JP2021535385A - 光子カウント光検出器を用いた寿命検出システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

光子カウントを実行するように構成された光検出器を用いて発光分子の寿命を検出するためのシステムおよび方法が記載されている。システムおよび方法は、発光分子を含みうるサンプルから放出された光子を検出する光検出器アレイと、光検出器アレイに関連付けられた検出回路とを含んでもよい。検出回路は、少なくとも第１時間期間および第２時間期間に亘って、光検出器アレイにおける光検出器における入射光子の量をカウントするように構成されてもよい。

Description

本願は、生物学的および化学的サンプル中の分子を、これらのサンプルの並列分析を実行することで検出するためのシステム、方法、および技術に関する。

生物学的および化学的サンプルの検出および分析は、発光ラベルを励起する光でサンプルを照射することに応答して特徴的な波長を有する光を放出する発光ラベルでサンプルをラベル付けすることで実行されてもよい。発光された光を検出するように配置された光検出器は、信号を生成してもよく、この信号はサンプルを分析するために使用されてもよい。

米国特許出願公開第２０１９／０２５２１４号明細書 米国特許出願公開第２０１６／３４４１５６号明細書 米国特許出願公開第２０１８／１７３０００号明細書

光子カウント光検出器を用いた寿命検出システムおよび方法を改善する余地がある。

いくつかの実施形態は、光検出器アレイと、光検出器アレイに関連付けられた検出回路とを含むシステムに向けられている。検出回路は、励起光で発光分子を照明した後の第１時間期間および第２時間期間に亘って、光検出器アレイの光検出器で発光分子から受け入れた入射光子の量をカウントするように構成されている。

いくつかの実施形態では、検出回路は、第１時間期間および第２時間期間に亘って、光検出器アレイに入射した単一光子をカウントするように構成されている。いくつかの実施形態では、検出回路は、発光分子を識別する信号を生成するようにさらに構成される。

いくつかの実施形態では、検出回路は、第１タイプの発光分子を識別する第１信号と、第２タイプの発光分子を識別する第２信号とを含む、互いに異なるタイプの発光分子を識別する信号を生成するようにさらに構成されている。いくつかの実施形態では、互いに異なるタイプの発光分子は、互いに異なるヌクレオチドに関連付けられており、検出回路は、ヌクレオチド系列を識別する信号セット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、ヌクレオチド系列を識別する信号セットは、テンプレート核酸分子を配列する。いくつかの実施形態では、信号セットによって識別されるヌクレオチド系列は、テンプレート核酸分子に対して相補的な核酸分子のヌクレオチド系列である。いくつかの実施形態では、ヌクレオチド系列のうちの互いに異なるタイプのヌクレオチドは、互いに異なるタイプの発光分子でラベル付けされる。

いくつかの実施形態では、検出回路は、発光分子の寿命を示す信号を生成するようにさらに構成される。
いくつかの実施形態では、検出回路は、アレイにおける光検出器に関連付けられた少なくとも２つの光子カウント回路を有し、光検出器によって受け入れられた入射光子の量をカウントするように構成されている。いくつかの実施形態では、検出回路は、第１時間期間および第２時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の量を示す信号を生成するようにさらに構成されている。いくつかの実施形態では、検出回路によって生成された信号は、第１時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の第１量を識別する第１信号と、第２時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の第２量を識別する第２信号とを含む。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの光子カウント回路は第１光子カウント回路および第２光子カウント回路を含み、第１光子カウント回路は第１信号を生成するように構成され、第２光子カウント回路は第２信号を生成するように構成される。いくつかの実施形態では、検出回路は、第１信号と第２信号とを含む読出信号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、第１時間期間および第２時間期間は、非重複時間期間である。

いくつかの実施形態では、検出回路は、基準時間を示す制御信号を受信し、制御信号を受信することに応答して光子カウントを実行するように構成されている。いくつかの実施形態では、検出回路は、励起光のパルスを放出するように構成された光源から制御信号を受信し、制御信号の受信に応答して光子カウントを実行するように構成されている。

いくつかの実施形態では、システムはさらに、励起光を放出するように構成された少なくとも１つの光源と、励起光のパルスを放出するように少なくとも１つの光源を制御し、放出されたパルスに対応する制御信号を生成するように構成された回路とを備える。アレイにおける光検出器に関連付けられた検出回路は、回路からの制御信号のうちの少なくとも１つを受信することに応答して光子カウントを実行するように構成されている。

いくつかの実施形態では、システムはさらにサンプルウェルアレイを備え、サンプルウェルアレイにおける個々の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。いくつかの実施形態では、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメント位置は、光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントするように配置された複数のサンプルウェルからなる第１サブセットと、光検出器アレイにおける複数の光検出器に対して光学的にアライメントしないように配置された複数のサンプルウェルからなる第２サブセットとを含む。いくつかの実施形態では、サンプルウェルの第１サブセットは、アライメント位置にあるときに光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる少なくとも１つの行に対して光学的にアライメントするサンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルからなる少なくとも１つの行を含む。いくつかの実施形態では、サンプルウェルの第１サブセットは、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルからなる第１行および第２行を含み、第１行および第２行は、サンプルウェルの第２サブセット内の複数のサンプルウェルからなる少なくとも１つの行によって分離されている。

いくつかの実施形態では、システムはさらに、サンプルウェルアレイから放出された光子を光検出器アレイに向けるように配置された少なくとも１つの光学素子を備える。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光学素子は、サンプルウェルアレイにおける１つのサンプルウェルから放出された光子を、光検出器アレイにおける１つの光検出器に向けるように配置されている。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光学素子は、サンプルウェルアレイにおける１つのサンプルウェルから放出された光子を、光検出器アレイにおける１つの光検出器の検出領域に対して重なるようにアライメントさせ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つの光学素子は、少なくとも１つの光源によって放出された光をサンプルウェルアレイに向けて方向付けるとともに、発光分子によって放出された光を光検出器アレイに伝送させるように配置されたダイクロイックミラーを含む。

いくつかの実施形態では、システムはさらに少なくとも１つの導波路を備え、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部は、少なくとも１つの導波路からの光を受け入れるように配置されている。いくつかの実施形態では、サンプルウェルアレイおよび少なくとも１つの導波路は、サンプルチップ上に統合されており、サンプルウェルアレイはサンプルチップの表面上に配置されている。いくつかの実施形態では、サンプルチップはさらに、外部光源からの光を受け入れて光を少なくとも１つの導波路に光学的に結合するように構成されたグレーティングカプラからなる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光学素子は、リレーレンズ構成で配置された複数のレンズを含む。

いくつかの実施形態では、光検出器アレイは、単一光子アバランシェフォトダイオードのアレイを備える。
いくつかの実施形態では、光検出器アレイを備える検出回路を含む装置に向けられている。検出回路は、核酸分子に組み込まれる互いに異なるヌクレオチドに関連する発光分子間で区別するために、発光分子から光検出器アレイによって受け入れられた入射光子をカウントするように構成されている。

いくつかの実施形態では、検出回路は、個々のヌクレオチドが核酸分子に組み込まれるにつれて、ヌクレオチド系列を識別する信号を生成するようにさらに構成される。いくつかの実施形態では、発光分子は、互いに異なるタイプのヌクレオチドをラベル付けする。

いくつかの実施形態では、装置はさらに、テンプレート核酸分子を受け入れるように構成された複数のサンプルウェルを含み、アレイにおける１つの光検出器は、複数のサンプルウェルのうちの１つからの光を受け入れるように配置されている。いくつかの実施形態では、核酸分子は、テンプレート核酸分子に対して相補的である。

いくつかの実施形態は、光検出器アレイにおける光検出器によって発光分子からの光子を受け入れる工程と、検出回路を使用して第１時間期間および第２時間期間に亘って光検出器に入射する光子の量をカウントする工程とを備える光検出方法に向けられている。

いくつかの実施形態では、光検出方法は、発光分子を識別する信号を生成する工程をさらに含み、ここで、信号は、第１時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた光子の第１量と、第２時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた光子の第２量とを示す。いくつかの実施形態では、光検出方法は、励起光のパルスでサンプルを照射する工程をさらに含み、ここで、光子の量をカウントする工程は、励起光のパルスでサンプルを照射する工程に応答して発生する。

いくつかの実施形態は、少なくとも１つの非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体に向けられており、この記憶媒体は、少なくとも１つのハードウェアプロセッサによって実行されると、少なくとも１つのハードウェアプロセッサに以下からなる光子検出方法を実行させる、プロセッサ実行可能な命令を記憶している。光子検出方法は。少なくとも１つの光源を制御するように構成された回路から、少なくとも１つの光源によって放出される光のパルスに対応する制御信号を受信する工程と、制御信号の受信に応答して、光検出器アレイにおける光検出器に入射する光子のカウントを実行するように構成された検出回路を制御する工程とを備える。カウントは、第１時間期間および第２時間期間に亘って検出器によって受け入れられた入射光子の量をカウントする工程を含む。

いくつかの実施形態では、検出回路は、第１時間期間および第２時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の量を示す信号を生成するようにさらに構成されている。いくつかの実施形態では、検出回路によって生成された信号は、第１時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の第１量を識別する第１信号と、第２時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の第２量を識別する第２信号とを含む。

いくつかの実施形態は、サンプルウェルアレイを光検出器アレイにアライメントさせるための方法に向けられている。この方法は。光検出器アレイを使用して、光検出器アレイに入射するサンプルウェルアレイからの光を検出する工程と、および検出された光に基づいて、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程とを備える。位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部が、光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントすることを許容する。

いくつかの実施形態では、光検出器アレイにおける個々の光検出器によって検出される光の量は、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメントの度合いを示す。いくつかの実施形態では、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイを第１位置から第２位置に移動させる工程を含み、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第１サブセットは、サンプルウェルアレイが第２位置にあるときの方が第１位置にあるときよりもより多くの光子量を検出する。いくつかの実施形態では、サンプルウェルアレイが第２位置にあるときの方が第１位置にあるときよりも、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第２サブセットはより少ない量の光子を検出する。

いくつかの実施形態において、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる少なくとも１つの行に対して光学的にアライメントするように、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルからなる少なくとも１つの行を位置決めする工程を備える。いくつかの実施形態では、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイおよび／または光検出器アレイを並進方向に移動させる工程を備える。いくつかの実施形態では、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイおよび／または光検出器アレイを斜めに（ａｔ ａｎ ａｎｇｌｅ）回転させる工程を備える。いくつかの実施形態では、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、検出された光のパターンをアライメントパターンと比較する工程を備え、アライメントパターンは、閾値未満の光の量を検出している光検出器の少なくとも１つを有する。

いくつかの実施形態は、そこに格納された命令を有するコンピュータ読取可能な記憶媒体に向けられており、この命令は、プロセッサによって実行されると光検出方法を実行することができる。光検出方法は、少なくとも１つの光源を制御するように構成された回路から、少なくとも１つの光源によって放出される光のパルスに対応する制御信号を受信する工程と、この制御信号を受信することに応答して光検出器アレイにおける光検出器に入射する光子のカウントを実行するように構成された検出回路を制御する工程とを含む。光子カウントは、第１時間期間および第２時間期間に亘って検出器によって受け入れられた入射光子の量をカウントする工程を含む。

いくつかの実施形態は、サンプルウェルアレイを光検出器アレイにアライメントさせるための方法に向けられている。この方法は、光検出器アレイを用いて、光検出器アレイに入射するサンプルウェルアレイからの光を検出する工程と、検出された光に基づいて光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程とを備え、位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部が、光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントすることを許容する。

いくつかの実施形態は、ステージと、光を検出するように構成された光検出器アレイと、光検出器アレイに関連付けられた検出回路と、回路とを備えるシステムに向けられ、検出回路は、光検出器アレイに入射する光子を示す信号を生成するように構成される。回路は、検出回路からの信号を受信する工程と、受信された信号に基づいて光検出器アレイに対するステージの相対的な位置決めを調整する工程とを備える方法を実行するように構成され、位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部が、光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントすることを許容する。

いくつかの実施形態では、回路は、少なくとも１つのプロセッサと、実行されると上記方法を実行するコンピュータ実行可能な命令でコード化された少なくとも１つのコンピュータ読取可能な記憶媒体とを備える。

いくつかの実施形態では、受信された信号は、光検出器アレイにおける個々の光検出器によって検出された光の量を示し、光の量は、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメントの度合いを示す。いくつかの実施形態では、光検出器アレイに対するステージの位置決めを調整する工程は、さらに、ステージの位置を第１位置から第２位置に調整する工程を備え、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第１サブセットは、ステージが第２位置にあるときの方が第１位置にあるときよりもより多くの量の光子量を検出する。いくつかの実施形態では、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第２サブセットは、サンプルウェルアレイが第２位置にあるときの方が第１位置にあるときよりもより少ない量の光子を検出する。いくつかの実施形態では、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決め（ポジショニング）を調整する工程は、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルからなる少なくとも１つの行を、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる少なくとも１つの行に対してアライメントするように位置決めする工程を備える。

本願の様々な側面および実施形態は、以下の図を参照して記載される。図は、必ずしも縮尺で描かれていないことが理解されるべきである。複数の図に現れる項目は、それらが現れるすべての図において同じ参照番号で示される。

本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従った、検出システムを示すブロック図である。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、検出システムに含まれ得る例示的な光学部品を例示する概略図である。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、時間経過に伴う電気ゲートの動作を例示するプロットである。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、検出回路に含まれ得る例示的なタイプの回路の概略図である。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、光子カウントを得るための例示的な処理のフローチャートである。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、単一光子アバランシェフォトダイオードのアレイのためのスペクトル光子検出効率のプロットである。 本明細書に記載されている技術のうちのいくつかの実施形態に従って、単一光子アバランシェフォトダイオードのためのスペクトル光子検出効率のプロットである。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、互いに異なる発光減衰特性を有する２つの互いに異なる発光分子の発光確率曲線のプロットである。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、発光光子の光子カウントのプロットである。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、光パルスのトレインのプロットである。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、サンプルウェル内で起こり得る例示的な生物学的反応の概略図である。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、複数のサンプルウェルからなる行を有する例示的なサンプルチップの断面図の概略図である。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの光学的アライメントを例示する平面図である。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、サンプルウェルアレイと光検出器アレイとの間の並進ミスアライメントを例示する平面図である。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、サンプルウェルアレイと光検出器アレイとの間の回転ミスアライメントを示す平面図である。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、サンプルウェルアレイを光検出器アレイにアライメントするための例示的な処理のフローチャートである。 本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って使用されうる、例示的なコンピューティングデバイスのブロック図である。

本願の側面は、サンプル内の単一分子の同定および核酸の配列決定を含む、サンプルを並列に分析するためのシステムおよび関連する方法に関する。サンプルの分析は、サンプルを検出するためおよび／またはサンプルの単一分子を同定するために使用され得る１つ以上の発光性ラベル付け（例えば、蛍光分子）でサンプル中の分子をラベル付けする工程を含んでもよい（例えば、核酸の配列決定の一部として個々のヌクレオチドを同定する工程）。蛍光分子でラベル付けされたまたは他の方法で光を発してもよい分子でラベル付けされた分子などの発光分子は、励起光（例えば発光分子を励起状態にしてもよい特徴的な波長を有する光）で発光分子を照射することに応答して励起されてもよい。発光分子は励起状態になると、発光光（例えば、励起状態から基底状態に戻ることで発光分子が発する特徴的な波長を有する光）を発光させることができる。発光光を検出することで、その発光光の時間的特性（例えば、その発光減衰時間期間、または「寿命」）、特徴的な発光波長、および特徴的な吸収波長を含む、１つ以上の光の特性を用いて、発光分子を識別することを許容してもよい。光の時間的特性は、励起光で発光分子を照明し、照明に続いて光検出器によって発光分子から光子が受け入れられるときに関連する時間を決定することで識別され得る。光の典型的な時間特性は、ピコ秒から数百ナノ秒の範囲であり得る。

光の時間的特性を特定する際の限界は、励起状態に到達した後に発光分子から光子が放出される短い時間スケールから、およびいくつかの光検出器がこれらの時間スケールで光子を検出することを許容するような方法では動作できないかもしれないことから生じるかもしれない。これらの制限は、単一分子をラベル付けするために単一の発光分子または少数の発光分子を使用することで、および励起状態になることに応答して発光分子が発光する確率を使用することで発光分子の同定が制限されるかもしれない単一分子検出の文脈において、より重要になるかもしれない。ある度合いまでは、これらの制限は、サンプルの繰り返し照明および放出された光子の検出を実行することで克服することができ、ここで、互いに異なる照明イベントに続く同じ時間期間に検出された光子は、特定のサンプルから放出された光を特徴付ける時間プロファイルを識別するために蓄積されてもよい。しかしながら、このような繰り返しの照明および光子検出に関連するタイミングは、使用される光検出器によっていくつかの点で制限されるようになる。例えば、光検出器が、ピコ秒から数百ナノ秒までの範囲であり得る光の時間的特性を検出するために必要な短い時間枠内で複数の検出時間期間のためにそれ自身を構成する能力を欠いている可能性があるので、いくつかの光検出器は、サンプルの照明に続く１つの時間期間内に受け入れられた光子のみを検出することができるかもしれない。このようなタイプの制限は、放出された光の不完全または不正確な時間プロファイルをもたらす可能性があり、これは、サンプル中に存在するものとしての分子の不正確な識別、または特定の分子がサンプル中に存在しないことの表示をもたらす可能性がある。相補的な核酸鎖に組み込まれるヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログをラベル付けするために、識別される発光分子が使用されるリアルタイム核酸配列決定の文脈では、１０ｍｓ（ミリ秒）〜１０００ｍｓの範囲であり得る組み込みイベントのタイミングに起因してさらなる制限が生じる可能性がある。いくつかの従来の光検出器は、この時間スケール内で繰り返し照明に時間的に同期した繰り返し光子検出を実行する能力を欠いている可能性があり、したがって、所望のレベルの精度で個々の組み込みイベントの属性（例えば、蛍光寿命）を検出する能力を欠いている。

本発明者らは、サンプルの照明に続く複数の時間期間内に受け入れられた光子を識別することで、サンプル中に存在する発光分子の時間的特性の検出が改善される可能性があることを認識し、理解している。本出願の側面は、サンプルを照明する励起光のパルスに関連する時間であってもよい基準時間に続く複数の時間期間内に光検出器によって受け入れられた光子の量を検出するように構成された光検出器および関連する検出回路に関する。いくつかの実施形態では、検出回路は、励起光による発光分子の照明に続く第１時間期間および第２時間期間に亘って、光検出器で発光分子から受け入れた入射光子の量をカウントしてもよい。検出回路は、光検出器に関連付けられた第１光子カウント回路および第２光子カウント回路を少なくとも含み、第１時間期間および第２時間期間に亘って受け入れられた入射光子の量を示す信号をそれぞれ生成してもよい。検出回路によって生成された読出信号は、第１信号と第２信号とを含んでもよい。このようにして、検出回路からの結果として得られる読出信号は、発光分子によって放出された光の時間的特性（例えば、寿命）の指標を提供してもよい。いくつかの実施形態では、光検出器は単一光子アバランシェフォトダイオードであり、検出回路は、入射光子の受け入れに応答して単一光子アバランシェフォトダイオードによって生成された電気信号に基づいて光子カウントを実行してもよい。

本発明者らは、本明細書に記載されているように、複数の時間期間に光子カウントを実行するように構成された光検出器および関連する検出回路を実装することは、発光分子の時間的特性の検出を改善する様々な利点を提供する可能性があることを認識し、理解している。これらの利点には、サンプルを照明する単一のインスタンスに続く複数の時間期間に亘って受け入れられた光子の量を検出する能力が含まれる。これにより、発光分子の時間的特性を特徴付ける時間プロファイルの改善された識別が可能となり、その結果、発光分子がサンプル中に存在するものとしてより正確に検出される可能性がある。本明細書に記載されるような光検出器および検出回路は、リアルタイム核酸配列決定を実行するために必要とされるような、短い時間スケール内で発光分子を検出することを伴うアプリケーションにとって特に有益であるかもしれない。特に、個々の組み込みイベントに関連する時間制約は、成長中の核酸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アナログをラベル付けするために使用される発光分子によって放出される光子を検出するために許容される時間の持続期間を制限することができる。複数の時間期間に亘って光子のカウントおよび蓄積を実行するように構成された光検出器および検出回路を実装することで、光子検出が続く照明のより少ない繰り返しは、照明に続く単一の時間期間内でのみ光子を検出することができる従来の光検出器を使用する場合と比較して、発光分子について同じまたは同様の時間プロファイルを達成するために必要とされうる。さらに、読み出しフレームが照明の複数回の繰り返しにわたる光子カウントの蓄積に関連する信号を含むモードで光検出器および検出回路を動作させることは、信号対雑音比を改善してもよく、これはまた、所望の信号対雑音比を達成するために必要とされる照明強度を低減してもよい。

本願のうちのいくつかの実施形態は、本明細書に記載されているように、複数の時間期間にわたって光子カウントを実行するように構成された光検出器および検出回路を含む、発光分子を検出するための検出システムに関する。検出システムは、サンプルウェルアレイを含んでもよく、ここで、サンプルウェルアレイにおける個々のサンプルウェルは、サンプル（例えば、テンプレート核酸分子）を受け入れるように構成されている。検出システムは、サンプル中に存在する発光分子を励起するように構成された１つ以上の光源と、光をサンプルウェルアレイに向けて方向付けるように構成された１つ以上の光学部品とを含んでもよい。いくつかの実施形態によれば、１つ以上の光源は、光のパルスを放出するように構成されていてもよく、検出回路によって実行される光子カウントのタイミングは、光のパルスのタイミングに依存していてもよい。特に、１つ以上の光源に関連付けられた制御回路は、個々の光のパルスが放出されるタイミングに対応する制御信号を生成してもよく、検出回路は、制御信号を受信することに応答して光子カウントの実行を開始してもよい。このようにして、光源によって放出された光のパルスは、光子カウントを実行し始めるための検出回路のための外部トリガとして作用してもよい。

サンプルウェルアレイは、サンプルチップの一部として統合されていてもよく、ステージなどの検出システムの別の構成要素とインタフェースしていてもよい。ステージは、光検出器に対してサンプルウェルアレイを相対的に配置するために使用されてもよい。サンプルチップは、構成要素に取り外し可能に取り付けられてもよく、これにより、動作中に別々のサンプルチップが互いに異なるサンプルに使用されることが可能になるかもしれない。したがって、本願の側面は、互いに異なるサンプルウェルから放出された光子を、放出された光子を検出するためにどの光検出器が使用されるかに基づいて互いに区別することを許容する態様で、サンプルウェルアレイを光検出器アレイにアライメントさせるための技術に向けられている。光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメントは、サンプルウェルのうちのいくつかまたは全部が複数の光検出器のうちの少なくともいくつかに対して光学的にアライメントするように、２つのアレイを互いに相対的に位置決めすること（例えば、光検出器アレイのためのステージおよび／またはサンプルウェルアレイのためのステージの位置決めを調整すること）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメントは、個々のサンプルウェルと個々の光検出器との間に１対１の対応関係が存在するように、２つのアレイを互いに相対的に位置決めすることを含んでもよい。

本発明者らは、すべてではない光検出器がサンプルウェルに対して光学的にアライメントされるようにサンプルウェルアレイおよび光検出器アレイを構成することは、アライメント処理に亘って特定の利点を提供する可能性があることをさらに認識し、理解している。特に、光検出器アレイにおける光検出器の配置およびサンプルウェルアレイにおけるサンプルウェルの配置は、いくつかのサンプルウェルが光検出器に対して光学的にアライメントしているときに、サンプルウェルに対して光学的にアライメントしていないいくつかの光検出器が存在するようなものであってもよい。そのような場合、サンプルウェルアレイを光検出器アレイにアライメントさせるための技術は、光検出器の１つのサブセットが後続の位置でより大きな量の光子を検出する一方で、光検出器の別のサブセットが後続の位置でより小さな量の光子を検出するように、光検出器によって検出される光の量を示す信号に基づいて２つのアレイの相対的な位置決めを調整することを含んでもよい。このようにして、いくつかの光検出器は、光を受け入れるように配置された光検出器として指定されてもよく、これは「明るい」光検出器と呼ばれてもよい。一方、他の光検出器は、光を受け入れないように配置された光検出器として指定されてもよく、これは、アライメントしたときに光子を検出しないか、または少量の光子を検出するので、「暗い」光検出器と呼ばれてもよい。例えば、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルからなる行および／または列の位置決め（ポジショニング）と、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる行および／または列の位置決めとは、光検出器のうちのいくつかの行または列がサンプルウェルに対して光学的にアライメントしているときに、アライメントしていない他の行または列が存在するようなものであってもよい。そのような場合、サンプルウェルアレイを光検出器アレイにアライメントさせるための処理は、複数の光検出器のうちのいくつかの行または列がより多くの光子を検出する一方で、複数の光検出器の他の行または列がより少ない光子を検出するように、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程を含んでもよい。これらのアライメント技術は、サンプルウェルアレイを光検出器アレイに光学的にアライメントさせる際のある種の困難を克服してもよい。例えば、光信号の欠如またはより小さい光信号を検出することは、光信号が増加したときに検出するよりも容易であるかもしれないので、いくつかの光検出器を「暗い」と指定することは、より細かい調整を容易にするかもしれない。これらの光学アライメント技術は、サンプルウェルの数が１００および１００，０００の範囲内にある場合など、サンプルウェルの数が多い場合に特に適しているかもしれない。

上述の側面および実施形態、ならびに追加の側面および実施形態は、以下にさらに記載される。これらの側面および／または実施形態は、個別に、すべて一緒に、または２つ以上の任意の組み合わせで使用することができ、本願がこの点で限定されるものではない。

図１は、いくつかの実施形態に従ってサンプル中に存在する発光分子を検出してもよい分子検出システム１００を例示するブロック図である。分子検出システム１００は、サンプルの分子（例えば、テンプレート核酸）と発光分子１０６（例えば、蛍光ラベル付けされたヌクレオチド）とを含む分子を受け入れるように構成されたサンプルウェルを有するサンプルウェルアレイ１０４を含んでもよい。分子検出システム１００は、発光分子１０６を励起し得る励起光１２２を発する励起光源１０８を含んでもよい。発光分子がサンプルウェルアレイ１０４のサンプルウェル内に配置され、励起光１２２を受け入れると、発光分子はそれに応答して光（発光光）１２４を放出してもよい。分子検出システム１００は、発光分子（複数可）１０６によって放出された光１２４を含む、サンプルウェルアレイ１０４からの光１２４を検出するように構成された光検出器アレイ１１４を含んでもよい。光検出器アレイ１１４内の個々の光検出器は、特定の光検出器によって検出された光が特定のサンプルウェルに由来するものとして識別されるように、サンプルウェルアレイ１０４内のサンプルウェルに対応してもよい。分子検出システム１００は、光検出器アレイ１１４内の光検出器によって生成された信号を検出してもよい検出回路１１６を含んでもよく、この信号は光検出器によって検出された入射光子を示す。いくつかの実施形態では、光検出器は、光検出器によって受け入れられた入射光子に対応する電流を生成してもよく、検出回路１１６はその電流を検出してもよい。このように、光検出器アレイ１１４および検出回路１１６は、単一光子の検出と個々の光子のカウントとを許容してもよい。いくつかの実施形態では、光検出器アレイ１１４は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を備える。そのような実施形態では、ＳＰＡＤは、入射光子の受け入れに応答して電荷キャリアを生成してもよく、これは時間の持続期間を有するアバランシェ電流をトリガしてもよい。検出回路１１６は、アバランシェ電流を検出するとともに、ＳＰＡＤが入射光子を受け入れたことを示す信号を生成してもよい。

いくつかの実施形態では、光検出器アレイ１１４における光検出器の配置は、光検出器同士が５０μｍから６００μｍの範囲内であってもよい特定の距離だけ互いに離れているがまたはその範囲内の任意の値または値の範囲であってもよい光検出器を配置することを含んでもよい。いくつかの実施形態では、光検出器アレイ１１４内の光検出器の配置は、光検出器同士が少なくとも５００μｍの距離だけ互いに間隔をあけて配置されるようなものであってもよい。個々の光検出器が特定の領域または場所から放出された光を受け入れるように配置され得るので、このようなタイプの光検出器の配置は、単一分子を検出するための検出システムの能力を向上させることができる。そのような場合、光検出器アレイでは、撮像面積に対する検出器面積の割合が１０％未満に等しいことがある。いくつかの実施形態では、撮像領域に対する検出器面積の割合は、１％〜５％の範囲であってもよい。光検出器アレイ１１４内の個々の光検出器は、１０μｍ〜５０μｍの範囲内の活性直径を有してもよく、またはその範囲内の任意の値または値の範囲を有してもよい。単一分子分析のために本明細書に記載された集積デバイスを使用する文脈において、これらの光検出器の配置は、単一のサンプルウェルから放出された光についての光検出器アレイ１１４内の個々の光検出器による検出を改善してもよい。

このようなタイプの光検出器の配置は、特定の領域からの光の検出を含む他の光検出および撮像技術に適している可能性があることが理解されるべきである。撮像技術の文脈において、撮像領域に対する適切に低い検出器領域を有する光検出器の配置を有することは、低いフィルファクターを有することとも呼ばれ得るが、サンプル内の特定の領域に由来する光を検出することが可能な開口部の配列として個々の光検出器が機能することを許容することができる。特に、そのような光検出器の配置は、特定の領域でサンプルに由来する光を検出するための光検出器の配置のために、画像化されるサンプルの改善された光学分解能を達成するために実施されてもよい。例えば、そのような光検出器の配置は、共焦点顕微鏡法のような、サンプルの走査領域を含む特定のタイプの撮像技術に対して利点を提供してもよい。従来の共焦点顕微鏡法では、撮像されるサンプルの光学的分解能は、一度にサンプル中の１つのセクションを照明するために点状照明を使用し、サンプルの特定の領域にわたって点状照明を走査してサンプルの領域の画像を得ることで達成され得るが、これはラスタースキャンと呼ばれることがある。対照的に、低いフィルファクターを有する光検出器の配置は、画像化されるサンプルの特定の識別可能なセクションに個々の光検出器が対応するので、従来の共焦点顕微鏡のような完全なスキャンを実行することなく、サンプルの画像において所望の光学的解像度を提供するために実装されてもよい。画像を形成するためにサンプルの領域全体をスキャンする代わりに、サンプルの領域の完全な画像を形成するためにサンプルの領域内の特定のセクションをスキャンするために個々の光検出器が使用されるように、サンプル平面または光検出器アレイのいずれかを移動させてもよい。このような技術は、サンプルのより小さなセクションが効果的にスキャンされるように、光検出器アレイおよびサンプルが互いに相対的に再配置されるたびに、画像データが光検出器のうちのいくつかまたは全部によって取得されるので、共焦点画像と同様の光学的解像度を有する画像が得られる速度を向上させることができる。これらのスキャンされた小さなセクションを組み合わせて、サンプルの関心領域の完全な画像を形成することができる。これらの撮像技術は、全内部反射蛍光（ＴＩＲＦ）照明、インコヒーレント広視野照明、レーザースポットアレイによる照明、または他の任意の構造化されたサンプル照明技術を含む、互いに異なるタイプのサンプル照明に適用することができることが理解されるべきである。

サンプルウェルアレイ１０４内のサンプルウェルのうちのいくつかまたは全部が光を受け入れるように、任意の適切な光結合技術は、励起光源１０８によって放出された光をサンプルウェルアレイ１０４に結合するために実装されてもよい。いくつかの実施形態では、励起光源（複数可）１０８によって放出された光のビームは、サンプルウェルアレイ１０４内のサンプルウェルのうちのいくつかまたは全部を照明してもよい。光ビームがサンプルウェルアレイ１０４の側面に向けられている実施形態では、サンプルウェルアレイ１０４への励起光源（複数可）１０８のそのような配置は、裏面照明（ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）とみなされてもよい。いくつかの実施形態では、励起光源（複数可）１０８およびサンプルウェルアレイ１０４に相対的に配置された１つ以上の光学部品は、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルが励起光１２２を受け入れることを許容するように、励起光源（複数可）１０８によって放出される光ビームの直径を広げるように作用してもよい。他の実施形態では、サンプルウェルアレイ１０４は、「サンプルチップ」と呼ばれてもよいフォトニックデバイスの一部として集積されている。サンプルチップは、光をサンプルウェルに伝搬させるように構成された１つ以上の導波路を含んでもよい。１つ以上の導波路は、ファセット光カプラおよびグレーティング光カプラを含む任意の適切な結合部材を介して、光学的に励起光源１０８に結合してもよい。

分子検出システム１００は、サンプルウェルアレイ１０４から放出された光を光検出器アレイ１１４に向けて方向付けるための任意の適切な光学素子を含む光学部品（複数可）１１２を含んでもよい。いくつかの実施形態では、光学部品（複数可）１１２は、サンプルウェルアレイ１０４内の１つのサンプルウェルから放出された光子を、光検出器アレイ１１４内の１つの光検出器に向けるように配置されてもよい。一例として、光学部品（複数可）１１２は、サンプルウェルから放出された光がその対応する光検出器によってのみ検出されるように、個々のサンプルウェルからの光をそれらの対応する光検出器に向けてもよい。そのような場合、放出された光子のうちのいくつかまたは全部が検出領域に入射するように、分子検出システム１００に配置された光学部品（複数可）１１２は、サンプルウェルアレイ１０４の１つのサンプルウェルから放出された光子を、光検出器アレイ１１４内の光検出器の検出領域に対して光学的に重なるべくアライメントさせてもよい。

光学部品（複数可）１１２は、励起光がサンプルウェルアレイ１０４に対して光学的に結合するように、励起光源（複数可）１０８によって放出された励起光１２２をサンプルウェルアレイ１０４に向けて方向付けるための１つまたは複数の光学素子を含んでもよい。光学部品（複数可）１１２のうちのいくつかの組み合わせ（これは、例えば、レンズ、ミラー、光学フィルタ、減衰器、ビームステアリング部品、ビーム整形部品のそれぞれが無い、１つ、またはそれ以上を含んでもよい）は、励起光源からの光をサンプルウェルアレイ１０４に向けて動作するように、および／または送達するように構成されていてもよい。光学部品（複数可）１１２は、分析されるべきサンプルを含んでもよい少なくとも１つのサンプルウェルに光を向けるように配置されてもよく、少なくとも１つのサンプルウェルからの光信号（例えば、蛍光、後方散乱放射）を光検出器アレイ１１４に向けて方向付けるように配置されてもよく、ここで検出回路１１６は、受け入れられた光信号を代表する１つ以上の電気信号を生成してもよい。いくつかの実施形態では、光学部品（複数可）１１２は、励起光源（複数可）によって放出された光をサンプルウェルアレイ１０４に向けて方向付けるように配置されたダイクロイックミラーを含んでもよい。ダイクロイックミラーは、発光分子（複数可）１０６によって放出された光が光検出器アレイ１１４に向かって励起光の伝送を減少させながら、ダイクロイックミラーを通って光検出器アレイ１１４に伝送することを許容してもよい。いくつかの実施形態では、光学部品（複数可）１１２は、リレーレンズ構成で配置された複数のレンズを含んでもよい。リレーレンズ構成は、サンプルウェルアレイ１０４内の個々のサンプルウェルと、光検出器アレイ１１４内の個々の光検出器との間の１対１の対応を許容してもよい。

分子検出システム１００は、サンプルウェルアレイ１０４および光検出器アレイ１１４を互いに相対的に位置決め（ポジショニング）するためのステージ（複数可）と関連するステージ制御回路とを含んでもよい。ステージ（複数可）は、サンプルウェルアレイ１０４および／または光検出器アレイ１１４を移動させるときに並進および／または回転の自由度を提供するように構成されてもよい。例えば、サンプルウェルアレイ１０４は、第１ステージ１０２に取り付けられてもよく、光検出器アレイ１１４は、第２ステージ１２６に取り付けられてもよい。図１に示すように、分子検出システム１００は、サンプルウェルアレイ１０４を位置決めするための第１ステージ１０２と、光検出器アレイ１１４を位置決めするための第２ステージ１２６とを含んでもよい。第１ステージ１０２に結合された第１ステージ制御回路１１０は、第１ステージ１０２を制御するための制御信号を提供してもよく、第２ステージ１２６に結合された第２ステージ制御回路１２８は、第２ステージ１２６を制御するための制御信号を提供してもよい。第１ステージ１０２および／または第２ステージ１２６は、サンプルウェルアレイ１０４および／または光検出器アレイ１１４に並進運動および／または回転運動を提供するように構成されてもよい。例えば、第１ステージ１０２は、サンプルウェルアレイ１０４に対して並進運動を提供するように構成されてもよく、一方、第２ステージ１２６は、光検出器アレイ１１４に対して回転運動を提供するように構成されてもよい。さらに別の実施形態では、第１ステージ１０２は、サンプルウェルアレイ１０４のための回転運動を提供するように構成されてもよく、一方、第２ステージ１２６は、光検出器アレイ１１４のための並進運動を提供するように構成されてもよい。さらに別の実施形態では、第１ステージ１０２および第２ステージ１２６の両方は、回転運動および並進運動の両方を提供するように構成されてもよい。

第１ステージ１０２ならびに第２ステージ１２６および関連する第１ステージ制御回路１１０ならびに第２ステージ制御回路１２８が図１に示されているが、本明細書に記載された検出システムのうちのいくつかの実施形態は、サンプルウェルアレイ１０４を移動させるためのステージまたは光検出器アレイ１１４を移動させるためのステージなど、１つのステージのみを使用することを含んでもよいことが理解されるべきである。そのような実施形態では、ステージは、光検出器アレイ１１４に対してサンプルウェルアレイ１０４を相対的に位置決めするための回転運動および並進運動の両方を提供するように構成されてもよい。例えば、本明細書に記載された検出システムのうちのいくつかの実施形態では、第１ステージ１０２は、サンプルウェルアレイ１０４に対して並進運動および回転運動の両方を提供するように構成されてもよい。別の例として、第２ステージ１２６は、光検出器アレイ１１４に対して並進運動および回転運動の両方を提供するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、光学部品（複数可）１１２のうちのいくつかまたは全部は、図１に示すように、第１ステージ１０２上または第２ステージ１２６上などの検出システムの１つまたは複数のステージに取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、励起光源１０８は、第１ステージ１０２上などの検出システムの１つのステージに取り付けられてもよい。光学部品（複数可）１１２および／または励起光源（複数可）１０８の一部または全部をステージに取り付けることは、光検出器アレイ１１４に対するサンプルウェルアレイ１０４の相対的な位置決めに亘って、励起光をサンプルウェルアレイ１０４に再アライメントする必要性を減少させ、これにより、励起光源（複数可）に対するサンプルウェルアレイ１０４の改善された光学的アライメントを許容することができるかもしれない。

図２は、いくつかの実施形態によれば、サンプルウェルアレイ１０４のサンプルウェル２０４からの発光光を、光検出器アレイ１１４の光検出器２１４に向けるために分子検出システム１００において使用され得る例示的な光学部品（２２０、２２２、２２４、２２６、および２２８）の概略図である。図２に示すように、光学部品は、第１レンズ２２０、フィルタ２２２、第２レンズ２２４、第３レンズ２２６、および第４レンズ２２８を備える。いくつかの実施形態では、第１レンズ２２０は、６０倍の対物レンズである。いくつかの実施形態では、第２レンズ２２４は、１倍のチューブレンズである。いくつかの実施形態では、第３レンズ２２６は、１００ｍｍの焦点距離を有するリレーレンズである。いくつかの実施形態では、第４レンズ２２８は、２００ｍｍの焦点距離を有するリレーレンズである。フィルタ２２２は、励起光の伝送を減少させるかまたは遮断するように構成されてもよく、これにより、励起光が光検出器アレイ１１４内の光検出器２１４に到達するのを減少させてもよい。

光検出器アレイ１１４に関連する検出回路１１６は、個々の光検出器に入射する光子の光子カウントを実行するように構成されている。いくつかの実施形態では、検出回路１１６は、光検出器からの電気信号を処理するように構成された信号処理エレクトロニクス（例えば、１つ以上のマイクロコントローラ、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ、１つ以上のマイクロプロセッサ、１つ以上のデジタル信号プロセッサ、ロジックゲートなど）を含んでもよい。光検出器アレイ１１４が発光分子（複数可）１０６から放出された光子を受け入れるように配置されている動作中、検出回路１１６は、個々の発光分子を識別する信号を生成してもよい。検出回路１１６によって生成された信号は、互いに異なるタイプの発光分子の間で区別することを許容してもよい。検出回路１１６は、第１タイプの発光分子を識別する第１信号と、第２タイプの発光分子を識別する第２信号とを生成してもよい。

いくつかの実施形態では、検出回路１１６は、基準時間に続く互いに異なる時間期間に亘って、光検出器アレイ１１４内の光検出器に入射する光子の量をカウントしてもよい。基準時間は、光検出器アレイ１１４内の光検出器に入射する光子のカウントを開始するための検出回路１１６のためのトリガとして作用してもよい。検出回路１１６は、外部装置から基準時間を示す制御信号を受信してもよく、制御信号を受信することに応答して、検出回路１１６は、光検出器アレイ１１４内の光検出器に入射する光子の光子カウントを実行し始めてもよい。いくつかの実施形態では、検出回路１１６は、基準時間に続く第１時間期間および第２時間期間に亘って、光検出器に入射する光子の量をカウントするように構成される。第１時間期間および第２時間期間は、重複しない時間期間であってもよい。いくつかの実施形態では、入射光子が検出回路１１６によってカウントされていない時間期間は、第１時間期間と第２時間期間とを分離してもよい。「遅延時間」とみなされてもよいそのような時間期間は、第１時間期間と第２時間期間との間で検出回路の再武装を許容してもよく、検出回路による光子カウントの精度を向上させてもよい。

いくつかの実施形態では、検出回路１１６は、光検出器アレイ１１４内の光検出器に入射する光子をカウントするための複数の光子カウント回路を含んでもよい。そのような実施形態では、検出回路１１６は、光検出器アレイ１１４内の個々の光検出器に関連付けられた１つ以上の光子カウント回路を含んでもよく、ここで、光子カウント回路（複数可）の各々は、時間期間に亘って対応する光検出器によって受け入れられた入射光子の量をカウントするように構成されている。複数の光子カウント回路が光検出器アレイにおける光検出器に関連付けられている場合、光子カウント回路の各々は、光検出器に入射した光子がカウントされる時間期間に亘って、異なる時間期間に対応していてもよい。いくつかの実施形態では、２つ以上の光子カウント回路は、光検出器アレイ１１４内の個々の光検出器に関連付けられ、２つ以上の時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の量を示す信号を生成するように構成されている。一例として、光検出器アレイ１１４内の個々の光検出器は、基準時間に続く第１時間期間と第２時間期間に亘って光検出器に入射する光子の量を示す信号を生成するように構成された２つの光子カウント回路を有していてもよい。光子カウント回路によって生成された信号は、第１時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の第１量を識別する第１信号と、第２時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の第２量を識別する第２信号とを含んでもよい。２つの光子カウント回路は、第１光子カウント回路が第１時間期間に亘って光子カウントを実行して第１信号を生成し、第２光子カウント回路が第２時間期間に亘って光子カウントを実行して第２信号を生成するように、第１信号および第２信号のうちの１つを個別に生成してもよい。そのような実施形態では、検出回路１１６は、第１信号と第２信号とを含む読出信号を生成してもよい。

検出回路１１６が光子カウントを実行し始めるときにトリガする基準時間は、励起光でサンプルウェルアレイ１０４を照明することに関連付けられた時間に対応してもよい。そのような基準時間は、検出回路１１６が、励起光で照射されることで励起されるようになった発光分子（複数可）１０６によって放出された光子のカウントを開始することを許容してもよい。検出回路１１６によって生成された信号は、発光分子（複数可）の発光寿命の指標を提供してもよい。検出回路１１６は、複数の基準時間を示す周期的な制御信号を受信してもよく、検出回路１１６は、個々の基準時間のそれぞれに続く光子カウントを実行してもよい。このようにして、検出回路１１６は、発光分子（複数可）の照明に続いて繰り返し光子カウントを実行してもよく、これは、分子検出システム１００による発光分子（複数可）の検出を改善してもよい。いくつかの実施形態では、励起光源（複数可）１０８は光のパルスを放出し、基準時間は、励起光源（複数可）１０８が光のパルスを放出することに関連付けられた時間に対応する。そのような実施形態では、励起光源（複数可）１０８に関連する回路は、放出された光パルスに対応する制御信号を生成してもよい。制御信号は、検出回路１１６に送信され、検出回路１１６が光子カウントを実行するときにトリガするための一連の基準時間として使用されてもよい。

いくつかの実施形態によれば、検出回路１１６は、光検出器によって検出された個々の光子が検出回路１１６によってカウントされるかどうかを制御するために、光子カウント時間期間に関連付けられた時間に電気信号を生成することで光子カウントを実行してもよい。これらの電気信号は、電気ゲートがオフ状態にあるときに検出回路が光子カウントを実行し、電気ゲートがオン状態にあるときに検出回路が光子カウントを実行しないような電気ゲートとして機能してもよい。光検出器が入射光子の受け入れに応答して電流を発生する単一光子アバランシェフォトダイオードである実施形態では、検出回路１１６によって発生された電気信号は、検出回路１１６が単一光子アバランシェフォトダイオードによって発生された電流を受け入れるかどうかを制御してもよい。複数の時間期間にわたって光子カウントを行う際に、検出回路１１６は、個々の時間期間に関連付けられた時間に亘って電気ゲートがオフであり、時間期間外の時間に亘ってオンであるように電気ゲートを動作させてもよい。このようにして、検出回路１１６は、光子カウントが発生するタイミングを制御してもよい。いくつかの実施形態では、検出回路１１６は、複数の電気ゲートを動作させるように構成されてもよい。そのような実施形態では、検出回路１１６は、光検出器に関連付けられた各光子カウント回路に対応する電気ゲートを有してもよく、ここで、特定の光子カウント回路の電気ゲートは、光子カウント回路が光子カウントを実行するときに関連付けられたタイミングを制御するように構成されている。

電気ゲートは基準信号のタイミングに依存してもよく、検出回路１１６が基準信号を受信することに応答して電気ゲートのオン状態およびオフ状態のタイミングが開始されるように、基準信号は検出回路の外部であってもよい。電気ゲートのタイミングは、励起光源１０８によって放出される光のパルスに関連付けられた時間に依存してもよい。本明細書で議論されるように、励起光源（複数可）１０８は、放出された光のパルスの時間に対応する制御信号を生成してもよく、検出回路１１６は、制御信号の受信に応答して光子カウントを実行するように電気ゲートを動作させてもよい。

図３は、検出回路１１６が第１電気ゲート３０１および第２電気ゲート３０２を経時的に動作させてもよいことを例示する例示的なプロットである。図３に示すように、第１電気ゲート３０１および第２電気ゲート３０２は、検出回路１１６が光子カウントを実行することを防止するために電気ゲートがオン状態にあるときに、特定電圧Ｖ_ＯＮに維持される電圧信号である。第１電気ゲート３０１および第２電気ゲート３０２が別の電圧Ｖ_ＯＦＦに設定されているときは、電気ゲートがＯＦＦ状態であり、検出回路１１６は光子カウントを実行してもよい。電気ゲートがＯＦＦ状態に設定されるタイミングは、基準時間Ｔ_０の後に発生し、基準時間Ｔ_０は、いくつかの実施形態では、励起光源１０８によって放出された光のパルスに関連付けられた時間であってもよい。図３に示すように、第１電気ゲート３０１は、Ｔ_０に続く第１時間期間Ｔ_１に亘って、電圧Ｖ_ＯＦＦに下げられている。さらに、第２電気ゲート３０２は、第１時間期間Ｔ_１に続く第２時間期間Ｔ_２に亘って、電圧Ｖ_ＯＦＦに下げられている。光子カウントは、第１時間期間Ｔ_１および第２時間期間Ｔ_２の両方の時間期間に亘って、検出回路によって行われてもよい。例えば、第１電気ゲート３０１は、第１時間期間Ｔ_１に亘って光子カウントを行ってもよい第１光子カウント回路用の電気ゲートに対応してもよく、第２電気ゲート３０２は、第２時間期間Ｔ_２に亘って光子カウントを行ってもよい第２光子カウント回路用の電気ゲートに対応してもよい。第１時間期間Ｔ_１は、図３では第２時間期間Ｔ_２よりも短いように示されているが、いくつかの実施形態では、第１時間期間Ｔ_１が第２時間期間Ｔ_２よりも長いか、または第２時間期間Ｔ_２と同じであってもよいことが理解されるべきである。図３に示すように、第１時間期間Ｔ_１と第２時間期間Ｔ_２との間に遅延時間Ｔ_ｄが存在してもよい。遅延時間Ｔ_ｄは、第２時間期間Ｔ_２に亘って光子の検出を改善することができる光検出器の再装備（ｒｅａｒｍ）を許容することに関連した時間であってもよい。第１時間期間Ｔ_１および第２時間期間Ｔ_２は、１．５ｎｓ（ナノ秒）〜２０ｎｓの範囲内の値、またはその範囲内の任意の値または値の範囲であってもよい。遅延時間Ｔ_ｄは、０．５ｎｓ〜１０ｎｓの範囲内であってもよいし、その範囲内の任意の値または値の範囲であってもよい。２つの時間期間が図３に示されているが、光子カウントを実行するために使用される時間期間の数に応じて、検出回路は２つよりも多くの電気ゲートを動作させてもよいことを理解すべきである。

図４Ａは、いくつかの実施形態によれば、検出回路１１６に含まれ得る回路のタイプの例示的な概略図である。図４Ａに示すように、検出回路は、クロック回復回路４１０、位相ロックループ回路４２０、第１クロック４３０、第２クロック４４０、ゲート回路４５０、第１カウンタ４６０、第２カウンタ４７０、およびリセット回路４８０を含んでもよい。クロック回復回路４１０は、励起光源（例えば、モードロックレーザ）などの外部装置から制御信号を受信してもよく、光子カウントが行われる時間期間を設定する信号を位相ロックループ回路４２０に送信してもよい。位相ロックループ回路４２０は、第１クロック４３０および第２クロック４４０に制御信号を送信してもよい。位相ロックループ回路４２０が第１クロック４３０および第２クロック４４０の両方に共通である実施形態では、第１クロック４３０および第２クロック４４０は、第１クロック４３０と第２クロック４４０との間にユーザプログラムされた位相遅延を有してもよい。第１クロック４３０および第２クロック４４０は、電気ゲートを動作させる際のゲート回路４５０のタイミングを制御してもよい。特に、ゲート回路４５０は、第１クロック４３０および第２クロック４４０のタイミングをゲート回路４５０によって制御されるゲート動作のタイミングに設定して、光検出器アレイ１１４を被ゲートモード（ｇａｔｅｄ ｍｏｄｅ）で動作させるように制御してもよい。光検出器アレイ１１４は、光検出器アレイ１１４による光子の検出を示す信号を、光子カウントを行う第１カウンタ４６０および第２カウンタ４７０に送信してもよい。第１クロック４３０および第２クロック４４０によって設定されるタイミングは、第１カウンタ４６０および第２カウンタ４７０が光子カウントを実行する時間期間を制御してもよい。光子カウントを示す読出信号は、第１カウンタ４６０および第２カウンタ４７０から得られてもよい。リセット回路４８０は、第１カウンタ４６０および第２カウンタ４７０が光子カウントを実行する状態になるように、第１カウンタ４６０および第２カウンタ４７０をリセットするように作用してもよい。

ゲート回路４５０によって送信される制御信号のタイミングが第１クロック４３０および第２クロック４４０のタイミングによって決定されるように、ゲート回路４５０が第１カウンタ４６０および第２カウンタ４７０に制御信号を送信することで第１カウンタ４６０および第２カウンタ４７０によって実行される光子カウントのタイミングは設定されてもよい。例えば、第１クロック４３０は第１時間期間を設定してもよく、ゲート回路４５０は、第１時間期間に亘って光子カウントを実行するように第１カウンタ４６０を制御してもよく、第２クロック４４０は第２時間期間を設定してもよく、ゲート回路４５０は、第２時間期間に亘って光子カウントを実行するように第２カウンタ４７０を制御してもよい。２つよりも多くの時間期間に亘って光子カウントを実行するために、追加のクロックおよびカウンタ回路が含まれてもよいことが理解されるべきである。

図４Ｂは、本技術のうちのいくつかの実施形態に従って、光子カウントを得るための例示的な処理４９０のフローチャートを示す。処理４９０は少なくとも部分的に検出回路１１６によって実行されうる。

処理４９０は、トリガイベントによって光子カウントが開始されてもよい行動４９１から開始される。トリガイベントは、光子カウントを実行するための時間基準として機能するイベントであってもよい。トリガイベントは、励起光源１０８によって生成された光パルスのような光パルスであってもよいし、光パルスに続く時間に生成された電気パルスのような電気パルスであってもよい。トリガイベントは、単数のイベントであってもよいし、繰り返しの周期的なイベントであってもよい。蛍光寿命測定の文脈では、トリガイベントは、１つ以上のフルオロフォアを励起するための光励起パルスの生成であってもよい。光検出器アレイ１１４に到達する光子は電荷キャリアを生成してもよく、検出回路１１６は、光生成された電荷キャリアの光子カウントを実行してもよい。

処理４９０は、第１クロックがゲートの動作を制御する行動４９２に進み、ここで、図４Ａに示すように、第１クロック４３０はゲート回路４５０を制御する。光検出器アレイ１１４内の光検出器のうちのいくつかまたは全部が第１時間期間に亘って光子を受け入れることに応答して信号を生成してもよいように、第１クロックは、ゲートがオフ状態にある第１時間期間を設定してもよい。次に、処理４９０は、第１時間期間に亘って光検出器アレイ１１４内の光検出器によって検出された光子が第１カウンタによってカウントされるように、第１カウンタが第１時間期間に亘って光子カウントを実行する行動４９３に進む。いくつかの実施形態では、互いに異なる光検出器によって検出された光子が第１時間期間に亘って互いに異なるカウンタによって別々にカウントされるように、光検出器アレイ１１４内の個々の光検出器のための第１カウンタを含んでもよい。いくつかの実施形態では、電気信号をオン状態に設定するための信号を第１時間期間の終了時に第１クロックがゲート回路４５０に送信することで、ゲートは、第１時間期間が経過した後にオン状態に達してもよい。

処理４９０は、図４Ａに示すように、第２クロック４４０がゲート回路４５０を制御するように、第２クロック４４０がゲートの動作を制御する行動４９４に進む。光検出器アレイ１１４内の光検出器のうちのいくつかまたは全部が、第２時間期間に亘って光子を受け入れることに応答して信号を生成してもよいように、第２クロックは、ゲートがＯＦＦ状態にある第２時間期間を設定してもよい。次に、処理４９０は、第２時間期間に亘って光検出器アレイ１１４内の光検出器によって検出された光子が第２カウンタによってカウントされるように、第２カウンタが第２時間期間に亘って光子カウントを実行する行動４９５に進む。第１カウンタに関連して上述したように、いくつかの実施形態では、互いに異なる光検出器によって検出された光子が第２時間期間に亘って互いに異なるカウンタによって別々にカウントされるように、光検出器アレイ１１４内の個々の光検出器のための第２カウンタを含んでもよい。いくつかの実施形態では、第２時間期間の終了時に第２クロックがゲート回路４５０に信号を送信することで、ゲートは、第２時間期間が経過した後にオン状態になってもよい。

いくつかの実施形態では、トリガイベントの後に光子が到着する時間期間に関する統計情報を得るために、この処理を複数回繰り返すことを含んでもよい。第１カウンタおよび第２カウンタによって得られた光子カウントは、複数のトリガイベントにわたって集約され、複数のトリガイベントにわたって第１時間期間および第２時間期間に亘って検出された光子の合計数を表す光子カウント信号を生成してもよい。測定を繰り返すことで、光子カウントを集約して統計的に意味のある結果を提供することが可能になってもよい。例えば、蛍光寿命測定の文脈では、蛍光体から受け入れた光子に応答する光子検出イベントは、約１０００回の励起イベントに１回のような比較的に稀な頻度で発生することが予想され得る。

トリガイベントの繰り返し回数が実行されると、処理４９０は、第１カウンタおよび第２カウンタから光子カウントを読み出す行動４９６に進んでもよい。個々の光検出器のための別々のカウンタがある実施形態では、光子カウントを読み出す工程は、第１カウンタに関連付けられた第１光子カウントと第２カウンタに関連付けられた第２光子カウントとが個々の光検出器について得られるように、互いに異なる光検出器に関連付けられた第１カウンタおよび第２カウンタの両方についての光子カウントを読み出す工程を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、一旦光子カウントが読み取られると、処理４９０は、後続のトリガイベントに続くような後続の光子カウントが第１カウンタおよび第２カウンタによって実行されることを許容する状態に第１カウンタおよび第２カウンタがリセットされてもよい行動４９７に進んでもよい。行動４９７は、いくつかの実施形態によれば、図４Ａに示すリセット回路４８０によって実行されてもよい。いくつかの実施形態によれば、第１時間期間および第２時間期間の両方の光子カウントが個々のトリガイベントについて得られるように、各トリガイベントに続いて第１カウンタおよび第２カウンタのリセットを実行することを含んでもよい。

本明細書で議論されるように、光検出器アレイ１１４の光検出器は、単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）を含んでもよい。ＳＰＡＤは、発光分子（複数可）１０６によって放出される光に対応する５５０ｎｍ〜６５０ｎｍの間のスペクトル範囲内で所望の光子検出効率を有してもよい。いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤは、５５０ｎｍと６５０ｎｍの間の波長について、１５％から５０％の範囲内のまたはその範囲内の任意のパーセンテージまたはパーセンテージ範囲の光子検出効率を有してもよい。図５は、いくつかの実施形態によれば、光検出器アレイ１１４内の光検出器として使用されてもよいＳＰＡＤのアレイについてのスペクトル光子検出効率のプロットである。図５に示すように、ＳＰＡＤのアレイは、５５０ｎｍから６５０ｎｍの間の波長の範囲内で１６％から２６％の範囲内の光子検出効率を有する。図６は、いくつかの実施形態によれば、光検出器アレイ１１４内の光検出器として使用され得るＳＰＡＤのスペクトル光子検出効率のプロットである。図６に示すように、ＳＰＡＤは、５５０ｎｍから６５０ｎｍの間の波長の範囲内で３７％から４８％の範囲内の光子検出効率を有する。

本技術の側面は、ＳＰＡＤに関連して記載されているが、光検出器アレイ１１４は、個々の光子の検出を許容する信号対雑音比を有しながら、所望のタイミングでゲートするように構成された他のタイプの光検出器を含んでもよいことが理解されるべきである。例として、高い光子感度を示しながら、低い暗電流および低い読み出しノイズ動作を有する光検出器は、本明細書に記載された技術において実装されてもよい。光検出器アレイに実装され得る好適な光検出器の例は、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）の一部としての相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）光検出器と、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と、および例えばより高い感度を有するＣＭＯＳ光検出器を達成するために利得増幅機能を実装することでＣＭＯＳ光検出器とＡＰＤとの特徴を組み合わせた光検出器とを含むことができる。ＣＭＯＳ光検出器の１つの利点は、ＣＭＯＳ処理により、高密度の光検出器を有する光検出器アレイの作製を許容し得ることである。いくつかの実施形態によれば、裏面照射型（ｂａｃｋ−ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）光検出器を有する光検出器アレイ１１４を含んでもよく、これは、光検出器の有効量子効率を改善してもよい。

いくつかの実施形態によれば、発光特性に基づいてサンプルを分析するように構成された分子検出システム１００などの検出システムは、互いに異なる発光分子間の寿命および／または強度の違いを検出してもよい。説明のために、図７は、２つの互いに異なる発光分子からの発光を代表するかもしれない２つの互いに異なる発光確率曲線（ＡおよびＢ）をプロットしている。第１曲線Ａ（破線で示されている）を参照して、短いまたは超短い光パルスによって励起された後、第１分子からの発光の確率ｐ_Ａ（ｔ）は、図示されているように、時間とともに減衰してもよい。いくつかの実施形態では、光子が時間とともに放出される確率の減少は、指数減衰関数ｐ_Ａ（ｔ）＝Ｐ_Ａｏｅｘｐ（−ｔ／τ_Ａ）で表されてもよく、ここで、Ｐ_Ａｏは初期放出確率であり、τ_Ａは放出減衰確率を特徴付ける第１分子に関連する時間的パラメータである。τ_Ａは、第１発光分子の「放出寿命」または「寿命」と呼ばれてもよい。他の発光分子は、第１曲線Ａに示されたものとは異なる発光特性を有していてもよい。例えば、別の発光分子は、単一の指数減数とは異なる減衰プロファイルを有していてもよく、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られていてもよい。

第２発光分子は、指数関数的な減衰プロファイルを有していてもよいが、測定可能なほど異なる寿命を有している。図７において、第２曲線Ｂの発光確率を有する発光分子は、指数関数的な減衰関数ｐ_Ｂ（ｔ）＝Ｐ_Ｂｏｅｘｐ（−ｔ／τ_Ｂ）を有してもよく、ここで、Ｐ_Ｂｏは初期発光確率であり、τ_Ｂは発光減衰確率を特徴付ける第２発光分子に関連する時間的パラメータである。示された例では、第２曲線Ｂの第２発光分子の寿命は、第１曲線Ａの第１発光分子の寿命よりも短く、発光確率は、第１曲線Ａで表される第１発光分子よりも、第２曲線Ｂで表される第２発光分子を励起した後すぐに高くなる。互いに異なる発光分子は、いくつかの実施形態では、約０．１ｎｓ（ナノ秒）から約２０ｎｓの範囲の寿命または半減期値を有してもよい。

（例えば、発光波長ではなく）寿命に基づいて発光分子を識別することは、検出システムの特徴を単純化することができる。一例として、寿命に基づいて発光分子を識別する際に、波長識別光学素子（例えば、波長フィルタ、各波長のための専用検出器、互いに異なる波長での専用パルス光源、および／または回折光学素子など）は、数を減らしてもよいし、排除してもよい。場合によっては、単一の特性波長で動作する単一パルス光源を使用して、光学スペクトルの同じ波長領域内で発光するが、測定可能なほど寿命が互いに異なる発光分子を励起してもよい。同じ波長領域内で発光する互いに異なる発光分子を励起して識別するために、互いに異なる波長で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検出システムは、動作および維持のための複雑さが少なく、よりコンパクトであり、より低コストで製造することができる。

寿命分析に基づく検出システムは、一定の利点を有するかもしれないが、検出システムによって得られる情報量および／または検出精度は、追加的な検出技術を許容することで増大するかもしれない。例えば、いくつかの検出システムは、追加的に、発光波長および／または発光強度に基づいてサンプルの１つ以上の特性を識別するように構成されてもよい。

再び図７を参照すると、いくつかの実施形態によれば、発光分子の励起に続いて光検出器に入射する光子の光子カウントを実行するように構成された光検出器および関連する検出回路を用いて、互いに異なる発光寿命を識別してもよい。光子カウントは、検出回路が複数の時間期間に亘って受け入れた光子の量をカウントする読出イベント同士の単一間隔に亘って発生してもよい。光子カウントによって発光寿命を決定する概念は、図８にグラフィカルに紹介されている。ｔ_１の直前の時刻ｔｅにおいて、発光分子は、短いまたは超短い光パルスによって励起される。発光分子によって放出された光子を検出する光検出器に関連する検出回路は、発光分子の励起時間に関して時間的に分けられた複数の時間期間、例えば、図８に示されたｔ_１とｔ_２の間の第１時間期間と、ｔ_３とｔ_４の間の第２時間期間とのような時間期間に亘って光子をカウントしてもよい。複数の励起イベントにわたって和算することで、各時間期間における光子の量は、図８に示された減衰強度曲線に近似してもよく、互いに異なる発光分子を区別するために使用することができる。

いくつかの実施形態によれば、分子検出システム１００における励起光源１０８は、励起光のパルスを生成するように構成された１つ以上のモードロックされたレーザモジュールを含んでもよい。図９は、例示的なモードロックレーザモジュールからの出力パルスの時間的強度プロファイルを示す。いくつかの実施形態では、放出されたパルスのピーク強度値は、ほぼ等しくてもよく、プロファイルは、ガウス（ガウシアン）の時間的プロファイルを有してもよいが、ｓｅｃｈ^２プロファイルのような他のプロファイルが可能であってもよい。いくつかの実施形態では、パルスは、対称的な時間的プロファイルを有しておらず、他の時間的形状を有していてもよい。各パルスの持続期間は、図９に示されるように、半値全幅（ＦＷＨＭ）値によって特徴付けられてもよい。モードロックレーザのうちのいくつかの実施形態によれば、超短光パルスは、１００ピコ秒（ｐｓ）未満のＦＷＨＭ値を有してもよい。いくつかの実施形態では、ＦＷＨＭ値は、約５ｐｓから約３０ｐｓの間であってもよい。

いくつかの実施形態では、励起光源（複数可）１０８は、励起光のパルスを生成するように構成された１つまたは複数のゲインスイッチレーザモジュールを含んでもよい。好適なゲインスイッチレーザモジュールの例は、２０１８年７月２４日に出願された米国特許出願第１６／０４３，６５１号（特許文献１）「ＨＡＮＤ−ＨＥＬＤ，ＭＡＳＳＩＶＥＬＹ−ＰＡＲＡＬＬＥＬ，ＢＩＯ−ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ」（ハンドヘルド型超並列バイオオプトエレクトロニック機器）に記載されていて、その全体が参照により組み込まれている。

出力パルス同士は、一定のパルス分離間隔（間隔）Ｔによって分離されてもよい。例えば、Ｔは、出力カプラとレーザモジュールのキャビティエンドミラーとの間の往復移動時間によって決定されてもよい。いくつかの実施形態によれば、パルス分離間隔Ｔは、約１ｎｓ〜約３０ｎｓ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もよい。いくつかの実施形態では、パルス分離間隔Ｔは、約０．７メートルから約３メートルの間のレーザキャビティ長（レーザモジュールのレーザキャビティ内の光軸のおおよその長さ）に対応して、約５ナノ秒から約２０ナノ秒の範囲であってもよい。

いくつかの実施形態によれば、所望のパルス分離間隔Ｔおよびレーザキャビティ長は、サンプルウェル数と、発光特性と、および検出回路１１６からデータを読み出すためのデータ処理回路の速度との組み合わせによって決定されてもよい。本発明者らは、互いに異なる発光分子は、それらの互いに異なる発光減衰率または特徴的寿命によって区別され得ることを認識し、理解している。したがって、選択された発光分子について、それらの互いに異なる発光減衰率を区別するための適切な統計量を収集するのに十分なパルス分離間隔Ｔが必要である。さらに、パルス分離間隔Ｔが短すぎると、データ処理回路は、多数のサンプルウェルによって収集される大量のデータに追いつかない可能性がある。

いくつかの実施形態によれば、ビームステアリングモジュールは、モードロックされたレーザモジュールからの出力パルスを受け入れ、サンプルアレイを有するサンプルチップの光カプラ（例えば、グレーティングカプラ）上の光パルスの少なくとも位置および入射角を調整するように構成されていてもよい。いくつかの実施形態では、モードロックレーザモジュールからの出力パルスは、光カプラにおけるビーム形状および／またはビーム回転を追加的または代替的に変更するために、ビームステアリングモジュールによって操作されてもよい。いくつかの実施形態では、ビームステアリングモジュールは、光カプラへの出力パルスのビームの集束および／または偏光調整をさらに提供してもよい。ビームステアリングモジュールの一例は、２０１６年５月２０日に出願された「ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＢＩＯＡＮＡＬＹＴＩＣ ＳＹＳＴＥＭ」（パルスレーザおよび生物分析システム）と題する米国特許出願第１５/１６１，０８８号（特許文献２）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。ビームステアリングモジュールの別の例は、２０１７年１２月１４日に出願された別の米国特許出願第１５/８４２，７２０号（特許文献３）「ＣＯＭＰＡＣＴ ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＩＮＧ ＡＮＤ ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＡＳＳＥＭＢＬＹ」（コンパクトビーム成形およびステアリングアセンブリ）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。

核酸配列決定のために分子検出システム１００を使用することを伴う実施形態では、発光分子（複数可）１０６は、互いに異なるタイプのヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログをラベル付けするために互いに異なるタイプの発光分子を使用するなど、互いに異なるタイプのヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログに関連する互いに異なるタイプの発光分子を含んでもよい。サンプルウェルアレイ１０４内の個々のサンプルウェルは、テンプレート核酸分子と、ラベル付けされたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチドアナログとを受け入れるように構成されてもよい。サンプルウェル内で行われるシーケンシング反応の非限定的な例は、図１０に描かれている。この例では、標的核酸に対して相補的な成長鎖へのヌクレオチドおよび／またはヌクレオチドアナログのシーケンシャル取り込みは、サンプルウェル内で行われている。シーケンシャル取り込みは、一連の核酸（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）を配列化するために検出することができる。いくつかの実施形態によれば、ポリメラーゼ１０２０は、サンプルウェル内に配置されていてもよい（例えば、サンプルウェルの塩基に取り付けられていてもよい）。ポリメラーゼは、標的核酸（例えば、ＤＮＡに由来する核酸の一部）を取り込んで、相補的な核酸の成長鎖を配列化して、ＤＮＡの成長鎖を生成してもよい。互いに異なる発光分子でラベル付けされたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチドアナログは、サンプルウェルの上および内の溶液中に分散させてもよい。

図１０に描かれているように、ラベル付けされたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチドアナログ１０１０が相補的な核酸の成長鎖に組み込まれる場合、１つまたは複数の添付された発光分子１０３０は、サンプルウェルに結合された光学エネルギーのパルスによって繰り返し励起されてもよい。いくつかの実施形態では、発光分子（複数可）１０３０は、任意の適切なリンカー１０４０を用いて、１つ以上のヌクレオチドおよび／またはヌクレオチドアナログ１０１０に結合されてもよい。組込イベントは、約１００ｍｓまでの期間持続してもよい。この間、モードロックレーザなどの励起源からのパルスによる発光分子（複数可）の励起に起因する発光光のパルスは、光子カウント光検出器で検出されてもよい。互いに異なる発光特性（例えば、発光減衰率、強度）を有する発光分子を、互いに異なるヌクレオチド（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ）またはヌクレオチドアナログに付着させることで、ＤＮＡの鎖が核酸を組み込んだ状態で互いに異なる発光特性を検出して区別し、ＤＮＡの成長鎖のヌクレオチド配列を決定することが可能となる。

検出回路１１６は、サンプルウェルアレイ１０４から光検出器アレイ１１４によって受け入れられた入射光子をカウントして、核酸分子に組み込まれている互いに異なるヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログに関連する発光分子を区別するように構成されていてもよい。検出回路１１６は、互いに異なるタイプの発光分子に対応する信号を生成してもよく、信号セットは、互いに異なるタイプの発光分子でラベル付けされたヌクレオチド系列を識別してもよく、テンプレート核酸分子を配列するために使用してもよい。特に、検出回路１１６によって生成された信号セットによって識別されるヌクレオチド系列は、テンプレート核酸鎖に対して相補的な核酸分子のヌクレオチド系列に対応していてもよい。一例として、４つの互いに異なるフルオロフォアは、４つの互いに異なるタイプのヌクレオチド（例えば、アデニン「Ａ」、グアニン「Ｇ」、シトシン「Ｃ」、およびチミン「Ｔ」の塩基を有するヌクレオチド）をラベル付けするために使用されてもよい。検出回路１１６は、４つのフルオロフォアの間で区別するために、そして配列決定されるテンプレート核酸分子に対して相補的な核酸分子に４つのヌクレオチドのうちのどのヌクレオチドが組み込まれているかを識別するために使用される４つの互いに異なるタイプの信号を生成してもよい。特に、検出回路１１６によって生成される信号が蛍光寿命および／または強度プロファイルに基づいて４つのフルオロフォアの間で区別されるように、４つの互いに異なるフルオロフォアは、蛍光寿命および／または強度プロファイルで変化してもよい。検出回路１１６によって生成される例示的な信号セットは、ヌクレオチド系列をＡＴＴＡＣＡＧＧとして識別してもよく、これはヌクレオチドの相補的な系列をＴＡＡＴＧＡＣＣとしてテンプレート核酸分子中に存在することを識別するために使用してもよい。

本明細書に記載されるような検出システムを使用してサンプルの分析を実行する前に、それぞれのサンプルウェルから放出された光を複数の光検出器のうちの少なくともいくつかが受け入れるために、複数のサンプルウェルのうちの少なくともいくつかが光検出器アレイに対して光学的に相対的に配置されるように、サンプルウェルアレイおよび光検出器アレイのアライメントが達成される必要があるかもしれない。したがって、本願のうちのいくつかの実施形態は、光検出器アレイに対してサンプルウェルアレイを光学的にアライメントするための技術に関する。

再び図１を参照すると、いくつかの実施形態では、検出回路１１６によって生成された信号は、光検出器アレイ１１４に対してサンプルウェルアレイ１０４を相対的にアライメントさせるために使用されてもよい。そのような実施形態では、プロセッサ１１８は、検出回路１１６によって生成された信号を処理して、サンプルウェルアレイ１０４を再配置するためのステージ制御信号を生成し、ステージ制御信号を第１ステージ制御回路１１０に送信してもよい。第１ステージ制御回路１１０は、ステージ制御信号の受信に応答して第１ステージ１０２を移動させるように動作してもよく、第１ステージ１０２上のサンプルウェルアレイ１０４は、光検出器アレイ１１４に対する相対的な位置を変更してもよい。追加的にまたは代替的に、プロセッサ１１８は、光検出器アレイ１１４を再配置するためのステージ制御信号を生成し、ステージ制御信号を第２ステージ制御回路１２８に送信してもよい。第２ステージ制御回路１２８は、ステージ制御信号の受信に応答して第２ステージ１２６を移動させるように動作してもよく、光検出器アレイ１１４は、サンプルウェルアレイ１０４に対する相対的な位置を変更してもよい。第１ステージ１０２および／または第２ステージ１２６は、並進軸および回転軸を含む任意の適切な数の軸で移動するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、第１ステージ１０２は、３つの互いに異なる軸に沿った移動範囲を有するように構成された圧電ステージであってもよい。いくつかの実施形態では、第２ステージ１２６は、第２ステージ１２６が特定の角度で傾く（ｔｉｌｔ）ことを許容するように構成されたゴニオメータ（ｇｏｎｉｏｍｅｔｅｒ）に取り付けられたステージであってもよい。

第１ステージ１０２ならびに第２ステージ１２６および関連する第１ステージ制御回路１１０ならびに第２ステージ制御回路１２８が図１に示されている。しかし、いくつかの実施形態では、サンプルウェルアレイ１０４を移動させるためのステージまたは光検出器アレイ１１４を移動させるためのステージのいずれかのように、１つのステージのみを使用することを含むとともに、ステージの位置決めを制御するためのステージ制御回路のみを含んでもよいことが理解されるべきである。追加的にまたは代替的に、いくつかの実施形態では、サンプルウェルアレイ１０４および／または光検出器アレイ１１４を位置決めするための第１ステージ１０２および第２ステージ１２６の一方または両方の手動制御（例えば、ユーザによる機械的位置決めのための回転可能なノブ）を含んでもよい。

検出回路１１６によって生成された信号は、プロセッサ１１８に提供されてもよく、プロセッサ１１８は、その信号を用いて解析を実行してもよい。プロセッサ１１８は、１つ以上のデータ通信リンクを介して外部デバイスとの間でデータを送受信するように構成されたデータ送信ハードウェアを含んでもよい。いくつかの実施形態では、プロセッサ１１８は、信号を使用して画像データを生成し、画像データを表示デバイス１２０に送信してもよく、表示デバイス１２０は、画像データを使用して画像を表示してもよい。表示デバイス１２０に表示された画像は、サンプルウェルアレイ１０４が光検出器アレイ１１４に適切にアライメントされているかどうかをユーザが見ることを許容してもよい。

いくつかの実施形態では、サンプルウェルアレイ１０４は、サンプルチップの一部として統合されており、サンプルウェルアレイ１０４は、サンプルチップの表面上に配置されている。サンプルチップは、サンプルウェルアレイ１０４の個々のサンプルウェルに励起光１２２を送達するための１つ以上の光学部品を含んでもよい。サンプルチップは、アレイにおけるサンプルウェルのうちのいくつかまたは全部が１つ以上の導波路からの光を受け入れるように配置されるべく、サンプルウェルに対して相対的に配置された１つ以上の導波路を含んでもよい。いくつかの実施形態では、サンプルチップは、光を受け入れ、光を１つ以上の導波路に光学的に結合するように構成された１つ以上のグレーティングカプラを含んでもよい。そのような実施形態では、入射励起光のビームは、サンプルウェルを有する領域とは別のサンプルチップの領域に向けられてもよい。光学部品（複数可）１１２は、励起光１２２のビームを、サンプルチップ上の１つ以上のグレーティングカプラに向けて方向付けて、１つ以上の導波路への励起光の結合を許容するように構成されてもよい。

図１１は、いくつかの実施形態によれば、例示的なサンプルチップ１１００の断面図である。サンプルチップ１１００は、サンプルチップ１１００の表面上に配置された複数のサンプルウェル２０４を備える。図１１に示すサンプルウェル２０４の行は、導波路１１０８との光学的結合を許容するために、導波路１１０８からの距離Ｄで配置されている。距離Ｄは、範囲内の任意の値または範囲を含む、５０ｎｍおよび５００ｎｍの範囲内であってもよい。いくつかの実施形態では、距離Ｄは、範囲内の任意の値または範囲を含む、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲である。５つのサンプルウェルが示されているが、サンプルチップ１１００の断面図において、サンプルチップ１１００は、任意の適切な数のサンプルウェルを含んでもよいことが理解されるべきである。いくつかの実施形態では、サンプルウェル２０４は、光が導波路１１０８に沿って伝播する際に、光エネルギーを個々のサンプルウェル２０４に結合するためのエバネッセント光場を許容するために、導波路１１０８に対して相対的に配置される。サンプルチップ１１００は、励起光１２２（図１１の破線矢印で示されている）を導波路１１０８に結合してもよいグレーティングカプラ１１０６を備えてもよい。動作中、励起光１２２のビームは、例えば、図１に示すような光学部品（複数可）１１２によって、グレーティングカプラ１１０６と結合するように配置されてもよく、光は、導波路１１０８に沿って伝搬し、導波路１１０８に沿って配置されたサンプルウェル２０４のうちのいくつかまたは全部に結合してもよい。特定のサンプルウェル２０４内に配置された発光分子は、導波路１１０８からの励起光を受けてもよく、それに応答して、光検出器アレイ１１４内の光検出器２１４によって検出されてもよい光１２４を放出してもよい。

図１２Ａは、光検出器２１４に対するサンプルウェル２０４の光学的アライメントを例示する概略平面図である。サンプルウェル２０４は円として示され、光検出器２１４は正方形として示されている。しかしながら、サンプルウェルおよび光検出器は、任意の適切な断面形状を有してもよく、本願の側面は、図１２Ａに示されたサンプルウェル２０４および光検出器２１４の形状に限定されないことが理解されるべきである。光学部品（複数可）１１２は、複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部が複数の光検出器のうちの少なくともいくつかに対して光学的に重なるように、サンプルウェルアレイの光学面と光検出器アレイの光学面との間の相対倍率を調整するように構成されてもよい。行に沿ったサンプルウェル同士の距離および複数のサンプルウェルからなる行同士の距離を含むアレイにおけるサンプルウェルの配列、ならびに光検出器同士の距離と複数の光検出器からなる行同士の距離とを含むアレイにおける光検出器の配列は、サンプルウェルのうちのいくつかまたは全部が個々の光検出器に対して光学的にアライメントすることを許容する構成を有していてもよい。図１２Ａに示すように、個々のサンプルウェル２０４と個々の光検出器２１４との間の相対的な間隔は、サンプルウェルアレイ内の複数のサンプルウェルからなる行のうちの少なくともいくつかが、複数の光検出器からなる行のうちのいくつかに対して光学的にアライメントすることを許容する構成を有してもよい。いくつかの実施形態では、光学的アライメントは、行のサンプルウェル同士の距離を、行の光検出器同士の距離と同じか、または類似しているようにすることを含んでもよい。

光学的アライメントは、サンプルウェルを含む光学平面および／または光検出器を含む光学平面において考慮されてもよい。いくつかの実施形態では、サンプルウェルの光学平面は、行に沿った個々のサンプルウェル同士の距離Ｄｗと、行に沿った個々の光検出器同士の距離Ｄｗとが、約５ミクロンであるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、光検出器の光学平面は、行に沿った個々のサンプルウェル同士の距離Ｄｗと、行に沿った個々の光検出器同士の距離Ｄｗとが約１５０ミクロンであることを有してもよい。個々の光検出器は、光学的にアライメントしたときにサンプルウェルが光学的に重なる寸法ｗを有してもよい。いくつかの実施形態では、寸法ｗは、サンプルウェルを含む光学平面内で約１ミクロンであってもよい。いくつかの実施形態では、寸法ｗは、光検出器を含む光学平面内で約３０ミクロンであってもよい。複数のサンプルウェルからなる行同士の距離Ｄｓおよび複数の光検出器からなる行同士の距離Ｄｐは、光学的なアライメントを許容してもよい。いくつかの実施形態では、距離Ｄｓは、サンプルウェルの光学平面内で、約７．５ミクロンから約２２５ミクロンの範囲、またはその範囲内の任意の値または値の範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、距離Ｄｐは、サンプルウェルの光学平面内で、約５ミクロンから約１５０ミクロンの範囲内、またはその範囲内の任意の値または値の範囲であってもよい。いくつかの実施形態では、距離Ｄｐは、サンプルウェルの光学平面内で約１５０ミクロンであってもよい。

いくつかの実施形態では、複数の光検出器からなる行に対する、導波路に沿って配置されたサンプルウェルの光学的アライメントを含んでもよい。図１２Ａに示すように、第１サンプルウェル２０４ａを含むサンプルウェルは、第１導波路１１０８ａに沿って配置され、第１光検出器２１４ａを含む複数の光検出器からなる行に対して光学的にアライメントする。一方、第２サンプルウェル２０４ｂを含むサンプルウェルの別の行、例えば第２サンプルウェル２０４ｂを含む第２導波路１１０８ｂに沿って配置された複数のサンプルウェルからなる行は、第２光検出器２１４ｂと第３光検出器２１４ｃとを含む複数の光検出器からなる行のような個々の光検出器に対して光学的にアライメントしていない。サンプルウェルがアライメントしているときの検出にいくつかの光検出器が使用される一方で、サンプルウェルがアライメントしていないときの検出に他の光検出器が使用されるので、このような構成は、光検出器に対するサンプルウェルのアライメントの容易さを改善することを許容するかもしれない。光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの相対的な位置決めを調整することは、複数の光検出器からなる第１サブセットがより大きな量の光子を検出する一方で、光検出器の第２サブセットがより小さな量の光子を検出するような位置に、アレイの１つまたは両方を移動させることを含んでもよい。

図１２Ｂは、光検出器２１４に対するサンプルウェル２０４の光学的なズレを例示する平面図である。特に、図１２Ｂは、サンプルウェル２０４がＸ方向に沿って光検出器２１４からオフセットされた状態での並進ミスアライメントを例示している。このような並進ミスアライメントを修正する工程は、図１２Ａに示されたアライメントを達成するために、最大量の光子または閾値よりも多くの光子の量などの特定の量の光子を複数の光検出器からなる行が検出するまで、Ｘ方向に沿ってサンプルウェルアレイを増分的に移動させる工程を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、サンプルウェルアレイと光検出器アレイの光学的な位置ズレは、回転的な位置ズレを含んでもよい。図１２Ｃは、光検出器２１４に対するサンプルウェル２０４の回転ミスアライメントを例示する平面図であり、サンプルウェル２０４は、光検出器２１４に対して角度θだけミスアライメントされている。このような回転ミスアライメント位置では、個々の導波路に沿ったサンプルウェルは、光検出器アレイの行の光検出器のうちのいくつかとしか重なっていない場合がある。ミスアライメントは、光検出器アレイに対してサンプルウェルアレイを相対的に回転させることで、または行のより多くの光検出器が光を検出するように光検出器アレイをサンプルウェルアレイに対して相対的に回転させることで、修正または減少させることができる。例えば、図１２Ｃに示すように、第１導波路１１０８ａに沿ったサンプルウェルのうちのいくつかのみは、第１光検出器２１４ａを含む行の光検出器に対して光学的に重なり、よってサンプルウェルに対して光学的に重なるそれらの光検出器のみが、光子を受け入れるように配置される。このような回転ミスアライメントを補正する工程は、光を検出するように配置されたより多くの光検出器が存在するように、光検出器アレイに対してサンプルウェルアレイを増分的に回転させる工程を含んでもよい。

さらに、上述したように、サンプルウェルアレイおよび光検出器アレイは、複数のサンプルウェルからなる行のすべてが光検出器に対してアライメントするのではないように設計されてもよく、ここで、そのような光検出器は「暗い」光検出器として考慮されてもよい。そのような実施形態では、回転ミスアライメントを補正する工程は、複数のサンプルウェルからなる行のうちのいくつかが光検出器とは重ならないように、サンプルウェルアレイを光検出器アレイに対して相対的に位置決めする工程を含んでもよい。例えば、回転ミスアライメントは、サンプルウェルの単一の行が光検出器の複数の行に対して重なるように配置される状況を含んでもよい。図１２Ｃに示すように、第２光検出器２１４ｂおよび第４光検出器２１４ｄは、光検出器アレイにおける別々の行にあり、第２導波路１１０８ｂに沿って配置された第２サンプルウェル２０４ｂおよび第４サンプルウェル２０４ｄは、それぞれ第２光検出器２１４ｂおよび第４光検出器２１４ｄに対して重なるように配置されている。このタイプの回転ミスアライメントを修正する工程は、第２導波路１１０８ｂに沿った複数のサンプルウェルからなる行が複数の光検出器からなる行に対してアライメントするか、または第２導波路１１０８ｂに沿った複数のサンプルウェルからなる行が任意の光検出器に対してアライメントしないように、サンプルウェルアレイを光検出器アレイに対して相対的に回転させる工程を含んでもよい。このタイプのズレは、光を検出する少なくとも１つの光検出器を有する光検出器の隣接する複数行によって観察されるので、補正は、サンプルウェルアレイから光を受け入れるように配置されている複数の光検出器からなる行が、サンプルウェルアレイから光を受け入れないように配置されている複数の光検出器からなる行の１つ以上によって分離されるまで、サンプルウェルアレイおよび光検出器アレイを再配置する工程を含んでもよい。そのような例では、アライメント処理は、所望のパターンを達成するために追加のアライメント工程が必要かどうかを判定するために、アライメント処理の任意の特定の段階で光を検出している光検出器アレイ内の光検出器のパターンを、光検出器アレイによって検出されている光の所望のパターンと比較する工程を含んでもよい。一例として、図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１２Ｂに関して光を検出している光検出器の所望のパターンは、光を検出する光検出器すなわち「明るい」複数の光検出器からなる行と、光を検出しない光検出器すなわち「暗い」複数の光検出器からなる行との間で交互に行われるように記述され得る。このパターンは、次に、サンプルウェルアレイおよび光検出器アレイが適切にアライメントされたかどうかを判定するために、アライメント処理中の光検出のパターンと比較され得る。いくつかの実施形態では、暗い光検出器パターンは、サンプルウェルアレイの特定の配向を識別し、アライメントを調整する際に使用され得る。例えば、暗い光検出器のＬ字型パターンのような回転的に非対称なパターンは、サンプルウェルアレイと光検出器アレイとが回転的にアライメントしていないと判定する際に使用されてもよい。

図１３は、本明細書に記載された技術のうちのいくつかの実施形態に従って、サンプルウェルアレイを光検出器アレイに光学的にアライメントさせるための例示的な処理１３００のフローチャートである。処理１３００は、サンプルウェルアレイ１０４のようなサンプルウェルアレイにおけるサンプルウェルから放出された光が、光検出器アレイ１１４のような光検出器アレイを用いて検出される、行動（ａｃｔ）１３１０から始まる。個々の光検出器によって検出された光の量は、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメントの度合いの指標を提供してもよい。光検出器アレイを使用して光を検出する工程は、個々の光検出器で受け入れられた入射光子の光子カウントを実行する検出回路１１６などの検出回路を含んでもよい。いくつかの実施形態では、アライメントは、励起光をサンプルウェルアレイにおけるサンプルウェルに向けて方向付ける工程（例えば、サンプルチップ内の導波路に沿って光を伝播させる）と、光検出器アレイを使用してサンプルウェルから放出された光を検出する工程とを含んでもよい。

次に、処理１３００は行動１３２０に進み、ここで、サンプルウェルアレイおよび／または光検出器アレイの位置決め（ポジショニング）を、複数のサンプルウェルのうちの少なくともいくつかが複数の光検出器のうちの少なくともいくつかに対して光学的にアライメントするように、検出された光に基づいて調整する。サンプルウェルアレイおよび／または光検出器アレイの位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイと光検出器アレイとの間の回転および／または並進のズレ（ミスアライメント）を考慮して調整する工程を含んでもよい。サンプルウェルアレイの位置決め（ポジショニング）を調整する工程は、サンプルウェルアレイを第１位置から第２位置に移動させる工程を含んでもよく、これは第１ステージ１０２のようなステージを使用する工程を含んでもよい。光検出器アレイの位置決め（ポジショニング）を調整する工程は、光検出器アレイを第１位置から第２位置に移動させる工程を含んでもよく、これは第２ステージ１２６のようなステージを使用する工程を含んでもよい。光検出器の第１セットは、第２位置にあるときの方が第１位置にあるときよりもより多くの量の光子を検出してもよい。光検出器の第２セットは、第２位置にあるときの方が第１位置にあるときよりもより少ない量の光子を検出してもよい。いくつかの実施形態では、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、複数のサンプルウェルの１つ以上の行が複数の光検出器の１つ以上の行に対して光学的にアライメントするように、それらの相対位置を調整する工程を含んでもよい。サンプルウェルアレイ、光検出器アレイ、またはその両方は、行動１３２０に亘って再配置されてもよいことが理解されるべきである。

次に、処理１３００は行動１３３０に進んでもよく、ここで、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの焦点が調整される。この処理は、サンプルウェルアレイの像面を複数の光検出器の検出領域同士の面と一致させるために、光学部品（複数可）１１２のようなシステム内の１つ以上の光学素子を調整する工程を含んでもよい。

次に、処理１３００は、光検出器アレイによって検出された光パターンを、所望の光パターンと比較する行動１３４０に進んでもよい。特に、行動１３４０は、「暗い」光検出器として指定された、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなるセットが存在する場合に、アライメント処理に含まれてもよい。所望パターンに対する光検出器アレイによって検出された所与の光パターンの比較は、光検出器アレイにおける個々の光検出器によって検出された光を所望の光検出パターン内の対応する位置と１対１で比較する工程と、および／または所与の光パターンと所望パターンとを全体的に比較してアライメントの度合いを得る工程とを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、サンプルウェルアレイと光検出器アレイとの間の所望の光アライメントの量を達成するために、行動（ステップ）１３１０、１３２０、１３３０、および／または１３４０を繰り返す工程を含んでもよい。いくつかの実施形態では、行動（ステップ）１３２０におけるサンプルウェルアレイ、光検出器アレイ、またはその両方の位置決めを調整する工程は、位置の増分的な変化であってもよく、これは、光検出器アレイを使用してサンプルウェルアレイからの光を検出することで、再配置がアライメントを改善するかどうかについて、その後に評価されてもよい。新しい位置が光学的アライメントを改善する場合には、新しい位置を維持してもよい。新しい位置で光学的アライメントが改善されない場合には、システムは前の位置に戻してもよい。このようにして、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメントは、増分的に進行してもよい。

いくつかの実施形態では、本明細書に記載される技術の側面はこの点で限定されないので、処理１３００の一部または全部は、任意の適切なコンピューティングデバイス（複数可）（例えば、単一のコンピューティングデバイス、単一の物理的な場所に共同で配置された複数のコンピューティングデバイス、または互いに離れた複数の物理的な場所に配置された複数のコンピューティングデバイスなど）によって実行されてもよい。いくつかの実施形態では、処理１３００の一部または全部は、分子検出システム１００などの検出システムの１つまたは複数のコンポーネントを操作するユーザによって実行されてもよい。例えば、第１ステージ１０２、第２ステージ１２６、またはその両方は、制御信号を生成してステージに送信することができる１つ以上のコンピューティングデバイスによって制御されてもよい。

モノリシックデバイスを形成する工程が２つの別々の基板を一緒に接着する工程を含む、モノリシックデバイスの形成において、光検出器アレイをサンプルウェルアレイにアライメントさせるための本明細書に記載された技術は実施されてもよいことが理解されるべきである。一方の基板は光検出器アレイを有し、他方の基板はサンプルウェルアレイを有するか、または特定の位置から光を放出するように構成された他のアレイを有する。この文脈において、２つの基板を接合する前に、第１基板上の複数の光検出器のうちのいくつかまたは全部が、第２基板上の複数のサンプルウェルまたは他の関心のある点に対して光学的にアライメントするように、モノリシックデバイスを形成する工程は２つの基板を互いに相対的に位置決めする工程を含んでもよい。モノリシックデバイスを形成するこのステップにおいて、本明細書に記載されたアライメント技術は、結果として得られるモノリシックデバイスにおける所望の度合いの機能性を達成するために実施されてもよい。いくつかの実施形態では、２つの基板を物理的に接触させてもよく、光検出器アレイによって検出された光は、光検出器アレイとサンプルウェルアレイとのアライメントを調整する際に使用されてもよい。いくつかの実施形態では、これらのアライメント技術は、光源アレイ（例えば、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ））に対するマイクロレンズアレイやファイバーアレイなどの光学部品のアライメントに使用されてもよい。

［その他の側面］
いくつかの実施形態では、本明細書に記載された技術は、１つ以上のコンピューティングデバイスを使用して実施されてもよい。実施形態は、任意の特定のタイプのコンピューティングデバイスを用いて動作することに限定されない。

図１４は、制御回路を実装するために使用され得る例示的なコンピューティングシステム１４００のブロック図であり、制御回路は光検出器アレイと、検出回路と、１つ以上の光源と、サンプルウェルアレイを位置決めするためのステージとを制御するか、または光検出器アレイからのデータの分析を実行する。コンピューティングシステム１４００は、プロセッサ（複数可）１４１０と、非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体（例えば、メモリ１４２０および１つ以上の不揮発性記憶媒体１４３０）を構成する１つ以上の製造物とを含む。プロセッサ（複数可）１４１０は、本明細書に記載される技術の側面がこの点で限定されるものではないので、任意の適切な方法で、メモリ１４２０および不揮発性記憶媒体１４３０へのデータの書き込みおよび読み出しを制御してもよい。本明細書に記載された機能のいずれかを実行するために、プロセッサ（複数可）１４１０は、プロセッサ（複数可）１４１０による実行のためのプロセッサ実行可能な命令を格納する非一時的コンピュータ読取可能な記憶媒体として機能してもよい、１つ以上の非一時的コンピュータ読取可能な記憶媒体（例えば、メモリ１４２０）に格納された１つ以上のプロセッサ実行可能な命令を実行してもよい。

コンピューティングシステム１４００はまた、コンピューティングシステム１４００が他のコンピューティングデバイスと（例えば、ネットワークを介して）通信するために介してもよいネットワーク入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース（複数可）１４４０を含んでもよい。コンピューティングシステム１４００は、コンピューティングシステム１４００がユーザに出力を提供するとともにユーザからの入力を受け入れるために介してもよいユーザ入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース（複数可）１４６０を含んでもよい。ユーザ入出力インタフェース（複数可）１４６０は、キーボード、マウス、マイク、ディスプレイ装置（例えば、モニタまたはタッチスクリーン）、スピーカ、カメラ、および／または他の様々なタイプのＩ／Ｏ装置などの装置を含んでもよい。

前述の実施形態は、多数の方法のいずれかで実施することができる。例えば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを使用して実装することができる。ソフトウェアで実装される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピューティングデバイス内で提供されるか、または複数のコンピューティングデバイス間で分散されるかにかかわらず、任意の適切なプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ）またはプロセッサの集合体上で実行することができる。上述の機能を実行する任意のコンポーネントまたはコンポーネントの集合は、一般的に、上述の機能を制御する１つ以上のコントローラとみなすことができることを理解すべきである。一つまたは複数のコントローラは、専用のハードウェアを用いて、または上述した機能を実行するようにマイクロコードまたはソフトウェアを用いてプログラムされた汎用のハードウェア（例えば、一つまたは複数のプロセッサ）を用いて、多数の方法で実装することができる。

この点において、本明細書に記載された実施形態の一実施形態は、少なくとも１つのコンピュータ読取可能な記憶媒体（例えば、以下のものが挙げられる。ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多目的ディスク（ＤＶＤ）または他の光ディスク記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置または他の磁気記憶装置、または他の有形の非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体）であり、コンピュータ読取可能な記憶媒体は、１つ以上のプロセッサ上で実行されると１つ以上の実施形態の上述した機能を実行するコンピュータプログラム（例えば、複数の実行可能命令）でエンコードされている。コンピュータ読取可能な媒体は、そこに記憶されたプログラムを、本明細書に記載された技術の側面を実施するために、任意のコンピューティングデバイスにロードすることができるように、運搬可能であってもよい。さらに、実行されると上述した機能のいずれかを実行するコンピュータプログラムへの言及は、ホストコンピュータ上で実行されるアプリケーションプログラムに限定されないことが理解されるべきである。むしろ、コンピュータプログラムおよびソフトウェアという用語は、本明細書では、本明細書に記載された技術の側面を実施するために１つ以上のプロセッサをプログラムするために採用され得る任意のタイプのコンピュータコード（例えば、アプリケーションソフトウェア、ファームウェア、マイクロコード、またはコンピュータ命令の任意の他の形態）を参照するために使用される。

記載された実施形態は、様々な組み合わせで実施することができる。例示的な構成は、構成（１）〜（３６）、（４０）〜（４２）、および（５１）〜（５６）、ならびに以下の方法（３７）〜（３９）および（４３）〜（５０）を含む。

（１）光検出器アレイと、検出器アレイに関連付けられた検出回路とを備えるシステムであって、前記検出回路は、励起光で発光分子を照明した後の第１時間期間および第２時間期間に亘って、前記光検出器アレイの光検出器において前記発光分子から受け入れた入射光子の量をカウントするように構成されている、システム。

（２）前記検出回路は、前記第１時間期間および前記第２時間期間に亘って前記光検出器アレイに入射した単一光子をカウントするように構成されている、構成（１）に記載のシステム。

（３）検出回路はさらに、発光分子を識別する信号を生成するように構成されている、構成（１）または（２）に記載のシステム。
（４）検出回路はさらに、第１タイプの発光分子を識別する第１信号と、第２タイプの発光分子を識別する第２信号とを含む、互いに異なるタイプの発光分子を識別する信号を生成するように構成されている、構成（１）〜（３）のいずれか１つに記載のシステム。

（５）互いに異なるタイプの発光分子は、互いに異なるヌクレオチドに関連付けられ、検出回路は、ヌクレオチド系列を識別する信号セットを生成するように構成されている、構成（４）に記載のシステム。

（６）ヌクレオチド系列を識別する信号セットは、テンプレート核酸分子を配列する、構成（５）に記載のシステム。
（７）信号セットによって識別されるヌクレオチド系列は、テンプレート核酸分子に対して相補的な核酸分子のヌクレオチド系列である、構成（６）に記載のシステム。

（８）前記ヌクレオチド系列のうちの互いに異なるタイプのヌクレオチドは、互いに異なるタイプの発光分子でラベル付けされている、構成（７）に記載のシステム。
（９）検出回路はさらに、発光分子の寿命を示す信号を生成するように構成されている、構成（１）〜（８）のいずれか１つに記載のシステム。

（１０）検出回路は、光検出器アレイにおける光検出器に関連付けられた少なくとも２つの光子カウント回路を有し、検出回路は、光検出器によって受け入れられた入射光子の量をカウントするように構成されている、構成（１）〜（９）のいずれか１つに記載のシステム。

（１１）検出回路はさらに、第１時間期間および第２時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の量を示す信号を生成するように構成されている、構成（１０）に記載のシステム。

（１２）前記検出回路によって生成された信号は、前記第１時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた入射光子の第１量を識別する第１信号と、前記第２時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた入射光子の第２量を識別する第２信号とを含む、構成（１１）に記載のシステム。

（１３）少なくとも２つの光子カウント回路は第１光子カウント回路および第２光子カウント回路を含み、前記第１光子カウント回路は第１信号を生成するように構成され、前記第２光子カウント回路は第２信号を生成するように構成されている、構成（１２）に記載のシステム。

（１４）前記検出回路は、前記第１信号および前記第２信号を含む読出信号を生成するように構成されている、構成（１２）または（１３）に記載のシステム。
（１５）前記第１時間期間および前記第２時間期間は、非重複の時間期間である、構成（１２）〜（１４）のいずれか１つに記載のシステム。

（１６）前記検出回路は、基準時間を示す制御信号を受信し、前記制御信号の受信に応答して光子カウントを実行するように構成されている、構成（１）〜（１５）のいずれか１つに記載のシステム。

（１７）前記検出回路は、前記励起光のパルスを放出するように構成された光源から制御信号を受信し、前記制御信号を受信することに応答して光子カウントを実行するように構成されている、構成（１）〜（１６）のいずれか１つに記載のシステム。

（１８）システムはさらに、励起光を放出するように構成された少なくとも１つの光源と、前記少なくとも１つの光源を制御して励起光のパルスを放出するとともに、放出されたパルスに対応する制御信号を生成するように構成された制御回路とを備え、前記光検出器アレイにおける光検出器に関連付けられた検出回路は、制御回路からの制御信号の少なくとも１つを受信することに応答して光子カウントを実行するように構成されている、構成（１）〜（１７）のいずれか１つに記載のシステム。

（１９）システムはさらにサンプルウェルアレイを備え、サンプルウェルアレイにおける個々のサンプルウェルは、サンプルを受け入れるように構成されている、構成（１）〜（１８）のいずれか１つに記載のシステム。

（２０）光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメント位置は、光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントするように配置された複数のサンプルウェルからなる第１サブセットと、光検出器アレイにおける複数の光検出器に対して光学的にアライメントしないように配置された複数のサンプルウェルからなる第２サブセットとを備える、構成（１９）に記載のシステム。

（２１）サンプルウェルの第１サブセットは、アライメント位置にあるときに光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる少なくとも１つの行に対して光学的にアライメントするサンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルからなる少なくとも１つの行を備える、構成（２０）に記載のシステム。

（２２）前記サンプルウェルの第１サブセットは、前記サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルからなる第１行および第２行を含み、前記第１行および前記第２行は、前記サンプルウェルの第２サブセットにおける複数のサンプルウェルからなる少なくとも１つの行によって分離されている、構成（２０）または（２１）に記載のシステム。

（２３）前記システムはさらに、前記サンプルウェルアレイから放出された光子を、前記光検出器アレイに向けて方向付けるように配置された少なくとも１つの光学素子を備える、構成（１９）〜（２２）のいずれか１つに記載のシステム。

（２４）少なくとも１つの光学素子は、サンプルウェルアレイにおける１つのサンプルウェルから放出された光子を、光検出器アレイにおける１つの光検出器に向けて方向付けるように配置されている、構成（２３）に記載のシステム。

（２５）前記少なくとも１つの光学素子は、前記サンプルウェルアレイにおける１つのサンプルウェルから放出された光子を、前記光検出器アレイにおける１つの光検出器の検出領域に対して重なるようにアライメントさせるように構成されている、構成（２３）または（２４）に記載のシステム。

（２６）前記少なくとも１つの光学素子はダイクロイックミラーを備え、ダイクロイックミラーは、前記少なくとも１つの光源によって放出された光を前記サンプルウェルアレイに向けて方向付け、前記発光分子によって放出された光を前記光検出器アレイに向けて伝送させるように配置される、構成（２３）〜（２５）のいずれか１つに記載のシステム。

（２７）少なくとも１つの光学素子は、リレーレンズ構成で配置された複数のレンズを含む、構成（２３）〜（２６）のいずれか１つに記載のシステム。
（２８）システムはさらに少なくとも１つの導波路を備え、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部は、少なくとも１つの導波路からの光を受け入れるように配置されている、構成（１９）〜（２７）のいずれか１つに記載のシステム。

（２９）サンプルウェルアレイと少なくとも１つの導波路とはサンプルチップ上に統合され、サンプルウェルアレイはサンプルチップの表面上に配置されている、構成（２８）に記載のシステム。

（３０）サンプルチップはさらにグレーティングカプラを備え、グレーティングカプラは、外部光源からの光を受光して少なくとも１つの導波路に光を光学的に結合するように構成されている、構成（２９）に記載のシステム。

（３１）光検出器アレイは、単一光子アバランシェフォトダイオードのアレイを備える、構成（１）〜（３０）のいずれか１つに記載のシステム。
（３２）光検出器アレイを有する検出回路を備える装置であって、前記検出回路は、核酸分子に組み込まれている互いに異なるヌクレオチドに関連する発光分子を区別するために、発光分子からの前記光検出器アレイによって受け入れられた入射光子をカウントするように構成されている、装置。

（３３）検出回路はさらに、個々のヌクレオチドが核酸分子に組み込まれるにつれて、ヌクレオチド系列を識別する信号を生成するように構成されている、構成（３２）に記載の装置。

（３４）発光分子は、互いに異なるタイプのヌクレオチドをラベル付けする、構成（３２）または（３３）に記載の装置。
（３５）装置はさらに、テンプレート核酸分子を受け入れるように構成された複数のサンプルウェルを備え、光検出器アレイにおける１つの光検出器は、複数のサンプルウェルのうちの１つからの光を受け入れるように配置されている、構成（３２）〜（３４）のいずれか１つに記載の装置。

（３６）核酸分子はテンプレート核酸分子に対して相補的である、構成（３５）に記載の装置。
（３７）光検出器アレイにおける光検出器によって発光分子からの光子を受け入れる工程と、検出回路を使用して第１時間期間および第２時間期間に亘って光検出器に入射した光子の量をカウントする工程とを備える、光検出方法。

（３８）光検出方法はさらに、発光分子を識別する信号を生成する工程を備え、前記信号は、前記第１時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた光子の第１量と、前記第２時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた光子の第２量とを示す、（３７）に記載の光検出方法。

（３９）光検出方法はさらに、励起光のパルスでサンプルを照射する工程を備え、光子の量をカウントする工程は、励起光のパルスでサンプルを照射する工程に応答して行われる、（３７）または（３８）に記載の光検出方法。

（４０）少なくとも１つのハードウェアプロセッサによって実行されると、少なくとも１つのハードウェアプロセッサに光検出方法を実行させるプロセッサ実行可能な命令を格納している、非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、光検出方法は、少なくとも１つの光源を制御するように構成された回路から、少なくとも１つの光源によって放出される光のパルスに対応する制御信号を受信する工程と、制御信号の受信に応答して、光検出器アレイにおける光検出器に入射する光子のカウントを実行するように構成された検出回路を制御する工程とを備え、カウントは、第１時間期間および第２時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の量をカウントする工程を備える、非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体。

（４１）前記検出回路はさらに、前記第１時間期間および前記第２時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた入射光子の量を示す信号を生成するように構成されている、（４０）に記載の非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体。

（４２）前記検出回路によって生成された信号は、前記第１時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた入射光子の第１量を識別する第１信号と、前記第２時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた入射光子の第２量を識別する第２信号とを含む、（４０）または（４１）に記載の非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体。

（４３）サンプルウェルアレイを光検出器アレイにアライメントさせるための方法であって、該方法は、光検出器アレイを使用して、光検出器アレイに入射するサンプルウェルアレイからの光を検出する工程と、検出された光に基づいて、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部が光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントすることを許容するように、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程とを備える、方法。

（４４）光検出器アレイにおける個々の光検出器によって検出される光の量は、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメントの度合いを示す、（４３）に記載の方法。

（４５）光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイを第１位置から第２位置に移動させる工程を備え、サンプルウェルアレイが第２位置にあるときの方がサンプルウェルアレイが第１位置にあるときよりも、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第１サブセットはより大きな量の光子を検出する、（４３）または（４４）に記載の方法。

（４６）サンプルウェルアレイが第２位置にあるときの方がサンプルウェルアレイが第１位置にあるときよりも、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第２サブセットはより小さい量の光子を検出する、（４５）に記載の方法。

（４７）光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる少なくとも１つの行に対して光学的にアライメントするように、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルからなる少なくとも１つの行を位置決めする工程を備える、（４３）〜（４６）のいずれか１つに記載の方法。

（４８）光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイおよび／または光検出器アレイを並進方向に移動させる工程を備える、（４３）〜（４７）のいずれか１つに記載の方法。

（４９）光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイおよび／または光検出器アレイを斜めに回転させる工程を備える、（４３）〜（４８）のいずれか１つに記載の方法。

（５０）光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、検出された光のパターンをアライメントパターンと比較する工程を備え、前記アライメントパターンは閾値未満の光量を検出する少なくとも１つの光検出器を有する、（４３）〜（４９）のいずれか１つに記載の方法。

（５１）ステージと、光を検出するように構成された光検出器アレイと、光検出器アレイに関連付けられるとともに光検出器アレイに入射する光子を示す信号を生成するように構成された検出回路と、および以下からなる方法を実行するように構成された実行回路とからなるシステム。前記方法は、検出回路から信号を受信する工程と、受信された信号に基づいて、光検出器アレイに対するステージの相対的な位置決めを調整する工程とを備える。位置決めを調整する工程は、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部が、光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントすることを許容する。

（５２）前記実行回路は、少なくとも１つのプロセッサと、実行されると前記方法を実行するコンピュータ実行可能命令でコード化された少なくとも１つのコンピュータ読取可能な記憶媒体とを備える、構成（５１）に記載のシステム。

（５３）受信された信号は、光検出器アレイにおける個々の光検出器によって検出された光の量を示し、光の量は、光検出器アレイに対するサンプルウェルアレイのアライメントの度合いを示す、構成（５１）または（５２）に記載のシステム。

（５４）光検出器アレイに対するステージの位置決めを調整する工程はさらに、ステージの位置を第１位置から第２位置に調整する工程を備え、ここで、ステージが第２位置にあるときの方がステージが第１位置にあるときよりも、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第１サブセットはより大きな量の光子を検出する、構成（５１）〜（５３）のいずれか１つに記載のシステム。

（５５）サンプルウェルアレイが第２位置にあるときの方がサンプルウェルアレイが第１位置にあるときよりも、光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第２サブセットはより少ない量の光子を検出する、構成（５４）に記載のシステム。

（５６）前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、前記光検出器アレイにおける複数の前記光検出器からなる少なくとも１つの行に対してアライメントするように、前記サンプルウェルアレイにおける複数の前記サンプルウェルからなる少なくとも１つの行をアライメントする工程を備える、構成（５５）に記載のシステム。

このように本願の技術のうちのいくつかの側面および実施形態を説明してきたが、様々な変更、修正、および改良は、当技術分野の通常の当業者には容易に生じることが理解されるであろう。そのような変更、修正、および改良は、本願に記載された技術の精神および範囲内にあることが意図されている。したがって、前記の実施形態は、例示のためだけに示されており、添付の特許請求の範囲およびそれと同等の範囲内で、発明的な実施形態は、具体的に記載されたものとは別の方法で実施され得ることが理解されるべきである。さらに、本明細書に記載された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していない場合、本開示の範囲内に含まれる。

また、記載されているように、いくつかの側面は、１つまたは複数の方法として具現化されてもよい。方法の一部として実行される行動は、任意の好適な方法で順序付けられてもよい。したがって、例示的な実施形態では逐次的な行動として示されているにもかかわらず、いくつかの行動を同時に実行することを含む、図示とは異なる順序で行動が実行されるような実施形態が構成されてもよい。

本明細書で定義され、使用されるすべての定義は、辞書の定義、参照により組み込まれる文書内の定義、および／または定義された用語の通常の意味を支配するものと理解されるべきである。

本明細書および特許請求の範囲において使用される不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、反対であることが明確に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解されるべきである。

本明細書および特許請求の範囲において使用されるように、「および／または」という語句は、そのように結合した要素同士、すなわち、いくつかの場合には結合的に存在し、他の場合には分離的に存在する要素同士の「どちらか一方または両方」を意味すると理解されるべきである。

本明細書および特許請求の範囲において使用されるように、１つ以上の要素のリストに関連して「少なくとも１つ」という語句は、要素のリスト内の任意の１つ以上の要素から選択された少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも要素のリスト内に具体的に記載された各要素およびすべての要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを除外しないことを意味すると理解されるべきである。この定義はまた、「少なくとも１つ」という表現が参照する要素のリスト内で具体的に特定された要素以外の要素は、具体的に特定されたそれらの要素に関連しているかどうか、または関連していないかどうかにかかわらず、オプションで存在してもよいことを許容する。

請求項において、クレーム要素を修正するために「第１」、「第２」、「第３」などの序列用語を使用することは、それ自体で、あるクレーム要素の他の要素に対する優先順位、戦後、または順序、または方法の行動が実行される時間的順序を暗示するものではなく、クレーム要素を区別するために、ある名称を有する一つのクレーム要素と、同じ名称を有する別の要素とを区別するためのラベルとして（ただし、序列用語を使用するために）使用されるだけである。

請求項においても、上記明細書においても同様に、「備える」、「含む」、「運ぶ」、「有する」、「含んでいる」、「関与する」、「保持する」、「によって構成される」などのすべての移行語句は、オープンエンドであること、すなわち、含むがこれらに限定されないことを意味すると理解されるべきである。「からなる」および「本質的にからなる」という経過語は、それぞれ閉じた経過語または半閉じた経過語とする。

Claims (56)

1. 光検出器アレイと、
   前記光検出器アレイに関連付けられた検出回路であって、前記検出回路は、励起光で発光分子を照明した後の第１時間期間および第２時間期間に亘って、前記光検出器アレイの光検出器において前記発光分子から受け入れた入射光子の量をカウントするように構成されている、前記検出回路と
   を備える、システム。
2. 前記検出回路は、前記第１時間期間および前記第２時間期間に亘って前記光検出器アレイに入射した単一光子をカウントするように構成されている、
   請求項１のシステム。
3. 前記検出回路はさらに、前記発光分子を識別する信号を生成するように構成されている、
   請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記検出回路はさらに、第１タイプの発光分子を識別する第１信号と、第２タイプの発光分子を識別する第２信号とを含む、互いに異なるタイプの発光分子を識別する信号を生成するように構成されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記互いに異なるタイプの発光分子は、互いに異なるヌクレオチドに関連付けられ、
   前記検出回路は、ヌクレオチド系列を識別する信号セットを生成するように構成されている、
   請求項４に記載のシステム。
6. 前記ヌクレオチド系列を識別する前記信号セットは、テンプレート核酸分子を配列する、
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記信号セットによって識別されるヌクレオチド系列は、前記テンプレート核酸分子に対して相補的な核酸分子のヌクレオチド系列である、
   請求項６に記載のシステム。
8. 前記ヌクレオチド系列のうちの互いに異なるタイプのヌクレオチドは、互いに異なるタイプの発光分子でラベル付けされている、
   請求項７に記載のシステム。
9. 前記検出回路はさらに、発光分子の寿命を示す信号を生成するように構成されている、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記検出回路は、前記光検出器アレイにおける光検出器に関連付けられた少なくとも２つの光子カウント回路を有し、
    前記検出回路は、前記光検出器によって受け入れられた前記入射光子の量をカウントするように構成されている、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記検出回路はさらに、前記第１時間期間および前記第２時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた前記入射光子の量を示す信号を生成するように構成されている、
    請求項１０に記載のシステム。
12. 前記検出回路によって生成された信号は、
    前記第１時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた前記入射光子の第１量を識別する第１信号と、
    前記第２時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた前記入射光子の第２量を識別する第２信号とを含む、
    請求項１１に記載のシステム。
13. 前記少なくとも２つの光子カウント回路は、第１光子カウント回路および第２光子カウント回路を含み、
    前記第１光子カウント回路は前記第１信号を生成するように構成され、
    前記第２光子カウント回路は前記第２信号を生成するように構成されている、
    請求項１２に記載のシステム。
14. 前記検出回路は、前記第１信号および前記第２信号を含む読出信号を生成するように構成されている、
    請求項１２また１３に記載のシステム。
15. 前記第１時間期間および前記第２時間期間は、非重複の時間期間である、
    請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記検出回路は、基準時間を示す制御信号を受信し、前記制御信号の受信に応答して光子カウントを実行するように構成されている、
    請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記検出回路は、励起光のパルスを放出するように構成された光源から制御信号を受信し、前記制御信号を受信することに応答して光子カウントを実行するように構成されている、
    請求項１〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記システムはさらに、
    励起光を放出するように構成された少なくとも１つの光源と
    前記少なくとも１つの光源を制御して励起光のパルスを放出するとともに、放出されたパルスに対応する制御信号を生成するように構成された制御回路とを備え、
    前記光検出器アレイにおける光検出器に関連付けられた前記検出回路は、前記制御回路からの前記制御信号の少なくとも１つを受信することに応答して光子カウントを実行するように構成されている、
    請求項１〜１７のいずれか一項に記載のシステム。
19. 前記システムはさらにサンプルウェルアレイを備え、
    前記サンプルウェルアレイにおける個々のサンプルウェルは、サンプルを受け入れるように構成されている、
    請求項１〜１８のいずれか一項に記載のシステム。
20. 前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイのアライメント位置は、
    前記光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントするように配置された複数のサンプルウェルからなる第１サブセットと、
    前記光検出器アレイにおける複数の光検出器に対して光学的にアライメントしないように配置された複数のサンプルウェルからなる第２サブセットとを備える、
    請求項１９に記載のシステム。
21. 前記サンプルウェルの第１サブセットは、前記アライメント位置にあるときに前記光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる少なくとも１つの行に対して光学的にアライメントする前記サンプルウェルアレイにおける複数の前記サンプルウェルからなる少なくとも１つの行を備える、
    請求項２０に記載のシステム。
22. 前記サンプルウェルの第１サブセットは、前記サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルからなる第１行および第２行を含み、
    前記第１行および前記第２行は、前記サンプルウェルの第２サブセットにおける複数のサンプルウェルからなる少なくとも１つの行によって分離されている、
    請求項２０または２１に記載のシステム。
23. 前記システムはさらに、前記サンプルウェルアレイから放出された光子を、前記光検出器アレイに向けて方向付けるために配置された少なくとも１つの光学素子を備える、
    請求項１９〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
24. 前記少なくとも１つの光学素子は、前記サンプルウェルアレイにおける１つのサンプルウェルから放出された光子を、前記光検出器アレイにおける１つの光検出器に向けて方向付けるように配置されている、
    請求項２３に記載のシステム。
25. 前記少なくとも１つの光学素子は、前記サンプルウェルアレイにおける１つのサンプルウェルから放出された光子を、前記光検出器アレイにおける１つの光検出器の検出領域に対して重なるようにアライメントさせるように構成されている、
    請求項２３または２４に記載のシステム。
26. 前記少なくとも１つの光学素子はダイクロイックミラーを含み、
    前記ダイクロイックミラーは、前記少なくとも１つの光源によって放出された光を前記サンプルウェルアレイに向けて方向付け、前記発光分子によって放出された光を前記光検出器アレイに伝送させるように配置される、
    請求項２３〜２５のいずれか一項に記載のシステム。
27. 前記少なくとも１つの光学素子は、リレーレンズ構成で配置された複数のレンズを含む、
    請求項２３〜２６のいずれか一項に記載のシステム。
28. 前記システムはさらに少なくとも１つの導波路を備え、
    前記サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部は、前記少なくとも１つの導波路からの光を受け入れるように配置されている、
    請求項１９〜２７のいずれか一項に記載のシステム。
29. 前記サンプルウェルアレイと前記少なくとも１つの導波路とはサンプルチップ上に統合され、
    前記サンプルウェルアレイは前記サンプルチップの表面上に配置されている、
    請求項２８に記載のシステム。
30. 前記サンプルチップはさらにグレーティングカプラを備え、
    前記グレーティングカプラは、外部光源からの光を受光して前記少なくとも１つの導波路に光を光学的に結合するように構成されている、
    請求項２９に記載のシステム。
31. 前記光検出器アレイは、単一光子アバランシェフォトダイオードのアレイを備える、
    請求項１〜３０のいずれか一項に記載のシステム。
32. 光検出器アレイを有する検出回路を備える装置であって、
    前記検出回路は、核酸分子に組み込まれている互いに異なるヌクレオチドに関連する発光分子を区別するために、前記発光分子からの前記光検出器アレイによって受け入れられた入射光子をカウントするように構成されている、
    装置。
33. 前記検出回路はさらに、個々のヌクレオチドが前記核酸分子に組み込まれるにつれて、ヌクレオチド系列を識別する信号を生成するように構成されている、
    請求項３２に記載の装置。
34. 前記発光分子は、互いに異なるタイプのヌクレオチドをラベル付けする、
    請求項３２または３３に記載の装置。
35. 前記装置はさらに、テンプレート核酸分子を受け入れるように構成された複数のサンプルウェルを備え、
    前記光検出器アレイにおける１つの光検出器は、前記複数のサンプルウェルのうちの１つからの光を受け入れるように配置されている、
    請求項３２〜３４のいずれか一項に記載の装置。
36. 前記核酸分子は前記テンプレート核酸分子に対して相補的である、
    請求項３５に記載の装置。
37. 光検出器アレイにおける光検出器によって、発光分子からの光子を受け入れる工程と、
    検出回路を用いて、第１時間期間および第２時間期間に亘って前記光検出器に入射した光子の量をカウントする工程と
    を備える、光検出方法。
38. 前記光検出方法はさらに、前記発光分子を識別する信号を生成する工程を備え、
    前記信号は、前記第１時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた光子の第１量と、前記第２時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた光子の第２量とを示す、
    請求項３７に記載の光検出方法。
39. 前記光検出方法はさらに、励起光のパルスでサンプルを照射する工程を備え、
    光子の量をカウントする工程は、前記励起光のパルスで前記サンプルを照射する工程に応答して行われる、
    請求項３７または３８に記載の光検出方法。
40. 少なくとも１つのハードウェアプロセッサによって実行されると、少なくとも１つのハードウェアプロセッサに光検出方法を実行させるプロセッサ実行可能な命令を格納している、少なくとも１つの非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体であって、前記光検出方法は、
    少なくとも１つの光源を制御するように構成された制御回路から、前記少なくとも１つの光源によって放出される光のパルスに対応する制御信号を受信する工程と、
    前記制御信号を受信することに応答して、光検出器アレイにおける光検出器に入射する光子のカウントを実行するように構成された検出回路を制御する工程と
    を備え、
    前記カウントは、第１時間期間および第２時間期間に亘って光検出器によって受け入れられた入射光子の量をカウントする工程を備える、
    非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体。
41. 前記検出回路はさらに、前記第１時間期間および前記第２時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた前記入射光子の量を示す信号を生成するように構成されている、
    請求項４０に記載の非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体。
42. 前記検出回路によって生成された信号は、
    前記第１時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた前記入射光子の第１量を識別する第１信号と、
    前記第２時間期間に亘って前記光検出器によって受け入れられた前記入射光子の第２量を識別する第２信号と
    を含む、請求項４０または４１に記載の非一時的なコンピュータ読取可能な記憶媒体。
43. サンプルウェルアレイを光検出器アレイにアライメントさせるための方法であって、前記方法は、
    前記光検出器アレイを使用して、前記光検出器アレイに入射する前記サンプルウェルアレイからの光を検出する工程と
    検出された前記光に基づいて、前記サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部が前記光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントすることを許容するように、前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程と
    を備える、方法。
44. 前記光検出器アレイにおける個々の光検出器によって検出される光の量は、前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイのアライメントの度合いを示す、
    請求項４３に記載の方法。
45. 前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、前記サンプルウェルアレイを第１位置から第２位置に移動させる工程を備え、
    前記サンプルウェルアレイが前記第２位置にあるときの方が前記第１位置にあるときよりも、前記光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第１サブセットはより多くの量の光子を検出する、
    請求項４３または４４に記載の方法。
46. 前記サンプルウェルアレイが前記第２位置にあるときの方が前記第１位置にあるときよりも、前記光検出器アレイにおける複数の前記光検出器からなる第２サブセットはより少ない量の光子を検出する、
    請求項４５に記載の方法。
47. 前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、前記光検出器アレイにおける複数の前記光検出器からなる少なくとも１つの行に対して光学的にアライメントするように、前記サンプルウェルアレイにおける複数の前記サンプルウェルからなる少なくとも１つの行を位置決めする工程を備える、
    請求項４３〜４６のいずれか一項に記載の方法。
48. 前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、前記サンプルウェルアレイと前記光検出器アレイとのうちの少なくとも一方を並進方向に移動させる工程を備える、
    請求項４３〜４７のいずれか一項に記載の方法。
49. 前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、前記サンプルウェルアレイと前記光検出器アレイとのうちの少なくとも一方を斜めに回転させる工程を備える、
    請求項４３〜４８のいずれか一項に記載の方法。
50. 前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、検出された光のパターンをアライメントパターンと比較する工程を備え、
    前記アライメントパターンは、閾値未満の光の量を検出する少なくとも１つの前記光検出器を有する、
    請求項４３〜４９のいずれか一項に記載の方法。
51. ステージと、
    光を検出するように構成された光検出器アレイと、
    前記光検出器アレイに関連付けられ、前記光検出器アレイに入射する光子を示す信号を生成するように構成された検出回路と、
    以下の方法を実行するように構成された実行回路と
    を備えるシステムであって、前記方法は、
    前記検出回路からの信号を受信する工程と
    受信された信号に基づいて、前記光検出器アレイに対する前記ステージの相対的な位置決めを調整して、サンプルウェルアレイにおける複数のサンプルウェルのうちの少なくとも一部が前記光検出器アレイにおける複数の光検出器のうちの少なくとも一部に対して光学的にアライメントすることを許容する工程と
    を備える、システム。
52. 前記実行回路は、
    少なくとも１つのプロセッサと、
    実行されると前記方法を実行するコンピュータ実行可能な命令をコード化した少なくとも１つのコンピュータ読取可能な記憶媒体と
    を備える、請求項５１に記載のシステム。
53. 前記受信された信号は、前記光検出器アレイにおける個々の光検出器によって検出された光の量を示し、
    前記光の量は、前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイのアライメントの度合いを示す、
    請求項５１または５２に記載のシステム。
54. 前記光検出器アレイに対する前記ステージの位置決めを調整する工程はさらに、前記ステージの位置を第１位置から第２位置に調整する工程を含み、
    前記ステージが前記第２位置にあるときの方が前記第１位置にあるときよりも、前記光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第１サブセットはより大きな量の光子を検出する、
    請求項５１〜５３のいずれか一項に記載のシステム。
55. 前記サンプルウェルアレイが前記第２位置にあるときの方が前記第１位置にあるときよりも、前記光検出器アレイにおける複数の光検出器からなる第２サブセットはより少ない量の光子を検出する、
    請求項５４に記載のシステム。
56. 前記光検出器アレイに対する前記サンプルウェルアレイの位置決めを調整する工程は、前記光検出器アレイにおける複数の前記光検出器からなる少なくとも１つの行に対してアライメントするように、前記サンプルウェルアレイにおける複数の前記サンプルウェルからなる少なくとも１つの行を位置決めする工程を備える、
    請求項５５に記載のシステム。

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