(57)【要約】【課題】単一分子を分析するための、及び、核酸シークエンシングを実施する装置及び方法を提供する。【解決手段】装置は、アッセイ・チップを含むことが可能であり、アッセイ・チップは、複数のピクセルを含み、複数のピクセルは、サンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェルであって、サンプルは、励起されると、エミッション・エネルギーを放出する、サンプル・ウェルと、エミッション・エネルギーを特定の方向に方向付けするための少なくとも１つのエレメントと、光路であって、光路に沿ってエミッション・エネルギーがサンプル・ウェルからセンサーに向けて進む、光路とを備える。また、装置は、アッセイ・チップにインターフェース接続する機器を含む。機器は、それぞれのサンプル・ウェルの中のサンプルを励起するための励起光供給源と、サンプル・ウェルに対応する複数のセンサーとを含む。それぞれのセンサーは、それぞれのサンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッション・エネルギーを検出することが可能である。機器は、それぞれのサンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを複数のセンサーのそれぞれのセンサーに向けて方向付けする少なくとも１つの光学エレメントを含む。【選択図】  なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のサンプル・ウェルからなるアッセイ・チップとインターフェース接続するための機器であって、前記複数のサンプル・ウェルのそれぞれのサンプル・ウェルは、サンプルを収容し、前記機器は、
前記複数のサンプル・ウェルの少なくとも一部分の前記サンプルを励起するように構成されている少なくとも１つの励起光供給源と、
複数のセンサーであって、前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーは、前記複数のサンプル・ウェルの１つのサンプル・ウェルに対応しており、前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーは複数のサブ・センサーを有してなり、それぞれのサンプル・ウェルから受け取った、投射された複数の異なるパターンを判別する、複数のセンサーと、
前記複数のサンプル・ウェルのそれぞれのサンプル・ウェルからの前記エミッション・エネルギーを前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーに向けて方向付けする、少なくとも１つの光学エレメントと、
からなる、機器。
【請求項２】
アッセイ・チップを保持するソケットをさらに備える、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記ソケットは前記アッセイ・チップを、励起光源と、前記複数のセンサーのうちの少なくとも１つのセンサーとに光学的にアライメントした状態に保持する、請求項２に記載の機器。
【請求項４】
前記少なくとも１つの励起光供給源からの励起光を前記アッセイ・チップに向けて反射し、及び、前記複数のサンプル・ウェルからの前記エミッション・エネルギーを前記複数のセンサーに向けて透過させるポリクロイック・ミラーをさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記少なくとも１つの光学エレメントが、リレー・レンズからなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の機器。
【請求項６】
前記少なくとも１つの励起光供給源が、複数の光供給源からなり、前記複数の光供給源のそれぞれの光供給源は、複数の波長のうちの１つ又は複数において励起光を放出し、前記機器は前記複数の光供給源のそれぞれから放出される光を空間的に重ね合わせるための波長コンバイナーをさらに含んでなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の機器。
【請求項７】
前記少なくとも１つの励起光供給源が、パルス光供給源からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の機器。
【請求項８】
少なくとも１つのスペクトル・フィルターをさらに含んでなり、前記少なくとも１つのスペクトル・フィルターは、前記エミッション・エネルギーを透過させ、及び、前記少なくとも１つの励起光供給源からの励起光の吸収又は反射の少なくとも一方を生じさせる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の機器。
【請求項９】
第１の波長のエミッション・エネルギーを第２の波長のエミッション・エネルギーから空間的に分離するための少なくとも１つのスペクトル・ソーティング・エレメントをさらに含んでなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の機器。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのスペクトル・ソーティング・エレメントが、回折光学素子からなり、前記回折光学素子が、前記エミッション・エネルギーを色彩的に分散させること、及び、前記エミッション・エネルギーの焦点を合わせるように形成されている、請求項９に記載の機器。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのスペクトル・ソーティング・エレメントが、光フィルタリング・エレメントである、請求項９に記載の機器。
【請求項１２】
制御システムをさらに含んでなり、前記制御システムは、（ｉ）直接励起光を前記複数のサンプル・ウェルに方向付けし、（ｉｉ）前記複数のセンサーからの信号を検出し、（ｉｉｉ）前記複数のセンサーから検出した信号に基づき異なるエミッション・バンドを判別するようにプログラムされている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の機器。
【請求項１３】
複数のピクセルからなるアッセイ・チップであって、前記複数のピクセルのそれぞれは、
サンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェルであって、前記サンプルは、励起されると、エミッション・エネルギーを放出する、サンプル・ウェル、
前記サンプル・ウェルからの前記エミッション・エネルギーを特定の方向に方向付けするための少なくとも１つのエレメントであって、屈折エレメント、回折エレメント、プラズモニック・エレメント、及び共振器からなる群から選択される、少なくとも１つのエレメント、ならびに、
光路であって、前記光路に沿って前記エミッション・エネルギーが前記サンプル・ウェルからセンサーに向けて進む、光路、
からなる、アッセイ・チップと、
前記アッセイ・チップとインターフェース接続するように構成されている機器であって、
前記サンプルを励起するように構成されている少なくとも１つの励起光供給源、
複数のセンサーであって、前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーは、それぞれのサンプル・ウェルに対応しており、前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーは複数のサブ・センサーを有してなり、前記それぞれのサンプル・ウェルから受け取った、投射された複数の異なるパターンを判別する、複数のセンサー、ならびに、
それぞれのサンプル・ウェルからの前記エミッション・エネルギーを前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーに向けて方向付けするように構成されている、少なくとも１つの光学エレメント、
からなる、機器と、
からなる、装置。
【請求項１４】
前記アッセイ・チップが、前記機器に接続され、及び、前記機器から除去され、前記アッセイ・チップが前記機器に接続されているときに、前記複数のサンプル・ウェルのサンプル・ウェルと前記複数のセンサーの対応するセンサーとの間の前記光学的な距離が、３０ｃｍ未満である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記サンプルが、複数の波長帯域のうちの１つの波長帯域の中の前記エミッション・エネルギーを放出する発光性タグからなる、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーが、２つのサブ・センサーからなる、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記機器が、少なくとも１つの波長依存エレメントをさらに含み、前記少なくとも１つの波長依存エレメントは、第１の波長のエミッション・エネルギーを前記２つのサブ・センサーのうちの第１のサブ・センサーに向けて方向付けし、第２の波長のエミッション・エネルギーを前記２つのサブ・センサーのうちの第２のサブ・センサーに向けて方向付けする、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの波長依存エレメントが、回折光学素子及びスペクトル・フィルターを含んでなる、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの励起供給源が、パルス光を放出する、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
第１のサンプルに関連付けられる第１の発光性タグは、第１の波長の光によって励起されるが、第２の波長の光によって励起されず、
第２のサンプルに関連付けられる第２の発光性タグは、前記第２の波長の光によって励起されるが、前記第１の波長の光によって励起されない、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
複数のピクセルからなるアッセイ・チップであって、前記複数のピクセルのそれぞれは、
サンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェルであって、前記サンプルは、励起されると、エミッション・エネルギーを放出する、サンプル・ウェル、
前記サンプル・ウェルからの前記エミッション・エネルギーを特定の方向に方向付けするための少なくとも１つのエレメントであって、屈折エレメント、回折エレメント、プラズモニック・エレメント、及び共振器からなる群から選択される、少なくとも１つのエレメント、ならびに、
光路であって、前記光路に沿って前記エミッション・エネルギーが前記サンプル・ウェルからセンサーに向けて進む、光路、
からなる、アッセイ・チップと、
前記アッセイ・チップとインターフェース接続するように構成されている機器であって、
前記サンプルを励起するように構成されている少なくとも１つの励起光供給源、
複数のセンサーであって、前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーは、それぞれのサンプル・ウェルに対応しており、前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーは複数のセグメントを有してなり、前記それぞれのサンプル・ウェルから受け取った、投射された複数の異なるパターンを判別する、複数のセンサー、
それぞれのサンプル・ウェルからの前記エミッション・エネルギーを前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーに向けて方向付けするように構成されている、少なくとも１つの光学エレメント、ならびに
少なくとも１つの波長依存エレメントであって、前記少なくとも１つの波長依存エレメントは、第１の波長のエミッション・エネルギーを前記２つのセグメントのうちの第１のセグメントに向けて方向付けし、第２の波長のエミッション・エネルギーを前記２つのセグメントのうちの第２のセグメントに向けて方向付けする波長依存エレメント
からなる、機器と、
からなる、装置。
【請求項２２】
複数のサンプル・ウェルからなるアッセイ・チップとインターフェース接続するための機器であって、前記複数のサンプル・ウェルのそれぞれのサンプル・ウェルは、サンプルを収容し、前記機器は、
前記複数のサンプル・ウェルの少なくとも一部分の前記サンプルを励起するように構成されている少なくとも１つの励起光供給源と、
複数のセンサーであって、前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーは、前記複数のサンプル・ウェルの１つのサンプル・ウェルに対応しており、前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーは複数のセグメントを有してなり、それぞれのサンプル・ウェルから受け取った、投射された複数の異なるパターンを判別する、複数のセンサーと、
前記複数のサンプル・ウェルのそれぞれのサンプル・ウェルからの前記エミッション・エネルギーを前記複数のセンサーのそれぞれのセンサーに向けて方向付けする、少なくとも１つの光学エレメントと、
少なくとも１つのスペクトル・フィルターであって、前記少なくとも１つのスペクトル・フィルターは、前記エミッション・エネルギーを透過させ、及び、前記少なくとも１つの励起光供給源からの励起光の吸収又は反射の少なくとも一方を生じさせるスペクトル・フィルターと
からなる、機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、生物学的なサンプル及び／又は化学的なサンプルの迅速で大規模並列の定量的な分析を実施するためのデバイス、方法、及び技法一般に関し、また、前記デバイスを製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的なサンプルの検出及び分析は、生物学的なアッセイ（「バイオアッセイ」）を使用して実施され得る。バイオアッセイは、従来から、大きくて高価な実験機器を必要とし、機器を動作させ、バイオアッセイを実施するように訓練された研究科学者を必要とする。そのうえ、バイオアッセイは、従来から、まとめて実施されており、大量の特定のタイプのサンプルが、検出及び定量化のために必要であるようになっている。
【０００３】
いくつかのバイオアッセイは、特定の波長の光を放出する発光性タグを用いてタグを付けることによって実施される。タグは、励起光供給源によって照射され、発光を引き起こし、発光性の光は、フォトディテクターによって検出され、タグによって放出される発光性の光の量を定量化する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発光性タグを使用するバイオアッセイは、従来から、サンプルを照射するための高価なレーザ光供給源と、照射されたサンプルからの発光を収集するための複雑で大型の検出オプティクス及び電子機器とを必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で説明されている技術は、アッセイ・チップ及び機器を使用して、試料を迅速に分析するための装置及び方法に関する。アッセイ・チップは、使い捨てのもしくはリサイクル可能なチップの形態であることが可能であり、それは、少量の試料を受け入れるように、及び、試料の中のサンプルの多数の分析を並行して実行するように構成されている。アッセイ・チップ及び機器が使用され、いくつかの実施形態では、特定の化学的な又は生物学的な分析対象の存在を検出し、いくつかの実施形態では、化学的な又は生物学的な反応を評価し、いくつかの実施形態では、遺伝子配列を決定することが可能である。いくつかの実施形態によれば、集積デバイスは、単一分子遺伝子シークエンシングのために使用され得る。
【０００６】
いくつかの実施形態によれば、ユーザは、アッセイ・チップの上のチャンバーの中に試料を堆積させ、受け入れ機器の中へアッセイ・チップを挿入する。機器は、単独で、又は、コンピュータと通信して、集積デバイスと自動的にインターフェース接続し、アッセイ・チップから光を送り、及び受け取り、受け取られた光を処理し、分析の結果をユーザに提供する。
【０００７】
いくつかの実施形態によれば、アッセイ・チップは、サンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェルであって、サンプルは、励起されると、エミッション・エネルギーを放出する、サンプル・ウェルと、エミッション・エネルギーを特定の方向に方向付けする少なくとも１つのエレメントと、光路であって、光路に沿ってエミッション・エネルギーがサンプル・ウェルからセンサーに向けて進む、光路とを含む。少なくとも１つのエレメントは、屈折エレメント、回折エレメント、プラズモニック・エレメント、及び共振器からなる群から選択される。
【０００８】
いくつかの実施形態では、アッセイ・チップが、廃棄の前に、単一の生物学的なアッセイだけにおいて使用される。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのエレメントが、エミッション・エネルギーをセンサーに向けて方向付けするように構成されている少なくとも１つのレンズを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのレンズが、屈折レンズである。
いくつかの実施形態では、光路が、アッセイ・チップの１つ又は複数の界面におけるエミッション・エネルギーの反射を低減させるように構成されている少なくとも１つの反射防止層を含む。
【００１０】
いくつかの実施形態では、アッセイ・チップが、使い捨てのフレームをさらに含む。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのエレメントが、同心円状のリング・グレーチングを含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、同心円状のリング・グレーチングが、サンプル・ウェルの中へカップリングしてサンプルを励起する、励起光供給源からの励起光の量を増加させるように構成されている。
【００１２】
いくつかの実施形態では、同心円状のリング・グレーチングが、エミッション・エネルギーをセンサーに向けて方向付けするようにさらに構成されている。
いくつかの実施形態では、同心円状のリング・グレーチングが、非周期的な同心円状のリング・グレーチングである。
【００１３】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのレンズが、回折レンズである。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのエレメントが、誘電体共振器アンテナからなる。
【００１４】
いくつかの実施形態によれば、複数のサンプル・ウェルを含むアッセイ・チップとインターフェース接続するように構成されている機器であって、複数のサンプル・ウェルのそれぞれのサンプル・ウェルは、サンプルを受け入れるように構成されており、機器は、複数のサンプル・ウェルの少なくとも一部分のサンプルを励起するように構成されている少なくとも１つの励起光供給源と、複数のセンサーであって、複数のセンサーのそれぞれのセンサーは、複数のサンプル・ウェルのサンプル・ウェルに対応しており、複数のセンサーのそれぞれのセンサーは、それぞれのサンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッション・エネルギーを検出するように構成されている、複数のセンサーと、複数のサンプル・ウェルのそれぞれのサンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを複数のセンサーのそれぞれのセンサーに向けて方向付けするように構成されている、少なくとも１つの光学エレメントとを含む。
【００１５】
いくつかの実施形態では、機器が、少なくとも１つの励起光供給源からの励起光をアッセイ・チップに向けて反射するように、及び、複数のサンプルからのエミッション・エネルギーを複数のセンサーに向けて透過させるように構成されているポリクロイック・ミラーをさらに含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの光学エレメントが、リレー・レンズからなる。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起光供給源が、複数の光供給源を含み、複数の光供給源のそれぞれの光供給源は、複数の波長のうちの１つ又は複数において励起光を放出する。
【００１７】
いくつかの実施形態では、機器が、複数の光供給源のそれぞれから放出される光を空間的に重ね合わせるための波長コンバイナーをさらに含む。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起光供給源が、パルス光供給源からなる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、機器が、少なくとも１つのスペクトル・フィルターをさらに含み、少なくとも１つのスペクトル・フィルターは、エミッション・エネルギーを透過させるように、ならびに、少なくとも１つの励起光供給源からの励起光を吸収及び／又は反射させるように構成されている。
【００１９】
いくつかの実施形態では、機器が、第１の波長のエミッション・エネルギーを第２の波長のエミッション・エネルギーから空間的に分離するための少なくとも１つのスペクトル・ソーティング・エレメントをさらに含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのスペクトル・ソーティング・エレメントが、回折光学素子からなる。
いくつかの実施形態では、回折光学素子が、エミッション・エネルギーを色彩的に分散させること、及び、エミッション・エネルギーの焦点を合わせることの両方を行う。
【００２１】
いくつかの実施形態では、回折光学素子が、オフセットされたフレネル・レンズからなる。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのスペクトル・ソーティング・エレメントが、光フィルタリング・エレメントである。
【００２２】
いくつかの実施形態では、機器が、制御システムをさらに含み、制御システムは、（ｉ）直接励起光を前記複数のサンプル・ウェルに方向付けし、（ｉｉ）前記複数のセンサーにおいて、前記複数のウェルからの信号を検出し、（ｉｉｉ）前記信号の空間的な分布パターンを使用し、前記サンプル又はそのサブユニットを特定するようにプログラムされている。
【００２３】
いくつかの実施形態によれば、装置は、複数のピクセルを含むアッセイ・チップと、アッセイ・チップにインターフェース接続するように構成されている機器とを含む。アッセイ・チップの複数のピクセルのそれぞれは、サンプルを受け入れるように構成されているサンプル・ウェルであって、サンプルは、励起されると、エミッション・エネルギーを放出する、サンプル・ウェルと、エミッション・エネルギーを特定の方向に方向付けするための少なくとも１つのエレメントであって、屈折エレメント、回折エレメント、プラズモニック・エレメント、及び共振器からなる群から選択される、少なくとも１つのエレメントと、光路であって、光路に沿ってエミッション・エネルギーがサンプル・ウェルからセンサーに向けて進む、光路とを含む。機器は、それぞれのサンプル・ウェルの中のサンプルを励起するように構成されている少なくとも１つの励起光供給源と、複数のセンサーであって、複数のセンサーのそれぞれのセンサーは、それぞれのサンプル・ウェルに対応しており、複数のセンサーのそれぞれのセンサーは、それぞれのサンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッション・エネルギーを検出するように構成されている、複数のセンサーと、それぞれのサンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを複数のセンサーのそれぞれのセンサーに向けて方向付けするように構成されている、少なくとも１つの光学エレメントとを含む。
【００２４】
いくつかの実施形態では、アッセイ・チップが、機器に接続されるように、及び、機器から除去されるように構成されている。
いくつかの実施形態では、アッセイ・チップが機器に接続されているときに、複数のサンプル・ウェルのサンプル・ウェルと複数のセンサーの対応するセンサーとの間の光学的な距離が、３０ｃｍ未満である。
【００２５】
いくつかの実施形態では、アッセイ・チップが機器に接続されているときに、複数のサンプル・ウェルのサンプル・ウェルと複数のセンサーの対応するセンサーとの間の光学的な距離が、５ｃｍ未満である。
【００２６】
いくつかの実施形態では、アッセイ・チップが機器に接続されているときに、複数のサンプル・ウェルのサンプル・ウェルと複数のセンサーの対応するセンサーとの間の光学的な距離が、１ｃｍ未満である。
【００２７】
いくつかの実施形態では、機器が、ポータブルである。
いくつかの実施形態では、それぞれのサンプルが、複数の波長帯域のうちの１つの波長帯域の中のエミッション・エネルギーを放出する発光性タグを含み、複数のセンサーのそれぞれのセンサーが、複数の波長帯域のそれぞれにおいてエミッション・エネルギーを検出するように構成されているサブ・センサーを含む。
【００２８】
いくつかの実施形態では、複数のセンサーのそれぞれのセンサーが、少なくとも２つのサブ・センサーを含む。
いくつかの実施形態では、複数のセンサーのそれぞれのセンサーが、少なくとも４つのサブ・センサーからなる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、機器が、少なくとも１つの波長依存エレメントをさらに含み、少なくとも１つの波長依存エレメントは、第１の波長のエミッション・エネルギーを少なくとも２つのサブ・センサーの第１のサブ・センサーに向けて方向付けし、第２の波長のエミッション・エネルギーを少なくとも２つのサブ・センサーの第２のサブ・センサーに向けて方向付けする。
【００３０】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの波長依存エレメントが、回折光学素子である。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの波長依存エレメントが、スペクトル・フィルターである。
【００３１】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起供給源が、パルス光を放出する。
いくつかの実施形態では、第１のサンプルに関連付けられる第１の発光性タグは、第１の波長の光によって励起されるが、第２の波長の光によって励起されず、第２のサンプルに関連付けられる第２の発光性タグは、第２の波長の光によって励起されるが、第１の波長の光によって励起されない。
【００３２】
いくつかの実施形態によれば、試料を分析する方法であって、方法は、
複数のサンプル・ウェルからなるアッセイ・チップの上部表面の上に試料を提供する工程と、少なくとも１つの励起光供給源及び少なくとも１つのセンサーからなる機器にチップを整合させる工程と、複数のサンプル・ウェルのうちの少なくとも１つの中の試料からのサンプルを、少なくとも１つの励起光供給源からの励起光によって励起する工程と、励起光による励起に応答して、少なくとも１つのサンプル・ウェルの中のサンプルが発生させたエミッション・エネルギーを、少なくとも１つのセンサーによって検出する工程とを含む。
【００３３】
いくつかの実施形態では、方法が、エミッション・エネルギーの検出に基づいて、エミッション・エネルギーを放出した分子のタイプを決定する工程をさらに含む。
いくつかの実施形態では、分子のタイプを決定する工程が、エミッション・エネルギーのスペクトルの特質を測定する工程を含む。
【００３４】
いくつかの実施形態では、分子のタイプを決定する工程が、サンプルを励起した励起光の波長を決定する工程をさらに含む。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起光供給源が、連続波光を放出する。
【００３５】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起光供給源が、パルス光を放出する。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの励起光供給源が、複数の励起光供給源からなり、複数の励起光供給源のそれぞれの励起光供給源が、異なる波長の光を放出する。
【００３６】
いくつかの実施形態では、サンプルが、フルオロフォアに取り付けられている少なくとも１つのヌクレオチドを含む。
いくつかの実施形態によれば、ターゲット核酸分子をシークエンシングするための方法は、（ａ）励起供給源及びセンサーを含む機器に隣接してチップを提供する工程であって、チップは、少なくとも１つのウェルを含み、少なくとも１つのウェルは、チップが前記機器のセンシング位置にあるときに、励起供給源及びセンサーに動作可能にカップリングされており、ウェルは、ターゲット核酸分子、重合酵素、及び、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含有する、工程と、（ｂ）センシング位置において、チップによって、重合酵素の存在下で、ターゲット核酸分子のプライミング場所において、伸長反応を実施し、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を、ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖の中へ順次組み込む工程であって、励起供給源からの励起エネルギーによる組み込み及び励起が起こると、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体は、ウェルの中に信号を放出する、工程と、（ｃ）複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関して区別可能な、信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンを検出するために、センサーを使用する工程と、（ｄ）信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンに基づいて、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を特定し、それによって、ターゲット核酸分子をシークエンシングする工程とを含む。
【００３７】
いくつかの実施形態では、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、タグを含み、タグは、前記成長する鎖の中に組み込むと、信号を放出する。
いくつかの実施形態では、タグが、発光性タグである。
【００３８】
いくつかの実施形態では、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、前記信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンを検出することに続いて特定される。
いくつかの実施形態では、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含み、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられる前記信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンは、互いから区別可能である。
【００３９】
いくつかの実施形態では、前記４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられる信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンが、互いから別々に検出される。
【００４０】
いくつかの実施形態では、信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンが、空間的な及び／又は時間的な分布パターンのそれぞれの形状及び／又は強度分布に基づいて、互いから区別可能である。
【００４１】
いくつかの実施形態では、プライミング場所が、ターゲット核酸分子に相補的なプライマーを含む。
いくつかの実施形態では、本発明の方法の行為（ｂ）が、前記プライマーを使用してプライマー伸長反応を実施する工程を含み、プライマーは、前記ターゲット核酸分子に対してハイブリダイズされ、前記成長する鎖を生み出す。
【００４２】
いくつかの実施形態では、ターゲット核酸分子は二本鎖である。
いくつかの実施形態では、プライミング場所が、ターゲット核酸分子の中のギャップ又はニックである。
【００４３】
いくつかの実施形態では、重合酵素が、ウェルの中に固定化されている。
いくつかの実施形態では、重合酵素が、ウェルの底部部分において固定化されている。
いくつかの実施形態では、重合酵素が、ウェルの表面に取り付けられるリンカーを使用して固定化されている。
【００４４】
いくつかの実施形態では、重合酵素が、鎖置換活性を示す。
いくつかの実施形態では、ウェルが、前記チップの中の複数のウェルの間にある。
いくつかの実施形態では、機器が、前記複数のウェルに動作可能にカップリングされる複数の励起供給源を含む。
【００４５】
いくつかの実施形態では、方法の行為（ｃ）の前に、前記信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンが、前記信号から発生する。
いくつかの実施形態によれば、核酸シークエンシングのための方法は、（ａ）機器に隣接してチップを提供する工程であって、チップは、複数のウェルを含み、複数のウェルは、チップが機器のセンシング位置にあるときに、（ｉ）励起供給源及び（ｉｉ）前記機器のセンサーにそれぞれ動作可能にカップリングされており、前記複数のうちの個々のウェルは、ターゲット核酸分子、重合酵素、及び、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含有する、工程と、（ｂ）前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体及び前記重合酵素の存在下において、前記ターゲット核酸分子に相補的な成長する鎖を生み出すために、センシング位置において、チップによって、前記ターゲット核酸分子に重合反応を受けさせる工程であって、組み込みの間に、前記励起供給源からの励起エネルギーによる励起が起こると、前記ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体は、前記個々のウェルの中に信号を放出する、工程と、（ｃ）複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関して区別可能な、信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンを検出するために、センサーを使用する工程と、（ｄ）前記信号の前記空間的な及び／又は時間的な分布パターンに基づいて、前記ターゲット核酸分子の配列を特定する工程とを含む。
【００４６】
いくつかの実施形態では、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、タグを含み、タグは、前記成長する鎖の中に組み込むと、前記信号を放出する。
いくつかの実施形態では、タグが、発光性タグである。
【００４７】
いくつかの実施形態では、配列が、前記信号の前記空間的な及び／又は時間的な分布パターンを検出することに続いて特定される。
いくつかの実施形態では、複数のタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体が、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体を含み、４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられる前記信号の前記空間的な及び／又は時間的な分布パターンは、互いから区別可能である。
【００４８】
いくつかの実施形態では、前記４つの異なるタイプのヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に関連付けられる前記信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンが、互いから別々に検出される。
【００４９】
いくつかの実施形態では、方法の行為（ｂ）が、プライマーを使用してプライマー伸長反応を実施する工程からなり、プライマーは、前記ターゲット核酸分子に対してハイブリダイズされ、前記成長する鎖を生み出す。
【００５０】
いくつかの実施形態では、ターゲット核酸分子が、一本鎖である。
いくつかの実施形態では、重合酵素が、前記ウェルの中に固定化されている。
いくつかの実施形態では、励起供給源が、前記複数のウェルに動作可能にカップリングされる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、方法の行為（ｃ）が、前記信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンを検出する工程を含む。
いくつかの実施形態では、機器が、前記複数のウェルに動作可能にカップリングされる複数の励起供給源を含む。
【００５２】
いくつかの実施形態では、機器が、前記複数のウェルに動作可能にカップリングされる複数のセンサーを含む。
いくつかの実施形態では、方法の行為（ｃ）の前に、前記信号の空間的な及び／又は時間的な分布パターンが、前記信号から発生する。
【００５３】
本教示の先述の及び他の態様、実施形態、及び特徴は、添付の図面に関連する以下の説明からより完全に理解され得る。
「ピクセル」という用語は、本開示において、集積デバイスの単位セルを表すために使用され得る。単位セルは、サンプル・ウェル及びセンサーを含むことが可能である。単位セルは、励起供給源をさらに含むことが可能である。単位セルは、サンプル・ウェルへの励起供給源からの励起エネルギーのカップリングを増強するように構成されている、少なくとも１つの励起カップリング光学的な構造体（それは、「第１の構造体」と称され得る）をさらに含むことが可能である。単位セルは、センサーへのサンプル・ウェルからのエミッションのカップリングを増強するように構成されている、少なくとも１つのエミッション・カップリング構造体をさらに含むことが可能である。単位セルは、集積された電子デバイス（たとえば、ＣＭＯＳデバイス）をさらに含むことが可能である。集積デバイスの上にアレイで配置されている複数のピクセルが存在することが可能である。
【００５４】
「光学的な」という用語は、本開示において、可視、近赤外線、及び短波長赤外線スペクトル・バンドを表すために使用され得る。
「タグ」という用語は、本開示において、分析されることになるサンプルに取り付けられているか、又は、サンプルと反応させられ得る反応物質に取り付けられている、タグ、プローブ、マーカ、又はレポータを表すために使用され得る。
【００５５】
「励起エネルギー」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの中のサンプル及び／又はタグに送達されるエネルギーの任意の形態（たとえば、放射又は非放射）を表すために使用され得る。放射励起エネルギーは、１つ又は複数の特性波長における光学的な放射線からなることが可能である。
【００５６】
「特性波長」という語句は、本開示において、放射線の限定されたバンド幅の中の中央の又は支配的な波長を表すために使用され得る。いくつかのケースでは、それは、放射線のバンド幅のピーク波長を表すことが可能である。フルオロフォアの特性波長の例は、５６３ｎｍ、５９５ｎｍ、６６２ｎｍ、及び６８７ｎｍである。
【００５７】
「特性エネルギー」という語句は、本開示において、特性波長に関連付けられるエネルギーを表すために使用され得る。
「エミッション」という用語は、本開示において、タグ及び／又はサンプルからのエミッションを表すために使用され得る。これは、放射エミッション（たとえば、光学的なエミッション）、又は、非放射エネルギー伝達（たとえば、デクスター・エネルギー移動もしくはフェルスター共鳴エネルギー移動）を含むことが可能である。エミッションは、サンプル・ウェルの中のサンプル及び／又はタグの励起から結果として生じる。
【００５８】
「サンプル・ウェルからのエミッション」又は「サンプルからのエミッション」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの中のタグ及び／又はサンプルからのエミッションを表すために使用され得る。
【００５９】
「自己整合される」という用語は、本開示において、第１のリソグラフィック・パターニング工程（たとえば、フォトリソグラフィー、イオン−ビーム・リソグラフィー、ＥＵＶリソグラフィー）が、第１のエレメントのパターンをプリントし、第２のリソグラフィック・パターニング工程が、第１のリソグラフィック・パターニング工程に整合させられ、ａ第２のエレメントのパターンをプリントするという、２つの別々のリソグラフィック・パターニング工程を使用することなく、少なくとも２つの別個のエレメント（たとえば、サンプル・ウェル及びエミッション・カップリング構造体、サンプル・ウェル及び励起供給源）が、互いに対して製作及び整合させられ得る、マイクロ製作プロセスを表すために使用され得る。自己整合されるプロセスは、単一のリソグラフィック・パターニング工程において、第１のエレメント及び第２のエレメントの両方のパターンを含むことからなることが可能であり、又は、第１のエレメントの製作された構造体の特徴を使用して、第２のエレメントを形成することからなることが可能である。
【００６０】
「センサー」という用語は、本開示において、サンプル・ウェルからのエミッションを感知し、感知されたエミッションを表す少なくとも１つの電気信号を作り出すように構成されている、１つ又は複数の集積回路デバイスを表すために使用され得る。
【００６１】
「ナノ・スケール」という用語は、本開示において、１５０ナノメートル（ｎｍ）以下であるが、おおよそ５００ｎｍよりは大きくないオーダの少なくとも１つの寸法又は最小特徴サイズを有する構造体を表すために使用され得る。
【００６２】
「マイクロ・スケール」という用語は、本開示において、おおよそ５００ｎｍからおおよそ１００ミクロンの間の少なくとも１つの寸法又は最小特徴サイズを有する構造体を表すために使用され得る。
【００６３】
「増強される励起エネルギー」という語句は、本開示において、サンプル・ウェルの励起領域における励起エネルギーの強度を増加させるということを表すために使用され得る。強度は、たとえば、サンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーを集中及び／又は共鳴させることによって、増加させられ得る。いくつかのケースでは、強度は、励起エネルギーがサンプル・ウェルの励起領域の中へさらに浸透することを可能にする反射防止コーティング又は損失性層によって、増加させられ得る。励起エネルギーの増強は、サンプル・ウェルの励起領域における励起エネルギーを増強する構造体を含まない実施形態に対する比較参照であることが可能である。
【００６４】
「約」、「おおよそ」、及び「実質的に」という用語は、本開示において、値を表すために使用され得、基準値プラス及びマイナス許容可能な変化を包含することが意図されている。変化の量は、いくつかの実施形態では、５％未満であることが可能であり、いくつかの実施形態では、１０％未満であることが可能であり、さらに、いくつかの実施形態では、２０％未満であることが可能である。たとえば、１つ又は複数の桁数を含む範囲など、大きい範囲の値にわたって、装置が適正に機能することができる実施形態では、変化の量は、２倍となる可能性がある。たとえば、２０から３５０の範囲にある値に関して装置が適正に機能する場合には、「おおよそ８０」は、４０から１６０の間の値を包含することが可能である。
【００６５】
「隣接して」という用語は、本開示において、互いに対して極めて接近して配置されている２つのエレメントを表すために使用され得る（たとえば、ピクセルの横断方向の又は垂直方向の寸法の約５分の１よりも小さい距離以内）。いくつかのケースでは、隣接するエレメントの間に、介在構造体又は層が存在することが可能である。いくつかのケースでは、隣接するエレメントは、介在構造体又はエレメントがない状態で、互いに対して直接隣接していることが可能である。
【００６６】
「検出する」という用語は、本開示において、サンプル・ウェルからのエミッションをセンサーにおいて受け取るということ、及び、エミッションを表し、又はエミッションに関連付けられる、少なくとも１つの電気信号を作り出すことを表すために使用され得る。また、「検出する」という用語は、本開示において、サンプル・ウェルからのエミッションに基づいて、サンプル・ウェルの中の特定のサンプル又はタグの存在を決定すること、又は、サンプル・ウェルの中の特定のサンプル又はタグの特質を特定することを表すために使用され得る。
【００６７】
当業者は、本明細書で説明されている図は、単に図示目的のためのものであるということを理解することとなる。いくつかの場合には、本発明のさまざまな態様は、本発明の理解を促進させるために、誇張して又は拡大して示されている可能性があるということが理解されるべきである。図面において、同様の参照文字は、全体的に、さまざまな図を通して、同様の特徴、機能的に同様のエレメント、及び／又は、構造的に同様のエレメントを表している。図面は、必ずしも実寸ではなく、その代わりに、本教示の原理を図示する際に強調されている。図面は、決して、本教示の範囲を限定することを意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１−１】いくつかの実施形態による、エミッション波長スペクトルを示す図。
【図１−２Ａ】いくつかの実施形態による、吸収波長スペクトルを示す図。
【図１−２Ｂ】いくつかの実施形態による、エミッション波長スペクトルを示す図。
【図２−１】いくつかの実施形態による、生物学的な試料及び化学的な試料の迅速なモバイル分析のために使用され得る装置のブロック・ダイアグラム図。
【図２−２】いくつかの実施形態による、センサー・チップのピクセルとアッセイ・チップのピクセルとの間の関係の概略ダイアグラムを示す図。
【図２−３】いくつかの実施形態による、アッセイ・チップの単一のピクセル及びセンサー・チップの単一のピクセルに関連付けられるコンポーネントを示す図。
【図２−４】いくつかの実施形態による、機器のコンポーネントの一部分を示す図。
【図３−１Ａ】いくつかの実施形態による、アッセイ・チップ及びチップ・ホルダー・フレームの上面図。
【図３−１Ｂ】いくつかの実施形態による、アッセイ・チップ及びチップ・ホルダー・フレームの底面図。
【図３−１Ｃ】いくつかの実施形態による、アッセイ・チップ及びチップ・ホルダー・フレームを示す図。
【図３−２】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーを示す図。
【図３−３】いくつかの実施形態による、ゼロ・モード導波路として形成されているサンプル・ウェルに沿う、励起エネルギーの減衰を図示する図。
【図３−４】いくつかの実施形態において、サンプル・ウェルに関連付けられる励起領域において、励起エネルギーを増加させる、ディボットを含むサンプル・ウェルを示す図。
【図３−５】１つの実施形態による、ディボットありとディボットなしのサンプル・ウェルに関する励起強度を比較する図。
【図３−６】いくつかの実施形態による、突出部において形成されたサンプル・ウェル及びディボットを示す図。
【図３−７Ａ】いくつかの実施形態による、テーパが付けられた側壁部を有するサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｂ】いくつかの実施形態による、湾曲している側壁部と、より小さい横断方向の寸法を備えるディボットとを有するサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｃ】表面プラズモニック構造体から形成されたサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｄ】表面プラズモニック構造体から形成されたサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの側壁部に沿って形成されている励起エネルギー増強構造体を含むサンプル・ウェルを示す図。
【図３−７Ｆ】いくつかの実施形態による、多層スタックの中に形成されたサンプル・ウェルを示す図。
【図３−８】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの表面の上に形成された表面コーティングを図示する図。
【図３−９Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｂ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−９Ｆ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成する代替的なリフト・オフ・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１０Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１０Ｂ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１０Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１０Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルを形成するダイレクト・エッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１１】いくつかの実施形態による、リフト・オフ・プロセス又はダイレクト・エッチング・プロセスを使用して、複数の層の中に形成され得るサンプル・ウェルを示す図。
【図３−１２】いくつかの実施形態による、ディボットを形成するために使用され得るエッチング・プロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１３Ａ】いくつかの実施形態による、ディボットを形成する代替的なプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１３Ｂ】いくつかの実施形態による、ディボットを形成する代替的なプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１３Ｃ】いくつかの実施形態による、ディボットを形成する代替的なプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１４Ａ】いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１４Ｂ】いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１４Ｃ】いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１４Ｄ】いくつかの実施形態による、付着物質及び不動態化層を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図３−１５】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの中の中央に付着物質を堆積させるプロセスに関連付けられる構造体を示す図。
【図４−１Ａ】単に１つの実施形態による、表面プラズモン構造体を示す図。
【図４−１Ｂ】単に１つの実施形態による、表面プラズモン構造体を示す図。
【図４−１Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して形成されている表面プラズモン構造体を示す図。
【図４−１Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの中に形成されている表面プラズモン構造体を示す図。
【図４−１Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルの中に形成されている表面プラズモン構造体を示す図。
【図４−２Ａ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体の例を示す図。
【図４−２Ｂ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体の例を示す図。
【図４−２Ｃ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体の例を示す図。
【図４−２Ｄ】いくつかの実施形態による、非周期的な表面プラズモン構造体に隣接して形成されているサンプル・ウェルにおける励起エネルギーの数値シミュレーションを示す図。
【図４−２Ｅ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体を示す図。
【図４−２Ｆ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体を示す図。
【図４−２Ｇ】いくつかの実施形態による、周期的な表面プラズモン構造体を示す図。
【図４−２Ｈ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体からなるナノ・アンテナを示す図。
【図４−２Ｉ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体からなるナノ・アンテナを示す図。
【図４−３Ａ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−３Ｂ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−３Ｃ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−３Ｄ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−３Ｅ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ａ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｂ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｃ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｄ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｅ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｆ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−４Ｇ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−５Ａ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−５Ｂ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−５Ｃ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−５Ｄ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−５Ｅ】いくつかの実施形態による、表面プラズモン構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−６Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して形成されている薄い損失性膜を示す図。
【図４−６Ｂ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェル及び薄い損失性膜の付近の励起エネルギーの数値シミュレーションからの結果を示す図。
【図４−６Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェル及び薄い損失性膜の付近の励起エネルギーの数値シミュレーションからの結果を示す図。
【図４−６Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルから間隔を置いて配置されている薄い損失性膜を示す図。
【図４−６Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して形成された薄い損失性膜のスタックを示す図。
【図４−７Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接して共鳴キャビティーを形成するために使用され得る反射スタックを図示する図。
【図４−７Ｂ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルにおいて励起エネルギーを集中させるために使用され得る誘電体構造体を示す図。
【図４−７Ｃ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接してパターニングされ得るフォトニック・バンドギャップ構造体を示す図。
【図４−７Ｄ】いくつかの実施形態による、サンプル・ウェルに隣接してパターニングされ得るフォトニック・バンドギャップ構造体を示す図。
【図４−８Ａ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−８Ｂ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−８Ｃ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−８Ｄ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−８Ｅ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−８Ｆ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−８Ｇ】いくつかの実施形態による、誘電体構造体及び自己整合されるサンプル・ウェルを形成するためのプロセス工程に関連付けられる構造体を示す図。
【図４−９Ａ】いくつかの実施形態による、非放射プロセスを介して励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。
【図４−９Ｂ】いくつかの実施形態による、非放射プロセスを介して励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。
【図４−９Ｃ】いくつかの実施形態による、複数の非放射プロセスによって励起エネルギーをサンプルにカップリングするための構造体を示す図。
【図４−９Ｄ】いくつかの実施形態による、放射プロセス又は非放射プロセスを介して励起エネルギーをサンプルにカップリングするために、１つ又は複数のエネルギー変換粒子を組み込む構造体を示す図。
【図４−９Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプルへの励起エネルギーのダウン・コンバートに関連付けられるスペクトルを示す図。
【図４−９Ｆ】いくつかの実施形態による、サンプルへの励起エネルギーのアップ・コンバートに関連付けられるスペクトルを示す図。
【図５−１】いくつかの実施形態による、同心円状のプラズモニック円形グレーチングを示す図。
【図５−２】いくつかの実施形態による、スパイラル・プラズモニック・グレーチングを示す図。
【図５−３】いくつかの実施形態による、同心円状のプラズモニック円形グレーチングからのエミッション空間的な分布パターンを示す図。
【図５−４Ａ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。
【図５−４Ｂ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。
【図５−５Ａ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。
【図５−５Ｂ】いくつかの実施形態による、プラズモニック・ナノ・アンテナを示す図。
【図５−６Ａ】いくつかの実施形態による、アッセイ・チップの屈折オプティクスを示す図。
【図５−６Ｂ】いくつかの実施形態による、アッセイ・チップのフレネル・レンズを示す図。
【図６−１】いくつかの実施形態による、機器の顕微鏡コンポーネントを示す図。
【図６−２Ａ】いくつかの実施形態による、センサー・チップの遠視野スペクトル・ソーティング・エレメントを示す図。
【図６−２Ｂ】いくつかの実施形態による、センサー・チップの遠視野フィルタリング・エレメントを示す図。
【図６−３Ａ】いくつかの実施形態による、センサー・チップの薄い損失性膜を示す図。
【図６−３Ｂ】いくつかの実施形態による、センサー・チップの薄い損失性膜を示す図。
【図６−４】いくつかの実施形態による、機器の光学的なブロックを示す図。
【図７−１Ａ】いくつかの実施形態による、センサー・チップのピクセルの中のセンサーを立面図で示す図。
【図７−１Ｂ】いくつかの実施形態による、２つの別々の及び同心円状のアクティブ領域を有するブルズ・アイ・センサーを示す図。
【図７−１Ｃ】いくつかの実施形態による、４つの別々のアクティブ領域を有するストライプ・センサーを示す図。
【図７−１Ｄ】いくつかの実施形態による、４つの別々のアクティブ領域を有するクワッド・センサーを示す図。
【図７−１Ｅ】いくつかの実施形態による、４つの別々のアクティブ領域を有する円弧形セグメント・センサーを示す図。
【図７−１Ｆ】いくつかの実施形態による、スタックされたセグメント・センサーを示す図。
【図７−２Ａ】いくつかの実施形態による、第１の波長で放出されたエネルギーに関する、ソーティング・エレメントからのエミッション分布を示す図。
【図７−２Ｂ】いくつかの実施形態による、図７−２Ａに示されているエミッション分布に対応する、ブルズ・アイ・センサーによって受け取られる放射線パターンを示す図。
【図７−２Ｃ】いくつかの実施形態による、第２の波長で放出されたエネルギーに関する、ソーティング・エレメントからのエミッション分布を示す図。
【図７−２Ｄ】いくつかの実施形態による、図７−２Ｃに示されているエミッション分布に対応する、ブルズ・アイ・センサーによって受け取られる放射線パターンを示す図。
【図７−２Ｅ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第１のエミッション波長に関して、２つのアクティブ領域を有するブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｆ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第２のエミッション波長に関して、図７−２Ｅに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｇ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第３のエミッション波長に関して、図７−２Ｅに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｈ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第４のエミッション波長に関して、図７−２Ｅに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｉ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第１のエミッション波長に関して、４つのアクティブ領域を有するブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−２Ｊ】いくつかの実施形態による、サンプルからの第２のエミッション波長に関して、図７−２Ｉに関連付けられるブルズ・アイ・センサーに関する信号検出の数値シミュレーションからの結果を表す図。
【図７−３Ａ】いくつかの実施形態による、２つのアクティブ領域からなるセンサーからの信号を読み取るために使用され得る装置の上の回路を示す図。
【図７−３Ｂ】いくつかの実施形態による、信号蓄積及び読み出しに関して、センサー・チップに含まれ得る３トランジスター回路を示す図。
【図７−３Ｃ】いくつかの実施形態による、４つのアクティブ領域からなるセンサーからの信号を読み取るために使用され得る装置の上の回路を示す図。
【図７−４Ａ】いくつかの実施形態による、サンプル分析のために使用され得る２つの異なるエミッターに関する時間的なエミッション特性を示す図。
【図７−４Ｂ】いくつかの実施形態による、励起供給源及びサンプルからの発光の時間的な進展を示す図。
【図７−４Ｃ】いくつかの実施形態による、時間遅延サンプリングを示す図。
【図７−４Ｄ】いくつかの実施形態による、２つの異なるエミッターに関する時間的なエミッション特性を示す図。
【図７−４Ｅ】いくつかの実施形態による、センサーの電荷蓄積ノードにおける電圧ダイナミクスを示す図。
【図７−４Ｆ】いくつかの実施形態による、リセットなしのセンサー・セグメントのダブルのリードを示す図。
【図７−４Ｇ】いくつかの実施形態による、時間的に別個のエミッション特性を有する２つのエミッターに関連付けられる第１及び第２の読み取り信号レベルを図示する図。
【図７−４Ｈ】いくつかの実施形態による、時間的に別個のエミッション特性を有する２つのエミッターに関連付けられる第１及び第２の読み取り信号レベルを図示する図。
【図８−１Ａ】いくつかの実施形態による励起源の励起スペクトル・バンドを示す図。
【図８−１Ｂ】いくつかの実施形態による励起源の励起スペクトル・バンドを示す図。
【図９−１】いくつかの実施形態による、生物学的な試料及び化学的な試料の迅速なモバイル分析のために使用され得るコンパクトな装置の動作の方法を示す図。
【図９−２】いくつかの実施形態による、キャリブレーション手順を示す図。
【図９−３】いくつかの実施形態による、データ分析手順を示す図。
【図１０】いくつかの実施形態による計算環境を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００６９】
本発明の特徴及び利点は、図面と併用されたときに、以下に述べられている詳細な説明からより明らかになることとなる。
Ｉ．発明者による課題と解決手段の認識
本発明者は、バイオアッセイを実施するための従来の装置は、大きくて高価であり、先進的な実験技法を実施することを必要とするということを認識及び理解した。多くのタイプのバイオアッセイは、試料の中の単一分子の検出に依存する。従来から、単一分子検出は、分子の励起のために必要とされる高い強度の光を発生させるために使用される大きくて場所を取るレーザ・システムを必要とする可能性がある。加えて、大型の光学的なコンポーネントが、レーザ光を試料に方向付けするために使用され得、追加的な光学的なコンポーネントが、試料からの発光性の光をセンサーに方向付けするために使用され得る。これらの従来の光学的なコンポーネントは、正確なアライメント及び安定化を必要とする可能性がある。従来の実験機器、及び、この従来の機器を使用するために必要とされるトレーニングは、複雑で高価なバイオアッセイを結果として生じさせる可能性がある。
【００７０】
本発明者は、構成する部分の性質を判定するために生物学的な及び／又は化学的な試料を簡単かつ安価に分析することができるデバイスに対する必要性が存在しているということを認識及び理解した。そのようなデバイスの用途は、核酸分子、又は、複数のアミノ酸を有するポリペプチド（たとえば、タンパク質）などのような、生体分子をシークエンシングするためのものであることが可能である。単一分子又は粒子の検出及び定量化を実施するためのコンパクトな高速装置は、生物学的なサンプル及び／又は化学的なサンプルの複雑で定量的な測定を実施するコストを低減させ、生化学における技術的発見を急速に前進させることができた。そのうえ、容易に輸送可能なコスト効率の良いデバイスは、先進国世界においてバイオアッセイが行われる方式を変えることができただけでなく、発展途上地域の人々に、初めて、必須の診断検査への容易なアクセスを提供することができ、それは、健康及び福祉を劇的に改善することができた。たとえば、いくつかの実施形態では、バイオアッセイを実施するための装置は、血液、尿、及び／又は唾液などのような、生物学的なサンプルの診断検査を実施するために使用される。装置は、個人によって家庭の中で、医者によって、又は、たとえば、田舎の医院など、発展途上国又は任意の他の場所における遠隔の診療所において、使用され得る。そのような診断検査は、核酸分子又はタンパク質などのような、被験者の生物学的なサンプルの中の生体分子の検出を含むことが可能である。いくつかの例では、診断検査は、被験者の生物学的なサンプルの中の無細胞デオキシリボ核酸分子又は発現産物のシークエンシングなどのような、被験者の生物学的なサンプルの中の核酸分子をシークエンシングすることを含む。
【００７１】
「核酸」という用語は、本明細書で使用されているように、全体的に、１つ又は複数の核酸サブユニットからなる分子を表している。核酸は、アデノシン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）、チミン（Ｔ）、及びウラシル（Ｕ）、又は、それらの変異体から選択される１つ又は複数のサブユニットを含むことが可能である。いくつかの例では、核酸は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）もしくはリボ核酸（ＲＮＡ）、又は、それらの誘導体である。核酸は、一本鎖又は二本鎖であることが可能である。核酸は、円形であることが可能である。
【００７２】
「ヌクレオチド」という用語は、本明細書で使用されているように、全体的に、核酸サブユニットを表しており、それは、Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、又はＵ、又は、それらの変異体もしくは類似体を含むことが可能である。ヌクレオチドは、成長する核酸鎖の中に組み込まれ得る任意のサブユニットを含むことが可能である。そのようなサブユニットは、Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、もしくはＵであり、又は、１つ又は複数の相補的なＡ、Ｃ、Ｇ、Ｔ、もしくはＵに特有な、又は、プリン（すなわち、Ａ、もしくはＧ、又は、それらの変異体もしくは類似体）又はピリミジン（すなわち、Ｃ、Ｔ、もしくはＵ、又は、それらの変異体もしくは類似体）に相補的な、任意の他のサブユニットであることが可能である。サブユニットは、個々の核酸塩基又は塩基のグループ（たとえば、ＡＡ、ＴＡ、ＡＴ、ＧＣ、ＣＧ、ＣＴ、ＴＣ、ＧＴ、ＴＧ、ＡＣ、ＣＡ、又は、それらのウラシル対応物）が分解されることを可能にする。
【００７３】
ヌクレオチドは、一般的に、ヌクレオシド、及び、少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又は、それ以上のホスフェート（ＰＯ３）グループを含む。ヌクレオチドは、核酸塩基、五炭糖（リボース又はデオキシリボースのいずれか）、及び、１つ又は複数のホスフェート基を含むことが可能である。リボヌクレオチドは、糖がリボースであるヌクレオチドである。デオキシヌクレオチドは、糖がデオキシリボースであるヌクレオチドである。ヌクレオチドは、ヌクレオシド一リン酸又はヌクレオシド・ポリリン酸であることが可能である。ヌクレオチドは、たとえば、デオキシリボヌクレオシド三リン酸などのような、デオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸であることが可能であり、それは、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシウリジン三リン酸（ｄＵＴＰ）、及びデオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）、ｄＮＴＰから選択され得、それは、発光性タグ又はマーカ（たとえば、フルオロフォア）などのような、検出可能なタグを含む。
【００７４】
ヌクレオシド・ポリリン酸は、「ｎ」ホスフェート基を有することが可能であり、ここで、「ｎ」は、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上の数である。ヌクレオシド・ポリリン酸の例は、ヌクレオシド二リン酸及びヌクレオシド三リン酸を含む。ヌクレオチドは、末端リン酸塩で標識されたヌクレオシド・ポリリン酸などのような、末端リン酸塩で標識されたヌクレオシドであることが可能である。そのような標識は、発光性（たとえば、蛍光又は化学発光性）標識、蛍光性標識、着色標識、発色性標識、質量タグ、静電的な標識、又は、電気化学的な標識であることが可能である。標識（又は、マーカ）は、リンカーを通して末端リン酸塩にカップリングされ得る。リンカーは、たとえば、少なくとも１つの又は複数のヒドロキシル基、スルフヒドリル基、アミノ基、又はハロアルキル基を含むことが可能であり、それは、自然の又は修飾されたヌクレオチドの末端リン酸塩において、たとえば、リン酸エステル、チオエステル、ホスホルアミデート、又はアルキルホスホネート連結を形成するのに適切である可能性がある。リンカーは、開裂可能であることが可能であり、たとえば、重合酵素の支援などによって、末端リン酸塩から標識を分離するようになっている。ヌクレオチド及びリンカーの例が、米国特許第７，０４１，８１２号に提供されており、それは、全体が本願明細書に援用されている。
【００７５】
「ポリメラーゼ」という用語は、本明細書で使用されているように、全体的に、重合反応に触媒作用を及ぼすことができる任意の酵素（又は、重合酵素）を表している。ポリメラーゼの例は、限定なしに、核酸ポリメラーゼ、転写酵素、又はリガーゼを含む。ポリメラーゼは、重合酵素であることが可能である。
【００７６】
「ゲノム」という用語は、一般的に、生物の遺伝的情報の全体を表している。ゲノムは、ＤＮＡ又はＲＮＡのいずれかにコードされ得る。ゲノムは、タンパク質をコードするコード領域、及び、非コード領域からなることが可能である。ゲノムは、生物の中に、すべての染色体の配列を一緒に含むことが可能である。たとえば、ヒト・ゲノムは、合計で４６染色体を有している。これらのすべての配列が、一緒にヒト・ゲノムを構成する。
【００７７】
本開示は、核酸分子などのような、生体分子又はそれらのサブユニットを検出するためのデバイス、システム、及び方法を提供する。そのような検出は、シークエンシングを含むことが可能である。生体分子は、被験者から得られる生物学的なサンプルから抽出され得る。生物学的なサンプルは、息、唾液、尿又は血液（たとえば、全血又は血漿）などのような、被験者の体液又は組織から抽出され得る。被験者は、病気（たとえば、癌）などのような、健康条件を有するということが疑われる可能性がある。いくつかの例では、１つ又は複数の核酸分子が、被験者の体液又は組織から抽出され得る。１つ又は複数の核酸が、被験者の組織の一部などのような、被験者から得られる１つ又は複数の細胞、又は、全血などのような、被験者の無細胞体液から得られる１つ又は複数の細胞から抽出され得る。
【００７８】
生物学的なサンプルが、検出（たとえば、シークエンシング）の準備として処理され得る。そのようなプロセッシングは、生物学的なサンプルからの生体分子（たとえば、核酸分子）の隔離及び／又は精製、ならびに、生体分子のより多くのコピーの発生を含むことが可能である。いくつかの例では、１つ又は複数の核酸分子が、被験者の体液又は組織から隔離及び精製され、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）などのような核酸増幅を通して増幅される。次いで、１つ又は複数の核酸分子又はそのサブユニットが、シークエンシングなどを通して特定され得る。
【００７９】
シークエンシングは、鋳型に相補的又は類似した別の生体分子を合成することによって、たとえば、鋳型核酸分子に相補的な核酸分子を合成すること、及び、時間によってヌクレオチドの組み込みを特定すること（すなわち、合成によるシークエンシング）などによって、鋳型生体分子（たとえば、核酸分子）の個々のサブユニットを決定することを含むことが可能である。代替例として、シークエンシングは、生体分子の個々のサブユニットの直接的な特定を含むことが可能である。
【００８０】
シークエンシングの間に、生体分子の個々のサブユニットを示す信号が、メモリーの中に収集され、リアルタイムで又はより後の時点で処理され、生体分子の配列を決定することが可能である。そのようなプロセッシングは、信号と参照信号の比較を含むことが可能であり、それは、個々のサブユニットの特定を可能にし、それは、いくつかのケースではリードを生み出す。リードは、十分な長さの配列（たとえば、少なくとも約３０塩基対（ｂｐ））であることが可能であり、それは、より大きい配列又は領域を特定するために使用され得、たとえば、それは、染色体又はゲノム領域又は遺伝子の上の場所に整合させられ得る。
【００８１】
配列リードは、被験者のゲノムのより長い領域を再構築するために使用され得る（アライメント）。リードは、染色体領域、染色体全部、又はゲノム全部を再構築するために使用され得る。配列リード、又は、そのようなリードから発生するより大きい配列が、たとえば、変異体又は多型を特定するなど、被験者のゲノムを分析するために使用され得る。変異体の例は、それに限定されないが、タンデムＳＮＰを含む一塩基多型（ＳＮＰ）、小規模多塩基欠失又は挿入（インデル又は欠失挿入多型又はＤＩＰとも称される）、多塩基多型（ＭＮＰ）、縦列型反復配列（ＳＴＲ）、微小欠失を含む欠失、微小挿入を含む挿入、重複を含む構造的変異、反転、転座、増殖、複雑なマルチ・サイト変異対、コピー数変異（ＣＮＶ）を含む。ゲノム配列は、多様性の組み合わせからなることが可能である。たとえば、ゲノム配列は、１つ又は複数のＳＮＰ及び１つ又は複数のＣＮＶの組み合わせを包含することが可能である。
【００８２】
生体分子の個々のサブユニットは、マーカを使用して特定され得る。いくつかの例では、発光性マーカは、生体分子の個々のサブユニットを特定するために使用されている。いくつかの実施形態は、発光性マーカ（本明細書で「マーカ」とも称される）を使用し、それは、外因性の又は内因性のマーカであることが可能である。外因性のマーカは、発光性ラベリングのためのレポータ及び／又はタグとして使用される外部発光性マーカであることが可能である。外因性のマーカの例は、それに限定されないが、蛍光分子、フルオロフォア、蛍光色素、蛍光染色液、有機色素、蛍光タンパク質、蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）に関与する種、酵素、及び／又は量子ドットを含むことが可能である。他の外因性のマーカも、当技術分野で知られている。そのような外因性のマーカは、具体的には特定のターゲット又はコンポーネントに結合するプローブ又は官能基（たとえば、分子、イオン、及び／又はリガンド）にコンジュゲートされ得る。外因性のタグ又はレポータをプローブに取り付けることは、外因性のタグ又はレポータの存在の検出を通して、ターゲットの特定を可能にする。プローブの例は、タンパク質、核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）分子、脂質、及び抗体プローブを含むことが可能である。外因性のマーカ及び官能基の組み合わせは、検出のために使用される任意の適切なプローブ、タグ、及び／又はラベルを形成することが可能であり、それは、分子プローブ、標識プローブ、ハイブリダイゼーション・プローブ、抗体プローブ、タンパク質プローブ（たとえば、ビオチン結合プローブ）、酵素ラベル、蛍光プローブ、蛍光タグ、及び／又は酵素レポータを含む。
【００８３】
本開示は発光性マーカを参照しているが、他のタイプのマーカが、本明細書で提供されるデバイス、システム、及び方法とともに使用され得る。そのようなマーカは、質量タグ、静電的なタグ、又は電気化学的なラベルであることが可能である。
【００８４】
外因性のマーカはサンプルに追加され得るが、内因性のマーカは、すでに、サンプルの一部であることが可能である。内因性のマーカは、励起エネルギーの存在下で発光又は「自己蛍光」することができる、存在する任意の発光性マーカを含むことが可能である。内因性のフルオロフォアの自己蛍光は、外因性のフルオロフォアの導入を必要とすることなく、ラベル・フリーの及び非侵襲的なラベリングを提供することが可能である。そのような内因性のフルオロフォアの例は、例として、及び、限定としてではなく、ヘモグロビン、酸素ヘモグロビン、脂質、コラーゲン及びエラスチン・クロスリンク、還元型ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）、酸化フラビン（ＦＡＤ及びＦＭＮ）、リポフスチン、ケラチン、ならびに／又はポルフィリンを含むことが可能である。
【００８５】
いくつかの実施形態は、試料の中の単一分子を検出することによる診断検査に関する可能性があるが、本発明者は、本開示の単一分子検出能力が、たとえば遺伝子の１つ又は複数の核酸セグメントのポリペプチド（たとえば、タンパク質）シークエンシング又は核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）シークエンシングを実施するために使用され得るということを認識した。核酸シークエンシング技術は、核酸配列を決定するために使用される方法において変化し、また、シークエンシング・プロセスの中のレート、リード長、及びエラーの発生において変化することが可能である。たとえば、いくつかの核酸シークエンシング方法は、合成によるシークエンシングに基づいており、合成によるシークエンシングでは、ヌクレオチドが、ターゲット核酸分子に相補的な核酸の新しく合成された鎖の中へ組み込まれるときに、ヌクレオチドのアイデンティティーが決定される。
【００８６】
シークエンシングの間に、重合酵素は、ターゲット核酸分子のプライミング場所にカップリングする（たとえば、取り付ける）ことが可能である。プライミング場所は、ターゲット核酸分子に相補的なプライマーであることが可能である。代替例として、プライミング場所は、ターゲット核酸分子の二本鎖セグメントの中に提供されるギャップ又はニックである。ギャップ又はニックは、長さが０から少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、又は４０個のヌクレオチドであることが可能である。ニックは、二本鎖配列の１つの鎖の中に切断を提供することが可能であり、それは、たとえば、鎖置換ポリメラーゼ酵素などのような重合酵素のためのプライミング場所を提供することが可能である。
【００８７】
いくつかのケースでは、シークエンシング・プライマーは、ターゲット核酸分子にアニーリングされ得、ターゲット核酸分子は、サンプル・ウェルなどのような固体支持体に固定化されていても又は固定化されていなくてもよい。いくつかの実施形態では、シークエンシング・プライマーは、固体支持体に固定化され得、また、ターゲット核酸分子のハイブリダイゼーションも、ターゲット核酸分子を固体支持体に固定化させている。ヌクレオチドをプライマーに追加又は組み込むことができる酵素（たとえば、ポリメラーゼ）の作用を介して、ヌクレオチドが、５’−３’鋳型バウンド方式でプライマーに追加され得る。プライマーへのヌクレオチドのそのような組み込み（たとえば、ポリメラーゼの作用を介する）は、一般的に、プライマー伸長反応と称され得る。それぞれのヌクレオチドは、検出可能なタグに関連付けられ得、検出可能なタグは、検出及び使用され、プライマーの中へ組み込まれるそれぞれのヌクレオチド、及び、したがって、新しく合成された核酸分子の配列を決定することが可能である。新しく合成された核酸分子の配列相補性を介して、ターゲット核酸分子の配列も決定され得る。いくつかのケースでは、ターゲット核酸分子へのシークエンシング・プライマーのアニーリング、及び、シークエンシング・プライマーへのヌクレオチドの組み込みは、同様の反応条件（たとえば、同じ又は同様の反応温度）において、又は、異なる反応条件（たとえば、異なる反応温度）において、起こることが可能である。そのうえ、合成方法によるいくつかのシークエンシングは、ターゲット核酸分子の集団（たとえば、ターゲット核酸のコピー）の存在、及び／又は、ターゲット核酸の増幅の工程を含み、ターゲット核酸の集団を実現することが可能である。
【００８８】
実施形態によると、少なくとも約５０％、６０％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％、９９．９％、９９．９９％、９９．９９９％、又は９９．９９９９％の精度、及び／又は、約１０塩基対（ｂｐ）、５０ｂｐ、１００ｂｐ、２００ｂｐ、３００ｂｐ、４００ｂｐ、５００ｂｐ、１０００ｂｐ、１０，０００ｂｐ、２０，０００ｂｐ、３０，０００ｂｐ、４０，０００ｂｐ、５０，０００ｂｐ、又は１００，０００ｂｐ以上のリード長などのような、高い精度及び長いリード長によって、単一の核酸分子をシークエンシングすることができる。いくつかの実施形態では、単一分子シークエンシングにおいて使用されるターゲット核酸分子は、一本鎖のターゲット核酸（たとえば、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、ＤＮＡ誘導体、リボ核酸（ＲＮＡ）、ＲＮＡ誘導体）鋳型であり、それは、サンプル・ウェルに添加又は固定化されており、サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルの底部などのような固体支持体に固定化され又は取り付けられている、シークエンシング反応（たとえば、ＤＮＡポリメラーゼ、シークエンシング・プライマーなどのようなポリメラーゼ）の少なくとも１つの追加的なコンポーネントを含有する。ターゲット核酸分子又はポリメラーゼは、たとえば、サンプル・ウェルの底部に、直接的に又はリンカーを通して、サンプル壁部に取り付けられ得る。また、サンプル・ウェルは、プライマー伸長反応を介する核酸合成に必要とされる任意の他の試薬を含有することが可能であり、それは、たとえば適切なバッファー、補因子、酵素（たとえば、ポリメラーゼ）、ならびに、たとえば、デオキシアデノシン三リン酸（ｄＡＴＰ）、デオキシシチジン三リン酸（ｄＣＴＰ）、デオキシグアノシン三リン酸（ｄＧＴＰ）、デオキシウリジン三リン酸（ｄＵＴＰ）、及びデオキシチミジン三リン酸（ｄＴＴＰ）、ｄＮＴＰを含む、デオキシリボヌクレオシド三リン酸などのような、デオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸などであり、それは、フルオロフォアなどのような発光性タグを含む。ｄＮＴＰのそれぞれのクラス（たとえばアデニンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＡＴＰ）、シトシンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＣＴＰ）、グアニンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＧＴＰ）、ウラシルを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＵＴＰ）、及び、チミンを含有するｄＮＴＰ（たとえば、ｄＴＴＰ））は、別個の発光性タグにコンジュゲートされており、タグから放出される光の検出が、新しく合成された核酸の中へ組み込まれたｄＮＴＰのアイデンティティーを示すようになっている。発光性タグから放出される光は、本明細書の他の場所で説明されている検出のためのそのようなデバイス及び方法を含む、任意の適切なデバイス及び／又は方法を介して検出され得、その適当な発光性タグに起因することが可能である（及び、したがって、ｄＮＴＰに関連付けられる）。発光性タグは、任意の位置においてｄＮＴＰにコンジュゲートされ得、発光性タグの存在が、新しく合成された核酸鎖の中へのｄＮＴＰの組み込み、又は、ポリメラーゼの活動を阻止しないようになっている。いくつかの実施形態では、発光性タグは、ｄＮＴＰの末端ホスフェート（ガンマ・ホスフェート）にコンジュゲートされている。
【００８９】
一本鎖のターゲット核酸鋳型は、シークエンシング・プライマー、ｄＮＴＰ、ポリメラーゼ、及び、核酸合成に必要な他の試薬に接触させ得る。いくつかの実施形態では、すべての適当なｄＮＴＰは、一本鎖のターゲット核酸鋳型と同時に接触させ得（たとえば、すべてのｄＮＴＰが同時に存在する）、ｄＮＴＰの組み込みが、連続的に起こり得るようになっている。他の実施形態では、ｄＮＴＰは、一本鎖のターゲット核酸鋳型に順次接触させ得、その場合には、一本鎖のターゲット核酸鋳型が、それぞれの適当なｄＮＴＰに別々に接触し、一本鎖のターゲット核酸鋳型が異なるｄＮＴＰと接触する合間に洗浄工程を伴う。一本鎖のターゲット核酸鋳型がそれぞれのｄＮＴＰと別々に接触するそのようなサイクルは、洗浄が後に続き、識別されることとなる一本鎖のターゲット核酸鋳型のそれぞれの連続的なベース位置に関して繰り返され得る。
【００９０】
シークエンシング・プライマーは、一本鎖のターゲット核酸鋳型に対してアニーリングし、ポリメラーゼは、一本鎖のターゲット核酸鋳型を介して、ｄＮＴＰ（又は、他のデオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸）をプライマーに連続して組み込む。それぞれの組み込まれたｄＮＴＰに関連付けられる固有の発光性タグは、プライマーへのｄＮＴＰの組み込みの間又は後に、適当な励起光によって励起され得、そのエミッションは、本明細書の他の場所で説明されている検出のためのデバイス及び方法を含む、任意の適切なデバイス及び／又は方法を使用して、その後に検出され得る。光の特定のエミッションの検出は、組み込まれた特定のｄＮＴＰに起因することが可能である。次いで、検出された発光性タグの収集から得られる配列が使用され、配列相補性を介して、一本鎖のターゲット核酸鋳型の配列を決定することが可能である。
【００９１】
本開示はｄＮＴＰを参照しているが、本明細書で提供されるデバイス、システム、及び方法は、リボヌクレオチド及びデオキシヌクレオチド（たとえば、少なくとも４、５、６、７、８、９、又は１０のホスフェート基を備えるデオキシリボヌクレオシド・ポリリン酸）などのような、さまざまなタイプのヌクレオチドとともに使用され得る。そのようなリボヌクレオチド及びデオキシヌクレオチドは、さまざまなタイプのタグ（又は、マーカ）及びリンカーを含むことが可能である。
【００９２】
ヌクレオシドの組み込みのときに放出される信号は、メモリーの中に保存され、より後の時点で処理され、ターゲット核酸鋳型の配列を決定することが可能である。これは、信号を参照信号と比較し、組み込まれるヌクレオシドのアイデンティティーを時間の関数として決定することを含むことが可能である。代替的に又は加えて、ヌクレオシドの組み込みのときに放出される信号は、リアルタイムで（すなわち、ヌクレオシド組み込みのときに）収集及び処理され、ターゲット核酸鋳型の配列をリアルタイムで決定することが可能である。
【００９３】
複数の一本鎖のターゲット核酸鋳型の核酸シークエンシングは、本明細書の他の場所で説明されているデバイスのケースと同様に、複数のサンプル・ウェルが利用可能である場合に完了され得る。それぞれのサンプル・ウェルは、一本鎖のターゲット核酸鋳型を提供され得、シークエンシング反応が、それぞれのサンプル・ウェルの中で完了され得る。サンプル・ウェルのそれぞれは、プライマー伸長反応の間の核酸合成に必要な適当な試薬（たとえば、ｄＮＴＰ、シークエンシング・プライマー、ポリメラーゼ、補因子、適当なバッファーなど）に接触させ得、シークエンシング反応が、それぞれのサンプル・ウェルの中で進行することが可能である。いくつかの実施形態では、複数のサンプル・ウェルは、すべての適当なｄＮＴＰに同時に接触させる。他の実施形態では、複数のサンプル・ウェルは、それぞれの適当なｄＮＴＰに別々に接触し、それぞれが異なるｄＮＴＰとの接触の合間に洗浄される。組み込まれたｄＮＴＰは、それぞれのサンプル・ウェルの中で検出され得、配列が、上記に説明されているように、それぞれのサンプル・ウェルの中の一本鎖のターゲット核酸に関して決定され得る。
【００９４】
単一分子核酸シークエンシングに関する実施形態は、ターゲット核酸分子に相補的な核酸を合成することができる任意のポリメラーゼを使用することが可能である。ポリメラーゼの例はこれらに限定されないが、ＤＮＡポリメラーゼ、ＲＮＡポリメラーゼ、耐熱性ポリメラーゼ、ワイルド・タイプ・ポリメラーゼ、変性ポリメラーゼ、大腸菌ＤＮＡポリメラーゼＩ、Ｔ７ＤＮＡポリメラーゼ、バクテリオファージＴ４  ＤＮＡポリメラーゼφ２９（プサイ２９）ＤＮＡポリメラーゼ、Ｔａｑポリメラーゼ、Ｔｔｈポリメラーゼ、Ｔｌｉポリメラーゼ、Ｐｆｕポリメラーゼ、Ｐｗｏポリメラーゼ、ＶＥＮＴポリメラーゼ、ＤＥＥＰＶＥＮＴポリメラーゼ、ＥＸ−Ｔａｑポリメラーゼ、ＬＡ−Ｔａｑポリメラーゼ、Ｓｓｏポリメラーゼ、Ｐｏｃポリメラーゼ、Ｐａｂポリメラーゼ、Ｍｔｈポリメラーゼ、ＥＳ４ポリメラーゼ、Ｔｒｕポリメラーゼ、Ｔａｃポリメラーゼ、Ｔｎｅポリメラーゼ、Ｔｍａポリメラーゼ、Ｔｃａポリメラーゼ、Ｔｉｈポリメラーゼ、Ｔｆｉポリメラーゼ、プラチナＴａｑポリメラーゼ、Ｔｂｒポリメラーゼ、Ｔｆｌポリメラーゼ、Ｔｔｈポリメラーゼ、Ｐｆｕｔｕｂｏポリメラーゼ、Ｐｙｒｏｂｅｓｔポリメラーゼ、Ｐｗｏポリメラーゼ、ＫＯＤポリメラーゼ、Ｂｓｔポリメラーゼ、Ｓａｃポリメラーゼ、３’から５’のエキソヌクレアーゼ活性を備えるＫｌｅｎｏｗフラグメント・ポリメラーゼ、及び変異体、改変生成物、及びそれらの誘導体を含む。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、単一のサブユニット・ポリメラーゼである。いくつかの実施形態では、ポリメラーゼは、高い進行性を備えるポリメラーゼである。ポリメラーゼ進行性は、一般的に、核酸鋳型を解放することなく核酸鋳型の中へｄＮＴＰを連続して組み込む、ポリメラーゼの能力を参照している。ターゲット核酸の核酸塩基と相補的なｄＮＴＰとの間の塩基対合のときに、ポリメラーゼは、新しく合成された鎖の３’ヒドロキシル端部とｄＮＴＰのアルファ・ホスフェートとの間にリン酸ジエステル結合を形成することによって、新しく合成された核酸鎖の中へｄＮＴＰを組み込む。ｄＮＴＰにコンジュゲートされた発光性タグがフルオロフォアである例では、その存在が、励起によって信号で伝えられ、エミッションのパルスが、組み込みの工程の間又は後に検出される。ｄＮＴＰの末端（ガンマ）ホスフェートにコンジュゲートされた検出標識に関して、新しく合成された鎖の中へのｄＮＴＰの組み込みは、ベータ・ホスフェート及びガンマ・ホスフェートの解放を結果として生じさせ、検出標識は、サンプル・ウェルの中に自由に拡散することができ、フルオロフォアから検出されるエミッションの減少を結果として生じさせる。
【００９５】
単一分子ＲＮＡシークエンシングに関する実施形態は、ＲＮＡ鋳型から相補的なＤＮＡ（ｃＤＮＡ）を合成することができる任意の逆転写酵素を使用することが可能である。そのような実施形態では、ｃＤＮＡが、ＲＮＡ鋳型にアニーリングされる逆転写プライマーへのｄＮＴＰの組み込みを介して、ＲＮＡ鋳型から合成され得るという点において、逆転写酵素は、ポリメラーゼと同様の様式で機能することが可能である。次いで、ｃＤＮＡは、シークエンシング反応に関与することが可能であり、その配列は、上記に説明されているように決定される。次いで、決定されたｃＤＮＡの配列は、配列相補性を介して使用され、元のＲＮＡ鋳型の配列を決定することが可能である。逆転写酵素の例は、モロニー・マウス白血病ウイルス逆転写酵素（Ｍ−ＭＬＶ）、ニワトリ骨髄芽球症ウイルス（ＡＭＶ）逆転写酵素、ヒト免疫不全ウイルス逆転写酵素（ＨＩＶ−１）、及びテロメラーゼ逆転写酵素を含む。
【００９６】
単一分子検出及び／又は核酸シークエンシングを実施するための簡単でより複雑でない装置に対する必要性を認識したので、発明者らは、タグのセットを使用して、単一分子を検出し、異なる分子に標識するための技法を想到した。そのような単一分子は、タグを有するヌクレオチド又はアミノ酸であることが可能である。タグは、単一分子に結合される間に、単一分子からの解放の際に、又は、単一分子に結合されかつ単一分子からの解放の際に、検出され得る。いくつかの例では、タグは、発光性タグである。選択されたセットの中のそれぞれの発光性タグは、それぞれの分子に関連付けられている。たとえば、４つのタグのセットが、ＤＮＡの中に存在する核酸塩基を「標識」するために使用され得、セットのそれぞれのタグは、異なる核酸塩基に関連付けられており、たとえば、第１のタグは、アデニン（Ａ）に関連付けられており、第２のタグは、シトシン（Ｃ）に関連付けられており、第３のタグは、グアニン（Ｇ）に関連付けられており、第４のタグは、チミン（Ｔ）に関連付けられている。そのうえ、タグのセットの中の発光性タグのそれぞれは、異なる特性を有しており、それは、セットの第１のタグをセットの中の他のタグから区別するために使用され得る。このように、それぞれのタグは、これらの区別する性質のうちの１つ又は複数を使用して、固有に特定可能である。例として、及び、限定としてではなく、１つのタグを別のタグから区別するために使用され得るタグの性質は、励起に応答してタグによって放出される光のエミッション・エネルギー及び／もしくは波長、ならびに／又は、特定のタグを励起する励起光のエネルギー及び／もしくは波長を含んで、励起状態にタグを配置することが可能である。
【００９７】
実施形態は、タグ特性の任意の適切な組み合わせを使用し、タグのセットの中の第１のタグを同じセットの中の他のタグから区別することが可能である。たとえば、いくつかの実施形態は、タグからのエミッション光の波長だけを使用し、タグを特定することが可能である。そのような実施形態では、タグの選択されたセットの中のそれぞれのタグが、そのセットの中の他のタグとは異なるピーク・エミッション波長を有しており、発光性タグは、すべて、単一の励起供給源からの光によって励起される。図１−１は、実施形態による４つの発光性タグからのエミッション・スペクトルを図示しており、４つのタグが、異なるエミッション波長においてそれらのそれぞれの強度ピークを示しており、それは、本明細書で、タグの「ピーク・エミッション波長」と称される。第１の発光性タグからの第１のエミッション・スペクトル１−１０１は、λ１においてピーク・エミッション波長を有しており、第２の発光性タグからの第２のエミッション・スペクトル１−１０２は、λ２においてピーク・エミッション波長を有しており、第３の発光性タグからの第３のエミッション・スペクトル１−１０３は、λ３においてピーク・エミッション波長を有しており、第４の発光性タグからの第４のエミッション・スペクトル１−１０４は、λ４においてピーク・エミッション波長を有している。この実施形態では、４つの発光性タグのエミッション・ピークは、関係式λ１＜λ２＜λ３＜λ４を満たす任意の適切な値を有することが可能である。４つのエミッション・スペクトルは、重なり合ってもよいし、又は、重なり合わなくてもよい。しかし、２つ以上のタグのエミッション・スペクトルが重なり合う場合には、１つのタグが、それぞれのピーク波長において、任意の他のタグよりも実質的に多い光を放出するように、発光性タグ・セットを選択することが望ましい。この実施形態では、４つのタグのそれぞれが励起供給源からの光を最大限に吸収する励起波長は、実質的に同じであるが、そうである必要はない。上記のタグ・セットを使用して、４つの異なる分子が、タグ・セットからのそれぞれのタグによって標識化され得、タグは、単一の励起供給源を使用して励起され得、タグは、光学的なシステム及びセンサーを使用してタグのエミッション波長を検出することによって、互いから区別され得る。図１−１は、４つの異なるタグを図示しているが、任意の適切な数のタグが使用され得るということが認識されるべきである。
【００９８】
他の実施形態は、タグからのエミッション光の波長、及び、タグが励起光を吸収する波長の両方を使用し、タグを特定することが可能である。そのような実施形態では、選択されたタグのセットの中のそれぞれのタグは、そのセットの中の他のタグとは、エミッション波長及び励起波長の異なる組み合わせを有している。したがって、選択されたタグ・セットの中のいくつかのタグは、同じエミッション波長を有することが可能であるが、異なる波長の光によって励起され得る。逆に、選択されたタグ・セットの中のいくつかのタグは、同じ励起波長を有することが可能であるが、異なる波長において光を放出することが可能である。図１−２Ａは、実施形態による４つの発光性タグからのエミッション・スペクトルを図示しており、タグのうちの２つが、第１のピーク・エミッション波長を有しており、他の２つのタグが、第２のピーク・エミッション波長を有している。第１の発光性タグからの第１のエミッション・スペクトル１−１０５は、λ１においてピーク・エミッション波長を有しており、第２の発光性タグからの第２のエミッション・スペクトル１−１０６も、λ１においてピーク・エミッション波長を有しており、第３の発光性タグからの第３のエミッション・スペクトル１−１０７は、λ２においてピーク・エミッション波長を有しており、第４の発光性タグからの第４のエミッション・スペクトル１−１０８も、λ２においてピーク・エミッション波長を有している。この実施形態では、４つの発光性タグのエミッション・ピークが、関係式λ１＜λ２を満たす任意の適切な値を有することが可能である。図１−２Ｂは、４つの発光性タグからの吸収スペクトルを図示しており、タグのうちの２つが、第１のピーク吸収波長を有しており、他の２つのタグが、第２のピーク吸収波長を有している。第１の発光性タグに関する第１の吸収スペクトル１−１０９は、λ３においてピーク吸収波長を有しており、第２の発光性タグに関する第２の吸収スペクトル１−１１０は、λ４においてピーク吸収波長を有しており、第３の発光性タグに関する第３の吸収スペクトル１−１１１は、λ３においてピーク吸収波長を有しており、第４の発光性タグに関する第４の吸収スペクトル１−１１２は、λ４においてピーク吸収波長を有している。図１−２Ａにおいてエミッション・ピーク波長を共有するタグは、図１−２Ｂでは吸収ピーク波長を共有していないということに留意されたい。そのようなタグ・セットを使用することは、４つの色素に関して２つのエミッション波長しか存在しないときでも、４つのタグの間を区別することを可能にする。これは、異なる波長で放出する２つの励起供給源、又は、複数の波長で放出することができる単一の励起供給源を使用することによって可能となる。励起光の波長が、それぞれの検出されるエミッション・イベントに関して知られている場合には、どのタグが存在していたかということが決定され得る。励起供給源は、第１の励起波長と第２の励起波長を繰り返すことが可能であり、それは、インターリービングと称される。代替的に、第１の励起波長の２つ以上のパルスが使用され、その後に、第２の励起波長の２つ以上のパルスが続くことが可能である。
【００９９】
図には図示されていないが、他の実施形態は、吸収周波数だけに基づいて、発光性タグのアイデンティティーを決定することが可能である。励起光が、タグ・セットの中のタグの吸収スペクトルにマッチする特定の波長にチューニングされ得る場合に、そのような実施形態が可能である。そのような実施形態では、それぞれのタグから放出される光を方向付け及び検出するために使用される光学的なシステム及びセンサーは、放出される光の波長を検出することができる必要はない。これは、いくつかの実施形態では、有利である可能性がある。その理由は、そのような実施形態では、エミッション波長を検出することは要求されないので、それが、光学的なシステム及びセンサーの複雑さを低減させるからである。
【０１００】
上記に議論されているように、本発明者は、タグのさまざまな特性を使用して異なる、光学的な（たとえば発光性の）タグを互いから区別することができることの必要性を認識及び理解した。タグのアイデンティティーを決定するために使用される特性のタイプは、この分析を行うために使用される物理的なデバイスに影響を与える。本出願は、これらの異なる実験を行うための装置、デバイス、機器、及び方法のいくつかの実施形態を開示している。
【０１０１】
手短に言えば、本発明者は、比較的に多数のピクセル（たとえば、数百、数千、数百万、又は、それ以上）を備えるピクセル化されたセンサー・デバイスは、並行して複数の個々の分子又は粒子の検出を可能にするということを認識及び理解した。そのような単一分子は、タグを有するヌクレオチド又はアミノ酸であることが可能である。タグは、単一分子に結合される間に、単一分子からの解放の際に、又は、単一分子に結合されかつ単一分子からの解放の際に、検出され得る。いくつかの例では、タグは、発光性タグである。分子は、例として、及び、限定としてではなく、タンパク質及び／又は核酸（たとえば、ＤＮＡ、ＲＮＡ）であることが可能である。そのうえ、毎秒百を超えるフレームでデータを獲得することができる高速デバイスは、分析されているサンプルの中に時間をかけて起こる動的なプロセス又は変化の検出及び分析を可能にする。
【０１０２】
本発明者は、低コストの単回使用の使い捨てのアッセイ・チップが、励起光供給源、オプティクス、及び光センサーを含む機器に関連して使用され、生物学的なサンプルから放出される光信号（たとえば、発光性の光）を測定することが可能であるということを認識及び理解した。低コストのアッセイ・チップを使用することは、所与のバイオアッセイを実施するコストを低減させる。生物学的なサンプルは、アッセイ・チップの上に設置され、単一のバイオアッセイが完了すると廃棄され得る。いくつかの実施形態では、アッセイ・チップの異なる部分の上に複数のサンプルを同時に設置することによって、２つ以上のタイプのサンプルが、並行して同時に分析され得る。アッセイ・チップは、より高価なマルチ・ユースの機器にインターフェース接続し、より高価なマルチ・ユースの機器は、多くの異なる使い捨てのアッセイ・チップとともに繰り返して使用され得る。コンパクトなポータブル機器にインターフェース接続する低コストのアッセイ・チップは、サンプルを分析するために実験室専門知識を必要とする高コストの生物学的な実験室の制約なしに、世界のどこででも使用され得る。したがって、以前には生物学的なサンプルの定量的な分析を行うことができなかった世界の領域に、自動化された生物学的分析を持っていくことが可能である。たとえば、使い捨てのアッセイ・チップの上に血液サンプルを設置することによって、分析のための小さいポータブル機器の中へ使い捨てのアッセイ・チップを設置することによって、及び、ユーザによる即座の再検討のために機器に接続するコンピュータによって結果を処理することによって、幼児のための血液テストが行われ得る。また、データは、分析されるためにデータ・ネットワークを通じて遠隔の場所に送信され、及び／又は、その後の臨床分析のためにアーカイブされ得る。代替的に、機器は、機器のセンサーから得られるデータを分析するための１つ又は複数のプロセッサーを含むことが可能である。
【０１０３】
さまざまな実施形態が、より詳細に下記に説明されている。
ＩＩ．  いくつかの実施形態による装置の概観
装置２−１００の図式的概観が、図２−１に図示されている。システムは、アッセイ・チップ２−１１０及び機器２−１２０の両方からなり、機器２−１２０は、励起供給源２−１２１及び少なくとも１つのセンサー２−１２２からなる。アッセイ・チップ２−１１０は、任意の適切なアッセイ・チップ・インターフェースを使用して、機器２−１２０にインターフェース接続している。たとえば、機器２−１２０のアッセイ・チップ・インターフェースは、アッセイ・チップ２−１１０を受け入れるために、ならびに、励起供給源２−１１０及び少なくとも１つのセンサー２−１２２と正確な光学的アライメントの状態にアッセイ・チップ２−１１０を保持するために、ソケット（図示せず）を含むことが可能である。機器２−１２０の中の外部励起供給源２−１２１は、アッセイ・チップ２−１１０のサンプル・ウェル２−１１１の中のサンプルを励起する目的のために、励起エネルギーをアッセイ・チップ２−１１０に提供するように構成されている。いくつかの実施形態では、アッセイ・チップ２−１１０は、複数のピクセルを有しており、それぞれのピクセルのサンプル・ウェル２−１１１は、他のピクセルから独立した分析において使用されるサンプルを受け入れるように構成されている。アッセイ・チップ２−１１０のそれぞれのピクセルは、分析されている試料からのサンプルを受け入れ、保持し、及び分析するためのサンプル・ウェル２−２１１からなる。そのようなピクセルは、ピクセルから離れた励起供給源からピクセルが励起エネルギーを受け取るので、「パッシブ・ソース・ピクセル」と称され得る。いくつかの実施形態では、アッセイ・チップ２−１１０の上に存在するそれぞれのピクセルに対応する、機器２−１２０の中のピクセルが存在している。機器２−１２０のそれぞれのピクセルは、サンプルが励起供給源２−１２１からの励起エネルギーによって照射されていることに応答して、サンプルによって放出されるエミッション・エネルギーを検出するための少なくとも１つのセンサーからなる。いくつかの実施形態では、それぞれのセンサーは、複数のサブ・センサーを含むことが可能であり、それぞれのサブ・センサーは、サンプルからのエミッション・エネルギーの異なる波長を検出するように構成されている。２つ以上のサブ・センサーが、特定の波長のエミッション・エネルギーを検出することが可能であるが、それぞれのサブ・センサーは、エミッション・エネルギーの異なる波長帯域を検出することが可能である。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、励起供給源２−１２１からの励起エネルギーをサンプル・ウェル２−１１１にガイド及びカップリングするための光学エレメントが、図２−１の中の矢印２−１０１によって表されているように、アッセイ・チップ２−１１０及び機器２−１２０の両方の上に位置付けされている。そのような供給源・トゥー・ウェル・エレメントは、励起エネルギーをアッセイ・チップ２−１１０にカップリングするために機器２−１２０の上に位置付けされている、ミラー、レンズ、誘電体コーティング、及びビーム・コンバイナーを含むことが可能であり、また、機器２−１２０から受け取られる励起エネルギーをサンプル・ウェル２−１１１に方向付けするためにアッセイ・チップ１−１１０の上に、レンズ、プラズモニック・エレメント、及び誘電体コーティングを含むことが可能である。追加的に、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル２−１１１からのエミッション・エネルギーをセンサー２−１２２にガイドするための光学エレメントが、図２−１の中の矢印２−１０２によって表されているように、アッセイ・チップ２−１１０及び機器２−１２０の上に位置付けされている。そのようなウェル・トゥー・サンプル・エレメントは、アッセイ・チップ２−１１０からのエミッション・エネルギーを機器２−１２０に方向付けするためにアッセイ・チップ２−１１０の上に位置付けされている、レンズ、プラズモニック・エレメント、及び誘電体コーティングを含むことが可能であり、また、アッセイ・チップ２−１１０から受け取られるエミッション・エネルギーをセンサー２−１１１に方向付けするために機器１−１２０の上に、レンズ、ミラー、誘電体コーティング、フィルター、及び回折光学素子を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、単一のコンポーネントは、励起エネルギーをサンプル・ウェルにカップリングする際、及び、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーをセンサーに送達する際の両方において、役割を果たすことが可能である。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、アッセイ・チップ２−１１０は、複数のピクセルからなり、それぞれのピクセルは、それ自身の個々のサンプル・ウェル２−１１１、及び、機器２−１２０の上のそれ自身の関連のセンサー２−１２２に関連付けられている。複数のピクセルが、アレイで配置され得、任意の適切な数のピクセルを有することが可能である。たとえば、アッセイ・チップは、おおよそ１，０００個のピクセル、１０，０００個のピクセル、おおよそ１００，０００個のピクセル、おおよそ１，０００，０００個のピクセル、おおよそ１０，０００，０００個のピクセル、又は、おおよそ１００，０００，０００個のピクセルを含むことが可能である。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、機器２−１２０は、複数のセンサー２−１２２からなるセンサー・チップを含み、複数のセンサー２−１２２は、複数のピクセルとして配置されている。センサー・チップのそれぞれのピクセルは、アッセイ・チップ２−１１０の中のピクセルに対応している。複数のピクセルは、アレイで配置され得、任意の適切な数のピクセルを有することが可能である。いくつかの実施形態では、センサー・チップは、アッセイ・チップ２−１１０と同じ数のピクセルを有している。たとえば、センサー・チップは、おおよそ１０，０００個のピクセル、おおよそ１００，０００個のピクセル、おおよそ１，０００，０００個のピクセル、おおよそ１０，０００，０００個のピクセル、又は、おおよそ１００，０００，０００個のピクセルを含むことが可能である。
【０１０７】
機器２−１２０は、アッセイ・チップ・インターフェース（図示せず）を通してアッセイ・チップ２−１１０にインターフェース接続している。アッセイ・チップ・インターフェースは、アッセイ・チップ２−１１０を機器２−１２０に対して位置決め及び／又は整合させるためのコンポーネントを含み、励起供給源２−１２１からの励起エネルギーをアッセイ・チップ２−１１０にカップリングすることを改善することが可能である。いくつかの実施形態では、励起供給源２−１２１は、励起エネルギーをアッセイ・チップ２−１１０に送達するために組み合わせられる複数の励起供給源を含む。複数の励起供給源は、複数の励起エネルギーを作り出すように構成され得、それは、異なる波長の光に対応している。
【０１０８】
機器２−１２０は、機器の動作を制御するためのユーザ・インターフェース２−１２５を含む。ユーザ・インターフェース２−１２５は、機器の機能を制御するために使用されるコマンド及び／又はセッティングなどのような情報を、ユーザが機器の中へ入力することを可能にするように構成されている。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェース２−１２５は、ボタン、スイッチ、ダイアル、及び、ボイス・コマンドのためのマイクロホンを含むことが可能である。追加的に、ユーザ・インターフェース２−１２５は、適正なアライメント、及び／又は、センサー・チップの上のセンサーからの読み出し信号によって得られる情報などのような、機器及び／又はアッセイ・チップの性能についてのフィードバックを、ユーザが受け取ることを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェース２−１２５は、可聴フィードバックを提供するためにスピーカを使用して、ならびに／又は、視覚的フィードバックを提供するためにインジケーター光及び／もしくは表示スクリーンを使用して、フィードバックを提供することが可能である。いくつかの実施形態では、機器２−１２０は、コンピューティング・デバイス２−１３０と接続するために使用されるコンピュータ・インターフェース２−１２４を含む。任意の適切なコンピュータ・インターフェース２−１２４及びコンピューティング・デバイス２−１３０が使用され得る。たとえば、コンピュータ・インターフェース２−１２４は、ＵＳＢインターフェース又はｆｉｒｅｗｉｒｅ（商標）インターフェースであることが可能である。コンピューティング・デバイス２−１３０は、ラップトップ・コンピュータ、デスクトップ・コンピュータ、もしくはタブレット・コンピュータなどのような、任意の汎用コンピュータ、又は、携帯電話などのようなモバイル・デバイスであることが可能である。コンピュータ・インターフェース２−１２４は、機器２−１２０とコンピューティング・デバイス２−１３０との間の情報の通信を促進させる。機器２−１２０を制御及び／又は設定するための入力情報は、機器のコンピュータ・インターフェース２−１２４に接続されているコンピューティング・デバイス２−１３０を通して提供され得る。追加的に、出力情報は、コンピュータ・インターフェース２−１２４を通してコンピューティング・デバイス２−１３０によって受け取られ得る。そのような出力情報は、機器２−１２０の性能についてのフィードバック、及び、センサー２−１２２の読み出し信号からの情報を含むことが可能である。また、機器２−１２０は、センサー２−１２２から受け取られるデータを分析するためのプロセッシング・デバイス２−１２３を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、プロセッシング・デバイス２−１２３は、汎用プロセッサー（たとえば、中央処理装置（ＣＰＵ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、又は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などのようなカスタム集積回路）であることが可能である。いくつかの実施形態では、センサー２−１２２からのデータを処理することは、プロセッシング・デバイス２−１２３及び外部コンピューティング・デバイス２−１３０の両方によって行われ得る。他の実施形態では、コンピューティング・デバイス２−１３０は省略され得、また、センサー２−１２２からのデータを処理することは、プロセッシング・デバイス２−１２３だけによって行われ得る。
【０１０９】
励起供給源２−１２１が、励起エネルギーによってアッセイ・チップ２−１１０を照射すると、アッセイ・チップ２−１１０の１つ又は複数のピクセルの中のサンプルが励起され得る。いくつかの実施形態では、試料は、複数のマーカによって標識されており、複数のマーカは、それぞれ、試料の中の異なるサンプルに関連付けられており、エミッション・エネルギーによって特定可能である。サンプル・ウェル２−１１１からセンサー２−１２２への経路は、エミッション・エネルギーに基づいて複数のマーカを特定することを支援する１つ又は複数のコンポーネントを含むことが可能である。コンポーネントは、センサー２−１２２に向けてエミッション・エネルギーの焦点を合わせることが可能であり、追加的に又は代替的に、異なる特性エネルギー、及び、したがって異なる波長を有するエミッション・エネルギーを空間的に分離することが可能である。いくつかの実施形態では、アッセイ・チップ２−１１０は、エミッション・エネルギーをセンサー２−１２２に向けて方向付けするコンポーネントを含むことが可能であり、機器２−１２０は、異なる波長のエミッション・エネルギーを空間的に分離するためのコンポーネントを含むことが可能である。たとえば、光学フィルター又は回折光学素子は、エミッション・エネルギーの波長を空間的な自由度にカップリングするために使用され得る。センサー又はセンサー領域は、複数のサブ・センサーを含有することが可能であり、複数のサブ・センサーは、放射線パターンに依存するエミッション・エネルギーの空間的な分布を検出するように構成されている。異なるエミッション・エネルギー及び／又はスペクトル範囲を放出する発光性タグは、異なる放射線パターンを形成することが可能である。センサー又はセンサー領域は、複数のマーカの間のマーカを特定するために使用され得るエミッション・エネルギーの空間的な分布についての情報を検出することが可能である。
【０１１０】
サンプル・ウェル２−１１０の中のサンプルからのエミッション・エネルギーは、センサー２−１２２によって検出され、少なくとも１つの電気信号に変換され得る。電気信号は、機器２−１２０の回路の中の導電性ラインに沿って送信され、プロセッシング・デバイス２−１２３及び／又はコンピューティング・デバイス２−１３０によって処理及び／又は分析され得る。
【０１１１】
図２−２は、アッセイ・チップ２−１１０の上面図及びセンサー・チップ２−２６０の上面図であり、２つのチップのピクセルの間の対応を図示している。アッセイ・チップ２−１１０は、複数のピクセルからなり、それぞれのピクセルは、導電性材料２−２２１の中に形成されたサンプル・ウェル２−１１１を含む。また、センサー・チップ２−２６０も、複数のピクセルからなり、それぞれのピクセルは、基板２−２４７の中又は上に形成されたセンサー２−１２１を含む。図２−２の中の矢印は、アッセイ・チップ２−１１０のピクセルのうちの２つと、センサー・チップ２−２６０のピクセルのうちの２つとの間の対応を図示している。明確化のために図示されていないが、アッセイ・チップ２−１１０のそれぞれのピクセルは、センサー・チップ２−２６０のピクセルに関連付けられている。
【０１１２】
アッセイ・チップ２−１１０の単一のピクセル及びセンサー・チップ２−２６０の単一のピクセルに関連付けられているいくつかのコンポーネントの概観が、図２−３に図示されている。装置２−１００は、アッセイ・チップ２−１１０及び機器２−１２０の両方からなる。いくつかの実施形態では、アッセイ・チップ２−１１０は、単一の試料の分析のために設計された使い捨てのチップである。アッセイ・チップ２−１１０は、１つ又は複数の金属層２−２２１、１つ又は複数の誘電体層２−２２５、及び集束エレメント２−２２７を含む。いくつかの実施形態では、金属層２−２２１は、層のスタックを含み、そのうちのいくつかは、吸収層を含むことが可能である。機器２−１２０は、１つ又は複数の励起供給源２−２５０、少なくとも１つのポリクロイック・ミラー２−２３０、及びセンサー・チップ２−２６０を含み、センサー・チップ２−２６０は、フィルタリング・エレメント２−２４１、スペクトル・ソーティング・エレメント２−２４３、集束エレメント２−２４５、及び、基板２−２４７の中又は上の少なくとも１つのセンサー２−１２２を含むことが可能である。図２−３は、アッセイ・チップ２−１１０の単一のピクセルだけ、及びセンサー・チップ２−２６０の単一のピクセルだけを図示しているが、励起供給源２−２５０、ポリクロイック・ミラー２−２３０、及びフィルタリング・エレメント２−２４１などのような、機器２−１２０のいくつかのコンポーネントは、複数のピクセルに共通であることが可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、単一の励起供給源２−２５０及びポリクロイック・ミラー２−２３０が、アッセイ・チップ２−１１０のすべてのピクセルに励起エネルギーを方向付けすることが可能である。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、試料は、血液、尿、又は唾液などのような体液を含むことが可能である。金属層２−２２１の中のサンプル・ウェル２−２１１は、試料からのサンプルが進入するためのサンプル体積を形成する。サンプル・ウェル２−２１１の端部における開口部は、ナノアパーチャと称され得る。ナノアパーチャは、励起供給源２−２５０によって放出される励起エネルギー２−２５１の波長よりも小さい幅を有することが可能である。サンプルと称される試料の一部分が、サンプル・ウェル２−２１１によって画定されるサンプル体積に進入することが可能である。サンプルは、任意の粒子、分子、タンパク質、遺伝物質、又は、試料の中に存在する任意の他のサンプルであることが可能である。
【０１１４】
励起供給源２−２５０は、励起エネルギー２−２５１を放出し、励起エネルギー２−２５１は、サンプル・ウェル２−２１１に向けて方向付けされ、サンプルを照射する。いくつかの実施形態では、励起供給源２−２５１は、アッセイ・チップ２−１１０のすべてのピクセルのために励起エネルギーを提供する単一の光供給源であることが可能である。ポリクロイック・ミラー２−２３０は、励起供給源２−２５０からの光を反射し、アッセイ・チップ２−１１０の１つ又は複数のサンプル・ウェル２−２１１に向けて励起エネルギー２−２５１を方向付けする。したがって、いくつかの実施形態では、それぞれのピクセルがそれ自身のポリクロイック・ミラーに関連付けられているというよりも、むしろ、すべてのサンプル・ウェルに向けて励起エネルギーを方向付けする単一のポリクロイック・ミラー２−２３０だけが存在することが可能である。同様に、励起エネルギーをサンプル・ウェル２−２１１に向けて方向付けするために使用される他の光学エレメント同士の間に、一対多数の関係が存在することが可能である。
【０１１５】
同心円状の円形のグレーチング２−２２３は、サンプル・ウェル２−２１１の底部ナノアパーチャに隣接して形成され得る。同心円状の円形のグレーチング２−２２３は、金属層２−２２１の底部表面から突出することが可能である。サンプル・ウェル２−２１１は、円形のグレーチング２−２２３の中心に、又は、円形のグレーチング２−２２３の中心の近くに位置付けされ得る。サンプル・ウェル２−２１１のナノアパーチャのサブ波長スケール及び同心円状の円形のグレーチング２−２２３の両方が、場の増強効果を生成させ、場の増強効果が、サンプル・ウェル２−２１１の中の励起エネルギーの強度を増加させ、サンプル・ウェル２−２１１の中に存在するサンプルへの励起エネルギーのカップリングの増加を結果として生じさせる。少なくとも時々、サンプルは、励起エネルギーから光子を吸収し、そして、励起エネルギー２−２５１のものよりも小さいエネルギーを伴う光子（「エミッション・エネルギー」２−２５３と称される）を放出する。エミッション・エネルギー２−２５３は、下向き方向に放出され得る。円形のグレーチング２−２２３は、プラズモニック・エレメントとしての役割を果たし、プラズモニック・エレメントは、エミッション・エネルギー２−２５３の広がりを減少させるために、及び、関連のセンサーに向けてエミッション・エネルギー２−２５３を方向付けするために使用され得る。
【０１１６】
エミッション・エネルギー２−２５３は、誘電体層２−２２５を通って進み、誘電体層２−２２５は、エミッション・エネルギー２−２５３がいくらかの距離を伝播することを可能にするために使用されるスペーサー層であることが可能である。また、誘電体層２−２２５は、構造的強度をアッセイ・チップ２−１１０に提供することが可能である。次いで、エミッション・エネルギー２−２５３は、１つ又は複数の集束エレメント２−２２７を通って進み、１つ又は複数の集束エレメント２−２２７は、機器２−１２０の中のセンサー・チップ２−２２６０の関連のピクセルの中のセンサー２−１２２にエミッション・エネルギー２−２５３をさらに方向付けするために使用される。
【０１１７】
次いで、ポリクロイック・ミラー２−２３０は、エミッション・エネルギー２−２５３を透過し、アッセイ・チップ２−１１０から反射された任意の励起エネルギー２−２５１の一部分を反射する。アッセイ・チップ２−１１０によって反射されない励起光の一部分は、アッセイ・チップを通して透過させられるか、又は、アッセイ・チップによって吸収されるかのいずれかである。アッセイ・チップ２−１１０によって反射され、ポリクロイック・ミラー２−２３０によって反射されない励起エネルギー２−２５１の量をさらに低減させるために、フィルタリング・エレメント２−２４１が、センサー・チップ２−２６０に向かう光学的な経路の中に配設され得る。フィルタリング・エレメント２−２４１は、例として、及び、限定としてではなく、ブロードバンド・フィルター、ノッチ・フィルター、又はエッジ・フィルターを含むことが可能であり、それは、エミッション・エネルギー２−２５３を透過するが、励起エネルギー２−２５１を吸収及び／又は反射する。
【０１１８】
実施形態では、エミッション・エネルギー２−２５３のスペクトルの特質を使用して、サンプル・ウェル２−２１１の中のマーカのアイデンティティーを決定することを促進させるために、スペクトル・ソーティング・エレメント２−２４３が、センサー・チップ２−２６０の上に含まれ、エミッション・エネルギー２−２５３のスペクトル自由度を、エミッション・エネルギー２−２５３が進んでいる方向にカップリングすることが可能である。たとえば、回折光学素子が使用され、第１の波長のエミッション・エネルギー２−２５３を第１の方向に方向付けし、第２の波長のエミッション・エネルギー２−２５３を第２の方向に方向付けすることが可能である。１つ又は複数の集束エレメント２−２４５が使用され、スペクトル的にソーティングされた光をセンサー２−１２２の上に方向付けすることが可能である。センサー２−１２２は、１つ又は複数のサブ・センサー（図示せず）を含むことが可能であり、そのそれぞれは、スペクトル・ソーティング・エレメント２−２４３による異なる波長の光のリダイレクション（ｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に基づいて、エミッション・エネルギー２−２５３の異なる波長に関連付けられる。
【０１１９】
図２−３の上記説明は、いくつかの実施形態による装置のコンポーネントのいくつか（必ずしもすべてではない）の概観である。いくつかの実施形態では、図２−３の１つ又は複数のエレメントは、なくてもよく、又は、異なる場所にあってもよい。アッセイ・チップ２−２１０及び機器２−２２０のコンポーネントは、より詳細に下記に説明されている。
【０１２０】
アッセイ・チップ２−１１０及び機器２−１２０は、機械的に整合され、取り外し可能に連結され、互いから分離可能であり得る。機器２−１２０は、機器ハウジングを含むことが可能であり、機器ハウジングの内側には、マウンティング・ボード２−４０５が配設されている。図２−４は、機器２−１２０のマウンティング・ボード２−４０５の上に含まれ得るコンポーネントのうちの少なくともいくつかを図示している。マウンティング・ボード２−４０５は、プリント回路基板を含むことが可能であり、マウンティング・ボード２−４０５は、センサー・チップ２−２６０（図２−４では見ることができない）、ヒートシンク２−４０７、及び、それに装着されている光学ハウジング２−４０１を有することが可能である。機器２−１２０のさまざまな光学的なコンポーネントが、光学ハウジング２−４０１の中に配設され得る。いくつかの実施形態では、機器ハウジング及びマウンティング・ボードは、任意の適切なサイズであることが可能である。たとえば、マウンティング・ボードは、１７．７８〜２０．３２ｃｍ（７〜８”）の直径を有する実質的に円形であることが可能である。
【０１２１】
アッセイ・チップ２−１１０は、光学ハウジング２−４０１と連結し、光学ハウジング２−４０１の中の光学的なコンポーネントとのアライメントを確実にする。チップ・ホルダー・フレーム３−１０２は、光学ハウジング２−４０１の開口部に整合されられ得る。好ましくは、アッセイ・チップ２−１１０は、機器２−１２０に取り外し可能に連結され得る。たとえば、磁気シリンダーなどのような、任意の適切な形状の磁気コンポーネント２−４０３ａから２−４０３ｂが、光学ハウジング３−４０１の開口部の周りに設置され得、光学ハウジング３−４０１の開口部を通って、励起エネルギーが、光学ハウジング２−４０１から出ていく。追加的に、磁気コンポーネント２−４０３ａから２−４０３ｃがキャリブレートされ得、チップ・ホルダー・フレーム３−１０２が開口部とアライメント状態に保持されるようになっている。チップ・ホルダー・フレームは、アライメント・シリンダーを使用して、ミクロン・レベルの精度で位置決めされ得る。いくつかの実施形態では、３つの磁気シリンダー２−４０３ａから２−４０３ｂが、チップ・ホルダー・フレーム・アライメントを生成させるために使用される。しかし、実施形態はそのように限定されず、任意の適切な数の磁気的な、スプリング・ロード式の、空気圧式の、又は、他のそのようなコンポーネントが、整合された構成で適切な場所にチップを保持するために使用され得る。たとえば、チップ・ホルダー・フレーム３−１０２は、スプリング、空気圧力、又は、真空からの吸引などのような、非磁性エレメントによって、適正な場所に保持され得る。随意的に、チップ・ホルダー・フレーム３−１０２は、光学的なブロックとアライメント状態でチップを位置決めするのに適切な任意の堅い材料を使用して構築され得る。
【０１２２】
本出願のいくつかの態様によれば、チップがシステムに接続されるときに、サンプル・ウェルとセンサーとの間の距離が、小さく維持され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルとセンサーとの間の光学的な距離は、３０ｃｍ未満、１０ｃｍ未満、１５ｃｍ未満、又は１ｃｍ未満であることが可能である。
【０１２３】
ＩＩＩ．  アッセイ・チップ
いくつかの実施形態では、アッセイ・チップ２−１１０は、任意のアクティブ電子的なコンポーネントを含んでいない。それぞれのピクセルに関する励起供給源２−２５０及びセンサー２−１２２の両方が、機器２−１２０の中にチップ外に位置付けされている。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、アッセイ・チップ２−１１０は、図３−１Ａに図示されているように、チップ・ホルダー・フレーム３−１０２の中に収容され得る。チップ・ホルダー・フレーム３−１０２は、使い捨てのものであることが可能であり、単回使用の後に、アッセイ・チップ２−１１０とともに処分され得る。アッセイ・チップ２−１１０は、図３−１Ｂに図示されているように、チップ・ホルダー・フレーム３−１０２裏側に位置することが可能である。チップ・ホルダー・フレーム３−１０２は、スチールなどのような任意の適切な強磁性の金属からなることが可能であり、光学ハウジング２−４０１に固定された磁気コンポーネント２−４０３ａから２−４０３ｂが、チップ・ホルダー・フレーム３−１０２を、ひいては、アッセイ・チップ２−１１０を、適切な場所に保持するようになっている。いくつかの実施形態では、チップ・ホルダー・フレーム３−１０２は、図２−４に図示されているように、光学ハウジング２−４０１の上部表面に取り付けられ得る。
【０１２５】
図３−１Ｃに図示されている他の実施形態では、アッセイ・チップは、チップ・ホルダー・フレーム３−１０２の上部表面に取り付けられ得る。プラスチック・キャップ３−１０３が、アッセイ・チップ２−１１０を取り囲んでおり、アッセイ・チップ２−１１０のピクセル・アレイが、プラスチック・キャップ３−１０３の中の開口部を介して露出されるようになっている。アッセイ・チップ２−１１０のユーザは、プラスチック・キャップ３−１０３の開口部の中へ試料を置くことが可能である。アッセイ・チップ２−１１０の上部表面に接触していることによって、試料の中のサンプルは、分析のために、アッセイ・チップ２−１１０の複数のピクセルのうちの１つ又は複数に導入され得る。いくつかの実施形態では、強制流体流動を介してサンプルの一部分をピクセルへ送達するための流体チャネル又はデバイスは必要でない。
【０１２６】
Ａ．  サンプル・ウェル層
図２−３に図示されているように、及び、図３−２においてより詳細に図示されているように、いくつかの実施形態は、アッセイ・チップ２−１１０の１つ又は複数のピクセルに形成されたサンプル・ウェル２−２１１を含む。サンプル・ウェルは、金属層２−２２１の中に形成された小さい体積又は領域からなることが可能であり、小さい体積又は領域は、サンプルが、アッセイ・チップ２−１１０の表面の上に堆積された試料から、サンプル・ウェルの中へ、及び、サンプル・ウェルの外へ拡散し得るように、配置されている。さまざまな実施形態では、サンプル・ウェル２−２１１は、励起供給源２−２５０からの励起エネルギーを受け取るように配置され得る。サンプル・ウェルの中へ拡散するサンプルは、一時的に又は永久的に、付着物質３−２１１によってサンプル・ウェルの励起領域３−２１５の中に保持され得る。励起領域において、サンプルは、励起エネルギー（たとえば、励起光３−２４５）によって励起され得、その後にエネルギーを放出することが可能であり、エネルギーは、観察及び評価され、サンプルを特徴付けることが可能である。
【０１２７】
動作のさらなる詳細では、分析されることとなる少なくとも１つのサンプル３−１０１が、たとえば、サンプルの流体懸濁を含有する試料（図示せず）から、サンプル・ウェル２−２１１の中へ導入され得る。装置２−１２０の励起供給源２−２５０からの励起エネルギー３−２４５は、サンプル又は少なくとも１つのタグ（生物学的なマーカ、レポータ、又はプローブとも称される）を励起することが可能であり、少なくとも１つのタグは、サンプルに取り付けられており、又は、そうでなければ、それがサンプル・ウェルの中の励起領域３−２１５の中にある間に、サンプルに関連付けられている。いくつかの実施形態によれば、タグは、発光性分子（たとえば、発光性タグ又はプローブ）又は量子ドットであることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプルを分析するために使用される２つ以上のタグが存在することが可能である（たとえば、ジェイ．エイド（Ｊ．Ｅｉｄ）らによる「単一のポリメラーゼ分子からのリアルタイムＤＮＡシークエンシング（Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ  ＤＮＡ  Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  ｆｒｏｍ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ  Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３２３、ｐ．１３３（２００９）（それは本願明細書に援用される）に説明されているような、単一分子遺伝子シークエンシングのために使用される別個のタグ）。励起の間に及び／又は励起の後に、サンプル又はタグは、エミッション・エネルギーを放出することが可能である。複数のタグが使用されるときには、それらは、異なる特性エネルギーで放出し（したがって異なる波長を有し）、及び／又は、異なる時間特性によって放出することが可能である。サンプル・ウェル２−２１１からのエミッションは、装置２−１２０のセンサー２−１２２へ放射することが可能であり、センサー３−２６０において、それらは検出され、電気信号へと変換され、電気信号は、サンプルを特徴付けるために使用され得る。
【０１２８】
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１は、図３−２に示されているように、部分的に囲まれた構造体であることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル２−２１１は、材料２−２１１の少なくとも１つの層の中に形成されたサブミクロン・サイズのホール又は開口部（少なくとも１つの横断方向の寸法Ｄｓｗによって特徴付けられる）からなる。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの横断方向の寸法は、おおよそ２０ナノメートルからおおよそ１ミクロンの間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、より大きいサイズ及びより小さいサイズが使用され得る。サンプル・ウェル２−２１１の体積は、いくつかの実施形態では、約１０−２１リットルから約１０−１５リットルの間であることが可能である。サンプル・ウェルは、導波路として形成され得、導波路は、伝播モードをサポートすることが可能であり、又は、伝播モードをサポートすることが可能ではない。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、直径（又は、最大の横断方向の寸法）Ｄｓｗを備える円筒形状の形状（又は、同様の形状）を有するゼロ・モード導波路（ＺＭＷ）として形成され得る。ＺＭＷは、ナノ・スケール・ホールとして単一の金属層の中に形成され得、それは、ホールを通して伝播光学モードをサポートしない。
【０１２９】
サンプル・ウェル２−２１１は小さい体積を有しているので、サンプルが、自然環境において見出されるものと同様の濃度で、検査される試料の中に濃縮され得るとしても、それぞれのピクセルにおける単一のサンプル・イベント（たとえば、単一分子イベント）の検出が可能である可能性がある。たとえば、サンプルのマイクロモル濃度は、アッセイ・チップに接触して設置されている試料の中に存在することが可能であるが、ピクセル・レベルにおいて。アッセイ２−１１０のサンプル・ウェルは、統計的に、サンプルを含まない可能性が高いか、単に約１つだけのサンプルを含むような寸法にされていることによって、単分子の分析を行うことができる。たとえばいくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの３０〜４０％が単一のサンプルを含む。しかし、サンプル・ウェルは１つを超えるサンプルを含んでいてもよい。単一分子又は単一のサンプル・イベントが、それぞれのピクセルにおいて分析され得るので、アッセイ・チップは、そうでなければアンサンブル平均測定値の中に気付かれずに終わる可能性のある珍しいイベントを検出することを可能にする。
【０１３０】
サンプル・ウェルの横断方向の寸法Ｄｓｗは、いくつかの実施形態では、約５００ナノメートル（ｎｍ）から約１ミクロンの間であることが可能であり、いくつかの実施形態では、約２５０ｎｍから約５００ｎｍの間であることが可能であり、いくつかの実施形態では、約１００ｎｍから約２５０ｎｍの間であることが可能であり、さらに、いくつかの実施形態では、約２０ｎｍから約１００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの横断方向の寸法は、おおよそ８０ｎｍからおおよそ１８０ｎｍの間、又は、励起波長又はエミッション波長のおおよそ４分の１から８分の１の間であることが可能である。他の実施形態によると、サンプル・ウェルの横断方向の寸法は、約１２０ｎｍ〜約１７０ｎｍである。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル２−２１１の深さ又は高さは、約５０ｎｍから約５００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル２−２１１の深さ又は高さは、約８０ｎｍから約２００ｎｍの間であることが可能である。
【０１３１】
サブ波長の横断方向の寸法を有するサンプル・ウェル２−２１１は、少なくとも２つの方式で、アッセイ・チップ２−１１０のピクセル２−１００の動作を改善することが可能である。たとえば、試料の反対側からサンプル・ウェルへ入射する励起エネルギー３−２４５は、指数関数的に減少するパワーを伴って励起領域３−２１５の中へカップリングすることが可能であり、サンプル・ウェルを通って試料へは伝播しない。結果として、励起エネルギーは、それが関心のサンプルを励起する励起領域の中で増加され、また、それが背景雑音に寄与するであろう他のサンプルを励起し得た試料の中で低減される。また、ウェルのベースにおいて保持されているサンプルからのエミッションは、好適には、装置２−１２０上のセンサーに向けて方向付けされる。その理由は、エミッションがサンプル・ウェルを通って上に伝播することができないからである。これらの効果の両方が、ピクセルにおける信号対雑音比を改善することが可能である。本発明者は、ピクセルにおける信号対雑音レベルをさらに引き上げるように改善され得るサンプル・ウェルのいくつかの態様を認識した。これらの態様は、ウェル形状及び構造に関し、また、サンプル・ウェル、及び、サンプル・ウェルから放出されたエネルギーと励起エネルギーをカップリングすることを支援する、隣接する光学的な及びプラズモニック構造体（下記に説明されている）との相対位置に関する。
【０１３２】
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１は、伝播モードをサポートすることがないサブ・カットオフ・ナノアパーチャ（ＳＣＮ）として形成され得る。たとえば、サンプル・ウェル２−２１１は、導電層２−２２１の中の円筒形状のホール又はボアからなることが可能である。サンプル・ウェルの断面は、丸形である必要はなく、いくつかの実施形態では、楕円形、正方形、長方形、又は多角形であることが可能である。励起エネルギー３−２４５（たとえば、可視又は近赤外の放射線）は、エントランス・アパーチャ３−２１２を通ってサンプル・ウェルに進入することが可能であり、エントランス・アパーチャ３−２１２は、図３−２に示されているように、ウェルの第１の端部において、サンプル・ウェル２−２１１の壁部３−２１４によって画定され得る。ＳＣＮとして形成されるときには、励起エネルギー３−２４５は、ＳＣＮに沿って指数関数的に減衰することが可能である。いくつかの実施形態では、導波路は、サンプルから放出されたエネルギーに関するＳＣＮからなることが可能であるが、励起エネルギーに関するＳＣＮでなくてもよい。たとえば、サンプル・ウェルによって形成されるアパーチャ及び導波路は、励起エネルギーに関する伝播モードをサポートするのに十分に大きいことが可能である。その理由は、それが、放出されるエネルギーよりも短い波長を有することが可能であるからである。より長い波長において、エミッションは、導波路の中の伝播モードに関するカットオフ波長を超えることが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１は、励起エネルギー３−２４５に関するＳＣＮからなることが可能であり、励起エネルギーの最大強度が、サンプル・ウェル２−２１１へのエントランスにおいて、サンプル・ウェルの励起領域３−２１５に局所化されるようになっている（たとえば、図３−２に示されているように、層３−２３５と層２−２２１との間の界面の近くに局所化される）。そのような励起エネルギーの局所化は、サンプルからのエミッション・エネルギー密度を増加することが可能であり、励起エネルギーをエントランス・アパーチャ３−２１２の近傍に閉じ込めることによって、観察されるエミッションを、単一のサンプル（たとえば、単一分子）に限定することが可能である。
【０１３３】
ＳＣＮからなるサンプル・ウェルのエントランスの近くの励起局所化の例が、図３−３に示されている。数値シミュレーションが、ＳＣＮとして形成されたサンプル・ウェル２−２１１の中及び近くの励起エネルギーの強度を決定するために実施された。結果は、励起放射線の強度が、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャにおいて、入射エネルギーの約７０％であり、サンプル・ウェルの中の約１００ｎｍ以内で、入射強度の約２０％まで降下するということを示している。このシミュレーションに関して、励起エネルギーの特性波長は、６３３ｎｍであり、サンプル・ウェル２−２１１の直径は、１４０ｎｍであった。サンプル・ウェル２−２１１は、ゴールド・メタルの層の中に形成されていた。グラフの中のそれぞれの水平方向の区分は、５０ｎｍである。グラフによって示されているように、サンプル・ウェルの中に受け取られる励起エネルギーの半分より多くが、サンプル・ウェル２−２１１のエントランス・アパーチャ３−２１２の中の約５０ｎｍに局所化される。
【０１３４】
サンプル・ウェル２−２１１において局所化される励起エネルギーの強度を改善するために、他のサンプル・ウェル構造体が、本発明者によって開発及び検討された。図３−４は、サンプル・ウェル２−２１１の励起端部においてキャビティー又はディボット３−２１６を含む、サンプル・ウェルの実施形態を示している。図３−３のシミュレーション結果の中に見ることができるように、より高い励起強度の領域が、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャ２−２１２の直前に存在している。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１にディボット３−２１６を追加することは、サンプルがより高い励起強度の領域の中へ移動することを可能にする。いくつかの実施形態では、ディボットの形状及び構造は、（たとえば、層３−２３５とサンプル・ウェルの中にあるその試料の流体との間の屈折率の差に起因して）局所的な励起場を変更し、ディボットの中の励起エネルギーの強度をさらに増加させることが可能である。
【０１３５】
ディボットは、任意の適切な形状を有することが可能である。ディボットは、たとえば、丸形、楕円形、正方形、長方形、多角形など、サンプル・ウェルの横断方向の形状に実質的に均等な横断方向の形状を有することが可能である。いくつかの実施形態では、ディボットの側壁部は、サンプル・ウェルの壁部と同様に、実質的に真っ直ぐで垂直方向であることが可能である。いくつかの実施形態では、ディボットの側壁部は、図面に示されているように、傾斜及び／又は湾曲していることが可能である。ディボットの横断方向の寸法は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法とおおよそ同じサイズであることが可能であり、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法よりも小さいことが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの横断方向の寸法よりも大きいことが可能である。ディボット３−２１６は、サンプル・ウェルの金属層２−２２１を越えて、おおよそ１０ｎｍ〜おおよそ２００ｎｍで延在することが可能である。いくつかの実施形態では、ディボットは、サンプル・ウェルの金属層２−２２１を越えて、おおよそ５０ｎｍ〜おおよそ１５０ｎｍで延在することが可能である。ディボットを形成することによって、励起領域３−２１５は、図３−４に示されているように、サンプル・ウェルの金属層２２１の外側に延在することが可能である。
【０１３６】
図３−５は、ディボットを含有するサンプル・ウェルに関する励起領域の励起エネルギーの改善を示している（左のシミュレーション・イメージに示されている）。比較のために、励起場が、ディボットなしのサンプル・ウェルに関してもシミュレートされ、それは、右側に示されている。場の大きさは、これらのプロットの中のカラー・レンダリングから変換されており、ディボットのベースにおける暗い領域は、サンプル・ウェルの中の光領域よりも高い強度を表している。サンプル・ウェルの上方の暗い領域は、最低の強度を表している。見ることができるように、ディボットは、サンプル３−１０１がより高い励起強度の領域へ移動することを可能にし、また、ディボットは、サンプル・ウェルの励起端部において、最高強度の領域の局所化を増加させる。高い強度の領域は、ディボットなしのサンプル・ウェルに関して、より多く分散されるということに留意されたい。いくつかの実施形態では、ディボット３−２１６は、励起領域において、２倍以上の励起エネルギーの増加を提供する。いくつかの実施形態では、２倍以上の増加は、ディボットの形状及び深さに応じて得られ得る。これらのシミュレーションでは、サンプル・ウェルは、１００ｍの厚さの層からなり、５０ｎｍの深さのディボットを備え、６３５ｎｍ波長における励起エネルギーを備えている。
【０１３７】
図３−６は、サンプル・ウェル２−２１１の別の実施形態を示しており、そこでは、ディボットを含んでなるサンプル・ウェルが、基板の表面における突出部３−６１５の上方に形成されている。結果として生じるサンプル・ウェルに関する構造体は、図３−２に示されているサンプル・ウェルと比較して、サンプルにおける励起エネルギーを２倍以上増加させることが可能であり、サンプル・ウェルから装置２−１２０のセンサーに指向するようにエミッションを向けることが可能である。いくつかの実施形態によれば、突出部３−６１５は、材料の第１の層３−６１０の中でパターニングされている。突出部は、いくつかの実施形態では、円形台座又は矩形の断面を有したリッジとして形成され得、材料の第２の層３−６２０が、第１の層及び突出部の上方に堆積され得る。突出部において、第２の層は、示されているように、円筒形の部分３−６２５を近似する突出部の上方の形状を形成することが可能である。いくつかの実施形態では、導電層３−２３０（たとえば、反射金属）が、第２の層３−６２０の上方に堆積され、突出部の上方の導電層の中にサンプル・ウェル３−２１０を形成するようにパターニングされ得る。次いで、ディボット３−２１６が、第２の層の中へエッチングされ得る。ディボットは、導電層３−２３０の下方に、約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍにて延在することが可能である。いくつかの実施形態によれば、第１の層３−６１０及び第２の層３−６２０は、光学的に透明であることが可能であり、同じ材料から形成されてもよいし、又は形成されなくてもよい。いくつかの実施形態では、第１の層３−６１０は、酸化物（たとえば、ＳｉＯ２）又は窒化物（たとえば、Ｓｉ３Ｎ４）から形成され得、第２の層３−６２０は、酸化物又は窒化物から形成され得る。
【０１３８】
いくつかの実施形態によれば、突出部３−６２５の上方の導電層３−２３０は、おおよそ球形の反射体３−６３０として形状決めされている。球形の部分の形状は、突出部高さｈ、突出部の直径又は横断方向の寸法ｗ、及び、第２の層３−６２０の厚さｔの選択によって制御され得る。励起領域の場所及びサンプルの位置は、ディボット深さｄの選択によって、球形の反射体の光学的な焦点に対して調節され得る。円筒形の反射体３−６３０は、励起領域３−２１５に励起エネルギーを集中させることが可能であり、また、サンプルから放出されたエネルギーを収集し、センサー３−２６０に向けて放射線を反射及び集中させることが可能であるということが理解され得る。
【０１３９】
上述のように、サンプル・ウェルは、任意の適切な形状で形成され得、円筒形状だけに限定されない。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、円錐、４面体、５面体などであることが可能である。図３−７Ａ〜図３−７Ｆは、いくつかの実施形態において使用され得るいくつかの例示的なサンプル・ウェル形状及び構造を図示している。サンプル・ウェル２−２１１は、いくつかの実施形態によれば、励起エネルギーに関する第２のアパーチャ２−２１８よりも大きい第１のアパーチャ２−２１２を有するように形成され得る。サンプル・ウェルの側壁部は、テーパが付けられ、又は、湾曲していることが可能である。サンプル・ウェルをこのように形成することは、より多くの励起エネルギーが励起領域に入ることを許すことが可能であり、試料に向けて進む励起エネルギーをさらに目に見えて減衰させることが可能である。追加的に、サンプルによって放射されるエミッションは、より大きいアパーチャを備えるサンプル・ウェルの端部に向けて、その方向への好ましいエネルギー伝達に起因して、優先的に放射することが可能である。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、ディボット３−２１６は、図３−７Ｂに示されているように、サンプル・ウェルのベースよりも小さい横断方向の寸法を有することが可能である。より小さいディボットは、ディボットをエッチングする前に、サンプル・ウェルの側壁部を犠牲層によってコーティングし、その後に、犠牲層を除去することによって形成され得る。より小さいディボットは、サンプル・ウェルの導電性壁部からより等距離にある領域の中にサンプルを保持するように形成され得る。サンプル・ウェルの壁部から等距離にサンプルを保持することは、放射しているサンプルへの、サンプル・ウェル壁部の望ましくない効果、たとえば、エミッションの消光、及び／又は、放射線寿命時間の変更を低減させることが可能である。
【０１４１】
図３−７Ｃ及び図３−７Ｄは、サンプル・ウェルの別の実施形態を示している。この実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１は、励起エネルギー増強構造体３−７１１と、励起エネルギー増強構造体に隣接して形成された接着性物質３−２１１とからなることが可能である。エネルギー増強構造体３−７１１は、いくつかの実施形態によれば、光学的に透明な層３−２３５の上の導電性材料の中に形成された表面プラズモン又はナノ・アンテナ構造体からなることが可能である。図３−７Ｃは、サンプル・ウェル２−２１１及び直ぐ近くの構造体の立面図を示しており、図３−７Ｄは、平面図を示している。励起エネルギー増強構造体３−７１１は、小さい局所化された領域の中に励起エネルギーを増強するように、形状決め及び配置され得る。たとえば、構造体は、サンプル・ウェルにおいて、鋭角を有する先の尖った導体を含むことが可能であり、それは、励起領域３−２１５の中の励起エネルギーの強度を増加させる。示されている例では、励起エネルギー増強構造体３−７１１は、ちょうネクタイの形態になっている。領域の中へ拡散するサンプル３−１０１は、接着性物質３−２１１によって、一時的に又は永久的に保持され、また、装置２−１２０内に位置付けされている励起供給源２−２５０から送達され得る励起エネルギーによって励起され得る。いくつかの実施形態によれば、励起エネルギーは、エネルギー増強構造体３−７１１の中の表面プラズモン電流を駆動することが可能である。結果として生じる表面プラズモン電流は、構造体３−７１１の鋭く尖った先において高い電界を作り出すことが可能であり、これらの高い電界は、励起領域３−２１５の中に保持されているサンプルを励起することが可能である。いくつかの実施形態では、図３−７Ｃに示されているサンプル・ウェル２−２１１は、ディボット３−２１６を含むことが可能である。
【０１４２】
サンプル・ウェルの別の実施形態が、図３−７Ｅに示されており、サンプル・ウェル２−２１１の内部壁部に沿って形成された励起エネルギー増強構造体３−７２０を示している。励起エネルギー増強構造体３−７２０は、金属又は導体からなることが可能であり、角度付き（又は、シャドウ）の指向性堆積を使用して形成され得、そこでは、サンプル・ウェルがその上に形成される基板が、堆積の間に回転させられる。堆積の間に、サンプル・ウェル２−２１１のベースは、ウェルの上側壁部によって覆い隠されており、堆積される材料がベースに蓄積しないようになっている。結果として生じる構造体３−７２０は、構造体の底部において鋭角３−７２２を形成することが可能であり、導体のこの鋭角は、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増強することが可能である。
【０１４３】
図３−７Ｅに示されている実施形態では、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料３−２３２は、導体である必要はなく、誘電体材料などの任意の適切な材料であることが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１及び励起エネルギー増強構造体３−７２０は、誘電体層３−２３５の中へエッチングされた有底のホールに形成され得、別々の層３−２３２が堆積させられる必要はない。
【０１４４】
いくつかの実施形態では、シャドウ・エバポレーションが、その後に、図３−７Ｅに示されている構造体の上に行われ、サンプル・ウェルのベースにおいて、金属製の又は導電性のエネルギー増強構造体、たとえば、点線によって示されているように、台形の構造体又は先の尖った円錐を堆積させることが可能である。エネルギー増強構造体は、表面プラズモンを介して、ウェルの中に励起エネルギーを増強することが可能である。シャドウ・エバポレーションの後に、平坦化プロセス（たとえば、化学的で機械的なポリッシング工程又はプラズマ・エッチング・プロセス）が行われ、サンプル・ウェルの上部において、エネルギー増強構造体をウェルの中に残しながら、堆積された材料を除去し、又はエッチ・バックすることが可能である。
【０１４５】
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル２−２１１は、単一の金属層よりも多くから形成され得る。図３−７Ｆは、多層構造体の中に形成されたサンプル・ウェルを図示しており、異なる材料が、異なる層に関して使用され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１は、第１の層３−２３２（それは、半導体材料又は導電性材料であることが可能である）、第２の層３−２３４（それは、絶縁体又は誘電体であることが可能である）、及び第３の層２−２２１（それは、導体又は半導体であることが可能である）の中に形成され得る。いくつかの実施形態では、縮退的にドープされた半導体又はグラフェンが、サンプル・ウェルの層に関して使用され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、２つの層の中に使用され得、他の実施形態では、サンプル・ウェルは、４つ以上の層の中に形成され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成するために使用される多層材料は、サンプル・ウェルのベースにおいて表面プラズモン発生を増加させ、又は、ウェルの上部において、表面プラズモン放射線を抑制するように選択され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成するために使用される多層材料は、サンプル・ウェル及び多層構造体を越えてバルク試料の中へ伝播する励起エネルギーを抑制するように選択され得る。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成するために使用される多層材料は、サンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーによって発生させられ得る界面エキシトンを増加又は抑制するように選択され得る。たとえば、バイエキシトン及びトリエキシトンなどのような、マルチ・エキシトンが、サンプル・ウェルに隣接する２つの異なる半導体層の間の界面において発生させられ得る。サンプル・ウェルは、金属層及び第１の半導体層の両方の中に形成され得、第１の半導体層と第２の半導体層との間の界面が、サンプル・ウェルの励起領域３−２１５にあるようになっている。界面エキシトンは、単一の半導体層の体積の中のエキシトンよりも長い寿命時間を有することが可能であり、エキシトンがＦＲＥＴ又はＤＥＴを介してサンプル又はタグを励起することとなる可能性を増加させる。いくつかの実施形態では、マルチ・エキシトンが励起され得る少なくとも１つの量子ドットが、（たとえば、リンキング分子によって）サンプル・ウェルの底部に取り付けられ得る。また、量子ドットにおいて励起されるエキシトンは、単一の半導体層の体積の中のエキシトンよりも長い寿命時間を有することが可能である。界面エキシトン、又は、量子ドットにおいて発生させられるエキシトンは、いくつかの実施形態によれば、ＦＲＥＴ又はＤＥＴのレートを増加させることが可能である。
【０１４７】
さまざまな材料が、先述の実施形態において説明されているサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１は、材料３−２３０の少なくとも１つの層から形成され得、材料２−２２１は、導電性材料、半導体、及び絶縁体のうちのいずれか１つ又はそれらの組み合わせからなることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル２−２１１は、高度に導電性の金属製の層、たとえば、金、銀、アルミニウム、銅からなる。いくつかの実施形態では、層２−２２１は、金、銀、アルミニウム、銅、チタン、窒化チタン、及びクロムのうちのいずれか１つ又はそれらの組み合わせを含む多層スタックからなることが可能である。いくつかの実施形態では、他の金属は、追加的に又は代替的に使用され得る。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルは、ＡｌＣｕ又はＡｌＳｉなどのような、合金からなることが可能である。
【０１４８】
いくつかの実施形態では、異なる金属又は合金の複数の層が、サンプル・ウェルを形成するために使用され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル２−２１１がその中に形成される材料は、金属及び非金属の交互層、たとえば、金属及び１つ又は複数の誘電体の交互層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、非金属は、ポリビニルホスホン酸又はポリエチレングリコール（ＰＥＧ）−チオールなどのような、ポリマーを含むことが可能である。
【０１４９】
サンプル・ウェルがその中に形成される層２−２２１は、いくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの光学的に透明な層３−２３５の上に、又は、少なくとも１つの光学的に透明な層３−２３５に隣接して堆積され得、（たとえば、可視光又は近赤外の形態の）励起エネルギー及び（たとえば、可視光又は近赤外の形態の）エミッション・エネルギーが、ほとんど減衰なしに、サンプル・ウェル２−２１１へ、及び、サンプル・ウェル３−２１０から進むことが可能であるようになっている。たとえば、励起供給源２−２５０からの励起エネルギーは、少なくとも１つの光学的に透明な層２−２３５を通過し、励起領域３−２１５に至ることが可能であり、サンプルからのエミッションは、１つ又は複数の同じ層を通過し、センサー２−２５０に至ることが可能である。
【０１５０】
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル２−２１１の少なくとも１つの表面が、図３−８に示されているように、サンプル・ウェルの中のサンプルの作用に影響を及ぼす材料の１つ又は複数の層３−２１１、３−２８０によってコーティングされ得る。たとえば、薄い誘電体層３−２８０（たとえば、アルミナ、窒化チタン、又はシリカ）が、サンプル・ウェルの側壁部の上に、不動態化コーティングとして堆積され得る。そのようなコーティングは、励起領域３−２１５の外側のサンプルのサンプル付着を低減させるように、又は、サンプルとサンプル・ウェル２−２１１がその中に形成されている材料２−２２１との間の相互作用を低減させるように実施され得る。サンプル・ウェルの中の不動態化コーティングの厚さは、いくつかの実施形態によれば、約５ｎｍから約５０ｎｍの間であることが可能である。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、コーティング層３−２８０のための材料は、その材料に関する化学剤の親和性に基づいて選択され得、層３−２８０は、化学的な又は生物学的な物質によって処置され、層へのサンプル種の付着をさらに阻止し得るようになっている。たとえば、コーティング層３−２８０は、アルミナからなることが可能であり、それは、いくつかの実施形態によれば、ポリホスホネート不動態化層によって不動態化され得る。追加的な又は代替的なコーティング剤及び不動態化剤が、いくつかの実施形態では使用され得る。
【０１５２】
いくつかの実施形態によれば、少なくともサンプル・ウェル２−２１１の底部表面及び／又はディボット３−２１６は、化学的な又は生物学的な接着性物質３−２１１（たとえば、ビオチン）によって処置され、サンプルの保持を推進させることが可能である。サンプルは、たとえば、少なくとも約０．５ミリ秒から約５０ミリ秒の間の時間の期間にわたって、永久的に又は一時的に保持され得る。別の実施形態では、接着性物質は、より長い期間にわたるサンプル３−１０１の一時的な保持を推進することが可能である。任意の適切な接着性物質は、さまざまな実施形態において使用され得、ビオチンに限定されない。
【０１５３】
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルに隣接する材料３−２３５の層は、その層の材料に関する接着性物質の親和性に基づいて選択され得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの側壁部の不動態化は、側壁部の上の接着性物質のコーティングを阻止することが可能であり、接着性物質３−２１１がサンプル・ウェルのベースに優先的に堆積するようになっている。いくつかの実施形態では、接着性物質コーティングは、サンプル・ウェルの側壁部の一部分の上に延在することが可能である。いくつかの実施形態では、接着性物質は、異方性の物理的な堆積プロセス（たとえば、エバポレーション、スパッタリング）によって堆積され得、接着性物質がサンプル・ウェルのベース又はディボットに蓄積するように、及び、サンプル・ウェルの側壁部の上に目に見えて形成しないようになっている。
【０１５４】
さまざまな製作技法が、アッセイ・チップのためのサンプル・ウェル２−２１１を製作するために用いられ得る。いくつかの例示的なプロセスが、下記に説明されているが、しかし、本発明は、これらの例だけに限定されない。
【０１５５】
サンプル・ウェル２−２１１は、任意の適切なマイクロ・ファブリケーション又はナノ・ファブリケーション・プロセスによって形成され得、それは、それに限定されないが、フォトリソグラフィー、深紫外線フォトリソグラフィー、液浸フォトリソグラフィー、近接場光学コンタクト・フォトリソグラフィー、ＥＵＶリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、ナノ・インプリント・リソグラフィー、インターフェロメトリック・リソグラフィー、ステップ・アンド・フラッシュ・リソグラフィー、ダイレクト・ライト・電子ビーム・リソグラフィー、イオン・ビーム・リソグラフィー、イオン・ビーム・ミリング、リフト・オフ・プロセッシング、反応性イオン・エッチング、選択的エピタキシー、分子自己アセンブリ、有機合成などに関連付けられているプロセッシング工程を含むことが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１は、フォトリソグラフィー及びリフト・オフ・プロセッシングを使用して形成され得る。サンプル・ウェルのリフト・オフ・プロセッシングに関連付けられている例示的な製作工程が、図３−９に示されている。ピクセルにおいて、単一のサンプル・ウェル又は構造体だけの製作が典型的に図面に示されているが、多数のサンプル・ウェル又は構造体が、（たとえば、それぞれのピクセルにおいて）並行して基板の上に製作され得るということが理解されることとなる。
【０１５６】
いくつかの実施形態によれば、基板の上の層３−２３５（たとえば、酸化物層）は、図３−９Ａに示されているように、反射防止（ＡＲＣ）層３−９１０及びフォトレジスト３−９２０によって被覆され得る。フォトレジストは、フォトリソグラフィー及びレジストの現像を使用して、露出及びパターニングされ得る。レジストは、（レジスト・タイプに応じて）露出された部分又は露出されていない部分を除去するように現像され、ピラー３−９２２を残すことが可能であり、ピラー３−９２２は、図３−９Ｂに示されているように、サンプル・ウェルに関する所望の直径におおよそ等しい直径を有している。ピラーの高さは、サンプル・ウェルの所望の深さよりも大きいことが可能である。
【０１５７】
ピラー３−９２２のパターンは、たとえば図３−９Ｃに示されているように、異方性の反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を介してＡＲＣ層３−９１０に伝達され得る。次いで、領域は、サンプル・ウェルを形成するために望まれる少なくとも１つの材料２−２２１、たとえば、導体又は金属によってコーティングされ得る。堆積された１つ又は複数の材料の一部分は、図３−９Ｄに示されているように、ピラー３−９２２の上方にキャップ３−２３２を形成している。次いで、レジスト及びＡＲＣは、選択的な除去プロセスを使用して（たとえば、少なくともレジストを溶解させ、キャップを解放又は「リフト・オフ」する、撹拌ありの又はなしの化学浴を使用して）、基板から剥がされ得る。ＡＲＣが残っている場合には、それは、選択的エッチを使用して基板から剥がされ、図３−９Ｅに示されているように、サンプル・ウェル３−２１０を残すことが可能である。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの側壁部３−２１４は、少なくとも１つの材料２−２２１の堆積の性質に起因して、傾斜していることが可能である。
【０１５８】
本明細書で使用されているように、「選択的エッチ」は、除去されることが意図されない他の材料をエッチャントがエッチングするよりも高いレート（たとえば、少なくとも２倍のレート）で除去又はエッチングされることが望まれる１つの材料を、エッチャントが選択的にエッチングする、エッチング・プロセスを意味している。
【０１５９】
レジスト及びＡＲＣは、典型的にポリマー・ベースのものであるので、それらは、軟質の材料であると考えられ、それは、高いアスペクト比（たとえば、高さ−対−幅に関して約２：１よりも大きいアスペクト比）を有するサンプル・ウェルを形成するのに適切でないことがある。より高いアスペクト比を有するサンプル・ウェルのために、硬質の材料が、リフト・オフ・プロセスの中に含まれ得る。たとえば、ＡＲＣ及びフォトレジストを堆積させる前に、硬質の層（たとえば、無機材料）が堆積され得る。いくつかの実施形態では、チタン又は窒化ケイ素の層が堆積され得る。硬質の材料の層は、サンプル・ウェルがその中に形成される１つ又は複数の材料２−２２１の上方に優先的なエッチングを示すべきである。フォトレジストがパターニングされた後で、ピラーのパターンが、ＡＲＣの中へ伝達され得、下層にある硬質の材料３−９３０が、図３−９Ｆに示されているような構造体を生み出す。次いで、フォトレジスト及びＡＲＣが剥がされ得、材料２−２２１が堆積され、リフト・オフ工程が行われ、サンプル・ウェルを形成する。
【０１６０】
いくつかの実施形態によれば、リフト・オフ・プロセスは、図３−７Ｃ及び図３−７Ｄに示されているように、エネルギー増強構造体３−７１１からなるサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。
【０１６１】
サンプル・ウェルを形成するための代替的なプロセスが、図３−１０に示されている。このプロセスでは、サンプル・ウェルは、少なくとも１つの材料２−２１１の中へ直接的にエッチングされ得る。たとえば、サンプル・ウェルがその中に形成されることとなる少なくとも１つの材料２−２１１が、基板３−３２５の上に堆積され得る。層は、図３−１０Ａに図示されているように、ＡＲＣ層３−９１０及びフォトレジスト３−９２０によって被覆され得る。フォトレジストは、図３−１０Ｂに示されているように、サンプル・ウェルの所望の直径におおよそ等しい直径を有するホールを形成するようにパターニングされ得る。ホールのパターンは、たとえば図３−１０Ｃに示されているように、異方性の反応性イオン・エッチを使用して、層３−２３０を通してＡＲＣに伝達され得る。レジスト及びＡＲＣは、剥がされ、図３−１０Ｄに示されているようなサンプル・ウェルを生み出すことが可能である。いくつかの実施形態によれば、エッチングによって材料３−２３０の層の中へ形成されるサンプル・ウェルの側壁部は、リフト・オフ・プロセスから結果として生じる側壁部よりも垂直になっていることが可能である。
【０１６２】
いくつかの実施形態では、フォトレジスト及びＡＲＣは、材料２−２２１の上にハード・マスク（たとえば、窒化ケイ素又は酸化物層。図示せず）をパターニングするために使用され得る。次いで、パターニングされたホールは、ハード・マスクに伝達され得、ハード・マスクは、次いで、材料２−２２１の層の中へパターンを伝達するために使用される。ハード・マスクは、材料２−２２１の層の中へのより大きいエッチング深さを可能にすることができ、より高いアスペクト比のサンプル・ウェルを形成するようになっている。
【０１６３】
サンプル・ウェルがその中に形成される材料２−２１１のスタックを形成するために、異なる材料の複数の層が使用されるときに、上記に説明されているリフト・オフ・プロセス及びダイレクト・エッチング製作技法が、サンプル・ウェルを形成するために使用され得るということが認識されることとなる。例示的なスタックが、図２−１１に示されている。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの励起領域への励起エネルギーのカップリングを改善するために、又は、バルク試料の中への励起エネルギーの伝送又は再放射を低減させるために、材料のスタックがサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。たとえば、吸収層３−９４２が、第１の層３−９４０の上に堆積させられ得る。第１の層は、金属又は金属合金からなることが可能であり、吸収層は、表面プラズモンを阻止する材料、たとえば、アモルファス・シリコン、ＴａＮ、ＴｉＮ、又はＣｒからなることが可能である。また、いくつかの実施形態では、表面層３−９４４は、サンプル・ウェルを取り囲む表面を不動態化させる（たとえば、分子の付着を阻止する）ために堆積され得る。
【０１６４】
ディボット３−２１６を含んでなるサンプル・ウェルの形成は、任意の適切な様式で行われ得る。いくつかの実施形態では、ディボットは、サンプル・ウェルに隣接して、エッチングによって、さらに、隣接する層３−２３５、及び／又は任意の１つ又は複数の介在層の中へ形成され得る。たとえば、材料２−２２１の層の中にサンプル・ウェルを形成した後に、その層２−２２１は、図３−１２に示されているように、ディボットをパターニングするためのエッチ・マスクとして使用され得る。たとえば、基板は、選択的な異方性の反応性イオン・エッチを受けることが可能であり、ディボット３−２１６が、隣接する層３−２３５の中へエッチングされ得るようになっている。たとえば、材料２−２２１が金属製であり、隣接する層３−２３５が酸化ケイ素である実施形態では、ＣＨＦ３又はＣＦ４からなるフィード・ガスを有する反応性イオン・プラズマ・エッチが使用され、サンプル・ウェルの下方の露出された酸化ケイ素を優先的に除去し、ディボット３−２１６を形成することが可能である。本明細書で使用されているように、「酸化ケイ素」は、一般的に、ＳｉＯｘを表しており、たとえば、二酸化ケイ素を含むことが可能である。
【０１６５】
いくつかの実施形態では、エッチの間のプラズマの中の条件（たとえば、基板に対するバイアス及び圧力）は、ディボット３−２１６のエッチ・プロファイルを決定するように制御され得る。たとえば、低い圧力（たとえば、約１００ｍＴｏｒｒ未満）及び高いＤＣバイアス（たとえば、約２０Ｖより大きい）において、エッチングは、高度に異方性であり、図面に示されているように、実質的に真っ直ぐで垂直になっているディボットの側壁部を形成することが可能である。より高い圧力及びより低いバイアスにおいて、エッチングは、より等方性であり、テーパが付けられ及び／又は湾曲しているディボットの側壁部を生み出すことが可能である。いくつかの実施形態では、ウェット・エッチが、ディボットを形成するために使用され得、それは、実質的に等方性であり、サンプル・ウェルの側壁部まで、又は、サンプル・ウェルの側壁部を越えて、材料２−２２１の下に横方向に延在し得るおおよそ球形のディボットを形成することが可能である。
【０１６６】
図３−１３Ａから図３−１３Ｃは、サンプル・ウェル２−２１１よりも小さい横断方向の寸法を有するディボット３−２１６（たとえば、図３−７Ｂに示されているもののようなディボット）を形成するために使用され得るプロセス工程を示している。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルを形成した後に、コンフォーマルな犠牲層３−９６０が、サンプル・ウェルを含む領域の上に堆積され得る。いくつかの実施形態によれば、犠牲層３−９６０は、たとえば、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ、又は原子層堆積（ＡＬＤ）など、蒸着プロセスによって堆積させられ得る。次いで、犠牲層は、犠牲層３−９６０に対して選択的な第１の異方性エッチを使用してエッチ・バックされ、水平方向の表面から層を除去し、図３−１３Ｂに示されているように、サンプル・ウェルの壁部の上に側壁部コーティング３−９６２を残すことが可能である。エッチ・バックは、選択的であり、いくつかの実施形態では、材料２−２２１及び隣接する層３−２３５の上で止まることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、タイミングを選んで行われる非選択的なエッチであることが可能である。
【０１６７】
隣接する層３−２３５に対して選択的な第２の異方性エッチが、図３−１３Ｃに示されているように、隣接する層の中へディボット３−２１６をエッチングするために実行され得る。次いで、犠牲側壁部コーティング３−９６２が、随意的に、選択的なウェット・エッチ又はドライ・エッチによって除去され得る。側壁部コーティングの除去は、ディボット３−２１６よりも大きい横断方向の寸法を有するようにサンプル・ウェルを開口する。
【０１６８】
いくつかの実施形態によれば、犠牲層３−９６０は、隣接する層３−２３５と同じ材料からなることが可能である。そのような実施形態では、第２のエッチは、ディボットが隣接する層３−２３５の中へエッチングされるときに、側壁部コーティング３−９６２のうちの少なくともいくつかを除去することが可能である。側壁部コーティングのこのエッチ・バックは、いくつかの実施形態では、テーパが付けられているディボットの側壁部を形成することが可能である。
【０１６９】
いくつかの実施形態では、犠牲層３−９６０は、サンプル・ウェルの側壁部を不動態化する（たとえば、サンプル・ウェルの側壁部におけるサンプルの付着を低減させる）ために使用される材料から形成され得、又は、その材料の層を含むことが可能である。次いで、層３−９６０のうちの少なくともいくつかは、ディボットの形成の後に、サンプル・ウェルの壁部の上に残され得る。
【０１７０】
いくつかの実施形態によれば、側壁部コーティング３−９６２の形成は、ディボットの形成の後に起こる。そのような実施形態では、層３−９６０が、ディボットの側壁部をコーティングしている。そのようなプロセスは、ディボットの側壁部を不動態化するために、及び、ディボットの中心にサンプルを局所化するために使用され得る。
【０１７１】
サンプル・ウェル２−２１１のベース、及び、不動態化層３−２８０に、接着性物質３−２１１を堆積させることに関連付けられるプロセス工程が、図３−１４に示されている。いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルの壁部の上に第１の不動態化層３−２８０を含むことが可能である。第１の不動態化層は、たとえば、図３−１３Ｂ又は図３−８に関連して上記に説明されているように形成され得る。いくつかの実施形態では、第１の不動態化層３−２８０は、任意の適切な堆積プロセス及びエッチ・バックによって形成され得る。いくつかの実施形態では、第１の不動態化層は、サンプル・ウェルがその中に形成される材料３−２３０を酸化させることによって形成され得る。たとえば、サンプル・ウェルは、アルミニウムから形成され得、アルミニウムは酸化させられ、サンプル・ウェルの側壁部の上にアルミナのコーティングを生成させることが可能である。
【０１７２】
接着性物質３−９８０又は接着性物質前駆体（たとえば、接着性物質に優先的に結合する材料）は、図３−１４Ａに示されているように、異方性の物理的な堆積プロセス、たとえば、蒸着を使用して、基板の上に堆積され得る。接着性物質又は接着性物質前駆体は、図３−１４Ｂに示されているように、サンプル・ウェルのベースに接着性物質層３−２１１を形成することが可能であり、サンプル・ウェルがその中に形成される材料２−２２１の上側表面をコーティングすることが可能である。図３−１４Ｃに示されている、その後の角度付きの指向性堆積（シャドウ堆積又はシャドウ・エバポレーション・プロセスと称される場合もある）が、接着性物質層３−２１１を被覆することなく、材料２−２２１の上側表面の上に第２の不動態化層３−２８０を堆積させるために使用され得る。シャドウ堆積プロセスの間に、基板が、基板に対して垂直の軸線の周りに回転させられ得、第２の不動態化層２−２８０が、サンプル・ウェルの上側リムの周りにより均一に堆積するようになっている。結果として生じる構造体が、いくつかの実施形態によれば、図３−１４Ｄに示されている。第２の不動態化層を堆積させることの代替として、平坦化エッチ（たとえば、ＣＭＰ工程）が、材料２−２２１の上側表面から接着性物質を除去するために使用され得る。
【０１７３】
いくつかの実施形態によれば、接着性物質層３−２１１は、図３−１５に示されているように、テーパが付けられているサンプル・ウェルのベースにおいて、中央に堆積させられ得る。たとえば、接着性物質又は接着性物質前駆体は、図３−１４Ａに示されているように、上記に説明されているように形成された、テーパが付けられているサンプル・ウェルの中に、一方向に堆積させられ得る。サンプル・ウェルの壁部は、接着性物質層３−２１１の堆積の前又は後の酸化プロセスによって不動態化され得る。材料２−２２１の表面の上に残っている接着性物質又は前駆体は、図３−１４Ｄに関連して説明されているように不動態化され得る。いくつかの実施形態では、材料２−２２１の上側表面の上の接着性物質は、化学的で機械的なポリッシング工程によって除去され得る。サンプル・ウェルのベースにおいて、接着性物質層又は接着性物質層前駆体を中央に形成することによって、サンプルからのエミッションに対する有害な効果（たとえば、サンプル壁部からのサンプル放射線の抑制又は消光、サンプル・ウェルの周りに形成されたエネルギー・カップリング構造体に対してサンプルが中央に位置付けされていないことに起因する、サンプルからの好ましくない放射線分布、サンプルに関する発光寿命時間に対する悪影響）が低減され得る。
【０１７４】
いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル及びディボットを形成するために使用されるリフト・オフ・パターニング、エッチング、及び堆積プロセスは、センサ・チップの上に集積されたＣＭＯＳ回路を形成するために使用されるＣＭＯＳプロセスと互換性があることが可能である。したがって、センサは、従来のＣＭＯＳ設備及び製作技法を使用して製作され得るが、いくつかの実施形態では、特注の又は専門の製作設備も使用され得る。
【０１７５】
上記に説明されているプロセス工程の変形例が、サンプル・ウェルの代替的な実施形態を形成するために使用され得る。たとえば、図３−７Ａ又は図３−７Ｂに示されているものなどのような、テーパが付けられているサンプル・ウェルが、図３−１４Ｃに示されている角度付きの堆積プロセスを使用して形成され得る。図３−７Ｂのサンプル・ウェルに関して、堆積の角度は、堆積プロセスの間に変化させられ得る。そのような実施形態に関して、実質的に真っ直ぐで垂直になっている側壁部を有するサンプル・ウェルが最初に形成され、次いで、追加的な材料２−２２１が、角度付きの堆積によって堆積され、サンプル・ウェルの側壁部にテーパを付けることが可能である。
【０１７６】
Ｂ．励起エネルギーのサンプル・ウェルへのカップリング
図２−１，２−３に示すように、励起源２−２５０からの励起エネルギー２−２５１は、装置２−１２０の部品及びアッセイ・チップ２−１１０の部品を用いてサンプル・ウェル２−２１１に導かれる。このセクションでは、励起エネルギー２−２５１のサンプル・ウェル２−２１１へのカップリングを促進し得るアッセイ・チップ２−１１０の部品について記載する。
【０１７７】
励起供給源からサンプル・ウェルへのエネルギーのカップリングは、サンプル・ウェルの中に、及び／又は、サンプル・ウェルに隣接して、励起カップリング構造体を形成することによって改善され、又は、影響を及ぼされ得る。励起カップリング構造体は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの周りに製作されるマイクロ・スケール構造体もしくはナノ・スケール構造体からなることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルにおいて形成される構造体もしくは粒子からなることが可能である。励起カップリング構造体は、いくつかの実施形態では、サンプルの放射励起に影響を及ぼすことが可能であり、いくつかの実施形態では、サンプルの非放射励起に影響を及ぼすことが可能である。さまざまな実施形態では、放射励起カップリング構造体は、サンプル・ウェルの励起領域の中の励起エネルギーの強度を増加させることが可能である。非放射励起カップリング構造体は、励起供給源（それは、放射又は非放射であることが可能である）からサンプルへの非放射エネルギー伝達経路を改善及び／又は変更することが可能である。
【０１７８】
Ｃ．放射励起カップリング構造体
複数の異なるタイプの放射励起カップリング構造体が存在しており、それは、励起供給源からサンプル・ウェルの中の励起領域への励起エネルギーのカップリングに影響を及ぼすために使用され得る。いくつかの放射カップリング構造体は、導体（たとえば、金属層を含む）から形成され得、また、サンプル・ウェルの近く及び／又はサンプルウェル内の励起エネルギーに局所的に影響を及ぼす（たとえば、電磁界を局所的に変更する）表面プラズモン振動をサポートする。いくつかのケースでは、表面プラズモン構造体が、サンプル・ウェルの励起領域の中の励起エネルギーを２倍以上増強することが可能である。いくつかの放射カップリング構造体は、励起場の位相及び／又は振幅を変更し、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増強することが可能である。放射励起カップリング構造体のさまざまな実施形態が、この章において説明されている。
【０１７９】
図４−１Ａは、サンプル・ウェルの中への励起エネルギーのカップリングを増強するために使用され得る表面プラズモン構造体４−１２０の単に１つの例を示している。図面は、表面プラズモン構造体４−１２０の周りの領域の平面図を示しており、構造体の周りの電界強度の数値シミュレーションの結果を表している。図面は、サンプル・ウェル（図示せず）に極めて接近して位置付けされている鋭い頂点を有する、３つの三角形の特徴からなる表面プラズモン構造体を示している。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体は、金属又は導体（たとえば、以下の金属又は金属合金：Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、ＴｉＮのうちのいずれか１つ又はそれらの組み合わせのパターニングされた薄い膜）からなることが可能である。膜の厚さは、いくつかの実施形態では、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェルに極めて接近して位置付けされている鋭い特徴４−１１０を含むことが可能である（たとえば、約１００ｎｍ以内）。
【０１８０】
図４−１Ｂは、点線において取られた、図４−１Ａの表面プラズモン構造体の断面立面図を示している。シミュレーションは、表面プラズモン構造体の三角形の頂点に隣接する励起エネルギーの局所化された高強度領域４−５０５を示している。このシミュレーションに関して、表面プラズモン構造体４−１２０は、誘電体層４−１３５（二酸化ケイ素）の上に位置付けされていた。表面プラズモン構造体は、導波路のエバネセント場からのエネルギーをタップし、サンプル・ウェルにおける強度を増強する。
【０１８１】
いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体による励起エネルギーの増強は、深いサンプル・ウェル２−２１１が必要とされない程度にまで局所化され得る。たとえば、高強度領域４−５０５が、おおよそ１００ｎｍの直径を有するように形成され、領域の外側の強度の約８０％よりも大きいピーク強度値を備える場合には、深いサンプル・ウェルは必要とされない可能性がある。高強度領域４−５０５の中のサンプルだけが、検出の目的のために、かなりのエミッションに寄与するであろう。
【０１８２】
入射電磁界が表面プラズモン構造体と相互作用するときには、表面波電流が構造体の中に発生させられる。構造体の形状は、これらの表面プラズモンの強度及び分布に影響を及ぼすことが可能である。これらの局所化された電流は、たとえば、図４−１Ｂの高強度領域４−５０５によって示されているように、表面プラズモン構造体の直ぐ付近の入射電磁界と相互作用し、それをかなり変更し、それを増大させることが可能である。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体の近くでエネルギーを放出するエミッター（たとえば、蛍光性タグ）は、構造体によって変更されるそのエミッションを有することが可能であり、エミッターからの遠視野放射線パターンを変更するようになっている。
【０１８３】
表面プラズモン構造体４−１２２の別の実施形態が、図４−１Ｃの平面図に示されている。図示されているちょうネクタイ構造体は、サンプル・ウェル２−２１１に隣接して位置付けされている２つの三角形の金属製の構造体からなることが可能である。構造体は、たとえば、サンプル・ウェルの下方に、及び／又は、サンプル・ウェルの励起領域に隣接して、パターニングされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルと表面プラズモン構造体の鋭い特徴４−１２５との間にギャップ４−１２７が存在することが可能である。ギャップ４−１２７は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ１０ｎｍからおおよそ２００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、ギャップ４−１２７は、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能である。鋭い特徴４−１２５は、図面に示されているように、表面プラズモン構造体の縁部の中のポイント又は鋭い曲げからなることが可能である。鋭い特徴は、任意の適切な形状を有することが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴４−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーに関連付けられるおおよそ５つの波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴４−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーに関連付けられるおおよそ２つの波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴４−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーによって励起される表面プラズモン波に関連付けられるおおよそ５つの波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、鋭い特徴４−１２５の曲げ半径は、入射励起エネルギーによって励起される表面プラズモン波に関連付けられるおおよそ２つの波長よりも小さいことが可能である。
【０１８４】
いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体４−１２２は、図４−１Ｄの立面図に図示されているように、サンプル・ウェル２−２１１の中にパターニングされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの中の表面プラズモン構造体は、図面に示されているように、サンプル・ウェルの側壁部の上にパターニングされている１つ又は複数のフィンガー（たとえば、金属製のフィンガー）からなることが可能である。図４−１Ｅは、サンプル・ウェルの中の側壁部の上に形成された表面プラズモン構造体５−１２２を示すサンプル・ウェル２−２１１の平面図を示している。いくつかの実施形態では、これらの表面プラズモン構造体４−１２２の下側端部が、鋭い特徴又は曲げを形成し、そこで、電磁界が増強されることとなる。表面プラズモン構造体４−１２２は、サンプル・ウェルのベースまで延在してもよいし、又は延在しなくてもよい。
【０１８５】
いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体４−１２２は、励起エネルギー及び／又はサンプル・ウェルから放出されるエネルギーの分極に影響を及ぼすように配置され得る。たとえば、図４−１Ｅに示されているようなパターンは、線形のもしくは楕円形の励起分極の好適な配向、及び／又は、サンプル・ウェルの中のエミッターからの線形のもしくは楕円形の分極の好適な配向に影響を及ぼすために使用され得る。
【０１８６】
表面プラズモン構造体は、図４−１Ａから図４−１Ｅに示されているもの以外の形状でパターニングされ得る。たとえば、表面プラズモン構造体は、いくつかの実施形態によれば、図４−２Ａに示されているように、規則的な又は周期的な構造体としてパターニングされ得る。たとえば、表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェル２−２１１がその中に形成されている材料２−２２１の下側表面の上の突出する特徴４−２１０のアレイとしてパターニングされ得る。周期的な表面プラズモン構造体は、たとえば、グレーチング、グリッド、格子、円形のグレーチング、スパイラル・グレーチング、楕円形のグレーチング、又は、任意の他の適切な構造体など、規則的なアレイで形成され得る。表面プラズモン構造体の突出部４−２１０同士の間に実質的に均一なスペーシングが存在することが可能である。いくつかの実施形態では、スペーシングは、おおよそ４０ｎｍからおおよそ２５０ｎｍの間の任意の値を有することが可能である。いくつかの実施形態によれば、突出部は、おおよそ２０ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の高さｈを有することが可能である。いくつかの実施形態では、スペーシングｓは、不均一であること場合があり、又は、チャープされる場合がある（ｃｈｉｒｐｅｄ）（より大きい半径方向の距離において減少する値を有する）。いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体の突出部５−２１０は、フレネル・ゾーン・プレートとしてパターニングされ得る。いくつかの実施形態によれば、４−２１０の表面プラズモン構造体は、透明な層及び／又は誘電体層３−２３５に隣接して形成され得る。いくつかの実施形態では、突出部４−２１０の間の空隙（スペーシング）は周期的であってもよく、他の実施形態では突出部４−２１０は非周期的であってもよい。
【０１８７】
いくつかの実施形態では、表面プラズモン構造体４−２１２は、図４−２Ｂに示されているように、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料２−２２１から間隔を置いて配置され得る。たとえば、表面プラズモン構造体４−２１２と材料４−２３０との間に介在誘電体層４−２４７が存在することが可能である。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体４−２１２は、図面に示されているように、サンプル・ウェルのディボット３−２１６に隣接して位置付けされ得る。たとえば、表面プラズモン構造体４−２１２は、図４−２Ｂに示されているように、ディボット３−２１６の側壁部に隣接して位置付けされ得る。
【０１８８】
図４−２Ｃは、同心円状の円形のグレーチングとして形成されている表面プラズモン構造体４−２１４を図示している。構造体４−２１４は、いくつかの実施形態によれば、同心円状の導電性リング４−２１５からなることが可能である。リングは、規則的なスペーシングｓによって分離され得、図４−２Ａに関連して説明されているように、高さｈを有することが可能である。いくつかの実施形態によれば、随意的なディボットを備えるサンプル・ウェル４−２１０が、リングの中央に位置付けされ得る。円形のグレーチングは、サンプル・ウェルのベースに隣接してパターニングされ得る。
【０１８９】
表面プラズモン構造体の周期性は、いくつかの実施形態によれば、共鳴構造体を形成するように選択され得る。たとえば、表面プラズモン構造体のスペーシングｓは、励起エネルギーによって構造体の中に発生させられる表面プラズモン波のおおよそ２分の１の波長となるように選択され得る。共鳴構造体として形成されているときには、表面プラズモン構造体は、周期的な表面プラズモン構造体の方向に沿って、励起エネルギーを蓄積及び共鳴させることが可能である。そのような共鳴挙動は、図４−２Ｄに示されているように、サンプル・ウェルの中の、又は、サンプル・ウェルに隣接する、電磁エネルギーを増大させることが可能である。表面プラズモン構造体のスペーシングはいくつかの実施形態では周期的であってもよいが、他の実施形態では非周期的であってもよい。非周期的なスペーシングの使用は、電磁場の増大が励起エネルギーの波長及びこれに伴うエミッション・エネルギーの波長のために特別にデザインされたものとすることを可能にする。図４−２Ｄは、サンプル・ウェルのベースにおいて、及び、周期的な表面プラズモン構造体の周りで、数値的にシミュレートされた電磁界結果を表している。表面プラズモン構造体４−２１６は、サンプル・ウェルがその中に形成されている材料２−２２１に隣接して位置付けされており、また、サンプル・ウェル２−２１１のベースに隣接している。表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェルから離れた領域及びシミュレートされた領域の外側の領域において、規則的又は不規則的なスペーシング・インターバルで繰り返すグレーチング又は円形のグレーチングの形態であることが可能である。たとえば、３回から５０回の間で繰り返された表面プラズモン構造体４−２１６のグレーチング突出部が存在することが可能である。高い強度の領域４−２４０が、サンプル・ウェル２−２１１のベースにおいて見られ得る。この領域の中の強度は、表面プラズモン構造体の直ぐ下方の取り囲む領域の上で２倍以上に増強され得る。
【０１９０】
図４−２Ｅは、共鳴表面プラズモン構造体４−２１８の代替的な実施形態を立面図で示している。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体は、周期的又は非周期的なグレーチング又はグリッド・パターンとして形成され得、また、複数の層４−２４７の中にパターニングされ得る。サンプル・ウェル２−２１１は、いくつかの実施形態によれば、複数の層４−２４７を通して、及び、共鳴表面プラズモン構造体４−２１８の中に、パターニングされ得る。いくつかの実施形態では、共鳴表面プラズモン構造体は、図４−２Ｆの平面図に示されているように、別個の導電性エレメント４−２２２からなることが可能である。いくつかの実施形態では、共鳴表面プラズモン構造体は、図５−２Ｇに示されているように、連続的な格子パターン４−２５０からなることが可能である。誘電体充填材４−２５２が、導電性材料４−２５０のボイドの中に位置付けされ得、サンプル・ウェル２−２１１が、ボイドとともに位置付けされ得る。
【０１９１】
サンプル・ウェルの中へのカップリングを増強するために、又は、サンプル・ウェルの中のサンプルからのエミッションに影響を及ぼすために使用され得る、さまざまな異なる表面プラズモン構造体が存在している。図４−２Ｈは、表面プラズモン構造体のさらに代替的な実施形態を平面図で示している。構造体の立面図が、図４−２Ｉに示されている。いくつかの実施形態によれば、表面プラズモン構造体は、サンプル・ウェル２−２１１の周りに分散されたディスクのアレイからなることが可能である。いくつかの実施形態では、導電性ディスク４−２６０を使用する代わりに、表面プラズモン構造体は、導電層からなることが可能であり、分散されたホールのパターンが、導電層を通して形成される。そのような構造体は、「ナノ・アンテナ」と称され得る。
【０１９２】
さまざまな異なるプロセスが、サンプル・ウェルに隣接して表面プラズモン構造体をパターニングするために使用され得る。図４−３Ａから図４−５Ｅは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルに隣接して表面プラズモン構造体を形成するために使用され得るプロセス工程に関連付けられる構造体を示している。ここで図４−３Ａを参照すると、表面プラズモン構造体を形成するためのプロセスは、マスキング層４−３３０の上の反射防止コーティング（ＡＲＣ）４−３２０の上にレジスト層４−３１０を形成することからなることが可能である。層は、いくつかの実施形態によれば、透明な誘電体層３−２３５の上に配設され得る。レジスト層４−３１０は、リソグラフィーによってパターニングされ得るフォトレジスト又は電子−ビーム・レジストもしくはイオン−ビーム・レジストからなることが可能である。マスキング層４−３３０は、いくつかの実施形態によれば、無機材料（たとえば、シリコンもしくはシリカ窒化物、又は、任意の他の適切な材料）から形成されたハード・マスクからなることが可能である。
【０１９３】
いくつかの実施形態では、フォトリソグラフィック・プロセスは、図４−３Ｂに示されているように、レジスト４−３１０をパターニングするために使用され得る。選択されるパターンは、所望の表面プラズモン構造体を形成するために使用されることとなる突出部又はホールのレイアウトからなることが可能である。レジスト４−３１０の現像の後に、ＡＲＣの領域は、露出されることとなり、パターンが、ＡＲＣ層４−３２０の中へ、及び、次いで、マスキング層４−３３０の中へ、エッチングされ得る。レジスト及びＡＲＣは、基板から剥がされ得、結果として生じる構造体が、図４−３Ｃに示されているように出現することが可能である。次いで、マスキング層４−３３０は、エッチ・マスクとして使用され得、パターンが、図４−３Ｄに示されているように、選択的な異方性エッチを介して、下層にある誘電体層３−２３５の中へ伝達され得るようになっている。
【０１９４】
次いで、導電性材料２−２２１、又は、導体からなる材料の層が、図４−３Ｅに図示されているように、領域の上に堆積させられ得る。任意の適切な導電性材料が、それが材料２−２２１とは別々の層として堆積されるかどうかにかかわりなく、表面プラズモン構造体を形成するために使用され得る。たとえば、いくつかのケースでは、第１の導電性材料は、表面プラズモン構造体がその中に形成されている材料２−２２１のベース層として堆積させられ得る。表面プラズモン構造体を形成するために使用され得る材料の例は、それに限定されないが、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｇ、Ｃｕ、及び、合金、又は、それらの組み合わせ層を含む。
【０１９５】
材料２−２２１、又は、材料の層は、それに限定されないが、物理的な堆積プロセス又は化学蒸着プロセスを含む、任意の適切な堆積プロセスによって堆積させられ得る。いくつかの実施形態では、材料２−２２１は、おおよそ８０ｎｍからおおよそ３００ｎｍの間の厚さを有することが可能である。いくつかの実施形態では、材料２−２２１は、（たとえば、ＣＭＰプロセスを使用して）平坦化され得るが、平坦化は必要ではない。サンプル・ウェルは、サンプル・ウェルを製作することに関連して本明細書で説明されている任意の適切なプロセスを使用して、材料２−２２１の中に形成され得る。
【０１９６】
本発明者は、図４−３Ａから図４−３Ｅに示されている工程にしたがって表面プラズモン構造体を形成することは、表面プラズモン構造体に対するサンプル・ウェルの正確なアライメントを必要とする可能性があるということを認識した。たとえば、図４−２Ｃに示されているように、同心円状のグレーチングからなる表面プラズモン構造体は、表面プラズモン構造体４−２１４の中心に対するサンプル・ウェル２−２１１の正確なアライメントを必要とする可能性がある。そのような正確なアライメントに関連付けられる製作の困難性を回避するために、図４−４Ａから図４−５Ｅに示されている自己整合プロセスを用いてもよい。
【０１９７】
ここで図４−４Ａを参照すると、表面プラズモン構造体と、表面プラズモン構造体に自己整合されるサンプル・ウェルとを形成するためのプロセスは、透明な誘電体層２−２３５の上にマスキング層４−４１０を形成することからなることが可能である。マスキング層は、いくつかの実施形態によれば、シリコン又はシリカ窒化物などのような、無機材料から形成されたハード・マスクからなることが可能である。マスキング層４−４１０の厚さは、サンプル・ウェル２−２１２の所望の高さにおおよそ等しいことが可能である。たとえば、マスキング層の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５０ｎｍからおおよそ２００ｎｍの間であることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。
【０１９８】
マスキング層４−４１０は、誘電体層２−２３５の中にパターニングされることとなる表面プラズモン構造体の所望のパターンを有するボイド４−４３０を生成させるためにパターニングされ得る。マスキング層４−４１０のパターニングは、任意の適切なリソグラフィー・プロセス（たとえば、フォトリソグラフィー、電子−ビーム・リソグラフィー、イオン−ビーム・リソグラフィー、ＥＵＶリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー）によって行われ得る。結果として生じる構造体は、図４−４Ｂに示されているように出現することが可能である。構造体は、中央ピラー４−４２０を含むことが可能であり、中央ピラー４−４２０は、その後に、自己整合されたサンプル・ウェルを形成するために使用されることとなる。
【０１９９】
次いで、レジスト４−４４０（たとえば、フォトレジスト）は、図４−４Ｃに示されているように、パターニングされたマスキング層４−４１０の上にパターニングされ得る。レジスト４−４４０をパターニングするためのアライメント（たとえば、基板に対するマスクのアライメント）は、高度に正確である必要はなく、単に、中央ピラー４−４２０を被覆するために、及び、表面プラズモン構造体を形成するために使用されることとなるボイド４−４３０を被覆しないために、レジスト４−４４０を必要とする。
【０２００】
次いで、選択的な異方性エッチが、いくつかの実施形態によれば、図４−４Ｄに示されているように、誘電体層２−２３５をエッチングするために、及び、誘電体の中へ表面プラズモン構造体のパターンを伝達するために、使用され得る。次いで、選択的な等方性エッチが、マスキング層４−４１０の露出された部分を除去するために使用され得る。等方性エッチは、たとえば、ウェット・エッチであることが可能であるが、いくつかの実施形態では、等方性ドライ・エッチも使用され得る。レジスト４−４４０が中央ピラー４−４２０を覆うので、中央ピラーは、図４−４Ｅに示されているように、エッチングされることとならず、基板の上にあるままになることとなる。次いで、レジスト４−４４０が、図４−４Ｆに示されているように、基板から剥がされ、ピラー４−４２０を露出させることが可能である。
【０２０１】
次いで、いくつかの実施形態によれば、金属導電性材料２−２２１、又は、導電性材料を含む材料のスタックが、図４−４Ｇに図示されているように、領域の上に堆積させられ得る。次いで、中央ピラー４−４２０、及び、ピラーの上に堆積された材料のキャップが、ピラーの選択的なウェット・エッチによって除去され、キャップをリフト・オフすることが可能である。中央ピラーの除去は、下層にある表面プラズモン構造体４−４５０に自己整合されているサンプル・ウェルを残す。
【０２０２】
代替的なプロセスが、表面プラズモン構造体に自己整合されるサンプル・ウェルを形成するために使用され得、それは、図４−５Ａから図４−５Ｅに示されている。いくつかの実施形態によれば、１つ又は複数の導電層４−５１０、４−５２０は、図４−５Ａに示されているように、任意の適切なリソグラフィー・プロセスを使用して、透明な誘電体層２−２３５の上にパターニングされ得る。いくつかの実施形態では、第１の層４−５１０は、アルミニウムからなることが可能であり、第２の層４−５２０は、窒化チタンからなることが可能であるが、さまざまな実施形態では、他の材料の組み合わせも使用され得る。１つ又は複数の層の合計厚さは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの所望の高さにおおよそ均等であることが可能である。パターニングは、サンプル・ウェル２−２１１と、１つ又は複数の金属層の中のサンプル・ウェルに隣接するボイド４−５２５とを形成することが可能である。ボイドは、所望の表面プラズモン構造体のパターンの中に配置され得る。
【０２０３】
いくつかの実施形態では、誘電体層２−２３５は、図４−５Ｂに示されているように、表面プラズモン構造体及びサンプル・ウェル２−２１１のパターンを誘電体層の中へ伝達するようにエッチングされ得る。誘電体の中へのエッチ深さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ２０ｎｍからおおよそ１５０ｎｍの間であることが可能である。レジスト４−４４０は、図４−５Ｃに示されているように、サンプル・ウェルを被覆するようにパターニングされ得る。レジストをパターニングするためのアライメントは、高度に正確である必要はなく、表面プラズモン構造体を形成するために使用されることとなる誘電体層２−２３５のエッチングされた隣接する領域を被覆することなく、サンプル・ウェルを被覆することだけを必要とする。
【０２０４】
図４−５Ｄに図示されているように、導電性材料４−５１２、又は、導体を含む材料の層が、任意の適切な堆積プロセスを使用して、領域の上に堆積させられ得る。材料４−５１２は、誘電体層のエッチングされた領域を充填することが可能であり、また、１つ又は複数の層４−５１０、４−５２０の上に延在することが可能である。次いで、レジスト４−４４０、及び、レジストを被覆する材料が、リフト・オフ・プロセスにしたがって除去され得る。図４−５Ｅに示されている、結果として生じる構造体は、取り囲む表面プラズモン構造体に自己整合されているサンプル・ウェルを残す。サンプル・ウェルは、ディボット３−２１６を含む。
【０２０５】
いくつかの実施形態では、図４−５Ａから図４−５Ｅに示されているプロセスは、ディボット３−２１６を有さないサンプル・ウェルを形成するために使用され得る。たとえば、レジスト４−４４０は、誘電体層２−２３５がエッチングされる前に、サンプル・ウェル２−２１１の上にパターニングされ得る。次いで、誘電体層２−２３５が、エッチングされ得、それは、表面プラズモン構造体のパターンを誘電体層に伝達することとなるが、ディボットは形成しない。次いで、プロセスは、図４−５Ｄ及び図４−５Ｅに図示されているように進行し、ディボットを有さない自己整合されたサンプル・ウェルを生成させることが可能である。
【０２０６】
表面プラズモン構造体に加えて、又は、表面プラズモン構造体の代替として、他の構造体が、サンプル・ウェル２−２１１の付近にパターニングされ、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増加させることが可能である。たとえば、いくつかの構造体は、入射励起場の位相及び／又は振幅を変更することが可能であり、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーの強度を増加させるようになっている。図４−６Ａは、薄い損失性膜４−６１０を示しており、薄い損失性膜５−６１０は、入射励起エネルギーの位相及び振幅を変更するために、ならびに、サンプル・ウェルの中の電磁放射線の強度を増加させるために使用され得る。
【０２０７】
いくつかの実施形態によれば、薄い損失性膜は、励起エネルギーの強め合いの干渉を生成させ、サンプル・ウェルの励起領域の中の場の増強を結果として生じさせることが可能である。図４−６Ｂは、サンプル・ウェルへ入射する励起エネルギーの数値シミュレーションを示しており、そこでは、薄い損失性膜４−６１０がサンプル・ウェルに直接隣接して形成されている。シミュレーションに関して、サンプル・ウェルは、おおよそ８０ｎｍの直径を有しており、また、おおよそ２００ｎｍの厚さの金の金属製の層の中に形成されている。サンプル・ウェルは、ＳＣＮからなり、サンプル・ウェルを通る励起エネルギーの伝播を抑制する。薄い損失性膜４−６１０は、おおよそ１０ｎｍの厚さであり、ゲルマニウムから形成されており、二酸化ケイ素からなる下層にある透明な誘電体を覆っている。薄い損失性膜は、サンプル・ウェルのエントランス・アパーチャを横切って延在している。シミュレーションは、励起エネルギーの強度がサンプル・ウェルのエントランス・アパーチャにおいて最高値であるということを示している。この明るい領域４−６２０の中の励起エネルギーの強度は、サンプル・ウェルの左及び右に対する強度の値の２倍より大きい。
【０２０８】
薄い損失性膜は、任意の適切な材料から作製され得る。たとえば、薄い損失性膜は、屈折率ｎがその材料に関する吸光係数ｋとおおよそ同じ桁数となっている、材料から作製され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、屈折率ｎがその材料の吸光係数ｋの値から約２桁の差の中にある、材料から作製され得る。可視波長におけるそのような材料の非限定的な例は、ゲルマニウム及びシリコンである。
【０２０９】
薄い損失性膜は、任意の適切な厚さであることが可能であり、それは、１つ又は複数の励起供給源に関連付けられる、１つ又は複数の特性波長に依存することが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、おおよそ１ｎｍからおおよそ４５ｎｍの間の厚さであることが可能である。他の実施形態では、薄い損失性膜は、おおよそ１５ｎｍからおおよそ４５ｎｍの間の厚さであることが可能である。さらなる他の実施形態では、薄い損失性膜は、おおよそ１ｎｍからおおよそ２０ｎｍの間の厚さであることが可能である。
【０２１０】
サンプル・ウェルがその中に形成されている材料２−２２１からの反射率に対する薄い損失性膜の影響、薄い損失性膜の中の励起エネルギー損失、及び、材料２−２２１の中の励起エネルギー損失が、図４−６Ｃのグラフに示されている。グラフの中にプロットされている１つの曲線は、反射率曲線４−６３４を表しており、また、薄い損失性膜の厚さが０ｎｍから１００ｎｍへ変化するにつれて、材料２−２２１及び薄い損失性膜４−６１０からの反射率がどのように変化するかということを示している。反射率は、シミュレートされた実施形態によれば、約２５ｎｍにおいて最小値に到達している。反射率最小は、励起エネルギーの特性波長、ならびに、薄い損失性膜及び材料２−２２１に関して使用される材料に応じて、異なる厚さで起こることとなる。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜の厚さは、反射率がおおよそその最小値となるように選択される。
【０２１１】
いくつかの実施形態では、薄い損失性膜４−６１０は、図４−６Ｄに示されているように、サンプル・ウェル２−２１１及び材料２−２２１から間隔を置いて配置され得る。たとえば、薄い誘電体層４−６２０（たとえば、酸化ケイ素ＳｉＯｘ）が、薄い損失性膜の上に形成され得、また、サンプル・ウェル２−２１１は、誘電体層４−６２０に隣接して形成され得る。誘電体層４−６２０の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ１０ｎｍからおおよそ１５０ｎｍの間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の厚さも使用され得る。
【０２１２】
単一の層として示されているが、薄い損失性膜は、２つ以上の材料の複数の層からなることが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜４−６１０及び誘電体層４−６２０の交互層からなる多層スタックが、図４−６Ｅに示されているように、サンプル・ウェル２−２１１に隣接して形成され得る。層のスタックの中の薄い損失性膜４−６１０の厚さは、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能であり、スタックの中の誘電体層４−６２０の厚さは、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間であることが可能である。いくつかの実施形態では、多層スタックは、二酸化ケイ素の層（厚さ４．３ｎｍ）、シリコンの層（厚さ１４．３５ｎｍ）、及び、ゲルマニウムの層（厚さ６．４６ｎｍ）からなることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。いくつかの実施形態では、多層スタックは、二酸化ケイ素の層（おおよそ４．２ｎｍの厚さ）、シリコンの層（おおよそ１４．４ｎｍの厚さ）、及び、ゲルマニウムの層（おおよそ６．５ｎｍの厚さ）からなることが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。
【０２１３】
薄い損失性膜は、入射放射線に対して少なくともいくらかの損失を示す任意の適切な材料から製作され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、たとえばシリコン及びゲルマニウムなど、半導体材料からなることが可能であるが、他の材料も使用され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、無機材料又は金属からなることが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、合金又は化合物半導体からなることが可能である。たとえば、薄い損失性膜は、Ｓｉ（５７．４重量％）、Ｇｅ（２５．８重量％）、及びＳｉＯ２（１６．８重量％）を含む合金からなることが可能であるが、他の実施形態では、他の比率及び組成も使用され得る。
【０２１４】
いくつかの実施形態によれば、薄い損失性膜は、たとえば、物理的な堆積プロセス、化学蒸着プロセス、スピン・オン・プロセス、又は、それらの組み合わせなど、任意の適切なブランケット堆積プロセスを使用して、基板の上に形成され得る。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、堆積の後に処置され、たとえば、焼かれ、アニーリングされ、及び／又は、イオン注入を受けることが可能である。
【０２１５】
他の位相／振幅を変更する構造体が、追加的に又は代替的に使用され、サンプル・ウェルの中の励起エネルギーを増強することが可能である。いくつかの実施形態によれば、及び、図４−７Ａに示されているように、反射スタック４−７０５は、サンプル・ウェル２−２１１から間隔を置いて配置され得る。いくつかの実施形態では、反射スタックは、交互の屈折率を有する材料の誘電体スタックからなることが可能である。たとえば、第１の誘電体層４−７１０は、第１の屈折率を有することが可能であり、第２の誘電体層４−７２０は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有することが可能である。反射スタック４−７０５は、いくつかの実施形態では、励起エネルギーに関して高い反射性を示すことが可能であり、また、サンプル・ウェルの中のエミッターからの放射エミッションに関して低い反射性を示すことが可能である。たとえば、反射スタック４−７０５は、励起エネルギーに関しておおよそ８０％よりも大きい反射性を示すことが可能であり、また、サンプルからのエミッションに関しておおよそ４０％よりも低い反射性を示すことが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の反射性の値も使用され得る。励起エネルギーを送信する誘電体層４−７３０が、反射スタックとサンプル・ウェルとの間に位置付けされ得る。
【０２１６】
いくつかの実施形態によれば、図４−７Ａに示されている反射スタック４−７０５は、サンプル・ウェル２−２１１がその中に形成されている材料２−２２１とともに、共振器を形成することが可能である。たとえば、反射スタックは、誘電材料４−７３０の中の励起エネルギーの波長の２分の１又はその整数倍におおよそ等しい距離だけ、材料２−２２１から間隔を置いて配置され得る。共振器を形成することによって、励起エネルギーは、反射スタックを通過し、共鳴し、材料２−２２１と反射スタック４−７０５との間のスペースの中で増大することが可能である。これは、サンプル・ウェル２−２１１の中の励起強度を増加させることが可能である。たとえば、強度は、いくつかの実施形態では２倍以上、いくつかの実施形態では５倍以上、さらに、いくつかの実施形態では１０倍以上、共鳴構造体の中で増加することが可能である。
【０２１７】
追加的な構造体が、図４−７Ｂ及び図４−７Ｃに示されているように、サンプル・ウェルの付近に追加され得る。いくつかの実施形態によれば、誘電体層４−７３０の第２の屈折率よりも高い第１の屈折率を有する誘電体プラグ４−７４０が、図４−７Ｂに示されているように、サンプル・ウェル２−２１１に隣接して形成され得る。プラグは、サンプル・ウェルの直径におおよそ等しい直径を有するシリンダーの形状をしていることが可能であるが、他の形状及びサイズも使用され得る。そのより高い屈折率に起因して、誘電体プラグ４−７４０は、励起放射線を濃縮し、サンプル・ウェルに向けて励起エネルギーをガイドすることが可能である。
【０２１８】
プラグ４−７４０などのような誘電体構造体は、いくつかの実施形態によれば、反射スタック４−７０５の有無にかかわらず使用され得る。そのような誘電体構造体は、誘電体共鳴アンテナと称され得る。誘電体共鳴アンテナは、たとえば、円筒形状の、長方形、正方形、多角形、台形、又はピラミッド形など、任意の適切な形状を有することが可能である。
【０２１９】
図４−７Ｃ及び図４−７Ｄは、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェル２−２１１の付近に形成され得るフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造体を示している。フォトニック・バンドギャップ構造体は、光学コントラスト構造体４−７５０の規則的なアレイ又は格子からなることが可能である。光学コントラスト構造体は、いくつかの実施形態によれば、取り囲む誘電材料の屈折率とは異なる屈折率を有する誘電材料からなることが可能である。いくつかの実施形態では、光学コントラスト構造体４−７５０は、取り囲む媒体とは異なる損失値を有することが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェル２−２１１は、図４−７Ｄに示されているような格子の中の欠陥に位置付けされ得る。さまざまな実施形態によれば、フォトニック格子の中の欠陥は、欠陥の領域の中に光子を閉じ込めることが可能であり、それは、サンプル・ウェルにおける励起エネルギーの強度を増強させることが可能である。フォトニック・バンドギャップ構造体に起因する閉じ込めは、基板の表面の横断方向に実質的に２次元になっていることが可能である。反射スタック４−７０５と組み合わせられるときには、閉じ込めは、サンプル・ウェルにおいて３次元になっていることが可能である。いくつかの実施形態では、フォトニック・バンドギャップ構造体は、反射スタックなしで使用され得る。
【０２２０】
図４−６Ａから図４−７Ｄに示されている励起カップリング構造体を製作するためのさまざまな方法が考えられてきた。薄い平面的な膜（たとえば、交互の屈折率の誘電体膜）を必要とする構造体は、いくつかの実施形態によれば、平面的な堆積プロセスによって形成され得る。平面的な堆積プロセスは、物理的な堆積（たとえば、電子ビーム・エバポレーション又はスパッタリング）又は化学蒸着プロセスからなることが可能である。図４−７Ｂに示されている誘電体共鳴アンテナ４−７４０、又は、図４−７Ｃに示されている光学コントラスト構造体４−７５０などのような、３次元の形状に形成された別個の埋め込まれている誘電体を必要とする構造体は、基板の中へパターンをエッチングするためにリソグラフィック・パターニング及びエッチング・プロセスを使用して、ならびに、たとえば、その後の誘電体層の堆積、及び、基板の平坦化を使用して、形成され得る。また、考えられるのは、サンプル・ウェル２−２１１の付近に誘電体共鳴アンテナ及びフォトニック・バンドギャップ構造体を形成するための自己アライメント・プロセッシング技法である。
【０２２１】
図４−８Ａから図４−８Ｇは、図４−７Ｃに図示されているようなフォトニック・バンドギャップ構造体及び自己整合されたサンプル・ウェルを形成するために使用され得る、単に１つの自己アライメント・プロセスに関するプロセス工程に関連付けられる構造体を示している。いくつかの実施形態によれば、反射スタック４−７０５が、最初に、図４−８Ａに図示されているように、誘電体層３−２３５の上の基板の上に形成され得る。次いで、第２の誘電体層４−７３０が、反射スタックの上に堆積させられ得る。誘電体層４−７３０の厚さは、材料の中の励起エネルギーの波長の約２分の１又はその整数倍におおよそ等しいことが可能である。次いで、図４−４Ａから図４−４Ｅに関連して説明されているプロセス工程が、誘電体層４−７３０の上のピラー４−４２０、及び、フォトニック・バンドギャップ構造体に関してエッチングされた特徴４−８１０のパターンを形成するために実施され得る。エッチングされた特徴は、誘電体層４−７３０の中へ、及び、随意的に、反射スタック４−７０５の中へ、延在することが可能である。結果として生じる構造体は、図４−８Ａに示されているように出現することが可能である。
【０２２２】
ピラー４−４２０を被覆するレジスト４−４４０が、基板から剥がされ得、また、コンフォーマルな堆積が、図４−８Ｂに示されているように行われ、エッチングされた特徴を充填材料４−８２０によって充填することが可能である。充填材料４−８２０は、いくつかの実施形態によれば、ピラー４−４２０を形成するために使用されるのと同じ材料であることが可能である。たとえば、充填材料４−８２０及びピラー４−４２０は、窒化ケイ素から形成され得、誘電体層４−７３０は、たとえばＳｉＯ２など、酸化物からなることが可能である。
【０２２３】
次いで、異方性エッチが、充填材料４−８２０をエッチ・バックするために実施され得る。充填材料は、いくつかの実施形態によれば、エッチ・バックされ、誘電体層４−７３０の表面を露出させ、図４−８Ｃに示されているような構造体を結果として生じさせることが可能である。エッチは、ピラー４−８３０を残すことが可能であり、ピラー４−８３０は、オリジナルのピラー４−４２０と、充填材料４−８２０から残る側壁部４−８２２とからなる。
【０２２４】
次いで、レジスト４−４４０が、図４−８Ｄに示されているように、基板の上にパターニングされ得る。たとえば、レジストが、基板の上にコーティングされ得、ホールが、レジストの中にパターニングされ得、レジストが、ピラー４−８３０の周りのレジストの中の領域を切り開くために現像され得る。ピラーに対するホールのアライメントは、高度に正確である必要はなく、誘電体層４−７３０の中に埋め込まれている下層にあるフォトニック・バンドギャップ構造体を露出させることなく、ピラー４−８３０を露出させることだけを必要とする。
【０２２５】
ピラー４−８３０が露出された後に、等方性エッチが、ピラーの横断方向の寸法を低減させるために使用され得る。いくつかの実施形態によれば、結果として生じるピラー形状は、図４−８Ｅに示されているように出現することが可能である。次いで、レジスト４−４４０は、基板から剥がされ得、材料２−２２１、又は、材料の層が、領域の上に堆積させられ得る。いくつかの実施形態では、材料２−２２１は、ＣＭＰプロセスを使用してエッチ・バックされ、図４−８Ｆに示されているように領域を平坦化することが可能である。その後に、選択的なドライ・エッチ又はウェット・エッチが、図４−８Ｇに図示されているように、残りのピラー構造体を除去するために使用され、サンプル・ウェル２−２１１を残すことが可能である。図面によって示されているように、サンプル・ウェル２−２１１は、誘電体層４−７３０の中にパターニングされているフォトニック・バンドギャップ構造体に自己整合されている。
【０２２６】
代替的なプロセスとして、充填材料４−８２０は、ピラー４−４２０を形成するために使用される材料とは異なる材料からなることが可能である。このプロセスでは、図４−８Ｄ及び図４−８Ｅに関連付けられる工程は、省略される可能性がある。図４−８Ｆに示されているように、材料２−２２１の堆積及び平坦化の後に、選択的エッチが行われ、ピラー４−４２０を除去することが可能である。これは、サンプル・ウェル２−２１１をライニングする充填材料４−８２０の側壁部を残すことが可能である。
【０２２７】
Ｄ．非放射励起カップリング構造体
本発明は、サンプル・ウェルの中のサンプルとの励起エネルギーの非放射カップリングに関する構造体を与える。非放射カップリング構造体の単に１つの実施形態が、図４−９Ａに示されている。いくつかの実施形態によれば、非放射カップリング構造体は、サンプル・ウェル２−２１１に直接隣接して形成される半導体層４−９１０からなることが可能である。半導体層４−９１０は、いくつかの実施形態では、有機半導体であることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、無機半導体であることが可能である。いくつかの実施形態では、ディボット３−２１６は、半導体層の中に形成されてもよいし、又は形成されなくてもよい。半導体層４−９１０は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の厚さを有することが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の厚さも使用され得る。いくつかの実施形態によれば、励起供給源からの励起エネルギー又は光子４−９３０が、半導体層４−９１０に衝突し、エキシトン４−９２０を作り出すことが可能である。エキシトンは、サンプル・ウェルの表面まで拡散することが可能であり、そこで、それらは、非放射で再結合し、サンプル・ウェルの壁部に隣接するサンプルにエネルギーを伝達することが可能である。
【０２２８】
図４−９Ｂは、別の実施形態を示しており、その別の実施形態では、半導体層４−９１２が使用され、励起エネルギーからのエネルギーをサンプルに非放射で伝達することが可能である。いくつかの実施形態では、半導体層４−９１２は、図面に示されているように、サンプル・ウェルの底部に、又は、サンプル・ウェル２−２１１のディボットの中に形成され得る。半導体層４−９１２は、いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルのベースにおいて接着性物質を堆積させるためのプロセス工程に関連して本明細書で説明されているような指向性堆積プロセスを使用することによって、サンプル・ウェルの中に形成され得る。半導体層４−９１２は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ５ｎｍからおおよそ１００ｎｍの間の厚さを有することが可能であるが、他の実施形態では、他の厚さも使用され得る。入射放射線が、半導体層の中にエキシトンを発生させることが可能であり、それは、次いで、サンプル・ウェル２−２１１の底部表面へ拡散することが可能である。次いで、エキシトンは、サンプル・ウェルの中のサンプルにエネルギーを非放射で伝達することが可能である。
【０２２９】
また、本発明は、励起エネルギーをサンプルに伝達するための複数の非放射経路を与える。いくつかの実施形態によれば、及び、図４−９Ｃに示されているように、エネルギー伝達粒子４−９４０が、サンプル・ウェルの中に堆積させられ得る。エネルギー伝達粒子は、いくつかの実施形態では、量子ドットからなることが可能であり、又は、いくつかの実施形態では、分子からなることが可能である。いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子４−９４０は、リンキング分子を通して、サンプル・ウェルの表面に官能基化され得る。薄い半導体層４−９１０が、サンプル・ウェルに隣接して、又は、サンプル・ウェルの中に形成され得、エキシトンは、図面に示されているように、半導体層へ入射する励起エネルギーから半導体層の中に発生させられ得る。エキシトンは、サンプル・ウェルの表面へ拡散し、エネルギー伝達粒子４−９４０にエネルギーを非放射で伝達することが可能である。次いで、エネルギー伝達粒子４−９４０は、サンプル・ウェルの中のサンプル３−１０１にエネルギーを非放射で伝達することが可能である。
【０２３０】
いくつかの実施形態によれば、サンプル・ウェルの中に２つ以上のエネルギー伝達粒子４−９４０が存在することが可能である。たとえば、エネルギー伝達粒子４−９４２の層が、図４−９Ｃに示されているサンプル・ウェルなどのような、サンプル・ウェルの中に堆積させられ得る。
【０２３１】
いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子は、入射励起エネルギーを吸収し、次いで、吸収された励起エネルギーの波長とは異なる波長で、放射エネルギーを再放出することが可能である。次いで、再放出されたエネルギーは、サンプル・ウェルの中のサンプルを励起するために使用され得る。図４−９Ｅは、ダウン・コンバートするエネルギー伝達粒子に関連付けられるスペクトル・グラフを表している。いくつかの実施形態によれば、ダウン・コンバートするエネルギー伝達粒子は、量子ドットからなり、量子ドットは、短波長放射線（より高いエネルギー）を吸収し、１つ又は複数のより長い波長放射線（より低いエネルギー）を放出することが可能である。例示的な吸収曲線４−９５２が、６ｎｍから７ｎｍの間の半径を有する量子ドットに関して、点線としてグラフの中に示されている。量子ドットは、曲線４−９５４によって図示されている放射線の第１のバンド、曲線４−９５６によって図示されている放射線の第２のバンド、及び、曲線４−９５８によって図示されている放射線の第３のバンドを放出することが可能である。
【０２３２】
いくつかの実施形態では、エネルギー伝達粒子は、励起供給源からのエネルギーをアップ・コンバートすることが可能である。図４−９Ｆは、エネルギー伝達粒子からのアップ・コンバートに関連付けられるスペクトルを示している。いくつかの実施形態によれば、量子ドットは、おおよそ９８０ｎｍにおいて放射線によって励起され、次いで、グラフの中に図示されているような３つのスペクトル・バンドのうちの１つの中へ再放出することが可能である。第１のバンドは、おおよそ４８３ｎｍに中心を合わせられ得、第２のバンドは、おおよそ５３８ｎｍに中心を合わせられ得、第３のバンドは、おおよそ６４２ｎｍに中心を合わせられ得る。量子ドットから再放出される光子は、量子ドットを励起するために使用される放射線の光子よりも高エネルギーである。したがって、励起供給源からのエネルギーは、アップ・コンバートされる。放出されるスペクトル・バンドのうちの１つ又は複数は、サンプル・ウェルの中の１つ又は複数のサンプルを励起するために使用され得る。
【０２３３】
Ｅ．  エミッション・エネルギーをセンサーに向けて方向付けすること
アッセイ・チップ２−１１０は、ピクセル当たりに１つ又は複数のコンポーネントを含み、機器の上のセンサーによるエミッション・エネルギーの収集を改善することが可能である。そのようなコンポーネントは、エミッション・エネルギーをセンサーに向けて空間的に方向付けするように、及び、サンプル・ウェル２−２１１からのエミッション・エネルギーの方向性を増加させるように設計され得る。表面オプティクス及び遠視野オプティクスの両方が、エミッション・エネルギーをセンサーに向けて方向付けするために使用され得る。
【０２３４】
１．  表面オプティクス
ピクセルのサンプル・ウェルの近くに位置付けされているアッセイ・チップ２−１１０のピクセルの中のコンポーネントは、サンプルによって放出されるエミッション・エネルギーとカップリングするように構成され得る。そのようなコンポーネントは、アッセイ・チップの２つの層の間の界面において形成され得る。たとえば、いくつかのエミッション・エネルギー・カップリング・エレメントが、サンプル・ウェル層と、サンプル・ウェルが形成されている場所と反対側にサンプル・ウェル層に隣接する層との間の界面において形成され得る。いくつかの場合には、サンプル・ウェル層の下の層は、誘電体層であり、エミッション・エネルギー・カップリング・エレメントは、表面プラズモンをサポートすることが可能である。他の実施形態では、サンプル・ウェル層は、光学的に透明な材料に隣接する導電性材料であることが可能である。表面エネルギー・カップリング・エレメントは、表面光学的な構造体であることが可能であり、表面光学的な構造体は、サンプル・ウェルからの放射エミッションによって励起され、サンプル・ウェルからの放射エミッションと相互作用する。
【０２３５】
グレーチング周期、特徴サイズ、又は、サンプル・ウェルからの距離などのような、表面光学的な構造体の特性寸法は、エミッション・エネルギー運動量ベクトルの平行な成分を表面プラズモンに関する表面波運動量ベクトルの中へ最大限にカップリングするために選択され得る。たとえば、エミッション・エネルギー運動量ベクトルの平行な成分は、いくつかの実施形態によれば構造体によって支持される表面プラズモンの表面波運動量ベクトルにマッチさせられ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルから表面光学的な構造体の縁部又は特性特徴への距離ｄは、たとえば、表面に対して垂直であるか、又は表面に対して垂直方向から角度θだけ傾けられているなど、選択された方向に、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを方向付けするように選択され得る。たとえば、距離ｄは、表面に対して垂直にエミッションを方向付けするために表面プラズモン波長の整数であることが可能である。いくつかの実施形態では、距離ｄは、分数の表面プラズモン波長又はそのモジュロ（ｍｏｄｕｌｏ）の波長となるように選択され得る。
【０２３６】
いくつかの実施形態によれば、表面光学的な構造体は、サンプル・ウェルからの放射エミッション・エネルギーを、サンプル・ウェル層に対して垂直の方向に方向付けすることが可能である。カップリングされているエネルギーは、狭くなった指向性の放射線パターンの中で垂直方向に方向付けされ得る。
【０２３７】
表面光学的な構造体の例は、同心円状のグレーチングである。同心円状のグレーチング構造体は、アッセイ・チップのピクセルの中に形成され、ピクセルの１つ又は複数のセンサーに向けてエミッション・エネルギーを方向付けすることが可能である。同心円状のグレーチング構造体は、サンプル・ウェルの周りに形成され得る。同心円状の円形のグレーチング表面５−１０２の例が、表面プラズモン構造体として、図５−１に示されている。円形のグレーチングは、任意の適切な数のリングからなることが可能であり、図１０−１に示されているリングの数（６個）が、非限定的な例である。円形のグレーチングは、導電層の表面から突出するリングからなることが可能である。たとえば、円形のグレーチングは、サンプル・ウェル層と、サンプル・ウェル層の下に形成された誘電体層の界面に形成され得る。サンプル・ウェル層は、導電性材料であることが可能であり、同心円状のグレーチングは、導電性材料と誘電体との間の界面においてグレーチング構造体をパターニングすることによって形成され得る。円形のグレーチングのリングは、規則的な周期的なスペーシングとなっていることが可能であり、又は、リング同士の間に非規則的な又は非周期的なスペーシングを有することが可能である。サンプル・ウェルは、円形のグレーチングの中心に位置付けされ、又は、円形のグレーチングの中心の近くに位置付けされ得る。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、円形のグレーチングの中心から外れて位置付けされ得、また、グレーチングの中心から特定の距離に位置決めされ得る。いくつかの実施形態では、グレーチング・タイプ・エミッション・カップリング・コンポーネントは、スパイラル・グレーチングからなることが可能である。スパイラル・グレーチング５−２０２の例が、図５−２に示されている。スパイラル・グレーチング５−２０２は、導電性膜の中のスパイラル・アパーチャからなることが可能である。スパイラル・グレーチングの任意の適切な寸法が、スパイラル・グレーチングを形成するために使用され得る。
【０２３８】
図５−３は、サンプル・ウェル２−２１１からのエミッション・エネルギーに関する放射線パターン５−３０２を図示している。同心円状のグレーチング構造体２−２２３は、エミッション・エネルギーが、グレーチング構造体２−２２３がないときに形成される放射線パターンと比較して、より大きい方向性を有することを引き起こす。いくつかの実施形態では、エミッション・エネルギーは、金属層２−２２１に対して垂直に下向きに方向付けされている。
【０２３９】
表面オプティクス又は表面プラズモン構造体の別の例は、ナノ・アンテナ構造体である。ナノ・アンテナ構造体は、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを空間的に方向付けするように設計され得る。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナ構造体に対するサンプル・ウェルの場所は、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを、１つ又は複数のセンサーに向けて特定の方向に方向付けするように選択される。ナノ・アンテナは、ナノ・スケール双極子アンテナ構造体からなることが可能であり、ナノ・スケール双極子アンテナ構造体は、エミッション・エネルギーによって励起されるときに、指向性の放射線パターンを作り出すように設計されている。ナノ・アンテナは、サンプル・ウェルの周りに分散され得る。指向性の放射線パターンが、アンテナの電磁界の総和から結果として生じ得る。いくつかの実施形態では、指向性の放射線パターンが、電磁界がサンプルから直接的に放出される状態で、アンテナの電磁界の総和から結果として生じ得る。いくつかの実施形態では、サンプルから直接的に放出される電磁界は、サンプル・ウェルとナノ・アンテナ構造体との間の表面プラズモンによって媒介され得る。
【０２４０】
ナノ・アンテナ構造体を形成する個々のナノ・アンテナの寸法は、全体的なナノ・アンテナ構造体の組み合わせられた能力が特定の分布パターンを作り出すように選択され得る。たとえば、個々のナノ・アンテナの直径は、ナノ・アンテナ構造体の中で変化することが可能である。しかし、いくつかの場合には、直径は、ナノ・アンテナのセットの中で同じであることが可能である。他の実施形態では、数個の選択された直径が、全体的なナノ・アンテナ構造体の全体を通して使用され得る。いくつかのナノ・アンテナは、半径Ｒの円形の上に分散され得、いくつかは、円形から半径方向にシフトされ得る。いくつかのナノ・アンテナは、半径Ｒの円形の周りに等しく間隔を置いて配置され得（たとえば、均等な極角インクレメントに中心を合わせられている）、いくつかは、円形の周りの等しいスペーシングからシフトされ得る。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナは、サンプル・ウェルの周りにスパイラル構成で配置され得る。追加的に又は代替的に、サンプル・ウェルの周りのマトリックス・アレイ、十字形分布、及び星形分布などのような、ナノ・アンテナの他の構成が可能である。個々のナノ・アンテナは、正方形、長方形、十字形、三角形、ちょうネクタイ、環状のリング、五角形、六角形、多角形などのような、円形以外の形状であることが可能である。いくつかの実施形態では、アパーチャ又はディスクの周囲は、たとえば、（Ν／２）λなど、おおよそ分数波長の整数の倍数であることが可能である。
【０２４１】
ナノ・アンテナ・アレイは、サンプルからのエミッション・エネルギーを濃縮された放射線ローブの中へ方向付けすることが可能である。サンプルがエネルギーを放出するときには、サンプル・ウェルからサンプル・ウェルの周りに分散されたナノ・アンテナへ伝播する表面プラズモンを励起することが可能である。次いで、表面プラズモンは、ナノ・アンテナにおける放射線モード又は双極子エミッターを励起することが可能であり、それは、サンプル・ウェル層の表面に対して垂直な放射線を放出する。ナノ・アンテナにおいて励起されるモード又は双極子の位相は、サンプル・ウェルからのナノ・アンテナの距離に依存することとなる。サンプル・ウェルと個々のナノ・アンテナとの間の距離を選択することは、ナノ・アンテナから放出される放射線の位相を制御する。ナノ・アンテナにおいて励起される空間的な放射線モードは、ナノ・アンテナの幾何学形状及び／又はサイズに依存することとなる。個々のナノ・アンテナのサイズ及び／又は幾何学形状を選択することは、ナノ・アンテナから放出される空間的な放射線モードを制御する。アレイの中のすべてのナノ・アンテナ、及び、いくつかの場合にはサンプル・ウェルからの寄与が、放射線パターンを形成する１つ又は複数の全体的な放射線ローブを決定することが可能である。理解され得るように、位相及び個々のナノ・アンテナから放出される空間的な放射線モードは、波長に依存することが可能であり、放射線パターンを形成する１つ又は複数の全体的な放射線ローブが、波長に依存することとなるようになっている。電磁界の数値シミュレーションが用いられ、異なる特性波長のエミッション・エネルギーに関する全体的な放射線ローブ・パターンを決定することが可能である。
【０２４２】
ナノ・アンテナは、導電性膜の中のホール又はアパーチャのアレイからなることが可能である。たとえば、ナノ・アンテナ構造体は、導電性サンプル・ウェル層と下層にある誘電体層との間の界面において形成され得る。ホールは、中心点を取り囲む同心円状の円形の中に分散されたホールのセットからなることが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルは、アレイの中心点に位置付けされているが、他の実施形態では、サンプル・ウェルは中心から外れていてもよい。それぞれの円形に分散されたホールのセットは、円形分布の周りに最小から最大へ配置されている異なる直径の収集からなることが可能である。ホール直径は、セット同士の間で異なることが可能であり（たとえば、１つのセットの中の最小ホールは、別のセットの中の最小ホールよりも大きいことが可能である）、最小ホールの場所は、円形のそれぞれのセットに関して、異なる極角で配向され得る。いくつかの実施形態では、円形に分散されたホールの１つから７つのセットが、ナノ・アンテナの中に存在することが可能である。他の実施形態では、７つよりも多いセットが存在することが可能である。いくつかの実施形態では、ホールは、円形でなくてもよく、任意の適切な形状であることが可能である。たとえば、ホールは、楕円、三角形、矩形などであることが可能である。他の実施形態では、ホールの分布は、円形でなくてもよく、スパイラル形状を生成させることが可能である。
【０２４３】
図５−４Ａ及び５−４Ｂは、導電層の中のホール又はアパーチャからなる例示的なナノ・アンテナ構造体を図示している。図５−４Ａは、ホール５−１２２によって取り囲まれたサンプル・ウェル５−１０８を備えるアッセイ・チップの表面の上部平面図を示している。ナノ・アンテナ・ホールは、その中心がおおよそ半径Ｒの円形の周りにあるように分散されている。この非限定的な例では、ホール直径は、ホールの円形の周囲の周りでインクレメンタルに増加することによって変化している。図５−４Ｂは、線Ｂ−Ｂに沿って、図５−４Ａに示されているアッセイ・チップの断面図を示している。サンプル・ウェル層５−１１６は、ナノ・アンテナ構造体の一部であるサンプル・ウェル５−１０８及びアパーチャ５−１２２を含むことが可能である。アッセイ・チップの層５−１１８はサンプル・ウェル層５−１１６の下に延びている。層５−１１８は誘電材料及び／又は光学的に透明な材料であることが可能である。
【０２４４】
いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナ構造体は、複数のディスクからなることが可能である。ナノ・アンテナ構造体のディスクは、導電性材料の表面から突出する導電性ディスクとして形成され得る。導電性材料は、光学的に透明な材料に隣接していることが可能である。いくつかの実施形態では、ナノ・アンテナは、サンプル・ウェルの周りに分散され得る。いくつかの場合には、ナノ・アンテナは、おおむねサンプル・ウェルの周りに半径Ｒの円形に分散され得る。ナノ・アンテナ・アレイは、サンプル・ウェルの周りで、おおよそ追加的な異なる半径の円形の上に分散されたナノ・アンテナの複数のセットからなることが可能である。
【０２４５】
図５−５Ａ及び図５−５Ｂは、導電層から突出するディスクからなるナノ・アンテナ構造体の例示的な実施形態を図示している。図５−５Ａは、ディスク５−２２４によって取り囲まれているサンプル・ウェル５−２０８を備えるアッセイ・チップの表面の上部平面概略図を示している。ナノ・アンテナディスクは、おおよそ半径Ｒの円形の周りに分散されている。この非限定的な例では、２つの直径が、ディスクに関して使用され、ディスクは、ナノ・アンテナの円形の周囲の周りで、これらの２つの直径の間で交互になる。図５−５Ｂは、線Ｃ−Ｃ’に沿って、図６−３Ｃに示されているアッセイ・チップの断面図を示している。サンプル・ウェル層５−２１６は、ナノ・アンテナ構造体の一部であるサンプル・ウェル５−２０８及びディスク５−２２４を含むことが可能である。ディスク５−２２４は、特定の距離だけサンプル・ウェル層５−２１６から突出している。いくつかの実施形態では、ディスクがサンプル・ウェル層から延在する距離は、ナノ・アンテナ構造体の中で変化することが可能である。アッセイ・チップの層５−２１８はサンプル・ウェル層５−２１６の下方に延びる。層５−２１８は誘電材料及び／又は光学的に透明な材料からなることが可能である。サンプル・ウェル層５−２１６及び突出するディスクは、導電性材料であることが可能である。
【０２４６】
２．  遠視野オプティクス
いくつかの実施形態では、表面オプティクスの直ぐ下の層は、任意の適切な厚さのスペーサー層２−２２５であることが可能であり、それは、任意の適切な誘電材料から作製され得る。スペーサー層は、たとえば、厚さが１０μｍであることが可能であり、二酸化ケイ素から作製され得る。代替的に、このスペーサー層は、４８μｍ又は５０μｍであることが可能である。スペーサー層の下にあるのは、追加的なスペーサー層を備える１つ又は複数のレンズ層であることが可能である。たとえば、図５−６Ａは、上側レンズ層５−６０１を図示しており、上側レンズ層５−６０１は、少なくとも１つの屈折レンズを含むことが可能である。いくつかの実施形態では、上側レンズ層は、サンプル・ウェル層２−２２１の下方５μｍに位置付けされ得る。それぞれのサンプル・ウェルに関連付けられる１つ又は複数のレンズが存在することが可能である。いくつかの実施形態では、レンズ・アレイが使用され得る。いくつかの実施形態では、上側レンズ層５−６０１のそれぞれのレンズは、サンプル・ウェル２−２１１の下方に中心を合わせられており、たとえば、１０．５μｍよりも小さい半径を有することが可能である。上側レンズ層は、例として、及び、限定としてではなく、窒化ケイ素などのような任意の適切な誘電材料から作製され得る。
【０２４７】
上側レンズ層の直ぐ下の層は、任意の適切な誘電体から作製された構造的な及び／又は光学的な層５−６０５であることが可能である。この構造的な及び／又は光学的な層５−６０５は、溶融シリカの形態の二酸化ケイ素から作製され得る。構造的な層の直ぐ下の層は、下側レンズ層５−６０３であることが可能であり、下側レンズ層５−６０３は、少なくとも１つの追加的なレンズを含むことが可能である。いくつかの実施形態では、下側レンズ層５−６０３の中のそれぞれのレンズも、サンプル・ウェルの下方に中心を合わせられ得る。下側レンズ層５−６０３は、例として、及び、限定としてではなく、窒化ケイ素などのような任意の適切な誘電材料から作製され得る。上側レンズ層の上部から下側レンズ層の底部までの距離は、１００〜５００μｍであることが可能である。下側レンズ層の直ぐ下の層は、反射防止層を含むことが可能であり、反射防止層は、励起エネルギー及びエミッション・エネルギーの両方を通過させ、反射される光の量を低減させる。反射防止層の直ぐ下の層は、構造的コンポーネントを含むことが可能であり、チップが機器に整合し、機器の上に装着することを可能にする。チップ装着層の直ぐ下の層は、保護カバーを含み、ダストを含む、損傷及び汚染からシステムを保護することが可能である。
【０２４８】
図５−６Ａは、屈折レンズを使用して２つのレンズ層を図示しているが、任意の適切なレンズが使用され得る。たとえば、フレネル・レンズ、マイクロレンズ、屈折レンズ対、及び／又はフラット・レンズが使用され得る。図５−６Ｂは、構造的な及び／又は光学的な層５−６０５によって分離されている上側レンズ層５−６１１及び下側レンズ層５−６１３の両方の中に、フレネル・レンズを使用した実施形態を図示している。
【０２４９】
いくつかの実施形態では、チップの中の上記に説明されている層同士の間の界面のいずれかは、反射防止コーティング又は反射防止層を含むことが可能である。上側レンズ層及び第２のレンズ層の両方は、サンプル・ウェルの下方に配置され、サンプル・ウェルのアレイから放出される発光を機器のリレー・レンズの中へ焦点を合わせることが可能である。
【０２５０】
ＩＶ．  機器コンポーネント
Ｉ．  機器の顕微鏡層
いくつかの実施形態では、機器は、顕微鏡層を含むことが可能であり、顕微鏡層は、図６−１に図示されているように、副層を含むことが可能である。とりわけ、顕微鏡層は、励起エネルギーをアッセイ・チップに向けて方向付けするように角度θだけ傾けられたポリクロイック・ミラー２−２３０を含む副層を含むことが可能である。このポリクロイック・ミラーは、実質的に誘電体であることが可能であり、アッセイ・チップの上のサンプル・ウェルの１つ又は複数の中のサンプルからのエミッション・エネルギーを実質的に透過させながら、励起エネルギーを反射する。随意的に、追加的な誘電体層を含む非点収差補正エレメント６−１０１が、ポリクロイック・ミラーの下に設けられ、同じ角度θであるが、ポリクロイック・ミラーの傾きの軸線に直交する軸線の周りに傾けられており、ポリクロイック・ミラーによってもたらされる非点収差に関する補正を提供することが可能である。図６−１では、非点収差補正エレメント６−１０１は、上部フィルターと同じ平面の中で傾けられているように図示されているが、説明図は、上部フィルターに対する傾きを表しており、それは、非点収差補正エレメント６−１０１の配向を限定することを決して意味していないということが認識されるべきである。また、この非点収差補正エレメント６−１０１は、追加的なフィルタリングを提供することが可能である。たとえば、非点収差補正エレメント６−１０１は、エミッション・エネルギーを透過させながら励起エネルギーをさらにフィルタリングする別のポリクロイック・ミラーであることが可能である。レンズ６−１０３が、非点収差補正エレメント６−１０１の下に設けられ、サンプル・ウェルからのエミッション・エネルギーを処理するのをさらに助けることが可能である。レンズ６−１０３は、たとえば、直径が２５．４μｍであることが可能であるが、任意の適切な直径が使用され得る。いくつかの実施形態では、レンズは、複数のレンズ・エレメントからなるリレー・レンズである。たとえば、リレー・レンズは、６つの別々のレンズ・エレメントを含むことが可能である。いくつかの実施形態では、リレー・レンズは、長さがおおよそ１７．５ｍｍであることが可能である。追加的なフィルタリング・エレメントが、レンズ６−１０３の前又は後に使用され、励起エネルギーをさらに拒絶し、それがセンサーに到達することを防止することが可能である。
【０２５１】
Ａ．  センサー・チップ
サンプル・ウェルの中のサンプルから放出されるエミッション・エネルギーは、さまざまな方式で、ピクセルのセンサーに送信され得、そのいくつかの例が、詳細に下記に説明されている。いくつかの実施形態は、光学コンポーネント及び／又はプラズモニック・コンポーネントを使用し、特定の波長の光が、特定の波長の光を検出するように特化されたセンサーの領域又は一部分へ方向付けされる可能性を増加させることが可能である。センサーは、異なる波長のエミッション・エネルギーを同時に検出するための複数のサブ・センサーを含むことが可能である。
【０２５２】
図６−２Ａは、いくつかの実施形態によるセンサー・チップの単一のピクセルの概略ダイアグラムであり、そこでは、少なくとも１つのソーティング・エレメント６−１２７が使用され、特定の波長のエミッション・エネルギーをそれぞれのサブ・センサー６−１１１から６−１１４に方向付けする。エミッション・エネルギー２−２５３は、それがセンサー・チップのソーティング・エレメント６−１２７に到達するまで、サンプル・ウェルから、アッセイ・チップ及び機器の光学的なシステムを通って進む。ソーティング・エレメント６−１２７は、エミッション・エネルギー２−２５３の波長を空間的な自由度にカップリングし、それによって、その構成波長成分へとエミッション・エネルギーを分離し、それは、ソーティングされたエミッション・エネルギーと称される。図６−２Ａは、エミッション・エネルギー２−２５３が、誘電材料６−１２９を通って４つのソーティングされたエミッション・エネルギー経路へとスプリットされており、４つの経路のそれぞれが、ピクセルのサブ・センサー６−１１１から６−１１４に関連付けられているということを概略的に図示している。このように、それぞれのサブ・センサーが、スペクトルの異なる部分に関連付けられ、センサー・チップのそれぞれのピクセルに関してスペクトロメーターを形成している。
【０２５３】
任意の適切なソーティング・エレメント６−１２７が、エミッション・エネルギーの異なる波長を分離するために使用され得る。実施形態は、光学エレメント又はプラズモニック・エレメントを使用することが可能である。光学的なソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、ホログラフィック・グレーチング、位相マスク・グレーチング、振幅マスク・グレーチング、及び、オフセットされたフレネル・レンズを含む。プラズモニック・ソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、フェーズド・ナノ・アンテナ・アレイ及びプラズモニック準結晶を含む。
【０２５４】
図６−２Ｂは、いくつかの実施形態によるセンサー・チップの単一のピクセルの概略ダイアグラムであり、そこでは、フィルタリング・エレメント６−１２１から６−１２４が使用され、特定の波長のエミッション・エネルギーをそれぞれのサブ・センサーに方向付けし、他の波長のエミッション・エネルギーが他のサブ・センサーに到達することを防止する。エミッション・エネルギー２−２５３は、それがフィルタリング・エレメント６−１２１から６−１２４のうちの１つに到達するまで、サンプル・ウェルからアッセイ・チップ及び機器の光学的なシステムを通って進む。フィルタリング・エレメント６−１２１から６−１２４は、サブ・センサー６−１１から６−１１４の特定のセグメントにそれぞれ関連付けられ得、また、フィルタリング・エレメント６−１２１から６−１２４は、エミッション・エネルギーを吸収することによって（図６−１Ｂには図示されていない）、及び／又は、エミッション・エネルギーを反射することによって、それぞれの波長のエミッション・エネルギーを送信するように、及び、他の波長のエミッション・エネルギーを拒絶するように、それぞれ構成されている。それぞれのフィルタリング・エレメントを通過した後に、フィルタリングされたエミッション・エネルギーは、誘電材料６−１２９を通って進み、ピクセルの対応するサブ・センサー６−１１１から６−１１４に衝突する。このように、それぞれのサブ・センサーは、スペクトルの異なる部分に関連付けられ、センサー・チップのそれぞれのピクセルに関するスペクトロメーターを形成している。
【０２５５】
任意の適切なフィルタリング・エレメントが、エミッション・エネルギーの異なる波長を分離するために使用され得る。実施形態は、光学的なフィルタリング・エレメント又はプラズモニック・フィルタリング・エレメントを使用することが可能である。光学的なソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、反射性多層誘電体フィルター又は吸収性フィルターを含む。プラズモニック・ソーティング・エレメントの例は、それに限定されないが、特定の波長でエネルギーを送信するように設計された周波数選択性表面、及び、フォトニック・バンド−ギャップ結晶を含む。
【０２５６】
代替的に、又は、上述のソーティング・エレメント及びフィルタリング・エレメントに加えて、追加的なフィルタリング・エレメントが、それぞれのサブ・センサー６−１１から６−１１４に隣接して設置され得る。追加的なフィルタリング・エレメントは、薄い損失性膜を含むことが可能であり、薄い損失性膜は、特定の波長のエミッション・エネルギーに関して、強め合いの干渉を生成させるように構成されている。薄い損失性膜は、単一の膜又は多層膜であることが可能である。薄い損失性膜は、任意の適切な材料から作製され得る。たとえば、薄い損失性膜は、屈折率ｎが吸光係数ｋとおおよそ同じ桁数となっている、材料から作製され得る。他の実施形態では、薄い損失性膜は、屈折率ｎがその材料の吸光係数ｋの値から約２桁の差の中にある、材料から作製され得る。可視波長におけるそのような材料の非限定的な例は、ゲルマニウム及びシリコンである。
【０２５７】
薄い損失性膜は、任意の適切な厚さであることが可能である。いくつかの実施形態では、薄い損失性膜は、１〜４５ｎｍの厚さであることが可能である。他の実施形態では、薄い損失性膜は、１５〜４５ｎｍの厚さであることが可能である。さらなる他の実施形態では、薄い損失性膜は、１〜２０ｎｍの厚さであることが可能である。図６−３Ａは、薄い損失性膜６−２１１から６−２１４が、それぞれのサブ・センサー６−１１から６−１１４に関連付けられる波長によって少なくとも部分的に決定された異なる厚さをそれぞれ有している、実施形態を図示している。膜の厚さは、薄い損失性膜を選択的に通過しサブ・センサーに至ることとなる別個の波長を少なくとも部分的に決定する。図６−２１１に図示されているように、薄い損失性膜６−２１１は、厚さｄ１を有しており、薄い損失性膜６−２１２は、厚さｄ２を有しており、薄い損失性膜６−２１３は、厚さｄ３を有しており、薄い損失性膜６−２１４は、厚さｄ４を有している。それぞれの次に続く薄い損失性膜の厚さは、その前の薄い損失性膜よりも小さくなっており、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４となるようになっている。
【０２５８】
追加的に又は代替的に、薄い損失性膜は、異なる特質を備える異なる材料から形成され得、異なる波長のエミッション・エネルギーが、それぞれのサブ・センサーにおいて強め合って干渉するようになっている。たとえば、屈折率ｎ及び／又は吸光係数ｋは、特定の波長のエミッション・エネルギーの伝送を最適化するように選択され得る。図６−３Ｂは、同じ厚さを備える薄い損失性膜６−２２１から６−２２４を図示しているが、それぞれの薄い損失性膜は、異なる材料から形成されている。いくつかの実施形態では、所望の波長のエミッション・エネルギーが強め合って干渉し、膜を通して送信されるように、薄い損失性膜の材料及び薄い損失性膜の厚さの両方が選択され得る。
【０２５９】
図６−１は、回折エレメント及びレンズの組み合わせが波長によってエミッション・エネルギーをソーティングするために使用される、実施形態を図示している。センサー・チップの第１の層６−１０５は、ブレーズド位相グレーチングを含むことが可能である。ブレーズド・グレーチングは、たとえば、４０度に実質的に等しい角度φでブレーズされ（ｂｌａｚｅｄ）得、ブレーズド・グレーチング（Λ）のライン・スペーシングは、１．２５μｍに実質的に等しいことが可能である。当業者は、異なるブレーズ角度及び周期性が、エミッション・エネルギーの異なる波長の光の分離を実現するために使用され得るということを理解することとなる。そのうえ、任意の適切な回折光学素子が、エミッション・エネルギーの異なる波長を分離するために使用され得る。たとえば、位相マスク、振幅マスク、ブレーズド・グレーチング、又は、オフセットされたフレネル・レンズが使用され得る。
【０２６０】
センサー・チップ２−２６０の第２の層６−１０６は、１つ又は複数のフレネル・レンズを含むことが可能であり、１つ又は複数のフレネル・レンズは、第１の層６−１０５の下に配設され、エミッション・エネルギーをさらにソーティングし、エミッション・エネルギーをセンサー６−１０７に方向付けする。そのうえ、任意の適切なレンズ・エレメントが、エミッション・エネルギーの異なる波長をさらに分離するために使用され得る。たとえば、屈折レンズが、フレネル・レンズの代わりに使用され得る。
【０２６１】
図６−１のさまざまなコンポーネントは、任意の適切な距離に間隔を離して配置され得る。たとえば、センサーの表面は、フレネル・レンズ層６−１０６の下に、５μｍの距離に位置付けされ得る。顕微鏡層のレンズ６−１０３の中心からフレネル・レンズ層６−１０６までの距離は、５０．６ｍｍであることが可能である。ブレーズド位相グレーチング６−１０５は、センサーの表面の上に、おおよそ１００μｍの距離に位置付けされ得る。代替的に、アッセイ・チップの底部からグレーチング６−１０５の上部までの距離は、おおよそ５３ｍｍであることが可能である。センサー層の幅は、おおよそ１０ｍｍであることが可能である。
【０２６２】
アッセイ・チップ及び機器のさまざまな層は、上記に説明されている順序である必要はない。いくつかの実施形態では、フォーカシング・エレメント及び／又はソーティング・エレメント、ならびに、機器のイメージング・オプティクスは、逆の順序であることが可能である。たとえば、ブレーズド位相グレーチング６−１０５は、フレネル・レンズ層６−１０６の後に設置され得る。代替的に、フォーカシング・エレメント及び／又はソーティング・エレメントならびにイメージング・オプティクスは、単一の回折光学素子（ＤＯＥ）の中へ組み込まれ得る。加えて、アッセイ・チップ及び機器のさまざまなコンポーネントが混ぜ合わせられ得、たとえば、イメージング・オプティクスが、フォーカシング・エレメント及び／又はソーティング・エレメントの上方及び下方の両方に起こり得るようになっている。
【０２６３】
空気とシステムの層との間の界面を含む、システムの中の上記に説明されている層同士の間の界面のいずれかは、反射防止コーティングを含むことが可能である。
Ｂ．  機器の光学的なブロックの実施形態
いくつかの実施形態では、機器１−１２０の光学的なブロックは、上記に説明されている光学的なコンポーネントのうちのいくつか又はすべてを含むことが可能である。光学的なブロックは、図６−４に配置されているような光学的なコンポーネントを提供することが可能である。上記に説明されているコンポーネントに加えて、光学的なブロックは、第１のファイバー・コネクター６−４０１及び第２のファイバー・コネクター６−４０２を含むことが可能であり、第１のファイバー・コネクター６−４０１には、励起エネルギーの第１の波長を担持する第１の光ファイバーが接続することが可能であり、第２のファイバー・コネクター６−４０２には、励起エネルギーの第２の波長を担持する第２の光ファイバーが接続することが可能である。例として、及び、限定としてではなく、励起エネルギーの第１の励起波長は、６３０〜６４０ｎｍであることが可能である。光ファイバー・コネクターは、ＦＣコネクター又はＬＣコネクターなどのような、任意の適切な従来のコネクターであることが可能である。２つの異なる波長が入力された場合には、波長は、ダイクロイック・ミラー又はポリクロイック・ミラーなどのような、波長コンバイナー６−４０３によって組み合わせられ得る。第２の励起波長は、５１５〜５３５ｎｍであることが可能である。入力励起エネルギーは、直線偏光などのような、任意の適切な偏光であることが可能である。いくつかの実施形態では、励起エネルギーを担持するファイバーは、偏光保持ファイバーであることが可能である。随意的に、励起フィルター、及び、光ファイバー・トゥー・フリー・スペース・カップラーなどのような偏光子が、光ファイバー入力の後に使用され、励起エネルギーの特性をさらにフィルタリング又は修正することが可能である。
【０２６４】
光学的なブロックは、１つ又は複数の金属ハウジングを含み、ビーム・シェイピングなどのような光学的なプロセッシングのためのレンズ及び他の光学的なコンポーネントを保持することが可能である。図６−４は、４つの金属ハウジング６−４０５から６−４０８を図示しており、それぞれが、レンズ及び／又は他の光学的なコンポーネントを保持している。励起エネルギーをコリメートし、焦点を合わせるために使用される任意の数のレンズが存在することが可能である。１つ又は複数のミラー６−４１１及び６−４１２は、励起エネルギーをアッセイ・チップ２−１１０に向けてガイドするために、金属ハウジングのいくつかの間に位置している。図６−４では、第１のミラー６−４１１は、第２のハウジング６−４０６から第３のハウジング６−４０７へ励起エネルギーを方向付けしており、第２のミラー６−４１２は、第４のハウジング６−４０８からポリクロイック誘電体ミラー２−２３０へ励起エネルギーを反射する。ポリクロイック誘電体ミラー２−２３０は、励起エネルギーを非点収差補正フィルター６−６０１に向けて方向付けする。
【０２６５】
いくつかの実施形態では、円偏光が、サンプル・ウェルの中へ方向付けされ、発光性マーカが同様の強度で発光を放出することを引き起こすことが可能である。４分の１波長プレートが、それがアッセイ・チップに到達する前に、直線偏光を円偏光に伝達するために使用され得る。ポリクロイック誘電体ミラー２−２３０は、励起エネルギーを４分の１波長プレート６−４１５に方向付けする。図６−４に図示されているように、４分の１波長プレート６−４１５は、非点収差補正フィルター６−１０１とアッセイ・チップ２−１１０との間に配設され得る。次いで、円偏光された励起エネルギーは、アッセイ・チップの上の複数のピクセルに向けて方向付けされる。ピクセルに向けて方向付けされない励起エネルギーは、ビーム・ダンプ・コンポーネント６−４１７によって吸収され得る。１つ又は複数のサンプル・ウェルの内側のサンプルに到達する励起エネルギーは、サンプルがエミッション・エネルギーを放出することを引き起こすこととなり、エミッション・エネルギーは、センサー２−２６０に向けて方向付けされる。エミッション・エネルギーは、偏光オプティクス、非点収差補正エレメント６−１０１、ポリクロイック・ミラー２−２３０、及びリレー・レンズ６−１０３などのような、光学的なコンポーネントを通過することが可能である。ポリクロイック・ミラーは、フィルターとしての役割を果たし、それは、例として、ノッチ・フィルター、スパイク・フィルター、又はカット・オフ・フィルターであることが可能である。リレー・レンズ６−１０３は、センサーに向けてエミッション・エネルギーをイメージすることが可能である。次いで、エミッション・エネルギーの一部分が、センサー２−２６０の上方に位置している、１つ又は複数のエミッション・フィルター６−４２１及び６−４２２を通過することが可能であり、１つ又は複数のエミッション・フィルター６−４２１及び６−４２２は、エミッション・エネルギーをさらにフィルタリングすることが可能である。いくつかの実施形態では、エミッション・フィルターは、入射エミッション・エネルギー伝播方向に対してある角度で傾けられ得、フィルターの伝送特性をチューニングするように、及び／又は、後方反射によって引き起こされる干渉を低減させるようになっている。上部フィルター６−４２１が角度θで傾けられている場合には、底部フィルター６−４２２は、同じ角度θであるが、上部フィルターの傾きの軸線に直交する軸線の周りに傾けられており、エミッション放射線ビーム経路の中に非点収差が確実に生じないようにすることが可能である。
【０２６６】
Ｃ．  センサー
本開示は、センサー、センサー動作、及び信号処理方法のさまざまな実施形態を提供する。いくつかの実施形態によれば、センサー・チップ２−２６０のピクセルにおけるセンサー２−１２２は、サンプル・ウェルの中の１つ又は複数のタグからのエミッション・エネルギーを受け取ることができ、かつ、受け取られたエミッション・エネルギーを表す１つ又は複数の電気信号を作り出すことができる、任意の適切なセンサーからなることが可能である。いくつかの実施形態では、センサーは、少なくとも１つのフォトディテクター（たとえば、半導体基板の中に形成されたｐ−ｎ接合）からなることが可能である。図７−１Ａ及び図７−１Ｂは、センサー・チップのピクセル２−１００の中に製作され得るセンサーの１つの実施形態を示している。
【０２６７】
いくつかの実施形態によれば、センサー２−１２２は、センサー・チップのそれぞれのピクセル２−１００において形成され得る。センサーは、アッセイ・チップのサンプル・ウェル２−２１１に関連付けられ得る。センサーの上方に、１つ又は複数の透明な層７−１１０が存在することが可能であり、サンプル・ウェルからのエミッションが、ほとんど減衰なしにセンサーまで進むことができるようになっている。センサー２−１２２は、いくつかの実施形態によれば、ピクセルのベースにおいて、半導体基板７−１２０の中に形成され得、サンプル・ウェルの、アッセイ・チップ（図示せず）と同じ側に位置付けされ得る。
【０２６８】
センサーは、１つ又は複数の半導体接合フォトディテクター・セグメントからなることが可能である。それぞれの半導体接合は、第１の導電タイプのウェルからなることが可能である。たとえば、それぞれの半導体接合は、図面に示されているように、ｐ−タイプの基板の中に形成されたｎ−タイプのウェルからなることが可能である。いくつかの実施形態によれば、センサー２−１２２は、図７−１Ｂの平面図に示されているように、ブルズ・アイ検出器７−１６２として配置され得る。第１のフォトディテクター７−１２４は、センサーの中央に位置付けされ得、第２の環状のフォトディテクター７−１２２は、中央フォトディテクターを取り囲むことが可能である。ウェルへの電気的接触が、第１の又はその後のメタライゼーション・レベルにおいて形成される導電性トレース７−１３４を通して、及び、導電性ビア７−１３２を通して、作製され得る。ビアの接触領域において、高度にドープされた半導体材料７−１２６の領域が存在することが可能である。いくつかの実施形態では、フィールド酸化物７−１１５が、フォトディテクター同士の間の表面に形成され得、及び、それぞれのフォトディテクターの一部分を被覆することが可能である。いくつかの実施形態では、センサー２−１２２に隣接してピクセルの中に形成された追加的な半導体デバイス７−１２５（たとえば、トランジスター、増幅器など）が存在することが可能である。ピクセルの中に追加的なメタライゼーション・レベル７−１３８、７−１３６が存在することが可能である。
【０２６９】
いくつかの実施形態では、メタライゼーション・レベル７−１３６は、ピクセルの大部分を横切って延在することが可能であり、また、フォトディテクター７−１２４の上方に中心を併せている開口部を有することが可能であり、サンプル・ウェルからのエミッションがセンサーに到達することができるようになっている。いくつかのケースでは、メタライゼーション・レベル７−１３６は、基準電位又はグランド平面としての役割を果たすことが可能であり、追加的に、光学的なブロックとしての役割を果たし、少なくともいくらかの背景放射線（たとえば、励起供給源又は周囲環境からの放射線）がセンサー２−２６０に到達することを防止することが可能である。
【０２７０】
図７−１Ａ及び図７−１Ｂに示されているように、センサー２−１２２は、空間的に及び電気的に互いから分離されている複数のフォトディテクター・セグメント７−１２２、７−１２４へとさらに分割され得る。いくつかの実施形態では、センサー２−１２２のセグメントは、反対にドープされた半導体材料の領域からなることが可能である。たとえば、第１のセンサー・セグメントに関する第１の電荷蓄積ウェル７−１２４が、基板の第１の領域をドーピングすることによって形成され、第１のウェルの中に第１の導電タイプ（たとえば、ｎ−タイプ）を有することが可能である。基板は、ｐ−タイプであることが可能である。第２のセンサー・セグメントに関する第２の電荷蓄積ウェル７−１２２が、基板の第２の領域をドーピングすることによって形成され、第２のウェルの中に第１の導電タイプを有することが可能である。第１及び第２のウェルは、基板のｐ−タイプ領域によって分離され得る。
【０２７１】
センサー２−１２２の複数のセグメントが、ブルズ・アイ・レイアウト以外の任意の適切な方式で配置され得、センサーの中に３つ以上のセグメントが存在することが可能である。たとえば、いくつかの実施形態では、複数のフォトディテクター・セグメント７−１４２が、横方向に互いから分離され、図７−１Ｃに示されているように、ストライプ・センサー７−１６４を形成することが可能である。いくつかの実施形態では、クワッド（又はクワドラント）・センサー７−１６６が、図７−１Ｄに示されているように、セグメント７−１４４をクワッド・パターンで配置することによって形成され得る。いくつかの実施形態では、円弧形セグメント７−１４６が、図７−１Ｅに示されているように、ブルズ・アイ・パターンと組み合わせて形成され、円弧形にセグメント化されたセンサー７−１６８を形成することが可能である。別のセンサー構成は、パイ・ピース・セクションからなることが可能であり、パイ・ピース・セクションは、円形の別々のセクションで配置されている個々のセンサーを含むことが可能である。いくつかのケースでは、センサー・セグメントは、サンプル・ウェル２−２１１の周りに対称的に配置され、又は、サンプル・ウェルの周りに非対称的に配置され得る。センサー・セグメントの配置は、先述の配置だけに限定されず、センサー・セグメントの任意の適切な分布が使用され得る。
【０２７２】
本発明者は、クワドラント・センサー７−１６６、パイ・セクター・センサー、又は、同様のセクター・センサーが、より好適に、他のセンサー構成よりも小さいピクセル・サイズまで縮小することが可能であるということが見出された。クワドラント及びセクター検出器は、より少ない、検出される複数の波長に関するピクセル面積及びアクティブ・センサー面積しか消費しないことが可能である。センサーは、さまざまな幾何学的構成で配置され得る。いくつかの例では、センサーは、正方形の構成又は六角形の構成で配置されている。
【０２７３】
本開示のセンサーは、独立して（又は、個別に）アドレス可能であり得る。個別にアドレス可能なセンサーは、信号を検出することができ、他のセンサーから独立した出力を提供することができる。個別にアドレス可能なセンサーは、個別に読み取り可能であり得る。
【０２７４】
いくつかの実施形態では、スタックされたセンサー７−１６９が、図７−１Ｆに示されているように、複数の分離されているセンサー・セグメント７−１４８を垂直方向のスタックに製作することによって形成され得る。たとえば、セグメントは、上下に位置付けされ得、スタックされたセグメント同士の間に、絶縁層が存在してもよいし、又は存在しなくてもよい。それぞれの垂直方向の層が、特定のエネルギーのエミッション・エネルギーを吸収するように、及び、異なるエネルギーでエミッションを通過させるように構成され得る。たとえば、第１の検出器は、より短い波長の放射線（たとえば、サンプルからの約５００ｎｍ以下の青色波長の放射線）を吸収及び検出することが可能である。第１の検出器は、サンプルからの緑色及び赤色の波長エミッションを通過させることが可能である。第２の検出器は、（たとえば、約５００ｎｍから約６００ｎｍの間の）緑色波長の放射線を吸収及び検出し、赤色エミッションを通過させることが可能である。第３の検出器は、赤色エミッションを吸収及び検出することが可能である。いくつかの実施形態では、反射膜７−１４９が、スタックの中に組み込まれ、選択された波長帯域の光を反射させ、セグメントを通して戻すことが可能である。たとえば、膜は、第２のセグメントによって吸収されなかった緑色波長の放射線を反射させることが可能であり、第２のセグメントを通して戻し、その検出効率を増加させることが可能である。
【０２７５】
垂直方向にスタックされたセンサー・セグメントを備えるいくつかの実施形態では、エミッション・カップリング・コンポーネントが、サンプル・ウェルに含まれずに、エミッション波長に依存するサンプル・エミッションの別個の空間的な分布パターンを作り出すことが可能である。スペクトル的に異なるエミッションの判別は、いくつかの実施形態によれば、そのスタックされたセグメントからの信号の比率を分析することによって、垂直方向に−スタックされたセンサー７−１６９を用いて実現され得る。
【０２７６】
いくつかの実施形態では、センサー２−１２２のセグメントは、シリコンから形成されているが、任意の適切な半導体（たとえば、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ、ＩｎＰなど）も使用され得る。いくつかの実施形態では、センサー・セグメントは、有機の光導電性膜からなることが可能である。他の実施形態では、量子ドット・フォトディテクターが、センサー・セグメントに関して使用され得る。量子ドット・フォトディテクターは、量子ドットのサイズに基づいて、異なるエミッション・エネルギーに応答することが可能である。いくつかの実施形態では、さまざまなサイズの複数の量子ドットが、サンプル・ウェルから受け取られる異なるエミッション・エネルギー又は波長同士の間を差別するために使用され得る。たとえば、第１のセグメントは、第１のサイズを有する量子ドットから形成され得、第２のセグメントは、第２のサイズを有する量子ドットから形成され得る。さまざまな実施形態では、センサー２−１２２は、従来のＣＭＯＳプロセスを使用して形成され得る。
【０２７７】
上記に説明されているように、エミッション・カップリング・コンポーネントは、いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルに隣接して製作され得る。ソーティング・エレメント２−２４３は、サンプル・ウェル２−２１１の中のサンプルからのエミッションを変更し、エミッション波長に依存するサンプル・エミッションの別個の空間的な分布パターンを作り出すことが可能である。図７−２Ａは、第１の空間的な分布パターン７−２５０の例を示しており、それは、第１の波長において第１のサンプルから作り出され得る。第１の空間的な分布パターン７−２５０は、たとえば図７−２Ｂに示すように、ブルズ・アイ・センサー７−１６２の中央セグメントに向けて方向付けされている顕著な中央ローブを有することが可能である。そのようなパターン７−２５０は、あらゆる適切な回折素子から作り出され得、そこでは、サンプルが約６６３ｎｍの波長で放出する。センサーへ入射する投射されたパターン７−２５２は、図７−２Ｂに図示されているように出現することが可能である。
【０２７８】
図７−２Ｃは、空間的な分布パターン７−２６０を示しており、それは、いくつかの実施形態によれば、同じサンプル・ウェルから第２の波長で放出する第２のサンプルから作り出され得る。第２の空間的な分布パターン７−２６０は、放射線の２つのローブからなり、第１の空間的な分布パターン７−２５０とは異なることが可能である。第２の空間的な分布パターン７−２６０の投射されたパターン７−２６２は、いくつかの実施形態によれば、図７−２Ｄに示されているように出現することが可能である。第２の空間的な分布パターン７−２６０は、あらゆる適切な回折素子から作り出され得、そこでは、サンプルが約６８７ｎｍの波長で放出する。
【０２７９】
センサー２−１２２のセグメントは、いくつかの実施形態によれば、特定のエミッション・エネルギーを検出するように配置され得る。たとえば、サンプル・ウェルに隣接するエミッション・カップリング構造体及びセンサーのセグメントは、特定のエミッション・エネルギー同士の間の信号差別化を増加させるように、組み合わせて設計され得る。エミッション・エネルギーは、センサー・チップとともに使用されることとなる選択されたタグに対応することが可能である。例として、ブルズ・アイ・センサー７−１６２は、サンプルから投射されたパターン７−２６０、７−２６２により良好にマッチするように、そのセグメントをサイズ決め及び／又は位置付けさせることが可能であり、より高い強度の領域が、センサーのアクティブ・セグメントの中に、より中央に収まるようになっている。代替的に又は追加的に、回折素子は、投射されたパターン７−２６０、７−２６２を変更するように設計され得、強い領域が、センサーのセグメントの中に、より中央に収まるようになっている。
【０２８０】
センサー２−１２２は、２つのセグメントからなることが可能であるが、いくつかの実施形態では、サンプルからの３つ以上のスペクトル的に別個のエミッション・バンドを判別することが可能である。たとえば、それぞれのエミッション・バンドは、センサー・セグメントの上に別個の投射されたパターンを作り出し、センサー・セグメントからの信号の別個の組み合わせを生み出すことが可能である。信号の組み合わせは、エミッション・バンドを判別及び識別するために分析され得る。図７−２Ｅから図７−２Ｈは、４つの別個のエミッション・パターンに露出される２セグメントのセンサー２−１２２からの信号の数値シミュレーションからの結果を表している。見ることができるように、２つのセンサー・セグメントからの信号のそれぞれの組み合わせは別個であり、４つの波長においてエミッター同士の間を差別するために使用され得る。シミュレーションに関して、ブルズ・アイ・センサー７−１６２の外側の検出器セグメントはより大きい面積を有していたので、その検出器に関して、より多くの信号が集積された。追加的に、検出器同士の間の領域に衝突した光がキャリアを発生させ、キャリアは、いずれかの検出器セグメントに向けてドリフトし、両方のセグメントからの信号に寄与することが可能である。
【０２８１】
いくつかの実施形態では、ピクセル当たりＮ個のフォトディテクター・セグメントが存在することが可能であり、ここで、Ｎは、任意の整数値であることが可能である。いくつかの実施形態では、Ｎは、１以上であり、かつ、１０以下であることが可能である。他の実施形態では、Ｎは、２以上であり、かつ、５以下であることが可能である。Ｎ個の検出器によって検出され得る判別可能なサンプル・エミッション（たとえば、異なる発光性タグからの別個のエミッション波長）の数Ｍは、Ｎ以上であることが可能である。Ｍ個のサンプル・エミッションの判別は、いくつかの実施形態によれば、それぞれのセンサー・セグメントからの信号の比率を評価することによって実現され得る。いくつかの実施形態では、受け取られる信号の比率、合計、及び／又は振幅が、サンプル・ウェルからのエミッションの特性波長を決定するために、測定及び分析され得る。
【０２８２】
いくつかの実施形態では、２つ以上のエミッターが、サンプル・ウェル２−２１１の中で、所与の時間ウィンドウの中で、異なる特性波長を放出することが可能である。センサー２−１２２は、異なる波長において、複数のエミッションからの信号を同時に検出し、データ・プロセッシングのために合計された信号を提供することが可能である。いくつかの実施形態では、マルチ波長エミッションは、センサー・セグメントからの信号値の別のセットとして区別可能であり得る（たとえば、図７−２Ｅから図７−２Ｈに示されているものとは異なる信号値）。信号値は、マルチ波長エミッションが起こったということを判別するために、及び、エミッションに関連付けられるエミッターの特定の組み合わせを特定するために、分析され得る。
【０２８３】
また、本発明者は、４つの同心円状のセグメントを有するブルズ・アイ・センサーを考えて分析した。セグメントからの信号が、図７−２Ｇ及び図７−２Ｈにそれぞれ関連付けられる同じエミッション条件に関して、図７−２Ｉ及び図７−２Ｊにプロットされている。また、４セグメントのブルズ・アイ・センサーは、サンプル・ウェルの中の特定のエミッターを特定するために分析され得る識別可能な信号を示している。
【０２８４】
波長フィルタリングがそれぞれのセンサー・セグメントにおいて使用されるとき、又は、スペクトルの分離が高いときには、センサーのそれぞれのセグメントは、選択されたエミッション・バンドだけを実質的に検出することが可能である。たとえば、第１の波長は、第１のセグメントによって検出され得、第２の波長は、第２のセグメントによって検出され得、第３の波長は、第３のセグメントによって検出され得る。
【０２８５】
再び図７−１Ａを参照すると、ピクセル２−１００の中に追加的な電子回路７−１２５が存在することが可能であり、それは、センサー２−１２２のそれぞれのセグメントからの信号を収集及び読み出すために使用され得る。図７−３Ａ及び図７−３Ｄは、いくつかの実施形態によれば、マルチ・セグメント・センサーと組み合わせて使用され得る回路を示している。例として、信号収集回路７−３１０は、それぞれのセンサー・セグメントに関する３つのトランジスターからなることが可能である。３つのトランジスターの配置が、いくつかの実施形態によれば、図７−３Ｂに示されている。それぞれのセグメントに関連付けられている電荷蓄積ノード７−３１１において、信号レベルは、リセット・トランジスターＲＳＴによってリセットされ得、（電荷蓄積ノードにおける電荷の量によって決定される）セグメントに関する信号レベルは、リード・トランジスターＲＤによって読み出され得る。
【０２８６】
ピクセル回路は、いくつかの実施形態によれば、増幅及び相関したダブル・サンプリング回路７−３２０をさらに含むことが可能である。増幅及びダブル・サンプリング回路は、センサー・セグメントからの信号を増幅させるように構成されているトランジスターと、たとえば、エミッション・エネルギーがセンサーの上に存在しないときに（たとえば、サンプル・ウェルにおける励起エネルギーの印加の前に）、電荷蓄積ノードにおける電圧レベルをリセットするように、及び、ノードにおける背景信号又は「リセット」信号を読み出すように、及び、その後のエミッション信号を読み取るように構成されているトランジスターとからなることが可能である。
【０２８７】
いくつかの実施形態によれば、相関したダブル・サンプリングは、検出されるエミッション信号レベルから背景又はリセット信号レベルを差し引くことによって、背景雑音を低減させるために用いられる。センサーのそれぞれのセグメントに関連付けられる収集されたエミッション信号及び背景信号は、縦列ライン７−３３０の上に読み出され得る。いくつかの実施形態では、エミッション信号レベル及び背景信号は、共通の縦列ラインの上に時分割多重化される。それぞれのセンサー・セグメントに関して別々の縦列ラインが存在することが可能である。縦列ラインからの信号は、増幅回路７−３４０（それは、アクティブ・ピクセル・アレイの外側に位置付けされ得る）によってバッファリング及び／又は増幅され、さらなるプロセッシング及び分析のために提供され得る。いくつかの実施形態では、ダブル・サンプリングされた信号の引き算が、たとえば、システム・プロセッサーによって、チップ外で計算される。他の実施形態では、引き算は、チップの上で、又は、ベース機器の回路の中で行われ得る。
【０２８８】
相関したダブル・サンプリングのいくつかの実施形態は、サンプルに対して横列を選択することによって動作させられ得、横列に関連付けられるセンサーは、サンプリング期間にわたって集積された信号電荷を有し、信号レベルを含有する。信号レベルは、縦列ラインの上に同時に読み出され得る。集積された信号レベルをサンプリングした後に、選択された横列の中のすべてのピクセルがリセットされ、即座にサンプリングされ得る。このリセット・レベルは、次に集積される信号に相関させられ得、それは、リセットが解放された後に蓄積を開始し、同じ横列が再び選択されるときに、フレーム時間を後で集積することを終了する。いくつかの実施形態では、フレームのリセット値は、チップ外で保存され得、信号が集積を終了し、サンプリングされたときには、保存された相関したリセット値が差し引かれ得るようになっている。
【０２８９】
いくつかの実施形態では、３つ以上のセグメントを備えるセンサー２−１２２は、追加的な回路を必要とする可能性がある。図７−３Ｃは、クワッド・センサーに関連付けられる信号収集７−３１２、増幅７−３２０、及びダブル・サンプリング回路を示している。いくつかの実施形態によれば、２つ以上のセグメントからの信号が、図面に示されているように、ピクセルにおいて、共通の信号チャネルの上に時分割多重化され得る。時分割多重化された信号は、騒音消去のために、それぞれのセグメントに関してサンプリングされた背景信号を含むことが可能である。追加的に、２つ以上のセグメントからの信号は、共通の縦列ラインの上に時分割多重化され得る。
【０２９０】
いくつかの実施形態によれば、時間的な信号取得技法が、１つ又は複数の励起供給源からの背景信号レベルを低減させるために、及び／又は、サンプルに関連付けられる異なるエミッターからの異なるエミッションを判別するために、使用され得る。図７−４Ａは、いくつかの実施形態によれば、サンプルにタグを付けるために使用され得る２つの異なるエミッターからの蛍光エミッション及び減衰を示している。２つのエミッションは、目に見えて異なる時間減衰特性を有している。第１のエミッターからの第１の時間減衰曲線７−４１０は、ローダミンなどのような共通の蛍光分子に対応することが可能である。第２の時間減衰曲線７−４２０は、量子ドット又はリン光性エミッターなどのような、第２のエミッターの特性であることが可能である。両方のエミッターは、エミッターの初期励起の後のしばらくの間延在するエミッション減衰テールを示す。いくつかの実施形態では、エミッション減衰テールの間に適用される信号収集技法は、いくつかの実施形態では、励起供給源からの背景信号を低減させるために、及び、いくつかの実施形態では、エミッター同士の間を区別するために、タイミングを選んで行われ得る。
【０２９１】
いくつかの実施形態によれば、時間遅延サンプリングが、エミッション減衰テールの間に用いられ、励起供給源からの放射線に起因する背景信号を低減させることが可能である。図７−４Ｂ及び図７−４Ｃは、いくつかの実施形態による、時間遅延サンプリングを図示している。図７−４Ｂは、励起供給源からの励起エネルギーの励起パルス７−４４０、及び、サンプル・ウェルの中で励起されるサンプルから得られ得るその後のエミッション・パルス７−４５０の時間的な進展を示している。励起パルス７−４４０は、図７−４Ｃに示されているように、短い時間の期間にわたりドライブ信号７−４４２によって、励起供給源を駆動する結果として生じることが可能である。たとえば、ドライブ信号は、第１の時間ｔ１において開始し、第２の時間ｔ２において終了することが可能である。ドライブ信号の持続期間（ｔ２−ｔ１）は、いくつかの実施形態によれば、約１ピコ秒から約５０ナノ秒の間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、より短い持続期間も使用され得る。
【０２９２】
励起供給源のためのドライブ信号の終端に続く時間ｔ３において、ピクセルにおけるセンサー３−２６０（又は、センサー・セグメント）は、時間ｔ３から時間ｔ４に延在する第２の時間インターバルの間に、電荷蓄積ノード７−３１１において電荷を蓄積するようにゲートでコントロールされ得る。第２の時間インターバルは、いくつかの実施形態によれば、約１ナノ秒から約５０マイクロ秒の間であることが可能であるが、いくつかの実施形態では、他の持続期間も使用され得る。図７−４Ｂを参照して見ることができるように、電荷蓄積ノードは、放出するサンプルに起因して、次いで、励起供給源に起因して、より多くの信号電荷を収集することとなる。したがって、改善された信号対雑音比が得られ得る。
【０２９３】
再び図７−４Ａを参照すると、エミッターの異なる時間的なエミッション特性に起因して、センサーにおける対応する信号は、異なる時間においてピークとなることが可能である。いくつかの実施形態では、エミッション減衰テールの間に適用される信号−取得技法は、異なるエミッターを判別するために使用され得る。いくつかの実施形態では、時間的な検出技法は、（たとえば、図７−２に関連して上記に説明されているように）空間的な及びスペクトルの技法と組み合わせて使用され、異なるエミッターを判別することが可能である。
【０２９４】
図７−４Ｄから図７−４Ｈは、センサー又はセンサー・セグメントにおけるダブル・サンプリングがどのように使用され、異なる時間的なエミッション特性を有する２つのエミッターの間を区別することができるかということを図示している。図７−４Ｄは、第１のエミッター及び第２のエミッターにそれぞれ関連付けられるエミッション曲線７−４７０、７−４７５を示している。例として、第１のエミッターは、ローダミンなどのような共通のフルオロフォアであることが可能であり、第２のエミッターは、量子ドット又はリン光性エミッターであることが可能である。
【０２９５】
図７−４Ｅは、図７−４Ｄの２つの異なるエミッション特性に応答して起こり得る、電荷蓄積ノード７−３１１における動的な電圧レベルを表している。例では、蛍光エミッターに対応する第１の電圧曲線７−４７２は、より短いエミッション・スパンに起因して、より急速に変化し、第１の時間ｔ１において、その最大（又は、ノードの極性に応じて、最小）に到達することが可能である。第２の電圧曲線７−４７７は、第２のエミッターのより長いエミッション特性に起因して、よりゆっくりと変化し、第２の時間ｔ２において、その最大（又は、最小）に到達することが可能である。
【０２９６】
いくつかの実施形態では、電荷蓄積ノードのサンプリングは、図７−４Ｆに示されているように、サンプル励起の後の２つの時間ｔ３、ｔ４において行われ得る。たとえば、第１の読み取り信号７−４８１は、第１の時間ｔ３において、電荷蓄積ノードからの第１の電圧値を読み出すために適用され得る。その後に、第２の読み取り信号７−４８２は、第１の読み取りから第２の読み取りの間に電荷蓄積ノードをリセットすることなく、第２の時間ｔ４において、電荷蓄積ノードからの第２の電圧値を読み出すために適用され得る。次いで、２つのサンプリングされる信号値の分析が使用され、２つのエミッターのうちのどちらが検出された信号レベルを提供したかということを特定することが可能である。
【０２９７】
図７−４Ｇは、図７−４Ｄに示されているようなエミッション曲線７−４７０を有する第１のエミッターに関して得られ得る、第１の読み取り及び第２の読み取りからの２つの信号の例を示している。図７−４Ｈは、図７−４Ｄに示されているようなエミッション曲線７−４７５を有する第２のエミッターに関して得られ得る、第１の読み取り及び第２の読み取りからの２つの信号の例を示している。たとえば、第１のエミッターに関して図７−４Ｆに示されているサンプリング・シークエンスは、曲線７−４７２をサンプリングし、２つの読み取り時間においておおよそ同じ値を得ることとなる。第２のエミッターのケースでは、図７−４Ｆに示されているサンプリング・シークエンスは、２つの読み取り時間において、曲線７−４７７の２つの異なる値をサンプリングする。結果として生じる２つの読み取り時間からの信号の対は、２つのエミッターの間を区別しており、それぞれのエミッターを特定するために分析され得る。また、いくつかの実施形態によれば、背景引き算に関するダブル・サンプリングが、第１及び第２の読み取り信号から背景信号を差し引くために実行され得る。
【０２９８】
動作時には、センサー・チップのセンサー２−２６０は、分析されることとなる試料からのデータ収集の前に、波長キャリブレーション手順を受けることが可能である。波長キャリブレーション手順は、センサー・チップとともに使用され得るフルオロフォア波長に対応する可能性があるか、又は対応しない可能性がある特性波長を有する異なる公知のエネルギーをセンサーに受けさせることを含むことが可能である。異なるエネルギーが、シークエンスにおいて印加され得、キャリブレーション信号が、それぞれのエネルギーに関してセンサーから記録され得るようになっている。次いで、キャリブレーション信号は、参照信号として保存され得、参照信号は、実際のデータ収集を処理するために、及び、どの１つ又は複数のエミッション波長がセンサーによって検出されるかということを決定するために使用され得る。
【０２９９】
Ｖ．  発光性マーカ
実施形態は、分析されている試料の中のサンプル（たとえば、単一分子）を標識するために任意の適切な発光性マーカを使用することが可能である。いくつかの実施形態では、市販のフルオロフォアが使用され得る。例として、及び、限定としてではなく、以下のフルオロフォア、Ａｔｔｏ  Ｒｈｏ  １４（「ＡＴＲｈｏ１４」）、Ｄｙｌｉｇｈｔ  ６５０（「Ｄ６５０」）、ＳｅｔａＴａｕ  ６４７（「ＳＴ６４７」）、ＣＦ  ６３３（「Ｃ６３３」）、ＣＦ  ６４７（「Ｃ６４７」）、Ａｌｅｘａ  ｆｌｕｏｒ  ６４７（「ＡＦ６４７」）、ＢＯＤＩＰＹ  ６３０／６５０（「Ｂ６３０」）、ＣＦ  ６４０Ｒ（「Ｃ６４０Ｒ」）、及び／又はＡｔｔｏ  ６４７Ｎ（「ＡＴ６４７Ｎ」）が使用され得る。追加的に及び／又は随意的に、発光性マーカが、任意の適切な方式で修飾され、サンプル分析プロセスの速度及び精度を増加させることが可能である。たとえば、光安定剤が、発光性マーカにコンジュゲートされ得る。光安定剤の例は、それに限定されないが、脱酸素剤又は三重項状態消光剤を含む。光安定剤を発光性マーカにコンジュゲートすることは、放出される光子のレートを増加させることが可能であり、また、発光性マーカが光子を放出しない場合の「点滅」効果を低減させることが可能である。いくつかの実施形態では、生物学的なイベントがミリ秒スケールで起こるときに、光子エミッションのレートの増加が、生物学的なイベントの検出の可能性を増加させることが可能である。光子イベントのレートの増加は、その後に、発光信号の信号対雑音比を増加させ、測定が行われているレートを増加させることが可能であり、より速くてより正確なサンプル分析につながる。
【０３００】
ＶＩ．  励起供給源
励起供給源２−２５０は、アッセイ・チップの少なくとも１つのサンプル・ウェル２−１１１に励起エネルギーを送達するように配置されている任意の適切な供給源であることが可能である。アッセイ・チップの上のピクセルは、パッシブ・ソース・ピクセルであることが可能である。「パッシブ・ソース・ピクセル」という用語は、励起エネルギーが、ピクセル又はアッセイ・チップのピクセル・アレイの外側の領域からピクセルへ送達され、たとえば、励起が機器の中にあり得る、ピクセルを表すために使用されている。
【０３０１】
いくつかの実施形態によれば、励起供給源は、放射プロセスを介してサンプルを励起することが可能である。たとえば、励起供給源は、可視放射線（たとえば、約３５０ｎｍから約７５０ｎｍの間の波長を有する放射線）、近赤外線の放射線（たとえば、約０．７５ミクロンから約１．４ミクロンの間の波長を有する放射線）、及び／又は、短波長赤外線の放射線（たとえば、約１．４ミクロンから約３ミクロンの間の波長を有する放射線）を、アッセイ・チップの少なくとも１つのサンプル・ウェルの少なくとも１つの励起領域３−２１５に提供することが可能である。いくつかの実施形態では、放射励起供給源は、サンプル・ウェルの励起領域に直接隣接している媒介体（たとえば、分子、量子ドット、又は、選択された分子及び／もしくは量子ドットからなる材料の層）を励起するために、エネルギーを提供することが可能である。媒介体は、非放射プロセスを介して（たとえば、ＦＲＥＴ又はＤＥＴを介して）、そのエネルギーをサンプルに伝達することが可能である。
【０３０２】
いくつかの実施形態では、励起供給源は、励起エネルギーの２つ以上の供給源を提供することが可能である。たとえば、放射励起供給源は、２つ以上の別個のスペクトル特性を有する励起エネルギーを送達することが可能である。例として、マルチ・カラーＬＥＤは、２つ以上の波長に集中したエネルギーを放出することが可能であり、これらのエネルギーは、サンプル・ウェルの励起領域に送達され得る。
【０３０３】
概観では、及び、いくつかの実施形態によれば、機器は、少なくとも１つの励起供給源２−２５０を含み、アッセイ・チップの少なくとも１つのサンプル・ウェルの少なくとも１つの励起領域に、又は、励起エネルギーを変換し、もしくは、１つ又は複数の励起領域の中の少なくとも１つのサンプルに励起エネルギーをカップリングする、少なくとも１つの媒介体に、励起エネルギーを提供することが可能である。図２−３に示されているように、励起供給源２−２５０からの放射線励起エネルギー２−２５１は、たとえば、サンプル・ウェル２−２１１の周りの領域に衝突することが可能である。いくつかの実施形態では、サンプル・ウェルの励起領域２−２１５の中に入射励起エネルギーを集中させるのを支援する励起カップリング構造体２−２２３が存在することが可能である。
【０３０４】
励起供給源は、特性波長をそれぞれ有する１つ又は複数の別個のスペクトル・バンドによって特徴付けられ得る。単なる教育目的のためだけに、励起供給源からのスペクトル・エミッションの例が、図８−１Ａのスペクトル・グラフに示されている。励起エネルギーは、スペクトル励起バンド８−１１０の中に実質的に含有され得る。スペクトル励起バンドのピーク波長８−１２０は、励起エネルギーを特徴付けるために使用され得る。また、励起エネルギーは、スペクトル分布、たとえば、図面に示されているような半値全幅（ＦＷＨＭ）値によって、特徴付けられ得る。図８−１Ａに示されているようにエネルギーを作り出す励起供給源は、おおよそ５４０ｎｍ放射線の波長においてエネルギーを送達するものとして、及び、おおよそ５５ｎｍのＦＷＨＭバンド幅を有するものとして、特徴付けられ得る。
【０３０５】
図４−１Ｂは、２つの励起エネルギー・バンドを１つ又は複数のサンプル・ウェルに提供することができる１つの励起供給源（又は、複数の励起供給源）のスペクトル特性を示している。いくつかの実施形態によれば、図面に図示されているように、第１の励起バンド８−１１２は、おおよそ５３２ｎｍにあり、第２の励起バンド８−１１４は、おおよそ６３８ｎｍにある。いくつかの実施形態では、第１の励起バンドは、おおよそ６３８ｎｍにあることが可能であり、第２の励起バンドは、おおよそ６５０ｎｍにあることが可能である。いくつかの実施形態では、第１の励起バンドは、おおよそ６８０ｎｍにあることが可能であり、第２の励起バンドは、おおよそ６９０ｎｍにあることが可能である。いくつかの実施形態によれば、励起バンドのピークは、これらの値の±５ｎｍの中にあることが可能である。
【０３０６】
いくつかのケースでは、放射励起供給源は、図８−１Ａに示されているように、幅広い励起バンドを作り出すことが可能である。幅広い励起バンド８−１１０は、いくつかの実施形態によれば、おおよそ２０ｎｍよりも大きいバンド幅を有することが可能である。幅広い励起バンドは、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）によって作り出され得る。いくつかの実施形態では、放射励起供給源は、図８−１Ｂに示されているように、幅の狭い励起バンドを作り出すことが可能である。幅の狭い励起バンドは、たとえば、レーザ・ダイオードによって作り出され得、又は、ＬＥＤからの出力をスペクトル的にフィルタリングすることによって作り出され得る。
【０３０７】
いくつかの実施形態では、励起供給源は、光供給源であることが可能である。任意の適切な光供給源が使用され得る。いくつかの実施形態は、インコヒーレント光の供給源を使用することが可能であり、他の実施形態は、コヒーレント光供給源を使用することが可能である。例として、及び、限定としてではなく、いくつかの実施形態によるインコヒーレント光供給源は、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、量子ドット（ＱＬＥＤ）、ナノワイヤーＬＥＤ、及び（無機）有機半導体ＬＥＤなどのような、異なるタイプの発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことが可能である。例として、及び、限定としてではなく、いくつかの実施形態によるコヒーレント光供給源は、有機レーザ、量子ドット・レーザ、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、端面発光型レーザ、及び分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ・ダイオードなどのような、異なるタイプのレーザを含むことが可能である。追加的に又は代替的に、スラブ結合光導波路レーザ（ＳＣＯＷＬ）、又は、他の非対称のシングル・モードの導波路構造体が使用され得る。追加的に又は代替的に、レーザ・ダイオード又はフラッシュランプによって励起されるＮｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ガラスなどのような、ソリッド・ステート・レーザが使用され得る。追加的に又は代替的に、ファイバー・レーザによって励起されるレーザ・ダイオードが使用され得る。いくつかの実施形態では、レーザ励起供給源の出力は、非線形結晶、又は周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、又は、他の同様の周期的分極反転非線形結晶の中で、波長の半分に対して周波数が２倍になることが可能である。この周波数ダブリング・プロセスは、効率的なレーザの使用が、励起にとってより適切な波長を発生させることを可能にすることができる。ピクセルのアレイに関して、２つ以上のタイプの励起供給源が存在することが可能である。いくつかの実施形態では、異なるタイプの励起供給源が組み合わせられ得る。励起供給源は、選択されたタイプの励起供給源を製作するために使用される従来の技術にしたがって製作され得る。
【０３０８】
励起エネルギーの供給源の特性波長は、アッセイ分析において使用される発光性マーカの選択に基づいて選択され得る。いくつかの実施形態では、励起エネルギーの供給源の特性波長は、選ばれたフルオロフォアの直接励起（たとえば、単一の光子励起）に関して選択される。いくつかの実施形態では、励起エネルギーの供給源の特性波長は、間接励起（たとえば、多光子励起、又は、直接励起を提供することとなる波長への高調波変換）に関して選択される。いくつかの実施形態では、励起エネルギーは、サンプル・ウェルへの適用に関して特定の波長で励起エネルギーを発生させるように構成されている光供給源によって発生させられ得る。いくつかの実施形態では、励起供給源の特性波長は、サンプルからの対応するエミッションの特性波長よりも小さいことが可能である。いくつかの実施形態では、励起供給源の特性波長は、サンプルからのエミッションの特性波長よりも大きいことが可能であり、サンプルの励起は、多光子吸収を通して起こることが可能である。
【０３０９】
励起供給源は、バッテリー又は任意の他の電源を含むことが可能であり、それは、集積されたバイオ分析デバイス以外のどこかに位置付けされ得る。たとえば、励起供給源は、機器の中に位置付けされ得、電力は、導電性ワイヤー及びコネクターを介して、集積されたバイオ分析デバイスにカップリングされ得る。
【０３１０】
ＶＩＩＩ．  使用方法、機器動作、及びユーザ・インタフェース
機器２−１２０は、ソフトウェア及び／又はハードウェアを使用して制御され得る。たとえば、機器は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ及び／又は、ソフトウェアを実行する汎用プロセッサーなどのような、プロセッシング・デバイス１−１２３を使用して制御され得る。
【０３１１】
図９−１は、いくつかの実施形態による、機器２−１２０の動作のフローチャートを図示している。ユーザが分析するために試料を獲得した後に、ユーザは、行為９−１０１において、新しい分析を始める。これは、ユーザ・インターフェース２−１２５を介して機器２−１２０に指示を提供することによって、たとえば、ボタンを押すことなどによって行われ得る。行為９−１０３において、機器２−１２０は、以前に行われた分析からのアッセイ・チップ２−１１０が機器２−１２０の中に依然として挿入されているかどうかということをチェックする。古いチップが存在しているということが決定される場合には、行為９−１０５において、励起供給源への電力が切られ得、ユーザは、行為９−１０７において、ユーザ・インターフェース２−１２５のインジケーターを使用して以前のチップを取り出すように促され、機器２−１２０は、行為９−１０９において、チップが取り出されることを待つ。
【０３１２】
以前のチップがユーザによって取り出されるときには、又は、機器２−１２０が、行為９−１０３において、以前のチップがすでに除去されたということを決定した場合には、ユーザは、行為９−１１１において、新しい分析のための新しいアッセイ・チップ２−１１０を挿入するように促される。次いで、機器２−１２０は、行為９−１１３において、新しいアッセイ・チップ２−１１０が挿入されることを待つ。ユーザが新しいチップを挿入するときには、ユーザは、行為９−１１５において、分析されることとなる試料を、アッセイ・チップ２−１１０の露出された上部表面の上に置くように、ユーザ・インターフェース２−１２５のインジケーターによって促され、また、機器２−１２０の上に蓋を閉じるように促される。次いで、機器２−１２０は、行為９−１１７において、蓋が閉じられることを待つ。蓋がユーザによって閉じられるときには、行為９−１１９において、励起供給源は、アッセイ・チップ２−１１０のサンプル・ウェルの中に存在する試料のサンプル部分を励起させるための励起エネルギーを作り出すように駆動され得る。行為８−１２１において、サンプルからのエミッション・エネルギーは、センサー２−１２２によって検出され、センサー２−１２２からのデータは、分析のためにプロセッシング・デバイス２−１２３に流される。いくつかの実施形態では、データは、外部コンピューティング・デバイス２−１３０に流され得る。行為２−１２３において、機器２−１２０は、データ収集が完了したかどうかということをチェックする。データ収集は、特定の時間の長さの後に完了され得、励起供給源からの励起パルスの特定の数、又は、１つの特定のターゲットが特定された。データ収集が完了したときに、データ分析は、９−１２５において終了される。
【０３１３】
図９−２は、いくつかの実施形態による例示的な自己キャリブレーション・ルーチンを図示している。キャリブレーション・ルーチンは、試料の分析の前の任意の適切な時間に実行され得る。たとえば、それは、エンド・ユーザへの出荷の前に、それぞれの機器に関する製造業者によって一度行われ得る。代替的に、エンド・ユーザは、任意の適切な時間にキャリブレーションを実施することが可能である。上記に議論されているように、機器２−１２０は、異なるサンプルから放出された異なる波長を有するエミッション・エネルギーの間を区別することが可能である。機器２−１２０及び／又はコンピューティング・デバイス２−１３０は、たとえば、分析されている試料の分子にタグを付けるために使用される発光性タグに関連付けられる光のそれぞれの特定の色に関連付けられるキャリブレーションによってキャリブレートされ得る。このように、特定の色に関連付けられる正確な出力信号が決定され得る。
【０３１４】
デバイスをキャリブレートするために、単一の発光性タグに関連付けられたキャリブレーション試料が、１つずつ機器２−１２０に提供される。ユーザが、アッセイ・チップ２−１１０の上に単一の波長のエミッション・エネルギーを放出する発光性タグからなる試料を置き、機器２−１２０の中へアッセイ・チップ２−１１０を挿入するときに、自己キャリブレーションが、行為９−２０１において開始する。ユーザ・インターフェース２−１２５を使用して、ユーザは、自己キャリブレーションを開始するように機器２−１２０に指示する。それに応答して、行為８−２０３において、機器２−１２０は、励起エネルギーによってアッセイ・チップ２−１１０を照射することによって、及び、キャリブレーション試料からの単一の波長エミッション・エネルギーを測定することによって、キャリブレーション分析を走らせる。次いで、機器２−１２０は、行為９−２０５において、センサー・アレイのそれぞれのピクセルに関するセンサー２−１２２のサブ・センサーのアレイの上で測定される検出パターンをセーブすることが可能である。それぞれの発光性タグに関する検出パターンは、発光性タグに関連付けられる検出シグネチャーと考えられ得る。このように、シグネチャーは、その後の分析ランにおいて分析される未知のサンプルから受け取られるデータを分析するために使用されるトレーニング・データ・セットとして使用され得る。
【０３１５】
次いで、上記のキャリブレーション・ルーチンは、単一の発光性タグに関連付けられるすべてのキャリブレーション試料に関して実行され得る。このように、ピクセルのアレイのそれぞれのセンサー２−１２２は、キャリブレーション・データに関連付けられており、キャリブレーション・データは、キャリブレーション・ルーチンの完了の後に、行為９−２０７において実施されるその後の分析の間に、サンプル・ウェルの中に存在する発光性タグを決定するために使用され得る。
【０３１６】
図９−３は、いくつかの実施形態にしたがって、キャリブレーション・データがデータを分析するためにどのように獲得及び使用され得るかということをさらに図示している。行為９−３０１において、キャリブレーション・データが、センサーから得られる。これは、上述の自己キャリブレーション・ルーチンを使用して行われ得る。行為９−３０３において、変換行列が、キャリブレーション・データに基づいて発生させられる。変換行列は、センサー・データをサンプルのエミッション波長にマッピングし、また、ｍｘｎ行列であり、ここで、ｍは、異なるエミッション波長を備える発光性タグの数であり、ｎは、ピクセル当たりのエミッション・エネルギーを検出するために使用されるサブ・センサーの数である。したがって、変換行列のそれぞれの列は、センサーに関するキャリブレーション値を表している。たとえば、ピクセル当たりに４つのサブ・センサー、及び、５つの異なる発光性タグが存在する場合には、変換行列は、４ｘ５行列（すなわち、４つの行及び５つの列）であり、それぞれの列は、異なる発光性タグに関連付けられており、列の中の値は、自己キャリブレーション・ルーチンの間にサブ・センサーから得られる測定値に対応している。いくつかの実施形態では、それぞれのピクセルは、それ自身の変換行列を有することが可能である。他の実施形態では、ピクセルのうちの少なくともいくつかからのキャリブレーション・データは、平均され得、次いで、すべてのピクセルが、平均されたデータに基づいて同じ変換行列を使用することが可能である。
【０３１７】
行為９−３０５において、バイオアッセイに関連付けられる分析データが、センサーから得られる。これは、上記に説明されている方式のいずれかで行われ得る。行為９−３０７において、エミッション・エネルギーの波長、及び／又は、発光性タグのアイデンティティーが、変換行列及び分析データを使用して決定され得る。これは、任意の適切な方式で行われ得る。いくつかの実施形態では、分析データは、変換行列の擬似逆行列を乗じ、ｍｘ１ベクトルを結果として生じさせる。次いで、最大値を備えるベクトル成分に関連付けられる発光性タグが、サンプル・ウェルの中に存在している発光性タグとして特定され得る。実施形態は、この技法に限定されない。いくつかの実施形態では、小さい値を備える行列の逆行列がとられるときに生じ得る、可能性のある病理を防止するために、最小二乗法方法又は最尤技法などのような、制限付きの最適化ルーチンが、サンプル・ウェルの中に存在する発光性タグを決定するために行われ得る。
【０３１８】
センサーからのデータを分析するためにキャリブレーション・データを使用する先述の方法は、任意の適切なプロセッサーによって実施され得る。たとえば、機器２−１２０のプロセッシング・デバイス２−１２３が、分析を実施することが可能であり、又は、コンピューティング・デバイス２−１３０が、分析を実施することが可能である。
【０３１９】
ＩＸ．  コンピューティング・デバイス
図１０は、実施形態がその上に実施され得る適切なコンピューティング・システム環境１０００の例を図示している。たとえば、図２−１のコンピューティング・デバイス２−１３０が、コンピューティング・システム環境１０００にしたがって実施され得る。追加的に、コンピューティング・システム環境１０００は、制御システムとしての役割を果たすことが可能であり、制御システムは、アッセイを実施するように機器を制御するようにプログラムされている。たとえば、制御システムは、光を放出し、アッセイ・チップのサンプル・ウェルに向けて光を方向付けするように、励起供給源を制御することが可能であり、また、サンプル・ウェルの中の１つ又は複数のサンプルからのエミッション光の検出を可能にするように、センサーを制御することが可能であり、また、たとえば、エミッション・エネルギーの空間的な分布を分析することによって、センサーからの信号を分析し、サンプル・ウェルの中に存在するサンプルを特定することが可能である。コンピューティング・システム環境１０００は、適切なコンピューティング環境の単なる１つの例であり、本発明の使用又は機能性の範囲に関する限定を提案することはまったく意図していない。いずれのコンピューティング環境１０００も、例示的な動作環境１０００の中に図示されているコンポーネントの任意の１つ又は組み合わせに関する任意の依存性又は要求を有するものとして解釈されるべきではない。
【０３２０】
実施形態は、多数の他の汎用又は専用コンピューティング・システム環境又は構成とともに動作可能である。本発明とともに使用するのに適切であり得る、周知のコンピューティング・システム、環境、及び／又は構成の例は、それに限定されないが、パーソナル・コンピュータ、サーバ・コンピュータ、ハンド・ヘルド又はラップトップ・コンピュータ・デバイス、マルチプロセッサー・システム、マイクロプロセッサー・ベースのシステム、セット・トップ・ボックス、プログラム可能なコンシューマ・エレクトロニクス、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレーム・コンピュータ、及び、上記のシステム又はデバイスのいずれかを含む分散型コンピューティング環境などを含む。
【０３２１】
コンピューティング環境は、プログラム・モジュールなどのような、コンピュータ実行可能な命令を実行することが可能である。一般に、プログラム・モジュールは、特定のタスクを実施し、又は特定の抽出データ・タイプを実施する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。また、本発明は、分散型コンピューティング環境において実践され得、そこでは、タスクが、通信ネットワークを通してリンクされている遠隔のプロセッシング・デバイスによって実施される。分散型コンピューティング環境では、プログラム・モジュールが、メモリー・ストレージ・デバイスを含む、ローカルのコンピュータ・ストレージ媒体及び遠隔のコンピュータ・ストレージ媒体の両方の中に位置付けされ得る。
【０３２２】
図１０を参照すると、本発明を実施するための例示的なシステムは、コンピュータ１０１０の形態の汎用コンピューティング・デバイスを含む。コンピュータ１０１０のコンポーネントは、それに限定されないが、処理ユニット１０２０、システム・メモリー１０３０、及びシステム・バス１０２１を含むことが可能であり、システム・バス１０２１は、システム・メモリーを含むさまざまなシステム・コンポーネントを処理ユニット１０２０にカップリングする。システム・バス１０２１は、さまざまなバス・アーキテクチャーのいずれかを使用するメモリー・バス又はメモリー・コントローラ、ペリフェラル・バス、及びローカル・バスを含む、いくつかのタイプのバス構造のいずれかであることが可能である。例として、及び、限定としてではなく、そのようなアーキテクチャーは、業界標準アーキテクチャー（ＩＳＡ）バス、マイクロ・チャネル・アーキテクチャー（ＭＣＡ）バス、拡張ＩＳＡ（ＥＩＳＡ）バス、ビデオ・エレクトロニクス・スタンダーズ・アソシエーション（ＶＥＳＡ）ローカル・バス、及び、メザニン・バスとしても知られるペリフェラル・コンポーネント・インターコネクト（ＰＣＩ）バスを含む。
【０３２３】
コンピュータ１０１０は、典型的に、さまざまなコンピュータ可読媒体を含む。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ１０１０によってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり、それは、揮発性の及び不揮発性の媒体、リムーバブルの及びノン・リムーバブルの媒体の両方を含む。例として、及び、限定としてではなく、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ・ストレージ媒体及び通信媒体からなることが可能である。コンピュータ・ストレージ媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラム・モジュール、又は他のデータなどのような、情報のストレージに関して任意の方法又は技術で実施された、揮発性の及び不揮発性の媒体、リムーバブルの及びノン・リムーバブルの媒体の両方を含む。コンピュータ・ストレージ媒体は、それに限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリー、もしくは、他のメモリー技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、もしくは、他の光ディスク・ストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク・ストレージ、もしくは、他の磁気ストレージ・デバイス、又は、所望の情報を保存するために使用され得、コンピュータ１０１０によってアクセスされ得る、任意の他の媒体を含む。通信媒体は、典型的に、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラム・モジュール、又は、たとえば、キャリア波又は他の輸送メカニズムなど、変調されたデータ信号の中の他のデータを具現化し、任意の情報送達媒体を含む。「変調されたデータ信号」という用語は、信号の中の情報を符号化するような様式で設定又は変化させられたその特性のうちの１つ又は複数を有する信号を意味している。例として、及び限定としてではなく、通信媒体は、ワイヤード・ネットワーク又はダイレクト・ワイヤード接続などのような、ワイヤード媒体、ならびに、音響媒体、ＲＦ媒体、赤外線媒体、及び他のワイヤレス媒体などのような、ワイヤレス媒体を含む。また、上記の任意の組み合わせは、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。
【０３２４】
システム・メモリー１０３０は、リード・オンリー・メモリー（ＲＯＭ）１０３１及びランダム・アクセス・メモリー（ＲＡＭ）１０３２などのような、揮発性の及び／又は不揮発性のメモリーの形態のコンピュータ・ストレージ媒体を含むことが可能である。基本入力／出力システム１０３３（ＢＩＯＳ）は、たとえば起動の間などにコンピュータ１０１０の中のエレメント同士の間で情報を伝達することを助ける基本ルーチンを含有しており、基本入力／出力システム１０３３（ＢＩＯＳ）は、典型的にＲＯＭ１０３１の中に保存される。ＲＡＭ１０３２は、典型的に、データ及び／又はプログラム・モジュールを含有し、データ及び／又はプログラム・モジュールは、処理ユニット１０２０に即座にアクセス可能であり、及び／又は、処理ユニット１０２０によって現在動作されている。例として、及び、限定としてではなく、図１０は、オペレーティング・システム１０３４、アプリケーション・プログラム１０３５、他のプログラム・モジュール１０３６、及びプログラム・データ１０３７を図示している。
【０３２５】
また、コンピュータ１０１０は、他のリムーバブルの／ノン・リムーバブルの揮発性の／不揮発性のコンピュータ・ストレージ媒体を含むことが可能である。単なる例として、図１０は、ノン・リムーバブルの不揮発性の磁気媒体に読み書きをするハード・ディスク・ドライブ１０４１、リムーバブルの不揮発性の磁気ディスク１０５２に読み書きをする磁気ディスク・ドライブ１０５１、及び、ＣＤ  ＲＯＭ又は他の光学的な媒体などのような、リムーバブルの不揮発性の光ディスク１０５６に読み書きをする光ディスク・ドライブ１０５５を図示している。例示的な動作環境において使用され得る他のリムーバブルの／ノン・リムーバブルの揮発性の／不揮発性のコンピュータ・ストレージ媒体は、それに限定されないが、磁気テープ・カセット、フラッシュ・メモリー・カード、デジタル多用途ディスク、デジタル・ビデオ・テープ、ソリッド・ステートＲＡＭ、及びソリッド・ステートＲＯＭなどを含む。ハード・ディスク・ドライブ１０４１は、典型的に、インターフェース１０４０などのようなノン・リムーバブル・メモリー・インターフェースを通して、システム・バス１０２１に接続され、また、磁気ディスク・ドライブ１０５１及び光ディスク・ドライブ１０５５は、典型的に、インターフェース１０５０などのようなリムーバブル・メモリー・インターフェースによって、システム・バス１０２１に接続されている。
【０３２６】
上記に議論されており、図１０に図示されている、ドライブ及びそれらの関連のコンピュータ・ストレージ媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラム・モジュール、及び、コンピュータ１０１０に関する他のデータのストレージを提供する。図１０では、たとえば、ハード・ディスク・ドライブ１０４１は、オペレーティング・システム１０４４、アプリケーション・プログラム１０４５、他のプログラム・モジュール１０４６、及びプログラム・データ１０４７を保存しているものとして図示されている。これらのコンポーネントは、オペレーティング・システム１０３４、アプリケーション・プログラム１０３５、他のプログラム・モジュール１０３６、及びプログラム・データ１０３７と同じであるか、又は、それらとは異なるかのいずれかであることが可能であるということに留意されたい。オペレーティング・システム１０４４、アプリケーション・プログラム１０４５、他のプログラム・モジュール１０４６、及びプログラム・データ１０４７は、ここでは異なる数字を与えられており、最低でも、それらが異なるコピーであるということを図示している。ユーザは、キーボード１０６２、及び、マウス、トラックボール、又はタッチ・パッドと一般に称されるポインティング・デバイス１０６１などのような、入力デバイスを通して、コンピュータ１０１０の中へ、コマンド及び情報を入力することが可能である。他の入力デバイス（図示せず）は、マイクロホン、ジョイスティック、ゲーム・パッド、サテライト・ディッシュ、又はスキャナーなどを含むことが可能である。これらの入力デバイス及び他の入力デバイスは、システム・バスにカップリングされているユーザ入力インターフェース１０６０を通して、処理ユニット１０２０に接続され得るが、それは、パラレル・ポート、ゲーム・ポート、又はユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）などのような、他のインターフェース及びバス構造によって接続されることが多い。また、モニター１０９１又は他のタイプのディスプレイ・デバイスが、ビデオ・インターフェース１０９０などのようなインターフェースを介して、システム・バス１０２１に接続されている。また、モニターに加えて、コンピュータは、スピーカ１０９７及びプリンター１０９６などのような、他のペリフェラル出力デバイスを含むことが可能であり、それは、出力ペリフェラル・インターフェース１０９５を通して接続され得る。
【０３２７】
コンピュータ１０１０は、遠隔のコンピュータ１０８０などのような１つ又は複数の遠隔のコンピュータへの論理的接続を使用して、ネットワーク化された環境において動作させられ得る。遠隔のコンピュータ１０８０は、パーソナル・コンピュータ、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、ピア・デバイス、又は、他の共通のネットワーク・ノードであることが可能であり、また、メモリー・ストレージ・デバイス１０８１だけが図１０に図示されているが、遠隔のコンピュータ１０８０は、典型的に、コンピュータ１０１０に関して上記に説明されているエレメントのうちの多く又はすべてを含む。図１０に示されている論理的接続は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）１０７１及びワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）１０７３を含むが、他のネットワークを含むことも可能である。そのようなネットワーキング環境は、オフィス、企業規模のコンピュータ・ネットワーク、イントラネット、及びインターネットにおいて普通である。
【０３２８】
ＬＡＮネットワーキング環境において使用されるときには、コンピュータ１０１０は、ネットワーク・インターフェース又はアダプター１０７０を通して、ＬＡＮ１０７１に接続されている。ＷＡＮネットワーキング環境において使用されるときには、コンピュータ１０１０は、典型的に、モデム１０７２、又は、インターネットなどのようなＷＡＮ１０７３を通した通信を確立するための他の手段を含む。モデム１０７２は、内部又は外部にあることが可能であり、モデム１０７２は、ユーザ入力インターフェース１０６０、又は他の適当なメカニズムを介して、システム・バス１０２１に接続され得る。ネットワーク化された環境では、コンピュータ１０１０に関して示されているプログラム・モジュール又はその一部分は、遠隔のメモリー・ストレージ・デバイスの中に保存され得る。例として、及び、限定としてではなく、図１０は、メモリー・デバイス１０８１の上にあるものとして、遠隔のアプリケーション・プログラム１０８５を図示している。示されているネットワーク接続は、例示的なものであり、コンピュータ同士の間で通信リンクを確立する他の手段も使用され得るということが認識されることとなる。
【０３２９】
ＶＩＩＩ．  結論
したがって、本発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様が説明されてきたが、さまざまな代替例、修正例、及び改善例が、当業者に容易に思いつくこととなるということが理解されるべきである。
【０３３０】
そのような代替例、修正例、及び改善例は、この開示の一部であるということが意図されており、また、本発明の精神及び範囲の中にあることが意図されている。さらに、本発明の利点が示されているが、本発明のすべての実施形態が、記載されているすべての利点を含むこととなるわけではないということが認識されるべきである。いくつかの実施形態は、本明細書で、及び、いくつかの場合において、有利であるとして説明されている任意の特徴を実施しなくてもよい。したがって、先述の説明及び図面は、単なる例としてのものである。
【０３３１】
本発明の上述の実施形態は、多数の方式のいずれかで実施され得る。たとえば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせを使用して実施され得る。ソフトウェアの中に実施されるときには、ソフトウェア・コードは、単一のコンピュータの中に設けられるか、又は、複数のコンピュータの間に分散されるかにかかわらず、任意の適切なプロセッサー、又は、プロセッサーの収集の上で実行され得る。そのようなプロセッサーは、集積回路として実施され得、１つ又は複数のプロセッサーを集積回路コンポーネントの中に備えており、それは、ＣＰＵチップ、ＧＰＵチップ、マイクロプロセッサー、マイクロコントローラ、又はコプロセッサーなどのような名前によって当技術分野で知られている市販の集積回路コンポーネントを含む。代替的に、プロセッサーは、プログラム可能なロジック・デバイスを構成することから結果として生じる、ＡＳＩＣなどのようなカスタム回路、又は、セミ・カスタム回路の中に実施され得る。さらなる代替例として、プロセッサーは、市販のものであろうと、セミ・カスタムであろうと、又はカスタムであろうと、より大きい回路又は半導体デバイスの一部分であることが可能である。特定の例として、いくつかの市販のマイクロプロセッサーは、複数のコアを有しており、それらのコアのうちの１つ又はサブセットが、プロセッサーを構成し得るようになっている。しかし、プロセッサーは、任意の適切なフォーマットの回路を使用して実施され得る。
【０３３２】
さらに、コンピュータは、ラック・マウント型コンピュータ、デスクトップ・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ、又はタブレット・コンピュータなどのような、多数の形態のいずれかで具現化され得るということが認識されるべきである。追加的に、コンピュータは、パーソナル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ）、スマート・フォン、又は、任意の他の適切なポータブルのもしくは固定された電子デバイスを含む、適切なプロセッシング能力を備えるが一般的にコンピュータとみなされないデバイスの中に埋め込まれ得る。
【０３３３】
また、コンピュータは、１つ又は複数の入力及び出力デバイスを有することが可能である。これらのデバイスは、とりわけ、ユーザ・インターフェースを提示するために使用され得る。ユーザ・インターフェースを提供するために使用され得る出力デバイスの例は、出力の視覚的表現に関するプリンター又は表示スクリーン、及び、出力の可聴表現に関するスピーカ又は他のサウンド発生デバイスを含む。ユーザ・インターフェースに関して使用され得る入力デバイスの例は、キーボード、ならびに、マウス、タッチ・パッド、及びデジタイジング・タブレットなどのような、ポインティング・デバイスを含む。別の例として、コンピュータは、音声認識を通して、又は、他の可聴フォーマットで、入力情報を受け取ることが可能である。
【０３３４】
そのようなコンピュータは、企業ネットワーク又はインターネットなどのような、ローカル・エリア・ネットワーク又はワイド・エリア・ネットワークを含む、１つ又は複数のネットワークによって、任意の適切な形態で相互接続され得る。そのようなネットワークは、任意の適切な技術に基づくことが可能であり、任意の適切なプロトコルにしたがって動作することが可能であり、ワイヤレス・ネットワーク、ワイヤード・ネットワーク、又は光ファイバー・ネットワークを含むことが可能である。
【０３３５】
また、本明細書で概説されているさまざまな方法又はプロセスは、さまざまなオペレーティング・システム又はプラットフォームのうちの任意の１つを用いる１つ又は複数のプロセッサーの上で実行可能なソフトウェアとして符号化され得る。追加的に、そのようなソフトウェアは、多数の適切なプログラミング言語及び／又はプログラミング・ツールもしくはスクリプティング・ツールのいずれかを使用して書かれ得、また、フレームワーク又はバーチャル・マシンの上で実行される実行可能なマシン語コード又は中間コードとしてコンパイルされ得る。
【０３３６】
この点において、本発明は、１つもしくは複数のコンピュータ又は他のプロセッサーの上で実行されるときに、上記に議論されている本発明のさまざまな実施形態を実施する方法を実施する１つ又は複数のプログラムによって符号化されたコンピュータ可読のストレージ媒体（又は、複数のコンピュータ可読媒体）（たとえば、コンピュータ・メモリー、１つ又は複数のフロッピー・ディスク、コンパクト・ディスク（ＣＤ）、光学ディスク、デジタル・ビデオ・ディスク（ＤＶＤ）、磁気テープ、フラッシュ・メモリー、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイもしくは他の半導体デバイスの中の回路構成、又は、他の有形的コンピュータ・ストレージ媒体）として具現化され得る。先述の例から明らかであるように、コンピュータ可読のストレージ媒体は、非一時的な形態のコンピュータ実行可能な命令を提供するのに十分な時間にわたって、情報を保持することが可能である。そのような１つ又は複数のコンピュータ可読のストレージ媒体は、輸送可能であり得、その上に保存された１つ又は複数のプログラムが、１つ又は複数の異なるコンピュータ又は他のプロセッサーの上にロードされ、上記に議論されているような本発明のさまざまな態様を実施することができるようになっている。本明細書で使用されているように、「コンピュータ可読のストレージ媒体」という用語は、製品（すなわち、製造品）又はマシンであると考えられ得るコンピュータ可読媒体だけを包含する。代替的に又は追加的に、本発明は、伝播信号などのような、コンピュータ可読のストレージ媒体以外のコンピュータ可読媒体として具現化され得る。
【０３３７】
「プログラム」又は「ソフトウェア」という用語は、上記に議論されているような本発明のさまざまな態様を実施するために、コンピュータ又は他のプロセッサーをプログラムするために使用され得る、コンピュータ・コード又はコンピュータ実行可能な命令の任意のタイプのセットを表すために、一般的な意味で、本明細書で使用され得る。追加的に、この実施形態の１つの態様によれば、実行されるときに、本発明の方法を実施する１つ又は複数のコンピュータ・プログラムは、単一のコンピュータ又はプロセッサーの上にある必要はなく、本発明のさまざまな態様を実施するために、複数の異なるコンピュータ又はプロセッサーの間にモジュラー方式で分散され得るということが認識されるべきである。
【０３３８】
コンピュータ実行可能な命令は、１つ又は複数のコンピュータ又は他のデバイスによって実行される、プログラム・モジュールなどのような多くの形態であることが可能である。一般的に、プログラム・モジュールは、特定のタスクを実施し、又は特定の抽出データ・タイプを実施する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。典型的に、プログラム・モジュールの機能性が、さまざまな実施形態において、必要に応じて、組み合わせられ又は分散させられ得る。
【０３３９】
また、データ構造は、任意の適切な形態で、コンピュータ可読媒体の中に保存され得る。図示を簡単にするために、データ構造は、データ構造の中の場所を通して関連するフィールドを有するように示され得る。そのような関係は、フィールドに関するストレージを、フィールド同士の間の関係を伝えるコンピュータ可読媒体の中の場所に割り当てることによって、同様に実現され得る。しかし、任意の適切なメカニズムが、データ構造のフィールドの中の情報の間の関係を確立するために使用され得、それは、ポインター、タグ、又は、データ・エレメント同士の間の関係を確立する他のメカニズムの使用を通すことを含む。
【０３４０】
本発明のさまざまな態様が、単独で、組み合わせて、又は、先述のものにおいて説明された実施形態の中では具体的に議論されていないさまざまな配置で、使用され得、したがって、その用途において、先述の説明において述べられ又は図面に図示されているコンポーネントの詳細及び配置に限定されない。たとえば、１つの実施形態において説明されている態様は、他の実施形態において説明されている態様と、任意の様式で組み合わせられ得る。
【０３４１】
また、本発明は、方法として具現化され得、その例が提供されている。方法の一部として行われる行為は、任意の適切な方式で順序付けられることが可能である。したがって、図示されているものとは異なる順序で行為が行われる実施形態が構築され得、それは、例示目的の実施形態では連続的な行為として示されているとしても、いくつかの行為を同時に実施することを含むことが可能である。
【０３４２】
特許請求の範囲の中で請求項エレメントを修飾するために、「第１の」、「第２の」、「第３の」などのような序数用語を使用することは、それ自身では、別の請求項エレメントに対する１つの請求項エレメントのいずれの優先度、順位、もしくは順序も含意しておらず、又は、方法の行為が実施される時間的な順序も含意しておらず、それらは、単に、特定の名前を有する１つの請求項エレメントを、（序数の用語の使用がなければ）同じ名前を有する別のエレメントからを区別するためのラベルとして使用され、請求項エレメントを区別する。
【０３４３】
また、本明細書で使用されている言語表現及び専門用語は、説明の目的のためのものであり、限定としてみなされるべきではない。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「からなる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、又は「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、及び、それらの変形例を本明細書で使用することは、その後に列挙されている項目及びその均等物、ならびに、追加的な項目を包含することを意味している。
【図１−１】
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【図１−２Ａ】
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【図１−２Ｂ】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図２−４】
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【図３−１Ａ】
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【図３−１Ｂ】
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【図３−１Ｃ】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図３−４】
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【図３−５】
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【図３−６】
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【図３−７Ａ】
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【図３−７Ｂ】
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【図３−７Ｃ】
2020092710.tif 000019
【図３−７Ｄ】
2020092710.tif 000020
【図３−７Ｅ】
2020092710.tif 000021
【図３−７Ｆ】
2020092710.tif 000022
【図３−８】
2020092710.tif 000023
【図３−９Ａ】
2020092710.tif 000024
【図３−９Ｂ】
2020092710.tif 000025
【図３−９Ｃ】
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【図３−９Ｄ】
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【図３−９Ｅ】
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【図３−９Ｆ】
2020092710.tif 000029
【図３−１０Ａ】
2020092710.tif 000030
【図３−１０Ｂ】
2020092710.tif 000031
【図３−１０Ｃ】
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【図３−１０Ｄ】
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【図３−１１】
2020092710.tif 000034
【図３−１２】
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【図３−１３Ａ】
2020092710.tif 000036
【図３−１３Ｂ】
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【図３−１３Ｃ】
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【図３−１４Ａ】
2020092710.tif 000039
【図３−１４Ｂ】
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【図３−１４Ｃ】
2020092710.tif 000041
【図３−１４Ｄ】
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【図３−１５】
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【図４−１Ａ】
2020092710.tif 000044
【図４−１Ｂ】
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【図４−１Ｃ】
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【図４−１Ｄ】
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【図４−１Ｅ】
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【図４−２Ａ】
2020092710.tif 000049
【図４−２Ｂ】
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【図４−２Ｃ】
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【図４−２Ｄ】
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【図４−２Ｅ】
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【図４−２Ｆ】
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【図４−２Ｇ】
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【図４−２Ｈ】
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【図４−２Ｉ】
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【図４−３Ａ】
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【図４−３Ｂ】
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【図４−３Ｃ】
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【図４−３Ｄ】
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【図４−３Ｅ】
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【図４−４Ａ】
2020092710.tif 000063
【図４−４Ｂ】
2020092710.tif 000064
【図４−４Ｃ】
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【図４−４Ｄ】
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【図４−４Ｅ】
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【図４−４Ｆ】
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【図４−４Ｇ】
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【図４−５Ａ】
2020092710.tif 000070
【図４−５Ｂ】
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【図４−５Ｃ】
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【図４−５Ｄ】
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【図４−５Ｅ】
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【図４−６Ａ】
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【図４−６Ｂ】
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【図４−６Ｃ】
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【図４−６Ｄ】
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【図４−６Ｅ】
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【図４−７Ａ】
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【図４−７Ｂ】
2020092710.tif 000081
【図４−７Ｃ】
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【図４−７Ｄ】
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【図４−８Ａ】
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【図４−８Ｂ】
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【図４−８Ｃ】
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【図４−８Ｄ】
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【図４−８Ｅ】
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【図４−８Ｆ】
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【図４−８Ｇ】
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【図４−９Ａ】
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【図４−９Ｂ】
2020092710.tif 000092
【図４−９Ｃ】
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【図４−９Ｄ】
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【図４−９Ｅ】
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【図４−９Ｆ】
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【図５−１】
2020092710.tif 000097
【図５−２】
2020092710.tif 000098
【図５−３】
2020092710.tif 000099
【図５−４Ａ】
2020092710.tif 000100
【図５−４Ｂ】
2020092710.tif 000101
【図５−５Ａ】
2020092710.tif 000102
【図５−５Ｂ】
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【図５−６Ａ】
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【図５−６Ｂ】
2020092710.tif 000105
【図６−１】
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【図６−２Ａ】
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【図６−２Ｂ】
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【図６−３Ａ】
2020092710.tif 000109
【図６−３Ｂ】
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【図６−４】
2020092710.tif 000111
【図７−１Ａ】
2020092710.tif 000112
【図７−１Ｂ】
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【図７−１Ｃ】
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【図７−１Ｄ】
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【図７−１Ｅ】
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【図７−１Ｆ】
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【図７−２Ａ】
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【図７−２Ｂ】
2020092710.tif 000119
【図７−２Ｃ】
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【図７−２Ｄ】
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【図７−２Ｅ】
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【図７−２Ｆ】
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【図７−２Ｇ】
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【図７−２Ｈ】
2020092710.tif 000125
【図７−２Ｉ】
2020092710.tif 000126
【図７−２Ｊ】
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【図７−３Ａ】
2020092710.tif 000128
【図７−３Ｂ】
2020092710.tif 000129
【図７−３Ｃ】
2020092710.tif 000130
【図７−４Ａ】
2020092710.tif 000131
【図７−４Ｂ】
2020092710.tif 000132
【図７−４Ｃ】
2020092710.tif 000133
【図７−４Ｄ】
2020092710.tif 000134
【図７−４Ｅ】
2020092710.tif 000135
【図７−４Ｆ】
2020092710.tif 000136
【図７−４Ｇ】
2020092710.tif 000137
【図７−４Ｈ】
2020092710.tif 000138
【図８−１Ａ】
2020092710.tif 000139
【図８−１Ｂ】
2020092710.tif 000140
【図９−１】
2020092710.tif 000141
【図９−２】
2020092710.tif 000142
【図９−３】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月3日(2020.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップの表面に設けられた複数のサンプル・ウェルのアレイであって、前記アレイにおけるそれぞれのサンプル・ウェルは１つのサンプルを受け入れるように形成されている、サンプル・ウェルのアレイと、
前記チップ中に形成された複数のレンズであって、前記複数のレンズのそれぞれのレンズは前記アレイ中の１つのサンプル・ウェルから放出された光を集光するように形成され、前記複数のレンズは複数の屈折レンズを含んでなる、複数のレンズとからなる、装置。
【請求項２】
前記複数のレンズのうちのそれぞれのレンズは前記アレイ中の個別のサンプル・ウェルに対応する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数のレンズのうちのそれぞれのレンズは前記アレイ中の対応するサンプル・ウェルから放出された光をセンサーに向かって指向させるべく配置されている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記複数のレンズのうちのそれぞれのレンズは前記アレイ中の対応するサンプル・ウェルと重なっている、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記複数のレンズのうちのそれぞれのレンズは前記対応するサンプル・ウェルの下方に中心が合わせられている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記複数のレンズのうちのそれぞれのレンズは前記対応するサンプル・ウェルの約５μｍ下方に設けられる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記複数のレンズのうちのそれぞれのレンズは前記サンプル・ウェルのアレイから近い凸面と、前記サンプル・ウェルのアレイから遠い平面とを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記複数のレンズは前記チップのレンズ層に設けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記レンズ層と前記サンプル・ウェルのアレイとの間に設けられた誘電材料の層をさらに備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記誘電材料の層は酸化ケイ素を含有し、前記レンズ層は窒化ケイ素を含有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記誘電材料の層は約５μｍの厚さを有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
チップの表面に設けられた複数のサンプル・ウェルのアレイであって、前記アレイにおけるそれぞれのサンプル・ウェルは１つのサンプルを受け入れるように形成されている、サンプル・ウェルのアレイと、
前記チップ中に形成された複数のレンズであって、前記複数のレンズのそれぞれのレンズは前記アレイ中の１つのサンプル・ウェルから放出された光を集光するように形成される、複数のレンズと、
前記レンズの層と前記サンプル・ウェルのアレイとの間に設けられた誘電材料の層であって、前記誘電材料は酸化ケイ素からなり、前記レンズの層は窒化ケイ素を含有する、誘電材料の層とからなる、装置。
【請求項１３】
チップの表面に設けられた複数のサンプル・ウェルのアレイを形成する工程であって、前記アレイにおけるそれぞれのサンプル・ウェルは１つのサンプルを受け入れるように形成される、複数のサンプル・ウェルのアレイを形成する工程と、
前記チップ中に複数のレンズを形成する工程であって、前記複数のレンズのそれぞれのレンズは前記アレイ中の１つのサンプル・ウェルから放出された光を集光するように形成され、かつ前記複数のレンズは複数の屈折レンズを含んでなる、複数のレンズを形成する工程とを備える、装置の製造方法。
【請求項１４】
前記複数のレンズを形成する工程では、前記複数のレンズのうちのそれぞれのレンズが前記アレイ中の対応するサンプル・ウェルから放出された光をセンサーに向かって指向させるべく配置させる工程を含んでなる、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記複数のレンズを形成する工程では、前記複数のレンズのうちのそれぞれのレンズが前記アレイ中の対応するサンプル・ウェルと重ねるようにそれぞれのレンズを形成する工程を含んでなる、請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記複数のサンプル・ウェルのアレイを形成する工程では、前記アレイ中の個別のサンプル・ウェルが前記複数のレンズのうちの対応するレンズと位置合わせされるように個別のサンプル・ウェルを形成する工程を含んでなる、請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記複数のレンズを形成する工程では、前記複数のレンズのうちのそれぞれのレンズが前記サンプル・ウェルのアレイから近い凸面と、前記サンプル・ウェルのアレイから遠い平面とを有するように前記それぞれのレンズを形成する工程を含んでなる、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記複数のレンズと前記サンプル・ウェルのアレイとの間に設けられた誘電材料の層を形成する工程をさらに備える、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１９】
前記複数のサンプル・ウェルを形成する工程は、
光学的に透明な層の上方に、少なくとも１つの金属層からなる材料の積層体を形成する工程と、
複数のサンプル・ウェルを形成すべく前記材料の積層体を少なくとも貫通してエッチングする工程とを備える、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記エッチングする工程は、さらに前記複数のサンプル・ウェルのそれぞれのサンプル・ウェルにテーパが付けられた側壁部をエッチングする工程を備える、請求項１９に記載の製造方法。