CN115735278A - 图像传感器结构及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像传感器结构，该图像传感器结构包括图像层，该图像层具有设置在其中的光检测器阵列。器件叠层设置在该图像层上方。光导阵列设置在该器件叠层中。每个光导与光检测器相关联。纳米孔阵列设置在该器件叠层上方。每个纳米孔与该光导阵列的第一光导相关联。第一引物组设置在每个纳米孔的整个第一孔区域。第二引物组设置在每个纳米孔的整个第二孔区域。该第二孔区域与该第一孔区域相邻。该第一引物组和该第二引物组能够用于附接该第一孔区域中正向多核苷酸链的正向链簇和该第二孔区域中反向多核苷酸链的反向链簇。

Description

图像传感器结构及相关方法
相关申请的交叉引用
本申请是2020年12月10日提交的名称为“IMAGE SENSOR STRUCTURES ANDRELATED METHODS”的美国临时申请63/123,741的非临时申请，并要求其申请日的权益，该临时申请的内容通过引用并入本文。
背景技术
图像传感器结构可以与诸如流通池的微流体器件耦合以形成传感器系统。传感器系统可以是例如生物传感器系统。此类传感器系统通常利用设置在图像传感器结构的一个层或多个层的钝化叠层(本文中称为“钝化叠层”)的顶层中的高密度纳米孔阵列，以对设置在纳米孔内的多核苷酸链执行受控的反应方案。反应方案可以例如确定链内核苷酸的顺序。
在此类反应方案的示例中，设置在图像传感器结构的纳米孔阵列中的多核苷酸链(例如DNA片段簇、核酸分子链等)可以用可识别的标记(例如荧光标记的核苷酸碱基)标记，该可识别的标记通过流经流通池的流体流动递送至这些链。然后可将一个或多个激发光引导到纳米孔内的已标记的链上。已标记的链然后可发射发射光光子，指示链中核苷酸碱基的顺序，其可透过钝化叠层并进入与每个纳米孔相关联(例如，位于正下方)的图像传感器结构的光导中。
光导将发射光光子引导到设置在图像传感器结构内并与光导相关联的光检测器。光检测器检测发射光光子。然后，图像传感器结构内的器件电路使用检测到的光子来处理和传输数据信号。然后可以分析数据信号以揭示链内核苷酸碱基的序列。此类测序方法的示例称为合成测序。
在制备用于测序过程的多核苷酸链的示例中，通常将第一衔接子和不同的第二衔接子添加到多核苷酸链的末端，以形成所谓的DNA文库。衔接子与正向引物和反向引物诸如寡核苷酸片段(寡核苷酸)互补，这些寡核苷酸片段通过它们的5'端锚定在流通池的纳米孔中。因此，待测序的DNA文库杂交(接种)到正向引物和反向引物，并在固体支持物上扩增形成DNA簇。
正向引物和反向含有化学切割位点，使得正向链或反向链可以独立地切割和去除。正向链和反向的测序按顺序进行，首先去除反向链，封闭其3'末端，并对正向链测序，得到读段1，然后在重新扩增簇后，去除正向链，封闭其3'末端，并对反向链测序，得到读段2。
然而，问题在于，因为正向链和反向链的合成是连续进行的，所以该方法非常耗时。另外，纳米孔越大(例如，对于较大的簇或多个簇)，发生多克隆性(即，多于一种类型的链最初接种在纳米孔中，然后同时扩增为多克隆簇)的可能性就越大。此外，簇彼此越接近，串扰(即，从一个簇发射的光进入另一簇的光导并在未关联的光检测器上配准)的可能性就越大。
因此，需要一种图像传感器结构，其能够实现比首先连续合成多核苷酸链的正向链，然后连续合成其反向链更快的测序过程。此外，如果这种更快的测序过程可能涉及更大的纳米孔，则需要降低多克隆性的可能性。另外，如果这种更快的测序过程可能涉及彼此紧密接近的多个簇，则需要降低串扰的可能性。
简要说明
本公开通过提供能够同时对相邻正向链和反向链簇进行配对末端测序(或读取)的图像传感器结构而提供优于现有技术的优点、益处和替代方案。同时配对末端测序允许用户同时对簇的正向和反向互补链进行测序。另外，本公开的图像传感器包括能够降低相邻正向链簇和反向链簇的多克隆性和串扰的可能性的各种结构。
根据本公开的一个或多个方面的图像传感器结构包括图像层。该图像层包括设置在其中的光检测器阵列。器件叠层设置在该图像层上方。光导阵列设置在该器件叠层中。每个光导与该光检测器阵列的光检测器相关联。纳米孔阵列设置在该器件叠层上方。该纳米孔阵列的每个纳米孔与该光导阵列的第一光导相关联。第一引物组设置在每个纳米孔的整个第一孔区域。不同的第二引物组设置在每个纳米孔的整个第二孔区域。该第二孔区域在区域界面处与该第一孔区域相邻。该第一引物组和该第二引物组可用于附接该第一孔区域中正向多核苷酸链的正向链簇和用于附接该第二孔区域中反向多核苷酸链的相邻反向链簇。
在该图像传感器结构的一些示例中，该纳米孔阵列的每个纳米孔与该光导阵列的第二光导相关联。该第一孔区域设置在该第一光导上方。该第二孔区域设置在该第二光导上方。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一孔区域的面积小于该第二孔区域的面积。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一孔区域和该第二孔区域具有基本上相等的宽度。该第一孔区域具有为该第二孔区长度的90％或更小的长度。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一孔区域包括设置在该整个第一光导上方的第一区段。该第一区段具有第一区段宽度。第二区段从该第一区段延伸到该区域界面。该第二区段具有小于该第一区段宽度的第二区段宽度。该第二孔区域包括设置在该整个第二光导上方的第三区段。该第三区段具有第三区段宽度。第四区段从该第三区段延伸到该区域界面。该第四区段具有小于该第三区段宽度的第四区段宽度。该第一孔区域的该第二区段宽度和该第二孔区域的该第四区段宽度基本上相等。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一区段和该第三区段具有基本上圆形的形状。该第一区段宽度和该第三区段宽度分别是该第一区段和该第三区段的直径。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第二区段宽度和该第四区段宽度分别比该第一区段宽度和该第三区段宽度小50％或更少。
在该图像传感器结构的一些示例中，不透明层设置在该光导阵列与每个纳米孔的该第一孔区域和该第二孔区域之间。该不透明层在该第一孔区域和该第二孔区域的整个区域界面之下延伸。该不透明层覆盖与每个纳米孔相关联的该第一光导和该第二光导的顶面的不到整个部分。
在该图像传感器结构的一些示例中，该不透明层不覆盖与每个纳米孔相关联的该第一光导和该第二光导的该顶面的任何部分。
在该图像传感器结构的一些示例中，该不透明层覆盖大于与每个纳米孔相关联的该第一光导和该第二光导的该顶面的10％。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一光导与该光检测器阵列的第一光检测器相关联。该第二光导与该光检测器阵列的第二光检测器相关联。每个纳米孔与宽度小于该第一光检测器和该第二光检测器之间的间距的该第一光导和该第二光导相关联。该第一光导和该第二光导相对于彼此以锐角从它们关联的纳米孔延伸到他们关联的第一光检测器和第二光检测器。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一孔区域设置在该第一光导的第一部分上方。该第二孔区域设置在该第一光导的第二部分上方。
在该图像传感器结构的一些示例中，波导层设置在该光导阵列与每个纳米孔的该第一孔区域和该第二孔区域之间。第一波导设置在该波导层中并在该第一孔区域之下延伸。该第一波导能够用于在附接在该第一孔区域中的正向链簇上照射激发光。第二波导设置在该波导层中并在该第二孔区域之下延伸。该第二波导能够用于在附接在该第二孔区域中的反向链簇上照射激发光。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一波导能够用于在附接在该第一孔区域中的正向多核苷酸链的正向链簇上照射激发光。另外，该第二波导能够用于在附接在该第二孔区域中的反向多核苷酸链的反向链簇上照射激发光。
在该图像传感器结构的一些示例中，钝化叠层设置在该器件叠层上方，其中该纳米孔阵列设置在该钝化叠层中。
在该图像传感器结构的一些示例中，每个纳米孔的该第一孔区域设置在该关联的第一光导的第一部分上方。每个纳米孔的该第二孔区域设置在该关联的第一光导的第二部分上方。第一波导阵列设置在该器件叠层上方。每个第一波导与该纳米孔阵列的纳米孔相关联。每个第一波导能够用于在附接在该第一波导的关联纳米孔的该第一孔区域中的正向多核苷酸链的正向链簇上照射激发光。第二波导阵列设置在该器件叠层上方。每个第二波导与该纳米孔阵列的纳米孔相关联。每个第二波导能够用于在附接在该第二波导的关联纳米孔的该第二孔区域中的反向多核苷酸链的反向链簇上照射激发光。
在该图像传感器结构的一些示例中，波导层设置在该光导阵列与每个纳米孔的该第一孔区域和该第二孔区域之间。该波导阵列的每个第一波导设置在该波导层中，并且在该第一波导的关联纳米孔的该第一孔区域之下延伸。该波导阵列的每个第二波导设置在该波导层中，并且在该第二波导的关联纳米孔的该第二孔区域之下延伸。
在该图像传感器结构的一些示例中，钝化叠层设置在该器件叠层上方，其中该纳米孔阵列设置在该钝化叠层中。该第一波导阵列的每个第一波导设置在该钝化叠层中，与该第一波导的关联纳米孔的一侧相邻。该波导阵列的每个第二波导设置在该钝化叠层中，与该第二波导的关联纳米孔的相对侧相邻。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一波导阵列的每个第一波导能够用于在附接在与该第一波导的关联纳米孔相邻的纳米孔的该第一孔区域或该第二孔区域中的多核苷酸链簇上照射激发光。该第二波导阵列的每个第二波导能够用于在附接在与该第二波导的关联纳米孔相邻的纳米孔的该第一孔区域或该第二孔区域中的多核苷酸链簇上照射激发光。
在该图像传感器结构的一些示例中，除了在区域界面处外，该第一孔区域和该第二孔区域由该孔的壁界定。
根据本公开的一个或多个方面的另一图像传感器结构包括图像层，该图像层包括设置在其中的光检测器阵列。器件叠层设置在该图像层上方。光导阵列设置在该器件叠层中。每个光导与该光检测器阵列的光检测器相关联。纳米孔阵列设置在该器件叠层上方。该纳米孔阵列的每个纳米孔与该光导阵列的第一光导和第二光导相关联。第一引物组设置在每个纳米孔的整个第一孔区域。该第一孔区域设置在该第一光导上方。不同的第二引物组设置在每个纳米孔的整个第二孔区域。该第二孔区域设置在该第二光导上方并且在区域界面处与该第一孔区域相邻。该第一引物组和该第二引物组能够用于附接该第一孔区域中的正向链簇和附接该第二孔区域中的相邻反向链簇。该第一孔区域的面积小于该第二孔区域的面积。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一孔区域包括设置在该整个第一光导上方的具有基本上圆形形状的第一区段。该第一区段具有第一区段直径。第二区段从该第一区段延伸到该区域界面。该第二区段具有小于该第一区段直径的第二区段宽度。该第二孔区域包括设置在该整个第二光导上方的具有基本上圆形形状的第三区段。该第三区段具有第三区段直径。第四区段从该第三区段延伸到该区域界面。该第四区段具有小于该第三区段直径的第四区段宽度。该第一孔区域的该第二区段宽度和该第二孔区域的该第四区段宽度基本上相等。
在该图像传感器结构的一些示例中，不透明层设置在该光导阵列与每个纳米孔的该第一孔区域和该第二孔区域之间。该不透明层在该第一孔区域和该第二孔区域的整个区域界面之下延伸。该不透明层覆盖与每个纳米孔相关联的该第一光导和该第二光导的顶面的不到整个部分。
在该图像传感器结构的一些示例中，该不透明层不覆盖与每个纳米孔相关联的该第一光导和该第二光导的该顶面的任何部分。
在该图像传感器结构的一些示例中，该第一光导与该光检测器阵列的第一光检测器相关联。该第二光导与该光检测器阵列的第二光检测器相关联。每个纳米孔与宽度小于该第一光检测器和该第二光检测器之间的间距的该第一光导和该第二光导相关联。该第一光导和该第二光导相对于彼此以锐角从它们关联的纳米孔延伸到他们关联的第一光检测器和第二光检测器。
根据本公开的一个或多个方面的另一图像传感器结构包括图像层，该图像层包括设置在其中的光检测器阵列。器件叠层设置在该图像层上方。光导阵列设置在该器件叠层中。每个光导与该光检测器阵列的光检测器相关联。纳米孔阵列设置在该器件叠层上方。该纳米孔阵列的每个纳米孔与该光导阵列的第一光导相关联。第一引物组设置在每个纳米孔的整个第一孔区域。该第一孔区域设置在该第一光导的第一部分上方。不同的第二引物组设置在每个纳米孔的整个第二孔区域。该第二孔区域设置在该第一光导的第二部分上方。该第二孔区域在区域界面处与该第一孔区域相邻。该第一引物组和该第二引物组能够用于附接该第一孔区域中的正向链簇和附接该第二孔区域中的相邻反向链簇。
在该图像传感器结构的一些示例中，波导层设置在该光导阵列与每个纳米孔的该第一孔区域和该第二孔区域之间。第一波导设置在该波导层中并在该第一孔区域之下延伸。该第一波导能够用于在附接在该第一孔区域中的正向链簇上照射激发光。第二波导设置在该波导层中并在该第二孔区域之下延伸。该第二波导能够用于在附接在该第二孔区域中的反向链簇上照射激发光。
在该图像传感器结构的一些示例中，第一波导阵列设置在该器件叠层上方。每个第一波导与该纳米孔阵列的纳米孔相关联。每个第一波导能够用于在附接在该第一波导的关联纳米孔的该第一孔区域中的正向多核苷酸链的正向链簇上照射激发光。第二波导阵列设置在该器件叠层上方。每个第二波导与该纳米孔阵列的纳米孔相关联。每个第二波导能够用于在附接在该第二波导的关联纳米孔的该第二孔区域中的反向多核苷酸链的反向链簇上照射激发光。
根据本公开的一个或多个方面的同时配对末端测序的方法包括用多核苷酸链在图像传感器结构的纳米孔的第一孔区域中接种第一引物组。使第二引物组在该纳米孔的第二孔区域中失活，以使得不能够在该第二孔区域中接种其他多核苷酸链。该第一多核苷酸链在该整个第一孔区域扩增成多条正向链和反向链。从该第一孔区域切割该反向链以在该第一孔区域中形成正向链簇。激活该第二孔区域中的该第二引物组，以使得能够在该第二孔区域中进行接种和扩增。将该第一孔区域的该正向链簇扩增到该第二孔区域中，以在该第二孔区域中形成多条正向链和反向链。从该第二孔区域切割该正向链以在该第二孔区域中形成反向链簇。该第一孔区域中的该正向链簇和该第二孔区域中的该反向链簇基本上同时测序。
在该方法的一些示例中，使该第二引物组失活包括掩盖该第二孔区域，并且激活该第二引物组包括暴露该第二孔区域。
在该方法的一些示例中，将具有第一荧光标记的第一互补核苷酸附接到该第一孔区域中该正向链簇的核苷酸上。将具有第二荧光标记的第二互补核苷酸附接到该第二孔区域中该反向链簇的核苷酸上。激发光基本上同时辐射到该正向链簇和该反向链簇上，以从该第一标记和该第二标记发出荧光发射光。来自该第一标记的该发射光通过第一光导传输到第一光检测器，来自该第二标记的该发射光通过第二光导传输到第二光检测器，以分别测定该正向链和该反向链的核苷酸序列。
在该方法的一些示例中，该第一孔区域的面积小于该第二孔区域的面积。
在该方法的一些示例中，该第一孔区域包括第一区段和第二区段。该第一区段设置在该整个第一光导上方。该第一区段具有第一区段宽度。该第二区段从该第一区段延伸到该第一孔区域和该第二孔区域之间的区域界面。该第二区段具有小于该第一区段宽度的第二区段宽度。该第二孔区域包括第三区段和第四区段。该第三区段设置在该整个第二光导上方。该第三区段具有第三区段宽度。第四区段从该第三区段延伸到该区域界面。该第四区段具有小于该第三区段宽度的第四区段宽度。
在该方法的一些示例中，不透明层设置在该第一光导和该第二光导以及该第一孔区域和该第二孔区域之间。该不透明层在该第一孔区域和该第二孔区域的整个区域界面之下延伸。该不透明层覆盖少于该第一光导和该第二光导的整个部分。
在该方法的一些示例中，该纳米孔的宽度小于该第一光检测器和该第二光检测器之间的间距。该第一光导和该第二光导相对于彼此以锐角延伸到它们关联的第一光检测器和第二光检测器。
在该方法的一些示例中，该第一孔区域设置在第一光导的第一部分上方。该第二孔区域设置在该第一光导的第二部分上方。
在该方法的一些示例中，将具有第一荧光标记的第一互补核苷酸附接到该正向链簇的核苷酸上。将具有第二荧光标记的第二互补核苷酸附接到该反向链簇的核苷酸上。将量远大于辐射到该反向链簇上的激发光辐射到该正向链簇上，以从该第一标记发出量远大于从该第二标记发出的荧光发射光。该发射光从该第一标记通过第一光导传输到第一光检测器以测定该正向链的核苷酸。辐射到该反向链簇上的激发光量远大于辐射到该正向链簇上的激发光量，以从该第二标记发出量远大于从该第一标记发出的荧光发射光。该发射光从该第二标记通过该第一光导传输到该第一光检测器以测定该反向链的核苷酸。
在该方法的一些示例中，波导层设置在该第一光导与该第一孔区域和第二孔区域之间。第一波导设置在该波导层中，其中该第一波导在该第一孔区域之下延伸，但不在该第二孔区域之下延伸。第二波导设置在该波导层中，其中该第二波导在该第二孔区域之下延伸，但不在该第一孔区域之下延伸。该激发光通过该第一波导辐射到该前链簇上。该激发光通过该第二波导辐射到该反向链簇上。
在该方法的一些示例中，第一波导设置在该第一光导上方。第二波导设置在该第一光导上方。该激发光通过该第一波导辐射到该前链簇上。该激发光通过该第二波导辐射到该反向链簇上。
在该方法的一些示例中，将具有第一荧光标记的第一互补核苷酸附接到该正向链簇的核苷酸上。将具有第二荧光标记的第二互补核苷酸附接到该反向链簇的核苷酸上。激发光基本上同时辐射到该第一孔区域中的该正向链簇上和该第二孔区域中的该反向链簇上，以从该第一标记和该第二标记发出荧光发射光。来自该第一标记和该第二标记的组合发射光通过第一光导传输到第一光检测器。利用信号处理技术来测定与在该第一光检测器中检测到的该组合发射光相关联的正向链和反向链中的核苷酸。
在该方法的一些示例中，基本上同时测序包括基本上同时地将来自该正向链的第一标记的发射光接收到第一光检测器以及将来自该反向链的第二标记的发射光接收到第二光检测器，以分别测定该正向链和该反向链的核苷酸序列。
在该方法的一些示例中，基本上同时测序包括将来自该正向链的第一标记的发射光接收到第一光检测器以及将来自该反向链的第二标记的发射光接收到该第一光检测器，以分别测定该正向链和该反向链的核苷酸序列。
在该方法的一些示例中，从该正向链的第一标记接收到第一光检测器的发射光与从该反向链的第二标记接收到该第一光检测器的发射光基本上同时被接收。
在该方法的一些示例中，在将发射光从该反向链的第二标记接收到第一光检测器之前，接收从该正向链的第一标记接收到该第一光检测器的发射光。
应当理解，前述概念和下文更详细讨论的附加概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文所公开的主题的一部分并且/或者可以被组合以实现特定方面的特定有益效果。具体地讲，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想为是本文所公开的主题的一部分。
附图说明
通过以下结合附图进行的详细描述，将更全面地理解本公开，在附图中：
图1示出了根据本文所述方面的锚定到图像传感器结构的孔区域的一组引物分子的示例；
图2示出了根据本文所述方面的可被引入图像传感器结构的孔区域的多核苷酸链的示例；
图3示出了根据本文所述方面的作为正向链附接到孔区域的多核苷酸链簇的示例；
图4示出了根据本文所述方面的作为反向链附接到孔区域的多核苷酸链簇的示例；
图5示出了根据本文所述方面的被测序以确定其核苷酸顺序的正向链的示例；
图6示出了根据本文所述方面的分别设置在纳米孔上的相邻正向链簇和反向链簇的示例；
图7A示出了根据本文所述方面的具有附接到图像传感器结构的流通池的传感器系统的剖面侧视图的示例；
图7B示出根据本文中所述方面的沿图7A的线7B-7B截取的图7A的图像传感器结构的俯视图的示例；
图8示出了根据本文所述方面的图像传感器结构的纳米孔中的第一孔区域和相邻的第二孔区域的俯视图的示例，其中该第一孔区域和该第二孔区域具有基本上相等的面积；
图9示出了根据本文所述方面的图像传感器结构的纳米孔中的第一孔区域和相邻的第二孔区域的俯视图的另一示例，其中该第一孔区域和该第二孔区域具有基本上不相等的面积；
图10示出了根据本文所述方面的图像传感器结构的纳米孔中的第一孔区域和相邻的第二孔区域的俯视图的另一示例，其中该第一孔区域和该第二孔区域具有大致狗骨形状；
图11示出了根据本文所述方面的成对(具有正向链簇的第一孔区域和具有反向链簇的第二孔区域)对比度以及与该第一孔区域相关联的光导中心的距离的图的示例；
图12示出了根据本文所述方面的图像传感器结构的剖视图的示例，该图像传感器结构具有设置在光导阵列与纳米孔的第一孔区域和第二孔区域之间的不透明层；
图13A示出了根据本文所述方面的图12的图像传感器结构的不透明层的顶部透视图的示例；
图13B示出了根据本文所述方面的图12的图像传感器结构的不透明层的顶部透视图的另一示例；
图13C示出了根据本文所述方面的图12的图像传感器结构的不透明层的顶部透视图的另一示例；
图14A示出了根据本文所述方面的成对对比度以及与该第一孔区域相关联的光导中心的距离的图的示例，其中在该第一孔区域和该第二孔区域与该光导阵列之间未设置不透明层；
图14B示出了根据本文所述方面的成对对比度以及与该第一孔区域相关联的光导中心的距离的图的示例，其中不透明层设置在该第一孔区域和第二孔区域与该光导阵列之间；
图15示出了根据本文所述方面的具有设置在第一光导和第二光导上方的第一孔区域和第二孔区域的图像传感器结构的剖视图的示例，其中该光导相对于彼此形成锐角；
图16示出了根据本文所述方面的具有纳米孔的图像传感器结构的剖视图的示例，该纳米孔具有设置在光导的第一部分和第二部分上方的第一孔区域和第二孔区域，其中第一波导和第二波导设置在波导层中并分别在该第一孔区域和该第二孔区域之下延伸；
图17示出了根据本文所述方面的具有纳米孔的图像传感器结构的剖视图的示例，该纳米孔具有设置在光导的第一部分和第二部分上方的第一孔区域和第二孔区域，其中第一波导和第二波导设置在与该纳米孔相邻并且在该纳米孔的相对侧上的钝化叠层中；
图18示出了根据本文所述方面的具有图17的纳米孔阵列和光导的图像传感器结构的剖视图的示例；
图19示出了根据本文所述方面的具有设置在共用光导的第一部分和第二部分上方的第一孔区域和第二孔区域的图像传感器结构的剖视图的示例；
图20A示出了根据本文所述方面的亮簇的散布图的示例；
图20B示出了根据本文所述方面的暗簇的散布图的示例；
图21示出了根据本文所述方面的散点图的示例，该散点图示出了由来自亮簇和暗簇的强度值产生的16个分布；
图22示出了根据中所述方面的同时配对末端测序的方法的流程图的示例；
图23示出了根据本文所述方面的同时配对末端测序的方法的另一流程图的示例；
图24示出了根据本文所述方面的同时配对末端测序的方法的另一流程图的示例；以及
图25示出了根据本文所述方面的同时配对末端测序的方法的另一流程图的示例。
具体实施方式
现在将描述某些示例以提供对本文公开的方法、系统和设备的结构、功能、制造和使用的原理的全面理解。在附图中示出一个或多个示例。本领域技术人员将理解，本文具体描述并在附图中示出的方法、系统和设备是非限制性示例，并且本公开的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例示出或描述的特征可与其他示例的特征组合。这样的修改和变化旨在包括在本公开的范围内。
术语“显著地”、“基本上”、“大约”、“约”、“相对”或可能在本公开通篇(包括权利要求书)使用的其他此类类似术语用于描述和考虑小波动(例如来自参考或参数的处理变化)。此类小波动也包括来自参考或参数的零波动。例如，它们可以指小于或等于±10％，诸如小于或等于±5％，诸如小于或等于±2％，诸如小于或等于±1％，诸如小于或等于±0.5％，诸如小于或等于±0.2％，诸如小于或等于±0.1％，诸如小于或等于±0.05％。
参考图1，示出了根据本文所述方面锚定(例如，通过化学锚栓103)到图像传感器结构100的孔区域104的一组引物分子(即，引物组)102的示例。引物组102可包括至少两种类型的寡核苷酸(即寡核苷酸)106、108，其激活图像传感器结构100的孔区域104以能够将多核苷酸链110(见图2)锚定到图像传感器结构100。寡核苷酸106和108在本文中可分别称为正向和反向寡核苷酸或引物。
参考图2，示出了根据本文所述方面的可通过流通池112(见图7A)引到图像传感器结构100的孔区域104的多核苷酸链110的示例。多核苷酸链110可包括未知核苷酸序列116的多核苷酸片段(例如DNA或RNA片段)114。
多核苷酸链110还可包括一对正向末端衔接子118和反向末端衔接子120。衔接子对118、120可以与寡核苷酸106、108互补。
参考图3，示出了根据本文所述方面的作为正向链122附接到孔区域104的多核苷酸链110的正向链簇121的示例。当多核苷酸链110作为正向链122附接时，正向寡核苷酸106可替代正向末端衔接子118以将正向链122锚定到孔区域104的底部。反向末端衔接子120仍然束缚到正向链122的自由末端。
参考图4，示出了根据本文所述方面的作为反向链124附接到孔区域104的多核苷酸链110的反向链簇123的示例。当多核苷酸链110作为反向链124附接时，反向寡核苷酸108替代反向末端衔接子120以将链110锚定到孔区域104的底部。正向末端衔接子118仍然束缚到反向链124的自由末端。
参考图5，示出了根据本文所述方面的被测序以测定其核苷酸116的顺序的正向链122的示例。与正向链122的每个核苷酸116(例如，116-1至116-9和更多)相关联的含氮碱基的具体类型由圆圈字母A、G、C或T标识，其分别代表核苷酸116的碱基类型即腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。
为了鉴定正向链122中核苷酸116的碱基序列，通过流通池112(见图7A)引入具有带荧光标记128的碱基的多个第二核苷酸126(例如，126-1至126-6和更多)。核苷酸126的碱基(A、G、C、T)竞争加入到作为正向链122的互补物的生长中的第二多核苷酸130中。随着第二核苷酸126(例如，具有碱基C和荧光标记128的核苷酸126-6)的碱基每次添加到生长中的第二多核苷酸130链上，荧光标记128通过激发光激发。荧光标记128的独特信号识别第二核苷酸126的碱基类型。一旦识别出碱基，就移除荧光标记128。鉴定第二多核苷酸130的每个第二核苷酸126也鉴定其正向链122的关联互补核苷酸116。本文中将识别碱基的过程称为“碱基识别”(base call)。
然而，对于该测序过程的每个循环，每个碱基识别的不确定度随着第二多核苷酸链130的长度增加而增加。在某一点，不确定度变得过大而不能继续。因此，在其中链的每个末端被连续测序(即，不平行或同时)的示例中，洗掉正向链122并且将反向链124锚定到孔区域104来代替正向链122。然后在反向链124上以相同的方式继续测序过程。
参考图6，示出了根据本文所述方面的分别设置在纳米孔136上的正向链122和反向链124的相邻簇121、123的示例。在该示例中，正向链122和反向链124设置在纳米孔136的第一孔区域132和相邻的第二孔区域134中。
第一孔区域132和第二孔区域134由区域界面138分开。在一个示例中，区域界面138是两个直接相邻的孔区域132、134之间的边界线。在另一个示例中，区域界面138具有足够小的宽度，以便成簇而跨越区域界面138从一个孔区域132到另一个孔区域134。
第一引物组140设置在整个第一孔区域132。第二不同的引物组142设置在整个第二孔区域134。第一引物组140和第二引物组142的差异使得引物组能够附接第一孔区域132中的正向链簇121和第二孔区域134中的反向链簇123。在转让给Illumina,Inc.并且具有国际申请日2019年6月6日的Fisher等人的名称为“FLOW CELLS”的国际专利申请PCT/US2019/036105即国际公布WO 2020/005503中提供了引物组140、142中的差异和用于分别控制相邻第一孔区域132和第二孔区域134中正向链122和反向链124的产生的化学性质的详细示例，其通过引用全部并入本文。
在第一引物组140和第二引物组142之间的差异的示例中，第一引物组140可包括不可切割的第一引物和可切割的第二引物。而第二引物组可包括可切割的第一引物和不可切割的第二引物。
在更具体的示例中，第一引物组140可包括第一正向寡核苷酸引物106，其长度为约20个核苷酸，具有腺苷、鸟苷、胞苷和胸苷的指定序列；第一反向寡核苷酸引物108，其长度为约20个核苷酸，具有不同的腺苷、鸟苷、胞苷、胸苷和一个或多个脱氧尿苷序列。第二引物组142可包括第二正向寡核苷酸引物106，其长度为约20个核苷酸，具有腺苷、鸟苷、胞苷、胸苷和一个或多个脱氧尿苷的指定序列；第二反向寡核苷酸引物108，其长度约20个核苷酸，具有不同的腺苷、鸟苷、胞苷、胸苷序列。脱氧尿苷位点的N-糖苷键可被酶切割。第一引物组140中的第一正向引物106和第二引物组142中的第二正向引物106的序列相同，除了用可切割的脱氧尿苷替换胸苷。第一引物组140中的第一反向引物108和第二引物组142中的第二反向引物108的序列相同，除了用可切割的脱氧尿苷替换胸苷。可切割核苷的其他示例包括具有修饰的核碱基或具有接头的核苷，接头包括邻二醇、二硫化物、硅烷、偶氮苯、可光切割基团、烯丙基T(具有烯丙基官能团的胸腺嘧啶核苷酸类似物)、烯丙基醚或叠氮基官能醚。
在操作期间，激活第一孔区域132中的第一引物组140，以使多核苷酸链110能够在正向位置122接种在第一引物组140中。即，引物组140可用于与一条或多条多核苷酸链110杂交。使第二引物组142失活(例如，通过掩盖第二孔区域134，或通过不具有接种引物等)，使得在第二孔区域134中不发生接种。
然后在整个第一引物组140扩增接种的正向链122，以在第一孔区域132中形成正向链122和反向链124的正向链簇121。然后用酶切割反向引物108，只留下与第一孔区域132中的正向引物106杂交(连接)的正向链122。
就本文而言，术语“激活”是指：“使孔区域中的引物组能够用多核苷酸链接种(或使3'-延长或扩增作为替代)的手段或方法”。术语“失活”的含义与“激活”的含义相反：“使引物组不能用多核苷酸链接种(或使3'-延长或扩增不能作为替代)的手段或方法”。使引物组失活可通过例如在引物组上方掩盖而实现，因此没有多核苷酸可以接种在其中。另选地，可通过在引物组中不包括接种引物而使引物组失活。激活引物组可通过例如暴露引物组而将引物组暴露于可能在孔区域中接种的多核苷酸链来实现。
此外，就本文而言，术语“掩盖”是指：“在孔区域中的引物组上方设置临时保护层以在物理上防止多核苷酸链接近引物组的手段或方法”。术语“暴露”是指与术语“掩盖”相反，即指：“去除保护层以将引物组暴露于多核苷酸链以用于接种目的的手段或方法”。
此外，应当理解，多核苷酸链(例如，正向链或反向链)的扩增和/或测序可能不总是产生这些链的精确复本或这些链的反向互补物的精确复本。这是因为，对于各种因素，在扩增和/或测序过程中可能引入错误，这可能在碱基的多核苷酸序列中引入缺陷(例如，不正确的碱基)。例如，可能有多达100万分之1的缺陷、100万分之10的缺陷或100万分之100的缺陷被引入被测序或被扩增的链中。因此，正向链121或反向链123的簇可以不包含簇中每条链的精确副本，但可包括簇中每条链的基本相同的副本。
一旦正向链122的扩增在第一孔区域132中基本完成，则激活第二引物组142(如通过暴露第二孔区域134等)，以能够在第二孔区域134中进行接种。例如，可去除(暴露)第二引物组142上方的任何保护层，以暴露第二引物组142中的第二正向引物106和第二反向引物108。
因为第一孔区域132和第二孔区域134相邻，所以在边界或区域界面138处的正向链122可随后拱起进入第二孔区域134中以接合第二引物组142。然后，第二引物组142将通过桥式扩增在整个第二孔区域134扩增反向链124的反向链簇123。也就是说，然后可以进行簇反应以形成与第二孔区域134中的第二正向引物106和第二反向引物108杂交的正向链122和反向链124的簇。然后用酶切割第二正向引物106，只留下与第二孔区域134中的第二反向引物108杂交(附接)的反向链124。结果形成第一孔区域132中的正向链簇121和第二孔区域134中的反向链簇123，如图6所示。
有利地，通过分别提供正向链122和反向链124的相邻簇121、123，实现了相邻正向链簇121和反向链簇123的同时配对末端测序(或读取)。同时配对末端测序允许用户对多核苷酸链110的正向链122和反向链124类型并行并且同时地进行测序，而不是按顺序进行。这可以大大增加本文前述测序方法的通量。另外或另选地，这可以大大减少测序过程中的错误。
参考图7A，示出了根据本文所述方面的具有附接到图像传感器结构100的流通池112的传感器系统200的剖面侧视图的示例。如图6所示，图像传感器结构100能够用于执行正向链122的相邻正向链簇121和反向链124的反向链簇123的同时配对末端测序。
传感器系统200的流通池112包括固定到流通池侧壁152的流通池盖150。流通池侧壁152可以结合到图像传感器结构100的钝化叠层156，以在其间形成流动通道158。
钝化叠层156包括设置在其上的纳米孔136阵列。多核苷酸链110(例如DNA片段、寡核苷酸、其他核酸链等)可作为正向链122的正向链簇121和反向链124的反向链簇123设置在纳米孔136内。
流通池盖150包括入口160和出口162，其大小允许流体164流入、通过和流出流动通道158。流体流164可用于对设置在纳米孔136内的正向链122和反向链124执行大量各种受控反应方案。流体流164还可以输送具有荧光标记128(见图5)的核苷酸126，该荧光标记可以用于标记多核苷酸链122、124。
传感器系统200的图像传感器结构100包括设置在基底衬底170上方的图像层168。图像层168可以是介电层(例如SiN)，并且可以包含设置在其中的光检测器172阵列。本文中所用的光检测器172可以是例如半导体，例如光电二极管、互补金属氧化物半导体(CMOS)材料或两者。光检测器172检测从附接到纳米孔136中的链122、124的荧光标记128发射的发射光174的光子。基底衬底170可以是玻璃、硅或其他类似材料。
器件叠层176设置在图像层168上方。器件叠层176可以包含多个介电层(未示出)，这些介电层包含各种器件电路178，这些器件电路与光检测器172接口并且使用检测到的光子来处理数据信号。
在器件叠层176中还设置有光导180阵列。每个光导180与光检测器阵列的至少一个光检测器172相关联。例如，光导180可以相对于图像层168垂直取向并且直接定位在其关联的光检测器172上方。另选地，光导180可相对于图像层168形成锐角，并从一角度接近其关联的光检测器172。光导180将来自设置在纳米孔136中的正向链122和反向链124上的荧光标记128的发射光174的光子引导至其关联的光检测器172。
钝化叠层156被构造成将器件叠层176和光导180与流通池112的流体环境屏蔽开。钝化叠层156可以是一层或多层。在图7A所示的示例中，钝化叠层包括单个钝化层182。然而，其他层，例如化学保护层(未示出)也可包括在钝化叠层156中。钝化层182可以由氮化硅(SiN)构成。化学保护层(未示出)可以由五氧化二钽(Ta2O5)构成。
纳米孔136阵列设置在钝化叠层156中，其中纳米孔阵列的每个纳米孔136与光导180阵列的至少一个光导(第一光导)180A相关联。在图7A所示的示例中，每个纳米孔136与第一光导180A和第二光导180B相关联。
如图6所示，第一引物组140设置在每个纳米孔136的整个第一孔区域132。不同的第二引物组142设置在每个纳米孔136的整个第二孔区域134。第二孔区域134在区域界面138处与第一孔区域132相邻。第一引物组140和第二引物组142能够用于附接第一孔区域132中正向多核苷酸链122的正向链簇121和附接第二孔区域134中反向多核苷酸链124的相邻反向链簇123。
第一孔区域132和第二孔区域134可定位在单个光导180A的部分上方。然而，在图7A所示的示例中，第一孔区域132设置在第一光导180A上方，并且第二孔区域134设置在第二光导180A上方。
在操作期间，各种类型的激发光186被辐射到纳米孔136中的正向链122和反向链124上，从而使荧光标记128发出荧光发射光174。发射光174的大部分或相当大量的光子可以传输通过钝化叠层156并进入其关联的光导180A、180B。光导180可以滤出大部分激发光186并将发射光174引导到位于光导180正下方的关联的光检测器172。
本文所示示例示出了从图像传感器结构100的正面辐射的激发光186，以激发荧光标记128和发出荧光发射光174。然而，激发光186可从图像传感器结构的背面辐射(即，背面照明)以激发荧光标记128并发出荧光发射光174在本公开的范围内。
光检测器172检测发射光光子。然后，器件叠层176内的器件电路178将检测到的发射光光子转换为数据信号，该数据信号被电传输到外部读出器件。然后可以分析数据信号以同时揭示正向链122和反向链124的核苷酸顺序。
参考图7B，示出了根据本文所述方面的沿图7A的线7B-7B截取的图7A的图像传感器结构的俯视图的示例。在图7B的示例中，第一孔区域132和第二孔区域134的面积基本上相等，并且在孔区域138处彼此直接相邻。孔区域是矩形形状，因为纳米孔136的底面185是矩形。每个孔区域132、134基本上在其关联的光导180A和180B上方居中。
除了在区域界面138处外，第一孔区域132可由纳米孔136的壁181界定。同样，除了在区域界面138处外，第二孔区域134可由纳米孔136的壁183界定。基本上在整个图像传感器结构100中，多对第一孔区域132和第二孔区域134可由纳米孔136的壁181、183限定。
然而，因为纳米孔136跨越两个光导180A、180B，所以与仅跨越一个光导的纳米孔相比，在两个孔区域中存在更大的多克隆性风险。即，多于一种类型的多核苷酸链110(见图2)同时进入纳米孔136并一起接种和扩增的风险更大，因此显著增加了信噪比。
另外，区域界面138跨越第一孔区域132和第二孔区域134的整个最大宽度(由箭头188表示)。因此，来自反向链124(尤其是在大边界/区域界面138处的反向链)的串扰进入光导180A并且污染来自正向链122的信号的风险增加。
参考图8，示出了根据本文所述方面的图像传感器结构100的纳米孔136中的第一孔区域132和相邻的第二孔区域134的俯视图的示例，其中第一孔区域134和第二孔区域136具有基本上相等的面积。图8实质上是图7B的第一孔区域132和第二孔区域134的放大图。孔区域132的矩形区域延伸超过光导180A的圆形边界。对于在孔区域132中扩增的来自正向链122的强信号，可以不需要超过光导180A的圆形边界的大部分区域。
参考图9，示出了根据本文所述方面的图像传感器结构100的纳米孔136中的第一孔区域132和相邻的第二孔区域134的俯视图的另一示例，其中第一孔区域和第二孔区域具有基本上不相等的面积。在图9中，第一孔区域132的面积小于第二孔区域134的面积。由于第一孔区域132和第二孔区域134的矩形区域具有基本上相等的宽度188，因此通过改变第一孔区域132的长度(由箭头190表示)和第二孔区域134的长度(由箭头192表示)，使这些区域改变。在这种情况下，区域132的长度190比区域134的长度192短，因此区域132的面积比区域134的面积小。
例如，第一孔区域132和第二孔区域134可以具有基本上相等的宽度188，并且第一孔区域132可以具有为第二孔区域134的长度192的90％或更小的长度190。应注意，在此示例中，长度190不小到第一孔区域不完全覆盖其关联的光导180A。将与第一孔区域132相关联的正向链122完全定位在光导180A上方有助于在光检测器172处产生强信号，即使孔区域132的面积已减小。
通过减小第一孔区域132的面积，不需要的多克隆性的风险下降。此外，直到正向链122被完全扩增并且没有多核苷酸流过流动通道158之后才激活第二孔区域。因此，一旦反向链124在第二孔区域134中开始扩增，即使有多克隆性也将非常少地从第一孔区域转移到第二孔区域。
参考图10，示出了根据本文所述方面的图像传感器结构100的纳米孔136中的第一孔区域132和相邻的第二孔区域134的俯视图的另一示例，其中第一孔区域132和第二孔区域134具有大致狗骨形状。狗骨形状减少了孔区域132、134的面积，这有助于减少多克隆性，但在两个孔区域132、134之间提供物理连续性，以便允许它们之间的簇生长。另外，界面区域138处的狗骨形的宽度194越小，可能发生的串扰就越少。这是因为在狗骨的颈部的任一侧上的纳米孔136的壁可起到帮助阻挡来自较大圆形区域的串扰的作用。
在狗骨形状中，第一孔区域132包括第一区段196和第二区段198。第一区段196设置在整个第一光导180A上方。这有助于确保到光导180A的强信号。
第一区段196具有第一区段宽度201。注意，第一区段196不必是圆形。相反，第一区段可以是正方形、矩形或任何其他合适的形状。
第二区段198从第一区段196延伸到区域界面138。第二区段198具有小于第一区段宽度201的第二区段宽度194。
第二孔区域134包括第三区段202和第四区段204。第三区段202设置在整个第二光导180B上方。这有助于确保到光导180B的强信号。
第三区段202具有第三区段宽度206。注意，第三区段202不必是圆形。相反，第三区段可以是正方形、矩形或任何其他合适的形状。
第四区段204从第一区段202延伸到区域界面138。第四区段204具有小于第三区段宽度206的第四区段宽度194。注意，在此示例中，第一孔区域132的第二区段198的宽度194和第二孔区域134的第四区段204的宽度194基本上相等。而且，在此示例中，第一孔区域132的第二区段198和第二孔区域134的第四区段204的长度基本上相等。在其他示例中，第一孔区域132的第二区段198和第二孔区域134的第四区段204的长度基本上不相等。
在一些示例中，第一区段196和第三区段202具有基本上圆形的形状。在这种情况下，第一区段宽度201和第三区段宽度206分别是第一区段196和第三区段202的直径。在一些示例中，第二区段宽度和第四区段宽度194分别是第一区段宽度201和第三区段宽度206的50％或更小。
参考图11，示出了根据本文所述方面的成对(具有正向链簇121的第一孔区域132和具有反向链簇123的第二孔区域134)对比度以及与第一孔区域132相关联的光导中心302的距离的图300的示例。对比度定义如下：
a.对比度＝在第一光导180A处从区域132接收的信号
i.(即，最亮信号A)除以在第一光导180A处从相邻区域134接收的信号(即，第二最亮信号B)。
b.如果：A＝最亮信号，并且B＝第二最亮信号，则对比度可以写为：
对比度比＝A/B
c.对比度与可被定义为忠诚度＝A/(A+B)的忠诚度得分密切相关。
d.因此，如果对比度是5比1，则忠诚度得分等于5/(5+1)＝83％。
对比度和忠诚度得分都与目标区域底部的荧光信号的总纯度有关。这就是要测量的目标区域。
图300示出了当第一孔区域132的面积变得更长和更大时(即，进一步背离其关联的光导180A的中心而增长)，对比度和忠诚度得分增长更小。因此，似乎孔区域132的面积越小，信号越纯并且串扰越少。
然而，这必须通过以下事实来平衡：随着孔区域132的面积变小，来自该区域的信号被扩增得越少，并且来自相邻孔区域134的信号被扩增得越多。因此，如果孔区域变得太小，则它可能被相邻孔区域的亮度所淹没。
参考图12，示出了根据本文所述方面的图像传感器结构100的剖视图的示例，该图像传感器结构具有设置在光导180阵列与纳米孔136的第一孔区域132和第二孔区域134之间的不透明层400。除了增加定位在钝化叠层156和光导180之间的不透明层400之外，图12基本上与图7相同。在一些示例中，不透明层可由钽、铬、钛、铝等组成。如本文所用，术语“不透明”是指阻挡一个或多个波长范围或所有波长的所有或基本上所有光或辐射能通过。
参考图13A、图13B和图13C，示出根据本文所述方面的图12的图像传感器结构的不透明层400的顶部透视图的三个不同示例。在图13A至图13C所示的不透明层的三个构造的每种情况下，不透明层400设置在光导阵列180与每个纳米孔136的第一孔区域132和第二孔区域134之间。此外，不透明层400的每个构造在第一孔区域132和第二孔区域134的整个区域界面138之下延伸。另外，所示的每个不透明层400覆盖少于与每个纳米孔136相关联的第一光导180A和第二光导180B的顶面的整个部分。
因为第一孔区域132和第二孔区域134在区域界面138处相邻，所以在该区域中发生大量串扰。因此，为了减少此类串扰，不透明层400被放置在整个界面区域138上。
具体地，在图13A中，不透明层400不覆盖与每个纳米孔136相关联的第一光导180A和第二光导180B的顶表面的任何部分。相反，不透明层400遵循每个第一光导180A和第二光导180B的周边。
具体地，在图13B中，不透明层400确实覆盖第一光导180A和第二光导180B的顶表面的一部分。例如，不透明层400可覆盖与每个纳米孔136相关联的第一光导180A和第二光导180B的顶表面的大于10％、大于15％或大于25％。
具体地，在图13C中，不透明层400覆盖狗骨形的第一孔区域132和第二孔区域134的颈部区段，但不覆盖第一光导180A和第二光导180B的任何部分。即，不透明层400覆盖第一孔区域132的第二区段198和第二孔区域134的第四区段204，但遵循光导180A、180B的周边。
参考图14A，示出了根据本文所述方面的成对对比度以及与第一孔区域180A相关联的光导中心的距离的图500的示例，其中在第一孔区域132和第二孔区域134与光导180阵列之间不设置不透明层400。
还参考图14B，示出了根据本文所述方面的成对对比度以及与第一孔区域180A相关联的光导中心的距离的图502的示例，其中不透明层400设置在第一孔区域132和第二孔区域134与光导180阵列之间。
图500基本上与图300相同，其中绘出了成对对比度以及与光导180A中心的距离。图502绘出了相同的参数，除了图像传感器结构100现在包括不透明层400。如通过比较两个图500、502可以看出，对于不透明层，对比度充分改善。这种改善在很大程度上是由于不透明层400被放置在整个区域界面区域138上，其中发生了大量的串扰。
参考图15，示出了根据本文所述方面的具有设置在第一光导180A和第二光导180B上方的第一孔区域132和第二孔区域134的图像传感器结构100的剖视图的示例，其中光导180A、180B相对于彼此形成锐角510。在该示例中，钝化叠层156包括两层，即第一钝化层182和化学保护层。第一光导180A和第二光导180B设置在器件叠层176中，并向下与它们关联的光检测器172成角度。
因为光检测器172之间的间距512只能做得如此小，所以当纳米孔136跨越两个光检测器172时，它成为该纳米孔可以有多小的限制因素。在图15所示的示例中，由于角度510，纳米孔136可制成小于光检测器172之间的间距512。
因此，图15的图像传感器结构100包括与光检测器172阵列的第一光检测器172A相关联的第一光导180A。第二光导180B与光检测器170阵列的第二光检测器172B相关联。与第一光导180A和第二光导180B相关联的每个纳米孔136具有小于第一光检测器172A和第二光检测器172B之间的间距512的宽度514。第一光导180A和第二光导180B相对于彼此以锐角510从它们关联的纳米孔136延伸到它们关联的第一光检测器172A和第二光检测器172B。
参考图16，示出了根据本文所述方面的具有纳米孔136的图像传感器结构100的剖视图的示例，该纳米孔具有设置在与纳米孔136相关联的第一光导180A的第一部分526和第二部分528上方的第一孔区域132和第二孔区域134，其中第一波导520和第二波导522设置在波导层524中并分别在第一孔区域132和第二孔区域134之下延伸。
图16的纳米孔136及其相应结构可指示设置在图像传感器结构100的钝化叠层156内和器件叠层176上方的纳米孔136阵列。器件叠层176可包括设置在其中的光导180阵列。每个纳米孔136可与光导180阵列的第一光导180A相关联。每个第一光导180A可以与光检测器172阵列中的光检测器172相关联。
图16的图像传感器结构100包括设置在关联的第一光导180A的第一部分526上方的第一孔区域132。第二孔区域134设置在关联的第一光导180A的第二部分528上方。波导层524设置在光导180阵列与每个纳米孔136的第一孔区域132和第二孔区域134之间。第一波导520设置在波导层524中并在第一孔区域132之下延伸。第一波导520能够用于在附接在第一孔区域132中的正向多核苷酸链122的正向链簇121上照射激发光。第二波导522设置在波导层524中并在第二孔区域134之下延伸。第二波导522能够用于在附接在第二孔区域134中的反向多核苷酸链124的反向链簇123上照射激发光。
第一波导522和第二波导524可以连续照射第一孔区域132和第二孔区域134。这样，第一波导520可以主要激发附接在第一孔区域132中的正向链122，其可以由光检测器172读取。此后，第二波导522可以主要激发附接在第二孔区域134中的反向链124，其也可以由相同的光检测器172读取。以这种方式，纳米孔136将不必跨越两个光检测器，并且可以被制造得显著更小以改善多克隆性。
在操作期间，当激发光186通过第一波导520时，大部分激发光聚焦在第一孔区域132中的正向链簇121的正向链122上。然而，来自第一波导520的激发光186中的至少一些可以入射到第二孔区域134中的反向链簇123上。因此，虽然由光检测器172读取的发射光174可以主要从第一孔区域132中的正向链122辐射，但是由光检测器172读取的发射光174的较小百分比(例如，小于25％、小于15％或小于10％)可以从第二孔区域134中的反向链124辐射。
而且，在操作期间，当激发光186通过第二波导522时，大部分激发光聚焦在第二孔区域134中的反向链簇123的反向链124上。然而，来自第二波导522的激发光186中的至少一些可以入射到第一孔区域132中的正向链簇121上。因此，虽然由光检测器172读取的发射光174可以主要从第二孔区域134中的反向链124辐射，但是由光检测器172读取的发射光174的较小百分比(例如，小于25％、小于15％或小于10％)可以从第一孔区域132中的正向链122辐射。
参考图17，示出了具有纳米孔136的图像传感器结构100的剖视图的示例，该纳米孔具有分别设置在光导180A的第一部分526和第二部分528上方的第一孔区域132和第二孔区域134。在所示的示例中，第一波导520和第二波导522设置在钝化叠层156中。第一波导520和第二波导522被定位成与纳米孔136的相对侧530、532相邻并在其上。
图17的纳米孔136及其相应结构可指示设置在图像传感器结构100的钝化叠层156内和器件叠层176上方的纳米孔136阵列。器件叠层176可包括设置在其中的光导180阵列。每个纳米孔136可与光导180阵列的第一光导180A相关联。每个第一光导180A可以与光检测器172阵列中的光检测器172相关联。
图16和图17中所示的示例的组合指示第一波导520和第二波导522可定位在图像传感器结构100中器件叠层176上方(或上方)的任何地方。例如，图16的波导520、522设置在波导层524中，该波导层设置在器件叠层176上方。同样作为示例，图17的波导520、522设置在钝化叠层156中，其中钝化叠层156定位在器件叠层176上方并形成纳米孔136的壁。
此外，第一波导520和第二波导522可以指示第一波导520和第二波导522的阵列。更具体地，第一波导520阵列可设置在器件叠层176上方，其中每个第一波导520可与纳米孔136阵列的纳米孔136相关联。每个第一波导520能够用于在附接在第一波导的关联纳米孔136的第一孔区域132中的正向多核苷酸链122的正向链簇121(见图6)上照射激发光。
另外更具体地，第二波导522阵列可设置在器件叠层176上方，其中每个第二波导522可与纳米孔136阵列的纳米孔136相关联。每个第二波导522能够用于在附接在第二波导的关联纳米孔136的第二孔区域134中的反向多核苷酸链124的反向链簇123(见图6)上照射激发光。
在操作期间，当激发光186通过定位在纳米孔136相邻侧530的第一波导520时，大部分激发光聚焦在第一孔区域132中的正向链簇121的正向链122上。然而，来自第一波导520的激发光186中的至少一些可以入射到第二孔区域134中的反向链簇123上。因此，虽然由光检测器172读取的发射光174可以主要从第一孔区域132中的正向链122辐射，但是由光检测器172读取的发射光174的较小百分比(例如，小于25％、小于15％或小于10％)可以从第二孔区域134中的反向链124辐射。
另外，在操作期间，当激发光186通过定位在纳米孔136相邻侧532的第二波导522时，大部分激发光聚焦在第二孔区域134中的反向链簇123的反向链124上。然而，来自第二波导522的激发光186中的至少一些可以入射到第一孔区域132中的正向链簇121上。因此，虽然由光检测器172读取的发射光174可以主要从第二孔区域134中的反向链124辐射，但是由光检测器172读取的发射光174的较小百分比(例如，小于25％、小于15％或小于10％)可以从第一孔区域132中的正向链122辐射。
参考图18，示出了图像传感器结构100的剖视图的示例，该图像传感器结构具有纳米孔136(分别为136A-E)阵列以及第一光导520(分别为520A-C)和第二光导522(分别为522A-C)阵列。第一光导520和第二光导522阵列的每个第一光导520和第二光导522具有与图17所示的第一光导和第二光导相同或相似的结构。
第一波导520阵列的每个第一波导520能够用于在多核苷酸链122或124的簇121或123上照射激发光，该簇附接在纳米孔136的第一孔区域132或第二孔区域134中，该纳米孔与第一波导的关联纳米孔136相邻(见图6)。另外，第二波导522阵列的每个第二波导522还能够用于在多核苷酸链122或124的簇121或123上照射激发光，该簇附接在纳米孔136的第二孔区域132或第二孔区域134中，该纳米孔与第二波导的关联纳米孔136相邻(见图6)。
作为例示示例，图18中的纳米孔136A将与第一波导520A和第二波导522A相关联。然而，第二波导522A也能够用于在附接到相邻纳米孔136B的第一孔区域132的正向多核苷酸链122的正向簇121上照射激发光。
此外，作为示例，图18中的纳米孔136B将与第一波导520B和第二波导522A相关联。然而，第一波导520B也能够用于在附接到相邻纳米孔136C的第一孔区域132的多核苷酸链122的正向簇121上照射激发光。
就本文而言，第一波导520和第二波导522可用作单个波导阵列。每个波导520、522能够用于照射一对相邻纳米孔136中的孔区域132、134。另外，波导在一对相邻纳米孔中照射哪些孔区域无关紧要。例如，波导520可以照射两个第一孔区域132、两个第二孔区域134或第一孔区域132和第二孔区域134两者。
参考图19，示出了根据本文所述方面的具有设置在光导180A的第一部分526和第二部分528上方的第一孔区域132和第二孔区域134的图像传感器结构100的剖视图的示例。在这种情况下，可以同时激励第一孔区域132中的正向链122和第二孔区域134中的反向链124。因此，光检测器172由第一孔区域132和第二孔区域134共享，并且将同时从这些孔区域接收最亮信号A(或亮簇信号)和第二最亮信号B(或暗簇信号)。假设每个信号的强度近似相同，则组合信号的忠诚度得分将约为50％，并且对比度将为约1比1。
然而，即使具有这些低的忠诚度得分和对比度，也存在可用于确定从组合信号发荧光的两种类型的碱基的信号处理技术。在转让给Illumina,Inc.并且于2019年1月7日提交的Dehlinger等人的名称为“SYSTEMS AND DEVICES FOR HIGH-THROUGHPUT SEQUENCINGWITH SEMICONDUTOR-BASED DETECTION”美国专利申请公开2019/0212295A1中详述了此类技术，其通过引用全部并入本文。在图20A、图20B和图21中示出了一种此类技术。
图20A和图20B是散点图600A和600B，其示出了根据一个具体实施使用由共用光检测器172检测到的亮簇和暗簇的相应像素信号的亮簇和暗簇的碱基识别。散点图600A和600B的X轴表示在采样事件的第二照射阶段期间检测到的AT像素信号，该采样事件诱导来自指示核苷酸碱基A和T的给定簇的照射。散点图600A和600B的Y轴表示在采样事件的第一照射阶段期间检测到的CT像素信号，该采样事件诱导来自指示核苷酸碱基C和T的给定簇的照射。
散点图600A示出了信号处理器(未示出)将来自亮簇的像素信号分类到的四个分布602、604、606和608。在所示的具体实施中，分布602代表亮簇中的核苷酸碱基C，分布604代表亮簇中的核苷酸碱基T，分布606代表亮簇中的核苷酸碱基G，分布608代表亮簇中的核苷酸碱基A。
散点图600B示出了16个子分布(或多个分布)602A-D、604A-D、606A-D和608A-D，对于散点图600A的4个分布602、604、606和608中的每个分布有4个子分布，信号处理器将来自暗簇的像素信号分类到这些子分布。在所示的具体实施中，用字母“A”标注的子分布代表暗簇中的核苷酸碱基C，用字母“B”标注的子分布代表暗簇中的核苷酸碱基T，用字母“C”标注的子分布代表暗簇中的核苷酸碱基G，用字母“D”标注的子分布代表暗簇中的核苷酸碱基A。在其他具体实施中，可以使用不同的碱基编码。当信号处理器将来自暗簇的像素信号分类到16个子分布之一中时，对应的亮簇的分类由包括暗簇的子分布的分布确定。例如，如果将暗簇分类为子分布608B(核苷酸碱基T)，则对应亮簇的分布为608(核苷酸碱基A)。结果，信号处理器将亮簇碱基识别为A，将暗簇碱基识别为T。
图21是示出根据一个具体实施的由来自簇对的亮簇和暗簇的强度值产生的十六个分布(或分箱)的散点图602。在具体实施中，在多个碱基识别循环内产生十六个分箱。信号处理器组合来自亮簇和暗簇的像素信号，并将它们映射到十六个分箱之一。当组合的像素信号被映射到分箱612用于碱基识别循环时，信号处理器将亮簇碱基识别为C，并且将暗簇碱基识别为C。当组合的像素信号被映射到分箱614用于碱基识别循环时，信号处理器138将亮簇碱基识别为C，并且将暗簇碱基识别为T。当组合的像素信号被映射到分箱616用于碱基识别循环时，信号处理器138将亮簇碱基识别为C，并且将暗簇碱基识别为G。当组合的像素信号被映射到分箱618用于碱基识别循环时，信号处理器138将亮簇碱基识别为C，并且将暗簇碱基识别为A。
参考图22，示出了根据本文所述方面的同时配对末端测序的方法650的流程图的示例。该方法可利用本文所述的图像传感器结构100的一个或多个示例。
该方法650(图22)以及下面的方法700(图23)、750(图24)和方法800(图25)描述了执行该方法的各个步骤。然而，每个方法(650、700、750、800)的步骤的执行顺序可能与图22至图25中的每者所示的步骤的顺序不一致。例如，随后的接种步骤652可发生在失活步骤654之后。
在652，该＝方法包括用多核苷酸链110在图像传感器结构100的纳米孔136的第一孔区域132中接种第一引物组140。多核苷酸链110(见图2)包括附接到第一孔区域132(见图7A)中的互补引物106、108(见图1)的衔接子118和120。
在654，使第二引物组142在纳米孔136的第二孔区域134中失活，以使得不能够在第二孔区域中接种其他多核苷酸链。该步骤可以发生在652的接种步骤之前。使第二孔区域134失活的一个示例是掩盖第二孔区域上方的保护层以防止其他多核苷酸进入第二孔区域。
在656，第一多核苷酸链在整个第一孔区域132扩增成多条正向链106和反向链108。在658，从第一孔区域132切割反向链108以在第一孔区域132中形成正向链簇121。
在660，然后在第二孔区域134中激活第二引物组142，以使得能够在第二孔区域134中进行接种和扩增。激活第二孔区域134的一个示例是暴露先前设置在第二孔区域134上方的任何保护层。
然后，在662，发生从第一孔区域132的正向链簇121到第二孔区域134的扩增，以在第二孔区域134中形成多条正向链106和反向链108。在664，从第二孔区域134切割正向链122，以在第二孔区域134中形成反向链簇123。
在第二孔区域134中进行接种(在660)和扩增(在662)期间，没有松散的多项式链110流入流通池112的流动通道158中。因此，当在第二孔区域134中进行接种(在660)和扩增(在662)时，由于通过流通池112的流动通道158流入第二孔区域134的松散的多项式链110，不会出现显著的额外多克隆性。
一旦在第一孔区域132和第二孔区域134中形成正向链簇121和反向链簇123，就可以在666进行同时测序。换句话说，在步骤666，第一孔区域132中的正向链簇121和第二孔区域134中的反向链簇123基本上同时被测序。
参考图23，示出了根据本文所述方面的同时配对末端测序的方法700的流程图的示例。方法700是方法650的子集，因为它是同时测序步骤666的扩展。
在702，方法700包括将具有第一荧光标记128的第一互补核苷酸126(见图5)附接到第一孔区域132中的正向链簇121的核苷酸116上。在704，将具有第二荧光标记128的第二互补核苷酸126附接到第二孔区域134中的反向链簇123的核苷酸116上。
在706，该方法基本上同时将激发光186辐射到正向链簇121和反向链簇123上(见图7A)，以从第一标记和第二标记128发出荧光发射光174。在708，发射光174基本上同时从第一标记和第二标记128传输。来自第一标记128的发射光174通过第一光导180A(见图7A)传输到第一光检测器172。来自第二标记128的发射光174通过第二光导180B传输到第二光检测器174，以分别测定正向链122和反向链124的核苷酸序列。
为了在执行方法650或700时降低多克隆性，第一孔区域132的面积可以小于第二孔区域134的面积。例如，第一孔区域132的面积可以不大于第二孔区域134的面积的90％、80％或70％。
为了减少第一光导180A和第二光导180B之间的多克隆性和串扰，第一孔区域132和第二孔区域134可以具有大体看起来像狗骨的组合形状(见图10)。更具体地，第一孔区域132可包括第一区段196和第二区段198。第一孔区域132的第一区段196可设置在整个第一光导180A上方，其中第一区段196具有第一区段宽度201。第一区段196可以具有仅稍大于光导180A的面积的面积，以便减少多克隆性。例如，第一区段196的面积可比光导180A的顶面的面积大不超过5％、不超过10％或不超过15％。
孔区域134的第二区段198可以从第一区段196延伸到第一孔区域132和第二孔区域134之间的区域界面138。第二区段198可具有小于第一区段宽度201的第二区段宽度194。
另外，第二孔区域134可包括第三区段202和第四区段204。第二孔区域134的第三区段202可设置在整个第二光导180B上方并且具有第三区段宽度206。第四区段204可从第三区段202延伸到区域界面138。第四区段204可具有小于第三区段宽度206的第四区段宽度194。另外，第四区段204的宽度194可以基本上等于第二区段198的宽度194。
通过减少第二区段198和第四区段204的宽度194，减小了界面区域138。减小界面区138基本上减少了第一孔区域132中的任何多克隆性扩增到第二孔区域134中的机会。另外，减小界面区域138基本上还减少了在第一孔区域132和第二孔区域134之间发生任何串扰的机会。
在执行方法650或700时减少串扰的另一方式是在第一光导180A和第二光导180B与第一孔区域132和第二孔区域134之间设置不透明层400。不透明层400(见图12)可以在第一孔区域132和第二孔区域134的整个区域界面138之下延伸。不透明层400可以覆盖少于第一光导和第二光导的整个部分(见图13A至图13C)。
参考图24，示出了根据本文所述方面的同时配对末端测序的方法750的流程图的示例。方法750是方法650的子集，因为它是同时测序步骤666的扩展。
在752，方法750包括将具有第一荧光标记128的第一互补核苷酸126(见图5)附接到第一孔区域132中的正向链簇121的核苷酸116上。在754，将具有第二荧光标记128的第二互补核苷酸126附接到第二孔区域134中的反向链簇123的核苷酸116上。
在756，将量远大于辐射到反向链簇123上的激发光186辐射到正向链簇121上，以从第一标记128发出量远大于从第二标记128发出的荧光发射光174。在758，将来自第一标记128的发射光174通过第一光导180A传输到第一光检测器172以测定正向链122的核苷酸。在760，将量远大于辐射到正向链簇121上的激发光186辐射到反向链簇123上，以从第二标记128发出量远大于从第一标记128发出的荧光发射光174。在762，将来自第二标记128的发射光174通过第一光导180A传输到第一光检测器172以测定反向链124的核苷酸。
方法750可例如用类似于图16所示的图像传感器结构100来执行，其中第一孔区域132设置在第一光导180A的第一部分526上方，并且第二孔区域134设置在第一光导180A的第二部分528上方。波导层524设置在第一光导180A与第一孔区域132和第二孔区域134之间。第一波导520设置在波导层524中，其中第一波导520在第一孔区域132之下延伸，但不在第二孔区域134之下延伸。第二波导522设置在波导层524中，其中第二波导522在第二孔区域134之下延伸，但不在第一孔区域132之下延伸。
另选地，方法750可例如用类似于图17所示的图像传感器结构100来执行，其中纳米孔136阵列的每个纳米孔136包括设置在第一光导180A的第一部分526上方的第一孔区域132和设置在第一光导180A的第二部分528上方的第二孔区域134。钝化叠层156设置在图像传感器结构100的器件叠层176上方，其中纳米孔136阵列设置在钝化叠层156中。第一波导520阵列的每个第一波导520设置在钝化叠层156中，与该第一波导的关联纳米孔136的一侧530相邻。第二波导522阵列的每个第二波导522设置在钝化叠层156中，与该第二波导的关联纳米孔136的相对侧532相邻。
利用上述结构，激发光186可以通过第一波导520辐射并且主要辐射到正向链簇121上。然后，主要来自正向链簇121的发射光174可以通过第一光导180A传输到光检测器172进行分析。此后，激发光186可通过第二波导522辐射并且主要辐射到反向链簇123上。然后，主要来自反向链簇123的发射光174可以通过第一光导180A传输到光检测器172进行分析。
参考图25，示出了根据本文所述方面的同时配对末端测序的方法800的流程图的示例。方法800是方法650的子集，因为它是同时测序步骤666的扩展。
在802，方法800包括将具有第一荧光标记128的第一互补核苷酸126(见图5)附接到第一孔区域132中的正向链簇121的核苷酸116上。在804，将具有第二荧光标记128的第二互补核苷酸126附接到第二孔区域134中的反向链簇123的核苷酸116上。
在806，激发光186基本上同时辐射到第一孔区域132中的正向链簇121上和第二孔区域134中的反向链簇123上，以从第一标记和第二标记128发出荧光发射光174。在808，来自第一孔区域132和第二孔区域134的组合发射光174从第一标记和第二标记128通过第一光导18A传输到第一光检测器172。然后可以利用信号处理技术来测定与在第一光检测器172中检测到的组合发射光174相关联的正向链122和反向链124中的核苷酸。本文中参考图20A、图20B和图21讨论此类信号处理技术的示例。方法800可例如使用类似于图19所示的图像传感器结构100来执行。
应当理解，前述概念和本文更详细讨论的附加概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分。具体地讲，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分。
尽管已通过参考特定示例描述了本发明，但是应当理解，可在所述的发明概念的精神和范围内作出许多改变。因此，意图是本公开不限于所述的示例，而是其具有由以下权利要求的语言限定的全部范围。

Claims (48)

1.一种图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
图像层，所述图像层包括设置在其中的光检测器阵列；
器件叠层，所述器件叠层设置在所述图像层上方；
光导阵列，所述光导阵列设置在所述器件叠层中，每个光导与所述光检测器阵列的光检测器相关联；
纳米孔阵列，所述纳米孔阵列设置在所述器件叠层上方，所述纳米孔阵列的每个纳米孔与所述光导阵列的第一光导相关联，每个第一光导与所述光检测器阵列的第一光检测器相关联；
第一引物组，所述第一引物组设置在每个纳米孔的整个第一孔区域；和
不同的第二引物组，所述不同的第二引物组设置在每个纳米孔的整个第二孔区域，所述第二孔区域在区域界面处与所述第一孔区域相邻；
其中所述第一引物组和所述第二引物组能够用于附接所述第一孔区域中正向多核苷酸链的正向链簇和附接所述第二孔区域中反向多核苷酸链的相邻反向链簇。
2.根据权利要求1所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
所述纳米孔阵列的每个纳米孔与所述光导阵列的第二光导相关联，每个第二光导与所述光检测器阵列的第二光检测器相关联；
所述第一孔区域设置在所述第一光导上方；以及
所述第二孔区域设置在所述第二光导上方。
3.根据权利要求2所述的图像传感器结构，其中所述第一孔区域的面积小于所述第二孔区域的面积。
4.根据权利要求2所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
所述第一孔区域和所述第二孔区域具有基本上相等的宽度；以及
所述第一孔区域具有为所述第二孔区域的长度的90％或更小的长度。
5.根据权利要求2所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
所述第一孔区域包括：
第一区段，所述第一区段设置在整个所述第一光导上方，
所述第一区段具有第一区段宽度，和
第二区段，所述第二区段从所述第一区段延伸到所述区域界面，所述第二区段具有小于所述第一区段宽度的第二区段宽度；以及
所述第二孔区域包括：
第三区段，所述第三区段设置在整个所述第二光导上方，
所述第三区段具有第三区段宽度，和
第四区段，所述第四区段从所述第三区段延伸到所述区域界面，所述第四区段具有小于所述第三区段宽度的第四区段宽度，
其中所述第一孔区域的所述第二区段宽度和所述第二孔区域的所述第四区段宽度基本上相等。
6.根据权利要求5所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
所述第一区段和所述第三区段具有基本上圆形的形状；
其中所述第一区段宽度和所述第三区段宽度分别是所述第一区段和所述第三区段的直径。
7.根据权利要求5所述的图像传感器结构，其中所述第二区段宽度和所述第四区段宽度分别比所述第一区段宽度和所述第三区段宽度小50％或更少。
8.根据权利要求2所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
不透明层，所述不透明层设置在所述光导阵列与每个纳米孔的所述第一孔区域和所述第二孔区域之间；
所述不透明层在所述第一孔区域和所述第二孔区域的整个所述区域界面之下延伸；以及
所述不透明层覆盖少于与每个纳米孔相关联的所述第一光导和所述第二光导的顶面的整个部分。
9.根据权利要求8所述的图像传感器结构，其中所述不透明层不覆盖与每个纳米孔相关联的所述第一光导和所述第二光导的所述顶面的任何部分。
10.根据权利要求8所述的图像传感器结构，其中所述不透明层覆盖大于与每个纳米孔相关联的所述第一光导和所述第二光导的所述顶面的10％。
11.根据权利要求2所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
所述第一光导与所述光检测器阵列的第一光检测器相关联；
所述第二光导与所述光检测器阵列的第二光检测器相关联；
每个纳米孔与宽度小于所述第一光检测器和所述第二光检测器之间的间距的所述第一光导和所述第二光导相关联；以及
所述第一光导和所述第二光导相对于彼此以锐角从它们关联的纳米孔延伸到它们关联的第一光检测器和第二光检测器。
12.根据权利要求1所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
每个纳米孔的所述第一孔区域设置在所述关联的第一光导的第一部分上方；
每个纳米孔的所述第二孔区域设置在所述关联的第一光导的第二部分上方；
第一波导阵列，所述第一波导阵列设置在所述器件叠层上方，每个第一波导与所述纳米孔阵列的纳米孔相关联，每个第一波导能够用于在附接在所述第一波导的关联纳米孔的所述第一孔区域中的正向多核苷酸链的正向链簇上照射激发光；和
第二波导阵列，所述第二波导阵列设置在所述器件叠层上方，每个第二波导与所述纳米孔阵列的纳米孔相关联，每个第二波导能够用于在附接在所述第二波导的关联纳米孔的所述第二孔区域中的反向多核苷酸链的反向链簇上照射激发光。
13.根据权利要求12所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
波导层，所述波导层设置在所述光导阵列与每个纳米孔的所述第一孔区域和所述第二孔区域之间；
所述波导阵列的每个第一波导设置在所述波导层中，并且在所述第一波导的关联纳米孔的所述第一孔区域之下延伸；以及
所述波导阵列的每个第二波导设置在所述波导层中，并且在所述第二波导的关联纳米孔的所述第二孔区域之下延伸。
14.根据权利要求12所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
钝化叠层，所述钝化叠层设置在所述器件叠层上方，其中所述纳米孔阵列设置在所述钝化叠层中；
所述第一波导阵列的每个第一波导设置在所述钝化叠层中，与所述第一波导的关联纳米孔的一侧相邻；以及
所述波导阵列的每个第二波导设置在所述钝化叠层中，与所述第二波导的关联纳米孔的相对侧相邻。
15.根据权利要求14所述的图像传感器结构，其中：
所述第一波导阵列的每个第一波导能够用于在附接在与所述第一波导的关联纳米孔相邻的纳米孔的所述第一孔区域或所述第二孔区域中的多核苷酸链簇上照射激发光；并且
所述第二波导阵列的每个第二波导能够用于在附接在与所述第二波导的关联纳米孔相邻的纳米孔的所述第一孔区域或所述第二孔区域中的多核苷酸链簇上照射激发光。
16.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其中除了在所述区域界面处外，所述第一孔区域和所述第二孔区域由所述孔的壁界定。
17.根据权利要求1所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构还包括设置在所述器件叠层上方的钝化叠层，其中所述纳米孔阵列设置在所述钝化叠层中。
18.根据权利要求5至16中任一项所述的图像传感器结构，其中所述第一孔区域的面积小于所述第二孔区域的面积。
19.根据权利要求5至16中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
所述第一孔区域和所述第二孔区域具有基本上相等的宽度；以及
所述第一孔区域具有为所述第二孔区域的长度的90％或更小的长度。
20.根据权利要求8至10中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
所述第一孔区域包括：
第一区段，所述第一区段设置在整个所述第一光导上方，所述第一区段具有第一区段宽度，和
第二区段，所述第二区段从所述第一区段延伸到所述区域界面，所述第二区段具有小于所述第一区段宽度的第二区段宽度；以及
所述第二孔区域包括：
第三区段，所述第三区段设置在整个所述第二光导上方，
所述第三区段具有第三区段宽度，和
第四区段，所述第四区段从所述第三区段延伸到所述区域界面，所述第四区段具有小于所述第三区段宽度的第四区段宽度，
其中所述第一孔区域的所述第二区段宽度和所述第二孔区域的所述第四区段宽度基本上相等。
21.根据权利要求15和16中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
不透明层，所述不透明层设置在所述光导阵列与每个纳米孔的所述第一孔区域和所述第二孔区域之间；
所述不透明层在所述第一孔区域和所述第二孔区域的整个所述区域界面之下延伸；以及
所述不透明层覆盖少于与每个纳米孔相关联的所述第一光导和所述第二光导的顶面的整个部分。
22.根据权利要求21所述的图像传感器结构，其中所述不透明层不覆盖与每个纳米孔相关联的所述第一光导和所述第二光导的所述顶面的任何部分。
23.根据权利要求21所述的图像传感器结构，其中所述不透明层覆盖大于与每个纳米孔相关联的所述第一光导和所述第二光导的所述顶面的10％。
24.根据权利要求12至14中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构还包括钝化叠层，所述钝化叠层设置在所述器件叠层上方，其中所述纳米孔阵列设置在所述钝化叠层中。
25.根据权利要求12至14所述的图像传感器结构，其中除了在所述区域界面处外，所述第一孔区域和所述第二孔区域由所述孔的壁界定。
26.一种图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
图像层，所述图像层包括设置在其中的光检测器阵列；
器件叠层，所述器件叠层设置在所述图像层上方；
光导阵列，所述光导阵列设置在所述器件叠层中，每个光导与所述光检测器阵列的光检测器相关联；
纳米孔阵列，所述纳米孔阵列设置在所述器件叠层上方，所述纳米孔阵列的每个纳米孔与所述光导阵列的第一光导和第二光导相关联；
第一引物组，所述第一引物组设置在每个纳米孔的整个第一孔区域，所述第一孔区域设置在所述第一光导上方；和
不同的第二引物组，所述不同的第二引物组设置在每个纳米孔的整个第二孔区域，所述第二孔区域设置在所述第二光导上方并且在区域界面处与所述第一孔区域相邻；
其中所述第一引物组和所述第二引物组能够用于附接所述第一孔区域中正向多核苷酸链的正向链簇和附接所述第二孔区域中反向多核苷酸链的相邻反向链簇；
其中所述第一孔区域的面积小于所述第二孔区域的面积。
27.根据权利要求26所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
所述第一孔区域包括：
第一区段，所述第一区段具有基本上圆形的形状，所述第一区段设置在整个所述第一光导上方，所述第一区段具有第一区段直径，和
第二区段，所述第二区段从所述第一区段延伸到所述区域界面，所述第二区段具有小于所述第一区段直径的第二区段宽度；以及
所述第二孔区域包括：
第三区段，所述第三区段具有基本上圆形的形状，所述第三区段设置在整个所述第二光导上方，所述第三区段具有第三区段直径，和
第四区段，所述第四区段从所述第三区段延伸到所述区域界面，所述第四区段具有小于所述第三区段直径的第四区段宽度，
其中所述第一孔区域的所述第二区段宽度和所述第二孔区域的所述第四区段宽度基本上相等。
28.根据权利要求26或27中任一项所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
不透明层，所述不透明层设置在所述光导阵列与每个纳米孔的所述第一孔区域和所述第二孔区域之间；
所述不透明层在所述第一孔区域和所述第二孔区域的整个所述区域界面之下延伸；以及
所述不透明层覆盖少于与每个纳米孔相关联的所述第一光导和所述第二光导的顶面的整个部分。
29.根据权利要求28所述的图像传感器结构，其中所述不透明层不覆盖与每个纳米孔相关联的所述第一光导和所述第二光导的所述顶面的任何部分。
30.根据权利要求26所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
所述第一光导与所述光检测器阵列的第一光检测器相关联；
所述第二光导与所述光检测器阵列的第二光检测器相关联；
每个纳米孔与宽度小于所述第一光检测器和所述第二光检测器之间的间距的所述第一光导和所述第二光导相关联；以及
所述第一光导和所述第二光导相对于彼此以锐角从它们关联的纳米孔延伸到它们关联的第一光检测器和第二光检测器。
31.一种图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
图像层，所述图像层包括设置在其中的光检测器阵列；
器件叠层，所述器件叠层设置在所述图像层上方；
光导阵列，所述光导阵列设置在所述器件叠层中，每个光导与所述光检测器阵列的光检测器相关联；
纳米孔阵列，所述纳米孔阵列设置在所述器件叠层上方，所述纳米孔阵列的每个纳米孔与所述光导阵列的第一光导相关联；
第一引物组，所述第一引物组设置在每个纳米孔的整个第一孔区域，所述第一孔区域设置在所述第一光导的第一部分上方；和
不同的第二引物组，所述不同的第二引物组设置在每个纳米孔的整个第二孔区域，所述第二孔区域设置在所述第一光导的第二部分上方，所述第二孔区域在区域界面处与所述第一孔区域相邻；
其中所述第一引物组和所述第二引物组能够用于附接所述第一孔区域中正向多核苷酸链的正向链簇和附接所述第二孔区域中反向多核苷酸的相邻反向链簇。
32.根据权利要求31所述的图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：
第一波导阵列，所述第一波导阵列设置在所述器件叠层上方，每个第一波导与所述纳米孔阵列的纳米孔相关联，每个第一波导能够用于在附接在所述第一波导的关联纳米孔的所述第一孔区域中的正向多核苷酸链的正向链簇上照射激发光；和
第二波导阵列，所述第二波导阵列设置在所述器件叠层上方，每个第二波导与所述纳米孔阵列的纳米孔相关联，每个第二波导能够用于在附接在所述第二波导的关联纳米孔的所述第二孔区域中的反向多核苷酸链的反向链簇上照射激发光。
33.一种方法，所述方法包括：
用多核苷酸链在图像传感器结构的纳米孔的第一孔区域中接种第一引物组；
使第二引物组在所述纳米孔的第二孔区域中失活，以使得不能够在所述第二孔区域中接种其他多核苷酸链；
在整个所述第一孔区域将所述第一多核苷酸链扩增成多条正向链和反向链；
从所述第一孔区域切割所述反向链以在所述第一孔区域中形成正向链簇；
激活所述第二孔区域中的所述第二引物组以使得能够在所述第二孔区域中进行接种和扩增；
从所述第一孔区域的所述正向链簇扩增到所述第二孔区域中，以在所述第二孔区域中形成多条正向链和反向链；
从所述第二孔区域切割所述正向链以在所述第二孔区域中形成反向链簇；以及
基本上同时测序所述第一孔区域中的所述正向链簇和所述第二孔区域中的所述反向链簇。
34.根据权利要求33所述的方法，其中：
使所述第二引物组失活包括掩盖所述第二孔区域；并且
激活所述第二引物组包括暴露所述第二孔区域。
35.根据权利要求33所述的方法，其中基本上同时测序包括：
将具有第一荧光标记的第一互补核苷酸附接到所述第一孔区域中所述正向链簇的核苷酸上，
将具有第二荧光标记的第二互补核苷酸附接到所述第二孔区域中所述反向链簇的核苷酸上，
将激发光基本上同时辐射到所述正向链簇和所述反向链簇上，以从所述第一标记和所述第二标记发出荧光发射光，
基本上同时地通过第一光导将来自所述第一标记的所述发射光接收到第一光检测器以及通过第二光导将来自所述第二标记的所述发射光接收到第二光检测器，以分别测定所述正向链和所述反向链的核苷酸序列。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述第一孔区域的面积小于所述第二孔区域的面积。
37.根据权利要求35所述的方法，其中：
所述第一孔区域包括：
第一区段，所述第一区段设置在整个所述第一光导上方，
所述第一区段具有第一区段宽度，和
第二区段，所述第二区段从所述第一区段延伸到所述第一孔区域与所述第二孔区域之间的区域界面，所述第二区段具有小于所述第一区段宽度的第二区段宽度；并且
所述第二孔区域包括：
第三区段，所述第三区段设置在整个所述第二光导上方，
所述第三区段具有第三区段宽度，和
第四区段，所述第四区段从所述第三区段延伸到所述区域界面，所述第四区段具有小于所述第三区段宽度的第四区段宽度。
38.根据权利要求35所述的方法，其中不透明层设置在所述第一光导和所述第二光导以及所述第一孔区域和所述第二孔区域之间，所述不透明层在所述第一孔区域和所述第二孔区域的整个区域界面之下延伸，并且所述不透明层覆盖少于所述第一光导和所述第二光导的整个部分。
39.根据权利要求35所述的方法，其中：
所述纳米孔具有小于所述第一光检测器和所述第二光检测器之间的间距的宽度；并且
所述第一光导和所述第二光导相对于彼此以锐角延伸到它们关联的第一光检测器和第二光检测器。
40.根据权利要求33所述的方法，其中：
所述第一孔区域设置在第一光导的第一部分上方；并且
所述第二孔区域设置在所述第一光导的第二部分上方。
41.根据权利要求33所述的方法，其中基本上同时测序包括：
将具有第一荧光标记的第一互补核苷酸附接到所述正向链簇的核苷酸上；
将具有第二荧光标记的第二互补核苷酸附接到所述反向链簇的核苷酸上；
将量远大于辐射到所述反向链簇上的激发光辐射到所述正向链簇上，以从所述第一标记发出量远大于从所述第二标记发出的荧光发射光；
通过第一光导将来自所述第一标记的所述发射光接收到第一光检测器以测定所述正向链的所述核苷酸；
将量远大于辐射到所述正向链簇上的激发光辐射到所述反向链簇上，以从所述第二标记发出量远大于从所述第一标记发出的荧光发射光；并且
通过所述第一光导将来自所述第二标记的所述发射光接收到所述第一光检测器以测定所述反向链的所述核苷酸。
42.根据权利要求41所述的方法，其中：
第一波导设置在所述第一光导上方；
第二波导设置在所述第一光导上方；
所述激发光通过所述第一波导辐射到所述正向链簇上；并且
所述激发光通过所述第二波导辐射到所述反向链簇上。
43.根据权利要求33所述的方法，其中基本上同时测序包括：
将具有第一荧光标记的第一互补核苷酸附接到所述正向链簇的核苷酸上，
将具有第二荧光标记的第二互补核苷酸附接到所述反向链簇的核苷酸上，
将激发光基本上同时辐射到所述第一孔区域中的所述正向链簇上和所述第二孔区域中的所述反向链簇上，以从所述第一标记和所述第二标记发出荧光发射光，
通过第一光导将来自所述第一标记和所述第二标记的组合发射光接收到第一光检测器；并且
利用信号处理技术测定与所述第一光检测器中检测到的所述组合发射光相关联的所述正向链和所述反向链中的核苷酸。
44.根据权利要求33所述的方法，其中基本上同时测序包括：
基本上同时地将来自所述正向链的第一标记的发射光接收到第一光检测器以及将来自所述反向链的第二标记的发射光接收到第二光检测器，以分别测定所述正向链和所述反向链的所述核苷酸序列。
45.根据权利要求33所述的方法，其中基本上同时测序包括：
将来自所述正向链的第一标记的发射光接收到第一光检测器以及将来自所述反向链的第二标记的发射光接收到所述第一光检测器，以分别测定所述正向链和所述反向链的所述核苷酸序列。
46.根据权利要求45所述的方法，其中将来自所述正向链的第一标记的发射光接收到第一光检测器基本上与将来自所述反向链的第二标记的发射光接收到所述第一光检测器同时进行。
47.根据权利要求45所述的方法，其中将来自所述正向链的第一标记的发射光接收到第一光检测器在将来自所述反向链的第二标记的发射光接收到所述第一光检测器之前进行。
48.根据权利要求35至47中任一项所述的方法，其中：
使所述第二引物组失活包括掩盖所述第二孔区域；并且
激活所述第二引物组包括暴露所述第二孔区域。
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