JP2023511861A - 導波路励起一様性 - Google Patents

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Abstract

ほぼ一様な、多数の試料ウェルおよび／または他のフォトニック素子に対する、集積デバイス内の光パワー分布のためのシステムおよび方法。集積デバイスならびに関連機器およびシステムは、平行して試料を分析するように用いられてよい。集積デバイスは、励起源から光を受け取り、試料ウェル（２－１０２）と結合するように構成されている複数の導波路（２－１０４）と光学的に結合するように構成された格子カプラを含んでよい。個々の導波路の光学モードの垂直範囲は、導波路（２－１０４）内の光の閉じ込めを調節するように変更されてよい。この変更は、励起光の試料ウェル（２－１０２）に対するより一様な分布を可能にし、励起効率を向上させ、集積デバイスの領域に対する過剰電力を防止してよい。

Description

本出願は、一般に、光エネルギーを集積デバイスへと結合し、光エネルギーをデバイスの複数の領域に分配するためのデバイス、方法、および技術を対象とする。集積デバイスは、核酸配列決定およびタンパク質配列決定を含む、生物学的および／または化学的試料の平行した定量分析を行うために使用され得る。
生物学的または化学的試料の大規模並列分析が可能な機器は、それらの大きなサイズ、携帯性の欠如、機器を操作する熟練技術者の必要性、電力需要、制御された動作環境の必要性、およびコストを含み得るいくつかの要因のために、典型的には実験室環境に限定される。さらに、生物学的または化学的試料の一部の分析はまとめて行われ、大量の特定のタイプの試料が検出および定量に必要である。
生物学的または化学的試料の分析は、特定の波長の光を放出する発光マーカで試料をタグ付けし、タグ付けされた試料を光源で照射し、発光した光を光検出器で検出することを含み得る。そのような技術は従来、タグ付き試料を照射するための高価なレーザ光源およびシステム、ならびにタグ付き試料からの発光を収集するための複雑な検出光学系および電子機器を必要とする。
いくつかの実施形態は、システムであって、複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイと、励起光を前記反応チャンバのアレイの少なくとも一部に送達する導波路と、を備え、前記導波路の光学モードの垂直範囲は、前記導波路内において光の閉じ込めを調節するように変更される、システムに関する。
いくつかの実施形態では、前記光学モードの前記垂直範囲は、導波路コア層の厚さを前記導波路の前記長さに沿って変化させることによって変更される。
いくつかの実施形態では、前記光学モードの前記垂直範囲は、導波路コア材料または導波路クラッド材料の屈折率を前記導波路の前記長さに沿って変化させることによって変更される。
いくつかの実施形態では、前記導波路の前記長さに沿った前記導波路コア層の前記厚さは、フォトレジスト層のトポグラフィを移すことによって変化する。
いくつかの実施形態では、一様な幅を有する複数の導波路と、テーパ幅を有する複数のダミー構造と、を備え、前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、交互に配置されている。
いくつかの実施形態では、前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、導波路コア層にある。
いくつかの実施形態は、複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイと、励起光を前記反応チャンバの少なくとも一部に送達する導波路と、を備え、前記導波路と前記反応チャンバとの間の距離は、導波路損失を補償するように変更される、システムに関する。
いくつかの実施形態では、前記導波路のクラッド層の厚さは、前記導波路と前記反応チャンバとの間の前記距離を変更するように制御される。
いくつかの実施形態では、一様な幅を有する複数の導波路と、テーパ幅を有する複数のダミー構造と、を備え、前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、交互に配置されている。
いくつかの実施形態では、テーパ幅を有する複数の導波路と、テーパ幅を有する複数のダミー構造と、を備え、前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、交互に配置されている。
いくつかの実施形態では、第１の方向にテーパ幅を有する複数の導波路と、前記第１の方向とは反対の第２の方向にテーパ幅を有する複数のダミー構造と、を備え、前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、交互に配置されている。
いくつかの実施形態は、方法であって、複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイに励起光を送達するための導波路を提供する工程と、前記導波路内において光の閉じ込めを調節するように、前記導波路の光学モードの垂直範囲を変更する変更工程と、を備える方法に関する。
いくつかの実施形態では、前記変更工程は、前記導波路の前記長さに沿って導波路コア層の厚さを変化させる工程を含む。
いくつかの実施形態では、前記変更工程は、導波路コア材料または導波路クラッド材料の屈折率を変化させる工程を含む。
いくつかの実施形態は、方法であって、複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイに励起光を送達するための導波路を提供する工程と、前記導波路と前記反応チャンバとの間の距離を変更する変更工程と、を備える方法に関する。
いくつかの実施形態では、前記変更工程は、前記導波路のクラッド層の厚さを制御する制御工程を含む。
いくつかの実施形態では、前記制御工程は、変更された導波路パターニング上において前記クラッド層用の材料を平坦化することによって前記クラッド層にテーパ厚さを提供する工程を含む。
いくつかの実施形態では、前記制御工程は、変更された導波路パターニング上に前記クラッド層用の材料を堆積させることによって前記クラッド層にテーパ厚さを提供する工程を含む。
いくつかの実施形態では、前記制御工程は、フォトレジスト層のトポグラフィを前記クラッド層に移すことによって、前記クラッド層にテーパ厚さを提供する工程を含む。
いくつかの実施形態は、方法であって、複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイを形成する工程と、励起光を前記反応チャンバに送達するための導波路を形成する工程と、同量に近い励起光を各反応チャンバに送達するように前記導波路を変更する変更工程と、を備える方法。
前記変更工程は、前記導波路の前記光学モードの垂直範囲を変更する工程を含む。
前記変更工程は、前記導波路の長さに沿って厚さを変更する工程を含む。
前記変更工程は、前記導波路の長さに沿った各反応チャンバからの距離を変更する工程を含む。
いくつかの実施形態は、方法であって、導波路を通じて送達される励起光により、複数の反応チャンバの各々内における試料を励起する工程を備え、前記導波路は、ほぼ同量の光が各反応チャンバに送達されるように変更されている、方法に関する。
上記の概要は、説明の目的で提供され、限定することを意図するものではない。
本出願の種々の態様および実施形態が図面を参照して説明される。図は必ずしも原寸に比例して描かれていないことが理解される。複数の図に現れる要素は、それらが現れるすべての図で同じ参照番号によって示される。
いくつかの実施形態に係る集積デバイスの概略断面図。 いくつかの実施形態に係る集積デバイスの概略平面図。 いくつかの実施形態に係る、試料ウェル、導波路、およびダミー構造を示す、導波路アレイの概略平面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路の長さに沿って変更された厚さを有する導波路クラッド層を示す、「２－２」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第１の方法を示す、「２－３」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第１の方法を示す、「２－３」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第１の方法を示す、「２－３」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第１の方法を示す、「２－４」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第１の方法を示す、「２－４」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第１の方法を示す、「２－４」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第２の方法を示す、「２－３」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第２の方法を示す、「２－３」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第２の方法を示す、「２－４」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための第２の方法を示す、「２－４」と印を付された線に沿った図２－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、図２－３Ｃにおいて「２－７」と印を付された領域の拡大図。 いくつかの実施形態に係る、図２－７Ａの導波路内または導波路付近の光学モードの場の強度を示す概略図。 いくつかの実施形態に係る、試料ウェル用の代替のレイアウトを有する導波路アレイの概略平面図。 いくつかの実施形態に係る、試料ウェル、導波路、およびダミー構造を示す、導波路アレイの概略平面図。 いくつかの実施形態に係る、試料ウェル、導波路、およびダミー構造を示す、導波路アレイの概略平面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための方法を示す、「４－２」と印を付された線に沿った図４－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、導波路アレイを作成するための方法を示す、「４－２」と印を付された線に沿った図４－１の導波路アレイの断面図。 いくつかの実施形態に係る、集積デバイスおよび機器のブロック図。 いくつかの実施形態に係る、集積デバイスを含む装置の概略図。 いくつかの実施形態に係る、試料ウェル、光導波路、および時間ビニング光検出器を有するピクセルの概略図。 いくつかの実施形態に係る、試料ウェル内において生じ得る例示的な生物学的反応の概略図。 異なる減衰特性を有する２つの異なるフルオロフォアについての発光確率曲線のプロット。 いくつかの実施形態に係る蛍光発光の時間ビニング検出のプロット。 いくつかの実施形態に係る例示的な時間ビニング光検出器を示す図。 いくつかの実施形態に係る、試料からの蛍光発光のパルス励起および時間ビニングされた検出を示す概略図。 いくつかの実施形態による、試料のパルス励起が繰り返された後の種々の時間ビンにおける累積蛍光光子カウントのヒストグラム。 いくつかの実施形態に係る、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体のうちのＴに対応し得るヒストグラム。 いくつかの実施形態に係る、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体のうちのＡに対応し得るヒストグラム。 いくつかの実施形態に係る、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体のうちのＣに対応し得るヒストグラム。 いくつかの実施形態に係る、４つのヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体のうちのＧに対応し得るヒストグラム。
Ｉ．序論
本出願の態様は、単一分子の同定および核酸配列決定を含む、平行して試料を分析することが可能な集積デバイス、機器、および関連システムに関する。そのような機器は、コンパクトで、持ち運びが簡単であり、操作が簡単であるので、医師または他の提供者が機器を容易に使用し、機器をケアが必要とされ得る所望の場所に移送することが可能である。試料の分析は、１つまたは複数の蛍光マーカで試料を標識することを含むことがあり、これは、試料の検出、および／または試料の単一分子の同定（たとえば、核酸配列決定の一部としての個々のヌクレオチド同定）のために使用され得る。蛍光マーカは、励起光（たとえば、蛍光マーカを励起状態へ励起し得る固有波長を有する光）で蛍光マーカを照射することに応答して励起されてよく、蛍光マーカが励起された場合、放出光（たとえば、励起状態から基底状態に戻ることで蛍光マーカによって放出される固有波長を有する光）を放出する。放出光の検出は、蛍光マーカの同定、したがって、蛍光マーカによって標識された試料または試料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れば、機器は、大規模並列試料分析が可能であり、数万個以上の試料を同時に処理するように構成され得る。
本発明者らは、集積デバイス上に形成された試料および集積光学系を受け入れるように構成された試料ウェル（反応チャンバとも呼ばれる）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が、この数の試料の分析を達成するために使用され得ることを認識して理解した。機器は、１つまたは複数の励起光源を備えることができ、集積デバイスは、集積デバイス上に形成された集積光学部品（たとえば、導波路、光カプラ、光スプリッタ）を使用して励起光が試料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。光学部品は、集積デバイスの試料ウェルにわたる照射の均一性を改善することができ、さもなければ必要とされ得る多数の外部光学部品を減らすことができる。さらに、本発明者らは、集積デバイス上に光検出器を集積することにより、試料ウェルからの蛍光発光の検出効率を改善し、さもなければ必要とされ得る集光部品の数を減らすことができることを認識して理解した。
いくつかの実施形態によれば、集積デバイスは、アレイにわたる複数の試料の多重分析を可能にする試料ウェルのアレイと、試料ウェルのアレイに励起光を送達するように構成された光学システムとを有する。集積デバイスの性能は、光学システムを使用して試料ウェルのアレイにわたって励起光を送達する集積デバイスの能力に依存し得る。さらに、集積デバイスの性能は、個々の試料ウェルに比較的一定の強度または電場強度を送達することなどによって、実質的に均一な様式で個々の試料ウェルに励起光を送達する光学システムの能力に関連し得る。具体的には、光学システムに関連付けられた性能関連ファクタは、試料ウェルによる散乱および／または吸収から生じる光損失、光カプラ（たとえば、外部光源から光を受け取るように構成された格子カプラ）の結合効率、複数の導波路間で励起光を分割することから生じる光損失、ならびに複数の試料ウェルと個々の導波路の結合効率を含み得る。
集積デバイスの多重化能力を増大させるために、アレイ内の試料ウェルの数を増加させて、集積デバイスを使用しながら任意の特定の時間でより多くの試料を分析する能力を可能にすることが望ましいことがある。集積デバイスが試料ウェルの数の増加によってスケール変更されると、これらのファクタの１つまたは複数のために集積デバイスの性能における課題が生じる可能性がある。たとえば、試料ウェルの行は、光学システムの導波路に結合することによって光を受け取ることにより、光が導波路に沿って伝播すると行内の試料ウェルが光の一部を受け取るようにすることができる。光損失は、個々の試料ウェルが光を散乱および／または吸収することから発生する可能性があり、それにより、累積的に、行内の最後の（たとえば、導波路の光入力端から離れた）試料ウェルが、行内の最初の試料ウェル（たとえば、導波路の光入力端の傍の試料ウェル）よりも低い強度または電場強度を受け取る結果となり得る。そのような光損失は、集積デバイスを使用することにより行われる測定の信号対ノイズ比に対し影響する可能性がある。より多くの試料ウェルがアレイに追加されると、これらの光損失は、信号対ノイズ比のさらなる減少につながる可能性があり、そのため、実行される分析の品質および信頼性に対し影響する可能性がある。
したがって、本出願の態様は、試料ウェルのアレイ間の改善された光の分配を可能にし得る集積デバイスの光学システムに含める光学部品および特定の配列に関する。これらの光学部品および配列は、同じ行内の試料ウェルを含む個々の試料ウェルが、同様の強度および／または電場強度を受け取るように実質的に均一な様式で光を送達することを可能にし得る。本願明細書に記載される光学部品および配列は、アレイ内により多数の試料ウェルを有する集積デバイスの実装、ならびにアレイ全体にわたる試料の分析での所望の性能を可能にし得る。
アレイ内の試料ウェルの数を増大する一環としての追加の考慮事項には、製造コストおよび制約を含み得る。したがって、本出願の態様は、結果として得られる集積デバイスが所望の光学性能を達成することを可能にしつつ、製造コストおよび制約を（たとえば、製造ステップの数または複雑さを低減することによって）考慮に入れる光学部品およびシステムに関する。
本出願のいくつかの態様は、多数の試料ウェルおよび／または他のフォトニック素子をほぼ一様に照射することを可能にし得る導波路構成に関する。
特に、いくつかの態様は、導波路の長さ内および導波路の長さに沿った閉じ込めを調節するように導波路の光学モードの垂直範囲を変更することを対象としている。この変更は光学損失を補償し得る。この変更は、励起光の試料ウェルに対するより一様な分布を可能にし、励起効率を向上させ、集積デバイスの領域に対する過剰電力を防止する。変更は、導波路の厚さおよび／または幅を変化させること、導波路の屈折率および／または導波路のクラッド材料の屈折率を変化させること、または本願明細書に記載される技術の任意の適切な組合せによって達成され得る。
他の態様は、導波路と試料ウェルとの間の距離を変更して光学損失を補償することを対象としている。距離のこの変更は、導波路のクラッド層の厚さを制御することによって行われてよい。したがって、本出願の態様は、導波路の長さに沿って導波路のクラッド層の厚さを制御するための技術に関する。いくつかの実施形態では、その技術は、導波路パターン密度を変更することを含む。いくつかの実施形態では、その技術は、クラッド層のトポグラフィを変更することを含む。いくつかの実施形態では、その技術は、サンプルウェルの側方方向位置を導波路に対して変更することを含む。いくつかの実施形態では、それらの技術は、単独でまたは任意の適切な組合せにより用いられてよい。
一様な励起光を試料ウェルのアレイに送達するための追加のシステムおよび方法が、「光をフォトニック素子のアレイに送達するための光導波路およびカプラ（ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥＳ ＡＮＤ ＣＯＵＰＬＥＲＳ ＦＯＲ ＤＥＬＩＶＥＲＩＮＧ ＬＩＧＨＴ ＴＯ ＡＮ ＡＲＲＡＹ ＯＦ ＰＨＯＴＯＮＩＣ ＥＬＥＭＥＮＴＳ）」と題される米国特許出願第１６／７３３，２９６号明細書に記載されており、参照によりその全体が本願明細書に組み込まれる。
本出願に説明されるような光学システムのための技術は、試料ウェルのアレイに励起光を送達することに関連して論じられるが、これらの技術の１つまたは複数は、単独でまたは組み合わせて、集積デバイス内のフォトニック素子のアレイに光を分配することを含む他の文脈で使用されてもよいことが理解される。たとえば、本出願の技術は、センサのアレイなどの光学部品のアレイで実装されてよい。換言すると、試料ウェルのアレイに一様な励起光を送達する技術を提供するというよりは、またはその技術に加えて、試料ウェル内の励起された試料からの発光を送達または受け取るように用いられる光学部品内の励起光送達における非一様性に対処するように、技術が利用されることが可能である。また、本願明細書に記載されている技術は、生物学的または化学的試料を分析する文脈に限定されず、むしろ、実質的に均一な様式で多くのフォトニック素子間に光を分配することが望まれる用途において実装され得ることが理解される。
上記に説明された態様および実施形態ならびに追加の態様および実施形態は、以下でさらに説明される。これらの態様および／または実施形態は、個別に、すべて一緒に、または２つ以上の任意の組み合わせで使用されてよく、本出願は、これに関して限定されない。
ＩＩ．集積デバイス
Ａ．概観
ピクセル１－１１２の行を示す集積デバイス１－１０２の概略断面図が図１－１に示される。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を備えることができる。本願明細書に論じられたように、集積デバイスの光学システムは、集積デバイスの領域１－２０１、１－２０２、および１－２０３内に位置し得る、異なるタイプの光学部品を備えることができる。結合領域１－２０１は、格子カプラ１－２１６を備えることができ、格子カプラ１－２１６は、励起光（破線で示される）を受け取り、励起光をルーティング領域１－２０２内の１つまたは複数の光学部品に伝播するように構成され得る。ルーティング領域１－２０２は、光をピクセル領域１－２０３に伝播するように構成された複数の導波路１－２２０の間で光を分割するように構成された光ルーティング・ネットワークを備えることができる。ピクセル領域１－２０３は、励起光（破線矢印として示される）が集積デバイス１－１０２に結合する場合である結合領域１－２０１とは別の位置の表面に配置された試料ウェル１－１０８を有する複数のピクセル１－１１２を備えることができる。試料ウェル１－１０８は、金属層１－１０６を貫通して形成されてよい。点線の矩形で示される１つのピクセル１－１１２は、試料ウェル１－１０８と、１つまたは複数の光検出器１－１１０を有する光検出器領域とを含む集積デバイス１－１０２の領域である。
図１－１は、励起光のビームを結合領域１－２０１および試料ウェル１－１０８に結合させることによる励起（破線で示される）の経路を示す。図１－１に示される試料ウェル１－１０８の行は、導波路１－２２０に光学的に結合するように配置され得る。励起光は、試料ウェル内に位置する試料を照射することができる。試料は、励起光により照射されることに応答して励起状態に達することができる。試料が励起状態にあるとき、試料は、試料ウェルに関連付けられた１つまたは複数の光検出器によって検出され得る放出光を放出することができる。図１－１は、試料ウェル１－１０８からピクセル１－１１２の光検出器１－１１０までの放出光（実線として示される）の経路を概略的に示す。ピクセル１－１１２の光検出器１－１１０は、試料ウェル１－１０８からの放出光を検出するように構成および配置され得る。適切な光検出器の例は、「受け取られた光子の時間ビニングのための集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＴＥＭＰＯＲＡＬ ＢＩＮＮＩＮＧ ＯＦ ＲＥＣＥＩＶＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ）」という名称の米国特許出願第１４／８２１，６５６号（その全体が参照により組み込まれる）に説明されている。適切な光検出器のさらなる例は、全体において本願明細書に援用する「直接ビニングピクセルを備える集積光検出器（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＤＩＲＥＣＴ ＢＩＮＮＩＮＧ ＰＩＸＥＬ）」という名称の米国特許出願第１５／８５２，５７１号に説明されている。個々のピクセル１－１１２について、試料ウェル１－１０８およびそのそれぞれの光検出器１－１１０が、共通軸に沿って（図１－１に示されるｙ方向に沿って）整列され得る。このようにして、光検出器はピクセル１－１１２内の試料ウェルと重なることができる。
５行のピクセルを示す集積デバイス１－１０２の平面図が図１－２に示される。図１－２に示されるように、試料ウェル１－１０８ａと試料ウェル１－１０８ｂは同じ行にあり、試料ウェル１－１０８ｃおよび１－１０８ｄは同じ行にある。本出願の態様は、結合領域１－２０１に入射する励起光を受け取り、励起光を試料ウェル１－１０８のアレイに伝播するための技術に関する。これらの技術は、結合領域１－２０１から個々の試料ウェル１－１０８に励起光を送達するために、結合領域１－２０１に配置された１つまたは複数の光格子カプラ、ならびにルーティング領域１－２０２および／またはピクセル領域１－２０３に配置された導波路アーキテクチャを有することを含み得る。
Ｂ．導波路アーキテクチャ
いくつかの実施形態は、励起源によって生成された励起エネルギーを試料ウェルにおける個々の試料に、たとえばエバネッセント結合により、ほぼ一様に結合するように構成されている導波路に関する。いくつかの実施形態では、試料ウェルは、行および列を有するアレイに配置されてよく、個々の導波路は、励起エネルギーを対応する行および列における試料ウェルに送達するように構成されてよい。いくつかの実施形態では、導波路は、励起エネルギーを行または列におけるおよび／または複数行または複数列における試料ウェル間にほぼ一様に提供するように構成されてよい（たとえば、強度の偏差が５０％未満、いくつかの実施形態では２０％未満、いくつかの実施形態では１０％未満で）。いくつかの実施形態では、導波路に沿った試料ウェルの数は、５００を超えてよく、たとえば５００～５０００の範囲にあってよい。
導波路は、光学損失を補償するように構成されてよい。光学損失は、アレイ内に一様でない励起を生じ得る、および／または、光パワーによって可能とされる測定の数と呼ばれ得る準最適な励起効率をもたらし得る。補償なしでは、導波路におけるパワーは、たとえば、導波路アレイを横断する距離に対して指数関数的に減少する。導波路の実施形態は、試料ウェルの大型アレイにわたって励起の一様性と励起効率とを向上させるように、また試料ウェルの大型アレイを備える集積デバイスの領域における過剰電力を防止するように構成されている。
個々の導波路の光学モードの垂直範囲は、導波路の長さ内および導波路の長さに沿った閉じ込めを調節し得る。いくつかの実施形態では、個々の導波路の厚さおよび／または幅は、個々の導波路の長さに沿って変更されてよい。いくつかの実施形態では、導波路の屈折率および／または導波路のクラッド材料の屈折率が変更されてよい。
いくつかの実施形態では、導波路とそれぞれの試料ウェルとの間の距離は、導波路に沿って試料ウェルの励起を調節するように変更されてよい。いくつかの実施形態では、導波路とそれぞれの試料ウェルとの間の距離は、導波路の長さに沿って導波路のクラッド層の厚さを調節することによって変更されてよい。いくつかの実施形態では、導波路とそれぞれの試料ウェルとの間の距離は、導波路の長さに沿って導波路に対して試料ウェルの側方方向位置を変更することによって変更されてよい。たとえば、試料ウェルは、導波路の長さに沿って、距離が励起源に近い試料ウェルほど、励起源から遠く離れている試料ウェルよりも導波路からずれているように配置されてよい。そのずれは、導波路が延びる方向に垂直な方向であってよい（たとえば、図２－８に示されるように）。いくつかの実施形態では、本願明細書に記載される技術は、単独でまたは任意の適切な組合せにより用いられてよい。
いくつかの実施形態では、導波路のアレイの頂部におけるクラッド層の厚さプロファイルは変更されてよい。図２－１は、いくつかの実施形態に係る、導波路アレイ２－１００の概略平面図を示す。導波路アレイ２－１００は、アレイ始端２－１０８からアレイ終端２－１１０まで延びてよい。アレイ始端２－１０８は、距離がアレイ終端２－１１０よりも励起源に近くてよい。導波路アレイ２－１００は、導波路２－１０４と隣接する導波路２－１０４間に配置されているダミー構造２－１０６とを含んでよい。導波路２－１０４およびダミー構造２－１０６は、導波路コア層であってよい。たとえば、導波路コア層は、基板上に堆積され、導波路およびダミー構造へとパターニングされてよい。試料ウェル２－１０２は、導波路２－１０４の頂部に配置されてよい。ダミー構造２－１０６の頂部には、試料ウェルは存在しなくてよい。そうした構成は、導波路２－１０４の寸法が、導波路内および導波路の長さに沿って光の閉じ込めを調節するように、導波路の光学モードの垂直範囲を変更するために適合されたまま、後続の作製処理の必要性に従って適合されたダミー構造２－１０６の寸法（たとえば、幅）を可能にし得る。たとえば、化学機械研磨（ＣＭＰ）および高密度プラズマ化学気相成長（ＨＤＰ）などのいくつかの後続の作製処理の結果は、下部層のパターニング密度に依存し得る。ダミー構造の追加は、ダミー構造２－１０６の寸法を変更することによって、また光学モードの変更された垂直範囲に適合する導波路２－１０４の寸法を変化させることなく、後続の作製処理用に所望されたパターニング密度を達成するように、導波路２－１０４用に設計されたフォトリソグラフィマスクのパターニング密度の変更を可能にし得る。
導波路アレイ２－１００は、変更されたパターニング密度を有してよい。パターニング密度は、励起源までの距離が増加するにつれて減少するように構成されてよい。示される実施例では、導波路２－１０４は、エバネッセント場の急な減衰率を維持するように構成され得る導波路の長さに沿って一定の幅を有する。示される実施形態では、ダミー構造２－１０６は、ダミー構造の長さに沿ってテーパ幅を有し、これは、アレイ始端２－１０８からアレイ終端２－１１０まで、導波路パターニング密度の減少を生じる。
導波路２－１０４と試料ウェル２－１０２との間の距離は、少なくとも部分的には、変更された導波路パターニング密度に基づいて変更されてよい。導波路２－１０４と導波路の頂部における試料ウェル２－１０２の行との間の距離は、導波路が励起源から離れて延びるにつれて減少するように構成されてよい。図２－２は、いくつかの実施形態に係る、図２－１において「２－２」と印を付された線に沿った導波路アレイ２－１００の断面図を示す。クラッド層２－１１２は、導波路２－１０４の頂部に形成されてよい。クラッド層２－１１２の厚さｄｃは、導波路２－１０４の長さに沿って変更されてよい。示されるように、クラッド層２－１１２の厚さｄｃは、アレイ始端２－１０８からアレイ終端２－１１０まで次第に細くなる。試料ウェル２－１０２は、たとえば、フォトリソグラフィおよびエッチングによりクラッド層２－１１２に形成されてよい。試料ウェル２－１０２の深さｄｗは試料の位置を定めるためにほぼ一定であってよいため、試料ウェル２－１０２と導波路２－１０４との間の距離は、したがって、導波路２－１０４の長さに沿って減少してよい。試料から導波路までの距離の減少は、励起エネルギーが励起源から離れて導波路を横断する際に、導波路におけるパワーの損失を補償することが可能であり、導波路の長さに沿っておよび／または導波路アレイの様々な範囲にわたってほぼ同量の光が試料ウェルにおける試料と相互作用することを可能にする。
いくつかの実施形態では、導波路アレイ２－１００は、図２－３Ａ～図２－４Ｃに示される第１の方法により作製されてよい。図２－３Ａ～図２－３Ｃは、いくつかの実施形態に係る、図２－１においてアレイ始端２－１０８付近の「２－３」と印を付された線に沿った導波路アレイ２－１００の断面図を示す。図２－４Ａ～図２－４Ｃは、いくつかの実施形態に係る、図２－１においてアレイ終端２－１１０付近の「２－４」と印を付された線に沿った導波路アレイ２－１００の断面図を示す。
図２－３Ａおよび図２－４Ａに示される作製工程では、導波路２－１０４およびダミー構造２－１０６は、導波路コア材料の層を基板上に堆積させ、リソグラフィおよびエッチングによって導波路コア材料の層をパターニングすることによって、作製されてよい。
図２－３Ｂおよび図２－４Ｂに示される作製工程では、クラッド層２－１１４は、下部のパターニング密度とはほぼ独立した堆積処理（たとえば、プラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ））を用いて、導波路コア材料のパターニングされた層の頂部に堆積させられてよい。示されるように、クラッド層２－１１４の厚さｄｄは、アレイ始端２－１０８からアレイ終端２－１１０までほぼ一定であってよい。
図２－３Ｃおよび図２－４Ｃに示される作製工程では、クラッド層２－１１２は、たとえば、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理を用いて、堆積したクラッド層２－１１４を研磨／平坦化することによって形成されてよい。ＣＭＰ処理は、低い導波路パターニング密度を有する領域が、高い導波路パターニング密度を有する領域よりも素早く研磨されるように構成されてよい。示されるように、アレイ始端２－１０８におけるクラッド層２－１１２の厚さｄ１は、アレイ終端２－１１０におけるクラッド層２－１１２の厚さｄ２よりも大きい。
いくつかの実施形態では、導波路アレイ２－１００は、図２－５Ａ～図２－６Ｂに示される第２の方法により作製されてよい。図２－５Ａ～図２－５Ｂは、いくつかの実施形態に係る、図２－１においてアレイ始端２－１０８付近の「２－３」と印を付された線に沿った導波路アレイ２－１００の断面図を示す。図２－６Ａ～図２－６Ｂは、いくつかの実施形態に係る、図２－１においてアレイ始端２－１０８付近の「２－４」と印を付された線に沿ったアレイ２－１００の断面図を示す。
図２－３Ａおよび図２－４Ａに示される作製工程と同様に、図２－５Ａおよび図２－６Ａに示される作製工程では、導波路２－１０４およびダミー構造２－１０６は、導波路コア材料の層を基板上に堆積させ、リソグラフィおよびエッチングによって導波路コア材料の層をパターニングすることによって、作製されてよい。
図２－３Ｂおよび図２－４Ｂに示される作製工程とは異なり、図２－５Ｂおよび図２－６Ｂに示される作製工程では、クラッド層２－１１６は、下部のパターニング密度に依存した堆積処理（たとえば、高密度プラズマ化学気相成長（ＨＤＰ））を用いて、導波路コア材料のパターニングされた層の頂部に堆積させられてよい。示されるように、アレイ始端２－１０８における堆積されたクラッド層２－１１６の厚さｄｄ１は、アレイ終端２－１１０における堆積されたクラッド層２－１１２の厚さｄｄ２よりも大きい。
図２－５Ｂおよび図２－６Ｂに示される処理工程の後、図２－３Ｃおよび図２－４Ｃに示される作製工程と同様に、クラッド層２－１１２は、たとえば、ＣＭＰ処理を用いて、堆積したクラッド層２－１１６を研磨／平坦化することによって形成されてよい。堆積されたクラッド層２－１１６の厚さプロファイルは、研磨／平坦化処理によってクラッド層２－１１２に移されるときに、維持されまたは増強されてよい。
導波路の光学モードの垂直範囲は、テーパ状クラッド層（たとえば、図２－２に示されるクラッド層２－１１２）によって変更されてよい。図２－７Ａは、いくつかの実施形態に係る、図２－３Ｃにおいて「２－７」と印を付された領域の拡大図である。図２－７Ｂは、いくつかの実施形態に係る、導波路２－１０４内および導波路２－１０４付近の光学モードの場の強度を示す概略図である。導波路２－１０４の光学モードの場の強度は、導波路の幅ｗおよび厚さｔに依存し得る。示されるように、光学モードはほぼ楕円形であり、場の強度が、光学モードの中心までの距離の増加とともに減少する。場の強度は、集積デバイスの構成に依存して別の形状であってよい。
図２－７Ａでは、形状２－１１８は、均質な場の強度を有する位置の一例を示すように示される。場は、導波路の厚さに平行な垂直方向において急激に減衰してよい。また、導波路が励起源から離れて横切るにつれて、導波路の中心におけるパワーは、導波路の長さに平行であり導波路の幅ｗおよび厚さｔに垂直な水平方向において減衰する。導波路の長さに沿って導波路の光学モードの垂直範囲を変更することは、励起源から遠く離れている試料ウェルを導波路に近づけてよく、したがって、導波路の長さに沿っておよび／またはアレイの様々な領域にわたって、送達されるのと可能な限り同量に近い光を試料ウェルに可能な限り近づけることを可能にする。
いくつかの実施形態では、光学モードの垂直範囲は、導波路の長さに沿って導波路の厚さｔを変化させることによって変更されてよい。たとえば、導波路の厚さｔは、励起源から遠く離れている導波路を試料ウェルに近づけるように、導波路が励起源から離れて延びるに連れて増加してよい。いくつかの実施形態では、導波路の厚さｔは、フォトレジスト層のトポグラフィを導波路コア層に移すことによって変更されてよい。フォトレジスト層は、導波路コア層の頂部に堆積されてよく、フォトレジスト層には、グレースケールリソグラフィ後に所望の表面プロファイルが提供されてよい。次いで、フォトレジスト層の所望の表面プロファイルは、非選択的エッチング後に、導波路コア層に移されてよい。上記は一例として提供され、任意の他の適切な作製処理が、導波路に自身の長さに沿って所望の変化する厚さを提供するように用いられてよいことが理解される。
これに加えて、またはこれに代えて、いくつかの実施形態では、導波路の屈折率および／または導波路の包囲するクラッド材料の屈折率が変更されてよい。たとえば、イオン実装方法が、導波路コア層および／またはクラッド層の局所的な構成を変化させるように用いられ、これによって屈折率を変更してよい。
導波路は、励起エネルギーの導波路において透明な（たとえば、透過損失が２ｄＢ／ｍである）導波路コア材料から作製されてよい。たとえば、窒化ケイ素が、励起エネルギーを案内するための材料として用いられてよい。導波路コアを形成するのに適し得る他の材料は、炭化ケイ素と、窒化ケイ素および炭化ケイ素の合金とを含む。導波路コア層は、導波路コア材料に対して所望の減衰率を提供する透明な材料から作製されてよい。たとえば、二酸化ケイ素が、クラッド層用の材料として用いられてよい。これらの導波路コアおよびクラッド材料は、プラズマ励起化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）などの方法によって堆積されてよく、材料の光学特性は、堆積パラメータを調節することによってチューニングされてよい。
いくつかの実施形態では、導波路とそれぞれの試料ウェルとの間の距離は、導波路の長さに沿って導波路に対して試料ウェルの側方方向位置を変更することによって変更されてよい。図２－８はそうした一例を示す。示されるように、試料ウェル２－１０２は、導波路２－１０４の長さに沿って、導波路アレイ２－１００の始端２－１０８までの距離が近い試料ウェルが、導波路アレイ２－１００のアレイ終端２－１１０までの距離が近い試料ウェルよりも、導波路の中心線からずれているように、配置されてよい。そのずれは、導波路が延びる方向に垂直な方向であってよい。結果として、励起源から遠く離れている試料ウェルは、励起源までの距離が近い試料ウェルよりも、導波路までの距離が近い。上記は一例として提供され、導波路に対する試料ウェルの任意の適切な配置が、導波路とそれぞれの試料ウェルとの間の距離を変更するために構成されてよい。
いくつかの実施形態では、導波路の光学モードの垂直範囲は、導波路の長さに沿ってテーパ幅を有する導波路によって変更されてよい。図２－１は、いくつかの実施形態に係る、導波路アレイ３－１００の概略平面図を示す。導波路アレイ３－１００は、アレイ始端３－１０８からアレイ終端３－１１０まで延びてよい。アレイ始端３－１０８は、距離がアレイ終端３－１１０よりも励起源に近くてよい。導波路アレイ３－１００は、導波路３－１０４と隣接する導波路３－１０４間に配置されているダミー構造３－１０６とを含んでよい。試料ウェル３－１０２は、導波路３－１０４の頂部に配置されてよい。ダミー構造３－１０６の頂部には、試料ウェルは存在しなくてよい。
導波路アレイ３－１００は、変更されたパターニング密度を有してよい。示される実施例では、導波路３－１０４は、導波路の長さに沿ってテーパ幅を有する。テーパ導波路は、励起源に近い弱いエバネッセント場と、励起源に遠い強いエバネッセント場とを提供するように構成されてよい。テーパ導波路は、アレイ始端３－１０８からアレイ終端３－１１０まで、後続の作製処理の結果に影響を及びし得る導波路パターニング密度の現象を生じてもよい。示される実施形態では、ダミー構造３－１０６は、ダミー構造の長さに沿ってテーパ幅を有し、これは、アレイ始端３－１０８からアレイ終端３－１１０まで、導波路パターニング密度の減少を増加させる。
示されるように、導波路３－１０４またはダミー構造３－１０６の輪郭の自身のそれぞれ長さに沿ったスロープによって測定され得るテーパの程度は、励起エネルギーのほぼ一様な分布を可能にするように変更されてよい。示される実施例では、ダミー構造３－１０６についてのテーパの程度は、導波路３－１０４についてのテーパの程度よりも急激である。導波路３－１０４は、ダミー構造３－１０６と同程度のテーパまたはダミー構造３－１０６よりも急激な程度のテーパを有してよいことが理解される。
導波路アレイ３－１００は、図２－３Ａ～図２－４Ｃに示される第１の方法と同様の方法、図２－５Ａ～図２－６Ｂに示される第２の方法と同様の方法、または第１の方法および第２の方法の工程の任意の適切な組合せにより作製されてよい。得られた導波路アレイ３－１００は、図２－２に示されるクラッド層２－１１２に類似するテーパ状クラッド層を有してよい。
いくつかの実施形態では、導波路およびダミー構造は、導波路のアレイにわたってほぼ一定のパターニングを提供するように、反対方向にテーパ状であってよい。図４－１は、いくつかの実施形態に係る、導波路アレイの概略平面図を示す。導波路アレイ４－１００は、アレイ始端４－１０８からアレイ終端４－１１０まで延びてよい。アレイ始端４－１０８は、距離がアレイ終端４－１１０よりも励起源に近くてよい。導波路アレイ４－１００は、導波路４－１０４と隣接する導波路４－１０４間に配置されているダミー構造４－１０６とを含んでよい。試料ウェル４－１０２は、導波路４－１０４の頂部に配置されてよい。ダミー構造４－１０６の頂部には、試料ウェルは存在しなくてよい。
いくつかの実施形態では、導波路アレイ４－１００は、図４－２Ａ～図４－２Ｂに示される方法により作製されてよい。図４－２Ａ～図４－２Ｂは、いくつかの実施形態に係る、「４－２」と印を付された線に沿った導波路アレイ４－１００の断面図である。
図４－２Ａ～図４－２Ｂに示される作製工程の前に、図２－３Ａおよび図２－４Ａに示される作製工程と同様に、導波路４－１０４およびダミー構造４－１０６は、導波路コア材料の層を基板上に堆積させ、リソグラフィおよびエッチングによって導波路コア材料の層をパターニングすることによって、作製されてよい。図２－３Ｂおよび図２－４Ｂに示される作製工程と同様に、クラッド層は、下部のパターニング密度とはほぼ独立した堆積処理（たとえば、ＰＥＣＶＤ）を用いて、導波路コア材料のパターニングされた層の頂部に堆積させられてよい。図２－３Ｃおよび図２－４Ｃに示される作製工程と同様に、クラッド層は、たとえば、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理を用いて、堆積したクラッド層を研磨／平坦化する前に形成されてよい。導波路アレイ４－１００がアレイにわたってほぼ一定のパターニングを有するように、研磨されたクラッド層はほぼ平坦な面を有してよい。
図４－２Ａに示される作製工程では、フォトレジスト層４－１４４は、研磨されたクラッド層４－１１６の頂部に堆積されてよく、フォトレジスト層４－１４４には、グレースケールリソグラフィ後にテーパ状の表面プロファイルが提供されてよい。図４－２Ｂに示される作製工程では、フォトレジスト層４－１４４のテーパ状の表面プロファイルは、非選択的エッチング後に、クラッド層４－１１２に移されてよい。得られた導波路アレイ４－１００は、図２－２に示されるクラッド層２－１１２に類似するテーパ状クラッド層を有してよい。
導波路アレイを作成する工程が記載されたが、作製工程は、任意の適切な組合せおよび／または任意の適切な順序により処理されてよく、本願明細書に追加される任意の他の適切な工程を有してよいことが理解される。
Ｃ．格子カプラ
図１－１に関連して論じられたように、集積デバイスは、格子カプラ、たとえば格子カプラ１－２１６を備えることができ、格子カプラは、光源から光を受け取り、試料ウェル・アレイと光学的に結合するように構成された導波路に対して光を向けるように構成される。本発明者らは、いくつかの格子カプラ構成が、デバイス内の他の光学部品に対する光のより高い結合効率、および入射光の角度に対するより広い許容度を含む、１つまたは複数の利点を、集積デバイスに対し提供することを認識して理解した。格子カプラは、材料で満たされたギャップによって分離された複数の材料構造、すなわち格子歯を含む。材料構造は、ギャップ材料（たとえば、窒化ケイ素で形成された材料構造、および酸化ケイ素で形成されたギャップ）よりも高い屈折率を有してよい。格子カプラの結合効率に影響し得るパラメータとしては、材料構造の幅、材料構造の数、ギャップの幅、およびギャップの幅に対する材料構造の幅の比である充填率がある。
いくつかの実施形態は、集積デバイスに入射する光を受け取るように構成されたアポダイズされた格子カプラを有する集積デバイスに関する。アポダイズされた格子カプラは、可変フィル・ファクタで互いに離間された材料構造を有することができる。いくつかの実施形態では、材料構造は、可変幅を有するギャップによって互いに離間され得る。いくつかの実施形態では、材料構造は可変幅を有することができる。
いくつかの実施形態は、集積デバイスの表面に実質的に平行な平面に対して非対称な材料構造を有する格子カプラに関する。いくつかの実施形態では、格子カプラは複数の層を有してよい。ブレーズド格子カプラは、格子カプラの組み合わせを含み、表面に近接する層は、別の層よりも幅が狭い材料構造を有する。いくつかの実施形態によれば、ブレーズド格子カプラは鋸歯材料構造を有することができる。２層格子カプラは、互いにオフセットされた２つの格子カプラの組み合わせを含む。
格子カプラによっては、所望の結合効率が達成され得る結合効率および入射角の範囲が、入射光の帯域幅に依存し得るが、ここで、格子カプラの性能は、より広い波長帯域で低下し得る。本発明者らは、材料構造の屈折率を変えることによって、より広い帯域に対応し、結果として広帯域格子カプラが得られることを認識して理解した。いくつかの実施形態では、回折格子の屈折率を制御するために複数の材料が使用されてよい。たとえば、酸化ケイ素および窒化ケイ素が格子カプラの格子構造を形成するために使用される場合、格子構造は、サブ波長要素（たとえば、２００ｎｍ未満）へと離散化されてよい。実効屈折率ｎｅｆｆは、両方の酸化ケイ素のフィリング・ファクタ、それぞれｆｏｘおよびｆＳｉＮ、ならびに酸化ケイ素の屈折率ｎｏｘおよび窒化ケイ素の屈折率ｎＳｉＮに依存し得る。具体的には、
Figure 2023511861000002
 である。
本願明細書に記載されるような構成を有する格子カプラは、任意の適切な数の導波路と結合してよく、１つまたは複数の方向に出力光を有してよいことが理解される。いくつかの実施形態では、格子カプラは、一方向に実質的に平行に複数の出力導波路を有することができる。
ＩＩＩ．システムの追加の態様
システムは、集積デバイスと、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とを備えることができる。集積デバイスは、ピクセルのアレイを備えることができ、ピクセルは、試料ウェル、および１つ以上の光検出器を備える。集積デバイスの表面は複数の試料ウェルを有することができ、試料ウェルは、集積デバイスの表面に置かれた試料から試料を受け入れるように構成される。試料は、複数の試料を含んでよく、いくつかの実施形態では、異なるタイプの試料を含んでよい。複数の試料ウェルは、試料ウェルの少なくとも一部が試料から１つの試料を受け入れるように適切なサイズおよび形状を有することができる。いくつかの実施形態では、ある試料ウェルは１つの試料を含み、他の試料ウェルは０または２つ以上の試料を含むように複数の試料ウェルの間で試料ウェル内の試料の数が分配され得る。
いくつかの実施形態では、試料は複数の一本鎖ＤＮＡ鋳型を含んでよく、集積デバイスの表面上の個々の試料ウェルは、配列決定鋳型を受け入れるような寸法および形状にされる。集積デバイスの複数の試料ウェルの少なくとも一部が配列決定鋳型を含むように、集積デバイスの複数の試料ウェルの間で配列決定鋳型が分配され得る。試料は、標識されたヌクレオチドを含むことができ、標識されたヌクレオチドは、次いで試料ウェルに入り、試料ウェル内の一本鎖ＤＮＡ鋳型に相補的なＤＮＡの鎖へと取り込まれるので、ヌクレオチドの同定が可能になり得る。そのような例では、「試料」は、配列決定鋳型とポリメラーゼによって現在取り込まれている標識されたヌクレオチドとの両方を指し得る。いくつかの実施形態では、試料は、配列決定鋳型を含むことができ、次いで、標識されたヌクレオチドは、試料ウェル内の相補的ストランドへとヌクレオチドが取り込まれるとき、試料ウェルに導入され得る。このように、ヌクレオチドの取り込みのタイミングは、標識されたヌクレオチドが集積デバイスの試料ウェルにいつ導入されるかによって制御され得る。
励起光は、集積デバイスのピクセル・アレイと離れて位置する励起源から供給される。励起光は、少なくとも部分的に集積デバイスの要素によって１つまたは複数のピクセルへ向けられて、試料ウェル内の照射領域を照射する。そして、マーカは、照射領域内に位置するとき、励起光が照射されることに反応して放出光を放出することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の励起源はシステムの機器の一部であり、機器および集積デバイスの構成要素は、励起光を１つまたは複数のピクセルへ向けるように構成される。
試料によって放出された放出光は、次いで、集積デバイスのピクセル内の１つまたは複数の光検出器によって検出され得る。検出された放出光の特性は、その放出光に関連付けられたマーカを識別するための指標を提供することができる。そのような特性は、光検出器によって検出された光子の到着時間、光検出器によって時間の経過と共に蓄積された光子の量、および／または２つ以上の光検出器にわたる光子の分布を含む、任意の適切なタイプの特性を含み得る。いくつかの実施形態では、光検出器は、試料の放出光に関連付けられた１つまたは複数のタイミング特性（たとえば、蛍光寿命）の検出を可能にする構成を有することができる。光検出器は、励起光のパルスが集積デバイスを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、試料の放出光のタイミング特性の指標（たとえば、蛍光寿命の代わり）を提供することができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の光検出器が、マーカにより放出された放出光の確率の指標（たとえば、蛍光強度）を提供する。いくつかの実施形態では、複数の光検出器が放出光の空間分布を捉えるように寸法設定され配列されてよい。次いで、複数のマーカのうちからマーカを区別するために、１つまたは複数の光検出器からの出力信号が使用されてよく、複数のマーカは、試料内の試料を同定するために使用されてよい。いくつかの実施形態では、試料は複数の励起エネルギーによって励起されてよく、それら複数の励起エネルギーに反応して試料によって放出される放出光および／またはそれら放出光のタイミング特性により、複数のマーカのうちからマーカが区別されてよい。
システム５－１００の概略図が図５－１Ａに示される。システムは、機器５－１０４と共にインターフェースする集積デバイス５－１０２を両方備える。いくつかの実施形態では、機器５－１０４は、機器５－１０４の一部として統合される１つまたは複数の励起源５－１０６を含んでよい。いくつかの実施形態では、励起源は、機器５－１０４および集積デバイス５－１０２の両方の外部としてよく、機器５－１０４は、励起源から励起光を受け取り、励起光を集積デバイスに向けるように構成されてよい。集積デバイスは、集積デバイスを受け入れる励起源と正確に光学的に整列させて集積デバイスを保持するための任意の適切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され得る。図５－１Ａに概略的に示されるように、集積デバイス５－１０２は、複数のピクセル５－１１２を有し、ピクセルの少なくとも一部は、試料の独立した分析を実行し得る。そのようなピクセル５－１１２は、ピクセルがそのピクセルから離れた光源５－１０６から励起光を受け取り、光源からの励起光がピクセル５－１１２の一部または全部を励起するので、「受動源ピクセル」と呼ばれることがある。励起源５－１０６は、任意の適切な光源であってよい。適切な励起源の例は、「分子の探索、検出、および分析のための集積装デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ， ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ）」という名称の２０１５年８月７日に出願された米国特許出願第１４／８２１，６８８号（その全体が参照により組み込まれる）に説明されている。いくつかの実施形態では、励起源５－１０６は、集積デバイス５－１０２に励起光を送達するために組み合わさ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され得る。
ピクセル５－１１２は、試料を受け入れるように構成された試料ウェル５－１０８と、励起源５－１０６により提供される励起光で試料を照射することに応答して試料により放出される放出光を検出するための光検出器５－１１０とを有する。いくつかの実施形態では、試料ウェル５－１０８は、集積デバイス５－１０２の表面に近接して試料を保持することができ、それにより、試料への励起光の送達および試料からの放出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に結合し、励起光を試料ウェル５－１０８へ導くための光学要素が、集積デバイス５－１０２と機器５－１０４との両方に配置される。励起源からウェルへの光学要素は、集積デバイス５－１０２上に位置して励起光を集積デバイスに結合する１つまたは複数の格子カプラと、機器５－１０４からピクセル５－１１２内の試料ウェルに励起光を送達するための導波路とを含むことができる。１つまたは複数の光スプリッタ要素が格子カプラと導波路との間に配置され得る。光スプリッタは、格子カプラからの励起光を結合して導波路のうちの１つ以上に励起光を送達することができる。いくつかの実施形態では、光スプリッタは、各導波路が実質的に同様の量の励起光を受け取るように、すべての導波路にわたって実質的に均一な励起光の送達を可能にする構成を有することができる。そのような実施形態は、集積デバイスの試料ウェル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。
試料ウェル５－１０８、励起源からウェルへの光学部品の一部、および試料ウェルから光検出器への光学部品は、集積デバイス５－１０２に位置する。励起源５－１０６、および励起源からウェルへの構成要素の一部は、機器５－１０４に位置する。いくつかの実施形態では、単一の構成要素が、励起光を試料ウェル５－１０８に結合することと、試料ウェル５－１０８からの放出光を光検出器５－１１０に送達することとの両方の役割を果たすことができる。励起光を試料ウェルに結合するため、および／または放出光を光検出器へ向けるための、集積デバイスに備えるのに適切な構成要素の例は、「分子の探索、検出、および分析のための集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ， ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ）」という名称の２０１５年８月７日に出願された米国特許出願第１４／８２１，６８８号、および「分子の探索、検出、および分析のための、外部光源を備えた集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＥＸＴＥＲＮＡＬ ＬＩＧＨＴ ＳＯＵＲＣＥ ＦＯＲ ＰＲＯＢＩＮＧ， ＤＥＴＥＣＴＩＮＧ， ＡＮＤ ＡＮＡＬＹＺＩＮＧ ＭＯＬＥＣＵＬＥＳ）」という名称の２０１４年１１月１７日に出願された米国特許出願第１４／５４３，８６５号に説明されており、それぞれをその全体において本願明細書に援用する。
ピクセル５－１１２は、それ自体の個々の試料ウェル５－１０８および１つ以上の光検出器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、任意の適切な形状、サイズ、および／または寸法を有するように配列され得る。集積デバイス５－１０２は、任意の適切な数のピクセルを有することができる。集積デバイス２－１０２内のピクセルの数は、およそ１０，０００ピクセルから１，０００，０００ピクセルの範囲内、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であってよい。いくつかの実施形態では、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列され得る。集積デバイス５－１０２は、任意の適切な様式で機器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では、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、したがって、ユーザは、集積デバイス５－１０２を機器５－１０４に取り付けて集積デバイス５－１０２を使用して試料を分析すること、および集積デバイス５－１０２を機器５－１０４から取り外して別の集積デバイスを取り付けられるようにすることができる。機器５－１０４のインターフェースは、機器５－１０４の回路と結合するように集積デバイス５－１０２を配置し、１つまたは複数の光検出器からの読み出し信号が機器５－１０４に対し送信され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（たとえば、１０，０００超ピクセルの）ピクセル・アレイに関連付けられたデータを扱うために、マルチチャネル高速通信リンクを備えることができる。
ピクセル５－１１２の行を示す集積デバイス５－１０２の断面概略図が図５－１Ｂに示される。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を備えることができる。ピクセル領域５－２０３は、励起光（破線矢印で示される）が集積デバイス５－１０２に結合する結合領域５－２０１とは別の位置の表面に配置された試料ウェル５－１０８を有する複数のピクセル５－１１２を含むことができる。試料ウェル５－１０８は、金属層５－１１６を貫通して形成されてよい。点線の矩形で示される１つのピクセル５－１１２は、試料ウェル５－１０８と、１つまたは複数の光検出器５－１１０を有する光検出器領域とを備える集積デバイス５－１０２の領域である。
図５－１Ｂは、励起光のビームを結合領域５－２０１に対し、および試料ウェル５－１０８に対し結合することによる励起の経路（破線で示される）を示す。図５－１Ｂに示される試料ウェル５－１０８の行は、導波路５－２２０に光学的に結合するように配置され得る。励起光は、試料ウェル内に位置する試料を照射することができる。試料は、励起光により照射されることに反応して励起状態に達することができる。試料が励起状態にあるとき、試料は、試料ウェルに関連付けられた１つまたは複数の光検出器によって検出され得る放出光を放出することができる。図５－１Ｂは、試料ウェル５－１０８からピクセル５－１１２の光検出器５－１１０までの放出光の経路（実線として示される）を概略的に示す。ピクセル５－１１２の光検出器５－１１０は、試料ウェル５－１０８からの放出光を検出するように構成および配置され得る。適切な光検出器の例は、全体において本願明細書に援用する「受け取られた光子の時間ビニングのための集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＴＥＭＰＯＲＡＬ ＢＩＮＮＩＮＧ ＯＦ ＲＥＣＥＩＶＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ）」という名称の米国特許出願第１４／８２１，６５６号に説明されている。適切な光検出器のさらなる例は、「直接ビニングピクセルを備える集積光検出器（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＤＩＲＥＣＴ ＢＩＮＮＩＮＧ ＰＩＸＥＬ）」という名称の２０１７年１２月２２日に出願された米国特許出願第１５／８５２，５７１号（その全体が参照により組み込まれる）に説明されている。個々のピクセル５－１１２について、試料ウェル５－１０８およびそのそれぞれの光検出器５－１１０が、共通軸に沿って（図５－１Ｂに示されるｙ方向に沿って）整列され得る。このようにして、光検出器はピクセル５－１１２内の試料ウェルと重なることができる。
試料ウェル５－１０８からの放出光の方向性は、金属層５－１１６が放出光を反射するように作用し得るので、金属層５－１１６に対する試料ウェル５－１０８内の試料の配置に依存することがある。このように、金属層５－１１６と、試料ウェル５－１０８内に配置される蛍光マーカとの間の距離は、蛍光マーカにより放出される光を検出するための、試料ウェルと同じピクセル内にある光検出器１－１１０の効率に影響することがある。金属層５－１１６と、試料が動作中に位置決めされることができる場所に近接する、試料ウェル５－１０６の底面との間の距離は、１００ｎｍから５００ｎｍの範囲、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であってよい。いくつかの実施形態では、金属層５－１１６と試料ウェル５－１０８の底面との間の距離は約３００ｎｍである。
試料と光検出器との間の距離は、放出光を検出する効率にも影響を与える可能性がある。試料と光検出器との間で光が移動しなければならない距離を減少させることにより、放出光の検出効率が改善され得る。また、試料と光検出器との間の距離がより小さいと、ピクセルは集積デバイスのより小さい面積のフットプリントを占めることができ、これにより、より多くのピクセルが集積デバイスに含まれることを可能にし得る。試料ウェル５－１０８の底面と光検出器との間の距離は、１μｍから１５μｍの範囲、またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲であってよい。
フォトニック構造５－２３０が、試料ウェル５－１０８と光検出器５－１１０との間に配置され、さもなければ放出光を検出する際に信号ノイズに寄与する可能性がある励起光の光検出器５－１１０への到達を低減または防止するように構成され得る。図５－１Ｂに示されるように、１つまたは複数のフォトニック構造５－２３０は、導波路５－２２０と光検出器５－１１０との間に配置され得る。フォトニック構造５－２３０は、スペクトル・フィルタ、偏光フィルタ、および空間フィルタを含む１つまたは複数の光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、個々の試料ウェル５－１０８およびそれぞれの光検出器５－１１０と整列するように配置され得る。いくつかの実施形態によれば、集積デバイス５－１０２のための回路として作用できる金属層５－２４０が空間フィルタとして作用することもできる。そのような実施形態では、１つまたは複数の金属層５－２４０は、一部またはすべての励起光が光検出器５－１１０に到達することを阻止するように配置され得る。
結合領域５－２０１は、外部励起源からの励起光を結合するように構成されている１つまたは複数の光学構成要素を備えることができる。結合領域５－２０１は、励起光のビームの一部またはすべてを受け取るように配置された格子カプラ５－２１６を備えることができる。適切な格子カプラの例は、「光カプラおよび導波路システム（ＯＰＴＩＣＡＬ ＣＯＵＰＬＥＲ ＡＮＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＳＹＳＴＥＭ）」という名称の２０１７年１２月１５日に出願された米国特許出願第１５／８４４，４０３号（その全体が参照により組み込まれる）に説明されている。格子カプラ５－２１６は、励起光を１つまたは複数の試料ウェル５－１０８の近傍に伝播させるように構成され得る導波路５－２２０に励起光を結合することができる。代替的には、結合領域５－２０１は、光を導波路へと結合する他の周知の構造を備えてよい。
集積デバイスから離れて位置する構成要素を使用して、集積デバイスに対して励起源５－１０６を配置し整列させることができる。そのような構成要素は、レンズ、鏡、プリズム、窓、アパーチャ、減衰器、および／または光ファイバを含む光学構成要素を含み得る。追加的な機械的構成要素が、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まれてよい。そのような機械的構成要素は、アクチュエータ、ステッパモータ、および／またはノブを含み得る。適切な励起源および位置合わせ機構の例は、「パルスレーザーおよびシステム（ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭ）」という名称の２０１６年５月２０日に出願された米国特許出願第１５／１６１，０８８号（その全体が参照により組み込まれる）に説明されている。ビーム・ステアリング・モジュールの別の例は、「コンパクトなビーム成形およびステアリングアセンブリ（ＣＯＭＰＡＣＴ ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＩＮＧ ＡＮＤ ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＡＳＳＥＭＢＬＹ）」という名称の２０１７年１２月１４日に出願された米国特許出願第１５／８４２，７２０号（その全体が参照により組み込まれる）に説明されている。
分析される試料は、ピクセル５－１１２の試料ウェル５－１０８へと導入されてよい。試料は、生物学的試料、または化学的試料などの任意の他の適切な試料であり得る。試料は、複数の分子を含むことができ、試料ウェルは、単一の分子を分離するように構成され得る。いくつかの例では、試料ウェルの寸法は、単一の分子を試料ウェル内に閉じ込めるように作用することができ、単一の分子に対して測定を行うことを可能にする。励起光は、試料が試料ウェル５－１０８内の照射領域内にある間に、試料、または試料に付着されもしくは別様に関連付けられた１つ以上の蛍光マーカを励起するように、試料ウェル５－１０８へと送達され得る。
動作時に、励起光を使用してウェル内の試料の一部またはすべてを励起し、光検出器により試料発光から信号を検出することによって、試料ウェル内の試料の並列分析が行われる。試料からの放出光は、対応する光検出器によって検出され、１つ以上の電気信号に変換され得る。電気信号は、集積デバイスの回路における伝導線（たとえば、金属層５－２４０）に沿って伝達されてよく、伝導線は、集積デバイスとインターフェースする機器に接続されてよい。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する適切なコンピューティング・デバイスで行うことができる。
機器５－１０４は、機器５－１０４および／または集積デバイス５－１０２の動作を制御するためにユーザ・インターフェースを備えることができる。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へと入力することを可能にするように構成され得る。いくつかの実施形態では、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、音声コマンド用のマイクを含み得る。ユーザ・インターフェースは、適切な位置合わせおよび／または集積デバイス上の光検出器からの読み出し信号によって得られる情報など、機器および／または集積デバイスの性能に関するフィードバックを、ユーザが受け取ることを可能にし得る。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェースは、可聴フィードバックを提供するためにスピーカを使用してフィードバックすることができる。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェースは、ユーザに視覚的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画面を含むことができる。
いくつかの実施形態では、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、ＦｉｒｅＷｉｒｅ（登録商標）インターフェース、または任意の他の適切なコンピュータ・インターフェースであり得る。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であり得る。いくつかの実施形態では、コンピューティング・デバイスは、適切なコンピュータ・インターフェースを用いて無線ネットワークを介してアクセス可能なサーバ（たとえば、クラウドベースのサーバ）であってよい。コンピュータ・インターフェースは、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は、コンピューティング・デバイスに対し提供されコンピュータ・インターフェースを介して機器５－１０４に対し送信され得る。機器５－１０４によって生成された出力情報は、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得る。出力情報は、機器５－１０４の性能、集積デバイス５－１１２の性能、および／または光検出器５－１１０の読み出し信号から生成されたデータに関するフィードバックを含み得る。
いくつかの実施形態では、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け取られたデータを分析し、および／または制御信号を励起源５－１０６に送信するように構成された処理デバイスを備えることができる。いくつかの実施形態では、処理デバイスは、汎用プロセッサ、および特別に適合されたプロセッサ（たとえば、１つもしく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装置（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）、またはこれらの組み合わせ）を含み得る。いくつかの実施形態では、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の処理デバイスと外部コンピューティング・デバイスとの両方によって実行され得る。他の実施形態では、外部コンピューティング・デバイスは省略されてよく、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実行され得る。
試料ウェル５－３３０内で行われる生物学的反応の非限定的例が図５－２に示される。この例では、標的核酸に対して相補的である伸長鎖へのヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体の連続的な取り込みが試料ウェルにおいて行われている。一連の核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）を配列決定するために連続的取り込みが検出され得る。試料ウェルは、約１５０ｎｍから約５００ｎｍの範囲内またはその範囲内の任意の値もしくは値の範囲の深さと、約８０ｎｍから約２００ｎｍの範囲内の直径とを有し得る。隣接する試料ウェルおよび他の望ましくない光源からの迷光をブロックするアパーチャを設けるために、光検出器の上方に金属化層５－５４０（たとえば、基準電位のための金属化）がパターニングされ得る。いくつかの実施形態によれば、ポリメラーゼ５－５２０が試料ウェル５－３３０内に位置し（たとえば、試料ウェルの基部に付着され）得る。ポリメラーゼは、標的核酸（たとえば、ＤＮＡに由来する核酸の一部）を取り込み、相補的な核酸の伸長鎖を配列決定してＤＮＡ５－５１２の伸長鎖を生成することができる。異なるフルオロフォアで標識されたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体は、試料ウェル上方および試料ウェル内の溶液中に分散され得る。
図５－３に示されるように、標識されたヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体５－６１０が相補的な核酸の伸長鎖へと取り込まれると、１つまたは複数の付着されたフルオロフォア５－６３０が、導波路５－３１５から試料ウェル５－３３０に結合された光エネルギーのパルスによって繰り返し励起され得る。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のフルオロフォア５－６３０は、任意の適切なリンカ５－６２０を用いて１つまたは複数のヌクレオチドおよび／またはヌクレオチド類似体５－６１０に付着され得る。取り込み事象は、最大約１００ｍｓの期間で継続し得る。この時間中に、モード・ロック・レーザからのパルスによってフルオロフォアの励起でもたらされる蛍光発光のパルスが時間ビニング光検出器５－３２２を用いて検出され得る。ＤＮＡ５－５１２のストランドが核酸を取り込み、ＤＮＡの伸長鎖のヌクレオチド配列を決定することを可能にする間に、異なる発光特性（たとえば、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、異なる発光特性を検出および識別することによって。
いくつかの実施形態によれば、蛍光発光特性に基づいて試料を分析するように構成された機器５－１０４は、異なる蛍光分子間の蛍光寿命の差および／もしくは強度の差、ならびに／または異なる環境における同じ蛍光分子の寿命の差および／もしくは強度の差を検出することができる。説明として、図５－４は、たとえば、２つの異なる蛍光分子からの蛍光発光を表し得る、２つの異なる蛍光発光確率曲線（ＡおよびＢ）をプロットする。曲線Ａ（破線）を参照すると、短または超短光パルスによって励起された後、第１の分子からの蛍光発光の確率ｐＡ（ｔ）は、図示されるように時間と共に減衰し得る。いくつかの事例では、光子が経時的に放出される確率の低下は、指数減衰関数
Figure 2023511861000003
 によって表すことができ、ここで、ＰＡ０は初期発光確率であり、τＡは、発光減衰確率を特徴付ける第１の蛍光分子に関連付けられた時間パラメータである。τＡは、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「発光寿命」または「寿命」と称され得る。いくつかの事例では、τＡの値は、蛍光分子の局所環境によって変更され得る。他の蛍光分子は、曲線Ａに示されたものとは異なる発光特性を有してよい。たとえば、他の蛍光分子は、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ことがあり、その寿命は、半減期値または何らかの他の測定基準によって特徴付けられ得る。
第２の蛍光分子は、図５－４の曲線Ｂで示されるように、指数関数的であるが測定可能で異なる寿命τＢを有する減衰プロファイルを有することができる。図示されている例では、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、発光の確率は、第２の分子の励起直後では曲線Ａの場合よりも高い。いくつかの実施形態では、異なる蛍光分子は、約０．１ｎｓから約２０ｎｓの範囲の寿命または半減期値を有し得る。
本発明者らは、異なる蛍光分子の有無を判別し、および／または蛍光分子がさらされる異なる環境または条件を判別するために、蛍光発光寿命の差が使用され得ることを認識して理解した。いくつかの事例では、寿命（たとえば、発光波長ではなく）に基づいて蛍光分子を判別することによって、機器５－１０４の態様を単純化することができる。例として、寿命に基づいて蛍光分子を判別する場合、波長弁別光学系（波長フィルタ、波長毎の専用検出器、異なる波長における専用パルス光源、および／または回折光学系）の数を減らすか、またはそれらを取り除くことができる。いくつかの事例では、光学スペクトルの同じ波長領域内で発光する蛍光分子であるが、測定可能な異なる寿命を有する異なる蛍光分子を励起するために、単一の固有波長で動作する単一のパルス光源が使用され得る。同じ波長領域内で発光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複数の光源ではなく単一のパルス光源を使用する分析システムは、動作およびメンテナンスの複雑さが低減され、よりコンパクトにすることができ、より低コストで製造され得る。
蛍光寿命分析に基づく分析システムは、特定の利点を有することができるが、分析システムによって得られる情報の量および／または検出精度は、追加的な検出技術を可能にすることによって向上され得る。たとえば、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試料の１つまたは複数の特性を判別するようにさらに構成され得る。
図５－４を再び参照すると、いくつかの実施形態によれば、蛍光分子の励起の後の蛍光発光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、異なる蛍光寿命が区別され得る。時間ビニングは、光検出器の単一の電荷蓄積サイクル中に発生し得る。電荷蓄積サイクルは、光生成キャリアが時間ビニング光検出器のビンに蓄積される、読み出し事象の間の間隔である。発光事象の時間ビニングによって蛍光寿命を決定する概念が図５－５にグラフで紹介される。ｔ１の直前の時刻ｔｅにおいて、蛍光分子または同じタイプ（たとえば、図５－４の曲線Ｂに対応するタイプ）の蛍光分子の集合が、短または超短光パルスによって励起される。分子の大きい集合の場合、発光の強度は、図５－５に示されるように曲線Ｂと同様の時間プロファイルを有し得る。
しかしながら、単一の分子または少数の分子の場合、蛍光光子の放出は、この例では、図５－４の曲線Ｂの統計値に従って生じる。時間ビニング光検出器５－３２２は、発光事象から発生したキャリアを、蛍光分子の励起時間に関して時間分解された個別の時間ビン（図５－５には３つが示されている）に蓄積することができる。多数の発光事象が合計される場合、時間ビンに蓄積されたキャリアは、図５－５に示される減衰強度曲線を近似することができ、ビニングされた信号を使用して、異なる蛍光分子または蛍光分子が位置する異なる環境を区別することができる。時間ビニング光検出器の例は、全体において本願明細書に援用する「受け取られた光子の時間ビニングのための集積デバイス（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＤＥＶＩＣＥ ＦＯＲ ＴＥＭＰＯＲＡＬ ＢＩＮＮＩＮＧ ＯＦ ＲＥＣＥＩＶＥＤ ＰＨＯＴＯＮＳ）」という名称の２０１５年８月７日に出願された米国特許出願第１４／８２１，６５６号に説明されている。時間ビニング光検出器のさらなる例は、全体において本願明細書に援用する「直接ビニングピクセルを備える集積光検出器（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＤＩＲＥＣＴ ＢＩＮＮＩＮＧ ＰＩＸＥＬ）」という名称の２０１７年１２月２２日に出願された米国特許出願第１５／８５２，５７１号に説明されている。
いくつかの実施形態では、時間ビニング光検出器は、光子吸収／キャリア発生領域において電荷キャリアを発生させ、電荷キャリアを、電荷キャリア貯蔵領域内の電荷キャリア貯蔵ビンに対して直接移送することができる。そのような時間ビニング光検出器は「直接ビニングピクセル」と呼ばれることがある。直接ビニングピクセルの例は、「直接ビニングピクセルを備える集積光検出器（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＤＩＲＥＣＴ ＢＩＮＮＩＮＧ ＰＩＸＥＬ）」という名称の２０１７年１２月２２日に出願された米国特許出願第１５／８５２，５７１号（その全体が本願明細書に組み込まれる）に説明されている。説明のため、時間ビニング光検出器の非限定的な実施形態が図５－６に示されている。図５－６に示されるように、時間ビニング光検出器５－９５０は、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２、電荷キャリア貯蔵領域５－９５８のビン、および電荷キャリア貯蔵領域５－９５８のビンから信号を読み出す読み出し回路５－９６０を備える。電荷キャリアが移送される先のビンは、電荷キャリアを生成する光子吸収／キャリア発生領域５－９５２における光子の到着時間に基づく。図５－６は、電荷キャリア貯蔵領域５－９５８における２つのビン、すなわちビン０およびビン１を有する時間ビニング光検出器の例を示している。いくつかの事例では、ビン０は、トリガ事象（たとえば、励起光のパルス）後の１つの期間において受け取られる電荷キャリアを集約することができ、ビン１は、トリガ事象に対して後の時間期間において受け取られる電荷キャリアを集約することができる。しかしながら、電荷貯蔵領域５－９５８は、１個のビン、３個のビン、４個のビンまたはそれより多数といった任意の数のビンを有することができる。時間ビニング光検出器５－９５０は、電圧を印加して電位勾配を確立して電荷キャリアを方向付けるように構成され得る電極５－９５３、５－９５５、および５－９５６を備えることができる。時間ビニング光検出器５－９５０は、除去領域５－９６５を備えることができ、除去領域５－９６５は、ドレインとして作用し得るか、または光子吸収／キャリア発生領域５－９５２において生成される電荷キャリアを廃棄するように構成され得る。電荷キャリアが除去領域５－９６５によって除去される時間期間は、励起光パルスなどのトリガ事象中に生じるようにタイミングを取ることができる。
励起光パルスは、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２においていくつかの望ましくない電荷キャリアを生成する可能性があるので、電位勾配がピクセル５－９５０において確立され、除去期間中にそのような電荷キャリアを除去領域５－９６５に排出することができる。例として、除去領域５－９６５は、電子が供給電圧に排出される高電位拡散エリアを含むことができる。除去領域５－９６５は、領域５－９５２を除去領域５－９６５に対し直接的に電荷結合する電極５－９５６を備えることができる。電極５－９５６の電圧は、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２において所望の電位勾配を確立するように変化され得る。除去期間中に、電極５－９５６の電圧は、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２から電極５－９５６へとキャリアを引き込み、供給電圧へ出すレベルに設定することができる。たとえば、電極５－９５６の電圧は、電子が光子吸収／キャリア発生領域５－９５２から除去領域５－９６５に引き離されるように、正の電圧に設定されて電子を引き付けることができる。除去領域５－９６５は、キャリアを領域５－９５２からドレインへ横方向に移送することを可能にするので、「横方向除去領域」とみなされ得る。
除去期間の後、光子吸収／キャリア生成領域５－９５２で生成された光生成電荷キャリアは、時間ビンニングされ得る。個々の電荷キャリアは、到着時間に基づいてビンに向けられ得る。そうするために、光子吸収／キャリア生成領域５－９５２と電荷キャリア蓄積領域５－９５８との間の電位は、それぞれの時間期間に変化されて、光生成された電荷キャリアをそれぞれの時間ビンに向けさせる電位勾配を確立し得る。たとえば、第１の時間期間中に、電極５－９５３により形成された障壁５－９６２が下げられてよく、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２からビン０への電位勾配が確立されてよく、したがって、この期間中に生成されたキャリアがビン０に対して移送される。次いで、第２の時間期間中に、電極５－９５５により形成された障壁５－９６４が下げられてよく、光子吸収／キャリア発生領域５－９５２からビン１への電位勾配が確立されてよく、したがって、後のこの期間中に発生するキャリアがビン１に対して移送される。
いくつかの実装形態では、図５－７Ａにて示されるように、平均して単一の光子のみが励起事象後にフルオロフォアから放出され得る。時点ｔｅ１における第１の励起事象の後に、時点ｔｆ１における放出される光子は、第１の時間間隔内で生じることができ、結果として生じる電子信号は第１の電子貯蔵ビンに蓄積される（ビン１に寄与する）。時点ｔｅ２における後続の励起事象において、時点ｔｆ２における放出される光子は、第２の時間間隔内で生じることができ、結果として生じる電子信号はビン２に寄与する。
多数の励起事象および信号蓄積の後、時間ビニング光検出器５－３２２の電子貯蔵ビンが読み出され、試料ウェルの多値信号（たとえば、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速度に依存し得る。たとえば、図５－４を再び参照すると、減衰曲線Ｂを有するフルオロフォアは、減衰曲線Ａを有するフルオロフォアよりも、ビン１からビン２においてより高い信号の比を有している。ビンからの値が分析され、較正値に対しておよび／または互いに比較されて、特定のフルオロフォアを決定することができ、次いで、これにより、試料ウェル内にあるときにフルオロフォアに対し結合されるヌクレオチドもしくはヌクレオチド類似体（または、対象の任意の他の分子もしくは試料）を同定する。
信号分析の理解をさらに助けるために、蓄積されたマルチビン値が、たとえば図５－７Ｂに示されるようにヒストグラムとしてプロットされ得るか、またはＮ次元空間内のベクトルもしくは位置として記録され得る。較正の実行を別個に行って、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に結合された４つの異なるフルオロフォアの多値信号（たとえば、較正ヒストグラム）の較正値を取得することができる。例として、較正ヒストグラムは、図５－８Ａ（Ｔヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、図５－８Ｂ（Ａヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、図５－８Ｃ（Ｃヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）、および図５－８Ｄ（Ｇヌクレオチドに関連付けられた蛍光標識）に示されるように現れ得る。測定された多値信号（図５－７Ｂのヒストグラムに対応する）の較正多値信号との比較によって、ＤＮＡの伸長鎖へと取り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５－８Ａ）を決定することができる。
いくつかの実装形態では、異なるフルオロフォアを区別するために、蛍光強度が追加的または代替的に使用され得る。たとえば、フルオロフォアによっては、それらの減衰率が類似し得る場合であっても、大きく異なる強度で発光することがあり、またはそれらの励起確率に大きな差（たとえば、少なくとも約３５％の差）を有することがある。測定された励起光ビン０に対して、ビニングされた信号（ビン１～３）を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が可能であり得る。
いくつかの実施形態では、同じタイプの異なる数のフルオロフォアが、異なるヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に結合され得るため、ヌクレオチドが蛍光強度に基づいて同定されることが可能である。たとえば、２つのフルオロフォアが第１のヌクレオチド（たとえば「Ｃ」）またはヌクレオチド類似体に結合され、４つ以上のフルオロフォアが第２のヌクレオチド（たとえば「Ｔ」）またはヌクレオチド類似体に結合され得る。フルオロフォアの数が異なるため、異なるヌクレオチドに関連付けられた異なる励起およびフルオロフォア発光確率があり得る。たとえば、信号蓄積間隔中に「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発光事象があり、そのため、これらのビンの見かけの強度が「Ｃ」ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体よりも大幅に高いことがある。
本発明者らは、フルオロフォアの減衰率および／またはフルオロフォアの強度に基づいてヌクレオチドまたは任意の他の生物学的もしくは化学的試料を区別することにより、機器５－１０４における光励起および検出システムの単純化を可能にすることを認識して理解した。たとえば、光励起は、単一波長源（たとえば、複数の光源または複数の異なる固有波長で動作する光源ではなく、１つの固有波長を生成する光源）を用いて実施されてよい。また、波長弁別光学系およびフィルタが検出システムにおいて必要とされないことがある。また、単一の光検出器を各試料ウェルに使用して、異なるフルオロフォアからの発光を検出してもよい。
「固有波長」または「波長」という語句は、限定された放射帯域幅内の中心波長または主波長（たとえば、パルス光源により出力された２０ｎｍ帯域幅内の中心波長またはピーク波長）を指すために使用される。いくつかの事例では、「固有波長」または「波長」は、光源により出力される放射の全帯域幅内のピーク波長を指すために使用され得る。
本発明者らは、約５６０ｎｍと約９００ｎｍの間の範囲の発光波長を有するフルオロフォアが、時間ビニング光検出器（ＣＭＯＳプロセスを使用してシリコン・ウェハ上に製造され得る）によって検出されるのに十分な量の蛍光発光を提供できることを認識して理解した。これらのフルオロフォアは、ヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体などの対象とする生体分子に結合され得る。この波長範囲の蛍光発光は、シリコンベースの光検出器において、より長い波長の蛍光発光よりも高い応答性で検出され得る。また、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たリンカは、ＤＮＡの伸長鎖へのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の取り込みに干渉しないものであり得る。また、本発明者らは、約５６０ｎｍから約６６０ｎｍの範囲の発光波長を有するフルオロフォアが単一波長源を用いて光励起され得ることを認識して理解した。この範囲内の例示的なフルオロフォアは、マサチューセッツ州ウォルサム（Ｗａｌｔｈａｍ）所在のサーモフィッシャーサイエンティフィックインコーポレイテッド社（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｃ．）から入手可能なＡｌｅｘａ Ｆｌｕｏｒ ６４７である。また、本発明者らは、より短い波長（たとえば、約５００ｎｍと約６５０ｎｍの間）の励起光が、約５６０ｎｍと約９００ｎｍの間の波長で発光するフルオロフォアを励起するために必要とされ得ることを認識して理解した。いくつかの実施形態では、時間ビニング光検出器は、たとえば、Ｇｅのような他の材料を光検出器活性領域へと組み込むことによって、試料からのより長い波長の発光を効率的に検出することができる。
いくつかの実施形態では、試料は１つまたは複数のマーカで標識されることができ、マーカに関連付けられた発光が機器によって判別可能となる。たとえば、光検出器は、放出光からの光子を電子へと変換して、特定のマーカからの放出光に依存する寿命を判別するために使用され得る電気信号を形成するように構成され得る。異なる寿命のマーカを使用して試料を標識することにより、その結果生じて光検出器によって検出される電気信号に基づいて、特定の試料が同定され得る。
試料は、複数のタイプの分子を含むことができ、異なる発光マーカは一意に分子タイプと関連し得る。発光マーカは、励起中または励起後に放出光を放出し得る。放出光の１つまたは複数の特性が、試料中の１つまたは複数のタイプの分子を同定するために使用され得る。分子のタイプを区別するために使用される放出光の特性は、蛍光寿命値、強度、および／または発光波長を含み得る。光検出器は、光子（放出光の光子を含む）を検出し、これらの特性のうちの１つまたは複数を示す電気信号を提供し得る。いくつかの実施形態では、光検出器からの電気信号が、１つまたは複数の時間間隔にわたる光子到着時間の分布に関する情報を提供することができる。光子到着時間の分布は、励起光のパルスが励起源によって放出された後に光子が検出されるときに対応し得る。時間間隔についての値は、その時間間隔中に検出された光子の数に対応し得る。複数の時間間隔にわたる相対値は、放出光の時間的特徴の指標（たとえば、寿命）を提供することができる。試料を分析することは、分布内の２つ以上の異なる時間間隔についての値を比較することによって、マーカを区別することを含むことができる。いくつかの実施形態では、強度の指標は、分布内のすべての時間ビンにわたる光子の数を決定することによって提供され得る。
ＩＶ．結論
このように本出願の技術のいくつかの態様および実施形態を説明したが、当業者には種々の変更、修正、および改良が容易に想到されることが理解される。そのような変更、修正、および改良は、本出願に記載された技術の趣旨および範囲内であることが意図されている。したがって、上述の実施形態は例示としてのみ提示され、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、発明の実施形態は、具体的に説明されたのと異なる態様で実施され得ることが理解される。また、本願明細書に記載された２つ以上の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しなければ、本開示の発明の範囲内に含まれる。
また、説明されたように、いくつかの態様は１つまたは複数の方法として具現化され得る。方法の一部として実施される動作は、任意の適切な方法で順序付けられてよい。したがって、動作が例示されたのとは異なる順序で実施される実施形態が構成されてよく、これは、例示的な実施形態において連続的動作として示されたとしても、同時にいくつかの動作を実施することを含み得る。
本願明細書で規定されおよび使用されるすべての定義は、辞書の定義、本願明細書に援用する文献における定義、および／または定義された用語の通常の意味に優先するものとして理解される。
本願明細書および特許請求の範囲で使用される「１つ」（不定冠詞「ａ」および「ａｎ」）は、明確に異なる指示がない限り、「１つ以上」を意味するものと理解される。
本願明細書および特許請求の範囲で使用される「および／または」という語句は、そのように結合された要素、すなわち、いくつかの事例では連言的に存在し他の事例では選言的に存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味するものと理解される。
本願明細書および特許請求の範囲で使用される場合、１つまたは複数の要素のリストを参照する「１つ以上」という語句は、要素のリストにおける要素の任意の１つまたは複数から選択される１つ以上の要素を意味するが、要素のリスト内に具体的に挙げられたすべての要素の１つ以上を必ずしも含まず、また、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除するものではないことが理解され、また、この定義は、「１つ以上」という語句が参照する要素のリスト内で具体的に識別される要素以外の要素が、具体的に識別されたそれらの要素に関連するか関連しないかにかかわらず、任意選択で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本願明細書において、「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」などのすべての移行句は、非限定的であり、すなわち、含むが限定されないことを意味するものとして理解される。「からなる」および「から本質的になる」という移行句は、それぞれ排他的なまたは半排他的な移行句であるものとする。

Claims (24)

  1. システムであって、
    複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイと、
    励起光を前記反応チャンバのアレイの少なくとも一部に送達する導波路と、を備え、
    前記導波路の光学モードの垂直範囲は、前記導波路内においておよび前記導波路の長さに沿って、光の閉じ込めを調節するように変更される、システム。
  2. 前記光学モードの前記垂直範囲は、導波路コア層の厚さを前記導波路の前記長さに沿って変化させることによって変更される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記光学モードの前記垂直範囲は、導波路コア材料または導波路クラッド材料の屈折率を前記導波路の前記長さに沿って変化させることによって変更される、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記導波路の前記長さに沿った前記導波路コア層の前記厚さは、フォトレジスト層のトポグラフィを移すことによって変化する、請求項２に記載のシステム。
  5. 一様な幅を有する複数の導波路と、
    テーパ幅を有する複数のダミー構造と、を備え、
    前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、交互に配置されている、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、導波路コア層にある、請求項５に記載のシステム。
  7. 複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイと、
    励起光を前記反応チャンバのアレイの少なくとも一部に送達する導波路と、を備え、
    前記導波路と前記反応チャンバとの間の距離は、導波路損失を補償するように変更される、システム。
  8. 前記導波路のクラッド層の厚さは、前記導波路と前記反応チャンバとの間の前記距離を変更するように制御される、請求項７に記載のシステム。
  9. 一様な幅を有する複数の導波路と、
    テーパ幅を有する複数のダミー構造と、を備え、
    前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、交互に配置されている、請求項７に記載のシステム。
  10. テーパ幅を有する複数の導波路と、
    テーパ幅を有する複数のダミー構造と、を備え、
    前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、交互に配置されている、請求項７に記載のシステム。
  11. 第１の方向にテーパ幅を有する複数の導波路と、
    前記第１の方向とは反対の第２の方向にテーパ幅を有する複数のダミー構造と、を備え、
    前記複数の導波路および前記複数のダミー構造は、交互に配置されている、請求項７に記載のシステム。
  12. 方法であって、
    複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイに励起光を送達するための導波路を提供する工程と、
    前記導波路内においておよび前記導波路の長さに沿って、光の閉じ込めを調節するように、前記導波路の光学モードの垂直範囲を変更する変更工程と、を備える方法。
  13. 前記変更工程は、前記導波路の前記長さに沿って導波路コア層の厚さを変化させる工程を含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記変更工程は、導波路コア材料または導波路クラッド材料の屈折率を変化させる工程を含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 方法であって、
    複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイに励起光を送達するための導波路を提供する工程と、
    前記導波路と前記反応チャンバとの間の距離を変更する変更工程と、を備える方法。
  16. 前記変更工程は、前記導波路のクラッド層の厚さを制御する制御工程を含む、請求項１６に記載の方法。
  17. 前記制御工程は、変更された導波路パターニング上において前記クラッド層用の材料を平坦化することによって前記クラッド層にテーパ厚さを提供する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
  18. 前記制御工程は、変更された導波路パターニング上に前記クラッド層用の材料を堆積させることによって前記クラッド層にテーパ厚さを提供する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記制御工程は、フォトレジスト層のトポグラフィを前記クラッド層に移すことによって、前記クラッド層にテーパ厚さを提供する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
  20. 方法であって、
    複数の反応チャンバからなる反応チャンバのアレイを形成する工程と、
    励起光を前記反応チャンバに送達するための導波路を形成する工程と、
    同量に近い励起光を各反応チャンバに送達するように前記導波路を変更する変更工程と、を備える方法。
  21. 前記変更工程は、前記導波路の前記光学モードの垂直範囲を変更する工程を含む、請求項２１に記載の方法。
  22. 前記変更工程は、前記導波路の長さに沿って厚さを変更する工程を含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記変更工程は、前記導波路の長さに沿った各反応チャンバからの距離を変更する工程を含む、請求項２１に記載の方法。
  24. 方法であって、
    導波路を通じて送達される励起光により、複数の反応チャンバの各々内における試料を励起する工程を備え、
    前記導波路は、ほぼ同量の光が各反応チャンバに送達されるように変更されている、方法。
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