CN109959642A - 双过滤片光检测设备及与其相关的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及但不限于双过滤片光检测设备及与其相关的方法。提供了光检测设备和相应的方法。该设备包括反应结构以包含反应溶液和至少一个反应位点，该反应位点在用反应溶液处理之后响应于入射激发光而产生光发射。该设备还包括多个光传感器和设备电路。该设备还包括多个光导，该光导从接收激发光和来自至少一个相应的反应凹槽的光发射的输入区域朝向至少一个相应的光传感器延伸。该光导包括第一过滤区域和第二过滤区域，所述第一过滤区域过滤激发光并允许第一波长的光发射传递到至少一个相应的光传感器，所述第二过滤区域过滤激发光并允许第二波长的光发射传递到至少一个相应的光传感器。

Description

双过滤片光检测设备及与其相关的方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2017年12月22日提交的且标题为“Two-Filter Light DetectionDevices and Methods of Manufacturing Same”的美国临时专利申请号62/609,903和于2018年3月20日提交的且标题为“Two-Filter Light Detection Devices and Methods ofManufacturing Same”的荷兰申请号2020625的优先权。上述申请中的每个的全部内容特此通过引用被并入本文。
背景技术
生物研究或化学研究中的各种方案涉及在局部支撑表面上或在预定的反应室内进行大量的受控反应。然后可以观察或检测到指定的反应，并且随后的分析可以帮助识别或揭示反应中涉及的化学品的性质。例如，在一些多重测定中，具有可识别标记(例如荧光标记)的未知分析物可以在受控条件下暴露于数千个已知探针。每个已知探针可以沉积到微板的相应阱(well)中。观察在阱内的已知探针和未知分析物之间发生的任何化学反应可以帮助识别或揭示分析物的性质。这样的方案的其他示例包括已知的DNA测序过程，例如合成测序(SBS)或循环阵列测序。
在一些常规的荧光检测方案中，光学系统用于将激发光引导到荧光标记的分析物上，并且还用于检测可能从分析物发射的荧光信号。然而，这样的光学系统可能相对昂贵，并且涉及相对大的台面占用面积。例如，这样的光学系统可以包括透镜、过滤器和光源的布置。
在其他提出的检测系统中，受控反应发生在局部支撑表面上或预定反应室内，所述预定反应室设置在不涉及检测荧光发射的大型光学组件的电子固态光检测器或成像器(例如互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器或电荷耦合设备(CCD)检测器)上。然而，这样的提出的固态成像系统可能具有一些局限性。例如，将试剂(例如荧光标记的分子)流体地输送至位于这样的系统的电子设备上的分析物可能存在挑战。例如，在一些情况下，试剂溶液可能破坏电子设备并腐蚀其部件。
发明内容
在本公开内容的一个方面中，提供了设备。该设备包括反应结构以包含反应溶液和多个反应位点，所述反应位点在用反应溶液处理之后响应于入射激发光而产生光发射。反应溶液可以在反应位点处引发反应和/或形成反应产物，所述反应位点响应于激发光而产生光发射。反应结构被定位在设备的设备基座(device base)上方。该设备还包括在设备基座内的多个光传感器以及在设备基座内的设备电路，所述设备电路被电耦合至所述多个光传感器并且被配置为基于由光传感器检测到的光子而传输数据信号。该设备还包括具有输入区域的多个光导，以接收激发光和来自至少一个相应反应位点的光发射，所述光导从输入区域朝向至少一个相应的光传感器延伸到设备基座中。多个光导中的每个包括第一过滤区域(first filter region)和第二过滤区域(second filter region)，所述第一过滤区域由第一过滤材料(first filter material)形成，以过滤至少第一波长的激发光并且允许第二波长的光发射穿过其到达至少一个相应的光传感器，所述第二过滤区域由第二过滤材料(second filter material)形成，以过滤至少第一波长的激发光并且允许第三波长的光发射穿过其到达至少一个相应的光传感器。
在一些示例中，多个反应位点中的至少一个第一反应位点在用反应溶液处理之后(例如，在反应溶液已经在反应位点处引发反应和/或形成至少一种反应产物之后)响应于第一波长的激发光而发射至少第二波长和第三波长的光。在一些示例中，多个反应位点中的至少一个第一反应位点在用反应溶液处理之后分别响应于第一波长和第四波长的激发光而发射至少第二波长和第三波长的光。在一些示例中，多个反应位点中的至少一个第一反应位点在用反应溶液处理之后响应于第一波长的激发光而发射第二波长的光发射，并且多个反应位点中的至少一个第二反应位点在用反应溶液处理之后响应于第四波长的激发光而发射第三波长的光发射。
在一些示例中，该设备还包括在光导的底部部分内的支撑层，该支撑层在第一区域的底部部分下方并且围绕第一区域的底部部分延伸。在一些这样的示例中，支撑层由氧化物、氮化物或其组合构成。在其他这样的示例中，光导的第二区域在支撑层上方并围绕第一区域延伸。在一些这样的示例中，光导的第一区域和第二区域形成光导的输入区域。
在一些示例中，该设备还包括第二衬垫层，该第二衬垫层被定位在光导的底部部分处的支撑层和设备电路之间并且被定位在光导的顶部部分内的第二过滤区域和设备电路之间。在一些这样的示例中，第二衬垫层包括氮化硅屏蔽层。在一些示例中，设备基座的设备电路形成互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。
在一些示例中，第一过滤材料还过滤第三波长的光发射，并且第二过滤材料还过滤第二波长的光发射。在一些示例中，第一过滤材料是具有第一染料的聚合物材料，并且第二过滤材料是具有不同于第一染料的第二染料的聚合物材料。在一些示例中，多个反应位点中的每个都在反应结构的至少一个反应凹槽内被固定至反应结构。
在一些示例中，反应溶液在反应位点处引发反应和/或形成反应产物，所述反应位点响应于入射激发光而产生第二波长和第三波长的光发射。在一些这样的示例中，至少一个反应位点包括至少一种分析物，并且反应溶液包括包含至少一种荧光标记的分子的水溶液。在一些这样的示例中，所述至少一种分析物包括寡核苷酸，并且所述至少一种荧光标记的分子包括荧光标记的核苷酸。
在本公开内容的另一方面中，提供了生物传感器。所述生物传感器包括上文描述的设备中的任一个。所述生物传感器还包括被安装至设备的流动池以及被包含在反应结构上的反应位点。流动池包括反应溶液和至少一个流动通道，所述流动通道与反应结构的反应位点流体连通以将反应溶液引导至反应位点。
在本公开内容的另一方面中，提供了方法。该方法包括在设备基座内形成多个沟槽(trench)，所述设备基座包括多个光传感器和被电耦合至光传感器的设备电路，该设备电路被配置为基于由光传感器检测到的光子而传输数据信号。多个沟槽每个都从设备基座的顶表面并朝向至少一个相应的光传感器延伸。该方法还包括在多个沟槽的内表面上方沉积支撑层。该方法还包括用第一过滤材料填充在沉积的支撑层上方的多个沟槽，所述第一过滤材料过滤至少第一波长的光并允许第二波长的光穿过其到达至少一个相应的光传感器。该方法还包括移除被定位在设备基座和第一过滤材料之间的多个沟槽内的沉积的支撑层的上部部分以形成多个空隙(void)。该方法还包括用第二过滤材料填充所述多个空隙，所述第二过滤材料过滤至少第一波长的光并允许第三波长的光穿过其到达至少一个相应的光传感器以形成多个光导。该方法还包括在设备基座和多个光导上方形成反应结构，用于容纳反应溶液和至少一个反应位点，所述反应位点在用反应溶液处理之后响应于至少第一波长的入射激发光而产生第二波长和第三波长中的至少一种的光。
在一些示例中，至少一个第一反应位点在用反应溶液处理之后(例如，在反应溶液已经在反应位点处引发反应和/或形成至少一种反应产物之后)响应于第一波长的激发光而发射至少第二波长和第三波长的光。在一些示例中，至少一个第一反应位点在用反应溶液处理之后分别响应于第一波长和第四波长的激发光而发射至少第二波长和第三波长的光。在一些示例中，至少一个第一反应位点在用反应溶液处理之后响应于第一波长的激发光而发射第二波长的光发射，并且至少一个第二反应位点在用反应溶液处理之后响应于第四波长的激发光而发射第三波长的光发射。
在一些示例中，移除多个沟槽内的沉积的支撑层的上部部分形成在第一区域的底部部分下方并且围绕第一区域的底部部分延伸的支撑层部分。在一些示例中，该方法还包括在沉积支撑层之前在多个沟槽的内表面上方和在设备基座的顶表面上方沉积第二衬垫层，使得支撑层在第二衬垫层上方延伸。在一些示例中，第一过滤材料还过滤第二波长的光，并且第二过滤材料还过滤第一波长的光。在一些示例中，第一过滤材料包括具有第一染料的聚合物材料，并且第二过滤材料包括具有不同于第一染料的第二染料的聚合物材料。
应该认识到，前述方面和下面更详细地讨论的另外的概念的所有组合(假设这样的概念不是相互不一致的)都被设想为本文公开的发明主题的一部分。
从下面结合附图对本公开的各个方面的详细描述中，本公开的这些和其他目的、特征和优点将变得明显。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面、和优点将变得更好理解，附图不一定按比例绘制，并且在所有附图中相同的附图标记表示相同的方面，其中:
图1示出了在一个示例中根据本公开的生物传感器的横截面。
图2图示出了在一个示例中图1的生物传感器的设备基座的俯视图。
图3图示出了在一个示例中图1的生物传感器的一部分的侧剖视图，其示出了反应结构的一部分及其光导。
图4图示出了在一个示例中图1的生物传感器的一部分的顶剖视图，其示出了光导的阵列。
图5图示出了在一个示例中包括在反应结构上的反应溶液的图3的横截面的放大部分。
图6图示出了在一个示例中包括光检测事件的图3的横截面的放大部分。
图7是图示出了在一个示例中制造根据本公开内容的生物传感器的方法的流程图。
图8图示出了在一个示例中在光检测设备基座中的沟槽的形成。
图9图示出了在一个示例中在图8的设备基座中的沟槽内的第一衬垫的形成。
图10图示出了在一个示例中在图9的设备基座的沟槽内的第二衬垫的形成。
图11图示出了在一个示例中用第一过滤材料填充图10的带有衬垫的沟槽以形成第一过滤区域。
图12图示出了在一个示例中移除第二衬垫的上部部分以在图11的设备基座的沟槽内形成空腔。
图13图示出了在一个示例中用第二过滤材料填充图12的设备基座的沟槽的空腔以形成具有第一过滤区域和第二过滤区域的光导。
具体实施方式
下面参考附图中所示的非限制性示例更全面地解释本公开的方面及其某些示例、特征、优点、和细节。众所周知的材料、制造工具、加工技术等的描述被省略，以免不必要地使相关细节模糊。然而，应该理解的是，详细描述和具体示例虽然指示了本公开的各个方面，但仅仅是作为示例而不是作为限制的方式给出的。从本公开内容中，在基本发明概念的精神和/或范围内的各种替换、修改、添加、和/或布置对于本领域技术人员而言将是明显的。
如本文在整个公开中所使用的，可以应用近似语言以修改任何可以允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或更多个术语修饰的值，例如“大约(about)”或“基本上(sustantially)”，不限于指定的精确值。例如，这些术语可以指小于或等于±5％，诸如小于或等于±2％，诸如小于或等于±1％，诸如小于或等于±0.5％，诸如小于或等于±0.2％，诸如小于或等于±0.1％，诸如小于或等于±0.05％。在一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。
本文使用的术语仅用于描述特定示例的目的，并且不旨在进行限制。如本文使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”意图也包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。此外，对“一个示例”的提及不旨在被解释为排除也包含所陈述的特征的附加示例的存在。此外，除非明确声明相反，否则术语“包括(comprising)”(以及任何形式的“包括(comprise)”，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”)、“具有(have)”(以及任何形式的“具有(have)”，例如“具有(has)”和“具有(having)”)、“包括(include)”(以及任何形式的“包括(include)”，例如“包括(includes)”和“包括(including)”)和“包含(contain)”(以及任何形式的“包含(contain)”，例如“包含(contains)”和“包含(containing)”)被用作开放式的连系动词。结果，“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包括(includes)”或“包含(contains)”一个或更多个步骤或元件的任何示例都拥有这样一个或更多个步骤或元件，但不限于仅拥有这样一个或更多个步骤或元件。如本文所用，术语“可以(may)”和“可以是(may be)”指示在一组情况下发生的可能性；拥有特定的属性、特征或功能；和/或通过表达与限定动词相关联的能力(ability)、性能(capability)或可能性中的一个或更多个来限定另一动词。因此，“可以(may)”和“可以是(may be)”的用法指示修改后的术语明显适合、能够、或适合于所指示的能力、功能、或用法，同时考虑到在某些情况下，修改后的术语有时可能不合适、不能够、或不适合。例如，在某些情况下，事件或能力是可以预期的，而在其他情况下，事件或能力可能不发生，这种区别由术语“可能”和“可能是”囊括。
本文所述的示例可用于关于学术或商业分析的各种生物或化学过程和系统。更具体地说，本文所述的示例可用于各种过程和系统中，其中期望的是检测指示指定反应的事件、属性、质量、或特性。例如，本文描述的示例包括光检测设备、生物传感器、及其部件，以及与生物传感器一起操作的生物测定系统。在一些示例中，设备、生物传感器和系统可以包括以基本上整体的结构耦合在一起(可移除地或固定地)的流动池和一个或更多个光传感器。
设备、生物传感器和生物测定系统可以被配置成执行可以被单独或集体检测到的多个指定的反应。设备、生物传感器和生物测定系统可以被配置成执行其中多个指定的反应平行发生的多个循环。例如，设备、生物传感器和生物测定系统可用于通过酶促操作(enzymatic manipulation)和光或图像检测/采集的迭代循环来对密集的DNA特征阵列进行测序。这样，设备、生物传感器和生物测定系统(例如，通过一个或更多个筒)可以包括一个或更多个微流体通道，该一个或更多个微流体通道将反应溶液中的试剂或其它反应组分递送到设备、生物传感器和生物测定系统的反应位点。在一些示例中，反应溶液可以是基本上酸性的，例如包含小于或等于约5的pH、或小于或等于约4的pH、或小于或等于约3的pH。在一些其它示例中，反应溶液可以基本上是碱性的(basic)/碱性(alkaline)，例如包含大于或等于约8的pH、或大于或等于约9的pH、或大于或等于约10的pH。如本文所用，术语“酸度”及其语法变体指的是小于约7的pH值，而术语“碱度(basicity)”、“碱度(alkalinity)”及其语法变体指的是大于约7的pH值。在一些示例中，反应位点以预定方式提供或间隔开，例如以均匀或重复的模式。在其他一些示例中，反应位点是随机分布的。每个反应位点可以与一个或更多个光导和检测来自相关的反应位点的光的光传感器相关联。在一些示例中，反应位点位于反应凹槽或反应室中，其可至少部分地分隔其中的指定的反应。
如本文所用，“指定的反应”包括感兴趣的化学或生物物质例如感兴趣的分析物的化学、电、物理、或光学性质(或质量)中的至少一种的变化。在特定的示例中，指定的反应是阳性结合事件，例如诸如荧光标记的生物分子与感兴趣的分析物的结合。更一般地，指定的反应可以是化学转化、化学变化、或化学相互作用。指定的反应还可以是电性质的变化。在特定的示例中，指定的反应包括荧光标记分子与至少一种分析物的结合。分析物可以是寡核苷酸，而荧光标记分子可以是核苷酸。当激发光被引导朝向具有标记的核苷酸的寡核苷酸且荧光团发出可检测的荧光信号时，可以检测到指定的反应。在可选示例中，检测到的光发射或信号是化学发光或生物发光的结果。指定的反应还可以例如，通过将供体荧光团靠近受体荧光团来增加荧光(或)共振能量转移(FRET)，通过分离供体荧光团和受体荧光团来降低FRET，通过将猝灭剂与荧光团分离来增加荧光，或者通过将猝灭剂和荧光团共同定位来降低荧光。
如本文所使用的，“反应溶液”、“反应组分”或“反应物”包括可以用于获得至少一种指定的反应的任何物质。例如，反应组分包括试剂、酶、样本、其他生物分子和缓冲溶液。反应组分可以在溶液中输送至反应位点和/或被固定在反应位点处。反应组分可以直接地或间接地与另一种物质例如被固定在反应位点处的感兴趣的分析物相互作用。在一些示例中，反应溶液可以是相对高度酸性的(例如，pH小于或等于约5)或相对高度碱性的/碱性的(例如，pH大于或等于约8)。
如本文所使用的，术语“反应位点”是其中可以发生至少一个指定的反应的局部区域。反应位点可以包括反应结构或基底(substrate)的支撑表面，其中物质可以被固定在其上。例如，特定的反应位点可以包括反应结构的基本上平坦的表面(其可以被定位在流动池的通道中)，该表面在其上具有核酸的群落。在一些示例中，群落中的核酸具有相同的序列，序列是例如单链或双链模板的克隆拷贝。然而，在一些示例中，反应位点可以仅包含例如以单链或双链形式的单个核酸分子。此外，多个反应位点可以沿着反应结构随机地分布或者以预定方式(例如，在矩阵中例如在微阵列中并排地)布置。反应位点还可以包括至少部分地界定空间区域或体积的反应室或凹槽，该空间区域或体积被配置为分隔指定的反应。如本文所使用的，术语“反应室”包括支撑结构的所界定的空间区域(其通常与流动通道流体连通)。反应凹槽可以至少部分地与周围环境或其他空间区域分离。例如，多个反应凹槽可以通过共享的壁彼此分开。作为更具体的示例，反应凹槽可以是纳米阱，其包括由内表面界定的凹痕、凹坑、阱、槽、开放空腔或凹陷并界定开口或孔，使得纳米阱与流动通道流体连通。
在一些示例中，反应结构的反应凹槽的尺寸和形状相对于固体(包括半固体)被设计成使得固体可以全部或部分地插入其中。例如，反应凹槽的尺寸和形状可被设计成容纳捕获珠(capture bead)。捕获珠可以在其上具有克隆扩增的DNA或其他物质。可选地，反应凹槽的尺寸和形状可以被设计成接收近似数量的珠或固体基底。作为另一个示例，反应凹槽可以填充有多孔凝胶或物质，该多孔凝胶或物质被配置成控制扩散或过滤可能流入反应凹槽的流体。
在一些示例中，光传感器(例如光电二极管)与对应的反应位点相关联。与反应位点相关联的光传感器被配置成：当在相关联的反应位点发生指定的反应时，检测来自相关联的反应位点的经由至少一个光导的光发射。在一些情况下，多个光传感器(例如，光检测或相机设备的若干像素)可以与单个反应位点相关联。在其他情况下，单个光传感器(例如单个像素)可以与单个反应位点或一组反应位点相关联。光传感器、反应位点、和生物传感器的其它特征可以被配置成使得至少一些光被光传感器直接检测而不被反射。
如本文所用，“生物或化学物质”包括生物分子、感兴趣的样本、感兴趣的分析物、和其它化合物。生物或化学物质可用于检测、识别、或分析其他化合物，或用作研究或分析其他化合物的媒介物。在特定的示例中，生物或化学物质包括生物分子。如本文所用，“生物分子”包括生物聚合物、核苷、核酸、多核苷酸、寡核苷酸、蛋白质、酶、多肽、抗体、抗原、配体、受体、多糖、碳水化合物、多磷酸盐、细胞、组织、有机体、或其片段或任何其它生物活性化合物中的至少一种，如上述物质的类似物或模拟物。在另一个示例中，生物或化学物质或生物分子包括在偶联反应中用于检测另一反应产物例如酶或试剂的酶或试剂，例如用于检测焦磷酸测序反应中焦磷酸盐的酶或试剂。用于焦磷酸盐检测的酶和试剂例如在美国专利公开号2005/0244870 A1中描述，该美国专利通过引用以其整体并入。
生物分子、样本、以及生物或化学物质可以是天然存在的或合成的，并且可以悬浮在反应凹槽或区域内的溶液或混合物中。生物分子、样本、和生物或化学物质还可以与固相或凝胶材料结合。生物分子、样本、和生物或化学物质还可以包括药物组合物。在某些情况下，感兴趣的生物分子、样本、和生物或化学物质可以被称为靶标、探针、或分析物。
如本文所用，“生物传感器”包括一种设备，该设备包括具有多个反应位点的反应结构，该反应结构被配置成检测在反应位点处或附近发生的指定的反应。生物传感器可以包括固态光检测或“成像”设备(例如CCD或CMOS光检测设备)以及可选地安装在其上的流动池。流动池可包括与反应位点流体连通的至少一个流动通道。作为一个具体示例，生物传感器被配置成流体和电耦合到生物测定系统。生物测定系统可以根据预定方案(例如，合成测序)将反应溶液递送到反应位点，并执行多个成像事件。例如，生物测定系统可以引导反应溶液沿着反应位点流动。反应溶液中的至少一种可以包括具有相同或不同荧光标记的类型的核苷酸。核苷酸可以与反应位点结合，例如与在反应位点处的相应的寡核苷酸结合。生物测定系统然后可以使用激发光源(例如固态光源，例如发光二极管(LED))照射反应位点。激发光可以具有一个或更多个预定波长，包括一定范围的波长。由入射激发光激发的荧光标记可提供可由光传感器检测的发射信号(例如，不同于激发光并且潜在地彼此不同的一个或更多个波长的光)。
如本文所用，当关于生物分子或生物或化学物质使用时，术语“固定化”包括在分子水平上将生物分子或生物或化学物质基本附着到表面，例如附着到光检测设备或反应结构的检测表面。例如，可以使用吸附技术(包括非共价相互作用(例如静电力、范德华力、和疏水界面脱水))和共价结合技术(其中官能团或连接物有助于将生物分子附着到表面)将生物分子或生物或化学物质固定到反应结构的表面。将生物分子或生物或化学物质固定到表面可以基于表面的性质、携带生物分子或生物或化学物质的液体介质、以及生物分子或生物或化学物质本身的性质。在一些情况下，表面可以被官能化(例如，化学改性或物理改性)以有助于将生物分子(或生物或化学物质)固定到表面上。
在一些示例中，核酸可以被固定在反应结构上，例如固定到其反应凹槽的表面上。在特定示例中，本文描述的设备、生物传感器、生物测定系统和方法可包括使用天然核苷酸以及还使用被配置成与天然核苷酸相互作用的酶。天然核苷酸包括例如核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸。天然核苷酸可以是单磷酸盐形式、二磷酸盐形式、或三磷酸盐形式，并且可以具有选自腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、尿嘧啶(U)、鸟嘌呤(G)或胞嘧啶(C)的碱基。然而，要理解的是，可以使用非天然核苷酸、改性的核苷酸或上述核苷酸的类似物。
如上所述，生物分子或生物或化学物质可以被固定在反应结构的反应凹槽中的反应位点处。这种生物分子或生物物质可以通过干涉配合、粘附、共价键、或包封(entrapment)被物理地保持或固定在反应凹槽内。可被布置在反应凹槽内的物品或固体的示例包括聚合物珠、粒料、琼脂糖凝胶、粉末、量子点、或可被压缩和/或保持在反应室内的其它固体。在某些实施方式中，反应凹槽可以被涂覆或填充有能够共价结合DNA寡核苷酸的水凝胶层。在特定的示例中，核酸超结构，例如DNA球，可以例如通过附着到反应凹槽的内表面或通过留在反应凹槽内的液体中被布置在反应凹槽中或在反应凹槽处。可以进行DNA球或其它核酸超结构，并然后将其布置在反应凹槽中或在反应凹槽处。可选择地，DNA球可以在反应凹槽处原位合成。被固定在反应凹槽中的物质可以是固态、液态、或气态。
图1-8示出了根据一个示例形成的生物传感器100的一部分的横截面。如所示，生物传感器100可包括直接或间接被耦合到光检测设备104的流动池102。流动池102可以被安装到光检测设备104。在图示的示例中，流动池102通过一个或更多个固定机构(例如，粘合剂(adhesive)、结合剂(bond)、紧固件以及类似物)直接固定到光检测设备104。在一些示例中，流动池102可以可移除地被耦合到光检测设备104。
生物传感器100和/或检测设备104可以被配置用于生物或化学分析，以获得与其相关的任何信息或数据。在特定示例中，生物传感器100和/或检测设备104可以包括被配置用于各种应用的核酸测序系统(或测序仪)，各种应用包括但不限于从头测序(de novosequencing)、全基因组或目标基因组区域的重新测序、以及宏基因组学。测序系统可以被配置为执行DNA或RNA分析。在一些示例中，生物传感器100和/或检测设备104被配置为在生物传感器100和/或检测设备104内执行大量平行反应，以获得与其相关的信息。
流动池102可包括一个或更多个流动通道，该一个或更多个流动通道将溶液引导至检测设备104上的反应位点114或朝向检测设备104上的反应位点114引导，如下文进一步解释的。流动池102和/或生物传感器100因此可以包括流体存储系统(未示出)，或者与该流体存储系统流体连通，流体存储系统可以存储例如用于在其中进行指定的反应的各种反应组分或反应物。流体存储系统还可以存储用于清洗或清洁流体网络和生物传感器100和/或检测设备104以及潜在地用于稀释反应物的流体。例如，流体存储系统可以包括各种储器，以存储样本、试剂、酶、其它生物分子、缓冲溶液、水溶液、油和其它非极性溶液以及类似物。如上所述，在反应结构126上提供的流体或溶液可以是相对酸性的(例如，pH小于或等于约5)或碱性的/碱性的(例如，pH大于或等于约8)。此外，流体存储系统还可以包括用于接收来自生物传感器100和/或检测设备104的废产物的废物储器。
在图示的示例中，光检测设备104包括设备基座125和覆盖设备基座125的反应结构126，如图1和图3-8中所示。在特定示例中，设备基座125包括多个堆叠层(例如，硅层或晶片、介电层、金属-介电层等)。设备基座125可以包括光传感器140的传感器阵列124和光导118的引导阵列，如图3中所示。如图1和图3-8中所示，反应结构126可以包括其中设置有至少一个对应的反应位点114(例如，被固定在其表面上)的反应凹槽108的阵列。在某些示例中，光检测设备104被配置成使得每个光传感器140对应于单个光导118和/或单个反应凹槽108(并且潜在地与其对准)，使得其仅从其中接收光子。然而，在其他示例中，单个光传感器140可以通过一个以上的光导118和/或一个以上的反应凹槽108接收光子。因此，单个光传感器140可以形成一个像素或多于一个像素。类似地，单个光传感器140可以从反应位点114或从多个反应位点114接收光子。因此，单个光传感器140可以形成一个像素或多于一个像素。
如图2中所示，反应凹槽108和/或光导118(以及潜在的光传感器140)的阵列可以以界定的重复图案被设置，使得凹槽108和/或光导118(以及潜在的光传感器140)中的至少一些以界定的位置图案彼此相等地间隔开。在其他示例中，反应凹槽108和/或光导118(以及潜在的光传感器140)可以以随机图案被设置，和/或反应凹槽108和/或光导118(以及潜在的光传感器140)中的至少一些可以可变地彼此间隔开。
如图1和图2中所示，检测设备104的反应结构126可以界定检测器表面112，反应溶液可以在该检测器表面112上流动和停留，如下文进一步解释的。反应结构126的检测器表面112可以是检测设备104的顶部暴露表面。检测器表面112可以包括凹槽108的表面和在凹槽108之间和周围延伸的间隙区域113。
光检测设备104的检测器表面112可以被官能化(例如，以合适方式被化学改性或物理改性以用于进行指定的反应)。例如，检测器表面112可以被官能化，并且可以包括具有固定至其上的一个或更多个生物分子的多个反应位点114，如图1、图3和图4中所示。如上所述，检测器表面112可以包括反应凹槽108的阵列(例如，开放式反应室)。反应凹槽108中的每一个可以包括反应位点114中的一个或更多个。反应凹槽108可以由例如沿着检测器表面112的深度(或厚度)的变化来界定。在其他示例中，检测器表面112可以基本上是平面的。
如图3和图4中所示，反应位点114可以沿着检测器表面112例如在反应凹槽108内以图案分布。例如，反应位点114可以以类似于微阵列的方式沿着反应凹槽108以行和列的方式定位。然而，应当理解的是，反应位点114的各种图案可以被使用。反应位点114可包括发射光信号的生物或化学物质，如下文进一步解释的。例如，反应位点114的生物或化学物质可以响应于激发光101而产生光发射。在特定示例中，反应位点114包括被固定在反应凹槽108内的检测器表面112上的生物分子(例如，寡核苷酸)的簇或群落。
如图1中所示，在一个示例中，流动池102包括至少一个侧壁和流动盖110。该至少一个侧壁可以被耦合到检测器表面112，并在流动盖110和检测器表面112之间延伸。流动池102可以被配置成使得流动通道119形成在流动盖110和光检测设备104的检测器表面112之间。在一些示例中，流动通道119可以包括在约50μm至约400μm(微米)、或者例如在约80μm至约200μm的范围内的高度(在流动盖110和检测器表面112之间延伸)。在一个示例中，流动通道119的高度为约100μm。如图1中所示，流动盖110可以包括对从生物传感器100的外部传播并朝向/进入流动通道119的激发光101透明的材料(例如塑料、玻璃或聚合物材料)。注意，激发光101可以从任何角度并沿着相同或不同的角度接近流动盖110。
激发光101可以从任何照明系统或源(未示出)发射或产生，该照明系统或源可以是或可以不是生物测定系统、生物传感器100或光检测设备104的一部分。在一些示例中，照明系统可以包括光源(例如一个或更多个LED)和潜在地多个光学部件，以至少照射检测设备104的反应结构126。光源的示例可以包括激光器、弧光灯、LED或激光二极管。光学部件可以是例如反射器、二向色镜、分束器、准直器、透镜、过滤器、楔形物、棱镜、反射镜、检测器以及类似物。在特定示例中，照明系统被配置为将激发光101引导至检测设备104的反应结构126的凹槽108内的反应位点114。在一些示例中，照明系统可以发射某个波长或在一定波长范围内例如在约300nm至约700nm的范围内或在约400nm至约600nm的范围内的波长的激发光101。在一些示例中，照明系统可以发射在某个波长或更多个波长下的激发光101，其激发反应位点114的生物物质或化学物质以发射不同的一个或更多个波长的光。例如，在一个示例中，其中该设备包括在单个反应凹槽108或不同的反应凹槽108内的反应位点114，所述不同的反应凹槽108包括由蓝色波长的光激发的第一荧光团和第二荧光团，激发光可以是约400nm，来自具有第一荧光团的反应位点114的光发射可以是约500nm(或在约450nm至约550nm的范围内)，并且来自具有第二荧光团的反应位点114的光发射可以是约650nm(或在约600nm至约550nm的范围内)。
在一些其他示例中，照明系统可以发射在不同波长范围的波长(其不重叠)下的激发光101，其独立地或选择性地激发不同反应位点114的不同生物物质或化学物质以发射不同波长或波长范围的光发射。例如，在一个示例中，其中该设备包括在单个反应凹槽108或不同反应凹槽108内的反应位点114，所述不同反应凹槽108包括由不同波长或波长范围的光激发的第一荧光团和第二荧光团，照明系统可以发射第一波长或波长范围的第一激发光101(例如(例如约400nm的)蓝色激发光或者(例如约530nm的)绿色激发光)，其导致具有第一荧光团的反应位点114发射第一波长或波长范围(例如在约450nm至约550nm的范围内或在约600nm至约550nm的范围内)的光，并且在同一时间段或在与第一激光101不同的时间段期间(即，在单个光检测事件期间或在不同的光检测事件期间)发射第一波长或波长范围的第二激发光101(例如(例如约400nm的)蓝色激发光或者(例如约530nm的)绿色激发光)，其导致具有第二荧光团的反应位点114发射第二波长或波长范围(例如在约450nm至约550nm的范围内或在约600nm至约550nm的范围内)的光。
还如图1中所示，流动盖110可以包括至少一个端口120，该至少一个端口120被配置为流体地接合流动通道119，并且潜在地接合其他端口(未示出)。例如，其它端口可以来自包括反应溶液或其它生物或化学物质的筒或工作站。流动通道119可以被配置成(例如，尺寸和形状被设计成)沿着检测器表面112引导流体或溶液，例如反应溶液。
图3和图4比图1更详细地示出了检测设备104的示例。更具体地，图3和图4示出了单个光传感器140、单个光导118和相关电路146，该单个光导118用于将来自与其相关联的至少一个反应位点114处的光发射朝向光传感器140进行引导和传递，该相关电路146用于基于由光传感器140检测到的光发射(例如光子)来传输信号。应当理解的是，传感器阵列124(图1和2)的其它光传感器140和相关部件可以以相同或相似的方式配置。然而，还应当理解，光检测设备104不需要在整个过程中被一致地(uniformly)制造。相反，一个或更多个光传感器140和/或相关部件可以被不同地制造或者彼此之间具有不同的关系。
电路146可以包括能够传导电流(例如基于检测到的光子的数据信号的传输)的互连的导电元件(例如，导体、迹线、通孔、互连件等)。例如，在一些示例中，电路146可以包括微电路布置。光检测设备104和/或设备基座125可以包括具有光传感器140的阵列的至少一个集成电路。被定位于检测设备104内的电路146可以被配置用于信号放大、数字化、存储、和处理中的至少一种。电路146可以收集(并且可能分析)检测到的光发射，并且生成用于将检测数据传送到生物测定系统的数据信号。电路146还可以在光检测设备104中执行另外的模拟和/或数字信号处理。
设备基座125和电路146可以使用集成电路制造过程来制造，集成电路制造过程例如用于制造电荷耦合设备或电路(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)设备或电路的过程。例如，如图3中所示，设备基座125可以是CMOS设备，其包括多个堆叠层，该多个堆叠层包括传感器基座141，在一些示例中，传感器基座141可以是硅层(例如，晶片)。传感器基座141可以包括光传感器140和形成在其上的栅极(gates)143。栅极143可以电耦合到光传感器140。当光检测设备104如图3所示进行配置时，光传感器140可以通过例如栅极143电耦合到电路146。
电路146中的至少一些可以被设置在检测设备104的设备基座125的设备基底层内，光导118各自可以穿过该基底层延伸/延伸到该基底层中。在一些示例中，基底层中的每个可以包括形成设备电路146的至少一部分的互连导电元件以及相邻于(并且潜在地围绕)电路146的导电元件的介电材料142，如图3所示。电路146的导电元件可以被嵌入介电材料142内。还如图3中所示，光导118可以延伸穿过介电材料142，并且可以与电路146间隔开。可以使用各种金属元件和/或介电材料，例如适合于集成电路制造(CMOS制造)的那些金属元件和/或介电材料。例如，在一些示例中，导电元件/电路146可以是金属元件，例如，W(钨)元件、Cu(铜)元件、Al(铝)元件、或它们的组合(但是应当理解，可以使用其他材料和配置)。在一些示例中，介电材料可以是SiO2(但是应当理解，可以使用其他材料和配置)。
如本文所用，除非另有说明，否则术语“层”不限于单个连续的材料体。例如，传感器层141和/或设备基座125的设备层可以包括为不同材料的多个子层和/或可以包括涂层、粘合剂以及类似物。此外，层(或子层)中的一个或更多个可以被修改(例如，蚀刻、用材料沉积等)以提供本文描述的特征。
如图3和图4中所示，反应结构126可包括形成在其中延伸的反应凹槽104的一个或更多个层。反应结构126可以沿着设备基座125的顶部外表面延伸。在图示的示例中，反应结构126直接沿着第一衬垫层154的顶表面或外表面以及设备基座125的第一过滤材料116和第二过滤材料115的顶表面或外表面沉积，如下文进一步描述的。然而，在其它示例中，中间层可以被布置在反应结构126和设备基座125之间。反应结构126可以包括一种或更多种材料，该一种或更多种材料被配置成允许激发光信号101和从凹槽108内的(用反应溶液处理后)反应位点114发出的光信号穿过其中并进入一个或更多个光导118的对应于特定反应凹槽108的开口158。在一些示例中，反应结构126可以包括一个或更多个层或其他特征，该一个或更多个层或其他特征防止来自特定反应位点114/反应凹槽108的发射光的串扰或“共享”到不对应的传感器140。
反应结构126可以包括多个不同的层，如图3和图4中所示。在图示的示例中，反应结构126可以包括第一反应层160，该第一反应层160(直接地或间接地)在设备基座125(例如，在第一衬垫层154上方)和设备基座125的光导118(例如，第一过滤材料116和第二过滤材料115)的开口158上方延伸，如图3和图4中所示。还如图3和图4中所示，在所图示的示例中，反应结构126还包括(直接地或间接地)在第一层160上方延伸的第二层162。所图示的示例的反应结构126还包括(直接地或间接地)在第二层162上方延伸的第三层164以及(直接地或间接地)在第三层164上方延伸的第四层166。反应凹槽108可以至少延伸到第三层164中。
如图3和图4中所示，第四层166可以通过在第三层164中的凹痕(indentation)(例如，空腔或空隙)上方延伸来形成反应凹槽108的内表面(例如，侧壁和底壁)。如图3和图4中所示，第四层166以及潜在地第二层162可以形成检测器表面112。在一些情况下，第四层166以及潜在地第二层162可以被配置成提供固体表面，该固体表面允许化学品、生物分子或其他感兴趣的分析物被固定在其上。例如，反应位点114中的每个可以包括被固定到检测器表面112的生物分子簇，检测器表面112可以包括第四层166并且可能包括第二层162。因此，第四层166以及潜在地第二层162可以包括允许反应位点114被固定到其上的材料。第一层160和第四层166(以及潜在地第二层162和第三层164)可以包括至少基本上对激发光101和反应位点114的发射光透明的材料。此外，第四层166以及潜在地第二层162可以被物理改性或化学改性，以有助于固定生物分子和/或有助于检测光发射。
举例来说，且如图3和图4的所图示的示例所示，第一层160和第三层164可以包括第一材料，且第二层162和第四层166可以包括不同于第一材料的第二材料。在一些这样的示例中，第一种材料是SiN，而第二种材料是TaO。然而，反应结构126可以包括不同的层(例如，不同的层、更少的层、和/或附加的层)和/或不同的材料。
如图3和图4中所示，检测设备104的设备基座125可以包括第一屏蔽层150，该第一屏蔽层150(直接地或间接地)在设备基座125的堆叠层(例如，金属-介电层)上方延伸，例如在介电材料142和导电电路部件146上方延伸。第一屏蔽层150可以包括被配置成阻挡、反射、和/或显著衰减激发光101和/或来自反应位点114的光发射(例如，从流动通道118传播的光信号)的材料。仅通过举例来说，第一屏蔽层150可以包括钨(W)。
第一屏蔽层150可以包括穿过其中的至少一个孔，该至少一个孔至少部分地与至少一个对应的光导118对准。第一屏蔽层150可以包括这样的孔的阵列。在一些示例中，第一屏蔽层150可以完全围绕其中的孔延伸。这样，来自激发光101的光信号和/或来自反应位点114的光发射可以被阻挡、反射、和/或显著衰减，以防止光信号穿过光导118外部的设备基座125并被光传感器140检测到。在一些示例中，第一屏蔽层150在相邻的孔或光导118和/或延伸到其的开口之间连续地延伸。在一些其他示例中，第一屏蔽层150不在相邻的孔或光导118之间连续地延伸，使得一个或更多个其他孔存在于第一屏蔽层150中，这可以允许激发光101和/或来自反应位点114的光发射从中穿过。
在一些示例中，检测设备104的设备基座125可以包括(直接地或间接地)在第一屏蔽层150上方延伸的第二屏蔽层152，如图3和图4中所示。第二屏蔽层152可以包括抗反射材料和/或防止污染设备基座125的下方的部分的材料。仅通过举例来说，第二屏蔽层152可以包括SiON。在一些示例中，第二屏蔽层152可以被配置以防止诸如被污染的钠与第一屏蔽层150、介电材料142和/或设备电路146的导电(例如，金属)部件相互作用。在一些示例中，第二屏蔽层152可以模仿第一屏蔽层150的配置。例如，第二屏蔽层152可以包括穿过其中的至少一个孔，该至少一个孔至少部分地与至少一个光导118对准，如图3和图4中所示。第二屏蔽层152可以包括这样的孔的阵列。在一些示例中，第二屏蔽层152可以围绕其中的孔延伸。在一些示例中，第二屏蔽层152在相邻光导118和/或延伸到其上的开口之间连续延伸。在一些其它示例中，第二屏蔽层152不在相邻光导118和/或延伸到其上的开口之间连续延伸，使得一个或更多个其它孔存在于第二屏蔽层152中，如图3和图4中所示。
在一些示例中，光检测设备104可以包括第一衬垫层154，该第一衬垫层154在设备基座125上并围绕光导118延伸，如图3和图4所示。第一衬垫层154可以是在设备基座125上形成的连续保形层。第一衬垫层154可以没有限定的孔。然而，第一衬垫层154可以包括内部不连续部分、孔隙、破裂等，其允许液体或溶液例如反应溶液流过其，如下文进一步解释的。第一衬垫层154可以相对于反应溶液是在化学上反应性的。例如，由于反应溶液的组成(例如水和/或油)和/或相对高的酸度(例如，等于或小于约5的pH)或相对高的碱度(例如，等于或大于约8的pH)，当暴露于其时反应溶液可以与第一衬垫层154的材料化学地反应，并且导致材料溶解或以其他方式分离(即，蚀刻衬垫层154)。在暴露时间内，反应溶液由此可以蚀刻穿过第一衬垫层154，并且最终与设备电路146相互作用并侵蚀设备电路146或以其他方式干扰设备电路146的功能。例如，第一衬垫层154可以是氮化硅层(或者否则包括SiN)，并且相对高的酸性或碱性反应溶液可以在暴露于SiN时蚀刻SiN。
在所示的示例中，第一衬垫层154在间隙区域113中在设备基座125的顶部上部(和/或设备基座125的顶部或上部上的任何层)上的反应结构126和第二屏蔽层152之间延伸，并且沿着光导118延伸，如图3和图4所示。在所示出的示例中，第一衬垫层154围绕光导118并相邻于设备基座125的介电材料142延伸，如图3和图4所示。也如图3和图4所示，第一衬垫层154可以围绕光导118延伸，使得它被定位在设备基座125的介电材料142与光导118的支撑衬垫130和第二过滤区域115之间(例如，直接被定位在它们之间)。第一衬垫层154可以被配置为抗反射层或反射层(例如，以确保从反应位点114发射的光穿过光导118)、污染防止层(例如，以防止钠污染物进入设备基座125中)和/或粘附层(例如，以将光导118的支撑衬垫130和第二过滤区域115粘附到至介电材料142)。在一些示例中，衬垫层154可以被配置为防止任何离子物质渗透到设备层(例如，金属-介电层)中的污染防止层。在一些示例中，衬垫层154包括SiN。在一些示例中，衬垫层154包括SiN层。
如图3和图4所示，第一衬垫层154可以具有基本上均匀的厚度。在其他示例中，第一衬垫层154的厚度可以变化。例如，第一衬垫层154的在设备基座125的顶部部分上延伸的部分可以是第一厚度，并且第一衬垫层154的在光导118周围延伸的部分可以是比第一厚度更厚或更薄的第二厚度。作为另一示例，第一衬垫层154的围绕光导118延伸的部分的厚度可以沿着设备基座125内的深度变化(例如，可以随着进入设备基座125内的深度而逐渐变细)。在一些示例中，第一衬垫层154的厚度可以在约10nm至约100nm的范围内。在所示的示例中，第一衬垫层154是约50nm厚。
如图3所示，设备基座125还可以包括被定位在设备层内和光导118下方的第二衬垫层155。第二衬垫层155可以基本上与第一衬垫层154相似或相同，除了它在设备基座125内的位置以外。在一些示例中，第二衬垫层155可以沿着光导118的底部在支撑衬垫130的正下方延伸，如图3所示。以这种方式，第一衬垫层154和第二衬垫层155可以完全围绕光导118延伸，除了在反应凹槽108下方的光导118的开口158以外。
如上所讨论的，检测设备104的设备基座125可以包括被定位在光导118的底部部分处的支撑衬垫或层130，如图3所示。支撑衬垫130可以(直接地或间接地)在第一过滤区域116和介电材料142之间以及在第一过滤区域116和第二衬垫层155之间延伸。例如，支撑衬垫130可以围绕第一过滤区域116并且(直接地或间接地)在第一过滤区域116和第一衬垫层154之间延伸，如图3所示。以这种方式，支撑衬垫130可以围绕第一过滤区域116的底部部分延伸，包括围绕其侧表面和底表面延伸。支撑衬垫130可以完全围绕光导118的第一过滤材料116延伸。如图3所示，第二过滤区域115可以在光导118的上部部分中的支撑衬垫130上方延伸。因此，支撑衬垫130可以支撑第二过滤区域115或在第二过滤区域115下方延伸。在一些示例中，支撑衬垫130可以在第二过滤区域115的正下方延伸。支撑衬垫130和第二过滤区域115由此可以组合以形成围绕第一过滤材料116延伸并且被定位在第一过滤材料116和设备基座125的第一衬垫层154和/或介电材料142之间的层，如图3所示。
支撑衬垫130的厚度可以是任何厚度。在一些示例中，支撑衬垫130的厚度可以在约100nm和约1微米的范围内，或者在约100nm和约500nm的范围内。在一些示例中，支撑衬垫130的厚度可以是与第二过滤区域115的厚度相同或基本上相似的厚度，例如支撑衬垫130的邻接第二过滤区域115的或被定位成靠近第二过滤区域115的至少一部分。在一些示例中，在光导118的底部处的第一过滤区域116下方(在第一过滤区域116和第二衬垫层155和/或介电材料142之间)的支撑衬垫130的厚度可以是与围绕第一过滤区域116的侧表面(在第一过滤区域116和第一衬垫层154和/或介电材料142之间)延伸的支撑衬垫130的厚度相同或基本上相似的厚度。
支撑衬垫130可以没有预定义的孔或将允许液体或溶液例如反应溶液流过的其他空隙。支撑衬垫130也可以没有将允许液体或溶液例如反应溶液流过的任何内部不连续部分、孔隙、裂缝、破裂等或者防止其形成。因此，支撑衬垫130可以是液体不可透过的阻挡层。本文中的液体不可透过的层指的是可以防止任何液体或溶液(例如反应溶液)穿过其例如防止在大气压下与保护层130接触的至少约99体积％的反应溶液穿过其的层。支撑衬垫130也可以相对于反应溶液是化学上惰性的，使得当反应溶液与支撑衬垫130接触时，反应溶液(其可以包括相对高的酸度或相对高的碱度，如上所述)不蚀刻支撑衬垫130或者在约100摄氏度和约大气压下每小时蚀刻小于支撑衬垫130的厚度的约例如，支撑衬垫130的组成可以不与反应溶液(其可以包括相对高的酸度或相对高的碱度)的组成化学地反应或者仅在相对小的程度上化学地反应，使得当反应溶液与支撑衬垫130接触时，反应溶液不蚀刻支撑衬垫130或者在约100摄氏度和约大气压下每小时蚀刻小于支撑衬垫130的厚度的约因此，支撑衬垫130可以包括相对于反应溶液的抗蚀刻层(其例如可以包括等于或小于约5的pH或等于或大于约8的pH)，以防止反应溶液穿透其(随着时间的推移)并且最终与设备电路146相互作用、并侵蚀设备电路146或以其他方式干扰设备电路146的功能。因此，支撑衬垫130被配置为防止可能穿过反应结构126和光导118的过滤材料116渗透到支撑衬垫130的液体或溶液(例如反应溶液)与设备电路146相互作用。
支撑衬垫130可以包括与第一衬垫层154和第一过滤材料116的材料不同的任何材料，并且使得它允许从反应位点114发射的光穿过其并经由相应的光导118到达至少一个相应的光传感器140。例如，支撑衬垫130可以包括允许从相关联的反应凹槽108的反应位点114发射的未被第一和第二过滤区域116、115过滤的光穿过的任何材料。如下文进一步解释的，支撑衬垫130可以包括与第一衬垫层154和第一过滤材料116的材料不同的任何材料，使得支撑衬垫130的上部部分可以被选择性地移除(例如，蚀刻)以仅在光导118的下部部分或底部部分中形成支撑衬垫130。在一些示例中，支撑衬垫130可以包括氧化物、氮化物或其组合。在一些这样的示例中，支撑衬垫130可以包括SiO2、金属氧化物或其组合。
在一些示例中，支撑衬垫130可以包括对反应溶液是化学上惰性的材料。例如，支撑衬垫130可以包括不与反应溶液(其可以包括例如等于或小于约5的pH或等于或大于约8的pH)在化学上起反应或仅在相对小的程度上在化学上起反应的任何材料，使得当反应溶液与支撑衬垫130接触时，反应溶液不蚀刻支撑衬垫130或者在约100摄氏度和约大气压下每小时蚀刻小于支撑衬垫130的厚度的约一(1)埃例如，支撑衬垫130可以包括氧化物、氮化物或其组合。在一些示例中，支撑衬垫130可以包括二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，支撑衬垫130可以包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，反应溶液的pH大于或等于约8，并且支撑衬垫130可以包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，反应溶液的pH小于或等于约5，并且支撑衬垫130包括碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。
如上所讨论的，光导118可以从开口158延伸到设备基座125中，例如穿过介电材料层142并朝向至少一个图像传感器140延伸。在特定示例中，光导118是长形的，并且从其孔158从至少一个对应的反应凹槽108附近朝向传感器层141内的至少一个对应的光传感器140延伸。光导118可以沿中心纵向轴线纵向地延伸。光导118可以被配置为三维形状，其允许和/或促进从至少一个对应的反应凹槽108的反应位点112发射到至少一个对应的光传感器140的光，例如具有圆形开口158的基本上圆柱形或截头圆锥形的形状。光导118的纵向轴线可以穿过横截面的几何中心延伸。然而，在可选的示例中可以使用其他几何形状。例如，光导118的横截面可以是基本上正方形或八边形的。光导118可以包括第一过滤区域116、第二过滤区域115和支撑衬垫130。
如在上面所讨论的以及在图3和图4中所示的，光导118可以包括第一过滤区域116和第二过滤区域115。第一过滤区域116可以是截头圆锥形的，并且第二过滤区域115可以是围绕第一过滤区域116延伸的环形套筒或衬垫(在环形支撑衬垫或套筒130上方)。第一过滤区域116可以包括第一过滤材料，所述第一过滤材料被配置为过滤第一波长或波长范围(以及潜在地第四波长或波长范围)的激发光101，并且允许来自至少一个对应的反应凹槽108的至少一个反应位点114的第二波长或波长范围的光发射穿过其并朝向至少一个对应的光传感器140传播。类似地，第二过滤区域115可以包括第二过滤材料，所述第二过滤材料被配置为过滤第一波长或波长范围(以及潜在地第四波长或波长范围)的激发光101，并且允许来自至少一个对应的反应凹槽108的至少一个反应位点114的第三波长或波长范围的光发射穿过其并朝向至少一个对应的光传感器140传播。在一些示例中，第一过滤区域116还可以过滤来自至少一个反应位点114的第三波长或波长范围的光发射(即，防止这样的发射的光穿过其)，和/或第二过滤区域115还可以过滤来自至少一个反应位点114的第二波长或波长范围的光发射(即，防止这样的发射的光穿过其)。在其他示例中，第一过滤区域116可以允许来自至少一个反应位点114的第三波长或波长范围的光发射穿过其，和/或第二过滤区域115可以允许来自至少一个反应位点114的第二波长或波长范围的光发射穿过其。设备104的阵列光导118的光导118中的每个可以包括第一过滤区域和第二过滤区域116、115的基本上相同的配置(例如，过滤性质)，或者不同的光导118可以包括第一过滤区域和第二过滤区域116、115的不同配置(例如，过滤性质)。
光导118的第一过滤区域116和第二过滤区域115可以是例如吸收过滤器(例如有机吸收过滤器)，使得它们吸收各自的波长或波长范围，并且允许至少一个预定的波长或波长范围穿过其。仅作为示例，设备104的至少一个反应凹槽108的至少一个第一反应位点114可以被配置为在第三波长或波长范围的入射激发光101上产生第一波长或波长范围的第一光发射，并且设备104的至少一个反应凹槽108的至少一个第二反应位点114可以被配置为在第三波长或波长范围的入射激发光101上产生与第一光发射不同(或不重叠)的第二波长或波长范围的第二光发射。第一和第二反应位点114可以是同一反应位点114，可以是设置在公共反应凹槽108内的不同反应位点114，或者可以是设置在不同反应凹槽108内的不同反应位点114。在这样的示例中，第一过滤区域116可以吸收激发光101和第二光发射，但是允许来自第一反应位点的第一光发射穿过其。类似地，第二过滤区域115可以吸收激发光101和第一光发射，但是允许来自第一反应位点的第二光发射穿过其。
作为另一示例，设备104的至少一个反应凹槽108的至少一个第一反应位点114可以被配置为在第三波长或波长范围的入射第一激发光101上产生第一波长或波长范围的第一光发射，并且设备104的至少一个反应凹槽108的至少一个第二反应位点114可以被配置为在第四波长或波长范围的入射第二激发光101上产生第二波长或波长范围的第二光发射。第一波长、第二波长、第三波长和第四波长或波长范围可以不同(并且不重叠，如果是波长范围)。第三和第四激发光101可以同时被发射(例如，在同一光检测事件期间)，或者第三和第四激发光101可以在不同的时间独立地或单独地被发射(例如，在不同的光检测事件期间)。第一和第二反应位点114可以是同一反应位点114，可以是设置在公共反应凹槽108内的不同反应位点114，或者可以是设置在不同反应凹槽108内的不同反应位点114。在这样的示例中，第一过滤区域116可以吸收至少第一激发光101和第二光发射，但是允许来自第一反应位点的第一光发射穿过其。第一过滤区域116也可以吸收第二激发光101。类似地，第二过滤区域115可以吸收至少第二激发光101和第一光发射，但是允许来自第一反应位点的第二光发射穿过其。第二过滤区域115也可以吸收第一激发光101。
第一过滤区域和第二过滤区域116、115的材料可以是防止激发光穿过其(例如，反射、折射和/或吸收这样的光)并允许预定义的或预先确定的波长或波长范围的发射光(来自至少一个反应位点114)穿过其的任何材料。例如，第一过滤区域和第二过滤区域116、115的材料可以是具有不同染料的聚合物材料(相同的聚合物材料或不同的聚合物材料)。例如，第一过滤区域和第二过滤区域116、115的材料可以是具有不同染料的聚合物材料(相同的聚合物材料或不同的聚合物材料)。在这样的示例中，聚合物材料可以包括基于C-H-O的基质，并且不同的染料可以例如是不同的金属有机络合物分子。然而，可使用任何其他适当的材料。如上所讨论的，在一些示例中，第一过滤区域和第二过滤区域116、115可以允许不同波长或波长范围的发射光(来自至少一个反应位点114)穿过其。因此，在一些示例中，光导118的第一过滤区域116可以过滤(即阻挡)光导118的第二过滤区域115允许穿过其的发射光(来自至少一个反应位点114)，和/或光导118的第二过滤区域115可以过滤(即阻挡)光导118的第一过滤区域116允许穿过其的发射光(来自至少一个反应位点114)。
因此，每个光导118可以相对于设备基座125的周围材料(例如，介电材料142和/或第一和第二衬垫层154、155)被配置，以形成光导结构。例如，光导118可以具有至少约2的折射率。在某些示例中，光导118被配置为使得激发光的光密度(OD)或吸光度至少为约4OD。更具体地，光导118的过滤材料116可以被选择，并且光导118可以被定尺寸以实现至少约4OD。在更具体的示例中，光导118可以被配置为实现至少约5OD或至少约6OD。
最初，设备104或生物组件100的反应结构126的一个或更多个反应凹槽108的反应位点114可以不包括指定的反应。如上所讨论的，反应位点114可以包括被固定至检测器表面112、或者更具体地在反应凹槽108的基部(base)和/或侧表面上的生物物质或化学物质。在特定示例中，反应位点114被定位成靠近至少一个相应的光导118的开口158，使得在指定的反应发生后(经由用反应溶液处理)从反应位点114发射的预先指定的光发射通过反应结构126、通过开口158以及第一和/或第二过滤材料116、115、通过支撑衬垫130(以及潜在地第一和/或第二衬垫层154、155)传播并且到达至少一个相应的光传感器140。
单个反应位点114的生物物质或化学物质可以是相似的或相同的(例如，具有共同序列的分析物(例如，寡核苷酸)的群落)。然而，在其他示例中，单个反应位点114和/或反应凹槽可以包括不同的生物物质或化学物质。类似地，单个反应凹槽108的反应位点114可以包括不同的生物物质或化学物质(以及由此具有不同荧光标记的指定的反应)。在指定的反应之前，反应位点114可以包括至少一种分析物(例如，感兴趣的分析物)。例如，分析物可以是寡核苷酸或其群落(例如，感兴趣的寡核苷酸)。寡核苷酸可以具有有效的共同序列，并且与预定义的或特定的荧光标记的生物分子例如荧光标记的核苷酸结合。不同的反应位点114因此可以包括不同的荧光标记的生物分子，例如不同的荧光标记的核苷酸。
然而，在指定的反应之前，荧光标记的生物分子的荧光团没有被并入或结合至反应位点114处的生物物质或化学物质(例如寡核苷酸)。为了实现或获得指定的反应(即，以将荧光标记的生物分子与在反应位点114处的/反应位点114的生物物质或化学物质结合)，流动池可以向光检测设备104的反应结构126提供反应溶液170的流动，如图5所示。以这种方式，反应溶液170可以在反应位点114处引发反应和/或形成反应产物，所述反应位点在入射激发光时产生光发射。
反应溶液可以包括用于例如DNA接枝、成簇、裂解(cleaving)、合并(incorporating)和/或读取的一种或更多种测序试剂。然而，反应溶液可以是任何溶液。例如，反应溶液170可以是水溶液和/或可以包含油；然而，应该理解，反应溶液170可以包括任何其他液体。反应溶液170可以包括一种或更多种成分，所述成分将倾向于与电路146反应、侵蚀、溶解、劣化电路146或以其他方式使电路146不可操作或不如电路那么有效(即，传送信号或电子)。例如，反应溶液170可以是水溶液，如果它与电路146相互作用，则该水溶液将倾向于氧化电路146的金属部分。
在一个示例中，反应溶液170包含一种或更多种核苷酸类型，其中至少一些被荧光标记，并且反应溶液170还包含一种或更多种生物分子，例如聚合酶，其将核苷酸并入到反应位点114处的生长的寡核苷酸中，从而用荧光标记的核苷酸标记寡核苷酸。在此实施方式中，流动池提供洗涤溶液以除去未能并入到寡核苷酸中的任何游离核苷酸。然后用第一波长的激发光101照射反应位点114，在其中并入荧光标记的核苷酸的那些反应位点114中导致第二波长或第三波长的荧光。没有并入荧光标记的核苷酸的反应位点114不发射光。
如在图5所示的示例中所示出的，反应溶液170可以设置在反应凹槽118内，以实现指定的反应，例如至少一种荧光标记的分子与固定在反应位点114处的生物物质或化学物质结合或合并。在一些示例中，反应位点114的生物物质或化学物质可以是分析物，并且荧光标记的分子可以包括与分析物结合或合并的至少一个荧光团。在这样的示例中，分析物可以包括寡核苷酸，并且至少一种荧光标记的分子包括荧光标记的核苷酸。反应溶液170可以包括不同的荧光标记的分子，其响应于入射激发光而发射不同波长或波长范围的光。(相同或不同的反应凹槽108的)不同的反应位点114因此可以被配置为响应于入射激发光而发射不同波长或波长范围的光。
当反应位点114的生物物质或化学物质(例如寡核苷酸)是相似的或相同的，例如具有共同的序列时，反应位点114可以被配置为在指定的反应之后产生共同的光发射，并且激发光101被来自反应溶液170的与其结合或合并的荧光标记的分子吸收。当反应位点114的生物物质或化学物质(例如寡核苷酸)是不同的、例如具有不同的序列时，反应位点114可以被配置为在指定的反应之后产生不同的光发射(不同的波长或波长范围)，并且激发光101被与其结合或合并的不同荧光标记的分子(例如，由反应溶液170提供)吸收。以这种方式，光导118的第一过滤区域116可以被选择或配置为允许来自具有第一指定反应的反应位点114的光发射穿过其传播并到达相应的光传感器140(并且防止激发光以及潜在地来自具有第二指定反应的反应位点114的光发射穿过其到达相应的光传感器140)，并且光导118的第二过滤区域115可以被选择或配置为允许来自具有不同于第一指定反应的第二指定反应的反应位点114(例如包括发射不同的波长或波长范围的光的不同的荧光标记的分子)的光发射穿过其传播并到达相应的光传感器140(并且防止激发光以及潜在地来自具有第一指定反应的反应位点114的光发射穿过其到达相应的光传感器140)。
如图6所示，在反应溶液170已经与反应位点114的生物物质或化学物质(例如寡核苷酸)相互作用之后，指定的反应已经发生，使得反应位点114包括荧光标记的分子(相同或不同的荧光标记的分子)，例如荧光团，当被激发光101激发时(即，当激发光101入射到反应位点114上时)，所述荧光标记的分子发射预定义的或预先确定的波长或波长范围的光。激发光101由此可以基于反应溶液170的荧光标记的分子来配置，或者反之亦然。如图6所示，当被激发光101激发时，反应位点114可以发射所发射的光172或不同于激发光101的波长或波长范围的信号。
如图6所示，来自反应位点114的发射光172可以在所有方向上(例如，各向同性地)发射，使得例如发射光172的一部分被引导到至少一个相应的光导118中，并且光172的一部分被引导到流动通道119或反应结构126中。对于被引导到光导118中的部分，设备104被配置为便于由至少一个相应的光传感器140检测光子。具体地，来自反应位点114的穿过相应光导118的开口158的发射光172将穿过其第一过滤区域或第二过滤区域116、115传播到光传感器140。然而，激发光101将由第一过滤区域和/或第二过滤区域116、115吸收或以其他方式被防止通过光导118传播到光传感器140，如图6所示。
如图6所示，一些反应位点114可以被配置为发射没有被第一过滤区域116过滤但被第二过滤区域115过滤(即，防止穿过)的第一波长或波长范围的光172，并且一些反应位点114可以被配置为发射没有被第二过滤区域115过滤但被第一过滤区域116过滤(即，防止穿过)的第二波长或波长范围的光172。如上所提到的，在一些示例中，设备104的一些反应位点114可以被配置为在第三波长的入射激发光101时发射第一波长或波长范围的光172，并且设备104的一些其他反应位点114可以被配置为在第三波长的入射激发光101时发射第二波长或波长范围的光172。在这样的示例中，第一过滤区域和第二过滤区域116、115都可以被配置为过滤第三波长的激发光101。还进一步地，在一些其他示例中，设备104的一些反应位点114可以被配置为在第三波长或波长范围的入射激发光101时发射第一波长或波长范围的光172，并且设备104的一些其他反应位点114可以被配置为在第四波长或波长范围的入射激发光101时发射第二波长或波长范围的光172。在这样的示例中，第一过滤区域和第二过滤区域116、115都可以被配置为过滤第三波长和第四波长或波长范围的激发光101，或者第一过滤区域和第二过滤区域116、115可以被配置为过滤第三波长或波长范围和第四波长或波长范围的激发光101之一(例如，第一过滤区域116可以被配置为过滤第三波长或波长范围的激发光101，并且第二过滤区域115可以被配置为过滤第四波长或波长范围的激发光101)。电耦合至光传感器140的设备电路146基于由光传感器140检测到的光子来传输数据信号。以这种方式，仅经由用反应溶液处理在反应位点114处的指定反应的存在将导致发射光172在光检测期间甚至被光传感器140检测到(即，导致未被第一过滤区域116和第二过滤区域115中的至少一个过滤的发射光172的反应)。
如图6所示，来自反应位点114的进入至少一个相应的光导118内的发射光172的一部分可以直接穿过其第一过滤材料116或第二过滤材料115传播并且到达至少一个相应的光传感器140。例如，来自反应位点114的经由开口158进入至少一个相应的光导118内的至少大部分发射光172可以直接地(例如，线性地或基本上线性地)穿过第一过滤材料116或第二过滤材料115到达至少一个相应的光传感器140。来自反应位点114的进入至少一个相应的光导118内的少量发射光172可以以一角度行进，使得它穿过支撑衬垫130、衬垫层154并进入介电材料层142内。这样的光可以由电路146或嵌在介电材料层142内的其他金属或反射结构反射，并且潜在地回到相应的光导118中(并且潜在地到达至少一个相应的光传感器140)。在一些示例中，支撑衬垫130和/或衬垫层154可以是对光透明的，例如至少对来自反应位点114的发射光172是透明的或基本上透明的。
图7-图13图示出了制造光检测设备例如图1-图6的光检测设备104的方法200的示例。因此，与“1”相对，前面带有“2”的相同参考数字用于指示相同的部件、方面、功能、工艺或功能，并且上面关于其的描述同样适用，并且为了简洁和清楚的目的没有重复。例如，方法200可以采用本文讨论的各种示例(例如系统和/或方法)的结构或方面。在各种示例中，可以省略或添加某些步骤，可以组合某些步骤，可以同时执行某些步骤，可以并行地执行某些步骤，可以将某些步骤分成多个步骤，可以以不同的顺序执行某些步骤，或者可以以迭代方式重新执行某些步骤或某些系列的步骤。
如图7和图8所示，形成设备204的方法200可以包括在设备基座225内形成(在图7的270处)多个沟槽或空腔280或沟槽或空腔280的阵列。如上所讨论的，设备基座225可以包括光传感器240的阵列和电耦合至光传感器240的设备电路246，其基于由光传感器240检测到的光子来传输数据信号。设备基座225可以经由任何工艺来提供或获得。例如，设备基座225可以以预组装的或预制造的状态获得，或者设备基座225可以在形成270多个沟槽280之前被形成或制造。多个沟槽可以从设备基座225的外部表面、外表面或顶表面并朝向至少一个相应的光传感器240(穿过设备基座225的厚度)延伸。
如上所讨论的，可以使用集成电路制造技术例如CMOS制造技术来制造设备基座225。例如，设备基座225可以包括若干基底层(例如介电材料层242)，其具有嵌在其中的形成设备电路246的不同的被修改的特征(例如金属元件)。多个沟槽280可以在基底层中(例如在介电材料层242中)形成，以对应于在方法200之后将包括光导218的设备基座225的部分。虽然在图8中仅描绘了一个沟槽280，但是如上所述，设备基座225可以包括光导218的阵列，并且因此可以形成沟槽280的阵列。
如图8所示，沟槽280可以穿过在第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252中的开口并穿过介电材料242朝向至少一个相应的光传感器240延伸。如图8所示，设备基座225例如其介电材料242的内表面可以界定沟槽280，用于在其中形成光导218。沟槽或空腔280可以延伸至穿过介电材料242延伸的第二衬垫层255。以这种方式，第二衬垫层255可以形成沟槽280的底部。也如图8所示，第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252中的其他开口可以在设备基座225的间隙区域213中形成。
沟槽280可以由移除介电材料242的部分(以及潜在地第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252的部分)的任何工艺或技术来形成。例如，沟槽280可以通过一个或更多个选择性蚀刻工艺和/或反应性离子蚀刻工艺来形成。在一个示例中，沟槽280可以通过将至少一个掩模(未示出)施加至设备基座225并且移除介电材料242的部分(以及潜在地第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252的部分)的材料(例如，通过蚀刻)来形成。
如图7和图9所示，在形成多个沟槽280之后，方法200可以包括在设备基座225的顶表面上方和在多个沟槽280内沉积(在图7的272处)第一衬垫层254。在一些示例中，第一衬垫层254可以在多个沟槽280的侧壁上方而不是在沟槽280的底部处的第二衬垫层255上方形成。在一些其他示例中，第一衬垫层254可以在沟槽280的底部处的第二衬垫层255上方形成，但是然后随后被移除。第一衬垫层254可以沉积在设备基座225的顶表面上的第二屏蔽层252上方和潜在地沉积在设备基座225的间隙区域213中的第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252中的开口中的任何开口上方，使得第二屏蔽层252在这样的开口中的介电材料242上方延伸，如图9所示。
第一衬垫层254可以被配置为抗反射层或反射层(例如，以确保从反应位点发射的光穿过光导)、污染防止层(例如，以防止电路的钠污染)、和/或粘附层(例如，以将光导的过滤材料粘附至介电材料)。在一些示例中，第一衬垫层254可以被配置为防止任何离子物质渗透到设备层(例如金属-介电层)中的污染防止层。在一些示例中，第一衬垫层254可以包括SiN。
第一衬垫层254可以是在设备基座225上形成的连续保形层。第一衬垫层254可以没有限定的孔。然而，第一衬垫层254可以包括允许液体或溶液例如反应溶液流过第一衬垫层254的至少一个内部不连续部分、孔隙、裂缝、破裂或类似物。例如，第一衬垫层254的密度可以相对低，使得其内部不连续部分形成穿过第一衬垫层254的路径。作为另一示例，穿过第一衬垫层254延伸的不连续部分可以由反应溶液或任何其他液体或溶液形成，以避免与第一衬垫层254反应并蚀刻穿过第一衬垫层254。第一衬垫层254的不连续部分可以允许液体或溶液(例如反应溶液)穿过其，并且最终到达设备电路246的导电(例如金属)部件。如上所讨论的，液体或溶液(例如反应溶液)可能侵蚀设备电路246或以其他方式干扰设备电路246的操作。
第一衬垫层254可以通过任何工艺或技术来形成。例如，第一衬垫层254可以通过至少一种化学沉积工艺(例如电镀、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)或原子层沉积(ALD))、物理沉积工艺、生长模式、外延或其组合来形成。在一些示例中，第一衬垫层254可以共形地在设备基座225的表面上方和在沟槽280内(例如，在沟槽280的侧壁上和潜在地底表面上方)形成。第一衬垫层254可以包括基本上恒定的厚度，或者厚度可以变化。
在设备基座225上(以及在沟槽280内)形成第一衬垫层254之后，可以进一步处理第一衬垫层254。例如，第一衬垫层254的在设备基座225的顶表面上方延伸的至少一部分(即，第一衬垫层254的间隙区域213)可以被处理以平坦化、展平、平滑化或以其他方式改进其表面形貌。在一些这样的示例中，第一衬垫层254的在设备基座225的顶表面上方延伸的至少一部分(即，第一衬垫层254的间隙区域213)可以被蚀刻和/或抛光(例如，化学和/或机械抛光/平坦化)以平坦化第一衬垫层254的外表面。
如图7和图10所示，方法200可以包括在设备基座225上方沉积(在图7的274)支撑衬垫230，使得它在设备基座225的顶表面上方和在多个沟槽280内延伸。在一些示例中，支撑衬垫230可以形成在多个沟槽280的侧壁和沟槽280的底部上方。支撑衬垫230可以在第一衬垫层254和第二衬垫层255上方形成。
支撑衬垫230可以通过任何工艺或技术来形成。例如，支撑衬垫230可以通过至少一种化学沉积工艺(例如电镀、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)或原子层沉积(ALD))、物理沉积工艺、生长模式、外延或其组合来形成。在一些示例中，支撑衬垫230可以共形地在设备基座225的表面上方和在沟槽280内(例如，在沟槽280的侧壁上方和潜在地在底表面上方)形成。支撑衬垫230可以包括基本上恒定的厚度，或者厚度可以变化。如下文进一步讨论的，支撑衬垫230可以包括与第一过滤区域216的材料不同的材料。
如上所讨论的，支撑衬垫230可以被配置为使得它形成固体连续阻挡层(没有空隙、裂缝或其他不连续部分)，其防止穿透反应结构226和潜在地穿透光导218的过滤材料216的任何反应溶液(其可以包括例如等于或小于约5的pH或等于或大于约8的pH)与电路246相互作用。例如，支撑衬垫230可以被配置为使得它相对于反应溶液是化学上惰性的，使得当反应溶液与支撑衬垫230接触时，反应溶液(其可以包括相对高的酸度或相对高的碱度，如上所述)不蚀刻支撑衬垫230或者在约100摄氏度和在约大气压下每小时蚀刻小于支撑衬垫230的厚度的约一(1)埃例如，支撑衬垫230可以包括氧化物、氮化物或其组合。在一些示例中，支撑衬垫230可以包括二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，支撑衬垫230可以包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，反应溶液的pH大于或等于约8，并且支撑衬垫230包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，反应溶液的pH小于或等于约5，并且支撑衬垫230包括碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。因此，支撑衬垫230可以防止任何其他溶液或液体的反应溶液与设备电路246相互作用(并且从而劣化设备电路246)。支撑衬垫230的形成方法、厚度和材料可以独立地或考虑到彼此而被配置，使得支撑衬垫230没有将允许任何溶液或液体(例如反应溶液)穿过其的任何不连续部分，并且支撑衬垫230相对于反应溶液是化学上惰性的，使得支撑衬垫230是抗蚀刻的(通过反应溶液)。
如图7和图11所示，在形成支撑衬垫230之后，方法200可以包括用至少一个第一过滤材料填充(在图7的276)多个带有衬垫的沟槽280，以形成多个光导218的第一过滤区域216。如上所讨论的，至少一个过滤材料216可以过滤第一波长或波长范围的光(例如激发光)，并且允许第二波长或波长范围的光(例如来自第一反应位点的发射光)穿过其到达至少一个相应的光传感器240。在一些示例中，施加至设备基座225的过滤材料216的量可以超过带有衬垫的沟槽280内的可用体积。因此，第一过滤材料216可以溢出带有衬垫的沟槽280，并且沿着设备基座225的顶部延伸，例如在支撑衬垫230上方延伸。在这样的示例中，可以移除在支撑衬垫230的顶表面上方延伸的第一过滤材料216的至少一部分。在可选的示例中，填充操作276可以包括选择性地填充每个带有衬垫的沟槽280，使得第一过滤材料216不清除(clear)或溢出沟槽280(例如，不在支撑衬垫230或第一衬垫层254的顶部上方延伸)。在一些示例中，填充(在图7的276处)第一过滤材料216可以包括将第一过滤材料216机械地压制或迫使至少进入带有衬垫的沟槽280中。
如图7和图12所示，在将第一过滤材料216沉积在带有衬垫的沟槽280中之后，方法200可以包括选择性地移除(在图7的278)支撑衬垫230的上部部分，以形成围绕第一过滤材料216并且在第一过滤材料216和每个沟槽280的介电材料142(以及第一内衬垫层254，如果存在的话)之间延伸的空隙、间隙、空腔或开放空间290，如图12所示。空隙290可以从设备基座225的顶表面(因此在设备基座225的顶表面处形成开口)延伸到支撑衬垫230的剩余的或未移除的底部部分。光导218内的空隙290因此可以是环形的，并且从沟槽280的底部部分延伸到设备基座225的顶表面。
如图12所示，支撑衬垫230的底部部分或下部部分可以不被移除，并且可以保留在第一过滤材料216下方的沟槽280内以及在第一过滤材料216的底部部分或下部部分周围。以这种方式，在选择性移除支撑衬垫230的顶部部分之后，第一过滤材料216可以是由支撑衬垫230在其基部或底部部分处支撑的独立构件(例如截头圆锥形的)。
支撑衬垫230的上部部分可以选择性地被移除，使得沉积在沟槽280内的第一过滤材料216保持完全或至少基本上是完整的。类似地，支撑衬垫230的上部部分可以选择性地被移除，使得沉积在沟槽内的第一衬垫层254保持完全或至少基本上是完整的。如果设备基座225不包括在沟槽280内的第一衬垫层254，则支撑衬垫230的上部部分可以选择性地被移除，使得与沟槽208相邻的介电材料242保持完全或至少基本上是完整的。支撑衬垫230的上部部分可以经由仅移除支撑衬垫230的上部部分的任何选择性移除工艺来移除。如上所讨论的，支撑衬垫230的材料可以不同于第一衬垫层254(和介电材料242)和第一过滤区域216的材料。在一些这样的示例中，支撑衬垫230的上部部分可以经由至少一种选择性化学或等离子体蚀刻工艺来移除，所述至少一种选择性化学或等离子体蚀刻工艺对于支撑衬垫230(而不是第一衬垫层254和第一过滤区域216的材料)是材料特定的。例如，基于自由基的化学蚀刻工艺例如Applied的SelectraTM蚀刻工艺可以用于选择性地移除支撑衬垫230的上部部分。
然而，应当注意，在一些示例中，支撑衬垫230的上部部分可以不被移除以形成空隙290。相反，支撑衬垫230可以保留在设备基座225上，使得它在设备基座225的顶表面上以及在第一过滤材料216和介电材料和设备电路246之间围绕第一过滤材料216延伸的多个沟槽280内延伸，如图11所示。在这样的示例中，方法200可以包括在多个光导218(其中仅具有如图11所示的第一过滤材料216和支撑衬垫230)以及设备基座225的间隙区域213上方(例如，在设备基座225的顶表面上方，例如在支撑衬垫230上方)形成(在图7的282处)反应结构，如下文进一步讨论的。因此，支撑衬垫230可以防止可能穿透反应结构或反应结构和光导218的任何溶液或液体例如反应溶液最终与设备电路246相互作用。
如果支撑衬垫230的上部部分被选择性地移除以形成空隙290，如图7和图13所示，则方法200可以包括用至少一种第一和第二材料填充(在图7的280处)多个空隙290以形成多个光导218的第二过滤区域215。因此，第一过滤区域216和第二过滤区域215可以形成光导218。如上所讨论的，第二过滤区域215的过滤材料可以过滤第一波长或波长范围的光(例如激发光)，并且允许第三波长或波长范围的光(例如来自第一反应位点的发射光)穿过其到达至少一个相应的光传感器240。也如上所提到的，第二过滤区域215的过滤材料可以过滤第一过滤区域116允许穿过其的第二波长或波长范围的光。以这种方式，第一过滤材料216和第二过滤区域215中的每个可以过滤其他区域允许穿过其的波长或波长范围。
在一些示例中，施加至设备基座225的第二过滤材料215的量可以超过在空隙290内的可用体积。因此，第二过滤材料215可以溢出空隙290，并沿着设备基座225的顶部延伸，例如在支撑衬垫230上方延伸。在这样的示例中，可以移除在设备基座225的顶表面上方(例如在第一衬垫层254上方)延伸的第二过滤材料215的至少一部分。在可选的示例中，空隙290的填充操作280可以包括选择性地填充每个空隙290，使得第二过滤材料215不清除或溢出空隙290(例如，不在设备基座225的顶部上方延伸，例如不在第一衬垫层254上方延伸)。在一些示例中，用第二过滤材料215填充(在图7的280处)空隙290可以包括将第二过滤材料215压制(例如，使用橡胶刷状部件)至少进入空隙290中。
可选地，在经由第一过滤区域216和第二过滤区域215形成光导218之后，方法200可以包括从设备基座225的顶部部分(如果存在的话)和/或从光导218内移除第一过滤材料216和/或第二过滤材料215的一部分，如图13所示。将第一过滤材料216和第二过滤材料215从光导218内移除，使得光导218的开口258位于第一衬垫层254的顶表面下方的深度或位置处，如图13所示。可以实施不同的工艺或相同的工艺用于移除第一过滤材料216和/或第二过滤材料215的一个或更多个部分。例如，移除操作可以包括以下中的至少一种：蚀刻或化学地抛光第一过滤材料216和/或第二过滤材料215的部分。
在经由第一过滤区域216和第二过滤区域215形成光导218之后，方法200可以包括在多个光导218和设备基座225的间隙区域213上方(例如在设备基座225的顶表面上方，例如在第一衬垫层254上方)形成(在图7的282处)反应结构(参见图3)。如上所讨论的，设置在多个光导218和设备基座225的顶表面的间隙区域213上方的反应结构可以包括多个反应凹槽，每个反应凹槽对应于至少一个光导218，用于容纳至少一个反应位点和反应溶液，该反应溶液在至少一个反应位点处引发反应和/或形成反应产物，所述反应位点响应于入射激发光产生或发射光。如上所讨论的，反应结构可以包括多个层。因此，形成(在图7的282处)反应结构可以包括在设备基座225(例如，设备基座225的顶表面和光导218的开口258)上方形成多个层(参见图3)。可以通过任何工艺或技术来形成反应结构。
可选地，方法200可以包括在所形成的反应结构的至少一个反应凹槽中提供至少一个反应位点和/或将流动池安装到设备204(参见图1)。提供反应位点可以发生在流动池被耦合至设备204之前或之后。反应位点可以沿着反应凹槽以预定的图案定位。反应位点可以以预定的方式对应(例如，一个部位对应于一个光传感器，一个部位对应于多个光传感器，或者多个部位对应于一个光传感器)。在其他示例中，反应位点可以沿着反应凹槽随机地形成。如本文所述的，反应位点可以包括被固定至反应凹槽内的检测器表面的生物物质或化学物质。生物物质或化学物质可以被配置为响应于激发光而发射光信号。在特定示例中，反应位点包括被固定在反应凹槽内的检测器表面上的生物分子(例如寡核苷酸)的簇或群落。
要理解的是，以上的描述意图是例证性的并且不是限制性的。例如，上述示例(和/或其方面)可以彼此结合使用。此外，在不脱离其范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应各种示例的教导。虽然本文可能描述了材料的尺寸和类型，但是它们旨在定义各种示例中的一些示例的参数，并且它们绝不意在限于所有示例，而仅仅是示例性的。许多其他的示例对于本领域的技术人员在查阅以上的描述后将是明显的。因此，各种示例的范围应参考所附权利要求连同这些权利要求有权要求的等效物的整个范围来确定。
应该认识到，前述的概念和在下面更详细讨论的另外的概念的所有组合(假设这样的概念不是相互不一致的)被设想为本文公开的发明主题的部分。特别是，出现在本公开内容的结尾处的要求保护的主题的所有组合被设想为本文公开的发明主题的一部分。
在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”作为英文原意使用等效于相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”。另外，在随附的权利要求中，术语“第一”、“第二”、和“第三”等被仅用作参考标签，并不旨在对它们的对象强加数值、结构或其他要求。本文术语“基于”的形式包括元件部分基于的关系以及元件完全基于的关系。术语“界定”的形式包括元件被部分界定的关系以及元件被完全界定的关系。此外，所附权利要求的限制不是以设备加功能的形式写的，且不打算根据《美国法典》第35卷第112节第6段进行解释，除非和直到这些权利要求的限制明确使用短语“用于......的设备(meansfor)”，后面是功能声明，没有进一步的结构。应当理解，根据任何特定示例，不一定可以实现上述所有这些目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文描述的设备、系统和方法可以以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式来实现或执行，而不必实现本文可能教导或建议的其他目的或优点。
虽然仅结合有限数量的示例详细描述了本公开，但是应当容易理解的是，本公开不限于这些公开的示例。相反，可以对本公开进行修改，以合并此前未描述的、但与本公开的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替换或等效布置。此外，虽然已经描述了各种示例，但是应当理解，本公开的方面可以仅包括一个示例或一些所描述的示例。此外，虽然一些示例被描述为具有一定数量的元件，但是应当理解，这些示例可以用小于或大于一定数量的元件来实践。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
反应结构，所述反应结构包含反应溶液和多个反应位点，所述反应位点在用所述反应溶液处理之后响应于入射激发光而产生光发射，所述反应结构被定位在设备基座上方；
多个光传感器，所述多个光传感器在所述设备基座内；
设备电路，所述设备电路在所述设备基座内，所述设备电路被电耦合至所述多个光传感器以基于由所述多个光传感器检测到的光子而传输数据信号；以及
多个光导，所述多个光导具有输入区域，以接收所述入射激发光和来自至少一个相应的反应位点的所述光发射，所述光导从所述输入区域朝向至少一个相应的光传感器延伸到所述设备基座中，
其中所述多个光导中的每个包括第一过滤区域和第二过滤区域，所述第一过滤区域由第一过滤材料形成，以过滤至少第一波长的所述入射激发光并且允许第二波长的所述光发射穿过其到达所述至少一个相应的光传感器，所述第二过滤区域由第二过滤材料形成，以过滤至少所述第一波长的所述入射激发光并且允许第三波长的所述光发射穿过其到达所述至少一个相应的光传感器。
2.如权利要求1所述的设备，还包括在所述光导的底部部分内的支撑层，所述支撑层在所述第一过滤区域的底部部分的下方并且围绕所述第一过滤区域的底部部分延伸。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述支撑层包括氧化物、氮化物或其组合。
4.如权利要求2所述的设备，其中所述光导的所述第二过滤区域在所述支撑层上方并且围绕所述第一过滤区域延伸。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述第一过滤区域和第二过滤区域形成所述光导的所述输入区域。
6.如权利要求2所述的设备，还包括第二衬垫层，所述第二衬垫层被定位在所述光导的所述底部部分处的所述支撑层和所述设备电路之间并且被定位在所述光导的顶部部分内的第二过滤区域和设备电路之间。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述第二衬垫层包括氮化硅屏蔽层。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述第一过滤材料还过滤所述第三波长的所述光发射，并且所述第二过滤材料还过滤所述第二波长的所述光发射。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述第一过滤材料是具有第一染料的聚合物材料，并且所述第二过滤材料是具有不同于所述第一染料的第二染料的聚合物材料。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述多个反应位点中的每个都在所述反应结构的反应凹槽内被固定至所述反应结构。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述反应溶液在所述反应位点处引发反应和/或形成反应产物，所述反应位点响应于所述入射激发光产生所述第二波长和所述第三波长的所述光发射。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述反应位点包括至少一种分析物，并且其中所述反应溶液包括包含至少一种荧光标记的分子的水溶液。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述至少一种分析物包括寡核苷酸，并且其中所述至少一种荧光标记的分子包括荧光标记的核苷酸。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述设备基座的所述设备电路形成互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。
15.一种生物传感器，包括：
如权利要求1所述的设备；以及
流动池，所述流动池被安装至所述设备，所述流动池包括所述反应溶液和至少一个流动通道，所述流动通道与所述反应结构的所述反应位点流体连通以将所述反应溶液引导至所述反应位点。
16.一种方法，包括：
在设备基座内形成多个沟槽，所述设备基座包括多个光传感器和设备电路，所述设备电路被电耦合至所述光传感器以基于由所述光传感器检测到的光子而传输数据信号，所述多个沟槽从所述设备基座的顶表面并朝向至少一个相应的光传感器延伸；
在所述多个沟槽的内表面上方沉积支撑层；
用第一过滤材料填充在沉积的支撑层上方的所述多个沟槽，所述第一过滤材料过滤至少第一波长的光并且允许第二波长的光穿过其到达所述至少一个相应的光传感器；
移除在被定位在所述设备基座和所述第一过滤材料之间的所述多个沟槽内的所述沉积的支撑层的上部部分以形成多个空隙；
用第二过滤材料填充所述多个空隙，所述第二过滤材料过滤至少所述第一波长的光并且允许第三波长的光穿过其到达所述至少一个相应的光传感器以形成多个光导；以及
在所述设备基座和所述多个光导上方形成反应结构，用于容纳反应溶液和至少一个反应位点，所述反应位点在用所述反应溶液处理之后响应于至少所述第一波长的入射激发光而产生所述第二波长和所述第三波长中的至少一种的光。
17.如权利要求16所述的方法，其中移除在所述多个沟槽内的所述沉积的支撑层的所述上部部分形成支撑层部分，所述支撑层部分在所述第一过滤区域的底部部分的下方并且围绕所述第一过滤区域的底部部分延伸。
18.如权利要求16所述的方法，还包括在沉积所述支撑层之前在所述多个沟槽的所述内表面上方和在所述设备基座的所述顶表面上方沉积第二衬垫层，使得所述支撑层在所述第二衬垫层上方延伸。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述第一过滤材料还过滤所述第二波长的光，并且所述第二过滤材料还过滤所述第一波长的光。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述第一过滤材料是具有第一染料的聚合物材料，并且所述第二过滤材料是具有不同于所述第一染料的第二染料的聚合物材料。
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