KR20230149293A - 픽셀당 다수의 반응 부위를 갖는 센서 - Google Patents
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Abstract
본원에서, 일 실시예로, 장치가 설명된다. 본 장치는, 예를 들어, 한 픽셀에 걸쳐 있는 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위를 포함할 수 있다. 본원에서, 일 실시예로, 방법이 설명된다. 본 방법은, 예를 들어, 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위로부터 방출되는 신호를 검출하는 단계; 상기 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계; 및 상기 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2021년 3월 3일자로 출원된 발명의 명칭이 "Sensor with Multiple Reaction Sites Per Pixel"인 미국 특허 출원 제63/200,383호의 우선권을 주장하며, 이는 그 전체 내용이 본원에 원용되어 포함된다.
본 출원은 일반적으로 감지에 관한 것이며, 구체적으로는 광 감지에 관한 것이다.
생물학적 또는 화학적 연구에서의 다양한 프로토콜들은 제어된 반응들을 수행하는 것을 수반한다. 이어서, 지정된 반응들이 관찰되거나 검출될 수 있으며, 후속 분석은 반응에 수반된 화학물질들의 속성들을 식별하거나 드러내는 것을 도울 수 있다. 일부 다중 검정에서, 식별가능한 표지(예컨대, 형광 표지)를 갖는 미지의 분석물이 제어된 조건 하에서 수천 개의 공지된 프로브들에 노출될 수 있다. 각각의 공지된 프로브를 마이크로플레이트의 대응 웰(well) 내에 둘 수 있다. 공지된 프로브와 웰 내의 미지의 분석물 사이에서 발생하는 임의의 화학 반응을 관찰하는 것은 분석물의 속성들을 식별하거나 드러내는 데 도움이 될 수 있다. 그러한 프로토콜들의 다른 예들은 합성에 의한 서열분석(SBS: sequencing-by-synthesis) 또는 사이클릭-어레이 서열분석(cyclic-array sequencing)과 같은 공지된 데옥시리보헥산(DNA) 서열분석 프로세스를 포함한다.
본원에 일 실시예로 장치가 설명된다. 본 장치는, 예를 들어, 한 픽셀에 걸쳐 있는 제1 반응 부위(reaction site) 및 제2 반응 부위를 포함할 수 있다.
본원에 일 실시예로 방법이 설명된다. 본 방법은, 예를 들어, 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위로부터 방출되는 신호를 검출하는 단계; 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티(identity)를 결정하는 단계; 및 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본원에 일 실시예로 장치가 설명된다. 본 장치는, 예를 들어, 복수의 픽셀을 포함할 수 있고, 복수의 픽셀의 각 픽셀은 각각의 픽셀 센서; 복수의 픽셀 중의 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위; 상기 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함할 수 있고, 상기 한 픽셀의 픽셀 센서는 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하고; 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위는 "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 구성된다.
본원에, 일 실시예로, 방법이 설명된다. 본 방법은, 예를 들어, 복수의 픽셀 센서 중 한 픽셀 센서를 사용하여, 판독 신호를 검출하는 단계 - 판독 신호는 한 픽셀 센서와 연관된 제1 반응 부위로부터 방출된 제1 클러스터 신호 및 한 픽셀 센서와 연관된 제2 반응 부위로부터 방출된 제2 클러스터 신호에 의존함 -; 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계; 및 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
두 개의 개별 나노웰에서 두 개의 상이한 인접한 클러스터의 신호를 기하학적 제약 또는 신호 변조를 통해 변조함으로써, 한 픽셀을 사용하여 인접한 클러스터들의 신호들을 구별하는 것이 가능할 수 있다. 즉, 본원에 개시된 방법 및 구조의 이점 및 장점은 단일 이미지 픽셀에 의한 각각의 고유 클러스터로부터의 별개의 신호 레벨들을 분해하는 것을 포함한다. 본원에 개시된 방법 및 구조는 (예를 들어, CMOS 센서 상에서) 픽셀당 다중 클러스터 사용 및 각각의 픽셀로부터 생성되는 온/오프(on/off) 신호 구별을 가능하게 한다.
본원에서의 다양한 실시예는 CMOS 센서에 관하여 특정 방법 및 구조를 논의할 수 있지만, 전하 결합 디바이스(CCD: charge coupled device) 센서를 포함하여, 다른 센서 유형이 또한 활용될 수 있다. 마찬가지로, 본원에 개시된 방법 및 구조는 또한, 방출 광이 외부 광학 장치 및 이미지 센서(들)를 통해 검출되는 플로우 셀 상의 분석물의 검출에 적용 가능할 수 있다.
고정된 CMOS 기반 플로우 셀 상에서 정보 밀도를 증가시키는 것은 밀도 증가에 비례하는 인자에 의해서 시퀀싱 정보의 기가바이트당 비용을 감소시키는 이로운 양태를 가질 수 있다.
제1 반응 부위와 제2 반응 부위는 한 픽셀에 걸쳐 상주한다. 제1 반응 부위는 제1 나노웰이고, 제2 반응 부위는 제2 나노웰이다. 제1 나노웰은 제2 나노웰의 크기의 절반일 수 있다. 필터는 제1 반응 사이트와 한 픽셀 사이에 상주할 수 있고, 제2 반응 부위와 한 픽셀 사이에는 상주하지 않을 수 있다. 필터는 제1 반응 부위에서 방출되는 클러스터 신호를 감쇠시킨다. 필터는 얇은 금속 층일 수 있다. 필터는 탄탈륨을 포함할 수 있다. 방법은, 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위로부터 방출되는 신호를 검출하는 단계; 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계; 및 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계를 포함한다.
추가의 특징부들이 본원에 기술된 기법들을 통해 실현된다. 다른 실시예들 및 양태들이 본원에서 상세히 기술되며, 청구된 양태들의 일부로 간주된다. 본 개시내용의 이들 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부 도면과 관련하여 취해진 본 개시내용의 다양한 양태들에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
아래에서 더 상세히 논의되는 전술한 양태들 및 추가의 개념들의 모든 조합은 (그러한 개념들이 상호 불일치하지 않는다면) 발명 특허대상의 일부인 것으로 고려되며 본원에 개시된 이익 이점을 달성하기 위해 고려된다는 것이 이해되어야 한다.
하나 이상의 양태들은 본 명세서의 결론부에서의 청구범위에서 예들로서 구체적으로 지적되고 명확하게 청구된다. 하나 이상의 양태들의 전술한 목적들, 특징들, 및 이점들은 첨부 도면과 함께 취해진 하기의 상세한 설명으로부터 명백하다.
도 1은 한 픽셀에 걸쳐 하나의 나노웰이 있는 CMOS 센서의 일부분을 도시한다.
도 2는 한 픽셀에 걸쳐 실질적으로 유사한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰이 있는 CMOS 센서의 일부분을 도시한다.
도 3은 한 픽셀에 걸쳐 실질적으로 상이한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰이 있는 CMOS 센서의 일부분을 도시한다.
도 4는 실질적으로 상이한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰에서 한 픽셀에 의해 검출된 두 개의 채널 신호 강도의 예시적인 분산형 차트를 도시한다.
도 5는 실질적으로 상이한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰에서 한 픽셀에 의해 검출된 두 개의 채널 신호 강도에 기초한 예시적인 베이스 콜링(base calling) 차트를 도시한다.
도 6은 실질적으로 유사한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 7은 실질적으로 상이한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 8은 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 9는 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 다른 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 10은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도를 도시한다.
도 11은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 대응되는 단면도를 도시한다.
도 12는 한 픽셀에 걸친 클러스터들(또는 나노웰들)의 수를 대응되는 산포도 클라우드들(scatter plot clouds)의 수 및 신호 강도와 함께 보여주는 차트이다.
도 13은 분석에 사용하기 위한 장치의 개략적인 정단면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 장치의 상부 단면도이다.
도 15는 여기 광과 방출 광과 검출기 검출 대역 사이의 조정을 예시하는 스펙트럼 프로파일 다이어그램이다.
도 16은 실질적으로 유사한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 17은 실질적으로 상이한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 18a는 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 18b 내지 도 18d는 도 18a의 구조물의 제조를 위한 제조 단계 도면들을 도시한다.
도 19a는 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 다른 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 19b 및 도 19c는 도 19a의 구조물의 제조를 위한 제조 단계 도면들을 도시한다.
도 20은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도를 도시한다.
도 21은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 대응되는 단면도를 도시한다.
도 22 내지 도 25는 대안적인 실시예에 따른 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 26은 DNA 서열 재구성을 위한 DNA 서열분석을 지원하는데 사용될 수 있는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 27a 및 도 27b는 픽셀당 다수의 반응 부위 설계에서 신호 대 잡음 고려 사항을 도시하는 차트들이다.
도 28a 및 도 28c는 클라우드 간격에 대한 클러스터 신호 진폭 비율의 영향을 도시하는 차트이다.
도 1은 한 픽셀에 걸쳐 하나의 나노웰이 있는 CMOS 센서의 일부분을 도시한다.
도 2는 한 픽셀에 걸쳐 실질적으로 유사한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰이 있는 CMOS 센서의 일부분을 도시한다.
도 3은 한 픽셀에 걸쳐 실질적으로 상이한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰이 있는 CMOS 센서의 일부분을 도시한다.
도 4는 실질적으로 상이한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰에서 한 픽셀에 의해 검출된 두 개의 채널 신호 강도의 예시적인 분산형 차트를 도시한다.
도 5는 실질적으로 상이한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰에서 한 픽셀에 의해 검출된 두 개의 채널 신호 강도에 기초한 예시적인 베이스 콜링(base calling) 차트를 도시한다.
도 6은 실질적으로 유사한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 7은 실질적으로 상이한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 8은 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 9는 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 다른 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 10은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도를 도시한다.
도 11은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 대응되는 단면도를 도시한다.
도 12는 한 픽셀에 걸친 클러스터들(또는 나노웰들)의 수를 대응되는 산포도 클라우드들(scatter plot clouds)의 수 및 신호 강도와 함께 보여주는 차트이다.
도 13은 분석에 사용하기 위한 장치의 개략적인 정단면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 장치의 상부 단면도이다.
도 15는 여기 광과 방출 광과 검출기 검출 대역 사이의 조정을 예시하는 스펙트럼 프로파일 다이어그램이다.
도 16은 실질적으로 유사한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 17은 실질적으로 상이한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 18a는 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 18b 내지 도 18d는 도 18a의 구조물의 제조를 위한 제조 단계 도면들을 도시한다.
도 19a는 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 다른 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 19b 및 도 19c는 도 19a의 구조물의 제조를 위한 제조 단계 도면들을 도시한다.
도 20은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도를 도시한다.
도 21은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 대응되는 단면도를 도시한다.
도 22 내지 도 25는 대안적인 실시예에 따른 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 26은 DNA 서열 재구성을 위한 DNA 서열분석을 지원하는데 사용될 수 있는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 27a 및 도 27b는 픽셀당 다수의 반응 부위 설계에서 신호 대 잡음 고려 사항을 도시하는 차트들이다.
도 28a 및 도 28c는 클라우드 간격에 대한 클러스터 신호 진폭 비율의 영향을 도시하는 차트이다.
유사한 도면 부호들이 별개의 도면들 전체에 걸쳐 동일하거나 기능적으로 유사한 요소들을 지칭하고, 본 명세서에 포함되고 그 일부를 형성하는 첨부 도면은, 추가로 본 구현예(들)를 예시하고, 그리고 구현예(들)의 상세한 설명과 함께, 본 구현예(들)의 원리들을 설명하는 역할을 한다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 첨부 도면은 이해를 쉽게 하기 위해 제공되며 본 구현예(들)의 소정 예들의 양태들을 예시한다. 구현예(들)는 도면에 도시된 예들로 한정되지 않는다.
용어들 "연결", "연결된", "접촉" "결합된" 및/또는 이와 유사한 용어는 본원에서 다양한 서로 다른 배열 및 조립 기술들을 포함하도록 광의로 정의된다. 이러한 배열 및 기술은 하기를 포함하지만, 이들에 한정되지 않는다: (1) 한 컴포넌트와 다른 컴포넌트가 이들 사이에 개재되는 컴포넌트 없이 직접 결합하는(즉, 컴포넌트들이 직접적인 물리적 접촉 상태에 있는) 것; 및 (2) 다른 컴포넌트에 "연결"되거나 "접촉"하거나 "결합"되는 한 컴포넌트가 (이들 사이에 하나 이상의 추가 컴포넌트가 존재함에도 불구하고) 어떻게든 다른 컴포넌트와 작동 가능하게(예컨대, 전기적으로, 유체 연통되게, 물리적으로, 광학적으로 등) 연통한다면, 한 컴포넌트와 다른 컴포넌트가 이들 사이에 하나 이상의 컴포넌트가 있는 상태에서 결합하는 것. 서로 직접 물리적으로 접촉하는 일부 컴포넌트들은 서로 전기적 접촉 및/또는 유체 접촉 상태에 있을 수 있거나 그렇지 않을 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 더욱이, 전기적으로 연결되거나, 전기적으로 결합되거나, 광학적으로 연결되거나, 광학적으로 결합되거나, 유동적으로 연결되거나, 유동적으로 결합되는 2개의 컴포넌트들은 직접적인 물리적 접촉 상태에 있을 수 있거나 그렇지 않을 수 있고, 하나 이상의 다른 컴포넌트들이 그들 사이에 위치될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같은 용어 "포함하는(including)" 및 "포함하는(comprising)"은 동일한 의미를 갖는다.
청구범위를 포함하여 본 발명 전반에 걸쳐 사용될 수 있는 용어 "실질적으로", "대략", "약", "상대적으로", 또는 다른 그러한 유사한 용어는, 예를 들어 기준 또는 파라미터로부터의 처리의 변화로 인한 작은 변동을 기술하고 설명하는 데 사용된다. 이러한 작은 변동들은, 또한, 기준 또는 파라미터로부터의 0의 변동을 포함한다. 예를 들어, 이들은 ±10% 이하, 예를 들어 ±5% 이하, 예를 들어 ±2% 이하, 예를 들어 ±1% 이하, 예를 들어 ±0.5% 이하, 예를 들어 ±0.2% 이하, 예를 들어 ±0.1% 이하, 예를 들어 ±0.05% 이하를 지칭할 수 있다. 본원에 사용되는 경우, 용어 "실질적으로", "대략", "약", "상대적으로", 또는 다른 이러한 유사한 용어는 또한 변동 없음, 즉, ± 0%를 지칭할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "플로우 셀"은 반응 구조물에 걸쳐 연장되는 뚜껑을 가져서 그들 사이에 반응 구조물의 복수의 반응 부위와 연통되는 유동 채널을 형성하는 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미징 디바이스 및/또는 광학 장치와 같은 검출 디바이스는 플로우 셀과 분리되어 있다. 다른 실시예들에서, 플로우 셀은 반응 부위에서 또는 그에 근접하여 발생되는 지정된 반응을 검출하는 검출 디바이스를 포함할 수 있다. 플로우 셀은 전하-결합 디바이스(CCD) 또는 상보성 금속-산화물 반도체(CMOS) (광) 검출 디바이스와 같은 솔리드 스테이트 광 검출 또는 "이미징" 디바이스를 포함할 수 있다. CMOS 검출 디바이스 또는 센서는, 예를 들어, 입사 방출 신호들을 검출하는 복수의 검출 픽셀을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 검출 픽셀은 반응 부위에 대응된다. 다른 실시예들에서, 반응 부위들의 수보다 많거나 적은 픽셀이 있을 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예들에서 검출 픽셀은 출력 신호를 생성하기 위한 단일 감지 요소에 대응된다. 다른 실시예들에서, 검출 픽셀은 출력 신호를 생성하기 위한 다수의 감지 요소들에 대응된다. 플로우 셀은 또한 또는 대안적으로, 뚜껑이 없이, 2개(또는 그 이상)의 대향하는 센서들을 포함할 수 있다. 하나의 특정 예로서, 플로우 셀은 카트리지에 유체 연통되게, 전기적으로, 또는 유체 연통되면서 전기적으로 결합될 수 있으며, 카트리지는 생물검정 시스템에 유체적으로, 전기적으로, 또는 유체적 및 전기적 둘 모두로 결합될 수 있다. 카트리지 및/또는 생물검정 시스템은 미리 결정된 프로토콜(예컨대, 합성에 의한 서열분석)에 따라 반응 용액을 플로우 셀의 반응 부위들로 전달할 수 있고, 복수의 이미징 이벤트들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 카트리지 및/또는 생물검정 시스템은 하나 이상의 반응 용액들을 플로우 셀의 플로우 채널을 통해, 그리고 이에 의해 반응 부위들을 따라 지향시킬 수 있다. 반응 용액들 중 적어도 하나는 동일하거나 상이한 형광 표지들을 갖는 4개의 유형들의 뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 뉴클레오티드는 플로우 셀의 반응 부위들에, 예컨대 반응 부위들에서의 대응되는 올리고뉴클레오티드에 결합한다. 이어서, 카트리지, 생물검정 시스템, 또는 플로우 셀 자체는 일부 실시예들에서 여기 광원(예컨대, 발광 다이오드(LED)들과 같은 솔리드 스테이트 광원들)을 사용하여 반응 부위들을 조명한다. 일부 실시예들에서, 여기 광은 일정 범위의 파장들을 포함한 미리 결정된 파장 또는 파장들을 갖는다. 입사 여기 광에 의해 여기되는 형광 표지들은 플로우 셀의 광 센서들에 의해 검출될 수 있는 방출 신호들(예컨대, 여기 광과는 상이한, 그리고, 잠재적으로 서로 상이한 파장 또는 파장들의 광)을 제공할 수 있다.
본원에 기술된 플로우 셀들은 다양한 생물학적 또는 화학적 프로세스들 및/또는 분석을 수행한다. 보다 구체적으로, 본원에 기술된 플로우 셀들은, 지정된 반응을 나타내는 이벤트, 속성, 품질, 또는 특성을 검출하는 것이 요구되는 다양한 프로세스들 및 시스템들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기술된 플로우 셀들은 광 검출 디바이스들, 바이오센서들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 센서들, 및 그들의 컴포넌트들뿐만 아니라, 바이오센서들을 포함한 센서들과 함께 작동하는 생물검정 시스템들을 포함하거나 이들과 통합될 수 있다.
플로우 셀들은 개별적으로 또는 집합적으로 검출될 수 있는 복수의 지정된 반응들을 용이하게 한다. 플로우 셀들은 복수의 지정된 반응들이 병렬로 발생하는 다수의 사이클들을 수행한다. 예를 들어, 플로우 셀들은 효소 조작 및 광 또는 이미지 검출/획득의 반복적 사이클들을 통해 조밀한 어레이의 DNA 특징들을 서열분석하는 데 사용될 수 있다. 이와 같이, 플로우 셀들은 반응 용액 내의 시약들 또는 다른 반응 성분들을 플로우 셀들의 반응 부위들로 전달하는 하나 이상의 마이크로유체 채널들과 유체 연통될 수 있다. 반응 부위들은 미리 결정된 방식으로, 예컨대, 균일한 또는 반복 패턴으로 제공되거나 이격될 수 있다. 대안적으로, 반응 부위들은 랜덤하게 분포될 수 있다. 각각의 반응 부위들은 하나 이상의 도광체들, 및 연관된 반응 부위로부터의 광을 검출하는 하나 이상의 광 센서들과 연관될 수 있다. 일 실시예에서, 도광체들은 소정 파장들의 광을 필터링하기 위한 하나 이상의 필터들을 포함한다. 도광체들은, 예를 들어, 필터 재료가 소정 파장(또는 범위의 파장들)을 흡수하고 적어도 하나의 미리 결정된 파장(또는 범위의 파장들)이 통과하는 것을 허용하도록 하는 흡수 필터(예컨대, 유기 흡수 필터)일 수 있다. 일부 플로우 셀들에서, 반응 부위들은 반응 리세스들 또는 챔버들 내에 위치될 수 있으며, 이는 그 안에서의 지정된 반응들을 적어도 부분적으로 구획화할 수 있다. 또한, 지정 반응들은 주변 온도 이외의 온도, 예를 들어 승온을 수반하거나 그 온도에서 더 쉽게 검출될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, "지정된 반응"은 관심 대상 분석물과 같은 관심 대상 화학적 물질 또는 생물학적 물질의 화학적, 전기적, 물리적, 또는 광학적 속성(또는 품질) 중 적어도 하나에 있어서의 변화를 포함한다. 특정 플로우 셀들에서, 지정된 반응은, 예를 들어, 형광 표지된 생체분자의 관심 대상 분석물과의 합체와 같은 양성 바인딩 이벤트이다. 더 일반적으로, 지정된 반응은 화학적 변환, 화학적 변화, 또는 화학적 상호작용일 수 있다. 지정된 반응은 또한 전기적 속성들의 변화일 수 있다. 특정 플로우 셀들에서, 지정된 반응은 분석물과의 형광 표지된 분자의 합체를 포함한다. 분석물은 올리고뉴클레오티드일 수 있고, 형광 표지된 분자는 뉴클레오티드일 수 있다. 표지된 뉴클레오티드를 갖는 올리고뉴클레오티드를 향해 여기 광이 지향될 때 지정된 반응이 검출될 수 있고, 발형광단은 검출가능한 형광 신호를 방출한다. 플로우 셀들의 다른 실시예들에서, 검출된 형광은 화학발광 또는 생물발광의 결과이다. 지정된 반응은, 또한, 예를 들어 공여체 발형광단을 수용체 발형광단 부근으로 가져옴으로써 형광 공명 에너지 전달(FRET: fluorescence(또는 
) resonance energy transfer)을 증가시킬 수 있거나, 공여체 발형광단과 수용체 발형광단을 분리시킴으로써 FRET를 감소시킬 수 있거나, 발형광단으로부터 소광제(quencher)를 분리시킴으로써 형광을 증가시킬 수 있거나, 또는 소광제와 발형광단을 병치시킴으로써 형광을 감소시킬 수 있다. 생물학적 또는 화학적 분석은 지정된 반응을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, "전기적으로 결합된" 및 "광학적으로 결합된"은 전원, 전극, 기판의 전도성 부분, 액적, 전도성 트레이스, 와이어, 도파관, 나노구조물, 다른 회로 세그먼트 등의 임의의 조합 사이에서, 각각, 전기 에너지 및 광파의 전달을 지칭한다. "전기적으로 결합된" 및 "광학적으로 결합된"이라는 용어들은 직접 또는 간접 연결들과 관련하여 활용될 수 있고, 유체 중간체, 에어 갭 등과 같은 다양한 중간체들을 통과할 수 있다. 마찬가지로, "유체 연통되게 결합된"은 공급원들의 임의의 조합 사이의 유체의 전달을 지칭한다. "유체 연통되게 결합된"이라는 용어는 직접 또는 간접 연결과 관련하여 이용될 수 있고, 채널, 웰, 풀, 펌프 등과 같은 다양한 중간체를 통과할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, "반응 용액", "반응 성분" 또는 "반응물"은 적어도 하나의 지정된 반응을 획득하기 위해 사용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 예를 들어, 잠재적인 반응 성분들은, 예를 들어, 시약들, 효소들, 샘플들, 다른 생체분자들, 및 완충 용액들을 포함한다. 반응 성분들은 본원에 개시된 플로우 셀들 내의 반응 부위로 용액 중에 전달될 수 있고/있거나 반응 부위에 고정화될 수 있다. 반응 성분들은 플로우 셀의 반응 부위에 고정화된 관심 대상 분석물과 같은 다른 물질과 직접적으로 또는 간접적으로 상호작용할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "반응 부위"는 적어도 하나의 지정된 반응이 발생할 수 있는 국소화된 영역이다. 반응 부위는 물질이 위에 고정화될 수 있는 기재(substrate) 또는 반응 구조물의 지지 표면들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 부위는 반응 성분을 위에 갖는, 예컨대 핵산의 콜로니를 위에 갖는 반응 구조물(이는 플로우 셀의 채널 내에 포지셔닝될 수 있음)의 표면을 포함할 수 있다. 일부 플로우 셀들에서, 콜로니 내의 핵산들은 동일한 서열을 가지며, 예를 들어, 단일 가닥 또는 이중 가닥 템플릿의 클론 복제물들이다. 그러나, 일부 플로우 셀들에서, 반응 부위는, 예를 들어 단일 가닥 또는 이중 가닥 형태의 단일 핵산 분자만을 함유할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "투명한"은 관심 대상인 모든 또는 실질적으로 모든 가시 및 비-가시 전자기 방사선 또는 광이 차단되지 않고 통과하도록 허용하는 것을 지칭하고; 용어 "불투명한(opaque)"은 관심 대상인 모든 또는 실질적으로 모든 가시 및 비-가시 전자기 방사선 또는 광을 반사, 편향, 흡수하거나, 또는 그의 통과를 차단하는 것을 지칭하고; 용어 "투명하지 않은(non-transparent)"은 관심 대상인 전부가 아닌 일부 가시 및 비-가시 전자기 방사선 또는 광이 차단되지 않고 통과하도록 허용하는 것을 지칭한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "도파관"은 특정 방향 또는 방향 범위로 에너지의 투과를 제한함으로써 최소의 에너지 손실로, 전자기파와 같은 파동을 안내하는 구조물을 지칭한다.
제안된 방법 및 구조물은 시퀀싱 데이터의 더 높은 처리량 및 더 낮은 비용을 포함하여 많은 이점을 제공한다.
소정 실시예에서, 기하학적 제약 또는 신호 변조를 통해 2개의 개별 나노웰에서 2개의 상이한 인접 클러스터의 신호를 변조하는 것은 CMOS 센서에 대한 정보 밀도를 2배 이상 증가시킬 수 있어, 픽셀당 하나의 클러스터/웰이 있는 CMOS 기반 검출 디바이스에 비해 이점을 제공할 수 있다. 또한, CMOS 기반 플로우 셀 상에서 정보 밀도를 증가시키는 것은 밀도 증가에 비례하는 인자에 의해서 시퀀싱 정보의 기가바이트당 비용을 감소시키는 이점을 가질 수 있다. 이러한 혁신의 실질적인 영향은 정보 밀도의 관점에서 CMOS 기반 시퀀싱이 더 큰 플랫폼과 경쟁할 수 있게 한다. 또한, 본원에 개시된 방법 및 구조물을 구현하는 것은 CMOS 제조 수정과 결합된 소프트웨어 변경만을 요구할 수 있으며, 기기 및 시약 소모품은 실질적으로, 완전히는 아니라도, 바뀌지 않는다.
한 픽셀의 상부 상에 2개 이상의 나노웰을 배치함으로써, 센서는 전송 변조 옵션에서 "밝은" 클러스터에 대한 최소 50% 강도 히트 및 "감쇠된" 클러스터에 대한 공칭에 비교하여 50% 초과의 강도 히트를 수용한다. 상이한 크기의 나노웰 구현(예를 들어, 더 큰 "지배적" 크기의 웰과 더 작은 "부차적" 크기의 웰)은 총 신호가 거의 동일하게 유지되도록 두 개(가정됨)의 단일클론 클러스터들 사이에서 불균형적으로 신호의 공유를 수용한다. 그럼에도 불구하고, 지배적 나노웰과 부차적 나노웰 사이의 신호 비율은 두 클러스터 사이의 신호 구별을 정확하게 하기에 충분히 크다.
이하에서는 도면을 참조하는데, 도면은 이해를 쉽게 하기 위해 실척으로 그려지지 않았으며, 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 구성요소를 지시하는 데 동일한 도면 부호가 사용된다.
도 1은 단일 나노웰이 한 픽셀에 걸쳐있는 CMOS 센서의 일부분을 도시한다. 한 픽셀 상의 하나의 클러스터는 센서 상에서 두 개의 상이한 판독으로 귀결될 것이다. 예를 들어, 센서는 클러스터가 온(on)이거나 오프(off)라고 결정할 수 있다. 클러스터(C1)는 나노웰(NW) 내에 위치되며, 방출 신호(예컨대, 광)를 클러스터(C1)로부터 아래 센서로 지향시키는 광 파이프(LP)에 걸쳐 상주한다. 예를 들어, 클러스터 신호가 "온"일 때, 관심 대상인 특정 분석물이 존재할 수 있고, 형광 또는 광의 방출이 있다. 마찬가지로, 클러스터 신호가 "오프"일 때, 이것은 관심 대상인 특정 분석물이 존재하지 않을 수 있다는 것을 나타낸다. CMOS 센서의 일부분의 오른쪽에 있는 표는, 예를 들어, 클러스터 신호와 센서 사이에서 신호 손실이 없다고 가정할 수 있는 예시적인 클러스터 신호 강도 및 대응되는 센서 판독 신호 강도를 보여준다.
나노웰은 DNA 클러스터를 수용하는 반응 부위에 대한 경계 구조물일 수 있다. CMOS 센서는 나노웰로 도시되지만, 반응 부위에 대한 대안적인 구조물이 또한 사용될 수 있다.
도 2는 두 개의 나노웰을 구비하는 CMOS 센서의 일부분을 도시하며, 이들은 한 픽셀에 걸쳐 실질적으로 유사한 "온" 클러스터 신호 강도들을 제공한다. 동일한 "온" 신호 레벨(강도)을 가진 두 개의 클러스터는 센서 상에서 가능한 세 가지 상이한 판독으로 귀결될 것이다. 즉, 센서는 어떤 클러스터가 "온"인지를 결정하지 못할 수 있다. 클러스터들(C1 및 C2)은 그들 자신 각각의 나노웰들(NW) 내에 위치되며, 방출 신호들(예컨대, 광)을 클러스터들(C1 및 C2)로부터 아래 센서로 지향시키는 광 파이프(LP)에 걸쳐 상주한다. 예를 들어, 클러스터 신호가 "온"일 때, 관심 대상인 특정 분석물이 존재할 수 있고, 형광 또는 광의 방출이 있다. 마찬가지로, 클러스터 신호가 "오프"일 때, 이것은 관심 대상인 특정 분석물이 존재하지 않을 수 있다는 것을 나타낸다. CMOS 센서의 일부분의 오른쪽에 있는 표는, 예를 들어, 클러스터 신호와 센서 사이에서 신호 손실이 없다고 가정할 수 있는 예시적인 클러스터 신호 강도 및 대응되는 센서 판독 신호 강도를 보여준다.
도 3은 두 개의 나노웰을 구비하는 CMOS 센서의 일부분을 도시하며, 이들은 한 픽셀에 걸쳐 실질적으로 상이한 "온" 클러스터 신호 강도들을 제공한다. 신호 강도가 1x(1배) 및 2x(2배)인 두 개의 클러스터로부터의 센서 판독들은 클러스터 상태, 즉 온 또는 오프를 결정하는 것이 가능할 수 있다. 클러스터들(C1 및 C2)은 그들 자신 각각의 나노웰들(NW) 내에 위치되며, 방출 신호들(예컨대, 광)을 클러스터들(C1 및 C2)로부터 아래 센서로 지향시키는 광 파이프(LP)에 걸쳐 상주한다. 예를 들어, 클러스터 신호가 "온"일 때, 관심 대상인 특정 분석물이 존재할 수 있고, 형광 또는 광의 방출이 있다. 마찬가지로, 클러스터 신호가 "오프"일 때, 이것은 관심 대상인 특정 분석물이 존재하지 않을 수 있다는 것을 나타낸다.
CMOS 센서의 일부분의 오른쪽에 있는 표는, 예를 들어, 클러스터 신호와 센서 사이에서 신호 손실이 없다고 가정할 수 있는 예시적인 클러스터 신호 강도 및 대응되는 센서 판독 신호 강도를 보여준다. 한 픽셀 센서에 걸쳐 있는 각각의 클러스터 사이의 클러스터 신호 강도를 변조함으로써, 즉 각각의 클러스터로부터 픽셀 센서에 의해서 검출되는 신호 강도가 상이하도록 함으로써, CMOS 센서의 한 픽셀을 사용하여 각각의 클러스터(본 실시예에서, 각각 자신의 나노웰 내에 있음)의 상태(온 또는 오프)를 결정하는 것이 가능할 수 있다.
도 4는 실질적으로 상이한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰에서 한 픽셀에 의해 검출된 두 개의 채널 신호 강도의 예시적인 분산형 차트를 도시한다. 도 4의 분산형 차트는 예시적인 강도에서 클러스터 신호의 16개의 별개의 클라우드를 보여준다. 도 5는 실질적으로 상이한 "온" 클러스터 신호 강도를 제공하는 두 개의 나노웰에서 한 픽셀에 의해 검출된 두 개의 채널 신호 강도에 기초한 예시적인 베이스 콜링(base calling) 차트를 도시한다. 두 개의 채널을 사용하여(예를 들어, 방출 광의 두 개의 상이한 파장을 검출하여), DNA 서열의 특정 염기(예컨대, 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C). 및 티민(T))가 각각의 클러스터/웰별로 결정될 수 있다. 예를 들어, 광의 제1 파장을 검출하지만 광의 제2 파장을 검출하지 못하는 것은 관심 대상인 염기가 시토신(C)이라는 것을 나타낼 수 있고; 광의 제2 파장을 검출하지만 광의 제1 파장을 검출하지 못하는 것은 관심 대상인 염기가 아데닌(A)이라는 것을 나타낼 수 있고; 광의 제1 파장 및 제2 파장 모두를 검출하는 것은 관심 대상인 염기가 티민(T)이라는 것을 나타낼 수 있고; 광의 제1 파장 및 제2 파장을 모두 검출하지 못하는 것은 관심 대상인 염기가 구아닌(G)이라는 것을 나타낼 수 있다.
도 6은 실질적으로 유사한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 두 개의 나노웰(관심 대상인 클러스터, 예를 들어 DNA 가닥의 단일클론 클러스터를 지지할 수 있음) 각각은 동일한 길이와 폭을 갖는다. 그러나, 나노웰들 중 한 나노웰은 신호를 약 50% 감쇠시키는 필터를 갖지만, 다른 나노웰은 그렇지 않다. 필터는 나노웰의 상부 표면 아래에 검은색 층(흑백으로 더 어둡고 균일한 음영으로 도시됨)으로서 도시된다. 도면의 나노웰은 직사각형으로서 도시될 수 있지만, 예를 들어 원형, 타원형, 육각형, 팔각형 등과 같은 다른 형상의 나노웰이 가능하다. 파란색 재료(흑백으로 더 밝고 균일한 음영으로 도시됨)는 또한 신호를 감쇠시키는 금속 재료일 수 있다. 노란색 및 회색 재료들(해칭 패턴으로 도시됨)은 유전체 재료들일 수 있다.
도 7은 실질적으로 상이한 크기의 나노웰들을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 두 개의 나노웰(관심 대상인 클러스터, 예를 들어 DNA 가닥의 단일클론 클러스터를 지지할 수 있음) 각각은 상이한 폭을 가지며, 왼쪽 나노웰이 오른쪽 나노웰의 폭의 절반인 폭을 갖는다. 이것은 관심 대상 클러스터의 크기를 제한할 수 있으며, 이는 결과적으로 관심 대상 분석물이 존재할 때 클러스터에 의해서 방출되는 클러스터 신호를 제한할 수 있다. 예를 들어, 제1 나노웰이 제2 나노웰의 크기의 두 배인 경우, 제1 나노웰은 제2 나노웰에 비해 두 배의 클러스터 신호 강도를 생성할 수 있다.
도 8은 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다. 제2 나노웰은 제2 나노웰의 표면 아래에, 일부 실시예들에서는, 바로 아래에 배치된 필터 층을 가질 수 있으며, 여기서 이러한 층은 제1 나노웰에 존재하지 않는다. 다른 실시예들에서는, 나노웰의 표면과 필터 층 사이에 상주하는 추가 층들 또는 재료들이 있을 수 있다. 이 도 8의 오른쪽에 있는 나노웰은 추가적인 층과 함께 도시된다. 이 필터 층은 얇은 금속 층일 수 있다. 필터 층은 CMOS 센서의 제조 공정과 양립될 수 있어야 한다. 일부 실시예들에서, 필터 층은 관심 대상인 분석물이 존재할 때 클러스터로부터 방출되는 클러스터 신호의 약 50%(절반)를 감쇠시킨다. 필터 층은 탄탈륨을 포함하거나 이것으로 구성될 수 있다.
도 9는 두 개의 나노웰 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 필터를 갖는 다른 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다. CMOS 센서의 층들 중 하나는 필터 층일 수 있다. 그러나, 이 필터 층은 한 픽셀에 걸친 2개의 나노웰 중 제1 나노웰 아래에서 제거될 수 있지만 제2 나노웰 아래에서는 제거되지 않는다. 따라서 이러한 구성은 제1 나노웰로부터 방출되는 클러스터 신호를 감쇠시키지 않을 수 있다. 이 도면에서, 문자 C에 의해서 식별되는 파란색 층은 필터 층이다.
도 10은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도를 도시한다. 도 11은 인접한 픽셀들에 걸친 나노웰들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 대응되는 단면도를 도시한다. 녹색 원들은 감쇠된 웰들(즉, 클러스터 신호가 감쇠되는 나노웰들)을 나타내는 한편, 파란색 원들은 감쇠되지 않은 웰들(즉, 클러스터 신호가 감쇠되지 않은 나노웰들)을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 인접한 웰들로부터 픽셀 센서에 의해 검출되는 크로스토크(crosstalk)를 감소시키기 위한 노력으로, 나노웰들 사이의 거리를 최대화하는 것이 바람직할 수 있다. 도 10 및 도 11은 인접한 픽셀들 사이에서 수직인 나노웰 배향들을 도시한다. 예를 들어, 제1 픽셀이 왼쪽으로부터 오른쪽으로의 나노웰 배향을 갖는 경우, 제1 픽셀에 인접한 제2 픽셀은 위로부터 아래로의 나노웰 배향을 가질 수 있다.
도 12는 한 픽셀에 걸친 클러스터들(또는 나노웰들 또는 반응 부위들)의 수를 대응되는 산포도 클라우드들(scatter plot clouds)의 수 및 신호 강도와 함께 보여주는 차트이다. 한 픽셀에 걸친 클러스터들의 수가 증가됨에 따라, 각 클러스터에 대한 온 또는 오프 조건을 결정하는 데 요구되는 신호 강도들의 진폭뿐만 아니라 상이한 신호 강도들의 수가 증가될 수 있다.
도 1 내지 도 12를 수반하는 설명을 참조하면, 본원에서 픽셀의 픽셀 센서는 대안적으로 광 센서 또는 광 검출기로 칭해질 수 있고, 픽셀의 광 센서는 대안적으로 픽셀 센서 또는 광 검출기로 칭해질 수 있고, 본원에서 픽셀의 광 검출기는 대안적으로 센서 또는 광 검출기로 칭해질 수 있다. 도 1 내지 도 12를 수반하는 설명을 참조하면, 광을 감쇠시키기 위한 필터는 대안적으로 감쇠기로 칭해질 수 있고, 광을 감쇠시키기 위한 필터 층은 대안적으로 감쇠 층 또는 감쇠 재료 층으로 칭해질 수 있다.
본 명세서의 실시예들은 상보성 금속-산화물 반도체(CMOS) 센서와 같은 이미지 센서 구조물들이 센서 시스템을 형성하도록 미세유체 디바이스와 결합될 수 있다는 것을 인식한다. 센서 시스템은, 예를 들어, 바이오센서 시스템일 수 있다. 이러한 센서 시스템은, 대체로, 이미지 센서 구조물의 하나 이상의 층들의 패시베이션 스택(passivation stack)(본원에서 "패시베이션 스택"이라 함)의 상부 층에 배치된 나노웰들의 고밀도 어레이들을 이용하여, 나노웰들 내에 배치된 폴리뉴클레오티드 가닥들 상에서 제어식 반응 프로토콜을 수행한다. 반응 프로토콜은, 예를 들어, 가닥들 내의 뉴클레오티드의 순서를 결정할 수 있다.
본 명세서의 실시예들은, 이러한 반응 프로토콜의 한 예에서, 이미지 센서 구조물의 나노웰 어레이 내에 배치된 폴리뉴클레오티드 가닥(예를 들어, DNA 단편의 클러스터, 핵산 분자 쇄 등)가 플로우 셀을 통한 유체 유동을 통해 가닥으로 전달되는 식별가능한 라벨(예를 들어, 형광 표지된 뉴클레오티드 염기)로 태그될 수 있다는 것을 인식한다. 그런 다음, 하나 이상의 여기 광이 나노웰들 내의 표지된 가닥의 클러스터(들) 상으로 지향될 수 있다. 그러면 표지된 가닥은 가닥 내의 뉴클레오티드 염기의 순서를 나타내는, 방출 광의 광자를 방출할 수 있고, 이는 패시베이션 스택을 통해서, 각각의 나노웰과 관련된(예를 들어, 바로 아래에 위치된) 이미지 센서 구조물의 도광체들 안으로 전달될 수 있다.
본 명세서의 실시예들은 도광체가 방출 광 광자를 이미지 센서 구조물 내에 배치되고 도광체와 연관된 광 검출기들(각각의 도광체 및 연관된 광 검출기는 때때로 픽셀이라 함)로 지향시킨다는 것을 설명된 예를 참조하여 인식한다. 광 검출기는 방출 광 광자를 검출한다. 그 후, 이미지 센서 구조 내의 장치 회로는 검출된 광자들을 이용하여 데이터 신호들을 처리하고 전송한다. 그런 다음, 데이터 신호는 가닥 내의 뉴클레오티드 염기의 서열을 밝히기 위해 분석될 수 있다. 이러한 시퀀싱 프로세스의 예는 합성에 의한 시퀀싱(SBS: sequencing-by-synthesis) 또는 순환 배열 시퀀싱(cyclic- array sequencing)이다.
본 명세서의 실시예들은 CMOS 센서 상에서 더 높은 클러스터 밀도(및 따라서 더 높은 검출 처리량)를 달성하는 것이 어려운 작업이라는 것을 인식한다. 본원에서의 실시예들은 픽셀 피치(즉, 각 픽셀의 간격 또는 주기적 거리)를 0.7 μm 미만으로 줄이는 것이 점점 더 어려워지고 있다는 것을 인식한다. 본원에서의 실시예들은 픽셀 크기를 감소시키지 않으면서 클러스터 밀도를 증가시키는 옵션이 픽셀당 다수의 클러스터가 검출될 수 있는 방식으로 CMOS 센서를 구성하는 것임을, 즉, CMOS 센서의 단일 광 검출기에 의한 것임을 인식한다.
본원에서의 실시예들은 각각의 픽셀이 광 검출기에 입사하는 광자들의 수를 측정하는 단 하나의 광 검출기를 갖기 때문에, 단순히 픽셀에 하나 이상의 클러스터를 추가하는 것으로는 다수의 클러스터로부터 오는 신호를 구별하는 것이 가능하지 않다는 것을 인식한다. 본 명세서의 실시예들은 한 픽셀 상의 상이한 클러스터로부터 생성된 신호를 구별하기 위한 방법 및/또는 구조물이 요구된다는 것을 인식한다.
도 1 내지 도 12의 실시예들을 참조하여 장치가 본 명세서에서 설명되며, 이 장치의 각각의 픽셀 및 픽셀 센서는 이들에 연관된 제1 및 제2 나노웰을 갖는다. 각각의 픽셀 및 픽셀 센서와 연관된 제1 및 제2 나노웰은 제2 나노웰로부터 방출되는 클러스터 신호 "온" 상태 신호가 제1 나노웰로부터 방출되는 클러스터 신호 "온" 상태 신호보다 크도록 구성될 수 있다. 제2 나노웰의 클러스터 신호 "온" 상태 신호가 제1 나노웰의 클러스터 신호 "온" 상태 신호와 구별되도록 장치를 구성하기 위해, 제2 나노웰은 제1 나노웰과 상이하게 구성될 수 있다. 도 6 및 도 8 내지 도 11의 실시예들에서, 제1 및 제2 나노웰은 제1 나노웰로부터의 방출 광의 감쇠가 제2 나노웰로부터의 방출 광의 감쇠에 비해 증가되도록 구성될 수 있다. 도 6 및 도 8 내지 도 11의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰로부터의 방출 광의 감쇠가 제2 나노웰로부터의 방출 광의 감쇠에 비해 증가되도록 감쇠 재료를 사용하여 구성될 수 있다. 도 6 및 도 8 내지 도 11의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 감쇠기를 포함하고 제2 나노웰에는 감쇠기가 없도록 구성될 수 있다. 도 6 및 도 8 내지 도 11의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 제1 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하도록 구성될 수 있고, 제2 나노웰에는 제2 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없다. 도 6 및 도 8 내지 도 11의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 제1 나노웰의 바닥면 아래 영역에 감쇠기를 포함하도록 구성될 수 있고, 제2 나노웰의 바닥면 아래 영역 내의 제2 나노웰에는 감쇠기가 없다. 도 7 및 도 11의 실시예들에서, 장치는 감쇠 재료 층이 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 제1 나노웰을 한정하는 영역에서는 연장되지만 제2 나노웰의 바닥면 아래에서 제2 나노웰을 한정하는 영역에는 없도록 구성될 수 있다. 도 6 및 도 8 내지 도 11의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 제1 나노웰의 바닥면 바로 아래 영역에 감쇠기를 포함하도록 구성될 수 있고, 바닥면의 바로 아래 영역 내의 제2 나노웰에는 감쇠기가 없다. 도 6 및 도 8 내지 도 11의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역에 감쇠기를 포함하도록 구성될 수 있고, 제2 나노웰은 제2 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역에 감쇠기를 갖지 않는다. 도 7의 실시예에서, 제2 나노웰로부터 방출되는 클러스터 신호 "온" 상태 신호가 제2 나노웰로부터 방출되는 "온" 상태 신호보다 크도록 제2 나노웰을 구성하기 위해, 제2 나노웰은 제1 나노웰보다 큰 크기를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 나노웰보다 큰 크기를 갖는 제2 나노웰은 제1 나노웰보다 큰 폭을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 나노웰보다 큰 크기를 갖는 제2 나노웰은 제1 나노웰보다 큰 바닥면 폭을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제1 나노웰보다 큰 크기를 갖는 제2 나노웰은 제1 나노웰보다 큰 바닥면 영역을 가질 수 있다. 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명된 바와 같이, 제1 나노웰과 제2 나노웰로부터 방출되는 클러스터 신호 "온" 상태 신호가 구별되도록 장치를 구성하기 위해, 제1 나노웰은 감쇠기를 포함할 수 있고 제2 나노웰에는 감쇠기가 없을 수 있고, 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 감쇠기와 제2 감쇠기는 서로 다른 크기를 갖는다. 도 10 및 도 11을 참조하여 설명된 바와 같이, 장치의 인접 픽셀들 및 픽셀 센서들은 각각의 제1 및 제2 나노웰과 연관될 수 있고, 제1 및 제2 나노웰의 배향은 인접한 픽셀들과 픽셀 센서들 사이에서 구별될 수 있다. 제1 픽셀 및 픽셀 센서와 연관된 제1 및 제2 나노웰은 제1 배향을 가질 수 있고, 제1 픽셀 및 픽셀 센서에 인접한 제2 픽셀 및 픽셀 센서와 연관된 제1 및 제2 나노웰은 제2 배향을 가질 수 있다. 도 10 및 도 11에서, 제1 배향은 평면도에서 보았을 때 앞뒤(back to front) 간격을 갖는 제1 및 제2 나노웰에 의해 한정될 수 있고, 제2 배향은 평면도에서 보았을 때 좌우(side to side) 간격을 갖는 제1 및 제2 나노웰에 의해 한정될 수 있다. 장치의 인접 픽셀들과 픽셀 센서들 사이의 다양한 배향은 인접 픽셀들과 연관된 나노웰 사이의 간격 거리를, 다양한 배향이 없을 때의 인접 픽셀들과 연관된 나노웰들 사이의 간격 거리에 비해 증가시킬 수 있다. 도 10 내지 도 12를 참조하면, 복수의 픽셀 중 제2 내지 제N 픽셀이 제1 픽셀과 연관된 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 따라 각각 구성된 연관된 제1 및 제2 반응 부위를 가질 수 있다는 것이 확인되고, 여기서 복수의 픽셀의 인접 픽셀들과 연관된 제1 및 제2 반응 부위는 이들의 각각의 픽셀에 대해 제1 및 제2 상이한 각각의 배향을 갖고, 제1 및 제2 상이한 각각의 배향은 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리를, 각각의 배향이 없을 때의 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리에 비해 증가시킨다.
도 1 내지 도 12를 참조하여 상세한 설명에서 상술된 조합의 작은 샘플은 다음을 포함한다: (A1) 장치로서, 한 픽셀에 걸쳐 있는 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위를 포함하되, 픽셀은 광 검출기를 포함하는 장치; (A2) A1에 있어서, 제1 반응 부위가 제1 나노웰이고, 제2 반응 부위가 제2 나노웰인, 장치; (A3) A2에 있어서, 제1 나노웰이 제2 나노웰의 크기의 절반인, 장치; (A4) A1 또는 A2에 있어서, 필터가 제1 반응 부위와 한 픽셀 사이에 상주하는, 장치; (A5) A4에 있어서, 필터가 제2 반응 부위와 한 픽셀 사이에 상주하지 않는, 장치; (A6) A4 또는 A5에 있어서, 필터는 제1 반응 부위로부터 방출된 클러스터 신호를 약 50%만큼 감쇠시키는, 장치; (A7) A4 내지 A6 중 어느 하나에 있어서, 필터는 얇은 금속 층인, 장치; (A8) A4 내지 A7 중 어느 하나에 있어서, 필터는 탄탈륨을 포함하는, 장치. 도 1 내지 도 12를 참조하여 상세한 설명에서 상술된 조합의 작은 샘플은 다음을 포함한다: 방법으로서, 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위로부터 방출되는 신호를 검출하는 단계; 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계; 및 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계를 포함하는 방법. 도 1 내지 도 12를 참조하여 상세한 설명에서 상술된 조합의 작은 샘플은 다음을 포함한다: (C1) 장치로서, 복수의 픽셀; 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위; 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고, 한 픽셀의 픽셀 센서는 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하고; 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위는 "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 구성되는, 장치; (C2) C1에 있어서, 상이한 조명 조건 하에서 판독 신호의 신호 진폭을 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티로 맵핑하는 콜링 차트(calling chart)를 이용하여 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티를 결정하는 장치; (C3) C1에 있어서, 상이한 조명 조건 하에서 판독 신호의 신호 진폭을 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티로 맵핑하는 16개의 클라우드(cloud) 콜링 차트를 이용하여 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티를 결정하는 장치; (C4) C1 내지 C3 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제1 클러스터 신호에 대한 "온" 상태의 제2 클러스터 신호의 비율은 적어도 약 1.4인, 장치; (C5) C1 내지 C3 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제1 클러스터 신호에 대한 "온" 상태의 제2 클러스터 신호의 비율은 약 1.9 내지 약 2.0인, 장치; (C6) C1 내지 C5 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 반응 부위가 제1 반응 부위보다 큰 크기를 갖는, 장치; (C7) C1 내지 C6 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 반응 부위가 제1 반응 부위보다 큰 폭을 갖는, 장치; (C8) C1 내지 C7 중 어느 하나에 있어서, 제2 반응 부위에는 감쇠기가 없고, 제1 반응 부위는, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠기를 포함하는, 장치; (C9) C1 내지 C8 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 제1 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠가 제2 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠보다 큰, 장치; (C10) C9에 있어서, 감쇠 재료가 금속을 포함하는, 장치; (C11) C9에 있어서, 감쇠 재료는 탄탈륨을 포함하는, 장치; (C12) C1 내지 C11 중 어느 하나에 있어서, 제2 반응 부위에는 제2 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기가 없고, 제1 반응 부위는, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기를 포함하는, 장치; (C13) C1 내지 C12 중 어느 하나에 있어서, 제2 반응 부위에는 제1 반응 부위의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기가 없고, 제1 반응 부위는, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 반응 부위의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기를 포함하는, 장치; (C14) C1 내지 C14 중 어느 하나에 있어서, 제2 반응 부위에는 제2 반응 부위의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없고, 제1 반응 부위는, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 반응 부위의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하는, 장치; (C15) C1 내지 C14 중 어느 하나에 있어서, 장치는 제1 반응 부위의 감쇠기를 한정하기 위해 제1 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 감쇠 재료 층을 포함하며, 감쇠 재료 층에는 제2 반응 부위 아래에서 그 제2 반응 부위와 정렬된 영역을 통해 연장되는 섹션이 없는, 장치; (C16) C1 내지 C15 중 어느 하나에 있어서, 제1 반응 부위는 제1 나노웰에 의해서 한정되고, 제2 반응 부위는 제2 나노웰에 의해서 한정된, 장치; (C17) C16에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 나노웰은 제1 나노웰보다 큰 크기를 갖는, 장치; (C18) C16 내지 C17 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 나노웰은 제1 나노웰보다 큰 폭을 갖는, 장치; (C19) C16 내지 C18 중 어느 하나에 있어서, 제2 나노웰에는 감쇠기가 없고, 제1 나노웰은, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠기를 포함하는, 장치; (C20) C16 내지 C19 중 어느 하나에 있어서, 제1 나노웰의 감쇠기가 상향 연장 섹션을 갖는, 장치; (C21) C16 내지 C20 중 어느 하나에 있어서, 제1 나노웰의 감쇠기가, 제1 나노웰의 원주방향 측벽과 평행하게 이어지는 상향 연장 섹션을 갖는, 장치; (C22) C16 내지 C21 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 제1 나노웰로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠가 제2 나노웰로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠보다 큰, 장치; (C23) C22에 있어서, 감쇠 재료가 금속을 포함하는, 장치; (C24) C22에 있어서, 감쇠 재료는 탄탈륨을 포함하는, 장치; (C25) C16 내지 C24 중 어느 하나에 있어서, 제2 나노웰에는 제2 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기가 없고, 제1 나노웰은, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기를 포함하는, 장치; (C26) C16 내지 C25 중 어느 하나에 있어서, 제2 나노웰에는 제1 나노웰의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기가 없고, 제1 나노웰은, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 나노웰의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기를 포함하는, 장치; (C27) C16 내지 C16 중 어느 하나에 있어서, 제2 나노웰에는 제2 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없고, 제1 나노웰은, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하는, 장치; (C28) C16 내지 C27 중 어느 하나에 있어서, 장치는 제1 반응 부위의 감쇠기를 한정하기 위해 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 감쇠 재료 층을 포함하며, 감쇠 재료 층에는 제2 나노웰 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 섹션이 없는, 장치; (C29) C16 내지 C28 중 어느 하나에 있어서, 복수의 픽셀 중 제2 내지 제N 픽셀은 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 따라 각각 구성되는 연관된 제1 및 제2 반응 부위를 갖고, 복수의 픽셀의 인접 픽셀들과 연관된 제1 및 제2 반응 부위는 그들 각각의 픽셀에 대해 제1 및 제2 상이한 각각의 배향을 갖고, 제1 및 제2 상이한 각각의 배향은 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리를, 상이한 각각의 배향이 없을 때의 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리에 비해 증가시키는, 장치; (C30) C16 내지 C29 중 어느 하나에 있어서, 복수의 픽셀 중 제2 내지 제N 픽셀은 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 따라 각각 구성되는 연관된 제1 및 제2 반응 부위를 갖고, 복수의 픽셀의 인접한 픽셀들과 연관된 제1 및 제2 반응 부위는 그들 각각의 픽셀에 대해 제1 및 제2 각각의 상이한 배향을 갖고, 제1 각각의 상이한 배향은 반응 부위들 사이의 앞뒤 간격을 특징으로 하고, 제2 각각의 상이한 배향은 반응 부위들 사이의 좌우 간격을 특징으로 하는, 방법; (C31) C29 또는 C30에 있어서, 제2 내지 제N 픽셀은 제2 내지 제100만 픽셀인, 장치. 도 1 내지 도 12를 참조하여 상세한 설명에서 상술된 조합의 작은 샘플은 다음을 포함한다: (D1) 방법으로서, 복수의 픽셀 센서 중 한 픽셀 센서를 사용하여, 판독 신호를 검출하는 단계 - 판독 신호는 한 픽셀 센서와 연관된 제1 반응 부위로부터 방출된 제1 클러스터 신호 및 한 픽셀 센서와 연관된 제2 반응 부위로부터 방출된 제2 클러스터 신호에 의존함 -; 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계; 및 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계를 포함하는 방법; (D2) D1에 있어서, 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계 및 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계는, 서로 다른 조명 조건 하에서 판독 신호의 신호 진폭을 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티에 맵핑하는 호출 차트를 이용하는 단계를 포함하는, 방법; (D3) D1에 있어서, 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계 및 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계는, 서로 다른 조명 조건 하에서 판독 신호의 신호 진폭을 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티에 맵핑하는, 16개의 신호 클라우드를 갖는 호출 차트를 이용하는 단계를 포함하는, 방법; (D4) D1 내지 D3 중 어느 하나에 있어서, 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위는 "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 구성된, 방법; (D5) D1 내지 D4 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 반응 부위가 제1 반응 부위보다 큰 크기를 갖는, 방법; (D6) D1 내지 D5 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제1 클러스터 신호에 대한 "온" 상태의 제2 클러스터 신호의 비율은 적어도 약 1.4인, 방법; (D7) D1 내지 D6 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제1 클러스터 신호에 대한 "온" 상태의 제2 클러스터 신호의 비율은 약 1.9 내지 약 2.0인, 방법; (D8) D1 내지 D7 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 반응 부위가 제1 반응 부위보다 큰 폭을 갖는, 방법; (D9) D1 내지 D8 중 어느 하나에 있어서, 제2 반응 부위에는 감쇠기가 없고, 제1 반응 부위는, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠기를 포함하는, 방법; (D10) D1 내지 D9 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 제1 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠가 제2 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠보다 큰, 방법; (D11) D10에 있어서, 감쇠 재료는 금속을 포함하는, 방법; (D12) D10에 있어서, 감쇠 재료는 탄탈륨을 포함하는, 방법; (D13) D1 내지 D12 중 어느 하나에 있어서, 제2 반응 부위에는 제2 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기가 없고, 제1 반응 부위는, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기를 포함하는, 방법; (D14) D1 내지 D13 중 어느 하나에 있어서, 제2 반응 부위에는 제1 반응 부위의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기가 없고, 제1 반응 부위는, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 반응 부위의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기를 포함하는, 방법; (D15) D1 내지 D14 중 어느 하나에 있어서, 제2 반응 부위에는 제2 반응 부위의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없고, 제1 반응 부위는, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 반응 부위의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하는, 방법; (D16) D1 내지 D15 중 어느 하나에 있어서, 제1 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 감쇠 재료 층은 제1 반응 부위의 감쇠기를 한정하고, 감쇠 재료 층에는 제2 반응 부위 아래에서 그 제2 반응 부위와 정렬된 영역을 통해 연장되는 섹션이 없는, 방법; (D17) D1 내지 D16 중 어느 하나에 있어서, 제1 반응 부위는 나노웰에 의해서 한정되고, 제2 반응 부위는 나노웰에 의해서 한정된, 방법; (D18) D17에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 나노웰은 제1 나노웰보다 큰 크기를 갖는, 방법; (D19) D17 내지 D18 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 나노웰은 제1 나노웰보다 큰 폭을 갖는, 방법; (D20) D17 내지 D19 중 어느 하나에 있어서, 제2 나노웰에는 감쇠기가 없고, 제1 나노웰은, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠기를 포함하는, 방법; (D22) D17 내지 D20 중 어느 하나에 있어서, 제1 나노웰의 감쇠기가 상향 연장 섹션을 갖는, 방법; (D23) D17 내지 D21 중 어느 하나에 있어서, 제1 나노웰의 감쇠기가, 제1 나노웰의 원주방향 측벽과 평행하게 이어지는 상향 연장 섹션을 갖는, 방법; (D24) D17 내지 D22 중 어느 하나에 있어서, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 제1 나노웰로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠가 제2 나노웰로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠보다 큰, 방법; (D25) D24에 있어서, 감쇠 재료는 금속을 포함하는, 방법; (D26) D24에 있어서, 감쇠 재료는 탄탈륨을 포함하는, 방법; (D27) D17 내지 D26 중 어느 하나에 있어서, 제2 나노웰에는 제2 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기가 없고, 제1 나노웰은, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기를 포함하는, 방법; (D28) D17 내지 D27 중 어느 하나에 있어서, 제2 나노웰에는 제1 나노웰의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기가 없고, 제1 나노웰은, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 나노웰의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기를 포함하는, 방법; (D29) D17 내지 D28 중 어느 하나에 있어서, 제2 나노웰에는 제2 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없고, 제1 나노웰은, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 제1 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하는, 방법; (D30) D17 내지 D29 중 어느 하나에 있어서, 장치는 제1 반응 부위의 감쇠기를 한정하기 위해 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 감쇠 재료 층을 포함하며, 감쇠 재료 층에는 제2 나노웰 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 섹션이 없는, 방법; (D31) D1 내지 D30 중 어느 하나에 있어서, 복수의 픽셀 센서는 복수의 픽셀에 각각 연관되고, 픽셀 센서는 복수의 픽셀 중 한 픽셀을 한정하고, 제1 반응 부위와 제2 반응 부위가 한 픽셀에 연관되고, 복수의 픽셀 중 제2 내지 제N 픽셀은 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 따라 각각 구성되는 연관된 제1 및 제2 반응 부위를 갖고, 복수의 픽셀의 인접 픽셀들과 연관된 제1 및 제2 반응 부위는 그들 각각의 픽셀에 대해 제1 및 제2 상이한 각각의 배향을 갖고, 제1 및 제2 상이한 각각의 배향은 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리를, 상이한 각각의 배향이 없을 때의 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리에 비해 증가시키는, 방법; (D32) D1 내지 D31 중 어느 하나에 있어서, 복수의 픽셀 센서는 복수의 픽셀에 각각 연관되고, 픽셀 센서는 복수의 픽셀 중 한 픽셀을 한정하고, 제1 반응 부위와 제2 반응 부위가 한 픽셀에 연관되고, 복수의 픽셀 중 제2 내지 제N 픽셀은 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위에 따라 각각 구성되는 연관된 제1 및 제2 반응 부위를 갖고, 복수의 픽셀의 인접한 픽셀들과 연관된 제1 및 제2 반응 부위는 그들 각각의 픽셀에 대해 제1 및 제2 상이한 각각의 배향을 갖고, 제1 상이한 각각의 배향은 반응 부위들 사이의 앞뒤 간격을 특징으로 하고, 제2 상이한 각각의 배향은 반응 부위들 사이의 좌우 간격을 특징으로 하는, 방법. (D33) D1 내지 D32 중 어느 하나에 있어서, 장치는, 나노웰의 감쇠기를 한정하기 위해 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 제1 섹션을 포함하며 제1 섹션으로부터 측방향으로 인접하게 연장되는 제2 섹션들을 포함하는, 감쇠 재료 층을 포함하고, 제1 섹션은 제1 두께를 갖고, 제2 섹션들은 제2 두께를 갖고, 제1 두께는 제2 두께보다 작은, 방법. 도 1 내지 도 12를 참조하여 상세한 설명에서 상술된 조합의 작은 샘플은 다음을 포함한다: (E1) 장치로서, 복수의 픽셀; 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위; 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고, 한 픽셀의 픽셀 센서는 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하고; "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 반응 부위가 제1 반응 부위보다 큰 크기를 갖는, 장치. 도 1 내지 도 12를 참조하여 상세한 설명에서 상술된 조합의 작은 샘플은 다음을 포함한다: (F1) 장치로서, 복수의 픽셀; 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위; 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고, 한 픽셀의 픽셀 센서는 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하고; "온" 상태의 제2 클러스터가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 제2 반응 부위가 제1 반응 부위보다 큰 폭을 갖는, 장치. 도 1 내지 도 12를 참조하여 상세한 설명에서 상술된 조합의 작은 샘플은 다음을 포함한다: (G1) 장치로서, 복수의 픽셀; 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위; 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고, 한 픽셀의 픽셀 센서는 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하고; 제2 반응 부위에는 감쇠기가 없고, 제1 반응 부위는, "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠기를 포함하는, 장치. 도 1 내지 도 12를 참조하여 상세한 설명에서 상술된 조합의 작은 샘플은 다음을 포함한다: (H1) 장치로서, 복수의 픽셀; 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위; 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고, 한 픽셀의 픽셀 센서는 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하고; "온" 상태의 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 제1 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠가 제2 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠보다 큰, 장치.
도 13에는, 생물학적 또는 화학적 분석과 같은 분석에서 사용을 위한 장치(100)가 도시된다. 장치(100)는 광 에너지 익사이터(light energy exciter)(10) 및 플로우 셀(282)을 포함할 수 있다. 플로우 셀(282)은 검출기(200) 및 검출기(200) 위의 영역을 포함할 수 있다. 검출기(200)는 테스트 대상이 되는 생물학적 또는 화학적 샘플과 같은 클러스터(C1, C2)를 지지하기 위한 검출기 표면(208) 및 복수의 픽셀(201)을 포함할 수 있다. 검출기 표면(208)을 갖는 검출기(200)뿐만 아니라 측벽(284) 및 유동 커버(288)는 유동 채널(283)을 한정하고 경계를 정할 수 있다. 검출기 표면(208)은 연관된 검출기 표면 평면(130)을 가질 수 있다. 각각의 픽셀(201)은 도광체(214) 및 픽셀 센서(202)를 포함할 수 있다.
추가 양태에서, 검출기 표면(208)은, 일 실시예에서, 나노웰(207)에 의해서 제공될 수 있는 반응 부위(206)를 한정하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각각의 반응 부위(206)는 특정 픽셀(201) 및 특정 픽셀(201)의 특정 픽셀 센서(202)와 연관될 수 있다. 클러스터(C1) 및 클러스터(C2) 각각은, 일 실시예에 따르면, 나노웰(207)에 의해 제공된 각각의 반응 부위(206) 상에 지지될 수 있다. 검출기 표면(208)은 도 13에 도시된 바와 같이 나노웰의 중간 표면뿐만 아니라 나노웰을 한정하는 표면에 의해서 한정될 수 있다.
검출기(200)는, 일 실시예에 따르면, 유전체 스택(213), 반도체 층(212), 검출기 표면(208)과 픽셀 센서(202) 사이의 광로에 배치된 도광체(214), 및 각각의 픽셀 센서(202) 위의 픽셀 영역을 한정하고 경계를 정하는 격리 구조물(218)을 포함할 수 있다. 유전체 스택(213)은, 일 실시예에서, 다양한 회로, 예를 들어 감지 픽셀로부터의 신호 판독, 디지털화, 저장, 및 신호 처리를 위한 회로와 같은 다양한 회로를 한정하는 금속화 층들을 포함할 수 있다. 이러한 회로를 한정하는 금속화 층은, 추가적으로 또는 대안적으로, 격리 구조물(218) 안으로 통합될 수 있다.
일 실시예에서, 픽셀 센서(202)는 감지 포토다이오드에 의해서 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 감지 포토다이오드는 반도체 층(212)의 도핑된 영역에 의해서 한정될 수 있다. 본원의 실시예들은 본원에서 언급되는 "영역"이 체적 공간(즉, 2차원 공간에 한정되지 않음)을 지칭할 수 있다는 것을 인식한다.
일 실시예에 따르면, 검출기(200)는, 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 집적 회로 검출기 또는 전하 결합 디바이스(CCD) 집적 회로 검출기와 같은 고체 상태 집적 회로 검출기에 의해서 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 픽셀 센서(202)는 픽셀 센서(202)의 높이를 따라 취해진 도 14의 단면 평면도에 도시된 그리드 패턴으로 배열된 픽셀들의 행과 열을 갖는 2차원 픽셀 어레이에 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 픽셀 어레이는 적어도 1M 개의 픽셀을 포함할 수 있거나, 더 적은 수의 픽셀을 포함할 수 있다.
일 양태에서, 본 명세서의 픽셀(201)은 각각의 픽셀 센서(202) 및 도광체(214)를 포함할 수 있다. 도광체(214)는 각각의 픽셀 센서(202) 위의 영역에 배치될 수 있고, 격리 구조물(218) 및 반응 구조물(260)에 의해 경계가 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 장치(100)는 발형광단에 의해 제공되는 분석물을 사용하여 생물학적 또는 화학적 테스트를 수행하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 발형광단을 갖는 유체는 유입구 포트(289)를 사용하는 유입구 포트 및 유출구 포트(290)를 통해 플로우 셀(282) 안으로 그리고 밖으로 유동되게 될 수 있다. 발형광단에 의해 제공되는 분석물은 다양한 클러스터(C1, C2)로 유인될 수 있고, 따라서, 이들의 검출에 의해서, 발형광단에 의해 제공되는 분석물은 클러스터(C1, C2)에 대한 마커, 예를 들어, 그들에 유인되는 생물학적 또는 화학적 분석물로서 작용할 수 있다.
플로우 셀(282) 내의 발형광단에 의해서 제공되는 분석물의 존재를 검출하기 위해, 여기 파장(excitation wavelength) 범위의 여기 광(101)이 광 에너지 익사이터(10)에 의해서 방출되도록 광 에너지 익사이터(10)에 에너지가 공급될 수 있다. 여기 광(101)의 수신 시, 샘플(C1, C2)에 부착된 발형광단은 방출 광(501)을 방사할 수 있으며, 이는 픽셀 센서(202)에 의한 검출을 위한 관심 대상의 신호이다. 클러스터(C1, C2)에 부착된 발형광단의 형광으로 인한 방출 광(501)은 여기 광(101)의 파장 범위에 대해 적색 편이된 파장 범위를 가질 수 있다.
광 에너지 익사이터(10)는 샘플(C1, C2)을 조명하기 위해 적어도 하나의 광원 및 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함할 수 있다. 광원들의 예는, 예를 들어, 레이저, 아크 램프, LED, 또는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 광학 구성요소는, 예를 들어, 반사기, 다이크로익(dichroic), 빔 스플리터, 시준기, 렌즈, 필터, 웨지, 프리즘, 미러, 검출기 등을 포함할 수 있다. 조명 시스템을 사용하는 실시예들에서, 광 에너지 익사이터(10)는 여기 광(101)을 반응 부위(206)로 지향시키도록 구성될 수 있다. 일 실시예로서, 발형광단을 녹색 파장 범위의 광으로 여기시킬 수 있으며, 예를 들어, 약 523 nm의 중심(피크) 파장을 갖는 여기 광(101)을 사용하여 여기시킬 수 있다.
본원에서의 실시예들은 장치(100)의 신호 대 잡음비가 아래의 수식 1로 기재된 바와 같이 표현될 수 있다는 것을 인식한다.
본원에서의 실시예들은 장치(100)의 신호 대 잡음비가 아래의 수식 1로 기재된 바와 같이 표현될 수 있다는 것을 인식한다.
[수식 1]
여기서 "Signal"은 방출 광(501), 즉 클러스터에 부착된 발형광단의 형광에 기인될 수 있는 관심 대상 광의 신호이고, "Excitation"은 픽셀 센서(202)에 도달되는 원하지 않는 여기 광이고, "AF"는 검출기(200) 내의 하나 이상의 자가형광 소스의 자가형광 노이즈 방사이고, "Background"는 검출기(200) 외부의 소스로부터 검출기(200) 안으로 전송되는 원하지 않는 광 에너지이고, "Dark Current"는 광이 없을 때의 무작위 전자-정공 쌍 생성과 연관된 전류 흐름 잡음이고, "Read Noise"는 아날로그-디지털 전자 장치와 연관된 잡음이다.
도 15는 여기 광의 파장 범위와 신호 광의 파장 범위와 검출 파장 범위 간의 목표 조정을 예시하는 스펙트럼 프로파일 조정 다이어그램의 예이다. 도 15의 스펙트럼 프로파일 조정 다이어그램에서, 녹색광 스펙트럼 프로파일로서 도시된 스펙트럼 프로파일(1101)은 광 에너지 익사이터(10)에 의해서 방출된 여기 광(101)의 스펙트럼 프로파일이다. 스펙트럼 프로파일(1501)은 여기 광(101)에 의해서 여기되는 발형광단의 형광에 의해서 유발되는 방출 광(501)의 스펙트럼 프로파일이다. 스펙트럼 프로파일(1220)은, 일 실시예에 따르면, 픽셀 센서(202)의 투과 프로파일(검출 대역)이다. 도 15의 스펙트럼 프로파일 조정 다이어그램이 일부 실시예들에 공통적인 일반적인 특징을 나타내기 위한 것이나, 표시된 스펙트럼 프로파일의 변형예가 일반적이라는 것이 이해될 것이다. 일 양태에서, 여기 광(101)은 일반적으로, 녹색 광 스펙트럼 프로파일에 더하여, 청색 광 스펙트럼 프로파일(미도시)을 포함할 수 있으며, 장치(100)는 (a) 청색광 스펙트럼 프로파일이 비활성화된 상태에서 녹색광 스펙트럼 프로파일이 활성인 모드와 (b) 녹색광 스펙트럼 프로파일이 비활성화된 상태에서 청색광 스펙트럼 프로파일이 활성인 모드 사이에서 전환 가능하다. 다른 실시예에서, 여기 광(101)과 방출 광(501)의 다양한 조합이 있을 수 있다. 일 실시예에서, 여기 광(101)의 스펙트럼 프로파일(1101)은 청색광 파장 범위 내의 중심 파장을 특징으로 할 수 있고, 방출 광(501)의 스펙트럼 프로파일은 녹색 파장 범위 내의 중심 파장을 특징으로 할 수 있다.
검출기(200)는 스펙트럼 프로파일(1220)에 의해서 표시된 파장 범위 내의 광을 검출하도록 구성될 수 있다. 스펙트럼 프로파일(1220)은 검출 파장 범위를 특정하며, 스펙트럼 프로파일(1220)의 진폭은 감도 레벨을 나타낸다. 따라서, 도 15의 스펙트럼 프로파일 조정 다이어그램을 참조하면, 검출기(200)는 파장 범위 내의 방출 광(501)을 검출할 수 있으며, 방출 광(501)의 스펙트럼 프로파일(1501)과 픽셀 센서(202)의 검출 대역 스펙트럼 프로파일(1220)이 교차한다.
본원에 사용된 바와 같이, 그리고 도 13의 예시적인 도면을 더 참조하면, "플로우 셀"(282)은 반응 구조물(260)에 걸쳐 연장되는 뚜껑(288)을 가져서 그들 사이에 반응 구조물의 복수의 반응 부위(206)와 연통되는 유동 채널(283)을 형성하는 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미징 디바이스 및/또는 광학 장치와 같은 검출 디바이스는 플로우 셀(282)로부터 분리된다. 다른 실시예들에서, 도 13에 도시된 바와 같이, 플로우 셀(282)은 검출 디바이스, 예들 들어, 반응 부위에서 또는 그에 근접하여 발생되는 지정된 반응을 검출하는 검출기(200)를 포함할 수 있다. 플로우 셀(282)은 전하-결합 디바이스(CCD) 또는 상보성 금속-산화물 반도체(CMOS) (광) 검출 디바이스와 같은 솔리드 스테이트 광 검출 또는 "이미징" 디바이스를 포함할 수 있다. CMOS 검출 디바이스 또는 센서는, 예를 들어, 입사 방출 신호들을 검출하는 복수의 검출 픽셀(201)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 픽셀(201)은 반응 부위에 대응된다. 다른 실시예들에서, 반응 부위들의 수보다 많거나 적은 픽셀(201)이 있을 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예들에서, 픽셀(201)은 출력 신호를 생성하기 위한 단일 감지 요소에 대응된다. 다른 실시예들에서, 픽셀(201)은 출력 신호를 생성하기 위한 다수의 감지 요소들에 대응된다. 플로우 셀(282)은 또한 또는 대안적으로, 뚜껑이 없이, 2개(또는 그 이상)의 대향하는 센서들을 포함할 수 있다. 하나의 특정 실시예로서, 플로우 셀(282)은 카트리지에 유체적으로, 전기적으로, 또는 유체적 및 전기적 둘 모두로 결합될 수 있으며, 카트리지는 생물검정 시스템에 유체적으로, 전기적으로, 또는 유체적 및 전기적 둘 모두로 결합될 수 있다. 카트리지 및/또는 생물검정 시스템은 미리 결정된 프로토콜(예컨대, 합성에 의한 서열분석)에 따라 반응 용액을 플로우 셀(282)의 반응 부위들(206)로 전달할 수 있고, 복수의 이미징 이벤트들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 카트리지 및/또는 생물검정 시스템은 하나 이상의 반응 용액들을 플로우 셀의 플로우 채널을 통해, 그리고 이에 의해 반응 부위들을 따라 지향시킬 수 있다. 반응 용액들 중 적어도 하나는 동일하거나 상이한 형광 표지들을 갖는 4개의 유형들의 뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 뉴클레오티드는 플로우 셀(282)의 반응 부위들(206)에, 예컨대 반응 부위들에서의 대응되는 올리고뉴클레오티드에 결합한다. 이어서, 카트리지, 생물검정 시스템, 또는 플로우 셀(282) 자체는, 일부 실시예들에서, 여기 광원(예컨대, 발광 다이오드(LED)들과 같은 솔리드 스테이트 광원들)을 사용하여 반응 부위들(206)을 조명한다. 일부 실시예들에서, 여기 광은 일정 범위의 파장들을 포함한 미리 결정된 파장 또는 파장들을 갖는다. 입사 여기 광에 의해 여기되는 형광 표지들은 플로우 셀(282)의 광 센서들에 의해 검출될 수 있는 방출 신호들(예컨대, 여기 광과는 상이한, 그리고, 잠재적으로 서로 상이한 파장 또는 파장들의 광)을 제공할 수 있다.
본원에 기술된 플로우 셀들(282)은 다양한 생물학적 또는 화학적 프로세스들 및/또는 분석을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 본원에 기술된 플로우 셀들(282)은, 지정된 반응을 나타내는 이벤트, 속성, 품질, 또는 특성을 검출하는 것이 요구되는 다양한 프로세스들 및 시스템들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기술된 플로우 셀들(282)은 광 검출 디바이스들, 바이오센서들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 센서들, 및 그들의 구성요소들뿐만 아니라, 바이오센서들을 포함한 센서들과 함께 작동하는 생물검정 시스템들을 포함하거나 이들과 통합될 수 있다.
플로우 셀들(282)은 개별적으로 또는 집합적으로 검출될 수 있는 복수의 지정된 반응들을 용이하게 한다. 플로우 셀들(282)은 복수의 지정된 반응들이 병렬로 발생되는 다수의 사이클을 수행한다. 예를 들어, 플로우 셀들(282)은 효소 조작 및 광 또는 이미지 검출/획득의 반복적 사이클들을 통해 조밀한 어레이의 DNA 특징들을 서열분석하는 데 사용될 수 있다. 이와 같이, 플로우 셀들(282)은 반응 용액 내의 시약들 또는 다른 반응 성분들을 플로우 셀들의 반응 부위들(206)로 전달하는 하나 이상의 마이크로유체 채널들과 유체 연통될 수 있다. 반응 부위들(206)은 미리 결정된 방식으로, 예컨대, 균일한 또는 반복 패턴으로 제공되거나 이격될 수 있다. 대안적으로, 반응 부위들(206)은 랜덤하게 분포될 수 있다. 각각의 반응 부위들(206)은 하나 이상의 도광체들(214)과 연관될 수 있으며, 연관된 반응 부위(206)로부터의 광을 검출하는 하나 이상의 광 센서들과 연관될 수 있다. 일 실시예에서, 도광체들(214)은 소정 파장들의 광을 필터링하기 위한 하나 이상의 필터들을 포함한다. 도광체들(214)은, 예를 들어, 필터 재료가 소정 파장(또는 범위의 파장들)을 흡수하고 적어도 하나의 미리 결정된 파장(또는 범위의 파장들)이 통과하는 것을 허용하도록 하는 흡수 필터(예컨대, 유기 흡수 필터)일 수 있다. 일부 플로우 셀들에서, 반응 부위들(206)은 반응 리세스들 또는 챔버들 내에 위치될 수 있으며, 이는 그 안에서의 지정된 반응들을 적어도 부분적으로 구획화할 수 있다. 또한, 지정 반응들은 주변 온도 이외의 온도, 예를 들어 승온을 수반하거나 그 온도에서 더 쉽게 검출될 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, "지정된 반응"은 관심 대상 분석물과 같은 관심 대상 화학적 물질 또는 생물학적 물질의 화학적, 전기적, 물리적, 또는 광학적 속성(또는 품질) 중 적어도 하나에 있어서의 변화를 포함한다. 특정 플로우 셀들에서, 지정된 반응은, 예를 들어, 형광 표지된 생체분자의 관심 대상 분석물과의 합체와 같은 양성 바인딩 이벤트이다. 더 일반적으로, 지정된 반응은 화학적 변환, 화학적 변화, 또는 화학적 상호작용일 수 있다. 지정된 반응은 또한 전기적 속성들의 변화일 수 있다. 특정 플로우 셀들, 예컨대, 플로우 셀(282)에서, 지정된 반응은 분석물과의 형광 표지된 분자의 합체를 포함한다. 분석물은 올리고뉴클레오티드일 수 있고, 형광 표지된 분자는 뉴클레오티드일 수 있다. 표지된 뉴클레오티드를 갖는 올리고뉴클레오티드를 향해 여기 광이 지향될 때 지정된 반응이 검출될 수 있고, 발형광단은 검출가능한 형광 신호를 방출한다. 플로우 셀들의 다른 실시예들에서, 검출된 형광은 화학발광 또는 생물발광의 결과이다. 지정된 반응은, 또한, 예를 들어 공여체 발형광단을 수용체 발형광단 부근으로 가져옴으로써 형광 공명 에너지 전달(FRET: fluorescence (또는 ) resonance energy transfer)을 증가시킬 수 있거나, 공여체 발형광단과 수용체 발형광단을 분리시킴으로써 FRET를 감소시킬 수 있거나, 발형광단으로부터 소광제(quencher)를 분리시킴으로써 형광을 증가시킬 수 있거나, 또는 소광제와 발형광단을 병치시킴으로써 형광을 감소시킬 수 있다. 생물학적 또는 화학적 분석은 지정된 반응을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, "전기적으로 결합된" 및 "광학적으로 결합된"은 전원, 전극, 기판의 전도성 부분, 액적, 전도성 트레이스, 와이어, 도파관, 나노구조물, 다른 회로 세그먼트 등의 임의의 조합 사이에서, 각각, 전기 에너지 및 광파의 전달을 지칭한다. "전기적으로 결합된" 및 "광학적으로 결합된"이라는 용어는 직접 또는 간접 연결과 관련하여 활용될 수 있고, 유체 중간체, 에어 갭 등과 같은 다양한 중간체를 통과할 수 있다. 마찬가지로, "유체 연통되게 결합된"은 공급원들의 임의의 조합 사이의 유체의 전달을 지칭한다. "유체 연통되게 결합된"이라는 용어는 직접 또는 간접 연결과 관련하여 활용될 수 있고, 채널, 웰, 풀, 펌프 등과 같은 다양한 중간체를 통과할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, "반응 용액", "반응 성분" 또는 "반응물"은 적어도 하나의 지정된 반응을 획득하기 위해 사용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 잠재적인 반응 성분은, 예를 들어, 시약, 효소, 샘플, 기타 생체분자, 및 완충 용액을 포함한다. 반응 성분은 본원에 개시된 플로우 셀(282) 내의 반응 부위(206)로 용액 중에 전달될 수 있고/있거나 반응 부위에 고정화될 수 있다. 반응 성분들은 플로우 셀(282)의 반응 부위(206)에 고정화된 관심 대상 분석물과 같은 다른 물질과 직접적으로 또는 간접적으로 상호작용할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "반응 부위"는 적어도 하나의 지정된 반응이 발생할 수 있는 국소화된 영역이다. 반응 부위(206)는 물질이 위에 고정화될 수 있는 기재 또는 반응 구조물(260)에 의해서 제공되는 반응 구조물의 지지 표면들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응 부위(206)는 반응 성분을 위에 갖는, 예컨대 핵산의 콜로니를 위에 갖는 반응 구조물(이는 플로우 셀의 채널 내에 포지셔닝될 수 있음)의 표면을 포함할 수 있다. 일부 플로우 셀들, 예컨대, 플로우 셀(282)에서, 콜로니 내의 핵산들은 동일한 서열을 가지며, 예를 들어, 단일 가닥 또는 이중 가닥 템플릿의 클론 복제물들이다. 그러나, 일부 플로우 셀들(282)에서, 반응 부위(206)는, 예를 들어 단일 가닥 또는 이중 가닥 형태의 단일 핵산 분자만을 함유할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "투명한"은 관심 대상인 모든 또는 실질적으로 모든 가시 및 비-가시 전자기 방사선 또는 광이 차단되지 않고 통과하도록 허용하는 것을 지칭하고; 용어 "불투명한(opaque)"은 관심 대상인 모든 또는 실질적으로 모든 가시 및 비-가시 전자기 방사선 또는 광을 반사, 편향, 흡수하거나, 또는 그의 통과를 차단하는 것을 지칭하고; 용어 "투명하지 않은(non-transparent)"은 관심 대상인 전부가 아닌 일부 가시 및 비-가시 전자기 방사선 또는 광이 차단되지 않고 통과하도록 허용하는 것을 지칭한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "도파관"은 특정 방향 또는 방향 범위로 에너지의 투과를 제한함으로써 최소의 에너지 손실로, 전자기파와 같은 파동을 안내하는 구조물을 지칭한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "연관된"은 어떤 것이 다른 어떤 것과 직접적으로 또는 간접적으로 연결되는 것을 지칭한다. 예를 들어, 제2 요소와 연관된 제1 요소는 제2 요소 위에 또는 상에 위치되는 제1 요소를 지칭할 수 있다.
제안된 방법 및 구조물은 시퀀싱 데이터의 더 높은 처리량 및 더 낮은 비용을 포함하여 많은 이점을 제공한다.
소정 실시예에서, 기하학적 제약 및/또는 신호 변조를 통해 2개의 개별 나노웰(207)에서 2개의 상이한 인접 클러스터(C1, C2)의 신호를 변조하는 것은 CMOS 센서에 대한 정보 밀도를 2배 이상 증가시킬 수 있어, 픽셀당 하나의 클러스터/웰이 있는 CMOS 기반 검출 디바이스에 비해 이점을 제공할 수 있다. 또한, CMOS 기반 플로우 셀 상에서 정보 밀도를 증가시키는 것은 밀도 증가에 비례하는 인자에 의해서 시퀀싱 정보의 기가바이트당 비용을 감소시키는 이점을 가질 수 있다. 이러한 혁신의 실질적인 영향은 정보 밀도의 관점에서 CMOS 기반 시퀀싱이 더 큰 플랫폼과 경쟁할 수 있게 한다. 또한, 본원에 개시된 방법 및 구조물을 구현하는 것은 CMOS 제조 수정과 결합된 소프트웨어 변경만을 요구할 수 있으며, 기기 및 시약 소모품은 실질적으로, 완전히는 아니라도, 바뀌지 않는다.
한 픽셀의 상부 상에 2개 이상의 나노웰(207)을 배치함으로써, 센서는 전송 변조 옵션에서 "밝은" 클러스터(C1, C2)에 대한 최소 50% 강도 히트 및 "감쇠된" 클러스터(C1, C2)에 대한 공칭에 비교하여 50% 초과의 강도 히트를 수용한다. 상이한 크기의 나노웰(207) 구현(예를 들어, 더 큰 "지배적" 크기의 웰과 더 작은 "부차적" 크기의 웰)은 총 신호가 거의 동일하게 유지되도록 두 개(가정됨)의 단일클론 클러스터들(C1, C2) 사이에서 불균형적으로 신호의 공유를 수용한다. 그럼에도 불구하고, 지배적 및 부차적 나노웰(207) 사이의 신호 비율은 두 개의 클러스터 사이의 신호들의 정확한 구별을 위해 충분히 크다.
이하에서는 도면을 참조하는데, 도면은 이해를 쉽게 하기 위해 실척으로 그려지지 않았으며, 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 구성요소를 지시하는 데 동일한 도면 부호가 사용된다.
도 16은 실질적으로 유사한 크기의 나노웰들(207A 및 207B)에 의해서 한정되는 반응 부위(206)를 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 두 개의 나노웰(207)(관심 대상 클러스터(C1, C2), 예를 들어 DNA 가닥의 단일클론 클러스터(C1, C2)를 지지할 수 있음) 각각은 동일한 길이와 폭을 갖는다. 그러나, 나노웰들 중 한 나노웰(207B)은 신호를 약 50% 감쇠시키는 감쇠 필터(감쇠기)를 갖지만, 다른 나노웰(207A)은 그렇지 않다. 나노웰(207B)의 감쇠기는 나노웰(207B)의 바닥을 한정하는 표면 아래에 감쇠 재료 층(1204)에 의해 한정되는 것으로 도시된다. 도면에서 나노웰들(207, 207A-207D)은 직사각형으로서 도시될 수 있지만, 예를 들어 원형, 타원형, 육각형, 팔각형 등과 같은 다른 형상의 나노웰(207, 207A-207D)이 가능하다.
도 16의 실시예에서, 반응 구조물(260)은 유전체 층(1202), 유전체 층(1206) 및 유전체 층(1210)을 포함하는 복수의 유전체 층을 특징으로 하는 유전 스택을 포함할 수 있다. 반응 구조물(260)에 의해서 한정된 유전 스택은, 감쇠 재료 층(1204), 감쇠 재료 층(1205) 및 감쇠 재료 층(1208)을 포함하여 내부에 통합적으로 형성된 제1 및 제2 감쇠 재료 층을 더 포함할 수 있다. 감쇠 재료 층들(1204, 1205, 1208)은 일 실예에서 금속들에 의해서 제공될 수 있다. 감쇠 재료 층(1204), 감쇠 재료 층(1205), 및 감쇠 재료(1208)는, 예를 들어, 탄탈륨, 알루미늄, 금, 또는 구리 등을 포함할 수 있다.
도 16을 참조하면, 나노웰(207B)에 의해 한정된 반응 부위(206B)는 감쇠기를 포함할 수 있고, 나노웰(207A)에는 감쇠기가 없을 수 있다는 것이 확인될 수 있다. 도 16의 실시예에서, 나노웰(207B)에 의해 한정된 반응 부위(206B)는 감쇠 재료 층(1205)에 의해서 한정된 감쇠기를 포함할 수 있고, 나노웰(207A)에는 감쇠기를 한정하는 감쇠 재료 층(1205)이 없을 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 감쇠 재료 층(1205)은 나노웰(207B)의 원주 주위에서 나노웰(207B)의 측벽에 평행하게 연장되는 제1 상향 연장 섹션 및 나노웰(207B)의 바닥면과 평행하게 연장되는 제2 수평 연장 섹션을 포함할 수 있다.
일 양태에서, 나노웰(207B)에 의해서 한정된 반응 부위(206B) 및 나노웰(207A)에 의해서 한정된 반응 부위(206A)는 연관된 수직 연장 중심 축들(1216)을 포함할 수 있다. 도 16의 실시예를 참조하면, 장치(100)는 나노웰(207B)의 수직 연장 중심 축(1216)이 감쇠기를 통해 연장되고 또한 나노웰(207A)의 수직 연장 중심 축(1216)이 감쇠기를 통해 연장되지 않도록 구성될 수 있다. 도 16의 실시예를 참조하면, 장치(100)는 나노웰(207B)의 수직 연장 중심 축(1216)이 감쇠 재료 층(1205)에 의해서 한정된 감쇠기를 통해 연장되고 또한 나노웰(207A)의 수직 연장 중심 축(1216)이 감쇠 재료 층(1205)에 의해서 한정된 감쇠기를 통해 연장되지 않도록 구성될 수 있다. 또 다른 양태에서, 나노웰(207B)에 의해서 한정된 반응 부위(206B)의 수직 연장 중심 축(1216)은 감쇠 재료 층(1205)을 통해 연장되고, 나노웰(207A)에 의해서 한정된 반응 부위(206A)의 수직 연장 중심 축(1216)은 감쇠 재료 층(1205)을 통해 연장되지 않는다. 또 다른 양태에서, 나노웰(207B)에 의해서 한정된 반응 부위(206B)의 수직 연장 중심 축(1216)은 감쇠기를 통해 연장되며, 이 감쇠기는 나노웰(207A)에 의해 한정된 반응 부위(206A)에는 없다.
추가로 도 16을 참조하면, 나노웰(207B)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되는 영역 내의 나노웰(207B)은 감쇠 재료 층(1205)에 의해 한정된 감쇠기를 포함할 수 있고, 나노웰(207A)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되는 영역 내의 나노웰(207A)에는 감쇠기가 없을 수 있다. 나노웰(207B)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 나노웰(207B)의 영역은 나노웰(207B)의 바닥면 아래의 영역을 포함할 수 있으며, 이는 도 16에 도시된 바와 같이 나노웰(207B)의 바닥 코너들과 교차하는 깊이 차원 연장 수직 연장 평면들(1217)에 의해서 경계가 형성되고 나노웰(207B)의 바닥 코너들과 교차하는 폭 차원 수직 연장 평면들(1218)에 의해서 경계가 형성되며, 이는 직사각형 바닥면을 결론지을 수 있다. 나노웰(207B)의 도 16에서의 감쇠 재료 층(1205)에 의해 한정된 감쇠기는 나노웰(207B)의 바닥면 수직으로 아래에 섹션을 포함하도록 구성될 수 있고, 나노웰(207B)의 바닥으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광(501)의 방출 광선을 감쇠시키도록 구성될 수 있다. 다른 양태에서, 나노웰(207A)에는 나노웰(207A)의 바닥으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광의 방출 광선을 감쇠시키는 감쇠기가 없을 수 있다.
도 17은 실질적으로 상이한 크기의 나노웰들(207A 및 207B)을 구비하는 CMOS 센서의 일부분의 평면도 및 단면도를 도시한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 두 개의 나노웰(207A 및 207B)(관심 대상 클러스터(C1, C2), 예를 들어 DNA 가닥의 단일클론 클러스터(C1, C2)를 지지할 수 있음) 각각은 상이한 폭을 가지며, 왼쪽 나노웰(207A)이 오른쪽 나노웰의 폭의 절반인 폭을 갖는다. 이것은 관심 대상 클러스터(C1, C2)의 크기를 제한할 수 있으며, 이는 결과적으로 관심 대상 분석물이 존재할 때 클러스터(C1, C2)에 의해서 방출되는 클러스터 신호를 제한할 수 있다. 예를 들어, 나노웰(207B)이 제2 나노웰(207A)의 크기의 두 배인 경우, 나노웰(207B)은 나노웰(207A)에 비해 두 배의 클러스터 신호 강도를 생성할 수 있다.
도 17의 실시예에서, 나노웰(207B)에 의해서 한정된 반응 부위(206B)는 나노웰(207A)에 의해서 한정된 반응 부위(206A)보다 큰 폭 및 나노웰 바닥면 영역을 포함할 수 있다. 도 17의 실시예에서 나타낸 바와 같이, 나노웰 바닥의 증가된 표면적은 클러스터를 한정하는 가닥 수를 증가시킬 수 있다. 따라서, 나노웰(207B)이 나노웰(207A)에 비해 증가된 표면적을 갖는 결과로서, 클러스터(C2)는 클러스터(C1)보다 큰 가닥 수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 나노웰(207A)에 대한 나노웰(207B)의 폭은 클러스터(C2)의 가닥 수가 클러스터(C1)의 가닥 수의 약 2.0배가 되도록 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 나노웰(207B)의 폭은 클러스터(C2)의 가닥 수가 클러스터(C1)의 가닥 수의 약 1.9배가 되도록 구성될 수 있다.
본원에서의 실시예들은 나노웰(207A 및 207B)의 전체 부피가 가닥 수를 제어할 수 있다는 것을 인식한다. 본원에서의 실시예들은 부피와 가닥 수 사이의 관계가 선형이 아닐 수 있지만 실험적으로 결정될 수 있다는 것을 인식한다. 일 실시예에서, 각각의 나노웰(207A 및 207B)의 바닥면 영역은, 약 2.0 또는 약 1.9의 나노웰들 사이의 가닥 카운트 차이 및 대응되는 "온" 상태 신호 진폭 차이를 생성하기 위해 나노웰(207B)이 나노웰(207A)의 바닥면 영역의 2배를 갖도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 사용될 특정 조건에 대한 나노웰 바닥면 영역과 가닥 수 사이의 관계를 유도하기 위해 실험이 수행될 수 있고, 그에 따라 나노웰들 사이의 표면 영역 차이가 설계될 수 있다.
도 18a는 2개의 나노웰(207A 및 207B) 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 감쇠 필터를 갖는 CMOS 센서의 일부분의 단면도를 도시한다. 제2 나노웰(207B)은 제2 나노웰(207B)의 도시된 바닥면 아래에, 일부 실시예들에서는, 바로 아래에 배치된 감쇠 필터 층을 가질 수 있으며, 여기서 이러한 층은 제1 나노웰(207A)에 존재하지 않는다. 다른 실시예들에서는, 나노웰(207)의 표면과 감쇠 필터 층 사이에 상주하는 추가 층들 또는 재료들이 있을 수 있다. 도 18a의 실시예에서, 감쇠 필터 층은 감쇠 재료 층(1205)에 의해서 제공될 수 있다. 이 도 18a의 오른쪽에 있는 나노웰(207)은 추가적인 층과 함께 도시된다. 이 필터 층은 얇은 금속 층일 수 있다. 필터 층은 CMOS 센서의 제조 공정과 양립될 수 있어야 한다. 일부 실시예들에서, 필터 층은 관심 대상 분석물이 존재할 때 클러스터(C2)로부터 방출되는 클러스터 신호의 약 50%(절반)를 감쇠시킨다. 감쇠 필터 층은 탄탈륨을 포함하거나 이것으로 구성될 수 있다.
도 18a의 실시예에서, 반응 구조물(260)은 유전체 층(1202), 유전체 층(1206) 및 유전체 층(1210)을 포함하는 복수의 유전체 층을 특징으로 하는 유전 스택을 포함할 수 있다. 반응 구조물(260)에 의해서 한정된 유전 스택은, 감쇠 재료 층(1204), 감쇠 재료 층(1205) 및 감쇠 재료 층(1208)을 포함하여 내부에 통합적으로 형성된 제1 및 제2 감쇠 재료 층을 더 포함할 수 있다. 감쇠 재료 층들(1204, 1205, 1208)은 일 실예에서 금속들에 의해서 제공될 수 있다. 감쇠 재료 층(1204), 감쇠 재료 층(1205), 및 감쇠 재료(1208)는, 예를 들어, 탄탈륨, 알루미늄, 금, 또는 구리 등을 포함할 수 있다.
도 18a을 참조하면, 나노웰(207B)에 의해 한정된 반응 부위(206B)는 감쇠기를 포함할 수 있고, 나노웰(207A)에는 감쇠기가 없을 수 있다는 것이 확인될 수 있다. 도 18a의 실시예에서, 나노웰(207B)에 의해 한정된 반응 부위(206B)는 감쇠 재료 층(1205)에 의해서 한정된 감쇠기를 포함할 수 있고, 나노웰(207A)에는 감쇠기를 한정하는 감쇠 재료 층(1205)이 없을 수 있다. 도 18a에 도시된 바와 같이, 감쇠 재료 층(1205)은 나노웰(207B)의 원주 주위에서 나노웰(207B)의 측벽에 평행하게 연장되는 제1 상향 연장 섹션 및 나노웰(207B)의 바닥면과 평행하게 연장되는 제2 수평 연장 섹션을 포함할 수 있다.
하나의 양태에서, 나노웰(207B)에 의해서 한정된 반응 부위(206B) 및 나노웰(207A)에 의해서 한정된 반응 부위(206A)는 연관된 수직 연장 중심 축(1216)을 포함할 수 있다. 도 18a의 실시예를 참조하면, 장치(100)는 나노웰(207B)의 수직 연장 중심 축(1216)이 감쇠기를 통해 연장되고 또한 나노웰(207A)의 수직 연장 중심 축(1216)이 감쇠기를 통해 연장되지 않도록 구성될 수 있다. 도 18a의 실시예를 참조하면, 장치(100)는 나노웰(207B)의 수직 연장 중심 축(1216)이 감쇠 재료 층(1205)에 의해서 한정된 감쇠기를 통해 연장되고 또한 나노웰(207A)의 수직 연장 중심 축(1216)이 감쇠 재료 층(1205)에 의해서 한정된 감쇠기를 통해 연장되지 않도록 구성될 수 있다. 또 다른 양태에서, 나노웰(207B)에 의해서 한정된 반응 부위(206B)의 수직 연장 중심 축(1216)은 감쇠 재료 층(1205)을 통해 연장되고, 나노웰(207A)에 의해서 한정된 반응 부위(206A)의 수직 연장 중심 축(1216)은 감쇠 재료 층(1205)을 통해 연장되지 않는다. 또 다른 양태에서, 나노웰(207B)에 의해서 한정된 반응 부위(206B)의 수직 연장 중심 축(1216)은 감쇠기를 통해 연장되며, 이 감쇠기는 나노웰(207A)에 의해 한정된 반응 부위(206A)에는 없다.
추가로 도 18a을 참조하면, 나노웰(207B)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되는 영역 내의 나노웰(207B)은 감쇠 재료 층(1205)에 의해 한정된 감쇠기를 포함할 수 있고, 나노웰(207A)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되는 영역 내의 나노웰(207A)에는 감쇠기가 없을 수 있다. 나노웰(207B)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 나노웰(207B)의 영역은 나노웰(207B)의 바닥면 아래의 영역을 포함할 수 있으며, 이는 도 18a에 도시된 바와 같이 나노웰(207B)의 바닥 코너들과 교차하는 깊이 차원 연장 수직 연장 평면들(1217)에 의해서 경계가 형성되고 나노웰(207B)의 바닥 코너들과 교차하는 폭 차원 수직 연장 평면들(1218)에 의해서 경계가 형성되며, 이는 직사각형 바닥면을 포함할 수 있다. 나노웰(207B)의 도 18a에서의 감쇠 재료 층(1205)에 의해 한정된 감쇠기는 나노웰(207B)의 바닥면 수직으로 아래에 섹션을 포함하도록 구성될 수 있고, 나노웰(207B)의 바닥으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광(501)의 방출 광선을 감쇠시키도록 구성될 수 있다. 다른 양태에서, 나노웰(207A)에는 나노웰(207A)의 바닥으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광의 방출 광선을 감쇠시키는 감쇠기가 없을 수 있다.
도 18a에 도시된 바와 같은 장치(100)를 제조하는 방법은 도 18b 내지 도 18d의 제조 단계 도면을 참조하여 설명된다. 도 18b를 참조하면, 층(1202), 층(1204), 층(1206) 및 층(1208)은, 일 실시예에서, 픽셀 센서(202) 및 도광체(214)에 의해 한정될 수 있는 픽셀(201) 위에 증착되고 이와 정렬될 수 있다. 도 18c를 참조하면, 트렌치(209)는 도 18c에서의 제조 중간 단계에서 도시된 나노웰(207B)에 의해서 한정된 반응 부위(206B)를 한정하도록 에칭될 수 있다. 도 18c로부터 알 수 있는 바와 같이, 트렌치(209)는 나노웰(207A)에 의해서 한정된 반응 부위(206A)의 제조를 위한 트렌치 이전에 이와 독립적으로 제조될 수 있다. 도 18d에 도시된 바와 같이, 나노웰(207A)을 제공하기 위한 트렌치(219)의 제조 전에, 중간 제조 단계에서 도 18d에 도시된 나노웰(207B)에 의해 제공된 반응 부위(206B)를 한정하는 트렌치(209)에 감쇠 재료 층(1205)이 증착될 수 있다. 도 18d에 도시된 제조의 중간 단계에서, 감쇠 재료 층(1205)은 나노웰(207B)에 의해서 제공되는 반응 부위(206B)용 트렌치(209)를 과충전(overfill)할 수 있다.
도 18a에 도시된 구조물의 제조 완료를 위해, 추가적인 제조 단계가 수행될 수 있다. 이러한 추가적인 제조 단계는, 예를 들어, 층(1205)을 층(1208)의 상부 높이의 높이로 평탄화하는 단계, 나노웰(207B)에 의해 제공되는 반응 부위(206B)와 연관된 트렌치(209)를 과충전하기 위해 유전체 재료의 희생 층을 증착하는 단계, 과충전된 층을 평탄화하는 단계, 나노웰(207A)에 의해서 한정된 반응 부위(206A)에 대해 도 18d의 점선 영역으로 표시된 바와 같은 점선 영역에 제2 트렌치(209)를 형성하는 단계, 설명된 희생층을 에칭 제거하는 단계, 및 다음으로 나노웰(207B)에 의해 제공되는 반응 부위(206B)에 연관된 트렌치(209) 및 나노웰(207A)에 의해 제공되는 반응 부위(206A)에 연관된 트렌치(209) 모두의 상부 층을 한정하기 위해 도 18a에 도시된 바와 같은 유전체 층(1210)을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 장치를 제조하는 방법이 본원에 기재되며, 이 방법은 한 픽셀에 걸쳐서 그 픽셀과 정렬되는 영역에 유전체 스택을 증착하는 단계; 제1 나노웰을 한정하기 위한 제1 트렌치를 유전체 스택에 에칭하는 단계; 제2 나노웰을 한정하기 위한 제2 트렌치를 유전체 스택에 에칭하는 단계; 및 제2 트렌치에 증착되지 않는 감쇠 재료 층을 제1 트렌치에 증착하는 단계를 포함한다.
도 19a는 두 개의 나노웰(207) 중 하나가 클러스터 신호를 감쇠시키는 감쇠 필터(감쇠기)를 갖는 다른 CMOS 센서의 일부분의 상부 단면도를 도시한다. CMOS 센서의 층들 중 하나는 감쇠 필터 층을 가질 수 있다. 그러나, 이 감쇠 필터 층은 한 픽셀(201)에 걸친 두 개의 나노웰(207A, 207B) 중 제1 나노웰(207A)의 바닥면 아래에서 제거될 수 있지만, 제2 나노웰(207B)의 바닥면 아래에서 제거되지 않으며, 한 픽셀은 픽셀 센서(202)와 결합하여 도광체(214)에 의해서 한정될 수 있다. 따라서 이러한 구성은 제1 나노웰(207A)로부터 방출되는 클러스터 신호를 감쇠시키지 않을 수 있다. 도 19a에서, 감쇠 필터 층은 감쇠 재료 층(1204)에 의해서 제공될 수 있다.
도 19a의 실시예에서, 장치(100)는, 나노웰(207B)을 한정하는 감쇠 재료 층(1204)의 한 섹션이 나노웰(207B)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되지만 그 섹션에는 나노웰(207A)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되는 섹션이 없도록 배열된 감쇠 재료 층(1204)을 포함할 수 있다. 나노웰(207B)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠 재료 층(1204)의 설명된 섹션은 나노웰(207B)의 바닥면과 나노웰(207B)과 연관된 픽셀 센서(202) 사이의 방출 광로에 배치될 수 있지만 그 섹션에는 나노웰(207A)의 바닥면과 나노웰(207B) 및 나노웰(207A)에 연관된 픽셀 센서(202) 사이의 광 경로에서 나노웰(207A)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되는 섹션이 없다.
도 19a를 참조하면, 광 감쇠 재료 층(1204)은 다수의 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 제1 양태에서, 광 감쇠 재료 층(1204)은 제1 픽셀(201)(반응 부위들(206A 및 206B))과 제2 픽셀 영역(201)(반응 부위들(206B 및 206C))에 연관된 반응 부위들 사이의 누화를 억제 및 감소시킬 수 있다. 다른 양태에서, 광 감쇠 재료 층(1204)은 도 4 및 5를 참조하여 설명된 콜링 차트를 이용하여 시퀀싱을 달성하기 위해 나노웰(207A)에 의해서 제공된 반응 부위 내에 지지된 클러스터로부터의 광 방출을 의도적으로 감쇠시킬 수 있다.
도 19a에 도시된 장치를 제조하기 위한 제조 단계 도면은 도 19b 및 도 19c를 참조하여 설명된다. 도 19b의 중간 제조 단계를 참조하면, 제조의 중간 단계에 도시된 반응 구조물(260)은 격리 구조물(218) 및 도광체(214)에 의해서 한정된 도시된 구조물 상에 증착될 수 있다. 도 19b의 제조의 중간 단계에서, 유전체 층(1202), 광 감쇠 재료 층(1204), 유전체 층(1206), 및 광 감쇠 재료 층(1210)이 증착될 수 있다. 도 19c의 제조의 중간 단계를 참조하면, 도 19c에서의 제조의 중간 단계에 도시된 나노웰들(207A 내지 207D)에 의해 제공되는 반응 부위들(206A 내지 206D)을 한정하기 위한 트렌치들(209)이 에칭될 수 있다. 도 19c의 제조도의 중간 단계를 참조하면, 상이한 트렌치들(209)은 상이한 에칭 단계들에서 상이한 높이로 에칭될 수 있다. 제1 에칭 단계에서, 나노웰들(207A 및 207C)에 의해서 제공되는 반응 부위들(206A 및 206C)용 트렌치들(209)은 유전체 층(1202)의 상부 높이에 의해 한정된 높이까지 에칭될 수 있다. 다음으로, 반응 부위들(206A 및 206C)에 대한 설명된 트렌치들을 희생 재료 층으로 채운 후, 나노웰들(207B 및 207D)에 의해서 제공된 반응 부위(206B 및 206D)에 대한 트렌치들(209)이 에칭될 수 있다. 나노웰(207B 및 207D)을 한정하기 위한 에칭은, 나노웰(207B 및 207D)이 나노웰(207A 및 207C)의 바닥면보다 높은 높이에서 바닥면을 갖도록, 그리고 추가로, 나노웰(207B) 및 나노웰(207D)이 나노웰(207A) 또는 나노웰(207C)과 연관되지 않은 감쇠 재료 층(1204)에 의해 한정된 감쇠기를 포함하도록, 감쇠 재료 층(1204)의 상부 높이에 의해 한정된 높이까지 에칭하는 것을 포함할 수 있다. 도 19a의 구조를 달성하기 위한 최종 제조를 위해, 나노웰(207A 내지 207D)의 상부 표면을 한정하는 유전체 층(1210)이 도 19c에 도시된 트렌치(209) 내에 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 장치를 제조하기 위한 방법이 본원에 제시되며, 이 방법은 내부에 일체로 형성된 감쇠 재료 층을 갖는 유전체 스택을 한 픽셀에 걸쳐서 그 픽셀과 정렬되는 영역에 증착하는 단계; 제1 나노웰을 한정하기 위한 제1 트렌치를 유전체 스택에 에칭하는 단계 - 제1 트렌치는 감쇠 재료 층이 제1 나노웰에 대한 감쇠기를 한정하도록 감쇠 재료 층의 상부 높이에서 또는 그 위에서 종결되는 높이로 에칭됨 -; 및 제2 나노웰을 한정하기 위한 제2 트렌치를 유전체 스택에 에칭하는 단계를 포함하며, 제2 트렌치는 감쇠 재료 층의 바닥 높이에서 또는 그 아래에서 종결되는 높이로 에칭된다.
도 19a의 분해도 부분을 참조하면, 일 실시예에 따른 장치(100)는 대안 실시예에서는 감쇠 재료 층(1204)이 제1 및 제2 두께(T1 및 T2)를 포함하도록 구성될 수 있다. 감쇠 재료 층(1204)은, 나노웰(207D)의 바닥면과 픽셀 센서(202) 사이의 광 경로에서 나노웰(207D)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되는 나노웰(207D)을 한정하는 감쇠 재료 층(1204)의 섹션에서 제1 두께(T1)를 포함할 수 있다. 두께 T1은 두께 T2보다 작을 수 있다. 도 19a에 도시된 대안적인 실시예에 도시된 바와 같은 구성의 제공은 나노웰(207)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되는 영역 및 나노웰(207)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되고 이의 외부에 있는 영역들에서 상이한 레벨들의 감쇠를 용이하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 감쇠 재료 층(1204)은 제1의 더 작은 레벨의 감쇠, 예를 들어, 나노웰(207D)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠 재료 층(1204)의 섹션에서 약 50%의 감쇠를 제공할 수 있는 반면, 나노웰(207D)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠 재료 층(1204)의 섹션 외부에 도시된 영역에서, 감쇠 재료 층(1204)은 제2 레벨의 감쇠, 예를 들어, 들어오는 광의 약 90%의 감쇠를 제공할 수 있다. 도 19a의 분해도에 도시된 배열체는, 예를 들어, 본원에 기재된 바와 같이 신호에 대해 차별화된 클러스터를 제공하는 것을 목표로 하는 감쇠 레벨보다 크로스토크를 억제하기 위해 더 큰 레벨의 감쇠가 목표인 경우에 유용할 수 있다.
일 실시예에서, 감쇠 재료 층(1204)은, 초기에 광 감쇠 재료 층(1204)을 T2 두께로 증착한 다음, 설명된 나노웰 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 설명된 영역 내의 감쇠 재료 층(1204)의 섹션을 한정된 T1 두께로 에칭함으로써, 다중 높이를 갖도록 제조될 수 있다. 다른 실시예들에서, 감쇠 재료 층(1204)은 제1 증착 단계 및 제2 증착 단계를 사용하여 제조될 수 있으며, 여기서 제1 단계에서는 하위층이 T1 두께로 증착된 다음 제2 하위층을 선택적으로 증착시켜서 T2 두께를 한정하도록 한다. 일 실시예에 따르면, 본원에 장치가 제시되며, 이 장치는, 나노웰의 감쇠기가 한정되도록 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 제1 섹션 및 제1 섹션으로부터 측방향으로 인접하게 연장되는 제2 섹션들을 포함하는, 감쇠 재료 층을 포함하며, 제1 섹션은 제1 두께를 갖고, 제2 섹션들은 제2 두께를 갖고, 제1 두께는 제2 두께보다 작다.
도 20은 인접한 픽셀들(201)에 걸친 나노웰들(207)의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분의 평면도를 도시한다. 도 20을 참조하면, 상이한 픽셀들(201)과 연관된 나노웰들(207)에 의해 제공되는 상이한 세트들의 반응 부위들(206)이 도시된다. 도 20에서, 특정 직사각형 내에 연관된 나노웰들(207)에 의해서 제공되는 한 세트의 반응 부위들(206)이 픽셀들(201) 중 특정 하나의 픽셀과 연관되는 것을 알 수 있다. 도 20에 도시된 상이한 픽셀들(201)은 상이한 픽셀 위치들(A1-D2)을 가질 수 있다.
도 20을 참조하면, 한 픽셀 어레이를 한정하는 인접한 픽셀들(201)과 연관된 나노웰들(207)에 의해서 제공되는 반응 부위들(206)의 세트들이 상이한 배향을 가질 수 있다는 것이 확인된다. 도 20을 참조하면, 픽셀 위치 A1을 갖는 제1 픽셀과 연관된 나노웰들(207)은 제1 배향을 가질 수 있고, 픽셀 위치 B1을 갖는 제2 픽셀과 연관된 나노웰들(207)은 제1 배향과 상이한 제2 배향을 가질 수 있다. 인접한 픽셀들(201) 사이의 동일한 패턴은 도시된 픽셀 어레이 전체에 걸쳐 반복될 수 있다. 기술된 제1 배향은 평면도에서 보았을 때 깊이 차원 방향, 즉 후방에서 전방 방향으로 이격된 나노웰들에 의해 제공되는 제1 및 제2 반응 부위로 특징지어질 수 있고, 제2 세트의 픽셀들은 폭 차원 방향 - 이는 이와 달리 측방향 또는 좌우 방향으로 칭해질 수 있음 - 으로 이격된 나노웰들(207)에 의해 제공된 제1 및 제2 반응 부위(206)로 특징지어지는 배향을 가질 수 있다. 설명된 제1 방향은 지시된 기준 좌표계의 Y축에 평행한 방향이라고도 할 수 있고, 설명된 제2 방향은 X축에 평행한 방향이라고도 할 수 있다. 또 다른 양태에서, 픽셀 위치 A1, C1, B2, D2에서의 픽셀들(201)과 연관된 나노웰들에 의해서 제공되는 반응 부위들의 세트는 제1 배향을 가질 수 있고, 도시된 픽셀 위치 B1, D1, A2, C2에서의 픽셀들(201)과 연관된 나노웰들(207)에 의해서 제공되는 반응 부위들(206)의 세트 내의 픽셀은 제1 배향과 상이한 제2 배향을 가질 수 있다.
도 21은 도 20의 실시예에 따라 인접한 픽셀들(201)에 걸친 나노웰들(207)의 세트들의 배열을 보여주는 CMOS 센서의 일부분에 대한 평면도 및 단면도를 도시한다. 더 밝은 원들은 감쇠된 웰들(즉, 클러스터 신호가 감쇠되는 나노웰들(207))을 나타내고, 더 어두운 원들은 감쇠되지 않은 웰들(즉, 클러스터 신호가 감쇠되지 않은 나노웰들(207))을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 인접한 웰들로부터 픽셀 센서(202)에 의해 검출되는 크로스토크를 감소시키기 위한 노력으로, 나노웰들 사이의 거리를 최대화하는 것이 바람직할 수 있다. 도 20 및 도 21은 인접한 픽셀들 간에 수직인 나노웰 배향들을 도시한다. 예를 들어, 일례로 위치 A1의 제1 픽셀(201)이 좌우로의 나노웰 배향을 갖는 경우, 제1 픽셀(201)에 인접한 위치 B1의 제2 픽셀(201)은 상하로의(앞뒤로의) 나노웰 배향을 가질 수 있다.
도 21은 도 20에 도시된 실시예에 따른, 일 예의 평면도 및 단면도를 도시한다. 도 21에서, 더 어둡게 음영 처리된 반응 부위들(206A 및 206C)은, 기준 좌표계의 도시된 Z축에 평행한 방향으로 각각의 나노웰(207A 및 207C)의 바닥면으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없는 나노웰(207A 및 207C) 각각에 의해 한정된 반응 부위를 나타내고, 더 밝게 음영 처리된 반응 부위들(206B 및 206D)은, 기준 좌표계의 도시된 Z축에 평행한 방향으로 나노웰(207D)의 바닥면으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광(501)의 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 갖는 반응 부위들이다. 도 21의 실시예에서, 나노웰(207D)에 의해서 제공되는 반응 부위(206D)는 나노웰(207D)의 바닥을 한정하는 검출기 표면(208)으로부터 수직 하향으로 방사하는 방출 광(501)의 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠 재료 층(1204)의 한 섹션에 의해 한정되는 감쇠기를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 서로 다른 교번 배향을 갖도록 인접한 픽셀들과 연관된 나노웰들에 의해서 제공되는 반응 부위들을 구성하는 것이 인접한 픽셀들과 연관된 반응 부위들 사이의 간격 거리를 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 픽셀 영역들(B1 및 A1)에서의 픽셀들과 연관된 반응 부위들(206)이 각각 폭 차원 방향으로 이격된 경우(측방향으로 또는 좌우로, 즉 둘 다 픽셀 영역 B1에 대해 도시된 바와 같이 배향됨), 픽셀 영역(B1)과 픽셀 영역(A1)의 반응 부위들 사이의 최소 간격 거리가 아마도 제작 능력을 초과하도록 감소될 것이고, 특정 픽셀(201)과 연관된 반응 부위와 반응 부위와 연관되지 않은 특정 픽셀(201)에 인접한 이웃 픽셀 사이의 크로스토크를 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 21의 실시예들에 따른 변형예들이 도 22 내지 도 24에 예시된다. 도 22의 실시예에서, 나노웰들(207A-207D)에 의해서 제공된 도시된 반응 부위들은 도 21에 도시된 바와 같은 평면도에서 보았을 때의 원형 모양이 아니라 평면도에서 보았을 때 한정된 타원형 형상을 갖는다. 도 23의 실시예에서, 나노웰들(207A-207D)에 의해서 제공된 반응 부위들(206A-206D)은 제1 및 제2 상이한 형상 및 상이한 크기를 갖는다. 나노웰들(207B 및 207D)은 평면도에서 보았을 때 원형인 반면, 나노웰들(207A 및 207C)에 의해서 제공되는 반응 부위들(206A 및 206C)은 평면도에서 보았을 때 타원형이고, 나노웰들(207B 및 207D)보다 나노웰 바닥면 영역의 관점에서 더 크다.
도 23의 실시예에서, 더 작은 바닥면 영역 크기의 나노웰들(207D 및 207B)은 나노웰(207D) 및 나노웰(207B)의 중심 축(1216)과 교차하는 감쇠 재료 층(1204)의 한 섹션에 의해 한정된 감쇠기들을 가지며, 나노웰(207D) 및 나노웰(207B)과 연관된 연관 감쇠기들은 나노웰(207D) 및 나노웰(207B)의 바닥을 한정하는 표면으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광(501)의 방출 광선을 감쇠시키기 위해 배열된다. 도 23의 실시예에서, 나노웰(207C) 및 나노웰(207A)에는 각각의 나노웰(207C) 및 나노웰(207A)의 바닥을 한정하는 검출기 표면(208)으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광(501)의 방출 광선을 감쇠시키는 감쇠기가 없다.
도 24의 실시예에서는 감쇠 재료 층(1204)에 의해 한정된 감쇠기들이 더 큰 나노웰(207C) 및 나노웰(207A)에는 연관되지만 더 작은 바닥면 영역의 나노웰(207D) 및 나노웰(207B)에는 없고 이와 연관되지 않는다는 것을 제외하고는, 도 24의 실시예는 도 23의 실시예와 유사하다. 본원에서의 실시예들은, 감쇠기의 존재 또는 부재가 나노웰 크기보다 신호 강도에 대한 클러스터 신호에 더 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 인식한다. 도 24의 실시예에서, 감쇠기의 존재 또는 부재는 클러스터 신호 "온" 신호 진폭의 대략적인 튜닝을 제공하는 데 사용될 수 있고, 나노웰 크기는 클러스터 신호 "온" 신호 진폭의 미세 튜닝을 제공하는 데 사용될 수 있다.
도 24를 참조하면, 나노웰(207C)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된, 나노웰(207C)을 한정하는 영역은 감쇠기, 즉 감쇠 재료 층(1204)에 의해서 한정된 감쇠기를 포함할 수 있고, 나노웰(207D)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된, 나노웰(207D)을 한정하는 영역에는 도 24에 도시된 바와 같이 감쇠기가 없을 수 있다.
나노웰(207C)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된, 나노웰(207C)을 한정하는 영역은, 표시된 X 축 차원으로 나노웰(207C)의 최대 폭에서 나노웰(207C)의 바닥면과 교차하는 수직 연장 평면들(1217)에 의해서 경계가 정해진 영역을 포함할 수 있다. 나노웰(207C)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된, 나노웰(207C)을 한정하는 영역은, 표시된 기준 Y축에 평행하게 연장되는 방향으로 나노웰(207C)의 최대 깊이 지점들에서 나노웰(207C)의 바닥 코너를 교차하는 수직으로 연장되는 평면들(1218)에 의해서 경계가 정해진 나노웰(207C)과 연관된 픽셀 센서(202)와 나노웰(207C)의 바닥면 사이 광 경로 중의 영역을 포함할 수 있다.
나노웰(207D)의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된, 나노웰(207D)을 한정하는 영역은 광 경로 중의 영역을 포함할 수 있으며, 이 광 경로는, 기준 X 축에 평행한 방향으로 나노웰(207D)의 바닥의 최대 폭에서 나노웰(207D)의 바닥면의 코너들과 교차하는 수직 연장 평면들(1217)에 의해서 경계가 정해지고 도 24에 표시된 기준 Y축에 평행하게 연장되는 방향으로 나노웰(207D)의 최대 깊이를 한정하는 위치에서 나노웰(207D)의 바닥면에서의 코너들과 교차하는 수직 연장 평면들(1218)에 의해서 경계가 정해지는 나노웰(207D)과 연관된 픽셀 센서(202)와 나노웰(207D)의 바닥면 사이에 있다.
동일한 관계가 도 24에 도시되며, 나노웰의 바닥면과 이와 연관된 픽셀 센서(202) 사이의 광 경로에서 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역은 감쇠기를 포함하고, 제1 나노웰 및 제2 나노웰에 연관된 픽셀 센서(202)와 제2 나노웰 사이의 광 경로에서 제2 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역에는 도 6, 도 8, 도 9, 도 10, 도 11, 도 16, 도 18, 도 19, 도 20, 도 21, 도 22, 도 23 및 도 24(도 6, 도 8 내지 도 11, 도 16, 및 도 18 내지 도 24)에 관련된 것을 포함한 도면 전체에 걸쳐 도시된 바와 같은 감쇠기가 없다.
도 6, 도 8 내지 도 11, 도 16, 및 도 18 내지 도 24의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰로부터의 방출 광의 감쇠가 제2 나노웰로부터의 방출 광의 감쇠에 비해 증가되게 하는 감쇠 재료를 사용하여 구성될 수 있다. 도 6, 도 8 내지 도 11, 도 16, 및 도 18 내지 도 24의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 감쇠기를 포함하고 제2 나노웰에는 감쇠기가 없도록 구성될 수 있다. 도 6, 도 8 내지 도 11, 도 16, 및 도 18 내지 도 24의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 제1 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하도록 구성될 수 있고, 제2 나노웰에는 제2 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하향으로 방사되는 방출 광을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없다. 도 6, 도 8 내지 도 11, 도 16, 및 도 18 내지 도 24의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 제1 나노웰의 바닥면 아래 영역에 감쇠기를 포함하도록 구성될 수 있고, 제2 나노웰의 바닥면 아래 영역 내의 제2 나노웰에는 감쇠기가 없다. 도 6, 도 8 내지 도 11, 도 16, 및 도 18 내지 도 24의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 제1 나노웰의 바닥면 바로 아래 영역에 감쇠기를 포함하도록 구성될 수 있고, 바닥면의 바로 아래 영역 내의 제2 나노웰에는 감쇠기가 없다. 도 6, 도 8 내지 도 11, 도 16, 및 도 18 내지 도 24의 실시예들에서, 장치는 제1 나노웰이 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역에 감쇠기를 포함하도록 구성될 수 있고, 제2 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역 내의 제2 나노웰에는 감쇠기가 없다. 일 양태에서, 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역은 나노웰의 수직으로 연장되는 중심 축(1216)에 의해서 교차되는 영역일 수 있다. 일 양태에서, 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역은 본원에 기재된 바와 같이 수직으로 연장되는 평면들(1217 및 1218)에 의해서 경계가 정해진 영역일 수 있다.
도 25의 실시예에서, 더 작은 크기의 나노웰들(207D 및 207B)과 더 큰 크기의 나노웰들(207C 및 207A) 각각에는 각각의 나노웰들(207A-207D)의 바닥을 한정하는 검출기 표면(208)으로부터 수직으로 하향으로 방사되는 방출 광(501)의 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없다.
도 22 내지 도 25를 참조하여 설명된 실시예들에 따른 예시적인 치수는 표 A에 요약된 바와 같이 제공될 수 있다.
[표 A]
도 16 내지 도 25의 도면을 참조하면, 반응 구조물(260)은 유전체 층(1202), 유전체 층(1206) 및 유전체 층(1210)을 포함하는 복수의 유전체층을 갖는 유전체 스택에 의해서 한정될 수 있으며, 유전체층(1210)은 검출기 표면(208)을 도 13에 도시된 바와 같이 한정할 수 있다. 감쇠 재료 층(1204), 감쇠 재료 층(1205), 및/또는 감쇠 재료 층(1208)을 포함하는 하나 이상의 감쇠 재료 층이 반응 구조물(260)을 한정하는 유전체 스택 내에 일체로 형성될 수 있다. 도 16 내지 도 25에 도시된 실시예에 대한 예시적인 치수는 표 B를 참조하여 설명된다. 표 B에 예시된 바와 같은 다양한 층의 재료는 표 A 또는 본 명세서의 다른 곳에 요약된 재료일 수 있다.
[표 B]
다시 도 13을 참조하면, 장치(100)는 처리 회로(310)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 처리 회로(310)는 하나 이상의 프로세서(3101), 메모리(3102), 및 하나 이상의 입력/출력 인터페이스(3103)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(3101)와 메모리(3102)와 하나 이상의 입력/출력 인터페이스는 시스템 버스(3104)를 통해 연결될 수 있다. 메모리(3102)는 시스템 메모리와 저장 메모리의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 메모리(3102)는 본원에 설명된 프로세스를 용이하게 하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(3101)는 메모리(3102)에 저장된 하나 이상의 프로그램을 실행하여 본원에 설명된 바와 같이 프로세스를 용이하게 할 수 있다. 메모리(3102)는 컴퓨터 판독 가능 매체를 정의할 수 있다.
광 에너지 익사이터(10)에 의해서 가능해지는 DNA 시퀀싱 프로세스는 도 13, 도 15 및 도 26을 참조하여 설명된다. 도 15를 참조하면, 장치(100)의 동작의 양태를 예시하는 스펙트럼 프로파일 조정 다이어그램이 도시된다. 일 실시예에 따르면, 광 에너지 익사이터(10)는 제1 및 제2 상이한 파장에서 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 도 1 내지 도 12에 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2의 상이한 파장 범위에서 여기 광을 제공하는 것은 제1 및 제2 염료가 플로우 셀(282) 내의 유체에 배치될 수 있는 염료 화학 DNA 서열 재구성 프로세스를 용이하게 한다.
도 15의 스펙트럼 프로파일 조정 다이어그램에서, 녹색광 스펙트럼 프로파일로서 도시된 스펙트럼 프로파일(1101)은 광 에너지 익사이터(10)에 의해서 방출된 여기 광(101)의 스펙트럼 프로파일이다. 스펙트럼 프로파일(1501)은 여기 광(101)에 의해서 여기되는 발형광단의 형광에 의해서 유발되는 방출 광(501)의 스펙트럼 프로파일이다. 스펙트럼 프로파일(1220)은, 일 실시예에 따르면, 픽셀 센서(202)의 투과 프로파일(검출 대역)이다. 도 2의 스펙트럼 프로파일 조정 다이어그램이 일부 실시예들에 공통적인 일반적인 특징을 나타내기 위한 것이나, 표시된 스펙트럼 프로파일의 변형예가 일반적이라는 것이 이해될 것이다. 일 양태에서, 여기 광(101)은 일반적으로, 녹색 광 스펙트럼 프로파일에 더하여, 청색 광 스펙트럼 프로파일(미도시)을 포함할 수 있으며, 장치(100)는 (a) 청색광 스펙트럼 프로파일이 비활성화된 상태에서 녹색광 스펙트럼 프로파일이 활성인 모드와 (b) 녹색광 스펙트럼 프로파일이 비활성화된 상태에서 청색광 스펙트럼 프로파일이 활성인 모드 사이에서 전환 가능하다. 다른 실시예에서, 여기 광(101)과 방출 광(501)의 다양한 조합이 있을 수 있다. 일 실시예에서, 여기 광(101)의 스펙트럼 프로파일(1101)은 청색광 파장 범위 내의 중심 파장을 특징으로 할 수 있고, 방출 광(501)의 스펙트럼 프로파일은 녹색 파장 범위 내의 중심 파장을 특징으로 할 수 있다.
본원에서의 실시예들은 처리 회로(310)가 다음을 수행하도록 구성될 수 있다는 것을 도 15의 스펙트럼 프로파일 조정 다이어그램을 참조하여 인식한다: (a) 하나 이상의 녹색 발광 광원에 의한 여기로 제한된 여기 하에서 픽셀 센서(202)에 의해서 형광이 감지되는 것 및 하나 이상의 청색 방출 광원에 의한 여기로 제한된 여기 하에서 픽셀 센서(202)에 의해서 형광이 감지되지 않는 것에 기초하여 제1 발형광단이 각각의 클러스터(C1, C2)에 부착된 것을 결정; (b) 하나 이상의 청색 발광 광원에 의한 여기로 제한된 여기 하에서 픽셀 센서(202)에 의해서 형광이 감지되는 것 및 하나 이상의 녹색 방출 광원에 의한 여기로 제한된 여기 하에서 픽셀 센서(202)에 의해서 형광이 감지되지 않는 것에 기초하여 제2 발형광단이 클러스터(C1, C2)에 부착된 것을 결정; 및 (c) 하나 이상의 녹색 발광 광원에 의한 여기로 제한된 여기 하에서 픽셀 센서(202)에 의해서 형광이 감지되는 것 및 하나 이상의 청색 방출 광원에 의한 여기로 제한된 여기 하에서 픽셀 센서(202)에 의해서 형광이 또한 감지되는 것에 기초하여 제3 발형광단이 클러스터(C1, C2)에 부착된 것을 결정.
처리 회로(310)는 어떤 발형광단이 클러스터에 부착되었는지 구별할 수 있고, 예를 들어, 뉴클레오티드 유형에 대한 발형광단 존재를 맵핑하는 표 C의 결정 논리 표에서 표현되는 도 4 및 도 5의 콜링 차트에 의해 표시된 결정 논리 데이터 구조를 사용하여 클러스터(C1, C2)를 제공하는 DNA 가닥의 단편에 존재하는 뉴클레오티드 유형, 예를 들어, A, C, T 및 G를 결정할 수 있으며, 구별된 뉴클레오티드 Nucleotide- Nucleotide4는 뉴클레오티드 유형 A, C, T 및 G의 뉴클레오티드이다(테스트 설정 매개변수에 기반한 특정 맵핑). 본원에서의 실시예들은 협대역 조명의 서로 다른 대역들 하에서 감지된 출력 신호 레벨들이 가장 가까운 유클리드 거리에 기반한 특정 클라우드에 맵핑될 수 있다는 것을 인식한다.
[표 C]
프로세싱 회로(310)는 복수의 사이클로 DNA 서열 재구성을 지원하는 프로세스를 실행할 수 있다. 각각의 사이클에서, DNA 단편의 상이한 부분은, 예를 들어, 결정 데이터 구조, 예컨대, 도 4 및 도 5 및 표 C에 제시된 바와 같은 결정 데이터 구조를 사용하여 단편과 연관된 뉴클레오티드 유형, 예를 들어, A, C, T 또는 G를 결정하기 위해 시퀀싱 처리될 수 있다. 광 에너지 익사이터(10)를 사용하여 DNA 서열 재구성을 수행하는데 사용하기 위한 처리 회로(310)에 의해서 실행될 수 있는 프로세스의 양태들이 도 26의 흐름도에 설명된다.
블록 1802에서, 처리 회로(310)는 플로우 셀(282)을 세척할 수 있으며, 이는 처리 회로(310)가 이전 사이클 동안 사용된 플로우 셀(282)로부터 유체를 제거할 수 있다는 것을 의미한다. 블록 1804에서, 처리 회로(310)는 다중 발형광단, 예를 들어, 제1 및 제2 발형광단, 또는 제1, 제2 및 제3 발형광단을 갖는 유체를 플로우 셀(282) 안으로 입력할 수 있다.
블록 1806에서, 처리 회로(310)는 활성인 여기 광(101)의 제1 파장 범위로 노출된 픽셀 센서들(202)로부터의 신호들을 판독할 수 있다. 블록 1806에서, 처리 회로(310)는, 픽셀 센서들(202)의 노출 기간 동안 광 에너지 익사이터(10)가 하나 이상의 녹색 광원에 의한 여기로 제한된 여기 광(101)을 방출하도록 광 에너지 익사이터(10)를 제어할 수 있다. 블록 1806에서, 처리 회로(310)는, 픽셀 센서(202)의 노출 기간 동안, 각각의 하나 이상의 녹색 방출 광 에너지 익사이터(10)에 에너지를 공급할 수 있다. 상술된 바와 같이 광 에너지 익사이터(10)를 제어하여 픽셀 센서(202)의 노출 기간 동안 녹색 광원이 온이고 청색 광원이 오프이도록 함으로써, 블록 1806에서 처리 회로(310)는 도 15의 스펙트럼 프로파일 조정 다이어그램을 참조하여 본원에 설명된 바와 같이 하나 이상의 녹색 광원에 의한 여기로 제한된 여기로 노출된 픽셀 센서들(202)로부터 제1 신호들을 판독할 수 있다.
블록 1808에서, 처리 회로(310)는 활성인 제2 파장 범위 여기로 노출된 픽셀 센서들(202)로부터의 신호들을 판독할 수 있다. 블록 1808에서, 처리 회로(310)는, 픽셀 센서들(202)의 노출 기간 동안 광 에너지 익사이터(10)가 광 에너지 익사이터(10)의 하나 이상의 청색 광원에 의한 여기로 제한된 여기 광을 방출하도록 광 에너지 익사이터(10)를 제어할 수 있다. 블록 1808에서, 처리 회로(310)는, 픽셀 센서(202)의 노출 기간 동안, 광 에너지 익사이터(10)의 하나 이상의 청색 발광 광원 각각에 에너지를 공급하면서, 광 에너지 익사이터(10)의 각각의 하나 이상의 녹색 발광 광원을 전원이 끊긴 상태로 유지할 수 있다. 상술된 바와 같이 광 에너지 익사이터(10)를 제어하여 픽셀 센서(202)의 노출 기간 동안 청색 광원이 온이고 녹색 광원이 오프이도록 함으로써, 블록 1808에서 처리 회로(310)는 본원에서 설명된 광 에너지 익사이터(10)의 하나 이상의 청색 광원에 의한 여기로 제한된 여기로 노출된 픽셀 센서들(202)로부터 제2 신호들을 판독할 수 있다.
블록 1806 및 블록 1808 각각에서, 광 에너지 익사이터(10)는, 특정 하나의 픽셀(201)에 공통적으로 연관되는 인접한 나노웰들(207, 207A-207B, 207C-207D)에 배치된 클러스터들(C1 및 C2)을 포함하여 반응 구조물(260)에 의해서 지지되는 모든 클러스터들(C1, C2)이 블록 1806을 참조하여 설명된 협대역 여기 광(101)으로 동시에 여기되도록, 기준 협대역의 여기 광(101)(블록 1806의 녹색 광 및 블록 1808의 청색 광)을 동시에 반응 구조물(260)의 모든 반응 부위(206)로 지향시킬 수 있다. 따라서, 본원에서의 실시형태들은 장치(100)가 여기 광의 정밀한 방향 제어 없이 시퀀싱을 용이하게 할 수 있다는 것을 인식한다. 다른 실시예들에서, 여기는, 픽셀 센서들(202)의 특정 픽셀에 연관된 제1 나노웰들(207, 207A-207B, 207C-207D)이 픽셀 센서들(202)의 특정 픽셀에 연관된 제2 나노웰들(207, 207A-207B, 207C-207D)을 여기시키지 않으면서 여기되도록, 여기 광(101)의 정밀한 방향 제어를 사용하여 유리하게 수행될 수 있다.
블록 1810에서, 현재 사이클에 대한 처리 회로(310)는 블록 1806에서 판독된 제1 신호들 및 블록 1808에서 판독된 제2 신호들을 처리하여, 예를 들어 일 실시예에 따라 도 4 및 도 5 및 표 C에 제시된 바와 같은 결정 데이터 구조를 사용하여 현재 사이클 동안 테스트 대상이 되는 DNA 단편의 뉴클레오티드 유형을 결정할 수 있다. 프로세싱 회로(310)는 뉴클레오타이드 식별이 각각의 예정된 사이클에 대해 수행될 때까지 DNA 시퀀싱 프로세스의 각 사이클에 대해 도 26의 흐름도를 참조하여 설명된 뉴클레오타이드 식별 프로세스를 수행할 수 있다.
도 27a 및 도 27b는 본원에서 픽셀당 다수의 반응 부위를 갖는 장치의 생산에 있어서 신호 대 잡음 설계 고려 사항을 예시하는 도면이다. 도 27a는 여기 광의 제2 채널에 의한 여기 하의 제1 클러스터 신호와 조합하여 제1 채널에서의 여기 하의 제1 클러스터 신호에 의해 정의된 4개의 가능한 클라우드가 있는, 픽셀당 단일 반응 부위를 갖는 장치에 대한 콜링 차트를 묘사한다. 도 27a에 도시된 실시예에서, 콜링 차트는 장치가 픽셀당 하나의 신호 반응 부위를 갖는 상태로 4개의 신호 클라우드를 포함할 수 있다. 도 27a에 나타낸 바와 같이 픽셀당 하나의 반응 부위 및 2 × 2 4-클라우드 콜링 차트를 갖는 장치에서, 신호 대 잡음비는 수식 2에 기재된 바와 같이 표현될 수 있다.
[수식 2]
여기서 신호 A는 장치의 주어진 픽셀(202)에 의해서 수신된 수신 신호 광의 최대 진폭이다.
수식 2를 참조하면, 4-클라우드 콜링 차트 장치의 신호 대 잡음비가, 각각 클라우드 위치 X1Y2에 있는 왼쪽 상단 클라우드의 신호 분산과 클라우드 위치 X2Y2에 있는 오른쪽 상단 클라우드의 신호 분산을 나타내는 변수 σ1 및 σ4뿐만 아니라 신호 진폭 A에 따라 달라질 수 있다는 것을 알 수 있다. 본원에서의 실시예들은 클라우드의 신호 진폭이 증가됨에 따라, 즉 클라우드 위치 X2Y2에 있는 오른쪽 상단 클라우드의 경우, 신호 분산이 증가될 것으로 예상될 수 있다는 것을 인식한다.
도 27b는 16-채널 4×4 콜링 차트 장치의 경우에 콜링 차트를 도시한다. 16-클라우드 콜링 차트 장치에서 신호 대 잡음비는 수식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수식 3]
도 27b의 콜링 차트에 도시된 바와 같이 픽셀당 제1 및 제2 반응 부위 및 연관된 4 × 4 16-클라우드 콜링 차트를 갖는 장치에서, 신호 대 잡음비는 수식 3에 표시된 변수에 기초하여 감소될 것으로 예상될 수 있다. 초기에, 세 개의 상이한 신호 레벨 진폭이 검출되기 때문에, 수식 3의 분자는 도 27a에 나타낸 픽셀 장치당 신호 반응 부위에 대응되는 수식 2에 나타낸 바와 같은 값 A가 아니라, 값 A/3로 표현될 수 있다. 또한 수식 3의 분모는, 클라우드 위치 X1Y4의 신호 분산 변수 σ1(수식 2)이 아니라, 클라우드 위치 X3Y4의 신호 분산 변수 σ3의 함수가 되어 결과적인 신호 대 잡음비를 더욱 감소시킬 수 있다.
본원에서의 실시예들은 픽셀 장치당 다중 반응 부위의 신호 대 잡음비 제약이, 예를 들어, 다양한 클라우드에 대한 최소화된 신호 분산을 촉진하고 또한 클라우드들 사이의 분리를 증가시키는 설계 전략을 포함하는 적절한 시스템 설계에 의해서 관리될 수 있다는 것을 인식한다. 본원에서의 실시예들은 더 높은 진폭의 클라우드, 예를 들어, 클라우드 위치 X4Y4의 클라우드가 상대적으로 더 작은 신호 진폭 클라우드들보다 큰 분산을 가질 수 있다는 것을 인식한다. 따라서, 일 양태에서, 본원에서의 실시예들은 더 두드러진 신호 분산(σn)을 나타낼 것으로 예상될 수 있는 더 높은 진폭의 클라우드들 사이의 증가된 분리를 촉진하는 설계 특징을 포함할 수 있다.
도 28a 내지 도 28c는 R의 상이한 값들에 대한 16-클라우드 콜링 차트에서 클라우드 간격들을 도시하며, 여기서 R은 "온" 상태의 제2 클러스터 방출 신호와 "온" 상태의 제1 클러스터 방출 신호 사이의 비율이다. 도 28a 내지 도 28c를 참조하면, R 값을 변경함으로써, 상이한 클라우드들 사이의 간격이 변경될 수 있다는 것을 알 수 있다. R = 2인 경우, 즉 2x 클러스터 신호 비율이 있는 경우, 도 28a 내지 도 28c에 도시된 바와 같이 클라우드 위치 X1Y1 내지 X4Y4의 다양한 클라우드들은 동일한 도심간(entroid to centroid) 간격을 가질 수 있다. 그러나, 본원에서의 실시예들은 도심 간격들이 동일하고 더 큰 신호 진폭 클라우드가 더 큰 신호 분산 σn을 갖는 경우, 더 큰 진폭 클라우드들 사이의 에지간(edge to edge) 간격이 더 작은 진폭 클라우드들 사이의 에지간 간격보다 작을 수 있다는 것을 인식한다. 도 28a를 참조하면, 클라우드 위치 X4Y4에 있는 클라우드와 위치 X3Y4에 있는 클라우드 사이의 에지간 간격은 클라우드 위치 X2Y4 및 X1Y4에 있는 클라우드들 사이의 에지간 간격보다 작을 수 있다. 도 28a 내지 도 28c에서, 클라우드의 4 × 4 어레이는 X1Y1으로부터 X4Y4까지 X축(수평) 및 Y축(수직) 위치의 관점에서 표현될 수 있다. X축은 제1 협대역 여기 광 하에서의 "온" 상태 방출 신호 진폭을 나타낼 수 있고, Y축은 제2 협대역 여기 광 하에서의 "온" 상태 방출 신호 진폭을 나타낼 수 있다.
더 높은 진폭의 클라우드들 사이의 전체 클라우드 간격을 감소시키기 위해, 본원에서의 실시예들은 도 28a 내지 도 28c를 참조하여, 장치(100)가 약 1.9 내지 약 2.0인 "온" 상태 클러스터 신호 방출 비율을 나타내는 설계를 특징으로 하도록 구성될 수 있다는 것을 인식한다. R = 1.89인 도 28b를 참조하면, 클라우드 위치 X4Y4 및 위치 X3Y4에 있는 클라우드들 사이의 전체 클라우드 간격은 R = 2x인 도 28a에 도시된 바와 같은 클라우드 위치 X4Y4 및 클라우드 위치 X3Y4에서의 전체 클라우드 공간에 비해 증가될 수 있다. 또한, 도 28c에 도시된 바와 같이, R의 비율이, 예를 들어, R=1.4인 값으로 감소되는 경우, 클라우드 분산이 완만한 경우에도 다양한 클라우드 위치들에 있는 클라우드들이 겹칠 수 있지만, 충분히 작은 신호 분산으로, 도 28에 의해서 표현된 설계는 적절한 클라우드 간격을 생성할 것이라는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 28a 내지 도 28c에 도시된 바와 같은 경험적 데이터에 기초하여, 약 R=1.9의 클러스터 신호 "온" 상태 비율은 도 28c에 도시된 바와 같이 클라우드 중첩의 상당한 위험을 회피하면서 높은 신호 진폭 클라우드들 사이의 에지간 클라우드 간격을 증진한다. 도 28a를 참조하면, 약 R=2.0인 "온" 상태 신호 비율을 특징으로 하는 설계는 또한 적절한 클라우드 간격을 특징으로 하는 콜링 차트를 생성할 수 있다.
본원에 기재된 실시예들에서, 반응 구조물(260) 상에 한정된 상이한 반응 부위들(206, 206A-206D)은 상이한 나노웰들(207, 207A-207D)에 의해서 제공될 수 있다. 다른 실시예들에서, 반응 부위들(206, 206A-206D)은 반응 구조물(260)에 의해 한정될 수 있는 대안적인 특징부들에 의해서 한정될 수 있다. 대안적인 특징부들은, 예를 들어, 구조적 특징부 변동 및/또는 화학 조성의 변동을 포함할 수 있다. 구조적 특징 변동을 한정하는 구조적 특징부는 반응 구조물(260) 내 또는 상에 어레이를 형성할 수 있다. 예시적인 구조적 특징부는 본원에 기재된 바와 같은 나노웰, 포스트, 릿지(ridge), 채널, 및/또는 다층 재료의 층을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 특징부는 크기(예컨대, 부피, 직경, 및 깊이), 형상(예컨대, 원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 다각형, 별 모양(임의의 적절한 수의 꼭지점을 가짐), 불규칙, 또는 유전체 재료에 의해서 분리된 동심원 특징부) 및 분포(예컨대, 유전 물질 내의 특징부들의 공간적 위치들, 예컨대, 규칙적으로 이격되거나 또는 주기적인 위치들, 또는 불규칙적으로 이격되거나 또는 비주기적인 위치들)와 같은 특성을 가질 수 있다. 특징부의 단면은 특징부의 길이를 따라 균일할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
도면들에서의 흐름도 및 블록도들은 본 구현예의 다양한 예에 따른 시스템, 방법, 및 컴퓨터 프로그램 제품의 가능한 구현예의 아키텍처, 기능성, 및 동작을 예시한다. 이와 관련하여, 흐름도 또는 블록도들 내의 각각의 블록은 모듈, 세그먼트, 또는 명령어들의 일부분을 나타낼 수 있으며, 이는 특정된 논리 기능(들)을 구현하기 위한 하나 이상의 실행가능한 명령어들을 포함한다. 일부 대안적인 구현예들에서, 블록들에 언급된 기능들은 도면들에서 언급된 순서를 벗어나서 발생될 수 있다. 예를 들어, 연속으로 도시된 2개의 블록들은, 실제로는, 실질적으로 동시에 실행될 수 있거나, 또는 블록들은 때때로 관련된 기능성에 따라 역순으로 실행될 수 있다. 블록도들 및/또는 흐름도 예시의 각각의 블록, 및 블록도들 및/또는 흐름도 예시에서의 블록들의 조합들은, 특정된 기능들 또는 동작들을 수행하거나 특수 목적 하드웨어 및 컴퓨터 명령어들의 조합들을 수행하는 특수 목적 하드웨어-기반 시스템들에 의해 구현될 수 있다는 것에 또한 유의할 것이다.
본원에서 사용되는 용어는 단지 특정 예들만을 기술하는 목적을 위한 것이고, 제한하려는 의도는 아니다. 본원에 사용되는 바와 같이, 단수의 형태들("a", "an" 및 "the")은 문맥상 명백히 다르게 나타나지 않는다면 복수의 형태들도 마찬가지로 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어들은 진술되는 특징들, 정수들, 단계들, 프로세스들, 동작들, 요소들, 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 프로세스들, 동작들, 요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다는 것이 추가로 이해될 것이다.
만약 있다면, 아래의 청구범위에서 모든 수단 또는 단계 플러스 기능 요소들의 대응되는 구조들, 재료들, 동작들, 및 균등물들은, 구체적으로 청구된 다른 청구된 요소들과 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료 또는 동작을 포함하도록 의도된다. 하나 이상의 예들의 설명은 예시 및 설명의 목적을 위해 제시되었지만, 총망라하거나 개시된 형태로 제한되도록 의도되지 않는다. 많은 수정들 및 변형들이 당업자에게 명백할 것이다. 다양한 양태들 및 실제 응용을 가장 잘 설명하기 위해, 그리고 당업자가 고려되는 특정 용도에 맞춰진 바와 같은 다양한 수정들과 함께 다양한 예들을 이해할 수 있게 하기 위해 임의의 예가 선택되고 기술되었다.
하기에 더 상세히 논의되는 전술한 개념들 및 추가의 개념들의 모든 조합들은 (그러한 개념들이 상호 불일치하지 않는다면) 적어도 본원에 기술된 바와 같은 이득들을 달성하도록 본원에 개시된 특허대상의 일부인 것으로 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 본 개시내용의 끝부분에 나타나는 청구범위 특허대상의 모든 조합들은 본원에 개시된 특허대상의 일부인 것으로 고려된다. 참고로 포함된 임의의 개시내용에서 또한 나타날 수 있는 본원에서 명시적으로 사용된 용어는 본원에 개시된 특정 개념과 가장 일치하는 의미가 부여되어야 함이 또한 이해되어야 한다.
이러한 설명서는 본 특허대상을 개시하기 위해, 그리고 또한, 당업자가, 임의의 디바이스들 또는 시스템들을 제조하고 사용하는 것 및 임의의 포함된 방법들을 수행하는 것을 포함하여, 본 특허대상을 실시할 수 있게 하기 위해 예들을 사용한다. 본 특허대상의 특허가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자에게 떠오르는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 이들이 청구범위의 문자적 언어와 다르지 않은 구조적 요소를 갖는 경우 또는 이들이 청구범위의 문자적 언어와 실질적으로 다르지 않은 등가의 구조적 요소를 갖는 경우, 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
위의 설명은 예시적인 것이며 비제한적인 것으로 의도된다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 전술한 예들(및/또는 그의 양태들)은 서로 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 특정 상황 또는 재료를 그 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 예들의 교시내용에 적응시키기 위해 많은 수정들이 이루어질 수 있다. 본원에 기술된 재료들의 치수들 및 유형들은 다양한 예들의 파라미터들을 정의하도록 의도되지만, 이들은 결코 제한하는 것이 아니며 단지 예로서 제공된다. 많은 다른 예들이 상기 설명을 검토할 때 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 다양한 예들의 범위는, 첨부된 청구범위를 참조하여, 이러한 청구범위의 권리를 갖는 등가물들의 전체 범위와 함께 결정되어야 한다. 첨부된 청구범위에서, 용어들 "포함하는(including)" 및 "여기서(in which)"는 각자의 용어들 "포함하는(comprising)" 및 "여기서(wherein)"의 평이한 영어 등가물들로서 사용된다. 더욱이, 하기의 청구범위에서, 용어들 "제1", "제2", 및 "제3" 등은 단지 라벨로서 사용되며, 그들의 대상들에 수치 요건을 부과하도록 의도되지 않는다. 본원에서 "~에 기초하는(based on)"라는 용어의 형태들은 요소가 부분적으로 기초하는 관계들뿐만 아니라 요소가 전적으로 기초하는 관계들을 포함한다. "한정된"이라는 용어의 형태들은 한 요소가 부분적으로 한정되는 관계들뿐만 아니라 한 요소가 전체적으로 한정되는 관계들도 포함한다. 또한, 하기의 청구범위의 한정사항은 수단-플러스-기능 포맷으로 작성되지 않으며, 그러한 청구범위 한정사항이, 추가 구조가 결여된 기능에 대한 진술이 뒤따르는 문구 "~위한 수단(means for)"을 명시적으로 사용하지 않는 한 그리고 그러할 때까지, 35 U.S.C. § 112, 제6항(35 U.S.C. § 112(f))에 기초하여 해석되도록 의도되지 않는다. 전술된 그러한 모든 목적들 또는 이점들이 반드시 임의의 특정 예에 따라 달성될 수 있는 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 예를 들어, 당업자는, 본원에 기술된 시스템들 및 기법들이 본원에 교시되거나 제안될 수 있는 바와 같은 다른 목적들 또는 이점들을 반드시 달성하지 않고도 본원에 교시된 바와 같은 하나의 이점 또는 이점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본 특허대상은 단지 제한된 수의 예들과 관련하여 상세히 기술되었지만, 본 특허대상이 그러한 개시된 예들로 한정되지 않는다는 것이 용이하게 이해되어야 한다. 오히려, 본 특허대상은, 지금까지 기술되지 않았지만 본 특허대상의 사상 및 범위에 상응하는, 임의의 수의 변형들, 변경들, 치환들 또는 등가의 배열들을 포함하도록 수정될 수 있다. 추가적으로, 본 특허대상의 다양한 예들이 기술되었지만, 본 개시내용의 양태들은 기술된 예들 중 일부만을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 일부 예들이 소정 수의 요소들을 갖는 것으로 기술되지만, 본 특허대상은 그 소정 수보다 적거나 많은 요소들로 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 특허대상은 전술한 설명에 의해 제한되는 것으로 간주되어서는 안 되며, 첨부된 청구범위의 범위에 의해서만 제한된다.
Claims (79)
- 장치로서, 한 픽셀에 걸쳐 제1 반응 부위 및 제2 반응 부위를 포함하고, 상기 픽셀은 광 검출기를 포함하는, 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 반응 부위는 제1 나노웰이고, 상기 제2 반응 부위는 제2 나노웰인, 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 나노웰은 상기 제2 나노웰의 크기의 절반인, 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 반응 부위와 상기 한 픽셀 사이에 필터가 상주하는, 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 제2 반응 부위와 상기 한 픽셀 사이에는 상기 필터가 상주하지 않는, 장치.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 필터는 상기 제1 반응 부위로부터 방출된 클러스터 신호를 약 50%만큼 감쇠시키는, 장치.
- 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터는 얇은 금속 층인, 장치.
- 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터는 탄탈륨을 포함하는, 장치.
- 방법으로서,
제1 반응 부위 및 제2 반응 부위로부터 방출되는 신호를 검출하는 단계;
상기 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계; 및
상기 검출된 신호의 진폭을 이용하여 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 장치로서,
복수의 픽셀;
상기 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위;
상기 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고,
상기 한 픽셀은, 상기 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 상기 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하는 픽셀 센서를 포함하고,
상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위는 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 구성된, 장치. - 제10항에 있어서, 상이한 조명 조건 하에서 상기 판독 신호의 신호 진폭을 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티로 맵핑하는 콜링 차트(calling chart)를 이용하여 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티를 결정하는 장치.
- 제10항에 있어서, 상이한 조명 조건 하에서 상기 판독 신호의 신호 진폭을 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티로 맵핑하는 16개의 클라우드(cloud) 콜링 차트를 이용하여 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티를 결정하는 장치.
- 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호에 대한 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호의 비율이 적어도 약 1.4인, 장치.
- 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호에 대한 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호의 비율이 약 1.9 내지 약 2.0인, 장치.
- 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 반응 부위는 상기 제1 반응 부위보다 큰 크기를 갖는, 장치.
- 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 반응 부위는 상기 제1 반응 부위보다 큰 폭을 갖는, 장치.
- 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응 부위에는 감쇠기가 없고, 상기 제1 반응 부위는 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 감쇠기를 포함하는, 장치.
- 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 상기 제1 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠는 상기 제2 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠 큰, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 감쇠 재료는 금속을 포함하는, 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 감쇠 재료는 탄탈륨을 포함하는, 장치.
- 제10항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응 부위에는 상기 제2 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬되는 감쇠기가 없고, 상기 제1 반응 부위는, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기를 포함하는, 장치.
- 제10항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응 부위에는 상기 제1 반응 부위의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기가 없고, 상기 제1 반응 부위는, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 반응 부위의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기를 포함하는, 장치.
- 제10항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응 부위에는 상기 제2 반응 부위의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없고, 상기 제1 반응 부위는, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 반응 부위의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하는, 장치.
- 제10항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반응 부위의 감쇠기를 한정하기 위해 상기 제1 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 감쇠 재료 층을 포함하며, 상기 감쇠 재료 층에는 상기 제2 반응 부위 아래에서 그 제2 반응 부위와 정렬된 영역을 통해 연장되는 섹션이 없는, 장치.
- 제10항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반응 부위는 제1 나노웰에 의해서 한정되고, 상기 제2 반응 부위는 제2 나노웰에 의해서 한정된, 장치.
- 제25항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 나노웰은 상기 제1 나노웰보다 큰 크기를 갖는, 장치.
- 제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 나노웰은 상기 제1 나노웰보다 큰 폭을 갖는, 장치.
- 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 나노웰에는 감쇠기가 없고, 상기 제1 나노웰은, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠기를 포함하는, 장치.
- 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 나노웰의 상기 감쇠기가 상향 연장 섹션을 갖는, 장치.
- 제25항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 나노웰의 상기 감쇠기가, 상기 제1 나노웰의 원주방향 측벽과 평행하게 이어지는 상향 연장 섹션을 갖는, 장치.
- 제25항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 상기 제1 나노웰로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠가 상기 제2 나노웰로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠보다 큰, 장치.
- 제31항에 있어서, 상기 감쇠 재료는 금속을 포함하는, 장치.
- 제31항에 있어서, 상기 감쇠 재료는 탄탈륨을 포함하는, 장치.
- 제25항 내지 제33항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 나노웰에는 상기 제2 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기가 없고, 상기 제1 나노웰은, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기를 포함하는, 장치.
- 제25항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 나노웰에는 상기 제1 나노웰의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기가 없고, 상기 제1 나노웰은, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 나노웰의 수직으로 연장된 중심 축과 교차하는 감쇠기를 포함하는, 장치.
- 제25항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 나노웰에는 상기 제2 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없고, 상기 제1 나노웰은, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하는, 장치.
- 제25항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 반응 부위의 감쇠기를 한정하기 위해 상기 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 감쇠 재료 층을 포함하며, 상기 감쇠 재료 층에는 상기 제2 나노웰 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 섹션이 없는, 장치.
- 제10항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 픽셀 중 제2 내지 제N 픽셀은 상기 한 픽셀과 연관된 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 따라 각각 구성되는 연관된 제1 및 제2 반응 부위를 갖고, 상기 복수의 픽셀의 인접 픽셀들과 연관된 상기 제1 및 제2 반응 부위는 그들 각각의 픽셀에 대해 제1 및 제2 상이한 각각의 배향을 갖고, 상기 제1 및 제2 상이한 각각의 배향은 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리를, 상기 상이한 각각의 배향이 없을 때의 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리에 비해 증가시키는, 장치.
- 제10항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 픽셀 중 제2 내지 제N 픽셀은 상기 한 픽셀과 연관된 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 따라 각각 구성되는 연관된 제1 및 제2 반응 부위를 갖고, 상기 복수의 픽셀의 인접한 픽셀들과 연관된 상기 제1 및 제2 반응 부위는 그들 각각의 픽셀에 대해 제1 및 제2 상이한 각각의 배향을 갖고, 상기 제1 상이한 각각의 배향은 반응 부위들 사이의 앞뒤 간격을 특징으로 하고, 상기 제2 상이한 각각의 배향은 반응 부위들 사이의 좌우 간격을 특징으로 하는, 장치.
- 제38항 또는 제39항에 있어서, 상기 제2 내지 제N 픽셀은 제2 픽셀 내지 제100만 픽셀인, 장치.
- 제10항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노웰의 감쇠기를 한정하기 위해 상기 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 제1 섹션을 포함하며 상기 제1 섹션으로부터 측방향으로 인접하게 연장되는 제2 섹션들을 포함하는, 감쇠 재료 층을 포함하고, 상기 제1 섹션은 제1 두께를 갖고, 상기 제2 섹션들은 제2 두께를 갖고, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 작은, 장치.
- 제25항의 장치를 제조하는 방법으로서, 내부에 일체로 형성된 감쇠 재료 층을 갖는 유전체 스택을 한 픽셀에 걸쳐서 그 픽셀과 정렬되는 영역에 증착하는 단계; 상기 제1 나노웰을 한정하기 위한 제1 트렌치를 상기 유전체 스택에 에칭하는 단계 - 상기 제1 트렌치는 상기 감쇠 재료 층이 상기 제1 나노웰에 대한 감쇠기를 한정하도록 상기 감쇠 재료 층의 상부 높이에서 또는 그 위에서 종결되는 높이로 에칭됨 -; 및 상기 제2 나노웰을 한정하기 위한 제2 트렌치를 상기 유전체 스택에 에칭하는 단계 - 상기 제2 트렌치는 상기 감쇠 재료 층의 바닥 높이에서 또는 그 아래에서 종결되는 높이로 에칭됨 - 를 포함하는 방법.
- 제25항의 장치를 제조하는 방법으로서, 유전체 스택을 한 픽셀에 걸쳐서 그 픽셀과 정렬되는 영역에 증착하는 단계; 상기 제1 나노웰을 한정하기 위한 제1 트렌치를 상기 유전체 스택에 에칭하는 단계; 상기 제2 나노웰을 한정하기 위한 제2 트렌치를 상기 유전체 스택에 에칭하는 단계; 및 상기 제2 트렌치에 증착되지 않는 감쇠 재료 층을 상기 제1 트렌치에 증착하는 단계를 포함하는, 방법.
- 방법으로서,
복수의 픽셀 센서 중 한 픽셀 센서를 사용하여, 판독 신호를 검출하는 단계 - 상기 판독 신호는 상기 한 픽셀 센서와 연관된 제1 반응 부위로부터 방출된 제1 클러스터 신호 및 상기 한 픽셀 센서와 연관된 제2 반응 부위로부터 방출된 제2 클러스터 신호에 의존함 -;
상기 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 상기 판독 신호의 진폭을 이용하여 상기 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계; 및
상기 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 상기 판독 신호의 진폭을 이용하여 상기 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제44항에 있어서, 상기 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 상기 판독 신호의 진폭을 이용하여 상기 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 상기 단계와, 상기 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 상기 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 상기 단계는, 서로 다른 조명 조건 하에서 상기 판독 신호의 신호 진폭을 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티에 맵핑하는 콜링 차트를 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제44항에 있어서, 상기 한 픽셀 센서를 사용하여 검출된 상기 판독 신호의 진폭을 이용하여 상기 제1 반응 부위에 있는 관심 대상 제1 분석물의 아이덴티티를 결정하는 상기 단계 및 상기 검출된 판독 신호의 진폭을 이용하여 상기 제2 반응 부위에 있는 관심 대상 제2 분석물의 아이덴티티를 결정하는 상기 단계는, 서로 다른 조명 조건 하에서 상기 판독 신호의 신호 진폭을 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 있는 각각의 분석물의 아이덴티티에 맵핑하는, 16개의 신호 클라우드를 갖는 콜링 차트를 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제44항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위는 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 구성된, 방법.
- 제44항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 반응 부위가 상기 제1 반응 부위보다 큰 크기를 갖는, 방법.
- 제44항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호에 대한 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호의 비율은 적어도 약 1.4인, 방법.
- 제44항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호에 대한 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호의 비율은 약 1.9 내지 약 2.0인, 방법.
- 제44항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 반응 부위가 상기 제1 반응 부위보다 큰 폭을 갖는, 방법.
- 제44항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응 부위에는 감쇠기가 없고, 상기 제1 반응 부위는, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠기를 포함하는, 방법.
- 제44항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 상기 제1 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠가 상기 제2 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠보다 큰, 방법.
- 제53항에 있어서, 상기 감쇠 재료는 금속을 포함하는, 방법.
- 제53항에 있어서, 상기 감쇠 재료는 탄탈륨을 포함하는, 방법.
- 제44항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응 부위에는 상기 제2 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기가 없고, 상기 제1 반응 부위는, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기를 포함하는, 방법.
- 제44항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응 부위에는 상기 제1 반응 부위의 수직으로 연장된 중심축과 교차하는 감쇠기가 없고, 상기 제1 반응 부위는, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 반응 부위의 수직으로 연장된 중심축과 교차하는 감쇠기를 포함하는, 방법.
- 제44항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반응 부위에는 상기 제2 반응 부위의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없고, 상기 제1 반응 부위는, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 반응 부위의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하는, 방법.
- 제44항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반응 부위의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 감쇠 재료 층은 상기 제1 반응 부위의 감쇠기를 한정하고, 상기 감쇠 재료 층에는 상기 제2 반응 부위 아래에서 그 제2 반응 부위와 정렬된 영역을 통해 연장되는 섹션이 없는, 방법.
- 제44항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반응 부위는 나노웰에 의해서 한정되고, 상기 제2 반응 부위는 나노웰에 의해서 한정된, 방법.
- 제60항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 나노웰은 상기 제1 나노웰보다 큰 크기를 갖는, 방법.
- 제60항 또는 제61항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 나노웰은 상기 제1 나노웰보다 큰 폭을 갖는, 방법.
- 제60항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 나노웰에는 감쇠기가 없고, 상기 제1 나노웰은, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠기를 포함하는, 방법.
- 제60항 내지 제63항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 나노웰의 상기 감쇠기가 상향 연장 섹션을 갖는, 방법.
- 제60항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 나노웰의 상기 감쇠기가, 상기 제1 나노웰의 원주방향 측벽과 평행하게 이어지는 상향 연장 섹션을 갖는, 방법.
- 제60항 내지 제65항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 상기 제1 나노웰로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠가 상기 제2 나노웰로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠보다 큰, 방법.
- 제66항에 있어서, 상기 감쇠 재료는 금속을 포함하는, 방법.
- 제66항에 있어서, 상기 감쇠 재료는 탄탈륨을 포함하는, 방법.
- 제60항 내지 제68항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 나노웰에는 상기 제2 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기가 없고, 상기 제1 나노웰은, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 감쇠기를 포함하는, 방법.
- 제60항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 나노웰에는 상기 제1 나노웰의 수직으로 연장된 중심축과 교차하는 감쇠기가 없고, 상기 제1 나노웰은, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 나노웰의 수직으로 연장된 중심축과 교차하는 감쇠기를 포함하는, 방법.
- 제60항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 나노웰에는 상기 제2 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기가 없고, 상기 제1 나노웰은, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 상기 제1 나노웰의 바닥면으로부터 수직 하방으로 방사되는 방출 광선을 감쇠시키기 위한 감쇠기를 포함하는, 방법.
- 제60항 내지 제71항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 반응 부위의 감쇠기를 한정하기 위해 상기 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 감쇠 재료 층을 포함하며, 상기 감쇠 재료 층에는 상기 제2 나노웰 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 섹션이 없는, 방법.
- 제44항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 픽셀 센서는 복수의 픽셀에 각각 연관되고, 상기 픽셀 센서는 상기 복수의 픽셀 중 한 픽셀을 한정하고, 상기 제1 반응 부위와 상기 제2 반응 부위가 상기 한 픽셀에 연관되고, 상기 복수의 픽셀 중 제2 내지 제N 픽셀은 상기 한 픽셀과 연관된 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 따라 각각 구성되는 연관된 제1 및 제2 반응 부위를 갖고, 상기 복수의 픽셀의 인접 픽셀들과 연관된 상기 제1 및 제2 반응 부위는 그들 각각의 픽셀에 대해 제1 및 제2 상이한 각각의 배향을 갖고, 상기 제1 및 제2 상이한 각각의 배향은 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리를, 상기 상이한 각각의 배향이 없을 때의 인접한 픽셀 위치들로부터의 반응 부위들 사이의 간격 거리에 비해 증가시키는, 방법.
- 제44항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 픽셀 센서는 복수의 픽셀에 각각 연관되고, 상기 픽셀 센서는 상기 복수의 픽셀 중 한 픽셀을 한정하고, 상기 제1 반응 부위와 상기 제2 반응 부위가 상기 한 픽셀에 연관되고, 상기 복수의 픽셀 중 제2 내지 제N 픽셀은 상기 한 픽셀과 연관된 상기 제1 반응 부위 및 상기 제2 반응 부위에 따라 각각 구성되는 연관된 제1 및 제2 반응 부위를 갖고, 상기 복수의 픽셀의 인접한 픽셀들과 연관된 상기 제1 및 제2 반응 부위는 그들 각각의 픽셀에 대해 제1 및 제2 상이한 각각의 배향을 갖고, 상기 제1 상이한 각각의 배향은 반응 부위들 사이의 앞뒤 간격을 특징으로 하고, 상기 제2 상이한 각각의 배향은 반응 부위들 사이의 좌우 간격을 특징으로 하는, 방법.
- 제60항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는, 상기 나노웰의 감쇠기를 한정하기 위해 상기 제1 나노웰의 바닥면 아래에서 그 바닥면과 정렬된 영역을 통해 연장되는 제1 섹션을 포함하며 상기 제1 섹션으로부터 측방향으로 인접하게 연장되는 제2 섹션들을 포함하는, 감쇠 재료 층을 포함하고, 상기 제1 섹션은 제1 두께를 갖고, 상기 제2 섹션들은 제2 두께를 갖고, 상기 제1 두께는 상기 제2 두께보다 작은, 방법.
- 장치로서,
복수의 픽셀;
상기 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위;
상기 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고,
상기 한 픽셀은, 상기 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 상기 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하는 픽셀 센서를 포함하고,
상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 반응 부위가 상기 제1 반응 부위보다 큰 크기를 갖는, 장치. - 장치로서,
복수의 픽셀;
상기 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위;
상기 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고,
상기 한 픽셀은, 상기 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 상기 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하는 픽셀 센서를 포함하고,
상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록 상기 제2 반응 부위가 상기 제1 반응 부위보다 큰 폭을 갖는, 장치. - 장치로서,
복수의 픽셀;
상기 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위;
상기 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고,
상기 한 픽셀은, 상기 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 상기 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하는 픽셀 센서를 포함하고,
상기 제2 반응 부위에는 감쇠기가 없고, 상기 제1 반응 부위는, 상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠기를 포함하는, 장치. - 장치로서,
복수의 픽셀;
상기 복수의 픽셀 중 한 픽셀과 연관된 제1 반응 부위;
상기 한 픽셀과 연관된 제2 반응 부위를 포함하고,
상기 한 픽셀은, 상기 제1 반응 부위로부터 방출되는 제1 클러스터 신호 및 상기 제2 클러스터 부위로부터 방출되는 제2 클러스터 신호에 의존하는 판독 신호를 검출하는 픽셀 센서를 포함하고,
상기 "온" 상태의 상기 제2 클러스터 신호가 상기 "온" 상태의 상기 제1 클러스터 신호보다 큰 진폭을 갖도록, 감쇠 재료의 배열체에 의한, 상기 제1 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠가 상기 제2 반응 부위로부터 방사되는 방출 광선의 감쇠보다 큰, 장치.
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