KR20120101396A - 복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한 디바이스 - Google Patents

복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한 디바이스 Download PDF

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KR20120101396A
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데이비드 앤드류 피시
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한, 특히 형광으로 라벨링된 뉴클레오티드들의 사용에 의한 DNA 시퀀싱을 위한 디바이스 및 검출기에 관한 것이다. 특정 검출기(118)는 상기 복수의 형광 신호 소스들(104)로부터 상기 형광 신호들을 개별적으로 검출하기 위한 복수의 화소들(13)을 포함하도록 제안되며, 여기서 각각의 화소(130)는 수신된 형광 신호를 검출하고 검출 신호들을 생성하기 위한 미리 정해진 수의 적어도 두 개의 검출 소자들(D1, Dn)을 포함한다. 또한, 신호 변환 회로(140)는 상기 적어도 두 개의 검출 소자들(D1, Dn)로부터 상기 검출 신호들을 수신하기 위한 및 상기 적어도 두 개의 검출 소자들(D1, Dn) 중 어떤 것이 가장 강한 신호를 생성하였는지를 나타내는 화소 출력 신호를 생성하기 위해 제공된다.

Description

복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한 디바이스{DEVICE FOR MONITORING A PLURALITY OF DISCRETE FLUORESCENCE SIGNALS}
본 발명은 복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한, 특히 형광으로 라벨링된 뉴클레오티드들의 사용에 의한 DNA 시퀀싱을 위한 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 또한 복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한 이러한 디바이스에서의 사용을 위한 복수의 형광 신호 소스들로부터 형광 신호들을 검출하기 위한 검출기에 관한 것이다.
DNA(디옥시리보핵산) 시퀀싱은 수 해 동안 알려져 왔다. 상기 개발에 사용된 유전 지시들 및 모든 알려진 생물들의 기능을 포함하는, 상기 핵산의 구성 블록들을 식별하는 기본 개념은 코드들의 발견으로부터 질병과 씨름하기 위해 유전 정보를 사용하기 위한 바램으로 확대되어 왔다.
DNA 분자들의 주요 역할은 정보의 장기 저장이다. 다른 기능들 중에서, 그것은 유전자들로서 불리우는 세그먼트들로, 셀들의 구성요소들의 구성을 위해 요구된 지시들을 포함한다. 화학적으로, DNA는 핵산들로 불리우는 간단한 단위들의 두 개의 긴 폴리머들로 이루어지며, 상기 두 개의 가닥들은 서로 반대 방향들로 이어진다. 상기 두 개의 가닥들 간의 백본들은 에스테르 결합들에 의해 결합된 당들 및 인산기들로 구성된다. 각각의 당에는 염기(base)들로 불리우는 네 개의 유형들의 분자들, 즉 유형 A, C, G, 또는 T 중 하나에 부착된다. 그것은 정보를 인코딩하는 상기 백본을 따르는 이들 네 개의 염기들의 시퀀스이다. 이들 염기들 및 그것들의 시퀀스의 식별에 의해, 많은 정보가 도출될 수 있다.
많은 상기 새로운 기술들은 염기 판독(base calling)으로서 알려진, 상기 염기들의 식별을 위한 형광 이미징에 의존한다. 형광 부분(fluorescent moiety)은 하나의 특정 종류의 염기에 부착된다. 상기 뉴클레오티드에서의 형광은 알려진 파장에서 광의 흡수에 의해 초래된다. 상기 형광은 또 다른 약간 상이한 알려진 파장에서 발생한다. 상기 형광을 낸 광의 검출은 특정 염기의 존재를 나타낸다. 시퀀싱 시약들을 포함하는 상이한 유체들이 계속하여 샘플을 통해 세척되는 단일 컬러 형광 시스템들이 존재하며, 형광은 상기 DNA 샘플에서 상이한 DNA 염기들의 존재를 나타낸다. 또 다른 형광 이미징 기술은 광의 네 개의 상이한 파장들이 사용되는 바와 같이 네 개의 컬러 형광으로서 알려지며, 그에 의해 네 개의 유형들의 뉴클레오티드(시퀀싱 반응들을 위해 요구된)가 동시에 상기 시퀀싱 디바이스에 존재하도록 허용한다. 따라서, (매우 느린) 상기 디바이스에서의 유체 교환들은 감소되거나 또는 최소로 유지될 수 있다.
염기 판독을 위한 형광 이미징에 의존한 형광 물질들을 분석하기 위한 방법들 및 시스템들이 퍼시픽 바이오사이언시스(Pacific Biosciences)에 의해, 특히 2008년 2월 2일, 퍼시픽 바이오사이언시스 기술 배경설명 "퍼시픽 바이오사이언시스는 변형 DNA 시퀀싱 기술을 개발한다"에서 및 그들의 특허 출원들, WO 2008/140758 A1 및 WO 2009/089056 A1에서 기술된다. 형광 물질들에 의해 방출된 광은 높은 개구수 대물 렌즈에 의해 수집되며 단일-광자 민감 CCD 어레이에 대한 초점을 가져온다. 상기 어레이에 도달하기 전에, 상기 광은 각각의 제로 모드 도파관을 위한 개개의 무지개를 생성하는, 그것의 컬러에 따라 상기 형광의 방향을 바꾸는 프리즘 분산 소자를 통과한다. 이것은 상기 편향적인 광의 위치가 상기 신호를 생성하는 상기 염기의 아이덴티티를 인코딩하도록 허용한다. 이러한 방식으로, 단일 고-민감 검출기는 그것들이 CCD 어레이에 부딪히는 위치에 따라 펄스들을 식별하고 구별하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 프로세스는 상기 CCD 어레이의 영역에 걸쳐 수천 회 반복되며, 상기 DNA 시퀀스가 전체 단일-분자 실시간 칩을 가로질러 각각의 제로 모드 도파관에서 실시간으로 판독될 수 있게 한다. 최적화된 알고리즘들의 세트가 상기 광학 시스템에 의해 캡처되는 정보를 번역하기 위해 사용된다. 상기 기록된 스펙트럼 정보 및 펄스 특성들을 사용하여, 신호들은 연관된 품질 메트릭들을 갖고 염기 판독들로 변환된다.
그러나, 이러한 기술은 주로 사용되는 검출기의 종류에 기초하기 때문에, 제한들이 또한 존재한다. 사용되는 전자 증폭 전하 결합 소자(Electron Multiplying Charge Coupled Device; EMCCD) 검출기를 갖고, 화소들의 수가 작을 때 높은 필드 레이트들이 단지 달성될 수 있다. 그러나, 실제로, 많은 수의 화소들이 매우 많은 수들의 시퀀싱 사이트들, 예로서, 백만 이상의 시퀀싱 사이트들을 판독하기 위해 요구된다. 또한, 높은 필드 레이트는 반응 레이트들에 뒤지지 않도록 요구되며, 이는 미래에 1 kHz까지 증가할 것으로 예측될 수 있다. 이러한 성능은 상기 CCD 기술의 능력들을 벗어난다.
본 발명의 목적은 알려진 디바이스들에 비교하여 개선되고 특히 보다 높은 필드 레이트로 다수의 화소들을 동시에 판독할 수 있게 하는 복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한 디바이스를 제공하는 것이다. 본 발명의 추가 목적은 이러한 디바이스에서의 사용을 위한 대응 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에서, 복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한, 특히 형광으로 라벨링된 뉴클레오티드의 사용에 의한 DNA 시퀀싱을 위한 디바이스가 제공되며, 상기 디바이스는:
- 복수의 이산 형광 신호 소스들이 배치된 기판;
- 여기 조사 소스(excitation illumination source);
- 상기 복수의 형광 신호 소스들로부터 형광 신호들을 검출하기 위한 검출기; 및
- 상기 여기 조사 소스로부터의 여기 조사가 상기 기판상의 상기 복수의 이산 형광 신호 소스들에 동시에 향하게 하고 상기 복수의 형광 신호 소스들로부터의 형광 신호들이 상기 검출기로 향하도록 위치된 광학 트레인을 포함하며,
상기 검출기는,
- 상기 복수의 형광 신호 소스들로부터 상기 형광 신호들을 개별적으로 검출하기 위한 복수의 화소들로서, 각각의 화소는 수신된 형광 신호를 검출하고 검출 신호들을 생성하기 위한 미리 정해진 수의 적어도 두 개의 검출 소자들을 포함하는, 상기 복수의 화소들, 및
- 상기 적어도 두 개의 검출 소자들로부터 상기 검출 신호들을 수신하고 상기 적어도 두 개의 검출 소자들 중 어떤 것이 가장 강한 검출 신호를 생성했는지를 나타내는 화소 출력 신호를 생성하기 위한 신호 변환 회로를 포함한다.
본 발명의 추가 양태에서, 이러한 디바이스에서의 사용을 위한 검출기가 제공되며, 상기 검출기는,
- 상기 복수의 형광 신호 소스들로부터 상기 형광 신호들을 개별적으로 검출하기 위한 복수의 화소들로서, 각각의 화소가 수신된 형광 신호를 검출하고 검출 신호들을 생성하기 위한 미리 정해진 수의 적어도 두 개의 검출 소자들을 포함하는, 상기 복수의 화소들, 및
- 상기 적어도 두 개의 검출 소자들로부터 상기 검출 신호들을 수신하고, 상기 적어도 두 개의 검출 소자들 중 어떤 것이 가장 강한 검출 신호를 생성했는지를 나타내는 화소 출력 신호를 생성하기 위한 신호 변환 회로를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시에는 종속 청구항들에서 정의된다. 상기 주장된 검출기는 상기 주장된 디바이스 및 상기 종속 청구항들에서 정의된 것과 유사하고 및/또는 그것과 동일한 바람직한 실시예들을 갖는다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 일반적으로, 특히 기판, 여기 조사 소스, 검출기, 및 광학 트레인을 포함하는, 퍼시픽 바이오사이언시스에 의해 제안된 바와 동일한 시스템 레이아웃을 이용하고, 형광 검출을 위한 분산 기반 방법을 사용하지만, 많은 수의 화소들이 높은 필드 레이트들로 판독될 수 있게 하는 상이한 검출기를 사용하기 위해 상기 아이디어에 기초한다. DNA로의 염기 통합을 결정하는 알려진 분산 방법은, 예를 들면, 상기 CCD 어레이의 대략 15개의 검출 소자들(예로서, 포토다이오드들)을 요구한다. 상기 시퀀싱 반응들 간의 분리를 가능하게 하기 위해, 약 16×4 검출 소자들의 최소 CCD 영역이 요구될 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 검출기의 하나의 화소를 나타내는 상기 검출 소자들로부터 64개의(또는 적어도 15개) 아날로그 값들 모두를 판독하는 대신, 상기 통합된 염기를 나타내는 단일 화소 출력 신호가 생성된다.
특히, 본 발명에 따르면, 단일 화소를 나타내고 단일 형광 신호 소스로부터 형광 신호를 수신하는 다수의 검출 소자들로부터 상기 검출 신호가 제공되는 신호 변환 회로가 제공되며, 그 후 신호 변환 회로는 상기 다수의 검출 신호들을 상기 단일 화소 출력 신호로 변환한다. 상기 화소 출력 신호는 그것이 상기 단일 신호 변환 회로에 결합되는 상기 적어도 두 개의 검출 소자들 중 어떤 것이 가장 강한 검출 신호를 생성하는지를 나타내도록 상기 입력 검출 신호들로부터 생성된다.
그러므로, 상기 형광 신호 소스의 아이덴티티에 대한 정보를 본래 포함하는 화소 내에서 상기 가장 강한 검출 신호를 생성하는 상기 검출 소자의 위치가 알려져 있다. 예를 들면, 형광으로 라벨링된 뉴클레오티드들의 사용에 의한 DNA 시퀀싱을 위해 적용된다면, 상기 형광 신호를 생성하는 상기 염기의 아이덴티티는 상기 가장 강한 검출 신호를 생성하는 상기 검출 소자의 위치가 상기 형광 라벨에 관련 있고, 따라서 상기 염기로 상기 다양한 유형들의 염기들(A, G, C, T)이 상이하게 라벨링된 이후, 상기 화소 출력 신호에 포함된다.
본 발명에 따르면, 단지 단일 값이 예를 들면 알려진 디바이스들에서처럼 15개 이상의 값들이라기보다는 각각의 화소로부터 판독되기 때문에, 예를 들면, 증가된 뉴클레오티드들의 농도들 및 높은 온도들에 의해, 상기 시퀀싱 반응들이 보다 빠르게 발생할 수 있는 판독 레이트가 대량으로 향상될 수 있으며, 보다 많은 반응들이 동시에 수행될 수 있다. 이것은 상기 디바이스의 스루풋을 크게 향상시키며 전체 게놈 및 유전자 재-시퀀싱 애플리케이션들이 매우 빠르게 수행될 수 있게 한다.
특히, DNA 시퀀싱에서의 사용을 위해, 각각의 화소는 바람직하게는 어떤 염기가 상기 형광 신호를 야기하는지의 검출에 대한 높은 분해능 및 정확도를 얻기 위해, 바람직하게는 적어도 4개, 특히 8개 및 16개 사이에서, 검출 소자들을 포함한다. 상기 검출 소자들, 예를 들면 CCD 어레이 내의 포토다이오드들의 수는 또한 상기 원하는 분해능 및 정확도에 의존하여 더 높아질 수 있다.
바람직하게는, 상기 신호 변환 회로는 쉽고 빠르게 판독될 수 있는 디지털 화소 출력 신호를 생성하기 위해 적응된다. 바람직하게는, 추가 실시예에 따라 제안된 바와 같이, 상기 복수의 화소들이 컬럼들 및 로우들을 따라 어레이로서 배열된다면, 상기 검출기는 상기 화소들로부터 상기 화소 출력 신호들을 개별적으로 어드레싱 및 판독하기 위한 어드레싱 및 판독 수단을 더 포함한다.
디지털 화소 출력 신호의 사용이 선호된다. 이러한 어레이 구조는, 예를 들면, 반도체 메모리 디바이스들로부터 알려져 있으며, 반도체 메모리 기술로부터 알려진 유사한 로우 및 컬럼 어드레싱 및 판독 수단이 여기에 이용될 수 있다. 예를 들면, 상기 디지털 화소 출력 신호는 이진 4-비트 신호일 수 있으며, 상기 4 비트들은 상기 가장 강한 검출 신호를 가진 (하나의 화소의 16개의 검출 소자들의) 검출 소자의 위치를 인코딩한다.
본 발명은 바람직하게는 상기 신호 변환 회로가 유리하게는 검출기 상에서 구현될 수 있는 CMOS 기술을 사용한다. 각각의 검출 소자를 개별적으로 어드레싱하기 위해, 선택 스위치가 바람직하게는 특히 N-형 MOSFET 트랜지스터에 의해 실현되는 각각의 검출 소자를 위해 제공되며, 여기서 상기 선택 스위치는 상기 연관된 검출 소자에 의해 생성된 상기 출력 신호의 상기 연관된 신호 변환 회로로의 포워딩을 가능하게 하기 위한 선택 스위치 어드레싱 신호의 사용에 의해 스위칭 온 및 스위칭 오프될 수 있다. 상기 검출 동안, 이러한 선택 스위치는 일반적으로 스위칭 오프되지만, 상기 검출 기간의 끝에서, 화소의 모든 검출 소자들을 위한 상기 선택 스위치들은 화소의 모든 검출 소자들의 상기 검출 신호들이, 추가로 처리하고 어떤 검출 소자가 가장 강한 검출 신호를 생성하는지를 발견하며 대응하는 화소 출력 신호를 생성하기 위한 상기 신호 변환 회로에 동시에 제공되도록 스위칭 온된다.
또 다른 실시예에 따르면, 상기 어드레싱 및 판독 수단은 각각의 검출 기간 후 상기 검출 소자를 리셋하기 위한 리셋 신호의 사용에 의해 스위칭 온 및 스위칭 오프될 수 있는 각각의 검출 소자, 특히 N-형 MOSFET 트랜지스터를 위한 리셋 스위치를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 어드레싱 및 판독 수단은 상기 검출 소자의 검출 신호를 검출 전류 신호로 변환하기 위한 각각의 검출 소자를 위한 전압-전류 변환 소자를 포함한다. 상기 전압-전류 변환 소자는 바람직하게는 그 게이트가 연관된 검출 소자의 출력에 결합되는 P-형 MOSFET 트랜지스터에 의해 실현된다. 그러므로, 상기 검출 소자로부터 출력된 상기 검출 신호는 검출 소자가 증가한다면 보다 많은 전류를 출력하는 상기 전압-전류 변환 소자를 제어한다. 이것은 상기 전압-전류 변환을 구현하는 간단하지만 효율적인 방법을 제공한다.
상기 입력된 검출 신호들로부터 상기 화소 출력 신호를 생성하기 위해, 상기 신호 변환 회로가 바람직하게는 승자 독식 회로(winner take all circuit)를 포함한다. 이러한 승자 독식 회로들은 일반적으로 이 기술분야에서, 예를 들면, Moses 등의, 1996년, IEEE 회보. 핵 과학, vol. 43, 1615 페이지 "PIT 검출기들에서 결정 상호작용을 결정하기 위한 "승자 독점제" IC" 또는 Oki, N.의 1998년 8월, 이슈 9-12, Midwest-Symposium on Volume, 1998, 회의록들, 1998, 회로들 및 시스템들, "CMOS 기술을 사용한 승자 독식 회로", 568-570 페이지로부터 알려져 있다. 일반적으로 여기에서 모두가 신호 변환을 위해 적용될 수 있는 이러한 승자 독식 회로의 다양한 실시예들이 존재한다. 이러한 회로는 단일 화소의 모든 결합된 검출 소자들로부터 검출 신호들을 동시에 수신하며 대응하는 중간 출력 라인들의 수, 즉 각각의 검출 소자에 대한 하나의 중간 출력 라인을 가진다. 그러나, 이러한 승자 독식 회로는 연쇄 반응으로 인해, 단지 하나의 단일 중간 출력 라인상에서, 높은 신호 출력, 특히 높은 전류가 가장 강한 검출 신호를 방출하는 검출 신호에 대응하여 획득되는 반면, 다른 중간 출력 라인들 상에서, 낮은 출력 신호, 특히 작은 출력 전류가 검출되도록 적응된다. 이들 중간 출력 라인들은 원하는, 바람직하게는, 디지털, 화소 출력 신호를 얻기 위해, 예를 들면 순차적으로 또는 동시에 판독되는 공통 출력 라인에 결합된다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 승자 독식 회로는 각각의 연결된 검출 소자에 대해,
- 드레인 단자가 상기 검출 소자에 의해 검출된 상기 검출 신호를 나타내는 검출기 전류 신호를 제공받고, 소스 단자가 기준 전위, 특히 접지 전위에 결합되며, 게이트 단자가 미리 결정된 바이어스 전류를 제공받는 제 1 N-형 MOSFET 트랜지스터, 및
- 게이트 단자가 상기 제 1 N-형 MOSFET 트랜지스터의 상기 드레인 단자에 결합되고, 소스 단자가 상기 제 1 N-형 MOSFET 트랜지스터의 게이트 단자에 결합되고 상기 미리 결정된 바이어스 전류를 제공받으며, 드레인 단자가 검출기 소자 출력 신호를 출력하는, 제 2 N-형 MOSFET 트랜지스터를 포함한다.
상기 승자 독식 회로들은 상기 복수의 화소들의 영역 외부에 또는 상기 복수의 화소들의 영역 내부, 특히 상기 연관된 화소들의 영역에 배열될 수 있다. 그러나, 각각의 화소에 대해 두 개의 승자 독식 회로들이 존재하는 것이 또한 가능하며, 여기서 제 1 승자 독식 회로는 상기 복수의 화소들의 영역 외부에 배열되고 제 2 승자 독식 회로는 상기 복수의 화소들(130)의 영역 내부, 특히 상기 연관된 화소들의 영역에 배열된다.
상기 언급된 바와 같이, 상기 디바이스의 일반적인 레이아웃은 상기 여기 조사 소스에 대하여 퍼시픽 바이오사이언시스에 의해 기술된 바와 같을 수 있으며, 상기 기판은 그 위에 배치된 복수의 이산 형광 신호 소스들 및 광학 트레인을 가진다. 그러므로, 바람직한 실시예에 따라, 상기 광학 트레인은 상기 기판상에서 복수의 형광 신호 소스들로부터 형광 신호들을 동시에 수집하기 위한, 상기 기판에서의 제 1 초점면에 초점이 맞춰진 대물 렌즈, 상기 형광 신호들의 스펙트럼 성분들을 공간적으로 분리하기 위한 스펙트럼 분리 수단, 및 상기 형광 신호들의 상기 공간적으로 분리된 스펙트럼 성분들을 수신하고 그것들을 상기 검출기로 집중시키기 위한 초점 렌즈를 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들은 이하에 기술된 실시예(들)를 참조하여 명료해지고 그로부터 분명해질 것이다.
본 발명에 의해, 높은 필드 레이트들이 획득될 수 있으며 많은 수의 화소들이 동시에 판독될 수 있다. 특히, 복수의 이산 형광 신호 소스들이 모니터링될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 형광 검출 디바이스의 개략도를 도시한 도면.
도 2는 시간에 걸친 통상적인 검출 신호들 및 대응하는 스펙트럼들을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 검출기의 일반적인 레이아웃을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 상기 검출기의 대표적인 레이아웃을 보다 상세히 예시한 도면.
도 5a는 본 발명에 따른 검출기의 단일 화소의 회로 소자의 일 실시예를 도시한 도면.
도 5b는 본 발명에 따른 승자 독식 회로의 회로 소자의 일 실시예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 승자 독식 회로를 포함한 단일 화소의 회로 소자의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따라 외부 승자 독식 회로에 결합된 승자 독식 회로를 포함한 단일 화소의 회로 소자의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
DNA 시퀀싱을 위해, 다양한 시스템들 및 방법들이 알려져 있다. 특정한 대표적인 시스템에서, 고체 지지대들에 고정된, 개개의 DNA 중합효소들(polymerase)/템플릿/반응개시 복합체들(primer complexes)이 그것들이 형광으로 라벨링된 뉴클레오티드 유사물들을 포함하는 동안 여기 광으로 조사된다. 이들 개개의 복합체들로부터 발하는 특징적 형광 신호들은 주어진 뉴클레오티드가 상기 복합체에 의해 통합되는지 여부를 나타낸다. 몇몇 방법들에서, 라벨링된 뉴클레오티드들은 실제로 상기 형광 라벨 그룹을 계속해서 베어링하는 동안 포함된다. 그 후 포함되지 않은 라벨링된 뉴클레오티드들은 고정된 복합체로부터 워싱되며 상기 복합체는 조사되고 형광 신호들은 통합된 형광 뉴클레오티드의 존재를 결정하기 위해 모니터링된다. 상기 형광 라벨은 그 후 상기 통합된 뉴클레오티드로부터 제거되며 상기 시스템으로부터 워싱된다. 제 2 뉴클레오티드는 상기 복합체와 접촉하며 그것의 통합 또는 그것의 부족은 동일한 방식으로 모니터링된다. 몇몇 양태들에서, 이들 시스템들은 상기 네 개의 유형들의 뉴클레오티드들의 각각을 갖는 상기 복합체를 얻는 순환 프로세스를 요구하는, 각각의 단계에서 단일 유형의 뉴클레오티드를 이용한다.
또 다른 시스템에서, 중합효소/템플릿/반응개시 복합체는 단일 복합체만을 포함하는 영역으로 조사를 국소화하는 한정된 조사 볼륨 내에서 제공된다. 라벨링된 뉴클레오티드들은 상기 복합체에 의해 통합되고, 그것들은 통합되지 않은 뉴클레오티드들의 평균 확산 시간보다 긴 기간들 동안 상기 조사 볼륨 내에서 유지되며, 그에 따라 상기 통합과 연관된 특징적 광 신호를 제공한다. 또한, 뉴클레오시드 폴리인산염의 베타, 감마, 또는 보다 말단의 인산염 그룹상에 상기 형광 라벨을 베어링하는 뉴클레오티드들을 이용함으로써, 상기 라벨 그룹은 통합 동안 자동으로 클리빙(cleave)된다. 그 결과는 특징적 통합 형광 신호에 후속하여, 상기 라벨 그룹이 랜덤하게 확산하는 뉴클레오티드들에 더 가깝게 동작하도록 릴리즈된다는 것이다. 추가적인 결과로서, 하나는 그것들이 발생할 때 실시간으로 뉴클레오티드 통합들을 모니터링할 수 있다. 스펙트럼으로 구별가능한 형광 라벨 또는 염색체를 갖고 각각의 유형의 뉴클레오티드(예로서, A, G, C, 및 T)를 라벨링하고, 상기 상이한 형광 신호들의 반응을 모니터링함으로써, 하나는 통합 이벤트를 식별할 수 있을 뿐만 아니라, 통합된 상기 유형의 뉴클레오티드를 또한 식별할 수 있다.
본 발명이 적용될 수 있는, 대표적인 형광 검출 디바이스가 도 1에 개략적으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 상기 디바이스(100)는 하나 이상의 여기 조사 소스들, 즉 레이저(106)를 포함한다. 레이저(106)로부터의 상기 여기 광은 상기 광학 트레인(108)에 의해, 반응 영역, 예로서 기판(102) 상의 반응 영역 또는 웰(104)로 향해진다. 광학 트레인들은 도시된 바와 같이, 원하는 애플리케이션에 의존하여 변할 수 있지만, 레이저(106)로부터의 상기 여기 빔은 다이크로익 미러(dichroic mirror)(110)로 향해지고 그에 의해 반사되며, 기판(102)의 상기 반응 영역/웰(104)로 상기 여기 빔을 집중시키는 대물 렌즈(112)로 전달된다. 상기 여기 빔에 응답하여 상기 반응 영역들로부터 방출된 형광 신호들은 그 후 대물 렌즈(112)에 의해 수집되며, 상기 여기 빔에 대한 그것들의 시프트된 파장 덕분에, 다이크로익 미러(110)를 통해 전송된다. 상기 형광 신호는 그 후 초점 렌즈(116)에 의해, 그것 상에 상기 입사 신호를 기입하는 검출기(118)로 집중된다.
도시된 바와 같이, 상기 형광 신호는 또한 상이한 반응들 또는 동일한 반응에서의 상이한 이벤트들로부터 발하는 스펙트럼이 상이한 신호 성분들을 분리하기 위해 스펙트럼 분리될 수 있다. 도시된 바와 같이, 스펙트럼 분리는 스펙트럼이 상이한 신호들 또는 신호 성분들이 상기 검출기(118)의 상이한 영역들로 향하도록 웨지 프리즘(wedge prism)(114)과 같이, 분산 광학 소자를 통해 상기 형광 신호를 전달함으로써 달성된다.
상기 검출기(118)에 의해 수신된 신호들은 그 후 컴퓨터(120)와 같은 프로세서에 의해 기록되고 처리되며, 편리한 사용자 친숙한 포맷, 예로서 디스플레이(122) 또는 프린터(124)로부터의 프린트아웃(126)으로 디스플레이된다.
DNA 시퀀싱을 위한 형광 기반 검출에 대해서뿐만 아니라 일반적으로 이러한 디바이스의 상기 레이아웃, 구현, 및 기능에 대한 보다 많은 세부사항들이 WO 2008/1407588 A1, WO 2009/089056 A1 및 참조가 여기에서 이루어지고 상세들이 여기에서 참조로서 포함되는 퍼시픽 바이오사이언시스의 상기 인용된 기술 배경 설명에서 발견될 수 있다.
시간에 걸친 통상적인 검출 신호들 및 상이한 시간들에서 하나의 관찰 볼륨으로부터 수집된 그것들의 스펙트럼들이 도 2에 도시된다. 각각의 시간에 기록된 4개의 시간 신호들은 상기 관찰 볼륨으로부터 수집된 상기 분산된 광의 다중-성분 분석의 상이한 스펙트럼 채널로부터 취해진다. 상기 스펙트럼 플롯들에서, 실선 커브들은 교정 프로세스에서 상기 4개의 형광 물질들의 각각으로부터 수집된 기준 스펙트럼들을 나타낸다. 각각의 플롯에서, 에러 바들을 가진 상기 신호 곡선(S1 내지 S4로 표시된)은 상대적인 스펙트럼 위치의 함수로서 버스트의 지속 기간에 걸쳐 통합된 광자속(photon flux)을 나타낸다. 상기 도시된 형광 버스트들은 20 및 35 사이의 통합된 버스트 SNR 비들을 나타낸다. 그러므로, 이들 기준 스펙트럼들과 상기 측정된 신호의 스펙트럼을 비교함으로써, 상기 뉴클레오티드가 라벨링되고 상기 형광 신호를 야기하는 상기 형광 물질이 쉽게 발견될 수 있다.
특히 상기 검출기(118)로서 도 1에 도시된 상기 시스템에서, 본 발명에 따라 사용된 상기 검출기의 일반적인 레이아웃이 도 3에 도시된다. 상기 검출기(118)는 예를 들면, 반도체 메모리 디바이스, 예로서, DRAM 메모리 디바이스의 메모리 소자들로부터 알려진 바와 같이, 로우들 및 컬럼들을 따라 배열된 복수의 화소들(130)의 어레이(128)를 포함한다. 어드레싱, 스위칭, 및 리셋 목적들을 위해, 즉 개별적인 화소들 및/또는 상기 화소들의 개별적인 검출 소자들을 개별적으로 어드레싱, 리셋, 및/또는 스위칭하기 위해, 적절한 어드레싱 및 판독 수단이 또한 일반적으로 반도체 메모리 기술로부터 알려진 바와 같이 제공된다. 특히, 도 3에 도시된 실시예에서, 상기 어드레싱 및 판독 수단은 로우 드라이버 유닛(132) 및 컬럼 드라이버 유닛(134)을 포함한다. 상기 로우 드라이버 유닛(132)은 특히 로우 선택의 함수를 이행하며, 즉 특정 로우 내의 상기 화소들 및/또는 검출 소자들을 리셋할 뿐만 아니라 상기 어레이(128) 내의 특정 로우의 상기 화소들 및/또는 검출 소자들을 개별적으로 어드레싱한다. 상기 컬럼 드라이버 유닛(134)은 특히 컬럼 내의 화소들의 개별적인 검출 소자들로부터 상기 검출 신호들을 개별적으로 판독하기 위해 및 화소의 검출 소자들의 검출 신호들을 상기 단일 화소 출력 신호로 변환하기 위해 작용한다. 필요하다면, 이러한 화소 출력 신호는 그 후 추가로 처리될 수 있거나 또는 직접 출력될 수 있다.
특히 상기 컬럼 드라이버 유닛(134)의 일 실시예의 보다 많은 세부사항들이 도 4에 도시된다. 대표적인 실시예로서, 화소(130)는 16개의 검출 소자들을 포함하여 16개의 검출 신호들이 상기 검출 소자들로부터 출력되도록 가정될 것이다. 이들 검출 신호들은 이하에 예시될 바와 같이 결국 몇몇 전처리 후에, 16개의 라인 컬럼 버스(136)(상기 특정 화소가 상기 연결된 로우 버스(138)를 통해 적절한 어드레싱 신호에 의해 어드레싱된다면)를 통해 상기 컬럼 드라이버 유닛(134)으로 출력된다. 상기 컬럼 드라이버 유닛(134)은 각각의 컬럼에 대해(또는 보다 개선된 실시예에서, 각각의 화소에 대해), 현재 판독되는(상기 로우 버스(138)를 통해 제어된 바와 같이) 화소(130)의 검출 소자들 모두로부터 상기 검출 신호들을 수신하고 상기 화소 출력 신호를 생성하기 위한 신호 변환 회로(140)를 포함한다.
상기 신호 변환 회로(140)는 이러한 대표적인 실시예에서, 승자 독식 회로(142), 디지털 변환 회로(144) 및 레지스터(146)를 포함한다. 상기 승자 독식 회로(142)는 (이 예에서 16개의) 검출 신호들을 수신하며 대응하는 수의 중간 출력 신호들을 출력한다. 상기 연쇄 반응으로 인해, 이하에 상세히 추가로 설명되는 바와 같이, 상기 중간 출력 신호들 중 단지 하나가 높은 출력 진폭을 갖는 신호인 반면, 다른 중간 출력 신호들은 낮은 출력 진폭을 가진다. 이들 중간 출력 신호들은 상기 중간 출력 신호들을 디지털 신호로 변환하는 상기 디지털 변환 회로(144)로 제공된다. 예를 들면, 16개의 출력 신호들의 경우에, 상기 정보가 상기 16개의 중간 출력 신호들 중 어떤 것이 높은 진폭을 갖는지 인코딩되고 또한 그에 따라 상기 화소(130)의 상기 16개의 검출 소자들 중 어떤 것이 가장 강한 검출 신호를 출력하는지를 나타내는 이진 4-비트 디지털 화소 출력 신호가 생성된다. 상기 화소 출력 신호는 그 후 그것이 상기 데이터 출력 버스(148) 상에서 출력될 수 있을 때까지 저장을 위해 레지스터(146)에 포워딩된다.
상기 컬럼 드라이버 유닛(134) 내에서, 디지털 데이터를 유지하는 N개의 레지스터들(146)(N개의 컬럼들의 경우에)이 존재할 것이다. 그러나, 일반적으로, 한 번에 단지 하나의 레지스터(146)가 판독될 수 있다. 그러므로, 바람직한 실시예에서, 어떤 레지스터(146)가 판독될지를 선택하는 부가적인 시프트 레지스터(150)가 제공된다. 이것은 그것이 클록 사이클마다 한 곳으로 상기 선택 포인트를 시프트하기 때문에 시프트 레지스터라 불리운다.
도 5a는 본 발명에 따른 검출기(118)에서 단일 화소(130)의 주요 회로의 대표적인 실시예를 도시한다. 본보기로, 3개의 검출 소자들(D1, D2, Dn)이 상기 설명된 바와 같이 단일 형광 신호 소스로부터 발하는 스펙트럼이 상이한 신호들 또는 신호 성분들을 수신하기 위해 바람직하게는 로우를 따라 배열된 이들 검출 소자들의 n(예로서, 16)의 총수를 가진 상기 화소(130)를 도시한다. 상기 검출 소자들(D1, D2, Dn)은 광 검출기들일 수 있다.
추가 설명을 위해 상기 광검출기(D1)에 집중하면, 상기 광 검출기(D1)는 필드 기간에 걸쳐 그것의 자기 커패시턴스를 방출한다. 상기 N-형 MOSFET 트랜지스터(T1)는 바람직하게는 상기 로우 드라이버 유닛(132)에 연결되는 리셋 라인(152)을 통해 리셋 신호(RS)를 경유하여 필드 기간마다 펄싱된 리셋 스위치이다(도 3 참조). 따라서, 상기 리셋 스위치(T1)는 상기 포토다이오드(D1)의 커패시턴스를 재충전하기 위해 필드 기간마다 펄싱된다.
상기 포토다이오드(T1)의 캐소드에서의 전압(V1)은 전압-전류 변환기로서 동작하는 P-형 MOSFET 트랜지스터(T2)의 게이트에 연결된다. 상기 광검출기(D1)가 많은 광자들을 수신한다면, 보다 많은 방출이 존재할 것이며, 그러므로 트랜지스터(T2)의 게이트-소스 전압은 더 커질 것이다. 그러므로, 그것이 그것의 포화 부분에서 바이어싱될 때 보다 많은 전류를 출력할 것이다.
트랜지스터(T2)의 출력 전류(I1)가 선택 스위치로서 동작하는 상기 N-형 MOSFET 트랜지스터(T3)에 의해 상기 승자 독식 회로(142)에 공급된다. 상기 선택 스위치(T3)는 선택 라인(154)을 통해 선택 신호(SS)를 경유하여 펄싱 온되며, 즉 상기 선택 스위치(T3)는 상기 화소들의 로우를 위한 그리고 상기 로우의 상기 화소들 내의 모든 검출 소자들을 위한 필드 기간의 끝에서 펄싱 온된다. 따라서, 상기 광 검출기들(D1 내지 Dn)에 의해 생성된 상기 검출 신호들(즉, 상기 전압들(V1 내지 Vn)로부터 도출된 상기 전류들(I1 내지 In)은 컬럼 버스(136)를 통해 동시에 승자 독식 회로(142)에 제공된다. 상기 컬럼 버스(136)의 상기 버스 라인들은 버스 라인 어드레스 버스(139)를 통해 제어되는 별개의 버스 라인 스위치들(137)에 의해 별개로 스위칭 온 및 오프될 수 있다.
상기 리셋 라인(152) 및 상기 선택 라인(154)은 도 4에 도시된 상기 로우 어드레스 버스(138)에 대응한다는 것이 주의되어야 한다.
도 5b에서, 화소들의 이러한 컬럼을 위한 승자 독식 회로(142)의 회로 소자의 일 실시예가 도시되며, 상기 전류들(I1 내지 In)은 상기 컬럼 버스(136)를 통해 제공된다. 상기 승자 독식 회로(142)는 이러한 대표적인 실시예에서, n 쌍들의 N-형 MOSFET 트랜지스터들(T4, T5)을 포함한다. 또한, 모든 n 쌍들의 트랜지스터들(T4, T5)의 상기 트랜지스터들(T4)을 통해 바이어스 전류(IB)를 생성하고 드로잉하기 위한 바이어스 전류 소스(156)가 제공된다. 이러한 바이어스 전류(IB)는 또한 차례로 고정된 값으로 그것을 통과할 수 있는 전류를 설정하는 상기 트랜지스터(T5)를 위한 게이트 전압을 설정한다.
가장 높은 입력 전류를 가진, 즉 가장 높은 전류(I1 내지 In)(즉, 가장 높은 휘도)가 제공되는 상기 승자 독식 회로(142)의 상기 쌍의 트랜지스터들(n개의 쌍들의 트랜지스터들 가운데)은 그 후 드레인이 상기 연관된 포토다이오드(D1)로부터 상기 전류(I1)를 제공받는 상기 트랜지스터(T5) 상에서 가장 높은 드레인 전압을 생성한다. 상기 트랜지스터(T5)의 드레인은 또한 상기 트랜지스터(T4)의 게이트에 연결된다. 상기 가장 높은 입력 전류에 의해 야기된 보다 높은 드레인 전압을 따르는, 상기 트랜지스터(T4) 상에서의 보다 높은 게이트 전압은 그 후 보다 많은 전류가 상기 트랜지스터(T4)에서 흐르게 한다. 그러나, 상기 트랜지스터(T4)를 통한 전류가 상기 바이어스 전류(IB)에 의해 고정된 바와 같이, 이러한 추가 전류가 다른 쌍들의 트랜지스터들(T4, T5)의 다른 트랜지스터들(T4)을 희생하여 획득된다. 그러므로, 상기 다른 쌍들의 상기 트랜지스터(T4)의 게이트 전압이 떨어지며, 연쇄 반응이 유발되고, 그에 의해 상기 바이어스 전류(IB)의 모두가 상기 트랜지스터들(T4) 중 단지 하나, 즉 그것의 대응 트랜지스터(T5)를 통과하는 가장 큰 전류를 가진 하나의 트랜지스터(T4)를 통과해야 한다. 그러므로, 이러한 쌍은 그것의 중간 출력 라인(160-1)에서 높은 중간 출력 신호(I1out)(또한 검출기 소자 출력 신호로서 불리우는)를 전달하는 "승자"인 반면, 다른 중간 출력 신호들(160-n)상의 다른 중간 출력 신호들(Inout)은 낮은 진폭을 가진다.
상기 중간 출력 신호들(I1out 내지 Inout)은 저항기(R)에 의해 전압으로 변환되며, 상기 출력들은 인버터(K)에 의해 디지털로 정의된다. 결과적인 신호가 그 후 병렬로 n개의 라인들을 가질 수 있거나 또는 다중화된 버스일 수 있는 화소 출력 버스(162)를 통해, 상기 비트 (디지털) 변환 유닛(144)으로 출력된다. 그 안에, 상기 출력 신호들은 상기 설명된 바와 같이, 디지털 화소 출력 신호로 변환된다.
도 6은 상기 승자 독식 회로가 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서와 같이, 상기 컬럼 드라이버 유닛(134)의 일부라기보다는 상기 화소 자체의 일부인 것에 따라, 화소(130)의 회로 소자의 또 다른 실시예를 도시한다. 상기 승자 독식 회로 및 상기 화소의 회로 소자의 일반적인 레이아웃은 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서와 동일하다. 상기 승리 전류는 하이(high) 또는 로우(low)인 전압을 생성하는 저항기(R)에 다시 공급된다. 상기 저항기(R)에 이어 잘 정의된 하이 또는 로우를 제공하는 인버터(K)가 뒤따른다. 이러한 신호는 상기 컬럼 버스(136) 상에서 상기 컬럼을 구동한다.
그러므로, 이 실시예에 따르면, 상기 컬럼 드라이버 유닛(134) 내에는 승자 독식 회로가 존재하지 않는다. 상기 데이터는 비트 변환 유닛(144)에 바로 공급된다. 이것은 빠른 화소 판독을 제공해야 하지만, 상기 화소는 도 4 및 도 5에 도시된 상기 실시예에 비교하여 보다 복잡해진다.
도 7은 상기 화소(130) 둘 모두 및 상기 컬럼 드라이버 회로(134) 둘 모두가 승자 독식 회로를 갖는, 즉 도 4와 도 5 및 도 6에 도시된 실시예들의 혼합(hybrid)인 것에 따르는 또 다른 실시예를 도시한다. 그러나, 상기 컬럼 드라이버 유닛(134)에서의 상기 승자 독식 회로(142')는 이제 N-형 MOSFET 트랜지스터들(T4, T5)을 가진 화소-내 n-형 승자 독식 회로와 매칭하도록 P-형 MOSFET 트랜지스터들(T4', T5')을 가진 P-형이다. 따라서 이 실시예는 간단한 화소 회로 소자를 초래하는 한 종류의 트레이드 오프이지만, 고속 판독을 또한 제공한다. 상기 승자 독식 회로(142')의 출력들은 비트 변환 유닛(144)으로 간다.
상기 컬럼이 큰 커패시턴스를 가질 것이므로, 작은 전류 차이들은 상기 컬럼 드라이버 유닛(134)에서의 상기 승자 독식 회로(142')로 즉시 이송되지 않는다. 그러므로, 도 5a 및 도 5b에 도시된 실시예는 이상적인 것보다 덜 빠를 수 있다. 도 6에 도시된 실시예에서 제공된 바와 같이 화소-내 승자 독식 회로는 상기 컬럼을 가로질러 상기 컬럼 드라이버 유닛(134)에서의 상기 승자 독식 회로(142')로 이송될 때 초기에 작은 전류 차이일 것인 상기 화소에서의 큰 전류 차이를 빠르게 생성한다. 그러나, 이러한 승자 독식 회로(142')는 도 5a 및 도 5b에 도시된 상기 회로보다 더 빠르게 결정을 하기 위해 이러한 작은 차이를 빠르게 증폭시킨다.
본 발명에 의해, 높은 필드 레이트들이 획득될 수 있으며 많은 수의 화소들이 동시에 판독될 수 있다. 특히, 복수의 이산 형광 신호 소스들이 모니터링될 수 있다. 따라서 본 발명은 DNA 시퀀싱 시스템들에서 적용될 때, 동작 속도에 대하여 빠르게 그들의 동작 한계들로 가게 되는 상기 CCD 기술에 기초하는 전류 검출기들의 한계들을 극복한다. 본 발명은 매우 빠른 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위해 이러한 DNA 시퀀싱 시스템들에서 적용될 수 있다. 예를 들면, 단일로 꼬인 DNA의 하나의 분자는 잠재적으로 초당 10 내지 100의 레이트로 그들의 중합효소에 의해 통합된 염기들을 가질 수 있다. 제때 랜덤하게 발생하는 이들 이벤트들은 예로서 1 kHZ의 충분히 높은 판독 레이트를 갖는 본 발명에 따르는 검출기에 의해 캡처될 수 있다. 각각의 시퀀싱 사이트는 처리되는 하나의 DNA의 분자를 가질 것이며, 상기 현재 사용된 3000개의 사이트들의 수는 증가될 수 있다. 상기 제안된 화소-내 데이터 압축 및 아날로그-디지털 변환은 상기 검출기로 하여금 그것이 화소들의 수에 있어서 크고(즉, 많은 시퀀싱 사이트들을 이미징할 수 있다) 큰 어레이상의 화소로부터의 디지털 값들의 판독이 아날로그 데이터보다 훨씬 더 빠르게 수행될 수 있는 바와 같이 매우 빠르도록 구성될 수 있게 한다.
본 발명의 콘텍스트에서의 시퀀싱 및 그것의 실시예들은 DNA에 제한되지 않으며 또한 최종 목적이 핵산의 염기 쌍들, 예를 들면 RNA, PNA, LNA를 검출하는 것인 시퀀싱에 관한 것이다.
본 발명은 도면들 및 이전 설명에서 상세히 도시되고 기술되었지만, 이러한 도시 및 설명은 예시적이거나 대표적이며 비제한적인 것으로 고려되며; 본 발명은 상기 개시된 실시예들에 제한되지 않는다. 상기 개시된 실시예들에 대한 다른 변형들이 상기 도면들, 상기 개시, 및 첨부된 청구항들의 연구로부터 청구된 발명을 실행할 때 이 기술분야의 숙련자들에 의해 이해되고 실시될 수 있다.
청구항들에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며 부정관사("a", "an")는 복수를 배제하지 않는다. 단일 요소 또는 다른 유닛은 청구항들에서 열거된 여러 아이템들의 기능들을 수행할 수 있다. 특정 측정들이 서로 상이한 종속 청구항들에서 열거된다는 단순한 사실은 측정된 이것들의 조합이 유리하게 하기 위해 사용될 수 없음을 나타내지 않는다.
청구항들에서 임의의 참조 부호들은 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다.
100 : 디바이스 102 : 기판
104 : 웰 106 : 레이저
108 : 광학 트레인 110 : 다이크로익 미러
112 : 대물 렌즈 114 : 웨지 프리즘
116 : 초점 렌즈 118 : 검출기
120 : 컴퓨터 122 : 디스플레이
124 : 프린터 126 : 프린트아웃
128 : 어레이 130 : 복수의 화소들
132 : 로우 드라이버 유닛 134 : 컬럼 드라이버 유닛
136 : 컬럼 버스 137 : 버스 라인 스위치들
138 : 로우 버스 139 : 버스 라인 어드레스 버스
140 : 신호 변환 회로 142 : 승자 독식 회로
144 : 디지털 변환 회로 146 : 레지스터
148 : 데이터 출력 버스 150 : 시프터 레지스터
152 : 리셋 라인 154 : 선택 라인
156 : 바이어스 전류 소스 162 : 화소 출력 버스

Claims (15)

  1. 복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한, 특히 형광으로 라벨링된 뉴클레오티드들의 사용에 의한 DNA 시퀀싱을 위한, 디바이스에 있어서.
    - 복수의 이산 형광 신호 소스들(104)을 배치한 기판(102);
    - 여기 조사 소스(106);
    - 상기 복수의 형광 신호 소스들로부터 형광 신호들을 검출하기 위한 검출기(118); 및
    - 상기 여기 조사 소스로부터의 여기 조사를 상기 기판상에서의 상기 복수의 이산 형광 신호 소스들로 동시에 향하게 하고, 상기 복수의 형광 신호 소스들로부터의 형광 신호들을 상기 검출기로 향하도록 위치된 광학 트레인(110, 112, 114, 116)을 포함하며,
    상기 검출기(118)는,
    - 상기 복수의 형광 신호 소스들로부터 상기 형광 신호들을 개별적으로 검출하기 위한 복수의 화소들(130)로서, 각각의 화소(130)는 수신된 형광 신호를 검출하고 검출 신호들을 생성하기 위한 미리 정해진 수의 적어도 두 개의 검출 소자들(D1, Dn)을 포함하는, 상기 복수의 화소들(130), 및
    - 상기 적어도 두 개의 검출 소자들로부터 상기 검출 신호들을 수신하고 상기 적어도 두 개의 검출 소자들 중 어떤 것이 가장 강한 검출 신호를 생성했는지를 나타내는 화소 출력 신호를 생성하기 위한 신호 변환 회로(140)를 포함하는, 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 화소(130)는 적어도 4개의, 특히 8개 및 16개 사이의, 검출 소자들(D1, Dn)을 포함하는, 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 변환 회로(140)는 디지털 화소 출력 신호를 생성하기 위해 적응되는, 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 화소들(130)은 컬럼들 및 로우들을 따라 어레이로서 배열되며, 상기 검출기는 상기 화소들로부터 상기 화소 출력 신호들을 개별적으로 어드레싱하고 판독하기 위한 어드레싱 및 판독 수단(132, 134)을 더 포함하는, 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 어드레싱 및 판독 수단은 각각의 검출 소자를 위한 선택 스위치(T3), 특히 N-형 MOSFET 트랜지스터를 포함하며, 이것은 상기 연관된 검출 소자(D1)에 의해 생성된 상기 출력 신호의 상기 연관된 신호 변환 회로(140)로의 포워딩을 가능하게 하기 위한 선택 스위치 어드레싱 신호(SS)의 사용에 의해 스위칭 온 및 오프될 수 있는, 디바이스.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 어드레싱 및 판독 수단은 각각의 검출 소자를 위한 리셋 스위치(T1), 특히 N-형 MOSFET 트랜지스터를 포함하며, 이것은 각각의 검출 기간 후 상기 검출 소자(D1)를 리셋하기 위한 리셋 신호(RS)의 사용에 의해 스위칭 온 및 오프될 수 있는, 디바이스.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 어드레싱 및 판독 수단은 상기 검출 소자의 상기 검출 신호(V1)를 검출기 전류 신호(I1)로 변환하기 위한 각각의 검출 소자를 위한 전압-전류 변환 소자(T2)를 포함하는, 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전압-전류 변환 소자(T2)는 그것의 게이트가 상기 연관된 검출 소자(D1)의 출력에 결합되는 P-형 MOSFET 트랜지스터를 포함하는, 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 변환 회로(140)는 승자 독식 회로(winner take all circuit)(142)를 포함하는, 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 승자 독식 회로(142)는 각각의 연결된 검출 소자를 위해,
    - 드레인 단자가 상기 검출 소자(D1)에 의해 검출된 상기 검출 신호를 나타내는 검출기 전류 신호(I1)를 제공받고, 소스 단자가 기준 전위, 특히 접지 전위에 결합되며, 게이트 단자가 미리 정해진 바이어스 전류(IB)를 제공받는, 제 1 N-형 MOSFET 트랜지스터(T4), 및
    - 게이트 단자가 상기 제 1 N-형 MOSFET 트랜지스터(T4)의 상기 드레인 단자에 결합되고, 소스 단자가 상기 제 1 N-형 MOSFET 트랜지스터(T4)의 상기 게이트 단자에 결합되고 상기 미리 정해진 바이어스 전류(IB)를 제공받으며, 드레인 단자가 검출기 소자 출력 신호(I1out)를 출력하는, 제 2 N-형 MOSFET 트랜지스터(T5)를 포함하는, 디바이스.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 승자 독식 회로들(142)은 상기 복수의 화소들(130)의 영역 외부에 배열되는, 디바이스.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 승자 독식 회로들은 상기 복수의 화소들(130)의 영역 내부에, 특히 상기 연관된 화소들(128)의 영역에 배열되는, 디바이스.
  13. 제 9 항에 있어서,
    각각의 화소에 대해, 두 개의 승자 독식 회로들이 연관되며, 제 1 승자 독식 회로는 상기 복수의 화소들(130)의 영역 외부에 배열되고 제 2 승자 독식 회로는 상기 복수의 화소들(130) 내부, 특히 상기 연관된 화소들(128)의 영역에 배열되는, 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 트레인은 상기 기판(102) 상에서 상기 복수의 형광 신호 소스들(104)로부터 형광 신호들을 동시에 수집하기 위해, 상기 기판(102)에서의 제 1 초점면에 초점이 맞춰진 대물 렌즈(112), 상기 형광 신호들의 스펙트럼 성분들을 공간적으로 분리하기 위한 스펙트럼 분리 수단(114), 및 상기 형광 신호들의 공간적으로 분리된 스펙트럼 성분들을 수신하고 그것들을 상기 검출기(118)로 집중시키기 위한 초점 렌즈(116)를 포함하는, 디바이스.
  15. 복수의 이산 형광 신호들을 모니터링하기 위한, 특히 형광으로 라벨링된 뉴클레오티드들의 사용에 의한 DNA 시퀀싱을 위한 디바이스에서의 사용을 위한 복수의 형광 신호 소스들(104)로부터 형광 신호들을 검출하기 위한 검출기(118)로서, 상기 디바이스는 복수의 이산 형광 신호 소스들(104)을 배치하는 기판(102); 여기 조사 소스(106); 및 상기 여기 조사 소스(106)로부터의 여기 조사를 상기 기판(102) 상에서의 상기 복수의 이산 형광 신호 소스들로 동시에 향하게 하고 상기 복수의 형광 신호 소스들(104)로부터의 형광 신호들을 상기 검출기(118)로 향하도록 위치된 광학 트레인(110, 112, 114, 116)을 포함하는, 상기 검출기(118)에 있어서,
    - 상기 복수의 형광 신호 소스들로부터 상기 형광 신호들을 개별적으로 검출하기 위한 복수의 화소들(130)로서, 각각의 화소(130)는 수신된 형광 신호를 검출하고 검출 신호들을 생성하기 위한 미리 정해진 수의 적어도 두 개의 검출 소자들(D1, Dn)을 포함하는, 상기 복수의 화소들(130), 및
    - 상기 적어도 두 개의 검출 소자들(D1, Dn)로부터 상기 검출 신호들을 수신하고 상기 적어도 두 개의 검출 소자들 중 어떤 것이 가장 강한 검출 신호를 생성했는지를 나타내는 화소 출력 신호를 생성하기 위한 신호 변환 회로(140)를 포함하는, 검출기.
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