1 (en) 2005-07-01 2016-09-14 Dako Denmark A/S New nucleic acid base pairs
US7426322B2 (en) 2005-07-20 2008-09-16 Searete Llc. Plasmon photocatalysis
US20160355869A1 (en) * 2005-08-02 2016-12-08 University Of Utah Research Foundation Biosensors including metallic nanocavities
US9012207B2 (en) * 2005-08-02 2015-04-21 University Of Utah Research Foundation Biosensors including metallic nanocavities
US7453916B2 (en) 2005-09-08 2008-11-18 Intel Corporation High throughput optical micro-array reader capable of variable pitch and spot size array processing for genomics and proteomics
US7405281B2 (en) 2005-09-29 2008-07-29 Pacific Biosciences Of California, Inc. Fluorescent nucleotide analogs and uses therefor
TWI296044B (en) * 2005-11-03 2008-04-21 Ind Tech Res Inst Coupled waveguide-surface plasmon resonance biosensor
US7871777B2 (en) 2005-12-12 2011-01-18 The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services Probe for nucleic acid sequencing and methods of use
US8921086B2 (en) 2005-12-22 2014-12-30 Pacific Biosciences Of California, Inc. Polymerases for nucleotide analogue incorporation
AU2006331512B2 (en) 2005-12-22 2012-02-23 Pacific Biosciences Of California, Inc. Active surface coupled polymerases
US7692783B2 (en) 2006-02-13 2010-04-06 Pacific Biosciences Of California Methods and systems for simultaneous real-time monitoring of optical signals from multiple sources
US7995202B2 (en) 2006-02-13 2011-08-09 Pacific Biosciences Of California, Inc. Methods and systems for simultaneous real-time monitoring of optical signals from multiple sources
US7715001B2 (en) 2006-02-13 2010-05-11 Pacific Biosciences Of California, Inc. Methods and systems for simultaneous real-time monitoring of optical signals from multiple sources
US20080050747A1 (en) 2006-03-30 2008-02-28 Pacific Biosciences Of California, Inc. Articles having localized molecules disposed thereon and methods of producing and using same
US8975216B2 (en) 2006-03-30 2015-03-10 Pacific Biosciences Of California Articles having localized molecules disposed thereon and methods of producing same
US7750316B2 (en) * 2006-05-10 2010-07-06 Dublin City University Polymer biochip for detecting fluorescence
DE102006030541B4 (de) 2006-06-23 2010-05-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optische Anordnung
CA2662521C (en) 2006-09-01 2016-08-09 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates, systems and methods for analyzing materials
US8207509B2 (en) 2006-09-01 2012-06-26 Pacific Biosciences Of California, Inc. Substrates, systems and methods for analyzing materials
EP2089517A4 (en) 2006-10-23 2010-10-20 Pacific Biosciences California POLYMERASEENZYME AND REAGENTS FOR ADVANCED NUCKIC ACID SEQUENCING
US9218944B2 (en) * 2006-10-30 2015-12-22 Applied Materials, Inc. Mask etch plasma reactor having an array of optical sensors viewing the workpiece backside and a tunable element controlled in response to the optical sensors
FR2908888B1 (fr) 2006-11-21 2012-08-03 Centre Nat Rech Scient Dispositif pour la detection exaltee de l'emission d'une particule cible
EP2132556B1 (en) 2007-03-22 2011-05-11 Universite De Strasbourg (Etablissement Public à Caractère Scientifique, Culturel et Professionel) Device for sorting and concentrating electromagnetic energy and apparatus comprising at least one such device
WO2008121374A2 (en) 2007-03-30 2008-10-09 Pacific Biosciences Of California, Inc. Systems and methods for enhancing fluorescent signals
JP5222599B2 (ja) * 2007-07-20 2013-06-26 株式会社日立ハイテクノロジーズ 核酸分析デバイス及びそれを用いた核酸分析装置
JP2009022247A (ja) * 2007-07-23 2009-02-05 Toshiba Corp 培養容器及び培養組織回収方法
US9410892B2 (en) * 2007-08-30 2016-08-09 Cornell University Nanoscale optofluidic devices for molecular detection
EP2212679A1 (en) * 2007-09-18 2010-08-04 Applied Biosystems Inc. Methods, systems and apparatus for light concentrating mechanisms
US7873085B2 (en) 2007-10-23 2011-01-18 Andrei Babushkin Method and device for controlling optical output of laser diode
GB0723725D0 (en) 2007-12-05 2008-01-16 Ge Healthcare Uk Ltd Apparatus and method for detecting dna damage
WO2009082706A1 (en) 2007-12-21 2009-07-02 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Active cmos sensor array for electrochemical biomolecular detection
WO2009091847A2 (en) 2008-01-14 2009-07-23 Life Technologies Corporation Compositions, methods and systems for single molecule sequencing
EP2252625B1 (en) 2008-02-07 2017-12-20 Pacific Biosciences of California, Inc. Cis reactive oxygen quenchers integrated into linkers
EP2255014A4 (en) 2008-02-12 2011-05-18 Pacific Biosciences California COMPOSITIONS AND METHODS FOR USE IN ANALYTICAL REACTIONS
US8652781B2 (en) 2008-02-12 2014-02-18 Pacific Biosciences Of California, Inc. Cognate sampling kinetics
AU2009223702B2 (en) 2008-03-13 2013-08-22 Pacific Biosciences Of California, Inc. Labeled reactants and their uses
US20090243584A1 (en) * 2008-03-25 2009-10-01 Guigen Zhang Fabrication of microstructures integrated with nanopillars along with their applications as electrodes in sensors
US7973146B2 (en) 2008-03-26 2011-07-05 Pacific Biosciences Of California, Inc. Engineered fluorescent dye labeled nucleotide analogs for DNA sequencing
US8143030B2 (en) 2008-09-24 2012-03-27 Pacific Biosciences Of California, Inc. Intermittent detection during analytical reactions
BRPI0909212A2 (pt) 2008-03-28 2015-08-18 Pacific Biosciences California Composições e método para sequeciamento de ácido nucléico
WO2009120374A2 (en) 2008-03-28 2009-10-01 Pacific Biosciences Of California, Inc. Methods and compositions for nucleic acid sample preparation
EP2881736B1 (en) 2008-03-31 2017-06-07 Pacific Biosciences of California, Inc. Single polymerase molecule loading methods and compositions
EP2271751B1 (en) 2008-03-31 2015-07-22 Pacific Biosciences of California, Inc. Generation of modified polymerases for improved accuracy in single molecule sequencing
US9127259B2 (en) 2008-03-31 2015-09-08 Pacific Biosciences Of California, Inc. Enzymes resistant to photodamage
US8133672B2 (en) 2008-03-31 2012-03-13 Pacific Biosciences Of California, Inc. Two slow-step polymerase enzyme systems and methods
US8999676B2 (en) 2008-03-31 2015-04-07 Pacific Biosciences Of California, Inc. Recombinant polymerases for improved single molecule sequencing
US8420366B2 (en) 2008-03-31 2013-04-16 Pacific Biosciences Of California, Inc. Generation of modified polymerases for improved accuracy in single molecule sequencing
US10114213B2 (en) 2008-04-04 2018-10-30 Cvi Laser, Llc Laser systems and optical devices for manipulating laser beams
JP5268444B2 (ja) * 2008-06-23 2013-08-21 株式会社日立ハイテクノロジーズ 単分子リアルタイムシーケンス装置，核酸分析装置及び単分子リアルタイムシーケンス方法
EP2148187A1 (de) * 2008-07-25 2010-01-27 Roche Diagnostics GmbH Anregungs- und Abbildungsoptik für die Fluoreszenzdetektion
US7999454B2 (en) * 2008-08-14 2011-08-16 Global Oled Technology Llc OLED device with embedded chip driving
EP2326733A2 (en) 2008-09-05 2011-06-01 Pacific Biosciences of California, Inc. Engineering polymerases and reaction conditions for modified incorporation properties
FR2936099A1 (fr) * 2008-09-12 2010-03-19 Thales Sa Dispositif de detection d'images ameliore pour un imageur multispectral et imageur multispectral comportant ce dispositif
EP3629011B1 (en) 2008-09-16 2023-11-01 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated optical device
US8481264B2 (en) 2008-09-19 2013-07-09 Pacific Biosciences Of California, Inc. Immobilized nucleic acid complexes for sequence analysis
US8921046B2 (en) 2008-09-19 2014-12-30 Pacific Biosciences Of California, Inc. Nucleic acid sequence analysis
US9156010B2 (en) 2008-09-23 2015-10-13 Bio-Rad Laboratories, Inc. Droplet-based assay system
US8383369B2 (en) 2008-09-24 2013-02-26 Pacific Biosciences Of California, Inc. Intermittent detection during analytical reactions
US8247216B2 (en) 2008-09-30 2012-08-21 Pacific Biosciences Of California, Inc. Ultra-high multiplex analytical systems and methods
KR101045206B1 (ko) * 2008-10-31 2011-06-30 삼성전자주식회사 여기광 흡수 도파로가 삽입된 집적된 바이오칩 및 그 제조방법
EP2182523B1 (en) 2008-10-31 2013-01-09 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA -Recherche et Développement Charge sampling device and method based on a MOS-transmission line
KR101065077B1 (ko) * 2008-11-05 2011-09-15 삼성전자주식회사 시료 검출용 기판, 이를 채용한 바이오칩, 시료 검출용 기판의 제조방법 및 바이오 물질 검출장치
US8367813B2 (en) 2008-11-17 2013-02-05 Pacific Biosciences Of California, Inc. Phospholink nucleotides for sequencing applications
JP2012516145A (ja) 2009-01-30 2012-07-19 オックスフォード ナノポア テクノロジーズ リミテッド ハイブリダイゼーションリンカー
US8921280B2 (en) * 2009-02-11 2014-12-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Integrated bio-chip and method of fabricating the integrated bio-chip
US8603792B2 (en) 2009-03-27 2013-12-10 Life Technologies Corporation Conjugates of biomolecules to nanoparticles
WO2010117420A2 (en) 2009-03-30 2010-10-14 Pacific Biosciences Of California, Inc. Fret-labeled compounds and uses therefor
JP5707030B2 (ja) * 2009-04-02 2015-04-22 株式会社日立ハイテクノロジーズ 核酸分析デバイス、及び核酸分析装置
US8501406B1 (en) 2009-07-14 2013-08-06 Pacific Biosciences Of California, Inc. Selectively functionalized arrays
JP5462548B2 (ja) * 2009-08-12 2014-04-02 株式会社日立ハイテクノロジーズ 核酸分析素子及びそれを用いた核酸分析装置
WO2011040971A2 (en) 2009-09-30 2011-04-07 Pacific Biosciences Of California, Inc. Generation of modified polymerases for improved accuracy in single molecule sequencing
US8278728B2 (en) 2009-10-17 2012-10-02 Florida Institute Of Technology Array of concentric CMOS photodiodes for detection and de-multiplexing of spatially modulated optical channels
EP2507220B1 (en) 2009-12-04 2016-10-05 Biotium Inc. Heterocycle-substituted xanthene dyes
JP6017107B2 (ja) 2009-12-28 2016-10-26 ソニー株式会社 イメージセンサ及びその製造方法、並びにセンサデバイス
WO2011090745A1 (en) 2009-12-29 2011-07-28 Life Technologies Corporation Single molecule detection and sequencing using fluorescence lifetime imaging
AU2011217862B9 (en) 2010-02-19 2014-07-10 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated analytical system and method
US8994946B2 (en) 2010-02-19 2015-03-31 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated analytical system and method
US9482615B2 (en) * 2010-03-15 2016-11-01 Industrial Technology Research Institute Single-molecule detection system and methods
TWI466278B (zh) 2010-04-06 2014-12-21 Kingpak Tech Inc 晶圓級影像感測器構裝結構及其製造方法
US8865078B2 (en) * 2010-06-11 2014-10-21 Industrial Technology Research Institute Apparatus for single-molecule detection
US8865077B2 (en) 2010-06-11 2014-10-21 Industrial Technology Research Institute Apparatus for single-molecule detection
EP2439512A1 (en) * 2010-10-01 2012-04-11 Aqsens Oy A device for holding a sample
EP2646154A2 (en) 2010-11-30 2013-10-09 Quantumdx Group Limited The design, fabrication and use of a microfluidics multitemperature flexible reaction device
CN103380500B (zh) 2010-11-30 2015-12-09 茨瓦内科技大学 基于cmos的微光子系统
WO2012129242A2 (en) 2011-03-23 2012-09-27 Pacific Biosciences Of California, Inc. Isolation of polymerase-nucleic acid complexes and loading onto substrates
JP2013045857A (ja) 2011-08-24 2013-03-04 Sony Corp イメージセンサ及びその製造方法並びに検査装置
FR2982028B1 (fr) 2011-10-26 2020-02-21 Aryballe Technologies Puce microstructuree comprenant des surfaces convexes pour analyse par resonance des plasmons de surface, dispositif d'analyse contenant ladite puce microstructuree et utilisation dudit dispositif
EP3305400A3 (en) 2011-10-28 2018-06-06 Illumina, Inc. Microarray fabrication system and method
US9606060B2 (en) 2012-01-13 2017-03-28 California Institute Of Technology Filterless time-domain detection of one or more fluorophores
US8906660B2 (en) 2012-02-01 2014-12-09 Pacific Biosciences Of California, Inc. Recombinant polymerases with increased phototolerance
WO2013123258A1 (en) 2012-02-15 2013-08-22 Pacific Biosciences Of California, Inc. Polymerase enzyme substrates with protein shield
US9059250B2 (en) * 2012-02-17 2015-06-16 International Business Machines Corporation Lateral-dimension-reducing metallic hard mask etch
EP2831283A4 (en) * 2012-03-30 2015-11-04 Pacific Biosciences California METHODS AND COMPOSITION FOR SEQUENCING MODIFIED NUCLEIC ACIDS
CN104380084A (zh) * 2012-04-10 2015-02-25 普林斯顿大学理事会 超灵敏传感器
WO2013171197A1 (en) 2012-05-15 2013-11-21 Ait Austrian Institute Of Technology Gmbh Compact plasmon-enhanced fluorescence biosensor
US9372308B1 (en) 2012-06-17 2016-06-21 Pacific Biosciences Of California, Inc. Arrays of integrated analytical devices and methods for production
US8654427B1 (en) 2012-08-31 2014-02-18 Rosemount Aerospace Inc. Ruggedized two-axis optical beam steering device
WO2014099776A1 (en) 2012-12-18 2014-06-26 Pacific Biosciences Of California, Inc. Illumination of optical analytical devices
EP2959283B1 (en) * 2013-02-22 2022-08-17 Pacific Biosciences of California, Inc. Integrated illumination of optical analytical devices
US10933417B2 (en) 2013-03-15 2021-03-02 Nanobiosym, Inc. Systems and methods for mobile device analysis of nucleic acids and proteins
US9654680B2 (en) * 2013-10-17 2017-05-16 Canon Kabushiki Kaisha Image capturing apparatus and control method therefor
EP3074531B1 (en) * 2013-11-17 2020-01-08 Quantum-Si Incorporated Optical system and assay chip for probing, detecting and analyzing molecules
US9765395B2 (en) 2014-04-28 2017-09-19 Nanomedical Diagnostics, Inc. System and method for DNA sequencing and blood chemistry analysis
BR112017002485B1 (pt) 2014-08-08 2020-12-01 Quantum-Si Incorporated circuito integrado e método de fotodetecção
WO2016023010A1 (en) * 2014-08-08 2016-02-11 Quantum-Si Incorporated Optical system and assay chip for probing, detecting, and analyzing molecules
CA2957546A1 (en) 2014-08-08 2016-02-11 Quantum-Si Incorporated Integrated device with external light source for probing, detecting, and analyzing molecules
US9666748B2 (en) 2015-01-14 2017-05-30 International Business Machines Corporation Integrated on chip detector and zero waveguide module structure for use in DNA sequencing
WO2016149397A1 (en) 2015-03-16 2016-09-22 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated devices and systems for free-space optical coupling
US10246742B2 (en) 2015-05-20 2019-04-02 Quantum-Si Incorporated Pulsed laser and bioanalytic system
US10605730B2 (en) 2015-05-20 2020-03-31 Quantum-Si Incorporated Optical sources for fluorescent lifetime analysis
JP7391828B2 (ja) 2017-07-24 2023-12-05 クアンタム－エスアイ インコーポレイテッド 携帯型大規模並列バイオ光電子機器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5355215A (en) * 1992-09-30 1994-10-11 Environmental Research Institute Of Michigan Method and apparatus for quantitative fluorescence measurements
WO2005073407A1 (en) * 2003-10-07 2005-08-11 Ut-Battelle, Llc Advanced integrated circuit biochip

Also Published As

Publication number Publication date
EP3074531A1 (en) 2016-10-05
AU2014348306A1 (en) 2016-06-16
EP3068901B1 (en) 2021-10-20
JP2021090428A (ja) 2021-06-17
MX2020013247A (es) 2022-05-19
US20200371034A1 (en) 2020-11-26
CN111235246A (zh) 2020-06-05
CN105917003A (zh) 2016-08-31
KR20160108318A (ko) 2016-09-19
US9983135B2 (en) 2018-05-29
KR102399962B1 (ko) 2022-05-20
KR20210024219A (ko) 2021-03-04
EP3068900B1 (en) 2020-01-08
KR102296713B1 (ko) 2021-09-02
US20220364996A1 (en) 2022-11-17
JP2020092710A (ja) 2020-06-18
KR102221637B1 (ko) 2021-03-02
BR112016011084B1 (pt) 2021-09-28
CN110452809A (zh) 2019-11-15
JP7015336B2 (ja) 2022-02-02
AU2014348306B2 (en) 2020-11-12
US20180328850A1 (en) 2018-11-15
EP3074531B1 (en) 2020-01-08
US20150141267A1 (en) 2015-05-21
KR20160108317A (ko) 2016-09-19
US20220170861A1 (en) 2022-06-02
CN106029904A (zh) 2016-10-12
JP2017502310A (ja) 2017-01-19
US20150141268A1 (en) 2015-05-21
AU2020286308B2 (en) 2022-02-17
CA2930836A1 (en) 2015-05-21
MX2016006454A (es) 2016-12-09
JP2016537999A (ja) 2016-12-08
JP6673843B2 (ja) 2020-03-25
CA2930832A1 (en) 2015-05-21
US20150177150A1 (en) 2015-06-25
MX2016006453A (es) 2016-12-09
WO2015074001A1 (en) 2015-05-21
KR20160108316A (ko) 2016-09-19
JP2016537998A (ja) 2016-12-08
CN110452809B (zh) 2022-07-01
AU2014348302A1 (en) 2016-06-16
MX2016006455A (es) 2016-12-09
US20180348133A1 (en) 2018-12-06
BR112016011084B8 (pt) 2021-11-09
US9863880B2 (en) 2018-01-09
AU2014348302B2 (en) 2020-10-01
BR112016011052A2 (pt) 2020-05-19
AU2020286308A1 (en) 2021-01-21
US11428635B2 (en) 2022-08-30
KR102240166B1 (ko) 2021-04-14
EP3068901A1 (en) 2016-09-21
US10533945B2 (en) 2020-01-14
AU2014348305B2 (en) 2020-10-01
BR112016011061B1 (pt) 2021-10-13
BR112016011052B1 (pt) 2021-09-28
US20200088643A1 (en) 2020-03-19
WO2015074005A1 (en) 2015-05-21
EP3715831A1 (en) 2020-09-30
JP7242727B2 (ja) 2023-03-20
US20220214279A1 (en) 2022-07-07
US10712274B2 (en) 2020-07-14
US11287382B2 (en) 2022-03-29
JP6573899B2 (ja) 2019-09-11
US10048208B2 (en) 2018-08-14
EP3974814A1 (en) 2022-03-30
BR112016011061A2 (zh) 2017-08-08
WO2015074004A1 (en) 2015-05-21
BR112016011084A2 (pt) 2020-09-08
US10712273B2 (en) 2020-07-14
CA2930834A1 (en) 2015-05-21
US20180348132A1 (en) 2018-12-06
AU2014348305A1 (en) 2016-06-16
EP3068900A1 (en) 2016-09-21
EP3709003A1 (en) 2020-09-16
CN111235246B (zh) 2022-01-28
US20180088052A1 (en) 2018-03-29
CN105980580A (zh) 2016-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105980580B (zh) 用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片
CN106796175B (zh) 用于探测、检测和分析分子的光学系统和检测芯片

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant