JP2017502310A - 分子をプローブし、検出し、及び分析するための、外部光源を備えた集積デバイス - Google Patents

分子をプローブし、検出し、及び分析するための、外部光源を備えた集積デバイス Download PDF

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Abstract

単一分子を分析するための、及び、核酸シークエンシングを実施するための装置及び方法。集積デバイスは、複数のピクセルを含み、複数のピクセルは、サンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェルであって、サンプルは、励起されると、放射線を放出する、サンプル・ウェルと；エミッション放射線を特定の方向に方向付けするための少なくとも１つのエレメントと；光路であって、光路に沿ってエミッション放射線がサンプル・ウェルからセンサーに向けて進む、光路とを備える。また、装置は、集積デバイスにインターフェース接続する機器を含む。それぞれのセンサーは、それぞれのサンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッション放射線を検出することが可能である。機器は、それぞれのサンプル・ウェルの中のサンプルを励起するための励起光供給源を含む。

Description

本発明は、生物学的な試料及び化学的な試料の分析、及び、生物学的なサンプル及び化学的なサンプルに関わる反応のためのデバイス及び方法に関し、また、前記デバイスを製作する方法に関する。
生物学的な試料及び化学的な試料の分析は、従来から、大きくて高価な実験機器を使用して行われており、機器を動作させ、結果を解読するように訓練された熟練した科学者を必要とする場合がある。いくつかのケースでは、生物学的なサンプルの検出及び分析は、生物学的なアッセイ（「バイオアッセイ」）を使用して実施され得る。バイオアッセイは、従来から、まとめて実施されており、大量の特定のタイプのサンプルが、検出及び定量化のために必要であるようになっている。
いくつかのバイオアッセイは、特定の波長の光を放出する発光性タグを用いてタグを付けることによって実施される。タグは、励起光供給源によって照射され、発光を引き起こし、発光性の光は、フォトディテクターによって検出され、タグによって放出される発光性の光の量を定量化する。発光性タグを使用するバイオアッセイは、従来から、サンプルを照射するための高価なレーザ光供給源と、照射されたサンプルからの発光を収集するための複雑で大型の発光性検出オプティクス及び電子機器とを必要とする。
従来の分析機器は、典型的に高価であり、熟練したオペレータを必要とするので、分析されることとなる試料は、プロセッシングのためのオン・サイト又はオフ・サイトの設備に送られる必要がある場合がある。これにより、試料のルーチン分析にも関連付けられるかなりの遅れ及びコストがもたらされる可能性がある。たとえば、患者は、患者によって提供された試料についての臨床検査の結果を知るために、数日間待ち、医院への再診をスケジュールしなければならない可能性がある。
本明細書で説明されている技術は、モバイル・コンピューティング機器とインターフェース接続され得るアクティブ・ソース・ピクセル（ａｃｔｉｖｅ−ｓｏｕｒｃｅ−ｐｉｘｅｌ）、集積デバイスを使用して、試料を迅速に分析するための装置及び方法に関する。集積デバイスは、使い捨てのもしくはリサイクル可能なラボ・オン・チップ、又は、パッケージ化されたモジュールの形態であることが可能であり、それは、少量の試料を受け入れるように、及び、試料の中のサンプルの多数の分析を並行して実行するように構成されている。集積デバイスが使用され、いくつかの実施形態では、特定の化学的な又は生物学的な分析対象の存在を検出し、いくつかの実施形態では、化学的な又は生物学的な反応を評価し、いくつかの実施形態では、遺伝子配列を決定することが可能である。いくつかの実施形態によれば、集積デバイスは、単一分子遺伝子シークエンシングのために使用され得る。
いくつかの実施形態によれば、ユーザは、集積デバイスの上のチャンバーの中に試料を堆積させ、受け入れ機器の中へ集積デバイスを挿入する。受け入れ機器は、単独で、又は、コンピュータと通信して、集積デバイスと自動的にインターフェース接続し、集積デバイスからのデータを受け取り、受け取られたデータを処理し、分析の結果をユーザに提供
する。理解され得るように、チップ、受け入れ機器、及び／又はコンピュータの上の集積及びコンピューティング知能は、ユーザから必要とされる技能レベルを低減させる。
本出願のいくつかの実施形態によれば、集積デバイスが提供され、集積デバイスは、複数のピクセルからなるピクセル領域からなる。複数のピクセルのそれぞれのピクセルは、集積デバイスの表面の上のサンプル・ウェルであって、サンプル・ウェルは、サンプルを受け入れるように構成されている、サンプル・ウェルと、励起エネルギーに応答してサンプル・ウェルの中のサンプルから放出されるエミッション・エネルギーに基づいて、放射線パターンを発生させるように構成されている少なくとも１つのコンポーネントと、放射線パターンの少なくとも一部分の空間的な分布を検出するように構成されている少なくとも１つのセンサーとを有している。集積デバイスは、複数のピクセルの少なくとも一部分に励起エネルギーを送達するように構成されている少なくとも１つの導波路をさらに含む。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの導波路が、サンプル・ウェルの中の励起領域に励起エネルギーを提供するように構成されており、励起領域の中に位置付けされているサンプルが、励起領域を照射する励起エネルギーに応答して、エミッション・エネルギーを放出する。いくつかの場合には、少なくとも１つの導波路が、少なくとも１つの励起供給源から励起エネルギーを受け取るように構成されている。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、集積デバイスの外部にある。いくつかの実施形態では、集積デバイスが、励起供給源カップリング領域をさらに含み、励起供給源カップリング領域は、グレーチング・カップラーを有しており、グレーチング・カップラーは、少なくとも１つの励起供給源から励起エネルギーを受け取るように、及び、励起エネルギーを少なくとも１つの導波路にカップリングするように構成されている。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、ピクセル領域から分離された領域の中の集積デバイスの表面の上に位置付けされている。いくつかの場合には、少なくとも１つの導波路が、複数のピクセルの一部分のそれぞれのピクセルに関して、サンプル・ウェルの付近に励起エネルギーを送達するように構成されている。
いくつかの実施形態では、複数のピクセルのそれぞれのピクセルが、少なくとも１つの励起カップリング構造体をさらに含み、少なくとも１つの励起カップリング構造体は、少なくとも１つの導波路とカップリングするように、及び、励起エネルギーをサンプル・ウェルの付近に方向付けするように構成されている。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起カップリング構造体が、少なくとも１つのピクセル導波路を含む。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起カップリング構造体が、少なくとも１つの共鳴構造体を含む。いくつかの場合には、サンプル・ウェルが、少なくとも１つの共鳴構造体によって形成される局所化された領域に近接して位置決めされている。
いくつかの実施形態では、複数のピクセルのそれぞれのピクセルが、少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントをさらに含み、少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントは、サンプル・ウェルの中に位置付けされているサンプルによって放出されるエミッション・エネルギーとカップリングするように構成されている。いくつかの場合には、サンプルが、複数のマーカのうちの１つによって標識され、少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントが、複数のマーカのそれぞれからのエミッション・エネルギーのスペクトル範囲に基づいて、放射線パターンを発生させる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントが、サンプル・ウェルの周りに形成された同心円状のグレーチング構造体である。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントが、ナノ・アンテナ構造体である。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの表面エネ
ルギー・カップリング・エレメントが、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、サンプル・ウェルから放出される放射線を、放出される放射線の波長に依存する複数の異なる空間的な分布の中へ方向付けするように構成されている。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのセンサーが、複数のマーカのそれぞれに関する放射線パターンの少なくとも一部分の空間的な分布を検出するように構成されている複数のセンサーである。いくつかの実施形態では、集積デバイスが、少なくとも１つのソーティング・エレメントをさらに含み、少なくとも１つのソーティング・エレメントが、サンプル・ウェルと複数のセンサーとの間に位置付けされており、特定の波長のエミッション・エネルギーを複数のセンサーのうちの１つのセンサーに方向付けするように構成されている。
本出願のいくつかの実施形態によれば、集積デバイスが提供され、集積デバイスは、複数のマーカのうちの１つによって標識されたサンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェルからなる。複数のマーカのそれぞれが、サンプルを照射する励起エネルギーに応答して、複数のスペクトル範囲のうちの１つの中のエミッション・エネルギーを放出する。集積デバイスは、エミッション・エネルギー・カップリング構造体をさらに含み、エミッション・エネルギー・カップリング構造体は、エミッション・エネルギーがサンプル・ウェルから放出されるときに、複数のスペクトル範囲のそれぞれのスペクトル範囲に関する放射線パターンを発生させるために、サンプル・ウェルの付近に位置付けされている。集積デバイスは、複数のセンサーをさらに含み、複数のセンサーは、エミッション・エネルギーの少なくとも一部分を受け取るように、及び、複数のスペクトル範囲のそれぞれのスペクトル範囲に関する放射線パターンの空間的な分布を検出するように構成されている。
いくつかの実施形態では、複数のセンサーが、複数のスペクトル範囲のそれぞれに関する放射線パターンの別個の空間的な分布を検出するように形状決め及び配置されている。いくつかの場合には、複数のセンサーが、複数のスペクトル範囲のそれぞれのスペクトル範囲に関する放射線パターンの空間的な分布を表す少なくとも１つの信号を作り出す。いくつかの実施形態では、複数のセンサーの第１のセンサーが、第１の信号を作り出し、複数のセンサーの第２のセンサーが、第２の信号を作り出し、第１の信号と第２の信号との間の比率が、複数のマーカのそれぞれのマーカに関して異なっている。
本出願のいくつかの実施形態によれば、集積デバイスを形成する方法が提供され、方法は、複数のセンサー領域を形成する工程と、複数のサンプル・ウェルを形成する工程と、からなる。複数のセンサー領域のそれぞれのセンサー領域は、複数のセンサーを含む。複数のサンプル・ウェルのそれぞれのサンプル・ウェルが、複数のセンサー領域のうちの対応する１つに整合する。方法は、複数のサンプル・ウェルから分離した励起エネルギーとカップリングするように、及び、励起エネルギーを少なくとも１つのサンプル・ウェルに方向付けするように構成されている、少なくとも１つの導波路を形成する工程と、複数の表面エネルギー・カップリング・エレメントを形成する工程であって、それぞれの表面エネルギー・カップリング・エレメントは、複数のセンサー領域のうちの１つの上に放射線パターンを形成するように構成されている、工程と、をさらに含む。放射線パターンは、複数のサンプル・ウェルのうちの対応する１つからのエミッション・エネルギーに基づいている。
いくつかの実施形態では、集積デバイスを形成する方法が、複数のサンプル・ウェルから分離された領域の中にグレーチング・カップラーを形成する工程をさらに含み、グレーチング・カップラーは、集積デバイスの外部にある少なくとも１つの励起供給源から励起エネルギーを受け取るように、及び、励起エネルギーを少なくとも１つの導波路にカップリングするように構成されている。いくつかの実施形態では、複数の表面エネルギー・カップリング・エレメントが、複数の同心円状のグレーチング構造体であり、それぞれのサ
ンプル・ウェルが、複数の同心円状のグレーチング構造体のうちの１つに対して中心を合わせられている。いくつかの実施形態では、複数の表面エネルギー・カップリング・エレメントが、複数のナノ・アンテナ構造体であり、それぞれのサンプル・ウェルが、複数のナノ・アンテナ構造体のうちの１つの付近に位置付けされている。いくつかの実施形態では、集積デバイスを形成する方法が、複数のソーティング・エレメントを形成する工程をさらに含み、それぞれのソーティング・エレメントが、複数のサンプル・ウェルのうちの１つのサンプル・ウェルと複数のセンサー領域のうちの１つのセンサー領域との間に位置付けされており、特定の波長のエミッション・エネルギーを複数のセンサーのうちの１つのセンサーに方向付けするように構成されている。
本出願のいくつかの実施形態によれば、機器が提供され、機器は、少なくとも１つの励起エネルギーを提供するための少なくとも１つの励起供給源と、励起供給源によって放出される少なくとも１つの励起エネルギーを集積デバイスのカップリング領域に整合させるための励起供給源位置決めシステムと、集積デバイスの上のセンサーによって検出されるエミッション・エネルギーを表す少なくとも１つの読み出し信号を受け取るように構成されている読み出し回路と、からなる。いくつかの実施形態では、機器が、励起供給源回路をさらに含み、励起供給源回路は、励起エネルギーを受け取るように構成されている少なくとも１つのモニタリング・センサーからの読み出し信号に基づいて、集積デバイスに対する少なくとも１つの励起供給源のアライメントを調整するように構成されている。
本出願のいくつかの実施形態によれば、システムが提供され、システムは、機器及び集積デバイスからなる。機器は、少なくとも１つの励起エネルギーを放出するように構成されている励起エネルギー供給源と、少なくとも１つのアライメント・コンポーネントとを含む。集積デバイスは、複数のピクセルを有するピクセル領域を含む。それぞれのピクセルが、サンプル・ウェル及び少なくとも１つのセンサーを有している。サンプル・ウェルは、サンプルを受け入れるように構成されてあり、サンプルは、少なくとも１つの励起エネルギーにカップリングされるときに、スペクトル範囲を有するエミッション・エネルギーを放出する。それぞれのピクセルは、励起エネルギーをサンプル・ウェルに方向付けするように構成されている少なくとも１つの導波路と、エミッション・エネルギーのスペクトル範囲に基づいて放射線パターンを発生させるための少なくとも１つのエレメントと、放射線パターンの少なくとも一部分の空間的な分布を検出するように構成されている少なくとも１つのセンサーと、をさらに含む。集積デバイスは、励起エネルギー供給源から励起エネルギーを受け取るための、及び、励起エネルギーを少なくとも１つの導波路の中へカップリングするための励起供給源カップリング領域をさらに含む。少なくとも１つのアライメント・コンポーネントは、集積デバイスを機器に整合させるように構成されており、少なくとも１つの励起エネルギーが励起供給源カップリング領域の少なくとも一部分にカップリングするようになっている。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのエレメントが、屈折エレメント、回折エレメント、プラズモニック・エレメント、及び共振器からなる群から選択される。いくつかの実施形態では、励起供給源カップリング領域が、励起エネルギーを受け取るように、及び、励起エネルギーを少なくとも１つの導波路にカップリングするように構成されているグレーチング・カップラーを含む。
いくつかの実施形態によれば、試料を分析する方法は、複数のピクセルを有する集積デバイスの表面の上に試料を堆積させる工程からなる。それぞれのピクセルが、複数のマーカのうちの第１のマーカによって標識されたサンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェル、及び、複数のセンサーを有するセンサー領域を有している。方法は、集積デバイスを機器と整合させる工程をさらに含み、機器は、第１のピクセルのサンプル・ウェルに励起エネルギーをカップリングするための少なくとも１つの励起エネルギー供
給源、及び、第１のピクセルのセンサー領域の複数のセンサーから読み出し信号を受け取るための読み出し回路を有している。方法は、励起エネルギーによって第１のマーカを照射する工程と、第１のピクセルのセンサー領域の複数のセンサーからの読み出し信号から、第１のマーカによって発生するエミッション・エネルギーの空間的な分布を検出する工程と、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、方法が、エミッション・エネルギーの空間的な分布に基づいて、複数のマーカの間で第１のマーカを特定する工程をさらに含み、複数のマーカのそれぞれ１つが、別個の空間的な分布を有している。いくつかの実施形態では、方法が、第１のマーカを特定する工程に基づいて、第１のマーカによって標識された分子のタイプを決定する工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、分子のタイプが、ヌクレオチドであり、第１のマーカが、フルオロフォアである。いくつかの実施形態では、フルオロフォアが、リンカー分子によってヌクレオチドに取り付けられている。
いくつかの実施形態では、方法が、第２のサンプルを標識する第２のマーカを励起エネルギーによって照射する工程と、第１のピクセルのセンサー領域の複数のセンサーからの読み出し信号から、第２のマーカによって発生するエミッション・エネルギーの空間的な分布を検出する工程と、をさらに含む。いくつかの実施形態では、第１のマーカが、第１のヌクレオチドを標識しており、第２のマーカが、第２のヌクレオチドを標識している。
いくつかの実施形態によれば、ターゲット核酸分子をシークエンシングするための方法は、集積デバイスを提供する工程からなり、集積デバイスは、ターゲット核酸分子、重合酵素、及び、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含有するサンプル・ウェルを含む。複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のうちのそれぞれのタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、複数のマーカのうちの１つによって標識される。方法は、直接励起エネルギーをサンプル・ウェルに方向付けするように構成されている少なくとも１つの励起供給源を提供する工程をさらに含む。方法は、重合酵素の存在下で、ターゲット核酸分子のプライミング場所において、伸長反応を実施し、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の一部分を、ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖の中へ順次組み込む工程であって、励起エネルギーによる励起が起こると、１つのタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が成長する鎖の中へ組み込まれるときに、１つのタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を標識するマーカが、サンプル・ウェルからのエミッションを作り出す、工程をさらに含む。方法は、サンプル・ウェルからのエミッションを受け取るように構成されているセンサーにおいて、エミッションの少なくとも一部分を検出する工程と、それぞれの検出されたエミッションに関してセンサーからの信号セットを受け取る工程と、をさらに含み、信号セットが、検出されたエミッションの空間的な分布を表しており、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の間を区別する。方法は、受け取られた信号セットに基づいて、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のタイプを特定し、それによってターゲット核酸分子をシークエンシングする工程をさらに含む。
いくつかの実施形態では、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、センサーにおいてエミッション・パターンの空間的な分布を検出することに続いて特定される。いくつかの実施形態では、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含み、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられるエミッション・パターンの空間的な分布が、互いから区別可能である。いくつかの実施形態では、空間的な分布が、互いから別々に検出される。いくつかの実施形態では、エミッション・パターンの空間的な分布が、空間的な分布のそれぞれの形状及び／又は強度分布に基づいて、互いから区別可能である。いくつかの実施形態では、エミッション・パターンの空間的な分布が、エミッションの波長に基
づいて区別可能である。いくつかの実施形態では、プライミング場所が、ターゲット核酸分子に相補的なプライマーを含む。いくつかの実施形態では、重合酵素が、サンプル・ウェルの中に固定化されている。いくつかの実施形態では、重合酵素が、サンプル・ウェルの底部部分において固定化されている。いくつかの実施形態では、重合酵素が、サンプル・ウェルの表面に取り付けられるリンカーを使用して固定化されている。いくつかの実施形態では、重合酵素が、鎖置換活性を示す。いくつかの実施形態では、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、少なくとも１つの励起エネルギー供給源からの励起エネルギーによって励起が起こると、エミッションを放出する。いくつかの実施形態では、励起エネルギー供給源が、レーザ光供給源であり、レーザ光供給源は、少なくとも１つの導波路を通してサンプル・ウェルに動作可能にカップリングされており、励起エネルギーは、少なくとも１つの導波路を通してレーザ光供給源からサンプル・ウェルへ方向付けされる。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルが、複数のサンプル・ウェルの間にある。いくつかの実施形態では、複数のサンプル・ウェルが、集積デバイスの一部である。いくつかの実施形態では、励起エネルギーが、集積デバイスから分離している少なくとも１つの励起エネルギー供給源によって提供される。いくつかの実施形態では、センサーが、集積デバイスの一部である。
本出願のいくつかの実施形態によれば、核酸シークエンシングのための方法は、複数のサンプル・ウェル、及び、複数のサンプル・ウェルに動作可能にカップリングされている励起エネルギー供給源からなる集積デバイスを提供する工程からなる。複数のサンプル・ウェルの個々のサンプル・ウェルは、ターゲット核酸分子、重合酵素、及びヌクレオチド又はヌクレオチド類似体からなる。方法は、ターゲット核酸分子に重合反応を受けさせ、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体及び重合酵素の存在下において、ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖を生み出す工程をさらに含む。複数のマーカのうちの１つのマーカは、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のそれぞれを標識し、また、励起供給源からの励起エネルギーによる冷気が起こると、対応するヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が成長する鎖の中へ組み込まれる間に、複数のマーカがエミッションを放出する。方法は、伸長反応を実施する間に、エミッション・パターンの空間的な分布を検出する工程であって、エミッション・パターンの空間的な分布が、複数のマーカに関して区別可能である、工程と、エミッションの空間的な分布に基づいて、ターゲット核酸分子のシークエンスを特定する工程と、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、シークエンスが、エミッション・パターンの空間的な分布を検出することに続いて特定される。いくつかの実施形態では、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含み、４つのタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられるエミッション・パターンの空間的な分布が、互いから区別可能である。いくつかの実施形態では、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられる空間的な分布が、互いから別々に検出される。いくつかの実施形態では、励起エネルギー供給源が、レーザ光供給源であり、レーザ光供給源は、少なくとも１つの導波路を通して複数のサンプル・ウェル動作可能にカップリングされており、励起エネルギーは、少なくとも１つの導波路を通してレーザ光供給源から個々のサンプル・ウェルへ方向付けされる。いくつかの実施形態では、励起エネルギー供給源が、集積デバイスの外部にある。いくつかの実施形態では、エミッション・パターンの空間的な分布が、集積デバイスの一部であるセンサーによって検出される。
実施形態は、核酸分子をシークエンシングするための方法を含む。いくつかの実施形態によれば、核酸分子をシークエンシングする第１の方法は、基板の上の第１のピクセルに形成されているサンプル・ウェルに励起エネルギーを提供する工程と、第１のピクセルに形成されているセンサーにおいて、サンプル・ウェルからの第１のエミッションを受け取
る工程であって、第１のエミッションは、異なるタイプの核酸サブユニットの中からの１つのタイプの核酸サブユニットに関連付けられる、工程と、からなることが可能である。方法は、受け取られた第１のエミッションを表す第１の信号及び第２の信号を、センサーによって作り出す工程と、第１の信号及び第２の信号を分析する工程と、第１の信号及び第２の信号の分析に基づいて、核酸サブユニットのタイプを特定する工程と、をさらに含むことが可能である。
第１の方法のいくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルが、ゼロ・モード導波路又はサブ・カットオフ・ナノアパーチャからなる。いくつかの態様では、第１のエミッションが、第１の信号及び第２の信号の両方のノン・ゼロ信号レベルを決定する。いくつかの実施形態では、センサーが、少なくとも２つの空間的に分離されたフォトディテクター・セグメントからなり、第１の信号及び第２の信号が、第１のエミッションの第１のスペクトル・バンドに関する空間的な分布パターンを表している。
いくつかの態様によれば、第１の方法は、第１の時間において第１の信号を獲得し、第２の時間において第２の信号を獲得する工程をさらに含むことが可能である。第１の信号及び第２の信号は、第１のエミッションに関するセンサーにおいて、同じ電荷蓄積期間の間に獲得され得る。この電荷蓄積期間の間に、及び、第１の信号及び第２の信号を獲得する間に、センサーの１つ又は複数の電荷蓄積ノードにおける１つ又は複数の電圧は、リセットされなくてもよい。いくつかの実施形態では、分析する工程が、第１の信号及び第２の信号に関する信号レベルの比率を評価する工程からなる。
第１の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、核酸分子をシークエンシングする方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
第２の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、ターゲット核酸分子をシークエンシングする方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
集積デバイスのさまざまな実施形態が考えられる。いくつかの実施形態によれば、複数のサンプルを並行して分析するための集積デバイスは、基板の上に配置されている複数のピクセルからなることが可能であり、複数のピクセルの個々のピクセルは、（ｉ）生物学的なサンプルを保持するように構成されている励起領域を有するサンプル・ウェル、（ｉｉ）サンプル・ウェルに隣接して、又は、サンプル・ウェルの中に位置付けされている第１の構造体であって、第１の構造体は、励起領域の中への少なくとも励起エネルギーのカップリングに影響を及ぼすように構成されている、第１の構造体、ならびに、（ｉｉｉ）センサーを含むセンシング・システムであって、センサーは、サンプル・ウェルからの少なくとも２つの異なるエミッションの間を差別するように構成されており、２つの異なるエミッションは、スペクトルの差及び／又は時間的な差からなる、センシング・システムからなる。第１の構造体は、センサーに対するサンプル・ウェルからのエミッションのカップリングに追加的に影響を及ぼすことが可能である。
集積デバイスのいくつかの態様では、第１の構造体は、第１の構造体が、第１の構造体において励起されるプラズモンを介して、励起領域の中への励起エネルギーのカップリングを改善する、３次元の、マイクロ・スケールの、又はナノ・スケールのプラズモニック構造体からなる。いくつかの実施形態では、第１の構造体が、少なくともいくらかの励起エネルギーを受け取り、かつ、励起領域の中のサンプルに励起エネルギーを非放射で伝達する、分子又は量子ドットからなる。いくつかの実施形態では、第１の構造体が、励起領域の中のサンプルにエネルギーを非放射で送達するように構成されている少なくとも１つ
の半導体デバイスからなる。いくつかの実施形態では、第１の構造体が、励起領域の中の励起エネルギーの強度を増加させるマイクロ光学的な構造体又はナノ光学的な構造体からなる。
集積デバイスのいくつかの実施形態では、ピクセルが、第２の構造体をさらに含み、第２の構造体は、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルから放出された放射線を、放出された放射線の波長に依存する複数の異なる空間的な分布の中へ方向付けするように、及び、複数の異なる方向のそれぞれの方向に放出された放射線を濃縮するように構成されている。いくつかの実施形態によれば、センシング・システムが、励起領域の中のサンプルからエネルギーを非放射で受け取るように構成されている少なくとも１つの分子又は量子ドットからなる。いくつかの実施形態によれば、センシング・システムが、励起領域の中のサンプルからエネルギーを非放射で受け取るように構成されている少なくとも１つの半導体デバイスからなる。
集積デバイスのいくつかの態様では、複数のピクセルが、基板の上にＮｘＭのアレイで配置されており、ここで、Ｎは、アレイが第１の方向に延在するピクセルの数であり、Ｍは、アレイが第２の方向に延在するピクセルの数である。いくつかの態様では、Ｎ及びＭのそれぞれが、５０個のピクセルから１０００００個のピクセルの間の値を有している。
いくつかの実施形態によれば、集積デバイスが、試料を保持するように構成されている、複数のピクセルの周りに形成された壁付きチャンバーをさらに含むことが可能である。いくつかの実施形態では、試料が、流体試料であることが可能である。集積デバイスが、壁付きチャンバーの外部の光が複数のピクセルを照射することを防止するために、壁付きチャンバーを閉じるように配置されているカバーをさらに含むことが可能である。いくつかの実施形態では、集積デバイス及びチャンバーが、機器の受け入れドックの接点との電気的な接続のために配置されている外部電気接点を有する単一のモジュールの中にパッケージ化されている。
集積デバイスのいくつかの態様によれば、サンプル・ウェルが、少なくとも材料の第１の層の中のサブ・カットオフ・ナノアパーチャからなる。集積デバイスのいくつかの態様によれば、サンプル・ウェルが、材料の第１の層の中に形成されたサブ・カットオフ・ナノアパーチャからなる。いくつかの態様では、集積デバイスが、第１の層に隣接する光学的に透明な材料の中へサンプル・ウェルから延在するディボットをさらに含み、励起領域が、ディボットを含む。いくつかの態様では、光学的に透明な材料が、誘電体である。いくつかの態様では、第１の層が、導電層である。いくつかの実施形態では、導電層が、サンプル・ウェルに隣接する少なくとも１つの集積されたエレメントの電極を含む。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの集積されたエレメントが、有機発光ダイオードである。
集積デバイスのいくつかの実施形態では、集積デバイス及びサンプル・ウェルが、懸濁流体の中のサンプルを受け取るように配置されている。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの壁部が、長手方向に湾曲している。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの壁部は、テーパが付けられている。いくつかの実施形態によれば、テーパが付けられた壁部が、サンプル・ウェルの第１の端部において、試料に隣接して開口部を形成しており、サンプル・ウェルの第１の端部は、サンプル・ウェルの第２の端部におけるサンプル・ウェルのエントランス・アパーチャよりも断面が小さい。
いくつかの態様によれば、集積デバイスが、サンプル・ウェルの中に形成されたプラズモニック構造体をさらに含み、プラズモニック構造体は、励起領域の中の励起エネルギーを増強する。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルが、励起エネルギーが受け取ら
れるエントランス・アパーチャからなる。いくつかの実施形態では、エントランス・アパーチャの直径が、励起エネルギーの特性波長よりも小さい。いくつかの実施形態では、アパーチャの直径が、おおよそ３０ナノメートルからおおよそ２５０ナノメートルの間である。いくつかの実施形態では、アパーチャの直径が、おおよそ５００ナノメートルよりも小さい。
いくつかの実施形態によれば、集積デバイスが、サンプル・ウェルから間隔を置いて配置された反射体をさらに含み、反射体、及び、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料は、共鳴キャビティー又は共振器を含み、共鳴キャビティー又は共振器は、励起領域における励起エネルギーの強度を増加させる。いくつかの態様では、反射体が、反射スタックであることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルが、励起領域の中に配置されている付着物質（ａｄｈｅｒｅｎｔ）をさらに含む。付着物質は、励起領域の中にサンプルを保持するように構成され得る。付着物質は、少なくともサンプル・ウェル及び／又はディボットの底部表面の上に配設され得る。いくつかの実施形態では、付着物質が、ビオチンであることが可能である。いくつかの態様では、付着物質は、おおよそ１ミリ秒からおおよそ１秒の間の時間の期間にわたりサンプルを保持するように構成されている。いくつかの態様では、付着物質は、サンプル・ウェルの中の少なくとも１つの表面の上に形成されている生物学的な物質又は化学的な物質からなる。いくつかの実施形態では、付着物質が、分子、酵素、タンパク質、小分子、抗体、リガンド、又は抗原からなる。
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルが、サンプル・ウェルの中に配置されているインヒビターをさらに含み、インヒビターは、サンプル・ウェルの少なくとも１つの表面に対するサンプルの付着を阻止するように構成されている。インヒビターが、サンプル・ウェル及び／又はディボットの壁部の上のコーティングからなることが可能である。いくつかの実施形態では、インヒビターが、サンプル・ウェルの壁部に対するサンプルの付着を阻止する不動態化層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルが、第１の構造体からおおよそ３０ｎｍの距離の中にサンプルを保持するように構成されている。たとえば、付着物質が、第１の構造体の３０ｎｍ以内に、サンプル・ウェルの表面の上に位置付けされ得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの少なくとも一部分が、半導体接合に隣接して位置付けされている。いくつかの態様では、サンプル・ウェルの少なくとも一部分が、半導体接合の１００ｎｍ以内に位置付けされている。
集積デバイスのいくつかの実施形態では、第１の構造体が、励起エネルギーの特性周波数に関する共鳴構造体からなり、サンプル・ウェルが、共鳴構造体のカップリング領域に対応する位置に位置決めされている。カップリング領域が、共鳴構造体の中の、又は、共鳴構造体に隣接する領域であることが可能であり、そこでは、励起エネルギーが、共鳴構造体の中の又は共鳴構造体に隣接する他の領域と比較して、増加された強度で、サンプル・ウェルの中へカップリングする。たとえば、カップリング領域は、共鳴構造体の中の増加された強度のノードにあることが可能である。いくつかの態様では、共鳴構造体が、サンプル・ウェルと同じ層の中に位置付けされている。いくつかの実施形態では、共鳴構造体が、サンプル・ウェルの周りに形成されたフォトニック結晶からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体が、サンプル・ウェルとは異なる層の中に位置付けされている。いくつかの態様では、共鳴構造体が、Ｇｉｒｅ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ共振器である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体が、線形共振器又はリング共振器である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体が、分布Ｂｒａｇｇ反射体からなる。
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子からなり、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子は、励起エネルギーを受
け取るように、及び、変換されたエネルギーをサンプルに非放射で送達するように配置されている。いくつかの実施形態では、励起エネルギーが、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）、ダブル電子エネルギー伝達、又はデクスター・エネルギー移動（ＤＥＴ）を介して、サンプルに送達される。
第１の構造体がプラズモニック構造体からなる、集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、プラズモニック構造体が、サンプル・ウェルの中に位置付けされており、励起領域の中の励起エネルギーを増強する。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、導電性材料から形成されたナノ粒子からなる。いくつかの態様によれば、プラズモニック構造体が、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、励起領域の中の励起エネルギーを増強する。いくつかの態様では、プラズモニック構造体が、ナノ・アンテナからなる。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、共鳴構造体からなる。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、プラズモニック線形共振器又はリング共振器からなる。いくつかの態様では、プラズモニック構造体が、デバイスの少なくとも１つの電極の中に形成されており、少なくとも１つの電極は、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされている。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、２つ以上の周波数において共鳴するように構成されており、２つ以上の周波数は、励起エネルギーの特性周波数、及び／又は、サンプル・ウェルからのエミッションの特性周波数を含む。
集積デバイスのいくつかの態様によれば、第１の構造体が、リンカーを通してサンプルにコンジュゲートされた少なくとも１つのエネルギー伝達粒子からなり、エネルギー伝達粒子は、励起エネルギーの少なくとも一部分をサンプルに非放射で伝達するように選択される。いくつかの実施形態では、第１の構造体が、サンプル・ウェルの中に配置されている複数のエネルギー伝達粒子からなり、励起エネルギーが、エネルギー伝達粒子のうちの少なくとも１つからサンプルに非放射で伝達され得るようになっている。いくつかの態様では、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）を介して、サンプルにエネルギーを伝達するように適合されている。いくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、サンプル・ウェルに隣接して配置されている複数のエネルギー伝達粒子からなり、励起エネルギーが、エネルギー伝達粒子のうちの少なくとも１つからサンプルに非放射で伝達され得るようになっている。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、量子ドットからなる。いくつかの態様では、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、励起エネルギーの第１の特性周波数を、エネルギー伝達粒子からサンプルに送達されるエネルギーに関する少なくとも１つのより高い特性周波数に変換する。いくつかの態様によれば、第１の特性周波数に対応する波長が、約９００ｎｍから約１１００ｎｍの間にあり、より高い特性周波数に対応する少なくとも１つの波長が、約４８０ｎｍから約７００ｎｍの間にある。いくつかの態様では、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子が、励起エネルギーの第１の特性周波数を、エネルギー伝達粒子からサンプルに送達されるエネルギーに関するより低い特性周波数に変換する。いくつかの態様によれば、第１の特性周波数に対応する波長が、約５００ｎｍから約７００ｎｍの間にあり、より低い特性周波数に対応する波長が、約６２０ｎｍから約７２０ｎｍの間にある。いくつかの実施形態では、複数のエネルギー伝達粒子が、サンプル・ウェルがその中に形成されている層から分離されている層の中に配置されている。
第１の構造体が半導体デバイスからなる、集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、半導体デバイスが、サンプル・ウェルに隣接して形成された少なくとも１つの半導体層からなり、集積デバイスが、半導体層とサンプル・ウェルとの間に形成されているエネルギー伝達粒子の層をさらに含み、エネルギー伝達粒子の層は、少なくとも１つの半導体層からサンプル・ウェルの中のサンプルへエネルギーを伝達するように適合されている。粒子からサンプルへのエネルギー伝達は、放射プロセス（たとえば、アップ・コンバート又はダウン・コンバート）、又は、非放射プロセス（たとえば、ＦＲＥＴ又はＤＥＴ）によ
ることが可能である。いくつかの実施形態では、半導体層とエネルギー伝達粒子の層との間のエネルギー伝達、又は、エネルギー伝達粒子の層とサンプルとの間のエネルギー伝達が、非放射的である。いくつかの態様では、半導体デバイスが、サンプル・ウェルに隣接して形成された少なくとも１つの半導体層からなり、集積デバイスが、サンプル・ウェルの中のサンプルにコンジュゲートされた少なくとも１つのエネルギー伝達粒子をさらに含み、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子は、少なくとも１つの半導体層からサンプルへエネルギーを伝達するように適合されている。いくつかの実施形態によれば、半導体層と少なくとも１つのエネルギー伝達粒子との間のエネルギー伝達、又は、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子とサンプルとの間のエネルギー伝達が、非放射的である。いくつかの態様では、半導体層と少なくとも１つのエネルギー伝達粒子との間のエネルギー伝達、及び、少なくとも１つのエネルギー伝達粒子とサンプルとの間のエネルギー伝達が、非放射的である。いくつかの実施形態では、半導体デバイスが、ｐ−ｎ接合を含む。いくつかの実施形態では、半導体デバイスが、有機半導体からなる。いくつかの実施形態では、半導体デバイスが、無機半導体からなる。いくつかの態様によれば、少なくとも１つの半導体層からサンプルへ伝達されるエネルギーの少なくともいくらかは、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）を介する。
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、サンプル・ウェルの周りに形成された２次元の又は３次元のフォトニック結晶からなる。いくつかの態様では、フォトニック結晶が、サンプル・ウェルにおいて欠陥を含む。いくつかの態様では、フォトニック結晶が、第１の屈折率を有するマイクロ構造体の非周期的なアレイからなり、第１の屈折率は、周期的なアレイがその中に形成されている層の第２の屈折率とは異なっている。いくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、励起領域において励起エネルギーを集中させるように構成されている回折光学素子からなる。
集積デバイスのいくつかの実施形態では、第１の構造体が、サンプル・ウェルに隣接する薄い損失性膜からなる。いくつかの実施形態では、集積デバイスが、薄い損失性膜とサンプル・ウェルとの間に配設されている誘電体層をさらに含む。いくつかの態様では、薄い損失性膜の屈折率が、励起エネルギーの波長における薄い損失性膜の吸光係数と同じ桁数の中にある。いくつかの態様では、薄い損失性膜が、シリコンもしくはゲルマニウム、又は、それらの組み合わせから形成されている。いくつかの態様では、薄い損失性膜の厚さが、おおよそ３ｎｍからおおよそ８０ｎｍの間である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜が、少なくとも２つの異なる材料の複数の層を含む。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜が、有機材料からなる。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜が、無機材料からなる。
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第１の構造体が、マイクロキャビティーからなり、マイクロキャビティーは、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされており、励起領域において励起エネルギーを集中させるように構成されている。いくつかの態様では、マイクロキャビティーが、励起エネルギーの波長を含む２つ以上の光学波長において共鳴するように構成されている。いくつかの態様では、第１の構造体が、サンプル・ウェルに隣接して形成されたＧｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体からなる。いくつかの態様では、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体が、励起エネルギーの波長を含む２つ以上の光学波長において共鳴するように構成されている。いくつかの実施形態によれば、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体の第１の反射体が、サンプル・ウェルがその中に形成されている導電層からなる。いくつかの態様では、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｅｏｉｓ共鳴構造体の第２の反射体が、導電層に隣接して形成されている多層スタックからなる。
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、センシング・システムが、センサーにお
ける励起エネルギーの量を抑制するように構成されている波長差別フィルターからなる。いくつかの態様では、波長差別フィルターが、多層スタックからなる。いくつかの実施形態では、波長差別フィルターが、周波数選択性表面からなる。周波数選択性表面は、周波数選択性表面を横断する光学的な放射線の振幅及び／又は位相に影響を及ぼす振幅及び／又は位相構造体を含む、ピクセルの中にパターニングされた層からなることが可能である。いくつかの実施形態によれば、センシング・システムが、少なくともいくらかの励起エネルギーをブロックする光シールドからなる。いくつかの実施形態では、センシング・システムが、少なくとも１つの光学位相マスクからなる。位相マスクは、位相マスクを横断する光学的な放射線の位相に影響を及ぼす位相構造体を含む、ピクセルの中のパターニングされた層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、位相マスクは、位相マスクを横断する光学的な放射線の振幅に目に見えて影響を及ぼさないことが可能である。
サンプル・ウェルから放出された放射線を複数の異なる空間的な分布の中へ方向付けするように構成されている、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされている第２の構造体を含む、集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第２の構造体が、プラズモニック構造体からなる。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、サンプル・ウェルの光学的な近接場の中に形成されている。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、サンプル・ウェルがその中に形成されている同じ層の中に少なくとも部分的に形成されている。いくつかの態様によれば、プラズモニック構造体が、複数の環状の突起部からなり、複数の環状の突起部は、層の中に形成されており、サンプル・ウェルに中心を合わせられている。いくつかの実施形態では、複数の環状の突起部のそれぞれの間の半径方向の距離が、おおよそ同じである。いくつかの実施形態では、複数の環状の突起部のそれぞれの間の半径方向の距離が、おおよそ２５ナノメートルからおおよそ６００ナノメートルの間である。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、スパイラル・グレーチングからなる。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、ナノ・アンテナ・アレイからなる。いくつかの実施形態によれば、ナノ・アンテナ・アレイが、ターゲット体積の周りに分散された円形ホールのアレイからなり、ホールが、導電層の中に形成されている。いくつかの態様では、ホールがその中に形成されている導電層が、サンプル・ウェルがその中に形成されている同じ層である。いくつかの態様によれば、円形ホールが、複数の異なる直径のものである。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナ・アレイが、サンプル・ウェルの周りに分散された円形ディスクのアレイからなり、ディスクが、導電性材料の中に形成されている。いくつかの態様によれば、円形ディスクが、複数の異なる直径のものである。いくつかの実施形態では、プラズモニック構造体が、金、銅、ロジウム、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、パラジウム、プラチナ、及び銀からなる群から選択される１つ又は複数の金属から構成された少なくとも１つの層からなる。
サンプル・ウェルから放出された放射線を複数の異なる空間的な分布の中へ方向付けするように構成されている、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされている第２の構造体を含む、集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、第２の構造体が、サンプル・ウェルの光学的な遠視野の中に形成された光学的な構造体からなる。いくつかの実施形態では、第２の構造体が、回折光学素子からなる。いくつかの態様では、回折光学素子が、円形のグレーチングである。いくつかの態様では、回折光学素子が、スパイラル・グレーチングである。いくつかの態様では、回折光学素子が、アパーチャ・アレイである。いくつかの実施形態では、第２の構造体が、ゾーン・プレートからなる。いくつかの実施形態によれば、第２の構造体が、マイクロレンズをさらに含む。いくつかの実施形態では、第２の構造体が、誘電体共鳴アンテナからなる。いくつかの実施形態では、第２の構造体が、フレネル・レンズからなる。
センシング・システムが、サンプルからのエネルギーを非放射で受け取るように構成されている少なくとも１つの分子又は量子ドットからなる、集積デバイスのいくつかの実施
形態によれば、少なくとも１つの分子又は量子ドットが、サンプル・ウェルに隣接してデバイスの中に配置され、受け取られるエネルギーを電気信号に変換し、電気信号は、ＣＭＯＳ回路によって検出される。いくつかの実施形態では、半導体デバイスが、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされているｐ−ｎ接合を含み、受け取られるエネルギーを電気信号に変換するように構成されており、電気信号は、ＣＭＯＳ回路によって検出される。
集積デバイスのいくつかの態様では、センサーが、ブルズ・アイ・フォトディテクターからなり、ブルズ・アイ・フォトディテクターは、中央光検出器と、中央光検出器から間隔を置いて配置され、中央光検出器を取り囲む、少なくとも１つのリング形状の光検出器とを有している。いくつかの実施形態では、中央光検出器が、第１のフォトダイオードからなり、少なくとも１つのリング形状の光検出器が、少なくとも第２のフォトダイオードからなる。いくつかの実施形態では、中央光検出器が、第１の量子ドット検出器からなり、少なくとも１つのリング形状の光検出器が、少なくとも第２の量子ドット検出器からなる。いくつかの実施形態によれば、センサーが、少なくとも２つの空間的に分離された検出器からなる。いくつかの態様では、センサーが、少なくとも２つの環状のセクター検出器からなる。いくつかの態様では、センサーが、少なくとも２つのストライプ検出器からなる。いくつかの態様では、センサーが、クワドラント・パターンに配置されている少なくとも２つの検出器からなる。いくつかの実施形態では、センサーが、少なくとも２つのスタックされた検出器からなる。いくつかの実施形態によれば、集積デバイスが、読み出し回路をさらに含むことが可能であり、読み出し回路は、２つ以上の空間的に分離された検出器によって検出されるサンプルからの４つの異なるエミッション・エネルギーの検出を判別するように構成されている。いくつかの実施形態では、センサー及び読み出し回路が、ＣＭＯＳ回路エレメントからなる。いくつかの実施形態によれば、検出器の高感度表面が、試料に関する屈折率よりも高い第１の光学的な屈折率を有する材料から形成されている。いくつかの態様では、センサーが、少なくとも１つの検出器に隣接して形成された少なくとも１つの臨界結合された共振器をさらに含み、臨界結合された共振器は、サンプル・ウェルからの第１のエミッションに関連付けられる第１の波長が入ることを許すように、及び、サンプル・ウェルからの第２のエミッションに関連付けられる第２の波長を実質的にブロックするように構成されている。臨界結合された共振器が、共鳴キャビティーを有することが可能であり、共鳴キャビティーは、サンプル・ウェルからのエミッションの特性波長の２分の１、又は、その整数倍である（臨界結合された共振器キャビティーの屈折率によって修正されるように）。いくつかの態様では、少なくとも１つの臨界結合された共振器が、少なくとも１つの誘電体層から形成されている。
集積デバイスのいくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、おおよそ３５０ｎｍからおおよそ１０００ｎｍの間の特性波長を有する光学的な放射線の少なくとも１つの供給源からなり、少なくとも１つのサンプル・ウェルを励起するように構成されている。いくつかの態様では、少なくとも１つの励起供給源が、おおよそ１ミクロンからおおよそ５ミクロンの間の特性波長を有する光学的な放射線の少なくとも１つの供給源からなり、少なくとも１つのサンプル・ウェルを励起するように構成されている。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、第１の特性波長を有する励起エネルギーの第１の供給源であって、少なくとも第１のサンプル・ウェルを励起するように構成されている、第１の供給源と、第１の特性波長とは異なる第２の特性波長を有する励起エネルギーの第２の供給源であって、少なくとも第２のサンプル・ウェルを励起するように構成されている、第２の供給源と、からなる。いくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの励起供給源が、複数のピクセルの第１のグループを同時に励起するように構成されている単一の励起供給源である。
集積デバイスのいくつかの実施形態によれば、回路が、集積デバイスの外部のコンピューティング・デバイスへデータを送信するための、及び、集積デバイスの外部のコンピュ
ーティング・デバイスからデータを受信するための、通信インターフェースを含む。いくつかの実施形態では、通信インターフェースが、ＵＳＢインターフェース、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔインターフェース、及び／又は高速デジタル・インターフェースからなる。いくつかの態様では、コンピューティング・デバイスが、パーソナル・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、パーソナル・デジタル・アシスタント、スマート・フォン、又はモバイル・デバイスからなる。いくつかの実施形態によれば、回路が、マルチ・チャネル・アナログ−デジタル・コンバータを含むＣＭＯＳ回路からなる。いくつかの態様では、ＣＭＯＳ回路が、少なくとも１つのフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、及び／又は、少なくとも１つの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのサンプル・ウェルが、金属層の中に形成されている。
また、集積デバイスを受け入れるように、及び、集積デバイスと通信するように構成され得る機器も考えられる。いくつかの実施形態によれば、集積デバイスを受け入れるように、及び、集積デバイスと通信するように構成されているポータブル機器は、少なくとも１つのプロセッサーと、上記実施形態のいずれかに記載の集積デバイスを受け入れるように構成されているドックと、大部分の外部光がドックに進入することを遮断するように構成されているカバーと、集積デバイスの上の第２の複数の電気接点に接続するように構成されている第１の複数の電気接点であって、電力が、第１の複数の電気接点の少なくともいくつかを通して、集積デバイスに提供され得、それぞれのセンサーからの少なくとも１つの信号が、第１の複数の電気接点の少なくともいくつかを通して受け取られ得る、第１の複数の電気接点と、からなることが可能である。いくつかの実施形態では、第１の複数の電気接点が、ユーザ・リムーバブルのインターポーザの上に形成されている。いくつかの実施形態では、第１の複数の電気接点が、ユーザ交換可能なインターポーザの上の第３の複数の接点に接触するように構成されている。いくつかの実施形態によれば、ポータブル機器が、通信インターフェースをさらに含み、通信インターフェースは、ＵＳＢインターフェース、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔインターフェース、又は高速デジタル・インターフェースをさらに含む。
いくつかの実施形態によれば、複数のサンプルを並行して分析する第３の方法は、基板の表面において、サンプルを含有する試料を受け入れる工程と、基板の上の複数のピクセルの中に位置付けされている複数のサンプル・ウェルの中に、懸濁流体からのサンプルを保持する工程と、少なくとも１つの励起供給源からサンプル・ウェルのうちの１つ又は複数に励起エネルギーを提供する工程と、からなることが可能である。第３の方法は、少なくとも複数のピクセルのうちの１つに関して、サンプル・ウェルからエミッションを受け取るように配置されているセンサーにおいて、サンプル・ウェルからのエミッションを検出する工程と、検出されたエミッションを表している、センサーからの信号セットを受け取る工程と、信号セットの分析に基づいて、サンプル・ウェルの中に保持されているサンプルの特質を特定する工程と、をさらに含むことが可能である。
第３の方法のいくつかの実施形態では、信号セットが、エミッションからセンサーによって作り出される２つのノン・ゼロ信号からなり、エミッションの空間的な分布及び／又は時間的な分布を表している。いくつかの態様では、センサーが、マルチ・セグメント・センサーからなる。いくつかの実施形態では、第３の方法が、信号セットを分析する工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、分析する工程が、信号セットの中の信号の比率を評価する工程と、評価された比率に基づいて、エミッションを発生させたエミッターのタイプを特定する工程と、からなる。
第３の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、複数のサンプルを並行して分析する方法の１つ又は複数の実施形態の中に
含まれ得る。
また、集積デバイスの製作に関連付けられる方法も考えられる。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル、及び、サンプル・ウェルに整合させられた光学的な構造体を製作するための第１の方法は、基板の上に配設されている第１のレジスト層の中に、サンプル・ウェルのためのパターン、及び、光学的な構造体のためのパターンを、同じパターニング工程で形成する行為と、サンプル・ウェルの少なくともパターンを第２のレジスト層によって被覆する行為と、光学的な構造体のパターンを基板の中へエッチングする行為と、第２のレジスト層によって被覆されていない第１のレジスト層の一部分を除去する行為と、第２のレジスト層を除去する行為と、基板の上に材料を堆積させる行為と、第１のレジスト層の残りの部分を除去する行為と、からなることが可能である。
サンプル・ウェルを製作するための第１の方法のいくつかの実施形態では、サンプル・ウェルのためのパターンを形成する行為が、５００ｎｍ未満の直径を有する第１のレジスト層の中に円筒形状のピラーを形成する行為からなる。いくつかの実施形態では、光学的な構造体のためのパターンを形成する行為が、円形のグレーチングのパターンを形成する行為からなり、サンプル・ウェルのためのパターンが、円形のグレーチングのパターンの中央に位置付けされている。いくつかの態様によれば、基板の上に材料を堆積させる行為が、導電層を堆積させる行為からなる。いくつかの態様によれば、基板の上に材料を堆積させる行為が、導電層を含む複数の層を堆積させる行為からなる。いくつかの実施形態によれば、第１のレジスト層の残りの部分を除去する行為が、堆積された材料の中にサンプル・ウェルを画定する。いくつかの実施形態では、基板が、光学的に透明な材料からなる。
サンプル・ウェルを形成するための第１の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、サンプル・ウェルを形成するための方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルを製作するための第２の方法は、基板の上に配設されている第１のレジスト層の中に、サンプル・ウェルのためのパターン、及び、光学的な構造体のためのパターンを、同じパターニング工程で形成する工程と、サンプル・ウェル及び光学的な構造体のパターンを基板の中へエッチングする工程と、サンプル・ウェルの少なくともパターンをレジスト層によって被覆する工程と、基板の上に材料を堆積させる工程であって、材料は、光学的な構造体のパターンのエッチングから基板の中へエッチングされたボイドを充填する、工程と、レジスト層を除去する工程と、からなることが可能である。いくつかの実施形態では、第１の層が、導電性材料からなる。いくつかの態様では、光学的な構造体が、円形のグレーチングからなる。いくつかの実施形態では、基板が、光学的に透明である。いくつかの実施形態によれば、レジスト層を除去する工程が、５００ｎｍ未満の横断方向の寸法を有し、かつ、基板の中へエッチングされたサンプル・ウェルの底部においてディボットを含む、サンプル・ウェルを残す。
サンプル・ウェルを形成するための第２の方法の態様及び実施形態に関連付けられる先述の特徴及び行為は、任意の適切な組み合わせで、サンプル・ウェルを形成するための方法の１つ又は複数の実施形態の中に含まれ得る。
先述の方法及びデバイスは単一のエレメント（たとえば、サンプル・ウェル、センサー、励起カップリング構造体、エミッション・カップリング構造体）を参照して説明されている可能性があるが、方法は、並行して実施され、（たとえば、マイクロ・ファブリケーション・プロセス及びナノ・ファブリケーション・プロセスを使用して）多数のデバイスを並行して製作することが可能である。さらに、デバイスは、集積デバイスの上に多数配
置され得る。
「ピクセル」という用語は、本開示において、集積デバイスの単位セルを表すために使用され得る。単位セルは、サンプル・ウェル及びセンサーを含むことが可能である。単位セルは、励起供給源をさらに含むことが可能である。単位セルは、サンプル・ウェルへの励起供給源からの励起エネルギーのカップリングを増強するように構成されている、少なくとも１つの励起カップリング光学的な構造体（それは、「第１の構造体」と称され得る）をさらに含むことが可能である。単位セルは、センサーへのサンプル・ウェルからのエミッションのカップリングを増強するように構成されている、少なくとも１つのエミッション・カップリング構造体をさらに含むことが可能である。単位セルは、集積された電子デバイス（たとえば、ＣＭＯＳデバイス）をさらに含むことが可能である。集積デバイスの上にアレイで配置されている複数のピクセルが存在することが可能である。
「光学的な」という用語は、本開示において、可視、近赤外線、及び短波長赤外線スペクトル・バンドを表すために使用され得る。
「タグ」という用語は、本開示において、分析されることになるサンプルに取り付けられているか、又は、サンプルと反応させられ得る反応物質に取り付けられている、タグ、プローブ、マーカ、又はレポータを表すために使用され得る。
「励起エネルギー」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの中のサンプル及び／又はタグに送達されるエネルギーの任意の形態（たとえば、放射又は非放射）を表すために使用され得る。放射励起エネルギーは、１つ又は複数の特性波長における光学的な放射線からなることが可能である。
「特性波長」という語句は、本開示において、放射線の限定されたバンド幅の中の中央の又は支配的な波長を表すために使用され得る。いくつかのケースでは、それは、放射線のバンド幅のピーク波長を表すことが可能である。フルオロフォアの特性波長の例は、５６３ｎｍ、５９５ｎｍ、６６２ｎｍ、及び６８７ｎｍである。
「特性エネルギー」という語句は、本開示において、特性波長に関連付けられるエネルギーを表すために使用され得る。
「エミッション」という用語は、本開示において、タグ及び／又はサンプルからのエミッションを表すために使用され得る。これは、放射エミッション（たとえば、光学的なエミッション）、又は、非放射エネルギー伝達（たとえば、デクスター・エネルギー移動もしくはフェルスター共鳴エネルギー移動）を含むことが可能である。エミッションは、サンプル・ウェルの中のサンプル及び／又はタグの励起から結果として生じる。
「サンプル・ウェルからのエミッション」又は「サンプルからのエミッション」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの中のタグ及び／又はサンプルからのエミッションを表すために使用され得る。
「自己整合される」という用語は、本開示において、第１のリソグラフィック・パターニング工程（たとえば、フォトリソグラフィー、イオン−ビーム・リソグラフィー、ＥＵＶリソグラフィー）が、第１のエレメントのパターンをプリントし、第２のリソグラフィック・パターニング工程が、第１のリソグラフィック・パターニング工程に整合させられ、ａ第２のエレメントのパターンをプリントするという、２つの別々のリソグラフィック・パターニング工程を使用することなく、少なくとも２つの別個のエレメント（たとえば、サンプル・ウェル及びエミッション・カップリング構造体、サンプル・ウェル及び励起供給源）が、互いに対して製作及び整合させられ得る、マイクロ製作プロセスを表すために使用され得る。自己整合されるプロセスは、単一のリソグラフィック・パターニング工
程において、第１のエレメント及び第２のエレメントの両方のパターンを含むことからなることが可能であり、又は、第１のエレメントの製作された構造体の特徴を使用して、第２のエレメントを形成することからなることが可能である。
「センサー」という用語は、本開示において、サンプル・ウェルからのエミッションを感知し、感知されたエミッションを表す少なくとも１つの電気信号を作り出すように構成されている、１つ又は複数の集積回路デバイスを表すために使用され得る。
「ナノ・スケール」という用語は、本開示において、１５０ナノメートル（ｎｍ）以下であるが、おおよそ５００ｎｍよりは大きくないオーダの少なくとも１つの寸法又は最小特徴サイズを有する構造体を表すために使用され得る。
「マイクロ・スケール」という用語は、本開示において、おおよそ５００ｎｍからおおよそ１００ミクロンの間の少なくとも１つの寸法又は最小特徴サイズを有する構造体を表すために使用され得る。
「増強される励起エネルギー」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの励起領域における励起エネルギーの強度を増加させるということを表すために使用され得る。強度は、たとえば、サンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーを集中及び／又は共鳴させることによって、増加させられ得る。いくつかのケースでは、強度は、励起エネルギーがサンプル・ウェルの励起領域の中へさらに浸透することを可能にする反射防止コーティング又は損失性層によって、増加させられ得る。励起エネルギーの増強は、サンプル・ウェルの励起領域における励起エネルギーを増強する構造体を含まない実施形態に対する比較参照であることが可能である。
「約」、「おおよそ」、及び「実質的に」という用語は、本開示において、値を表すために使用され得、基準値プラス及びマイナス許容可能な変化を包含することが意図されている。変化の量は、いくつかの実施形態では、５％未満であることが可能であり、いくつかの実施形態では、１０％未満であることが可能であり、さらに、いくつかの実施形態では、２０％未満であることが可能である。たとえば、１つ又は複数の桁数を含む範囲など、大きい範囲の値にわたって、装置が適正に機能することができる実施形態では、変化の量は、２倍となる可能性がある。たとえば、２０から３５０の範囲にある値に関して装置が適正に機能する場合には、「おおよそ８０」は、４０から１６０の間の値を包含することが可能である。
「隣接して」という用語は、本開示において、互いに対して極めて接近して配置されている２つのエレメントを表すために使用され得る（たとえば、ピクセルの横断方向の又は垂直方向の寸法の約５分の１よりも小さい距離以内）。いくつかのケースでは、隣接するエレメントの間に、介在構造体又は層が存在することが可能である。いくつかのケースでは、隣接するエレメントは、介在構造体又はエレメントがない状態で、互いに対して直接隣接していることが可能である。
「検出する」という用語は、本開示において、サンプル・ウェルからのエミッションをセンサーにおいて受け取るということ、及び、エミッションを表し、又はエミッションに関連付けられる、少なくとも１つの電気信号を作り出すことを表すために使用され得る。また、「検出する」という用語は、本開示において、サンプル・ウェルからのエミッションに基づいて、サンプル・ウェルの中の特定のサンプル又はタグの存在を決定すること、又は、サンプル・ウェルの中の特定のサンプル又はタグの特質を特定することを表すために使用され得る。
当業者は、本明細書で説明されている図は、単に図示目的のためのものであるということを理解することとなる。いくつかの場合には、本発明のさまざまな態様は、本発明の理解を促進させるために、誇張して又は拡大して示されている可能性があるということが理解されるべきである。図面において、同様の参照文字は、全体的に、さまざまな図を通して、同様の特徴、機能的に同様のエレメント、及び／又は、構造的に同様のエレメントを表している。図面は、必ずしも実寸ではなく、その代わりに、本教示の原理を図示する際に強調されている。図面は、決して、本教示の範囲を限定することを意図していない。
いくつかの実施形態による、エミッション波長スペクトルを示す図。 いくつかの実施形態による、吸収波長スペクトルを示す図。 いくつかの実施形態による、エミッション波長スペクトルを示す図。 いくつかの実施形態による、生物学的な試料及び化学的な試料の迅速なモバイル分析のために使用され得る装置のブロック・ダイアグラム図。 いくつかの実施形態による集積デバイスと装置を示すブロック図。 いくつかの実施形態による、集積デバイスを示す図。 いくつかの実施形態による集積デバイスのピクセルの列を示す図。 いくつかの実施形態による、ピクセルの横列の中のサンプル・ウェルにカップリングする励起エネルギー、及び、センサーに向けて方向付けされているそれぞれのサンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを示す図。 いくつかの実施形態による、導波路への励起供給源のエッジ・カップリングを示す図。 いくつかの実施形態による、集積デバイスを励起供給源にカップリングするためのグレーチング・カップラーを示す図。 いくつかの実施形態による、集積デバイスの中に配置されている導波路を示す図。 いくつかの実施形態による、集積デバイスの励起供給源領域の断面図を示す図。 いくつかの実施形態による、集積デバイスのピクセル・アレイ領域の断面図を示す図。 いくつかの実施形態による、導波路を介して複数の励起供給源を複数のピクセルにカップリングすることを示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルにカップリングする導波路を通る励起放射線の数値シミュレーションを示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルにカップリングする導波路を通る励起放射線の数値シミュレーションを示す図。 １つの実施形態による、集積デバイスのピクセル領域の中に形成されているサンプル・ウェルを示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーを示す図。 いくつかの実施形態による、ゼロ・モード導波路として形成されているサンプル・ウェルに沿う、励起エネルギーの減衰を図示する図。 いくつかの実施形態において、サンプル・ウェルに関連付けられる励起領域において、励起エネルギーを増加させる、ディボットを含むサンプル・ウェルを示す図。 １つの実施形態による、ディボットありとディボットなしのサンプル・ウェルに関する励起強度を比較する図。 いくつかの実施形態による、突出部において形成されたサンプル・ウェル及びディボットを示す図。 いくつかの実施形態による、テーパが付けられた側壁部を有するサンプル・ウェルを示す図。 いくつかの実施形態による、湾曲している側壁部と、より小さい横断方向の寸法を備えるディボットとを有するサンプル・ウェルを示す図。 表面プラズモニック構造体から形成されたサンプル・ウェルを示す図。 表面プラズモニック構造体から形成されたサンプル・ウェルを示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの側壁部に沿って形成されている励起エネルギー増強構造体を含むサンプル・ウェルを示す図。 いくつかの実施形態による、多層スタックの中に形成されたサンプル・ウェルを示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの表面の上に形成された表面コーティングを図示する図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成する代替的なリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、リフト・オフ・プロセス又はダイレクト・エッチング・プロセスを使用して、複数の層の中に形成され得るサンプル・ウェルを示す図。 いくつかの実施形態による、ディボットを形成するために使用され得るエッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、ディボットを形成する代替的なプロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、ディボットを形成する代替的なプロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、ディボットを形成する代替的なプロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの中の中央に付着物質を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、線形共振器を示す図。 いくつかの実施形態による、リング共振器を示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・リング共振器の例を示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・リング共振器の例を示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・リング共振器の例を示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・リング共振器の例を示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・リング共振器の例を示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・リング共振器の例を示す図。 いくつかの実施形態による、フォトニック結晶の中のキャビティーを示す図。 いくつかの実施形態による、バス導波路にカップリングするピクセル導波路を示す図。 いくつかの実施形態による、バス導波路にカップリングするピクセル導波路を示す図。 いくつかの実施形態による、バス導波路にカップリングするピクセル導波路を示す図。 いくつかの実施形態による、バス導波路にカップリングするピクセル導波路を示す図。 いくつかの実施形態による、複数の導波路層の設計を示す図。 いくつかの実施形態による、複数の導波路層の設計を示す図。 いくつかの実施形態による、複数のサンプル・ウェルに向けて励起光を方向付けする回折光学素子を示す図。 いくつかの実施形態による、複数のサンプル・ウェルに向けて励起光を方向付けする回折光学素子を示す図。 １つの実施形態による、表面プラズモン構造体を示す図。 １つの実施形態による、表面プラズモン構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して形成されている表面プラズモン構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの中に形成されている表面プラズモン構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの中に形成されている表面プラズモン構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体の例を示す図。 いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体の例を示す図。 いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体の例を示す図。 いくつかの実施形態による、非周期的な表面プラズモン構造体に隣接して形成されているサンプル・ウェルにおける励起放射線の数値シミュレーションを示す図。 いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体からなるナノ・アンテナを示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体からなるナノ・アンテナを示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して形成されている薄い損失性膜を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェル及び薄い損失性膜の付近の励起放射線の数値シミュレーションからの結果を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェル及び薄い損失性膜の付近の励起放射線の数値シミュレーションからの結果を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルから間隔を置いて配置されている薄い損失性膜を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して形成された薄い損失性膜のスタックを示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して共鳴キャビティーを形成するために使用され得る反射スタックを図示する図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルにおいて励起放射線を集中させるために使用され得る誘電体構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接してパターニングされ得るフォトニック・バンドギャップ構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接してパターニングされ得るフォトニック・バンドギャップ構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、非放射プロセスを介して励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、非放射プロセスを介して励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、複数の非放射プロセスによって励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、放射プロセス又は非放射プロセスを介して励起エネルギーをサンプルにカップリングするために、１つ又は複数のエネルギー変換粒子を組み込む構造体を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプルへの励起エネルギーのダウン・コンバートに関連付けられるスペクトルを示す図。 いくつかの実施形態による、サンプルへの励起エネルギーのアップ・コンバートに関連付けられるスペクトルを示す図。 いくつかの実施形態による、同心円状のプラズモニック円形グレーチングを示す図。 いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・グレーチングを示す図。 いくつかの実施形態による、さまざまなエミッション波長に関して、同心円状のプラズモニック円形グレーチングからのエミッション空間的な分布パターンを示す図。 いくつかの実施形態による、さまざまなエミッション波長に関して、同心円状のプラズモニック円形グレーチングからのエミッション空間的な分布パターンを示す図。 いくつかの実施形態による、さまざまなエミッション波長に関して、同心円状のプラズモニック円形グレーチングからのエミッション空間的な分布パターンを示す図。 いくつかの実施形態による、さまざまなエミッション波長に関して、同心円状のプラズモニック円形グレーチングからのエミッション空間的な分布パターンを示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。 いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナに関するパターンを示す図。 いくつかの実施形態による、図１１−３のスパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナの付近の電磁界の数値シミュレーションからの結果を示す図。 いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナのさまざまな構成を図示する図。 いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナのさまざまな構成を図示する図。 いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・ナノ・アンテナのさまざまな構成を図示する図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナによって取り囲まれたサンプル・ウェルから放出する異なる波長に関連付けられる空間的な分布パターンの数値シミュレーションからの結果を示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナによって取り囲まれたサンプル・ウェルから放出する異なる波長に関連付けられる空間的な分布パターンの数値シミュレーションからの結果を示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナによって取り囲まれたサンプル・ウェルから放出する異なる波長に関連付けられる空間的な分布パターンの数値シミュレーションからの結果を示す図。 いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナによって取り囲まれたサンプル・ウェルから放出する異なる波長に関連付けられる空間的な分布パターンの数値シミュレーションからの結果を示す図。 いくつかの実施形態による、遠視野スペクトル・ソーティング・オプティクスを示す図。 いくつかの実施形態による、遠視野スペクトル・ソーティング・オプティクスを示す図。 いくつかの実施形態による、遠視野スペクトル・フィルタリング・オプティクスを示す図。 いくつかの実施形態による、遠視野スペクトル・フィルタリング・オプティクスを示す図。 いくつかの実施形態による、ピクセルの中のセンサー３−２６０を立面図で示す図。 いくつかの実施形態による、２つの別々の及び同心円状のアクティブ領域を有するブルズ・アイ・センサーを示す図。 いくつかの実施形態による、４つの別々のアクティブ領域を有するストライプ・センサーを示す図。 いくつかの実施形態による、４つの別々のアクティブ領域を有するクワッド・センサーを示す図。 いくつかの実施形態による、４つの別々のアクティブ領域を有する円弧形セグメント・センサーを示す図。 いくつかの実施形態による、スタックされたセグメント・センサーを示す図。 いくつかの実施形態による、第１の波長で放出された放射線に関する、サンプル・ウェルからのエミッション分布を示す図。 いくつかの実施形態による、図１３−２Ａに示されているエミッション分布に対応する、ブルズ・アイ・センサーによって受け取られる放射線パターンを示す図。 いくつかの実施形態による、第２の波長で放出された放射線に関する、サンプル・ウェルからのエミッション分布を示す図。 いくつかの実施形態による、図１３−２Ｃに示されているエミッション分布に対応する、ブルズ・アイ・センサーによって受け取られる放射線パターンを示す図。 いくつかの実施形態による、サンプルからの第１のエミッション波長に関して、２つのアクティブ領域を有するブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。 いくつかの実施形態による、サンプルからの第２のエミッション波長に関して、図１３−２Ｅに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。 いくつかの実施形態による、サンプルからの第３のエミッション波長に関して、図１３−２Ｅに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。 いくつかの実施形態による、サンプルからの第４のエミッション波長に関して、図１３−２Ｅに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。 いくつかの実施形態による、サンプルからの第１のエミッション波長に関して、４つのアクティブ領域を有するブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。 いくつかの実施形態による、サンプルからの第２のエミッション波長に関して、図１３−２Ｉに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。 いくつかの実施形態による、２つのアクティブ領域からなるセンサーからの信号を読み取るために使用され得る集積デバイスの上の回路を示す図。 いくつかの実施形態による、信号蓄積及び読み出しに関して、センサー・セグメントに含まれ得る３トランジスター回路を示す図。 いくつかの実施形態による、４つのアクティブ領域からなるセンサーからの信号を読み取るために使用され得る集積デバイスの上の回路を示す図。 いくつかの実施形態による、サンプル分析のために使用され得る２つの異なるエミッターに関する時間的なエミッション特性を示す図。 いくつかの実施形態による、励起供給源及びサンプルからの発光の時間的な進展を示す図。 いくつかの実施形態による、時間遅延サンプリングを示す図。 いくつかの実施形態による、２つの異なるエミッターに関する時間的なエミッション特性を示す図。 いくつかの実施形態による、センサーの電荷蓄積ノードにおける電圧ダイナミクスを示す図。 いくつかの実施形態による、リセットなしのセンサー・セグメントのダブルのリードを示す図。 いくつかの実施形態による、時間的に別個のエミッション特性を有する２つのエミッターに関連付けられる第１及び第２の読み取り信号レベルを図示する図。 いくつかの実施形態による、時間的に別個のエミッション特性を有する２つのエミッターに関連付けられる第１及び第２の読み取り信号レベルを図示する図。 いくつかの実施形態による、生物学的な試料及び化学的な試料の迅速なモバイル分析のために使用され得るコンパクトな装置の動作の方法を示す図。 いくつかの実施形態による、キャリブレーション手順を示す図。 いくつかの実施形態による、データ分析手順を示す図。 いくつかの実施形態によるコンピューティング・システムの実施形態を示す図。
本発明の特徴及び利点は、図面と併用されたときに、以下に述べられている詳細な説明からより明らかになることとなる。
図面に関連して実施形態を説明するときに、方向参照（「上方」、「下方」、「上部」、「底部」、「左」、「右」、「水平方向」、「垂直方向」など）が使用され得る。そのような参照は、単に、通常の配向で図面を見ている読者に対する支援となることを目的としている。これらの指向性の参照は、具現化されているデバイスの、好適な又は単なる配向を説明することを意図していない。デバイスは、他の配向に具現化され得る。
Ｉ． 発明者の課題の認識及びそれに対する解決策
本発明者は、バイオアッセイを実施するための従来の装置は、大きくて高価であり、先進的な実験技法を実施することを必要とする可能性があるということを認識及び理解した。多くのタイプのバイオアッセイは、試料の中の単一分子の検出に依存する。単一分子検出は、分子の励起のために必要とされる高い強度の光を発生させるために使用される大きくて場所を取るレーザ・システムを必要とする可能性がある。加えて、大型の光学的なコンポーネントが、レーザ光を試料に方向付けするために使用され得、追加的な光学的なコンポーネントが、試料からの発光性の光をセンサーに方向付けするために使用され得る。これらの従来の光学的なコンポーネントは、正確なアライメント及び安定化を必要とする可能性がある。従来の実験機器、及び、この従来の機器を使用するために必要とされるトレーニングは、複雑で高価なバイオアッセイを結果として生じさせる可能性がある。
本発明者は、蘇生の部分の特性を判定するために、生物学的な及び／又は化学的な試料を簡単かつ安価に分析することができるデバイスに対する必要性が存在しているということを認識及び理解した。そのようなデバイスの用途は、核酸、又は、複数のアミノ酸を有するポリペプチド（たとえば、タンパク質）などのような、生体分子をシークエンシングするためのものであることが可能である。単一分子又は粒子の検出及び定量化を実施するためのコンパクトな高速装置は、生物学的なサンプル及び／又は化学的なサンプルの複雑で定量的な測定を実施するコストを低減させ、生化学的技術の発見の速度を急速に前進させることができた。そのうえ、容易に輸送可能なコスト効率の良いデバイスは、先進国世界においてバイオアッセイが行われる方式を変えることができただけでなく、発展途上地域の人々に、初めて、必須の診断検査への容易なアクセスを提供することができ、それは、健康及び福祉を劇的に改善することができた。たとえば、いくつかの実施形態では、バイオアッセイを実施するための装置は、血液、尿、及び／又は唾液などのような、生物学的なサンプルの診断検査を実施するために使用され、それは、個人によって家庭の中で、医者によって、又は、たとえば、田舎の医院など、発展途上国又は任意の他の場所における遠隔の診療所において、使用され得る。そのような診断検査は、核酸分子又はタンパク
質などのような、被験者の生物学的なサンプルの中の生体分子の検出を含むことが可能である。いくつかの例では、診断検査は、被験者の生物学的なサンプルの中の無細胞デオキシリボ核酸分子又は発現産物のシークエンシングなどのような、被験者の生物学的なサンプルの中の核酸分子をシークエンシングすることを含む。
「核酸」という用語は、本明細書で使用されているように、全体的に、１つ又は複数の核酸サブユニットからなる分子を表している。核酸は、アデノシン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）、チミン（Ｔ）、及びウラシル（Ｕ）、又は、それらの変異体から選択される１つ又は複数のサブユニットを含むことが可能である。いくつかの例では、核酸は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）もしくはリボ核酸（ＲＮＡ）、又は、それらの誘導体である。核酸は、一本鎖又は二本鎖であることが可能である。核酸は、円形であることが可能である。
「ヌクレオチド」という用語は、本明細書で使用されているように、全体的に、核酸サブユニットを表しており、それは、Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、又はＵ、又は、それらの変異体もしくは類似体を含むことが可能である。ヌクレオチドは、成長する核酸鎖の中に組み込まれ得る任意のサブユニットを含むことが可能である。そのようなサブユニットは、Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、もしくはＵであり、又は、１つ又は複数の相補的なＡ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、もしくはＵに特有な、又は、プリン（すなわち、Ａ、もしくはＧ、又は、それらの変異体もしくは類似体）又はピリミジン（すなわち、Ｃ、Ｔ、もしくはＵ、又は、それらの変異体もしくは類似体）に相補的な、任意の他のサブユニットであることが可能である。サブユニットは、個々の核酸塩基又は塩基のグループ（たとえば、ＡＡ、ＴＡ、ＡＴ、ＧＣ、ＣＧ、ＣＴ、ＴＣ、ＧＴ、ＴＧ、ＡＣ、ＣＡ、又は、それらのウラシル対応物）が分解されることを可能にする。
ヌクレオチドは、一般的に、ヌクレオシド、及び、少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又は、それ以上のホスフェート（ＰＯ３）グループを含む。ヌクレオチドは、核酸塩基、五炭糖（リボース又はデオキシリボースのいずれか）、及び、１つ又は複数のホスフェート基を含むことが可能である。リボヌクレオチドは、糖がリボースであるヌクレオチドである。デオキシヌクレオチドは、糖がデオキシリボースであるヌクレオチドである。ヌクレオチドは、ヌクレオシド一リン酸又はヌクレオシド・ポリリン酸であることが可能である。ヌクレオチドは、たとえば、デオキシリボヌクレオシド三リン酸などのような、デオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸であることが可能であり、それは、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシウリジン三リン酸（ｄＵＴＰ）、及びデオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）、ｄＮＴＰから選択され得、それは、発光性タグ又はマーカ（たとえば、フルオロフォア）などのような、検出可能なタグを含む。
ヌクレオシド・ポリリン酸は、「ｎ」ホスフェート基を有することが可能であり、ここで、「ｎ」は、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上の数である。ヌクレオシド・ポリリン酸の例は、ヌクレオシド二リン酸及びヌクレオシド三リン酸を含む。ヌクレオチドは、末端リン酸塩で標識されたヌクレオシド・ポリリン酸などのような、末端リン酸塩で標識されたヌクレオシドであることが可能である。そのような標識は、発光性（たとえば、蛍光又は化学発光性）標識、蛍光性標識、着色標識、発色性標識、質量タグ、静電的な標識、又は、電気化学的な標識であることが可能である。標識（又は、マーカ）は、リンカーを通して末端リン酸塩にカップリングされ得る。リンカーは、たとえば、少なくとも１つの又は複数のヒドロキシル基、スルフヒドリル基、アミノ基、又はハロアルキル基を含むことが可能であり、それは、自然の又は修飾されたヌクレオチドの末端リン酸塩において、たとえば、リン酸エステル、チオエステル、ホスホルアミデート、又はアルキルホスホネート連結を形成するのに適切である可能性がある。リンカーは、開裂可能で
あることが可能であり、たとえば、重合酵素の支援などによって、末端リン酸塩から標識を分離するようになっている。ヌクレオチド及びリンカーの例が、米国特許第７，０４１，８１２号に提供されており、それは、全体が本願明細書に援用されている。
「ポリメラーゼ」という用語は、本明細書で使用されているように、全体的に、重合反応に触媒作用を及ぼすことができる任意の酵素（又は、重合酵素）を表している。ポリメラーゼの例は、限定なしに、核酸ポリメラーゼ、転写酵素、又はリガーゼを含む。ポリメラーゼは、重合酵素であることが可能である。
「ゲノム」という用語は、一般的に、生物の遺伝的情報の全体を表している。ゲノムは、ＤＮＡ又はＲＮＡのいずれかにコードされ得る。ゲノムは、タンパク質をコードするコード領域、及び、非コード領域からなることが可能である。ゲノムは、生物の中に、すべての染色体の配列を一緒に含むことが可能である。たとえば、ヒト・ゲノムは、合計で４６染色体を有している。これらのすべての配列が、一緒にヒト・ゲノムを構成する。
本開示は、核酸分子などのような、生体分子又はそれらのサブユニットを検出するためのデバイス、システム、及び方法を提供する。そのような検出は、シークエンシングを含むことが可能である。生体分子は、被験者から得られる生物学的なサンプルから抽出され得る。生物学的なサンプルは、息、唾液、尿又は血液（たとえば、全血又は血漿）などのような、被験者の体液又は組織から抽出され得る。被験者は、病気（たとえば、癌）などのような、健康条件を有するということが疑われる可能性がある。いくつかの例では、１つ又は複数の核酸分子が、被験者の体液又は組織から抽出され得る。１つ又は複数の核酸が、被験者の組織の一部などのような、被験者から得られる１つ又は複数の細胞、又は、全血などのような、被験者の無細胞体液から得られる１つ又は複数の細胞から抽出され得る。
生物学的なサンプルが、検出（たとえば、シークエンシング）の準備として処理され得る。そのようなプロセッシングは、生物学的なサンプルからの生体分子（たとえば、核酸分子）の隔離及び／又は精製、ならびに、生体分子のより多くのコピーの発生を含むことが可能である。いくつかの例では、１つ又は複数の核酸分子が、被験者の体液又は組織から隔離及び精製され、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）などのような核酸増幅を通して増幅される。次いで、１つ又は複数の核酸分子又はそのサブユニットが、シークエンシングなどを通して特定され得る。
シークエンシングは、鋳型に相補的又は類似した別の生体分子を合成することによって、たとえば、鋳型核酸分子に相補的な核酸分子を合成すること、及び、時間によってヌクレオチドの組み込みを特定すること（すなわち、合成によるシークエンシング）などによって、鋳型生体分子（たとえば、核酸分子）の個々のサブユニットを決定することを含むことが可能である。代替例として、シークエンシングは、生体分子の個々のサブユニットの直接的な特定を含むことが可能である。
シークエンシングの間に、生体分子の個々のサブユニットを示す信号が、メモリーの中に収集され、リアルタイムで又はより後の時点で処理され、生体分子の配列を決定することが可能である。そのようなプロセッシングは、信号と参照信号の比較を含むことが可能であり、それは、個々のサブユニットの特定を可能にし、それは、いくつかのケースではリードを生み出す。リードは、十分な長さの配列（たとえば、少なくとも約３０塩基対（ｂｐ））であることが可能であり、それは、より大きい配列又は領域を特定するために使用され得、たとえば、それは、染色体又はゲノム領域又は遺伝子の上の場所に整合させられ得る。
配列リードは、被験者のゲノムのより長い領域を再構築するために使用され得る（アライメント）。リードは、染色体領域、染色体全部、又はゲノム全部を再構築するために使用され得る。配列リード、又は、そのようなリードから発生するより大きい配列が、たとえば、変異体又は多型を特定するなど、被験者のゲノムを分析するために使用され得る。変異体の例は、それに限定されないが、タンデムＳＮＰを含む一塩基多型（ＳＮＰ）、小規模多塩基欠失又は挿入（インデル又は欠失挿入多型又はＤＩＰとも称される）、多塩基多型（ＭＮＰ）、縦列型反復配列（ＳＴＲ）、微小欠失を含む欠失、微小挿入を含む挿入、重複を含む構造的変異、反転、転座、増殖、複雑なマルチ・サイト変異対、コピー数変異（ＣＮＶ）を含む。ゲノム配列は、多様性の組み合わせからなることが可能である。たとえば、ゲノム配列は、１つ又は複数のＳＮＰ及び１つ又は複数のＣＮＶの組み合わせを包含することが可能である。
生体分子の個々のサブユニットは、マーカを使用して特定され得る。いくつかの例では、発光性マーカは、生体分子の個々のサブユニットを特定するために使用されている。発光性マーカ（本明細書で「マーカ」とも称される）は、外因性の又は内因性のマーカであることが可能である。外因性のマーカは、発光性ラベリングのためのレポータ及び／又はタグとして使用される外部発光性マーカであることが可能である。外因性のマーカの例は、それに限定されないが、蛍光分子、フルオロフォア、蛍光色素、蛍光染色液、有機色素、蛍光タンパク質、酵素、蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）に関与する種、酵素、及び／又は量子ドットを含むことが可能である。そのような外因性のマーカは、具体的には特定のターゲット又はコンポーネントに結合するプローブ又は官能基（たとえば、分子、イオン、及び／又はリガンド）にコンジュゲートされ得る。外因性のタグ又はレポータをプローブに取り付けることは、外因性のタグ又はレポータの存在の検出を通して、ターゲットの特定を可能にする。プローブの例は、タンパク質、核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）分子、脂質、及び抗体プローブを含むことが可能である。外因性のマーカ及び官能基の組み合わせは、検出のために使用される任意の適切なプローブ、タグ、及び／又はラベルを形成することが可能であり、それは、分子プローブ、標識プローブ、ハイブリダイゼーション・プローブ、抗体プローブ、タンパク質プローブ（たとえば、ビオチン結合プローブ）、酵素ラベル、蛍光プローブ、蛍光タグ、及び／又は酵素レポータを含む。
本開示は発光性マーカを参照しているが、他のタイプのマーカが、本明細書で提供されるデバイス、システム、及び方法とともに使用され得る。そのようなマーカは、質量タグ又は静電的なタグであることが可能である。
外因性のマーカはサンプルに追加され得るが、内因性のマーカは、すでに、サンプルの一部であることが可能である。内因性のマーカは、励起エネルギーの存在下で発光又は「自己蛍光」することができる、存在する任意の発光性マーカを含むことが可能である。内因性のフルオロフォアの自己蛍光は、外因性のフルオロフォアの導入を必要とすることなく、ラベル・フリーの及び非侵襲的なラベリングを提供することが可能である。そのような内因性のフルオロフォアの例は、例として、及び、限定としてではなく、ヘモグロビン、酸素ヘモグロビン、脂質、コラーゲン及びエラスチン・クロスリンク、還元型ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、酸化フラビン（ＦＡＤ及びＦＭＮ）、リポフスチン、ケラチン、ならびに／又はポルフィリンを含むことが可能である。
いくつかの実施形態は、試料の中の単一分子を検出することによる診断検査に関する可能性があるが、本発明者は、いくつかの実施形態が、単一分子検出能力を使用し、たとえば、遺伝子又はポリペプチドなどのような、１つ又は複数の核酸セグメントの核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）シークエンシングを実施することが可能であるということを認識した。核酸シークエンシングは、ターゲット核酸分子の中のヌクレオチド順序及び位置の決定を可能にする。核酸シークエンシング技術は、核酸配列を決定するために使用される
方法において変化し、また、シークエンシング・プロセスの中のレート、リード長、及びエラーの発生において変化することが可能である。たとえば、いくつかの核酸シークエンシング方法は、合成によるシークエンシングに基づいており、合成によるシークエンシングでは、ヌクレオチドが、ターゲット核酸分子に相補的な核酸の新しく合成された鎖の中へ組み込まれるときに、ヌクレオチドのアイデンティティーが決定される。合成方法によるいくつかのシークエンシングは、ターゲット核酸分子の一定数の存在（たとえば、ターゲット核酸のコピー）、又は、一定数のターゲット核酸を達成するためにターゲット核酸の増幅の工程を必要とする。
シークエンシングの間に、重合酵素は、ターゲット核酸分子のプライミング場所にカップリングする（たとえば、取り付ける）ことが可能である。プライミング場所は、ターゲット核酸分子に相補的なプライマーであることが可能である。代替例として、プライミング場所は、ターゲット核酸分子の二本鎖セグメントの中に提供されるギャップ又はニックである。ギャップ又はニックは、長さが０から少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、又は４０個のヌクレオチドであることが可能である。ニックは、二本鎖配列の１つの鎖の中に切断を提供することが可能であり、それは、たとえば、鎖置換ポリメラーゼ酵素などのような重合酵素のためのプライミング場所を提供することが可能である。
いくつかのケースでは、シークエンシング・プライマーは、ターゲット核酸分子にアニーリングされ得、ターゲット核酸分子は、サンプル・ウェルなどのような固体支持体に固定化されていても又は固定化されていなくてもよい。いくつかの実施形態では、シークエンシング・プライマーは、固体支持体に固定化され得、また、ターゲット核酸分子のハイブリダイゼーションも、ターゲット核酸分子を固体支持体に固定化させている。ヌクレオチドをプライマーに追加又は組み込むことができる酵素（たとえば、ポリメラーゼ）の作用を介して、ヌクレオチドが、５’−３’鋳型バウンド方式でプライマーに追加され得る。プライマーへのヌクレオチドのそのような組み込み（たとえば、ポリメラーゼの作用を介する）は、一般的に、プライマー伸長反応と称され得る。それぞれのヌクレオチドは、検出可能なタグに関連付けられ得、検出可能なタグは、検出及び使用され、プライマーの中へ組み込まれるそれぞれのヌクレオチド、及び、したがって、新しく合成された核酸分子の配列を決定することが可能である。新しく合成された核酸分子の配列相補性を介して、ターゲット核酸分子の配列も決定され得る。いくつかのケースでは、ターゲット核酸分子へのシークエンシング・プライマーのアニーリング、及び、シークエンシング・プライマーへのヌクレオチドの組み込みは、同様の反応条件（たとえば、同じ又は同様の反応温度）において、又は、異なる反応条件（たとえば、異なる反応温度）において、起こることが可能である。そのうえ、合成方法によるいくつかのシークエンシングは、ターゲット核酸分子の集団（たとえば、ターゲット核酸のコピー）の存在、及び／又は、ターゲット核酸の増幅の工程を含み、ターゲット核酸の集団を実現することが可能である。
実施形態では、高い精度及び長いリード長によって、単一の核酸分子をシークエンシングすることができる。いくつかの実施形態では、単一分子シークエンシングにおいて使用されるターゲット核酸分子は、一本鎖のターゲット核酸（たとえば、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、ＤＮＡ誘導体、リボ核酸（ＲＮＡ）、ＲＮＡ誘導体）鋳型であり、それは、サンプル・ウェルに添加又は固定化されており、サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルの底部などのような固体支持体に固定化され又は取り付けられている、シークエンシング反応（たとえば、ＤＮＡポリメラーゼ、シークエンシング・プライマーなどのようなポリメラーゼ）の少なくとも１つの追加的なコンポーネントを含有する。ターゲット核酸分子又はポリメラーゼは、たとえば、サンプル・ウェルの底部に、直接的に又はリンカーを通して、サンプル壁部に取り付けられ得る。また、サンプル・ウェルは、プライマー伸長反応を介する核酸合成に必要とされる任意の他の試薬を含有することが可能であり、それは、
たとえば適切なバッファー、補因子、酵素（たとえば、ポリメラーゼ）、ならびに、たとえば、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシウリジン三リン酸（ｄＵＴＰ）、及びデオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）、ｄＮＴＰを含む、デオキシリボヌクレオシド三リン酸などのような、デオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸などであり、それは、フルオロフォアなどのような発光性タグを含む。ｄＮＴＰのそれぞれのクラス（たとえばアデニンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＡＴＰ）、シトシンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＣＴＰ）、グアニンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＧＴＰ）、ウラシルを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＵＴＰ）、及び、チミンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＴＴＰ））は、別個の発光性タグにコンジュゲートされており、タグから放出される光の検出が、新しく合成された核酸の中へ組み込まれたｄＮＴＰのアイデンティティーを示すようになっている。発光性タグから放出される光は、本明細書の他の場所で説明されている検出のためのそのようなデバイス及び方法を含む、任意の適切なデバイス及び／又は方法を介して検出され得、その適当な発光性タグに起因することが可能である（及び、したがって、ｄＮＴＰに関連付けられる）。発光性タグは、任意の位置においてｄＮＴＰにコンジュゲートされ得、発光性タグの存在が、新しく合成された核酸鎖の中へのｄＮＴＰの組み込み、又は、ポリメラーゼの活動を阻止しないようになっている。いくつかの実施形態では、発光性タグは、ｄＮＴＰの末端ホスフェート（ガンマ・ホスフェート）にコンジュゲートされている。
一本鎖のターゲット核酸鋳型は、シークエンシング・プライマー、ｄＮＴＰ、ポリメラーゼ、及び、核酸合成に必要な他の試薬に接触させ得る。いくつかの実施形態では、すべての適当なｄＮＴＰは、一本鎖のターゲット核酸鋳型と同時に接触させ得（たとえば、すべてのｄＮＴＰが同時に存在する）、ｄＮＴＰの組み込みが、連続的に起こり得るようになっている。他の実施形態では、ｄＮＴＰは、一本鎖のターゲット核酸鋳型に順次接触させ得、その場合には、一本鎖のターゲット核酸鋳型が、それぞれの適当なｄＮＴＰに別々に接触し、一本鎖のターゲット核酸鋳型が異なるｄＮＴＰと接触する合間に洗浄工程を伴う。一本鎖のターゲット核酸鋳型がそれぞれのｄＮＴＰと別々に接触するそのようなサイクルは、洗浄が後に続き、識別されることとなる一本鎖のターゲット核酸鋳型のそれぞれの連続的なベース位置に関して繰り返され得る。
シークエンシング・プライマーは、一本鎖のターゲット核酸鋳型に対してアニーリングし、ポリメラーゼは、一本鎖のターゲット核酸鋳型を介して、ｄＮＴＰ（又は、他のデオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸）をプライマーに連続して組み込む。それぞれの組み込まれたｄＮＴＰに関連付けられる固有の発光性タグは、プライマーへのｄＮＴＰの組み込みの間又は後に、適当な励起光によって励起され得、そのエミッションは、本明細書の他の場所で説明されている検出のためのデバイス及び方法を含む、任意の適切なデバイス及び／又は方法を使用して、その後に検出され得る。光の特定のエミッションの検出は、組み込まれた特定のｄＮＴＰに起因することが可能である。次いで、検出された発光性タグの収集から得られる配列が使用され、配列相補性を介して、一本鎖のターゲット核酸鋳型の配列を決定することが可能である。
本開示はｄＮＴＰを参照しているが、本明細書で提供されるデバイス、システム、及び方法は、リボヌクレオチド及びデオキシヌクレオチド（たとえば、少なくとも４、５、６、７、８、９、又は１０のホスフェート基を備えるデオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸）などのような、さまざまなタイプのヌクレオチドとともに使用され得る。そのようなリボヌクレオチド及びデオキシヌクレオチドは、さまざまなタイプのタグ（又は、マーカ）及びリンカーを含むことが可能である。
ヌクレオシドの組み込みのときに放出される信号は、メモリーの中に保存され、より後
の時点で処理され、ターゲット核酸鋳型の配列を決定することが可能である。これは、信号を参照信号と比較し、組み込まれるヌクレオシドのアイデンティティーを時間の関数として決定することを含むことが可能である。代替的に又は加えて、ヌクレオシドの組み込みのときに放出される信号は、リアルタイムで（すなわち、ヌクレオシド組み込みのときに）収集及び処理され、ターゲット核酸鋳型の配列をリアルタイムで決定することが可能である。
複数の一本鎖のターゲット核酸鋳型の核酸シークエンシングは、本明細書の他の場所で説明されているデバイスのケースと同様に、複数のサンプル・ウェルが利用可能である場合に完了され得る。それぞれのサンプル・ウェルは、一本鎖のターゲット核酸鋳型を提供され得、シークエンシング反応が、それぞれのサンプル・ウェルの中で完了され得る。サンプル・ウェルのそれぞれは、プライマー伸長反応の間の核酸合成に必要な適当な試薬（たとえば、ｄＮＴＰ、シークエンシング・プライマー、ポリメラーゼ、補因子、適当なバッファーなど）に接触させ得、シークエンシング反応が、それぞれのサンプル・ウェルの中で進行することが可能である。いくつかの実施形態では、複数のサンプル・ウェルは、すべての適当なｄＮＴＰに同時に接触させる。他の実施形態では、複数のサンプル・ウェルは、それぞれの適当なｄＮＴＰに別々に接触し、それぞれが異なるｄＮＴＰとの接触の合間に洗浄される。組み込まれたｄＮＴＰは、それぞれのサンプル・ウェルの中で検出され得、配列が、上記に説明されているように、それぞれのサンプル・ウェルの中の一本鎖のターゲット核酸に関して決定され得る。
単一分子核酸シークエンシングに関する実施形態は、ターゲット核酸に相補的な核酸を合成することができる任意のポリメラーゼを使用することが可能である。ポリメラーゼの例は、ＤＮＡポリメラーゼ、ＲＮＡポリメラーゼ、耐熱性ポリメラーゼ、ワイルド・タイプ・ポリメラーゼ、変性ポリメラーゼ、大腸菌ＤＮＡポリメラーゼＩ、Ｔ７ＤＮＡポリメラーゼ、バクテリオファージＴ４ ＤＮＡポリメラーゼφ２９（プサイ２９）ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔａｑポリメラーゼ、Ｔｔｈポリメラーゼ、Ｔｌｉポリメラーゼ、Ｐｆｕポリメラーゼ、Ｐｗｏポリメラーゼ、ＶＥＮＴポリメラーゼ、ＤＥＥＰＶＥＮＴポリメラーゼ、ＥＸ−Ｔａｑポリメラーゼ、ＬＡ−Ｔａｑポリメラーゼ、Ｓｓｏポリメラーゼ、Ｐｏｃポリメラーゼ、Ｐａｂポリメラーゼ、Ｍｔｈポリメラーゼ、ＥＳ４ポリメラーゼ、Ｔｒｕポリメラーゼ、Ｔａｃポリメラーゼ、Ｔｎｅポリメラーゼ、Ｔｍａポリメラーゼ、Ｔｃａポリメラーゼ、Ｔｉｈポリメラーゼ、Ｔｆｉポリメラーゼ、プラチナＴａｑポリメラーゼ、Ｔｂｒポリメラーゼ、Ｔｆｌポリメラーゼ、Ｔｔｈポリメラーゼ、Ｐｆｕｔｕｂｏポリメラーゼ、Ｐｙｒｏｂｅｓｔポリメラーゼ、Ｐｗｏポリメラーゼ、ＫＯＤポリメラーゼ、Ｂｓｔポリメラーゼ、Ｓａｃポリメラーゼ、３’から５’のエキソヌクレアーゼ活性を備えるＫｌｅｎｏｗフラグメント・ポリメラーゼ、及び変異体、改変生成物、及びそれらの誘導体を含む。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、単一のサブユニット・ポリメラーゼである。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、高い進行性を備えるポリメラーゼである。ポリメラーゼ進行性は、一般的に、核酸鋳型を解放することなく核酸鋳型の中へｄＮＴＰを連続して組み込む、ポリメラーゼの能力を参照している。ターゲット核酸の核酸塩基と相補的なｄＮＴＰとの間の塩基対合のときに、ポリメラーゼは、新しく合成された鎖の３’ヒドロキシル端部とｄＮＴＰのアルファ・ホスフェートとの間にリン酸ジエステル結合を形成することによって、新しく合成された核酸鎖の中へｄＮＴＰを組み込む。ｄＮＴＰにコンジュゲートされた発光性タグがフルオロフォアである例では、その存在が、励起によって信号で伝えられ、エミッションのパルスが、組み込みの工程の間に検出される。ｄＮＴＰの末端（ガンマ）ホスフェートにコンジュゲートされた検出標識に関して、新しく合成された鎖の中へのｄＮＴＰの組み込みは、ベータ・ホスフェート及びガンマ・ホスフェートの解放を結果として生じさせ、検出標識は、サンプル・ウェルの中に自由に拡散することができ、フルオロフォアから検出されるエミッションの減少を結果として生じさせる。
単一分子ＲＮＡシークエンシングに関する実施形態は、ＲＮＡ鋳型から相補的なＤＮＡ（ｃＤＮＡ）を合成することができる任意の逆転写酵素を使用することが可能である。そのような実施形態では、ｃＤＮＡが、ＲＮＡ鋳型にアニーリングされる逆転写プライマーへのｄＮＴＰの組み込みを介して、ＲＮＡ鋳型から合成され得るという点において、逆転写酵素は、ポリメラーゼと同様の様式で機能することが可能である。次いで、ｃＤＮＡは、シークエンシング反応に関与することが可能であり、その配列は、上記に説明されているように決定される。次いで、決定されたｃＤＮＡの配列は、配列相補性を介して使用され、元のＲＮＡ鋳型の配列を決定することが可能である。逆転写酵素の例は、モロニー・マウス白血病ウイルス逆転写酵素（Ｍ−ＭＬＶ）、ニワトリ骨髄芽球症ウイルス（ＡＭＶ）逆転写酵素、ヒト免疫不全ウイルス逆転写酵素（ＨＩＶ−１）、及びテロメラーゼ逆転写酵素を含む。
単一分子検出及び／又は核酸シークエンシングを実施するための簡単でより複雑でない装置に対する必要性を認識したので、発明者らは光学的な（たとえば、発光性）タグなどのようなタグのセットを使用して、単一分子を検出し、異なる分子に標識するための技法を考え出した。そのような単一分子は、タグを有するヌクレオチド又はアミノ酸であることが可能である。タグは、単一分子に結合される間に、単一分子からの解放の際に、又は、単一分子に結合されかつ単一分子からの解放の際に、検出され得る。いくつかの例では、タグは、発光性タグである。選択されたセットの中のそれぞれの発光性タグは、それぞれの分子に関連付けられている。たとえば、４つのタグのセットが、ＤＮＡの中に存在する核酸塩基を「標識」するために使用され得、セットのそれぞれのタグは、異なる核酸塩基に関連付けられており、たとえば、第１のタグは、アデニン（Ａ）に関連付けられており、第２のタグは、シトシン（Ｃ）に関連付けられており、第３のタグは、グアニン（Ｇ）に関連付けられており、第４のタグは、チミン（Ｔ）に関連付けられている。そのうえ、タグのセットの中の発光性タグのそれぞれは、異なる特性を有しており、それは、セットの第１のタグをセットの中の他のタグから区別するために使用され得る。このように、それぞれのタグは、これらの区別する性質のうちの１つ又は複数を使用して、固有に特定可能である。例として、及び、限定としてではなく、１つのタグを別のタグから区別するために使用され得るタグの性質は、励起に応答してタグによって放出される光のエミッション・エネルギー及び／もしくは波長、ならびに／又は、特定のタグを励起する励起光及び／もしくは波長及び／もしくはエネルギーを含むことが可能である。
実施形態は、タグ特性の任意の適切な組み合わせを使用し、タグのセットの中の第１のタグを同じセットの中の他のタグから区別することが可能である。たとえば、いくつかの実施形態は、タグからのエミッション光の波長だけを使用し、タグを特定することが可能である。そのような実施形態では、タグの選択されたセットの中のそれぞれのタグが、そのセットの中の他のタグとは異なるピーク・エミッション波長を有しており、発光性タグは、すべて、単一の励起供給源からの光によって励起される。図１−１は、実施形態による４つの発光性タグからのエミッション・スペクトルを図示しており、４つのタグが、異なるエミッション波長においてそれらのそれぞれの強度ピークを示しており、それは、本明細書で、タグの「ピーク・エミッション波長」と称される。第１の発光性タグからの第１のエミッション・スペクトル１−１０１は、λ１においてピーク・エミッション波長を有しており、第２の発光性タグからの第２のエミッション・スペクトル１−１０２は、λ２においてピーク・エミッション波長を有しており、第３の発光性タグからの第３のエミッション・スペクトル１−１０３は、λ３においてピーク・エミッション波長を有しており、第４の発光性タグからの第４のエミッション・スペクトル１−１０４は、λ４においてピーク・エミッション波長を有している。この実施形態では、４つの発光性タグのエミッション・ピークは、関係式λ１＜λ２＜λ３＜λ４を満たす任意の適切な値を有することが可能である。４つのエミッション・スペクトルは、重なり合ってもよいし、又は、重
なり合わなくてもよい。しかし、２つ以上のタグのエミッション・スペクトルが重なり合う場合には、１つのタグが、それぞれのピーク波長において、任意の他のタグよりも実質的に多い光を放出するように、発光性タグ・セットを選択することが望ましい。この実施形態では、４つのタグのそれぞれが励起供給源からの光を最大限に吸収する励起波長は、実質的に等価であるが、そうである必要はない。上記のタグ・セットを使用して、４つの異なる分子が、タグ・セットからのそれぞれのタグによって標識化され得、タグは、単一の励起供給源を使用して励起され得、タグは、光学的なシステム及びセンサーを使用してタグのエミッション波長を検出することによって、互いから区別され得る。図１−１は、４つの異なるタグを図示しているが、任意の適切な数のタグが使用され得るということが認識されるべきである。
他の実施形態は、タグからのエミッション光の波長、及び、タグが励起光を吸収する波長の両方を使用し、タグを特定することが可能である。そのような実施形態では、選択されたタグのセットの中のそれぞれのタグは、そのセットの中の他のタグとは、エミッション波長及び励起波長の異なる組み合わせを有している。したがって、選択されたタグ・セットの中のいくつかのタグは、同じエミッション波長を有することが可能であるが、異なる波長の光によって励起され得る。逆に、選択されたタグ・セットの中のいくつかのタグは、同じ励起波長を有することが可能であるが、異なる波長において光を放出することが可能である。図１−２Ａは、実施形態による４つの発光性タグからのエミッション・スペクトルを図示しており、タグのうちの２つが、第１のピーク・エミッション波長を有しており、他の２つのタグが、第２のピーク・エミッション波長を有している。第１の発光性タグからの第１のエミッション・スペクトル１−１０５は、λ１においてピーク・エミッション波長を有しており、第２の発光性タグからの第２のエミッション・スペクトル１−１０６も、λ１においてピーク・エミッション波長を有しており、第３の発光性タグからの第３のエミッション・スペクトル１−１０７は、λ２においてピーク・エミッション波長を有しており、第４の発光性タグからの第４のエミッション・スペクトル１−１０８も、λ２においてピーク・エミッション波長を有している。この実施形態では、４つの発光性タグのエミッション・ピークが、関係式λ１＜λ２を満たす任意の適切な値を有することが可能である。図１−２Ｂは、４つの発光性タグからの吸収スペクトルを図示しており、タグのうちの２つが、第１のピーク吸収波長を有しており、他の２つのタグが、第２のピーク吸収波長を有している。第１の発光性タグに関する第１の吸収スペクトル１−１０９は、λ３においてピーク吸収波長を有しており、第２の発光性タグに関する第２の吸収スペクトル１−１１０は、λ４においてピーク吸収波長を有しており、第３の発光性タグに関する第３の吸収スペクトル１−１１１は、λ３においてピーク吸収波長を有しており、第４の発光性タグに関する第４の吸収スペクトル１−１１２は、λ４においてピーク吸収波長を有している。図１−２Ａにおいてエミッション・ピーク波長を共有するタグは、図１−２Ｂでは吸収ピーク波長を共有していないということに留意されたい。そのようなタグ・セットを使用することは、４つの色素に関して２つのエミッション波長しか存在しないときでも、４つのタグの間を区別することを可能にする。これは、異なる波長で放出する２つの励起供給源、又は、複数の波長で放出することができる単一の励起供給源を使用することによって可能となる。励起光の波長が、それぞれの検出されるエミッション・イベントに関して知られている場合には、どのタグが存在していたかということが決定され得る。励起供給源は、第１の励起波長と第２の励起波長を繰り返すことが可能であり、それは、インターリービングと称される。代替的に、第１の励起波長の２つ以上のパルスが使用され、その後に、第２の励起波長の２つ以上のパルスが続くことが可能である。
図には図示されていないが、他の実施形態は、吸収周波数だけに基づいて、発光性タグのアイデンティティーを決定することが可能である。励起光が、タグ・セットの中のタグの吸収スペクトルにマッチする特定の波長にチューニングされ得る場合に、そのような実施形態が可能である。そのような実施形態では、それぞれのタグから放出される光を方向
付け及び検出するために使用される光学的なシステム及びセンサーは、放出される光の波長を検出することができる必要はない。これは、いくつかの実施形態では、有利である可能性がある。その理由は、そのような実施形態では、エミッション波長を検出することは要求されないので、それが、光学的なシステム及びセンサーの複雑さを低減させるからである。
上記に議論されているように、本発明者は、タグのさまざまな特性を使用して異なる発光性タグを互いから区別することができることの必要性を認識及び理解した。タグのアイデンティティーを決定するために使用される特性のタイプは、この分析を行うために使用される物理的なデバイスに影響を与える。本出願は、これらの異なる実験を行うための装置、デバイス、機器、及び方法のいくつかの実施形態を開示している。
手短に言えば、本発明者は、比較的多数のピクセル（たとえば、数百、数千、数百万、又は、それ以上）を備えるピクセル化されたセンサー・デバイスは、並行して複数の個々の分子又は粒子の検出を可能にするということを認識及び理解した。少なくともいくつかの、部分集合の、もしくはすててのピクセルが独立してアドレス駆動可能である。分子は、例として、及び、限定としてではなく、タンパク質及び／又は核酸（たとえば、ＤＮＡやＲＮＡ）であることが可能である。そのうえ、毎秒百を超えるフレームでデータを獲得することができる高速デバイスは、分析されているサンプルの中に時間をかけて起こる動的なプロセス又は変化の検出及び分析を可能にする。
本発明者は、オプティクス及びセンサーを含む低コストの単回使用の使い捨ての集積デバイスが、励起供給源を含む機器に関連して使用され、生物学的なサンプルから放出される発光性の光を測定することが可能であるということを認識及び理解した。低コストの集積デバイスを使用することは、所与のバイオアッセイを実施するコストを低減させる。生物学的なサンプルは、集積デバイスの上に設置され、バイオアッセイが完了すると廃棄され得る。集積デバイスは、より高価なマルチ・ユースの機器にインターフェース接続し、より高価なマルチ・ユースの機器は、多くの異なる使い捨ての集積デバイスとともに繰り返して使用され得る。コンパクトなポータブル機器にインターフェース接続する低コストの集積デバイスは、サンプルを分析するために実験室専門知識を必要とする高コストの生物学的な実験室の制約なしに、世界のどこででも使用され得る。したがって、以前には生物学的なサンプルの定量的な分析を行うことができなかった世界の領域に、自動化された生物学的分析を持っていくことが可能である。たとえば、使い捨ての集積デバイスの上に血液サンプルを設置することによって、分析のための小さいポータブル機器の中へ使い捨ての集積デバイスを設置することによって、及び、ユーザによる即座の再検討のために機器に接続するコンピュータによって結果を処理することによって、幼児のための血液テストが行われ得る。また、データは、分析されるためにデータ・ネットワークを通じて遠隔の場所に送信され、及び／又は、その後の臨床分析のためにアーカイブされ得る。代替的に、機器は、集積デバイスのセンサーから得られるデータを分析するための１つ又は複数のプロセッサーを含むことが可能である。
さまざまな実施形態が、より詳細に下記に説明されている。
ＩＩ． システムの概観
システムは、集積デバイスと、集積デバイスにインターフェース接続するように構成されている機器とを含む。集積デバイスは、ピクセルのアレイを含み、それぞれのピクセルは、サンプル・ウェル及び少なくとも１つのセンサーを含む。集積デバイスの表面は、複数のサンプル・ウェルを有しており、複数のサンプル・ウェルは、集積デバイスの表面の上に設置されている試料の中からサンプルを受け入れるように構成されている開口部である。複数のサンプルは、試料の中に含まれ得、サンプル・ウェルは、１つのサンプルを受け入れるように設計され得、それぞれのサンプル・ウェルが異なるサンプルを含有するよ
うになっている。たとえば、多くの一本鎖ＤＮＡ鋳型を含有する試料が、集積デバイスの表面の上に設置されており、それぞれのサンプル・ウェルは、一本鎖ＤＮＡ鋳型を受け入れることが可能である。また、試料は、タグを付けられたｄＮＴＰを含有することが可能であり、それは、次いで、それがＤＮＡの相補的な鎖の中へ組み込まれるときに、ヌクレオチドを特定するために、サンプル・ウェルの中に進入する。そのような例では、「サンプル」は、一本鎖ＤＮＡ、及び、ポリメラーゼによって現在組み込まれているタグを付けられたｄＮＴＰの両方を表すことが可能である。
励起エネルギーは、集積デバイスのピクセルから離れて位置付けされている供給源から提供される。励起エネルギーは、集積デバイスのエレメントによって、１つ又は複数のピクセルに向けて少なくとも部分的に方向付けされ、サンプル・ウェルの中の照射領域を照射する。次いで、マーカ又はタグは、照射領域の中に位置付けされているときに、及び、励起エネルギーによって照射されていることに応答して、エミッション・エネルギーを放出することが可能である。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の励起供給源は、システムの機器の一部であり、機器及び集積デバイスのコンポーネントが、励起エネルギーを１つ又は複数のピクセルに向けて方向付けするように構成されている。他の実施形態では、１つ又は複数の励起供給源は、集積デバイスの上に位置付けされているが、ピクセルのアレイから分離された領域の中に位置付けされており、集積デバイスの中のコンポーネントが、励起供給源領域からの励起エネルギーを１つ又は複数のピクセルに方向付けするように構成されている。
次いで、サンプルによって放出されるエミッション・エネルギーは、集積デバイスのピクセルの中の１つ又は複数のセンサーによって検出され得る。いくつかの実施形態では、複数のセンサーは、エミッション・エネルギーの空間的な分布をキャプチャーするようにサイズ決め及び配置され得る。次いで、１つ又は複数のセンサーからの出力信号は、複数のマーカの間からマーカを区別するために使用され得、ここで、複数のマーカが、試料の中のサンプルを特定するために使用され得る。
システム２−１００の図式的概観が、図２−１Ａ及び図２−１Ｂに図示されている。システムは、両方とも、励起供給源２−１０６を有する機器２−１０４にインターフェース接続する集積デバイス２−１０２からなる。集積デバイスを受け入れるための、及び、励起供給源との正確な光学的アライメントの状態に集積デバイスを保持するための任意の適切なソケットを使用して、集積デバイスは、機器にインターフェース接続する。機器２−１０４の中の外部励起供給源２−１０６は、励起エネルギーを集積デバイス２−１０２に提供するように構成されている。励起供給源は、機器の上に位置付けされているように示されているが、励起供給源は、いくつかの場合には、ピクセルから分離された領域の中の集積デバイスの上に位置付けされ得る。図２−１Ｂに概略的に図示されているように、集積デバイス２−１０２は、複数のピクセルを有しており、ここで、それぞれのピクセル２−１１２は、独立したサンプルの分析をする能力がある。ピクセルは、ピクセルから分離された供給源から励起エネルギーを受け入れ、供給源が複数のピクセルを励起するので、そのようなピクセルは、「パッシブ・ソース・ピクセル」と称され得る。それぞれのピクセル２−１１２は、サンプルを保持及び分析するためのサンプル・ウェル２−１０８と、励起供給源２−１０６によって提供される励起エネルギーを用いてサンプルを照射することに応答して、サンプルによって放出されるエミッション・エネルギーを検出するためのセンサー２−１１０を有している。いくつかの実施形態では、それぞれのセンサーは、複数のサブ・センサーを含むことが可能であり、それぞれのサブ・センサーは、サンプルからのエミッション・エネルギーの異なる波長を検出するように構成されている。
サンプル・ウェル２−１０８への励起エネルギーをガイド及びカップリングするための光学エレメントは、集積デバイス２−１０２及び機器２−１０４の両方の上に位置付けさ
れている。そのような供給源・トゥー・ウェル・エレメントは、励起エネルギーを集積デバイスにカップリングするために集積デバイスの上に位置付けされているグレーチング・カップラー、励起エネルギーをそれぞれのピクセルに送達するための導波路、ならびに、機器から受け取られた励起エネルギーをサンプル・ウェルに方向付けするために集積デバイスの上に位置付けされている、レンズ、プラズモニック・エレメント、及び誘電体コーティングを含むことが可能である。追加的に、集積デバイスの上に位置付けされている光学エレメントは、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーをセンサーに向けて方向付けする。そのようなウェル・トゥー・サンプル・エレメントは、エミッション・エネルギーを放射線パターンの中へ方向付けするコンポーネントを含むことが可能であり、そこでは、放射線パターンは、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるエミッション・エネルギーに依存する。サンプル・ウェル、励起供給源・トゥー・ウェル・オプティクスの一部分、及びサンプル・ウェル・トゥー・センサー・オプティクスは、集積デバイスの上に位置付けされている。励起供給源、及び、供給源・トゥー・ウェル・コンポーネントの一部分は、励起供給源２−１０６を含有する機器２−１０４の中に位置付けされている。いくつかの実施形態では、単一のコンポーネントは、励起エネルギーをサンプル・ウェルにカップリングする際、及び、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーをセンサーに送達する際の両方において、役割を果たすことが可能である。
図２−１Ｂに図示されているように、集積デバイスは、複数のピクセルからなり、それぞれのピクセル２−１１２は、それ自身の個々のサンプル・ウェル２−１０８及びセンサー２−１１０に関連付けられている。複数のピクセルが、アレイで配置され得、任意の適切な数のピクセルが存在することが可能である。たとえば、集積デバイスは、いくつかの実施形態によれば、１００個から１，０００個の間のピクセル、いくつかの実施形態によれば、１，０００個から１０，０００個の間のピクセル、いくつかの実施形態によれば、１０，０００個から１００，０００個の間のピクセル、いくつかの実施形態によれば、１００，０００個から１，０００，０００個の間のピクセル、及び、さらに、いくつかの実施形態によれば、１，０００，０００個から１０，０００，０００個の間のピクセルを含むことが可能である。いくつかの実施形態では、集積デバイスの上に、より少ない、又は、より多いピクセルが存在することが可能である。集積デバイス２−１１２及び機器２−１０４は、大型のピクセル・アレイ（たとえば、１０００個よりも多いピクセル）に関連付けられたデータをハンドリングするためのマルチ・チャネル高速通信リンクを含むことが可能である。
機器は、集積デバイス・インターフェース２−１１４を通して集積デバイスにインターフェース接続している。集積デバイス・インターフェース２−１１４は、集積デバイスを機器に対して位置決め及び／又は整合させるためのコンポーネントを含み、励起供給源からの励起エネルギーを集積デバイスにカップリングすることを改善することが可能である。いくつかの実施形態では、励起供給源２−１０６は、励起エネルギーを集積デバイス２−１１２に送達するために組み合わせられる複数の励起供給源を含む。複数の励起供給源は、複数の励起エネルギー又は波長を作り出すように構成され得る。集積デバイス・インターフェース２−１１４は、集積デバイスの上に位置付けされているピクセルの中のセンサーから読み出し信号を受け取ることが可能である。追加的に、集積デバイス・インターフェース２−１１４は、集積デバイスを集積デバイス・インターフェース２−１１４に固定することによって、集積デバイスが機器に取り付くように設計され得る。
機器２−１０４は、機器の動作を制御するためのユーザ・インターフェース２−１１６を含む。ユーザ・インターフェース２−１１６は、機器の機能を制御するために使用されるコマンド及び／又はセッティングなどのような情報を、ユーザが機器の中へ入力することを可能にするように構成されている。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェース２−１１６は、ボタン、スイッチ、ダイアル、及び、ボイス・コマンドのためのマイ
クロホンを含むことが可能である。追加的に、ユーザ・インターフェース２−１１６は、適正なアライメント、及び／又は、集積デバイスの上のセンサーからの読み出し信号によって得られる情報などのような、機器及び／又は集積デバイスの性能についてのフィードバックを、ユーザが受け取ることを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェース２−１１６は、可聴フィードバックを提供するためにスピーカを使用して、ならびに／又は、視覚的フィードバックを提供するためにインジケーター光及び／もしくは表示スクリーンを使用して、フィードバックを提供することが可能である。いくつかの実施形態では、機器２−１０４は、コンピューティング・デバイス２−１２０と接続するために使用されるコンピュータ・インターフェース２−１１８を含む。任意の適切なコンピュータ・インターフェース２−１１８及びコンピューティング・デバイス２−１２０が使用され得る。たとえば、コンピュータ・インターフェース２−１１８は、ＵＳＢインターフェース又はＦｉｒｅＷｉｒｅ（登録商標）インターフェースであることが可能である。コンピューティング・デバイス２−１２０は、ラップトップ・コンピュータ又はデスクトップ・コンピュータなどのような、任意の汎用コンピュータであることが可能である。コンピュータ・インターフェース２−１１８は、機器２−１０４とコンピューティング・デバイス２−１２０との間の情報の通信を促進させる。機器２−１０４を制御及び／又は設定するための入力情報は、機器のコンピュータ・インターフェース２−１１８に接続されているコンピューティング・デバイス２−１２０を通して提供され得る。追加的に、出力情報は、コンピュータ・インターフェース２−１１８を通してコンピューティング・デバイス２−１２０によって受け取られ得る。そのような出力情報は、機器２−１０４及び／又は集積デバイス２−１１２の性能についてのフィードバック、及び、センサー２−１１０の読み出し信号からの情報を含むことが可能である。また、機器２−１０４は、センサー２−１１０から受け取られるデータを分析するための、及び／又は制御信号を励起供給源２−１０６へ送るためのプロセッシング・デバイス２−１２２を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、プロセッシング・デバイス２−１２２は、汎用プロセッサー、特別に適合されたプロセッサー（たとえば、１つ又は複数のマイクロプロセッサーもしくはマイクロコントローラ・コアなどのような中央処理装置（ＣＰＵ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、カスタム集積回路、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）、又は、それらの組み合わせ）からなることが可能である。いくつかの実施形態では、センサー２−１１０からのデータを処理することは、プロセッシング・デバイス２−１２２及び外部コンピューティング・デバイス２−１２０の両方によって行われ得る。他の実施形態では、コンピューティング・デバイス２−１２０は省略され得、また、センサー２−１１０からのデータを処理することは、プロセッシング・デバイス２−１２２だけによって行われ得る。
ピクセルの横列を図示する集積デバイス３−１０２の断面概略図が、図３−１Ａに示されている。それぞれのピクセル３−１１２は、サンプル・ウェル３−１０８及びセンサー３−１１０を含む。センサー３−１１０は、サンプル・ウェル３−１１２に整合させられて位置決めされ得る。励起供給源が集積デバイスにカップリングされているときに、励起エネルギーが、１つ又は複数のピクセルに提供される。図３−１Ｂは、励起供給源３−１０６を集積デバイス３−１０２にカップリングすることを図示する概略図である。励起供給源３−１０６は、集積デバイス３−１０２の中の励起エネルギー３−１３０（点線で示されている）を提供する。図３−１Ｂは、励起エネルギー供給源３−１０６からピクセル３−１１２の中のサンプル・ウェル３−１０８への励起エネルギーの経路を図示している。集積デバイスから離れて位置付けされているコンポーネントが、励起供給源３−１０６を集積デバイスに位置決め及び整合させるために使用され得る。そのようなコンポーネントは、レンズ、ミラー、プリズム、アパーチャ、アッテネータ、及び／又は光ファイバーを含む、光学的なコンポーネントを含むことが可能である。１つ又は複数のアライメント・コンポーネントの制御を可能にするように構成されている追加的な機械的なコンポーネントが、機器の中に含まれ得る。そのような機械的なコンポーネントは、アクチュエータ
、ステッピング・モータ、及び／又はノブを含むことが可能である。集積デバイスは、励起エネルギー３−１３０を集積デバイスの中のピクセルに向けて方向付けするコンポーネントを含む。それぞれのピクセル３−１１２の中で、励起エネルギーは、ピクセルに関連付けられるサンプル・ウェル３−１０８にカップリングされている。図３−１Ｂは、ピクセルの横列の中のそれぞれのサンプル・ウェルにカップリングする励起エネルギーを図示しているが、いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、横列の中のピクセルのすべてにカップリングしなくてもよい。いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、ピクセルの一部分、又は、集積デバイスのピクセルの横列の中のサンプル・ウェルにカップリングすることが可能である。励起エネルギーは、サンプル・ウェルの中に位置付けされているサンプルを照射することが可能である。サンプルは、励起エネルギーによって照射されていることに応答して、励起された状態に到達することが可能である。サンプルが励起された状態になっているときに、サンプルは、エミッション・エネルギーを放出することが可能であり、エミッション・エネルギーは、センサーによって検出され得る。図３−１Ｂは、サンプル・ウェル３−１０８からピクセル３−１１２のセンサー３−１１０へのエミッション・エネルギー３−１４０の経路（実線として示されている）を概略的に図示している。ピクセル３−１１２の中のセンサー３−１１０は、サンプル・ウェル３−１０８からのエミッション・エネルギーを検出するように構成及び位置決めされ得る。いくつかの実施形態では、センサー３−１１０は、１つ又は複数のサブ・センサーを含むことが可能である。
複数のサンプルを含有する試料が複数のマーカによって標識され、複数のマーカがエミッション・エネルギーによって特定可能であるときには、サンプル・ウェルとセンサーとの間のピクセルの中の経路は、エミッション・エネルギーに基づいて複数のマーカを特定することを支援する１つ又は複数のコンポーネントを含むことが可能である。コンポーネントは、センサーに向けてエミッション・エネルギーの焦点を合わせることが可能であり、また、追加的に又は代替的に、特性エネルギー又は波長を有するエミッション・エネルギーを空間的に分離することが可能である。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、エミッション・エネルギーのスペクトル範囲に依存する放射線パターンの中へエミッション・エネルギーを方向付けするコンポーネントを含むことが可能である。センサー、又は、複数のサブ・センサーを含有するセンサー領域は、放射線パターンに依存するエミッション・エネルギーの空間的な分布を検出することが可能である。異なるエミッション・エネルギー及び／又はスペクトル範囲を放出するマーカは、異なる放射線パターンを形成することが可能である。センサー又はセンサー領域は、複数のマーカの間のマーカを特定するために使用され得るエミッション・エネルギーの空間的な分布についての情報を検出することが可能である。
エミッション・エネルギー又はエネルギーは、センサーによって検出され、少なくとも１つの電気信号に変換され得る。図２−１Ｂに示されている機器２−１０４の集積デバイス・インターフェース２−１１４などのような、集積デバイス・インターフェースを通して機器に接続されている集積デバイスの回路の中の導電性ラインに沿って、電気信号は送信され得る。電気信号は、その後に処理及び／又は分析され得る。電気信号を処理又は分析することは、機器２−１０４の上に位置付けされているか、又は、図２−１Ｂに示されているコンピューティング・デバイス２−１２０などのように機器の外に位置付けされている、適切なコンピューティング・デバイスの上で起こることが可能である。
集積デバイスは、図２−２に示されているように出現することが可能である。電子的な構造体、光学的な構造体、及び関連の構造体は、すべて、単一の基板２−２００の上へ組み込まれ得る。集積デバイスは、アクティブ・ソース・ピクセル２−２０５のアレイ及び集積電子回路を含むことが可能である。集積電子回路は、ピクセル・アレイのセンサーにカップリングされているドライブ及び読み出し回路２−２１５、ならびに、信号処理回路
を含むことが可能である。信号処理回路は、アナログ−デジタル・コンバータ２−２１７及び１つ又は複数のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、ならびに／又はデジタル信号プロセッサー２−２１９を含むことが可能である。いくつかの実施形態は、より多くの回路コンポーネントを有することが可能であり、いくつかの実施形態は、基板の上に集積された、より少ない回路コンポーネントを有することが可能である。集積デバイスのコンポーネントは、図２−２では単一のレベルに示されているが、コンポーネントは、基板２−２００の上の複数のレベルに製作され得る。
いくつかの実施形態では、集積デバイスの上に位置付けされた光学エレメント（図示せず）が存在することが可能であり、それは、１つ又は複数の励起供給源からサンプル・ウェルへ励起エネルギーをガイド及びカップリングするために配置されている。そのような供給源・トゥー・ウェル・エレメントは、プラズモニック構造体、及び、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされている他の微細加工された構造体を含むことが可能である。追加的に、いくつかの実施形態では、集積デバイスの上に位置付けされた光学エレメントが存在することが可能であり、それは、サンプル・ウェルから対応するセンサーへエミッション・エネルギーをガイドするために構成されている。そのようなウェル・トゥー・サンプル・エレメントは、サンプル・ウェルに隣接して位置付けされているプラズモニック構造体及び他の微細加工された構造体を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、単一のコンポーネントは、励起エネルギーをサンプル・ウェルにカップリングする役割、及び、サンプル・ウェルから対応するセンサーへエミッション・エネルギーを送達する役割の両方の役割を果たすことが可能である。
いくつかの実施形態では、集積デバイスは、サンプル・ウェルにおいてサンプルを励起するために使用される２つ以上のタイプの励起供給源を含むことが可能である。たとえば、サンプルを励起するために複数の励起エネルギー又は波長を作り出すように構成された複数の励起供給源が存在することが可能である。いくつかの実施形態では、単一の励起供給源が、サンプル・ウェルの中のサンプルを励起するために使用される複数の波長を放出するように構成され得る。いくつかの実施形態では、集積デバイスのピクセルにおいて、それぞれのセンサーが、サンプルからの異なるエミッション・エネルギー特性を検出するように構成された複数のサブ・センサーを含むことが可能である。
動作時には、サンプル・ウェルの中のサンプルの平行分析が、励起供給源を使用してウェルの中のサンプルを励起することによって、及び、センサーによってサンプル・エミッションからの信号を検出することによって、実施される。サンプルからのエミッション・エネルギーは、対応するセンサーによって検出され、少なくとも１つの電気信号に変換され得る。結果として生じる１つ又は複数の信号は、いくつかの実施形態では、集積デバイスの上で処理され、又は、プロセッシング・デバイス及び／又はコンピューティング・デバイスによって処理するための機器へ送信され得る。サンプル・ウェルからの信号は、他のピクセルに関連付けられている信号から独立して受け取られて処理され得る。
励起供給源が励起エネルギーをサンプル・ウェルに送達するときには、ウェルの中の少なくとも１つのサンプルが、発光することが可能であり、結果として生じるエミッションが、センサーによって検出され得る。本明細書で使用されているように、「サンプルは発光することが可能である」、又は、「サンプルは放射線を放出することが可能である」、又は、「サンプルからのエミッション」の語句は、発光性タグ、マーカ、又はレポータ、サンプル自身、又は、サンプルに関連付けられている反応生成物が放出された放射線を作り出すことが可能であるということを意味している。
いくつかの実施形態では、サンプルは、１つ又は複数のタグによって標識化され得、タグに関連付けられているエミッションは、機器によって識別可能である。たとえば、集積
デバイスのコンポーネントは、サンプル・ウェルからのエミッションに影響を及ぼし、エミッション波長に依存する空間的なエミッション分布パターンを作り出すことが可能である。サンプル・ウェルのための対応するセンサーは、さらに詳細に下記に説明されているように、サンプル・ウェルからの空間的な分布パターンを検出し、異なるエミッション波長を見分ける信号を作り出すように構成され得る。
ＩＩＩ． 集積デバイス
集積デバイスは、外部励起エネルギー供給源からの励起エネルギーを受け取るように構成され得る。いくつかの実施形態では、デバイスの領域は、集積デバイスの外に位置付けされている励起エネルギー供給源にカップリングするために使用され得る。集積デバイスのコンポーネントは、励起供給源カップリング領域からの励起エネルギーを少なくとも１つのピクセルへガイドすることが可能である。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの導波路は、サンプル・ウェルを有する少なくとも１つのピクセルに励起エネルギーを送達するように構成され得る。サンプル・ウェルの中に位置付けされているサンプルは、励起エネルギーによって照射されていることに応答して、エミッション・エネルギーを放出することが可能である。ピクセルの中に位置付けされている１つ又は複数のセンサーは、エミッション・エネルギーを受け取るように構成されている。
Ａ． 励起供給源カップリング領域
いくつかの実施形態では、集積デバイスは、励起供給源カップリング領域を有しており、励起供給源カップリング領域は、外部励起エネルギー供給源にカップリングするように、及び、集積デバイスのピクセル領域の中の少なくとも１つのピクセルに向けて励起をガイドするように構成されている。励起エネルギーを導波路の中へカップリングするための任意の適切なメカニズムが使用され得る。外部励起供給源からの励起エネルギーは、エッジ・カップリングを通して導波路にカップリングされ得る。図４−１Ａに図示されている例として、光ファイバー４−１０６が、励起エネルギーを伝播するように構成されており、光ファイバー４−１０６は、集積デバイス４−１０２の上の導波路４−１０４とカップリングするように位置決めされている。導波路４−１０４への光ファイバー４−１０６のアライメントがモニタリングされ得、光ファイバーによって提供される励起エネルギーを導波路にカップリングすることを実現するようになっている。
追加的に又は代替的に、励起供給源カップリング領域は、外部励起供給源とカップリングするように構成されている構造的コンポーネントを含むことが可能である。そのような構造的コンポーネントは、グレーチング・カップラー、及び、テーパ付きの領域を備える導波路を含むことが可能である。そのような実施形態では、励起供給源は、グレーチング・カップラーを介してテーパ付きの導波路に励起エネルギー・カップリングするように位置決めされ得る。サイズ、形状、及び／又はグレーチング構成などのような、グレーチング・カップラーの特徴は、励起供給源からの励起エネルギーを導波路にカップリングすることを改善するように形成され得る。追加的に、導波路の中のテーパは、導波路の中への励起エネルギーの伝播を改善するように形成され得る。グレーチング・カップラー及び導波路テーパのそのような組み合わせは、集積デバイスに対する励起供給源のアライメント及び位置決めにおいて、より多くのトレランスを許容することが可能である。図４−１Ｂに図示されている例として、集積デバイス４−１１２は、グレーチング・カップラー４−１１６、及び、励起供給源カップリング領域の中に位置付けされているテーパ４−１１４を有する導波路を含むことが可能である。光ファイバー４−１２０は、励起エネルギーを導波路にカップリングするために、グレーチング・カップラー４−１１６に対して位置決め及び整合させられ得る。
励起供給源は、集積デバイスの励起供給源カップリング領域の上に形成され得る。励起供給源カップリング領域は、ピクセル・アレイ領域の中の集積デバイスのピクセルから分
離され、及び／又は横方向に変位させられ得る。ピクセル・アレイ領域は、複数のピクセルからなり、それぞれのピクセルは、少なくとも１つの導波路に関連付けられており、少なくとも１つの導波路から、それぞれのピクセルが励起光を受け取ることとなる。集積デバイスの中の導波路は、励起供給源とカップリングすることが可能であり、ピクセル・アレイの中の少なくとも１つのサンプル・ウェルに励起エネルギーを送達するように構成され得る。随意的に、導波路は、第２高調波発生、第３高調波発生、又は和調波発生を実施するための周波数変換領域を含み、供給源から放出される光の波長を変換することが可能である。図４−２に図示されているように、集積デバイス４−２０２は、励起供給源カップリング領域４−２０６及びピクセル・アレイ領域４−２１０を含む。複数のピクセルが、集積デバイスのピクセル・アレイ領域の中に位置付けされている。導波路４−２０４が、励起供給源カップリング領域４−２０６をピクセル・アレイ領域４−２１０に接続するように形成されている。励起供給源カップリング領域の上に位置決めされている励起供給源は、励起エネルギーを少なくとも１つの導波路にカップリングすることが可能であり、少なくとも１つの導波路は、ピクセル・アレイ領域の中に位置付けされている１つ又は複数のサンプル・ウェルの中へ励起エネルギーを送達するように位置決めされている。いくつかの実施形態では、周波数変換領域４−２０８が、励起供給源カップリング領域４−２０６とピクセル・アレイ領域４−２１０との間に位置付けされ得る。周波数変換領域４−２０８は、励起供給源によって放出される光の波長を別の波長に変換することが可能である。
図４−３Ａは、集積デバイス４−３０２ａの励起供給源領域の断面概略図の例である。この例では、励起供給源４−３０６が、集積デバイス４−３０２ａの中の導波路４−３０４ａの一部分の上方に位置決めされている。導波路４−３０４ａに対する励起供給源４−３０６の相対的な位置決め及びアライメントは、励起供給源によって放出される励起エネルギーを導波路にカップリングすることを可能にする。導波路は、集積デバイスの上の少なくとも１つのピクセルに向けて励起エネルギーをガイドするように構成され得る。図４−３Ａは、単一の導波路にカップリングする単一の励起供給源を図示しているが、励起供給源及び／又は導波路の任意の適切な数及び配置が、励起供給源カップリング領域の中に提供され得る。たとえば、１つの励起供給源が、複数の導波路にカップリングすることが可能である。追加的に又は代替的に、複数の励起供給源が、１つ又は複数の導波路にカップリングすることが可能である。複数の励起供給源が、１つ又は複数のマーカ又はサンプルを励起するために使用され得る。
図４−３Ｂは、集積デバイス４−３０２ｂのピクセル・アレイ領域の中のピクセル領域の例示的な断面図を図示している。図４−３Ｂに示されているピクセルは、サンプル・ウェル材料層４−３１６の中に形成されたサンプル・ウェル４−３０８、ならびに、センサー４−３１０ａ及び４−３１０ｂを含む。導波路４−３０４ｂは、サンプル・ウェル４−３０８に近接して位置決めされており、励起供給源カップリング領域の中に位置付けされている励起供給源によって提供される励起エネルギーをサンプル・ウェル４−３０８にカップリングする。センサー４−３１０ｂ及び４−３１０ａは、サンプル・ウェル４−３０８に整合されたピクセル領域の中に位置決めされており、サンプル・ウェル４−３０８の中に位置付けされているサンプルによって放出されるエミッション・エネルギーを受け取る。さらに議論されることとなるように、この例では２つのセンサーが示されているが、任意の適切な数及び配置のセンサーが、ピクセル領域の中に位置決めされ得る。追加的に又は代替的に、ピクセルの中のサンプル・ウェルに励起エネルギーを送達するように構成されている２つ以上の導波路が存在することが可能である。
例として、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が、励起供給源として、励起供給源カップリング領域の上に形成され得る。励起供給源領域は、対応する導波路の上方に位置決めされている複数のＶＣＳＥＬを含む。ＶＣＳＥＬは、励起光を放出し、それは、次い
で、導波路にカップリングされ、導波路は、励起光をピクセル・アレイ領域に向けて方向付けし、そこで、それぞれの導波路は、導波路に関連付けられるそれぞれのピクセルに励起光の一部分をカップリングする。導波路は、少なくとも１つのサンプル・ウェルに向けて励起光を方向付けするように位置決めされている。いくつかの実施形態では、ピクセルの横列又は縦列は、単一の導波路に関連付けられている。いくつかの場合には、周波数変換領域は、ＶＣＳＥＬから放出される光とは異なる波長の光を生成させることが可能である。たとえば、周波数変換領域は、ＶＣＳＥＬによって放出される光をより短い波長の光に変換することが可能である。他の実施形態では、周波数変換領域は、ＶＣＳＥＬから放出される光をより長い波長を有する光に変換することが可能である。
複数の励起供給源が、集積デバイスの上に位置付けされているピクセルに励起エネルギーを提供するために使用され得る。いくつかの実施形態では、ピクセルのそれぞれの横列は、複数の励起供給源のうちの１つにカップリングされている導波路によって照射され得る。図４−４に図示されているように、複数の励起供給源４−４０６ａ、４−４０６ｂ、及び４−４０６ｃが、集積デバイス４−４０２の上に位置付けされているピクセル４−４１２に向けて励起エネルギーを担持するように構成されている導波路にカップリングすることが可能である。励起供給源、導波路、及びピクセルの配置に関して任意の適切な構成が使用され得る。図４−４に示されている例示的な構成は、ピクセルのそれぞれの横列を照射するように使用される励起供給源を交互に入れ替える。たとえば、励起供給源４−４０６ａが、導波路４−４０４ａを通してピクセルの第１の横列にカップリングしており、同様に、追加的な導波路を通して、ピクセルの第４の横列、ピクセルの第７の横列、及び、ピクセルの第１０の横列にカップリングしている。同様に、励起供給源４−４０６ｂが、たとえば、ピクセルの第１１の横列に接続している導波路４−４０４ｂなどを通して、ピクセルの第２、第５、第８、及び第１１の横列にカップリングしている。励起供給源４−４０６ｃは、ピクセルの第３、第６、第９、及び第１２の横列にカップリングしている。いくつかの実施形態では、励起供給源４−４０６ａ、４−４０６ｂ、及び４−４０６ｃは、複数の励起供給源からなることが可能である。たとえば、ＶＣＳＥＬ光供給源を備えるいくつかの実施形態では、ＶＣＳＥＬの複数の縦列が使用され得、それぞれのＶＣＳＥＬが別の縦列からの少なくとも１つのＶＣＳＥＬに垂直方向に重なり合うようになっている。ピクセルのそれぞれの横列は、別々のＶＣＳＥＬによって照射されており、ＶＣＳＥＬの縦列は、図４−４に示されている例示的な構成などのように、ピクセルのそれぞれの横列に関して交互に入れ替わる。
Ｂ． 導波路
導波路を備える集積デバイスの実施形態では、導波路は、励起エネルギーを１つ又は複数のサンプル・ウェルに送達するように任意の適切な方式で設計され得る。導波路は、バスとしての役割を果たし、励起エネルギーを複数のピクセルにカップリングすることが可能である。励起エネルギーが、１つ又は複数のサンプル・ウェルに関連付けられる導波路に沿って伝播するとき、励起エネルギーの一部分が、（１つ又は複数の）サンプル・ウェルに送達され得る。単一の導波路が、集積デバイスの中のピクセルの横列又は縦列に励起エネルギーを送達することが可能である。導波路は、サンプル・ウェルの中へ及び／又はサンプル・ウェルの近くの領域の中に延在するエバネッセント・テールを有する光学的なモードを担持することが可能である。サンプル・ウェルの近くに位置付けされている追加的なエネルギー・カップリング構造体が、エバネッセント・テールからのエネルギーをサンプル・ウェルの中へカップリングすることが可能である。代替的に又は追加的に、導波路からのエネルギーをサンプル・ウェルの付近に向けて方向付けするために、構造体が含まれ得る。
集積デバイスのピクセルの中の他のコンポーネントに対する導波路の位置及び配置は、励起エネルギーをサンプル・ウェルに向けてカップリングすることを改善するように、センサーによるエミッション・エネルギーの収集を改善するように、及び／又は、励起エネ
ルギーによってもたらされる信号雑音を低減させるように構成され得る。導波路は、サンプル・ウェルから放出されるエミッション・エネルギーとの干渉を低減させるように、サンプル・ウェルに隣接してサイズ決め及び位置付けされ得る。たとえば、サンプル・ウェルからのエミッションが、それがピクセルのセンサーへ伝播するときに、同じ材料を等しく通過するように、導波路の幅が増加させられ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルと導波路との間の距離及び導波路厚さは、導波路材料界面からの反射を最小化するように選択され得る。距離及び厚さは、導波路及び取り囲む材料の屈折率に依存することとなる。いくつかの実施形態では、導波路層は、おおよそ１．９０の屈折率及びおおよそ１００ｎｍの厚さを備える窒化ケイ素から構成されており、取り囲む材料は、おおよそ１．４６の屈折率を備える二酸化ケイ素である。いくつかの実施形態によれば、導波路によるエミッション・エネルギーの反射は、いくつかの実施形態では、約５％未満、いくつかの実施形態では、約２％未満、さらに、いくつかの実施形態では、約１％未満まで低減され得る。
導波路は、ピクセルを通過することが可能であり、また、図４−３Ｂの例示的な集積デバイスに示されているように、サンプル・ウェルとセンサーとの間に位置付けされ得る。しかし、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、導波路とセンサーとの間に位置付けされ得る。導波路は、たとえば、センサーと中心−中心で整合させられ得、導波路の中心が、サンプル・ウェルの中心と実質的に整合させられるようになっている。いくつかの実施形態では、導波路は、サンプル・ウェルとの中心−中心アライメントから変位させ得る。いくつかの実施形態では、２つの実質的に平行な導波路が、同じ波長又は異なる波長の励起エネルギーをピクセルに送達することが可能であり、サンプル・ウェルが、２つの導波路の間に位置付けされ得る。いくつかの実施形態では、集積デバイスの中の異なるレベルにおける複数の導波路が、集積デバイスの上に位置付けされている１つ又は複数のサンプル・ウェルの付近に向けて励起エネルギーを方向付けすることが可能である。
導波路は、単一横断方向の放射線モードをサポートするように寸法決めされ得、又は、マルチ横断方向の放射線モードをサポートするように寸法決めされ得る。いくつかの実施形態では、導波路は、その端部に形成された高反射セクションを有することが可能であり、それが、導波路の中の長手方向のスタンディング・モードをサポートするようになっている。いくつかの実施形態では、高反射セクションは、単一の高反射表面からなる。他の実施形態では、高反射セクションは、複数の反射構造体からなり、それらは、全体として、高反射率を結果として生じさせる。導波路は、導波路ビーム・スプリッターを使用して、より高い出力強度を有する単一の励起供給源からの励起エネルギーをスプリットし、単一の励起供給源から複数の励起エネルギー・ビームを生成させるように構成され得る。そのようなビーム・スプリッターは、エバネッセント・カップリング・メカニズムを含むことが可能である。
導波路の１つ又は複数のパラメーターは、励起エネルギーの１つ又は複数の波長を伝播するように選択され得る。導波路及び取り囲む材料の両方の材料は、導波路を通した励起エネルギーの伝播を改善するために選択され得る。導波路４−３０４ｂ及び取り囲む材料４−３１８の例が、図４−３Ｂに示されている。導波路又は取り囲む材料のいずれかのための材料が、特定の屈折率、又は、屈折率の組み合わせのために選択され得る。例示的な導波路材料は、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化タンタル（ＴａＯ２）、二酸化アルミニウムを含む。例示的な導波路を取り囲む材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）及び酸化ケイ素を含む。材料の組み合わせは、導波路、及び／又は、導波路を取り囲む材料のいずれかのために選択され得る。いくつかの実施形態では、導波路は、二酸化ケイ素によって取り囲まれる窒化ケイ素から作製されている。
追加的に、導波路の寸法は、励起エネルギーの伝播を改善するように選択され得る。例
示的な実施形態として、導波路は、おおよそ０．５μｍの断面幅及びおおよそ０．１μｍの断面高さを有することが可能であり、かつ、サンプル・ウェル層の下方おおよそ０．５μｍに位置決めされ得る。いくつかの場合には、導波路は、サンプル・ウェル層の下方おおよそ０．５μｍに位置決めされ得る。別の例示的な実施形態では、導波路は、おおよそ１μｍの断面幅及び０．１８μｍの断面高さを有することが可能であり、かつ、サンプル・ウェル層の下方０．３μｍに位置決めされ得る。
Ｃ．サンプル・ウェル
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０は、集積デバイスの１つ又は複数のピクセルにおいて形成され得る。サンプル・ウェルは、基板５−１０５の表面に形成された小さい体積又は領域からなることが可能であり、小さい体積又は領域は、図５−１に示されているように、サンプル５−１０１が、基板の表面の上に堆積された試料から、サンプル・ウェルの中へ、及び、サンプル・ウェルの外へ拡散し得るように、配置されている。さまざまな実施形態では、サンプル・ウェル５−２１０は、励起供給源５−２４０からの励起エネルギーを受け取るように配置され得る。サンプル・ウェルの中へ拡散するサンプル５−１０１は、一時的に又は永久的に、接着性物質（adherent）５−２１１によってサンプル・ウェルの励起領域５−２１５の中に保持され得る。励起領域において、サンプルは、励起エネルギー（たとえば、励起放射線５−２４７）によって励起され得、その後に放射線を放出することが可能であり、放射線は、観察及び評価され、サンプルを特徴付けることが可能である。
動作のさらなる詳細では、分析されることとなる少なくとも１つのサンプル５−１０１が、たとえば、サンプルの流体懸濁を含有する試料（図示せず）から、サンプル・ウェル５−２１０の中へ導入され得る。基板の上の励起供給源５−２４０からのエネルギーは、サンプル又は少なくとも１つのタグ（生物学的なマーカ、レポータ、又はプローブとも称される）を励起することが可能であり、少なくとも１つのタグは、サンプルに取り付けられており、又は、そうでなければ、それがサンプル・ウェルの中の励起領域５−２１５の中にある間に、サンプルに関連付けられている。いくつかの実施形態によれば、タグは、発光性分子（たとえば、発光性タグ又はプローブ）又は量子ドットであることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプルを分析するために使用される２つ以上のタグが存在することが可能である（たとえば、ジェイ．エイド（Ｊ．Ｅｉｄ）らによる「単一のポリメラーゼ分子からのリアルタイムＤＮＡシークエンシング（Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ ＤＮＡ Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｆｒｏｍ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）」、Ｓｃｉｅｎｃｅ ３２３、ｐ．１３３（２００９）（それは本願明細書に援用される）に説明されているような、単一分子遺伝子シークエンシングのために使用される別個のタグ）。励起の間に及び／又は励起の後に、サンプル又はタグは、エミッション・エネルギーを放出することが可能である。複数のタグが使用されるときには、それらは、異なる特性エネルギーで放出し、及び／又は、異なる時間特性によって放出することが可能である。サンプル・ウェルからのエミッションは、センサー３−２６０へ放射し、又は、そうでなければ、センサー５−２６０へ進むことが可能であり、センサー３−２６０において、それらは検出され、電気信号へと変換され、電気信号は、サンプルを特徴付けるために使用され得る。
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０は、図５−２に示されているように、部分的に囲まれた構造体であることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル５−２１０は、材料５−２３０の少なくとも１つの層の中に形成されたサブミクロン・サイズのホール又は開口部（少なくとも１つの横断方向の寸法Ｄｓｗによって特徴付けられる）からなる。いくつかのケースでは、ホールは、「ナノアパーチャ」と称され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの横断方向の寸法は、おおよそ２０ナノメートルからおおよそ１ミクロンの間であることが可能であるが、いくつ
かの実施形態では、より大きいサイズ及びより小さいサイズが使用され得る。サンプル・ウェル５−２１０の体積は、いくつかの実施形態では、約１０−２１リットルから約１０−１５リットルの間であることが可能である。サンプル・ウェルは、導波路として形成され得、導波路は、伝播モードをサポートすることが可能であり、又は、伝播モードをサポートすることが可能ではない。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、直径（又は、最大の横断方向の寸法）Ｄｓｗを備える円筒形状の形状（又は、他の形状）を有するナノアパーチャとして形成され得る。サンプル・ウェルが導波路構造であって、その導波路構造に入射する放射の選択した波長について伝播モードをサポートしないときには、サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルであるゼロ・モード導波路（ＺＭＷ）の役割を果たすことがある。ＺＭＷは、ナノ・スケール・ホールとして単一の金属層の中に形成され得、それは、ホールを通して伝播光学モードをサポートしない。
サンプル・ウェル５−２１０は小さい体積を有しているので、サンプルが、自然環境において見出されるものと同様の濃度で、検査される試料の中に濃縮され得るとしても、それぞれのピクセルにおける単一のサンプル・イベント（たとえば、単一分子イベント）の検出が可能である可能性がある。たとえば、サンプルのマイクロモル濃度は、集積デバイスに接触して設置されている試料の中に存在することが可能であるが、ピクセル・レベルにおいて、単に約１つだけのサンプル（又は、単一分子イベント）が、任意の所与の時間においてサンプル・ウェルの中にあることが可能である。統計的に、いくつかのサンプル・ウェルは、サンプルを含有しない可能性があり、いくつかは、２つ以上のサンプルを含有する可能性がある。しかし、かなりの数のサンプル・ウェルが、単一のサンプルを含有する可能性があり、多数のピクセルに関して、単一分子分析が並行して実施され得るようになっている。集積デバイスのサンプル・ウェルが統計的に、サンプルを収容しないか１つのサンプルしか収容しない可能性があるような寸法であることによって、単一分子の分析を行い得る。しかいながら、サンプル・ウェルは１つを超えるサンプルを収容してもよい。単一分子又は単一のサンプル・イベントが、それぞれのピクセルにおいて分析され得るので、集積デバイスは、そうでなければアンサンブル平均の中に気付かれずに終わる可能性のある珍しいイベントを検出することを可能にする。
サンプル・ウェルの横断方向の寸法Ｄｓｗは、いくつかの実施形態では、約５００ナノメートル（ｎｍ）から約１ミクロンの間であることが可能であり、いくつかの実施形態では、約２５０ｎｍから約５００ｎｍの間であることが可能であり、いくつかの実施形態では、約１００ｎｍから約２５０ｎｍの間であることが可能であり、さらに、いくつかの実施形態では、約２０ｎｍから約１００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの横断方向の寸法は、おおよそ８０ｎｍからおおよそ１８０ｎｍの間、又は、励起波長又はエミッション波長のおおよそ４分の１から８分の１の間であることが可能である。他の実施態様では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法は約１２０ｎｍ〜約１７０ｎｍである。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル５−２１０の深さ又は高さは、約５０ｎｍから約５００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル５−２１０の深さ又は高さは、約８０ｎｍから約２５０ｎｍの間であることが可能である。
サブ波長の横断方向の寸法を有するサンプル・ウェル５−２１０は、少なくとも２つの方式で、集積デバイスのピクセル５−１００の動作を改善することが可能である。たとえば、試料の反対側からサンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーは、指数関数的に減少するパワーを伴って励起領域５−２１５の中へカップリングすることが可能であり、サンプル・ウェルを通って試料へは伝播しない。結果として、励起エネルギーは、それが関心のサンプルを励起する励起領域の中で増加され、また、それが背景雑音に寄与し得る他のサンプルを励起するであろう試料の中で低減される。また、ウェルのベース（たとえば、センサー５−２６０のより近く）において保持されているサンプルからのエミッションは
、好ましくは、センサーに向けて方向付けされる。その理由は、サンプル・ウェルを通って上に伝播するエミッションが、高度に抑制されるからである。これらの効果の両方が、ピクセルにおける信号対雑音比を改善することが可能である。本発明者は、ピクセルにおける信号対雑音レベルをさらに引き上げるように改善され得るサンプル・ウェルのいくつかの態様を認識した。これらの態様は、サンプル・ウェル形状及び構造に関し、また、サンプル・ウェル、及び、サンプル・ウェルから放出された放射線と励起エネルギーをカップリングすることを支援する、隣接する光学的な及びプラズモニック構造体（下記に説明されている）に関する。
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０は、関心を持っている特定波長の伝播モードをサポートしない構成のナノアパーチャとして形成され得る。いくつかの場合には、ナノアパーチャは閾値波長よりも下にすべてのモードがある構成であり、そのアパーチャはサブ・カットオフ・ナノアパーチャ（ＳＣＮ）であり得る。たとえば、サンプル・ウェル５−２１０は、導電層の中の円筒形状のホール又はボアからなることが可能である。サンプル・ウェルの断面は、丸形である必要はなく、いくつかの実施形態では、楕円形、正方形、長方形、又は多角形であることが可能である。励起エネルギー５−２４７（たとえば、可視又は近赤外の放射線）は、エントランス・アパーチャ５−２１２を通ってサンプル・ウェルに進入することが可能であり、エントランス・アパーチャ５−２１２は、図５−２に示されているように、ウェルの第１の端部において、サンプル・ウェルの壁部５−２１４によって画定され得る。ＳＣＮとして形成されるときには、励起エネルギーは、ナノアパーチャの長さに沿って（たとえば、試料の方向に）指数関数的に減衰することが可能である。いくつかの実施形態では、導波路は、サンプルから放出された放射線に関するＳＣＮからなることが可能であるが、励起エネルギーに関するＳＣＮでなくてもよい。たとえば、サンプル・ウェルによって形成されるアパーチャ及び導波路は、励起エネルギーに関する伝播モードをサポートするのに十分に大きいことが可能である。その理由は、それが、放出される放射線よりも短い波長を有することが可能であるからである。より長い波長において、エミッションは、導波路の中の伝播モードに関するカットオフ波長を超えることが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０は、励起エネルギーに関するＳＣＮからなることが可能であり、励起エネルギーの最大強度が、サンプル・ウェル５−２１０へのエントランスにおいて、サンプル・ウェルの励起領域５−２１５に局所化されるようになっている（たとえば、図面に示されているように、層５−２３５と層５−２３０との間の界面の近くに局所化される）。そのような励起エネルギーの局所化は、サンプルからのエミッション・エネルギーの局所化を改善することが可能であり、また、観察されるエミッションを、単一のサンプル（たとえば、単一分子）から放出されたものに限定することが可能である。
ＳＣＮのエントランスの近くの励起局所化の例が、図５−３に示されている。数値シミュレーションが、ＳＣＮとして形成されたサンプル・ウェル５−２１０の中及び近くの励起放射線の強度を決定するために実施された。結果は、励起放射線の強度が、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャにおいて、入射エネルギーの約７０％であり、サンプル・ウェルの中の約１００ｎｍ以内で、入射強度の約２０％まで降下するということを示している。このシミュレーションに関して、励起エネルギーの特性波長は、６３３ｎｍであり、サンプル・ウェル５−２１０の直径は、１４０ｎｍであった。サンプル・ウェル５−２１０は、ゴールド・メタルの層の中に形成されていた。グラフの中のそれぞれの水平方向の区分は、５０ｎｍである。グラフによって示されているように、サンプル・ウェルの中に受け取られる励起エネルギーの半分より多くが、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャ５−２１２の中の約５０ｎｍに局所化される。
サンプル・ウェルにおいて局所化される励起エネルギーの強度を改善するために、他のサンプル・ウェル構造体が、本発明者によって開発及び検討された。図５−４は、サンプ
ル・ウェルの励起端部においてキャビティー又はディボット５−２１６を含む、サンプル・ウェルの実施形態を示している。図５−３のシミュレーション結果の中に見ることができるように、より高い励起強度の領域が、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャ５−２１２の直前に存在している。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルにディボット５−２１６を追加することは、サンプルがより高い励起強度の領域の中へ移動することを可能にする。いくつかの実施形態では、ディボットの形状及び構造は、（たとえば、層５−２３５とサンプル・ウェルの中の流体との間の屈折率の差に起因して）局所的な励起場を変更し、ディボットの中の励起エネルギーの強度をさらに増加させることが可能である。
ディボットは、任意の適切な形状を有することが可能である。ディボットは、たとえば、丸形、楕円形、正方形、長方形、多角形など、サンプル・ウェルの横断方向の形状に実質的に均等な横断方向の形状を有することが可能である。いくつかの実施形態では、ディボットの側壁部は、サンプル・ウェルの壁部と同様に、実質的に真っ直ぐで垂直方向であることが可能である。いくつかの実施形態では、ディボットの側壁部は、図面に示されているように、傾斜及び／又は湾曲していることが可能である。ディボットの横断方向の寸法は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法とおおよそ同じサイズであることが可能であり、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法よりも小さいことが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法よりも大きいことが可能である。ディボット５−２１６は、サンプル・ウェルを越えて、おおよそ１０ｎｍからおおよそ２００ｎｍの間に延在することが可能である。いくつかの実施形態では、ディボットは、サンプル・ウェルを越えて、おおよそ５０ｎｍからおおよそ１５０ｎｍの間に延在することが可能である。ディボットを形成することによって、励起領域５−２１５は、図５−４に示されているように、サンプル・ウェルの外側に延在することが可能である。
図５−５は、ディボットを含有するサンプル・ウェルに関する励起領域の励起エネルギーの改善を示している（左のシミュレーション・イメージに示されている）。比較のために、励起場が、ディボットなしのサンプル・ウェルに関してもシミュレートされ、それは、右側に示されている。場の大きさは、これらのプロットの中のカラー・レンダリングから変換されており、ディボットのベースにおける暗い領域は、サンプル・ウェルの中の光領域よりも高い強度を表している。サンプル・ウェルの上方の暗い領域は、最低の強度を表している。見ることができるように、ディボットは、サンプル５−１０１がより高い励起強度の領域へ移動することを可能にし、また、ディボットは、サンプル・ウェルの励起端部において、最高強度の領域の局所化を増加させる。高い強度の領域は、ディボットなしのサンプル・ウェルに関して、より多く分散されるということに留意されたい。いくつかの実施形態では、ディボット５−２１６は、励起領域において、２倍以上の励起エネルギーの増加を提供する。いくつかの実施形態では、２倍以上の増加は、ディボットの形状及び深さに応じて得られ得る。これらのシミュレーションでは、サンプル・ウェルを含む層はアルミニウムを含有し、約１００ｍの厚さを有し、ディボットは約５０ｎｍの深さを有し、励起エネルギーの波長は６３５ｎｍである。
図５−６は、サンプル・ウェル５−２１０の別の実施形態を示しており、そこでは、サンプル・ウェルが、基板の表面における突出部５−６１５に形成されている。結果として生じるサンプル・ウェルに関する構造体は、図５−１に示されているサンプル・ウェルと比較して、サンプルにおける励起エネルギーを２倍以上増加させることが可能であり、サンプル・ウェルからセンサー５−２６０へのエミッションを濃縮することが可能である。いくつかの実施形態によれば、突出部５−６１５は、材料の第１の層５−６１０の中でパターニングされている。いくつかの実施形態では、突出部は導波路を含んでなる。突出部は、いくつかの実施形態では、矩形の断面を有したリッジとして形成され得、材料の第２
の層５−６２０が、第１の層及び突出部の上方に堆積され得る。突出部において、第２の層は、示されているように、円筒形の部分５−６２５を近似する突出部の上方の形状を形成することが可能である。いくつかの実施形態では、導電層５−２３０（たとえば、反射金属）が、第２の層５−６２０の上方に堆積され、突出部の上方の導電層の中にサンプル・ウェル５−２１０を形成するようにパターニングされ得る。次いで、ディボット５−２１６が、第２の層の中へエッチングされ得る。ディボットは、導電層５−２３０の下方に、約５０ｎｍから約１５０ｎｍの間に延在することが可能である。いくつかの実施形態によれば、第１の層５−６１０及び第２の層５−６２０は、光学的に透明であることが可能であり、同じ材料から形成されてもよいし、又は形成されなくてもよい。いくつかの実施形態では、第１の層５−６１０は、酸化物（たとえば、ＳｉＯ２）又は窒化物（たとえば、Ｓｉ３Ｎ４）から形成され得、第２の層５−６２０は、酸化物又は窒化物から形成され得る。
いくつかの実施形態によれば、突出部５−６２５の上方の導電層５−２３０は、おおよそ円筒形の反射体５−６３０として形状決めされている。円筒形の部分の形状は、突出部高さｈ、突出部の幅又は横断方向の寸法ｗ、及び、第２の層５−６２０の厚さｔの選択によって制御され得る。励起領域の場所及びサンプルの位置は、ディボット深さｄの選択によって、円筒形の反射体の光学的な焦点に対して調節され得る。円筒形の反射体５−６３０は、励起領域５−２１５に励起エネルギーを集中させることが可能であり、また、サンプルから放出された放射線を収集し、センサー５−２６０に向けて放射線を反射及び集中させることが可能であるということが理解され得る。
上述のように、サンプル・ウェルは、任意の適切な形状で形成され得、円筒形状だけに限定されない。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、円錐、４面体、５面体などであることが可能である。図５−７Ａ〜図５−７Ｆは、いくつかの実施形態において使用され得るいくつかの例示的なサンプル・ウェル形状及び構造を図示している。サンプル・ウェル５−２１０は、いくつかの実施形態によれば、励起エネルギーに関する出口アパーチャ５−２１８よりも大きいエントランス・アパーチャ５−２１２を有するように形成され得る。サンプル・ウェルの側壁部は、テーパが付けられ、又は、湾曲していることが可能である。サンプル・ウェルをこのように形成することは、より多くの励起エネルギーが励起領域に入ることを許すことが可能であり、試料に向けて進む励起エネルギーをさらに目に見えて減衰させることが可能である。追加的に、サンプルによって放射されるエミッションは、より大きいアパーチャを備えるサンプル・ウェルの端部に向けて、その方向への好ましいエネルギー伝達に起因して、優先的に放射することが可能である。
いくつかの実施形態では、ディボット５−２１６は、図５−７Ｂに示されているように、サンプル・ウェルのベースよりも小さい横断方向の寸法を有することが可能である。より小さいディボットは、ディボットをエッチングする前に、サンプル・ウェルの側壁部を犠牲層によってコーティングし、その後に、犠牲層を除去することによって形成され得る。より小さいディボットは、サンプル・ウェルの導電性壁部からより等距離にある領域の中にサンプルを保持するように形成され得る。サンプル・ウェルの壁部から等距離にサンプルを保持することは、放射しているサンプルへの、サンプル・ウェル壁部の望ましくない効果、たとえば、エミッションの消光、及び／又は、放射線寿命時間の変更を低減させることが可能である。
図５−７Ｃ及び図５−７Ｄは、サンプル・ウェルの別の実施形態を示している。この実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０は、励起エネルギー増強構造体５−７１１と、励起エネルギー増強構造体に隣接して形成された接着性物質５−２１１とからなることが可能である。エネルギー増強構造体５−７１１は、いくつかの実施形態によれば、光学的に透明な層５−２３５の上の導電性材料の中に形成された表面プラズモン又はナノ・
アンテナ構造体からなることが可能である。図５−７Ｃは、サンプル・ウェル５−２１０及び直ぐ近くの構造体の立面図を示しており、図５−７Ｄは、平面図を示している。励起エネルギー増強構造体５−７１１は、小さい局所化された領域の中に励起エネルギーを増強するように、形状決め及び配置され得る。たとえば、構造体は、サンプル・ウェルにおいて、鋭角を有する先の尖った導体を含むことが可能であり、それは、励起領域５−２１５の中の励起エネルギーの強度を増加させる。示されている例では、励起エネルギー増強構造体５−７１１は、ちょうネクタイの形態になっている。領域の中へ拡散するサンプル５−１０１は、接着性物質５−２１１によって、一時的に又は永久的に保持され、また、サンプル・ウェル５−２１０に隣接して位置付けされている励起供給源５−２４０から送達され得る励起エネルギーによって励起され得る。いくつかの実施形態によれば、励起エネルギーは、エネルギー増強構造体５−７１１の中の表面プラズモン電流を駆動することが可能である。結果として生じる表面プラズモン波は、構造体５−７１１の鋭く尖った先において高い電界を作り出すことが可能であり、これらの高い電界は、励起領域５−２１５の中に保持されているサンプルを励起することが可能である。いくつかの実施形態では、図５−７Ｃに示されているサンプル・ウェル５−２１０は、ディボット５−２１６を含むことが可能である。
サンプル・ウェルの別の実施形態が、図５−７Ｅに示されており、サンプル・ウェル５−２１０の内部壁部に沿って形成された励起エネルギー増強構造体５−７２０を示している。励起エネルギー増強構造体５−７２０は、金属又は導体からなることが可能であり、角度付き（又は、シャドウ）の指向性堆積を使用して形成され得、そこでは、サンプル・ウェルがその上に形成される基板が、堆積の間に回転させられる。堆積の間に、サンプル・ウェル５−２１０のベースは、ウェルの上側壁部によって覆い隠されており、堆積される材料がベースに蓄積しないようになっている。結果として生じる構造体５−７２０は、構造体の底部において鋭角５−７２２を形成することが可能であり、導体のこの鋭角は、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増強することが可能である。
図５−７Ｅに示されている実施形態では、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料５−２３２は、導体である必要はなく、任意の適切な誘電体であることが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０及び励起エネルギー増強構造体５−７２０は、誘電体層５−２３５の中へエッチングされた有底のホールに形成され得、別々の層５−２３２が堆積させられる必要はない。
いくつかの実施形態では、シャドウ・エバポレーションが、その後に、図５−７Ｅに示されている構造体の上に行われ、サンプル・ウェルのベースにおいて、金属製の又は導電性のエネルギー増強構造体、たとえば、点線によって示されているように、台形の構造体又は先の尖った円錐を堆積させることが可能である。エネルギー増強構造体は、表面プラズモンを介して、サンプル・ウェルの中に励起エネルギーを増強することが可能である。シャドウ・エバポレーションの後に、平坦化プロセス（たとえば、化学的で機械的なポリッシング工程又はプラズマ・エッチング・プロセス）が行われ、サンプル・ウェルの上部において、エネルギー増強構造体をウェルの中に残しながら、堆積された材料を除去し、又はエッチ・バックする（ｅｔｃｈ ｂａｃｋ）ことが可能である。
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル５−２１０は、単一の金属層よりも多くから形成され得る。図５−７Ｆは、多層構造体の中に形成されたサンプル・ウェルを図示しており、異なる材料が、異なる層に関して使用され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０は、第１の層５−２３２（それは、半導体材料又は導電性材料であることが可能である）、第２の層５−２３４（それは、絶縁体又は誘電体であることが可能である）、及び第３の層５−２３０（それは、導体又は半導体であることが可能である）の中に形成され得る。いくつかの実施形態では、縮退的にドープされた半導体又
はグラフェンが、サンプル・ウェルの層に関して使用され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、２つの層の中に使用され得、他の実施形態では、サンプル・ウェルは、４つ以上の層の中に形成され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成するために使用される多層材料は、サンプル・ウェルに入射する励起放射線によって生成され得る界面の励起子を増加し又は抑制するように選択され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成するために使用される多層材料は、サンプル・ウェルのベースにおいて表面プラズモン発生を増加させ、又は、ウェルの上部において、表面プラズモン放射線を抑制するように選択され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成するために使用される多層材料は、サンプル・ウェル及び多層構造体を越えてバルク試料の中へ伝播する励起放射線を抑制するように選択され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの形成に用いられる多層材料は、サンプル・ウェルに入射する励起放射線によって生成され得る界面の励起子を増加し又は抑制するように選択され得る。
さまざまな材料が、先述の実施形態において説明されているサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０は、材料５−２３０の少なくとも１つの層から形成され得、材料５−２３０は、導電性材料、半導体、及び絶縁体のうちのいずれか１つ又はそれらの組み合わせからなることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル５−２１０は、高度に導電性の金属製の層、たとえば、金、銀、アルミニウム、銅からなる。いくつかの実施形態では、層５−２３０は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、窒化チタン、パラジウム、プラチナ、及びクロムのうちのいずれか１つ又はそれらの組み合わせを含む多層スタックからなることが可能である。いくつかの実施形態では、他の金属は、追加的に又は代替的に使用され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルは、ＡｌＣｕ又はＡｌＳｉなどのような、合金からなることが可能である。
いくつかの実施形態では、異なる金属又は合金の複数の層が、サンプル・ウェルを形成するために使用され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル３−２１０がその中に形成される材料は、金属及び非金属の交互層、たとえば、金属及び１つ又は複数の酸化物の交互層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、非金属は、ポリビニルホスホン酸又はポリエチレングリコール（ＰＥＧ）−チオールなどのような、ポリマーを含むことが可能である。
サンプル・ウェルがその中に形成される層５−２３０は、いくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの光学的に透明な層５−２３５の上に、又は、少なくとも１つの光学的に透明な層３−２３５に隣接して堆積され得、（光学的な放射線の形態、たとえば可視又は近赤外の放射線の）励起エネルギー及び（光学的な放射線の形態、たとえば可視又は近赤外の放射線の）エミッション・エネルギーが、ほとんど減衰なしに、サンプル・ウェル５−２１０へ、及び、サンプル・ウェル５−２１０から進むことが可能であるようになっている。たとえば、励起供給源５−２４０からの励起エネルギーは、少なくとも１つの光学的に透明な層５−２３５を通過し、励起領域５−２１５に至ることが可能であり、サンプルからのエミッションは、１つ又は複数の同じ層を通過し、センサー５−２６０に至ることが可能である。
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル５−２１０の少なくとも１つの表面が、図５−８に示されているように、サンプル・ウェルの中のサンプルの作用に影響を及ぼす材料の１つ又は複数の層５−２１１、５−２８０によってコーティングされ得る。たとえば、薄い誘電体層５−２８０（たとえば、アルミナ、窒化チタン、又はシリカ）が、サンプル・ウェルの側壁部の上に、不動態化コーティングとして堆積され得る。そのようなコーティングは、励起領域５−２１５の外側のサンプルのサンプル付着を低減させるように、又は、サンプルとサンプル・ウェル５−２１０がその中に形成されている材料５−２３０
との間の相互作用を低減させるように実施され得る。サンプル・ウェルの中の不動態化コーティングの厚さは、いくつかの実施形態によれば、約５ｎｍから約５０ｎｍの間であることが可能である。
いくつかの実施形態では、コーティング層５−２８０のための材料は、その材料に関する化学剤の親和性に基づいて選択され得、層５−２８０は、化学的な又は生物学的な物質によって処置され、層へのサンプル種の付着をさらに阻止し得るようになっている。たとえば、コーティング層５−２８０は、アルミナからなることが可能であり、それは、いくつかの実施形態によれば、ポリホスホネート不動態化層によって不動態化され得る。追加的な又は代替的なコーティング剤及び不動態化剤が、いくつかの実施形態では使用され得る。
いくつかの実施形態によれば、少なくともサンプル・ウェル５−２１０の底部表面及び／又はディボット５−２１６は、化学的な又は生物学的な接着性物質５−２１１（たとえば、ビオチン）によって処置され、サンプルの保持を推進させることが可能である。サンプルは、たとえば、少なくとも約０．５ミリ秒から約５０ミリ秒の間の時間の期間にわたって、永久的に又は一時的に保持され得る。別の実施形態では、接着性物質は、より長い期間にわたるサンプル５−１０１の一時的な保持を推進することが可能である。任意の適切な接着性物質は、さまざまな実施形態において使用され得、ビオチンに限定されない。
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルに隣接する材料５−２３５の層は、その層の材料に関する接着性物質の親和性に基づいて選択され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの側壁部の不動態化は、側壁部の上の接着性物質のコーティングを阻止することが可能であり、接着性物質５−２１１がサンプル・ウェルのベースに優先的に堆積するようになっている。いくつかの実施形態では、接着性物質コーティングは、サンプル・ウェルの側壁部の一部分の上に延在することが可能である。いくつかの実施形態では、接着性物質は、異方性の物理的な堆積プロセス（たとえば、エバポレーション、スパッタリング）によって堆積され得、接着性物質がサンプル・ウェルのベース又はディボットに蓄積するように、及び、サンプル・ウェルの側壁部の上に目に見えて形成しないようになっている。
さまざまな製作技法が、集積デバイスのためのサンプル・ウェル５−２１０を製作するために用いられ得る。いくつかの例示的なプロセスが、下記に説明されているが、しかし、本発明は、これらの例だけに限定されない。
サンプル・ウェル５−２１０は、任意の適切なマイクロ・ファブリケーション又はナノ・ファブリケーション・プロセスによって形成され得、それは、それに限定されないが、フォトリソグラフィー、深紫外線フォトリソグラフィー、液浸フォトリソグラフィー、近接場光学コンタクト・フォトリソグラフィー、ＥＵＶリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、ナノ・インプリント・リソグラフィー、インターフェロメトリック・リソグラフィー、工程・アンド・フラッシュ・リソグラフィー、ダイレクト・ライト・電子ビーム・リソグラフィー、イオン・ビーム・リソグラフィー、イオン・ビーム・ミリング、リフト・オフ・プロセッシング、反応性イオン・エッチングなどに関連付けられているプロセッシング工程を含むことが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０は、フォトリソグラフィー及びリフト・オフ・プロセッシングを使用して形成され得る。サンプル・ウェルのリフト・オフ・プロセッシングに関連付けられている例示的な製作工程が、図５−９に示されている。ピクセルにおいて、単一のサンプル・ウェル又は構造体だけの製作が典型的に図面に示されているが、多数のサンプル・ウェル又は構造体が、（たとえば、それぞれのピクセルにおいて）並行して基板の上に製作され得るということが理解されることとなる。
いくつかの実施形態によれば、基板の上の層５−２３５（たとえば、酸化物層）は、図５−９Ａに示されているように、反射防止（ＡＲＣ）層５−９１０及びフォトレジスト５−９２０によって被覆され得る。フォトレジストは、フォトリソグラフィー及びレジストの現像を使用して、露出及びパターニングされ得る。レジストは、（レジスト・タイプに応じて）露出された部分又は露出されていない部分を除去するように現像され、ピラー５−９２２を残すことが可能であり、ピラー５−９２２は、図５−９Ｂに示されているように、サンプル・ウェルに関する所望の直径におおよそ等しい直径を有している。ピラーの高さは、サンプル・ウェルの所望の深さとは有意に異なっている可能性がある。たとえば、ピラーの高さはサンプル・ウェルの所望の深さよりも有意に大きいことが可能である。
ピラー５−９２２のパターンは、たとえば図５−９Ｃに示されているように、異方性の反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を介してＡＲＣ層５−９１０に伝達され得る。次いで、領域は、サンプル・ウェルを形成するために望まれる少なくとも１つの材料５−２３０、たとえば、導体又は金属によってコーティングされ得る。堆積された１つ又は複数の材料の一部分は、図５−９Ｄに示されているように、ピラー５−９２２の上方にキャップ５−２３２を形成している。次いで、レジスト及びＡＲＣは、選択的な除去プロセスを使用して（たとえば、少なくともレジストを溶解させ、キャップを解放又は「リフト・オフ」する、撹拌ありの又はなしの化学浴を使用して）、基板から剥がされ得る。ＡＲＣが残っている場合には、それは、選択的エッチを使用して基板から剥がされ、図５−９Ｅに示されているように、サンプル・ウェル５−２１０を残すことが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの側壁部５−２１４は、少なくとも１つの材料５−２３０の堆積の性質に起因して、傾斜していることが可能である。
本明細書で使用されているように、「選択的エッチ」は、除去されることが意図されない他の材料をエッチャントがエッチングするよりも高いレート（たとえば、少なくとも２倍のレート）で除去又はエッチングされることが望まれる１つの材料を、エッチャントが選択的にエッチングする、エッチング・プロセスを意味している。
レジスト及びＡＲＣは、典型的にポリマー・ベースのものであるので、それらは、軟質の材料であると考えられ、それは、高いアスペクト比（たとえば、高さ−対−幅に関して約２：１よりも大きいアスペクト比）を有するサンプル・ウェルを形成するのに適切でないことがある。より高いアスペクト比を有するサンプル・ウェルのために、硬質の材料が、リフト・オフ・プロセスの中に含まれ得る。たとえば、ＡＲＣ及びフォトレジストを堆積させる前に、硬質の層（たとえば、無機材料）が堆積され得る。いくつかの実施形態では、チタン又は窒化ケイ素の層が堆積され得る。硬質の材料の層は、サンプル・ウェルがその中に形成される１つ又は複数の材料５−２３０の上方に優先的なエッチングを示すべきである。フォトレジストがパターニングされた後で、ピラーのパターンが、ＡＲＣの中へ伝達され得、下層にある硬質の材料５−９３０が、図５−９Ｆに示されているような構造体を生み出す。次いで、フォトレジスト及びＡＲＣが剥がされ得、材料５−２３０が堆積され、リフト・オフ工程が行われ、サンプル・ウェルを形成する。
いくつかの実施形態によれば、リフト・オフ・プロセスは、図５−７Ｃ及び図５−７Ｄに示されているように、エネルギー増強構造体５−７１１からなるサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。
サンプル・ウェルを形成するための代替的なプロセスが、図５−１０に示されている。このプロセスでは、サンプル・ウェルは、少なくとも１つの材料５−２３０の中へ直接的にエッチングされ得る。たとえば、サンプル・ウェルがその中に形成されることとなる少なくとも１つの材料５−２３０が、基板の上に堆積され得る。層は、図５−１０Ａに図示
されているように、ＡＲＣ層５−９１０及びフォトレジスト５−９２０によって被覆され得る。フォトレジストは、図５−１０Ｂに示されているように、サンプル・ウェルの所望の直径におおよそ等しい直径を有するホールを形成するようにパターニングされ得る。ホールのパターンは、たとえば図５−１０Ｃに示されているように、異方性の反応性イオン・エッチを使用して、５−２３０を通してＡＲＣに伝達され得る。レジスト及びＡＲＣは、剥がされ、図５−１０Ｄに示されているようなサンプル・ウェルを生み出すことが可能である。いくつかの実施形態によれば、エッチングによって材料５−２３０の層の中へ形成されるサンプル・ウェルの側壁部は、リフト・オフ・プロセスから結果として生じる側壁部よりも垂直になっていることが可能である。
いくつかの実施形態では、フォトレジスト及びＡＲＣは、材料５−２３０の上にハード・マスク（たとえば、窒化ケイ素又は酸化物層。図示せず）をパターニングするために使用され得る。次いで、パターニングされたホールは、ハード・マスクに伝達され得、ハード・マスクは、次いで、材料５−２３０の層の中へパターンを伝達するために使用される。ハード・マスクは、材料５−２３０の層の中へのより大きいエッチング深さを可能にすることができ、より高いアスペクト比のサンプル・ウェルを形成するようになっている。
サンプル・ウェルがその中に形成される材料５−２３０のスタックを形成するために、異なる材料の複数の層が使用されるときに、上記に説明されているリフト・オフ・プロセス及びダイレクト・エッチング製作技法が、サンプル・ウェルを形成するために使用され得るということが認識されることとなる。例示的なスタックが、図５−１１に示されている。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの励起領域への励起エネルギーのカップリングを改善するために、又は、バルク試料の中への励起エネルギーの伝送又は再放射を低減させるために、材料のスタックがサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。たとえば、吸収層５−９４２が、第１の層５−９４０の上に堆積させられ得る。第１の層は、金属又は金属合金からなることが可能であり、吸収層は、表面プラズモンを阻止する材料、たとえば、アモルファス・シリコン、ＴａＮ、ＴｉＮ、又はＣｒからなることが可能である。また、いくつかの実施形態では、表面層５−９４４は、サンプル・ウェルを取り囲む表面を不動態化させる（たとえば、分子の付着を阻止する）ために堆積され得る。
ディボット５−２１６を含んでなるサンプル・ウェルの形成は、任意の適切な様式で行われ得る。いくつかの実施形態では、ディボットは、サンプル・ウェルに隣接して、エッチングによって、さらに、隣接する層５−２３５、及び／又は任意の１つ又は複数の介在層の中へ形成され得る。たとえば、材料５−２３０の層の中にサンプル・ウェルを形成した後に、その層５−２３０は、図５−１２に示されているように、ディボットをパターニングするためのエッチ・マスクとして使用され得る。たとえば、基板は、選択的な異方性の反応性イオン・エッチを受けることが可能であり、ディボット５−２１６が、隣接する層５−２３５の中へエッチングされ得るようになっている。たとえば、材料５−２３０が金属製であり、隣接する層５−２３５が酸化ケイ素である実施形態では、ＣＨＦ３又はＣＦ４からなるフィード・ガスを有する反応性イオン・プラズマ・エッチが使用され、サンプル・ウェルの下方の露出された酸化ケイ素を優先的に除去し、ディボット５−２１６を形成することが可能である。本明細書で使用されているように、「酸化ケイ素」は、一般的に、ＳｉＯｘを表しており、たとえば、二酸化ケイ素を含むことが可能である。
いくつかの実施形態では、エッチの間のプラズマの中の条件（たとえば、基板に対するバイアス及び圧力）は、ディボットのエッチ・プロファイルを決定するように制御され得る。たとえば、低い圧力（たとえば、約１００ｍＴｏｒｒ未満）及び高いＤＣバイアス（たとえば、約２０Ｖより大きい）において、エッチングは、高度に異方性であり、図面に示されているように、実質的に真っ直ぐで垂直になっているディボットの側壁部を形成す
ることが可能である。より高い圧力及びより低いバイアスにおいて、エッチングは、より等方性であり、テーパが付けられ及び／又は湾曲しているディボットの側壁部を生み出すことが可能である。いくつかの実施形態では、ウェット・エッチが、ディボットを形成するために使用され得、それは、実質的に等方性であり、サンプル・ウェルの側壁部まで、又は、サンプル・ウェルの側壁部を越えて、材料３−２３０の下に横方向に延在し得るおおよそ球形のディボットを形成することが可能である。
図５−１３Ａから図５−１３Ｃは、サンプル・ウェル５−２１０よりも小さい横断方向の寸法を有するディボット５−２１６（たとえば、図５−７Ｂに示されているもののようなディボット）を形成するために使用され得るプロセス工程を示している。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成した後に、コンフォーマルな犠牲層５−９６０が、サンプル・ウェルを含む領域の上に堆積され得る。いくつかの実施形態によれば、犠牲層５−９６０は、たとえば、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ、又は原子層堆積（ＡＬＤ）など、蒸着プロセスによって堆積させられ得る。次いで、犠牲層は、犠牲層５−９６０に対して選択的な第１の異方性エッチを使用してエッチ・バックされ、水平方向の表面から層を除去し、図５−１３Ｂに示されているように、サンプル・ウェルの壁部の上に側壁部コーティング５−９６２を残すことが可能である。エッチ・バックは、選択的であり、いくつかの実施形態では、材料５−２３０及び隣接する層５−２３５の上で止まることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、タイミングを選んで行われる非選択的なエッチであることが可能である。
隣接する層５−２３５に対して選択的な第２の異方性エッチが、図５−１３Ｃに示されているように、隣接する層の中へディボット５−２１６をエッチングするために実行され得る。次いで、犠牲側壁部コーティング５−９６２が、随意的に、選択的なウェット・エッチ又はドライ・エッチによって除去され得る。側壁部コーティングの除去は、ディボット５−２１６よりも大きい横断方向の寸法を有するようにサンプル・ウェルを開口する。
いくつかの実施形態によれば、犠牲層５−９６０は、隣接する層５−２３５と同じ材料からなることが可能である。そのような実施形態では、第２のエッチは、ディボットが隣接する層５−２３５の中へエッチングされるときに、側壁部コーティング５−９６２のうちの少なくともいくつかを除去することが可能である。側壁部コーティングのこのエッチ・バックは、いくつかの実施形態では、テーパが付けられているディボットの側壁部を形成することが可能である。
いくつかの実施形態では、犠牲層５−９６０は、サンプル・ウェルの側壁部を不動態化する（たとえば、サンプル・ウェルの側壁部におけるサンプルの付着を低減させる）ために使用される材料から形成され得、又は、その材料の層を含むことが可能である。次いで、層５−９６０のうちの少なくともいくつかは、ディボットの形成の後に、サンプル・ウェルの壁部の上に残され得る。
いくつかの実施形態によれば、側壁部コーティング３−９６２の形成は、ディボットの形成の後に起こる。そのような実施形態では、層３−９６０が、ディボットの側壁部をコーティングしている。そのようなプロセスは、ディボットの側壁部を不動態化するために、及び、ディボットの中心領域内にサンプルを局所化するために使用され得る。
サンプル・ウェル５−２１０のベース、及び、不動態化層５−２８０に、接着性物質５−２１１を堆積させることに関連付けられるプロセス工程が、図５−１５に示されている。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルの壁部の上に第１の不動態化層５−２８０を含むことが可能である。第１の不動態化層は、たとえば、図５−１３Ｂ又は図５−８に関連して上記に説明されているように形成され得る。いくつか
の実施形態では、第１の不動態化層５−２８０は、任意の適切な堆積プロセス及びエッチ・バックによって形成され得る。いくつかの実施形態では、第１の不動態化層は、サンプル・ウェルがその中に形成される材料５−２３０を酸化させることによって形成され得る。たとえば、サンプル・ウェルは、アルミニウムから形成され得、アルミニウムは酸化させられ、サンプル・ウェルの側壁部の上にアルミナのコーティングを生成させることが可能である。
接着性物質５−９８０又は接着性物質前駆体（たとえば、接着性物質に優先的に結合する材料）は、図５−１４Ａに示されているように、異方性の物理的な堆積プロセス、たとえば、蒸着を使用して、基板の上に堆積され得る。接着性物質又は接着性物質前駆体は、図５−１４Ｂに示されているように、サンプル・ウェルのベースに接着性物質層５−２１１を形成することが可能であり、サンプル・ウェルがその中に形成される材料５−２３０の上側表面をコーティングすることが可能である。図５−１４Ｃに示されている、その後の角度付きの指向性堆積（シャドウ堆積又はシャドウ・エバポレーション・プロセスと称される場合もある）が、接着性物質層５−２１１を被覆することなく、材料５−２３０の上側表面の上に第２の不動態化層５−２８０を堆積させるために使用され得る。シャドウ堆積プロセスの間に、基板が、基板に対して垂直の軸線の周りに回転させられ得、第２の不動態化層５−２８０が、サンプル・ウェルの上側リムの周りにより均一に堆積するようになっている。結果として生じる構造体が、いくつかの実施形態によれば、図５−１４Ｄに示されている。第２の不動態化層を堆積させることの代替として、平坦化エッチ（たとえば、ＣＭＰ工程）が、材料５−２３０の上側表面から接着性物質を除去するために使用され得る。
いくつかの実施形態によれば、接着性物質層５−２１１は、図５−１５に示されているように、テーパが付けられているサンプル・ウェルのベースにおいて、中央に堆積させられ得る。たとえば、接着性物質又は接着性物質前駆体は、図３−１４Ａに示されているように、上記に説明されているように形成された、テーパが付けられているサンプル・ウェルの中に、一方向に堆積させられ得る。サンプル・ウェルの壁部は、接着性物質層５−２１１の堆積の前又は後の酸化プロセスによって不動態化され得る。材料５−２３０の表面の上に残っている接着性物質又は前駆体は、図５−１４Ｄに関連して説明されているように不動態化され得る。いくつかの実施形態では、材料５−２３０の上側表面の上の接着性物質は、化学的で機械的なポリッシング工程によって除去され得る。サンプル・ウェルのベースにおいて、接着性物質層又は接着性物質層前駆体を中央に形成することによって、サンプルからのエミッションに対する有害な効果（たとえば、サンプル壁部からのサンプル放射線の抑制又は消光、サンプル・ウェルの周りに形成されたエネルギー・カップリング構造体に対してサンプルが中央に位置付けされていないことに起因する、サンプルからの好ましくない放射線分布、サンプルに関する発光寿命時間に対する悪影響）が低減され得る。
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル及びディボットを形成するために使用されるリフト・オフ・パターニング、エッチング、及び堆積プロセスは、集積デバイスの上に集積されたＣＭＯＳ回路を形成するために使用されるＣＭＯＳプロセスと互換性があることが可能である。したがって、集積デバイスは、従来のＣＭＯＳ設備及び製作技法を使用して製作され得るが、いくつかの実施形態では、特注の又は専門の製作設備も使用され得る。
上記に説明されているプロセス工程の変形例が、サンプル・ウェルの代替的な実施形態を形成するために使用され得る。たとえば、図５−７Ａ又は図５−７Ｂに示されているものなどのような、テーパが付けられているサンプル・ウェルが、図５−１４Ｃに示されている角度付きの堆積プロセスを使用して形成され得る。図５−７Ｂのサンプル・ウェルに
関して、堆積の角度は、堆積プロセスの間に変化させられ得る。そのような実施形態に関して、実質的に真っ直ぐで垂直になっている側壁部を有するサンプル・ウェルが最初に形成され、次いで、追加的な材料５−２３０が、角度付きの堆積によって堆積され、サンプル・ウェルの側壁部にテーパを付けることが可能である。
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル５−２１０は、励起供給源が形成された後に、ピクセルに形成され得る。たとえば、ピクセルに関する励起供給源は、ピクセルの中又は外側において、集積デバイスの上の別の領域及び／又は別のレベルにおいて形成され得る。励起供給源のタイプは、サンプル・ウェル５−２１０を製作するために使用される工程に、プロセッシング制約を加えることが可能である。たとえば、励起供給源が有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）からなる場合には、サンプル・ウェル５−２１０を製作するために使用されるプロセッシング工程は、約１００℃よりも高い温度を超えなくてもよい。さらに、プロセッシング工程は、過酷な化学的環境又は酸化環境にＯＬＥＤを曝さなくてもよい。
Ｄ． サンプル・ウェルへの励起エネルギーのカップリング
集積デバイスの１つ又は複数のサンプル・ウェルへの励起エネルギーのカップリングは、１つ又は複数の技法によって起こることが可能である。先に議論されているように、いくつかの実施形態では、導波路は、励起供給源とともに、１つ又は複数のサンプル・ウェルにカップリングするように位置決めされている。励起エネルギーが導波路に沿って伝播するときに、励起エネルギーの一部分は、さまざまな光カップリング技法によって、１つ又は複数のサンプル・ウェルにカップリングすることが可能である。たとえば、導波路は、励起エネルギーを実質的に１つの方向にガイドすることが可能であり、エバネッセント波又はエバネッセント・テールは、この１つの方向に対して垂直に形成することが可能であり、いくつかの場合には、導波路構造体の外側に位置付けされ得る。そのようなエバネッセント・テールは、励起エネルギーの一部分を１つ又は複数のサンプル・ウェルに向けて方向付けすることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル層は、サンプル・ウェルの中の局所化された領域に励起エネルギーを方向付けするように設計及び構成され得る。サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルの局所化された領域の中にサンプルを保持するように構成され得、励起エネルギーがサンプルに向けて方向付けされるようになっている。
図４−５Ａ及び図４−５Ｂは、集積デバイスの断面図であり、励起エネルギーをサンプル・ウェルの中へカップリングするために導波路を使用することの例示的な説明図を提供している。図４−５Ａは、サンプル・ウェル層４−５１６の中のサンプル・ウェル４−５０８に近接して位置決めされている導波路４−５Ａを示す断面概略図である。励起エネルギーは、導波路に沿って図４−５Ａの視野に対して垂直の方向に伝播する。導波路にサンプル・ウェルが近接していることは、励起エネルギーがサンプル・ウェルの中へカップリングすることを可能にする。図４−５Ｂは、サンプル・ウェル４−５０８及びサンプル・ウェル層４−５１６の領域の接近した図を図示しており、サンプル・ウェル４−５０８の中に位置付けされている励起エネルギーを示している。
１つ又は複数のサンプル・ウェルの中へ励起エネルギーをカップリングすることを改善又は増強するために、コンポーネントが、追加的に集積デバイスの中に形成され得る。これらの追加的なコンポーネントは、それぞれのピクセルの中に形成され得、それは、導波路からの励起エネルギーをピクセルの中へ及びサンプル・ウェルに向けてカップリングする。ピクセルの中に位置付けされている１つ又は複数のコンポーネントは、導波路からの励起エネルギーの一部分をピクセルの中へタップする役割を果たすことが可能である。そのようなコンポーネントは、グレーチング構造体、散乱構造体、及び／又はナノ・アンテナなどのような、光学的な構造体を含むことが可能である。これらのコンポーネントのう
ちの１つ又は複数の特徴又は構成は、特定の量の励起エネルギーをサンプル・ウェルの横列の中のそれぞれのサンプル・ウェルにカップリングするために選択され得る。励起エネルギーをピクセルの横列に提供するように構成されている導波路は、それぞれのピクセルの中のコンポーネントにカップリングすることが可能であり、励起エネルギーの一部分をピクセルの横列の中のそれぞれのピクセルに提供するようになっている。導波路が、励起供給源からの励起エネルギーを１つ又は複数のピクセルに向けて方向付けするように構成されているときには、導波路は、バス導波路と称され得る。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のピクセルは、ピクセル領域の中に位置付けされている少なくとも１つの導波路を含む。そのようなピクセル導波路は、励起エネルギーをピクセルのサンプル・ウェルに向けて方向付けするように構成され得る。ピクセル導波路は、バス導波路に、及び、ピクセルの中のサンプル・ウェルにカップリングするように構成され得る。励起エネルギーがバス導波路に沿って伝播するときには、励起エネルギーの一部分が、ピクセル導波路を介して、ピクセル及び／又はサンプル・ウェルに向けて方向付けされ得る。バス導波路は、エバネッセント導波路カップラーなどのような任意の適切なカップラーを使用して、ピクセル導波路にカップリングすることが可能である。いくつかの実施形態では、複数のカップラーが、励起光の１つ又は複数の波長をピクセル導波路にカップリングするために使用され得る。ピクセル導波路の一部分は、バス導波路へのカップラーとしての役割を果たすように構成され得る。いくつかの実施形態では、カップラー、又は、ピクセル導波路の一部分は、特定の励起エネルギー、波長、及び／又はスペクトル範囲をカップリングするように設計され得る。ピクセル導波路のカップリング部分を光の特定の波長に設定することによって、バス導波路とピクセル導波路との間のカップリングの方向性が、制御及び／又はチューニングされ得る。たとえば、第１のカップラー又はピクセル導波路の一部分は、バス導波路を通って伝播する第１の波長を有する励起光の一部分にカップリングすることが可能であり、一方、第２のカップラー又はピクセル導波路の一部分は、第２の波長を有する励起光の一部分をピクセル導波路にカップリングすることが可能である。第１のカップラー又はピクセル導波路の一部分は、第２の波長における無視できるほどの量の励起光をピクセル導波路からバス導波路へカップリングすることが可能である。そのような構成は、第２の波長における励起光がピクセル導波路の中に残ることを可能にし得る。同様に、第２のカップラー又はピクセル導波路の一部分は、第１の波長における無視できるほどの量の励起光をピクセル導波路からバス導波路へカップリングすることが可能であり、第１の波長における励起光が、ピクセル導波路の中に残ることできるようになっている。
追加的に、１つ又は複数の共鳴構造体が、ピクセル領域の中に形成され、励起エネルギーをサンプル・ウェルに向けてカップリングすることが可能である。光学バスとしての役割を果たす第１の導波路は、励起エネルギーが第２の導波路を通して共鳴構造体にカップリングすることを可能にし得る。共鳴構造体は、バス導波路及び／又はピクセル導波路にカップリングすることによって、励起エネルギーを受け取るように構成され得る。共鳴構造体は、サンプル・ウェルの励起領域の中へ励起エネルギーを方向付け及び／又は増強することが可能である。共鳴構造体は、局所化された領域の中に励起エネルギーを集中させることが可能であり、また、局所化された領域に近接してサンプル・ウェルを位置決めすることによって、共鳴構造体は、サンプル・ウェルにカップリングする励起エネルギーの量を増強する役割を果たすことが可能である。共鳴構造体を形成することによって、励起エネルギーは、サンプル・ウェルの中のサンプルと相互作用する複数の機会を有することが可能である。共鳴構造体の全体構成は、共鳴構造体の中の特定の場の増強及び／又はクオリティー・ファクターのために構成され得る。導波路及び共振器は、それらがその中に埋め込まれている取り囲む誘電材料よりも高い屈折率を備える誘電材料から作製されている。たとえば、導波路及び／又は共振器は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、又は、それらの任意の組み合わせから作製され得る。導波路及び／又は共振器は、可視スペク
トル範囲及び／又は赤外線スペクトル範囲の中の励起波長を伝播するように設計され得る。
共鳴構造体は、ピクセル導波路の中に、及び／又は、ピクセル導波路の付近に位置付けされ得る。バス導波路などのような、励起エネルギーをピクセルに向けて方向付けする導波路は、ピクセル導波路を通して共鳴構造体とカップリングすることが可能であり、共鳴構造体は、ピクセルの中のサンプル・ウェルに励起エネルギーを方向付けすることが可能である。サンプル・ウェルは、共鳴構造体とサンプル・ウェルとの間の相互作用を制御するように調節され得る高さに、共鳴構造体の上方に位置付けされ得る。いくつかの実施形態では、複数の励起エネルギーは、１つ又は複数のピクセルに提供され得、また、複数の励起エネルギー又は波長において共鳴する共鳴構造体とカップリングすることが可能である。導波路リング共振器、フォトニック結晶キャビティー共振器、及び導波路線形共振器などのような、任意の適切な共鳴構造体が使用され得る。導波路線形共振器の例は、ピクセル導波路の中にＢｒａｇｇ反射体の対を含み、それは、反射体の対の間に共鳴キャビティーを形成する。いくつかの実施形態では、共鳴構造体は、プラズモニック・リング共振器又はフォトニック結晶キャビティーなどのような、プラズモニック共鳴構造体であることが可能である。
いくつかの実施形態では、共鳴構造体は、集積デバイスのピクセルに関連付けられるピクセル導波路の中に含まれ得る。そのような共鳴構造体は、ピクセル導波路の中の複数の反射体からなることが可能であり、また、励起エネルギーがピクセル導波路の局所化された領域の中で共鳴することを可能にし得る。共鳴構造体によって形成される局所化された領域に近接してサンプル・ウェルを位置決めすることによって、励起エネルギーは、サンプル・ウェルの中へ方向付けされ得る。いくつかの実施形態では、層が、共鳴構造体をサンプル・ウェルから分離することが可能である。たとえば、誘電体層は、サンプル・ウェル層と共鳴構造体との間の集積デバイスの中に形成され得る。追加的に又は代替的に、リング共振器が、ピクセル導波路に近接して形成され得、バス導波路からの励起エネルギーが、ピクセル導波路を通してリング共振器にカップリングすることが可能である。サンプル・ウェルは、リング共振器に近接して位置決めされ得、リング共振器からの励起エネルギーがサンプル・ウェルにカップリングするようになっている。いくつかの実施形態では、導波路リング共振器は、サンプル・ウェルの近くに構成されており、集中させられた励起エネルギーが、サンプル・ウェルのベースに直接的に隣接して位置決めされるようになっている。
共鳴構造体の例が、図６−１から図６−４に図示されている。線形の導波路共振器の例が、図６−１に図示されており、図６−１では、導波路６−１０４が、励起光を伝播するように構成されており、反射体が、共鳴キャビティー６−１３６を形成する導波路の領域を生成させるように位置決めされている。反射体は、反射体６−１３２及び６−１３４などのような、１つ又は複数の対で位置決めされており、共鳴キャビティー６−１３６が１つ又は複数の対の間に形成するようになっている。図６−１は、共鳴キャビティー６−１３６に対して、サンプル・ウェル６−１０８の例示的な場所を図示している。サンプル・ウェルは、導波路６−１０４ならびに反射体６−１３２及び６−１３４を含有する層から分離されている別の層の中に位置決めされ得る。リング共振器の例が、図６−２を参照して示されており、図６−２では、導波路６−２０４が、リング共振器６−２２６に近接して位置決めされている。図６−２に示されている矢印によって示されているように、励起エネルギーが導波路６−２０４を通って伝播するときには、励起エネルギーの一部分が、リング共振器６−２２６によって受け取られ得る。導波路とリング共振器との間の距離は、特定の励起波長及び／又は特定の量の励起エネルギーをリング共振器の中へカップリングするように設計され得る。リング共振器がサンプル・ウェルにカップリングし、サンプル・ウェルの励起領域の中へ励起エネルギーを提供するように、サンプル・ウェルがリン
グ共振器に対して位置決めされ得る。図６−２は、領域６−２０８におけるサンプル・ウェルの例示的な位置を図示しており、サンプル・ウェルは、集積デバイスの別々の層の中に位置付けされている。いくつかの実施形態では、プラズモニック・リング共振器は、集積デバイスの中に形成され、１つ又は複数のサンプル・ウェルに励起エネルギーをカップリングすることが可能である。そのようなプラズモニック・リング共振器は、バス導波路及び／又はピクセル導波路とカップリングするように位置決めされ得る。サンプル・ウェルは、プラズモニック・リング共振器の一部分の直接的に上方に位置決めされ、又は、プラズモニック・リング共振器に隣接した場所に位置決めされ得る。プラズモニック・リング共振器の非限定的な例が、図６−３Ａ〜Ｆに関して示されている。プラズモニック・リング共振器構造体に隣接するサンプル・ウェル６−３０８の例示的な位置が、図６−３Ｃに示されている。いくつかの実施形態では、共振器構造体は、フォトニック結晶の中にキャビティーを含むことが可能である。図６−４は、キャビティーを備える例示的なフォトニック結晶６−４００を図示しており、キャビティーが、励起エネルギーのための共振器としての役割を果たすようになっている。サンプル・ウェルは、フォトニック結晶の中のキャビティーに対して、たとえば場所６−４０８などに位置決めされ、励起エネルギーを受け取ることが可能である。
ピクセルの例示的な部分が、図７−１Ａに示されている集積デバイス７−１０２の断面図に図示されている。集積デバイス７−１０２は、少なくとも１つのサンプル・ウェル７−１０８を含有するサンプル・ウェル層７−１１６及び導波路層７−１１４を含む。サンプル・ウェル層は、金属、半導体、高度に縮退的にドープされた半導体、絶縁体、又はグラフェンから形成され得る。導波路層は、取り囲む材料よりも高い屈折率から形成された構造体を含むことが可能である。例として、導波路構造体は、窒化物材料から構成されることが可能であり、取り囲む材料は、誘電体又は酸化物材料から構成されることが可能である。随意的に、サンプル・ウェル層７−１１６と導波路層７−１１４との間の層７−１１８が形成され得る。たとえば、層７−１１８は、誘電材料又は酸化物材料又は窒化物材料から形成され得る。導波路層は、バス導波路及びピクセル導波路の両方を含有することが可能である。ピクセル導波路は、バス導波路に隣接して形成され得、バス導波路から励起エネルギーを受け取るように構成され得る。図７−１Ｂは、図７−１Ａの中の線Ａ−Ａ’に沿うピクセル７−１１２ｂの例示的な平面図を図示しおり、バス導波路７−１０４ｂ及びピクセル導波路７−１２０ｂを示している。バス導波路は、１つ又は複数の励起エネルギーを受け取り、方向付けするように構成され得る。図７−１Ｂに示されている例示的な構成では、バス導波路７−１０４ｂは、一方の端部において第１の波長λ１の励起エネルギーを受け取り、別の端部において第２の波長λ２の励起エネルギーを受け取るように構成されている。
ピクセル導波路７−１２０ｂは、バス導波路７−１０４ｂとカップリングし、かつ、励起エネルギーを受け取るように構成されている部分又はカップラー７−１２８ｂ及び７−１３０ｂを含むことが可能である。サンプル・ウェル層の中に位置付けされているサンプル・ウェルは、ピクセル導波路７−１２０ｂから励起エネルギーを受け取るために、共鳴構造体７−１２６ｂに近接して位置決めされ得る。サンプル・ウェルは、線形共振器とサンプル・ウェルとの間の相互作用を制御するように調節され得る高さにおいて、線形共振器の上方に位置付けされ得る。たとえば、図７−１Ｂは、導波路層の特徴に対して、サンプル・ウェル層の中の７−１０８ｂにおけるサンプル・ウェル位置を図示している。励起光がバス導波路７−１０４ｂに沿って伝播するときに、励起エネルギーの一部分が、ピクセル導波路７−１２０ｂにカップリングすることが可能である。いくつかの場合には、カップラーは、励起光の特定の波長のために構成され得る。２つの励起エネルギーが使用されるときには、それぞれのカップラーが、２つの励起エネルギーのうちの１つとカップリングするように構成され得る。例として、図７−１Ｂに示されている実施形態では、ピクセル導波路の上に位置付けされている２つのカップラーのそれぞれが、異なる励起光波長
を受け取るように構成され得、ここでは、カップラー７−１２８ｂが、第１の波長λ１の励起エネルギーを実質的に受け取り、一方、カップラー７−１３０ｂが、第２の波長λ２の励起エネルギーを実質的に受け取る。
共鳴構造体は、ピクセル導波路７−１２０ｂの中の共鳴構造体７−１２６ｂなどのように、ピクセル導波路の中に位置付けされ得る。そのような共鳴構造体は、１つ又は複数の波長を反射するように構成されている複数の空間的に分離された反射体からなることが可能である。反射体は、少なくとも２つの反射体の間の領域の中の励起エネルギーの強度を増強する役割を果たすことが可能である。たとえば、反射体は、図７−１に図示されているような導波路の中の分布Ｂｒａｇｇ反射体の１つ又は複数の対を含む導波路線形共振器としての役割を果たすことが可能である。反射体の対は、反射体の対の間に共鳴キャビティーを形成することが可能であり、共鳴キャビティーは、線形共振器のための共鳴キャビティーの境界を画定している。２つの励起波長が使用される実施形態では、共鳴構造体７−１２６ｂが、励起エネルギーの両方の波長、両方の波長の組み合わせ、及び／又は、複数のいずれかの波長において、共鳴することが可能である。たとえば、共鳴構造体７−１２６ｂは、波長λ１及びλ２の両方において共鳴するように構成され得る。波長λ１及びλ２における励起エネルギーが、サンプル・ウェルに伝達することが可能である。
ビーム・ダンプ７−１２２ｂ及び７−１２４ｂが、励起光を吸収するように、ならびに／又は、ピクセル７−１１２ｂ、１つ又は複数のセンサー、及び／もしくは集積デバイスからの励起光を方向付けし直すように、ピクセル導波路７−１２０ｂに対して位置決めされている。ビーム・ブロッカーが、センサーによって受け取られるエミッション・エネルギーの検出を増強するために、１つ又は複数の波長の励起エネルギーがセンサーへ伝播することを低減させるように構成され得る。ビーム・ダンプの非限定的な例は、ピクセル導波路の端部を通して送信される光を吸収するように構成されているアモルファス・シリコンプラグである。励起光を吸収する任意の適切な材料が、ビーム・ブロッカーとして使用され得る。導波路からの励起光を吸収するためにピクセルの中に位置付けされている導波路のそれぞれの端部に設置されている少なくとも１つのビーム・ブロッカーが存在することが可能である。いくつかの実施形態では、ビーム・ダンプは、特定の波長の励起光を方向付けし直し、又は吸収するように構成され得る。２つの励起エネルギーが使用されるときには、一方のビーム・ダンプが、一方の波長の励起エネルギーを吸収し、及び／又は方向付けし直すように構成され得、一方、他のビーム・ダンプが、他の波長の励起エネルギーを吸収し、及び／又は方向付けし直すように構成され得る。図７−１Ｂに示されている例では、ビーム・ダンプ７−１２２ｂが、第１の波長λ１の励起光を実質的に吸収し、又は方向付けし直すように構成され得、一方、ビーム・ダンプ７−１２４ｂは、第２の波長λ２の励起光を実質的に吸収し、又は方向付けし直す。
いくつかの実施形態では、共鳴構造体は、ピクセル導波路から分離されており、ピクセル導波路とカップリングするように構成されている。そのような共鳴構造体の例は、導波路層の中にピクセル導波路から分離されて位置付けされているリング共振器を含むことが可能である。リング共振器は、バス導波路の近くに位置決めされているピクセル導波路の隣に位置決めされている。ピクセル導波路は、導波路カップラーと称され得、ピクセル導波路は、励起エネルギーをリング共振器にカップリングする。リング共振器は、１つ又は複数の波長に共鳴し、これらの波長における励起エネルギーをサンプル・ウェルに伝達する。サンプル・ウェルは、サンプル・ウェル層の中に、及び、リング共振器に近接して位置決めされ得、リング共振器が励起エネルギーをサンプル・ウェルの中へカップリングすることができるようになっている。サンプル・ウェルは、共振器とサンプル・ウェルとの間の相互作用を制御するように調節される高さにおいて、リング共振器の上方に、及び、リング共振器の上部に直接的に形成され得る。
図７−１Ｃは、ピクセル導波路７−１２０ｃ及びリング共振器７−１２６ｃを有するピクセル７−１１２ｃの例示的な実施形態を図示している。ピクセル導波路７−１２０ｃは、バス導波路７−１０４ｃへのカップラーとしての役割を果たす２つの部分７−１２８ｃ及び７−１３０ｃを有している。励起光がバス導波路７−１０４ｃに沿って伝播するときに、励起エネルギーの一部分が、ピクセル導波路７−１２０ｃにカップリングすることが可能であり、リング共振器は、ピクセル導波路にカップリングし、励起エネルギーを受け取る。サンプル・ウェル層の中に位置付けされており、かつ、導波路層の中の他の特徴に対して場所７−１０８ｃに位置決めされているサンプル・ウェルは、リング共振器７−１２６ｃから励起エネルギーを受け取るように構成され得る。励起光を吸収し及び／又は方向付けし直すように構成されているビーム・ダンプは、ピクセル導波路の端部に位置付けされ得る。たとえば、ピクセル７−１１２ｃは、ピクセル導波路７−１２０ｃの両方の端部にビーム・ダンプ７−１２２ｃ及び７−１２４ｃを含む。いくつかの実施形態では、バス導波路７−１０４ｃは、一方の端部において第１の波長λ１の励起エネルギーを受け取り、別の端部において第２の波長λ２の励起エネルギーを受け取るように構成され得る。カップラー７−１２８ｃが、第１の波長λ１の励起エネルギーをカップリングするように構成され得、一方、カップラー７−１３０ｃが、第２の波長λ２の励起をカップリングするように構成されている。２つの励起エネルギーは、リング共振器７−１２６ｃにカップリングすることが可能である。リング共振器は、両方の励起波長、２つの波長の組み合わせ、及び／又は、複数のいずれかの波長において、共鳴するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、追加的な導波路が、ピクセル領域の中に位置付けされ得、サンプル・ウェルに方向付けされていない励起光に関する経路が、サンプル・ウェルに方向付けし直されることを可能にする。追加的な導波路は、リング共振器とカップリングするように位置決めされており、複数の励起波長を伝播させることが可能であり得る。そのような実施形態では、サンプル・ウェルが、バス導波路にカップリングする導波路と追加的な導波路との間のリング共振器の上方に位置決めされ得る。センサーなどのような、集積デバイスの他の領域に方向付けされているものから励起エネルギーを吸収するために、少なくとも１つのビーム・ブロッカーが、この追加的な導波路のいずれかの端部に位置決めされている。そのような導波路は、他の導波路及び共振器構造体のように、任意の適切な材料から作製され得る。図７−１Ｄは、リング共振器７−１２６ｄにカップリングする第２の導波路７−１３４ｄを有するピクセル領域７−１１２ｄの例示的な配置を図示している。励起エネルギーは、バス導波路７−１０４ｄに沿って伝播することによって、ピクセル領域７−１１２ｄに送達され、ピクセル導波路７−１２０ｄにカップリングする。リング共振器７−１２６ｄは、ピクセル導波路７−１２０ｄから励起エネルギーを受け取り、サンプル・ウェルは、位置７−１０８ｄにおいてサンプル・ウェル層の中に位置付けされ、リング共振器７−１２６ｄから励起エネルギーを受け取る。励起エネルギーの一部分は、リング共振器の中に残ったままであり、導波路７−１３４ｄにカップリングすることが可能であり、導波路７−１３４ｄは、リング共振器に向けて励起エネルギーを方向付けし直すように構成されている。導波路７−１３４ｄは、１つ又は複数のビーム・ダンプに向けて励起エネルギーを方向付けすることによって、ピクセルから離れるように励起エネルギーに伝達することが可能である。図７−１Ｄに示されている例では、ビーム・ダンプ７−１３２ｄ及び７−１３６ｄが、導波路７−１３４ｄのそれぞれの側部に位置付けされており、励起エネルギーを吸収し、及び／又は方向付けし直すように構成されている。
集積デバイスは、集積デバイスの中の異なるレベルにおいて複数の導波路を含むことが可能である。集積デバイスの中の異なるレベルにおける複数の導波路は、ピクセルの中に位置付けされているサンプル・ウェルの付近に１つ又は複数の波長の励起光を方向付けするように構成され得る。第１の導波路は、励起供給源とカップリングし、バス導波路としての役割を果たし、励起光を複数のピクセルに運ぶことが可能である。ピクセル領域の中に位置付けされている１つ又は複数の導波路が、第１の導波路とカップリングし、ピクセ
ルの中のサンプル・ウェルに向けて励起エネルギーの一部分を方向付けすることが可能である。導波路は、エバネッセントに（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｌｙ）互いにカップリングすることが可能であり、又は、他のカップリング技法によって、たとえば、マルチモードの干渉カップラーを使用することによって、カップリングすることが可能である。第１の導波路からの励起エネルギーの一部分が、追加的な導波路を通してピクセルに方向付けされ得、一方、第１の導波路の中の励起エネルギーは、第１の導波路に沿って伝播し、他のピクセルの中の他のコンポーネントにカップリングすることが可能である。
第１の導波路からの励起光の一部分が、ピクセルの中に位置付けされている第２の導波路にカップリングすることが可能である。第２の導波路は、第１の導波路とは別々の層の中に位置付けされ得る。たとえば、第２の導波路は、第１の導波路と１つ又は複数のサンプル・ウェルを含有するサンプル・ウェル層との間に位置付けされ得る。いくつかの実施形態では、ピクセルの中に位置付けされている第３の導波路が、第２の導波路とカップリングし、第２の導波路からの励起エネルギーの一部分をピクセルの中のサンプル・ウェルに向けて方向付けすることが可能である。いくつかの層の中に複数の導波路を備える構成が、それぞれのエレメントに関する導波路プロファイルの中のフレキシビリティー、及び、別々の層の隔離を提供することが可能である。導波路同士の間のカップリングは、エバネッセント・カップラーを通して起こることが可能であり、導波路は、非直交で非平行の角度で重なり合っている。導波路の位置決め、及び導波路同士の間の重ね合わせは、導波路の位置決めからのわずかなシフト又は偏差が存在するときに、導波路の間のカップリングの中にトレランスを提供することが可能である。
複数の層の導波路構成の例が、図７−２Ａに示されている断面図に図示されている。サンプル・ウェル層７−２１６は、サンプル・ウェル７−２０８を含む。第１の導波路又は光学バス７−２０４が、サンプル・ウェル７−２０８を含有するピクセル領域に向けて励起エネルギーを送達するように構成されている。第１の導波路７−２０４とサンプル・ウェル層７−２１６との間に位置付けされている第２の導波路７−２４２が、第１の導波路７−２０４からの励起エネルギーの一部分を第２の導波路７−２４２にカップリングするように、及び、励起エネルギーをサンプル・ウェル７−２０８に向けて方向付けする役割を果たすように位置決めされている。追加的に、図７−２Ａの中の７−２４４などのように、第２の導波路７−２４２とサンプル・ウェル層７−２１６との間に位置決めされている第３の導波路が、励起エネルギーをサンプル・ウェル７−２０８に向けてカップリングすることが可能である。
いくつかの実施形態では、複数の層の導波路構成は、ピクセル領域の中に位置付けされている導波路のうちの１つ又は複数の上の線形の導波路共振器などのような、共振器を含むことが可能である。図７−２Ｂの平面図に示されているように、線形の導波路共振器は、バス導波路７−２０４からの励起エネルギーを位置７−２０８の上方に位置付けされているサンプル・ウェルに方向付けする導波路のうちの１つの中に含まれ得る。そのような例では、導波路７−２４２ａ及び７−２４２ｂが、バス導波路７−２０４からの励起エネルギーを導波路７−２４４ａ及び７−２４４ｂにカップリングしており、導波路７−２４２ａが、導波路７−２４４ａにカップリングし、導波路７−２４２ｂが、導波路７−２４４ｂにカップリングする。導波路７−２４４ａ及び７−２４４ｂの両方が、導波路７−２４４ａの反射体７−２３２などのような、反射体の少なくとも１つの対から構成される線形の導波路共振器を有している。導波路７−２４４ａ及び７−２４４ｂの線形の導波路共振器は重なり合っている。いくつかの実施形態では、２つの線形の導波路共振器は、直交して重なり合っており、空間的に直交する共鳴を可能にするデュアル共振器を形成することが可能である。そのようなデュアル共振器は、キャビティーのサイズを限定する２つの導波路の間の重なりの領域の中に励起エネルギーの増強された場を備えるデュアル共鳴キャビティーを形成することが可能である。別々のサンプル・ウェル層の中に位置付けされ
ているサンプル・ウェル７−２０８の位置は、２つの線形共振器の間に位置付けされており、そこでは、デュアル共振器からの励起エネルギーをサンプル・ウェルにカップリングするために、励起エネルギーが局所化され得る。
いくつかの実施形態では、回折光学素子が、励起供給源からの励起光をサンプル・ウェルのサブ・アレイに方向付けするために使用され得、それぞれのサンプル・ウェルは、サブ・アレイの中のピクセルに関連付けられている。このように、励起供給源は、ピクセルのアレイの全体を通して周期的に位置付けされ得る。たとえば、ピクセルのアレイの「単位セル」は、１つの励起供給源、回折光学素子、及び、複数のサンプル・ウェルを含むことが可能である。単位セルは、ピクセル化されたアレイを形成するためにタイル張りにされ得る（ｔｉｌｅｄ）。いくつかの実施形態では、励起供給源は、１つ又は複数のセンサーの方向に励起光を放出することが可能であり、回折光学素子は、反射型に励起光を回折して励起供給源に向けて戻すことが可能であるが、異なる横方向の軌跡を備える。このように、励起光は、複数の励起光ビームへと変換され、複数の励起光ビームのそれぞれが、それぞれのサンプル・ウェルに関連付けられている。
図８−１Ａ及び図８−１Ｂは、励起光を複数のサンプル・ウェルに向けて方向付けするために回折光学素子を使用することの非限定的な例示的な実施形態を図示している。図８−１Ａは、単位セルの中の複数のピクセルに励起光を提供する励起供給源８−１０６を示す断面概略図である。サンプル・ウェル８−１０８などのようなサンプル・ウェルが、サンプル・ウェル層８−１１６の中に位置付けされている。回折光学素子８−１５０は、励起供給源から励起光を受け取るように、及び、矢印によって示されているように、単位セルの中のサンプル・ウェルに励起光を方向付けし直すように構成されている。図８−１Ｂは、上面図を示しており、励起供給源８−１０６の下に位置付けされている回折光学素子によって方向付けし直された励起供給源８−１０６からの励起光を受け取るように位置決めされているサンプル・ウェル８−１０８を含む、単位セルの中のサンプル・ウェルの様子を示している。
励起供給源からサンプル・ウェルへのエネルギーのカップリングは、サンプル・ウェルの中に、及び／又は、サンプル・ウェルに隣接して、励起カップリング構造体を形成することによって改善され、又は、影響を及ぼされ得る。励起カップリング構造体は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの周りに製作されるマイクロ・スケール構造体もしくはナノ・スケール構造体からなることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルにおいて形成される構造体もしくは粒子からなることが可能である。励起カップリング構造体は、いくつかの実施形態では、サンプルの放射励起に影響を及ぼすことが可能であり、いくつかの実施形態では、サンプルの非放射励起に影響を及ぼすことが可能である。さまざまな実施形態では、放射励起カップリング構造体は、サンプル・ウェルの励起領域の中の励起エネルギーの強度を増加させることが可能である。非放射励起カップリング構造体は、励起供給源（それは、放射又は非放射であることが可能である）からサンプルへの非放射エネルギー伝達経路を改善及び／又は変更することが可能である。
Ｅ． 放射プラズモニック励起カップリング構造体
複数の異なるタイプの放射励起カップリング構造体が存在しており、それは、励起供給源からサンプル・ウェルの中の励起領域への励起エネルギーのカップリングに影響を及ぼすために使用され得る。いくつかの放射カップリング構造体は、導体（たとえば、金属層を含む）から形成され得、また、励起エネルギーに局所的に影響を及ぼす（たとえば、電磁界を局所的に変更する）表面プラズモン振動をサポートする。いくつかのケースでは、表面プラズモン構造体が、サンプル・ウェルの励起領域の中の励起エネルギーを２倍以上増強することが可能である。いくつかの放射カップリング構造体は、励起場の位相及び／
又は振幅を変更し、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増強することが可能である。放射励起カップリング構造体のさまざまな実施形態が、この章において説明されている。
図９−１Ａは、サンプル・ウェルの中への励起エネルギーのカップリングを増強するために使用され得る表面プラズモン構造体９−１２０の単に１つの例を示している。図面は、表面プラズモン構造体９−１２０の周りの領域の平面図を示しており、構造体の周りの電界強度の数値シミュレーションの結果を表している。図面は、サンプル・ウェル（図示せず）に極めて接近して位置付けされている鋭い頂点を有する、３つの三角形の特徴からなる表面プラズモン構造体を示している。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体は、金属又は導体（たとえば、以下の金属又は金属合金：Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、ＴｉＮのうちのいずれか１つ又はそれらの組み合わせのパターニングされた薄い膜）からなることが可能である。膜の厚さは、いくつかの実施形態では、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェルに極めて接近して位置付けされている鋭い特徴９−１１０を含むことが可能である（たとえば、約１００ｎｍ以内）。
図９−１Ｂは、点線において取られた、図９−１Ａの表面プラズモン構造体の断面立面図を示している。シミュレーションは、表面プラズモン構造体の三角形の頂点に隣接する励起エネルギーの局所化された高強度領域５−５０５を示している。このシミュレーションに関して、表面プラズモン構造体９−１２０は、導波路９−１３０の上方の誘電体層９−１３５（二酸化ケイ素）の上に位置付けされていた。表面プラズモン構造体は、導波路のエバネセント場からのエネルギーをタップし、サンプル・ウェルにおける強度を増強する。
いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体による励起エネルギーの増強は、サンプル・ウェル５−２１５が必要とされない程度にまで局所化され得る。たとえば、高強度領域５−５０５が、おおよそ１００ｎｍの直径を有するように形成され、領域の外側の強度の約８０％よりも大きいピーク強度値を備える場合には、深いサンプル・ウェルは必要とされない可能性がある。高強度領域５−５０５の中のサンプルだけが、検出の目的のために、かなりのエミッションに寄与するであろう。
入射電磁界が表面プラズモン構造体と相互作用するときには、表面波電流が構造体の中に発生させられる。構造体の形状は、これらの表面プラズモンの強度及び分布に影響を及ぼすことが可能である。これらの局所化された電流は、たとえば、図９−１Ｂの高強度領域５−５０５によって示されているように、表面プラズモン構造体の直ぐ付近の入射電磁界と相互作用し、それをかなり変更し、それを増大させることが可能である。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体の近くで放射線を放出するエミッター（たとえば、蛍光性タグ）は、構造体によって変更されるそのエミッションを有することが可能であり、エミッターからの遠視野放射線パターンを変更するようになっている。
表面プラズモン構造体９−１２２の別の実施形態が、図９−１Ｃの平面図に示されている。図示されているちょうネクタイ構造体は、サンプル・ウェル５−２１０に隣接して位置付けされている２つの三角形の金属製の構造体からなることが可能である。構造体は、たとえば、サンプル・ウェルの下方に、及び／又は、サンプル・ウェルの励起領域に隣接して、パターニングされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルと表面プラズモン構造体の鋭い特徴９−１２５との間にギャップ９−１２７が存在することが可能である。ギャップ９−１２７は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ１０ｎｍからおおよそ２００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、ギャップ９−１２
７は、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能である。鋭い特徴９−１２５は、図面に示されているように、表面プラズモン構造体の縁部の中のポイント又は鋭い曲げからなることが可能である。鋭い特徴は、任意の適切な形状を有することが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴９−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーに関連付けられるおおよそ５つの波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴９−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーに関連付けられるおおよそ２つの波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴９−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーによって励起される表面プラズモン波に関連付けられるおおよそ５つの波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴９−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーによって励起される表面プラズモン波に関連付けられるおおよそ２つの波長よりも小さいことが可能である。
いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体９−１２２は、図９−１Ｄの立面図に図示されているように、サンプル・ウェル５−２１０の中にパターニングされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの中の表面プラズモン構造体は、図面に示されているように、サンプル・ウェルの側壁部の上にパターニングされている１つ又は複数のフィンガー（たとえば、金属製のフィンガー）からなることが可能である。図９−１Ｅは、サンプル・ウェルの中の側壁部の上に形成された表面プラズモン構造体９−１２２を示すサンプル・ウェル５−２１０の平面図を示している。いくつかの実施形態では、これらの表面プラズモン構造体９−１２２の下側端部が、鋭い特徴又は曲げを形成し、そこで、電磁界が増強されることとなる。表面プラズモン構造体９−１２２は、サンプル・ウェルのベースまで延在してもよいし、又は延在しなくてもよい。
いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体９−１２２は、励起エネルギー及び／又はサンプル・ウェルから放出される放射線の分極に影響を及ぼすように配置され得る。たとえば、図９−１Ｅに示されているようなパターンは、線形のもしくは楕円形の励起分極の好適な配向、及び／又は、サンプル・ウェルの中のエミッターからの線形のもしくは楕円形の分極の好適な配向に影響を及ぼすために使用され得る。
表面プラズモン構造体は、図９−１Ａから図９−１Ｅに示されているもの以外の形状としてパターニングされ得る。たとえば、表面プラズモン構造体は、いくつかの実施形態によれば、図９−２Ａに示されているように、規則的な又は周期的な構造体としてパターニングされ得る。たとえば、表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェル５−２１０がその中に形成されている材料５−２３０の下側表面の上の突出する特徴９−２１０のアレイとしてパターニングされ得る。周期的な表面プラズモン構造体は、たとえば、グレーチング、グリッド、格子、円形のグレーチング、スパイラル・グレーチング、楕円形のグレーチング、又は、任意の他の適切な構造体など、規則的なアレイで形成され得る。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体の突出部５−２１０同士の間に実質的に均一なスペーシングが存在することが可能である。いくつかの実施形態では、スペーシングは、おおよそ４０ｎｍからおおよそ２５０ｎｍの間の任意の値を有することが可能である。いくつかの実施形態によれば、突出部は、おおよそ２０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の高さｈを有することが可能である。いくつかの実施形態では、スペーシングｓは、不均一であること場合があり、又は、チャープされる場合がある（ｃｈｉｒｐｅｄ）（より大きい半径方向の距離において減少する値を有する）。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体の突出部９−２１０は、フレネル・ゾーン・プレートとしてパターニングされ得る。いくつかの実施形態によれば、９−２１０の表面プラズモン構造体は、透明な層及び／又は誘電体層５−２４５に隣接して形成され得る。
いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体９−２１２は、図９−２Ｂに示されているように、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料５−２３０から間隔を置い
て配置され得る。たとえば、表面プラズモン構造体９−２１２と材料５−２３０との間に介在誘電体層９−２４７が存在することが可能である。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体９−２１２は、図面に示されているように、サンプル・ウェルのディボット５−２１６に隣接して位置付けされ得る。たとえば、表面プラズモン構造体５−２１２は、図９−２Ｂに示されているように、ディボット５−２１６の側壁部に隣接して位置付けされ得る。
図９−２Ｃは、同心円状の円形のグレーチングとして形成されている表面プラズモン構造体９−２１４を図示している。構造体９−２１４は、いくつかの実施形態によれば、同心円状の導電性リング９−２１５からなることが可能である。リングは、規則的なスペーシングｓによって分離され得、図９−２Ａに関連して説明されているように、高さｈを有することが可能である。いくつかの実施形態によれば、随意的なディボットを備えるサンプル・ウェル５−２１０が、リングの中央に位置付けされ得る。円形のグレーチングは、サンプル・ウェルのベースに隣接してパターニングされ得る。
表面プラズモン構造体の周期性は、いくつかの実施形態によれば、共鳴構造体を形成するように選択され得る。たとえば、表面プラズモン構造体のスペーシングｓは、励起エネルギーによって構造体の中に発生させられる表面プラズモン波のおおよそ２分の１の波長となるように選択され得る。共鳴構造体として形成されているときには、表面プラズモン構造体は、周期的な表面プラズモン構造体の方向に沿って、励起エネルギーを蓄積及び共鳴させることが可能である。そのような共鳴挙動は、図９−２Ｄに示されているように、サンプル・ウェルの中の、又は、サンプル・ウェルに隣接する、電磁エネルギーを増大させることが可能である。
図９−２Ｄは、サンプル・ウェルのベースにおいて、及び、周期的な表面プラズモン構造体の周りで、数値的にシミュレートされた電磁界結果を表している。表面プラズモン構造体９−２１６は、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料５−２３０に隣接して位置付けされており、また、サンプル・ウェル５−２１０のベースに隣接している。表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェルから離れた領域及びシミュレートされた領域の外側の領域において、規則的なスペーシング・インターバルで繰り返すグレーチング又は円形のグレーチングの形態であることが可能である。たとえば、３回から５０回の間で繰り返された表面プラズモン構造体９−２１６のグレーチング突出部が存在することが可能である。高い強度の領域５−２４０が、サンプル・ウェル５−２１０のベースにおいて見られ得る。この領域の中の強度は、表面プラズモン構造体の直ぐ下方の取り囲む領域の上で２倍以上に増強され得る。
図９−２Ｅは、共鳴表面プラズモン構造体９−２１８の代替的な実施形態を立面図で示している。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体は、周期的なグレーチング又はグリッド・パターンとして形成され得、また、複数の層９−２４７の中にパターニングされ得る。サンプル・ウェル５−２１０は、いくつかの実施形態によれば、複数の層９−２４７を通して、及び、共鳴表面プラズモン構造体９−２１８の中に、パターニングされ得る。いくつかの実施形態では、共鳴表面プラズモン構造体は、図９−２Ｆの平面図に示されているように、別個の導電性エレメント９−２２２からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴表面プラズモン構造体は、図９−２Ｇに示されているように、連続的な格子パターン９−２５０からなることが可能である。誘電体充填材９−２５２が、導電性材料９−２５０のボイドの中に位置付けされ得、サンプル・ウェル５−２１０が、ボイドとともに位置付けされ得る。
サンプル・ウェルの中へのカップリングを増強するために、又は、サンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッションに影響を及ぼすために使用され得る、さまざまな異なる
表面プラズモン構造体が存在している。図９−２Ｈは、表面プラズモン構造体のさらに代替的な実施形態を平面図で示している。構造体の立面図が、図９−２Ｉに示されている。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェル５−２１０の周りに分散されたディスクのアレイからなることが可能である。いくつかの実施形態では、導電性ディスク９−２６０を使用する代わりに、表面プラズモン構造体は、導電層からなることが可能であり、分散されたホールのパターンが、導電層を通して形成される。そのような構造体は、「ナノ・アンテナ」と称され得る。
Ｆ． プラズモニック励起カップリング構造体の製作
さまざまな異なるプロセスが、サンプル・ウェルに隣接して表面プラズモン構造体をパターニングするために使用され得る。図９−３Ａから図９−５Ｅは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルに隣接して表面プラズモン構造体を形成するために使用され得るプロセス工程に関連付けられる構造体を示している。ここで図９−３Ａを参照すると、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセスは、マスキング層９−３３０の上の反射防止コーティング（ＡＲＣ）９−３２０の上にレジスト層９−３１０を形成することからなることが可能である。層は、いくつかの実施形態によれば、透明な誘電体層５−２４５の上に配設され得る。レジスト層９−３１０は、リソグラフィーによってパターニングされ得るフォトレジスト又は電子−ビーム・レジストもしくはイオン−ビーム・レジストからなることが可能である。マスキング層９−３３０は、いくつかの実施形態によれば、無機材料（たとえば、シリコンもしくはシリカ窒化物、又は、任意の他の適切な材料）から形成されたハード・マスクからなることが可能である。
いくつかの実施形態では、フォトリソグラフィック・プロセスは、図９−３Ｂに示されているように、レジスト９−３１０をパターニングするために使用され得る。選択されるパターンは、所望の表面プラズモン構造体を形成するために使用されることとなる突出部又はホールのレイアウトからなることが可能である。レジスト９−３１０の現像の後に、ＡＲＣの領域は、露出されることとなり、パターンが、ＡＲＣ層９−３２０の中へ、及び、次いで、マスキング層９−３３０の中へ、エッチングされ得る。レジスト及びＡＲＣは、基板から剥がされ得、結果として生じる構造体が、図５−３Ｃに示されているように出現することが可能である。次いで、マスキング層９−３３０は、エッチ・マスクとして使用され得、パターンが、図９−３Ｄに示されているように、選択的な異方性エッチを介して、下層にある誘電体層５−２３５の中へ伝達され得るようになっている。
次いで、導電性材料５−２３０、又は、導体からなる材料の層が、図９−３Ｅに図示されているように、領域の上に堆積させられ得る。任意の適切な導電性材料が、それが材料５−２３０とは別々の層として堆積されるかどうかにかかわりなく、表面プラズモン構造体を形成するために使用され得る。たとえば、いくつかのケースでは、第１の導電性材料は、表面プラズモン構造体がその中に形成されている材料５−２３０のベース層として堆積させられ得る。表面プラズモン構造体を形成するために使用され得る材料の例は、それに限定されないが、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｇ、Ｃｕ、及び、合金、又は、それらの組み合わせ層を含む。
材料５−２３０、又は、材料の層は、それに限定されないが、物理的な堆積プロセス又は化学蒸着プロセスを含む、任意の適切な堆積プロセスによって堆積させられ得る。いくつかの実施形態では、材料５−２３０は、おおよそ８０ｎｍからおおよそ３００ｎｍの間の厚さを有することが可能である。いくつかの実施形態では、材料５−２３０は、（たとえば、ＣＭＰプロセスを使用して）平坦化され得るが、平坦化は必要ではない。サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルを製作することに関連して本明細書で説明されている任意の適切なプロセスを使用して、材料５−２３０の中に形成され得る。
本発明者は、図９−３Ａから図９−３Ｅに示されている工程にしたがって表面プラズモン構造体を形成することは、表面プラズモン構造体に対するサンプル・ウェルの正確なアライメントを必要とする可能性があるということを認識した。たとえば、図９−２Ｃに示されているように、同心円状のグレーチングからなる表面プラズモン構造体は、表面プラズモン構造体９−２１４の中心に対するサンプル・ウェル５−２１０の正確なアライメントを必要とするであろう。そのような正確なアライメントに関連付けられる製作の困難性を回避するために、本発明者は、図９−４Ａから図９−５Ｅに示されている自己アライメント・プロセスを開発した。
ここで図９−４Ａを参照すると、表面プラズモン構造体と、表面プラズモン構造体に自己整合されるサンプル・ウェルとを形成するためのプロセスは、透明な誘電体層５−２３５の上にマスキング層９−４１０を形成することからなることが可能である。マスキング層は、いくつかの実施形態によれば、シリコン又はシリカ窒化物などのような、無機材料から形成されたハード・マスクからなることが可能である。マスキング層９−４１０の厚さは、サンプル・ウェル５−２１０の所望の高さにおおよそ等しいことが可能である。たとえば、マスキング層の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５０ｎｍからおおよそ２００ｎｍの間であることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。
マスキング層９−４１０は、誘電体層５−２３５の中にパターニングされることとなる表面プラズモン構造体の所望のパターンを有するボイド９−４３０を生成させるためにパターニングされ得る。マスキング層９−４１０のパターニングは、任意の適切なリソグラフィー・プロセス（たとえば、フォトリソグラフィー、電子−ビーム・リソグラフィー、イオン−ビーム・リソグラフィー、ＥＵＶリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー）によって行われ得る。結果として生じる構造体は、図９−４Ｂに示されているように出現することが可能である。構造体は、中央ピラー９−４２０を含むことが可能であり、中央ピラー９−４２０は、その後に、自己整合されたサンプル・ウェルを形成するために使用されることとなる。
次いで、レジスト９−４４０（たとえば、フォトレジスト）は、図９−４Ｃに示されているように、パターニングされたマスキング層９−４１０の上にパターニングされ得る。レジスト９−４４０をパターニングするためのアライメント（たとえば、基板に対するマスクのアライメント）は、高度に正確である必要はなく、単に、中央ピラー９−４２０を被覆するために、及び、表面プラズモン構造体を形成するために使用されることとなるボイド９−４３０を被覆しないために、レジスト９−４４０を必要とする。
次いで、選択的な異方性エッチが、いくつかの実施形態によれば、図９−４Ｄに示されているように、誘電体層５−２３５をエッチングするために、及び、誘電体の中へ表面プラズモン構造体のパターンを伝達するために、使用され得る。次いで、選択的な等方性エッチが、マスキング層９−４１０の露出された部分を除去するために使用され得る。等方性エッチは、たとえば、ウェット・エッチであることが可能であるが、いくつかの実施形態では、等方性ドライ・エッチも使用され得る。レジスト９−４４０が中央ピラー９−４２０を覆うので、中央ピラーは、図９−４Ｅに示されているように、エッチングされることとならず、基板の上にあるままになることとなる。次いで、レジスト９−４４０が、図９−４Ｆに示されているように、基板から剥がされ、ピラー９−４２０を露出させることが可能である。
次いで、いくつかの実施形態によれば、金属導電性材料５−２３０、又は、導電性材料を含む材料のスタックが、図９−４Ｇに図示されているように、領域の上に堆積させられ得る。次いで、中央ピラー９−４２０、及び、ピラーの上に堆積された材料のキャップが
、ピラーの選択的なウェット・エッチによって除去され、キャップをリフト・オフすることが可能である。中央ピラーの除去は、下層にある表面プラズモン構造体９−４５０に自己整合されているサンプル・ウェルを残す。
代替的なプロセスが、表面プラズモン構造体に自己整合されるサンプル・ウェルを形成するために使用され得、それは、図９−５Ａから図９−５Ｅに示されている。いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数の導電層９−５１０、９−５２０は、図９−５Ａに示されているように、任意の適切なリソグラフィー・プロセスを使用して、透明な誘電体層５−２３５の上にパターニングされ得る。いくつかの実施形態では、第１の層９−５１０は、アルミニウムからなることが可能であり、第２の層９−５２０は、窒化チタンからなることが可能であるが、さまざまな実施形態では、他の材料の組み合わせも使用され得る。１つ又は複数の層の合計厚さは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの所望の高さにおおよそ均等であることが可能である。パターニングは、サンプル・ウェル５−２１０と、１つ又は複数の金属層の中のサンプル・ウェルに隣接するボイド９−５２５とを形成することが可能である。ボイドは、所望の表面プラズモン構造体のパターンの中に配置され得る。
いくつかの実施形態では、誘電体層５−２３５は、図９−５Ｂに示されているように、表面プラズモン構造体及びサンプル・ウェル５−２１０のパターンを誘電体層の中へ伝達するようにエッチングされ得る。誘電体の中へのエッチ深さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ２０ｎｍからおおよそ１５０ｎｍの間であることが可能である。レジスト９−４４０は、図９−５Ｃに示されているように、サンプル・ウェルを被覆するようにパターニングされ得る。レジストをパターニングするためのアライメントは、高度に正確である必要はなく、表面プラズモン構造体を形成するために使用されることとなる誘電体層５−２３５のエッチングされた隣接する領域を被覆することなく、サンプル・ウェルを被覆することだけを必要とする。
図９−５Ｄに図示されているように、導電性材料９−５１２、又は、導体を含む材料の層が、任意の適切な堆積プロセスを使用して、領域の上に堆積させられ得る。材料９−５１２は、誘電体層のエッチングされた領域を充填することが可能であり、また、１つ又は複数の層９−５１０、９−５２０の上に延在することが可能である。次いで、レジスト９−４４０、及び、レジストを被覆する材料が、リフト・オフ・プロセスにしたがって除去され得る。図９−５Ｅに示されている、結果として生じる構造体は、取り囲む表面プラズモン構造体に自己整合されているサンプル・ウェルを残す。サンプル・ウェルは、ディボット５−２１６を含む。
いくつかの実施形態では、図９−５Ａから図９−５Ｅに示されているプロセスは、ディボット５−２１６を有さないサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。たとえば、レジスト５−４４０は、誘電体層５−２３５がエッチングされる前に、サンプル・ウェル５−２１０の上にパターニングされ得る。次いで、誘電体層５−２３５が、エッチングされ得、それは、表面プラズモン構造体のパターンを誘電体層に伝達することとなるが、ディボットは形成しない。次いで、プロセスは、図９−５Ｄ及び図９−５Ｅに図示されているように進行し、ディボットを有さない自己整合されたサンプル・ウェルを生成させることが可能である。
Ｇ． 振幅／位相励起カップリング構造体
表面プラズモン構造体に加えて、又は、表面プラズモン構造体の代替として、他の構造体が、サンプル・ウェル５−２１０の付近にパターニングされ、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増加させることが可能である。たとえば、いくつかの構造体は、入射励起場の位相及び／又は振幅を変更することが可能であり、サンプル・ウェルの中の励起エ
ネルギーの強度を増加させるようになっている。図９−６Ａは、薄い損失性膜９−６１０を示しており、薄い損失性膜９−６１０は、入射励起放射線の位相及び振幅を変更するために、ならびに、サンプル・ウェルの中の電磁放射線の強度を増加させるために使用され得る。
いくつかの実施形態によれば、薄い損失性膜は、励起放射線の強め合いの干渉を生成させ、サンプル・ウェルの励起領域の中の場の増強を結果として生じさせることが可能である。図９−６Ｂは、サンプル・ウェルへ入射する励起放射線の数値シミュレーションを示しており、そこでは、薄い損失性膜９−６１０がサンプル・ウェルに直接隣接して形成されている。シミュレーションに関して、サンプル・ウェルは、おおよそ８０ｎｍの直径を有しており、また、おおよそ２００ｎｍの厚さの金の金属製の層の中に形成されている。サンプル・ウェルは、ＳＣＮからなるものでもよく、サンプル・ウェルを通る励起放射線の伝播を抑制する。薄い損失性膜９−６１０は、おおよそ１０ｎｍの厚さであり、ゲルマニウムから形成されており、二酸化ケイ素からなる下層にある透明な誘電体を覆っている。薄い損失性膜は、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャを横切って延在している。シミュレーションは、励起放射線の強度がサンプル・ウェルのエントランス・アパーチャにおいて最高値であるということを示している。この明るい領域９−６２０の中の励起放射線の強度は、サンプル・ウェルの左及び右に対する強度の値の２倍より大きい。
薄い損失性膜は、任意の適切な材料から作製され得る。たとえば、薄い損失性膜は、屈折率ｎがその材料に関する吸光係数ｋとおおよそ同じ桁数となっている、材料から作製され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、屈折率ｎがその材料の吸光係数ｋの値から約２桁の差の中にある、材料から作製され得る。可視波長におけるそのような材料の非限定的な例は、ゲルマニウム及びシリコンである。
薄い損失性膜は、任意の適切な厚さであることが可能であり、それは、１つ又は複数の励起供給源に関連付けられる、１つ又は複数の特性波長に依存することが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、おおよそ１ｎｍからおおよそ４５ｎｍの間の厚さであることが可能である。他の実施形態では、薄い損失性膜は、おおよそ１５ｎｍからおおよそ４５ｎｍの間の厚さであることが可能である。さらなる他の実施形態では、薄い損失性膜は、おおよそ１ｎｍからおおよそ２０ｎｍの間の厚さであることが可能である。
サンプル・ウェルがその中に形成されている材料５−２３０からの反射率に対する薄い損失性膜の影響、薄い損失性膜の中の励起エネルギー損失、及び、材料５−２３０の中の励起エネルギー損失が、図９−６Ｃのグラフに示されている。グラフの中にプロットされている１つの曲線は、反射率曲線９−６３４を表しており、また、薄い損失性膜の厚さが０ｎｍから１００ｎｍへ変化するにつれて、材料５−２３０及び薄い損失性膜９−６１０からの反射率がどのように変化するかということを示している。反射率は、シミュレートされた実施形態によれば、約２５ｎｍにおいて最小値に到達している。反射率最小は、励起エネルギーの特性波長、ならびに、薄い損失性膜及び材料５−２３０に関して使用される材料に応じて、異なる厚さで起こることとなる。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜の厚さは、反射率がおおよそその最小値となるように選択される。
いくつかの実施形態では、薄い損失性膜９−６１０は、図９−６Ｄに示されているように、サンプル・ウェル５−２１０及び材料５−２３０から間隔を置いて配置され得る。たとえば、薄い誘電体層９−６２０（たとえば、酸化ケイ素ＳｉＯｘ）が、薄い損失性膜の上に形成され得、また、サンプル・ウェル５−２１０は、誘電体層９−６２０に隣接して形成され得る。誘電体層５−６２０の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１５０ｎｍの間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の厚さも使用され得る。
単一の層として示されているが、薄い損失性膜は、２つ以上の材料の複数の層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜９−６１０及び誘電体層９−６２０の交互層からなる多層スタックが、図９−６Ｅに示されているように、サンプル・ウェル５−２１０に隣接して形成され得る。層のスタックの中の薄い損失性膜９−６１０の厚さは、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能であり、スタックの中の誘電体層５−６２０の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、多層スタックは、おおよそ２ｎｍからおおよそ８ｎｍの間の厚さを有する二酸化ケイ素の層、おおよそ５ｎｍからおおよそ２０ｎｍの間の厚さを有するシリコンの層、及び、おおよそ２ｎｍからおおよそ１２ｎｍの間の厚さを有するゲルマニウムの層からなることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。いくつかの実施形態では、多層スタックは、二酸化ケイ素の層（おおよそ４．２ｎｍの厚さ）、シリコンの層（おおよそ１４．４ｎｍの厚さ）、及び、ゲルマニウムの層（おおよそ６．５ｎｍの厚さ）からなることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。
薄い損失性膜は、入射放射線に対して少なくともいくらかの損失を示す任意の適切な材料から製作され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、たとえばシリコン及びゲルマニウムなど、半導体材料からなることが可能であるが、他の材料も使用され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、無機材料又は金属からなることが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、合金又は化合物半導体からなることが可能である。たとえば、薄い損失性膜は、Ｓｉ（５７．４重量％）、Ｇｅ（２５．８重量％）、及びＳｉＯ２（１６．８重量％）を含む合金からなることが可能であるが、他の実施形態では、他の比率及び組成も使用され得る。
いくつかの実施形態によれば、薄い損失性膜は、たとえば、物理的な堆積プロセス、化学蒸着プロセス、スピン・オン・プロセス、又は、それらの組み合わせなど、任意の適切なブランケット堆積プロセスを使用して、基板の上に形成され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、堆積の後に処置され、たとえば、焼かれ、アニーリングされ、及び／又は、イオン注入を受けることが可能である。
他の位相／振幅を変更する構造体が、追加的に又は代替的に使用され、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増強することが可能である。いくつかの実施形態によれば、及び、図９−７Ａに示されているように、反射スタック９−７０５は、サンプル・ウェル５−２１０から間隔を置いて配置され得る。いくつかの実施形態では、反射スタックは、交互の屈折率を有する材料の誘電体スタックからなることが可能である。たとえば、第１の誘電体層９−７１０は、第１の屈折率を有することが可能であり、第２の誘電体層９−７２０は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有することが可能である。反射スタック９−７０５は、いくつかの実施形態では、励起放射線に関して高い反射性を示すことが可能であり、また、サンプル・ウェルの中のエミッターからの放射エミッションに関して低い反射性を示すことが可能である。たとえば、反射スタック９−７０５は、励起放射線に関しておおよそ８０％よりも大きい反射性を示すことが可能であり、また、サンプルからのエミッションに関しておおよそ４０％よりも低い反射性を示すことが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の反射性の値も使用され得る。励起エネルギーを送信する誘電体層９−７３０が、反射スタックとサンプル・ウェルとの間に位置付けされ得る。
いくつかの実施形態によれば、図９−７Ａに示されている反射スタック９−７０５は、サンプル・ウェル５−２１０がその中に形成されている材料５−２３０とともに、共振器又は共鳴キャビティーを形成することが可能である。たとえば、反射スタックは、誘電材料９−７３０の中の励起放射線の波長の２分の１又はその整数倍におおよそ等しい距離だ
け、材料５−２３０から間隔を置いて配置され得る。共振器を形成することによって、励起エネルギーは、反射スタックを通過し、共鳴し、材料５−２３０と反射スタック９−７０５との間のスペースの中で増大することが可能である。これは、サンプル・ウェル５−２１０の中の励起強度を増加させることが可能である。たとえば、強度は、いくつかの実施形態では２倍以上、いくつかの実施形態では５倍以上、さらに、いくつかの実施形態では１０倍以上、共鳴構造体の中で増加することが可能である。
サンプル・ウェルにおいて形成される共鳴キャビティーは、いくつかの実施形態によれば、Ｇｉｒｅｓ−Ｔｏｕｒｎｏｉｓ共振器からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体は、線形の共鳴キャビティー又はリング共振器からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴構造体は、サンプル・ウェルに隣接して形成される分布Ｂｒａｇｇ反射体からなることが可能である。分布Ｂｒａｇｇ反射体は、異なる屈折率を有する材料の交互層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴キャビティーは、マイクロキャビティーからなることが可能である。マイクロキャビティーは、マイクロ・スケール寸法を有することが可能である。いくつかの態様では、マイクロキャビティーは、（共鳴キャビティーの屈折率ｎによって修正されるように）励起供給源の特性波長の２分の１又はその倍数におおよそ等しいサイズを有することが可能である。たとえば、マイクロキャビティーの寸法は、Μλ／２ｎであることが可能であり、ここで、Ｍは整数である。
追加的な構造体が、図９−７Ｂ及び図９−７Ｃに示されているように、サンプル・ウェルの付近に追加され得る。いくつかの実施形態によれば、誘電体層９−７３０の第２の屈折率よりも高い第１の屈折率を有する誘電体プラグ９−７４０が、図９−７Ｂに示されているように、サンプル・ウェル５−２１０に隣接して形成され得る。プラグは、サンプル・ウェルの直径におおよそ等しい直径を有するシリンダーの形状をしていることが可能であるが、他の形状及びサイズも使用され得る。そのより高い屈折率に起因して、誘電体プラグ９−７４０は、励起放射線を濃縮し、サンプル・ウェルに向けて励起放射線をガイドすることが可能である。
プラグ９−７４０などのような誘電体構造体は、いくつかの実施形態によれば、反射スタック９−７０５の有無にかかわらず使用され得る。そのような誘電体構造体は、誘電体共鳴アンテナと称され得る。誘電体共鳴アンテナは、たとえば、円筒形状の、長方形、正方形、多角形、台形、又はピラミッド形など、任意の適切な形状を有することが可能である。
図９−７Ｃ及び図９−７Ｄは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル５−２１０の付近に形成され得るフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造体を示している。フォトニック・バンドギャップ構造体は、光学コントラスト構造体９−７５０の規則的なアレイ又は格子からなることが可能である。光学コントラスト構造体は、いくつかの実施形態によれば、取り囲む誘電材料の屈折率とは異なる屈折率を有する誘電材料からなることが可能である。いくつかの実施形態では、光学コントラスト構造体９−７５０は、取り囲む媒体とは異なる損失値を有することが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル５−２１０は、図９−７Ｄに示されているような格子の中の欠陥に位置付けされ得る。さまざまな実施形態によれば、フォトニック格子の中の欠陥は、欠陥の領域の中に光子を閉じ込めることが可能であり、それは、サンプル・ウェルにおける励起エネルギーの強度を増強させることが可能である。フォトニック・バンドギャップ構造体に起因する閉じ込めは、基板の表面の横断方向に実質的に２次元になっていることが可能である。反射スタック９−７０５と組み合わせられるときには、閉じ込めは、サンプル・ウェルにおいて３次元になっていることが可能である。いくつかの実施形態では、フォトニック・バンドギャップ構造体は、反射スタックなしで使用され得る。
図９−６Ａから図９−７Ｄに示されている励起カップリング構造体を製作するためのさまざまな方法が考えられてきた。薄い平面的な膜（たとえば、交互の屈折率の誘電体膜）を必要とする構造体は、いくつかの実施形態によれば、平面的な堆積プロセスによって形成され得る。平面的な堆積プロセスは、物理的な堆積（たとえば、電子ビーム・エバポレーション又はスパッタリング）又は化学蒸着プロセスからなることが可能である。図５−７Ｂに示されている誘電体共鳴アンテナ９−７４０、又は、図９−７Ｃに示されている光学コントラスト構造体９−７５０などのような、３次元の形状に形成された別個の埋め込まれている誘電体を必要とする構造体は、基板の中へパターンをエッチングするためにリソグラフィック・パターニング及びエッチング・プロセスを使用して、ならびに、たとえば、その後の誘電体層の堆積、及び、基板の平坦化を使用して、形成され得る。また、考えられるのは、サンプル・ウェル５−２１０の付近に誘電体共鳴アンテナ及びフォトニック・バンドギャップ構造体を形成するための自己アライメント・プロセッシング技法である。
Ｈ． 振幅／位相励起カップリング構造体の製作
図９−８Ａから図９−８Ｇは、図９−７Ｃに図示されているようなフォトニック・バンドギャップ構造体及び自己整合されたサンプル・ウェルを形成するために使用され得る、単に１つの自己アライメント・プロセスに関するプロセス工程に関連付けられる構造体を示している。いくつかの実施形態によれば、反射スタック９−７０５が、最初に、図９−８Ａに図示されているように、誘電体層５−２４５の上の基板の上に形成され得る。次いで、第２の誘電体層９−７３０が、反射スタックの上に堆積させられ得る。誘電体層９−７３０の厚さは、材料の中の励起放射線の波長の約２分の１又はその整数倍におおよそ等しいことが可能である。次いで、図９−４Ａから図９−４Ｅに関連して説明されているプロセス工程が、誘電体層９−７３０の上のピラー５−９２０、及び、フォトニック・バンドギャップ構造体に関してエッチングされた特徴９−８１０のパターンを形成するために実施され得る。エッチングされた特徴は、誘電体層９−７３０の中へ、及び、随意的に、反射スタック９−７０５の中へ、延在することが可能である。結果として生じる構造体は、図９−８Ａに示されているように出現することが可能である。
ピラー９−４２０を被覆するレジスト９−４４０が、基板から剥がされ得、また、コンフォーマルな堆積が、図９−８Ｂに示されているように行われ、エッチングされた特徴を充填材料９−８２０によって充填することが可能である。充填材料９−８２０は、いくつかの実施形態によれば、ピラー９−４２０を形成するために使用されるのと同じ材料であることが可能である。たとえば、充填材料９−８２０及びピラー９−４２０は、窒化ケイ素から形成され得、誘電体層９−７３０は、たとえばＳｉＯ２など、酸化物からなることが可能である。
次いで、異方性エッチが、充填材料９−８２０をエッチ・バックするために実施され得る。充填材料は、いくつかの実施形態によれば、エッチ・バックされ、誘電体層９−７３０の表面を露出させ、図９−８Ｃに示されているような構造体を結果として生じさせることが可能である。エッチは、ピラー９−８３０を残すことが可能であり、ピラー９−８３０は、オリジナルのピラー９−４２０と、充填材料９−８２０から残る側壁部９−８２２とからなる。
次いで、レジスト９−４４０が、図９−８Ｄに示されているように、基板の上にパターニングされ得る。たとえば、レジストが、基板の上にコーティングされ得、ホールが、レジストの中にパターニングされ得、レジストが、ピラー９−８３０の周りのレジストの中の領域を切り開くために現像され得る。ピラーに対するホールのアライメントは、高度に正確である必要はなく、誘電体層９−７３０の中に埋め込まれている下層にあるフォトニ
ック・バンドギャップ構造体を露出させることなく、ピラー９−８３０を露出させることだけを必要とする。
ピラー９−８３０が露出された後に、等方性エッチが、ピラーの横断方向の寸法を低減させるために使用され得る。いくつかの実施形態によれば、結果として生じるピラー形状は、図９−８Ｅに示されているように出現することが可能である。次いで、レジスト９−４４０は、基板から剥がされ得、材料５−２３０、又は、材料の層が、領域の上に堆積させられ得る。いくつかの実施形態では、材料５−２３０は、ＣＭＰプロセスを使用してエッチ・バックされ、図９−８Ｆに示されているように領域を平坦化することが可能である。その後に、選択的なドライ又はウェット・エッチが、図９−８Ｇに図示されているように、残りのピラー構造体を除去するために使用され、サンプル・ウェル５−２１０を残すことが可能である。図面によって示されているように、サンプル・ウェル５−２１０は、誘電体層９−７３０の中にパターニングされているフォトニック・バンドギャップ構造体に自己整合されている。
代替的なプロセスとして、充填材料９−８２０は、ピラー９−４２０を形成するために使用される材料とは異なる材料からなることが可能である。このプロセスでは、図９−８Ｄ及び図９−８Ｅに関連付けられる工程は、省略される可能性がある。図９−８Ｆに示されているように、材料５−２３０の堆積及び平坦化の後に、選択的エッチが行われ、ピラー９−４２０を除去することが可能である。これは、サンプル・ウェル５−２１０をライニングする充填材料９−８２０の側壁部を残すことが可能である。
Ｉ． 非放射励起カップリング構造体及び製作
また、サンプル・ウェルの中のサンプルとの励起エネルギーの非放射カップリングに関する構造体が、本発明者によって考えられた。非放射カップリング構造体の単に１つの実施形態が、図９−９Ａに示されている。いくつかの実施形態によれば、非放射カップリング構造体は、サンプル・ウェル５−２１０に直接隣接して形成される半導体層９−９１０からなることが可能である。半導体層９−９１０は、いくつかの実施形態では、有機半導体であることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、無機半導体であることが可能である。いくつかの実施形態では、ディボット５−２１６は、半導体層の中に形成されてもよいし、又は形成されなくてもよい。半導体層９−９１０は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の厚さを有することが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の厚さも使用され得る。いくつかの実施形態によれば、励起供給源からの励起放射線又は光子９−９３０が、半導体層９−９１０に衝突し、エキシトン９−９２０を作り出すことが可能である。エキシトンは、サンプル・ウェルの表面まで拡散することが可能であり、そこで、それらは、非放射で再結合し、サンプル・ウェルの壁部に隣接するサンプルにエネルギーを伝達することが可能である。
図９−９Ｂは、別の実施形態を示しており、その別の実施形態では、半導体層５−９１２が使用され、励起エネルギーからのエネルギーをサンプルに非放射で伝達することが可能である。いくつかの実施形態では、半導体層９−９１２は、図面に示されているように、サンプル・ウェルの底部に、又は、サンプル・ウェル５−２１０のディボットの中に形成され得る。半導体層５−９１２は、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルのベースにおいて接着性物質を堆積させるためのプロセス工程に関連して本明細書で説明されているような指向性堆積プロセスを使用することによって、サンプル・ウェルの中に形成され得る。半導体層９−９１２は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の厚さを有することが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。入射放射線が、半導体層の中にエキシトンを発生させることが可能であり、それは、次いで、サンプル・ウェル５−２１０の底部表面へ拡散することが可能である。次いで、エキシトンは、サンプル・ウェルの中のサンプルにエネルギーを非放射で
伝達することが可能である。
また、励起エネルギーをサンプルに伝達するための複数の非放射経路が、本発明者によって考えられた。いくつかの実施形態によれば、及び、図９−９Ｃに示されているように、エネルギー伝達粒子９−９４０が、サンプル・ウェルの中に堆積させられ得る。エネルギー伝達粒子は、いくつかの実施形態では、量子ドットからなることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、分子からなることが可能である。いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子９−９４０は、リンキング分子を通して、サンプル・ウェルの表面に官能基化され得る。薄い半導体層９−９１０が、サンプル・ウェルに隣接して、又は、サンプル・ウェルの中に形成され得、エキシトンは、図面に示されているように、半導体層へ入射する励起放射線から半導体層の中に発生させられ得る。エキシトンは、サンプル・ウェルの表面へ拡散し、エネルギー伝達粒子９−９４０にエネルギーを非放射で伝達することが可能である。次いで、エネルギー伝達粒子９−９４０は、サンプル・ウェルの中のサンプル５−１０１にエネルギーを非放射で伝達することが可能である。
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの中に２つ以上のエネルギー伝達粒子９−９４０が存在することが可能である。たとえば、エネルギー伝達粒子９−９４２の層が、図９−９Ｃに示されているサンプル・ウェルなどのような、サンプル・ウェルの中に堆積させられ得る。
いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子９−９４２、又は、単一のエネルギー伝達粒子９−９４０は、図９−９Ｄに示されているように、サンプル・ウェルのベースに堆積させられ得る。１つ又は複数のエネルギー伝達粒子は、ウェルの中のサンプル５−１０１に励起エネルギーを放射で又は非放射で伝達することが可能である。たとえば、エネルギー伝達粒子は、入射放射線を吸収し、エネルギー伝達粒子の励起状態を形成し、次いで、サンプル５−１０１にエネルギーを放射で又は非放射で伝達することが可能である。
いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子は、入射励起エネルギーを吸収し、次いで、吸収された励起エネルギーの波長とは異なる波長で、放射エネルギーを再放出することが可能である。次いで、再放出されたエネルギーは、サンプル・ウェルの中のサンプルを励起するために使用され得る。図９−９Ｆは、ダウン・コンバートするエネルギー伝達粒子に関連付けられるスペクトル・グラフを表している。いくつかの実施形態によれば、ダウン・コンバートするエネルギー伝達粒子は、量子ドットからなり、量子ドットは、短波長放射線（より高いエネルギー）を吸収し、１つ又は複数のより長い波長放射線（より低いエネルギー）を放出することが可能である。例示的な吸収曲線９−９５２が、６ｎｍから７ｎｍの間の半径を有する量子ドットに関して、点線としてグラフの中に示されている。量子ドットは、曲線９−９５４によって図示されている放射線の第１のバンド、曲線９−９５６によって図示されている放射線の第２のバンド、及び、曲線９−９５８によって図示されている放射線の第３のバンドを放出することが可能である。
いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子は、励起供給源からのエネルギーをアップ・コンバートすることが可能である。図９−９Ｆは、エネルギー伝達粒子からのアップ・コンバートに関連付けられるスペクトルを示している。いくつかの実施形態によれば、量子ドットは、おおよそ９８０ｎｍにおいて放射線によって励起され、次いで、グラフの中に図示されているような３つのスペクトル・バンドのうちの１つの中へ再放出することが可能である。第１のバンドは、おおよそ４８３ｎｍに中心を合わせられ得、第２のバンドは、おおよそ５３８ｎｍに中心を合わせられ得、第３のバンドは、おおよそ６４２ｎｍに中心を合わせられ得る。量子ドットから再放出される光子は、量子ドットを励起するために使用される放射線の光子よりも高エネルギーである。したがって、励起供給源からのエネルギーは、アップ・コンバートされる。放出されるスペクトル・バンドのうちの１つ
又は複数は、サンプル・ウェルの中の１つ又は複数のサンプルを励起するために使用され得る。
Ｊ． エミッション・エネルギーをセンサーに方向付けすること
１つ又は複数のコンポーネントが、サンプル・ウェルとピクセルの中の対応するセンサーとの間に形成され、センサーによるサンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッション・エネルギーの収集を改善することが可能である。そのようなコンポーネントは、試料の中のサンプルを特定するためのマーカの検出を改善するために、背景信号に対するエミッション・エネルギー信号の信号対雑音比を改善することが可能である。そのようなコンポーネントは、異なる特性波長のエミッション・エネルギーを空間的に方向付けるように、及び／又は、空間的に分離するように、設計され得る。そのようなコンポーネントは、直接サンプル・ウェルからの励起エネルギーをピクセルの中の１つ又は複数の対応するセンサーに方向付けすることが可能である。いくつかの実施形態では、構造体に対するサンプル・ウェルの場所は、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを特定の方式で１つ又は複数のセンサーに向けて方向付けするように選択される。エミッション・エネルギーに基づいて１つ又は複数のマーカを特定するときに、エレメントは、マーカによって放出される特性波長に依存する放射線分布パターンの中へエミッション・エネルギーを方向付けするように構成され得る。複数のマーカは、それぞれが異なるスペクトル範囲の中で放出し、集積デバイスの中のエミッション方向付けコンポーネントにエミッション・エネルギーがカップリングするときに形成する放射線パターンによって区別可能であり得る。フィルターなどのような、他のコンポーネントが、ピクセルの中のサンプルに関連付けられない励起エネルギー及び他のエネルギーがピクセルの対応する１つ又は複数のセンサーに到達することを低減させることが可能である。
１． 表面オプティクス
ピクセルのサンプル・ウェルの近くに位置付けされているピクセルの中のコンポーネントは、サンプル・ウェルの中に位置付けされているときに、サンプルによって放出されるエミッション・エネルギーとカップリングするように構成され得る。そのようなコンポーネントは、集積デバイスの２つの層の間の界面において形成され得る。たとえば、いくつかのエミッション・エネルギー・カップリング・エレメントが、サンプル・ウェル層と、サンプル・ウェルが形成されている場所と反対側にサンプル・ウェル層に隣接する層との間の界面において形成され得る。いくつかの場合には、サンプル・ウェル層の下の層は、誘電体層であり、エミッション・エネルギー・カップリング・エレメントは、表面プラズモンをサポートすることが可能である。他の実施形態では、サンプル・ウェル層は、光学的に透明な材料に隣接する導電性材料であることが可能である。表面エネルギー・カップリング・エレメントは、表面光学的な構造体であることが可能であり、表面光学的な構造体は、サンプル・ウェルからの放射エミッションによって励起され、サンプル・ウェルからの放射エミッションと相互作用する。表面光学的な構造体は、異なる特性波長のエミッション・エネルギーに関して、異なる空間的な放射線パターンを形成するように構成され得る。「特性波長」又は「特性エネルギー」という用語は、供給源から放出される放射線の限定されたバンド幅の中の中央の又は支配的な波長を表すために使用され得る。フルオロフォアの特性波長の例は、５６３ｎｍ、５９５ｎｍ、６６２ｎｍ、及び６８７ｎｍである。
グレーチング周期、特徴サイズ、又は、サンプル・ウェルからの距離などのような、表面光学的な構造体の特性寸法は、エミッション・エネルギー運動量ベクトルの平行な成分を表面プラズモンに関する表面波運動量ベクトルの中へ最大限にカップリングするために選択され得る。たとえば、エミッション・エネルギー運動量ベクトルの平行な成分は、いくつかの実施形態によれば表面プラズモン構造体によって支持される表面プラズモンに関する表面波運動量ベクトルにマッチさせられ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・
ウェルから表面光学的な構造体の縁部又は特性特徴への距離ｄは、たとえば、表面に対して垂直であるか、又は表面に対して垂直方向から角度θだけ傾けられているなど、選択された方向に、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを方向付けするように選択され得る。たとえば、距離ｄは、表面に対して垂直にエミッションを方向付けするために表面プラズモン波長の整数であることが可能である。いくつかの実施形態では、距離ｄは、表面に対して垂直から角度θにエミッションを方向付けするために、分数の表面プラズモン波長又はその波長モジュロ（ｍｏｄｕｌｏｒ）となるように選択され得る。
動作時には、表面エネルギー・カップリング・コンポーネント及びサンプル・ウェルは、サンプル・ウェルから、サンプル・ウェルを含有するピクセルの中の１つ又は複数のセンサーに向けて放射されるエミッション・エネルギーの量を増加させるように構成され得る。表面エネルギー・カップリングがなければ、励起されるサンプルは、等方的に放射線を放出することが可能であり、ゼロモード導波路としての役割を果たすサンプル・ウェルの存在は、放射線がナノアパーチャを通って伝播しなくてもよいので、ハーフ・シェル又はＬａｍｂｅｒｔｉａｎ分布へのほとんどのエミッションを制限することが可能である。表面エネルギー・カップリング・コンポーネントの追加は、高度に異方性のエミッション分布を生成させることが可能である。
いくつかの実施形態によれば、表面光学的な構造体は、サンプル・ウェルからの放射エミッション・エネルギーを、第１の方向に及び／又は第１の特性空間的なパターンで、第１の特性波長でカップリングすることが可能である。カップリングされたエネルギーは、狭くなった異方性放射線パターンで、第１の方向に方向付けされ得る。いくつかの実施形態では、表面光学的な構造体は、同じサンプル・ウェルからの放射エミッション・エネルギーを、第１の方向及び／又は第１の特性空間的なパターンとは異なる、第２の方向及び／又は第２の特性空間的なパターンで、第２の特性波長でさらにカップリングすることが可能である。また、第２のエミッションは、狭くなった異方性放射線パターンで方向付けされ得る。いくつかの実施形態では、第１の特性波長を備える放射線が、表面光学的な構造体が形成されている表面に対して垂直の狭くなったローブの中に方向付けされており、第２の特性波長の放射線は、表面に対して垂直方向からある角度で、環状のローブの中に方向付けされている。
表面光学的な構造体の例は、同心円状のグレーチングである。同心円状のグレーチング構造体は、集積デバイスのピクセルの中に形成され、ピクセルの１つ又は複数のセンサーに向けてエミッション・エネルギーを方向付けすることが可能である。同心円状のグレーチング・リング構造体、又はブルズ・アイ構造体は、サンプル・ウェルの周りに形成され得る。同心円状のグレーチング構造体は、サンプル・ウェルとカップリングし、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーの伝播を改善することが可能である。追加的に、同心円状のグレーチング構造体は、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるエミッション・エネルギーを、放射線パターンの中へ方向付けすることが可能であり、その放射線パターンにおいて、それは、エミッション・エネルギーの特性波長に依存して形成する。
同心円状の円形グレーチング表面１０−１０２の例が、表面プラズモン構造体として、図１０−１に示されている。円形グレーチングは、任意の適切な数のリングからなることが可能であり、図１０−１に示されているリングの数が、非限定的な例である。円形グレーチングは、導電性膜の表面から突出するリングからなることが可能である。たとえば、円形グレーチングは、サンプル・ウェル層と、サンプル・ウェル層の下に形成された誘電体層の界面に形成され得る。サンプル・ウェル層は、導電性材料であることが可能であり、同心円状のグレーチングは、導電性材料と誘電体との間の界面においてグレーチング構造体をパターニングすることによって形成され得る。円形のグレーチングのリングは、規
則的な周期的なスペーシングとなっていることが可能であり、又は、リング同士の間に非規則的な又は非周期的なスペーシングを有することが可能である。サンプル・ウェルは、円形のグレーチングの中心に位置付けされ、又は、円形のグレーチングの中心の近くに位置付けされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、円形のグレーチングの中心から外れて位置付けされ得、また、グレーチングの中心から特定の距離に位置決めされ得る。いくつかの実施形態では、グレーチング・タイプ表面エネルギーカップリング・コンポーネントは、スパイラル・グレーチングからなることが可能である。スパイラル・グレーチング１０−２０２の例が、図１０−２に示されている。スパイラル・グレーチング１０−２０２は、導電性膜の中のスパイラル・アパーチャからなることが可能である。スパイラル・グレーチングの任意の適切な寸法が、スパイラル・グレーチングを形成するために使用され得る。
グレーチング構造体は、サンプル・ウェルの近くに形成され得、エミッション・エネルギーがグレーチング構造体とカップリングするようになっている。グレーチング構造体は、エミッション・エネルギーの特性波長に基づいて、エミッション・エネルギーの空間的な分布パターンを形成するように構成され得る。異なる空間的な分布パターンは、異なる特性波長に関して形成することが可能である。サンプル・ウェルの下に位置決めされている同心円状のグレーチングを有する結果として形成する、可能性のある空間的な分布パターンの例が、図１０−３から図１０−６に示されている。たとえば、集積デバイスの層１０−３０６は、サンプル・ウェルの下に位置決めされている同心円状のグレーチング構造体１０−３０２を備えるサンプル・ウェルを含有することが可能である。第１の特性波長を有するエミッション・エネルギーが、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるときには、エミッション・エネルギーは、同心円状のグレーチングとカップリングし、図１０−３に図示されている第１の空間的な分布パターン１０−３０４を形成する。追加的に、第２の特性波長を有するエミッション・エネルギーが、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるときには、図１０−４に示されている分布パターン１０−４０４などのような、第２の分布パターンが形成することが可能である。同様に、図１０−５は、第３の特性波長を有するエミッション・エネルギーに関する第３の空間的な分布パターン１０−５０４を図示しており、図１０−６は、第４の特性波長を有する第４の空間的な分布パターン１０−６０４を図示している。異なる空間的な分布パターンが、ピクセルの中の空間的に分離されているセンサーによって検出され、第１、第２、第３、及び第４の特性波長の間を見分けることが可能である。
表面オプティクス又は表面プラズモン構造体の別の例は、ナノ・アンテナ構造体である。ナノ・アンテナ構造体は、異なる特性波長のエミッション・エネルギーを空間的に方向付けするように、及び／又は、空間的に分離するように設計され得る。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナ構造体に対するサンプル・ウェルの場所は、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを、１つ又は複数のセンサーに向けて特定の向きに方向付けするように選択される。ナノ・アンテナは、ナノ・スケール双極子アンテナ構造体からなることが可能であり、ナノ・スケール双極子アンテナ構造体は、エミッション・エネルギーによって励起されるときに、指向性の放射線パターンを作り出すように設計されている。ナノ・アンテナは、サンプル・ウェルの周りに分散され得る。指向性の放射線パターンが、アンテナの電磁界の総和から結果として生じ得る。いくつかの実施形態では、指向性の放射線パターンが、電磁界がサンプルから直接的に放出される状態で、アンテナの電磁界の総和から結果として生じ得る。いくつかの実施形態では、サンプルから直接的に放出される電磁界は、サンプル・ウェルとナノ・アンテナ構造体との間の表面プラズモンによって媒介され得る。
ナノ・アンテナ構造体を形成する個々のナノ・アンテナの寸法は、全体的なナノ・アンテナ構造体の組み合わせられた能力が１つ又は複数のエミッション・エネルギーの特定の
分布パターンを作り出すように選択され得る。たとえば、個々のナノ・アンテナの直径は、ナノ・アンテナ構造体の中で変化することが可能である。しかし、いくつかの場合には、直径は、ナノ・アンテナのセットの中で同じであることが可能である。他の実施形態では、数個の選択された直径が、全体的なナノ・アンテナ構造体の全体を通して使用され得る。いくつかのナノ・アンテナは、半径Ｒの円形の上に分散され得、いくつかは、円形から半径方向にシフトされ得る。いくつかのナノ・アンテナは、半径Ｒの円形の周りに等しく間隔を置いて配置され得（たとえば、均等な極角インクレメントに中心を合わせられている）、いくつかは、円形の周りの等しいスペーシングからシフトされ得る。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナは、サンプル・ウェルの周りにスパイラル構成で配置され得る。追加的に又は代替的に、サンプル・ウェルの周りのマトリックス・アレイ、十字形分布、及び星形分布などのような、ナノ・アンテナの他の構成が可能である。個々のナノ・アンテナは、正方形、長方形、十字形、三角形、ちょうネクタイ、環状のリング、五角形、六角形、多角形などのような、円形以外の形状であることが可能である。いくつかの実施形態では、アパーチャ又はディスクの周囲は、たとえば、（Ν／２）λなど、おおよそ分数波長の整数の倍数であることが可能である。
ナノ・アンテナ・アレイは、サンプルからのエミッション・エネルギーを濃縮された放射線ローブの中へ方向付けすることが可能であり、放射線ローブは、エミッション・エネルギーの特性波長に依存する空間的なパターンを有している。サンプルがエネルギーを放出するときには、サンプル・ウェルからサンプル・ウェルの周りに分散されたナノ・アンテナへ伝播する表面プラズモンを励起することが可能である。次いで、表面プラズモンは、ナノ・アンテナにおける放射線モード又は双極子エミッターを励起することが可能であり、それは、サンプル・ウェル層の表面に対して垂直な放射線を放出する。ナノ・アンテナにおいて励起されるモード又は双極子の位相は、サンプル・ウェルからのナノ・アンテナの距離に依存することとなる。サンプル・ウェルと個々のナノ・アンテナとの間の距離を選択することは、ナノ・アンテナから放出される放射線の位相を制御する。ナノ・アンテナにおいて励起される空間的な放射線モードは、ナノ・アンテナの幾何学形状及び／又はサイズに依存することとなる。個々のナノ・アンテナのサイズ及び／又は幾何学形状を選択することは、ナノ・アンテナから放出される空間的な放射線モードを制御する。アレイの中のすべてのナノ・アンテナ、及び、いくつかの場合にはサンプル・ウェルからの寄与が、放射線パターンを形成する１つ又は複数の全体的な放射線ローブを決定することが可能である。理解され得るように、位相及び個々のナノ・アンテナから放出される空間的な放射線モードは、波長に依存することが可能であり、放射線パターンを形成する１つ又は複数の全体的な放射線ローブが、波長に依存することとなるようになっている。電磁界の数値シミュレーションが用いられ、異なる特性波長のエミッション・エネルギーに関する全体的な放射線ローブ・パターンを決定することが可能である。
ナノ・アンテナは、導電性膜の中のホール又はアパーチャのアレイからなることが可能である。たとえば、ナノ・アンテナ構造体は、導電性サンプル・ウェル層と下層にある誘電体層との間の界面において形成され得る。ホールは、中心点を取り囲む同心円状の円形の中に分散されたホールのセットからなることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、アレイの中心点に位置付けされているが、他の実施形態では、サンプル・ウェルは中心から外れていてもよい。それぞれの円形に分散されたホールのセットは、円形分布の周りに最小から最大へ配置されている異なる直径の収集からなることが可能である。ホール直径は、セット同士の間で異なることが可能であり（たとえば、１つのセットの中の最小ホールは、別のセットの中の最小ホールよりも大きいことが可能である）、最小ホールの場所は、円形のそれぞれのセットに関して、異なる極角で配向され得る。いくつかの実施形態では、円形に分散されたホールの１つから７つのセットが、ナノ・アンテナの中に存在することが可能である。他の実施形態では、７つよりも多いセットが存在することが可能である。いくつかの実施形態では、ホールは、円形でなくてもよく、
任意の適切な形状であることが可能である。たとえば、ホールは、楕円、三角形、矩形などであることが可能である。他の実施形態では、ホールの分布は、円形でなくてもよく、スパイラル形状を生成させることが可能である。
図１１−１Ａ及び１１−１Ｂは、導電層の中のホール又はアパーチャからなる例示的なナノ・アンテナ構造体を図示している。図１１−１Ａは、ホール１１−１２２によって取り囲まれたサンプル・ウェル１１−１０８を備える集積デバイスの表面の上部平面図を示している。ナノ・アンテナ・ホールは、おおよそ半径Ｒの円形の周りに分散されている。この非限定的な例では、ホール直径は、ホールの円形の周囲の周りでインクレメンタルに増加することによって変化している。図１１−１Ｂは、線Ｂ−Ｂに沿って、図１１−１Ａに示されている集積デバイスの概略を示す断面図である。サンプル・ウェル層１１−１１６は、ナノ・アンテナ構造体の一部であるサンプル・ウェル１１−１０８及びアパーチャ１１−１２２を含むことが可能である。集積デバイスの層６−１１８は、サンプル・ウェル層１１−１１６の下方に延びる。層１１−１１８は、誘電材料及び／又は光学的に透明な材料であることが可能である。
いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナ構造体は、複数のディスクからなることが可能である。ナノ・アンテナ構造体のディスクは、導電性材料の表面から突出する導電性ディスクとして形成され得る。導電性材料は、光学的に透明な材料に隣接していることが可能である。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナはサンプル・ウェルの周りに分散され得る。いくつかの場合には、ナノ・アンテナは、半径Ｒの円形で概ねサンプル・ウェルの周りに分散され得る。ナノ・アンテナ・アレイは、サンプル・ウェルの周りで、おおよそ追加的な異なる半径の円形の上に分散されたナノ・アンテナの複数のセットからなることが可能である。
図１１−２Ａ及び図１１−２Ｂは、導電層から突出するディスクからなるナノ・アンテナ構造体の例示的な実施形態を図示している。図１１−２Ａは、ディスク１１−２２４によって取り囲まれているサンプル・ウェル１１−２０８を備える集積デバイスの表面の上部平面概略図を示している。ナノ・アンテナディスクは、おおよそ半径Ｒの円形の周りに分散されている。この非限定的な例では、２つの直径が、ディスクに関して使用され、ディスクは、ナノ・アンテナの円形の周囲の周りで、これらの２つの直径の間で交互になる。図１１−２Ｂは、線Ｃ−Ｃ’に沿って、図１１−２Ａに示されている集積デバイスの概略を示す断面図である。サンプル・ウェル層１１−２１６は、ナノ・アンテナ構造体の一部であるサンプル・ウェル１１−２０８及びディスク１１−２２４を含むことが可能である。ディスク１１−２２４は、特定の距離だけサンプル・ウェル層１１−２１６から突出している。いくつかの実施形態では、ディスクがサンプル・ウェル層から延在する距離は、ナノ・アンテナ構造体の中で変化することが可能である。集積デバイスの層１１−２１８はサンプル・ウェル層１１−２１６の下方に延びている。層１１−２１８は誘電材料及び／又は光学的に透明な材料からなることが可能である。サンプル・ウェル層１１−２１６及び突出するディスクは、導電性材料であることが可能である。
ナノ・アンテナ構造体を形成するホール及び／又はディスクは、任意の適切なパターン又は分布であることが可能であり、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーが、ナノ・アンテナ構造体のナノ・アンテナのうちの１つ又は複数とカップリングするようになっている。ナノ・アンテナ構造体の別の例を、スパイラル・パターンを表す図１１−３に図示している。サンプル・ウェルは、ナノ・アンテナ構造体１１−３０２に対して、位置１１−３０８において、サンプル・ウェル層の中に位置付けされ得る。エミッション・エネルギーがサンプル・ウェルから放出されるときに、表面プラズモンが、ナノ・アンテナ構造体の領域の中に形成され得る。図１１−４は、ナノ・アンテナ構造体内における表面プラズモンの伝播の例を図示している。ピクセルの中にナノ・アンテナ構造体を形成
するナノ・アンテナの他の例示的なパターン及び分布を、図１１−５，１１−６，１１−７に示している。
ナノ・アンテナ構造体は、異なる特性波長におけるエミッションを区別するために使用され得る。ナノ・アンテナ・アパーチャ構造体は、放射線ローブを作り出すことが可能であり、放射線ローブは、異なる特性波長のエミッション・エネルギーに関して、サンプル・ウェルから異なる方向に延在している。放射線ローブは、エミッション・エネルギーの特性波長に応じて異なる空間的な分布パターンを形成している。サンプル・ウェルの下に位置決めされているナノ・アンテナ構造体を有する結果として形成する、可能性のある空間的な分布パターンの例が、図１１−８，１１−９，１１−１０，１１−１１に示されている。たとえば、集積デバイスの層１１−８０６は、サンプル・ウェルを含有することが可能であり、ナノアパーチャ構造体１１−８０２が、サンプル・ウェルの下方に位置決めされている。第１の特性波長を有するエミッション・エネルギーが、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるときには、エミッション・エネルギーは、ナノ・アンテナ構造体の中のナノ・アンテナとカップリングし、それは、図１１−８に図示されている第１の空間的な分布パターン１１−９０４の中へエミッション・エネルギーを方向付けする。追加的に、第２の特性波長を有するエミッション・エネルギーが、サンプル・ウェルの中のサンプルによって放出されるときには、図１１−９に示されている分布パターン１１−１００４などのような、第２の分布パターンが形成することが可能である。同様に、図１１−１０は、第３の特性波長を有するエミッション・エネルギーに関する第３の空間的な分布パターン１１−１１０４を図示しており、図１１−１１は、第４の特性波長を有する第４の空間的な分布パターン１１−１２０４を図示している。異なる空間的な分布パターンは、ピクセルの中の空間的に分離されているセンサーによって検出され、第１、第２、第３、及び第４の特性波長の間を見分けることが可能である。
２． 遠視野オプティクス
サンプル・ウェルの中のサンプルから放出されるエミッション・エネルギーは、さまざまな方式で、ピクセルのセンサーに送信され得、そのいくつかの例が、詳細に下記に説明されている。いくつかの実施形態は、光学コンポーネント及び／又はプラズモニック・コンポーネントを使用し、特定の波長の光が、特定の波長の光を検出するように特化されたセンサーの領域又は一部分へ方向付けされる可能性を増加させることが可能である。センサーは、異なる波長のエミッション・エネルギーを同時に検出するための複数のサブ・センサーを含むことが可能である。
図１２−１Ａは、いくつかの実施形態による集積デバイスの単一のピクセルの概略ダイアグラムであり、そこでは、少なくとも１つのソーティング・エレメントが使用され、特定の波長のエミッション・エネルギーをそれぞれのサブ・センサーに方向付けする。導電性材料１２−１０３の中に形成されているサンプル・ウェル１２−１０１が、サンプルを受け入れており、エミッション・エネルギー１２−１０４を放出することが可能である。明確化のために、サンプル・ウェル及び任意の近接場光学コンポーネント及びプラズモニック・コンポーネントの詳細は示されていない。エミッション・エネルギー１２−１０４は、それがソーティング・エレメント１２−１０７に到達するまで、誘電材料１２−１０５を通って進む。ソーティング・エレメント１２−１０７は、エミッション・エネルギー１２−１０４の波長を空間的な自由度にカップリングし、それによって、その構成波長成分へとエミッション・エネルギーを分離し、それは、ソーティングされたエミッション・エネルギーと称される。図１２−１Ａは、エミッション・エネルギー１２−１０４が、誘電材料１２−１０９を通って４つのソーティングされたエミッション・エネルギー経路へとスプリットされており、４つの経路のそれぞれが、ピクセルのサブ・センサー１２−１１１から１２−１１４に関連付けられているということを概略的に図示している。このように、それぞれのサブ・センサーが、スペクトルの異なる部分に関連付けられ、集積デバ
イスのそれぞれのピクセルに関してスペクトロメーターを形成する。
任意の適切なソーティング・エレメント１２−１０７が、エミッション・エネルギーの異なる波長を分離するために使用され得る。実施形態は、光学エレメント又はプラズモニック・エレメントを使用することが可能である。光学的なソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、ホログラフィック・グレーチング、位相マスク・グレーチング、振幅マスク・グレーチング、及び、オフセットされたフレネル・レンズを含む。プラズモニック・ソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、フェーズド・ナノ・アンテナ・アレイ及びプラズモニック準結晶を含む。
図１２−１Ｂは、いくつかの実施形態による集積デバイスの単一のピクセルの概略ダイアグラムであり、そこでは、少なくとも１つのフィルタリング・エレメントが使用され、特定の波長のエミッション・エネルギーをそれぞれのサブ・センサーに方向付けし、他の波長のエミッション・エネルギーがサブ・センサーに到達することを防止する。図１２−１Ｂのコンポーネントが図１２−１Ａのコンポーネントと同様である場合には、同じ参照番号が使用されている。導電性材料１２−１０３の中に形成されているサンプル・ウェル１２−１０１が、サンプルを受け入れており、エミッション・エネルギー１２−１０４を放出することが可能である。明確化のために、サンプル・ウェル及び任意の近接場光学コンポーネント及びプラズモニック・コンポーネントの詳細は示されていない。エミッション・エネルギー１２−１０４は、それがフィルタリング・エレメント１２−１２１から１２−１２４のうちの１つに到達するまで、誘電材料１２−１０５を通って進む。フィルタリング・エレメント１２−１２１から１２−１２４は、特定のサブ・センサー１２−１１１から１２−１１４にそれぞれ関連付けられ、また、フィルタリング・エレメント１２−１２１から１２−１２４は、エミッション・エネルギーを吸収することによって（図１２−１Ｂには図示されていない）、及び／又は、エミッション・エネルギーを反射することによって、それぞれの波長のエミッション・エネルギーを送信するように、及び、他の波長のエミッション・エネルギーを拒絶するように、それぞれ構成されている。それぞれのフィルタリング・エレメントを通過した後に、フィルタリングされたエミッション・エネルギーは、誘電材料１２−１０９を通って進み、ピクセルの対応するサブ・センサー１２−１１１から１２−１１４に衝突する。このように、それぞれのサブ・センサーは、スペクトルの異なる部分に関連付けられ、集積デバイスのそれぞれのピクセルに関するスペクトロメーターを形成している。
任意の適切なフィルタリング・エレメントが、エミッション・エネルギーの異なる波長を分離するために使用され得る。実施形態は、光学的なフィルタリング・エレメント又はプラズモニック・フィルタリング・エレメントを使用することが可能である。光学的なソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、反射性多層誘電体フィルター又は吸収性フィルターを含む。プラズモニック・ソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、特定の波長でエネルギーを送信するように設計された周波数選択性表面、及び、フォトニック・バンド−ギャップ結晶を含む。
代替的に、又は、上述のソーティング・エレメント及びフィルタリング・エレメントに加えて、追加的なフィルタリング・エレメントが、それぞれのサブ・センサー１２−１１１から１２−１１４に隣接して設置され得る。追加的なフィルタリング・エレメントは、薄い損失性膜を含むことが可能であり、薄い損失性膜は、特定の波長のエミッション・エネルギーに関して、強め合いの干渉を生成させるように構成されている。薄い損失性膜は、単一の膜又は多層膜であることが可能である。薄い損失性膜は、任意の適切な材料から作製され得る。たとえば、薄い損失性膜は、屈折率ｎが吸光係数ｋとおおよそ同じ桁数となっている、材料から作製され得る。他の実施形態では、薄い損失性膜は、屈折率ｎがその材料の吸光係数ｋの値から約２桁の差の中にある、材料から作製され得る。可視波長に
おけるそのような材料の非限定的な例は、ゲルマニウム及びシリコンである。
薄い損失性膜は、任意の適切な厚さであることが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、１〜４５ｎｍの厚さであることが可能である。他の実施形態では、薄い損失性膜は、１５〜４５ｎｍの厚さであることが可能である。さらなる他の実施形態では、薄い損失性膜は、１〜２０ｎｍの厚さであることが可能である。図１２−２ａは、薄い損失性膜１２−２１１から１２−２１４が、それぞれのサブ・センサー１２−１１１から１２−１１４に関連付けられる波長によって少なくとも部分的に決定された異なる厚さをそれぞれ有している、実施形態を図示している。膜の厚さは、薄い損失性膜を選択的に通過しサブ・センサーに至ることとなる別個の波長を少なくとも部分的に決定する。図１２−２１１に図示されているように、薄い損失性膜１２−２１１は、厚さｄ１を有しており、薄い損失性膜１２−２１２は、厚さｄ２を有しており、薄い損失性膜１２−２１３は、厚さｄ３を有しており、薄い損失性膜１２−２１４は、厚さｄ４を有している。それぞれの次に続く薄い損失性膜の厚さは、その前の薄い損失性膜よりも小さくなっており、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４となるようになっている。
追加的に又は代替的に、薄い損失性膜は、異なる特質を備える異なる材料から形成され得、異なる波長のエミッション・エネルギーが、それぞれのサブ・センサーにおいて強め合って干渉するようになっている。たとえば、屈折率ｎ及び／又は吸光係数ｋは、特定の波長のエミッション・エネルギーの伝送を最適化するように選択され得る。図１２−２Ｂは、同じ厚さを備える薄い損失性膜１２−２２１から１２−２２４を図示しているが、それぞれの薄い損失性膜は、異なる材料から形成されている。いくつかの実施形態では、所望の波長のエミッション・エネルギーが強め合って干渉し、膜を通して送信されるように、薄い損失性膜の材料及び薄い損失性膜の厚さの両方が選択され得る。
いくつかの実施形態では、フォトニック結晶共振器構造体が使用され得る。そのような実施形態では、フォトニック結晶構造体の対称性は、センサーにおける励起光の弱め合いの干渉を引き起こし、それによって、励起光を起源とする、センサーに到達する背景光の量を低減させることが可能である。
Ｋ． センサー
センサー、センサー動作、及び信号処理方法のさまざまな実施形態が、本発明者によって考えられた。いくつかの実施形態によれば、ピクセルにおけるセンサー５−２６０は、サンプル・ウェルの中の１つ又は複数のタグからのエミッション・エネルギーを受け取ることができ、かつ、受け取られたエミッションを表す１つ又は複数の（たとえば、少なくとも２、３、又は４）電気信号を作り出すことができる、任意の適切なセンサーからなることが可能である。いくつかの実施形態では、センサーは、少なくとも１つの、２つの、３つの、又は４つのフォトディテクターからなることが可能である。それぞれのフォトディテクターは、半導体基板の中に形成されたｐ−ｎ接合を含むことが可能である。図１３−１Ａは、集積デバイスのピクセル５−１００の中に製作され得るセンサーの単に１つの実施形態を示している。
いくつかの実施形態によれば、センサー５−２６０は、集積デバイスのそれぞれのアクティブ・ピクセル５−１００において形成され得る。センサーは、サンプル・ウェル５−２１０の辺りに中心を合わせられ、おおよそ１ミクロンからおおよそ２０ミクロンの間の距離だけサンプル・ウェルから間隔を置いて配置され得る。サンプル・ウェルとセンサーとの間に、１つ又は複数の透明な層１３−１１０が存在することが可能であり、サンプル・ウェルからのエミッションが、ほとんど減衰なしにセンサーまで進むことができるようになっている。センサー５−２６０は、いくつかの実施形態によれば、ピクセルのベースにおいて、半導体基板１３−１２０の中に形成され得、サンプル・ウェルの、励起供給源
（図示せず）と同じ側に位置付けされ得る。
センサーは、１つ又は複数の半導体接合フォトディテクター・セグメントからなることが可能である。それぞれの半導体接合は、第１の導電タイプのウェルからなることが可能である。たとえば、それぞれの半導体接合は、図面に示されているように、ｐ−タイプの基板の中に形成されたｎ−タイプのウェルからなることが可能である。いくつかの実施形態によれば、センサー５−２６０は、図１３−１Ｂの平面図に示されているように、ブルズ・アイ検出器１３−１６２として配置され得る。第１のフォトディテクター１３−１２４は、センサーの中央に位置付けされ得、第２の環状のフォトディテクター１３−１２２は、中央フォトディテクターを取り囲むことが可能である。ウェルへの電気的接触が、第１の又はその後のメタライゼーション・レベルにおいて形成される導電性トレース１３−１３４を通して、及び、導電性ビア１３−１３２を通して、作製され得る。ビアの接触領域において、高度にドープされた半導体材料１３−１２６の領域が存在することが可能である。いくつかの実施形態では、フィールド酸化物１３−１１５が、フォトディテクター同士の間の表面に形成され得、及び／又は、それぞれのフォトディテクターの一部分を被覆することが可能である。いくつかの実施形態では、センサー５−２６０に隣接してピクセルの中に形成された追加的な半導体デバイス１３−１２５（たとえば、トランジスター、増幅器など）が存在することが可能である。ピクセルの中に追加的なメタライゼーション・レベル１３−１３８、１３−１３６が存在することが可能である。
いくつかの実施形態では、メタライゼーション・レベル１３−１３６は、ピクセルの大部分を横切って延在することが可能であり、また、サンプル・ウェル５−２１０の下方に開口部を有することが可能であり、サンプル・ウェルからのエミッションがセンサーに到達することができるようになっている。いくつかのケースでは、メタライゼーション・レベル１３−１３６は、基準電位又はグランド平面としての役割を果たすことが可能であり、追加的に、光学的なブロックとしての役割を果たし、少なくともいくらかの背景放射線（たとえば、励起供給源又は周囲環境からの放射線）がセンサー５−２６０に到達することを防止することが可能である。
図１３−１Ａ及び図１３−１Ｂに示されているように、センサー５−２６０は、空間的に及び電気的に互いから分離されている複数のフォトディテクター・セグメント１３−１２２、１３−１２４へとさらに分割され得る。いくつかの実施形態では、センサー５−２６０のセグメントは、反対にドープされた半導体材料の領域からなることが可能である。たとえば、第１のセンサー・セグメントに関する第１の電荷蓄積ウェル１３−１２４が、基板の第１の領域をドーピングすることによって形成され、第１のウェルの中に第１の導電タイプ（たとえば、ｎ−タイプ）を有することが可能である。基板は、ｐ−タイプであることが可能である。第２のセンサー・セグメントに関する第２の電荷蓄積ウェル１３−１２２が、基板の第２の領域をドーピングすることによって形成され、第２のウェルの中に第１の導電タイプを有することが可能である。第１及び第２のウェルは、基板のｐ−タイプ領域によって分離され得る。
センサー５−２６０の複数のセグメントが、ブルズ・アイ・レイアウト以外の任意の適切な方式で配置され得、センサーの中に３つ以上のセグメントが存在することが可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、複数のフォトディテクター・セグメント１３−１４２が、横方向に互いから分離され、図１３−１Ｃに示されているように、ストライプ・センサー１３−１６４を形成することが可能である。いくつかの実施形態では、クワッド（又はクワドラント）センサー１３−１６６が、図１３−１Ｄに示されているように、セグメント１３−１４４をクワッド・パターンで配置することによって形成され得る。いくつかの実施形態では、円弧形セグメント１３−１４６が、図１３−１Ｅに示されているように、ブルズ・アイ・パターンと組み合わせて形成され、円弧形にセグメント化された
センサー１３−１６８を形成することが可能である。別のセンサー構成は、パイ・ピース・セクションからなることが可能であり、パイ・ピース・セクションは、円形の別々のセクションで配置されている個々のセンサーを含むことが可能である。いくつかのケースでは、センサー・セグメントは、サンプル・ウェル５−２１０の周りに対称的に配置され、又は、サンプル・ウェルの周りに非対称的に配置され得る。センサー・セグメントの配置は、先述の配置だけに限定されず、センサー・セグメントの任意の適切な分布が使用され得る。
本発明者は、クワドラント・センサー１３−１６６、パイ・セクター・センサー、又は、同様のセクター・センサーが、より好適に、他のセンサーのデザインよりも小さいピクセル・サイズまで縮小することが可能であるということが見出された。クワドラント及びセクター検出器は、より少ない、検出される複数の波長に関するピクセル面積及びアクティブ・センサー面積しか消費しないことが可能である。クワドラント及びセクター検出器は、ナノ・アンテナ・アレイ又は表面プラズモン構造体と組み合わせて使用され、検出器によって識別可能な別個の空間的な分布パターンを作り出すことが可能である。センサーは、さまざまな幾何学的構成で配置され得る。いくつかの例では、センサーは、正方形の構成又は六角形の構成で配置されている。
本発明のセンサーは、独立して（又は、個別に）アドレス可能であり得る。個別にアドレス可能なセンサーは、対応するサンプル・ウェルからのエミッションを検出することができ、他のセンサーから独立した出力信号を提供することができる。個別にアドレス可能なセンサーは、個別に読み取り可能であり得る。
いくつかの実施形態では、スタックされたセンサー１３−１６９が、図１３−１Ｆに示されているように、複数の分離されているセンサー・セグメント１３−１４８を垂直方向のスタックに製作することによって形成され得る。たとえば、セグメントは、上下に位置付けされ得、スタックされたセグメント同士の間に、絶縁層が存在してもよいし、又は存在しなくてもよい。それぞれの垂直方向の層が、特定のエネルギーのエミッション・エネルギーを吸収するように、及び、異なるエネルギーでエミッションを通過させるように構成され得る。たとえば、第１の検出器は、より短い波長の放射線（たとえば、サンプルからの約５００ｎｍ以下の青色波長の放射線）を吸収及び検出することが可能である。第１の検出器は、サンプルからの緑色及び赤色の波長エミッションを通過させることが可能である。第２の検出器は、（たとえば、約５００ｎｍから約６００ｎｍの間の）緑色波長の放射線を吸収及び検出し、赤色エミッションを通過させることが可能である。第３の検出器は、赤色エミッションを吸収及び検出することが可能である。いくつかの実施形態では、反射膜１３−１４９が、スタックの中に組み込まれ、選択された波長帯域の光を反射させ、セグメントを通して戻すことが可能である。たとえば、膜は、第２のセグメントによって吸収されなかった緑色波長の放射線を反射させることが可能であり、第２のセグメントを通して戻し、その検出効率を増加させることが可能である。
垂直方向にスタックされたセンサー・セグメントを備えるいくつかの実施形態では、エミッション・カップリング・コンポーネントが、サンプル・ウェルに含まれずに、エミッション波長に依存するサンプル・エミッションの別個の空間的な分布パターンを作り出すことが可能である。スペクトル的に異なるエミッションの判別は、いくつかの実施形態によれば、そのスタックされたセグメントからの信号の比率を分析することによって、垂直方向に−スタックされたセンサー１３−１６９を用いて実現され得る。
いくつかの実施形態では、センサー５−２６０のセグメントは、シリコンから形成されているが、任意の適切な半導体（たとえば、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰなど）も使用され得る。いくつかの実施形態では、センサー・セグメントは、有機の光導電性膜か
らなることが可能である。他の実施形態では、量子ドット・フォトディテクターが、センサー・セグメントに関して使用され得る。量子ドット・フォトディテクターは、量子ドットのサイズに基づいて、異なるエミッション・エネルギーに応答することが可能である。いくつかの実施形態では、さまざまなサイズの複数の量子ドットが、サンプル・ウェルから受け取られる異なるエミッション・エネルギー又は波長同士の間を差別するために使用され得る。たとえば、第１のセグメントは、第１のサイズを有する量子ドットから形成され得、第２のセグメントは、第２のサイズを有する量子ドットから形成され得る。さまざまな実施形態では、センサー５−２６０は、従来のＣＭＯＳプロセスを使用して形成され得る。
上記に説明されているように、エミッション・カップリング・コンポーネントは、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルに隣接して製作され得る。エミッション・カップリング・コンポーネントは、サンプル・ウェル５−２１０の中のサンプルからのエミッションを変更し、エミッション波長に依存するサンプル・エミッションの別個の空間的な分布パターンを作り出すことが可能である。図１３−２Ａは、第１の空間的な分布パターン１３−２５０の例を示しており、それは、第１の波長において第１のサンプルから作り出され得る。第１の空間的な分布パターン１３−２５０は、たとえば、ブルズ・アイ・センサー１３−１６２の中央セグメントに向けて方向付けされている顕著な中央ローブを有することが可能である。単なる１つの例として、そのようなパターン１３−２５０は、円形のグレーチング１３−２２０エミッション・カップリング構造体によって取り囲まれたサンプル・ウェルから作り出され得、そこでは、サンプルが約６６３ｎｍの波長で放出する。センサーへ入射する投射されたパターン１３−２５２は、図１３−２Ｂに図示されているように出現することが可能である。
図１３−２Ｃは、空間的な分布パターン１３−２６０を示しており、それは、いくつかの実施形態によれば、同じサンプル・ウェルから第２の波長で放出する第２のサンプルから作り出され得る。第２の空間的な分布パターン１３−２６０は、放射線の２つのローブからなり、第１の空間的な分布パターン１３−２５０とは異なることが可能である。第２の空間的な分布パターン１３−２６０の投射されたパターン１３−２６２は、いくつかの実施形態によれば、図１３−２Ｄに示されているように出現することが可能である。単なる１つの例として、第２の空間的な分布パターン１３−２６０は、円形のグレーチング１３−２２０エミッション・カップリング構造体によって取り囲まれた同じサンプル・ウェルから作り出され得、そこでは、サンプルが約６８７ｎｍの波長で放出する。
センサー５−２６０のセグメントは、いくつかの実施形態によれば、特定のエミッション・エネルギーを検出するように設計され得る。たとえば、サンプル・ウェルに隣接するエミッション・カップリング構造体及びセンサーのセグメントは、特定のエミッション・エネルギー同士の間の信号差別化を増加させるように、組み合わせて構造化され得る。エミッション・エネルギーは、集積デバイスとともに使用されることとなる選択されたタグに対応することが可能である。例として、ブルズ・アイ・センサー１３−１６２は、サンプルから投射されたパターン１３−２６０、１３−２６２により良好にマッチするように、そのセグメントをサイズ決め及び／又は位置付けさせることが可能であり、より高い強度の領域が、センサーのアクティブ・セグメントの中に、より中央に収まるようになっている。代替的に又は追加的に、エミッション・カップリング構造体は、投射されたパターン１３−２６０、１３−２６２を変更するように設計され得、強い領域が、センサーのセグメントの中に、より中央に収まるようになっている。
センサー５−２６０は、２つのセグメントからなることが可能であるが、いくつかの実施形態では、サンプルからの３つ以上のスペクトル的に別個のエミッション・バンドを判別することが可能である。たとえば、それぞれのエミッション・バンドは、センサー・セ
グメントの上に別個の投射されたパターンを作り出し、センサー・セグメントからの信号の別個の組み合わせを生み出すことが可能である。信号の組み合わせは、エミッション・バンドの識別を判別するために分析され得る。図１３−２Ｅから図１３−２Ｈは、４つの別個のエミッション・パターンに露出される２セグメントのセンサー５−２６０からの信号の数値シミュレーションからの結果を表している。エミッション・パターンは、サンプル・ウェルに隣接して形成された円形のグレーチングを有するサンプル・ウェルから、４つの波長（５６５ｎｍ、５９５ｎｍ、６６３ｎｍ、６８７ｎｍ）で作り出されるものとしてシミュレートされた。見ることができるように、２つのセンサー・セグメントからの信号のそれぞれの組み合わせは別個であり、４つの波長においてエミッター同士の間を差別するために使用され得る。シミュレーションに関して、ブルズ・アイ・センサー１３−１６２の外側の検出器セグメントはより大きい面積を有していたので、その検出器に関して、より多くの信号が集積された。追加的に、検出器同士の間の領域に衝突した光がキャリアを発生させ、キャリアは、いずれかの検出器セグメントに向けてドリフトし、両方のセグメントからの信号に寄与することが可能である。
いくつかの実施形態では、ピクセル当たりＮ個のフォトディテクター・セグメントが存在することが可能であり、ここで、Ｎは、任意の整数値であることが可能である。いくつかの実施形態では、Ｎは、１以上であり、かつ、１０以下であることが可能である。他の実施形態では、Ｎは、２以上であり、かつ、５以下であることが可能である。Ｎ個の検出器によって検出され得る判別可能なサンプル・エミッション（たとえば、異なる発光性タグからの別個のエミッション波長）の数Ｍは、Ｎ以上であることが可能である。Ｍ個のサンプル・エミッションの判別は、いくつかの実施形態によれば、それぞれのセンサー・セグメントからの信号の比率を評価することによって実現され得る。いくつかの実施形態では、受け取られる信号の比率、合計、及び／又は振幅が、サンプル・ウェルからのエミッションの特性波長を決定するために、測定及び分析され得る。
いくつかの実施形態では、２つ以上のエミッターが、サンプル・ウェル５−２１０の中で、所与の時間ウィンドウの中で、異なる特性波長を放出することが可能である。センサー５−２６０は、異なる波長において、複数のエミッションからの信号を同時に検出し、データ・プロセッシングのために合計された信号を提供することが可能である。いくつかの実施形態では、マルチ波長エミッションは、センサー・セグメントからの信号値の別のセットとして区別可能であり得る（たとえば、図１３−２Ｅから図１３−２Ｈに示されているものとは異なる信号値）。信号値は、マルチ波長エミッションが起こったということを判別するために、及び、エミッションに関連付けられるエミッターの特定の組み合わせを特定するために、分析され得る。
また、本発明者は、少なくとも２つ、３つ、又は４つの同心円状のセグメントを有するブルズ・アイ・センサーを考えて分析した。セグメントからの信号が、図１３−２Ｇ及び図１３−２Ｈにそれぞれ関連付けられる同じエミッション条件に関して、図１３−２Ｉ及び図１３−２Ｊにプロットされている。また、４セグメントのブルズ・アイ・センサーは、サンプル・ウェルの中の特定のエミッターを特定するために分析され得る識別可能な信号を示している。
波長フィルタリングがそれぞれのセンサー・セグメントにおいて使用されるとき、又は、スペクトルの分離が高いときには、センサーのそれぞれのセグメントは、選択されたエミッション・バンドだけを実質的に検出することが可能である。たとえば、第１の波長は、第１のセグメントによって検出され得、第２の波長は、第２のセグメントによって検出され得、第３の波長は、第３のセグメントによって検出され得る。
再び図１３−１Ａを参照すると、ピクセル２−２０５の中に追加的な電子回路１３−１
２５が存在することが可能であり、それは、センサー５−２６０のそれぞれのセグメントからの信号を収集及び読み出すために使用され得る。図１３−３Ａ及び図１３−３Ｄは、いくつかの実施形態によれば、マルチ・セグメント・センサーと組み合わせて使用され得る回路を示している。例として、信号収集回路１３−３１０は、それぞれのセンサー・セグメントに関する３つのトランジスターからなることが可能である。３つのトランジスターの配置が、いくつかの実施形態によれば、図１３−３Ｂに示されている。それぞれのセグメントに関連付けられている電荷蓄積ノード１３−３１１において、信号レベルは、電荷蓄積期間の前に、リセット・トランジスターＲＳＴによってリセットされ得、（電荷蓄積ノードにおける電荷の量によって決定される）セグメントに関する信号レベルは、電荷蓄積期間の間及び／又は終わりに、リード・トランジスターＲＤによって読み出され得る。信号は、上記に説明されているように、Ｎ個の空間的に分離されている検出器によって検出されるサンプルからのＭ個の異なるエミッション波長の検出を判別するために、分析のためのプロセッサー（図示せず）に提供され得る。
ピクセル回路は、いくつかの実施形態によれば、増幅及び相関したダブル・サンプリング回路１３−３２０をさらに含むことが可能である。増幅及びダブル・サンプリング回路は、センサー・セグメントからの信号を増幅させるように構成されているトランジスターと、たとえば、エミッション放射線がセンサーの上に存在しないときに（たとえば、サンプル・ウェルにおける励起エネルギーの印加の前に）、電荷蓄積ノードにおける電圧レベルをリセットするように、及び、ノードにおける背景信号又は「リセット」信号を読み出すように、及び、その後のエミッション信号を読み取るように構成されているトランジスターとからなることが可能である。
いくつかの実施形態によれば、相関したダブル・サンプリングは、検出されるエミッション信号レベルから背景又はリセット信号レベルを差し引くことによって、背景雑音を低減させるために用いられる。センサーのそれぞれのセグメントに関連付けられる収集されたエミッション信号及び背景信号は、縦列ライン１３−３３０の上に読み出され得る。いくつかの実施形態では、エミッション信号レベル及び背景信号は、共通の縦列ラインの上に時分割多重化される。それぞれのセンサー・セグメントに関して別々の縦列ラインが存在することが可能である。縦列ラインからの信号は、増幅回路１３−３４０（それは、アクティブ・ピクセル・アレイの外側に位置付けされ得る）によってバッファリング及び／又は増幅され、さらなるプロセッシング及び分析のために提供され得る。いくつかの実施形態では、ダブル・サンプリングされた信号の引き算が、たとえば、システム・プロセッサーによって、チップ外で計算される。他の実施形態では、引き算は、チップの上で、又は、ベース機器の回路の中で行われ得る。
相関したダブル・サンプリングのいくつかの実施形態は、サンプルに対して横列を選択することによって動作させられ得、横列に関連付けられるセンサーは、サンプリング期間にわたって集積された信号電荷を有し、信号レベルを含有する。信号レベルは、縦列ラインの上に同時に読み出され得る。集積された信号レベルをサンプリングした後に、選択された横列の中のすべてのピクセルがリセットされ、即座にサンプリングされ得る。このリセット・レベルは、次に集積される信号に相関させられ得、それは、リセットが解放された後に蓄積を開始し、同じ横列が再び選択されるときに、フレーム時間を後で集積することを終了する。いくつかの実施形態では、フレームのリセット値は、チップ外で保存され得、信号が集積を終了し、サンプリングされたときには、保存された相関したリセット値が差し引かれ得るようになっている。
いくつかの実施形態では、３つ以上のセグメントを備えるセンサー５−２６０は、追加的な回路を必要とする可能性がある。図１３−３Ｃは、クワッド・センサーに関連付けられる信号収集、増幅、及びダブル・サンプリング回路を示している。いくつかの実施形態
によれば、２つ以上のセグメントからの信号が、図面に示されているように、ピクセルにおいて、共通の信号チャネルの上に時分割多重化され得る。時分割多重化された信号は、騒音消去のために、それぞれのセグメントに関してサンプリングされた背景信号を含むことが可能である。追加的に、２つ以上のセグメントからの信号は、共通の縦列ラインの上に時分割多重化され得る。
いくつかの実施形態によれば、時間的な信号取得技法が、１つ又は複数の励起供給源からの背景信号レベルを低減させるために、及び／又は、サンプルに関連付けられる異なるエミッターからの異なるエミッションを判別するために、使用され得る。図１３−４Ａは、いくつかの実施形態によれば、サンプルにタグを付けるために使用され得る２つの異なるエミッターからの蛍光エミッション及び減衰を示している。２つのエミッションは、目に見えて異なる時間減衰特性を有している。第１のエミッターからの第１の時間減衰曲線１３−４１０は、ローダミンなどのような共通の蛍光分子に対応することが可能である。第２の時間減衰曲線１３−４２０は、量子ドット又はリン光性エミッターなどのような、第２のエミッターの特性であることが可能である。両方のエミッターは、エミッターの初期励起の後のしばらくの間延在するエミッション減衰テールを示す。いくつかの実施形態では、エミッション減衰テールの間に適用される信号収集技法は、いくつかの実施形態では、励起供給源からの背景信号を低減させるために、及び、いくつかの実施形態では、エミッター同士の間を区別するために、タイミングを選んで行われ得る。
いくつかの実施形態によれば、時間遅延サンプリングが、エミッション減衰テールの間に用いられ、励起供給源からの放射線に起因する背景信号を低減させることが可能である。図１３−４Ｂ及び図１３−４Ｃは、いくつかの実施形態による、時間遅延サンプリングを図示している。図１３−４Ｂは、励起供給源からの励起放射線の励起パルス１３−４４０、及び、サンプル・ウェルの中で励起されるサンプルから得られ得るその後のエミッション・パルス１３−４５０の時間的な進展を示している。励起パルス１３−４４０は、図１３−４Ｃに示されているように、短い時間の期間にわたりドライブ信号１３−４４２によって、励起供給源を駆動する結果として生じることが可能である。たとえば、ドライブ信号は、第１の時間ｔ１において開始し、第２の時間ｔ２において終了することが可能である。ドライブ信号の持続期間（ｔ２−ｔ１）は、いくつかの実施形態によれば、約１ピコ秒から約５０ナノ秒の間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、より短い持続期間も使用され得る。
励起供給源のためのドライブ信号の終端に続く時間ｔ３において、ピクセルにおけるセンサー５−２６０（又は、センサー・セグメント）は、時間ｔ３から時間ｔ４に延在する第２の時間インターバルの間に、電荷蓄積ノード１３−３１２において電荷を蓄積するようにゲートでコントロールされ得る。第２の時間インターバルは、いくつかの実施形態によれば、約１ナノ秒から約５０マイクロ秒の間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の持続期間も使用され得る。図１３−４Ｂを参照して見ることができるように、電荷蓄積ノードは、放出するサンプルに起因して、次いで、励起供給源に起因して、より多くの信号電荷を収集することとなる。したがって、改善された信号対雑音比が得られ得る。
再び図１３−４Ａを参照すると、エミッターの異なる時間的なエミッション特性に起因して、センサーにおける対応する信号は、異なる時間においてピークとなることが可能である。いくつかの実施形態では、エミッション減衰テールの間に適用される信号−取得技法は、異なるエミッターを判別するために使用され得る。いくつかの実施形態では、時間的な検出技法は、（たとえば、図１３−２に関連して上記に説明されているように）空間的な及びスペクトルの技法と組み合わせて使用され、異なるエミッターを判別することが可能である。
図１３−４Ｄから図１３−４Ｈは、センサー又はセンサー・セグメントにおけるダブル・サンプリングがどのように使用され、異なる時間的なエミッション特性を有する２つのエミッターの間を区別することができるかということを図示している。図１３−４Ｄは、第１のエミッター及び第２のエミッターにそれぞれ関連付けられるエミッション曲線１３−４７０、１３−４７５を示している。例として、第１のエミッターは、ローダミンなどのような共通のフルオロフォアであることが可能であり、第２のエミッターは、量子ドット又はリン光性エミッターであることが可能である。
図１３−４Ｅは、図１３−４Ｄの２つの異なるエミッション特性に応答して起こり得る、電荷蓄積ノード１３−３１２における動的な電圧レベルを表している。例では、蛍光エミッターに対応する第１の電圧曲線１３−４７２は、より短いエミッション・スパンに起因して、より急速に変化し、第１の時間ｔ１において、その最大（又は、ノードの極性に応じて、最小）に到達することが可能である。第２の電圧曲線１３−４７７は、第２のエミッターのより長いエミッション特性に起因して、よりゆっくりと変化し、第２の時間ｔ２において、その最大（又は、最小）に到達することが可能である。
いくつかの実施形態では、電荷蓄積ノードのサンプリングは、図１３−４Ｆに示されているように、サンプル励起の後の２つの時間ｔ３、ｔ４において行われ得る。たとえば、第１の読み取り信号１３−４８１は、第１の時間ｔ３において、電荷蓄積ノードからの第１の電圧値を読み出すために適用され得る。その後に、第２の読み取り信号１３−４８２は、第１の読み取りから第２の読み取りの間に電荷蓄積ノードをリセットすることなく、第２の時間ｔ４において、電荷蓄積ノードからの第２の電圧値を読み出すために適用され得る。次いで、２つのサンプリングされる信号値の分析が使用され、２つのエミッターのうちのどちらが検出された信号レベルを提供したかということを特定することが可能である。
図１３−４Ｇは、図１３−４Ｄに示されているようなエミッション曲線１３−４７０を有する第１のエミッターに関して得られ得る、第１の読み取り及び第２の読み取りからの２つの信号の例を示している。図１３−４Ｈは、図１３−４Ｄに示されているようなエミッション曲線１３−４７５を有する第２のエミッターに関して得られ得る、第１の読み取り及び第２の読み取りからの２つの信号の例を示している。たとえば、第１のエミッターに関して図１３−４Ｆに示されているサンプリング・シークエンスは、曲線１３−４７２をサンプリングし、２つの読み取り時間においておおよそ同じ値を得ることとなる。第２のエミッターのケースでは、図１３−４Ｆに示されているサンプリング・シークエンスは、２つの読み取り時間において、曲線１３−４７７の２つの異なる値をサンプリングする。結果として生じる２つの読み取り時間からの信号の対は、２つのエミッターの間を区別しており、それぞれのエミッターを特定するために分析され得る。また、いくつかの実施形態によれば、背景引き算に関するダブル・サンプリングが、第１及び第２の読み取り信号から背景信号を差し引くために実行され得る。
いくつかの実施形態によれば、センサーは、サンプル・ウェル５−２１０に隣接して形成された半導体接合を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、半導体接合は、多層構造体として形成され得、サンプル・ウェルは、たとえば、図５−７Ｆに示されているように、多層構造体の中に形成され得る。いくつかの実施形態では、励起されたサンプルは、サンプル・ウェルに隣接して形成されている半導体接合に、ＦＲＥＴ又はＤＥＴを介して、エミッション・エネルギーを非放射で伝達し、半導体接合においてエキシトンを生成させることが可能である。半導体接合は、ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合からなることが可能であり、ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合は、受け取られたエネルギーを電気信号に変換し、電気信号は、サンプル・ウェルに関連付けられるＣＭＯＳ回路によって検出さ
れる。いくつかの実施形態では、量子ドット又は分子が、リンカーを介して半導体接合に取り付けられ得、励起されたサンプルから半導体接合への非放射エネルギー伝達に参加することが可能である。
動作時には、集積デバイスのセンサー５−２６０は、分析されるべき試料からデータを収集する前に波長キャリブレーション手順の対照とすることができる。波長キャリブレーション手順は、集積デバイスで使用され得るフルオロフォア波長に対応し得る、あるいは対応し得ないような、特性波長を有する既知の異なるエネルギーをセンサーに加えることを含んでなる。異なるエネルギーは順番に加えることができ、それによって複数のセンサーからのキャリブレーション信号は各エネルギーについて記録することができる。その後キャリブレーション信号は基準信号として記録してもよく、これは実際のデータ取得の処理及びセンサーによってどのようなエミッション波長が検出されるかを判定するために用いられ得る。
ＩＶ． 機器動作、使用の方法、及びユーザ・インターフェース
機器２−１０４は、ソフトウェア及び／又はハードウェアを使用して制御され得る。たとえば、機器は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ及び／又は、ソフトウェアを実行する汎用プロセッサーなどのような、プロセッシング・デバイス２−１２２を使用して制御され得る。
図１４−１は、いくつかの実施形態による、機器２−１０４の動作のフローチャートを図示している。ユーザが分析するために試料を獲得した後に、ユーザは、行為１４−１０１において、新しい分析を始める。これは、ユーザ・インターフェース２−１１６を介して機器２−１０４に指示を提供することによって、たとえば、ボタンを押すことなどによって行われ得る。行為１４−１０３において、機器２−１０４は、以前に行われた分析からの集積デバイス２−１０２（本明細書で「チップ」とも称される）が機器２−１０４の中に依然として挿入されているかどうかということをチェックする。古いチップが存在しているということが決定される場合には、行為１４−１０５において、励起供給源への電力が切られ得、ユーザは、行為１４−１０７において、ユーザ・インターフェース２−１１６のインジケーターを使用して以前のチップを取り出すように促され、機器２−１０４は、行為１４−１０９において、古いチップが取り出されることを待つ。
以前のチップがユーザによって取り出されるときには、又は、機器２−１０４が、行為１４−１０３において、以前のチップがすでに除去されたということを決定した場合には、ユーザは、行為１４−１１１において、新しい分析のための新しい集積デバイス２−１０２を挿入するように促される。次いで、機器２−１０４は、行為１４−１１３において、新しい集積デバイス２−１０２が挿入されることを待つ。ユーザが新しいチップを挿入するときには、ユーザは、行為１４−１１５において、分析されることとなる試料を、集積デバイス２−１０２の露出された上部表面の上に置くように、ユーザ・インターフェース２−１１６のインジケーターによって促され、また、機器２−１０４の上に蓋を閉じるように促される。次いで、機器２−１０４は、行為１４−１１７において、蓋が閉じられることを待つ。蓋がユーザによって閉じられるときには、行為１４−１１９において、励起供給源は、集積デバイス２−１０２のサンプル・ウェルの中に存在する試料のサンプル部分を励起させるための励起エネルギーを作り出すように駆動され得る。行為１４−１２１において、サンプルからのエミッション・エネルギーは、センサー２−１１０によって検出され、センサー２−１１０からのデータは、分析のためにプロセッシング・デバイス２−１２２に流される。いくつかの実施形態では、データは、外部コンピューティング・デバイス２−１２０に流され得る。行為１４−１２３において、機器２−１０４は、データ収集が完了したかどうかということをチェックする。データ収集は、特定の時間の長さの後に完了され得、励起供給源からの励起パルスの特定の数、又は、１つの特定のターゲットが特定された。データ収集が完了したときに、データ分析は、１４−１２５において
終了される。
図１４−２は、いくつかの実施形態による例示的な自己キャリブレーション・ルーチンを図示している。キャリブレーション・ルーチンは、試料の分析の前の任意の適切な時間に実行され得る。たとえば、それは、エンド・ユーザへの出荷の前に、それぞれの機器に関する製造業者によって一度行われ得る。代替的に、エンド・ユーザは、任意の適切な時間にキャリブレーションを実施することが可能である。上記に議論されているように、機器２−１０４は、異なるサンプルから放出された異なる波長を有するエミッション・エネルギーの間を区別することが可能である。機器２−１０４及び／又はコンピューティング・デバイス２−１２０は、たとえば、分析されている試料の分子にタグを付けるために使用される発光性タグに関連付けられる光のそれぞれの特定の色に関連付けられるキャリブレーションによってキャリブレートされ得る。このように、特定の色に関連付けられる正確な出力信号が決定され得る。
デバイスをキャリブレートするために、単一の発光性タグに関連付けられたキャリブレーション試料が、１つずつ機器２−１０４に提供される。ユーザが、集積デバイス２−１０２の上に単一の波長のエミッション・エネルギーを放出する発光性タグからなる試料を置き、機器２−１０４の中へ集積デバイス２−１０２を挿入するときに、自己キャリブレーションが、行為１４−２０１において開始する。ユーザ・インターフェース２−１１６を使用して、ユーザは、自己キャリブレーションを開始するように機器２−１０４に指示する。それに応答して、行為１４−２０３において、機器２−１０４は、励起エネルギーによって集積デバイス２−１０２を照射することによって、及び、キャリブレーション試料からの単一の波長エミッション・エネルギーを測定することによって、キャリブレーション分析を走らせる。次いで、機器２−１０４は、行為１４−２０５において、センサー・アレイのそれぞれのピクセルに関するセンサー２−１１０のサブ・センサーのアレイの上で測定される検出パターンをセーブすることが可能である。それぞれの発光性タグに関する検出パターンは、発光性タグに関連付けられる検出シグネチャーと考えられ得る。このように、シグネチャーは、その後の分析ランにおいて分析される未知のサンプルから受け取られるデータを分析するために使用されるトレーニング・データ・セットとして使用され得る。
次いで、上記のキャリブレーション・ルーチンは、単一の発光性タグに関連付けられるすべてのキャリブレーション試料に関して実行され得る。このように、ピクセルのアレイのそれぞれのセンサー２−１１０は、キャリブレーション・データに関連付けられており、キャリブレーション・データは、キャリブレーション・ルーチンの完了の後に、行為１４−２０７において実施されるその後の分析の間に、サンプル・ウェルの中に存在する発光性タグを決定するために使用され得る。
図１４−３は、いくつかの実施形態にしたがって、キャリブレーション・データがデータを分析するためにどのように獲得及び使用され得るかということをさらに図示している。行為１４−３０１において、キャリブレーション・データが、センサーから得られる。これは、上述の自己キャリブレーション・ルーチンを使用して行われ得る。行為１４−３０３において、変換行列が、キャリブレーション・データに基づいて生成される。変換行列は、センサー・データをサンプルのエミッション波長にマッピングし、また、ｍｘｎ行列であり、ここで、ｍは、異なるエミッション波長を備える発光性タグの数であり、ｎは、ピクセル当たりのエミッション・エネルギーを検出するために使用されるサブ・センサーの数である。したがって、変換行列のそれぞれの列は、センサーに関するキャリブレーション値を表している。たとえば、ピクセル当たりに４つのサブ・センサー、及び、５つの異なる発光性タグが存在する場合には、変換行列は、４ｘ５行列（すなわち、４つの行及び５つの列）であり、それぞれの列は、異なる発光性タグに関連付けられており、列の
中の値は、自己キャリブレーション・ルーチンの間にサブ・センサーから得られる測定値に対応している。いくつかの実施形態では、それぞれのピクセルは、それ自身の変換行列を有することが可能である。他の実施形態では、ピクセルのうちの少なくともいくつかからのキャリブレーション・データは、平均され得、次いで、すべてのピクセルが、平均されたデータに基づいて同じ変換行列を使用することが可能である。
行為１４−３０５において、バイオアッセイに関連付けられる分析データが、センサーから得られる。これは、上記に説明されている方式のいずれかで行われ得る。行為１４−３０７において、エミッション・エネルギーの波長、及び／又は、発光性タグのアイデンティティーが、変換行列及び分析データを使用して決定され得る。これは、任意の適切な方式で行われ得る。いくつかの実施形態では、分析データは、変換行列の擬似逆行列を乗じ、ｍｘ１ベクトルを結果として生じさせる。次いで、最大値を備えるベクトル成分に関連付けられる発光性タグが、サンプル・ウェルの中に存在している発光性タグとして特定され得る。実施形態は、この技法に限定されない。いくつかの実施形態では、小さい値を備える行列の逆行列がとられるときに生じ得る、可能性のある病理を防止するために、最小二乗法方法又は最尤技法などのような、制限付きの最適化ルーチンが、サンプル・ウェルの中に存在する発光性タグを決定するために行われ得る。
センサーからのデータを分析するためにキャリブレーション・データを使用する先述の方法は、任意の適切なプロセッサーによって実施され得る。たとえば、機器２−１０４のプロセッシング・デバイス２−１２２が、分析を実施することが可能であり、又は、コンピューティング・デバイス２−１２０が、分析を実施することが可能である。
図１４−２は、いくつかの実施形態によれば、集積デバイス２−１０２のピクセルの上述の相関したダブル・サンプリングのベース機器制御を図示している。データ収集の新しいフレームの開始時に、横列シフト・レジスターがリセットされる。以前のフレームからのピクセル・リセット値が、縦列レジスターをインクレメントすることによって読み取られる。同時に、電流フレーム・ピクセル・サンプル・レベルが、チップの上の読み取りエレメントの中に保存される。測定されることとなる縦列の所望の数が到達されると、縦列レジスターがリセットされる。次いで、電流フレームからのピクセル・サンプル・レベルが、縦列レジスターをインクレメントすることによって、及び、一度に８個のピクセルでサンプル値をバッファーに出力することによって読み取られ、いくつかの実施形態では、サンプル・レベルの第１のフレームが廃棄され得る。バッファーは、メモリーの中に、チップ外に位置付けされ得、又は、いくつかの実施形態では、それは、チップの上に局所的に保存され得る。測定されることとなる縦列の数が満たされると、横列レジスターがインクレメントされる。このプロセスは、フレームが完了されるまで繰り返される。データのフレームを終了すると、プロセスが、フレーム・サンプル・レベルが以前のフレーム・リセット・レベルから差し引かれるという変化とともに、再び開始される。
Ｖ． コンピューティング・デバイス
図１５−１は、実施形態がその上に実施され得る適切なコンピューティング・システム環境１５−１００の例を図示している。たとえば、図２−１Ｂのコンピューティング・デバイス２−１２０が、コンピューティング・システム環境１５−１００にしたがって実施され得る。追加的に、コンピューティング・システム環境１５−１００は、制御システムとしての役割を果たすことが可能であり、制御システムは、アッセイを実施するように機器を制御するようにプログラムされている。たとえば、制御システムは、光を放出し、集積デバイスのサンプル・ウェルに向けて光を方向付けするように、励起供給源を制御することが可能であり、また、サンプル・ウェルの中の１つ又は複数のサンプルからのエミッション光の検出を可能にするように、センサーを制御することが可能であり、また、たとえば、エミッション・エネルギーの空間的な分布を分析することによって、センサーから
の信号を分析し、サンプル・ウェルの中に存在するサンプルを特定することが可能である。コンピューティング・システム環境１５−１００は、適切なコンピューティング環境の単なる１つの例であり、本発明の使用又は機能性の範囲に関する限定を提案することはまったく意図していない。いずれのコンピューティング環境１５−１００も、例示的な動作環境１５−１００の中に図示されているコンポーネントの任意の１つ又は組み合わせに関する任意の依存性又は要求を有するものとして解釈されるべきではない。
実施形態は、多数の他の汎用又は専用コンピューティング・システム環境又は構成とともに動作可能である。本発明とともに使用するのに適切であり得る、周知のコンピューティング・システム、環境、及び／又は構成の例は、それに限定されないが、パーソナル・コンピュータ、サーバ・コンピュータ、ハンド・ヘルド又はラップトップ・コンピュータ・デバイス、マルチプロセッサー・システム、マイクロプロセッサー・ベースのシステム、セット・トップ・ボックス、プログラム可能なコンシューマ・エレクトロニクス、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレーム・コンピュータ、及び、上記のシステム又はデバイスのいずれかを含む分散型コンピューティング環境などを含む。
コンピューティング環境は、プログラム・モジュールなどのような、コンピュータ実行可能な命令を実行することが可能である。一般に、プログラム・モジュールは、特定のタスクを実施し、又は特定の抽出データ・タイプを実施する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。また、本発明は、分散型コンピューティング環境において実践され得、そこでは、タスクが、通信ネットワークを通してリンクされている遠隔のプロセッシング・デバイスによって実施される。分散型コンピューティング環境では、プログラム・モジュールが、メモリー・ストレージ・デバイスを含む、ローカルのコンピュータ・ストレージ媒体及び遠隔のコンピュータ・ストレージ媒体の両方の中に位置付けされ得る。
図１５−１を参照すると、本発明を実施するための例示的なシステムは、コンピュータ１５−１１０の形態の汎用コンピューティング・デバイスを含む。コンピュータ１５−１１０のコンポーネントは、それに限定されないが、処理ユニット１５−１２０、システム・メモリー１５−１３０、及びシステム・バス１５−１２１を含むことが可能であり、システム・バス１５−１２１は、システム・メモリーを含むさまざまなシステム・コンポーネントを処理ユニット１５−１２０にカップリングする。システム・バス１５−１２１は、さまざまなバス・アーキテクチャーのいずれかを使用するメモリー・バス又はメモリー・コントローラ、ペリフェラル・バス、及びローカル・バスを含む、いくつかのタイプのバス構造のいずれかであることが可能である。例として、及び、限定としてではなく、そのようなアーキテクチャーは、業界標準アーキテクチャー（ＩＳＡ）バス、マイクロ・チャネル・アーキテクチャー（ＭＣＡ）バス、拡張ＩＳＡ（ＥＩＳＡ）バス、ビデオ・エレクトロニクス・スタンダーズ・アソシエーション（ＶＥＳＡ）ローカル・バス、及び、メザニン・バスとしても知られるペリフェラル・コンポーネント・インターコネクト（ＰＣＩ）バスを含む。
コンピュータ１５−１１０は、典型的に、さまざまなコンピュータ可読媒体を含む。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ１５−１１０によってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり、それは、揮発性の及び不揮発性の媒体、リムーバブルの及びノン・リムーバブル媒体の両方を含む。例として、及び、限定としてではなく、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ・ストレージ媒体及び通信媒体からなることが可能である。コンピュータ・ストレージ媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラム・モジュール、又は他のデータなどのような、情報のストレージに関して任意の方法又は技術で実施された、揮発性の及び不揮発性の媒体、リムーバブルの及びノン・リムーバブル媒体の両方を含む。コンピュータ・ストレージ媒体は、それに限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、
ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリー、もしくは、他のメモリー技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、もしくは、他の光ディスク・ストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク・ストレージ、もしくは、他の磁気ストレージ・デバイス、又は、所望の情報を保存するために使用され得、コンピュータ１５−１１０によってアクセスされ得る、任意の他の媒体を含む。通信媒体は、典型的に、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラム・モジュール、又は、たとえば、キャリア波又は他の輸送メカニズムなど、変調されたデータ信号の中の他のデータを具現化し、任意の情報送達媒体を含む。「変調されたデータ信号」という用語は、信号の中の情報を符号化するような様式で設定又は変化させられたその特性のうちの１つ又は複数を有する信号を意味している。例として、及び限定としてではなく、通信媒体は、ワイヤード・ネットワーク又はダイレクト・ワイヤード接続などのような、ワイヤード媒体、ならびに、音響媒体、ＲＦ媒体、赤外線媒体、及び他のワイヤレス媒体などのような、ワイヤレス媒体を含む。また、上記の任意の組み合わせは、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。
システム・メモリー１５−１３０は、リード・オンリー・メモリー（ＲＯＭ）１５−１３１及びランダム・アクセス・メモリー（ＲＡＭ）１５−１３２などのような、揮発性の及び／又は不揮発性のメモリーの形態のコンピュータ・ストレージ媒体を含むことが可能である。基本入力／出力システム１５−１３３（ＢＩＯＳ）は、たとえば起動の間などにコンピュータ１５−１１０の中のエレメント同士の間で情報を伝達することを助ける基本ルーチンを含有しており、基本入力／出力システム１５−１３３（ＢＩＯＳ）は、典型的にＲＯＭ１５−１３１の中に保存される。ＲＡＭ１５−１３２は、典型的に、データ及び／又はプログラム・モジュールを含有し、データ及び／又はプログラム・モジュールは、処理ユニット１５−１２０に即座にアクセス可能であり、及び／又は、処理ユニット１５−１２０によって現在動作されている。例として、及び、限定としてではなく、図１５−１は、オペレーティング・システム１５−１３４、アプリケーション・プログラム１５−１３５、他のプログラム・モジュール１５−１３６、及びプログラム・データ１５−１３７を図示している。
また、コンピュータ１５−１１０は、他のリムーバブルの／ノン・リムーバブルの揮発性の／不揮発性のコンピュータ・ストレージ媒体を含むことが可能である。単なる例として、図１５−１は、ノン・リムーバブルの不揮発性の磁気媒体に読み書きをするハード・ディスク・ドライブ１５−１４１、リムーバブルの不揮発性の磁気ディスク１５−１５２に読み書きをする磁気ディスク・ドライブ１５−１５１、及び、ＣＤ ＲＯＭ又は他の光学的な媒体などのような、リムーバブルの不揮発性の光ディスク１５−１５６に読み書きをする光ディスク・ドライブ１５−１５５を図示している。例示的な動作環境において使用され得る他のリムーバブルの／ノン・リムーバブルの揮発性の／不揮発性のコンピュータ・ストレージ媒体は、それに限定されないが、磁気テープ・カセット、フラッシュ・メモリー・カード、デジタル多用途ディスク、デジタル・ビデオ・テープ、ソリッド・ステートＲＡＭ、及びソリッド・ステートＲＯＭなどを含む。ハード・ディスク・ドライブ１５−１４１は、典型的に、インターフェース１５−１４０などのようなノン・リムーバブル・メモリー・インターフェースを通して、システム・バス１５−１２１に接続され、また、磁気ディスク・ドライブ１５−１５１及び光ディスク・ドライブ１５−１５５は、典型的に、インターフェース１５−１５０などのようなリムーバブル・メモリー・インターフェースによって、システム・バス１５−１２１に接続されている。
上記に議論されており、図１５−１に図示されている、ドライブ及びそれらの関連のコンピュータ・ストレージ媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラム・モジュール、及び、コンピュータ１５−１１０に関する他のデータのストレージを提供する。図１５−１では、たとえば、ハード・ディスク・ドライブ１５−１４１は、オペレーティング・システム１５−１４４、アプリケーション・プログラム１５−１４５、他のプログ
ラム・モジュール１５−１４６、及びプログラム・データ１５−１４７を保存しているものとして図示されている。これらのコンポーネントは、オペレーティング・システム１５−１３４、アプリケーション・プログラム１５−１３５、他のプログラム・モジュール１５−１３６、及びプログラム・データ１５−１３７と同じであるか、又は、それらとは異なるかのいずれかであることが可能であるということに留意されたい。オペレーティング・システム１５−１４４、アプリケーション・プログラム１５−１４５、他のプログラム・モジュール１５−１４６、及びプログラム・データ１５−１４７は、ここでは異なる数字を与えられており、最低でも、それらが異なるコピーであるということを図示している。ユーザは、キーボード１５−１６２、及び、マウス、トラックボール、又はタッチ・パッドと一般に称されるポインティング・デバイス１５−１６１などのような、入力デバイスを通して、コンピュータ１５−１１０の中へ、コマンド及び情報を入力することが可能である。他の入力デバイス（図示せず）は、マイクロホン、ジョイスティック、ゲーム・パッド、サテライト・ディッシュ、又はスキャナーなどを含むことが可能である。これらの入力デバイス及び他の入力デバイスは、システム・バスにカップリングされているユーザ入力インターフェース１５−１６０を通して、処理ユニット１５−１２０に接続され得るが、それは、パラレル・ポート、ゲーム・ポート、又はユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）などのような、他のインターフェース及びバス構造によって接続されることが多い。また、モニター１５−１９１又は他のタイプのディスプレイ・デバイスが、ビデオ・インターフェース１５−１９０などのようなインターフェースを介して、システム・バス１５−１２１に接続されている。また、モニターに加えて、コンピュータは、スピーカ１５−１９７及びプリンター１５−１９６などのような、他のペリフェラル出力デバイスを含むことが可能であり、それは、出力ペリフェラル・インターフェース１５−１９５を通して接続され得る。
コンピュータ１５−１１０は、遠隔のコンピュータ１５−１８０などのような１つ又は複数の遠隔のコンピュータへの論理的接続を使用して、ネットワーク化された環境において動作させられ得る。遠隔のコンピュータ１５−１８０は、パーソナル・コンピュータ、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、ピア・デバイス、又は、他の共通のネットワーク・ノードであることが可能であり、また、メモリー・ストレージ・デバイス１５−１８１だけが図１５−１に図示されているが、遠隔のコンピュータ１５−１８０は、典型的に、コンピュータ１５−１１０に関して上記に説明されているエレメントのうちの多く又はすべてを含む。図１５−１に示されている論理的接続は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）１５−１７１及びワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）１５−１７３を含むが、他のネットワークを含むことも可能である。そのようなネットワーキング環境は、オフィス、企業規模のコンピュータ・ネットワーク、イントラネット、及びインターネットにおいて普通である。
ＬＡＮネットワーキング環境において使用されるときには、コンピュータ１５−１１０は、ネットワーク・インターフェース又はアダプター１５−１７０を通して、ＬＡＮ１５−１７１に接続されている。ＷＡＮネットワーキング環境において使用されるときには、コンピュータ１５−１１０は、典型的に、モデム１５−１７２、又は、インターネットなどのようなＷＡＮ１５−１７３を通した通信を確立するための他の手段を含む。モデム１５−１７２は、内部又は外部にあることが可能であり、モデム１５−１７２は、ユーザ入力インターフェース１５−１６０、又は他の適当なメカニズムを介して、システム・バス１５−１２１に接続され得る。ネットワーク化された環境では、コンピュータ１５−１１０に関して示されているプログラム・モジュール又はその一部分は、遠隔のメモリー・ストレージ・デバイスの中に保存され得る。例として、及び、限定としてではなく、図１５−１は、メモリー・デバイス１５−１８１の上にあるものとして、遠隔のアプリケーション・プログラム１５−１８５を図示している。示されているネットワーク接続は、例示的なものであり、コンピュータ同士の間で通信リンクを確立する他の手段も使用され得ると
いうことが認識されることとなる。
ＶＩ． 結論
したがって、本発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様が説明されてきたが、さまざまな代替例、修正例、及び改善例が、当業者に容易に思いつくこととなるということが理解されるべきである。
そのような代替例、修正例、及び改善例は、この開示の一部であるということが意図されており、また、本発明の精神及び範囲の中にあることが意図されている。さらに、本発明の利点が示されているが、本発明のすべての実施形態が、記載されているすべての利点を含むこととなるわけではないということが認識されるべきである。いくつかの実施形態は、本明細書で、及び、いくつかの場合において、有利であるとして説明されている任意の特徴を実施しなくてもよい。したがって、先述の説明及び図面は、単なる例としてのものである。
本発明の上述の実施形態は、多数の方式のいずれかで実施され得る。たとえば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせを使用して実施され得る。ソフトウェアの中に実施されるときには、ソフトウェア・コードは、単一のコンピュータの中に設けられるか、又は、複数のコンピュータの間に分散されるかにかかわらず、任意の適切なプロセッサー、又は、プロセッサーの収集の上で実行され得る。そのようなプロセッサーは、集積回路として実施され得、１つ又は複数のプロセッサーを集積回路コンポーネントの中に備えており、それは、ＣＰＵチップ、ＧＰＵチップ、マイクロプロセッサー、マイクロコントローラ、又はコプロセッサーなどのような名前によって当技術分野で知られている市販の集積回路コンポーネントを含む。代替的に、プロセッサーは、プログラム可能なロジック・デバイスを構成することから結果として生じる、ＡＳＩＣなどのようなカスタム回路、又は、セミ・カスタム回路の中に実施され得る。さらなる代替例として、プロセッサーは、市販のものであろうと、セミ・カスタムであろうと、又はカスタムであろうと、より大きい回路又は半導体デバイスの一部分であることが可能である。特定の例として、いくつかの市販のマイクロプロセッサーは、複数のコアを有しており、それらのコアのうちの１つ又はサブセットが、プロセッサーを構成し得るようになっている。しかし、プロセッサーは、任意の適切なフォーマットの回路を使用して実施され得る。
さらに、コンピュータは、ラック・マウント型コンピュータ、デスクトップ・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、又はタブレット・コンピュータなどのような、多数の形態のいずれかで具現化され得るということが認識されるべきである。追加的に、コンピュータは、パーソナル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ）、スマート・フォン、又は、任意の他の適切なポータブルのもしくは固定された電子デバイスを含む、適切なプロセッシング能力を備えるが一般的にコンピュータとみなされないデバイスの中に埋め込まれ得る。
また、コンピュータは、１つ又は複数の入力及び出力デバイスを有することが可能である。これらのデバイスは、とりわけ、ユーザ・インターフェースを提示するために使用され得る。ユーザ・インターフェースを提供するために使用され得る出力デバイスの例は、出力の視覚的表現に関するプリンター又は表示スクリーン、及び、出力の可聴表現に関するスピーカ又は他のサウンド発生デバイスを含む。ユーザ・インターフェースに関して使用され得る入力デバイスの例は、キーボード、ならびに、マウス、タッチ・パッド、及びデジタイジング・タブレットなどのような、ポインティング・デバイスを含む。別の例として、コンピュータは、音声認識を通して、又は、他の可聴フォーマットで、入力情報を受け取ることが可能である。
そのようなコンピュータは、企業ネットワーク又はインターネットなどのような、ローカル・エリア・ネットワーク又はワイド・エリア・ネットワークを含む、１つ又は複数のネットワークによって、任意の適切な形態で相互接続され得る。そのようなネットワークは、任意の適切な技術に基づくことが可能であり、任意の適切なプロトコルにしたがって動作することが可能であり、ワイヤレス・ネットワーク、ワイヤード・ネットワーク、又は光ファイバー・ネットワークを含むことが可能である。
また、本明細書で概説されているさまざまな方法又はプロセスは、さまざまなオペレーティング・システム又はプラットフォームのうちの任意の１つを用いる１つ又は複数のプロセッサーの上で実行可能なソフトウェアとして符号化され得る。追加的に、そのようなソフトウェアは、多数の適切なプログラミング言語及び／又はプログラミング・ツールもしくはスクリプティング・ツールのいずれかを使用して書かれ得、また、フレームワーク又はバーチャル・マシンの上で実行される実行可能なマシン語コード又は中間コードとしてコンパイルされ得る。
この点において、本発明は、１つもしくは複数のコンピュータ又は他のプロセッサーの上で実行されるときに、上記に議論されている本発明のさまざまな実施形態を実施する方法を実施する１つ又は複数のプログラムによって符号化されたコンピュータ可読のストレージ媒体（又は、複数のコンピュータ可読媒体）（たとえば、コンピュータ・メモリー、１つ又は複数のフロッピー（登録商標）・ディスク、コンパクト・ディスク（ＣＤ）、光学ディスク、デジタル・ビデオ・ディスク（ＤＶＤ）、磁気テープ、フラッシュ・メモリー、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイもしくは他の半導体デバイスの中の回路構成、又は、他の有形的コンピュータ・ストレージ媒体）として具現化され得る。先述の例から明らかであるように、コンピュータ可読のストレージ媒体は、非一時的な形態のコンピュータ実行可能な命令を提供するのに十分な時間にわたって、情報を保持することが可能である。そのような１つ又は複数のコンピュータ可読のストレージ媒体は、輸送可能であり得、その上に保存された１つ又は複数のプログラムが、１つ又は複数の異なるコンピュータ又は他のプロセッサーの上にロードされ、上記に議論されているような本発明のさまざまな態様を実施することができるようになっている。本明細書で使用されているように、「コンピュータ可読のストレージ媒体」という用語は、製品（すなわち、製造品）又はマシンであると考えられ得るコンピュータ可読媒体だけを包含する。代替的に又は追加的に、本発明は、伝播信号などのような、コンピュータ可読のストレージ媒体以外のコンピュータ可読媒体として具現化され得る。
「プログラム」又は「ソフトウェア」という用語は、上記に議論されているような本発明のさまざまな態様を実施するために、コンピュータ又は他のプロセッサーをプログラムするために使用され得る、コンピュータ・コード又はコンピュータ実行可能な命令のセットの任意のタイプを表すために、一般的な意味で、本明細書で使用され得る。追加的に、この実施形態の１つの態様によれば、実行されるときに、本発明の方法を実施する１つ又は複数のコンピュータ・プログラムは、単一のコンピュータ又はプロセッサーの上にある必要はなく、本発明のさまざまな態様を実施するために、複数の異なるコンピュータ又はプロセッサーの間にモジュラー方式で分散され得るということが認識されるべきである。
コンピュータ実行可能な命令は、１つ又は複数のコンピュータ又は他のデバイスによって実行される、プログラム・モジュールなどのような多くの形態であることが可能である。一般的に、プログラム・モジュールは、特定のタスクを実施し、又は特定の抽出データ・タイプを実施する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。典型的に、プログラム・モジュールの機能性が、さまざまな実施形態において、必要に応じて、組み合わせられ又は分散させられ得る。
また、データ構造は、任意の適切な形態で、コンピュータ可読媒体の中に保存され得る。図示を簡単にするために、データ構造は、データ構造の中の場所を通して関連するフィールドを有するように示され得る。そのような関係は、フィールドに関するストレージを、フィールド同士の間の関係を伝えるコンピュータ可読媒体の中の場所に割り当てることによって、同様に実現され得る。しかし、任意の適切なメカニズムが、データ構造のフィールドの中の情報の間の関係を確立するために使用され得、それは、ポインター、タグ、又は、データ・エレメント同士の間の関係を確立する他のメカニズムの使用を通すことを含む。
本発明のさまざまな態様が、単独で、組み合わせて、又は、先述のものにおいて説明された実施形態の中では具体的に議論されていないさまざまな配置で、使用され得、したがって、その用途において、先述の説明において述べられ又は図面に図示されているコンポーネントの詳細及び配置に限定されない。たとえば、１つの実施形態において説明されている態様は、他の実施形態において説明されている態様と、任意の様式で組み合わせられ得る。
また、発明は、方法として具現化され得、その例が提供されている。方法の一部として行われる行為は、任意の適切な方式で順序付けられることが可能である。したがって、図示されているものとは異なる順序で行為が行われる実施形態が構築され得、それは、例示目的の実施形態では連続的な行為として示されているとしても、いくつかの行為を同時に実施することを含むことが可能である。
特許請求の範囲の中で請求項エレメントを修飾するために、「第１の」、「第２の」、「第３の」などのような序数用語を使用することは、それ自身では、別の請求項エレメントに対する１つの請求項エレメントのいずれの優先度、順位、もしくは順序も含意しておらず、又は、方法の行為が実施される時間的な順序も含意しておらず、それらは、単に、特定の名前を有する１つの請求項エレメントを、（序数の用語の使用がなければ）同じ名前を有する別のエレメントから区別するための標識として使用され、請求項エレメントを区別する。
また、本明細書で使用されている言語表現及び専門用語は、説明の目的のためのものであり、限定としてみなされるべきではない。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「からなる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、及び、それらの変形例を本明細書で使用することは、その後に列挙されている項目及びその均等物、ならびに、追加的な項目を包含することを意味している。

Claims (62)

  1. 複数のピクセルからなるピクセル領域であって、
    前記複数のピクセルのそれぞれのピクセルは、
    サンプルを収容するように構成された、集積デバイスの表面の上のサンプル・ウェルと、
    励起エネルギーに応答して前記サンプル・ウェルの中の前記サンプルから放出されるエミッション・エネルギーに基づいて、放射線パターンを発生させるように構成されている少なくとも１つのコンポーネントと、
    前記放射線パターンの少なくとも一部分の空間的な分布を検出するように構成されている少なくとも１つのセンサーとを有している、ピクセル領域と、
    前記複数のピクセルの少なくとも一部分に励起エネルギーを送達するように構成されている少なくとも１つの導波路と、
    からなる、集積デバイス。
  2. 前記少なくとも１つの導波路が、前記サンプル・ウェルの中の励起領域に励起エネルギーを与え、前記励起領域の中に位置付けされているサンプルが、前記励起領域を照射する励起エネルギーに応答して、エミッション・エネルギーを放出する、請求項１に記載の集積デバイス。
  3. 前記少なくとも１つの導波路が、少なくとも１つの励起供給源から励起エネルギーを受け取る、請求項１に記載の集積デバイス。
  4. 前記少なくとも１つの励起供給源が、前記集積デバイスの外部にある、請求項３に記載の集積デバイス。
  5. 励起供給源カップリング領域をさらに含み、前記励起供給源カップリング領域は、グレーチング・カップラーを有しており、前記グレーチング・カップラーは、前記少なくとも１つの励起供給源から励起エネルギーを受け取るように、及び、前記励起エネルギーを前記少なくとも１つの導波路にカップリングする、請求項４に記載の集積デバイス。
  6. 前記少なくとも１つの励起供給源が、前記ピクセル領域から分離された領域の中の前記集積デバイスの前記表面の上に設けられいる、請求項３に記載の集積デバイス。
  7. 前記少なくとも１つの導波路が、前記複数のピクセルの前記一部分のそれぞれのピクセルに関して、サンプル・ウェルの付近に励起エネルギーを送達する、請求項１に記載の集積デバイス。
  8. 前記複数のピクセルのそれぞれのピクセルが、少なくとも１つの励起カップリング構造体をさらに含み、前記少なくとも１つの励起カップリング構造体は、前記少なくとも１つの導波路とカップリングするように、及び、励起エネルギーをサンプル・ウェルの付近に方向付けする、請求項１に記載の集積デバイス。
  9. 前記少なくとも１つの励起カップリング構造体が、少なくとも１つのピクセル導波路を含む、請求項８に記載の集積デバイス。
  10. 前記少なくとも１つの励起カップリング構造体が、少なくとも１つの共鳴構造体を含む、請求項９に記載の集積デバイス。
  11. 前記サンプル・ウェルが、前記少なくとも１つの共鳴構造体によって形成される局所化さ
    れた領域に近接して設けられている、請求項１０に記載の集積デバイス。
  12. 前記複数のピクセルのそれぞれのピクセルが、少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントをさらに含み、前記少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントは、前記サンプル・ウェルの中に位置付けされているサンプルによって放出されるエミッション・エネルギーとカップリングする、請求項１に記載の集積デバイス。
  13. 前記サンプルが、複数のマーカのうちの１つによって標識され、前記少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントが、前記複数のマーカのそれぞれからのエミッション・エネルギーのスペクトル範囲に基づいて、放射線パターンを発生させる、請求項１２に記載の集積デバイス。
  14. 前記少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントが、前記サンプル・ウェルの周りに形成された同心円状のグレーチング構造体である、請求項１２に記載の集積デバイス。
  15. 前記少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントが、ナノ・アンテナ構造体である、請求項１２に記載の集積デバイス。
  16. 前記少なくとも１つの表面エネルギー・カップリング・エレメントが、前記サンプル・ウェルに隣接して設けられており、前記サンプル・ウェルから放出される放射線を、前記放出される放射線の波長に依存する複数の異なる空間的な分布の中へ方向付けする、請求項１２に記載の集積デバイス。
  17. 前記少なくとも１つのセンサーが、前記複数のマーカのそれぞれに関する前記放射線パターンの少なくとも一部分の空間的な分布を検出する複数のセンサーである、請求項１６に記載の集積デバイス。
  18. 少なくとも１つのソーティング・エレメントが、前記サンプル・ウェルと前記複数のセンサーとの間に位置付けされており、特定の波長のエミッション・エネルギーを前記複数のセンサーのうちの１つのセンサーに方向付けする、請求項１７に記載の集積デバイス。
  19. 複数のマーカのうちの１つによって標識されたサンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェルであって、前記複数のマーカのそれぞれが、前記サンプルを照射する励起エネルギーに応答して、複数のスペクトル範囲のうちの１つの中のエミッション・エネルギーを放出する、サンプル・ウェルと、
    エミッション・エネルギーが前記サンプル・ウェルから放出されるときに、前記複数のスペクトル範囲のそれぞれのスペクトル範囲に関する放射線パターンを発生させるために、前記サンプル・ウェルの付近に位置付けされているエミッション・エネルギー・カップリング構造体と、
    前記エミッション・エネルギーの少なくとも一部分を受け取るように、及び、前記複数のスペクトル範囲のそれぞれのスペクトル範囲に関する前記放射線パターンの空間的な分布を検出するように構成されている複数のセンサーと、
    からなる、集積デバイス。
  20. 前記複数のセンサーが、前記複数のスペクトル範囲のそれぞれに関する前記放射線パターンの別個の空間的な分布を検出するように形状決め及び配置されている、請求項１９に記載の集積デバイス。
  21. 前記複数のセンサーが、前記複数のスペクトル範囲のそれぞれのスペクトル範囲に関する
    前記放射線パターンの前記空間的な分布を表す少なくとも１つの信号を作り出す、請求項１９に記載の集積デバイス。
  22. 前記複数のセンサーの第１のセンサーが、第１の信号を作り出し、前記複数のセンサーの第２のセンサーが、第２の信号を作り出し、前記第１の信号と前記第２の信号との間の比率が、前記複数のマーカのそれぞれのマーカに関して異なっている、請求項２１に記載の集積デバイス。
  23. 集積デバイスの製造方法において、
    複数のセンサー領域を形成する工程であって、前記複数のセンサー領域のそれぞれのセンサー領域は、複数のセンサーを含んでなる、複数のセンサー領域を工程と、
    複数のサンプル・ウェルを形成する工程であって、前記複数のサンプル・ウェルのそれぞれのサンプル・ウェルが、前記複数のセンサー領域のうちの対応する１つに整合する、複数のサンプル・ウェルを形成する工程と、
    前記複数のサンプル・ウェルから分離した励起エネルギーとカップリングするように、及び、励起エネルギーを少なくとも１つのサンプル・ウェルに方向付けするように構成されている、少なくとも１つの導波路を形成する工程と、
    複数の表面エネルギー・カップリング・エレメントを形成する工程であって、それぞれの表面エネルギー・カップリング・エレメントは、前記複数のセンサー領域のうちの１つの上に放射線パターンを形成するように構成されており、前記放射線パターンは、前記複数のサンプル・ウェルのうちの対応する１つからのエミッション・エネルギーに基づいている、複数の表面エネルギー・カップリング・エレメントを形成する工程と、
    からなる、集積デバイスの製造方法。
  24. 前記複数のサンプル・ウェルから分離された領域の中にグレーチング・カップラーを形成する工程をさらに含んでなり、前記グレーチング・カップラーは、前記集積デバイスの外部にある少なくとも１つの励起供給源から励起エネルギーを受け取り、及び、前記励起エネルギーを前記少なくとも１つの導波路にカップリングする、請求項２３に記載の集積デバイスを形成する方法。
  25. 前記複数の表面エネルギー・カップリング・エレメントが、複数の同心円状のグレーチング構造体であり、それぞれのサンプル・ウェルが、前記複数の同心円状のグレーチング構造体のうちの１つに対して中心を合わせられている、請求項２３に記載の集積デバイスを形成する方法。
  26. 前記複数の表面エネルギー・カップリング・エレメントが、複数のナノ・アンテナ構造体であり、それぞれのサンプル・ウェルが、前記複数のナノ・アンテナ構造体のうちの１つの付近に位置付けされている、請求項２３に記載の方法。
  27. 複数のソーティング・エレメントを形成する工程をさらに含み、それぞれのソーティング・エレメントが、前記複数のサンプル・ウェルのうちの１つのサンプル・ウェルと前記複数のセンサー領域のうちの１つのセンサー領域との間に位置付けされており、特定の波長のエミッション・エネルギーを前記複数のセンサーのうちの１つのセンサーに方向付けするように構成されている、請求項２３に記載の方法。
  28. 少なくとも１つの励起エネルギーを与えるための少なくとも１つの励起供給源と、
    前記励起供給源によって放出される前記少なくとも１つの励起エネルギーを集積デバイスのカップリング領域に整合させるための励起供給源位置決めシステムと、
    前記集積デバイスの上のセンサーによって検出されるエミッション・エネルギーを表す少なくとも１つの読み出し信号を受け取るように構成されている読み出し回路と、
    からなる、機器。
  29. 励起供給源回路をさらに含んでなり、前記励起供給源回路は、励起エネルギーを受け取るように構成されている少なくとも１つのモニタリング・センサーからの読み出し信号に基づいて、前記集積デバイスに対する前記少なくとも１つの励起供給源のアライメントを調整する、請求項２８に記載の機器。
  30. システムにおいて、
    少なくとも１つの励起エネルギーを放出するように構成されている励起エネルギー供給源、及び、
    集積チップを前記機器に整合させるように構成されている少なくとも１つのアライメント・コンポーネント
    を有する、機器と、
    集積デバイスであって、
    複数のピクセルを有するピクセル領域であって、それぞれのピクセルが、サンプル・ウェル及び少なくとも１つのセンサーを有しており、前記サンプル・ウェルは、サンプルを受け入れるように構成されてあり、前記サンプルは、前記少なくとも１つの励起エネルギーにカップリングされるときに、スペクトル範囲を有するエミッション・エネルギーを放出する、ピクセル領域、
    励起エネルギーを前記サンプル・ウェルに方向付けするように構成されている少なくとも１つの導波路、
    前記エミッション・エネルギーの前記スペクトル範囲に基づいて放射線パターンを発生させるための少なくとも１つのエレメント、
    前記放射線パターンの少なくとも一部分の空間的な分布を検出するように構成されている少なくとも１つのセンサー、ならびに、
    前記励起エネルギー供給源から励起エネルギーを受け取るための、及び、前記励起エネルギーを前記少なくとも１つの導波路の中へカップリングするための励起供給源カップリング領域
    を有する、集積デバイスと、
    からなる、システム。
  31. 前記少なくとも１つのエレメントが、屈折エレメント、回折エレメント、プラズモニック・エレメント、及び共振器からなる群から選択される、請求項３０に記載のシステム。
  32. 前記励起供給源カップリング領域が、励起エネルギーを受け取り、及び、励起エネルギーを前記少なくとも１つの導波路にカップリングする、グレーチング・カップラーを含む、請求項３０に記載のシステム。
  33. 試料の分析方法において、
    複数のピクセルを有する集積デバイスの表面の上に前記試料を堆積させる工程であって、それぞれのピクセルが、複数のマーカのうちの第１のマーカによって標識されたサンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェル、及び、複数のセンサーを有するセンサー領域を有している、工程と、
    前記集積デバイスを機器と整合させる工程であって、前記機器は、第１のピクセルのサンプル・ウェルに励起エネルギーをカップリングするための少なくとも１つの励起エネルギー供給源、及び、前記第１のピクセルの前記センサー領域の前記複数のセンサーから読み出し信号を受け取るための読み出し回路を有している、工程と、
    励起エネルギーによって前記第１のマーカを照射する工程と、
    前記第１のピクセルの前記センサー領域の前記複数のセンサーからの前記読み出し信号から、前記第１のマーカによるエミッションから発生するエミッション・エネルギーの空
    間的な分布を検出する工程と、
    からなる、試料の分析方法。
  34. エミッション・エネルギーの前記空間的な分布に基づいて、前記複数のマーカの間で前記第１のマーカを特定する工程をさらに含んでなり、前記複数のマーカのそれぞれ１つが、別個の空間的な分布を有している、請求項３３に記載の方法。
  35. 前記第１のマーカを特定する工程に基づいて、前記第１のマーカによって標識された分子のタイプを決定する工程をさらに含んでなる、請求項３４に記載の方法。
  36. 前記分子のタイプが、ヌクレオチドであり、前記第１のマーカが、フルオロフォアである、請求項３５に記載の方法。
  37. 前記フルオロフォアが、リンカー分子によって前記ヌクレオチドに取り付けられている、請求項３６に記載の方法。
  38. 第２のサンプルを標識する第２のマーカを励起エネルギーによって照射する工程と、
    前記第１のピクセルの前記センサー領域の前記複数のセンサーからの前記読み出し信号から、前記第２のマーカによって発生するエミッション・エネルギーの空間的な分布を検出する工程と、
    をさらに含んでなる、請求項３４に記載の方法。
  39. 前記第１のマーカが、第１のヌクレオチドを標識しており、前記第２のマーカが、第２のヌクレオチドを標識している、請求項３８に記載の方法。
  40. ターゲット核酸分子をシークエンシングするための方法において、
    集積デバイスを設ける工程であって、前記集積デバイスは、前記ターゲット核酸分子、重合酵素、及び、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含有するサンプル・ウェルを含み、前記複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のうちのそれぞれのタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、複数のマーカのうちの１つによって標識される、集積デバイスを設ける工程と、
    前記重合酵素の存在下で、前記ターゲット核酸分子のプライミング場所において、伸長反応を実施し、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の少なくとも一部分を、前記ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖の中へ順次組み込む工程であって、励起エネルギーによる励起が起こると、前記成長する鎖の中へ組み込まれるときに、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を標識する前記マーカが、前記サンプル・ウェルからのエミッションを作り出す、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の少なくとも一部分を、前記ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖の中へ順次組み込む工程と、
    前記サンプル・ウェルの中に又は前記サンプル・ウェルに隣接して、前記エミッションからのエミッション・パターンを発生させる工程と、
    前記サンプル・ウェルからの前記エミッション・パターンを受け取るセンサーにおいて、前記エミッション・パターンの空間的な分布を検出する工程であって、前記空間的な分布が、前記複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関して区別可能である、前記エミッション・パターンの空間的な分布を検出する工程と、
    前記空間的な分布を示す、前記センサーから受け取られる信号に基づいて、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を特定し、それによって前記ターゲット核酸分子をシークエンシングする工程と、
    からなる、ターゲット核酸分子をシークエンシングするための方法。
  41. 前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、前記センサーにおいて前記エミッション・
    パターンの前記空間的な分布を検出することに続いて特定される、請求項４０に記載の方法。
  42. 前記複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含み、前記４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられる前記エミッション・パターンの前記空間的な分布が、互いから区別可能である、請求項４０に記載の方法。
  43. 前記空間的な分布が、互いから別々に検出される、請求項４２に記載の方法。
  44. 前記エミッション・パターンの前記空間的な分布が、前記空間的な分布のそれぞれの、形状及び強度分布のうちの少なくとも一方に基づいて、互いから区別可能である、請求項４０に記載の方法。
  45. 前記エミッション・パターンの前記空間的な分布が、前記エミッションの波長に基づいて区別可能である、請求項４０に記載の方法。
  46. 前記プライミング場所が、前記ターゲット核酸分子に相補的なプライマーを含む、請求項４０に記載の方法。
  47. 前記重合酵素が、前記サンプル・ウェルの中に固定化されている、請求項４０に記載の方法。
  48. 前記重合酵素が、前記サンプル・ウェルの底部部分において固定化されている、請求項４７に記載の方法。
  49. 前記重合酵素が、前記サンプル・ウェルの表面に取り付けられるリンカーを使用して固定化されている、請求項４７に記載の方法。
  50. 前記重合酵素が、鎖置換活性を示す、請求項４０に記載の方法。
  51. 前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、少なくとも１つの励起エネルギー供給源からの励起エネルギーによって励起が起こると、前記エミッションを放出する、請求項４０に記載の方法。
  52. 前記励起エネルギー供給源が、レーザ光供給源であり、前記レーザ光供給源は、少なくとも１つの導波路を通して前記サンプル・ウェルに動作可能にカップリングされており、前記励起エネルギーは、前記少なくとも１つの導波路を通して前記レーザ光供給源から前記サンプル・ウェルへ方向付けされる、請求項５１に記載の方法。
  53. 前記サンプル・ウェルが、複数のサンプル・ウェルの間にあり、前記複数のサンプル・ウェルが、前記集積デバイスの一部である、請求項５１に記載の方法。
  54. 前記励起エネルギーが、前記集積デバイスから分離している少なくとも１つの励起エネルギー供給源によって提供される、請求項４０又は５３に記載の方法。
  55. 前記センサーが、前記集積デバイスの一部である、請求項４０に記載の方法。
  56. 核酸シークエンシングのための方法において、
    複数のサンプル・ウェル、及び、前記複数のサンプル・ウェルに動作可能にカップリン
    グされている励起エネルギー供給源からなる集積デバイスを設ける工程であって、前記複数のサンプル・ウェルの個々のサンプル・ウェルは、ターゲット核酸分子、重合酵素、及びヌクレオチド又はヌクレオチド類似体からなり、複数のマーカのうちの１つのマーカが、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体のそれぞれを標識する、集積デバイスを設ける工程と、
    前記ターゲット核酸分子に重合反応を受けさせ、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体及び前記重合酵素の存在下において、前記ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖を生み出す工程であって、前記励起供給源からの励起エネルギーによる励起が起こると、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が前記成長する鎖の中へ組み込まれる間に、前記複数のマーカがエミッションを放出する、前記ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖を生み出す工程と、
    前記サンプル・ウェルの中に又は前記サンプル・ウェルに隣接して、前記エミッションからのエミッション・パターンを発生させる工程と、
    前記伸長反応を実施する間に、前記エミッション・パターンの空間的な分布を検出する工程であって、前記エミッション・パターンの前記空間的な分布が、前記複数のマーカに関して区別可能である、前記エミッション・パターンの空間的な分布を検出する工程と、
    前記エミッション・パターンの前記空間的な分布に基づいて、前記ターゲット核酸分子のシークエンスを特定する工程と、
    からなる、核酸シークエンシングのための方法。
  57. 前記シークエンスが、前記エミッション・パターンの前記空間的な分布を検出することに続いて特定される、請求項５６に記載の方法。
  58. 前記複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含み、前記４つのタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられる前記エミッション・パターンの前記空間的な分布が、互いから区別可能である、請求項５６に記載の方法。
  59. 前記４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられる前記空間的な分布が、互いから別々に検出される、請求項５８に記載の方法。
  60. 前記励起エネルギー供給源が、レーザ光供給源であり、前記レーザ光供給源は、少なくとも１つの導波路を通して前記複数のサンプル・ウェル動作可能にカップリングされており、前記励起エネルギーは、前記少なくとも１つの導波路を通して前記レーザ光供給源から前記個々のサンプル・ウェルへ方向付けされる、請求項５６に記載の方法。
  61. 前記励起エネルギー供給源が、前記集積デバイスの外部にある、請求項５６に記載の方法。
  62. 前記エミッション・パターンの前記空間的な分布が、前記集積デバイスの一部であるセンサーによって検出される、請求項５６に記載の方法。
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