KR20200106925A - 서브-미크론-스케일 반응 챔버들의 전기동역학적 로딩을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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궈쥔 천
제레미 래키
알렉산더 고레이노브
제라드 슈미드
알리 카비리
토드 레아릭
조나단 씨. 슐츠
파시드 가세미
키쓰 지. 피프
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Abstract

서브-미크론-스케일 반응 챔버들 내로의 관심 샘플들의 전기동역학적 로딩을 위한 장치 및 기법들이 설명된다. 실시예들은 샘플들을 병행하여 분석하기 위한 통합 디바이스 및 관련 장치를 포함한다. 통합 디바이스는 통합 디바이스의 표면을 통해 형성된 그리고 핵산 분자와 같은, 관심 샘플을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 반응 챔버를 포함할 수 있다. 통합 디바이스는 반응 챔버 내로 샘플을 로딩하는 것을 돕는 하나 이상의 전기장을 생성하는, 반응 챔버에 인접하여 패터닝된 전극들을 추가로 포함할 수 있다. 장치는 통합 디바이스의 표면과의 유체 밀봉을 갖는 그리고 샘플들을 함유하는 현탁액을 보유하도록 구성된 샘플 저장소를 추가로 포함할 수 있다.

Description

서브-미크론-스케일 반응 챔버들의 전기동역학적 로딩을 위한 시스템 및 방법
관련 출원 데이터
본 출원은 2018년 1월 8일자로 출원된, 발명의 명칭이 "System and Methods for Electrokinetic Sample Loading"인 미국 가출원 번호 제62/614,912호에 대한 우선권을 주장하고, 이 가출원은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 출원은 수만 개의 반응 챔버들 또는 더 많은 것에 동시에 짧은 광 펄스들을 제공하고 샘플 분석들을 위해 반응 챔버들로부터 형광 신호들을 수신하는 것에 의해 샘플들의 대량 병렬 분석들을 수행할 수 있는 통합 디바이스들 및 관련 기기들과 관련된다. 기기들은 현장 유전자 서열 분석(point-of-care genetic sequencing) 및 맞춤 의료(personalized medicine)에 유용할 수 있다.
생물학적 또는 화학적 샘플들의 대량 병렬 분석들을 할 수 있는 기기들은 그것들의 큰 크기, 휴대성의 부족, 기기를 조작하는 숙련된 기술자의 요건, 전력 요구, 제어된 운영 환경에 대한 요구, 및 비용을 포함할 수 있는 여러 인자들 때문에 전형적으로 실험실 설정들로 제한된다. 샘플(예를 들어, DNA)이 그러한 장비를 사용하여 분석되어야 할 때, 흔한 패러다임은 현장(point of care)에서 또는 필드에서 시편을 추출하고, 시편을 실험실에게 보내고, 분석의 결과들을 기다리는 것이다. 결과들에 대한 대기 시간은 수 시간에서 수일까지 다양할 수 있다.
본 출원의 다양한 양태들 및 실시예들이 이하의 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니라는 점을 이해해야 한다. 다수의 도면에 출현하는 항목들은 그것들이 출현하는 모든 도면들에서 동일한 참조 번호에 의해 지시된다.
도 1a는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 2a는 일부 실시예들에 따른, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극 구성을 갖는 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 2b는 일부 실시예들에 따른, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극 구성을 갖는 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 2c는 일부 실시예들에 따른, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극 구성을 갖는 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 2d는 일부 실시예들에 따른, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극 구성을 갖는 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 2e는 일부 실시예들에 따른, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극 구성을 갖는 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 2f는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스의 일부로서 형성된 전극들과의 접촉들을 갖는 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극 구성을 갖는 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 2g는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스의 일부로서 형성된 전극들과의 접촉들을 갖는 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극 구성을 갖는 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 2h는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스의 일부로서 형성된 전극들과의 접촉들을 갖는 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극 구성을 갖는 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 2i는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스의 일부로서 형성된 전극들에 대한 비아들을 갖는 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극 구성을 갖는 통합 디바이스의 단면도의 개략도이다.
도 3aa는 일부 실시예들에 따른, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극들에 인가되는 전압 신호의 개략도이다.
도 3ab는 일부 실시예들에 따른, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극들에 제공되는 전류 파형의 개략도이다.
도 3b는 일부 실시예들에 따른, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극들에 인가되는 전압 신호의 개략도이다.
도 4aa, 도 4ab, 도 4ac, 및 도 4ad는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)과의 접촉들을 형성하는 방법과 연관된 구조물들을 도시한다.
도 4ba, 도 4bb, 및 도 4bc는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)과의 접촉을 형성하는 방법과 연관된 구조물들을 도시한다.
도 4c는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)에 대한 비아들을 형성하는 방법과 연관된 단계들을 도시한다.
도 4da, 도 4db, 및 도 4dc는 일부 실시예들에 따른, 천공된 유전체 층을 형성하는 방법과 연관된 구조물들을 도시한다.
도 5aa는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스 및 기기의 블록도이다.
도 5ab는 일부 실시예들에 따른, 통합 디바이스를 포함하는 장치의 개략도이다.
도 5b는 일부 실시예들에 따른, 반응 챔버, 광 도파관 및 시간-비닝 광검출기를 갖는 픽셀의 개략도이다.
도 5c는 일부 실시예들에 따른, 반응 챔버 내에서 발생할 수 있는 예시적인 생물학적 반응의 개략도이다.
도 5d는 상이한 감쇠 특성들을 갖는 2개의 상이한 형광단들에 대한 방출 확률 곡선들의 플롯이다.
도 5e는 일부 실시예들에 따른, 형광 방출의 시간-비닝 검출의 플롯이다.
도 5fa는 일부 실시예들에 따른, 예시적인 시간-비닝 광검출기이다.
도 5fb는 일부 실시예들에 따른, 예시적인 시간-비닝 광검출기이다.
도 5ga는 일부 실시예들에 따른, 반응 챔버로부터의 형광 방출의 펄스 여기 및 시간-비닝된 검출을 예시하는 개략도이다.
도 5gb는 일부 실시예들에 따른, 샘플의 반복된 펄스 여기 후의 다양한 시간 빈들에서의 축적된 형광 광자 카운트들의 히스토그램이다.
도 5ha, 도 5hb, 도 5hc, 및 도 5hd는 일부 실시예들에 따른, 4개의 뉴클레오티드(T, A, C, G) 또는 뉴클레오티드 유사체에 대응할 수 있는 상이한 히스토그램들이다.
I. 서론
본 출원의 양태들은 단일 분자들의 식별 및 핵산 서열 분석을 포함하여, 샘플들을 병행하여 분석할 수 있는 통합 디바이스들, 기기들 및 관련 시스템들과 관련된다. 그러한 시스템들은 콤팩트하고, 휴대하기 쉽고, 조작하기 쉬워, 의사 또는 다른 제공자가 시스템을 용이하게 사용하고 시스템을 케어가 필요할 수 있는 원하는 위치로 운반하는 것을 허용할 수 있다. 샘플의 분석은 샘플을 검출하고/하거나 샘플의 단일 분자들을 식별(예를 들어, 핵산 서열 분석의 일부로서 개별 뉴클레오티드 식별)하기 위해 사용될 수 있는, 하나 이상의 형광 마커를 갖는 샘플 또는 연관된 성분들(예를 들어, 반응 성분들)을 표지하는 것을 포함할 수 있다. 형광 마커를 여기 광(예를 들어, 형광 마커를 여기 상태로 여기시킬 수 있는 특성 파장을 갖는 광)으로 조명하는 것에 응답하여 형광 마커가 여기될 수 있고, 형광 마커가 여기되면, 방출 광(예를 들어, 여기 상태로부터 기저 상태로 복귀함으로써 형광 마커에 의해 방출되는 특성 파장을 갖는 광)을 방출할 수 있다. 방출 광의 검출은 형광 마커의 식별, 및 따라서, 형광 마커에 의해 표지된 샘플 또는 샘플과 연관된 분자의 식별을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 기기는 대량 병렬 샘플 분석들을 할 수 있고, 수만 개의 샘플들 또는 더 많은 것을 동시에 핸들링하도록 구성될 수 있다.
본 발명자들은 통합 디바이스 상에 형성된 통합된 옵틱들 및 샘플을 수용하도록 구성된 반응 챔버들을 갖는 통합 디바이스, 및 통합 디바이스와 인터페이스하도록 구성된 기기가 이러한 수의 샘플들의 분석을 달성하기 위해 사용될 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 기기는 하나 이상의 여기 광원을 포함할 수 있고, 통합 디바이스는 기기와 인터페이스하여 여기 광이 통합 디바이스 상에 형성된 통합된 광학 컴포넌트들(예를 들어, 도파관들, 광 결합기들, 광 스플리터들)을 사용하여 반응 챔버들에 전달되도록 할 수 있다. 광학 컴포넌트들은 통합 디바이스의 반응 챔버들에 걸친 조명의 균일성을 개선할 수 있고, 그렇지 않으면 필요할지도 모르는 많은 수의 외부 광학 컴포넌트들을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명자들은 통합 디바이스 상에 광검출기들을 통합하는 것이 반응 챔버들로부터의 형광 방출들의 검출 효율을 개선하고 그렇지 않으면 필요할지도 모르는 광 수집 컴포넌트들의 수를 감소시킬 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다.
단일 분자 분석의 컨텍스트에서는, 개별 반응 챔버들에 로딩하기 위한 현탁액 내의 여러 분자들 중에서 관심 샘플 또는 관심 분자(예를 들어, 템플릿 핵산)를 분리하는 데 도전적 과제들이 발생할 수 있다. 본 발명자들은 현탁액 내의 여러 분자들 중에서 관심 분자를 분리하는 것이 통합 디바이스의 반응 챔버를 개별 분자의 단리(isolation)를 허용하도록 적합하게 크기가 정해지고 형상화되도록 형성함으로써 달성될 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 이러한 방식으로, 사용자는 반응 챔버들의 어레이를 갖는 통합 디바이스의 표면 상에 분석을 위한 현탁액을 퇴적하여, 개별 반응 챔버들이 확산을 통해 현탁액의 단일 분자를 수용할 높은 확률을 가질 수 있도록 할 수 있다. 일부 구현들에서, 반응 챔버들은, 개별 반응 챔버들이 수용하는 분자들의 수의 분포가, 반응 챔버가 0, 1, 2, 또는 더 많은 분자들을 수용하는 것을 허용할 수 있도록, 적합하게 크기가 정해지고 형상화될 수 있다. 예로서, 관심 분자들의 분포는 푸아송 분포와 근사할 수 있고, 여기서 반응 챔버들 중 소정 분율(예를 들어, 대략 35%)이 단일 분자들을 수용한다.
통합 디바이스의 일부 구현들에서, 반응 챔버는 도파관에 대해 배치되어, 도파관을 통해 전파되는 여기 광이 반응 챔버에 결합되고 분자를 표지하기 위해 사용되는 형광 마커를 조명하도록 한다. 또한, 반응 챔버는 하나 이상의 광검출기에 대해 배치되어, 형광 분자에 의해 방출된 광이 광검출기(들)에 의해 검출되도록 한다. 분자들이 반응 챔버 내에 배치되어 형광 마커의 충분한 여기 및/또는 형광 마커로부터 방출되는 광의 충분한 광 검출을 허용하도록 분자들을 개별 반응 챔버들 내로 로딩하는 데 도전적 과제들이 발생할 수 있다. 예를 들어, 통합 디바이스의 일부 실시예들은 개별 반응 챔버들이 백 내지 수백 500 나노미터 정도(예를 들어, 대략 100 nm 내지 대략 500 nm 범위)의 깊이를 갖도록 통합 디바이스의 표면으로부터 리세스된 바닥 표면을 갖는 반응 챔버들을 포함한다. 그러한 실시예들에서, 분자 및/또는 분자를 표지하기 위해 사용되는 형광 마커는 여기 광을 수신하기 위해 그리고/또는 반응 챔버와 연관된 광검출기가 방출 광을 수신하기 위해 바닥 표면에 근접하여 배치될 필요가 있을 수 있다.
단일 분자 분석을 위해 그러한 디바이스들을 사용할 때, 발생할 수 있는 하나의 도전적 과제는 반응 챔버의 바닥 표면에 근접하여 관심 분자를 위치시키는 것을 포함하는데, 그 이유는 통합 디바이스의 표면 상에 제공된 현탁액으로부터 관심 분자를 분리하는 것은 관심 분자를 현탁액의 벌크 내로부터 그리고 반응 챔버의 깊이를 통해 이동시키는 것을 수반하기 때문이다. 반응 챔버들 내로 분자들을 로딩하는 효율은 분자가 현탁액의 벌크 내로부터 반응 챔버의 바닥 표면으로 이동해야 할 수 있는 거리들로 인해 확산 제한될 수 있다. 예를 들어, 반응 챔버 내로 분자를 로딩하기 위해 필요한 시간의 양은 분자가 이동할 필요가 있는 거리에 따라 증가하고 따라서 로딩 효율은 큰 깊이를 갖는 반응 챔버들에 대해 제한될 수 있다. 로딩하기 위해 필요한 시간의 양은 분자의 크기에 의존할 수 있고 따라서 현탁액의 벌크로부터 반응 챔버 내로의 확산에 의해 이동하는 데에는 더 작은 분자들보다 더 큰 분자들이 더 많은 시간이 걸릴 수 있다. 낮은 분자 농도를 갖는 현탁액을 수반하는 응용들에서, 낮은 농도의 관심 분자는 높은 분자 농도를 갖는 현탁액들에 대해서보다 분자를 로딩하기 위해 필요한 시간의 양을 더 증가시킬 수 있다. 반응 챔버들의 어레이에 걸쳐, 샘플 로딩을 위해 확산에 주로 의존하는 것으로부터 발생하는 이들 제한은 어레이 내의 원하는 수의 반응 챔버들 내로 분자들을 로딩하는 능력에 영향을 줄 수 있고 따라서 반응 챔버들의 일부에만 분석을 위한 분자들이 로딩된다. 본 명세서에서 설명된 샘플 로딩 기법들은 확산에만 의존하는 것과 비교하여, 반응 챔버 내로 분자를 로딩하기 위한 시간을 감소시키는 것을 포함하여, 로딩 효율을 증가시킴으로써 이들 제한을 극복할 수 있다. 이들 샘플 로딩 기법은 큰 분자들, 그러한 핵산 분자들을 로딩하고/하거나, 특히 낮은 농도의 분자들의 현탁액들을 핸들링하는 것을 수반하는 응용들에 특히 적합할 수 있다. 핵산 분자들을 수반하는 응용들에서, 전기동역학적 로딩은 10,000개의 염기, 20,000개의 염기, 또는 30,000개의 염기보다 많은 것을 함유하는 분자들에 대해 특히 유익할 수 있다. 전기동역학적 로딩은 현탁액 내의 핵산의 농도가 100 fM 미만, 10 fM 미만, 1 fM 미만, 또는 100 pM 미만일 때 특히 유익할 수 있다.
특히, 본 발명자들은 반응 챔버 내로의 관심 분자의 로딩을 돕도록 구성된 전기장을 인가하는 것이 샘플 로딩 효율을 개선할 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 그러한 기법들은 원하는 위치에의 전기장의 영향에 응답하여 분자가 이동하기 때문에 전기동역학적 샘플 로딩으로 간주될 수 있다. 전기동역학적 샘플 로딩을 이용하는 것은 관심 분자가 원하는 위치로 이동하도록 전극들의 세트에 전기 신호를 인가하는 것을 수반할 수 있다. 관심 분자가 충전되는(예를 들어, 최종 양 또는 음 전하를 갖는) 응용들에서, 그러한 기법들은 전기영동 샘플 로딩(electrophoretic sample loading)으로 간주될 수 있는데, 그 이유는 분자들의 이동이 인가된 전기장 및 관심 분자의 전하 둘 다에 의존할 수 있기 때문이다. 그러한 실시예들에서, 이들 기법은 관심 분자를 원하는 위치로 운반하는 데 특히 적합할 수 있는데 그 이유는 전기장이 충전되지 않은 분자들보다 관심 분자에 더 강한 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
전기동역학적 샘플 로딩을 구현하는 것은, 관심 분자가 반응 챔버를 향해 그리고/또는 반응 챔버 내로 이동하도록 반응 챔버 부근에서, 예컨대 회로로부터 전기 신호를 수신하는 것에 응답하여, 전기장을 생성하도록 구성된 하나 이상의 전극의 적합한 배치를 수반할 수 있다. 본 발명자들은 전기장이 하나 이상의 전극의 상이한 배열들을 사용하여 생성될 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 특히, 본 발명자들은 전극(들)으로서 역할을 하도록 구성된 하나 이상의 전기 도전성 층을 포함하도록 통합 디바이스를 형성하는 것이 외부 전극들만이 구현된 경우보다 반응 챔버들의 어레이에 걸친 샘플 로딩을 개선하는 데 이점들을 제공할 수 있다는 것을 추가로 인지하고 이해하였다. 통합 디바이스에서 전극으로서 역할을 하는 전기 도전성 층을 통합하는 것은 외부 전극들만을 사용하는 것보다 전기장(예를 들어, 전기장 강도, 방향성)의 개선된 조작을 허용할 수 있다. 특히, 그러한 구현은 외부 전극들의 이용을 통해서보다 현탁액의 벌크로부터 개별 반응 챔버들을 향해 그리고/또는 개별 반응 챔버들 내로 분자들을 이동시키는 것을 더 구체적으로 목표로 하는 전기장의 생성을 허용할 수 있다. 예로서, 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)은 통합 디바이스의 표면 및/또는 반응 챔버의 바닥 표면(예를 들어, 통합 디바이스의 표면으로부터 리세스된 표면)에서 또는 그에 근접하여 적합하게 높은 강도를 갖는 전기장을 생성하도록 작용할 수 있고, 이는 분자의 로딩을 개선할 수 있다. 다른 예로서, 통합 디바이스는 상이한 반응 챔버들에 대한 전기장이 개별적으로 제어될 수 있도록 통합 디바이스의 개별 반응 챔버들에 대한 전극(들)으로서 역할을 하는 전기 도전성 층(들)을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 통합 디바이스는 전기 도전성 층들을 포함할 수 있고, 여기서 한 세트의 층들은 현탁액의 벌크 내로부터 반응 챔버들을 향해 관심 분자를 이동시키도록 구성되고 다른 세트의 층들은 반응 챔버 내로 관심 분자를 이동시키도록 구성된다. 일부 경우들에서, 생성된 전기장은 현탁액의 벌크 내로부터(예를 들어, 통합 디바이스 위에 배치된 저장소 내) 반응 챔버를 향해 관심 분자를 이동시킬 수 있다.
또한, 전기동역학적 샘플 로딩의 목적을 위해 전기 도전성 층(들)을 통합 디바이스 내에 통합하는 것은 사용 중에 샘플을 로딩하는 것의 일부로서 전기동역학적 프로세스를 구현하는 실현가능성을 개선하는 이점을 제공할 수 있는데, 그 이유는 그것이 샘플 로딩의 일부로서 통합 디바이스 외부에 전극을 배치하는 단계를 감소시키고, 일부 경우들에서는, 제거하기 때문이다. 대신에, 사용자는 단순히 통합 디바이스의 표면 상에 현탁액을 퇴적시키고 전기장의 생성을 제어하도록 전기 도전성 층(들)에 결합된 회로를 동작시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 회로의 동작은 자동화될 수 있다(예를 들어, 칩을 기기 내로 로딩한 후 자동으로 개시하고 칩으로부터의 피드백 신호들에 응답하여 자동으로 종료). 그러한 프로세스는 샘플 로딩 및 샘플의 분석을 수행하는 것과 연관된 시간의 양을 개선할 수 있다. 또한, 그러한 구현들은 샘플 로딩 프로세스를 단순화함으로써 분석을 수행하기 위해 통합 디바이스 및 연관된 기기를 사용하는 것에 관한 사용자의 전체 경험을 개선할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 기법들에 따르면, 통합 디바이스의 하나 이상의 전기 도전성 층의 상이한 구성들이 이들 이점 중 하나 이상을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 통합 디바이스의 일부 실시예들에서, 통합 디바이스 내에 형성된 전기 도전성 층(들)은 통합 디바이스의 표면에 또는 그에 근접하여 형성될 수 있다. 통합 디바이스의 일부 실시예들에서, 반응 챔버들의 일부 또는 전부는, 개별 반응 챔버들이 전기 도전성 층(들) 내에 개구들 또는 불연속들을 형성하도록, 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)을 통해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스의 반응 챔버는 유전체 재료에 의해 통합 디바이스의 전기 도전성 층과 분리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 전기동역학적 샘플 로딩을 돕기 위해 전기장을 생성하도록 또한 구성되는 전기 도전성 층(들)으로 형성된, 광검출기를 제어하도록 구성되고 결합된 회로와 같은, 회로를 포함할 수 있고, 그에 의해 집적 회로 또는 통합 디바이스를 위한 그리고 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 이중 목적에 적합하다. 일부 구성들에서, 샘플 로딩을 돕는 전기장은 하나의 전극으로서 집적 회로 또는 통합 디바이스 내의 전기 도전성 층(들) 및 통합 디바이스와 분리된 다른 전극을 사용하여 생성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)은 통합 디바이스의 하나 이상의 반응 챔버 내로 분자를 로딩하는 것을 돕기 위해 사용되는 제1 전극 및 제2 전극 둘 다를 형성하도록 구성될 수 있다. 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기장을 생성하지만 그 사이의 전류 흐름을 제한하도록 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 격리하기 위해 유전체 재료가 통합 디바이스 내에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스 내의 동일한 세트의 전기 도전성 층(들)이 제1 전극 및 제2 전극 둘 다를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 제1 전극 및 제2 전극은 반응 챔버 위에 측방으로 전기장을 생성하도록 반응 챔버에 대해 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 전기 도전성 층은 제1 전극을 형성할 수 있고 제2 전기 도전성 층은 제2 전극을 형성할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 전기 도전성 층들은 유전체 재료에 의해 분리된다. 일부 실시예들에서, 반응 챔버의 하나 이상의 측벽은 전기 도전성일 수 있고 통합 디바이스의 하나 이상의 전기 도전성 층에 전기적으로 결합될 수 있다. 전기 도전성 측벽(들)은 분자가 반응 챔버 내에서 이동하는, 그리고 일부 경우들에서 반응 챔버의 바닥 표면을 향해 이동하는 것을 돕도록 작용하는 반응 챔버 내의 전기장의 생성을 허용할 수 있다.
통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)에 전기 신호들을 제공하기 위해, 본 명세서에서 설명된 기법들에 따른 장치는 전기 도전성 층(들)에 전기적으로 결합하도록 구성된 회로를 포함할 수 있고, 여기서 회로는 전기 도전성 층(들)에 전기 신호들을 제공하여 전기장을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 회로의 일부 또는 전부는 통합 디바이스의 외부에 있을 수 있다. 일부 경우들에서, 통합 디바이스는 회로와 인터페이스하도록 구성될 수 있고, 따라서 회로는 샘플 로딩을 돕기 위해 하나 이상의 전기적 연결을 통해 전기적으로 결합되고 원하는 양의 샘플 로딩이 달성되면 분리되거나 디스에이블될 수 있다. 통합 디바이스의 일부 실시예들은, 통합 디바이스 내에 형성되고 디바이스의 전기 도전성 층(들)에 전기적으로 결합된 하나 이상의 집적 회로와 같은, 회로의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 회로는 통합 디바이스 상에 그리고 통합 디바이스 외부에 양쪽 모두에 위치할 수 있다. 회로의 구성에 무관하게, 회로는 전기 도전성 층(들) 및/또는 외부 전극에 적합한 전기 신호를 인가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 회로는 시변 전압 신호를 생성하고 시변 전압 신호를 전기 도전성 층(들)에 인가하도록 구성될 수 있다. 시변 전압 신호를 인가하는 것은 시간 경과에 따라 변화하는 전기장을 생성할 수 있고, 이는 분자의 로딩을 도울 수 있다. 전기장의 영향 하에서 움직이는 분자는, 분자가 현탁액에서 점유하는 부피 및 그 부피가 분자가 반응 챔버들을 향해 그리고/또는 반응 챔버들 내로 이동하는 능력을 제약하는 방법으로 인해, 감소된 이동을 가질 수 있거나 고정될 수 있다. 시변 전압을 인가하는 것은 분자가 상이한 유형의 전기장들의 영향 하에 있도록 허용함으로써 분자의 고정을 감소시키거나 방지하는 것을 도울 수 있고, 이는 분자가 자신을 재배치 또는 재배열하는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 분자가 주로 전기장의 영향 하에 있고 확산이 분자의 이동을 지배하는 샘플 로딩 프로세스 동안의 시간을 갖는 것은 분자가 자신을 재배치 또는 재배열하는 것을 허용할 수 있고, 이는 후속 전기장이 생성될 때 반응 챔버 내로 분자를 로딩하는 것을 도울 수 있다. 일부 경우들에서, 회로는 상이한 주파수들을 갖는 2개 이상의 주기파를 갖는 전압 신호를 생성하고 이 신호를 전기 도전성 층(들)에 인가하도록 구성될 수 있다.
샘플 로딩을 돕기 위한 다른 기법들이 본 명세서에서 설명된 전기동역학적 샘플 로딩 기법들과 조합하여 사용될 수 있다. 일부 기법들은 관심 샘플(예를 들어, 관심 분자)을 통합 디바이스의 반응 챔버 내로 로딩하는 것을 돕도록 작용하는 통합 디바이스의 표면 상에 현탁액을 퇴적하기 전 또는 후에 현탁액에 하나 이상의 작용제를 도입하는 것을 포함할 수 있다. 그러한 작용제(들)는 반응 챔버 내에 로딩하기에 더 적합할 수 있도록 분자의 배열에 영향을 줄 수 있다. 작용제의 한 유형은 관심 분자가 현탁액에서 점유하는 부피 - 이는 분자의 만연 부피(pervaded volume)로 간주될 수 있음 - 를 감소시키도록 구성된 응축제이다. 응축제를 도입함으로써, 분자는 응축제가 부재하는 경우보다 더 작은 만연 부피를 가질 수 있고 분자는 그의 더 작은 만연 부피 때문에 반응 챔버 내로 더 용이하게 로딩될 수 있다. 다른 유형의 작용제는 현탁액 내의 분자에 액세스 가능한 부피를 감소시키도록 구성된 군집제(crowding agent)이다. 일부 실시예들에서, 군집제는 현탁액의 벌크로부터 관심 분자를 배제함으로써 통합 디바이스의 표면에 근접하여 관심 분자의 농도를 증가시킬 수 있다. 적합한 응축제들 및 군집제들의 예들이 본 명세서에서 그리고 2017년 12월 19일자로 출원된, 발명의 명칭이 "LOADING MOLECULES INTO REACTION CHAMBERS FOR ANALYSIS"인 미국 특허 출원 제15/847,001호에서 추가로 설명되고, 해당 출원은 그 전체가 인용에 의해 포함된다.
II. 전기동역학적 샘플 로딩
픽셀들(1-112)의 행을 예시하는 통합 디바이스(1-102)의 단면 개략도가 도 1a에 도시되어 있다. 픽셀들(1-112)은 통합 디바이스(1-102)의 픽셀 영역(1-203)에 형성되고, 여기서 개별 픽셀들(1-112)은 반응 챔버(1-108) 및 하나 이상의 광검출기(1-110)를 갖는 광검출기 영역을 포함한다. 반응 챔버들(1-108)은 통합 디바이스(1-102)의 표면(1-116)을 통해, 그리고 일부 실시예들에서 전기 도전성 층(들)(1-106)을 통해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 도전성 층(들)(1-106)은 통합 디바이스(1-102)의 표면(1-116)을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스(1-102)의 표면(1-116)은 유전체 재료를 포함할 수 있다. 비록 도 1a에 도시되지 않았지만, 유전체 재료의 층(들)은 표면(1-116)의 일부 또는 전부를 형성하는 전기 도전성 층(들)(1-106) 위에 형성될 수 있다. 통합 디바이스의 일부 실시예들에서, 유전체 재료의 층(들) 내의 개구들은 전기 도전성 층(들)(1-106)의 표면을 노출시킬 수 있고 노출된 표면을 통해 반응 챔버가 형성될 수 있다. 결과적인 구성은 반응 챔버에 근접하여 집중된 원하는 전기장 강도를 갖는 전기장의 생성을 허용할 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 픽셀 영역(1-203)은 트렌치 영역으로서 간주될 수 있는 리세스된 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예들은, 예컨대 도 1a에 도시된 바와 같이 트렌치 영역 주위에 배치되는 것에 의해, 픽셀 영역(1-203)의 일부 또는 전부 주위에 배치된 샘플 저장소(1-114)를 포함할 수 있다. 샘플 저장소(1-114)는 적어도 하나의 관심 샘플 및/또는 다른 컴포넌트들(예를 들어, 군집제들, 응축제들)을 함유하는 현탁액이 픽셀 영역(1-203) 위의 영역 내에 유지될 수 있도록 통합 디바이스(1-102)의 표면(1-116)과의 유체 밀봉(fluid seal)을 형성할 수 있다. 비록 도 1a는 샘플 저장소(1-114)의 단면도만을 도시하지만, 일부 실시예들에서, 샘플 저장소(1-114)는 샘플 저장소(1-114)가 픽셀 영역(1-203)을 둘러싸는 둘러싸인 영역을 형성하도록 도 1a에 도시된 뷰에 수직인 치수에서 연장될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 일부 실시예들에서, 샘플 저장소(1-114)는 통합 디바이스(1-102)의 패키징 프로세스의 일부로서 통합 디바이스(1-102) 상에 형성될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 사용자는 단순히 분석을 위한 현탁액을 샘플 저장소(1-114) 내에 퇴적할 수 있는데 그 이유는 그것이 이미 픽셀 영역(1-203)을 둘러싸도록 배치되어 있기 때문이다. 일부 실시예들에서, 샘플 저장소(1-114)는 통합 디바이스(1-102)에 분리가능하게 결합될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 사용자는 통합 디바이스(1-102) 상에 샘플 저장소(1-114)를 배치하고 샘플 분석 전에 샘플 저장소(1-114) 내에 분석을 위한 적어도 하나의 관심 샘플을 함유하는 현탁액을 퇴적할 수 있다. 비록 도 1a에는 3개의 픽셀(1-112)만이 도시되어 있지만, 임의의 적합한 수의 픽셀들이 픽셀들의 행 내에 배치될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 또한, 통합 디바이스(1-102)는, 통합 디바이스(1-102)의 표면(1-116)을 통해 형성된 반응 챔버들의 어레이를 갖는 픽셀 어레이를 형성하는, 임의의 적합한 수의 픽셀 행들을 가질 수 있다. 샘플 저장소(1-114)는 통합 디바이스(1-102)의 일부로서 형성된 임의의 적합한 수의 반응 챔버들(1-108)을 수용하도록 적합하게 크기가 정해지고 형상화될 수 있다.
샘플을 로딩하는 것의 일부로서, 관심 분자들이 반응 챔버들(1-108)에 들어갈 수 있고, 일부 실시예들에서, 도파관(1-220)에 근접하여 배치된 바닥 표면(1-118)을 향해 이동할 수 있다. 샘플 저장소(1-114)를 포함하는 실시예들에서, 관심 분자를 로딩하는 것은 통합 디바이스(1-102)의 표면(1-116)을 향해 샘플 저장소(1-114) 내에서 퇴적된 현탁액의 벌크 내로부터 관심 분자를 이동시키는 기법들을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 도파관(1-220)을 따라, 예컨대 도 1a에 도시된 z-방향을 따라 전파하는 여기 광은 여기 광의 일부를 도파관(1-220)으로부터 반응 챔버(1-108)로 결합(예를 들어, 이버네센트 결합(evanescently coupling))함으로써 반응 챔버(1-108) 내에 배치된 관심 분자 및/또는 관심 분자를 표지하는 형광 마커를 조명할 수 있다. 일부 경우들에서, 반응 챔버의 바닥은 도파관(1-220)의 1 미크론 내에 위치한다. 관심 분자 및/또는 관심 분자를 표지하는 형광 마커는 여기 광을 수신하는 것에 응답하여 방출 광을 방출할 수 있고, 반응 챔버(1-108)와 동일한 픽셀 내의 광검출기(들)(1-110)는 방출 광을 수신할 수 있다. 일부 경우들에서, 금속 층들(1-240)은, 예를 들어, 광검출기(들)(1-110)에 대한 제어 회로로서, 통합 디바이스(1-102)에 대한 회로를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 기법들에 따르면, 샘플의 로딩은 통합 디바이스가, 예를 들어, 반응 챔버 내로 관심 분자를 로딩하는 것을 돕도록 동작하는 전기장을 생성하도록 구성된 하나 이상의 전극 내로 형성된 전기 도전성 층(들)을 포함하는 전기동역학적 샘플 로딩 기법들을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 전기 도전성 층(들)을 갖는 기판을 포함할 수 있고 이 기판의 표면에 통합 디바이스의 반응 챔버(들)가 형성될 수 있다. 도 2a는 단일 반응 챔버(1-108)를 포함하는 통합 디바이스의 영역의 개략도를 도시한다. 반응 챔버 주위에 샘플 저장소(1-114)가 도시되어 있지만, 통합 디바이스의 표면(1-116) 상에 하나보다 많은 반응 챔버가 배치될 수 있고 다수의 반응 챔버 주위에 샘플 저장소(1-114)가 배치될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 샘플 저장소(1-114) 내에 유지된 현탁액은 관심 분자들(2-116)(예를 들어, 템플릿 핵산)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 관심 분자(2-116)는 반응 챔버(1-108)의 바닥 표면(1-118)에 위치한 표적(2-117)과 우선적으로 결합하거나 달리 상호작용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 표적(2-117)은 비오틴을 포함할 수 있고, 관심 분자는 비오틴, 예컨대 스트렙타비딘에 우선적으로 결합하는 영역을 포함할 수 있다. 관심 분자(2-116)가 템플릿 핵산인 실시예들에서, 표적(2-117)은 바닥 표면(1-118) 상에 고정될 수 있는 폴리머라제를 포함할 수 있다. 폴리머라제는 반응 챔버 내의 템플릿 핵산과 상호작용할 수 있고, 따라서 템플릿 핵산은 바닥 표면(1-118)에 근접하여 배치된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 통합 디바이스는 전기 도전성 층들(1-106a 및 1-106b)을 포함할 수 있고, 여기서 양쪽 층들(1-106a 및 1-106b)을 통해 반응 챔버(1-108)가 형성된다. 전기 도전성 층들(1-106a 및 1-106b)은 하나 이상의 전극을 형성할 수 있고 반응 챔버(1-108) 내로 관심 분자(2-116)를 로딩하는 것을 돕도록 동작하는 전기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 전기 도전성 층들(1-106a 및 1-106b) 중 하나 또는 둘 다는 회로(2-112)에 전기적으로 결합될 수 있다. 도 2a에 도시된 실시예에서, 회로(2-112)는 통합 디바이스와 분리되고 통합 디바이스의 표면(1-116) 위에 배치되는 외부 전극(2-110)에 전기적으로 결합되도록 또한 구성된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 외부 전극(2-110)은 샘플 저장소(1-114)와 분리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 외부 전극(2-110) 및 샘플 저장소(1-114)가 기계적으로 결합되도록 외부 전극(2-110)이 샘플 저장소(1-114)와 통합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 시스템을 조작하는 사용자가 샘플 저장소(1-114)의 계면에 외부 전극(2-110)을 부착하고 분리할 수 있도록 외부 전극(2-110)은 샘플 저장소(1-114)에 제거가능하게 부착되도록 구성될 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 외부 전극(2-110)은 샘플 저장소(1-114) 내의 유체 현탁액과 접촉하여 배치된다. 통합 디바이스의 일부 응용들은 샘플 저장소(1-114) 내에 위치한 현탁액에 대한 외부 전극(2-110)의 상이한 배치를 수반할 수 있다는 점을 이해해야 한다. 일부 실시예들에서, 외부 전극(2-110)이 현탁액과 접촉하지 않도록 외부 전극(2-110)은 현탁액 위에 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 외부 전극(2-110)은 현탁액 내에 잠길 수 있다.
회로(2-112)는 반응 챔버(1-108) 내로 관심 분자(2-116)를 로딩하는 것을 돕는 전기장을 생성하기 위해 층들(1-106a 및 1-106b) 및 전극(2-110) 중 하나 또는 둘 다에 전기 신호(들)를 인가하도록 구성된다. 도 2a에 도시된 구성에 의해 생성된 전기장(파선으로 도시됨)은 관심 분자(2-116)를 통합 디바이스의 표면(1-116)을 향해 이동시키도록 구성될 수 있다. 전기장의 방향은 전극(2-110)과 도전성 층(들)(1-106a, 1-106b) 사이에 인가되는 전기 신호의 극성에 의해 제어될 수 있다. 일부 구성들은 전기장이 반응 챔버(1-108) 부근에서 생성되는 것을 허용할 수 있고, 여기서 전기장은, 예컨대 표면(1-116) 상에 퇴적된 현탁액의 벌크 내에서, 표면(1-116)으로부터 원위의 거리에서보다 표면(1-116)에서 더 높은 강도를 갖는다. 관심 분자들(2-116)은 전기장의 영향 하의 영역을 향해 이동할 수 있고 따라서 도 2a에 도시된 구성은 표면(1-116)을 향한 분자들의 전기동역학적 이동을 추진하고, 이는 표면(1-116)에서의 분자들의 총 농도를 증가시킬 수 있다.
전기 도전성 층들(1-106a 및 1-106b)에 전압 신호를 제공하도록 구성된 외부 컨트롤러와 같은 회로(2-112)가 통합 디바이스의 외부에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 회로(2-112)는 통합 디바이스의 일부로서 통합될 수 있다. 예를 들어, 층들(1-106a 및 1-106b) 중 하나 또는 둘 다와 전기적으로 결합하기 위해 통합 디바이스 내에 전기적 라우팅이 형성될 수 있다. 전기 도전성 층들(1-106a 및 1-106b)을 형성하기 위해 티타늄 질화물(TiN), 티타늄, 및 알루미늄(Al)을 포함하는 임의의 적합한 전기 도전성 재료가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 표면(1-116)을 형성하는 전기 도전성 층(1-106a)은 티타늄 질화물(TiN)을 포함할 수 있고 전기 도전성 층(1-106b)은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 전기 도전성 층(1-106a)은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있고 전기 도전성 층(1-106b)은 티타늄 질화물(TiN)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관(1-220)과 같은 통합 디바이스의 도파관에 근접하여 배치된 전기 도전성 층은 도파관을 따라 전파하는 광을 반사시키도록 작용하고, 이는 광이 도파관을 향해 다시 반사될 수 있기 때문에 도파관을 따라 전파하는 광의 양을 증가시키는 것을 포함하여 통합 디바이스의 광학 특성들을 개선할 수 있다.
반응 챔버(1-108)는 임의의 적합한 깊이를 가질 수 있다. 반응 챔버의 바닥 표면에 근접하여, 금속 층과 같은 도전성 층을 갖는 것은 반응 챔버에의 여기 광의 광 결합과 그리고 반응 챔버로부터 방출된 광의 광 검출과 연관된 광학 특성들을 포함하는, 통합 디바이스의 광학 특성들에 영향을 줄 수 있으므로, 반응 챔버(1-108)의 깊이는 통합 디바이스의 원하는 광학 특성들을 허용할 수 있다. 일부 경우들에서, 전기 도전성 층은 반응 챔버로부터 방출된 광에 대한 반사체로서 역할을 할 수 있고, 이는 통합 디바이스의 광검출기에 의한 방출 광의 수집을 개선할 수 있다. 일부 실시예들은 통합 디바이스의 원하는 광학 특성들을 허용하기 위해 하나 이상의 전기 도전성 층으로부터의 바닥 표면의 상대적 배치와 관련된다. 일부 경우들에서, 바닥 표면(1-118)과 전기 도전성 층(들)(1-106) 사이의 거리 d는 100 nm 및 700 nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 거리 d는 400 nm 미만일 수 있다.
일부 실시예들에서, 반응 챔버(1-108)는 적합한 스페이서 재료(예를 들어, 티타늄 산화물(TiO2))로 형성될 수 있는 하나 이상의 측벽(2-120)을 가질 수 있다. 측벽들(2-120)의 스페이서 재료는, 관심 분자가 측벽들(2-120)에 비해 바닥 표면(1-118)과 우선적으로 결합하거나 상호작용하도록 바닥 표면(1-118)과 비교하여 측벽들(2-120)과의 관심 분자의 상호작용을 방지하거나 감소시키기 위해 바닥 표면(1-118)과 상이할 수 있다. 그러한 구성은 바닥 표면과의 관심 분자의 선택적 결합, 또는 다른 유형의 상호작용을 허용할 수 있고, 이는 반응 챔버 내로의 관심 분자의 적합한 로딩을 추가로 도울 수 있다.
일부 실시예들에서, 반응 챔버의 하나 이상의 측벽은 전기 도전성 재료(들)를 포함할 수 있고, 여기서 측벽(들)은 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)에 전기적으로 결합된다. 도 2b는 반응 챔버(1-108)의 전기 도전성 측벽(들)(2-122)을 갖는 도 2a에 도시된 것과 유사한 통합 디바이스의 단면 개략도를 예시한다. 측벽(들)(2-122)은 전기 도전성 층(들)(1-106)에 전기적으로 결합될 수 있고 따라서 전기 도전성 층(들)에 전기 신호들을 인가하는 것은 측벽(들)(2-122)이 전기 신호들을 또한 수신하고 전기장을 생성하는 데 참여하는 것을 허용한다. 일부 실시예들에서, 측벽(들)(2-122)은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 전기 도전성 층(1-106a)과 같은 전기 도전성 층들 중 하나를 형성하기 위해 또한 사용되는 전기 도전성 재료를 포함할 수 있다. 전기 도전성 측벽(들)(2-122)을 형성하기 위해 티타늄 질화물(TiN), 티타늄(Ti), 탄탈(Ta), 탄탈 질화물(TaN), 및 텅스텐(W)을 포함하는 임의의 적합한 전기 도전성 재료가 사용될 수 있다. 반응 챔버의 전기 도전성 측벽(들)을 갖는 통합 디바이스를 사용하는 것은 반응 챔버(1-108) 내에 전기장을 생성할 수 있고, 일부 실시예들에서는 반응 챔버(1-108)의 바닥 표면(1-118) 근처에 높은 강도를 갖는 전기장을 생성할 수 있다. 통합 디바이스의 그러한 구성은 반응 챔버(1-108)의 바닥 표면(1-118)을 향한 관심 분자의 이동을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예들은 통합 디바이스에 다수의 전극을 형성하도록 구성된 전기 도전성 층(들)(1-106)을 포함하는 통합 디바이스와 관련된다. 그러한 실시예들에서, 통합 디바이스 내에 형성된 2개 이상의 전극에 외부 회로가 전기적으로 결합될 수 있다. 이들 유형의 구성들은 단독으로 또는 외부 전극과 조합하여 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 도전성 층(들)은 제1 전극 및 제2 전극을 형성하도록 구성될 수 있고, 여기서 제1 전극 및 제2 전극은 전기 신호(들)를 수신하여 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전기장을 생성하도록 구성된다. 그러한 구성들은 외부 전극의 사용 없이 전기동역학적 샘플 로딩을 허용할 수 있고, 이는 샘플 분석을 수행하는 사용자에 대한 사용의 용이성을 개선할 수 있다. 외부 전극이 전기 도전성 층(들)으로부터 형성된 전극들의 세트와 조합하여 사용되는 실시예들에서, 전극들의 세트에 그리고 외부 전극에 전기적으로 결합된 회로가 전극들의 상이한 조합들 사이에 상이한 전기 신호들을 인가하도록 구성될 수 있고, 이는 개별 반응 챔버들 내로의 분자들의 개선된 로딩을 허용할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 통합 디바이스는 2개의 전극을 형성하도록 구성된 다수의 전기 도전성 층들(1-106)을 포함할 수 있다. 전기 도전성 층들은 유전체 재료에 의해 분리될 수 있고, 이는 층들 사이의 전류를 감소시키거나 방지하여, 전기장을 생성하기 위해 층들에 전기 신호들이 인가되는 것을 허용할 수 있다. 도 2c는 전기 도전성 층들이 통합 디바이스의 일부로서 2개의 전극을 형성하는 예시적인 구성을 도시한다. 도 2c에 도시된 통합 디바이스는 전기 도전성 층들(1-106a, 1-106b, 및 1-106c)을 포함하고, 여기서 전기 도전성 층들(1-106b 및 1-106c) 사이에 유전체 층(2-308)이 있다. 그러한 구성에서, 전기 도전성 층들(1-106a 및 1-106b)은 제1 전극을 형성하는 것으로 간주될 수 있고 전기 도전성 층(1-106c)은 제2 전극을 형성하는 것으로 간주될 수 있다. 이 2개의 전극이 회로(2-312)로부터 전기 신호를 수신하는 것에 응답하여 반응 챔버(1-108)의 부근에 전기장을 생성하기 위해 이 2개의 전극은 반응 챔버(1-108)에 대해 배치될 수 있다. 제1 전극과 제2 전극을 형성하기 위해 전기 도전성 층들의 제1 세트와 전기 도전성 층들의 제2 세트 사이에 배치된 유전체 재료가 존재하는 한, 임의의 적합한 수의 전기 도전성 층들이 2개의 전극을 형성할 수 있다는 점을 이해해야 한다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 유전체 층(2-308)이 반응 챔버(1-108)와 겹치는 개구를 갖도록 반응 챔버(1-108)가 유전체 층(2-308)을 통해 형성된다. 일부 실시예들에서, 반응 챔버(1-108)를 형성하는 유전체 층(2-308)의 개구의 치수가 반응 챔버(1-108)의 개구의 치수보다 작도록 반응 챔버(1-108)는 테이퍼된 측벽들을 가질 수 있다. 예를 들어, 유전체 층(2-308)의 개구의 단면 치수(예를 들어, 도 2c에 도시된 바와 같은 z-방향을 따른)는 반응 챔버(1-108)의 개구의 단면 치수(예를 들어, 도 2c에 도시된 바와 같은 z-방향을 따른)보다 작다. 통합 디바이스에서 2개의 전기 도전성 층을 분리하기 위해 사용되는 적합한 유전체 재료의 예들은 실리콘 이산화물(SiO2), 티타늄 이산화물(TiO2), 탄탈 산화물(TaO5), 하프늄 산화물(HfO2), 및 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함한다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 전기 도전성 층들(1-106a, 1-106b, 및 1-106c)을 통해 반응 챔버(1-108)가 형성된다. 통합 디바이스의 반응 챔버들의 어레이에 대해, 개별 반응 챔버들이 전기 도전성 층들(1-106a, 1-106b, 및 1-106c) 각각을 통해 형성될 수 있다. 이들 실시예에서의 반응 챔버(1-108)의 깊이는 전기 도전성 층들의 상대적 깊이들에 의존할 수 있다. 일부 실시예들에서, 거리 d는 반응 챔버(1-108)의 바닥 표면(1-118)과 바닥 표면(1-118)에 가장 근접한 전기 도전성 층 - 이는 도 2c에 도시된 통합 디바이스에서 전기 도전성 층(1-106c)임 - 사이이다. 도 2c에 도시된 실시예에서, 반응 챔버(1-108)는, 층들(1-106a, 1-106b) 및 층(1-106c) 사이의 전기적 단락을 방지하거나 제한하기 위해 전기 도전률이 제한되거나 없는 스페이서 재료를 포함할 수 있는, 측벽들(2-120)을 갖는다.
일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 어레이 내의 개별 전극들이 개별 반응 챔버들에 대응하는 전기 도전성 층(들)으로 형성된 전극들의 어레이를 포함할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 통합 디바이스의 제1 반응 챔버는 어레이 내의 제1 전극에 대응할 수 있고 통합 디바이스의 제2 반응 챔버는 어레이 내의 제2 전극에 대응할 수 있다. 제1 전극과 제2 전극은 유전체 재료에 의해 분리될 수 있다. 회로는 어레이 내의 개별 전극들에 전기 신호들을 인가할 수 있고, 이는 상이한 반응 챔버들에 대해 생성된 전기장들의 개별 제어를 허용할 수 있다. 그러한 구성은 반응 챔버들 내로의 분자들의 로딩을 개선할 수 있는데, 그 이유는 분석을 위해 관심 분자가 로딩되는지를 결정하기 위해 개별 반응 챔버들이 모니터링될 수 있고, 필요하다면, 샘플 로딩을 돕기 위해 반응 챔버에 대응하는 전극에 인가되는 전기 신호들을 수정할 수 있기 때문이다. 추가적으로, 일부 경우들에서, 인가된 전기 신호들은 반응 챔버에 샘플이 로딩된 후에 턴 오프되거나, 감소되거나, 반전되거나, 반전 및 감소될 수 있다.
도 2d는 도시된 반응 챔버(1-108)에 대응하는 전극들을 형성하기 위해 적어도 부분적으로 전기 도전성 층들(1-106a 및 1-106c)이 크기가 정해지고 형상화되는 통합 디바이스의 단면 개략도를 예시한다. 회로(2-312)는, 예를 들어, 도면의 평면 밖에 위치하는 인터커넥트들로, 전기 도전성 층들(1-106a 및 1-106c)에 전기적으로 결합될 수 있고, 층(1-106c) 및 층들(1-106a, 1-106b)에 전기 신호들을 인가하도록 구성될 수 있다. 비록 도 2d에는 하나의 반응 챔버만이 도시되어 있지만, 통합 디바이스의 반응 챔버들의 어레이 내에서, 전기 도전성 층들(1-106a 및/또는 1-106c)의 영역들은 개별 반응 챔버들에 대응하는 전극들을 형성하도록 패터닝되고 배치될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 예를 들어, 전기 도전성 층(들)(1-106a 및/또는 1-106c)은 반응 챔버를 둘러싸거나 부분적으로 둘러싸는 격리된 전극을 형성하도록 패터닝될 수 있다. 상면도에서, 그러한 전극은 환상(annular)으로 나타날 수 있다. 전기 도전성 층(1-106c)에 의해 형성된 전극들은 유전체 재료(2-314)에 의해 분리될 수 있다. 도 2d에 도시된 바와 같이, 개별 반응 챔버들은 전기 도전성 층(1-106c)의 이산 영역들을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 어레이 내의 제1 반응 챔버는 전기 도전성 층(1-106c)의 제1 영역을 통해 형성될 수 있고, 어레이 내의 제2 반응 챔버는 전기 도전성 층(1-106c)의 제2 영역을 통해 형성될 수 있고 여기서 제1 영역과 제2 영역은 유전체 재료에 의해 분리된다. 다른 예로서, 도 2i는 다수의 개별 전기 도전성 층들(1-106c1 및 1-106c2)을 갖는 통합 디바이스를 도시하고, 여기서 제1 반응 챔버는 층(1-106c1)을 통해 형성되고 제2 반응 챔버는 층(1-106c2)을 통해 형성된다. 도 2i에 도시된 바와 같이, 층들(1-106c1 및 1-106c2)은 유전체 재료(2-614)의 영역에 의해 분리된다. 일부 실시예들에서, 층들(1-106c1 및 1-106c2)은 적합한 전기 도전성 재료의 층을 퇴적하고 층의 부분들을 에칭하여 층들(1-106c1 및 1-106c2)을 형성함으로써 형성된다.
일부 실시예들에서, 도 2c 및 도 2d에 도시된 통합 디바이스들을 사용하는 샘플 로딩은 전기 도전성 층들(1-106a, 1-106b, 및 1-106c)에 의해 형성된 2개의 전극에 더하여 외부 전극(2-110)을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 전기 도전성 층(들) 및 외부 전극에 전기 신호들을 인가하도록 구성된 회로는 전기 도전성 층(들)에 의해 형성된 전극들 중 하나와 외부 전극에 전기 신호들을 인가하도록 구성된 제1 회로(2-112) 및 전기 도전성 층(들)에 의해 형성된 2개의 전극에 전기 신호들을 인가하도록 구성된 제2 회로(2-312)를 포함할 수 있다. 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 회로(2-112)는 외부 전극(2-110) 및 전기 도전성 층(들)(1-106a, 1-106b)에 전기적으로 결합되고, 회로(2-312)는 전기 도전성 층(1-106c) 및 전기 도전성 층(들)(1-106a, 1-106b)에 전기적으로 결합된다. 예시적인 전기장 라인들이 도 2c 및 도 2d에서 파선들로서 도시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 전극들은, 예를 들어, 반응 챔버로의 개구의 500 nm 내의 제1 영역에서 제1 영역 외부의 제2 영역과 비교하여 증가된 강도를 갖는 전기장을 생성하도록 패터닝될 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 영역은 500 nm보다 더 큰 또는 더 작은, 예를 들어, 100 nm과 2 미크론 사이의 반경을 가질 수 있다.
샘플 로딩 프로세스의 일부로서, 회로의 동작은 회로(2-112) 및 회로(2-312)가 회로(2-112) 및 회로(2-312)에 결합된 전극들에 상이한 전기 신호들을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 회로(2-112)에 의해 인가되는 전기 신호들은 관심 분자를 통합 디바이스의 표면(1-116)을 향해 이동시키는 것을 도울 수 있는 반면, 회로(2-312)에 의해 인가되는 전기 신호들은 관심 분자를 반응 챔버(1-108) 내로 이동시키는 것을 도울 수 있다. 회로(2-112) 및 회로(2-312)에 의해 인가되는 전기 신호들은, 일부 실시예들에 따라, 동시에 인가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기동역학적 샘플 로딩은 제1 지속기간 동안 회로(2-112)를 사용하여 전기 신호들을 인가하고 제1 지속기간에 후속하는 제2 지속기간 동안 회로(2-312)를 사용하여 전기 신호들을 인가함으로써 진행될 수 있다.
전기동역학적 샘플 로딩의 일부 구현들에서, 회로(2-112)는 외부 전극(2-110)과 전기 도전성 층(들)(1-106a, 1-106b) 사이에 제1 전기 신호를 인가할 수 있고, 회로(2-312)는 전기 도전성 층(1-106c)과 전기 도전성 층(들)(1-106a, 1-106b) 사이에 제1 전기 신호와 상이한 제2 전기 신호를 인가할 수 있다. 회로(2-112) 및 회로(2-312)는, 일부 실시예들에 따라, 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 동시에 인가할 수 있다. 다른 실시예들에서, 회로(2-112)는 제1 지속기간 동안 제1 전기 신호를 인가할 수 있고 회로(2-312)는 제1 지속기간에 후속하는 제2 지속기간 동안 제2 전기 신호를 인가할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 전기 신호를 인가하는 것은 관심 분자들을 표면(1-116)을 향해 이동시킬 수 있고, 제1 지속기간과 제1 전기 신호의 조합은 표면(1-116)에 근접한 분자들의 원하는 농도가 달성되는 것을 허용할 수 있다. 제2 전기 신호의 후속 인가는 관심 분자들을 반응 챔버들 내로 이동시킬 수 있고, 제2 전기 신호와 제2 지속기간의 조합은 원하는 양의 반응 챔버들에 관심 분자가 로딩되는 것을 허용할 수 있다.
일부 실시예들은 동일한 세트의 전기 도전성 층(들)으로 형성된 전극들을 포함하는 통합 디바이스와 관련되고, 여기서 전극들은 전기 신호들을 수신하고 반응 챔버 내로의 관심 분자의 로딩을 돕기 위한 전기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 전극들은 전기 도전성 층(들)의 세트의 영역을 에칭하여 전기 도전성 층들의 세트의 2개 이상의 분리된 영역을 형성하는 것에 의해 형성될 수 있다. 도 2e는 전기 도전성 층(들)(1-106a 및 1-106b)이 상이한 전극들을 형성하는 통합 디바이스의 단면 개략도를 예시한다. 특히, 전기 도전성 층(들)(1-106a 및 1-106b)의 영역(2-502)은 제1 전극(2-520) 및 제2 전극(2-522)을 형성하도록 에칭되었다. 회로(2-512)는 전기장을 생성할 수 있는 제1 전극(2-520) 및 제2 전극(2-522)에 전기적으로 결합하도록 구성될 수 있다. 제1 전극(2-520) 및 제2 전극(2-522)은 회로(2-512)로부터의 전기 신호들의 인가 시에 반응 챔버(1-108) 위에 측방으로 전기장을 생성하기 위해 반응 챔버(1-108)에 대해 배치될 수 있다. 통합 디바이스의 그러한 실시예들에서, 통합 디바이스의 표면(1-116)은 통합 디바이스의 하나 이상의 반응 챔버에 대응하도록 배열된 다수의 전극을 가질 수 있다. 비록 도 2e에는 외부 전극이 도시되지 않았지만, 일부 실시예들은 제1 전극(2-520) 및 제2 전극(2-522) 중 하나 또는 둘 다 및 반응 챔버들 위에 배치된 외부 전극에 전기 신호들을 인가하는 것을 수반할 수 있다. 일부 경우들에서, 영역(2-502)은 환상 형상의 전극을 형성하기 위해 반응 챔버(1-108) 주위에 모두 또는 거의 모두 에칭될 수 있다.
일부 실시예들은, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 하나 이상의 전극으로서, 통합 디바이스의 광검출기들과 연관된 제어 회로와 같은, 통합 디바이스의 회로를 사용하는 것과 관련된다. 도 2f는 통합 디바이스의 일부로서(예를 들어, 반응 챔버들(1-108) 아래에 위치한 검출 회로의 일부로서) 금속 층(들)(1-240)이 형성된 통합 디바이스의 단면 개략도를 예시한다. 일부 실시예들에서, 회로의 적어도 일부는 반응 챔버들 내로의 분자들의 전기동역학적 샘플 로딩을 돕기 위한 전기장을 생성하기 위한 전기 신호들을 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 검출 회로의 동작 동안 간헐적으로 또는 그 전에, 금속 층(들)(1-240)의 적어도 일부는 샘플 로딩을 위해 사용되는 신호로 바이어싱될 수 있다. 도 2f에 도시된 바와 같이, 통합 디바이스 내에 형성된 금속 층(들)(1-240)은 광검출기들(1-110)에 제어 신호들을 제공하고/하거나 광검출기들(1-110)로부터 판독 신호들을 수신하기 위해 광검출기들(1-110)에 전기적으로 결합된다. 통합 디바이스는 금속 층(들)(1-240)을 포함할 수 있는 반도체(예를 들어, CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)) 영역(2-640)을 포함할 수 있다. 도파관(1-220)을 포함하는 통합 디바이스의 광학 구조물들이 유전체 재료(2-614) 내에 형성될 수 있고 여기서 반응 챔버(1-108) 및 반도체 영역(2-640)은 유전체 재료(2-614)에 의해 분리된다.
일부 실시예들은 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극(들)으로서 역할을 하는 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)과의 접촉들을 형성하는 기법들과 관련된다. 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)과 콘택들 사이에 접촉들 및 전기적 연결들을 형성하는 것은 통합 디바이스의 패키징의 일부로서 발생할 수 있다. 통합 디바이스의 패키징 프로세스는 인쇄 회로 보드에 통합 디바이스를 부착하는 것을 포함할 수 있다. 패키지(예를 들어, 인쇄 회로 보드) 상의 도전성 콘택들은 통합 디바이스의 일부로서 형성된 전극(들)과 접촉한다. 일부 실시예들에서, 패키지의 도전성 콘택들은, 전기 신호들을 생성하고 통합 디바이스의 전극(들)에 인가하도록 구성된 회로를 포함할 수 있는, 기기로부터 전기 신호들을 수신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 패키지의 도전성 콘택들은, 전기 신호들을 생성하고 통합 디바이스의 전극(들)에 인가하도록 구성된 회로를 포함할 수 있는, 통합 디바이스의 기판(예를 들어, 반도체 다이)과 접촉할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)을 통합 디바이스의 기판 및/또는 통합 디바이스의 패키지의 일부에 전기적으로 결합하기 위해 와이어 본딩이 사용될 수 있다. 일부 실시예들은 통합 디바이스의 전기 도전성 층과 전기적으로 연결하기 위한 액세스 영역을 형성하기 위한 CMOS(complementary-metal-oxide-semiconductor) 처리 기법들을 수반할 수 있다.
도 2f에 도시된 바와 같이, 실리콘 다이 기판과 같은 기판(2-602) 상에 반도체 영역(2-640)이 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(2-602)은 본딩(2-604)(예를 들어, 접착제 본딩)을 통해 인쇄 회로 보드 기판(2-606)에 부착될 수 있다. 인쇄 회로 보드 기판(2-606) 상에 콘택들(2-608 및 2-610)이 형성될 수 있다. 도 2f에 도시된 바와 같이, 예컨대 콘택(2-608)을 금속 층(들)(1-240)에 와이어 본딩하는 것에 의해, 콘택(2-608)이 금속 층(들)(1-240)에 전기적으로 결합될 수 있다. 콘택들(2-610)은 전기 도전성 층(1-106b)에 전기적으로 결합될 수 있다. 도 2f에 도시된 바와 같이, 통합 디바이스의 영역이 에칭되어 금속 층(들)(1-240)에 액세스하기 위한 리세스된 영역(2-612)을 형성한다. 리세스된 영역(2-612) 및 콘택들(2-606 및 2-610)에 대한 와이어 본딩은 통합 디바이스의 패키징 프로세스의 일부로서 발생할 수 있다.
일부 실시예들에서, 금속 층(들)에 액세스하기 위한 리세스된 영역이 형성될 수 있고 금속 층을 전기 도전성 층(들)과 전기적으로 연결하기 위해 리세스된 영역 위에 전기 도전성 층(들)이 형성될 수 있다. 금속 층은 인쇄 회로 보드 기판 상의 콘택과 같은 콘택에 와이어 본딩될 수 있다. 예로서, 도 2g는 금속 층(1-240a)에 액세스하기 위한 리세스된 영역(2-612) 및 리세스된 영역 내에 형성되고 금속 층(1-240a)과 접촉하는 전기 도전성 층(1-106b)을 예시한다. 리세스된 영역(2-612)은 또한 금속 층(1-240a)과 접촉하고 인쇄 회로 보드 기판(2-606)의 콘택(2-608)과의 와이어 본딩을 허용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기 도전성 층(들)과의 전기적 접촉을 형성하는 것의 일부로서 통합 디바이스의 반도체 영역 내의 금속 층(들)과 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들) 사이의 전기적 연결을 형성하기 위해 패키징 컴포넌트(들)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 와이어 본드가 전기 도전성 층 위로 지나갈 수 있고 패키지의 컴포넌트가 전기 도전성 층과 접촉하도록 와이어 본드를 누를 수 있고, 이는 "와이어 본드 브리지"로서 간주될 수 있다. 도 2h에 도시된 바와 같이, 패키지 컴포넌트(2-802)는 전기 도전성 층(1-106a)과 접촉하도록 와이어 본드(2-804)를 눌러, 와이어 본드 브리지를 형성한다. 와이어 본드(2-804)는 금속 층(들)(1-240)과 전기적 접촉하여, 콘택(2-608)과의 전기적 연결을 형성한다.
일부 실시예들은 통합 디바이스 내의 도전성 층(들)을 통합 디바이스의 반도체 영역 내에 위치한 회로에 전기적으로 결합하는 비아 구조물들을 갖는 통합 디바이스와 관련된다. 통합 디바이스 내의 회로는 전기 신호들을 생성하고 비아 구조물들을 통해 전기 도전성 층(들)에 인가하도록 구성될 수 있다. 도 2i는 도전성 층(1-106c1)을 반도체 영역(2-640)에 배치되는 금속 층(1-240a)에 전기적으로 결합하도록 형성된 도전성 비아(2-910)를 갖는 통합 디바이스의 예시적인 단면 개략도를 도시한다. 유사하게, 도전성 층(1-106c2)을 금속 층(1-240b)에 전기적으로 결합하기 위한 비아(2-920)가 도 2i에 도시되어 있다. 예시적인 목적으로, 도파관(1-220)이 도 2i에서 점선들로 도시되어, 통합 디바이스의 다른 구조물들과의 도파관(1-220)의 상대적 배치를 나타내지만, 도 2i에 도시된 평면에는 포함되지 않는데, 그 이유는 도전성 비아들(2-910 및 2-920)이 도파관(1-220)으로부터 떨어져 위치하여 그것들이 도파관 구조물을 방해하지 않도록 하기 때문이다. 비록 도 2i에 도시된 전극 구성은 개별 반응 챔버들에 대응하는 전기 도전성 층이 있다는 점에서 도 2d에 도시된 구성과 유사하지만, 다수의 반응 챔버들에 걸친 샘플 로딩을 도울 수 있는 전극을 형성하는 전기 도전성 층을 전기적으로 연결하기 위해 그러한 비아 구조물들이 구현될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
전기동역학적 샘플 로딩을 위해 사용되는 전극들의 구성에 무관하게, 결합된 회로에 의해 생성되고 전극들에 인가되는 전기 신호들은 반응 챔버들(1-108) 내로의 분자들의 로딩을 달성하기 위한 임의의 적합한 파라미터들(예를 들어, 진폭, 시간 프로파일, 듀티 사이클, 주파수)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 인가된 전기 신호들의 파라미터들은 반응 챔버들의 어레이에 걸쳐 분자들을 로딩하는 데 있어서 원하는 레벨의 효율을 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 전기 신호들의 파라미터들은, 반응 챔버들(1-108)의 로딩 동안 전기 신호들이 인가되지 않는 때와 비교하여 반응 챔버들의 어레이 내의 특정 수, 백분율 또는 비율의 반응 챔버들에 대한 샘플 로딩을 달성하기 위해 필요한 시간의 양을 감소시키도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들은 시변 전압 신호를 생성하고 전기 도전성 층(들)에, 그리고 일부 실시예들에서는 외부 전극에 인가하는 회로를 수반한다. 일부 경우들에서, DC 또는 지수적으로 감쇠하는 신호들이 사용될 수 있다.
도 3aa는 일부 실시예들에 따른, 반응 챔버(1-108)의 전극에 인가될 수 있는 구형파 파형(square waveform)을 갖는 예시적인 시변 전압 신호를 도시한다. 일부 실시예들에서, 인가된 파형은 도 3aa 및 도 3ab에서 파선들로 지시된 DC 오프셋을 가질 수 있다. DC 오프셋은 반응 챔버(1-108) 근처에 반응 챔버를 향해 샘플을 끌어당기는 전기장을 제공할 수 있다. 도 3ab는 구형파 파형에 대한 예시적인 전류 응답을 도시한다. 그러한 시변 전압 신호의 인가는 통합 디바이스의 표면을 향한, 그리고 일부 경우들에서, 반응 챔버 내로의 관심 분자의 단방향성 이동을 허용할 수 있다. 정현파 파형, 톱니파 파형, 및 삼각파 파형을 갖는 시변 전압 신호들을 포함하는, 다른 유형의 시변 전기 신호들이 전기동역학적 샘플 로딩을 위해 구현될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 인가된 파형의 피크 전압은 50 밀리볼트와 5 볼트 사이일 수 있다. 일부 구현들에서, 인가된 파형의 피크 전압이 0.5 볼트와 1 볼트 사이일 때 개선된 성능이 획득된다. 인가된 파형의 주파수는 0.1 Hz와 10 kHz 사이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 인가된 전압 및 주파수는 이들 범위의 말단 값들의 10% 이내일 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기동역학적 샘플 로딩을 위한 전극들에 인가되는 시변 전압 신호는 다수의 주기파의 조합(예를 들어, 2개 이상의 파형의 중첩 또는 곱셈)을 포함할 수 있다. 인가된 파형들 중 하나 이상은 일부 경우들에서 DC 바이어스를 포함할 수 있다. 시변 전압 신호는 제2 주파수 및 제2 진폭을 갖는 제2 주기파에 더하여 제1 주파수 및 제1 진폭을 갖는 제1 주기파를 포함할 수 있다. 제1 주파수와 제2 주파수는 상이할 수 있고, 일부 실시예들에서, 제1 주파수는 제2 주파수보다 작다. 유사하게, 제1 진폭과 제2 진폭은 상이할 수 있고, 일부 실시예들에서, 제1 진폭은 제2 진폭보다 크다. 도 3b는 주기 T1 및 진폭 A1을 갖는 제1 구형파 파형 및 제2 주기 T2 및 진폭 A2를 갖는 제2 구형파 파형을 포함하는 조합 시변 전압 신호를 도시한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 주기 T1은 주기 T2보다 크고, 진폭 A1은 진폭 A2보다 크다. 비록 조합된 구형파 파형들이 도시되지만, 일부 실시예들에서는 다른 파형들(정현파, 삼각파, 톱니파, 지수 감쇠 등)의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 조합된 파형들은 상이한 유형들(예를 들어, 구형파 및 정현파)일 수 있다.
일부 구현들에 따르면, 모든 반응 챔버들에 대한 전극들은, 인가된 신호가 통합 디바이스 상의 모든 반응 챔버들에서 대응하는 전기장을 생성하도록 함께 연결될 수 있다. 일부 경우들에서, 반응 챔버들(1-108)에서 전기장들을 생성하기 위해 인가된 신호들을 수신하기 위해 서로로부터 격리되는 복수의 전극이 존재할 수 있다. 이러한 경우에, 제1 세트의 전극들은 제1 그룹의 반응 챔버들에 대해 제1 전기장을 생성할 수 있고, 제2 세트의 전극들은 제2 그룹의 반응 챔버들에 대해 제2 전기장을 생성할 수 있고, 등등이다. 일부 경우들에서, 상이한 그룹의 반응 챔버들에 대해 상이한 전기장들을 생성하기 위해 상이한 신호들이 인가될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상이한 시간들에 반응 챔버들의 그룹들을 로딩하기 위해 상이한 시간들에 신호들이 인가될 수 있다. 일부 구현들에서, 바이어싱 회로는 광검출기 어레이들에 대한 판독 회로와 유사하게 배열될 수 있고, 따라서 반응 챔버들에 대한 전극들은 모든 다른 반응 챔버들과 관계없이 각각의 반응 챔버(1-108)(또는 반응 챔버들의 행 또는 반응 챔버들의 열)에서 전기장을 생성하도록 개별적으로 어드레싱될 수 있다.
샘플 분석을 위한 통합 디바이스의 사용 중에, 사용자는 통합 디바이스의 표면에 근접하여 관심 분자들을 갖는 현탁액을 도입할 수 있다(예를 들어, 특정 현탁액 부피를 피펫팅하는 것). 예를 들어 그리고 다시 도 1a를 참조하면, 사용자는 통합 디바이스의 표면(1-116) 상에 및/또는 픽셀 영역(1-203) 내에 현탁액을 퇴적할 수 있다. 리세스된 픽셀 영역(1-203) 및/또는 샘플 저장소(1-114)는, 현탁액이 반응 챔버들이 위치하는 픽셀 영역(1-203)으로부터 실질적으로 흐르지 않도록, 표면에 근접하여 현탁액을 유지하도록 작용할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 기법들에 따른 전기동역학적 샘플 로딩은 퇴적된 현탁액으로부터 개별 반응 챔버들 내로 관심 분자들을 로딩하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 기법들은 통합 디바이스의 반응 챔버 내로 관심 분자를 로딩하는 것을 돕도록 동작하는 전기장을 생성하기 위해 제1 전극과 제2 전극에 전기 신호(들)를 인가하는 것을 포함할 수 있다. 제1 전극과 제2 전극 중 하나 또는 둘 다는 통합 디바이스의 전기 도전성 층(들)을 포함할 수 있다. 전기장은 통합 디바이스의 표면 부근에서 생성되고 반응 챔버의 바닥 표면을 향한 방향으로 관심 분자를 이동시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 생성된 전기장은 현탁액 내의 다른 성분들(예를 들어, 샘플 잔해물, 군집제들, 응축제들)로부터 관심 분자를 분리하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스의 표면 상에 현탁액을 도입하는 것은 샘플과 조합하여 군집제 및/또는 응축제를 도입하는 것을 포함할 수 있다. 군집제들 및 응축제들에 대한 추가적인 상세들은 아래의 섹션 III를 포함하여 본 명세서에서 설명된다.
일부 실시예들은 통합 디바이스의 개별 반응 챔버들 내로 분자들이 로딩되었는지를 식별하는 정보를 이용하여 전극들에 인가되는 전기 신호를 변조하는 것을 수반할 수 있다. 예를 들어, 개별 분자들은 하나 이상의 형광 마커로 표지될 수 있는데, 형광 마커는, 반응 챔버를 형광 마커(들)를 여기시키는 광으로 조명하고 반응 챔버에 대응하는 광검출기(들)를 이용하여 반응 챔버로부터 방출된 임의의 광 - 이는 반응 챔버를 조명하는 것에 응답하여, 형광 마커(들)에 의해 방출된 광을 포함할 수 있음 - 을 검출하는 것에 의해 반응 챔버에 분자가 로딩되는지를 식별하기 위해 사용된다. 이 피드백 정보를 이용하여, 전기동역학적 샘플 로딩 동안 개별 반응 챔버들을 모니터링하여 개별 반응 챔버들 내로 분자들이 로딩되었는지를 결정할 수 있다.
일부 응용들에서, 이 피드백 정보는 샘플 로딩 프로세스 동안 전극들에 인가되는 전기 신호의 유형을 변경할 때를 통지할 수 있다. 예를 들어, 분자들을 로딩하기 위해 사용되는 전기 신호를 초기에 전극들에 인가하여 개별 반응 챔버들 내로의 분자들의 로딩을 허용할 수 있고 원하는 수의 반응 챔버들에 분자가 로딩되었다는 것을 식별하는 피드백 정보를 수신하는 것에 응답하여 상이한 전기 신호가 전극들에 인가될 수 있다. 피드백 정보를 수신하는 것에 응답하여 인가되는 전기 신호는 개별 반응 챔버들 내로의 분자들의 이동을 감소시키고/시키거나 분자가 로딩되는 반응 챔버 밖으로의 로딩된 분자의 이동을 감소시키도록 작용하는 전기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 그러한 전기 신호는 "반대 전기 신호(reverse electrical signal)"로 간주될 수 있는데 그 이유는 그것이 반응 챔버들 내로의 분자들의 추가 로딩을 금지하거나 감소시키도록 작용하기 때문이다. 그러한 기법들은 반응 챔버들의 능동적 모니터링을 허용하고 이 피드백 정보를 설명하도록 전극들에 인가되는 전기 신호들을 수정하는 것에 의해 반응 챔버들 내로의 분자들의 로딩을 더 개선할 수 있다.
반응 챔버들의 그룹에 대해 전기장이 생성되도록 전극들에 전기 신호가 인가되는 실시예들에서, 피드백 정보는 반응 챔버들의 그룹에 걸친 모니터링으로부터의 정보를 포함할 수 있고 분자가 로딩되는 그룹 내의 반응 챔버들의 수의 지시를 제공할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 분자가 로딩되는 그룹 내의 반응 챔버들의 수가 분자가 로딩되는 반응 챔버들의 임계 수 이상이라는 지시를 수신하는 것에 응답하여 반대 전기 신호가 전극들에 인가될 수 있다.
개별 반응 챔버들과 연관된 전기장이 변조될 수 있도록 전극들에 전기 신호들이 인가되는 실시예들에서, 예컨대 도 2d, 도 2g, 및 도 2i에 도시된 통합 디바이스들의 실시예들에서, 피드백 정보는 특정 반응 챔버들에 분자가 로딩되는지에 연관된 정보를 포함할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 피드백 정보에 기초하여 분자가 로딩되는 것으로 식별된 개별 반응 챔버들과 연관된 전극들에 반대 전기 신호가 인가될 수 있다. 이러한 방식으로, 분자가 아직 로딩되지 않은 반응 챔버들은 샘플 로딩을 돕도록 구성된 전기장을 갖는 반면 로딩된 분자를 갖는 것으로 식별된 해당 반응 챔버들은 추가적인 분자들이 반응 챔버에 들어가는 것을 감소시키거나 방지하는 전기장을 갖도록 상이한 반응 챔버들에 근접하여 상이한 전기장들이 생성될 수 있다.
통합 디바이스의 성능의 양태는 통합 디바이스의 동작 동안(예를 들어, 샘플들의 분석 동안) 반응 챔버의 안팎으로의 현탁액 내의 성분의 확산과 관련될 수 있다. 예로서, 반응 챔버(1-108) 내에 유지되는 DNA 복합체는 상당히 클 수 있고(큰 만연 부피를 가짐), 복제 제품은 서열 분석 런(sequencing run) 동안 크기가 성장한다. 일부 경우들에서, 큰 DNA 복합체는 반응 챔버의 부피를 많이 점유할 수 있고, 그에 의해 반응 챔버의 바닥으로의 형광 표지된 뉴클레오티드들의 확산 레이트를 제한할 수 있다. 표지된 뉴클레오티드의 감소된 확산 레이트는 서열 분석 속도(및 형광 펄스 레이트)뿐만 아니라 서열 분석 판독 길이를 제한할 수 있다. 확산 레이트를 개선하기 위해, 서열 분석 런 동안 전극들에 전기 신호들을 인가하여, 예를 들어, DNA의 적어도 하나의 테더링되지 않은 단부(untethered end)를 반응 챔버 밖으로 끌어당길 수 있다. 이는, 큰 만연 부피들을 갖는 분자들 또는 단백질들이 반응 챔버들에 유지될 때 서열 분석 또는 샘플 분석 동안 그러한 신호가 인가될 것이라는 점을 제외하고는, 위에서 설명된 "반대 전기 신호"와 유사한 방식으로 행해질 것이다. 일부 경우들에서, 샘플 분석 동안 전극들에 인가되는 신호는 샘플을 적어도 부분적으로 우물 밖으로 끌어당기기 위해 주기적으로 펄싱될 수 있다. 그러한 신호는 각각의 챔버에 대해 개별적으로 반응 챔버들의 전극들에 인가될 수 있거나, 챔버들의 그룹들에 인가될 수 있거나, 또는 칩 상의 모든 또는 거의 모든 반응 챔버들에 인가될 수 있다.
전기동역학적 샘플 로딩을 위해 사용되는 전극들에 전기 신호들을 인가하도록 구성된 회로는 상이한 유형의 신호들을 인가할 수 있다. 일부 실시예들에서, 회로는 통합 디바이스의 표면을 향해 관심 분자를 이동시키도록 구성된 제1 전기 신호를 인가하고, 반응 챔버 내에 관심 분자를 이동시키도록 구성된 제2 전기 신호를 인가할 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 전기 신호는 제1 전극 및 제2 전극에 인가되고, 제2 전기 신호는 제2 전극 및 제3 전극에 인가된다.
상이한 전극 구성들과 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 회로는 전기 도전성 층(들)으로 형성된 전극들뿐만 아니라 외부 전극들을 포함하는 전극들의 임의의 적합한 조합에 전기 신호들을 인가할 수 있다. 일부 실시예들에서, 회로는 전기 도전성 층(들)의 제1 서브세트를 포함하는 제1 전극 및 유전체 재료에 의해 제1 서브세트와 분리된 전기 도전성 층(들)의 제2 서브세트를 포함하는 제2 전극에 전기 신호들을 인가하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 회로는 동일한 전기 도전성 층(들)으로 형성된 제1 전극 및 제2 전극에 전기 신호들을 인가하도록 구성될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 제1 전극은 전기 도전성 층(들)의 제1 영역을 포함하고, 제2 전극은 전기 도전성 층(들)의 제2 영역을 포함하고, 여기서 제1 영역과 제2 영역은 유전체 재료에 의해 분리된다. 일부 실시예들에서, 회로는 전기 도전성 층(들)을 포함하는 제1 전극 및 통합 디바이스 외부의 제2 전극에 전기 신호들을 인가하도록 구성될 수 있다.
통합 디바이스의 전극들로서 형성될 전기 도전성 층(들)의 제조는 임의의 적합한 실리콘 기반 제조 처리(예를 들어, CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 처리)를 이용할 수 있다. 도 2f에 도시된 콘택(2-610)과의 전기 도전성 층(1-106b)의 와이어 본드 접촉과 같은 와이어 본드 접촉을 구현하는 실시예들에서, 제조는 전기 도전성 층과 접촉하는 금속 층의 형성 및 금속 층을 노출시켜 와이어 본드 접촉을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 금속 층은 100 nm 내지 800 nm 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위의 두께를 가질 수 있다. 금속 층의 두께는 금속 층 위에 형성된 전기 도전성 층 또는 와이어 본딩을 위한 강건한 콘택 영역을 허용할 수 있다.
도 4aa 내지 도 4ad는 통합 디바이스에서 전극을 형성하기 위해 사용되는 전기 도전성 층과의 와이어 본드 접촉을 위한 금속 층을 형성하기 위한 예시적인 프로세스와 연관된 구조물들을 도시한다. 도 4aa에 도시된 제1 단계는 유전체 층(4-102) 위에 금속 층(4-104)(예를 들어, 알루미늄(Al))을 형성하는 것을 포함한다. 금속 층(4-104)은 100 nm 내지 800 nm 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위의 두께를 가질 수 있다. 비록 도 4aa에 도시되지 않았지만, 일부 실시예들은 금속 층(4-104) 아래에 하나 이상의 부착 층(예를 들어, 티타늄, 티타늄 질화물)을 형성하는 것을 수반할 수 있다. 도 4ab에 도시된 제2 단계는 유전체 층(4-102) 내로 금속 층(4-104)의 일부를 에칭하는 것을 포함하고, 이는 도 1a에 도시된 픽셀 영역(1-203)과 같은 반응 챔버들을 갖는 결과적인 통합 디바이스의 영역을 형성할 수 있다. 도 4ac에 도시된 제3 단계는 에칭된 금속 층(4-104) 및 유전체 층(4-102) 위에 전기 도전성 층들(4-106a 및 4-106b)을 형성하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전기 도전성 층(4-106b)은 알루미늄을 포함하고, 전기 도전성 층(4-106a)은 티타늄 질화물을 포함한다. 도 4ad에 도시된 제4 단계는 금속 층(4-104) 위에 전기 도전성 층(4-106a)의 일부를 에칭하여 전기 도전성 층(4-106b)을 노출시키는 것을 포함한다. 전기 도전성 층(4-106a)을 에칭하는 것, 및 본 명세서에서 설명된 다른 에칭 단계들은 임의의 적합한 리소그래피 및 에칭 기법들을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 에칭되지 않은 마스크 영역들에 레지스트가 도포되고 패터닝될 수 있고, 레지스트는 에칭이 완료된 후에 제거될 수 있다.
도 4ba 내지 도 4bc는 통합 디바이스 내의 전극들로서 역할을 할 수 있는 전기 도전성 층들과의 접촉들을 형성하기 위한 예시적인 프로세스와 연관된 구조물들을 도시한다. 도 4ba에 도시된 제1 단계는, 도 4ab에 도시된 바와 같은, 금속 층(4-104) 및 유전체 재료(4-102)를 에칭한 후에 발생할 수 있고, 에칭된 금속 층(4-104) 및 유전체 재료(4-102) 위에 전기 도전성 층(4-106c), 유전체 층(4-108), 전기 도전성 층(4-108b), 및 전기 도전성 층(4-106a)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 도 4bb에 도시된 제2 단계는 층들(4-106a, 4-106b, 4-108, 및 4-106c) 및 유전체 재료(4-102)를 통해 에칭하여 반응 챔버를 형성하는 것을 포함한다. 이 단계는 에칭된 반응 챔버의 측면들 상에 측벽(들)(4-120)을 형성하는 것을 또한 포함할 수 있다. 도 4bc에 도시된 제3 단계는 금속 층(4-104) 위의 층들(4-106a, 4-106b, 및 4-108)을 통해 콘택 개구(4-110)를 에칭하여 전기 도전성 층(4-106c)을 노출시키는 것을 포함한다. 이 단계는 층(4-106a)을 통해 콘택 개구(4-112)를 에칭하여 전기 도전성 층(4-106b)을 노출시키는 것을 또한 포함할 수 있다. 결과적인 통합 디바이스는 도 2c에 도시된 것과 유사한 구성을 가질 수 있다. 도 4aa 내지 도 4ad, 도 4ba 내지 도 4bc, 및 도 4da 내지 도 4dc에 도시된 구조물들을 획득하기 위해 하위 단계들(예를 들어, 레지스트 퇴적, 패터닝, 제거, 세정, 추가적인 에칭, 등)이 수행될 수 있다는 점을 이해할 수 있다.
일부 실시예들은 반도체 영역의 일부로서 형성될 수 있는 하나 이상의 금속 층(들)에 하나 이상의 도전성 층(들)을 전기적으로 연결하기 위한 통합 디바이스 내의 하나 이상의 비아(들)의 제조와 관련된다. 비아에 전기적으로 결합되는 전기 도전성 층(들)의 형성 전에 개별 비아들이 형성될 수 있다. 도 4c는 도 2i에 도시된 통합 디바이스와 같은 통합 디바이스의 제조 동안 비아(들)를 형성하는 예시적인 방법(4-300)의 단계들을 예시한다. 단계 4-310에서, 통합 디바이스의 반도체 영역 위에 통합 디바이스의 광학 구조물(들)(예를 들어, 도파관들)이 형성된다. 도 2i를 참조하면, 단계 4-310은 금속 층들(1-240a 및 1-240b)을 포함하는 반도체 영역(2-640) 위에 유전체 재료(2-614) 내에 도파관(들)(1-220)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 단계 4-310은 유전체 재료(2-614)에 대한 평탄화된 표면을 형성하기 위한 CMP(chemical-mechanical planarization) 처리의 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다(예를 들어, 유전체 재료(2-614)가 구축되고 통합 구조물들이 형성됨에 따라). 통합 디바이스가 도 2i에 도시된 픽셀 영역(1-203) 내의 리세스된 영역(2-905)과 같은 리세스된 또는 트렌치 영역을 포함하는 실시예들에서, 리세스된 영역(2-905)은, 예를 들어, 유전체 퇴적 및 CMP 단계들 후에 단계 4-310에서 형성될 수 있다.
방법(4-300)은 단계 4-320을 포함할 수 있고, 이는 반도체 영역 내의 금속 층(들)에 액세스하기 위해 관통 비아들을 에칭하는 것을 포함한다. 단계 4-320에서 수행되는 에칭은 도 2i에 도시된 유전체 재료(2-614)와 같은 유전체 재료, 및/또는 반도체 영역(2-640) 내의 재료의 일부를 통해 에칭하여 금속 층들에 액세스하는 개구들을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 방법(4-300)은 단계 4-330을 추가로 포함할 수 있고, 이는 에칭된 개구들을 전기 도전성 재료(들)로 채움으로써 도전성 비아(2-910, 2-920)를 형성하는 것을 포함한다. 에칭된 개구들을 채우기 위해 사용되는 적합한 재료의 예는 텅스텐이다. 단계 4-330은 CVD(chemical vapor deposition)를 포함하는 임의의 적합한 금속화 처리 기법들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 에칭된 개구들 내의 전기 도전성 재료(들)의 퇴적 후에 CMP(chemical-mechanical planarization) 처리를 이용하여 과잉 금속 퇴적을 제거하고 에칭된 개구들을 채우는 도전성 플러그들(도전성 비아들이라고도 지칭됨)을 남기면서 도파관 위에 평탄화된 표면을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 에칭된 개구들 내의 전기 도전성 재료(들)의 퇴적 후에 리소그래피 및 에칭 기법들을 이용하여 도파관 위의 잔여 재료를 제거할 수 있는데, 이는 그렇지 않으면 결과적인 통합 디바이스의 도파관 및/또는 다른 광학 구조물들의 광학 성능에 영향을 줄 수 있다.
방법(4-300)은 단계 4-340을 추가로 포함할 수 있고, 이는, 예를 들어, 도전성 비아(들)(2-910, 2-920) 상에 전기 도전성 층(들)(1-106c1, 1-106c2)을 형성하는 것을 포함한다. 전기 도전성 층(들)은 CVD(chemical vapor deposition)를 포함하는 적합한 퇴적 프로세스를 이용하여 형성될 수 있다. 도 2i를 참조하면, 단계 4-340에서 전기 도전성 층들(1-106c1 및 1-106c2)이 형성될 수 있다. 방법 4-300은 단계 4-350을 추가로 포함할 수 있고, 이는 단계 4-340에서 형성된 전기 도전성 층(들) 위에 전기 도전성 층(들)(1-106a, 1-106b) 및 유전체 층(들)을 포함하는 추가적인 층들을 형성하는 것, 및 퇴적된 층들을 통해 반응 챔버(들)를 형성하는 것을 포함한다. 일부 경우들에서, 리세스된 영역(2-905)은 전기 도전성 층(들)(1-106a, 1-106b) 위에 퇴적된 하나 이상의 유전체 층에서 에칭될 수 있다. 전기 도전성 층(들) 위에 형성될 수 있는 적합한 유전체 재료들의 예들은 실리콘 이산화물(SiO2), 티타늄 이산화물(TiO2), 탄탈 산화물(TaO5), 하프늄 산화물(HfO2), 및 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함한다.
도 2i를 참조하면, 전기 도전성 층들(1-106c1 및 1-106c2) 위에 유전체 재료(2-614) 및 전기 도전성 층들(1-106a, 1-106b)이 형성될 수 있다. 반응 챔버(들)(1-108)를 형성하는 것은 하나 이상의 전기 도전성 층 및 유전체 층(들)을 통해 다단계 에칭 프로세스를 포함할 수 있다. 도 2i에 도시된 바와 같이, 전기 도전성 층들(1-106a, 1-106b, 및 1-106c1, 1-106c2)을 통해 그리고 유전체 재료(2-614) 내로 반응 챔버들(1-108)이 형성된다. 일부 실시예들에서, 단계 4-350은 반응 챔버(들)의 측벽(들) 상에 스페이서 재료를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계 4-350에서 도 2i에 도시된 바와 같은 측벽들(2-120) 상의 스페이서 재료가 형성될 수 있다.
통합 디바이스의 일부 실시예들은 적어도 부분적으로 유전체 재료로 형성된 표면(1-116)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 도전성 층(들) 위에 유전체 재료의 하나 이상의 층이 형성될 수 있고 이 하나 이상의 층의 영역이 개별 반응 챔버들의 위치들에 대응하도록 제거될 수 있다. 이러한 방식으로, 통합 디바이스의 결과적인 표면은 "천공된 유전체 층"을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 그러한 통합 디바이스의 구성은 반응 챔버들에 근접한 특히 높은 전기장을 갖는 전기장을 생성하는 것을 허용할 수 있다. 도 4da 내지 도 4dc는 천공된 유전체 층을 형성하기 위한 예시적인 프로세스와 연관된 구조물들을 도시한다. 도 4da에 도시된 제1 단계는, 도 4ab에 도시된 바와 같은, 금속 층(4-104) 및 유전체 재료(4-102)를 에칭한 후에 발생할 수 있고, 에칭된 금속 층(4-104) 및 유전체 재료(4-102) 위에 전기 도전성 층(4-106c), 전기 도전성 층(4-108b), 전기 도전성 층(4-106a), 및 유전체 층(4-408)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 도 4db에 도시된 제2 단계는 영역들에서 유전체 층(4-408)을 통해 에칭하여 전기 도전성 층(4-106a)을 노출시키는 것을 포함한다. 유전체 층(4-408)을 에칭하는 것은 임의의 적합한 리소그래피 및 에칭 기법들을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 도 4dc에 도시된 제3 단계는 층들(4-106a, 4-106b, 4-108, 및 4-106c)을 통해 에칭하여 전기 도전성 층(4-106a)의 노출된 영역들에 대응하는 위치들에서 개별 반응 챔버들을 형성하는 것을 포함한다. 이 단계는 에칭된 반응 챔버의 측면들 상에 측벽(들)(4-120)을 형성하는 것을 또한 포함할 수 있다. 비록 하나의 유전체 층만이 유전체 층(4-408)으로서 도시되어 있지만, 유전체 재료의 임의의 적합한 수의 층이 전기 도전성 층(들) 위에 형성될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 유전체 층(4-408)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 유전체 재료들의 예들은 실리콘 이산화물(SiO2), 티타늄 이산화물(TiO2), 탄탈 산화물(TaO5), 하프늄 산화물(HfO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 및 다른 금속 산화물들을 포함한다.
III. 추가적인 샘플 로딩 기법들
여러 양태들 중에서, 본 출원은 반응 챔버 내로 관심 샘플을 로딩하기 위한 디바이스들 및 방법들을 설명한다. 일부 양태들에서, 본 명세서에서 설명된 기법들은 통합 디바이스의 표면에 대해 원위의 바닥 표면을 갖는 적어도 하나의 반응 챔버를 포함하는 통합 디바이스의 표면(1-116)에 샘플들(예를 들어, 관심 분자들, 단백질들, 또는 입자들)을 함유하는 현탁액을 접촉시키는 단계들을 수반한다. 현탁액은 리세스된 영역(2-905) 내에 배치되는 복수의 샘플을 함유하는 액체 용액을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 현탁액은 샘플들이 용해되는 액체를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 현탁액은 샘플들이 분산되는 액체를 포함할 수 있다. 용어 "현탁액"은 본 명세서에서 어느 하나의 유형의 샘플 혼합물을 지칭하기 위해 사용된다. 현탁액은 반응 챔버 내에서 일어나는 반응에 참여하는 반응 성분들을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 현탁액은 샘플들을 반응 챔버의 바닥 표면을 향해 추가로 유도하는 군집제와 접촉될 수 있다. 일부 실시예들에서, 현탁액은 샘플들을 응축(예를 들어, 압축)하는 응축제와 접촉될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반응 챔버의 바닥 표면은, 샘플을 결합 모이어티에 결합하는 것을 허용하기에 적합한 조건 하에서, 관심 샘플을 결합하고, 그에 의해 샘플을 반응 챔버의 바닥 표면에 결합하도록 구성된 결합 모이어티를 포함한다.
일부 양태들에서, 본 명세서에서 설명된 디바이스들 및 방법들은 현탁액 내의 개별 샘플의 검출을 허용하는 기법들에 유용할 수 있다. 개별 샘플은, 제한이 아닌 예로서, 아미노산, 폴리펩티드, 뉴클레오티드, 및/또는 핵산일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 출원에서 제공되는 디바이스들 및 방법들은 단일 분자 핵산 서열 분석 기술들과 함께 사용될 수 있다. 단일 분자 핵산 서열 분석은 템플릿 핵산과 상보적인 핵산 분자의 연장을 실시간으로 모니터링함으로써 단일 템플릿 핵산 분자의 서열의 결정을 허용한다.
특정 기법들에서, 단일 분자 핵산 서열 분석은 복수의 반응 챔버 각각 내의 단일 서열 분석 템플릿들을 단리시킴으로써 수행된다. 그러나, 많은 응용들에서, 총 현탁액 부피에 대한 이들 반응 챔버의 총 부피는 상당히 낮다. 추가적으로, 단일 반응 챔버들에서 다수의 템플릿을 최소화하기 위해 요구되는 현탁액 내의 서열 분석 템플릿의 농도는 종종 낮아서, 서열 분석 템플릿들을 반응 챔버들 내로 로딩하는 동역학(kinetics)은 성공적으로 로딩되고 충분히 활성인 복합체들의 양을 엄격하게 제한할 수 있다.
특정 기법들에서, 단일 반응 챔버가 단일의 관심 샘플(예를 들어, 단일 서열 분석 템플릿)을 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 일부 실시예들에서, 예를 들어, 서열 분석 템플릿을 포함하는 현탁액을 반응 챔버의 어레이를 포함하는 통합 디바이스 상에 로딩할 때, 통합 디바이스를 높은 농도의 서열 분석 템플릿으로 과포화시키는 것을 피하기 위해 주의를 기울여야 한다. 그러한 경우들에서는, 희석 농도의 서열 분석 템플릿을 갖는 현탁액을 로딩하는 것이 종종 바람직하다.
이론에 얽매이기를 바라지 않고, 반응 챔버들의 어레이에 걸친 희석 농도의 현탁액에서의 서열 분석 템플릿들의 분포는 푸아송 분포에 의해 최상으로 모델링되는 것으로 가정된다. 이 이산 확률 분포는 어레이 내의 반응 챔버들 중 대략 37%가 하나의 서열 분석 템플릿을 함유할 것이고, 나머지 반응 챔버들은 제로 또는 다수의 서열 분석 템플릿들을 함유한다고 예측한다. 실제로, 반응 챔버들의 어레이에 걸쳐 37% 단일 점유를 달성하는 것은 임의의 수의 화학적 및/또는 기계적 변수들에 의해 복잡할 수 있다. 일부 양태들에서, 본 명세서에서 설명된 디바이스들 및 방법들은 반응 챔버들의 어레이에 걸쳐 단일 점유의 백분율을 유리하게 증가시킨다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 디바이스들 및 방법들은 푸아송 통계에 의해 예측된 양과 비교할 만하거나, 거의 동일하거나, 그보다 큰 반응 챔버들의 어레이에서 관심 분자들의 단일 점유를 달성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 개시내용의 디바이스들 및 방법들은 어레이 내의 반응 챔버들 중 20%와 25% 사이, 어레이 내의 반응 챔버들 중 25%와 30% 사이, 30%와 35% 사이, 35%와 37% 사이, 37%와 40% 사이, 40%와 45% 사이, 45%와 50% 사이, 50%와 60% 사이, 60%와 70% 사이, 70%와 80% 사이, 80%와 90% 사이, 90%와 95% 사이, 95%와 99% 사이, 또는 95%와 100% 사이의 관심 분자들의 단일 점유를 달성할 수 있다. 일부 경우들에서, 점유는 이들 범위들 중 하나 이상에서의 말단 값들의 10% 이내일 수 있다.
본 명세서에서 설명된 디바이스들 및 방법들은 극도로 작은 부피들의 반응 챔버들 내로 관심 분자들을 로딩하는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 통합 디바이스 및 그 안의 모든 반응 챔버들에서의 샘플 저장소(예를 들어, 리세스된 영역(2-905))의 용량은 대략 20 × 10-6 L이고, 각각의 반응 챔버는 대략 3 × 10-18 L의 부피를 갖는다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 512,000개의 반응 챔버를 함유한다. 따라서, 일부 실시예들에서, 모든 반응 챔버들의 총 부피는 현탁액에 대한 용량의 대략 0.00000768%를 차지한다.
A. 군집제
일부 실시예들에서, 군집제는 현탁액의 벌크 용매로부터 관심 샘플들(예를 들어, 서열 분석 템플릿들)을 효과적으로 배제할 수 있다. 군집제를 포함시키는 것은 반응 챔버들을 향해 그리고/또는 반응 챔버들 내로 관심 분자들을 추진하는 것을 도울 수 있는 현탁액의 벌크 부피로부터 관심 분자들을 배제하는 부피 배제 효과(volume exclusion effect)를 생성할 수 있다. 결과로서, 더 큰 백분율의 반응 챔버들이 성공적으로 로딩된 관심 분자를 수용할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 군집제는 통합 디바이스의 표면에서 관심 분자의 농도를 효과적으로 증가시키는 열역학적 추진력을 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 군집제들은 반응 챔버들 내로의 관심 분자들의 이동을 가속시키는 동역학 효과를 가짐으로써 로딩 시간을 감소시킬 수 있다.
본 명세서에서 사용된, "군집제(crowding agent)"는 샘플 군집을 허용하거나, 향상시키거나, 또는 용이하게 하는 임의의 화합물 또는 분자이다. 임의의 특정 메커니즘에 얽매이기를 바라지 않고, 군집제들이 샘플들 또는 다른 거대분자들에 이용가능한 용매의 부피를 감소시키는 것이 제안된다. 이 배제된 부피 효과는, 군집제와의, 입체 반발(steric repulsion)과 같은, 비-특정 상호작용들의 결과로서 샘플들 또는 거대분자들에 액세스 가능한 부피를 제한한다. 따라서, 일부 실시예들에서, 군집제는 "부피 배제자" 또는 "부피 배제제"라고 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 군집제는 동일한 현탁액 내의 다른 성분들에 대해 불활성이다. 일부 실시예들에서, 군집제는 동일한 현탁액에서 발생하는 반응들과 간섭하지 않는다.
부피 배제 효과를 생성하는 상이한 유형의 군집제들이 본 명세서에서 설명된 샘플 로딩 기법들의 일부로서 사용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 일부 유형의 군집제들은 물을 끌어당기고, 이는 물 이외의 분자들이 특정 위치에서, 예컨대 통합 디바이스의 표면에서 모이고/모이거나 집중되는 것을 허용할 수 있다. 일부 경우들에서, 군집제는 현탁액 내의 샘플 또는 거대분자를 배제하기 위해 현탁액 내의 물에 결합하고/하거나 이를 결속시킨다. 다른 유형의 군집제는 현탁액 내의, 서열 분석 템플릿과 같은, 관심 분자의 부피를 압축하도록 작용할 수 있다. 그러한 군집제들은 더 큰 서열 분석 템플릿이 반응 챔버 내로 로딩되는 것을 허용할 수 있는데 그 이유는 서열 분석 템플릿의 전체 부피가 감소되기 때문이다. 다른 유형의 군집제는 상분리를 촉진하고/하거나 삼투압을 가할 수 있다.
샘플 로딩 프로세스의 일부로서 하나 이상의 군집제를 포함시키는 것은, 어떠한 군집제도 사용되지 않는 경우보다 더 긴 거리들에 걸쳐 그리고 더 빠르게 분자들의 로딩을 용이하게 하는 것을 포함하여, 반응 챔버들 내로의 관심 분자들의 로딩을 용이하게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 군집제는, 예를 들어, 디바이스를 사용하는 샘플들의 단일 분자 분석이 수행될 수 있기 전에 반응 챔버들을 포함하는 통합 디바이스 상에 현탁액을 인큐베이트하기 위해 요구되는 시간을 감소시킬 수 있다. 일부 구현들에서, 특정 군집제는 반응 챔버들 내로 이동하는 것이 아니라 샘플 저장소 내에 머무르도록(예를 들어, 우선적으로) 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이는 반응 챔버들 내로의 샘플들(예를 들어, DNA-폴리머라제 복합체)의 로딩을 추진하는 열역학적 추진력을 촉진한다. 일부 실시예들에서, Ficoll 또는 폴리비닐피롤리돈과 같은 더 낮은 점도 군집제는 더 높은 점도 작용제들에 비해 높은 이동도 및 불량한 국부화를 갖고 더 높은 점도 작용제들만큼 효과적이지 않다. 그러나, 일부 컨텍스트들에서는 더 낮은 점도 작용제들이 유용할 수 있다는 점을 이해해야 한다.
일부 실시예들에서, 군집제는 폴리사카라이드이다. 일부 실시예들에서, 군집제는 셀룰로오스 분자이다. 일부 실시예들에서, 군집제는 메틸 셀룰로오스이다. 일부 실시예들에서, 군집제는 에틸 셀룰로오스, 에틸 메틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 하이드록시에틸 메틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 메틸 셀룰로오스, 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 및 이들의 유도체들 및 조합들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 셀룰로오스 분자이다. 일부 실시예들에서, 군집제는 Ficoll 폴리머이다. 일부 실시예들에서, 셀룰로오스 군집제(예를 들어, 63,000의 Methocel MC)와 같은 군집제는 50,000 내지 500,000 Da(예를 들어, 일부 실시예들에서 50 kDa 내지 100 kDa, 일부 실시예들에서 100 kDa 내지 200 kDa, 일부 실시예들에서 200 kDa 내지 300 kDa, 일부 실시예들에서 300 kDa 내지 400 kDa, 그리고 또한 일부 실시예들에서 400 kDa 내지 500 kDa)의 평균 분자량을 갖는다. 일부 경우들에서, 군집제는 500 kDa보다 큰 평균 분자량을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 군집제는 분석을 위한 샘플들이 추가될 수 있거나 추가되었을 수 있는 현탁액 내에 제공된다. 일부 실시예들에서, 현탁액 내의 군집제의 농도는 중량으로 0.6%와 0.9% 사이이거나 말단 값들 중 어느 하나와 동등하다. 일부 실시예들에서, 현탁액 내의 군집제의 농도는 중량으로 0.9%와 1.8% 사이이거나 말단 값들 중 어느 하나와 동등하다. 일부 실시예들에서, 현탁액 내의 군집제의 농도는 중량으로 1.8%와 2.0% 사이이거나 말단 값들 중 어느 하나와 동등하다. 일부 실시예들에서, 현탁액 내의 군집제의 농도는 중량으로 2.0%와 2.3% 사이이거나 말단 값들 중 어느 하나와 동등하다. 일부 실시예들에서, 현탁액 내의 군집제의 농도는 중량으로 약 2.3%이다. 일부 실시예들에서, 군집제는 현탁액 내에 중량으로 0.1% 내지 중량으로 1.0% 사이, 일부 경우들에서는 중량으로 1.0% 내지 중량으로 5.0% 사이, 일부 경우들에서는 중량으로 5.0% 내지 중량으로 10.0% 사이, 그리고 또한 일부 경우들에서는 중량으로 10.0% 내지 중량으로 20.0% 사이로 존재한다. 일부 구현들에서, 현탁액 내의 군집제의 농도는 중량으로 20%보다 큰 값을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, 군집제의 농도는 위의 표현된 범위들 또는 값들의 10% 이내이다.
일부 실시예들에서, 군집제는 현탁액(예를 들어, 샘플 저장소 내)과 직접 접촉하여 배치될 수 있는 겔(예를 들어, 친수성 겔)의 형태로 제공된다. 겔들은 피펫팅 고려사항들에 의해 제한되지 않고 적용될 수 있고(예를 들어, 겔 플러그 형태로) 더 높은 농도 및 점도의 군집제가 겔의 형태로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 군집제는 고체 상태로 제공된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 군집제는 막(film), 섬유질 재료, 막질(membranous) 재료, 접착제 재료, 복합 재료, 라미네이트 재료, 또는 이들의 일부 조합으로서 제공된다.
B. 응축제
본 명세서에서 사용된, "응축제(condensing agent)"는, 관심 샘플과 조합될 때 관심 샘플(예를 들어, 분자 또는 거대분자)이 응축제의 부재시에 그의 구조물에 대해 응축된 구조를 취하게 하는 임의의 천연 또는 합성 화합물을 지칭한다. 예를 들어, 주어진 현탁액에서, 관심 샘플은 응축제가 없는 동일한 현탁액보다 응축제의 존재시에 더 작은 부피를 점유한다. 이러한 방식으로, 응축제는 현탁액 내의 관심 샘플(예를 들어, 분자)의 점유 부피를 감소시키도록 작용할 수 있다. 현탁액 내의 분자의 컨텍스트에서, 응축제는 현탁액 내의 관심 분자의 만연 부피를 감소시키도록 작용할 수 있다. 응축제는 관심 분자와 상호작용하여 해당 분자가 현탁액 내의 총 부피의 더 작은 분율을 점유하는 압축된 구조를 채택하도록 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 응축제는 핵산 응축제이다. 핵산 응축제들은, 부피 배제 및 전하 스크리닝을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 다양한 메커니즘들에 의해 핵산들을 압축할 수 있다. 핵산을 응축시키는 작용제의 능력을 평가하기 위한 검정들은, 예를 들어, WO/1996/021036에서 설명된 바와 같이, 본 기술분야에 공지되어 있고, 그의 관련 내용은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 일부 실시예들에서, 핵산 응축제는 정전기 전하-전하 상호작용들을 통해 핵산들과 상호작용하여 핵산 구조의 붕괴(예를 들어, 핵산 응축)를 유도한다. 일부 실시예들에서, 응축제는 다음 중 하나 이상의 결과로서 핵산을 응축시킬 수 있다: 삼투압을 가하여 나선형 구조의 세그먼트들을 함께 모으는 것(예를 들어, 분자 군집 효과), 핵산 세그먼트들 사이의 밀어내는 상호작용들을 감소시키는 것(예를 들어, 인산염 전하를 중화시키는 것에 의해), 및 핵산 세그먼트들 사이의 끌어당기는 상호작용들을 증가시키는 것. 일부 실시예들에서, DNA 세그먼트 사이의 끌어당기는 상호작용들은 다가의(multivalent) 양이온 대전된 응축제들에 의해 유도될 수 있다.
일부 실시예들에서, 응축제는 다양이온(polycation)을 포함한다. 본 명세서에서 사용된, 다양이온은 일반적으로 복수의 양으로 대전된 부위들을 갖는 화합물을 지칭한다. 일부 실시예들에서, 다양이온은 관심 분자를 포함하는 현탁액 내에 존재할 때 다양이온성(polycationic)이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 관심 분자를 포함하는 현탁액에서의 조건(예를 들어, pH, 완충제 용량, 이온 강도)은 응축제가 현탁액에서 다양이온성이도록 하는 것이다. 일부 실시예들에서, 다양이온은 생리학적 pH(예를 들어, pH
Figure pct00001
7.4)에서 다양이온성이다. 일부 실시예들에서, 다양이온은 양으로 대전된 모노머 유닛들의 폴리머이지만, 폴리머에는 일부 비-양으로(non-positively) 대전된 유닛들이 존재할 수도 있다. 다양이온들의 예들은, 일부 실시예들에서, 폴리아민들, 예컨대 스페르민, 스페르미딘, 및 푸트레신을 포함한다. 일부 실시예들에서, 다양이온은 폴리아미노산, 예컨대 폴리히스티딘, 폴리리신, 폴라아르기닌, 및 폴리오르니틴을 포함한다. 다양이온성 응축제들로서의 사용을 위해 다른 염기성 펩티드들 및 작은 염기성 단백질들이 추가로 고려된다(예를 들어, 히스톤들, 프로타민들). 아미노산들로 구성된 다양이온들에 대해, L- 또는 D- 형태들이 사용될 수 있다. 염기성 아미노산들은 라이신, 아르기닌, 오르니틴 및 카날린과 같은 아미노산 유사체, 호모아르기닌과 같은 변형된 염기성 아미노산, 및 구아니디노발리네이트, 및 아미노에틸시스테인과 같은 양전하를 운반하도록 변형된 다른 변형된 아미노산을 포함한다. 다양이온들의 추가적인 예들은 폴리암모늄(예를 들어, 폴리브렌(헥사디메트린 브로마이드)), 지질(예를 들어, DOTAP, DC-Chol/DOPE, DOGS/DOPE, 및 DOTMA/DOPE)을 포함한다.
C. 통합 디바이스 상에 현탁액 로딩
일부 양태들에서, 본 출원은 적어도 하나의 관심 샘플을 포함하는 현탁액을 반응 챔버들(1-108)을 포함하는 통합 디바이스(1-102)의 표면 상에 로딩하는 데 유용한 디바이스들 및 방법들을 제공한다. 현탁액 로딩은 임의의 수의 적합한 방법들에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 관심 분자들을 함유하는 현탁액은, 예를 들어, 의료실무자(practitioner)에 의해, 예를 들어, 피펫, 디스펜서, 또는 임의의 적합한 유체 전달 디바이스/시스템을 통해 로딩된다. 일부 실시예들에서, 현탁액은 자동화된 수단(예를 들어, 로봇 디바이스/시스템)에 의해 로딩된다. 일부 실시예들에서, 현탁액은 하나 이상의 미세유체 채널을 통해 로딩된다.
일부 실시예들에서, 관심 샘플은 통합 디바이스에 샘플들을 전달하기 위해 일반적으로 사용되는 방법들에 의해 통합 디바이스(예를 들어, 반응 챔버들, 어레이를 포함하는 통합 디바이스)에 전달될 수 있다. 예를 들어, 전달 방법들은 유체 내에 관심 샘플을 부유시키는 단계, 및 결과적인 현탁액을 통합 디바이스의 반응 챔버들로 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 이는 단순히 통합 디바이스의 하나 이상의 영역 상에 관련 현탁액을 피펫팅하는 것을 포함할 수 있거나, 이는 전기-방향 또는 압력 기반 유체 흐름과 같은 더 능동적인 흐름 방법들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 관심 샘플을 포함하는 현탁액이 통합 디바이스의 선택된 영역들 내로 유입되고, 예를 들어, 여기서 특정 관심 분자가 통합 디바이스의 특정 영역에서 분석될 것이다. 이는 마스킹 기법들(유체 흐름을 유도하기 위해 마스크를 적용), 미세유체들에 의해, 또는 잉크젯 인쇄 방법들에 의한 것을 포함하여, 전기-방향 또는 압력 기반 유체 흐름과 같은 능동적인 흐름 방법들에 의해 달성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반응 챔버들로의 현탁액 내의 샘플들의 전달을 위해 패터닝된 미세유체 채널들에서의 미세유체 흐름이 사용될 수 있다. 통합 디바이스의 영역들은 또한 단순히 관련 현탁액을 통합 디바이스의 올바른 영역 내로 피펫팅함으로써 전달의 선택적 표적들일 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 샘플 로딩에서 사용되는 조성물들은 임의의 적합한 순서로 통합 디바이스의 표면에 도입될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 샘플들을 함유하는 현탁액은 군집제 및/또는 응축제와 접촉되기 전에 표면에 접촉된다. 일부 실시예들에서, 현탁액은 군집제 및/또는 응축제와 접촉되기 전에 표면에 접촉되고 인큐베이션 주기 동안 인큐베이트하도록 허용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 응축제는 그러한 인큐베이션 주기 동안 현탁액 내에 존재한다. 일부 실시예들에서, 군집제 및/또는 응축제는 현탁액이 도입된 후에 즉시 또는 대략 곧 표면 상에 도입된다. 일부 실시예들에서, 현탁액은 표면에 도입되기 전에 군집제 및/또는 응축제를 포함한다.
D. 예시적인 샘플들
서열 분석에 관한 관심 샘플들의 일부 예들이 이 섹션에서 설명되지만, 본 발명은 설명된 예시적인 샘플들만으로 제한되지 않는다. 설명된 장치 및 샘플 로딩 기법들은 단백질들, 서브-미크론-스케일 입자들, 생물학 및 비-생물학 분자들에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된, "서열 분석 템플릿(sequencing template)"은 관심 샘플의 예이고 분석(예를 들어, 서열 분석 분석)의 대상인 분자이다. 일부 실시예들에서, 서열 분석 템플릿은 핵산 분자를 포함한다. 일부 실시예들에서, 핵산 분자는 "표적" 또는 "템플릿" 핵산이라고 지칭된다. 핵산 분자는 일부 실시예들에서 1 kb와 10 kb 사이, 일부 실시예들에서 10 kb와 25 kb 사이, 일부 실시예들에서 25 kb와 50 kb 사이, 일부 실시예들에서 50 kb와 100 kb 사이, 일부 실시예들에서 100 kb와 250 kb 사이, 일부 실시예들에서 250 kb와 500 kb 사이, 또는 일부 실시예들에서 500 kb와 1000 kb 사이일 수 있다. 일부 경우들에서, 핵산 분자는 이들 범위의 말단 값들의 10% 이내인 길이를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 핵산 분자는 적어도 하나의 혼성화된 프라이머/중합 효소 복합체를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 핵산 분자는 서열 분석 프라이머가 핵산 분자에 어닐링되도록 핵산 분자의 일부와 상보적인 서열 분석 프라이머와 접촉된다. 이 프라이밍 위치는 중합 효소(예를 들어, DNA 또는 RNA 폴리머라제)가 혼성화된 프라이머/중합 효소 복합체를 형성하기 위해 핵산 분자에 결합할 수 있는 부위를 생성한다. 따라서 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 혼성화된 프라이머/중합 효소를 포함하는 서열 분석 템플릿은 "서열 분석 템플릿 복합체"라고 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "핵산(nucleic acid)"은 하나 이상의 핵산 서브유닛을 포함하는 분자를 일반적으로 지칭한다. 핵산은 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T), 및 우라실(U), 또는 이들의 변이체들로부터 선택된 하나 이상의 서브유닛을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 핵산은 데옥시리보핵산(DNA) 또는 리보핵산(RNA), 또는 이들의 유도체들이다. 일부 실시예들에서, 핵산은 고정된 핵산(LNA), 펩티드 핵산(PNA), 트리아졸-링크된 핵산, 2'-F-변형된 핵산, 및 이들의 유도체들 및 유사체들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 변형된 핵산이다. 핵산은 단일 가닥 또는 이중 가닥일 수 있다. 일부 실시예들에서, 핵산은 뉴클레오티드들의 임의의 폴리머를 일반적으로 지칭한다.
뉴클레오티드(예를 들어, 뉴클레오시드 폴리포스페이트)는 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T), 및 우라실(U), 또는 이들의 변이체들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 뉴클레오티드(예를 들어, 뉴클레오시드 폴리포스페이트)는 메틸화된 핵염기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메틸화된 뉴클레오티드는 핵염기에 부착된(예를 들어, 핵염기의 고리에 직접 부착, 핵염기의 고리의 치환기에 부착) 하나 이상의 메틸 기를 포함하는 뉴클레오티드일 수 있다. 예시적인 메틸화된 핵염기들은 1-메틸티민, 1-메틸우라실, 3-메틸우라실, 3-메틸시토신, 5-메틸시토신, 1-메틸아데닌, 2-메틸아데닌, 7-메틸아데닌, N6-메틸아데닌, N6,N6-디메틸아데닌, 1-메틸구아닌, 7-메틸구아닌, N2-메틸구아닌, 및 N2,N2-디메틸구아닌을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "프라이머(primer)"는 A, C, G, T, 및/또는 U, 또는 이들의 변이체들 및 유사체들을 포함하는 서열을 포함할 수 있는 핵산 분자(예를 들어, 올리고뉴클레오티드)를 일반적으로 지칭한다. 프라이머는 DNA, RNA, PNA, 또는 이들의 변이체들 및 유사체들을 포함하는 합성 올리고뉴클레오티드일 수 있다. 프라이머는 그의 뉴클레오티드 서열이 표적 또는 템플릿 핵산과 상보적이도록 설계될 수 있거나, 또는 프라이머는 랜덤 뉴클레오티드 서열을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프라이머는 테일(예를 들어, 폴리-A 테일, 인덱스 어댑터, 분자 바코드 등)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프라이머는 5 내지 15개의 염기, 10 내지 20개의 염기, 15 내지 25개의 염기, 20 내지 30개의 염기, 25 내지 35개의 염기, 30 내지 40개의 염기, 35 내지 45개의 염기, 40 내지 50개의 염기, 45 내지 55개의 염기, 50 내지 60개의 염기, 55 내지 65개의 염기, 60 내지 70개의 염기, 65 내지 75개의 염기, 70 내지 80개의 염기, 75 내지 85개의 염기, 80 내지 90개의 염기, 85 내지 95개의 염기, 90 내지 100개의 염기, 95 내지 105개의 염기, 100 내지 150개의 염기, 125 내지 175개의 염기, 150 내지 200개의 염기, 또는 200개보다 많은 염기를 포함할 수 있다.
본 출원에서 설명된 바와 같이, 서열 분석은 템플릿 생체 분자(예를 들어, 핵산 분자)의 개별 서브유닛들을, 그 템플릿과 상보적인 또는 유사한 다른 생체 분자를 합성하는 것에, 예컨대 템플릿 핵산 분자와 상보적인 핵산 분자를 합성하고 시간에 따라 뉴클레오티드들의 통합을 식별하는 것(예를 들어, 합성에 의한 서열 분석)에 의해 결정하는 것을 포함할 수 있다. 대안으로서, 서열 분석은 생체 분자의 개별 서브유닛들의 직접 식별을 포함할 수 있다.
IV. 시스템의 추가적인 양태들
본 명세서에서 설명된 분석 시스템은 통합 디바이스 및 통합 디바이스와 인터페이스하도록 구성된 기기를 포함할 수 있다. 통합 디바이스는 픽셀들의 어레이를 포함할 수 있고, 여기서 픽셀은 반응 챔버 및 적어도 하나의 광검출기를 포함한다. 통합 디바이스의 표면은 복수의 반응 챔버를 가질 수 있고, 여기서 반응 챔버는 통합 디바이스의 표면 상에 배치된 현탁액으로부터의 샘플을 수용하도록 구성된다. 현탁액은 동일한 유형의 다수의 샘플, 및 일부 실시예들에서는, 상이한 유형의 샘플들을 함유할 수 있다. 이와 관련하여, 본 명세서에서 사용된 문구 "관심 샘플"은, 예를 들어, 현탁액 내에 분산되는 동일한 유형의 복수의 샘플을 지칭할 수 있다. 유사하게, 본 명세서에서 사용된 문구 "관심 분자"는 현탁액 내에 분산되는 동일한 유형의 복수의 분자를 지칭할 수 있다. 복수의 반응 챔버는 반응 챔버들 중 적어도 일부가 현탁액으로부터의 하나의 샘플을 수용하도록 적합한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 일부 반응 챔버들은 하나의 샘플을 함유하고 다른 것들은 제로, 2개 이상의 샘플을 함유하도록 반응 챔버들 내의 샘플들의 수는 반응 챔버들 사이에 분산될 수 있다.
일부 실시예들에서, 현탁액은 다수의 단일 가닥 DNA 템플릿을 함유할 수 있고, 통합 디바이스의 표면 상의 개별 반응 챔버들은 서열 분석 템플릿을 수용하도록 크기가 정해지고 형상화될 수 있다. 통합 디바이스의 반응 챔버들 중 적어도 일부가 서열 분석 템플릿을 함유하도록 서열 분석 템플릿들은 통합 디바이스의 반응 챔버들 사이에 분산될 수 있다. 현탁액은 또한 그 후 반응 챔버에 들어가는 표지된 뉴클레오티드들을 함유할 수 있고, 뉴클레오티드가 반응 챔버 내의 단일 가닥 DNA 템플릿과 상보적인 DNA의 가닥에 통합됨에 따라 그것의 식별을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 현탁액은 서열 분석 템플릿을 함유할 수 있고 뉴클레오티드들이 반응 챔버 내의 상보적인 가닥에 통합됨에 따라 표지된 뉴클레오티드들은 후속하여 반응 챔버에 도입될 수 있다. 이러한 방식으로, 뉴클레오티드들의 통합의 타이밍은 표지된 뉴클레오티드들이 통합 디바이스의 반응 챔버에 도입되는 때에 의해 제어될 수 있다.
통합 디바이스의 픽셀 어레이와 분리되어 위치한 여기 소스로부터 여기 광이 제공된다. 여기 광은 적어도 부분적으로 통합 디바이스의 요소들에 의해 하나 이상의 픽셀을 향해 유도되어 반응 챔버 내의 조명 영역을 조명한다. 그 후 마커는 조명 영역 내에 위치할 때 그리고 여기 광에 의해 조명되는 것에 응답하여 방출 광을 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 여기 소스는 시스템의 기기의 일부이고, 여기서 통합 디바이스 및 기기의 컴포넌트들은 여기 광을 하나 이상의 픽셀을 향해 유도하도록 구성된다.
그 후 반응 챔버로부터 방출된 방출 광(예를 들어, 형광 표지에 의한)은 통합 디바이스의 픽셀 내의 하나 이상의 광검출기에 의해 검출될 수 있다. 검출된 방출 광의 특성들은 방출 광과 연관된 마커를 식별하기 위한 지시를 제공할 수 있다. 그러한 특성들은 광검출기에 의해 검출된 광자들의 도달 시간, 광검출기에 의해 시간 경과에 따라 축적된 광자의 양, 및/또는 2개 이상의 광검출기에 걸친 광자의 분포를 포함하는 임의의 적합한 유형의 특성을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광검출기는 방출 광(예를 들어, 형광 수명)과 연관된 하나 이상의 타이밍 특성의 검출을 허용하는 구성을 가질 수 있다. 광검출기는 여기 광의 펄스가 통합 디바이스를 통해 전파된 후 광자 도달 시간들의 분포를 검출할 수 있고, 도달 시간들의 분포는 방출 광의 타이밍 특성들의 지시(예를 들어, 형광 수명에 대한 프록시)를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 광검출기는 마커에 의해 방출된 방출 광의 확률의 지시(예를 들어, 형광 강도)를 제공한다. 일부 실시예들에서, 복수의 광검출기는 방출 광의 공간 분포를 캡처하도록 크기가 정해지고 배열될 수 있다. 그 후 하나 이상의 광검출기로부터의 출력 신호들은 복수의 마커 중에서 마커를 구별하기 위해 사용될 수 있고, 여기서 복수의 마커는 샘플 또는 그의 구조를 식별하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플은 다수의 여기 에너지에 의해 여기될 수 있고, 다수의 여기 에너지에 응답하여 반응 챔버로부터의 방출 광의 방출 광 및/또는 타이밍 특성이 복수의 마커로부터 마커를 구별할 수 있다.
시스템(5-100)의 개략적인 개관이 도 5aa에 예시되어 있다. 시스템은 기기(5-104)와 인터페이스하는 통합 디바이스(5-102) 둘 다를 포함한다. 일부 실시예들에서, 기기(5-104)는 기기(5-104)의 일부로서 통합된 하나 이상의 여기 소스(5-106)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기 소스는 기기(5-104) 및 통합 디바이스(5-102) 둘 다의 외부에 있을 수 있고, 기기(5-104)는 여기 소스로부터 여기 광을 수신하고 여기 광을 통합 디바이스로 유도하도록 구성될 수 있다. 통합 디바이스는 통합 디바이스를 수용하고 그것을 여기 소스와 정밀한 광학 정렬로 보유하기 위한 임의의 적합한 소켓을 이용하여 기기와 인터페이스할 수 있다. 여기 소스(5-106)는 여기 광을 통합 디바이스(5-102)에 제공하도록 구성될 수 있다. 도 5aa에 개략적으로 예시된 바와 같이, 통합 디바이스(5-102)는 복수의 픽셀(5-112)을 갖고, 여기서 픽셀들 중 적어도 일부는 관심 샘플의 독립적 분석을 수행할 수 있다. 그러한 픽셀들(5-112)은 "수동 소스 픽셀들(passive source pixels)"이라고 지칭될 수 있는데 그 이유는 픽셀이 픽셀과 분리된 소스(5-106)로부터의 여기 광을 수신하기 때문이고, 여기서 소스로부터의 여기 광은 픽셀들(5-112)의 일부 또는 전부를 여기시킨다. 여기 소스(5-106)는 임의의 적합한 광원일 수 있다. 적합한 여기 소스들의 예들이 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES"인 미국 특허 출원 제14/821,688호에서 설명되고, 해당 출원은 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 일부 실시예들에서, 여기 소스(5-106)는 여기 광을 통합 디바이스(5-102)에 전달하기 위해 조합되는 다수의 여기 소스들을 포함한다. 다수의 여기 소스들은 다수의 여기 에너지들 또는 파장들을 생성하도록 구성될 수 있다.
픽셀(5-112)은 단일 관심 샘플을 수용하도록 구성된 반응 챔버(5-108) 및 샘플 및 반응 챔버(5-108)의 적어도 일부를 여기 소스(5-106)에 의해 제공된 여기 광으로 조명하는 것에 응답하여 반응 챔버로부터 방출된 방출 광을 검출하기 위한 광검출기(5-110)를 갖는다. 일부 실시예들에서, 반응 챔버(5-108)는 통합 디바이스(5-102)의 표면에 근접하여 샘플을 유지할 수 있고, 이는 샘플로의 여기 광의 전달 및 샘플 또는 반응 성분(예를 들어, 표지된 뉴클레오티드)으로부터의 방출 광의 검출을 용이하게 할 수 있다.
여기 광원(5-106)으로부터의 여기 광을 통합 디바이스(5-102)에 결합하고 여기 광을 반응 챔버(5-108)로 유도하기 위한 광학 요소들이 통합 디바이스(5-102) 및 기기(5-104) 둘 다에 위치한다. 소스에서 챔버로의 광학 요소들은 여기 광을 통합 디바이스에 결합하기 위해 통합 디바이스(5-102) 상에 위치한 하나 이상의 격자 결합기, 및 기기(5-104)로부터의 여기 광을 픽셀들(5-112) 내의 반응 챔버들로 전달하기 위한 도파관들을 포함할 수 있다. 격자 결합기와 도파관들 사이에 하나 이상의 광 스플리터 요소가 배치될 수 있다. 광 스플리터는 격자 결합기로부터의 여기 광을 결합하고 여기 광을 도파관들 중 적어도 하나로 전달할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 스플리터는 도파관들 각각이 실질적으로 유사한 양의 여기 광을 수신하도록 여기 광의 전달이 모든 도파관들에 걸쳐 실질적으로 균일하도록 허용하는 구성을 가질 수 있다. 그러한 실시예들은 통합 디바이스의 반응 챔버들에 의해 수신된 여기 광의 균일성을 개선함으로써 통합 디바이스의 성능을 개선할 수 있다.
반응 챔버(5-108), 여기 소스에서 챔버로의 옵틱들의 일부, 및 반응 챔버에서 광검출기로의 옵틱들이 통합 디바이스(5-102) 상에 위치한다. 여기 소스(5-106) 및 소스에서 챔버로의 컴포넌트들의 일부가 기기(5-104) 내에 위치한다. 일부 실시예들에서는, 단일 컴포넌트가 여기 광을 반응 챔버(5-108)에 결합하고 반응 챔버(5-108)로부터의 방출 광을 광검출기(5-110)로 전달하는 양쪽 모두의 역할을 할 수 있다. 여기 광을 반응 챔버에 결합하고/하거나 방출 광을 광검출기로 유도하기 위한, 통합 디바이스에 포함시킬 적합한 컴포넌트들의 예들이 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES"인 미국 특허 출원 제14/821,688 호, 및 2014년 11월 17일자로 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALYZING MOLECULES"인 미국 특허 출원 제14/543,865호에서 설명되고, 이들 둘 다는 그 전체가 인용에 의해 포함된다.
픽셀(5-112)은 그 자신의 개별 반응 챔버(5-108) 및 적어도 하나의 광검출기(5-110)와 연관된다. 통합 디바이스(5-102)의 복수의 픽셀은 임의의 적합한 형상, 크기 및/또는 치수들을 갖도록 배열될 수 있다. 통합 디바이스(5-102)는 임의의 적합한 수의 픽셀들을 가질 수 있다. 통합 디바이스(2-102) 내의 픽셀들의 수는 대략 10,000 픽셀 내지 1,000,000 픽셀의 범위 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀들은 512 픽셀 x 512 픽셀의 어레이로 배열될 수 있다. 통합 디바이스(5-102)는 임의의 적합한 방식으로 기기(5-104)와 인터페이스할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기기(5-104)는 통합 디바이스(5-102)에 분리가능하게 결합하는 인터페이스를 가질 수 있고 따라서 사용자는 현탁액 내의 적어도 하나의 관심 샘플을 분석하기 위한 통합 디바이스(5-102)의 사용을 위해 통합 디바이스(5-102)를 기기(5-104)에 부착하고 다른 통합 디바이스가 부착되는 것을 허용하기 위해 기기(5-104)로부터 통합 디바이스(5-102)를 제거할 수 있다. 기기(5-104)의 인터페이스는 기기(5-104)의 회로와 결합하도록 통합 디바이스(5-102)를 위치시켜 하나 이상의 광검출기로부터의 판독 신호들이 기기(5-104)로 송신되는 것을 허용할 수 있다. 통합 디바이스(5-102)와 기기(5-104)는 큰 픽셀 어레이들(예를 들어, 10,000 픽셀 초과)과 연관된 데이터를 핸들링하기 위해 다중-채널, 고속 통신 링크들을 포함할 수 있다.
픽셀들(5-112)의 행을 예시하는 통합 디바이스(5-102)의 단면 개략도가 도 5ab에 도시되어 있다. 통합 디바이스(5-102)는 결합 영역(5-201), 라우팅 영역(5-202), 및 픽셀 영역(5-203)을 포함할 수 있다. 픽셀 영역(5-203)은 결합 영역(5-201)과 분리된 위치에서 표면 상에 배치된 반응 챔버들(5-108)을 갖는 복수의 픽셀(5-112)을 포함할 수 있고, 그 위치는 여기 광(파선 화살표로 도시됨)이 통합 디바이스(5-102)에 결합하는 곳이다. 반응 챔버들(5-108)은 금속 층(들)(5-116)을 통해 형성될 수 있다. 점선 직사각형으로 예시된 하나의 픽셀(5-112)은 하나 이상의 광검출기(5-110)를 갖는 광검출기 영역 및 반응 챔버(5-108)를 포함하는 통합 디바이스(5-102)의 영역이다.
도 5ab는 여기 광의 빔을 결합 영역(5-201)에 그리고 반응 챔버(5-108)에 결합함으로써 여기의 경로(파선들로 도시됨)를 예시한다. 도 5ab에 도시된 반응 챔버들(5-108)의 행은 도파관(5-220)과 광학적으로 결합하도록 배치될 수 있다. 여기 광은 반응 챔버 내에 위치한 샘플을 조명할 수 있다. 샘플 또는 반응 성분(예를 들어, 형광 표지)은 여기 광에 의해 조명되는 것에 응답하여 여기 상태에 도달할 수 있다. 여기 상태에 있을 때, 샘플 또는 반응 성분은 방출 광을 방출할 수 있고, 이는 반응 챔버와 연관된 하나 이상의 광검출기에 의해 검출될 수 있다. 도 5ab는 반응 챔버(5-108)로부터 픽셀(5-112)의 광검출기(들)(5-110)로의 방출 광의 경로(실선으로 도시됨)를 개략적으로 예시한다. 픽셀(5-112)의 광검출기(들)(5-110)은 반응 챔버(5-108)로부터의 방출 광을 검출하도록 구성되고 배치될 수 있다. 적합한 광검출기들의 예들이 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS"인 미국 특허 출원 제14/821,656호에서 설명되고, 해당 출원은 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 개별 픽셀(5-112)에 대해, 반응 챔버(5-108) 및 그 각각의 광검출기(들)(5-110)는 공통 축을 따라(도 5ab에 도시된 y-방향을 따라) 정렬될 수 있다. 이러한 방식으로, 광검출기(들)는 픽셀(5-112) 내의 반응 챔버와 겹칠 수 있다.
반응 챔버(5-108)로부터의 방출 광의 방향성은 금속 층(들)(5-116)에 대한 반응 챔버(5-108) 내의 샘플의 배치에 의존할 수 있는데 그 이유는 금속 층(들)(5-116)이 방출 광을 반사하도록 작용할 수 있기 때문이다. 이러한 방식으로, 반응 챔버(5-108)에 배치된 형광 마커와 금속 층(들)(5-116) 사이의 거리가 반응 챔버와 동일한 픽셀에 있는 광검출기(들)(5-110)이 형광 마커에 의해 방출된 광을 검출하는 효율에 영향을 줄 수 있다. 동작 동안에 샘플이 배치될 수 있는 곳에 근접한 반응 챔버(5-106)의 바닥 표면과 금속 층(들)(5-116) 사이의 거리는 100 nm 내지 500 nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속 층(들)(5-116)과 반응 챔버(5-108)의 바닥 표면 사이의 거리는 대략 300 nm이다.
샘플과 광검출기(들) 사이의 거리도 방출 광을 검출하는 효율에 영향을 줄 수 있다. 샘플과 광검출기(들) 사이에서 광이 이동해야 하는 거리를 감소시킴으로써, 방출 광의 검출 효율이 개선될 수 있다. 또한, 샘플과 광검출기(들) 사이의 더 작은 거리들은 통합 디바이스의 더 작은 면적 풋프린트를 점유하는 픽셀들을 허용할 수 있고, 이는 통합 디바이스에 더 많은 수의 픽셀들이 포함되는 것을 허용할 수 있다. 반응 챔버(5-108)의 바닥 표면과 광검출기(들) 사이의 거리는 1 μm 내지 15 μm 의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위일 수 있다.
광자 구조물(들)(5-230)이 반응 챔버들(5-108)과 광검출기(5-110) 사이에 배치될 수 있고, 여기 광이 광검출기들(5-110)에 도달하는 것 - 이는 그렇지 않으면 방출 광의 검출시 신호 잡음에 기여할 수 있음 - 을 감소시키거나 방지하도록 구성될 수 있다. 도 5ab에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광자 구조물(5-230)이 도파관(5-220)과 광검출기(5-110) 사이에 배치될 수 있다. 광자 구조물(들)(5-230)은 스펙트럼 필터, 분극 필터, 및 공간 필터를 포함하는 하나 이상의 광 거부 광자 구조물을 포함할 수 있다. 광자 구조물(들)(5-230)은 공통 축을 따라 개별 반응 챔버들(5-108) 및 그들 각각의 광검출기(들)(5-110)와 정렬하도록 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 통합 디바이스(5-102)에 대한 회로로서 역할을 할 수 있는 금속 층(5-240)은 또한 공간 필터로서 역할을 할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 하나 이상의 금속 층(5-240)은 일부 또는 모든 여기 광이 광검출기(들)(5-110)에 도달하는 것을 차단하도록 배치될 수 있다.
결합 영역(5-201)은 외부 여기 소스로부터의 여기 광을 결합하도록 구성된 하나 이상의 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다. 결합 영역(5-201)은 여기 광의 빔의 일부 또는 전부를 수신하도록 배치된 격자 결합기(5-216)를 포함할 수 있다. 적합한 격자 결합기들의 예들이 2017년 12월 15일자로 출원된, 발명의 명칭이 "OPTICAL COUPLER AND WAVEGUIDE SYSTEM"인 미국 특허 출원 제15/844,403호에서 설명되고, 해당 출원은 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 격자 결합기(5-216)는 여기 광을 도파관(5-220)에 결합할 수 있고, 도파관은 여기 광을 하나 이상의 반응 챔버(5-108)의 근접부에 전파하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 결합 영역(5-201)은 광을 도파관 내로 결합하기 위한 다른 잘 알려진 구조들을 포함할 수 있다.
통합 디바이스 밖에 위치한 컴포넌트들이 통합 디바이스에 대해 여기 소스(5-106)를 배치하고 정렬하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 컴포넌트들은 렌즈들, 미러들, 프리즘들, 창들, 개구들, 감쇠기들, 및/또는 광섬유들을 포함하는 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 정렬 컴포넌트의 제어를 허용하기 위해 추가적인 기계적 컴포넌트들이 기기에 포함될 수 있다. 그러한 기계적 컴포넌트들은 액추에이터들, 스테퍼 모터들 및/또는 노브들을 포함할 수 있다. 적합한 여기 소스들 및 정렬 메커니즘들의 예들이 2016년 5월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "PULSED LASER AND SYSTEM"인 미국 특허 출원 제15/161,088호에서 설명되고, 해당 출원은 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 빔 조향 모듈의 다른 예가 2017년 12월 14일자로 출원된, 발명의 명칭이 "COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY"인 미국 특허 출원 제15/842,720호에서 설명되고, 해당 출원은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
분석될 샘플이 픽셀(5-112)의 반응 챔버(5-108) 내로 도입될 수 있다. 샘플은 생물학 샘플 또는 임의의 다른 적합한 샘플, 예컨대 화학 샘플일 수 있다. 일부 경우들에서, 현탁액은 다수의 관심 분자들을 포함할 수 있고 반응 챔버는 단일 분자를 단리시키도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 반응 챔버의 치수들은 반응 챔버 내에 단일 분자를 한정하도록 작용할 수 있어, 단일 분자에 대해 측정들이 수행되는 것을 허용한다. 여기 광이 반응 챔버(5-108) 내로 전달되어, 샘플 또는 샘플에 부착되거나 샘플과 달리 연관된 적어도 하나의 형광 마커가 반응 챔버(5-108) 내의 조명 영역 내에 있는 동안에 그것을 여기시킬 수 있다.
동작 시에, 반응 챔버들 내의 샘플들의 일부 또는 전부를 여기 광을 이용하여 여기시키고 반응 챔버들로부터의 방출 광을 나타내는 신호들을 광검출기들로 검출하는 것에 의해 반응 챔버들 내의 샘플들의 병행 분석들이 수행된다. 샘플 또는 반응 성분(예를 들어, 형광 표지)으로부터의 방출 광이 대응하는 광검출기에 의해 검출되고 적어도 하나의 전기 신호로 변환될 수 있다. 전기 신호들은 통합 디바이스와 인터페이스되는 기기에 연결될 수 있는 통합 디바이스의 회로 내의 도전 라인들(예를 들어, 금속 층들(5-240))을 따라 송신될 수 있다. 전기 신호들은 후속하여 처리 및/또는 분석될 수 있다. 전기 신호들의 처리 또는 분석은 기기 상에 또는 밖에 위치한 적합한 컴퓨팅 디바이스 상에서 발생할 수 있다.
기기(5-104)는 기기(5-104) 및/또는 통합 디바이스(5-102)의 동작을 제어하기 위한 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스는 사용자가 기기의 기능을 제어하는 데 이용되는 명령들 및/또는 설정들과 같은 정보를 기기에 입력하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스는 버튼, 스위치, 다이얼, 및 음성 명령들을 위한 마이크로폰을 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스는 사용자가 적절한 정렬과 같은, 기기 및/또는 통합 디바이스의 성능에 대한 피드백 및/또는 통합 디바이스상의 광검출기로부터의 판독 신호들에 의해 획득된 정보를 수신하는 것을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스는 가청 피드백을 제공하기 위해 스피커를 사용하여 피드백을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스는 사용자에게 시각적 피드백을 제공하기 위한 인디케이터 라이트(indicator lights) 및/또는 디스플레이 스크린을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기기(5-104)는 컴퓨팅 디바이스와 연결하도록 구성된 컴퓨터 인터페이스를 포함할 수 있다. 컴퓨터 인터페이스는 USB 인터페이스, 파이어와이어(FireWire) 인터페이스, 또는 임의의 다른 적합한 컴퓨터 인터페이스일 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 랩톱 또는 데스크톱 컴퓨터와 같은 임의의 범용 컴퓨터일 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스는 적합한 컴퓨터 인터페이스를 통해 무선 네트워크를 통해 액세스 가능한 서버(예를 들어, 클라우드 기반 서버)일 수 있다. 컴퓨터 인터페이스는 기기(5-104)와 컴퓨팅 디바이스 사이의 정보의 통신을 용이하게 한다. 기기(5-104)를 제어하기 위한 그리고/또는 구성하기 위한 입력 정보가 컴퓨터 인터페이스를 통해 컴퓨팅 디바이스에 제공되고 기기(5-104)로 송신될 수 있다. 기기(5-104)에 의해 생성된 출력 정보가 컴퓨터 인터페이스를 통해 컴퓨팅 디바이스에 의해 수신될 수 있다. 출력 정보는 기기(5-104)의 성능에 관한 피드백, 통합 디바이스(5-112)의 성능, 및/또는 광검출기(5-110)의 판독 신호들로부터 생성된 데이터를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기기(5-104)는 통합 디바이스(5-102)의 하나 이상의 광검출기로부터 수신된 데이터를 분석하고/하거나 제어 신호들을 여기 소스(들)(2-106)로 송신하도록 구성된 처리 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 처리 디바이스는 범용 프로세서, 특별히 적응된 프로세서(예를 들어, 하나 이상의 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러 코어와 같은 CPU(central processing unit), FPGA(field-programmable gate array), ASIC(application-specific integrated circuit), 커스텀 집적 회로, DSP(digital signal processor), 또는 이들의 조합)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 광검출기로부터의 데이터의 처리는 기기(5-104)의 처리 디바이스 및 외부 컴퓨팅 디바이스 둘 다에 의해 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 외부 컴퓨팅 디바이스는 생략될 수 있고 하나 이상의 광검출기로부터의 데이터의 처리는 통합 디바이스(5-102)의 처리 디바이스에 의해서만 수행될 수 있다.
반응 챔버(5-330)에서 일어나는 생물학적 반응의 비제한적 예가 도 5b에 도시된다. 이 예에서는, 표적 핵산과 상보적인 성장 가닥 내로의 뉴클레오티드들 및/또는 뉴클레오티드 유사체들의 순차적 통합이 반응 챔버에서 일어나고 있다. 일련의 핵산(예를 들어, DNA, RNA)을 서열 분석하기 위해 순차적 통합이 검출될 수 있다. 반응 챔버는 대략 100 내지 대략 500 nm의 범위, 또는 해당 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위의 깊이, 및 대략 80 nm 내지 대략 200 nm의 범위의 직경을 가질 수 있다. 금속화 층(5-540)(예를 들어, 전기적 기준 전위에 대한 금속화)을 광검출기 위에 패터닝하여 인접한 반응 챔버들 및 다른 원치 않는 광원들로부터의 미광을 차단하는 개구를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 폴리머라제(5-520)가 반응 챔버(5-330) 내에 위치할 수 있다(예를 들어, 반응 챔버의 베이스에 부착됨). 폴리머라제는 표적 핵산(5-510)(예를 들어, DNA로부터 유도된 핵산의 일부)을 차지하고, 상보적 핵산의 성장 가닥을 서열 분석하여 DNA(5-512)의 성장 가닥을 생성할 수 있다. 상이한 형광단들로 표지된 뉴클레오티드들 및/또는 뉴클레오티드 유사체들이 반응 챔버 위의 그리고 그 안의 현탁액 내에 분산될 수 있다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 표지된 뉴클레오티드 및/또는 뉴클레오티드 유사체(5-610)가 상보적 핵산의 성장 가닥 내에 통합될 때, 하나 이상의 부착된 형광단(5-630)이 도파관(5-315)으로부터 반응 챔버(5-330) 내로 결합된 광학 에너지의 펄스들에 의해 반복적으로 여기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형광단 또는 형광단들(5-630)은 임의의 적합한 링커(5-620)로 하나 이상의 뉴클레오티드 및/또는 뉴클레오티드 유사체(5-610)에 부착될 수 있다. 통합 이벤트는 약 100ms까지의 시간 주기 동안 지속될 수 있다. 이 시간 동안, 모드 로킹된 레이저로부터의 펄스들에 의한 형광단(들)의 여기의 결과로 생기는 형광 방출의 펄스들이 시간-비닝 광검출기(5-322)로 검출될 수 있다. 상이한 방출 특성들(예를 들어, 형광 감쇠율, 강도, 형광 파장)을 갖는 형광단들을 상이한 뉴클레오티드들(A,C,G,T)에 부착함으로써, 상이한 방출 특성들을 검출하고 구별하는 한편 DNA(5-512)의 가닥이 핵산을 통합하고 DNA의 성장 가닥의 뉴클레오티드 서열의 결정을 가능하게 한다.
일부 실시예들에 따르면, 형광 방출 특성들에 기초하여 샘플들을 분석하도록 구성되는 기기(5-104)는 상이한 형광 분자들 사이의 형광 수명들 및/또는 강도들의 차이들, 및/또는 상이한 환경들에서의 동일한 형광 분자들의 수명들 및/또는 강도들 사이의 차이들을 검출할 수 있다. 설명으로서, 도 5d는, 예를 들어, 2개의 상이한 형광 분자로부터의 형광 방출을 나타낼 수 있는 2개의 상이한 형광 방출 확률 곡선(A 및 B)을 플롯팅한다. 곡선 A(파선)를 참조하면, 짧은 또는 극초단 광학 펄스에 의해 여기된 후에, 제1 분자로부터의 형광 방출의 확률
Figure pct00002
는, 도시된 바와 같이, 시간에 따라 감쇠할 수 있다. 일부 경우들에서, 시간 경과에 따라 광자가 방출되는 확률의 감소는 지수 감쇠 함수
Figure pct00003
로 표현될 수 있고, 여기서
Figure pct00004
는 초기 방출 확률이고,
Figure pct00005
는 방출 감쇠 확률을 특징짓는 제1 형광 분자와 연관된 시간 파라미터이다.
Figure pct00006
는 제1 형광 분자의 "형광 수명", "방출 수명", 또는 "수명"으로 지칭될 수 있다. 일부 경우들에서,
Figure pct00007
의 값은 형광 분자의 국부적 환경에 의해 변경될 수 있다. 다른 형광 분자들은 곡선 A에 도시된 것과 상이한 방출 특성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 다른 형광 분자는 단일 지수 감쇠와 상이한 감쇠 프로파일을 가질 수 있고, 그것의 수명은 반감기(half-life) 값 또는 일부 다른 메트릭에 의해 특징지어질 수 있다.
제2 형광 분자는 지수적인 감쇠 프로파일을 가질 수 있지만, 도 5d에서 곡선 B에 대해 도시된 바와 같이, 측정할 수 있을 정도로 상이한 수명
Figure pct00008
를 갖는다. 도시된 예에서, 곡선 B의 제2 형광 분자에 대한 수명은 곡선 A에 대한 수명보다 짧고, 방출의 확률은 곡선 A에 대한 것보다 제2 분자의 여기 후에 더 빨리 더 높다. 상이한 형광 분자들은, 일부 실시예들에서, 약 0.1 ns 내지 약 20 ns 범위의 수명 또는 반감기 값들을 가질 수 있다.
발명자들은 형광 방출 수명들의 차이들이 상이한 형광 분자들의 존재 또는 부재를 판별하고/하거나 형광 분자가 겪은 상이한 환경들 또는 조건들을 판별하기 위해 사용될 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 일부 경우들에서, 수명(예를 들어, 방출 파장보다는)에 기초하여 형광 분자들을 판별하는 것은 기기(5-104)의 양태들을 단순화할 수 있다. 예로서, 수명에 기초하여 형광 분자들을 판별할 경우 파장-구별 옵틱들(예컨대 파장 필터들, 각각의 파장에 대한 전용 검출기들, 상이한 파장들에서의 전용 펄스 광원들, 및/또는 회절 옵틱들)이 수가 감소될 수 있거나 제거될 수 있다. 일부 경우들에서, 단일 특성 파장에서 동작하는 단일 펄스 광원은 광 스펙트럼의 동일한 파장 영역 내에서 방출하지만 측정할 수 있을 정도로 상이한 수명들을 갖는 상이한 형광 분자들을 여기시키기 위해 사용될 수 있다. 동일한 파장 영역에서 방출하는 상이한 형광 분자들을 여기시키고 판별하기 위해, 상이한 파장들에서 동작하는 다수의 소스보다는 단일 펄스 광원을 사용하는 분석 시스템은 조작하고 유지하기가 덜 복잡하고, 더 콤팩트하고, 더 낮은 비용으로 제조될 수 있다.
형광 수명 분석에 기초한 분석 시스템들은 특정 이점들을 가질 수 있지만, 분석 시스템에 의해 획득되는 정보의 양 및/또는 검출 정확도는 추가적인 검출 기법들을 허용함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 일부 분석 시스템들(5-160)은 형광 파장 및/또는 형광 강도에 기초하여 샘플의 하나 이상의 특성을 판별하도록 추가로 구성될 수 있다.
다시 도 5d를 참조하면, 일부 실시예들에 따르면, 상이한 형광 수명들은 형광 분자의 여기 후에 형광 방출 이벤트들을 시간-비닝하도록 구성되는 광검출기로 구별될 수 있다. 시간 비닝은 광검출기에 대한 단일 전하 축적 사이클 동안 발생할 수 있다. 전하 축적 사이클은 판독 이벤트들 사이의 간격으로, 그 동안 광-생성된 캐리어들이 시간-비닝 광검출기의 빈들에 축적된다. 방출 이벤트들의 시간-비닝에 의해 형광 수명을 결정하는 개념이 도 5e에 그래프로 도입된다. t1 바로 전의 시간 te에서, 형광 분자 또는 동일한 유형(예를 들어, 도 5d의 곡선 B에 대응하는 유형)의 형광 분자들의 앙상블은 짧은 또는 극초단 광 펄스에 의해 여기된다. 분자들의 큰 앙상블에 대해, 방출의 강도는, 도 5e에 도시된 바와 같은, 곡선 B와 유사한 시간 프로파일을 가질 수 있다.
그러나, 단일 분자 또는 적은 수의 분자들에 대해, 형광 광자들의 방출은 이 예에 대해 도 5d의 곡선 B의 통계에 따라 발생한다. 시간-비닝 광검출기(5-322)는 방출 이벤트들로부터 생성된 캐리어들을 형광 분자(들)의 여기 시간에 대해 시간적으로 분해(resolve)되는 이산 시간 빈들(도 5e에 지시된 3개) 내로 축적할 수 있다. 많은 수의 방출 이벤트들이 합산될 때, 시간 빈들에 축적된 캐리어들은 도 5e에 도시된 감쇠 강도 곡선과 근사할 수 있고, 비닝된 신호들은 상이한 형광 분자들 또는 형광 분자가 위치하는 상이한 환경들을 구별하기 위해 사용될 수 있다.
시간-비닝 광검출기의 예들이 2015년 8월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS"인 미국 특허 출원 제14/821,656호에서 설명되고, 해당 출원은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 설명의 목적을 위해, 시간-비닝 광검출기의 비제한적인 실시예가 도 5fa에 도시된다. 단일 시간-비닝 광검출기(5-900)는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902), 캐리어 이동/캡처 영역(5-906), 및 시간 빈들에 대응할 수 있는 하나 이상의 전하 캐리어 저장 영역(5-908a, 5-908b, 5-908c)을 갖는 캐리어 저장 영역을 포함할 수 있다. 캐리어 이동/캡처 영역은 캐리어 운반 채널들(5-907)에 의해 전하 캐리어 저장 영역들에 연결될 수 있다. 3개의 캐리어 저장 빈만이 도시되어 있지만, 더 많거나 더 적을 수 있다. 일부 실시예들에서, 단일 시간-비닝 광검출기(5-900)는 적어도 2개의 전하 캐리어 저장 영역들을 포함한다. 전하 캐리어 저장 영역들에 연결된 판독 채널(5-910)이 있을 수 있다. 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902), 캐리어 이동/캡처 영역(5-906), 전하 캐리어 저장 영역들(5-908a, 5-908b, 5-908c), 및 판독 채널(5-910)은 반도체를 국부적으로 도핑하는 것 및/또는 광검출 능력을 제공하고 캐리어들을 한정하기 위해 인접한 절연 영역들을 형성하는 것에 의해 형성될 수 있다. 시간-비닝 광검출기(5-900)는 캐리어 이동/캡처 영역(5-906)과 연결하도록 형성된 드레인(5-904)을 포함할 수 있다. 드레인(5-904)은 특정 시간들에 전하 캐리어들을 폐기하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 광생성된 전하 캐리어를 제거함으로써, 여기 광에 응답하여 생성된 원치 않는 전하 캐리어가 폐기될 수 있다. 시간-비닝 광검출기(5-900)는 광검출기를 통해 전하 캐리어들을 운반하기 위해 디바이스 내에 전기장들을 생성하도록 구성되는 기판 상에 형성된 복수의 전극(5-920, 5-922, 5-932, 5-934, 5-936, 5-940)을 포함할 수 있다. 복수의 전극은 전하 캐리어들이 드레인(5-904)을 향해 이동하도록 전위 구배를 확립할 수 있다.
동작 시에, 형광 광자들이 상이한 시간들에 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902)에서 수신되고 캐리어들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 대략 시간 t1에서 3개의 형광 광자가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902)의 공핍 영역에서 3개의 캐리어 전자를 생성할 수 있다. 디바이스 내의 전기장(전극들(5-920 및 5-922)에 대해, 그리고 및 선택적으로 또는 대안적으로 5-932, 5-934, 5-936에 대해 외부에서 인가된 바이어스 및/또는 도핑으로 인한)은 캐리어들을 캐리어 이동/캡처 영역(5-906)으로 이동시킬 수 있다. 캐리어 이동/캡처 영역에서, 이동 거리는 형광 분자들의 여기 후에 시간으로 변환된다. 나중 시간 t5에서, 다른 형광 광자가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902)에서 수신되고 추가적인 캐리어를 생성할 수 있다. 이 시간에, 처음 3개의 캐리어는 제2 저장 빈(5-908b)에 인접한 캐리어 이동/캡처 영역(5-906) 내의 위치로 이동하였다. 나중 시간 t7에서, 캐리어 이동/캡처 영역(5-906)으로부터 저장 빈들로 캐리어들을 측방으로 운반하기 위한 전기 바이어스가 전극들(5-932, 5-934, 5-936)과 전극(5-940) 사이에 인가될 수 있다. 그 후 처음 3개의 캐리어는 제1 빈(5-908a)으로 운반되어 유지될 수 있고 나중에 생성된 캐리어는 제3 빈(5-908c)으로 운반되어 유지될 수 있다. 일부 구현들에서, 각각의 저장 빈에 대응하는 시간 간격들은 서브-나노초 시간 스케일에 있지만, 일부 실시예들에서(예를 들어, 형광단들이 더 긴 감쇠 시간들을 갖는 실시예들에서) 더 긴 시간 스케일들이 사용될 수 있다.
여기 이벤트(예를 들어, 펄스 광원으로부터의 여기 펄스) 후에 전하 캐리어들을 생성하고 시간-비닝하는 프로세스는 단일 여기 펄스 후에 한 번 발생할 수 있거나 광검출기(5-900)에 대한 단일 전하 축적 사이클 동안 다수의 여기 펄스들 후에 여러 번 반복될 수 있다. 전하 축적이 완료된 후, 캐리어들은 판독 채널(5-910)을 통해 저장 빈들로부터 판독될 수 있다. 예를 들어, 저장 빈들(5-908a, 5-908b, 5-908c)로부터 캐리어들을 제거하기 위해 적절한 바이어싱 시퀀스가 적어도 전극(5-940) 및 다운스트림 전극(도시되지 않음)에 인가될 수 있다.
시간-비닝 광검출기(5-900)는 여기 광, 또는 다른 원치 않는 광의 광자들로부터 생성된 전하 캐리어들을 폐기하도록 구성될 수 있다. 캐리어 이동/캡처 영역(5-906) 내의 하나 이상의 전위 장벽의 상승의 타이밍은 여기 광을 포함하는 원치 않는 광에 의해 생성되는 광생성된 캐리어들이 드레인(5-904)을 향해 이동하고 전하 캐리어 저장 영역들(5-908a, 5-908b, 5-908c)을 향해서는 이동하지 않도록 타이밍될 수 있다. 전위 장벽을 상승시키기 위해 전극(5-922)과 같은 전극에 전압을 인가하는 타이밍은 일정 시간 주기 후에 발생할 수 있는데 그 시간 주기 동안 생성된 전하 캐리어들의 일부 또는 전부가 드레인(5-904)을 향해 이동하고 전하 캐리어 저장 영역들(5-908a, 5-908b, 5-908c)로는 유도되지 않도록 한다. 생성된 후속 전하 캐리어들은, 그 시간 주기 후에, 전하 캐리어 저장 영역들(5-908a, 5-908b, 5-908c)로 선택적으로 유도될 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기 광은 여기 광의 펄스이고, 시간-비닝 광검출기(5-900)는 제1 시간 주기에 걸쳐 여기 광 펄스의 광자들로부터 생성된 전하 캐리어들의 적어도 일부를 폐기하도록 구성될 수 있다. 제1 시간 주기 후에, 시간-비닝 광검출기(5-900)는, 제2 시간 주기에 걸쳐, 전하 캐리어들이 생성되는 시간들에 기초하여 입사 광자들에 의해 생성된 하나 이상의 전하 캐리어를 각각의 전하 캐리어 저장 영역들로 선택적으로 유도할 수 있다.
다수의 여기 이벤트들 후에, 예를 들어, 형광 방출 감쇠율을 나타내는 대응하는 빈들을 갖는 히스토그램을 제공하기 위해 각각의 전자 저장 빈 내의 축적된 신호가 판독될 수 있다. 그러한 프로세스는 도 5ga 및 도 5gb에 예시되어 있다. 히스토그램의 빈들은 반응 챔버 내의 형광단(들)의 여기 후의 각각의 시간 간격 동안 검출된 광자들의 수를 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 5ga에 도시된 바와 같이, 빈들에 대한 신호들은 많은 수의 여기 펄스들 후에 축적될 것이다. 여기 펄스들은 펄스 간격 시간 T에 의해 분리되는 시간 te1, te2, te3, ... teN에서 발생할 수 있다. 전자 저장 빈들 내의 신호들의 축적 동안 반응 챔버에 인가된 여기 펄스들은 105개와 107개 사이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 빈(빈 0)은 각각의 광 펄스로 전달된 여기 광의 진폭을 검출하고, (예를 들어, 데이터를 정규화하기 위해) 기준 신호로서 사용되도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시간-비닝 광검출기는 광자 흡수/캐리어 생성 영역에서 전하 캐리어들을 생성하고 전하 캐리어 저장 영역 내의 전하 캐리어 저장 빈에 전하 캐리어들을 직접 전달할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 시간-비닝 광검출기는 캐리어 이동/캡처 영역을 포함하지 않을 수 있다. 그러한 시간-비닝 광검출기는 "직접 비닝 픽셀(direct binning pixel)"이라고 지칭될 수 있다. 직접 비닝 픽셀들을 포함하는, 시간-비닝 광검출기들의 예들이 2017년 12월 22일자로 출원된, 발명의 명칭이 "INTEGRATED PHOTODETECTOR WITH DIRECT BINNING PIXEL"인 미국 특허 출원 제15/852,571호에서 설명되고, 해당 출원은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 설명의 목적을 위해, 시간-비닝 광검출기의 비제한적인 실시예가 도 5fb에 도시된다. 도 5fb에 도시된 바와 같이, 시간-비닝 광검출기(5-950)는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952), 전하 캐리어 저장 영역(5-958)의 빈들, 및 전하 캐리어 저장 영역(5-958)의 빈들로부터 신호들을 판독하는 판독 회로(5-960)를 포함한다. 전하 캐리어가 전달되는 빈은 전하 캐리어를 생성하는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)에서의 광자의 도달 시간에 기초한다. 도 5fb는 전하 캐리어 저장 영역(5-958) 내에 2개의 빈: 빈 0 및 빈 1을 갖는 시간-비닝 광검출기의 예를 도시한다. 일부 경우들에서, 빈 0은 트리거 이벤트(예를 들어, 여기 광의 펄스) 후의 하나의 주기에서 수신된 전하 캐리어들을 모를 수 있고, 빈 1은 트리거 이벤트에 대해 나중의 시간 주기에서 수신된 전하 캐리어들을 모를 수 있다. 그러나, 전하 저장 영역(5-958)은 하나의 빈, 3개의 빈, 4개의 빈, 또는 그 이상과 같은 임의의 수의 빈을 가질 수 있다. 시간-비닝 광검출기(5-950)는 전하 캐리어들을 유도하기 위한 전위 구배들을 확립하기 위한 전압들을 인가하도록 구성될 수 있는 전극들(5-953, 5-955 및 5-956)을 포함할 수 있다. 시간-비닝 광검출기(5-950)는 거부 영역(5-965)을 포함할 수 있고, 이는 드레인으로서 역할을 하거나 또는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)에서 생성된 전하 캐리어들을 달리 폐기하도록 구성될 수 있다. 거부 영역(5-965)에 의해 전하 캐리어들이 거부되는 때의 시간 주기는 여기 광 펄스와 같은 트리거 이벤트 동안 발생하도록 타이밍될 수 있다.
여기 광 펄스가 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)에서 다수의 원치 않는 전하 캐리어를 생성할 수 있기 때문에, 거부 주기 동안 그러한 전하 캐리어들을 거부 영역(5-965)으로 드레인하기 위한 전위 구배가 픽셀(5-950)에서 확립될 수 있다. 예로서, 거부 영역(5-965)은 전자들이 공급 전압으로 드레인되는 고전위 확산 영역을 포함할 수 있다. 거부 영역(5-965)은 영역(5-952)을 거부 영역(5-965)에 직접 전하 결합하는 전극(5-956)을 포함할 수 있다. 전극(5-956)의 전압은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)에서 원하는 전위 구배를 확립하도록 변화될 수 있다. 거부 주기 동안, 전극(5-956)의 전압은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)으로부터 전극(5-956) 내로, 그리고 밖으로 공급 전압으로 캐리어들을 끌어당기는 레벨로 설정될 수 있다. 예를 들어, 전극(5-956)의 전압은 양의 전압으로 설정되어 전자들을 끌어당길 수 있고, 따라서 그것들은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)으로부터 떨어져 거부 영역(5-965)으로 끌어당겨진다. 거부 영역(5-965)은 영역(5-952)으로부터 드레인으로 측방으로 캐리어들을 전달하는 것을 허용하기 때문에 "측방 거부 영역"으로 간주될 수 있다.
거부 주기 후에, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)에서 생성된 광생성된 전하 캐리어는 시간-비닝될 수 있다. 개별 전하 캐리어들은 그들의 도달 시간에 기초하여 빈으로 유도될 수 있다. 그렇게 하기 위해, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)과 전하 캐리어 저장 영역(5-958) 사이의 전위는 광생성된 전하 캐리어들이 각각의 시간 빈들로 유도되게 하는 전위 구배를 확립하기 위해 각각의 시간 주기들에서 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1 시간 주기 동안 전극(5-953)에 의해 형성된 장벽(5-962)이 낮추어질 수 있고, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)으로부터 빈 0으로 전위 구배가 확립될 수 있고, 따라서 이 주기 동안 생성된 캐리어가 빈 0으로 전달된다. 그 후, 제2 시간 주기 동안 전극(5-955)에 의해 형성된 장벽(5-964)이 낮추어질 수 있고, 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-952)으로부터 빈 1로 전위 구배가 확립될 수 있고, 따라서 이 주기 동안 생성된 캐리어가 빈 1로 전달된다.
일부 구현들에서, 도 5ga에 도시된 바와 같이, 여기 이벤트 후에 형광단으로부터 평균적으로 단일 광자만이 방출될 수 있다. 시간 te1에서의 제1 여기 이벤트 후에, 시간 tf1에서 방출된 광자는 제1 시간 간격 내에서 발생할 수 있고, 따라서 결과적인 전자 신호는 제1 전자 저장 빈에 축적된다(빈 1에 기여함). 시간 te2에서의 후속 여기 이벤트에서, 시간 tf2에서 방출된 광자는 제2 시간 간격 내에서 발생할 수 있고, 따라서 결과적인 전자 신호는 빈 2에 기여한다.
많은 수의 여기 이벤트들 및 신호 축적들 후에, 시간-비닝 광검출기(5-322)의 전자 저장 빈들은 반응 챔버에 대한 다중 값 신호(예를 들어, 2개 이상의 값의 히스토그램, N 차원 벡터 등)를 제공하도록 판독될 수 있다. 각각의 빈에 대한 신호 값들은 형광단의 감쇠율에 의존할 수 있다. 예를 들어 그리고 다시 도 5d를 참조하면, 감쇠 곡선 B를 갖는 형광단이 감쇠 곡선 A를 갖는 형광단보다 빈 1 대 빈 2에서 더 높은 비율의 신호를 가질 것이다. 빈들로부터의 값들을 분석하고 캘리브레이션 값들과, 그리고/또는 서로 비교하여, 특정 형광단을 결정할 수 있고, 이는 차례로 반응 챔버에 있을 때 형광단에 링크된 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체(또는 임의의 다른 분자 또는 관심 샘플)를 식별한다. 신호 분석을 이해하는 데 더 도움을 주기 위해, 축적된 다중-빈 값들은, 예를 들어, 도 5gb에 도시된 바와 같이, 히스토그램으로서 플롯팅될 수 있거나, N 차원 공간에서 벡터 또는 위치로서 기록될 수 있다. 4개의 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크된 4개의 상이한 형광단에 대한 다중 값 신호들에 대한 캘리브레이션 값들(예를 들어, 캘리브레이션 히스토그램들)을 획득하기 위해 캘리브레이션 런들이 개별적으로 수행될 수 있다. 예로서, 캘리브레이션 히스토그램들은 도 5ha(T 뉴클레오티드와 연관된 형광 표지), 도 5hb(A 뉴클레오티드와 연관된 형광 표지), 도 5hc(C 뉴클레오티드와 연관된 형광 표지), 및 도 5hd(G 뉴클레오티드와 연관된 형광 표지)에 도시된 것처럼 보일 수 있다. 측정된 다중 값 신호(도 5gb의 히스토그램에 대응함)와 캘리브레이션 다중 값 신호들의 비교는 DNA의 성장 가닥에 통합되는 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체의 아이덴티티 "T"(도 5ha)를 결정할 수 있다.
일부 구현들에서, 상이한 형광단들을 구별하기 위해 형광 강도가 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 형광단들은 그들의 감쇠율들이 유사할 수 있더라도 상당히 상이한 강도들로 방출하거나 그들의 여기 확률들에서 상당한 차이(예를 들어, 적어도 약 35%의 차이)를 가질 수 있다. 비닝된 신호들(빈 1-3)을 측정된 여기 광 빈 0에 대해 참조함으로써, 강도 레벨들에 기초하여 상이한 형광단들을 구별하는 것이 가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 형광단 강도에 기초하여 뉴클레오티드들이 식별될 수 있도록, 동일한 유형의 상이한 수의 형광단들이 상이한 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크될 수 있다. 예를 들어, 2개의 형광단이 제1 뉴클레오티드(예를 들어, "C") 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크될 수 있고, 4개 이상의 형광단이 제2 뉴클레오티드(예를 들어, "T") 또는 뉴클레오티드 유사체에 링크될 수 있다. 상이한 수의 형광단들 때문에, 상이한 뉴클레오티드들과 연관된 상이한 여기 및 형광단 방출 확률들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 신호 축적 간격 동안 "T" 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 대해 더 많은 방출 이벤트가 존재할 수 있고, 따라서 빈들의 겉보기 강도가 "C" 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 대한 것보다 상당히 더 높다.
본 발명자들은 형광단 감쇠율들 및/또는 형광단 강도들에 기초하여 뉴클레오티드들 또는 임의의 다른 생물학 또는 화학 샘플들을 구별하는 것이 기기(5-104) 내의 광 여기 및 검출 시스템들의 단순화를 가능하게 한다는 것을 인지하고 이해하였다. 예를 들어, 광 여기는 단일 파장 소스(예를 들어, 다수의 소스 또는 다수의 상이한 특성 파장들에서 동작하는 소스보다는 하나의 특성 파장을 생성하는 소스)로 수행될 수 있다. 추가적으로, 검출 시스템에서 파장 구별 옵틱들 및 필터들이 필요하지 않을 수 있다. 또한, 상이한 형광단들로부터의 방출을 검출하기 위해 각각의 반응 챔버에 대해 단일 광검출기가 사용될 수 있다.
"특성 파장" 또는 "파장"이라는 문구는 제한된 방사 대역폭 내의 중심 또는 지배 파장(예를 들어, 펄스 광원에 의해 출력되는 20 nm 대역폭 내의 중심 또는 피크 파장)을 지칭하기 위해 사용된다. 일부 경우들에서, "특성 파장" 또는 "파장"은 소스에 의해 출력된 방사의 총 대역폭 내의 피크 파장을 지칭하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명자들은 약 560 nm과 약 900 nm 사이의 범위의 방출 파장들을 갖는 형광단들이 시간-비닝 광검출기(CMOS 프로세스들을 이용하여 실리콘 웨이퍼 상에 제조될 수 있음)에 의해 검출될 충분한 양의 형광을 제공할 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 이들 형광단은 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들과 같은 생물학적 관심 분자들에 링크될 수 있다. 이 파장 범위의 형광 방출은 더 긴 파장들에서의 형광보다 실리콘 기반 광검출기에서 더 높은 응답도로 검출될 수 있다. 추가적으로, 이 파장 범위의 형광단들 및 연관된 링커들은 DNA의 성장 가닥들 내로의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들의 통합과 간섭하지 않을 수 있다. 본 발명자들은 또한 약 560 nm과 약 660 nm 사이의 범위의 방출 파장들을 갖는 형광단들이 단일 파장 소스로 광학적으로 여기될 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 이 범위의 예시적인 형광단은 매사추세츠주 월섬의 Thermo Fisher Scientific Inc.로부터 입수가능한 Alexa Fluor 647이다. 본 발명자들은 또한 약 560 nm과 약 900 nm 사이의 파장들에서 방출하는 형광단들을 여기시키기 위해 더 짧은 파장들(예를 들어, 약 500 nm과 약 650 nm 사이)의 여기 광이 요구될 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 일부 실시예들에서, 시간-비닝 광검출기들은, 예를 들어, Ge와 같은 다른 재료들을 광검출기들의 활성 영역 내에 통합함으로써, 반응 챔버 내의 샘플들 또는 연관된 성분들로부터의 더 긴 파장 방출을 효율적으로 검출할 수 있다.
일부 실시예들에서, 샘플은 하나 이상의 마커로 표지될 수 있고, 마커들과 연관된 방출이 기기에 의해 판별 가능하다. 예를 들어, 광검출기는 방출 광으로부터의 광자들을 전자로 변환하여 특정 마커로부터의 방출 광에 의존하는 수명을 판별하기 위해 사용될 수 있는 전기 신호를 형성하도록 구성될 수 있다. 상이한 수명들을 갖는 마커들을 사용하여 샘플들을 표지함으로써, 광검출기에 의해 검출된 결과적인 전기 신호에 기초하여 특정 샘플들이 식별될 수 있다.
현탁액이 다수의 유형의 분자들을 함유할 수 있고 상이한 발광 마커들이 분자 유형과 고유하게 연관할 수 있다. 여기 동안 또는 그 후에, 발광성 마커는 방출 광을 방출할 수 있다. 방출 광의 하나 이상의 특성이 현탁액 내의 하나 이상의 유형의 분자들을 식별하기 위해 사용될 수 있다. 분자들의 유형들을 구별하기 위해 사용되는 방출 광의 특성들은 형광 수명 값, 강도, 및/또는 방출 파장을 포함할 수 있다. 광검출기는 방출 광의 광자들을 포함하는 광자들을 검출하고, 이들 특성 중 하나 이상을 나타내는 전기 신호들을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광검출기로부터의 전기 신호들은 하나 이상의 시간 간격에 걸쳐 광자 도달 시간들의 분포에 관한 정보를 제공할 수 있다. 광자 도달 시간들의 분포는 여기 광의 펄스가 여기 소스에 의해 방출된 후에 광자가 검출되는 때에 대응할 수 있다. 시간 간격에 대한 값은 시간 간격 동안 검출된 광자들의 수에 대응할 수 있다. 다수의 시간 간격에 걸친 상대적인 값들은 방출 광의 시간 특성(예를 들어, 수명)의 지시를 제공할 수 있다. 샘플을 분석하는 것은 분포 내의 2개 이상의 상이한 시간 간격에 대한 값들을 비교함으로써 마커들을 구별하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분포 내의 모든 시간 빈들에 걸친 광자들의 수를 결정하는 것에 의해 강도의 지시가 제공될 수 있다.
설명된 실시예들은 다양한 구성들로 구현될 수 있다. 예시적인 구성들은 아래의 구성들 (1)-(32) 및 방법들 (33)-(53)을 포함한다.
(1) 통합 디바이스로서, 상기 통합 디바이스의 표면을 통해 형성된 반응 챔버; 및 상기 반응 챔버에 인접하여 배열된 적어도 하나의 전극을 형성하는 적어도 하나의 전기 도전성 층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 전극은, 바이어싱될 때, 상기 반응 챔버 내로 샘플을 로딩하는 것을 돕는 적어도 하나의 전기장을 생성하는, 통합 디바이스.
(2) 구성 (1)의 통합 디바이스로서, 상기 반응 챔버의 최대 치수는 1 미크론 미만인, 통합 디바이스.
(3) 구성 (1) 또는 (2)의 통합 디바이스로서, 상기 적어도 하나의 전극은 상기 반응 챔버로의 개구의 500 nm 내의 제1 영역에서 상기 제1 영역 외부의 제2 영역과 비교하여 증가된 강도를 갖는 전기장을 생성하도록 배열되는, 통합 디바이스.
(4) 구성 (1)-(3) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 전기장은 상기 반응 챔버 위에 상기 표면과 접촉하여 배치된 현탁액으로부터의 샘플을 로딩하는 것을 돕는, 통합 디바이스.
(5) 구성 (1)-(4) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 반응 챔버는 샘플의 분석을 위해 하나의 샘플만을 보유하도록 구성되는, 통합 디바이스.
(6) 구성 (1)-(5) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 반응 챔버의 바닥은 광 도파관으로부터 1 미크론 내에서 종단되는, 통합 디바이스.
(7) 구성 (1)-(6) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층을 패터닝하여 상기 반응 챔버에 인접한 2개의 전극을 형성하고, 상기 2개의 전극은, 바이어싱될 때, 주로 측방으로 배향되는 전기장을 생성하는, 통합 디바이스.
(8) 구성 (1)-(7) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 반응 챔버 아래의 기판 내의 반도체 영역; 상기 반도체 영역에 형성된 광검출기; 및 상기 광검출기에 연결된 도전성 인터커넥트를 추가로 포함하고, 상기 도전성 인터커넥트는 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층인, 통합 디바이스.
(9) 구성 (1)-(8) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 표면은 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층의 표면을 포함하는, 통합 디바이스.
(10) 구성 (1)-(9) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 반응 챔버는 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층의 하나 이상의 전기 도전성 층을 통해 연장되는, 통합 디바이스.
(11) 구성 (1)-(10) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 반응 챔버의 측벽 상에 형성되고 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층에 전기적으로 결합된 전기 도전성 재료를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
(12) 구성 (1)-(11) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층과 제2 전기 도전성 층 사이에 형성된 유전체 층; 및 상기 반응 챔버와 겹치는 상기 유전체 층 내의 개구를 추가로 포함하고, 상기 유전체 층 내의 상기 개구의 치수는 상기 표면에서의 상기 반응 챔버의 개구의 치수보다 작은, 통합 디바이스.
(13) 구성 (1)-(12) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층은 티타늄 질화물을 포함하는 제2 층과 접촉하는 알루미늄 및/또는 티타늄을 포함하는 제1 층을 포함하는, 통합 디바이스.
(14) 구성 (1)-(13) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 반응 챔버의 바닥 표면과 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층 사이의 거리는 400 nm 미만인, 통합 디바이스.
(15) 구성 (1)-(14) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층은: 상기 통합 디바이스의 표면에 위치한 제1 전기 도전성 층; 및 상기 표면 아래에 위치하고 유전체 재료에 의해 상기 제1 전기 도전성 층과 분리된 제2 전기 도전성 층을 포함하고, 상기 반응 챔버는 상기 제1 전기 도전성 층 및 상기 제2 전기 도전성 층을 통해 연장되는, 통합 디바이스.
(16) 구성 (15)의 통합 디바이스로서, 상기 제2 전기 도전성 층은, 상기 제2 전기 도전성 층에 연결된 임의의 도전성 인터커넥트를 배제하고, 상기 반응 챔버로부터 측면 방향으로 3 미크론 이하 연장되는, 통합 디바이스.
(17) 구성 (1)-(16) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 반응 챔버에 수직으로 그리고 그에 인접하여 형성된 도전성 비아를 추가로 포함하고, 상기 도전성 비아는 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층을 상기 반응 챔버 아래의 도전성 인터커넥트에 연결하는, 통합 디바이스.
(18) 구성 (1)-(17) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 반응 챔버는 상기 통합 디바이스의 표면 상에 배열되고 상기 반응 챔버와 동일한 구조를 갖는 복수의 반응 챔버 중 하나이고, 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층은 상기 복수의 반응 챔버 중의 각각의 반응 챔버에 인접하게 배열된 적어도 하나의 전극을 추가로 형성하는, 통합 디바이스.
(19) 구성 (18)의 통합 디바이스로서, 상기 통합 디바이스 상에 형성된 그리고 상기 복수의 반응 챔버 중의 각각의 반응 챔버에서 제1 전극에 동일한 바이어스를 제공하도록 배열된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
(20) 구성 (18)의 통합 디바이스로서, 상기 통합 디바이스 상에 형성된 그리고 제1 그룹의 반응 챔버들 중의 각각의 반응 챔버에서 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중의 제1 전기 도전성 층으로부터 형성된 제1 전극에, 제2 그룹의 반응 챔버들 중의 각각의 반응 챔버에서 상기 제1 전기 도전성 층으로부터 형성된 제1 전극과 관계없이, 바이어스를 제공하도록 배열된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
(21) 구성 (18)의 통합 디바이스로서, 상기 통합 디바이스 상에 형성된 그리고 상기 복수의 반응 챔버 중의 반응 챔버에서 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중의 제1 전기 도전성 층으로부터 형성된 제1 전극에, 상기 복수의 반응 챔버 중의 임의의 다른 반응 챔버에서 상기 전기 도전성 층으로부터 형성된 제1 전극과 관계없이, 바이어스를 제공하도록 배열된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
(22) 구성 (1)-(21) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 통합 디바이스 상에 형성된 그리고 상기 반응 챔버 내로 상기 샘플을 로딩하는 것을 돕는 제1 전기장 및 상기 제1 전기장과는 상이한 제2 전기장을 생성하기 위해 상기 적어도 하나의 전극 중의 제1 전극 및 제2 전극에 제1 바이어스를 제공하도록 배열된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
(23) 구성 (1)-(22) 중 어느 한 구성의 통합 디바이스로서, 상기 표면과의 유체 밀봉을 갖는 그리고 복수의 상기 샘플들을 포함하는 현탁액을 유지하도록 구성된 샘플 저장소를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
(24) 구성 (23)의 통합 디바이스로서, 상기 샘플 저장소 내의 상기 현탁액과 접촉하도록 구성된 외부 전극을 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
(25) 샘플들을 분석하기 위한 장치로서, 상기 장치는 통합 디바이스를 포함하고 상기 통합 디바이스는: 상기 통합 디바이스의 표면을 통해 형성된 반응 챔버; 및 상기 반응 챔버에 인접하여 배열된 적어도 하나의 전극을 형성하는 적어도 하나의 전기 도전성 층을 갖고, 상기 적어도 하나의 전극은, 바이어싱될 때, 상기 반응 챔버 내로 샘플을 로딩하는 것을 돕는 적어도 하나의 전기장을 생성하는, 장치.
(26) 구성 (25)의 장치로서, 상기 반응 챔버의 최대 치수는 1 미크론 미만이고 상기 반응 챔버는 샘플의 분석을 위해 하나의 샘플을 보유하도록 구성되는, 장치.
(27) 구성 (25) 또는 (26)의 장치로서, 적어도 하나의 바이어스를 생성하고 상기 적어도 하나의 바이어스를 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층에 인가하도록 구성된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 장치.
(28) 구성 (27)의 장치로서, 상기 적어도 하나의 바이어스의 제1 바이어스는 주기적 파형을 포함하는, 장치.
(29) 구성 (27)의 장치로서, 상기 적어도 하나의 바이어스의 제1 바이어스는 2개의 주기적 파형의 조합을 포함하는, 장치.
(30) 구성 (27)-(29) 중 어느 한 구성의 장치로서, 상기 반응 챔버에 인접하여 위치한 광검출기; 및 상기 광검출기가 상기 반응 챔버에 상기 샘플이 로딩된 것을 검출하는 것에 응답하여 상기 제1 바이어스를 변경하도록 배열된 피드백 회로를 추가로 포함하는, 장치.
(31) 구성 (27)-(30) 중 어느 한 구성의 장치로서, 상기 표면과의 유체 밀봉을 갖는 그리고 복수의 상기 샘플들을 포함하는 현탁액을 유지하도록 구성된 샘플 저장소; 및 상기 샘플 저장소 내의 상기 현탁액과 접촉하도록 구성된 외부 전극을 추가로 포함하고, 상기 바이어스 회로는 상기 적어도 하나의 바이어스 중의 제2 바이어스를 상기 외부 전극에 인가하도록 추가로 구성되는, 장치.
(32) 구성 (31)의 장치로서, 상기 바이어스 회로는 제1 시간 간격 동안 상기 제1 바이어스를 인가하고 상기 제1 시간 간격과 상이한 제2 시간 간격 동안 상기 제2 바이어스를 인가하도록 추가로 구성되는, 장치.
상기 구성 (1) 내지 (32) 중 적어도 일부는 다음의 방법 실시예들을 실시하는 데 사용될 수 있다.
(33) 통합 디바이스에서 관심 샘플을 로딩하는 방법으로서, 상기 방법은: 상기 통합 디바이스의 표면 상에 상기 관심 샘플을 포함하는 현탁액을 수용하는 단계 - 상기 현탁액은 상기 표면 내로 형성된 반응 챔버를 덮음 -; 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 신호를 인가하는 단계; 및 상기 반응 챔버 내로 상기 관심 샘플을 로딩하는 것을 돕도록 동작하는 전기장을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
(34) (33)의 방법으로서, 상기 전기장을 생성하는 단계는 상기 반응 챔버로의 개구의 500 nm 내의 제1 영역에서 상기 제1 영역 외부의 제2 영역과 비교하여 증가된 강도를 갖는 전기장을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
(35) (33) 또는 (34)의 방법으로서, 상기 제1 전극은 상기 반응 챔버에 인접하여 위치하고 상기 반응 챔버는 1 미크론 미만의 최대 치수를 갖는, 방법.
(36) (33) 또는 (34)의 방법으로서, 상기 제1 전극은 상기 통합 디바이스의 외부에 있고 상기 반응 챔버는 1 미크론 미만의 최대 치수를 갖는, 방법.
(37) (33) 내지 (36) 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 전기장은 상기 현탁액 내의 다른 성분들과 상이하게 상기 관심 샘플에 작용하는, 방법.
(38) (33) 내지 (37) 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 전기 신호를 인가하는 단계는: 상기 관심 샘플을 상기 현탁액으로부터 상기 통합 디바이스의 표면을 향해 이동시키기 위한 제1 전기 신호를 인가하는 단계; 및 상기 관심 샘플을 상기 반응 챔버 내에 이동시키기 위한 제2 전기 신호를 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
(39) (33) 내지 (38) 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 전기 신호를 인가하는 단계는 2개의 주기적 파형의 조합인 전기 신호를 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
(40) (33) 내지 (39) 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 반응 챔버 내로 제2 관심 샘플을 로딩하는 것을 감소시키거나 방해하는 추가적인 전기 신호를 상기 제1 전극에 인가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(41) (33) 내지 (40) 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 관심 샘플의 일부를 상기 반응 챔버 밖으로 이동시키는 추가적인 전기 신호를 제1 전극에 인가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(42) (33) 내지 (41) 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 인가되는 상기 전기 신호와 상이한 제2 전기 신호를 상기 제1 전극과 제3 전극 사이에 인가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(43) (33) 내지 (42) 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 통합 디바이스의 표면에 근접하여 상기 관심 샘플의 농도를 증가시키도록 구성된 군집제를 상기 현탁액 내에 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(44) (43)의 방법으로서, 상기 군집제는 폴리사카라이드인, 방법.
(45) (44)의 방법으로서, 상기 폴리사카라이드는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 에틸 메틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 하이드록시에틸 메틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 메틸 셀룰로오스, 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스, 및 카르복시메틸 셀룰로오스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 셀룰로오스 화합물인, 방법.
(46) (33) 내지 (45) 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 현탁액 내의 상기 관심 샘플의 만연 부피(pervaded volume)를 감소시키도록 구성된 응축제를 상기 현탁액 내에 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
(47) (46)의 방법으로서, 상기 응축제는 현탁액에서 다양이온성인 다양이온(polycation)을 포함하고, 상기 다양이온은 스페르민, 스페르미딘, 폴리리신, 폴라아르기닌, 폴리히스티딘, 폴리오르니틴, 푸트레신, 및 프로타민으로부터 선택되는, 방법.
(48) (33) 내지(47) 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 관심 샘플은 핵산 분자를 포함하는, 방법.
(49) (48)의 방법으로서, 상기 핵산 분자는 약 1 kb 내지 약 10 kb 사이, 약 10 kb 내지 약 25 kb 사이, 약 25 kb 내지 약 50 kb 사이, 약 50 kb 내지 약 100 kb 사이, 약 100 kb 내지 약 250 kb 사이, 약 250 kb 내지 약 500 kb 사이, 또는 약 500 kb 내지 약 1000 kb 사이인, 방법.
(50) 통합 디바이스를 형성하는 방법으로서, 유전체 재료의 영역 위에 적어도 하나의 전기 도전성 층을 형성하는 단계 - 상기 유전체 재료는 적어도 하나의 도파관을 포함함 -; 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층을 통해 반응 챔버를 형성하는 단계; 및 바이어싱될 때, 상기 반응 챔버 내로 관심 샘플을 로딩하는 것을 돕도록 동작하는 전기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
(51) (50)의 방법으로서, 상기 반응 챔버는 1 미크론 미만의 최대 치수를 갖는, 방법.
(52) (50) 또는 (51)의 방법으로서, 적어도 하나의 전기 도전성 층을 형성하는 단계는 반도체 영역 위에 상기 반도체 영역 내의 집적 회로의 일부인 도전성 층을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
(53) (52)의 방법으로서, 상기 반응 챔버로부터의 방출 광을 검출하도록 배열된 광검출기를 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 광검출기는 상기 반도체 영역 내의 집적 회로의 일부인, 방법.
IV. 결론
이와 같이 본 출원의 기술의 여러 양태들 및 실시예들을 설명하였지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자들은 다양한 변경들, 수정들 및 개선들을 용이하게 생각해낼 것임을 이해해야 한다. 그러한 변경들, 수정들, 및 개선들은 본 출원에서 설명된 기술의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 실시예들은 단지 예로서 제시된 것이고, 첨부한 청구항들 및 그 균등물들의 범위 내에서, 본 발명의 실시예들은 구체적으로 설명된 바와 달리 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에서 설명된 2개 이상의 특징들, 시스템들, 물품들, 재료들, 키트들, 및/또는 방법들의 임의의 조합은, 그러한 특징들, 시스템들, 물품들, 재료들, 키트들, 및/또는 방법들이 상호 모순되지 않으면, 본 개시내용의 범위 내에 포함된다.
또한, 설명된 바와 같이, 일부 양태들은 하나 이상의 방법으로서 구현될 수 있다. 이 방법의 일부로서 수행되는 단계들은 임의의 적합한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 단계들이 예시된 것과 상이한 순서로 수행되는 실시예들이 구성될 수 있고, 이는, 비록 예시적인 실시예들에서는 순차적인 단계들로서 나타내어져 있을지라도, 일부 단계들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 정의되고 사용된 바와 같은 모든 정의가 사전적 정의, 인용에 의해 포함된 문헌들에서의 정의, 및/또는 정의된 용어들의 보통의 의미를 지배하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 그리고 청구항들에서 여기서 사용된, 부정관사들 "하나(a 및 an)"는 명확히 반대로 지시되지 않는 한은 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 그리고 청구항들에서 여기서 사용된, 문구 "및/또는"은 그렇게 결합된 요소들, 즉 일부 경우들에서는 결합하여 존재하고 다른 경우들에서는 분리적으로 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 그리고 청구항들에서 여기서 사용된, 하나 이상의 요소의 목록과 관련하여 "적어도 하나"라는 문구는 요소들의 목록 내의 요소들 중 어느 하나 이상으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 요소들의 목록 내에 구체적으로 열거된 각각의 그리고 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하지는 않고, 요소들의 목록 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이 정의는 또한 "적어도 하나"라는 문구가 언급하는 요소들의 목록 내에서 구체적으로 식별된 요소들 이외의 요소들이, 이러한 구체적으로 식별된 요소들과 관련이 있든 관련이 없든, 선택적으로 존재할 수 있는 것을 허용한다.
청구항들에서뿐만 아니라, 상기 명세서에서, 모든 전이구, 예컨대 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "지니는(carrying)", "갖는", "함유하는", "수반하는", "보유하는", "~으로 구성되는" 등은 개방형, 즉 포함하지만, 이로 제한되지는 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "~로 이루어지는" 및 "본질적으로 ~로 이루어지는"이라는 전이구들은 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전이구들이다.

Claims (53)

  1. 통합 디바이스로서,
    상기 통합 디바이스의 표면을 통해 형성된 반응 챔버; 및
    상기 반응 챔버에 인접하여 배열된 적어도 하나의 전극을 형성하는 적어도 하나의 전기 도전성 층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 전극은, 바이어싱될 때, 상기 반응 챔버 내로 샘플을 로딩하는 것을 돕는 적어도 하나의 전기장을 생성하는, 통합 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 최대 치수는 1 미크론 미만인, 통합 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전극은 상기 반응 챔버로의 개구의 500 nm 내의 제1 영역에서 상기 제1 영역 외부의 제2 영역과 비교하여 증가된 강도를 갖는 전기장을 생성하도록 배열되는, 통합 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기장은 상기 반응 챔버 위에 상기 표면과 접촉하여 배치된 현탁액으로부터의 샘플을 로딩하는 것을 돕는, 통합 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 샘플의 분석을 위해 하나의 샘플만을 보유하도록 구성되는, 통합 디바이스.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 바닥은 광 도파관으로부터 1 미크론 내에서 종단되는, 통합 디바이스.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층을 패터닝하여 상기 반응 챔버에 인접한 2개의 전극을 형성하고, 상기 2개의 전극은, 바이어싱될 때, 주로 측방으로 배향되는 전기장을 생성하는, 통합 디바이스.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버 아래의 기판 내의 반도체 영역;
    상기 반도체 영역에 형성된 광검출기; 및
    상기 광검출기에 연결된 도전성 인터커넥트를 추가로 포함하고, 상기 도전성 인터커넥트는 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층인, 통합 디바이스.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층의 표면을 포함하는, 통합 디바이스.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층의 하나 이상의 전기 도전성 층을 통해 연장되는, 통합 디바이스.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 측벽 상에 형성되고 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층에 전기적으로 결합된 전기 도전성 재료를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층과 제2 전기 도전성 층 사이에 형성된 유전체 층; 및
    상기 반응 챔버와 겹치는 상기 유전체 층 내의 개구를 추가로 포함하고, 상기 유전체 층 내의 상기 개구의 치수는 상기 표면에서의 상기 반응 챔버의 개구의 치수보다 작은, 통합 디바이스.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기 도전성 층은 티타늄 질화물을 포함하는 제2 층과 접촉하는 알루미늄 및/또는 티타늄을 포함하는 제1 층을 포함하는, 통합 디바이스.
  14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 바닥 표면과 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층 사이의 거리는 400 nm 미만인, 통합 디바이스.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기 도전성 층은:
    상기 통합 디바이스의 표면에 위치한 제1 전기 도전성 층; 및
    상기 표면 아래에 위치하고 유전체 재료에 의해 상기 제1 전기 도전성 층과 분리된 제2 전기 도전성 층을 포함하고, 상기 반응 챔버는 상기 제1 전기 도전성 층 및 상기 제2 전기 도전성 층을 통해 연장되는, 통합 디바이스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 전기 도전성 층은, 상기 제2 전기 도전성 층에 연결된 임의의 도전성 인터커넥트를 배제하고, 상기 반응 챔버로부터 측면 방향으로 3 미크론 이하 연장되는, 통합 디바이스.
  17. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버에 수직으로 그리고 그에 인접하여 형성된 도전성 비아를 추가로 포함하고, 상기 도전성 비아는 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중 제1 전기 도전성 층을 상기 반응 챔버 아래의 도전성 인터커넥트에 연결하는, 통합 디바이스.
  18. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 상기 통합 디바이스의 표면 상에 배열되고 상기 반응 챔버와 동일한 구조를 갖는 복수의 반응 챔버 중 하나이고, 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층은 상기 복수의 반응 챔버 중의 각각의 반응 챔버에 인접하게 배열된 적어도 하나의 전극을 추가로 형성하는, 통합 디바이스.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 통합 디바이스 상에 형성된 그리고 상기 복수의 반응 챔버 중의 각각의 반응 챔버에서 제1 전극에 동일한 바이어스를 제공하도록 배열된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 통합 디바이스 상에 형성된 그리고 제1 그룹의 반응 챔버들 중의 각각의 반응 챔버에서 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중의 제1 전기 도전성 층으로부터 형성된 제1 전극에, 제2 그룹의 반응 챔버들 중의 각각의 반응 챔버에서 상기 제1 전기 도전성 층으로부터 형성된 제1 전극과 관계없이, 바이어스를 제공하도록 배열된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 통합 디바이스 상에 형성된 그리고 상기 복수의 반응 챔버 중의 반응 챔버에서 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층 중의 제1 전기 도전성 층으로부터 형성된 제1 전극에, 상기 복수의 반응 챔버 중의 임의의 다른 반응 챔버에서 상기 전기 도전성 층으로부터 형성된 제1 전극과 관계없이, 바이어스를 제공하도록 배열된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
  22. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통합 디바이스 상에 형성된 그리고 상기 반응 챔버 내로 상기 샘플을 로딩하는 것을 돕는 제1 전기장 및 상기 제1 전기장과는 상이한 제2 전기장을 생성하기 위해 상기 적어도 하나의 전극 중의 제1 전극 및 제2 전극에 제1 바이어스를 제공하도록 배열된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
  23. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면과의 유체 밀봉을 갖는 그리고 복수의 상기 샘플을 포함하는 현탁액을 유지하도록 구성된 샘플 저장소를 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 샘플 저장소 내의 상기 현탁액과 접촉하도록 구성된 외부 전극을 추가로 포함하는, 통합 디바이스.
  25. 샘플들을 분석하기 위한 장치로서,
    상기 장치는 통합 디바이스를 포함하고 상기 통합 디바이스는:
    상기 통합 디바이스의 표면을 통해 형성된 반응 챔버; 및
    상기 반응 챔버에 인접하여 배열된 적어도 하나의 전극을 형성하는 적어도 하나의 전기 도전성 층을 갖고, 상기 적어도 하나의 전극은, 바이어싱될 때, 상기 반응 챔버 내로 샘플을 로딩하는 것을 돕는 적어도 하나의 전기장을 생성하는, 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 최대 치수는 1 미크론 미만이고 상기 반응 챔버는 샘플의 분석을 위해 하나의 샘플을 보유하도록 구성되는, 장치.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    적어도 하나의 바이어스를 생성하고 상기 적어도 하나의 바이어스를 상기 적어도 하나의 전기 도전성 층에 인가하도록 구성된 바이어스 회로를 추가로 포함하는, 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 바이어스의 제1 바이어스는 주기적 파형을 포함하는, 장치.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 바이어스의 제1 바이어스는 2개의 주기적 파형의 조합을 포함하는, 장치.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 반응 챔버에 인접하여 위치한 광검출기; 및
    상기 광검출기가 상기 반응 챔버에 상기 샘플이 로딩된 것을 검출하는 것에 응답하여 제1 바이어스를 변경하도록 배열된 피드백 회로를 추가로 포함하는, 장치.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 표면과의 유체 밀봉을 갖는 그리고 복수의 상기 샘플을 포함하는 현탁액을 유지하도록 구성된 샘플 저장소; 및
    상기 샘플 저장소 내의 상기 현탁액과 접촉하도록 구성된 외부 전극을 추가로 포함하고, 상기 바이어스 회로는 상기 적어도 하나의 바이어스 중의 제2 바이어스를 상기 외부 전극에 인가하도록 추가로 구성되는, 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 바이어스 회로는 제1 시간 간격 동안 상기 제1 바이어스를 인가하고 상기 제1 시간 간격과 상이한 제2 시간 간격 동안 상기 제2 바이어스를 인가하도록 추가로 구성되는, 장치.
  33. 통합 디바이스에서 관심 샘플을 로딩하는 방법으로서,
    상기 방법은:
    상기 통합 디바이스의 표면 상에 상기 관심 샘플을 포함하는 현탁액을 수용하는 단계 - 상기 현탁액은 상기 표면 내로 형성된 반응 챔버를 덮음 -;
    제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 신호를 인가하는 단계; 및
    상기 반응 챔버 내로 상기 관심 샘플을 로딩하는 것을 돕도록 동작하는 전기장을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 전기장을 생성하는 단계는 상기 반응 챔버로의 개구의 500 nm 내의 제1 영역에서 상기 제1 영역 외부의 제2 영역과 비교하여 증가된 강도를 갖는 전기장을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 반응 챔버에 인접하여 위치하고 상기 반응 챔버는 1 미크론 미만의 최대 치수를 갖는, 방법.
  36. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 통합 디바이스의 외부에 있고 상기 반응 챔버는 1 미크론 미만의 최대 치수를 갖는, 방법.
  37. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기장은 상기 현탁액 내의 다른 성분들과 상이하게 상기 관심 샘플에 작용하는, 방법.
  38. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호를 인가하는 단계는:
    상기 관심 샘플을 상기 현탁액으로부터 상기 통합 디바이스의 표면을 향해 이동시키기 위한 제1 전기 신호를 인가하는 단계; 및
    상기 관심 샘플을 상기 반응 챔버 내에 이동시키기 위한 제2 전기 신호를 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
  39. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 신호를 인가하는 단계는 2개의 주기적 파형의 조합인 전기 신호를 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
  40. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내로 제2 관심 샘플을 로딩하는 것을 감소시키거나 방해하는 추가적인 전기 신호를 상기 제1 전극에 인가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  41. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관심 샘플의 일부를 상기 반응 챔버 밖으로 이동시키는 추가적인 전기 신호를 제1 전극에 인가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  42. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 인가되는 상기 전기 신호와 상이한 제2 전기 신호를 상기 제1 전극과 제3 전극 사이에 인가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  43. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통합 디바이스의 표면에 근접하여 상기 관심 샘플의 농도를 증가시키도록 구성된 군집제를 상기 현탁액 내에 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 군집제는 폴리사카라이드인, 방법.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 폴리사카라이드는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 에틸 메틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 하이드록시에틸 메틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 메틸 셀룰로오스, 에틸 하이드록시에틸 셀룰로오스, 및 카르복시메틸 셀룰로오스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 셀룰로오스 화합물인, 방법.
  46. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 현탁액 내의 상기 관심 샘플의 만연 부피를 감소시키도록 구성된 응축제를 상기 현탁액 내에 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 응축제는 현탁액에서 다양이온성인 다양이온을 포함하고, 상기 다양이온은 스페르민, 스페르미딘, 폴리리신, 폴라아르기닌, 폴리히스티딘, 폴리오르니틴, 푸트레신, 및 프로타민으로부터 선택되는, 방법.
  48. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관심 샘플은 핵산 분자를 포함하는, 방법.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 핵산 분자는 약 1 kb 내지 약 10 kb 사이, 약 10 kb 내지 약 25 kb 사이, 약 25 kb 내지 약 50 kb 사이, 약 50 kb 내지 약 100 kb 사이, 약 100 kb 내지 약 250 kb 사이, 약 250 kb 내지 약 500 kb 사이, 또는 약 500 kb 내지 약 1000 kb 사이인, 방법.
  50. 통합 디바이스를 형성하는 방법으로서,
    유전체 재료의 영역 위에 적어도 하나의 전기 도전성 층을 형성하는 단계 - 상기 유전체 재료는 적어도 하나의 도파관을 포함함 -;
    상기 적어도 하나의 전기 도전성 층을 통해 반응 챔버를 형성하는 단계; 및
    바이어싱될 때, 상기 반응 챔버 내로 관심 샘플을 로딩하는 것을 돕도록 동작하는 전기장을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 1 미크론 미만의 최대 치수를 갖는, 방법.
  52. 제50항 또는 제51항에 있어서,
    적어도 하나의 전기 도전성 층을 형성하는 단계는 반도체 영역 위에 상기 반도체 영역 내의 집적 회로의 일부인 도전성 층을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  53. 제52항에 있어서,
    상기 반응 챔버로부터의 방출 광을 검출하도록 배열된 광검출기를 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 광검출기는 상기 반도체 영역 내의 집적 회로의 일부인, 방법.
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