JP2021509578A - サブミクロンスケール反応チャンバの動電学的ローディングのためのシステムおよび方法 - Google Patents

サブミクロンスケール反応チャンバの動電学的ローディングのためのシステムおよび方法 Download PDF

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サブミクロンスケールの反応チャンバへの対象サンプルの動電学的ローディングのための装置および技術が説明される。実施形態は、サンプルを並行して分析するための集積デバイスおよび関連装置を含む。集積デバイスは、集積デバイスの表面を通して形成され、核酸分子などの対象のサンプルを受け取るように構成された少なくとも１つの反応チャンバを含み得る。集積デバイスは、反応チャンバに隣接してパターン化された電極をさらに含み、これは、サンプルを反応チャンバにローディングすることを支援する１つまたは複数の電界を生成する。装置は、集積デバイスの表面と流体シールを有し、かつサンプルを含む懸濁液を保持するように構成されたサンプルリザーバをさらに含み得る。

Description

本出願は、短い光パルスを数万以上の反応チャンバに同時に提供し、サンプル分析のために反応チャンバから蛍光信号を受信することにより、サンプルの大規模並列分析を行うことができる集積デバイスおよび関連機器に関する。機器は、ポイント・オブ・ケアの遺伝子配列決定および個別化医療に有用である可能性がある。
生体サンプルまたは化学的サンプルの大規模並列分析が可能である機器は、通常、研究室の環境に限定されており、これは、それらが大型で、持ち運びできないこと、機器を操作するために熟練した技術者を必要とすること、動力の必要性、制御された動作環境の必要性、およびコストを含むことができるいくつかの要因のためである。このような機器を使用してサンプル（例えば、ＤＮＡ）を分析する場合、一般的なパラダイムは、ポイント・オブ・ケアまたはフィールドで検体を抽出し、検体をラボに送り、分析結果を待つことである。結果の待ち時間は、数時間から数日に及ぶ可能性がある。
本出願の様々な態様および実施形態は、以下の図面を参照して説明される。図面は必ずしも縮尺通りではないことを理解されたい。複数の図面において見られるアイテムは、これらが見られるすべての図面において同じ参照符号によって示されている。
いくつかの実施形態による、集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、動電学的サンプルローディングのための電極構成を有する集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、動電学的サンプルローディングのための電極構成を有する集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、動電学的サンプルローディングのための電極構成を有する集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、動電学的サンプルローディングのための電極構成を有する集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、動電学的サンプルローディングのための電極構成を有する集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、集積デバイスの一部として形成された電極へのコンタクトを有する動電学的サンプルローディングのための電極構成を有する集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、集積デバイスの一部として形成された電極へのコンタクトを有する動電学的サンプルローディングのための電極構成を有する集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、集積デバイスの一部として形成された電極へのコンタクトを有する動電学的サンプルローディングのための電極構成を有する集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、集積デバイスの一部として形成された電極へのビアを有する動電学的サンプルローディングのための電極構成を有する集積デバイスの断面概略図である。 いくつかの実施形態による、動電学的サンプルローディングのために電極に印加される電圧信号の概略図である。 いくつかの実施形態による、動電学的サンプルローディングのために電極に提供される電流波形の概略図である。 いくつかの実施形態による、動電学的サンプルローディングのために電極に印加される電圧信号の概略図である。 Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤは、いくつかの実施形態による、集積デバイスの導電層へのコンタクトを形成する方法に関連する構造を示す図である。 Ａ、Ｂ、およびＣは、いくつかの実施形態による、集積デバイスの導電層へのコンタクトを形成する方法に関連する構造を示す図である。 いくつかの実施形態による、集積デバイスの導電層へのビアを形成する方法に関連するステップを示す図である。 Ａ、Ｂ、およびＣは、いくつかの実施形態による、穿孔された誘電体層を形成する方法に関連する構造を示す図である。 いくつかの実施形態による、集積デバイスおよび機器のブロック図である。 いくつかの実施形態による、集積デバイスを含む装置の概略図である。 いくつかの実施形態による、反応チャンバ、光導波路、および時間ビニング光検出器を有するピクセルの概略図である。 いくつかの実施形態による、反応チャンバ内で起こり得る例示的な生物学的反応の概略図である。 異なる減衰特性を有する２つの異なるフルオロフォアの放出確率曲線のプロットである。 いくつかの実施形態による、蛍光発光の時間ビニング検出のプロットである。 いくつかの実施形態による、例示的な時間ビニング光検出器を示す図である。 いくつかの実施形態による、例示的な時間ビニング光検出器を示す図である。 いくつかの実施形態による、パルス励起および反応チャンバからの蛍光発光の時間ビニング検出を示す概略図である。 いくつかの実施形態による、サンプルを繰り返しパルス励起した後の様々な時間ビンにおける蓄積された蛍光光子カウントのヒストグラムである。 いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体に対応し得る異なるヒストグラムである。 いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体に対応し得る異なるヒストグラムである。 いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体に対応し得る異なるヒストグラムである。 いくつかの実施形態による、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体に対応し得る異なるヒストグラムである。
Ｉ．序論
本出願の態様は、単一の分子の同定および核酸配列決定を含む、サンプルを並列に分析可能な集積デバイス、機器、および関連システムに関する。そのようなシステムは、コンパクトであり、持ち運びが容易であり、操作が簡単であってよく、医師または他の提供者がシステムを容易に使用し、ケアが必要とされる可能性がある所望の場所にシステムを輸送することを可能にする。サンプルの分析は、サンプルまたは関連成分（例えば、反応成分）を１つまたは複数の蛍光マーカで標識することを含み、これは、サンプルの検出および／またはサンプルの単一分子の同定（例えば、核酸配列決定の一部としての個々のヌクレオチド同定）のために用いられ得る。蛍光マーカは、蛍光マーカを励起光（例えば、蛍光マーカを励起状態に励起し得る特性波長を有する光）で照射することに応答して励起され、蛍光マーカが励起されると、放出光（例えば、励起状態から基底状態に戻ることにより蛍光マーカによって放出される特性波長を有する光）を放出し得る。放出光の検出は、蛍光マーカ、したがって、蛍光マーカによって標識されたサンプルまたはサンプルに関連する分子の同定を可能にし得る。いくつかの実施形態によれば、機器は、大規模並列サンプル分析を可能とし、数万以上のサンプルを同時に取り扱うように構成され得る。
発明者らは、サンプルを受け取るように構成された反応チャンバおよび集積デバイス上に形成された集積光学系を有する集積デバイス、ならびに集積デバイスとインタフェースするように構成された機器を使用して、この数のサンプルの分析を達成できることを認識および理解した。機器は、１つまたは複数の励起光源を含むことができ、集積デバイスは、集積デバイス上に形成された集積光学構成要素（例えば、導波路、光カプラ、光学スプリッタ）を使用して励起光が反応チャンバに送達されるように、機器とインタフェースすることができる。光学構成要素は、集積デバイスの反応チャンバ全体の照明の均一性を改善することができ、そうでなければ必要とされ得る多数の外部光学構成要素を低減することができる。さらに、本発明者らは、集積デバイス上に光検出器を集積することにより、反応チャンバからの蛍光放出の検出効率を改善し、そうでなければ必要とされるかもしれない集光構成要素の数を低減することができることを認識および理解した。
単一分子分析のコンテキストでは、対象サンプルまたは対象分子（例えば、テンプレート核酸）を個々の反応チャンバにローディングするために懸濁液中の他の分子の中から分離する際に課題が生じ得る。発明者らは、懸濁液中の他の分子の中から対象の分子を分離することは、個々の分子の分離を可能にする適切なサイズおよび形状の集積デバイスの反応チャンバを形成することによって達成できることを認識および理解した。このようにして、ユーザは、個々の反応チャンバが拡散によって懸濁液の単一分子を受け取る高い確率を有するように、反応チャンバのアレイを有する集積デバイスの表面上に分析のための懸濁液を堆積させることができる。いくつかの実装形態では、反応チャンバは、個々の反応チャンバが受け取る分子の数の分布が、１つの反応チャンバが、０、１、２、またはそれ以上の分子を受け取ることを可能にするような、適切なサイズおよび形状とすることができる。一例として、対象分子の分布は、反応チャンバの一部（例えば、約３５％）が単一の分子を受け取るポアソン分布に近似し得る。
集積デバイスのいくつかの実装形態では、反応チャンバは、導波路を介して伝播する励起光が反応チャンバに結合され、分子を標識するために使用される蛍光マーカを照射するように、導波路に対して配置される。加えて、反応チャンバは、蛍光分子によって放出された光が光検出器（単数または複数）によって検出されるように、１つまたは複数の光検出器に対して配置されている。蛍光マーカの十分な励起および／または蛍光マーカから放出された光の十分な光学的検出を可能にするように分子が反応チャンバ内に配置されるように、分子を個々の反応チャンバにローディングする際に課題が生じ得る。例えば、集積デバイスのいくつかの実施形態は、個々の反応チャンバが１００から数百ナノメートルのオーダーの深さ（例えば、約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲内）を有するように集積デバイスの表面から凹んだ底面を有する反応チャンバを含む。そのような実施形態では、分子を標識するために使用される分子および／または蛍光マーカは、励起光を受け取るため、および／または反応チャンバに関連する光検出器が放出光を受け取るために、底面に近接して配置される必要があり得る。
単一分子分析のためにそのようなデバイスを使用する場合、生じる可能性のある一つの課題は、関心のある分子を集積デバイスの表面に提供された懸濁液から分離することが、懸濁液のバルク内から反応チャンバの深さを通って関心のある分子を移動させることを伴う可能性があるため、関心のある分子を反応チャンバの底面に近接して配置することを含む。分子を反応チャンバにローディングする効率は、分子が懸濁液のバルク中から反応チャンバの底面まで移動しなければならない距離のために、拡散で制限され得る。例えば、分子を反応チャンバにローディングするのに必要な時間は、分子が移動する必要がある距離と共に増加し、その結果、ローディング効率は、大きい深さを有する反応チャンバでは制限され得る。ローディングに必要な時間は、大きな分子が懸濁液のバルクから反応チャンバ内への拡散によって移動するために小さな分子よりも時間がかかり得るように、分子のサイズに依存する可能性がある。低分子濃度の懸濁液を含む用途では、低濃度の対象分子は、高分子濃度の懸濁液の場合よりも、分子をローディングするのに必要な時間をさらに長くし得る。反応チャンバのアレイ全体にわたって、サンプルローディングの拡散に主に依存することから生じるこれらの制限は、反応チャンバの一部のみに分析のための分子がローディングされるように、アレイ内の所望の数の反応チャンバ内に分子をローディングする機能に影響を与える可能性がある。本明細書に記載されるサンプルローディング技術は、拡散のみに依存する場合と比較して、分子を反応チャンバにローディングするための時間を短縮することを含む、ローディング効率を高めることによりこれらの制限を克服することができる。これらのサンプルローディング技術は、核酸分子などの大きな分子のローディング、および／または特に低濃度の分子を含む懸濁液の取り扱いを含む用途に特に適している可能性がある。核酸分子を含む用途では、動電学的ローディング（electrokinetic loading）は、１０，０００塩基、２０，０００塩基、または３０，０００塩基を超える分子に特に有益である可能性がある。動電学的ローディングは、懸濁液中の核酸の濃度が１００ｆＭ未満、１０ｆＭ未満、１ｆＭ未満、または１００ｐＭ未満の場合に特に有益である可能性がある。
特に、本発明者らは、反応チャンバへの対象分子のローディングを支援するように構成された電界を印加することが、サンプルローディング効率を改善し得ることを認識および理解した。そのような技術は、分子が電界の影響に応答して所望の場所に移動するため、動電学的サンプルローディングと見なすことができる。動電学的サンプルローディングを使用することは、対象の分子が所望の位置に移動するように、電気信号を一組の電極に印加することを含み得る。対象の分子が帯電している（例えば、正味で正または負の電荷を有している）用途では、分子の動きが、印加された電界および対象分子の電荷の両方に依存する可能性があるため、このような技術は、電気泳動サンプルローディングと見なすことができる。そのような実施形態では、電界は非荷電分子よりも対象分子に強い影響を与える可能性があるため、これらの技術は、対象分子を所望の場所に輸送するのに特に適している可能性がある。
動電学的サンプルローディングの実装は、対象の分子が反応チャンバに向かっておよび／または反応チャンバに移動するように、回路からの電気信号の受信などに応じて、反応チャンバの近くに電界を生成するように構成された１つまたは複数の電極の適切な配置を含み得る。発明者らは、電界が１つまたは複数の電極の異なる配置を使用して生成され得ることを認識および理解した。特に、発明者らは、電極（単数または複数）として機能するように構成された１つまたは複数の導電層を含むように集積デバイスを形成することは、外部電極のみが実装された場合よりも、反応チャンバのアレイ全体にわたってサンプルローディングを改善する利点を提供できることをさらに認識および理解した。集積デバイスの電極として機能する導電層を組み込むことにより、外部電極のみを使用する場合よりも、電界（例えば、電界強度、指向性）の操作を改善することができる。特に、そのような実装形態は、外部電極の利用を介するよりも、懸濁液のバルクから個々の反応チャンバに向かっておよび／または個々の反応チャンバに分子を移動させることを具体的に標的とする電界の生成を可能にし得る。一例として、集積デバイスの導電層（単数または複数）は、集積デバイスの表面および／または反応チャンバの底面（例えば、集積デバイスの表面から凹んだ表面）において、またはこれらに近接して適度に高い強度を有する電界を生成するように作用することができ、これは分子のローディングを改善することができる。別の例として、集積デバイスは、異なる反応チャンバの電界を個別に制御できるように、集積デバイスの個々の反応チャンバのための電極（単数または複数）として機能する導電層（単数または複数）を含むことができる。さらに別の例として、集積デバイスは、導電層を含むことができ、一組の層は、対象の分子を懸濁液のバルク内から反応チャンバに向かって移動させるように構成され、別の組の層は、対象の分子を反応チャンバ内に移動させるように構成されている。いくつかの例では、生成された電界は、対象分子を（例えば、集積デバイスの上に配置されたリザーバ中の）懸濁液のバルク内から反応チャンバに向かって移動させることができる。
加えて、動電学的サンプルローディングを目的として導電層（単数または複数）を集積デバイスに組み込むことは、サンプルのローディングの一部として集積デバイスの外部に電極を配置するステップを減少させ、またはいくつかの例では除去するので、使用中にサンプルのローディングの一部として動電学的プロセスを実施する実現可能性を改善するという利点を提供し得る。その代わりに、ユーザは、集積デバイスの表面に懸濁液を単に堆積させ、導電層（単数または複数）に結合された回路を動作させて、電界の生成を制御することができる。いくつかの場合においては、回路の動作は自動化されてもよい（例えば、チップを機器にローディングした後に自動的に開始し、チップからのフィードバック信号に応答して自動的に終了する）。このようなプロセスは、サンプルのローディングおよびサンプルの分析の実行に関連する時間の量を改善することができる。加えて、そのような実装形態は、サンプルローディングプロセスを簡略化することにより、集積デバイスおよび関連機器を使用して分析を行うユーザの全体的なエクスペリエンスを向上させ得る。
本明細書で説明される技術によれば、集積デバイスの１つまたは複数の導電層の異なる構成を使用して、これらの利点の１つまたは複数を提供することができる。集積デバイスのいくつかの実施形態では、集積デバイス内に形成された導電層（単数または複数）は、集積デバイスの表面に、またはその近くに形成され得る。集積デバイスのいくつかの実施形態では、個々の反応チャンバが導電層（単数または複数）内に開口または不連続部を形成するように、一部またはすべての反応チャンバは、集積デバイスの導電層（単数または複数）を貫通して形成され得る。いくつかの実施形態では、集積デバイスの反応チャンバは、誘電材料によって集積デバイスの導電層から分離されてもよい。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、動電学的サンプルローディングを支援するために電界を生成するようにも構成される導電層（単数または複数）から形成された、光検出器に結合され、光検出器を制御するように構成された回路などの回路を含むことができ、これにより、集積回路または集積デバイスのため、および動電学的サンプルローディングのための二重の目的を果たすことができる。いくつかの構成では、サンプルローディングを支援する電界は、集積回路または集積デバイス内の導電層（単数または複数）を、１つの電極、および集積デバイスから分離された他の電極として使用することによって生成され得る。
いくつかの実施形態では、集積デバイスの導電層（単数または複数）は、集積デバイスの１つまたは複数の反応チャンバへの分子のローディングを支援するために使用される第１の電極および第２の電極の両方を形成するように構成され得る。誘電材料が集積デバイス内に形成されて、第１および第２の電極を電気的に絶縁し、第１および第２の電極間に電界を生成するが、電流の流れを制限することができる。いくつかの実施形態では、集積デバイス内の同じ組の導電層（単数または複数）を使用して、第１の電極および第２の電極の両方を形成することができる。そのような実施形態では、第１の電極および第２の電極は、反応チャンバにわたり横方向に電界を生成するように反応チャンバに対して配置され得る。いくつかの実施形態では、第１の導電層は、第１の電極を形成し、第２の導電層は、第２の電極を形成してもよく、第１および第２の導電層は、誘電材料によって分離される。いくつかの実施形態では、反応チャンバの１つまたは複数の側壁は、導電性であり、集積デバイスの１つまたは複数の導電層に電気的に結合され得る。導電性側壁（単数または複数）は、分子が反応チャンバ内で、いくつかの例では反応チャンバの底面に向かって移動するのを支援するように作用する、反応チャンバ内の電界の生成を可能にし得る。
集積デバイスの導電層（単数または複数）に電気信号を提供するために、本明細書に記載の技術による装置は、導電層（単数または複数）に電気的に結合するように構成された回路を含むことができ、回路は、電気信号を導電層（単数または複数）に提供して、電界を生成するように構成されている。いくつかの実施形態では、回路の一部またはすべては、集積デバイスの外部にあってもよい。いくつかの例では、集積デバイスは、回路が１つまたは複数の電気的接続を介して電気的に結合されてサンプルのローディングを支援し、所望の量のサンプルローディングが達成されると切断または無効化されるように、回路とインタフェースするように構成され得る。集積デバイスのいくつかの実施形態は、集積デバイス内に形成され、デバイスの導電層（単数または複数）に電気的に結合された１つまたは複数の集積回路などの回路の一部またはすべてを含み得る。いくつかの例では、回路は、集積デバイス上および集積デバイスの外部の両方に配置され得る。回路の構成に関係なく、回路は、適切な電気信号を導電層（単数または複数）および／または外部電極に印加するように構成され得る。いくつかの実施形態では、回路は、時間的に変化する電圧信号を生成し、時間的に変化する電圧信号を導電層（単数または複数）に印加するように構成されてもよい。時間的に変化する電圧信号を印加すると、時間とともに変化する電界が生成され、これは、分子のローディングを支援することができる。電界の影響下で移動する分子は、分子が懸濁液内で占有する体積、およびその体積が反応チャンバに向かっておよび／または反応チャンバ内に移動する分子の能力をどのように制限するかによって、動きが減少するか固定化され得る。時間的に変化する電圧の印加は、分子が異なるタイプの電界の影響下にあることを可能にすることにより、分子の固定を低減または防止することを支援し、分子がそれ自体を再配置または再配列することを可能にし得る。例えば、分子が主に電界の影響下になく、拡散が分子の動きを支配するサンプルローディングプロセスの間の時間を有することは、分子が再配置または再配列することを可能にし、これは、後続の電界が生成されたときに、分子を反応チャンバにローディングすることを支援し得る。いくつかの例では、回路は、異なる周波数を有する２つ以上の周期的な波を有する電圧信号を生成し、その信号を導電層（単数または複数）に印加するように構成され得る。
サンプルローディングを支援する他の技術は、本明細書に記載された動電学的サンプルローディング技術と組み合わせて使用され得る。いくつかの技術は、集積デバイスの反応チャンバへの対象のサンプル（例えば、関心のある分子）のローディングを支援するように作用する集積デバイスの表面に懸濁液を堆積する前または後に、懸濁液に１つまたは複数の物質を導入することを含み得る。このような物質（単数または複数）は、反応チャンバへのローディングにより適したものとなるように分子の配置に影響を与え得る。１つのタイプの物質は、対象の分子が懸濁液中に占める体積を減少させるように構成された縮合剤であり、この体積は、分子の浸透体積と見なされ得る。縮合剤を導入することにより、分子は、縮合剤が存在しなかった場合よりも小さい浸透体積を有し、分子は、その浸透体積が小さいために、反応チャンバに容易にローディングされ得る。別のタイプの物質は、懸濁液中の分子にアクセス可能な体積を減らすように構成されたクラウディング剤である。いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、対象分子を懸濁液のバルクから除外することによって、集積デバイスの表面に近接した対象分子の濃度を増加させることができる。適切な縮合剤およびクラウディング剤の例は、本明細書および２０１７年１２月１９日に出願された「LOADING MOLECULES INTO REACTION CHAMBERS FOR ANALYSIS」と題された米国特許出願第１５／８４７，００１号にさらに記載されており、その全体が参照により組み込まれる。
ＩＩ．動電学的サンプルローディング
ピクセル１−１１２の行を示す集積デバイス１−１０２の断面概略図が図１−１に示されている。ピクセル１−１１２は、集積デバイス１−１０２のピクセル領域１−２０３に形成され、個々のピクセル１−１１２は、反応チャンバ１−１０８と、１つまたは複数の光検出器１−１１０を有する光検出器領域とを含む。反応チャンバ１−１０８は、集積デバイス１−１０２の表面１−１１６を通して、およびいくつかの実施形態では、導電層１−１０６を通して形成され得る。いくつかの実施形態では、導電層１−１０６は、集積デバイス１−１０２の表面１−１１６を形成し得る。いくつかの実施形態では、集積デバイス１−１０２の表面１−１１６は、誘電材料を含み得る。図１−１には示されていないが、誘電材料の層（単数または複数）は、導電層１−１０６の上に形成され、表面１−１１６の一部または全部を形成し得る。集積デバイスのいくつかの実施形態では、誘電材料の層（単数または複数）内の開口が、導電層１−１０６の表面を露出させ、反応チャンバは、露出した表面を通して形成され得る。結果として生じる構成は、反応チャンバの近くに集中した所望の電界強度を有する電界の生成を可能にし得る。
図１−１に示すように、ピクセル領域１−２０３は、凹部領域を含むことができ、これは、トレンチ領域と見なされ得る。いくつかの実施形態は、図１−１に示されるように、トレンチ領域の周りに配置されるなどにより、ピクセル領域１−２０３の一部またはすべての周りに配置されたサンプルリザーバ１−１１４を含み得る。サンプルリザーバ１−１１４は、少なくとも１つの対象サンプルおよび／または他のコンポーネント（例えば、クラウディング剤、縮合剤）を含む懸濁液が、ピクセル領域１−２０３上の領域内に保持されるように、集積デバイス１−１０２の表面１−１１６と流体シールを形成し得る。図１−１は、サンプルリザーバ１−１１４の断面図のみを示しているが、いくつかの実施形態では、サンプルリザーバ１−１１４は、サンプルリザーバ１−１１４がピクセル領域１−２０３を取り囲む囲まれた領域を形成するように、図１−１に示される図に垂直な寸法に延びている可能性があることを理解されたい。いくつかの実施形態では、サンプルリザーバ１−１１４は、集積デバイス１−１０２のパッケージングプロセスの一部として集積デバイス１−１０２上に形成され得る。そのような実施形態では、サンプルリザーバ１−１１４は、ピクセル領域１−２０３を取り囲むように既に配置されているので、ユーザは、サンプルリザーバ１−１１４内に分析のための懸濁液を単に堆積させることができる。いくつかの実施形態では、サンプルリザーバ１−１１４は、集積デバイス１−１０２に取り外し可能に結合されてもよい。そのような実施形態では、ユーザは、集積デバイス１−１０２上にサンプルリザーバ１−１１４を配置し、サンプル分析の前に、サンプルリザーバ１−１１４内に分析のための少なくとも１つの対象サンプルを含む懸濁液を堆積し得る。３つのピクセル１−１１２のみが図１−１に示されているが、任意の適切な数のピクセルが、ピクセルの行内に配置され得ることが理解されるべきである。加えて、集積デバイス１−１０２は、任意の適切な数のピクセル行を有することができ、集積デバイス１−１０２の表面１−１１６を通して形成された反応チャンバのアレイを有するピクセルアレイを形成する。サンプルリザーバ１−１１４は、集積デバイス１−１０２の一部として形成された任意の適切な数の反応チャンバ１−１０８を収容するために適切なサイズおよび形状であり得る。
サンプルのローディングすることの一部として、対象の分子は、反応チャンバ１−１０８に入り、いくつかの実施形態では、導波路１−２２０に近接して配置された底面１−１１８に向かって移動することができる。サンプルリザーバ１−１１４を含む実施形態では、対象の分子をローディングすることは、対象の分子をサンプルリザーバ１−１１４内に堆積された懸濁液のバルク内から集積デバイス１−１０２の表面１−１１６に向かって移動させる技術を使用することを含み得る。図１−１に示されるｚ方向に沿ってなど、導波路１−２２０に沿って伝播する励起光は、導波路１−２２０から反応チャンバ１−１０８へ励起光の一部を結合（例えば、エバネッセント結合）することにより、反応チャンバ１−１０８内に配置された対象分子および／または対象分子を標識する蛍光マーカを照射し得る。いくつかの場合においては、反応チャンバの底部は、導波路１−２２０の１ミクロン以内に位置する。対象分子および／または対象分子を標識する蛍光マーカは、励起光を受光することに応答して放出光を放出することができ、反応チャンバ１−１０８と同じピクセル内の光検出器１−１１０は、放出光を受光することができる。いくつかの場合においては、金属層１−２４０は、例えば光検出器１−１１０の制御回路として、集積デバイス１−１０２のための回路を含み得る。
本明細書に記載の技術によれば、サンプルのローディングは、動電学的サンプルローディング技術を使用することを含むことができ、集積デバイスは、例えば、反応チャンバへの対象の分子のローディングを支援するように働く電界を生成するように構成された１つまたは複数の電極に形成された導電層（単数または複数）を含む。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、導電層（単数または複数）を有する基板を含むことができ、集積デバイスの反応チャンバ（単数または複数）は、基板の表面に形成され得る。図２−１は、単一の反応チャンバ１−１０８を含む集積デバイスの領域の概略図を示す。サンプルリザーバ１−１１４は、反応チャンバの周りに示されているが、複数の反応チャンバが集積デバイスの表面１−１１６上に配置されてもよく、サンプルリザーバ１−１１４が複数の反応チャンバの周りに配置されてもよい。図２−１に示すように、サンプルリザーバ１−１１４内に保持される懸濁液は、対象の分子２−１１６（例えば、テンプレート核酸）を含み得る。いくつかの実施形態では、対象の分子２−１１６は、反応チャンバ１−１０８の底面１−１１８に位置するターゲット２−１１７と優先的に結合するか、そうでなければ相互作用し得る。いくつかの実施形態では、ターゲット２−１１７は、ビオチンを含み、対象の分子は、ストレプトアビジンなどのビオチンに優先的に結合する領域を含み得る。対象の分子２−１１６がテンプレート核酸である実施形態では、ターゲット２−１１７は、底面１−１１８に固定化され得るポリメラーゼを含んでもよい。ポリメラーゼは、テンプレート核酸が底面１−１１８に近接して配置されるように、反応チャンバ内でテンプレート核酸と相互作用し得る。
図２−１に示されるように、集積デバイスは、導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｂを含んでもよく、反応チャンバ１−１０８は、層１−１０６ａおよび１−１０６ｂの両方を貫通して形成されている。導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｂは、１つまたは複数の電極を形成してもよく、反応チャンバ１−１０８に対象の分子２−１１６をローディングするのを支援するように働く電界を生成するように構成されてもよい。導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｂの一方または両方は、回路２−１１２に電気的に結合し得る。図２−１に示される実施形態では、回路２−１１２は、集積デバイスから離れて、集積デバイスの表面１−１１６を覆うように配置された外部電極２−１１０に電気的に結合するように構成されてもいる。図２−１に示すように、外部電極２−１１０は、サンプルリザーバ１−１１４から分離されていてもよい。いくつかの実施形態では、外部電極２−１１０は、外部電極２−１１０およびサンプルリザーバ１−１１４が機械的に結合されるように、サンプルリザーバ１−１１４と一体化されていてもよい。他の実施形態では、外部電極２−１１０は、システムを動作させるユーザが外部電極２−１１０をサンプルリザーバ１−１１４のインタフェースに取り付けおよび取り外しできるように、サンプルリザーバ１−１１４に取り外し可能に取り付けられるように構成され得る。図２−１に示すように、外部電極２−１１０は、サンプルリザーバ１−１１４内の流体懸濁液と接触して配置されている。集積デバイスのいくつかの用途は、サンプルリザーバ１−１１４内に配置された懸濁液に対する外部電極２−１１０の異なる配置を含み得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、外部電極２−１１０は、外部電極２−１１０が懸濁液と接触しないように、懸濁液の上に配置されてもよい。他の実施形態では、外部電極２−１１０は、懸濁液内に沈められていてもよい。
回路２−１１２は、層１−１０６ａおよび１−１０６ｂの一方または両方と電極２−１１０とに電気信号（単数または複数）を印加して、反応チャンバ１−１０８に対象の分子２−１１６をローディングするのを支援する電界を生成するように構成されている。図２−１に示される構成によって生成される電界（破線で示される）は、対象の分子２−１１６を集積デバイスの表面１−１１６に向かって移動させるように構成され得る。電界の方向は、電極２−１１０と導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂとの間に印加される電気信号の極性によって制御することが可能である。いくつかの構成では、電界を反応チャンバ１−１０８の近傍において発生させることが可能であり、電界は、表面１−１１６に堆積された懸濁液のバルク内などの表面１−１１６から遠位の距離よりも、表面１−１１６においてより高い強度を有する。対象の分子２−１１６は、電界の影響下にある領域に向かって移動することができ、その結果、図２−１に示される構成が、表面１−１１６に向かう分子の動電学的運動（electrokinetic movement）を駆動し、これにより、表面１−１１６での分子の総濃度を増加させることができる。
回路２−１１２は、導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｂに電圧信号を提供するように構成された外部コントローラなどのように、集積デバイスの外部にあってもよい。いくつかの実施形態では、回路２−１１２は、集積デバイスの一部として統合されてもよい。例えば、電気的ルーティングを集積デバイス内に形成して、層１−１０６ａおよび１−１０６ｂの一方または両方と電気的に結合することができる。窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン、およびアルミニウム（Ａｌ）を含む、任意の適切な導電性材料を使用して、導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｂを形成することができる。いくつかの実施形態では、表面１−１１６を形成する導電層１−１０６ａは、窒化チタン（ＴｉＮ）を含むことができ、導電層１−１０６ｂは、アルミニウム（Ａｌ）を含むことができる。他の実施形態では、導電層１−１０６ａは、アルミニウム（Ａｌ）を含むことができ、導電層１−１０６ｂは、窒化チタン（ＴｉＮ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、導波路１−２２０などの集積デバイスの導波路に近接して配置された導電層は、導波路に沿って伝搬する光を反射するように作用し、これは、光が導波路に向かって反射して戻されることがあるので、導波路に沿って伝搬する光の量を増加させることを含む、集積デバイスの光学特性の改善をもたらし得る。
反応チャンバ１−１０８は、任意の適切な深さを有し得る。金属層などの導電層を反応チャンバの底面に近接させることで、励起光の反応チャンバへの光学的結合および反応チャンバから放出される光の光学的検出に関連する光学特性を含む、集積デバイスの光学特性に影響を与えることが可能であるため、反応チャンバ１−１０８の深さは、集積デバイスの所望の光学特性を可能にすることができる。いくつかの例では、導電層は、反応チャンバから放出された光の反射器として機能することができ、それにより、集積デバイスの光検出器による放出光の収集が改善され得る。いくつかの実施形態は、集積デバイスの所望の光学特性を可能にするための１つまたは複数の導電層からの底面の相対的位置決めに関する。いくつかの例では、底面１−１１８と導電層１−１０６との間の距離ｄは、１００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内、またはその範囲内の任意の値または値の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、距離ｄは、４００ｎｍ未満であり得る。
いくつかの実施形態では、反応チャンバ１−１０８は、適切なスペーサ材料（例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２））で形成され得る１つまたは複数の側壁２−１２０を有していてもよい。側壁２−１２０のスペーサ材料は、対象の分子が側壁２−１２０よりも底面１−１１８と優先的に結合または相互作用するように、底面１−１１８と比較して側壁２−１２０との対象の分子の相互作用を防止または低減するように底面１−１１８と異なり得る。そのような構成は、底面との対象の分子の選択的な結合または他のタイプの相互作用を可能にし、反応チャンバへの対象の分子の適切なローディングをさらに支援することができる。
いくつかの実施形態では、反応チャンバの１つまたは複数の側壁は、導電性材料（単数または複数）を含むことができ、側壁（単数または複数）は、集積デバイスの導電層（単数または複数）に電気的に結合される。図２−２は、反応チャンバ１−１０８の導電性側壁２−１２２を有する、図２−１に示すものと同様の集積デバイスの断面概略図を示す。側壁２−１２２は、導電層１−１０６に電気的に結合することができ、その結果、電気信号を導電層に印加することにより、側壁２−１２２も電気信号を受信し、電界の生成に参加できるようになる。いくつかの実施形態では、側壁２−１２２は、図２−２に示されるように、導電層１−１０６ａなどの導電層のうちの１つを形成するためにも使用される導電性材料を含むことができる。窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、およびタングステン（Ｗ）を含む、任意の適切な導電性材料を使用して、導電性側壁２−１２２を形成することができる。反応チャンバの導電性側壁（単数または複数）を有する集積デバイスを使用すると、反応チャンバ１−１０８内に電界を生成することができ、いくつかの実施形態では、反応チャンバ１−１０８の底面１−１１８近くに高強度の電界を生成することができる。集積デバイスのそのような構成は、反応チャンバ１−１０８の底面１−１１８に向かう対象の分子の動きを増加させることができる。
いくつかの実施形態は、集積デバイス内に複数の電極を形成するように構成された導電層１−１０６を含む集積デバイスに関する。そのような実施形態では、外部回路は、集積デバイスに形成された２つ以上の電極に電気的に結合することができる。これらのタイプの構成は、単独で、または外部電極と組み合わせて使用され得る。いくつかの実施形態では、導電層（単数または複数）は、第１の電極および第２の電極を形成するように構成されることが可能であり、第１の電極および第２の電極は、電気信号（単数または複数）を受信して動電学的サンプルローディングのための電界を生成するように構成される。そのような構成は、外部電極を使用せずに動電学的サンプルローディングを可能にすることができ、サンプル分析を実行するユーザの使いやすさを向上させることができる。導電層（単数または複数）から形成された電極のセットと組み合わせられて外部電極が使用される実施形態では、電極のセットおよび外部電極に電気的に結合された回路は、異なる電極の組み合わせ間に異なる電気信号を印加するように構成されることが可能であり、これにより、個々の反応チャンバへの分子のローディングを改善することができる。
いくつかの実施形態によれば、集積デバイスは、２つ以上の電極を形成するように構成された複数の導電層１−１０６を含み得る。導電層は、誘電材料によって分離されてもよく、誘電材料は、層間の電流を低減または防止し、電気信号が、電界を生成するために層へ印加されることを可能にする。図２−３は、導電層が集積デバイスの一部として２つの電極を形成する例示的な構成を示す。図２−３に示される集積デバイスは、導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂ、および１−１０６ｃを含み、誘電体層２−３０８は、導電層１−１０６ｂと導電層１−１０６ｃとの間にある。そのような構成では、導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｂは、第１の電極を形成すると見なすことができ、導電層１−１０６ｃは、第２の電極を形成すると見なすことができる。２つの電極は、２つの電極が回路２−３１２から電気信号を受信することに応答して反応チャンバ１−１０８の近くに電界を生成するために、反応チャンバ１−１０８に対して配置され得る。第１および第２の電極を形成するために第１のセットの導電層と第２のセットの導電層との間に配置された誘電材料ある限り、任意の適切な数の導電層が２つの電極を形成し得ることを理解されたい。
図２−３に示すように、反応チャンバ１−１０８は、誘電体層２−３０８が反応チャンバ１−１０８と重なる開口を有するように、誘電体層２−３０８を貫通して形成される。いくつかの実施形態では、反応チャンバ１−１０８は、反応チャンバ１−１０８を形成する誘電体層２−３０８の開口の寸法が、反応チャンバ１−１０８の開口の寸法よりも小さくなるように、テーパー状の側壁を有することができる。例えば、誘電体層２−３０８の開口の（例えば、図２−３に示されるようなｚ方向に沿った）断面寸法は、反応チャンバ１−１０８の開口の（例えば、図２−３に示されるようなｚ方向に沿った）断面寸法よりも小さい。集積デバイスで２つの導電層を分離するために使用される適切な誘電材料の例は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（ＴａＯ５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含む。
図２−３に示すように、反応チャンバ１−１０８は、導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂ、および１−１０６ｃを貫通して形成されている。集積デバイスの反応チャンバのアレイの場合、個々の反応チャンバは、導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂ、および１−１０６ｃの各々を貫通して形成され得る。これらの実施形態における反応チャンバ１−１０８の深さは、導電層の相対的な深さに依存し得る。いくつかの実施形態では、距離ｄは、反応チャンバ１−１０８の底面１−１１８と、底面１−１１８に最も近接する導電層との間であり、図２−３に示される集積デバイスでは、導電層１−１０６ｃである。図２−３に示す実施形態では、反応チャンバ１−１０８は、側壁２−１２０を有し、側壁２−１２０は、層１−１０６ａ、１−１０６ｂと、層１−１０６ｃとの間の電気的短絡を防止または制限するために、導電性が制限されているかまたは導電性を有しないスペーサ材料を含み得る。
いくつかの実施形態では、集積デバイスは、導電層（単数または複数）で形成された電極のアレイを含むことができ、アレイの個々の電極は、個々の反応チャンバに対応する。そのような実施形態では、集積デバイスの第１の反応チャンバは、アレイ内の第１の電極に対応し、集積デバイスの第２の反応チャンバは、アレイ内の第２の電極に対応し得る。第１および第２の電極は、誘電材料によって分離され得る。回路は、アレイ内の個々の電極に電気信号を印加することができ、これにより、異なる反応チャンバに対して生成される電界の個々の制御が可能となり得る。個々の反応チャンバを監視して対象分子が分析のためにローディングされているかどうかを判定し、必要に応じて反応チャンバに対応する電極に印加される電気信号を変更してサンプルローディングを支援することができるため、このような構成は反応チャンバへの分子のローディングを改善し得る。加えて、いくつかの場合において、反応チャンバにサンプルがローディングされた後、印加された電気信号は、オフされ、低減され、反転され、または反転および低減され得る。
図２−４は、集積デバイスの断面概略図を示し、導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｃは、描かれた反応チャンバ１−１０８に対応する電極を少なくとも部分的に形成するようなサイズおよび形状である。回路２−３１２は、導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｃに、例えば、図面の面外に配置された相互接続を使用して、電気的に結合することができ、電気信号を層１−１０６ｃと層１−１０６ａ、１−１０６ｂとに印加するように構成され得る。図２−４には１つの反応チャンバしか示されていないが、集積デバイスの反応チャンバのアレイ内で、導電層１−１０６ａおよび／または１−１０６ｃの領域が、個々の反応チャンバに対応する電極を形成するようにパターン化および配置され得ることを理解されたい。例えば、導電層１−１０６ａおよび／または１−１０６ｃをパターン化して、反応チャンバを囲むまたは部分的に囲む孤立した電極を形成することができる。上面図では、そのような電極は環状に見える可能性がある。導電層１−１０６ｃによって形成された電極は、誘電材料２−３１４によって分離され得る。図２−４に示されるように、個々の反応チャンバは、導電層１−１０６ｃの別個の領域を貫通して形成され得る。例えば、アレイ内の第１の反応チャンバは、導電層１−１０６ｃの第１の領域を貫通して形成され、アレイ内の第２の反応チャンバは、導電層１−１０６ｃの第２の領域を貫通して形成され、第１の領域および第２の領域は、誘電材料によって分離されている。別の例として、図２−９は、複数の別個の導電層１−１０６ｃ１および１−１０６ｃ２を有する集積デバイスを示し、第１の反応チャンバは、層１−１０６ｃ１を貫通して形成され、第２の反応チャンバは、層１−１０６ｃ２を通して形成されている。図２−９に示すように、層１−１０６ｃ１および１−１０６ｃ２は、誘電材料２−６１４の領域によって分離されている。いくつかの実施形態では、層１−１０６ｃ１および１−１０６ｃ２は、適切な導電性材料の層を堆積し、層１−１０６ｃ１および１−１０６ｃ２を形成するために層の一部をエッチングすることによって形成される。
いくつかの実施形態では、図２−３および図２−４に示される集積デバイスを使用したサンプルローディングは、導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂ、および１−１０６ｃによって形成される２つの電極に加えて、外部電極２−１１０を使用することを含み得る。電気信号を導電層（単数または複数）および外部電極に印加するように構成された回路は、電気信号を外部電極および導電層（単数または複数）により形成された電極のうちの１つに印加するように構成された第１の回路２−１１２と、電気信号を導電層（単数または複数）により形成された２つの電極に印加するように構成された第２の回路２−３１２とを含み得る。図２−３および図２−４に示すように、回路２−１１２は、外部電極２−１１０および導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂに電気的に結合され、回路２−３１２は、導電層１−１０６ｃおよび導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂに電気的に結合されている。例示的な電界の線は、図２−３および図２−４において破線として描かれている。いくつかの実施形態によれば、電極は、第１の領域の外側の第２の領域と比較して、反応チャンバへの開口の、例えば５００ｎｍ以内の第１の領域において増大した強度を有する電界を生成するようにパターン化され得る。いくつかの場合においては、第１の領域は、５００ｎｍよりも大きいまたは小さい半径、例えば、１００ｎｍ〜２ミクロンの半径を有し得る。
サンプルローディングプロセスの一部として、回路の動作は、回路２−１１２および回路２−３１２が、回路２−１１２および回路２−３１２に結合された電極に異なる電気信号を印加することを含み得る。例えば、回路２−１１２によって印加された電気信号は、対象の分子を集積デバイスの表面１−１１６に向かって移動させることを支援し、一方、回路２−３１２によって印加された電気信号は、対象の分子を反応チャンバ１−１０８に移動させることを支援し得る。いくつかの実施形態によれば、回路２−１１２および回路２−３１２によって印加される電気信号は、同時に印加されてもよい。いくつかの実施形態では、動電学的サンプルローディングは、第１の持続時間にわたって回路２−１１２を使用して電気信号を印加し、第１の持続時間に続く第２の持続時間にわたって回路２−３１２を使用して電気信号を印加することによって進行し得る。
動電学的サンプルローディングのいくつかの実装形態では、回路２−１１２は、外部電極２−１１０と導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂとの間に第１の電気信号を印加し、回路２−３１２は、導電層１−１０６ｃと導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂとの間に、第１の電気信号とは異なる第２の電気信号を印加することができる。いくつかの実施形態によれば、回路２−１１２および回路２−３１２は、第１の電気信号および第２の電気信号を同時に印加し得る。他の実施形態において、回路２−１１２は、第１の持続時間にわたって第１の電気信号を印加し、回路２−３１２は、第１の持続時間に続く第２の持続時間にわたって第２の電気信号を印加し得る。このようにして、第１の電気信号を印加することにより、対象の分子を表面１−１１６に向かって移動させることができ、第１の持続時間および第１の電気信号の組み合わせは、表面１−１１６に近接する分子の所望の濃度を達成することを可能にし得る。その後の第２の電気信号の印加により、対象の分子を反応チャンバ内に移動させることができ、第２の電気信号および第２の持続時間の組み合わせは、所望の量の反応チャンバが対象の分子で装填されることを可能にし得る。
いくつかの実施形態は、同じセットの導電層から形成された電極を含む集積デバイスに関連し、電極は、反応チャンバへの対象の分子のローディングを支援するために、電気信号を受信して電界を生成するように構成され得る。電極は、導電層のセットの領域をエッチングして、導電層のセットの２つ以上の別個の領域を形成することによって形成され得る。図２−５は、導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｂが異なる電極を形成する集積デバイスの断面概略図を示す。特に、導電層１−１０６ａおよび１−１０６ｂの領域２−５０２は、第１の電極２−５２０および第２の電極２−５２２を形成するためにエッチングされている。回路２−５１２は、第１の電極２−５２０および第２の電極２−５２２に電気的に結合するように構成され、これにより電界を生成することができる。第１の電極２−５２０および第２の電極２−５２２は、回路２−５１２からの電気信号の印加時に反応チャンバ１−１０８の上に横方向に電界を生成するように反応チャンバ１−１０８に対して配置され得る。集積デバイスのそのような実施形態では、集積デバイスの表面１−１１６は、集積デバイスの１つまたは複数の反応チャンバに対応するように配置された複数の電極を有することができる。図２−５では外部電極は示されていないが、いくつかの実施形態は、反応チャンバの上に配置された外部電極、ならびに第１の電極２−５２０および第２の電極２−５２２の一方または両方に電気信号を印加することを含み得る。いくつかの場合においては、領域２−５０２は、環状の電極を形成するために、反応チャンバ１−１０８の全周またはほぼ全周にわたってエッチングされてもよい。
いくつかの実施形態は、動電学的サンプルローディングのための１つまたは複数の電極として、集積デバイスの光検出器に関連する制御回路などの集積デバイスの回路を使用することに関連している。図２−６は、金属層１−２４０が集積デバイスの一部として（例えば、反応チャンバ１−１０８の下に位置する検出回路の一部として）形成されている、集積デバイスの断面概略図を示す。いくつかの実施形態では、回路の少なくとも一部は、反応チャンバへの分子の動電学的サンプルローディングを支援するために、電界を生成するための電気信号を受信するように構成され得る。例えば、検出回路の動作前または動作中に断続的に、金属層１−２４０の少なくとも一部は、サンプルのローディングに使用される信号でバイアスされ得る。図２−６に示すように、集積デバイス内に形成された金属層１−２４０は、光検出器１−１１０に制御信号を提供し、および／または光検出器１−１１０から読み出し信号を受信するために、光検出器１−１１０に電気的に結合されている。集積デバイスは、半導体（例えば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ））領域２−６４０を含むことができ、これは、金属層１−２４０を含み得る。導波路１−２２０を含む、集積デバイスの光学的構造は、誘電材料２−６１４内に形成されることが可能であり、反応チャンバ１−１０８および半導体領域２−６４０は、誘電材料２−６１４によって分離されている。
いくつかの実施形態は、動電学的サンプルローディングのための電極（単数または複数）として機能する集積デバイスの導電層（単数または複数）とのコンタクトを形成するための技術に関連している。集積デバイスのコンタクト、およびコンタクトと導電層（単数または複数）との間の電気的接続の形成は、集積デバイスのパッケージングの一部として行われ得る。集積デバイスのパッケージングプロセスは、集積デバイスをプリント回路基板に接着することを含み得る。パッケージ（例えば、プリント回路基板）上の導電性コンタクトは、集積デバイスの一部として形成された電極（単数または複数）に接触する。いくつかの実施形態では、パッケージの導電性コンタクトは、電気信号を生成して集積デバイスの電極（単数または複数）に印加するように構成された回路を含み得る機器から電気信号を受け取ることができる。いくつかの実施形態では、パッケージの導電性コンタクトは、電気信号を生成して集積デバイスの電極（単数または複数）に印加するように構成された回路を含み得る、集積デバイスの基板（例えば、半導体ダイ）に接触し得る。追加的にまたは代替的に、ワイヤボンディングを使用して、集積デバイスの導電層（単数または複数）を集積デバイスのパッケージの一部および／または集積デバイスの基板に電気的に結合することができる。いくつかの実施形態は、集積デバイスの導電層と電気的に接続するアクセス領域を形成するための相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）処理技術を含み得る。
図２−６に示すように、半導体領域２−６４０は、シリコンダイ基板などの基板２−６０２上に形成され得る。いくつかの実施形態では、基板２−６０２は、ボンディング２−６０４（例えば、接着ボンディング）を介してプリント回路基板の基板２−６０６に取り付けられ得る。コンタクト２−６０８および２−６１０は、プリント回路基板の基板２−６０６上に形成され得る。図２−６に示すように、コンタクト２−６０８は、コンタクト２−６０８を金属層１−２４０にワイヤボンディングすることなどによって、金属層１−２４０に電気的に結合することができる。コンタクト２−６１０は、導電層１−１０６ｂに電気的に結合することができる。図２−６に示すように、集積デバイスの領域をエッチングして、金属層１−２４０にアクセスするための凹部領域２−６１２を形成する。凹部領域２−６１２と、コンタクト２−６０６および２−６１０へのワイヤボンディングとは、集積デバイスのパッケージングプロセスの一部として生じ得る。
いくつかの実施形態では、金属層（単数または複数）にアクセスするための凹部領域が形成され、導電層（単数または複数）が凹部領域上に形成されて、金属層を導電層（単数または複数）と電気的に接続することができる。金属層は、プリント回路基板の基板上のコンタクトなどのコンタクトにワイヤボンディングされ得る。一例として、図２−７は、金属層１−２４０ａにアクセスするための凹部領域２−６１２、および凹部領域内に形成され、金属層１−２４０ａと接触する導電層１−１０６ｂを示す。凹部領域２−６１２は、金属層１−２４０ａとも接触し、プリント回路基板の基板２−６０６のコンタクト２−６０８とのワイヤボンディングを可能にすることができる。
いくつかの実施形態では、パッケージング構成要素（単数または複数）を使用して、導電層（単数または複数）との電気的コンタクトの形成の一部として、集積デバイスの導電層（単数または複数）と、集積デバイスの半導体領域内の金属層（単数または複数）との間に電気的接続を形成することができる。例えば、ワイヤボンドは導電層の上を通過することがあり、パッケージの構成要素は、ワイヤボンドを導電層と接触するように押すことができ、これは「ワイヤボンドブリッジ」と見なすことができる。図２−８に示すように、パッケージ構成要素２−８０２は、ワイヤボンド２−８０４を導電層１−１０６ａと接触するように押し、ワイヤボンドブリッジを形成する。ワイヤボンド２−８０４は、金属層１−２４０と電気的に接触しており、コンタクト２−６０８への電気的接続を形成する。
いくつかの実施形態は、集積デバイス内の導電層（単数または複数）を集積デバイスの半導体領域内に配置された回路に電気的に結合するビア構造を有する集積デバイスに関連している。集積デバイス内の回路は、電気信号を生成し、ビア構造を介して導電層（単数または複数）に印加するように構成され得る。図２−９は、半導体領域２−６４０に配置された金属層１−２４０ａに導電層１−１０６ｃ１を電気的に結合するために形成された導電性ビア２−９１０を有する集積デバイスの例示的な断面概略図を示す。同様に、金属層１−２４０ｂに導電層１−１０６ｃ２を電気的に結合するためのビア２−９２０が図２−９に示されている。例示の目的で、導波路１−２２０は、図２−９では点線で示されており、集積デバイスの他の構造と導波路１−２２０の相対的な配置を示すが、図２−９に示される面には含まれておらず、これは、導電性ビア２−９１０および２−９２０が、導波路１−２２０から離れて配置されており、導波路構造に侵入しないためである。図２−９に示される電極の構成は、個々の反応チャンバに対応する導電層があるという点で、図２−４に示される構成と同様であるが、そのようなビア構造は、複数の反応チャンバにわたるサンプルローディングを支援することができる電極を形成する導電層を電気的に接続するように実装され得ることが理解されるべきである。
動電学的サンプルローディングに使用される電極の構成に関係なく、電極に結合された回路によって生成および印加された電気信号は、反応チャンバ１−１０８への分子のローディングを達成するために任意の適切なパラメータ（例えば、振幅、時間プロファイル、デューティサイクル、周波数）を有し得る。いくつかの実施形態では、印加される電気信号のパラメータは、反応チャンバのアレイにわたって分子をローディングする際に所望のレベルの効率を達成するように選択され得る。例えば、電気信号のパラメータは、電気信号が反応チャンバ１−１０８のローディング中に印加されない場合と比較して、反応チャンバのアレイ内の反応チャンバの特定の数、パーセンテージ、または比率についてサンプルローディングを達成するのに必要な時間を短縮するために選択され得る。いくつかの実施形態は、時間的に変化する電圧信号を生成し、導電層（単数または複数）に、いくつかの実施形態では、外部電極に印加する回路を含む。いくつかの場合においては、ＤＣまたは指数関数的に減衰する信号が使用され得る。
図３−１Ａは、いくつかの実施形態による、反応チャンバ１−１０８の電極に印加され得る、方形波形を有する例示的な時間的に変化する電圧信号を示す。いくつかの実施形態では、印加される波形は、図３−１Ａおよび図３−１Ｂの破線によって示されるＤＣオフセットを有し得る。ＤＣオフセットは、反応チャンバ１−１０８の近くに、反応チャンバに向かってサンプルを引き寄せる電界を提供することができる。図３−１Ｂは、方形波に対する電流応答の例を示す。そのような時間的に変化する電圧信号の印加は、集積デバイスの表面に向かって、そしていくつかの例では、反応チャンバの中への対象の分子の一方向の動きを可能にし得る。正弦波、のこぎり波、および三角波形を有する時間的に変化する電圧信号を含む、他のタイプの時間的に変化する電気信号が、動電学的サンプルローディングのために実装され得ることを理解されたい。印加される波形のピーク電圧は、５０ミリボルト〜５ボルトであり得る。いくつかの実装形態では、印加される波形のピーク電圧が０．５ボルト〜１ボルトである場合に、改善された性能が得られる。印加される波形の周波数は、０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚであり得る。いくつかの実施形態では、印加される電圧および周波数は、これらの範囲の端値の１０％以内であり得る。
いくつかの実施形態では、動電学的サンプルローディングのために電極に印加される時間的に変化する電圧信号は、複数の周期的波の組み合わせ（例えば、２つ以上の波形の重ね合わせまたは乗算）を含み得る。印加される波形の１つまたは複数は、いくつかの場合にはＤＣバイアスを含み得る。時間的に変化する電圧信号は、第２の周波数および第２の振幅を有する第２の周期的波に加えて、第１の周波数および第１の振幅を有する第１の周期的波を含み得る。第１および第２の周波数は異なっていてもよく、いくつかの実施形態では、第１の周波数は、第２の周波数よりも低い。同様に、第１の振幅と第２の振幅とは異なっていてもよく、いくつかの実施形態では、第１の振幅は、第２の振幅よりも大きい。図３−２は、周期Ｔ１および振幅Ａ１を有する第１の方形波形と、第２の周期Ｔ２および振幅Ａ２を有する第２の方形波形とを含む、組み合わせの時間的に変化する電圧信号を示す。図３−２に示すように、周期Ｔ１は、周期Ｔ２よりも大きく、振幅Ａ１は、振幅Ａ２よりも大きい。方形波の組み合わせが示されているが、他の波形（正弦波、三角形、のこぎり波、指数関数的減衰など）の任意の組み合わせが、いくつかの実施形態で使用され得る。さらに、組み合わされた波形は、異なるタイプ（例えば、方形波および正弦波）であり得る。
いくつかの実装形態によれば、印加された信号が集積デバイス上のすべての反応チャンバで対応する電界を生成するように、すべての反応チャンバの電極は、共に接続され得る。いくつかの場合においては、印加される信号を受信して反応チャンバ１−１０８で電界を生成するために互いに分離された複数の電極が存在してもよい。そのような場合、第１の組の電極は、第１のグループの反応チャンバのための第１の電界を生成することができ、第２の組の電極は、第２のグループの反応チャンバのための第２の電界を生成することができ、以下同様である。いくつかの場合においては、反応チャンバの異なるグループに対して異なる電界を生成するために、異なる信号が印加され得る。代替的または追加的に、信号は、異なる時間に反応チャンバのグループをローディングするために異なる時間に印加されてもよい。いくつかの実装形態では、バイアス回路が、光検出器アレイの読み出し回路と同様に配置され、その結果、反応チャンバのための電極が、各反応チャンバ１−１０８（または反応チャンバの行、または反応チャンバの列）において、他のすべての反応チャンバとは独立して電界を生成するように個別にアドレス指定され得る。
サンプル分析のための集積デバイスの使用中に、ユーザは、集積デバイスの表面に近接して対象の分子を有する懸濁液を導入する（例えば、特定の懸濁液体積をピペッティングする）ことができる。例えば、再び図１−１を参照すると、ユーザは、懸濁液を面１−１１６上および／または集積デバイスのピクセル領域１−２０３内に堆積させることができる。凹んだピクセル領域１−２０３および／またはサンプルリザーバ１−１１４は、反応チャンバが配置されているピクセル領域１−２０３から懸濁液が実質的に流れないように、表面に近接して懸濁液を保持するように作用し得る。本明細書に記載されている技術による動電学的サンプルローディングは、堆積された懸濁液から個々の反応チャンバに対象の分子をローディングするために使用され得る。そのような技術は、第１および第２の電極に電気信号（単数または複数）を印加して、集積デバイスの反応チャンバに対象の分子をローディングすることを支援するように働く電界を生成することを含み得る。第１および第２の電極の一方または両方は、集積デバイスの導電層（単数または複数）を含み得る。電界は、集積デバイスの表面付近に生成され、対象の分子を反応チャンバの底面に向かう方向に移動させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、生成された電界は、対象の分子を懸濁液中の他の成分（例えば、サンプル破片、クラウディング剤、縮合剤）から分離するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、集積デバイスの表面に懸濁液を導入することは、サンプルと組み合わせてクラウディング剤および／または縮合剤を導入することを含み得る。クラウディング剤および縮合剤に関する追加の詳細は、以下のセクションＩＩＩを含む本明細書に記載されている。
いくつかの実施形態は、分子が集積デバイスの個々の反応チャンバにローディングされているかどうかを識別する情報を使用して、電極に印加される電気信号を変調することを含み得る。例えば、個々の分子は、１つまたは複数の蛍光マーカで標識されることが可能であり、これは、蛍光マーカ（単数または複数）を励起する光で反応チャンバを照射し、反応チャンバを照射することに応答して、蛍光マーカによって発せられた光を含む可能性がある、反応チャンバから発せられた任意の光を検出するために、反応チャンバに対応する光検出器（単数または複数）を使用することにより、分子が反応チャンバにローディングされているかどうかを識別するために使用され得る。このフィードバック情報を使用して、個々の反応チャンバが動電学的サンプルローディング中に監視され、分子が個々の反応チャンバにローディングされているかどうかを判定することができる。
いくつかのアプリケーションでは、このフィードバック情報は、サンプルローディングプロセス中に電極に印加される電気信号のタイプをいつ変更するかを知らせることができる。例えば、分子をローディングするために使用される電気信号は、最初に電極に印加され、個々の反応チャンバへの分子のローディングを可能にし、所望の数の反応チャンバに分子がローディングされたことを識別するフィードバック情報を受信することに応答して、異なる電気信号が電極に印加され得る。フィードバック情報を受信することに応答して印加される電気信号は、個々の反応チャンバへの分子の移動を低減し、および／または分子がローディングされている反応チャンバからのローディングされた分子の移動を低減するように作用する電界を生成するように構成され得る。そのような電気信号は、反応チャンバへの分子のさらなるローディングを禁止または低減するように作用するので、「逆電気信号」と考えられ得る。そのような技術は、反応チャンバの能動的モニタリングを可能にし、このフィードバック情報を考慮するために電極に印加される電気信号を変更することにより、反応チャンバへの分子のローディングをさらに改善し得る。
電界が反応チャンバのグループに対して生成されるように電気信号が電極に印加される実施形態では、フィードバック情報は、反応チャンバのグループにわたるモニタリングからの情報を含み、分子がローディングされている、グループ内の反応チャンバの数の標示を提供し得る。そのような実施形態では、分子がローディングされたグループ内の反応チャンバの数が、分子がローディングされる反応チャンバの閾値数以上であるという標示の受信に応答して、逆電気信号が電極に印加され得る。
図２−４、図２−７、および図２−９に示される集積デバイスの実施形態のように、電気信号が電極に印加されて、個々の反応チャンバに関連する電界が変調され得る実施形態においては、フィードバック情報は、特定の反応チャンバが分子をローディングされているかどうかに関連する情報を含み得る。そのような実施形態では、逆電気信号は、フィードバック情報に基づいて分子がローディングされていると識別された個々の反応チャンバに関連する電極に印加され得る。このようにして、分子がまだローディングされていない反応チャンバが、サンプルのローディングを支援するように構成された電界を有し、一方、ローディングされた分子を有すると識別されたそれらの反応チャンバが、追加の分子が反応チャンバに入るのを低減または防止するための電界を有するように、異なる電界が、異なる反応チャンバに近接して生成され得る。
集積デバイスの性能の態様は、集積デバイスの動作中（例えば、サンプルの分析中）の、反応チャンバの内外の懸濁液中の成分の拡散に関連し得る。一例として、反応チャンバ１−１０８に保持されるＤＮＡ複合体は非常に大きい可能性があり（大きな浸透体積を有する）、複製産物のサイズは、配列決定実行中に増大している。いくつかの場合においては、大きなＤＮＡ複合体が、反応チャンバの容積の多くを占め、それによって、蛍光で標識されたヌクレオチドの反応チャンバの底部への拡散速度が制限され得る。標識されたヌクレオチドの拡散速度が低下すると、配列決定速度（および蛍光パルスレート）、および配列決定読み取り長を制限する可能性がある。拡散速度を改善するために、電気信号が、例えば、反応チャンバから、ＤＮＡの少なくとも１つの繋がれていない端を引き出すために、配列決定の実行中に電極に印加され得る。これは、上記の「逆電気信号」と同様の方法で行われるが、そのような信号は、大きな浸透体積を有する分子またはタンパク質が反応チャンバに保持される場合に、配列決定中またはサンプル分析中に印加される。いくつかの場合においては、サンプル分析中に電極に印加される信号は、周期的にパルス化されて、サンプルを少なくとも部分的にウェルから引き出すことができる。そのような信号は、各チャンバについて反応チャンバの電極に個別に印加され、チャンバのグループに印加され、またはチップ上のすべてまたはほとんどすべての反応チャンバに印加され得る。
動電学的サンプルローディングに使用される電極に電気信号を印加するように構成された回路は、異なるタイプの信号を印加し得る。いくつかの実施形態では、回路は、対象の分子を集積デバイスの表面に向かって移動させるように構成された第１の電気信号を印加し、反応チャンバ内で対象の分子を移動させるように構成された第２の電気信号を印加することができる。いくつかの例では、第１の電気信号は、第１の電極および第２の電極に印加され、第２の電気信号は、第２の電極および第３の電極に印加される。
異なる電極構成に関連して上記で論じたように、回路は、導電層（単数または複数）で形成された電極および外部電極を含む、電極の任意の適切な組み合わせに電気信号を印加することができる。いくつかの実施形態では、回路は、第１のサブセットの導電層を含む第１の電極と、誘電材料によって第１のサブセットから分離された第２のサブセットの導電層を含む第２の電極に電気信号を印加するように構成され得る。いくつかの実施形態では、回路は、同じ導電層（単数または複数）で形成された第１の電極および第２の電極に電気信号を印加するように構成されてもよい。そのような実施形態では、第１の電極は、導電層（単数または複数）の第１の領域を含み、第２の電極は、導電層（単数または複数）の第２の領域を含み、第１の領域と第２の領域とは、誘電材料によって分離されている。いくつかの実施形態では、回路は、導電層（単数または複数）を含む第１の電極および集積デバイスの外部の第２の電極に電気信号を印加するように構成され得る。
集積デバイスの電極として形成される導電層（単数または複数）の製造は、任意の適切なシリコンベースの製造プロセス（例えば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセス）を使用することができる。図２−６に示されるコンタクト２−６１０への導電層１−１０６ｂのワイヤボンドコンタクトなどのワイヤボンドコンタクトを実装する実施形態では、製造は、導電層と接触する金属層の形成、およびワイヤボンドコンタクトを形成するための金属層の露出を含み得る。金属層は、１００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の厚さ、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲を有することができる。金属層の厚さは、ワイヤボンディングのための堅牢なコンタクト領域、または金属層の上に形成される導電層を可能にし得る。
図４−１Ａ〜図４−１Ｄは、集積デバイスにおいて電極を形成するために使用される導電層へのワイヤボンドコンタクトのための金属層を形成するための例示的なプロセスに関連する構造を示す。図４−１Ａに示される第１のステップは、誘電体層４−１０２上に金属層４−１０４（例えば、アルミニウム（Ａｌ））を形成することを含む。金属層４−１０４は、１００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の厚さ、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲を有することができる。図４−１Ａには示されていないが、いくつかの実施形態は、金属層４−１０４の下に１つまたは複数の接着層（例えば、チタン、窒化チタン）を形成することを含み得る。図４−１Ｂに示される第２のステップは、金属層４−１０４の一部を誘電体層４−１０２へとエッチングすることを含み、これは、図１−１に示されるピクセル領域１−２０３などの、反応チャンバを有する結果として得られる集積デバイスの領域を形成し得る。図４−１Ｃに示される第３のステップは、エッチングされた金属層４−１０４および誘電体層４−１０２の上に導電層４−１０６ａおよび４−１０６ｂを形成することを含む。いくつかの実施形態では、導電層４−１０６ｂは、アルミニウムを含み、導電層４−１０６ａは、窒化チタンを含む。図４−１Ｄに示される第４のステップは、導電層４−１０６ｂを露出させるために金属層４−１０４の上の導電層４−１０６ａの一部をエッチングすることを含む。導電層４−１０６ａをエッチングすること、および本明細書に記載される他のエッチングステップは、任意の適切なリソグラフィおよびエッチング技術を使用することを含み得る。例えば、エッチングされない領域をマスクするためにレジストを塗布してパターン化することができ、エッチングが完了した後にレジストを除去することができる。
図４−２Ａ〜図４−２Ｃは、集積デバイスにおいて電極として機能し得る導電層へのコンタクトを形成するための例示的なプロセスに関連する構造を示す。図４−２Ａに示される第１のステップは、金属層４−１０４および誘電材料４−１０２をエッチングした後に起こり得、エッチングされた金属層４−１０４および誘電材料４−１０２の上に導電層４−１０６ｃ、誘電体層４−１０８、導電層４−１０８ｂ、および導電層４−１０６ａを形成することを含む。図４−２Ｂに示される第２のステップは、層４−１０６ａ、４−１０６ｂ、４−１０８、および４−１０６ｃと、誘電材料４−１０２とをエッチングして反応チャンバを形成することを含む。このステップは、エッチングされた反応チャンバの側面に側壁４−１２０を形成することも含み得る。図４−２Ｃに示される第３のステップは、導電層４−１０６ｃを露出させるために金属層４−１０４の上で層４−１０６ａ、４−１０６ｂ、および４−１０８を貫通してコンタクト開口４−１１０をエッチングすることを含む。このステップは、導電層４−１０６ｂを露出させるために層４−１０６ａを貫通してコンタクト開口４−１１２をエッチングすることも含み得る。結果として得られる集積デバイスは、図２−３に示されるものと類似の構成を有し得る。サブステップ（例えば、レジストの堆積、パターニング、除去、洗浄、追加エッチングなど）を実行して、図４−１Ａ〜図４−１Ｄ、図４−２Ａ〜図４−２Ｃ、および図４−４Ａ〜図４−４Ｃに示される構造を得ることができることが理解されよう。
いくつかの実施形態は、半導体領域の一部として形成され得る１つまたは複数の金属層に１つまたは複数の導電層を電気的に接続するための集積デバイス内の１つまたは複数のビアの製造に関連している。個々のビアは、ビアに電気的に結合する導電層（単数または複数）の形成に先立って形成され得る。図４−３は、図２−９に示される集積デバイスなどの集積デバイスの製造中にビア（単数または複数）を形成する例示的な方法４−３００のステップを示す。ステップ４−３１０において、集積デバイスの光学的構造（単数または複数）（例えば、導波路）が、集積デバイスの半導体領域の上に形成される。図２−９を参照すると、ステップ４−３１０は、金属層１−２４０ａおよび１−２４０ｂを含む半導体領域２−６４０上の誘電材料２−６１４に導波路１−２２０を形成することを含み得る。いくつかの実施形態では、ステップ４−３１０は、（例えば、誘電材料２−６１４が構築されて集積構造を形成する際に）誘電材料２−６１４の平坦化された表面を形成するために化学機械平坦化（ＣＭＰ）処理の１つまたは複数のステップを含み得る。集積デバイスが図２−９に示されるピクセル領域１−２０３内の凹部領域２−９０５などの凹部またはトレンチ領域を含む実施形態では、凹部領域２−９０５は、例えば、誘電体堆積およびＣＭＰステップの後、ステップ４−３１０において形成され得る。
方法４−３００は、ビアをエッチングして半導体領域の金属層（単数または複数）にアクセスすることを含むステップ４−３２０を含むことができる。ステップ４−３２０で実施されるエッチングは、誘電材料２−６１４などの誘電材料、および／または図２−９に示される半導体領域２−６４０内の材料のうちのいくつかをエッチングして、金属層にアクセスする開口を形成することを含み得る。方法４−３００は、エッチングされた開口を導電性材料（単数または複数）で充填することにより、導電性ビア２−９１０、２−９２０を形成することを含む、ステップ４−３３０をさらに含むことができる。エッチングされた開口を充填するために使用される適切な材料の例は、タングステンである。ステップ４−３３０は、化学気相成長（ＣＶＤ）を含む、任意の適切なメタライゼーションプロセス技術を含み得る。いくつかの実施形態では、化学機械平坦化（ＣＭＰ）処理は、エッチングされた開口における導電性材料（単数または複数）の堆積に続いて使用され、過剰な金属堆積を除去し、エッチングされた開口を満たす導電性プラグ（導電性ビアとも呼ばれる）を残して導波路上に平坦化された表面を形成することができる。いくつかの実施形態では、リソグラフィおよびエッチング技術は、エッチングされた開口への導電性材料（単数または複数）の堆積に続いて使用され、導波路上の残留材料を除去することができ、これは、そうでなければ、結果として得られる集積デバイスの導波路および／または他の光学的構造の光学性能に影響を与える可能性がある。
方法４−３００は、例えば、導電性ビア２−９１０、２−９２０上に導電層１−１０６ｃ１、１−１０６ｃ２を形成することを含む、ステップ４−３４０をさらに含むことができる。導電層（単数または複数）は、化学気相成長（ＣＶＤ）を含む適切な堆積プロセスを使用して形成され得る。図２−９を参照すると、導電層１−１０６ｃ１および１−１０６ｃ２は、ステップ４−３４０において形成され得る。方法４−３００は、ステップ４−３５０をさらに含むことができ、これは、ステップ４−３４０において形成された導電層（単数または複数）の上に、導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂおよび誘電体層（単数または複数）を含む追加の層を形成すること、および堆積された層を通して反応チャンバ（単数または複数）を形成することを含む。いくつかの場合においては、凹部領域２−９０５は、導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂの上に堆積された１つまたは複数の誘電体層にエッチングされることができる。導電層（単数または複数）の上に形成され得る適切な誘電材料の例は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（ＴａＯ５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含む。
図２−９を参照すると、誘電材料２−６１４および導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂは、導電層１−１０６ｃ１および１−１０６ｃ２の上に形成され得る。反応チャンバ１−１０８を形成することは、１つまたは複数の導電層および誘電体層（単数または複数）を通る複数ステップのエッチングプロセスを含み得る。図２−９に示されるように、反応チャンバ１−１０８は、導電層１−１０６ａ、１−１０６ｂ、および１−１０６ｃ１、１−１０６ｃ２を貫通して、誘電材料２−６１４内に形成される。いくつかの実施形態において、ステップ４−３５０は、反応チャンバ（単数または複数）の側壁（単数または複数）上にスペーサ材料を形成することを含み得る。例えば、図２−９に示されるような側壁２−１２０上のスペーサ材料は、ステップ４−３５０において形成され得る。
集積デバイスのいくつかの実施形態は、少なくとも部分的に誘電材料で形成された表面１−１１６を有し得る。いくつかの実施形態では、誘電材料の１つまたは複数の層が、導電層（単数または複数）の上に形成され、１つまたは複数の層の領域が、個々の反応チャンバの位置に対応するように除去され得る。このようにして、集積デバイスの結果として得られた表面は、「穿孔された誘電体層」を有すると見なすことができる。集積デバイスのそのような構成は、反応チャンバに近接する特に高い電界を有する電界を生成することを可能にし得る。図４−４Ａ〜図４−４Ｃは、穿孔された誘電体層を形成するための例示的なプロセスに関連する構造を示す。図４−４Ａに示される第１のステップは、図４−１Ｂに示されるような、金属層４−１０４および誘電材料４−１０２をエッチングした後に行われてよく、エッチングされた金属層４−１０４および誘電材料４−１０２の上に導電層４−１０６ｃ、導電層４−１０８ｂ、導電層４−１０６ａ、および誘電体層４−４０８を形成することを含む。図４−４Ｂに示される第２のステップは、導電層４−１０６ａを露出させるために領域内の誘電体層４−４０８をエッチングすることを含む。誘電体層４−４０８をエッチングすることは、任意の適切なリソグラフィおよびエッチング技術を使用することを含み得る。図４−４Ｃに示される第３のステップは、層４−１０６ａ、４−１０６ｂ、４−１０８、および４−１０６ｃをエッチングして、導電層４−１０６ａの露出された領域に対応する位置に個々の反応チャンバを形成することを含む。このステップは、エッチングされた反応チャンバの側面に側壁４−１２０を形成することも含み得る。１つの誘電体層のみが誘電体層４−４０８として示されているが、誘電材料の任意の適切な数の層が、導電層（単数または複数）の上に形成され得ることを理解されたい。誘電体層４−４０８を形成するために使用され得る誘電材料の例は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（ＴａＯ５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、および他の金属酸化物を含む。
ＩＩＩ．その他のサンプルローディング技術
他の態様のうち、本出願は、反応チャンバに対象のサンプルをローディングするためのデバイスおよび方法を記載する。いくつかの態様では、本明細書に記載の技術は、サンプル（例えば、対象の分子、タンパク質、または粒子）を含む懸濁液を、集積デバイスの表面から遠い底面を有する少なくとも１つの反応チャンバを含む集積デバイスの表面１−１１６に接触させるステップを含む。懸濁液は、凹部領域２−９０５に配置される、複数のサンプルを含む液体溶液を含み得る。いくつかの場合においては、懸濁液は、サンプルが溶解している液体を含んでもよい。いくつかの場合においては、懸濁液は、サンプルが分散されている液体を含んでもよい。「懸濁液」という用語は、本明細書では、いずれかのタイプのサンプル混合物を指すために使用される。懸濁液は、反応チャンバで起こる反応に関与する反応成分をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、懸濁液は、サンプルをさらに反応チャンバの底面に向けて方向づけるクラウディング剤と接触させることができる。いくつかの実施形態では、懸濁液は、サンプルを凝縮（例えば、圧縮）する縮合剤と接触させることができる。いくつかの実施形態では、反応チャンバの底面は、サンプルをカップリング部分に結合させるのに適した条件下で、対象のサンプルを結合するように構成されたカップリング部分を含み、それによりサンプルを反応チャンバの底面にカップリングする。
いくつかの態様では、本明細書に記載されているデバイスおよび方法は、懸濁液中の個々のサンプルの検出を可能にする技術において有用であり得る。個々のサンプルは、限定ではなく例として、アミノ酸、ポリペプチド、ヌクレオチド、および／または核酸であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、本出願で提供されるデバイスおよび方法は、単一分子核酸配列決定技術と併せて使用され得る。単一分子核酸配列決定は、テンプレート核酸に相補的である核酸分子の伸長をリアルタイムでモニタリングすることにより、単一テンプレート核酸分子の配列の決定を可能にする。
特定の技術において、単一分子核酸配列決定は、複数の反応チャンバの各々の中で単一配列決定テンプレートを単離することにより行われる。しかしながら、多くの用途において、これらの反応チャンバの総容積は、総懸濁液体積に対してかなり低い。加えて、単一の反応チャンバで複数のテンプレートを最小限に抑えるために必要とされる懸濁液中の配列決定テンプレートの濃度は、しばしば非常に低いため、配列決定テンプレートを反応チャンバにローディングするキネティクスは、正常にローディングされ、かつ十分にアクティブである複合体の量を厳しく制限する可能性がある。
特定の技術では、単一の反応チャンバが対象の単一のサンプル（例えば、単一の配列決定テンプレート）を含むことが好ましい。したがって、いくつかの実施形態では、例えば、配列決定テンプレートを含む懸濁液を、反応チャンバのアレイを含む集積デバイスにローディングする場合、集積デバイスが高濃度の配列決定テンプレートで過飽和しないように注意しなければならない。そのような場合は、配列決定テンプレートの濃度が希薄な懸濁液をローディングすることがしばしば推奨される。
理論に拘束されることを望まないが、反応チャンバのアレイにわたる希薄濃度の懸濁液中の配列決定テンプレートの分布は、ポアソン分布によって最もよくモデル化されると仮定される。この離散確率分布は、アレイ内の反応チャンバの約３７％が１つの配列決定テンプレートを含み、残りの反応チャンバがゼロまたは複数の配列決定テンプレートを含むことを予測する。実際には、反応チャンバのアレイ全体で３７％の単一占有率を達成することは、任意の数の化学的および／または機械的変数によって複雑になり得る。いくつかの態様では、本明細書で説明されるデバイスおよび方法は、反応チャンバのアレイ全体にわたって単一の占有のパーセンテージを有利に増加させる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のデバイスおよび方法は、ポアソン統計によって予測される量に匹敵するか、ほぼ同じか、またはそれを超える、反応チャンバのアレイにおける対象分子の単一占有を達成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、本開示のデバイスおよび方法は、アレイ内の反応チャンバの２０％〜２５％、２５％〜３０％、３０％〜３５％、３５％〜３７％、３７％〜４０％、４０％〜４５％、４５％〜５０％、５０％〜６０％、６０％〜７０％、７０％〜８０％、８０％〜９０％、９０％〜９５％、９５％〜９９％、または９５％〜１００％で、対象分子の単一占有を達成し得る。いくつかの場合においては、占有率は、これらの範囲のうちの１つまたは複数の端値の１０％以内であり得る。
本明細書に記載のデバイスおよび方法は、非常に小さい容量の反応チャンバに対象の分子をローディングすることを可能にし得る。例えば、いくつかの実施形態では、集積デバイスおよびその中のすべての反応チャンバにおけるサンプルリザーバ（例えば、凹部領域２−９０５）の容量は、約２０×１０−６Ｌであり、各反応チャンバの容量は、約３×１０−１８Ｌである。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、５１２，０００個の反応チャンバを含む。したがって、いくつかの実施形態では、すべての反応チャンバの総容積は、懸濁液のための容量の約０．０００００７６８％を占める。
Ａ．クラウディング剤
いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、懸濁液のバルク溶媒から対象のサンプル（例えば、配列決定テンプレート）を効果的に排除し得る。クラウディング剤を含めることにより、懸濁液のバルク体積から対象の分子を排除する体積排除効果（volume exclusion effect）が生じる可能性があり、これは、対象の分子を反応チャンバに向かっておよび／または反応チャンバ内に駆動するのを支援することができる。その結果、より多くの割合の反応チャンバが、正常にローディングされた対象分子を受け取ることができる。したがって、いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、集積デバイスの表面での対象の分子の濃度を効果的に増加させる熱力学的駆動力を生成することができる。いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、反応チャンバへの対象分子の移動を加速する速度論的効果を有することにより、ローディング時間を短縮することができる。
本明細書で使用される場合、「クラウディング剤」は、サンプルのクラウディングを可能にする、増強する、または促進する任意の化合物または分子である。特定のメカニズムに拘束されることを望まないが、クラウディング剤は、サンプルまたは他の高分子に利用可能な溶媒の体積を減らすことが示唆されている。この排除体積効果は、クラウディング剤との立体反発などの非特異的相互作用の結果として、サンプルまたは高分子がアクセスできる体積を制限する。したがって、いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、「体積エクスクルーダ」または「体積排除剤」と呼ばれる場合がある。いくつかの実施形態において、クラウディング剤は、同じ懸濁液中の他の成分に対して不活性である。いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、同じ懸濁液中で起こる反応を妨害しない。
体積排除効果を生み出す異なるタイプのクラウディング剤が、本明細書に記載されるサンプルローディング技術の一部として、使用され得ることが理解されるべきである。いくつかのタイプのクラウディング剤は、水を引き寄せ、水以外の分子が凝集および／または集積デバイスの表面などの特定の場所に集中させることができる。いくつかの例では、クラウディング剤は、懸濁液中の水に結合および／または懸濁液中の水を拘束して、懸濁液中のサンプルまたは高分子を排除する。別のタイプのクラウディング剤は、懸濁液中の、配列決定テンプレートなどの対象の分子の体積を圧縮するように作用し得る。そのようなクラウディング剤は、配列決定テンプレートの全体的な体積が低減されるため、より大きな配列決定テンプレートが反応チャンバにローディングされることを可能にし得る。他のタイプのクラウディング剤は、相分離を促進し、および／または浸透圧を作用させ得る。
サンプルのローディングプロセスの一部として１つまたは複数のクラウディング剤を含めることは、対象の分子を反応チャンバにローディングすることを容易にすることができ、これは、クラウディング剤が使用されなかった場合よりも長い距離および迅速な分子のローディングを容易にすることを含む。このようにして、クラウディング剤は、例えば、デバイスを使用するサンプルの単一分子分析が実施される前に、反応チャンバを含む集積デバイス上で懸濁液をインキュベートするのに必要な時間を短縮し得る。いくつかの実装形態では、特定のクラウディング剤は、反応チャンバへの移動とは対照的に、それが（例えば、優先的に）サンプルリザーバに留まるように選択されてもよい。いくつかの実施形態において、これは、サンプル（例えば、ＤＮＡ−ポリメラーゼ複合体）の反応チャンバへのローディングを駆動する熱力学的駆動力を促進する。いくつかの実施形態では、フィコールまたはポリビニルピロリドンなどの低粘度のクラウディング剤は、高粘度剤と比較して移動度が高く、局在性が悪く、高粘度剤ほど効果的ではない。しかしながら、低粘度剤が、いくつかの状況では有用であり得ることが理解されるべきである。
いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、多糖類である。いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、セルロース分子である。いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、メチルセルロースである。いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、エチルセルロース、エチルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ならびにそれらの誘導体および組み合わせからなる群から選択されるセルロース分子である。いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、フィコールポリマーである。いくつかの実施形態では、セルロースクラウディング剤（例えば、６３，０００のメトセルＭＣ）などのクラウディング剤は、５０，０００〜５００，０００Ｄａ（例えば、いくつかの実施形態では５０ｋＤａ〜１００ｋＤａ、いくつかの実施形態では１００ｋＤａ〜２００ｋＤａ、いくつかの実施形態では２００ｋＤａ〜３００ｋＤａ、いくつかの実施形態では３００ｋＤａ〜４００ｋＤａ、さらにいくつかの実施形態では４００ｋＤａ〜５００ｋＤａ）の平均分子量を有する。いくつかの場合においては、クラウディング剤は、５００ｋＤａを超える平均分子量を有し得る。
いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、分析のためのサンプルが加えられ得るか、または加えられた懸濁液中に提供される。いくつかの実施形態では、懸濁液中のクラウディング剤の濃度は、０．６重量％〜０．９重量％であるか、またはいずれかの端値に等しい。いくつかの実施形態では、懸濁液中のクラウディング剤の濃度は、０．９重量％〜１．８重量％であるか、またはいずれかの端値に等しい。いくつかの実施形態では、懸濁液中のクラウディング剤の濃度は、１．８重量％〜２．０重量％であるか、またはいずれかの端値に等しい。いくつかの実施形態では、懸濁液中のクラウディング剤の濃度は、２．０重量％〜２．３重量％であるか、またはいずれかの端値に等しい。いくつかの実施形態では、懸濁液中のクラウディング剤の濃度は、約２．３重量％である。いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、懸濁液中に、０．１重量％〜１．０重量％、ある場合には１．０重量％〜５．０重量％、ある場合には５．０重量％〜１０．０重量％、ある場合には１０．０重量％〜２０．０重量％存在する。いくつかの実装形態では、懸濁液中のクラウディング剤の濃度は、２０重量％を超える値を有してもよい。いくつかの場合においては、クラウディング剤の濃度は、上記の範囲または値の１０％以内である。
いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、（例えば、サンプルリザーバ内の）懸濁液と直接接触して配置することができるゲル（例えば、親水性ゲル）の形態で提供される。ゲルは、ピペッティングの考慮事項に制限されることなく（例えば、ゲルプラグの形態で）適用することができ、より高い濃度および粘度のクラウディング剤をゲルの形態で使用することができる。いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、固体状態で提供される。例えば、いくつかの実施形態では、クラウディング剤は、フィルム、繊維状材料、膜状材料、接着材料、複合材料、積層材料、またはそれらのいくつかの組み合わせとして提供される。
Ｂ．縮合剤
本明細書で使用される場合、「縮合剤」は、任意の天然または合成化合物を指し、これは、対象のサンプルと組み合わされると、対象のサンプル（例えば、分子または高分子）に、縮合剤が存在しない場合のその構造と比較して縮合構造をとらせる。例えば、所与の懸濁液において、対象のサンプルは、縮合剤の存在下では、縮合剤を欠く同じ懸濁液においてよりも小さい体積を占める。このようにして、縮合剤は、懸濁液中の対象のサンプル（例えば、分子）の占有体積を減少させるように作用することができる。懸濁液中の分子との関連において、縮合剤は、懸濁液中の対象分子の浸透体積を減少させるように作用し得る。縮合剤は、分子が懸濁液中の総体積のより小さな部分を占める圧縮構造をとるように、対象の分子と相互作用し得る。
いくつかの実施形態では、縮合剤は、核酸縮合剤である。核酸縮合剤は、体積排除および電荷スクリーニングを含むがこれらに限定されない様々なメカニズムによって核酸を圧縮することができる。核酸を縮合させる能力を評価するためのアッセイは、例えば、ＷＯ／１９９６／０２１０３６に記載されているように、当技術分野で知られており、その関連する内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、核酸縮合剤は、静電的な電荷−電荷相互作用を介して核酸と相互作用して、核酸構造の崩壊（例えば、核酸縮合）を誘発する。いくつかの実施形態では、縮合剤は、らせん構造のセグメントを一緒にするために浸透圧をかけること（例えば、分子クラウディング効果）、核酸セグメント間の反発的相互作用を減少させること（例えば、リン酸塩電荷を中和することによる）、および核酸セグメント間の誘引的相互作用を増加させることのうちの１つまたは複数の結果として、核酸を縮合させることができる。いくつかの実施形態では、ＤＮＡセグメント間の誘引的相互作用は、多価カチオン性帯電縮合剤によって誘導され得る。
いくつかの実施形態において、縮合剤は、ポリカチオンを含む。本明細書で使用される場合、ポリカチオンは、一般に、複数の正に帯電した部位を有する化合物を指す。いくつかの実施形態では、ポリカチオンは、対象の分子を含む懸濁液中に存在する場合、ポリカチオン性である。例えば、いくつかの実施形態では、対象の分子を含む懸濁液中の条件（例えば、ｐＨ、緩衝能、イオン強度）は、縮合剤が懸濁液中でポリカチオン性であるようなものである。いくつかの実施形態では、ポリカチオンは、生理学的ｐＨ（例えば、ｐＨ〜７．４）においてポリカチオン性である。いくつかの実施形態では、ポリカチオンは、正に帯電したモノマーユニットのポリマーであるが、いくつかの正に帯電していないユニットがポリマー中に存在し得る。ポリカチオンの例は、いくつかの実施形態では、スペルミン、スペルミジン、およびプトレシンなどのポリアミンを含む。いくつかの実施形態では、ポリカチオンは、ポリヒスチジン、ポリリジン、ポリアルギニン、およびポリオルニチンなどのポリアミノ酸を含む。他の塩基性ペプチドおよび小さな塩基性タンパク質は、ポリカチオン性縮合剤（例えば、ヒストン、プロタミン）としての使用がさらに企図される。アミノ酸で構成されるポリカチオンの場合、Ｌ−型またはＤ−型のいずれかが使用され得る。塩基性アミノ酸は、リジン、アルギニン、オルニチンおよびカナリンなどのアミノ酸類似体、ホモアルギニンなどの修飾塩基性アミノ酸、グアニジノバリネートなどの正電荷を担持するように修飾された他の修飾アミノ酸、およびアミノエチルシステインを含む。ポリカチオンのさらなる例は、ポリアンモニウム（例えば、ポリブレン（臭化ヘキサジメトリン））、脂質（例えば、ＤＯＴＡＰ、ＤＣ−Ｃｈｏｌ／ＤＯＰＥ、ＤＯＧＳ／ＤＯＰＥ、およびＤＯＴＭＡ／ＤＯＰＥ）を含む。
Ｃ．集積デバイスへの懸濁液のローディング
いくつかの態様では、本出願は、少なくとも１つの対象サンプルを含む懸濁液を、反応チャンバ１−１０８を含む集積デバイス１−１０２の表面上にローディングするのに有用なデバイスおよび方法を提供する。懸濁液ローディングは、任意の数の適切な方法で行うことができる。いくつかの実施形態では、対象の分子を含む懸濁液は、例えば、施術者によって、例えば、ピペット、ディスペンサ、または任意の適切な流体移送装置／システムを介してローディングされる。いくつかの実施形態では、懸濁液は、自動化された手段（例えば、ロボット装置／システム）によってローディングされる。いくつかの実施形態では、懸濁液は、１つまたは複数のマイクロ流体チャネルを介してローディングされる。
いくつかの実施形態では、対象のサンプルは、サンプルを集積デバイスに送達するために一般的に使用される方法によって、集積デバイス（例えば、反応チャンバ、アレイを含む集積デバイス）に送達され得る。例えば、送達方法は、対象のサンプルを流体中に懸濁させること、および得られた懸濁液を集積デバイスの反応チャンバに流すことを含み得る。これは、関連する懸濁液を集積デバイスの１つまたは複数の領域に単純にピペッティングすることを含むことができ、または、これは、電気的方向または圧力ベースの流体フローのような、より能動的なフロー方法を含むことができる。いくつかの実施形態では、対象のサンプルを含む懸濁液は、例えば、対象の特定の分子が集積デバイスの特定の領域で分析される、集積デバイスの選択された領域に流し込まれる。これは、マスキング技術（流体の流れを方向づけるためのマスクの適用）、マイクロフルイディクス、またはインクジェット印刷法によるものを含む、電気的方向または圧力ベースの流体フローのような、能動的フロー法によって達成することができる。いくつかの実施形態では、パターン化されたマイクロ流体チャネル内のマイクロ流体フローは、懸濁液中のサンプルを反応チャンバに送達するために使用され得る。集積デバイスの領域は、関連する懸濁液を集積デバイスの正しい領域にピペッティングするだけで、送達の選択的ターゲットとすることもできる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載のサンプルローディングに使用される組成物は、任意の適切な順序で集積デバイスの表面に導入され得ることが理解されるべきである。例えば、いくつかの実施形態では、サンプルを含む懸濁液は、クラウディング剤および／または縮合剤と接触させられる前に、表面に接触させられる。いくつかの実施形態では、懸濁液は、表面に接触させられ、クラウディング剤および／または縮合剤と接触させられる前のインキュベーション期間の間、インキュベートすることを可能とされ得る。いくつかの実施形態では、縮合剤は、このようなインキュベーション期間中、懸濁液中に存在する。いくつかの実施形態では、クラウディング剤および／または縮合剤は、懸濁液が導入された直後またはほぼ直後に表面に導入される。いくつかの実施形態では、懸濁液は、表面に導入される前に、クラウディング剤および／または縮合剤を含む。
Ｄ．サンプルの例
配列決定に関連する対象のサンプルのいくつかの例が、このセクションで説明されるが、本発明は、説明された例示的なサンプルのみに限定されない。記載された装置およびサンプルローディング技術は、タンパク質、サブミクロンスケールの粒子、生物学的および非生物学的分子に適用され得る。本明細書で使用される場合、「配列決定テンプレート」は、対象のサンプルの例であり、分析（例えば、配列決定分析）の対象である分子である。いくつかの実施形態では、配列決定テンプレートは、核酸分子を含む。いくつかの実施形態では、核酸分子は、「ターゲット」または「テンプレート」核酸と呼ばれる。核酸分子は、いくつかの実施形態では１ｋｂ〜１０ｋｂ、いくつかの実施形態では１０ｋｂ〜２５ｋｂ、いくつかの実施形態では２５ｋｂ〜５０ｋｂ、いくつかの実施形態では５０ｋｂ〜１００ｋｂ、いくつかの実施形態では１００ｋｂ〜２５０ｋｂ、いくつかの実施形態では２５０ｋｂ〜５００ｋｂ、またはいくつかの実施形態では５００ｋｂ〜１０００ｋｂであり得る。いくつかの場合においては、核酸分子は、これらの範囲の端値の１０％以内の長さを有し得る。
いくつかの実施形態では、核酸分子は、少なくとも１つのハイブリダイズしたプライマー／重合酵素複合体を含む。例えば、いくつかの実施形態では、核酸分子は、配列決定プライマーが核酸分子にアニーリングするように、核酸分子の一部に相補的な配列決定プライマーと接触させられる。このプライミング位置は、重合酵素（例えば、ＤＮＡまたはＲＮＡポリメラーゼ）が核酸分子に結合して、ハイブリダイズしたプライマー／重合酵素複合体を形成し得る部位を生成する。したがって、いくつかの実施形態では、少なくとも１つのハイブリダイズしたプライマー／重合酵素を含む配列決定テンプレートは、「配列決定テンプレート複合体」と呼ばれる場合がある。
本明細書で使用される「核酸」という用語は、一般に、１つまたは複数の核酸サブユニットを含む分子を指す。核酸は、アデニン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）、チミン（Ｔ）、およびウラシル（Ｕ）、またはそれらの変異体から選択される１つまたは複数のサブユニットを含み得る。いくつかの例では、核酸は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）またはリボ核酸（ＲＮＡ）、またはそれらの誘導体である。いくつかの実施形態では、核酸は、限定ではないが、ロックされた核酸（ＬＮＡ）、ペプチド核酸（ＰＮＡ）、トリアゾール結合核酸、２’−Ｆ修飾核酸、ならびにその誘導体および類似体を含む修飾核酸である。核酸は、一本鎖または二本鎖であり得る。いくつかの実施形態では、核酸は、一般に、ヌクレオチドの任意のポリマーを指す。
ヌクレオチド（例えば、ヌクレオシドポリホスフェート）は、アデニン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）、チミン（Ｔ）、およびウラシル（Ｕ）、またはそれらの変異体のうちの任意のものを含むことができる。ヌクレオチド（例えば、ヌクレオシドポリホスフェート）は、メチル化された核酸塩基を含み得る。例えば、メチル化されたヌクレオチドは、核酸塩基に結合した（例えば、核酸塩基の環に直接結合した、核酸塩基の環の置換基に結合した）１つまたは複数のメチル基を含むヌクレオチドであり得る。例示的なメチル化核酸塩基は、１−メチルチミン、１−メチルウラシル、３−メチルウラシル、３−メチルシトシン、５−メチルシトシン、１−メチルアデニン、２−メチルアデニン、７−メチルアデニン、Ｎ６−メチルアデニン、Ｎ６，Ｎ６−ジメチルアデニン、１−メチルグアニン、７−メチルグアニン、Ｎ２−メチルグアニン、およびＮ２，Ｎ２−ジメチルグアニンを含む。
本明細書で使用される「プライマー」という用語は、一般に、核酸分子（例えば、オリゴヌクレオチド）を指し、これは、Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、および／またはＵ、またはその変異体もしくは類似体を含む配列を含むことができる。プライマーは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、またはそれらの変異体もしくは類似体を含む合成オリゴヌクレオチドであり得る。プライマーは、そのヌクレオチド配列がターゲットまたはテンプレート核酸に相補的であるように設計することができ、またはプライマーは、ランダムなヌクレオチド配列を含むことができる。いくつかの実施形態では、プライマーは、テール（例えば、ポリＡテール、インデックスアダプタ、分子バーコードなど）を含み得る。いくつかの実施形態では、プライマーは、５〜１５塩基、１０〜２０塩基、１５〜２５塩基、２０〜３０塩基、２５〜３５塩基、３０〜４０塩基、３５〜４５塩基、４０〜５０塩基、４５〜５５塩基、５０〜６０塩基、５５〜６５塩基、６０〜７０塩基、６５〜７５塩基、７０〜８０塩基、７５〜８５塩基、８０〜９０塩基、８５〜９５塩基、９０〜１００塩基、９５〜１０５塩基、１００〜１５０塩基、１２５〜１７５塩基、１５０〜２００塩基、または２００塩基以上を含み得る。
本出願に記載されるように、配列決定は、テンプレート核酸分子に相補的である核酸分子を合成すること、および経時的なヌクレオチドの組み込みを同定すること（例えば、合成による配列決定）などの、テンプレートに相補的または類似する別の生体分子を合成することによる、テンプレート生体分子（例えば、核酸分子）の個々のサブユニットの決定を含み得る。代替として、配列決定は、生体分子の個々のサブユニットの直接同定を含み得る。
ＩＶ．システムのさらなる態様
本明細書で説明される分析システムは、集積デバイス、および集積デバイスとインタフェースするように構成された機器を含み得る。集積デバイスは、ピクセルのアレイを含むことができ、ピクセルは、反応チャンバおよび少なくとも１つの光検出器を含む。集積デバイスの表面は、複数の反応チャンバを有することができ、反応チャンバは、集積デバイスの表面に配置された懸濁液からサンプルを受け取るように構成されている。懸濁液は、同じタイプの複数のサンプル、および、いくつかの実施形態では、異なるタイプのサンプルを含み得る。これに関して、本明細書で使用される「対象のサンプル」という語句は、例えば、懸濁液中に分散されている同じタイプの複数のサンプルを指すことができる。同様に、本明細書で使用される「対象の分子」という語句は、懸濁液中に分散されている同じタイプの複数の分子を指すことができる。複数の反応チャンバは、反応チャンバの少なくとも一部が懸濁液から１つのサンプルを受け取るように、適切なサイズおよび形状を有することができる。いくつかの実施形態では、反応チャンバ内のサンプルの数は、いくつかの反応チャンバが１つのサンプルを含み、他の反応チャンバがゼロ、２つ、またはそれ以上のサンプルを含むように、反応チャンバ間で分散させることができる。
いくつかの実施形態では、懸濁液は、複数の一本鎖ＤＮＡテンプレートを含み、集積デバイスの表面上の個々の反応チャンバは、配列決定テンプレートを収容するようにサイズおよび形状を決定され得る。配列決定テンプレートは、集積デバイスの反応チャンバの少なくとも一部が配列決定テンプレートを含むように、集積デバイスの反応チャンバ間で分散させることができる。懸濁液は、標識されたヌクレオチドを含んでいてもよく、これは、その後、反応チャンバに入り、反応チャンバ内の一本鎖ＤＮＡテンプレートに相補的なＤＮＡ鎖に組み込まれると、ヌクレオチドの同定を可能とし得る。いくつかの実施形態では、懸濁液は、配列決定テンプレートを含み、標識されたヌクレオチドは、ヌクレオチドが反応チャンバ内の相補鎖に組み込まれると、続いて反応チャンバに導入され得る。このようにして、ヌクレオチドの組み込みのタイミングは、標識されたヌクレオチドが集積デバイスの反応チャンバに導入されるときによって制御され得る。
励起光は、集積デバイスのピクセルアレイから離れて位置付けられる励起源から提供される。励起光は、少なくとも部分的に、集積デバイスの要素によって１つまたは複数のピクセルに向かって方向づけられ、反応チャンバ内の照明領域を照明する。次に、マーカが、照明領域内に位置付けられると、励起光によって照明されることに応答して、放出光を放出することができる。いくつかの実施形態においては、１つまたは複数の励起源は、システムの機器の一部であり、機器および集積デバイスの構成要素は、励起光を１つまたは複数のピクセルに向かって方向付けるように構成されている。
反応チャンバから（例えば、蛍光標識によって）放出された放出光は、次に、集積デバイスのピクセル内の１つまたは複数の光検出器によって検出され得る。検出された放出光の特性は、放出光に関連するマーカを同定するための標示を提供することができる。そのような特性は、光検出器によって検出される光子の到着時間、光検出器によって経時的に蓄積される光子の量、および／または、２つ以上の光検出器にわたる光子の分布を含む、任意の適切なタイプの特性を含み得る。いくつかの実施形態では、光検出器は、放出光に関連する１つまたは複数のタイミング特性（例えば、蛍光寿命）の検出を可能にする構成を有することができる。光検出器は、励起光のパルスが集積デバイスを通って伝播した後の光子到着時間の分布を検出することができ、到着時間の分布は、放出光のタイミング特性の標示（例えば、蛍光寿命のプロキシ）を提供することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の光検出器は、マーカによって放出される放出光の確率（例えば、蛍光強度）の標示を提供する。いくつかの実施形態においては、複数の光検出器は、放出光の空間的な分布を捕捉するようにサイズ決めおよび配置され得る。次に、１つまたは複数の光検出器からの出力信号を使用して、複数のマーカの中から１つのマーカを区別することができ、複数のマーカを使用して、サンプルまたはその構造を識別することができる。いくつかの実施形態において、サンプルは、複数の励起エネルギーによって励起され、複数の励起エネルギーに応答した反応チャンバからの放出光および／または放出光のタイミング特性が、１つのマーカを複数のマーカから区別し得る。
図５−１Ａに、システム５−１００の概略図が示されている。システムは、機器５−１０４とインタフェースする集積デバイス５−１０２の双方を備える。いくつかの実施形態においては、機器５−１０４は、機器５−１０４の一部として集積された１つまたは複数の励起源５−１０６を含むことができる。いくつかの実施形態においては、励起源は、機器５−１０４および集積デバイス５−１０２の双方の外部にあるものとすることができ、機器５−１０４は、励起光を励起源から受け取るとともに、励起光を集積デバイスへと方向付けるように構成され得る。集積デバイスは、集積デバイスを受け取るとともに、集積デバイスを励起源と光学的に正確に位置合わせして保持するために、任意の適切なソケットを使用して機器とインタフェースすることができる。励起源５−１０６は、集積デバイス５−１０２に励起光を提供するように構成され得る。図５−１Ａにおいて概略的に示されているように、集積デバイス５−１０２は、複数のピクセル５−１１２を有し、ピクセルの少なくとも一部は、対象のサンプルの独立した分析を実施し得る。そのようなピクセル５−１１２は、そのピクセルとは別個の源５−１０６から励起光を受光するので、「受動源ピクセル」と称することができ、この源からの励起光が、ピクセル５−１１２のうちのいくつかまたはすべてを励起する。励起源５−１０６は、任意の適切な光源とすることができる。適切な励起源の例は、２０１５年８月７日に出願された「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」と題された米国特許出願第１４／８２１，６８８号に記載されており、その全体が参照により組み込まれる。いくつかの実施形態においては、励起源５−１０６は、励起光を集積デバイス５−１０２に送達するように組み合わせられた複数の励起源を含む。複数の励起源は、複数の励起エネルギーまたは波長を生成するように構成され得る。
ピクセル５−１１２は、単一の対象サンプルを受け取るように構成された反応チャンバ５−１０８と、励起源５−１０６により提供された励起光でサンプルおよび反応チャンバ５−１０８の少なくとも一部を照明することに応答して反応チャンバから放出された放出光を検出するための光検出器５−１１０とを有する。いくつかの実施形態では、反応チャンバ５−１０８は、集積デバイス５−１０２の表面に近接してサンプルを保持することができ、このことは、サンプルへの励起光の送達およびサンプルまたは反応成分（例えば、標識ヌクレオチド）からの放出光の検出を容易にし得る。
励起光源５−１０６からの励起光を集積デバイス５−１０２に結合し、励起光を反応チャンバ５−１０８に導くための光学要素は、集積デバイス５−１０２および機器５−１０４の両方に配置されている。源からチャンバへの光学素子は、励起光を集積デバイスに結合するために集積デバイス５−１０２に配置された１つまたは複数のグレーティングカプラと、励起光を機器５−１０４からピクセル５−１１２の反応チャンバへと送達するための導波路とを含み得る。１つまたは複数の光学スプリッタ素子が、グレーティングカプラと導波路との間に配置され得る。光学スプリッタは、グレーティングカプラからの励起光を結合し、励起光を導波路のうちの少なくとも１つに送達することができる。いくつかの実施形態においては、光学スプリッタは、導波路の各々が実質的に同様の量の励起光を受け取るように、励起光の送達を、すべての導波路にわたって実質的に均一にすることを可能にする構成を有することができる。そのような実施形態は、集積デバイスの反応チャンバによって受け取られる励起光の均一性を改善することによって、集積デバイスの性能を改善することができる。
反応チャンバ５−１０８、励起源からチャンバへの光学系の一部、および反応チャンバから光検出器への光学系は、集積デバイス５−１０２に配置されている。励起源５−１０６および源からチャンバへの構成要素の一部は、機器５−１０４に配置されている。いくつかの実施形態では、単一の構成要素が、励起光を反応チャンバ５−１０８に結合すること、および反応チャンバ５−１０８からの放出光を光検出器５−１１０へと送達することの両方において役割を果たすことができる。励起光を反応チャンバに結合するため、および／または放出光を光検出器へと方向付ける向けるために、集積デバイスに含めるのに適した構成要素の例は、２０１５年８月７日に出願された「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」と題された米国特許出願第１４／８２１，６８８号、および２０１４年１１月１７日に出願された「INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALYZING MOLECULES」と題された米国特許出願第１４／５４３，８６５号に記載されており、どちらもその全体が参照により組み込まれる。
ピクセル５−１１２は、それ自体の個々の反応チャンバ５−１０８および少なくとも１つの光検出器５−１１０と関連付けられている。集積デバイス５−１０２の複数のピクセルは、任意の適切な形状、サイズ、および／または寸法を有するように構成され得る。集積デバイス５−１０２は、任意の適切な数のピクセルを有することができる。集積デバイス２−１０２内のピクセルの数は、およそ１０，０００ピクセル〜１，０００，０００ピクセルの範囲内、または、その範囲内の任意の値もしくは値の範囲であってよい。いくつかの実施形態においては、ピクセルは、５１２個のピクセル×５１２個のピクセルのアレイに配置され得る。集積デバイス５−１０２は、任意の適切な方法で機器５−１０４とインタフェースすることができる。いくつかの実施形態では、機器５−１０４は、ユーザが、集積デバイス５−１０２を使用して懸濁液中の少なくとも１つの対象サンプルを分析するために集積デバイス５−１０２を機器５−１０４に取り付け、集積デバイス５−１０２を機器５−１０４から取り外して、別の集積デバイスを取り付けることを可能にするように、集積デバイス５−１０２に取り外し可能に結合するインタフェースを有することができる。機器５−１０４のインタフェースは、１つまたは複数の光検出器からの読み出し信号を機器５−１０４に送信することを可能にするために、機器５−１０４の回路と結合するように集積デバイス５−１０２を配置することができる。集積デバイス５−１０２および機器５−１０４は、大きなピクセルアレイ（例えば、１０，０００ピクセルを超える）に関連するデータを処理するためのマルチチャネル高速通信リンクを含み得る。
図５−１Ｂには、ピクセル５−１１２の行を示す集積デバイス５−１０２の断面概略図が示されている。集積デバイス５−１０２は、結合領域５−２０１、ルーティング領域５−２０２、およびピクセル領域５−２０３を含むことができる。ピクセル領域５−２０３は、励起光（破線の矢印として示される）が集積デバイス５−１０２に結合する場所である結合領域５−２０１から離れた位置にある表面に配置された反応チャンバ５−１０８を有する複数のピクセル５−１１２を含むことができる。反応チャンバ５−１０８は、金属層５−１１６を貫通して形成されてもよい。点線の矩形で示される１つのピクセル５−１１２は、反応チャンバ５−１０８と、１つまたは複数の光検出器５−１１０を有する光検出器領域とを含む集積デバイス５−１０２の領域である。
図５−１Ｂは、励起光のビームを結合領域５−２０１および反応チャンバ５−１０８に結合することによる励起の経路（破線で示される）を示す。図５−１Ｂに示される反応チャンバ５−１０８の行は、導波路５−２２０と光学的に結合するように配置され得る。励起光は、反応チャンバ内に位置付けられたサンプルを照明することができる。サンプルまたは反応成分（例えば、蛍光標識）は、励起光によって照明されることに応答して、励起状態に到達し得る。励起状態にあるとき、サンプルまたは反応成分は、放出光を放出し、これは、反応チャンバに関連する１つまたは複数の光検出器によって検出され得る。図５−１Ｂは、反応チャンバ５−１０８からピクセル５−１１２の光検出器５−１１０への放出光の経路（実線として示される）を概略的に示す。ピクセル５−１１２の光検出器５−１１０は、反応チャンバ５−１０８からの放出光を検出するように構成および配置され得る。適切な光検出器の例は、２０１５年８月７日に出願された「NTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS」と題された米国特許出願第１４／８２１，６５６号に記載されており、その全体が参照により組み込まれる。個々のピクセル５−１１２について、反応チャンバ５−１０８およびそのそれぞれの光検出器５−１１０は、（図５−１Ｂに示されるｙ方向に沿った）共通の軸に沿って位置合わせされ得る。このようにして、光検出器（単数または複数）は、ピクセル５−１１２内の反応チャンバと重なることができる。
反応チャンバ５−１０８からの放出光の方向性は、金属層５−１１６が放出光を反射するように作用することができるので、金属層５−１１６に対する反応チャンバ５−１０８内のサンプルの配置に依存し得る。このようにして、金属層５−１１６と反応チャンバ５−１０８に配置された蛍光マーカとの間の距離は、反応チャンバと同じピクセルにある光検出器５−１１０が蛍光マーカにより放出される光を検出する効率に影響を与える可能性がある。金属層５−１１６と、動作中にサンプルが配置され得る場所に近接した反応チャンバ５−１０６の底面との間の距離は、１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲、またはその範囲内の任意の値または値の範囲であってよい。いくつかの実施形態では、金属層５−１１６と反応チャンバ５−１０８の底面との間の距離は、約３００ｎｍである。
サンプルと光検出器（単数または複数）との間の距離も、放出光を検出する効率に影響を与える可能性がある。サンプルと光検出器（単数または複数）との間で光が移動しなければならない距離を減らすことによって、放出光の検出効率を改善することができる。加えて、サンプルと光検出器（単数または複数）との間のより短い距離は、集積デバイスのより小さい面積のフットプリントを占有するピクセルを可能にし、これは、より多くの数のピクセルが集積デバイスに含まれることを可能にする。反応チャンバ５−１０８の底面と光検出器（単数または複数）との間の距離は、１μｍ〜１５μｍの範囲、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であり得る。
フォトニック構造５−２３０は、反応チャンバ５−１０８と光検出器５−１１０との間に配置され、励起光が光検出器５−１１０に到達するのを低減または防止するように構成されてもよく、これは、そうでなければ放出光の検出における信号ノイズに寄与する可能性がある。図５−１Ｂに示されるように、１つまたは複数のフォトニック構造５−２３０は、導波路５−２２０と光検出器５−１１０との間に配置され得る。フォトニック構造５−２３０は、スペクトルフィルタ、偏光フィルタ、および空間フィルタを含む１つまたは複数の光拒絶フォトニック構造を含み得る。フォトニック構造５−２３０は、共通の軸に沿って、個々の反応チャンバ５−１０８およびそれらのそれぞれの光検出器５−１１０と位置合わせするように配置され得る。集積デバイス５−１０２の回路として作用することができる金属層５−２４０も、いくつかの実施形態によると、空間フィルタとして作用することができる。そのような実施形態においては、１つまたは複数の金属層５−２４０は、一部のまたはすべての励起光が光検出器５−１１０に到達することを阻止するように配置され得る。
結合領域５−２０１は、外部の励起源からの励起光を結合するように構成された１つまたは複数の光学構成要素を含むことができる。結合領域５−２０１は、励起光のビームのうちの一部またはすべてを受光するように配置されたグレーティングカプラ５−２１６を含むことができる。適切なグレーティングカプラの例は、２０１７年１２月１５日に出願された「OPTICAL COUPLER AND WAVEGUIDE SYSTEM」と題された米国特許出願第１５／８４４，４０３号に記載されており、その全体が参照により組み込まれる。グレーティングカプラ５−２１６は、励起光を導波路５−２２０に結合することができ、導波路５−２２０は、励起光を１つまたは複数の反応チャンバ５−１０８の近傍に伝播させるように構成されることが可能である。代替的には、結合領域５−２０１は、光を導波路内に結合する他の既知の構造を含んでいてもよい。
集積デバイスから離れて配置された構成要素を使用して、励起源５−１０６を集積デバイスに対して配置および位置合わせすることができる。そのような構成要素は、レンズ、鏡、プリズム、窓、アパーチャ、減衰器、および／または光ファイバを含む光学構成要素を含み得る。付加的な機械的な構成要素を、１つまたは複数の位置合わせ構成要素の制御を可能にするために機器に含めることができる。そのような機械的な構成要素は、アクチュエータ、ステッパモータ、および／またはノブを含むことができる。適切な励起源および位置合わせ機構の例は、２０１６年５月２０日に出願された「PULSED LASER AND SYSTEM」と題された米国特許出願第１５／１６１，０８８号に記載されており、その全体が参照により組み込まれる。ビームステアリングモジュールの別の例は、２０１７年１２月１４日に出願された「Compact Beam Shaping and Steering Assembly」と題された米国特許出願第１５／８４２，７２０号に記載されており、その全体が参照により組み込まれる。
分析されるサンプルは、ピクセル５−１１２の反応チャンバ５−１０８に導入されることが可能である。サンプルは、生物サンプル、または、化学的サンプルなどの任意の他の適切なサンプルであってよい。いくつかの場合においては、懸濁液は、複数の対象分子を含むことができ、反応チャンバは、単一分子を単離するように構成され得る。いくつかの例では、反応チャンバの寸法は、反応チャンバ内に単一の分子を閉じ込めるように作用することができ、測定が単一の分子に対して実行されるようにすることを可能にする。励起光は、反応チャンバ５−１０８内の照明領域内にある間に、サンプルまたはサンプルに付着された、または他の方法でサンプルに関連付けられた少なくとも１つの蛍光マーカを励起するように、反応チャンバ５−１０８内に送達されることが可能である。
動作中、反応チャンバ内のサンプルの並列分析は、励起光を使用して反応チャンバ内のサンプルの一部またはすべてを励起し、光検出器によって反応チャンバからの放出光を表す信号を検出することによって行われる。サンプルまたは反応成分（例えば、蛍光標識）からの放出光は、対応する光検出器によって検出され、少なくとも１つの電気信号に変換され得る。電気信号は、集積デバイスとインタフェースされた機器に接続され得る、集積デバイスの回路の導電線（例えば、金属層５−２４０）に沿って送信され得る。電気信号は、続いて処理および／または分析され得る。電気信号の処理または分析は、機器上にまたは機器から離れて配置された適切なコンピューティングデバイスにおいて行うことができる。
機器５−１０４は、機器５−１０４および／または集積デバイス５−１０２の動作を制御するためのユーザインタフェースを含むことができる。ユーザインタフェースは、機器の機能を制御するために使用されるコマンドおよび／または設定などの情報をユーザが機器に入力することを可能にするように構成され得る。いくつかの実施形態においては、ユーザインタフェースは、ボタン、スイッチ、ダイヤル、および、音声命令のためのマイクを含むことができる。ユーザインタフェースは、適切な位置合わせ、および／または集積デバイス上の光検出器からの読み出し信号によって得られる情報などの、機器および／または集積デバイスの性能に関するフィードバックをユーザが受け取ることを可能にし得る。いくつかの実施形態においては、ユーザインタフェースは、可聴フィードバックを提供するためのスピーカーを使用してフィードバックを提供することができる。いくつかの実施形態においては、ユーザインタフェースは、ユーザに視覚的なフィードバックを提供するための、インジケーターライトおよび／またはディスプレイスクリーンを含むことができる。
いくつかの実施形態においては、機器５−１０４は、コンピューティングデバイスと接続するように構成されたコンピュータインタフェースを含むことができる。コンピュータインタフェースは、ＵＳＢインタフェース、ファイヤーワイヤーインタフェース、または、任意の他の適切なコンピュータインタフェースであってよい。コンピューティングデバイスは、ラップトップまたはデスクトップコンピュータなどの任意の汎用コンピュータであってよい。いくつかの実施形態では、コンピューティングデバイスは、適切なコンピュータインタフェースを介してワイヤレスネットワークを通じてアクセス可能なサーバ（例えば、クラウドベースのサーバ）であってよい。コンピュータインタフェースは、機器５−１０４とコンピューティングデバイスとの間の情報の通信を容易にすることができる。機器５−１０４を制御および／または構成するための入力情報が、コンピューティングデバイスに提供され、コンピュータインタフェースを介して、機器５−１０４に送信され得る。機器５−１０４によって生成される出力情報は、コンピュータインタフェースを介してコンピューティングデバイスによって受信され得る。出力情報は、機器５−１０４の性能、集積デバイス５−１１２の性能、および／または光検出器５−１１０の読み出し信号から生成されるデータについてのフィードバックを含むことができる。
いくつかの実施形態においては、機器５−１０４は、集積デバイス５−１０２の１つまたは複数の光検出器から受信されるデータを分析し、および／または制御信号を励起源２−１０６に送信するように構成された処理デバイスを含むことができる。いくつかの実施形態では、処理デバイスは、汎用プロセッサ、特別に適合されたプロセッサ（例えば、１つまたは複数のマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラコアなどの中央処理ユニット（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（ＤＳＰ）、またはそれらの組み合わせ）を含むことが出来る。いくつかの実施形態においては、１つまたは複数の光検出器からのデータの処理は、機器５−１０４の処理デバイスおよび外部のコンピューティングデバイスの双方によって行われ得る。他の実施形態においては、外部のコンピューティングデバイスは省略されてもよく、１つまたは複数の光検出器からのデータの処理は、集積デバイス５−１０２の処理デバイスのみによって行われてもよい。
図５−２には、反応チャンバ５−３３０で起こる生物学的反応の非限定的な例が示されている。この例では、ターゲット核酸に相補的である成長鎖へのヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体の逐次的な組み込みが、反応チャンバにおいて生じている。逐次的な組み込みを検出して、一連の核酸（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）を配列決定することができる。反応チャンバは、約１００〜約５００ｎｍの範囲の深さ、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲、および約８０ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲の直径を有することができる。メタライゼーション層５−５４０（例えば、電気的基準電位のためのメタライゼーション）を光検出器の上にパターン化して、隣接する反応チャンバおよび他の不要な光源からの迷光を遮断するアパーチャを提供することができる。いくつかの実施形態によれば、ポリメラーゼ５−５２０は、反応チャンバ５−３３０内に配置され得る（例えば、反応チャンバのベースに付着させられる）。ポリメラーゼは、ターゲット核酸５−５１０（例えば、ＤＮＡに由来する核酸の一部）を取り込み、相補的な核酸の成長鎖を配列して、ＤＮＡ５−５１２の成長鎖を生成することができる。異なるフルオロフォアで標識されたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体は、反応チャンバの上および内部の懸濁液中に分散され得る。
標識されたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体５−６１０が、図５−３に示されるように、相補的核酸の成長鎖に組み込まれる場合、１つまたは複数の付着したフルオロフォア５−６３０は、導波路５−３１５から反応チャンバ５−３３０に結合された光エネルギーのパルスによって繰り返し励起され得る。いくつかの実施形態においては、フルオロフォア５−６３０（単数または複数）は、任意の適切なリンカー５−６２０によって１つまたは複数のヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体５−６１０に付着させることができる。組み込み事象は、約１００ｍｓまでの時間期間にわたって続き得る。この時間の間に、モードロックレーザからのパルスによるフルオロフォア（単数または複数）の励起から結果として生じる蛍光放出のパルスを、時間ビニング光検出器５−３２２によって検出することができる。異なる放出特性（例えば、蛍光減衰率、強度、蛍光波長）を有するフルオロフォアを、異なるヌクレオチド（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ）に付着させることによって、ＤＮＡ５−５１２の鎖が核酸を組み込む間に、異なる放出特性を検出および区別し、ＤＮＡの成長鎖のヌクレオチド配列の決定を可能にする。
いくつかの実施形態によると、蛍光放出特性に基づいてサンプルを分析するように構成された機器５−１０４は、異なる蛍光分子間の蛍光寿命および／または強度の差、ならびに／または、異なる環境における同じ蛍光分子の寿命および／または強度の差を検出することができる。説明のために、図５−４は、２つの異なる蛍光放出確率曲線（ＡおよびＢ）をプロットしており、これは、例えば２つの異なる蛍光分子からの蛍光放出を表すことができる。曲線Ａ（破線）を参照すると、短光パルスまたは超短光パルスによって励起された後、第１の分子からの蛍光放出の確率ｐＡ（ｔ）は、図示のように、時間とともに減衰し得る。いくつかの場合においては、光子が経時的に放出される確率の低下は、指数関数減衰関数
Figure 2021509578
で表され、ここで、ＰＡｏは初期放出確率であり、τＡは放出減衰確率を特徴付ける第１の蛍光分子に関連する時間的パラメータである。τＡは、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「放出寿命」、または「寿命」と称することができる。いくつかの場合においては、τＡの値は、蛍光分子の局所的な環境によって変わる可能性がある。他の蛍光分子は、曲線Ａにおいて示されているものとは異なる放出特性を有し得る。例えば、別の蛍光分子は、単一の指数関数的減衰とは異なる減衰プロファイルを有する可能性があり、その寿命は、半減期値または何らかの他のメトリックによって特徴付けることができる。
第２の蛍光分子は、指数関数的である減衰プロファイルを有し得るが、図５−４の曲線Ｂについて示されるように、測定可能な程度に異なる寿命τＢを有する。示されている例においては、曲線Ｂの第２の蛍光分子の寿命は、曲線Ａの寿命よりも短く、放出の確率は、曲線Ａの場合よりも、第２の分子の励起後により早く高くなる。異なる蛍光分子は、いくつかの実施形態においては、約０．１ｎｓ〜約２０ｎｓの範囲の寿命または半減期値を有することができる。
本発明者らは、蛍光放出寿命の差を使用して、異なる蛍光分子の存在もしくは非存在を判別することができ、および／または蛍光分子が供される異なる環境もしくは状況を判別できることを認識および理解している。いくつかの場合においては、（例えば、放出波長ではなく）寿命に基づいて蛍光分子を判別することは、機器５−１０４の態様を簡略化することができる。一例として、寿命に基づいて蛍光分子を判別する場合には、波長識別光学系（波長フィルタ、各波長の専用の検出器、異なる波長における専用のパルス光源、および／または、回折光学素子など）の数を減らすか、または、排除することができる。いくつかの場合においては、単一の特性波長において動作する単一のパルス光源を使用して、光スペクトルの同じ波長領域内で放出するが、測定可能な程度に異なる寿命を有する異なる蛍光分子を励起することができる。同じ波長領域において放出する異なる蛍光分子を励起および判別するために、異なる波長において動作する複数の光源ではなく、単一のパルス光源を使用する分析システムは、操作および維持のための複雑性がより低く、よりコンパクトであり、より低いコストで製造することができる。
蛍光寿命分析に基づく分析システムは、特定の利点を有することができるが、分析システムによって得られる情報の量、および／または検出精度は、追加の検出技術を可能にすることによって高められ得る。例えば、いくつかの分析システム５−１６０は、蛍光波長および／または蛍光強度に基づいてサンプルの１つまたは複数の特性を判別するように追加的に構成され得る。
図５−４を再び参照すると、いくつかの実施形態によれば、異なる蛍光寿命は、蛍光分子の励起に続く蛍光放出事象を時間ビニング（time-bin）するように構成された光検出器で区別され得る。時間ビニングは、光検出器の単一の電荷蓄積サイクルの間に行うことができる。電荷蓄積サイクルは、読み出し事象間の間隔であり、この間に、光生成キャリアが、時間ビニング光検出器のビンに蓄積される。放出事象の時間ビニングによって蛍光寿命を決定する概念は、図５−５にグラフで紹介されている。時間ｔ１の直前の時間ｔｅにおいて、蛍光分子または同じタイプ（例えば、図５−４の曲線Ｂに対応するタイプ）の蛍光分子のアンサンブルが、短光パルスまたは超短光パルスによって励起される。分子の大きなアンサンブルの場合、放出の強度は、図５−５に示されるように、曲線Ｂと類似の時間プロファイルを有し得る。
しかしながら、単一の分子または少数の分子の場合、蛍光光子の放出は、この例では図５−４の曲線Ｂの統計に従って生じる。時間ビニング光検出器５−３２２は、蛍光分子（単数または複数）の励起時間に関して時間的に分解された離散時間ビン（図５−５に３つ示されている）に放出事象から生成されたキャリアを蓄積し得る。多数の放出事象が合計されると、時間ビンに蓄積されたキャリアは、図５−５に示される減衰強度曲線に近似し、ビニングされた信号を使用して、異なる蛍光分子または蛍光分子が配置されている異なる環境を区別することができる。
時間ビニング光検出器の例は、２０１５年８月７日に出願された「Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons」と題された米国特許出願第１４／８２１，６５６号に記載されており、これは、参照により本明細書に組み込まれる。説明の目的で、時間ビニング光検出器の非限定的な実施形態が、図５−６Ａに示されている。単一の時間ビニング光検出器５−９００は、光子吸収／キャリア発生領域５−９０２、キャリア移動／捕捉領域５−９０６、および、時間ビンに対応することができる、１つまたは複数の電荷キャリア格納領域５−９０８ａ、５−９０８ｂ、５−９０８ｃを有するキャリア格納領域を備えることができる。キャリア移動／捕捉領域は、キャリア輸送チャネル５−９０７によって電荷キャリア格納領域に接続することができる。３個のキャリア格納ビンしか示されていないが、より多いかまたは少ないキャリア格納ビンがあってもよい。いくつかの実施形態においては、単一の時間ビニング光検出器５−９００は、少なくとも２つの電荷キャリア格納領域を含む。電荷キャリア格納領域に接続された読み出しチャネル５−９１０があってもよい。光子吸収／キャリア発生領域５−９０２、キャリア移動／捕捉領域５−９０６、電荷キャリア格納領域５−９０８ａ、５−９０８ｂ、５−９０８ｃ、および読み出しチャネル５−９１０は、半導体を局所的にドーピングすること、および／または隣接する絶縁領域を形成することによって形成され、光検出機能を提供し、キャリアを閉じ込めることができる。時間ビニング光検出器５−９００は、キャリア移動／捕捉領域５−９０６に接続するように形成されたドレイン５−９０４を含むことができる。ドレイン５−９０４は、電荷キャリアを特定の回数廃棄するように構成され得る。光生成電荷キャリアをこのように除去することによって、励起光に応答して生成された望ましくない電荷キャリアが廃棄され得る。時間ビニング光検出器５−９００は、光検出器を通して電荷キャリアを輸送するデバイスにおいて電界を生成するように構成された、基板上に形成された複数の電極５−９２０、５−９２２、５−９３２、５−９３４、５−９３６、５−９４０を含むことができる。複数の電極は、電荷キャリアがドレイン５−９０４に向かって移動するように、電位勾配を確立することができる。
動作時に、蛍光光子は、異なる時点において光子吸収／キャリア発生領域５−９０２で受け取られ、キャリアを発生させることができる。例えば、およそ時間ｔ１において、３個の蛍光光子が、光子吸収／キャリア発生領域５−９０２の欠乏領域において３個のキャリア電子を発生させることができる。デバイスにおける電界（ドーピング、および／または、電極５−９２０および５−９２２、ならびに任意選択的もしくは代替的に５−９３２、５−９３４、５−９３６に外部から印加されたバイアスに起因する）は、キャリアをキャリア移動／捕捉領域５−９０６まで移動させることができる。キャリア移動／捕捉領域では、移動距離が、蛍光分子の励起後の時間に変換される。後の時間ｔ５において、別の蛍光光子が、光子吸収／キャリア発生領域５−９０２において受け取られ、付加的なキャリアを発生させることができる。この時点で、最初の３個のキャリアは、キャリア移動／捕捉領域５−９０６内の、第２の格納ビン５−９０８ｂに隣接する位置まで移動している。後の時間ｔ７において、電気的バイアスが、電極５−９３２、５−９３４、５−９３６と電極５−９４０との間に印加され、キャリアをキャリア移動／捕捉領域５−９０６から格納ビンまで横方向に輸送することができる。最初の３個のキャリアは、次に、第１のビン５−９０８ａまで輸送されて第１のビン５−９０８ａ内に保持され、後に発生するキャリアは、第３のビン５−９０８ｃまで輸送されて第３のビン５−９０８ｃ内に保持されることができる。いくつかの実装形態では、各収納ビンに対応する時間間隔は、サブナノ秒の時間スケールであるが、いくつかの実施形態（例えば、フルオロフォアがより長い減衰時間を有する実施形態）では、より長い時間スケールが使用されてもよい。
励起事象（例えば、パルス光源からの励起パルス）後に電荷キャリアを発生させるとともに時間ビニングするプロセスは、光検出器５−９００の１回の電荷蓄積サイクルの間において、単一の励起パルス後に１回生じるか、または、複数の励起パルス後に複数回繰り返され得る。電荷の蓄積が完了した後、キャリアは、読み出しチャネル５−９１０を介して格納ビンから読み出されることが可能である。例えば、適切なバイアスシーケンスが、少なくとも電極５−９４０および下流の電極（図示せず）に印加され、キャリアを格納ビン５−９０８ａ、５−９０８ｂ、５−９０８ｃから取り除くことができる。
時間ビニング光検出器５−９００は、励起光の光子、または、他の望ましくない光から生成される電荷キャリアを廃棄するように構成され得る。キャリア移動／捕捉領域５−９０６内の１つまたは複数のポテンシャル障壁の上昇のタイミングは、励起光を含む望ましくない光によって生成される光生成キャリアが、ドレイン５−９０４に向かって移動し、電荷キャリア格納領域５−９０８ａ、５−９０８ｂ、５−９０８ｃに向かっては移動しないように、タイミングを合わせられ得る。ポテンシャル障壁を上昇させるために、電極５−９２２などの電極に電圧を印加するタイミングは、その時間期間の間に発生した電荷キャリアのいくつかまたはすべてが、ドレイン５−９０４に向かって移動し、電荷キャリア格納領域５−９０８ａ、５−９０８ｂ、５−９０８ｃには向けられないような時間期間後に生じ得る。その時間期間後に発生する後続の電荷キャリアは、電荷キャリア格納領域５−９０８ａ、５−９０８ｂ、５−９０８ｃに選択的に方向付けられ得る。いくつかの実施形態においては、励起光は、励起光のパルスであり、時間ビニング光検出器５−９００は、第１の時間期間にわたって励起光のパルスの光子から生成された電荷キャリアのうちの少なくともいくつかを廃棄するように構成され得る。第１の時間期間後に、時間ビニング光検出器５−９００は、入射光子によって生成される１つまたは複数の電荷キャリアを、電荷キャリアが生成された時間に基づいて、それぞれの電荷キャリア格納領域内に第２の時間期間にわたって選択的に方向付けることができる。
多くの励起事象後に、各電子格納ビン内に蓄積された信号が読み出され、例えば、蛍光放出の減衰率を表す対応するビンを有するヒストグラムを提供することができる。そのようなプロセスは、図５−７Ａおよび図５−７Ｂに示されている。ヒストグラムのビンは、反応チャンバ内のフルオロフォア（単数または複数）の励起後の各時間間隔の間に検出された光子の数を示すことができる。いくつかの実施形態では、ビンについての信号は、図５−７Ａに示されるように、多数の励起パルスに続いて蓄積される。励起パルスは、パルスの時間間隔Ｔだけ隔てられた時間ｔｅ１、ｔｅ２、ｔｅ３．．．ｔｅＮにおいて生じることができる。電子格納ビンにおける信号の蓄積中に反応チャンバに印加される励起パルスが、１０５〜１０７個あってもよい。いくつかの実施形態では、１つのビン（ビン０）は、各光パルスで送達された励起光の振幅を検出するように構成され、（例えば、データを正規化するために）基準信号として使用され得る。
いくつかの実施形態においては、時間ビニング光検出器は、光子吸収／キャリア発生領域において電荷キャリアを発生させ、電荷キャリアを、電荷キャリア格納領域で電荷キャリア格納ビンに直接的に移送することができる。そのような実施形態においては、時間ビニング光検出器は、キャリア移動／捕捉領域を含まなくてもよい。そのような時間ビニング光検出器は、「直接ビニングピクセル」と称することができる。直接ビニングピクセルを含む、時間ビニング光検出器の例は、２０１７年１２月２２日に出願された「Integrated photodetector with direct binning pixel」と題された米国特許出願第１５／８５２，５７１号に記載されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。説明の目的で、時間ビニング光検出器の非限定的な実施形態が、図５−６Ｂに示されている。図５−６Ｂにおいて示されているように、時間ビニング光検出器５−９５０は、光子吸収／キャリア発生領域５−９５２、電荷キャリア格納領域５−９５８のビン、および、電荷キャリア格納領域５−９５８のビンから信号を読み出す読み出し回路５−９６０を含む。電荷キャリアが移送されるビンは、電荷キャリアを生成する光子吸収／キャリア発生領域５−９５２における光子の到着時間に基づく。図５−６Ｂは、電荷キャリア格納領域５−９５８において２つのビン、すなわちビン０およびビン１を有する時間ビニング光検出器の例を示している。いくつかの場合においては、ビン０は、トリガー事象（例えば、励起光のパルス）後の１つの期間において受け取られる電荷キャリアを集めることができ、ビン１は、トリガー事象に対して後の時間期間において受け取られる電荷キャリアを集めることができる。しかしながら、電荷格納領域５−９５８は、１個のビン、３個のビン、４個のビン、またはそれ以上といった、任意の数のビンを有することができる。時間ビニング光検出器５−９５０は、電圧を印加して電位勾配を確立し、電荷キャリアを方向付けるように構成され得る、電極５−９５３、５−９５５、および５−９５６を含むことができる。時間ビニング光検出器５−９５０は、ドレインとして作用するか、または、光子吸収／キャリア発生領域５−９５２において生成される電荷キャリアを廃棄するように別様に構成され得る、拒絶領域５−９６５を含むことができる。電荷キャリアが拒絶領域５−９６５によって拒絶される時間期間は、励起光パルスのようなトリガー事象の間に生じるようにタイミングを合わせられ得る。
励起光パルスは、光子吸収／キャリア発生領域５−９５２において複数の望ましくない電荷キャリアを生成する可能性があるため、電位勾配が、ピクセル５−９５０において確立され、拒絶期間中にそのような電荷キャリアを拒絶領域５−９６５に排出することができる。一例として、拒絶領域５−９６５は、電子が供給電圧に排出される高電位拡散エリアを含むことができる。拒絶領域５−９６５は、領域５−９５２を拒絶領域５−９６５に直接的に電荷結合する電極５−９５６を含むことができる。電極５−９５６の電圧は、光子吸収／キャリア発生領域５−９５２において所望の電位勾配を確立するように変えることができる。拒絶期間中に、電極５−９５６の電圧は、キャリアを光子吸収／キャリア発生領域５−９５２から引き出して電極５−９５６内に入れ、供給電圧に達するレベルに設定され得る。例えば、電極５−９５６の電圧は、正の電圧に設定されて電子を引き付けることができ、その結果、電子は、光子吸収／キャリア発生領域５−９５２から拒絶領域５−９６５に引き離される。拒絶領域５−９６５は、「横方向拒絶領域」とみなすことができ、この理由は、拒絶領域５−９６５が、領域５−９５２からドレインまで横方向にキャリアを移送することを可能にするためである。
拒絶期間に続いて、光子吸収／キャリア発生領域５−９５２において生成された光生成電荷キャリアを、時間ビニングすることができる。個々の電荷キャリアは、それらの到着時間に基づいてビンに方向付けられることが可能である。そのようにするために、光子吸収／キャリア発生領域５−９５２と電荷キャリア格納領域５−９５８との間の電位は、光生成電荷キャリアをそれぞれの時間ビンに方向付ける電位勾配を確立するために、それぞれの時間期間において変化させられ得る。例えば、第１の時間期間中には、電極５−９５３によって形成される障壁５−９６２が下げられ、光子吸収／キャリア発生領域５−９５２からビン０への電位勾配が確立されることが可能であり、その結果、この期間中に発生するキャリアが、ビン０に移送される。次に、第２の時間期間中に、電極５−９５５によって形成される障壁５−９６４が下げられ、光子吸収／キャリア発生領域５−９５２からビン１への電位勾配が確立されることが可能であり、その結果、後のこの期間中に発生するキャリアが、ビン１に移送される。
いくつかの実装形態においては、図５−７Ａにおいて示されているように、平均して単一の光子のみが、励起事象後にフルオロフォアから放出され得る。時間ｔｅ１における第１の励起事象後に、時間ｔｆ１において放出される光子は、第１の時間間隔内で発生することができるため、結果として生じる電子信号は、第１の電子格納ビンに蓄積される（ビン１に寄与する）。時間ｔｅ２における後続の励起事象において、時間ｔｆ２において放出される光子は、第２の時間間隔内で発生することができるため、結果として生じる電子信号は、ビン２に寄与する。
多数の励起事象および信号蓄積の後で、時間ビニング光検出器５−３２２の電子格納ビンが読み出され、反応チャンバの多値信号（例えば、２つ以上の値のヒストグラム、Ｎ次元ベクトルなど）を提供することができる。各ビンの信号値は、フルオロフォアの減衰率に依存し得る。例えば、図５−４を再び参照すると、減衰曲線Ｂを有するフルオロフォアは、減衰曲線Ａを有するフルオロフォアよりも、ビン１〜ビン２において信号のより高い比率を有する。ビンからの値を分析し、校正値および／または相互に比較して、特定のフルオロフォアを決定することができ、これがさらに、反応チャンバ内にある場合にフルオロフォアに結合されるヌクレオチドもしくはヌクレオチド類似体（または、任意の他の分子もしくは対象のサンプル）を同定する。
信号分析の理解をさらに助けるために、蓄積されるマルチビン値は、例えば図５−７Ｂにおいて示されているように、ヒストグラムとしてプロットされることができるか、または、Ｎ次元空間におけるベクトルもしくは位置として記録されることができる。校正の実行は、４個のヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に結合された４個の異なるフルオロフォアに関して、多値信号の校正値（例えば、校正ヒストグラム）を取得するように別個に行われ得る。一例として、校正ヒストグラムは、図５−８Ａ（Ｔヌクレオチドに関連する蛍光ラベル）、図５−８Ｂ（Ａヌクレオチドに関連する蛍光ラベル）、図５−８Ｃ（Ｃヌクレオチドに関連する蛍光ラベル）、および図５−８Ｄ（Ｇヌクレオチドに関連する蛍光ラベル）において示されているように現れることができる。（図５−７Ｂのヒストグラムに対応する）測定された多値信号と、校正用の多値信号との比較によって、ＤＮＡの成長鎖に組み込まれているヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体のアイデンティティー「Ｔ」（図５−８Ａ）を決定することができる。
いくつかの実装形態では、蛍光強度を付加的にまたは代替的に使用して、異なるフルオロフォアを区別することができる。例えば、いくつかのフルオロフォアは、大幅に異なる強度で放出するか、または、それらの減衰率が同様である場合であってもそれらの励起の確率が大幅に異なる可能性がある（たとえば、少なくとも約３５％の差）。ビニングされた信号（ビン１〜３）の基準を測定された励起光のビン０とすることによって、強度レベルに基づいて異なるフルオロフォアを区別することが可能であり得る。
いくつかの実施形態においては、同じタイプの異なる数のフルオロフォアが、異なるヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に結合されてもよく、これにより、ヌクレオチドは、フルオロフォア強度に基づいて同定され得る。例えば、２個のフルオロフォアは、第１のヌクレオチド（例えば、「Ｃ」）またはヌクレオチド類似体に結合され、４個以上のフルオロフォアは、第２のヌクレオチド（例えば、「Ｔ」）またはヌクレオチド類似体に結合され得る。異なる数のフルオロフォアのために、異なるヌクレオチドに関連する異なる励起およびフルオロフォア放出確率が存在し得る。例えば、信号蓄積間隔の間に、「Ｔ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体についてより多くの放出事象が存在する可能性があり、それにより、ビンの見かけの強度は、「Ｃ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の場合よりも大幅に高くなる。
本発明者らは、フルオロフォアの減衰率および／またはフルオロフォアの強度に基づいてヌクレオチドまたは任意の他の生物学的もしくは化学的サンプルを区別することが、機器５−１０４における光励起および検出システムの簡略化を可能にすることを認識および理解している。例えば、光励起は、単一の波長源（例えば、複数の光源または複数の異なる特性波長において動作する光源ではなく、１つの特性波長を生成する光源）を用いて行われ得る。加えて、波長を識別する光学素子およびフィルタは、検出システムにおいて必要ではない可能性がある。また、単一の光検出器を各反応チャンバに使用して、異なるフルオロフォアからの放出を検出することができる。
「特性波長」または「波長」という句は、放射の限定された帯域幅内の中央のまたは主な波長を指すのに使用される（例えば、パルス光源によって出力される２０ｎｍの帯域幅内の中央またはピークの波長）。いくつかの場合においては、「特性波長」または「波長」は、光源による放射出力の全帯域幅内のピーク波長を指すのに使用される場合がある。
本発明者らは、約５６０ｎｍ〜約９００ｎｍの範囲の放出波長を有するフルオロフォアが、（ＣＭＯＳプロセスを使用してシリコンウェハ上に製造され得る）時間ビニング光検出器によって検出される十分な量の蛍光を提供することができることを認識および理解している。これらのフルオロフォアは、ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体などの対象の生体分子に結合することができる。この波長範囲における蛍光放出は、より長い波長における蛍光よりも、シリコンベースの光検出器においてより高い感度で検出することができる。付加的に、この波長範囲におけるフルオロフォアおよび関連するリンカーは、ＤＮＡの成長鎖へのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の組み込みを妨げないものとすることができる。本発明者らはまた、約５６０ｎｍ〜約６６０ｎｍの範囲の放出波長を有するフルオロフォアを、単一波長源によって光学的に励起することができることを認識および理解している。この範囲内の例示的なフルオロフォアは、サーモフィッシャーサイエンティフィック社（Thermo Fisher Scientific Inc.）（マサチューセッツ州ウォルサム）から入手可能なＡｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ６４７である。本発明者らはまた、（例えば、約５００ｎｍ〜約６５０ｎｍの）より短い波長における励起光が、約５６０ｎｍ〜約９００ｎｍの波長において放出するフルオロフォアを励起するために必要であり得ることを認識および理解している。いくつかの実施形態においては、時間ビニング光検出器は、例えば、Ｇｅなどの他の材料を光検出器の活性領域に組み込むことによって、反応チャンバ内のサンプルまたは関連する成分からのより長い波長の放出を効率的に検出することができる。
いくつかの実施形態においては、サンプルは、１つまたは複数のマーカによって標識することができ、マーカに関連する放出は、機器によって判別可能である。例えば、光検出器は、放出光からの光子を電子に変換し、特定のマーカからの発光に依存する寿命を判別するのに使用することができる電気信号を形成するように構成され得る。サンプルを標識するために異なる寿命を有するマーカを使用することによって、特定のサンプルが、光検出器によって検出される結果として生じる電気信号に基づいて同定され得る。
懸濁液は、複数のタイプの分子を含有することができ、異なる蛍光マーカは、或る分子のタイプに一意に関連付けられることができる。励起中または励起後に、蛍光マーカは、放出光を放出することができる。放出光の１つまたは複数の特性を使用して、懸濁液中の分子の１つまたは複数のタイプを同定することができる。分子のタイプを区別するために使用される放出光の特性は、蛍光寿命の値、強度、および／または発光波長を含むことができる。光検出器は、放出光の光子を含む、光子を検出し、これらの特性のうちの１つまたは複数を示す電気信号を提供することができる。いくつかの実施形態においては、光検出器からの電気信号は、１つまたは複数の時間間隔にわたる光子の到着時間の分布についての情報を提供することができる。光子の到着時間の分布は、励起光のパルスが励起源によって放出された後に光子が検出される時間に対応することができる。時間間隔に対する値は、その時間間隔中に検出される光子の数に対応することができる。複数の時間間隔にわたる相対値は、放出光の時間特性（例えば、寿命）の標示を提供することができる。サンプルを分析することは、分布内の２つ以上の異なる時間間隔に対する値を比較することによって、マーカを区別することを含むことができる。いくつかの実施形態においては、強度の標示は、分布におけるすべての時間ビンにわたる光子の数を決定することによって提供され得る。
説明された実施形態は、様々な構成で実装され得る。構成例は、以下の構成（１）〜（３２）および方法（３３）〜（５３）を含む。
（１）集積デバイスであって、前記集積デバイスの表面を通して形成された反応チャンバと、前記反応チャンバに隣接して配置される少なくとも１つの電極を形成する少なくとも１つの導電層とを備え、前記少なくとも１つの電極は、バイアスされると、前記反応チャンバへのサンプルのローディングを支援する少なくとも１つの電界を生成する、集積デバイス。
（２）前記反応チャンバの最大寸法は、１ミクロン未満である、構成（１）に記載の集積デバイス。
（３）前記少なくとも２つの電極は、前記反応チャンバへの開口の５００ｎｍ以内の第１の領域において、前記第１の領域の外側の第２の領域と比較して増大した強度を有する電界を生成するように構成されている、構成（１）または（２）に記載の集積デバイス。
（４）前記電界は、前記反応チャンバ上の前記表面と接触して配置された懸濁液からのサンプルのローディングを支援する、構成（１）〜（３）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（５）前記反応チャンバは、前記サンプルの分析のために、１つのサンプルのみを保持するように構成されている、構成（１）〜（４）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（６）前記反応チャンバの底部は、光導波路から１ミクロン以内で終端する、構成（１）〜（５）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（７）前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層は、パターン化されて、前記反応チャンバに隣接する２つの電極を形成し、前記２つの電極は、バイアスされると主に横方向に配向された電界を生成する、構成（１）〜（６）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（８）前記反応チャンバの下方の基板の半導体領域と、前記半導体領域に形成された光検出器と、前記光検出器に接続された導電性配線とをさらに備え、前記導電性配線は、前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層である、構成（１）〜（７）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（９）前記表面は、前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層の表面を含む、構成（１）〜（８）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（１０）前記反応チャンバは、前記少なくとも１つの導電層のうちの１つまたは複数の導電層を通って延在している、構成（１）〜（９）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（１１）前記反応チャンバの側壁に形成され、前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層に電気的に結合された導電材料をさらに備える、構成（１）〜（１０）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（１２）前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層と第２の導電層との間に形成された誘電体層と、前記反応チャンバと重なる前記誘電体層の開口とをさらに備え、前記誘電体層の開口の寸法は、前記表面での前記反応チャンバの開口の寸法よりも小さい、構成（１）〜（１１）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（１３）前記少なくとも１つの導電層は、窒化チタンを含む第２の層と接触しているアルミニウムおよび／またはチタンを含む第１の層を含む、構成（１）〜（１２）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（１４）前記反応チャンバの底面と前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層との間の距離は、４００ｎｍ未満である、構成（１）〜（１３）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（１５）前記少なくとも１つの導電層は、前記集積デバイスの前記表面に配置された第１の導電層と、前記表面の下方に位置し、誘電材料によって前記第１の導電層から分離された第２の導電層とを含み、前記反応チャンバは、前記第１の導電層および前記第２の導電層を通って延在している、構成（１）〜（１４）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（１６）前記第２の導電層は、前記第２の導電層に接続された導電性配線を除いて、前記反応チャンバから横方向に３ミクロン以下だけ延びている、構成（１５）に記載の集積デバイス。
（１７）前記反応チャンバに隣接して垂直に形成された導電性ビアをさらに備え、前記導電性ビアは、前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層を前記反応チャンバの下方の導電性配線に接続する、構成（１）〜（１６）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（１８）前記反応チャンバは、前記集積デバイスの前記表面に配置され、かつ前記反応チャンバと同じ構造を有する複数の反応チャンバのうちの１つであり、前記少なくとも１つの導電層は、前記複数の反応チャンバの各反応チャンバに隣接して配置された少なくとも１つの電極をさらに形成する、構成（１）〜（１７）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（１９）前記集積デバイス上に形成され、前記複数の反応チャンバの各反応チャンバにおける第１の電極に同じバイアスを提供するように構成されたバイアス回路をさらに備える、構成（１８）に記載の集積デバイス。
（２０）前記集積デバイス上に形成されたバイアス回路であって、第１のグループの反応チャンバの各反応チャンバにおいて前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層から形成された第１の電極に、第２のグループの反応チャンバの各反応チャンバにおいて前記第１の導電層から形成された第１の電極とは独立して、バイアスを提供するように構成されたバイアス回路をさらに備える、構成（１８）に記載の集積デバイス。
（２１）前記集積デバイス上に形成されたバイアス回路であって、前記複数の反応チャンバのうちの１つの反応チャンバにおいて前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層から形成された第１の電極に、前記複数の反応チャンバのうちの任意の他の反応チャンバにおいて前記導電層から形成された第１の電極とは独立して、バイアスを提供するように構成されたバイアス回路をさらに備える、構成（１８）に記載の集積デバイス。
（２２）前記集積デバイス上に形成されたバイアス回路であって、前記少なくとも１つの電極のうちの第１の電極および第２の電極に第１のバイアスを提供して、前記反応チャンバへの前記サンプルのローディングを支援する、第１の電界および前記第１の電界とは異なる第２の電界を提供するように構成されたバイアス回路をさらに備える、構成（１）〜（２１）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（２３）前記表面との流体シールを有し、複数のサンプルを含む懸濁液を保持するように構成されたサンプルリザーバをさらに備える、構成（１）〜（２２）のいずれか１つに記載の集積デバイス。
（２４）前記サンプルリザーバ内の前記懸濁液と接触するように構成された外部電極をさらに備える、構成（２３）に記載の集積デバイス。
（２５）サンプルを分析するための装置であって、集積デバイスを備え、前記集積デバイスは、前記集積デバイスの表面を通して形成された反応チャンバと、前記反応チャンバに隣接して配置される少なくとも１つの電極を形成する少なくとも１つの導電層とを有し、前記少なくとも１つの電極は、バイアスされると、前記反応チャンバへのサンプルのローディングを支援する少なくとも１つの電界を生成する、装置。
（２６）前記反応チャンバの最大寸法は、１ミクロン未満であり、前記反応チャンバは、前記サンプルの分析のために、１つのサンプルを保持するように構成されている、構成（２５）に記載の装置。
（２７）少なくとも１つのバイアスを生成し、前記少なくとも１つのバイアスを前記少なくとも１つの導電層に印加するように構成されたバイアス回路をさらに備える、構成（２５）または（２６）に記載の装置。
（２８）前記少なくとも１つのバイアスのうちの第１のバイアスは、周期的波形を備える、構成（２７）に記載の装置。
（２９）前記少なくとも１つのバイアスのうちの第１のバイアスは、２つの周期的波形の組み合わせを備える、構成（２７）に記載の装置。
（３０）前記反応チャンバに隣接して配置された光検出器と、前記サンプルが前記反応チャンバにローディングされたことを前記光検出器が検出したことに応答して、第１のバイアスを変化させるように構成されたフィードバック回路とをさらに備える、構成（２７）〜（２９）のいずれか１つに記載の装置。
（３１）前記表面との流体シールを有し、複数のサンプルを含む懸濁液を保持するように構成されたサンプルリザーバと、前記サンプルリザーバ内の前記懸濁液と接触するように構成された外部電極とをさらに備え、前記バイアス回路は、前記少なくとも１つのバイアスのうちの第２のバイアスを前記外部電極に印加するようにさらに構成されている、構成（２７）〜（３０）のいずれか１つに記載の装置。
（３２）前記バイアス回路は、第１の時間間隔の間に第１のバイアスを印加し、前記第１の時間間隔とは異なる第２の時間間隔の間に前記第２のバイアスを印加するようにさらに構成されている、構成（３１）に記載の装置。
上記の構成（１）から（３２）の少なくともいくつかは、以下の方法の実施形態を実施する際に使用され得る。
（３３）集積デバイスに対象サンプルをローディングするための方法であって、前記対象サンプルを含む懸濁液を前記集積デバイスの表面上に受け取ることを含み、前記懸濁液は、前記表面に形成された反応チャンバを覆い、前記方法は、さらに、第１の電極と第２の電極との間に電気信号を印加すること、前記反応チャンバへの前記対象サンプルのローディングを支援するように働く電界を生成することを含む、方法．
（３４）前記電界を生成することは、前記反応チャンバへの開口の５００ｎｍ以内の第１の領域において、前記第１の領域の外側の第２の領域と比較して増大した強度を有する電界を生成することを含む、（３３）に記載の方法。
（３５）前記第１の電極は、前記反応チャンバに隣接して配置され、前記反応チャンバは、１ミクロン未満の最大寸法を有する、（３３）または（３４）に記載の方法。
（３６）前記第１の電極は、前記集積デバイスの外部にあり、前記反応チャンバは、１ミクロン未満の最大寸法を有する、（３３）または（３４）に記載の方法。
（３７）前記電界は、前記対象サンプルに、前記懸濁液中の他の成分とは異なって作用する、（３３）〜（３６）のいずれか１つに記載の方法。
（３８）前記電気信号を印加することは、第１の電気信号を印加して、前記対象サンプルを前記懸濁液から前記集積デバイスの表面に向かって移動させること、第２の電気信号を印加して、前記反応チャンバ内に前記対象サンプルを移動させることを含む、（３３）〜（３７）のいずれか１つに記載の方法。
（３９）前記電気信号を印加することは、２つの周期的波形の組み合わせである電気信号を印加することを含む、（３３）〜（３８）のいずれか１つに記載の方法。
（４０）第２の対象サンプルの前記反応チャンバへのローディングを低減または妨害する追加の電気信号を前記第１の電極に印加することをさらに含む、（３３）〜（３９）のいずれか１つに記載の方法。
（４１）前記対象サンプルの一部を前記反応チャンバの外に移動させる追加の電気信号を前記第１の電極に印加することをさらに含む、（３３）〜（４０）のいずれか１つに記載の方法。
（４２）前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される前記電気信号とは異なる第２の電気信号を、第３の電極と前記第１の電極との間に印加することをさらに含む、（３３）〜（４１）のいずれか１つに記載の方法。
（４３）前記集積デバイスの表面に近接する前記対象サンプルの濃度を増加させるように構成されたクラウディング剤を前記懸濁液に導入することをさらに含む、（３３）〜（４２）のいずれか１つに記載の方法。
（４４）前記クラウディング剤は、多糖類である、（４３）に記載の方法。
（４５）前記多糖類は、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、およびカルボキシメチルセルロースからなる群から選択されるセルロース化合物である、（４４）に記載の方法。
（４６）前記懸濁液中の前記対象サンプルの浸透体積を減少させるように構成された縮合剤を前記懸濁液に導入することをさらに含む、（３３）〜（４５）のいずれか１つに記載の方法。
（４７）前記縮合剤は、前記懸濁液中でポリカチオン性であるポリカチオンを含み、前記ポリカチオンは、スペルミン、スペルミジン、ポリリジン、ポリアルギニン、ポリヒスチジン、ポリオルニチン、プトレシン、およびプロタミンから選択される、（４６）に記載の方法。
（４８）前記対象サンプルは、核酸分子を含む、（３３）〜（４７）のいずれか１つに記載の方法。
（４９）前記核酸分子は、約１ｋｂ〜約１０ｋｂ、約１０ｋｂ〜約２５ｋｂ、約２５ｋｂ〜約５０ｋｂ、約５０ｋｂ〜約１００ｋｂ、約５０ｋｂ〜約１００ｋｂ、約１００ｋｂ〜約２５０ｋｂ、約２５０ｋｂ〜約５００ｋｂ、または約５００ｋｂ〜約１０００ｋｂである、（４８）に記載の方法。
（５０）集積デバイスを形成するための方法であって、誘電材料の領域上に少なくとも１つの導電層を形成することを含み、前記誘電材料は、少なくとも１つの導波路を含み、前記方法は、さらに、前記少なくとも１つの導電層を通して反応チャンバを形成すること、バイアスがかけられたときに、前記反応チャンバへの対象サンプルのローディングを支援するように働く電界を生成するように構成された少なくとも１つの電極を形成することを含む、方法。
（５１）前記反応チャンバは、１ミクロン未満の最大寸法を有する、（５０）に記載の方法。
（５２）少なくとも１つの導電層を形成することは、半導体領域内の集積回路の一部である半導体領域上の導電層を形成することを含む、（５０）または（５１）に記載の方法。
（５３）前記反応チャンバからの放出光を検出するように構成された光検出器を形成することをさらに含み、前記光検出器は、前記半導体領域内の前記集積回路の一部である、（５２）に記載の方法。
ＩＶ．結論
本出願の技術のいくつかの態様および実施形態をこのように記載したが、様々な改変、変更および改良が当業者に容易に想起されることを理解されたい。そのような改変、変更および改良は、本出願において記載される技術思想および範囲内にあることが意図されている。したがって、上記の実施形態は例として提示されているものにすぎないこと、ならびに、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、本発明の実施形態は、詳細に記載されているものとは別様に実践され得ることを理解されたい。加えて、本明細書において記載される２つ以上の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾するものでなければ、本開示の範囲内に含まれる。
また、記載したように、いくつかの態様は、１つまたは複数の方法として具現化され得る。方法の一部として実施される行為は、任意の適切な方法で順序付けられ得る。それに応じて、例示的な実施形態では連続的な行為として示されている場合であっても、いくつかの行為を同時に実施することを含み得る、示されているものとは異なる順序で行為が実施される実施形態が構築され得る。
本明細書において定義および使用されるようなすべての定義は、辞書の定義、参照により援用される文献中の定義、および／または、定義される用語の通常の意味を統制するものと理解されるべきである。
不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、本明細書および特許請求の範囲において使用されるとき、明らかにそれとは反対に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解されたい。
「および／または」という句は、本明細書および特許請求の範囲において使用されるとき、そのように連合された要素の「一方または両方」を、すなわち、或る場合には共同で存在し、他の場合には選言的に存在する要素を意味するものと理解されたい。
本明細書および特許請求の範囲において使用されるとき、１つまたは複数の要素のリストに関して、「少なくとも１つ」という句は、要素のリスト中の要素のうちのいずれか１つまたは複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するものと理解されるべきであるが、必ずしも、要素のリスト内に具体的に列挙される１つ１つの要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、また、要素のリスト中の要素の任意の組み合わせを排除するわけではない。この定義は、「少なくとも１つ」という句が言及する要素のリスト内で具体的に特定される要素以外の要素が、具体的に特定されるそれらの要素に関連するか関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得ることを可能にする。
特許請求の範囲および上記の明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「伴う」、「保持する」、「から構成される」などのようなすべての移行句は、オープンエンドであり、すなわち、含むことを意味するが、限定されるわけではないことを理解されたい。「からなる」および「から本質的になる」という移行句は、それぞれ、クローズドまたはセミクローズドの移行句であるものとする。

Claims (53)

  1. 集積デバイスであって、
    前記集積デバイスの表面を通して形成された反応チャンバと、
    前記反応チャンバに隣接して配置される少なくとも１つの電極を形成する少なくとも１つの導電層と
    を備え、前記少なくとも１つの電極は、バイアスされると、前記反応チャンバへのサンプルのローディングを支援する少なくとも１つの電界を生成する、集積デバイス。
  2. 前記反応チャンバの最大寸法は、１ミクロン未満である、請求項１に記載の集積デバイス。
  3. 前記少なくとも１つの電極は、前記反応チャンバへの開口の５００ｎｍ以内の第１の領域において、前記第１の領域の外側の第２の領域と比較して増大した強度を有する電界を生成するように構成されている、請求項１に記載の集積デバイス。
  4. 前記電界は、前記反応チャンバ上の前記表面と接触して配置された懸濁液からのサンプルのローディングを支援する、請求項１に記載の集積デバイス。
  5. 前記反応チャンバは、前記サンプルの分析のために、１つのサンプルのみを保持するように構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  6. 前記反応チャンバの底部は、光導波路から１ミクロン以内で終端する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  7. 前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層は、パターン化されて、前記反応チャンバに隣接する２つの電極を形成し、前記２つの電極は、バイアスされると主に横方向に配向された電界を生成する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  8. 前記反応チャンバの下方の基板の半導体領域と、
    前記半導体領域に形成された光検出器と、
    前記光検出器に接続された導電性配線と
    をさらに備え、前記導電性配線は、前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  9. 前記表面は、前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層の表面を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  10. 前記反応チャンバは、前記少なくとも１つの導電層のうちの１つまたは複数の導電層を通って延在している、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  11. 前記反応チャンバの側壁に形成され、前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層に電気的に結合された導電性材料をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  12. 前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層と第２の導電層との間に形成された誘電体層と、
    前記反応チャンバと重なる前記誘電体層の開口と
    をさらに備え、前記誘電体層の開口の寸法は、前記表面での前記反応チャンバの開口の寸法よりも小さい、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  13. 前記少なくとも１つの導電層は、窒化チタンを含む第２の層と接触しているアルミニウムおよび／またはチタンを含む第１の層を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  14. 前記反応チャンバの底面と前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層との間の距離は、４００ｎｍ未満である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  15. 前記少なくとも１つの導電層は、
    前記集積デバイスの前記表面に配置された第１の導電層と、
    前記表面の下方に位置し、誘電材料によって前記第１の導電層から分離された第２の導電層と
    を含み、前記反応チャンバは、前記第１の導電層および前記第２の導電層を通って延在している、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  16. 前記第２の導電層は、前記第２の導電層に接続された導電性配線を除いて、前記反応チャンバから横方向に３ミクロン以下だけ延びている、請求項１５に記載の集積デバイス。
  17. 前記反応チャンバに隣接して垂直に形成された導電性ビアをさらに備え、前記導電性ビアは、前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層を前記反応チャンバの下方の導電性配線に接続する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  18. 前記反応チャンバは、前記集積デバイスの前記表面に配置され、かつ前記反応チャンバと同じ構造を有する複数の反応チャンバのうちの１つであり、前記少なくとも１つの導電層は、前記複数の反応チャンバの各反応チャンバに隣接して配置された少なくとも１つの電極をさらに形成する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  19. 前記集積デバイス上に形成され、前記複数の反応チャンバの各反応チャンバにおける第１の電極に同じバイアスを提供するように構成されたバイアス回路をさらに備える、請求項１８に記載の集積デバイス。
  20. 前記集積デバイス上に形成されたバイアス回路であって、第１のグループの反応チャンバの各反応チャンバにおいて前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層から形成された第１の電極に、第２のグループの反応チャンバの各反応チャンバにおいて前記第１の導電層から形成された第１の電極とは独立して、バイアスを提供するように構成されたバイアス回路をさらに備える、請求項１８に記載の集積デバイス。
  21. 前記集積デバイス上に形成されたバイアス回路であって、前記複数の反応チャンバのうちの１つの反応チャンバにおいて前記少なくとも１つの導電層のうちの第１の導電層から形成された第１の電極に、前記複数の反応チャンバのうちの任意の他の反応チャンバにおいて前記導電層から形成された第１の電極とは独立して、バイアスを提供するように構成されたバイアス回路をさらに備える、請求項１８に記載の集積デバイス。
  22. 前記集積デバイス上に形成されたバイアス回路であって、前記少なくとも１つの電極のうちの第１の電極および第２の電極に第１のバイアスを提供して、前記反応チャンバへの前記サンプルのローディングを支援する、第１の電界および前記第１の電界とは異なる第２の電界を提供するように構成されたバイアス回路をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  23. 前記表面との流体シールを有し、複数のサンプルを含む懸濁液を保持するように構成されたサンプルリザーバをさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の集積デバイス。
  24. 前記サンプルリザーバ内の前記懸濁液と接触するように構成された外部電極をさらに備える、請求項２３に記載の集積デバイス。
  25. サンプルを分析するための装置であって、集積デバイスを備え、前記集積デバイスは、
    前記集積デバイスの表面を通して形成された反応チャンバと、
    前記反応チャンバに隣接して配置される少なくとも１つの電極を形成する少なくとも１つの導電層と
    を有し、前記少なくとも１つの電極は、バイアスされると、前記反応チャンバへのサンプルのローディングを支援する少なくとも１つの電界を生成する、装置。
  26. 前記反応チャンバの最大寸法は、１ミクロン未満であり、前記反応チャンバは、前記サンプルの分析のために、１つのサンプルを保持するように構成されている、請求項２５に記載の装置。
  27. 少なくとも１つのバイアスを生成し、前記少なくとも１つのバイアスを前記少なくとも１つの導電層に印加するように構成されたバイアス回路をさらに備える、請求項２５または２６に記載の装置。
  28. 前記少なくとも１つのバイアスのうちの第１のバイアスは、周期的波形を備える、請求項２７に記載の装置。
  29. 前記少なくとも１つのバイアスのうちの第１のバイアスは、２つの周期的波形の組み合わせを備える、請求項２７に記載の装置。
  30. 前記反応チャンバに隣接して配置された光検出器と、
    前記サンプルが前記反応チャンバにローディングされたことを前記光検出器が検出したことに応答して、第１のバイアスを変化させるように構成されたフィードバック回路と
    をさらに備える、請求項２７に記載の装置。
  31. 前記表面との流体シールを有し、複数のサンプルを含む懸濁液を保持するように構成されたサンプルリザーバと、
    前記サンプルリザーバ内の前記懸濁液と接触するように構成された外部電極と
    をさらに備え、前記バイアス回路は、前記少なくとも１つのバイアスのうちの第２のバイアスを前記外部電極に印加するようにさらに構成されている、請求項２７に記載の装置。
  32. 前記バイアス回路は、第１の時間間隔の間に第１のバイアスを印加し、前記第１の時間間隔とは異なる第２の時間間隔の間に前記第２のバイアスを印加するようにさらに構成されている、請求項３１に記載の装置。
  33. 集積デバイスに対象サンプルをローディングするための方法であって、
    前記対象サンプルを含む懸濁液を前記集積デバイスの表面上に受け取ることを含み、前記懸濁液は、前記表面に形成された反応チャンバを覆い、前記方法は、さらに、
    第１の電極と第２の電極との間に電気信号を印加すること、
    前記反応チャンバへの前記対象サンプルのローディングを支援するように働く電界を生成すること
    を含む、方法。
  34. 前記電界を生成することは、前記反応チャンバへの開口の５００ｎｍ以内の第１の領域において、前記第１の領域の外側の第２の領域と比較して増大した強度を有する電界を生成することを含む、請求項３３に記載の方法。
  35. 前記第１の電極は、前記反応チャンバに隣接して配置され、前記反応チャンバは、１ミクロン未満の最大寸法を有する、請求項３３に記載の方法。
  36. 前記第１の電極は、前記集積デバイスの外部にあり、前記反応チャンバは、１ミクロン未満の最大寸法を有する、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  37. 前記電界は、前記対象サンプルに、前記懸濁液中の他の成分とは異なって作用する、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  38. 前記電気信号を印加することは、
    第１の電気信号を印加して、前記対象サンプルを前記懸濁液から前記集積デバイスの表面に向かって移動させること、
    第２の電気信号を印加して、前記反応チャンバ内に前記対象サンプルを移動させること
    を含む、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  39. 前記電気信号を印加することは、２つの周期的波形の組み合わせである電気信号を印加することを含む、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  40. 第２の対象サンプルの前記反応チャンバへのローディングを低減または妨害する追加の電気信号を前記第１の電極に印加することをさらに含む、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  41. 前記対象サンプルの一部を前記反応チャンバの外に移動させる追加の電気信号を前記第１の電極に印加することをさらに含む、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  42. 前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される前記電気信号とは異なる第２の電気信号を、第３の電極と前記第１の電極との間に印加することをさらに含む、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  43. 前記集積デバイスの表面に近接する前記対象サンプルの濃度を増加させるように構成されたクラウディング剤を前記懸濁液に導入することをさらに含む、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  44. 前記クラウディング剤は、多糖類である、請求項４３に記載の方法。
  45. 前記多糖類は、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、およびカルボキシメチルセルロースからなる群から選択されるセルロース化合物である、請求項４４に記載の方法。
  46. 前記懸濁液中の前記対象サンプルの浸透体積を減少させるように構成された縮合剤を前記懸濁液に導入することをさらに含む、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  47. 前記縮合剤は、前記懸濁液中でポリカチオン性であるポリカチオンを含み、前記ポリカチオンは、スペルミン、スペルミジン、ポリリジン、ポリアルギニン、ポリヒスチジン、ポリオルニチン、プトレシン、およびプロタミンから選択される、請求項４６に記載の方法。
  48. 前記対象サンプルは、核酸分子を含む、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
  49. 前記核酸分子は、約１ｋｂ〜約１０ｋｂ、約１０ｋｂ〜約２５ｋｂ、約２５ｋｂ〜約５０ｋｂ、約５０ｋｂ〜約１００ｋｂ、約５０ｋｂ〜約１００ｋｂ、約１００ｋｂ〜約２５０ｋｂ、約２５０ｋｂ〜約５００ｋｂ、または約５００ｋｂ〜約１０００ｋｂである、請求項４８に記載の方法。
  50. 集積デバイスを形成するための方法であって、
    誘電材料の領域上に少なくとも１つの導電層を形成することを含み、前記誘電材料は、少なくとも１つの導波路を含み、前記方法は、さらに、
    前記少なくとも１つの導電層を通して反応チャンバを形成すること、
    バイアスがかけられたときに、前記反応チャンバへの対象サンプルのローディングを支援するように働く電界を生成するように構成された少なくとも１つの電極を形成すること
    を含む、方法。
  51. 前記反応チャンバは、１ミクロン未満の最大寸法を有する、請求項５０に記載の方法。
  52. 少なくとも１つの導電層を形成することは、半導体領域内の集積回路の一部である半導体領域上の導電層を形成することを含む、請求項５０または５１に記載の方法。
  53. 前記反応チャンバからの放出光を検出するように構成された光検出器を形成することをさらに含み、前記光検出器は、前記半導体領域内の前記集積回路の一部である、請求項５２に記載の方法。
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