JP2022031090A - バイオセンサおよびバイオ検出システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 より柔軟な励起光の遮光性を有する新規のバイオセンサおよび新規のバイオ検出システムを提供する。【解決手段】 基板、前記基板に埋め込まれた複数のフォトダイオード、前記基板上に配置された偏光素子、および前記偏光素子上に配置された複数の反応部位を含むバイオセンサ。【選択図】 図１Ａ
Description
本発明は、バイオセンサとバイオ検出システムに関するものであり、特に、偏光素子を有するバイオセンサおよび偏光素子を有するバイオ検出システムに関するものである。
集積化センシングデバイス（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）が、生物学的分析用に最近用いられている。このようなアプリケーションを用いるとき、生物学的サンプルまたは生化学的サンプルをフォトダイオード上に配置することができる。ＤＮＡ配列決定、免疫蛍光検出などのバイオ反応または相互作用は、励起または発光スペクトルおよび／または蛍光分子の強度を通じて報告することができる。蛍光は、より短い励起波長によって励起され、フォトダイオードに向けてより長い出射光を生成することができる。蛍光のスペクトル分布および強度は、フォトダイオードによって検出および判定することができる。
多くの集積化バイオセンシングデバイスは、干渉フィルター、吸収フィルター、またはプラズモンフィルターなどの光学フィルターを埋め込むように設計されてきた。これらのフィルターは通常、励起光をブロックして、出射光を通過させるが、透過率スペクトルは固定されており、それらの設計に基づいている。これは、フィルターの膜厚とスタック、顔料、またはナノ構造の形状によって影響を受けることがある。多くの蛍光分子を検出する必要があるとき、異なる波長の全てにおいて、異なる励起光が必要となる。しかしながら、集積デバイス内に埋め込まれたフィルターの透過波長を調整することは難しく、用途が制限されることになる。
従って、より柔軟な励起光の遮光性を有する新規のバイオセンサおよび新規のバイオ検出システムが必要とされる。
より柔軟な励起光の遮光性を有する新規のバイオセンサおよび新規のバイオ検出システムを提供する。
本発明のバイオセンサおよびバイオ検出システムは、偏光素子を用いることにより、フォトダイオードが励起光を受光するのを防止することができる。上部偏光素子は励起光を通過させ、他方の偏光素子はフォトダイオード上に配置される。上部偏光素子の偏光角は、他方の偏光素子の偏光角と異なる。励起光が上部偏光素子を通過した後、励起光は、上部偏光素子の偏光角と同じ偏光角で偏光するように変換される。励起光はフォトダイオード上の偏光素子と異なる偏光角で偏光するため、励起光は偏光素子を通過することができない。従って、フォトダイオードが励起光を受光するのを防止することができる。また、さまざまな励起光を対象とするさまざまなバイオセンサまたはバイオ検出システムを設計せずとも、本発明の１つのバイオセンサまたは１つのバイオ検出システムは、さまざまな励起光をブロックするのに十分である。
バイオセンサは、本発明のいくつかの実施形態に従って提供される。バイオセンサは、基板、複数のフォトダイオード、偏光素子、および複数の反応部位を含む。複数のフォトダイオードは、基板に埋め込まれる。偏光素子は基板上に配置される。反応部位は偏光素子上に配置される。
バイオ検出システムは、本発明のいくつかの実施形態に従って提供される。バイオ検出システムは、基板、複数のフォトダイオード、偏光素子、複数の反応部位、上部偏光素子、および励起光源を含む。複数のフォトダイオードは、基板に埋め込まれる。偏光素子は基板上に配置される。反応部位は偏光素子上に配置される。上部偏光素子は反応部位上に配置される。励起光源は、上部偏光素子上に配置され、上部偏光素子を通過する励起光を出射する。
詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態に説明される。
本発明は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明および例を読むことで、より完全に理解することができる。
図１Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの断面図を示している。
図１Ｂは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの断面図を示している。
図１Ｃは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの断面図を示している。
図２Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの適用を示している。
図２Ｂは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの適用を示している。
図２Ｃは、Ａｌｅｘａ ４０５、Ａｌｅｘａ ４８８、Ａｌｅｘａ ５５５、およびＡｌｅｘａ ６４７の励起スペクトルと発光スペクトルを示している。
図２Ｄは、複数の蛍光マーカーの励起スペクトルを示している。
図３Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの適用を示している。
図３Ｂは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの適用を示している。
図４Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの上面図を示している。
図４Ｂは、図４Ａの線I－I’に沿った断面図を示している。
図４Ｃは、いくつかの実施形態による励起、出射、および透過のスペクトルを示している。
図４Ｄは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの上面図を示している。
図４Ｅは、図４Ｄの線II－II’に沿った断面図を示している。
図５Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの上面図を示している。
図５Ｂは、図５Ａの線III－III’に沿った断面図を示している。
図５Ｃは、いくつかの実施形態による励起、出射、および透過のスペクトルを示している。
図６Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの上面図を示している。
図６Ｂは、図６Ａの線IV－IV’に沿った断面図を示している。
図６Ｃは、いくつかの実施形態による励起、出射、および透過のスペクトルを示している。
図６Ｄは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの上面図を示している。
図６Ｅは、図６Ｄの線V－V’に沿った断面図を示している。
図６Ｆは、いくつかの実施形態による励起、出射、および透過のスペクトルを示している。
図６Ｇは、いくつかの実施形態による励起、出射、および透過のスペクトルを示している。
本発明のバイオセンサおよびバイオ検出システムは、以下の説明で詳細に説明される。以下の詳細な説明では、説明のために、多数の特定の詳細および実施形態が本開示の完全な理解を提供するために明記されている。以下の発明を実施するための形態で説明された特定の構成要素および構造は、本開示を明瞭に説明するために記述されている。しかしながら、本明細書で記述される例示的な実施形態は、単に説明のために用いられることは明らかであり、発明の概念は、これらの例示的な実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。また、異なる実施形態の図面では、本開示を明瞭に説明するために、類似の番号および／または対応の番号を用いて、類似の構成要素および／または対応の構成要素を示すことがある。しかしながら、異なる実施形態の図面での、類似の番号および／または対応の番号の使用は、異なる実施形態間の相関関係を示唆するものではない。また、この明細書では、例えば、「第２の材料層上／第２の材料層の上方に配置された第１の材料層」などの表現は、第１の材料層および第２の材料層の直接接触、または第１の材料層と第２の材料層との間の１つ以上の中間層との非接触状態を指している。上述の状況では、第１の材料層は、第２の材料層に直接接触しなくてもよい。
また、この明細書では、関連する表現が用いられる。例えば、「下方」、「底部」、「上方」、または「上部」は、ある構成要素の別の構成要素に対する位置を説明するのに用いられる。仮に装置が上下反転された場合、「下方」側の構成要素は、「上方」側の構成要素となる。
特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術的および科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈における意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されない。
明細書において、相対的な用語、例えば“下方”“上方”“水平”“垂直”“上の”“下の”“上”“下”“上部”“底部”などと、その派生語（例えば“水平に”“下方に”“上方に”など）は、説明されている、または、説明において図面に示されるように、方向を示すものとして解釈される。これらの関連用語は、説明の便宜上のためのものであり、装置が特定の方向で構成される、または動作されることを必要とするものではない。「接合された」または「相互接続された」などの接合、結合などに関連する用語は、特に記述されない限り、構造が、中間構造を介して直接または間接的に、互いに固定または接合された関係を示し、２つの構造が可動、または強固に接合された関係を示してもよい。
第１、第２、第３などの用語は、ここでは各種の素子、構成要素、領域、層、および／または部分を説明するのに用いられることができ、これらの素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、これらの用語によって制限されてはならない。これらの用語は単に一素子、構成要素、領域、層、および／または部分を識別するのに用いられる。従って、第１の素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、例示的な実施形態の技術から逸脱しない限りにおいては、第２の素子、構成要素、領域、層、および／または部分と呼ばれてもよい。
本開示では、「約」、「およそ」、および「実質的に」という用語は、一般的に、所定値または範囲の＋／－２０％を意味し、一般的に、所定値または範囲の＋／－１０％を意味し、一般的に、所定値または範囲の＋／－５％を意味し、一般的に、所定値または範囲の＋／－３％を意味し、一般的に、所定値または範囲の＋／－２％を意味し、一般的に、所定値または範囲の＋／－１％を意味し、且つ一般的に、所定値または範囲の＋／－０．５％を意味する。本開示の所定値は、近似値である。即ち、「約」、「およそ」、および「実質的に」という用語の具体的な説明がないとき、所定値は、「約」、「およそ」、および「実質的に」の意味を含む。
図１Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの断面図を示している。図１Ａに示されるように、バイオ検出システム１０Ａは、バイオセンサ１００Ａ、上部偏光素子１０８Ｕ、および励起光源１１８を含む。バイオセンサ１００Ａは、実質的に、基板１０２、フォトダイオード１０４、偏光素子１０８、平坦化層１１０およびサンプル分離層１１２を含む。サンプル分離層１１２は、バイオサンプルの固定化のための反応部位１１４としての複数の開口部を有する。
基板１０２には、フォトダイオード１０４が埋め込まれている。本発明のいくつかの実施形態では、基板１０２は、半導体ウェーハなどのバルク半導体基板である。例えば、基板１０２はシリコンウェーハである。基板１０２は、シリコンまたはゲルマニウムなどのもう1つの元素半導体材料を含むことができる。いくつかの他の実施形態では、基板１０２は化合物半導体を含む。化合物半導体は、ヒ化ガリウム、炭化ケイ素、ヒ化インジウム、リン化インジウム、その他の適切な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態では、基板１０２は、半導体オンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を含む。ＳＯＩ基板は、酸素注入（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ； ＳＩＭＯＸ）プロセス、ウェーハ結合プロセス、その他の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせを用いて製造することができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、基板１０２は、ドープされていない基板である。
偏光素子１０８は基板１０２上に配置され、反応部位１１４は偏光素子１０８上に配置される。偏光素子１０８は、偏光角を有し、これは、偏光素子１０８の偏光角に対して９０度の位相シフトで偏光した光、または垂直に偏光した光は、偏光素子１０８を通過することができないことを意味する。偏光素子１０８は、約１００～３００ｎｍの膜厚、約２０～４００ｎｍの周期、および約０．２～０．８の充填率（またはデューティサイクル）を有する金属線グレーティング（ｍｅｔａｌ ｗｉｒｅ ｇｒａｔｉｎｇ）の層を含む。グレーティングリッジ（ｇｒａｔｉｎｇ ｒｉｄｇｅ）の方向は、主に偏光の透過率に影響する。例えば、偏光が偏光素子１０８の方向に対して平行、４５度位相シフト、または９０度位相シフトされたとき、偏光素子を通過した後の透過光の強度は、それぞれ、最大、約５０％、最小である。従って、励起光が偏光素子１０８に対して９０度位相シフトした偏光であるとき、反応部位の下の偏光素子１０８は、偏光素子１０８を通過する偏光をブロックする。一方、反応部位のバイオ反応レポーター（蛍光色素など）は励起され、フォトダイオード検出用に偏光素子を一部通過することができる蛍光信号を出射することができる。ブロック効率の消光比は、金属線の膜厚、グレーティング周期、および充填率によってさらに影響を受ける。消光比は、１６０ｎｍの厚さ、０．５の充填率、および１５０ｎｍの周期のアルミニウム線を用いて、１０４（光学密度（ＯＤ）の４に相当）に達することができることが、Ｐｅｎｇ Ｌｉ ｅｔ ａｌ. “Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｍｉｃｒｏ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｖｉｓｉｂｅ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ．” Ｏｐｔｉｋ， ｖｏｌ １５８， Ａｐｒｉｌ ２０１８， ｐｐ． １４２７－１４３５ｔで示されている。彼らの研究では、１００から１０８の範囲の消光比に対応するさまざまなパラメータもシミュレートされた。励起光をブロックするための光学密度が３を超える光照明システムは、バイオセンシングアプリケーションで用いられるのに十分である。いくつかの実施形態では、偏光素子１０８は、異なる偏光角を有する１つ、２つ、３つ、または４つのサブ偏光層（ｓｕｂ－ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ）を含む。偏光素子１０８の材料は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、またはそれらの組み合わせなどの不透明な材料であってもよい。偏光素子１０８が１つのサブ偏光層のみであるとき、それは、偏光素子１０８が実質的にサブ偏光層であることを意味する。
平坦化層１１０は、偏光素子１０８上に配置される。平坦化層１１０は、スパッタリング、スピンコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）、低温化学蒸着（ＬＴＣＶＤ）、急速熱化学蒸着（ＲＴＣＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、原子層蒸着（ＡＬＤ）、物理蒸着プロセス、分子ビーム蒸着プロセス、その他の任意の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせを用いて形成されることができるが、これらに限定されない。平坦化層１１０は、フォトダイオード１０４を層間剥離、腐食、または損傷から保護することができる。具体的には、平坦化層１１０は、サンプルの溶液がフォトダイオード１０４に接触するのを防ぐことができる。平坦化層１１０の材料は、金属酸化物、金属窒化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、金属酸化物、または金属窒化物、酸化ケイ素、または窒化ケイ素、具体的には、酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ２）、酸化チタン（例えば、ＴｉＯ２）、酸化タンタル（例えば、Ｔａ２Ｏ５）、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（例えば、Ｎｂ２Ｏ５）、窒化ケイ素（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）、窒化チタン、窒化タンタル、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。また、平坦化層１１０は、バイオサンプルの固定化のために、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ膜）、機能性ポリマー、またはヒドロゲルでコーティングまたは処理されることができる。いくつかの実施形態によれば、平坦化層１１０の材料は、透明または半透明であることができる。
サンプル分離層１１２は、平坦化層１１０上に配置される。サンプル分離層１１２は、スパッタリング、スピンコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）、低温化学蒸着（ＬＴＣＶＤ）、急速熱化学蒸着（ＲＴＣＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、原子層蒸着（ＡＬＤ）、物理蒸着プロセス、分子ビーム蒸着プロセス、その他の任意の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせを用いて形成されることができるが、これらに限定されない。また、サンプル分離層１１２は、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ膜）、機能性ポリマー、またはヒドロゲルでコーティングまたは処理されて、バイオサンプルの排除（ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）をすることができる。いくつかの実施形態によれば、サンプル分離層１１２の材料は、透明または半透明であることができる。
サンプル分離層１１２の材料は、金属、金属合金、金属酸化物、金属窒化物、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、金属、金属合金、金属酸化物、金属窒化物、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、具体的には、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、それらの合金、ケイ素（例えば、Ｓｉ：Ｈ）、酸化ケイ素（例えば、ＳｉＯ２）、酸化チタン（例えば、ＴｉＯ２）、酸化タンタル（例えば、Ｔａ２Ｏ５）、アルミニウム酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（例えば、Ｎｂ２Ｏ５）、窒化ケイ素（例えば、Ｓｉ３Ｎ４）、窒化チタン、窒化タンタル、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。サンプル分離層１１２は、複数の反応部位１１４を含む。いくつかの実施形態では、各反応部位１１４は、図１に示されるように、サンプル分離層１１２の開口部であることができる。従って、反応部位１１４の底面は、平坦化層１１０の上面であることができる。サンプル分離層１１２の材料が平坦化層１１０の材料と異なるとき、選択的に表面コーティングを行って、バイオサンプルを捕捉することができる官能基で平坦化層１１０を修飾し、且つバイオサンプルを捕捉することができないその他の官能基でサンプル分離層１１２を修飾することができる。従って、バイオサンプルは、反応部位１１４に局在させることができる。
もう1つの実施形態では、サンプル分離層１１２は、反応部位１１４としての開口部を有していなくてもよい。反応部位１１４は、特定の領域のみが所望のバイオサンプルを捕捉できるように、サンプル分離層１１２の表面の一部を修飾することによって形成され得る。例えば、サンプル分離層１１２の表面上の官能基のいくつかは、所望のバイオサンプルを捕捉できるように修飾されることができる。いくつかの実施形態では、反応部位１１４は、１つ、２つ、または４つのフォトダイオード１０４に対応することができる。
バイオ検出システム１０Ａは、上部偏光素子１０８Ｕおよび励起光源１１８も含む。上部偏光素子１０８Ｕは、反応部位１１４上に配置される。上部偏光素子１０８Ｕは、偏光素子１０８の偏光角と異なる偏光角を有する。例えば、上部偏光素子１０８Ｕの偏光角は、偏光素子１０８の偏光角に垂直である。いくつかの実施形態では、偏光素子１０８の偏光角は０度であり、上部偏光素子１０８Ｕの偏光角は９０度である。いくつかの実施形態では、上部偏光素子１０８Ｕは、１つ、２つ、３つ、または４つのサブ上部偏光素子を含む。上部偏光素子１０８Ｕが１つのサブ上部偏光素子のみであるとき、それは、上部偏光素子１０８Ｕが実質的にサブ上部偏光素子であることを意味する。
励起光源１１８は、上部偏光素子１０８Ｕ上に配置される。励起光源１１８は、励起光を出射することができる。 いくつかの実施形態では、励起光源は、１つ、２つ、３つ、または４つのサブ励起光源を含む。励起光源１１８が１つのサブ励起光源のみであるとき、それは、励起光源１１８が実質的にサブ励起光源であることを意味する。いくつかの実施形態では、サブ励起光源は同時に発光しない。例えば、サブ励起光源は、光を順次に出射することができる。あるいは、サブ励起光源は、光をグループで出射することができる。いくつかの実施形態では、励起光源１１８は、短波長から長波長へ（または長波長から短波長へ）光を連続的に出射するモノクロメータである。例えば、モノクロメータは１００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の波長の光を出射する。
本発明によるバイオセンサ１００Ａおよびバイオ検出システム１０Ａは、偏光素子を用いることにより、フォトダイオードが励起光を受光するのを防止することができる。上部偏光素子は励起光を通過させ、他方の偏光素子はフォトダイオード上に配置される。上部偏光素子の偏光角は、他方の偏光素子の偏光角と異なる。励起光が上部偏光素子を通過した後、上部偏光素子と同じ偏光角の励起光のみが残る。励起光はフォトダイオード上の偏光素子と異なる偏光角で偏光するため、励起光は偏光素子を通過することができない。従って、フォトダイオードが励起光を受光するのを防止することができる。また、さまざまな励起光を対象とするさまざまなバイオセンサまたはバイオ検出システムをそれぞれ設計せずとも、本発明の１つのバイオセンサまたは１つのバイオ検出システムは、さまざまな励起光をブロックするのに十分である。
図１Ｂは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システム１０Ｂの断面図を示している。同じまたは類似の要素または層は、同様の参照番号で示される。いくつかの実施形態では、同様の参照番号によって示される同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、且つ簡潔に説明するために繰り返さない。
バイオ検出システム１０Ｂとバイオ検出システム１０Ａ間の違いの１つは、バイオセンサ１００Ｂがフィルター層１０６をさらに含むことである。フィルター層１０６は、基板１０２上に配置される。具体的には、フィルター層１０６は、偏光素子１０８と基板１０２との間に配置されている。いくつかの実施形態では、フィルター層１０６は、１つ、２つ、３つ、または４つのサブフィルター層を含む。フィルター層１０６が１つのサブフィルター層のみであるとき、それは、フィルター層１０６が実質的にサブフィルター層であることを意味する。
図１Ｃは、いくつかの実施形態によるバイオ検出用のバイオ検出システムの断面図を示している。同じまたは類似の要素または層は、同様の参照番号で示される。いくつかの実施形態では、同様の参照番号によって示される同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、且つ簡潔に説明するために繰り返さない。
バイオ検出システム１０Ｃとバイオ検出システム１０Ｂとの間の違いの１つは、バイオセンサ１００Ｃの偏光素子１０８がフィルター層１０６に埋め込まれていることである。
様々なバイオ検出システムの適用を以下に説明する。
図２Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システム１０Ａの適用を示す。バイオサンプル１１６Ａ、バイオサンプル１１６Ｂ、およびバイオサンプル１１６Ｃは、図２Ａに示されるように、反応部位１１４にそれぞれ配置される。いくつかの実施形態では、バイオサンプル１１６Ａ、バイオサンプル１１６Ｂ、およびバイオサンプル１１６Ｃは、ＤＮＡ分子、ペプチド、タンパク質など、またはそれらの組み合わせを含むことができる。本実施形態では、１つの反応部位１１４は、１つのフォトダイオード１０４に対応する。
ＤＮＡ配列決定の用途を例にとる。バイオサンプル１１６Ａ、バイオサンプル１１６Ｂ、およびバイオサンプル１１６Ｃは、異なるＤＮＡ配列を有するＤＮＡ分子であり、異なる反応部位に固定化される。例えば、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、およびデオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）などのデオキシリボヌクレオシド三リン酸（ｄＮＴＰｓ）は、Ａｌｅｘａ ４８８などの同じ蛍光マーカーで標識され、これは、ｄＮＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８、ｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８、ｄＴＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８、ｄＧＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８、およびｄＣＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８と呼ばれる。Ａｌｅｘａ ４８８は、波長４８８ｎｍの光で励起されることができる。ｄＮＴＰｓ－Ａｌｅｘａ ４８８の１つだけが各フローサイクルで用いられる。第１のサイクルでは、ｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８とポリメラーゼの溶液がバイオ検出システム１０Ａに流れる。ポリメラーゼは、Ａ－ＴまたはＧ－Ｃペアリングに基づいて1つのヌクレオチドをテンプレートＤＮＡに結合させることができる。従って、反応部位にあるＤＮＡテンプレートの新たに合成された塩基がTであるとき、ｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８は相補的ＤＮＡプライマーに添加され、相補的ＤＮＡプライマーが伸張される。さらに、３’－キャップを用いて連続的なＤＮＡ合成をブロックすることにより、各フローサイクルに最多１つの塩基を添加することができる。励起光源１１８は、４８８ｎｍの波長を有する光でバイオサンプル１１６Ａ、１１６Ｂ、および１１６Ｃを励起する。バイオサンプル１１６Ａの下のフォトダイオード１０４がＡｌｅｘａ ４８８の出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４の上の反応部位１１４内のバイオサンプル１１６Ａは、１つのｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８によって結合されていることがわかる。次に、蛍光マーカーＡｌｅｘａ ４８８とｄＡＴＰ上の３’－キャップが新しいフローサイクル用に除去される。第２のサイクルでは、ｄＧＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８とポリメラーゼの溶液がバイオ検出システム１０Ａに流れる。次に、励起光源１１８は、バイオサンプル１１６Ａ、１１６Ｂ、および１１６Ｃを励起する。バイオサンプル１１６Ａの下のフォトダイオード１０４がＡｌｅｘａ ４８８の出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４の上の反応部位１１４内のバイオサンプル１１６Ａは、１つのｄＧＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８によって結合されていることがわかる。次に、蛍光マーカーＡｌｅｘａ ４８８とｄＧＴＰ上の３’－キャップが除去される。次に、ｄＣＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８とポリメラーゼの溶液を用いた第３のサイクル、およびｄＴＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８とポリメラーゼの溶液を用いた第４のサイクルが実行される。約１００～１２００サイクルが繰り返された後、バイオサンプル１１６Ａ、１１６Ｂ、および１１６ＣのＤＮＡ配列が決定される。
図２Ｂは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システムの適用を示している。同じまたは類似の要素または層は、同様の参照番号で示される。いくつかの実施形態では、同様の参照番号によって示される同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、且つ簡潔に説明するために繰り返さない。
図２Ｂと図２Ａ間の違いの１つは、図２Ｂの励起光源１１８は、４つのサブ励起光源１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、および１１８Ｄを含むことである。サブ励起光源１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、および１１８Ｄは、互いに異なる光を出射する。ＤＮＡ配列決定の用途を例にとる。ｄＡＴＰ、ｄＴＴＰ、ｄＧＴＰ、およびｄＣＴＰは、４つの異なる蛍光マーカーでそれぞれ標識され、４つの異なる蛍光マーカーは、各々の励起光によってのみ励起されることができる。例えば、ｄＡＴＰはＡｌｅｘａ ４０５（ｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ４０５と呼ばれる）で標識され、ｄＴＴＰはＡｌｅｘａ ４８８（ｄＴＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８と呼ばれる）で標識され、ｄＧＴＰはＡｌｅｘａ ５５５（ｄＧＴＰ－Ａｌｅｘａ ５５５と呼ばれる）で標識され、ｄＣＴＰはＡｌｅｘａ ６４７（ｄＣＴＰ－Ａｌｅｘａ ６４７と呼ばれる）で標識される。
図２Ｃは、Ａｌｅｘａ ４０５、Ａｌｅｘａ ４８８、Ａｌｅｘａ ５５５、およびＡｌｅｘａ ６４７の励起スペクトルおよび発光スペクトルを示している。励起はｅｘで表される。出射はｅｍで表される。図２Ｃに示されるように、Ａｌｅｘａ ４０５は、４０５ｎｍの波長の光で励起されることができる。Ａｌｅｘａ ４８８は、４８８ｎｍの波長の光で励起されることができる。Ａｌｅｘａ ５５５は、５５５ｎｍの波長の光で励起されることができる。Ａｌｅｘａ ６４７は、６４７ｎｍの波長の光で励起されることができる。各サイクルでは、ｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ４０５、ｄＴＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８、ｄＧＴＰ－Ａｌｅｘａ ５５５、およびｄＣＴＰ－Ａｌｅｘａ ６４７の２つ、３つ、または４つとポリメラーゼがバイオ検出システム１０Aを通過する。次に、サブ励起光源１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、および１１８Ｄは、バイオサンプル１１６Ａ、１１６Ｂ、および１１６Ｃを順次に励起する。１つのフォトダイオード１０４がＡｌｅｘａ ４０５の出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４の上の反応部位１１４内のバイオサンプルは、１つのｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ４０５によって結合されていることがわかる。１つのフォトダイオード１０４がＡｌｅｘａ ４８８の出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４の上の反応部位１１４内のバイオサンプルは、１つのｄＴＴＰ－Ａｌｅｘａ ４８８によって結合されていることがわかる。１つのフォトダイオード１０４がＡｌｅｘａ ５５５の出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４の上の反応部位１１４内のバイオサンプルは、１つのｄＧＴＰ－Ａｌｅｘａ ５５５によって結合されていることがわかる。１つのフォトダイオード１０４がＡｌｅｘａ ６４７の出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４の上の反応部位１１４内のバイオサンプルは、１つのｄＴＴＰ－Ａｌｅｘａ ６４７によって結合されていることがわかる。次に、蛍光マーカーと３’－キャップが除去される。約５０～６００サイクルが繰り返された後、バイオサンプル１１６Ａ、１１６Ｂ、および１１６ＣのＤＮＡ配列が決定される。
本実施形態では、サイクルが同じ長さのＤＮＡ分子を決定するのに必要なサイクルは少なくなる。図２Ｄは、複数の蛍光マーカーの励起スペクトルを示している。これらの実施形態では、図２Ｂのバイオ検出システム１０Ａに示すように、励起光源１１８はモノクロメータである。モノクロメータは、時間の経過とともに短波長から長波長（または長波長から短波長）の光を出射することができる。いくつかの実施形態では、モノクロメータは、例えば１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、または１０ｎｍなどの間隔で、２５０ｎｍから９００ｎｍの範囲の波長の光を出射することができる。蛍光マーカーの数は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５または１６であることができるが、これらに限定されない。
図２Ｄに示されるように、 蛍光マーカーは、Ａｌｅｘａ ３５０、Ａｌｅｘａ ４０５、Ａｌｅｘａ ４３０、Ａｌｅｘａ ４８８、Ａｌｅｘａ ５１４、Ａｌｅｘａ ５３２、Ａｌｅｘａ ５５５、Ａｌｅｘａ ５６８、Ａｌｅｘａ ５９４、Ａｌｅｘａ ６１０、Ａｌｅｘａ ６３３、Ａｌｅｘａ ６４７、Ａｌｅｘａ ６６０、Ａｌｅｘａ ７００、Ａｌｅｘａ ７５０、およびＡｌｅｘａ７９０である。例えば、励起光源１１８は、時間の経過とともに２５０ｎｍから９００ｎｍの範囲の波長の光を出射する。１つのフォトダイオード１０４が、図２Ｄの矢印が指す点線に示される信号の強度対励起光の波長のプロファイルを得たとき、反応部位の蛍光マーカーはＡｌｅｘａ ５５５であることがわかる。従って、本実施形態では、より多くの蛍光マーカーを区別することができる。
図３Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システム１０Ｂの適用を示している。同じまたは類似の要素または層は、同じ符号で示される。いくつかの実施形態では、同じ符号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有しており、簡潔に説明するために繰り返さない。バイオ検出システム１０Ｂの適用および説明は、図２Ａに関連する段落に記載されたものと同様であり、ここでは繰り返さない。
図３Ａと図２Ａ間の違いの１つは、バイオセンサ１００Ｂが、基板１０２上に配置されたフィルター層１０６をさらに含むことである。具体的には、フィルター層１０６は、基板１０２と偏光素子１０８の間に配置される。フィルター層１０６は、９４０ｎｍのショートパスフィルタまたは７００ｎｍのショートパスフィルタなどのＩＲカットフィルタであることができる。従って、この実施形態では、フォトダイオード１０４は、標的蛍光色素の発光波長外の長波長の光（例えば、環境からのＩＲ光）からの信号を受信するのをさらに防ぐことができる。
図３Ｂは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システム１０Ｂの適用を示している。同じまたは類似の要素または層は、同じ符号で示される。いくつかの実施形態では、同じ符号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有しており、簡潔に説明するために繰り返さない。バイオ検出システム１０Ｂの適用および説明は、図２Ｂ、図２Ｃ、および図２Ｄに関連する段落に記載されたものと同様であり、ここでは繰り返さない。
図３Ｂと図２Ｂ、図２Ｃと図２Ｄ間の違いの１つは、バイオセンサ１００Ｂが、基板１０２上に配置されたフィルター層１０６をさらに含むことである。具体的には、フィルター層１０６は、基板１０２と偏光素子１０８の間に配置される。従って、この実施形態では、フォトダイオード１０４は、標的蛍光色素の発光波長外の長波長の光（例えば、環境からのＩＲ光）からの信号を受信するのをさらに防ぐことができる。
図４Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システム１０Ｄの上面図を示している。簡潔にするために、上面図では一部の層または要素が省略される場合がある。図４Ｂは、図４Ａの線I－I’に沿った断面図を示している。同じまたは類似の要素または層は、同じ符号で示される。いくつかの実施形態では、同じ符号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有しており、簡潔に説明するために繰り返さない。
図４Ｂと図３Ａ間の違いの１つは、バイオ検出システム１０Ｄがバイオセンサ１００Ｄを含むことである。バイオセンサ１００Ｄの１つの反応部位１１４は、２つのフォトダイオード１０４に対応する。バイオセンサ１００Ｄは、基板１０２と偏光素子１０８の間にフィルター層１０６を含む。本実施形態では、バイオセンサ１００Ｄのフィルター層１０６は、サブフィルター層１０６１およびサブフィルター層１０６２を含む。サブフィルター層１０６１およびサブフィルター層１０６２は、フォトダイオード１０４Ａおよびフォトダイオード１０４Ｂにそれぞれ対応する。１つの反応部位１１４は、フォトダイオード１０４Ａおよびフォトダイオード１０４Ｂに対応する。
図４Ｃは、いくつかの実施形態による励起、出射、および透過のスペクトルを示している。励起はｅｘで表される。出射はｅｍで表される。いくつかの実施形態では、サブフィルター層１０６１およびサブフィルター層１０６２は、バイオサンプル１１６Ａおよび１１６Ｂ上の蛍光マーカーの出射光を通過させるフィルターである。従って、本実施形態では、出射光は、サブフィルター層１０６１および１０６２と、フォトダイオード１０４（例えば、フォトダイオード１０４Ａまたはフォトダイオード１０４Ｂ）によって得られた信号強度とによって区別される。例えば、Ａｌｅｘａ５３２やＡｌｅｘａ５６８などの２つのカラー蛍光色素がＤＮＡシーケンサーで用いられて、４つのヌクレオチドを識別することができ、ｄＣＴＰは、４つの異なる蛍光マーカーでそれぞれ標識され、４つの異なる蛍光マーカーは、各々の励起光によってのみ励起されることができる。例えば、ｄＡＴＰはＡｌｅｘａ ５３２（ｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ５３２と呼ばれる）で標識され、ｄＴＴＰはＡｌｅｘａ ５６８（ｄＴＴＰ－Ａｌｅｘａ ５６８と呼ばれる）で標識され、ｄＧＴＰはＡｌｅｘａ ５３２（ｄＧＴＰ－Ａｌｅｘａ ５３２と呼ばれる）で標識され、且つｄＣＴＰはＡｌｅｘａ ５６８（ｄＣＴＰ－Ａｌｅｘａ ５６８と呼ばれる）で標識される。ｄＮＴＰｓの２つだけが各フローサイクルで用いられる。Ａｌｅｘａ５３２とＡｌｅｘａ５６８の両方とも、５３２ｎｍの波長の光で励起することができる。第１のサイクルでは、ｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ５３２、ｄＴＴＰ－Ａｌｅｘａ ５６８、およびポリメラーゼの溶液がバイオ検出システム１０Ｄに流れる。励起光源１１８は、５３２ｎｍの波長を有する光でバイオサンプル１１６Ａおよび１１６Ｂを励起する。フォトダイオード１０４Ａが出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４Ａおよび１０４Ｂの上の反応部位１１４内のバイオサンプル１１６Ａは、１つのｄＡＴＰ－Ａｌｅｘａ ５３２によって結合されていることがわかる。フォトダイオード１０４Ｂが出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４Ａおよび１０４Ｂの上の反応部位１１４内のバイオサンプル１１６Ａは、１つのｄＴＴＰ－Ａｌｅｘａ ５６８によって結合されていることがわかる。
第２のサイクルでは、ｄＧＴＰ－Ａｌｅｘａ ５３２、ｄＣＴＰ－Ａｌｅｘａ ５６８、およびポリメラーゼの溶液がバイオ検出システム１０Ｄに流れる。励起光源１１８は、５３２ｎｍの波長を有する光でバイオサンプル１１６Ａおよび１１６Ｂを励起する。フォトダイオード１０４Ａが出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４Ａおよび１０４Ｂの上の反応部位１１４内のバイオサンプル１１６Ａは、１つのｄＧＴＰ－Ａｌｅｘａ ５３２によって結合されていることがわかる。フォトダイオード１０４Ｂが出射光を受光した場合、フォトダイオード１０４Ａおよび１０４Ｂの上の反応部位１１４内のバイオサンプル１１６Ａは、１つのｄＣＴＰ－Ａｌｅｘａ ５６８によって結合されていることがわかる。約１００～６００サイクルが繰り返された後、バイオサンプル１１６Ａおよび１１６ＢのＤＮＡ配列が決定される。
本実施形態では、図２Ａに比べて、サイクルが同じ長さのＤＮＡ分子を決定するのに必要なサイクルは少なくなり、図２Ｂ、図２Ｃ、および図２Ｄに比べて、必要とされる励起光はより少ない。
図４Ｄは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システム１０Ｅの上面図を示している。簡潔にするために、上面図では一部の層または要素が省略される場合がある。図４Ｅは、図４Ｄの線II－II’に沿った断面図を示している。同じまたは類似の要素または層は、同じ符号で示される。いくつかの実施形態では、同じ符号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有しており、簡潔に説明するために繰り返さない。
図４Ｅと図４Ｂ間の違いの１つは、バイオ検出システム１０Ｅがバイオセンサ１００Ｅを含むことである。バイオセンサ１００Ｅの１つの反応部位１１４は、４つのフォトダイオード１０４に対応する。本実施形態では、バイオセンサ１００Ｅのフィルター層１０６は、サブフィルター層１０６１、サブフィルター層１０６２、サブフィルター層１０６３、およびサブフィルター層１０６４を含む。サブフィルター層１０６１、サブフィルター層１０６２、サブフィルター層１０６３、およびサブフィルター層１０６４は、フォトダイオード１０４Ａ、フォトダイオード１０４Ｂ、フォトダイオード１０４Ｃ、およびフォトダイオード１０４Ｄにそれぞれ対応する。バイオ検出システム１０Ｅの適用および説明は、図４Ａおよび図４Ｂに関連する段落に記載されたものと同様であり、ここでは繰り返さない。
図５Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システム１０Ｆの上面図を示している。簡潔にするために、上面図では一部の層または要素が省略される場合がある。図５Ｂは、図５Ａの線III－III’に沿った断面図を示している。同じまたは類似の要素または層は、同じ符号で示される。いくつかの実施形態では、同じ符号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有しており、簡潔に説明するために繰り返さない。
図５Ｂと図４Ｂ間の違いの１つは、バイオ検出システム１０Ｆの上部偏光素子１０８Ｕが、サブ上部偏光素子１０８Ｕ１およびサブ上部偏光素子１０８Ｕ２を含むことである。いくつかの実施形態では、サブ上部偏光素子１０８Ｕ１は、サブ上部偏光素子１０８Ｕ２に隣接して配置される。サブ上部偏光素子１０８Ｕ１およびサブ上部偏光素子１０８Ｕ２は、異なる偏光角を有することができる。例えば、サブ上部偏光素子１０８Ｕ１の偏光角は９０度であり、サブ上部偏光素子１０８Ｕ２の偏光角は０度である。
バイオ検出システム１０Ｆの励起光源１１８は、サブ励起光源１１８Ａおよびサブ励起光源１１８Ｂを含む。サブ励起光源１１８Ａは、サブ励起光源１１８Ｂと異なる光を出射する。サブ励起光源１１８Ａより出射された光は、サブ上部偏光素子１０８Ｕ１を通過し、サブ励起光源１１８Ｂより出射された光は、サブ上部偏光素子１０８Ｕ２を通過する。サブ励起光源１１８Ａおよびサブ励起光源１１８Ｂは、順次または同時に光を出射することができる。
バイオセンサ１００Ｆの偏光素子１０８は、サブ偏光層１０８１およびサブ偏光層１０８２を含む。サブ偏光層１０８１およびサブ偏光層１０８２は、フォトダイオード１０４Ｂおよびフォトダイオード１０４Ａにそれぞれ対応する。サブ偏光層１０８１は、サブ偏光層１０８２に隣接して配置される。サブ偏光層１０８１およびサブ偏光層１０８２は、異なる偏光角を有することができる。例えば、サブ偏光層１０８１の偏光角は９０度であり、サブ偏光層１０８２の偏光角は０度である。
バイオセンサ１００Ｆのフィルター層１０６は、サブフィルター層１０６１およびサブフィルター層１０６２を含む。サブフィルター層１０６１は、フォトダイオードがサブ励起光源１１８Ａより出射された光を受光するのを防止する。サブフィルター層１０６２は、フォトダイオードがサブ励起光源１１８Ｂより出射された光を受光するのを防止する。サブフィルター層は、実質的に偏光素子および上部偏光素子に応じて設計される。
図５Ｃは、いくつかの実施形態による励起、出射、および透過のスペクトルを示している。励起はｅｘで表される。出射はｅｍで表される。本実施形態では、蛍光マーカーＡｌｅｘａ ５３２およびＡｌｅｘａ ６３３が用いられる。サブ励起光源１１８Ａは５３２ｎｍの波長の光を出射し、サブ励起光源１１８Ｂは６３３ｎｍの波長の光を出射する。バイオサンプル１１６Ａを例にとる。フォトダイオード１０４Ａおよび１０４Ｂの両方が信号を得たとき、バイオサンプル１１６ＡがＡｌｅｘａ ５３２で標識されていることがわかる。フォトダイオード１０４Ｂのみが信号を得たとき、バイオサンプル１１６ＡがＡｌｅｘａ６３３で標識されていることがわかる。バイオサンプル１１６Ｂも同様の概念に従って分析することができる。
通常、デュアルまたはマルチノッチフィルタなど、複数の励起光をブロックすることができる単一のフィルターを設計することは非常に困難であり、そのようなフィルターは常に非常に厚く、受信信号を弱くし、クロストークを強くする。本実施形態では、複数の励起光は、偏光素子によってブロックされることができる。従って、フィルターは設計が容易なエッジパスフィルターにすることができる。さらに、誘電体干渉フィルター、吸収カラーフィルター、またはそれらの組み合わせと、フィルターを組み合わせることができ、これによりプロセスをより容易にする。
図６Ａは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システム１０Ｇの上面図を示している。簡潔にするために、上面図では一部の層または要素が省略される場合がある。図６Ｂは、図６Ａの線IV－IV’に沿った断面図を示している。同じまたは類似の要素または層は、同じ符号で示される。いくつかの実施形態では、同じ符号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有しており、簡潔に説明するために繰り返さない。
図６Ｂと図４Ｅ間の違いの１つは、バイオセンサ１００Ｇの偏光素子１０８が、サブ偏光層１０８１およびサブ偏光層１０８２を含むことである。バイオセンサ１００Ｇのフィルター層１０６は、サブフィルター層１０６１、サブフィルター層１０６２、サブフィルター層１０６３、およびサブフィルター層１０６４を含む。サブフィルター層１０６１および１０６３は、フォトダイオードがサブ励起光源１１８Ａより出射された光を受光するのを防止する。サブフィルター層１０６２および１０６４は、フォトダイオードがサブ励起光源１１８Ｂより出射された光を受光するのを防止する。サブフィルター層は、実質的に偏光素子および上部偏光素子に応じて設計される。
図６Ｃは、いくつかの実施形態による励起、出射、および透過のスペクトルを示している。励起はｅｘで表される。出射はｅｍで表される。本実施形態では、蛍光マーカーＡｌｅｘａ ５３２、Ａｌｅｘａ ５６８、Ａｌｅｘａ ６３３、およびＡｌｅｘａ ６８０が用いられる。サブ励起光源１１８Ａは５３２ｎｍの波長の光を出射し、サブ励起光源１１８Ｂは６３３ｎｍの波長の光を出射する。バイオ検出システム１０Ｇの適用および説明は、図５Ａ～図５Ｃに関連する段落に記載されたものと同様であり、ここでは繰り返さない。
図６Ｄは、いくつかの実施形態によるバイオ検出システム１０Ｈの上面図を示している。簡潔にするために、上面図では一部の層または要素が省略される場合がある。図６Ｅは、図６Ｄの線V－V’に沿った断面図を示している。同じまたは類似の要素または層は、同じ符号で示される。いくつかの実施形態では、同じ符号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有しており、簡潔に説明するために繰り返さない。
図６Ｅと図６Ｂ間の違いの１つは、バイオ検出システム１０Ｈの上部偏光素子１０８Ｕが、サブ上部偏光素子１０８Ｕ１、サブ上部偏光素子１０８Ｕ２、サブ上部偏光素子１０８Ｕ３、およびサブ上部偏光素子１０８Ｕ４を含むことである。サブ上部偏光素子１０８Ｕ１、１０８Ｕ２、１０８Ｕ３、および１０８Ｕ４は、互いに異なる偏光角を有することができる。例えば、サブ上部偏光素子１０８Ｕ１の偏光角は９０度であり、サブ上部偏光素子１０８Ｕ２の偏光角は０度であり、サブ上部偏光素子１０８Ｕ３の偏光角は４５度であり、且つサブ上部偏光素子１０８Ｕ４の偏光角は１３５度である。
バイオ検出システム１０Ｈの励起光源１１８は、サブ励起光源１１８Ａ、サブ励起光源１１８Ｂ、サブ励起光源１１８Ｃ、およびサブ励起光源１１８Ｄを含む。サブ励起光源１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、および１１８Ｄは、互いに異なる光を出射する。サブ励起光源１１８Ａ、より出射された光は、サブ上部偏光素子１０８Ｕ１を通過し、サブ励起光源１１８Ｂより出射された光は、サブ上部偏光素子１０８Ｕ２を通過し、サブ励起光源１１８Ｃより出射された光は、サブ上部偏光素子１０８Ｕ３を通過し、且つサブ励起光源１１８Ｄより出射された光は、サブ上部偏光素子１０８Ｕ４を通過する。サブ励起光源１１８Ａおよび１１８Ｂがまず用いられ、次いで、サブ励起光源１１８Ｃおよび１１８Ｄが用いられる。
バイオセンサ１００Ｈの偏光素子１０８は、サブ偏光層１０８１、サブ偏光層１０８２、サブ偏光層１０８３、およびサブ偏光層１０８４を含む。サブ偏光層１０８１、１０８２、１０８３、および１０８４は、互いに異なる偏光角を有することができる。例えば、サブ偏光層１０８１の偏光角は９０度であり、サブ偏光層１０８２の偏光角は０度であり、サブ偏光層１０８３の偏光角は４５度であり、且つサブ偏光層１０８４の偏光角は１３５度である。
図６Ｆおよび図６Ｇは、いくつかの実施形態による励起、出射、および透過のスペクトルを示している。励起はｅｘで表される。出射はｅｍで表される。本実施形態では、蛍光マーカーＡｌｅｘａ ４８８、Ａｌｅｘａ ５６８、Ａｌｅｘａ ５３２、およびＡｌｅｘａ ６４７が用いられる。サブ励起光源１１８Ａは４８８ｎｍの波長の光を出射し、サブ励起光源１１８Ｂは５６１ｎｍの波長の光を出射し、サブ励起光源１１８Ｃは５３２ｎｍの波長の光を出射し、且つサブ励起光源１１８Ｄは６３３ｎｍの波長の光を出射する。バイオ検出システム１０Ｈの適用および説明は、図５Ａ～図５Ｃに関連する段落に記載されたものと同様であり、ここでは繰り返さない。
サブ励起光源１１８Ａおよび１１８Ｂが用いられるとき、フォトダイオード１０４Ａおよび１０４Ｂのみがオンにされる。サブ励起光源１１８Ｃおよび１１８Ｄが用いられるとき、フォトダイオード１０４Ｃおよび１０４Ｄのみがオンにされる。フォトダイオード１０４Ａが信号を得た場合、バイオサンプル１１６ＡがＡｌｅｘａ ５６８で標識されていることがわかる。フォトダイオード１０４Ｂが信号を得た場合、バイオサンプル１１６ＡがＡｌｅｘａ ４８８で標識されていることがわかる。フォトダイオード１０４Ｃが信号を得た場合、バイオサンプル１１６ＡがＡｌｅｘａ ６４７で標識されていることがわかる。フォトダイオード１０４Ｄが信号を得た場合、バイオサンプル１１６ＡがＡｌｅｘａ ５３２で標識されていることがわかる。本実施形態では、得られた信号の強度は実質的に同じであり、信号の分析を容易にする。
従来技術と比較して、本発明の実施形態によって提供されるバイオセンサおよびバイオ検出システムは、以下の利点のうちの１つ以上を有する：
（１）上部偏光素子および他の偏光素子を用いることにより、フォトダイオードが励起光を受光するのを防止することができる。
（２）さまざまな励起光を対象とするさまざまなバイオセンサまたはバイオ検出システムを設計せずとも、本発明の１つのバイオセンサまたは１つのバイオ検出システムは、さまざまな励起光をブロックするのに十分である。
（３）１つのバイオセンサまたは１つのバイオ検出システムでさまざまな励起光を十分にブロックするため、様々な波長の励起光を用いることができる。蛍光マーカーは、それぞれの最適な励起光によって励起されることができる。従って、得られた信号の強度は実質的に同じであり、信号の分析を容易にする。
（１）上部偏光素子および他の偏光素子を用いることにより、フォトダイオードが励起光を受光するのを防止することができる。
（２）さまざまな励起光を対象とするさまざまなバイオセンサまたはバイオ検出システムを設計せずとも、本発明の１つのバイオセンサまたは１つのバイオ検出システムは、さまざまな励起光をブロックするのに十分である。
（３）１つのバイオセンサまたは１つのバイオ検出システムでさまざまな励起光を十分にブロックするため、様々な波長の励起光を用いることができる。蛍光マーカーは、それぞれの最適な励起光によって励起されることができる。従って、得られた信号の強度は実質的に同じであり、信号の分析を容易にする。
本開示およびそれらの利点の一部の実施形態が詳細に説明されてきたが、添付の請求の範囲によって定義されるように、本開示の精神および範囲を逸脱せずに、本明細書において種々の変更、置換、および代替をすることができる。例えば、本明細書で述べられる特徴、機能、プロセス、および材料の多くが本開示の範囲を逸脱することなく変更できることが当業者にとっては容易に理解される。また、本出願の範囲は、本明細書中に述べられたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、および動作の特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者が本開示の開示から容易に理解するように、本明細書で述べられた対応する実施形態と、実質的に同様の機能を実行するか、または実質的に同様の結果を達成する、現存の、または後に開発される、開示、プロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、または動作が本開示に従って利用され得る。よって、添付の特許請求の範囲は、上述のプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、または動作を含むように意図される。
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈ バイオ検出システム
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１０Ｇ バイオセンサ
１０２ 基板
１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄ フォトダイオード１０６ フィルター層
１０６１、１０６２、１０６３、１０６４ サブフィルター層
１０８ 偏光素子
１０８１、１０８２、１０８３、１０８４ サブ偏光層
１０８Ｕ 上部偏光素子
１０８Ｕ１、１０８Ｕ２、１０８Ｕ３、１０８Ｕ４ サブ上部偏光素子
１１０ 平坦化層
１１２ サンプル分離層
１１４ 反応部位
１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃ バイオサンプル
１１８ 励起光源
１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、１１８Ｄ サブ励起光源
I－I’、II－II’、III－III’、IV－IV’、V－V’ 線
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１０Ｇ バイオセンサ
１０２ 基板
１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄ フォトダイオード１０６ フィルター層
１０６１、１０６２、１０６３、１０６４ サブフィルター層
１０８ 偏光素子
１０８１、１０８２、１０８３、１０８４ サブ偏光層
１０８Ｕ 上部偏光素子
１０８Ｕ１、１０８Ｕ２、１０８Ｕ３、１０８Ｕ４ サブ上部偏光素子
１１０ 平坦化層
１１２ サンプル分離層
１１４ 反応部位
１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃ バイオサンプル
１１８ 励起光源
１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、１１８Ｄ サブ励起光源
I－I’、II－II’、III－III’、IV－IV’、V－V’ 線
Claims (11)
- 基板、
前記基板に埋め込まれた複数のフォトダイオード、
前記基板上に配置された偏光素子、および
前記偏光素子上に配置された複数の反応部位を含むバイオセンサ。 - 前記基板と前記偏光素子の間に配置されたフィルター層をさらに含む請求項１に記載のバイオセンサ。
- 前記基板と前記複数の反応部位の間に配置されたフィルター層をさらに含み、前記偏光素子が前記フィルター層に埋め込まれている請求項１に記載のバイオセンサ。
- 前記フィルター層は２つのサブフィルター層を含み、
前記複数の反応部位のそれぞれは、前記複数のフォトダイオードのうちの２つに対応する請求項２に記載のバイオセンサ。 - 前記フィルター層は４つのサブフィルター層を含み、
前記複数の反応部位のそれぞれは、前記複数のフォトダイオードのうちの４つに対応する請求項２に記載のバイオセンサ。 - 前記フィルター層は２つのサブフィルター層を含み、
前記偏光素子は２つのサブ偏光層を含み、
前記複数の反応部位のそれぞれは、前記複数のフォトダイオードのうちの２つに対応する請求項２に記載のバイオセンサ。 - 前記フィルター層は４つのサブフィルター層を含み、
前記偏光素子は２つのサブ偏光層を含み、
前記複数の反応部位のそれぞれは、前記複数のフォトダイオードのうちの４つに対応する請求項２に記載のバイオセンサ。 - 前記フィルター層は４つのサブフィルター層を含み、
前記偏光素子は４つのサブ偏光層を含み、
前記複数の反応部位のそれぞれは、前記複数のフォトダイオードのうちの４つに対応する請求項２に記載のバイオセンサ。 - 基板、
前記基板に埋め込まれた複数のフォトダイオード、
前記基板上に配置された偏光素子、
前記偏光素子上に配置された複数の反応部位、
前記反応部位上に配置された上部偏光素子、および
前記上部偏光素子上に配置され、前記上部偏光素子を通過する励起光を出射する励起光源を含むバイオ検出システム。 - 前記励起光源は、複数のサブ励起光源を含み、前記複数のサブ励起光源は、光を順次に出射、または光をグループで出射する請求項９に記載のバイオ検出システム。
- 前記励起光源はモノクロメータである請求項９に記載のバイオ検出システム。
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