CN111867729B - 用于亚微米级反应室的电气动力装载的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

阐述用于所关注样本至亚微米级反应室中的电气动力装载的设备及技术。实施例包含用于并行分析样本的整合式装置及相关设备。该整合式装置可包含穿过该整合式装置的表面而形成且被配置以接纳诸如核酸分子的所关注样本的至少一个反应室。该整合式装置可进一步包含相邻于该反应室而图案化的电极，这些电极产生辅助将该样本装载至该反应室中的一个或多个电场。该设备可进一步包含与该整合式装置的该表面流体密封且被配置以保持含有这些样本的悬浮液的样本贮器。

Description

用于亚微米级反应室的电气动力装载的系统及方法
相关申请数据
本申请要求2018年1月8日提出申请且标题为“用于电气动力样本装载的系统及方法”的第62/614,912号美国临时申请的优先权，该美国临时申请以其全文引用方式并入本文中。
技术领域
本申请涉及可通过以下方式对样本执行大规模并行分析的整合式装置及相关仪器：同时将短光学脉冲提供至数万个反应室或更多反应室且自这些反应室接收荧光信号以进行样本分析。这些仪器对于护理点基因测序且对于个性化医疗而言可以是有用的。
背景技术
能够对生物或化学样本进行大规模并行分析的仪器通常由于可包含以下各项的数个因素而限制于实验室情境：其大尺寸、缺乏可携带性、要求熟练的技术人员来操作仪器、功率需要、对受控制操作环境的需要及成本。当样本(例如，DNA)将要使用此设备来分析时，常用范式是在护理点处或在现场提取样品，将该样品发送至实验室且等待分析的结果。结果的等待时间可介于自若干小时至若干天的范围内。
附图说明
将参考附图阐述本申请的各种方面及实施例。应了解，各图未必按比例绘制。出现在多个图中的项在其出现的所有图中由同一附图标记指示。
图1-1是根据某些实施例的整合式装置的剖面图的示意图。
图2-1是根据某些实施例的具有用于电气动力样本装载的电极配置的整合式装置的剖面图的示意图。
图2-2是根据某些实施例的具有用于电气动力样本装载的电极配置的整合式装置的剖面图的示意图。
图2-3是根据某些实施例的具有用于电气动力样本装载的电极配置的整合式装置的剖面图的示意图。
图2-4是根据某些实施例的具有用于电气动力样本装载的电极配置的整合式装置的剖面图的示意图。
图2-5是根据某些实施例的具有用于电气动力样本装载的电极配置的整合式装置的剖面图的示意图。
图2-6是根据某些实施例的具有用于电气动力样本装载的电极配置的整合式装置的剖面图的示意图，其中至电极的接触部形成为该整合式装置的一部分。
图2-7是根据某些实施例的具有用于电气动力样本装载的电极配置的整合式装置的剖面图的示意图，其中至电极的接触部形成为该整合式装置的一部分。
图2-8是根据某些实施例的具有用于电气动力样本装载的电极配置的整合式装置的剖面图的示意图，其中至电极的接触部形成为该整合式装置的一部分。
图2-9是根据某些实施例的具有用于电气动力样本装载的电极配置的整合式装置的剖面图的示意图，其中至电极的通孔形成为该整合式装置的一部分。
图3-1A是根据某些实施例的施加至用于电气动力样本装载的电极的电压信号的示意图。
图3-1B是根据某些实施例的提供至用于电气动力样本装载的电极的电流波形的示意图。
图3-2是根据某些实施例的施加至用于电气动力样本装载的电极的电压信号的示意图。
图4-1A、图4-1B、图4-1C及图4-1D绘示根据某些实施例的与形成至整合式装置的导电层的接触部的方法相关联的结构。
图4-2A、图4-2B及图4-2C绘示根据某些实施例的与形成至整合式装置的(若干)导电层的接触部的方法相关联的结构。
图4-3绘示根据某些实施例的与形成至整合式装置的导电层的通孔的方法相关联的步骤。
图4-4A、图4-4B及图4-4C绘示根据某些实施例的与形成经穿孔介电层的方法相关联的结构。
图5-1A是根据某些实施例的整合式装置及仪器的方块图。
图5-1B是根据某些实施例的包含整合式装置的设备的示意图。
图5-2是根据某些实施例的具有反应室、光学波导及时间分仓光检测器的像素的示意图。
图5-3是根据某些实施例的可发生在反应室内的例示性生物反应的示意图。
图5-4是具有不同衰变特性的两个不同荧光团的发射概率曲线的曲线图。
图5-5是根据某些实施例的荧光发射的时间分仓检测的曲线图。
图5-6A是根据某些实施例的例示性时间分仓光检测器。
图5-6B是根据某些实施例的例示性时间分仓光检测器。
图5-7A是图解说明根据某些实施例的来自反应室的荧光发射的脉冲激发及经时间分仓的检测的示意图。
图5-7B是根据某些实施例的在样本的重复脉冲激发之后在各种时间方格中的所累积荧光光子计数的直方图。
图5-8A、图5-8B、图5-8C及图5-8D是根据某些实施例的可与四个核苷酸(T、A、C、G)或核苷酸类似物对应的不同直方图。
具体实施方式
I.导论
本申请的方面涉及能够并行分析若干样本(包含识别单分子及核酸测序)的整合式装置、仪器及相关系统。这些系统可是紧凑的、容易携载的且容易操作的，从而允许医师或其他提供者容易地使用该系统且将该系统运送至可需要护理的所需位置。样本的分析可包含用一或多个荧光标志来标记该样本或相关联组份(例如，反应组份)，该一或多个荧光标志可用于检测该样本及/或识别该样本的单分子(例如，作为核酸测序的一部分的单独核苷酸识别)。荧光标志可响应于用激发光(例如，具有可将该荧光标志激发至受激发状态的特性波长的光)照射该荧光标志而受到激发，且若该荧光标志受到激发，则发射发射光(例如，通过自受激发状态返回至基态而由该荧光标志发射的具有特性波长的光)。该发射光的检测可允许识别该荧光标志，且因此识别由该荧光标志来标记的样本或与该样本相关联的分子。根据某些实施例，该仪器可能够进行大规模并行样本分析且可被配置以同时处置数万个样本或更多样本。
发明人已认识到且了解到，具有被配置以接纳该样本的反应室的整合式装置及形成于该整合式装置上的整合式光学器件及被配置以与该整合式装置相接口的仪器可用于实现此数目的样本的分析。该仪器可包含一或多个激发光源，且该整合式装置可与该仪器相接口，使得使用形成于该整合式装置上的整合式光学组件(例如，波导、光学耦合器、分光器)将该激发光递送至反应室。这些光学组件可改善照射跨越该整合式装置的反应室的均匀性且可减小原本可能需要的外部光学组件的大数目。此外，发明人已认识到且了解到，将光检测器整合于该整合式装置上可改善来自反应室的荧光发射的检测效率且减小原本可能需要的光收集组件的数目。
在单分子分析的上下文中，在将所关注样本或所关注分子(例如，模板核酸)自悬浮液中的其他分子当中分开以用于装载于各个反应室中时可能会出现挑战。发明人已认识到且了解到，将所关注分子自悬浮液中的其他分子当中隔离可通过将该整合式装置的反应室形成为适当地定大小且成形为允许单独分子的隔离而实现。以此方式，用户可在具有反应室的阵列的该整合式装置的表面上沉积用于分析的悬浮液，使得各个反应室可具有通过扩散而接纳该悬浮液的单分子的高概率。在某些实施方案中，反应室可适当地定大小且成形为使得各个反应室所接纳的分子数目的分布可允许反应室接纳0个、1个、2个或更多个分子。作为示例，所关注分子的分布可近似帕松(Poisson)分布，其中这些反应室的一定比例(例如，大致35％)接纳单分子。
在该整合式装置的某些实施方案中，反应室相对于波导定位，使得经过该波导传播的激发光耦合至该反应室且照射用于标记分子的荧光标志。另外，该反应室相对于一或多个光检测器定位，使得由该(若干)光检测器检测由荧光分子所发射的光。在将分子装载至各个反应室中使得分子定位于反应室内以允许荧光标志的充分激发和/或自荧光标志发射的光的充分光学检测时可能会出现挑战。举例而言，该整合式装置的某些实施例包含具有自该整合式装置的表面凹陷的底部表面的反应室，使得各个反应室具有一百纳米至数百纳米的量级(例如，在大致100nm至大致500nm的范围内)的深度。在这些实施例中，分子和/或用于标记分子的荧光标志可需要接近于该底部表面而定位以接收激发光和/或使与该反应室相关联的光检测器接收发射光。
当使用这些装置进行单分子分析时，可出现的一个挑战包含接近于反应室的底部表面定位所关注分子，这是因为将所关注分子与提供于整合式装置的表面上的悬浮液分开可涉及使该所关注分子自悬浮液的本体内移动且移动经过反应室的深度。将分子装载至反应室中的效率可由于分子可必须自悬浮液的本体内移动至反应室的底部表面的距离而受扩散限制。举例而言，将分子装载至反应室中所需要的时间量随着分子需要移动的距离而增加，使得装载效率可因反应室具有大深度而受限制。装载所需要的时间量可取决于分子的大小，使得较大分子通过扩散而自悬浮液的本体移动至反应室内所花费的时间可比较小分子更多。在涉及具有低分子浓度的悬浮液的应用中，与具有高分子浓度的悬浮液相比，所关注分子的低浓度可进一步增加装载分子所需要的时间量。跨越反应室阵列，由主要依赖于扩散来进行样本装载而引起的这些限制可影响将分子装载在阵列中的所需数目的反应室内的能力，使得这些反应室的仅一部分变得装载有用于分析的分子。与仅依赖于扩散相比较，本文中所阐述的样本装载技术可通过增加装载效率(包含减少用于将分子装载至反应室中的时间)而克服这些限制。这些样本装载技术可尤其适用于涉及装载大分子(诸如核酸分子)和/或处置具有尤其低浓度的分子的悬浮液的应用。在涉及核酸分子的应用中，电气动力装载对于含有多于10,000个碱基、20,000个碱基或30,000个碱基的分子而言可以是尤其有益的。电气动力装载在悬浮液中的核酸浓度小于100fM、小于10fM、小于1fM或小于100pM时可以是尤其有益的。
具体而言，发明人已认识到且了解到，施加被配置以辅助将所关注分子装载至反应室中的电场可改善样本装载效率。可将这些技术视为电气动力样本装载，因为分子响应于电场的影响而移动至所需位置。使用电气动力样本装载可涉及将电信号施加至一组电极，使得所关注分子移动至所需位置。在其中所关注分子带电(例如，具有净正或负电荷)的应用中，可将这些技术视为电泳样本装载，因为分子的移动可取决于所施加电场及所关注分子的电荷两者。在这些实施例中，这些技术可尤其适合于将所关注分子运送至所需位置，因为电场可对该所关注分子具有比不带电分子强的影响。
实施电气动力样本装载可涉及一或多个电极的适合定位，该一或多个电极被配置以诸如响应于接收到来自电路的电信号而在反应室附近产生电场，使得所关注分子朝向该反应室移动和/或移动至该反应室中。发明人已认识到且了解到，可使用一或多个电极的不同布置来产生该电场。具体而言，发明人已进一步认识到且了解到，与仅实施外部电极的情况相比，形成整合式装置以包含被配置以用作(若干)电极的一或多个导电层可对跨越反应室阵列改善样本装载提供益处。与通过单独使用外部电极相比，在整合式装置中并入用作电极的导电层可允许对电场(例如，电场强度、方向性)的改善的操纵。具体而言，与透过利用外部电极相比，此实施方案可允许产生电场，该电场更特别地以使分子自悬浮液的本体朝向各个反应室移动和/或移动至各个反应室中为目标。作为示例，整合式装置的(若干)导电层可用于产生在该整合式装置的表面和/或反应室的底部表面(例如，自该整合式装置的表面凹陷的表面)处或接近于该整合式装置的该表面和/或该反应室的该底部表面具有适当高强度的电场，这可改善分子的装载。作为另一实例，整合式装置可包含用作该整合式装置的各个反应室的(若干)电极的(若干)导电层，使得可单独地控制不同反应室的电场。作为再一示例，整合式装置可包含导电层，其中一组层被配置以使所关注分子自悬浮液的本体内朝向反应室移动且另一组层被配置以使该所关注分子移动至反应室中。在某些实例中，所产生电场可使该所关注分子自悬浮液的本体内(例如，位于该整合式装置上方的贮器中)朝向反应室移动。
另外，出于电气动力样本装载的目的而将(若干)导电层并入至整合式装置中可提供改善作为在使用期间装载样本的一部分而实施电气动力过程的可行性的益处，因为其减少且在某些例项中移除作为装载样本的一部分而定位在整合式装置外部的电极的步骤。而是，用户可仅仅将悬浮液沉积于整合式装置的表面上且操作耦合至该(若干)导电层的电路以控制电场的产生。在某些情形中，可使电路的操作自动化(例如，在将芯片装载至仪器中之后自动启动且响应于来自该芯片的反馈信号而自动终止)。这样的过程可改善与样本装载及执行样本的分析相关联的时间量。另外，这些实施方案可通过简化样本装载过程而改善用户使用整合式装置及相关联仪器来进行分析的总体体验。
根据本文中所阐述的技术，整合式装置的一或多个导电层的不同配置可用于提供这些益处中的一或多者。在该整合式装置的某些实施例中，形成于整合式装置中的(若干)导电层可形成于该整合式装置的表面处或接近于该整合式装置的该表面而形成。在该整合式装置的某些实施例中，可穿过该整合式装置的该(若干)导电层形成反应室中的某些或所有反应室，使得各个反应室在该(若干)导电层内形成开口或间断。在某些实施例中，整合式装置的反应室可通过介电材料与该整合式装置的导电层分开。在某些实施例中，整合式装置可包含由该(若干)导电层形成的电路，诸如耦合至光检测器且被配置以控制该光检测器的电路，该(若干)导电层也被配置以产生电场以辅助电气动力样本装载，由此为集成电路或整合式装置且为电气动力样本装载提供双重目的。在某些配置中，可通过使用作为一个电极的该集成电路或整合式装置中的该(若干)导电层及与该整合式装置分开的另一电极而产生辅助样本装载的电场。
在某些实施例中，整合式装置的(若干)导电层可被配置以形成用于辅助将分子装载至该整合式装置的一或多个反应室中的第一电极及第二电极两者。介电材料可形成于该整合式装置中以将该第一电极与该第二电极电隔离以在该第一电极与该第二电极之间产生电场，但限制该第一电极与该第二电极之间的电流。在某些实施例中，在该整合式装置内的同一组(若干)导电层可用于形成该第一电极及该第二电极两者。在这些实施例中，该第一电极及该第二电极可相对于反应室而定位以在该反应室上方横向地产生电场。在某些实施例中，第一导电层可形成第一电极且第二导电层可形成第二电极，其中该第一导电层及该第二导电层通过介电材料分开。在某些实施例中，反应室的一或多个侧壁可是导电的且电耦合至该整合式装置的一或多个导电层。该(若干)导电侧壁可允许在反应室内产生用于辅助分子在反应室内移动且在某些情况中朝向反应室的底部表面移动的电场。
为将电信号提供至整合式装置的该(若干)导电层，根据本文中所阐述的技术的设备可包含被配置以电耦合至该(若干)导电层的电路，其中该电路被配置以将电信号提供至该(若干)导电层以产生电场。在某些实施例中，该电路的某些或全部可在该整合式装置外部。在某些情况中，该整合式装置可被配置以与该电路相接口，使得该电路可通过一或多个电连接来电耦合以辅助进行样本装载且一旦达成所需样本装载量便被断开连接或停用。该整合式装置的某些实施例可包含该电路的某些或全部，诸如形成于该整合式装置中且电耦合至该装置的该(若干)导电层的一或多个集成电路。在某些情况中，该电路可既位于该整合式装置上又位于该整合式装置外部。不管该电路的配置如何，该电路皆可被配置以将适合的电信号施加至该(若干)导电层和/或外部电极。在某些实施例中，该电路可被配置以产生时变电压信号且将该时变电压信号施加至该(若干)导电层。施加该时变电压信号可产生随时间而变化的电场，这可辅助分子的装载。在电场的影响下移动的分子可由于该分子在悬浮液中占据的体积及该体积约束该分子朝向反应室移动合/或移动至该反应室中的能力的方式而具有减少的移动或变得固定化。施加时变电压可通过允许分子在不同类型的电场的影响下(这可允许分子重新定位或重新安排自身)而辅助减少或阻止分子的固定化。举例而言，在样本装载过程期间具有其中分子并非主要在电场的影响下且扩散主导分子的移动的时间可允许分子重新定位或重新安排自身，这可辅助在产生后续电场时将分子装载至反应室中。在某些情况中，该电路可被配置以产生具有含有不同频率的两个或两个以上的周期性波的电压信号且将该信号施加至该(若干)导电层。
用以辅助样本装载的其他技术可与本文中所阐述的电气动力样本装载技术组合来使用。某些技术可包含在将悬浮液沉积于整合式装置的表面上之前或之后将一或多种试剂引入至该悬浮液，该一或多种试剂用于辅助将所关注样本(例如，所关注分子)装载至该整合式装置的反应室中。此(若干)试剂可影响分子的排布，使得其可更适合于装载至反应室中。一种类型的试剂是被配置以减少所关注分子在悬浮液中占据的体积(其可被视为该分子的遍布体积)的缩合剂。通过引入缩合剂，该分子可具有比不存在该缩合剂的情况小的遍布体积且该分子可由于其较小遍布体积而更容易地装载至反应室中。另一类型的试剂是被配置以减少悬浮液中的分子可到达的体积的拥挤试剂。在某些实施例中，拥挤试剂可通过如下方式增加接近于该整合式装置的表面的所关注分子的浓度：自悬浮液的本体排除该所关注分子。在本文中且在以全文引用方式并入本文中的2017年12月19日提出申请且标题为「LOADING MOLECULES INTO REACTION CHAMBERS FOR ANALYSIS」的第15/847,001号美国专利申请中进一步阐述适合的缩合剂及拥挤试剂的示例。
II.电气动力样本装载
在图1-1中展示整合式装置1-102的剖面示意图，其图解说明一行像素1-112。像素1-112形成于整合式装置1-102的像素区域1-203中，其中各个像素1-112包含反应室1-108及具有一或多个光检测器1-110的光检测器区域。反应室1-108可穿过整合式装置1-102的表面1-116且在某些实施例中穿过导电层1-106而形成。在某些实施例中，导电层1-106可形成整合式装置1-102的表面1-116。在某些实施例中，整合式装置1-102的表面1-116可包含介电材料。尽管图1-1中未展示，但(若干)介电材料层可形成于导电层1-106上方，从而形成表面1-116的某些或全部。在该整合式装置的某些实施例中，在该(若干)介电材料层内的开口可曝露导电层1-106的表面且反应室可穿过该经曝露表面而形成。所得配置可允许产生具有接近于反应室而集中的所需电场强度的电场。
如图1-1中所展示，像素区域1-203可包含凹陷区域，其可被视为沟渠区域。某些实施例可包含诸如通过定位在沟渠区域周围(如图1-1中所展示)而定位在像素区域1-203的某些或全部周围的样本贮器1-114。样本贮器1-114可与整合式装置1-102的表面1-116形成流体密封，使得含有至少一个所关注样本和/或其他组份(例如，拥挤试剂、缩合剂)的悬浮液可保持在像素区域1-203上方的区域内。尽管图1-1仅展示样本贮器1-114的剖面图，但应了解，在某些实施例中，样本贮器1-114的尺寸可在垂直于图1-1中所展示的视图的维度上延伸，使得样本贮器1-114形成环绕像素区域1-203的封围区域。在某些实施例中，作为整合式装置1-102的封装过程的一部分，可在整合式装置1-102上形成样本贮器1-114。在这些实施例中，用户可仅仅在样本贮器1-114内沉积用于分析的悬浮液，因为样本贮器1-114已经定位以环绕像素区域1-203。在某些实施例中，样本贮器1-114可以可拆卸方式耦合至整合式装置1-102。在这些实施例中，用户可将样本贮器1-114定位于整合式装置1-102上且在样本分析之前在样本贮器1-114内沉积含有至少一个所关注样本的悬浮液以进行分析。尽管在图1-1中展示仅三个像素1-112，但应了解，任意适合数目的像素可定位于像素行内。另外，整合式装置1-102可具有任意适合数目的像素行，从而形成具有穿过整合式装置1-102的表面1-116而形成的反应室阵列的像素阵列。样本贮器1-114可适当地定大小且成形为容纳形成为整合式装置1-102的一部分的任意适合数目的反应室1-108。
作为装载样本的一部分，所关注分子可进入反应室1-108，且在某些实施例中可朝向接近于波导1-220而定位的底部表面1-118移动。在包含样本贮器1-114的实施例中，装载所关注分子可包含使用使所关注分子自沉积于样本贮器1-114内的悬浮液的本体内朝向整合式装置1-102的表面1-116移动的技术。沿着波导1-220(诸如沿着图1-1中所展示的z方向)传播的激发光可通过将该激发光的一部分自波导1-220耦合(例如，渐逝地耦合)至反应室1-108而照射定位于反应室1-108内的所关注分子和/或标记该所关注分子的荧光标志。在某些情形中，该反应室的底部位于波导1-220的一微米内。该所关注分子和/或标记该所关注分子的该荧光标志可响应于接收到该激发光而发射发射光，且与反应室1-108在同一像素中的光检测器1-110可接收发射光。在某些情形中，金属层1-240可包括用于整合式装置1-102的电路，举例而言作为用于光检测器1-110的控制电路。
根据本文中所阐述的技术，样本的装载可包含使用电气动力样本装载技术，其中整合式装置包含形成至被配置以产生电场的一或多个电极中的(若干)导电层，该电场操作以辅助将所关注分子(举例而言)装载至反应室中。在某些实施例中，该整合式装置可包含具有(若干)导电层的基板且该整合式装置的(若干)反应室可形成于该基板的表面中。图2-1展示包含单个反应室1-108的整合式装置的区域的示意图。样本贮器1-114经展示在该反应室周围，但应了解，一个以上反应室可定位于整合式装置的表面1-116上且样本贮器1-114可定位在多个反应室周围。如图2-1中所展示，保持在样本贮器1-114内的悬浮液可包含所关注分子2-116(例如，模板核酸)。在某些实施例中，所关注分子2-116可优先与位于反应室1-108的底部表面1-118处的目标2-117结合或以其他方式相互作用。在某些实施例中，目标2-117可包含生物素，且所关注分子可包含优先结合至生物素(诸如链霉亲和素)的区域。在其中所关注分子2-116是模板核酸的实施例中，目标2-117可包含可在底部表面1-118上固定化的聚合酶。该聚合酶可在反应室内与模板核酸相互作用，使得该模板核酸接近于底部表面1-118而定位。
如图2-1中所展示，整合式装置可包含导电层1-106a及1-106b，其中反应室1-108穿过层1-106a及1-106b两者而形成。导电层1-106a及1-106b可形成一或多个电极且可被配置以产生操作以辅助将所关注分子2-116装载至反应室1-108中的电场。导电层1-106a及1-106b的一者或两者可电耦合至电路2-112。在图2-1中所展示的实施例中，电路2-112还被配置以电耦合至外部电极2-110，外部电极2-110与该整合式装置分开定位且定位于该整合式装置的表面1-116上方。如图2-1中所展示，外部电极2-110可与样本贮器1-114分开。在某些实施例中，外部电极2-110可与样本贮器1-114整合在一起，使得外部电极2-110与样本贮器1-114机械耦合。在其他实施例中，外部电极2-110可被配置而以可移除方式附接至样本贮器1-114，使得对系统进行操作的用户可将外部电极2-110附接至样本贮器1-114的接口且拆卸外部电极2-110。如图2-1中所展示，外部电极2-110经定位为与样本贮器1-114内的流体悬浮液接触。应了解，整合式装置的某些应用可涉及外部电极2-110相对于位于样本贮器1-114内的悬浮液的不同放置。在某些实施例中，外部电极2-110可定位于悬浮液上方，使得外部电极2-110不接触悬浮液。在其他实施例中，外部电极2-110可浸没于悬浮液内。
电路2-112被配置以将(若干)电信号施加至层1-106a及1-106b以及电极2-110中的一者或两者以产生辅助将所关注分子2-116装载至反应室1-108中的电场。由图2-1中所展示的配置产生的电场(由虚线绘示)可被配置以使所关注分子2-116朝向整合式装置的表面1-116移动。电场的方向可受在电极2-110与导电层1-106a、1-106b之间施加的电信号的极性控制。某些配置可允许在反应室1-108附近产生电场，其中该电场在表面1-116处具有比在远离表面1-116的距离处(诸如在沉积于表面1-116上的悬浮液的本体内)高的强度。所关注分子2-116可朝向在电场的影响下的区域移动，使得图2-1中所展示的配置驱动分子朝向表面1-116的电气动力移动，这可增加表面1-116处的分子的总浓度。
电路2-112可在整合式装置外部，诸如被配置以将电压信号提供至导电层1-106a及1-106b的外部控制器。在某些实施例中，电路2-112可整合为整合式装置的一部分。举例而言，电布线可形成于整合式装置内以与层1-106a及1-106b中的一者或两者电耦合。任何适合的导电材料可用于形成导电层1-106a及1-106b，包括氮化钛(TiN)、钛及铝(Al)。在某些实施例中，形成表面1-116的导电层1-106a可包含氮化钛(TiN)且导电层1-106b可包含铝(Al)。在其他实施例中，导电层1-106a可包含铝(Al)且导电层1-106b可包含氮化钛(TiN)。在某些实施例中，接近于整合式装置的波导(诸如波导1-220)而定位的导电层可用于反射沿着该波导传播的光，这可改善整合式装置的光学性质，包括增加沿着波导传播的光量，因为光可朝向该波导往回反射。
反应室1-108可具有任何适合深度。由于接近于反应室的底部表面具有诸如金属层的导电层可影响整合式装置的光学性质，包括与激发光至反应室的光学耦合且与自反应室发射的光的光学检测相关联的光学性质，因此反应室1-108的深度可允许整合式装置的所需光学性质。在某些情况中，导电层可用作自反应室发射的光的反射体，者可改善由整合式装置的光检测器对发射光的收集。某些实施例涉及底部表面与一或多个导电层的相对定位以允许整合式装置的所需光学性质。在某些情况中，底部表面1-118与导电层1-106的间的距离d可在100nm至700nm的范围内，或为该范围中的任意值或值的范围。在某些实施例中，距离d可小于400nm。
在某些实施例中，反应室1-108可具有可由适合间隔件材料(例如，氧化钛(TiO2))形成的一或多个侧壁2-120。侧壁2-120的间隔件材料可不同于底部表面1-118以阻止或减少所关注分子与侧壁2-120的相互作用(与底部表面1-118相比)，使得该所关注分子优先与底部表面1-118结合或相互作用(与侧壁2-120相比)。此配置可允许所关注分子与底部表面的选择性结合或其他类型的相互作用，这可进一步辅助将所关注分子适合地装载至反应室中。
在某些实施例中，反应室的一或多个侧壁可包含(若干)导电材料，其中该(若干)侧壁电耦合至整合式装置的该(若干)导电层。图2-2图解说明与图2-1中所展示的类似的整合式装置的剖面示意图，该整合式装置具有反应室1-108的导电侧壁2-122。侧壁2-122可电耦合至导电层1-106，使得将电信号施加至(若干)导电层允许侧壁2-122也接收电信号且参与产生电场。在某些实施例中，侧壁2-122可包含也用于形成这些导电层中的一者(诸如导电层1-106a，如图2-2中所展示)的导电材料。任何适合的导电材料可用于形成导电侧壁2-122，包括氮化钛(TiN)、钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)及钨(W)。使用具有反应室的(若干)导电侧壁的整合式装置可在反应室1-108内产生电场，且在某些实施例中可在反应室1-108的底部表面1-118附近产生具有高强度的电场。整合式装置的此配置可增加所关注分子朝向反应室1-108的底部表面1-118的移动。
某些实施例涉及包含被配置以在整合式装置中形成多个电极的导电层1-106的整合式装置。在这些实施例中，外部电路可电耦合至形成于该整合式装置中的两个或两个以上电极。这些类型的配置可单独使用或与外部电极组合使用。在某些实施例中，(若干)导电层可被配置以形成第一电极及第二电极，其中该第一电极及该第二电极被配置以接收(若干)电信号以产生用于电气动力样本装载的电场。这些配置可允许在不使用外部电极的情况下进行电气动力样本装载，这可改善用户执行样本分析的易用性。在其中外部电极与由(若干)导电层形成的一组电极组合使用的实施例中，电耦合至该组电极且耦合至该外部电极的电路可被配置以在这些电极的不同组合之间施加不同电信号，这可允许分子至各个反应室中的改善的装载。
根据某些实施例，整合式装置可包含被配置以形成两个或两个以上电极的多个导电层1-106。这些导电层可通过介电材料分开，这可减少或阻止这些层之间的电流，从而允许电信号施加至这些层以产生电场。图2-3展示其中导电层形成两个电极作为整合式装置的一部分的例示性配置。图2-3中所展示的整合式装置包含导电层1-106a、1-106b及1-106c，其中介电层2-308介于导电层1-106b与1-106c之间。在此配置中，导电层1-106a及1-106b可被视为形成第一电极且导电层1-106c可被视为形成第二电极。该两个电极可相对于反应室1-108而定位以响应于该两个电极接收到来自电路2-312的电信号而在反应室1-108附近产生电场。应了解，任意适合数目的导电层皆可形成两个电极，只要介电材料定位于第一组导电层与第二组导电层之间以形成该第一电极及该第二电极即可。
如图2-3中所展示，反应室1-108穿过介电层2-308而形成，使得介电层2-308具有与反应室1-108重迭的开口。在某些实施例中，反应室1-108可具有锥形侧壁，使得形成反应室1-108的介电层2-308的开口的尺寸小于反应室1-108的开口的尺寸。举例而言，介电层2-308的开口的剖面尺寸(例如，沿着如图2-3中所展示的z方向)小于反应室1-108的开口的剖面尺寸(例如，沿着如图2-3中所展示的z方向)。用于将整合式装置中的两个导电层分开的适合介电材料的示例包括二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化钽(TaO5)、氧化铪(HfO2)及氧化铝(Al2O3)。
如图2-3中所展示，反应室1-108穿过导电层1-106a、1-106b及1-106c而形成。对于整合式装置的反应室阵列，各个反应室可穿过导电层1-106a、1-106b及1-106c中的每一者而形成。在这些实施例中，反应室1-108的深度可取决于这些导电层的相对深度。在某些实施例中，距离d是介于反应室1-108的底部表面1-118与最接近于底部表面1-118的导电层(在图2-3中所展示的整合式装置中，其是导电层1-106c)之间。在图2-3中所展示的实施例中，反应室1-108具有侧壁2-120，侧壁2-120可包含具有有限导电性或不具有导电性的间隔件材料以阻止或限制层1-106a、1-106b及层1-106c之间的电短路。
在某些实施例中，整合式装置可包含由(若干)导电层形成的电极阵列，其中该阵列中的各个电极对应于各个反应室。在这些实施例中，该整合式装置的第一反应室可对应于该阵列中的第一电极且该整合式装置的第二反应室可对应于该阵列中的第二电极。该第一电极及该第二电极可通过介电材料分开。电路可将电信号施加至该阵列中的各个电极，这可允许单独地控制针对不同反应室所产生的电场。此配置可改善分子至反应室中的装载，因为可监测各个反应室以确定所关注分子是否被装载以用于分析且在必要情况下修改施加至与该反应室对应的该电极的电信号以辅助样本装载。另外，在某些情形中，可在该反应室已装载有样本之后关断、减小、反转或反转且减小所施加的电信号。
图2-4图解说明整合式装置的剖面示意图，其中导电层1-106a及1-106c至少部分地定大小且成形以形成与所绘示反应室1-108对应的电极。电路2-312可(例如)利用位于附图的平面以外的互连件电耦合至导电层1-106a及1-106c，且可被配置以将电信号施加至层1-106c及层1-106a、1-106b。尽管在图2-4中展示仅一个反应室，但应了解，在整合式装置的反应室阵列内，导电层1-106a和/或1-106c的区域可被图案化且定位以形成与各个反应室对应的电极。举例而言，导电层1-106a和/或1-106c可被图案化以形成环绕或部分地环绕反应室的隔离电极。在俯视图中，此电极可表现为环形的。由导电层1-106c形成的电极可通过介电材料2-314分开。如图2-4中所展示，各个反应室可穿过导电层1-106c的离散区域而形成。举例而言，该阵列中的第一反应室可穿过导电层1-106c的第一区域而形成，且该阵列中的第二反应室可穿过导电层1-106c的第二区域而形成，其中该第一区域与该第二区域通过介电材料分开。作为另一示例，图2-9展示具有多个离散导电层1-106c1及1-106c2的整合式装置，其中第一反应室穿过层1-106c1而形成且第二反应室穿过层1-106c2而形成。如图2-9中所展示，层1-106c1及1-106c2通过介电材料2-614的区域分开。在某些实施例中，层1-106c1及1-106c2通过以下方式形成：沉积适合导电材料的层且蚀刻该层的部分以形成层1-106c1及1-106c2。
在某些实施例中，使用图2-3及图2-4中所展示的整合式装置的样本装载可包含除由导电层1-106a、1-106b及1-106c形成的两个电极之外还使用外部电极2-110。被配置以将电信号施加至该(若干)导电层及该外部电极的电路可包含被配置以将电信号施加至该外部电极及由(若干)导电层形成的电极中的一者的第一电路2-112及被配置以将电信号施加至由(若干)导电层形成的两个电极的第二电路2-312。如图2-3及图2-4中所展示，电路2-112电耦合至外部电极2-110及导电层1-106a、1-106b，且电路2-312电耦合至导电层1-106c及导电层1-106a、1-106b。示例性电场线在图2-3及图2-4中经绘示为虚线。根据某些实施例，电极可被图案化以产生电场，该电场在通向反应室的开口的例如500nm内的第一区域中具有与该第一区域外部的第二区域相比较的增加的强度。在某些情形中，该第一区域可具有大于或小于500nm(举例而言，介于100nm与2微米之间)的半径。
作为样本装载过程的一部分，电路的操作可包含电路2-112及电路2-312将不同电信号施加至耦合至电路2-112及电路2-312的电极。举例而言，由电路2-112施加的电信号可辅助将所关注分子朝向整合式装置的表面1-116移动，而由电路2-312施加的电信号可辅助将所关注分子移动至反应室1-108中。根据某些实施例，可同时施加由电路2-112及电路2-312施加的电信号。在某些实施例中，电气动力样本装载可通过在第一持续时间内使用电路2-112施加电信号且在继该第一持续时间之后的第二持续时间内使用电路2-312施加电信号而进行。
在电气动力样本装载的某些实施方案中，电路2-112可在外部电极2-110与导电层1-106a、1-106b之间施加第一电信号，且电路2-312可在导电层1-106c与导电层1-106a、1-106b之间施加不同于该第一电信号的第二电信号。根据某些实施例，电路2-112及电路2-312可同时施加该第一电信号及该第二电信号。在其他实施例中，电路2-112可在第一持续时间内施加该第一电信号且电路2-312可在继该第一持续时间之后的第二持续时间内施加该第二电信号。以此方式，施加该第一电信号可使所关注分子朝向表面1-116移动，且第一持续时间与第一电信号的组合可允许达到接近于表面1-116的分子的所需浓度。第二电信号的后续施加可使所关注分子移动至反应室中，且第二电信号与第二持续时间的组合可允许所需量的反应室的变得装载有所关注分子。
某些实施例涉及包含由同一组的(若干)导电层形成的电极的整合式装置，其中电极可被配置以接收电信号且产生电场以辅助将所关注分子装载至反应室中。电极可通过蚀刻该组(若干)导电层的区域以形成该组导电层的两个或两个以上分开的区域而形成。图2-5图解说明整合式装置的剖面示意图，其中导电层1-106a及1-106b形成不同电极。特定而言，导电层1-106a及1-106b的区域2-502已经被蚀刻以形成第一电极2-520及第二电极2-522。电路2-512可被配置以电耦合至第一电极2-520及第二电极2-522，这可产生电场。第一电极2-520及第二电极2-522可相对于反应室1-108定位以在施加来自电路2-512的电信号时在反应室1-108上方横向地产生电场。在该整合式装置的这些实施例中，该整合式装置的表面1-116可具有布置为与该整合式装置的一或多个反应室对应的多个电极。尽管未在图2-5中展示外部电极，但某些实施例可涉及将电信号施加至定位于反应室上方的外部电极以及第一电极2-520及第二电极2-522中的一者或两者。在某些情形中，可围绕反应室1-108的全部或几乎全部蚀刻出区域2-502以形成环形形状的电极。
某些实施例涉及使用该整合式装置的电路(诸如与该整合式装置的光检测器相关联的控制电路)作为用于电气动力样本装载的一或多个电极。图2-6图解说明整合式装置的剖面示意图，其中已形成金属层1-240作为整合式装置的一部分(例如，作为位于反应室1-108下面的检测电路的一部分)。在某些实施例中，该电路的至少一部分可被配置以接收电信号以用于产生电场从而辅助分子至反应室中的电气动力样本装载。举例而言，在检测电路的操作之前或在检测电路的操作期间间歇地，金属层1-240中的至少某些金属层可以用被用于样本装载的信号来加偏压。如图2-6中所展示，形成于整合式装置内的金属层1-240电耦合至光检测器1-110以将控制信号提供至光检测器1-110和/或自光检测器1-110接收读出信号。整合式装置可包含半导体(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS))区域2-640，半导体区域2-640可包含金属层1-240。整合式装置的光学结构(包含波导1-220)可形成于介电材料2-614内，其中反应室1-108与半导体区域2-640通过介电材料2-614分开。
某些实施例涉及用于形成与整合式装置的(若干)导电层的接触部的技术，这些接触部用作用于电气动力样本装载的(若干)电极。形成接触部和在这些接触部与该整合式装置的(若干)导电层之间的电连接可作为该整合式装置的封装的一部分而发生。该整合式装置的封装过程可包含将该整合式装置黏合至印刷电路板。封装(例如，印刷电路板)上的导电接触部接触形成为该整合式装置的一部分的(若干)电极。在某些实施例中，封装的这些导电接触部可自仪器接收电信号，该仪器可包含被配置以产生电信号且将这些电信号施加至该整合式装置的电极的电路。在某些实施例中，封装的这些导电接触部可接触该整合式装置的基板(例如，半导体裸片)，该基板可包含被配置以产生电信号且将这些电信号施加至该整合式装置的电极的电路。另外地或另一选择是，线接合可用于将该整合式装置的(若干)导电层电耦合至该整合式装置的封装的一部分和/或该整合式装置的基板。某些实施例可涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)处理技术以形成接达区域以与该整合式装置的导电层电连接。
如图2-6中所展示，半导体区域2-640可形成于基板2-602(诸如硅裸片基板)上。在某些实施例中，基板2-602可经由接合2-604(例如，黏合剂接合)附接至印刷电路板基板2-606。接触部2-608及2-610可形成于印刷电路板基板2-606上。如图2-6中所展示，接触部2-608可诸如通过将接触部2-608线接合至金属层1-240而电耦合至金属层1-240。接触部2-610可电耦合至导电层1-106b。如图2-6中所展示，该整合式装置的区域经蚀刻以形成用以接达金属层1-240的凹陷区域2-612。凹陷区域2-612及线接合至接触部2-606及2-610可作为整合式装置的封装过程的一部分而发生。
在某些实施例中，可形成用以接达(若干)金属层的凹陷区域且可在该凹陷区域上方形成(若干)导电层以电连接金属层与该(若干)导电层。该金属层可线接合至接触部，诸如印刷电路板基板上的接触部。作为示例，图2-7图解说明用以接达金属层1-240a的凹陷区域2-612及形成于凹陷区域内且与金属层1-240a接触的导电层1-106b。凹陷区域2-612也接触金属层1-240a且可允许与印刷电路板基板2-606的接触部2-608的线接合。
在某些实施例中，作为形成与(若干)导电层的电接触部的一部分，可使用(若干)封装组件来形成整合式装置的(若干)导电层与整合式装置的半导体区域内的(若干)金属层之间的电连接。举例而言，线接合可越过导电层且封装的组件可将线接合按压成与导电层接触，这可被视为“线接合桥形件”。如图2-8中所展示，封装组件2-802将线接合2-804按压成与导电层1-106a接触，从而形成线接合桥形件。线接合2-804与金属层1-240电接触，从而形成与接触部2-608的电连接。
某些实施例涉及整合式装置，其具有将整合式装置中的(若干)导电层电耦合至位于整合式装置的半导体区域内的电路的通孔结构。该整合式装置中的该电路可被配置以产生电信号且通过通孔结构将电信号施加至导电层。图2-9展示具有形成为将导电层1-106c1电耦合至金属层1-240a(其定位于半导体区域2-640中)的导电通孔2-910的整合式装置的例示性剖面示意图。类似地，在图2-9中展示用以将导电层1-106c2电耦合至金属层1-240b的通孔2-920。出于说明性目的，波导1-220在图2-9中用虚线来展示以指示波导1-220与整合式装置的其他结构的相对定位，但不包含于图2-9中所展示的平面中，因为导电通孔2-910及2-920位于远离波导1-220处，因此其不侵入波导结构。尽管图2-9中所展示的电极配置与图2-4中所展示的配置的类似之处在于存在与各个反应室对应的导电层，但应了解，可实施这些通孔结构以电连接形成电极的导电层，该电极可辅助跨越多个反应室进行样本装载。
无论用于电气动力样本装载的电极的配置如何，由耦合且施加至这些电极的电路产生的电信号可具有用于实现分子至反应室1-108中的装载的任何适合参数(例如，振幅、时间分布型、占空比、频率)。在某些实施例中，所施加电信号的参数可被选择以在跨越反应室阵列装载分子时达到所需的效率水平。举例而言，电信号的参数可被选择为减少针对反应室阵列中的特定数目、百分比或比率的反应室达到样本装载所需要的时间量(与当在反应室1-108的装载期间不施加电信号时相比较)。某些实施例涉及产生时变电压信号且将该时变电压信号施加至(若干)导电层且在某些实施例中施加至外部电极的电路。在某些情形中，可使用DC或以指数方式衰变的信号。
图3-1A绘示根据某些实施例的可施加至反应室1-108的电极的具有方波形的示例性时变电压信号。在某些实施例中，所施加波形可具有在图3-1A及图3-1B中由虚线指示的DC偏移。该DC偏移可在反应室1-108附近提供将样本朝向反应室牵引的电场。图3-1B绘示对方波形的示例性电流响应。此时变电压信号的施加可允许所关注分子朝向整合式装置的表面且在某些情况中至反应室中的单向移动。应了解，可实施用于电气动力样本装载的其他类型的时变电信号，包含具有正弦波形、锯齿波形及三角波形的时变电压信号。所施加波形的峰值电压可介于50毫伏与5伏特之间。在某些实施方案中，当所施加波形的峰值电压介于0.5伏特与1伏特之间时获得改善的性能。所施加波形的频率可介于0.1Hz与10kHz之间。在某些实施例中，该所施加电压及频率可在这些范围中的端值的10％内。
在某些实施例中，施加至电极以用于电气动力样本装载的时变电压信号可包含多个周期性波的组合(例如，两个或两个以上波形的迭加或相乘)。在某些情形中，所施加波形中的一或多者可包含DC偏压。除具有第二频率及第二振幅的第二周期性波之外，该时变电压信号还可包含具有第一频率及第一振幅的第一周期性波。该第一频率及该第二频率可不同，且在某些实施例中，该第一频率小于该第二频率。类似地，该第一振幅及该第二振幅可不同，且在某些实施例中，该第一振幅大于该第二振幅。图3-2绘示包括具有周期T1及振幅A1的第一方波形及具有第二周期T2及振幅A2的第二方波形的组合时变电压信号。如图3-2中所展示，周期T1大于周期T2，且振幅A1大于振幅A2。尽管展示组合的方波形，但在某些实施例中可使用其他波形(正弦、三角、锯齿、指数衰变等)的任何组合。此外，组合的波形可为不同类型(例如，方波及正弦波)。
根据某些实施方案，所有反应室的电极可连接在一起，使得所施加信号在整合式装置上的所有反应室处产生对应电场。在某些情形中，可存在彼此隔离以用于接收所施加信号以在反应室1-108处产生电场的多个电极。在这些情形中，第一组电极可针对第一反应室群组形成第一电场，第二组电极可针对第二反应室群组形成第二电场，且依此类推。在某些情形中，可施加不同信号以针对不同反应室群组形成不同电场。另一选择是或另外，可在不同时间施加信号以在不同时间装载反应室群组。在某些实施方案中，偏压电路可布置为类似于用于光检测器阵列的读出电路，使得可对反应室的电极单独地处理以在每一反应室1-108(或反应室行，或反应室列)处独立于所有其他反应室而形成电场。
在使用整合式装置进行样本分析期间，用户可将具有所关注分子的悬浮液(例如，对特定悬浮液体积移液)引入为接近于整合式装置的表面。举例而言且再次参考图1-1，用户可将悬浮液沉积在整合式装置的表面1-116上和/或像素区域1-203内。凹陷像素区域1-203和/或样本贮器1-114可用于将悬浮液保持为接近于表面，使得悬浮液不实质上自像素区域1-203(反应室位于其中)流动。根据本文中所阐述的技术，电气动力样本装载可用于将所关注分子自所沉积的悬浮液装载至各个反应室中。这些技术可包含将(若干)电信号施加至第一及第二电极以产生操作以辅助将所关注分子装载至整合式装置的反应室中的电场。第一电极及第二电极中的一者或两者可包含整合式装置的(若干)导电层。该电场可在整合式装置的表面附近产生且被配置以使所关注分子在朝向反应室的底部表面的方向上移动。在某些实施例中，所产生电场可被配置以将所关注分子与悬浮液中的其他组份(例如，样本碎屑、拥挤试剂、缩合剂)分开。在某些实施例中，将悬浮液引入于整合式装置的表面上可包含与样本组合而引入拥挤试剂和/或缩合剂。在本文中(包含下文在章节III中)阐述关于拥挤试剂及缩合剂的额外细节。
某些实施例可涉及使用识别分子是否已装载至整合式装置的各个反应室中的信息来调制施加至电极的电信号。举例而言，可用一或多个荧光标志来标记各个分子，该一或多个荧光标志可用于通过以下方式识别分子是否装载于反应室中：用激发荧光标志的光照射反应室且使用与反应室对应的光检测器来检测自反应室发射的任何光，其可包含由荧光标志响应于照射反应室而发射的光。使用此反馈信息，可在电气动力样本装载期间监测各个反应室以确定分子是否已装载至各个反应室中。
在某些应用中，此反馈信息可通知何时改变在样本装载过程期间施加至电极的电信号类型。举例而言，用于装载分子的电信号可最初施加至电极以允许将分子装载至各个反应室中，且不同电信号可响应于接收到识别所需数目的反应室已装载有分子的反馈信息而施加至电极。响应于接收到反馈信息而施加的电信号可被配置以产生用以减少分子至各个反应室中的移动和/或减少装载的分子离开反应室(分子装载于其中)的移动的电场。此电信号可被视为“反向电信号”，因为其用以阻止或减少分子至反应室中的进一步装载。这些技术可通过允许对反应室的主动监测且修改施加至电极的电信号以考虑到此反馈信息而进一步改善分子至反应室中的装载。
在其中电信号施加至电极使得针对反应室群组产生电场的实施例中，反馈信息可包含来自跨越反应室群组进行监测的信息且可提供群组中装载有分子的反应室的数目的指示。在这些实施例中，响应于接收到群组中装载有分子的反应室的该数目等于或高于装载有分子的反应室的阈值数目的指示，可将反向电信号施加至电极。
在其中电信号施加至电极使得可调制与各个反应室相关联的电场的实施例中，诸如在图2-4、图2-7及图2-9中所展示的整合式装置的实施例中，反馈信息可包含与特定反应室是否装载有分子相关联的信息。在这些实施例中，反向电信号可施加至与基于反馈信息而已经识别为装载有分子的各个反应室相关联的电极。以此方式，可接近于不同反应室产生不同电场，使得还需要装载分子的反应室具有被配置以辅助样本装载的电场，而已经识别为具有装载的分子的那些反应室具有用于减少或阻止额外分子进入反应室的电场。
整合式装置的性能的方面可涉及在整合式装置的操作期间(例如，在样本的分析期间)悬浮液中的组份进入/离开反应室的扩散。作为示例，保持于反应室1-108中的DNA复合物可以是相当大的(具有大遍布体积)，且复制产物的大小在测序运行期间不断增长。在某些情形中，大DNA复合物可能占据反应室的许多体积，且因此限制荧光标记的核苷酸至反应室的底部的扩散速率。标记的核苷酸的减小的扩散速率可限制测序速度(及荧光脉冲速率)以及测序读取长度。为改善扩散速率，电信号可在测序运行期间施加至电极，举例而言，以将DNA的至少一个未栓系端拉出反应室。此将以类似于上文所阐述的“反向电信号”的方式来完成，除了当具有大遍布体积的分子或蛋白质保持于反应室中时在测序或样本分析期间将施加此信号。在某些情形中，在样本分析期间施加至电极的信号可周期性地形成脉冲以将样本至少部分地拉出井。此信号可针对每一室单独地施加至反应室的电极，施加至室群组，或施加至芯片上的所有或几乎所有反应室。
被配置以将电信号施加至电极以用于电气动力样本装载的电路可施加不同类型的信号。在某些实施例中，电路可施加被配置以使所关注分子朝向整合式装置的表面移动的第一电信号，且施加被配置以使所关注分子在反应室内移动的第二电信号。在某些情况中，该第一电信号施加至第一电极及第二电极，且该第二电信号施加至该第二电极及第三电极。
如上文结合不同电极配置所论述，电路可将电信号施加至电极的任何适合组合，包含由(若干)导电层形成的电极以及外部电极。在某些实施例中，电路可被配置以将电信号施加至包含第一导电层子集的第一电极及包含通过介电材料与该第一子集分开的第二(若干)导电层子集的第二电极。在某些实施例中，电路可被配置以将电信号施加至由相同导电层形成的第一电极及第二电极。在这些实施例中，该第一电极包含该(如果)导电层的第一区域且该第二电极包含该(如果)导电层的第二区域，其中该第一区域及该第二区域通过介电材料分开。在某些实施例中，电路可被配置以将电信号施加至包含(若干)导电层的第一电极及在整合式装置外部的第二电极。
制作将形成为整合式装置的电极的导电层可使用任何适合的基于硅的制作工艺(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺)。在实施线接合接触(诸如图2-6中所展示的导电层1-106b与接触部2-610的线接合接触)的实施例中，制作可包含形成与导电层接触的金属层且曝露该金属层以形成线接合接触。该金属层可具有在100nm至800nm的范围内或者为该范围中的任何值或值范围的厚度。该金属层的厚度可允许用于线接合的稳健接触区域或形成于该金属层上方的导电层。
图4-1A至图4-1D展示与用于形成金属层的示例性过程相关联的结构，该金属层用于与导电层进行线接合接触，该导电层用于在整合式装置中形成电极。图4-1A中所展示的第一步骤包含在介电层4-102上方形成金属层4-104(例如，铝(Al))。金属层4-104可具有在100nm至800nm的范围中或者为该范围中的任何值或值的范围的厚度。尽管图4-1A中未展示，但某些实施例可涉及在金属层4-104下方形成一或多个黏合层(例如，钛、氮化钛)。图4-1B中所展示的第二步骤包含将金属层4-104的一部分蚀刻至介电层4-102中，这可形成具有反应室的所得整合式装置的区域，诸如图1-1中所展示的像素区域1-203。图4-1C中所展示的第三步骤包含在蚀刻的金属层4-104及介电层4-102上方形成导电层4-106a及4-106b。在某些实施例中，导电层4-106b包含铝且导电层4-106a包含氮化钛。图4-1D中所展示的第四步骤包含在金属层4-104上方蚀刻导电层4-106a的部分以曝露导电层4-106b。蚀刻导电层4-106a及本文中所阐述的其他蚀刻步骤可包含使用任何适合的光刻及蚀刻技术。举例而言，可施加且图案化抗蚀剂以遮蔽未被蚀刻的区域，且可在完成蚀刻之后移除该抗蚀剂。
图4-2A至图4-2C展示与用于形成至导电层(可充当整合式装置中的电极)的接触部的例示性过程相关联的结构。图4-2A中所展示的第一步骤可在蚀刻金属层4-104及介电材料4-102(诸如图4-1B中所展示)之后发生，且包括在蚀刻的金属层4-104及介电材料4-102上方形成导电层4-106c、介电层4-108、导电层4-108b及导电层4-106a。图4-2B中所展示的第二步骤包含蚀刻穿过层4-106a、4-106b、4-108及4-106c以及介电材料4-102以形成反应室。此步骤还可包含在蚀刻的反应室的侧面形成侧壁4-120。图4-2C中所展示的第三步骤包含在金属层4-104上方穿过层4-106a、4-106b及4-108蚀刻接触开口4-110以曝露导电层4-106c。此步骤还可包含穿过层4-106a蚀刻接触开口4-112以曝露导电层4-106b。所得整合式装置可具有与图2-3中所展示的配置类似的配置。可了解，可实施子步骤(例如，抗蚀剂沉积、图案化、移除、清洁、额外蚀刻等)以获得图4-1A至图4-1D、图4-2A至图4-2C及图4-4A至图4-4C中所展示的结构。
某些实施例涉及在整合式装置内制作一或多个通孔以将一或多个导电层电连接至一或多个金属层，该一或多个金属层可形成为半导体区域的一部分。可在形成电耦合至通孔的导电层之前形成各个通孔。图4-3图解说明在制作整合式装置(诸如图2-9中所展示的整合式装置)期间形成(若干)通孔的例示性方法4-300的步骤。在步骤4-310中，在整合式装置的半导体区域上方形成整合式装置的(若干)光学结构(例如，波导)。参考图2-9，步骤4-310可包含在半导体区域2-640上方在介电材料2-614中形成波导1-220，半导体区域2-640包含金属层1-240a及1-240b。在某些实施例中，步骤4-310可包含化学机械平坦化(CMP)处理的一或多个步骤以形成介电材料2-614的平坦化表面(例如，在积累介电材料2-614且形成整合式结构时)。举例而言，在其中整合式装置包含凹陷或沟渠区域(诸如在图2-9中所展示的像素区域1-203内的凹陷区域2-905)的实施例中，可在介电沉积及CMP步骤之后在步骤4-310中形成凹陷区域2-905。
方法4-300可包括步骤4-320，步骤4-320包含蚀穿通孔以接达半导体区域中的(若干)金属层。在步骤4-320中执行的蚀刻可包含蚀刻穿过介电材料(诸如介电材料2-614)和/或图2-9中所展示的半导体区域2-640中的某些材料，以形成接达金属层的开口。方法4-300可进一步包括步骤4-330，步骤4-330包含通过用(若干)导电材料填充蚀刻的开口而形成导电通孔2-910、2-920。用于填充蚀刻的开口的适合材料的示例是钨。步骤4-330可包含任何适合金属化处理技术，包含化学汽相沉积(CVD)。在某些实施例中，可在将导电材料沉积于蚀刻的开口中的后使用化学机械平坦化(CMP)处理以移除过多金属沉积且在波导上方形成平坦化表面，留下填充蚀刻的开口的导电塞(也称为导电通孔)。在某些实施例中，可在将导电材料沉积于蚀刻的开口中之后使用光刻及蚀刻技术以移除在波导上方的残余材料，否则这可能影响波导和/或所得整合式装置的其他光学结构的光学性能。
例如，方法4-300可进一步包括步骤4-340，步骤4-340包含在导电通孔2-910、2-920上形成导电层1-106c1、1-106c2。可使用包含化学汽相沉积(CVD)的适合沉积过程形成导电层。参考图2-9，可在步骤4-340处形成导电层1-106c1及1-106c2。方法4-300可进一步包括步骤4-350，步骤4-350包含在步骤4-340中所形成的导电层上方形成包含导电层1-106a、1-106b及(若干)介电层的额外层，且穿过所沉积的层形成(若干)反应室。在某些情形中，可在已经沉积于导电层1-106a、1-106b上方的一或多个介电层中蚀刻凹陷区域2-905。可形成于导电层上方的适合介电材料的示例包含二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化钽(TaO5)、氧化铪(HfO2)及氧化铝(Al2O3)。
参考图2-9，介电材料2-614及导电层1-106a、1-106b可形成于导电层1-106c1及1-106c2上方。形成反应室1-108可包含穿过一或多个导电层及(若干)介电层的多步骤蚀刻过程。如图2-9中所展示，反应室1-108穿过导电层1-106a、1-106b及1-106c1、1-106c2而形成，且形成至介电材料2-614中。在某些实施例中，步骤4-350可包含在反应室的侧壁上形成间隔件材料。举例而言，可在步骤4-350中形成如图2-9中所展示的侧壁2-120上的间隔件材料。
整合式装置的某些实施例可具有至少部分地由介电材料形成的表面1-116。在某些实施例中，一或多个介电材料层可形成于导电层上方且该一或多个层的区域可被移除以对应于各个反应室的位置。以此方式，该整合式装置的所得表面可被视为具有“穿孔的介电层”。整合式装置的此配置可允许接近于反应室产生具有特别高电场的电场。图4-4A至图4-4C展示与用于形成穿孔的介电层的例示性过程相关联的结构。图4-4A中所展示的第一步骤可发生在蚀刻金属层4-104及介电材料4-102(诸如图4-1B中所展示)之后，且包括在蚀刻的金属层4-104及介电材料4-102上方形成导电层4-106c、导电层4-108b、导电层4-106a及介电层4-408。图4-4B中所展示的第二步骤包含在区域中蚀刻穿过介电层4-408以曝露导电层4-106a。蚀刻介电层4-408可包含使用任何适合光刻及蚀刻技术。图4-4C中所展示的第三步骤包含蚀刻穿过层4-106a、4-106b、4-108及4-106c以在与导电层4-106a的曝露的区域对应的位置处形成各个反应室。此步骤还可包含在蚀刻的反应室的侧面形成侧壁4-120。尽管仅一个介电层被展示为介电层4-408，但应了解，任意适合数目的介电材料层可形成于导电层上方。可用于形成介电层4-408的介电材料的示例包含二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化钽(TaO5)、氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)及其他金属氧化物。
III.额外样本装载技术
除了其他方面，本申请还阐述用于将所关注样本装载至反应室中的装置及方法。在某些方面中，本文中所阐述的技术涉及使含有样本(例如，所关注分子、蛋白质或粒子)的悬浮液与包括至少一个反应室的整合式装置的表面1-116接触的步骤，该至少一个反应室具有在该整合式装置的该表面远端的底部表面。悬浮液可包括放置于凹陷区域2-905中的含有多个样本的液体溶液。在某些情形中，悬浮液可包括这些样本溶解于其中的液体。在某些情形中，悬浮液可包括这些样本分散于其中的液体。术语“悬浮液”在本文中用于指任一类型的样本混合物。悬浮液可进一步包含参与发生在反应室中的反应的反应组份。在某些实施例中，可使该悬浮液与进一步将这些样本朝向该反应室的底部表面引导的拥挤试剂接触。在某些实施例中，可使该悬浮液与使这些样本缩合(例如，紧凑)的缩合剂接触。在某些实施例中，该反应室的该底部表面包括耦合部分，该耦合部分被配置以在适合于准许将样本结合至该耦合部分的条件下结合所关注样本，由此将该样本耦合至反应室的底部表面。
在某些方面中，本文中所阐述的装置及方法在允许检测悬浮液中的单独样本的技术中可是有用的。通过示例而非限制方式，该单独样本可是胺基酸、多肽、核苷酸和/或核酸。举例而言，在某些实施例中，本申请中所提供的装置及方法可结合单分子核酸测序技术来使用。单分子核酸测序允许通过实时监测与模板核酸互补的核酸分子的延伸而确定单个模板核酸分子的序列。
在某些技术中，通过隔离多个反应室中的每一者内的单个测序模板而执行单分子核酸测序。然而，在许多应用中，这些反应室的总体积相对于总悬浮液体积是相当低的。另外，最小化单个反应室中的多个模板所需要的悬浮液中的测序模板的浓度通常是低的，使得将测序模板装载至反应室中的动力学可严重地限制成功地装载且具有充分活性的复合物的量。
在某些技术中，单个反应室包括单个所关注样本(例如，单个测序模板)是优选的。因此，在某些实施例中，当将包括例如测序模板的悬浮液装载至包括反应室阵列的整合式装置上时，必须注意避免以测序模板的高浓度使该整合式装置过饱和。在这些情况中，装载具有稀释浓度的测序模板的悬浮液通常是可取的。
在不希望受理论约束的情况下，推测稀释浓度的悬浮液中的测序模板跨越反应室阵列的分布通过帕松分布最佳地建模。此离散概率分布预测阵列中的反应室的大致37％将含有一个测序模板，剩余反应室含有零个或多个测序模板。在实践中，跨越反应室阵列实现37％的单一占据可因任意数目的化学和/或机械变量而复杂化。在某些方面中，本文中所阐述的装置及方法有利地增加跨越反应室阵列的单一占据的百分比。
在某些实施例中，本文中所阐述的装置及方法能够实现所关注分子在反应室阵列中的单一占据，该单一占据与由帕松统计学预测的量相当、与该量大致相同或比该量大。举例而言，在某些实施例中，本公开的装置及方法可实现所关注分子的介于阵列中的反应室的20％与25％之间、介于阵列中的反应室的25％与30％之间、30％与35％之间、35％与37％之间、37％与40％之间、40％与45％之间、45％与50％之间、50％与60％之间、60％与70％之间、70％与80％之间、80％与90％之间、90％与95％之间、95％与99％之间或95％与100％之间的单一占据。在某些情形中，占据可在这些范围中的一或多者中的端值的10％内。
本文中所阐述的装置及方法可允许将所关注分子装载至极其小体积的反应室中。举例而言，在某些实施例中，整合式装置中的样本贮器(例如，凹陷区域2-905)及其中的所有反应室的容量是大致20×10-6L，其中每一反应室具有大致3×10-18L的体积。在某些实施例中，整合式装置含有512,000个反应室。因此，在某些实施例中，所有反应室的总体积占悬浮液的容量的大致0.00000768％。
A.拥挤试剂
在某些实施例中，拥挤试剂可有效地将所关注样本(例如，测序模板)自悬浮液的本体溶剂中排除。拥挤试剂的包含可产生将所关注分子自悬浮液的本体体积排除的体积排除效应，这可辅助将所关注分子朝向反应室驱动和/或驱动至反应室中。因此，较大百分比的反应室能够接纳成功装载的所关注分子。因此，在某些实施例中，拥挤试剂可产生有效地增加所关注分子在整合式装置的表面处的浓度的热力学驱动力。在某些实施例中，拥挤试剂可因具有使所关注分子至反应室中的移动加速度的动力学效应而减少装载时间。
如本文中所使用，“拥挤试剂”是允许、增强或促进样本拥挤的任何化合物或分子。在不希望受任何特定机制约束的情况下，表明拥挤试剂减少可用于样本或其他高分子的溶剂体积。此排除体积效应由于与拥挤试剂的非特定相互作用(诸如位阻排斥力)而限制样本或高分子可达到的体积。因此，在某些实施例中，拥挤试剂可称为“体积排除器”或“体积排除试剂”。在某些实施例中，拥挤试剂相对于相同悬浮液中的其他组份是惰性的。在某些实施例中，拥挤试剂不干扰发生在相同悬浮液中的反应。
应了解，作为本文中所阐述的样本装载技术的一部分，可使用产生体积排除效应的不同类型的拥挤试剂。某些类型的拥挤试剂可吸水，从而允许除水以外的分子聚合和/或变得集中在特定位置处，诸如整合式装置的表面处。在某些情况中，拥挤试剂结合至和/或系住悬浮液中的水以排除该悬浮液中的样本或高分子。另一类型的拥挤试剂可用以使悬浮液中的所关注分子(诸如测序模板)的体积紧凑。这些拥挤试剂可允许较大测序模板被装载至反应室中，因为测序模板的总体体积减小。其他类型的拥挤试剂可促进相分离和/或施加渗透压。
作为样本装载过程的一部分而包含一或多个拥挤试剂可促进将所关注分子装载至反应室中，包含促进在较长距离内且更快地装载分子(与不使用拥挤试剂的情况相比)。以此方式，拥挤试剂可减少在可执行使用包括反应室的整合式装置对例如样本进行单分子分析之前在该装置上培养悬浮液所需要的时间。在某些实施方式中，可以选择特定拥挤试剂使得其保持(例如，优先地)在样本贮器中(与迁移至反应室中相反)。在某些实施例中，这促进驱动将样本(例如，DNA-聚合酶复合物)装载至反应室中的热力学驱动力。在某些实施例中，较低黏度拥挤试剂(诸如聚蔗糖或聚乙烯吡咯烷酮)相对于较高黏度试剂具有高迁移率及较差的局部化，且不像较高黏度试剂一样有效。然而，应了解，在某些背景中，较低黏度试剂可是有用的。
在某些实施例中，拥挤试剂是多醣。在某些实施例中，拥挤试剂是纤维素分子。在某些实施例中，拥挤试剂是甲基纤维素。在某些实施例中，拥挤试剂是选自由以下各项组成的群组的纤维素分子：乙基纤维素、甲基乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素乙基醚、羟甲基纤维素及衍生物以及其组合。在某些实施例中，拥挤试剂是聚蔗糖聚合物。在某些实施例中，诸如纤维素拥挤试剂(例如，63,000的甲基纤维素MC)的拥挤试剂具有50,000至500,000Da(例如，在某些实施例中自50kDa至100kDa、在某些实施例中自100kDa至200kDa、在某些实施例中自200kDa至300kDa、在某些实施例中自300kDa至400kDa及在某些实施例中自400kDa至500kDa)的平均分子量。在某些情形中，拥挤试剂可具有大于500kDa的平均分子量。
在某些实施例中，拥挤试剂提供于悬浮液中，可向该悬浮液或已向该悬浮液添加用于分析的样本。在某些实施例中，悬浮液中的拥挤试剂的浓度介于按重量的0.6％与0.9％之间或等于这些端值中的任一者。在某些实施例中，悬浮液中的拥挤试剂的浓度介于按重量的0.9％与1.8％之间或等于这些端值中的任一者。在某些实施例中，悬浮液中的拥挤试剂的浓度介于按重量的1.8％与2.0％之间或等于这些端值中的任一者。在某些实施例中，悬浮液中的拥挤试剂的浓度介于按重量的2.0％与2.3％之间或等于这些端值中的任一者。在某些实施例中，悬浮液中的拥挤试剂的浓度是按重量的大约2.3％。在某些实施例中，拥挤试剂在按重量的0.1％与按重量的1.0％之间、在某些情形中在按重量的1.0％与按重量的5.0％之间、在某些情形中在按重量的5.0％与按重量的10.0％之间且在某些情形中在按重量的10.0％与按重量的20.0％之间存在于悬浮液中。在某些实施方式中，悬浮液中的拥挤试剂的浓度可具有大于按重量的20％的值。在某些情形中，拥挤试剂的浓度在以上所表达范围或值的10％内。
在某些实施例中，以可放置为与(例如，在样本贮器中的)悬浮液直接接触的凝胶(例如，亲水凝胶)的形式提供拥挤试剂。可在不受移液考虑限制的情况下(例如，以凝胶堵剂的形式)施加凝胶且可以凝胶的形式使用较高浓度及黏度的拥挤试剂。在某些实施例中，以固体状态来提供拥挤试剂。举例而言，在某些实施例中，拥挤试剂被提供为膜、纤维状材料、膜质材料、黏合剂材料、复合材料、层压材料或其某一组合。
B.缩合剂
如本文中所使用，“缩合剂”是指任何自然或合成化合物，其在与所关注样本组合时致使该所关注样本(例如，分子或高分子)相对于在不存在缩合剂的情况下的其结构采取缩合结构。举例而言，在给定悬浮液中，所关注样本在存在缩合剂的情况下占据比缺乏缩合剂的相同悬浮液小的体积。以此方式，缩合剂可用以减小所关注样本(例如，分子)在悬浮液中的占据体积。在悬浮液中的分子的上下文中，缩合剂可用以减小悬浮液中的所关注分子的遍布体积。缩合剂可与所关注分子相互作用，使得分子采用在悬浮液中占据总体积的较小比例的紧凑结构。
在某些实施例中，缩合剂是核酸缩合剂。核酸缩合剂可通过各种机制(包含但不限于体积排除及电荷筛选)使核酸紧凑。本领域中已知评估试剂使核酸缩合的能力的测定，例如，如WO/1996/021036中所阐述，WO/1996/021036的相关内容以全文引用方式并入本文中。在某些实施例中，核酸缩合剂经由静电电荷与电荷相互作用与核酸相互作用以引发核酸结构的塌陷(例如，核酸缩合)。在某些实施例中，缩合剂可由于以下各项中的一或多者而使核酸缩合：施加渗透压以将螺旋结构的片段放到一起(例如，分子拥挤效应)；减少核酸片段之间的相互排斥作用(例如，通过中和磷酸电荷)；及增加核酸片段之间的相互吸引作用。在某些实施例中，DNA片段之间的相互吸引作用可由多价阳离子带电缩合剂引发。
在某些实施例中，缩合剂包括多价阳离子。如本文中所使用，多价阳离子一般是指具有多个带正电部位的化合物。在某些实施例中，该多价阳离子在存在于包含所关注分子的悬浮液中时是多价阳离子性。举例而言，在某些实施例中，包括所关注分子的悬浮液中的条件(例如，pH、缓冲容量、离子强度)使得缩合剂在该悬浮液中是多价阳离子性。在某些实施例中，多价阳离子在生理pH(例如，pH≈7.4)下是多价阳离子性。在某些实施例中，多价阳离子是带正电单体单元的聚合物，尽管某些非带正电单元也可存在于该聚合物中。在某些实施例中，多价阳离子的示例包含多胺，诸如精胺、亚精胺及腐胺。在某些实施例中，多价阳离子包括多胺酸，诸如聚组胺酸、聚赖胺酸、聚精胺酸及聚鸟胺酸。进一步预期其他碱性肽及小碱性蛋白质用作多价阳离子缩合剂(例如，组蛋白、鱼精蛋白)。对于由胺酸构成的多价阳离子，可使用L形式或D形式。碱性胺酸包含赖胺酸、精胺酸、胺酸类似物(诸如鸟胺酸及刀豆酸)、修饰碱性胺酸(诸如高精胺酸)及被修饰以携带正电荷的其他修饰胺酸，诸如胍基缬胺酸及胺乙基半胱胺酸。多价阳离子的额外示例包含聚铵(例如，聚凝胺(海地美溴胺))、脂质(例如，DOTAP、DC-Chol/DOPE、DOGS/DOPE及DOTMA/DOPE)。
C.将悬浮液装载于整合式装置上
在某些方面中，本申请提供可用于将包括至少一个所关注样本的悬浮液装载至包含反应室1-108的整合式装置1-102的表面上的装置及方法。悬浮液装载可通过任意数目的适合方法来进行。在某些实施例中，举例而言，由行医者例如经由移液管、分配器或任何适合流体转移装置/系统装载含有例如所关注分子的悬浮液。在某些实施例中，通过自动化手段(例如，机器人装置/系统)装载悬浮液。在某些实施例中，经由一或多个微流体通道装载悬浮液。
在某些实施例中，可通过一般用于将样本递送至整合式装置的方法将所关注样本递送至整合式装置(例如，包括反应室(阵列)的整合式装置)。举例而言，递送方法可包含使所关注样本悬浮在流体中且使所得悬浮液流动至整合式装置的反应室。这可包含仅仅将相关悬浮液移液至整合式装置的一或多个区域上，或这可包含更多主动流方法，诸如电子方向或基于压力的流体流。在某些实施例中，使包括所关注样本的悬浮液流动至整合式装置的选定区域中，例如，其中将在整合式装置的特定区域中分析特定所关注分子。此可通过遮蔽技术(将掩模施加至直接流体流)、微流体或通过主动流方法(诸如电子方向或基于压力的流体流，包含通过喷墨印刷方法)来完成。在某些实施例中，图案化的微流体通道中的微流体流可用于将悬浮液中的样本递送至反应室。整合式装置的区域也可是仅仅通过将相关悬浮液移液至整合式装置的正确区域中的递送的选择性目标。
应了解，在某些实施例中，可以任何适合次序将本文中所阐述的样本装载中所使用的组合物引入至整合式装置的表面。举例而言，在某些实施例中，使含有样本的悬浮液在与拥挤试剂和/或缩合剂接触之前与该表面接触。在某些实施例中，可使该悬浮液与该表面接触且允许该悬浮液在与拥挤试剂和/或缩合剂接触之前培养达培养时段。在某些实施例中，缩合剂在此培养时段期间存在于悬浮液中。在某些实施例中，紧接在已引入悬浮液之后或大致在已引入悬浮液之后不久将拥挤试剂和/或缩合剂引入于表面上。在某些实施例中，悬浮液在被引入至表面之前包括拥挤试剂和/或缩合剂。
D.示例样本
在此章节中阐述与测序相关的所关注样本的某些示例，尽管本发明不限于仅所阐述的例示性样本。所阐述的装置及样本装载技术可应用于蛋白质、亚微米级粒子、生物及非生物分子。如本文中所使用，“测序模板”是所关注样本的示例且是分析(例如，测序分析)的对象的分子。在某些实施例中，测序模板包括核酸分子。在某些实施例中，该核酸分子称为“目标”或“模板”核酸。该核酸分子可在某些实施例中介于1kb与10kb之间、在某些实施例中介于10kb与25kb之间、在某些实施例中介于25kb与50kb之间、在某些实施例中介于50kb与100kb之间、在某些实施例中介于100kb与250kb之间、在某些实施例中介于250kb与500kb之间或在某些实施例中介于500kb与1000kb之间。在某些情形中，核酸分子可具有在这些范围中的端值的10％内的长度。
在某些实施例中，核酸分子包括至少一个杂交引物/聚合酶复合物。举例而言，在某些实施例中，使核酸分子与测序引物(其与核酸分子的一部分互补)接触，使得该测序引物退火至核酸分子。此引发位置产生一位点，聚合酶(例如，DNA或RNA聚合酶)可在该位点处耦联至核酸分子以形成杂交引物/聚合酶复合物。因此，在某些实施例中，包括至少一个杂交引物/聚合酶的测序模板可称为“测序模板复合物”。
如本文中所使用的术语“核酸”一般是指包括一或多个核酸亚单位的分子。核酸可包含选自腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)及尿嘧啶(U)或其变体的一或多个亚单位。在某些实例中，核酸是脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)，或其衍生物。在某些实施例中，该核酸是修饰核酸，不具限制地包含锁定核酸(LNA)、肽核酸(PNA)、三唑-链接核酸、2′-F-修饰核酸以及其衍生物及类似物。核酸可是单链或双链的。在某些实施例中，核酸一般是指任意的核苷酸聚合物。
核苷酸(例如，核苷多磷酸盐)可包括以下各项中的任一者：腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)及尿嘧啶(U)或其变体。核苷酸(例如，核苷多磷酸盐)可包括甲基化核碱基。举例而言，甲基化核苷酸可以是包括附接至核碱基(例如，直接附接至核碱基的环、附接至核碱基的环的取代基)的一或多个甲基基团的核苷酸。例示性甲基化核碱基包含1-甲基胸腺嘧啶、1-甲基尿嘧啶、3-甲基尿嘧啶、3-甲基胞嘧啶、5-甲基胞嘧啶、1-甲基腺嘌呤、2-甲基腺嘌呤、7-甲基腺嘌呤、N6-甲基腺嘌呤、N6,N6-二甲基腺嘌呤、1-甲基鸟嘌呤、7-甲基鸟嘌呤、N2-甲基鸟嘌呤及N2,N2-二甲基鸟嘌呤。
如本文中所使用的术语“引物”一般是指可包含包括A、C、G、T和/或U或者其变体或类似物的序列的核酸分子(例如，寡核苷酸)。引物可以是包括DNA、RNA、PNA或者其变体或类似物的合成寡核苷酸。引物可经设计使得其核苷酸序列与目标或模板核酸互补，或该引物可包括随机核苷酸序列。在某些实施例中，引物可包括尾(例如，聚腺苷酸尾、索引接头、分子条形码等)。在某些实施例中，引物可包括5至15个碱基、10至20个碱基、15至25个碱基、20至30个碱基、25至35个碱基、30至40个碱基、35至45个碱基、40至50个碱基、45至55个碱基、50至60个碱基、55至65个碱基、60至70个碱基、65至75个碱基、70至80个碱基、75至85个碱基、80至90个碱基、85至95个碱基、90至100个碱基、95至105个碱基、100至150个碱基、125至175个碱基、150至200个碱基或多于200个碱基。
如本申请中所阐述，测序可包含通过合成与模板互补或类似的另一生物分子(诸如通过合成与模板核酸分子互补的核酸分子)且识别核苷酸随着时间的并入(例如，合成测序)而确定模板生物分子(例如，核酸分子)的各个亚单位。作为替代方案，测序可包含生物分子的各个亚单元的直接识别。
Ⅳ.系统的额外方面
本文中所阐述的分析系统可包含整合式装置及被配置以与该整合式装置相接口的仪器。该整合式装置可包含像素阵列，其中像素包含反应室及至少一个光检测器。该整合式装置的表面可具有多个反应室，其中反应室被配置以自放置于该整合式装置的该表面上的悬浮液接收样本。悬浮液可含有相同类型的多个样本，且在某些实施例中含有不同类型的样本。就此而言，例如，如本文中所使用的词组“所关注样本”可以是指分散于悬浮液中的相同类型的多个样本。类似地，如本文中所使用的词组“所关注分子”可以是指分散于悬浮液中的相同类型的多个分子。该多个反应室可具有适合大小及形状，使得这些反应室的至少一部分自悬浮液接收一个样本。在某些实施例中，反应室内的样本数目可分布在这些反应室当中，使得某些反应室含有一个样本，其他反应室含有零个、两个或两个以上样本。
在某些实施例中，悬浮液可含有多个单链DNA模板，且整合式装置的表面上的各个反应室可被定大小且成形为接纳测序模板。测序模板可分布在该整合式装置的这些反应室当中，使得该整合式装置的这些反应室的至少一部分含有测序模板。该悬浮液亦可含有标记的核苷酸，标记的核苷酸然后进入反应室且可允许在核苷酸被并入至与反应室中的单链DNA模板互补的DNA链中时识别该核苷酸。在某些实施例中，该悬浮液可含有测序模板，且随后可在核苷酸被并入至反应室内的互补链中时将标记的核苷酸引入至该反应室。以此方式，核苷酸并入的定时可受标记的核苷酸被引入至整合式装置的反应室的时间控制。
自与该整合式装置的像素阵列分开定位的激发源提供激发光。该激发光至少部分地由该整合式装置的组件引导朝向一或多个像素以照射该反应室内的照射区域。标志然后可在位于该照射区域内时且响应于由激发光照射而发射发射光。在某些实施例中，一或多个激发源是系统的仪器的一部分，其中该仪器及该整合式装置的组件被配置以将该激发光朝向一或多个像素引导。
(例如，由荧光标记)自反应室发射的发射光然后可由在该整合式装置的像素内的一或多个光检测器检测。所检测到的发射光的特性可提供用于识别与该发射光相关联的该标志的指示。这些特性可包含任何适合类型的特性，包含由光检测器检测到的光子的到达时间、由光检测器随着时间累积的光子的量和/或光子跨越两个或两个以上光检测器的分布。在某些实施例中，光检测器可具有允许检测与发射光相关联的一或多个定时特性(例如，荧光寿命)的配置。该光检测器可在激发光脉冲传播穿过该整合式装置之后检测光子到达时间的分布，且该到达时间的分布可提供该发射光的定时特性的指示(例如，荧光寿命的指标)。在某些实施例中，一或多个光检测器提供由标志发射的发射光的概率(例如，荧光强度)的指示。在某些实施例中，多个光检测器可被定大小且成形为捕捉该发射光的空间分布。来自该一或多个光检测器的输出信号然后可用于在多个标志当中区分标志，其中该多个标志可用于识别样本或其结构。在某些实施例中，样本可由多个激发能量激发，且发射光和/或响应于多个激发能量的来自反应室的发射光的定时特性可从多个标志中区分标志。
在图5-1A中图解说明系统5-100的示意性概图。该系统包括与仪器5-104相接口的整合式装置5-102两者。在某些实施例中，仪器5-104可包含整合为仪器5-104的一部分的一或多个激发源5-106。在某些实施例中，激发源可在仪器5-104及整合式装置5-102两者外部，且仪器5-104可被配置以自该激发源接收激发光且将激发光引导至该整合式装置。该整合式装置可使用用于接纳该整合式装置且将其保持为与该激发源精确光学对准的任何适合的插座来与该仪器相接口。激发源5-106可被配置以将激发光提供至整合式装置5-102。如图5-1A中示意性地图解说明，整合式装置5-102具有多个像素5-112，其中像素的至少一部分可执行对所关注样本的独立分析。这些像素5-112可称为“被动源像素”，因为像素自与该像素分开的源5-106接收激发光，其中来自该源的激发光激发像素5-112中的某些或全部像素。激发源5-106可为任何适合光源。在2015年8月7日提出申请的标题为“INTEGRATEDDEVICE FOR PROBING,DETECTING AND ANALYZING MOLECULES”的第14/821,688号美国专利申请中阐述了适合的激发源的示例，该美国专利申请以其全文引用方式并入。在某些实施例中，激发源5-106包含被组合以将激发光递送至整合式装置5-102的多个激发源。该多个激发源可被配置以产生多个激发能量或波长。
像素5-112具有被配置以接纳单个所关注样本的反应室5-108及用于检测响应于用由激发源5-106提供的激发光照射该样本及反应室5-108的至少一部分而自该反应室发射的发射光的光检测器5-110。在某些实施例中，反应室5-108可将样本保持为接近于整合式装置5-102的表面，这可使容易将激发光递送至样本且检测来自样本或反应组份(例如，标记的核苷酸)的发射光。
用于将激发光自激发光源5-106耦合至整合式装置5-102且将激发光导引至反应室5-108的光学组件位于整合式装置5-102及仪器5-104两者上。源至室光学组件可包括位于整合式装置5-102上以将激发光耦合至整合式装置的一或多个光栅耦合器及用以将激发光自仪器5-104递送至像素5-112中的反应室的波导。一或多个分光器组件可定位于光栅耦合器与波导之间。该分光器可耦合来自光栅耦合器的激发光且将激发光递送至波导中的至少一者。在某些实施例中，该分光器可具有如下的配置：允许将激发光递送为跨越所有波导实质上是均匀的，使得波导中的每一者接收实质上类似量的激发光。这些实施例可通过改善由整合式装置的反应室接收的激发光的均匀性而改善整合式装置的性能。
反应室5-108、激发源至室光学器件的一部分及反应室至光检测器光学器件位于整合式装置5-102上。激发源5-106及源至室组件的一部分位于仪器5-104中。在某些实施例中，单个组件可在将激发光耦合至反应室5-108且将发射光自反应室5-108递送至光检测器5-110两者中起作用。在2015年8月7日提出申请的标题为“INTEGRATED DEVICE FORPROBING,DETECTING AND ANALYZING MOLECULES”的第14/821,688号美国专利申请及2014年11月17日提出申请的标题为“INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FORPROBING,DETECTING,AND ANALYZING MOLECULES」的第14/543,865号美国专利申请(其两者皆以全文引用方式并入)中阐述了将包含于整合式装置中的用于将激发光耦合至反应室和/或将发射光引导至光检测器的适合组件的示例。
像素5-112与其自身的单独的反应室5-108及至少一个光检测器5-110相关联。整合式装置5-102的多个像素可被布置以具有任何适合形状、大小和/或尺寸。整合式装置5-102可具有任意适合数目的像素。整合式装置2-102中的像素数目可在大致10,000个像素至1,000,000个像素的范围内或为该范围内的任一值或值范围。在某些实施例中，像素可布置于512个像素×512个像素的阵列中。整合式装置5-102可以任何适合方式与仪器5-104相接口。在某些实施例中，仪器5-104可具有以可拆卸方式耦合至整合式装置5-102的接口，使得用户可将整合式装置5-102附接至仪器5-104以使用整合式装置5-102来分析悬浮液中的至少一个所关注样本且将整合式装置5-102自仪器5-104移除以允许附接另一整合式装置。仪器5-104的接口可将整合式装置5-102定位为与仪器5-104的电路耦合以允许来自一或多个光检测器的读出信号传输至仪器5-104。整合式装置5-102及仪器5-104可包含用于处置与大像素阵列(例如，多于10,000个像素)相关联的数据的多信道高速通信链路。
在图5-1B中展示整合式装置5-102的剖面示意图，其图解说明像素5-112的行。整合式装置5-102可包含耦合区域5-201、路由区域5-202及像素区域5-203。像素区域5-203可包含具有定位于表面上在与耦合区域5-201分开的位置处的反应室5-108的多个像素5-112，耦合区域5-201是激发光(展示为虚箭头)耦合至整合式装置5-102的地方。反应室5-108可穿过金属层5-116而形成。由虚线矩形图解说明的一个像素5-112是整合式装置5-102的区域，该区域包含反应室5-108及具有一或多个光检测器5-110的光检测器区域。
图5-1B图解说明通过将激发光束耦合至耦合区域5-201且耦合至反应室5-108的激发路径(以虚线展示)。图5-1B中所展示的反应室5-108的行可被定位以与波导5-220光学耦合。激发光可照射位于反应室内的样本。该样本或反应组份(例如，荧光标记)可响应于由该激发光照射而达到受激发状态。当处于受激发状态中时，该样本或反应组份可发射发射光，该发射光可由与反应室相关联的一或多个光检测器检测。图5-1B示意性地图解说明自像素5-112的反应室5-108至光检测器5-110的发射光路径(展示为实线)。像素5-112的光检测器5-110可被配置且定位以检测来自反应室5-108的发射光。在2015年8月7日提出申请的标题为“INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS”的第14/821,656号美国专利申请中阐述适合的光检测器的示例，该美国专利申请以其全文引用方式并入。对于单个像素5-112，反应室5-108及其各光检测器5-110可沿着公共轴(沿着图5-1B中所展示的y方向)对准。以此方式，光检测器可在像素5-112内与反应室重迭。
来自反应室5-108的发射光的方向性可取决于反应室5-108中的样本相对于金属层5-116的定位，因为金属层5-116可用于反射发射光。以此方式，金属层5-116与定位于反应室5-108中的荧光标志之间的距离可影响光检测器5-110的效率，光检测器5-110与反应室在同一像素中以检测由荧光标志发射的光。金属层5-116与反应室5-106的底部表面(其接近于在操作期间可定位样本的地方)之间的距离可在100nm至500nm的范围中，或为该范围中的任一值或值范围。在某些实施例中，金属层5-116与反应室5-108的底部表面之间的距离是大致300nm。
该样本与光检测器之间的距离也可影响检测发射光的效率。通过减小光必须在该样本与光检测器之间行进的距离，可改善发射光的检测效率。另外，该样本与光检测器之间的较小距离可允许占据整合式装置的较小区域占用面积的像素，这可允许较高数目的像素被包含于整合式装置中。反应室5-108的底部表面与光检测器之间的距离可在1μm至15μm的范围中，或为该范围中的任一值或值范围。
光子结构5-230可定位于反应室5-108与光检测器5-110之间且被配置以减少或阻止激发光到达光检测器5-110，否则这可能促成在检测发射光时的信号噪声。如图5-1B中所展示，一或多个光子结构5-230可定位于波导5-220与光检测器5-110之间。光子结构5-230可包含一或多个光学摈弃(rejection)光子结构，其包含光谱滤波器、极化滤波器及空间滤波器。光子结构5-230可定位以沿着公共轴与各个反应室5-108及其各光检测器5-110对准。根据某些实施例，可用作整合式装置5-102的电路的金属层5-240还可用作空间滤波器。在这些实施例中，一或多个金属层5-240可定位以阻挡某些或所有激发光到达光检测器5-110。
耦合区域5-201可包含被配置以耦合来自外部激发源的激发光的一或多个光学组件。耦合区域5-201可包含定位以接收激发光束的某些或全部的光栅耦合器5-216。在2017年12月15日提出申请的标题为“OPTICAL COUPLER AND WAVEGUIDE SYSTEM”的第15/844,403号美国专利申请中阐述了适合的光栅耦合器的示例，该美国专利申请以其全文引用方式并入。光栅耦合器5-216可将激发光耦合至波导5-220，波导5-220可被配置以将激发光传播至一或多个反应室5-108附近。可替换地，耦合区域5-201可包括用于将光耦合至波导中的其他众所周知的结构。
位于整合式装置外的组件可用于将激发源5-106定位且对准至整合式装置。这些组件可包含光学组件，其包含透镜、反射镜、棱镜、窗、光圈、衰减器和/或光纤。额外机械组件可包含于仪器中以允许控制一或多个对准组件。这些机械组件可包含致动器、步进马达和/或旋钮。在2016年5月20日提出申请的标题为“PULSED LASER AND SYSTEM”的第15/161,088号美国专利申请中阐述了适合的激发源及对准机构的示例，该美国专利申请以其全文引用方式并入。在2017年12月14日提出申请的标题为“COMPACT BEAM SHAPING ANDSTEERING ASSEMBLY”的第15/842,720号美国专利申请中阐述了束操纵模块的另一示例，该美国专利申请以引用方式并入本文中。
待分析的样本可引入至像素5-112的反应室5-108中。该样本可以是生物样本或任何其他适合的样本，诸如化学样本。在某些情形中，悬浮液可包含多个所关注分子且反应室可被配置以隔离单分子。在某些情况中，反应室的尺寸可用于将单分子局限在反应室内，从而允许对单分子执行量测。可将激发光递送至反应室5-108中，以便在样本或附接至样本或以其他方式与样本相关联的至少一个荧光标志位于反应室5-108内的照射区内时激发该样本或至少一个荧光标志。
在操作中，通过使用激发光激发反应室内的样本中的某些或所有样本且用光检测器检测表示来自反应室的发射光的信号而实施对反应室内的样本的并行分析。来自样本或反应组份(例如，荧光标记)的发射光可由对应光检测器检测且被转换为至少一个电信号。电信号可沿着在整合式装置的电路中的导电线(例如，金属层5-240)传输，这些导电线可连接至与整合式装置相接口的仪器。随后可处理和/或分析这些电信号。对电信号的处理或分析可发生在位于仪器上或仪器外的适合的计算装置上。
仪器5-104可包含用于控制仪器5-104和/或整合式装置5-102的操作的用户接口。该用户接口可被配置以允许用户将信息(诸如用于控制仪器的功能化的命令和/或设定)输入至仪器中。在某些实施例中，该用户接口可包含按钮、开关、拨号盘及用于语音命令的麦克风。该用户接口可允许用户接收关于仪器和/或整合式装置的性能的反馈，诸如恰当对准和/或由来自整合式装置上的光检测器的读出信号获得的信息。在某些实施例中，该用户接口可使用扬声器提供反馈以提供听觉反馈。在某些实施例中，该用户接口可包含指示器灯和/或显示屏幕以用于将视觉反馈提供给用户。
在某些实施例中，仪器5-104可包含被配置以与计算装置连接的计算机接口。计算机接口可以是USB接口、火线接口或任何其他适合的计算机接口。计算装置可以是任何通用计算机，诸如膝上型或桌面计算机。在某些实施例中，计算装置可以是可经由适合的计算机接口在无线网络上访问的服务器(例如，基于云的服务器)。该计算机接口可促进仪器5-104与计算装置之间的信息通信。用于控制和/或配置仪器5-104的输入信息可经由计算机接口提供至计算装置且传输至仪器5-104。由仪器5-104产生的输出信息可由计算装置经由计算机接口接收。输出信息可包含关于仪器5-104的性能、整合式装置5-102的性能的反馈和/或从光检测器5-110的读出信号产生的数据。
在某些实施例中，仪器5-104可包含被配置以分析自整合式装置5-102的一或多个光检测器接收的数据和/或将控制信号传输至激发源2-106的处理装置。在某些实施例中，该处理装置可包括通用处理器，特殊适配的处理器(例如，中央处理单元(CPU)，诸如一或多个微处理器或微控制器核、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、定制集成电路、数字信号处理器(DSP)或其组合)。在某些实施例中，处理来自一或多个光检测器的数据可由仪器5-104的处理装置及外部计算装置两者执行。在其他实施例中，可省略外部计算装置且处理来自一或多个光检测器的数据可由整合式装置5-102的处理装置单独执行。
在图5-2中绘示发生在反应室5-330中的生物反应的非限制性示例。在此示例中，核苷酸和/或核苷酸类似物至与目标核酸互补的生长链中的顺序并入发生在反应室中。可检测该顺序并入以将一系列核酸(例如，DNA、RNA)测序。该反应室可具有在大致100nm至大致500nm的范围中或为该范围内的任一值或值范围的深度，及在大致80nm至大致200nm的范围中的直径。金属化层5-540(例如，电参考电位的金属化)可在光检测器上面被图案化以提供阻挡来自相邻反应室及其他非需要光源的杂散光的孔径。根据某些实施例，聚合酶5-520可位于反应室5-330内(例如，附接至反应室的底座)。该聚合酶可吸收目标核酸5-510(例如，自DNA导出的核酸的一部分)，且对生长的互补核酸链测序以产生生长的DNA链5-512。用不同荧光团标记的核苷酸和/或核苷酸类似物可分散于在反应室上面及反应室内的悬浮液中。
当标记的核苷酸和/或核苷酸类似物5-610并入至生长的互补核酸链中(如图5-3中所绘示)时，可由自波导5-315耦合至反应室5-330中的光学能量脉冲重复地激发一或多个所附接的荧光团5-630。在某些实施例中，荧光团或若干荧光团5-630可利用任一适合的连接体5-620附接至一或多个核苷酸和/或核苷酸类似物5-610。并入事件可持续高达大约100ms的时间段。在此时间期间，因通过来自锁模激光的脉冲对荧光团的激发而产生的荧光发射脉冲可用时间分仓(binning)光检测器5-322来检测。通过将具有不同发射特性(例如，荧光衰变速率、强度、荧光波长)的荧光团附接至不同核苷酸(A、C、G、T)，侦测且区分不同发射特性，同时DNA链5-512并入核酸且使得能够确定生长的DNA链的核苷酸序列。
根据某些实施例，被配置以基于荧光发射特性而分析样本的仪器5-104可侦测不同荧光分子之间的荧光寿命和/或强度差异，和/或不同环境中的相同荧光分子之间的寿命和/或强度差异。通过解释方式，图5-4标绘两个不同荧光发射概率曲线(A及B)，例如，其可表示来自两个不同荧光分子的荧光发射。参考曲线A(虚线)，在由短或超短光学脉冲激发之后，来自第一分子的荧光发射的概率pA(t)可随时间衰变，如所绘示。在某些情形中，随着时间而发射光子之概率之降低可由指数衰变函数
Figure BDA0002667325550000431
表示，其中PAo是初始发射概率且τA是表征发射衰变概率的与第一荧光分子相关联的时间参数。τA可称为第一荧光分子的“荧光寿命”、“发射寿命”或“寿命”。在某些情形中，τA的值可因荧光分子的局部环境而更改。其他荧光分子可具有与曲线A中所展示的发射特性不同的发射特性。举例而言，另一荧光分子可具有不同于单个指数衰变的衰变分布型，且其寿命可由半衰期值或某一其他度量表征。
第二荧光分子可具有是指数的但具有明显不同寿命τB(如图5-4中针对曲线B所绘示)的衰变分布型。在所展示的示例中，曲线B的第二荧光分子的寿命比曲线A的寿命短，且发射概率在激发第二分子之后不久比曲线A更高。在某些实施例中，不同荧光分子可具有范围从大约0.1ns至大约20ns的寿命或半衰期值。
发明人已认识到且了解到，荧光发射寿命的差异可用于在不同荧光分子的存在或不存在之间进行辨别和/或在荧光分子所经受的不同环境或条件之间进行辨别。在某些情形中，基于寿命(而非发射波长，举例而言)而辨别荧光分子可简化仪器5-104的方面。作为示例，在基于寿命而辨别荧光分子时，波长区分光学器件(诸如波长滤波器、针对每一波长的专用检测器、在不同波长下的专用脉冲光学源和/或衍射光学器件)可在数量上减少或去除。在某些情形中，在单个特性波长下操作的单个脉冲光学源可用于激发在光学光谱的相同波长区域内发射但具有明显不同寿命的不同荧光分子。使用单个脉冲光学源而非在不同波长下操作的多个源来激发且辨别在相同波长区域中发射的不同荧光分子的分析系统操作和维持可以是不太复杂的，更紧凑的，且可以较低成本来制造。
尽管基于荧光寿命分析的分析系统可具有一定益处，但可通过允许额外检测技术而增加由分析系统获得的信息量和/或检测准确度。举例而言，某些分析系统5-160可另外被配置以基于荧光波长及/或荧光强度而辨别样本的一或多个性质。
再次参考图5-4，根据某些实施例，可用被配置以在荧光分子的激发之后将荧光发射事件时间分仓的光检测器来区分不同荧光寿命。该时间分仓可发生在光检测器的单个电荷累积周期期间。电荷累积周期是读出事件之间的间隔，在该间隔期间光生载流子累积在时间分仓光检测器的仓中。在图5-5中以图形方式介绍通过发射事件的时间分仓确定荧光寿命的概念。在恰好在t1之前的时间te处，荧光分子或相同类型(例如，与图5-4的曲线B对应的类型)的荧光分子总体由短或超短光学脉冲激发。对于大的分子总体，发射强度可具有类似于曲线B的时间分布型，如图5-5中所绘示。
然而，针对此示例，对于单分子或小数目的分子，根据图5-4中的曲线B的统计数据发生荧光光子发射。时间分仓光检测器5-322可将自发射事件产生的载流子累积至关于荧光分子的激发时间在时间上解析的离散时间仓(图5-5中指示三个)中。当对大数目的发射事件求和时，累积在时间仓中的载流子可近似图5-5中所展示的衰变强度曲线，且分仓的信号可用于在不同荧光分子或荧光分子所位于的不同环境之间进行区分。
在2015年8月7日提出申请的标题为“INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNINGOF RECEIVED PHOTONS”的第14/821,656号美国专利申请中阐述了时间分仓光检测器的示例，该美国专利申请以引用方式并入本文中。出于阐释目的，在图5-6A中绘示时间分仓光检测器的非限制性实施例。单个时间分仓光检测器5-900可包括光子吸收/载流子产生区域5-902、载流子行进/捕获区域5-906以及具有一或多个电荷载流子储存区域5-908a、5-908b、5-908c(其可对应于时间仓)的载流子存储区域。该载流子行进/捕获区域可通过载流子运送通道5-907连接至电荷载流子储存区域。仅展示三个载流子储存仓，但可存在更多或更少载流子储存仓。在某些实施例中，单个时间分仓光检测器5-900包含至少两个电荷载流子储存区域。可存在连接至电荷载流子储存区域的读出通道5-910。光子吸收/载流子产生区域5-902、载流子行进/捕获区域5-906、电荷载流子储存区域5-908a、5-908b、5-908c及读出通道5-910可通过对半导体进行局域地掺杂和/或形成相邻绝缘区域而形成以提供光检测能力并局限载流子。时间分仓光检测器5-900可包含被形成以与载流子行进/捕获区域5-906连接的排出部(drain)5-904。排出部极5-904可被配置以在特定时间处丢弃电荷载流子。通过以此方式移除光生电荷载流子，可丢弃响应于激发光而产生的非需要的电荷载流子。时间分仓光检测器5-900可包含形成于基板上的被配置以在装置中产生用于运送电荷载流子穿过光检测器的电场的多个电极5-920、5-922、5-932、5-934、5-936、5-940。该多个电极可建立电势梯度，使得电荷载流子朝向排出部5-904行进。
在操作中，荧光光子可在不同时间处被接纳在光子吸收/载流子产生区域5-902处且产生载流子。举例而言，在大致时间t1处，三个荧光光子可在光子吸收/载流子产生区域5-902的耗尽区域中产生三个载流子电子。装置中的电场(由于掺杂和/或对电极5-920及5-922以及可选地或替代地对5-932、5-934、5-936的外部所施加偏压)可使载流子移动至载流子行进/捕获区域5-906。在载流子行进/捕获区域中，行进距离转化成在激发荧光分子之后的时间。在稍后时间t5处，另一荧光光子可被接纳在光子吸收/载流子产生区域5-902中且产生额外载流子。此时，前三个载流子已行进至载流子行进/捕获区域5-906中相邻于第二储存仓5-908b的位置。在稍后时间t7处，可在电极5-932、5-934、5-936与电极5-940之间施加电偏压以将载流子自载流子行进/捕获区域5-906横向运送至储存仓。该前三个载流子然后可被运送至第一仓5-908a且保持于第一仓5-908a中，且稍后产生的载流子可被运送至第三仓5-908c且保持于第三仓5-908c中。在某些实施方式中，与每一储存仓对应的时间间隔处于亚纳秒时间尺度，尽管可在某些实施例中(例如，在其中荧光团具有较长衰变时间的实施例中)使用较长时间尺度。
在激发事件(例如，来自脉冲光学源的激发脉冲)之后产生电荷载流子且将电荷载流子时间分仓的过程可在单个激发脉冲的后发生一次，或在光检测器5-900的单个电荷累积周期期间在多个激发脉冲之后重复多次。在完成电荷累积之后，载流子可经由读出通道5-910自储存仓读出。举例而言，适当的偏压序列可施加至至少电极5-940及下游电极(未展示)以将载流子自储存仓5-908a、5-908b、5-908c移除。
时间分仓光检测器5-900可被配置以丢弃自激发光的光子或其他非需要的光产生的电荷载流子。可对提高载流子行进/捕获区域5-906内的一或多个势垒的时刻进行定时，使得由非需要(包含激发光)产生的光生载流子朝向排出部5-904且不朝向电荷载流子储存区域5-908a、5-908b、5-908c行进。将电压施加至电极(诸如电极5-922)以提高势垒的定时可发生在一时间段之后，使得在该时间段期间产生的电荷载流子中的某些或所有电荷载流子朝向排出部5-904行进且不被引导至电荷载流子储存区域5-908a、5-908b、5-908c。在该时间段之后产生的后续电荷载流子可选择性地被引导至电荷载流子储存区域5-908a、5-908b、5-908c。在某些实施例中，激发光是激发光的脉冲，且时间分仓光检测器5-900可被配置以丢弃在第一时间段内自激发光脉冲的光子产生的电荷载流子中的至少某些电荷载流子。在第一时间段之后，时间分仓光检测器5-900可在第二时间段内基于产生电荷载流子的时间而将由入射光子产生的一或多个电荷载流子选择性地引导至各个电荷载流子储存区域中。
在若干个激发事件之后，可读出每一电子储存仓中的所累积信号以提供例如具有表示荧光发射衰变速率的对应仓的直方图。在图5-7A及图5-7B中图解说明此过程。该直方图的仓可指示在激发反应室中的荧光团之后在每一时间间隔期间检测的光子数目。在某些实施例中，将在大数目的激发脉冲之后累积针对这些仓的信号，如图5-7A中所绘示。激发脉冲可出现在通过脉冲间隔时间T分开的时间te1、te2、te3、…teN处。可存在在电子储存仓中的信号的累积期间施加至反应室的介于105个与107个之间的激发脉冲。在某些实施例中，一个仓(仓0)可被配置以检测随每一光学脉冲而递送的激发光的幅度，且用作参考信号(例如，用以将数据标准化)。
在某些实施例中，时间分仓光检测器可在光子吸收/载流子产生区域中产生电荷载流子且将电荷载流子直接转移至电荷载流子储存区域中的电荷载流子储存仓。在这些实施例中，该时间分仓光检测器可不包含载流子行进/捕获区域。此时间分仓光检测器可称为“直接分仓像素”。在2017年12月22日提出申请的标题为“INTEGRATED PHOTODETECTOR WITHDIRECT BINNING PIXEL”的第15/852,571号美国专利申请中阐述时间分仓光检测器(包含直接分仓像素)的示例，该美国专利申请以引用方式并入本文中。出于阐释目的，在图5-6B中绘示时间分仓光检测器的非限制性实施例。如图5-6B中所展示，时间分仓光检测器5-950包含光子吸收/载流子产生区域5-952、电荷载流子储存区域5-958的仓及自电荷载流子储存区域5-958的仓读出信号的读出电路5-960。电荷载流子转移至的仓是基于产生电荷载流子的光子吸收/载流子产生区域5-952中的光子的到达时间。图5-6B展示在电荷载流子储存区域5-958中具有两个仓：仓0及仓1的时间分仓光检测器的示例。在某些情况中，仓0可聚合在触发事件(例如，激发光脉冲)之后在一个时段中所接收的电荷载流子，且仓1可聚合相对于触发事件在稍后的时间段中所接收的电荷载流子。然而，电荷储存区域5-958可具有任意数目的仓，诸如一个仓、三个仓、四个仓或更多仓。时间分仓光检测器5-950可包含可被配置以施加电压以建立引导电荷载流子的电势梯度的电极5-953、5-955及5-956。时间分仓光检测器5-950可包含摈弃区域5-965，摈弃区域5-965可用作排出部或以其他方式被配置以丢弃在光子吸收/载流子产生区域5-952中产生的电荷载流子。电荷载流子被摈弃区域5-965摈弃的时间段可被定时以发生在触发事件(诸如激发光脉冲)期间。
由于激发光脉冲可在光子吸收/载流子产生区域5-952中产生若干个非需要的电荷载流子，因此可在像素5-950中建立在摈弃时段期间将这些电荷载流子汲取至摈弃区域5-965的电势梯度。作为示例，摈弃区域5-965可包含其中电子被汲取至供应电压的高电势扩散区。摈弃区域5-965可包含将区域5-952直接电荷耦合至摈弃区域5-965的电极5-956。可使电极5-956的电压变化以建立光子吸收/载流子产生区域5-952中的所需电势梯度。在摈弃时段期间，电极5-956的电压可被设定至将载流子自光子吸收/载流子产生区域5-952牵引至电极5-956中且离开而达到供应电压的电平。举例而言，电极5-956的电压可设定至正电压以吸引电子，使得将电子牵引远离光子吸收/载流子产生区域5-952到达摈弃区域5-965。摈弃区域5-965可被视为“横向摈弃区域”，因为其允许将载流子自区域5-952横向转移至排出部。
在摈弃时段之后，可将在光子吸收/载流子产生区域5-952中产生的光生电荷载流子时间分仓。各个电荷载流子可基于其到达时间而被引导至仓。如此操作，可在各个时间段中改变光子吸收/载流子产生区域5-952与电荷载流子储存区域5-958之间的电势以建立致使光生电荷载流子被引导至各自时间仓的电势梯度。举例而言，在第一时间段期间，可降低由电极5-953形成的壁垒5-962，且可从光子吸收/载流子产生区域5-952至仓0建立电势梯度，使得在此时段期间产生的载流子转移至仓0。然后，在第二时间段期间，可降低由电极5-955形成的壁垒5-964，且可从光子吸收/载流子产生区域5-952至仓1建立电势梯度，使得在此稍后时段期间产生的载流子转移至仓1。
在某些实施方式中，在激发事件之后可自荧光团发射平均仅单个光子，如图5-7A中所绘示。在时间te1处的第一激发事件之后，时间tf1处的所发射光子可出现在第一时间间隔内，使得所得电子信号累积在第一电子储存仓中(贡献于仓1)。在时间te2处的后续激发事件中，时间tf2处的所发射光子可出现在第二时间间隔内，使得所得电子信号贡献于仓2。
在大数目的激发事件及信号累积之后，可读出时间分仓光检测器5-322的电子储存仓以为反应室提供多值信号(例如，两个或两个以上值的直方图、N维向量等)。每一仓的信号值可取决于荧光团的衰变速率。举例而言且再次参考图5-4，具有衰变曲线B的荧光团将具有比具有衰变曲线A的荧光团高的在仓1与仓2中的信号的比率。来自这些仓的值可被分析且与校准值和/或彼此进行比较，以确定特定荧光团，这又识别在处于反应室中时链接至荧光团的核苷酸或核苷酸类似物(或任何其他所关注分子或样本)。
为进一步辅助理解信号分析，所累积的多仓值可被描绘为直方图，例如，如图5-7B中所绘示，或可被记录为N维空间中的向量或位置。可单独执行校准运行以针对链接至四个核苷酸或核苷酸类似物的四个不同荧光团获取多值信号(例如，校准直方图)的校准值。作为示例，校准直方图可表现为如图5-8A(与T核苷酸相关联的荧光标记)、图5-8B(与A核苷酸相关联的荧光标记)、图5-8C(与C核苷酸相关联的荧光标记)及图5-8D(与G核苷酸相关联的荧光标记)中所绘示。所量测多值信号(对应于图5-7B的直方图)与校准多值信号的比较可确定核苷酸或核苷酸类似物的身份“T”(图5-8A)被并入至生长DNA链中。
在某些实施方案中，另外或替代地，可使用荧光强度来在不同荧光团之间进行区分。举例而言，某些荧光团可以显著不同强度进行发射或在其激发概率方面具有显著差别(例如，至少大约35％的差别)，即使其衰变速率可是类似的。通过使经分仓的信号(仓1至3)与测量的激发光仓0进行参照，基于强度水平而区分不同荧光团可以是可能的。
在某些实施例中，同一类型的不同数目的荧光团可链接至不同核苷酸或核苷酸类似物，使得可基于荧光团强度而识别核苷酸。举例而言，两个荧光团可链接至第一核苷酸(例如，“C”)或核苷酸类似物且四个或四个以上荧光团可链接至第二核苷酸(例如，“T”)或核苷酸类似物。由于不同数目的荧光团，因此可存在与不同核苷酸相关联的不同激发及荧光团发射概率。举例而言，在信号累积间隔期间可存在对于“T”核苷酸或核苷酸类似物的更多发射事件，使得仓的视在强度显著高于“C”核苷酸或核苷酸类似物的视在强度。
发明人已认识到且了解到，基于荧光团衰变速率和/或荧光团强度而区分核苷酸或任何其他生物或化学样本使能够简化仪器5-104中的光学激发和检测系统。举例而言，可用单波长源(例如，产生一个特性波长的源而非多个源或以多个不同特性波长操作的源)执行光学激发。另外，在检测系统中可能不需要波长区别光学器件及滤波器。而且，可针对每一反应室使用单个光检测器以检测来自不同荧光团的发射。
词组“特性波长”或“波长”用于指在有限辐射带宽内的中央或主导波长(例如，由脉冲光学源输出的在20nm带宽内的中央或峰值波长)。在某些情形中，“特性波长”或“波长”可用于指由源输出的在总辐射带宽内的峰值波长。
发明人已认识到且了解到，具有在介于大约560nm与大约900nm之间的范围中的发射波长的荧光团可提供待由时间分仓光检测器(其可使用CMOS工艺制作于硅晶片上)检测的充足量的荧光。这些荧光团可链接至诸如核苷酸或核苷酸类似物的所关注生物分子。可在基于硅的光检测器中以比处于较长波长的荧光高的响应率检测在此波长范围中的荧光发射。另外，在此波长范围中的荧光团及相关联连接体可不干扰核苷酸或核苷酸类似物并入至生长DNA链中。发明人还已认识到且了解到，可用单波长源来光学激发具有在介于大约560nm与大约660nm之间的范围中的发射波长的荧光团。在此范围中的示例性荧光团是可自马萨诸塞州沃尔萨姆的赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific Inc.)购得的Alexa Fluor 647。发明人还已认识到且了解到，可能需要处于较短波长(例如，介于大约500nm与大约650nm之间)的激发光来激发以介于大约560nm与大约900nm之间的波长进行发射的荧光团。在某些实施例中，时间分仓光检测器可(例如)通过将诸如Ge的其他材料并入至光检测器主动区域中而有效地检测来自反应室中的样本或相关联组份的较长波长发射。
在某些实施例中，可用一或多个标志来标记样本，且与这些标志相关联的发射可通过仪器来辨别。举例而言，光检测器可被配置以将来自发射光的光子转换为电子以形成可用于辨别取决于来自特定标志的发射光的寿命的电信号。通过使用具有不同寿命的标志来标记样本，可基于由光检测器检测的所得电信号而识别特定样本。
悬浮液可含有多个类型的分子且不同发光标志可唯一地与分子类型相关联。在激发期间或在激发之后，发光标志可发射发射光。该发射光的一或多个性质可用于识别该悬浮液中的一或多个类型的分子。用于在分子类型当中进行区分的该发射光的性质可包含荧光寿命值、强度和/或发射波长。光检测器可检测光子，包含发射光的光子，且提供指示这些性质中的一或多者的电信号。在某些实施例中，来自光检测器的电信号可提供关于跨越一或多个时间间隔的光子到达时间的分布的信息。该光子到达时间的分布可对应于在由激发源发射激发光脉冲之后检测光子时的时间。时间间隔的值可对应于在该时间间隔期间检测的光子的数目。跨越多个时间间隔的相对值可提供该发射光的时间特性(例如，寿命)的指示。分析样本可包含通过比较分布内的两个或两个以上不同时间间隔的值而在标志当中进行区分。在某些实施例中，可通过跨越分布中的所有时间仓确定光子数目而提供强度的指示。
可在各种配置中实施所阐述实施例。示例性配置包含下文的配置(1)至(32)及方法(33)至(53)。
(1)一种整合式装置，包括：反应室，其穿过该整合式装置的表面而形成；及至少一个导电层，其形成相邻于该反应室设置的至少一个电极，其中该至少一个电极在被偏压时产生辅助将样本装载至该反应室中的至少一个电场。
(2)如配置(1)的整合式装置，其中该反应室的最大尺寸小于一微米。
(3)如配置(1)或(2)的整合式装置，其中该至少一个电极被设置为产生电场，该电场在通向该反应室的开口的500nm内的第一区域中具有与该第一区域外部的第二区域相比增加的强度。
(4)如配置(1)至(3)中任一项的整合式装置，其中该电场辅助装载来自在该反应室上方放置为与该表面接触的悬浮液的样本。
(5)如配置(1)至(4)中任一项的整合式装置，其中该反应室被配置以保持仅一个样本以用于分析该样本。
(6)如配置(1)至(5)中任一项的整合式装置，其中该反应室的底部在距光学波导一微米内终止。
(7)如配置(1)至(6)中任一项的整合式装置，其中该至少一个导电层中的第一导电层被图案化以相邻于该反应室形成两个电极，其中该两个电极在被偏压时产生主要横向定向的电场。
(8)如配置(1)至(7)中任一项的整合式装置，其进一步包括：半导体区域，其在基板中在该反应室下方；光检测器，其形成于该半导体区域中；及导电互连件，其连接至该光检测器，其中该导电互连件是该至少一个导电层中的第一导电层。
(9)如配置(1)至(8)中任一项的整合式装置，其中该表面包括该至少一个导电层中的第一导电层的表面。
(10)如配置(1)至(9)中任一项的整合式装置，其中该反应室延伸穿过该至少一个导电层中的一或多个导电层。
(11)如配置(1)至(10)中任一项的整合式装置，其进一步包括形成于该反应室的侧壁上且电耦合至该至少一个导电层中的第一导电层的导电材料。
(12)如配置(1)至(11)中任一项的整合式装置，其进一步包括：介电层，其形成于该至少一个导电层中的第一导电层与第二导电层之间；及开口，其在该介电层中与该反应室重迭，其中该介电层中的该开口的尺寸小于该反应室在该表面处的开口的尺寸。
(13)如配置(1)至(12)中任一项的整合式装置，其中该至少一个导电层包含包括铝和/或钛的第一层，该第一层与包括氮化钛的第二层接触。
(14)如配置(1)至(13)中任一项的整合式装置，其中该反应室的底部表面与该至少一个导电层中的第一导电层之间的距离小于400nm。
(15)如配置(1)至(14)中任一项的整合式装置，其中该至少一个导电层包括：第一导电层，其位于该整合式装置的该表面处；及第二导电层，其位于该表面下方且通过介电材料与该第一导电层分开，其中该反应室延伸穿过该第一导电层及该第二导电层。
(16)如配置(15)的整合式装置，其中该第二导电层在横向方向上自该反应室延伸不多于三微米，这不包含连接至该第二导电层的任何导电互连件。
(17)如配置(1)至(16)中任一项的整合式装置，其进一步包括垂直地且相邻于该反应室形成的导电通孔，其中该导电通孔将该至少一个导电层中的第一导电层连接至该反应室下方的导电互连件。
(18)如配置(1)至(17)中任一项的整合式装置，其中该反应室是设置于该整合式装置的该表面上且具有与该反应室相同的结构的多个反应室中的一个，且其中该至少一个导电层进一步形成相邻于该多个反应室中的每一反应室而设置的至少一个电极。
(19)如配置(18)的整合式装置，其进一步包括偏压电路，该偏压电路形成于该整合式装置上且设置为对该多个反应室中的每一反应室处的第一电极提供相同偏压。
(20)如配置(18)的整合式装置，其进一步包括偏压电路，该偏压电路形成于该整合式装置上且设置为对由该至少一个导电层中的第一导电层在第一反应室群组中的每一反应室处形成的第一电极独立于由该第一导电层在第二反应室群组中的每一反应室处形成的第一电极而提供偏压。
(21)如配置(18)的整合式装置，其进一步包括偏压电路，该偏压电路形成于该整合式装置上且设置为对由该至少一个导电层中的第一导电层在该多个反应室中的反应室处形成的第一电极独立于由该导电层在该多个反应室中的任一其他反应室处形成的第一电极而提供偏压。
(22)如配置(1)至(21)中任一项的整合式装置，其进一步包括偏压电路，该偏压电路形成于整合式装置上且设置为对该至少一个电极中的第一电极及第二电极提供第一偏压以产生辅助将该样本装载至该反应室中的第一电场及不同于该第一电场的第二电场。
(23)如配置(1)至(22)中任一项的整合式装置，其进一步包括样本贮器，该样本贮器与该表面流体密封且被配置以保持包括多个样本的悬浮液。
(24)如配置(23)的整合式装置，其进一步包括被配置以接触该样本贮器中的该悬浮液的外部电极。
(25)一种用于分析样本的设备，该设备包括具有以下的整合式装置：反应室，其穿过该整合式装置的表面而形成；及至少一个导电层，其形成相邻于该反应室安置的至少一个电极，其中该至少一个电极在被偏压时产生辅助将样本装载至该反应室中的至少一个电场。
(26)如配置(25)的设备，其中该反应室的最大尺寸小于一微米且该反应室被配置以保持一个样本以用于分析该样本。
(27)如配置(25)或(26)的设备，其进一步包括被配置以产生至少一个偏压且将该至少一个偏压施加至该至少一个导电层的偏压电路。
(28)如配置(27)的设备，其中该至少一个偏压中的第一偏压包括周期性波形。
(29)如配置(27)的设备，其中该至少一个偏压中的第一偏压包括两个周期性波形的组合。
(30)如配置(27)至(29)中任一项的设备，其进一步包括：光检测器，其位于相邻于该反应室处；及反馈电路，其布置为响应于该光检测器检测到该样本已装载于该反应室中而改变该第一偏压。
(31)如配置(27)至(30)中任一项的设备，其进一步包括：样本贮器，其与该表面流体密封且被配置以保持包括多数个样本的悬浮液；及外部电极，其被配置以接触该样本贮器中的该悬浮液，其中该偏压电路进一步被配置以将该至少一个偏压中的第二偏压施加至该外部电极。
(32)如配置(31)的设备，其中该偏压电路进一步被配置以在第一时间间隔期间施加该第一偏压且在不同于该第一时间间隔的第二时间间隔期间施加该第二偏压。
可在实践以下方法实施例中使用以上配置(1)至(32)中的至少某些配置。
(33)一种用于将所关注样本装载于整合式装置中的方法，该方法包括：将包含该所关注样本的悬浮液接纳至该整合式装置的表面上，其中该悬浮液覆盖形成至该表面中的反应室；在第一电极与第二电极之间施加电信号；及产生操作以辅助将该所关注样本装载至该反应室中的电场。
(34)如(33)的方法，其中产生该电场包括产生在通向该反应室的开口的500nm内的第一区域中具有与该第一区域外部的第二区域相比增加的强度的该电场。
(35)如(33)或(34)的方法，其中该第一电极位于相邻于该反应室处且该反应室具有小于一微米的最大尺寸。
(36)如(33)或(34)的方法，其中该第一电极在该整合式装置外部且该反应室具有小于一微米的最大尺寸。
(37)如(33)至(36)中任一项的方法，其中该电场作用于该所关注样本的方式不同于作用于该悬浮液中的其他组份的方式。
(38)如(33)至(37)中任一项的方法，其中施加该电信号包括：施加第一电信号以使该所关注样本自该悬浮液朝向该整合式装置的该表面移动；及施加第二电信号以使该所关注样本在该反应室内移动。
(39)如(33)至(38)中任一项的方法，其中施加该电信号包括施加作为两个周期性波形的组合的电信号。
(40)如(33)至(39)中任一项的方法，其进一步包括将额外电信号施加至该第一电极，该额外电信号减少或阻碍将第二所关注样本装载至该反应室中。
(41)如(33)至(40)中任一项的方法，其进一步包括将额外电信号施加至该第一电极，该额外电信号使该所关注样本的部分移出该反应室。
(42)如(33)至(41)中任一项的方法，其进一步包括在第三电极与该第一电极之间施加第二电信号，该第二电信号不同于在该第一电极与该第二电极之间施加的该电信号。
(43)如(33)至(42)中任一项的方法，其进一步包括将被配置以增加接近于该整合式装置的该表面的该所关注样本的浓度的拥挤试剂引入至该悬浮液中。
(44)如(43)的方法，其中该拥挤试剂是多醣。
(45)如(44)的方法，其中该多醣是选自由以下各项组成的群组的纤维素化合物：甲基纤维素、乙基纤维素、甲基乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基羟乙基纤维素及羟甲基纤维素。
(46)如(33)至(45)中任一项的方法，其进一步包括将缩合剂引入至该悬浮液中，该缩合剂被配置以减少该悬浮液中的该所关注样本的遍布体积。
(47)如(46)的方法，其中该缩合剂包括多价阳离子，该多价阳离子在该悬浮液中是多价阳离子性，且该多价阳离子选自精胺、亚精胺、聚赖胺酸、聚精胺酸、聚组胺酸、聚鸟胺酸、腐胺及鱼精蛋白。
(48)如(33)至(47)中任一项的方法，其中该所关注样本包括核酸分子。
(49)如(48)的方法，其中该核酸分子介于大约1kb与大约10kb之间、介于大约10kb与大约25kb之间、介于大约25kb与大约50kb之间、介于大约50kb与大约100kb之间、介于大约100kb与大约250kb之间、介于大约250kb与大约500kb之间或介于大约500kb与大约1000kb之间。
(50)一种形成整合式装置的方法，其包括：在介电材料的区域上方形成至少一个导电层，其中该介电材料包含至少一个波导；穿过该至少一个导电层形成反应室；及形成至少一个电极，该至少一个电极被配置以在被偏压时产生操作以辅助将所关注样本装载至该反应室中的电场。
(51)如(50)的方法，其中该反应室具有小于一微米的最大尺寸。
(52)如(50)或(51)的方法，其中形成至少一个导电层包括在半导体区域上方形成作为该半导体区域中的集成电路的部分的导电层。
(53)如(52)的方法，其进一步包括形成设置为检测来自该反应室的发射光的光检测器，其中该光检测器是该半导体区域中的该集成电路的部分。
Ⅳ.总结
在已阐述本申请的技术的数个方面及实施例之后，应了解，本领域普通技术人员将容易地想到各种更改、修改及改进。这些更改、修改及改进意欲在本申请中所阐述的技术的精神及范围内。因此，应理解，前述实施例仅是以示例方式呈现且在所附权利要求及其等效物的范围内，可以不同于所特定阐述的方式来实践发明性实施例。另外，若本文中所阐述的两个或两个以上特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互矛盾，则这些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任意组合包括于本发明的范围内。
而且如所阐述，某些方面可体现为一或多个方法。作为方法的部分而执行的动作可以任意适合的方式而排序。因此，实施例可被构造，其中以不同于所图解说明的次序执行动作，其可包含同时执行某些动作，即使在说明性实施例中展示为顺序动作。
本文所定义及使用的所有定义应理解为控制在辞典定义、以引用方式并入的文档中的定义及/或所定义术语的普遍意义以内。
除非明确指示为相反，否则如本文中在说明书中及在权利要求中使用的不定冠词“一个(a，an)”应理解为意指“至少一个”。
如本文中在说明书中及权利要求中所使用，词组“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一者或两者”，即，在某些情形中以结合方式存在且在其他情形中以分离方式存在的要素。
如本文中在说明书中及在权利要求中所使用，参考一或多个要素的列表的词组“至少一个”应理解为意指从要素列表中的任一或多个要素中选择的至少一个要素，但未必包含要素列表内具体列出的各个及每一个要素中的至少一者，且不排除要素列表中要素的任何组合。此定义也允许可选地存在除词组“至少一个”所指的要素列表内具体识别的要素以外的要素，无论与具体识别的那些要素相关还是不相关。
在权利要求中以及在上文说明书中，所有过渡性词组(诸如“包括”、“包含”、“携载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由…构成”及诸如此类)应理解为是开放式，即，意指包括但不限于。过渡性词组“由…组成”及“主要由…组成”应分别是封闭式或半封闭式的过渡性词组。

Claims (31)

1.一种整合式装置，其包括：
反应室，其穿过该整合式装置的表面而形成；
至少一个导电层，其形成与该反应室相邻设置的至少一个电极，其中该至少一个电极在被偏压时产生辅助将样本装载至该反应室中的至少一个电场；
在该反应室下方在基板中的半导体区域；
光检测器，其形成于该半导体区域中；以及
导电互连件，其连接至该光检测器，其中该导电互连件是该至少一个导电层中的第一导电层。
2.如权利要求1所述的整合式装置，其进一步包括垂直地且与该反应室相邻地形成的导电通孔，其中该导电通孔将该至少一个导电层中的第一导电层连接至该反应室下方的导电互连件。
3.如权利要求1所述的整合式装置，其中该至少一个导电层包括：
第一导电层，其位于该整合式装置的该表面处；以及
第二导电层，其位于该表面下方且通过介电材料与该第一导电层分开，其中该反应室延伸穿过该第一导电层及该第二导电层。
4.如权利要求3所述的整合式装置，其中该第二导电层在横向方向上自该反应室延伸不多于三微米，不包含连接至该第二导电层的任何导电互连件。
5.如权利要求1所述的整合式装置，其中该反应室的最大尺寸小于一微米。
6.如权利要求1所述的整合式装置，其中该至少一个电极设置为产生电场，该电场在通向该反应室的开口的500nm内的第一区域中具有与该第一区域外部的第二区域相比增加的强度。
7.如权利要求1所述的整合式装置，其中该电场辅助装载来自在该反应室上方放置为与该表面接触的悬浮液的样本。
8.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其中该反应室被配置以保持仅一个样本以用于分析该样本。
9.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其中该反应室的底部在距光学波导一微米内终止。
10.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其中该至少一个导电层中的第一导电层被图案化以形成与该反应室相邻的两个电极，其中该两个电极在被偏压时产生主要横向定向的电场。
11.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其中该表面包括该至少一个导电层中的第一导电层的表面。
12.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其中该反应室延伸穿过该至少一个导电层中的一个或多个导电层。
13.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其进一步包括形成于该反应室的侧壁上且电耦合至该至少一个导电层中的第一导电层的导电材料。
14.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其进一步包括：
介电层，其形成于该至少一个导电层中的第一导电层与第二导电层之间；以及
该介电层中的开口，其与该反应室重迭，其中该介电层中的该开口的尺寸小于该反应室在该表面处的开口的尺寸。
15.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其中该至少一个导电层包括含有铝和/或钛的第一层，该第一层与含有氮化钛的第二层接触。
16.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其中该反应室的底部表面与该至少一个导电层中的第一导电层之间的距离小于400nm。
17.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其中该反应室是设置于该整合式装置的该表面上且具有与该反应室相同的结构的多个反应室中的一个，且其中该至少一个导电层进一步形成与该多个反应室中的每一反应室相邻设置的至少一个电极。
18.如权利要求17所述的整合式装置，其进一步包括偏压电路，该偏压电路形成于该整合式装置上且设置为对该多个反应室中的每一反应室处的第一电极提供相同偏压。
19.如权利要求17所述的整合式装置，其进一步包括偏压电路，该偏压电路形成于该整合式装置上，且设置为：对由该至少一个导电层中的第一导电层在第一反应室群组中的每一反应室处形成的第一电极独立于由该第一导电层在第二反应室群组中的每一反应室处形成的第一电极而提供偏压。
20.如权利要求17所述的整合式装置，其进一步包括偏压电路，该偏压电路形成于该整合式装置上，且设置为：对由该至少一个导电层中的第一导电层在该多个反应室中的反应室处形成的第一电极独立于由该导电层在该多个反应室中的任一其他反应室处形成的第一电极而提供偏压。
21.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其进一步包括偏压电路，该偏压电路形成于该整合式装置上且设置为对该至少一个电极中的第一电极以及对第二电极提供第一偏压以产生辅助将样本装载至该反应室中的第一电场以及第二电场，该第二电场不同于该第一电场。
22.如权利要求1以及权利要求5至7中任一项所述的整合式装置，其进一步包括与该表面流体密封且被配置以保持包括多个所述样本的悬浮液的样本贮器。
23.如权利要求22所述的整合式装置，其进一步包括被配置以接触该样本贮器中的悬浮液的外部电极。
24.一种用于分析样本的设备，该设备包括整合式装置，该整合式装置具有：
反应室，其穿过该整合式装置的表面而形成；
至少一个导电层，其形成与该反应室相邻设置的至少一个电极，其中该至少一个电极在被偏压时产生辅助将样本装载至该反应室中的至少一个电场；
在该反应室下方在基板中的半导体区域；
光检测器，其形成于该半导体区域中；以及
导电互连件，其连接至该光检测器，其中该导电互连件是该至少一个导电层中的第一导电层。
25.如权利要求24所述的设备，其中该反应室的最大尺寸小于一微米且该反应室被配置以保持一个样本以用于分析该样本。
26.如权利要求24或25所述的设备，其进一步包括被配置以产生至少一个偏压且将该至少一个偏压施加至该至少一个导电层的偏压电路。
27.如权利要求26所述的设备，其中该至少一个偏压中的第一偏压包括周期性波形。
28.如权利要求26所述的设备，其中该至少一个偏压中的第一偏压包括两个周期性波形的组合。
29.如权利要求26所述的设备，其中：
所述光检测器位于与该反应室相邻处；以及
所述设备还包括：反馈电路，其设置为响应于该光检测器检测到样本已装载于该反应室中而改变该第一偏压。
30.如权利要求26所述的设备，其进一步包括：
样本贮器，其与该表面流体密封且被配置以保持包括多个所述样本的悬浮液；以及
外部电极，其被配置以接触该样本贮器中的悬浮液，其中该偏压电路进一步被配置以将该至少一个偏压中的第二偏压施加至该外部电极。
31.如权利要求30所述的设备，其中该偏压电路进一步被配置以在第一时间间隔期间施加该第一偏压且在不同于该第一时间间隔的第二时间间隔期间施加该第二偏压。
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