(57)【要約】サンプル分析のために光パルスを利用する高度な分析システムにおける機器制御およびデータ取得について記載されている。データ取得、データ処理、通信、および／または他のデータ処理機能のためのクロッキング信号は、受動モードロックレーザなどのオンボードパルス光源から導出することができる。導出されたクロッキング信号は、安定した発振器からの１つまたは複数のクロッキング信号と組み合わせて動作することができるため、機器の動作およびデータ処理は、パルス光源の動作の中断を許容することができる。
2021527809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析機器であって、
サンプルの分析のための一連の光パルスを出力するように構成されたパルス光源と、
前記一連の光パルスから導出された第１のクロック信号および前記一連の光パルスから導出されていない第２のクロック信号を生成して、サンプルの分析のためのデータ取得を有効にするために前記第１のクロック信号および前記第２のクロック信号を提供するように構成されたクロック生成回路と、を備える分析機器。
【請求項２】
前記一連の光パルスを検出して、前記クロック生成回路にクロッキング信号を出力するように構成された検出器を有するクロック検出回路と、
光電子チップを受け入れるように構成されたレセプタクルを有するチップインタフェースモジュールと、をさらに備え、前記光電子チップは、ユーザによって前記レセプタクル内に配置することができ、前記光電子チップは、分析のためにサンプルを保持するように構成され、前記クロック生成回路は、前記分析機器の動作中に前記光電子チップの第１のデータ取得動作のタイミングをとるための前記第１のクロック信号を前記チップインタフェースモジュールに出力する、請求項１に記載の分析機器。
【請求項３】
電圧制御発振器の周波数および位相を前記クロッキング信号の周波数および位相にロックする、前記クロック生成回路内の位相ロックループをさらに備える、請求項２に記載の分析機器。
【請求項４】
前記位相ロックループ内のループフィルタの積分時間は、約３０個の光パルスと約８０個の光パルスとの間に及ぶ時間に対応する、請求項３に記載の分析機器。
【請求項５】
前記クロック生成回路は、第３のクロック信号を前記チップインタフェースモジュールに出力するようにさらに構成され、前記第３のクロック信号は、前記第１のクロック信号よりも低い周波数で発振し、かつ前記分析機器の動作中の前記光電子チップの第２のデータ取得動作のタイミングをとるために使用される、請求項２に記載の分析機器。
【請求項６】
前記第１のデータ取得動作は、前記光電子チップ上の複数のサンプルウェルからの蛍光発光の光検出を含み、前記第２のデータ取得動作は、前記光電子チップに送達される励起放射線の光検出を含む、請求項５に記載の分析機器。
【請求項７】
前記第２のデータ取得動作は、光ビームの前記光電子チップへの整列を示すデータを含む、請求項５に記載の分析機器。
【請求項８】
前記クロック生成回路内の発振器をさらに備え、前記分析機器は、前記一連の光パルスの中断が発生したときに、データ取得のタイミングとるために、前記第１のクロック信号を使用することから、前記発振器から導出された第３のクロック信号を使用することに切り替えるように構成される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の分析機器。
【請求項９】
前記分析機器は、前記パルス光源が動作していないときに、前記第２のクロック信号をチップインタフェースモジュールに提供するように構成される、請求項８に記載の分析機器。
【請求項１０】
前記第２のクロック信号は、電子または電気機械式発振器から導出される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の分析機器。
【請求項１１】
前記分析機器上に配置され、サンプル分析データを受信および処理するように構成されたデータプロセッサをさらに備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の分析機器。
【請求項１２】
前記データプロセッサは、フィールドプログラマブルゲートアレイを含む、請求項１１に記載の分析機器。
【請求項１３】
前記データプロセッサは、前記第１のクロック信号および前記第２のクロック信号を受信し、受信した第１のおよび第２のクロック信号に基づいて、後続のデータ処理のために少なくともいくつかのデータ取得を受け入れるか、または排除するかを決定するように構成される、請求項１１に記載の分析機器。
【請求項１４】
前記データプロセッサは、前記データプロセッサにおけるデータ処理動作のタイミングをとるために前記第２のクロック信号を使用するように構成される、請求項１１に記載の分析機器。
【請求項１５】
前記第１のクロック信号は、前記データプロセッサにも提供され、前記データプロセッサは、前記第１のクロック信号と前記第２のクロック信号とを比較して前記データプロセッサによる後続のデータ処理のための正確な時間にデータが受信されるかどうかを決定することによってデータ取得を有効にするように構成される、請求項１４に記載の分析機器。
【請求項１６】
前記第１のクロック信号は、前記データプロセッサにも提供され、前記データプロセッサは、前記第１のクロック信号と前記第２のクロック信号との間の同期の不一致を検出し、同期の不一致の検出に応答して前記データ処理動作のタイミングを調整するように構成される、請求項１４に記載の分析機器。
【請求項１７】
前記第１のクロック信号の周波数よりも低い発振周波数で動作する電子または電気機械式発振器をさらに備え、前記クロック生成回路は、前記電子または電気機械式発振器の発振周波数を実質的に前記第１のクロック信号の周波数に変換する、請求項１４に記載の分析機器。
【請求項１８】
前記パルス光源は、前記パルス光源のパルス繰り返し率を自律的に決定する受動モードロックレーザを含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の分析機器。
【請求項１９】
前記光パルスは、ＤＮＡをシークエンシングするための１つまたは複数のサンプルウェルにおいて蛍光色素分子を励起するために光電子チップに提供される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の分析機器。
【請求項２０】
前記光パルスは、タンパク質をシークエンシングするための１つまたは複数のサンプルウェルにおいて蛍光色素分子を励起するために光電子チップに提供される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の分析機器。
【請求項２１】
分析機器を動作させる方法であって、
一連の光パルスを検出して、前記一連の光パルスから導出された第１のクロック信号を生成するステップと、
サンプルの分析のための光パルスを提供するステップと、
発振器から前記一連の光パルスに同期していない第２のクロック信号を生成するステップと、
サンプルの分析中にデータ取得動作を有効にするために、前記第１のクロック信号および前記第２のクロック信号をデータプロセッサに提供するステップと、を含む方法。
【請求項２２】
検出器を用いて前記一連の光パルスを検出して、クロッキング信号を出力するステップと、
第１の期間の間に前記クロッキング信号から前記第１のクロック信号を導出するステップと、
チップインタフェースモジュールに前記第１のクロック信号を提供するステップと、をさらに含み、前記チップインタフェースモジュールは、光電子チップを受け入れるように構成されたレセプタクルを含み、前記光電子チップはユーザによって前記レセプタクル内に配置することができ、前記光電子チップは、サンプルの分析のためにサンプルを保持するように構成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のクロック信号を使用した前記分析機器の動作中に、前記光電子チップの第１のデータ取得動作のタイミングをとるステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
第２の期間の間に発振器から前記第１のクロック信号を導出するステップと、
前記第１の期間中の前記第１のクロック信号を使用した前記分析機器の動作中に、前記光電子チップの第１のデータ取得動作のタイミングをとるステップと、
前記第２の期間中の前記第１のクロック信号を使用した前記分析機器の動作中に、前記光電子チップの第２のデータ取得動作のタイミングをとるステップと、をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記一連の光パルスの中断が発生したときに、前記発振器から前記第１のクロック信号を導出するように切り替えるステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の期間の間に発振器から前記第１のクロック信号を導出するステップは、電子または電気機械式発振器の発振周波数を実質的に前記一連の光パルスの周波数に変換することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記データ取得動作によるデータをネットワークベースのデータ分析サービスに提供するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記分析機器の性能を監視するセンサからのデータをネットワークベースの機器サポートサービスに提供するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
電子的または電気機械式発振器から前記第２のクロック信号を導出するステップをさらに含む、請求項２１乃至２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記データプロセッサにおいて、チップインタフェースモジュールからデータを受信するステップと、前記チップインタフェースモジュールは、光電子チップを受け入れるように構成されたレセプタクルを含み、前記光電子チップは、ユーザによって前記レセプタクル内に配置することができ、前記光電子チップは、サンプルの分析のためにサンプルを保持するように構成されており、
前記データプロセッサが、受信した第１および第２のクロック信号に基づいて、後続のデータ処理のためにデータの少なくともいくつかのデータを受け入れるか、または排除するかを決定するステップと、をさらに含む、請求項２１乃至２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記データプロセッサは、フィールドプログラマブルゲートアレイを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１のクロック信号と前記第２のクロック信号との間の同期の不一致を検出するステップと、
同期の不一致の検出に応答して、データ処理動作のタイミングを調整するステップと、をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記第２のクロック信号を用いて前記データプロセッサのデータ処理動作のタイミングをとるステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
パルス繰り返し率を自律的に決定する受動モードロックレーザを用いて前記一連の光パルスを生成するステップをさらに含む、請求項２１乃至２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
クロック生成回路が、第３のクロック信号をチップインタフェースモジュールに出力するステップと、前記第３のクロック信号は、前記第１のクロック信号よりも低い周波数で発振し、前記チップインタフェースモジュールは、光電子チップを受け入れるように構成されたレセプタクルを含み、前記光電子チップは、ユーザによって前記レセプタクル内に配置することができ、前記光電子チップは、サンプルの分析のためにサンプルを保持するように構成されており、
前記第１のクロック信号を用いて前記光電子チップの第１のデータ取得動作のタイミングをとるステップと、
前記第３のクロック信号を用いて前記光電子チップの第２のデータ取得動作のタイミングをとるステップと、をさらに含む、請求項２１乃至２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１のデータ取得動作は、前記光電子チップ上の複数のサンプルウェルからの蛍光発光の光検出を含み、前記第２のデータ取得動作は、前記光電子チップに送達される励起放射線の光検出を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
光検出器における電荷蓄積間隔のタイミングをとるための方法であって、
サンプルを励起するための光励起パルスを提供するステップと、
光励起パルスに同期する第１のクロック信号を生成するステップと、
前記第１のクロック信号を用いて前記光検出器に対する第１の電荷蓄積間隔の開始時間を始動するステップと、
前記光検出器からの出力を検出している間、前記第１のクロック信号を遅延させるステップと、
前記第１のクロック信号の遅延に応じて第１の電荷蓄積間隔からの信号レベルを記録するステップと、
記録された信号レベルの基準点を特定するステップと、
前記開始時間が前記基準点から所定量だけ遅延するように、前記第１のクロック信号の遅延を設定するステップと、を含む方法。
【請求項３８】
前記光検出器は、前記第１の電荷蓄積間隔に続く、前記第１の電荷蓄積間隔よりも長い第２の電荷蓄積間隔を有する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記所定量は、データのフレームに対する全ての第１の電荷蓄積間隔の間に光励起パルスから１個の励起光子を検出する確率が、サンプルから１個の発光光子を検出する確率よりも小さくなるように前記第１の電荷蓄積間隔を設定する、請求項３７または３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記所定量は、記録された信号レベルのほぼ最小値において前記第１の電荷蓄積間隔の開始時間を設定する、請求項３７または３８に記載の方法。
【請求項４１】
光励起パルスを光電子チップ上の複数のサンプルウェルに送達するステップと、
前記光電子チップ上の複数の光検出器に対する始動、遅延、記録、特定、および設定の動作を実行するステップと、をさらに含む、請求項３７または３８に記載の方法。
【請求項４２】
前記サンプルウェルで検出された光励起パルスからの信号の量に基づいて、前記サンプルウェルが動作可能であるかどうかを決定するステップをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１のクロック信号とは異なる周波数を有する第２のクロック信号を生成するステップと、
前記第２のクロック信号を前記光電子チップに提供するステップと、を含み、前記第２のクロック信号は、光励起パルスの前記光電子チップへの整列を感知する１つまたは複数の整列光検出器に対する電荷蓄積間隔の開始時間を制御する、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記第１のクロック信号は、一連の光励起パルスを検出するクロック検出回路から導出される、請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１のクロック信号を使用して、前記サンプルウェルからデータプロセッサにデータをクロッキング伝送するステップをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一連の光パルスを生成するための光源を含む高度な分析機器におけるデータ取得および制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
サンプル分析のための機器の分野では、パルス光源を使用して、分析されるサンプルを含む複数のサンプルウェルに光励起エネルギーを一連の光パルスの形で送達することができる。生化学的用途の場合、サンプルウェルは、分析対象の生物学的試料、化学的試料、および／または生化学的試料を含むことができる。いくつかの事例において、サンプルウェルは、核酸シークエンシングを実行することができる反応チャンバとして構成される。その他の場合、サンプルウェルは、研究中の他のタイプの試料を含み得る。試料、または試料が反応する成分は、例えば、１つまたは複数の蛍光色素分子でタグ付けされ得、サンプルウェルに送達される光パルスによって励起されると放射線を放出する。サンプルウェルからの蛍光発光の検出は、試料に関する情報を提供することができる。
【発明の概要】
【０００３】
サンプル分析のために光パルスを利用する高度な分析システムにおける機器制御およびデータ取得に関連する装置および方法について記載されている。実施形態では、データ取得、データ処理、および／または他のデータ処理機能のためのクロッキング信号は、受動モードロックレーザなどのオンボードパルス光源から導出することができる。導出されたクロッキング信号は、安定した発振器からの１つまたは複数のクロッキング信号と組み合わせて動作することができるため、機器の動作およびデータ処理は、パルス光源の動作の中断を許容することができる。
【０００４】
いくつかの実施形態は、サンプルの分析のために一連の光パルスを出力するように構成されたパルス光源と、一連の光パルスから導出された第１のクロック信号および一連の光パルスから導出されていない第２のクロック信号を生成し、第１のクロック信号と第２のクロック信号を使用してサンプルの分析のためのデータ取得を有効にするように構成されたクロック生成回路とを備える分析機器に関する。
【０００５】
いくつかの実施形態は、分析機器を動作させる方法に関する。方法は、一連の光パルスを検出し、一連の光パルスから導出された第１のクロック信号を生成するステップと、サンプルの分析のための光パルスを提供するステップと、発振器から一連の光パルスに同期していない第２のクロック信号を生成するステップと、サンプルの分析中にデータ取得動作を有効にするために、第１のクロック信号および第２のクロック信号をデータプロセッサに提供するステップと、を含む。
【０００６】
いくつかの実施形態は、光電子チップを受け入れるように構成されたインタフェースモジュールを含む分析機器に関し、光電子チップはインタフェースモジュールのレセプタクルに搭載および取り外しが可能であり、光電子チップは、分析のためにサンプルを保持するように構成される。機器は、一連の光パルスを出力するように構成されたパルス光源と、インタフェースモジュールから伝送された信号を受信および処理するように構成されたデータプロセッサと、パルス光源によって生成された光パルスを検出してクロッキング信号を出力するように構成された検出器を有するクロック検出回路と、クロッキング信号を受信して第１のクロック信号と第２のクロック信号を出力するように構成されたクロック生成回路とをさらに含み、第１のクロック信号は光パルスに同期し、第２のクロック信号は光パルスに同期していない。機器は、光電子チップのデータ取得動作のタイミングをとるためにインタフェースモジュールに第１のクロック信号を提供する第１のクロック信号経路と、データプロセッサに第２のクロック信号を提供する第２のクロック信号経路と、データプロセッサに第１のクロック信号を提供する第３のクロック信号経路とをさらに含むことができ、データプロセッサは、第１のクロック信号と第２のクロック信号との間の同期の不一致を検出し、同期の不一致の検出に応答してデータ処理動作を補償するように構成される。
【０００７】
いくつかの実施形態は、光検出器における電荷蓄積間隔のタイミングをとるための方法に関する。方法は、サンプルを励起するための光励起パルスを提供する動作と、光励起パルスに同期する第１のクロック信号を生成する動作と、第１のクロック信号を用いて光検出器に対する第１の電荷蓄積間隔の開始時間を始動する動作と、光検出器からの出力を検出している間、第１のクロック信号を遅延させる動作と、第１のクロック信号の遅延に応じて第１の電荷蓄積間隔からの信号レベルを記録する動作と、記録された信号レベルの基準点を特定する動作と、開始時間が基準点から所定量だけ遅延するように、第１のクロック信号の遅延を設定する動作と、を含むことができる。
【０００８】
本教示の上記の及び他の態様、実施態様、動作、機能、特徴及び実施形態は、添付の図面とともに以下の説明からより十分に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本明細書において記載されている図面は、例示を目的としたものにすぎないことを、当業者は理解するであろう。いくつかの事例において、本発明の様々な態様は、本発明の理解を容易にするために、誇張又は拡大されて示されている場合があることを理解されたい。図面において、同様の参照符号は、概して様々な図全体を通じて同様の特徴、機能的に類似する及び／又は構造的に類似する要素を参照する。図面は、必ずしも原寸に比例してはおらず、むしろ、本教示の原理を例示しているところが強調されている。図面は、決して本教示の範囲を限定するようには意図されていない。
【図１−１Ａ】いくつかの実施形態による、コンパクトなモードロックレーザモジュールを含む分析機器のブロック図である。
【図１−１Ｂ】いくつかの実施形態による、分析機器に組み込まれたコンパクトなモードロックレーザモジュールを示す図である。
【図１−２】いくつかの実施形態による光パルス列を示す図である。
【図１−３】いくつかの実施形態による、１つまたは複数の導波路および各チャンバの対応する検出器を介してパルスレーザによって光学的に励起することができる並列反応チャンバの例を示す図である。
【図１−４】いくつかの実施形態による、導波路からの反応チャンバの光励起を示す図である。
【図１−５】いくつかの実施形態による、集積された反応チャンバ、光導波路、および時間ビニング光検出器のさらなる詳細を示す図である。
【図１−６】いくつかの実施形態による、反応チャンバ内で起こり得る生物学的反応の例を示す図である。
【図１−７】異なる減衰特性を有する２つの異なる蛍光色素分子の発光確率曲線を示す図である。
【図１−８】いくつかの実施形態による、蛍光発光の時間ビニング検出を示す図である。
【図１−９】いくつかの実施形態による、時間ビニング光検出器を示す図である。
【図１−１０Ａ】いくつかの実施形態による、サンプルからの蛍光発光のパルス励起および時間ビニング検出を示す図である。
【図１−１０Ｂ】いくつかの実施形態による、サンプルのパルス励起を繰り返した後の様々な時間ビンにおける蓄積された蛍光光子カウントのヒストグラムを示す図である。
【図１−１１Ａ−１−１１Ｄ】いくつかの実施形態による、４個のヌクレオチド（Ｔ、Ａ、Ｃ、Ｇ）またはヌクレオチド類似体に対応し得る異なるヒストグラムを示す図である。
【図２−１】いくつかの実施形態による、機器の電子装置を光パルスのタイミングに同期させるための例示的なシステムを示す図である。
【図２−２】いくつかの実施形態による、パルス光源を組み込んだ分析機器の例示的なクロック検出回路を示す図である。
【図２−３】いくつかの実施形態による、クロック生成回路とデータ取得およびデータ処理コンポーネントとの例を示す図である。
【図３−１】いくつかの実施形態による、データ取得のタイミングの例を示す図である。
【図３−２】サンプルウェルで受信された光子の数を表すために使用することができる、対数スケールでプロットされた正規化された光パルスプロファイルの例を示す図である。
【図３−３】サンプルウェルでの励起光パルスの到着時間ｔｅに対して、時間内に掃引された時間ビニング光検出器の電荷蓄積間隔の間に記録された測定信号レベルをプロットした図である。
【図３−４】光電子チップ上でのデータ取得に関する較正手順の例を示す図である。
【図４−１】いくつかの実施形態による、高度な分析機器のシステムアーキテクチャの例を示す図である。
【図４−２】いくつかの実施形態による、ネットワークを介して利用可能な機器動作サービスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の特徴及び利点は、図面とともに取り上げられるときに下記に記載される詳細な説明からより明らかとなろう。図面を参照して実施形態を説明するとき、方向に関する参照（「上（ａｂｏｖｅ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「上部（ｔｏｐ）」、「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「左（ｌｅｆｔ）」、「右（ｒｉｇｈｔ）」、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」等）が使用される場合がある。そのような参照は、図面を通常の向きで見る読者を補助するものとしてのみ意図している。これらの方向に関する記載は、具現化されるデバイスの特徴の好適な向き又は唯一の向きを説明することを意図していない。デバイスは、他の向きを使用して具現化されてもよい。
【００１１】
Ｉ．  導入
両方とも参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１５／０１４１２６７号明細書および米国特許第９，６１７，５９４号明細書に記載されているような高度な分析システムでは、試料が大規模並列処理で分析されるサンプルウェルを有する多数のピクセルが存在し得る。いくつかの実施形態では、サンプルウェルは、機器に搭載する光電子チップに統合することができる。例えば、そのようなチップ上のサンプルウェルの数は、約１０，０００から約１００，００００，０００の間であり得る。いくつかの実施形態では、チップは使い捨てであり、ユーザによって高度な分析機器のレセプタクルに交換可能に取り付けられ、機器内の光学および電子部品とインタフェースすることができる。実施形態では、機器は携帯可能であり得、チップは使い捨て可能であり、新たなサンプル分析ごとにユーザによって容易に交換することができる。
【００１２】
本発明者らは、大規模並列処理でそのような多数のサンプルウェルから収集されたデータを取得および処理することは複雑な作業であり、正しく行われなければ、失敗または不正確なサンプル分析をもたらす可能性があることを評価および認識した。例えば、いくつかの用途では、核酸シークエンシング反応は、多数のサンプルウェル（例えば、数千または数百万のサンプルウェル）で並列に実行され得る。シーケンシング反応中、ターゲット核酸分子はサンプルウェルで伸長反応を起こし、ターゲット核酸分子に相補的な伸長鎖にヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体を繰り返し取り込むことができる。各取り込み事象は、１００ミリ秒未満である。取り込み事象中、ヌクレオチドに結合した１つまたは複数の蛍光色素分子からの発光は低レベルであり、十分な信号レベルを取得するために、取り込み事象全体を通して光パルスによる複数の励起が必要となり得る。取り込み事象を見逃さないようにするために全てのアクティブなサンプルウェルに関する連続的な検出は、チップ上でのデータ取得の慎重なタイミング、高いデータ取得率、および後続の処理のためにキャプチャしてチップから送信する必要のある大量のデータを必要とする。
【００１３】
本明細書に記載されているのは、高度な分析機器の制御およびデータ取得に関連する装置および方法である。実施形態では、機器のクロッキング信号は、パルス光源から導出され得、データ取得、データ処理、および／またはデータ送信の態様に関して使用され得る。記載された方法は、取得されたデータの品質を向上するためのステップを含む。装置および方法は、そのような高度な分析機器におけるデータ処理の様々な態様に関して有用である。
【００１４】
ＩＩ．  生物分析の応用例
説明のために、コンパクトなパルス光源（この例ではモードロックレーザモジュール）を使用して、光電子チップ上の複数の反応チャンバ内の蛍光色素分子を励起する生物分析の応用が記載される。蛍光色素分子からの発光を使用して、各反応チャンバ内の試料の特性（例えば、構造情報）が決定され得る。いくつかの事例において、蛍光色素分子からの発光を使用して、ＤＮＡまたはタンパク質の配列情報が決定され得る。光源および光電子チップは、携帯型の高度な分析機器の一部とすることができる。実施形態では、「光学的」という用語は、紫外線帯域、可視帯域、近赤外線帯域、および短波長の赤外線スペクトル帯域を参照し得る。光電子チップは、分析対象のサンプルを担持することができ、使い捨てであり、かつ機器に簡単に取り付けることができる。機器のレセプタクルに取り付けられた場合、チップは分析機器内の光学および電子デバイスと光学的および電子的に通信することができる。機器は、チップからのデータを外部ネットワークに通信することができるように、外部インタフェース用のハードウェアを含むことができる。様々なサンプルに対して様々なタイプの分析を実行することができるが、以下の説明では遺伝子シーケンシングについて記載する。しかしながら、本発明は、遺伝子シークエンシングのために構成された機器に限定されない。
【００１５】
概要として、図１−１Ａを参照すると、携帯型の高度な分析機器１−１００は、機器１−１００内に置換可能なモジュールとして取り付けられるか、または他の態様で機器に結合されている１つまたは複数のパルス光源１−１０８を備え得る。携帯型の分析機器１−１００は、光結合システム１−１１５および分析システム１−１６０を含むことができる。光結合システム１−１１５は、（例えば、レンズ、ミラー、光学フィルタ、減衰器、ビームステアリング部品、ビーム整形部品の各々を全く含まないか、１つまたは複数を含み得る）光学部品のいくつかの組み合わせを含むことができ、かつパルス光源１−１０８からの出力光パルス１−１２２に対して動作し、かつ／またはこの出力パルス１−１２２を分析システム１−１６０に結合するように構成することができる。分析システム１−１６０は、光パルスを分析されるべき少なくとも１つのサンプルへと方向付け、少なくとも１つのサンプルから１つまたは複数の光信号（例えば、蛍光発光、後方散乱放射）を受信し、受信光信号を表す１つまたは複数の電気信号を生成するように構成されている複数のコンポーネントを含むことができる。いくつかの実施形態では、分析システム１−１６０は、１つまたは複数の光検出器を含むことができ、かつ光検出器からの電気信号を処理するように構成されている信号処理電子装置（例えば、１つまたは複数のマイクロコントローラ、１つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、１つまたは複数のデジタル信号プロセッサ、論理ゲート、その他）をも含み得る。分析システム１−１６０はまた、外部デバイス（例えば、機器１−１００が１つまたは複数のデータ通信リンクを介して接続することができるネットワーク上の１つまたは複数の外部デバイス）との間でデータを送受信するように構成されたデータ送信ハードウェアを含むことができる。いくつかの実施形態では、分析システム１−１６０は、分析される１つまたは複数のサンプルを保持する光電子チップ１−１４０を受け入れるように構成することができる。
【００１６】
図１−１Ｂは、コンパクトなパルス光源１−１０８を含む携帯型の分析機器１−１００のさらに詳細な例を示す。この例では、パルス光源１−１０８は、コンパクトな受動モードロックレーザモジュール１−１１０を備えている。受動モードロックレーザは、外部パルス信号を印加することなく、自律的に光パルスを生成することができる。いくつかの実施形態では、モジュールは、機器のシャーシまたはフレーム１−１０２に取り付けることができ、かつ機器の外側ケーシングの内側に配置され得る。いくつかの実施形態によれば、パルス光源１−１０８は、光源を動作させ、かつ光源１−１０８からの出力ビームを処理するために使用することができる追加のコンポーネントを含むことができる。モードロックレーザ１−１１０は、レーザキャビティ内に、またはレーザキャビティに結合された、レーザの縦周波数モードの位相ロックを引き起こす要素（例えば、可飽和吸収体、音響光学変調器、カーレンズ）を含み得る。レーザキャビティは、キャビティ端部ミラー１−１１１、１−１１９によって部分的に画定することができる。周波数モードのそのようなロックは、レーザのパルス動作をもたらし（例えば、キャビティ内パルス１−１２０がキャビティ端部ミラー間で往復して跳ね返る）、一方の端部ミラー１−１１１から部分的に伝達する出力光パルス１−１２２のストリームが生成される。
【００１７】
いくつかの事例において、分析機器１−１００は、取り外し可能でパッケージ化された光電子チップ１−１４０を受け入れるように構成することができる。チップは、複数の反応チャンバと、光励起エネルギーを反応チャンバに送達するように構成されている集積光学部品と、反応チャンバから蛍光発光を検出するように構成されている集積光検出器とを含むことができる。いくつかの実施態様において、チップ１−１４０は、使い捨てであってもよく、一方で、他の実施態様では、チップは再使用可能であってもよい。チップが機器によって受け入れられると、チップは、パルス光源と電気的および光学的に通信することができ、分析システム１−１６０と電気的および光学的に通信することができる。
【００１８】
いくつかの実施形態において、光電子チップ１−１４０は、追加の機器の電子装置を含むことができるプリント回路基板（ＰＣＢ）などの電子回路基板１−１３０上に（例えば、ソケット接続を介して）取り付けることができる。例えば、ＰＣＢ１−１３０は、電力、１つまたは複数のクロック信号、および制御信号を光電子チップ１−１４０に提供するように構成された回路と、反応チャンバから検出される蛍光発光を表す信号を受信するように構成されている信号処理回路とを含むことができる。光電子チップから戻されるデータは、機器１−１００上の電子装置によって部分的または全体的に処理することができるが、いくつかの実施形態では、データはネットワーク接続を介して１つまたは複数の遠隔データプロセッサに伝送されてもよい。ＰＣＢ１−１３０はまた、光電子チップ１−１４０の導波路に結合されている光パルス１−１２２の光結合および電力レベルに関するチップからのフィードバック信号を受信するように構成された回路を含むことができる。フィードバック信号は、光パルス１−１２２の出力ビームの１つまたは複数のパラメータを制御するために、パルス光源１−１０８および光学系１−１１５の一方または両方に提供され得る。いくつかの事例において、ＰＣＢ１−１３０は、光源および光源１−１０８内の関連する回路を動作させるために、パルス光源１−１０８に電力を供給またはルーティングすることができる。
【００１９】
いくつかの実施形態によれば、パルス光源１−１０８は、コンパクトなモードロックレーザモジュール１−１１０を含む。モードロックレーザは、利得媒体１−１０５（いくつかの実施形態では固体材料であり得る）と、出力カプラ１−１１１と、レーザキャビティ端部ミラー１−１１９とを含むことができる。モードロックレーザの光学キャビティは、出力カプラ１−１１１及び端部ミラー１−１１９によって境界付けることができる。レーザキャビティの光軸１−１２５は、レーザキャビティの長さを増大させるための１つ又は複数の折り畳み（折り返し）を有することができる。いくつかの実施形態では、ビーム整形、波長選択、および／またはパルス形成のための追加の光学素子（図１−１Ｂには図示されていない）がレーザキャビティ内に設けられ得る。いくつかの事例において、端部ミラー１−１１９は、縦キャビティモードの受動モードロックを誘発し、モードロックレーザのパルス動作をもたらす可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）を備えている。パルス繰り返し率（ｐｕｌｓｅ  ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）は、レーザキャビティの長さ（例えば、光パルスがレーザキャビティ内で往復する時間）によって決定される。モードロックレーザモジュール１−１１０は、利得媒体１−１０５を励起するためのポンプ源（例えば、図１−１Ｂにおいて図示されていないレーザダイオード）をさらに含むことができる。モードロックレーザモジュール１−１１０の詳細は、２０１７年１２月１５日に出願された「コンパクトモードロックレーザモジュール（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ）」というタイトルの米国特許出願第１５／８４４，４６９号に記載されており、この出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２０】
レーザ１−１１０がモードロックされると、キャビティ内パルス１−１２０は、端部ミラー１−１１９と出力カプラ１−１１１との間で循環することができ、キャビティ内パルスの一部分は、出力パルス１−１２２として出力カプラ１−１１１を通じて伝送することができる。従って、キャビティ内パルス１−１２０がレーザキャビティ内の出力カプラ１−１１１と端部ミラー１−１１９との間で往復して跳ね返るため、図１−２のグラフに示されているように、出力パルス１−１２２の列を出力カプラにおいて検出することができる。
【００２１】
図１−２は、出力パルス１−１２２の時間強度プロファイルを示す。いくつかの実施形態において、放出されるパルスのピーク強度値はほぼ等しくなり得、プロファイルはガウス時間プロファイルを有し得るが、ｓｅｃｈ２プロファイルなどのような他のプロファイルが可能であり得る。いくつかの事例において、パルスは、対称時間プロファイルを有しなくてもよく、他の時間的形状を有してもよい。各パルスの持続時間は、図１−２に示すような、半値全幅（ＦＷＨＭ）値によって特性化することができる。モードロックレーザのいくつかの実施形態によれば、超短光パルスは、１００ピコ秒（ｐｓ）未満のＦＷＨＭ値を有することができる。いくつかの事例において、ＦＷＨＭ値は、約５ｐｓ〜約３０ｐｓとすることができる。
【００２２】
出力パルス１−１２２は、一定の間隔Ｔによって分離することができる。例えば、Ｔは、出力カプラ１−１１１とキャビティ端部ミラー１−１１９との間の往復移動時間によって決定することができる。いくつかの実施形態によれば、パルス分離間隔Ｔは、約１ｎｓと約３０ｎｓとの間であり得る。いくつかの事例において、パルス分離間隔Ｔは、約０．７メートルと約３メートルとの間のレーザキャビティ長（レーザキャビティ内の光軸１−１２５のおおよその長さ）に対応する、約５ｎｓと約２０ｎｓとの間であり得る。実施形態では、パルス分離間隔は、レーザキャビティ内の往復移動時間に対応し、３メートルのキャビティ長（６メートルの往復距離）は、約２０ｎｓのパルス分離間隔Ｔを提供する。
【００２３】
いくつかの実施形態によれば、チップ１−１４０上の反応チャンバの数、蛍光発光特性、及び光電子チップ１−１４０からデータを読み出すためのデータ処理回路の速度の組み合わせによって、所望のパルス分離間隔Ｔおよびレーザキャビティ長を決定することができる。本発明者らは、異なる蛍光色素分子または特性寿命を、それらの異なる蛍光減衰率によって識別することができることを認識し、評価するに至った。従って、選択される蛍光色素分子がそれらの異なる減衰率の間を区別するために適切な統計値を収集するのに十分なパルス分離間隔Ｔが必要である。加えて、パルス分離間隔Ｔが短すぎる場合、データ処理回路は、大量のデータが多数の反応チャンバによって収集されるのについていくことができない。本発明者らは、約５ｎｓと約２０ｎｓとの間のパルス分離間隔Ｔが、最大約２ｎｓの減衰率を有する蛍光色素分子に、および約６０，０００個と１００，０００，０００個との間の反応チャンバからのデータの処理に適していることを認識し、評価するに至った。
【００２４】
いくつかの実施形態によれば、ビームステアリングモジュール１−１５０は、パルス光源１−１０８から出力パルスを受信することができ、光パルスの位置および光電子チップ１−１４０の光カプラへの入射角を少なくとも調整するように構成することができる。いくつかの事例において、パルス光源１−１０８からの出力パルス１−１２２は、光電子チップ１−１４０上の光カプラにおけるビーム形状および／またはビーム回転を付加的または代替的に変更するようにビームステアリングモジュール１−１５０によって操作されることができる。いくつかの実施態様において、ビームステアリングモジュール１−１５０は、出力パルスのビームの、光カプラへの集束および／または偏光の調整をさらに可能にすることができる。ビームステアリングモジュールの一例は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年５月２０日に出願された「パルスレーザおよび生物分析システム（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｂｉｏａｎａｌｙｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ）」というタイトルの米国特許出願第１５／１６１，０８８号に記載されている。ビームステアリングモジュールの別の例は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年１２月１６日に出願された「コンパクトビーム整形およびステアリングアセンブリ（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｂｅａｍ  Ｓｈａｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」というタイトルの別の米国特許出願第６２／４３５，６７９号に記載されている。
【００２５】
図１−３を参照すると、パルス光源からの出力パルス１−１２２を、光電子チップ上の１つまたは複数の光導波路１−３１２に結合することができる。いくつかの実施形態では、光パルスは、１つまたは複数の格子カプラ１−３１０を介して１つまたは複数の導波路に結合することができるが、いくつかの実施形態において、光電子チップ上の１つまたは複数の光導波路の端部への結合が使用されてもよい。いくつかの実施形態によれば、光パルス１−１２２のビームの格子カプラ１−３１０への整列を補助するために、クワッド検出器１−３２０が半導体基板１−３０５（例えば、シリコン基板）上に配置されてもよい。１つまたは複数の導波路１−３１２およびサンプルウェルまたは反応チャンバ１−３３０が、基板、導波路、反応チャンバ、および光検出器１−３２２の間に誘電体層（例えば、二酸化ケイ素層）を介在させて、同じ半導体基板上に集積されてもよい。
【００２６】
簡略化された図が図１−３に示されている。図１−３では、格子カプラ１−３１０が、励起放射の入射パルス１−１２２を単一の導波路１−３１２に結合するように配置されている。実際の実施では、格子カプラ１−３１０は、図示されている簡略化された構造よりも複雑であり、２０１７年１２月１４日に出願された「コンパクトビーム整形およびステアリング（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｂｅａｍ  Ｓｈａｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」というタイトルの米国特許出願第１５／８４２，７２０に記載されているように（例えば、その出願の図２−１Ａおよび図２−１Ｂに関連して説明されるように）、いくつかの導波路にまたがり得、その出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、格子カプラの一部は、格子カプラ上のパルス１−１２２の光ビームの整列を維持するのを支援するために、格子カプラの他の部分に対して（例えば、本明細書の図１−３におけるｘ方向、または参照される出願の図２−１Ａにおけるｙ方向に）オフセットされ得る。追加的または代替的に、格子カプラの一部は、格子カプラ上のパルス１−１２２の光ビームの整列を維持するのを支援するために、格子カプラの他の部分に対して異なる格子周期性を有し得る。オフセットの一部および／または異なる格子周期性を有する一部を有する格子カプラは、同じ出願人によって同じ日に本出願と同時に出願され、「増加したスライス格子カプラ（Ｓｌｉｃｅｄ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｃｏｕｐｌｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  Ｂｅａｍ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）」というタイトルの米国仮特許出願第６２／８６１，８３２号にさらに記載され、その出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００２７】
各導波路１−３１２は、導波路に沿って反応チャンバに結合される光パワーを均質化するために、反応チャンバ１−３３０の下の先細り部分１−３１５を含むことができる。狭まる先細りによって、より多くの光エネルギーを導波路のコアの外側に押しやることができ、反応チャンバへの結合が増大し、反応チャンバに結合する光の損失を含む、導波路に沿った光学的損失が補償される。光エネルギーを集積フォトダイオード１−３２４に方向付けるために、各導波路の端部に第２の格子カプラ１−３１７を配置することができる。集積フォトダイオードは、導波路を下って結合されるパワーの量を検出することができ、例えば、ビームステアリングモジュール１−１５０を制御するフィードバック回路に、検出された信号を提供することができる。
【００２８】
サンプルウェル１−３３０または反応チャンバ１−３３０は、導波路の先細り部分１−３１５と位置合わせすることができ、かつタブ１−３４０内に凹設することができる。各反応チャンバ１−３３０に対して、半導体基板１−３０５上に位置する時間ビニング光検出器１−３２２が設けられ得る。反応チャンバ内にない（例えば、反応チャンバの上で溶液中に分散している）蛍光色素分子の光励起を防止するために、反応チャンバの周囲および導波路の上に金属コーティングおよび／または多層コーティング１−３５０を形成することができる。金属コーティング及び／又は多層コーティング１−３５０は、各導波路の入力端及び出力端における導波路１−３１２内の光エネルギーの吸収損失を低減するために、タブ１−３４０の縁部を越えて隆起することができる。
【００２９】
光電子チップ１−１４０上に、複数の列の導波路、反応チャンバ、および時間ビニング光検出器が設けられ得る。例えば、いくつかの実施態様において、各々が５１２個の反応チャンバを有する１２８個の列が設けられてもよく、反応チャンバは合計で６５，５３６個になる。他の実施態様は、より少ない又はより多い反応チャンバを含んでもよく、他のレイアウト構成を含んでもよい。パルス光源１−１０８からの光パワーは、チップ１−１４０への光カプラ１−３１０と複数の導波路１−３１２との間に位置する、１つまたは複数のスターカプラまたはマルチモード干渉カプラを介して、または他の任意の手段を介して複数の導波路に分配することができる。
【００３０】
図１−４は、導波路１−３１５の先細り部分内の光パルス１−１２２から反応チャンバ１−３３０への光エネルギー結合を示す。図面は、導波路の寸法、反応チャンバの寸法、様々な材料の光学特性、および反応チャンバ１−３３０からの導波路１−３１５の先細り部分の距離を考慮して、光波の電磁場シミュレーションから生成されたものである。導波路は、例えば、周囲にある二酸化ケイ素の媒体１−４１０内の窒化ケイ素から形成することができる。導波路、周囲媒体、および反応チャンバは、「分子をプロービング、検出、および分析するための統合デバイス（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｂｉｎｇ，  Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｎａｌｙｚｉｎｇ  Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）」というタイトルの２０１５年８月７日に出願された米国出願第１４／８２１，６８８号に記載されている微細加工工程によって形成することができる。いくつかの実施形態によれば、エバネセント光場１−４２０が、導波路によって運ばれる光エネルギーを反応チャンバ１−３３０に結合する。
【００３１】
反応チャンバ１−３３０で発生する生物学的反応の非限定的な例が図１−５に示されている。この例は、ターゲット核酸に対して相補的である伸長鎖へのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体の連続的な組み込みを示している。連続的な取り込みは、反応チャンバ１−３３０内で行うことができ、かつＤＮＡをシーケンシングするための高度な分析機器によって検出することができる。反応チャンバは、約１５０ｎｍと約２５０ｎｍとの間の深さ、及び、約８０ｎｍと約１６０ｎｍとの間の直径を有することができる。隣接する反応チャンバおよび他の望ましくない光源からの迷光を遮断する開口を提供するために、金属化層１−５４０（例えば、電気的基準電位に関する金属化）を、光検出器１−３２２の上にパターニングすることができる。いくつかの実施形態によれば、ポリメラーゼ１−５２０は、反応チャンバ１−３３０内に配置する（例えば、チャンバの基部に付着させる）ことができる。ポリメラーゼは、ターゲット核酸１−５１０（例えば、ＤＮＡから導出される核酸の一部）に作用し、相補的な核酸の伸長鎖をシークエンシングして、ＤＮＡ１−５１２の伸長鎖を生成することができる。異なる蛍光色素分子を用いて標識化されたヌクレオチド又はヌクレオチド類似体は、反応チャンバの上又は中の溶液中に分散され得る。
【００３２】
図１−６に示すように、標識化されたヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体１−６１０が相補的な核酸の伸長鎖に取り込まれると、１つまたは複数の結合した蛍光色素分子１−６３０を、導波路１−３１５から反応チャンバ１−３３０に結合した光エネルギーのパルスによって繰り返し励起することができる。いくつかの実施形態において、１つ又は複数の蛍光色素分子１−６３０は、任意の適切なリンカ１−６２０を用いて１つ又は複数のヌクレオチド又はヌクレオチド類似体１−６１０に結合することができる。取り込み事象は、最大約１００ｍｓの期間にわたって継続し得る。この時間の間に、モードロックレーザからのパルスによる蛍光色素分子（単数または複数）の励起から生じる蛍光発光のパルスを、例えば、時間ビニング光検出器１−３２２により検出することができる。いくつかの実施形態では、信号処理（例えば、増幅、読み出し、ルーティング、信号前処理など）のために、各ピクセルに１つまたは複数の追加の集積電子デバイス１−３２３を設けることができる。いくつかの実施形態によれば、各ピクセルは、蛍光発光を通過させ、励起パルスからの放射の透過を低減する単一または多層の光学フィルタ１−５３０を含むことができる。いくつかの実施形態は、光学フィルタ１−５３０を使用しなくてもよい。異なる発光特性（例えば、蛍光減衰率、強度、蛍光波長）を有する蛍光色素分子を異なるヌクレオチド（Ａ、Ｃ、Ｇ、Ｔ）に結合させ、ＤＮＡ１−５１２の鎖が核酸を取り込んでいる間に異なる発光特性を検出および識別することによって、ＤＮＡの伸長鎖の遺伝子配列を決定することが可能である。
【００３３】
いくつかの実施形態によれば、蛍光発光特性に基づいてサンプルを分析するように構成された高度な分析機器１−１００は、異なる蛍光分子間の蛍光寿命および／または強度の差、ならびに／または異なる環境における同じ蛍光分子の寿命および／もしくは強度の差を検出することができる。説明として、図１−７は、例えば、２つの異なる蛍光分子からの蛍光発光を表すことができる、２つの異なる蛍光発光確率曲線（ＡおよびＢ）をプロットしている。曲線Ａ（破線）を参照すると、短光パルスまたは超短光パルスによって励起された後、第１の分子からの蛍光発光の確率ｐＡ（ｔ）は、図示されているように時間とともに減衰し得る。いくつかの事例において、経時的な光子が放出される確率の減少は、指数減衰関数ＰＡ（ｔ）＝ＰＡｏｅ−ｔ／τ１によって表すことができ、式中、ＰＡｏは初期発光確率であり、τ１は、発光減衰確率を特徴化する、第１の蛍光分子に関連付けられる時間パラメータであり、τ１は、第１の蛍光分子の「蛍光寿命」、「発光寿命」、または「寿命」と呼ばれ得る。いくつかの事例において、τ１の値は、蛍光分子のローカル環境によって変化する可能性がある。例えば、別の蛍光分子は、曲線Ａに示されているものとは異なる発光特性を有し得る。例えば、別の蛍光分子は、単一の指数関数的減衰とは異なる減衰プロファイルを有する場合があり、その寿命は、半減期値または他の測定基準によって特徴化することができる。
【００３４】
第２の蛍光分子は、図１−７の曲線Ｂに関して示されているように、指数関数的ではあるが、測定可能に異なる寿命τ２を有する減衰プロファイルｐＢ（ｔ）を有し得る。図示されている例において、曲線Ｂの第２の蛍光分子の寿命は曲線Ａの寿命よりも短く、発光確率ｐＢ（ｔ）は、第２の分子の励起直後では、曲線Ａよりも高い。いくつかの実施形態では、異なる蛍光分子は、約０．１ｎｓから約２０ｎｓの範囲の寿命または半減期値を有することができる。
【００３５】
本発明者らは、蛍光発光寿命の差を使用して、異なる蛍光分子の存否を判別し、及び／又は、蛍光分子がさらされる異なる環境もしくは条件の間で判別することができることを認識し、評価するに至った。いくつかの事例において、寿命（例えば、発光波長ではなく）に基づいて蛍光分子を判別することによって、分析機器１−１００の態様を単純化することができる。一例として、寿命に基づいて蛍光分子を判別する場合、波長弁別光学素子（波長フィルタ、各波長の専用検出器、異なる波長における専用パルス光源、及び／又は回折光学素子）の数を低減することができるか、又は、なくすことができる。いくつかの事例において、単一の固定波長（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）において動作する単一のパルス光源を使用して、光学スペクトルの同じ波長領域内で発光するが、測定可能に異なる寿命を有する異なる蛍光分子を励起することができる。同じ波長領域内で発光する異なる蛍光分子を励起及び判別するために、異なる波長における複数の光源ではなく、単一のパルス光源を使用する分析システムは、動作及び保守管理の複雑さを低減することができ、よりコンパクトにすることができ、より低いコストで製造することができる。
【００３６】
蛍光寿命分析に基づく分析システムは、一定の利点を有することができるが、追加の検出技法を可能にすることによって、分析システムによって得られる情報の量及び／又は検出精度を増大することができる。例えば、いくつかの分析システム１−１６０は、蛍光波長及び／又は蛍光強度に基づいて試料の１つ又は複数の特性を判別するようにさらに構成されてもよい。
【００３７】
再び図１−７を参照すると、いくつかの実施形態によれば、蛍光分子の励起後の蛍光発光事象を時間ビニングするように構成されている光検出器を用いて、異なる蛍光寿命を区別することができる。時間ビニングは、光検出器の単一の電荷蓄積サイクルの間に行われ得る。電荷蓄積サイクルは、読み出し事象の間の間隔であり、その間に光発生キャリアが時間ビニング光検出器のビン内に蓄積される。発光事象の時間ビニングによって蛍光寿命を決定するという概念は、図１−８にグラフで紹介されている。ｔ１の直前の時間ｔｅにおいて、蛍光分子または同じタイプ（例えば、図１−７の曲線Ｂに対応するタイプ）の蛍光分子の集合が、短光パルスまたは超短光パルスによって励起される。分子の大きな集合に関して、発光強度は、図１−８に示すように、曲線Ｂと同様の時間プロファイルを有し得る。
【００３８】
一方、単一分子または少数の分子に関して、蛍光光子の放出は、この例では、図１−７の曲線Ｂの統計値に従って生じる。時間ビニング光検出器１−３２２は、発光事象から発生するキャリアを個別の時間ビンに蓄積することができる。図１−８には３つのビンが示されているが、実施形態では、より少ないビンまたはより多くのビンを使用することができる。ビンは、蛍光分子（単数または複数）の励起時間ｔｅに関して時間的に分解される。例えば、第１のビンは、時間ｔｅにおける励起事象の後に発生する、時間ｔ１とｔ２の間の間隔の間に生成されたキャリアを蓄積することができる。第２のビンは、時間ｔ２とｔ３の間の間隔の間に生成されたキャリアを蓄積することができ、第３のビンは、時間ｔ３とｔ４の間の間隔の間に生成されたキャリアを蓄積することができる。多数の発光事象が合計されると、時間ビンに蓄積されたキャリアは、図１−８に示す減衰強度曲線に近似することができ、ビニングされた信号を使用して、異なる蛍光分子または蛍光分子が存在する異なる環境を区別することができる。
【００３９】
時間ビニング光検出器１−３２２の例は、両方とも参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１５年８月７日に出願された「受信光子の時間的ビニングのための統合デバイス（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｔｅｍｐｏｒａｌ  Ｂｉｎｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｒｅｃｅｉｖｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎｓ）」というタイトルの米国特許出願第１４／８２１，６５６号、および２０１７年１２月２２日に出願された「ダイレクトビニングピクセルを有する統合光検出器（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｉｎｎｉｎｇ  Ｐｉｘｅｌ）」というタイトルの米国特許出願第１５／８５２，５７１号に記載されている。説明を目的として、時間ビニング光検出器の非限定的な実施形態が、図１−９に示されている。単一の時間ビニング光検出器１−３２２は、全て半導体基板上に形成される、光子吸収／キャリア発生領域１−９０２、キャリア放電チャネル１−９０６、および複数のキャリア貯蔵ビン１−９０８ａ、１−９０８ｂを含むことができる。キャリア輸送チャネル１−９０７は、光子吸収／キャリア発生領域１−９０２とキャリア貯蔵ビン１−９０８ａ、１−９０８ｂとの間を接続することができる。図示の例では、２つのキャリア貯蔵ビンが示されているが、それより多くのビンまたは少ないビンが設けられてもよい。キャリア貯蔵ビンに接続される読み出しチャネル１−９１０を設けることができる。光子吸収／キャリア発生領域１−９０２、キャリア放電チャネル１−９０６、キャリア貯蔵ビン１−９０８ａ、１−９０８ｂ、および読み出しチャネル１−９１０は、光検出機能、閉じ込め、およびキャリアの輸送を提供するように半導体を局所的にドープすること、および／または隣接絶縁領域を形成することによって形成することができる。時間ビニング光検出器１−３２２はまた、デバイスを介してキャリアを輸送するための電場をデバイス内に発生させるように構成されている、基板上に形成された複数の電極１−９２０、１−９２１、１−９２２、１−９２３、１−９２４を含むことができる。
【００４０】
動作中、パルス光源１−１０８（例えば、モードロックレーザ）からの励起パルス１−１２２の一部は、時間ビニング光検出器１−３２２の上方のサンプルウェル１−３３０に送達される。最初に、いくつかの励起放射光子１−９０１は、光子吸収／キャリア発生領域１−９０２に到達して、キャリアを生成する（薄い網掛けの円で示されている）。励起放射光子１−９０１とともに到着し、対応するキャリアを生成するいくつかの蛍光発光光子１−９０３も存在し得る（濃い網掛けの円で示されている）。最初に、励起放射線によって生成されるキャリアの数は、蛍光発光によって生成されるキャリアの数と比較して多すぎることがある。例えば、時間間隔｜ｔｅ−ｔ１｜の間に生成された初期キャリアは、第１の電極１−９２０を備えたキャリア放電チャネル１−９０６にゲーティングすることによって排除することができる。
【００４１】
その後、ほとんどの蛍光発光光子１−９０３が光子吸収／キャリア発生領域１−９０２に到達し、サンプルウェル１−３３０からの蛍光発光を表す有用で検出可能な信号を提供するキャリア（濃い網掛けの円で示される）を生成する。いくつかの検出方法によれば、第２の電極１−９２１および第３の電極１−９２３は、後で（例えば、第２の時間間隔｜ｔ１−ｔ２｜の間に）生成されたキャリアを第１のキャリア貯蔵ビン１−９０８ａに向けるために、後でゲーティングすることができる。続いて、第４の電極１−９２２および第５の電極１−９２４は、キャリアを第２のキャリア貯蔵ビン１−９０８ｂに向けるために後で（例えば、第３の時間間隔｜ｔ２−ｔ３｜の間に）ゲーティングすることができる。電荷蓄積は、励起パルスの後に多数の励起パルスの間このようにして継続して、各キャリア貯蔵ビン１−９０８ａ、１−９０８ｂにかなりの数のキャリアおよび信号レベルを蓄積することができる。後で、信号をビンから読み出すことができる。いくつかの実施形態において、各貯蔵ビンに対応する時間間隔は、サブナノ秒の時間スケールであるが、いくつかの実施形態（例えば、蛍光色素分子がより長い減衰時間を有する実施形態）では、より長い時間スケールを使用することができる。
【００４２】
励起事象（例えば、パルス光源からの励起パルス）の後にキャリアを生成および時間ビニングする工程は、単一の励起パルスの後に１度行われてもよく、または時間ビニング光検出器１−３２２の単一の電荷蓄積サイクル中に複数の励起パルスの後に複数回繰り返されてもよい。電荷蓄積が完了した後、キャリアは、読み出しチャネル１−９１０を介して貯蔵ビンから読み出すことができる。例えば、適切なバイアスシーケンスを電極１−９２３、１−９２４に、かつ少なくとも電極１−９４０に印加して、キャリアを貯蔵ビン１−９０８ａ、１−９０８ｂから除去することができる。電荷蓄積および電荷読み出し工程は、光電子チップ１−１４０での大規模並列処理で行われて、フレームのデータが生成される。
【００４３】
図１−９に関連して説明した例には、複数の電荷貯蔵ビン１−９０８ａ、１−９０８ｂが含まれているが、いくつかの事例において、単一の電荷貯蔵ビンを使用してもよい。例えば、時間ビニング光検出器１−３２２にはビン１のみが存在してもよい。そのような場合、単一の貯蔵ビン１−９０８ａを可変の時間ゲーティング方式で動作させて、異なる励起事象後の異なる時間間隔を観察することができる。例えば、第１の一連の励起パルスにおけるパルスの後、貯蔵ビン１−９０８ａに対する電極をゲーティングして、第１の時間間隔（例えば、第２の時間間隔｜ｔ１−ｔ２｜）の間に生成されたキャリアを収集することができ、蓄積された信号を第１の所定のパルス数の後に読み出すことができる。同じサンプルウェルでの後続の一連の励起パルスにおけるパルスの後、貯蔵ビン１−９０８ａに対する同じ電極をゲーティングして、異なる間隔（例えば、第３の時間間隔｜ｔ２−ｔ３｜）の間に生成されたキャリアを収集することができ、蓄積された信号を第２の所定のパルス数の後に読み出すことができる。キャリアは、必要に応じて、同様の方法で後の時間間隔の間に収集することができる。このようにして、サンプルウェルに励起パルスが到着した後の異なる期間の間に蛍光発光に対応する信号レベルを、単一のキャリア貯蔵ビンを使用して生成することができる。
【００４４】
励起後の異なる時間間隔の間に電荷蓄積がどのように実行されるかに関係なく、読み出される信号は、例えば、蛍光発光減衰特性を表すビンを有するヒストグラムを提供することができる。例示的な工程が図１−１０Ａおよび図１−１０Ｂに示される。ヒストグラムのビンは、サンプルウェル１−３３０内の蛍光色素分子（単数または複数）の励起後の各時間間隔の間に検出された光子の数を示すことができる。いくつかの実施形態では、ビンの信号は、図１−１０Ａに示されるように、多数の励起パルス後に蓄積される。励起パルスは、パルス間隔時間Ｔによって分離された時間ｔｅ１、ｔｅ２、ｔｅ３、…ｔｅＮで発生する。いくつかの事例において、１０５個と１０７個との間の励起パルス１−１２２（またはその一部）を、サンプルウェルで観察されている単一の事象（例えば、ＤＮＡ分析における単一のヌクレオチド取り込み事象）に対する電子貯蔵ビンへの信号の蓄積中にサンプルウェルに印加することができる。いくつかの実施形態では、１つのビン（ビン０）は、各光パルスによって送達される励起エネルギーの大きさを検出するように構成することができ、（例えば、データを正規化するための）基準信号として使用することができる。他の事例では、励起パルスの振幅は、安定しており、信号取得中に１回以上決定され、かつ各励起パルスの後にビン０信号の取得がないように各励起パルスの後に決定されない。このような場合、励起パルスによって生成されたキャリアは、図１−９に関連して前述したように、光子吸収／キャリア発生領域１−９０２から排除および放出される。
【００４５】
いくつかの実施形態では、図１−１０Ａに示すように、単一の光子のみが、励起事象後に蛍光色素分子から放出され得る。時間ｔｅ１における最初の励起事象の後、時間ｔｆ１において放出された光子は、第１の時間間隔（例えば、時間ｔ１とｔ２の間）内で発生し得、結果として生じる電子信号は第１の電子貯蔵ビン内に蓄積される（ビン１に提供される）。時間ｔｅ２における後続の励起事象では、時間ｔｆ２において放出された光子が、第２の時間間隔（例えば、時間ｔ２とｔ３の間）内で発生し得、結果として生じる電子信号がビン２に提供される。時間ｔｅ３における次の励起事象の後、第１の時間間隔内で生じる時間ｔｆ３において光子が放出され得る。
【００４６】
いくつかの実施形態では、サンプルウェル１−３３０において受信された各励起パルスの後に放出および／または検出される蛍光光子が存在しない場合がある。いくつかの事例において、サンプルウェルに送達される１０，０００個の励起パルスごとにサンプルウェルで検出される蛍光光子が１個しかない可能性がある。モードロックレーザ１−１１０をパルス励起源１−１０８として実施することの１つの利点は、モードロックレーザが、高いパルス繰り返し率（例えば、５０ＭＨｚと２５０ＭＨｚとの間）で高強度および迅速なターンオフ時間を有する短光パルスを生成することができることである。このような高いパルス繰り返し率では、１０ミリ秒の電荷蓄積間隔内の励起パルスの数は５０，０００個〜２５０，０００個とすることができるため、検出可能な信号を蓄積することができる。
【００４７】
多数の励起事象およびキャリア貯蔵の後、時間ビニング光検出器１−３２２のキャリア貯蔵ビンを読み出して、サンプルウェルに関する多値信号（例えば、２つ以上の値のヒストグラム、Ｎ次元ベクトル等）を提供することができる。各ビンの信号値は、蛍光色素分子の減衰率に依存し得る。例えば、再び図１−８を参照すると、減衰曲線Ｂを有する蛍光色素分子は、減衰曲線Ａを有する蛍光色素分子よりも高い、ビン１内の信号のビン２内の信号に対する比を有する。ビンからの値を分析して較正値に対して比較し、かつ／または互いに比較して、存在する特定の蛍光色素分子を決定することができる。シーケンシング用途に関して、蛍光色素分子を識別することにより、例えば、ＤＮＡの伸長鎖に取り込まれているヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体を決定することができる。他の用途に関して、蛍光色素分子を識別することにより、蛍光色素分子に結合されている対象の分子または試料のアイデンティティを決定することができる。
【００４８】
信号分析の理解をさらに補助するために、蓄積された複数のビンの値は、例えば図１−１０Ｂに示すようにヒストグラムとしてプロットされるか、Ｎ次元空間内のベクトルまたは位置として記録することができる。較正ラン（Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｒｕｎｓ）を個別に実行して、４つのヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体に結合されている４つの異なる蛍光色素分子の多値信号（例えば、較正ヒストグラム）の較正値を取得することができる。一例として、較正ヒストグラムを、図１−１１Ａ（Ｔヌクレオチドに関連付けられている蛍光標識）、図１−１１Ｂ（Ａヌクレオチドに関連付けられている蛍光標識）、図１−１１Ｃ（Ｃヌクレオチドに関連付けられている蛍光標識）、及び図１−１１Ｄ（Ｇヌクレオチドに関連付けられている蛍光標識）に示されているように表示することができる。測定された多値信号（図１−１０Ｂのヒストグラムに対応する）を較正多値信号と比較することで、ＤＮＡの伸長鎖に取り込まれているヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体のアイデンティティ「Ｔ」（図１−１１Ａ）を決定することができる。
【００４９】
いくつかの実施態様において、異なる蛍光色素分子の間で区別するために、蛍光強度が追加的に又は代替的に使用されてもよい。例えば、いくつかの蛍光色素分子は、たとえそれらの減衰率が類似していても、大きく異なる強度で放出する場合があるか、またはそれらの励起の確率に著しい差（例えば、少なくとも約３５％の差）を有する場合がある。ビニングされた信号（ビン１〜３）を、測定された励起エネルギーおよび／または他の取得された信号に対して参照することによって、強度レベルに基づいて異なる蛍光色素分子を区別することが可能であり得る。
【００５０】
いくつかの実施形態において、同じタイプの異なる数の蛍光色素分子を異なるヌクレオチド又はヌクレオチド類似体に結合することができ、それによって、蛍光強度に基づいてヌクレオチドを同定することができる。例えば、２個の蛍光色素分子は、第１のヌクレオチド（例えば、「Ｃ」）またはヌクレオチド類似体に結合することができ、４個以上の蛍光色素分子は、第２のヌクレオチド（例えば、「Ｔ」）またはヌクレオチド類似体に結合することができる。蛍光色素分子の数が異なるため、異なるヌクレオチドに関連付けられる異なる励起及び蛍光色素分子発光確率があり得る。例えば、信号蓄積間隔中に、「Ｔ」ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体についてより多くの発光事象があり得、それによって、これらのビンの見かけの強度は、「Ｃ」ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体よりも大幅に高い。
【００５１】
本発明者らは、蛍光色素分子減衰率及び／又は蛍光色素分子強度に基づいてヌクレオチド又は任意の他の生物学的試料又は化学的試料を区別することによって、分析機器１−１００内の光励起及び検出システムを単純化することが可能になることを認識し、評価するに至った。例えば、光励起は、単一波長源（例えば、複数の光源または複数の異なる固定波長において動作する光源ではなく、１つの固定波長を生成する光源）を用いて実施することができる。さらに、異なる波長の蛍光色素分子を区別するための波長弁別光学素子およびフィルタが、検出システムに必要ない場合がある。また、単一の光検出器を各反応チャンバに使用して、異なる蛍光色素分子からの発光を検出することができる。
【００５２】
「固定波長」または「波長」という語句は、限定された放射の帯域幅内の中心波長または主波長（例えば、パルス光源によって出力される２０ｎｍ帯域幅内の中心波長またはピーク波長）を参照するために使用される。いくつかの事例において、「固定波長」または「波長」は、光源によって出力される放射線の全帯域幅内のピーク波長を参照するために使用されてもよい。
【００５３】
本発明者らは、約５６０ｎｍと約９００ｎｍとの間の範囲内の発光波長を有する蛍光色素分子が、時間ビニング光検出器（ＣＭＯＳ工程を使用してシリコンウェハ上に作製することができる）によって検出されるのに十分な量の蛍光発光を与え得ることを認識し、評価するに至った。これらの蛍光色素分子は、遺伝子シークエンシング用途に関してヌクレオチドまたはヌクレオチド類似体などの対象の生体分子に結合することができる。この波長範囲内の蛍光発光は、シリコンベースの光検出器内で、より長い波長の蛍光発光よりも高い応答度で検出することができる。加えて、蛍光色素分子及び関連付けられるリンカはこの波長範囲において、ヌクレオチド又はヌクレオチド類似体の、ＤＮＡの伸長鎖への取り込みに干渉しない。本発明者らはまた、約５６０ｎｍと約６６０ｎｍとの間の範囲内の発光波長を有する蛍光色素分子を、単一波長源を用いて光励起することができることを認識し、評価するに至った。この範囲内の例示的な蛍光色素分子は、サーモ・フィッシャー・サイエンティフィック・インコーポレイテッド社（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｃ．）［米国マサチューセッツ州ウォルサム（Ｗａｌｔｈａｍ）所在］から入手可能なＡｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ  ６４７である。本発明者らはまた、より短い波長（例えば、約５００ｎｍと約６５０ｎｍとの間）における励起エネルギーが、約５６０ｎｍと約９００ｎｍとの間の波長で発光する蛍光色素分子を励起するために必要とされ得ることを認識し、評価するに至った。いくつかの実施形態では、時間ビニング光検出器は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの他の材料を光検出器の活性領域に組み込むことによって、サンプルからより長い波長の発光を効率的に検出することができる。
【００５４】
単一の固定波長を放射する励起源を使用してＤＮＡをシークエンシングする可能性は、いくつかの光学系を単純化することができるが、励起源およびデータ取得に技術的に困難な要求を課す可能性がある。例えば、本発明者らは、励起源からの光パルスは、励起エネルギーが、蛍光色素分子を寿命および／または強度に基づいて区別するために使用され得るその後に検出される蛍光信号を圧倒しないように、またはそれと干渉しないように、上述した検出方式のために迅速に消滅すべきであることを認識し、評価するに至った。本発明者らは、モードロックレーザが、そのような急速なターンオフ特性をもたらすことができることを認識し、評価するに至った。しかしながら、モードロックレーザは、長時間にわたって安定したモードロック状態で動作することが困難であり得、信号の取得に悪影響を与える可能性がある。例えば、時間および／または強度に基づいて蛍光色素分子を区別する場合、データ取得タイミングおよび励起パルス強度の安定性は、誤認識エラーを減少させるために重要である。多大な努力の結果、コンパクトで安定したモードロックレーザが考案され、高度な分析機器１−１００の交換可能なモジュールとして実施された。例示的なモードロックレーザモジュールは、上記で参照された米国特許出願第１５／８４４，４６９号に記載されている。このようなレーザは、何時間も連続して動作されるときに、安定したパルス強度の出力を提供することがわかっている。しかしながら、このような安定したモードロックレーザを使用した場合でも、パルス繰り返し率のドリフトが発生したり、パルスが時折脱落したりすること（例えば、パルスの欠落）がある。
【００５５】
データ取得タイミングの重要性は、図１−１０Ａを再度参照して理解することができる。ビン内に蛍光信号を適切に蓄積するために、ビンのタイミング間隔が、連続する各光励起パルスの後に同時に発生することが重要である。ビンのタイミングが光パルスに対してドリフトする場合、蛍光信号によって光検出器１−３２２において生成されたキャリアが誤ったビンに蓄積され、蛍光色素分子および対応する試料の誤認識をもたらし得る。加えて、データのオーバーランおよびデータの欠落を回避するために、光電子チップ１−１４０からデータを反応チャンバにおけるデータ取得とほぼ同期して読み出すことが望ましい。
【００５６】
データ取得タイミングを制御するための１つのアプローチが図２−１に示されている。本発明者らは、分析システム１−１６０の少なくともいくつかの電子的動作（例えば、データ取得、信号処理、データ送信）を、例えば、モードロックレーザ１−１１０から出力される光パルス１−１２２の繰り返し率と同期させることが望ましいことを認識し、評価するに至った。いくつかの実施形態によれば、タイマ２−１２０は、モードロックレーザ１−１１０によって生成された光パルス１−１２０または１−１２２を検出し、一連の光パルス１−１２２と同期し、かつ機器の電子的動作をトリガするために使用することができるタイミング信号（例えば、クロック信号）を生成するように構成することができる。本発明者らは、モードロックレーザまたは他のパルス光源からタイミング信号を導出することに関連する少なくとも２つの重要な態様があることを認識し、評価するに至った。第１の態様は、そのようなタイミング信号を使用するとき、光パルスの生成が断続的に中断したり、光パルスの周波数または繰り返し率がドリフトしたりしても、機器が安定して継続的に動作するように機器の電子装置を構成することである。第２の態様は、異なる蛍光色素分子を区別する際の機器の性能を改善する高品質の信号を収集するために、光電子チップ上のデータ取得ビン（例えば、ビン１、ビン２、ビン３など）の発生のタイミングをとるように機器の電子装置を構成することである。
【００５７】
図２−１において、光パルス１−１２２は、距離Ｄだけ空間的に分離されているように描かれている。この図は、時間内のスナップショットを表している。この分離距離は、Ｔ＝Ｄ／ｃの関係に従うパルス間の時間Ｔに対応する。式中、ｃは光速である。実際には、パルス間の時間Ｔは、フォトダイオードおよびオシロスコープを使用して測定することができる。モードロックレーザ１−１１０の場合、時間Ｔは、レーザのキャビティ内の光パルスの往復時間に対応する。いくつかの実施形態によれば、ｆｓｙｎｃ＝１／（ＴＮ）であり、式中、ｆｓｙｎｃは、検出された光パルス列１−１２２から生成されるクロック信号の周波数を表し、Ｎは１以上の整数である。いくつかの実施では、ｆｓｙｎｃ＝Ｎ／Ｔとなるようにクロック信号を生成することができる。式中、Ｎは１以上の整数である。
【００５８】
いくつかの実施形態によれば、タイマ２−１２０は、モードロックレーザ１−１１０からの光パルス１−１２２を検出するフォトダイオードからアナログ信号またはデジタル化信号を受信することができる。フォトダイオードは、モードロックレーザ１−１１０内または近傍に搭載されるか、または分析機器１−１００内の、光パルス１−１２０または１−１２２からの光（散乱光または透過光）を検出することができる場所に搭載することができる。タイマ２−１２０は、受信したアナログ信号またはデジタル化信号から同期信号を形成またはトリガするために任意の適切な方法を使用することができる。例えば、タイマは、シュミットトリガまたは比較器を使用して、検出された光パルスからデジタルパルス列を形成することができる。いくつかの実施形態では、タイマ２−１２０はさらに、遅延ロックループまたは位相ロックループを使用して、安定した電子クロック源からの安定したクロック信号を、検出された光パルスから生成されるデジタルパルス列に同期させることができる。デジタルパルス列および／またはロックされた安定したクロック信号は、機器１−１００上の電子装置を光パルスと同期させるために分析システム１−１６０に提供することができる。
【００５９】
いくつかの実施形態では、クロック検出回路を使用して、携帯型の分析機器１−１００内のデータ取得電子装置を動作させるために使用することができるクロッキング信号が生成される。クロック検出回路２−２００の例を図２−２に示すが、本発明は図面の特定の回路に限定されない。いくつかの事例において、クロック検出回路２−２００またはその一部は、モードロックレーザモジュール１−１１０などのパルス光源１−１０８の一部であるプリント回路基板（ＰＣＢ）上に組み立てることができる。いくつかの実施形態によれば、クロック検出回路２−２００は、パルス検出段、自動利得制御による信号増幅段、クロックデジタル化段、およびクロック周波数／位相ロック段を含むことができる。
【００６０】
パルス検出段２−２０５は、いくつかの実施形態によれば、逆バイアスされ、かつバイアス電位と基準電位（例えば、接地電位）との間に接続された高速フォトダイオード２−２１０を備えることができる。いくつかの実施形態によれば、フォトダイオード２−２１０は、所望の量の逆バイアスを提供するために２つの抵抗器Ｒ１、Ｒ２と直列に接続されている。フォトダイオードに対する逆バイアスは、任意の適切な値にすることができ、固定値抵抗器Ｒ１、Ｒ２を使用して固定されてもよく、または調整可能とすることができる。いくつかの事例において、コンデンサＣが、フォトダイオード２−２１０の速度を向上させ、および／または信号ノイズを低減するためにフォトダイオード２−２１０のカソードと基準電位との間に接続することができる。フォトダイオードのアノードからの信号が、増幅段２−２０７に提供される。いくつかの実施形態では、パルス検出段２−２０５は、約１００マイクロワットと約２５ミリワットとの間の平均パワーレベルを有する光パルスを検出するように構成することができる。クロック検出回路２−２００のパルス検出段２−２０５は、モードロックレーザ１−１１０上またはその付近に搭載することができ、光源（例えば、モードロックレーザ１−１１０）によって生成された光パルス１−１２０または１−１２２を検出するように構成することができる。
【００６１】
増幅段２−２０７は、アナログ利得増幅器からのパルス出力レベルを所定の範囲内に設定することができるように可変利得調整または調整可能な減衰を含むことができる１つまたは複数のアナログ増幅器２−２２０を含むことができる。クロック検出回路２−２００の増幅段２−２０７は、自動利得制御増幅器２−２４０をさらに含むことができる。いくつかの事例において、アナログフィルタリング回路２−２３０を、（例えば、高周波ノイズ（例えば、約５００ＭＨｚを超える）および／または低周波ノイズ（例えば、約１００Ｈｚ未満）を除去するために）アナログ増幅器２−２２０の出力に接続することができる。いくつかの実施形態によれば、１つまたは複数のアナログ利得増幅器２−２２０からのフィルタリングされたまたはフィルタリングされていない出力を、自動利得制御増幅器２−２４０に提供することができる。
【００６２】
いくつかの事例において、１つまたは複数のアナログ増幅器からの最終的な出力信号は、正極性であり得る。本発明者らは、後続の自動利得制御（ＡＧＣ）増幅器２−２４０が、その入力パルスが負の電圧ではなく正の電圧にピークに達するときに、より確実に動作することを認識し、評価するに至った。自動利得制御増幅器２−２４０は、受信した電子パルス列の振幅変動を補償するように、その内部利得を変化させることができる。自動利得制御増幅器２−２４０からの出力パルス列は、図２−２に示すように、ほぼ一定の振幅を有することができ、一方で、自動利得制御増幅器２−２４０への入力は、パルス間振幅の変動を有し得る。例示的な自動利得制御増幅器２−２４０は、アナログ・デバイセズ・インコーポレイテッド社（Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｉｎｃ．）［米国マサチューセッツ州ノーウッド］から入手可能なモデルＡＤ８３６８である。
【００６３】
クロックデジタル化段２−２０９において、いくつかの実施形態によれば、自動利得制御増幅器２−２４０からの出力を比較器２−２５０に提供して、デジタルパルス列２−２５２を生成することができる。例えば、ＡＧＣ増幅器からのパルス列は、比較器２−２５０の第１の入力に提供することができ、基準電位（いくつかの実施形態ではユーザ設定可能であり得る）を比較器２−２５０の第２の入力に接続することができる。基準電位は、各生成されるデジタルパルスの立ち上がりエッジのトリガポイントを確立することができる。
【００６４】
理解され得るように、受信された光パルス振幅の変動が、ＡＧＣ増幅器２−２４０の前の電子パルスの振幅の変動につながるであろう。ＡＧＣ増幅器がなければ、これらの振幅変動は、比較器２−２５０からのデジタル化されたパルス列内のパルスの立ち上がりエッジでタイミングジッタをもたらすことになる。ＡＧＣ増幅器２−２４０によってパルス振幅をレベリングすることによって、比較器２−２５０の後のパルスジッタが大幅に減少する。例えば、タイミングジッタは、ＡＧＣ増幅器によって約５０ピコ秒未満に減少することができる。いくつかの実施形態において、比較器からの出力は、デジタル化されたパルス列のデューティサイクルを約５０％に変更するように構成された論理回路２−２７０に提供することができる。
【００６５】
いくつかの実施形態では、クロック検出回路２−２００の周波数／位相ロック段２−２１１は、機器動作を光パルス１−１２２にタイミングを合わせかつ同期させるために少なくとも１つの安定した出力クロック信号ＣＬＫを生成するために使用される位相ロックループ（ＰＬＬ）を含むことができる。いくつかの実施形態によれば、クロックデジタル化段２−２０９からの出力は、周波数／位相検出器２−２８０の第１の入力に提供することができ、安定した電子または電気機械式電圧制御発振器（ＶＣＯ）２−２６０からの信号は、検出器２−２８０の第２の入力に提供することができる。いくつかの事例において、電子または電気機械式発振器は、機械的摂動および温度変化に対して高度に安定性を有することができる。ＰＬＬは、ＶＣＯにフィードバックされる周波数／位相検出器２−２８０からの出力をフィルタリングするように構成されたループフィルタ２−２８２をさらに含むことができる。実施形態では、ループフィルタ２−２８２は、選択されたクロックサイクル数にわたって、周波数／位相検出器２−２８０から検出された差信号を効果的に積分することができる。
【００６６】
いくつかの実施形態によれば、ＶＣＯ２−２６０からの安定したクロック信号の位相および周波数は、ＰＬＬによって、安定性に劣り得る、パルス光源（例えば、モードロックレーザ１−１１０）の光パルス１−１２２から導出されたデジタル化クロック信号ＯＳ１の位相および周波数にロックされる。複数の光パルスにまたがるＰＬＬにおける積分期間を使用することにより、電子または電気機械式発振器２−２６０は、光パルス列の周波数および位相にロックし、モードロックレーザ１−１１０の短期間的な不安定性（例えば、パルスジッタ、パルス脱落）を乗り越えることができる。このようにして、周波数／位相ロック段２−２１１は、安定した電気または電気機械式発振器２−２６０から導出され、光源１−１０８によって生成される光パルス１−１２０または１−１２２に同期した１つまたは複数の安定した出力クロック信号ＣＬＫを生成することができる。いくつかの実施形態では、出力クロック信号ＣＬＫは、クロック信号をＭ通りに分割し、かつＭ個のクロック信号から異なるクロック信号を合成することができるクロック合成段に提供することができる。周波数／位相ロック段２−２１１を実施するために使用することができる例示的な回路は、シリコン・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド社（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  Ｉｎｃ．）［米国テキサス州オースティン］から入手可能なＩＣチップＳｉ５３３８である。
【００６７】
本発明者らは、いくつかの実施形態では、ＡＧＣ増幅器２−２４０のループ帯域幅と周波数／位相ロック段２−２１１におけるＰＬＬのループ帯域幅との間には、相互作用（ｉｎｔｅｒｐｌａｙ）があり得ることを認識し、評価するに至った。ＰＬＬのループ帯域幅は、主にループフィルタ２−２８２に関するパラメータ値によって決定される。例えば、ＰＬＬのループ帯域幅が高すぎる場合、出力クロック信号ＣＬＫは、ＡＧＣ増幅器および比較器によってデジタル化パルス列に導入またはパスされるジッタに応答して、出力クロック信号ＣＬＫに過度に不安定な挙動を導入する可能性がある。不安定な挙動は、クロッキングエラーおよび機器のロックアップにつながる可能性がある。一方、ＡＧＣおよびＰＬＬのいずれかまたは両方のループ帯域幅が低すぎる場合、結果としてＰＬＬから出力されるクロック信号は、光パルスのタイミングを正確に追跡せず、光電子チップ１−１４０上での信号検出エラーおよび分析されたサンプルの高い誤認識をもたらすことになる。本発明者らは、ＰＬＬのループ帯域幅に関連する積分時定数は、モードロックレーザ１−１１０からの光パルス列の約３０個のパルス（±３個のパルス）と約８０個のパルス（±８パルス）との間であるべきであることを見出した。加えて、ＡＧＣ増幅器２−２４０のループ帯域幅に関連する積分時定数は、ＰＬＬの積分時定数の約２０％を超えるべきではない。
【００６８】
図２−３は、本実施形態による、高度な分析機器１−１００に関するクロック生成回路２−３１１、データ取得、およびデータ処理回路の一例を示す。そのような例示的な回路は、１つまたは複数のクロック生成回路２−３８１、２−３８２、２−３８３、１つまたは複数のプロセッサ（フィールドプログラマブルゲートアレイ２−３２０等）、メモリ２−３９０、および通信インタフェース２−３４０を含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば、各クロック生成回路２−３８１、２−３８２、２−３８３は、位相ロックループ（ＰＬＬ）を含み得る。実施形態において、複数のクロック信号を生成し、かつ使用して、データの取得、処理、およびデータの送信のタイミングをとるようにすることができる。本発明者らは、データ処理のために複数のクロック信号を使用することにより、分析機器１−１００のより安定した動作を提供することができることを見出した。いくつかの実施形態によれば、１つまたは複数のクロック信号（図示の例におけるＣＬＫ３、ＣＬＫ４、ＣＬＫ６、ＣＬＫ７）は、パルス光源１−１０８またはその一連の光パルスから導出および／または同期化され、光電子チップ１−１４０からのデータ取得を行わせるために使用することができる。加えて、１つまたは複数のクロック信号（図示の例におけるＣＬＫ１、ＣＬＫ２、ＣＬＫ５）は、パルス光源１−１０８またはその一連の光パルスから導出されず、安定した発振器２−３６０から導出され、かつデータ処理、データ取得、通信、およびデータ送信を行わせるために使用することができる。本発明者らは、安定した発振器２−３６０から導出されたクロック信号がデータ処理、取得、通信動作を行わせるためにパルス光源から得られたクロック信号とは別々に使用される場合、高度な分析機器１−１００は、より安定して動作し、パルス光源１−１０８における短期および長期の中断に耐えることができることを認識し、かつ評価するに至った。安定した発振器を含むことにより、パルス光源から導出されたクロック信号の不安定な挙動による機器のロックアップを防止することができる。例えば、重大なクロッキングエラーが検出された場合（一連の光パルス内の１つはまたは複数の光パルス脱落など）、データ取得および／またはデータ処理用のクロック信号源を安定した発振器に切り替えて、機器１−１００の通常の動作を再開することができる。
【００６９】
いくつかの実施形態によれば、安定した発振器２−３６０からの出力は、１：２ファンアウトバッファ２−３１０を用いて、同じ周波数の２つのクロッキング信号ＯＳＣ１、ＯＳＣ２に分割され、２つのクロック生成回路２−３８１、２−３８２に提供され得る。いくつかの事例において、クロック生成回路はプログラム可能であり、各クロック生成回路は、複数の出力クロック信号を生成することができ、そのうちの少なくともいくつかは、各クロック生成回路において受信された入力信号ＯＳＣ１、ＯＳＣ２の周波数とは異なる周波数を有する。また、各クロック生成回路２−３８１、２−３８２から受信した入力信号と同じ周波数の少なくとも１つの出力信号が存在することができる。同じ周波数および異なる周波数の出力クロック信号は、受信した入力クロック信号ＯＳＣ１、ＯＳＣ２から少なくとも部分的に導出することができる。クロック生成回路２−３８１の一例は、シリコン・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド社（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  Ｉｎｃ．）［米国テキサス州オースティン］から入手可能なチップモデルＳｉ５３３８である。
【００７０】
第１のクロック生成回路２−３８１において、内部電圧制御発振器（ＶＣＯ）は、受信した安定した発振器信号ＯＳＣ１または光パルス列１−１２０または１−１２２から導出された周期的クロッキング信号ＯＳ１に位相ロックされ得る。発振器信号ＯＳＣ１は、安定した電気または電気機械式発振器２−３６０（またはその他の適切な発振器）によって生成することができる。いくつかの実施形態において、クロック生成回路２−３８１は、内部ＶＣＯの周波数および位相を発振器２−３６０からの信号ＯＳＣ１または光パルス列から導出されたクロッキング信号ＯＳ１のいずれかにロックするＰＬＬを実施するための回路を含むことができる。位相ロックループを実施するための回路は、例えば、位相／周波数差検出器、ループフィルタ、およびＶＣＯを含むことができる。位相ロックのための入力信号（例えば、ＯＳ１またはＯＳＣ１）の選択は、例えば、Ｉ２Ｃ通信リンクを介して提供される制御信号を介して行うことができる。入力信号の選択は、クロッキング信号ＯＳ１の安定性または存在に依存してもよい。例えば、信号ＯＳＣ１は、クロッキング信号ＯＳ１が存在しないか、振幅、周波数、位相、またはそれらの組み合わせが不安定であるときに選択され得る。いくつかの実施形態では、分析機器は、クロッキング信号ＯＳ１の中断が検出されたときに発振器導出のクロッキング信号ＯＳＣ１に自動的に切り替えて戻るように構成されて、データ取得は、一連の光パルスにおける一時的な中断を乗り越えることができるようにする。位相ロックループは、光パルス列１−１２０または１−１２２から導出された周期的クロッキング信号ＯＳ１または安定した発振器信号ＯＳＣ１のいずれかに周波数および／または位相が同期した信号を出力することができる。
【００７１】
いくつかの実施形態によれば、安定した発振器２−３６０によって生成される信号ＯＳＣ１の周波数は、周期的クロッキング信号ＯＳ１とは著しく異なる可能性がある。例えば、信号ＯＳＣ１の周波数は１０ＭＨｚのオーダーであり、信号ＯＳ１の周波数は６５ＭＨｚのオーダーである可能性がある。安定した発振器２−３６０が入力信号源として選択された場合にパルス光源１−１０８から導出されるクロッキング信号ＯＳ１の周波数ｆ１に実質的に等しい、第１のクロック生成回路２−３８１からの出力クロック信号（例えば、ＣＬＫ３）を提供するために、第１のクロック生成回路２−３８１の内部ＰＬＬおよび回路は、周波数を目標値までステップアップまたはステップダウンするように構成することができる。いくつかの事例において、周波数値は、例えば、Ｉ２Ｃインタフェースなどの通信インタフェースを介して設定することができる。従って、入力信号源（ＯＳ１またはＯＳＣ１）の選択に関係なく、出力クロック周波数を実質的に同じ値に維持することができる。第１のクロック生成回路２−３８１から出力されたクロック信号（例えば、ＣＬＫ３）は、チップ上のサンプルウェルにおけるデータ取得動作のタイミングをとるために、光電子チップ１−１４０に提供され得る。
【００７２】
本発明者らは、光電子チップ１−１４０およびパルス光源１−１０８（例えば、モードロックレーザ）の複雑さのために、パルス光源１−１０８がオフ状態またはウォームアップ状態にある間に光電子チップ１−１４０を用いて動作を実行することが好ましい、高度な分析機器１−１００の動作期間が存在することを認識し、かつ評価するに至った。これらの期間中、第１のクロック生成回路２−３８１への入力信号は、安定した発振器２−３６０から提供することができる。続いて、パルス光源１−１０８が動作して安定すると、第１のクロック生成回路２−３８１への入力信号を、安定した発振器２−３６０から、光パルス列１−１２０または１−１２２から導出された周期的クロッキング信号ＯＳ１に切り替えることができる。いくつかの動作において、信号ＯＳ１と信号ＯＳＣ１との間の切り替えは、チップ１−１４０上でサンプルの分析を実行する前に、自動化された機器動作（例えば、光電子チップ１−１４０で電子装置をチェックすること）の一部として実行することができる。
【００７３】
第１のクロック生成回路２−３８１への入力信号間で切り替えが行われるとき、第１のクロック生成回路２−３８１から出力されるクロック信号が短時間中断する可能性がある。このような中断は、光電子チップ１−１４０とＦＰＧＡ２−３２０または他のデータプロセッサとの間のデータ送信、データ処理、および／または通信エラーを引き起こす可能性がある。実施形態において、第１のクロック生成回路２−３８１から導出されたクロック信号（例えば、ＣＬＫ３）を、安定した発振器２−３６０から導出されたクロック信号（例えば、第２のクロック生成回路２−３８２を介して生成されたＣＬＫ１）と比較するために、ＦＰＧＡ２−３２０または他のデータプロセッサに提供することができ、これにより、以下でさらに説明するように、ＦＰＧＡは、光電子チップ１−１４０に提供されるクロック信号の中断を検出し、データ送信、データ処理、データ取得、および／または通信におけるエラーを防止することができる。例えば、第１のクロック生成回路２−３８１から得導出されたクロック信号（例えば、ＣＬＫ３）は、１：２ファンアウトバッファ２−３１０により分割され、出力クロック信号の１つがＦＰＧＡ２−３２０に提供される。
【００７４】
いくつかの事例において、クロック生成回路２−３８１は、第１のクロック生成回路２−３８１のＰＬＬから生成された複数のクロック信号ＣＬＫ３、ＣＬＫ４を出力するための回路を含むことができる。複数のクロック信号は、同じ周波数または異なる周波数を有することができる。クロック生成回路２−３８１のＰＬＬからの出力信号を同じ周波数の複数のクロック信号に分割し、複数のクロック信号の１つまたは複数を１つまたは複数のクロック分周器に提供することにより、異なる周波数の複数のクロック信号を生成することができ、分周器は、分数分周器（例えば、非整数分周器）または整数分周器であり得る。各分周器に対して異なる分周器値を使用して、異なる周波数を有する複数のクロック信号を生成して、クロック生成回路２−３８１から出力することができる。
【００７５】
いくつかの事例において、クロック生成回路２−３８１から出力される各クロック信号ＣＬＫ３、ＣＬＫ４は、実質的に同じ周波数ｆ１を有することができる。クロック生成回路は、各出力クロックの位相の微調整および独立した調整を可能にするプログラム可能な位相調整回路を含み得る。いくつかの実施形態によれば、位相、クロック周波数、およびクロック生成の他の態様（例えば、クロック選択、クロック振幅、ＰＬＬループ帯域幅）のプログラムは、Ｉ２Ｃ通信リンクまたは他のデータ通信リンクを介して実行することができる。データ通信リンクは、ユニバーサルシリアルバスインタフェースなどの通信インタフェース２−３４０を使用して確立することができる。光電子チップ１−１４０全体に多数のサンプルウェルが分散している可能性があるため、いくつかの事例において、各クロック信号ＣＬＫ３、ＣＬＫ４をチップの異なる領域に提供して、チップ全体のクロック分布とタイミングの均一性を向上させることができる。例えば、チップ１−１４０に提供されるクロック信号は、同じ周波数のＮ個のクロック信号に分割され、チップ１−１４０上のＮ個の異なる空間位置に提供され得、ここで、Ｎは整数である。
【００７６】
いくつかの実施形態によれば、第１のクロック生成回路２−３８１からの第１のクロック信号ＣＬＫ３は、１：２ファンアウトバッファ２−３１０により分割され、かつ光電子チップ１−１４０および光電子チップ１−１４０から受信したデータを処理するデータプロセッサ（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２−３２０）に提供される。第２のクロック信号ＣＬＫ４もまた、光電子チップ１−１４０に提供される。いくつかの実施形態では、第１のクロック信号ＣＬＫ３および／または第２のクロック信号ＣＬＫ４を使用して、光電子チップ１−１４０上のサンプルウェル１−３３０からのデータ取得を行わせることができ、各クロック信号は、光電子チップ１−１４０上に入射する光学パルス１−１２２列と実質的に同じ周波数ｆ１を有し得る。例えば、第１のクロック信号ＣＬＫ３および／または第２のクロック信号ＣＬＫ４を使用して、光電子チップ１−１４０上の時間ビニング光検出器１−３２２に関する電荷蓄積間隔（例えば、電極のゲーティング）のタイミングをトリガすることができ、その結果、電荷蓄積間隔は、サンプルウェル１−３３０における光パルス１−１２２の到着周波数および／または到着時間に同期させることができる。
【００７７】
いくつかの実施形態では、第１のクロック信号ＣＬＫ３および／または第２のクロック信号ＣＬＫ４を、第１および第２のクロック信号ＣＬＫ３、ＣＬＫ４の１つまたは２つの異なる周波数であり得る２つの出力クロック信号ＣＬＫ６、ＣＬＫ７を生成するクロック生成回路２−３８３に提供することができる。いくつかの事例において、１つのクロック信号ＣＬＫ６を使用して、時間ビニング光検出器１−３２２のアレイからのデータの読み出しのタイミングをとる（例えば、データの行の読み出しのために行および列のポインタを動作させる）ことができる。第２のクロック信号ＣＬＫ７は、光電子チップ１−１４０によって実行される他の機能を動作させるために使用することができる。一例として、第２のクロック信号ＣＬＫ７を使用して、光電子チップ１−１４０上のクワッド検出器１−３２０またはフォトダイオード１−３２４（例えば、光パルス１−１２２の光電子チップ１−１４０上の受信光学構造に対する整列を検知することができる光検出器）において電荷蓄積を行わせることができる。実施形態において、クワッド検出器１−３２０およびフォトダイオード１−３２４からの信号は、サンプルウェル１−３３０からの信号ほど頻繁に収集する必要がないため、より低いデータ取得速度が、チップ１−１４０によって生成されるデータ量を低減するために好ましい。いくつかの実施形態において、クワッド検出器１−３２０およびフォトダイオード１−３２４に入射する光レベルは、これらの検出器およびフォトダイオードからのデータ取得を行わせるためにより遅いクロック周波数が使用される場合に、より高いクロック周波数と比較して、低減することができ、かつより長い積分時間を使用することができる。従って、第２のクロック信号ＣＬＫ７に対するより遅いクロック周波数は、クワッド検出器１−３２０およびフォトダイオード１−３２４によって消費される光パワーの量を低減し、サンプルウェル１−３３０における励起により多くの光パワーを利用可能にすることができる。
【００７８】
いくつかの実施形態によれば、分析機器１−１００は、異なるソースから導出され、かつプロセッサに別々に提供される２つのクロック信号を使用して、（例えば、データがその後のデータ処理のために予測される時間にプロセッサに到着することを決定することによって）サンプル分析のためのデータ取得を有効にすることができる。例えば、第１のクロック信号ＣＬＫ３を、ＦＰＧＡ２−３２０または他の適切なデータ処理デバイス（例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ等）に付加的に提供することができる。例えば、第１のクロック信号ＣＬＫ３は、新たなデータがＦＰＧＡ２−３２０に送信される場合に指示することができる。第１のクロック信号ＣＬＫ３は、ＦＰＧＡ上でデータ処理動作を動作させず、代わりに、光電子チップ１−１４０上でのデータ取得とＦＰＧＡ２−３２０上でのデータ処理動作との間に発生し得るタイミングまたは同期の不一致を解消するために使用することができる。いくつかの実施形態において、パルス光源１−１０８の周波数は時間の経過とともにドリフトする可能性があり、これは、光パルス列１−１２０または１−１２２から導出される周期的クロッキング信号ＯＳ１のドリフトにつながる。これは、第１のクロック信号ｆ１の周波数のドリフトにつながる。ｆ１がドリフトすると、チップ１−１４０におけるデータ取得が、第２の異なるクロック信号（例えば、クロック信号ＣＬＫ１）によって動作されるＦＰＧＡ２−３２０上でのデータ処理動作との同期から外れてドリフトする可能性がある。第１のクロック信号ＣＬＫ３をＦＰＧＡ２−３２０に提供することにより、ＦＰＧＡは、データ処理動作が受信データに対して有効な出力を生成するタイミングを決定することができる。いくつかの実施形態では、データ処理動作を光電子チップ１−１４０上でのデータ取得と同期させるために、データ処理動作は、第１のクロック信号ＣＬＫ３の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの到着まで中断され得る。いくつかの事例において、タイミングまたは同期の不一致を検出すると、ＦＰＧＡ２−３２０または適切なデータプロセッサは、データ処理動作を光電子チップ１−１４０から受信したデータと再同期するためにデータ処理動作のタイミングを変更し得る。例えば、ＦＰＧＡ２−３２０は、データ処理動作をチップ１−１４０から受信したデータストリームと再同期させるために、光電子チップ１−１４０から受信したデータの１つまたは複数のラインまたはフレーム（単数または複数）をドロップ（例えば、破棄または上書き）し得る。いくつかの事例において、データ処理動作は、チップ１−１４０からの到来データの到着および同期を待機するためにＦＰＧＡ２−３２０または適切なデータプロセッサによって一時停止され得る。
【００７９】
いくつかの実施形態では、第１のデータストリームＤＡＴＡ１は、第１のクロック信号ＣＬＫ３または第１のクロック信号ＣＬＫ３から導出されたクロック信号ＣＬＫ６に基づいて、光電子チップ１−１４０からＦＰＧＡ２−３２０に伝送され得る。例えば、第１のクロック信号ＣＬＫ３は、光電子チップからＦＰＧＡへのサンプルウェルデータの伝送をクロッキングするために、直接使用されるか、または異なる周波数に変換して使用され得る。第１のデータストリームＤＡＴＡ１は、サンプルウェル１−３３０から検出された信号から導出することができる。いくつかの事例において、第２のデータストリームＤＡＴＡ２は、第２のクロック信号ＣＬＫ７に基づいて、光電子チップ１−１４０からＦＰＧＡ２−３２０に伝送することができる。例えば、第２のデータストリームＤＡＴＡ２は、クワッド検出器１−３２０およびフォトダイオード１−３２４から検出された信号から導出することができる。
【００８０】
第２のクロック生成回路２−３８２は、分析システム１−１００によって使用される追加のクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２、ＣＬＫ５を生成することができる。いくつかの実施形態によれば、第２のクロック生成回路２−３８２は、安定した発振器２−３６０によって生成される入力クロック信号ＯＳＣ２を受信することができる。位相ロックループは、第２のクロック生成回路２−３８２において使用または実施されてもよいか、または使用または実施されなくてもよい。いくつかの実施形態では、第２のクロック生成回路２−３８２を使用して、異なる所望の周波数の複数のクロック信号ＣＬＫ１、ＣＬＫ２、ＣＬＫ５を生成する。第２のクロック生成回路２−３８２から出力されるクロック信号は、安定した発振器２−３６０からのみ導出されるため、これらのクロック信号は、パルス光源１−１０８から導出されて第１のクロック生成回路２−３８１によって生成されるクロック信号とは対照的に、中断することなく、かつ実質的に周波数ドリフトなし（例えば、２００万分の１未満）で連続的に動作することができる。従って、第２のクロック生成回路２−３８２から出力されるクロック信号は、データ処理および通信動作を連続的に行わせるのに適しており、それにより、データ取得およびデータ処理回路２−３００がロックアップまたはフリーズする原因となる可能性のあるパルス光源によるデータ処理エラーおよびデータ通信エラーまたは中断を回避することができる。
【００８１】
いくつかの実施形態では、第２のクロック生成回路２−３８２からの第１のクロック信号ＣＬＫ１を使用して、ＦＰＧＡ２−３２０におけるデータ処理動作を行わせることができる。いくつかの実施形態では、第１のクロック信号ＣＬＫ１の周波数ｆ２は、光パルス列１−１２２に同期される第１のクロック生成回路２−３８１からの第１のクロック信号ＣＬＫ３の周波数ｆ１よりも高くすることができる。いくつかの実施形態によれば、第２のクロック生成回路２−３８２によって生成される同じ周波数ｆ２（またはいくつかの事例において異なる周波数）の第２のクロック信号ＣＬＫ２を使用して、データ通信インタフェース２−３４０を動作させることができる。データ通信インタフェースは、クロック生成回路２−３８１、２−３８２とのＩ２Ｃ通信を交換することができるＵＳＢインタフェースであり得る。本発明者らは、クロック生成回路２−３８１、２−３８２との通信を維持することができるように、実質的に中断のないクロックを使用してＵＳＢインタフェースを駆動することが非常に好ましいことを認識し、評価するに至った。
【００８２】
いくつかの事例において、第２のクロック生成回路２−３８２によって生成される周波数ｆ３の第３のクロック信号ＣＬＫ５をＦＰＧＡ２−３２０に提供して、ＦＰＧＡと１つまたは複数の外部デバイスとの間のデータ通信を行わせることができる。例えば、第３のクロック信号ＣＬＫ５は、処理されたデータのダブルデータレート（ＤＤＲ）メモリデバイス２−３９０への送信およびダブルデータレート（ＤＤＲ）メモリデバイス２−３９０からのデータの取得を行わせるデータ送信クロック信号ＤＣＬＫを導出するために使用され得る。第３のクロック信号ＣＬＫ５の周波数ｆ３は、周波数ｆ２よりも小さいか、同じか、または周波数ｆ２よりも大きくてもよい。
【００８３】
本発明者らは、データ取得のタイミング（例えば、光電子チップ１−１４０における時間ビニング光検出器１−３２２の電荷蓄積間隔のタイミング）が、使用可能な信号および改善された結果を得るために重要であることを認識し、評価するに至った。いくつかの実施形態によれば、電荷蓄積間隔の開始は、サンプルウェル１−３３０に励起パルスが到着した後の好ましい時間に開始されるべきである。電荷蓄積間隔の開始が早すぎると、蛍光色素分子を区別するための関連する信号が、光励起パルスによって生成されるバックグラウンド信号によって圧倒され、喪失され得る。電荷蓄積間隔の開始が遅すぎると、関連する信号が弱すぎて、信号によって到達するノイズの量が、許容できないほど多数の誤認識または信号処理エラーをもたらし得る。
【００８４】
図３−１は、例示的な励起パルス３−１１０、および蛍光色素分子の発光確率曲線３−１２０とのタイミング関係を示す。サンプルウェル１−３３０内で蛍光色素分子を励起すると、発光確率曲線３−１２０のピークは、励起パルス３−１１０のピークがサンプルウェルに到達するのと同時に実質的に発生する。発光確率曲線３−１２０は、図面に示すように、初期値ＰＢｏから時間とともに減衰する時間の関数ｐＢ（ｔ−ｔｅ）として表すことができる。実施形態では、励起パルス３−１１０の尾部を、時間ビニング光検出器１−３２２に関する電荷蓄積ウィンドウの開始時間ｔ１とほぼ同じ時間、または開始時間ｔ１よりもわずかに前に消滅させることが好ましい。図３−１に示す実施形態に関して、電荷蓄積ウィンドウはｔ１からｔ３まで広がり、蛍光色素分子を区別するために２つの時間ビン（｜ｔ１−ｔ２｜、｜ｔ２−ｔ３｜）のみが使用される。
【００８５】
図３−２は、励起光子ダイナミクスの例示的なプロットである。時間ビニング光検出器１−３２２を使用して各ピコ秒の間に励起光子を検出する確率が、時間の関数として対数スケールでプロットされている。この曲線は、蛍光色素分子の励起中のサンプルウェルにおけるパルスダイナミクスに関する情報を提供する。プロットは、高速フォトダイオードを使用してパルス光源からの光パルスを測定し、測定結果を１ピコ秒の時間ビンあたりの光子数に変換し、その結果を正規化して、合計がほぼ１の面積を有する検出曲線の確率を生成することによって得られたものである。このプロットでは、パルスのピークは時間ｔｅ≒２００ｐｓにおいて到達する。パルスのリーディングエッジ（左側）は時間内に急速に上昇し、パルスの尾部は、より緩慢に減衰する。プロットはパルス形状の例を示すが、他のパルス形状を使用してもよい。プロットは、特定の用途に合わせて変換し、かつ／またはスケーリングすることができる。
【００８６】
例示的な光電子チップ１−１４０に関して、本発明者らは、各サンプルウェル１−３３０にパルス当たり約５００光子の散乱励起放射線が送達され得ることを決定した。従って、図３−２における曲線は、パルス当たりにサンプルウェルに到達する散乱光子の数を表すために、その面積が約５００に相当するように上方にスケーリングすることができる。これらの光子は、光検出器１−３２２からのバックグラウンド信号に寄与する可能性があるため、不要である。さらに、図３−２における曲線は、蓄積された信号のフレーム当たりにサンプルウェルに到達する光子の数を表すために、フレーム積分期間中に受信したパルスの総数を乗算することによってさらに上方にスケーリングすることができる。信号の蓄積中にサンプルウェルにおいて受信される励起パルスの総数は、１０個と１，０００，０００個との間の任意の数とすることができる。信号検出の目的で、図３−２における曲線を、時間の関数としての励起光子の検出の確率を表すために補正することができる（例えば、検出器の収集角度および量子効率の変化を考慮し、追加され得る励起波長の任意の光学フィルタリングまたは減衰を考慮してスケーリングされる）。
【００８７】
上記したように、各励起パルスに対して１つまたは０の蛍光光子が放出され得る。さらに、本発明者らは、いくつかの事例において、サンプルウェルに送達される１０，０００個の励起パルスに対して、サンプルウェルから放出および検出される蛍光光子がわずか１個であり得ることを観察した。従って、この例では、蛍光光子（放出された場合）を検出できるようにするために、光子が存在する確率が最大で１０−４（ピーク確率に対して）の確率があるパルスのピークを超えた時点において、第１の電荷蓄積間隔のリーディングエッジ（時間ｔ１）を設定する必要がある。このような場合、および図３−２に示すトレースのような励起光子を検出する補正された確率に関しては、励起パルスからの散乱光子の適切な除去率を提供するために、時間ｔ１は、励起パルスのピークから約３００ｐｓ以上超えた時点で設定される必要がある。他の条件（例えば、異なる導波路散乱量、異なるパルス形状、異なる蛍光発光効率等）に関して、時間ｔ１は、励起パルスのピークに対して異なる時間に設定され得る。一例として、パルス形状は、異なるタイプのパルス光源（モードロックレーザなど）に関して、図３−２に示すトレースとは異なり得、かつパルスのピークを超えてより急速に減衰し得る。
【００８８】
実際に、本発明者らは、第１の電荷蓄積間隔のリーディングエッジ（時間ｔ１）の位置に影響を与える他の要因があることを発見した。図３−３は、時間ビニング光検出器１−３２２の第１の電荷蓄積ビン１−９０８ａから得られた測定信号値（黒丸）を示す。信号値は、励起パルス１−１２２をサンプルのない「ドライ」光電子チップ１−１４０に送り、データ取得クロック信号ＣＬＫ３、ＣＬＫ４の位相を掃引することによって得られた。データ取得クロック信号の位相を掃引することにより、第１の電荷蓄積間隔｜ｔ１−ｔ２｜のタイミングが、サンプルウェル１−３３０における励起パルス１−１２２の到着時間ｔｅに対して時間内に掃引された。第１の電荷蓄積間隔｜ｔ１−ｔ２｜が励起パルスの到着時間ｔｅにまたがったとき、信号レベルは、曲線のプラトー部分３−３２０を形成する最大値にあった。
【００８９】
励起パルスのリーディングエッジが第１の電荷蓄積間隔｜ｔ１−ｔ２｜のトレーリングエッジに近づくと、測定された信号レベルは、曲線３−３００上の立ち上がりエッジ３−３１０を形成した。電荷蓄積間隔｜ｔ１−ｔ２｜が励起パルスのピークおよびトレーリングエッジを超えて移動すると、測定された信号レベルは曲線３−３００上の立ち下がりエッジ３−３３０を形成した。ショルダー３−３４０も観察されたが、これは、光子吸収／キャリア発生領域１−９０２およびその他のノイズ源からのキャリアの除去が不完全であるためである。
【００９０】
実施形態において、図３−１を参照すると、励起パルスがサンプルウェル１−３３０に到着する時間ｔｅおよび蛍光色素分子の発光確率曲線３−１２０の開始は、実質的に時間内に共にロックされている。時間ｔ１、ｔ２、ｔ３の発生は、光電子チップ１−１４０に提供され、かつ時間ビニング光検出器１−３２２において電荷蓄積サイクルおよび信号読み出しを動作させるために使用されるデータ取得クロック信号（例えば、ＣＬＫ３、ＣＬＫ４）の位相を調整することによって、相対的な時間で前後に掃引（例えば、１つの単位として共に掃引）することができる。いくつかの実施形態において、クロック信号ＣＬＫ３、ＣＬＫ４は、光電子チップ１−１４０上に実装された位相遅延回路によって遅延させることができる。いくつかの実施形態によれば、時間ビン３−１３１（ｔ２−ｔ１）、３−１３２（ｔ３−ｔ２）の幅は、光電子チップ１−１４０上の回路によって独立して設定することができる。時間ビンの幅は、例えば、蛍光色素分子の崩壊特性に基づくことができる。いくつかの実施形態では、時間ビンの幅は、使用される異なる蛍光色素分子の減衰曲線に基づく数値シミュレーションによって決定され得、その結果、ビンの幅は、蛍光色素分子を正しく区別する確率が高められる。例えば、ビンの幅は、蛍光色素分子を正しく区別する確率が最も高くなるようにサイズ設定され得る。いくつかの実施形態によれば、第２の時間ビン３−１３２の持続時間は、第１の時間ビン３−１３１の持続時間よりも長い。
【００９１】
いくつかの実施形態によれば、第１の電荷蓄積間隔｜ｔ１−ｔ２｜の開始時間ｔ１は、プラトー部分３−３２０のトレーリングエッジ（時間ｔｆ）を通過した所定の時間（例えば、ポイントＡ１におけるｔＡ１）に設定することができる。時間ｔｆは、励起パルスのピーク（時間ｔｅ）が第１の電荷蓄積ウィンドウの終了時間ｔ２とほぼ一致する時間に対応する。いくつかの事例において、時間ｔＡ１は、図３−２に関連して説明したように、光子検出確率に従って決定され得る。例えば、時間ｔＡ１は、関係Ｐ１ｅ≦γ×Ｐ１ｆに従ってデータのフレームに対する全ての複数の第１の電荷蓄積間隔｜ｔ１−ｔ２｜の間に１個の励起光子Ｐ１ｅを検出する確率が、１個の蛍光発光光子Ｐ１ｆを検出する確率よりも小さくなるような値に設定することができる。
【００９２】
ここで、γは１と１０−２との間の値を有し得、いくつかの事例では１０−２と１０−３との間の値を有し得、いくつかの事例ではさらに１０−３と１０−４との間の値を有し得る。
【００９３】
いくつかの実施形態によれば、第１の電荷蓄積間隔｜ｔ１−ｔ２｜の開始時間ｔ１は、プラトー部分３−３２０のリーディングエッジ（時間ｔ０）よりも前の所定の時間（例えば、ポイントＡ２におけるｔＡ２）に設定することができる。時間ｔ０は、励起パルスのピーク（時間ｔｅ）が電荷蓄積ウィンドウの開始時間ｔ１とほぼ一致する時間に対応する。いくつかの事例において、時間ｔＡ２は、図３−２に関連して説明したように、光子検出確率に従って決定され得る。例えば、時間ｔＡ２は、関係Ｐ１ｅ≦γ×Ｐ１ｆに従ってデータのフレームに対する全ての複数の第２の電荷蓄積間隔｜ｔ２−ｔ３｜または複数の最終の電荷蓄積間隔の間に１個の励起光子Ｐ１ｅを検出する確率が、１個の蛍光発光光子Ｐ１ｆを検出する確率よりも小さくなるような値に設定することができる。
【００９４】
ここで、γは、１と１０−２との間の値を有し得、いくつかの事例では１０−２と１０−３との間の値を有し得、いくつかの事例ではさらに１０−３と１０−４との間の値を有し得る。
【００９５】
いくつかの実施形態において、時間ビニング光検出器１−３２２のノイズ特性は、連続する励起パルスの到着の間の時間（ポイントＢ）において最小値を示し得る。従って、所定の時間ｔＢは、データ取得クロック信号の位相を掃引して、第１の電荷蓄積間隔の間に信号レベルの振幅の最小値が受信される遅延値（ポイントＢ）、または結果として得られる曲線３−３００の位相ポイントを特定することによって決定され得る。最小信号レベル（ポイントＢ）は、例えば、プラトー部分３−３２０の立ち下がりエッジｔｆ（例えば、ｔｆからの時間遅延ｔＢ）またはプラトー部分３−３２０のリーディングエッジ（時間ｔ０）を参照してもよい。時間ｔＡ１、ｔＡ２、またはｔＢの決定方法に関係なく、データ取得クロック信号ＣＬＫ３、ＣＬＫ４の位相を掃引し、結果として得られる曲線３−３００における１つまたは複数の基準点を特定し、第１の電荷蓄積間隔の開始時間を選択された時間ｔＡ１、ｔＡ２、またはｔＢだけ基準点から遅延させることにより、データ取得のための第１の電荷蓄積間隔の開始時間を設定することができる。例示的な基準点は、変曲点（上記の変曲点ｔ０およびｔｆなど）、ピーク、最小値、および基準点とピーク値との間の分数信号レベル（例えば、最小値からの立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジ上の高さの１／２）を含む。
【００９６】
第１の電荷蓄積間隔の開始時間ｔ１を設定する他の方法を使用することができる。再び図３−１を参照すると、いくつかの実施形態において、開始時間ｔ１は、１つまたは複数のビン３−１３１、３−１３２によって検出される励起放射線の量が、第１の所定の閾値以下で、かつ第２の所定の値以上となるように設定することができる。例えば、サンプルウェルからの十分な量の放出放射線を検出するために、目標量の励起放射線を検出することが有益であり得る。いくつかの実施形態によれば、第２の所定の閾値は、第１の所定の閾値の７０％以上であり得る。いくつかの事例において、第１および第２の所定の閾値は、同一チップのサンプルウェル内のサンプルを用いて行われた多数の測定からチップ１−１４０に関して決定された絶対的な信号レベル（例えば、ミリボルトで表される）であり得る。閾値は、チップ情報とともに提供されるか、または自動化されたチップ較正手順の間に取得するためにチップ上にコード化され得る。追加的または代替的に、いくつかの事例において、第１の電荷蓄積間隔の開始時間ｔ１は、第１のビンによって検出された信号と第２のビンによって検出された信号との比が所定の閾値以上となるように設定することができる。
【００９７】
本発明者らは、分析機器１−１００においてチップを交換する際に、光電子チップ１−１４０間に若干のタイミングの変動が生じる可能性があることを見出した。第１のチップ１−１４０のタイミングが正確であっても、後続のチップのタイミングが正確でない可能性がある。従って、電荷蓄積ウィンドウの正確なタイミングを得るために、各チップに対する較正手順を実施することができる。
【００９８】
いくつかの実施形態によれば、チップにサンプルがロードされる前に、各光電子チップ１−１４０に対して較正手順を実行することができる。このようなチップは、「ドライチップ」として参照され得る。較正手順は、チップにサンプルをロードする前に、高度な分析機器１−１００にドライチップを配置して、自動チップ較正手順を実行することによって実行され得る。チップ較正中に、第１の電荷蓄積間隔の開始時間を上記のように設定することができる。
【００９９】
チップ較正手順中に、電荷蓄積ウィンドウに対するタイミングを設定することに加えて、サンプルウェル１−３３０への励起放射線の光結合および時間ビニング光検出器１−３２２の動作が評価される（例えば、どのサンプルウェル１−３３０がその後の測定に使用できるかを決定するために）。例えば、光励起パルス１−１２２により各サンプルウェルから検出された信号の量を、チップ平均レベルと比較することができる。この比較を使用して、動作していないか、または許容できない性能を示すサンプルウェルを識別することができる。許容できない性能または動作していないサンプルウェルには、ＦＰＧＡ２−３２０によってフラグが付けられ、これらのサンプルウェルからのデータは最終的な分析結果から除外することができる。
【０１００】
較正手順の例示的な動作が図３−４のフローチャートに示されている。較正の方法は、高度な分析機器１−１００のチップレセプタクル内にドライ光電子チップ１−１４０を収容すること（動作３−４１０）、データ取得のためにチップ電子装置を起動することを含み得る。チップ電子装置を起動することは、機器からチップ１−１４０に電力を供給すること、チップ１−１４０上に配置された１つまたは複数のセンサから信号を受信することを含む。いくつかの実施形態では、チップ電子装置を起動することは、チップ上の電圧を調整することをさらに含む。例えば、１つまたは複数のセンサ１−３２２からアナログ信号（単数または複数）を受信する１つまたは複数のアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）の基準値が調整されて、各ＡＤＣの全範囲を使用して入力アナログ信号の範囲をカバーできるようにする。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、ＡＤＣに対する調整は、ＡＤＣのＤＣオフセットまたは暗信号レベルを調整して、光検出器とＡＤＣの組み合わせのダイナミックレンジを拡大することができる。例えば、光検出器を有するピクセル上に励起光がない場合、光検出器からの暗信号レベルまたはベースライン信号レベルは、（検出器の電荷蓄積ウェルを満たす）予測される全光信号がＡＤＣの線形範囲内になるようにレベルシフトされる。いくつかの実施形態によれば、予測される全光信号は、光検出器のＴＣＡＤシミュレーションに基づくもの（一次まで）とすることができる。次に、励起光の量をチップに提供される全量まで増加させ、ＡＤＣからの出力が飽和またはクリップしないことを観察することにより、光検出器とＡＤＣの線形性および範囲をチップチェック手順中にチェックすることができる。さらに、ＡＤＣからのクリッピングが観察された場合、クリッピングを除去するためにベースライン信号がレベルシフトされる。いくつかの実施形態によれば、レベルシフト値は、チップ間でほぼ一貫しているので、レベルシフト値をメモリに格納して、新たな各チップに適用することができる。いくつかの事例において、ＡＤＣオフセットの調整は、チップの個別のセクション（例えば、別個の半分、個別の１／４等）ごとに異なり得る。
【０１０２】
方法は、チップ上のサンプルウェルに光パルスを送達すること（動作３−４２０）、少なくとも第１の電荷蓄積間隔中の信号レベルを記録すること（動作３−４２５）、記録された各信号レベル間のデータ取得クロックの位相を掃引すること（動作３−４３０）をさらに含む。方法は、記録された信号レベルから、電荷蓄積ウィンドウの開始時間が光励起パルスのピークとほぼ一致する時間ｔ０または対応する位相ポイントを特定すること（動作３−４３５）、第１の電荷蓄積ウィンドウの開始時間ｔ１が所定量だけ遅延するようにデータ取得クロックの位相を設定すること（動作３−４４０）をさらに含む。いくつかの実施形態によれば、時間ｔ０を特定する動作（動作３−４３５）は、シグモイド関数を受信信号レベルの少なくとも一部に適合させること、適合されたシグモイド関数の所定の値を時間ｔ０として選択することを含む。例えば、シグモイド関数は、図３−３に示す信号レベルの立ち上がりエッジ部分に適合させることができる。較正方法はさらに、全てのサンプルウェルの信号レベルを評価すること（動作３−４４５）、データ結果が無視されるべきである低いかまたは異常な信号レベルを有するサンプルウェルを特定すること（動作３−４５０）を含む。
【０１０３】
図４−１において高度な分析機器１−１００の例示的なシステムアーキテクチャ４−１００が示される。いくつかの実施形態によれば、全体的な機器制御は、様々な通信リンク（例えば、Ｉ２Ｃ、ＵＳＢ、リボンケーブル、カスタムデータリンク等）を介して複数の他の機器モジュールと通信する中央コマンドモジュール４−１１０によって管理することができる。いくつかの事例において、コマンドモジュール４−１１０は、分析機器１−１００内に搭載される単一のＰＣＢ上に形成することができる。いくつかの実施形態によれば、ＰＣＢは、機器のバックプレーンに差し込まれ得る。コマンドモジュール４−１１０は、メモリと通信するデータプロセッサ（マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、プログラマブルロジックコントローラなど）と、データプロセッサを様々な機器機能を実行するように適合させるプログラミング命令とを備える。コマンドモジュール４−１１０は、機器ステータスマネージャ４−１２０、チップインタフェースモジュール４−１４０、シングルボードコンピュータ４−１６０、光源コントローラ４−１１２、およびステッピングコントローラ４−１３０と直接通信することができる。データリンクの矢印は、モジュール間でデータを送信できる方向を示す。
【０１０４】
チップインタフェースモジュール４−１４０は、光電子チップ１−１４０とコマンドモジュール４−１１０との間にデータ操作インタフェースを提供することができ、チップ１−１４０により生成されるデータの量に起因するコマンドモジュールのデータ処理の負担を軽減することができる。いくつかの実施形態では、インタフェースモジュール４−１４０は、メモリと通信するデータプロセッサ（例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、ＦＰＧＡ、プログラマブルロジックコントローラ、ロジック回路、またはこれらのコンポーネントのいくつかの組み合わせ）と、データプロセッサをデータ処理機能（例えば、データ前処理、データパッケージング、データ送信等）を実行するように適合させるプログラミング命令とを備える。インタフェースモジュール４−１４０のハードウェアは、分析機器１−１００内のコンポーネントとして設置および交換することができる単一のＰＣＢ上に組み立てることができる。いくつかの事例において、チップインタフェースモジュール４−１４０は、放射線計測モジュール（ＮＩＭ）規格に準拠するボード上に組み立てることができるため、インタフェースモジュール４−１４０は、高度な分析機器１−１００のバックプレーンに差し込むことができる。このような場合または同様の場合、チップ１−１４０用のレセプタクルは、別のＰＣ上Ｂに取り付けられ、マルチワイヤデータリンクを介してインタフェースモジュール４−１４０と通信することができる。いくつかの実施形態では、インタフェースモジュール４−１４０のデータプロセッサは、チップ１−１４０とチップインタフェースモジュール４−１４０との間に配線された複数の通信線により通信する。いくつかの実施形態によれば、チップインタフェースモジュール４−１４０は、チップ１−１４０上の嵌合パッドまたはピンに接触し、チップ１−１４０とインタフェースモジュール４−１４０との間の高いデータ転送速度を可能にする数百個のピンまたはパッド４−１４２を有するソケットを含むことができる。
【０１０５】
サンプルウェルから得られた大量のデータに加えて、他のデータが、光電子チップ１−１４０および／またはインタフェースモジュール４−１４０からコマンドモジュール４−１１０に提供され得る。追加データは、チップ１−１４０上に搭載された１つまたは複数の熱センサからの温度データ、およびチップが分析機器１−１００内に搭載されたときにチップ１−１４０と熱接触する熱電冷却器からの電流および電圧データを含む。追加のデータは、チップ１−１４０上で測定された光パワーおよび整列データ（例えば、図１−３に示すフォトダイオード１−３２４およびクワッド検出器１−３２０の監視から得られたデータ）をも含む。
【０１０６】
再び図４−１を参照すると、シングルボードコンピュータ４−１６０は、少なくとも１つのマイクロプロセッサと、メモリと、シングルボードコンピュータ４−１６０がローカルエリアネットワーク、ミディアムエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、および／またはワールドワイドウェブなどのネットワーク４−１９０を介して他の外部デバイスと通信できるようにする少なくとも１つの通信インタフェースとを含むことができる。シングルボードコンピュータ用のハードウェアは、分析機器１−１００内のコンポーネントとして設置および交換することができる単一のＰＣＢ上に組み立てることができる。シングルボードコンピュータ４−１６０は、データ処理機能（例えば、データ処理、データパッケージング、データ送信、データ受信、インターネット通信等）を実行するようにシングルボードコンピュータを適合させるプログラミング命令をも含むことができる。いくつかの実施形態では、コマンドモジュール４−１１０をバイパスして、サンプルウェルデータをチップ１−１４０からシングルボードコンピュータ４−１６０に直接送信するための、チップインタフェースモジュール４−１４０とシングルボードコンピュータ４−１６０との間の直接データリンクまたは共有メモリへのリンクを設けることができる。いくつかの実施形態では、ＦＰＧＡ２−３２０および／またはＤＤＲ２−３９０は、シングルボードコンピュータ４−１６０、インタフェースモジュール４−１４０、またはコマンドモジュール４−１１０のうちのいずれか１つと同じボード上に集積され得る。シングルボードコンピュータ４−１６０は、分析機器１−１００を動作させるためのユーザインタフェースを提供することができるタッチスクリーン４−１８０とさらに通信することができる。いくつかの実施形態では、シングルボードコンピュータ４−１６０は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インタフェース（例えば、ＵＳＢ３．０インタフェースおよびリンク）を介してコマンドモジュール４−１１０と通信する。
【０１０７】
光ソースコントローラ４−１１２は、メモリと通信するデータプロセッサ（例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、プログラマブルロジックコントローラ、論理回路、ＡＳＩＣ、またはこれらのコンポーネントのいくつかの組み合わせ）と、ソースコントローラ４−１１２をパルス光源１−１０８（例えば、モードロックレーザ１−１１０）を動作させるための機能を実行するように適合させるプログラミング命令とを備えることができる。光源コントローラボードのハードウェアは、分析機器１−１００内のコンポーネントとして設置および交換することができる単一のＰＣＢ上に組み立てることができる。いくつかの実施形態では、ＰＣＢは、光源コントローラ４−１１２およびパルス光源１−１０８が単一のユニットとして交換することができるように、パルス光源が組み立てられるシャーシに取り付けられ得る。いくつかの事例において、光源コントローラ４−１１２は、パルス光源上に搭載された１つまたは複数のセンサまたはデバイスから動作データを受信する。例えば、光源コントローラ４−１１２は、モードロックレーザ１−１１０のキャビティ内のアライメント光学系（例えば、キャビティ内ウィンドウ（単数または複数）、ミラー（単数または複数））の位置を示すデータ、モードロックレーザ１−１１０から出力される周波数倍増パワーの量を制御するために使用される半波長プレートの位置を示すデータ、モードロックレーザ１−１１０から出力される基本波長の強度レベルを示すデータ、モードロックレーザ１−１１０から出力される周波数倍増波長の強度レベルを示すデータ、およびモードロックレーザ１−１１０またはパルス光源１−１０８のコンポーネント（例えば、ゲイン媒体）の温度を示すデータを受信することができる。
【０１０８】
いくつかの事例において、光源１−１０８がモードロックレーザを含む場合、光源コントローラ４−１１２は、（例えば、Ｉ２Ｃリンクを介して）ポンプモジュール４−１１４と通信する。ポンプモジュールは、上記で参照された米国特許出願第１５／８４４，４６９号に記載されているような電気光学アセンブリを備えることができる。ポンプモジュールから受信したデータは、ポンプ源（例えば、高出力ダイオードレーザ）の温度を示すデータ、ポンプ源から出力される光パワーの量を示すデータ、およびポンプ源の温度に影響を与える冷却要素の動作パラメータ（例えば、熱電冷却器に関するファン速度、電圧および／または電流値）を示すデータを含むことができる。
【０１０９】
光源コントローラ４−１１２は、（例えば、Ｉ２Ｃリンクを介して）クロック生成ボード４−１１６とさらに通信し得る。クロック生成ボードに含まれ得るコンポーネントの例は、図２−２および図２−３に関連して上記で説明されている。いくつかの事例において、クロック生成コンポーネントは、単一のＰＣＢ上に組み立てられ、かつパルス光源１−１０８が組み立てられるシャーシ上に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、クロック生成ボード４−１１６から受信されるデータは、基本波長の強度レベルを示すデータ、およびパルス光源１−１０８から出力される周波数倍増波長の強度レベルを示すデータを含むことができる。追加のデータは、いくつかの実施形態によれば、クロック生成回路２−３８１、２−３８１に関連する動作設定およびパラメータを含むことができる。光源コントローラ４−１１２によって受信されたデータは、コマンドモジュール４−１１０に通信されることができる。
【０１１０】
実施形態では、ステッピングコントローラ４−１３０は、ビームステアリングユニット４−１３５上のステッピングモータと通信し得る。ビームステアリングユニットは、分析機器１−１００内の１つまたは複数の位置において光パルスのビームの形状、位置、および／または方向を制御するために使用される可動光学部品を備えることができる。例えば、ビームステアリングユニット４−１３５のステッピングモータを使用して、パルス光源１−１０８と光電子チップ１−１４０との間のビーム経路内の１つまたは複数の可動光学部品の配向を調整して、チップ１−１４０に対して光パルス１−１２２をステアリングし位置決めすることができる。パルス１−１２２のステアリングおよび位置決めは、パルス光源１−１０８と光電子チップ１−１４０との間の光結合を改善するために、光電子チップ１−１４０を機器に挿入した後、自動的または半自動的に実行することができる。一例として、励起放射線のサンプルウェルへの安定した光結合を維持するためにアクティブフィードバックループを機器の動作中に実行し得る。フィードバックループ動作中、光電子チップ１−１４０データからのデータは、格子カプラ１−３１０上のパルス１−１２２の光ビームの位置、方向、および／または形状を安定させるために、シングルボードコンピュータ４−１６０および／またはコマンドモジュール４−１１０によって受信および分析されて、ステッピングモータコントローラ４−１３０に指示を提供することができる。ステッピングコントローラ４−１３０は、メモリと通信する少なくとも１つのデータプロセッサ（例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、またはプログラマブルロジックコントローラ）と、１つまたは複数のステッピングモータを作動させるようにステッピングコントローラを適合させるプログラミング命令とを備えることができる。ステッピングコントローラ４−１３０のハードウェアは、いくつかの実施形態によれば、分析機器１−１００内のコンポーネントとして設置および交換することができる単一のＰＣＢ上に組み立てることができる。いくつかの事例において、ステッピングコントローラ４−１３０は、コマンドモジュール４−１１０に伝達することができる、ステッピングモータの位置を示すデータを受信することができる。
【０１１１】
いくつかの実施形態によれば、分析機器１−１００は、分析機器１−１００の動作状態（例えば、パワーオンライト、チップ存在ライト、レーザアクティブインジケータ、障害インジケータ等）を提供する機器ステータスインジケータ（例えば、ライト、スピーカ、液晶ディスプレイ（単数または複数）等）を含み得る。ステータスインジケータは、（例えば、Ｉ２Ｃリンクを介して）コマンドモジュール４−１１０と通信する機器ステータスモジュール４−１２０によって制御され得る。機器ステータスモジュール４−１２０は、メモリと通信する少なくとも１つのデータプロセッサ（例えば、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、またはプログラマブルロジックコントローラ）と、機器上の１つまたは複数のインジケータをアクティブにするように機器ステータスモジュールを適合させるプログラミング命令とを備えることができる。機器ステータスモジュール４−１２０のハードウェアは、いくつかの実施形態によれば、分析機器１−１００のコンポーネントとして設置および交換することができる単一のＰＣＢ上に組み立てることができる。
【０１１２】
コマンドモジュール４−１１０は、分析機器１−１００の各モジュールと通信することにより、機器のセンサからのデータを監視して、分析機器１−１００が正確に安定して動作しているかどうかを評価することができる。検出された動作エラー（例えば、チップ温度過上昇、レーザダイオードポンプ源温度過上昇、モードロックレーザの不安定な動作）は、自動的に修正動作または安全動作（例えば、サンプルウェルの励起の一時停止、冷却の増加、ポンプ源のダウンまたはオフ、レーザを安定させるためのキャビティ内光学系の再調整）を開始することができる。さらに、機器のセンサデータのログは、製造された高度な分析機器１−１００ごとに記録することができる。センサデータログは、分析機器の傾向（例えば、分析機器のその後の不十分な動作を予測し、差し迫った問題の原因を特定するデータ傾向）を検出して動作を予測するために情報を評価することができるリポジトリにネットワーク４−１９０を介して送信され得る。このような機器の分析データは、先制的に行動を起こし、潜在的な動作の不安定性やシャットダウンを回避するために使用され得る。
【０１１３】
実施形態によれば、システムコンポーネントのサブセットは、共に、かつシステムコンポーネントの他のサブセットから実質的に独立して動作して、特定の機器の機能を実行することができる。再び図４−１を参照すると、光源コントローラボード４−１１２、ポンプモジュール４−１１４、クロック生成回路４−１１６、およびパルス光源１−１０８は、例えば、パルス光源１−１０８のウォームアップフェーズ中に他の機器のコンポーネントとは独立して動作することができる。このウォームアップフェーズの間、パルス１−１２２は、パルス光源が安定するまで、ブロックされるか、そうでなければ光電子チップ１−１４０に出力されない。パルス光源１−１０８の安定性は、パルス光源１−１０８上またはその近傍に配置された光検出器からの出力を（光源コントローラボード４−１１２またはコマンドモジュール４−１１０によって）分析して、パルス光源１−１０８によって生成された出力パルスを検出することによって評価することができる。検出された出力パルスは、パルス光源１−１０８によって生成された基本波長および／または変換された第２高調波波長であり得る。分析される特性は、パルス振幅の安定性、ポンプモジュール４−１１４の温度安定性、第２高調波パルス振幅または第２高調波パワーの安定性、生成されたクロック信号の安定性、およびパルス繰り返し周波数の安定性を含むが、これらに限定されない。パルス光源１−１０８の安定動作が検出されると、光源コントローラボード４−１１２は、光パルス１−１２２を光電子チップ１−１４０に出力することを可能にし、かつ一連の光パルスから生成されるクロック信号をデータ取得のために光電子チップ１−１４０に出力することを可能にする動作を開始し得る。
【０１１４】
高度な分析機器１−１００によりアクセスされ得る例示的なネットワークサービス４−２００を図４−２に示す。このようなネットワークサービスは、ネットワーク４−１９０を介してアクセス可能であり得る。ネットワークサービスの例は、実行計画サービス４−２１０、データ分析サービス４−２２０、データストレージサービス４−２３０、およびエンドユーザサポートサービス４−２４０を含むが、これらに限定されない。エンドユーザ４−２０５は、いくつかの実施形態では、機器のタッチスクリーン４−１８０を介して、またはネットワーク４−１９０を介して分析機器１−１００と通信するスマートフォンまたはパーソナルコンピュータ４−２０８によって、これらのサービスのいずれかにアクセスすることができる。各サービスは、プログラミング命令、実行可能コード、プロセッサ（単数または複数）、データ、および／または「クラウド」ベースのサービスの一部として１つ以上のネットワークサーバ上または経由でアクセス可能なデータストレージハードウェアとして少なくとも部分的に実施することができる。
【０１１５】
概要として、実行計画サービス４−２１０は、ユーザ４−２０５が機器動作（例えば、遺伝子またはタンパク質のシークエンシングの実行または他のサンプル分析の実行）を計画および実行するのを支援するユーザの指示、推奨される機器設定、機器設定オプション、自動制御オプション等を含むことができる。そのため、実行計画サービス４−２１０は、データ（例えば、オンラインの指示や推奨設定など）と実行可能コードとの組み合わせを含むことができる。例示的な実行可能コードは、分析機器１−１００にダウンロードされ、動作のために機器を自動的に構成し、かつ／または動作の実行を支援するスクリプトを含み得る。
【０１１６】
データ分析サービス４−２２０は、１つ以上のサーバに常駐して実行することができる実行可能コードを含むことができる。例として、データ分析サービス４−２２０は、グーグルクラウド（Ｇｏｏｇｌｅ（登録商標）Ｃｌｏｕｄ）およびその他のビッグデータサービスプロバイダなどのオンラインビッグデータまたは機械学習サービスを含むことができる。データ分析サービス４−２２０を使用して、光電子チップ１−１４０上のサンプルウェルから受信したデータを処理することができる。
【０１１７】
光電子チップ１−１４０上でのシークエンシングの実行から大量のデータを生成することができるため、クラウドベースのデータストレージサービス４−２３０は、大量のデータの処理に役立ち得る。データストレージサービス４−２３０は、いくつかの事例において、１つまたは複数のサーバファーム上で使用可能なメモリを備え得る。データストレージサービス４−２３０は、（例えば、データ分析サービス４−２２０によって）後で分析されるチップ１−１４０からの生データおよび／または前処理されたデータを格納し得る。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、データストレージサービス４−２３０は、ネットワークを介してアクセスされる各分析機器１−１００に関する追加情報を格納することができる。例えば、各シーケンス実行用の機器設定は、将来の参照用にデータストレージサービス４−２３０に格納され得る。いくつかの実施形態では、上記のように、機器のセンサデータログをデータストレージサービス４−２３０に格納して、サービスを受けている１つまたは複数の機器の性能を追跡することができる。このようなセンサログ情報は、機器サービスが必要になる時期を判定し、機器の動作をアップグレードまたは改善するために使用され得る。
【０１１９】
エンドユーザサポートサービス４−２４０は、オンラインアクセスで利用できる一般的な機器情報および動作手順を含むことができる。さらなる情報は、機器の誤動作に関するトラブルシューティングガイダンスを含むことができる。いくつかの実施形態では、エンドユーザサポートサービス４−２４０は、エンドユーザ４−２０５が分析機器１−１００を動作させるのを支援するために、ネットワークまたは公衆交換電話網を介したライブチャットセッションを含み得る。いくつかの実施形態によれば、エンドユーザサポートサービス４−２４０は、認定技術者による遠隔動作および／またはセンサデータログの収集のための一時的または恒久的がベースであるユーザの分析機器１−１００への制限されたアクセス（破線で示される）を含むことができる。
【０１２０】
パルス光源を有する高度な分析機器のデータ取得制御に関連する様々な構成および方法は、以下の構成および方法の番号付きリストに記載されているように可能である。
（１）サンプルの分析のために一連の光パルスを出力するように構成されたパルス光源と、一連の光パルスから導出された第１のクロック信号および一連の光パルスから導出されていない第２のクロック信号を生成し、サンプルの分析のためのデータ取得を有効にするために第１のクロック信号および第２のクロック信号を提供するように構成されたクロック生成回路とを備える分析機器。
【０１２１】
（２）構成（１）の分析機器は、一連の光パルスを検出して、クロック生成回路にクロッキング信号を出力するように構成された検出器を有するクロック検出回路と、光電子チップを受け入れるように構成されたレセプタクルを有するチップインタフェースモジュールとをさらに備え、光電子チップはユーザによってレセプタクル内に配置することができ、光電子チップは分析のためにサンプルを保持するように構成され、クロック生成回路は、分析機器の動作中に光電子チップの第１のデータ取得動作のタイミングをとるための第１のクロック信号をチップインタフェースモジュールに出力する。
【０１２２】
（３）構成（２）の分析機器は、電圧制御発振器の周波数および位相をクロッキング信号の周波数および位相にロックする、クロック生成回路内の位相ロックループをさらに備える。
【０１２３】
（４）構成（２）または（３）の分析機器において、位相ロックループ内のループフィルタの積分時間は、約３０個の光パルスと約８０個の光パルスとの間に及ぶ時間に対応する。
【０１２４】
（５）構成（２）から（４）のいずれか１つの分析機器において、クロック生成回路は、第３のクロック信号をチップインタフェースモジュールに出力するようにさらに構成され、第３のクロック信号は、第１のクロック信号よりも低い周波数で発振し、かつ分析機器の動作中の光電子チップの第２のデータ取得動作のタイミングをとるために使用される。
【０１２５】
（６）構成（５）または（６）の分析機器において、第１のデータ取得動作は、光電子チップ上の複数のサンプルウェルからの蛍光発光の光検出を含み、第２のデータ取得動作は、光電子チップに送達される励起放射線の光検出を含む。
【０１２６】
（７）構成（５）の分析機器において、第２のデータ取得動作は、光ビームの光電子チップへの整列を示すデータを含む。
（８）構成（１）から（７）のいずれか１つの分析機器は、クロック生成回路内の発振器をさらに備え、分析機器は、一連の光パルスの中断が発生したときに、データ取得のタイミングをとるために、第１のクロック信号を使用することから発振器から導出された第３のクロック信号を使用することに切り替えるように構成される。
【０１２７】
（９）構成（８）の分析機器において、分析機器は、パルス光源が動作していないときに、第２のクロック信号をチップインタフェースモジュールに提供するように構成される。
【０１２８】
（１０）構成（１）から（９）のいずれか１つの分析機器において、第２のクロック信号は、電子的または電気機械式発振器から導出される。
（１１）構成（１）から（１０）のいずれか１つの分析機器は、分析機器上に配置され、サンプル分析データを受信および処理するように構成されたデータプロセッサをさらに備える。
【０１２９】
（１２）構成（１１）の分析機器において、データプロセッサは、フィールドプログラマブルゲートアレイを含む。
（１３）構成（１１）または（１２）の分析機器において、データプロセッサは、第１のクロック信号および第２のクロック信号を受信し、受信した第１および第２のクロック信号に基づいて、後続のデータ処理のために少なくともいくつかのデータ取得を受け入れるか、または排除するかを決定するように構成される。
【０１３０】
（１４）構成（１１）から（１３）までのいずれか１つの分析機器において、データプロセッサは、データプロセッサにおけるデータ処理動作のタイミングをとるために第２のクロック信号を使用するように構成される。
【０１３１】
（１５）構成（１４）の分析機器において、第１のクロック信号はデータプロセッサにも提供され、データプロセッサは、第１のクロック信号と第２のクロック信号を比較してデータプロセッサによる後続のデータ処理のための正確な時間にデータが受信されるかどうかを決定することによってデータ取得を有効にするように構成される。
【０１３２】
（１６）構成（１４）または（１５）の分析機器において、第１のクロック信号はデータプロセッサにも提供され、データプロセッサは、第１のクロック信号と第２のクロック信号との間の同期の不一致を検出し、同期の不一致の検出に応答してデータ処理動作のタイミングを調整するように構成される。
【０１３３】
（１７）構成（１４）から（１６）のいずれか１つの分析機器は、第１のクロック信号の周波数よりも低い発振周波数で動作する電子的または電気機械式発振器をさらに備え、クロック生成回路は、電子または電気機械式発振器の発振周波数を実質的に第１のクロック信号の周波数に変換する。
【０１３４】
（１８）構成（１）から（１７）のいずれか１つの分析機器において、パルス光源は、パルス光源のパルス繰り返し率を自律的に決定する受動モードロックレーザを含む。
（１９）構成（１）から（１８）のいずれか１つの分析機器において、光パルスは、ＤＮＡをシークエンシングするための１つまたは複数のサンプルウェルにおいて蛍光色素分子を励起するために光電子チップに提供される。
【０１３５】
（２０）構成（１）から（１９）のいずれか１つの分析機器において、光パルスは、タンパク質をシークエンシングするための１つまたは複数のサンプルウェルにおいて蛍光色素分子を励起するために光電子チップに提供される。
【０１３６】
上記の構成のうちの１つまたは複数を使用して、以下にリストされている１つまたは複数の方法のステップを実施することができる。
（２１）分析機器を動作させる方法であって、方法は、一連の光パルスを検出して、一連の光パルスから導出された第１のクロック信号を生成するステップと、サンプルの分析のための光パルスを提供するステップと、発振器から一連の光パルスに同期していない第２のクロック信号を生成するステップと、サンプルの分析中にデータ取得動作を有効にするために、第１のクロック信号および第２のクロック信号をデータプロセッサに提供するステップとを含む。
【０１３７】
（２２）（２１）の方法は、検出器を用いて一連の光パルスを検出して、検出された一連の光パルスに基づいてクロッキング信号を出力するステップと、第１の期間の間にクロッキング信号から第１のクロック信号を導出するステップと、チップインタフェースモジュールに第１のクロック信号を提供するステップとをさらに含み、チップインタフェースモジュールは、光電子チップを受け入れるように構成されたレセプタクルを含み、光電子チップユーザによってレセプタクル内に配置することができ、光電子チップは、サンプルの分析のためにサンプルを保持するように構成される。
【０１３８】
（２３）（２１）または（２２）の方法は、第１のクロック信号を使用した分析機器の動作中に、光電子チップの第１のデータ取得動作のタイミングをとるステップをさらに含む。
【０１３９】
（２４）（２２）または（２３）の方法は、第２の期間の間に発振器から第１のクロック信号を導出するステップと、第１の期間中に、第１のクロック信号を使用した分析機器の動作中に、光電子チップの第１のデータ取得動作のタイミングをとるステップと、第２の期間中に、第１のクロック信号を使用した分析機器の動作中に、光電子チップの第２のデータ取得動作のタイミングをとるステップとをさらに含む。
【０１４０】
（２５）（２３）または（２４）の方法は、一連の光パルスの中断が発生したときに、発振器から第１のクロック信号を導出するように切り替えるステップをさらに含む。
（２６）（２３）から（２５）のいずれか１つの方法において、第２の期間の間に発振器から第１のクロック信号を導出するステップは、電子または電気機械式発振器の発振周波数を実質的に一連の光パルスの周波数に変換することを含む。
【０１４１】
（２７）（２１）から（２６）のいずれか１つの方法は、データ取得動作によるデータをネットワークベースのデータ分析サービスに提供するステップをさらに含む。
（２８）（２１）から（２７）のいずれか１つの方法は、分析機器の性能を監視するセンサからのデータをネットワークベースの機器サポートサービスに提供するステップをさらに含む。
【０１４２】
（２９）（２１）から（２８）のいずれか１つの方法は、電子または電気機械式発振器から第２のクロック信号を導出するステップをさらに含む。
（３０）（２１）から（２９）のいずれか１つの方法は、データプロセッサが、チップインタフェースモジュールからデータを受信するステップと、チップインタフェースモジュールは、光電子チップを受け入れるように構成されたレセプタクルを含み、光電子チップは、ユーザによってレセプタクル内に配置することができ、光電子チップは、サンプルの分析のためにサンプルを保持するように構成されており、データプロセッサが、受信した第１および第２のクロック信号に基づいて、後続のデータ処理のために少なくともいくつかのデータを受け入れるか、または排除するかを決定するステップと、をさらに含む。
【０１４３】
（３１）（３０）の方法において、データプロセッサは、フィールドプログラマブルゲートアレイを含む。
（３２）（２９）から（３１）のいずれか１つの方法は、第１のクロック信号と第２のクロック信号との間の同期の不一致を検出するステップと、同期の不一致の検出に応答してデータ処理動作のタイミングを調整するステップとをさらに含む。
【０１４４】
（３３）（２９）から（３２）のいずれか１つの方法は、第２のクロック信号を用いてデータプロセッサのデータ処理動作のタイミングをとるステップをさらに含む。
（３４）（２１）から（３３）のいずれか１つの方法は、パルス繰り返し率を自律的に決定する受動モードロックレーザを用いて一連の光パルスを生成するステップをさらに含む。
【０１４５】
（３５）（２１）から（３４）のいずれか１つの方法は、クロック生成回路が、第３のクロック信号をチップインタフェースモジュールに出力するステップと、第３のクロック信号は、第１のクロック信号よりも低い周波数で発振し、チップインタフェースモジュールは、光電子チップを受け入れるように配置されたレセプタクルを含み、光電子チップは、ユーザによってレセプタクル内に配置することができ、光電子チップは、サンプルの分析のためにサンプルを保持するように構成されており、第１のクロック信号を用いて光電子チップの第１のデータ取得動作のタイミングをとるステップと、第３のクロック信号を用いて光電子チップの第２のデータ取得動作のタイミングをとるステップとをさらに含む。
【０１４６】
（３６）（３５）の方法において、第１のデータ取得動作は、光電子チップ上の複数のサンプルウェルからの蛍光発光の光検出を含み、第２のデータ取得動作は、光電子チップに送達される励起放射線の光検出を含む。
【０１４７】
（３７）光検出器における電荷蓄積間隔のタイミングをとるための方法であって、方法は、サンプルを励起するための光励起パルスを提供するステップと、光励起パルスに同期する第１のクロック信号を生成するステップと、第１のクロック信号を用いて光検出器に対する第１の電荷蓄積間隔の開始時間を始動するステップと、光検出器からの出力を検出している間、第１のクロック信号を遅延させるステップと、第１のクロック信号の遅延に応じて第１の電荷蓄積間隔からの信号レベルを記録するステップと、記録された信号レベルの基準点を特定するステップと、開始時間が基準点から所定量だけ遅延するように、第１のクロック信号の遅延を設定するステップと、を含む。
【０１４８】
（３８）（３７）の方法において、光検出器は、第１の電荷蓄積間隔に続く、第１の電荷蓄積間隔よりも長い第２の電荷蓄積間隔を有する。
（３９）（３７）または（３８）の方法において、前記所定量は、データのフレームに対する全ての第１の電荷蓄積間隔の間に光励起パルスから１個の励起光子を検出する確率が、サンプルから１個の放出光子を検出する確率よりも小さくなるように第１の電荷蓄積間隔を設定する。
【０１４９】
（４０）（３７）から（３９）のいずれか１つの方法において、所定量は、記録された信号レベルのほぼ最小値において第１の電荷蓄積間隔の開始時間を設定する。
（４１）（３７）から（４０）のいずれか１つの方法は、光励起パルスを光電子チップ上の複数のサンプルウェルに送達するステップ、光電子チップ上の複数の光検出器の起動、遅延、記録、特定、および設定の動作を実行するステップと、をさらに含む。
【０１５０】
（４２）（４１）の方法は、サンプルウェルで検出された光励起パルスからの信号の量に基づいて、サンプルウェルが動作可能であるかどうかを決定するステップをさらに含む。
【０１５１】
（４３）（４１）または（４２）の方法は、第１のクロック信号とは異なる周波数を有する第２のクロック信号を生成すステップと、第２のクロック信号を光電子チップに提供するステップとをさらに含み、第２のクロック信号は、光励起パルスの光電子チップへの整列を感知する１つまたは複数の整列光検出器の電荷蓄積間隔の開始時間を制御する。
【０１５２】
（４４）（４１）から（４３）のいずれか１つに記載の方法において、第１のクロック信号は、一連の光励起パルスを検出するクロック検出回路から導出される。
（４５）（４１）から（４４）のいずれか１つの方法は、第１のクロック信号を使用して、サンプルウェルからデータプロセッサへのデータをクロッキング伝送するステップをさらに含む。
【０１５３】
ＩＶ．  結論
このように、高度な分析システム１−１００に関するシステムアーキテクチャのいくつかの実施形態のいくつかの態様を説明したが、様々な変更、修正、および改善が当業者に容易に想到されることが理解されるべきである。そのような変更、修正、及び改善はこの開示の一部であるように意図されており、本発明の主旨及び範囲内にあることが意図されている。本教示を様々な実施形態及び例に関連して説明したが、本教示がこのような実施形態又は例に限定されることは意図されていない。逆に、本教示は、当業者に理解されうる様々な代替形態、修正、及び均等物を包含する。
【０１５４】
様々な発明の実施形態が説明及び図示されてきたが、当業者は、その機能を実施し、かつ／又は、それらの結果及び／又は説明されている利点の１つもしくは複数を得るための様々な他の手段及び／又は構造を容易に想定し、そのような変形及び／又は修正の各々は、説明されている本発明の実施形態の範囲内にあると考えられる。より一般的には、当業者は、説明されている全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例であるように意図されていること、ならびに、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成が、本発明の教示が使用される特定の１つ又は複数の用途に応じて決まることを容易に理解するであろう。当業者は、説明されている特定の発明の実施形態に対する多くの均等物を認識するか、またはルーチンの実験のみを使用して確認することができるであろう。それゆえ、上記の実施形態は例としてのみ提示されていること、ならびに、添付の特許請求項及びその均等物の範囲内で、発明の実施形態は、具体的に説明及び特許請求されているのとは他の様態で実践されてもよいことが理解されるべきである。本開示の発明の実施形態は、説明されている各個々の特徴、システム、システムアップグレード、及び／又は方法を対象とし得る。加えて、そのような特徴、システム、システムアップグレード、及び／又は方法が相互に矛盾しない場合、２つ以上のそのような特徴、システム、及び／又は方法の任意の組み合わせが、本開示の発明の範囲内に含まれる。
【０１５５】
さらに、本発明のいくつかの利点が示され得るが、本発明の全ての実施形態が全ての説明されている利点を含むとは限らないことは理解されるべきである。いくつかの実施形態は、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。従って、上記の説明及び図面は例示のみを目的としたものである。
【０１５６】
限定ではないが、特許、特許出願、論説、著書、論文、及びウェブページを含む、この出願において引用されている全ての文献及び同様の資料は、そのような文献及び同様の資料の形式にかかわらず、参照によりそれらの全体が明示的に組み込まれる。組み込まれている文献及び同様の資料のうちの１つ又は複数が、限定ではないが、定義されている用語、用語の用法、説明されている技法などを含み、この出願と異なるか、又は、相反する場合、この出願が優先する。
【０１５７】
使用されている節の見出しは、構成のみを目的としており、決して説明されている主題を限定するものとして解釈されるべきではない。
また、説明されている技術は、そのうち少なくとも１つの例が設けられている方法として具現化され得る。方法の一部分として実施される動作は、任意の適切な様式で順序付けられてもよい。従って、動作が示されているものとは異なる順序で実施され、たとえ例示的な実施形態においては順次の動作として示されていたとしても、いくつかの動作を同時に実施することを含んでもよい実施形態が構築されてもよい。
【０１５８】
定義及び使用されているものとしての全ての定義は、辞書の定義、参照によって組み込まれている文書における定義、及び／又は、定義されている用語の通常の意味を支配するものとして理解されるべきである。
【０１５９】
数値及び範囲は、本明細書及び特許請求の範囲において、近似する又は正確な値又は範囲として記載されている場合がある。例えば、いくつかの事例において、「約（ａｂｏｕｔ）」、「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、及び「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語が、値を参照して使用されている場合がある。そのような参照は、参照されている値、ならびに、その値に妥当な変動が加わった値及び差し引かれた値を包含するように意図されている。例えば、「約１０と約２０との間」という語句は、いくつかの実施形態における「正確に１０と正確に２０との間」、及びいくつかの実施形態における「１０±δ１と２０±δ２との間」を意味するように意図されている。値の変動δ１、δ２の量は、いくつかの実施形態においては値の５％未満であってもよく、いくつかの実施形態においては値の１０％未満であってもよく、さらにいくつかの実施形態においては値の２０％未満であってもよい。広い範囲の値、例えば、２桁以上の大きさを含む範囲が与えられる実施形態では、ある値に対する変動δ１、δ２の量は、５０％と高くなり得る。例えば、動作可能範囲が２から２００に及ぶ場合、「約８０」は、４０と１２０との間の値を包含してもよく、範囲は、１と３００との間と同じ大きさであり得る。正確な値が意図されている場合、例えば、「正確に２と正確に２００との間」のように、「正確に」という用語が使用される。「実質的に」という用語は、目標値の３％以内を示すために使用される。
【０１６０】
「隣接する」という用語は、２つの要素が互いに近接して（例えば、２つの要素のうちの大きい方の横方向寸法または垂直方向寸法の約５分の１未満の距離内に）配置されることを指し得る。いくつかの事例において、隣接する要素の間には、介在する構造又は層があってもよい。いくつかの事例において、隣接する要素は、介在する構造又は要素なしに互いに直に隣接していてもよい。
【０１６１】
不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されているものとしては、明確に反対に明示されていない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解されるべきである。
【０１６２】
「および／または」という語句は、本明細書および特許請求の範囲において使用されているものとしては、そのように結合されている要素、すなわち、いくつかの事例では、結合して存在し、他の事例では分離して存在する要素の「いずれかまたは両方」を意味するものとして理解されるべきである。「および／または」を用いてリストされている複数の要素は、同じように、即ち、そのように結合されている要素の「１つまたは複数」として解釈されるべきである。「及び／又は」節によって具体的に識別される要素以外の他の要素は、それらの具体的に識別されている要素に関連するか、または関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在してもよい。従って、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、例えば、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」のような限定しない文言とともに使用される場合、一実施形態においては、Ａのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態においては、Ｂのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）を指し、さらに別の実施形態においては、ＡおよびＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）を指し得る、等であり得る。
【０１６３】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるものとしては、「又は」は、上記で定義されているような「及び／又は」と同じ意味を有するものとして理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を分離しているとき、「または」又は「および／または」は包括的である、即ち、複数の要素または要素のリストのうちの少なくとも１つを含むが、２つ以上をも含み、また任意選択的に追加のリストされていない項目も含むものとして解釈されるべきである。「〜のうちの１つのみ」もしくは「〜のうちの正確に１つ」、又は、特許請求の範囲において使用されるとき、「〜からなる」のように、明確に反対に明示されている用語だけは、複数の要素又は要素のリストのうちの正確に１つの要素を含むことを指す。一般に、使用されているような「または」という用語は、「いずれか」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つのみ」または「〜のうちの正確に１つ」のような、排他性の用語が先行するときは、排他的な選択肢（即ち、一方または他方であり両方ではない）を示すものとして解釈されるべきである。「実質的にからなる」は、特許請求の範囲で使用される場合、特許法の分野において使用される通常の意味を有するものとする。
【０１６４】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるものとしては、１つ又は複数の要素のリストを参照する「少なくとも１つ」という語句は、要素のリスト内の要素のうちのいずれか１つ又は複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するものとして理解されるべきであるが、必ずしも、要素のリスト内に具体的にリストされているあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含むとは限らず、要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを排除するものではない。この定義はまた、「少なくとも１つ」という語句が参照する要素のリスト内で具体的に識別されている要素以外の要素が、具体的に識別されているそれらの要素に関連するか、関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得ることも可能にする。したがって、非限定例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（又は、同等に「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、もしくは、同等に「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態においては、Ｂが存在せず、２つ以上のＡを任意選択的に含む少なくとも１つのＡを指し（また、任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ａが存在せず、２つ以上のＢを任意選択的に含む少なくとも１つのＢを指し（また、任意選択的にＡ以外の要素を含む）、また別の実施形態では、任意選択的に２つ以上のＡを含む少なくとも１つのＡ、及び、任意選択的に２つ以上のＢを含む少なくとも１つのＢを指し得る（また、任意選択的に他の要素を含む）、等である。
【０１６５】
特許請求の範囲において、及び、上記の本明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「含有する」、「包含する」、「保持する」、「〜から構成される」などのようなすべての移行句は、限定しないものである、すなわち、含むが、それに限定されないことを意味するものとして理解されるべきである。「〜からなる」及び「基本的に〜からなる」という移行句のみが、それぞれ限定的な又は半限定的な移行句であるべきである。
【０１６６】
特許請求の範囲は、その旨述べられていない限り、記載されている順序又は要素に限定されるものとして読み出されるべきではない。添付の特許請求項の主旨及び範囲から逸脱することなく、当業者によって、形態及び詳細に様々な変更を行うことができることが理解されるべきである。以下の特許請求項の及びその均等物の主旨及び範囲内に入る全ての実施形態が特許請求される。
【図１−１Ａ】
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【図１−１Ｂ】
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【図１−２】
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【図１−３】
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【図１−４】
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【図１−５】
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【図１−６】
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【図１−７】
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【図１−８】
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【図１−９】
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【図１−１０Ａ】
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【図１−１０Ｂ】
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【図１−１１Ａ−１−１１Ｄ】
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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３−１】
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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４−１】
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【図４−２】
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【国際調査報告】
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