JP2023510578A - 寿命およびスペクトル特性評価用センサ - Google Patents

寿命およびスペクトル特性評価用センサ Download PDF

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チェ、チャンフン
カビリ、アリ
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Abstract

Figure 2023510578000001
いくつかの態様は、入射光からタイミング情報および／またはスペクトル情報を取得するための集積デバイスに関する。いくつかの実施形態では、一ピクセルは、光源からの入射光子に応答して生成される電荷キャリアを受け取るように構成された１つ以上の電荷蓄積領域を含むことができ、その電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアは、スペクトル情報およびタイミング情報を示す。いくつかの実施形態では、一ピクセルは、各領域が入射光子に応答して電荷キャリアを生成するように構成された、異なる深さを有する複数の領域を含むことができる。いくつかの実施形態では、一ピクセルは、異なる深さを有する複数の電荷蓄積領域を含むことができ、電荷蓄積領域の１つ以上が、入射光子を受光し電荷キャリアを生成するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、一ピクセルは、少なくともいくつかの入射光子を１つの電荷蓄積領域に向けて方向づけるとともに他の入射光子を別の電荷蓄積領域に向けて方向づけるように構成された光選別素子を含むことができる。

Description

本開示は、何万ものサンプルウェルに対して同時に短光パルスを提供しサンプルウェルからサンプル分析用の蛍光信号を受光することによって、サンプルの超並列分析を行うことのできる集積デバイスおよびそれに関連する機器に関する。当該機器はポイント・オブ・ケア遺伝子配列決定や個人化医療に有用であり得る。
様々な用途で光を検出するのに光検出器が使用される。入射光の強度を示す電気信号を生成する集積型光検出器が開発されている。撮像用途の集積型光検出器は、シーン全体から受光した光の強度を検出するピクセルアレイを含む。集積型光検出器の例には、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサや相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサが含まれる。
生物学的サンプルや化学的サンプルを超並列分析できる装置は、大きなサイズ、可搬性の欠如、当該装置を操作する熟練技術者の要求、電力の必要性、制御された操作環境の必要性、コストといった理由から、一般に研究室での使用に限定されている。このような装置を使用してサンプルを分析する場合、臨床でまたは現場でサンプルを抽出し、そのサンプルを研究室に送り、分析結果を待つのが一般的なパラダイムである。結果を待つ時間は、数時間から数日の幅がある。
本開示のいくつかの態様は、入射光子の受光に応答して電荷キャリアを生成するように構成された少なくとも１つの光検出領域と、光検出領域から電荷キャリアを受け取るように構成された少なくとも１つの電荷蓄積領域とを備える集積回路に関する。少なくとも１つの電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアは、入射光子のタイミング情報およびスペクトル情報を示す。
本開示のいくつかの態様は、第１の方向に入射光子を受光することに応答して第１の電荷キャリアを生成するように構成された第１の光検出領域と、第１の方向に第１の深さを有する第１の光検出領域と、第１の方向に第１の深さとは異なる第２の深さを有し、第１の方向に入射光子を受光することに応答して第２の電荷キャリアを生成するように構成された第２の光検出領域と、第１の光検出領域および／または第２の光検出領域から第１の電荷キャリアおよび／または第２の電荷キャリアを受け取るように構成された電荷蓄積領域とを含む集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、第１の方向に入射光子を受光することに応答して第１の電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、第１の方向に第１の深さを有し、第１の電荷キャリアを受け取るように構成された第１の電荷蓄積領域と、第１の方向に第１の深さとは異なる第２の深さを有し、前記第１の方向に前記入射光子を受光することに応答して第２の電荷キャリアを生成するように構成された第２の電荷蓄積領域とを含む集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、第１の方向において入射光子を受光することに応答して第１の電荷キャリアを生成するように構成された少なくとも１つの光検出領域と、少なくとも１つの光検出領域から第１の電荷キャリアを受け取り、第１の方向において第１の深さに位置する少なくとも１つの電荷蓄積領域と、第１の方向において第２の深さに位置し、入射光子に応答して第２の電荷キャリアを生成するように構成された領域とを含む集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、第１および第２の電荷蓄積領域と、少なくとも第１の複数の入射光子を第１の電荷蓄積領域に向けて方向づけるとともに少なくとも第２の複数の入射光子を第１の電荷蓄積領域に向けて方向づけるように構成された光選別要素とを備え、第１および／または第２の電荷蓄積領域で生成された電荷キャリアがタイミング情報およびスペクトル情報を示す、集積回路に関する。
前述した概要は、限定を意図していない。さらに、様々な実施形態が本開示の任意の態様を単独でまたは組み合わせて含むことができる。
いくつかの実施形態による集積デバイスの概略図である。 いくつかの実施形態による図１－１の集積デバイスのピクセルの側面図である。 いくつかの実施形態による図１－１の集積デバイスに含まれ得るピクセルの回路図である。 いくつかの実施形態による図１－１の集積デバイスに含まれ得る別のピクセルの回路図である。 いくつかの実施形態による図１－４Ａのピクセルの上面図である。 いくつかの実施形態による、時間ゲート式電荷蓄積領域および直接励起電荷蓄積領域を有する、図１－１の集積デバイスに含まれ得る例示的なピクセルの側面図である。 いくつかの実施形態による、時間ゲート式電荷蓄積領域および直接励起電荷蓄積領域を有する、図１－１の集積デバイスに含まれ得る代替の例示的なピクセルの側面図である。 いくつかの実施形態による、時間ゲート式電荷蓄積領域および直接励起電荷蓄積領域を有する、図１－１の集積デバイスに含まれ得るさらなる例示的なピクセルの側面図である。 いくつかの実施形態による、異なる深さの２つの光検出領域と、２つの時間ゲート式電荷蓄積領域とを有する例示的なピクセルの側面図である。 いくつかの実施形態による、異なる深さの３つの光検出領域と、３つの時間ゲート式電荷蓄積領域とを有する例示的なピクセルの側面図である。 いくつかの実施形態による、時間ゲート式電荷蓄積領域および直接励起電荷蓄積領域を有する例示的なピクセルの上面図である。 いくつかの実施形態による図２－６Ａのピクセルの一部の断面図である。 いくつかの実施形態による図２－６Ａのピクセルの一部の代替断面図である。 いくつかの実施形態による、複数の時間ゲート式電荷蓄積領域にそれぞれ結合された異なる深さの複数の光検出領域を有する例示的なピクセルの上面図である。 いくつかの実施形態による図３－１Ａのピクセルの一部の断面図である。 いくつかの実施形態による、複数の時間ゲート式電荷蓄積領域にそれぞれ結合された異なる深さの複数の光検出領域を有する代替の例示的なピクセルの上面図である。 いくつかの実施形態による図３－２Ａのピクセルの一部の断面図である。 いくつかの実施形態による、光選別要素、２つの光検出領域、および２つの時間ゲート式電荷蓄積領域を有する例示的なピクセルの側面図である。 いくつかの実施形態による、光学選別要素、２つの光検出領域、および２つの時間ゲート式電荷蓄積領域を有する代替の例示的なピクセルの側面図である。 いくつかの実施形態による集積デバイスおよび機器のブロック図である。 いくつかの実施形態による集積デバイスを含む装置の概略図である。 いくつかの実施形態による小型モードロックレーザモジュールを含む分析機器を示すブロック図である。 分析機器に組み込まれたいくつかの実施形態による小型モードロックレーザモジュールを示す図である。 いくつかの実施形態による光パルストレインを示す図である。 いくつかの実施形態による１つまたは複数の導波路を介してパルスレーザによって光学的に励起させることができる平行な反応チャンバの例を示す図である。 いくつかの実施形態による導波路からの反応チャンバの光励起を示す図である。 いくつかの実施形態による、集積された反応チャンバ、光導波路および時間ビニング光検出器のさらなる詳細を示す図である。 反応チャンバ内で生じ得るいくつかの実施形態による生物学的反応の例を示す図である。 いくつかの実施形態による、異なる減衰特性を有する２つの異なるフルオロフォアの放射確率曲線を示す図である。 いくつかの実施形態による、蛍光放射の時間ビニング検出を示す図である。 いくつかの実施形態による、時間ビニング光検出器を示す図である。 いくつかの実施形態による、パルス励起およびサンプルからの蛍光放射の時間ビニングでの検出を示す図である。 いくつかの実施形態による、サンプルを繰り返しパルス励起した後の、様々な時間ビンにおける蓄積した蛍光光子カウントのヒストグラムを示す図である。 いくつかの実施形態による、ヌクレオチド（Ｔ）またはヌクレオチド類似体に対応する可能性があるヒストグラムを示す図である。 いくつかの実施形態による、ヌクレオチド（Ａ）またはヌクレオチド類似体に対応する可能性があるヒストグラムを示す図である。 いくつかの実施形態による、ヌクレオチド（Ｃ）またはヌクレオチド類似体に対応する可能性があるヒストグラムを示す図である。 いくつかの実施形態による、ヌクレオチド（Ｇ）またはヌクレオチド類似体に対応する可能性があるヒストグラムを示す図である。 いくつかの実施形態による、エドマン分解によるラベリングされたポリペプチドをシークエンシングする方法を示すフロー図である。 いくつかの実施形態による、個別の結合事象が信号出力の信号パルスを生じさせるシークエンシングの方法を示すフロー図であって、信号出力を示すグラフを含む図である。
本発明の特徴および利点は、図面とともに、以下に記載される詳細な説明からより明かになり得る。図面を参照して実施形態を説明するとき、方向の言及（「上」、「下」、「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「水平」、「垂直」等）を使用することがある。このような参照は、通常の向きで図面を見る読者の助けとなることのみが意図される。これらの方向の言及は具現化されるデバイスの特徴部の好適な向きまたは唯一の向きを記述することが意図されているわけではない。デバイスは他の向きを使用しても具現化することができる。
（詳細な説明）
［Ｉ．序論］
本開示の態様は、単一の分子の同定および核酸シークエンシングを含む、サンプルを並列に分析可能な集積デバイス、機器および関連するシステムに関する。そのような機器は、コンパクトであり、持ち運びが容易であり、操作が容易なものとすることができ、医師または他の提供者が機器を容易に使用すること、および、機器をケアが必要になり得る所望の場所まで輸送することを可能にする。サンプルの分析は、１つまたは複数の蛍光マーカでサンプルをラベリングすることを含むことができ、これは、サンプルを検出するおよび／またはサンプルの単一の分子を同定する（例えば、核酸シークエンシングの一部として個々のヌクレオチドを同定する）ために使用することができる。蛍光マーカは、励起光（例えば、蛍光マーカを励起して励起状態にすることができる特徴的な波長を有する光）で蛍光マーカを照らすことに反応して、励起されることができ、蛍光マーカが励起されると、放射光（例えば、励起状態から基底状態に戻ることにより蛍光マーカによって放射される特徴的な波長を有する光）を放射することができる。放射光の検出は、蛍光マーカの同定、したがって、蛍光マーカによってラベリングされるサンプルまたはサンプルの分子の同定を可能にすることができる。いくつかの実施形態によると、機器は、超並列サンプル分析を可能とすることができ、何万ものサンプルをより同時的に取り扱うように構成することができる。
本発明者らは、集積デバイスであって、サンプルを受け取るように構成されたサンプルウェル、および、集積デバイス上に形成される集積される光学系を有する集積デバイス、ならびに、集積デバイスとインターフェースするように構成された機器を使用して、この数のサンプルの分析を達成することができると認識および理解している。機器は、１つまたは複数の励起光源を含むことができ、集積デバイスは、集積デバイス上に形成される集積される光学構成要素（例えば、導波路、光カプラ、光学スプリッタ）を使用して励起光がサンプルウェルに送達されるように、機器とインターフェースすることができる。光学構成要素は、集積デバイスのサンプルウェル間の照射の均一性を改善することができ、あるいは、必要となり得る多数の外部の光学構成要素を減らし得る。さらに、本発明者らは、集積デバイス上に光検出器（例えば、フォトダイオード）を集積させることによって、サンプルウェルからの蛍光放射の検出効率を高め、他の場合は必要となり得る集光構成要素の数を減らし得ると認識および理解している。
本発明者らは、入射蛍光からスペクトル情報を、それに代えてまたはそれに加えて、タイミング情報（例えば、寿命情報）を取得するための技術も開発した。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、光源から受光した入射光子に応答して生成された電荷キャリアを受け取るように構成された１つ以上の電荷蓄積領域を含むことができ、電荷キャリアはスペクトル情報およびタイミング情報を示す。一例では、ピクセルは、入射光のパワースペクトル密度の差が各電荷蓄積領域における蓄積電荷キャリアの数で示されるように、波長がそれぞれ異なる入射光に応答して生成された電荷キャリアを受け取るように構成された２つの電荷蓄積領域を含むことができる。代替的または追加的に、いくつかの実施形態では、集積デバイスは、異なる深さを有する複数の領域を含んでよく、各領域は、受光した入射光子に応答して電荷キャリアを生成するように構成されている。一例では、ピクセルは、異なる波長の複数の入射光子に応答して複数の異なる光検出領域において電荷キャリアが生成されるように、（例えば光がピクセルに入射する光方向に）異なる深さを有する２つ以上の光検出領域を含んでよい。代替的または追加的に、いくつかの実施形態では、集積デバイスは、異なる深さを有する複数の電荷蓄積領域を含んでもよく、それら電荷蓄積領域のうちの１つ以上は、入射光子を受光し、電荷キャリアを生成するように構成されてよい。それら電荷蓄積領域のうちの別のものが、そのピクセルの光検出領域で生成された電荷キャリアを受け取るように構成され得る。例えば、後者の電荷蓄積領域は、光検出領域に結合されてよく、制御された収集期間中に（例えば、制御回路からの制御信号に応答して）前記電荷キャリアを受け取るように構成され得る。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、入射光子のタイミングおよび／または波長特性に基づいて、少なくともいくつかの入射光子を１つの電荷蓄積領域に向けて方向づけるとともに他の入射光子を別の電荷蓄積領域に向けて方向づけるように構成された光選別要素を代替的または追加的に含んでよい。例えば、一例では、光選別要素は、少なくとも部分的に屈折性の、回折性の、散乱性の、および／またはプラズモニックの要素を含んでよい。
本明細書に記載される集積デバイスは、本明細書に記載した技術のいずれかまたはすべてを単独でまたは組み合わせて組み込むことができることを理解されたい。
［ＩＩ．集積デバイスの概要］
ピクセル１－１１２の列を示す集積デバイス１－１０２の断面概略図が、図１－１に示されている。集積デバイス１－１０２は、結合領域１－２０１、ルーティング領域１－２０２およびピクセル領域１－２０３を含むことができる。ピクセル領域１－２０３は、励起光（破線の矢印として示されている）が集積デバイス１－１０２に結合する箇所である結合領域１－２０１から離れた位置の表面に位置するサンプルウェル１－１０８を有する複数のピクセル１－１１２を含むことができる。サンプルウェル１－１０８は、一または複数であってよい金属層１－１０６を貫通して形成することができる。点線の矩形によって示されている１つのピクセル１－１１２は、サンプルウェル１－１０８と、当該サンプルウェル１－１０８と関連付けられた１つ以上の光検出器１－１１０とを含む集積デバイス１－１０２の一領域である。いくつかの実施形態では、各光検出器１－１１０は、光検出領域と、サンプルウェル１－１０８からの入射光に応答して光検出領域で生成された電荷キャリアを受け取るように構成された１つ以上の電荷蓄積領域とを含んでよい。
図１－１は、励起光のビームを結合領域１－２０１およびサンプルウェル１－１０８に結合することによる、励起の経路を示す。図１－１において示されているサンプルウェル１－１０８の列は、導波路１－２２０と光学的に結合するように位置してよい。励起光は、サンプルウェル内に位置付けられるサンプルを照明してよい。サンプルは、励起光によって照明されることに応答して励起状態に達してよい。サンプルが励起状態にある場合、サンプルは放射光を放射することができ、この放射光は、そのサンプルウェルに関連付けられた１つ以上の光検出器によって検出されることができる。図１－１は、サンプルウェル１－１０８から、ピクセル１－１１２の光検出器１－１１０への放射光ＯＰＴの光軸を概略的に示す。ピクセル１－１１２の光検出器１－１１０は、サンプルウェル１－１０８からの放射光を検出するように構成および位置することができる。好適な光検出器の例は、「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＴＥＭＰＯＲＡＬ ＢＩＮＮＩＮＧ ＯＦ ＲＥＣＥＩＶＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ」と題する米国特許出願第１４／８２１，６５６号に記載されており、参照によりその全体が援用される。光検出器の代替例または追加例を本明細書でさらに説明する。個々のピクセル１－１１２について、サンプルウェル１－１０８およびそのそれぞれの光検出器１－１１０は、光軸ＯＰＴに沿って整列されることができる。このように、光検出器は、ピクセル１－１１２内でサンプルウェルと重なることができる。
サンプルウェル１－１０８からの放射光の指向性は、金属層１－１０６が放射光を反射するように作用し得るため、金属層１－１０６に対するサンプルウェル１－１０８内のサンプルの位置に依存し得る。このように、金属層１－１０６とサンプルウェル１－１０８内に位置する蛍光マーカとの間の距離は、蛍光マーカによって放射される光を検出するための、サンプルウェルと同じピクセル内にある光検出器１－１１０の効率に影響を与える可能性がある。金属層１－１０６と、動作中にサンプルが位置し得る場所に近接するサンプルウェル１－１０６の底面との間の距離は、１００ｎｍ～５００ｎｍの範囲、またはその範囲内における任意の範囲内の値であってよい。いくつかの実施形態において、金属層１－１０６とサンプルウェル１－１０６の底面との間の距離は、およそ３００ｎｍであるが、本明細書に記載の実施形態はそのように限定されないため他の距離を使用することができる。
サンプルと光検出器との間の距離も、放射光を検出する効率に影響を与える可能性がある。光がサンプルと光検出器との間を移動しなければならない距離を減らすことによって、放射光の検出効率を改善することができる。加えて、サンプルと光検出器との間の距離を小さくすると、集積デバイスに占めるピクセルの設置面積小さくすることを可能にすることができ、これにより、より多くの数のピクセルを集積デバイスに含めるようにすることができる。サンプルウェル１－１０６の底面と光検出器との間の距離は、５μｍ～１５μｍの範囲、またはその範囲内における任意の範囲内の値であってよい。いくつかの実施形態においては、放射光は励起光源およびサンプルウェル以外の手段によって提供できることを理解されたい。したがって、いくつかの実施形態はサンプルウェル１－１０８を含まなくてもよい。
フォトニック構造１－２３０は、サンプルウェル１－１０８と光検出器１－１１０との間に位置することができ、励起光が光検出器１－１１０に到達することを低減または防止するように構成することができ、そうでない場合、励起光は放射光を検出する際の信号ノイズの一因となることがある。図１－１に示すように、１つまたは複数のフォトニック構造１－２３０は、導波路１－２２０と光検出器１－１１０との間に位置することができる。フォトニック構造１－２３０は、スペクトルフィルタ、偏光フィルタおよび空間フィルタを含む１つまたは複数の光除去フォトニック構造を含むことができる。フォトニック構造１－２３０は、共通の軸に沿って個々のサンプルウェル１－１０８およびそれらのそれぞれの光検出器１－１１０と位置合わせされるように位置することができる。制御信号および／または読み出し信号を集積デバイス１－１０２の部分へおよび／またはそこからルーティングするように構成され得る金属層１－２４０も、いくつかの実施形態によると、空間フィルタ、または偏光フィルタとして作用することができる。そのような実施形態において、１つまたは複数の金属層１－２４０は、いくつかまたはすべての励起光が光検出器１－１１０に到達するのを阻止するように位置することができる。
結合領域１－２０１は、外部の励起源からの励起光を結合するように構成された１つまたは複数の光学構成要素を含むことができる。結合領域１－２０１は、励起光のビームのいくつかまたはすべてを受け取るように位置する格子カプラ１－２１６を含むことができる。好適な格子カプラの例は、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＵＰＬＥＲ ＡＮＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＳＹＳＴＥＭ」と題する米国特許出願第６２／４３５，６９３号に記載されており、参照によりその全体が援用される。格子カプラ１－２１６は、励起光を導波路１－２２０に結合することができ、該導波路は、励起光を１つまたは複数のサンプルウェル１－１０８の近傍に伝播するように構成することができる。代替的に、結合領域１－２０１は、光を導波路内に結合する他の既知の構造を備えることができる。
集積デバイスの外に位置付けられる構成要素を使用して、励起源１－１０６を集積デバイスに配置および位置合わせすることができる。そのような構成要素は、レンズ、鏡、プリズム、ウィンドウ、アパーチャ、減衰器および／または光ファイバーを含む光学構成要素を含むことができる。付加的な機械的な構成要素を、１つまたは複数の位置合わせ構成要素の制御を可能にするために機器に含めることができる。そのような機械的な構成要素は、アクチュエータ、ステッパモータおよび／またはノブを含むことができる。好適な励起源および位置合わせ機構の例は、「ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ」と題する米国特許出願第１５／１６１，０８８号に記載されており、参照によりその全体が援用される。ビームステアリングモジュールの別の例は、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＩＮＧ ＡＮＤ ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＡＳＳＥＭＢＬＹ」と題する米国特許出願第６２／４３５，６７９号に記載されており、参照によりその全体が本明細書に援用される。
分析されるサンプルは、ピクセル１－１１２のサンプルウェル１－１０８内に導入することができる。サンプルは、生物サンプル、または、化学的サンプルなどの任意の他の好適なサンプルであってよい。サンプルは複数の分子を含むことができ、サンプルウェルは単一の分子を分離するように構成することができる。いくつかの例においては、サンプルウェルの寸法は、単一の分子をサンプルウェル内に閉じ込めるように作用することができ、測定を単一の分子に対して行うことを可能にする。励起光は、サンプル、またはサンプルに付けられるか、もしくはサンプルウェル１－１０８内の照射エリア内にある間にサンプルに別様に関連付けられる少なくとも１つの蛍光マーカを励起するように、サンプルウェル１－１０８内に送達されることができる。
動作時、サンプルウェル内のサンプルの並列な分析を、励起光を使用してウェル内のサンプルのいくつかまたはすべてを励起し、サンプル蛍光放射からの信号を光検出器で検出することによって行う。サンプルからの放射光は、１つ以上の対応する光検出器に到達し、そこで電荷キャリアを生成し、電荷蓄積領域に収集され、光検出器から少なくとも１つの電気信号として読み出される。電気信号は、集積デバイス１－１０２とインターフェース接続された機器に接続され得る集積デバイス１－１０２の（例えば、金属層１－２４０の）金属線に沿って伝送されてよい。電気信号は、続いて処理および／または分析されてよい。電気信号の処理または分析は、機器上にまたは機器から離れて位置付けられる好適なコンピューティングデバイスにおいて行うことができる。
図１－２は、集積デバイス１－１０２のピクセル１－１１２の断面図を示す。ピクセル１－１１２は、ピン止めフォトダイオード（ＰＰＤ）であり得る光検出領域と、蓄積ダイオード（ＳＤ０）であり得る電荷蓄積領域と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域であり得る読み出し領域と、ドレイン領域Ｄと、転送ゲートＲＥＪ、ＳＴ０、ＴＸ０とを含む。いくつかの実施形態では、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および／またはドレイン領域Ｄは、集積デバイス１－１０２の１つ以上の基板層の一部をドーピングすることによって、集積デバイス１－１０２に形成され得る。例えば、集積デバイス１－１０２は、軽度にｐドープされた基板を有し得、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および／またはドレイン領域Ｄは、当該基板のｎドープ領域であってよい。この例では、ｐドープ領域はホウ素を使用してドープされてよく、ｎドープ領域はリンを使用してドープされてよいが、他のドーパントおよび構成も可能である。いくつかの実施形態では、ピクセル１－１１２は、１０ミクロン×１０ミクロン以下の面積を有することができ、７．５ミクロン×５ミクロンと同じかそれより小さくてよい。いくつかの実施形態では、基板は軽度にｎドープされてよく、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および／またはドレイン領域Ｄはｐドープされてよいが、本明細書に記載の実施形態はそのようなものとして限定されないことを理解されたい。
いくつかの実施形態では、光検出領域ＰＰＤは、入射光に応答して電荷キャリアを生成するように構成されてよい。例えば、ピクセル１－１１２の動作中、励起光はサンプルウェル１－１０８を照明し、サンプルからの蛍光放射を含む入射光子を光軸ＯＰＴに沿って光検出領域ＰＰＤに流し得、その光検出領域ＰＰＤは、サンプルウェル１－１０８からの入射光子に応答して蛍光放射電荷キャリアを生成するように構成することができる。いくつかの実施形態では、集積デバイス１－１０２は、電荷キャリアをドレイン領域Ｄまたは電荷蓄積領域ＳＤ０に転送するように構成されてよい。例えば、励起光のパルスに続くドレイン期間中に、光検出領域ＰＰＤに到達する入射光子は、ドレイン領域Ｄに転送されて廃棄されることとなる励起光子が大半であってよい。この例では、ドレイン期間に続く収集期間中に、蛍光放射光子が光検出領域ＰＰＤに到達し、収集のために電荷蓄積領域ＳＤ０に転送される。いくつかの実施形態では、ドレイン期間および収集期間は、各励起パルスに続いてよい。
いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０は、入射光に応答して光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアを受け取るように構成され得る。例えば、電荷蓄積領域ＳＤ０は、サンプルウェル１－１０８からの蛍光放射光子に応答して光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアを受け取り蓄積するように構成されてよい。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０は、各々が励起パルスによって先行される複数の収集期間にわたって光検出領域ＰＰＤから受け取った電荷キャリアを蓄積するように構成され得る。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０は、電荷転送チャネルによって光検出領域ＰＰＤに電気的に結合されてよい。いくつかの実施形態では、電荷転送チャネルは、光検出領域ＰＰＤと電荷蓄積領域ＳＤＯとの間のピクセル１－１１２の領域を光検出領域ＰＰＤおよび電荷蓄積領域ＳＤＯと同じ導電型でドーピングすることによって形成され得、その電荷転送チャネルは、電荷転送チャネルが電荷転送チャネルに少なくとも閾値電圧が印加されると導電性になり、電荷転送チャネルに閾値電圧より低い電圧（またはいくつかの実施形態ではより高い電圧）が印加されると非導電性になるように構成される。いくつかの実施形態では、閾値電圧は、光検出領域ＰＰＤからの電荷キャリアが電荷転送チャネルを通って電荷蓄積領域ＳＤ０に移動し得るような、電荷転送チャネルが電荷キャリアを枯渇させる電圧よりも高い（または低い）電圧であってよい。例えば、閾値電圧は、電荷転送チャネルの材料、寸法、および／またはドーピング構成に基づいて決定されてよい。
いくつかの実施形態では、転送ゲートＳＴ０は、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０への電荷キャリアの転送を制御するように構成されてよい。例えば、転送ゲートＳＴ０は、制御信号を受信し、光検出領域ＰＰＤを電荷蓄積領域ＳＤ０に電気的に結合する電荷転送チャネルをその制御信号でバイアスするように構成することができる。例えば、制御信号の第１の部分が転送ゲートＳＴ０で受信されると、転送ゲートＳＴ０は、電荷キャリアが光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０へ移動するのを阻止するよう、電荷転送チャネルをバイアスして電荷転送チャネルを非導通にするように構成されてよい。あるいは、制御信号の第２の部分が転送ゲートＳＴ０で受信されると、転送ゲートＳＴ０は、電荷キャリアが光検出領域ＰＰＤから電荷転送チャネルを介して電荷蓄積領域ＳＤ０に流れるよう、電荷転送チャネルをバイアスして電荷転送チャネルを導通させてよい。いくつかの実施形態では、転送ゲートＳＴ０は、ポリシリコンなどの導電性で少なくとも部分的に不透明な材料から形成され得る。
いくつかの実施形態では、転送ゲートＴＸ０は、光検出領域ＰＰＤおよび電荷蓄積領域ＳＤ０に関連して転送ゲートＳＴ０について本明細書で説明したのと同様に、電荷蓄積領域ＳＤ０から読み出し領域ＦＤへの電荷キャリアの転送を制御するように構成され得る。例えば、電荷キャリアが光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に転送される収集期間の後に、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアは、処理のために集積デバイス１－１０２の他の部分に読み出されるよう読み出し領域ＦＤに転送され得る。
いくつかの実施形態では、転送ゲートＲＥＪは、上記の転送ゲートＳＴ０について本明細書で説明したのと同様に、光検出領域ＰＰＤからドレイン領域Ｄへの電荷キャリアの転送を制御するように構成されてよい。例えば、励起光源からの励起光子は、サンプルウェル１－１０８からの蛍光放射光子が光検出領域ＰＰＤに到達する前に、光検出領域ＰＰＤに到達してよい。いくつかの実施形態では、集積デバイス１－１０２は、励起光パルスの後でかつ蛍光放射電荷キャリアの受け取りに先行するドレイン期間中に、励起光子に応答して光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアをドレイン領域Ｄに転送するよう転送ゲートＲＥＪを制御するように構成されてよい。
いくつかの実施形態では、ピクセル１－１１２は、集積デバイス１－１０２用の制御回路に電気的に結合され得、転送ゲートＲＥＪ、ＳＴ０、ＴＸ０で制御信号を受信するように構成されてよい。例えば、金属層１－２４０の金属線は、集積デバイス１－１０２のピクセル１－１１２に制御信号を搬送するように構成されてよい。いくつかの実施形態では、制御信号を搬送する単一の金属線が、ピクセル１－１１２のアレイ、サブアレイ、行および／または列といった、複数のピクセル１－１１２に電気的に結合され得る。例えば、ピクセル１－１１２の行が同時に光検出領域ＰＰＤから電荷キャリアを排出および／または収集するように構成されるように、一つのアレイ内の各ピクセル１－１１２は、同じ金属線および／または金網ネットから制御信号を受信するように構成され得る。代替的または追加的に、アレイ内のピクセル１－１１２の各行は、当該行が電荷キャリアを一度に１行ずつ読み出すように、読み出し期間中に異なる制御信号（例えば、行選択信号）を受信するように構成され得る。
図１－３は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得る例示的なピクセル１－３１２の回路図である。いくつかの実施形態では、ピクセル１－３１２は、ピクセル１－１１２について説明したのと同様に構成されてよい。例えば、図１－３に示すように、ピクセル１－３１２は、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、ドレイン領域Ｄ、および転送ゲートＲＥＪ、ＳＴ０、ＴＸ０を含む。図１－３では、転送ゲートＲＥＪは、光検出領域ＰＰＤをドレイン領域Ｄに結合するトランジスタのゲートであり、転送ゲートＳＴ０は、光検出領域ＰＰＤを電荷蓄積領域ＳＤ０に結合するトランジスタのゲートであり、転送ゲートＴＸ０は、電荷蓄積領域ＳＤ０を読み出し領域ＦＤに結合するトランジスタのゲートである。ピクセル１－３１２は、リセット（ＲＳＴ）転送ゲートおよび行選択（ＲＳ）転送ゲートも含む。いくつかの実施形態では、転送ゲートＲＳＴは、リセット制御信号に応答して、読み出し領域ＦＤのおよび／または電荷蓄積領域ＳＤ０の電荷キャリアをクリアするように構成され得る。例えば、転送ゲートＲＳＴは、転送ゲートＴＸ０および読み出し領域ＦＤを介して読み出し領域ＦＤおよび／または電荷蓄積領域ＳＤ０から電荷キャリアをＤＣ供給電圧ＶＤＤＰに流すように構成され得る。いくつかの実施形態では、転送ゲートＲＳは、行選択制御信号に応答して、処理のために読み出し領域ＦＤからビットラインＣＯＬに電荷キャリアを転送するように構成され得る。
図１－４Ａは、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル１－４１２の回路図である。いくつかの実施形態では、ピクセル１－４１２は、ピクセル１－１１２および１－３１２について本明細書で説明したのと同様に構成され得る。例えば、図１－４Ａでは、ピクセル１－４１２は、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、読み出し領域ＦＤ、および転送ゲートＳＴ０、ＴＸ０、ＲＳＴ、ＲＳを含む。なお、図１－４Ａでは、ピクセル１－４１２は、第２の電荷蓄積領域ＳＤ１と転送ゲートＳＴ１、ＴＸ１とを含むが、これらは電荷蓄積領域ＳＤ０と転送ゲートＳＴ０、ＴＸ０とについてそれぞれ本明細書で説明したのと同様に構成され得る。例えば、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１は、光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアを受け取るように構成され得、この電荷キャリアは読み出し領域ＦＤに転送され得る。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１は、励起パルスに対して異なる時間に、光検出領域ＰＰＤから電荷キャリアを受け取るように構成され得る。いくつかの実施形態では、別個の読み出し領域ＦＤは、各電荷蓄積領域に結合されてよい。図１－４Ｂは、いくつかの実施形態によるピクセル１－４１２の上面図である。
［ＩＩＩ．異なる深さの領域を組み込む技術］
本発明者らは、入射光のスペクトル情報（例えば、波長情報）を弁別する技術を開発した。例えば、タイミング情報（例えば、寿命情報）を弁別するための時間ゲート動作技術を使用する代わりにまたはそれに加えて、本明細書に記載のデバイスは、サンプルから得ることができるデータを強化するために、スペクトル情報を決定するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、スペクトル情報は、（例えば、入射光を受光する方向における）深さが異なる複数の領域を有する複数のピクセルを使用して取得され得る。図２－１は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル２－１１２の側面図である。図２－１に示すよう、ピクセル２－１は、時間ゲート式（ｔｉｍｅ－ｇａｔｅｄ）電荷蓄積領域ＳＤ０と直接励起電荷蓄積領域ＳＤ１とを有する。いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２は、ピクセル１－１１２または他のピクセルについて本明細書で説明したのと同様に構成され得る。例えば、電荷転送領域ＳＤ０は、転送ゲートＳＴ０が電荷蓄積領域ＳＤ０への電荷キャリアの転送を制御するときに光検出領域ＰＰＤで生成された電荷キャリアを受け取るように構成され得る。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ１は、本明細書でさらに説明するように、光検出領域ＰＰＤを介して入射光子および／または電荷キャリアを受け取るように構成され得る。いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２は、図２－１に示される金属層Ｍ０などの１つ以上のバリアを含むことができ、当該バリアは、入射光子が電荷蓄積領域ＳＤ０および／またはＳＤ１に到達するのを阻止するように構成され得る。様々な実施形態によれば、ピクセル２－１１２は、光検出領域、電荷蓄積領域、および／または転送ゲートを任意の数で含むことができると理解されたい。ピクセル２－１１２は、代替的または追加的に、１つ以上のドレイン領域を含んでよい。
いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２のいくつかの領域は、ピクセル２－１１２の他の領域よりも、入射光子を受光する方向に、深くに位置し得る。例えば、図２－１の例では、図示されている電荷蓄積領域ＳＤ１は、光軸ＯＰＴに平行な方向において、電荷蓄積領域ＳＤ０よりも深く位置する。また、図２－１に示されているように、光源および／またはサンプルウェルから受光した入射光子が光検出領域ＰＰＤの少なくとも一部を通過した後に電荷蓄積領域ＳＤ１に到達し得るように、電荷蓄積領域ＳＤ１は、光軸ＯＰＴに平行な方向において、光検出領域ＰＰＤの少なくとも一部よりも後ろに配置されている。いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２の様々な領域を異なる深度に配置することは、ピクセル２－１１２におけるスペクトル情報および／またはタイミング（例えば寿命）情報の弁別の点で有利であり得る。例えば、図２－１に示すように、光源からのおよび／またはサンプルウェルからの入射光子は、光軸ＯＰＴに沿ってピクセル２－１１２内へと異なる距離で移動してよい。（例えば、第１の波長の）一部の光子は、（図２－１において短い矢印で示されているように）光検出領域ＰＰＤに到達し得、そこで収集期間中に転送ゲートＳＴ０によって制御される電荷転送チャネルを介して電荷蓄積領域ＳＤ０へと伝導され得る電荷キャリアを生成する。例えば、その収集期間中に、転送ゲートＳＴ０は、ピクセル２－１１２の制御回路から制御信号を受信し得、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０への電荷キャリアの転送を制御してよい。（例えば、第１の波長より長い第２の波長の）他の入射光子は、（図２－１において長い矢印で示されているように）光検出領域ＰＰＤを越えて移動し、電荷蓄積領域ＳＤ１に到達し、電荷蓄積領域ＳＤ１において電荷キャリアを生成してよい。いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２における電荷キャリアの排出および／または収集の構成（例えば、タイミング）は、図１－１から図１－４Ｂに関連して本明細書で説明されるように発生し得る。いくつかの実施形態では、各電荷キャリア蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１は、読み出し領域に結合され得、読み出し期間中に、蓄積された電荷キャリアを転送するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０に収集された電荷キャリアと電荷蓄積領域ＳＤ１に収集された電荷キャリアとの間の差が、入射光のスペクトル情報および／またはタイミング（例えば寿命）情報を示し得る。例えば、いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域に収集された電荷キャリアの数の和および／または差が、サンプルウェルから受光した蛍光放射の蛍光寿命および／または波長を示し得る。一例では、より高波長の光子は、電荷蓄積領域ＳＤ０に収集される電荷キャリアの数により実質的に寄与し得、かつ、より短波長の光子は、電荷蓄積領域ＳＤ１に収集される電荷キャリアの数により実質的に寄与し得る。この例では、より短波長の光子の多くを光検出領域ＰＰＤを超えて電荷蓄積領域ＳＤ１に移動させ、かつ、より長波長の光子を光検出領域ＰＰＤで止まらせるよう、より短波長の光子は、より長波長の光子よりも高いエネルギーを有してよい。結果として、より高波長の光子は、収集期間中に電荷蓄積領域ＳＤ０に収集される電荷キャリアをより多く生成し得、より短波長の光子は、電荷蓄積領域ＳＤ１においてより多くの電荷キャリアを生成し得る。したがって、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１に蓄積された電荷キャリアの和および／または差は、入射光の波長といった、入射光のスペクトル情報を示し得る。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０の深さおよび／または電荷蓄積領域ＳＤ１の深さは、各電荷蓄積領域が特定の波長および／または波長範囲を有する入射光子を主に収集するように構成され得る。代替的または追加的に、いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０および／またはＳＤ１と光検出領域ＰＰＤとの深さ位置の差は、各電荷蓄積領域が特定の波長および／または波長範囲を有する入射光子を主に収集するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２に結合される１つ以上のプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および／または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、これらの一部またはそれぞれが集積デバイスなどと一体化され得る）は、電荷蓄積領域ＳＤ０および／またはＳＤ１に蓄積されてそこから読み出される電荷キャリアの数に基づいて、寿命情報および／またはスペクトル情報を決定するように構成され得る。代替的または追加的に、電荷蓄積領域ＳＤ０および／またはＳＤ１に蓄積された電荷キャリアの数は、入射光の蛍光寿命を示し得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、複数の電荷蓄積領域のうちの１つに収集された電荷キャリアはタイミング情報を示し得、別の電荷蓄積領域に収集された電荷キャリアはスペクトル情報を示し得る。
本明細書に記載の集積回路は、様々な光学的波長および／または光学的波長範囲を有する複数の入射光子を弁別するように構成され得ると理解されたい。いくつかの実施形態では、上記の例のより高波長の光子は、６００ｎｍを超える波長を有することができ、より低波長の光子は、６００ｎｍ未満の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、上記の例のより高波長の光子は、７００ｎｍを超える波長を有することができ、より低波長の光子は、６００ｎｍ未満の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、上記の例のより高波長の光子は、７００ｎｍを超える波長を有することができ、より低波長の光子は、７００ｎｍ未満の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、上記の例のより高波長の光子は、６００ｎｍを超える波長を有することができ、より低波長の光子は、６００ｎｍ未満の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、上記の例のより高波長の光子は、６００ｎｍを超える波長を有することができ、より低波長の光子は、５５０ｎｍ未満の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、上記の例のより高波長の光子は、５５０ｎｍを超える波長を有することができ、より低波長の光子は、５５０ｎｍ未満の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載のピクセルは、４０平方ミクロン以下の面積を有し得る。
図２－２は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得る代替ピクセル２－２１２の側面図である。いくつかの実施形態では、ピクセル２－２１２は、ピクセル２－１１２について本明細書で説明したのと同様に構成されてよい。図２－２に示すように、ピクセル２－２１２は裏面照明式（ＢＳＩ）構成を有してよい。例えば、図２－２に示すように、図示された転送ゲートＳＴ０、ＴＸ０、ＴＸ１は、光検出領域ＰＰＤが入射光を受光するように構成された方向ＯＰＴにおいて、光検出領域ＰＰＤよりも後ろに位置している。いくつかの実施形態では、入射光子は、電荷蓄積領域に到達する前にピクセル２－２１２のバルク半導体領域において減衰され得、したがって、電荷蓄積領域に到達するおよび／または生成され得る励起光子の数および／または電荷キャリアの数を減少させ、これにより、ピクセル動作のシグナル完全性（ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を向上させる。
図２－１のように、ピクセル２－２１２のいくつかの領域は、そのピクセルの他の領域よりも深くてよく、光軸ＯＰＴに平行に位置してよい。例えば、図２－２の例では、電荷蓄積領域ＳＤ１は、電荷蓄積領域ＳＤ０よりも光軸ＯＰＴと平行な方向において深くに位置する。代替的または追加的に、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１のうちの１つは、入射光を受光し、そこに電荷キャリアを生成および蓄積するように構成され得る。例えば、図２－２において、電荷蓄積領域ＳＤ１は、入射光子が光検出領域ＰＰＤを通って移動し電荷蓄積領域ＳＤ０に到達するように、位置する。いくつかの実施形態では、ピクセル２－２１２のバリアＭ０および／またはディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）バリアは、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積される電荷キャリアが、転送ゲートＴＧ０を使用して光検出領域ＰＰＤから主に時間ゲートされるよう、入射光子の少なくとも一部（例えば、斜方入射光子）が電荷蓄積領域ＳＤ０に到達するのを阻止してよい。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０とＳＤ１および／または光検出領域ＰＰＤとの間の深さの差は、それら電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアが入射光の異なるタイミング情報および／またはスペクトル情報を示すようにし得る。例えば、いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０の深さ、電荷蓄積領域ＳＤ１の深さ、および／または光検出領域ＰＰＤの深さは、各電荷蓄積領域が特定の波長および／または波長範囲を有する入射光子を主に収集するよう、構成され得る。
図２－３は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル２－３１２の側面図である。いくつかの実施形態では、ピクセル２－３１２は、ピクセル２－２１２および／または他のピクセルについて本明細書で説明したのと同様に構成され得る。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０とＳＤ１および／または光検出領域ＰＰＤとの間の深さの差は、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１に蓄積された電荷キャリアが、入射光の異なるタイミング情報および／またはスペクトル情報を示すようにし得る。例えば、いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０の深さ、電荷蓄積領域ＳＤ１の深さ、および／または光検出領域ＰＰＤの深さは、電荷蓄積領域ＳＤ０および／またはＳＤ１が特定の波長および／または波長範囲を有する入射光子を主に収集するよう、構成され得る。図２－３に示すように、ピクセル２－３１２の光検出領域ＰＰＤは、電荷蓄積領域ＳＤ０を通過した入射光子を受光するように構成される。その結果、より高波長の光子より、より低波長の光子が多く光検出領域ＰＰＤに到達し得、より高波長の電荷キャリアより、より低波長の電荷キャリアが多く生成され電荷蓄積領域ＳＤ１に蓄積され得る。同様に、より高波長の光子は、光検出領域ＰＰＤでより高波長の電荷キャリアを生成し得、転送ゲートＳＴ０を介した時間ゲート動作によって、より高波長の電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積されることになる。
図２－４は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル２－４１２の側面図である。いくつかの実施形態では、ピクセル２－４１２は、ピクセル２－１１２および／または他のピクセルについて本明細書で説明したのと同様に構成されてよい。図２－４に示すように、ピクセル２－４１２は、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１にそれぞれ結合された複数の光検出領域ＰＰＤ０およびＰＰＤ１を含み、ここで、転送ゲートＳＴ０は、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０への電荷キャリアの転送を制御するように構成され、転送ゲートＳＴ１は、光検出領域ＰＰＤ１から電荷蓄積領域ＳＤ１への電荷キャリアの転送を制御するように構成されている。図２－４では、光検出領域ＰＰＤ０およびＰＰＤ１が示されており、方向ＯＰＴにおいて光検出領域ＰＰＤ１は光検出領域ＰＰＤ１よりも深くに位置している。一例では、より低波長の入射光子が、より高波長の入射光子よりも光検出領域ＰＰＤ１に到達し得る。その結果、トランスファーゲートＳＴ１を介した時間ゲート動作によって、より高波長の電荷キャリアよりも、より低波長の電荷キャリアが、電荷蓄積領域ＳＤ１に蓄積され得る。同様に、より高波長の入射光子は、より低波長の入射光子よりも光検出領域ＰＰＤ０において電荷キャリアを生成させ得、その結果、転送ゲートＳＴ０を介した時間ゲート動作によって、より低波長の電荷キャリアよりも、より高波長の電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積されることとなる。
図２－５は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル２－５１２の側面図である。いくつかの実施形態では、ピクセル２－５１２は、ピクセル２－４１５および／または他のピクセルについて本明細書で説明したのと同様に構成され得る。例えば、図２－５に示すように、ピクセル２－５１２は、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、ＳＤ２にそれぞれ結合された複数の光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、ＰＰＤ２を含む。図２－５では、図示された光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、ＰＰＤ２は、方向ＯＰＴにおいて異なる深さに位置している。図２－５に示すように、複数の光検出領域のうちの隣接する光検出領域の間に１つ以上の電荷蓄積領域が位置し得る。図２－５に示すように、ピクセル２－５１２は、隣接する光検出領域の間に位置するバリア２－５０２を含む。例えば、バリア２－５０２は、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、ＰＰＤ２がｎ型ドープされている場合にはｐ型ドープされるといったように、バリア２－５０２は、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、ＰＰＤ２とは反対の導電型でドープされ得る。
いくつかの実施形態では、異なる深さに位置する領域を使用せずに入射光のスペクトル情報を決定するために本明細書に記載のピクセルを使用し得る。図２－６Ａは、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル２－６１２の上面図である。図２－６Ｂは、いくつかの実施形態による、図２－６Ａの線Ａに沿ったピクセル２－６１２の断面図である。図２－６Ｃは、いくつかの実施形態による、図２－６Ｃの線Ｂに沿ったピクセル２－６１２の断面図である。いくつかの実施形態では、ピクセル２－６１２は、ピクセル２－２１２および／または他のピクセルについて本明細書で説明したのと同様に構成されてよい。図２－６Ａに示すように、ピクセル２－６１２は、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１に結合された光検出領域ＰＰＤを含み、ここで転送ゲートＳＴ０は、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０への電荷キャリアの転送を制御するように構成され、転送ゲートＳＴ１は、光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ１への電荷キャリアの転送を制御するように構成されている。図２－６Ｂに示すように、電荷蓄積領域ＳＤ１は、光検出領域ＰＰＤを越えて移動した入射光子を受光するようにさらに構成され得る。図２－６Ｃに示すように、ピクセル２－６１２は、転送ゲートＳＴ０を使用して制御されるときに光検出領域ＰＰＤからの転送以外に入射光子が電荷蓄積領域ＳＤ０に到達するのをブロックするように構成された金属バリアＭ０を含み得る。また図２－６Ｃに示すように、ピクセル２－６１２は、電荷キャリアが光検出領域ＰＰＤから電荷蓄積領域ＳＤ０に到達すること、および／または隣接するピクセル２－６１２間を移動することをブロックするように構成された１つ以上のバリアＤＴＩを含み得る。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１にそれぞれ蓄積された電荷キャリアは、タイミング情報および／またはスペクトル情報を示し得る。一例では、複数の電荷蓄積領域の各々に蓄積された電荷キャリアの数の差は、入射光子の波長成分の差を示し得る（例えば、より短波長である入射光の量、より高波長のものの量、など）。
図３－１Ａは、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル３－１１２の上面図である。図３－１Ｂは、いくつかの実施形態による図３－１Ａの断面Ａに沿ったピクセル３－１１２の側面図である。いくつかの実施形態では、ピクセル３－１１２は、ピクセル２－４１２および／または他のピクセルについて本明細書で説明したのと同様に構成されてよい。図３－１Ａおよび３－１Ｂに示すように、ピクセル３－１１２は、方向ＯＰＴにおいて異なる深さに位置する複数の光検出領域を含み、そのうちの光検出領域ＰＰＤ０およびＰＰＤ１が図３－１Ｂに示されている。図３－１Ｂでは、電荷蓄積領域ＳＤ０は光検出領域ＰＰＤ０に結合されており、ここで転送ゲートＳＴ０は光検出領域ＰＰＤ０から電荷蓄積領域ＳＤ０への電荷キャリアの転送を制御するように構成されており、電荷蓄積領域ＳＤ３は光検出領域ＰＰＤ１に結合されており、転送ゲートＳＴ３は、光検出領域ＰＰＤ１から電荷蓄積領域ＳＤ３への電荷キャリアの転送を制御するように構成されている。図３－１Ａおよび３－１Ｂには示されていないが、ピクセル３－１１２は、転送ゲートＳＴ１およびＳＴ２によって電荷転送が制御される追加の光検出領域（例えば、ＰＰＤ２、ＰＰＤ３）および電荷蓄積領域（例えば、ＳＤ１、ＳＤ２）を含み得る。あるいは、追加の電荷蓄積領域（例えば、ＳＤ１、ＳＤ２）は、図３－１Ｂに示される光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１にそれぞれ結合されてよい。
いくつかの実施形態では、ピクセル３－１１２の領域は、方向ＯＰＴにおいて異なる深さに位置し得る。図３－１Ｂに示すように、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１は、方向ＯＰＴにおいて異なる深さに位置している。また図３－１Ｂに示すように、光検出領域ＰＰＤ０を電荷蓄積領域ＳＤ０に結合し、光検出領域ＰＰＤ１を電荷蓄積領域ＳＤ３に結合する複数の電荷転送チャネルは、方向ＯＰＴにおいて異なる深さに位置する。いくつかの実施形態では、複数の電荷蓄積領域が、同時に収集するときに、同数の電荷キャリアを受け取るよう、複数の電荷蓄積領域（例えば、ＳＤ０、ＳＤ１）は、同じ光検出領域に結合されてよく、または方向ＯＰＴにおいて同じ深さ（例えば、光検出領域ＰＰＤ０の深さ）に位置する複数の光検出領域に結合されてよい。いくつかの実施形態では、そのような電荷蓄積領域は、各電荷蓄積領域に収集された電荷キャリアの数の差が入射光のタイミング情報を示すように、異なる時間に（例えば、励起パルスに続く異なる時間に）収集するように構成されてよい。いくつかの実施形態では、他の電荷蓄積領域（例えば、ＳＤ２、ＳＤ３）は、当該ピクセルの他の光検出領域の深さ位置とは異なりかつ励起パルスに続く異なる時間に電荷キャリアを収集するように構成された、方向ＯＰＴにおいて同じ深さ位置（例えば、光検出領域ＰＰＤ１の深さ）に位置する１つ以上の光検出領域に結合され得る。したがって、いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域の様々な対に収集された電荷キャリアの数の差は、タイミング情報および／または波長情報を示し得る。
図３－２Ａは、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル３－２１２の上面図である。図３－２Ｂは、いくつかの実施形態による、図３－２Ａの線Ｂに沿ったピクセル３－２１２の断面図である。いくつかの実施形態では、ピクセル２－８１２は、ピクセル３－１１２および／または他のピクセルについて本明細書で説明したのと同様に構成され得る。図３－２Ａおよび図３－２Ｂに示すように、ピクセル３－２１２は、光検出領域ＰＰＤ０およびＰＰＤ１とは異なる深さに位置する光検出領域ＰＰＤ２に結合された電荷蓄積領域ＳＤ４をさらに含む。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ４およびＳＤ５に、および／またはピクセル３－２１２の他の電荷蓄積領域に収集された電荷キャリアの数の差を使用して入射光の追加のタイミング情報および／または波長情報が取得され得るよう、電荷蓄積領域ＳＤ４と、転送ゲートＳＴ５の下に位置する別の電荷蓄積領域（例えば、ＳＤ５、図示せず）とは、励起パルスに続く異なる時間などで、光検出領域ＰＰＤ２から電荷キャリアを受け取るように構成され得る。
［ＩＶ．１つ以上の光選別要素を組み込んだ技術］
本発明者らはまた、本明細書でさらに説明するように、入射光子を光学的に選別することによって、入射光からスペクトル情報および他の情報を取得するための技術を開発した。いくつかの実施形態では、一ピクセルは、入射光子を異なる光検出領域に向けて方向づけるように構成された１つ以上の光選別要素を含み得る。例えば、光選別要素は、本明細書でさらに説明するように、少なくとも部分的に屈折性の、回折性の、散乱性の、および／またはプラズモニックの要素として構成することができる。
図４－１は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル４－１１２の側面図である。いくつかの実施形態では、ピクセル４－１１２は、ピクセル２－４１２および／または他のピクセルについて本明細書で説明したのと同様に構成され得る。図４－１に示すように、ピクセル４－１１２は、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１に結合された複数の光検出領域ＰＰＤ０およびＰＰＤ１を含み、転送ゲートＳＴ０は、光検出領域ＰＰＤ０から電荷蓄積領域ＳＤ０への電荷キャリアの転送を制御するように構成され、転送ゲートＳＴ１は、光検出領域ＰＰＤ１から電荷蓄積領域ＳＤ１への電荷キャリアの転送を制御するように構成されている。いくつかの実施形態では、光検出領域ＰＰＤ０とＰＰＤ１は、方向ＯＰＴにおいて同じ深さに位置し得る。図４－１において、ピクセル４－１１２は光選別要素（ＯＳＥ）を含む。いくつかの実施形態では、ＯＳＥは、光源からの少なくともいくつかの入射光子を電荷蓄積領域ＳＤ０に向けて方向づけるとともに光源からの少なくともいくつかの他の入射光子を電荷蓄積領域ＳＤ１に向けて方向づけるように構成され得る。例えば、図４－１では、ＯＳＥは、少なくとも一部の入射光子を光検出領域ＰＰＤ０に向けて方向づけ、電荷蓄積領域ＳＤ０へと転送させ（例えば、収集期間中に）、少なくとも一部の光子を光検出領域ＰＰＤ１に向けて方向づけ、電荷記憶領域ＳＤ１へと転送させるように構成されていることが示されている。いくつかの実施形態では、ＯＳＥは、複数の入射光子の複数の波長に基づいてそれら複数の入射光子を複数の異なる方向に向けて方向づけるように構成され得る。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１に蓄積された電荷キャリアは、入射光のタイミング情報および／またはスペクトル情報を示し得る。例えば、電荷蓄積領域ＳＤ０に収集された電荷キャリアの数は、電荷蓄積領域ＳＤ０に向けて方向づけられた入射光子に特有のタイミング情報および／またはスペクトル情報を示し得、電荷蓄積領域ＳＤ１に収集された電荷キャリアの数は、電荷蓄積領域ＳＤ１に向けて方向づけられた入射光子についてのそのような情報を示し得る。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアはタイミング情報を示し得、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアは波長情報を示し得る。代替的または追加的に、各電荷蓄積領域からの情報を組み合わせて、各電荷蓄積領域が受光する入射光のタイミングおよび／またはスペクトル情報を決定することができる。
様々な実施形態によれば、ＯＳＥは、少なくとも部分的に屈折性の、回折性の、散乱性の、および／またはプラズモニックの要素として構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、ＯＳＥは、入射光の波長に応じてなど、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１に向かって入射光を屈折させるように構成された、マイクロディスク、マイクロレンズ、および／またはプリズムを含み得る。いくつかの実施形態では、ＯＳＥは、入射光の波長に応じてなど、入射光を電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１に向けて回折させるように構成された線形格子要素、湾曲格子要素、ゾーンプレート、および／またはフォトニック結晶を含み得る。いくつかの実施形態では、ＯＳＥは、異なる屈折率を有する複数の要素を有するなどの散乱要素を含み得る。いくつかの実施形態では、ＯＳＥは、ナノホールおよび／または異常光透過要素などのプラズモニック要素を含み得る。ＯＳＥは、異なる波長を有する入射光子を異なる光検出領域ＰＰＤ０およびＰＰＤ１に向かわせ得るので、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１に蓄積された電荷キャリアは、異なる波長情報などの、入射光子の異なるスペクトル情報を示し得る。
いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域のうちの１つ以上が、ＯＳＥから直接入射光子を受光し、それに応じて電荷キャリアを生成および蓄積するように構成され得ると理解されたい。
図４－２は、いくつかの実施形態による、集積デバイス１－１０２に含まれ得るピクセル４－２１２の側面図である。いくつかの実施形態では、ピクセル４－２１２は、ピクセル４－１１２および／または他のピクセルについて本明細書で説明したのと同様に構成されてよい。例えば、図４－２において、ピクセル４－２１２は、図４－１に示されるピクセル４－１１２のＯＳＥについて本明細書で説明したのと同様に構成され得るＯＳＥを含む。また図４－２に示すように、ピクセル４－２１２は、転送ゲートＳＴ０およびＳＴ１を使用して転送されない場合に電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１に到達するのをブロックするように構成され得るバリアＤＴＩを含む。
［Ｖ．ＤＮＡシークエンシングアプリケーションおよび／またはＲＮＡシークエンシングアプリケーション］
本明細書において説明する分析システムは、集積デバイス、および、集積デバイスとインターフェースするように構成された機器を含むことができる。集積デバイスはピクセルのアレイを含むことができ、この場合、ピクセルは、反応チャンバおよび少なくとも１つの光検出器を含む。集積デバイスの表面は、複数の反応チャンバを有することができ、この場合、反応チャンバは、集積デバイスの表面に配置される懸濁液からサンプルを受け取るように構成されている。懸濁液は、同じタイプの複数のサンプル、および、いくつかの実施形態においては異なるタイプのサンプルを含有することができる。この点に関し、本明細書で使用される「対象のサンプル」という句は、例えば、懸濁液に分散される同じタイプの複数のサンプルを指し得る。同様に、本明細書で使用される「対象の分子」という句は、懸濁液に分散される同じタイプの複数の分子を指し得る。複数の反応チャンバは、反応チャンバの少なくとも一部分が懸濁液から１つのサンプルを受け取るように、好適なサイズおよび形状を有することができる。いくつかの実施形態においては、反応チャンバ内のサンプルの数は、いくつかの反応チャンバが１つのサンプルを含有し、他の反応チャンバがゼロ個、２個またはそれ以上のサンプルを含有するように、反応チャンバ間で分配することができる。
いくつかの実施形態においては、懸濁液は、複数の一本鎖ＤＮＡテンプレートを含むことができ、集積デバイスの表面上の個々の反応チャンバは、シークエンシングテンプレートを受け取るようにサイズ決めおよび形状決めすることができる。シークエンシングテンプレートは、集積デバイスの反応チャンバの少なくとも一部分がシークエンシングテンプレートを含有するように、集積デバイスの反応チャンバ間で分配することができる。懸濁液は、ラベリングされたヌクレオチドも含有することができ、これは、次に、反応チャンバに入り、反応チャンバ内の一本鎖ＤＮＡテンプレートに対して相補的なＤＮＡの鎖に組み込まれると、ヌクレオチドの同定を可能にすることができる。いくつかの実施形態においては、懸濁液はシークエンシングテンプレートを含有することができ、ラベリングされたヌクレオチドは、ヌクレオチドが反応チャンバ内の相補的な鎖に組み込まれると、続いて反応チャンバに導入されることができる。このように、ヌクレオチドの組み込みのタイミングは、ラベリングされたヌクレオチドが集積デバイスの反応チャンバに導入される時によって制御することができる。
励起光は、集積デバイスのピクセルアレイから離れて位置付けられる励起源から提供される。励起光は、少なくとも一部が集積デバイスの要素によって、１つまたは複数のピクセルに向かって方向付けられ、反応チャンバ内の照射領域を照らす。次に、マーカが、照射領域内に位置付けられると、励起光によって照らされることに反応して、光を放射することができる。いくつかの実施形態においては、１つまたは複数の励起源はシステムの機器の一部であり、この場合、機器および集積デバイスの構成要素は、励起光を１つまたは複数のピクセルに向かって方向付けるように構成されている。
反応チャンバから（例えば、蛍光ラベルによって）放射される光は、次に、集積デバイスのピクセル内の１つまたは複数の光検出器によって検出することができる。検出された放射光の特徴は、放射光に関連付けられるマーカを同定するための指示を提供することができる。そのような特徴は、光検出器によって検出される光子の到着時間、光検出器によって経時にわたって蓄積される光子の量、および／または２つ以上の光検出器にまたがる光子の分布を含む、任意の好適なタイプの特徴を含むことができる。いくつかの実施形態においては、光検出器は、放射光に関連付けられる１つまたは複数のタイミング特徴（例えば、蛍光寿命）を検出可能にする構造を有することができる。光検出器は、励起光のパルスが集積デバイスを通じて伝播した後の光子到着時間の分布を検出することができ、到着時間の分布は、放射光のタイミング特徴（例えば、蛍光寿命のプロキシ）の指示を提供することができる。いくつかの実施形態においては、１つまたは複数の光検出器は、マーカによって放射される光の確率（例えば、蛍光強度）の指示を提供する。いくつかの実施形態においては、複数の光検出器は、放射光の空間的な分布を捕捉するようにサイズ決めおよび配置することができる。次に、１つまたは複数の光検出器からの出力信号を使用して、あるマーカを複数のマーカの中から区別することができ、この場合、複数のマーカを使用してサンプルまたはその構造を同定することができる。いくつかの実施形態においては、サンプルは、複数の励起エネルギーによって励起させることができ、複数の励起エネルギーに反応した反応チャンバからの放射光および／または放射のタイミング特徴によって、マーカを複数のマーカから区別することができる。
システム５－１００の概略的な概説が図５－１Ａにおいて示されている。システムは、機器５－１０４とインターフェースする集積デバイス５－１０２の双方を備える。いくつかの実施形態においては、機器５－１０４は、機器５－１０４の一部として集積される１つまたは複数の励起源５－１０６を含むことができる。いくつかの実施形態においては、励起源は、機器５－１０４および集積デバイス５－１０２の双方の外部にあるものとすることができ、機器５－１０４は、励起光を励起源から受け取るとともに、励起光を集積デバイスに方向付けるように構成することができる。集積デバイスは、集積デバイスを受けるとともに集積デバイスを励起源と光学的に正確に位置合わせして保持するため、任意の好適なソケットを使用して機器とインターフェースすることができる。励起源５－１０６は、集積デバイス５－１０２に励起光を提供するように構成することができる。図５－１Ａにおいて概略的に示されているように、集積デバイス５－１０２は、複数のピクセル５－１１２を有し、この場合、ピクセルの少なくとも一部分は、対象のサンプルの独立した分析を行うことができる。ピクセルがそのピクセルとは別々の光源５－１０６から励起光を受け取るため、そのようなピクセル５－１１２は「受動源ピクセル」と称することができる。この場合、この源からの励起光が、ピクセル５－１１２のうちのいくつかまたはすべてを励起する。励起源５－１０６は、任意の好適な光源とすることができる。好適な励起源の例は、２０１５年８月７日に出願され、「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ， ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ」と題する米国特許出願第１４／８２１，６８８号に記載されており、参照によりその全体が援用される。いくつかの実施形態においては、励起源５－１０６は、励起光を集積デバイス５－１０２に送達するように組み合わせられる複数の励起源を含む。複数の励起源は、複数の励起エネルギーまたは波長を生成するように構成することができる。
ピクセル５－１１２は、単一の対象のサンプルを受け取るように構成された反応チャンバ５－１０８、および、励起源５－１０６によって提供される励起光によってサンプルおよび反応チャンバ５－１０８の少なくとも一部分を照らすことに反応して、反応チャンバから放射される放射光を検出する光検出器５－１１０を有する。いくつかの実施形態においては、反応チャンバ５－１０８は、集積デバイス５－１０２の表面に近接してサンプルを保持することができ、これは、サンプルへの励起光の送達、および、サンプルまたは反応成分（例えば、ラベリングされたヌクレオチド）からの放射光の検出を容易にすることができる。
励起光源５－１０６からの励起光を集積デバイス５－１０２に結合するとともに、励起光を反応チャンバ５－１０８にガイドする光学素子が、集積デバイス５－１０２および機器５－１０４の双方に位置付けられる。源からチャンバへの光学素子は、集積デバイス５－１０２に位置付けられる１つまたは複数の格子カプラを備えることができ、励起光を集積デバイスおよび導波路に結合して、励起光を機器５－１０４からピクセル５－１１２内の反応チャンバに送達する。１つまたは複数の光学スプリッタ素子は、格子カプラと導波路との間に位置することができる。光学スプリッタは、格子カプラからの励起光を結合するとともに、励起光を導波路のうちの少なくとも１つに送達することができる。いくつかの実施形態においては、光学スプリッタは、励起光を、すべての導波路にわたって実質的に均一に送達することを可能にする構造を有することができ、それによって、導波路のそれぞれは、実質的に同様の量の励起光を受け取る。そのような実施形態は、集積デバイスの反応チャンバによって受け取られる励起光の均一性を改善することによって、集積デバイスの性能を改善することができる。
反応チャンバ５－１０８、励起源からチャンバへの光学系の一部分、および、反応チャンバから光検出器への光学系は、集積デバイス５－１０２に位置付けられる。励起源５－１０６および源からチャンバへの構成要素の一部分は、機器５－１０４内に位置付けられる。いくつかの実施形態においては、単一の構成要素が、励起光を反応チャンバ５－１０８に結合すること、および、反応チャンバ５－１０８からの放射光を光検出器５－１１０に送達することの双方においての役割を果たし得る。励起光を反応チャンバに結合するおよび／または放射光を光検出器に方向付けるための、集積デバイスに含まれる好適な構成要素の例は、２０１５年８月７日に出願された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ， ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ」と題する米国特許出願第１４／８２１，６８８号、および、２０１４年１１月１７日に出願された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＥＸＴＥＲＮＡＬ ＬＩＧＨＴ ＳＯＵＲＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ， ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ， ＡＮＤ ＡＮＡＬＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ」と題する米国特許出願第１４／５４３，８６５号に記載されており、これらの双方は参照によりその全体が援用される。
ピクセル５－１１２は、それ自体の個々の反応チャンバ５－１０８および少なくとも１つの光検出器５－１１０に関連付けられる。集積デバイス５－１０２の複数のピクセルは、任意の好適な形状、サイズ、および／または寸法を有するように構成することができる。集積デバイス５－１０２は、任意の好適な数のピクセルを有することができる。集積デバイス２－１０２内のピクセルの数は、およそ１０，０００ピクセル～１，０００，０００ピクセルの範囲内、またはその範囲内における任意の範囲内の値とすることができる。いくつかの実施形態においては、ピクセルは、５１２個のピクセル×５１２個のピクセルのアレイに配置することができる。集積デバイス５－１０２は、任意の好適な方法で機器５－１０４とインターフェースすることができる。いくつかの実施形態においては、機器５－１０４は、集積デバイス５－１０２に着脱可能に結合するインターフェースを有することができ、それによってユーザは、集積デバイス５－１０２の使用のために集積デバイス５－１０２を機器５－１０４に取り付けて懸濁液中の少なくとも１つの対象のサンプルを分析するとともに、別の集積デバイスを取り付け可能にするために集積デバイス５－１０２を機器５－１０４から取り外し得る。機器５－１０４のインターフェースは、機器５－１０４の回路部と結合するように集積デバイス５－１０２を位置決めし、１つまたは複数の光検出器からの読み出し信号を機器５－１０４に送信することを可能にすることができる。集積デバイス５－１０２および機器５－１０４は、大きなピクセルアレイ（例えば、１０，０００超のピクセル）に関連付けられるデータを取り扱うためにマルチチャネル高速通信リンクを含むことができる。
ピクセル５－１１２の列を示す集積デバイス５－１０２の断面概略図が、図５－１Ｂに示されている。集積デバイス５－１０２は、結合領域５－２０１、ルーティング領域５－２０２、およびピクセル領域５－２０３を含むことができる。ピクセル領域５－２０３は、結合領域５－２０１から離れた位置の表面に位置する反応チャンバ５－１０８を有する複数のピクセル５－１１２を含むことができる。反応チャンバ５－１０８は、励起光（破線の矢印として示されている）が集積デバイス５－１０２に結合する箇所である。反応チャンバ５－１０８は金属層５－１１６を貫通して形成することができる。点線の矩形によって示されている１つのピクセル５－１１２は、集積デバイス５－１０２の一領域で、反応チャンバ５－１０８および１つまたは複数の光検出器５－１１０を有する光検出領域を含む領域である。
図５－１Ｂは、励起光のビームを結合領域５－２０１および光検出領域５－１０８に結合することによる励起の経路（破線で示される）を示す。図５－１Ｂに示されている反応チャンバ５－１０８の列は、導波路５－２２０と光学的に結合するように位置することができる。励起光は反応チャンバ内に位置づけられるサンプルを照らし得る。サンプルまたは反応成分（例えば、蛍光ラベル）は、励起光に照らされることに反応して、励起状態に到達することができる。サンプルまたは反応成分が励起状態にあるとき、サンプルまたは反応成分は光を放射することができ、これを反応チャンバに関連付けられた１つまたは複数の光検出器によって検出することができる。図５－１Ｂは、反応チャンバ５－１０８からピクセル５－１１２の光検出器５－１１０への光の経路（実線として示されている）を概略的に示している。ピクセル５－１１２の光検出器は、反応チャンバ５－１０８からの放射光を検出するように構成および位置することができる。好適な光検出器の例は、２０１５年８月７日に出願された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＴＥＭＰＯＲＡＬ ＢＩＮＮＩＮＧ ＯＦ ＲＥＣＥＩＶＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ」と題する米国特許出願第１４／８２１，６５６号に記載されており、参照によりその全体が援用される。個々のピクセル５－１１２に関して、反応チャンバ５－１０８およびそのそれぞれの光検出器５－１１０は、共通の軸に沿って（図５－１Ｂに示されたｙ方向に沿って）位置合わせすることができる。このように、光検出器はピクセル５－１１２内で反応チャンバに重なることができる。
反応チャンバ５－１０８からの放射光の方向性は、金属層５－１１６が放射光を反射するように作用し得るため、金属層５－１１６に対する反応チャンバ５－１０８内におけるサンプルの位置に応じて変わる可能性がある。このように、金属層５－１１６と反応チャンバ５－１０８内に位置する蛍光マーカとの間の距離は、蛍光マーカによって放射される光を検出するための、反応チャンバと同じピクセル内にある光検出器５－１１０の、蛍光マーカによって放射される光を検出する効率に影響を与える可能性がある。金属層５－１１６と、動作中にサンプルが位置可能な場所に近接する反応チャンバ５－１０６の底面との間の距離は、１００ｎｍ～５００ｎｍの範囲、またはその範囲内における任意の範囲内の値とすることができる。いくつかの実施形態において、金属層５－１１６と反応チャンバ５－１０８の底面との間の距離は、およそ３００ｎｍである。
サンプルと光検出器との間の距離も放射光を検出する効率に影響を与える可能性がある。光がサンプルと光検出器との間を移動しなければならない距離を減らすことによって、放射光の検出効率を改善することができる。加えて、サンプルと光検出器との間の距離を小さくすると、集積デバイスに占めるピクセルの設置面積を小さくすることを可能にすることができ、これにより、より多くの数のピクセルを集積デバイスに含めるようにすることができる。反応チャンバ５－１０８の底面と光検出器との間の距離は、１マイクロメートル～１５マイクロメートルの範囲、またはその範囲内における任意の範囲内の値とすることができる。
フォトニック構造５－２３０は、反応チャンバ５－１０８と光検出器５－１１０との間に位置することができるとともに、励起光が光検出器５－１１０に到達することを低減または防止するように構成することができ、そうでなければ、励起光は放射光を検出する際の信号ノイズの一因となり得る。図５－１Ｂに示すように、１つまたは複数のフォトニック構造５－２３０は導波路５－２２０と光検出器５－１１０の間に位置することができる。フォトニック構造５－２３０は、スペクトルフィルタ、偏光フィルタおよび空間フィルタを含む１つまたは複数の光除去フォトニック構造を含むことができる。フォトニック構造５－２３０は、共通の軸に沿って個々の反応チャンバ５－１０８およびそれらのそれぞれの光検出器５－１１０と位置合わせするように位置することができる。集積デバイス５－１０２の回路部として作用することのできる金属層５－２４０も、いくつかの実施形態によると、空間フィルタとして作用することができる。そのような実施形態において、１つまたは複数の金属層５－２４０は、いくつかまたはすべての励起光が光検出器５－１１０に到達するのを阻止するように位置することができる。
結合領域５－２０１は、外部の励起源からの励起光を結合するように構成された１つまたは複数の光学構成要素を含むことができる。結合領域５－２０１は、励起光のビームのいくつかまたはすべてを受け取るように位置する格子カプラ５－２１６を含むことができる。好適な格子カプラの例は、２０１７年１２月１５日に出願された「ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＵＰＬＥＲ ＡＮＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＳＹＳＴＥＭ」と題する米国特許出願第１５／８４４，４０３号に記載されており、参照によりその全体が援用される。格子カプラ５－２１６は励起光を導波路５－２２０に結合することができ、該導波路は励起光を１つまたは複数の反応チャンバ５－１０８の近傍に伝播するように構成することができる。代替的には、結合領域５－２０１は、光を導波路内に結合する他の周知の構造を備えることができる。
集積デバイスから離れて位置付けられる構成要素を使用して、励起源５－１０６を集積デバイスに対して位置決めするとともに位置合わせすることができる。このような構成要素は、レンズ、鏡、プリズム、ウィンドウ、アパーチャ、減衰器および／または光ファイバーを含む光学構成要素を含むことができる。付加的な機械的な構成要素を、１つまたは複数の位置合わせ構成要素の制御を可能にするために機器に含めることもできる。そのような機械的な構成要素は、アクチュエータ、ステッパモータおよび／またはノブを含むことができる。好適な励起源および位置合わせ機構の例は、２０１６年５月２０日に出願された「ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ」と題する米国特許出願第１５／１６１，０８８号に記載されており、参照によりその全体が援用される。ビームステアリングモジュールの別の例は、２０１７年１２月１４日に出願された「ＣＯＭＰＡＣＴ ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＩＮＧ ＡＮＤ ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＡＳＳＥＭＢＬＹ」と題する米国特許出願第１５／８４２，７２０号に記載されており、参照によりその全体が援用される。
分析されるサンプルは、ピクセル５－１１２の反応チャンバ５－１０８内に導入することができる。いくつかの場合においては、懸濁液は、生物サンプル、または、化学的サンプルなどの任意の他の好適なサンプルとすることができる。サンプルは、複数の対象の分子を含むことができ、反応チャンバは、単一の分子を分離するように構成することができる。いくつかの例においては、反応チャンバの寸法は、単一の分子を反応チャンバ内に閉じ込めるように作用することができ、測定を単一の分子に対して行うことを可能にする。励起光は、サンプル、またはサンプルに付けられるか、もしくは反応チャンバ５－１０８内の照射エリア内にある間にサンプルに別様に関連付けられる少なくとも１つの蛍光マーカを励起するように、反応チャンバ５－１０８内に送達されることができる。
動作時、反応チャンバ内のサンプルの並列な分析を、励起光を使用して反応チャンバ内のサンプルのいくつかまたはすべてを励起し、反応チャンバからの放射光を表す信号を光検出器で検出することによって行う。サンプルまたは反応成分（例えば、蛍光ラベル）からの放射光は、対応する光検出器によって検出されて、少なくとも１つの電気信号に変換されることができる。電気信号は集積デバイスの回路部の導電線（例えば、金属層５－２４０）に沿って伝送することができ、この導電線は、集積デバイスとインターフェースする機器に接続することができる。電気信号は、続いて処理および／または分析され得る。電気信号の処理または分析は、機器上にまたは機器から離れて位置付けられる好適なコンピューティングデバイスにおいて行うことができる。
機器５－１０４は、機器５－１０４および集積デバイス５－１０２のうちの少なくとも一方の動作を制御するためにユーザインターフェースを含むことができる。ユーザインターフェースは、機器の機能を制御するために使用されるコマンドおよび／または設定などの情報をユーザが機器に入力可能とするように構成することができる。いくつかの実施形態においては、ユーザインターフェースは、ボタン、スイッチ、ダイヤル、および、音声命令のためのマイクを含むことができる。ユーザインターフェースは、ユーザが、適切な位置合わせおよび／または集積デバイス上の光検出器からの読み出し信号によって得られる情報などの、機器および／または集積デバイスの性能に関するフィードバックを受け取ることを可能にすることができる。いくつかの実施形態においては、ユーザインターフェースは、スピーカを使用してフィードバックを提供し、可聴フィードバックを提供することができる。いくつかの実施形態においては、ユーザインターフェースは、ユーザに視覚的なフィードバックを提供するための、インジケータライトおよび／またはディスプレイスクリーンを含むことができる。
いくつかの実施形態においては、機器５－１０４は、コンピューティングデバイスと接続するように構成されたコンピュータインターフェースを含むことができる。コンピュータインターフェースは、ＵＳＢインターフェース、ファイヤーワイヤーインターフェース、または任意の他の好適なコンピュータインターフェースとすることができる。コンピューティングデバイスは、ラップトップまたはデスクトップコンピュータなどの任意の汎用コンピュータとすることができる。いくつかの実施形態においては、コンピューティングデバイスは、好適なコンピュータインターフェースを介して無線ネットワークを通じてアクセス可能なサーバ（例えば、クラウドベースのサーバ）とすることができる。コンピュータインターフェースは、機器５－１０４とコンピューティングデバイスとの間の情報の通信を容易にすることができる。機器５－１０４を制御および／または構成するための入力情報を、コンピュータインターフェースを介して、コンピューティングデバイスに提供するとともに、機器５－１０４に送信することができる。機器５－１０４によって発生される出力情報は、コンピュータインターフェースを介してコンピューティングデバイスによって受信されることができる。出力情報は、機器５－１０４の性能、集積デバイス５－１１２の性能、および／または光検出器５－１１０の読み出し信号から発生されるデータについてのフィードバックを含むことができる。
いくつかの実施形態においては、機器５－１０４は、集積デバイス５－１０２の１つまたは複数の光検出器から受信されるデータを分析し、かつ制御信号を励起源２－１０６に送信する、または集積デバイス５－１０２の１つまたは複数の光検出器から受信されるデータを分析するか、もしくは制御信号を励起源２－１０６に送信するように構成された処理デバイスを含むことができる。いくつかの実施形態においては、処理デバイスは、汎用プロセッサ、特別に適応されたプロセッサ（例えば、１つまたは複数のマイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラコアなどの中央処理ユニット（ＣＰＵ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、カスタム集積回路、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、またはそれらの組合せ）を含むことができる。いくつかの実施形態においては、１つまたは複数の光検出器からのデータの処理は、機器５－１０４の処理デバイスおよび外部のコンピューティングデバイスの双方によって行うことができる。他の実施形態においては、外部のコンピューティングデバイスを省いてよく、１つまたは複数の光検出器からのデータの処理は、集積デバイス５－１０２の処理デバイスのみによって行ってよい。
図５－１Ｃを参照すると、持ち運び可能な、高度な分析機器５－１００は、機器５－１００内に交換可能なモジュールとして実装されるか、または機器５－１００に別様に結合される、１つまたは複数のパルス光源を備えることができる。持ち運び可能な分析機器５－１００は、光学結合システム５－１１５および分析システム５－１６０を含むことができる。光学結合システム５－１１５は、光学構成要素（例えば、レンズ、鏡、光学フィルタ、減衰器、ビームステアリング構成要素、ビーム成形構成要素の中からいずれも含まないか、１つまたは複数の構成要素を含むことができる）のいくつかの組合せを含み、出力光パルス５－１２２に対して動作する、および／またはパルス光源５－１０６から分析システム５－１６０まで出力光パルス５－１２２を結合するように構成することができる。分析システム５－１６０は、サンプル分析のために少なくとも１つの反応チャンバに光パルスを方向付け、少なくとも１つの反応チャンバから１つまたは複数の光信号（例えば、蛍光、後方散乱放射）を受け取り、受け取った光信号を表す１つまたは複数の電気信号を生成するように構成された複数の構成要素を含むことができる。いくつかの実施形態においては、分析システム５－１６０は、１つまたは複数の光検出器を含むことができ、また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電子部品（例えば、１つまたは複数のマイクロコントローラ、１つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、１つまたは複数のデジタル信号プロセッサ、論理ゲートなど）も含んでもよい。分析システム５－１６０は、データを外部のデバイス（例えば、機器５－１００が１つまたは複数のデータ通信リンクを介して接続することのできるネットワーク上の１つまたは複数の外部デバイス）に送信し、データを外部のデバイスから受信するように構成されたデータ送信ハードウェアも含むことができる。いくつかの実施形態においては、分析システム５－１６０は、分析される１つまたは複数のサンプルを保持することができるバイオ光電子チップ５－１４０を受け取るように構成することができる。
図５－１Ｄは、小型のパルス光源５－１０８を含む持ち運び可能な分析機器５－１００のさらに詳細な実施例を示す。この実施例では、パルス光源５－１０８は、小型の受動モードロックレーザモジュール５－１１３を備える。受動モードロックレーザは、外部のパルス信号を印加しなくても、光パルスを自律的に生成することができる。いくつかの実施態様では、モジュールは機器のシャーシまたはフレーム５－１０３に実装することができ、機器の外部ケーシングの内部に位置付けてよい。いくつかの実施形態によると、パルス光源５－１０６は、光源を動作させ、光源５－１０６からの出力ビームを操作するために使用することのできる追加の構成要素を含むことができる。モードロックレーザ５－１１３は、レーザキャビティ内に、またはレーザキャビティに連結されて、レーザの縦周波数モードの位相同期を誘導する要素（例えば、可飽和吸収体、音響光学変調器、カーレンズ）を備えることもできる。レーザキャビティは、一部をキャビティエンドミラー５－１１１、５－１１９によって画定することができる。このような周波数モードの同期は、レーザのパルス動作をもたらし（例えば、キャビティ内パルス５－１２０はキャビティエンドミラー間を往復して跳ね返る）、部分的に伝送している一方のエンドミラー５－１１１から出力光パルス５－１２２の流れを生成する。
いくつかの場合において、分析機器５－１００は、取り外し可能な、パッケージ化された、バイオ光電子チップまたは光電子チップ５－１４０（「使い捨てチップ」とも称する）を受け入れるように構成される。使い捨てチップは、例えば、複数の反応チャンバ、光励起エネルギーを反応チャンバに送達するように構成される集積された光学構成要素、および反応チャンバからの蛍光放射を検出するように構成される集積された光検出器を備えるバイオ光電子チップを含むことができる。いくつかの実施態様において、チップ５－１４０は１回使用後に使い捨てにすることができるのに対し、他の実施態様では、チップ５－１４０は２回または３回再利用することができる。チップ５－１４０が機器５－１００によって受け入れられると、パルス光源５－１０６と分析機器５－１６０の装置とに電気的および光学的に連通状態にすることができる。電気的連通は、例えば、チップパッケージ上の電気コンタクトを通じて行うことができる。
いくつかの実施形態において、また図５－１Ｄを参照して、使い捨てチップ５－１４０は、追加の機器電子部品を含むことができるプリント回路基板（ＰＣＢ）などの電子回路基板５－１３０上に実装することができる（例えば、ソケット接続により）。例えば、ＰＣＢ５－１３０は、電力、１つまたは複数のクロック信号、および制御信号を光電子チップ５－１４０に提供するように構成された回路部と、反応チャンバから検出される蛍光放射を表す信号を受信するように構成された信号処理回路部とを含むことができる。光電子チップから戻されるデータを、機器５－１００上の電子部品によって一部または全体を処理することができるが、いくつかの実施態様においては、データはネットワーク接続により１つまたは複数の遠隔データプロセッサに送信してよい。ＰＣＢ５－１３０は、光電子チップ５－１４０の導波路内に結合される光パルス５－１２２の光結合および電力レベルに関して、チップからフィードバック信号を受信するように構成された回路部も含むことができる。フィードバック信号はパルス光源５－１０６および光学システム５－１１５の一方または双方に提供されて、光パルス５－１２２の出力ビームの１つまたは複数のパラメータを制御することができる。いくつかの場合において、ＰＣＢ５－１３０は、光源および光源５－１０６内の関連回路部を動作させるために、パルス光源５－１０６に電力を提供または経由させることができる。
いくつかの実施形態によると、パルス光源５－１０６は小型のモードロックレーザモジュール５－１１３を備える。モードロックレーザは、利得媒質５－１０５（いくつかの実施形態ではソリッドステート材料とすることができる）、出力カプラ５－１１１およびレーザキャビティエンドミラー５－１１９を備えることができる。モードロックレーザの光キャビティは、出力カプラ５－１１１およびエンドミラー５－１１９によって結束することができる。レーザキャビティの光軸５－１２５は、レーザキャビティの長さを増やし、所望のパルス繰り返し速度を提供するために１つまたは複数の折り返し（ターン）を有することができる。パルス繰り返し速度は、レーザキャビティの長さによって決定される（例えば、光パルスがレーザキャビティ内で往復する回数）。
いくつかの実施形態において、ビーム成形、波長選択および／またはパルス形成のために、レーザキャビティ内に追加の光学要素（図５－１Ｄには図示せず）が存在することができる。いくつかの場合において、エンドミラー５－１１９は、縦キャビティモードの受動モードロックを誘導し、モードロックレーザのパルス動作を引き起す可飽和吸収ミラー（ＳＡＭ）を備える。モードロックレーザモジュール５－１１３は、利得媒質５－１０５を励起するために、ポンプ源（例えば、レーザダイオード、図５－１Ｄには図示せず）をさらに含むことができる。モードロックレーザモジュール５－１１３のさらなる詳細は、２０１７年１２月１５日に出願された「ＣＯＭＰＡＣＴ ＭＯＤＥ－ＬＯＣＫＥＤ ＬＡＳＥＲ ＭＯＤＵＬＥ」と題する米国特許出願第１５／８４４，４６９号で確認することができ、参照により本明細書に援用される。
レーザ５－１１３がモードロックされるとき、キャビティ内パルス５－１２０はエンドミラー５－１１９と出力カプラ５－１１１との間を循環することができ、キャビティ内パルスの一部分を出力パルス５－１２２として出力カプラ５－１１１に送信することができる。したがって、図５－２のグラフに示された出力パルス５－１２２のトレインは、キャビティ内パルス５－１２０が出力カプラ５－１１１とレーザキャビティ内のエンドミラー５－１１９との間を往復して跳ね返ると、出力カプラで検出することができる。
図５－２は、図は縮尺通りではないが、出力パルス５－１２２の時間的な強度プロファイルを示している。いくつかの実施形態においては、放射されたパルスのピーク強度値は、ほぼ等しいものとすることができ、プロファイルは、ガウス型の時間的プロファイルを有することができるが、ｓｅｃｈ２型のプロファイルなどの他のプロファイルも可能とすることができる。いくつかの場合においては、パルスは、対照的な時間的プロファイルを有しない場合があり、他の時間的形状を有する可能性がある。各パルスの持続時間は、図５－２に示すように、全値半幅（ＦＷＨＭ）値によって特徴付けることができる。モードロックレーザのいくつかの実施形態によると、超短光パルスは、１００ピコ秒（ｐｓ）未満のＦＷＨＭ値を有することができる。いくつかの場合においては、ＦＷＨＭ値は、およそ５ｐｓ～およそ３０ｐｓとすることができる。
出力パルス５－１２２は、規則的な間隔Ｔだけ隔てることができる。例えば、Ｔは、出力カプラ５－１１１とキャビティエンドミラー５－１１９との間の往復移動時間によって求めることができる。いくつかの実施形態によると、パルスを隔てる間隔Ｔは、約１ｎｓから約３０ｎｓの間にすることができる。いくつかの場合において、パルスを隔てる間隔Ｔは、約０．７メートル～約３メートルの間のレーザキャビティ長（レーザキャビティ内の光軸５－１２５のおよその長さ）に対応して、約５ｎｓから約２０ｎｓの間にすることができる。実施形態において、パルスを隔てる間隔はレーザキャビティ内の往復移動時間に対応し、それによって３メートルのキャビティ長（６メートルの往復距離）がおよそ２０ｎｓのパルスを隔てる間隔Ｔを提供する。
いくつかの実施形態によると、所望のパルスを隔てる間隔Ｔおよびレーザキャビティ長は、チップ５－１４０上の反応チャンバの数、蛍光放射特徴、および、光電子チップ５－１４０からデータを読み取るためのデータ取扱い回路部の速度の組合せによって決めることができる。実施形態において、異なるフルオロフォアを、それらの異なる蛍光減衰率または特徴的な寿命によって区別することができる。したがって、それらの異なる減衰率を区別するために、選択されたフルオロフォアの十分な統計値を収集するように、十分なパルスを隔てる間隔Ｔがある必要がある。さらに、パルスを隔てる間隔Ｔが短すぎる場合、データ取扱い回路部は、多数の反応チャンバによって収集される大量のデータについていくことができない。約５ｎｓ～約２０ｎｓのパルスを隔てる間隔Ｔが、最高で約２ｎｓの減衰率を有するフルオロフォア、および約６０，０００個～１０，０００，０００個の反応チャンバからのデータを取り扱うために好適である。
いくつかの実施態様によると、ビームステアリングモジュール５－１５０が、パルス光源５－１０６から出力パルスを受け取ることができ、光電子チップ５－１４０の光カプラ（例えば、格子カプラ）への光パルスの少なくとも位置および入射角度を調整するように構成される。いくつかの場合においては、パルス光源５－１０６からの出力パルス５－１２２は、光電子チップ５－１４０上の光カプラにおけるビーム形状およびビームの回転の両方またはいずれかを付加的に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５－１５０によって操作することができる。いくつかの実施態様においては、ビームステアリングモジュール５－１５０は、光カプラへの出力パルスのビームの焦点および／または偏光の調整をさらに提供することができる。ビームステアリングモジュールの１つの例が、２０１６年５月２０日に出願された「ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＢＩＯＡＮＡＬＹＴＩＣ ＳＹＳＴＥＭ」と題する米国特許出願第１５／１６１，０８８号に記載されており、参照により本明細書に援用される。ビームステアリングモジュールの別の例は、２０１６年１２月１６日に出願された「ＣＯＭＰＡＣＴ ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＩＮＧ ＡＮＤ ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＡＳＳＥＭＢＬＹ」と題する別の米国特許出願第６２／４３５，６７９号に記載されており、参照により本明細書に援用される。
図５－３を参照すると、パルス光源からの出力パルス５－１２２は、例えば、バイオ光電子チップ５－１４０上の１つまたは複数の光導波路５－３１２内に結合することができる。いくつかの実施形態においては、光パルスは、格子カプラ５－３１０を介して１つまたは複数の導波路に結合することができるが、いくつかの実施形態においては、光電子チップ上の１つまたは複数の光導波路の端に結合することを採用することができる。いくつかの実施形態によると、光パルス５－１２２のビームを格子カプラ５－３１０に位置合わせすることを助けるために、クアッド検出器５－３２０を半導体基板５－３０５（例えば、シリコン基板）に位置付けることができる。１つまたは複数の導波路５－３１２および反応チャンバまたは反応チャンバ５－３３０は、基板、導波路、反応チャンバおよび光検出器５－３２２間に誘電体層（例えば、二酸化ケイ素層）が介在した状態で、同じ半導体基板に集積させることができる。
それぞれの導波路５－３１２は、反応チャンバ５－３３０の下にテーパ状部分５－３１５を含み、導波路に沿って反応チャンバに結合される光出力を均質化することができる。先細りテーパは、より多くの光エネルギーを導波路のコアの外に押しやることができ、反応チャンバへの結合を増大させ、反応チャンバ内への光の結合の損失を含む、導波路に沿う光損失を相殺する。第２の格子カプラ５－３１７を、それぞれの導波路の端に位置付け、光エネルギーを集積されたフォトダイオード５－３２４に方向付けることができる。集積されたフォトダイオードは、導波路を下って結合される出力の量を検出し、検出された信号を、例えば、ビームステアリングモジュール５－１５０を制御するフィードバック回路部に提供することができる。
反応チャンバ５－３３０は、導波路のテーパ状部分５－３１５と位置合わせし、タブ５－３４０において窪ませることができる。それぞれの反応チャンバ５－３３０について、半導体基板５－３０５に位置付けられる光検出器５－３２２が存在することができる。いくつかの実施形態においては、導波路と各ピクセルの光検出器５－３２２との間に、半導体吸収体（図５－５では光学フィルタ５－５３０として示される）を位置付けてよい。金属コーティングおよび多層コーティング５－３５０の両方またはそのいずれかを、反応チャンバの周りおよび導波路の上に形成し、反応チャンバ内にない（例えば、反応チャンバ上の溶液中に分散している）フルオロフォアの光励起を防止することができる。金属コーティングおよび多層コーティング５－３５０の両方またはそのいずれかは、タブ５－３４０の縁を越えて隆起させ、それぞれの導波路５－３１２の入力端および出力端における導波路内の光エネルギーの吸収損失を低減することができる。
光電子チップ５－１４０上には導波路、反応チャンバおよび時間ビニング光検出器の複数の列があるものとすることができる。例えば、いくつかの実施態様においては、１２８個の列があるものとすることができ、それぞれが５１２個の反応チャンバを有し、全部で６５，５３６個の反応チャンバがある。他の実施態様は、より少ないかまたはより多い反応チャンバを含むことができ、他のレイアウト構造を含むことができる。パルス光源５－１０６からの光出力は、１つまたは複数のスターカプラまたはマルチモード干渉カプラを介して、またはチップ５－１４０の光カプラ５－３１０と複数の導波路５－３１２との間に位置付けられる任意の他の手段によって、複数の導波路に分配することができる。
図５－４は、導波路のテーパ状部分５－３１５内の光パルス５－１２２から反応チャンバ５－３３０までの光エネルギーの結合を示している。図面は、導波路の寸法、反応チャンバの寸法、異なる材料の光学的特性、および反応チャンバ５－３３０からの導波路のテーパ状部分５－３１５の距離を考慮した光波の電磁場シミュレーションから作成した。導波路は、例えば、二酸化ケイ素の周囲の媒体５－４１０において窒化ケイ素から形成することができる。導波路、周囲の媒体、および反応チャンバは、２０１５年８月７日に出願された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ，ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ」と題する米国特許出願第１４／８２１，６８８号に記載される微細加工方法によって形成することができる。いくつかの実施形態によると、エバネッセント光場５－４２０が、導波路によって運ばれる光エネルギーを反応チャンバ５－３３０に結合する。
反応チャンバ５－３３０内で生じる生体反応の非限定的な例が、図５－５に示されている。この例は、標的核酸に対して相補的な成長鎖へのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の順次組み込みを示している。順次組み込みは、反応チャンバ５－３３０内で生じることができ、ＤＮＡをシークエンシングする高度な分析機器によって検出することができる。反応チャンバは、約１５０ｎｍ～約２５０ｎｍの間の深さ、約８０ｎｍ～約１６０ｎｍの間の直径を有することができる。金属化層５－５４０（例えば、電気的な参照電位のための金属化）を、光検出器５－３２２の上にパターニングし、隣接する反応チャンバおよび他の望ましくない光源からの迷光を阻止するアパーチャまたは虹彩絞りを提供することができる。いくつかの実施形態によると、ポリメラーゼ５－５２０を反応チャンバ５－３３０内に位置付ける（例えば、チャンバのベースに付着させる）ことができる。ポリメラーゼは、標的核酸５－５１０（例えば、ＤＮＡ由来の核酸の一部分）を取り込み、相補的な核酸の成長鎖をシークエンシングして、ＤＮＡ５－５１２の成長鎖を生成することができる。異なるフルオロフォアでラベリングされたヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体は、反応チャンバの上および反応チャンバ内の溶液中に分散させることができる。
ラベリングされたヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体５－６１０が、図５－６に示されているように、相補的な核酸の成長鎖に組み込まれると、１つまたは複数の付着しているフルオロフォア５－６３０を、導波路５－３１５から反応チャンバ５－３３０内に結合される光エネルギーのパルスによって繰り返し励起することができる。いくつかの実施形態においては、フルオロフォア（単数または複数）５－６３０は、任意の好適なリンカー５－６２０によって１つまたは複数のヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体５－６１０に付着させることができる。組み込み事象は、最長で約１００ｍｓの時間期間にわたって続くことができる。この時間の間に、モードロックレーザからのパルスによるフルオロフォアの励起の結果として生じる蛍光放射のパルスを、例えば、時間ビニング光検出器５－３２２によって検出することができる。いくつかの実施形態においては、信号の取扱い（例えば、増幅、読み出し、ルーティング、信号前処理など）のため、各ピクセルに１つまたは複数の追加の集積された電子デバイス５－３２３が存在することができる。いくつかの実施形態によると、各ピクセルは、蛍光放射を通過させるとともに、励起パルスからの放射の透過を低減する少なくとも１つの光学フィルタ５－５３０（例えば、半導体吸収体）を含むことができる。いくつかの実施態様は光学フィルタ５－５３０を使用しなくてよい。異なる放射特徴（例えば、蛍光減衰率、強度、蛍光波長）を有するフルオロフォアを、異なるヌクレオチド（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ）に付着させることによって、ＤＮＡ５－５１２の鎖が核酸を組み込む間に、異なる放射特徴を検出および区別することは、ＤＮＡの成長鎖の遺伝子配列の決定を可能にする。
いくつかの実施形態によると、蛍光放射特徴に基づいてサンプルを分析するように構成された高度な分析機器５－１００は、異なる蛍光分子間の蛍光寿命および／または強度の差、および／または、異なる環境における同じ蛍光分子の寿命および／または強度の差を検出することができる。説明として、図５－７は２つの異なる蛍光放射確率曲線（ＡおよびＢ）をプロットしており、これは例えば、２つの異なる蛍光分子からの蛍光放射を表し得る。曲線Ａ（破線）を参照すると、短光パルスまたは超短光パルスによって励起された後で、第１の分子からの蛍光放射の確率ｐＡ（ｔ）は、図示されるように、時間とともに減衰する可能性がある。いくつかの場合においては、経時に放射される光子の確率の低下は、指数関数的減数関数ｐＡ（ｔ）＝ＰＡ０ｅ－ｔ／τ１によって表し得、式中、ＰＡ０は初期の放射確率であり、τ１は、放射減衰確率を特徴付ける第１の蛍光分子に関連付けられる時間的パラメータである。τ１は、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「放射寿命」または「寿命」と称することもある。いくつかの場合においては、τ１の値は、蛍光分子の局所的な環境によって変わる可能性がある。他の蛍光分子は、曲線Ａに示されているものとは異なる放射特徴を有することができる。例えば、別の蛍光分子は、単一の指数関数的減衰とは異なる減衰プロファイルを有する可能性があり、その寿命は、半減期値または何らかの他のメトリックによって特徴付けることができる。
第２の蛍光分子は、図５－７において曲線Ｂについて示されるように、急激であるが、明らかに異なる寿命τ２を有する減衰プロファイルｐＢ（ｔ）を有することができる。図示される例では、曲線Ｂの第２の蛍光分子の寿命は、曲線Ａの寿命よりも短く、放射の確率ｐＢ（ｔ）は、曲線Ａの場合よりも、第２の分子の励起後により早く高くなる。異なる蛍光分子は、いくつかの実施形態においては、約０．１ｎｓ～約２０ｎｓの範囲の寿命または半減期を有することができる。
蛍光放射寿命の差を使用することで、異なる蛍光分子の有無を判別するおよび／または蛍光分子が供される異なる環境もしくは状況を判別することができる。いくつかの場合においては、（例えば、放射波長ではなく）寿命に基づいて蛍光分子を判別することは、分析機器５－１００の態様を簡略化することができる。一例として、寿命に基づいて蛍光分子を判別する場合には、波長弁別光学系（波長フィルタ、それぞれの波長の専用の検出器、異なる波長における専用のパルス光源、および／または、回折光学系）の数を減らすか、またはそれを排除することができる。いくつかの場合においては、単一の特徴的な波長で動作する単一の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放射するが、明らかに異なる寿命を有する異なる蛍光分子を励起することができる。同じ波長領域において放射する異なる蛍光分子を励起および判別するために、異なる波長で動作する多数の源ではなく、単一のパルス光源を使用する分析システムは、操作およびメンテナンスするためにあまり複雑ではないものとすることができ、よりコンパクトであり、より低いコストで製造することができる。
蛍光寿命分析に基づく分析システムには一定の利点があるが、追加の検出技術を行わせることで、分析システムによって得られる情報量および／または検出精度を向上することができる。例えば、いくつかの分析システム５－１６０は、蛍光波長および／または蛍光強度に基づいてサンプルの１つ以上の特性を識別するようにさらに構成することができる。
再び図５－７を参照すると、いくつかの実施形態によれば、蛍光分子の励起に続く蛍光放射事象を時間ビニングするように構成された光検出器を用いて、異なる蛍光寿命を区別することができる。時間ビニングは、光検出器について単一の収集シーケンス中に行い得る。一収集シーケンスは、時間ビニング光検出器の電荷蓄積領域に電荷キャリアが蓄積される読み出し期間の間の間隔である。放射事象の時間ビニングによって蛍光寿命を決定する技術的思想は、図５－８にグラフで紹介されている。ｔ１の直前の時点ｔｅにおいて、ある蛍光分子または同じタイプ（例えば、図５－７の曲線Ｂに対応するタイプ）の蛍光分子のアンサンブルが、短光パルスまたは超短光パルスによって励起される。分子の大きいアンサンブルの場合、放射の強度は、図５－８に示されるように、曲線Ｂに類似の時間プロファイルを有することができる。
しかし、単一の分子または少数分子については、蛍光光子の放射は、図５－７の統計曲線Ｂに従って発生する。時間ビニング光検出器５－３２２は、複数の放射事象から生成された複数の電荷キャリアを複数の電荷蓄積領域に蓄積させ得る。図５－８には３つの電荷蓄積領域が示されているが、より少数の電荷蓄積領域またはより多数の電荷蓄積領域を実施形態において使用し得る。電荷蓄積領域は、蛍光分子の励起時間ｔｅに対して時間的に分解され得る。例えば、第１の電荷蓄積領域（例えば、ＳＤ０）は、時間ｔｅにおける励起事象の後に生じる、時間ｔ１と時間ｔ２との間の間隔中に生成された電荷キャリアを蓄積することができる。第２の電荷蓄積領域（例えば、ＳＤ１）は、時間ｔ２と時間ｔ３との間の間隔中に生成されたキャリアを蓄積することができ、第３の電荷蓄積領域（例えば、ＳＤ２）は、時間ｔ３と時間ｔ４との間の間隔中に生成されたキャリアを蓄積することができる。多数の放射事象を合計すると、複数の電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアは、図５－８に示される減衰強度曲線に近似することができ、ビニング後の信号は、異なる蛍光分子同士をまたは蛍光分子が位置する異なる環境同士を区別するのに使用することができる。
時間ビニング光検出器５－３２２の例は、２０１５年８月７日に出願された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＴＥＭＰＯＲＡＬ ＢＩＮＮＩＮＧ ＯＦ ＲＥＣＥＩＶＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ」と題する米国特許出願第１４／８２１，６５６号、および、２０１７年１２月２２日に出願された「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＤＩＲＥＣＴ ＢＩＮＮＩＮＧ ＰＩＸＥＬ」と題する米国特許出願第１５／８５２，５７１号に記載されており、それぞれ参照によりその全体が本明細書に援用される。説明のために、時間ビニング光検出器の非限定的な実施形態が図５－９に示されている。単一の時間ビニング光検出器５－３２２は、光子吸収／キャリア発生領域５－９０２、電荷転送チャネル５－９０６、および複数の電荷蓄積ビン５－９０８ａ，５－９０８ｂを備えることができ、すべて半導体基板上に形成される。電荷転送チャネル５－９０７は、光検出領域５－９０２と電荷蓄積領域５－９０８ａ、５－９０８ｂとの間を接続することができる。図示した例では、２つの電荷蓄積領域が示されているが、それより多くても少なくてよい。キャリア蓄積領域に接続された読み出しチャネル５－９１０が存在し得る。光検出領域５－９０２、電荷転送チャネル５－９０６、電荷蓄積領域５－９０８ａ、５－９０８ｂ、および読み出しチャネル５－９１０は、半導体を局所的にドーピングすることによって、および／または、光検出能力、閉じ込め、およびキャリアの輸送を提供するよう隣接する絶縁領域を形成することによって形成することができる。時間ビニング光検出器５－３２２はまた、基板上に形成された複数の転送ゲート５－９２０、５－９２１、５－９２２、５－９２３、５－９２４を含むことができ、それらは当該デバイスを介してキャリアを輸送するために、当該デバイス内に電場を生成するように構成されている。
動作中、パルス光源５－１０６（例えば、モードロックレーザ）からの励起パルス５－１２２の一部分は、時間ビニング光検出器５－３２２を介して反応チャンバ５－３３０に送達される。最初に、いくつかの励起放射光子５－９０１が光検出領域５－９０２に到達し、キャリアを生成する（薄い影付きの円として示される）。励起放射光子５－９０１と共に到着し、（濃い影を付けた円として示す）対応する電荷キャリアを生成する蛍光放射光子５－９０３がいくつか存在することがある。最初に、励起放射によって生成される電荷キャリアの数は、蛍光放射によって生成される電荷キャリアの数と比較して過大である場合がある。例えば、時間間隔ｔｅ～ｔ１中に生成された初期電荷キャリアは、第１の転送ゲート５－９２０が電荷転送チャネル５－９０６へとゲート動作することによって排除することができる。
後の時点で、ほとんどの蛍光放射光子 ５－９０３は、光検出領域５－９０２に到着し、反応チャンバ５－３３０からの蛍光放射を表す有用で検出可能な信号を提供する電荷キャリア（濃い影を付けた円として示す）を生成する。いくつかの検出方法によれば、第２の転送ゲート５－９２１および第３の転送ゲート５－９２３は、後の時点で（例えば、第２の時間間隔ｔ１～ｔ２中に）生成されたキャリアを第１の電荷蓄積領域５－９０８ａへと方向付けるよう後の時点でゲート動作され得る。続いて、第４の転送ゲート５－９２２および第５の転送ゲート５－９２４は、電荷キャリアを第２の電荷蓄積領域５－９０８ｂへと方向付けるよう後の時点で（例えば、第３の時間間隔ｔ２～ｔ３中に）ゲート動作され得る。電荷キャリアの蓄積は、各電荷蓄積領域５－９０８ａ、５－９０８ｂに相当数の電荷キャリアおよび信号レベルを蓄積するよう、多数の励起パルスにわたる励起パルスの後このように継続することができる。後の時点で、電荷蓄積領域から信号が読み出されることができる。いくつかの実装では、各電荷蓄積領域に対応する時間間隔はサブナノ秒の時間スケールであるが、（例えば、発蛍光団がより長い減衰時間を有する実施形態など）いくつかの実施形態ではより長い時間スケールを使用することができる。
励起事象（例えば、パルス光源からの励起パルス）後に電荷キャリアを生成し時間ビニングするプロセスは、単一の励起パルスの後に１回生じるか、または時間ビニング光検出器５－３２２の単一の電荷蓄積サイクル中に複数の励起パルスの後に複数回繰り返されることができる。電荷蓄積が完了した後、読み出しチャネル５－９１０を介して電荷蓄積領域から電荷キャリアが読み出され得る。例えば、電荷蓄積領域５－９０８ａ、５－９０８ｂから電荷キャリアを除去するよう、転送ゲート５－９２３、５－９２４におよび少なくとも転送ゲート５－９４０に適切なバイアスシーケンスを適用することができる。電荷の蓄積と読み出しのプロセスは、光電子チップ５－１４０上で超並列操作で行うことができ、その結果複数のデータフレームが得られる。
図５－９に関連して説明された例は、複数の電荷蓄積領域５－９０８ａ、５－９０８ｂを含むが、いくつかの場合においては、代わりに単一の電荷蓄積領域を使用することができる。例えば、時間ビニング光検出器５－３２２には電荷蓄積領域ＳＤ０のみが存在してよい。そのような場合、単一の電荷蓄積領域５－９０８ａは、異なる励起事象の後の異なる時間間隔を見るために、可変時間ゲート方式で動作することができる。例えば、第１の一連の励起パルスにおけるパルス後に、蓄積領域５－９０８ａ用の転送ゲートは、第１の時間間隔中に（例えば、第２の時間間隔ｔ１～ｔ２中に）生成されたキャリアを収集するようゲート動作されることができ、蓄積された信号は、第１の所定数のパルスの後に読み出されることができる。同じ反応チャンバにおける後続する一連の励起パルスにおけるパルス後、電荷蓄積領域５－９０８ａの同じ転送ゲートは、異なる間隔中に（例えば、第３の時間間隔ｔ２～ｔ３中に）生成された電荷キャリアを収集するようがゲート動作されることができ、蓄積された信号は、第２の所定数のパルスの後に読み出されることができる。電荷キャリアは、必要に応じて、同様の方法で後の時間間隔で収集されることができる。このようにして、単一の電荷蓄積領域を使用して、励起パルスが反応チャンバに到着した後の異なる期間中の蛍光放射に対応する信号レベルを生成することができる。
いくつかの実施形態では、第２および第３の時間間隔中に生成された電荷キャリアが収集され電荷蓄積領域を使用して蓄積されることができる。例えば、時間間隔ｔ１～ｔ２中に生成された電荷キャリアは電荷蓄積領域ＳＤ０に集められ、次に時間間隔ｔ２～ｔ３中に生成された電荷キャリアは電荷蓄積領域ＳＤ１に集められてよく、その後に、時間間隔ｔ１～ｔ３の間に収集された電荷キャリアが、それぞれの電荷蓄積領域から読み出し領域ＦＤに読み出されてよい。代替的または追加的に、時間間隔ｔ１～ｔ２中に収集された電荷キャリアが電荷蓄積領域ＳＤ０から読み出し領域ＦＤに読み出された後、時間間隔ｔ２～ｔ３中に生成された電荷キャリアが電荷保存領域ＳＤ０に収集されることができる。
励起後の異なる時間間隔中にいかに電荷蓄積を行うかに関係なく、読み出された信号は、例えば、蛍光放射減衰特徴を表すビンのヒストグラムを提供することができる。図５－１０Ａおよび図５－１０Ｂには、２つの電荷蓄積ビンを使用して反応チャンバから蛍光放射を取得する例示的なプロセスが示されている。ヒストグラムのビンは、反応チャンバ５－３３０でのフルオロフォアの励起後の各時間間隔中に検出された光子の数を示し得る。いくつかの実施形態では、ビンの信号は、図５－１０Ａに示されるように、多数の励起パルスの後に蓄積される。励起パルスは、パルス時間間隔Ｔによって隔てられる時点ｔｅ１，ｔｅ２，ｔｅ３，．．．，ｔｅＮで発生することができる。いくつかの場合において、反応チャンバで観察される１回の事象（例えば、ＤＮＡ分析における１回のヌクレオチド組み込み事象）について、電子蓄積ビンへの信号の蓄積中に反応チャンバに印加される励起パルス５－１２２（またはその部分）は１０５個から１０７個存在することができる。いくつかの実施形態では、１つの電荷蓄積領域（ビン０またはＳＤ０）は、各光パルスで送達される励起エネルギーの振幅を検出するように構成することができ、基準信号として（例えば、データを正規化するために）使用することができる。他の場合においては、励起パルスの振幅は、安定しており、信号取得中に１回以上判断され、各励起パルス後に判断されなくてよく、各励起パルス後にビン０の信号取得はない。そのような場合、図５－９に関連して上記説明したように、励起パルスが生成するキャリアは排除されることができ、光検出領域５－９０２から捨てられることができる。
いくつかの実施態様においては、図５－１０Ａに示すように、励起事象に続いてフルオロフォアから単一の光子のみが放射されることができる。時点ｔｅ１における第１の励起事象後、時点ｔｆ１での放射光子は第１の時間間隔内（例えば、時点ｔ１とｔ２との間）で生じることができ、結果として生じる電荷キャリアが第１の電荷蓄積領域に蓄積される（ビン１に寄与する）。時点ｔｅ２での後続励起事象において、時点ｔｆ２での放射光子は第２の時間間隔内（例えば、時点ｔ２とｔ３との間）で生じることができ、結果として生じる電荷信号はビン２に寄与する。時点ｔｅ３での次の励起事象後、第１の時間間隔内で発生する時点ｔｆ３で光子が放射し得る。
いくつかの実施態様においては、反応チャンバ５－３３０で各励起パルスが受け取られた後に放射および／または検出される蛍光光子が存在しないことがある。いくつかの場合において、反応チャンバに送達される励起パルス１０，０００個につき１個程度の蛍光光子しか反応チャンバで検出されないことがあり得る。パルス励起源５－１０６としてモードロックレーザ５－１１３を実装することの１つの利点は、モードロックレーザが高強度かる素早いターンオフ時間を有する短い光パルスを（例えば、５０ＭＨｚから２５０ＭＨｚの間の）高いパルス繰り返し速度で生成することができることである。このような高いパルス繰り返し速度により、電荷蓄積間隔が１０ミリ秒内の励起パルス数は５０，０００～２５０，０００であり得、検出可能信号を蓄積できる。
多数の励起事象およびキャリア蓄積の後で、時間ビニング光検出器５－３２２の電荷蓄積領域を読み出して反応チャンバの多値信号（例えば、２つ以上の値のヒストグラム、Ｎ次元ベクトルなど）を提供することができる。各ビンの信号値は、フルオロフォアの減衰率に応じて変わることがある。図５－８を再び参照すると、例えば、減衰曲線Ｂを有するフルオロフォアはビン２に対するビン１の信号比が、減衰曲線Ａを有するフルオロフォアよりも高くなるであろう。複数のビンからの複数の値を分析し、校正値に対しておよび／または互いに比較して、存在する特定のフルオロフォアを決定することができる。シークエンシング用途の場合、フルオロフォアの同定は、ＤＮＡの成長鎖に組み込まれることになるヌクレオチドまたはヌクレオチドアナログを決定することができる。他の用途の場合、フルオロフォアの同定は、フルオロフォアにリンクできる、対象の分子または対象のサンプルのアイデンティティを決定することができる。
信号分析の理解をさらに助けるために、蓄積されるマルチビン値は、例えば、図５－１０Ｂに示されるように、ヒストグラムとしてプロットすることができるか、またはＮ次元空間におけるベクトルもしくは位置として記録することができる。校正の実行は、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体にリンクする４個の異なるフルオロフォアに関して、多値信号の校正値（例えば、校正ヒストグラム）を取得するように別個に行うことができる。一例として、校正ヒストグラムは、図５－１１Ａ（Ｔヌクレオチドに関連付けられる蛍光ラベル）、図５－１１Ｂ（Ａヌクレオチドに関連付けられる蛍光ラベル）、図５－１１Ｃ（Ｃヌクレオチドに関連付けられる蛍光ラベル）、および図５－１１Ｄ（Ｇヌクレオチドに関連付けられる蛍光ラベル）において示されるように見える場合がある。（図５－１０Ｂのヒストグラムに対応する）測定された多値信号と、校正用の多値信号との比較によって、ＤＮＡの成長鎖に組み込まれているヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体のアイデンティティ「Ｔ」（図５－１１Ａ）を求めることができる。
いくつかの実施態様においては、蛍光強度を付加的にまたは代替的に使用して、異なるフルオロフォアを区別することができる。例えば、いくつかのフルオロフォアは、有意に異なる強度で放射するか、または、それらの減衰率が同様であり得る場合であってもそれらの励起の確率に有意な差を有することがある（例えば、少なくとも３５％の差）。ビニングされた信号（ビン５－３）を測定された励起エネルギーおよび取得された他の信号、またそのいずれかに参照することによって、強度レベルに基づいて異なるフルオロフォアを区別することを可能にすることができる。
いくつかの実施形態においては、同じタイプの異なる数のフルオロフォアを異なるヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体にリンクすることができるため、ヌクレオチドはフルオロフォア強度に基づいて同定することができる。例えば、２個のフルオロフォアを第１のヌクレオチド（例えば、「Ｃ」）またはヌクレオチド類似体にリンクさせることができ、４個以上のフルオロフォアを第２のヌクレオチド（例えば、「Ｔ」）またはヌクレオチド類似体にリンクさせることができる。異なる数のフルオロフォアのために、異なるヌクレオチドに関連付けられる異なる励起およびフルオロフォア放射確率があり得る。例えば、信号蓄積間隔の間に、「Ｔ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体についてより多くの放射事象があってよく、それによってビンの見かけの強度は「Ｃ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の場合よりも有意に高くなる。
フルオロフォアの減衰率およびフルオロフォアの強度、またはフルオロフォアの減衰率もしくはフルオロフォアの強度に基づいて、ヌクレオチドまたは任意の他の生物学的サンプルもしくは化学的サンプルを区別することが、分析機器５－１００における光励起および検出システムの簡略化を可能にする。例えば、光励起を単一の波長源（例えば、多数の源または多数の異なる特徴的な波長で動作する源ではなく、１つの特徴的な波長を生成する源）を用いて行うことができる。付加的に、検出システムにおいて、異なる波長のフルオロフォア間を弁別するのに波長弁別用の光学系やフィルタが必要ではないことがある。また、異なるフルオロフォアからの放射を検出するために、それぞれの反応チャンバに単一の光検出器を使用することができる。
「特徴的な波長」または「波長」という句は、放射の限定された帯域幅内の中央のまたは主な波長を指すのに使用される（例えば、パルス光源によって出力される２０ｎｍの帯域幅内の中央またはピークの波長）。いくつかの場合においては、「特徴的な波長」または「波長」は、源によって出力される放射の全帯域幅内のピーク波長を指すのに使用される場合がある。
約５６０ｎｍ～約９００ｎｍの範囲の放射波長を有するフルオロフォアが、（ＣＭＯＳプロセスを使用してシリコンウェハ上に製造することができる）時間ビニング光検出器によって検出される十分な量の蛍光を提供することができる。これらのフルオロフォアは、遺伝子シークエンシングアプリケーションのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体などの、対象の生体分子にリンクすることができる。この波長範囲の蛍光放射は、より長い波長における蛍光よりも、シリコンベースの光検出器においてより高い感度で検出することができる。付加的に、この波長範囲におけるフルオロフォアおよび関連付けられるリンカーは、ＤＮＡの成長鎖へのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の組み込みを妨げないものとすることができる。いくつかの実施態様において、約５６０ｎｍ～約６６０ｎｍの範囲の放射波長を有するフルオロフォアを、単一波長源によって光学的に励起することができる。この範囲内の例示的なフルオロフォアは、Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｃ．（マサチューセッツ州ウォルサム）から入手可能なＡｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ ６４７である。より短い波長（例えば、約５００ｎｍ～約６５０ｎｍ）における励起エネルギーを使用して、約５６０ｎｍ～約９００ｎｍの波長において放射するフルオロフォアを励起することができる。いくつかの実施形態においては、時間ビニング光検出器は、例えば、Ｇｅなどの他の材料を光検出器の活性領域に組み込むことによって、反応チャンバからのより長い波長の放射を効率的に検出することができる。
［ＶＩ．タンパク質シークエンシングアプリケーション］
本開示のいくつかの態様は、タンパク質シークエンシングに有用であり得る。例えば、本開示のいくつかの態様は、ポリペプチドからアミノ酸配列情報を決定するのに（例えば、１つまたは複数のポリペプチドをシークエンシングするのに）有用である。いくつかの実施形態において、単一のポリペプチドの分子について、アミノ酸配列情報を決定することができる。いくつかの実施形態において、ポリペプチドの１つまたは複数のアミノ酸をラベリングして（例えば、直接的または間接的に）、ポリペプチド内のラベリングされたアミノ酸の相対位置を求める。いくつかの実施形態において、タンパク質内のアミノ酸の相対位置は、一連のアミノ酸ラベリングおよび開裂ステップを使用して求める。
いくつかの実施形態において、末端アミノ酸（例えば、Ｎ末端またはＣ末端アミノ酸）のアイデンティティを評価し、その後に末端アミノ酸を除去して、末端の次のアミノ酸のアイデンティティを評価し、このプロセスをポリペプチド内の複数の連続するアミノ酸が評価されるまで繰り返す。いくつかの実施形態において、アミノ酸のアイデンティティを評価することは、存在するアミノ酸の種類を判断することを含む。いくつかの実施形態において、アミノ酸の種類を判断することは、例えば、天然由来の２０のアミノ酸のうちのどれが末端アミノ酸であるかを判断することによって（例えば、個々の末端アミノ酸に固有の認識分子を使用して）、実際のアミノ酸のアイデンティティを判断することを含む。しかし、いくつかの実施形態において、末端アミノ酸の種類のアイデンティティを評価することは、ポリペプチドの末端に存在する可能性のある候補アミノ酸の部分集合を判断することを含むことができる。いくつかの実施形態において、これはアミノ酸が１つまたは複数の固有アミノ酸ではない（そのため、他のアミノ酸のいずれかであり得る）と判断することによって実現することができる。いくつかの実施形態において、これは指定されるアミノ酸の部分集合（例えば、サイズ、電荷、疎水性、結合特性に基づいて）のうちのどれが、ポリペプチドの末端にあり得るかを判断することによって実現することができる（例えば、２つ以上の末端アミノ酸の指定部分集合に結合する認識分子を使用して）。
ポリペプチドのアミノ酸は、例えば、ポリペプチド上のアミノ酸の１つまたは複数の種類を選択的に結合するアミノ酸認識分子を使用して、間接的にラベリングすることができる。ポリペプチドのアミノ酸は、例えば、一意に同定可能なラベルを用いて、ポリペプチド上のアミノ酸側鎖の１つまたは複数の種類を選択的に修飾することによって、直接的にラベリングすることができる。アミノ酸側鎖の選択的なラベリングの方法、ならびにラベリングされたポリペプチドの調製および分析に関する詳細は、当業界において公知である（例えば、Ｓｗａｍｉｎａｔｈａｎ，ｅｔ ａｌ．，ＰＬｏＳ Ｃｏｍｐｕｔ Ｂｉｏｌ．，２０１５，１１（２）：ｅ１００４０８０を参照）。したがって、いくつかの実施形態において、アミノ酸の１つまたは複数の種類は、アミノ酸の１つまたは複数の種類を選択的に結合する１つまたは複数のアミノ酸認識分子の結合を検出することによって同定される。いくつかの実施形態において、アミノ酸の１つまたは複数の種類は、ラベリングされたポリペプチドを検出することによって同定される。
いくつかの実施形態において、タンパク質におけるラベリングされたアミノ酸の相対位置は、タンパク質からアミノ酸を除去しなくても求めることができるが、例えば、タンパク質分子におけるラベリングされたアミノ酸の相対位置を求めるために、ラベリングされたタンパク質を孔（例えば、タンパク質チャネル）に移行し、孔に移行中にラベリングされたアミノ酸からの信号（例えば、フェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）信号）を検出することによって求めることができる。
本明細書で使用されるとき、ポリペプチドのシークエンシングとは、ポリペプチドの配列情報を決定することをいう。いくつかの実施形態において、これはポリペプチドの一部分（またはすべて）について各アミノ酸配列のアイデンティティを決定することを伴うことができる。しかし、いくつかの実施形態において、これは、ポリペプチド内のアミノ酸の部分集合のアイデンティティを評価すること（例えば、また、ポリペプチド内の各アミノ酸のアイデンティティを決定せずに、１つまたは複数のアミノ酸の種類の相対位置を決定すること）を伴うことができる。しかし、いくつかの実施形態において、アミノ酸含有量情報は、ポリペプチド内のアミノ酸の異なる種類の相対位置を直接決定せずに、ポリペプチドから取得することができる。アミノ酸含有量のみを使用して、存在するポリペプチドのアイデンティティを推測することもできる（例えば、アミノ酸含有量をポリペプチド情報のデータベースと比較し、どのポリペプチドが同じアミノ酸含有量を有するかを決定することにより）。
いくつかの実施形態において、より長いポリペプチドまたはタンパク質から得られる（例えば、酵素による開裂および化学的な開裂、またはそのいずれかの開裂を介して）複数のポリペプチド生成物についての配列情報を分析して、より長いポリペプチドまたはタンパク質の配列を再構築または推測することができる。したがって、いくつかの実施形態は、ポリペプチドの複数の断片をシークエンシングすることによって、ポリペプチドをシークエンシングのための組成および方法を提供する。いくつかの実施形態において、ポリペプチドをシークエンシングすることは、複数のポリペプチドの断片についての配列情報を組み合わせて、そのポリペプチドの配列を同定および／または決定することを含む。いくつかの実施形態において、配列情報を組み合わせることは、コンピュータハードウェアおよびソフトウェアによって行うことができる。本明細書で説明される方法は、有機体のプロテオーム全体など、関連するポリペプチドの集合をシークエンシングすることを可能にすることができる。いくつかの実施形態において、複数の単一分子シークエンシング反応を並列して行うことができる（例えば、単一のチップ上で）。例えば、いくつかの実施形態において、複数の単一分子シークエンシング反応は、それぞれ単一チップ上の個別のサンプルウェルで行われる。
いくつかの実施形態において、本明細書で提供される方法は、タンパク質の複合混合物を含むサンプル内の個々のタンパク質のシークエンシングおよび同定に使用することができる。いくつかの実施形態は、タンパク質の複合混合物内の個々のタンパク質を一意に同定する方法を提供する。いくつかの実施形態において、個々のタンパク質は、タンパク質の部分的なアミノ酸配列を決定することによって、混合サンプル内で検出される。いくつかの実施形態において、タンパク質の部分的なアミノ酸配列は、およそ５～５０個のアミノ酸の連続した区間内にある。
いかなる特定の理論に束縛されるものではないが、ほとんどのヒトタンパク質はプロテオームデータベースを参照して不完全な配列情報を使用して同定することができると考えられている。例えば、ヒトプロテオームの単純なモデリングにより、タンパク質のおよそ９８％は６～４０個のアミノ酸の区間の中からわずか４種類のアミノ酸を検出することによって一意に同定することができることが証明されている（例えば、Ｓｗａｍｉｎａｔｈａｎ，ｅｔ ａｌ．，ＰＬｏＳ Ｃｏｍｐｕｔ Ｂｉｏｌ．，２０１５，１１（２）：ｅ１００４０８０およびＹａｏ，ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂｉｏｌ．２０１５，１２（５）：０５５００３を参照）。そのため、タンパク質の複合混合物は、およそ６～４０個のアミノ酸の短いポリペプチド断片に分解する（例えば、化学的に分解する、酵素分解する）ことができ、このポリペプチドライブラリのシークエンシングはオリジナルの複合混合物に存在するタンパク質の各々のアイデンティティおよび存在量を明らかにするであろう。部分的な配列情報を決定することによる選択的なアミノ酸ラベリングおよびポリペプチドの同定のための組成および方法は、２０１５年９月１５日に出願された「ＳＩＮＧＬＥ ＭＯＬＥＣＵＬＥ ＰＥＰＴＩＤＥ ＳＥＱＵＥＮＣＩＮＧ」と題する米国特許出願第１５／５１０，９６２号に詳細に記載されており、参照によりその全体が援用される。
いくつかの実施形態によるシークエンシングは、チップまたは集積デバイスなどの基板または固体支持体の表面上にポリペプチドを固定化することを伴うことができる。いくつかの実施形態において、ポリペプチドは基板のサンプルウェルの表面上（例えば、サンプルウェルの底面上）に固定化することができる。いくつかの実施形態において、ポリペプチドの第１の末端が表面に対して固定化され、他の末端が本明細書で説明されるようにシークエンシング反応を受ける。例えば、いくつかの実施形態において、ポリペプチドはＣ末端側から表面に対して固定化され、末端アミノ酸の認識および分解は、ポリペプチドのＮ末端側からＣ末端側に向かって進める。いくつかの実施形態において、ポリペプチドのＮ末端アミノ酸が固定化される（例えば、表面に付着させられる）。いくつかの実施形態において、ポリペプチドのＣ末端アミノ酸が固定化される（例えば、表面に付着させられる）。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の非末端アミノ酸が固定化される（例えば、表面に付着させられる）。固定化されたアミノ酸は、例えば、本明細書で説明されるように、任意の好適な共有結合または非共有結合のリンケージを使用して付着することができる。いくつかの実施形態において、複数のポリペプチドが複数のサンプルウェルに（例えば、１つのポリペプチドを、各サンプルウェルの１表面、例えば底面に、付着させる）、例えば、基板上のサンプルウェルのアレイで付着される。
本開示のいくつかの態様は、末端アミノ酸の修飾および開裂の繰り返しサイクルを受けるラベリングされたポリペプチドのルミネセンスを検出することによって、ポリペプチドをシークエンシングする方法を提供する。例えば、図５－１２は、いくつかの実施形態による、エドマン分解によりラベリングされたポリペプチドをシークエンシングする方法を示す。いくつかの実施形態において、方法は、一般に、エドマン分解によるシークエンシングの他の方法について、本明細書で説明したように進める。例えば、いくつかの実施形態において、図５－１２に示されたステップ（１）および（２）は、エドマン分解反応において、末端アミノ酸修飾および末端アミノ酸開裂についてそれぞれ本明細書の他の箇所で説明したように行うことができる。
図５－１２の例に示されるように、いくつかの実施形態において、方法は、（１）ラベリングされたポリペプチドの末端アミノ酸を修飾するステップを含む。本明細書の他の箇所で説明するように、いくつかの実施形態において、修飾することは、末端アミノ酸をイソチオシアネート（例えば、ＰＩＴＣ）に接触させて、イソチオシアネート修飾末端アミノ酸を作成することを含む。いくつかの実施形態において、イソチオシアネート修飾５－１２１０は、末端アミノ酸を、開裂試薬（例えば、本明細書で説明されるように、化学的または酵素による開裂試薬）による除去をより受けやすい形態に変換する。したがって、いくつかの実施形態において、方法は、（２）エドマン分解について本明細書の他の箇所で詳述される化学的または酵素による手段を使用して、修飾された末端アミノ酸を除去するステップを含む。
いくつかの実施形態において、方法は、複数のサイクルにわたりステップ（１）から（２）を繰り返すことを含み、その間ラベリングされたポリペプチドのルミネセンスが検出され、末端からのラベリングされたアミノ酸の除去に対応する開裂事象は検出信号の減少として検出することができる。いくつかの実施形態において、図５－１２に示されたステップ（２）の後の信号の無変化は、未知の種類のアミノ酸を特定する。したがって、いくつかの実施形態において、部分的な配列情報は、各逐次ラウンド中にステップ（２）の後に検出される信号を、検出信号の変化に基づいて決定されるアイデンティティごとにアミノ酸の種類を割り当てるか、または検出信号の無変化に基づいてアミノ酸の種類を未知のものとして特定することにより評価して決定することができる。
本開示のいくつかの態様は、ラベリングされたアミノ酸認識分子およびラベリングされた開裂試薬（例えば、ラベリングされたエキソペプチダーゼ）との末端アミノ酸の結合相互作用を評価することによって、リアルタイムでポリペプチドシークエンシングをする方法を提供する。図５－１３は、個別的な結合事象が信号出力５－１３００のパルスを生じさせるシークエンシングの方法の例を示す。図５－１３の挿入図は、このアプローチによるリアルタイムシークエンシングの一般的スキームを示す。図示されるように、ラベリングされたアミノ酸認識分子５－１３１０は、末端アミノ酸（ここではリジンとして示される）と選択的に結合および分離し、それが信号出力５－１３００に一連のパルスを生じさせ、それを使用して末端アミノ酸を同定することができる。いくつかの実施形態において、一連のパルスは対応する末端アミノ酸のアイデンティティの診断に役立ち得るパルシングパターンを提供する。
理論に束縛されるものではないが、ラベリングされたアミノ酸認識分子５－１３１０は、結合の結合速度（ｋｏｎ）および結合の解離速度（ｋｏｆｆ）によって定義される結合親和性（ＫＤ）に従って選択的に結合する。速度定数ｋｏｆｆおよびｋｏｎは、それぞれパルス持続時間（例えば、検出可能な結合事象に対応する時間）およびパルス間持続時間（例えば、検出可能な結合事象間の時間）の重要な決定因子である。いくつかの実施形態において、これらの速度は、最善のシークエンシング精度を与えるパルス持続時間およびパルスレートを達成するように工作することができる。
挿入図に示されるように、シークエンシング反応混合物は、ラベリングされたアミノ酸認識分子５－１３１０のものとは異なる検出可能なラベルを含むラベリングされた開裂試薬５－１３２０をさらに含む。いくつかの実施形態において、ラベリングされた開裂試薬５－１３２０は、ラベリングされたアミノ酸認識分子５－１３１０のものより低い濃度で混合物中に存在する。いくつかの実施形態において、ラベリングされた開裂試薬５－１３２０は、末端アミノ酸のほとんどまたはすべての種類を開裂するように広い特異性を呈する。
信号出力５－１３００の進行によって示されるように、いくつかの実施形態において、ラベリングされた開裂試薬５－１３２０による末端アミノ酸開裂は、一意に識別可能な信号パルスを生じさせ、これらの事象はラベリングされたアミノ酸認識分子５－１３１０の結合パルスよりも高波長で発生する。このように、ポリペプチドのアミノ酸をリアルタイムのシークエンシングプロセスでカウントおよび／または同定することができる。信号出力５－１３００にさらに示されるように、いくつかの実施形態において、ラベリングされたアミノ酸認識分子５－１３１０は、各種類に対応する異なる結合特性を有する２つ以上の種類のアミノ酸を結合するように工作され、これが一意に識別可能なパルシングパターンを生む。いくつかの実施形態において、複数のラベリングされたアミノ酸認識分子を使用することができ、それぞれが対応する末端アミノ酸を同定するために使用することのできる診断に役立つパルシングパターンを有するものである。
［ＶＩＩＩ．結論］
本開示の技術のいくつかの態様および実施形態をこのように記載したが、様々な改変、変更および改良が当業者に容易に想起されることを理解されたい。そのような改変、変更および改良は、本明細書に記載される技術の精神および範囲内にあることが意図される。したがって、上記の実施形態は例として提示されているものにすぎないこと、ならびに、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、本発明の実施形態は詳細に記載されているものとは別様に実践され得ることを理解されたい。加えて、本明細書に記載される２つ以上の特徴部、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、そのような特徴部、システム、物品、材料、キットおよび／または方法が相互に矛盾するものでなければ、本開示の範囲内に含まれる。
また、記載したように、いくつかの態様は、１つまたは複数の方法として具現化してよい。方法の一部として実施される行為は、任意の好適な形で順序付けることができる。それに応じて、例示的な実施形態では連続的な行為として示されている場合であっても、いくつかの行為を同時に実施することを含み得る、示されているものとは異なる順序で行為が実施される実施形態を構築することができる。
本明細書において定義および使用されるすべての定義は、辞書の定義、参照により援用される文献中の定義および定義される用語の通常の意味の両方、またはそのいずれかを超えて統括するものと理解されたい。
本明細書および特許請求の範囲において使用される不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、明らかにそれとは反対のことが示されない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解されたい。
「および／または」などの句は、本明細書および特許請求の範囲において本願明細書で使用されるとき、そのように連結された要素の「一方または両方」を、すなわち、ある場合には連言的に存在し、他の場合には選言的に存在する要素を意味するものと理解されたい。
本明細書および特許請求の範囲において本願明細書で使用されるとき、１つまたは複数の要素の列挙に関して、「少なくとも１つ」という句は、要素の列挙中の要素のうちのいずれか１つまたは複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するものと理解されたいが、必ずしも、要素の列挙内に具体的に列挙されるあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、また要素の列挙中の要素の任意の組み合わせを排除するわけではない。この定義はまた、「少なくとも１つ」という句が言及する要素の列挙内で具体的に特定される要素以外の要素が、具体的に特定されるそれらの要素に関するか関しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得ることを可能にする。
特許請求の範囲および上記の明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「伴う」、「保持する」、「から構成される」などのようなすべての移行句はオープンエンド、すなわち限定はされないが含むことを意味するものであると理解されたい。「からなる」および「本質的に～からなる」という移行句はそれぞれクローズドまたはセミクローズドの移行句とする。
「およそ」、「実質的に」、および「約」という用語は、いくつかの実施形態では目標値および／または目標局面の±２０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内、±５以内を意味するために使用され得る。いくつかの実施形態では目標値の±２％以内であるが、いくつかの実施形態では目標値の±２％以内である。「およそ」、「実質的に」、および「約」という用語は、目標値を含み得る。

Claims (58)

  1. 入射光子の受光に応答して電荷キャリアを生成するように構成された少なくとも１つの光検出領域と、
    前記光検出領域から前記電荷キャリアを受け取るように構成された少なくとも１つの電荷蓄積領域とを備え、
    前記少なくとも１つの電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアは、前記入射光子のタイミング情報およびスペクトル情報を示す、集積回路。
  2. 前記タイミング情報は、放射寿命情報を備える、請求項１に記載の集積回路。
  3. 前記スペクトル情報は、波長情報を備える、請求項１に記載の集積回路。
  4. 前記少なくとも１つの光検出領域は、第１のスペクトル特性を有する第１の複数の入射光子と、第２のスペクトル特性を有する第２の複数の入射光子とを受光するように構成されており、前記スペクトル情報は、前記第１のスペクトル特性と前記第２のスペクトル特性との差を示す、請求項３に記載の集積回路。
  5. 前記スペクトル情報は、前記第１の複数の入射光子の波長と前記第２の複数の入射光子の波長との差を示す、請求項４に記載の集積回路。
  6. 前記第１の複数の入射光子の前記波長は６００ナノメートル（ｎｍ）未満であり、前記第２の複数の入射光子の前記波長は６００ｎｍより大きい、請求項５に記載の集積回路。
  7. 前記第１の複数の入射光子の前記波長は６００ナノメートル（ｎｍ）未満であり、前記第２の複数の入射光子の前記波長は７００ｎｍより大きい、請求項５に記載の集積回路。
  8. 前記第１の複数の入射光子の前記波長は７００ナノメートル（ｎｍ）未満であり、前記第２の複数の入射光子の前記波長は７００ｎｍより大きい、請求項５に記載の集積回路。
  9. 前記第１の複数の入射光子の前記波長は５５０ナノメートル（ｎｍ）未満であり、前記第２の複数の入射光子の前記波長は６００ｎｍより大きい、請求項５に記載の集積回路。
  10. 前記第１の複数の入射光子の前記波長は５５０ナノメートル（ｎｍ）未満であり、前記第２の複数の入射光子の前記波長は５５０ｎｍより大きい、請求項５に記載の集積回路。
  11. 前記少なくとも１つの電荷蓄積領域が、第１の電荷蓄積領域および第２の電荷蓄積領域を備え、前記第１の電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアが前記タイミング情報を示し、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアが前記スペクトル情報を示す、請求項１に記載の集積回路。
  12. 前記第１の電荷蓄積領域と前記第２の電荷蓄積領域は、前記少なくとも１つの光検出領域が前記入射光子を受光するように構成される第１の方向において異なる深さを有する、請求項１１に記載の集積回路。
  13. 前記少なくとも１つの光検出領域は、前記電荷キャリアを生成して前記第１の電荷蓄積領域および前記第２の電荷蓄積領域に転送するように構成された光検出領域を備える、請求項１２に記載の集積回路。
  14. 前記少なくとも１つの光検出領域は、第１の電荷キャリアおよび第２の電荷キャリアをそれぞれ生成するように構成された第１の光検出領域および第２の光検出領域を備え、前記第１の電荷蓄積領域は前記第１の電荷キャリアを受け取るように構成され、前記第２の電荷蓄積領域は前記第２の電荷キャリアを受け取るように構成される、請求項１２に記載の集積回路。
  15. 前記少なくとも１つの光検出領域と前記第１の電荷蓄積領域との間に配置される第１の電荷転送領域と、
    前記少なくとも１つの光検出領域と前記第２の電荷蓄積領域との間に配置される第２の電荷転送領域とをさらに備え、
    前記第１の電荷転送領域は、少なくとも一部が、前記第１の方向において、前記第２の電荷転送領域の前にまたは後に位置する、請求項１２に記載の集積回路。
  16. 前記少なくとも１つの光検出領域から前記電荷キャリアを受け取るように構成された第３の電荷転送領域をさらに備え
    前記第３の電荷転送領域は、少なくとも一部が、前記第１の方向において、前記第１の電荷転送領域および／または前記第２の電荷転送領域の前にまたは後に位置する、請求項１５に記載の集積回路。
  17. 前記少なくとも１つの光検出領域および前記少なくとも１つの電荷蓄積領域を備えるピクセルをさらに備え、前記ピクセルは１０ミクロン×１０ミクロン以下である、請求項１に記載の集積回路。
  18. 第１の方向に入射光子を受光することに応答して第１の電荷キャリアを生成するように構成され、前記第１の方向に第１の深さを有する第１の光検出領域と、
    前記第１の方向に前記第１の深さとは異なる第２の深さを有し、前記第１の方向に入射光子を受光することに応答して第２の電荷キャリアを生成するように構成された第２の光検出領域と、
    前記第１の光検出領域および／または前記第２の光検出領域から前記第１の電荷キャリアおよび／または前記第２の電荷キャリアを受け取るように構成された電荷蓄積領域と
    を備える、集積回路。
  19. 前記第１の光検出領域から前記電荷蓄積領域への前記第１の電荷キャリアおよび／または前記第２の電荷キャリアの転送を制御するように構成された転送ゲートをさらに備える、請求項１８に記載の集積回路。
  20. 前記第２の光検出領域から前記第２の電荷キャリアを受け取るように構成された第２の電荷蓄積領域をさらに備え、前記電荷蓄積領域は第１の電荷蓄積領域である、請求項１８に記載の集積回路。
  21. 前記第１の電荷キャリアの前記第１の電荷蓄積領域への転送を制御するように構成された第１の転送ゲートと、前記第２の電荷キャリアの前記第２の電荷蓄積領域への転送を制御するように構成された第２の転送ゲートとをさらに備える、請求項２０に記載の集積回路。
  22. 前記第１の電荷キャリアは前記入射光子の寿命情報を示し、前記第２の電荷キャリアは前記入射光子のスペクトル情報を示す、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の集積回路。
  23. 前記スペクトル情報は、波長情報を備える、請求項２２に記載の集積回路。
  24. 請求項２３に記載の集積回路と、少なくとも１つのプロセッサとを備えるシステムであって、前記少なくとも１つのプロセッサが、
    前記第１の電荷蓄積領域に蓄積された第１の数の電荷キャリアを検出し、
    前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された第２の数の電荷キャリアを検出し、
    前記寿命情報および／または前記スペクトル情報を決定するために、前記第１の数と前記第２の数とを組み合わせるように構成されている、
    システム。
  25. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記寿命情報および／または前記スペクトル情報を決定するために、前記第１の数および／または前記第２の数を加算および／または減算するように構成される、請求項２４に記載のシステム。
  26. 第１の方向に入射光子を受光することに応答して第１の電荷キャリアを生成するように構成された光検出領域と、
    前記第１の方向に第１の深さを有し、前記第１の電荷キャリアを受け取るように構成された第１の電荷蓄積領域と、
    前記第１の方向に前記第１の深さとは異なる第２の深さを有し、前記第１の方向に入射光子を受光することに応答して第２の電荷キャリアを生成するように構成された第２の電荷蓄積領域と
    を備える集積回路。
  27. 前記光検出領域から前記第１の電荷蓄積領域への前記第１の電荷キャリアの転送を制御するように構成された転送ゲートをさらに備える、請求項２６に記載の集積回路。
  28. 前記第１の電荷キャリアは前記入射光子の寿命情報を示し、前記第２の電荷キャリアは前記入射光子のスペクトル情報を示す、請求項２７に記載の集積回路。
  29. 前記スペクトル情報は、波長情報を備える、請求項２８に記載の集積回路。
  30. 請求項２９に記載の集積回路と、少なくとも１つのプロセッサとを備えるシステムであって、前記少なくとも１つのプロセッサが、
    前記第１の電荷蓄積領域に蓄積された第１の数の電荷キャリアを検出し、
    前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された第２の数の電荷キャリアを検出し、
    前記寿命情報および／または前記スペクトル情報を決定するために、前記第１の数と前記第２の数とを組み合わせるように構成されている、
    システム。
  31. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記寿命情報および／または前記スペクトル情報を決定するために、前記第１の数および／または前記第２の数を加算および／または減算するように構成される、請求項３０に記載のシステム。
  32. 第１の方向に入射光子を受光することに応答して第１の電荷キャリアを生成するように構成された少なくとも１つの光検出領域と、
    前記少なくとも１つの光検出領域から前記第１の電荷キャリアを受け取るように構成され、前記第１の方向において第１の深さに位置する少なくとも１つの電荷蓄積領域と、
    前記第１の方向において第２の深さに位置し、前記入射光子に応答して第２の電荷キャリアを生成するように構成された領域と
    を備える集積回路。
  33. 前記少なくとも１つの光検出領域が、
    前記第１の電荷キャリアを前記少なくとも１つの電荷蓄積領域の第１の電荷蓄積領域に転送するように構成された第１の光検出領域と、
    前記第１の方向において前記第２の深さに位置する前記領域を備える第２の光検出領域であって、前記第２の電荷キャリアを前記少なくとも１つの電荷蓄積領域の第２の電荷蓄積領域に転送するように構成される前記第２の光検出領域と
    を備える、請求項３２に記載の集積回路。
  34. 前記第１の光検出領域と前記第１の電荷蓄積領域との間の第１の転送チャネルをバイアスするように構成された第１の転送ゲートと、
    前記第２の光検出領域と前記第２の電荷蓄積領域との間の第２の転送チャネルをバイアスするように構成された第２の転送ゲートと
    をさらに備える、請求項３３に記載の集積回路。
  35. 前記少なくとも１つの電荷蓄積領域は、
    前記少なくとも１つの光検出領域から前記第１の電荷キャリアを受け取るように構成され、前記第１の方向において第１の深さに位置する第１の電荷蓄積領域と、
    前記第１の方向において前記第２の深さに位置する前記領域を備える第２の電荷蓄積領域であって、前記入射光子に応答して前記第２の電荷キャリアを生成および蓄積するように構成された前記第２の電荷蓄積領域と
    をさらに備える、請求項３２に記載の集積回路。
  36. 前記第２の深さは、前記第１の方向において前記第１の深さよりも後ろに位置し、
    前記第２の電荷蓄積領域は、前記入射光子を受光するように構成される
    請求項３５に記載の集積回路。
  37. 前記集積回路は、前記少なくとも１つの光検出領域を前記第１の電荷蓄積領域に電気的に結合する第１の転送チャネルをバイアスするように構成された第１の転送ゲートをさらに備える、請求項３２に記載の集積回路。
  38. 前記電荷キャリアを受け取るように構成され、前記第１の方向において前記第２の深さよりも前である第３の深さに位置する第３の電荷蓄積領域と、
    前記少なくとも１つの光検出領域に電気的に結合する第２の転送チャネルをバイアスするように構成された第２の転送ゲートと
    をさらに備える、請求項３７に記載の集積回路。
  39. 前記第２の電荷蓄積領域は、少なくとも一部が、前記少なくとも１つの光検出領域と前記第３の電荷蓄積領域との間に配置される、請求項３８に記載の集積回路。
  40. 前記第１の電荷キャリアは前記入射光子の寿命情報を示し、前記第２の電荷キャリアは前記入射光子のスペクトル情報を示す、請求項３２に記載の集積回路。
  41. 前記スペクトル情報は、波長情報を備える、請求項４０に記載の集積回路。
  42. 請求項４０に記載の集積回路を動作させる方法であって、
    少なくとも１つのプロセッサを使用して、前記第１の電荷蓄積領域に蓄積された第１の数の電荷キャリアを検出すること、
    前記少なくとも１つのプロセッサを使用して、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された第２の数の電荷キャリアを検出すること、
    前記少なくとも１つのプロセッサを使用して、前記寿命情報および／または前記スペクトル情報を決定するために前記第１の数と前記第２の数を組み合わせること、
    を備える、方法。
  43. 前記組み合わせる動作は、前記少なくとも１つのプロセッサによる加算および／または減算を含む、請求項４２に記載の方法。
  44. 第１の電荷蓄積領域および第２の電荷蓄積領域と、
    少なくとも第１の複数の入射光子を前記第１の電荷蓄積領域に向けて方向づけるとともに少なくとも第２の複数の入射光子を前記第２の電荷蓄積領域に向けて方向づけるように構成された光選別要素とを備え、
    前記第１の電荷蓄積領域および／または前記第２の電荷蓄積領域で生成された電荷キャリアは、タイミング情報およびスペクトル情報を示す、集積回路。
  45. 前記光選別要素は、少なくとも部分的に屈折性の要素を備える、請求項４４に記載の集積回路。
  46. 前記少なくとも部分的に屈折性の要素は、
    マイクロディスクと、マイクロレンズと、プリズムと、を備える群のうちの少なくとも一つの構成要素を備える、請求項４５に記載の集積回路。
  47. 前記光選別要素は、少なくとも部分的に回折性の要素を備える、請求項４４に記載の集積回路。
  48. 前記少なくとも部分的に回折性の要素は、
    線形格子要素と、
    湾曲格子要素と、
    ゾーンプレートと、
    フォトニック結晶と
    を備える群のうちの少なくとも一つの構成要素を備える、請求項４７に記載の集積回路。
  49. 前記光選別要素は、少なくとも部分的に散乱性の要素を備える、請求項４４に記載の集積回路。
  50. 前記少なくとも部分的に散乱性の要素は、屈折率が異なる複数の要素を備える、請求項４９に記載の集積回路。
  51. 前記第１の複数の入射光子および前記第２の複数の入射光子は第１の方向に入射し、前記光選別要素は、前記第１の方向とは反対の第２の方向に面する表面に複数の開口部を備える、請求項４４に記載の集積回路。
  52. 前記光選別要素は、プラズモニック要素を備える、請求項４４に記載の集積回路。
  53. 前記プラズモニック要素は、
    複数のナノホールと異常光透過要素とを備える群のうちの少なくとも一つの構成要素を備える、請求項５２に記載の集積回路。
  54. 前記第１の電荷キャリア蓄積領域は、前記第１の複数の入射光子に応答して第１の電荷キャリアを生成および蓄積するように構成されており、前記第２の電荷キャリア蓄積領域は、前記第２の複数の入射光子に応答して第２の電荷キャリアを生成および蓄積するように構成されている、請求項４４に記載の集積回路。
  55. 前記第１の電荷キャリアは前記第１の複数の入射光子の寿命情報を示し、前記第２の電荷キャリアは前記第２の複数の入射光子のスペクトル情報を示す、請求項５４に記載の集積回路。
  56. 前記スペクトル情報は、波長情報を備える、請求項５５に記載の集積回路。
  57. 少なくとも１つの光検出領域と、
    前記少なくとも１つの光検出領域と前記第１の電荷蓄積領域との間の第１の転送チャネルにバイアスをかけるように構成された第１の転送ゲートと、
    前記少なくとも１つの光検出領域と前記第２の電荷蓄積領域との間の第２の転送チャネルにバイアスをかけるように構成された第２の転送ゲートと
    をさらに備える、請求項４４に記載の集積回路。
  58. 前記少なくとも１つの光検出領域が、
    前記電荷キャリアを前記第１の電荷蓄積領域に転送するように構成された第１の光検出領域と、
    前記電荷キャリアを前記第２の電荷蓄積領域に転送するように構成された第２の光検出領域と
    をさらに備え、
    前記光学選別素子は、前記第１の複数の入射光子を前記第１の光検出領域に向けて方向づけるとともに前記第２の複数の入射光子を前記第２の光検出領域に向けて方向づけるように構成される、請求項５７に記載の集積回路。
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