TW202003107A - 用於次微米級反應室之電氣動力裝載之系統及方法 - Google Patents

用於次微米級反應室之電氣動力裝載之系統及方法 Download PDF

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Abstract

本發明闡述用於所關注樣本至次微米級反應室中之電氣動力裝載之設備及技術。實施例包含用於並行分析樣本之整合式裝置及相關設備。該整合式裝置可包含穿過該整合式裝置之表面而形成且經組態以接納諸如核酸分子之所關注樣本之至少一個反應室。該整合式裝置可進一步包含毗鄰於該反應室而圖案化之電極，該等電極產生輔助將該樣本裝載至該反應室中之一或多個電場。該設備可進一步包含與該整合式裝置之該表面進行流體密封且經組態以固持含有該等樣本之懸浮液之樣本貯器。

Description

用於次微米級反應室之電氣動力裝載之系統及方法
本申請案係關於可藉由以下方式對樣本執行大規模並行分析之整合式裝置及相關儀器：同時將短光學脈衝提供至成千上萬個反應室或更多反應室且自該等反應室接收螢光信號以進行樣本分析。該等儀器對於護理點基因測序且對於個性化醫療而言可係有用的。
能夠對生物或化學樣本進行大規模並行分析之儀器通常由於可包含以下各項之數個因素而限制於實驗室情境：其大尺寸、缺乏可攜帶性、要求技師來操作儀器、功率需要、對受控制操作環境之需要及成本。當樣本(例如 ，DNA)將要使用此設備來分析時，常用範式將在護理點處或在現場提取樣品，將該樣品發送至實驗室且等待分析之結果。結果之等待時間可介於自若干小時至若干天之範圍內。
相關申請案資料
本申請案主張2018年1月8日提出申請且標題為「用於電氣動力樣本裝載之系統及方法」之第62/614,912號美國臨時申請案之優先權，該美國臨時申請案以其全文引用方式併入本文中。
I.導論
本申請案之態樣係關於能夠並行分析若干樣本(包含識別單分子及核酸測序)之整合式裝置、儀器及相關系統。此等系統可係緊湊的、容易攜載的且容易操作的，從而允許醫師或其他提供者容易地使用該系統且將該系統運送至可需要護理之所要位置。樣本之分析可包含用一或多個螢光標誌來標記該樣本或相關聯組份(例如 ，反應組份)，該一或多個螢光標誌可用於偵測該樣本及/或識別該樣本之單分子(例如 ，作為核酸測序之一部分之個別核苷酸識別)。螢光標誌可回應於用激發光(例如 ，可將該螢光標誌激發至受激發狀態之具有特性波長之光)照射該螢光標誌而受到激發，且若該螢光標誌受到激發，則發射發射光(例如 ，藉由自受激發狀態返回至基態而由該螢光標誌發射之具有特性波長之光)。該發射光之偵測可允許識別該螢光標誌，且因此識別該樣本或由該螢光標誌來標記之與該樣本相關聯之分子。根據某些實施例，該儀器可能夠進行大規模並行樣本分析且可經組態以同時處置成千上萬個樣本或更多樣本。
發明人已認識到且瞭解到，具有經組態以接納該樣本之反應室之整合式裝置及形成於該整合式裝置上之整合式光學器件及經組態以與該整合式裝置介接之儀器可用於達成此數目個樣本之分析。該儀器可包含一或多個激發光源，且該整合式裝置可與該儀器介接，使得使用形成於該整合式裝置上之整合式光學組件(例如 ，波導、光學耦合器、光學分裂器)將該激發光遞送至該等反應室。該等光學組件可改良照射跨越該整合式裝置之該等反應室之均勻性且可減小原本可能需要之外部光學組件之大數目。此外，發明人已認識到且瞭解到，將光偵測器整合於該整合式裝置上可改良來自該等反應室之螢光發射之偵測效率且減小原本可能需要之光收集組件之數目。
在單分子分析之內容脈絡中，在將所關注樣本或所關注分子(例如 ，模板核酸)自懸浮液中之其他分子當中分開以用於裝載於個別反應室中時可能會出現挑戰。發明人已認識到且瞭解到，將所關注分子自懸浮液中之其他分子當中隔離可藉由將該整合式裝置之該等反應室形成為適當地定大小且塑形以允許個別分子之隔離而達成。以此方式，使用者可沈積懸浮液以在具有該等反應室之陣列之該整合式裝置之表面上進行分析，使得個別反應室可具有透過擴散接納該懸浮液之單分子之高概率。在某些實施方案中，該等反應室可適當地定大小且塑形，使得個別反應室所接納之分子數目之分佈可允許反應室接納0個、1個、2個或更多個分子。作為實例，所關注分子之分佈可近似帕松(Poisson)分佈，其中該等反應室之分率(例如 ，大致35%)接納單分子。
在該整合式裝置之某些實施方案中，反應室相對於波導定位，使得傳播穿過該波導之激發光耦合至該反應室且照射用於標記分子之螢光標誌。另外，該反應室相對於一或多個光偵測器定位，使得由該(等)光偵測器偵測螢光分子所發射之光。在將分子裝載至個別反應室中使得分子定位於反應室內以允許螢光標誌之充分激發及/或自螢光標誌發射之光之充分光學偵測時可能會出現挑戰。舉例而言，該整合式裝置之某些實施例包含具有自該整合式裝置之表面凹陷之底部表面之反應室，使得個別反應室具有大約一百奈米至數百奈米(例如 ，在大致100 nm至大致500 nm之範圍內)之深度。在此等實施例中，分子及/或用於標記分子之螢光標誌可需要接近於該底部表面而定位以接收激發光及/或使與該反應室相關聯之光偵測器接收發射光。
當使用此等裝置進行單分子分析時，可出現之一個挑戰包含接近於反應室之底部表面定位所關注分子，此乃因將所關注分子與提供於整合式裝置之表面上之懸浮液分開可涉及使該所關注分子自懸浮液之主體內移動且移動穿過反應室之深度。將分子裝載至反應室中之效率可由於分子可必須自懸浮液之主體內移動至反應室之底部表面之距離而受擴散限制。舉例而言，將分子裝載至反應室中所需要之時間量隨著分子需要移動之距離而增加，使得裝載效率可因反應室具有大深度而受限制。裝載所需要之時間量可取決於分子之大小，使得較大分子藉由擴散而自懸浮液之主體移動至反應室內所花費之時間可比較小分子多。在涉及具有低分子濃度之懸浮液之應用中，所關注分子之低濃度可進一步增加裝載分子所需要之時間量(與具有高分子濃度之懸浮液相比)。跨越反應室陣列，由主要依賴於擴散來進行樣本裝載而引起之此等限制可影響將分子裝載在陣列中之所要數目個反應室內之能力，使得該等反應室之僅一部分變得裝載有用於分析之分子。與單獨依賴於擴散相比較，本文中所闡述之樣本裝載技術可藉由增加裝載效率(包含減少用於將分子裝載至反應室中之時間)而克服此等限制。此等樣本裝載技術可尤其適用於涉及裝載大分子(諸如核酸分子)及/或處置具有尤其低濃度之分子之懸浮液的應用。在涉及核酸分子之應用中，電氣動力裝載對於含有多於10,000個鹼基、20,000個鹼基或30,000個鹼基之分子而言可係尤其有益的。電氣動力裝載在懸浮液中之核酸濃度小於100 fM、小於10 fM、小於1 fM或小於100 pM時可係尤其有益的。
特定而言，發明人已認識到且瞭解到，施加經組態以輔助將所關注分子裝載至反應室中之電場可改良樣本裝載效率。可將此等技術視為電氣動力樣本裝載，此乃因分子回應於電場之影響而移動至所要位置。使用電氣動力樣本裝載可涉及將電信號施加至一組電極，使得所關注分子移動至所要位置。在其中所關注分子帶電(例如 ，具有淨正或負電荷)之應用中，可將此等技術視為電泳樣本裝載，此乃因分子之移動可取決於所施加電場及所關注分子之電荷兩者。在此等實施例中，此等技術可尤其適合於將所關注分子運送至所要位置，此乃因電場可對該所關注分子具有比不帶電分子強之影響。
實施電氣動力樣本裝載可涉及一或多個電極之適合定位，該一或多個電極經組態以諸如回應於接收到來自電路之電信號而在反應室附近產生電場，使得所關注分子朝向該反應室移動及/或移動至該反應室中。發明人已認識到且瞭解到，可使用一或多個電極之不同配置來產生該電場。特定而言，發明人已進一步認識到且瞭解到，形成整合式裝置以包含經組態以用作(若干)電極之一或多個導電層可對跨越反應室陣列改良樣本裝載(與僅實施外部電極之情況相比)提供益處。在整合式裝置中併入用作電極之導電層可允許對電場(例如 ，電場強度、方向性)之經改良操縱(與藉由單獨使用外部電極相比)。特定而言，此實施方案可允許產生電場，該電場更特別地以使分子自懸浮液之主體朝向個別反應室移動及/或移動至個別反應室中為目標(與透過利用外部電極相比)。作為實例，整合式裝置之(若干)導電層可用於產生在該整合式裝置之表面及/或反應室之底部表面(例如 ，自該整合式裝置之表面凹陷之表面)處或接近於該整合式裝置之該表面及/或該反應室之該底部表面具有適當高強度之電場，此可改良分子之裝載。作為另一實例，整合式裝置可包含用作該整合式裝置之個別反應室之(若干)電極之(若干)導電層，使得可個別地控制不同反應室之電場。作為再一實例，整合式裝置可包含導電層，其中一組層經組態以使所關注分子自懸浮液之主體內朝向反應室移動且另一組層經組態以使該所關注分子移動至反應室中。在某些例項中，所產生電場可使該所關注分子自懸浮液之主體內(例如 ，定位於該整合式裝置上方之貯器中)朝向反應室移動。
另外，出於電氣動力樣本裝載之目的而將(若干)導電層併入至整合式裝置中可提供改良作為在使用期間裝載樣本之一部分而實施電氣動力程序之可行性之益處，此乃因其減少且在某些例項中移除定位在整合式裝置外部之電極之步驟作為裝載樣本之一部分。替代地，使用者可僅僅將懸浮液沈積於整合式裝置之表面上且操作耦合至該(等)導電層之電路以控制電場之產生。在某些情形中，可使電路之操作自動化(例如 ，在將晶片裝載至儀器中之後自動起始且回應於來自該晶片之回饋信號而自動終止)。此程序可改良與樣本裝載及執行樣本之分析相關聯之時間量。另外，此等實施方案可藉由簡化樣本裝載程序而改良關於使用整合式裝置及相關聯儀器來進行分析的使用者之總體體驗。
根據本文中所闡述之技術，整合式裝置之一或多個導電層之不同組態可用於提供此等益處中之一或多者。在該整合式裝置之某些實施例中，形成於整合式裝置中之(若干)導電層可形成於該整合式裝置之表面處或接近於該整合式裝置之該表面而形成。在該整合式裝置之某些實施例中，可穿過該整合式裝置之該(等)導電層形成反應室中之某些或所有反應室，使得個別反應室在該(等)導電層內形成開口或間斷。在某些實施例中，整合式裝置之反應室可藉由介電材料與該整合式裝置之導電層分開。在某些實施例中，整合式裝置可包含由該(等)導電層形成之電路，諸如耦合至光偵測器且經組態以控制該光偵測器之電路，該(等)導電層亦經組態以產生電場以輔助電氣動力樣本裝載，藉此為積體電路或整合式裝置且為電氣動力樣本裝載提供雙重目的。在某些組態中，可藉由使用作為一個電極的該積體電路或整合式裝置中之該(等)導電層及與該整合式裝置分開之另一電極而產生輔助樣本裝載之電場。
在某些實施例中，整合式裝置之(若干)導電層可經組態以形成用於輔助將分子裝載至該整合式裝置之一或多個反應室中之第一電極及第二電極兩者。介電材料可形成於該整合式裝置中以將該第一電極與該第二電極電隔離以在該第一電極與該第二電極之間產生電場，但限制該第一電極與該第二電極之間的電流。在某些實施例中，在該整合式裝置內之同一組(若干)導電層可用於形成該第一電極及該第二電極兩者。在此等實施例中，該第一電極及該第二電極可相對於反應室而定位以在該反應室上方橫向地產生電場。在某些實施例中，第一導電層可形成第一電極且第二導電層可形成第二電極，其中該第一導電層及該第二導電層藉由介電材料分開。在某些實施例中，反應室之一或多個側壁可係導電的且電耦合至該整合式裝置之一或多個導電層。該(等)導電側壁可允許在反應室內產生用於輔助分子在反應室內移動且在某些例項中朝向反應室之底部表面移動之電場。
為將電信號提供至整合式裝置之該(等)導電層，根據本文中所闡述之技術之設備可包含經組態以電耦合至該(等)導電層之電路，其中該電路經組態以將電信號提供至該(等)導電層以產生電場。在某些實施例中，該電路之某些或全部可在該整合式裝置外部。在某些例項中，該整合式裝置可經組態以與該電路介接，使得該電路可透過一或多個電連接來電耦合以輔助進行樣本裝載且一旦達成所要樣本裝載量便經斷開連接或停用。該整合式裝置之某些實施例可包含該電路之某些或全部，諸如形成於該整合式裝置中且電耦合至該裝置之該(等)導電層之一或多個積體電路。在某些例項中，該電路可既位於該整合式裝置上又位於該整合式裝置外部。不管該電路之組態如何，該電路皆可經組態以將適合電信號施加至該(等)導電層及/或外部電極。在某些實施例中，該電路可經組態以產生時變電壓信號且將該時變電壓信號施加至該(等)導電層。施加該時變電壓信號可產生隨時間而變化之電場，此可輔助分子的裝載。在電場之影響下移動之分子可由於該分子在懸浮液中佔據之體積及該體積約束該分子朝向反應室移動及/或移動至該反應室中之能力之方式而具有經減少移動或變得固定化。施加時變電壓可藉由允許分子在不同類型之電場之影響下(此可允許分子重新定位或重新配置自身)而輔助減少或阻止分子之固定化。舉例而言，在樣本裝載程序期間具有其中分子並非主要在電場之影響下且擴散主導分子之移動之時間可允許分子重新定位或重新配置自身，此可輔助在產生後續電場時將分子裝載至反應室中。在某些例項中，該電路可經組態以產生具有含有不同頻率之兩個或兩個以上週期性波之電壓信號且將該信號施加至該(等)導電層。
用以輔助樣本裝載之其他技術可與本文中所闡述之電氣動力樣本裝載技術組合來使用。某些技術可包含在將懸浮液沈積於整合式裝置之表面上之前或之後將一或多種試劑引入至該懸浮液，該一或多種試劑用於輔助將所關注樣本(例如 ，所關注分子)裝載至該整合式裝置之反應室中。此(等)試劑可影響分子之配置，使得其可更適合用於裝載至反應室中。一種類型之試劑係經組態以減少所關注分子在懸浮液中佔據之體積(其可被視為該分子之遍佈體積)之縮合劑。藉由引入縮合劑，該分子可具有比不存在該縮合劑之情況小之遍佈體積且該分子可由於其較小遍佈體積而更容易地裝載至反應室中。另一類型之試劑係經組態以減少懸浮液中之分子可接達之體積之擁擠試劑。在某些實施例中，擁擠試劑可藉由如下方式增加接近於該整合式裝置之表面之所關注分子之濃度：自懸浮液之主體排除該所關注分子。在本文中且在以全文引用方式併入本文中之2017年12月19日提出申請且標題為「LOADING MOLECULES INTO REACTION CHAMBERS FOR ANALYSIS」之第15/847,001號美國專利申請案中進一步闡述適合縮合劑及擁擠試劑之實例。
II.電氣動力樣本裝載
在圖1-1中展示整合式裝置1-102之剖面示意圖，其圖解說明像素1-112之列。像素1-112形成於整合式裝置1-102之像素區域1-203中，其中個別像素1-112包含反應室1-108及具有一或多個光偵測器1-110之光偵測器區域。反應室1-108可穿過整合式裝置1-102之表面1-116且在某些實施例中穿過導電層1-106而形成。在某些實施例中，導電層1-106可形成整合式裝置1-102之表面1-116。在某些實施例中，整合式裝置1-102之表面1-116可包含介電材料。儘管圖1-1中未展示，但(若干)介電材料層可形成於導電層1-106上方，從而形成表面1-116之某些或全部。在該整合式裝置之某些實施例中，在該(等)介電材料層內之開口可曝露導電層1-106之表面且反應室可穿過該經曝露表面而形成。所得組態可允許產生具有接近於反應室而集中之所要電場強度之電場。
如圖1-1中所展示，像素區域1-203可包含凹陷區域，其可被視為溝渠區域。某些實施例可包含諸如藉由定位在溝渠區域周圍(如圖1-1中所展示)而定位在像素區域1-203之某些或全部周圍之樣本貯器1-114。樣本貯器1-114可與整合式裝置1-102之表面1-116形成流體密封，使得含有至少一個所關注樣本及/或其他組份(例如 ，擁擠試劑、縮合劑)之懸浮液可保持在像素區域1-203上方之區域內。儘管圖1-1僅展示樣本貯器1-114之剖面圖，但應瞭解，在某些實施例中，樣本貯器1-114之尺寸可垂直於圖1-1中所展示之視圖而延伸，使得樣本貯器1-114形成環繞像素區域1-203之經封圍區域。在某些實施例中，作為整合式裝置1-102之封裝程序之一部分，可在整合式裝置1-102上形成樣本貯器1-114。在此等實施例中，使用者可僅僅在樣本貯器1-114內沈積懸浮液以進行分析，此乃因樣本貯器1-114已經定位以環繞像素區域1-203。在某些實施例中，樣本貯器1-114可以可拆卸方式耦合至整合式裝置1-102。在此等實施例中，使用者可將樣本貯器1-114定位於整合式裝置1-102上且在樣本分析之前在樣本貯器1-114內沈積含有至少一個所關注樣本之懸浮液以進行分析。儘管在圖1-1中展示僅三個像素1-112，但應瞭解，任一適合數目個像素可定位於像素列內。另外，整合式裝置1-102可具有任一適合數目個像素列，從而形成具有穿過整合式裝置1-102之表面1-116而形成之反應室陣列之像素陣列。樣本貯器1-114可適當地定大小且塑形以容納形成為整合式裝置1-102之一部分之任一適合數目個反應室1-108。
作為裝載樣本之一部分，所關注分子可進入反應室1-108，且在某些實施例中可朝向接近於波導1-220而定位之底部表面1-118移動。在包含樣本貯器1-114之實施例中，裝載所關注分子可包含使用使所關注分子自安置於樣本貯器1-114內之懸浮液之主體朝向整合式裝置1-102之表面1-116移動之技術。沿著波導1-220 (諸如沿著圖1-1中所展示之z方向)傳播之激發光可藉由將該激發光之一部分自波導1-220耦合(例如 ，漸逝地耦合)至反應室1-108而照射定位於反應室1-108內之所關注分子及/或標記該所關注分子之螢光標誌。在某些情形中，該反應室之底部位於波導1-220之一微米內。該所關注分子及/或標記該所關注分子之該螢光標誌可回應於接收到該激發光而發射發射光，且與反應室1-108在同一像素中之光偵測器1-110可接收發射光。在某些情形中，金屬層1-240可包括用於整合式裝置1-102之電路，舉例而言作為用於光偵測器1-110之控制電路。
根據本文中所闡述之技術，樣本之裝載可包含使用電氣動力樣本裝載技術，其中整合式裝置包含形成至經組態以產生電場之一或多個電極中之(若干)導電層，該電場操作以輔助將所關注分子(舉例而言)裝載至反應室中。在某些實施例中，該整合式裝置可包含具有(若干)導電層之基板且該整合式裝置之(若干)反應室可形成於該基板之表面中。圖2-1展示包含單個反應室1-108之整合式裝置區域之示意圖。樣本貯器1-114經展示在該反應室周圍，但應瞭解，一個以上反應室可定位於整合式裝置之表面1-116上且樣本貯器1-114可定位在多個反應室周圍。如圖2-1中所展示，保持在樣本貯器1-114內之懸浮液可包含所關注分子2-116 (例如 ，模板核酸)。在某些實施例中，所關注分子2-116可優先與位於反應室1-108之底部表面1-118處之目標2-117結合或以其他方式相互作用。在某些實施例中，目標2-117可包含生物素，且所關注分子可包含優先結合至生物素(諸如鏈黴親和素)之區域。在其中所關注分子2-116係模板核酸之實施例中，目標2-117可包含可在底部表面1-118上固定化之聚合酶。該聚合酶可在反應室內與模板核酸相互作用，使得該模板核酸接近於底部表面1-118而定位。
如圖2-1中所展示，整合式裝置可包含導電層1-106a及1-106b，其中反應室1-108穿過層1-106a及1-106b兩者而形成。導電層1-106a及1-106b可形成一或多個電極且可經組態以產生操作以輔助將所關注分子2-116裝載至反應室1-108中之電場。導電層1-106a及1-106b之一者或兩者可電耦合至電路2-112。在圖2-1中所展示之實施例中，電路2-112亦經組態以電耦合至外部電極2-110，外部電極2-110與該整合式裝置分開定位且定位於該整合式裝置之表面1-116上方。如圖2-1中所展示，外部電極2-110可與樣本貯器1-114分開。在某些實施例中，外部電極2-110可與樣本貯器1-114整合在一起，使得外部電極2-110與樣本貯器1-114機械耦合。在其他實施例中，外部電極2-110可經組態而以可移除方式附接至樣本貯器1-114，使得對系統進行操作之使用者可將外部電極2-110附接至樣本貯器1-114之介面且拆卸外部電極2-110。如圖2-1中所展示，外部電極2-110經定位為與樣本貯器1-114內之流體懸浮液接觸。應瞭解，整合式裝置之某些應用可涉及外部電極2-110相對於位於樣本貯器1-114內之懸浮液之不同放置。在某些實施例中，外部電極2-110可定位於懸浮液上方，使得外部電極2-110不接觸懸浮液。在其他實施例中，外部電極2-110可浸沒於懸浮液內。
電路2-112經組態以將(若干)電信號施加至層1-106a及1-106b以及電極2-110中之一者或兩者以產生輔助將所關注分子2-116裝載至反應室1-108中之電場。由圖2-1中所展示之組態產生之電場(由虛線繪示)可經組態以使所關注分子2-116朝向整合式裝置之表面1-116移動。電場之方向可受在電極2-110與導電層1-106a、1-106b之間施加之電信號之極性控制。某些組態可允許在反應室1-108附近產生電場，其中該電場在表面1-116處具有比在表面1-116遠端之一距離處(諸如在沈積於表面1-116上之懸浮液之主體內)高之強度。所關注分子2-116可朝向在電場之影響下之區域移動，使得圖2-1中所展示之組態驅動分子朝向表面1-116之電氣動力移動，此可增加表面1-116處之分子之總濃度。
電路2-112可在整合式裝置外部，諸如經組態以將電壓信號提供至導電層1-106a及1-106b之外部控制器。在某些實施例中，電路2-112可整合為整合式裝置之一部分。舉例而言，電佈線可形成於整合式裝置內以與層1-106a及1-106b中之一者或兩者電耦合。任何適合導電材料可用於形成導電層1-106a及1-106b，包含氮化鈦(TiN)、鈦及鋁(Al)。在某些實施例中，形成表面1-116之導電層1-106a可包含氮化鈦(TiN)且導電層1-106b可包含鋁(Al)。在其他實施例中，導電層1-106a可包含鋁(Al)且導電層1-106b可包含氮化鈦(TiN)。在某些實施例中，接近於整合式裝置之波導(諸如波導1-220)而定位之導電層可用於反射沿著該波導傳播之光，此可改良整合式裝置之光學性質，包含增加沿著波導傳播之光量，此乃因光可朝向該波導往回反射。
反應室1-108可具有任何適合深度。由於接近於反應室之底部表面具有諸如金屬層之導電層可影響整合式裝置之光學性質(包含與激發光至反應室之光學耦合且與自反應室發射之光之光學偵測相關聯之光學性質)，因此反應室1-108之深度可允許整合式裝置之所要光學性質。在某些例項中，導電層可用作自反應室發射之光之反射體，此可改良由整合式裝置之光偵測器對發射光之收集。某些實施例係關於底部表面自一或多個導電層之相對定位以允許整合式裝置之所要光學性質。在某些例項中，底部表面1-118與導電層1-106之間的距離d 可係在100 nm至700 nm之範圍內，或為彼範圍中之任一值或值範圍。在某些實施例中，距離d 可小於400 nm。
在某些實施例中，反應室1-108可具有可由適合間隔件材料(例如 ，氧化鈦(TiO2 ))形成之一或多個側壁2-120。側壁2-120之間隔件材料可不同於底部表面1-118以阻止或減少所關注分子與側壁2-120之相互作用(與底部表面1-118相比較)，使得該所關注分子優選地與底部表面1-118結合或相互作用(與側壁2-120相比)。此組態可允許所關注分子與底部表面之選擇性結合或其他類型之相互作用，此可進一步輔助將所關注分子適合地裝載至反應室中。
在某些實施例中，反應室之一或多個側壁可包含(若干)導電材料，其中該(等)側壁電耦合至整合式裝置之該(等)導電層。圖2-2圖解說明與圖2-1中所展示的類似之整合式裝置之剖面示意圖，該整合式裝置具有反應室1-108之導電側壁2-122。側壁2-122可電耦合至導電層1-106，使得將電信號施加至(若干)導電層允許側壁2-122亦接收電信號且參與產生電場。在某些實施例中，側壁2-122可包含亦用於形成該等導電層中之一者(諸如導電層1-106a，如圖2-2中所展示)之導電材料。任何適合導電材料可用於形成導電側壁2-122，包含氮化鈦(TiN)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)及鎢(W)。使用具有反應室之(若干)導電側壁之整合式裝置可在反應室1-108內產生電場，且在某些實施例中可在反應室1-108之底部表面1-118附近產生具有高強度之電場。整合式裝置之此組態可增加所關注分子朝向反應室1-108之底部表面1-118之移動。
某些實施例係關於包含經組態以在整合式裝置中形成多個電極之導電層1-106之整合式裝置。在此等實施例中，外部電路可電耦合至形成於該整合式裝置中之兩個或兩個以上電極。此等類型之組態可單獨或與外部電極組合使用。在某些實施例中，(若干)導電層可經組態以形成第一電極及第二電極，其中該第一電極及該第二電極經組態以接收(若干)電信號以產生用於電氣動力樣本裝載之電場。此等組態可允許在不使用外部電極之情況下進行電氣動力樣本裝載，此可改良使用者執行樣本分析之易用性。在其中外部電極與由(若干)導電層形成之一組電極組合使用之實施例中，電耦合至該組電極且耦合至該外部電極之電路可經組態以在該等電極之不同組合之間施加不同電信號，此可允許分子至個別反應室中之經改良裝載。
根據某些實施例，整合式裝置可包含經組態以形成兩個或兩個以上電極之多個導電層1-106。該等導電層可藉由介電材料分開，此可減少或阻止該等層之間的電流，從而允許電信號施加至該等層以產生電場。圖2-3展示其中導電層形成兩個電極作為整合式裝置之一部分之例示性組態。圖2-3中所展示之整合式裝置包含導電層1-106a、1-106b及1-106c，其中介電層2-308介於導電層1-106b與1-106c之間。在此組態中，導電層1-106a及1-106b可被視為形成第一電極且導電層1-106c可被視為形成第二電極。該兩個電極可相對於反應室1-108而定位以回應於該兩個電極接收到來自電路2-312之電信號而在反應室1-108附近產生電場。應瞭解，任一適合數目個導電層皆可形成兩個電極，只要介電材料定位於第一組導電層與第二組導電層之間以形成該第一電極及該第二電極。
如圖2-3中所展示，反應室1-108穿過介電層2-308而形成，使得介電層2-308具有與反應室1-108重疊之開口。在某些實施例中，反應室1-108可具有錐形側壁，使得形成反應室1-108之介電層2-308之開口之尺寸小於反應室1-108之開口之尺寸。舉例而言，介電層2-308之開口之剖面尺寸(例如， 沿著如圖2-3中所展示之z方向)小於反應室1-108之開口之剖面尺寸(例如， 沿著如圖2-3中所展示之z方向)。用於將整合式裝置中之兩個導電層分開之適合介電材料之實例包含二氧化矽(SiO2 )、二氧化鈦(TiO2 )、氧化鉭(TaO5 )、氧化鉿(HfO2 )及氧化鋁(Al2 O3 )。
如圖2-3中所展示，反應室1-108穿過導電層1-106a、1-106b及1-106c而形成。對於整合式裝置之反應室陣列，個別反應室可穿過導電層1-106a、1-106b及1-106c中之每一者而形成。在此等實施例中，反應室1-108之深度可取決於該等導電層之相對深度。在某些實施例中，距離d 係介於反應室1-108之底部表面1-118與最接近於底部表面1-118之導電層(在圖2-3中所展示之整合式裝置中，其係導電層1-106c)之間。在圖2-3中所展示之實施例中，反應室1-108具有側壁2-120，側壁2-120可包含具有有限電導性或不具有電導性之間隔件材料以阻止或限制層1-106a、1-106b及層1-106c之間的電短路。
在某些實施例中，整合式裝置可包含由(若干)導電層形成之電極陣列，其中該陣列中之個別電極對應於個別反應室。在此等實施例中，該整合式裝置之第一反應室可對應於該陣列中之第一電極且該整合式裝置之第二反應室可對應於該陣列中之第二電極。該第一電極及該第二電極可藉由介電材料分開。電路可將電信號施加至該陣列中之個別電極，此可允許個別地控制針對不同反應室所產生之電場。此組態可改良分子至反應室中之裝載，此乃因可監測個別反應室以判定所關注分子是否經裝載以用於分析且在必要情況下修改施加至與該反應室對應之該電極之電信號以輔助樣本裝載。另外，在某些情形中，可在該反應室已裝載有樣本之後關斷、減少、顛倒或顛倒且減少該等所施加電信號。
圖2-4圖解說明整合式裝置之剖面示意圖，其中導電層1-106a及1-106c至少部分地經定大小且塑形以形成與所繪示反應室1-108對應之電極。電路2-312可(例如 )藉助位於圖式之平面外部之互連件電耦合至導電層1-106a及1-106c，且可經組態以將電信號施加至層1-106c及層1-106a、1-106b。儘管在圖2-4中展示僅一個反應室，但應瞭解，在整合式裝置之反應室陣列內，導電層1-106a及/或1-106c之區域可經圖案化且經定位以形成與個別反應室對應之電極。舉例而言，導電層1-106a及/或1-106c可經圖案化以形成環繞或部分地環繞反應室之經隔離電極。在俯視圖中，此電極可表現為環形的。由導電層1-106c形成之電極可藉由介電材料2-314分開。如圖2-4中所展示，個別反應室可穿過導電層1-106c之離散區域而形成。舉例而言，該陣列中之第一反應室可穿過導電層1-106c之第一區域而形成且該陣列中之第二反應室可穿過導電層1-106c之第二區域而形成，其中該第一區域與該第二區域藉由介電材料分開。作為另一實例，圖2-9展示具有多個離散導電層1-106c1及1-106c2之整合式裝置，其中第一反應室穿過層1-106c1而形成且第二反應室穿過層1-106c2而形成。如圖2-9中所展示，層1-106c1及1-106c2藉由介電材料2-614區域分開。在某些實施例中，層1-106c1及1-106c2藉由以下方式形成：沈積適合導電材料之層且蝕刻該層之若干部分以形成層1-106c1及1-106c2。
在某些實施例中，使用圖2-3及圖2-4中所展示之整合式裝置之樣本裝載可包含除由導電層1-106a、1-106b及1-106c形成之兩個電極之外亦使用外部電極2-110。經組態以將電信號施加至該(等)導電層及該外部電極之電路可包含經組態以將電信號施加至該外部電極及由(若干)導電層形成之電極中之一者之第一電路2-112及經組態以將電信號施加至由(若干)導電層形成之兩個電極之第二電路2-312。如圖2-3及圖2-4中所展示，電路2-112電耦合至外部電極2-110及導電層1-106a、1-106b，且電路2-312電耦合至導電層1-106c及導電層1-106a、1-106b。實例性電場線在圖2-3及圖2-4中經繪示為虛線。根據某些實施例，該等電極可經圖案化以產生電場，該電場在通向反應室之開口之500 nm (舉例而言)內之第一區域中具有與該第一區域外部之第二區域相比較經增加之強度。在某些情形中，該第一區域可具有大於或小於500 nm (舉例而言，介於100 nm與2微米之間)之半徑。
作為樣本裝載程序之一部分，電路之操作可包含電路2-112及電路2-312將不同電信號施加至耦合至電路2-112及電路2-312之電極。舉例而言，由電路2-112施加之電信號可輔助將所關注分子朝向整合式裝置之表面1-116移動同時由電路2-312施加之電信號可輔助將所關注分子移動至反應室1-108中。根據某些實施例，可同時施加由電路2-112及電路2-312施加之電信號。在某些實施例中，電氣動力樣本裝載可藉由在第一持續時間內使用電路2-112施加電信號且在繼該第一持續時間之後之第二持續時間內使用電路2-312施加電信號而繼續進行。
在電氣動力樣本裝載之某些實施方案中，電路2-112可在外部電極2-110與導電層1-106a、1-106b之間施加第一電信號，且電路2-312可在導電層1-106c與導電層1-106a、1-106b之間施加不同於該第一電信號之第二電信號。根據某些實施例，電路2-112及電路2-312可同時施加該第一電信號及該第二電信號。在其他實施例中，電路2-112可在第一持續時間內施加該第一電信號且電路2-312可在繼該第一持續時間之後之第二持續時間內施加該第二電信號。以此方式，施加該第一電信號可使所關注分子朝向表面1-116移動，且第一持續時間與第一電信號之組合可允許達成接近於表面1-116之分子之所要濃度。第二電信號之後續施加可使所關注分子移動至反應室中，且第二電信號與第二持續時間之組合可允許反應室之所要量變得裝載有所關注分子。
某些實施例係關於包含由同一組之(若干)導電層形成之電極之整合式裝置，其中該等電極可經組態以接收電信號且產生電場以輔助將所關注分子裝載至反應室中。該等電極可藉由蝕刻該組(若干)導電層之區域以形成該組導電層之兩個或兩個以上單獨區域而形成。圖2-5圖解說明整合式裝置之剖面示意圖，其中導電層1-106a及1-106b形成不同電極。特定而言，導電層1-106a及1-106b之區域2-502已經蝕刻以形成第一電極2-520及第二電極2-522。電路2-512可經組態以電耦合至第一電極2-520及第二電極2-522，此可產生電場。第一電極2-520及第二電極2-522可相對於反應室1-108定位以在施加來自電路2-512之電信號之後旋即在反應室1-108上方橫向地產生電場。在該整合式裝置之此等實施例中，該整合式裝置之表面1-116可具有經配置以與該整合式裝置之一或多個反應室對應之多個電極。儘管未在圖2-5中展示外部電極，但某些實施例可涉及將電信號施加至定位於反應室上方之外部電極以及第一電極2-520及第二電極2-522中之一者或兩者。在某些情形中，可圍繞反應室1-108的全部或幾乎全部蝕刻出區域2-502以形成環形形狀之電極。
某些實施例係關於使用該整合式裝置之電路(諸如與該整合式裝置之光偵測器相關聯之控制電路)作為用於電氣動力樣本裝載之一或多個電極。圖2-6圖解說明整合式裝置之剖面示意圖，其中已形成金屬層1-240作為整合式裝置之一部分(例如 ，作為位於反應室1-108下面之偵測電路之一部分)。在某些實施例中，該電路之至少一部分可經組態以接收電信號以用於產生電場從而輔助分子至反應室中之電氣動力樣本裝載。舉例而言，在偵測電路之操作之前或在偵測電路之操作期間間歇地，金屬層1-240中之至少某些金屬層可以用於樣本裝載之信號來加偏壓。如圖2-6中所展示，形成於整合式裝置內之金屬層1-240電耦合至光偵測器1-110以將控制信號提供至光偵測器1-110及/或自光偵測器1-110接收讀出信號。整合式裝置可包含半導體(例如， 互補金屬氧化物半導體(CMOS))區域2-640，半導體區域2-640可包含金屬層1-240。整合式裝置之光學結構(包含波導1-220)可形成於介電材料2-614內，其中反應室1-108與半導體區域2-640藉由介電材料2-614分開。
某些實施例係關於用於與整合式裝置之(若干)導電層一起形成觸點之技術，該等觸點用作用於電氣動力樣本裝載之(若干)電極。作為該整合式裝置之封裝之一部分，可發生在該等觸點及該整合式裝置之該等觸點與(若干)導電層之間形成電連接。該整合式裝置之封裝程序可包含將該整合式裝置黏合至印刷電路板。封裝(例如 ，印刷電路板)上之導電觸點接觸形成為該整合式裝置之一部分之(若干)電極。在某些實施例中，封裝之該等導電觸點可自儀器接收電信號，該儀器可包含經組態以產生電信號且將該等電信號施加至該整合式裝置之該(等)電極之電路。在某些實施例中，封裝之該等導電觸點可接觸該整合式裝置之基板(例如 ，半導體晶粒)，該基板可包含經組態以產生電信號且將該等電信號施加至該整合式裝置之該(等)電極之電路。另外或另一選擇係，線接合可用於將該整合式裝置之(若干)導電層電耦合至該整合式裝置之封裝之一部分及/或該整合式裝置之基板。某些實施例可涉及互補金屬氧化物半導體(CMOS)處理技術以形成接達區域以與該整合式裝置之導電層電連接。
如圖2-6中所展示，半導體區域2-640可形成於基板2-602 (諸如矽晶粒基板)上。在某些實施例中，基板2-602可經由接合2-604 (例如 ，黏合劑接合)附接至印刷電路板基板2-606。觸點2-608及2-610可形成於印刷電路板基板2-606上。如圖2-6中所展示，觸點2-608可諸如藉由將觸點2-608線接合至金屬層1-240而電耦合至金屬層1-240。觸點2-610可電耦合至導電層1-106b。如圖2-6中所展示，該整合式裝置之區域經蝕刻以形成用以接達金屬層1-240之凹陷區域2-612。作為整合式裝置之封裝程序之一部分，可發生凹陷區域2-612及線接合至觸點2-608及2-610。
在某些實施例中，可形成用以接達(若干)金屬層之凹陷區域且可在該凹陷區域上方形成(若干)導電層以電連接金屬層與該(等)導電層。該金屬層可線接合至觸點，諸如印刷電路板基板上之觸點。作為實例，圖2-7圖解說明用以接達金屬層1-240a之凹陷區域2-612及形成於凹陷區域內且與金屬層1-240a 接觸之導電層1-106b。凹陷區域2-612亦接觸金屬層1-240a且可允許與印刷電路板基板2-606之觸點2-608之線接合。
在某些實施例中，作為與(若干)導電層一起形成電觸點之一部分，可使用(若干)封裝組件來形成整合式裝置之(若干)導電層與整合式裝置之半導體區域內之(若干)金屬層之間的電連接。舉例而言，線接合可越過導電層且封裝之一組件可將線接合按壓成與導電層接觸，此可被視為「線接合橋形件」。如圖2-8中所展示，封裝組件2-802將線接合2-804按壓成與導電層1-106a接觸，從而形成線接合橋形件。線接合2-804與金屬層1-240電接觸，從而形成與觸點2-608之電連接。
某些實施例係關於整合式裝置，其具有將整合式裝置中之(若干)導電層電耦合至位於整合式裝置之半導體區域內之電路之導通孔結構。該整合式裝置中之該電路可經組態以產生電信號且透過該等導通孔結構將電信號施加至該(等)導電層。圖2-9展示具有經形成以將導電層1-106c1電耦合至金屬層1-240a (其定位於半導體區域2-640中)之導電導通孔2-910之整合式裝置之例示性剖面示意圖。類似地，在圖2-9中展示用以將導電層1-106c2電耦合至金屬層1-240b之導通孔2-920。出於說明性目的，波導1-220在圖2-9中用虛線來展示以指示波導1-220與整合式裝置之其他結構之相對定位，但不包含於圖2-9中所展示之平面中，此乃因導電導通孔2-910及2-920位於遠離波導1-220處，因此其不侵擾波導結構。儘管圖2-9中所展示之電極組態與圖2-4中所展示之組態之類似之處在於存在與個別反應室對應之導電層，但應瞭解，可實施此等導通孔結構以電連接導電層，從而形成可輔助跨越多個反應室進行樣本裝載之電極。
無論用於電氣動力樣本裝載之電極之組態如何，由耦合且施加至該等電極之電路產生之電信號可具有用於達成分子至反應室1-108中之裝載之任何適合參數(例如 ，振幅、時間分佈型、工作循環、頻率)。在某些實施例中，該等所施加電信號之參數可經選擇以在跨越反應室陣列裝載分子時達成所要效率位準。舉例而言，該等電信號之參數可經選擇以減少針對反應室陣列中之特定數目、百分比或比率之反應室達成樣本裝載所需要之時間量(與當在反應室1-108之裝載期間不施加電信號時相比較)。某些實施例涉及產生時變電壓信號且將該時變電壓信號施加至(若干)導電層且在某些實施例中施加至外部電極之電路。在某些情形中，可使用DC或以指數方式衰變之信號。
圖3-1A繪示根據某些實施例之可施加至反應室1-108之電極之具有方波形之實例性時變電壓信號。在某些實施例中，所施加波形可具有在圖3-1A及圖3-1B中由虛線指示之DC偏移。該DC偏移可在反應室1-108附近提供將樣本朝向反應室牽引之電場。圖3-1B繪示對方波形之實例性電流回應。此時變電壓信號之施加可允許所關注分子朝向整合式裝置之表面且在某些例項中至反應室中之單向移動。應瞭解，可實施用於電氣動力樣本裝載之其他類型之時變電信號，包含具有正弦波形、鋸齒波形及三角波形之時變電壓信號。所施加波形之峰值電壓可介於50毫伏與5伏特之間。在某些實施方案中，當所施加波形之峰值電壓介於0.5伏特與1伏特之間時獲得經改良效能。所施加波形之頻率可介於0.1 Hz與10 kHz之間。在某些實施例中，該所施加電壓及頻率可在此等範圍中之端值之10%內。
在某些實施例中，施加至電極以用於電氣動力樣本裝載之時變電壓信號可包含多個週期性波之組合(例如 ，兩個或兩個以上波形之疊加或倍增)。在某些情形中，該等所施加波形中之一或多者可包含DC偏壓。除具有第二頻率及第二振幅之第二週期性波之外，該時變電壓信號亦可包含具有第一頻率及第一振幅之第一週期性波。該第一頻率及該第二頻率可不同，且在某些實施例中，該第一頻率小於該第二頻率。類似地，該第一振幅及該第二振幅可不同，且在某些實施例中，該第一振幅大於該第二振幅。圖3-2繪示包括具有週期T1 及振幅A1 之第一方波形及具有第二週期T2 及振幅A2 之第二方波形之組合時變電壓信號。如圖3-2中所展示，週期T1 大於週期T2 ，且振幅A1 大於振幅A2 。儘管展示經組合方波形，但在某些實施例中可使用其他波形(正弦、三角、鋸齒、指數衰變等)之任何組合。此外，經組合波形可係為不同類型(例如 ，方波及正弦波)。
根據某些實施方案，所有反應室之電極可連接在一起，使得所施加信號在整合式裝置上之所有反應室處產生對應電場。在某些情形中，可存在彼此隔離以用於接收所施加信號以在反應室1-108處產生電場之複數個電極。在此等情形中，第一組電極可針對第一反應室群組形成第一電場，第二組電極可針對第二反應室群組形成第二電場，且依此類推。在某些情形中，可施加不同信號以針對不同反應室群組形成不同電場。另一選擇係或另外，可在不同時間處施加信號以在不同時間處裝載反應室群組。在某些實施方案中，偏壓電路可經配置為類似於用於光偵測器陣列之讀出電路，使得可對反應室之電極進行個別地尋址以在每一反應室1-108 (或反應室列，或反應室行)處獨立於所有其他反應室而形成電場。
在使用整合式裝置進行樣本分析期間，使用者可將具有所關注分子之懸浮液(例如 ，吸移特定懸浮液體積)引入為接近於整合式裝置之表面。舉例而言且再次參考圖1-1，使用者可將懸浮液沈積在整合式裝置之表面1-116上及/或像素區域1-203內。凹陷像素區域1-203及/或樣本貯器1-114可用於將懸浮液保持為接近於表面，使得懸浮液不實質上自像素區域1-203 (反應室位於其中)流動。根據本文中所闡述之技術，電氣動力樣本裝載可用於將所關注分子自所沈積懸浮液裝載至個別反應室中。此等技術可包含將(若干)電信號施加至第一及第二電極以產生操作以輔助將所關注分子裝載至整合式裝置之反應室中之電場。第一電極及第二電極中之一者或兩者可包含整合式裝置之(若干)導電層。該電場可在整合式裝置之表面附近產生且經組態以使所關注分子在朝向反應室之底部表面之方向上移動。在某些實施例中，所產生電場可經組態以將所關注分子與懸浮液中之其他組份(例如 ，樣本碎屑、擁擠試劑、縮合劑)分開。在某些實施例中，將懸浮液引入於整合式裝置之表面上可包含與樣本組合而引入擁擠試劑及/或縮合劑。在本文中(包含下文在章節III中)闡述關於擁擠試劑及縮合劑之額外細節。
某些實施例可涉及使用識別分子是否已裝載至整合式裝置之個別反應室中之資訊來調變施加至電極之電信號。舉例而言，可用一或多個螢光標誌來標記個別分子，該一或多個螢光標誌可用於藉由以下方式識別分子是否裝載於反應室中：用激發該(等)螢光標誌之光照射反應室且使用與反應室對應之(若干)光偵測器來偵測自反應室發射之任何光，其可包含由該(等)螢光標誌回應於照射反應室而發射之光。使用此回饋資訊，可在電氣動力樣本裝載期間監測個別反應室以判定分子是否已裝載至個別反應室中。
在某些應用中，此回饋資訊可通知何時改變在樣本裝載程序期間施加至電極之電信號類型。舉例而言，用於裝載分子之電信號可最初施加至電極以允許將分子裝載至個別反應室中，且不同電信號可回應於接收到識別所要數目個反應室已裝載有分子之回饋資訊而施加至電極。回應於接收到回饋資訊而施加之電信號可經組態以產生用以減少分子至個別反應室中之移動及/或減少經裝載分子離開反應室(分子裝載於其中)之移動之電場。此電信號可被視為「反向電信號」，此乃因其用以阻止或減少分子至反應室中之進一步裝載。此等技術可藉由允許對反應室之主動監測且修改施加至電極之電信號以計及此回饋資訊而進一步改良分子至反應室中之裝載。
在其中電信號施加至電極使得針對反應室群組產生電場之實施例中，回饋資訊可包含因跨越反應室群組進行監測而產生之資訊且可提供群組中裝載有分子之反應室之數目之指示。在此等實施例中，反向電信號可回應於接收到群組中裝載有分子之反應室之該數目等於或高於裝載有分子之反應室之閾值數目的指示而施加至電極。
在其中電信號施加至電極使得可調製與個別反應室相關聯之電場之實施例中，諸如在圖2-4、圖2-7及圖2-9中所展示之整合式裝置之實施例中，回饋資訊可包含與特定反應室是否裝載有分子相關聯之資訊。在此等實施例中，反向電信號可施加至與基於回饋資訊而已經識別為裝載有分子之個別反應室相關聯之電極。以此方式，可接近於不同反應室產生不同電場，使得已裝載有分子之反應室具有經組態以輔助樣本裝載之電場，而已經識別為具有經裝載分子之彼等反應室具有電場以減少或阻止額外分子進入反應室。
整合式裝置之效能之態樣可係關於在整合式裝置之操作期間(例如 ，在樣本之分析期間)懸浮液中之組份進入/離開反應室之擴散。作為實例，保持於反應室1-108中之DNA複合物可係相當大的(具有大遍佈體積)，且複製產物之大小在測序運行期間不斷增長。在某些情形中，大DNA複合物可佔據反應室之許多體積，且因此限制螢光標記之核苷酸至反應室之底部之擴散速率。經標記核苷酸之經減小擴散速率可限制測序速度(及螢光脈衝速率)以及測序讀取長度。為改良擴散速率，電信號可在測序運行期間施加至電極，舉例而言，以將DNA之至少一個未繫結端拉出反應室。此將以類似於上文所闡述之「反向電信號」之方式來完成，惟當具有大遍佈體積之分子或蛋白質保持於反應室中時在測序或樣本分析期間將施加此信號除外。在某些情形中，在樣本分析期間施加至電極之信號可週期性地形成脈衝以將樣本至少部分地拉出井。此信號可針對每一室個別地施加至反應室之電極，施加至室群組，或施加至晶片上之所有或幾乎所有反應室。
經組態以將電信號施加至電極以用於電氣動力樣本裝載之電路可施加不同類型之信號。在某些實施例中，電路可施加經組態以使所關注分子朝向整合式裝置之表面移動之第一電信號，且施加經組態以使所關注分子在反應室內移動之第二電信號。在某些例項中，該第一電信號施加至第一電極及第二電極，且該第二電信號施加至該第二電極及第三電極。
如上文結合不同電極組態所論述，電路可將電信號施加至任何適合組合之電極，包含由(若干)導電層形成之電極以及外部電極。在某些實施例中，電路可經組態以將電信號施加至包含第一導電層子集之第一電極及包含藉由介電材料與該第一子集分開之第二(若干)導電層子集之第二電極。在某些實施例中，電路可經組態以將電信號施加至由同一(相同)導電層形成之第一電極及第二電極。在此等實施例中，該第一電極包含該(等)導電層之第一區域且該第二電極包含該(等)導電層之第二區域，其中該第一區域及該第二區域藉由介電材料分開。在某些實施例中，電路可經組態以將電信號施加至包含(若干)導電層之第一電極及在整合式裝置外部之第二電極。
製作將形成為整合式裝置之電極之該(等)導電層可使用任何適合基於矽之製作處理(例如 ，互補金屬氧化物半導體(CMOS)處理)。在實施線接合接觸(諸如圖2-6中所展示之導電層1-106b與觸點2-610之線接合接觸)之實施例中，製作可包含形成與導電層接觸之金屬層且曝露該金屬層以形成線接合接觸。該金屬層可具有在100 nm至800 nm之範圍內或者為彼範圍中之任何值或值範圍之厚度。該金屬層之該厚度可允許用於線接合之穩健接觸區域或形成於該金屬層上方之導電層。
圖4-1A至圖4-1D展示形成用於與導電層(在整合式裝置中針對與用於形成電極)進行線接合接觸之金屬層之例示性程序相關聯之結構。圖4-1A中所展示之第一步驟包含在介電層4-102上方形成金屬層4-104 (例如 ，鋁(Al))。金屬層4-104可具有在100 nm至800 nm之範圍中或者為彼範圍中之任何值或範圍之厚度。儘管圖4-1A中未展示，但某些實施例可涉及在金屬層4-104下方形成一或多個黏合層(例如 ，鈦、氮化鈦)。圖4-1B中所展示之第二步驟包含將金屬層4-104之一部分蝕刻至介電層4-102中，此可形成具有反應室之所得整合式裝置之區域，諸如圖1-1中所展示之像素區域1-203。圖4-1C中所展示之第三步驟包含在經蝕刻金屬層4-104及介電層4-102上方形成導電層4-106a及4-106b。在某些實施例中，導電層4-106b包含鋁且導電層4-106a包含氮化鈦。圖4-1D中所展示之第四步驟包含在金屬層4-104上方蝕刻導電層4-106a之一部分以曝露導電層4-106b。蝕刻導電層4-106a及本文中所闡述之其他蝕刻步驟可包含使用任何適合微影及蝕刻技術。舉例而言，可施加且圖案化抗蝕劑以遮蔽未經蝕刻之區域，且可在完成蝕刻之後移除該抗蝕劑。
圖4-2A至圖4-2C展示與用於形成至導電層(可充當整合式裝置中之電極)之觸點之例示性程序相關聯之結構。圖4-2A中所展示之第一步驟可在蝕刻金屬層4-104及介電材料4-102 (諸如圖4-1B中所展示)之後發生，且包括在經蝕刻金屬層4-104及介電材料4-102上方形成導電層4-106c、介電層4-108、導電層4-106b及導電層4-106a。圖4-2B中所展示之第二步驟包含蝕刻穿過層4-106a、4-106b、4-108及4-106c以及介電材料4-102以形成反應室。此步驟亦可包含在經蝕刻反應室之側上形成側壁4-120。圖4-2C中所展示之第三步驟包含在金屬層4-104上方穿過層4-106a、4-106b及4-108蝕刻接觸開口4-110以曝露導電層4-106c。此步驟亦可包含穿過層4-106a蝕刻接觸開口4-112以曝露導電層4-106b。所得整合式裝置可具有與圖2-3中所展示之組態類似之一組態。可瞭解，可實施子步驟(例如 ，抗蝕劑沈積、圖案化、移除、清潔、額外蝕刻等)以獲得圖4-1A至圖4-1D、圖4-2A至圖4-2C及圖4-4A至圖4-4C中所展示之結構。
某些實施例係關於在整合式裝置內製作一或多個導通孔以將一或多個導電層電連接至一或多個金屬層，該一或多個金屬層可形成為半導體區域之一部分。可在形成電耦合至導通孔之該(等)導電層之前形成個別導通孔。圖4-3圖解說明在製作整合式裝置(諸如圖2-9中所展示之整合式裝置)期間形成(若干)導通孔之例示性方法4-300之步驟。在步驟4-310中，在整合式裝置之半導體區域上方形成整合式裝置之(若干)光學結構(例如 ，波導)。參考圖2-9，步驟4-310可包含在半導體區域2-640上方在介電材料2-614中形成波導1-220，半導體區域2-640包含金屬層1-240a及1-240b。在某些實施例中，步驟4-310可包含化學機械平坦化(CMP)處理之一或多個步驟以形成介電材料2-614之平坦化表面(例如 ，在積累介電材料2-614且形成整合式結構時)。舉例而言，在其中整合式裝置包含凹陷或溝渠區域(諸如在圖2-9中所展示之像素區域1-203內之凹陷區域2-905)之實施例中，可在介電沈積及CMP步驟之後在步驟4-310中形成凹陷區域2-905。
方法4-300可包括步驟4-320，步驟4-320包含蝕穿而成導通孔以接達半導體區域中之(若干)金屬層。在步驟4-320中執行之蝕刻可包含蝕刻穿過介電材料(諸如介電材料2-614)及/或圖2-9中所展示之半導體區域2-640中之某些材料，以形成接達金屬層之開口。方法4-300可進一步包括步驟4-330，步驟4-330包含藉由用(若干)導電材料填充經蝕刻開口而形成導電導通孔2-910、2-920。用於填充經蝕刻開口之適合材料之實例係鎢。步驟4-330可包含任何適合金屬化處理技術，包含化學汽相沈積(CVD)。在某些實施例中，可在將導電材料沈積於經蝕刻開口中之後使用化學機械平坦化(CMP)處理以移除過多金屬沈積且在波導上方形成平滑化表面，從而留下填充經蝕刻開口之導電凸塊(亦稱為導電導通孔)。在某些實施例中，可在將導電材料沈積於經蝕刻開口中之後使用微影及蝕刻技術以移除在波導上方之殘餘材料，此可以其他方式影響波導及/或所得整合式裝置之其他光學結構之光學效能。
方法4-300可進一步包括步驟4-340，步驟4-340包含在導電導通孔2-910、2-920上形成導電層1-106c1、1-106c2，舉例而言。可使用包含化學汽相沈積(CVD)之適合沈積程序形成該(等)導電層。參考圖2-9，可在步驟4-340處形成導電層1-106c1及1-106c2。方法4-300可進一步包括步驟4-350，步驟4-350包含在步驟4-340中所形成之該(等)導電層上方形成包含導電層1-106a、1-106b及(若干)介電層之額外層，且穿過所沈積層形成(若干)反應室。在某些情形中，可在已經沈積於導電層1-106a、1-106b上方之一或多個介電層中蝕刻凹陷區域2-905。可形成於該(等)導電層上方之適合介電材料之實例包含二氧化矽(SiO2 )、二氧化鈦(TiO2 )、氧化鉭(TaO5 )、氧化鉿(HfO2 )及氧化鋁(Al2 O3 )。
參考圖2-9，介電材料2-614及導電層1-106a、1-106b可形成於導電層1-106c1及1-106c2上方。形成反應室1-108可包含穿過一或多個導電層及(若干)介電層之多步驟蝕刻程序。如圖2-9中所展示，反應室1-108穿過導電層1-106a、1-106b及1-106c1、1-106c2而形成且形成至介電材料2-614中。在某些實施例中，步驟4-350可包含在該(等)反應室之側壁上形成間隔件材料。舉例而言，可在步驟4-350中形成如圖2-9中所展示之側壁2-120上之間隔件材料。
整合式裝置之某些實施例可具有至少部分地由介電材料形成之表面1-116。在某些實施例中，一或多個介電材料層可形成於該(等)導電層上方且該一或多個層之區域可經移除以對應於個別反應室之位置。以此方式，該整合式裝置之所得表面可被視為具有「經穿孔介電層」。整合式裝置之此組態可允許接近於該等反應室產生具有特別高電場之電場。圖4-4A至圖4-4C展示與用於形成經穿孔介電層之例示性程序相關聯之結構。圖4-4A中所展示之第一步驟可發生在蝕刻金屬層4-104及介電材料4-102 (諸如圖4-1B中所展示)之後，且包括在經蝕刻金屬層4-104及介電材料4-102上方形成導電層4-106c、導電層4-108b、導電層4-106a及介電層4-408。圖4-4B中所展示之第二步驟包含在若干區域中蝕刻穿過介電層4-408以曝露導電層4-106a。蝕刻介電層4-408可包含使用任何適合微影及蝕刻技術。圖4-4C中所展示之第三步驟包含蝕刻穿過層4-106a、4-106b、4-108及4-106c以在與導電層4-106a之經曝露區域對應之位置處形成個別反應室。此步驟亦可包含在經蝕刻反應室之側上形成側壁4-120。儘管僅一個介電層經展示為介電層4-408，但應瞭解，任一適合數目個介電材料層可形成於該(等)導電層上方。可用於形成介電層4-408之 介電材料之實例包含二氧化矽(SiO2 )、二氧化鈦(TiO2 )、氧化鉭(TaO5 )、氧化鉿(HfO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )及其他金屬氧化物。
III.額外樣本裝載技術
除了其他態樣，本申請案亦闡述用於將所關注樣本裝載至反應室中之裝置及方法。在某些態樣中，本文中所闡述之技術涉及使含有樣本(例如 ，所關注分子、蛋白質或粒子)之懸浮液與包括至少一個反應室之整合式裝置之表面1-116接觸之步驟，該至少一個反應室具有在該整合式裝置之該表面遠端之底部表面。懸浮液可包括含有放置於凹陷區域2-905中之複數個樣本之液體溶液。在某些情形中，懸浮液可包括該等樣本溶解於其中之液體。在某些情形中，懸浮液可包括該等樣本分散於其中之液體。術語「懸浮液」在本文中用於係指任一類型之樣本混合物。懸浮液可進一步包含參與發生在反應室中之反應之反應組份。在某些實施例中，可使該懸浮液與進一步將該等樣本朝向該反應室之底部表面引導之擁擠試劑接觸。在某些實施例中，可使該懸浮液與使該等樣本縮合(例如，緊湊)之縮合劑接觸。在某些實施例中，該反應室之該底部表面包括耦合部分，該耦合部分經組態以在適合於准許將樣本接合至該耦合部分之條件下結合所關注樣本，藉此將該樣本耦合至該反應室之該底部表面。
在某些態樣中，本文中所闡述之裝置及方法在允許偵測懸浮液中之個別樣本之技術中可係有用的。藉由實例而非限制方式，該個別樣本可係胺基酸、多肽、核苷酸及/或核酸。舉例而言，在某些實施例中，本申請案中所提供之裝置及方法可結合單分子核酸測序技術來使用。單分子核酸測序允許藉由即時監測與模板核酸互補之核酸分子之延伸而判定單個模板核酸分子之序列。
在特定技術中，藉由隔離複數個反應室中之每一者內之單個測序模板而執行單分子核酸測序。然而，在諸多應用中，此等反應室之總體積相對於總懸浮液體積係相當低的。另外，最少化單個反應室中之多個模板所需要的懸浮液中之測序模板之濃度通常係低的，使得將測序模板裝載至反應室中之動力學可嚴重地限制成功地經裝載且充分活性之複合物之量。
在特定技術中，單個反應室包括單個所關注樣本(例如，單個測序模板)係較佳的。因此，在某些實施例中，當將包括(舉例而言)測序模板之懸浮液裝載至包括反應室陣列之整合式裝置上時，必須注意避免以測序模板之高濃度使該整合式裝置過飽和。在此等例項中，裝載具有稀釋濃度之測序模板之懸浮液通常係可取的。
在不希望受理論約束之情況下，推測稀釋濃度之懸浮液中之測序模板跨越反應室陣列之分佈最佳地藉由帕松分佈經模型化。此離散概率分佈預測陣列中之反應室之大致37%將含有一個測序模板，其中剩餘反應室含有零個或多個測序模板。在實務上，跨越反應室陣列達成37%單一佔有率可因任一數目個化學及/或機械變數而複雜化。在某些態樣中，本文中所闡述之裝置及方法有利地跨越反應室陣列增加單一佔用率之百分比。
在某些實施例中，本文中所闡述之裝置及方法能夠達成所關注分子在反應室陣列中之單一佔有率，該單一佔有率與由帕松統計學預測之量相當、與該量大致相同或比該量大。舉例而言，在某些實施例中，本發明之裝置及方法可達成所關注分子介於陣列中之反應室之20%與25%之間、介於陣列中之反應室之25%與30%之間、30%與35%之間、35%與37%之間、37%與40%之間、40%與45%之間、45%與50%之間、50%與60%之間、60%與70% 之間、70%與80%之間、80%與90%之間、90%與95%之間、95%與99%之間或95%與100%之間的單一佔有率。在某些情形中，佔有率可在此等範圍中之一或多者中之端值之10%內。
本文中所闡述之裝置及方法可允許將所關注分子裝載至極其小體積之反應室中。舉例而言，在某些實施例中，整合式裝置中之樣本貯器(例如，凹陷區域2-905)及其中之所有反應室之容量係大致20 × 10-6 L，其中每一反應室具有大致3 × 10-18 L之體積。在某些實施例中，整合式裝置含有512,000個反應室。因此，在某些實施例中，所有反應室之總體積計及懸浮液之容量之大致0.00000768%。
A.擁擠試劑
在某些實施例中，擁擠試劑可有效地將所關注樣本(例如，測序模板)自懸浮液之主體溶劑排除。擁擠試劑之包含可產生將所關注分子自懸浮液之主體體積排除之體積排除效應，此可輔助將所關注分子朝向反應室驅動及/或驅動至反應室中。因此，較大百分比之反應室能夠接納成功地經裝載之所關注分子。因此，在某些實施例中，擁擠試劑可產生有效地增加所關注分子在整合式裝置之表面處之濃度之熱力學驅動力。在某些實施例中，擁擠試劑可因具有使所關注分子至反應室中之移動加速度之動力學效應而減少裝載時間。
如本文中所使用，「擁擠試劑」係允許、增強或促進樣本擁擠之任何化合物或分子。在不希望受任何特定機制約束之情況下，建議擁擠試劑減少可用於樣本或其他巨分子之溶劑體積。此經排除體積效應由於與擁擠試劑之非特定相互作用(諸如位阻排斥力)而限制樣本或巨分子可接達之體積。因此，在某些實施例中，擁擠試劑可稱為「體積排除器」或「體積排除試劑」。在某些實施例中，擁擠試劑相對於相同懸浮液中之其他組份係惰性的。在某些實施例中，擁擠試劑不干擾發生在相同懸浮液中之反應。
應瞭解，作為本文中所闡述之樣本裝載技術之一部分，可使用產生體積排除效應之不同類型之擁擠試劑。某些類型之擁擠試劑可吸水，從而允許除水以外之分子聚合及/或變得集中在特定位置處，諸如整合式裝置之表面處。在某些例項中，擁擠試劑結合至及/或繫結住懸浮液中之水以排除該懸浮液中之樣本或巨分子。另一類型之擁擠試劑可用以使懸浮液中之所關注分子(諸如測序模板)之體積緊湊。此等擁擠試劑可允許較大測序模板裝載至反應室中，此乃因測序模板之總體體積減小。其他類型之擁擠試劑可促進相分離及/或施加滲透壓。
作為樣本裝載程序之一部分，包含一或多個擁擠試劑可促進將所關注分子裝載至反應室中，包含促進在較長距離內且更快地裝載分子(與不使用擁擠試劑之情況相比)。以此方式，擁擠試劑可減少在可執行使用包括反應室之整合式裝置對(舉例而言)樣本進行單分子分析之前在該裝置上培養懸浮液所需要之時間。在某些實施方案中，特定擁擠試劑可經選擇使得其保持(例如，較佳地)在樣本貯器中(與遷移至反應室中相反)。在某些實施例中，此促進驅動將樣本(例如，DNA-聚合酶複合物)裝載至反應室中之熱力學驅動力。在某些實施例中，較低黏度擁擠試劑(諸如聚蔗糖或聚乙烯吡咯烷酮)相對於較高黏度試劑具有高遷移率及不良定位且不像較高黏度試劑一樣有效。然而，應瞭解，在某些內容脈絡中，較低黏度試劑可係有用的。
在某些實施例中，擁擠試劑係多醣。在某些實施例中，擁擠試劑係纖維素分子。在某些實施例中，擁擠試劑係甲基纖維素。在某些實施例中，擁擠試劑係選自由以下各項組成之群組之纖維素分子：乙基纖維素、甲基乙基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥乙基甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素乙基醚、羥甲基纖維素及衍生物以及其組合。在某些實施例中，擁擠試劑係聚蔗糖聚合物。在某些實施例中，諸如纖維素擁擠試劑(例如，63,000之甲基纖維素MC)之擁擠試劑具有50,000至500,000 Da (例如，在某些實施例中自50 kDa至100 kDa、在某些實施例中自100 kDa至200 kDa、在某些實施例中自200 kDa至300 kDa、在某些實施例中自300 kDa至400 kDa及在某些實施例中自400 kDa至500 kDa)之平均分子量。在某些情形中，擁擠試劑可具有大於500 kDa之平均分子量。
在某些實施例中，擁擠試劑提供於懸浮液中，可向該懸浮液或已向該懸浮液添加用於分析之樣本。在某些實施例中，懸浮液中之擁擠試劑之濃度介於0.6重量％與0.9重量％之間或等於該等端值中之任一者。在某些實施例中，懸浮液中之擁擠試劑之濃度介於0.9重量％與1.8重量％之間或等於該等端值中之任一者。在某些實施例中，懸浮液中之擁擠試劑之濃度介於1.8重量％與2.0重量％之間或等於該等端值中之任一者。在某些實施例中，懸浮液中之擁擠試劑之濃度介於2.0重量％與2.3重量％之間或等於該等端值中之任一者。在某些實施例中，懸浮液中之擁擠試劑之濃度係大約2.3重量％。在某些實施例中，擁擠試劑在0.1重量％與1.0重量％之間、在某些情形中在1.0重量％與5.0重量％之間、在某些情形中在5.0重量％與10.0重量％之間且在某些情形中在10.0重量％與20.0重量％之間存在於懸浮液中。在某些實施方案中，懸浮液中之擁擠試劑之濃度可具有大於20重量％之值。在某些情形中，擁擠試劑之濃度在以上所表達範圍或值之10%內。
在某些實施例中，以可放置為與懸浮液直接接觸(例如，在樣本貯器中)之凝膠(例如，親水凝膠)之形式提供擁擠試劑。可在不受吸移考量限制之情況下施加(例如，以凝膠堵劑之形式)凝膠且可以凝膠之形式使用較高濃度及黏度之擁擠試劑。在某些實施例中，以固體狀態來提供擁擠試劑。舉例而言，在某些實施例中，擁擠試劑經提供為膜、纖維狀材料、膜質材料、黏合劑材料、複合材料、層壓材料或其某一組合。
B.縮合劑
如本文中所使用，「縮合劑」係指任何自然或合成化合物，其在與所關注樣本組合時致使該所關注樣本(例如 ，分子或巨分子)相對於在不存在縮合劑之情況下之其結構採取縮合結構。舉例而言，在給定懸浮液中，所關注樣本在存在縮合劑之情況下佔據比缺乏縮合劑之相同懸浮液小之體積。以此方式，縮合劑可用以減小所關注樣本(例如 ，分子)在懸浮液中之佔用體積。在懸浮液中之分子之內容脈絡中，縮合劑可用以減小懸浮液中之所關注分子之遍佈體積。縮合劑可與所關注分子相互作用，使得分子採用在懸浮液中佔據總體積之較小分率之緊湊結構。
在某些實施例中，縮合劑係核酸縮合劑。核酸縮合劑可藉由各種機制(包含但不限於體積排除及電荷篩選)使核酸緊湊。在此項技術中已知評估試劑使核酸縮合之能力之檢定，例如，如WO/1996/021036中所闡述，WO/1996/021036之相關內容以全文引用方式併入本文中。在某些實施例中，核酸縮合劑經由靜電電荷間相互作用與核酸相互作用以引發核酸結構之塌縮(例如，核酸縮合)。在某些實施例中，縮合劑可由於以下各項中之一或多者而使核酸縮合：施加滲透壓以將螺旋結構之片段放到一起(例如，分子擁擠效應)；減少核酸片段之間的相互排斥作用(例如，藉由使磷酸電荷中和)；及增加核酸片段之間的相互吸引作用。在某些實施例中，DNA片段之間的相互吸引作用可由多價陽離子帶電縮合劑引發。
在某些實施例中，縮合劑包括多價陽離子。如本文中所使用，多價陽離子一般係指具有複數個帶正電部位之化合物。在某些實施例中，該多價陽離子在存在於包含所關注分子之懸浮液中時係多價陽離子性。舉例而言，在某些實施例中，包括所關注分子之懸浮液中之條件(例如，pH、緩衝容量、離子強度)使得縮合劑在該懸浮液中係多價陽離子性。在某些實施例中，多價陽離子在生理pH (例如，pH ≈ 7.4)下係多價陽離子性。在某些實施例中，多價陽離子係帶正電單體單元之聚合物，儘管某些非帶正電單元亦可存在於該聚合物中。在某些實施例中，多價陽離子之實例包含多胺，諸如精胺、精三胺及腐胺。在某些實施例中，多價陽離子包括多胺酸，諸如聚組胺酸、聚離胺酸、聚精胺酸及聚鳥胺酸。進一步預期其他鹼性肽及小鹼性蛋白質用作多價陽離子縮合劑(例如，組蛋白、魚精蛋白)。對於由胺酸構成之多價陽離子，可使用L形式或D形式。鹼性胺酸包含離胺酸、精胺酸、胺酸類似物(諸如鳥胺酸及刀豆酸)、經改質鹼性胺酸(諸如高精胺酸)及經改質以攜帶正電荷之其他經改質胺酸(諸如胍基纈胺酸及胺乙基半胱胺酸)。多價陽離子之額外實例包含聚銨(例如，聚凝胺(海地美溴胺))、脂質(例如，DOTAP、DC-Chol/DOPE、DOGS/DOPE及DOTMA/DOPE)。
C.將懸浮液裝載於整合式裝置上
在某些態樣中，本申請案提供可用於將包括至少一個所關注樣本之懸浮液裝載至包含反應室1-108之整合式裝置1-102之表面上之裝置及方法。懸浮液裝載可藉由任一數目個適合方法來進行。在某些實施例中，舉例而言，由行醫者(例如)經由吸移管、分配器或任何適合流體傳送裝置/系統裝載含有所關注分子之懸浮液。在某些實施例中，藉藉由自動化手段(例如，機器人裝置/系統)裝載懸浮液。在某些實施例中，經由一或多個微流體通道裝載懸浮液。
在某些實施例中，可藉由一般用於將樣本遞送至整合式裝置之方法將所關注樣本遞送至整合式裝置(例如，包括反應室(陣列)之整合式裝置)。舉例而言，遞送方法可包含使所關注樣本懸浮在流體中且使所得懸浮液流動至整合式裝置之反應室。此可包含僅僅將相關懸浮液吸移至整合式裝置之一或多個區域上，或此可包含更多主動流方法，諸如電子方向或基於壓力之流體流。在某些實施例中，使包括所關注樣本之懸浮液流動至整合式裝置之選定區域中，例如，其中將在整合式裝置之特定區域中分析特定所關注分子。此可藉由遮蔽技術(將掩模施加至直接流體流)、微流體或藉由主動流方法(諸如電子方向或基於壓力之流體流，包含藉由噴墨印刷方法)來完成。在某些實施例中，經圖案化微流體通道中之微流體流可用於將懸浮液中之樣本遞送至反應室。整合式裝置之區域亦可係僅僅藉由將相關懸浮液吸移至整合式裝置之正確區域中而進行遞送之選擇性目標。
應瞭解，在某些實施例中，可以任何適合次序將本文中所闡述之樣本裝載中所使用之組合物引入至整合式裝置之表面。舉例而言，在某些實施例中，使含有樣本之懸浮液在與擁擠試劑及/或縮合劑接觸之前與該表面接觸。在某些實施例中，可使該懸浮液與該表面接觸且允許該懸浮液在與擁擠試劑及/或縮合劑接觸之前培養達一培養週期。在某些實施例中，縮合劑在此培養週期期間存在於懸浮液中。在某些實施例中，緊接在已引入懸浮液之後或大致在已引入懸浮液之後不久將擁擠試劑及/或縮合劑引入於表面上。在某些實施例中，懸浮液在引入至表面之前包括擁擠試劑及/或縮合劑。
D.實例性樣本
在此章節中闡述與測序相關之所關注樣本之某些實例，儘管本發明不限於僅所闡述之例示性樣本。所闡述設備及樣本裝載技術可應用於蛋白質、次微米級粒子、生物及非生物分子。如本文中所使用，「測序模板」係所關注樣本之實例且係為分析(例如，測序分析)之主體之分子。在某些實施例中，測序模板包括核酸分子。在某些實施例中，該核酸分子稱為「目標」或「模板」核酸。該核酸分子可在某些實施例中介於1 kb與10 kb之間、在某些實施例中介於10 kb與25 kb之間、在某些實施例中介於25 kb與50 kb之間、在某些實施例中介於50 kb與100 kb之間、在某些實施例中介於100 kb與250 kb之間、在某些實施例中介於250 kb與500 kb之間或在某些實施例中介於500 kb與1000 kb之間。在某些情形中，核酸分子可具有在此等範圍中之端值之10%內之長度。
在某些實施例中，核酸分子包括至少一個雜交引體/聚合酶複合物。舉例而言，在某些實施例中，使核酸分子與測序引體(其與核酸分子之一部分互補)接觸，使得該測序引體退火至核酸分子。此引動位置產生一部位，聚合酶(例如，DNA或RNA聚合酶)可在該部位處耦合至核酸分子以形成雜交引體/聚合酶複合物。因此，在某些實施例中，包括至少一個雜交引體/聚合酶之測序模板可稱為「測序模板複合物」。
如本文中所使用之術語「核酸」一般係指包括一或多個核酸亞單位之分子。核酸可包含選自腺苷(A)、胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)及尿嘧啶(U)或其變體之一或多個亞單位。在某些實例中，核酸係去氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)，或其衍生物。在某些實施例中，該核酸係經改質核酸，不具限制地包含鎖定核酸(LNA)、肽核酸(PNA)、三唑-鏈接核酸、2′-F-經改質核酸以及其衍生物及類似物。核酸可係單鏈或雙鏈的。在某些實施例中，核酸一般係指任一核苷酸聚合物。
核苷酸(例如，核苷多磷酸鹽)可包括以下各項中之任一者：腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)及尿嘧啶(U)或其變體。核苷酸(例如，核苷多磷酸鹽)可包括甲基化核鹼基。舉例而言，甲基化核苷酸可係包括附接至核鹼基(例如，直接附接至核鹼基之環、附接至核鹼基之環之取代基)之一或多個甲基之核苷酸。例示性甲基化核鹼基包含1-甲基胸腺嘧啶、1-甲基尿嘧啶、3-甲基尿嘧啶、3-甲基胞嘧啶、5-甲基胞嘧啶、1-甲基腺嘌呤、2-甲基腺嘌呤、7-甲基腺嘌呤、N6-甲基腺嘌呤、N6,N6-甲基腺嘌呤、1-甲基鳥嘌呤、7-甲基鳥嘌呤、N2-甲基鳥嘌呤及N2,N2-二甲基鳥嘌呤。
如本文中所使用之術語「引體」一般係指可包含包括A、C、G、T及/或U或者其變體或類似物之序列之核酸分子(例如，寡核苷酸)。引體可係包括DNA、RNA、PNA或者其變體或類似物之合成寡核苷酸。引體可經設計使得其核苷酸序列與目標或模板核酸互補，或該引體可包括隨機核苷酸序列。在某些實施例中，引體可包括尾(例如，聚腺苷酸尾、索引接頭、分子條碼等)。在某些實施例中，引體可包括5至15個鹼基、10至20個鹼基、15至25個鹼基、20至30個鹼基、25至35個鹼基、30至40個鹼基、35至45個鹼基、40至50個鹼基、45至55個鹼基、50至60個鹼基、55至65個鹼基、60至70個鹼基、65至75個鹼基、70至80個鹼基、75至85個鹼基、80至90個鹼基、85至95個鹼基、90至100個鹼基、95至105個鹼基、100至150個鹼基、125至175個鹼基、150至200個鹼基或多於200個鹼基。
如本申請案中所闡述，測序可包含藉由合成與模板互補或類似之另一生物分子(諸如藉由合成與模板核酸分子互補之核酸分子)且識別核苷酸隨著時間之併入(例如，合成測序)而判定模板生物分子(例如，核酸分子)之個別亞單位。作為替代方案，測序可包含生物分子之個別亞單元之直接識別。
Ⅳ.系統之額外態樣
本文中所闡述之分析系統可包含整合式裝置及經組態以與該整合式裝置介接之儀器。該整合式裝置可包含像素陣列，其中像素包含反應室及至少一個光偵測器。該整合式裝置之表面可具有複數個反應室，其中反應室經組態以自放置於該整合式裝置之該表面上之懸浮液接納樣本。懸浮液可含有相同類型之多個樣本，且在某些實施例中含有不同類型之樣本。就此而言，如本文中所使用之片語「所關注樣本」可係指分散於懸浮液中之相同類型之複數個樣本(舉例而言)。類似地，如本文中所使用之片語「所關注分子」可係指安置於懸浮液中之相同類型之複數個分子。該複數個反應室可具有適合大小及形狀，使得該等反應室之至少一部分自懸浮液接納一個樣本。在某些實施例中，反應室內之樣本數目可分佈在該等反應室當中，使得某些反應室含有一個樣本，其中其他反應室含有零個、兩個或兩個以上樣本。
在某些實施例中，懸浮液可含有多個單鏈DNA模板，且整合式裝置之表面上之個別反應室可經定大小且經塑形以接納測序模板。測序模板可分佈在該整合式裝置之該等反應室當中，使得該整合式裝置之該等反應室之至少一部分含有測序模板。該懸浮液亦可含有經標記核苷酸，該等經標記核苷酸然後進入反應室且可允許在核苷酸併入至與反應室中之單鏈DNA模板互補之DNA鏈中時識別該核苷酸。在某些實施例中，該懸浮液可含有測序模板且隨後可在核苷酸併入至反應室內之互補鏈中時將經標記核苷酸引入至該反應室。以此方式，核苷酸併入之定時可受將經標記核苷酸引入至整合式裝置之反應室之時間控制。
自與該整合式裝置之該像素陣列分開定位之激發源提供激發光。該激發光至少部分地由該整合式裝置之元件引導朝向一或多個像素以照射該反應室內之照射區域。標誌然後可在位於該照射區域內時且回應於由激發光照射而發射發射光。在某些實施例中，一或多個激發源係系統之儀器之一部分，其中該儀器及該整合式裝置之組件經組態以將該激發光朝向一或多個像素引導。
自反應室發射(例如 ，由螢光標記)之發射光然後可由在該整合式裝置之像素內之一或多個光偵測器偵測。該所偵測到之發射光之特性可提供用於識別與該發射光相關聯之該標誌之指示。此等特性可包含任何適合類型之特性，包含由光偵測器偵測到之光子之到達時間、由光偵測器隨著時間累積之光子之量及/或光子跨越兩個或兩個以上光偵測器之分佈。在某些實施例中，光偵測器可具有允許與發射光相關聯之一或多個定時特性(例如 ，螢光壽命)之偵測之組態。該光偵測器可在激發光脈衝傳播穿過該整合式裝置之後偵測光子到達時間分佈，且該到達時間分佈可提供該發射光之定時特性之指示(例如 ，螢光壽命之代理)。在某些實施例中，一或多個光偵測器提供由標誌發射之發射光之概率(例如 ，螢光強度)之指示。在某些實施例中，複數個光偵測器可經定大小且經配置以擷取該發射光之空間分佈。來自該一或多個光偵測器之輸出信號然後可用於自複數個標誌當中區分一標誌，其中該複數個標誌可用於識別樣本或其結構。在某些實施例中，樣本可由多個激發能量激發，且發射光及/或回應於多個激發能量來自反應室之發射光之定時特性可自複數個標誌區分一標誌。
在圖5-1A中圖解說明系統5-100之示意性概圖。該系統包括與儀器5-104介接之整合式裝置5-102兩者。在某些實施例中，儀器5-104可包含整合為儀器5-104之一部分之一或多個激發源5-106。在某些實施例中，激發源可在儀器5-104及整合式裝置5-102兩者外部，且儀器5-104可經組態以自該激發源接收激發光且將激發光引導至該整合式裝置。該整合式裝置可使用用於接納該整合式裝置且將其固持為與該激發源精確光學對準之任何適合插座來與該儀器介接。激發源5-106可經組態以將激發光提供至整合式裝置5-102。如圖5-1A中示意性地圖解說明，整合式裝置5-102具有複數個像素5-112，其中像素之至少一部分可執行對所關注樣本之獨立分析。此等像素5-112可稱為「被動源像素」，此乃因像素自與該像素分開之源5-106接收激發光，其中來自該源之激發光激發像素5-112中之某些或全部像素。激發源5-106可為任何適合光源。在2015年8月7日提出申請之標題為「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」之第14/821,688號美國專利申請案中闡述適合激發源之實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入。在某些實施例中，激發源5-106包含經組合以將激發光遞送至整合式裝置5-102之多個激發源。該多個激發源可經組態以產生多個激發能量或波長。
像素5-112具有經組態以接納單個所關注樣本之反應室5-108及用於偵測回應於用由激發源5-106提供之激發光照射該樣本及反應室5-108之至少一部分而自該反應室發射之發射光的光偵測器5-110。在某些實施例中，反應室5-108可將樣本保持為接近於整合式裝置5-102之表面，此可使將激發光遞送至樣本且偵測來自樣本或反應組份(例如 ，經標記核苷酸)之發射光變容易。
用於將激發光自激發光源5-106耦合至整合式裝置5-102且將激發光導引至反應室5-108之光學元件位於整合式裝置5-102及儀器5-104兩者上。源至室光學元件可包括位於整合式裝置5-102上以將激發光耦合至整合式裝置之一或多個光柵耦合器及用以將激發光自儀器5-104遞送至像素5-112中之反應室之波導。一或多個光學分裂器元件可定位於光柵耦合器與該等波導之間。該光學分裂器可耦合來自光柵耦合器之激發光且將激發光遞送至該等波導中之至少一者。在某些實施例中，該光學分裂器可具有如下之組態：允許將激發光遞送為跨越所有波導實質上均勻，使得該等波導中之每一者接收實質上類似量之激發光。此等實施例可藉由改良由整合式裝置之反應室接收之激發光之均勻性而改良整合式裝置之效能。
反應室5-108、激發源至室光學器件之一部分及反應室至光偵測器光學器件位於整合式裝置5-102上。激發源5-106及源至室組件之一部分位於儀器5-104中。在某些實施例中，單個組件可在將激發光耦合至反應室5-108且將發射光自反應室5-108遞送至光偵測器5-110兩者中起作用。在2015年8月7日提出申請之標題為「INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES」之第14/821,688號美國專利申請案及2014年11月17日提出申請之標題為「INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALYZING MOLECULES」之第14/543,865號美國專利申請案(其兩者皆以全文引用方式併入)中闡述將包含於整合式裝置中之用於將激發光耦合至反應室及/或將發射光引導至光偵測器之適合組件之實例。
像素5-112與其自身之個別反應室5-108及至少一個光偵測器5-110相關聯。整合式裝置5-102之該複數個像素可經配置以具有任何適合形狀、大小及/或尺寸。整合式裝置5-102可具有任一適合數目個像素。整合式裝置2-102中之像素數目可在大致10,000個像素至1,000,000個像素之範圍內或為彼範圍內之任一值或值範圍。在某些實施例中，該等像素可配置於512個像素×512個像素之陣列中。整合式裝置5-102可以任何適合方式與儀器5-104介接。在某些實施例中，儀器5-104可具有以可拆卸方式耦合至整合式裝置5-102之介面，使得使用者可將整合式裝置5-102附接至儀器5-104以使用整合式裝置5-102來分析懸浮液中之至少一個所關注樣本且將整合式裝置5-102自儀器5-104移除以允許另一整合式裝置經附接。儀器5-104之介面可將整合式裝置5-102定位為與儀器5-104之電路耦合以允許來自一或多個光偵測器之讀出信號傳輸至儀器5-104。整合式裝置5-102及儀器5-104可包含用於處置與大像素陣列(例如 ，多於10,000個像素)相關聯之資料之多通道高速通信鏈路。
在圖5-1B中展示整合式裝置5-102之剖面示意圖，其圖解說明像素5-112列。整合式裝置5-102可包含耦合區域5-201、路由區域5-202及像素區域5-203。像素區域5-203可包含具有定位於表面上在與耦合區域5-201分開之位置處之反應室5-108之複數個像素5-112，耦合區域5-201係激發光(經展示為虛箭頭)耦合至整合式裝置5-102之地方。反應室5-108可穿過金屬層5-116而形成。由虛線矩形圖解說明之一個像素5-112係整合式裝置5-102之區域，該區域包含反應室5-108及具有一或多個光偵測器5-110之光偵測器區域。
圖5-1B圖解說明藉由將激發光射束耦合至耦合區域5-201且耦合至反應室5-108而形成之激發路徑(以虛線展示)。圖5-1B中所展示之反應室5-108列可經定位以與波導5-220光學耦合。激發光可照射位於反應室內之樣本。該樣本或反應組份(例如 ，螢光標記)可回應於由該激發光照射而達到受激發狀態。當處於受激發狀態中時，該樣本或反應組份可發射發射光，該發射光可由與反應室相關聯之一或多個光偵測器偵測。圖5-1B示意性地圖解說明自像素5-112之反應室5-108至光偵測器5-110之發射光路徑(經展示為實線)。像素5-112之光偵測器5-110可經組態且經定位以偵測來自反應室5-108之發射光。在2015年8月7日提出申請之標題為「INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS」之第14/821,656號美國專利申請案中闡述適合光偵測器之實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入。對於個別像素5-112，反應室5-108及其各別光偵測器5-110可沿著共同軸線(沿著圖5-1B中所展示之y方向)對準。以此方式，光偵測器可在像素5-112內與反應室重疊。
來自反應室5-108之發射光之方向性可取決於反應室5-108中之樣本相對於金屬層5-116之定位，此乃因金屬層5-116可用於反射發射光。以此方式，金屬層5-116與定位於反應室5-108中之螢光標誌之間的距離可影響光偵測器5-110之效率，光偵測器5-110與反應室在同一像素中以偵測由螢光標誌發射之光。金屬層5-116與反應室5-108之底部表面(其接近於在操作期間可定位樣本之地方)之間的距離可在100 nm至500 nm之範圍中，或為彼範圍中之任一值或值範圍。在某些實施例中，金屬層5-116與反應室5-108之底部表面之間的距離係大致300 nm。
該樣本與該(等)光偵測器之間的距離亦可影響偵測發射光之效率。藉由減小光必須在該樣本與該(等)光偵測器之間行進之距離，可改良發射光之偵測效率。另外，該樣本與該(等)光偵測器之間的較小距離可允許佔據整合式裝置之較小區域佔用面積之像素，此可允許較高數目個像素包含於整合式裝置中。反應室5-108之底部表面與光偵測器之間的距離可在1 µm至15 µm之範圍中，或為彼範圍中之任一值或值範圍。
光子結構5-230可定位於反應室5-108與光偵測器5-110之間且經組態以減少或阻止激發光到達光偵測器5-110，此可以其他方式促成在偵測發射光時之信號雜訊。如圖5-1B中所展示，一或多個光子結構5-230可定位於波導5-220與光偵測器5-110之間。光子結構5-230可包含一或多個光學拒斥光子結構，其包含光譜濾波器、極化濾波器及空間濾波器。光子結構5-230可經定位以沿著共同軸線與個別反應室5-108及其各別光偵測器5-110對準。根據某些實施例，可用作整合式裝置5-102之電路之金屬層5-240亦可用作空間濾波器。在此等實施例中，一或多個金屬層5-240可經定位以阻擋某些或所有激發光到達光偵測器5-110。
耦合區域5-201可包含經組態以耦合來自外部激發源之激發光之一或多個光學組件。耦合區域5-201可包含經定位以接收激發光射束之某些或全部之光柵耦合器5-216。在2017年12月15日提出申請之標題為「OPTICAL COUPLER AND WAVEGUIDE SYSTEM」之第15/844,403號美國專利申請案中闡述適合光柵耦合器之實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入。光柵耦合器5-216可將激發光耦合至波導5-220，波導5-220可經組態以將激發光傳播至一或多個反應室5-108附近。另一選擇係，耦合區域5-201可包括用於將光耦合至波導中之其他眾所周知之結構。
位於整合式裝置外之組件可用於將激發源5-106定位且對準至整合式裝置。此等組件可包含光學組件，其包含透鏡、鏡、稜鏡、窗、光圈、衰減器及/或光纖。額外機械組件可包含於儀器中以允許控制一或多個對準組件。此等機械組件可包含致動器、步進馬達及/或旋鈕。在2016年5月20日提出申請之標題為「PULSED LASER AND SYSTEM」之第15/161,088號美國專利申請案中闡述適合激發源及對準機構之實例，該美國專利申請案以其全文引用方式併入。在2017年12月14日提出申請之標題為「COMPACT BEAM SHAPING AND STEERING ASSEMBLY」之第15/842,720號美國專利申請案中闡述射束操縱模組之另一實例，該美國專利申請案以引用方式併入本文中。
待分析之樣本可引入至像素5-112之反應室5-108中。該樣本可係生物樣本或任何其他適合樣本，諸如化學樣本。在某些情形中，懸浮液可包含多個所關注分子且反應室可經組態以隔離單分子。在某些例項中，反應室之尺寸可用於將單分子拘限在反應室內，從而允許對單分子執行量測。可將激發光遞送至反應室5-108中，以便在樣本或附接至樣本或以其他方式與樣本相關聯之至少一個螢光標誌位於反應室5-108內之照射區內時激發該樣本或至少一個螢光標誌。
在操作中，藉由使用激發光激發反應室內之樣本中之某些或所有樣本且用光偵測器偵測表示來自反應室之發射光之信號而實施對反應室內之樣本之並行分析。來自樣本或反應組份(例如 ，螢光標記)之發射光可由對應光偵測器偵測且經轉換為至少一個電信號。該等電信號可沿著在整合式裝置之電路中之導電線(例如 ，金屬層5-240)傳輸，該等導電線可連接至與整合式裝置介接之儀器。隨後可處理及/或分析該等電信號。對電信號之處理或分析可發生在位於儀器上或外之適合計算裝置上。
儀器5-104可包含用於控制儀器5-104及/或整合式裝置5-102之操作之使用者介面。該使用者介面可經組態以允許使用者將資訊(諸如用於控制儀器之功能化之命令及/或設定)輸入至儀器中。在某些實施例中，該使用者介面可包含按鈕、開關、撥號盤及用於語音命令之麥克風。該使用者介面可允許使用者接收關於儀器及/或整合式裝置之效能之回饋，諸如恰當對準及/或由來自整合式裝置上之光偵測器之讀出信號獲得之資訊。在某些實施例中，該使用者介面可使用揚聲器提供回饋以提供聽覺回饋。在某些實施例中，該使用者介面可包含指示器燈及/或顯示螢幕以用於將視覺回饋提供給使用者。
在某些實施例中，儀器5-104可包含經組態以與計算裝置連接之電腦介面。電腦介面可係USB介面、火線介面或任何其他適合電腦介面。計算裝置可係任何一般用途電腦，諸如膝上型或桌上型電腦。在某些實施例中，計算裝置可係可經由適合電腦介面在無線網路上訪問之伺服器(例如 ，基於雲端之伺服器)。該電腦介面可促進儀器5-104與計算裝置之間的資訊通信。用於控制及/或組態儀器5-104之輸入資訊可經由電腦介面提供至計算裝置且傳輸至儀器5-104。由儀器5-104產生之輸出資訊可由計算裝置經由電腦介面接收。輸出資訊可包含關於儀器5-104之效能、整合式裝置5-102之效能之回饋及/或依據光偵測器5-110之讀出信號產生之資料。
在某些實施例中，儀器5-104可包含經組態以分析自整合式裝置5-102之一或多個光偵測器接收之資料及/或將控制信號傳輸至激發源2-106之處理裝置。在某些實施例中，該處理裝置可包括一般用途處理器，特殊調適之處理器(例如 ，中央處理單元(CPU)，諸如一或多個微處理器或微控制器核心、場可程式化閘陣列(FPGA)、特殊應用積體電路(ASIC)、定製積體電路、數位信號處理器(DSP)或其組合)。在某些實施例中，處理來自一或多個光偵測器之資料可由儀器5-104之處理裝置及外部計算裝置兩者執行。在其他實施例中，可省略外部計算裝置且處理來自一或多個光偵測器之資料可單獨由整合式裝置5-102之處理裝置執行。
在圖5-2中繪示發生在反應室5-330中之生物反應之非限制性實例。在此實例中，核苷酸及/或核苷酸類似物至與目標核酸互補之生長鏈中之順序併入發生在反應室中。可偵測到該順序併入以將一系列核酸(例如 ，DNA、RNA)測序。該反應室可具有在大致100 nm至大致500 nm之範圍中或為彼範圍內之任一值或值範圍之深度，及在大致80 nm至大致200 nm之範圍中之直徑。金屬化層5-540 (例如 ，電參考電位之金屬化)可在光偵測器上面經圖案化以提供阻擋來自毗鄰反應室及其他非需要光源之雜散光之孔隙。根據某些實施例，聚合酶5-520可位於反應室5-330內(例如 ，附接至反應室之底座)。該聚合酶可吸收目標核酸5-510 (例如 ，自DNA導出之核酸之一部分)，且將生長互補核酸鏈測序以產生生長DNA鏈5-512。用不同螢光團標記之核苷酸及/或核苷酸類似物可分散於在反應室上面及反應室內之懸浮液中。
當經標記核苷酸及/或核苷酸類似物5-610併入至生長互補核酸鏈中(如圖5-3中所繪示)時，可由自波導5-315耦合至反應室5-330中之光學能量脈衝重複地激發一或多個所附接螢光團5-630。在某些實施例中，螢光團或若干螢光團5-630可藉助任一適合連接體5-620附接至一或多個核苷酸及/或核苷酸類似物5-610。併入事件可持續高達大約100 ms之時間週期。在此時間期間，因藉由來自鎖模雷射之脈衝激發該(等)螢光團而產生之螢光發射脈衝可用時間方格化光偵測器5-322來偵測。藉由將具有不同發射特性(例如 ，螢光衰變速率、強度、螢光波長)之螢光團附接至不同核苷酸(A、C、G、T)，偵測且區分不同發射特性，同時DNA鏈5-512併入核酸且使得能夠判定生長之DNA鏈之核苷酸序列。
根據某些實施例，經組態以基於螢光發射特性而分析樣本之儀器5-104可偵測不同螢光分子之間的螢光壽命及/或強度差異，及/或不同環境中之相同螢光分子之間的壽命及/或強度差異。藉由闡釋方式，圖5-4標繪兩個不同螢光發射概率曲線(A及B)，其可表示來自兩個不同螢光分子之螢光發射(舉例而言)。參考曲線A (虛線)，在由短或超短光學脈衝激發之後，來自第一分子之螢光發射之概率pA (t) 可隨時間衰變，如所繪示。在某些情形中，隨著時間而發射光子之概率之降低可由指數衰變函數
Figure 02_image001
表示，其中PAo 係初始發射概率且τA 係表徵發射衰變概率之與第一螢光分子相關聯之時間參數。τA 可稱為第一螢光分子之「螢光壽命」、「發射壽命」或「壽命」。在某些情形中，τA 之值可因螢光分子之區域環境而更改。其他螢光分子可具有與曲線A中所展示之發射特性不同之發射特性。舉例而言，另一螢光分子可具有不同於單個指數衰變之衰變分佈型，且其壽命可由半生期值或某一其他度量表徵。
第二螢光分子可具有係指數的但具有明顯不同壽命τB (如圖5-4中針對曲線B所繪示)之衰變分佈型。在所展示之實例中，曲線B之第二螢光分子之壽命比曲線A之壽命短，且發射概率在激發第二分子之後不久比曲線A更高。在某些實施例中，不同螢光分子可具有範圍介於自大約0.1 ns至大約20 ns之壽命或半生期值。
發明人已認識到且瞭解到，螢光發射壽命之差異可用於在不同螢光分子之存在或不存在之間進行辨別及/或在螢光分子所經受之不同環境或條件之間進行辨別。在某些情形中，基於壽命(而非發射波長，舉例而言)而辨別螢光分子可簡化儀器5-104之態樣。作為實例，波長區別光學器件(諸如波長濾波器、針對每一波長之專用偵測器、在不同波長下之專用脈衝光學源及/或繞射光學器件)可在數量上減少或在基於壽命而辨別螢光分子時經消除。在某些情形中，在單個特性波長下操作之單個脈衝光學源可用於激發在光學光譜之相同波長區域內發射但具有明顯不同壽命之不同螢光分子。使用單個脈衝光學源而非在不同波長下操作之多個源來激發且辨別在相同波長區域中發射之不同螢光分子之分析系統操作且維持起來可係不太複雜的，更緊湊的，且可以較低成本來製造。
儘管基於螢光壽命分析之分析系統可具有特定益處，但可藉由允許額外偵測技術而增加由分析系統獲得之資訊量及/或偵測準確度。舉例而言，某些分析系統5-160可另外經組態以基於螢光波長及/或螢光強度而辨別樣本之一或多個性質。
再次參考圖5-4，根據某些實施例，可用經組態以在激發螢光分子之後將螢光發射事件時間方格化之光偵測器區分不同螢光壽命。該時間方格化可發生在光偵測器之單個電荷累積循環期間。電荷累積循環係讀出事件之間的間隔，在該間隔期間光生載子累積在時間方格化光偵測器之方格中。在圖5-5中以圖表方式介紹藉由發射事件之時間方格化判定螢光壽命之概念。在恰好在t1 之前之時間te 處，螢光分子或相同類型(例如 ，與圖5-4之曲線B對應之類型)之螢光分子總體由短或超短光學脈衝激發。對於大分子總體，發射強度可具有類似於曲線B之時間分佈型，如圖5-5中所繪示。
然而，針對此實例，對於單分子或小數目個分子，根據圖5-4中之曲線B之統計資料發生螢光光子發射。時間方格化光偵測器5-322可將自發射事件產生之載子累積至關於螢光分子之激發時間在時間上經解析之離散時間方格(圖5-5中指示三個)中。當對大數目個發射事件求和時，累積在時間方格中之載子可近似圖5-5中所展示之衰變強度曲線，且經方格化信號可用於在不同螢光分子或不同環境(螢光分子位於其中)之間進行區分。
在2015年8月7日提出申請之標題為「INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS」之第14/821,656號美國專利申請案中闡述時間方格化光偵測器之實例，該美國專利申請案以引用方式併入本文中。出於闡釋目的，在圖5-6A中繪示時間方格化光偵測器之非限制性實施例。單個時間方格化光偵測器5-900可包括光子吸收/載子產生區域5-902、載子行進/捕獲區域5-906以及具有一或多個電荷載子儲存區域5-908a、5-908b、5-908c (其可對應於時間方格)之載子存儲區域。該載子行進/捕獲區域可藉由載子運送通道5-907連接至該等電荷載子儲存區域。僅展示三個載子儲存方格，但可存在更多或更少載子儲存方格。在某些實施例中，單個時間方格化光偵測器5-900包含至少兩個電荷載子儲存區域。可存在連接至電荷載子儲存區域之讀出通道5-910。光子吸收/載子產生區域5-902、載子行進/捕獲區域5-906、電荷載子儲存區域5-908a、5-908b、5-908c及讀出通道5-910可藉由對半導體進行區域地摻雜及/或形成毗鄰絕緣區域而形成以提供光偵測能力且拘限載子。時間方格化光偵測器5-900可包含經形成以與載子行進/捕獲區域5-906連接之漏極5-904。漏極5-904可經組態以在特定時間處丟棄電荷載子。藉由以此方式移除光生電荷載子，可丟棄回應於激發光而產生之非需要電荷載子。時間方格化光偵測器5-900可包含形成於基板上之經組態以在裝置中產生用於運送電荷載子穿過光偵測器之電場之複數個電極5-920、5-922、5-932、5-934、5-936、5-940。該複數個電極可確立電位梯度，使得電荷載子朝向漏極5-904行進。
在操作中，螢光光子可在不同時間處被接納在光子吸收/載子產生區域5-902處且產生載子。舉例而言，在大致時間t1 處，三個螢光光子可在光子吸收/載子產生區域5-902之耗盡區域中產生三個載子電子。裝置中之電場(由於對電極5-920及5-922以及視情況或替代地對5-932、5-934、5-936之摻雜及/或外部所施加偏壓)可使載子移動至載子行進/捕獲區域5-906。在載子行進/捕獲區域中，行進距離轉化成在激發螢光分子之後之時間。在稍後時間t5 處，另一螢光光子可被接納在光子吸收/載子產生區域5-902中且產生額外載子。此時，前三個載子已行進至載子行進/捕獲區域5-906中毗鄰於第二儲存方格5-908b之位置。在稍後時間t7 處，可在電極5-932、5-934、5-936與電極5-940之間施加電偏壓以將載子自載子行進/捕獲區域5-906橫向運送至儲存方格。該前三個載子然後可經運送至第一方格5-908a且保持於第一方格5-908a中且稍後產生之載子可經運送至第三方格5-908c且保持於第三方格5-908c中。在某些實施方案中，與每一儲存方格對應之時間間隔處於亞奈秒時間尺度，儘管可在某些實施例中(例如 ，在其中螢光團具有較長衰變時間之實施例中)使用較長時間尺度。
在激發事件(例如 ，來自脈衝光學源之激發脈衝)之後產生電荷載子且將電荷載子時間方格化之程序可在光偵測器5-900之單個電荷累積循環期間在單個激發脈衝之後發生一次或在多個激發脈衝之後重複多次。在完成電荷累積之後，載子可經由讀出通道5-910自儲存方格讀出。舉例而言，適當偏壓序列可施加至至少電極5-940及下游電極(未展示)以將載子自儲存方格5-908a、5-908b、5-908c移除。
時間方格化光偵測器5-900可經組態以丟棄自激發光或其他非需要光之光子產生之電荷載子。可對提高載子行進/捕獲區域5-906內之一或多個電位障壁之定時進行定時，使得由非需要(包含激發光)產生之光生載子朝向漏極5-904且不朝向電荷載子儲存區域5-908a、5-908b、5-908c行進。將電壓施加至電極(諸如電極5-922)以提高電位障壁之定時可發生在一時間週期之後，使得在該時間週期期間產生之電荷載子中之某些或所有電荷載子朝向漏極5-904行進且未經引導至電荷載子儲存區域5-908a、5-908b、5-908c。在該時間週期之後產生之後續電荷載子可選擇性地經引導至電荷載子儲存區域5-908a、5-908b、5-908c。在某些實施例中，激發光係激發光脈衝，且時間方格化光偵測器5-900可經組態以丟棄在第一時間週期內自激發光脈衝之光子產生之電荷載子中之至少某些電荷載子。在第一時間週期之後，時間方格化光偵測器5-900可在第二時間週期內基於產生電荷載子之時間而將由入射光子產生之一或多個電荷載子選擇性地引導至各別電荷載子儲存區域中。
在若干個激發事件之後，可讀出每一電子儲存方格中之所累積信號以提供具有表示螢光發射衰變速率之對應方格之直方圖(舉例而言)。在圖5-7A及圖5-7B中圖解說明此程序。該直方圖之方格可指示在激發反應室中之該(等)螢光團之後在每一時間間隔期間偵測之光子數目。在某些實施例中，將在大數目個激發脈衝之後累積針對該等方格之信號，如圖5-7A中所繪示。該等激發脈衝可出現在藉由脈衝間隔時間T 分開之時間te1 、te2 、te3 、…teN 處。可存在在電子儲存方格中之信號之累積期間施加至反應室之介於105 個與107 個之間的激發脈衝。在某些實施例中，一個方格(方格0)可經組態以偵測隨每一光學脈衝而遞送之激發光之振幅，且用作參考信號(例如 ，用以將資料正規化)。
在某些實施例中，時間方格化光偵測器可在光子吸收/載子產生區域中產生電荷載子且將電荷載子直接轉移至電荷載子儲存區域中之電荷載子儲存方格。在此等實施例中，該時間方格化光偵測器可不包含載子行進/捕獲區域。此時間方格化光偵測器可稱為「直接方格化像素」。在2017年12月22日提出申請之標題為「INTEGRATED PHOTODETECTOR WITH DIRECT BINNING PIXEL」之第15/852,571號美國專利申請案中闡述時間方格化光偵測器(包含直接方格化像素)之實例，該美國專利申請案以引用方式併入本文中。出於闡釋目的，在圖5-6B中繪示時間方格化光偵測器之非限制性實施例。如圖5-6B中所展示，時間方格化光偵測器5-950包含光子吸收/載子產生區域5-952、電荷載子儲存區域5-958之方格及自電荷載子儲存區域5-958之方格讀出信號之讀出電路5-960。電荷載子轉移至之方格基於產生電荷載子的光子吸收/載子產生區域5-952中之光子之到達時間。圖5-6B展示在電荷載子儲存區域5-958中具有兩個方格之時間方格化光偵測器之實例：方格0及方格1。在某些例項中，方格0可聚合在觸發事件(例如 ，激發光脈衝)之後在一個週期中所接收之電荷載子，且方格1可聚合關於觸發事件在稍後時間週期中所接收之電荷載子。然而，電荷儲存區域5-958可具有任一數目個方格，諸如一個方格、三個方格、四個方格或更多方格。時間方格化光偵測器5-950可包含可經組態以施加電壓以確立引導電荷載子之電位梯度之電極5-953、5-955及5-956。時間方格化光偵測器5-950可包含拒斥區域5-965，拒斥區域5-965可用作漏極或以其他方式經組態以丟棄在光子吸收/載子產生區域5-952中產生之電荷載子。電荷載子由拒斥區域5-965拒斥之時間週期可經定時以發生在觸發事件(諸如激發光脈衝)期間。
由於激發光脈衝可在光子吸收/載子產生區域5-952中產生若干個非需要電荷載子，因此可在時間方格化光偵測器5-950中確立在拒斥週期期間將此等電荷載子汲取至拒斥區域5-965之電位梯度。作為實例，拒斥區域5-965可包含其中電子經汲取至供應電壓之高電位擴散區。拒斥區域5-965可包含將區域5-952直接電荷耦合至拒斥區域5-965之電極5-956。可使電極5-956之電壓變化以確立光子吸收/載子產生區域5-952中之所要電位梯度。在拒斥週期期間，電極5-956之電壓可經設定至將載子自光子吸收/載子產生區域5-952牽引至電極5-956中且離開而達到供應電壓之位準。舉例而言，電極5-956之電壓可設定至正電壓以吸引電子，使得將該等電子牽引遠離光子吸收/載子產生區域5-952到達拒斥區域5-965。拒斥區域5-965可被視為「橫向拒斥區域」，此乃因其允許將載子自區域5-952橫向轉移至漏極。
在拒斥週期之後，可將在光子吸收/載子產生區域5-952中產生之光生電荷載子時間方格化。個別電荷載子可基於其到達時間而經引導至方格。如此操作，可在各別時間週期中改變光子吸收/載子產生區域5-952與電荷載子儲存區域5-958之間的電位以確立致使光生電荷載子經引導至各別時間方格之電位梯度。舉例而言，在第一時間週期期間，可降低由電極5-953形成之障壁5-962，且可自光子吸收/載子產生區域5-952至方格0確立電位梯度，使得在此週期期間產生之載子轉移至方格0。然後，在第二時間週期期間，可降低由電極5-955形成之障壁5-964，且可自光子吸收/載子產生區域5-952至方格1確立電位梯度，使得在此稍後週期期間產生之載子轉移至方格1。
在某些實施方案中，在激發事件之後可自螢光團發射平均僅單個光子，如圖5-7A中所繪示。在時間te1 處之第一激發事件之後，時間tf1 處之所發射光子可出現在第一時間間隔內，使得所得電子信號累積在第一電子儲存方格中(促成方格1)。在時間te2 處之後續激發事件中，時間tf2 處之所發射光子可出現在第二時間間隔內，使得所得電子信號促成方格2。
在大數目個激發事件及信號累積之後，可讀出時間方格化光偵測器5-322之電子儲存方格以為反應室提供多值信號(例如 ，兩個或兩個以上值之直方圖、N維向量等)。每一方格之信號值可取決於螢光團之衰變速率。舉例而言且再次參考圖5-4，具有衰變曲線B之螢光團將具有比具有衰變曲線A之螢光團高的在方格1與方格2中之信號之比率。來自該等方格之該等值可經分析且與校準值及/或彼此進行比較，以判定特定螢光團，此又識別在處於反應室中時鏈接至螢光團之核苷酸或核苷酸類似物(或任何其他分子或所關注樣本)。
為進一步輔助理解信號分析，所累積多方格值可經標繪為直方圖，如圖5-7B (舉例而言)中所繪示，或可經記錄為N維空間中之向量或位置。可單獨執行校準運行以針對鏈接至四個核苷酸或核苷酸類似物之四個不同螢光團獲取多值信號(例如 ，校準直方圖)之校準值。作為實例，可出現校準直方圖，如圖5-8A (與T核苷酸相關聯之螢光標記)、圖5-8B (與A核苷酸相關聯之螢光標記)、圖5-8C(與C核苷酸相關聯之螢光標記)及圖5-8D (與G核苷酸相關聯之螢光標記)中所繪示。所量測多值信號(對應於圖5-7B之直方圖)與校準多值信號之比較可判定併入至生長DNA鏈中之核苷酸或核苷酸類似物之身份「T」(圖5-8A)。
在某些實施方案中，另外或替代地，可使用螢光強度來在不同螢光團之間進行區分。舉例而言，某些螢光團可以顯著不同強度進行發射或在其激發概率方面具有顯著差(例如 ，至少大約35%之差)，即使其衰變速率可係類似的。藉由使經方格化信號(方格1至3)與所量測激發光方格0進行參照，基於強度位準而區分不同螢光團可係可能的。
在某些實施例中，同一類型之不同數目個螢光團可鏈接至不同核苷酸或核苷酸類似物，使得可基於螢光團強度而識別核苷酸。舉例而言，兩個螢光團可鏈接至第一核苷酸(例如 ，「C」)或核苷酸類似物且四個或四個以上螢光團可鏈接至第二核苷酸(例如 ，「T」)或核苷酸類似物。由於不同數目個螢光團，因此可存在與不同核苷酸相關聯之不同激發及螢光團發射概率。舉例而言，在信號累積間隔期間可存在「T」核苷酸或核苷酸類似物之更多發射事件，使得方格之視在強度顯著高於「C」核苷酸或核苷酸類似物之視在強度。
發明人已認識到且瞭解到，基於螢光團衰變速率及/或螢光團強度而區分核苷酸或任何其他生物或化學樣本達成儀器5-104中之光學激發及偵測系統之簡化。舉例而言，可用單波長源(例如 ，產生一個特性波長之源而非多個源或以多個不同特性波長操作之源)執行光學激發。另外，在偵測系統中可不需要波長區別光學器件及濾波器。而且，可針對每一反應室使用單個光偵測器以偵測來自不同螢光團之發射。
片語「特性波長」或「波長」用於係指在有限輻射頻寬內之中央或主導波長(例如 ，由脈衝光學源輸出之在20 nm頻寬內之中央或峰值波長)。在某些情形中，「特性波長」或「波長」可用於係指由源輸出之在總輻射頻寬內之峰值波長。
發明人已認識到且瞭解到，具有在介於大約560 nm與大約900 nm之間的範圍中之發射波長之螢光團可提供待由時間方格化光偵測器(其可使用CMOS程序製作於矽晶圓上)偵測之充足量之螢光。此等螢光團可鏈接至諸如核苷酸或核苷酸類似物之所關注生物分子。可在基於矽之光偵測器中以比處於較長波長之螢光高之回應率偵測在此波長範圍中之螢光發射。另外，在此波長範圍中之螢光團及相關聯連接體可不干擾將核苷酸或核苷酸類似物併入至生長DNA鏈中。發明人亦已認識到且瞭解到，可用單波長源來光學激發具有在介於大約560 nm與大約660 nm之間的範圍中之發射波長之螢光團。在此範圍中之實例性螢光團係可自馬薩諸塞州沃爾薩姆之賽默飛世爾科技公司(Thermo Fisher Scientific Inc.)購得之Alexa Fluor 647。發明人亦已認識到且瞭解到，可需要處於較短波長(例如 ，介於大約500 nm與大約650 nm之間)之激發光來激發以介於大約560 nm與大約900 nm之間的波長進行發射之螢光團。在某些實施例中，時間方格化光偵測器可(例如 )藉由將諸如Ge之其他材料併入至光偵測器主動區域中而有效地偵測來自反應室中之樣本或相關聯組份之較長波長發射。
在某些實施例中，可用一或多個標誌來標記樣本，且與該等標誌相關聯之發射可藉由儀器來辨別。舉例而言，光偵測器可經組態以將來自發射光之光子轉換為電子以形成可用於辨別取決於來自特定標誌之發射光之壽命的電信號。藉由使用具有不同壽命之標誌來標記樣本，可基於由光偵測器偵測之所得電信號而識別特定樣本。
懸浮液可含有多個類型之分子且不同發光標誌可唯一地與分子類型相關聯。在激發期間或在激發之後，發光標誌可發射發射光。該發射光之一或多個性質可用於識別該懸浮液中之一或多個類型之分子。用於在分子類型當中進行區分之該發射光之性質可包含螢光壽命值、強度及/或發射波長。光偵測器可偵測光子，包含發射光之光子，且提供指示此等性質中之一或多者之電信號。在某些實施例中，來自光偵測器之電信號可提供關於跨越一或多個時間間隔之光子到達時間分佈之資訊。該光子到達時間分佈可對應於當在由激發源發射激發光脈衝之後偵測光子之時間。時間間隔之值可對應於在該時間間隔期間偵測之光子之數目。跨越多個時間間隔之相對值可提供該發射光之時間特性(例如 ，壽命)之指示。分析樣本可包含藉由比較分佈內之兩個或兩個以上不同時間間隔之值而在若干標誌當中進行區分。在某些實施例中，可藉由跨越分佈中之所有時間方格判定光子數目而提供強度之指示。
可在各種組態中實施該等所闡述實施例。實例性組態包含下文之組態(1)至(32)及方法(33)至(53)。 (1)一種整合式裝置，其包括：反應室，其穿過該整合式裝置之表面而形成；及至少一個導電層，其形成毗鄰於該反應室安置之至少一個電極，其中該至少一個電極在經加偏壓時產生輔助將樣本裝載至該反應室中之至少一個電場。 (2)如組態(1)之整合式裝置，其中該反應室之最大尺寸小於一微米。 (3)如組態(1)或(2)之整合式裝置，其中該至少一個電極經配置以產生電場，該電場在通向該反應室之開口之500 nm內之第一區域中具有與該第一區域外部之第二區域相比較經增加之強度。 (4)如組態(1)至(3)中任一項之整合式裝置，其中該電場輔助裝載來自在該反應室上方經放置為與該表面接觸之懸浮液之樣本。 (5)如組態(1)至(4)中任一項之整合式裝置，其中該反應室經組態以固持僅一個樣本以用於分析該樣本。 (6)如組態(1)至(5)中任一項之整合式裝置，其中該反應室之底部在距光學波導一微米內終止。 (7)如組態(1)至(6)中任一項之整合式裝置，其中該至少一個導電層中之第一導電層經圖案化以毗鄰於該反應室形成兩個電極，其中該兩個電極在經加偏壓時產生主要橫向定向之電場。 (8)如組態(1)至(7)中任一項之整合式裝置，其進一步包括：半導體區域，其在基板中、該反應室下方；光偵測器，其形成於該半導體區域中；及導電互連件，其連接至該光偵測器，其中該導電互連件係該至少一個導電層中之第一導電層。 (9)如組態(1)至(8)中任一項之整合式裝置，其中該表面包括該至少一個導電層中之第一導電層之表面。 (10)如組態(1)至(9)中任一項之整合式裝置，其中該反應室延伸穿過該至少一個導電層中之一或多個導電層。 (11)如組態(1)至(10)中任一項之整合式裝置，其進一步包括形成於該反應室之側壁上且電耦合至該至少一個導電層中之第一導電層之導電材料。 (12)如組態(1)至(11)中任一項之整合式裝置，其進一步包括：介電層，其形成於該至少一個導電層中之第一導電層與第二導電層之間；及開口，其在該介電層中、與該反應室重疊，其中該介電層中之該開口之尺寸小於該反應室在該表面處之開口之尺寸。 (13)如組態(1)至(12)中任一項之整合式裝置，其中該至少一個導電層包含包括鋁及/或鈦之第一層，該第一層與包括氮化鈦之第二層接觸。 (14)如組態(1)至(13)中任一項之整合式裝置，其中該反應室之底部表面與該至少一個導電層中之第一導電層之間的距離小於400 nm。 (15)如組態(1)至(14)中任一項之整合式裝置，其中該至少一個導電層包括：第一導電層，其位於該整合式裝置之該表面處；及第二導電層，其位於該表面下方且藉由介電材料與該第一導電層分開，其中該反應室延伸穿過該第一導電層及該第二導電層。 (16)如組態(15)之整合式裝置，其中該第二導電層在橫向方向上自該反應室延伸不多於三微米，不包含連接至該第二導電層之任何導電互連件。 (17)如組態(1)至(16)中任一項之整合式裝置，其進一步包括垂直地且毗鄰於該反應室形成之導電導通孔，其中該導電導通孔將該至少一個導電層中之第一導電層連接至該反應室下方之導電互連件。 (18)如組態(1)至(17)中任一項之整合式裝置，其中該反應室係配置於該整合式裝置之該表面上且具有與該反應室相同之結構之複數個反應室中之一者，且其中該至少一個導電層進一步形成毗鄰於該複數個反應室中之每一反應室而配置之至少一個電極。 (19)如組態(18)之整合式裝置，其進一步包括偏壓電路，該偏壓電路形成於該整合式裝置上且經配置以對該複數個反應室中之每一反應室處之第一電極提供相同偏壓。 (20)如組態(18)之整合式裝置，其進一步包括偏壓電路，該偏壓電路形成於該整合式裝置上且經配置以對由該至少一個導電層中之第一導電層在第一反應室群組中之每一反應室處形成之第一電極獨立於由該第一導電層在第二反應室群組中之每一反應室處形成之第一電極而提供偏壓。 (21)如組態(18)之整合式裝置，其進一步包括偏壓電路，該偏壓電路形成於該整合式裝置上且經配置以對由該至少一個導電層中之第一導電層在該複數個反應室中之反應室處形成之第一電極獨立於由該導電層在該複數個反應室中之任一其他反應室處形成之第一電極而提供偏壓。 (22)如組態(1)至(21)中任一項之整合式裝置，其進一步包括偏壓電路，該偏壓電路形成於整合式裝置上且經配置以對該至少一個電極中之第一電極及第二電極提供第一偏壓以產生輔助將該樣本裝載至該反應室中之第一電場及不同於該第一電場之第二電場。 (23)如組態(1)至(22)中任一項之整合式裝置，其進一步包括樣本貯器，該樣本貯器與該表面進行流體密封且經組態以保持包括複數個該等樣本之懸浮液。 (24)如組態(23)之整合式裝置，其進一步包括經組態以接觸該樣本貯器中之該懸浮液之外部電極。 (25)一種用於分析樣本之設備，該設備包括具有以下各項之整合式裝置：反應室，其穿過該整合式裝置之表面而形成；及至少一個導電層，其形成毗鄰於該反應室安置之至少一個電極，其中該至少一個電極在經加偏壓時產生輔助將樣本裝載至該反應室中之至少一個電場。 (26)如組態(25)之設備，其中該反應室之最大尺寸小於一微米且該反應室經組態以固持一個樣本以用於分析該樣本。 (27)如組態(25)或(26)之設備，其進一步包括經組態以產生至少一個偏壓且將該至少一個偏壓施加至該至少一個導電層之偏壓電路。 (28)如組態(27)之設備，其中該至少一個偏壓中之第一偏壓包括週期性波形。 (29)如組態(27)之設備，其中該至少一個偏壓中之第一偏壓包括兩個週期性波形之組合。 (30)如組態(27)至(29)中任一項之設備，其進一步包括：光偵測器，其位於毗鄰於該反應室處；及回饋電路，其經配置以回應於該光偵測器偵測到該樣本已裝載於該反應室中而改變該第一偏壓。 (31)如組態(27)至(30)中任一項之設備，其進一步包括：樣本貯器，其與該表面進行流體密封且經組態以保持包括複數個該等樣本之懸浮液；及外部電極，其經組態以接觸該樣本貯器中之該懸浮液，其中該偏壓電路進一步經組態以將該至少一個偏壓中之第二偏壓施加至該外部電極。 (32)如組態(31)之設備，其中該偏壓電路進一步經組態以在第一時間間隔期間施加該第一偏壓且在不同於該第一時間間隔之第二時間間隔期間施加該第二偏壓。 可在實踐以下方法實施例中使用以上組態(1)至(32)中之至少某些組態。 (33)一種用於將所關注樣本裝載於整合式裝置中之方法，該方法包括：將包含該所關注樣本之懸浮液接納至該整合式裝置之表面上，其中該懸浮液覆蓋形成至該表面中之反應室；在第一電極與第二電極之間施加電信號；及產生操作以輔助將該所關注樣本裝載至該反應室中之電場。 (34)如(33)之方法，其中產生該電場包括產生在通向該反應室之開口之500 nm內之第一區域中具有與該第一區域外部之第二區域相比較經增加之強度之該電場。 (35)如(33)或(34)之方法，其中該第一電極位於毗鄰於該反應室處且該反應室具有小於一微米之最大尺寸。 (36)如(33)或(34)之方法，其中該第一電極在該整合式裝置外部且該反應室具有小於一微米之最大尺寸。 (37)如(33)至(36)中任一項之方法，其中該電場作用於該所關注樣本之方式不同於作用於該懸浮液中之其他組份之方式。 (38)如(33)至(37)中任一項之方法，其中施加該電信號包括：施加第一電信號以使該所關注樣本自該懸浮液朝向該整合式裝置之該表面移動；及施加第二電信號以使該所關注樣本在該反應室內移動。 (39)如(33)至(38)中任一項之方法，其中施加該電信號包括施加係兩個週期性波形之組合之電信號。 (40)如(33)至(39)中任一項之方法，其進一步包括將額外電信號施加至該第一電極，以減弱或阻礙將第二所關注樣本裝載至該反應室中。 (41)如(33)至(40)中任一項之方法，其進一步包括將額外電信號施加至該第一電極，以使該所關注樣本之一部分移出該反應室。 (42)如(33)至(41)中任一項之方法，其進一步包括在第三電極與該第一電極之間施加第二電信號，該第二電信號不同於在該第一電極與該第二電極之間施加之該電信號。 (43)如(33)至(42)中任一項之方法，其進一步包括將經組態以增加接近於該整合式裝置之該表面之該所關注樣本之濃度之擁擠試劑引入至該懸浮液中。 (44)如(43)之方法，其中該擁擠試劑係多醣。 (45)如(44)之方法，其中該多醣係選自由以下各項組成之群組之纖維素化合物：甲基纖維素、乙基纖維素、甲基乙基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥乙基甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、乙基羥乙基纖維素及羥甲基纖維素。 (46)如(33)至(45)中任一項之方法，其進一步包括將縮合劑引入至該懸浮液中，該縮合劑經組態以減少該懸浮液中之該所關注樣本之遍佈體積。 (47)如(46)之方法，其中該縮合劑包括多價陽離子，該多價陽離子在該懸浮液中係多價陽離子性，且該多價陽離子選自精胺、精三胺、聚離胺酸、聚精胺酸、聚組胺酸、聚鳥胺酸、腐胺及魚精蛋白。 (48)如(33)至(47)中任一項之方法，其中該所關注樣本包括核酸分子。 (49)如(48)之方法，其中該核酸分子介於大約1 kb與大約10 kb之間、介於大約10 kb與大約25 kb之間、介於大約25 kb與大約50 kb之間、介於大約50 kb與大約100 kb之間、介於大約100 kb與大約250 kb之間、介於大約250 kb與大約500 kb之間或介於大約500 kb與大約1000 kb之間。 (50)一種形成整合式裝置之方法，其包括：在介電材料區域上方形成至少一個導電層，其中該介電材料包含至少一個波導；穿過該至少一個導電層形成反應室；及形成至少一個電極，該至少一個電極經組態以在經加偏壓時產生操作以輔助將所關注樣本裝載至該反應室中之電場。 (51)如(50)之方法，其中該反應室具有小於一微米之最大尺寸。 (52)如(50)或(51)之方法，其中形成至少一個導電層包括在半導體區域上方形成係該半導體區域中之積體電路之一部分之導電層。 (53)如(52)之方法，其進一步包括形成經配置以偵測來自該反應室之發射光之光偵測器，其中該光偵測器係該半導體區域中之該積體電路之一部分。
Ⅳ.總結
在已闡述本申請案之技術之數個態樣及實施例之後，應瞭解，熟習此項技術者將容易地想到各種更改、修改及改良。此等更改、修改及改良意欲在申請案中所闡述之技術之精神及範疇內。因此，應理解，前述實施例僅係以實例方式呈現且在隨附申請專利範圍及其等效物之範疇內，可以不同於所特定闡述之方式來實踐發明性實施例。另外，若本文中所闡述之兩個或兩個以上特徵、系統、物品、材料、套組及/或方法不相互矛盾，則該等特徵、系統、物品、材料、套組及/或方法之任一組合包括於本發明之範疇內。
而且如所闡述，某些態樣可體現為一或多個方法。作為方法之一部分而執行之行動可以任一適合方式排序。因此，實施例可經構造，其中以不同於所圖解說明之次序執行行動，其可包含同時執行某些行動，即使在說明性實施例中經展示為順序行動。
本文所定義及使用之所有定義應理解為控制在辭典定義、以引用方式併入之文檔中之定義及/或所定義術語之普遍意義以內。
除非明確指示為相反，否則如本文中在說明書中及在申請專利範圍中使用之不定冠詞「一(a，an)」應理解為意指「至少一個」。
如本文中在說明書中及申請專利範圍中所使用，片語「及/或」應理解為意指如此結合之元件中之「任一者或兩者」，即，在某些情形中以結合方式存在且在其他情形中以分離方式存在之元件。
如本文中在說明書中及在申請專利範圍中所使用，關於一或多個要素之清單之片語「至少一個」應理解為意指至少一個選自要素清單中之任一或多個要素之要素，但未必包含要素清單內特定列出之各自及每一要素中之至少一者，且不排除要素清單中要素之任何組合。此定義亦允許可視情況存在除片語「至少一個」所指之要素清單內經特定識別之要素以外之要素，無論與特定識別之彼等要素相關還是不相關。
在申請專利範圍中以及在上文說明書中，所有過渡性片語(諸如「包括」、「包含」、「攜載」、「具有」、「含有」、「涉及」、「固持」、「由…構成」及諸如此類)應理解為係開放式，亦即，意指包含但不限於。過渡性片語「由…組成」及「基本上由…組成」應分別係封開式或半封閉式過渡性術語。
1-102‧‧‧整合式裝置 1-106‧‧‧導電層 1-106a‧‧‧導電層/層 1-106b‧‧‧導電層/層 1-106c‧‧‧導電層/層 1-106c1‧‧‧導電層/層 1-106c2‧‧‧導電層/層 1-108‧‧‧反應室 1-110‧‧‧光偵測器 1-112‧‧‧像素 1-114‧‧‧樣本貯器 1-116‧‧‧表面 1-118‧‧‧底部表面 1-203‧‧‧像素區域 1-220‧‧‧波導 1-240‧‧‧金屬層 1-240a‧‧‧金屬層 1-240b‧‧‧金屬層 2-110‧‧‧外部電極/電極 2-112‧‧‧電路/第一電路 2-116‧‧‧所關注分子 2-117‧‧‧目標 2-120‧‧‧側壁 2-122‧‧‧導電側壁/側壁 2-308‧‧‧介電層 2-312‧‧‧電路/第二電路 2-314‧‧‧介電材料 2-502‧‧‧區域 2-512‧‧‧電路 2-520‧‧‧第一電極 2-522‧‧‧第二電極 2-602‧‧‧基板 2-604‧‧‧接合 2-606‧‧‧印刷電路板基板 2-608‧‧‧觸點 2-610‧‧‧觸點 2-612‧‧‧凹陷區域 2-614‧‧‧介電材料 2-640‧‧‧互補金屬氧化物半導體區域/半導體區域 2-802‧‧‧封裝組件 2-804‧‧‧線接合 2-905‧‧‧凹陷區域 2-910‧‧‧導電導通孔 2-920‧‧‧導通孔/導電導通孔 4-102‧‧‧介電層/介電材料 4-104‧‧‧金屬層 4-106a‧‧‧導電層/層 4-106b‧‧‧導電層/層 4-106c‧‧‧導電層/層 4-108‧‧‧介電層/層 4-110‧‧‧接觸開口 4-112‧‧‧接觸開口 4-120‧‧‧側壁 4-310‧‧‧步驟 4-320‧‧‧步驟 4-330‧‧‧步驟 4-340‧‧‧步驟 4-350‧‧‧步驟 4-408‧‧‧介電層 5-100‧‧‧系統 5-102‧‧‧整合式裝置 5-104‧‧‧儀器 5-106‧‧‧激發源/激發光源 5-108‧‧‧反應室 5-110‧‧‧光偵測器 5-112‧‧‧像素 5-116‧‧‧金屬層 5-201‧‧‧耦合區域 5-202‧‧‧路由區域 5-203‧‧‧像素區域 5-216‧‧‧光柵耦合器 5-220‧‧‧波導 5-230‧‧‧光子結構 5-240‧‧‧金屬層 5-315‧‧‧波導 5-322‧‧‧時間方格化光偵測器 5-330‧‧‧反應室 5-512‧‧‧生長DNA鏈/DNA鏈 5-520‧‧‧聚合酶 5-540‧‧‧金屬化層 5-610‧‧‧核苷酸及/或核苷酸類似物 5-620‧‧‧連接體 5-630‧‧‧螢光團 5-900‧‧‧時間方格化光偵測器/光偵測器 5-902‧‧‧光子吸收/載子產生區域 5-904‧‧‧漏極 5-906‧‧‧載子行進/捕獲區域 5-907‧‧‧載子運送通道 5-908a‧‧‧電荷載子儲存區域/第一方格/儲存方格 5-908b‧‧‧電荷載子儲存區域/第二儲存方格/儲存方格 5-908c‧‧‧電荷載子儲存區域/第三方格/儲存方格 5-910‧‧‧讀出通道 5-920‧‧‧電極 5-922‧‧‧電極 5-932‧‧‧電極 5-934‧‧‧電極 5-936‧‧‧電極 5-940‧‧‧電極 5-950‧‧‧時間方格化光偵測器 5-952‧‧‧光子吸收/載子產生區域/區域 5-953‧‧‧電極 5-955‧‧‧電極 5-956‧‧‧電極 5-958‧‧‧電荷載子儲存區域/電荷儲存區域 5-960‧‧‧讀出電路 5-962‧‧‧障壁 5-964‧‧‧障壁 5-965‧‧‧拒斥區域 A‧‧‧曲線 A1‧‧‧振幅 A2‧‧‧振幅 B‧‧‧曲線 d‧‧‧距離pA(t)‧‧‧概率PAo ‧‧‧初始發射概率 t1‧‧‧時間 t2‧‧‧時間 te‧‧‧時間 te1‧‧‧時間 te2‧‧‧時間 te3‧‧‧時間 tf1‧‧‧時間 tf2‧‧‧時間 T1‧‧‧週期 T2‧‧‧週期 τA‧‧‧時間參數 τB‧‧‧壽命
將參考附圖闡述本申請案之各種態樣及實施例。應瞭解，各圖未必按比例繪製。出現在多個圖中之物項在其出現之所有圖中由同一元件符號指示。
圖1-1係根據某些實施例之整合式裝置之剖面圖之示意圖。
圖2-1係根據某些實施例之具有用於電氣動力樣本裝載之電極組態之整合式裝置之剖面圖之示意圖。
圖2-2係根據某些實施例之具有用於電氣動力樣本裝載之電極組態之整合式裝置之剖面圖之示意圖。
圖2-3係根據某些實施例之具有用於電氣動力樣本裝載之電極組態之整合式裝置之剖面圖之示意圖。
圖2-4係根據某些實施例之具有用於電氣動力樣本裝載之電極組態之整合式裝置之剖面圖之示意圖。
圖2-5係根據某些實施例之具有用於電氣動力樣本裝載之電極組態之整合式裝置之剖面圖之示意圖。
圖2-6係根據某些實施例之具有用於電氣動力樣本裝載之電極組態之整合式裝置之剖面圖之示意圖，其中至電極之觸點形成為該整合式裝置之一部分。
圖2-7係根據某些實施例之具有用於電氣動力樣本裝載之電極組態之整合式裝置之剖面圖之示意圖，其中至電極之觸點形成為該整合式裝置之一部分。
圖2-8係根據某些實施例之具有用於電氣動力樣本裝載之電極組態之整合式裝置之剖面圖之示意圖，其中至電極之觸點形成為該整合式裝置之一部分。
圖2-9係根據某些實施例之具有用於電氣動力樣本裝載之電極組態之整合式裝置之剖面圖之示意圖，其中至電極之導通孔形成為該整合式裝置之一部分。
圖3-1A係根據某些實施例之施加至用於電氣動力樣本裝載之電極之電壓信號之示意圖。
圖3-1B係根據某些實施例之提供至用於電氣動力樣本裝載之電極之電流波形之示意圖。
圖3-2係根據某些實施例之施加至用於電氣動力樣本裝載之電極之電壓信號之示意圖。
圖4-1A、圖4-1B、圖4-1C及圖4-1D繪示根據某些實施例之與形成至整合式裝置之導電層之觸點之方法相關聯之結構。
圖4-2A、圖4-2B及圖4-2C繪示根據某些實施例之與形成至整合式裝置之(若干)導電層之觸點之方法相關聯之結構。
圖4-3繪示根據某些實施例之與形成至整合式裝置之導電層之導通孔之方法相關聯之步驟。
圖4-4A、圖4-4B及圖4-4C繪示根據某些實施例之與形成經穿孔介電層之方法相關聯之結構。
圖5-1A係根據某些實施例之整合式裝置及儀器之方塊圖。
圖5-1B係根據某些實施例之包含整合式裝置之設備之示意圖。
圖5-2係根據某些實施例之具有反應室、光學波導及時間方格化光偵測器之像素之示意圖。
圖5-3係根據某些實施例之可發生在反應室內之例示性生物反應之示意圖。
圖5-4係具有不同衰變特性之兩個不同螢光團之發射概率曲線之曲線圖。
圖5-5係根據某些實施例之螢光發射之時間方格化偵測之曲線圖。
圖5-6A係根據某些實施例之例示性時間方格化光偵測器。
圖5-6B係根據某些實施例之例示性時間方格化光偵測器。
圖5-7A係圖解說明根據某些實施例之來自反應室之螢光發射之脈衝激發及經時間方格化偵測之示意圖。
圖5-7B係根據某些實施例之在樣本之重複脈衝激發之後在各種時間方格中之所累積螢光光子計數之直方圖。
圖5-8A、圖5-8B、圖5-8C及圖5-8D係根據某些實施例之可與四個核苷酸(T、A、C、G)或核苷酸類似物對應之不同直方圖。
1-106a‧‧‧導電層/層
1-106b‧‧‧導電層/層
1-108‧‧‧反應室
1-114‧‧‧樣本貯器
1-116‧‧‧表面
1-118‧‧‧底部表面
1-220‧‧‧波導
2-110‧‧‧外部電極/電極
2-112‧‧‧電路/第一電路
2-116‧‧‧所關注分子
2-117‧‧‧目標
2-120‧‧‧側壁
d‧‧‧距離

Claims (53)

  1. 一種整合式裝置，其包括： 反應室，其穿過該整合式裝置之表面而形成；及 至少一個導電層，其形成毗鄰於該反應室配置之至少一個電極，其中該至少一個電極在經加偏壓時產生輔助將樣本裝載至該反應室中之至少一個電場。
  2. 如請求項1之整合式裝置，其中該反應室之最大尺寸小於一微米。
  3. 如請求項1之整合式裝置，其中該至少一個電極經配置以產生電場，該電場在通向該反應室之開口之500 nm內之第一區域中具有與該第一區域外部之第二區域相比較經增加之強度。
  4. 如請求項1之整合式裝置，其中該電場輔助裝載來自在該反應室上方經放置為與該表面接觸之懸浮液之樣本。
  5. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其中該反應室經組態以固持僅一個樣本以用於分析該樣本。
  6. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其中該反應室之底部在距光學波導一微米內終止。
  7. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其中該至少一個導電層中之第一導電層經圖案化以毗鄰於該反應室形成兩個電極，其中該兩個電極在經加偏壓時產生主要橫向定向之電場。
  8. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其進一步包括： 半導體區域，其在基板中、該反應室下方； 光偵測器，其形成於該半導體區域中；及 導電互連件，其連接至該光偵測器，其中該導電互連件係該至少一個導電層之第一導電層。
  9. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其中該表面包括該至少一個導電層中之第一導電層之表面。
  10. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其中該反應室延伸穿過該至少一個導電層中之一或多個導電層。
  11. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其進一步包括形成於該反應室之側壁上且電耦合至該至少一個導電層中之第一導電層之導電材料。
  12. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其進一步包括： 介電層，其形成於該至少一個導電層中之第一導電層與第二導電層之間；及 開口，其在該介電層中、與該反應室重疊，其中該介電層中之該開口之尺寸小於該反應室在該表面處之開口之尺寸。
  13. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其中該至少一個導電層包含包括鋁及/或鈦之第一層，該第一層與包括氮化鈦之第二層接觸。
  14. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其中該反應室之底部表面與該至少一個導電層中之第一導電層之間的距離小於400 nm。
  15. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其中該至少一個導電層包括： 第一導電層，其位於該整合式裝置之該表面處；及 第二導電層，其位於該表面下方且藉由介電材料與該第一導電層分開，其中該反應室延伸穿過該第一導電層及該第二導電層。
  16. 如請求項15之整合式裝置，其中該第二導電層在橫向方向上自該反應室延伸不多於三微米，不包含連接至該第二導電層之任何導電互連件。
  17. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其進一步包括垂直地且毗鄰於該反應室形成之導電導通孔，其中該導電導通孔將該至少一個導電層中之第一導電層連接至該反應室下方之導電互連件。
  18. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其中該反應室係配置於該整合式裝置之該表面上且具有與該反應室相同之結構之複數個反應室中之一者，且其中該至少一個導電層進一步形成毗鄰於該複數個反應室中之每一反應室而配置之至少一個電極。
  19. 如請求項18之整合式裝置，其進一步包括偏壓電路，該偏壓電路形成於該整合式裝置上且經配置以對該複數個反應室中之每一反應室處之第一電極提供相同偏壓。
  20. 如請求項18之整合式裝置，其進一步包括偏壓電路，該偏壓電路形成於該整合式裝置上且經配置以對由該至少一個導電層中之第一導電層在第一反應室群組中之每一反應室處形成之第一電極獨立於由該第一導電層在第二反應室群組中之每一反應室處形成之第一電極而提供偏壓。
  21. 如請求項18之整合式裝置，其進一步包括偏壓電路，該偏壓電路形成於該整合式裝置上且經配置以對由該至少一個導電層中之第一導電層在該複數個反應室中之反應室處形成之第一電極獨立於由該導電層在該複數個反應室中之任一其他反應室處形成之第一電極而提供偏壓。
  22. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其進一步包括偏壓電路，該偏壓電路形成於該整合式裝置上且經配置以對該至少一個電極中之第一電極及第二電極提供第一偏壓以產生輔助將該樣本裝載至該反應室中之第一電場及不同於該第一電場之第二電場。
  23. 如請求項1至4中任一項之整合式裝置，其進一步包括與該表面進行流體密封且經組態以保持包括複數個該等樣本之懸浮液之樣本貯器。
  24. 如請求項23之整合式裝置，其進一步包括經組態以接觸該樣本貯器中之該懸浮液之外部電極。
  25. 一種用於分析樣本之設備，該設備包括具有如下各項之整合式裝置： 反應室，其穿過該整合式裝置之表面而形成；及 至少一個導電層，其形成毗鄰於該反應室而配置之至少一個電極，其中該至少一個電極在經加偏壓時產生輔助將樣本裝載至該反應室中之至少一個電場。
  26. 如請求項25之設備，其中該反應室之最大尺寸小於一微米且該反應室經組態以固持一個樣本以用於分析該樣本。
  27. 如請求項25或26之設備，其進一步包括經組態以產生至少一個偏壓且將該至少一個偏壓施加至該至少一個導電層之偏壓電路。
  28. 如請求項27之設備，其中該至少一個偏壓中之第一偏壓包括週期性波形。
  29. 如請求項27之設備，其中該至少一個偏壓中之第一偏壓包括兩個週期性波形之組合。
  30. 如請求項27之設備，其進一步包括： 光偵測器，其位於毗鄰於該反應室處；及 回饋電路，其經配置以回應於該光偵測器偵測到該樣本已裝載於該反應室中而改變該第一偏壓。
  31. 如請求項27之設備，其進一步包括： 樣本貯器，其與該表面進行流體密封且經組態以保持包括複數個該等樣本之懸浮液；及 外部電極，其經組態以接觸該樣本貯器中之該懸浮液，其中該偏壓電路進一步經組態以將該至少一個偏壓中之第二偏壓施加至該外部電極。
  32. 如請求項31之設備，其中該偏壓電路進一步經組態以在第一時間間隔期間施加該第一偏壓且在不同於該第一時間間隔之第二時間間隔期間施加該第二偏壓。
  33. 一種用於將所關注樣本裝載於整合式裝置中之方法，該方法包括： 將包含該所關注樣本之懸浮液接納至該整合式裝置之表面上，其中該懸浮液覆蓋形成至該表面中之反應室； 在第一電極與第二電極之間施加電信號；及 產生操作以輔助將該所關注樣本裝載至該反應室中之電場。
  34. 如請求項33之方法，其中產生該電場包括產生在通向該反應室之開口之500 nm內之第一區域中具有與該第一區域外部之第二區域相比較經增加之強度之該電場。
  35. 如請求項33之方法，其中該第一電極位於毗鄰於該反應室處且該反應室具有小於一微米之最大尺寸。
  36. 如請求項33至35中任一項之方法，其中該第一電極在該整合式裝置外部且該反應室具有小於一微米之最大尺寸。
  37. 如請求項33至35中任一項之方法，其中該電場作用於該所關注樣本之方式不同於作用於該懸浮液中之其他組份之方式。
  38. 如請求項33至35中任一項之方法，其中施加該電信號包括： 施加第一電信號以使該所關注樣本自該懸浮液朝向該整合式裝置之該表面移動；及 施加第二電信號以使該所關注樣本在該反應室內移動。
  39. 如請求項33至35中任一項之方法，其中施加該電信號包括施加係兩個週期性波形之組合之電信號。
  40. 如請求項33至35中任一項之方法，其進一步包括將額外電信號施加至該第一電極，以減弱或阻礙將第二所關注樣本裝載至該反應室中。
  41. 如請求項33至35中任一項之方法，其進一步包括將額外電信號施加至該第一電極，以使該所關注樣本之一部分移出該反應室。
  42. 如請求項33至35中任一項之方法，其進一步包括在第三電極與該第一電極之間施加第二電信號，該第二電信號不同於在該第一電極與該第二電極之間施加之該電信號。
  43. 如請求項33至35中任一項之方法，其進一步包括將擁擠試劑引入至該懸浮液中，該擁擠試劑經組態以增加接近於該整合式裝置之該表面之該所關注樣本之濃度。
  44. 如請求項43之方法，其中該擁擠試劑係多醣。
  45. 如請求項44之方法，其中該多醣係選自由以下各項組成之群組之纖維素化合物：甲基纖維素、乙基纖維素、甲基乙基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥乙基甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、乙基羥乙基纖維素及羧甲基纖維素。
  46. 如請求項33至35中任一項之方法，其進一步包括將縮合劑引入至該懸浮液中，該縮合劑經組態以減少該懸浮液中之該所關注樣本之遍佈體積。
  47. 如請求項46之方法，其中該縮合劑包括多價陽離子，該多價陽離子在該懸浮液中係多價陽離子性，且該多價陽離子係選自精胺、精三胺、聚離胺酸、聚精胺酸、聚組胺酸、聚鳥胺酸、腐胺及魚精蛋白。
  48. 如請求項33至35中任一項之方法，其中該所關注樣本包括核酸分子。
  49. 如請求項48之方法，其中該核酸分子係介於大約1 kb與大約10 kb之間、介於大約10 kb與大約25 kb之間、介於大約25 kb與大約50 kb之間、介於大約50 kb與大約100 kb之間、介於大約100 kb與大約250 kb之間、介於大約250 kb與大約500 kb之間或介於大約500 kb與大約1000 kb之間。
  50. 一種形成整合式裝置之方法，其包括： 在介電材料區域上方形成至少一個導電層，其中該介電材料包含至少一個波導； 穿過該至少一個導電層形成反應室；及 形成至少一個電極，該至少一個電極經組態以在經加偏壓時產生操作以輔助將所關注樣本裝載至該反應室中之電場。
  51. 如請求項50之方法，其中該反應室具有小於一微米之最大尺寸。
  52. 如請求項50或51之方法，其中形成至少一個導電層包括在半導體區域上方形成係該半導體區域中之積體電路之一部分之導電層。
  53. 如請求項52之方法，其進一步包括形成經配置以偵測來自該反應室之發射光之光偵測器，其中該光偵測器係該半導體區域中之該積體電路之一部分。
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