TWI700839B - 雙濾光器光偵測裝置及其相關的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種光偵測裝置和相應的方法。該裝置包括反應結構以容納反應溶液和至少一個反應位點，該反應位點在以反應溶液處理之後響應於入射激發光而產生光發射。該裝置還包括多個光感測器和裝置電路。該裝置還包括多個光導，該光導從接收激發光和來自至少一個相應的反應凹槽的光發射的輸入區域朝向至少一個相應的光感測器延伸。該光導包括第一濾光區域和第二濾光區域，所述第一濾光區域過濾激發光並允許第一波長的光發射傳遞到至少一個相應的光感測器，所述第二濾光區域過濾激發光並允許第二波長的光發射傳遞到至少一個相應的光感測器。

Description

雙濾光器光偵測裝置及其相關的方法
本發明關於一種雙濾光器光偵測裝置及與其相關的方法。
相關申請的交叉引用
本專利申請主張2017年12月22日提交的且標題為“Two-Filter Light Detection Devices and Methods of Manufacturing Same”的美國臨時專利申請號62/609,903和於2018年3月20日提交的且標題為“Two-Filter Light Detection Devices and Methods of Manufacturing Same”的荷蘭申請號2020625的優先權。上述申請中的每個的全部內容通過引用被併入本文中。
生物研究或化學研究中的各種方案涉及在局部支撐表面上或在預定的反應室內進行大量的受控反應。然後可以觀察或偵測到指定的反應，並且隨後的分析可以幫助識別或揭示反應中涉及的化學品的性質。例如，在一些多重分析中，具有可識別標記(例如螢光標記)的未知分析物可以在受控條件下暴露於數千個已知探針。每個已知探針可以沉積到微板的相應井(well)中。觀察在井內的已知探針和未知分析物之間發生的任何化學反應可以幫助識別或揭示分析物的性質。這樣的方案的其他示例包括已知的DNA定序方法，例如合成定序法(sequencing-by-synthesis，SBS)或迴圈陣列定序法。
在一些常規的螢光偵測方案中，光學系統用於將激發光引導到 螢光標記的分析物上，並且還用於偵測可能從分析物發射的螢光信號。然而，這樣的光學系統可能相對昂貴，並且涉及相對大的檯面佔用面積。例如，這樣的光學系統可以包括透鏡、濾光器和光源的佈置。
在其他提出的偵測系統中，受控反應發生在局部支撐表面上或預定反應室內，其在不涉及用來偵測螢光發射的大型光學元件的電子固態光偵測器或成像器(例如互補金屬氧化物半導體(CMOS)偵測器或電荷耦合裝置(CCD)偵測器)上。然而，這樣所提出的固態成像系統可能具有一些局限性。例如，將試劑(例如螢光標記的分子)流體地輸送至位於這樣的系統的電子裝置上的分析物可能存在挑戰。例如，在一些情況下，試劑溶液可能破壞電子裝置並腐蝕其部件。
在本公開內容的一個方面中，提供了裝置。該裝置包括反應結構以包含反應溶液和多個反應位點，所述反應位點在用反應溶液處理之後響應於入射激發光而產生光發射。反應溶液可以在反應位點處引發反應和/或形成反應產物，所述反應位點響應於激發光而產生光發射。反應結構被定位在裝置的裝置基座(device base)上方。該裝置還包括在裝置基座內的多個光感測器以及在裝置基座內的裝置電路，所述裝置電路被電耦合至所述多個光感測器並且被配置為基於由光感測器偵測到的光子而傳輸資料信號。該裝置還包括具有輸入區域的多個光導，以接收激發光和來自至少一個相應反應位點的光發射，所述光導從輸入區域朝向至少一個相應的光感測器延伸到裝置基座中。多個光導中的每個包括第一濾光區域(first filter region)和第二濾光區域(second filter region)，所述第一濾光區域由第一濾光材料(first filter material)形成，以過濾至少第一波長的激發光並且允許第二波長的光發射穿過其到達至少一個相應的光感測器， 所述第二濾光區域由第二濾光材料(second filter material)形成，以過濾至少第一波長的激發光並且允許第三波長的光發射穿過其到達至少一個相應的光感測器。
在一些示例中，多個反應位點中的至少一個第一反應位點在用反應溶液處理之後(例如，在反應溶液已經在反應位點處引發反應和/或形成至少一種反應產物之後)回應於第一波長的激發光而發射至少第二波長和第三波長的光。在一些示例中，多個反應位點中的至少一個第一反應位點在以反應溶液處理之後分別回應於第一波長和第四波長的激發光而發射至少第二波長和第三波長的光。在一些示例中，多個反應位點中的至少一個第一反應位點在以反應溶液處理之後回應於第一波長的激發光而發射第二波長的光發射，並且多個反應位點中的至少一個第二反應位點在以反應溶液處理之後回應於第四波長的激發光而發射第三波長的光發射。
在一些示例中，該裝置還包括在光導的底部部分內的支撐層，該支撐層在所述第一濾光區域的底部部分下方並且圍繞所述第一濾光區域的底部部分延伸。在一些這樣的示例中，支撐層由氧化物、氮化物或其組合構成。 在其他這樣的示例中，光導的所述第二濾光區域在支撐層上方並圍繞所述第一濾光區域延伸。在一些這樣的示例中，光導的所述第一濾光區域和所述第二濾光區域形成光導的輸入區域。
在一些示例中，該裝置還包括第二襯墊層，該第二襯墊層被定位在光導的底部部分處的支撐層和裝置電路之間並且被定位在光導的頂部部分內的所述第二濾光區域和所述裝置電路之間。在一些這樣的示例中，第二襯墊層包括氮化矽屏蔽層。在一些示例中，裝置基座的裝置電路形成互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路。
在一些示例中，第一濾光材料還過濾第三波長的光發射，並且 第二濾光材料還過濾第二波長的光發射。在一些示例中，第一濾光材料是具有第一染料的聚合物材料，並且第二濾光材料是具有不同於第一染料的第二染料的聚合物材料。在一些示例中，多個反應位點中的每個都在反應結構的至少一個反應凹槽內被固定至反應結構。
在一些示例中，反應溶液在反應位點處引發反應和/或形成反應產物，所述反應位點響應於入射激發光而產生第二波長和第三波長的光發射。 在一些這樣的示例中，至少一個反應位點包括至少一種分析物，並且反應溶液包括含有至少一種螢光標記的分子的水溶液。在一些這樣的示例中，所述至少一種分析物包括寡核苷酸，並且所述至少一種螢光標記的分子包括螢光標記的核苷酸。
在本公開內容的另一方面中，提供了生物感測器。所述生物感測器包括上文描述的裝置中的任一個。所述生物感測器還包括被安裝至裝置的流動單元以及被包含在反應結構上的反應位點。流動單元包括反應溶液和至少一個流動通道，所述流動通道與反應結構的反應位點流體連通以將反應溶液引導至反應位點。
在本公開內容的另一方面中，提供了方法。該方法包括在裝置基座內形成多個溝槽(trench)，所述裝置基座包括多個光感測器和被電耦合至光感測器的裝置電路，該裝置電路被配置為基於由光感測器偵測到的光子而傳輸資料信號。多個溝槽各自都從裝置基座的頂表面並朝向至少一個相應的光感測器延伸。該方法還包括在多個溝槽的內表面上方沉積支撐層。該方法還包括用第一濾光材料填充在沉積的支撐層上方的多個溝槽，所述第一濾光材料過濾至少第一波長的光並允許第二波長的光穿過其到達至少一個相應的光感測器。該方法還包括移除被定位在裝置基座和第一濾光材料之間的多個溝槽內的沉積的支撐層的上部部分以形成多個空隙(void)。該方法還包括用第二濾光材料填充 所述多個空隙，所述第二濾光材料過濾至少第一波長的光並允許第三波長的光穿過其到達至少一個相應的光感測器以形成多個光導。該方法還包括在裝置基座和多個光導上方形成反應結構，用於容納反應溶液和至少一個反應位點，所述反應位點在用反應溶液處理之後響應於至少第一波長的入射激發光而產生第二波長和第三波長中的至少一種的光。
在一些示例中，至少一個第一反應位點在用反應溶液處理之後(例如，在反應溶液已經在反應位點處引發反應和/或形成至少一種反應產物之後)回應於第一波長的激發光而發射至少第二波長和第三波長的光。在一些示例中，至少一個第一反應位點在用反應溶液處理之後分別回應於第一波長和第四波長的激發光而發射至少第二波長和第三波長的光。在一些示例中，至少一個第一反應位點在用反應溶液處理之後回應於第一波長的激發光而發射第二波長的光發射，並且至少一個第二反應位點在用反應溶液處理之後回應於第四波長的激發光而發射第三波長的光發射。
在一些示例中，移除多個溝槽內的沉積的支撐層的上部部分形成在第一濾光材料的底部部分下方並且圍繞第一濾光材料的底部部分延伸的支撐層部分。在一些示例中，該方法還包括在沉積支撐層之前在多個溝槽的內表面上方和在裝置基座的頂表面上方沉積第二襯墊層，使得支撐層在第二襯墊層上方延伸。在一些示例中，第一濾光材料還過濾第二波長的光，並且第二濾光材料還過濾第一波長的光。在一些示例中，第一濾光材料包括具有第一染料的聚合物材料，並且第二濾光材料包括具有不同於第一染料的第二染料的聚合物材料。
應該理解的是，前述方面和下面更詳細地討論的另外的概念的所有組合(假設這樣的概念不是相互不一致的)都被認為是本文公開的發明主題的一部分。
從下面結合附圖對本公開的各個態樣的詳細描述中，本公開的這些和其他目的、特徵和優點將變得明顯。
100:生物感測器
101:激發光
102:流動單元
104:光偵測裝置
108:反應凹槽
110:流動蓋
112:偵測器表面
113:間隙區域
114:第一/第二反應位點、反應位點
115:第二濾光材料
116:第一濾光材料
118:光導
119:流動通道
120:埠
124:感測器陣列
125:裝置基座
126:反應結構
130:支撐襯墊
140:光感測器
141:感測器層
142:介電材料
143:閘極
146:電路
150:第一屏蔽層
152:第二屏蔽層
154:第一/蝕刻襯墊層、襯墊層
155:第二襯墊層
158:開口/孔
160:第一反應層/第一層
162:第二層
164:第三層
166:第四層
170:反應溶液
172:發射光
200:方法
204:裝置
213:間隙區域
215:第二濾光區域/第二濾光材料
216:第一濾光區域/第一濾光材料/濾光材料
218:光導
225:裝置基座
230:支撐襯墊
240:光感測器
241:感測器層
242:介電材料層/介電材料
243:閘極
246:裝置電路
250:第一屏蔽層
252:第二屏蔽層
254:第一襯墊層
255:第二襯墊層
258:開口
270、272、274、276、278、281、282:步驟
280:溝槽/空腔
290:空隙/間隙/空腔/開放空間
當參考附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其他特徵、方面、和優點將變得更好理解，附圖不一定按比例繪製，並且在所有附圖中相同的附圖標記表示相同的方面，其中：圖1示出了在一個示例中根據本公開的生物感測器的橫截面。
圖2圖示出了在一個示例中圖1的生物感測器的裝置基座的俯視圖。
圖3圖示出了在一個示例中圖1的生物感測器的一部分的側剖視圖，其示出了反應結構的一部分及其光導。
圖4圖示出了在一個示例中圖1的生物感測器的一部分的頂剖視圖，其示出了光導的陣列。
圖5圖示出了在一個示例中包括在反應結構上的反應溶液的圖3的橫截面的放大部分。
圖6圖示出了在一個示例中包括光偵測事件的圖3的橫截面的放大部分。
圖7是圖示出了在一個示例中製造根據本公開內容的生物感測器的方法的流程圖。
圖8圖示出了在一個示例中在光偵測裝置基座中的溝槽的形成。
圖9圖示出了在一個示例中在圖8的裝置基座中的溝槽內的第一襯墊的形成。
圖10圖示出了在一個示例中在圖9的裝置基座的溝槽內的第二襯墊的形成。
圖11圖示出了在一個示例中用第一濾光材料填充圖10的帶有襯墊的溝槽以 形成第一濾光區域。
圖12圖示出了在一個示例中移除第二襯墊的上部部分以在圖11的裝置基座的溝槽內形成空腔。
圖13圖示出了在一個示例中用第二濾光材料填充圖12的裝置基座的溝槽的空腔以形成具有第一濾光區域和第二濾光區域的光導。
下面參考附圖中所示的非限制性示例更全面地解釋本公開的方面及其某些示例、特徵、優點、和細節。眾所周知的材料、製造工具、加工技術等的描述被省略，以免不必要地使相關細節模糊。然而，應該理解的是，詳細描述和具體示例雖然指示了本公開的各個方面，但僅僅是作為示例而不是作為限制的方式給出的。從本公開內容中，在基本發明概念的精神和/或範圍內的各種替換、修改、添加、和/或佈置對於本領域技術人員而言將是明顯的。
如本文在整個公開中所使用的，可以應用近似語言以修改任何可以允許變化的定量表示，而不會導致與其相關的基本功能的變化。因此，由一個或更多個用語修飾的值，例如“大約(about)”或“基本上(sustantially)”，不限於指定的精確值。例如，這些用語可以指小於或等於±5%，諸如小於或等於±2%，諸如小於或等於±1%，諸如小於或等於±0.5%，諸如小於或等於±0.2%，諸如小於或等於±0.1%，諸如小於或等於±0.05%。在一些情況下，近似語言可以對應於用於測量值的儀器的精度。
本文使用的用語僅用於描述特定示例的目的，並且不旨在進行限制。如本文使用的，單數形式“一(a)”、“一(an)”和“該(the)”意圖也包括複數形式，除非上下文另有清楚地指示。此外，對“一個示例”的提及不旨在被解釋為排除也包含所陳述的特徵的附加示例的存在。此外，除非 明確聲明相反，否則用語“包括(comprising)”(以及任何形式的“包括(comprise)”，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”)、“具有(have)”(以及任何形式的“具有(have)”，例如“具有(has)”和“具有(having)”)、“包括(include)”(以及任何形式的“包括(include)”，例如“包括(includes)”和“包括(including)”)和“包含(contain)”(以及任何形式的“包含(contain)”，例如“包含(contains)”和“包含(containing)”)被用作開放式的連系動詞。結果，“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包括(includes)”或“包含(contains)”一個或更多個步驟或元件的任何示例都擁有這樣一個或更多個步驟或元件，但不限於僅擁有這樣一個或更多個步驟或元件。如本文所用，用語“可以(may)”和“可以是(may be)”指示在一組情況下發生的可能性；擁有特定的屬性、特徵或功能；和/或通過表達與限定動詞相關聯的能力(ability)、性能(capability)或可能性中的一個或更多個來限定另一動詞。 因此，“可以(may)”和“可以是(may be)”的用法指示修改後的用語明顯適合、能夠、或適合於所指示的能力、功能、或用法，同時考慮到在某些情況下，修改後的用語有時可能不合適、不能夠、或不適合。例如，在某些情況下，事件或能力是可以預期的，而在其他情況下，事件或能力可能不發生，這種區別由用語“可能”和“可能是”囊括。
本文所述的示例可用於關於學術或商業分析的各種生物或化學過程和系統。更具體地說，本文所述的示例可用於各種過程和系統中，其中期望的是偵測指示指定反應的事件、屬性、品質、或特性。例如，本文描述的示例包括光偵測裝置、生物感測器、及其部件，以及與生物感測器一起操作的生物測定系統。在一些示例中，裝置、生物感測器和系統可以包括以基本上整體的結構耦合在一起(可移除地或固定地)的流動單元和一個或更多個光感測 器。
裝置、生物感測器和生物測定系統可以被配置成執行可以被單獨或集體偵測到的多個指定的反應。裝置、生物感測器和生物測定系統可以被配置成執行其中多個指定的反應平行發生的多個迴圈。例如，裝置、生物感測器和生物測定系統可用於通過酶促操作(enzymatic manipulation)和光或圖像偵測/採集的反覆運算迴圈來對密集的DNA特徵陣列進行定序。這樣，裝置、生物感測器和生物測定系統(例如，通過一個或更多個筒)可以包括一個或更多個微流體通道，該一個或更多個微流體通道將反應溶液中的試劑或其它反應組分遞送到裝置、生物感測器和生物測定系統的反應位點。在一些示例中，反應溶液可以是基本上酸性的，例如包含小於或等於約5的pH、或小於或等於約4的pH、或小於或等於約3的pH。在一些其它示例中，反應溶液可以基本上是鹼性的(basic)/鹼性(alkaline)，例如包含大於或等於約8的pH、或大於或等於約9的pH、或大於或等於約10的pH。如本文所用，用語“酸度”及其語法變體指的是小於約7的pH值，而用語“鹼度(basicity)”、“鹼度(alkalinity)”及其語法變體指的是大於約7的pH值。在一些示例中，反應位點以預定方式提供或間隔開，例如以均勻或重複的模式。在其他一些示例中，反應位點是隨機分佈的。每個反應位點可以與一個或更多個光導和偵測來自相關的反應位點的光的光感測器相關聯。在一些示例中，反應位點位於反應凹槽或反應室中，其可至少部分地分隔其中的指定的反應。
如本文所用，“指定的反應”包括感興趣的化學或生物物質例如感興趣的分析物的化學、電、物理、或光學性質(或品質)中的至少一種的變化。在特定的示例中，指定的反應是陽性結合事件，例如諸如螢光標記的生物分子與感興趣的分析物的結合。更一般地，指定的反應可以是化學轉化、化學變化、或化學相互作用。指定的反應還可以是電性質的變化。在特定的示例 中，指定的反應包括螢光標記分子與至少一種分析物的結合。分析物可以是寡核苷酸，而螢光標記分子可以是核苷酸。當激發光被引導朝向具有標記的核苷酸的寡核苷酸且螢光團發出可偵測的螢光信號時，可以偵測到指定的反應。在可選示例中，偵測到的光發射或信號是化學發光或生物發光的結果。指定的反應還可以例如，通過將供體螢光團靠近受體螢光團來增加螢光(或Förster)共振能量轉移(FRET)，通過分離供體螢光團和受體螢光團來降低FRET，通過將猝滅劑與螢光團分離來增加螢光，或者通過將猝滅劑和螢光團共同定位來降低螢光。
如本文所使用的，“反應溶液”、“反應組分”或“反應物”包括可以用於獲得至少一種指定的反應的任何物質。例如，反應組分包括試劑、酶、樣本、其他生物分子和緩衝溶液。反應組分可以在溶液中輸送至反應位點和/或被固定在反應位點處。反應組分可以直接地或間接地與另一種物質例如被固定在反應位點處的感興趣的分析物相互作用。在一些示例中，反應溶液可以是相對高度酸性的(例如，pH小於或等於約5)或相對高度鹼性的/鹼性的(例如，pH大於或等於約8)。
如本文所使用的，用語“反應位點”是其中可以發生至少一個指定的反應的局部區域。反應位點可以包括反應結構或基底(substrate)的支撐表面，其中物質可以被固定在其上。例如，特定的反應位點可以包括反應結構的基本上平坦的表面(其可以被定位在流動單元的通道中)，該表面在其上具有核酸的群落。在一些示例中，群落中的核酸具有相同的序列，序列是例如單鏈或雙鏈範本的克隆拷貝。然而，在一些示例中，反應位點可以僅包含例如以單鏈或雙鏈形式的單個核酸分子。此外，多個反應位點可以沿著反應結構隨機地分佈或者以預定方式(例如，在矩陣中例如在微陣列中並排地)佈置。反應位點還可以包括至少部分地界定空間區域或體積的反應室或凹槽，該空間區域或體 積被配置為分隔指定的反應。如本文所使用的，用語“反應室”包括支撐結構的所界定的空間區域(其通常與流動通道流體連通)。反應凹槽可以至少部分地與周圍環境或其他空間區域分離。例如，多個反應凹槽可以通過共用的壁彼此分開。作為更具體的示例，反應凹槽可以是納米井，其包括由內表面界定的凹痕、凹坑、井、槽、開放空腔或凹陷並界定開口或孔，使得納米井與流動通道流體連通。
在一些示例中，反應結構的反應凹槽的尺寸和形狀相對於固體(包括半固體)被設計成使得固體可以全部或部分地插入其中。例如，反應凹槽的尺寸和形狀可被設計成容納捕獲珠(capture bead)。捕獲珠可以在其上具有克隆擴增的DNA或其他物質。可選地，反應凹槽的尺寸和形狀可以被設計成接收近似數量的珠或固體基底。作為另一個示例，反應凹槽可以填充有多孔凝膠或物質，該多孔凝膠或物質被配置成控制擴散或過濾可能流入反應凹槽的流體。
在一些示例中，光感測器(例如光電二極體)與對應的反應位點相關聯。與反應位點相關聯的光感測器被配置成：當在相關聯的反應位點發生指定的反應時，偵測來自相關聯的反應位點的經由至少一個光導的光發射。 在一些情況下，多個光感測器(例如，光偵測或相機裝置的若干像素)可以與單個反應位點相關聯。在其他情況下，單個光感測器(例如單個像素)可以與單個反應位點或一組反應位點相關聯。光感測器、反應位點、和生物感測器的其它特徵可以被配置成使得至少一些光被光感測器直接偵測而不被反射。
如本文所用，“生物或化學物質”包括生物分子、感興趣的樣本、感興趣的分析物、和其它化合物。生物或化學物質可用於偵測、識別、或分析其他化合物，或用作研究或分析其他化合物的媒介物。在特定的示例中，生物或化學物質包括生物分子。如本文所用，“生物分子”包括生物聚合物、 核苷、核酸、多核苷酸、寡核苷酸、蛋白質、酶、多肽、抗體、抗原、配體、受體、多糖、碳水化合物、多磷酸鹽、細胞、組織、有機體、或其片段或任何其它生物活性化合物中的至少一種，如上述物質的類似物或模擬物。在另一個示例中，生物或化學物質或生物分子包括在偶聯反應中用於偵測另一反應產物例如酶或試劑的酶或試劑，例如用於偵測焦磷酸定序反應中焦磷酸鹽的酶或試劑。用於焦磷酸鹽偵測的酶和試劑例如在美國專利公開號2005/0244870 A1中描述，該美國專利通過引用以其整體併入。
生物分子、樣本、以及生物或化學物質可以是天然存在的或合成的，並且可以懸浮在反應凹槽或區域內的溶液或混合物中。生物分子、樣本、和生物或化學物質還可以與固相或凝膠材料結合。生物分子、樣本、和生物或化學物質還可以包括藥物組合物。在某些情況下，感興趣的生物分子、樣本、和生物或化學物質可以被稱為靶標、探針、或分析物。
如本文所用，“生物感測器”包括一種裝置，該裝置包括具有多個反應位點的反應結構，該反應結構被配置成偵測在反應位點處或附近發生的指定的反應。生物感測器可以包括固態光偵測或“成像”裝置(例如CCD或CMOS光偵測裝置)以及可選地安裝在其上的流動單元。流動單元可包括與反應位點流體連通的至少一個流動通道。作為一個具體示例，生物感測器被配置成流體和電耦合到生物測定系統。生物測定系統可以根據預定方案(例如，合成定序)將反應溶液遞送到反應位點，並執行多個成像事件。例如，生物測定系統可以引導反應溶液沿著反應位點流動。反應溶液中的至少一種可以包括具有相同或不同螢光標記的類型的核苷酸。核苷酸可以與反應位點結合，例如與在反應位點處的相應的寡核苷酸結合。生物測定系統然後可以使用激發光源(例如固態光源，例如發光二極體(LED))照射反應位點。激發光可以具有一個或更多個預定波長，包括一定範圍的波長。由入射激發光激發的螢光標記 可提供可由光感測器偵測的發射信號(例如，不同於激發光並且潛在地彼此不同的一個或更多個波長的光)。
如本文所用，當關於生物分子或生物或化學物質使用時，用語“固定化”包括在分子水準上將生物分子或生物或化學物質基本附著到表面，例如附著到光偵測裝置或反應結構的偵測表面。例如，可以使用吸附技術(包括非共價相互作用(例如靜電力、范德華力、和疏水介面脫水))和共價結合技術(其中官能團或連接物有助於將生物分子附著到表面)將生物分子或生物或化學物質固定到反應結構的表面。將生物分子或生物或化學物質固定到表面可以基於表面的性質、攜帶生物分子或生物或化學物質的液體介質、以及生物分子或生物或化學物質本身的性質。在一些情況下，表面可以被官能化(例如，化學改性或物理改性)以有助於將生物分子(或生物或化學物質)固定到表面上。
在一些示例中，核酸可以被固定在反應結構上，例如固定到其反應凹槽的表面上。在特定示例中，本文描述的裝置、生物感測器、生物測定系統和方法可包括使用天然核苷酸以及還使用被配置成與天然核苷酸相互作用的酶。天然核苷酸包括例如核糖核苷酸或去氧核糖核苷酸。天然核苷酸可以是單磷酸鹽形式、二磷酸鹽形式、或三磷酸鹽形式，並且可以具有選自腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、尿嘧啶(U)、鳥嘌呤(G)或胞嘧啶(C)的堿基。然而，要理解的是，可以使用非天然核苷酸、改性的核苷酸或上述核苷酸的類似物。
如上所述，生物分子或生物或化學物質可以被固定在反應結構的反應凹槽中的反應位點處。這種生物分子或生物物質可以通過干涉配合、黏附、共價鍵、或包埋(entrapment)被物理地保持或固定在反應凹槽內。可被佈置在反應凹槽內的物品或固體的示例包括聚合物珠、粒料(pellets)、瓊脂糖凝 膠(agarose gel)、粉末、量子點、或可被壓縮和/或保持在反應室內的其它固體。在某些實施方式中，反應凹槽可以被塗覆或填充有能夠共價結合DNA寡核苷酸的水凝膠層。在特定的示例中，核酸超結構，例如DNA球，可以例如通過附著到反應凹槽的內表面或通過留在反應凹槽內的液體中被佈置在反應凹槽中或在反應凹槽處。可以進行DNA球或其它核酸超結構，並然後將其佈置在反應凹槽中或在反應凹槽處。可選擇地，DNA球可以在反應凹槽處原位合成。被固定在反應凹槽中的物質可以是固態、液態、或氣態。
圖1-8示出了根據一個示例形成的生物感測器100的一部分的橫截面。如所示，生物感測器100可包括直接或間接被耦合到光偵測裝置104的流動單元102。流動單元102可以被安裝到光偵測裝置104。在圖示的示例中，流動單元102通過一個或更多個固定機構(例如，黏合劑(adhesive)、結合劑(bond)、緊固件以及類似物)直接固定到光偵測裝置104。在一些示例中，流動單元102可以可移除地被耦合到光偵測裝置104。
生物感測器100和/或偵測裝置104可以被配置用於生物或化學分析，以獲得與其相關的任何資訊或資料。在特定示例中，生物感測器100和/或偵測裝置104可以包括被配置用於各種應用的核酸系統(或定序儀)，各種應用包括但不限於從頭定序(de novo sequencing)、全基因組或目標基因組區域的重新定序、以及宏基因組學。定序系統可以被配置為執行DNA或RNA分析。 在一些示例中，生物感測器100和/或偵測裝置104被配置為在生物感測器100和/或偵測裝置104內執行大量平行反應，以獲得與其相關的資訊。
流動單元102可包括一個或更多個流動通道，該一個或更多個流動通道將溶液引導至偵測裝置104上的反應位點114或朝向偵測裝置104上的反應位點114引導，如下文進一步解釋的。流動單元102和/或生物感測器100因此可以包括流體存儲系統(未示出)，或者與該流體存儲系統流體連通，流體存 儲系統可以存儲例如用於在其中進行指定的反應的各種反應組分或反應物。流體存儲系統還可以存儲用於清洗或清潔流體網路和生物感測器100和/或偵測裝置104以及潛在地用於稀釋反應物的流體。例如，流體存儲系統可以包括各種儲器，以存儲樣本、試劑、酶、其它生物分子、緩衝溶液、水溶液、油和其它非極性溶液以及類似物。如上所述，在反應結構126上提供的流體或溶液可以是相對酸性的(例如，pH小於或等於約5)或鹼性的/鹼性的(例如，pH大於或等於約8)。此外，流體存儲系統還可以包括用於接收來自生物感測器100和/或偵測裝置104的廢產物的廢物儲器。
在圖示的示例中，光偵測裝置104包括裝置基座125和覆蓋裝置基座125的反應結構126，如圖1和圖3-8中所示。在特定示例中，裝置基座125包括多個堆疊層(例如，矽層或晶圓、介電層、金屬-介電層等)。裝置基座125可以包括光感測器140的感測器陣列124和光導118的引導陣列，如圖3中所示。 如圖1和圖3-8中所示，反應結構126可以包括其中設置有至少一個對應的反應位點114(例如，被固定在其表面上)的反應凹槽108的陣列。在某些示例中，光偵測裝置104被配置成使得每個光感測器140對應於單個光導118和/或單個反應凹槽108(並且潛在地與其對準)，使得其僅從其中接收光子。然而，在其他示例中，單個光感測器140可以通過一個以上的光導118和/或一個以上的反應凹槽108接收光子。因此，單個光感測器140可以形成一個像素或多於一個像素。 類似地，單個光感測器140可以從反應位點114或從多個反應位點114接收光子。因此，單個光感測器140可以形成一個像素或多於一個像素。
如圖2中所示，反應凹槽108和/或光導118(以及潛在的光感測器140)的陣列可以以界定的重複圖案被設置，使得凹槽108和/或光導118(以及潛在的光感測器140)中的至少一些以界定的位置圖案彼此相等地間隔開。 在其他示例中，反應凹槽108和/或光導118(以及潛在的光感測器140)可以以 隨機圖案被設置，和/或反應凹槽108和/或光導118(以及潛在的光感測器140)中的至少一些可以彼此可變地間隔開。
如圖1和圖2中所示，偵測裝置104的反應結構126可以界定偵測器表面112，反應溶液可以在該偵測器表面112上流動和停留，如下文進一步解釋的。反應結構126的偵測器表面112可以是偵測裝置104的頂部暴露表面。偵測器表面112可以包括凹槽108的表面和在凹槽108之間和周圍延伸的間隙區域113。
光偵測裝置104的偵測器表面112可以被官能化(例如，以合適方式被化學改性或物理改性以用於進行指定的反應)。例如，偵測器表面112可以被官能化，並且可以包括具有固定至其上的一個或更多個生物分子的多個反應位點114，如圖1、圖3和圖4中所示。如上所述，偵測器表面112可以包括反應凹槽108的陣列(例如，開放式反應室)。反應凹槽108中的每一個可以包括反應位點114中的一個或更多個。反應凹槽108可以由例如沿著偵測器表面112的深度(或厚度)的變化來界定。在其他示例中，偵測器表面112可以基本上是平面的。
如圖3和圖4中所示，反應位點114可以沿著偵測器表面112例如在反應凹槽108內以圖案分佈。例如，反應位點114可以以類似於微陣列的方式沿著反應凹槽108以行和列的方式定位。然而，應當理解的是，反應位點114的各種圖案可以被使用。反應位點114可包括發射光信號的生物或化學物質，如下文進一步解釋的。例如，反應位點114的生物或化學物質可以響應於激發光101而產生光發射。在特定示例中，反應位點114包括被固定在反應凹槽108內的偵測器表面112上的生物分子(例如，寡核苷酸)的簇或群落。
如圖1中所示，在一個示例中，流動單元102包括至少一個側壁和流動蓋110。該至少一個側壁可以被耦合到偵測器表面112，並在流動蓋110和 偵測器表面112之間延伸。流動單元102可以被配置成使得流動通道119形成在流動蓋110和光偵測裝置104的偵測器表面112之間。在一些示例中，流動通道119可以包括在約50μm至約400μm(微米)、或者例如在約80μm至約200μm的範圍內的高度(在流動蓋110和偵測器表面112之間延伸)。在一個示例中，流動通道119的高度為約100μm。如圖1中所示，流動蓋110可以包括對從生物感測器100的外部傳播並朝向/進入流動通道119的激發光101透明的材料(例如塑膠、玻璃或聚合物材料)。注意，激發光101可以從任何角度並沿著相同或不同的角度接近流動蓋110。
激發光101可以從任何照明系統或源(未示出)發射或產生，該照明系統或源可以是或可以不是生物測定系統、生物感測器100或光偵測裝置104的一部分。在一些示例中，照明系統可以包括光源(例如一個或更多個LED)和潛在地多個光學部件，以至少照射偵測裝置104的反應結構126。光源的示例可以包括雷射器、弧光燈、LED或雷射二極體。光學部件可以是例如反射器、二向色鏡(dichroics)、分束器、准直器、透鏡、濾光器、楔形物、棱鏡、反射鏡、偵測器以及類似物。在特定示例中，照明系統被配置為將激發光101引導至偵測裝置104的反應結構126的凹槽108內的反應位點114。在一些示例中，照明系統可以發射某個波長或在一定波長範圍內例如在約300nm至約700nm的範圍內或在約400nm至約600nm的範圍內的波長的激發光101。在一些示例中，照明系統可以發射在某個波長或更多個波長下的激發光101，其激發反應位點114的生物物質或化學物質以發射不同的一個或更多個波長的光。例如，在一個示例中，其中該裝置包括在單個反應凹槽108或不同的反應凹槽108內的反應位點114，所述不同的反應凹槽108包括由藍色波長的光激發的第一螢光團和第二螢光團，激發光可以是約400nm，來自具有第一螢光團的反應位點114的光發射可以是約500nm(或在約450nm至約550nm的範圍內)，並且來自具有第二螢光 團的反應位點114的光發射可以是約650nm(或在約600nm至約550nm的範圍內)。
在一些其他示例中，照明系統可以發射在不同波長範圍的波長(其不重疊)下的激發光101，其獨立地或選擇性地激發不同反應位點114的不同生物物質或化學物質以發射不同波長或波長範圍的光發射。例如，在一個示例中，其中該裝置包括在單個反應凹槽108或不同反應凹槽108內的反應位點114，所述不同反應凹槽108包括由不同波長或波長範圍的光激發的第一螢光團和第二螢光團，照明系統可以發射第一波長或波長範圍的第一激發光101(例如(例如約400nm的)藍色激發光或者(例如約530nm的)綠色激發光)，其導致具有第一螢光團的反應位點114發射第一波長或波長範圍(例如在約450nm至約550nm的範圍內或在約600nm至約550nm的範圍內)的光，並且在同一時間段或在與第一鐳射101不同的時間段期間(即，在單個光偵測事件期間或在不同的光偵測事件期間)發射第一波長或波長範圍的第二激發光101(例如(例如約400nm的)藍色激發光或者(例如約530nm的)綠色激發光)，其導致具有第二螢光團的反應位點114發射第二波長或波長範圍(例如在約450nm至約550nm的範圍內或在約600nm至約550nm的範圍內)的光。
還如圖1中所示，流動蓋110可以包括至少一個埠120，該至少一個埠120被配置為流體地接合流動通道119，並且潛在地接合其他埠(未示出)。例如，其它埠可以來自包括反應溶液或其它生物或化學物質的筒或工作站。流動通道119可以被配置成(例如，尺寸和形狀被設計成)沿著偵測器表面112引導流體或溶液，例如反應溶液。
圖3和圖4比圖1更詳細地示出了偵測裝置104的示例。更具體地，圖3和圖4示出了單個光感測器140、單個光導118和相關電路146，該單個光導118用於將來自與其相關聯的至少一個反應位點114處的光發射朝向光感測 器140進行引導和傳遞，該相關電路146用於基於由光感測器140偵測到的光發射(例如光子)來傳輸信號。應當理解的是，感測器陣列124(圖1和2)的其它光感測器140和相關部件可以以相同或相似的方式配置。然而，還應當理解，光偵測裝置104不需要在整個過程中被一致地(uniformly)製造。相反，一個或更多個光感測器140和/或相關部件可以被不同地製造或者彼此之間具有不同的關係。
電路146可以包括能夠傳導電流(例如基於偵測到的光子的資料信號的傳輸)的互連的導電元件(例如，導體、跡線、通孔、互連件等)。例如，在一些示例中，電路146可以包括微電路佈置。光偵測裝置104和/或裝置基座125可以包括具有光感測器140的陣列的至少一個積體電路。被定位於偵測裝置104內的電路146可以被配置用於信號放大、數位化、儲存、和處理中的至少一種。電路146可以收集(並且可能分析)偵測到的光發射，並且生成用於將偵測資料傳送到生物測定系統的資料信號。電路146還可以在光偵測裝置104中執行另外的類比和/或數位信號處理。
裝置基座125和電路146可以使用積體電路製造過程來製造，積體電路製造過程例如用於製造電荷耦合裝置或電路(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)裝置或電路的過程。例如，如圖3中所示，裝置基座125可以是CMOS裝置，其包括多個堆疊層，該多個堆疊層包括感測器基座141，在一些示例中，感測器基座141可以是矽層(例如，晶圓)。感測器基座141可以包括光感測器140和形成在其上的閘極(gates)143。閘極143可以電耦合到光感測器140。當光偵測裝置104如圖3所示進行配置時，光感測器140可以通過例如閘極143電耦合到電路146。
電路146中的至少一些可以被設置在偵測裝置104的裝置基座125的裝置基底層內，光導118各自可以穿過該基底層延伸/延伸到該基底層中。在 一些示例中，基底層中的每個可以包括形成裝置電路146的至少一部分的互連導電元件以及相鄰於(並且潛在地圍繞)電路146的導電元件的介電材料142，如圖3所示。電路146的導電元件可以被嵌入介電材料142內。又如圖3中所示，光導118可以延伸穿過介電材料142，並且可以與電路146間隔開。可以使用各種金屬元件和/或介電材料，例如適合於積體電路製造(CMOS製造)的那些金屬元件和/或介電材料。例如，在一些示例中，導電元件/電路146可以是金屬元件，例如，W(鎢)元件、Cu(銅)元件、Al(鋁)元件、或它們的組合(但是應當理解，可以使用其他材料和配置)。在一些示例中，介電材料可以是SiO2(但是應當理解，可以使用其他材料和配置)。
如本文所用，除非另有說明，否則用語“層”不限於單個連續的材料體。例如，感測器層141和/或裝置基座125的裝置層可以包括為不同材料的多個子層和/或可以包括塗層、黏合劑以及類似物。此外，層(或子層)中的一個或更多個可以被修改(例如，蝕刻、用材料沉積等)以提供本文描述的特徵。
如圖3和圖4中所示，反應結構126可包括形成在其中延伸的反應凹槽104的一個或更多個層。反應結構126可以沿著裝置基座125的頂部外表面延伸。在圖示的示例中，反應結構126直接沿著第一襯墊層154的頂表面或外表面以及裝置基座125的第一濾光材料116和第二濾光材料115的頂表面或外表面沉積，如下文進一步描述的。然而，在其它示例中，中間層可以被佈置在反應結構126和裝置基座125之間。反應結構126可以包括一種或更多種材料，該一種或更多種材料被配置成允許激發光信號101和從凹槽108內的(用反應溶液處理後)反應位點114發出的光信號穿過其中並進入一個或更多個光導118的對應於特定反應凹槽108的開口158。在一些示例中，反應結構126可以包括一個或更多個層或其他特徵，該一個或更多個層或其他特徵防止來自特定反應位點 114/反應凹槽108的發射光的串擾或“共用”到不對應的感測器140。
反應結構126可以包括多個不同的層，如圖3和圖4中所示。在圖示的示例中，反應結構126可以包括第一反應層160，該第一反應層160(直接地或間接地)在裝置基座125(例如，在第一襯墊層154上方)和裝置基座125的光導118(例如，第一濾光材料116和第二濾光材料115)的開口158上方延伸，如圖3和圖4中所示。又如圖3和圖4中所示，在所圖示的示例中，反應結構126還包括(直接地或間接地)在第一層160上方延伸的第二層162。所圖示的示例的反應結構126還包括(直接地或間接地)在第二層162上方延伸的第三層164以及(直接地或間接地)在第三層164上方延伸的第四層166。反應凹槽108可以至少延伸到第三層164中。
如圖3和圖4中所示，第四層166可以通過在第三層164中的凹痕(indentation)(例如，空腔或空隙)上方延伸來形成反應凹槽108的內表面(例如，側壁和底壁)。如圖3和圖4中所示，第四層166以及潛在地第二層162可以形成偵測器表面112。在一些情況下，第四層166以及潛在地第二層162可以被配置成提供固體表面，該固體表面允許化學品、生物分子或其他感興趣的分析物被固定在其上。例如，反應位點114中的每個可以包括被固定到偵測器表面112的生物分子簇，偵測器表面112可以包括第四層166並且可能包括第二層162。因此，第四層166以及潛在地第二層162可以包括允許反應位點114被固定到其上的材料。第一層160和第四層166(以及潛在地第二層162和第三層164)可以包括至少基本上對激發光101和反應位點114的發射光透明的材料。 此外，第四層166以及潛在地第二層162可以被物理改性或化學改性，以有助於固定生物分子和/或有助於偵測光發射。
舉例來說，且如圖3和圖4的所圖示的示例所示，第一層160和第三層164可以包括第一材料，且第二層162和第四層166可以包括不同於第一材 料的第二材料。在一些這樣的示例中，第一種材料是SiN，而第二種材料是TaO。然而，反應結構126可以包括不同的層(例如，不同的層、更少的層、和/或附加的層)和/或不同的材料。
如圖3和圖4中所示，偵測裝置104的裝置基座125可以包括第一屏蔽層150，該第一屏蔽層150(直接地或間接地)在裝置基座125的堆疊層(例如，金屬-介電層)上方延伸，例如在介電材料142和導電電路部件146上方延伸。第一屏蔽層150可以包括被配置成阻擋、反射、和/或顯著衰減激發光101和/或來自反應位點114的光發射(例如，從流動通道118傳播的光信號)的材料。僅通過舉例來說，第一屏蔽層150可以包括鎢(W)。
第一屏蔽層150可以包括穿過其中的至少一個孔，該至少一個孔至少部分地與至少一個對應的光導118對準。第一屏蔽層150可以包括這樣的孔的陣列。在一些示例中，第一屏蔽層150可以完全圍繞其中的孔延伸。這樣，來自激發光101的光信號和/或來自反應位點114的光發射可以被阻擋、反射、和/或顯著衰減，以防止光信號穿過光導118外部的裝置基座125並被光感測器140偵測到。在一些示例中，第一屏蔽層150在相鄰的孔或光導118和/或延伸到其的開口之間連續地延伸。在一些其他示例中，第一屏蔽層150不在相鄰的孔或光導118之間連續地延伸，使得一個或更多個其他孔存在於第一屏蔽層150中，這可以允許激發光101和/或來自反應位點114的光發射從中穿過。
在一些示例中，偵測裝置104的裝置基座125可以包括(直接地或間接地)在第一屏蔽層150上方延伸的第二屏蔽層152，如圖3和圖4中所示。 第二屏蔽層152可以包括抗反射材料和/或防止污染裝置基座125的下方的部分的材料。僅通過舉例來說，第二屏蔽層152可以包括SiON。在一些示例中，第二屏蔽層152可以被配置以防止諸如被污染的鈉與第一屏蔽層150、介電材料142和/或裝置電路146的導電(例如，金屬)部件相互作用。在一些示例中，第二 屏蔽層152可以模仿第一屏蔽層150的配置。例如，第二屏蔽層152可以包括穿過其中的至少一個孔，該至少一個孔至少部分地與至少一個光導118對準，如圖3和圖4中所示。第二屏蔽層152可以包括這樣的孔的陣列。在一些示例中，第二屏蔽層152可以圍繞其中的孔延伸。在一些示例中，第二屏蔽層152在相鄰光導118和/或延伸到其上的開口之間連續延伸。在一些其它示例中，第二屏蔽層152不在相鄰光導118和/或延伸到其上的開口之間連續延伸，使得一個或更多個其它孔存在於第二屏蔽層152中，如圖3和圖4中所示。
在一些示例中，光偵測裝置104可以包括第一襯墊層154，該第一襯墊層154在裝置基座125上並圍繞光導118延伸，如圖3和圖4所示。第一襯墊層154可以是在裝置基座125上形成的連續保形層。第一襯墊層154可以沒有限定的孔。然而，第一襯墊層154可以包括內部間斷、孔隙、破裂等，其允許液體或溶液例如反應溶液流過其，如下文進一步解釋的。第一襯墊層154可以相對於反應溶液是在化學上反應性的。例如，由於反應溶液的組成(例如水和/或油)和/或相對高的酸度(例如，等於或小於約5的pH)或相對高的鹼度(例如，等於或大於約8的pH)，當暴露於其時反應溶液可以與第一襯墊層154的材料化學地反應，並且導致材料溶解或以其他方式分離(即，蝕刻襯墊層154)。在暴露時間內，反應溶液由此可以蝕刻穿過第一襯墊層154，並且最終與裝置電路146相互作用並侵蝕裝置電路146或以其他方式干擾裝置電路146的功能。例如，第一襯墊層154可以是氮化矽層(或者否則包括SiN)，並且相對高的酸性或鹼性反應溶液可以在暴露於SiN時蝕刻SiN。
在所示的示例中，第一襯墊層154在間隙區域113中在裝置基座125的頂部上部(和/或裝置基座125的頂部或上部上的任何層)上的反應結構126和第二屏蔽層152之間延伸，並且沿著光導118延伸，如圖3和圖4所示。在所示出的示例中，第一襯墊層154圍繞光導118並相鄰於裝置基座125的介電材料142 延伸，如圖3和圖4所示。也如圖3和圖4所示，第一襯墊層154可以圍繞光導118延伸，使得它被定位在裝置基座125的介電材料142與光導118的支撐襯墊130和第二濾光區域115之間(例如，直接被定位在之間)。第一襯墊層154可以被配置為抗反射層或反射層(例如，以確保從反應位點114發射的光穿過光導118)、污染防止層(例如，以防止鈉污染物進入裝置基座125中)和/或黏附層(例如，以將光導118的支撐襯墊130和第二濾光區域115黏附到至介電材料142)。在一些示例中，襯墊層154可以被配置為防止任何離子物質滲透到裝置層(例如，金屬-介電層)中的污染防止層。在一些示例中，襯墊層154包括SiN。在一些示例中，襯墊層154包括SiN層。
如圖3和圖4所示，第一襯墊層154可以具有基本上均勻的厚度。 在其他示例中，第一襯墊層154的厚度可以變化。例如，第一襯墊層154的在裝置基座125的頂部部分上延伸的部分可以是第一厚度，並且第一襯墊層154的在光導118周圍延伸的部分可以是比第一厚度更厚或更薄的第二厚度。作為另一示例，第一襯墊層154的圍繞光導118延伸的部分的厚度可以沿著裝置基座125內的深度變化(例如，可以隨著進入裝置基座125內的深度而逐漸變細)。在一些示例中，第一襯墊層154的厚度可以在約10nm至約100nm的範圍內。在所示的示例中，第一襯墊層154是約50nm厚。
如圖3所示，裝置基座125還可以包括被定位在裝置層內和光導118下方的第二襯墊層155。第二襯墊層155可以基本上與第一襯墊層154相似或相同，除了它在裝置基座125內的位置以外。在一些示例中，第二襯墊層155可以沿著光導118的底部在支撐襯墊130的正下方延伸，如圖3所示。以這種方式，第一襯墊層154和第二襯墊層155可以完全圍繞光導118延伸，除了在反應凹槽108下方的光導118的開口158以外。
如上所討論的，偵測裝置104的裝置基座125可以包括被定位在 光導118的底部部分處的支撐襯墊或層130，如圖3所示。支撐襯墊130可以(直接地或間接地)在第一濾光區域116和介電材料142之間以及在第一濾光區域116和第二襯墊層155之間延伸。例如，支撐襯墊130可以圍繞第一濾光區域116並且(直接地或間接地)在第一濾光區域116和第一襯墊層154之間延伸，如圖3所示。 以這種方式，支撐襯墊130可以圍繞第一濾光區域116的底部部分延伸，包括圍繞其側表面和底表面延伸。支撐襯墊130可以完全圍繞光導118的第一濾光材料116延伸。如圖3所示，第二濾光區域115可以在光導118的上部部分中的支撐襯墊130上方延伸。因此，支撐襯墊130可以支撐第二濾光區域115或在第二濾光區域115下方延伸。在一些示例中，支撐襯墊130可以在第二濾光區域115的正下方延伸。支撐襯墊130和第二濾光區域115由此可以組合以形成圍繞第一濾光材料116延伸並且被定位在第一濾光材料116和裝置基座125的第一襯墊層154和/或介電材料142之間的層，如圖3所示。
支撐襯墊130的厚度可以是任何厚度。在一些示例中，支撐襯墊130的厚度可以在約100nm和約1微米的範圍內，或者在約100nm和約500nm的範圍內。在一些示例中，支撐襯墊130的厚度可以是與第二濾光區域115的厚度相同或基本上相似的厚度，例如支撐襯墊130的鄰接第二濾光區域115的或被定位成靠近第二濾光區域115的至少一部分。在一些示例中，在光導118的底部處的第一濾光區域116下方(在第一濾光區域116和第二襯墊層155和/或介電材料142之間)的支撐襯墊130的厚度可以是與圍繞第一濾光區域116的側表面(在第一濾光區域116和第一襯墊層154和/或介電材料142之間)延伸的支撐襯墊130的厚度相同或基本上相似的厚度。
支撐襯墊130可以沒有允許液體或溶液(例如反應溶液)流過的預定義的孔或其他空隙。支撐襯墊130也可以沒有允許液體或溶液(例如反應溶液)流過的任何內部間斷、孔隙、裂縫、破裂等或者防止其形成。因此，支撐襯墊 130可以是液體不可透過的阻擋層。本文中的液體不可透過的層指的是可以防止任何液體或溶液(例如反應溶液)穿過其例如防止在大氣壓下與保護層130接觸的至少約99體積%的反應溶液穿過其的層。支撐襯墊130也可以相對於反應溶液是化學上惰性的，使得當反應溶液與支撐襯墊130接觸時，反應溶液(其可以包括相對高的酸度或相對高的鹼度，如上所述)不蝕刻支撐襯墊130或者在約100攝氏度和約大氣壓下每小時蝕刻小於支撐襯墊130的厚度的約一(1)埃(Å)。例如，支撐襯墊130的組成可以不與反應溶液(其可以包括相對高的酸度或相對高的鹼度)的組成化學地反應或者僅在相對小的程度上化學地反應，使得當反應溶液與支撐襯墊130接觸時，反應溶液不蝕刻支撐襯墊130或者在約100攝氏度和約大氣壓下每小時蝕刻小於支撐襯墊130的厚度的約一(1)埃(Å)。因此，支撐襯墊130可以包括相對於反應溶液的抗蝕刻層(其例如可以包括等於或小於約5的pH或等於或大於約8的pH)，以防止反應溶液穿透其(隨著時間的推移)並且最終與裝置電路146相互作用、並侵蝕裝置電路146或以其他方式干擾裝置電路146的功能。因此，支撐襯墊130被配置為防止可能穿過反應結構126和光導118的濾光材料116滲透到支撐襯墊130的液體或溶液(例如反應溶液)與裝置電路146相互作用。
支撐襯墊130可以包括與第一襯墊層154和第一濾光材料116的材料不同的任何材料，並且使得它允許從反應位點114發射的光穿過其並經由相應的光導118到達至少一個相應的光感測器140。例如，支撐襯墊130可以包括允許從相關聯的反應凹槽108的反應位點114發射的未被第一和第二濾光區域116、115過濾的光穿過的任何材料。如下文進一步解釋的，支撐襯墊130可以包括與第一襯墊層154和第一濾光材料116的材料不同的任何材料，使得支撐襯墊130的上部部分可以被選擇性地移除(例如，蝕刻)以僅在光導118的下部部分或底部部分中形成支撐襯墊130。在一些示例中，支撐襯墊130可以包括氧化 物、氮化物或其組合。在一些這樣的示例中，支撐襯墊130可以包括SiO2、金屬氧化物或其組合。
在一些示例中，支撐襯墊130可以包括對反應溶液是化學上惰性的材料。例如，支撐襯墊130可以包括不與反應溶液(其可以包括例如等於或小於約5的pH或等於或大於約8的pH)在化學上起反應或僅在相對小的程度上在化學上起反應的任何材料，使得當反應溶液與支撐襯墊130接觸時，反應溶液不蝕刻支撐襯墊130或者在約100攝氏度和約大氣壓下每小時蝕刻小於支撐襯墊130的厚度的約一(1)埃(Å)。例如，支撐襯墊130可以包括氧化物、氮化物或其組合。在一些示例中，支撐襯墊130可以包括二氧化矽、金屬氧化物、金屬氮化物或其組合。在一些示例中，支撐襯墊130可以包括二氧化矽、氮氧化矽、一氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、硝基碳化矽、金屬氧化物、金屬氮化物或其組合。在一些示例中，反應溶液的pH大於或等於約8，並且支撐襯墊130可以包括二氧化矽、氮氧化矽、一氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、硝基碳化矽、金屬氧化物、金屬氮化物或其組合。在一些示例中，反應溶液的pH小於或等於約5，並且支撐襯墊130包括碳化矽、碳氧化矽、硝基碳化矽、金屬氧化物、金屬氮化物或其組合。
如上所討論的，光導118可以從開口158延伸到裝置基座125中，例如穿過介電材料層142並朝向至少一個圖像感測器140延伸。在特定示例中，光導118是長形的，並且從其孔158從至少一個對應的反應凹槽108附近朝向感測器層141內的至少一個對應的光感測器140延伸。光導118可以沿中心縱向軸線縱向地延伸。光導118可以被配置為三維形狀，其允許和/或促進從至少一個對應的反應凹槽108的反應位點112發射到至少一個對應的光感測器140的光，例如具有圓形開口158的基本上圓柱形或截頭圓錐形的形狀。光導118的縱向軸線可以穿過橫截面的幾何中心延伸。然而，在可選的示例中可以使用其他幾何 形狀。例如，光導118的橫截面可以是基本上正方形或八邊形的。光導118可以包括第一濾光區域116、第二濾光區域115和支撐襯墊130。
如在上面所討論的以及在圖3和圖4中所示的，光導118可以包括第一濾光區域116和第二濾光區域115。第一濾光區域116可以是截頭圓錐形的，並且第二濾光區域115可以是圍繞第一濾光區域116延伸的環形套筒或襯墊(在環形支撐襯墊或套筒130上方)。第一濾光區域116可以包括第一濾光材料，所述第一濾光材料被配置為過濾第一波長或波長範圍(以及潛在地第四波長或波長範圍)的激發光101，並且允許來自至少一個對應的反應凹槽108的至少一個反應位點114的第二波長或波長範圍的光發射穿過其並朝向至少一個對應的光感測器140傳播。類似地，第二濾光區域115可以包括第二濾光材料，所述第二濾光材料被配置為過濾第一波長或波長範圍(以及潛在地第四波長或波長範圍)的激發光101，並且允許來自至少一個對應的反應凹槽108的至少一個反應位點114的第三波長或波長範圍的光發射穿過其並朝向至少一個對應的光感測器140傳播。在一些示例中，第一濾光區域116還可以過濾來自至少一個反應位點114的第三波長或波長範圍的光發射(即，防止這樣的發射的光穿過其)，和/或第二濾光區域115還可以過濾來自至少一個反應位點114的第二波長或波長範圍的光發射(即，防止這樣的發射的光穿過其)。在其他示例中，第一濾光區域116可以允許來自至少一個反應位點114的第三波長或波長範圍的光發射穿過其，和/或第二濾光區域115可以允許來自至少一個反應位點114的第二波長或波長範圍的光發射穿過其。裝置104的陣列光導118的光導118中的每個可以包括第一濾光區域和第二濾光區域116、115的基本上相同的配置(例如，過濾性質)，或者不同的光導118可以包括第一濾光區域和第二濾光區域116、115的不同配置(例如，過濾性質)。
光導118的第一濾光區域116和第二濾光區域115可以是例如吸收 濾光器(例如有機吸收濾光器)，使得它們吸收各自的波長或波長範圍，並且允許至少一個預定的波長或波長範圍穿過其。僅作為示例，裝置104的至少一個反應凹槽108的至少一個第一反應位點114可以被配置為在第三波長或波長範圍的入射激發光101上產生第一波長或波長範圍的第一光發射，並且裝置104的至少一個反應凹槽108的至少一個第二反應位點114可以被配置為在第三波長或波長範圍的入射激發光101上產生與第一光發射不同(或不重疊)的第二波長或波長範圍的第二光發射。第一和第二反應位點114可以是同一反應位點114，可以是設置在公共反應凹槽108內的不同反應位點114，或者可以是設置在不同反應凹槽108內的不同反應位點114。在這樣的示例中，第一濾光區域116可以吸收激發光101和第二光發射，但是允許來自第一反應位點的第一光發射穿過其。類似地，第二濾光區域115可以吸收激發光101和第一光發射，但是允許來自第一反應位點的第二光發射穿過其。
作為另一示例，裝置104的至少一個反應凹槽108的至少一個第一反應位點114可以被配置為在第三波長或波長範圍的入射第一激發光101上產生第一波長或波長範圍的第一光發射，並且裝置104的至少一個反應凹槽108的至少一個第二反應位點114可以被配置為在第四波長或波長範圍的入射第二激發光101上產生第二波長或波長範圍的第二光發射。第一波長、第二波長、第三波長和第四波長或波長範圍可以不同(並且不重疊，如果是波長範圍)。第三和第四激發光101可以同時被發射(例如，在同一光偵測事件期間)，或者第三和第四激發光101可以在不同的時間獨立地或單獨地被發射(例如，在不同的光偵測事件期間)。第一和第二反應位點114可以是同一反應位點114，可以是設置在公共反應凹槽108內的不同反應位點114，或者可以是設置在不同反應凹槽108內的不同反應位點114。在這樣的示例中，第一濾光區域116可以吸收至少第一激發光101和第二光發射，但是允許來自第一反應位點的第一光發射穿過其。 第一濾光區域116也可以吸收第二激發光101。類似地，第二濾光區域115可以吸收至少第二激發光101和第一光發射，但是允許來自第一反應位點的第二光發射穿過其。第二濾光區域115也可以吸收第一激發光101。
第一濾光區域和第二濾光區域116、115的材料可以是防止激發光穿過其(例如，反射、折射和/或吸收這樣的光)並允許預定義的或預先確定的波長或波長範圍的發射光(來自至少一個反應位點114)穿過其的任何材料。例如，第一濾光區域和第二濾光區域116、115的材料可以是具有不同染料的聚合物材料(相同的聚合物材料或不同的聚合物材料)。例如，第一濾光區域和第二濾光區域116、115的材料可以是具有不同染料的聚合物材料(相同的聚合物材料或不同的聚合物材料)。在這樣的示例中，聚合物材料可以包括基於C-H-O的基質，並且不同的染料可以例如是不同的金屬有機複合物分子(metal organic complex molecules)。然而，可使用任何其他適當的材料。如上所討論的，在一些示例中，第一濾光區域和第二濾光區域116、115可以允許不同波長或波長範圍的發射光(來自至少一個反應位點114)穿過其。因此，在一些示例中，光導118的第一濾光區域116可以過濾(即阻擋)光導118的第二濾光區域115允許穿過其的發射光(來自至少一個反應位點114)，和/或光導118的第二濾光區域115可以過濾(即阻擋)光導118的第一濾光區域116允許穿過其的發射光(來自至少一個反應位點114)。
因此，每個光導118可以相對於裝置基座125的周圍材料(例如，介電材料142和/或第一和第二襯墊層154、155)被配置，以形成光導結構。例如，光導118可以具有至少約2的折射率。在某些示例中，光導118被配置為使得激發光的光密度(OD)或吸光度至少為約4OD。更具體地，光導118的濾光材料116可以被選擇，並且光導118可以被定尺寸以實現至少約4OD。在更具體的示例中，光導118可以被配置為實現至少約5OD或至少約6OD。
最初，裝置104或生物元件100的反應結構126的一個或更多個反應凹槽108的反應位點114可以不包括指定的反應。如上所討論的，反應位點114可以包括被固定至偵測器表面112、或者更具體地在反應凹槽108的基部(base)和/或側表面上的生物物質或化學物質。在特定示例中，反應位點114被定位成靠近至少一個相應的光導118的開口158，使得在指定的反應發生後(經由用反應溶液處理)從反應位點114發射的預先指定的光發射通過反應結構126、通過開口158以及第一和/或第二濾光材料116、115、通過支撐襯墊130(以及潛在地第一和/或第二襯墊層154、155)傳播並且到達至少一個相應的光感測器140。
單個反應位點114的生物物質或化學物質可以是相似的或相同的(例如，具有共同序列的分析物(例如，寡核苷酸)的群落)。然而，在其他示例中，單個反應位點114和/或反應凹槽可以包括不同的生物物質或化學物質。類似地，單個反應凹槽108的反應位點114可以包括不同的生物物質或化學物質(以及由此具有不同螢光標記的指定的反應)。在指定的反應之前，反應位點114可以包括至少一種分析物(例如，感興趣的分析物)。例如，分析物可以是寡核苷酸或其群落(例如，感興趣的寡核苷酸)。寡核苷酸可以具有有效的共同序列，並且與預定義的或特定的螢光標記的生物分子例如螢光標記的核苷酸結合。不同的反應位點114因此可以包括不同的螢光標記的生物分子，例如不同的螢光標記的核苷酸。
然而，在指定的反應之前，螢光標記的生物分子的螢光團沒有被併入或結合至反應位點114處的生物物質或化學物質(例如寡核苷酸)。為了實現或獲得指定的反應(即，以將螢光標記的生物分子與在反應位點114處的/反應位點114的生物物質或化學物質結合)，流動單元可以向光偵測裝置104的反應結構126提供反應溶液170的流動，如圖5所示。以這種方式，反應溶液170可以在反應位點114處引發反應和/或形成反應產物，所述反應位點在入射激發光時產 生光發射。
反應溶液可以包括用於例如DNA接枝(DNA grafting)、聚類(clustering)、切割(cleaving)、併入和/或讀取的一種或更多種定序試劑。然而，反應溶液可以是任何溶液。例如，反應溶液170可以是水溶液和/或可以包含油；然而，應該理解，反應溶液170可以包括任何其他液體。反應溶液170可以包括一種或更多種成分，所述成分將傾向於與電路146反應、侵蝕、溶解、劣化電路146或以其他方式使電路146不可操作或不如電路那麼有效(即，傳送信號或電子)。例如，反應溶液170可以是水溶液，如果它與電路146相互作用，則該水溶液將傾向於氧化電路146的金屬部分。
在一個示例中，反應溶液170包含一種或更多種核苷酸類型，其中至少一些被螢光標記，並且反應溶液170還包含一種或更多種生物分子，例如聚合酶，其將核苷酸併入到反應位點114處的生長的寡核苷酸中，從而用螢光標記的核苷酸標記寡核苷酸。在此實施方式中，流動單元提供洗滌溶液以除去未能併入到寡核苷酸中的任何游離核苷酸。然後用第一波長的激發光101照射反應位點114，在其中併入螢光標記的核苷酸的那些反應位點114中導致第二波長或第三波長的螢光。沒有併入螢光標記的核苷酸的反應位點114不發射光。
如在圖5所示的示例中所示出的，反應溶液170可以設置在反應凹槽118內，以實現指定的反應，例如至少一種螢光標記的分子與固定在反應位點114處的生物物質或化學物質結合或摻合。在一些示例中，反應位點114的生物物質或化學物質可以是分析物，並且螢光標記的分子可以包括與分析物結合或摻合的至少一個螢光團。在這樣的示例中，分析物可以包括寡核苷酸，並且至少一種螢光標記的分子包括螢光標記的核苷酸。反應溶液170可以包括不同的螢光標記的分子，其回應於入射激發光而發射不同波長或波長範圍的光。 (相同或不同的反應凹槽108的)不同的反應位點114因此可以被配置為回應於入射激發光而發射不同波長或波長範圍的光。
當反應位點114的生物物質或化學物質(例如寡核苷酸)是相似的或相同的，例如具有共同的序列時，反應位點114可以被配置為在指定的反應之後產生共同的光發射，並且激發光101被來自反應溶液170的與其結合或摻合的螢光標記的分子吸收。當反應位點114的生物物質或化學物質(例如寡核苷酸)是不同的、例如具有不同的序列時，反應位點114可以被配置為在指定的反應之後產生不同的光發射(不同的波長或波長範圍)，並且激發光101被與其結合或摻合的不同螢光標記的分子(例如，由反應溶液170提供)吸收。以這種方式，光導118的第一濾光區域116可以被選擇或配置為允許來自具有第一指定反應的反應位點114的光發射穿過其傳播並到達相應的光感測器140(並且防止激發光以及潛在地來自具有第二指定反應的反應位點114的光發射穿過其到達相應的光感測器140)，並且光導118的第二濾光區域115可以被選擇或配置為允許來自具有不同於第一指定反應的第二指定反應的反應位點114(例如包括發射不同的波長或波長範圍的光的不同的螢光標記的分子)的光發射穿過其傳播並到達相應的光感測器140(並且防止激發光以及潛在地來自具有第一指定反應的反應位點114的光發射穿過其到達相應的光感測器140)。
如圖6所示，在反應溶液170已經與反應位點114的生物物質或化學物質(例如寡核苷酸)相互作用之後，指定的反應已經發生，使得反應位點114包括螢光標記的分子(相同或不同的螢光標記的分子)，例如螢光團，當被激發光101激發時(即，當激發光101入射到反應位點114上時)，所述螢光標記的分子發射預定義的或預先確定的波長或波長範圍的光。激發光101由此可以基於反應溶液170的螢光標記的分子來配置，或者反之亦然。如圖6所示，當被激發光101激發時，反應位點114可以發射所發射的光172或不同於激發光101的波長或 波長範圍的信號。
如圖6所示，來自反應位點114的發射光172可以在所有方向上(例如，各向同性地)發射，使得例如發射光172的一部分被引導到至少一個相應的光導118中，並且光172的一部分被引導到流動通道119或反應結構126中。對於被引導到光導118中的部分，裝置104被配置為便於由至少一個相應的光感測器140偵測光子。具體地，來自反應位點114的穿過相應光導118的開口158的發射光172將穿過其第一濾光區域或第二濾光區域116、115傳播到光感測器140。 然而，激發光101將由第一濾光區域和/或第二濾光區域116、115吸收或以其他方式被防止通過光導118傳播到光感測器140，如圖6所示。
如圖6所示，一些反應位點114可以被配置為發射沒有被第一濾光區域116過濾但被第二濾光區域115過濾(即，防止穿過)的第一波長或波長範圍的光172，並且一些反應位點114可以被配置為發射沒有被第二濾光區域115過濾但被第一濾光區域116過濾(即，防止穿過)的第二波長或波長範圍的光172。如上所提到的，在一些示例中，裝置104的一些反應位點114可以被配置為在第三波長的入射激發光101時發射第一波長或波長範圍的光172，並且裝置104的一些其他反應位點114可以被配置為在第三波長的入射激發光101時發射第二波長或波長範圍的光172。在這樣的示例中，第一濾光區域和第二濾光區域116、115都可以被配置為過濾第三波長的激發光101。又進一步地，在一些其他示例中，裝置104的一些反應位點114可以被配置為在第三波長或波長範圍的入射激發光101時發射第一波長或波長範圍的光172，並且裝置104的一些其他反應位點114可以被配置為在第四波長或波長範圍的入射激發光101時發射第二波長或波長範圍的光172。在這樣的示例中，第一濾光區域和第二濾光區域116、115都可以被配置為過濾第三波長和第四波長或波長範圍的激發光101，或者第一濾光區域和第二濾光區域116、115可以被配置為過濾第三波長或波長 範圍和第四波長或波長範圍的激發光101之一(例如，第一濾光區域116可以被配置為過濾第三波長或波長範圍的激發光101，並且第二濾光區域115可以被配置為過濾第四波長或波長範圍的激發光101)。電耦合至光感測器140的裝置電路146基於由光感測器140偵測到的光子來傳輸資料信號。以這種方式，僅經由用反應溶液處理在反應位點114處的指定反應的存在將導致發射光172在光偵測期間甚至被光感測器140偵測到(即，導致未被第一濾光區域116和第二濾光區域115中的至少一個過濾的發射光172的反應)。
如圖6所示，來自反應位點114的進入至少一個相應的光導118內的發射光172的一部分可以直接穿過其第一濾光材料116或第二濾光材料115傳播並且到達至少一個相應的光感測器140。例如，來自反應位點114的經由開口158進入至少一個相應的光導118內的至少大部分發射光172可以直接地(例如，線性地或基本上線性地)穿過第一濾光材料116或第二濾光材料115到達至少一個相應的光感測器140。來自反應位點114的進入至少一個相應的光導118內的少量發射光172可以以一角度行進，使得它穿過支撐襯墊130、襯墊層154並進入介電材料層142內。這樣的光可以由電路146或嵌在介電材料層142內的其他金屬或反射結構反射，並且潛在地回到相應的光導118中(並且潛在地到達至少一個相應的光感測器140)。在一些示例中，支撐襯墊130和/或襯墊層154可以是對光透明的，例如至少對來自反應位點114的發射光172是透明的或基本上透明的。
圖7-圖13圖示出了製造光偵測裝置例如圖1-圖6的光偵測裝置104的方法200的示例。因此，與“1”相對，前面帶有“2”的相同參考數位用於指示相同的部件、方面、功能、製程或功能，並且上面關於其的描述同樣適用，並且為了簡潔和清楚的目的沒有重複。例如，方法200可以採用本文討論的各種示例(例如系統和/或方法)的結構或方面。在各種示例中，可以省略或添加某 些步驟，可以組合某些步驟，可以同時執行某些步驟，可以並行地執行某些步驟，可以將某些步驟分成多個步驟，可以以不同的循序執行某些步驟，或者可以以反覆運算方式重新執行某些步驟或某些系列的步驟。
如圖7和圖8所示，形成裝置204的方法200可以包括在裝置基座225內形成(在圖7的270處)多個溝槽或空腔280或溝槽或空腔280的陣列。如上所討論的，裝置基座225可以包括光感測器240的陣列和電耦合至光感測器240的裝置電路246，其基於由光感測器240偵測到的光子來傳輸資料信號。裝置基座225可以經由任何製程來提供或獲得。例如，裝置基座225可以以預組裝的或預製造的狀態獲得，或者裝置基座225可以在形成270多個溝槽280之前被形成或製造。多個溝槽可以從裝置基座225的外部表面、外表面或頂表面並朝向至少一個相應的光感測器240(穿過裝置基座225的厚度)延伸。
如上所討論的，可以使用積體電路製造技術例如CMOS製造技術來製造裝置基座225。例如，裝置基座225可以包括數個基底層(例如介電材料層242)，其具有嵌在其中的形成裝置電路246的不同的被修改的特徵(例如金屬元件)。多個溝槽280可以在基底層中(例如在介電材料層242中)形成，以對應於在方法200之後將包括光導218的裝置基座225的部分。雖然在圖8中僅描繪了一個溝槽280，但是如上所述，裝置基座225可以包括光導218的陣列，並且因此可以形成溝槽280的陣列。
如圖8所示，溝槽280可以穿過在第一屏蔽層250和/或第二屏蔽層252中的開口並穿過介電材料242朝向至少一個相應的光感測器240延伸。如圖8所示，裝置基座225例如其介電材料242的內表面可以界定溝槽280，用於在其中形成光導218。溝槽或空腔280可以延伸至穿過介電材料242延伸的第二襯墊層255。以這種方式，第二襯墊層255可以形成溝槽280的底部。也如圖8所示，第一屏蔽層250和/或第二屏蔽層252中的其他開口可以在裝置基座225的間 隙區域213中形成。
溝槽280可以由移除介電材料242的部分(以及潛在地第一屏蔽層250和/或第二屏蔽層252的部分)的任何製程或技術來形成。例如，溝槽280可以通過一個或更多個選擇性蝕刻製程和/或反應性離子蝕刻製程來形成。在一個示例中，溝槽280可以通過將至少一個遮罩(未示出)施加至裝置基座225並且移除介電材料242的部分(以及潛在地第一屏蔽層250和/或第二屏蔽層252的部分)的材料(例如，通過蝕刻)來形成。
如圖7和圖9所示，在形成多個溝槽280之後，方法200可以包括在裝置基座225的頂表面上和在多個溝槽280內沉積(在圖7的272處)第一襯墊層254。在一些示例中，第一襯墊層254可以在多個溝槽280的側壁上而不是在溝槽280的底部處的第二襯墊層255上形成。在一些其他示例中，第一襯墊層254可以在溝槽280的底部處的第二襯墊層255上形成，但是然後隨後被移除。第一襯墊層254可以沉積在裝置基座225的頂表面上的第二屏蔽層252上和潛在地沉積在裝置基座225的間隙區域213中的第一屏蔽層250和/或第二屏蔽層252中的開口中的任何開口上，使得第二屏蔽層252在這樣的開口中的介電材料242上延伸，如圖9所示。
第一襯墊層254可以被配置為抗反射層或反射層(例如，以確保從反應位點發射的光穿過光導)、污染防止層(例如，以防止電路的鈉污染)、和/或黏附層(例如，以將光導的濾光材料黏附至介電材料)。在一些示例中，第一襯墊層254可以被配置為防止任何離子物質滲透到裝置層(例如金屬-介電層)中的污染防止層。在一些示例中，第一襯墊層254可以包括SiN。
第一襯墊層254可以是在裝置基座225上形成的連續保形層。第一襯墊層254可以沒有限定的孔。然而，第一襯墊層254可以包括允許液體或溶液例如反應溶液流過第一襯墊層254的至少一個內部間斷、孔隙、裂縫、破裂 等。例如，第一襯墊層254的密度可以相對低，使得其內部間斷形成穿過第一襯墊層254的路徑。作為另一示例，穿過第一襯墊層254延伸的間斷可以由反應溶液或任何其他液體或溶液形成，以避免與第一襯墊層254反應並蝕刻穿過第一襯墊層254。第一襯墊層254的間斷可以允許液體或溶液(例如反應溶液)穿過其，並且最終到達裝置電路246的導電(例如金屬)部件。如上所討論的，液體或溶液(例如反應溶液)可能侵蝕裝置電路246或以其他方式干擾裝置電路246的操作。
第一襯墊層254可以通過任何製程或技術來形成。例如，第一襯墊層254可以通過至少一種化學沉積製程(例如電鍍、化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強CVD(PECVD)或原子層沉積(ALD))、物理沉積製程、生長模式、磊晶或其組合來形成。在一些示例中，第一襯墊層254可以共形地在裝置基座225的表面上和在溝槽280內(例如，在溝槽280的側壁上和潛在地底表面上)形成。 第一襯墊層254可以包括基本上固定的厚度，或者厚度可以變化。
在裝置基座225上(以及在溝槽280內)形成第一襯墊層254之後，可以進一步處理第一襯墊層254。例如，第一襯墊層254的在裝置基座225的頂表面上延伸的至少一部分(即，第一襯墊層254的間隙區域213)可以被處理以平坦化、展平、平滑化或以其他方式改進其表面形貌。在一些這樣的示例中，第一襯墊層254的在裝置基座225的頂表面上延伸的至少一部分(即，第一襯墊層254的間隙區域213)可以被蝕刻和/或拋光(例如，化學和/或機械拋光/平坦化)以平坦化第一襯墊層254的外表面。
如圖7和圖10所示，方法200可以包括在裝置基座225上沉積(在圖7的274)支撐襯墊230，使得它在裝置基座225的頂表面上和在多個溝槽280內延伸。在一些示例中，支撐襯墊230可以形成在多個溝槽280的側壁和溝槽280的底部上。支撐襯墊230可以在第一襯墊層254和第二襯墊層255上形成。
支撐襯墊230可以通過任何製程或技術來形成。例如，支撐襯墊230可以通過至少一種化學沉積製程(例如電鍍、化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強CVD(PECVD)或原子層沉積(ALD))、物理沉積製程、生長模式、磊晶或其組合來形成。在一些示例中，支撐襯墊230可以共形地在裝置基座225的表面上和在溝槽280內(例如，在溝槽280的側壁上和潛在地在底表面上)形成。支撐襯墊230可以包括基本上固定的厚度，或者厚度可以變化。如下文進一步討論的，支撐襯墊230可以包括與第一濾光區域216的材料不同的材料。
如上所討論的，支撐襯墊230可以被配置為使得它形成固體連續阻擋層(沒有空隙、裂縫或其他間斷)，其防止穿透反應結構226和潛在地穿透光導218的濾光材料216的任何反應溶液(其可以包括例如等於或小於約5的pH或等於或大於約8的pH)與電路246相互作用。例如，支撐襯墊230可以被配置為使得它相對於反應溶液是化學上惰性的，使得當反應溶液與支撐襯墊230接觸時，反應溶液(其可以包括相對高的酸度或相對高的鹼度，如上所述)不蝕刻支撐襯墊230或者在約100攝氏度和在約大氣壓下每小時蝕刻小於支撐襯墊230的厚度的約一(1)埃(Å)。例如，支撐襯墊230可以包括氧化物、氮化物或其組合。在一些示例中，支撐襯墊230可以包括二氧化矽、金屬氧化物、金屬氮化物或其組合。在一些示例中，支撐襯墊230可以包括二氧化矽、氮氧化矽、一氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、硝基碳化矽、金屬氧化物、金屬氮化物或其組合。在一些示例中，反應溶液的pH大於或等於約8，並且支撐襯墊230包括二氧化矽、氮氧化矽、一氧化矽、碳化矽、碳氧化矽、硝基碳化矽、金屬氧化物、金屬氮化物或其組合。在一些示例中，反應溶液的pH小於或等於約5，並且支撐襯墊230包括碳化矽、碳氧化矽、硝基碳化矽、金屬氧化物、金屬氮化物或其組合。因此，支撐襯墊230可以防止任何其他溶液或液體的反應溶液與裝置電路246相互作用(並且從而劣化裝置電路246)。支撐襯墊230的形成方法、厚度和材料可以 獨立地或考慮到彼此而被配置，使得支撐襯墊230沒有允許任何溶液或液體(例如反應溶液)穿過其的任何間斷，並且支撐襯墊230相對於反應溶液是化學上惰性的，使得支撐襯墊230是抗蝕刻的(通過反應溶液)。
如圖7和圖11所示，在形成支撐襯墊230之後，方法200可以包括用至少一個第一濾光材料填充(在圖7的276)多個帶有襯墊的溝槽280，以形成多個光導218的第一濾光區域216。如上所討論的，至少一個濾光材料216可以過濾第一波長或波長範圍的光(例如激發光)，並且允許第二波長或波長範圍的光(例如來自第一反應位點的發射光)穿過其到達至少一個相應的光感測器240。在一些示例中，施加至裝置基座225的濾光材料216的量可以超過帶有襯墊的溝槽280內的可用體積。因此，第一濾光材料216可以溢出帶有襯墊的溝槽280，並且沿著裝置基座225的頂部延伸，例如在支撐襯墊230上延伸。在這樣的示例中，可以移除在支撐襯墊230的頂表面上延伸的第一濾光材料216的至少一部分。在可選的示例中，填充操作276可以包括選擇性地填充每個帶有襯墊的溝槽280，使得第一濾光材料216不清除(clear)或溢出溝槽280(例如，不在支撐襯墊230或第一襯墊層254的頂部上延伸)。在一些示例中，填充(在圖7的276處)第一濾光材料216可以包括將第一濾光材料216機械地壓制或迫使至少進入帶有襯墊的溝槽280中。
如圖7和圖12所示，在將第一濾光材料216沉積在帶有襯墊的溝槽280中之後，方法200可以包括選擇性地移除(在圖7的278)支撐襯墊230的上部部分，以形成圍繞第一濾光材料216並且在第一濾光材料216和每個溝槽280的介電材料142(以及第一內襯墊層254，如果存在的話)之間延伸的空隙、間隙、空腔或開放空間290，如圖12所示。空隙290可以從裝置基座225的頂表面(因此在裝置基座225的頂表面處形成開口)延伸到支撐襯墊230的剩餘的或未移除的底部部分。光導218內的空隙290因此可以是環形的，並且從溝槽280的底部部分 延伸到裝置基座225的頂表面。
如圖12所示，支撐襯墊230的底部部分或下部部分可以不被移除，並且可以保留在第一濾光材料216下方的溝槽280內以及在第一濾光材料216的底部部分或下部部分周圍。以這種方式，在選擇性移除支撐襯墊230的頂部部分之後，第一濾光材料216可以是由支撐襯墊230在其基部或底部部分處支撐的獨立構件(例如截頭圓錐形的)。
支撐襯墊230的上部部分可以選擇性地被移除，使得沉積在溝槽280內的第一濾光材料216保持完全或至少基本上是完整的。類似地，支撐襯墊230的上部部分可以選擇性地被移除，使得沉積在溝槽內的第一襯墊層254保持完全或至少基本上是完整的。如果裝置基座225不包括在溝槽280內的第一襯墊層254，則支撐襯墊230的上部部分可以選擇性地被移除，使得與溝槽208相鄰的介電材料242保持完全或至少基本上是完整的。支撐襯墊230的上部部分可以經由僅移除支撐襯墊230的上部部分的任何選擇性移除製程來移除。如上所討論的，支撐襯墊230的材料可以不同於第一襯墊層254(和介電材料242)和第一濾光區域216的材料。在一些這樣的示例中，支撐襯墊230的上部部分可以經由至少一種選擇性化學或等離子體蝕刻製程來移除，所述至少一種選擇性化學或等離子體蝕刻製程對於支撐襯墊230(而不是第一襯墊層254和第一濾光區域216的材料)是材料特定的。例如，基於自由基的化學蝕刻製程例如Applied Materials®的Producer® SelectraTM蝕刻製程可以用於選擇性地移除支撐襯墊230的上部部分。
然而，應當注意，在一些示例中，支撐襯墊230的上部部分可以不被移除以形成空隙290。相反，支撐襯墊230可以保留在裝置基座225上，使得它在裝置基座225的頂表面上以及在第一濾光材料216和介電材料和裝置電路246之間圍繞第一濾光材料216延伸的多個溝槽280內延伸，如圖11所示。在這 樣的示例中，方法200可以包括在多個光導218(其中僅具有如圖11所示的第一濾光材料216和支撐襯墊230)以及裝置基座225的間隙區域213(例如，在裝置基座225的頂表面上，例如在支撐襯墊230上)上形成(在圖7的282處)反應結構，如下文進一步討論的。因此，支撐襯墊230可以防止可能穿透反應結構或反應結構和光導218的任何溶液或液體例如反應溶液最終與裝置電路246相互作用。
如果支撐襯墊230的上部部分被選擇性地移除以形成空隙290，如圖7和圖13所示，則方法200可以包括用至少一種第一和第二材料填充(在圖7的281處)多個空隙290以形成多個光導218的第二濾光區域215。因此，第一濾光區域216和第二濾光區域215可以形成光導218。如上所討論的，第二濾光區域215的濾光材料可以過濾第一波長或波長範圍的光(例如激發光)，並且允許第三波長或波長範圍的光(例如來自第一反應位點的發射光)穿過其到達至少一個相應的光感測器240。也如上所提到的，第二濾光區域215的濾光材料可以過濾第一濾光區域116允許穿過其的第二波長或波長範圍的光。以這種方式，第一濾光材料216和第二濾光區域215中的每個可以過濾其他區域允許穿過其的波長或波長範圍。
在一些示例中，施加至裝置基座225的第二濾光材料215的量可以超過在空隙290內的可用體積。因此，第二濾光材料215可以溢出空隙290，並沿著裝置基座225的頂部延伸，例如在支撐襯墊230上延伸。在這樣的示例中，可以移除在裝置基座225的頂表面上(例如在第一襯墊層254上)延伸的第二濾光材料215的至少一部分。在可選的示例中，空隙290的填充操作281可以包括選擇性地填充每個空隙290，使得第二濾光材料215不清除或溢出空隙290(例如，不在裝置基座225的頂部上延伸，例如不在第一襯墊層254上延伸)。在一些示例中，用第二濾光材料215填充(在圖7的281處)空隙290可以包括將第二濾光材料215壓制(例如，使用橡膠刷狀部件)至少進入空隙290中。
可選地，在經由第一濾光區域216和第二濾光區域215形成光導218之後，方法200可以包括從裝置基座225的頂部部分(如果存在)和/或從光導218內移除第一濾光材料216和/或第二濾光材料215的一部分，如圖13所示。將第一濾光材料216和第二濾光材料215從光導218內移除，使得光導218的開口258位於第一襯墊層254的頂表面下方的深度或位置處，如圖13所示。可以實施不同的製程或相同的製程用於移除第一濾光材料216和/或第二濾光材料215的一個或更多個部分。例如，移除操作可以包括以下中的至少一種：蝕刻或化學地拋光第一濾光材料216和/或第二濾光材料215的部分。
在經由第一濾光區域216和第二濾光區域215形成光導218之後，方法200可以包括在多個光導218和裝置基座225的間隙區域213上(例如在裝置基座225的頂表面上，例如在第一襯墊層254上)形成(在圖7的282處)反應結構(參見圖3)。如上所討論的，設置在多個光導218和裝置基座225的頂表面的間隙區域213上的反應結構可以包括多個反應凹槽，每個反應凹槽對應於至少一個光導218，用於容納至少一個反應位點和反應溶液，該反應溶液在至少一個反應位點處引發反應和/或形成反應產物，所述反應位點響應於入射激發光產生或發射光。如上所討論的，反應結構可以包括多個層。因此，形成(在圖7的282處)反應結構可以包括在裝置基座225(例如，裝置基座225的頂表面和光導218的開口258)上形成多個層(參見圖3)。可以通過任何製程或技術來形成反應結構。
可選地，方法200可以包括在所形成的反應結構的至少一個反應凹槽中提供至少一個反應位點和/或將流動單元安裝到裝置204(參見圖1)。提供反應位點可以發生在流動單元被耦合至裝置204之前或之後。反應位點可以沿著反應凹槽以預定的圖案定位。反應位點可以以預定的方式對應(例如，一個部位對應於一個光感測器，一個部位對應於多個光感測器，或者多個部位對應於一個光感測器)。在其他示例中，反應位點可以沿著反應凹槽隨機地形成。如本 文所述的，反應位點可以包括被固定至反應凹槽內的偵測器表面的生物物質或化學物質。生物物質或化學物質可以被配置為回應於激發光而發射光信號。在特定示例中，反應位點包括被固定在反應凹槽內的偵測器表面上的生物分子(例如寡核苷酸)的簇或群落。
要理解的是，以上的描述意圖是例證性的並且不是限制性的。 例如，上述示例(和/或其方面)可以彼此結合使用。此外，在不脫離其範圍的情況下，可以進行許多修改以使特定情況或材料適應各種示例的教導。雖然本文可能描述了材料的尺寸和類型，但是它們旨在定義各種示例中的一些示例的參數，並且它們絕不意在限於所有示例，而僅僅是示例性的。許多其他的示例對於本領域的技術人員在查閱以上的描述後將是明顯的。因此，各種示例的範圍應參考所附請求項連同這些請求項有請求保護的等效物的整個範圍來確定。
應該認識到，前述的概念和在下面更詳細討論的另外的概念的所有組合(假設這樣的概念不是相互不一致的)被設想為本文公開的發明主題的部分。特別是，出現在本公開內容的結尾處的要求保護的標的的所有組合被設想為本文公開的發明主題的一部分。
在所附請求項中，用語“包括(including)”和“其中(inwhich)”作為英文原意使用等效於相應用語“包括(comprising)”和“其中(wherein)”。另外，在隨附的請求項中，用語“第一”、“第二”、和“第三”等被僅用作參考標籤，並不旨在對它們的物件強加數值、結構或其他要求。本文用語“基於”的形式包括元件部分基於的關係以及元件完全基於的關係。用語“界定”的形式包括元件被部分界定的關係以及元件被完全界定的關係。此外，所附請求項的限制不是以裝置加功能的形式寫的，且不打算根據《美國法典》第35卷第112節第6段進行解釋，除非和直到這些請求項的限制明確使用短語“用於......的裝置(means for)”，後面是功能聲明，沒有進一步 的結構。應當理解，根據任何特定示例，不一定可以實現上述所有這些目的或優點。因此，例如，所屬技術領域中具有通常知識者將認識到，本文描述的裝置、系統和方法可以以實現或優化本文教導的一個優點或一組優點的方式來實現或執行，而不必實現本文可能教導或建議的其他目的或優點。
雖然僅結合有限數量的示例詳細描述了本公開，但是應當容易理解的是，本公開不限於這些公開的示例。相反，可以對本公開進行修改，以合併此前未描述的、但與本公開的精神和範圍相稱的任何數量的變化、變更、替換或等效佈置。此外，雖然已經描述了各種示例，但是應當理解，本公開的方面可以僅包括一個示例或一些所描述的示例。此外，雖然一些示例被描述為具有一定數量的元件，但是應當理解，這些示例可以用小於或大於一定數量的元件來實踐。
100:生物感測器
101:激發光
102:流動單元
104:光偵測裝置
108:反應凹槽
110:流動蓋
112:偵測器表面
113:間隙區域
114:第一/第二反應位點、反應位點
115:第二濾光材料
116:第一濾光材料
118:光導
119:流動通道
120:埠
125:裝置基座
126:反應結構
130:支撐襯墊
140:光感測器
141:感測器層
142:介電材料
143:閘極
146:電路
154:第一/蝕刻襯墊層、襯墊層

Claims (20)

  1. 一種光偵測裝置，包括：反應結構，所述反應結構容納反應溶液和多個反應位點，所述反應位點在用所述反應溶液處理之後響應於入射激發光而產生光發射，所述反應結構被定位在裝置基座上方；多個光感測器，所述多個光感測器在所述裝置基座內；裝置電路，所述裝置電路在所述裝置基座內，所述裝置電路被電耦合至所述多個光感測器以基於由所述多個光感測器偵測到的光子而傳輸資料信號；以及多個光導，所述多個光導具有輸入區域，以接收所述入射激發光和來自至少一個相應的反應位點的所述光發射，所述光導從所述輸入區域朝向至少一個相應的光感測器延伸到所述裝置基座中，其中所述多個光導中的每個包括第一濾光區域和第二濾光區域，所述第一濾光區域由第一濾光材料形成，以過濾至少第一波長的所述入射激發光並且允許第二波長的所述光發射穿過其到達所述至少一個相應的光感測器，所述第二濾光區域由第二濾光材料形成，以過濾至少所述第一波長的所述入射激發光並且允許第三波長的所述光發射穿過其到達所述至少一個相應的光感測器。
  2. 如請求項1所述的光偵測裝置，還包括在所述光導的底部部分內的支撐層，所述支撐層在所述第一濾光區域的底部部分的下方並且圍繞所述第一濾光區域的底部部分延伸。
  3. 如請求項2所述的光偵測裝置，其中所述支撐層包括氧化物、氮化物或其組合。
  4. 如請求項2所述的光偵測裝置，其中所述光導的所述第二濾光區域在所述支撐層上方並且圍繞所述第一濾光區域延伸。
  5. 如請求項4所述的光偵測裝置，其中所述第一濾光區域和第二濾光區域形成所述光導的所述輸入區域。
  6. 如請求項2所述的光偵測裝置，還包括第二襯墊層，所述第二襯墊層被定位在所述光導的所述底部部分處的所述支撐層和所述裝置電路之間並且被定位在所述光導的頂部部分內的所述第二濾光區域和所述裝置電路之間。
  7. 如請求項6所述的光偵測裝置，其中所述第二襯墊層包括氮化矽屏蔽層。
  8. 如請求項1所述的光偵測裝置，其中所述第一濾光材料還過濾所述第三波長的所述光發射，並且所述第二濾光材料還過濾所述第二波長的所述光發射。
  9. 如請求項1所述的光偵測裝置，其中所述第一濾光材料是具有第一染料的聚合物材料，並且所述第二濾光材料是具有不同於所述第一染料的第二染料的聚合物材料。
  10. 如請求項1所述的光偵測裝置，其中所述多個反應位點中的每個都在所述反應結構的反應凹槽內被固定至所述反應結構。
  11. 如請求項10所述的光偵測裝置，其中所述反應溶液在所述反應位點處引發反應和/或形成反應產物，所述反應位點響應於所述入射激發光產生所述第二波長和所述第三波長的所述光發射。
  12. 如請求項11所述的光偵測裝置，其中所述反應位點包括至少一種分析物，並且其中所述反應溶液包括含有至少一種螢光標記的分子的水溶液。
  13. 如請求項12所述的光偵測裝置，其中所述至少一種分析物包括寡核苷酸，並且其中所述至少一種螢光標記的分子包括螢光標記的核苷酸。
  14. 如請求項1所述的光偵測裝置，其中所述裝置基座的所述裝置 電路形成互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路。
  15. 一種生物感測器，包括：如請求項1所述的裝置；以及流動單元，所述流動單元被至安裝所述裝置，所述流動單元包括所述反應溶液和至少一個流動通道，所述流動通道與所述反應結構的所述反應位點流體連通以將所述反應溶液引導至所述反應位點。
  16. 一種用於形成光偵測裝置的方法，包括：在裝置基座內形成多個溝槽，所述裝置基座包括多個光感測器和裝置電路，所述裝置電路被電耦合至所述光感測器以基於由所述光感測器偵測到的光子而傳輸資料信號，所述多個溝槽從所述裝置基座的頂表面並朝向至少一個相應的光感測器延伸；在所述多個溝槽的內表面上方沉積支撐層；將第一濾光材料填充在經沉積的支撐層上方的所述多個溝槽，所述第一濾光材料過濾至少第一波長的光並且允許第二波長的光穿過其到達所述至少一個相應的光感測器；移除在被定位在所述裝置基座和所述第一濾光材料之間的所述多個溝槽內的所述沉積的支撐層的上部部分以形成多個空隙；將第二濾光材料填充所述多個空隙，所述第二濾光材料過濾至少所述第一波長的光並且允許第三波長的光穿過其到達所述至少一個相應的光感測器以形成多個光導；以及在所述裝置基座和所述多個光導上方形成反應結構，用於容納反應溶液和至少一個反應位點，所述反應位點在以所述反應溶液處理之後回應於至少所述第一波長的入射激發光而產生所述第二波長和所述第三波長中的至少一種的光。
  17. 如請求項16所述的方法，其中移除在所述多個溝槽內的所述沉積的支撐層的所述上部部分形成支撐層部分，所述支撐層部分在所述第一濾光材料的底部部分的下方並且圍繞所述第一濾光材料的底部部分延伸。
  18. 如請求項16所述的方法，還包括在沉積所述支撐層之前在所述多個溝槽的所述內表面上方和在所述裝置基座的所述頂表面上方沉積第二襯墊層，使得所述支撐層在所述第二襯墊層上方延伸。
  19. 如請求項16所述的方法，其中所述第一濾光材料還過濾所述第二波長的光，並且所述第二濾光材料還過濾所述第一波長的光。
  20. 如請求項16所述的方法，其中所述第一濾光材料是具有第一染料的聚合物材料，並且所述第二濾光材料是具有不同於所述第一染料的第二染料的聚合物材料。
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