CN110411998A - 用于生物或化学分析的生物传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于生物或化学分析的生物传感器及其制造方法。生物传感器包括具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列的设备基座。光导具有被配置为接收激发光和由生物或化学物质产生的光发射的输入区域。光导向着对应的光传感器延伸至所述设备基座中且具有过滤材料。设备基座包括设备电路，所述设备电路电耦合到所述光传感器且被配置为传输数据信号。所述生物传感器还包括屏蔽层，所述屏蔽层具有孔径，其相对于对应的光导的所述输入区域放置使得所述光发射通过所述孔径传播至所述对应的输入区域中。屏蔽层在相邻的孔径之间延伸且被配置为阻挡所述激发光和在所述相邻的孔径之间入射到所述屏蔽层上的所述光发射。

Description

用于生物或化学分析的生物传感器及其制造方法
本申请是申请日为2014年12月9日，申请号为201480075153.0，发明名称为“用于生物或化学分析的生物传感器及其制造方法”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年12月10日提交的且具有相同标题的美国临时申请第61/914,275号的权益和优先权，其通过引用以其整体并入本文。
本公开的实施例大体上涉及生物或化学分析，并且更特别地涉及使用用于生物或化学分析的检测设备的系统和方法。
背景
生物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义的反应室内执行大量的受控反应。然后，可以观察到或检测到指定反应并且随后的分析可以帮助识别或显示反应中所涉及化学物质的性质。例如，在一些多重测定中，具有可辨识标记(比如，荧光标记)的未知分析物可以在受控条件下被暴露于成千上万的已知探针。每一个已知的探针可以被放置在微板的对应的井(well)中。观察在孔之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显示该分析物的性质。这种方案的其他示例包括已知的DNA测序过程，诸如合成测序(SBS)或循环阵列测序。
在一些传统的荧光检测方案中，光学系统用于将激发光引导至荧光标记的分析物上且还用于检测可以从分析物发射的荧光信号。然而，这样的光学系统可以相对昂贵且需要较大的台式足迹(benchtop footprint)。例如，光学系统可以包括透镜、滤光器和光源的配置。在其他提出的检测系统中，受控反应立即发生在固态成像器上(比如，电荷耦合设备(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器)，该固态成像器不需要大的光学组件来检测荧光发射。
然而，提出的固态成像系统可具有一些局限性。例如，当激发光也指向固态成像器的光传感器时，将荧光发射与激发光区分开可能具有挑战性。另外，被定位在电子设备上且以受控方式流体地传递试剂至分析物可能存在额外的挑战。作为另一个示例，荧光发射基本上是各向同性的。随着固态成像器上分析物的密度增加，管理或对来自相邻的分析物的不需要的光发射(比如，串扰)的负责变得越来越具有挑战性。
简述
在一个实施例中，提供了一种生物传感器，该生物传感器包括流动池和具有与其耦合的流动池的检测设备。流动池和检测设备形成被配置为在其中具有生物或化学物质的流道，该生物或化学物质响应于激发光生成光发射。检测设备包括具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列的设备基座。光导具有被配置为接收激发光和来自流道的光发射的输入区域。光导从输入区域向着对应的光传感器延伸至设备基座中且具有被配置为过滤激发光且允许光发射向着对应的光传感器传播的过滤材料。设备基座包括设备电路，其电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。检测设备也包括屏蔽层，其在流道和设备基座之间延伸。屏蔽层具有相对于对应的光导的输入区域放置的孔径，使得光发射通过孔径传播至对应的输入区域。屏蔽层在相邻的孔径之间延伸且被配置为阻挡激发光和在相邻的孔径之间入射到屏蔽层上的光发射。
在一个实施例中，所述光导的所述输入区域被定位在所述屏蔽层的对应的孔径内或者被定位到所述设备基座中的一深度。
在一个实施例中，还包括钝化层，所述钝化层沿着所述屏蔽层延伸，使得所述屏蔽层在所述钝化层和所述设备基座之间，所述钝化层延伸跨越所述孔径。
在一个实施例中，所述光导的所述过滤材料是有机过滤材料，所述钝化层沿着所述光导的所述输入区域直接地延伸且将所述有机过滤材料与所述屏蔽层隔离。
在一个实施例中，所述钝化层在对应的材料界面处沿着所述光导的所述输入区域直接地延伸，所述材料界面被定位在所述屏蔽层的所述对应的孔径内或者被定位到所述设备基座中的一深度。
在一个实施例中，所述钝化层延伸至所述孔径中且形成反应凹槽的阵列，所述反应凹槽向着对应的孔径延伸或被定位在对应的孔径内。
在一个实施例中，所述生物或化学物质被配置成定位在所述反应凹槽内。
在一个实施例中，所述反应凹槽具有对应的基座表面，所述基座表面被定位在所述孔径内或被定位到所述设备基座中的一深度。
在一个实施例中，所述设备基座包括外围串扰屏蔽，所述串扰屏蔽中的每一个围绕所述对应的光导中的一个，所述串扰屏蔽被配置为减少相邻的光传感器之间的光串扰。
在一个实施例中，所述生物传感器是无透镜的，使得所述生物传感器并不包括将所述光发射朝向焦点聚焦的光学元件。
在一个实施例中，提供了一种生物传感器，该生物传感器包括流动池和具有与其耦合的流动池的检测设备。流动池和检测设备形成被配置为在其中具有生物或化学物质的流道，该生物或化学物质响应于激发光产生光发射。检测设备可以包括具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列的设备基座。光导被配置为接收激发光和来自流道的光发射。光导中的每一个沿着中心纵向轴从光导的输入区域向着传感器阵列的对应的光传感器延伸至设备基座。光导包括被配置为过滤激发光且允许光发射经其向着对应的光传感器传播的过滤材料。设备基座包括设备电路，其电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。设备基座包括被定位在其中的外围串扰屏蔽，该外围串扰屏蔽围绕导向阵列的对应的光导。串扰屏蔽绕各自的纵向轴至少部分地围绕对应的光导，以便减少相邻光传感器之间的光串扰。
在一个实施例中，所述串扰屏蔽围绕所述对应的光导的所述输入区域。
在一个实施例中，所述串扰屏蔽包括圆周地围绕所述对应的光导的串扰环。
在一个实施例中，所述设备基座包括互补金属氧化物半导体(CMOS)和设备电路，且所述串扰屏蔽包括被定位在所述设备基座的介电层内的金属元件，所述串扰屏蔽与所述设备电路电隔离。
在一个实施例中，还包括屏蔽层，所述屏蔽层在所述流道和所述设备基座之间延伸，所述屏蔽层具有孔径，所述孔径相对于所述导向阵列的对应的光导的输入区域放置，所述孔径允许所述光发射经其传播至所述输入区域中，所述屏蔽层在相邻的孔径之间延伸且被配置为阻挡所述激发光和在所述相邻的孔径之间入射到所述屏蔽层上的所述光发射。
在一个实施例中，所述光导的所述输入区域被定位在所述屏蔽层的所述对应的孔径内，或者被定位到所述设备基座中的一深度。
在一个实施例中，还包括钝化层，所述钝化层沿着所述屏蔽层延伸，使得所述屏蔽层在所述钝化层和所述设备基座之间且跨越所述孔径。
在一个实施例中，所述串扰屏蔽邻接或紧邻所述屏蔽层。
在一个实施例中，所述串扰屏蔽是第一串扰屏蔽，所述设备基座包括第二串扰屏蔽，其中，所述导向阵列的所述光导中的每一个至少部分地由对应的第一串扰屏蔽和第二串扰屏蔽围绕。
在一个实施例中，所述第一串扰屏蔽和第二串扰屏蔽沿着对应的纵向轴彼此间隔开。
在一个实施例中，所述第一串扰屏蔽和第二串扰屏蔽具有不同的尺寸。
在一个实施例中，提供了制造生物传感器的方法。该方法包括提供具有光传感器的传感器阵列和设备电路的设备基座，该设备电路电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。设备基座具有外表面。该方法还包括将屏蔽层应用到设备基座的外表面和形成通过屏蔽层的孔径。该方法还包括形成导向腔，该导向腔从对应的孔径向着传感器阵列的对应的光传感器延伸，以及将过滤材料沉积在导向腔内。过滤材料的一部分沿着屏蔽层延伸。该方法还包括固化过滤材料和从屏蔽层移除过滤材料。在导向腔内的过滤材料形成光导。该方法还包括将钝化层应用到屏蔽层，使得钝化层沿着所述屏蔽层直接地延伸且跨越孔径。
在一个实施例中，从所述屏蔽层移除所述过滤材料包括移除所述导向腔内的所述过滤材料的一部分，使得所述过滤材料的料位被定位在所述孔径内或在所述屏蔽层之下的一深度处。
在一个实施例中，所述钝化层在对应的材料界面处沿着所述光导直接地延伸，所述材料界面被定位在所述对应的孔径内或者被定位到所述设备基座中的一深度。
在一个实施例中，所述过滤材料是有机过滤材料，所述钝化层沿着所述光导直接地延伸且将所述有机过滤材料与所述屏蔽层隔离。
在一个实施例中，所述钝化层形成反应凹槽的阵列，所述反应凹槽向着对应的孔径延伸或被定位在对应的孔径内。
在一个实施例中，所述反应凹槽具有对应的基座表面，所述基座表面被定位在所述孔径内或被定位到所述设备基座中的一深度。
在一个实施例中，还包括将流动池耦合到所述设备基座，以在所述钝化层和所述流动池之间形成流道。
在一个实施例中，从所述屏蔽层移除所述过滤材料包括对所述过滤材料进行蚀刻或对所述过滤材料进行化学抛光中的至少一个。
在一个实施例中，其中，所述钝化层包括五氧化二钽(Ta2O5)。
在一个实施例中，所述钝化层包括多个子层，其中所述子层中的至少一个包括五氧化二钽(Ta2O5)。
在一个实施例中，所述子层包括在其间具有低温薄膜的两个五氧化二钽层。
在一个实施例中，所述设备基座具有导向区域，所述导向区域在形成所述导向腔之前包括衬底材料，其中相邻的导向区域由包括所述设备电路的电路区域分隔，其中，形成所述导向腔包括移除所述导向区域的所述衬底材料。
在一个实施例中，所述设备基座包括外围串扰屏蔽，所述外围串扰屏蔽在形成所述导向腔之前围绕所述导向区域，所述串扰屏蔽在所述对应的光导形成之后至少部分地围绕所述光导，所述串扰屏蔽被配置为减少相邻的光传感器之间的光串扰。
在一个实施例中，提供了一种生物传感器，该生物传感器包括具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列的设备基座。设备基座具有外表面。光导具有被配置为接收激发光和由接近于外表面的生物或化学物质产生的光发射的输入区域。光导从输入区域向着对应的光传感器延伸至设备基座中且具有被配置为过滤激发光且允许光发射向着对应的光传感器传播的过滤材料。设备基座包括设备电路，其电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。生物传感器还包括沿着设备基座的外表面延伸的屏蔽层。屏蔽层具有孔径，其相对于对应的光导的输入区域放置，使得光发射通过孔径传播至对应的输入区域中。屏蔽层在相邻的孔径之间延伸且被配置为阻挡激发光和在相邻的孔径之间入射到屏蔽层上的光发射。
在一个实施例中，提供了一种生物传感器，该生物传感器包括具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列的设备基座。设备基座具有外表面。光导被配置为接收激发光和由接近于外表面的生物或化学物质产生的光发射。光导中的每一个沿着中心纵向轴从光导的输入区域向着传感器阵列的对应的光传感器延伸至设备基座中。光导包括被配置为过滤激发光且允许光发射经其向对应的光传感器传播的过滤材料。设备基座包括设备电路，其电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。设备基座包括被定位在其中的外围串扰屏蔽，该外围串扰屏蔽围绕导向阵列的对应的光导。串扰屏蔽绕各自的纵向轴至少部分地围绕对应的光导，以便进行阻挡错误的光线或反射错误的光线中的至少一个来减少相邻的光传感器之间的光串扰。
虽然描述了多个实施例，但根据下列详细的描述和附图，本领域的技术人员还将明白所描述主题的其他实施例，其示出和描述所公开的发明的主题的说明性实施例。如将实现的，发明的主题能够在各种方面中修改而全部没有背离描述的主题的精神和范围。相应地，附图和具体描述被认为在本质上是阐示性的而不是限制性的。
附图简述
图1是用于根据一个实施例形成的生物或化学分析的示例性系统的框图。
图2是可以用在图1的系统中的示例性系统控制器的框图。
图3是根据一个实施例的用于生物或化学分析的示例性工作站的框图。
图4是根据一个实施例的示例性工作站和示例性盒的示意图。
图5是包括多个图4的工作站的示例性支架组件的前视图。
图6示出示例性盒的内部组件。
图7示出根据一个实施例形成的生物传感器的横截面。
图8是图7的横截面的放大部分，其更详细地示出生物传感器。
图9是图7的横截面的另一个放大部分，其更详细地示出生物传感器。
图10是根据另一个实施例形成的检测设备的示意性横截面。
图11是示出根据一个实施例制造生物传感器的方法的流程图。
图12A和图12B示出制造图11的生物传感器的不同阶段。
详细描述
本文描述的实施例可以用在用于学术或商业分析的各种生物或化学的过程和系统中。更具体地，本文描述的实施例可以用在各种过程和系统中，在其中期望的是检测事件、性质、质量、或指示指定反应的特性。例如，本文描述的实施例包括盒、生物传感器和它们的部件，以及利用盒和生物传感器操作的生物测定系统。在特定的实施例中，盒和生物传感器包括流动池和在基本上单一的结构中耦合到一起的一个或多个光传感器。
生物测定系统可以被配置为执行多个指定反应，其可以单独地或共同地进行检测。生物传感器和生物测定系统可以被配置为执行许多的循环，其中并行发生多个指定反应。例如，生物测定系统可以用于通过酶处理和图像采集的反复循环来测序DNA特征的密集阵列。因此，盒和生物传感器可以包括一个或多个微流体通道，其将试剂或其他反应成分传递至反应位点。在一些实施例中，反应位点随机地分布在大致平坦的表面(planersurface)上。例如，反应位点可能具有不均匀的分布，其中一些反应位点比其他的反应位点彼此更接近。在其它的实施例中，以预定的方式在大致平坦的表面,上使反应位点形成图案。反应位点中的每一个可以与检测来自相关联的反应位点的光的一个或多个光传感器相关联。在另外其他的实施例中，反应位点被定位在其中分隔指定反应的反应室中。
当结合所附附图阅读时，将更好地理解某些实施例的下列详细描述。就附图示出了各种实施例的功能框图来说，功能框不一定表示硬件电路之间的划分。因此，例如，功能框中的一个或多个(比如，处理器或存储器)可以在单件硬件(比如，通用信号处理器或随机存取存储器，硬盘等等)中实现。同样地，程序可以是独立程序，可以作为子例程并入到操作系统中，可以是安装的软件包中的函数等等。应该理解，各种实施例不限于附图中所示的配置和手段。
如本文使用的，以单数形式记载且以“一(a)”或“一(an)”开始的元件或步骤应该被理解为不排除所述元件或步骤的复数形式，除非明确地说明这种排除。此外，“一个实施例”的引用并不旨在被解释为排除也包括所记载特征的另外的实施例的存在。另外，除非明确地相反说明，“包括(comprising)”或“具有(having)”具有特定性质的元件或多个元件的实施例可以包括附加的元件，无论它们是否具有那种性质。
如本文使用的，“指定反应”包括在感兴趣的分析物的化学、电学、物理学或光学性质(或质量)中的至少一个中的变化。在特定的实施例中，指定反应是正向结合事件(比如，荧光标记的生物分子与感兴趣的分析物的结合)。更普遍地，指定反应可以是化学转换、化学变化或化学相互作用。指定反应也可以是电性能中的变化。例如，指定反应可以是溶液内离子浓度的变化。示例性反应包括但不限于，化学反应，诸如还原、氧化、加成、消除、重排、酯化、酰胺化、醚化、环化、或替代物；结合相互作用，其中第一化学制品被结合到第二化学制品；离解反应，其中两个或更多个化学制品相互分离；荧光；发冷光；生物发光；化学发生；以及生物反应，诸如核酸复制、核酸扩增、核酸杂交、核酸连接(ligation)、磷酸化、酶催化、受体结合、或配体结合。指定反应也可以是质子的加成或消除，例如，可检测作为周围溶液或环境的pH中的变化。另外的指定反应可以检测穿过隔膜(比如，天然或合成的双层隔膜)的离子流动，例如，随着离子流过隔膜，电流被中断并且该中断可以被检测到。
在特定的实施例中，指定反应包括荧光标记的分子到分析物中的结合。分析物可以是寡核苷酸且荧光标记的分子可以是核苷酸。当激发光指向具有标记的核苷酸的寡核苷酸时，可以检测到指定反应，并且荧光团发射可检测的荧光信号。在可选实施例中，检测到的荧光是化学发光或生物发光的结果。例如，指定反应还可以通过将供体荧光团带到接近于受体荧光团来增加荧光(或)共振能量转移(FRET)，通过将供体和受体荧光团分离来降低FRET，通过将猝灭剂与荧光团分开来增加荧光或者通过将猝灭剂与荧光团共同定位来降低荧光。
如本文使用的，“反应成分”或“反应物”包括可以用于获得指定反应的任何物质。例如，反应成分包括试剂、酶、样本、其他生物分子和缓冲溶液。反应成分通常被传递至溶液中的反应位点和/或被固定在反应位点处。反应成分可以直接或间接地与诸如感兴趣的分析物的另一种物质相互作用。
如本文使用的，术语“反应位点”是在其中可以发生指定反应的局部区域。反应位点可以包括可以将物质固定在其上的衬底的支撑表面。例如，反应位点可以包括在流动池的通道中的大致平坦的表面，该流动池具有在其上的一群核酸。通常，但不总是，群中的核酸具有相同的序列，例如，作为单链或双链模板的克隆复制。然而，在一些实施例中，反应位点可以仅含有例如以单链或双链的形式的单核酸分子。此外，多个反应位点可以沿着支撑表面随机地分布或以预定的方式(比如，矩阵中的并排方式，诸如微阵列)被布置。反应位点也可以包括反应室，其至少部分地限定被配置为将指定反应隔离的体积或空间区域。如本文使用的，术语“反应室”包括与流道流体连通的空间区域。反应室可以至少部分地与周围环境或其他空间区域分隔开。例如，多个反应室可以通过共享的墙壁相互隔开。作为更具体的示例，反应室可以包括由井的内部表面限定的腔且具有开口或孔径，使得腔可以与流道流体连通。在2011年10月20日提交的国际申请No.PCT/US2011/057111中更详细地描述了包括这种反应室的生物传感器，其通过引用以其整体并入本文。
在一些实施例中，反应室的大小和形状相对于固体(包括半固体)来设计，使得固体可以完全地或部分地添加至其中。例如，反应室的大小和形状被设计以便只容纳一个捕获珠(capture bead)。捕获珠可能已经克隆地扩增DNA或在其上的其他物质。可选地，反应室的大小和形状可以被设计以接收珠或固体衬底的近似数量。作为另一个示例，反应室也可以用多孔凝胶或被配置为控制扩散或过滤可流进反应室内的流体的物质来填充。
在一些实施例中，光传感器(比如，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为当在相关联的反应位点处已经发生指定反应时，检测来自相关联的反应位点的光发射。在某些情况下，多个光传感器(比如，照相机设备的几个像素)可以与单一反应位点相关联。在其他的情况下，单一的光传感器(比如，单一像素)可以与单一反应位点相关联或与一组的反应位点相关联。可以配置生物传感器的光传感器、反应位点和其他特征使得光的至少一些直接通过光传感器检测而无需进行反射。
如本文使用的，当关于两个反应位点使用时术语“相邻”意味着没有其他反应位点被定位在这两个反应位点之间。术语“相邻”可以在关于相邻的检测路径和相邻的光传感器(比如，相邻的光传感器在其间不具有其他的光传感器)使用时具有相似的含义。在某些情况下，反应位点可以不与另一个反应位点相邻，但可以仍然在其他的反应位点的附近地区之内。当通过与第二反应位点相关联的光传感器检测到来自第一反应位点的荧光发射信号时，第一反应位点可以在第二反应位点的附近地区中。更具体地，当与第二反应位点相关联的光传感器检测到例如来自第一反应位点的串扰时，第一反应位点可以在第二反应位点的附近地区中。相邻的反应位点可以是连续的，使得它们彼此邻接，或者相邻的位点可以是非连续的，其具有位点之间的中间空间。
如本文使用的，“物质”包括物品或固体，诸如捕获珠，以及生物或化学物质。如本文使用的，“生物或化学物质”包括生物分子、感兴趣的样本、感兴趣的分析物以及其他化合物。生物或化学物质可以用于检测、识别、或分析其他化合物，或起到中介的作用来研究或分析其他化合物。在特定的实施例中，生物或化学物质包括生物分子。如本文使用的，“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、多聚磷酸盐、细胞、组织、有机体、或其片段或任何其他生物活性化合物，诸如上述物种的类似物或模拟物。
在另一个示例中，生物或化学物质或生物分子包括用在耦合反应中的以检测另一个反应的产物的酶或试剂，诸如用于检测焦磷酸测序反应中的焦磷酸盐的酶或试剂。例如，在美国专利公布No.2005/0244870 A1中描述用于焦磷酸盐检测的酶和试剂，其以其整体并入本文。
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且可以悬浮在溶液或空间区域内的混合物中。生物分子、样本、以及生物或化学物质也可以与固相或凝胶材料相结合。生物分子、样本、以及生物或化学物质也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、以及生物或化学物质可以称为靶标、探针、或分析物。
如本文使用的，“生物传感器”包括具有多个反应位点的结构，该结构被配置为检测发生在反应位点处或接近于反应位点的指定反应。生物传感器可以包括固态成像设备(比如，CCD或CMOS成像器)和可选地，安装于其上的流动池。流动池可以包括与反应位点流体连通的至少一个流道。作为一个具体的示例，生物传感器被配置为流体地且电性地耦合到生物测定系统。生物测定系统可以根据预定方案(比如，合成测序)将反应物传递至反应位点且执行多个成像事件。例如，生物测定系统可以引导溶液沿着反应位点流动。溶液中的至少一个可以包括具有相同或不同的荧光标记的四种类型的核苷酸。核苷酸可以与被定位在反应位点处的对应的寡核苷酸结合。生物测定系统然后可以使用激发光源(比如，诸如发光二极管或LED的固态光源)照亮反应位点。激发光可以具有预定的波长或多个波长，其包括一系列的波长。激发的荧光标记提供可以由光传感器检测的发射信号。
在可选实施例中，生物传感器可以包括电极或被配置为检测其他可识别性质的其他类型的传感器。例如，传感器可以被配置为检测离子浓度中的变化。在另一个示例中，传感器可以被配置为检测穿过隔膜的离子电流。
如本文使用的，“盒”包括被配置为保持生物传感器的结构。在一些实施例中，盒可以包括附加的特征，诸如光源(比如，LED)，该光源被配置为向生物传感器的反应位点提供激发光。盒也可以包括流体存储系统(比如，用于试剂、样本、以及缓冲剂的存储器)和流体控制系统(比如，泵、阀等等)以用于流体地将反应成分、样本等等传输至反应位点。例如，在制备或制造生物传感器之后，生物传感器可以耦合到盒的壳体或容器。在一些实施例中，生物传感器和盒可以是独立的一次性产品。然而，其他的实施例可以包括具有可拆卸部件的组件，其允许用户访问生物传感器或盒的内部，用于部件或样本的维修或替换。生物传感器和盒可以可拆卸地耦合到或被接合到诸如测序系统的较大的生物测定系统，其在其中进行受控反应。
如本文使用的，当术语“可拆卸地”和“耦合”(或“接合)被一起使用以描述在生物传感器(或盒)和生物测定系统的系统容器或界面之间的关系时，术语旨在意味着生物传感器(或盒)和系统容器之间的连接是容易分开的而没有破坏或损坏系统容器和/或生物传感器(或盒)。当部件可以彼此分开而没有过度努力或花费大量的时间在分开部件上时，部件是容易分开的。例如，生物传感器(或盒)可以以电的方式可拆卸地耦合或接合到系统容器，使得生物测定系统的配合触点不被破坏或损坏。生物传感器(或盒)也可以以机械的方式可拆卸地耦合或接合到系统容器，使得保持生物传感器(或盒)的特征不被破坏或损坏。生物传感器(或盒)也可以以流体的方式可拆卸地耦合或接合到系统容器，使得系统容器的端口不被破坏或损坏。例如，如果只需要对部件作简单的调整(比如，重组)或简单的替换(比如，替换喷嘴)，那么系统容器或部件不被认为被破坏或损坏。
如本文使用的，术语“流体连通”或“流体地耦合”指的是两个空间区域连接在一起，使得液体或气体可以在两个空间区域之间流动。例如，微流体通道可以与反应室流体连通，使得流体可以自由地从微流体通道流进反应室。术语“处于流体连通(in fluidcommunication)”或“流体地耦合”允许两个空间区域通过一个或多个阀、限流器或被配置为控制或调节通过系统的流体的流动的其他流体部件而处于流体连通。
如本文使用的，当关于生物分子或者生物或化学物质使用时，术语“固定”包括将生物分子或者生物或化学物质在分子水平处基本上附着于表面。例如，生物分子或者生物或化学物质可以被固定在衬底材料的表面，其使用包括非共价相互作用的吸附技术(比如，静电力、范德瓦尔斯力、和疏水界面的脱水)和共价结合技术，在其中官能团或连接基团(linker)有利于将生物分子附着于表面。将生物分子或者生物或化学物质固定在衬底材料的表面可以基于衬底表面的性质、携带生物分子或者生物或化学物质的液体介质、以及生物分子或者生物或化学物质本身的性质。在某些情况下，衬底表面可以被功能化(比如，化学或物理改性)以促进将生物分子(或者生物或化学物质)固定在衬底表面上。衬底表面可以首先被修饰以具有结合到表面的官能团。官能团然后可以被结合到生物分子或者生物或化学物质以将他们固定在其上。物质可以经由凝胶被固定到表面上，例如，如美国专利公开No.US 2011/0059865 A1所描述，其通过引用并入本文。
在一些实施例中，核酸可以被附着于表面上且使用桥式扩增来扩增。例如，在美国专利号No.5,641,658；WO 07/010251，美国专利No.6,090,592；美国专利公开No.2002/0055100A1；美国专利No.7,115,400；美国专利公开No.2004/0096853A1；美国专利公开No.2004/0002090A1；美国专利公开No.2007/0128624A1；以及美国专利公开No.2008/0009420A1中描述有用的桥式扩增方法，其中的每一个专利以其整体并入本文。用于在表面上扩增核酸的另一个有用的方法是滚环扩增(RCA)，例如，使用下面进一步详细阐述的方法。在一些实施例中，核酸可以被附着于表面上且使用一个或多个引物对来扩增。例如，引物中的一个可以在溶液中且其他的引物可以被固定在表面上(比如，5’-附着的)。通过示例的方式，核酸分子可以与表面上的引物中的一个杂交，之后是固定的引物的扩展以产生核酸的第一拷贝。然后，在溶液中的引物与核酸的第一拷贝杂交，其可以使用核酸的第一拷贝被扩展以作为模板。可选地，在产生核酸的第一拷贝之后，原始的核酸分子可以与表面上的第二固定的引物杂交且可以同时被扩展或者在溶液中的引物被扩展之后被扩展。在任意实施例中，使用固定的引物重复扩展的循环(比如，扩增)和溶液中的引物提供了核酸的多个拷贝。
在特定的实施例中，由本文描述的系统和方法执行的测定方案包括天然核苷酸的使用并且也包括被配置为与天然核苷酸相互作用的酶。例如，天然核苷酸包括核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸。天然核苷酸可以是单、双或三磷酸盐的形式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，应该理解，可以使用非天然的核苷酸、修饰的核苷酸或上述核苷酸的类似物。关于基于可逆终止子的合成测序的方法，在下面阐述了有用的非天然的核苷酸的一些示例。
在包括反应室的实施例中，物品或固体物质(包括半固体物质)可以被放置在反应室内。当放置时，物品或固体可以通过干涉配合(interference fit)、附着力或包埋(entrapment)物理地保持或固定在反应室内。可以被放置在反应室内的示例性物品或固体包括聚合物珠、小球、琼脂糖凝胶、粉末、量子点、或可以被压缩和/或保持在反应室内的其他固体。在特定的实施例中，例如，通过附着于反应室的内表面或通过在反应室内的液体中停留，核酸上层结构(诸如DNA球)可以被放置在反应室中或在反应室处。DNA球或其他的核酸上层结构被以被执行且然后被放置在反应室中或反应室处。可选地，DNA球在反应室处可以是原位合成。可以通过滚环扩增来合成DNA球以产生特定核酸序列的串联体，以及该串联体可以在形成相对紧凑的球的条件下进行处理。例如，在美国专利公开No.2008/0242560A1或No.2008/0234136 A1中描述了DNA球和用于它们的合成的方法，每一个专利以其整体并入本文。被保持或放置在反应室中的物质可以是固态、液态或气态。
图1是用于根据一个实施例形成的生物或化学分析的示例性生物测定系统100的框图。术语“生物测定”并不旨在限制为生物测定系统100，可以操作以获得关于生物或化学物质中的至少一个的任何信息或数据。在一些实施例中，生物测定系统100是可能相似于台式设备或台式计算机的工作站。例如，用于进行指定反应的部件和系统的大多数(或全部)可以在共用的壳体116内。
在特定的实施例中，生物测定系统100是核酸测序系统(或测序仪)，其被配置用于各种应用，包括但不限于从头测序、全基因组或靶标基因组区域的重新测序和以及宏基因组学。测序仪也可以用于DNA或RNA分析。在一些实施例中，生物测定系统100也可以被配置为生成生物传感器中的反应位点。例如，生物测定系统100可以被配置为接收样本且生成源自样本的克隆扩增的核酸的表面附着的簇。每个簇可以构成或是生物传感器中反应位点的一部分。
示例性生物测定系统100可以包括系统容器或界面112，其被配置为与生物传感器102相互作用以在生物传感器102被执行指定反应。在以下关于图1的描述中，生物传感器102被装载到系统容器112中。然而，应该理解，包括生物传感器102的盒可以被插入到系统容器112中，且在一些状态下盒可以被暂时或永久地移除。如上所述，除了别的以外，盒还可以包括流体控制和流体存储部件。
在特定的实施例中，生物测定系统100被配置为在生物传感器102内执行大量的平行反应。生物传感器102包括在其中可以发生指定反应的一个或多个反应位点。反应位点例如可以被固定于生物传感器的固体表面或被固定于被定位在生物传感器的对应反应室内的珠(或其他可移动的衬底)。反应位点例如可以包括克隆扩增的核酸的簇。生物传感器102可以包括固态成像设备(比如，CCD或CMOS成像器)和安装于其上的流动池。流动池可以包括一个或多个流道，该流道接收来自生物测定系统100的溶液且引导该溶液朝向反应位点。可选地，生物传感器102可以被配置为接合热元件以用于将热能传递至或传递出流道。
生物测定系统100可以包括各种部件、组件、和彼此相互作用的系统(或子系统)，以便执行用于生物或化学分析的预定方法或测定方案。例如，生物测定系统100包括可以与各种部件、组件以及生物测定系统100的子系统进行通信的系统控制器104，以及也包括生物传感器102。例如，除了系统容器112之外，生物测定系统100也可以包括流体控制系统106，以控制遍及生物测定系统100的流体网络和生物传感器102的流体的流动；流体存储系统108，其被配置为保留可以由生物测定系统使用的全部的流体(比如，气体或液体)；温度控制系统110，其可以调节流体网络、流体存储系统108、和/或生物传感器102中流体的温度；以及照明系统111，其被配置为照明生物传感器102。如上所述，如果具有生物传感器102的盒被装载到系统容器112中，盒也可以包括流体控制和流体存储部件。
还示出，生物测定系统100可以包括与用户进行交互的用户界面114。例如，用户界面114可以包括用于显示或请求来自用户的信息的显示器113和用于接收用户输入的用户输入设备115。在一些实施例中，显示器113和用户输入设备115是相同的设备。例如，用户界面114可以包括触敏显示器，其被配置为检测个体的触摸的存在且也识别显示器上触摸的位置。然而，可以使用其他的用户输入设备115，诸如鼠标、触摸板、键盘、小键盘、手持式扫描仪、语音识别系统、动作识别系统等等。如以下将更详细地讨论，生物测定系统100可以与包括生物传感器102(比如，以盒的形式)的各种部件进行通信，以执行指定反应。生物测定系统100也可以被配置为分析从生物传感器获得的数据以向用户提供期望的信息。
系统控制器104可以包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，其包括使用微控制器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑电路以及能够执行本文描述的功能的任何其他电路或处理器的系统。上面的示例仅仅是示例性的，且因此并不旨在以任何方式限制术语系统控制器的定义和/或含义。在示例性实施例中，系统控制器104执行存储在一个或多个存储元件、存储器、或模块中的一组指令，以便获得检测数据和分析检测数据中的至少一个。存储元件可以是信息源的形式或是生物测定系统100内的物理存储器元件。
一组指令可以包括各种的命令，其指导生物测定系统100或生物传感器102执行具体的操作，诸如本文描述的各种实施例的方法和过程。一组指令可以是软件程序的形式，其可以形成有形的非暂时性计算机可读介质或媒介的一部分。如本文使用的，术语“软件”和“固件”是可交换的，并且包括存储在存储器中用于由计算机执行的任何计算机程序，其包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器以及非易失性RAM(NVRAM)存储器。上面的存储器类型仅仅是示例性的，且因此并不限制关于用于计算机程序的存储可使用的存储器的类型。
软件可以是各种的形式，诸如系统软件或应用软件。此外，软件可以是独立的程序的集合的形式，或在较大程序内的程序模块的形式或程序模块的一部分的形式。软件也可以包括面向对象编程形式的模块化编程。在获得检测数据之后，检测数据可以由生物测定系统100自动地处理，响应于用户输入来处理，或响应于由另一个处理机器作出的请求(比如，通过通信链路的远程请求)来处理。
系统控制器104可以经由通信链路连接到生物传感器102和生物测定系统100的其他部件。系统控制器104也可以通信地连接到场外(off-site)系统或服务器。通信链路可以是硬连线的或无线的。系统控制器104可以接收来自用户界面114和用户输入设备115的用户输入或命令。
流体控制系统106包括流体网络且被配置为引导和调节一个或多个流体通过流体网络的流动。流体网络可以与生物传感器102和流体存储系统108流体连通。例如，选择流体可以从流体存储系统108中抽取且以受控方式引导至生物传感器102中，或者流体可以从生物传感器102中且例如被引导朝向流体存储系统108中的废物储存器。尽管未示出，但流体控制系统106可以包括流量传感器，其检测流体网络内的流体的压力或流速。传感器可以与系统控制器104进行通信。
温度控制系统110被配置为调节在流体网络、流体存储系统108、和/或生物传感器102的不同区域处的流体的温度。例如，温度控制系统110可以包括热循环仪，其与生物传感器102连接且控制沿着生物传感器102中的反应位点流动的流体的温度。温度控制系统110也可以调节生物测定系统100或生物传感器102的固体元件或部件的温度。尽管未示出，温度控制系统110可以包括传感器以检测流体或其他部件的温度。传感器可以与系统控制器104进行通信。
流体存储系统108与生物传感器102流体连通且可以储存用于在其中进行指定反应的各种反应成分或反应物。流体存储系统108也可以储存用于洗涤或清洗流体网络和生物传感器102以及用于稀释反应物的流体。例如，流体存储系统108可以包括各种储存器，以储存样本、试剂、酶、其他生物分子、缓冲溶液、水、以及非极性溶液等等。另外，流体存储系统108也可以包括用于接收来自生物传感器102的废弃物的废物储存器。在包括盒的实施例中，盒可以包括流体存储系统、流体控制系统或温度控制系统中的一个或多个。因此，本文阐述的部件中的一个或多个由于涉及这些系统可以被包含在盒壳体之内。例如，盒可以具有各种储存器，以储存样本、试剂、酶、其他生物分子、缓冲溶液、水、以及非极性溶液、废物等等。因此，流体存储系统、流体控制系统或温度控制系统中的一个或多个可以经由盒或其他生物传感器可移除地与生物测定系统接合。
照明系统111可以包括光源(比如，一个或多个LED)和多个光学部件以照明生物传感器。光源的示例可以包括激光、弧光灯、LED、或激光二极管。光学部件例如可以是反射器、二向色镜、分束器、准直器、透镜、滤光器、光楔、棱镜、镜子、检测器等等。在使用照明系统的实施例中，照明系统111可以被配置为将激发光引导至反应位点。作为一个示例，可以通过绿色波长的光激发荧光团，因为这种激发光的波长可能是大约532nm。
系统容器或界面112被配置为以机械、电和流体方式中的至少一个接合生物传感器102。系统容器112可以将生物传感器102保持在期望的方向中以促进流体通过生物传感器102的流动。系统容器112还可以包括被配置为接合生物传感器102的电触头，以便生物测定系统100可以与生物传感器102进行通信和/或向生物传感器102提供能量。另外，系统容器112可以包括被配置为接合生物传感器102的流体端口(比如，喷嘴)。在一些实施例中，生物传感器102是以机械的方式、以电的方式、以及还以流体的方式可移除地耦合到系统容器112。
此外，生物测定系统100可以与其他系统或网络或与其他的生物测定系统100远程地通信。由生物测定系统100获得的检测数据可以被储存在远程数据库中。
图2是示例性实施例中的系统控制器104的框图。在一个实施例中，系统控制器104包括能够相互通信的一个或多个处理器或模块。处理器或模块中的每一个可以包括算法(比如，储存在有形的和/或非暂时性计算机可读介质上的指令)或子算法以执行特定的过程。系统控制器104作为模块的集合被概念性地示出，但是可以利用专用硬件板、DSP、处理器等的任何组合来实现。可选地，系统控制器104可以利用具有单一处理器或多个处理器的现成的PC来，其中功能性操作分布在处理器之间。作为进一步的选项，下面描述的模块可以利用混合配置来实现，其中特定模块化功能利用专用硬件来执行，而剩下的模块化功能利用现成的PC等来执行。模块也可以在处理单元内被实现为软件模块。
在操作期间，通信链路120可以向生物传感器102(图1)和/或子系统106、子系统108、子系统110(图1)传输信息(比如，命令)或从生物传感器102和/或子系统106、108、110接收信息(比如，数据)。通信链路122可以接收来自用户界面114(图1)的用户输入且向用户界面114传输数据或信息。在生物测定会话期间，可以通过系统控制器104实时地处理来自生物传感器102或子系统106、108、110的数据。另外地或可选地，数据可以在生物测定会话期间暂时储存在系统存储器中且在比实时或脱机操作更慢地进行处理。
如图2所示，系统控制器104可以包括与主控制模块130通信的多个模块131-139。主控制模块130可以与用户界面114(图1)进行通信。尽管模块131-139被显示为与主控制模块130直接地通信，但模块131-139也可以直接地彼此通信、与用户界面114和生物传感器102通信。另外，模块131-139可以通过其他模块与主控制模块130进行通信。
多个模块131-139包括系统模块131-133、139，其分别与子系统106、108、110和111进行通信。流体控制模块131可以与流体控制系统106通信，以控制流体网络的阀和流量传感器，用于控制一个或多个流体通过流体网络的流动。当流体浅时或者当废物储存器处于饱和或接近饱和时，流体存储模块132可以通知用户。流体存储模块132也可以与温度控制模块133进行通信，以便流体可以在期望的温度处存储。照明模块139可以与照明系统109进行通信，以在方案期间的指定时间处照明反应位点，诸如在指定反应(比如，结合事件)已经发生之后。
多个模块131-139也可以包括与生物传感器102进行通信的设备模块134和确定有关生物传感器102的识别信息的识别模块135。设备模块134例如可以与系统容器112进行通信，以确认生物传感器已经建立与生物测定系统100的电和流体连接。识别模块135可以接收识别生物传感器102的信号。识别模块135可以使用生物传感器102的标识以向用户提供其他信息。例如，识别模块135可以确定且然后显示批号、制造日期、或建议与生物传感器102运行的方案。
多个模块131-139也可以包括检测数据分析模块138，其接收和分析来自生物传感器102的信号数据(比如，图像数据)。信号数据可以被储存以用于随后的分析或者可以被传输给用户界面114以向用户显示期望的信息。在一些实施例中，在检测数据分析模块138接收信号数据之前，可以通过固态成像器(比如，CMOS图像传感器)处理信号数据。
协议模块136和137与主控制模块130进行通信，以便在进行预定的测定方案时控制子系统106、108和110的操作。协议模块136和137可以包括多组指令，其用于命令生物测定系统100根据预定方案执行具体操作。如图所示，协议模块可以是合成测序(SBS)模块136，其被配置为发出用于执行合成测序过程的各种命令。在SBS中，监测沿着核酸模板的核酸引物的扩展，以确定模板中核苷酸的序列。基础的化学过程可以是聚合(比如，当通过聚合酶催化时)或连接(比如，通过连接酶催化的)。在特定的基于聚合酶的SBS的实施例中，以模板依赖性的方式将荧光标记的核苷酸添加到引物中(从而扩展引物)，使得被添加到引物的核苷酸的类型和顺序的检测可以用于确定该模板的序列。例如，为了启动第一SBS循环，可以发出命令以传递一个或多个标记的核苷酸、DNA聚合酶等到容纳核酸模板的阵列的流动池中/通过该流动池。核酸模板可以定位在对应的反应位点处。在其中引物扩展使标记的核苷酸被结合的那些反应点位可以通过成像事件来检测。在成像事件期间，照明系统111可以向反应位点提供激发光。可选地，核苷酸还可以包括可逆的终止性质，一旦核苷酸已经被添加到引物中，该可逆的终止性质终止进一步的引物扩展。例如，具有可逆终止子部分的核苷酸类似物可以被添加到引物中，使得随后的扩展不能发生直到解封试剂被传递以移除该部分。因此，对于使用可逆终止的实施例，可以发出命令以传递解封试剂至流动池(在发生检测之前或之后)。可以发出一个或多个命令以实现在各种传递步骤之间的洗涤。然后，可以重复该循环n次以便通过n个核苷酸来扩展引物，从而检测长度n的序列。示例性测序技术被描述，例如，在Bentley等人，Nature 456:53-59(2008)，WO 04/018497；US 7,057,026；WO91/06678；WO 07/123744；US 7,329,492；US 7,211,414；US 7,315,019；US 7,405,281，以及US 2008/0108082中，其中的每一个通过引用并入本文。
对于SBS循环的核苷酸传递步骤，可以一次传递单一类型的核苷酸，或者可以传递多个不同核苷酸类型(比如，A、C、T和G一起)。对于在其中一次只出现单一类型的核苷酸的核苷酸传递配置，不同的核苷酸不需要具有不同的标记，因为它们能够基于个体化传递中固有的时间分离来区分。因此，测序方法或装置可以使用单一颜色检测。例如，激发源仅需要在单一波长处或在单一范围的波长中提供激发。对于在其中传递导致多个不同的核苷酸同时出现在流动池中的核苷酸传递配置，基于附着于混合物中的各自核苷酸类型的不同的荧光标记可以区分结合不同核苷酸类型的位点。例如，可以使用四个不同的核苷酸，每一个具有四个不同的荧光团中的一个。在一个实施例中，使用光谱的四个不同区域中的激发可以区分四个不同的荧光团。例如，可以使用四个不同的激发辐射源。可选地，可以使用少于四个的不同激发源，但是来自单一源的激发辐射的光学滤波可以用于在流动池处产生不同范围的激发辐射。
在一些实施例中，可以检测在具有四个不同的核苷酸的混合物中的少于四个不同的颜色。例如，核苷酸对可以在相同波长处被检测，但是基于针对该对的一个成员与另一个相比的强度中的差异来区分，或基于对该对的一个成员的改变(比如，经由化学修饰、光化学修饰或物理修饰)来区分，其使得表观信号(apparent signal)相比于针对该对的另一个成员检测的信号出现或消失。描述了用于使用少于四个颜色的检测来区分四个不同的核苷酸的示例性装置和方法，例如，在美国专利申请序列第61/538,294号和第61/619,878号中，其通过引用它们的整体并入本文。在2012年9月21日提交的美国申请No.13/624,200也通过引用以其整体并入。
多个方案模块也可以包括样本制备(或生成)模块137，其被配置为向流体控制系统106和温度控制系统110发出命令，用于扩增生物传感器102内的产物。例如，生物传感器102可以接合到生物测定系统100。扩增模块137可以发出指令到流体控制系统106以便传递必要的扩增部件至生物传感器102内的反应室。在其他的实施例中，反应位点可以已经含有用于扩增的一些部件，诸如模板DNA和/或引物。在传递扩增部件至反应室之后，扩增模块137可以根据已知的扩增方案指导温度控制系统110循环经过不同的温度阶段。在一些实施例中，等温地执行扩增和/或核苷酸掺入。
SBS模块136可以发出命令以执行桥式PCR，在其中克隆扩增子的簇形成在流动池的通道内的局部区域上。在通过桥式PCR生成扩增子之后，扩增子可以是“线性化”以制备单链模板DNA或sstDNA，并且测序引物可以被杂交到位于感兴趣区域的侧面的通用序列。例如，如上阐述或如下所述，可以使用基于可逆终止子的合成测序方法。
每个测序循环可以通过单碱基扩展sstDNA，其可以例如通过使用修饰的DNA聚合酶和四种类型的核苷酸的混合物来完成。不同类型的核苷酸可以具有唯一的荧光标记，并且每个核苷酸还可以具有允许在每个循环中只有单碱基掺入发生的可逆终止子。在单碱基被添加到sstDNA之后，激发光可以入射到反应位点上且可以检测荧光发射。在检测之后，荧光标记和终止子可以化学地从sstDNA中裂解。可以跟随另一个相似的测序循环。在这种测序方案中，SBS模块136可以指导流体控制系统106引导试剂和酶溶液通过生物传感器102的流动。在美国专利申请公开第2007/0166705A1号、美国专利申请公开第2006/0188901A1号、美国专利第7,057,026号、美国专利申请公开第2006/0240439A1号、美国专利申请公开第2006/0281109A1号、PCT公开第WO 05/065814号、美国专利申请公开第2005/0100900A1号、PCT公开第WO 06/064199号以及PCT公开第WO 07/010251号中描述了可以与本文阐述的装置和方法一起使用的示例性的基于可逆终止子的SBS方法，每一个专利通过引用以其整体并入本文。在US 7,541,444；US 7,057,026；US 7,414,116；US 7,427,673；US 7,566,537；US 7,592,435和WO 07/135368中描述了用于基于可逆终止子的SBS的示例性试剂，每一个专利通过引用以其整体并入本文。
在一些实施例中，扩增和SBS模块可以在单一测定方案中操作，例如，在其中模板核酸被扩增且随后在相同的盒内测序。
生物测定系统100还可以允许用户重配置测定方案。例如，生物测定系统100可以通过用户界面114向用户提供选项，用于修改确定的方案。例如，如果确定了生物传感器102将要用于扩增，则生物测定系统100可以请求用于退火循环的温度。此外，如果已经向用户提供了用户输入，该用户输入通常对于所选择的测定方案是不接受的，则生物测定系统100可以向用户发出警告。
图3是根据一个实施例的用于生物或化学分析的示例性工作站200的框图。工作站200可具有与上述的生物测定系统100相似的特征、系统和组件。例如，工作站200可以具有流体控制系统，诸如流体控制系统106(图1)，其通过流体网络238流体地耦合到生物传感器(或盒)235。流体网络238可以包括试剂盒240、阀块242、主泵244、除泡器246、三通阀248、限流器250、废物清除系统252以及清洗泵254。在特定的实施例中，上面描述的大多数的部件或全部的部件是在共有工作站壳体(未示出)内。尽管未示出，但工作站200还可以包括照明系统，诸如照明系统111，其被配置为向反应位点提供激发光。
流体的流动由沿着流体网络238的箭头指示。例如，试剂溶液可以从试剂盒240中被移除且流经阀块242。阀块242可以促进创建从试剂盒240流至盒235的流体的无死体积(zero-dead volume)。阀块242可以选择或允许试剂盒240内的一个或多个液体流经流体网络238。例如，阀块242可以包括具有紧凑布置的电磁阀。每个电磁阀可以控制来自单一储存袋的流体的流动。在一些实施例中，阀块242可以允许两个或更多个不同的液体同时流入流体网络238，从而混合两个或更多个不同的液体。在离开阀块242之后，流体可以流经主泵244且到达除泡器246。除泡器246被配置为移除已经进入流体网络238或在流体网络238内已经生成的不需要的气体。
从除泡器246，流体可以流至三通阀248，在其中流体被引导至盒235或者被旁通至废物清除系统252。可以通过被定位在盒235下游的限流器250至少部分地控制盒235内的流体的流动。此外，限流器250和主泵244可以相互协调以控制跨越反应位点的流体的流动和/或控制流体网络238内的压力。流体可以流经盒235且流至废物清除系统252上。可选地，流体可以流经清洗泵254且流入例如试剂盒240内的废物储存袋。
还在图3中示出，工作站200可以包括温度控制系统，诸如温度控制系统110，其被配置为调节或控制工作站200的不同部件和子系统的热环境。温度控制系统110可以包括被配置为控制由工作站200使用的各种流体的温度要求的试剂冷却器264以及被配置为控制盒235的温度的热循环仪266。热循环仪266可以包括与盒连接的热元件(未示出)。
此外，工作站200可以包括系统控制器或SBS板260，其可具有与上述的系统控制器104相似的特征。SBS板260可以与工作站200的各种部件和子系统以及盒235进行通信。此外，SBS板260可以与远程系统进行通信以便例如存储数据或接收来自远程系统的命令。工作站200也可以包括触摸屏用户界面262，其通过单板计算机(SBC)272可操作地耦合到SBS板260。工作站200也可以包括一个或多个用户可访问的数据通信端口和/或驱动器。例如，工作站200可以包括用于计算机外围设备的一个或多个通用串行总线(USB)连接，诸如闪存或跳跃驱动器、紧凑式闪存(CF)驱动器和/或用于储存除了其他软件之外的用户数据的硬盘驱动器270。
图4是工作站300和可以包括一个或多个如本文所述的生物传感器(未示出)的盒302的透视图。工作站300可以包括如上参考生物测定系统100和工作站200所述的相似的部件且可以以相似的方式操作。例如，工作站300可以包括工作站壳体304和被配置为接收且接合盒302的系统容器306。系统容器可以以流体地或电性地中的至少一个接合盒302。工作站壳体304可以保持例如如上所述的系统控制器、流体存储系统、流体控制系统和温度控制系统。在图4中，工作站300不包括耦合到工作站壳体304的用户界面或显示器。然而，用户界面可以通过通信链路通信地耦合到壳体304(以及其中的部件/系统)。因此，用户界面和工作站300可以相对于彼此远程地定位。用户界面和工作站300(或多个工作站)可以一起构成生物测定系统。
如图所示，盒302包括具有至少一个端口310的盒壳体308，该端口310提供对盒壳体308的内部的访问。例如，在受控反应期间被配置为在盒302中使用的溶液可以由技术人员或由工作站300经过端口310被插入。可以相对于彼此设定系统容器306和盒302的大小和形状，使得盒302可以被插入系统容器306的容器腔(未示出)中。
图5是具有柜或厢314的支架组件312的前视图，其中多个工作站300装载于其上。柜314可以包括一个或多个架子316，其限定一个或多个接收空间318，该接收空间318被配置为接收一个或多个工作站300。尽管未示出，但工作站300可以通信地耦合到允许用户控制工作站300的操作的通信网络。在一些实施例中，生物测定系统包括多个工作站(诸如工作站300)以及被配置为控制多个工作站的操作的单一用户界面。
图6示出根据一个实施例的盒302(图4)的各种特征。如图所示，盒302可以包括样本组件320，并且系统容器306可以包括光组件322。图6中示出的阶段346表示当第一子组件320和第二子组件322彼此分离时第一子组件320和第二子组件322之间的空间关系。在阶段348处，第一子组件320和第二子组件322连接在一起。盒壳体308(图4)可以包围连接的第一子组件320和第二子组件322。
在示出的实施例中，第一子组件320包括基座326和安装在基座326上的反应成分主体324。尽管未示出，但一个或多个生物传感器可以安装到凹槽328中的基座326，该凹槽328至少部分地由反应成分主体324和基座326限定。例如，至少四个生物传感器可以安装在基座326上。在一些实施例中，基座326是具有电路的印制电路板，其能够使得盒的不同部件和工作站300(图4)之间能够进行通信。例如，反应成分主体324可以包括旋转阀330和流体地耦合到旋转阀330的试剂储存器332。反应成分主体324还可以包括额外的储存器334。
第二子组件322包括光组件336，该光组件336包括多个导光通道338。每个导光通道338可选地耦合到光源(未示出)，诸如发光二极管(LED)。光源被配置为提供由导光通道338引导至生物传感器上的激发光。在可选实施例中，盒可以不包括光源。在这种实施例中，光源可以位于工作站300中。当盒被插入系统容器306(图4)中，盒302可以与光源对准以便可以照明生物传感器。
还在图6中示出，第二子组件322包括流体地耦合到端口342和端口344的盒泵340。当第一子组件320和第二子组件322连接在一起时，端口342耦合到旋转阀330且端口344耦合到其他储存器334。根据指定的方案，可以激活盒泵340以将反应成分从储存器332和/或334引导至生物传感器。
图7示出根据一个实施例形成的示例性生物传感器400的一部分的横截面。生物传感器400可以包括与上述的生物传感器102(图1)相似的特征，并且可以用在例如盒302(图4)中。如图所示，生物传感器400可以包括直接地或间接地耦合到检测设备404的流动池402。流动池402可以安装在检测设备404上。在示出的实施例中，流动池402通过一个或多个固定机构(比如，胶黏剂、粘结、紧固件等等)直接固定到检测设备404上。在一些实施例中，流动池402可以可移除地耦合到检测设备404。
在示出的实施例中，检测设备404包括设备基座425。在特定的实施例中，设备基座425包括多个堆叠层(比如，硅层、介电层、金属介电层等)。设备基座425可以包括光传感器440的传感器阵列424、光导462的导向阵列426以及具有对应的反应位点414的反应凹槽408的反应阵列428。在某些实施例中，部件被布置使得每个光传感器440与单一光导462和单一反应位点414对准。然而，在其他的实施例中，单一光传感器440可以通过多于一个光导462和/或从多于一个反应位点414中接收光子。如本文使用的，单一光传感器可以包括一个像素或多于一个像素。
此外，应该注意的是，术语“阵列”或“子阵列”不必须包括检测设备可具有的某些类型的每一个项。例如，传感器阵列424可以不包括检测设备404中的每一个光传感器。相反地，检测设备404可以包括其他的光传感器(比如，光传感器的其他阵列)。作为另一个示例，导向阵列426可以不包括检测设备的每一个光导。相反地，可以有其他的光导，其与光导462不同地被配置或者其具有与检测设备404的其他元件不同的关系。因此，除非明确另有所述，术语“阵列”可以包括或可以不包括检测设备的所有这样的项。
在示出的实施例中，流动池402包括侧壁406和由侧壁406和其他侧壁(未示出)支撑的流盖410。侧壁耦合到检测器表面412且在流盖410和检测器表面412之间延伸。在一些实施例中，侧壁从固化胶黏剂层中形成，其将流盖410粘结到检测设备404。
流动池402的大小和形状被设定，使得流道418在流盖410和检测设备404之间存在。如图所示，流道418可以包括高度H1。仅通过示例的方式，高度H1可以在大约50-400μm(微米)之间，或更特别地，在大约80-200μm之间。在示出的实施例中，高度H1是大约100μm。流盖410可以包括对激发光401透明的材料，该激发光401从生物传感器400的外部传播至流道418中。如图7所示，激发光401以非正交的角度接近流盖410。然而，这只是为了说明性目的，因为激发光401可以从不同的角度接近流盖410。
还示出，流盖410可以包括入口端口420和出口端口422，其被配置为流体地接合其他端口(未示出)。例如，其他端口可以来自盒302(图4)或工作站300(图4)。流道418的大小和形状被设定以沿着检测器表面412引导流体。流道418的高度H1和其他尺寸可以被配置为维持流体沿着检测器表面412的基本上均匀的流动。流道418的尺寸也可以被配置为控制气泡形成。
侧壁406和流盖410可以是相互耦合的独立的部件。在其他的实施例中，侧壁406和流盖410可以一体形成，使得从连续的材料块形成侧壁406和流盖410。通过示例的方式，流盖410(或流动池402)可以包括透明材料，诸如玻璃或塑料。流盖410可以构成大体上矩形的块，其具有平的外部表面和限定流道418的平的内部表面。该块可以安装在侧壁406上。可选地，流动池402可以被蚀刻以限定流盖410和侧壁408。例如，凹槽可以被蚀刻到透明材料中。当蚀刻的材料被安装在检测设备404上时，凹槽可以变成流道418。
检测设备404具有检测器表面412，其可以被功能化(比如，以合适的方式化学或物理修饰以用于进行指定反应)。例如，检测器表面412可以被功能化且可以包括具有固定其上的一个或多个生物分子的多个反应位点414。检测器表面412具有反应凹槽或侧边敞开的反应室408的阵列。反应凹槽408中的每一个可以包括反应位点414中的一个或多个。反应凹槽408可以由例如沿着检测器表面412的深度中的凹进(indent)或变化限定。在其他的实施例中，检测器表面412可以是大致上平面的。
如图7所示，反应位点414可以在沿着检测器表面412的图案中分布。例如，反应位点414可以以类似于微阵列的方式位于沿着检测器表面412的行和列中。然而，应该理解，可以使用反应位点的各种图案。反应位点可以包括发射光信号的生物或化学物质。例如，反应位点的生物或化学物质可以响应于激发光401而生成光发射。在特定的实施例中，反应位点414包括被固定在检测器表面412上的生物分子(比如，寡核苷酸)的簇或群。
图8是更详细地示出各种特征的检测设备404的放大的横截面。更具体地，图8示出了单一光传感器440、用于朝向光传感器440引导光发射的单光导462、以及用于基于由光传感器440检测到的光发射(比如，光子)传输信号的相关联电路446。应该理解，传感器阵列424(图7)的其他的光传感器440和相关联部件可以以相同的或类似的方式被配置。然而，还应该理解，并不要求自始至终相同地或一致地制造检测设备404。相反地，一个或多个光传感器440和/或相关联部件可以不同地被制造或者可以具有相对于彼此不同的关系。
电路446可以包括互连的导电元件(比如，导体、迹线、通孔、互连等)，该导电元件能够传导电流，诸如基于检测到的光子的数据信号的传输。例如，在一些实施例中，电路446可以类似于或包括微电路布置，诸如在美国专利第7,595,883号中描述的微电路布置，其通过引用以其整体并入本文。检测设备404和/或设备基座425可以包括具有光传感器440的平面阵列的集成电路。在检测设备425内形成的电路446可以被配置用于信号放大、数字化、存储、以及处理中的至少一个。电路可以收集且分析检测的光发射，并且产生数据信号，以用于将检测数据传达至生物测定系统。电路446也可以在检测设备404中执行附加的模拟和/或数字信号处理。
设备基座425可以使用集成电路制造过程来制造，诸如用于制造互补金属氧化物半导体(CMOS)的过程。例如，设备基座425可以包括多个堆叠层431-437，该堆叠层包括传感器层或基座431，其在示出的实施例中是硅层或晶片。传感器层431可以包括光传感器440和利用传感器层431形成的栅极441-443。栅极441-443电耦合到光传感器440。当如图7和图8所示完全形成检测设备404时，光传感器440可以通过栅极441-443电耦合到电路446。
如本文使用的，除非另外说明，术语“层”不限于单一连续的材料的主体。例如，传感器层431可以包括多个子层，该子层是不同的材料和/或可以包括涂料、胶黏剂等。此外，层(或子层)中的一个或多个可以被修饰(比如，蚀刻、利用材料沉积等)以提供本文描述的特征。
在一些实施例中，每个光传感器440具有少于大约50μm2的检测区域。在特定的实施例中，检测区域少于大约10μm2。在更特定的实施例中，检测区域是大约2μm2。在这种情况下，光传感器440可以构成单像素。光传感器440中的每个像素的平均读噪声可以例如少于大约150个电子。在更特定的实施例中，读噪声可以少于大约5个电子。光传感器440的阵列的分辨率可以大于大约0.5兆像素(Mpixel)。在更特定的实施例中，分辨率可以大于大约5Mpixel，以及更特别地，大于大约10Mpixel。
设备层还包括多个金属介电层432-437，其在下文被称为衬底层。在示出的实施例中，衬底层432-437中的每一个包括金属元件(比如，W(钨)、Cu(铜)、或Al(铝))和介电材料(比如，SiO2)。可以使用各种金属元件和介电材料，诸如适合于集成电路制造的那些。然而，在其他的实施例中，衬底层432-437中的一个或多个可以只包括介电材料，诸如一个或多个SiO2的层。
参考图8中示出的具体实施例，第一衬底层432可以包括被嵌入介电材料(比如，SiO2)内的被称为M1的金属元件。金属元件M1例如包括W(钨)。金属元件M1整体延伸通过示出的实施例中的衬底层432。第二衬底层433包括金属元件M2和介电材料以及金属互连(M2/M3)。第三衬底层434包括金属元件M3和金属互连(M3/M4)。第四衬底层435也包括金属元件M4。设备基座425也包括第五衬底层436和第六衬底层437，其在下面更详细地被描述。
如图所示，金属元件和互连相互连接以形成电路446的至少一部分。在示出的实施例中，金属元件M1、M2、M3、M4包括W(钨)、Cu(铜)、和/或铝(Al)，并且金属互连M2/M3和M3/M4包括W(钨)，但应该理解，也可以使用其他的材料和配置。还应该注意的是，在图7和图8中示出的设备基座425和检测设备404仅仅是为了说明性目的。例如，其他的实施例与在图7和图8中示出的那些层相比可包括更少或额外的层和/或不同的金属元件的配置。
在一些实施例中，检测设备404包括屏蔽层450，其沿着设备基座425的外表面464延伸。在示出的实施例中，沿着衬底层437的外表面464直接地沉积屏蔽层450。然而，在其他的实施例中，中间层可以被放置在衬底层437和屏蔽层450之间。屏蔽层450可以包括材料，该材料被配置为阻挡、反射、和/或显著地衰减从流道418传播的光信号。光信号可以是激发光401和/或光发射466(在图9中示出)。仅仅通过示例的方式，屏蔽层450可以包括W(钨)。
如图8所示，屏蔽层450包括从其中穿过的孔径或开口452。屏蔽层450可以包括这种孔径452的阵列。在一些实施例中，屏蔽层450可以在相邻的孔径452之间连续地延伸。因此，来自流道418的光信号可以被阻挡、反射、和/或显著地衰减以防止通过光传感器440的这种光信号的检测。然而，在其他的实施例中，屏蔽层450并不在相邻孔径452之间连续地延伸，然后，这样一个或多个开口而不是孔径452存在于屏蔽层450中。
检测设备404也可以包括钝化层454，其沿着屏蔽层450且在孔径452上延伸。屏蔽层450可以在孔径452上延伸，从而直接或间接地覆盖孔径452。屏蔽层450可以被定位在钝化层454和设备基座425之间。胶黏剂或促进剂层458可以被定位于其间以促进耦合钝化层454和屏蔽层450。钝化层454可以被配置为保护设备基座425和屏蔽层450免受流道418的流体环境的影响。
在一些情况下，钝化层454也可以被配置为提供固体表面(即，检测器表面412)，该固体表面允许生物分子或其他感兴趣的分析物被固定于其上。例如，反应位点414中的每一个可以包括生物分子的簇，其被固定于钝化层454的检测器表面412上。因此，钝化层454可以从允许反应位点414与其固定的材料中形成。钝化层454也可以包括至少对期望的荧光是透明的材料。通过示例的方式，钝化层454可以包括氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)。然而，可以使用其他合适的材料。另外，钝化层454可以被物理或化学修饰以促进固定生物分子和/或以促进光发射的检测。
在示出的实施例中，钝化层454的一部分沿着屏蔽层450延伸且钝化层454的一部分沿着光导462的过滤材料460直接地延伸。可以直接在光导462上形成反应凹槽408。在一些情况下，在沿着屏蔽层450或黏接层458沉积钝化层454之前，可以在设备基座425内形成基座穴或腔456。例如，设备基座425可以被蚀刻以形成基座穴456的阵列。在特定的实施例中，基座穴456是细长的空间，其从接近孔径452向光传感器440延伸。基座穴可以沿着中心纵向轴468纵向延伸。在一些实施例中，基座穴456的三维形状可以大致上是圆柱形或截头圆锥形(frustro-conical)，使得沿着延伸至图8的页面中的平面取得的横截面基本上是圆形的。纵向轴468可以延伸经过横截面的几何中心。然而，在可选实施例中，可以使用其他的几何形状。例如，横截面可以基本上是方形或八边形。
在形成基座穴456之后，过滤材料460可以被沉积到基座穴456内。过滤材料460可以形成(比如，固化之后)光导462。光导462被配置为过滤激发光401且允许光发射466经其向对应的光传感器440传播。光导462可以例如是有机吸收滤光器。仅仅通过具体示例的方式，激发光可以是大约532nm且光发射可以是大约570nm或更多。
在某些情况下，有机过滤材料可以与生物传感器的其他材料不相容。例如，有机过滤材料可以具有使过滤材料显著膨胀的热膨胀系数。可选地或另外地，过滤材料不能充分地粘附到诸如屏蔽层(或其他金属层)的某些层上。过滤材料的膨胀可以引起相邻于过滤材料或结构上被连接到过滤材料的层上的机械应力。在某些情况下，膨胀可以引起生物传感器的结构中的破裂或其他不想要的特征。因此，本文阐述的实施例可以限制过滤材料膨胀的程度和/或过滤材料与其他层接触的程度。例如，不同光导的过滤材料可以通过钝化层彼此隔离。在这种实施例中，过滤材料可能不会接触金属层。此外，钝化层可以抵制膨胀和/或允许一些膨胀，同时减少不想要的结构特征(比如，破裂)的产生。
可以相对于设备基座425的周边材料(比如，介电材料)配置光导462以形成光导结构。例如，光导462可以具有大约2.0的折射率，使得光发射基本上在光导462和设备基座425的材料之间的界面处被反射。在某些实施例中，光导462被配置成使得光密度(OD)或激发光的吸光度是至少大约4OD。更具体地，可以选择过滤材料且可以设定光导462的尺寸以实现至少4OD。在更特定的实施例中，光导462可以被配置为实现至少大约5OD或至少大约6OD。生物传感器400的其他特征可以被配置为减少电串扰和光学串扰。
图9示出了检测器表面412和检测设备404(图7)的被定位于接近检测器表面412的一部分的放大图。更具体地，在图9中示出了钝化层454、黏接层458、屏蔽层450、和光导462。层中的每一个可以具有外(顶部)表面或内(底部)表面且可以沿着界面处的相邻层延伸。在一些实施例中，检测器表面412被配置为形成接近于孔径452的反应凹槽408。反应凹槽408可以例如是凹进(indent)、凹陷(pit)、井、沟槽(groove)、或侧边敞开室或通道。可选地，检测器表面412可以是平面的而没有图7-9中示出的凹槽。如图所示，孔径452由孔径或层边缘504限定。层边缘504径向向内地朝向纵向轴468。
检测器表面412可以包括升高部分502并且反应凹槽408可以包括基座表面490。基座表面490可以基本上平行于屏蔽层450延伸。检测器表面412也可以包括基本上正交于基座表面490延伸的侧表面492和检测器表面412的升高部分502。侧表面492可以限定反应凹槽408的外围。尽管升高部分502、基座表面490、和侧表面492被引用作为单独的表面，但应该理解，该表面可以是检测器表面412的部分。此外，应该理解，由于制造公差，表面可能不会是容易区分的。例如，在其他的实施例中，基座表面490和侧表面492基本上可以是具有凹形的单一表面。
基座表面490可以代表(或包括点，该点代表)在反应凹槽408内沿着检测器表面412的钝化层454的最深部分。例如，升高部分502可以沿着表面平面P1延伸且基座表面490可以沿着表面平面P2延伸。如图所示，表面平面P1和表面平面P2相对彼此以深度或距离D1偏移。表面平面P2比表面平面P1更接近于光导462或光传感器440(图7)。在示出的实施例中，基座表面490的深度D1由于基座表面490基本上是平面的而基本上是连续的。然而，在其他的实施例中，深度D1可以变化。例如，基座表面490可以具有凹形，该凹形具有随着基座表面490朝向其中心或中间延伸而增加的深度。
反应凹槽408可以朝向孔径452延伸或被定位在孔径452内。例如，基座表面490的至少一部分可以驻留在孔径452内。屏蔽层450可以具有面向钝化层454的外表面506和面向设备基座425的内表面508。外表面506可以沿着表面平面P3延伸，而且内表面508可以沿着表面平面P4延伸。表面平面P3和表面平面P4之间的距离可以代表屏蔽层450的厚度。如图所示，表面平面P3可以被定位在表面平面P1、P2之间。因此，基座表面490在孔径452内延伸，如由层边缘504限定的。然而，在其他的实施例中，表面平面P2可以被定位在表面平面P3之上，使得基座表面490不驻留在孔径452内。此外，在一些实施例中，表面平面P2可以被定位在表面平面P4之下，使得基座表面490被定位在孔径452之下。
钝化层454包括检测器表面412和在界面512处沿着屏蔽层450的外表面506延伸的内表面510。在一些实施例中，黏接层458可以沿着界面512延伸且将界面512限定在屏蔽层450和钝化层454之间。
在示出的实施例中，钝化层454直接沿着光导462延伸。更具体地，钝化层454的内部表面510可以直接地接合光导462的材料表面514。如本文使用的，短语“直接地接合”等可以包括两个层直接地接触彼此或者两个层通过黏接促进剂材料的使用彼此结合。光导462具有包括材料表面514的输入区域472。输入区域472可以代表最初接收光发射的光导462的一部分。
内部表面510可以在界面516处直接地接合材料表面514。界面516可以代表沉积在导向腔456(图7)内的过滤材料460的料位。在示出的实施例中，界面516基本上是平面的，使得界面516沿着界面平面P5延伸。界面平面P5可以基本上平行于表面平面P1、P2、P3、P4中的一个或多个延伸。然而，在其他的实施例中，界面516可以具有凹形，使得界面516朝向光传感器440(图8)弯曲或者在远离光传感器440的相反方向中弯曲。
钝化层454可以填充在形成孔径452时产生的空隙。因此，在一些实施例中，钝化层454可以被定位孔径452内在或驻留在孔径452中。在特定的实施例中，界面516可以被定位到设备基座425中的深度D2。在特定的实施例中，深度D2可以被配置使得界面516被定位在如图8所示的孔径452之下。在这种实施例中，钝化层454可以隔离(比如，分开)过滤材料460和屏蔽层450。当过滤材料460和屏蔽层450是不相容时，这种实施例可以是合适的，使得破裂或其他不想要的特征可以在生物传感器400(图7)的使用的制造期间开发。在其他的实施例中，界面516的至少一部分可以被定位在孔径452内。
还在图9中示出，钝化层454可以形成接合或角部区域519。接合区域519可以包括侧表面492且在纵向轴468周围延伸。接合区域519可以包括钝化层454的相对厚的部分，其从升高部分502延伸至材料界面516处的内部表面510(或在表面平面P1和界面平面P5之间)。接合区域519的尺寸可以抵抗在生物传感器400的制造期间和/或在指定方案(比如，SBS测序)期间可以发生的热循环期间由过滤材料460的膨胀引起的机械应力。如图所示，表面平面P1和界面平面P5之间的厚度是检测器表面412的升高部分502和界面512之间的厚度的两倍以上。
反应位点414可以包括生物或化学物质，其通常如图9中的点520表示。生物或化学物质可以被固定到检测器表面412上或者更具体地，被固定到基座表面490和侧面492上。在特定的实施例中，反应位点414被定位为接近于孔径452，以便光发射传播经过钝化层454，经过孔径452，以及直到光导462的输入区域472。
在一些实施例中，可以使反应位点414或其中的生物或化学物质520形成图案，使得反应位点414或物质520具有预定的位置。例如，在应用钝化层454之后，可以使反应位点414或其的部分在钝化层454上形成图案。在示出的实施例中，每个孔径452与单一的反应位点414相关联，使得来自反应位点414的光发射被引导朝向对应的光传感器440。在单一的反应位点414中的生物或化学物质520可以是相似或相同的(比如，具有共同序列的寡核苷酸的群)。然而，在其他的实施例中，多于一个反应位点414可以对应于孔径452中的一个。
在特定的实施例中，反应位点414可以包括垫或金属区域，其在2011年6月9日提交的美国临时申请第61/495,266号和在2011年10月28日提交的美国临时申请第61/552,712号中描述了该垫或金属区域。美国临时申请第61/495,266号(‘266申请)和美国临时申请第61/552,712号(‘712申请)中的每一个通过引用以其整体并入本文。在一些实施例中，检测位点414可以在检测设备404上制造流动池402(图7)之后而制成。
在示出的实施例中，反应位点414包括寡核苷酸520的群，在其中寡核苷酸具有有效共有序列。在这种实施例中，当通过被掺入在寡核苷酸中的荧光团吸收激发光401时，寡核苷酸中的每一个可以产生共有的光发射。如图所示，光发射466可以在所有的方向中发射(比如，各向同性的)，使得例如光的一部分被引导至光导462，光的一部分被引导以被屏蔽层450反射，以及光的一部分被引导至流道418或钝化层454。对于被引导至光导462的部分，本文描述的实施例可以被配置为促进光子的检测。
还在图9中示出，设备基座425可以包括被定位在设备基座425内的外围串扰屏蔽522、524。串扰屏蔽522、524可以相对于光导462被放置且被配置使得串扰屏蔽522、524阻挡或反射从光导462传播出的光信号。光信号可以包括已经被反射或被折射的激发光401和/或在检测器表面412处或接近于检测器表面412处产生的光发射466。在一些实施例中，串扰屏蔽522、524也可以直接地阻挡来自流道418的激发光401。因此，串扰屏蔽522、524可以减少不想要的光信号的检测。例如，串扰屏蔽522、524可以减少相邻的光传感器440之间的光串扰和/或可以提高对应的光传感器440的收集效率。串扰屏蔽522、524可以是例如在设备基座425的制造期间被制作的金属元件。在一些实施例中，用于制作电路446(图8)的M1、M2、M3、M2/M3、以及M3/M4元件的过程可以与制作串扰屏蔽522、524的过程相同或相似。例如，串扰屏蔽522、524可以被定位在设备基座425的介电材料(比如，介电层)内且包括用于制作电路466的相同的材料(比如，用于制作M1、M2、M3、M2/M3、以及M3/M4元素的材料中的一个或多个)。尽管未示出，在某些情况下，CMOS制造的不同阶段可以包括形成将传输数据信号同时还形成串扰屏蔽的金属元件。
尽管可以以与电路446相似的方式制造串扰屏蔽522、524，但串扰屏蔽522、524可以与电路446电分离。换言之，对于某些实施例，串扰屏蔽522、524可能不会传输数据信号。然而，在其他的实施例中，串扰屏蔽522、524可以是迹线或被配置为传输数据信号的其他金属元件。如还在图9中示出，串扰屏蔽522、524可以具有不同的横截面尺寸(比如，宽度、高度或厚度)和形状，并且还可以由不同的材料制作。
在示出的实施例中，串扰屏蔽522、524相互耦合以形成单一较大的串扰屏蔽。然而，在其他配置中，串扰屏蔽522、524可以彼此间隔开。例如，串扰屏蔽522、524可以沿着纵向轴468彼此间隔开。在示出的实施例中，串扰屏蔽522、524至少部分地围绕输入区域472和钝化层454的一部分。串扰屏蔽522直接地接合屏蔽层450。在一些实施例中，串扰屏蔽522、524可以仅部分地围绕光导462。在其他的实施例中，串扰屏蔽522、524可以构成圆周地围绕整个光导462的串扰环。参考图10和图11，在下面更详细地描述这样的实施例。
如图所示，导向腔456通过设备基座425的一个或多个内部表面526来限定。在特定的实施例中，内部表面526可以是来自衬底层432-437的介电材料(比如，SiO2)的表面。串扰屏蔽522、524可以直接地邻接光导，使得金属元件的一部分被暴露于且直接地接合光导462的过滤材料460。然而，在其他的实施例中，串扰屏蔽522、524并没有被暴露于光导462，并且相反地，可以被放置成紧邻于光导462，使得介电材料的一部分被定位在串扰屏蔽522、524和光导462之间。例如，在示出的实施例中，介电材料528、530分别被定位在光导462和串扰屏蔽522、524之间。介电材料528、530每一个可以包括内部表面526的一部分。介电材料528、530可以通过分离距离SD将光导462与各自的串扰屏蔽522、524分离。仅通过示例的方式，分离距离SD可以是至少大约150nm。在一些实施例中，分离距离SD是至少大约100nm。分离距离SD可以少于100nm。
图10是根据另一个实施例形成的检测设备602的示意性横截面。检测设备602可以包括与检测设备404(图7)相似的特征且可以用在生物传感器中，诸如生物传感器400(图7)或生物传感器102(图1)。检测设备602也可以使用集成电路制造技术来制造。描述和说明了检测设备602以证明检测设备和生物传感器可能具有的其他特征。在一些实施例中，检测设备602独自可以构成生物传感器。在其他的实施例中，检测设备602可以耦合到流动池以形成生物传感器。例如，检测设备602可以耦合到流动池402且在检测设备602和流动池402之间形成流道。
如图所示，检测设备602包括设备基座604、屏蔽层640、以及多个子层652、654，该子层共同形成检测设备602的钝化层650。设备基座604包括光传感器608的传感器阵列606和光导612的导向阵列610。光传感器608可以与光传感器440相似或相同，并且光导612可以与光导462相似或相同。例如，光导612被配置为接收激发光614和光发射616。如图所示，光发射616作为从单个点发射的光被示出。应该理解，光发射可以从沿着钝化层650的多个点产生。光导612中的每一个沿着中心纵向轴618从光导612的输入区域620向着传感器阵列606的对应的光传感器608延伸至设备基座604中。
类似于光导462，光导612可以包括被配置为过滤激发光614且允许光发射616经其向对应的光传感器608传播的过滤材料。设备基座604包括设备电路(未示出)，其电耦合到光传感器608且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。尽管在图10和图11中未示出，但设备基座604的电路可以与被定位在光导462之间的电路446(图8)类似地被定位在光导612之间。
如图所示，设备基座604包括被定位在设备基座604内的外围串扰屏蔽631-634。更具体地，光导612的每一个由多个串扰屏蔽631-634围绕。关于光导612的每一个的串扰屏蔽631-634可以沿着各自的纵向轴618彼此间隔开，使得在其间形成间隙641-643。间隙641-643的大小可以基本上彼此相等或可以不同。例如，间隙643稍大于间隙642。
在示出的实施例中，串扰屏蔽631-634被配置为圆周地围绕光导612。如本文使用的，短语“圆周地围绕”并不旨在要求光导612具有圆形截面和/或串扰屏蔽631-634具有圆形形状。相反地，如果串扰屏蔽围绕对应的纵向轴618，则串扰屏蔽可以圆周地围绕光导612。串扰屏蔽可以完全地围绕纵向轴618或仅部分地围绕纵向轴618。例如，串扰屏蔽631-634可以围绕对应的光导612连续地延伸，或者在其他情况下，串扰屏蔽631-634可以包括多个子元件，其单独地被分布在光导612周围以至少部分地围绕对应的光导。
类似于屏蔽层450，屏蔽层640可以形成从其中穿过的孔径642。孔径642基本上与对应的光导612和光传感器608对准以允许光信号传播到对应的输入区域620中。子层654可以的沉积在屏蔽层640上，使得子层654的材料充满孔径的至少一部分。在一些实施例中，附加的子层652被沉积在子层654上以形成钝化层650。仅通过示例的方式，子层652、654中的任一个可以包括等离子体气相沉积(PVD)Ta2O5或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)SixNy。在另一个实施例中，附加的子层可以被堆叠在子层652、654上。通过一个具体示例的方式，子层654可以是PVD Ta2O5，子层652可以是PECVD SixNy，并且堆叠在子层652上的附加的层可以是PVD Ta2O5。
图11是示出根据一个实施例制造生物传感器的方法700的流程图。在图12A和图12B中示出了方法700。方法700例如可以利用本文讨论的各种实施例(比如，系统和/或方法)的结构或方面。在各种实施例中，某些步骤可以被省略或被增加，某些步骤可以被组合，某些步骤可以被同时执行，某些步骤可以被并存地执行，某些步骤可以被拆分成多个步骤，某些步骤可以以不同的顺序执行，或者某些步骤或一系列步骤可以以重复的方式被重新执行。
方法700可以包括提供(在702处)具有光传感器802的传感器阵列的设备基座800。如图所示，设备基座800具有外或外部表面801。设备基座800可以使用集成电路制造技术来制造，诸如CMOS制造技术。例如，设备基座800可以包括具有被嵌入其中的几个不同修饰的特征(比如，金属元素)的衬底层。在一些实施例中，设备基座800可以包括导向区域804和电路区域806。导向区域804可以对应于设备基座800的部分，该部分在方法700之后将包括光导。可以通过包括设备电路(未示出)的电路区域806将相邻的导向区域804分离，该设备电路可以类似于本文描述的设备电路。更具体地，设备电路可以电耦合到光传感器802且被配置为基于由光传感器802检测的光子传输数据信号。在一些实施例中，导向区域804可以包括外围串扰屏蔽808，其围绕导向区域804中的衬底材料。
方法700也可以包括(在704处)将屏蔽层810应用到设备基座800的外表面801以及形成(在706处)通过屏蔽层810的孔径812。如上所述，屏蔽层810可以包括被配置为阻挡光信号的金属材料。可以通过应用掩膜(未示出)且移除屏蔽层810的材料(比如，通过蚀刻)以形成孔径812来形成孔径812。
在708处，导向腔814可在设备基座800中形成。更具体地，导向区域804内的衬底材料可以被移除，使得导向腔814从孔径812附近朝向对应的光传感器802延伸。如图12A所示，衬底材料的内部表面815可以限定导向腔814。可以设定导向腔814的大小和形状，使得内部表面815接近于串扰屏蔽808。如本文所述，串扰屏蔽808可以紧邻于内部表面815或者可以被暴露在导向腔814中。
方法700也可以包括(在710处)将过滤材料820沉积在导向腔814内。过滤材料820可以例如是有机过滤材料。在一些实施例中，过滤材料820的一部分可以在沉积操作之后沿着屏蔽层810延伸。例如，应用到设备基座800的过滤材料820的量可以超过导向腔814内的可用体积。因此，过滤材料820可以溢出导向腔814且沿着屏蔽层810延伸。
在一些实施例中，沉积(在710处)过滤材料820可以包括将过滤材料820按压(例如，使用刮板状的部件)到导向腔814中。图12A看起来表示沿着屏蔽层810的过滤材料820的均匀层。在一些实施例中，过滤材料820的层可能不是均匀的。例如，只有部分的屏蔽层810可以在其上具有过滤材料820。在可选实施例中，沉积操作可以包括选择性地填充导向腔814中的每一个，使得过滤材料820不会清除或溢出导向腔814。
在712处，可以固化过滤材料820。可选地，方法700也可以包括(在714处)从屏蔽层810中移除过滤材料820，以及在某些情况下，从导向腔814中移除部分的过滤材料820。可以从导向腔814中移除过滤材料820，使得过滤材料820的料位830被定位在孔径812内或在屏蔽层810之下的深度处。在料位830在屏蔽层810之下的实施例中，过滤材料820不能接触屏蔽层810的任何材料。在导向腔814内的过滤材料820可以形成光导。不同的过程可以被实现以用于从屏蔽层810中移除过滤材料820。例如，移除操作可以包括蚀刻过滤材料或化学地抛光过滤材料中的至少一个。
如图12B所示，方法700也可以包括(在716处)将钝化层832应用到光导的过滤材料820和屏蔽层810，使得钝化层832沿着屏蔽层810且在孔径812上直接地延伸。钝化层832可以在对应的材料界面834处(诸如材料界面516(图9))处沿着光导直接地延伸。在示出的实施例中，钝化层832具有平面的检测器表面836。在其他的实施例中，检测器表面836可以形成反应凹槽的阵列，诸如反应凹槽408(图7)。反应凹槽可以朝向对应的孔径812延伸或被定位在对应的孔径812内。
在一些实施例中，钝化层832包括多个子层841-843。在特定的实施例中，子层841-843中的至少一个包括钽。例如，子层841可以包括五氧化二钽(Ta2O5)，子层842可以包括低温薄膜(比如，氮化硅(SixNy)，并且可以具有检测器表面836的子层843可以包括五氧化二钽(Ta2O5)。然而，仅作为示例提供子层841-843，并且其他的钝化层可以包括更少的子层、更多的子层、或具有不同材料的子层。在某些情况下，只有单一的子层用于钝化层。
可选地，方法700可以包括提供(在718处)反应位点850和安装流动池(未示出)。提供反应位点850可以在流动池耦合到检测设备之前或之后发生。反应位点850可以被定位在指定地址处，使得反应位点850具有沿着检测器表面836的预定的图案。反应位点可以以预定的方式对应(比如，一个位点对应于一个光传感器，一个位点对应于多个光传感器，或者多个位点对应于一个光传感器)。在其他的实施例中，反应位点可以沿着检测器表面836随机地形成。如本文所述，反应位点850可以包括被固定到检测器表面836的生物或化学物质。生物或化学物质可以被配置为响应于激发光发射光信号。在特定的实施例中，反应位点850包括被固定在检测器表面836上的生物分子(比如，寡核苷酸)的簇或群。
在一个实施例中，提供了一种生物传感器，该生物传感器包括流动池和具有与其耦合的流动池的检测设备。流动池和检测设备形成被配置为在其中具有生物或化学物质的流道，该生物或化学物质响应于激发光而产生光发射。检测设备包括具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列的设备基座。光导具有被配置为接收激发光和来自流道的光发射的输入区域。光导从输入区域向对应的光传感器延伸至设备基座中且具有被配置为过滤激发光且允许光发射向着对应的光传感器传播的过滤材料。设备基座包括设备电路，其电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。检测设备也包括在流道和设备基座之间延伸的屏蔽层。屏蔽层具有孔径，其相对于对应的光导的输入区域放置使得光发射传播通过孔径至对应的输入区域中。屏蔽层在相邻的孔径之间延伸且被配置为阻挡激发光和在相邻的孔径之间入射到屏蔽层上的光发射。
在一个方面中，光导的输入区域可以被定位在屏蔽层的对应的孔径内或者可以被定位到设备基座中的深度。
在另一个方面中，检测设备可以包括沿着屏蔽层延伸的钝化层，使得屏蔽层处于钝化层和设备基座之间。钝化层可以延伸穿过孔径。
在特定的情况中，光导的过滤材料可以是有机过滤材料。钝化层可以沿着光导的输入区域直接地延伸且将有机过滤材料与屏蔽层隔离。材料界面可以被定位在屏蔽层的对应的孔径内或者被定位到设备基座中的深度。在某些实施例中，钝化层延伸至孔径中且形成反应凹槽的阵列。反应凹槽可以朝向对应的孔径延伸或被定位在对应的孔径内。
在某些实施例中，生物或化学物质被配置成被定位在反应凹槽内。在某些实施例中，反应凹槽具有对应的基座表面。基座表面可以被定位在孔径内或者可以被定位到设备基座中的深度。
在另一方面中，设备基座包括外围串扰屏蔽。串扰屏蔽中的每一个可以围绕对应的光导中的一个。串扰屏蔽可以被配置为减少相邻的光传感器之间的光串扰。
在另一个方面中，生物传感器是无透镜的，使得生物传感器并不包括将光发射朝向焦点聚焦的光学元件。
在一个实施例中，提供了一种生物传感器，该生物传感器包括流动池和具有与其耦合的流动池的检测设备。流动池和检测设备形成被配置为在其中具有生物或化学物质的流道，该生物或化学物质响应于激发光而产生光发射。检测设备可以包括具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列的设备基座。光导被配置为接收激发光和来自流道的光发射。光导中的每一个沿着中心纵向轴从光导的输入区域向传感器阵列的对应的光传感器延伸至设备基座中。光导包括被配置为过滤激发光且允许光发射经其向对应的光传感器传播的过滤材料。设备基座包括设备电路，其电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。设备基座包括位于其中的外围串扰屏蔽，该外围串扰屏蔽围绕导向阵列的对应的光导。串扰屏蔽绕各自的纵向轴至少部分地围绕对应的光导，以减少相邻光传感器之间的光串扰。
在一个方面中，串扰屏蔽可以围绕对应的光导的输入区域。
在另一个方面中，串扰屏蔽可以包括圆周地围绕对应的光导的串扰环。
在另一个方面中，设备基座可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)和设备电路。串扰屏蔽可以包括被定位在设备基座的介电层内的金属元件。串扰屏蔽可以与设备电路电分离。
在另一个方面中，屏蔽层可以在流道和设备基座之间延伸。屏蔽层可以具有孔径，其相对于导向阵列的对应的光导的输入区域放置。孔径可以允许光发射经其传播至输入区域。屏蔽层可以在相邻的孔径之间延伸且被配置为阻挡激发光和在相邻的孔径之间入射到屏蔽层上的光发射。例如，光导的输入区域可以被定位在屏蔽层的对应的孔径内或者被定位到设备基座中的深度。
在另一个方面中，检测设备也可以包括沿着屏蔽层延伸的钝化层，使得屏蔽层是在钝化层和设备基座之间且跨越孔径。
在另一个方面中，串扰屏蔽邻接或紧邻屏蔽层。
在另一个方面中，串扰屏蔽是第一串扰屏蔽，并且设备基座包括第二串扰屏蔽，其中导向阵列的光导中的每一个至少部分地由对应的第一串扰屏蔽和第二串扰屏蔽围绕。例如，第一串扰屏蔽和第二串扰屏蔽可以沿着对应的纵向轴彼此间隔开。在另一个实施例中，第一串扰屏蔽和第二串扰屏蔽具有不同的尺寸。
在一个实施例中，提供了制造生物传感器的方法。该方法包括提供具有光传感器的传感器阵列和设备电路的设备基座，该设备电路电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。设备基座具有外表面。该方法也包括将屏蔽层应用到设备基座的外表面和形成通过屏蔽层的孔径。该方法也包括形成导向腔，其从对应的孔径向传感器阵列的对应的光传感器延伸，以及将过滤材料沉积在导向腔内。过滤材料的一部分沿着屏蔽层延伸。该方法还包括固化过滤材料和从屏蔽层移除过滤材料。在导向腔内的过滤材料形成光导。该方法还包括将钝化层应用到屏蔽层，使得钝化层沿着屏蔽层直接地延伸且穿过孔径。
在一个方面中，从屏蔽层移除过滤材料包括移除导腔内的过滤材料的一部分，使得过滤材料的料位被定位在孔径内或在屏蔽层之下的深度处。
在另一个方面中，钝化层在对应的材料界面处沿着光导直接地延伸。材料界面被定位在对应的孔径内或者被定位到设备基座中的深度。
在另一个方面中，过滤材料是有机过滤材料。钝化层沿着光导直接地延伸且将有机过滤材料与屏蔽层隔离。
在另一个方面中，钝化层形成反应凹槽的阵列。反应凹槽朝向对应的孔径延伸或被定位在对应的孔径内。例如，反应凹槽可以具有对应的基座表面。基座表面可以被定位在孔径内或者被定位到设备基座中的深度。
在另一个方面中，方法还包括将流动池耦合到设备基座，以便在钝化层和流动池之间形成流道。
在另一个方面中，从屏蔽层移除过滤材料包括对过滤材料进行刻蚀或对过滤材料进行化学抛光中的至少一个。
在另一个方面中，钝化层包括五氧化二钽(Ta2O5)。例如，钝化层可以包括多个子层，在其中子层中的至少一个包括五氧化二钽(Ta2O5)。在更具体的实施例中，子层可以包括其间具有低温薄膜的两个五氧化二钽层。
在另一个方面中，设备基座具有包括在形成导向腔之前的衬底材料的导向区域，在其中通过包括设备电路的电路区域分离相邻的导向区域。形成导向腔可以包括移除导向区域的衬底材料。
在另一个方面中，设备基座可以包括外围串扰屏蔽，其在形成导向腔之前围绕导向区域。串扰屏蔽可以在形成光导之后至少部分地围绕对应的光导。串扰屏蔽可以被配置为减少相邻的光传感器之间的光串扰。
在一个实施例中，提供了一种生物传感器，该生物传感器包括具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列的设备基座。设备基座具有外表面。光导具有被配置为接收激发光和由接近于外表面的生物或化学物质产生的光发射的输入区域。光导从输入区域向对应的光传感器延伸至设备基座中，且具有被配置为过滤激发光且允许光发射向对应的光传感器传播的过滤材料。设备基座包括设备电路，其电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。生物传感器也包括沿着设备基座的外表面延伸的屏蔽层。屏蔽层具有孔径，其相对于对应的光导的输入区域放置使得光发射经过孔径传播至对应的输入区域中。屏蔽层在相邻的孔径之间延伸且被配置为阻挡激发光和在相邻的孔径之间入射到屏蔽层上的光发射。
在一个实施例中，提供了一种生物传感器，该生物传感器包括具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列的设备基座。设备基座具有外表面。光导被配置为接收激发光和由接近于外表面的生物或化学物质产生的光发射。光导中的每一个沿着中心纵向轴从光导的输入区域向传感器阵列的对应的光传感器延伸至设备基座中。光导包括被配置为过滤激发光且允许光发射经其向对应的光传感器传播的过滤材料。设备基座包括设备电路，其电耦合到光传感器且被配置为基于由光传感器检测的光子传输数据信号。设备基座包括位于其中的外围串扰屏蔽，该外围串扰屏蔽围绕导向阵列的对应的光导。串扰屏蔽绕各自的纵向轴至少部分地围绕对应的光导，以便进行阻挡错误的光线或反射错误的光线中的一个来减少相邻光传感器之间的光串扰。
应该理解，本文描述的主题在其应用时并不限于本文说明书中阐述或其附图中示出的构造细节和部件布置。本文描述的主题能够是其他实施例或以各种方式被实践或执行。并且，应理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的而不应被看作是限制。“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”及其变型在本文中的使用意图包括在其后列出的项及其等效物以及另外的项。
除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”、以及“耦合”以及它们的变型广泛地使用，并包括直接和间接安装、连接、支撑、和耦合。此外，“连接”和“耦合”并不限制到物理或机械连接或耦合。还应该理解，本文关于设备和元件取向所使用的措辞和术语(诸如，例如，术语类似“之上”、“之下”、“前”、“后”、“远端”、“近端”等)仅仅用于简化本文描述的一个或多个实施例的描述，而且并不单独地指示或暗示着涉及的设备或元件必须具有特定的取向。另外，本文使用的诸如“外”和“内”的术语是出于描述的目的而并不意图为指示或意味着相对重要性或意义。
应理解，以上的描述意图是例证性的并且不是限制性的。例如，上述的实施例(和/或其各个方面)可以被相互结合使用。另外，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应于当前描述的主题的教导而不偏离其范围。虽然本文描述的材料和涂料的尺寸和类型旨在限定所公开主题的参数，但是它们绝不是限制性的而是示例性实施例。在阅览以上描述之后许多其他的实施方式对于本领域的技术人员将是明显的。本发明的主题内容的范围应当因此参照所附的权利要求连同这样的权利要求有权享有的等价物的全部范围来确定。在所附的权利要求中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”是用作各自的术语“包含(comprising)”和“其中(wherein)”的简明英语等价物。此外，在下列权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记且并不旨在对它们的物体施加数字要求。此外，下列权利要求的限制没有以装置加功能的格式撰写且并不旨在基于35 U.S.C.§112，第六节来解释，除非且直到这样的权利要求限制明确地使用短语“用于…的装置”，之后是进一步结构的功能无效(function void)的声明。
权利要求记载了发明的主题的某些实施例的方面且被认为是上面公开的部分。这些方面可以相互组合。

Claims (21)

1.一种设备，包括：
流动池；以及
检测设备，所述检测设备使所述流动池与其耦合，所述流动池和所述检测设备形成被配置为在其中具有生物或化学物质的流道，所述生物或化学物质响应于激发光产生光发射，所述检测设备包括：
设备基座，所述设备基座具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列，所述设备基座具有外表面，所述光导被配置为接收所述激发光和来自所述流道的所述光发射，所述光导中的每一个沿着中心纵向轴从所述光导的输入区域向着所述传感器阵列的对应的光传感器延伸至所述设备基座中，所述光导包括被配置为过滤所述激发光且允许所述光发射经其向所述对应的光传感器传播的过滤材料，所述设备基座包括设备电路，所述设备电路电耦合到所述光传感器且被配置为基于由所述光传感器检测的光子传输数据信号；
钝化层，所述钝化层在所述设备基座的所述外表面上延伸并且在所述光导上方形成反应凹槽的阵列；
其中，所述设备基座包括被定位其中的外围串扰屏蔽，所述串扰屏蔽至少部分地围绕所述导向阵列的对应的光导，所述串扰屏蔽绕各自的纵向轴至少部分地围绕所述对应的光导以便减少相邻的光传感器之间的光串扰。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述串扰屏蔽围绕所述对应的光导的所述输入区域。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述串扰屏蔽包括圆周地围绕所述对应的光导的串扰环。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备基座包括互补金属氧化物半导体(CMOS)，且所述串扰屏蔽包括被定位在所述设备基座的介电层内的金属元件，所述串扰屏蔽与所述设备电路电隔离。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反应凹槽具有对应的基座表面，所述基座表面在所述设备基座中的一深度处被定位在所述光导上方。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括屏蔽层，所述屏蔽层在所述钝化层和所述设备基座之间延伸，所述屏蔽层具有孔径，所述孔径相对于所述导向阵列的对应的光导的所述输入区域放置，所述孔径允许所述光发射经其传播至所述输入区域中，所述屏蔽层在相邻的孔径之间延伸且被配置为阻挡所述激发光和在所述相邻的孔径之间入射到所述屏蔽层上的所述光发射。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述光导的所述输入区域被定位在所述屏蔽层的对应的孔径内，或者被定位到所述设备基座中的一深度。
8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述钝化层沿着所述屏蔽层延伸，使得所述屏蔽层在所述钝化层和所述设备基座之间，所述钝化层延伸跨越所述孔径。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述钝化层包括五氧化二钽(Ta2O5)。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述钝化层包括多个子层，其中所述子层中的至少一个包括五氧化二钽(Ta2O5)。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述子层包括在其间具有低温薄膜的两个五氧化二钽层。
12.根据权利要求10所述的设备，其中，所述子层包括两个等离子体气相沉积(PVD)的五氧化二钽层，在所述两个等离子体气相沉积(PVD)的五氧化二钽层之间具有等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的氮化硅薄膜。
13.根据权利要求6所述的设备，其中，所述串扰屏蔽邻接或紧邻所述屏蔽层。
14.根据权利要求6所述的设备，其中，所述屏蔽层与所述钝化层接触，但不与所述光导的所述过滤材料接触。
15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述串扰屏蔽是第一串扰屏蔽，所述设备基座包括第二串扰屏蔽，其中，所述导向阵列的所述光导中的每一个至少部分地由对应的第一串扰屏蔽和第二串扰屏蔽围绕。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述第一串扰屏蔽和所述第二串扰屏蔽沿着对应的纵向轴彼此间隔开。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述第一串扰屏蔽和所述第二串扰屏蔽具有不同的尺寸。
18.一种设备，包括：
设备基座，所述设备基座具有光传感器的传感器阵列和光导的导向阵列，所述设备基座具有外表面，所述光导具有被配置为接收激发光和由接近于所述外表面的生物或化学物质产生的光发射的输入区域，所述光导从所述输入区域向着对应的光传感器延伸至所述设备基座中，且具有被配置为过滤所述激发光且允许所述光发射向着所述对应的光传感器传播的过滤材料，所述设备基座包括设备电路，所述设备电路电耦合到所述光传感器，且被配置为基于由所述光传感器检测的光子传输数据信号；以及
钝化层，所述钝化层在所述设备基座的所述外表面上延伸并且在所述光导上方形成反应凹槽的阵列；
其中，所述设备基座包括被定位其中的外围串扰屏蔽，所述串扰屏蔽围绕所述导向阵列的对应的光导，所述串扰屏蔽绕各自的纵向轴至少部分地围绕所述对应的光导，以便进行阻挡错误的光线或反射错误的光线中的至少一个，以减少相邻的光传感器之间的光串扰。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述反应凹槽具有对应的基座表面，所述基座表面在所述设备基座中的一深度处被定位在所述光导上方。
20.一种制造设备的方法，所述方法包括：
在设备基座中形成导向腔，所述设备基座具有光传感器的传感器阵列和设备电路，所述设备电路电耦合到所述光传感器且被配置为基于由所述光传感器检测的光子传输数据信号，所述设备基座具有外表面和从所述外表面向着所述光传感器延伸的外围串扰屏蔽；
其中，所述导向腔从对应的孔径向着所述传感器阵列的对应的光传感器延伸，使得所述导向腔被所述外围串扰屏蔽分隔；
将过滤材料沉积在所述导向腔内，在所述导向腔内的所述过滤材料形成光导；
固化所述过滤材料；以及
将钝化层应用到在所述光导上延伸的所述设备基座上。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括在应用所述钝化层之前将屏蔽层应用到所述设备基座的所述外表面，以及在所述外围串扰屏蔽之间形成通过所述屏蔽层的孔径，其中，所述钝化层沿着所述屏蔽层直接地延伸且跨越所述孔径。
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