JP7846635B2 - 画像センサ構造及び関連付けられた方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年１２月１０日に出願された、「ＩＭＡＧＥ ＳＥＮＳＯＲ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」と題される米国仮出願第６３／１２３，７４１号の本出願であり、当該仮出願の優先権を主張するものであり、当該仮出願の内容は参照により本明細書に組み込まれる。

画像センサ構造は、フローセルとしてそのようなマイクロ流体デバイスと結合されて、センサシステムを形成し得る。センサシステムは、例えば、バイオセンサシステムであり得る。そのようなセンサシステムは、多くの場合、ナノウェル内に配置されたポリヌクレオチド鎖上に制御された反応プロトコルを実行するために、画像センサ構造の１つ以上の層（本明細書では「パッシベーションスタック」）のパッシベーションスタックの上層に配置されたナノウェルの高密度アレイを利用する。反応プロトコルは、例えば、鎖内のヌクレオチドの順序を決定し得る。

そのような反応プロトコルの例では、画像センサ構造のナノウェルアレイに配置されるポリヌクレオチド鎖（ＤＮＡ断片のクラスタ、核酸分子鎖など）は、フローセルを通る流体の流れを介して鎖に送出される識別可能な標識（蛍光標識ヌクレオチド塩基など）によりタグ付けされ得る。次いで、１つ以上の励起光を、ナノウェル内のラベル付き鎖上に向けることができる。次いで、ラベル付き鎖は、鎖内のヌクレオチド塩基の順序を示す放射光の光子を放出することができ、これは、パッシベーションスタックを通して、各ナノウェルに関連付けられた（例えば、直下に位置する）画像センサ構造の光ガイドに送出することができことができる。

光ガイドは、放射光光子を、画像センサ構造内に配置され光ガイドに関連付けられた光検出器に向ける。光検出器は、放出光光子を検出する。次いで、画像センサ構造内のデバイス回路は、それらの検出された光子を使用してデータ信号を処理し、送信する。次いで、データ信号を分析して、鎖内のヌクレオチド塩基の配列を明らかにすることができる。そのような配列決定プロセスの例は、合成による配列決定として知られている。

配列決定プロセスのためのポリヌクレオチド鎖の調製の例では、第１のアダプタ及び異なる第２のアダプタが、多くの場合、ポリヌクレオチド鎖の末端に添加されて、ＤＮＡライブラリとして知られているものを形成する。アダプタは、オリゴヌクレオチド断片（オリゴ）などの順プライマー及び逆プライマーに相補的であり、それらの５’末端によってフローセルのナノウェルに固定される。したがって、配列決定すべきＤＮＡライブラリは、（種子を）フォワードプライマー及びリバースプライマーにハイブリダイズし、ＤＮＡクラスタを形成する固体支持体上で増幅される。

順鎖又は逆鎖を独立して切断及び除去できるように、フォワードプライマー及びリバースプライマーは化学的切断部位を含む。順鎖及び逆鎖の配列決定は、順番に、まず最初に逆鎖を除去し、それらの３’末端を遮断し、順鎖を配列決定し、次いで、クラスタが再増幅された後、順鎖を除去し、それらの３’末端を遮断し、そして逆鎖を配列決定することによって実行される。

しかしながら、順鎖及び逆鎖の合成が順次に行われるため、プロセスは非常に時間がかかる。追加的に、ナノウェルが大きいほど（例えば、より大きなクラスタ又は複数のクラスタについて）、ポリクローン性（すなわち、２つ以上のタイプの鎖がナノウェルに最初に播種され、次いでポリクローナルクラスタに同時に増幅される）が生じ得る。更に、より近いクラスタは互いに相互になり、クロストーク（すなわち、１つのクラスタから放出された光が別のクラスタの光ガイドに入り、関連しない光検出器上で記録される）の確率が高くなる。

したがって、最初にポリヌクレオチド鎖の順鎖を、次に逆鎖を順次に合成するよりも迅速な配列決定プロセスを可能にする画像センサ構造が必要とされている。更に、より迅速な配列決定プロセスがより大きなナノウェルを含み得る場合、ポリクローン性の確率を低減する必要がある。追加的に、より迅速な配列決定プロセスが互いに近接した複数のクラスタを含み得る場合、クロストークの確率を低減する必要がある。

本開示は、隣接する順鎖及び逆鎖クラスタの同時ペアエンド配列決定（又は読み取り）を可能にする画像センサ構造を提供することによって、先行技術に対する利点、利益、及び代替を提供する。同時ペアエンド配列決定により、ユーザは、クラスタの順鎖及び逆相補鎖の両方を同時に配列決定することができる。追加的に、本開示の画像センサは、隣接する順鎖クラスタ及び逆鎖クラスタについてのポリクローン性及びクロストークの低減された確率を可能にする様々な構造を含む。

本開示の１つ以上の態様による画像センサ構造は、撮像層を含む。撮像層は、内部に配置された光検出器のアレイを含む。デバイススタックは、撮像層の上に配置される。光ガイドのアレイは、デバイススタック内に配置される。各光ガイドは、光検出器のアレイの光検出器に関連付けられている。ナノウェルのアレイは、デバイススタックの上に配置される。ナノウェルのアレイの各ナノウェルは、光ガイドのアレイの第１の光ガイドに関連付けられている。第１のプライマーセットは、各ナノウェルの第１のウェル領域全体に配置される。異なる第２のプライマーセットは、各ナノウェルの第２のウェル領域全体に配置される。第２のウェル領域は、領域界面において第１のウェル領域に隣接している。第１及び第２のプライマーセットは、第１のウェル領域内に順ポリヌクレオチド鎖の順鎖クラスタを結合させ、第２のウェル領域内に逆ポリヌクレオチド鎖の隣接する逆鎖クラスタを結合させるように動作可能である。

画像センサ構造のいくつかの例では、ナノウェルのアレイの各ナノウェルは、光ガイドのアレイの第２の光ガイドに関連付けられる。第１のウェル領域は、第１の光ガイドの上に配置される。第２のウェル領域は、第２の光ガイドの上に配置される。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１のウェル領域の面積は、第２のウェル領域の面積よりも小さい。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１及び第２のウェル領域は実質的に等しい幅を有する。第１のウェル領域は、第２の領域の長さの９０％以下の長さを有する。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１のウェル領域は、第１の光ガイド全体の上に配置された第１のセクションを含む。第１のセクションは、第１のセクション幅を有する。第２のセクションは、第１のセクションから領域界面まで延在する。第２のセクションは、第１のセクション幅よりも小さい第２のセクション幅を有する。第２のウェル領域は、第２の光ガイド全体の上に配置された第３のセクションを含む。第３のセクションは、第３のセクション幅を有する。第４のセクションは、第３のセクションから領域界面まで延在する。第４のセクションは、第３のセクション幅よりも小さい第４のセクション幅を有する。第１のウェル領域の第２のセクション幅及び第２のウェル領域の第４のセクション幅は、実質的に等しい。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１のセクション及び第３のセクションは、実質的に円形の形状を有する。第１及び第３のセクション幅は、それぞれ第１及び第３のセクションの直径である。

画像センサ構造のいくつかの例では、第２及び第４のセクション幅は、それぞれ、第１及び第３のセクション幅の５０％以下である。

画像センサ構造のいくつかの例では、不透明層は、光ガイドのアレイと各ナノウェルの第１及び第２のウェル領域との間に配置される。不透明層は、第１のウェル領域と第２のウェル領域との領域界面全体の下に延在する。不透明層は、各ナノウェルに関連付けられた第１及び第２の光ガイドの上面の全体未満を覆う。

画像センサ構造のいくつかの例では、不透明層は、各ナノウェルに関連付けられた第１及び第２の光ガイドの上面のいかなる部分も覆わない。

画像センサ構造のいくつかの例では、不透明層は、各ナノウェルに関連付けられた第１及び第２の光ガイドの上面の１０％超を覆う。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１の光ガイドは、光検出器のアレイの第１の光検出器に関連付けられている。第２の光ガイドは、光検出器のアレイの第２の光検出器に関連付けられている。各ナノウェルは、第１及び第２の光検出器間のピッチよりも小さい幅を有する第１及び第２の光ガイドに関連付けられる。第１及び第２の光ガイドは、それらに関連するナノウェルから、それらに関連する第１及び第２の光検出器まで、互いに対して鋭角に延在する。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１のウェル領域は、第１の光ガイドの第１の部分の上に配置される。第２のウェル領域は、第１の光ガイドの第２の部分の上に配置される。

画像センサ構造のいくつかの例では、導波体層は、光ガイドのアレイと各ナノウェルの第１及び第２のウェル領域との間に配置される。第１の導波体は、導波体層内に配置され、第１のウェル領域の下に延在する。第１の導波体は、第１のウェル領域内に結合した順鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。第２の導波体は、導波体層内に配置され、第２のウェル領域の下に延在する。第２の導波体は、第２のウェル領域内に結合した逆鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１の導波体は、第１のウェル領域内に結合した順ポリヌクレオチド鎖の順鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。追加的に、第２の導波体は、第２のウェル領域内に結合した逆ポリヌクレオチド鎖の逆鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。

画像センサ構造のいくつかの例では、パッシベーションスタックがデバイススタックの上に配置され、ナノウェルのアレイがパッシベーションスタック内に配置される。

画像センサ構造のいくつかの例では、各ナノウェルの第１のウェル領域は、関連する第１の光ガイドの第１の部分の上に配置される。各ナノウェルの第２のウェル領域は、関連する第１の光ガイドの第２の部分の上に配置される。第１の導波体のアレイは、デバイススタックの上に配置される。各第１の導波体は、ナノウェルのアレイのナノウェルに関連付けられている。各第１の導波体は、第１の導波体の関連するナノウェルの第１のウェル領域内に結合した順ポリヌクレオチド鎖の順鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。第２の導波体のアレイは、デバイススタックの上に配置される。各第２の導波体は、ナノウェルのアレイのナノウェルに関連付けられている。各第２の導波体は、第２の導波体の関連するナノウェルの第２のウェル領域内に結合した逆ポリヌクレオチド鎖の逆鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。

画像センサ構造のいくつかの例では、導波体層は、光ガイドのアレイと各ナノウェルの第１及び第２のウェル領域との間に配置される。導波体のアレイの各第１の導波路は、導波体層内に配置され、第１の導波体の関連するナノウェルの第１のウェル領域の下に延在する。導波体のアレイの各第２の導波路は、導波体層内に配置され、第２の導波体に関連するナノウェルの第２のウェル領域の下に延在する。

画像センサ構造のいくつかの例では、パッシベーションスタックがデバイススタックの上に配置され、ナノウェルのアレイがパッシベーションスタック内に配置される。第１の導波体のアレイの各第１の導波路は、第１の導波体の関連するナノウェルの側面に隣接するパッシベーションスタック内に配置される。導波体のアレイの各第２の導波路は、第２の導波体の関連するナノウェルの反対側の側面に隣接するパッシベーションスタック内に配置される。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１の導波体のアレイの各第１の導波体は、第１の導波体の関連するナノウェルに隣接するナノウェルの第１又は第２のウェル領域内に結合したポリヌクレオチド鎖のクラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。第２の導波体のアレイの各第２の導波路は、第２の導波体の関連するナノウェルに隣接するナノウェルの第１又は第２のウェル領域内に結合したポリヌクレオチド鎖のクラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１のウェル領域及び第２のウェル領域は、領域界面を除いて、ウェルの壁によって境界付けられる。

本開示の１つ以上の態様による別の画像センサ構造は、デバイススタックの上に配置された画像スタックを含む。デバイススタックは、撮像層の上に配置される。光ガイドのアレイは、デバイススタック内に配置される。各光ガイドは、光検出器のアレイの光検出器に関連付けられている。ナノウェルのアレイは、デバイススタックの上に配置される。ナノウェルのアレイの各ナノウェルは、光ガイドのアレイの第１及び第２の光ガイドに関連付けられる。第１のプライマーセットは、各ナノウェルの第１のウェル領域全体に配置される。第１のウェル領域は、第１の光ガイドの上に配置される。異なる第２のプライマーセットは、各ナノウェルの第２のウェル領域全体に配置される。第２のウェル領域は、第２の光ガイドの上に配置され、領域界面において第１のウェル領域に隣接している。第１及び第２のプライマーセットは、第１のウェル領域に順鎖クラスタを結合させ、第２のウェル領域に隣接する逆鎖クラスタを結合させるように動作可能である。第１のウェル領域の面積は、第２のウェル領域の面積よりも小さい。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１のウェル領域は、第１の光ガイド全体の上に配置された実質的に円形の形状を有する第１のセクションを含む。第１のセクションは、第１のセクション直径を有する。第２のセクションは、第１のセクションから領域界面まで延在する。第２のセクションは、第１のセクション直径よりも小さい第２のセクション幅を有する。第２のウェル領域は、第２の光ガイド全体の上に配置された実質的に円形の形状を有する第３のセクションを含む。第３のセクションは、第３のセクション直径を有する。第４のセクションは、第３のセクションから領域界面まで延在する。第４のセクションは、第３のセクション直径よりも小さい第４のセクション幅を有する。第１のウェル領域の第２のセクション幅及び第２のウェル領域の第４のセクション幅は、実質的に等しい。

画像センサ構造のいくつかの例では、不透明層は、光ガイドのアレイと各ナノウェルの第１及び第２のウェル領域との間に配置される。不透明層は、第１のウェル領域と第２のウェル領域との領域界面全体の下に延在する。不透明層は、各ナノウェルに関連する第１及び第２の光ガイドの上面の一部分全体未満を覆う。

画像センサ構造のいくつかの例では、不透明層は、各ナノウェルに関連付けられた第１及び第２の光ガイドの上面のいかなる部分も覆わない。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１の光ガイドは、光検出器のアレイの第１の光検出器に関連付けられている。第２の光ガイドは、光検出器のアレイの第２の光検出器に関連付けられている。各ナノウェルは、第１及び第２の光検出器間のピッチよりも小さい幅を有する第１及び第２の光ガイドに関連付けられる。第１及び第２の光ガイドは、それらに関連するナノウェルから、それらに関連する第１及び第２の光検出器まで、互いに対して鋭角に延在する。

本開示の１つ以上の態様による別の画像センサ構造は、デバイススタックの上に配置された画像スタックを含む。デバイススタックは、撮像層の上に配置される。光ガイドのアレイは、デバイススタック内に配置される。各光ガイドは、光検出器のアレイの光検出器に関連付けられている。ナノウェルのアレイは、デバイススタックの上に配置される。ナノウェルのアレイの各ナノウェルは、光ガイドのアレイの第１の光ガイドに関連付けられている。第１のプライマーセットは、各ナノウェルの第１のウェル領域全体に配置される。第１のウェル領域は、第１の光ガイドの第１の部分の上に配置される。異なる第２のプライマーセットは、各ナノウェルの第２のウェル領域全体に配置される。第２のウェル領域は、第１の光ガイドの第２の部分の上に配置される。第２のウェル領域は、領域界面において第１のウェル領域に隣接している。第１及び第２のプライマーセットは、第１のウェル領域に順鎖クラスタを結合させ、第２のウェル領域に隣接する逆鎖クラスタを結合させるように動作可能である。

画像センサ構造のいくつかの例では、導波体層は、光ガイドのアレイと各ナノウェルの第１及び第２のウェル領域との間に配置される。第１の導波体は、導波体層内に配置され、第１のウェル領域の下に延在する。第１の導波体は、第１のウェル領域内に結合した順鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。第２の導波体は、導波体層内に配置され、第２のウェル領域の下に延在する。第２の導波体は、第２のウェル領域内に結合した逆鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。

画像センサ構造のいくつかの例では、第１の導波体のアレイがデバイススタックの上に配置される。各第１の導波体は、ナノウェルのアレイのナノウェルに関連付けられている。各第１の導波体は、第１の導波体の関連するナノウェルの第１のウェル領域内に結合した順ポリヌクレオチド鎖の順鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。第２の導波体のアレイは、デバイススタックの上に配置される。各第２の導波体は、ナノウェルのアレイのナノウェルに関連付けられている。各第２の導波体は、第２の導波体の関連するナノウェルの第２のウェル領域内に結合した逆ポリヌクレオチド鎖の逆鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である。

本開示の１つ以上の態様による同時ペアエンド配列決定の方法は、ポリヌクレオチド鎖で画像センサ構造のナノウェルの第１のウェル領域に第１のプライマーセットを播種することを含む。ナノウェルの第２のウェル領域にある第２のプライマーセットは、第２のウェル領域内での他のポリヌクレオチド鎖の播種をできないようにするために不活性化される。第１のポリヌクレオチド鎖は、第１のウェル領域全体を通して複数の順鎖及び逆鎖に増幅される。逆鎖を第１のウェル領域から切断して、第１のウェル領域に順鎖クラスタを形成する。第２のウェル領域にある第２のプライマーセットは、第２のウェル領域における播種及び増幅を可能にするように活性化される。第１のウェル領域の順鎖クラスタを第２のウェル領域に増幅して、第２のウェル領域に複数の順鎖及び逆鎖を形成する。順鎖を第２のウェル領域から切断して、第２のウェル領域に逆鎖クラスタを形成する。第１のウェル領域の順鎖クラスタ及び第２のウェル領域の逆鎖クラスタは、実質的に同時に配列決定される。

本方法のいくつかの例では、第２のプライマーセットを不活性化することは、第２のウェル領域をマスキングすること、及び第２のプライマーセットを活性化することは、第２のウェル領域をアンマスキングすることを含む。

方法のいくつかの例では、第１の蛍光タグを有する第１の相補的ヌクレオチドは、第１のウェル領域内の順鎖クラスタのヌクレオチドに結合される。第２の蛍光タグを有する第２の相補的ヌクレオチドは、第２のウェル領域内の逆鎖クラスタのヌクレオチドに結合される。励起光は、順鎖クラスタ及び逆鎖クラスタ上に実質的に同時に放射されて、第１及び第２のタグから放射光を蛍光発光させる。第１のタグからの放射光は、第１の光ガイドを通して第１の光検出器に送出され、第２のタグからの放射光は、第２の光ガイドを通して第２の光検出器に送出され、それぞれ順鎖及び逆鎖のヌクレオチドの配列を決定する。

方法のいくつかの例では、第１のウェル領域は、第２のウェル領域の面積よりも小さい面積を有する。

方法のいくつかの例では、第１のウェル領域は、第１及び第２のセクションを含む。第１のセクションは、第１の光ガイド全体の上に配置される。第１のセクションは、第１のセクション幅を有する。第２のセクションは、第１のセクションから第１のウェル領域と第２のウェル領域との間の領域界面まで延在する。第２のセクションは、第１のセクション幅よりも小さい第２のセクション幅を有する。第２のウェル領域は、第３及び第４のセクションを含む。第３のセクションは、第２の光ガイド全体の上に配置される。第３のセクションは、第３のセクション幅を有する。第４のセクションは、第３のセクションから領域界面まで延在する。第４のセクションは、第３のセクション幅よりも小さい第４のセクション幅を有する。

本方法のいくつかの例では、不透明層が、第１の光ガイドと第２の光ガイドとの間、及び第１のウェル領域と第２のウェル領域との間に配置される。不透明層は、第１のウェル領域と第２のウェル領域との領域界面全体の下に延在する。不透明層は、第１及び第２の光ガイドの全体未満を覆う。

本方法のいくつかの例では、ナノウェルは、第１の光検出器と第２の光検出器との間のピッチよりも小さい幅を有する。第１及び第２の光ガイドは、それらに関連する第１及び第２の光検出器まで、互いに対して鋭角に延在する。

本方法のいくつかの例では、第１のウェル領域は、第１の光ガイドの第１の部分の上に配置される。第２のウェル領域は、第１の光ガイドの第２の部分の上に配置される。

本方法のいくつかの例では、第１の蛍光タグを有する第１の相補的ヌクレオチドは、順鎖クラスタのヌクレオチドに結合される。第２の蛍光タグを有する第２の相補的ヌクレオチドは、逆鎖クラスタのヌクレオチドに結合される。逆鎖クラスタよりも実質的により大量の励起光を、順鎖クラスタに放射して、第２のタグよりも実質的により大量の放射光を第１のタグから蛍光発光させる。放射光は、第１のタグから第１の光ガイドを通して第１の光検出器に送出されて、順鎖のヌクレオチドを決定する。実質的により大きな量の励起光が順鎖クラスタ上よりも逆鎖クラスタ上に放射されて、第１のタグよりも実質的により大きな量の放射光を第２のタグから蛍光発光させる。放射光は、第２のタグから第１の光ガイドを通して第１の光検出器に送出され、逆鎖のヌクレオチドを決定する。

本方法のいくつかの例では、導波体層が、第１の光ガイドと第１及び第２のウェル領域との間に配置される。第１の導波体は、導波体層に配置され、第１の導波体は、第１のウェル領域の下に延在するが、第２のウェル領域の下には延在しない。第２の導波体は、導波体層に配置され、第２の導波体は、第２のウェル領域の下に延在しているが、第１のウェル領域の下には延在しない。励起光は、第１の導波体を通して順鎖クラスタ上に放射される。励起光は、第２の導波体を通して逆鎖クラスタ上に放射される。

本方法のいくつかの例では、第１の導波体が、第１の光ガイドの上に配置される。第２の導波体は、第１の光ガイドの上に配置される。励起光は、第１の導波体を通して順鎖クラスタ上に放射される。励起光は、第２の導波体を通して逆鎖クラスタ上に放射される。

本方法のいくつかの例では、第１の蛍光タグを有する第１の相補的ヌクレオチドは、順鎖クラスタのヌクレオチドに結合される。第２の蛍光タグを有する第２の相補的ヌクレオチドは、逆鎖クラスタのヌクレオチドに結合される。励起光は、第１のウェル領域の順鎖クラスタ上及び第２のウェル領域の逆鎖クラスタ上に実質的に同時に放射され、第１及び第２のタグから放射光を蛍光発光させる。第１及び第２のタグからの複合放射光は、第１の光ガイドを通して第１の光検出器に送出される。信号処理技術を利用して、第１の光検出器で検出された複合放射光に関連付けられた順鎖及び逆鎖のヌクレオチドを決定する。

本方法のいくつかの例では、配列決定は、順鎖の第１のタグから第１の光検出器に至る放射光と、逆鎖の第２のタグから第２の光検出器に至る放射光とを実質的に同時に受光し、それぞれ順鎖及び逆鎖のヌクレオチドの配列を決定することを実質的に同時に含む。

本方法のいくつかの例では、配列決定は、順鎖の第１のタグから第１の光検出器に至る放射光と、逆鎖の第２のタグから第１の光検出器に至る放射光とを実質的に同時に受光し、それぞれ順鎖及び逆鎖のヌクレオチドの配列を決定することを含む。

本方法のいくつかの例では、順鎖の第１のタグから第１の光検出器で受光される放射光は、逆鎖の第２のタグから第１の光検出器で受光される放射光と実質的に同時に受光される。

本方法のいくつかの例では、順鎖の第１のタグから第１の光検出器で受光される放射光は、逆鎖の第２のタグからの放射光が第１の光検出器で受光される前に受光される。

以下でより詳細に説明される、前述の概念及び更なる概念の全ての組み合わせは（かかる概念が相互に矛盾しないという前提で）、本明細書に開示される主題の一部であると考えられ、かつ／又は特定の態様の特定の利益を達成するように組み合わせることができることを理解されたい。具体的には、本開示の終わりに現れる特許請求される主題の全ての組み合わせは、本明細書に開示される主題の一部であると考えられる。

本開示は、以下の詳細な説明を添付図面と併せて読むことにより、より完全に理解されよう。
本明細書に記載の態様による、画像センサ構造のウェル領域に固定されたプライマー分子のセットの例を示す。 本明細書に記載の態様による、画像センサ構造のウェル領域に導入することのできるポリヌクレオチド鎖の例を示す。 本明細書に記載の態様による、順鎖としてウェル領域内に結合したポリヌクレオチド鎖のクラスタの例を示す。 本明細書に記載の態様による、逆鎖としてウェル領域内に結合したポリヌクレオチド鎖のクラスタの例を示す。 本明細書に記載の態様による、そのヌクレオチドの順序を決定するために配列決定される順鎖の例を示す。 本明細書に記載の態様による、ナノウェル上にそれぞれ配置された隣接する順鎖クラスタ及び逆鎖クラスタの例を示す。 本明細書に記載の態様による、画像センサ構造に結合したフローセルを有するセンサシステムの断面側面図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、図７Ａの線７Ｂ－７Ｂに沿った図７Ａの画像センサ構造の上面図の一例を示す。 本明細書に記載の態様による、画像センサ構造のナノウェル内の第１のウェル領域及び隣接する第２のウェル領域の上面図の例を示し、第１及び第２のウェル領域は実質的に等しい面積を有する。 本明細書に記載の態様による、画像センサ構造のナノウェル内の第１のウェル領域及び隣接する第２のウェル領域の上面図の別の例を示し、第１及び第２のウェル領域は、実質的に等しくない面積を有する。 本明細書に記載の態様による、画像センサ構造のナノウェル内の第１のウェル領域及び隣接する第２のウェル領域の上面図の別の例を示し、第１及び第２のウェル領域は、概してドッグボーン形状を有する。 本明細書に記載の態様による、（順鎖クラスタを有する第１のウェル領域と逆鎖クラスタを有する第２のウェル領域との）コントラスト比対ｖｓ第１のウェル領域に関連付けられた光ガイド中心からの距離のグラフの例を示す。 本明細書に記載の態様による、光ガイドのアレイとナノウェルの第１及び第２のウェル領域との間に配置された不透明層を有する画像センサ構造の断面図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、図１２の画像センサ構造の不透明層の上面斜視図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、図１２の画像センサ構造の不透明層の上面斜視図の別の例を示す。 本明細書に記載の態様による、図１２の画像センサ構造の不透明層の上面斜視図の別の例を示す。 本明細書に記載の態様による、コントラスト比対ｖｓ第１のウェル領域に関連付けられた光ガイド中心からの距離のグラフの例を示し、不透明層は、第１及び第２のウェル領域と光ガイドのアレイとの間に配置されていない。 本明細書に記載の態様による、コントラスト比対ｖｓ第１のウェル領域に関連付けられた光ガイド中心からの距離のグラフの例を示し、不透明層が、第１及び第２のウェル領域と光ガイドのアレイとの間に配置されている。 本明細書に記載の態様による、第１及び第２の光ガイド上に配置された第１及び第２のウェル領域を有する画像センサ構造の一例を示す図であり、光ガイドは、互いに対して鋭角を成す。 本明細書に記載の態様による、光ガイドの第１及び第２の部分の上に配置された第１及び第２のウェル領域を備えるナノウェルを有する画像センサ構造の一例を示し、第１及び第２の導波体は、それぞれ、導波体層内に配置され、それぞれ、第１及び第２のウェル領域の下に延在する。 本明細書に記載の態様による、光ガイドの第１及び第２の部分の上に配置された第１及び第２のウェル領域を有するナノウェルを有する画像センサ構造の一例を示し、第１及び第２の導波体は、パッシベーションスタック内にナノウェルに隣接して、かつその両側に配置されている。 本明細書に記載の態様による、図１７のナノウェル及び光ガイドのアレイを有する画像センサ構造の断面図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、共有する光ガイドの第１及び第２の部分の上に配置された第１及び第２のウェル領域を有する画像センサ構造の断面図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、明るいクラスタの散布図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、暗いクラスタの散布図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、明るいクラスタ及び暗いクラスタからの強度値によって形成された１６の分布を示す散布図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、同時ペアエンド配列決定の方法のフロー図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、同時ペアエンド配列決定の方法の別のフロー図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、同時ペアエンド配列決定の方法の別のフロー図の例を示す。 本明細書に記載の態様による、同時ペアエンド配列決定の方法の別のフロー図の例を示す。

ここで、本明細書で開示される方法、システム、及びデバイスの構造、機能、製造、及び使用の原理の全体的な理解を提供するために、特定の実施例が説明される。１つ以上の実施例が添付図面に示されている。当業者は、本明細書に具体的に記載され、添付の図面に例示される方法、システム、及び装置は、非限定的な例であり、本開示の範囲は、特許請求の範囲によってのみ定義されることを理解するであろう。ある実施例に関連して図示又は説明された特徴は、他の実施例の特徴と組み合わされてもよい。そのような修正形態及び変形形態は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。

特許請求の範囲を含む本開示全体にわたって使用され得る用語「実質的に」、「およそ」、「約」、「比較的」、又は他のそのような類似の用語は、処理における変動などに起因する、基準又はパラメータからの小さな変動を説明し、かつ考慮するために使用される。そのような小さな変動は、基準又はパラメータからのゼロ点変動も含む。例えば、それらは、±５％以下など、±２％以下など、±１％以下など、±０．５％以下など、±０．２％以下など、±０．１％以下など、±０．０５％以下などの、±１０％以下を指すことができる。

図１を参照すると、本明細書に記載の態様による、画像センサ構造１００のウェル領域１０４に（例えば、化学アンカー１０３を介して）固定されたプライマー分子のセット（すなわち、プライマーセット）１０２の一例が示されている。プライマーセット１０２は、画像センサ構造１００のウェル領域１０４を活性化して、ポリヌクレオチド鎖１１０（図２参照）を画像センサ構造１００に固定することができる、少なくとも２つのタイプのオリゴヌクレオチド（すなわち、オリゴ）１０６、１０８を含んでもよい。オリゴ１０６及び１０８は、本明細書ではそれぞれ順オリゴ及び逆オリゴ又はプライマーと称され得る。

図２を参照すると、本明細書に記載の態様による、フローセル１１２（図７Ａ参照）を介して画像センサ構造１００のウェル領域１０４に導入され得るポリヌクレオチド鎖１１０の一例が示されている。ポリヌクレオチド鎖１１０は、ヌクレオチド１１６の未知の配列のポリヌクレオチド断片（ＤＮＡ又はＲＮＡ断片など）１１４を含み得る。

ポリヌクレオチド鎖１１０はまた、一対の順方向末端アダプタ１１８及び逆方向末端アダプタ１２０を含み得る。アダプタ１１８、１２０の対は、オリゴ１０６、１０８に相補的であり得る。

図３を参照すると、本明細書に記載の態様による、順鎖１２２としてウェル領域１０４に結合したポリヌクレオチド鎖１１０の順鎖クラスタ１２１の一例が示されている。ポリヌクレオチド鎖１１０が順鎖１２２として結合されると、順オリゴ１０６は、順方向末端アダプタ１１８を置換して、順鎖１２２をウェル領域１０４の床に固定することができる。逆方向末端アダプタ１２０は依然として、順鎖１２２の自由端に繋がれている。

図４を参照すると、本明細書に記載の態様による、逆鎖１２４としてウェル領域１０４に結合したポリヌクレオチド鎖１１０の逆鎖クラスタ１２３の一例が示されている。ポリヌクレオチド鎖１１０が逆鎖１２４として結合されると、逆オリゴ１０８は、逆方向末端アダプタ１２０を置換して、鎖１１０をウェル領域１０４の床に固定する。順方向末端アダプタ１１８は、逆鎖１２４の自由端に依然として繋がれている。

図５を参照すると、本明細書に記載の態様による、ヌクレオチド１１６の順序を決定するために配列決定される順鎖１２２の一例が示されている。順鎖１２２の各ヌクレオチド１１６に関連付けられた特定の種類の窒素塩基（例えば、１１６－１～１１６－９及びそれ以上）は、それぞれヌクレオチド１１６の塩基型アデニン、グアニン、シトシン、及びチミンを表す丸で囲まれた文字Ａ、Ｇ、Ｃ又はＴによって特定される。

順鎖１２２内のヌクレオチド１１６の塩基の配列を特定するために、蛍光タグ１２８を備える塩基を有する複数の第２のヌクレオチド１２６（例えば、１２６－１～１２６－６及びそれ以上）を、フローセル１１２を介して導入する（図７Ａを参照）。ヌクレオチド１２６の塩基（Ａ、Ｇ、Ｃ、Ｔ）は、順鎖１２２の相補体である成長する第２のポリヌクレオチド１３０に添加するために競合する。第２のヌクレオチド１２６の塩基（例えば、塩基Ｃ及び蛍光タグ１２８を有するヌクレオチド１２６－６）を成長する第２のポリヌクレオチド１３０鎖にそれぞれ添加すると、蛍光タグ１２８は、励起光により励起される。蛍光タグ１２８の固有のシグナルは、第２のヌクレオチド１２６の塩基タイプを特定する。塩基が特定されると、蛍光タグ１２８が除去される。第２のポリヌクレオチド１３０の各第２のヌクレオチド１２６を同定することはまた、順鎖１２２のそれに関連する相補的ヌクレオチド１１６を特定する。塩基を特定するこのプロセスは、本明細書では「塩基コール」と称される。

しかしながら、この配列決定プロセスの各サイクルでは、第２のポリヌクレオチド鎖１３０の長さが延長するにつれて、各塩基コールの不確実性の程度が増大する。ある時点で、不確実性の程度が過度に大きくなって継続される。したがって、鎖の各末端が順次に（すなわち、並列又は同時ではなく）配列決定される実施例では、順鎖１２２が洗い流され、逆鎖１２４が、順鎖１２２の代わりにウェル領域１０４に固定される。次いで、配列決定プロセスは、逆鎖１２４で同じ手法で継続する。

図６を参照すると、本明細書に記載の態様による、順鎖１２２の隣接するクラスタ１２１、１２３及びそれぞれナノウェル１３６上に配置された逆鎖１２４の一例が示されている。この例では、順鎖及び逆鎖１２２、１２４は、ナノウェル１３６の第１のウェル領域１３２及び隣接する第２のウェル領域１３４内に配置される。

第１及び第２のウェル領域１３２、１３４は、領域界面１３８によって分離されている。一例では、領域界面１３８は、２つの直接隣接するウェル領域１３２、１３４間の境界線である。別の例では、領域界面１３８は、１つのウェル領域１３２から他のウェル領域１３４まで領域界面１３８をスパンするよう鈴なりになるのに十分に小さい幅を有する。

第１のプライマーセット１４０は、第１のウェル領域１３２全体に配置される。第２の異なるプライマーセット１４２は、第２のウェル領域１３４全体に配置される。第１及び第２のプライマーセット１４０、１４２の相違は、プライマーセットが第１のウェル領域１３２内で順鎖クラスタ１２１及び第２のウェル領域１３４内で逆鎖クラスタ１２３を結合させることを可能にする。隣接する第１及び第２のウェル領域１３２、１３４内の順鎖及び逆鎖１２２、１２４の生成をそれぞれ制御するために使用されるプライマーセット１４０、１４２、及び化学物質の相違の詳細な例は、Ｉｌｌｕｍｉｎａ，Ｉｎｃ．に割り当てられ、国際出願日２０１９年６月６日に参照により本明細書に組み込まれる、Ｆｉｓｈｅｒらの「ＦＬＯＷ ＣＥＬＬＳ」という名称の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／０３６１０５号、国際公開第２０２０／００５５０３号に提供されている。

第１のプライマーセット１４０と第２のプライマーセット１４２との間の相違の例では、第１のプライマーセット１４０は、切断不能な第１のプライマー及び切断可能な第２のプライマーを含み得る。一方、第２のプライマーセットは、切断可能な第１のプライマー及び切断不能な第２のプライマーを含み得る。

より具体的な例では、第１のプライマーセット１４０は、アデノシン、グアノシン、シチジン、及びチミジンの特定の配列を有する約２０ヌクレオチドの長さを有する第１の順オリゴヌクレオチドプライマー１０６、並びにアデノシン、グアノシン、シチジン、チミジン、及び１つ以上のデオキシウリジンの異なる配列を有する約２０ヌクレオチドの長さを有する第１の逆オリゴヌクレオチドプライマー１０８を含み得る。第２のプライマーセット１４２は、アデノシン、グアノシン、シチジン、チミジン、及び１つ以上のデオキシウリジンの特定の配列を有する約２０ヌクレオチドの長さ、及びアデノシン、グアノシン、シチジン、チミジンの異なる配列を有する約２０ヌクレオチドの長さを有する第２の逆オリゴヌクレオチドプライマー１０８を含む第２の順オリゴヌクレオチドプライマー１０６を含み得る。デオキシウリジン部位におけるＮ－グリコシド結合は、酵素によって切断可能である。第１のプライマーセット１４０の第１のフォワードプライマー１０６及び第２のプライマーセット１４２の第２のフォワードプライマー１０６の配列は、チミジンと切断可能なデオキシウリジンとの置換を除いて同じである。第１のプライマーセット１４０内の第１のリバースプライマー１０８及び第２のプライマーセット１４２中の第２のリバースプライマー１０８の配列は、チミジンの切断可能なデオキシウリジンとの置換を除いて同じである。化学的に切断可能な核酸塩基、修飾核酸塩基、又はリンカーの例としては、ビシナルジオール、ジスルフィド、シラン、アゾベンゼン、光切断可能な基、アリルＴ（アリル官能基を有するチミンヌクレオチドアナログ）、アリルエーテル、又はアジド官能性エーテルが挙げられる。

動作中、第１のウェル領域１３２内の第１のプライマーセット１４０が活性化されて、ポリヌクレオチド鎖１１０が順位置１２２内の第１のプライマーセット１４０に播種されることを可能にする。すなわち、プライマーセット１４０は、１つ以上のポリヌクレオチド鎖１１０とハイブリダイズすることができる。第２のプライマーセット１４２は、第２のウェル領域１３４で播種が行われないように、（例えば、第２のウェル領域１３４をマスキングすることによって、又はシーディングプライマーなどを有さないことによって）不活性化される。

次いで、播種された順鎖１２２は、第１のプライマーセット１４０全体で増幅され、第１のウェル領域１３２内で順鎖１２２の順鎖クラスタ１２１及び逆鎖１２４を形成する。次いで、リバースプライマー１０８を酵素で切断し、第１のウェル領域１３２内にフォワードプライマー１０６にハイブリダイズ（結合）された順鎖１２２のみを残す。

本明細書の目的のために、「活性化」という用語は、「ウェル領域にプライマーセットをポリヌクレオチド鎖により播種する可能にする手段又は方法（又は代替として３’伸長又は増幅を可能にすること）」を意味する。「不活性化」という用語は、「プライマーセットがポリヌクレオチド鎖で播種されないようにするする手段又は方法（代替として３’伸長又は増幅をできないようにする）」を意味するという点で反対を意味する。プライマーセットを不活性化することは、例えば、ポリヌクレオチドをその中に播種することができないように、プライムセット上でマスキングすることによって達成することができる。あるいは、プライマーセットは、プライマーセットに播種プライマーを含まないことによって不活性化され得る。プライマーセットを活性化することは、例えば、ウェル領域に潜在的に播種する可能性のあるポリヌクレオチド鎖に設定されたプライマーセットを露出させるためのプライマーセットをアンマスキングすることによって達成することができる。

また、本明細書の目的のために、「マスキング」という用語は、ポリヌクレオチド鎖によって設定されたプライマーへのアクセスを物理的に防止するために、ウェル領域にプライマーセットの上に一時的な保護層を配置する手段又は方法を意味する。「アンマスキング」という用語は、「保護層を除去するための手段又は方法が、播種の目的のためにポリヌクレオチド鎖に設定されたプライマーを露出させるための手段又は方法」を意味することを意味する。

また、ポリヌクレオチド鎖（例えば、順鎖又は逆鎖）の増幅及び／又は配列決定は、鎖の正確な複製又は鎖の逆相補体の正確な複製を必ずしも生成しない場合があることを理解されたい。これは、様々な要因について、エラーが増幅及び／又は配列決定プロセスに導入され得、これは、塩基のポリヌクレオチド配列に欠陥（例えば、誤った塩基）を導入し得るためである。例えば、１００万個のうち最大１個の欠陥、１００万個のうち１０個の欠陥、又は１００万個のうち１個の欠陥が、配列決定された鎖又は増幅された鎖に導入され得る。したがって、順鎖又は逆鎖１２１、１２３のクラスタは、クラスタ内の各鎖の正確な複製を含まなくてもよいが、クラスタ内の各鎖と実質的に同じ重複を含み得る。

順鎖１２２の増幅が第１のウェル領域１３２内で実質的に完了すると、第２のプライマーセット１４２は、次いで、第２のウェル領域１３４の播種を可能にするために（第２のウェル領域１３４などをアンマスキングすることによって）活性化される。例えば、第２のプライマーセット１４２上の任意の保護層を除去し（アンマスキング）して、第２のプライマーセット１４２内の第２のフォワードプライマー１０６及び第２のリバースプライマー１０８の両方を露出させることができる。

第１及び第２のウェル領域１３２、１３４が隣接するため、境界又は領域界面１３８における順鎖１２２は、次いで、第２のウェル領域１３４にアーチして第２のプライマーセット１４２に結合することができる。次いで、第２のプライマーセット１４２は、ブリッジ増幅を介して、第２のウェル領域１３４全体を通して逆鎖１２４の逆鎖クラスタ１２３を増幅する。すなわち、クラスタ反応は、次いで、第２のウェル領域１３４内の第２のフォワードプライマー１０６及び第２のリバースプライマー１０８にハイブリダイズした順鎖１２２及び逆鎖１２４のクラスタを形成するために実行され得る。次いで、第２のフォワードプライマー１０６を酵素で切断し、第２のウェル領域１３４内の第２のリバースプライマー１０８にハイブリダイズ（結合）した逆鎖１２４のみを残す。結果は、図６に示すように、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１及び第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３である。

有利には、順鎖１２２及び逆鎖１２４の隣接するクラスタ１２１、１２３をそれぞれ提供することによって、隣接する順鎖クラスタ１２１及び逆鎖クラスタ１２３の同時ペアエンド配列決定（又は読み取り）が可能になる。同時ペアエンド配列決定により、ユーザは、順次にではなく、並行して同時に、順鎖１２２及び逆鎖１２４の両方のタイプのポリヌクレオチド鎖１１０を配列決定することができる。これは、本明細書で前述した配列決定プロセスのスループットを大幅に増加させ得る。追加的に、又は代替的に、これは、配列決定プロセスにおけるエラーを大幅に低下させ得る。

図７Ａを参照すると、本明細書に記載の態様による、画像センサ構造１００に結合したフローセル１１２を有するセンサシステム２００の断面側面図の一例が示されている。画像センサ構造１００は、図６に示すように、隣接する、順鎖１２２の順鎖クラスタ１２１と逆鎖１２４の逆鎖クラスタ１２３との同時ペアエンド配列決定を実行するように動作可能である。

センサシステム２００のフローセル１１２は、フローセル側壁１５２に固定されたフローセルカバー１５０を含む。フローセル側壁１５２は、画像センサ構造１００のパッシベーションスタック１５６に接合されており、それらの間に流路１５８を形成することができる。

パッシベーションスタック１５６は、その上に配置されたナノウェル１３６のアレイを含む。ポリヌクレオチド鎖１１０（ＤＮＡセグメント、オリゴヌクレオチド、他の核酸鎖など）は、順鎖１２２の順鎖クラスタ１２１及び逆鎖１２４の逆鎖クラスタ１２３の両方として、ナノウェル１３６内に配置され得る。

フローセルカバー１５０は、流体流１６４が流路１５８の中を通ってそこから出ることを可能にするようにサイズ決めされた入口ポート１６０及び出口ポート１６２を含む。流体流１６４は、ナノウェル１３６内に配置された順鎖及び逆鎖１２２、１２４上の多数の様々な制御された反応プロトコルを実行するために利用され得る。流体流１６４はまた、ポリヌクレオチド鎖１２２、１２４をタグ付けするために使用され得る蛍光タグ１２８（図５参照）を有するヌクレオチド１２６を送出し得る。

センサシステム２００の画像センサ構造１００は、ベース基板１７０の上に配置された撮像層１６８を含む。撮像層１６８は、ＳｉＮなどの誘電体層であり得、内部に配置された光検出器１７２のアレイを含み得る。本明細書で使用される光検出器１７２は、例えば、フォトダイオード、相補金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）材料、又はその両方などの半導体であり得る。光検出器１７２は、ナノウェル１３６内の鎖１２２、１２４に結合した蛍光タグ１２８から放出される放射光１７４の光光子を検出する。ベース基板１７０は、ガラス、ケイ素、又は他の同様の材料であり得る。

デバイススタック１７６は、撮像層１６８の上に配置される。デバイススタック１７６は、光検出器１７２と、検出された光光子を使用するプロセスデータ信号とをインターフェース接続する様々なデバイス回路１７８を含む複数の誘電体層（図示せず）を含み得る。

また、デバイススタック１７６内には、光ガイド１８０のアレイが配設されている。各光ガイド１８０は、光検出器のアレイの少なくとも１つの光検出器１７２に関連付けられている。例えば、光ガイド１８０は、撮像層１６８に対して垂直に配向され、それに関連する光検出器１７２上に直接配置することができる。あるいは、光ガイド１８０は、撮像層１６８に対して鋭角を形成し、ある角度からそれに関連する光検出器１７２に接近することができる。光ガイド１８０は、ナノウェル１３６内に配置された順鎖及び逆鎖１２２、１２４の蛍光タグ１２８からの放射光１７４の光子をそれらに関連する光検出器１７２に向ける。

パッシベーションスタック１５６は、デバイススタック１７６及び光ガイド１８０をフローセル１１２の流体環境から遮蔽するように構成されている。パッシベーションスタック１５６は、１つ以上の層であり得る。図７Ａに示される例では、パッシベーションスタックは、単一のパッシベーション層１８２を含む。しかしながら、化学保護層（図示せず）などの他の層も、パッシベーションスタック１５６に含まれ得る。パッシベーション層１８２は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）で構成され得る。化学保護層（図示せず）は、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）で構成され得る。

ナノウェル１３６のアレイは、パッシベーションスタック１５６内に配置され、ナノウェルのアレイの各ナノウェル１３６は、光ガイド１８０のアレイの少なくとも１つの光ガイド（第１の光ガイド）１８０Ａに関連付けられる。図７Ａに示される例では、各ナノウェル１３６は、第１の光ガイド１８０Ａ及び第２の光ガイド１８０Ｂに関連付けられている。

図６に示すように、第１のプライマーセット１４０は、各ナノウェル１３６の第１のウェル領域１３２全体に配置される。異なる第２のプライマーセット１４２は、各ナノウェル１３６の第２のウェル領域１３４全体に配置される。第２のウェル領域１３４は、領域界面１３８で第１のウェル領域１３２に隣接している。第１及び第２のプライマーセット１４０、１４２は、第１のウェル領域１３２内で順ポリヌクレオチド鎖１２２の順鎖クラスタ１２１を結合させ、第２のウェル領域１３４内で逆ポリヌクレオチド鎖１２４の隣接する逆鎖クラスタ１２３を結合させるように動作可能である。

第１及び第２のウェル領域１３２、１３４は、単一の光ガイド１８０Ａの部分上に配置することができる。しかしながら、図７Ａに示される例では、第１のウェル領域１３２は、第１の光ガイド１８０Ａの上に配置され、第２のウェル領域１３４は、第２の光ガイド１８０Ａの上に配置される。

動作中、様々なタイプの励起光１８６がナノウェル１３６内の順鎖１２２及び逆鎖１２４に放射され、蛍光タグ１２８に放射光１７４を蛍光発光させる。放射光１７４の光子の大部分は、パッシベーションスタック１５６を通して送出され、それに関連する光ガイド１８０Ａ，１８０Ｂに入射することができる。光ガイド１８０は、励起光１８６の大部分をフィルタリングし、放射光１７４を光ガイド１８０の直下に位置する関連する光検出器１７２に向けることができる。

本明細書に示される実施例は、画像センサ構造１００の前側から放射されて蛍光タグ１２８及び蛍光放射光１７４を励起する励起光１８６を示す。しかしながら、本開示の範囲内で、励起光１８６は、画像センサ構造（すなわち、背側照射）の裏側から放射されて、蛍光タグ１２８及び蛍光放射光１７４を励起することができる。

光検出器１７２は、放射光光子を検出する。次いで、デバイススタック１７６内のデバイス回路１７８は、検出された放射光光子をデータ信号に変換し、これは、外部読み出しデバイスに電気的に送信される。次いで、データ信号を分析して、順鎖１２２及び逆鎖１２４の両方のヌクレオチドの順序を同時に明らかにすることができる。

図７Ｂを参照すると本明細書に記載の態様による、図７Ａの線７Ｂ－７Ｂに沿って切り取られた図７Ａの画像センサ構造の上面図の一例示されている。図７Ｂの例では、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４は、面積が実質的に等しく、ウェル領域１３８で互いに直接隣接している。ウェル領域は、ナノウェル１３６の床１８５が矩形であるため、矩形の形状である。各ウェル領域１３２、１３４は、それに関連する光ガイド１８０Ａ及び１８０Ｂの上に実質的に中心がある。

領域界面１３８を除いて、第１のウェル領域１３２は、ナノウェル１３６の壁１８１によって境界付けられ得る。また、界面領域１３８を除いて、第２のウェル領域１３４は、ナノウェル１３６の壁１８３によって境界付けられ得る。本質的に、画像センサ構造１００全体を通して、複数の対の第１及び第２のウェル領域１３２、１３４は、ナノウェル１３６の壁１８１、１８３によって画定され得る。

しかしながら、ナノウェル１３６は２つの光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂをスパンするため、１つの光ガイドのみをスパンするナノウェルと比較して、２つのウェル領域におけるポリクローン性のリスクが大きい。すなわち、ナノウェル１３６に同時に入る２つ以上のタイプのポリヌクレオチド鎖１１０（図２を参照）が、同時に播種され、一緒に増幅されるので、それにより、信号対雑音比が著しく増大するリスクが高い。

追加的に、領域界面１３８は、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４の最大幅全体（矢印１８８によって表される）にわたって広がる。したがって、光ガイド１８０Ａに入る逆鎖１２４（特に、大きい境界／領域界面１３８にある逆鎖）からのクロストークのリスクが増大し、順鎖１２２から信号を汚染する。

図８を参照すると、本明細書に記載の態様による、画像センサ構造１００のナノウェル１３６内の第１のウェル領域１３２及び隣接する第２のウェル領域１３４の上面図の一例が示されており、第１及び第２のウェル領域１３４、１３６は実質的に等しい面積を有する。図８は、図７Ｂの第１及び第２のウェル領域１３２、１３４の本質的に拡大図である。ウェル領域１３２の矩形領域は、光ガイド１８０Ａの円形境界を越えて延在する。光ガイド１８０Ａの円形境界を超える領域の多くは、ウェル領域１３２で増幅された順鎖１２２からの強い信号に必要とされない場合がある。

図９を参照すると、別の例は、本明細書に記載の態様による、画像センサ構造１００のナノウェル１３６内の第１のウェル領域１３２及び隣接する第２のウェル領域１３４の上面図であり、第１及び第２のウェル領域は、実質的に等しくない面積を有する。図９では、第１のウェル領域１３２の領域は、第２のウェル領域１３４の面積よりも小さい。第１及び第２のウェル領域１３２、１３４の矩形領域は、実質的に等しい幅１８８を有するため、第１のウェル領域１３２の長さ（矢印１９０で示される）及び第２のウェル領域１３４の長さ（矢印１９２で示される）を変更することによって、面積が変更される。この場合、領域１３２の長さ１９０は、領域１３４の長さ１９２よりも短くなるため、領域１３２の面積は、領域１３４の面積よりも小さくなる。

例えば、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４は、実質的に等しい幅１８８を有し得、第１のウェル領域１３２は、第２の領域１３４の長さ１９２の９０％以下である長さ１９０を有し得る。この例では、長さ１９０は、第１のウェル領域が、それに関連する光ガイド１８０Ａを完全に覆わないほど小さくはないことに留意されたい。第１のウェル領域１３２に関連付けられた順鎖１２２を光ガイド１８０Ａの上に完全に位置決めすることは、ウェル領域１３２の面積が低減されても、光検出器１７２が強い信号を生成するのに役立つ。

第１のウェル領域１３２の面積を低減することにより、望ましくないポリクローン性のリスクが低下する。更に、第２のウェル領域は、順鎖１２２が完全に増幅された後には活性化されず、流路１５８を介してポリヌクレオチドは流動しない。したがって、逆鎖１２４が第２のウェル領域１３４内でいったん増幅し始めると、ポリクローン性が第１のウェル領域から第２のウェル領域にキャリオーバすることはほとんどない。

図１０を参照する。別の例は、本明細書に記載の態様による、画像センサ構造１００のナノウェル１３６内の第１のウェル領域１３２及び隣接する第２のウェル領域１３４の上面図であり、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４は、概してドッグボーン形状を有する。ドッグボーン形状は、ウェル領域１３２、１３４の面積を低減し、それはポリクローン性を低減するのに役立つが、それらの間でのクラスタ成長を可能にするように、２つのウェル領域１３２、１３４間の物理的連続性を提供する。追加的に、界面領域１３８におけるドッグボーンの幅１９４が小さいほど、発生し得るクロストークが小さくなる。これは、ドッグボーンのネックの両側のナノウェル１３６の壁が、より大きな円形領域からのクロストークのブロックを助けるように機能し得るためである。

ドッグボーン形状では、第１のウェル領域１３２は、第１のセクション１９６及び第２のセクション１９８を含む。第１のセクション１９６は、第１の光ガイド１８０Ａ全体の上に配置される。これは、光ガイド１８０Ａに強い信号を確保するのに役立つ。

第１のセクション１９６は、第１のセクション幅２０１を有する。第１のセクション１９６は、円形である必要はないことに留意されたい。むしろ、第１のセクションは、正方形、長方形、又は任意の他の適切な形状であり得る。

第２のセクション１９８は、第１のセクション１９６から領域界面１３８まで延在する。第２のセクション１９８は、第１のセクション幅２０１よりも小さい第２のセクション幅１９４を有する。

第２のウェル領域１３４は、第３のセクション２０２及び第４のセクション２０４を含む。第３のセクション２０２は、第２の光ガイド１８０Ｂ全体の上に配置される。これは、光ガイド１８０Ｂに強い信号を確保するのに役立つ。

第３のセクション２０２は、第３のセクション幅２０６を有する。第３のセクション２０２は、円形である必要はないことに留意されたい。むしろ、第３のセクションは、正方形、長方形、又は任意の他の適切な形状であり得る。

第４のセクション２０４は、第１のセクション２０２から領域界面１３８に延在する。第４のセクション２０４は、第３のセクション幅２０６よりも小さい第４のセクション幅１９４を有する。この例では、第１のウェル領域１３２の第２のセクション１９８幅１９４及び第２のウェル領域１３４の第４のセクション２０４幅１９４は、実質的に等しいことに留意されたい。また、この例では、第１のウェル領域１３２の第２のセクション１９８及び第２のウェル領域１３４の第４のセクション２０４の長さは、実質的に等しい。他の例では、第１のウェル領域１３２の第２のセクション１９８及び第２のウェル領域１３４の第４のセクション２０４の長さは実質的に等しくない。

いくつかの例では、第１のセクション１９６及び第３のセクション２０２は、実質的に円形の形状を有する。その場合、第１及び第３のセクション幅２０１、２０６は、それぞれ第１及び第３のセクション１９６、２０２の直径である。いくつかの例では、第２及び第４のセクション幅１９４は、それぞれ、第１及び第３のセクション幅２０１、２０６の５０％以下である。

図１１を参照すると、本明細書に記載の態様による、（順鎖クラスタ１２１を有する第１のウェル領域１３２と逆鎖クラスタ１２３を有する第２のウェル領域１３４との）コントラスト比対第１のウェル領域１３２に関連付けられた光ガイド中心３０２からの距離のグラフ３００の一例を示す。コントラスト比は、以下のように定義される。
ａ．コントラスト比＝領域１３２から第１の光ガイド１８０Ａで受信された信号
ｉ．（すなわち、最明信号Ａ）を、隣接する領域１３４から第１の光ガイド１８０Ａで受信された信号（すなわち、第２の最明信号Ｂ）で割ったもの。
ｂ．Ａ＝最明信号、Ｂ＝第２の最明信号であれば、コントラストｉの比は、コントラスト比＝Ａ／Ｂとして記述することができる。
ｃ．コントラスト比は、ｉ．純潔度＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）として定義され得る純潔スコアと密接に関連している。
ｄ．したがって、コントラスト比が５対１である場合、純潔スコアは、５／（５＋１）＝８３％に等しい。

コントラスト比及び純潔スコアの両方は、標的エリアの基部における蛍光信号の全般的な純度に関する。これは、測定されることを目標にされるエリアである。

グラフ３００は、第１のウェル領域１３２がより長く、面積がより大きくなる（すなわち、それに関連する光ガイド１８０Ａの中心から更に離れて成長する）と、コントラスト比及び純潔スコアがより小さくなることを示す。したがって、ウェル領域１３２の面積が小さいほど、信号がより純粋になり、クロストークが少ないと思われる。

しかしながら、これは、ウェル領域１３２の面積がより小さくなるにつれて、その領域からの信号の増幅が小さくなり、隣接するウェル領域１３４からの信号が増幅されるという事実とバランスを取られなければならない。したがって、ウェル領域が小さすぎる場合、隣接するウェル領域の明るさによって圧倒される可能性がある。

図１２を参照すると、本明細書に記載の態様による、光ガイド１８０のアレイとナノウェル１３６の第１及び第２のウェル領域１３２、１３４との間に配置された不透明層４００を有する画像センサ構造１００の断面図の一例が示されている。図１２は、パッシベーションスタック１５６と光ガイド１８０との間に配置された不透明層４００が追加されている点を除いて、図７と実質的に同じである。いくつかの例では、不透明層は、タンタル、クロム、チタン、アルミニウムなどから構成され得る。本明細書で使用される場合、「不透明」という用語は、１つ以上の波長範囲又は全ての波長の全て又は実質的に全ての光又は放射エネルギーがそれを通過することを遮断することを意味する。

図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１３Ｃを参照すると、本明細書に記載の態様による、図１２の画像センサ構造の不透明層４００の上面斜視図が示されている。図１３Ａ～図１３Ｃに示される不透明層の３つの構成の各場合において、不透明層４００は、各ナノウェル１３６の光ガイド１８０のアレイと第１及び第２のウェル領域１３２、１３４との間に配置される。更に、不透明層４００の各構成は、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４の領域界面１３８全体の下に延在する。追加的に、各不透明層４００は、各ナノウェル１３６に関連付けられた第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂの上面の全体未満を覆う。

第１及び第２のウェル領域１３２、１３４は、領域界面１３８に隣接しているため、クロストークの大部分は、そのエリアで発生する。したがって、不透明層４００は、そのようなクロストークを低減する目的で、界面領域１３８全体にわたって配置される。

具体的には、図１３Ａでは、不透明層４００は、各ナノウェル１３６に関連付けられた第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂの上面のいかなる部分も覆わない。むしろ、不透明層４００は、各第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂの外周に従う。

具体的には、図１３Ｂでは、不透明層４００は、第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂの上面の一部を覆う。例えば、不透明層４００は、各ナノウェル１３６に関連付けられた第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂの上面の１０％超、１５％超、又は２５％超を覆うことができる。

具体的には、図１３Ｃでは、不透明層４００は、ドッグボーン形状の第１及び第２のウェル領域１３２、１３４のネックセクションを覆うが、第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂのいずれの部分も覆わない。すなわち、不透明層４００は、第１のウェル領域１３２の第２のセクション１９８及び第２のウェル領域１３４の第４のセクション２０４を覆うが、光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂの周囲に従う。

図１４Ａを参照すると、本明細書に記載の態様による、コントラスト比対ｖｓ第１のウェル領域１８０Ａに関連付けられた光ガイド中心からの距離のグラフ５００の一例が示されており、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４と光ガイド１８０のアレイとの間に不透明層４００が配置されていない。

図１４Ｂも参照すると、本明細書に記載の態様による、コントラスト比対ｖｓ第１のウェル領域１８０Ａに関連付けられた光ガイド中心からの距離のグラフ５０２の一例が示され、不透明層４００は、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４と光ガイド１８０のアレイとの間に配置されている。

グラフ５００は、グラフ３００と実質的に同じであり、コントラスト比対ｖｓ光ガイド１８０Ａの中心からの距離がプロットされている。グラフ５０２は、画像センサ構造１００が不透明層４００を含むことを除いて、同じパラメータをプロットする。２つのグラフ５００、５０２を比較することによって見ることができるように、コントラスト比は、実質的に不透明層により改善される。この改善は、不透明層４００が、クロストークの大部分が発生する界面領域１３８全体にわたって配置されているという事実に大きく起因する。

図１５を参照すると、本明細書に記載の態様による、第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂの上に配置された第１及び第２のウェル領域１３２、１３４を有する画像センサ構造１００の断面図の一例が示されており、光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂは、互いに対して鋭角５１０を成す。この例では、パッシベーションスタック１５６は、２つの層、すなわち第１のパッシベーション層１８２及び化学保護層を含む。第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂは、デバイススタック１７６内に配置され、それらに関連する光検出器１７２に向かって角度を付けて配置される。

光検出器１７２間のピッチ５１２は、ある程度にしか小さくすることができないので、ナノウェル１３６が２つの光検出器１７２をスパンする場合、ナノウェル１３６をどの程度小さくできるかについての制限要因になる。図１５に示す例では、ナノウェル１３６は、角度５１０があるため、光検出器１７２間のピッチ５１２よりも小さく作製することができる。

したがって、図１５の画像センサ構造１００は、光検出器１７２のアレイの第１の光検出器１７２Ａに関連付けられた第１の光ガイド１８０Ａを含む。第２の光ガイド１８０Ｂは、光検出器１７０のアレイの第２の光検出器１７２Ｂに関連付けられている。第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂに関連付けられた各ナノウェル１３６は、第１の光検出器１７２Ａと第２の光検出器１７２Ｂとの間のピッチ５１２よりも小さい幅５１４を有する。第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂは、それらに関連するナノウェル１３６からそれらに関連する第１及び第２の光検出器１７２Ａ、１７２Ｂまで、互いに対して鋭角５１０に延在する。

図１６を参照すると、本明細書に記載の態様による、ナノウェル１３６に関連付けられた第１の光ガイド１８０Ａの第１及び第２の部分５２６、５２８上に配置された第１及び第２のウェル領域１３２、１３４を備えたナノウェル１３６を有する画像センサ構造１００の断面図の一例が示されており、ここでは、第１及び第２の導波体５２０、５２２が導波体層５２４内に配置されており、それぞれ第１及び第２のウェル領域１３２、１３４の下に延在する。

図１６のナノウェル１３６、及びその対応する構造は、パッシベーションスタック１５６内及び画像センサ構造１００のデバイススタック１７６の上に配置されたナノウェル１３６のアレイを示し得る。デバイススタック１７６は、内部に配置された光ガイド１８０のアレイを含み得る。各ナノウェル１３６は、光ガイド１８０のアレイの第１の光ガイド１８０Ａに関連付けられ得る。各第１の光ガイド１８０Ａは、光検出器１７２のアレイの光検出器１７２に関連付けられ得る。

図１６の画像センサ構造１００は、関連する第１の光ガイド１８０Ａの第１の部分５２６の上に配置された第１のウェル領域１３２を含む。第２のウェル領域１３４は、関連する第１の光ガイド１８０Ａの第２の部分５２８の上に配置される。導波体層５２４は、各ナノウェル１３６の光ガイド１８０のアレイと第１及び第２のウェル領域１３２、１３４との間に配置される。第１の導波体５２０は、導波体層５２４内に配置され、第１のウェル領域１３２の下に延在する。第１の導波体５２０は、第１のウェル領域１３２内に結合した順ポリヌクレオチド鎖１２２の順鎖クラスタ１２１上に励起光を照射するように動作可能である。第２の導波体５２２は、導波体層５２４内に配置され、第２のウェル領域１３４の下に延在する。第２の導波体５２２は、第２のウェル領域１３４内に結合した逆ポリヌクレオチド鎖１２４の逆鎖クラスタ１２３上に励起光を照射するように動作可能である。

第１及び第２の導波体５２２、５２４は、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４を連続的に照射することができる。そのようにして、第１の導波体５２０は、第１のウェル領域１３２内に結合した主に前鎖１２２を励起することができ、これは、光検出器１７２によって読み取られ得る。その後、第２の導波体５２２は、第２のウェル領域１３４内に結合した主に逆鎖１２４を励起することができ、これはまた、同じ光検出器１７２によって読み取られ得る。このようにして、ナノウェル１３６は、２つの光検出器に広がる必要はなく、改善されたポリクローン性のために実質的に小さくなり得る。

動作中、励起光１８６が第１の導波体５２０を通過するとき、励起光の大部分は、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１の順鎖１２２に集束される。しかしながら、第１の導波ガイド５２０からの励起光１８６の少なくとも一部が、第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３に入射することがある。したがって、光検出器１７２によって読み取られた放射光１７４は、主に第１のウェル領域１３２内の順鎖１２２から放射され得るが、光検出器１７２によって読み取られる放射光１７４のより小さい割合（例えば、２５％未満、１５％未満、又は１０％未満）は、第２のウェル領域１３４内の逆鎖１２４から放射され得る。

また、動作中、励起光１８６が第２の導波体５２２を通過するとき、励起光の大部分は、第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３の逆鎖１２４に集束される。しかしながら、第２の波ガイド５２２からの励起光１８６の少なくとも一部が、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１に入射することがある。したがって、光検出器１７２によって読み取られた放射光１７４は、第２のウェル領域１３４内の逆鎖１２４から主に放射され得るが、光検出器１７２によって読み取られた放射光１７４の割合（例えば、２５％未満、１５％未満、又は１０％未満）は、第１のウェル領域１３２内の順鎖１２２から放射され得る。

図１７を参照すると、光ガイド１８０Ａの第１及び第２の部分５２６、５２８のそれぞれの上に配置された第１のウェル領域１３２及び第２のウェル領域１３４を備えるナノウェル１３６を有する画像センサ構造１００の断面図の一例が示されている。図示の例では、第１の導波体５２０及び第２の導波体５２２は、パッシベーションスタック１５６内に配置されている。第１及び第２の導波体５２０、５２２は、ナノウェル１３６の対向する側面５３０、５３２に隣接して、かつその上に位置付けられる。

図１７のナノウェル１３６、及びその対応する構造は、パッシベーションスタック１５６内、かつ画像センサ構造１００のデバイススタック１７６の上に配置されたナノウェル１３６のアレイを示し得る。デバイススタック１７６は、内部に配置された光ガイド１８０のアレイを含み得る。各ナノウェル１３６は、光ガイド１８０のアレイの第１の光ガイド１８０Ａに関連付けられ得る。各第１の光ガイド１８０Ａは、光検出器１７２のアレイの光検出器１７２に関連付けられ得る。

図１６及び図１７に例示される実施例の組み合わせは、第１及び第２の導波体５２０、５２２が、デバイススタック１７６上（又はその上）の画像センサ構造１００内のどこに位置付けられ得ることを示している。例えば、図１６の導波体５２０、５２２は、デバイススタック１７６の上に配置された導波体層５２４内に配置されている。また、例として、図１７の導波体５２０、５２２は、パッシベーションスタック１５６内に配置され、パッシベーションスタック１５６は、デバイススタック１７６の上に配置され、ナノウェル１３６の壁を形成する。

更に、第１及び第２の導波体５２０、５２２は、第１及び第２の導波ガイド５２０、５２２のアレイを示し得る。より具体的には、第１の導波体５２０のアレイは、デバイススタック１７６の上に配設され得、各第１の導波体５２０は、ナノウェル１３６のアレイのナノウェル１３６に関連付けられ得る。各第１の導波体５２０は、第１の導波体の関連するナノウェル１３６の第１のウェル領域１３２内に結合した順ポリヌクレオチド鎖１２２の順鎖クラスタ１２１（図６参照）上に励起光を照射するように動作可能であり得る。

より具体的には、第２の導波体５２２のアレイは、デバイススタック１７６の上に配設され得、各第２の導波体５２２は、ナノウェル１３６のアレイのナノウェル１３６に関連付けられ得る。に第２の導波体５２２は、第２の導波体の関連するナノウェル１３６の第２のウェル領域１３４内に結合した逆ポリヌクレオチド鎖１２４の逆鎖クラスタ１２３（図６参照）上に励起光を照射するように動作可能であり得る。

動作中、励起光１８６が、ナノウェル１３６の側面５３０に隣接して位置付けられた第１の導波体５２０を通過するとき、励起光の大部分は、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１の順鎖１２２に集束される。しかしながら、第１の導波ガイド５２０からの励起光１８６の少なくとも一部が、第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３に入射することがある。したがって、光検出器１７２によって読み取られた放射光１７４は、主に第１のウェル領域１３２内の順鎖１２２から放射され得るが、光検出器１７２によって読み取られる放射光１７４のより小さい割合（例えば、２５％未満、１５％未満、又は１０％未満）は、第２のウェル領域１３４内の逆鎖１２４から放射され得る。

また、動作中、励起光１８６が、ナノウェル１３６の側面５３２に隣接して位置付けられた第２の導波体５２２を通過するとき、励起光の大部分は、第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３の逆鎖１２４に集束される。しかしながら、第２の波ガイド５２２からの励起光１８６の少なくとも一部が、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１に入射することがある。したがって、光検出器１７２によって読み取られた放射光１７４は、第２のウェル領域１３４内の逆鎖１２４から主に放射され得るが、光検出器１７２によって読み取られた放射光１７４の割合（例えば、２５％未満、１５％未満、又は１０％未満）は、第１のウェル領域１３２内の順鎖１２２から放射され得る。

図１８を参照すると、ナノウェル１３６のアレイ（個別に１３６Ａ～Ｅ）及び第１の光ガイド５２０のアレイ（個別に５２０Ａ～Ｃ）及び第２の光ガイド５２２（個別に５２２Ａ～Ｃ）を有する画像センサ構造１００の断面図の一例が示されている。第１及び第２の光ガイド５２０、５２２のアレイの各第１及び第２の光ガイド５２０、５２２は、図１７に示されるように、第１及び第２の光ガイドと同じ又は同様の構造を有する。

第１の導波体５２０のアレイの各第１の導波路５２０は、第１の導波体の関連するナノウェル１３６に隣接するナノウェル１３６の第１又は第２のウェル領域１３２又は１３４内に結合したポリヌクレオチド鎖１２２又は１２４のクラスタ１２１又は１２３上に励起光を照射するように動作可能である（図６参照）。追加的に、第２の導波体５２２のアレイの各第２の導波路５２２は、第２の導波体の関連付けられたナノウェル１３６に隣接するナノウェル１３６の第１又は第２のウェル領域１３２又は１３４内に結合したポリヌクレオチド鎖１２２又は１２４のクラスタ１２１又は１２３上に励起光を照射するようにも動作可能である（図６参照）。

図示の例として、図１８のナノウェル１３６Ａは、第１及び第２の導波体５２０Ａ及び５２２Ａに関連付けられる。しかしながら、第２の導波体５２２Ａはまた、隣接するナノウェル１３６Ｂの第１のウェル領域１３２内に結合した順ポリヌクレオチド鎖１２２の順鎖クラスタ１２１上に励起光を照射するように動作可能であろう。

また、例として、図１８のナノウェル１３６Ｂは、第１及び第２の導波体５２０Ｂ及び５２２Ａに関連付けられる。しかしながら、第１の導波体５２０Ｂはまた、隣接するナノウェル１３６Ｃの第１のウェル領域１３２内に結合したポリヌクレオチド鎖１２２の順鎖クラスタ１２１上に励起光を照射するように動作可能であろう。

本明細書の目的のために、第１及び第２の導波体５２０、５２２は、導波体の単一のアレイとして機能し得る。各導波体５２０、５２２は、一対の隣接するナノウェル１３６内でウェル領域１３２、１３４を照射するように動作可能であり得る。追加的に、どの導波体が、隣接するナノウェルの対でどのウェル領域を照射するかは重要でない。例えば、導波体５２０は、２つの第１のウェル領域１３２、２つの第２のウェル領域１３４、又は第１及び第２のウェル領域１３２、１３４の両方を照射することができる。

図１９を参照すると、本明細書に記載の態様による、光ガイド１８０Ａの第１及び第２の部分５２６、５２８の上に配置された第１及び第２のウェル領域１３２、１３４を有する画像センサ構造１００の断面図の一例が示されている。この場合、第１のウェル領域１３２内の順鎖１２２及び第２のウェル領域１３４内の逆鎖１２４は、同時に励起され得る。したがって、光検出器１７２は、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４の両方によって共有され、それらのウェル領域からの明るい信号Ａ（又は明るいクラスタ信号）及び第２の明るい信号Ｂ（又は暗いクラスタ信号）の両方を同時に受け取る。各信号の強度がほぼ同じであると仮定すると、組み合わされた信号の純潔スコアは約５０％であり、コントラスト比は約１対１である。

しかしながら、これらの低い純潔スコア及びコントラスト比であっても、組み合わされた信号から蛍光発光される２種類の塩基を決定するために使用され得る信号処理技術がある。そのような技術は、米国特許出願公開第２０１９／０２１２２９５（Ａ１）号に詳述されており、Ｄｅｈｌｉｎｇｅｒらの「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＦＯＲ ＨＩＧＨ－ＴＨＲＯＵＧＨＰＵＴ ＳＥＱＵＥＮＣＩＮＧ ＷＩＴＨ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＴＯＲ－ＢＡＳＥＤ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ」は、Ｉｌｌｕｍｉｎａ，Ｉｎｃ．に割り当てられ、２０１９年１月７日に出願されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。１つのそのような技術を図２０Ａ、図２０Ｂ、及び図２１に示す。

図２０Ａ及び図２０Ｂは、一実施態様による、共有光検出器１７２によって検出されたそれぞれのピクセル信号を使用して、明るいクラスタ及び暗いクラスタのベースコールを示す散布図６００Ａ及び６００Ｂである。散布プロット６００Ａ及び６００ＢのＸ軸は、サンプリングイベントの第２の照射段階時に検出されたＡＴピクセル信号を表し、これは、ヌクレオチド塩基Ａ及びＴを示す所与のクラスタからの照明を引き起こす。散布プロット６００Ａ及び６００ＢのＹ軸は、サンプルイベントの第１の照射段階時に検出されたＣＴピクセル信号を表し、これは、ヌクレオチド塩基Ｃ及びＴを示す所与のクラスタからの照明を引き起こす。

散布図６００Ａは、シグナルプロセッサ（図示せず）が明るいクラスタからピクセル信号を分類する４つの分布６０２、６０４、６０６、及び６０８を示す。図示の実施態様では、分布６０２は、明るいクラスタにおけるヌクレオチド塩基Ｃを表し、分布６０４は、明るいクラスタにおけるヌクレオチド塩基Ｔを表し、分布６０６は、明るいクラスタにおけるヌクレオチド塩基Ｇを表し、分布６０８は、明るいクラスタにおけるヌクレオチド塩基Ａを表す。

散布図６００Ｂは、シグナルプロセッサが暗いクラスタからピクセル信号を分類する散布プロット６００Ａの４つの分布６０２、６０４、６０６、及び６０８の各々について４つのサブ分布を有する１６個のサブ分布（又は分布）６０２Ａ～Ｄ、６０４Ａ～Ｄ、６０６Ａ～Ｄ、６０８Ａ～Ｄを示す。図示された実施態様では、文字「Ａ」で注釈付けられたサブ分布は、暗いクラスタにおけるヌクレオチド塩基Ｃを表し、文字「Ｂ」で注釈されたサブ分布は、暗いクラスタにおけるヌクレオチド塩基Ｔを表し、文字「Ｃ」で注釈付けられたサブ分布は、暗いクラスタにおけるヌクレオチド塩基Ｇを表し、文字「Ｄ」で注釈されたサブ分布は、暗いクラスタにおけるヌクレオチド塩基Ａを表す。他の実施態様では、塩基の異なる符号化を使用することができる。シグナルプロセッサが、暗いクラスタからピクセル信号を１６個のサブ分布のうちの１つに分類する場合、対応する明るいクラスタの分類が、暗いクラスタのサブ分布を含む分布によって決定される。例えば、暗いクラスタがサブ分布６０８Ｂ（ヌクレオチド塩基Ｔ）に分類される場合、対応する明るいクラスタの分布は６０８（ヌクレオチド塩基Ａ）である。結果として、シグナルプロセッサは、明るいクラスタをＡとして、暗いクラスタとしてＴとしてベースコールする。

図２１は、一実施態様による、明るいクラスタ及び暗いクラスタのクラスタ対からの強度値によって生成された１６個の分布（又はビン）を示す散布図６０２である。実施態様において、１６個のビンは、複数のベースコールサイクルにわたって生成される。シグナルプロセッサは、明るいクラスタからのピクセル信号を組み合わせ、それらを１６個のビンのうちの１つにマッピングする。組み合わせたピクセル信号がベースコールサイクルのためにビン６１２にマッピングされる場合、シグナルプロセッサは、明るいクラスタをＣとして、暗いクラスタをＣとしてベースコールする。組み合わせたピクセル信号がベースコールサイクルのためにビン６１４にマッピングされる場合、シグナルプロセッサ１３８は、明るいクラスタをＣとして、暗いクラスタをＴとしてベースコールする。組み合わせたピクセル信号がベースコールサイクルのためにビン６１６にマッピングされる場合、シグナルプロセッサ１３８は、明るいクラスタをＣとして、暗いクラスタをＧとしてベースコールする。組み合わせたピクセル信号がベースコールサイクルのためにビン６１８にマッピングされる場合、シグナルプロセッサ１３８は、明るいクラスタをＣとして、暗いクラスタをＡとしてベースコールする。

図２２を参照すると、本明細書に記載の態様による、同時ペアエンド配列決定の方法６５０のフロー図の一例が示されている。本方法は、本明細書に記載の画像センサ構造１００の例のうちの１つ以上を利用することができる。

この方法６５０（図２２）、並びに以下の方法７００（図２３）、７５０（図２４）及び方法８００（図２５）は、本方法を実行する様々なステップを示す。しかしながら、各方法のステップ（６５０、７００、７５０、８００）が実行される順序は、ステップが図２２～図２５の各々に例示される順序と一致しない場合がある。例えば、以下の播種ステップ６５２は、不活性化ステップ６５４の後に行ってもよい。

６５２における方法は、ポリヌクレオチド鎖１１０を有する画像センサ構造１００のナノウェル１３６の第１のウェル領域１３２に第１のプライマーセット１４０を播種することを含む。ポリヌクレオチド鎖１１０（図２を参照）は、第１のウェル領域１３２内の相補的プライマー１０６、１０８（図１参照）に結合するアダプタ１１８及び１２０を含む（図７Ａ参照）。

６５４で、ナノウェル１３６の第２のウェル領域１３４内の第２のプライマーセット１４２が不活性化され、第２のウェル領域での他のポリヌクレオチド鎖の播種をできないようにする。このステップは、６５２での播種ステップの前に行われ得る。第２のウェル領域１３４を不活性化する一例は、第２のウェル領域の上に保護層をマスクして、他のポリヌクレオチドの第２のウェル領域へのアクセスを防止することである。

６５６において、第１のポリヌクレオチド鎖は、第１のウェル領域１３２全体を通して複数の順鎖及び逆鎖１０６、１０８に増幅される。６５８で、逆鎖１０８を第１のウェル領域１３２から切断して、第１のウェル領域１３２内に順鎖クラスタ１２１を形成する。

６６０において、第２のプライマーセット１４２は、第２のウェル領域１３４内で活性化されて、第２のウェル領域１３４における播種及び増幅を可能にする。第２のウェル領域１３４を活性化する一例は、第２のウェル領域１３４上に以前に配置された任意の保護層をアンマスキングすることである。

６６２において、増幅は、第１のウェル領域１３２の順鎖クラスタ１２１から第２のウェル領域１３４に発生して、第２のウェル領域１３４に複数の順鎖及び逆鎖１０６、１０８を形成する。６６４において、順鎖１２２は、第２のウェル領域１３４から切断され、第２のウェル領域１３４に逆鎖クラスタ１２３を形成する。

（６６０での）播種中及び第２のウェル領域１３４における増幅（６６２）のプロセスの間、疎性多項式鎖１１０はフローセル１１２の流路１５８に流入しない。したがって、フローセル１１２の流路１５８を通って第２のウェル領域１３４に流入する多項式鎖１１０に起因する有意な追加のポリクローン性は、播種（６６０）及び増幅（６６２）が第２のウェル領域１３４内で行われるときに生じ得る。

第１及び第２のウェル領域１３２、１３４内で順鎖及び逆鎖クラスタ１２１、１２３が形成されると、同時配列決定を６６６で行うことができる。言い換えれば、ステップ６６６において、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１及び第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３は、実質的に同時に配列決定される。

図２３を参照すると、本明細書に記載の態様による、同時ペアエンド配列決定の方法７００のフロー図の一例が示されている。方法７００は、同時配列決定ステップ６６６の拡張であるという点で、方法６５０のサブセットである。

７０２において、方法７００は、第１の蛍光タグ１２８を有する第１の相補的ヌクレオチド１２６（図５参照）を、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１のヌクレオチド１１６に結合することを含む。７０４において、第２の蛍光タグ１２８を有する第２の相補的ヌクレオチド１２６が、第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３のヌクレオチド１１６に結合される。

７０６で、方法は、励起光１８６を順鎖クラスタ１２１及び逆鎖クラスタ１２３（図７Ａ参照）上に実質的に同時に放射して、放射光１７４を第１及び第２のタグ１２８から蛍光発光する。７０８において、放射光１７４が、第１及び第２のタグ１２８から実質的に同時に放出される。第１のタグ１２８からの放射光１７４は、第１の光ガイド１８０Ａ（図７Ａ参照）を通って第１の光検出器１７２に伝搬する。第２のタグ１２８からの放射光１７４は、第２の光ガイド１８０Ｂを通して第２の光検出器１７４に伝搬し、それぞれ順鎖及び逆鎖１２２、１２４のヌクレオチドの配列を決定する。

方法６５０又は７００を実行しながらポリクローン性を低減するために、第１のウェル領域１３２は、第２のウェル領域１３４の面積よりも小さい面積を有し得る。例えば、第１のウェル領域１３２の面積は、９０％以下、８０％以下、又は７０％以下、又は第２のウェル領域１３４の面積であり得る。

ポリクローン性、及び第１の光ガイド１８０Ａと第２の光ガイド１８０Ｂとの間のクロストークの両方を低減するために、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４は、概してドッグボーンのように見える組み合わせ形状を有し得る（図１０を参照）。より具体的には、第１のウェル領域１３２は、第１のセクション１９６及び第２のセクション１９８を含み得る。ウェル領域１３２の第１のセクション１９６は、第１の光ガイド１８０Ａ全体の上に配置することができ、第１のセクション１９６は、第１のセクション幅２０１を有する。第１のセクション１９６は、ポリクローン性を低減するために、光ガイド１８０Ａの面積よりわずかに大きい面積を有し得る。例えば、第１のセクション１９６の面積は、光ガイド１８０Ａの上面の面積の５％以下、１０％以下、又は１５％以下であってよい。

ウェル領域１３４の第２のセクション１９８は、第１のセクション１９６から第１のウェル領域１３２と第２のウェル領域１３４との間の領域界面１３８まで延在し得る。第２のセクション１９８は、第１のセクション幅２０１よりも小さい第２のセクション幅１９４を有し得る。

追加的に、第２のウェル領域１３４は、第３のセクション２０２及び第４のセクション２０４を含み得る。第２のウェル領域１３４の第３のセクション２０２は、第２の光ガイド１８０Ｂ全体の上に配置してもよく、第３のセクション幅２０６を有してもよい。第４のセクション２０４は、第３のセクション２０２から領域界面１３８まで延在し得る。第４のセクション２０４は、第３のセクション幅２０６よりも小さい第４のセクション幅１９４を有し得る。また、第４のセクション２０４の幅１９４は、第２のセクション１９８の幅１９４と実質的に等しくてもよい。

第２及び第４のセクション１９８、２０４の幅１９４を低減することにより、界面領域１３８が減少する。界面領域１３８を低減することにより、第１のウェル領域１３２内の任意のポリクローン性が第２のウェル領域１３４内で増幅する可能性が実質的に減少される。追加的に、界面領域１３８を低減することにより、第１のウェル領域１３２と第２のウェル領域１３４との間にクロストークが発生する可能性も実質的に低下する。

方法６５０又は７００を実行しながらクロストークを低減する別の方法は、第１及び第２の光ガイド１８０Ａ、１８０Ｂと第１及び第２のウェル領域１３２、１３４との間に不透明層４００を配置することである。不透明層４００（図１２を参照）は、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４の領域界面１３８全体の下に延在し得る。不透明層４００は、第１及び第２の光ガイドの全体未満を覆うことができる（図１３Ａ～図１３Ｃを参照）。

図２４を参照すると、本明細書に記載の態様による、同時ペアエンド配列決定の方法７５０のフロー図の一例が示されている。方法７５０は、同時配列決定ステップ６６６の拡張であるという点で、方法６５０のサブセットである。

７５２において、方法７５０は、第１の蛍光タグ１２８を有する第１の相補的ヌクレオチド１２６（図５参照）を、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１のヌクレオチド１１６に結合することを含む。７５４において、第２の蛍光タグ１２８を有する第２の相補的ヌクレオチド１２６が、第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３のヌクレオチド１１６に結合される。

７５６において、逆鎖クラスタ１２３上よりも実質的により大量の励起光１８６を、順鎖クラスタ１２１上に放射して、第２のタグ１２８からよりも第１のタグ１２８から実質的により大量の放射光１７４を蛍光発光させる。７５８において、第１のタグ１２８からの放射光１７４は、第１の光ガイド１８０Ａを通って第１の光検出器１７２に送出され、順鎖１２２のヌクレオチドを決定する。７６０において、順鎖クラスタ１２１上よりも実質的により大量の励起光１８６を逆鎖クラスタ１２３上に放射して、第１のタグ１２８からよりも第２のタグ１２８から実質的により大量の放射光１７４を蛍光発光させる。７６２において、第２のタグ１２８からの放射光１７４は、第１の光ガイド１８０Ａを通して第１の光検出器１７２に送出され、逆鎖１２４のヌクレオチドを決定する。

方法７５０は、例えば、図１６に示されるものと同様の画像センサ構造１００を用いて実行され得、第１のウェル領域１３２は、第１の光ガイド１８０Ａの第１の部分５２６の上に配置され、第２のウェル領域１３４は、第１の光ガイド１８０Ａの第２の部分５２８の上に配置される。導波体層５２４は、第１の光ガイド１８０Ａと第１及び第２のウェル領域１３２、１３４との間に配置されている。第１の導波体５２０は、導波体層５２４内に配置され、第１の導波体５２０は、第１のウェル領域１３２の下に延在するが、第２のウェル領域１３４の下には延在しない。第２の導波体５２２は、導波体層５２４内に配置され、第２の導波体５２２は、第２のウェル領域１３４の下に延在するが、第１のウェル領域１３２の下には延在しない。

択一的に、方法７５０は、例えば、図１７に示されるものと同様の画像センサ構造１００を用いて実行され得、ナノウェル１３６のアレイの各ナノウェル１３６は、第１の光ガイド１８０Ａの第１の部分５２６の上に配置された第１のウェル領域１３２と、第１の光ガイド１８０Ａの第２の部分５２８の上に配置された第２のウェル領域１３４とを含む。パッシベーションスタック１５６は、画像センサ構造１００のデバイススタック１７６の上に配置され、ナノウェル１３６のアレイは、パッシベーションスタック１５６内に配置される。第１の導波体５２０のアレイの各第１の導波路５２０は、第１の導波体の関連するナノウェル１３６の側面５３０に隣接するパッシベーションスタック１５６内に配置される。第２の導波体５２２のアレイの各第２の導波路５２２は、第２の導波体の関連するナノウェル１３６の対向する側部５３２に隣接するパッシベーションスタック１５６内に配置される。

上記の構造を利用して、励起光１８６を、第１の導波体５２０を通して、主に順鎖クラスタ１２１上に放射することができる。次いで、主に順鎖クラスタ１２１からの放射光１７４を、分析のために第１の光ガイド１８０Ａを通して光検出器１７２に送出することができる。その後、励起光１８６を、第２の導波体５２２を通して、主に逆鎖クラスタ１２３上に放射することができことができる。次いで、主に逆鎖クラスタ１２３からの放射光１７４を、分析のために第１の光ガイド１８０Ａを通して光検出器１７２に送出することができる。

図２５を参照すると、本明細書に記載の態様による、同時ペアエンド配列決定の方法８００のフロー図の一例が示されている。方法８００は、同時配列決定ステップ６６６の拡張であるという点で、方法６５０のサブセットである。

８０２で、方法８００は、第１の蛍光タグ１２８を有する第１の相補的ヌクレオチド１２６（図５参照）を、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１のヌクレオチド１１６に結合することを含む。８０４では、第２の蛍光タグ１２８を有する第２の相補的ヌクレオチド１２６が、第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３のヌクレオチド１１６に結合される。

８０６において、励起光１８６は、第１のウェル領域１３２内の順鎖クラスタ１２１上及び第２のウェル領域１３４内の逆鎖クラスタ１２３上に実質的に同時に放射されて、放射光１７４を第１及び第２のタグ１２８から蛍光発光させる。８０８において、第１及び第２のウェル領域１３２、１３４からの複合放射光１７４が、第１及び第２のタグ１２８から第１の光ガイド１８Ａを通して第１の光検出器１７２に送出される。次いで、信号処理技術を利用して、第１の光検出器１７２で検出された複合放射光１７４に関連付けられた順鎖及び逆鎖１２２、１２４のヌクレオチドを決定することができる。そのような信号処理技術の例は、図２０Ａ、図２０Ｂ、及び図２１を参照して本明細書で論じられる。方法８００は、例えば、図１９に示されるものと同様の画像センサ構造１００を用いて実行され得る。

本明細書においてより詳細に検討された前述の概念及び更なる概念の全ての組み合わせが、（かかる概念が相互に矛盾しなければ）本明細書に開示される発明の主題の一部であることが意図されることが理解されよう。具体的には、本開示の終わりに現れる特許請求される主題の全ての組み合わせは、本明細書に開示される発明の主題の一部であると企図される。

本発明は特定の実施例を参照して説明してきたが、説明された発明概念の趣旨及び範囲内で多くの変更がなされてもよいことを理解されたい。したがって、本開示は、説明された実施例に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲によって定義される全範囲を有することが意図される。

Claims (48)

1. 画像センサ構造であって、
   内部に配置された光検出器のアレイを備える撮像層と、
   前記撮像層の上に配置されたデバイススタックと、
   前記デバイススタック内に配置された光ガイドのアレイであって、各光ガイドが、前記光検出器のアレイの光検出器に配置されている、光ガイドのアレイと、
   前記デバイススタックの上に配置されたナノウェルのアレイであって、前記ナノウェルのアレイの各ナノウェルが、前記光ガイドのアレイの第１の光ガイド上に配置され、各第１の光ガイドが、前記光検出器のアレイの第１の光検出器に配置されている、ナノウェルのアレイと、
   各ナノウェルの第１のウェル領域全体に配置された第１のプライマーセットと、
   各ナノウェルの第２のウェル領域全体に配置された異なる第２のプライマーセットであって、前記第２のウェル領域は、領域界面で前記第１のウェル領域に隣接する、第２のプライマーセットと、を備え、
   前記第１及び第２のプライマーセットは、前記第１のウェル領域内に順ポリヌクレオチド鎖の順鎖クラスタを結合させ、前記第２のウェル領域内に逆ポリヌクレオチド鎖の隣接する逆鎖クラスタを結合させるように動作可能である、画像センサ構造。
2. 前記光ガイドのアレイの第２の光ガイド上に配置された前記ナノウェルのアレイの各ナノウェルであって、各第２の光ガイドは、前記光検出器のアレイの第２の光検出器に配置されている、前記ナノウェルのアレイの各ナノウェルと、
   前記第１の光ガイドの上に配置された前記第１のウェル領域と、
   前記第２の光ガイドの上に配置された前記第２のウェル領域と、を備える、請求項１に記載の画像センサ構造。
3. 前記第１のウェル領域の面積は、前記第２のウェル領域の面積よりも小さい、請求項２に記載の画像センサ構造。
4. 等しい幅を有する前記第１及び第２のウェル領域と、
   前記第２の領域の長さの９０％以下の長さを有する前記第１のウェル領域と、を備える、請求項２に記載の画像センサ構造。
5. 前記第１のウェル領域であって、
   前記第１の光ガイド全体の上に配置された第１のセクションであって、第１のセクション幅を有する、第１のセクション、及び
   前記第１のセクションから前記領域界面まで延在する第２のセクションであって、前記第１のセクション幅よりも小さい第２のセクション幅を有する、第２のセクション、を備える、前記第１のウェル領域と、
   前記第２のウェル領域であって、
   前記第２の光ガイド全体の上に配置された第３のセクションであって、第３のセクション幅を有する、第３のセクション、及び
   前記第３のセクションから前記領域界面まで延在する第４のセクションであって、前記第３のセクション幅よりも小さい第４のセクション幅を有する、第４のセクション、を備える、前記第２のウェル領域と、を備え、
   前記第１のウェル領域の前記第２のセクション幅と前記第２のウェル領域の前記第４のセクション幅とは等しい、請求項２に記載の画像センサ構造。
6. 円形の形状を有する前記第１のセクション及び第３のセクションを備え、
   前記第１及び第３のセクション幅は、それぞれ前記第１及び第３のセクションの直径である、請求項５に記載の画像センサ構造。
7. 前記第２及び第４のセクション幅は、それぞれ、前記第１及び第３のセクション幅の５０％以下である、請求項５に記載の画像センサ構造。
8. 前記光ガイドのアレイと各ナノウェルの前記第１及び第２のウェル領域との間に配置された不透明層と、
   前記第１及び第２のウェル領域の前記領域界面全体の下に延在する前記不透明層と、
   各ナノウェルの下方に配置された前記第１及び第２の光ガイドの上面の全体未満を覆う前記不透明層と、を備える、請求項２に記載の画像センサ構造。
9. 前記不透明層は、各ナノウェルの下方に配置された第１及び第２の光ガイドの前記上面のいかなる部分も覆わない、請求項８に記載の画像センサ構造。
10. 前記不透明層は、各ナノウェルの下方に配置された前記第１及び第２の光ガイドの前記上面の１０％超を覆う、請求項８に記載の画像センサ構造。
11. 前記光検出器のアレイの第１の光検出器に配置された前記第１の光ガイドと、
    前記光検出器のアレイの第２の光検出器に配置された前記第２の光ガイドと、
    前記第１の光検出器と前記第２の光検出器との間のピッチよりも小さい幅を有する前記第１及び第２の光ガイド上に配置された各ナノウェルと、
    前記第１及び第２の光ガイドであって、前記ナノウェルから、前記第１及び第２の光検出器まで、互いに対して鋭角に延在する、前記第１及び第２の光ガイドと、を備える、請求項２に記載の画像センサ構造。
12. 前記第１の光ガイドの第１の部分の上に配置された各ナノウェルの前記第１のウェル領域と、
    前記第１の光ガイドの第２の部分の上に配置された各ナノウェルの前記第２のウェル領域と、
    前記デバイススタックの上に配置された第１の導波体のアレイであって、各第１の導波体が、前記ナノウェルのアレイのナノウェルの下方に配置され、各第１の導波体が、前記ナノウェルの前記第１のウェル領域内に結合した順ポリヌクレオチド鎖の順鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である、第１の導波体のアレイと、
    前記デバイススタックの上に配置された第２の導波体のアレイであって、各第２の導波体が、前記ナノウェルのアレイのナノウェルの下方に配置され、各第２の導波体が、前記ナノウェルの前記第２のウェル領域内に結合した逆ポリヌクレオチド鎖の逆鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である、第２の導波体のアレイと、を備える、請求項１に記載の画像センサ構造。
13. 前記光ガイドのアレイと各ナノウェルの前記第１及び第２のウェル領域との間に配置された導波体層と、
    前記導波体層内に配置され、かつ前記ナノウェルの前記第１のウェル領域の下に延在する、導波体のアレイの各第１の導波体と、
    前記導波体層内に配置され、かつ前記ナノウェルの前記第２のウェル領域の下に延在する、導波体のアレイの各第２の導波体と、を備える、請求項１２に記載の画像センサ構造。
14. 前記デバイススタックの上に配置されたパッシベーションスタックであって、前記ナノウェルのアレイは、前記パッシベーションスタック内に配置されている、パッシベーションスタックと、
    前記ナノウェルの側面に隣接する前記パッシベーションスタック内に配置された、前記第１の導波体のアレイの各第１の導波体と、
    前記ナノウェルの反対側の側面に隣接する前記パッシベーションスタック内に配置された、前記導波体のアレイの各第２の導波体と、を備える、請求項１２に記載の画像センサ構造。
15. 前記第１の導波体のアレイの各第１の導波体は、前記ナノウェルに隣接するナノウェルの前記第１又は第２のウェル領域内に結合したポリヌクレオチド鎖のクラスタ上に励起光を照射するように動作可能であり、
    前記第２の導波体のアレイの各第２の導波体は、前記ナノウェルに隣接するナノウェルの前記第１又は第２のウェル領域内に結合したポリヌクレオチド鎖のクラスタ上に励起光を照射するように動作可能である、請求項１４に記載の画像センサ構造。
16. 前記第１のウェル領域及び前記第２のウェル領域は、前記領域界面を除いて、前記ウェルの壁によって境界付けられている、請求項１に記載の画像センサ構造。
17. 前記デバイススタックの上に配置されたパッシベーションスタックを更に備え、前記ナノウェルのアレイは、前記パッシベーションスタック内に配置されている、請求項１に記載の画像センサ構造。
18. 前記第１のウェル領域の面積は、前記第２のウェル領域の面積よりも小さい、請求項５～１６のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
19. 等しい幅を有する前記第１及び第２のウェル領域と、
    前記第２の領域の長さの９０％以下の長さを有する前記第１のウェル領域と、を備える、請求項５～１６のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
20. 前記第１のウェル領域であって、
    前記第１の光ガイド全体の上に配置された第１のセクションであって、第１のセクション幅を有する、第１のセクション、及び
    前記第１のセクションから前記領域界面まで延在する第２のセクションであって、前記第１のセクション幅よりも小さい第２のセクション幅を有する、第２のセクション、を備える、前記第１のウェル領域と、
    前記第２のウェル領域であって、
    前記第２の光ガイド全体の上に配置された第３のセクションであって、第３のセクション幅を有する、第３のセクション、及び
    前記第３のセクションから前記領域界面まで延在する第４のセクションであって、前記第３のセクション幅よりも小さい第４のセクション幅を有する、第４のセクション、を備える、前記第２のウェル領域と、を備え、
    前記第１のウェル領域の前記第２のセクション幅と前記第２のウェル領域の前記第４のセクション幅とは等しい、請求項８～１０のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
21. 前記光ガイドのアレイと各ナノウェルの前記第１及び第２のウェル領域との間に配置された不透明層と、
    前記第１及び第２のウェル領域の前記領域界面全体の下に延在する前記不透明層と、
    各ナノウェルの下方に配置された前記第１及び第２の光ガイドの上面の全体未満を覆う前記不透明層と、を備える、請求項１５又は１６に記載の画像センサ構造。
22. 前記不透明層は、各ナノウェルの下方に配置された第１及び第２の光ガイドの前記上面のいかなる部分も覆わない、請求項２１に記載の画像センサ構造。
23. 前記不透明層は、各ナノウェルの下方に配置された前記第１及び第２の光ガイドの前記上面の１０％超を覆う、請求項２１に記載の画像センサ構造。
24. 前記デバイススタックの上に配置されたパッシベーションスタックを更に備え、前記ナノウェルのアレイは、前記パッシベーションスタック内に配置されている、請求項１２～１４のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
25. 前記第１のウェル領域及び第２のウェル領域は、前記領域界面を除いて、前記ウェルの壁によって境界付けられている、請求項１２～１４のいずれか一項に記載の画像センサ構造。
26. 画像センサ構造であって、
    内部に配置された光検出器のアレイを備える撮像層と、
    前記撮像層の上に配置されたデバイススタックと、
    前記デバイススタック内に配置された光ガイドのアレイであって、各光ガイドが、前記光検出器のアレイの光検出器に配置されている、光ガイドのアレイと、
    前記デバイススタックの上に配置されたナノウェルのアレイであって、前記ナノウェルのアレイの各ナノウェルが、前記光ガイドのアレイの第１及び第２の光ガイド上に配置されている、ナノウェルのアレイと、
    各ナノウェルの第１のウェル領域全体に配置された第１のプライマーセットであって、前記第１のウェル領域は、前記第１の光ガイドの上に配置されている、第１のプライマーセットと、
    各ナノウェルの第２のウェル領域全体に配置された異なる第２のプライマーセットであって、前記第２のウェル領域は、前記第２の光ガイドの上に配置され、かつ領域界面において前記第１のウェル領域に隣接している、異なる第２のプライマーセットと、を備え、
    前記第１及び第２のプライマーセットは、前記第１のウェル領域内に順ポリヌクレオチド鎖の順鎖クラスタを結合させ、前記第２のウェル領域内に逆ポリヌクレオチド鎖の隣接する逆鎖クラスタを結合させるように動作可能であり、
    前記第１のウェル領域の面積は、前記第２のウェル領域の面積よりも小さい、画像センサ構造。
27. 前記第１のウェル領域であって、
    前記第１の光ガイド全体の上に配置された円形の形状を有する第１のセクションであって、第１のセクション直径を有する、第１のセクション、及び
    前記第１のセクションから前記領域界面まで延在する第２のセクションであって、前記第１のセクション直径よりも小さい第２のセクション幅を有する、第２のセクション、を備える、前記第１のウェル領域と、
    前記第２のウェル領域であって、
    前記第２の光ガイド全体の上に配置された円形の形状を有する第３のセクションであって、第３のセクション直径を有する、第３のセクション、及び
    前記第３のセクションから前記領域界面まで延在する第４のセクションであって、前記第３のセクション直径よりも小さい第４のセクション幅を有する、第４のセクション、を備える、前記第２のウェル領域と、を備え、
    前記第１のウェル領域の前記第２のセクション幅と前記第２のウェル領域の前記第４のセクション幅とは等しい、請求項２６に記載の画像センサ構造。
28. 前記光ガイドのアレイと各ナノウェルの前記第１及び第２のウェル領域との間に配置された不透明層と、
    前記第１及び第２のウェル領域の前記領域界面全体の下に延在する前記不透明層と、
    各ナノウェルの下方に配置された前記第１及び第２の光ガイドの上面の全体未満を覆う前記不透明層と、を備える、請求項２６又は２７に記載の画像センサ構造。
29. 前記不透明層は、各ナノウェルの下方に配置された第１及び第２の光ガイドの前記上面のいかなる部分も覆わない、請求項２８に記載の画像センサ構造。
30. 前記光検出器のアレイの第１の光検出器に配置された前記第１の光ガイドと、
    前記光検出器のアレイの第２の光検出器に配置された前記第２の光ガイドと、
    前記第１の光検出器と前記第２の光検出器との間のピッチよりも小さい幅を有する前記第１及び第２の光ガイド上に配置された各ナノウェルと、
    前記第１及び第２の光ガイドであって、前記ナノウェルから、前記第１及び第２の光検出器まで、互いに対して鋭角に延在する、前記第１及び第２の光ガイドと、を備える、請求項２６に記載の画像センサ構造。
31. 画像センサ構造であって、
    内部に配置された光検出器のアレイを備える撮像層と、
    前記撮像層の上に配置されたデバイススタックと、
    前記デバイススタック内に配置された光ガイドのアレイであって、各光ガイドが、前記光検出器のアレイの光検出器に配置されている、光ガイドのアレイと、
    前記デバイススタックの上に配置されたナノウェルのアレイであって、前記ナノウェルのアレイの各ナノウェルが、前記光ガイドのアレイの第１の光ガイド上に配置されている、ナノウェルのアレイと、
    各ナノウェルの第１のウェル領域全体に配置された第１のプライマーセットであって、前記第１のウェル領域は、前記第１の光ガイドの第１の部分の上に配置されている、第１のプライマーセットと、
    各ナノウェルの第２のウェル領域全体に配置された異なる第２のプライマーセットであって、前記第２のウェル領域は、前記第１の光ガイドの第２の部分の上に配置され、前記第２のウェル領域は、領域界面において前記第１のウェル領域に隣接する、異なる第２のプライマーセットと、を備え、
    前記第１及び第２のプライマーセットは、前記第１のウェル領域内に順ポリヌクレオチド鎖の順鎖クラスタを結合させ、前記第２のウェル領域内に逆ポリヌクレオチドの隣接する逆鎖クラスタを結合させるように動作可能である、画像センサ構造。
32. 前記デバイススタックの上に配置された第１の導波体のアレイであって、各第１の導波体が、前記ナノウェルのアレイのナノウェルの下方に配置され、各第１の導波体が、前記ナノウェルの前記第１のウェル領域内に結合した順ポリヌクレオチド鎖の順鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である、第１の導波体アレイと、
    前記デバイススタックの上に配置された第２の導波体のアレイであって、各第２の導波体が、前記ナノウェルのアレイのナノウェルの下方に配置され、各第２の導波体が、前記ナノウェルの前記第２のウェル領域内に結合した逆ポリヌクレオチド鎖の逆鎖クラスタ上に励起光を照射するように動作可能である、第２の導波体のアレイと、を備える、請求項３１に記載の画像センサ構造。
33. 方法であって、
    ポリヌクレオチド鎖で画像センサ構造のナノウェルの第１のウェル領域に第１のプライマーセットを播種することと、
    前記ナノウェルの第２のウェル領域にある第２のプライマーセットを不活性化して、前記第２のウェル領域での他のポリヌクレオチド鎖の播種をできないようにすることと、
    前記第１のウェル領域全体を通して、前記第１のポリヌクレオチド鎖を複数の順鎖及び逆鎖に増幅することと、
    前記第１のウェル領域から前記逆鎖を切断して、前記第１のウェル領域内に順鎖クラスタを形成することと、
    前記第２のウェル領域にある前記第２のプライマーセットを活性化して、前記第２のウェル領域における播種及び増幅を可能にすることと、
    前記第１のウェル領域の前記順鎖クラスタから前記第２のウェル領域に増幅して、前記第２のウェル領域内に複数の順鎖及び逆鎖を形成することと、
    前記第２のウェル領域から前記順鎖を切断して、前記第２のウェル領域に逆鎖クラスタを形成することと、
    前記第１のウェル領域において前記順鎖クラスタを、及び前記第２のウェル領域において前記逆鎖クラスタを同時に配列決定することと、を含む、方法。
34. 前記第２のプライマーセットを不活性化することは、前記第２のウェル領域をマスキングすることを含み、
    前記第２のプライマーセットを活性化することは、前記第２のウェル領域をアンマスキングすることを含む、請求項３３に記載の方法。
35. 同時に配列決定することは、
    第１の蛍光タグを有する第１の相補的ヌクレオチドを前記第１のウェル領域内に前記順鎖クラスタのヌクレオチドに結合させることと、
    第２の蛍光タグを有する第２の相補的ヌクレオチドを、前記第２のウェル領域内に前記逆鎖クラスタのヌクレオチドに結合させることと、
    励起光を前記順鎖クラスタ及び前記逆鎖クラスタ上に同時に放射して、前記第１及び第２のタグから放射光を蛍光発光させることと、
    前記第１のタグから第１の光ガイドを通って第１の光検出器に至る前記放射光、及び前記第２のタグから第２の光ガイドを通って第２の光検出器に至る前記放射光を、前記順鎖及び逆鎖のヌクレオチドの配列をそれぞれ決定するために同時に受光することと、を含む、請求項３３に記載の方法。
36. 前記第１のウェル領域は、前記第２のウェル領域の面積よりも小さい面積を有する、請求項３５に記載の方法。
37. 前記第１のウェル領域は、
    前記第１の光ガイド全体の上に配置された第１のセクションであって、第１のセクション幅を有する、第１のセクション、及び
    前記第１のセクションから前記第１のウェル領域と前記第２のウェル領域との間の領域界面まで延在する第２のセクションであって、前記第１のセクション幅よりも小さい第２のセクション幅を有する、第２のセクション、を備え、
    前記第２のウェル領域は、
    前記第２の光ガイド全体の上に配置された第３のセクションであって、第３のセクション幅を有する、第３のセクション、及び
    前記第３のセクションから前記領域界面まで延在する第４のセクションであって、前記第３のセクション幅よりも小さい第４のセクション幅を有する、第４のセクション、を備える、請求項３５に記載の方法。
38. 不透明層が、前記第１及び第２の光ガイドと前記第１及び第２のウェル領域との間に配置されており、前記不透明層は、前記第１のウェル領域と前記第２のウェル領域との領域界面全体の下に延在し、前記不透明層は、前記第１及び第２の光ガイドの全体未満を覆う、請求項３５に記載の方法。
39. 前記ナノウェルは、前記第１の光検出器と前記第２の光検出器との間のピッチよりも小さい幅を有し、
    前記第１及び第２の光ガイドは、前記第１及び第２の光検出器まで、互いに対して鋭角に延在している、請求項３５に記載の方法。
40. 前記第１のウェル領域は、第１の光ガイドの第１の部分の上に配置されており、
    前記第２のウェル領域は、前記第１の光ガイドの第２の部分の上に配置されている、請求項３３に記載の方法。
41. 同時に配列決定することは、
    第１の蛍光タグを有する第１の相補的ヌクレオチドを前記順鎖クラスタのヌクレオチドに結合させることと、
    第２の蛍光タグを有する第２の相補的ヌクレオチドを前記逆鎖クラスタのヌクレオチドに結合させることと、
    前記逆鎖クラスタよりもより大量の励起光を前記順鎖クラスタ上に放射して、前記第２のタグよりもより大量の放射光を前記第１のタグから蛍光発光させることと、
    前記第１のタグから第１の光ガイドを通って第１の光検出器に至る前記放射光を受光して、前記順鎖の前記ヌクレオチドを決定することと、
    前記順鎖クラスタよりもより大量の励起光を前記逆鎖クラスタ上に放射して、前記第１のタグからよりもより大量の放射光を前記第２のタグから蛍光発光させることと、
    前記第２のタグから前記第１の光ガイドを通って前記第１の光検出器に至る前記放射光を受光して、前記逆鎖のヌクレオチドを決定することと、を含む、請求項３３に記載の方法。
42. 第１の導波体が、前記第１の光ガイドの上に配置され、
    第２の導波体が、前記第１の光ガイドの上に配置され、
    前記励起光が、前記第１の導波体を通して前記順鎖クラスタ上に放射され、
    前記励起光が、前記第２の導波体を通して前記逆鎖クラスタ上に放射される、請求項４１に記載の方法。
43. 同時に配列決定することは、
    第１の蛍光タグを有する第１の相補的ヌクレオチドを前記順鎖クラスタのヌクレオチドに結合させることと、
    第２の蛍光タグを有する第２の相補的ヌクレオチドを前記逆鎖クラスタのヌクレオチドに結合させることと、
    前記第１のウェル領域内の前記順鎖クラスタ上及び前記第２のウェル領域内の前記逆鎖クラスタ上に同時に励起光を放射して、前記第１及び第２のタグから放射光を蛍光発光させることと、
    前記第１及び第２のタグから第１の光ガイドを通って第１の光検出器に至る複合放射光を受光することと、
    信号処理技術を利用して、前記第１の光検出器で検出された受光した前記複合放射光に基づき前記順鎖及び前記逆鎖のヌクレオチドを決定することと、を含む、請求項３３に記載の方法。
44. 同時に配列決定することは、
    前記順鎖の第１のタグから第１の光検出器に至る放射光と、前記逆鎖の第２のタグから第２の光検出器に至る放射光とを同時に受光して、前記順鎖及び前記逆鎖のヌクレオチドの配列をそれぞれ決定すること、を含む、請求項３３に記載の方法。
45. 同時に配列決定することは、
    前記順鎖の第１のタグから第１の光検出器に至る放射光と、前記逆鎖の第２のタグから前記第１の光検出器に至る放射光とを受光して、前記順鎖及び前記逆鎖のヌクレオチドの配列をそれぞれ決定すること、を含む、請求項３３に記載の方法。
46. 前記順鎖の第１のタグから第１の光検出器に至る放射光を受光することは、前記逆鎖の第２のタグから前記第１の光検出器に至る放射光を受光することと同時に受光される、請求項４５に記載の方法。
47. 前記順鎖の第１のタグから第１の光検出器に至る放射光を受光することは、前記逆鎖の第２のタグから前記第１の光検出器に至る放射光を受光する前に受光される、請求項４５に記載の方法。
48. 前記第２のプライマーセットを不活性化することは、前記第２のウェル領域をマスキングすることを含み、
    前記第２のプライマーセットを活性化することは、前記第２のウェル領域をアンマスキングすることを含む、請求項３５～４７のいずれか一項に記載の方法。