JP2023515682A - 多次元信号解析用集積センサ - Google Patents

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Abstract

いくつかの態様は、集積回路であって、サンプルから放射された入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報を取得するように構成された少なくとも１つのコントローラとを備える集積回路に関連するものであり、前記情報が、パルス持続時間およびパルス間持続時間を備える群から選択される少なくとも１つのメンバと、波長情報、蛍光寿命情報、強度情報を備える群から選択される少なくとも１つのメンバとを備える。いくつかの実施形態では、前記情報は、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも３つのメンバまたは４つのメンバまたは５つのメンバから構成される。いくつかの実施形態では、取得された情報はサンプルを同定するために使用されてよい。

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け取ることによって、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・ケア遺伝学的シークエンシング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機器は、大きなサイズ、可搬性の欠如、当該機器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。このような機器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、サンプルから放射された入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントとを備え、前記情報が、パルス持続時間（ｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ）情報および／またはパルス間持続時間（ｉｎｔｅｒｐｕｌｓｅ ｄｕｒａｔｉｏｎ）情報のうちの少なくとも１つと、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される少なくとも１つのメンバとを含む、集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルから放射される入射光子に応じた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、前記入射光子の情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントとを備え、前記情報が、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス時間情報、およびパルス間時間情報のうちの少なくとも３つの情報を含む、集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルから放射された入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントとを備え、前記情報が、パルス間持続時間情報と、波長情報、発光寿命情報、強度情報、およびパルス持続時間情報を備える群から選択される少なくとも１つのメンバとを含む、集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルから放射される入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントとを備え、前記情報が、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを含む、集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルから放射される入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントとを備え、前記情報が、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも４つのメンバを含む、集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルから放射される入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントとを備え、前記情報は、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を含む、集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、励起光に応答して放射光を発するサンプルに関する情報を決定するデバイスに関し、前記情報は、前記放射光のパルス持続時間特性およびパルス間持続時間特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバと、前記放射光の波長、強度、および発光寿命特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバとを含む。
本開示のいくつかの態様は、励起光に応答して放射光を放射するサンプルを受けるサンプルウェルと、前記放射光に応じた電荷キャリアを生成する光検出器と、前記電荷キャリアの１つ以上の特性に基づいて、前記放射光の波長、強度、発光寿命、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも２つのメンバを決定するコンポーネントと、を備えるデバイスに関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルを励起光で励起すること、および前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の波長、強度、寿命、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを決定することを備える方法に関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルを励起光で励起すること、前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光のパルス持続時間の特性を決定すること、および、前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される前記光の波長、強度、寿命、およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバを決定すること、を備える方法に関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルを励起光で励起すること、前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光のパルス間持続時間の特性を決定すること、および、前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される前記光の波長、強度、寿命、およびパルス持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバを決定すること、を備える方法に関する。
本開示のいくつかの態様は、励起光に応答して放射光を放射するサンプルに関する情報を、前記放射光の波長、強度、寿命、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも３つのメンバに基づいて決定することを備える方法に関する。
本開示のいくつかの態様は、複数のサンプルウェルの各サンプルウェルが励起光に応答して放射光を放射するサンプルを受け取るように構成された前記複数のサンプルウェルと、前記励起光を前記複数のサンプルウェルに導く導波路と、複数のセンサの各センサが前記放射光に応じた電荷キャリアを生成するように構成された前記複数のセンサと、前記放射光のパルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバと、前記複数のサンプルウェルの１つ以上のサンプルウェルからの前記放射光の波長、寿命、および強度の特性を備える群から選択される１つのメンバとを決定し、それら少なくとも２つの特性に少なくとも部分的に基づいて前記サンプルに関する情報を決定するように構成される１つ以上のプロセッサと、を備えるデバイスに関する。
本開示のいくつかの態様は、複数のサンプルウェルの各サンプルウェルが、励起光に応答して放射光を放射するサンプルを受け取るように構成される、前記複数のサンプルウェルと、前記励起光を前記複数のサンプルウェルに導く導波路と、複数のセンサの各センサが前記放射光に応じた電荷キャリアを生成するように構成された前記複数のセンサと、前記複数のサンプルウェルのうちの１つ以上のサンプルウェルからの前記放射光の波長、寿命、強度、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを決定するように、および、前記少なくとも２つの特性に少なくとも部分的に基づいて前記サンプルに関する情報を決定するように構成される１つ以上のプロセッサと、を備えるデバイスに関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルから放射された入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報であって、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される３つの特性または４つの特性または５つの特性を含む前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと、を備えるデバイスに関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルから放射される入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報であって、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される３つのメンバまたは４つのメンバまたは５つのメンバを含む前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントとを備える集積回路であって、前記少なくとも１つのコンポーネントが、複数のコンポーネントを備えており、前記複数のコンポーネントの各々は、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される前記３つのメンバまたは前記４つのメンバまたは前記５つのメンバのうちの、異なる１つを取得するように構成されている、前記集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルから放射された入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報であって、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される３つの特性または４つの特性または５つの特性を含む前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと、を備え、前記少なくとも１つのコンポーネントが、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される前記３つのメンバまたは前記４つのメンバまたは前記５つのメンバの各々を取得するように構成される第１コンポーネントを含む、集積回路に関する。
本開示のいくつかの態様は、サンプルから放射された入射光子に応じた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、前記入射光子に関する情報であって、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される３つの特性または４つの特性または５つの特性を含む前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントとを備える集積回路であって、前記少なくとも１つのコンポーネントが、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択されるメンバのうち少なくとも２つを取得するように構成された第１コンポーネントと、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される少なくとも１つのメンバを取得するように構成される第２のコンポーネントとを含んでおり、前記第２のコンポーネントによって取得される前記少なくとも１つのメンバが、前記第１コンポーネントによって取得される前記少なくとも２つのメンバと異なる、前記集積回路に関する。
いくつかの実施形態による集積デバイスの概略図。 いくつかの実施形態による集積デバイスのピクセルの図。 いくつかの実施形態による図１－Ｂのピクセルの回路図。 いくつかの実施形態による、図１－１Ｂおよび図１－１Ｃのピクセルの平面図。 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についての放射確率曲線の図。 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。 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。 いくつかの実施形態による、サンプルからの蛍光放射のパルス励起および時間ビニング検出を示す図。 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蛍光光子カウントのヒストグラムを示す図。 いくつかの実施形態による、時間ゲート電荷蓄積領域と、光検出領域を介して光源から入射光子を受け取るように構成された直接励起電荷蓄積領域とを有する例示的なピクセルの側面図。 いくつかの実施形態による、時間ゲート電荷蓄積領域と、光検出領域を介して光源から入射光子を受け取るように構成された直接励起電荷蓄積領域とを有する代替的な例示的なピクセルの側面図。 いくつかの実施形態による、時間ゲート電荷蓄積領域と、光源から入射光子を受け取るように構成された直接励起電荷蓄積領域と、前記直接励起電荷蓄積領域を介して前記入射光子の少なくともいくつかを受け取るように構成された光検出領域とを有する例示的なピクセルの側面図。 いくつかの実施形態による、深さが異なる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。 いくつかの実施形態による、深さが異なる３つの光検出領域を有する例示的なピクセルの側面図。 いくつかの実施形態による、１つの光検出領域と４つの電荷蓄積領域とを有する例示的なピクセルの上面図。 いくつかの実施形態による、図３－１Ａのピクセルの一部分の断面図。 いくつかの実施形態による、１つの光検出領域と６つの電荷蓄積領域とを有する例示的なピクセルの上面図。 いくつかの実施形態による、図３－２Ａのピクセルの一部分の断面図。 いくつかの実施形態による、１つの光検出領域と２つの電荷蓄積領域とを有する例示的なピクセルの上面図。 いくつかの実施形態による、図３－３Ａのピクセルの一部分の断面図。 いくつかの実施形態による、図３－３Ａのピクセルの一部の代替断面図。 いくつかの実施形態による、一方の電荷蓄積領域が光遮蔽を有する２つの電荷蓄積領域を有する例示的なピクセルの側面図。 いくつかの実施形態による、１つの光学的選別要素、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。 いくつかの実施形態による、１つの光学的選別要素、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的な例示的なピクセルの側面図。 いくつかの実施形態による、分析中のサンプル分子の特徴的パルスパターンの非限定的な例である。 いくつかの実施形態による、分析中のサンプル分子の特徴的パルスパターンの非限定的な例である。 いくつかの実施形態による、分析中のサンプル分子の特徴的パルスパターンの非限定的な例である。 いくつかの実施形態による、分析中のサンプル分子の特徴的パルスパターンの非限定的な例である。 いくつかの実施形態による、分析中のサンプル分子の特徴的パルスパターンの非限定的な例である。 いくつかの実施形態による、多次元弁別技術について収集されたデータの一例を示す図。 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。 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。 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。 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。 いくつかの実施形態による光パルストレインを示す図。 いくつかの実施形態による１つ以上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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 図５－１１Ａは、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し、図５－１１Ｂは、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し、図５－１１Ｃは、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し、図５－１１Ｄは、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。 アミノ酸を同定するための三次元弁別技術を示す例示的なグラフ。 いくつかの実施形態による、エドマン分解による、標識付けされたポリペプチドのシークエンシング方法を示すフロー図。 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シグナルパルスを生じさせるシークエンシングの方法を示すとともに、信号出力を示すグラフを含むフロー図。
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を意図するわけではない。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つ以上の蛍光マーカでサンプルを標識付け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標識付け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つ以上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コンポーネント（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。光学コンポーネントは、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コンポーネントを減らし得る。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コンポーネント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、サンプルウェルからの蛍光放射の特定の特性が、多くの用途に使用するために測定および解析され得ることを更に認識している。例えば、放射光の特定の特性は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、および／またはタンパク質のシークエンシングといった、遺伝学的シークエンシング用途を便利にすることができる、分析しているサンプルの同定（例えば、蛍光マーカの同定）を可能にし得る。放射光の強度、波長、寿命、パルス持続時間、パルス間持続時間およびそれらの任意の組み合わせに関する情報を含む放射光の多数個の特性を、化学的または生物学的サンプルを分析するための多次元弁別技術を可能にするために取得し得る。いくつかの実施形態では、デバイスは、分析中の１つ以上のサンプルの２次元、３次元、４次元、および５次元の弁別技術を可能にするために、放射光の特性に関する測定値を取得するように構成される。
例えば、本発明者らは、サンプルウェルから放射される入射光の波長などのスペクトル情報を取得するための技術を開発した。例えば、いくつかの態様において、ピクセルは、光源からの入射光子に応じ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、当該電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアがスペクトル情報およびタイミング情報を示す。一例では、２つの電荷蓄積領域は、異なる波長の入射光に応じて生成された電荷キャリアを受け取り、当該入射光のパワースペクトル密度の差がそれら電荷蓄積領域内の蓄積電荷に示されるようにしてよい。それに代えてまたは加えて、いくつかの態様において、ピクセルは、各々が入射光子に応じた電荷キャリアを生成するように構成された、深さの異なる複数の領域を含んでもよい。例えば、一例では、そのピクセルは、異なる波長の複数の入射光子に応じ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、光軸に沿った）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。それに代えてまたは加えて、いくつかの態様において、ピクセルは、深さが異なる複数の電荷蓄積領域を含んでもよく、当該電荷蓄積領域の１つ以上は、入射光子を受け取るとともに電荷キャリアを生成するように構成され得る。当該電荷蓄積領域のうちの別のものは、当該ピクセルの光検出領域において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。いくつかの態様では、それに代えてまたは加えて、ピクセルは、少なくとも一部の入射光子を１つの電荷蓄積領域に向けて方向づける（ｄｉｒｅｃｔ）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学的選別要素を含んでもよい。例えば、一例では、光学的選別要素は、少なくとも部分的に屈折、回折、散乱、および／またはプラズモン素子を含んでもよい。本発明者らは、波長情報が、２次元、３次元、４次元および／または５次元の弁別的サンプル分析技術のいくつかの実施形態において１つの弁別度（ｏｎｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ）として使用され得ると認識している。
さらに、本発明者らは、分析中のサンプルについての寿命、パルス持続時間、パルス間持続時間、および強度情報を別々におよび任意の組み合わせで取得する方法を開発した。特に、時間ゲート技術は、分析中のサンプルからの放射についての蛍光寿命、パルス幅／パルス持続時間、および／またはパルス間持続時間の測定値を取得するために使用され得る。いくつかの実施形態では、放射光の強度に関する１つ以上の測定値は、１つ以上の電荷蓄積領域において入射光子によって生成された電荷キャリアを収集し定量化することによって取得される。本発明者らは、このような蛍光寿命、パルス持続時間、パルス間持続時間、および／または強度情報が、波長情報に加えてまたは代えて、２次元、３次元、４次元および／または５次元の弁別的サンプル分析技術のいくつかの実施形態における弁別度として使用され得ると認識している。例えば、２次元弁別技術では、サンプル弁別は、例えば波長と強度との組み合わせ、寿命と強度との組み合わせなど、組み合わせて使用される任意の２種類の情報に基づくことができる。また、３次元弁別技術では、サンプル弁別は、波長と寿命と強度との組み合わせなど、任意の３種類の情報を組み合わせに基づいて行うことができる。同様に、４次元弁別技術は４種類の情報の組み合わせに基づいて行うことができ、５次元弁別技術は５種類の情報の組み合わせに基づいて行うことができる。
したがって、本発明者らは、サンプルからの放射光の波長、寿命、パルス持続時間、パルス間持続時間、および強度の情報および／または任意の他の適切な特性を取得するための本明細書に記載の技術が、本明細書に記載の特性の任意の組み合わせを使用する生物学的または化学的サンプルの多次元解析を便利にするために使用され得ると認識している。いくつかの実施形態では、多次元解析は、放射光が収集および分析される特定のサンプルを同定するために、例えば、特定のアミノ酸または特定のヌクレオチドを同定するために使用され得る。本発明者らは、サンプルの多次元解析が、一次元解析とは対照的に、より正確な分子の同定を提供し得ると認識している。さらに、より多くの次元を使用する技術は、解析用の次元がより少ない技術と比較して、より正確な分子の同定を行い得る。
いくつかの実施形態では、サンプルに関連する放射光の特性に基づいてサンプルを分析し同定するために２次元弁別技術が使用される。そのような２次元技術において、例えば、寿命情報と波長情報、および／または波長情報と強度情報といった、任意の適切な特性グループ分けを使用し得る。いくつかの実施形態では、サンプルを分析し同定するために、例えば、波長情報と寿命情報と強度情報を用いたり、波長情報、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、および寿命情報を用いたり、および／または任意の他の適切な特性グループ分けを用いる、３次元弁別技術が使用される。いくつかの実施形態では、サンプルを分析および同定するために、例えば、分析中のサンプルに関連する収集された放射光の波長、寿命、強度、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の情報を使用する４次元弁別技術が使用される。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、超並列サンプル分析のために構成されており、したがって、一度に大量のサンプルを分析および同定するために多次元分析技術が使用され得る。
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］
本明細書に記載される多次元信号解析技術は、いくつかの実施形態では、図１－１Ａに示した集積デバイス１－１０２などの集積デバイスを使用して実装され得る。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１－１Ａ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、一または複数であり得る金属層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、１つ以上の光検出器１－１１０を含む光検出領域とを含む、集積デバイス１－１０２の一領域である。
図１－１Ａ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経路（破線）を示す。図１－１Ａ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得る。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得る。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得る。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１－１Ａ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（２０１５年８月７日出願、代理人管理番号Ｒ０７０８．７０００２ＵＳ０２）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、（図１－１Ａに示したＹ方向に沿った）共通軸線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り得る。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。
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り得る。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１－１Ａに示すように、１つ以上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つ以上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。集積デバイス１－１０２用の回路として働き得る金属層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つ以上の金属層１－２４０は、いくつかまたはすべての励起光が光検出器１－１１０に到達するのをブロック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つ以上の光学コンポーネント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１５／８４４，４０３号（２０１７年１２月１７日出願、代理人管理番号Ｒ０７０８．７００２１ＵＳ０１）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。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つ以上のサンプルウェル１－１０８の近傍に伝播するように構成することができる。それに代えて、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コンポーネントを使用して、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。そのようなコンポーネントは、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コンポーネントを含むことができる。付加的な機械的なコンポーネントを、１つ以上の位置合わせコンポーネント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コンポーネントは、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（２０１６年５月２０日出願、代理人管理番号Ｒ０７０８．７００１０ＵＳ０２）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。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１５／８４２，７２０号（２０１７年１２月１４日出願、代理人管理番号Ｒ０７０８．７００２４ＵＳ０１）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り得る。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、対応する光検出器によって検出されることができ、少なくとも１つの電気信号に変換されることができる。放射光の様々な特性（例えば、波長、蛍光寿命、強度、パルス持続時間および／または他の適切な特性）に関する情報を収集するとともに本明細書に記載するように後続の分析に利用し得る。その電気信号は、集積デバイス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の回路内の導電線（例えば、金属層１－２４０）を伝って伝送され得る。その電気信号は、その後、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。
図１－１Ｂ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を含む。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に流すことができる。転送ゲートＴＧ０が光検出領域ＰＰＤと蓄積領域ＳＤ０との間の半導体領域に第１の電気バイアスを誘導すると、その半導体領域内に転送経路が形成され得る。入射した光子によって光検出領域ＰＰＤにおいて生成された電荷キャリア（例えば、光電子）は、転送経路に沿って蓄積領域ＳＤ０に流れることができる。いくつかの実施形態において、第１の電気バイアスは、サンプルからの電荷キャリアが選択的に蓄積領域ＳＤ０に向けて方向づけられるビニング期間中に印加され得る。あるいは、転送ゲートＴＧ０が光検出領域ＰＰＤと蓄積領域ＳＤ０との間の半導体領域に第２の電気バイアスを提供するとき、光検出領域ＰＰＤからの電荷キャリアが転送経路に沿って蓄積領域ＳＤ０に到達することがブロックされ得る。例えば、いくつかの実施形態では、ドレインゲートＲＥＪは、サンプルからの蛍光放射光子が光検出領域ＰＰＤに到達する前の除去期間中などの、励起光によって光検出領域ＰＰＤにおいて生成されたノイズ電荷キャリアを光検出領域ＰＰＤおよび蓄積領域ＳＤ０から引き離すためのチャネルをドレインＤへ提供し得る。いくつかの実施形態では、読み出し期間中、転送ゲートＴＧ０は第２の電気バイアスを提供するとともに、転送ゲートＴＸ０は、処理のために、蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアを浮遊拡散（ＦＤ）領域であり得る読み出し領域へ流すように電気バイアスを提供し得る。様々な実施形態に従って、本明細書に記載される転送ゲートは、複数であり得る半導体材料および／または金属を含んでよく、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲートや、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）のベースや、および／または同様のものを含んでよいと理解される。
いくつかの実施形態では、ピクセル１－１１２の動作は、１つ以上の除去期間（例えば、ドレイン期間）と１つ以上の収集期間とを含んでもよい。一例では、励起光源の１つ以上のパルスに応じたピクセル１－１１２の動作は、その光源からの励起光子に応じてピクセル１－１１２において（例えば、光検出領域ＰＤにおいて）生成された電荷キャリアを廃棄するなどのための除去期間とともに開始され得る。例えば、励起光子は、サンプルウェルからの蛍光放射光子の到着に先立ってピクセル１－１１２に到着することができる。電荷蓄積領域のための転送ゲートは、電荷蓄積領域を光検出領域に結合する電荷転送チャネルにおいて低い導電性を有するようにバイアスされ、電荷蓄積領域における電荷キャリアの転送および蓄積をブロックすることができる。ドレイン領域のためのドレインゲートは、光検出領域とドレイン領域との間のドレインチャネルにおいて高い導電性を有するようにバイアスされ、光検出領域からドレイン領域への電荷キャリアの排出を促進することができる。光検出領域に結合された任意の電荷蓄積領域のための転送ゲートは、除去期間中に電荷キャリアが電荷蓄積領域に転送または蓄積されないように、光検出領域と電荷蓄積領域との間の低導電率を有するようにバイアスされ得る。
その除去期間に続いて収集期間が生じてよく、その収集期間では入射光子に応じて生成された電荷キャリアが１つ以上の電荷蓄積領域に転送される。収集期間中、入射光子が蛍光放射光子を含むことがあり、その結果、電荷貯蔵領域に蛍光放射電荷キャリアが蓄積される。例えば、電荷蓄積領域の１つの転送ゲートは、光検出領域と電荷蓄積領域との間で高い導電性を有するようにバイアスされ、電荷蓄積領域における電荷キャリアの蓄積を促進することができる。光検出領域に結合された任意のドレインゲートは、収集期間中に電荷キャリアが廃棄されないように、光検出領域とドレイン領域との間で低い導電率を有するようにバイアスされ得る。いくつかの実施形態は、複数の電荷蓄積領域に対し異なる時間に電荷キャリアを蓄積するよう、第１の収集期間に続く第２の収集期間などの複数の収集期間を含んでもよい。例えば、複数の収集期間のうちの１つの期間中に、転送ゲートのうちの１つが、対応する電荷蓄積領域における電荷キャリアの蓄積を促進するようにバイアスされるとともに、他の転送ゲートが、他の電荷蓄積領域における電荷キャリアの蓄積をブロックするようにバイアスされ得る。いくつかの実施形態では、単一の収集期間中に複数の電荷蓄積領域が電荷キャリアを蓄積し得る。いくつかの実施形態では、ピクセルの動作は、電荷蓄積領域と同数の収集期間を含んでもよい。いくつかの実施形態では、励起光源の各パルスについて本明細書に記載されるような動作が繰り返され得る。いくつかの実施形態では、様々な電荷蓄積領域に対する収集期間が除去期間によって分離され得る。例えば、いくつかの実施形態では、励起光源の各パルスの後に、１つの除去期間と１つの収集期間（例えば、単一の電荷蓄積領域における蓄積を有する）とが続いてよい。
本明細書でさらに説明するように、除去期間および／または収集期間は、集積回路の制御回路からの１つ以上の制御信号を用いて、例えば集積回路のピクセルのドレインおよび／または転送ゲートに制御信号を提供することによって、制御され得る。いくつかの実施形態において、本明細書に記載されるピクセルの動作がこのセクションに記載したように起こり得ると理解されたい。
例えば、図１－１Ｃは、いくつかの実施形態による、図１－１Ｂのピクセル１－１１２の回路図である。図１－１Ｃにおいて、光検出領域ＰＰＤは、複数の蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１に結合される。蓄積領域ＳＤ１および転送ゲートＴＧ１は、蓄積領域ＳＤ０および転送ゲートＴＧ０について説明したように構成され得る。ピクセル１－１１２は、蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１のうちの１つのみが所与の時間に光検出領域ＰＰＤから電荷キャリアを受け取るように構成され得る。例えば、蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１は、時間的に分離されたビニング期間を有することができ、転送ゲートＴＧ０が蓄積領域ＳＤ０についてのビニング期間中に蓄積領域ＳＤ０へ電荷キャリアを流れるようにするとともに、転送ゲートＴＧ１が蓄積領域ＳＤ１についてのビニング期間中に蓄積領域ＳＤ１へ電荷キャリアを流れるようにし得る。同様に、ピクセル１－１１２は、蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１のうちの一方のみが電荷キャリアを読み出し領域ＦＤに供給し得るように構成され得る。例えば、蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１は、時間的に分離された読み出し期間を有することができ、転送ゲートＴＸ０が蓄積領域ＳＤ０についての読み出し期間中に蓄積領域ＳＤ０から電荷キャリアを流れるようにするとともに、転送ゲートＴＸ１が蓄積領域ＳＤ１についての読み出し期間中に蓄積領域ＳＤ１から電荷キャリアが流れるようにしてよい。
図１－１Ｄは、図１－１Ｂおよび図１－１Ｃのピクセルの平面図であり、光検出領域ＰＰＤに対する蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１の相対的な位置関係を示す。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるピクセルのいくつかのコンポーネントは、集積回路の１つ以上の基板層上に配置および／または形成され得る。いくつかの実施形態では、それに代えてまたは加えて、基板層は、他の基板層の上方および／または下方に配置された１つ以上の補助層（例えば、エピタキシャル層）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるピクセルのいくつかのコンポーネントは、基板層および／または補助層の少なくとも一部をエッチング除去することによって形成され得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される転送ゲートおよび／またはドレインゲートは、少なくとも部分的に不透明であり得る、ポリシリコンなどの半導体材料を用いて形成され得る。
［ＩＩＩ．寿命情報取得技術］
本明細書に記載の技術の一態様によれば、本発明者らは、多次元弁別を用いるサンプル同定を含むサンプル分析を容易にするために、サンプルウェルからの放射光の複数の特性に関する情報を取得する技術を開発した。本発明者らは、生物学的または化学的サンプルを標識付けするために用いられる蛍光マーカは、入射光によって励起されると、特徴的な寿命（例えば、特徴的な放射減衰時間期間）をもって蛍光を発するので、その放射光の寿命情報を分析することによって、蛍光マーカが付着（例えば、結合）している特定のサンプルの同定を容易にできると認識している。蛍光寿命とは、本明細書において単に「寿命」とも呼称するが、蛍光マーカが基底状態に戻りかつ光子を放射する前の励起状態で過ごす時間の尺度である。いくつかの実施形態では、蛍光寿命情報は、入射光子によって生成された電荷キャリアを時間ビニングするための技術を通じて得ることができる。
例えば、図１－２Ａは、例えば２つの異なる蛍光分子からの蛍光放射を表すことのできる、２つの異なる蛍光放射確率曲線（ＡおよびＢ）をプロットしている。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ことがある。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ことがあり、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１－２Ａにおいて曲線Ｂについて示されるように、指数関数的であるが、測定可能に異なる寿命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。この例では、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ｐＢ（ｔ）は第２の分子の励起後すぐに曲線Ａの場合よりも高くなる。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。
蛍光放射寿命の差は、異なる蛍光分子の存在または不在を識別するため、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識別するために使用することができる。場合によっては、（例えば発光波長ではなく）蛍光寿命に基づいて蛍光分子を識別することにより、分析機器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識別する場合、波長弁別光学系（波長フィルタ、波長毎の専用検出器、異なる波長の専用パルス光源、および／または回折光学系など）の数を減らすか、または除去することができる。場合によっては、単一の特性波長で動作する単一のパルス光源を、光スペクトルの同じ波長領域内で発光す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のに使用することができる。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して、同じ波長領域で発光する異なる蛍光分子を励起し識別する分析システムは、動作や保守が複雑でなく、よりコンパクトで、より低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は一定の利点を有し得るが、当該分析システムによって得られる情報量および／または検出精度は、追加の検出技術を許容することによって増加させることができる。例えば、いくつかの分析システムは、本明細書に記載されるように、蛍光波長、パルス持続時間／パルス幅、および／または蛍光強度に基づきサンプルの１つ以上の特性を識別するように追加的に構成されることができる。
図１－２Ａを再び参照すると、いくつかの実施形態によれば、異なる蛍光寿命は、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区別することができる。時間ビニングは、光検出器の単一の電荷蓄積サイクルの間に起こり得る。電荷蓄積サイクルは、時間ビニング光検出器のビンに光生成されたキャリアが蓄積される、読み出し事象間の間隔である。図１－２Ｂには、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を図式化して紹介している。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１－２Ａ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１－２Ｂ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、この例については、図１－２Ａの統計曲線Ｂに従って発生する。時間ビニング光検出器１－３２２は、複数の放射事象から生成された複数のキャリアを複数の個別の時間ビンに蓄積させ得る。図１－２Ｂには３つのビンが示されているが、いくつかの実施形態ではより少数のビンまたはより多数のビンを使用し得る。ビンは、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のビンは、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キャリアを蓄積することができる。第２のビンは、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のビンは、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、複数の時間ビン電に蓄積されたキャリアは、図１－２Ｂに示される減衰強度曲線に近似することができ、ビニングされた信号は、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１－３２２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（代理人管理番号Ｒ０７０８．７０００２ＵＳ０２）、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（代理人管理番号Ｒ０７０８．７００１７ＵＳ０１）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１－２Ｃに示されている。単一の時間ビニング光検出器１－３２２は、光子吸収／キャリア生成領域１－９０２、キャリア放電チャネル１－９０６、および複数のキャリア蓄積領域１－９０８ａ，１－９０８ｂを備えることができ、すべて半導体基板上に形成される。キャリア転送チャネル１－９０７は、光子吸収／キャリア生成領域１－９０２とキャリア蓄積領域１－９０８ａ、１－９０８ｂとの間を接続することができる。図示した例では、２つのキャリア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１－９１０が存在し得る。光子吸収／キャリア生成領域１－９０２、キャリア放電チャネル１－９０６、キャリア蓄積領域１－９０８ａ、１－９０８ｂ、および読み出しチャネル１－９１０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１－３２２はまた、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た、基板上に形成された複数の電極１－９２０、１－９２１、１－９２２、１－９２３、１－９２４を含むことができる。
動作中、パルス光源（例えば、モードロックレーザー）からの励起パルスの一部は、時間ビニング光検出器１－３２２を介して反応チャンバに供給される。最初に、いくつかの励起放射光子１－９０１が光子吸収／キャリア生成領域１－９０２に到達するとともにキャリア（薄い影付きの円として示される）を生成することがある。励起放射光子１－９０１と共に到着し、（濃い影を付けた円として示す）対応するキャリアを生成する蛍光放射光子１－９０３がいくつか存在することがある。当初、励起放射によって生成されるキャリアの数は、蛍光放射によって生成される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キャリアは、例えば、第１の転送ゲート１－９２０が電荷転送チャネル１－９０６へとゲート動作することによって除去することができる。
後の時点で、ほとんどの蛍光放射光子１－９０３は、光子吸収／キャリア生成領域１－９０２に到着し、反応チャンバ１－３３０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の電極１－９２１および第３の電極１－９２３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のキャリア蓄積領域１－９０８ａ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の電極１－９２２および第５の電極１－９２４は、キャリアを第２のキャリア蓄積領域１－９０８ｂ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。電荷の蓄積は、各キャリア蓄積領域１－９０８ａ、１－９０８ｂに相当数の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。後の時間において、信号をビンから読み出すことができる。いくつかの実装では、各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、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（例えば、フルオロフォアがより長い減衰時間を有する実施形態など）。
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１－３２２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１－９１０を介して蓄積領域からキャリアが読み出され得る。例えば、電極１－９２３、１－９２４および少なくとも電極１－９４０に適切なバイアスシーケンスを印加し、蓄積領域１－９０８ａ、１－９０８ｂからキャリアを除去することができる。例えば、蓄積領域１－９０８ａ、１－９０８ｂからキャリアを除去するよう、電極１－９２３、１－９２４におよび少なくとも電極１－９４０に適切なバイアスシーケンスを印加することができる。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１－２Ｃに関連して説明した例は、複数の電荷蓄積領域１－９０８ａ、１－９０８ｂ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１－３２２にはビン１のみが存在してよい。そのような場合、単一の蓄積領域１－９０８ａ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１－９０８ａ用の電極が、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、蓄積領域１－９０８ａの同じ電極は、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。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、単一のキャリア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。
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１－２Ｄおよび図１－２Ｅには、２つの電荷蓄積領域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１－２Ｄ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、電子蓄積領域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（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つのビン（ビン０）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１－２Ｃ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除去されることができ、光子吸収／キャリア生成領域１－９０２から除去およびダンプされることができる。
いくつかの実施態様においては、図１－２Ｄ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子信号が第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子信号はビン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。パルス励起源としてモードロックレーザを実装することの１つの利点は、モードロックレーザが高強度かつ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１－３２２のキャリア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１－２Ｂ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類似体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、関心対象の分子または関心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１－２Ｅ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。校正実行は、４つの異なるフルオロフォアに対する多値信号の校正値（例えば、校正ヒストグラム）を取得するために別々に実行することができる。校正の実行は、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。
このように、本明細書に記載の時間ビニング技術によって得られる寿命情報を取得することで、サンプルウェル内のサンプルの分析および同定を容易にすることができる。本明細書に記載された技術以外の、電荷キャリアを時間ビニングし、および／またはその他の方法で蛍光寿命情報を取得する他の適切な技術が実施されてよく、本技術の側面はこの点で限定されないことを理解されたい。
［ＩＶ．波長情報取得技術］
本明細書に記載される技術の別の態様によれば、本発明者らは、入射光のスペクトル情報（例えば、波長情報）を弁別するための技術を開発した。例えば、タイミング情報（例えば、寿命情報）を判別するための時間ゲート技術の使用に加えて、またはその代わりに、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弁別するように構成され得る。本発明者らは、寿命と同様に、特定の蛍光マーカからの放射光は、放射光の波長情報を分析することによって、蛍光マーカが付着しているサンプルの同定を容易にし得るような特徴的な波長を有し得ると認識している。したがって、いくつかの実施形態において、放射光の波長は、本明細書に記載される多次元弁別技術において使用される、追加的な弁別次元である。
本発明者らは、集積デバイス１－１０２などの集積デバイスが、本明細書でさらに説明する様々な技術を通じて放射光の波長測定値を取得することができると認識している。例えば、いくつかの実施形態では、深さが異なる複数の光検出器領域を組み込んだ技術を通じて波長測定値を取得することができる。他の実施形態では、深さが異なる複数の電荷転送チャネルを組み込んだ技術を用いて得られてよい。いくつかの実施形態では、波長情報は、光学的遮蔽要素を組み込んだ技術を用いて得られてよい。さらに、いくつかの実施形態では、放射光の波長測定値は、１つ以上の光学的選別要素を用いて得ることができる。本明細書に記載された技術に加えてまたはそれに代わる任意の適切な技術が、サンプルの多次元弁別を促進するために放射光の波長測定値を取得するために使用されてよく、本技術の側面はこの点において限定されないと理解されたい。
ａ．深さが異なる複数の領域を組み込んだ技術
いくつかの態様において、深さ（例えば、半導体接合深さ）が異なる領域を有するピクセルを用いてスペクトル情報を取得することができる。例えば、いくつかの実施形態では、１つ以上の電荷蓄積領域は、異なる深さを有するように構成される。いくつかの実施形態において、１つ以上の光検出領域は、異なる深さを有する１つ以上の電荷蓄積領域を構成することに加えてまたはそれに代えて、異なる深さを有するように構成されてよい。図２－１は、いくつかの実施形態による、光検出領域を介して光源から入射光子を受け取るように構成された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ことがあるピクセル２－１１２の代替実施形態の側面図である。ピクセル２－１１２は、図１－１Ａ～図１－１Ｄに関連してピクセル１－１１２について説明した方法で構成されてよい。例えば、図２－１には、光検出領域ＰＰＤと電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１とを含むピクセル２－１１２が示されている。いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２は、図２－１に図示された転送ゲートＴＧ０などの１つ以上の転送ゲートを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２は、図２－１に図示された金属層Ｍ０などの１つ以上のバリアを含んでもよい。ピクセル２－１１２は、任意の数の光検出領域、電荷蓄積領域、および／または転送ゲートを含んでもよいと理解されたい。それに代えてまたは加えて、ピクセル２－１１２は、１つ以上のドレイン領域および／またはドレインゲートを含んでもよい。
いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２は、軽度にｐドープされた１つ以上の基板層を含んでもよい。光検出領域ＰＰＤおよび電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１は、ｎ型ドーピング技術を用いて、１つ以上の基板層内にまたは基板層上に形成および／または配置されてよい。１つ以上のバリアは、ｐ型ドーピング技術を用いて、１つ以上の基板層内にまたは１つ以上の基板層上に形成および／または配置されてよい。転送ゲートＴＧ０は、ポリシリコンなどの、基板層よりも不透明な材料を用いて形成されてよい。いくつかの実施形態において、基板層は軽度にｎドープされてよく、光検出領域ＰＰＤおよび電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１は、ｐ型ドーピング技術を用いて形成および／または配置されてよいと理解されたい。そのような実施形態では、バリアは、ｐ型ドーピング技術を使用して形成および／または配置されてよい。
いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２のいくつかの領域の深さは、ピクセルの他の領域の深さよりも大きくいことがある。例えば、図２－１の例では、（例えば、入射光が光源からピクセル２－１１２へと進む方向に沿う）光軸に平行な方向において電荷蓄積領域ＳＤ１の深さは電荷蓄積領域ＳＤ０の深さよりも大きい。また、図２－１に示すように、電荷蓄積領域ＳＤ１は、光源からおよび／またはサンプルウェルから受け取った入射光子が光検出領域ＰＰＤを少なくとも部分的に通過した後に電荷蓄積領域ＳＤ１に到達し得るように、少なくとも部分的に光検出領域ＰＰＤの下に配置される。いくつかの実施形態では、ピクセル２－１１２の様々な領域が異なる深さを有すると、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）情報の弁別が容易になり得る。例えば、図２－１に示すように、光源からおよび／またはサンプルウェルからの入射光子は、光軸に沿ってピクセル２－１１２内へと異なる距離を進むことがある。一部の光子（例えば、第１の波長の光子）は、光検出領域ＰＰＤに到達し（図２－１の短い矢印で示す）、収集期間中に電荷蓄積領域ＳＤ０に伝導され得る電荷キャリアを生成する。例えば、転送ゲートＴＧ０は、収集期間中、ピクセル２－１１２の制御回路から制御信号を受け取ってよく、これに応答して光検出領域ＰＰＤと蓄積領域ＳＤ０とを結合する電荷転送路がより導電性となる。その結果、収集期間中、光検出領域ＰＰＤにおいて生成された電荷キャリアは、電荷蓄積領域ＳＤ０へと進み電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積され得る。他の入射光子（例えば、第１の波長よりも長い第２の波長の入射光子）は、（図２－１の長い矢印で示すように）光検出領域ＰＰＤを超えて進み続け、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させ得る。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１－１Ａから図１－１Ｄに関連して説明したように生成し得る。
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け取っ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、高波長光子は、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、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へと移動し続け、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、高波長光子は、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。それに代えてまたは加えて、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。それに代えてまたは加えて、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、上記の例の高波長光子は、６００ｎｍを超える波長を有することができ、低波長光子は、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、上記の例の高波長光子は、７００ｎｍを超える波長を有することができ、低波長光子は、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、上記の例の高波長光子は、７００ｎｍを超える波長を有することができ、低波長光子は、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、上記の例の高波長光子は、６００ｎｍを超える波長を有することができ、低波長光子は、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、上記の例の高波長光子は、６００ｎｍを超える波長を有することができ、低波長光子は、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、上記の例の高波長光子は、５５０ｎｍを超える波長を有することができ、低波長光子は、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、光検出領域を介して光源から入射光子を受け取るように構成された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し得る、いくつかの実施形態によるピクセル２－２１２の側面図である。ピクセル２－２１２は、ピクセル２－１１２について説明した方法で構成されてよい。例えば、図２－２に示すように、ピクセル２－２１２は、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、および転送ゲートＴＧ０を含む。それに代えてまたは加えて、図２－２は、金属層Ｍ０、および／または金属層Ｍ０からピクセル内に延びる図示したバリアのような１つ以上のバリアを含んでもよい。例えば、バリアは、光検出領域ＰＰＤが光源からの入射光を受け取る光軸に平行な方向において細長くてよい。図２－１のピクセル２－１１２は、光検出領域ＰＰＤが転送ゲートＴＧ０から光軸に平行に間隔をあけた方向に光を受け取るように構成されてよいが、ピクセル２－２１２は、ピクセル２－１１２とは反対の方向に光を受け取るように構成されてよい。例えば、図２－２に示すように、ピクセル２－１１２は、転送ゲートＴＧ０が光検出領域ＰＰＤから光軸に平行に間隔をあけている方向において光を受け取るように構成されてよい。図２－２に例示された構造（例えば、裏面照明）の１つの利点は、入射光子が電荷蓄積領域の深さに到達する前にピクセルの基板層において減衰され得、したがって、電荷蓄積領域に到達し得るおよび／または電荷蓄積領域において生成し得るノイズ光子および／または電荷キャリアの数が減少し、ピクセル動作のシグナル完全性（ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）信号整合性が向上することである。
図２－１のように、ピクセル２－２１２のいくつかの領域の深さは、そのピクセルの他の領域の深さよりも大きくてよい。例えば、図２－２の例では、電荷蓄積領域ＳＤ１の深さは、（例えば、入射光が光源からピクセル２－１１２へと進む方向に沿う）光軸に平行な方向において電荷蓄積領域ＳＤ０の深さよりも大きい。それに代えてまたは加えて、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１のひとつは、入射光を受け取り、電荷キャリアを生成および蓄積するように構成されてよい。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を通過して電荷蓄積領域ＳＤ０に到達し得るように配置される。いくつかの実施形態では、ピクセル２－２１２のバリアは、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された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に達するのをブロックし得る。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、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指示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ピクセル２－３１２の側面図であり、このピクセル２－３１２は、時間ゲート式電荷蓄積領域と、光源から入射光子を受け取るように構成された直接励起電荷蓄積領域と、その直接励起電荷蓄積領域を介して入射光子の少なくとも一部を受け取るように構成された光検出領域とを備えてよい。ピクセル２－３１２は、図２－３に関連してピクセル２－３１２について説明した方法で構成され得る。例えば、図２－３において、ピクセル２－３１２は、光検出領域ＰＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、および転送ゲートＴＧ０を含む。いくつかの実施形態では、ピクセル２－３１２は、金属層Ｍ０および／または光軸に平行に細長い示されたバリアなどの１つ以上のバリアを含んでもよい。また、図２－３に示すように、ピクセル２－３１２は、転送ゲートＴＧ０が光検出領域ＰＰＤから光軸に平行に間隔をあけている方向において光を受け取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とＳＤ１、および／または光検出領域ＰＰＤとの間の深さの差は、その電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアが、入射光の異なる指示タイミング情報および／またはスペクトル情報を有するようにし得る。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優位に収集するように構成されてよい。しかし、図２－２とは異なり、ピクセル２－３１２の光検出領域ＰＰＤは、電荷蓄積領域ＳＤ０を通過して進んできた入射光子を受け取るように構成される。その結果、高波長光子よりも多くの低波長光子が光検出領域ＰＰＤに到達し得、電荷蓄積領域ＳＤ１では高波長電荷キャリアよりも多くの低波長電荷キャリアが生成されおよび蓄積され得る。同様に、光検出領域ＰＰＤではより多くの高波長光子が高波長電荷キャリアを生成し、その結果、転送ゲートＴＧ０を介して時間ゲートにより電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積される高波長電荷キャリアの数がより多くなり得る。
図２－４は、いくつかの実施形態による、深さが異なる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ピクセル２－４１２の側面図である。ピクセル２－４１２は、図２－１に関連してピクセル２－１１２について説明した方法で構成され得る。例えば、図２－４に示すように、ピクセル２－４１２は、光検出領域ＰＰＤ０、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、および転送ゲートＴＧ０を含む。図２－１と同様に、ピクセル２－４１２は、深さが異なる複数の領域を含んでもよい。例えば、図２－４において、ピクセル２－４１２は、光検出領域ＰＰＤ１および転送ゲートＴＧ１を含んでもよく、光検出領域ＰＰＤ０およびＰＰＤ１は異なる深さを有することが示されている。一例では、高波長入射光子より多くの低波長入射光子が、光検出領域ＰＰＤ１に到達し得る。その結果、転送ゲートＴＧ１を介した時間ゲートにより、低波長の電荷キャリアの方が高波長の電荷キャリアよりも多く電荷蓄積領域ＳＤ１に蓄積され得る。同様に、光検出領域ＰＰＤ０では、低波長入射光子よりも高波長入射光子の方が多くの電荷キャリアを生成することがあり、その結果、転送ゲートＴＧ０を介した時間ゲートにより電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積される高波長電荷キャリアの数が低波長電荷キャリアの数に比べて多くなる。
図２－５は、いくつかの実施形態による、深さが異なる３つの光検出領域を有するピクセル２－５１２の側面図である。ピクセル２－５１２は、深さが異なる複数の領域を有するなど、図２－４に関連してピクセル２－４１５について説明した方法で構成され得る。例えば、図２－５に示すように、ピクセル２－５１２は、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、および電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１を含んでおり、その光検出領域ＰＰＤ０とＰＰＤ１とは異なる深さを有する。また、図２－５に示すように、ピクセル２－５１２は、光検出領域ＰＰＤ２および電荷蓄積領域ＳＤ２を含んでおり、光検出領域ＰＰＤ２は、光検出領域ＰＰＤ０およびＰＰＤ１とは異なる深さを有している。図２－５に例示されるようないくつかの実施形態では、光検出領域の隣接するものの間に１つ以上の電荷蓄積領域が配置されてよい。それに代えてまたは加えて、図２－５に図示されるように、ピクセル２－５１２は、隣接する光検出領域ＰＤの間に配置された１つ以上のバリア２－５０２（例えば、ｐドープバリア「Ｐｗｅｌｌ」）を含んでもよい。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ときにｐ型ドープされるなど、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、ＰＰＤ２の導電タイプとは反対の導電タイプでドープされてよい。
２つ以上の光検出領域を有する実施形態では、光検出領域の一部（または全部）が同じ深さを有してよいと理解されたい。それに代えてまたは加えて、（例えば、深さが異なる）複数の光検出領域を有するいくつかの実施形態では、複数の電荷蓄積領域は異なる深さを有してよい。図２－５に例示されるように、深さが異なるより多くの領域を含めることによって、入射光のより多くのタイミング情報および／またはスペクトル情報を処理のために得ることができる。
ｂ．深さが異なる複数の電荷転送チャネルを組み入れる技術
図３－１Ａおよび図３－１Ｂは、いくつかの実施形態による、１つの光検出領域および４つの電荷蓄積領域を有し得るピクセル３－１１２を示す図である。図３－１Ａは、ピクセル３－１１２の上面図であり、図３－１Ｂは、線Ａに沿ったピクセル３－１１２の断面図である。ピクセル３－１１２は、図２－４に関連してピクセル２－４１２について説明した方法で構成され得る。例えば、図３－１Ａおよび図３－１Ｂに示すように、ピクセル３－１１２は、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、および、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１（このうち電荷蓄積領域ＳＤ１は見えない）、および転送ゲートＴＧ０、ＴＧ１を含む。さらに、ピクセル３－１１２は、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１および転送ゲートＴＧ０、ＴＧ１から光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１の反対側に位置する電荷蓄積領域ＳＤ２、ＳＤ３（このうち電荷蓄積領域ＳＤ２は見えない）および転送ゲートＴＧ２、ＴＧ３を含む。一例では、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１はそれぞれ電荷蓄積領域ＳＤ２およびＳＤ３と実質的に同一に構成されてよい。例えば、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１は同じ深さを有してよく、同様に同じ深さを有する電荷転送チャネルを介して光検出領域ＰＰＤ０から電荷キャリアを受け取るように構成されてよい。同様に、電荷蓄積領域ＳＤ２およびＳＤ３は、同じ深さを有してよく、同じ深さを有する電荷転送チャネルを介して光検出領域ＰＰＤ１から電荷キャリアを受け取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およびＳＤ３は互いに実質的に同一に構成されてよく、電荷蓄積領域ＳＤ１およびＳＤ２は互いに実質的に同一に構成されてよい。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ２は互いに実質的に同一に構成されてよく、電荷蓄積領域ＳＤ１およびＳＤ３は互いに実質的に同一に構成されてよい。ピクセル３－１１２の製造誤差に起因するものなどのわずかな相違が、実質的に同一に構成された電荷蓄積領域間のより大きな相違をもたらす可能性があると理解されたい。いくつかの実施形態では、ピクセル３－１１２の電荷蓄積領域は、互いに異なる深さを有するなど、互いに異なるように構成されてよい。
ピクセル３－１１２の複数の領域は異なる深さを有してよい。いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ３は同じ深さを有してよく、光検出領域ＰＰＤ０およびＰＰＤ１を電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ３にそれぞれ結合する複数の電荷転送チャネルは、図３－１Ｂに示すように、異なる深さを有してよい。例えば、図３－１１２に示すように、電荷蓄積領域ＳＤ３に結合された電荷転送チャネルは少なくとも部分的に、電荷蓄積領域ＳＤ０に結合された電荷転送チャネルの下に（例えば、光軸に平行な方向において）ある。したがって、いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１は、同じ周波数範囲にわたって実質的に等しい量の電荷キャリア（例えば、同じ数の低波長電荷キャリアおよび同じ数の高波長電荷キャリア）を蓄積することができる。同様に、いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ２、ＳＤ３は、互いにその範囲周波数にわたって実質的に等しい量の電荷キャリアを蓄積するが、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１とは異なる数の電荷キャリアを様々な周波数において蓄積し得る。例えば、電荷蓄積領域ＳＤ２、ＳＤ３は、より深い光検出領域ＰＰＤ１から電荷キャリアを受け取ることによって、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１よりも多数の高電荷キャリアを蓄積し得る。従って、電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアは、入射光の分光情報を示し得る。さらに、複数の電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１（同様にＳＤ２、ＳＤ３）を含めて、電荷キャリアを読み出すことで、タイミング情報とスペクトル情報の両方を決定することができる。例えば、一例では、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ３に蓄積された電荷キャリアはスペクトル情報を示し、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１に蓄積された電荷キャリアはタイミング情報を示すし得る。入射光の様々な情報を決定するために電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３の他の組み合わせを使用し得ると理解されたい。
図３－２Ａおよび図３－２Ｂは、いくつかの実施形態による、１つの光検出領域および６つの電荷蓄積領域を有し得るピクセル３－２１２を示す。図３－２Ａはピクセル３－２１２の上面図であり、図３－２Ｂは線Ｂに沿ったピクセル３－２１２の断面図である。ピクセル３－２１２は、図３－１Ａおよび図３－１Ｂに関連してピクセル３－１１２について説明した方法で構成され得る。例えば、ピクセル３－１１２は、図３－２Ａおよび３－２Ｂに示されており、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、転送ゲートＴＧ０、ＴＧ１、ＴＧ２、ＴＧ４、および電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３（このうち電荷蓄積領域は見えない）を含む。さらに、ピクセル３－２１２は、光検出領域ＰＰＤ２、転送ゲートＴＧ４、ＴＧ５、および電荷蓄積領域ＳＤ４、ＳＤ５（このうち電荷蓄積領域ＳＤ５は見えない）を含む。図３－２Ｂに示すように、光検出領域ＰＰＤ２は、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１とは異なる深さを有してよい。一例では、電荷蓄積領域ＳＤ４、ＳＤ５は、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１を電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３に結合する電荷転送チャネルとは深さが異なる電荷転送チャネルを介して光検出領域ＰＰＤ２から電荷キャリアを受け取るよう構成されてよい。したがって、いくつかの実施形態では、電荷蓄積領域ＳＤ４、ＳＤ５は、他の光検出領域よりも多くの低波長光子が光検出領域ＰＰＤ２に到達することなどにより、他の電荷蓄積領域よりも多くの低波長電荷キャリアを蓄積し得る。その結果、光検出領域および電荷蓄積領域をより多く含むことは、ピクセル３－２１２を使用して得ることができる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増加させ得る。
ｃ．光学的遮蔽を組み込んだ技術
いくつかの実施形態において、深さが異なる複数の領域を組み込んでいないピクセルを使用して、スペクトル情報を取得することができると理解されたい。例えば、図３－３Ａ～図３－３Ｃは、いくつかの実施形態による、１つの光検出領域および２つの電荷蓄積領域を有し得るピクセル３－３１２を示す。図３－３Ａは、ピクセル３－３１２の上面図であり、図３－３Ｂは、図３－３Ａの線Ａに沿うピクセル３－３１２の断面図であり、図３－３Ｃは、図３－３Ｃの線Ｂに沿うピクセル３－３１２の断面図である。ピクセル３－３１２は、図２－２に関連してピクセル２－２１２について説明した態様で構成されてよい。例えば、図３－３Ａ～図３－３Ｃに示すように、ピクセル３－３１２は、光検出領域ＰＤ、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、および転送ゲートＴＧ０を含む。また、図３－３Ｂおよび図３－３Ｃに示すように、ピクセル３－３１２は、転送ゲートＴＧ０が光検出領域ＰＰＤから光軸に平行に間隔をあけている方向において入射光を受け取るように構成されてよい。また、ピクセル３－３１２は、転送ゲートＴＧ１を含んでもよい。例えば、１つ以上のバリア（例えば、金属層Ｍ０）は、電荷キャリアが光検出領域ＰＤから転送ゲートＴＧ０を介して時間ゲートにより電荷蓄積領域ＳＤ０に優位に到達するように、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てよい。いくつかの実施形態では、１つ以上のバリアが、図３－３Ｃに示されるように、光軸に平行に細長くてよく、電荷蓄積領域ＳＤ０に隣接して配置され得るおよび／または光検出領域ＰＰＤと電荷蓄積領域ＳＤ０との間に配置され得る。電荷蓄積領域ＳＤ０とは対照的に、電荷キャリアは、光検出領域ＰＤからの転送ゲートＴＧ１を介した時間ゲートに加えて、直接励起（例えば、入射光子が電荷蓄積領域ＳＤ１に到達して電荷キャリアを生成すること）により電荷蓄積領域ＳＤ１に到達しうる。従って、電荷蓄積領域ＳＤ０、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。一例として、複数の電荷蓄積領域にそれぞれ蓄積された電荷キャリアの数の差は、入射光の波長成分の差（例えば、低波長入射光の量、高波長入射光の量など）を示し得る。
図３－４は、ピクセル３－４１２の別の例であり、図３－４のピクセル３－４１２は、例えばバリアによって光学的に遮蔽されている少なくとも１つの電荷蓄積領域を有する。例えば、ピクセル３－４１２は、１つの光検出領域ＰＤと、２つの電荷蓄積領域ＳＮＡ、ＳＮＢとを有するように構成され得る。電荷蓄積領域の各々は、処理のために、電荷キャリアを電荷蓄積領域ＳＮＡ、ＳＮＢから流出させ読み出し領域ＦＤＡ、ＦＤＢに流入させるために、読み出し領域ＦＤＡ、ＦＤＢにそれぞれ結合されてよい。いくつかの実施形態において、読み出し領域ＦＤＡ、ＦＤＢは、フローティングディフュージョン領域である。光検出領域ＰＰＤに入射する放射光は、２つの電荷蓄積領域ＳＮＡ、ＳＮＢのうちの１つに選択的に蓄積される電荷キャリアを生成し得る。ピクセル３－３１２は、例えば図４－４に関して本明細書で説明するように、電荷蓄積領域ＳＮＡ、ＳＮＢの各々における電荷キャリアの読み出しを異なる時間間隔で交互に行う「ピンポン」モードで動作するように構成され得る。
図３－４に示すように、電荷蓄積領域の少なくとも１つは、光検出領域ＰＤを通る以外の電荷蓄積領域への光路を制限するために、例えばバリアを用いて光学的に遮蔽され得る。例えば、図３－４では、入射光子が電荷蓄積領域ＳＮＡに到達しないようにバリアが構成される。その代わりに、電荷蓄積領域ＳＮＡが、本明細書に記載の方法に従って、光検出領域ＰＰＤを介して電荷キャリアを受け取り得る。第２の電荷蓄積領域ＳＮＢは、光学的に遮蔽されていない場合があり、したがって、光検出領域ＰＰＤからの電荷キャリアを蓄積するとともに、長波長を有し、したがって電荷蓄積領域ＳＮＢに達することができる入射放射光から、直接電荷キャリアを生成し得る。したがって、電荷蓄積領域ＳＮＡとＳＮＢとの電荷蓄積量の差を解析することで、入射放射光の波長情報を効率的に得ることができる。
ｄ．１つ以上の光学的選別要素を組み込んだ技術
図４－１は、いくつかの実施形態による、光学的選別要素、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し得るピクセル４－１１２の側面図である。ピクセル４－１１２は、図２－４に関連してピクセル２－４１２について説明した方法で構成されてよい。例えば、ピクセル４－１１２は、図４－１に示されており、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、および転送ゲートＴＧ０、ＴＧ１を含む。電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１と同様に、光検出領域ＰＰＤ０とＰＰＤ１が実質的に等しい深さを有することが示されている。ピクセル４－１１２は、光源からの少なくとも一部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一部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た光学的選別要素ＯＳＥを更に含むことが示されている。入射光子に応じて電荷蓄積領域ＳＤ０およびＳＤ１に蓄積された電荷キャリアは、異なる情報を示し得る。例えば、電荷蓄積領域ＳＤ０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てよく、電荷蓄積領域ＳＤ１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てよい。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、電荷蓄積領域ＳＤ０に蓄積された電荷キャリアは、波長情報を示す。それに代えてまたは加えて、各電荷蓄積領域からの情報は、各電荷蓄積領域によって受け取られた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決定するために組み合わされてよい。
様々な実施形態によれば、光学的選別要素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、光学的選別要素ＯＳＥは、入射光の波長に応じてなど、電荷蓄積領域ＳＤ０、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、光学的選別要素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、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、光学的選別要素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、光学的選別要素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。光学的選別要素ＯＳＥは、異なる周波数を有する入射光子を異なる光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１に向かわせ得るので、電荷蓄積領域ＳＤ０、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、光学的選別要素ＯＳＥから入射光子を受け取り、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、光学的選別要素、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備え得るピクセル４－２１２の側面図である。ピクセル４－２１２は、図４－１に関連してピクセル４－１１２について説明した方法で構成されてよい。例えば、ピクセル４－２１２は、図４－２に示されており、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１、電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１、および転送ゲートＴＧ０、ＴＧ１を有する。さらに、ピクセル４－２１２は、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１とそれらにそれぞれ対応する電荷蓄積領域ＳＤ０、ＳＤ１との間に、少なくとも部分的に配置された１つ以上のバリアを含む。また、図４－２に示すように、ピクセル４－２１２は、転送ゲートＴＧ０、ＴＧ１が光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１から光軸に平行に間隔をあけている方向において入射光子を受け取るように構成されてよく、ピクセル４－１１２は、光検出領域ＰＰＤ０、ＰＰＤ１が転送ゲートＴＧ０、ＴＧ１から光軸に平行に間隔をあけている方向において入射光子を受け取るように構成されてよい。
［Ｖ．パルス持続時間情報取得技術］
本明細書に記載された技術のさらなる態様によれば、本発明者らは、サンプルウェル内のサンプルからの放射光のパルス持続時間情報を取得するための技術を開発した。例えば、サンプル中の分子に結合した蛍光マーカは、特徴的なパルスおよびパルス間持続時間を有し得るので、特定の蛍光マーカからの放射光のパルスおよびパルス間持続時間の測定値を取得することによって、光が放射された蛍光マーカを容易に同定できる。パルス持続時間は、本明細書ではパルス幅とも呼ばれるが、１つのパルスにわたって測定される時間インターバルを指し、いくつかの実施形態では、１つのパルスの半値全幅で測定される。本明細書においてパルス間幅とも呼ばれるパルス間持続時間は、複数のパルス間の時間的間隔を指す。
したがって、いくつかの実施形態では、本明細書に記載の集積デバイスは、例えば「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮＳ ＦＯＲ ＰＲＯＴＥＩＮ ＳＥＱＵＥＮＣＩＮＧ」と題する米国特許出願第１６／６８６，０２８号（２０１９年１１月１５日出願、代理人管理番号Ｒ０７０８．７００４２ＵＳ０２）および「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮＳ ＦＯＲ ＰＲＯＴＥＩＮ ＳＥＱＵＥＮＣＩＮＧ」と題するＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ１９／６１８３１号（２０１９年１１月１５日出願、代理人管理番号Ｒ０７０８．７００４２ＷＯ００）に記載の技術のような、パルス持続時間情報を取得するための技術を実施するように構成されてよい。これら両出願はいずれも参照によりその全体が本明細書に援用される。例えば、本明細書に記載されるように、サンプル中の分子は蛍光マーカで標識付けされてよい。１つ以上の蛍光マーカは、分子に付着（例えば、結合）し、励起光によって励起されると、それぞれが光子を放射することがあり、これらを総称して蛍光事象と呼ぶことがある。蛍光マーカが繰り返し励起されることによるこのような多数の蛍光事象によって生成される放射光子をシグナルパルスと呼ぶことがある。各シグナルパルスは、蛍光マーカの認識分子と分析中のサンプル分子との会合事象に対応するパルス持続時間（「ｐｄ」）を有する。
例えば、理論に束縛されるものではないが、蛍光マーカの標識付けされた親和性試薬は、結合の会合速度、すなわち「オン」速度（ｋｏｎ）と、結合の解離速度、すなわち「オフ」速度（ｋｏｆｆ）とによって定義される結合親和性（ＫＤ）に応じて、認識分子と選択的に結する。本明細書で説明するように、蛍光分子が認識分子に結合している場合、そのマーカは蛍光を発して光子を放射するが、蛍光マーカが結合していない場合、そのマーカは、励起光を受けて励起状態に入り励起状態から出ても蛍光を発しない。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、最良のシークエンス精度を与えるパルス持続時間およびパルスレート（例えば、シグナルパルスの周波数）を達成するように設計され得る。
したがって、いくつかの実施形態では、パルス持続時間は、結合の解離速度に特徴的である。さらに、特性パターンの各シグナルパルスは、特性パターンの別のシグナルパルスからパルス間持続時間（「ｉｐｄ」）だけ離れている。いくつかの実施形態では、パルス間持続時間は、結合の会合速度に特徴的である。いくつかの実施形態では、ベースラインと１つのシグナルパルスのピークとの間の差に基づいて、その１つのシグナルパルスについての大きさの変化（ΔＭ）が決定され得る。いくつかの実施形態では、パルス持続時間に基づき特性パターンが決定される。いくつかの実施形態では、パルス持続時間およびパルス間持続時間に基づいて特性パターンが決定される。いくつかの実施形態では、パルス持続時間、パルス間持続時間、および大きさの変化のうちのいずれか１つ以上に基づいて特性パターンが決定される。いくつかの実施形態では、一連のパルスが、分析中のサンプルのアイデンティティの診断となり得るパルスパターン（例えば、特徴的なパターン）を提供する。
図４－３Ａ、図４－３Ｂ、図４－３Ｃは、分析中のサンプル分子に対する特徴的なパルスパターンの非限定的な例を示す。図４－３Ａは、標識付けされたＣｌｐＳ２が可逆的に結合したときの前記３つのＮ末端残基の間の弁別パルス持続時間（シグナルピークの持続時間）を示すプロットである。図４－３Ｂは、前記３つのＮ末端残基の弁別パルス間持続時間（シグナルパルス間の時間）を示すプロットである。図４－３Ｃ、図４－３Ｄ、図４－３Ｅは、ペプチドＮ末端のフェニルアラニン、チロシン、トリプトファン間の弁別パルス時間をさらに説明するプロットである。
本明細書に記載されるように、シグナルパルス情報は、一連のシグナルパルスにおける特徴的なパターンに基づいて、アミノ酸などの分子を同定するために使用され得る。いくつかの実施形態では、特徴的なパターンは複数のシグナルパルスを備えており、各シグナルパルスがパルス持続時間を有する。いくつかの実施形態では、複数のシグナルパルスは、特性パターンにおけるパルス持続時間の分布の要約統計量（例えば、平均値、中央値、時間減衰定数）により特徴付けられ得る。いくつかの実施形態では、特性パターンの平均パルス持続時間は、約１ミリ秒と約１０秒の間（約１ミリ秒と約１秒の間、約１ミリ秒と約１００ミリ秒の間、約１ミリ秒と約１０秒の間、約１０ミリ秒と約１０秒の間、約１秒と約１０秒の間、約１０ミリ秒と約１００ミリ秒の間、または約１０ミリ０秒と約５００ミリ秒の間など）である。いくつかの実施形態では、単一のポリペプチド中の異なるタイプの複数のアミノ酸に対応する異なる複数の特性パターンは、要約統計量における統計的に有意な差に基づいて互いに区別され得る。例えば、いくつかの実施形態では、１つの特性パターンは、少なくとも１０ミリ秒の平均パルス持続時間の差（例えば、約１０ミリ秒と約１０秒との間、約１０ミリ秒と約１秒との間、約１０ミリ秒と約１００ミリ秒との間、約１００ミリ秒と約１０秒との間、約１秒と約１０秒との間、または約１００ミリ秒と約１秒との間）に基づいて、別の特性パターンと区別可能であり得る。いくつかの実施形態において、異なる特性パターン間の平均パルス持続時間の差が小さい場合に、統計的信頼性をもって相互を区別するためには、各特性パターン内におけるパルス持続時間をより多数必要となることがあると理解されたい。
本明細書で説明するように、蛍光マーカは、サンプル中の関心対象の分子に付着しているときのみ蛍光を発し、解離状態の期間中は蛍光を発しないように構成されてよい。例えば、いくつかの実施形態では、サンプル中の関心対象の分子に付着したときにマーカの蛍光が選択的に発生するように蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）技術が使用される。蛍光マーカ用の標識付けされた親和性試薬は、結合によって誘起された発光（ｂｉｎｄｉｎｇ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を有する標識を有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、標識付けされたアプタマーは、ドナー標識とアクセプター標識とを含む。遊離分子としての標識付けされたアプタマーは、ドナー標識およびアクセプター標識が、それら標識間の検出可能なＦＲＥＴを制限する距離（例えば、約１０ｎｍ以上）だけ離れているコンフォメーションを採用し得る。選択的に結合した分子としての標識付けされたアプタマーは、ドナー標識およびアクセプター標識が、それら標識間の検出可能なＦＲＥＴを促進する距離（例えば、約１０ｎｍ以下）内にあるコンフォメーションを採用する。さらに他の実施形態では、標識付けされたアプタマーは、消光部分を含んでおり、分子ビーコンのように機能し、標識付けされたアプタマーの発光は、自由分子として内部消光し、選択的に結合した分子として復元する（例えば、Ｈａｍａｇｕｃｈｉら（２００１） Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ２９４，１２６－１３１を参照）。理論に束縛されるものではないが、結合によって誘起された発光のこうしたメカニズムは、有利にはバックグラウンド発光を低減または除去でき、本明細書に記載の方法の全体的な感度および精度を向上させ得ると考えている。
本発明者らは、本明細書に記載の弁別技術を促進するためのパルス持続時間および／またはパルス間持続時間の１つ以上の測定値を取得することが、特に本開示の上記ＩＩＩ欄に関し、集積デバイス１－１０２および本明細書に記載の時間ビニング技術を使用して達成できると認識している。いくつかの実施形態では、パルス持続時間および／またはパルス間持続時間は、分析中のサンプルウェル内のサンプルを弁別するための寸法として使用され得る。例えば、本明細書に記載されるように、特定の複数の分子が特徴的なパルス持続時間および／またはパルス間持続時間を有することができ、測定されたパルス持続時間および／またはパルス間持続時間を既知の特徴的持続時間と比較することによってサンプルを同定することができる。
［ＶＩ．強度情報取得技術］
本明細書に記載の技術の別の態様によれば、本発明者らは、いくつかの実施形態において、サンプルウェル内のサンプルの多次元弁別技術を容易にすることができる、放射光強度の１つ以上の測定値を取得するための技術を開発した。本発明者らは、いくつかのフルオロフォアは、それらの減衰率が類似していても、著しく異なる強度で発光するかまたはそれらの励起確率に著しい差（例えば、少なくとも約３５％の差）を有する場合があると認識している。ビニングされた信号を測定された励起エネルギーおよび／または他の取得された信号に対して参照することによって（例えば、電荷キャリアの蓄積を測定することによって、異なる複数のフルオロフォアを強度レベルに基づいて区別することが可能であり得る。したがって、集積デバイス１－１０２などの集積デバイスは、本明細書に記載されるような様々な読み出し期間を通じて蓄積ビン内の電荷キャリアの蓄積に基づいて強度を測定するように構成されてよく、強度の測定値は、分析中の特定のサンプルを区別するために使用されてよいと理解される。
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、１つのサンプル中の異なる分子に連結され得、各分子が発光強度に基づいて同定され得る。例えば、２つのフルオロフォアが第１の標識付けされた分子に連結されてよく、４つ以上のフルオロフォアが第２の標識付けされた分子に連結されてよい。フルオロフォアの数が異なるので、異なる複数の分子に関連する励起およびフルオロフォア発光の確率が異なる場合がある。例えば、信号蓄積間隔の間に、第２の標識付けされた分子についてより多くの発光事象が存在し、ビンの見かけの強度が第１の標識付けされた分子についてよりも著しく高くなることがある。したがって、本発明者らは、いくつかの実施形態において、サンプル中の特定の分子に連結されるフルオロフォアの数を制御することが、サンプルの同定を容易にし得ると認識している。したがって、いくつかの実施形態では、強度が、サンプル分析のための多次元弁別技術において使用される多数の特性の少なくとも１つである。
［ＶＩＩ．多次元弁別技術の応用］
ここまでは、サンプルからの放射光の様々な特性（例えば、寿命、波長、強度、パルス持続時間、および／またはパルス間持続時間）に関する情報を取得する複数の技術について説明してきたたが、次に、多次元弁別技術の適用例について説明する。例えば、本発明者らは、分析中のサンプル中の１つ以上の分子の同定が、本明細書に記載の多次元技術を使用して識別され得ると認識している。特に、本明細書に記載の集積デバイスなどのデバイスによって、放射光の１つ以上の特性に関する測定値を取得し、収集した測定値を蛍光マーカに関する測定値の既知の特性値と比較して、どの蛍光マーカがその放射光の最も可能性の高い光源であるかを判定してよい。ひいては、蛍光マーカを同定することによって、蛍光マーカが付着することが知られている特定のタイプの分子に基づいて、蛍光マーカが付着している分子のアイデンティティを知ることができる。
特性の任意の好適な組み合わせが、本明細書に記載される多次元技術において組み合わされ、使用され得る。例えば、いくつかの実施形態では、２次元弁別技術が、サンプルに関連する放射光の寿命、波長、パルス持続時間、パルス間持続時間、および強度のうちの任意の２つの情報に基づいて、関心対象のサンプルを同定し得る。いくつかの実施形態では、関心対象のサンプルを同定するための２次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の波長情報および寿命情報に基づいたものである。いくつかの実施形態では、関心対象のサンプルを同定するための２次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の寿命情報および強度情報に基づいたものである。いくつかの実施形態では、関心対象のサンプルを同定するための２次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の波長情報および寿命情報に基づいたものである。いくつかの実施形態において、３次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の寿命、波長、パルス持続時間、パルス間持続時間、および強度のうちの任意の３つの情報に基づいて、関心対象のサンプルを同定し得る。いくつかの実施形態では、関心対象のサンプルを同定するための３次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の寿命情報、波長情報、および強度情報に基づいたものである。いくつかの実施形態では、関心対象のサンプルを同定するための３次元弁別技術は、波長情報、寿命情報、および強度情報のうちのいずれか２つと、サンプルに関連する放射光のパルス持続時間情報およびパルス間持続時間情報のうちのいずれか１つと、に基づいたものである。本明細書に記載の技術の別の態様によれば、４次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の寿命、波長、パルス持続時間、パルス間持続時間、および強度のうちのいずれか４つの情報に基づいて関心対象のサンプルを同定するために使用される。いくつかの実施形態では、関心対象のサンプルを同定するための４次元弁別技術は、寿命情報、波長情報、強度情報、および、サンプルに関連する放射光のパルス間持続時間情報およびパルス持続時間情報のうちのいずれか１つの情報に基づいたものである。本明細書に記載の技術の別の態様によれば、５次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の寿命、波長、強度、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の情報に基づいて、関心対象のサンプルを同定するために使用される。
いくつかの実施形態では、関心対象のサンプルを同定するための２次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の波長、寿命、強度、パルス持続時間およびパルス間持続時間のうちの任意の２つの測定値に基づいたものである。いくつかの実施形態では、関心対象のサンプルを同定するための２次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の寿命および強度の測定値に基づいたものである。いくつかの実施形態では、関心対象のサンプルを同定するための２次元弁別技術は、サンプルに関連する放射光の波長および強度の測定に基づいたものである。
例えば、図４－４は、本明細書に記載のいくつかの実施形態による、多次元弁別技術について収集したデータの一例を示す。図４－４に示した例では、サンプルウェル内のサンプルから放射されて光検出器によって収集された放射光の強度、波長、および寿命についての測定値が収集される。図４－４に示したグラフには、２つの蓄積ノードＳＮＡ、ＳＮＢから収集された信号データが含まれる。蓄積ノードＳＮＡ、ＳＮＢは、例えば、図３－３の２つの電荷蓄積領域として構成されてよい。蓄積ノードＳＮＡ、ＳＮＢに適用される「ピン」「ポン」標識は、それぞれの蓄積ノードからの信号がプロセッサによって取得される時間間隔を指す場合がある。複数の蓄積領域に蓄積された複数の電荷キャリアが、プロセッサ、コントローラ、および／または回路などのコンポーネントへと段階的に読み出されてよく、例えば、最初に第１の蓄積ノードＳＮＡの電荷キャリアが２回読み出され（ピン間隔とポン間隔）、その後に第２の蓄積ノードＳＮＢの電荷キャリアが２回読み出される（ピン間隔とポン間隔）。この信号は、以前に読み出されたすべての蓄積ノードからの累積電荷を表す。
様々な時間間隔での信号についての分析により、入射放射光の様々な特性についての情報が得られる。例えば、入射放射光の強度は、電荷キャリア読み出しの初期間隔であるＳＮＡピン間隔についての相対信号測定値を比較することによって最もよく分析され得る。当該グラフおよび添付の表に示すように、パルス１～４の信号はパルス５～８の信号よりも相対的に低いので、パルス１～４は低い強度を有するとみなすことができ、パルス５－８は相対的に高い強度を有するとみなすことができる。ＳＮＡピン間隔とＳＮＡポン間隔との信号の相対的な差を見ることで、寿命情報を分析することができる。例えば、読み出されたＳＮＡポン間隔の信号がＳＮＡピン間隔のものとほぼ同じである場合、その信号の多くは、先の間隔であるＳＮＡピン間隔中に精製された電荷キャリアによって生成されたものであり、したがって、それらのパルスについては、寿命は比較的短い。読み出されたＳＮＡポン間隔の信号がＳＮＡピン間隔のものより大きい場合、より多くの電荷キャリアは、より後の時間間隔で生成されたものであり、したがって寿命は相対的に長い。その図には、奇数パルスは寿命が短く、偶数パルスは寿命が長いことが示されている。最後に、蓄積ノードＳＮＡ、ＳＮＢの配置に基づいて、波長情報を決定することができる。図３－３に関して説明したように、蓄積ノードが光学的ブロッキング素子で構成されている場合、ブロックされていない蓄積ノードＳＮＢは、ブロックされている蓄積ノードＳＮＡよりも長波長の光を多く受け取ることになる。したがって、ＳＮＡポン間隔とＳＮＢポン間隔の差を解析して、ＳＮＢの電荷キャリア読み出しがＳＮＡの電荷キャリア読み出しよりも相対的に大きいかどうかを判断することで、パルスが相対的に短い波長を有するか長い波長を有するかを示すことができる。例えば、ポン間隔についてＳＮＡとＳＮＢの読み出し信号を比較し、ＳＮＢの読み出し信号がＳＮＡの読み出し信号のおよそ２倍以上であるかどうかを判断することで、入射放射光の波長が相対的に短いか相対的に長いかを決定できることになる。
本発明者らは、比較的高い次元数（例えば、３次元対２次元、４次元対３次元など）の弁別技術が、放射光の光源を正確に同定し、したがって分析中のサンプルを正確に同定する能力を向上させ得ると認識している。本明細書に記載されるように、タンパク質シークエンシングへの多次元弁別技術の適用において、２０種類のアミノ酸を正確に同定することに加えて翻訳後修飾物（ｐｏｓｔｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ）も正確に同定するために、より高い次元性（例えば、サンプル弁別するための３次元、４次元、および／または５次元）を有する弁別技術を使用することが有利である。特に、高次元技術は、受け取った信号が比較的低い場合（すなわち、放射光強度が比較的低い場合）でも、発光源（例えば、蛍光マーカおよび／または蛍光マーカが付着しているサンプル）の正確な同定を容易にし得る。本発明者らは、比較的低い信号でも機能する弁別技術を開発することで、本明細書に記載のシークエンシング用途の読み取り長を延長し、より大きなアッセイサイズへの技術のスケーラビリティを向上させることができると認識している。
サンプルを同定するために使用される弁別技術の次元を増加させることが有利である場合があるけれども、そのようにすることによって、識別情報を取得するための集積デバイスの複雑さが増加してしまう場合がある。さらに、複数の特性（例えば、波長および寿命）に関する情報を取得するように最適化された蛍光マーカを提供するには、その蛍光マーカのおよび／または集積デバイスの増大した労力および複雑さが必要になる場合がある。しかしながら、本発明者らは、本明細書に記載されるように、ある種の情報は、集積デバイスの複雑さを増大させることなく得ることができと認識している。例えば、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、およびパルス強度情報は、波長情報および／または寿命情報を取得するように構成された既存のデバイスを使用し、そのデバイスに対する最小限の変更によりまたは必要なしで得ることができる。したがって、本発明者らは、サンプルを同定するために、パルス強度情報、パルス持続時間情報、および／またはパルス間持続時間情報を使用することによって弁別技術の次元を増加させると、集積デバイスの複雑さを大幅に増加させずに識別精度を向上させることができると認識している。
本明細書で説明するように、上述の特性、例えば、波長情報、強度情報、寿命情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報は、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に基づいて得ることができる。いくつかの実施形態においては集積デバイスの一部であるコンポーネントは、本明細書に記載された特性のうちの１つ以上に関する情報を取得するように構成される。例えば、そのコンポーネントは、ハードウェアモジュール（例えば、１つ以上のコントローラ、１つ以上のプロセッサ、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を介して実装された回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））および／または本明細書に記載されたコンポーネントの機能を果たすように構成された任意の他の適切なコンポーネントであってよい。
いくつかの実施形態では、集積デバイスは、波長情報、強度情報、寿命情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を取得することができる１つのコンポーネントを有するように構成される。いくつかの実施形態では、集積デバイスは、波長情報、強度情報、寿命情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を取得することができる複数のコンポーネントを有するように構成されてよい。例えば、いくつかの実施形態では、各タイプの情報（例えば、波長情報、寿命情報など）は、異なるコンポーネントによって取得されてよい。いくつかの実施形態では、第１のコンポーネントは、すべてのタイプの情報ではなく、いくつかのタイプの情報を取得するように構成されてよく、１つ以上の他のコンポーネントは、第１のコンポーネントによって取得されない他のタイプの情報を取得するように構成されてよい。例えば、パルス間持続時間情報およびパルス持続時間情報は、第１のコンポーネントによって取得されてよく、波長情報、発光寿命情報、および強度情報は、１つ以上の他のコンポーネントによって取得されてよい。いくつかの実施形態では、パルス間持続時間情報、パルス持続時間情報、および発光寿命情報は、第１のコンポーネントによって得られてよく、波長情報および発光寿命情報は、１つ以上の他のコンポーネントによって得られてよい。いくつかの実施形態では、複数のコンポーネントが、単一の種類の情報（例えば、波長情報）を取得するように構成されてよい。
本発明者らは、多次元弁別技術が様々な用途で実施できると理解しており、そのうちの２つの非限定的な例としては、ＤＮＡおよび／またはＲＮＡシークエンシング用途および／またはタンパク質シークエンシング用途があり、それぞれについて本明細書で更に説明する。
ａ．ＤＮＡおよび／またはＲＮＡシークエンシング応用
本発明者らは、いくつかの実施形態において、サンプルの多次元弁別のための本明細書に記載の技術は、１つの非限定的な例として、ＤＮＡおよび／またはＲＮＡシークエンシング用途において使用され得ると認識している。例えば、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、標識付け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、標識付け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、標識付け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つ以上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つ以上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コンポーネントは、励起光を１つ以上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つ以上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つ以上の特徴、例えばタイミング特徴（例えば、蛍光寿命）、波長、パルス持続時間、パルス間持続時間、および／または、強度を検出可能にする構造を有することができる。一例では、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、パルス持続時間、および／またはパルス間持続時間のプロキシ）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つ以上の光検出器は、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（例えば波長）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つ以上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。
いくつかの実施形態では、ＤＮＡおよび／またはＲＮＡシークエンシング用途を便利にするために、本明細書で以前に説明した技術と同様のシステムおよび集積デバイスが実施され得る。例えば、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つ以上の励起源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（代理人管理番号Ｒ０７０８．７０００２ＵＳ０２）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、関心対象の単一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、標識付け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つ以上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つ以上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コンポーネントの一部分は、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、単一のコンポーネントが、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コンポーネントの例は、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（代理人管理番号１４／８２１６８８）、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（代理人管理番号Ｒ０７０８．７０００５ＵＳ００）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つの関心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つ以上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つ以上の光検出器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つ以上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（代理人管理番号Ｒ０７０８．７０００２ＵＳ０２）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つ以上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つ以上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つ以上の金属層５－２４０は、いくつかまたはすべての励起光が光検出器５－１１０に到達するのをブロック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つ以上の光学コンポーネント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（代理人管理番号Ｒ０７０８．７００２１ＵＳ０１）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つ以上の反応チャンバ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コンポーネントを使用して、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。このようなコンポーネントは、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コンポーネントを含むことができる。付加的な機械的なコンポーネントを、１つ以上の位置合わせコンポーネント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コンポーネントは、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（代理人管理番号Ｒ０７０８．７００１０ＵＳ０２）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（代理人管理番号Ｒ０７０８．７００２４ＵＳ０１）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、複数の関心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によって生成される出力情報は、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け取られることができる。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生成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つ以上の光検出器から受け取られるデータを分析するとともに制御信号を励起源２－１０６に送信する、または集積デバイス５－１０２の１つ以上の光検出器から受け取ら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つ以上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つ以上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つ以上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つ以上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、光学コンポーネント（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コンポーネント、ビーム成形コンポーネントの中からいずれも含まないか、１つ以上のコンポーネント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つ以上の光信号（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つ以上の電気信号を生成するように構成された複数のコンポーネント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つ以上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つ以上のマイクロコントローラ、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ、１つ以上のマイクロプロセッサ、１つ以上のデジタル信号プロセッサ、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つ以上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つ以上の外部デバイス）に送信し、データを外部のデバイスから受け取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つ以上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コンポーネント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コンポーネント、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つ以上のクロック信号、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け取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つ以上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け取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つ以上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つ以上の折り返し（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つ以上の光導波路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つ以上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つ以上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つ以上の導波路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つ以上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ブロック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標識付け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。
標識付け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つ以上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つ以上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つ以上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、パルス持続時間、パルス間持続時間）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。
入射放射光によって生成された電荷キャリアを時間ビニングして、放射光のタイミング情報（例えば、蛍光寿命、パルス持続時間、パルス間持続時間）を容易に得るための技術は、例えば、ＩＩＩ欄に関して本明細書に記載されている。およびＶは、ＤＮＡおよび／またはＲＮＡシークエンシング用途に適用されてよい。例えば、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。本明細書に記載されるように、例えば、いくつかの分析システム５－１６０は、蛍光波長、パルス持続時間／幅、パルス間持続時間、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電荷蓄積サイクル中に行い得る。一電荷蓄積サイクルは、時間ビニング光検出器のビンに光生成されたキャリアが蓄積される読み出し事象の間の間隔である。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キャリアを複数の個別の時間ビンに蓄積させ得る。図５－８には３つのビンが示されているが、より少数のビンまたはより多数のビンを実施形態において使用し得る。ビンは、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のビンは、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キャリアを蓄積することができる。第２のビンは、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のビンは、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、複数の時間ビンに蓄積されたキャリアは、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／キャリア生成領域５－９０２、キャリア放電チャネル５－９０６、および複数のキャリア蓄積領域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。キャリア転送チャネル５－９０７は、光子吸収／キャリア生成領域５－９０２とキャリア蓄積領域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。光子吸収／キャリア生成領域５－９０２、キャリア放電チャネル５－９０６、キャリア蓄積領域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電極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が光子吸収／キャリア生成領域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キャリアの数は、蛍光放射によって生成される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キャリアは、第１の転送ゲート５－９２０がキャリア放電チャネル５－９０６へとゲート動作することによって除去することができる。
後の時点で、ほとんどの蛍光放射光子５－９０３は、光子吸収／キャリア生成領域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の電極５－９２１および第３の電極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のキャリア蓄積領域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の電極５－９２２および第５の電極５－９２４は、キャリアを第２のキャリア蓄積領域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。電荷蓄積は、各キャリア蓄積領域５－９０８ａ、５－９０８ｂに相当数の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、ビン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を介して蓄積領域からキャリアが読み出され得る。例えば、蓄積領域５－９０８ａ、５－９０８ｂからキャリアを除去するよう、電極５－９２３、５－９２４におよび少なくとも電極５－９４０に適切なバイアスシーケンスを印加することができる。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、複数のキャリア蓄積領域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にはビン１のみが存在してよい。そのような場合、単一のキャリア蓄積領域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、キャリア蓄積領域５－９０８ａ用の電極は、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、蓄積領域５－９０８ａの同じ電極は、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。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、単一のキャリア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。
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つの電荷蓄積領域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つの電ビン（ビン０）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除去されることができ、光子吸収／キャリア生成領域５－９０２から除去およびダンプされることが可能である。
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子信号が第１の電子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子信号はビン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で光子が放射され得る。
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のキャリア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、関心対象の分子または関心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。しかしながら、いくつかの実施形態では、サンプルを識別するために、強度、寿命、波長、パルス持続時間および／またはパルス間持続時間の複数を使用して、特定の分子を同定するための追加の弁別の次元を追加することが有利となる場合がある。
「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、光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、遺伝学的シークエンシング用途のヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体などの、関心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ＡｌｅｘａＦｌｕｏｒ６４７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。
ｂ．タンパク質シークエンシング用途
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、特定のサンプルを同定するために、波長、寿命、強度、パルス持続時間および／またはパルス間持続時間の測定を用いた多次元弁別技術を適用するなど、ポリペプチドからアミノ酸配列情報を決定するために（例えば、１つ以上のポリペプチドの配列を決定するために）有用である。いくつかの実施形態では、アミノ酸配列情報は、単一のポリペプチド分子に対して決定することができる。いくつかの実施形態では、ポリペプチドの１つ以上数のアミノ酸が（例えば、直接的または間接的に）標識付けされ、ポリペプチド内の標識付けされたアミノ酸の相対位置が決定される。いくつかの実施形態では、タンパク質中のアミノ酸の相対位置は、一連のアミノ酸標識および開裂ステップを使用して決定される。特に、本明細書に記載される多次元弁別技術は、「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮＳ ＦＯＲ ＰＲＯＴＥＩＮ ＳＥＱＵＥＮＣＩＮＧ」と題する米国特許出願第１６／６８６，０２８号（２０１９年１１月１５日出願、代理人管理番号Ｒ０７０８．７００４２ＵＳ０２）および「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮＳ ＦＯＲ ＰＲＯＴＥＩＮ ＳＥＱＵＥＮＣＩＮＧ」と題するＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ１９／６１８３１号（２０１９年１１月１５日出願、代理人管理番号Ｒ０７０８．７００４２ＷＯ００）に記載のタンパク質シークエンシング方法を用いて実施するように構成されてよい。これら両出願はいずれも参照によりその全体が本明細書に援用される。
例えば、図５－１２は、アミノ酸を識別するための３次元弁別技術を例示するグラフである。本発明者らは、強度、パルス持続時間、および寿命の特徴的な測定値の少なくとも１つに基づいて、個々のアミノ酸を同定可能であると認識している。特に、蛍光マーカからの放射光の強度、パルス時間、寿命の測定値を取得することで、その放射光が由来する可能性が最も高い蛍光マーカを特定するよう、それら得られた測定値を既知の測定値と比較することができる。特定の蛍光マーカを同定することで、そのマーカが結合しているアミノ酸を知ることができる。特に、強度とパルス持続時間と寿命との３次元弁別を用いることで、２０種類すべての標準的な遺伝学的アミノ酸を同定でき、および翻訳後修飾物を同定可能である。示した実施形態では、特定のアミノ酸を同定するための３次元弁別技術が図示されているが、本発明者らは、２次元、４次元、および／または５次元技術を含む多次元技術のいずれかがタンパク質シークエンシング用途に適用され得ることを理解している。加えて、示された実施形態では、強度、寿命、およびパルス持続時間の測定値を用いる３次元弁別技術を示しているが、例えば、強度、寿命、波長、パルス持続時間および／またはパルス間持続時間のうちの任意のものといった、他の適切な組み合わせが本明細書に記載される多次元技術において実施され得ると理解される。
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つ以上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つ以上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、間接的に標識付けすることができる。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つ以上の種類を選択的に修飾することによって、直接的に標識付けすることができる。アミノ酸側鎖の選択的な標識付けの方法、ならびに標識付け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つ以上の種類は、アミノ酸の１つ以上の種類を選択的に結合する１つ以上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つ以上の種類は、標識付け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標識付け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標識付けされたアミノ酸の相対位置を求めるために、標識付けされたタンパク質を空孔（例えば、タンパク質チャネル）に移行し、空孔に移行中に標識付け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つ以上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標識付け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つ以上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標識付け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５－１３は、いくつかの実施形態による、エドマン分解により標識付け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５－１３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５－１３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）標識付け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、その間標識付けされたポリペプチドのルミネセンスが検出され、末端からの標識付け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５－１３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、標識付けされたアミノ酸認識分子および標識付けされた開裂試薬（例えば、標識付け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５－１４は、個別的な結合事象が信号出力５－１４００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５－１４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、標識付けされたアミノ酸認識分子５－１４１０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５－１４００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、標識付けされたアミノ酸認識分子５－１４１０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、標識付けされたアミノ酸認識分子５－１４１０のものとは異なる検出可能なラベルを含む標識付けされた開裂試薬５－１４２０をさらに含む。いくつかの実施形態において、標識付けされた開裂試薬５－１４２０は、標識付けされたアミノ酸認識分子５－１４１０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、標識付けされた開裂試薬５－１４２０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５－１４００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、標識付けされた開裂試薬５－１４２０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、これらの事象は標識付けされたアミノ酸認識分子５－１４１０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５－１４００にさらに示されるように、いくつかの実施形態において、標識付けされたアミノ酸認識分子５－１４１０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、複数の標識付け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、特徴的な波長、寿命、強度、パルス持続時間、および／またはパルス管持続時間を含めて、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．別例および範囲］
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つ以上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つ以上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つ以上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。

Claims (156)

  1. サンプルから放射される入射光子に応じた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、
    前記入射光子に関する情報であって、パルス持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、強度情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも１つのメンバを備える前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと
    を備える集積回路。
  2. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、波長情報とパルス持続時間情報とを備える、請求項１に記載の集積回路。
  3. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス持続時間情報と強度情報とを備える、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  4. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、発光寿命情報とパルス持続時間情報とを備える、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  5. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される情報は、パルス持続時間情報とパルス間持続時間情報とを備える、．請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  6. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される情報は、パルス持続時間情報と、波長情報と、強度情報とを備える、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  7. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス持続時間情報と、波長情報と、発光寿命情報とを備える、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  8. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス持続時間情報と、強度情報と、発光寿命情報とを備える、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  9. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される情報に少なくとも部分的に基づいて前記サンプルを同定するようにさらに構成される、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  10. 前記サンプルを同定することは、少なくとも１つの蛍光マーカを識別することを備え、前記少なくとも１つのコンポーネントは、前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子を同定するようにさらに構成されている、請求項９に記載の集積回路。
  11. 前記少なくとも１つの分子を同定することは、少なくとも１つのアミノ酸を同定することを備える、請求項１０に記載の集積回路。
  12. 前記少なくとも１つの電荷蓄積領域は、第１の電荷蓄積領域および第２の電荷蓄積領域を備えており、前記第１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はタイミング情報を示す、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  13. 前記タイミング情報は発光寿命情報を備え、前記スペクトル情報は波長情報を備える、請求項１２に記載の集積回路。
  14. 前記第１の電荷蓄積領域と前記第２の電荷蓄積領域とは、前記少なくとも１つの光検出領域が前記入射光子を受け取るように構成される光学的方向において異なる深さを有する、請求項１３に記載の集積回路。
  15. 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かつ前記電荷キャリアを前記第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単一の光検出領域を備える、請求項１４に記載の集積回路。
  16. 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１４に記載の集積回路。
  17. 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た第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た第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、少なくとも部分的に、前記第２の電荷転送領域の上方または下方に配置される、請求項１４に記載の集積回路。
  18. 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の電荷転送領域であって、少なくとも部分的に、前記第１の電荷転送領域および／または前記第２の電荷転送領域の上方または下方に配置される前記第３の電荷転送領域をさらに備える、請求項１７に記載の集積回路。
  19. 前記少なくとも１つの光検出領域と前記少なくとも１つの電荷蓄積領域とを備えるピクセルであって、４０ミクロン以下の面積を有する前記ピクセルをさらに備える、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  20. 前記入射光子に関する情報は、前記少なくとも１つの電荷蓄積領域に蓄積された前記電荷キャリアの１つ以上の特性に少なくとも部分的に基づくものである、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  21. 前記パルス持続時間情報は、前記少なくとも１つの光検出領域が受け取る入射光子の総数が閾値を超える時間間隔の長さを決定することによって少なくとも部分的に取得される、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  22. 前記パルス間持続時間情報は、前記少なくとも１つの光検出領域が受け取る入射光子の総数が閾値未満である時間間隔の長さを決定することによって少なくとも部分的に取得される、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  23. 前記少なくとも１つのコンポーネントが、
    前記パルス持続時間情報と、波長情報、発光寿命情報、強度情報およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される前記少なくとも１つのメンバとを取得するように構成された第１のコンポーネントを備える、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  24. 前記少なくとも１つのコンポーネントが、
    前記パルス持続時間情報を取得するように構成された第１のコンポーネントと、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される前記少なくとも１つのメンバを取得するように構成された第２のコンポーネントと
    を備える、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  25. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、少なくとも１つのプロセッサを備える、請求項１または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  26. 前記少なくとも１つのプロセッサは、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つの電荷蓄積領域から遠隔に位置する、請求項２５に記載の集積回路。
  27. サンプルから放射される入射光子に応じた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、
    前記入射光子に関する情報であって、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、強度情報、およびパルス持続時間情報を備える群から選択される少なくとも１つのメンバを備える前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと、
    を備える集積回路。
  28. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス間持続時間情報と波長情報とを備える、請求項２７に記載の集積回路。
  29. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス間持続時間情報と強度情報とを備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  30. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス間持続時間情報と発光寿命情報とを備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  31. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス間持続時間情報とパルス持続時間情報とを備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  32. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス間持続時間情報、波長情報、および強度情報を備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  33. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス間持続時間情報、波長情報、および発光寿命情報を備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  34. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、パルス間持続時間情報、強度情報、および発光寿命情報を備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  35. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報に少なくとも部分的に基づいて前記サンプルを同定するようにさらに構成される、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  36. 前記サンプルを同定することは、少なくとも１つの蛍光マーカを同定することを備え、前記少なくとも１つのコンポーネントは、前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子を同定するようにさらに構成される、請求項３５に記載の集積回路。
  37. 前記少なくとも１つの分子を同定することは、少なくとも１つのアミノ酸を識別することを備える、請求項３６に記載の集積回路。
  38. 前記少なくとも１つの電荷蓄積領域は、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はスペクトル情報を示し、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアはタイミング情報を示す、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  39. 前記タイミング情報は発光寿命情報を備え、前記スペクトル情報は波長情報を備える、請求項３８に記載の集積回路。
  40. 前記第１の電荷蓄積領域と前記第２の電荷蓄積領域とは、前記少なくとも１つの光検出領域が前記入射光子を受け取るように構成される光学的方向において異なる深さを有する、請求項３９に記載の集積回路。
  41. 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前記電荷キャリアを前記第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単一の光検出領域を備える、請求項４０に記載の集積回路。
  42. 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４０に記載の集積回路。
  43. 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た第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た第２の電荷転送領域と、
    を備え、
    前記第１の電荷転送領域は、少なくとも部分的に、前記第２の電荷転送領域の上方または下方に配置される、請求項４０に記載の集積回路。
  44. 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の電荷転送領域であって、少なくとも部分的に、前記第１の電荷転送領域および／または前記第２の電荷転送領域の上方または下方に配置される前記第３の電荷転送領域をさらに備える、請求項４３に記載の集積回路。
  45. 前記少なくとも１つの光検出領域と前記少なくとも１つの電荷蓄積領域とを備えるピクセルであって、４０ミクロン以下の面積を有する前記ピクセルを備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  46. 前記入射光子に関する情報は、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の１つ以上の特性に少なくとも部分的に基づくものである、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  47. 前記パルス持続時間情報は、前記少なくとも１つの光検出領域が受け取る前記入射光子の総数が閾値を超える時間間隔の長さを決定することによって少なくとも部分的に取得される、請求項２７または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  48. 前記パルス間持続時間情報は、前記少なくとも１つの光検出領域が受け取る前記入射光子の総数が閾値未満である時間間隔の長さを決定することによって少なくとも部分的に取得される、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  49. 前記少なくとも１つのコンポーネントが、
    前記パルス間持続時間情報と、波長情報、発光寿命情報、強度情報およびパルス持続時間情報を備える群から選択される少なくとも１つのメンバとを取得するように構成された第１のコンポーネントを備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  50. 前記少なくとも１つのコンポーネントが、
    前記パルス間持続時間情報を取得するように構成された第１のコンポーネントと、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、およびパルス持続時間情報を備える群から選択される少なくとも１つのメンバを取得するように構成された第２のコンポーネントと
    を備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  51. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、少なくとも１つのプロセッサを備える、請求項２７または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  52. 前記少なくとも１つのプロセッサは、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つの電荷蓄積領域から遠隔に位置する、請求項５１に記載の集積回路。
  53. サンプルから放射される入射光子に応じた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、
    前記入射光子に関する情報であって、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを備える前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと、
    を備える集積回路。
  54. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される少なくとも２つのメンバと、パルス持続時間情報およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される１つのメンバとを備える、請求項５３に記載の集積回路。
  55. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、波長情報と、強度情報と、パルス持続時間情報およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される１つのメンバとを備える、請求項５４に記載の集積回路。
  56. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、発光寿命情報と、強度情報と、パルス持続時間情報およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される１つのメンバとを備える、請求項５４に記載の集積回路。
  57. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、波長情報と、発光寿命情報と、強度情報とを備える、請求項５３または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  58. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報に少なくとも部分的に基づいて前記サンプルを同定するようにさらに構成される、請求項５３または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  59. 前記サンプルを同定することは、少なくとも１つの蛍光マーカを同定することを備え、前記少なくとも１つのコンポーネントは、前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子を識別するようにさらに構成されている、請求項５８に記載の集積回路。
  60. 前記少なくとも１つの分子を同定することは、少なくとも１つのアミノ酸を同定することを備える、請求項５９に記載の集積回路。
  61. 前記少なくとも１つの電荷蓄積領域は、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はスペクトル情報を示し、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアはタイミング情報を示す、請求項５３または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  62. 前記タイミング情報は発光寿命情報を備え、前記スペクトル情報は波長情報を備える、請求項６１に記載の集積回路。
  63. 前記第１の電荷蓄積領域と前記第２の電荷蓄積領域とは、前記少なくとも１つの光検出領域が前記入射光子を受け取るように構成される光方向において異なる深さを有する、請求項６２に記載の集積回路。
  64. 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前記電荷キャリアを前記第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単一の光検出領域を備える、請求項６３に記載の集積回路。
  65. 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るとともに、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６３に記載の集積回路。
  66. 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た第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た第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、少なくとも部分的に、前記第２の電荷転送領域の上方または下方に配置される、請求項６３に記載の集積回路。
  67. 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の電荷転送領域を更に備え、
    前記第３の電荷転送領域は、少なくとも部分的に、前記第１および／または第２の電荷転送領域の上方または下方に配置される、請求項６６に記載の集積回路。
  68. 前記少なくとも１つの光検出領域と前記少なくとも１つの電荷蓄積領域とを備えるピクセルであって、４０ミクロン以下の面積を有する前記ピクセルをさらに備える、請求項５３または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  69. 前記入射光子に関する前記情報は、前記少なくとも１つの電荷蓄積領域に蓄積された前記電荷キャリアの１つ以上の特性に少なくとも部分的に基づくものであり、請求項５３または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  70. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを取得するように構成された第１のコンポーネントを備える、請求項５３または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  71. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも３つのメンバのうちの第１のメンバを取得するように構成された第１のコンポーネントと、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される前記少なくとも３つのメンバのうちの第２のメンバを取得するように構成された第２のコンポーネントと、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも３つのメンバのうちの第２のメンバを取得するように構成された第３のコンポーネントと
    を備える、請求項５３または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  72. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも３つのメンバのうちの第１のメンバおよび第２のメンバを取得するように構成された第１のコンポーネントと、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される前記少なくとも３つのメンバのうちの第３のメンバを取得するように構成された第２のコンポーネントと
    を備える、請求項５３または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  73. サンプルから放射される入射光子に応じた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、
    前記入射光子に関する情報であって、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも４つのメンバを備える前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと、
    を備える、集積回路。
  74. 前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報は、発光寿命情報と、波長情報と、強度情報と、パルス持続時間情報およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される１つのメンバとを備える、請求項７３に記載の集積回路。
  75. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、前記少なくとも１つのコンポーネントによって取得される前記情報に少なくとも部分的に基づいて前記サンプルを同定するようにさらに構成される、請求項７３または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  76. 前記サンプルを同定することは、少なくとも１つの蛍光マーカを同定することを備え、前記少なくとも１つのコンポーネントは、前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子を同定するようにさらに構成されている、請求項７５に記載の集積回路。
  77. 前記少なくとも１つの分子を同定することは、少なくとも１つのアミノ酸を同定することを備える、請求項７６に記載の集積回路。
  78. 前記少なくとも１つの電荷蓄積領域は、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はスペクトル情報を示し、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された電荷キャリアはタイミング情報を示す、請求項７３または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  79. 前記タイミング情報は発光寿命情報を備え、前記スペクトル情報は波長情報を備える、請求項７８に記載の集積回路。
  80. 前記第１の電荷蓄積領域と前記第２の電荷蓄積領域とは、前記少なくとも１つの光検出領域が前記入射光子を受け取るように構成される光学的方向において異なる深さを有する、請求項７９に記載の集積回路。
  81. 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前記電荷キャリアを前記第１および第２の電荷蓄積領域に転送するように構成された単一の光検出領域を備える、請求項８０に記載の集積回路。
  82. 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８０に記載の集積回路。
  83. 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た第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た第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、少なくとも部分的に、前記第２の電荷転送領域の上方または下方に配置される、請求項８０に記載の集積回路。
  84. 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、少なくとも部分的に、前記第１の電荷転送領域および／または前記第２の電荷転送領域の上方または下方に配置される、請求項８３に記載の集積回路。
  85. 前記少なくとも１つの光検出領域と前記少なくとも１つの電荷蓄積領域とを備えるピクセルであって、４０ミクロン以下の面積を有する前記ピクセルをさらに備える、請求項７３または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  86. 前記入射光子に関する前記情報は、前記少なくとも１つの電荷蓄積領域に蓄積された前記電荷キャリアの１つ以上の特性に少なくとも部分的に基づくものである、請求項７３または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  87. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも４つのメンバを取得するように構成された第１のメンバを備える、請求項７３または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  88. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される少なくとも４つのメンバのうちの第１のメンバを取得するように構成された第１のコンポーネントと、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される前記少なくとも４つのメンバのうちの第２のメンバ取得するように構成された第２のコンポーネントと、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される前記少なくとも４つのメンバのうちの第３のメンバを取得するように構成された第３のコンポーネントと、
    波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される前記少なくとも４つのメンバのうちの第４のメンバを取得するように構成された第４のコンポーネントと
    を備える、請求項７３または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  89. サンプルから放射される入射光子に応じた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、
    前記入射光子の情報であって、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと
    を備える、集積回路。
  90. 前記入射光子に関する前記情報は、前記少なくとも１つの電荷蓄積領域に蓄積された前記電荷キャリアの１つ以上の特性に少なくとも部分的に基づくものである、請求項８９に記載の集積回路。
  91. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える情報を取得するように構成された第１のコンポーネントを備える、請求項８９または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  92. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、
    前記波長情報を取得するように構成された第１のコンポーネントと、
    前記発光寿命情報を取得するように構成された第２のコンポーネントと、
    前記強度情報を取得するように構成された第３のコンポーネントと、
    前記パルス持続時間情報を取得するように構成された第４のコンポーネントと、
    前記パルス間持続時間情報を取得するように構成された第５のコンポーネントと
    を備える、請求項８９または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  93. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、
    前記パルス持続時間情報および前記パルス間持続時間情報を取得するように構成された第１のコンポーネントと、
    前記発光寿命情報を取得するように構成された第２のコンポーネントと、
    前記波長情報を取得するように構成された第３のコンポーネントと、
    前記強度情報を取得するように構成された第４のコンポーネントと
    を備える、請求項８９または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  94. 前記少なくとも１つのコンポーネントは、
    前記発光寿命情報、前記パルス持続時間情報、および前記パルス間持続時間情報を取得するように構成された第１のコンポーネントと、
    前記波長情報を取得するように構成された第２のコンポーネントと、
    前記強度情報を取得するように構成された第３のコンポーネントと
    を備える、請求項８９または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
  95. 励起光に応答して放射光を発するサンプルに関する情報を決定するデバイスであって、前記情報は、前記放射光のパルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバと、前記放射光の波長、強度、および発光寿命の特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバとを備える、前記デバイス。
  96. 前記情報は、前記放射光の波長、強度、発光寿命、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを備える、請求項９５に記載のデバイス。
  97. 前記情報は、前記放射光の波長、強度、発光寿命、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも４つのメンバを備える、請求項９５または他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  98. 前記情報は、前記放射光の波長、強度、発光寿命、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の特性を備える、請求項９５または他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  99. 前記サンプルは少なくとも１つの蛍光マーカを備え、前記デバイスは前記情報に基づいて前記少なくとも１つの蛍光マーカを同定するように構成される、請求項９５または他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  100. 前記デバイスは、前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子を同定するようにさらに構成されている、請求項９９に記載のデバイス。
  101. 前記少なくとも１つの分子は、少なくとも１つのアミノ酸を備える、請求項１００に記載のデバイス。
  102. 励起光に応答して放射光を放射するサンプルを受けるサンプルウェルと、
    前記放射光に応じた電荷キャリアを生成する光検出器と、
    前記電荷キャリアの１つ以上の特性に少なくとも部分的に基づいて、前記放射光の波長、強度、発光寿命、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを決定する少なくとも１つのコンポーネントと
    を備えるデバイス。
  103. 前記コンポーネントは、前記放射光の波長、強度、発光寿命、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを決定するように更に構成される、請求項１０２に記載のデバイス。
  104. 前記コンポーネントは、前記放射光の波長、強度、発光寿命、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも４つのメンバを決定するようにさらに構成されている、請求項１０２または他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  105. 前記コンポーネントは、前記放射光の波長、強度、発光寿命、パルス持続時間、およびパルス間持続時間の特性を決定するようにさらに構成される、請求項１０２または他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  106. 前記コンポーネントは、決定された特性に基づいて前記サンプルを同定するようにさらに構成されている、請求項１０２または他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  107. 前記サンプルは少なくとも１つの蛍光マーカを備え、前記サンプルを同定することは前記少なくとも１つの蛍光マーカを同定することを備える、請求項１０６に記載のデバイス。
  108. 前記コンポーネントは、前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子を同定するようにさらに構成される、請求項１０７に記載のデバイス。
  109. 前記少なくとも１つの分子は少なくとも１つのアミノ酸を備える、請求項１０８に記載のデバイス。
  110. サンプルを励起光で励起すること、
    前記励起光に応答して前記サンプルから放射される光の波長、強度、寿命、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを決定すること
    を備える方法。
  111. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の波長、強度、寿命、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも１つの追加メンバを決定することを更に備える、請求項１１０に記載の方法。
  112. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の波長、強度、寿命、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を決定することをさらに備える、請求項１１０または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  113. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の決定された特性に基づいて、前記サンプルの少なくとも１つの蛍光マーカを同定することをさらに備える、請求項１１０または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  114. 前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子を同定することをさらに備える、請求項１１３に記載の方法。
  115. 前記少なくとも１つの分子は少なくとも１つのアミノ酸を備える、請求項１１４に記載の方法。
  116. 前記励起光に応答して前記サンプルから放射される光の決定された特性のうちの少なくとも２つに基づいて前記サンプルを同定することをさらに備える、請求項１１０または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  117. サンプルを励起光で励起することと、
    前記励起光に応答して前記サンプルによって放射された光のパルス持続時間の特性を決定することと、
    前前記励起光に応答して前記サンプルから放射された光の波長、強度、寿命、およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバを決定することと
    を備える方法。
  118. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の波長、強度、寿命、およびパルス間持続時間の特性を備える群から、少なくとも１つの追加メンバを決定することをさらに備える、請求項１１７に記載の方法。
  119. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の波長、強度、寿命、およびパルス間持続時間の特性を備える群から少なくとも２つの追加メンバを決定することをさらに備える、請求項１１７または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  120. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される波長、強度、寿命、およびパルス間持続時間の特性の各々を決定することを更に備える、請求項１１７または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  121. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の決定された特性に基づいて、前記サンプルの少なくとも１つの蛍光マーカを同定することをさらに備える、請求項１１７または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  122. 前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子を同定することをさらに備える、請求項１２１に記載の方法。
  123. 前記少なくとも１つの分子は少なくとも１つのアミノ酸を備える、請求項１２２に記載の方法。
  124. サンプルを励起光で励起することと、
    前記励起光に応答して前記サンプルから放射される光のパルス間持続時間の特性を決定することと、
    前記励起光に応答して前記サンプルから放射される光の波長、強度、寿命、およびパルス持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバを決定することと
    を備える方法。
  125. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の波長、強度、寿命、およびパルス持続時間の特性を備える群から少なくとも１つの追加メンバを決定することを更に備える、請求項１２４に記載の方法。
  126. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の波長、強度、寿命、およびパルス持続時間の特性を備える群から少なくとも２つの追加メンバを決定することをさらに備える、請求項１２４または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  127. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される波長、強度、寿命、およびパルス持続時間の特性の各々を決定することをさらに備える、請求項１２４または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  128. 前記励起光に応答して前記サンプルによって放射される光の決定された特性に基づいて、前記サンプルの少なくとも１つの蛍光マーカを同定することをさらに備える、請求項１２４または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  129. 前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子を同定することをさらに備える、請求項１２８に記載の方法。
  130. 前記少なくとも１つの分子は少なくとも１つのアミノ酸を備える、請求項１２９に記載の方法。
  131. 励起光に応答して放射光を放射するサンプルに関する情報を、前記放射光の波長、強度、寿命、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも３つのメンバに基づいて決定することを備える方法。
  132. 前記放射光の波長、強度、寿命、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも４つのメンバに基づいて、前記サンプルに関する情報を決定することをさらに備える、請求項１３１に記載の方法。
  133. 前記放射光の波長、強度、寿命、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性に基づいて、前記サンプルに関する情報を決定することをさらに備える、請求項１３１または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  134. 前記情報は、前記サンプル中の少なくとも１つの蛍光マーカのアイデンティティを備える、請求項１３１または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  135. 前記情報は、前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子のアイデンティティをさらに備える、請求項１３４に記載の方法。
  136. 前記少なくとも１つの分子は少なくとも１つのアミノ酸を備える、請求項１３５に記載の方法。
  137. 前記サンプルに関する情報を決定することは、前記放射光に応じて生成される１つ以上の電荷キャリアの１つ以上の特性に少なくとも部分的に基づくものである、請求項１３１または他の先行するいずれかの請求項に記載の方法。
  138. サンプルを受け取るように構成された複数のサンプルウェルのうちの１つ以上のサンプルウェルからの放射光のパルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも１つのメンバと、前記放射光の波長、寿命、および強度の特性を備える群から選択される１つのメンバとを決定し、それら少なくとも２つの特性に少なくとも部分的に基づいて前記サンプルに関する情報を決定するように構成される１つ以上のプロセッサを備えるデバイス。
  139. 各サンプルウェルが励起光に応答して放射光を放射する前記サンプルを受け取るように構成されている複数のサンプルウェルと、
    前記励起光を前記複数のサンプルウェルに導く導波管と、
    複数のセンサであって、各センサが前記放射光に応じた電荷キャリアを生成するように構成されている、前記複数のセンサと
    をさらに備える請求項１３８に記載のデバイス。
  140. 前記１つ以上のプロセッサの少なくともいくつかは、前記複数のセンサから遠隔に配置される、請求項１３９に記載のデバイス。
  141. 複数のサンプルウェルであって、各サンプルウェルが励起光に応答して放射光を放射するサンプルを受け取るように構成される、前記複数のサンプルウェルと、
    前記励起光を前記複数のサンプルウェルに導く導波路と、
    複数のセンサであって、前記複数のセンサの各センサが前記放射光に応じた電荷キャリアを生成するように構成されている、前記複数のセンサと、
    前記複数のサンプルウェルのうちの１つ以上のサンプルウェルからの前記放射光の波長、寿命、強度、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を備える群から選択される少なくとも３つのメンバを決定し、少なくとも２つの特性に少なくとも部分的に基づいて前記サンプルに関する情報を決定するように構成される１つ以上のプロセッサと、
    を備えるデバイス。
  142. 前記１つ以上のプロセッサは、前記１つ以上のサンプルウェルからの前記放射光の波長、寿命、強度、パルス持続時間および／またはパルス間持続時間の特性のうち少なくとも４つを決定するように構成される、請求項１４１に記載のデバイス。
  143. 前記１つ以上のプロセッサは、前記１つ以上のサンプルウェルからの前記放射光の波長、寿命、強度、パルス持続時間およびパルス間持続時間の特性を決定するように構成される、請求項１４１または他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  144. 前記サンプルに関する情報は、前記サンプル中の少なくとも１つの蛍光マーカのアイデンティティを備える、請求項１４１または他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  145. 前記サンプルに関する情報は、前記少なくとも１つの蛍光マーカが付着している少なくとも１つの分子のアイデンティティをさらに備える、請求項１４４に記載のデバイス。
  146. 前記少なくとも１つの分子は少なくとも１つのアミノ酸を備える、請求項１４５に記載のデバイス。
  147. 前記放射光の特性が、前記電荷キャリアの１つ以上の特性に少なくとも部分的に基づいて決定される、請求項１４１または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  148. 前記１つ以上のプロセッサの少なくともいくつかは、前記複数のセンサから遠隔に配置される、請求項１４１または任意の他の先行するいずれかの請求項に記載のデバイス。
  149. サンプルから放射された入射光子に応じた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、
    前記入射光子に関する情報であって、波長情報、発光寿命情報、強度情報、パルス持続時間情報、およびパルス間持続時間情報を備える群から選択される３つの特性または４つの特性または５つの特性を備える前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと
    を備えるデバイス。
  150. サンプルから放射される入射光子に応じた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、
    前記入射光子に関する情報であって、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される３つのメンバまたは４つのメンバまたは５つのメンバを備える前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと
    を備え、
    前記少なくとも１つのコンポーネントは、各々が、前記パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される前記３つのメンバまたは前記４つのメンバまたは前記５つのメンバのうちの、異なる１つを取得するように構成される複数のコンポーネントから構成される、
    集積回路。
  151. 前記複数のコンポーネントは複数のプロセッサを備える、請求項１５０に記載の集積回路。
  152. サンプルから放射される入射光子に応じた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、
    前記入射光子に関する情報であって、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される３つの特性または４つの特性または５つの特性を備える前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと
    を備え、
    前記少なくとも１つのコンポーネントは、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される３つのまたは４つのまたは５つのメンバの各々を取得するように構成される第１のコンポーネントを備える、
    集積回路。
  153. 前記第１のコンポーネントはプロセッサを備える、請求項１５２に記載の集積回路。
  154. サンプルから放射される入射光子に応じた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、
    前記入射光子に関する情報であって、パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される３つの特性または４つの特性または５つの特性を備える前記情報を取得するように構成された少なくとも１つのコンポーネントと
    を備え、前記少なくとも１つのコンポーネントは、
    パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択されるメンバのうち少なくとも２つを取得するように構成された第１のコンポーネントと、
    パルス持続時間情報、パルス間持続時間情報、波長情報、発光寿命情報、および強度情報を備える群から選択される少なくとも１つのメンバを取得するように構成される第２のコンポーネントと
    を備え、
    前記第２のコンポーネントによって取得される前記少なくとも１つのメンバは、前記第１のコンポーネントによって取得される前記少なくとも２つのメンバと異なる、
    集積回路。
  155. 前記第１のコンポーネントは第１のプロセッサを備え、前記第２のコンポーネントは第２のプロセッサを備える、請求項１５４に記載の集積回路。
  156. 記第１のコンポーネントによって取得される前記少なくとも２つのメンバの少なくとも１つは、パルス持続時間情報またはパルス間持続時間情報を備える、請求項１５４または他の先行するいずれかの請求項に記載の集積回路。
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