JP2022525322A - 時間ゲート蛍光ベースの検出のための方法およびシステム - Google Patents

時間ゲート蛍光ベースの検出のための方法およびシステム Download PDF

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Abstract

本開示は、時間ゲート蛍光ベースの検出のための方法、装置、およびシステムを提供する。時間ベースの蛍光分析は、個々の励起パルス後、蛍光体から放出される光子束を測定することによって、ある生化学アッセイにおいて使用されることができる。溶液中の検体の有無を検出するためのデバイスは、電子シャッタを備えるセンサを備える、チップを備え、センサは、（ｉ）第１の時間周期内に励起パルスへの溶液の暴露に応じて発生された溶液からの信号を収集することと、（ｉｉ）電子シャッタを用いて、センサ内において励起パルスによって第２の時間周期内に発生された光誘発電荷を除去することであって、第２の時間周期は、第１の時間周期と異なる、ことと、（ｉｉｉ）光誘発電荷が除去されることに続いて、少なくとも部分的に信号から導出される出力信号を発生させることとを行うように構成され、出力信号は、検体の有無を示す。

Description

（相互参照）
本願は、その出願が参照することによって完全に本明細書に組み込まれる、２０１９年３月１４日に出願された、米国仮特許出願第６２／８１８，６１４号の利益を主張する。
（背景）
異種および同種生化学アッセイの両方の中に採用されている、持続波（ＣＷ）蛍光ベースの分光法は、生命科学研究ならびにインビトロ診断において使用され得る。エンドポイント蛍光ベースの検出方法は、例えば、表面ベースの（固相）生化学アッセイにおいて捕捉プローブおよび検体結合を検出および／または監視するために広く適用され得る。概して、検体は、蛍光体構築物を含有し得、これは、光学励起源によって励起されると、光を放出し得る。放出は、励起源より長い波長において生じ得る。捕捉プローブが、表面上の具体的および／またはアドレス指定可能な座標に付着されると、検体捕捉が、局在化された蛍光信号の発生、すなわち、光学検出デバイスによって検出され得る、現象をもたらし得る。例示的光学検出デバイスは、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）カメラを含み得る。
時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）分析は、ある生化学アッセイにおいて使用され得る、蛍光分光法の変形である。ＣＷ蛍光方法と異なり、ＴＧＦでは、励起光は、持続的ではなくてもよく、時間のある画分内においてのみ印加され得る、すなわち、時間ゲートされ得る。
（要約）
ＴＧＦでは、一連の有限時間光学励起パルスに対する検体の応答が、各励起パルスがオフにされた後に分析される。従来のＴＧＦでは、蛍光体から放出される光子束が、個々の励起パルス毎に、測定され得る。光子束を測定するための１つの方法は、検出器（図１）の具体的積分時間間隔内で光誘発電荷を定量化することである。そのような測定された信号は、捕捉プローブおよび／または検体の蛍光体標識と組み合わせられると、標的検体の存在、存在量、および可能性として、特性を評価するために使用されることができる。
ある用途では、ＴＧＦは、ＣＷ蛍光に優る利点を有し得る。例えば、ＴＧＦは、蛍光体コピー数が比較的に低いとき、はるかに高い信号対背景比をもたらし得る。十分に高速の光学励起切替源を用いることで、検出の間、励起信号からの背景は、ほぼ存在し得ない。さらに、長寿命時間を伴う蛍光体が、使用される場合（例えば、ランタニドキレート）、また、短寿命自己蛍光背景放出を周囲材料および／または生体分子構造から排除することができる。自己蛍光源の実施例は、プラスチック、有機ポリマー、または細胞間残骸を含み得る。
ＴＧＦは、有利であり得るが、その実践的実装は、非常に困難であり得る。第１の課題のセットは、パルス化励起および検出が生じ得る、速度に関連し得る。従来のＴＧＦ構成では、パルス周波数＞１００ＭＨｚを伴う光学および電子機器システムが、必要とされ得る。第２の課題のセットは、各励起パルス後に放出される少ない固有の光子の数から生じ得、総計数は、蛍光体の数未満またはそれに等しい。最後に、ＴＧＦは、ＣＷ蛍光と比較して、限定された「マルチカラー」能力をもたらし得る。ＴＧＦでは、その寿命時間に基づいて蛍光体を分化することは、光学系および電子機器のために、より高い速度およびより低い雑音性能を要求し得る。
本開示では、半導体バイオチップデバイスおよび技術を使用して、高性能で、高度に統合され、かつコスト効率的ＴＧＦシステムを作成するための装置および方法が、提供されている。本開示の方法および装置は、ゲノムおよびプロテオミクス、特に、大規模並列ＤＮＡおよびタンパク質分析ならびにＤＮＡシーケンシングにおける生命科学および分子診断において使用されてもよい。
本開示の側面は、溶液中の検体の有無を検出するためのデバイスであって、電子シャッタを備えるセンサを備える、チップであって、センサは、（ｉ）第１の時間周期内に励起パルスへの溶液の暴露に応じて発生された溶液からの信号を収集し、（ｉｉ）電子シャッタを用いて、センサ内において励起パルスによって第２の時間周期内に発生された光誘発電荷を除去し、第２の時間周期は、第１の時間周期と異なり、（ｉｉｉ）光誘発電荷が除去されることに続いて、少なくとも部分的に信号から導出される出力信号を発生させ、出力信号は、検体の有無を示すように構成される、チップを備える、デバイスを提供する。
いくつかの実施形態では、第２の時間周期は、第１の時間周期に先行する。いくつかの実施形態では、第２の時間周期は、励起パルスの持続時間を上回る。いくつかの実施形態では、チップは、複数の個々にアドレス指定可能な場所を備え、電子シャッタを備える、センサは、複数の個々にアドレス指定可能な場所の第１の場所上に配置され、付加的電子シャッタを備える、付加的センサは、複数の個々にアドレス指定可能な場所の付加的場所上に配置される。
いくつかの実施形態では、信号は、電気信号を備え、センサはさらに、溶液からの光学信号を電気信号に変換するように構成される、少なくとも１つのトランスデューサを備える。いくつかの実施形態では、電子シャッタは、少なくとも１つのトランスデューサに動作可能に結合される、電子シャッタスイッチを備え、電子シャッタスイッチは、電子シャッタスイッチへの電圧の印加に応じて、少なくとも１つのトランスデューサからの光誘発電荷の除去を促進するように構成される。いくつかの実施形態では、センサはさらに、電気信号を積分するように構成される、少なくとも１つの積分器を備える。いくつかの実施形態では、センサはさらに、少なくとも１つのトランスデューサと少なくとも１つの積分器との間に配置され、それに動作可能に結合される、少なくとも１つの積分スイッチを備え、少なくとも１つの積分スイッチは、電気信号を少なくとも１つのトランスデューサから少なくとも１つの積分器に輸送するように構成される。いくつかの実施形態では、センサはさらに、少なくとも１つの積分器に動作可能に結合される、少なくとも１つの付加的トランスデューサを備え、少なくとも１つの付加的トランスデューサは、少なくとも１つの積分器によって積分された電気信号を出力信号に変換するように構成される。いくつかの実施形態では、信号は、光誘発電荷を備え、出力信号は、電圧を備える。いくつかの実施形態では、チップは、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）集積回路（ＩＣ）内に含まれる。
いくつかの実施形態では、チップはさらに、センサに隣接する、バイオセンシング層を備え、バイオセンシング層は、検体に特異的に結合する、少なくとも１つのプローブを備える。いくつかの実施形態では、信号は、少なくとも部分的に、検体と少なくとも１つのプローブの結合に応じて検体と関連付けられる標識によって生成される、光学信号から導出される。いくつかの実施形態では、標識は、蛍光体である。いくつかの実施形態では、信号は、少なくとも部分的に、検体と少なくとも１つのプローブの結合に応じた少なくとも１つのプローブまたは検体からの光学信号またはその変化から導出される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのプローブは、エネルギードナーを備え、検体は、エネルギーアクセプタを備える。いくつかの実施形態では、エネルギードナーは、蛍光体であり、エネルギーアクセプタは、付加的蛍光体または消光体である。いくつかの実施形態では、バイオセンシング層は、少なくとも１つの制御プローブを備え、センサは、制御信号を少なくとも１つの制御プローブから収集し、制御信号を使用して、収集された信号を正規化するように構成される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの制御プローブは、検体に結合しない、またはそれと相互作用しない。いくつかの実施形態では、本デバイスはさらに、反応チャンバと、制御可能流体ユニットと、温度制御ユニットと、デジタルユニットとを備える。いくつかの実施形態では、反応チャンバは、溶液とチップを界面接触させるように構成され、界面接触は、検体とチップのバイオセンシング層との間の相互作用を備える。いくつかの実施形態では、制御可能流体ユニットは、溶液の少なくとも一部を反応チャンバの内外に輸送するように構成される。いくつかの実施形態では、デジタルユニットは、出力信号をチップから受信または記憶するように構成される。いくつかの実施形態では、チップは、（ｉｉｉ）に先立って、（ｉ）－（ｉｉ）を複数回繰り返すように構成される。いくつかの実施形態では、出力信号は、単一出力である。
本開示の側面は、溶液中の検体の有無を検出するための方法であって、
（ａ）電子シャッタを備えるセンサを備える、チップをアクティブ化することであって、センサは、（ｉ）第１の時間周期内に励起パルスへの溶液の暴露に応じて発生された信号を収集し、（ｉｉ）電子シャッタを用いて、センサ内において励起パルスによって第２の時間周期内に発生された光誘発電荷を除去し、第２の時間周期は、第１の時間周期と異なり、（ｉｉｉ）光誘発電荷が除去されることに続いて、少なくとも部分的に信号から導出される出力信号を発生させ、出力信号は、検体の有無を示すように構成される、ことと、
（ｂ）電子シャッタを用いて、励起パルスによってセンサ内における第２の時間周期内に発生された光誘発電荷を除去することと、
（ｃ）第１の時間周期内の励起パルスへの溶液の暴露に応じて発生された信号を収集することと、
（ｄ）光誘発電荷が除去されることに続いて、少なくとも部分的に信号から導出される出力信号を発生させることであって、出力信号は、検体の有無を示す、ことと
を含む、方法を提供する。
いくつかの実施形態では、センサは、時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）光センサである。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、センサを使用して、（ｃ）において収集された信号を積分することを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、１回以上で（ｂ）－（ｃ）を繰り返すことを含む。いくつかの実施形態では、１回以上の回数は、約１００回を上回るまたはそれに等しい回数を備える。
本開示の別の側面は、信号を検出するためのデバイスであって、センサおよび電子シャッタを備える、チップであって、センサは、（ｉ）所与の時間周期内に信号を検出し、（ｉｉ）信号によって発生された電荷を示す、データをもたらすように構成され、電子シャッタは、所与の時間周期に先立った時間周期内に励起パルスによって発生された電荷を備える、光誘発電荷を除去するように構成される、チップと、センサに動作可能に結合される、読出回路網であって、センサからのデータをメモリに伝送するように構成される、読出回路網とを備える、デバイスを提供する。
いくつかの実施形態では、読出回路網は、チップの一部である。いくつかの実施形態では、メモリは、読出回路網の外部にある。いくつかの実施形態では、信号は、蛍光信号である。いくつかの実施形態では、チップは、複数の個々にアドレス指定可能な場所を備える、センサアレイを備え、センサおよび電子シャッタは、複数の個々にアドレス指定可能な場所の第１の場所上に配置され、第２のセンサおよび第２の電子シャッタは、複数の個々にアドレス指定可能な場所の第２の場所上に配置される。いくつかの実施形態では、センサはさらに、信号によって発生された電荷を積分するように構成される。いくつかの実施形態では、センサは、積分スイッチを備える。いくつかの実施形態では、センサは、少なくとも１つの光／電荷トランスデューサと、少なくとも１つの電荷積分器とを備え、少なくとも１つの積分スイッチは、少なくとも１つの光子／電荷トランスデューサと少なくとも１つの電荷積分器との間に位置する。いくつかの実施形態では、チップは、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）集積回路（ＩＣ）内に含まれる。いくつかの実施形態では、ＣＭＯＳ ＩＣはさらに、加熱器と、温度制御システムとを備える。いくつかの実施形態では、加熱器および温度制御システムは、複数の個々にアドレス指定可能な場所における温度を制御する。
いくつかの実施形態では、チップはさらに、センサに隣接する、バイオセンシング層を備え、バイオセンシング層は、複数のプローブを備える、表面を備える。いくつかの実施形態では、複数のプローブのプローブは、同じである。いくつかの実施形態では、センサは、蛍光光をバイオセンシング層と関連付けられる蛍光源から受信する。いくつかの実施形態では、蛍光源は、蛍光体である。いくつかの実施形態では、蛍光体は、複数のプローブの少なくとも１つのプローブに付着される。いくつかの実施形態では、複数のプローブは、少なくとも１つの制御プローブを備える。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの制御プローブは、標的分子に結合しない、またはそれと相互作用しない。いくつかの実施形態では、複数のプローブの各プローブは、標的分子に特異的に結合する、またはそれと相互作用する。いくつかの実施形態では、標的分子は、標的分子標識を備える。いくつかの実施形態では、標的分子標識は、標的蛍光体を備える。いくつかの実施形態では、複数のプローブの各プローブはさらに、分子標識を備える。いくつかの実施形態では、分子標識は、蛍光体を備える。いくつかの実施形態では、プローブと標的分子との間の特異的結合または相互作用は、蛍光体から放出される蛍光を変化させる。いくつかの実施形態では、本デバイスはさらに、反応チャンバと、制御可能流体システムと、温度制御システムと、デジタルシステムとを備える。いくつかの実施形態では、反応チャンバは、サンプルとバイオチップを界面接触させ、界面接触は、サンプルとチップのバイオセンシング層との間の相互作用を備える。いくつかの実施形態では、制御可能流体システムは、少なくとも１つの試薬を反応チャンバの内および／または外に輸送する。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの試薬は、サンプルを備える。いくつかの実施形態では、温度制御システムは、第１の時点において、第１の温度を反応チャンバに設定する。いくつかの実施形態では、デジタルシステムは、命令をチップおよび温度制御システムに送信する。いくつかの実施形態では、デジタルシステムはさらに、チップからのデータを記憶する。いくつかの実施形態では、デジタルシステムはさらに、データをチップから受信する。
本開示のさらに別の側面は、信号を検出するための方法であって、センサおよび電子シャッタを備える、チップをアクティブ化することであって、センサは、（ｉ）所与の時間周期内に信号を検出し、（ｉｉ）信号によって発生された電荷を示す、データをもたらすように構成され、電子シャッタは、所与の時間周期に先立った時間周期内に励起パルスによって発生された電荷を備える、光誘発電荷を除去するように構成される、ことと、（ｂ）電子シャッタを使用して、所与の時間周期に先立った時間周期内の光誘発電荷を除去することと、（ｃ）センサを使用して、所与の時間周期内の信号を検出し、信号によって発生された電荷を示す、データをもたらすことと、（ｄ）データをメモリに伝送することとを含む、方法を提供する。
いくつかの実施形態では、センサは、時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）光センサである。いくつかの実施形態では、（ｃ）はさらに、センサを使用して、信号によって発生された電荷を積分することを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、１回以上で（ａ）－（ｃ）を繰り返すことを含む。いくつかの実施形態では、１回以上の回数は、約１０回を上回るまたはそれに等しい回数を備える。いくつかの実施形態では、１回以上の回数は、約５０回を上回るまたはそれに等しい回数を備える。いくつかの実施形態では、１回以上の回数は、約１００回を上回るまたはそれに等しい回数を備える。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、チップを使用して、出力信号を発生させることを含む。いくつかの実施形態では、出力信号は、単一出力信号である。いくつかの実施形態では、チップは、複数の独立してアドレス指定可能な場所を備える。いくつかの実施形態では、チップはさらに、付加的センサと、付加的電子シャッタとを備え、センサおよび電子シャッタは、複数の独立してアドレス指定可能な場所の第１の場所上に配置され、付加的センサおよび付加的電子シャッタは、独立してアドレス指定可能な場所の第２の場所上に配置される。いくつかの実施形態では、第１の場所は、第２の場所と異なる。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、付加的電子シャッタを使用して、所与の時間周期に先立った時間周期内の付加的光誘発電荷を除去することを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、付加的センサを使用して、所与の時間周期内に付加的信号によって発生された付加的電荷を検出し、付加的信号によって発生された付加的電荷を示す、付加的データをもたらすことを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、センサを使用して、付加的電荷を積分することを含む。いくつかの実施形態では、複数の独立してアドレス指定可能な場所は、約１００箇所を上回るまたはそれに等しい場所を備える。いくつかの実施形態では、複数の独立してアドレス指定可能な場所は、約１，０００箇所を上回るまたはそれに等しい場所を備える。いくつかの実施形態では、複数の独立してアドレス指定可能な場所は、約１００，０００箇所を上回るまたはそれに等しい場所を備える。いくつかの実施形態では、複数の独立してアドレス指定可能な場所は、ピクセルである、約１００箇所を上回るまたはそれに等しい場所を備える。
本開示の別の側面は、時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）検出を動作させるための方法であって、（ａ）表面と、少なくとも１つの光センサを備える集積回路（ＩＣ）とを備える、チップをアクティブ化することであって、ＩＣは、電子シャッタを備える、ことと、（ｂ）励起光源からの励起光のパルスを表面に指向することと、（ｃ）第１の時間周期の間、電子シャッタを使用して、第１の光誘発電荷を光センサから除去することであって、第１の光誘発電荷は、第１の時間周期の間に励起光のパルスによって発生された電荷を備える、ことと、（ｄ）第１の時間周期に続く第２の時間周期の間、光センサ内で発生された第２の光誘発電荷を測定することであって、表面は、第２の時間周期の間、励起パルスに暴露されない、ことと、（ｅ）第２の時間周期の間、（ｄ）において測定された第２の光誘発電荷を積分することとを含む、方法を提供する。
いくつかの実施形態では、励起パルスは、レーザによって発生される。いくつかの実施形態では、積分することは、チップ内に備えられるサブ回路を使用することによって行われる。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、１回以上で（ａ）－（ｅ）を繰り返すことを含む。いくつかの実施形態では、１回以上の回数は、約１０回を上回るまたはそれに等しい回数を備える。いくつかの実施形態では、１回以上の回数は、約５０回を上回るまたはそれに等しい回数を備える。いくつかの実施形態では、１回以上の回数は、約１００回を上回るまたはそれに等しい回数を備える。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、出力信号を発生させることを含む。いくつかの実施形態では、出力信号は、単一出力である。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、サブ回路を１回リセットすることを含む。いくつかの実施形態では、サブ回路は、繰り返しの間、リセットされない。いくつかの実施形態では、サブ回路は、繰り返しのそれぞれの間、リセットされない。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、（ｂ）に先立って、サブ回路をリセットすることを含む。いくつかの実施形態では、第１の時間周期と第２の時間周期との間には、間隙が存在する。いくつかの実施形態では、表面は、少なくとも１つのプローブを備える、バイオセンシング層を備える。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのプローブは、蛍光体を備える。いくつかの実施形態では、蛍光体は、励起光によって励起されると、蛍光信号を放出する。いくつかの実施形態では、表面は、標的分子を備える。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの標的分子は、蛍光体を備える。いくつかの実施形態では、蛍光体は、励起光によって励起されると、蛍光信号を放出する。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのプローブは、標的分子に特異的に結合する、またはそれと相互作用し、それによって、少なくとも１つのプローブ内に備えられる蛍光体から放出される蛍光信号を変調させる。いくつかの実施形態では、積分することは、光電流を積分することを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、積分された光電流をアナログフォーマットからデジタルフォーマットに変換することを含む。
本開示の別の側面は、デバイスであって、光源に動作可能に結合される、チップであって、（ａ）チップの表面と関連付けられる検体から１つ以上の信号を周期的に検出し、１つ以上の信号は、検体を光源に曝す間、またはそれに続いて生成され、（ｂ）（ａ）で検出された１つ以上の信号の少なくともサブセットを積分し、積分された信号を生成し、（ｃ）積分された信号に基づいて、出力信号を発生させるように構成される、センサを備える、チップを備える、デバイスを提供する。
いくつかの実施形態では、チップは、統合された相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）チップを備える。いくつかの実施形態では、出力信号は、単一出力信号である。いくつかの実施形態では、センサは、時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）センサである。いくつかの実施形態では、デバイスは、チップに隣接して配置される、光学フィルタを備えない。いくつかの実施形態では、出力信号は、検体の特性を示す。いくつかの実施形態では、チップは、複数のセンサを備える、センサアレイを備える。いくつかの実施形態では、複数のセンサはそれぞれ、センサアレイの個々にアドレス指定可能な場所に配置される。いくつかの実施形態では、検体は、蛍光体を備える。いくつかの実施形態では、出力信号は、蛍光体の寿命を測定するために使用される。いくつかの実施形態では、検体は、表面上に不動化される。いくつかの実施形態では、検体は、表面上に不動化される、分子の一部である。いくつかの実施形態では、検体は、リンカを介して、表面上に不動化される。いくつかの実施形態では、１つ以上の信号は、蛍光光子を備える。いくつかの実施形態では、センサは、蛍光光子を電気信号に変換するように構成される、トランスデューサを備える。いくつかの実施形態では、センサは、蛍光光子を電荷に変換するように構成される、トランスデューサを備える。いくつかの実施形態では、センサはさらに、１つ以上の信号を積分するように構成される、積分器を備える。いくつかの実施形態では、センサは、トランスデューサおよび積分器に動作可能に結合される、スイッチを備える。いくつかの実施形態では、スイッチは、トランスデューサからの電荷を積分器に輸送する。いくつかの実施形態では、積分器は、付加的トランスデューサに動作可能に結合される。いくつかの実施形態では、付加的トランスデューサは、電荷を電気信号に変換し、それによって、電気信号を備える、出力信号を発生させる。いくつかの実施形態では、電気信号は、電圧を備える。いくつかの実施形態では、光源は、パルス化光源である。いくつかの実施形態では、パルス化光源は、レーザまたは発光ダイオードである。いくつかの実施形態では、パルス化光源は、所定の周波数において周期的に変調される。
本開示の別の側面は、方法であって、（ａ）（ｉ）チップの表面と関連付けられる検体から１つ以上の信号を周期的に検出し、１つ以上の信号は、検体を光源に曝す間、またはそれに続いて生成され、（ｉｉ）（ｉ）で検出された１つ以上の信号の少なくともサブセットを積分し、積分された信号を生成し、（ｉｉｉ）積分された信号に基づいて、出力信号を発生させるように構成される、センサを備える、チップをアクティブ化することと、（ｂ）光源をチップに指向し、１つ以上の信号を発生させることと、（ｃ）検体を光源に曝す間、またはそれに続いて、検体からの１つ以上の信号を周期的に検出することと、（ｄ）１つ以上の信号の少なくともサブセットを積分し、積分された信号を生成することと、（ｅ）積分された信号に基づいて、出力信号を発生させることとを含む、方法を提供する。
いくつかの実施形態では、光源は、パルス化光源である。いくつかの実施形態では、（ｃ）は、所与の時間間隔において周期的に行われる。いくつかの実施形態では、（ｃ）は、パルス化光源がオフにされる度の間または後に生じる。いくつかの実施形態では、出力信号は、単一出力信号である。いくつかの実施形態では、（ｄ）は、積分器を使用して行われる。いくつかの実施形態では、（ｃ）または（ｅ）は、トランスデューサを使用して行われる。いくつかの実施形態では、出力信号は、電気信号である。いくつかの実施形態では、１つ以上の信号は、光学フィルタの通過の不在下でセンサによって検出される。
本開示の付加的側面および利点は、本開示の例証的実施形態のみが図示および説明される、以下の発明を実施するための形態から当業者に容易に明白となるであろう。認識されるであろうように、本開示は、他のおよび異なる実施形態も可能であって、そのいくつかの詳細は、全て、本開示から逸脱することなく、種々の明白である点において修正が可能である。故に、図面および説明は、性質上、例証的であって、制限的と見なされるものではない。
（参照による組み込み）
本明細書に述べられた全ての刊行物、特許、および特許出願は、各個々の刊行物、特許、または特許出願が、具体的に、個々に、示され、参照することによって組み込まれる場合と同程毎に、参照することによって本明細書に組み込まれる。
本発明の新規特徴は、添付の請求項に詳細に記載される。本発明の特徴および利点のより深い理解は、本発明の原理が利用される、例証的実施形態を記載する、以下の発明を実施するための形態と、付随の図面（また、本明細書では、「ｆｉｇｕｒｅ」および「ＦＩＧ」とも称される）とを参照することによって取得されるであろう。
図１は、例示的時間ゲート蛍光検出のタイミング図および波形を図示する。
図２は、例示的時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）システムのアーキテクチャおよび機能的ブロックを図示する。
図３は、例示的時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）バイオチップのアーキテクチャおよび機能的ブロックを図示する。
図４は、ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップシステムのための例示的ＣＭＯＳ集積回路（ＩＣ）のアーキテクチャを図示する。
図５は、電子シャッタおよび周期的電荷積分（ＰＣＩ）能力を伴う、例示的ＴＧＦピクセルのトポロジを示す。
図６は、従来のＴＧＦシステムのタイミング図を示す。
図７は、例示的周期的電荷積分（ＰＣＩ）ＴＧＦピクセルのタイミング図を示す。
図８Ａは、本開示の実施形態のうちの１つによる、ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップのためのバイオセンシング層構造の平面表面構成を示す。図８Ｂは、本開示の実施形態のうちの１つによる、薄膜障壁を伴うＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップのためのバイオセンシング層構造の平面表面構成を示す。図８Ｃは、本開示の実施形態のうちの１つによる、ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップのためのバイオセンシング層の表面上にコーティングされた３Ｄかつ浸透性のマトリクスの構成を示す。図８Ｄは、本開示の実施形態のうちの１つによる、ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップのための薄膜障壁を伴うバイオセンシング層の表面上にコーティングされた３Ｄかつ浸透性のマトリクスの構成を示す。図８Ｅは、本開示の実施形態のうちの１つによる、ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップのバイオセンシング層のためのマイクロウェル構成を示す。図８Ｆは、本開示の実施形態のうちの１つによる、ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップのためのマイクロウェルをコーティングする３Ｄかつ浸透性のマトリクスを伴うバイオセンシング層のためのマイクロウェル構成を示す。図８Ｇは、本開示の実施形態のうちの１つによる、ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップのためのマイクロウェルと不動化されたビーズを伴うマイクロビーズの組み合わせの構成を示す。
図９は、本開示の実施形態のうちの１つによる、例示的ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップモジュールおよびそのＴＧＦピクセル構造を示す。
図１０Ａは、本開示の実施形態のうちの１つによる、例示的バイオチップのアーキテクチャを示す。図１０Ｂは、本開示の実施形態のうちの１つによる、例示的ＴＧＦピクセルおよびその専用デシメーションセルを示す。
図１１は、本開示の実施形態のうちの１つによる、例示的ＴＧＦモードの光センサピクセル概略およびタイミング図を示す。
図１２は、本開示の実施形態のうちの１つによる、例示的ＴＧＦピクセルの測定された一次電気および光学性能を示す。
図１３は、本開示の実施形態のうちの１つによる、ＣＷＦおよびＴＧＦモードに関する信号対背景比および動態測定値を示す。
図１４は、本開示の実施形態のうちの１つによる、例示的ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップのダイの顕微鏡写真を示す。
図１５Ａは、本開示の実施形態のうちの１つによる、例示的６トランジスタ（６Ｔ）ＰＣＩ－ＴＧＦピクセルの回路図を図示する。図１５Ｂは、サブミクロン寸法における図１５Ａのピクセルのレイアウトを示す。
図１６は、本開示の実施形態のうちの１つによる、例示的ＰＣＩ－ＴＧＦピクセルのタイミング図を示し、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）が、リセットサイクル中およびＮ回のＰＣＩサイクル後にＶｓを読み取ることによって実装される。
（詳細な説明）
種々の詳細な実施形態が、本明細書に図示および説明されているが、そのような実施形態は、一例として提供されるにすぎないことが当業者に明白となるであろう。多数の変形例、偏光、および代用が、本発明から逸脱することなく、当業者に想起され得る。本明細書に説明される発明を実施するための形態の種々の代替が、採用されてもよいことを理解されたい。
ここで使用されるような用語「検体」または「標的」は、概して、検出されるべき分子種を指す。実施例は、小分子、例えば、有機化合物、薬物、ホルモン、脂質、ステロイド、または代謝物、ポリヌクレオチド、例えば、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）分子、リボ核酸（ＲＮＡ）分子、およびペプチド核酸（ＰＮＡ）、ポリペプチド、例えば、タンパク質、ペプチド、抗体、抗原、酵素、および受容体、ならびに組織、細胞小器官、および他の受容体プローブを含む。
本明細書で使用されるような用語「プローブ」または「捕捉プローブ」は、概して、検体または標的に特異的に結合し得る、分子種および／または他のマーカを指す。プローブは、分子を備えることができ、直接、またはリンカを介して、基質、分子、もしくは他の固体表面に結合されることができる。リンカの非限定的実施例は、アミノ酸、ポリペプチド、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、および化学リンカを含む。複数のプローブは、基質、分子、または他の固体表面に不動化され得、プローブアレイと称され得る。プローブアレイの複数のプローブは、均一に、例えば、スポットの配列として、または非均一に配列されてもよい。
本明細書で使用されるような用語「約」または「約」は、概して、指定される量の＋／－１５％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、または１％以内を指す。
本明細書で使用されるような用語「標識」は、分子（例えば、標的および／またはプローブ）に付着され、標的分子に固有ではあり得ない、特性を提供することによって、分子を検出可能、区別可能、および／または追跡可能にし得る、分子構造を指す。標識の実施例は、発光性分子（例えば、蛍光体）、還元－酸化（酸化還元）種、または酵素を含み得る。ある場合には、標識は、例えば、発光性または燐光性である、ランタニドキレートおよび遷移金属キレート等の、長寿命を伴う蛍光体を備えてもよい。
本明細書で使用されるような用語「ヌクレオチド」は、概して、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）またはリボ核酸（ＲＮＡ）等の核酸のモノマーまたはサブユニットとしての役割を果たし得る、分子を指す。ヌクレオチドは、デオキシリボヌクレオシド三リン酸（ｄＮＴＰ）またはその類似体、例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０個のリン酸塩等の複数のリン酸塩をリン酸塩鎖中に有する、分子であることができる。ヌクレオチドは、概して、アデノシン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）、チミン（Ｔ）、およびウラシル（Ｕ）、またはその異型を含むことができる。ヌクレオチドは、成長する核酸鎖の中に組み込まれ得る、任意のサブユニットを含むことができる。そのようなサブユニットは、Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、またはＵ、もしくは１つ以上の相補的Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、またはＵに特有である、もしくはプリン（すなわち、ＡまたはＧもしくはバリアントその異型）またはピリミジン（すなわち、Ｃ、ＴまたはＵもしくはその異型）に相補的である、任意の他のサブユニットであることができる。サブユニットは、個々の核酸塩基または塩基基（例えば、ＡＡ、ＴＡ、ＡＴ、ＧＣ、ＣＧ、ＣＴ、ＴＣ、ＧＴ、ＴＧ、ＡＣ、ＣＡ、またはそのウラシル対応物）が分解されることを可能にすることができる。ヌクレオチドは、標識される場合とそうではない場合がある。標識されたヌクレオチドは、光学、静電、または電気化学信号等の検出可能信号をもたらし得る。
本明細書で使用されるように、用語「ポリヌクレオチド」、「オリゴヌクレオチド」、「ヌクレオチド」、「核酸」、および「核酸分子」は、概して、リボヌクレオチド（ＲＮＡ）またはデオキシリボヌクレオチド（ＤＮＡ）のいずれかの種々の長さのヌクレオチド（ポリヌクレオチド）のポリマー形態を指す。ヌクレオチドシーケンスの実施例は、ゲノムＤＮＡおよびメッセンジャＲＮＡを含む、天然または合成ＲＮＡもしくはＤＮＡに対応するシーケンスである。シーケンスの長さは、核酸増幅生成物またはアンプリコンに増幅され得る、任意の長さ、例えば、最大約２０、５０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、１，０００、１，２００、１，５００、２，０００、５，０００、１０，０００、または１０，０００超のヌクレオチド長、もしくは少なくとも約２０、５０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、１，０００、１，２００、１，５００、２，０００、５，０００、１０，０００、または１０，０００ヌクレオチド長であることができる。
本明細書で使用されるように、用語「ペプチド」、「ポリペプチド」、および「タンパク質」は、同義的に使用され、概して、ペプチド結合によって共有結合されたアミノ酸残基から成る、化合物を指す。ポリペプチドは、ペプチド結合によって相互に継合される２つ以上のアミノ酸を備える、任意のペプチドまたはタンパク質を含んでもよい。ポリペプチドの実施例は、例えば、生物学的に活性断片、実質的に相同的ポリペプチド、オリゴペプチド、ホモ二量体、ヘテロ二量体、ポリペプチド、およびその異型、修飾ポリペプチド、誘導体、類似体、融合タンパク質、またはそれらの組み合わせを含み得る。ポリペプチドは、天然ペプチド、組み換えペプチド、またはそれらの組み合わせであってもよい。
本明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈によって別様に明確に決定付けられない限り、複数参照を含む。
本明細書で使用されるような用語「検出器」は、概して、信号を検出し得る、概して、光学および／または電子構成要素を含む、デバイスを指す。
ＴＧＦシステム概要
本開示は、時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）に基づく、方法、デバイス、試薬、およびシステムを提供する。本システムは、ＴＧＦベースのバイオチップを備えてもよい。ＴＧＦバイオチップは、半導体集積されてもよい。ある場合には、それを通してシステムが作成される、半導体プラットフォームおよび製造プロセスは、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）である。
本開示の方法およびシステムは、ＴＧＦトランスダクション方法を通して、水性サンプル内に存在する複数の検体を検出、分析、および／または定量化するために使用されてもよい。ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップは、アドレス指定可能な場所を伴う、モノリシックに集積されたバイオセンサアレイであることができる。例えば、米国特許第９，７０８，６４７号、米国特許第９，４９９，８６１号、および米国特許第１０，１７４，３６７号（それぞれ、参照することによって本明細書に完全に組み込まれる）を参照されたい。各アドレス指定可能な場所は、ＴＧＦ信号をその専用感知面積から検出する、独立して動作するＴＧＦ光センサを備えてもよい。感知／検出は、リアルタイムで、かつ水性サンプルの存在下で、またはそのようなサンプルが洗浄されるときに行われてもよい。ＴＧＦ光センサは、周期的信号累積が、複数回、ゲート励起パルスを印加することによって実施される、周期的電荷積分（ＰＣＩ）方法を採用することができる。ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップシステムは、水性サンプルと物理的に界面接触し、例えば、時変温度プロファイル、生化学試薬、またはパルス化励起光子束をサンプルに印加することを含む、生理化学的プロセスをサンプルに印加することができる。
図２に図示されるようなＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップシステムは、限定ではないが、以下を含む、構成要素から成ることができる。
１．ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップ：２Ｄアレイフォーマットにおいて、ＴＧＦトランスダクション方法を通して、その上部表面との検体界面を同定および検出することができる
２．反応チャンバ：サンプル流体（例えば、検体を含む、流体水性サンプル）とＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップを界面接触させることができる
３．励起源：制御された方式において、かつＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップ動作と同期されて、波長特有の光子束を反応チャンバおよび／またはＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップ表面の中に導入することができる
４．制御可能流体システム：制御された方式において、かつＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップ動作と同期されて、試薬および／またはサンプルを反応チャンバの中に移動させ、ならびに／もしくはそこから除去し、および／または保持するように構成される
５．温度コントローラ：制御された方式において、かつＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップ動作と同期されて、反応チャンバ内の流体の温度を設定することができる
６．ＴＧＦ試薬およびレポータ分子構築物：反応チャンバ内のＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップによって、かつ具体的アッセイ方法論に従って、検体および標的の検出を可能にすることができる
７．デジタルシステム：システム内に備えられる１つ以上の構成要素の動作を協調させ、データを収集し、および／またはデータを処理ならびに／もしくはデータ分析ユニットに通信することができる。
ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップ
図３に示されるように、ＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップは、限定ではないが、以下を含む、構成要素を備えることができる。
Ａ．ＣＭＯＳ集積回路（ＩＣ）：そのモノリシックに統合された半導体基質内に埋設される、以下の機能的ブロックを含むことができる。
ｉ．ＴＧＦ光センサアレイ：２Ｄアレイフォーマットにおいて複数の検出器を備える。個々の検出器（例えば、「バイオセンシング要素」または「ピクセル」）は、そのアドレス指定可能な場所において、並行して、同時に、および独立して、蛍光体（Ｆｅ）から放出される光子束を測定することができる。検出器はまた、周期的電荷積分（ＰＣＩ）ＴＧＦ方法を採用することができる。
ｉｉ．読出回路網：データを個々のＴＧＦピクセルから入手し、それらを、連続して、並行して、またはそれらの組み合わせで、オフチップユニット（外部宛先）に通信し得る。
ｉｉｉ．オンチップ受動抵抗加熱器および温度センサ。
Ｂ．バイオセンシング層：ＣＭＯＳ ＩＣの表面上に位置することができ、ＴＧＦ方法を利用して、ＴＧＦピクセルと結合される、検体特有の局在化されたＴＧＦ信号を作成することができる。バイオセンシング層は、複数のプローブを固体表面上の独立して（および／または個々に）アドレス指定可能な場所に備え得る。各ピクセルは、反応チャンバ内の具体的標的／検体または試薬に特異的に結合する、もしくはそれと相互作用し得る、複数の同じまたは異なるプローブ分子を備えることができる。
ＣＭＯＳ集積回路（ＩＣ）
ＴＧＦバイオチップのための集積されたＣＭＯＳ ＩＣのアーキテクチャが、図４に図示される。ＣＭＯＳダイは、２Ｄ光センサアレイを含み、他のバイオセンサアレイに類似する一般的読出回路網アーキテクチャを伴う。例えば、米国特許第９，７０８，６４７号、米国特許第９，４９９，８６１号、および米国特許第１０，１７４，３６７号（それぞれ、参照することによって本明細書に完全に組み込まれる）を参照されたい。同じＣＭＯＳ埋設ＴＧＦピクセルが設置される、光センサアレイは、行および列デコーダを使用して、連続して（すなわち、一度に１つのピクセル）読み取り得る。出力バッファを通してオフチップに送信される、チップの出力は、アナログまたはデジタルのいずれかであることができる。
チップはまた、抵抗加熱器と、温度センサとを含み、反応チャンバの温度制御に適応してもよい（例えば、Ｈａｓｓｉｂｉ，Ａ．ｅｔ ａｌ．“Ａ ｆｕｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＣＭＯＳ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｂｉｏｃｈｉｐ ｆｏｒ ＤＮＡ ａｎｄ ＲＮＡ ｔｅｓｔｉｎｇ，”ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，５２（１１）：２８５７－２８７０，２０１７）。加えて、ＣＭＯＳ ＩＣはまた、ユーザによってオフチップでプログラムおよびアクセスされ、チップの機能性を設定し、データ入手を管理するための制御ブロックを含むことができる。
例示的ＴＧＦピクセルの一般的トポロジが、図５に示される。ＴＧＦは、ＦｅおよびＦＸの両方をそのバイオセンシング層上のアドレス指定可能な場所から受信し、光子は、光子－電荷トランスデューサ（ＰＣＴ）を使用することによって、電気電荷に変換され得る。ＣＭＯＳプロセスにおけるＰＣＴの実施例は、側方フォトダイオード（例えば、Ｃａｕｗｅｎｂｅｒｇｈｓ，Ｇ．，ｅｔ ａｌ．“Ｗｈｉｃｈ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｔｏ ｕｓｅ：Ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＣＭＯＳ－ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，”ＩＥＥＥ ｓｅｎｓｏｒｓ ｊｏｕｒｎａｌ，９（７）：７５２－７６０，２００９）、または埋込フォトダイオードデバイス（例えば、Ｈｏｎｄｏｎｇｗａ，Ｄ．Ｂ．ｅｔ ａｌ．“Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｎｎｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｆｏｒ ＣＣＤ ａｎｄ ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒｓ，”ＩＥＥＥ Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｓｏｃ．，２（３）：３３－４３，２０１４）を含む。ＰＣＴデバイスは、それに接続される、２つのスイッチを備えてもよい。第１のものは、電子シャッタスイッチ（ＳＳ）であってもよく、これは、それを電子シャッタ電圧源（ＶＳ）に接続することを通して、電荷をＰＣＴから外に完全に除去する。第２のものは、積分スイッチ（ＳＩ）であってもよく、これは、作成された電荷を電荷積分器要素（ＣＩＥ）の中に輸送する。ＣＩＥデバイスは、電荷／電圧トランスデューサ（ＣＶＴ）に継続的に接続され、ＴＧＦピクセル出力を生成してもよい。加えて、ＣＩＥは、リセットスイッチ（ＳＲ）を有し、随時、積分された電荷を除去し、基本的に、ＣＩＥ出力値をＶＲに「リセット」してもよい。
本開示のＴＧＦピクセルは、ＴＧＦまたは時間分解蛍光のための従来の検出器と異なり得る。１つの差異は、ＳＳおよびＳＩの不在と、ＰＣＴの発生された電荷を選択的に廃棄または積分する能力である。図６では、従来のＴＧＦシステムのための動作に関する例示的タイミング図が、示される。図６が示すように、Ｆｅは、積分時間間隔の間、光誘発電荷を定量化することによって、Ｎ個の個々のＦＸパルス毎に測定される。Ｎ個の出力（ＸＯＵＴ［１］～ＸＯＵＴ［Ｎ］）が、次いで、平均され、Ｆｅを推定する。複数の課題および非理想性が、本システムでは存在し得る。例えば、以下である。
・Ｎ個の連続測定値（読取値）を求め、Ｆｅまたは全てのピクセルを推定することが必要とされ得る。Ｆｅは、低くあり得るため、広範な平均が、要求され得、例えば、Ｎ＞１００の値が、そのようなＴＧＦシステムでは必要とされ得る。
・低レベルの信号（例えば、Ｆｅパルスあたり１０個の総電子）に起因して、ＣＶＴは、読取値あたり数電子未満に匹敵するアナログ／デジタル量子化雑音を伴う、非常に高利得（例えば、＞２０μＶ／ｅ）を要求し得る。
・大型のバイオセンサアレイが、ピクセル数Ｍ＞１，０００を伴って実装され得るとき、フレームあたりの読取値の数は、Ｎ×Ｍとなり、これは、たちまち圧迫された状態となり得る。例えば、ＴＧＦにおいて使用される蛍光体が、τＬ＝１００ｎｓの寿命を有する場合、周期１ｍｓ＝１０τＬを伴う、ＦＸパルスシーケンスを作成することが可能である。Ｎ＝１００およびＭ＝１，０００である場合、読出速度は、１０５読取値／ｍｓまたは１億サンプル／秒となるであろう。システムの雑音要件を前提として、これは、非常に複雑な読出回路網を要求し、有意な量の電力を要求し得る。結果として、パルスシーケンス周波数を低減させ、本質的に、ＴＧＦ測定を減速させることが検討され得る。
本開示では、図４に示されるトポロジを使用することによって、前述の課題は、解決され得る。図７は、ピクセル内周期的電荷積分（ＰＣＩ）スキームを採用し、ＴＧＦ測定の速度および性能の両方を改良する、本開示のＴＧＦピクセルのタイミング図を描写する。図７が示すように、ＳＳおよびＳＩを使用し、電子シャッタを印加することによって、ＰＣＴのＮ個のパルスの応答が、ＣＩＥの中に積分され得、これは、単一出力を作成し得る。これは、従来のＴＧＦよりＮ倍大きい振幅を伴って、Ｎ個のパルス毎に１回の出力の読取を可能にし得る。本アプローチの付加的利点は、限定ではないが、以下を含み得る。
・ＰＣＩ－ＴＧＦにおける１回の読取は、従来のＴＧＦにおけるＮ回の読取に等しくあり得る。
・ＰＣＩ－ＴＧＦの累積された電荷および出力振幅信号は、従来のＴＧＦのＮ倍であり得、およびＮ分の１の低頻度で読み取られることができる。したがって、ＰＣＩ－ＴＧＦは、より低速のおよび信号のより高い連鎖量子化雑音を伴う、はるかに縛りが緩和された読出回路網を使用することができる。
・ピクセル数Ｍ＞１，０００要素を伴う、大型のバイオセンサアレイが、使用されるとき、要求される読出およびピクセル走査速度要件は、従来のＴＧＦのＮ分の１であり得る。したがって、生命科学研究において使用される大規模並列アレイの採用のために必要であり得る、Ｍ＞１０６の数を伴うアレイを作成することが、非常に実行可能となり得る。
ＰＣＩ－ＴＧＦの実装における課題は、スイッチの回路およびデバイス実装、ＴＧＦと互換性がある時間間隔において電荷を輸送する効率的アプローチ、ならびにＣＩＥで解決し得る。
バイオセンシング層
本明細書に提供されるようなバイオセンシング層は、ＣＭＯＳ ＩＣの上部に作成され、反応チャンバに界面接触し、（ａ）ピクセルの上部のプローブのためのアドレス指定可能な場所を形成し、（ｂ）ＴＧＦトランスダクションが、最初に、標的を捕捉し、続いて、捕捉された標的のプローブ標的相互作用および／または構造の関数としてＴＧＦ信号を作成することを可能にし得る、有機層を含んでもよい。
バイオセンシング層は、種々の方法によって作成されてもよい。例えば、具体的プローブ構造が、表面上に、物理的に印刷、不動化、またはスポット溶接される、もしくは化学的に合成されてもよい。ある場合には、プローブは、最初に、アレイ２Ｄ表面内にランダムに分散され、次いで、本分野で公知の代替アプローチによって、標的を検出することに先立って同定される。ある場合には、ＩＣ（典型的には、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４から作製される）の表面は、プローブ付着と互換性となるように、リンカおよび／または薄膜構造で化学的に修飾されてもよい。
図８は、ＣＭＯＳ ＩＣと、ＰＣＩ－ＴＧＦを含む、ＴＧＦトランスダクション方法と互換性がある、バイオセンシング構造の実施例を示す。図８Ａおよび図８Ｂでは、平面表面は、プローブを不動化するように実装されてもよく、アドレス指定可能なアレイは、それぞれ、薄膜障壁の有無別に作成されてもよい。図８Ｃおよび図８Ｄでは、３Ｄかつ浸透性のマトリクスが、表面上にコーティングされ、表面に近接近してプローブ不動化を可能にしてもよい。図８Ｅおよび図８Ｆでは、マイクロウェルが、不動化されたプローブをより良好に単離し、ＴＧＦピクセルを単離するために使用されてもよい。図８Ｇでは、マイクロウェルと不動化されたビーズを伴うマイクロビーズの組み合わせが、アドレス指定可能なアレイを作成するために使用されてもよい。
反応チャンバ
本明細書に提供されるような反応チャンバは、ＣＭＯＳ ＴＧＦバイオチップと界面接触し、ＴＧＦアッセイの実行のために要求される、検体、標的、および他の生化学試薬を伴う、流体サンプルを含有する、流体チャンバであってもよい。
本反応チャンバの容積は、約０．１μＬ～１０，０００μＬ、例えば、約１μＬ～１００μＬであることができる。
反応チャンバは、複数の入口および出口を備え、制御可能流体システムとの界面接触に適応し、流体を挿入または除去してもよい。
ＴＧＦに適応するために、流体システムは、パルスＦＸが、流体を通り、バイオセンシング層に到達するための透明光学進行経路を提供することができる。ＦＸの波長の透過率は、１％～９９．９％であるが、典型的には、５％～８０％であることができる。
反応チャンバは、ポリマー、ガラス、半導体、結晶、またはセラミック材料、もしくはそれらの組み合わせ等の種々の材料を使用して構築されることができる。
励起源
本明細書に提供されるような励起源は、制御可能かつ時変振幅を伴う、波長選択的光子束（ＦＸ）を作成し得る、光学光源を備えてもよい。光源は、システムのバイオセンシング層およびＴＧＦトランスダクションが生じる座標を照明してもよい。
励起源中心波長は、約２００ｎｍ～１５００ｎｍ、例えば、約３００ｎｍ～８００ｎｍの任意の場所であることができる。
励起源スペクトルスパン（帯域幅）は、約１ｎｍ～５００ｎｍ、例えば、約１０ｎｍ～１００ｎｍであってもよい。
励起源光子束は、指向性であってもよく、光学的にコリメートされてもよい。
励起源ピーク出力電力は、約１０ｍＷ～１００Ｗ、例えば、約１００ｍＷ～１０Ｗであってもよい。
励起源電力は、制御可能であり、最大約１ＧＨｚ、例えば、最大約１ＭＨｚの帯域幅を用いて変調されてもよい。
励起源オフおよびオン時間は、約０．１ナノ秒（ｎｓ）と同程度に高速、例えば、約１マイクロ秒（μｓ）と同程度に高速であってもよい。
制御可能流体システム
制御可能流体システムは、制御された方式において、ユーザによって、反応チャンバの中に、サンプルおよびアッセイ試薬および／またはＴＧＦトランスダクション試薬を含み得る、水性媒体を導入し、ならびに／もしくはそこから除去し、および／または閉じ込める。各流体動作のワークフローおよびシーケンスは、アッセイ方法によって定義されてもよく、例えば、フロースルー式かつ単指向性である、または閉鎖管であることができる。
制御可能流体システムは、ポンプ、弁、および管類等の流体構成要素を使用して、ワークフローを実施してもよい。
温度コントローラ
温度コントローラシステムは、反応チャンバの流体のための具体的温度を確立し、および／または加熱ならびに／もしくは冷却を要求する、温度プロファイルを作成することができる。温度コントローラは、反応チャンバと結合される、ＣＭＯＳバイオチップＩＣおよび／またはセンサデバイス内の温度センサ（サーミスタまたは熱電対等）を使用して、温度を測定し、測定された温度に基づいて、ＣＭＯＳバイオチップＩＣ加熱器および／または熱デバイス（ペルチェデバイスまたは抵抗加熱器等）を使用して、反応チャンバに熱を追加する、またはそこから除去する、フィードバック制御システムを含むことができる。温度コントローラは、熱を除去するための放熱板を備えることができる。温度コントローラは、ＣＭＯＳ ＩＣ内に、抵抗加熱器および／または温度センサを含む、構成要素を有することができる。
温度コントローラは、基質、反応チャンバ、またはアレイピクセルの温度を変更することができる。温度の変化率は、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０℃／分であることができる。温度の変化率は、少なくとも約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０℃／分であることができる。温度の変化率は、最大で約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０℃／分であることができる。温度コントローラは、線形率（例えば、５℃／秒）において、温度を変化させることができる。代替として、温度コントローラは、非線形率において、温度を変化させることができる。温度コントローラは、温度を増加または減少させることができる。
デジタルシステム
デジタルシステムは、本質的に、システムの構成要素の機能性を制御および協調させ得る、コンピューティングおよび制御デジタルハードウェアならびに組み込みソフトウェアである。
ＴＧＦ試薬およびレポータ分子構築物
ＴＧＦトランスダクションを可能にするために、蛍光活性を呈する、分子構造および構築物を使用することができる。そのような分子構造は、時として、蛍光体（または発色団と同様に、蛍光色素）とも称され、これは、光励起に応じて光を再放出する、寿命約１０ｐｓ～１０ｍｓ、例えば、約１ｎｓ～１００ｎｓを伴う、化学化合物である。
本明細書に提供されるように、種々のタイプの蛍光体が、ＴＧＦシステムによって採用されることができる。ある場合には、例えば、約１００ｎｓを上回る、より長い寿命を有する、蛍光体が、使用されてもよい。より長い寿命を伴う、蛍光体が、使用される場合、以下となる。
・より長い寿命の蛍光体は、ＣＭＯＳバイオチップＩＣ内でより低速のＰＣＩ－ＴＧＦシステムを要求し得る。
・励起源切替速度が、より管理可能であることができ、よりコスト効率的光源が、使用されることができる。
・流体チャンバおよび／または生体層内の生物学的サンプルおよび／または材料からの背景自己蛍光の悪影響は、それらが、採用されるＴＧＦ蛍光体と比較して、より短い寿命を有する場合、緩和され得る。
ＴＧＦシステムは、検体に関する所望の信号を伝送し、および／または背景蛍光を検体の信号から除去するために、励起および放出フィルタセットまたは他の波長のフィルタを必要とし得ない。ある場合には、放出フィルタは、菫色、青色、緑色、黄色、橙色、および赤色光、またはそれらの任意の組み合わせをフィルタ除去し得る。
種々のタイプの蛍光体は、マルチカラー能力を可能にし得る。ＴＧＦでは、蛍光体を分化することは、励起後のその蛍光寿命の差異によって判定され得る。ある場合には、これらの蛍光体は、反応性および／または共役された色素、核酸色素、蛍光タンパク質、ならびに細胞機能色素であることができる。いったん放出光が、蛍光体種を含有する基質の方向にパルス化されると、シャッタが、検出装置を放出光および反射された放出光から遮断し得る。シャッタは、除去され、所望の蛍光光を通してもよい。より短い寿命を伴う、第１の蛍光体は、シャッタが、放出が停止された直後に開放する場合、検出された信号間で検出されることができる。より長い寿命を伴う、第２の蛍光体は、シャッタが、放出が停止された後、より長い時間を待機した後に開放された場合、検出されることができる。本シナリオでは、第２の蛍光体（より長い寿命）は、第１の蛍光体（より短い寿命）への干渉を殆どまたは全く伴わずに検出され得る。加えて、第２の蛍光体（より長い寿命）の存在下の第１の蛍光体（より短い寿命）に対応する信号の読取値は、後に検出および／または判定される第２の蛍光体（より長い寿命）についての情報を使用して、検出された信号の較正によって、推定または計算されることができる。複数の蛍光体の多重検出のための他の実験設計も、放出および励起フィルタセットの使用の有無にかかわらず可能性として考えられる。故に、複数の蛍光体は、励起および放出フィルタセットの不在下、放出に続くシャッタの開閉によって、単一実験内で検出されることができる。蛍光体の個々の種が、シャッタの遅延プロファイルおよびシャッタが開放される時間を変動させることによって、その減衰率の差異に基づいて、検出されることができる。マルチカラー能力は、シャッタ速度および検出されるべき蛍光体の蛍光減衰率間の重複によって限定され得る。
例えば、いくつかの実施例では、ランタニドキレート等の金属キレートが、ＴＧＦ蛍光体として使用されることができる。ある場合には、ＴＧＦ蛍光体は、主に、蛍光エネルギー輸送部分内の独立型レポータまたは要素（ドナーまたはアクセプタ）のいずれかとして、ＴＧＦアッセイ内の分子レポータとして作用し得る。実施例は、限定ではないが、Ｆｏｒｓｔｅｒ共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）技術を含む。Ｓｏｎｇ，Ｙ．，ｅｔ ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＦＲＥＴ ａｓｓａｙ ｉｎｔｏ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｉｎ－ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ，”Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ３９（４）：１２２４－１２３４，２０１１を参照されたい。ＴＧＦ蛍光体の役割は、分子反応の有無または具体的標的分子の有無に相関し得る、具体的ＴＧＦ信号の発生の促進を含み得る。
ＴＧＦ蛍光体は、標的がＴＧＦ蛍光体を組み込むように化学的に修飾され得る用途において、具体的標的検体のための標識として使用されることができる。実施例は、限定ではないが、ノーザンブロット、サザンブロット、ＤＮＡマイクロアレイ、定量的ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、デジタルＰＣＲ、および診断アッセイを含む。
・マイクロアレイおよびノーザンブロットでは、ｍＲＮＡ標的検体は、例えば、逆転写を通して、蛍光体標識相補的ＤＮＡ（ｃＤＮＡ）に変換され得る。
・サザンブロットでは、蛍光体標識ｃＤＮＡは、標的シーケンスを同定するために使用され得る。
・定量的ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）およびデジタルＰＣＲ（ｄＰＣＲ）では、蛍光体は、増幅された核酸シーケンスまたはプライマーシーケンスの中に組み込まれ、標的シーケンスの蓄積を実証し得る（例えば、Ｙ．Ｗｏｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ＰＣＲ ｉｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｅｄｉｃｉｎｅ，”Ｅｘｐｅｒｔ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｄｒｕｇ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ２（３）：１７７－１８６，２０１７参照）。
・診断アッセイでは、デバイスが、標的核酸を隔離するために使用され得、蛍光体標識ｃＤＮＡが、直接検出のために使用され得る。
ＴＧＦ蛍光体はまた、サンドイッチアッセイにおいて、プローブの検出のための標識として使用されることができる。実施例は、限定ではないが、ウエスタンブロット、酵素結合免疫吸着検定法（ＥＬＩＳＡ）、ＦｌｕｏｒｏＳｐｏｔ法を含む、酵素結合免疫ＳＰＯＴ法（ＥＬＩＳＰＯＴ）（例えば、Ｇ．Ｋｅｓａ ｅｔ ａｌ．，“Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＥＬＩＳｐｏｔ ａｎｄ ＦｌｕｏｒｏＳｐｏｔ ｉｎ ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｗｉｎｅ Ｆｌｕ－Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＩｇＧ ａｎｄ ＩｇＡ Ｓｅｃｒｅｔｉｏｎ ｂｙ ｉｎ Ｖｉｖｏ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｈｕｍａｎ Ｂ Ｃｅｌｌｓ，”Ｃｅｌｌｓ １（２）：２７－３４，２０１２参照）、およびタンパク質アレイを含む。
・これらの方法では、ＴＧＦ蛍光体は、蛍光体が一次検出抗体に共役される、検出のための直接方法として使用され得る。
・これらの方法では、ＴＧＦ蛍光体はまた、蛍光体が二次抗体に共役される、検出のための間接方法として使用され得る。
・ＥＬＩＳＰＯＴは、単一細胞に関するサイトカイン分泌の周波数を定量的に測定する、アッセイのタイプである。ＥＬＩＳＰＯＴアッセイはまた、抗体を使用して、限定ではないが、例えば、タンパク質検体等の同定または測定されている任意の生物学的または化学的物質を含む、検体を検出する、免疫染色の形態である。
・ＦｌｕｏｒｏＳｐｏｔアッセイは、ＥＬＩＳＰＯＴアッセイの変形例である。ＦｌｕｏｒｏＳｐｏｔアッセイは、蛍光を使用して、複数の検体を分析する。１つを上回るタイプのタンパク質または他の検体の分泌物を検出することができる。
ＴＧＦ蛍光体は、細胞ソート、計数、および検出方法における標識として使用されることができる。実施例は、細胞が蛍光体で標識される、フローサイトメトリであり得る。
・本方法では、細胞は、その蛍光プロファイルによってソートおよび計数され得る。
・本方法では、具体的細胞特性および／または機能が、その蛍光プロファイルによって同定され得る。
ＴＧＦ蛍光体は、固相および不動化されたプローブが標識される、用途において使用されることができる。実施例は、逆蛍光体アッセイである（例えば、Ａ．Ｈａｓｓｉｂｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｅｎｏｔｙｐｉｎｇ ｏｆ ｉｎｆｅｃｔｉｏｕｓ ａｇｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｂｉｏｃｈｉｐ，”Ｎａｔｕｒｅ ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３６（８）：７３８－７４５，２０１８）。
ＴＧＦ蛍光体は、化学反応が、標的分子が反応試薬に導入される間に監視される、アッセイにおいて使用されることができる。標的分子および／または反応試薬は、ＴＧＦ蛍光体を含んでもよい。実施例は、サンガーシーケンシング、次世代シーケンシング（ＮＧＳ）アッセイ、例えば、合成によるシーケンシング（ＳＢＳ）（Ａｎｓｏｒｇｅ；Ｍｅｔｚｋｅｒ；ａｎｄ Ｐａｒｅｅｋ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｇｅｎｏｍｅ ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｇｅｎｅｔ．，５２（４）：４１３－４３５，２０１１参照）、ハイブリダイゼーションによるシーケンシング（ＳＢＨ）（Ｑｉｎ，Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ ａｎｄ Ｂｒｅｎｎｅｒ，“Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｂｙ Ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｎｇ Ｔａｒｇｅｔｓ，”ＰＬｏＳ Ｏｎｅ．，７（５）：ｅ３５８１９，２０１２参照）、およびパイロシーケンシングである。
・本方法では、一分子リアルタイム（ＳＭＲＴ）シーケンシングおよびイルミナシーケンシングは、ＴＧＦ蛍光体標識ヌクレオチドを使用して、核酸のシーケンスを判定することができる。
核酸のシーケンス情報は、人々の生活を改良するために使用され得る（例えば、Ａｎｓｏｒｇｅ，Ｗ．，“Ｎｅｘｔ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＤＮＡ ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，”Ｎｅｗ Ｂｉｏｔｅｃｈ．２５（４）：１９５－２０３，２００９参照）。いくつかのＤＮＡシーケンシングプラットフォームが、市販されている。並列ＮＧＳ技術の可用性は、限定ではないが、ゲノム、トランスクリプトーム、およびインタラクトームを含む、生物学的標的のための包括的分析を可能にし得る（例えば、Ｓｈｅｎｄｕｒｅ，Ｊ．ａｎｄ Ｊｉ，Ｈ．，“Ｎｅｘｔ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＤＮＡ ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ，”Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈ．２６：１１３５－４５，２００８参照）。しかしながら、ＮＧＳ技術は、包括的結果を生成し得るが、その応答時間は、遅すぎて、重症患者における感染性プロセスの高速進行度に対処することができない場合がある。加えて、多数の標的増幅反応を多重化すること（例えば、多重化されたＰＣＲ）が、可能性として考えられ得るが、複数のアンプリコンを同時に検出することは、簡単ではない。
市販のＮＧＳシーケンシングプラットフォームは、Ｉｌｌｕｍｉｎａ製ゲノム分析器、Ｒｏｃｈｅ（４５４）製ゲノムシーケンシング装置、Ｌｉｆｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製ＳＯＬｉＤプラットフォーム、およびＰａｃｉｆｉｃ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅｓ製のもの等のリアルタイムシーケンシング装置を含み得る。これらのプラットフォームは、生物学的サンプルからのＤＮＡ断片のセットの構築体を要求し得る。大部分の場合、ＤＮＡ断片は、プラットフォーム特有のアダプタに隣接する。
（実施例１）
本実施例では、バイオ技術のＤＮＡおよびタンパク質のアドレス指定可能なアレイのために特異的に設計される、完全に統合されたＴＧＦ ＣＭＯＳバイオチップが、提示される。図９に示されるように、ＣＭＯＳ ＩＣが、印刷回路基板（ＰＣＢ）上に組み立てられ、次いで、流体モジュールと統合され、バイオチップ消耗品を作成する。バイオチップＩＣは、光学密度（ＯＤ）約５．８の統合された放出フィルタを伴う、１，０２４個のバイオセンサピクセルのアレイと、ピクセル毎にアドレス指定可能な（一意の）不動化されたプローブ（ＤＮＡ）とを含む。Ｎｗｅｌｌ－Ｐｓｕｂフォトダイオード（ＰＣＴ要素として作用する）を伴う、ピクセルレベル光センサが、ショット雑音限定され、＞１３０ｄＢ検出ダイナミックレンジ（ＤＤＲ）をもたらすように設計される。温度制御および循環システムもまた、熱制御に適応するために、本バイオチップ内に統合される。その理由から、バンドギャップ温度センサおよび抵抗加熱器がともに、２５℃～１００℃範囲内で±０．２５℃の全体的正確度を伴って、＋／－１０℃／秒の加熱／冷却率を達成し得るように統合される。
チップのアーキテクチャおよび１２０μｍピッチバイオセンシングピクセルおよびデシメーションセルが、図１０Ａおよび図１０Ｂに示される。３２×３２アレイ内のＴＧＦピクセルは、光電流Ｉｐｈをその入力としてとり、オンチップデシメーションアレイの中に輸送される、１ビットデジタル出力流を生成する、ΔΣ電流検出器を含む。光センサ回路網（図１０Ｂ）は、電流積分器（ＣＩＥ＋ＣＶＴとして作用する）と、クロックドコンパレータ（ＡＤＣ）と、プログラマブル電流源（ＤＡＣ）とを含む。
ＣＷＦモード（すなわち、パルス化励起源または電子シャッタがない）では、ΔΣ電流検出器は、ｆＣの周波数を伴って持続的に動作する一方、デシメーションセルは、２段階３２ビット累積を実施後、ｆＳの周波数を伴って、ダウンサンプリングおよび読出が続くことによって、ｓｉｎｃ２フィルタを実装する。ＴＧＦモードでは、類似動作が、行われるが、Ｉｐｈを積分器から迂回させることが可能な電子シャッタの周期的アクティブ化を除く。本動作は、光学励起パルスをブロックし、典型的には、寿命＜５０ｎｓを有する、生物学的媒体からの天然自己蛍光背景を低減させる。チップは、次いで、事前にプログラムされた時間間隔において、蛍光放出を累積および測定する。
本チップでは、ＴＧＦピクセル、デシメーションアレイ、バンドギャップ温度センサ、および参照電圧ＤＡＣは全て、５０ＭＨｚで動作する単一デジタルコアブロックによって、動作され、読み取られ、シリアル周辺インターフェース（ＳＰＩ）ポート（図１０Ａ）を通してアクセス可能である。単一抵抗加熱器は、外部源を使用して、最大２０Ｗを提供することができ、蛇行構造を有し、上部金属層内に均一に分散される。本チップは、ダイの片側上に集約された１４本のピン（および接合ワイヤ）を使用して、完全に動作され、効率的流体アセンブリおよび消耗品製造（図９）を促進することができる。
図１１では、ＴＧＦモードにおける光感知ピクセルの概略およびタイミング図が、描写される。容量トランスインピーダンス増幅器（ＣＴＩＡ）が、ＣＩＥ＋ＣＶＴとして使用され、クロックドコンパレータが、ピクセル出力Ｄｏｕｔを作成する。ＤＡＣは、２つの調節可能持続時間（Φ１およびΦ２）を用いて、電流パルスをＣＴＩＡ入力の中に印加するために使用され得る、電流源を使用することによって実装される。電子シャッタは、ＳＨ１、ＳＨ２、およびＳＨ３を使用して、ＣＴＩＡのフィードバックコンデンサである、Ｃｆを回路から一時的に除去し、同時に、演算増幅器を使用して、ＩｐｈをＶｄに短絡させる。トランジスタ不整合に起因して、少量の電荷が、シャッタ動作毎に、Ｃｆの中に注入され、これは、ピクセル依存電子シャッタオフセット電流ＩＳとして露見する。本電流は、暗電流Ｉｄｃに追加されると、ピクセルのランダムオフセット電流ＩＯ＝ＩＳ＋Ｉｄｃを形成し、これは、ＣＷＦおよびＴＧＦモードの両方において、測定ならびに抽出され、Ｉｐｈを推定する。これは、励起光を伴う１つのフレームおよびそれを伴わない１つのフレームが、求められ、次いで、測定値が、相互から減算される、ＣＤＳアプローチを使用して行われる。
デシメーションアレイは、ピクセル毎に、専用ビットセルを有する。ビットセルは、３２ビットインクリメンタ、その後、３２ビット加算器が続き、２段階累積ユニット（図１０Ｂ）を形成することから成る。Ｔ＝１／ｆＳの時間間隔において、加算器の出力が、３２ビットシフトレジスタ上にロードされる。シフトレジスタからのデータは、次いで、直列走査連鎖方式において、デジタルユニットの中に通過される。
本バイオチップに関する電気および光学測定値は、図１２において報告される。ピクセルから測定された信号対雑音比（ＳＮＲ）は、追加されるセンサ雑音が、量子化雑音が１００ｆＡ～１ｎＡ入力電流領域内に限定されていないとき、ショット雑音の約３０％であることを実証する。総デュアル空乏領域（ＤＤＲ）は、ｆＳ＝１．６６７Ｈｚに関して、１３７ｄＢ（１．３３ｆＡ～１０ｎＡ）である。フォトダイオード外部量子効率性（ＱＥ）は、統合された放出フィルタの有無にかかわらず、それぞれ、０．４および３．６９×１０－７（ＯＤ約５．８）の通過帯域ならびに阻止帯域ＱＥを示す。ＩｄｃおよびＩＯの測定された分布は、１００ｐＡの最大振幅（＜完全スケールの１％）を伴う、予期されるランダム性を検証する。温度の関数としての温度センサの出力もまた、図１２において報告され、これは、２点較正を用いることで、±０．２５℃の正確度が、２５℃～１００℃温度範囲を横断して達成可能であることを示す。
図１３では、２つのバイオセンシング実験からの結果が、報告および比較され、異なる動作モードを実証する。全ての実験において、同じ表面官能化およびアレイベースのＤＮＡハイブリダイゼーションまたはリガンド受容体結合が、実施される。しかしながら、明確に異なる分子標識が、それぞれ、ＣＷＦおよびＴＧＦに関して、標的に付着される。ＣＷＦでは、Ｒ－フィコエリスリン蛍光体を使用し、信号対背景比（Ｓ／Ｂ）は、最低値を示す。これは、励起光の非理想的遮断に起因し得る。Ｓ／Ｂは、ＴＧＦと、ユウロピウム（ランタノイド）キレートベースの長寿命蛍光体である、ＤＴＢＴＡ－Ｅｕ３＋とを使用すると、有意に増加される。明らかなように、パルス化発光ダイオード（ＬＥＤ）励起源からの背景光子放出は、１００μｓ以内に有意に減衰し、背景は、ＣＷＦモードと比較して、はるかに小さくなる。
図１４では、実装されるＴＧＦバイオチップの顕微鏡写真が、示される。
（実施例２）
本実施例は、ＤＮＡ ＳＢＳおよびＤＮＡ ＳＢＨシステム等の高密度バイオセンサピクセルアレイが要求される用途において、ＰＣＩ－ＴＧＦピクセルが設計され得る方法を示す。実施例はまた、小型化ＰＣＩ－ＴＧＦピクセルが標準的高密度画像センサアレイの中に組み込まれ得る方法を示す。実施例が示すように、ＰＣＩは、サブミクロンピクセル寸法を有し得る、数百万ピクセルのＣＭＯＳ画像センサの回路網の中に追加されることができる。
図１５Ａは、６トランジスタ（６Ｔ）ピクセルトポロジの回路図実施例を描写し、これは、ＰＣＴとしての埋込フォトダイオード（ＰＰＤ）と、２つの電荷輸送ゲート（１つは、電荷を積分スイッチとして作用する感知ノード（ＴＸ）に輸送し、１つは、電子シャッタ（ＳＨ）として作用する）とを含む。電荷は、浮遊拡散層（ＣＩＥ＋ＣＶＴとして作用する）上に積分され、発生された電圧ＶＳは、ソースフォロワゲートを使用して読み取られる。本描写では、ピクセルは、光センサアレイ内の（ｉ，ｊ）座標に位置し、ＶＳは、行選択信号（ＳＥＬ［ｉ］）をアクティブ化することによって、列信号（ＣＯＬ［ｊ］）によってアクセスされ得ると仮定する。浮遊拡散層内の電荷は、ＲＳＴ［ｉ］を使用してリセットされ得る。
図１５Ｂでは、同等ＣＭＯＳ画像センサピクセルに類似するサブミクロン寸法までスケーリングされ得る、本ピクセルのレイアウトが、示される。
図１６では、ＰＣＩ－ＴＧＦピクセルの略図が、示される。図１６が示すように、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）が、リセットサイクル中およびＮ回のＰＣＩサイクル後に、ＶＳを読み取ることによって実装されることができる。リセットサイクルに示されるように、ピクセルの出力は、ＶＤＤ－ΔＶｎ－Ｖｔｈであり、式中、ΔＶｎおよびＶｔｈは、それぞれ、ソースフォロワトランジスタのオフセットならびに閾値電圧である。ここで、Ｎ番目の積分サイクルの終了時、ＶＳ＝ＶＤＤ－ΔＶｎ－Ｖｔｈ－ＮΔＱ／Ｃとなり、式中、ΔＱは、個々の励起パルスからの放出によって収集された電荷であり、Ｃは、浮遊拡散層有効静電容量である。したがって、これらの２つの値（すなわち、ＣＤＳ）を減算することによって、アレイ内のピクセル毎に変動し得る、ソースフォロワのオフセットから独立しながら、ＰＣＩスキームに従う、値を求めることができる。
本発明の好ましい実施形態が本明細書で示され、説明されているが、そのような実施形態は、一例のみとして提供されることが当業者に明白となるであろう。本発明が本明細書内で提供される具体的実施例によって限定されることは意図されない。本発明は、前述の明細書を参照して説明されているが、本明細書の実施形態の説明および例証は、限定的な意味で解釈されるように意図されていない。多数の変形例、変更、および代用が、ここで、本発明から逸脱することなく、当業者に想起されるであろう。さらに、本発明の全ての側面は、種々の条件および変数に依存する、本明細書に記載される具体的描写、構成、または相対的割合に限定されないことを理解されたい。本明細書に説明される本発明の実施形態の種々の代替物が、本発明を実践する際に採用され得ることを理解されたい。したがって、本発明はまた、任意のそのような代替物、修正、変形例、または均等物も網羅するものとすると考慮される。以下の請求項は、本発明の範囲を定義し、それにより、これらの請求項およびそれらの均等物の範囲内の方法ならびに構造が対象となることが意図される。

Claims (99)

  1. 溶液中の検体の有無を検出するためのデバイスであって、
    電子シャッタを備えるセンサを備える、チップを備え、前記センサは、（ｉ）第１の時間周期内に励起パルスへの前記溶液の暴露に応じて発生された前記溶液からの信号を収集することと、（ｉｉ）前記電子シャッタを用いて、前記センサ内において前記励起パルスによって第２の時間周期内に発生された光誘発電荷を除去することであって、前記第２の時間周期は、前記第１の時間周期と異なる、ことと、（ｉｉｉ）前記光誘発電荷が除去されることに続いて、少なくとも部分的に前記信号から導出される出力信号を発生させることとを行うように構成され、前記出力信号は、前記検体の前記有無を示す、デバイス。
  2. 前記第２の時間周期は、前記第１の時間周期に先行する、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記第２の時間周期は、前記励起パルスの持続時間を上回る、請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記チップは、複数の個々にアドレス指定可能な場所を備え、
    前記電子シャッタを備える前記センサは、前記複数の個々にアドレス指定可能な場所の第１の場所上に配置され、
    付加的電子シャッタを備える付加的センサは、前記複数の個々にアドレス指定可能な場所の付加的場所上に配置される、請求項１に記載のデバイス。
  5. 前記信号は、電気信号を備え、前記センサはさらに、前記溶液からの光学信号を前記電気信号に変換するように構成された少なくとも１つのトランスデューサを備える、請求項１に記載のデバイス。
  6. 前記電子シャッタは、前記少なくとも１つのトランスデューサに動作可能に結合された電子シャッタスイッチを備え、前記電子シャッタスイッチは、前記電子シャッタスイッチへの電圧の印加に応じて、前記少なくとも１つのトランスデューサからの前記光誘発電荷の前記除去を促進するように構成される、請求項５に記載のデバイス。
  7. 前記センサはさらに、前記電気信号を積分するように構成された少なくとも１つの積分器を備える、請求項５に記載のデバイス。
  8. 前記センサはさらに、前記少なくとも１つのトランスデューサと前記少なくとも１つの積分器との間に配置され、それに動作可能に結合される、少なくとも１つの積分スイッチを備え、前記少なくとも１つの積分スイッチは、前記電気信号を前記少なくとも１つのトランスデューサから前記少なくとも１つの積分器に輸送するように構成される、請求項７に記載のデバイス。
  9. 前記センサはさらに、前記少なくとも１つの積分器に動作可能に結合された少なくとも１つの付加的トランスデューサを備え、前記少なくとも１つの付加的トランスデューサは、前記少なくとも１つの積分器によって積分される前記電気信号を前記出力信号に変換するように構成される、請求項７に記載のデバイス。
  10. 前記信号は、光誘発電荷を備え、前記出力信号は、電圧を備える、請求項１に記載のデバイス。
  11. 前記チップは、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）集積回路（ＩＣ）内に含まれる、請求項１に記載のデバイス。
  12. 前記チップはさらに、前記センサに隣接するバイオセンシング層を備え、前記バイオセンシング層は、前記検体に特異的に結合する少なくとも１つのプローブを備える、請求項１に記載のデバイス。
  13. 前記信号は、少なくとも部分的に、前記検体と前記少なくとも１つのプローブの結合に応じて、前記検体と関連付けられる標識によって生成される光学信号から導出される、請求項１２に記載のデバイス。
  14. 前記標識は、蛍光体である、請求項１３に記載のデバイス。
  15. 前記信号は、少なくとも部分的に、前記検体と前記少なくとも１つのプローブの結合に応じて、前記少なくとも１つのプローブまたは前記検体からの光学信号またはその変化から導出される、請求項１２に記載のデバイス。
  16. 前記少なくとも１つのプローブは、エネルギードナーを備え、前記検体は、エネルギーアクセプタを備える、請求項１５に記載のデバイス。
  17. 前記エネルギードナーは、蛍光体であり、前記エネルギーアクセプタは、付加的蛍光体または消光体である、請求項１６に記載のデバイス。
  18. 前記バイオセンシング層は、少なくとも１つの制御プローブを備え、前記センサは、制御信号を前記少なくとも１つの制御プローブから収集し、前記制御信号を使用して前記収集された信号を正規化するように構成される、請求項１２に記載のデバイス。
  19. 前記少なくとも１つの制御プローブは、前記検体に結合しない、またはそれと相互作用しない、請求項１８に記載のデバイス。
  20. 反応チャンバと、制御可能流体ユニットと、温度制御ユニットと、デジタルユニットとをさらに備える、請求項１２に記載のデバイス。
  21. 前記反応チャンバは、前記溶液と前記チップを界面接触させるように構成され、前記界面接触は、前記検体と前記チップの前記バイオセンシング層との間の相互作用を備える、請求項２０に記載のデバイス。
  22. 前記制御可能流体ユニットは、前記溶液の少なくとも一部を前記反応チャンバの内外に輸送するように構成される、請求項２０に記載のデバイス。
  23. 前記デジタルユニットは、前記出力信号を前記チップから受信または記憶するように構成される、請求項２１に記載のデバイス。
  24. 前記チップは、（ｉｉｉ）に先立って、（ｉ）－（ｉｉ）を複数回繰り返すように構成される、請求項１に記載のデバイス。
  25. 前記出力信号は、単一出力である、請求項２４に記載のデバイス。
  26. 溶液中の検体の有無を検出するための方法であって、
    （ａ）電子シャッタを備えるセンサを備える、チップをアクティブ化することであって、前記センサは、（ｉ）第１の時間周期内に励起パルスへの前記溶液の暴露に応じて発生された信号を収集することと、（ｉｉ）前記電子シャッタを用いて、前記センサ内において前記励起パルスによって第２の時間周期内に発生された光誘発電荷を除去することであって、前記第２の時間周期は、前記第１の時間周期と異なる、ことと、（ｉｉｉ）前記光誘発電荷が除去されることに続いて、少なくとも部分的に前記信号から導出される出力信号を発生させることとを行うように構成され、前記出力信号は、前記検体の前記有無を示す、ことと、
    （ｂ）前記電子シャッタを用いて、前記励起パルスによって前記センサ内における前記第２の時間周期内に発生された光誘発電荷を除去することと、
    （ｃ）前記第１の時間周期内に前記励起パルスへの前記溶液の暴露に応じて発生された信号を収集することと、
    （ｄ）前記光誘発電荷が除去されることに続いて、少なくとも部分的に前記信号から導出される前記出力信号を発生させることであって、前記出力信号は、前記検体の前記有無を示す、ことと
    を含む、方法。
  27. 前記センサは、時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）光センサである、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記センサを使用して、（ｃ）において収集された前記信号を積分することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
  29. １回以上で（ｂ）－（ｃ）を繰り返すことをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
  30. 前記１回以上の回数は、約１００回を上回るまたはそれに等しい回数を備える、請求項２９に記載の方法。
  31. 信号を検出するためのデバイスであって、
    センサおよび電子シャッタを備える、チップであって、前記センサは、（ｉ）所与の時間周期内に前記信号を検出し、（ｉｉ）前記信号によって発生された電荷を示すデータをもたらすように構成され、前記電子シャッタは、前記所与の時間周期に先立った時間周期内に励起パルスによって発生された電荷を備える、光誘発電荷を除去するように構成される、チップと、
    前記センサに動作可能に結合された読出回路網であって、前記読出回路網は、前記センサからのデータをメモリに伝送するように構成される、読出回路網と
    を備える、デバイス。
  32. 前記読出回路網は、前記チップの一部である、請求項３１に記載のデバイス。
  33. 前記メモリは、前記読出回路網の外部にある、請求項３１または３２に記載のデバイス。
  34. 前記チップは、複数の個々にアドレス指定可能な場所を備えるセンサアレイを備え、
    前記センサおよび前記電子シャッタは、前記複数の個々にアドレス指定可能な場所の第１の場所上に配置され、
    第２のセンサおよび第２の電子シャッタは、前記複数の個々にアドレス指定可能な場所の第２の場所上に配置される、請求項３１－３３のいずれか１項に記載のデバイス。
  35. 前記センサはさらに、前記信号によって発生された前記電荷を積分するように構成される、請求項３１－３４のいずれか１項に記載のデバイス。
  36. 前記センサは、積分スイッチを備える、請求項３１－３５のいずれか１項に記載のデバイス。
  37. 前記センサは、少なくとも１つの光／電荷トランスデューサと、少なくとも１つの電荷積分器とを備え、前記少なくとも１つの積分スイッチは、前記少なくとも１つの光子／電荷トランスデューサと前記少なくとも１つの電荷積分器との間に位置する、請求項３６に記載のデバイス。
  38. 前記チップは、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）集積回路（ＩＣ）内に含まれる、請求項３１－３７のいずれか１項に記載のデバイス。
  39. 前記チップはさらに、前記センサに隣接するバイオセンシング層を備え、前記バイオセンシング層は、複数のプローブを備える表面を備える、請求項３１－３８のいずれか１項に記載のデバイス。
  40. 蛍光体は、前記複数のプローブの少なくとも１つのプローブに付着される、請求項３９に記載のデバイス。
  41. 前記複数のプローブは、少なくとも１つの制御プローブを備える、請求項３９－４０のいずれか１項に記載のデバイス。
  42. 反応チャンバと、制御可能流体システムと、温度制御システムと、デジタルシステムとをさらに備える、請求項３９－４１のいずれか１項に記載のデバイス。
  43. 前記反応チャンバは、サンプルと前記バイオチップを界面接触させ、前記界面接触は、前記サンプルと前記チップのバイオセンシング層との間の相互作用を備える、請求項４２に記載のデバイス。
  44. 前記制御可能流体システムは、少なくとも１つの試薬を前記反応チャンバの内および／または外に輸送する、請求項４２または４３に記載のデバイス。
  45. 信号を検出するための方法であって、
    （ａ）センサおよび電子シャッタを備えるチップをアクティブ化することであって、前記センサは、（ｉ）所与の時間周期内に前記信号を検出し、（ｉｉ）前記信号によって発生された電荷を示すデータをもたらすように構成され、前記電子シャッタは、前記所与の時間周期に先立った時間周期内に励起パルスによって発生された電荷を備える、光誘発電荷を除去するように構成される、ことと、
    （ｂ）前記電子シャッタを使用して、前記所与の時間周期に先立った前記時間周期内の前記光誘発電荷を除去することと、
    （ｃ）前記センサを使用して、前記所与の時間周期内の前記信号を検出し、前記信号によって発生された前記電荷を示すデータをもたらすことと、
    （ｄ）前記データをメモリに伝送することと
    を含む、方法。
  46. 前記センサは、時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）光センサである、請求項４５に記載の方法。
  47. （ｃ）はさらに、前記センサを使用して、前記信号によって発生された前記電荷を積分することを含む、請求項４５または４６に記載の方法。
  48. １回以上で（ａ）－（ｃ）を繰り返すことをさらに含む、請求項４５－４７のいずれか１項に記載の方法。
  49. 前記１回以上の回数は、約１０回、５０回、または１００回を上回るまたはそれに等しい回数を備える、請求項４８に記載の方法。
  50. 前記チップを使用して、出力信号を発生させることをさらに含む、請求項４８－４９のいずれか１項に記載の方法。
  51. 前記出力信号は、単一出力信号である、請求項５０に記載の方法。
  52. 前記チップは、複数の独立してアドレス指定可能な場所を備える、請求項４５－５１のいずれか１項に記載の方法。
  53. 前記チップはさらに、付加的センサと、付加的電子シャッタとを備え、前記センサおよび前記電子シャッタは、前記複数の独立してアドレス指定可能な場所の第１の場所上に配置され、前記付加的センサおよび前記付加的電子シャッタは、前記独立してアドレス指定可能な場所の第２の場所上に配置される、請求項５２に記載の方法。
  54. 前記付加的電子シャッタを使用して、前記所与の時間周期に先立った前記時間周期内の付加的光誘発電荷を除去することをさらに含む、請求項５３に記載の方法。
  55. 前記付加的センサを使用して、前記所与の時間周期内に付加的信号によって発生された付加的電荷を検出し、前記付加的信号によって発生された前記付加的電荷を示す付加的データをもたらすことをさらに含む、請求項５４に記載の方法。
  56. 前記センサを使用して、前記付加的電荷を積分することをさらに含む、請求項５５に記載の方法。
  57. 前記複数の独立してアドレス指定可能な場所は、約１００箇所、１，０００箇所、または１００，０００箇所を上回るまたはそれに等しい場所を備える、請求項５２－５６のいずれか１項に記載の方法。
  58. 前記複数の独立してアドレス指定可能な場所は、ピクセルである、約１００箇所を上回るまたはそれに等しい場所を備える、請求項５２－５７のいずれか１項に記載の方法。
  59. 時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）検出を動作させるための方法であって、
    （ａ）表面と、少なくとも１つの光センサを備える集積回路（ＩＣ）とを備える、チップをアクティブ化することであって、前記ＩＣは、電子シャッタを備える、ことと、
    （ｂ）励起光源からの励起光のパルスを前記表面に指向することと、
    （ｃ）第１の時間周期の間、前記電子シャッタを使用して、第１の光誘発電荷を前記光センサから除去することであって、前記第１の光誘発電荷は、前記第１の時間周期の間に前記励起光のパルスによって発生された電荷を備える、ことと、
    （ｄ）前記第１の時間周期に続く第２の時間周期の間、前記光センサ内で発生された第２の光誘発電荷を測定することであって、前記表面は、前記第２の時間周期の間、前記励起パルスに暴露されない、ことと、
    （ｅ）前記第２の時間周期の間、（ｄ）において測定された前記第２の光誘発電荷を積分することと
    を含む、方法。
  60. 前記積分することは、前記チップ内に備えられるサブ回路を使用することによって行われる、請求項５９に記載の方法。
  61. １回以上で（ａ）－（ｅ）を繰り返すことをさらに含む、請求項５９－６０のいずれか１項に記載の方法。
  62. 前記１回以上の回数は、約１０回、５０回、または１００回を上回るまたはそれに等しい回数を備える、請求項６１に記載の方法。
  63. 出力信号を発生させることをさらに含む、請求項６１－６２のいずれか１項に記載の方法。
  64. 前記出力信号は、単一出力である、請求項６３に記載の方法。
  65. 前記サブ回路を１回リセットすることをさらに含む、請求項６０－６４のいずれか１項に記載の方法。
  66. 前記サブ回路は、前記繰り返しの間、リセットされない、請求項６５に記載の方法。
  67. 前記サブ回路は、前記繰り返しのそれぞれの間、リセットされない、請求項６５に記載の方法。
  68. （ｂ）に先立って、前記サブ回路をリセットすることをさらに含む、請求項６５に記載の方法。
  69. 前記第１の時間周期と前記第２の時間周期との間には、間隙が存在する、請求項５９－６８のいずれか１項に記載の方法。
  70. 前記積分することは、光電流を積分することを含む、請求項５９－６９のいずれか１項に記載の方法。
  71. 前記積分された光電流をアナログフォーマットからデジタルフォーマットに変換することをさらに含む、請求項７０に記載の方法。
  72. デバイスであって、
    光源に動作可能に結合されたチップを備え、
    前記チップは、センサを備え、
    前記センサは、
    （ａ）前記チップの表面と関連付けられる検体から１つ以上の信号を周期的に検出することであって、前記１つ以上の信号は、前記検体を前記光源に曝す間、またはそれに続いて生成される、ことと、
    （ｂ）（ａ）において検出された前記１つ以上の信号の少なくともサブセットを積分し、積分された信号を生成することと、
    （ｃ）前記積分された信号に基づいて、出力信号を発生させることと
    を行うように構成される、デバイス。
  73. 前記チップは、統合された相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）チップを備える、請求項７２に記載のデバイス。
  74. 前記出力信号は、単一出力信号である、請求項７２または７３に記載のデバイス。
  75. 前記センサは、時間ゲート蛍光（ＴＧＦ）センサである、請求項７２－７４のいずれか１項に記載のデバイス。
  76. 前記デバイスは、前記チップに隣接して配置された光学フィルタを備えない、請求項７２－７５のいずれか１項に記載のデバイス。
  77. 前記チップは、複数のセンサを備えるセンサアレイを備える、請求項７２－７６のいずれか１項に記載のデバイス。
  78. 前記複数のセンサのそれぞれは、前記センサアレイの個々にアドレス指定可能な場所に配置される、請求項７７に記載のデバイス。
  79. 前記検体は、蛍光体を備える、請求項７２－７７のいずれか１項に記載のデバイス。
  80. 前記出力信号は、前記蛍光体の寿命を測定するために使用される、請求項７９に記載のデバイス。
  81. 前記検体は、前記表面上に不動化される、請求項７２－８０のいずれか１項に記載のデバイス。
  82. 前記１つ以上の信号は、蛍光光子を備える、請求項７２－８１のいずれか１項に記載のデバイス。
  83. 前記センサは、前記蛍光光子を電気信号に変換するように構成されたトランスデューサを備える、請求項８２に記載のデバイス。
  84. 前記センサは、前記蛍光光子を電荷に変換するように構成されたトランスデューサを備える、請求項８２または請求項８３に記載のデバイス。
  85. 前記センサはさらに、前記１つ以上の信号を積分するように構成された積分器を備える、請求項７２－８４のいずれか１項に記載のデバイス。
  86. 前記センサは、前記トランスデューサおよび前記積分器に動作可能に結合されたスイッチを備える、請求項８５に記載のデバイス。
  87. 前記スイッチは、前記電荷を前記トランスデューサから前記積分器に輸送する、請求項８６に記載のデバイス。
  88. 前記積分器は、付加的トランスデューサに動作可能に結合される、請求項８４－８７のいずれか１項に記載のデバイス。
  89. 前記付加的トランスデューサは、前記電荷を電気信号に変換し、それによって、前記電気信号を備える前記出力信号を発生させる、請求項８８に記載のデバイス。
  90. 前記電気信号は、電圧を備える、請求項８９に記載のデバイス。
  91. 前記光源は、パルス化光源である、請求項７２－９０のいずれか１項に記載のデバイス。
  92. 方法であって、
    （ａ）センサを備えるチップをアクティブ化することであって、前記センサは、（ｉ）前記チップの表面と関連付けられる検体から１つ以上の信号を周期的に検出することであって、前記１つ以上の信号は、前記検体を光源に曝す間、またはそれに続いて生成される、ことと、（ｉｉ）（ｉ）において検出された前記１つ以上の信号の少なくともサブセットを積分し、積分された信号を生成することと、（ｉｉｉ）前記積分された信号に基づいて、出力信号を発生させることとを行うように構成される、ことと、
    （ｂ）前記光源を前記チップに指向し、前記１つ以上の信号を発生させることと、
    （ｃ）前記検体を前記光源に曝す間、またはそれに続いて、前記検体から前記１つ以上の信号を周期的に検出することと、
    （ｄ）前記１つ以上の信号の少なくとも前記サブセットを積分し、前記積分された信号を生成することと、
    （ｅ）前記積分された信号に基づいて、出力信号を発生させることと
    を含む、方法。
  93. 前記光源は、パルス化光源である、請求項９２に記載の方法。
  94. （ｃ）は、所与の時間間隔において周期的に行われる、請求項９２－９３のいずれか１項に記載の方法。
  95. （ｃ）は、前記パルス化光源がオフにされる度の間または後に生じる、請求項９３－９４のいずれか１項に記載の方法。
  96. （ｄ）は、積分器を使用して行われる、請求項９２－９５のいずれか１項に記載の方法。
  97. （ｃ）または（ｅ）は、トランスデューサを使用して行われる、請求項９２－９６のいずれか１項に記載の方法。
  98. 前記出力信号は、電気信号である、請求項９２－９７のいずれか１項に記載の方法。
  99. 前記１つ以上の信号は、光学フィルタの通過の不在下で前記センサによって検出される、請求項９２－９８のいずれか１項に記載の方法。
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