БИОДАТЧИКИ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ИЛИ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BIOSENSORS FOR BIOLOGICAL OR CHEMICAL ANALYSIS AND METHODS OF MANUFACTURING SAME

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает преимущество и приоритет предварительной заявки на патент США № 61/914275, поданной 10 декабря 2013 и имеющей то же самое название, которая включена сюда посредством ссылки во всей своей полноте.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Варианты осуществления настоящего раскрытия относятся по существу к биологическому или химическому анализу и, более конкретно, к системам и способам, применяющим устройства обнаружения для биологического или химического анализа.
Различные протоколы в биологическом или химическом исследовании включают выполнение большого количества управляемых реакций на локальных опорных поверхностях или в пределах заданных реакционных камер. Предусмотренные реакции могут затем наблюдаться или обнаруживаться, и последующий анализ может помочь идентифицировать или выявить свойства химических веществ, вовлеченных в реакцию. Например, в некоторых многоканальных анализах неизвестный аналит, имеющий распознаваемую метку (например, флуоресцентную метку), может быть подвергнут воздействию тысяч известных проб при контролируемых условиях. Каждая известная проба может быть нанесена в соответствующую лунку микропланшета. Наблюдение любых химических реакций, которые возникают между известными пробами и неизвестным аналитом в пределах лунок, может помочь идентифицировать или выявить свойства аналита. Другие примеры таких протоколов включают известные процессы секвенирования ДНК, такие как секвенирование посредством синтеза (SBS) или параллельное циклическое секвенирование.
В некоторых стандартных протоколах обнаружения флуоресценции для направления света возбуждения на флуоресцентно помеченные аналиты и для обнаружения флуоресцентных сигналов, которые могут испускаться из аналитов, применяется оптическая система. Однако, такие оптические системы могут быть относительно дорогими и требовать большего пространства для размещения. Например, оптическая система может содержать комбинацию линз, фильтров и источников света. В других предложенных системах обнаружения управляемые реакции возникают непосредственно над твердотельным формирователем изображений (например, устройством с зарядовой связью (CCD) или детектором на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП)), в результате чего не требуется наличия большого оптического блока для обнаружения флуоресцентного излучения.
Однако, предлагаемые твердотельные системы формирования изображений могут иметь некоторые ограничения. Например, может представлять сложности различение флуоресцентных излучений и света возбуждения, когда свет возбуждения также направляется к светочувствительным датчикам твердотельного формирователя изображения. Кроме того, струйная доставка реагентов к аналитам, которые расположены на электронном устройстве, и доставка управляемым образом, могут представлять дополнительные проблемы. В качестве другого примера, флуоресцентные излучения являются по существу изотропными. С возрастанием плотности аналитов на твердотельном формирователе изображений повышается сложность управления или принятия в расчет нежелательных световых излучений от смежных аналитов (например, взаимные помехи).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
В одном варианте осуществления представлен биодатчик, который включает в себя проточную кювету и устройство обнаружения с этой присоединенной к нему проточной кюветой. Проточная кювета и устройство обнаружения формируют проточный канал, который выполнен имеющим биологические или химические вещества, находящиеся в нем, которые генерируют световые излучения в ответ на свет возбуждения. Устройство обнаружения включает в себя основу устройства, имеющую матрицу светочувствительных датчиков и матрицу световодов. Световоды имеют области входа, которые выполнены с возможностью приема света возбуждения и световых излучений из проточного канала. Световоды простираются в основу устройства от областей входа к соответствующим светочувствительным датчикам и имеют фильтрующий материал, который предназначен для фильтрации света возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений к соответствующим светочувствительным датчикам. Основа устройства содержит схему устройства, электрически соединенную со светочувствительными датчиками и выполненную с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Устройство обнаружения также содержит защитный слой, который простирается между проточным каналом и основой устройства. Защитный слой имеет отверстия, позиционированные относительно областей входа соответствующих световодов таким образом, что световые излучения распространяются через отверстия в соответствующие области входа. Защитный слой простирается между смежными отверстиями и предназначен для блокирования света возбуждения и световых излучений, падающих на защитный слой между смежными отверстиями.
В одном варианте осуществления предоставлен биодатчик, который включает в себя проточную кювету и устройство обнаружения с присоединенной к нему проточной кюветой. Проточная кювета и устройство обнаружения формируют проточный канал, который выполнен имеющим биологические или химические вещества, находящиеся в нем, которые генерируют световое излучение в ответ на свет возбуждения. Устройство обнаружения может включать в себя основу устройства, имеющую матрицу светочувствительных датчиков и матрицу световодов. Световоды имеют области входа, которые выполнены с возможностью приема света возбуждения и световых излучений от проточного канала. Каждый из световодов простирается в основу устройства вдоль центральной продольной оси от области входа световода к соответствующему светочувствительному датчику из матрицы датчиков. Световоды содержат фильтрующий материал, который предназначен для фильтрации света возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений через него к соответствующим светочувствительным датчикам. Основа устройства включает в себя схему устройства, которая электрически соединена со светочувствительными датчиками и выполнена с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Основа устройства содержит размещенные в ней периферические экраны от перекрестных помех, которые окружают соответствующие световоды из матрицы световодов. Экраны от перекрестных помех, по меньшей мере частично, окружают соответствующие световоды вокруг соответствующей продольной оси для снижения перекрестных помех между смежными светочувствительными датчиками.
В одном варианте осуществления предоставляется способ изготовления биодатчика. Способ включает в себя обеспечение основы устройства, имеющей матрицу светочувствительных датчиков и схему устройства, которая электрически соединена со светочувствительными датчикам и выполнена с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Основа устройства имеет наружную поверхность. Способ также включает в себя нанесение защитного слоя на наружную поверхность основы устройства и формирование отверстий в защитном слое. Способ также включает в себя формирование полостей световодов, которые простираются от соответствующих отверстий в направлении соответствующего светочувствительного датчика из матрицы датчиков и осаждение фильтрующего материала в пределах полостей световодов. Часть фильтрующего материала простирается вдоль защитного слоя. Способ также включает в себя отверждение фильтрующего материала и удаление фильтрующего материала с защитного слоя. Фильтрующий материал в пределах полостей световодов формирует световоды. Способ также включает в себя нанесение пассивирующего слоя на защитный слой таким образом, что пассивирующий слой простирается непосредственно вдоль защитного слоя и поперек отверстий.
В одном варианте осуществления предоставлен биодатчик, который включает в себя основу устройства, имеющую матрицу светочувствительных датчиков и матрицу световодов. Основа устройства имеет наружную поверхность. Световоды имеют области входа, которые выполнены с возможностью приема света возбуждения и световых излучений, сгенерированных биологическими или химическими веществами вблизи наружной поверхности. Световоды простираются в основу устройства от областей входа к соответствующим светочувствительным датчикам и имеют фильтрующий материал, который предназначен для фильтрации света возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений к соответствующим светочувствительным датчикам. Основа устройства содержит схему устройства, электрически соединенную со светочувствительными датчиками и выполненную с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Биодатчик также содержит защитный слой, который простирается вдоль наружной поверхности основы устройства. Защитный слой имеет отверстия, позиционированные относительно областей входа соответствующих световодов таким образом, что световые излучения распространяются через отверстия в соответствующие области входа. Защитный слой простирается между смежными отверстиями и предназначен для блокирования света возбуждения и световых излучений, падающих на защитный слой между смежными отверстиями.
В варианте осуществления предоставлен биодатчик, который включает в себя основу устройства, имеющую матрицу датчиков из светочувствительных датчиков и матрицу световодов. Основа устройства имеет наружную поверхность. Световоды выполнены с возможностью приема света возбуждения и световых излучений, сгенерированных биологическими или химическими веществами вблизи наружной поверхности. Каждый из световодов простирается в основу устройства вдоль центральной продольной оси от области входа световода к соответствующему светочувствительному датчику из матрицы датчиков. Световод содержит фильтрующий материал, который предназначен для фильтрации света возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений через него к соответствующим светочувствительным датчикам. Основа устройства содержит схему устройства, электрически соединенную со светочувствительными датчиками и выполненную с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Основа устройства содержит размещенные в ней периферические экраны от перекрестных помех, которые окружают соответствующие световоды из матрицы световодов. Экраны от перекрестных помех, по меньшей мере частично, окружают соответствующие световоды вокруг соответствующей продольной оси с целью, по меньшей мере, одного из блокирования или отражения отклоняющихся лучей света для снижения оптических перекрестных помех между смежными светочувствительными датчиками.
Несмотря на то, что описаны многочисленные варианты осуществления, другие дополнительные варианты осуществления объекта изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники из приведенного ниже подробного описания и чертежей, которые показывают и описывают иллюстративные варианты осуществления раскрытого объекта изобретения. Как будет понятно, объект изобретения может быть подвернут модификациям в различных аспектах без отступления от сущности и объема описанного объекта изобретения. Соответственно, чертежи и подробное описание должны рассматриваться как иллюстративные по своей природе, а не ограничивающие.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 представляет собой блок-схему примерной системы для биологического или химического анализа, сформированной в соответствии с одним вариантом осуществления.
Фигура 2 представляет собой блок-схему примерного системного контроллера, который может использоваться в системе по фигуре 1.
Фигура 3 представляет собой блок-схему примерной рабочей станции для биологического или химического анализа в соответствии с одним вариантом осуществления.
Фигура 4 представляет собой вид в перспективе примерной рабочей станции и примерного картриджа в соответствии с одним вариантом осуществления.
Фигура 5 представляет собой вид спереди примерной сборочной стойки, которая содержит множество рабочих станций по фигуре 4.
Фигура 6 иллюстрирует внутренние детали примерного картриджа.
Фигура 7 иллюстрирует поперечное сечение биодатчика, сформированного в соответствии с одним вариантом осуществления.
Фигура 8 представляет собой увеличенную часть поперечного сечения по фигуре 7, иллюстрирующую биодатчик более подробно.
Фигура 9 представляет собой другую увеличенную часть поперечного сечения по фигуре 7, иллюстрирующую биодатчик более подробно.
Фигура 10 представляет собой схематическое поперечное сечение устройства обнаружения, сформированного в соответствии с другим вариантом осуществления.
Фигура 11 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ изготовления биодатчика в соответствии с вариантом осуществления.
Фигуры 12A и 12B иллюстрируют различные стадии изготовления биодатчика по фигуре 11.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Варианты осуществления, описанные здесь, могут применяться в различных биологических или химических процессах и системах для научного или коммерческого анализа. Более конкретно, варианты осуществления, описанные здесь, могут применяться в различных процессах и системах, где требуется обнаружить событие, свойство, качество или характеристику, которые указывают на определяемую реакцию. Например, варианты осуществления, описанные здесь, включают картриджи, биодатчики и их детали, а также системы биологического анализа, которые функционируют с картриджами и биодатчиками. В конкретных вариантах осуществлениях картриджи и биодатчики содержат проточную кювету и один или более светочувствительных датчиков, которые соединяются вместе в по существу в единую структуру.
Системы биологического анализа могут быть выполнены с возможностью выполнения множества предусмотренных реакций, которые могут быть обнаружены по отдельности или совместно. Биодатчики и системы биологического анализа могут быть выполнены с возможностью выполнения множества циклов, в которых множество предусмотренных реакций происходит параллельно. Например, системы биологического анализа могут применяться для секвенирования концентрированного массива категорий ДНК посредством итеративных (повторяющихся) циклов ферментативного манипулирования и получения изображений. Как таковые, картриджи и биодатчики могут включать один или более микрожидкостных (микроструйных) каналов, которые доставляют реагенты или другие компоненты реакции к месту реакции. В некоторых вариантах осуществления реакционные центры случайным образом распределены по всей по существу плоской поверхности. Например, реакционные центры могут иметь неравномерное распределение, при котором некоторые реакционные центры располагаются ближе друг к другу, чем другие реакционные центры. В других вариантах осуществления реакционные центры структурируются по всей по существу плоской поверхности заданным образом. Каждый из реакционных центров может быть связан с одним или более светочувствительными датчиками, которые обнаруживают свет от связанного с ним реакционного центра. В других вариантах осуществления реакционные центры располагаются в реакционных камерах, в которых предусмотренные реакции секционируются.
Приведенное ниже подробное описание определенных вариантов осуществления будет лучше понято при прочтении вместе с прилагаемыми чертежами. Поскольку фигуры иллюстрируют диаграммы функциональных блоков различных вариантов осуществления, функциональные блоки не обязательно показывают разделение между схемами аппаратных средств. Таким образом, например, один или более функциональных блоков (например, процессоры или памяти) могут быть реализованы в одном элементе аппаратных средств (например, сигнальный процессор общего назначения или оперативное запоминающее устройство, жесткий диск и т.п.). Аналогично, программы могут являться автономными программами, могут быть включены в качестве подпрограмм в операционную систему, могут являться функциями в установленном пакете программного обеспечения и т.п. Следует понимать, что различные варианты осуществления не ограничены конфигурациями и устройствами, показанными на чертежах.
Для целей настоящего описания элемент или этап, приведенные в единственном числе, должны пониматься как не исключающие множество предусмотренных элементов или этапов, если такое исключение не указано явно. Кроме того, не предполагается, что ссылки на «один вариант осуществления» будут интерпретироваться как исключающие существование дополнительных вариантов осуществления, которые также включают перечисленные признаки. Кроме того, если явно не указано обратное, варианты осуществления, «содержащие» или «имеющие» элемент или множество элементов, обладающих конкретным свойством, могут включать дополнительные элементы, которые могут как обладать, так и не обладать этим свойством.
Для целей настоящего описания «предусмотренная реакция» включает изменение по меньшей мере одного из химического, электрического, физического или оптического свойства (или качества) представляющего интерес аналита. В конкретных вариантах осуществлениях предусмотренная реакция представляет собой положительное событие связывания (например, объединение флуоресцентно помеченной биомолекулы с представляющим интерес аналитом). В более общем смысле, предусмотренная реакция может являться химическим превращением, химической реакцией или химическим взаимодействием. Предусмотренная реакция может также представлять собой изменение в электрических свойствах. Например, предусмотренная реакция может представлять собой изменение концентрации ионов в пределах раствора. Примерные реакции включают, но не ограничиваются этим, химические реакции, такие как восстановление, окисление, добавление, исключение, перестановка, эстерификация, амидирование, этерификация, циклизация или замена; связывающие взаимодействия, в которых первое химическое вещество связывается со вторым химическим веществом; реакции диссоциации, в которых два или более химических веществ отделяются друг от друга; флуоресценцию; люминесценцию; биолюминесценцию; хемилюминесценцию; и биологические реакции, такие как репликация нуклеиновой кислоты, амплификация нуклеиновой кислоты, гибридизация нуклеиновой кислоты, лигирование нуклеиновой кислоты, фосфориляция, ферментативный катализ, связывание рецептора или связывание лиганда. Предусмотренная реакция может также представлять собой добавление или исключение протона, например, детектируемое как изменение в pH окружающего раствора или окружающей среды. Дополнительная предусмотренная реакция может представлять собой обнаружение потока ионов через мембрану (например, естественную или синтетическую двухслойную мембрану), например, поскольку ионы протекают через мембрану, электрический ток прерывается, и прерывание может быть обнаружено.
В конкретных вариантах осуществления предусмотренная реакция включает в себя соединение флуоресцентно помеченной молекулы с аналитом. Представляющий интерес аналит может являться олигонуклеотидом, и флуоресцентно помеченная молекула может являться нуклеотидом. Предусмотренная реакция может быть обнаружена, когда свет возбуждения направляется к олигонуклеотиду, имеющему помеченный нуклеотид, и флуорофор испускает детектируемый флуоресцентный сигнал. В альтернативных вариантах осуществлениях обнаруженная флуоресценция является результатом хемилюминесценции или биолюминесценции. Предусмотренная реакция может также повышать флуоресценцию или резонансный перенос энергии флуоресценции (FRET), например, при переносе донорского флуорофора близко к акцепторному флуорофору, снижения FRET при разделении донорского и акцепторного флуорофоров, повышения флуоресценции при отделении гасителя от флуорофора или снижения флуоресценции при размещении в одном месте гасителя и флуорофора.
Для целей настоящего описания «компонент реакции» или «реагирующие вещества», включает в себя любое вещество, которое может применяться для получения предусмотренной реакции. Например, компоненты реакции включают реагенты, ферменты, образцы, другие биомолекулы и буферные растворы. Компоненты реакции обычно доставляются к реакционные центры в растворе и/или иммобилизуются в реакционные центры. Компоненты реакции могут взаимодействовать непосредственно или опосредованно с другим веществом, таким как представляющий интерес аналит.
Для целей настоящего описания термин «реакционный центр» представляет собой локализованную область, в которой может происходить предусмотренная реакция. Реакционный центр может содержать опорные поверхности подложки, на которых может быть иммобилизовано вещество. Например, реакционный центр может включать в себя по существу плоскую поверхность в канале проточной кюветы, в которой находится колония нуклеиновых кислот. Как правило, но не всегда, нуклеиновые кислоты в колонии имеют одну и ту же последовательность, являясь, например, клональными копиями одноцепочечной или двухцепочечной матрицы. Однако, в некоторых вариантах осуществления реакционный центр может содержать только единственную молекулу нуклеиновой кислоты, например, в одноцепочечной или двухцепочечной форме. Кроме того, множество реакционных центров может быть распределено случайным образом вдоль опорной поверхности или быть расположено заданным образом (например, бок о бок в матрице, как в микрочипах). Реакционный центр может также включать в себя реакционную камеру, которая по меньшей мере частично ограничивает пространственную область или объем, предназначенный для секционирования предусмотренной реакции. Для целей настоящего описания термин «реакционная камера» включает в себя область пространства, которая находится в проточном сообщении с проточным каналом. Реакционная камера может быть, по меньшей мере частично, отделена от окружающей среды или других областей пространства. Например, множество реакционных камер может быть отделено друг от друга общими стенками. В качестве более конкретного примера реакционная камера может содержать полость, ограниченную внутренними поверхностями лунки, и может иметь проем или отверстие с тем, чтобы полость могла находиться в проточном сообщении с проточным каналом. Биодатчики, содержащие такие реакционные камеры, описываются более подробно в международном заявке № PCT/US2011/057111, поданной 20 октября 2011, которая включена сюда посредством ссылки во всей своей полноте.
В некоторых вариантах осуществления реакционные камеры имеют такие размеры и форму относительно твердых веществ (включая полутвердые вещества), чтобы твердые вещества могли быть вставлены в них полностью или частично. Например, реакционная камера может иметь такие размеры и форму, чтобы в ней могла быть размещена одна фиксирующая гранула. На фиксирующей грануле может находиться клонально амплифицированная ДНК или другие вещества. Альтернативно, реакционная камера может иметь такие размеры и форму, чтобы принимать некоторое приблизительное количество гранул или твердых веществ. В качестве другого примера, реакционные камеры могут также быть заполнены пористым гелем или веществом, которое предназначено для управления диффузией или для фильтрации текучих сред, которые могут затекать в реакционную камеру.
В некоторых вариантах осуществления светочувствительные датчики (например, фотодиоды) связаны с соответствующими реакционными центрами. Светочувствительный датчик, который связан с реакционным центром, выполнен с возможностью обнаружения световых излучений от связанной с ним реакционные центры после того, как предусмотренная реакция произошла в связанной с ним реакционные центры. В некоторых случаях множество светочувствительных датчиков (например, несколько пикселей фотокамерного устройства) может быть связано с единственным реакционным центром. В других случаях единственный светочувствительный датчик (например, единственный пиксель) может быть связан с единственным реакционным центром или с группой реакционных центров. Светочувствительный датчик, реакционный центр и другие характеристики биодатчика могут быть выполнены таким образом, что по меньшей мере часть света непосредственно обнаруживается светочувствительным датчиком без отражения.
Для целей настоящего описания термин «смежные» при использовании в отношении двух реакционных центров означает, что никакой другой реакционный центр не располагается между этими двумя реакционными центрами. Термин «смежные» может иметь аналогичное значение при использовании в отношении смежных путей обнаружения и смежных светочувствительных датчиков (например, между смежными светочувствительными датчиками отсутствуют какие-либо другие светочувствительные датчики). В некоторых случаях реакционный центр может быть не смежным с другим реакционным центром, но может при этом находиться в пределах непосредственной близости от другого реакционного центра. Первый реакционный центр может находиться в непосредственной близости от второго реакционного центра, когда сигналы флуоресцентного испускания от первого реакционного центра обнаруживаются светочувствительным датчиком, связанным со вторым реакционным центром. Более конкретно, первый реакционный центр может находиться в непосредственной близости от второго реакционного центра, когда светочувствительный датчик, связанный со вторым реакционным центром, обнаруживает, например, перекрестные помехи от первой реакционные центры. Смежные реакционные центры могут быть непрерывными, то есть примыкать друг к другу, или смежные центры могут быть не непрерывными, и между ними может находиться промежуточное пространство.
Для целей настоящего описания «вещество» включает элементы или твердые вещества, такие как фиксирующие гранулы, а также биологические или химические вещества. Для целей настоящего описания «биологическое или химическое вещество» включает биомолекулы, представляющие интерес образцы, представляющие интерес аналиты и другое химическое соединение(я). Биологическое или химическое вещество может использоваться для обнаружения, идентификации или анализа другого химического соединения(й) или функционировать в качестве посредников для изучения или анализа другого химического соединения(й). В конкретных вариантах осуществления биологические или химические вещества включают биомолекулу. Для целей настоящего описания «биомолекула» включает по меньшей мере одно из биополимера, нуклеозида, нуклеиновой кислоты, полинуклеотида, олигонуклеотида, белка, фермента, полипептида, антитела, антигена, лиганда, рецептора, полисахарида, углевода, полифосфата, клетки, ткани, организма или их фрагментов, или любое другое биологически активное химическое соединение(ия), такие как аналоги или миметики указанных выше соединений.
В еще одном примере биологическое или химическое вещество или биомолекула включает фермент или реагент, используемый в сопряженной реакции для обнаружения продукта другой реакции, такой как фермент или реагент, используемый для обнаружения пирофосфата в реакции пиросеквенирования. Ферменты и реагенты, целесообразные для обнаружения пирофосфатов, описываются, например, в публикации патента США № 2005/0244870 A1, которая включена сюда во всей своей полноте.
Биомолекулы, образцы и биологические или химические вещества могут быть встречающимися в природе или синтетическими, и могут быть суспендированы в растворе или смеси в области пространства. Биомолекулы, образцы и биологические или химические вещества могут также быть связаны с твердофазным или гелеобразным материалом. Биомолекулы, образцы и биологические или химические вещества могут также содержать фармацевтическую композицию. В некоторых случаях представляющие интерес биомолекулы, образцы и биологические или химические вещества могут называться мишенями, пробами или аналитами.
Для целей настоящего описания «биодатчик» включает в себя структуру, имеющую множество реакционных центров, которое предназначено для обнаружения предусмотренных реакций, которые возникают в реакционных центрах или вблизи них. Биодатчик может включать в себя твердофазный формирователь изображений (например, формирователь изображений CCD или КМОП) и необязательно проточную кювету, установленную в нем. Проточная кювета может содержать по меньшей мере один проточный канал, который находится в проточном сообщении с реакционными центрами. В качестве одного конкретного примера, биодатчик выполняется с возможностью проточно и электрически соединяться с системой биологического анализа. Система биологического анализа может доставлять реагирующие вещества в реакционные центры согласно заданному протоколу (например, секвенирование посредством синтеза) и выполнять множество событий формирования изображений. Например, система биологического анализа может направлять протекание растворов вдоль реакционных центров. По меньшей мере один из растворов может содержать четыре типа нуклеотидов, имеющих одни и те же или различные флуоресцентные метки. Нуклеотиды могут связываться с соответствующими олигонуклеотидами, размещенными в реакционных центрах. Система биологического анализа может затем освещать реакционные центры с применением источника света возбуждения (например, твердотельных источников света, таких как светодиоды или СИД). Свет возбуждения может иметь заданную длину волны или длины волн, включая диапазон длин волн. Возбужденные флуоресцентные метки обеспечивают эмиссионные сигналы, которые могут быть обнаружены светочувствительными датчиками.
В альтернативных вариантах осуществлениях биодатчик может содержать электроды или другие типы датчиков, выполненные с возможностью обнаружения других идентифицируемых свойств. Например, датчики могут быть выполнены с возможностью обнаружения изменения в концентрации ионов. В другом примере датчики могут быть выполнены с возможностью обнаружения электрического тока ионов через мембрану.
Для целей настоящего описания «картридж» включает в себя структуру, которая предназначена для удерживания биодатчика. В некоторых вариантах осуществления картридж может включать в себя дополнительные элементы, такие как источник света (например, СИД), которые выполнены с возможностью предоставления света возбуждения для реакционных центров биодатчика. Картридж может также содержать систему хранения текучих сред (например, хранилище для реагентов, образца и буфера) и систему струйного управления (например, насосы, клапаны, и т.п.) для жидкостного транспортирования компонентов реакции, образца, и т.п. в реакционные центры. Например, после того, как биодатчик был приготовлен или изготовлен, биодатчик может быть присоединен к корпусу или контейнеру картриджа. В некоторых вариантах осуществления биодатчики и картриджи могут являться автономными одноразовыми модулями. Однако, другие варианты осуществления могут содержать блок со съемными частями, которые позволяют пользователю получать доступ к внутренней части биодатчика или картриджа для обслуживания или замены деталей или образцов. Биодатчик и картридж могут быть съемным образом соединены или зацеплены с большими системами биологического анализа, такими как система секвенирования, которая проводит контролируемые реакции в них.
Для целей настоящего описания, когда термины «съемным образом» и «соединенный (присоединенный)» (или «зацепленный») используются вместе для описания взаимосвязи между биодатчиком (или картриджем) и приемным резервуаром системы или интерфейсом системы биологического анализа, предполагается, что термин означает, что соединение между биодатчиком (или картриджем) и приемным резервуаром системы может быть легко отделено без разрушения или повреждения приемного резервуара системы и/или биодатчика (или картриджа). Детали легко отделяются друг от друга, когда детали могут быть отделены друг от друга без неуместного усилия или существенного количества времени, потраченного на разделение деталей. Например, биодатчик (или картридж) может быть съемным образом соединен или зацеплен с приемным резервуаром системы электрическим образом так, чтобы при этом сцепляющиеся контакты системы биологического анализа не разрушались и не повреждались. Биодатчик (или картридж) может также быть съемным образом соединен или зацеплен с приемным резервуаром системы механическим образом так, чтобы элементы, которые содержат биодатчик (или картридж), не разрушались и не повреждались. Биодатчик (или картридж) может также быть съемным образом соединен или зацеплен с приемным резервуаром системы проточным образом так, чтобы при этом гнезда приемного резервуара системы не разрушались и не повреждались. Приемный резервуар или деталь систем считается неразрушенным и неповрежденным, если, например, требуется только простая регулировка детали (например, повторное выравнивание) или простая замена (например, замена наконечника).
Для целей настоящего описания термин «проточное сообщение» или «проточно соединенный» относится к двум пространственным областям, соединенным вместе таким образом, что жидкость или газ могут течь между двумя пространственными областями. Например, микрожидкостный канал может находиться в проточном сообщении с реакционной камерой таким образом, что жидкость может свободно течь в реакционную камеру из микрожидкостного канала. Термины «в проточном сообщении» или «проточно соединенный» предусмотрены для двух пространственных областей, находящихся в проточном сообщении с помощью одного или более клапанов, ограничителей или других деталей для проточной системы, которые выполнены с возможностью управления или регулировки расхода текучей среды через систему.
Для целей настоящего описания термин «иммобилизованный», при использовании в отношении биомолекулы или биологического или химического вещества, включает в себя по существу прикрепление биомолекулы или биологического или химического вещества к поверхности на молекулярном уровне. Например, биомолекула или биологическое или химическое вещество может быть иммобилизовано на поверхности материала подложки с применением методик абсорбции, включающих не ковалентные взаимодействия (например, силы электростатического поля, Ван-дер-Ваальса и дегидратацию гидрофобных поверхностей раздела) и методик ковалентного связывания, в которых функциональные группы или линкеры способствуют прикреплению биомолекул к поверхности. Иммобилизация биомолекул или биологических или химических веществ на поверхности материала подложки может быть основана на свойствах поверхности подложки, жидкой среды, переносящей биомолекулу или биологическое, или химическое вещество, и на свойствах самих биомолекул или биологических или химических веществ. В некоторых случаях поверхность подложки может быть функционализирована (например, химически или физически изменена) в целях способствования иммобилизации биомолекул (или биологических или химических веществ) на поверхности подложки. Поверхность подложки может быть сначала изменена путем связывания функциональных групп с ее поверхностью. Функциональные группы могут затем связываться с биомолекулами или биологическими или химическими веществами, чтобы затем иммобилизовать их. Вещество может быть иммобилизовано на поверхности через гель, например, как описано в публикации патента США № 2011/0059865 A1, которая включена сюда посредством ссылки.
В некоторых вариантах осуществления нуклеиновые кислоты могут быть прикреплены к поверхности и амплифицированы с применением мостиковой амплификации. Полезные способы мостиковой амплификации описываются, например, в патенте США № 5641658; WO 07/010251, патенте США № 6090592; публикации патента США № 2002/0055100 A1; публикации патента США № 7115400; публикации патента США № 2004/0096853 A1; публикации патента США № 2004/0002090 A1; публикации патента США № 2007/0128624 A1; и публикации патента США № 2008/0009420 A1, каждый из которых включен сюда во всей своей полноте. Другим полезным способом для амплификации нуклеиновых кислот на поверхности является амплификация по типу катящегося кольца (RCA), например, с применением способов, подробнее изложенных ниже. В некоторых вариантах осуществления нуклеиновые кислоты могут быть прикреплены к поверхности и амплифицированы с использованием одной или более пар праймеров. Например, один из праймеров может находиться в растворе, а другой праймер может быть иммобилизован на поверхности (например, прикреплен к 5'-концу). В качестве примера молекула нуклеиновой кислоты может гибридизироваться с одним из праймеров на поверхности, после чего происходит удлинение иммобилизованного праймера с получением первой копии нуклеиновой кислоты. Праймер в растворе затем гибридизируется с первой копией нуклеиновой кислоты, которая может быть удлинена с использованием первой копии нуклеиновой кислоты в качестве матрицы. Необязательно, после того, как была получена первая копия нуклеиновой кислоты, исходная молекула нуклеиновой кислоты может гибридизироваться со вторым иммобилизованным праймером на поверхности и может быть удлинена одновременно или после удлинения праймера в растворе. В любом варианте осуществления повторяющиеся циклы удлинения (например, амплификация) с использованием иммобилизованного праймера и праймера в растворе предоставляют множественные копии нуклеиновой кислоты.
В конкретных вариантах осуществления протоколы анализа, выполняемые посредством систем и способов, описанных здесь, включают в себя использование природных нуклеотидов, а также ферментов, которые предназначены для взаимодействия с природными нуклеотидами. Природные нуклеотиды включают, например, рибонуклеотиды или дезоксирибонуклеотиды. Природные нуклеотиды могут находиться в моно-, ди- или три-фосфатной форме и могут иметь основание, выбираемое из аденина (A), тимина (T), урацила (U), гуанина (G) или цитозина (C). Однако, будет понятно, что могут использоваться неприродные нуклеотиды, модифицированные нуклеотиды или аналоги вышеуказанных нуклеотидов. Некоторые примеры полезных неприродных нуклеотидов изложены ниже в отношении обратимого, основанного на терминаторе секвенирования посредством способов, основанных на синтезе.
В вариантах осуществления, которые включают реакционные камеры, элементы или твердые вещества (включая полутвердые вещества) могут быть размещены в пределах реакционных камер. После размещения элемент или твердое вещество могут физически удерживаться или иммобилизовываться в пределах реакционной камеры через посадку с натягом, прилипание или захват. Примерные элементы или твердые вещества, которые могут быть размещены в пределах реакционных камер, включают полимерные гранулы, таблетки, агарозный гель, порошки, квантовые точки или другие твердые вещества, которые могут быть сжаты и/или удержаны в пределах реакционной камеры. В конкретных вариантах осуществления суперструктура нуклеиновой кислоты, такая как шарик ДНК, может быть размещена внутри или рядом с реакционной камерой, например, посредством прикрепления к внутренней поверхности реакционной камеры или размещения в жидкости в пределах реакционной камеры. Шарик ДНК или другая суперструктура нуклеиновой кислоты могут формоваться и затем размещаться внутри или рядом с реакционной камерой. Альтернативно, шарик ДНК может синтезироваться в нужном месте в реакционном пространстве. Шарик ДНК может синтезироваться посредством амплификации по типу катящегося кольца с получением конкатемера конкретной последовательности нуклеиновой кислоты, и конкатемер может обработан при условиях, которые формируют относительно компактный шарик. Шарики ДНК и способы для их синтеза описаны, например, в публикациях патентов США № 2008/0242560 A1 или 2008/0234136 A1, каждая из которых включена сюда во всей своей полноте. Вещество, которое удерживается или размещается в реакционном пространстве, может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии.
Фигура 1 представляет собой блок-схему примерной системы 100 биологического анализа для биологического или химического анализа, сформированной в соответствии с одним вариантом осуществления. Не предполагается, что термин «биологический анализ» является ограничивающим, поскольку система 100 биологического анализа может функционировать с целью получения произвольной информации или данных, которые относятся по меньшей мере к одному из биологического или химического вещества. В некоторых вариантах осуществления система 100 биологического анализа является рабочей станцией, которая может быть аналогична настольному устройству или настольному компьютеру. Например, большинство (или все) системы и компоненты для проведения предусмотренных реакций могут находиться в пределах общего корпуса 116.
В конкретных вариантах осуществления система 100 биологического анализа представляет собой систему секвенирования нуклеиновых кислот (или секвенатор), выполненный для различных приложений, включая, но не ограничиваясь этим, секвенирование de novo (заново), повторное секвенирование полных геномов или целевых областей геномов и метагеномику. Секвенатор может также применяться для анализа РНК или ДНК. В некоторых вариантах осуществления система 100 биологического анализа может также быть выполнена с возможностью создания реакционных центров в биодатчике. Например, система 100 биологического анализа может быть выполнена с возможностью приема образца и создания прикрепленных к поверхности кластеров клонально амплифицированных нуклеиновых кислот, полученных из образца. Каждый кластер может составлять или быть частью реакционного центра в биодатчике.
Примерная система 100 биологического анализа может содержать приемный резервуар или интерфейс 112 системы, который выполнен с возможностью взаимодействия с биодатчиком 102 с целью выполнения предусмотренных реакций в пределах биодатчика 102. В приведенном ниже описании в отношении фигуры 1 биодатчик 102 загружается в приемный резервуар 112 системы. Однако, следует понимать, что картридж, который содержит биодатчик 102, может быть вставлен в приемный резервуар 112 системы, и в некоторых состояниях картридж может быть удален временно или постоянно. Как описано выше, картридж может содержать, среди прочего, компоненты струйного управления и хранения текучих сред.
В конкретных вариантах осуществления система 100 биологического анализа выполнена с возможностью выполнения большого числа параллельных реакций в пределах биодатчика 102. Биодатчик 102 включает в себя один или более реакционных центров, в которых могут происходить предусмотренные реакции. Реакционные центры могут быть, например, иммобилизованы на твердой поверхности биодатчика или иммобилизованы на гранулах (или других подвижных подложках), которые располагаются в пределах соответствующих реакционных камер биодатчика. Реакционные центры могут включать, например, группы клонально амплифицированных нуклеиновых кислот. Биодатчик 102 может содержать твердотельное устройство формирования изображений (например, формирователь изображения CCD или КМОП) и проточную кювету, установленную на нем. Проточная кювета может содержать один или более проточных каналов, которые получают раствор от системы 100 биологического анализа и направляют раствор в реакционные центры. Необязательно биодатчик 102 может быть выполнен с возможностью зацепления теплового элемента с целью передачи тепловой энергии в проточный канал или из него.
Система 100 биологического анализа может включать в себя различные компоненты, блоки и системы (или подсистемы), которые взаимодействуют друг с другом в целях выполнения предварительно заданного способа или протокола анализа для биологического или химического анализа. Например, система 100 биологического анализа содержит системный контроллер 104, который может взаимодействовать с различными компонентами, блоками и подсистемами системы 100 биологического анализа, а также биодатчик 102. Например, в дополнение к приемному резервуару 112 системы, система 100 биологического анализа может также содержать систему 106 струйного управления для управления движением текучей среды через проточную сеть системы 100 биологического анализа и через биодатчик 102; систему 108 хранения текучих сред, которая выполнена с возможностью удержания всех текучих сред (например, газа или жидкостей), которые могут использоваться системой биологического анализа; система 110 регулирования температуры, которая может регулировать температуру текучей среды в проточной сети, системе 108 хранения текучих сред и/или биодатчике 102; и систему 111 подсветки, которая выполнена с возможностью подсветки биодатчика 102. Как описано выше, если картридж, имеющий биодатчик 102, загружается в приемный резервуар 112 системы, то картридж может также содержать компоненты струйного управления и хранения текучих сред.
Также показано, что система 100 биологического анализа может включать в себя пользовательский интерфейс 114, который взаимодействует с пользователем. Например, пользовательский интерфейс 114 может включать в себя дисплей 113 для отображения или запроса информации у пользователя и пользовательское устройство 115 ввода для получения входных данных от пользователя. В некоторых вариантах осуществления дисплей 113 и пользовательское устройство 115 ввода являются одним и тем же устройством. Например, пользовательский интерфейс 114 может включать в себя сенсорный дисплей, предназначенный для обнаружения наличия касания человеком и также для идентификации положения касания на дисплее. Однако, могут использоваться другие пользовательские устройства 115 ввода, такие как мышь, сенсорная панель, клавиатура, вспомогательная клавиатура, портативный сканер, система распознавания речи, система распознавания движения и т.п. Как будет обсуждаться более подробно ниже, система 100 биологического анализа может взаимодействовать с различными компонентами, включая биодатчик 102 (например, в форме картриджа) для выполнения предусмотренных реакций. Система 100 биологического анализа может также быть выполнена с возможностью анализа данных, полученных от биодатчика, для предоставления пользователю требуемой информации.
Системный контроллер 104 может включать в себя любую основанную на процессоре или основанную на микропроцессоре систему, включая системы, использующие микроконтроллеры, компьютер с сокращенной системой команд (RISC), специализированные интегральные микросхемы (ASIC), программируемые пользователем матрицы логических элементов (FPGA), логические схемы, и любую другую схему или процессор, способные к выполнению функций, описанных здесь. Приведенные выше примеры являются только типовыми и, таким образом, не предназначены для ограничения каким-либо образом определения и/или значения термина «системный контроллер». В примерном варианте осуществления системный контроллер 104 выполняет ряд инструкций, которые хранятся в одном или более запоминающих устройствах, памятях или модулях, с целью по меньшей мере одного из получения или анализа данных обнаружения. Запоминающие устройства могут быть в виде источников информации или элементов физической памяти в пределах системы 100 биологического анализа.
Набор инструкций может включать различные команды, которые дают системе 100 биологического анализа или биодатчику 102 инструкции для выполнения определенных операций, таких как способы и процессы различных вариантов осуществления, описанные здесь. Набор инструкций может иметь форму программы, которая может являться частью физического энергонезависимого машиночитаемого носителя или носителей информации. Для целей настоящего описания термины «программное обеспечение» и «встроенное микропрограммное обеспечение» являются взаимозаменяемыми и включают любую компьютерную программу, хранящуюся в памяти для выполнения компьютером, включая память RAM, память ROM, память EPROM, память EEPROM, и энергонезависимую память RAM (NVRAM). Указанные выше типы памяти являются только типовыми и, таким образом, не являются ограничивающими в отношении типов памяти, пригодной для хранения компьютерной программы.
Программное обеспечение может иметь различные формы, такие как системное программное обеспечение или прикладное программное обеспечение. Кроме того, программное обеспечение может иметь форму группы отдельных программ или программного модуля в пределах большей программы или части программного модуля. Программное обеспечение также может включать модульное программирование в форме объектно-ориентированного программирования. После получения данных обнаружения данные обнаружения могут быть автоматически обработаны системой биологического анализа 100, обработаны в ответ на ввод данных пользователем или обработаны в ответ на запрос, сделанный другим механизмом обработки (например, дистанционный запрос через линию связи).
Системный контроллер 104 может быть соединен с биодатчиком 102 и другими компонентами системы 100 биологического анализа через линии связи. Системный контроллер 104 может также быть соединен с возможностью взаимодействия с системами или серверами вне места его размещения. Линии связи могут быть проводными или беспроводными. Системный контроллер 104 может принимать входные данные или команды от пользователя через пользовательский интерфейс 114 и пользовательское устройство 115 ввода.
Система 106 струйного управления включает в себя проточную сеть и выполнена с возможностью регулирования потока одной или более текучих сред через проточную сеть. Проточная сеть может находиться в проточном сообщении с биодатчиком 102 и системой 108 хранения текучих сред. Например, выбранные текучие среды могут быть взяты из системы 108 хранения текучих сред и направлены к биодатчику 102 контролируемым образом, или текучие среды могут быть взяты из биодатчика 102 и направлены, например, в резервуар с отходами в системе 108 хранения текучих сред. Хотя это не показано, система 106 струйного управления может содержать датчики расхода, которые детектируют расход или давление текучих сред в пределах проточной сети. Датчики могут взаимодействовать с системным контроллером 104.
Система 110 регулирования температуры выполнена с возможностью регулирования температуры текучих сред в различных областях проточной сети, системе 108 хранения текучих сред и/или биодатчике 102. Например, система 110 регулирования температуры может включать в себя термоциклер (амплификатор), который имеет интерфейс с биодатчиком 102 и управляет температурой текучей среды, которая протекает вдоль реакционных центров в биодатчике 102. Система 110 регулирования температуры может также отрегулировать температуру твердых элементов или компонентов системы 100 биологического анализа или биодатчика 102. Хотя это не показано, система 110 регулирования температуры может содержать датчики для определения температуры текучей среды или других компонентов. Датчики могут взаимодействовать с системным контроллером 104.
Система 108 хранения текучих сред находится в проточном сообщении с биодатчиком 102, и в ней могут храниться различные компоненты реакции или реагирующие вещества, которые используются для проведения в нем предусмотренных реакций. В системе 108 хранения текучих сред могут также храниться текучие среды для промывки или очистки проточной сети и биодатчика 102 и для разбавления реагирующих веществ. Например, система 108 хранения текучих сред может включать в себя различные резервуары для хранения образцов, реагентов, ферментов, других биомолекул, буферных растворов, водных и неполярных растворов и т.п. Кроме того, система 108 хранения текучих сред может также включать в себя резервуары для отходов для приема отходов от биодатчика 102. В вариантах осуществления, которые включают картридж, картридж может содержать одну или более систем из системы хранения текучих сред, системы струйного управления или системы регулирования температуры. Соответственно, один или более компонентов, изложенных здесь как относящиеся к этим системам, могут содержаться в пределах корпуса картриджа. Например, картридж может иметь различные резервуары для хранения образцов, реагентов, ферментов, других биомолекул, буферных растворов, водных и неполярных растворов, отходов и т.п. Как таковая, одна или более из системы хранения текучих сред, системы струйного управления и системы регулирования температуры могут быть съемным образом зацеплены с системой биологического анализа через картридж или другой биодатчик.
Система 111 подсветки может включать в себя источник света (например, один или более СИДов) и множество оптических компонентов для подсветки биодатчика. Примеры источников света могут включать лазеры, дуговые лампы, СИДы или лазерные диоды. Оптические компоненты могут являться, например, рефлекторами, дихроичными зеркалами, делителями луча, коллиматорами, линзами, фильтрами, клиньями, призмами, зеркалами, детекторами и т.п. В вариантах осуществления, в которых применяется система подсветки, система 111 подсветки может быть выполнена с возможностью направления света возбуждения в реакционные центры. В качестве одного из примеров, флуорофоры могут быть возбуждены светом с длинами волны в зеленом диапазоне, при этом длина волны света возбуждения может составлять приблизительно 532 нм.
Приемный резервуар или интерфейс 112 системы выполнен с возможностью зацепления биодатчика 102 по меньшей мере одним из механического, электрического и проточного способов. Приемный резервуар 112 системы может содержать биодатчик 102 в требуемой ориентации в целях способствованию движению текучей среды через биодатчик 102. Приемный резервуар 112 системы может также содержать электрические контакты, которые выполнены с возможностью зацепления биодатчика 102 таким образом, что система 100 биологического анализа может взаимодействовать с биодатчиком 102 и/или подавать питание для биодатчика 102. Кроме того, приемный резервуар 112 системы может содержать проточные патрубки (например, наконечники), которые выполнены с возможностью зацепления биодатчика 102. В некоторых вариантах осуществления биодатчик 102 съемным образом соединен с приемным резервуаром 112 системы механическим способом, электрическим способом, а также проточным способом.
Кроме того, система 100 биологического анализа может взаимодействовать дистанционно с другими системами или сетями, или с другими системами 100 биологического анализа. Данные обнаружения, полученные системой(ами) биологического анализа 100, могут храниться в удаленной базе данных.
Фигура 2 представляет собой блок-схему системного контроллера 104 в примерном варианте осуществления. В одном варианте осуществления системный контроллер 104 содержит один или более процессоров или модулей, которые могут взаимодействовать друг с другом. Каждый из процессоров или модулей может включать алгоритм (например, инструкции, хранящиеся на физическом и/или энергонезависимом машиночитаемом носителе информации) или часть алгоритма для выполнения конкретных процессов. Системный контроллер 104 проиллюстрирован концептуально как набор модулей, но может быть реализован с применением произвольной комбинации выделенных плат, DSP, процессоров и т.д. Альтернативно, системный контроллер 104 может быть реализован с использованием стандартного ПК с единственным процессором или множеством процессоров, при этом функциональные операции распределяются между процессорами. В качестве еще одной опции, модули, описанные ниже, могут быть реализованы с применением гибридной конфигурации, в которой определенные модульные функции выполняются с использованием выделенных аппаратных средств, в то время как остальные модульные функции выполняются с использованием стандартного ПК и т.п. Модули также могут быть реализованы как программные модули в пределах блока обработки.
Во время функционирования линия 120 связи может передавать информацию (например, команды) или принимать информацию (например, данные) от биодатчика 102 (фигура 1) и/или подсистем 106, 108, 110 (фигура 1). Линия 122 связи может принимать пользовательские входные данные от пользовательского интерфейса 114 (фигура 1) и передавать данные или информацию на пользовательский интерфейс 114. Данные от биодатчика 102 или подсистем 106, 108, 110 могут обрабатываться системным контроллером 104 в режиме реального времени во время процедуры биологического анализа. Дополнительно или альтернативно, данные могут временно храниться в системной памяти во время процедуры биологического анализа и могут обрабатываться медленнее, чем в режиме реального времени, или в автономном режиме.
Как показано на фигуре 2, системный контроллер 104 может содержать множество модулей 131-139, которые взаимодействуют с основным модулем 130 управления. Основной модуль 130 управления может взаимодействовать с пользовательским интерфейсом 114 (фигура 1). Хотя модули 131-139 показаны как взаимодействующие непосредственно с основным модулем 130 управления, модули 131-139 могут также взаимодействовать непосредственно друг с другом, пользовательским интерфейсом 114 и биодатчиком 102. Кроме того, модули 131-139 могут взаимодействовать с основным модулем 130 управления через другие модули.
Множество модулей 131-139 включает в себя системные модули 131-133, 139, которые взаимодействуют с подсистемами 106, 108, 110 и 111, соответственно. Модуль 131 струйного управления может взаимодействовать с системой 106 струйного управления с целью управления клапанами и датчиками расхода проточной сети для управления потоком одной или более текучих сред через проточную сеть. Модуль 132 хранения текучих сред может уведомить пользователя, когда уровень текучей среды становится низким или когда резервуар с отходами заполнен или практически заполнен. Модуль 132 хранения текучих сред может также взаимодействовать с модулем 133 регулирования температуры с тем, чтобы текучие среды могли храниться при требуемой температуре. Модуль 139 подсветки может взаимодействовать с системой 109 подсветки для подсветки реакционных центров в заданные моменты времени в течение протокола, например, после того, как произошли предусмотренные реакции (например, события связывания).
Множество модулей 131-139 может также включать в себя модуль 134 устройства, который взаимодействует с биодатчиком 102 и модулем 135 идентификации, который определяет идентификационную информацию, относящуюся к биодатчику 102. Модуль 134 устройства может, например, взаимодействовать с приемным резервуаром 112 системы для подтверждения того, что биодатчик установил электрическое соединение и проточное сообщение с системой 100 биологического анализа. Модуль 135 идентификации может принимать сигналы, которые идентифицируют биодатчик 102. Модуль 135 идентификации может использовать идентификационные данные биодатчика 102, чтобы предоставить другую информацию пользователю. Например, модуль 135 идентификации может определить и затем отобразить серийный номер, дату изготовления или протокол, который рекомендуется выполнять для биодатчика 102.
Множество модулей 131-139 может также включать в себя модуль 138 анализа данных обнаружения, который принимает и анализирует данные сигналов (например, данные изображения) от биодатчика 102. Данные сигналов могут сохраняться для последующего анализа или могут быть переданы на пользовательский интерфейс 114 для отображения требуемой информации пользователю. В некоторых вариантах осуществления данные сигналов могут быть обработаны твердотельным формирователем изображения (например, датчиком изображения КМОП) до того, как модуль 138 анализа данных обнаружения получит данные сигналов.
Модули 136 и 137 протокола взаимодействуют с основным модулем 130 управления с целью управления функционированием подсистем 106, 108, и 110 при выполнении предварительно заданных протоколов анализа. Модули 136 и 137 протокола могут включать наборы инструкций для инструктирования системы 100 биологического анализа для выполнения определенных операций в соответствии с заданными протоколами. Как показано, модуль протокола может представлять собой модуль 136 секвенирования посредством синтеза (SBS), который выполнен с возможностью выдачи различных команд для выполнения процессов секвенирования посредством синтеза. В SBS удлинение праймера нуклеиновой кислоты вдоль матрицы нуклеиновой кислоты отслеживается с целью определения последовательности нуклеотидов в матрице. Лежащим в основе химическим процессом может быть полимеризация (например, катализируемая ферментом полимеразой) или лигирования (например, катализируемая ферментом лигазой). В конкретном основанном на полимеразе варианте осуществления SBS флуоресцентно помеченные нуклеотиды добавляются к праймеру (таким образом, удлиняя праймер) зависящим от матрицы способом таким образом, что обнаружение порядка и типа нуклеотидов, добавляемых к праймеру, может использоваться для определения последовательности матрицы. Например, для того, чтобы инициировать первый цикл SBS, могут быть даны команды на доставку одного или более помеченных нуклеотидов, ДНК-полимеразы и т.д. в/через проточную кювету, в которой размещается массив матриц нуклеиновой кислоты. Матрицы нуклеиновой кислоты могут быть расположены в соответствующих реакционных центрах. Те реакционные центры, где удлинение праймера вызывает встраивание помеченного нуклеотида, могут быть обнаружены через событие формирования изображения. Во время события формирования изображения система 111 подсветки может обеспечить свет возбуждения для реакционных центров. Необязательно, нуклеотиды могут также обладать свойством обратимой терминации, которое завершает дальнейшее удлинение праймера, как только нуклеотид был добавлен к праймеру. Например, аналог нуклеотида, имеющий молекулу обратимого терминатора, может быть добавлен к праймеру с тем, чтобы последующее удлинение не могло происходить, пока не будет доставлено вещество разблокирования с целью удаления молекулы. Таким образом, для вариантов осуществления, в которых применяется обратимая терминация, может быть дана команда для доставки разблокирующего реагента в проточную кювету (до или после выполнения обнаружения). Одна или более команд могут быть даны для выполнения промывки(ок) между различными этапами доставки. Цикл может быть затем повторен n раз для удлинения праймера на n нуклеотидов, посредством чего будет обнаружена последовательность длины n. Примерные методики секвенирования описаны, например, у Bentley и соавт. в Nature 456:53-59 (2008), WO 04/018497; US 7057026; WO 91/06678; WO 07/123744; US 7329492; US 7211414; US 7315019; US 7405281 и US 2008/0108082, каждый из которых включен сюда посредством ссылки.
На этапе доставки нуклеотида цикла SBS может быть доставлен один тип нуклеотида за один раз или могут быть доставлены множественные различные типы нуклеотидов (например A, C, T и G вместе). В конфигурации доставки нуклеотидов, в которой только единственный тип нуклеотида присутствует в один момент времени, для различных нуклеотидов не требуется наличия различных меток, поскольку они могут быть различены на основании временного разделения, присущего индивидуализированной доставке. Соответственно, способ или устройство секвенирования могут проводить обнаружение единственного света. Например, источник возбуждения должен обеспечить возбуждение на единственной длине волны или в единственном диапазоне длин волн. Для конфигурации доставки нуклеотидов, в которой доставка приводит к присутствию множества различных нуклеотидов в проточной кювете в один момент времени, области, которые содержат нуклеотиды различных типов, можно различить на основании различных флуоресцентных меток, которые присоединены к соответствующему нуклеотиду в смеси. Например, могут использоваться четыре различных нуклеотида, каждый из которых имеет один из четырех различных флуорофоров. В одном варианте осуществления четыре различных флуорофора можно отличить при использовании возбуждения в четырех различных областях спектра. Например, могут применяться четыре различных источника излучения возбуждения. Альтернативно, могут применяться менее четырех различных источников возбуждения, но при этом для получения различных диапазонов излучения возбуждения в проточной кювете может применяться оптическая фильтрация излучения возбуждения от единственного источника.
В некоторых вариантах осуществления менее четырех различных цветов могут обнаруживаться в смеси, имеющей четыре различных нуклеотида. Например, пары нуклеотидов могут обнаруживаться на одной и той же длине волны, но различаться на основании различия интенсивности для одного члена пары по сравнению с другим, или на основании изменения в одном из членов пары (например, через химическую модификацию, фотохимическую модификацию или физическую модификацию), которая вызывает появление или исчезновение очевидного сигнала по сравнению с сигналом, обнаруженным для другого члена пары. Примерные устройства и способы для различения четырех различных нуклеотидов с применением обнаружения менее четырех цветов описываются, например, в заявках на патенты США № 61/538294 и 61/619878, которые включены сюда посредством ссылки во всей своей полноте. Заявка на патент США № 13/624200, которая была подана 21 сентября 2012, также включена посредством ссылки во всей своей полноте.
Множество модулей протокола может также включать модуль 137 подготовки (или создания) образца, который выполнен с возможностью выдачи команд системе 106 струйного управления и системе 110 регулирования температуры для амплификации продукта в пределах биодатчика 102. Например, биодатчик 102 может быть зацеплен с системой 100 биологического анализа. Модуль 137 амплификации может выдавать инструкции системе 106 струйного управления для доставки необходимых компонентов амплификации в реакционные камеры в пределах биодатчика 102. В других вариантах осуществления реакционные центры могут уже содержать некоторые компоненты для амплификации, такие как матричная ДНК и/или праймеры. После доставки компонентов амплификации к реакционным камерам модуль 137 амплификации может дать системе 110 регулирования температуры команду на циклирование через различные ступени температуры согласно известным протоколам амплификации. В некоторых вариантах осуществления амплификация и/или встраивание нуклеотида выполняется изотермически.
Модуль 136 SBS может выдавать команды на выполнение мостиковой ПЦР, при которой кластеры клональных ампликонов формируются в локализованных областях в пределах канала проточной кюветы. После генерации ампликонов с помощью мостиковой ПЦР ампликон может «линеаризоваться» с получением одноцепочечной матричной ДНК или sstДНК, и праймер для секвенирования может быть гибридизован с универсальной последовательностью, которая примыкает к представляющей интерес области. Например, обратимое, основанное на терминаторе секвенирование посредством синтеза может применяться, как изложено выше или далее.
Каждый цикл секвенирования может удлинять sstДНК на одно основание, что может быть достигнуто, например, путем применения модифицированной ДНК-полимеразы и смеси четырех типов нуклеотидов. Различные типы нуклеотидов могут иметь уникальные флуоресцентные метки, и каждый нуклеотид может также иметь обратимый терминатор, который допускает встраивание только одного нуклеотида в каждом цикле. После того, как одно основание было добавлено к sstДНК, свет возбуждения может падать на реакционные центры, и флуоресцентное излучение может быть обнаружено. После обнаружения флуоресцентная метка и терминатор могут быть химически отщеплены от sstДНК. После этого может выполняться другой аналогичный цикл секвенирования. В таком протоколе секвенирования модуль 136 SBS может выдавать системе 106 струйного управления команду на направление потока реагента и растворов ферментов через биодатчик 102. Примерные способы SBS, основанные на обратимом терминаторе, которые могут применяться с устройством и способами, изложенными здесь, описаны в патентной публикации США № 2007/0166705 A1, публикации заявки на патент США № 2006/0188901 A1, патенте США № 7057026, публикации заявки на патент США № 2006/0240439 A1, публикации заявки на патент США № 2006/0281109 A1, публикации PCT № WO 05/065814, публикации заявки на патент США № 2005/0100900 A1, публикации PCT № WO 06/064199 и публикации PCT № WO 07/010251, каждая из которых включена сюда посредством ссылки во всей своей полноте. Примерные реагенты для обратимого, основанного на терминаторе SBS описываются в патенте США 7541444; патенте США 7057026; патенте США 7414116; патенте США 7427673; патенте США 7566537; патенте США 7592435 и WO 07/135368, каждый из которых включен сюда посредством ссылки во всей своей полноте.
В некоторых вариантах осуществления модули амплификации и SBS могут функционировать по протоколу одного анализа, в котором, например, матричная нуклеиновая кислота амплифицируется и затем секвенируется в пределах одного и того же картриджа.
Система 100 биологического анализа может также предоставлять пользователю возможность изменения конфигурации протокола анализа. Например, система 100 биологического анализа может предлагать пользователю опции через пользовательский интерфейс 114 для изменения определенного протокола. Например, если определено, что биодатчик 102 должен применяться для амплификации, то система 100 биологического анализа может запросить температуру для цикла отжига. Кроме того, система 100 биологического анализа может выдавать предупреждения пользователю, если пользователь ввел данные, которые обычно не являются приемлемыми для выбранного протокола анализа.
Фигура 3 представляет собой блок-схему примерной рабочей станции 200 для биологического или химического анализа в соответствии с одним вариантом осуществления. Рабочая станция 200 может иметь характеристики, системы и узлы, аналогичные вышеописанной системе 100 биологического анализа. Например, рабочая станция 200 может иметь систему струйного управления, такую как система 106 струйного управления (фигура 1), которая имеет проточно связана с биодатчиком (или картриджем) 235 через проточную сеть 238. Проточная сеть 238 может включать в себя картридж 240 реагента, блок 242 клапанов, основной насос 244, дегазатор 246, трехходовой клапан 248, ограничитель 250 расхода, систему 252 удаления отходов и прокачивающий насос 254. В конкретных вариантах осуществления большинство компонентов или все вышеописанные компоненты находятся в пределах общего корпуса рабочей станции (не показано). Хотя это не показано, рабочая станция 200 может также включать в себя систему подсветки, такую как система 111 подсветки, которая выполнена с возможностью обеспечения света возбуждения для реакционных центров.
Поток текучей среды показан стрелками вдоль проточной сети 238. Например, растворы реагента могут быть удалены из картриджа 240 реагента и перекачаны через блок 242 клапанов. Блок 242 клапанов может способствовать созданию нулевого мертвого объема текучей среды, текущей к картриджу 235 от картриджа 240 реагента. Блок 242 клапанов может выбирать или разрешать одной или более жидкостям в пределах картриджа 240 реагента протекать через проточную сеть 238. Например, блок 242 клапанов может содержать электромагнитные клапаны, которые имеют компактную конструкцию. Каждый электромагнитный клапан может управлять потоком текучей среды от единственного резервуара. В некоторых вариантах осуществления блок 242 клапанов может разрешать двум или более различным жидкостым протекать в проточную сеть 238 одновременно, таким образом, смешивая две или более различные жидкости. После выхода из блока 242 клапанов текучая среда может протекать через основной насос 244 и к дегазатору 246. Дегазатор 246 выполнен с возможностью удаления ненужных газов, которые поступили или были сгенерированы в пределах проточной сети 238.
От дегазатора 246 текучая среда может течь к трехходовому клапану 248, где текучая среда или направляется к картриджу 235, или отводится к системе 252 удаления отходов. Поток текучей среды в пределах картриджа 235 может, по меньшей мере частично, управляться ограничителем 250 расхода, расположенным ниже по потоку от картриджа 235. Кроме того, ограничитель 250 расхода и основной насос 244 могут координировать друг с другом для управления потоком жидкости через реакционные центры и/или для управление давлением в пределах проточной сети 238. Текучая среда может протекать через картридж 235 и в систему 252 удаления отходов. Необязательно, текучая среда может протекать через прокачивающий насос 254 и, например, в резервуар для отходов в пределах картриджа 240 реагента.
Как также показано на фигуре 3, рабочая станция 200 может включать в себя систему регулирования температуры, такую как система 110 регулирования температуры, которая выполнена с возможностью регулирования или управления тепловой средой различных компонентов и подсистем рабочей станции 200. Система 110 регулирования температуры может содержать охладитель 264 реагента, который выполнен с возможностью управления температурными требованиями для различных текучих сред, используемых рабочей станцией 200, и термоциклер 266, который выполнен с возможностью управления температурой картриджа 235. Термоциклер 266 может содержать тепловой элемент (не показан), который связан посредством интерфейса с картриджем.
Кроме того, рабочая станция 200 может содержать системный контроллер или плату SBS 260, которые могут обладать характеристиками, аналогичными вышеописанному системному контроллеру 104. Плата SBS 260 может взаимодействовать с различными компонентами и подсистемами рабочей станции 200, а также с картриджем 235. Кроме того, плата SBS 260 может взаимодействовать с удаленными системами с целью, например, сохранения данных или получения команд от удаленных систем. Рабочая станция 200 может также включать в себя пользовательский интерфейс 262 в виде сенсорного экрана, который функционально связан с платой SBS 260 через одноплатный компьютер (SBC) 272. Рабочая станция 200 может также содержать один или более доступных пользователю портов передачи данных и/или дисковых накопителей. Например, рабочая станция 200 может содержать одно или более соединений универсальной последовательной шины (USB) для компьютерных периферийных устройств, таких как флэш-память или флеш-накопитель, карта памяти типа Compact Flash (CF) и/или жесткий диск 270 для хранения пользовательских данных в дополнение к другому программному обеспечению.
Фигура 4 представляет собой вид в перспективе рабочей станции 300 и картриджа 302, который может содержать один или более биодатчиков (не показаны), как описано здесь. Рабочая станция 300 может включать в себя компоненты, аналогичные описанным выше в отношении системы 100 биологического анализа и рабочей станции 200, и может функционировать аналогичным образом. Например, рабочая станция 300 может включать в себя корпус 304 рабочей станции и приемный резервуар 306 системы, который выполнен с возможностью приема и зацепления картриджа 302. Приемный резервуар системы может иметь по меньшей мере одно из проточного или электрического зацепления с картриджем 302. Корпус 304 рабочей станции может содержать, например, системный контроллер, систему хранения текучих сред, систему струйного управления и систему регулирования температуры, которые описаны выше. На фигуре 4 рабочая станция 300 не включает в себя пользовательский интерфейс или дисплей, который соединяется с корпусом 304 рабочей станции. Однако, пользовательский интерфейс может быть соединен с возможностью связи с корпусом 304 (и компонентами/системами в нем) через линию связи. Таким образом, пользовательский интерфейс и рабочая станция 300 могут быть расположены удаленно друг относительно друга. Вместе пользовательский интерфейс и рабочая станция 300 (или множество рабочих станций) могут составлять систему биологического анализа.
Как показано, картридж 302 включает в себя корпус 308 картриджа, имеющий по меньшей мере одно отверстие 310, которое обеспечивает доступ к внутренней части корпуса 308 картриджа. Например, раствор, который предназначен для использования в картридже 302 во время управляемых реакций, может быть вставлен через отверстие 310 техником или с помощью рабочей станции 300. Приемный резервуар 306 системы и картридж 302 могут иметь форму и размеры, соответствующие друг другу, с тем, чтобы картридж 302 мог быть вставлен в полость приемного резервуара (не показана) приемного резервуара 306 системы.
Фигура 5 представляет собой вид спереди сборочной стойки 312, имеющей шкаф или тележку 314 со множеством рабочих станций 300, загруженных в него (нее). Шкаф 314 может включать в себя одну или более полок 316, которые задают одно или более приемных пространств 318, предназначенных для приема одной или более рабочих станций 300. Хотя это не показано, рабочие станции 300 могут быть соединены с возможностью связи с коммуникационной сетью, которая позволяет пользователю управлять функционированием рабочих станций 300. В некоторых вариантах осуществления система биологического анализа включает в себя множество рабочих станций, таких как рабочие станции 300, и единственный пользовательский интерфейс, предназначенный для управления функционированием множественных рабочих станций.
Фигура 6 иллюстрирует различные характеристики картриджа 302 (фигура 4) в соответствии с одним вариантом осуществления. Как показано, картридж 302 может содержать узел 320 для образцов, а приемный резервуар 306 системы может содержать осветительный узел 322. Ступень 346, показанная на фигуре 6, представляет пространственные отношения между первыми и вторыми подузлами 320 и 322, когда они отделены друг от друга. На ступени 348 первые и вторые подузлы 320 и 322 объединяются. Корпус 308 картриджа (фигура 4) может заключать в себя соединенные первые и вторые подузлы 320 и 322.
В проиллюстрированном варианте осуществления первый подузел 320 включает в себя основу 326 и составной корпус 324 для реакции, который устанавливается на основу 326. Хотя это не показано, один или более биодатчиков могут быть установлены на основу 326 в углублении 328, которое определяется, по меньшей мере частично, составным корпусом 324 для реакции и основой 326. Например, по меньшей мере четыре биодатчика могут быть установлены на основе 326. В некоторых вариантах осуществления основа 326 представляет собой печатную плату со схемой, которая обеспечивает возможность связи между различными компонентами картриджа и рабочей станции 300 (фигура 4). Например, составной корпус 324 для реакции может содержать поворотный клапан 330 и резервуары 332 для реагентов, которые проточно соединены с поворотным клапаном 330. Составной корпус 324 для реакции может также содержать дополнительные резервуары 334.
Второй подузел 322 включает в себя осветительный узел 336, который содержит множество направляющих свет каналов 338. Каждый направляющий свет канал 338 оптически соединен с источником света (не показан), таким как светодиод (СИД). Источник(и) света предназначен для обеспечения света возбуждения, который направляется направляющими свет каналами 338 на биодатчики. В альтернативных вариантах осуществления картридж может не содержать источника(ов) света. В таких вариантах осуществления источник(и) света может быть расположен на рабочей станции 300. Когда картридж вставляется в приемный резервуар 306 системы (фигура 4), картридж 302 может выравниваться с источником(ами) света таким образом, что биодатчики могут быть подсвечены.
Как также показано на фигуре 6, второй подузел 322 включает в себя насос 340 картриджа, который проточно соединяется с портами 342 и 344. Когда первые и вторые подузлы 320 и 322 объединяются вместе, порт 342 соединяется с поворотным клапаном 330, а порт 344 соединяется с другими резервуарами 334. Насос 340 картриджа может быть активирован для направления компонентов реакции из резервуаров 332 и/или 334 к биодатчикам согласно намеченному протоколу.
Фигура 7 иллюстрирует поперечное сечение части примерного биодатчика 400, сформированного в соответствии с одним вариантом осуществления. Биодатчик 400 может включать характеристики, аналогичные характеристикам вышеописанного биодатчика 102 (фигура 1), и может использоваться, например, в картридже 302 (фигура 4). Как показано, биодатчик 400 может содержать проточную кювету 402, которая соединяется непосредственно или опосредованно с устройством 404 обнаружения. Проточная кювета 402 может быть установлена на устройстве 404 обнаружения. В проиллюстрированном варианте осуществления проточная кювета 402 присоединяется непосредственно к устройству 404 обнаружения посредством одного или более механизмов фиксации (например, клей, соединитель, крепеж и т.п.). В некоторых вариантах осуществления проточная кювета 402 может быть съемным образом соединена с устройством 404 обнаружения.
В проиллюстрированном варианте осуществления устройство 404 обнаружения включает в себя основу 425 устройства. В конкретных вариантах осуществления основа 425 устройства включает в себя множество уложенных друг на друга слоев (например, слой кремния, слой диэлектрика, слои металл-диэлектрик и т.д.). Основа 425 устройства может включать в себя матрицу 424 датчиков из светочувствительных датчиков 440, матрицу 426 световодов из световодов 462 и реакционную матрицу 428 из углублений 408 для реакций, которые имеют соответствующие реакционные центры 414. В определенных вариантах осуществления компоненты располагаются таким образом, что каждый светочувствительный датчик 440 выравнивается с единственным световодом 462 и единственным реакционным центром 414. Однако, в других вариантах осуществления, один светочувствительный датчик 440 может получать фотоны более чем через один световод 462 и/или из более чем одного реакционного центра 414. Для целей настоящего описания единственный светочувствительный датчик может включать в себя один пиксель или более одного пикселя.
Кроме того, следует отметить, что термин «матрица» или «подматрица» не обязательно включает любой и каждый элемент определенного типа, который может иметь устройство обнаружения. Например, матрица 424 датчиков может не включать в себя любой и каждый светочувствительный датчик в устройстве 404 обнаружения. Вместо этого устройство 404 обнаружения может включать в себя другие светочувствительные датчики (например, другую матрицу(ы) светочувствительных датчиков). В качестве другого примера, матрица 426 световодов может не включать в себя любой и каждый световод устройства обнаружения. Вместо этого могут иметься другие световоды, которые выполняются отличным от световодов 462 образом, или которые имеют другие взаимосвязи с другими элементами устройства 404 обнаружения. Как таковой, если явно не указано другое, термин «матрица» может как включать, так и не включать в себя все такие элементы устройства обнаружения.
В проиллюстрированном варианте осуществления проточная кювета 402 включает в себя боковую стенку 406 и крышку 410 потока, которая поддерживается боковой стенкой 406 и другими боковыми стенками (не показаны). Боковые стенки соединяются с поверхностью 412 детектора и простираются между крышкой 410 потока и поверхностью 412 детектора. В некоторых вариантах осуществления боковые стенки сформированы из отверждаемого клейкого слоя, который сцепляет крышку 410 потока с устройством 404 обнаружения.
1
1
1
Проточная кювета 402 имеет такие форму и размер, чтобы существовал проточный канал 418 между крышкой 410 потока и устройством 404 обнаружения. Как показано, проточный канал 418 может иметь высоту H. Только в качестве примера, высота H может составлять примерно 50-400 мкм (микрон) или, более конкретно, примерно 80-200 мкм. В проиллюстрированном варианте осуществления высота H составляет примерно 100 мкм. Крышка 410 потока может содержать материал, являющийся прозрачным для света 401 возбуждения, распространяющегося от наружной части биодатчика 400 в проточный канал 418. Как показано на фигуре 7, свет 401 возбуждения достигает крышки 410 потока не под прямым углом. Однако, это показано только в целях иллюстрации, поскольку свет 401 возбуждения может достигать крышки 410 потока под различными углами.
1
Также показано, что крышка 410 потока может содержать впускные и выпускные порты 420, 422, которые выполнены с возможностью проточного соединения с другими портами (не показаны). Например, другие порты могут принадлежать картриджу 302 (фигура 4) или рабочей станции 300 (фигура 4). Проточный канал 418 имеет такие размер и форму, чтобы направлять текучую среду вдоль поверхности 412 детектора. Высота H и другие размеры проточного канала 418 могут быть выполнены с возможностью поддержания по существу равномерного потока текучей среды вдоль поверхности 412 детектора. Размеры проточного канала 418 могут также быть выполнены с возможностью контроля образования пузырьков.
Боковые стенки 406 и крышка 410 потока могут являться отдельными компонентами, которые соединены друг с другом. В других вариантах осуществления боковые стенки 406 и крышка 410 потока могут быть сформированы как единое целое, при этом боковые стенки 406 и крышка 410 потока сформированы из непрерывного куска материала. В качестве примера крышка 410 потока (или проточная кювета 402) может содержать прозрачный материал, такой как стекло или пластмасса. Крышка 410 потока может представлять собой по существу прямоугольный блок, имеющий плоскую внешнюю поверхность и плоскую внутреннюю поверхность, которая ограничивает проточный канал 418. Блок может быть установлен на боковые стенки 406. Альтернативно, проточная кювета 402 может быть протравлена с целью задания крышки 410 потока и боковых стенок 406. Например, в прозрачном материале может быть протравлено углубление. Когда протравленный материал устанавливается в устройство 404 обнаружения, углубление может стать проточным каналом 418.
Устройство 404 обнаружения имеет поверхность 412 детектора, которая может быть функционализирована (например, химически или физически изменена соответствующим образом для проведения предусмотренных реакций). Например, поверхность 412 детектора может быть функционализирована и может содержать множество реакционных центров 414, в которых иммобилизуется одна или более биомолекул. Поверхность 412 детектора имеет множество углублений для реакций или реакционных камер 408 без боковых стенок. Каждое из углублений 408 для реакций может содержать один или более реакционных центров 414. Углубления 408 для реакций могут быть ограничены, например, посредством выемки или изменения глубины вдоль поверхности 412 детектора. В других вариантах осуществления поверхность 412 детектора может являться по существу плоской.
Как показано на фигуре 7, реакционные 414 центры могут быть распределены по рисунку вдоль поверхности 412 детектора. Например, реакционные 414 центры могут быть расположены в рядах и столбцах вдоль поверхности 412 детектора аналогично микрочипу. Однако, следует понимать, что могут использоваться различные рисунки расположения реакционных центров. Реакционные центры могут содержать биологические или химические вещества, которые испускают световые сигналы. Например, биологические или химические вещества реакционных центров могут генерировать световое излучение в ответ на свет 401 возбуждения. В конкретных вариантах осуществления реакционные 414 центры содержат кластеры или колонии биомолекул (например, олигонуклеотидов), которые иммобилизуются на поверхности 412 детектора.
Фигура 8 представляет собой увеличенное поперечное сечение устройства 404 обнаружения, показывающее различные особенности более подробно. Более конкретно, на фигуре 8 показан один светочувствительный датчик 440, один световод 462 для направления световых излучений к светочувствительному датчику 440 и соответствующую схему 446 для передачи сигналов, основанных на световом излучении (например, фотонах), обнаруженном светочувствительным датчиком 440. Следует понимать, что другие светочувствительные датчики 440 из матрицы 424 датчиков (фигура 7) и связанные с ними компоненты могут быть выполнены идентичным или аналогичным образом. Также следует понимать, однако, что устройство 404 обнаружения не обязательно должно быть изготовлено идентично или единообразно во всех отношениях. Вместо этого, один или более светочувствительных датчиков 440 и/или связанных с ними компонентов могут быть изготовлены по-другому или иметь другие взаимосвязи относительно друг друга.
Схема 446 может включать в себя взаимосвязанные проводящие элементы (например, проводники, полосы, межслойные соединения, межсоединения и т.д.), способные проводить электрический ток, например, передавать сигналы данных, которые основаны на обнаруженных фотонах. Например, в некоторых вариантах осуществления схема 446 может быть аналогичной или может содержать компоновку микросхем, такую как компоновка микросхем, описанная в патенте США № 7595883, который включен сюда посредством ссылки во всей своей полноте. Устройство 404 обнаружения и/или основа 425 устройства может содержать интегральную схему, имеющую плоскую матрицу светочувствительных датчиков 440. Схема 446, сформированная в пределах устройства 425 обнаружения, может быть выполнена по меньшей мере для одного из усиления, оцифровки, хранения и обработки сигналов. Схема может собирать и анализировать обнаруженные световые излучения и генерировать сигналы данных для передачи данных обнаружения системе биологического анализа. Схема 446 может также выполнять дополнительную обработку аналогового и/или цифрового сигнала в устройстве 404 обнаружения.
Основа 425 устройства может быть изготовлена с применением процессов изготовления интегральных схем, таких как процессы, применяемые для изготовления комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП). Например, основа 425 устройства может содержать множество расположенных друг над другом слоев 431-437, включая слой или основу 431 датчика, который представляет собой слой кремния или полупроводниковую пластину в проиллюстрированном варианте осуществления. Слой 431 датчика может содержать светочувствительный датчик 440 и затворы 441-443, которые формируются со слоем 431 датчика. Затворы 441-443 электрически соединены со светочувствительным датчиком 440. Когда устройство 404 обнаружения полностью сформировано, как показано на фигурах 7 и 8, светочувствительный датчик 440 может быть электрически соединен со схемой 446 через затворы 441-443.
Для целей настоящего описания термин «слой» не ограничен единственной непрерывной массой материала, если не указано иное. Например, слой 431 датчика может включать множество подслоев, которые представляют собой различные материалы и/или могут содержать покрытия, клейкие материалы и т.п. Кроме того, один или более слоев (или подслоев) могут быть модифицированы (например, протравлены, на них может быть осажден материал и т.д.) в целях обеспечения характеристик, описанных здесь.
2
2
2
В некоторых вариантах осуществления каждый светочувствительный датчик 440 имеет область обнаружения, которая составляет менее чем примерно 50 мкм. В конкретных вариантах осуществления область обнаружения составляет менее чем примерно 10 мкм. В более конкретных вариантах осуществления область обнаружения составляет примерно 2 мкм. В таких случаях светочувствительный датчик 440 может составлять единственный пиксель. Средний читаемый шум каждого пикселя в светочувствительном датчике 440 может составлять, например, менее чем примерно 150 электронов. В более конкретных вариантах осуществления читаемый шум может составлять менее чем примерно 5 электронов. Разрешение матрицы светочувствительных датчиков 440 может составлять более чем примерно 0,5 мегапикселя (Мпикселей). В более конкретных вариантах осуществления разрешение может составлять более чем примерно 5 Мпикселей и, более конкретно, более чем примерно 10 Мпикселей.
2
2
Слои устройства также включают множество слоев 432-437 металл-диэлектрик, которые далее называются здесь слоями подложки. В проиллюстрированном варианте осуществления каждый из слоев 432-437 подложки содержит металлические элементы (например, W (вольфрам), Cu (медь) или Al (алюминий)) и диэлектрический материал (например, SiO). Могут использоваться различные металлические элементы и диэлектрические материалы, такие как подходящие для изготовления интегральных схем. Однако, в других вариантах осуществления один или более слоев 432-437 подложки может содержать только диэлектрический материал, такой как один или более слоев SiO.
2
Относительно конкретного варианта осуществления, показанного на фигуре 8, первый слой 432 подложки может содержать металлические элементы, называемые M1, которые встраиваются в диэлектрический материал (например, SiO). Металлические элементы M1 включают, например, W (вольфрам). Металлические элементы M1 простираются полностью через слой 432 подложки в проиллюстрированном варианте осуществления. Второй слой 433 подложки содержит металлические элементы M2 и диэлектрический материал, а также металлические межсоединения (M2/M3). Третий слой 434 подложки содержит металлические элементы M3 и металлические межсоединения (M3/M4). Четвертый слой 435 подложки также содержит металлические элементы M4. Основа 425 устройства также содержит пятые и шестые слои 436, 437 подложки, которые более подробно описываются ниже.
Как показано, металлические элементы и межсоединения соединяются друг с другом с формированием по меньшей мере части схемы 446. В проиллюстрированном варианте осуществления металлические элементы M1, M2, M3, M4 включают W (вольфрам), Cu (медь) и/или алюминий (Al), а металлические соединения M2/M3 и M3/M4 включают W (вольфрам), но понятно, что могут использоваться другие материалы и конфигурации. Также следует отметить, что основа 425 устройства и устройство 404 обнаружения показаны на фигурах 7 и 8 только в иллюстративных целях. Например, другие варианты осуществления могут содержать меньше слоев или содержать дополнительные слои по отношению к показанным на фигурах 7 и 8, и/или различные конфигурации металлических элементов.
В некоторых вариантах осуществления устройство 404 обнаружения содержит защитный слой 450, который простирается вдоль наружной поверхности 464 основы 425 устройства. В проиллюстрированном варианте осуществления защитный слой 450 осаждают непосредственно вдоль наружной поверхности 464 слоя 437 подложки. Однако, между слоем 437 подложки и защитным слоем 450 в других вариантах осуществления может быть расположен промежуточный слой. Защитный слой 450 может содержать материал, который предназначен для блокирования, отражения и/или значительного ослабления световых сигналов, которые распространяются из проточного канала 418. Световые сигналы могут представлять собой свет 401 возбуждения и/или световые излучения 466 (показанные на фигуре 9). Только в качестве примера, защитный слой 450 может содержать вольфрам (W).
Как показано на фигуре 8, защитный слой 450 содержит отверстие или проем 452, проходящие через него. Защитный слой 450 может содержать матрицу таких отверстий 452. В некоторых вариантах осуществления защитный слой 450 может простираться непрерывно между смежными отверстиями 452. Как таковые, световые сигналы из проточного канала 418 могут быть блокированы, отражены и/или значительно ослаблены в целях предотвращения обнаружения таких световых сигналов светочувствительными датчиками 440. Однако, в других вариантах осуществления защитный слой 450 не простирается непрерывно между смежными отверстиями 452, при этом один или более проемов, отличных от отверстий 452, выходят в защитном слое 450.
Устройство 404 обнаружения может также содержать пассивирующий слой 454, который простирается вдоль защитного слоя 450 и через отверстия 452. Защитный слой 450 может простираться по отверстиям 452, тем самым непосредственно или опосредованно покрывая отверстия 452. Защитный слой 450 может быть расположен между пассивирующим слоем 454 и основой 425 устройства. Клейкий или активаторный слой 458 может быть расположен между ними в целях способствованию соединению с пассивирующим и защитным слоями 454, 450. Пассивирующий слой 454 может быть предназначен для защиты основы 425 устройства и защитного слоя 450 от окружения в виде текучей среды проточного канала 418.
3
4
2
В некоторых случаях, пассивирующий слой 454 может также быть выполнен с возможностью обеспечения твердой поверхности (то есть поверхности 412 детектора), которая позволяет представляющим интерес биомолекулам или другим аналитам иммобилизоваться на нем. Например, каждый из реакционных центров 414 может содержать группу биомолекул, которые иммобилизуются на поверхности 412 детектора пассивирующего слоя 454. Таким образом, пассивирующий слой 454 можно сформировать из материала, который позволяет реакционным центрам 414 иммобилизоваться на нем. Пассивирующий слой 454 может также содержать материал, который является прозрачным, по меньшей мере для требуемого флуоресцентного света. В качестве примера, пассивирующий слой 454 может содержать нитрид кремния (SiN) и/или диоксид кремния (SiO). Однако, может использоваться другой подходящий материал(ы). Кроме того, пассивирующий слой 454 может быть физически или химически изменен в целях способствования иммобилизации биомолекул и/или способствования обнаружению световых излучений.
В проиллюстрированном варианте осуществления часть пассивирующего слоя 454 простирается вдоль защитного слоя 450, и часть пассивирующего слоя 454 простирается непосредственно вдоль фильтрующего материала 460 световода 462. Углубление 408 для реакций может быть сформировано непосредственно над световодом 462. В некоторых случаях, до осаждения пассивирующего слоя 454 вдоль защитного слоя 450 или клейкого слоя 458, в пределах основы 425 устройства может быть сформирован проем или полость 456 основы. Например, основа 425 устройства может быть подвергнута травлению с целью формирования матрицы ямок 456 в основе. В конкретных вариантах осуществления проем 456 в основе представляет собой удлиненное пространство, которое простирается от места вблизи отверстия 452 к светочувствительному датчику 440. Проем в основе может простираться вдоль длины центральной продольной оси 468. Трехмерная форма проема 456 в основе может быть по существу цилиндрической или иметь форму усеченного конуса в некоторых вариантах осуществления, в результате чего поперечное сечение, взятое вдоль плоскости, которая простирается в страницу фигуры 8, является по существу круговым. Продольная ось 468 может простираться через геометрический центр поперечного сечения. Однако, в альтернативных вариантах осуществления могут использоваться другие геометрии. Например, поперечное сечение может иметь по существу квадратную или восьмиугольную форму.
Фильтрующий материал 460 может быть осажден в пределах проема 456 в основе после того, как проем 456 в основе был сформирован. Фильтрующий материал 460 может формировать (например, после отверждения) световод 462. Световод 462 выполнен с возможностью фильтрации света 401 возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений 466 через него к соответствующему светочувствительному датчику 440. Световод 462 может представлять собой, например, органический абсорбционный фильтр. Только в качестве конкретного примера, свет возбуждения может быть примерно 532 нм, а световые излучения могут быть примерно 570 нм или более.
В некоторых случаях органический фильтрующий материал может быть несовместимым с другими материалами биодатчика. Например, органический фильтрующий материал может иметь коэффициент теплового расширения, который вызывает значительное расширение фильтрующего материала. Альтернативно или дополнительно, фильтрующий материал может быть неспособен к достаточному приклеиванию к определенным слоям, таким как защитный слой (или другие металлические слои). Расширение фильтрующего материала может вызывать механическое напряжение в слоях, смежных с фильтрующим материалом или структурно связанных с фильтрующим материалом. В некоторых случаях расширение может вызывать трещины или другие нежелательные особенности в структуре биодатчика. Как таковые, варианты осуществления, изложенные здесь, могут ограничивать степень, до которой фильтрующий материал расширяется, и/или степень, до которой фильтрующий материал находится в контакте с другими слоями. Например, фильтрующий материал различных световодов может быть изолирован друг от друга пассивирующим слоем. В таких вариантах осуществления фильтрующий материал, возможно, не входит в контакт с металлическим слоем(ями). Кроме того, пассивирующий слой может сопротивляться расширению и/или допускать некоторое расширение, при этом снижая образование нежелательных структурных особенностей (например, трещин).
Световод 462 может быть сконфигурирован относительно окружающего материала основы 425 устройства (например, диэлектрического материала) с формированием структуры световода. Например, световод 462 может иметь показатель преломления, составляющий примерно 2,0, в результате чего световое излучение по существу отражается от поверхности раздела между световодом 462 и материалом основы 425 устройства. В определенных вариантах осуществления световод 462 выполнен таким образом, что оптическая плотность (OD) или коэффициент поглощения света возбуждения составляет по меньшей мере примерно 4 OD. Более конкретно, фильтрующий материал может быть выбран таким образом и световод 462 может иметь такие размеры, чтобы достигнуть по меньшей мере 4 OD. В более конкретных вариантах осуществления световод 462 может быть выполнен с возможностью достижения по меньшей мере примерно 5 OD или по меньшей мере примерно 6 OD. Другие характеристики биодатчика 400 могут быть выполнены с возможностью снижения электрических и оптических перекрестных помех.
Фигура 9 иллюстрирует увеличенное представление поверхности 412 детектора и частей устройства 404 обнаружения (фигура 7), которые располагаются вблизи поверхности 412 детектора. Более конкретно, пассивирующий слой 454, клейкий слой 458, защитный слой 450 и световод 462 показаны на фигуре 9. Каждый из слоев может иметь внешнюю (главную) поверхность или внутреннюю (нижнюю) поверхность и может простираться вдоль смежного слоя на поверхности раздела. В некоторых вариантах осуществления поверхность 412 детектора выполнена с возможностью формирования углубления 408 для реакций вблизи отверстия 452. Углубление 408 для реакций может являться, например, выемкой, ямкой, лункой, бороздой или камерой или каналом без боковых стенок. Альтернативно, поверхность 412 детектора может быть плоской без углублений, показанных на фигурах 7-9. Как показано, отверстие 452 определяется краем 504 отверстия или слоя. Край 504 слоя обращен в радиальном направлении внутрь в сторону продольной оси 468.
Поверхность 412 детектора может включать приподнятую часть 502, а углубление 408 для реакций может включать поверхность 490 основы. Поверхность 490 основы может простираться по существу параллельно защитному слою 450. Поверхность 412 детектора может также включать боковую поверхность 492, которая простирается по существу ортогонально поверхности 490 основы и приподнятой части 502 поверхности 412 детектора. Боковая поверхность 492 может определять периферию углублений 408 для реакций. Хотя приподнятая часть 502, поверхность 490 основы и боковая поверхность 492 указаны как отдельные поверхности, понятно, что эти поверхности могут быть частями поверхности 412 детектора. Кроме того, понятно, что, вследствие производственных допусков, поверхности могут не быть легко различимыми. Например, в других вариантах осуществления поверхность 490 основы и боковая поверхность 492 могут являться по существу одной поверхностью с вогнутой формой.
1
2
1
2
1
2
1
1
1
Поверхность 490 основы может представлять (или содержать точку, которая представляет) самую глубокую часть пассивирующего слоя 454 вдоль поверхности 412 детектора в пределах углубления 408 для реакций. Например, приподнятая часть 502 может простираться вдоль плоскости P поверхности, а поверхность 490 основы может простираться вдоль плоскости P поверхности. Как показано, плоскости P и P поверхности смещены друг относительно друга на глубину или расстояние D. Плоскость P поверхности ближе к световоду 462 или светочувствительному датчику 440 (фигура 7), чем плоскость Pповерхности. В проиллюстрированном варианте осуществления глубина D поверхности 490 основы по существу непрерывна вследствие того, что поверхность 490 основы является по существу плоской. В другом варианте осуществления, однако, глубина D может изменяться. Например, поверхность 490 основы может иметь вогнутую форму с увеличением глубиной по мере того, как поверхность 490 основы простирается к ее центру или середине.
3
4
3
4
3
1
2
2
3
2
4
Углубление 408 для реакций может простираться в направлении или быть размещено в пределах отверстия 452. Например, по меньшей мере часть поверхности 490 основы может находиться в пределах отверстия 452. Защитный слой 450 может иметь наружную поверхность 506, которая обращена к пассивирующему слою 454, и внутреннюю поверхность 508, которая обращена к основе 425 устройства. Наружная поверхность 506 может простираться вдоль плоскости Pповерхности, и внутренняя поверхность 508 может простираться вдоль плоскости Pповерхности. Расстояние между плоскостями P и P поверхностей может представлять собой толщину защитного слоя 450. Как показано, плоскость P поверхности может быть расположена между плоскостями P, Pповерхностей. Как таковая, поверхность 490 основы простирается в пределах отверстия 452 как определено краем 504 слоя. В других вариантах осуществления, однако, плоскость P поверхности может быть расположена выше плоскости Pповерхности таким образом, что поверхность 490 основы не находится в пределах отверстия 452. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления плоскость P поверхности может быть расположена ниже плоскости P поверхности таким образом, что поверхность 490 основы располагается ниже отверстия 452.
Пассивирующий слой 454 включает поверхность 412 детектора и внутреннюю поверхность 510, которая простирается вдоль наружной поверхности 506 защитного слоя 450 на поверхности раздела 512. В некоторых вариантах осуществления клейкий слой 458 может простираться вдоль и задавать поверхность раздела 512 между защитным слоем 450 и пассивирующим слоем 454.
В проиллюстрированном варианте осуществления пассивирующий слой 454 простирается непосредственно вдоль световода 462. Более конкретно, внутренняя поверхность 510 пассивирующего слоя 454 может непосредственно зацеплять поверхность 514 материала световода 462. Для целей настоящего описания фраза «непосредственно зацепляет» и т.п. может включать ситуацию, когда эти два слоя непосредственно контактируют друг с другом или когда эти два слоя связаны друг с другом с помощью способствующего склеиванию материала(ов). Световод 462 имеет область 472 входа, которая содержит поверхность 514 материала. Область 472 входа может представлять собой часть световода 462, которая первоначально принимает световые излучения.
5
5
1
2
3
4
Внутренняя поверхность 510 может непосредственно зацеплять поверхность 514 материала на поверхности 516 раздела. Поверхность 516 раздела может представлять собой слой фильтрующего материала 460, который осажден в пределах полости 456 световода (фигура 7). В проиллюстрированном варианте осуществления поверхность 516 раздела является по существу плоской, в результате чего поверхность 516 раздела простирается вдоль плоскости Pповерхности раздела. Плоскость поверхности раздела P может простираться по существу параллельно одной или более плоскостям поверхностей P, P, P, P. В других вариантах осуществления, однако, поверхность 516 раздела может иметь вогнутую форму, в результате чего поверхность 516 раздела отклоняется в сторону светочувствительного датчика 440 (фигура 8) или в противоположном направлении в сторону от светочувствительного датчика 440.
2
2
Пассивирующий слой 454 может заполнять пустоту, образованную при формировании отверстия 452. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления пассивирующий слой 454 может быть расположен в пределах или находиться в отверстии 452. В конкретных вариантах осуществления поверхность 516 раздела может быть расположена на глубине D в основе 425 устройства. В конкретных вариантах осуществления глубина D может быть выполнена такой, что поверхность 516 раздела располагается ниже отверстия 452, как показано на фигуре 8. В таких вариантах осуществления пассивирующий слой 454 может изолировать (например, отделять) фильтрующий материал 460 и защитный слой 450. Такие варианты осуществления могут являться целесообразными, когда фильтрующий материал 460 и защитный слой 450 являются несовместимыми, в результате чего трещины или другие нежелательные особенности могут появиться в процессе изготовления или применения биодатчика 400 (фигура 7). В других вариантах осуществления по меньшей мере часть поверхности 516 раздела может быть расположена в пределах отверстия 452.
1
5
1
5
Как также показано на фигуре 9, пассивирующий слой 454 может формировать соединительную или угловую область 519. Соединительная область 519 может включать в себя боковую поверхность 492 и простираться вокруг продольной оси 468. Соединительная область 519 может включать в себя относительно более толстую часть пассивирующего слоя 454, которая простирается от приподнятой части 502 к внутренней поверхности 510 в поверхности 516 раздела материалов (или между плоскостью P поверхности и плоскостью Pповерхности раздела). Размеры соединительной области 519 могут противостоять механическим напряжениям, вызванным расширением фильтрующего материала 460 во время изготовления биодатчика 400 и/или во время термоциклирования, которое может происходить в течение предусмотренных протоколов (например, секвенирования SBS). Как показано, толщина между плоскостью P поверхности и плоскостью P поверхности раздела в два раза больше толщины между приподнятой частью 502 поверхности 412 детектора и поверхностью 512 раздела.
Реакционный центр 414 может содержать биологические или химические вещества, которые обычно представлены как точки 520 на фигуре 9. Биологические или химические вещества могут быть иммобилизованы на поверхности 412 детектора или, более конкретно, поверхности основы и боковой поверхности 490, 492. В конкретных вариантах осуществления реакционный центр 414 располагается вблизи отверстия 452 с тем, чтобы световые излучения распространялись через пассивирующий слой 454, через отверстие 452 и в область 472 входа световода 462.
В некоторых вариантах осуществления реакционные центры 414 или биологические или химические вещества 520 в них могут быть структурированы так, что реакционные центры 414 или вещества 520 имеют заданные расположения. Например, после того, как был нанесен пассивирующий слой 454, реакционные центры 414 или его части могут быть структурированы на пассивирующем слое 454. В проиллюстрированном варианте осуществления каждое отверстие 452 связано с одиночным реакционным центром 414 так, чтобы световое излучение от реакционного центра 414 направлялось к соответствующему светочувствительному датчику 440. Биологические или химические вещества 520 в одном реакционном центре 414 могут быть аналогичными или идентичными (например, колония олигонуклеотидов, которые имеют общую последовательность). Однако, в других вариантах осуществления одному из отверстий 452 может соответствовать более одного реакционного центра 414.
В конкретных вариантах осуществления реакционные центры 414 могут содержать прокладки или металлические области, которые описываются в предварительной заявке на патент США № 61/495266, поданной 9 июня 2011, и предварительной заявке на патент США № 61/552712, поданной 28 октября 2011. Каждая заявка из предварительной заявки на патент США № 61/495,266 (заявка ʹ266) и предварительной заявки на патент США № 61/552,712 (заявка ʹ712) включена сюда посредством ссылки во всей своей полноте. В некоторых вариантах осуществления реакционные центры 414 могут выполняться после того, как была изготовлена проточная кювета 402 (фигура 7) на устройстве 404 обнаружения.
В проиллюстрированном варианте осуществления реакционный центр 414 включает колонию олигонуклеотидов 520, в которой олигонуклеотиды имеют фактически общую последовательность. В таких вариантах осуществления каждый из олигонуклеотидов может генерировать общие световые излучения, когда свет 401 возбуждения поглощается флуорофорами, встроенными в пределах олигонуклеотидов. Как показано, световые излучения 466 могут испускаться во всех направлениях (например, изотропным образом), в результате чего, например, часть света направляется в световод 462, часть света направляется для отражения от защитного слоя 450, а часть света направляется в проточный канал 418 или пассивирующий слой 454. Для части, которая направляется в световод 462, варианты осуществления, описанные здесь, могут быть выполнены с возможностью облегчения обнаружения фотонов.
Как также показано на фигуре 9, основа 425 устройства может включать в себя периферические экраны 522, 524 от перекрестных помех, расположенные в пределах основы 425 устройства. Экраны 522, 524 от перекрестных помех могут быть установлены относительно световода 462 и выполнены таким образом, что экраны 522, 524 от перекрестных помех блокируют или отражают световые сигналы, распространяющиеся из световода 462. Световые сигналы могут включать в себя свет 401 возбуждения, который был отражен или преломлен, и/или световые излучения 466, сгенерированные на поверхности 412 детектора или вблизи нее. В некоторых вариантах осуществления экраны 522, 524 от перекрестных помех могут также непосредственно блокировать свет 401 возбуждения от проточного канала 418. Как таковые, экраны 522, 524 от перекрестных помех могут снижать обнаружение нежелательных световых сигналов. Например, экраны 522, 524 от перекрестных помех могут снижать оптические перекрестные помехи между смежными светочувствительными датчиками 440 и/или могут улучшать эффективность приема соответствующего светочувствительного датчика 440. Экраны 522, 524 от перекрестных помех могут представлять собой, например, металлические элементы, которые производятся во время изготовления основы 425 устройства. В некоторых вариантах осуществления процессы, применяемые для изготовления элементов M1, M2, M3, M2/M3 и M3/M4 схемы 446 (фигура 8) могут быть такими же или аналогичными процессам, применяемым для изготовления экранов 522, 524 от перекрестных помех. Например, экраны 522, 524 от перекрестных помех могут быть расположены в пределах диэлектрического материала (например, слоев диэлектрика) основы 425 устройства и содержат такой же материал, который используется для изготовления схемы 446 (например, один или более материалов, использованных для изготовления элементов M1, M2, M3, M2/M3 и M3/M4). Хотя это не показано, в некоторых случаях различные стадии изготовления КМОП могут включать в себя формирование металлических элементов, которые будут передавать сигналы данных, одновременно формируя также экраны от перекрестных помех.
Хотя экраны 522, 524 от перекрестных помех могут быть изготовлены подобным образом, как и схема 446, экраны 522, 524 от перекрестных помех могут быть электрически отделены от схемы 446. Другими словами, для некоторых вариантов осуществления экраны 522, 524 от перекрестных помех могут не передавать сигналы данных. В других вариантах осуществления, однако, экраны 522, 524 от перекрестных помех могут являться дорожками или другими металлическими элементами, которые предназначаются для передачи сигналов данных. Как также показано на фигуре 9, экраны 522, 524 от перекрестных помех могут иметь различные поперечные размеры (например, ширину, высоту или толщину) и формы, и также могут быть изготовлены из различных материалов.
В проиллюстрированном варианте осуществления экраны 522, 524 от перекрестных помех соединяют друг с другом с формированием единого большего по размеру экрана от перекрестных помех. Однако, экраны 522, 524 от перекрестных помех могут быть разнесены друг от друга в других конфигурациях. Например, экраны 522, 524 от перекрестных помех могут быть разнесены друг от друга вдоль продольной оси 468. В проиллюстрированном варианте осуществления экраны 522, 524 от перекрестных помех, по меньшей мере частично, окружают область 472 входа и часть пассивирующего слоя 454. Экран 522 от перекрестных помех непосредственно зацепляет защитный слой 450. В некоторых вариантах осуществления экраны 522, 524 от перекрестных помех могут только частично окружать световод 462. В других вариантах осуществления экраны 522, 524 от перекрестных помех могут составлять кольца от перекрестных помех, которые окружают весь световод 462 по окружности. Такие варианты осуществления описываются более подробно ниже в отношении фигур 10 и 11.
2
Как показано, полость 456 световода ограничивается одной или более внутренними поверхностями 526 основы 425 устройства. В конкретных вариантах осуществления внутренние поверхности 526 могут являться поверхностью(ями) диэлектрического материала (например, SiO) слоев 432-437 подложки. Экраны 522, 524 от перекрестных помех могут непосредственно примыкать к световоду таким образом, что часть металлических элементов подвергается воздействию и непосредственно зацепляет фильтрующий материал 460 световода 462. В других вариантах осуществления, однако, экраны 522, 524 от перекрестных помех не подвергаются воздействию световода 462 и, вместо этого, могут быть размещены непосредственно смежно со световодом 462 таким образом, что часть диэлектрического материала располагается между экранами 522, 524 от перекрестных помех и световодом 462. Например, в проиллюстрированном варианте осуществления между световодом 462 и экранами 522, 524 от перекрестных помех располагаются диэлектрические материалы 528, 530, соответственно. Каждый из диэлектрических материалов 528, 530 может включать часть внутренней поверхности 526. Диэлектрические материалы 528, 530 могут отделять световод 462 от соответствующих экранов 522, 524 от перекрестных помех на разделительный интервал SD. Только в качестве примера, разделительный интервал SD может составлять по меньшей мере примерно 150 нм. В некоторых вариантах осуществления разделительный интервал SD составляет по меньшей мере примерно 100 нм. Разделительный интервал SD может составлять менее 100 нм.
Фигура 10 представляет собой схематическое поперечное сечение устройства 602 обнаружения, сформированного в соответствии с другим вариантом осуществления. Устройство 602 обнаружения может содержать элементы, аналогичные элементам устройства 404 обнаружения (фигура 7), и может применяться в биодатчиках, таких как биодатчик 400 (фигура 7) или биодатчик 102 (фигура 1). Устройство 602 обнаружения может также быть изготовлено с применением технологий изготовления интегральных схем. Устройство 602 обнаружения описывается и иллюстрируется в целях демонстрации других особенностей, которые могут иметь устройства обнаружения и биодатчики. В некоторых вариантах осуществления устройство 602 обнаружения может само по себе составлять биодатчик. В других вариантах осуществления устройство 602 обнаружения может быть присоединено к проточной кювете с целью формирования биодатчика. Например, устройство 602 обнаружения может быть присоединено к проточной кювете 402, и при этом между устройством 602 обнаружения и проточной кюветой 402 может формироваться проточный канал.
Как показано, устройство 602 обнаружения содержит основу 604 устройства, защитный слой 640 и несколько подслоев 652, 654, которые все вместе формируют пассивирующий слой 650 устройства 602 обнаружения. Основа 604 устройства содержит матрицу 606 светочувствительных датчиков 608 и матрицу 610 световодов 612. Светочувствительные датчики 608 могут быть аналогичными или идентичными светочувствительным датчикам 440, и световоды 612 могут быть аналогичными или идентичными световодам 462. Например, световоды 612 выполнены с возможностью приема света 614 возбуждения и световых излучений 616. Как показано, световые излучения 616 иллюстрируются как свет, испускаемый из одиночной точки. Следует понимать, что световые излучения могут быть сгенерированы из множественных точек вдоль пассивирующего слоя 650. Каждый из световодов 612 простирается в основу 604 устройства вдоль центральной продольной оси 618 от области 620 входа световода 612 к соответствующему светочувствительному датчику 608 из матрицы датчиков 606.
Аналогично световодам 462, световоды 612 могут содержать фильтрующий материал, который предназначен для фильтрации света 614 возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений 616 через них к соответствующим светочувствительным датчикам 608. Основа 604 устройства содержит схему устройства (не показана), которая электрически соединена со светочувствительными датчиками 608 и выполнена с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Хотя это не показано на фигурах 10 и 11, схема основы 604 устройства может быть расположена между световодами 612 аналогично схеме 446 (фигура 8), расположенной между световодами 462.
Как показано, основа 604 устройства содержит периферические экраны 631-634 от перекрестных помех, которые располагаются в пределах основы 604 устройства. Более конкретно, каждый из световодов 612 окружен множественными экранами 631-634 от перекрестных помех. Экраны 631-634 от перекрестных помех для каждого из световодов 612 могут быть разнесены друг от друга вдоль соответствующей продольной оси 618 таким образом, что межу ними формируются зазоры 641-643. Размеры зазоров 641-643 могут быть по существу равными друг другу или могут отличаться. Например, зазоры 643 немного больше, чем зазоры 642.
В проиллюстрированном варианте осуществления экраны 631-634 от перекрестных помех выполнены с возможностью окружения по окружности световодов 612. Для целей настоящего описания не предполагается, что фраза «окружают по окружности» требует, чтобы световоды 612 имели круговое поперечное сечение и/или экраны 631-634 от перекрестных помех имели формы круга. Вместо этого, экран от перекрестных помех может окружать по окружности световод 612, если экран от перекрестных помех окружает соответствующую продольную ось 618. Экран от перекрестных помех может полностью окружать продольную ось 618 или только частично окружать продольную ось 618. Например, экраны 631-634 от перекрестных помех могут простираться непрерывно вокруг соответствующего световода 612 или, в других случаях, экраны 631-634 от перекрестных помех могут содержать множество подэлементов, которые индивидуально распределены вокруг световода 612 в целях по меньшей мере частичного окружения соответствующего световода.
2
5
x
y
2
5
x
y
2
5
Аналогично защитному слою 452, в защитном слое 640 могут быть сформированы отверстия 642, проходящие через него. Отверстия 642 по существу выровнены с соответствующими световодами 612 и светочувствительными датчиками 608 в целях обеспечения возможности распространения световых сигналов в соответствующие области 620 входа. Подслой 654 может быть осажден поверх защитного слоя 640 таким образом, что материал подслоя 654 заполняет по меньшей мере часть отверстий. В некоторых вариантах осуществления дополнительный подслой 652 осаждают поверх подслоя 654 с целью формирования пассивирующего слоя 650. Только в качестве примера, любой из подслоев 652, 654 может содержать нанесенный посредством осаждения из паровой фазы с помощью плазмы (ПОПФ) TaO или нанесенный посредством усиленного плазмой химического осаждения из газовой фазы (УП-ХОПФ) SiN. В другом варианте осуществления на подслои 652, 654 может быть уложен дополнительный подслой. В качестве одного конкретного примера подслой 654 может представлять собой ПОПФ TaO, подслой 652 может представлять собой SiN, нанесенный с помощью УП-ХОПФ, а дополнительный слой, который укладывается на подслой 652, может представлять собой TaO, нанесенный с помощью ПОПФ.
Фигура 11 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ 700 изготовления биодатчика в соответствии с одним вариантом осуществления. Способ 700 иллюстрируется на фигурах 12A и 12B. В способе 700, например, могут применяться структуры или аспекты различных вариантов осуществления (например, системы и/или способы), обсужденные здесь. В различных вариантах осуществления определенные этапы могут быть опущены или добавлены, определенные этапы могут быть скомбинированы, определенные этапы могут быть выполнены одновременно, определенные этапы могут быть выполнены параллельно, определенные этапы могут быть разделены на несколько этапов, определенные этапы могут быть выполнены в другом порядке или определенные этапы или серии этапов могут быть повторно выполнены итеративным образом.
Способ 700 может включать в себя обеспечение (на этапе 702) основы 800 устройства, имеющей матрицу датчиков из светочувствительных датчиков 802. Как показано, основа 800 устройства имеет наружную или внешнюю поверхность 801. Основа 800 устройства может быть изготовлена с применением технологий изготовления интегральных схем, таких как технологии изготовления КМОП. Например, основа 800 устройства может включать несколько слоев подложки с различными модифицированными особенностями (например, металлическими элементами), встроенными в них. В некоторых вариантах осуществления основа 800 устройства может содержать области 804 световодов и области 806 схемы. Области 804 световодов могут соответствовать частям основы 800 устройства, которые будут содержать, после способа 700, световоды. Смежные области 804 световодов могут быть разделены областями 806 схемы, которые содержат схему устройства (не показана), которые могут быть аналогичными электрическим схемам устройства, описанным здесь. Более конкретно, схема устройства может быть электрически соединена со светочувствительными датчиками 802 и выполнена с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками 802. В некоторых вариантах осуществления области 804 световодов могут содержать периферические экраны 808 от перекрестных помех, которые окружают материал подложки в областях 804 световодов.
Способ 700 может также включать в себя нанесение (на этапе 704) защитного слоя 810 на наружную поверхность 801 основы 800 устройства и формирование (на этапе 706) отверстий 812 через защитный слой 810. Как описано выше, защитный слой 810 может содержать металлический материал, который предназначен для блокирования световых сигналов. Отверстия 812 могут быть сформированы посредством нанесения маски (не показана) и удаления материала (например, посредством травления) защитного слоя 810 с образованием отверстий 812.
На этапе 708 в основе 800 устройства могут быть сформированы полости 814 световодов. Более конкретно, материал подложки в областях 804 световодов может быть удален таким образом, что полости 814 световодов простираются от места вблизи отверстий 812 до соответствующих светочувствительных датчиков 802. Как показано на фигуре 12A, внутренние поверхности 815 материала подложки могут ограничивать полости 814 световодов. Полости 814 световодов могут иметь такие формы и размеры, чтобы внутренние поверхности 815 находились вблизи экранов 808 от перекрестных помех. Как описано здесь, экраны 808 от перекрестных помех могут быть непосредственно смежными с внутренними поверхностями 815 или могут быть открыты в полости 814 световодов.
Способ 700 может также включать в себя осаждение (на этапе 710) фильтрующего материала 820 в пределах полостей 814 световодов. Фильтрующий материал 820 может быть, например, органическим фильтрующим материалом. В некоторых вариантах осуществления часть фильтрующего материала 820 может простираться вдоль защитного слоя 810 после операции осаждения. Например, количество фильтрующего материала 820, нанесенное на основу 800 устройства, может превысить доступный объем в пределах полостей 814 световодов. Таким образом, фильтрующий материал 820 может выходить за пределы полостей 814 световодов и простираться вдоль защитного слоя 810.
В некоторых вариантах осуществления осаждение (на этапе 710) фильтрующего материала 820 может включать в себя вдавливание (например, с применением компонента, аналогичного резиновому валику для прикатывания) фильтрующего материала 820 в полости 814 световодов. На фигуре 12A показан однородный слой фильтрующего материала 820 вдоль защитного слоя 810. В некоторых вариантах осуществления слой фильтрующего материала 820 может не быть однородным. Например, только на некоторых частях защитного слоя 810 может находиться фильтрующий материал 820. В альтернативных вариантах осуществления операция осаждения может включать выборочное заполнение каждой из полостей 814 световодов таким образом, что фильтрующий материал 820 не очищает и не выходит за пределы полостей 814 световодов.
На этапе 712 фильтрующий материал 820 может быть отвержден. Дополнительно, способ 700 может также включать в себя удаление (на этапе 714) фильтрующего материала 820 с защитного слоя 810 и, в некоторых случаях, части фильтрующего материала 820 из полостей 814 световодов. Фильтрующий материал 820 может быть удален изнутри полостей 814 световодов с тем, чтобы слой 830 фильтрующего материала 820 был расположен в пределах отверстия 812 или на глубине ниже защитного слоя 810. В вариантах осуществления, в которых слой 830 материала находится ниже защитного слоя 810, фильтрующий материал 820 может не входить в контакт с каким-либо материалом защитного слоя 810. Фильтрующий материал 820 в пределах полостей 814 световодов может формировать световоды. Для удаления фильтрующего материала 820 из защитного слоя 810 могут быть реализованы различные процессы. Например, операция удаления может включать по меньшей мере одно из травления фильтрующего материала или химической полировки фильтрующего материала.
Как показано на фигуре 12B, способ 700 может также включать в себя нанесение (на этапе 716) пассивирующего слоя 832 на защитный слой 810 и фильтрующий материал 820 световодов таким образом, что пассивирующий слой 832 простирается непосредственно вдоль защитного слоя 810 и поперек отверстий 812. Пассивирующий слой 832 может простираться непосредственно вдоль световодов в соответствующих поверхностях 834 раздела материала, таких как поверхности 516 раздела материала (фигура 9). В проиллюстрированном варианте осуществления пассивирующий слой 832 имеет плоскую поверхность 836 детектора. В других вариантах осуществления поверхность 836 детектора может формировать матрицу углублений для реакций, таких как углубления 408 для реакций (фигура 7). Углубления для реакций могут простираться в направлении или быть расположены в пределах соответствующих отверстий 812.
2
5
x
y
2
5
В некоторых вариантах осуществления пассивирующий слой 832 содержит несколько подслоев 841-843. В конкретных вариантах осуществления по меньшей мере один из подслоев 841-843 содержит тантал. Например, подслой 841 может содержать пятиокись тантала (TaO), подслой 842 может содержать низкотемпературную пленку (например, нитрид кремния (SiN)), а подслой 843, который может иметь поверхность 836 детектора, может содержать пятиокись тантала (TaO). Однако, подслои 841-843 приведены только в качестве примеров, и другие пассивирующие слои могут содержать меньше подслоев, больше подслоев или подслои с другими материалами. В некоторых случаях для пассивирующего слоя используется только одиночный подслой.
Необязательно, способ 700 может включать в себя обеспечение (на этапе 718) реакционных центров 850 и установку проточной кюветы (не показана). Обеспечение реакционных центров 850 может происходить до или после того, как проточная кювета подсоединяется к устройству обнаружения. Реакционные 850 центры могут быть расположены в указанных местах таким образом, что реакционные 850 центры имеют заданный рисунок размещения вдоль поверхности 836 детектора. Реакционные центры могут иметь заданное соответствие (например, один центр - один светочувствительный датчик, один центр - множественные светочувствительные датчики или множественные центры - один светочувствительный датчик). В других вариантах осуществления реакционные центры могут быть выполнены случайным образом вдоль поверхности 836 детектора. Как описано здесь, реакционные центры 850 могут содержать биологические или химические вещества, иммобилизованные на поверхности 836 детектора. Биологические или химические вещества могут быть предназначены для испускания световых сигналов в ответ на свет возбуждения. В конкретных вариантах осуществления реакционные 850 центры содержат группы или колонии биомолекул (например, олигонуклеотидов), которые иммобилизованы на поверхности 836 детектора.
В одном варианте осуществления предоставлен биодатчик, который содержит проточную кювету и устройство обнаружения с присоединенной к нему этой проточной кюветой. Проточная кювета и устройство обнаружения формируют проточный канал, который выполнен имеющим биологические или химические вещества, находящиеся в нем, которые генерируют световое излучение в ответ на свет возбуждения. Устройство обнаружения включает в себя основу устройства, имеющую матрицу светочувствительных датчиков и матрицу световодов. Световоды имеют области входа, которые выполнены с возможностью приема света возбуждения и световых излучений от проточного канала. Световоды простираются в основу устройства от областей входа к соответствующим светочувствительным датчикам и имеют фильтрующий материал, который предназначен для фильтрации света возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений к соответствующим светочувствительным датчикам. Основа устройства содержит схему устройства, электрически соединенную со светочувствительными датчиками и выполненную с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Устройство обнаружения также содержит защитный слой, который простирается между проточным каналом и основой устройства. Защитный слой имеет отверстия, позиционированные относительно областей входа соответствующих световодов таким образом, что световые излучения распространяются через отверстия в соответствующие области входа. Защитный слой простирается между смежными отверстиями и предназначен для блокирования света возбуждения и световых излучений, падающих на защитный слой между смежными отверстиями.
В одном аспекте области входа световодов могут быть расположены в пределах соответствующих отверстий защитного слоя или могут быть расположены на глубине в основе устройства.
В другом аспекте устройство обнаружения может содержать пассивирующий слой, который простирается вдоль защитного слоя таким образом, что защитный слой находится между пассивирующим слоем и основой устройства. Пассивирующий слой может простираться поперек отверстий.
В особых случаях фильтрующий материал световодов может представлять собой органический фильтрующий материал. Пассивирующий слой может простираться непосредственно вдоль областей входа световодов и изолировать органический фильтрующий материал от защитного слоя. Поверхности раздела материалов могут быть расположены в пределах соответствующих отверстий защитного слоя или могут быть расположены на глубине в основе устройства. В определенных вариантах осуществления пассивирующий слой простирается в отверстия и формирует матрицу углублений для реакций. Углубления для реакций могут простираться в направлении или могут быть расположены в пределах соответствующих отверстий.
В определенных вариантах осуществления биологические или химические вещества предназначены для размещения в пределах углублений для реакций. В определенных вариантах осуществления углубления для реакций имеют соответствующие опорные поверхности. Опорные поверхности могут быть расположены в пределах отверстия или быть расположены на глубине в основе устройства.
В другом аспекте основа устройства содержит периферические экраны от перекрестных помех. Каждый из экранов от перекрестных помех может окружать один из соответствующих световодов. Экраны от перекрестных помех могут быть выполнены с возможностью снижения оптических перекрестных помех между смежными светочувствительными датчиками.
В другом аспекте биодатчик является безлинзовым, так что биодатчик не содержит оптический элемент, который фокусирует световые излучения в фокальной точке.
В одном варианте осуществления предоставлен биодатчик, который содержит проточную кювету и устройство обнаружения с присоединенной к нему этой проточной кюветой. Проточная кювета и устройство обнаружения формируют проточный канал, который выполнен имеющим биологические или химические вещества, находящиеся в нем, которые генерируют световое излучение в ответ на свет возбуждения. Устройство обнаружения может включать в себя основу устройства, имеющую матрицу светочувствительных датчиков и матрицу световодов. Световоды имеют области входа, которые выполнены с возможностью приема света возбуждения и световых излучений от проточного канала. Каждый из световодов простирается в основу устройства вдоль центральной продольной оси от области входа световода к соответствующему светочувствительному датчику из матрицы датчиков. Световоды содержат фильтрующий материал, который предназначен для фильтрации света возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений через него к соответствующим светочувствительным датчикам. Основа устройства содержит схему устройства, электрически соединенную со светочувствительными датчиками и выполненную с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Основа устройства содержит размещенные в ней периферические экраны от перекрестных помех, которые окружают соответствующие световоды из матрицы световодов. Экраны от перекрестных помех, по меньшей мере частично, окружают соответствующие световоды вокруг соответствующей продольной оси с целью снижения оптических перекрестных помех между смежными светочувствительными датчиками.
В одном аспекте экраны от перекрестных помех могут окружать области входа соответствующих световодов.
В другом аспекте экраны от перекрестных помех могут содержать кольца от перекрестных помех, которые окружают соответствующий световод по окружности.
В другом аспекте основа устройства может содержать комплементарную структуру металл-оксид-полупроводник (КМОП) и схему устройства. Экраны от перекрестных помех могут содержать металлические элементы, расположенные в пределах диэлектрических слоев основы устройства. Экраны от перекрестных помех могут быть электрически отделены от схемы устройства.
В другом аспекте защитный слой может простираться между проточным каналом и основой устройства. В защитном слое могут иметься отверстия, которые позиционируются относительно областей входа соответствующих световодов из матрицы световодов. Отверстия могут обеспечивать возможность распространения световых излучений через них в области входа. Защитный слой может простираться между смежными отверстиями и быть предназначенным для блокирования света возбуждения и световых излучений, падающих на защитный слой между смежными отверстиями. Например, области входа световодов могут быть расположены в пределах соответствующих отверстий защитного слоя или расположены на глубине в основе устройства.
В другом аспекте устройство обнаружения может также содержать пассивирующий слой, который простирается вдоль защитного слоя таким образом, что защитный слой находится между пассивирующим слоем и основой устройства, и через отверстия.
В другом аспекте экран от перекрестных помех примыкает или является непосредственно смежным с защитным слоем.
В другом аспекте экраны от перекрестных помех представляют собой первые экраны от перекрестных помех, а основа устройства содержит вторые экраны от перекрестных помех, при этом каждый из световодов из множества световодов, по меньшей мере частично, окружен соответствующими первыми и вторыми экранами от перекрестных помех. Например, первые и вторые экраны от перекрестных помех могут быть разнесены друг от друга вдоль соответствующей продольной оси. В другом варианте осуществления первые и вторые экраны от перекрестных помех имеют различные размеры.
В варианте осуществления предоставлен способ изготовления биодатчика. Способ включает в себя обеспечение основы устройства, имеющей множество светочувствительных датчиков и схему устройства, которая электрически соединена со светочувствительными датчикам и выполнена с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Основа устройства имеет наружную поверхность. Способ также включает в себя нанесение защитного слоя на наружную поверхность основы устройства и формирование отверстий в защитном слое. Способ также включает в себя формирование полостей световодов, которые простираются от соответствующих отверстий в направлении соответствующего светочувствительного датчика из матрицы датчиков, и осаждение фильтрующего материала в пределах полостей световодов. Часть фильтрующего материала простирается вдоль защитного слоя. Способ также включает в себя отверждение фильтрующего материала и удаление фильтрующего материала с защитного слоя. Фильтрующий материал в пределах полостей световодов формирует световоды. Способ также включает в себя нанесение пассивирующего слоя на защитный слой таким образом, что пассивирующий слой простирается непосредственно вдоль защитного слоя и поперек отверстий.
В одном аспекте удаление фильтрующего материала из защитного слоя включает в себя удаление части фильтрующего материала в пределах полостей световодов таким образом, что слой материала фильтрующего материала располагается в пределах отверстия или на глубине ниже защитного слоя.
В другом аспекте пассивирующий слой простирается непосредственно вдоль световодов в соответствующих поверхностях раздела материала. Поверхности раздела материала располагаются в пределах соответствующих отверстий или могут быть расположены на глубине в основе устройства.
В другом аспекте фильтрующий материал представляет собой органический фильтрующий материал. Пассивирующий слой простирается непосредственно вдоль световодов и изолирует органический фильтрующий материал от защитного слоя.
В другом аспекте пассивирующий слой формирует множество углублений для реакций. Углубления для реакций простираются в направлении или располагаются в пределах соответствующих отверстий. Например, углубления для реакций могут иметь соответствующие опорные поверхности. Опорные поверхности могут быть расположены в пределах отверстия или быть расположены на глубине в основе устройства.
В другом аспекте способ включает в себя присоединение проточной кюветы к основе устройства с образованием проточного канала между пассивирующим слоем и проточной кюветой.
В другом аспекте удаление фильтрующего материала из защитного слоя включает в себя по меньшей мере одно из травления фильтрующего материала или химической полировки фильтрующего материала.
2
5
2
5
В другом аспекте пассивирующий слой содержит пятиокись тантала (TaO). Например, пассивирующий слой может содержать несколько подслоев, при этом по меньшей мере один из подслоев содержит пятиокись тантала (TaO). В более конкретном варианте осуществления подслои могут включать в себя два слоя пятиокиси тантала с низкотемпературной пленкой между ними.
В другом аспекте основа устройства имеет области световодов, которые содержат материал подложки до формирования полостей световодов, в которых смежные направляющие области разделены областями схемы, которые содержат схему устройства. Формирование полостей световодов может включать в себя удаление материала подложки областей световодов.
В другом аспекте основа устройства может содержать периферические экраны от перекрестных помех, которые окружают области световодов до формирования полостей световодов. Экраны от перекрестных помех могут, по меньшей мере частично, окружать соответствующие световоды после формирования световодов. Экраны от перекрестных помех могут быть выполнены с возможностью снижения оптических перекрестных помех между смежными светочувствительными датчиками.
В варианте осуществления предоставлен биодатчик, который включает в себя основу устройства, имеющую матрицу светочувствительных датчиков и матрицу световодов. Основа устройства имеет наружную поверхность. Световоды имеют области входа, которые выполнены с возможностью приема света возбуждения и световых излучений, сгенерированных биологическими или химическими веществами вблизи наружной поверхности. Световоды простираются в основу устройства от областей входа к соответствующим светочувствительным датчикам и имеют фильтрующий материал, который предназначен для фильтрации света возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений к соответствующим светочувствительным датчикам. Основа устройства содержит схему устройства, электрически соединенную со светочувствительными датчиками и выполненную с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Биодатчик также содержит защитный слой, который простирается вдоль наружной поверхности основы устройства. Защитный слой имеет отверстия, позиционированные относительно областей входа соответствующих световодов таким образом, что световое излучение распространяется через отверстия в соответствующие области входа. Защитный слой простирается между смежными отверстиями и предназначен для блокирования света возбуждения и световых излучений, падающих на защитный слой между смежными отверстиями.
В варианте осуществления предоставлен биодатчик, который включает в себя основу устройства, имеющую матрицу светочувствительных датчиков и матрицу световодов. Основа устройства имеет наружную поверхность. Световоды выполнены с возможностью приема света возбуждения и световых излучений, сгенерированных биологическими или химическими веществами вблизи наружной поверхности. Каждый из световодов простирается в основу устройства вдоль центральной продольной оси от области входа световода к соответствующему светочувствительному датчику из матрицы датчиков. Световод содержит фильтрующий материал, который предназначен для фильтрации света возбуждения и обеспечения возможности распространения световых излучений через него к соответствующим светочувствительным датчикам. Основа устройства содержит схему устройства, которая электрически соединяется со светочувствительными датчиками и выполнена с возможностью передачи сигналов данных, основанных на фотонах, обнаруженных светочувствительными датчиками. Основа устройства содержит размещенные в ней периферические экраны от перекрестных помех, которые окружают соответствующие световоды из матрицы световодов. Экраны от перекрестных помех, по меньшей мере частично, окружают соответствующие световоды вокруг соответствующей продольной оси с целью по меньшей мере одного из блокирования или отражения отклоняющихся лучей света для сокращения оптических перекрестных помех между смежными светочувствительными датчиками.
Следует понимать, что объект изобретения, описанный здесь, не ограничен в его применении деталями конструкции и размещением элементов, изложенных здесь в описании или проиллюстрированных на прилагаемых чертежах. Объект изобретения, описанный здесь, может быть реализован в других вариантах осуществлениям и может применяться на практике или реализовываться различными путями. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые здесь, предназначены для целей описания и не должны рассматриваться как ограничивающие. Использование терминов «включающий», «содержащий» или «имеющий» и их вариантов предназначается здесь для охвата элементов, перечисленных после них, и их эквивалентов, а также дополнительных элементов.
До тех пор, пока не указано или не ограничено иное, термины «установленный», «связанный», «поддерживаемый» и «(при)соединенный» и их модификации используются широко и охватывают как прямые, так и косвенные установочные элементы, связи, опоры и соединения. Кроме того, «связанный» и «(при)соединенный» не ограничиваются физическими или механическими соединениями или связями. Также следует понимать, что фразеология и терминология, используемая здесь со ссылкой на ориентацию устройства или элемента (такие термины, как, например, «выше», «ниже», «передний», «задний», «дальний», «ближний» и т.п.) используется только для упрощения описания одного или более описанных здесь вариантов осуществления и сама по себе не указывает и не подразумевает, что указанное устройство или элемент должны иметь конкретную ориентацию. Кроме того, такие термины, как «внешний (наружный)» и «внутренний» используются здесь для целей описания и не предназначены для указания или подразумевания относительной важности или значимости.
Следует понимать, что вышеприведенное описание предполагается как иллюстрирующее, а не ограничивающее. Например, описанные выше варианты осуществления (и/или их аспекты) могут применяться в комбинации друг с другом. Кроме того, может быть сделано множество модификаций для подстройки конкретной ситуации или материала к идеям изложенного здесь объекта изобретения без отступления от его объема. Хотя размеры, типы материалов и покрытий, описанные здесь, предназначены для задания параметров раскрытого объекта изобретения, они ни в коем случае не являются ограничивающими и представляют собой примерные варианты осуществления. Множество других вариантов осуществления будет очевидно специалистам в данной области техники после рассмотрения вышеприведенного описания. Объем объекта изобретения должен, следовательно, быть определен со ссылкой на прилагаемую формулу изобретения, наряду с полным объемом эквивалентов, которые соответствуют пунктам формулы изобретения. В прилагаемой формуле изобретения термины «включающий» и «в котором» используются в качестве простых эквивалентов соответствующих терминов «содержащий» и «при этом». Кроме того, в приведенной ниже формуле изобретения термины «первый», «второй» и «третий», и т.д. используются лишь в качестве меток и не предназначены для наложения числовых требований на их объекты. Кроме того, ограничения приведенной ниже формулы изобретения не написаны в формате «средство плюс функция» и не должны интерпретироваться на основании 35-ой статьи свода законов США 112, шестой абзац, если и до тех пор пока такие ограничения пункта формулы изобретения не используют явно фразу «средство для» с последующим утверждением функции, не имеющее дополнительной структуры.
В приведенной ниже формуле изобретения перечислены аспекты определенных вариантов осуществления объекта изобретения, и она считается частью приведенного выше раскрытия. Эти аспекты могут комбинироваться друг с другом.