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KR102399962B1 - 분자들을 검사, 검출 및 분석하기 위한 광 시스템 및 어세이 칩 - Google Patents

분자들을 검사, 검출 및 분석하기 위한 광 시스템 및 어세이 칩 Download PDF

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KR102399962B1
KR102399962B1 KR1020217005386A KR20217005386A KR102399962B1 KR 102399962 B1 KR102399962 B1 KR 102399962B1 KR 1020217005386 A KR1020217005386 A KR 1020217005386A KR 20217005386 A KR20217005386 A KR 20217005386A KR 102399962 B1 KR102399962 B1 KR 102399962B1
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KR1020217005386A
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KR20210024219A (ko
Inventor
조나단 엠. 로스버그
알리 카비리
제이슨 더블유. 식클러
브렛 제이. 기야르파스
제레미 랙키
제라드 슈미드
벤자민 시프리아니
잭 제웰
로렌스 웨스트
마이클 페리그노
폴 이. 글렌
아담 이. 코헨
앤서니 벨로피오레
Original Assignee
퀀텀-에스아이 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

단일 분자를 분석하고 핵산 서열분석을 수행하기 위한 장치 및 방법. 장치는, 여기될 때, 방출 에너지를 방출하는 샘플을 수용하도록 구성되는 샘플 웰; 특정 방향으로 방출 에너지를 지향시키기 위한 적어도 하나의 소자; 및 방출 에너지가 샘플 웰로부터 센서를 향해 지나가는 광 경로를 갖는 다수의 픽셀들을 포함하는 어세이 칩을 포함할 수 있다. 이러한 장치는 또한 어세이 칩과 인터페이스하는 기기를 포함한다. 이러한 기기는 각각의 샘플 웰에서 샘플을 여기하기 위한 여기 광원; 샘플 웰들에 대응하는 복수의 센서들을 포함한다. 각각의 센서는 각각의 샘플 웰에서 샘플로부터 방출 에너지를 검출할 수 있다. 이러한 기기는 각각의 샘플 웰로부터의 방출 에너지를 복수의 센서들의 각각의 센서를 향해 지향시키는 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다.

Description

분자들을 검사, 검출 및 분석하기 위한 광 시스템 및 어세이 칩{OPTICAL SYSTEM AND ASSAY CHIP FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES}
<관련된 출원들>
본 출원은, "Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules"라는 명칭으로 2013년 11월 17일에 출원된 미국 임시 특허 출원 61/905,282호; "Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules"라는 명칭으로 2013년 12월 18일에 출원된 미국 임시 특허 출원 61/917,926호; "Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules"라는 명칭으로 2014년 2월 19일에 출원된 미국 임시 특허 출원 61/941,916의 우선권을 35 U.S.C. §119(e) 하에서 주장하며, 이들 모두는 그 전부가 참조로 포함된다.
<기술분야>
본 출원은 일반적으로, 생물학적 및/또는 화학적 샘플들의 빠르고, 대량으로 병렬이며, 정량적인 분석을 수행하기 위한 디바이스들, 방법들 및 기술들과, 상기 디바이스들을 제조하는 방법들에 관한 것이다.
생물학적 샘플들의 검출 및 분석은 생물학적 어세이들(biological assays)("바이오어세이들(bioassays)"이라고도 함)을 사용하여 수행될 수 있다. 바이오어세이들은 연구 과학자들이 장비를 동작시키고 바이오어세이를 수행하도록 훈련받을 것을 요구하는 크고 비싼 연구실 장비를 통상적으로 수반한다. 또한, 바이오어세이들은 통상적으로 대량으로(in bulk) 수행되므로 검출 및 정량화를 위해서는 다량의 특정 종류의 샘플이 필요하다.
일부 바이오어세이들은 특정 파장의 광을 방출하는 발광성 태그들로 샘플들을 태깅하는 것에 의해 수행된다. 이러한 태그들은 발광을 초래하는 여기 광원으로 조광되고, 이러한 태그들에 의해 방출되는 발광성 광의 양을 정량화하기 위해 발광성 광은 광 검출기로 검출된다. 발광성 태그들을 사용하는 바이오어세이들은 샘플들을 조광하기 위한 비싼 레이저 광원들 및 조광된 샘플들로부터 발광을 수집하기 위한 복잡하고 규모가 큰 검출 광학 및 전자공학을 통상적으로 수반한다.
본 명세서에 설명되는 기술은 어세이 칩 및 기기를 사용하여 빠르게 시료들을 분석하기 위한 장치 및 방법들에 관련된다. 이러한 어세이 칩은, 소량의 시료를 수용하고, 시료 내의 샘플들의 대량의 분석들을, 병렬로, 실행하도록 구성되는 1회용 또는 재활용가능한 칩의 형태일 수 있다. 이러한 어세이 칩 및 기기는, 일부 실시예들에서는 특정 화학적 또는 생물학적 분해물질의 존재를 검출하는데, 일부 실시예들에서는 화학적 또는 생물학적 반응들을 평가하는데, 그리고 일부 실시예들에서는 유전적 서열들을 결정하는데 사용될 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 단일-분자 유전자 서열분석을 위해 통합 디바이스가 사용될 수 있다.
일부 구현들에 따르면, 사용자는 어세이 칩 상의 챔버에 시료를 두고, 어세이 칩을 수용 기기에 삽입한다. 이러한 기기는, 홀로 또는 컴퓨터와 통신하여, 자동적으로 통합 디바이스와 인터페이스하고, 어세이 칩으로부터의 광을 송신 및 수신하고, 수신된 광을 검출 및 처리하며, 분석의 결과들을 사용자에게 제공한다.
일부 실시예들에 따르면, 어세이 칩은, 여기될 때, 방출 에너지를 방출하는 샘플을 수용하도록 구성되는 샘플 웰; 특정 방향으로 방출 에너지를 지향시키는 적어도 하나의 소자; 및 방출 에너지가 샘플 웰로부터 센서를 향해 지나가는 광 경로를 포함한다. 적어도 하나의 소자는 굴절 소자, 회절 소자, 플라즈몬 소자, 및 공진기로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예들에서, 어세이 칩은 폐기처분 전에 단 한번의 바이오어세이에만 사용된다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 소자는 방출 에너지를 센서를 향해 지향시키도록 구성되는 적어도 하나의 렌즈를 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 렌즈는 굴절 렌즈이다.
일부 실시예들에서, 광 경로는 어세이 칩의 하나 이상의 인터페이스들에서 방출 에너지의 반사를 감소시키도록 구성되는 적어도 하나의 반사방지층을 포함한다.
일부 실시예들에서, 어세이 칩은 1회용 프레임을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 소자는 동심원 링 격자를 포함한다.
일부 실시예들에서, 동심원 링 격자는, 샘플 웰에 결합되고 샘플을 여기하는 여기 광원으로부터의 여기 광의 양을 증가시키도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 동심원 링 격자는 방출 에너지를 센서를 향해 지향시키도록 더 구성된다.
일부 실시예들에서, 동심원 링 격자는 불규칙한 동심원 링 격자이다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 렌즈는 회절 렌즈이다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 소자는 유전체 공진기 안테나를 포함한다.
일부 실시예들에 따르면, 복수의 샘플 웰들- 상기 복수의 샘플 웰들의 각각의 샘플 웰은 샘플을 수용하도록 구성됨 -을 포함하는 어세이 칩과 인터페이스하도록 구성되는 기기는, 복수의 샘플 웰들의 적어도 일부의 샘플을 여기하도록 구성되는 적어도 하나의 여기 광원; 복수의 센서들- 복수의 센서들의 각각의 센서는 복수의 샘플 웰들 중 하나의 샘플 웰에 대응하고, 복수의 센서들의 각각의 센서는 각각의 샘플 웰에서 샘플로부터 방출 에너지를 검출하도록 구성됨 -; 및 복수의 샘플 웰들의 각각의 샘플 웰로부터의 방출 에너지를 복수의 센서들의 각각의 센서를 향해 지향시키도록 구성되는 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다.
일부 실시예들에서, 기기는, 적어도 하나의 여기 광원으로부터의 여기 광을 어세이 칩을 향해 반사하고 복수의 샘플들로부터의 방출 에너지를 복수의 센서들을 향해 전송하도록 구성되는 다색성 미러를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 광학 소자는 릴레이 렌즈를 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 여기 광원은 복수의 광원들- 복수의 광원들의 각각의 광원은 복수의 파장들 중 하나 이상에서 여기 광을 방출함 -을 포함하한다.
일부 실시예들에서, 기기는, 복수의 광원들의 각각으로부터 방출되는 상기 광을 공간적으로 중첩시키기 위한 파장 조합기를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 여기 광원은 펄스화된 광원을 포함한다.
일부 실시예들에서, 기기는, 방출 에너지를 전송하고 적어도 하나의 여기 광원으로부터의 여기 광을 흡수 및/또는 반사하도록 구성되는 적어도 하나의 스펙트럼 필터를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 기기는, 제1 파장의 방출 에너지를 제2 파장의 방출 에너지로부터 공간적으로 분리하기 위한 적어도 하나의 스펙트럼 분류 소자를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 스펙트럼 분류 소자는 회절 광학 소자를 포함한다.
일부 실시예들에서, 회절 광학 소자는 방출 에너지를 채색적으로 분산시키기도 하고 방출 에너지를 포커싱하기도 한다.
일부 실시예들에서, 회절 광학 소자는 오프셋 프레넬(Fresnel) 렌즈를 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 스펙트럼 분류 소자는 광-필터링 소자이다.
일부 실시예들에서, 기기는, (i) 여기 광을 상기 복수의 샘플 웰들에 지향시키도록, (ii) 상기 복수의 샘플 웰들로부터 상기 복수의 센서들에서 신호들을 검출하도록, 그리고 (iii) 상기 샘플 또는 그것의 서브유닛을 식별하기 위해 상기 신호들의 공간 분포 패턴을 사용하도록 프로그램되는 제어 시스템을 더 포함한다.
일부 실시예들에 따르면, 장치는, 복수의 픽셀들을 포함하는 어세이 칩 및 어세이 칩과 인터페이스하도록 구성되는 기기를 포함한다. 어세이 칩의 복수의 픽셀들의 각각은, 여기될 때, 방출 에너지를 방출하는 샘플을 수용하도록 구성되는 샘플 웰; 특정 방향으로 방출 에너지를 지향시키기 위한 적어도 하나의 소자- 적어도 하나의 소자는 굴절 소자, 회절 소자, 플라즈몬 소자, 및 공진기로 이루어지는 그룹으로부터 선택됨 -; 및 방출 에너지가 샘플 웰로부터 센서를 향해 지나가는 광 경로를 포함한다. 기기는, 각각의 샘플 웰에서 샘플을 여기하도록 구성되는 적어도 하나의 여기 광원; 복수의 센서들- 복수의 센서들의 각각의 센서는 각각의 샘플 웰에 대응하고, 복수의 센서들의 각각의 센서는 각각의 샘플 웰에서 샘플로부터 방출 에너지를 검출하도록 구성됨 -; 및 각각의 샘플 웰로부터의 방출 에너지를 복수의 센서들의 각각의 센서를 향해 지향시키도록 구성되는 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다.
일부 실시예들에서, 어세이 칩은 기기에 접속되도록 그리고 기기로부터 제거되도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 어세이 칩이 기기에 접속될 때, 복수의 샘플 웰들 중 하나의 샘플 웰과 복수의 센서들의 대응 센서 사이의 광학적 거리는 30 cm 미만이다.
일부 실시예들에서, 어세이 칩이 기기에 접속될 때, 복수의 샘플 웰들 중 하나의 샘플 웰과 복수의 센서들의 대응 센서 사이의 광학적 거리는 5 cm 미만이다.
일부 실시예들에서, 어세이 칩이 기기에 접속될 때, 복수의 샘플 웰들 중 하나의 샘플 웰과 복수의 센서들의 대응 센서 사이의 광학적 거리는 1 cm 미만이다.
일부 실시예들에서, 기기는 휴대형이다.
일부 실시예들에서, 각각의 샘플은 복수의 파장 대역들 중 하나의 파장 대역 내에서 방출 에너지를 방출하는 발광성 태그를 포함하고; 복수의 센서들의 각각의 센서는 복수의 파장 대역들의 각각에서 방출 에너지를 검출하도록 구성되는 서브-센서를 포함한다.
일부 실시예들에서, 복수의 센서들의 각각의 센서는 적어도 2개의 서브-센서들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 복수의 센서들의 각각의 센서는 적어도 4개의 서브-센서들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 기기는, 제1 파장의 방출 에너지를 적어도 2개의 서브-센서들 중 제1 서브-센서를 향해 지향시키고 제2 파장의 방출 에너지를 적어도 2개의 서브-센서들 중 제2 서브-센서를 향해 지향시키는 적어도 하나의 파장 의존성 소자를 더 포함하다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 파장 의존성 소자는 회절 광학 소자이다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 파장 의존성 소자는 스펙트럼 필터이다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 여기 소스는 펄스화된 광을 방출한다.
일부 실시예들에서, 제1 샘플과 관련된 제1 발광성 태그는 제1 파장의 광에 의해서는 여기되지만 제2 파장의 광에 의해서는 여기되지 않고; 제2 샘플과 관련된 제2 발광성 태그는 제2 파장의 광에 의해서는 여기되지만 제1 파장의 광에 의해서는 여기되지 않는다.
일부 실시예들에 따르면, 시료를 분석하는 방법은, 복수의 샘플 웰들을 포함하는 어세이 칩의 상단 표면에 시료를 제공하는 단계; 칩을 적어도 하나의 여기 광원 및 적어도 하나의 센서를 포함하는 기기와 정렬하는 단계; 복수의 샘플 웰들 중 적어도 하나에서의 시료로부터의 샘플을 적어도 하나의 여기 광원으로부터의 여기 광으로 여기하는 단계; 및 적어도 하나의 센서로, 여기 광에 의한 여기에 응답하여 적어도 하나의 샘플 웰에서의 샘플에 의해 생성되는 방출 에너지를 검출하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 방법은, 방출 에너지의 검출에 기초하여, 방출 에너지를 방출한 분자의 종류를 결정하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 분자의 종류를 결정하는 단계는 방출 에너지의 스펙트럼 특성을 측정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 분자의 종류를 결정하는 단계는 샘플을 여기한 여기 광의 파장을 결정하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 여기 광원은 연속파 광을 방출한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 여기 광원은 펄스화된 광을 방출한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 여기 광원은 복수의 여기 광원들- 복수의 여기 광원들의 각각의 여기 광원은 상이한 파장의 광을 방출함 -을 포함한다.
일부 실시예들에서, 샘플은 형광단에 부착되는 적어도 하나의 뉴클레오티드를 포함한다.
일부 실시예들에 따르면, 표적 핵산 분자를 서열분석하기 위한 방법은, (a) 여기 소스 및 센서를 포함하는 기기에 인접하는 칩을 제공하는 단계- 상기 칩은 상기 칩이 상기 기기의 감지 위치에 있을 때 상기 여기 소스 및 상기 센서에 동작가능하게 결합되는 적어도 하나의 웰을 포함하고, 상기 웰은 상기 표적 핵산 분자, 중합 효소, 및 복수 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들을 포함함 -; (b) 상기 감지 위치에서 상기 칩으로, 상기 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들을 상기 표적 핵산 분자에 상보성인 성장 가닥 내로 순차적으로 혼입하기 위해 상기 중합 효소의 존재하에 상기 표적 핵산 분자의 프라이밍 위치(priming location)에서 연장 반응을 수행하는 단계- 혼입 및 상기 여기 소스로부터의 여기 에너지에 의한 여기 시, 상기 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들은 상기 웰에서 신호들을 방출함 -; (c) 상기 복수 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들에 대해 구별가능한 상기 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들을 검출하기 위해 상기 센서를 사용하는 단계; 및 (d) 상기 신호들의 상기 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들에 기초하여 상기 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들을 식별하고, 그에 의해 상기 표적 핵산 분자를 서열분석하는 단계를 포함라자.
일부 실시예들에서, 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들은 상기 성장 가닥에서의 혼입 시 신호들을 방출하는 태그들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 태그들은 발광성 태그들이다.
일부 실시예들에서, 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들은 상기 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들을 검출하는 것에 후속하여 식별된다.
일부 실시예들에서, 복수 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들은 4가지 상이한 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들을 포함하고, 상기 4가지 상이한 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들과 관련된 상기 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들은 서로 구별가능하다.
일부 실시예들에서, 상기 4가지 상이한 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들과 관련된 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들은 서로 별도로 검출된다.
일부 실시예들에서, 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들은 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들 각각의 형상 및/또는 강도 분포에 기초하여 서로 구별가능하다.
일부 실시예들에서, 프라이밍 위치는 표적 핵산 분자에 상보성인 프라이머를 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 방법의 단계 (b)는, 상기 성장 가닥을 만들기 위해 상기 표적 핵산 분자에 혼성되는 상기 프라이머를 사용하여 프라이머 연장 반응을 수행하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 표적 핵산 분자는 이중 가닥형(double stranded)이다.
일부 실시예들에서, 프라이밍 위치는 상기 표적 핵산 분자에서의 갭(gap) 또는 닉(nick)이다.
일부 실시예들에서, 중합 효소는 상기 웰에서 고정화된다(immobilized).
일부 실시예들에서, 중합 효소는 상기 웰의 바닥 부분에 고정화된다.
일부 실시예들에서, 중합 효소는 상기 웰의 표면에 부착되는 링커를 사용하여 고정화된다.
일부 실시예들에서, 중합 효소는 가닥 변위 활동을 나타낸다.
일부 실시예들에서, 웰은 상기 칩에서의 복수의 웰들 중에 있다.
일부 실시예들에서, 기기는 상기 복수의 웰들에 동작가능하게 결합되는 복수의 여기 소스들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 방법의 단계 (c) 전에, 상기 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들이 상기 신호들로부터 생성된다.
일부 실시예들에 따르면, 핵산을 서열분석하기 위한 방법은, (a) 기기에 인접하는 칩을 제공하는 단계- 상기 칩은 상기 칩이 상기 기기의 감지 위치에 있을 때 상기 기기의 (i) 여기 소스 및 (ii) 센서에 동작가능하게 각각 결합되는 복수의 웰들을 포함하고, 상기 복수의 개별 웰은 상기 표적 핵산 분자, 중합 효소, 및 복수 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들을 포함함 -; (b) 상기 감지 위치에서 상기 칩으로, 상기 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들 및 상기 중합 효소의 존재하에 상기 표적 핵산 분자에 상보성인 성장 가닥을 만들기 위해 상기 표적 핵산 분자를 중합 반응에 두는 단계- 혼입 동안 상기 여기 소스로부터의 여기 에너지에 의한 여기 시, 상기 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들은 상기 개별 웰에서 신호들을 방출함 -; (c) 상기 복수 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들에 대해 구별가능한 상기 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들을 검출하기 위해 상기 센서를 사용하는 단계; 및 (d) 상기 신호들의 상기 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들에 기초하여 상기 표적 핵산 분자의 서열을 식별하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들은 상기 성장 가닥에서의 혼입 시 상기 신호들을 방출하는 태그들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 태그들은 발광성 태그들이다.
일부 실시예들에서, 서열은 상기 신호들의 상기 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들을 검출하는 것에 후속하여 식별된다.
일부 실시예들에서, 복수 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들은 4가지 상이한 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들을 포함하고, 상기 4가지 상이한 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들과 관련된 상기 신호들의 상기 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들은 서로 구별가능하다.
일부 실시예들에서, 상기 4가지 상이한 종류의 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들과 관련된 상기 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들은 서로 별도로 검출된다.
일부 실시예들에서, 본 방법의 단계 (b)는 상기 성장 가닥을 만들기 위해 상기 표적 핵산 분자에 혼성되는 프라이머를 사용하여 프라이머 연장 반응을 수행하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 표적 핵산 분자는 단일 가닥형(single-stranded)이다.
일부 실시예들에서, 중합 효소는 상기 웰에서 고정화된다.
일부 실시예들에서, 여기 소스는 상기 복수의 웰들에 동작가능하게 결합된다.
일부 실시예들에서, 본 방법의 단계 (c)는 상기 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들을 검출하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 기기는 상기 복수의 웰들에 동작가능하게 결합되는 복수의 여기 소스들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 기기는 상기 복수의 웰들에 동작가능하게 결합되는 복수의 센서들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 본 방법의 단계 (c) 전에, 상기 신호들의 공간적 및/또는 시간적 분포 패턴들이 상기 신호들로부터 생성된다.
본 교시내용들의 전술한 그리고 다른 양상들, 실시예들, 및 특징들은 첨부 도면들과 함께 이하의 설명으로부터 보다 완전히 이해될 수 있다.
용어 "픽셀(pixel)"은 본 개시내용에서 통합 디바이스의 단위 셀을 언급하는데 사용된다. 상기 단위 셀은 샘플 웰 및 센서를 포함할 수 있다. 상기 단위 셀은 여기 소스를 더 포함할 수 있다. 상기 단위 셀은 상기 여기 소스로부터 상기 샘플 웰로의 여기 에너지의 결합을 향상시키도록 구성되는 적어도 하나의 여기-결합 광학 구조체("제1 구조체"로 언급될 수도 있음)을 더 포함할 수 있다. 상기 단위 셀은 상기 샘플 웰로부터 상기 센서로의 방출의 결합을 향상시키도록 구성되는 적어도 하나의 방출-결합 구조체를 더 포함할 수 있다. 상기 단위 셀은 통합 전자 디바이스들(예를 들어, CMOS 디바이스들)을 더 포함할 수 있다. 통합 디바이스상에 어레이로 배열된 복수의 픽셀들가 있을 수 있다.
용어 "광학(optical)"은 본 개시내용에서 가시, 근적외선, 및 단파장 적외선 스펙트럼 대역들을 언급하는데 사용될 수 있다.
용어 "태그(tag)"는 본 개시내용에서 분석될 샘플에 부착된 또는 샘플과 반응될 수 있는 반응물에 부착된 태그, 프로브, 마커, 또는 리포터를 언급하는데 사용될 수 있다.
문구 "여기 에너지(excitation energy)"는 본 개시내용에서 샘플 웰 내의 샘플 및/또는 태그에 전달되는 임의의 형태의 에너지(예를 들어, 방사성 또는 비-방사성)를 언급하는데 사용될 수 있다. 방사성 여기 에너지는 하나 이상의 특성 주파수의 광학 방사를 포함할 수 있다.
문구 "특성 파장(characteristic wavelength)"은 본 개시내용에서 방사의 제한된 대역폭 내의 중심의 또는 지배적인 파장을 언급하는데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 그것은 방사의 대역폭의 피크 파장을 언급할 수 있다. 형광단들의 특성 파장들의 예들은 563nm, 595nm, 662nm, 및 687nm이다.
문구 "특성 에너지(characteristic energy)"는 본 개시내용에서 특성 파장과 관련된 에너지를 언급하는데 사용될 수 있다.
용어 "방출(emission)"은 본 개시내용에서 태그 및/또는 샘플로부터의 방출을 언급하는데 사용될 수 있다. 이것은 방사성 방출(예를 들어, 광학 방출) 또는 비-방사성 에너지 전달(예를 들어, 덱스터 에너지 전달 또는 포스터 공명 에너지 전달)을 포함할 수 있다. 방출은 샘플 웰 내의 샘플 및/또는 태그의 여기를 야기한다.
문구 "샘플 웰로부터의 방출(emission from a sample well)" 또는 "샘플로부터의 방출(emission from a sample)"은 본 개시내용에서 샘플 웰 내의 태그 및/또는 샘플로부터의 방출을 언급하는데 사용될 수 있다.
용어 "자기 정렬된(self-aligned)"은 본 개시내용에서 제1 리소그래피 패터닝 공정(예를 들어, 포토리소그래피, 이온-빔 리소그래피, EUV 리소그래피)이 제1 소자의 패턴을 인쇄하고 제2 리소그래피 패터닝 공정이 제1 리소그래피 패터닝 공정에 정렬되어 제2 소자의 패턴을 인쇄하는 2개의 개별적인 리소그래피 패터닝 공정을 사용하지 않고 적어도 2개의 별개의 소자(예를 들어, 샘플 웰 및 방출-결합 구조체, 샘플 웰 및 여기-소스)가 제조되어 서로 정렬될 수 있는 마이크로 제조 프로세스를 언급하는데 사용될 수 있다. 자기 정렬된 프로세스는 단일 리소그래피 패터닝 공정에 제1 및 제2 소자 양자의 패턴을 포함시키는 것을 포함할 수 있고, 또는 제1 소자의 제조된 구조체의 피처들을 사용하여 제2 소자를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
용어 "센서(sensor)"는 본 개시내용에서 샘플 웰로부터의 방출을 감지하고 감지된 방출을 대표하는 적어도 하나의 전기 신호를 생성하도록 구성된 하나 이상의 집적 회로를 언급하는데 사용될 수 있다.
용어 "나노-스케일"은 본 개시내용에서 대략 150나노미터(nm) 이하이지만, 대략 500nm보다 크지는 않은 적어도 하나의 치수 또는 최소 피처 사이즈를 갖는 구조체를 언급하는데 사용될 수 있다.
용어 "마이크로-스케일"은 본 개시내용에서 대략 500nm와 대략 100미크론 사이의 적어도 하나의 치수 또는 최소 피처 사이즈를 갖는 구조체를 언급하는데 사용될 수 있다.
문구 "여기 에너지를 향상시키다(enhance excitation energy)"는 본 개시내용에서 샘플 웰의 여기 영역에서의 여기 에너지의 강도를 증가시키는 것을 언급하는데 사용될 수 있다. 강도는, 예를 들어, 샘플 웰에 입사되는 여기 에너지를 집중시키는 것 및/또는 공진시키는 것에 의해 증가될 수 있다. 일부 경우에, 강도는 여기 에너지가 샘플 웰의 여기 영역 내로 더 침투하는 것을 허용하는 반사 방지 코팅(anti-reflective coating)들 또는 손실 층(lossy layer)들에 의해 증가될 수 있다. 여기 에너지의 향상은 샘플 웰의 여기 영역에서의 여기 에너지를 향상시키는 구조체들을 포함하지 않는 실시예에 대한 비교 언급일 수 있다.
용어들 "약(about)", "대략(approximately)", 및 "실질적으로(substantially)"는 본 개시내용에서 값을 언급하는데 사용될 수 있고, 본 개시내용에서 언급된 값에 허용 가능한 편차들을 더하고 뺀 것을 포괄하기 위해 의도된 것이다. 편차의 양은 일부 실시예들에서는 5% 미만이고, 일부 실시예들에서는 10% 미만이고, 또 일부 실시예들에서는 20% 미만일 수 있다. 장치가 값들의 큰 범위, 예를 들어, 하나 이상의 자릿수를 포함하는 범위에 걸쳐 제대로 기능할 수 있는 실시예들에서, 편차의 양은 2배일 수 있다. 예를 들어, 장치가 20 내지 350 범위의 값에 대해 제대로 기능한다면, "대략 80"은 40과 160 사이의 값들을 포괄할 수 있다.
용어 "인접한(adjacent)"은 본 개시내용에서 서로 아주 근접하여(예를 들어, 픽셀의 가로 또는 수직 치수의 약 1/5 미만인 거리 이내에) 배열된 2개의 소자를 언급하는데 사용될 수 있다. 일부 경우에 인접한 소자들 사이에 개재하는 구조체들 또는 층들이 있을 수 있다. 일부 경우에 인접한 소자들은 개재하는 구조체들 또는 소자들이 없이 서로 바로 인접할 수 있다.
용어 "검출하다(detect)"는 본 개시내용에서 샘플 웰로부터 센서에서 방사를 수신하고 그 방사를 대표하는 또는 그 방사와 관련된 적어도 하나의 전기 신호를 생성하는 것을 언급하는데 사용될 수 있다. 용어 "검출하다"는 또한 본 개시내용에서 샘플 웰로부터의 방출에 기초하여 샘플 웰 내의 특정 샘플 또는 태그의 존재를 결정하는 것, 또는 그 특정 샘플 또는 태그의 속성을 식별하는 것을 언급하는데 사용될 수 있다.
숙련된 기술자는 본 명세서에 설명된 도면들이 단지 예시를 목적으로 한다는 것을 이해할 것이다. 일부 경우에 본 발명의 다양한 양상들은 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 과장되거나 확대되어 도시될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 도면들에서, 유사한 참조 부호들은 일반적으로 다양한 도면 전체에 걸쳐 유사한 특징, 기능적으로 유사한 그리고/또는 구조적으로 유사한 소자를 지칭한다. 도면들은 반드시 축척에 맞지는 않을 것이며, 대신 본 발명의 원리들을 예시하는 것이 강조된다. 도면들은 어떠한 방식으로도 본 교시내용들의 범위를 제한하기 위해 의된 것이 아니다.
도 1a는 일부 실시예들에 따른, 방출 파장 스펙트럼을 도시한다.
도 1ba는 일부 실시예들에 따른, 흡수 파장 스펙트럼을 도시한다.
도 1bb는 일부 실시예들에 따른, 방출 파장 스펙트럼을 도시한다.
도 2a는 일부 실시예들에 따른, 생물학적 및 화학적 시료들의 신속한 모바일 분석을 위해 사용될 수 있는 장치의 블록도 표현이다.
도 2b는 일부 실시예들에 따른, 센서 칩의 픽셀들과 어세이 칩의 픽셀들 사이의 관계의 개략도이다.
도 2c는 일부 실시예들에 따른, 어세이 칩의 단일 픽셀 및 센서 칩의 단일 픽셀과 관련된 컴포넌트들을 도시한다.
도 2d는 일부 실시예들에 따른, 기기의 컴포넌트들의 일부를 도시한다.
도 3aa는 일부 실시예들에 따른, 어세이 칩 및 칩 홀더 프레임의 상면도이다.
도 3ab는 일부 실시예들에 따른, 어세이 칩 및 칩 홀더 프레임의 하면도이다.
도 3ac는 일부 실시예들에 따른, 어세이 칩 및 칩 홀더 프레임을 도시한다.
도 3b는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰에 입사되는 여기 에너지를 도시한다.
도 3c는 일부 실시예들에 따른, 제로-모드 도파관으로서 형성되는 샘플 웰을 따른 여기 에너지의 감쇠를 예시한다.
도 3d는 일부 실시예들에서 샘플 웰과 관련된 여기 영역에서 여기 에너지를 증가시키는, 디봇(divot)을 포함하는 샘플 웰을 도시한다.
도 3e는 일 실시예에 따른, 디봇이 있고 없는 샘플 웰들에 대한 여기 강도들을 비교한다.
도 3f는 일부 실시예들에 따른, 돌출부(protrusion)에 형성된 샘플 웰 및 디봇을 도시한다.
도 3ga는 일부 실시예들에 따른, 테이퍼된 측벽들을 갖는 샘플 웰을 도시한다.
도 3gb는 일부 실시예들에 따른, 만곡된 측벽들을 갖는 샘플 웰 및 보다 작은 가로 치수를 갖는 디봇을 도시한다.
도 3gc 및 도 3gd는 표면 플라즈몬 구조체들로부터 형성된 샘플 웰을 도시한다.
도 3ge는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰의 측벽들을 따라 형성된 여기-에너지-향상 구조체를 포함하는 샘플 웰을 도시한다.
도 3gf는 일부 실시예들에 따른, 다층 스택에 형성된 샘플 웰을 도시한다.
도 3h는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰의 표면들에 형성된 표면 코팅을 예시한다.
도 3ia 내지 도 3ie는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰을 형성하는 리프트-오프 프로세스와 관련된 구조체들을 도시한다.
도 3if는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰을 형성하는 대안적인 리프트-오프 프로세스와 관련된 구조체를 도시한다.
도 3ja 내지 도 3jd는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰을 형성하는 직접 에칭 프로세스와 관련된 구조체들을 도시한다.
도 3k는 일부 실시예들에 따른, 리프트-오프 프로세스 또는 직접 에칭 프로세스를 사용하여 다수의 층들에 형성될 수 있는 샘플 웰을 도시한다.
도 3l은 일부 실시예들에 따른, 디봇을 형성하는데 사용될 수 있는 에칭 프로세스와 관련된 구조체를 도시한다.
도 3ma 내지 도 3mc는 일부 실시예들에 따른, 디봇을 형성하는 대안적인 프로세스와 관련된 구조체들을 도시한다.
도 3na 내지 도 3nd는 일부 실시예들에 따른, 피착체 및 부동태화(passivating) 층들을 퇴적하기 위한 프로세스와 관련된 구조체들을 도시한다.
도 3o는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰 내에 중심에 피착체를 퇴적하기 위한 프로세스와 관련된 구조체를 도시한다.
도 4aa 및 도 4ab는 단일의 실시예에 따른, 표면-플라즈몬 구조체를 도시한다.
도 4ac는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰에 인접하여 형성된 표면-플라즈몬 구조체를 도시한다.
도 4ad 및 도 4ae는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰에 형성된 표면-플라즈몬 구조체들을 도시한다.
도 4ba 내지 도 4bc는 일부 실시예들에 따른, 주기적인 표면-플라즈몬 구조체들의 예들을 도시한다.
도 4bd는 일부 실시예들에 따른, 주기적인 표면-플라즈몬 구조체에 인접하여 형성된 샘플 웰에서의 여기 에너지의 수치 시뮬레이션을 도시한다.
도 4be 내지 도 4bg는 일부 실시예들에 따른, 주기적인 표면-플라즈몬 구조체들을 도시한다.
도 4bh 및 도 4bi는 일부 실시예들에 따른, 표면-플라즈몬 구조체들을 포함하는 나노-안테나를 도시한다.
도 4ca 내지 도 4ce는 일부 실시예들에 따른, 표면-플라즈몬 구조체를 형성하기 위한 프로세스 공정들과 관련된 구조체들을 도시한다.
도 4da 내지 도 4dg는 일부 실시예들에 따른, 표면-플라즈몬 구조체 및 자기 정렬된 샘플 웰을 형성하기 위한 프로세스 공정들과 관련된 구조체들을 도시한다.
도 4ea 내지 도 4ee는 일부 실시예들에 따른, 표면-플라즈몬 구조체 및 자기 정렬된 샘플 웰을 형성하기 위한 프로세스 공정들과 관련된 구조체들을 도시한다.
도 4fa는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰에 인접하여 형성된 얇은 손실막을 도시한다.
도 4fb 및 도 4fc는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰 및 얇은 손실막의 부근에서의 여기 에너지의 수치 시뮬레이션들로부터의 결과들을 도시한다.
도 4fd는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰로부터 이격된 얇은 손실막을 도시한다.
도 4fe는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰에 인접하여 형성된 얇은 손실막 스택을 도시한다.
도 4ga는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰에 인접하여 공진 공동을 형성하는데 사용될 수 있는 반사성 스택을 예시한다.
도 4gb는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰에 여기 에너지를 집중시키기 위해 사용될 수 있는 유전체 구조체를 도시한다.
도 4gc 및 도 4gd는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰에 인접하여 패터닝될 수 있는 광 밴드갭(photonic bandgap) 구조체를 도시한다.
도 4ha 내지 도 4hg는 일부 실시예들에 따른, 유전체 구조체들 및 자기 정렬된 샘플 웰을 형성하기 위한 프로세스 공정들과 관련된 구조체들을 도시한다.
도 4ia 및 도 4ib는 일부 실시예들에 따른, 비-방사성 프로세스를 통해 샘플에 여기 에너지를 결합하기 위한 구조체들을 도시한다.
도 4ic는 일부 실시예들에 따른, 다수의 비-방사성 프로세스에 의해 샘플에 여기 에너지를 결합하기 위한 구조체를 도시한다.
도 4id는 일부 실시예들에 따른, 방사성 또는 비-방사성 프로세스를 통해 샘플에 여기 에너지를 결합하기 위해 하나 이상의 에너지-변환 입자를 포함하는 구조체를 도시한다.
도 4ie는 일부 실시예들에 따른, 샘플로의 여기 에너지의 하향 변환과 관련된 스펙트럼을 도시한다.
도 4if는 일부 실시예들에 따른, 샘플로의 여기 에너지의 상향 변환과 관련된 스펙트럼을 도시한다.
도 5a는 일부 실시예들에 따른, 동심의 플라즈몬 원형 격자를 도시한다.
도 5b는 일부 실시예들에 따른, 나선형 플라즈몬 격자를 도시한다.
도 5c는 일부 실시예들에 따른, 동심의 원형 격자로부터의 방출 공간 분포 패턴들을 도시한다.
도 5da 내지 도 5db는 일부 실시예들에 따른, 플라즈몬 나노-안테나들을 도시한다.
도 5ea 내지 도 5eb는 일부 실시예들에 따른, 플라즈몬 나노-안테나들을 도시한다.
도 5fa는 일부 실시예들에 따른, 어세이 칩의 굴절 광학체를 도싱한다.
도 5fb는 일부 실시예들에 따른, 어세이 칩의 프레넬(Fresnel) 렌즈들을 도시한다.
도 6a는 일부 실시예들에 따른, 기기의 현미경 관찰 컴포넌트들을 도시한다.
도 6ba는 일부 실시예들에 따른, 센서 칩의 원거리장 스펙트럼 분류 소자들(far-field spectral sorting elements)을 도시한다.
도 6bb는 일부 실시예들에 따른, 센서 칩의 원거리장 필터링 소자들(far-field filtering elements)을 도시한다.
도 6ca 및 6cb는 일부 실시예들에 따른, 센서 칩의 얇은 손상 막들을 도시한다.
도 6d은 일부 실시예들에 따른, 기기의 광학 블록을 도시한다.
도 7aa는 일부 실시예들에 따른, 센서 칩의 픽셀 내의 센서를 정면도로 도시한다.
도 7ab는 일부 실시예들에 따른, 2개의 개별적인 동심의 액티브 영역들을 갖는 불스-아이 센서(bulls-eye sensor)를 도시한다.
도 7ac는 일부 실시예들에 따른, 4개의 개별적인 액티브 영역들을 갖는 스트라이프 센서(stripe sensor)를 도시한다.
도 7ad는 일부 실시예들에 따른, 4개의 개별적인 액티브 영역들을 갖는 사분면 센서(quad sensor)를 도시한다.
도 7ae는 일부 실시예들에 따른, 4개의 개별적인 액티브 영역들을 갖는 아크-세그먼트 센서(arc-segment sensor)를 도시한다.
도 7af는 일부 실시예들에 따른, 스택형-세그먼트 센서(stacked-segment sensor)를 도시한다.
도 7ba는 일부 실시예들에 따른, 제1 파장에서 방출된 에너지에 대한 분류 소자들로부터의 방출 분포를 도시한다.
도 7bb는 일부 실시예들에 따른, 도 7ba에 도시된 방출 분포에 대응하는 불스-아이 센서에 의해 수신된 방사 패턴을 도시한다.
도 7bc는 일부 실시예들에 따른, 제2 파장에서 방출된 에너지에 대한 분류 소자들로부터의 방출 분포를 도시한다.
도 7bd는 일부 실시예들에 따른, 도 7bc에 도시된 방출 분포에 대응하는 불스-아이 센서에 의해 수신된 방사 패턴을 도시한다.
도 7be는 일부 실시예들에 따른, 샘플로부터의 제1 방출 파장에 대해 2개의 액티브 영역들을 갖는 불스-아이 센서에 대한 신호 검출의 수치 시뮬레이션으로부터의 결과들을 나타낸다.
도 7bf는 일부 실시예들에 따른, 샘플로부터의 제2 방출 파장에 대해 도 7be와 관련된 불스-아이 센서에 대한 신호 검출의 수치 시뮬레이션으로부터의 결과들을 나타낸다.
도 7bg는 일부 실시예들에 따른, 샘플로부터의 제3 방출 파장에 대해 도 7be와 관련된 불스-아이 센서에 대한 신호 검출의 수치 시뮬레이션으로부터의 결과들을 나타낸다.
도 7bh는 일부 실시예들에 따른, 샘플로부터의 제4 방출 파장에 대해 도 7be와 관련된 불스-아이 센서에 대한 신호 검출의 수치 시뮬레이션으로부터의 결과들을 나타낸다.
도 7bi는 일부 실시예들에 따른, 샘플로부터의 제1 방출 파장에 대해 4개의 액티브 영역들을 갖는 불스-아이 센서에 대한 신호 검출의 수치 시뮬레이션으로부터의 결과들을 나타낸다.
도 7bj는 일부 실시예들에 따른, 샘플로부터의 제2 방출 파장에 대해 도 7bi와 관련된 불스-아이 센서에 대한 신호 검출의 수치 시뮬레이션으로부터의 결과들을 나타낸다.
도 7ca는 일부 실시예들에 따른, 2개의 액티브 영역들을 포함하는 센서로부터의 신호들을 판독하는데 사용될 수 있는 기기상의 회로를 도시한다.
도 7cb는 일부 실시예들에 따른, 신호 축적 및 판독을 위한 센서 칩에 포함될 수 있는 3-트랜지스터 회로를 도시한다.
도 7cc는 일부 실시예들에 따른, 4개의 액티브 영역들을 포함하는 센서로부터의 신호들을 판독하는데 사용될 수 있는 기기상의 회로를 도시한다.
도 7da는 일부 실시예들에 따른, 샘플 분석을 위해 사용될 수 있는 2개의 상이한 방사체들에 대한 시간 방출 특성들(temporal emission characteristics)을 도시한다.
도 7db는 일부 실시예들에 따른, 여기 소스 및 샘플로부터의 발광의 시간 진화(temporal evolution)를 도시한다.
도 7dc는 일부 실시예들에 따른, 시간-지연 샘플링을 예시한다.
도 7dd는 일부 실시예들에 따른, 2개의 상이한 방사체들에 대한 시간 방출 특성들을 도시한다.
도 7de는 일부 실시예들에 따른, 센서의 전하-축적 노드에서의 전압 다이내믹스를 도시한다.
도 7df는 일부 실시예들에 따른, 리셋이 없는 센서 세그먼트의 이중 판독을 도시한다.
도 7dg 및 도 7dh는 일부 실시예들에 따른, 시간적으로 별개의 방출 특성들을 갖는 2개의 방사체들과 관련된 제1 및 제2 판독 신호 레벨들을 예시한다.
도 8aa 및 도 8ab는 일부 실시예들에 따른, 여기 소스들의 스펙트럼 여기 대역들을 도시한다.
도 9a는 일부 실시예들에 따른, 생물학적 및 화학적 시료들의 신속한 모바일 분석을 위해 사용될 수 있는 콤팩트한 장치의 동작 방법을 도시한다.
도 9b는 일부 실시예들에 따른, 캘리브레이션 절차를 도시한다.
도 9c는 일부 실시예들에 따른, 데이터-분석 절차를 도시한다.
도 10은 일부 실시예들에 따른, 컴퓨팅 환경을 도시한다.
본 출원의 실시예들의 특징들 및 이점들은 도면과 함께 취해질 때 하기 제시되는 상세한 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이다.
I. 문제점 및 그에 대한 해결책의 발명자의 인식
본 발명자들은 생물학적 어세이들(bioassays)을 수행하기 위한 종래의 장치들은 크고, 값비싸고, 수행하기 위해서는 진보된 실험실 기술들이 필요하다는 것을 인식하고 이해하였다. 여러 종류들의 바이오어세이들은 시료에서의 단일 분자들의 검출에 의존한다. 종래의 단일 분자 검출은 분자들의 여기를 위해 필요한 고 강도 광을 생성하는데 사용되는 크고, 규모가 큰 레이저 시스템들을 요구할 수 있다. 또한, 레이저 광을 시료에 지향시키는데 규모가 큰 광 컴포넌트들이 사용될 수 있고, 시료로부터의 형광 광을 센서에 지향시키는데 추가적인 광 컴포넌트들이 사용될 수 있다. 이러한 종래의 광 컴포넌트들은 정확한 정렬 및 안정화를 요구할 수 있다. 종래의 실험실 장비 및 이러한 종래의 장비를 사용하는데 요구되는 트레이닝은 복잡하고 값비싼 바이오어세이들을 초래할 수 있다.
본 발명자들은, 생물학적 및/또는 화학적 시료들을 그 구성 부분들의 아이덴티티를 결정하기 위해 간단하고 저렴하게 분석할 수 있는 디바이스에 대한 요구가 있는다는 점을 인식하고 이해하였다. 이러한 디바이스의 적용은 복수의 아미노산들을 갖는 폴리펩티드(예를 들어, 단백질) 또는 핵산 분자와 같은 생체 분자를 서열분석하기 위한 것일 수 있다. 단일 분자들 또는 입자들의 검출 및 정량화(quantitation)를 수행하기 위한 콤팩트한 고속 장치들은 생물학적 및/또는 화학적 샘플들의 복잡한 정량 측정들을 수행하는 비용을 감소시키고 생물학적 기술 발견들의 속도를 빠르게 발전시킬 수 있다. 또한, 쉽게 운반 가능한 비용 효과적인 디바이스는 발전된 세계에서 바이오어세이가 수행되는 방법을 변형시킬 수 있을 뿐만 아니라 개발 도상 지역들의 사람들에게, 처음으로, 그들의 건강과 복지를 극적으로 개선할 수 있는 필수적인 진단 테스트들에 대한 빠른 액세스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 바이오어세이를 수행하기 위한 장치는 혈액, 소변 및/또는 타액과 같은 생물학적 샘플들의 진단 테스트들을 수행하는데 사용된다. 이 장치는 각자의 집에 있는 개인들에 의해, 개발 도상 국가들의 외진 병원 또는 시골 의사의 사무실과 같은 임의의 다른 장소에서 사용될 수 있다. 이러한 진단 테스트들은 핵산 분자 또는 단백질과 같은, 피험자(subject)의 생물학적 샘플 내의 생체 분자들의 검출을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 진단 테스트들은 피험자의 생물학적 샘플 내의 세포 유리(cell free) 데옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid) 분자들 또는 발현 산물들(expression products)의 서열분석과 같은, 피험자의 생물학적 샘플 내의 핵산 분자를 서열분석하는 것을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "핵산(nucleic acid)"은 하나 이상의 핵산 서브유닛들을 포함하는 분자를 일반적으로 언급한다. 핵산은 아데노신(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T) 및 우라실(U), 또는 그의 변이체들로부터 선택된 하나 이상의 서브유닛들을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 핵산은 데옥시리보핵산(DNA) 또는 리보핵산(RNA), 또는 그의 유도체들이다. 핵산은 단일 가닥 또는 이중 가닥일 수 있다. 핵산은 원형일 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "뉴클레오티드(nucleotide)"는 A, C, G, T 또는 U, 또는 그의 변이체들 또는 유사체들을 포함할 수 있는 핵산 서브유닛을 일반적으로 언급한다. 뉴클레오티드는 성장하는 핵산 가닥에 혼입될 수 있는 임의의 서브유닛을 포함할 수 있다. 이러한 서브유닛은 A, C, G, T, 또는 U이거나, 또는 하나 이상의 상보성인 A, C, G, T 또는 U에 특유한, 또는 퓨린(즉, A 또는 G, 또는 그의 변이체 또는 유사체들) 또는 피리미딘(즉, C, T 또는 U, 또는 그의 변이체 또는 유사체들)과 상보성인 임의의 다른 서브유닛일 수 있다. 서브유닛은 개개의 핵산 염기들 또는 염기들의 기(group)들(예를 들어, AA, TA, AT, GC, CG, CT, TC, GT, TG, AC, CA, 또는 그의 우라실-대응물들)이 분해되는 것을 가능하게 할 수 있다.
일반적으로 뉴클레오티드는 뉴클레오시드 및 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 또는 그 이상의 포스페이트(PO3) 기를 포함한다. 뉴클레오티드는 핵염기, 5-탄당(리보스 또는 데옥시리보스), 및 하나 이상의 포스페이트 기를 포함할 수 있다. 리보뉴클레오티드는 당이 리보스인 뉴클레오티드이다. 데옥시리보뉴클레오티드는 당이 데옥시리보스인 뉴클레오티드이다. 뉴클레오티드는 뉴클레오시드 모노포스페이트 또는 뉴클레오시드 폴리포스페이트일 수 있다. 뉴클레오티드는 발광성 태그들 또는 마커들(예를 들어, 형광단들)과 같은 검출가능 태그들을 포함하는, 예를 들어, 데옥시아데노신 트리포스페이트(dATP), 데옥시사이티딘 트리포스페이트(dCTP), 데옥시구아노신 트리포스페이트(dGTP), 데옥시유리딘 트리포스페이트(dUTP) 및 데옥시티미딘 트리포스페이트(dTTP) dNTP들로부터 선택될 수 있는, 데옥시리보뉴클레오시드 트리포스페이트와 같은, 데옥시리보뉴클레오시드 폴리포스페이트일 수 있다.
뉴클레오시드 포스페이트는 'n' 포스페이트 기를 가질 수 있고, 여기서 'n'은 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 이상인 수이다. 뉴클레오시드 포스페이트들의 예들은 뉴클레오시드 디포스페이트 또는 뉴클레오시드 트리포스페이트를 포함한다. 뉴클레오티드는 말단 포스페이트 표지된 뉴클레오시드 트리포스페이트(terminal phosphate labeled nucleoside polyphosphate)와 같은, 말단 포스페이트 표지된 뉴클레오시드일 수 있다. 이러한 표지(label)는 발광성(예를 들어, 형광성 또는 화학 발광성) 표지, 형광원성(fluorogenic) 표지, 착색 표지, 발색원성(chromogenic) 표지, 질량 태그(mass tag), 정전기 표지, 또는 전기 화학 표지일 수 있다. 표지(또는 마커)는 링커를 통하여 말단 포스페이트에 결합될 수 있다. 링커는, 예를 들어, 포스페이트 에스테르, 티오에스테르, 포스포르아미데이트 또는 알킬 포스포네이트 결합을 천연 또는 변형된 뉴클레오티드의 말단 포스페이트에 형성하기에 적합할 수 있는, 예를 들어, 적어도 하나의 또는 복수의 히드록실 기, 술포히드릴 기, 아미노 기 또는 할로알킬 기를 포함할 수 있다. 링커는, 예를 들어 중합 효소의 도움을 받아, 말단 포스페이트에서 표지를 분리시키도록 절단 가능할 수 있다. 뉴클레오티드들 및 링크들의 예들은, 본 명세서에 참고로 완전히 포함되는, 미국 특허 번호 7,041,812에서 제공된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "폴리머라제(polymerase)"는 중합 반응에 촉진시킬 수 있는 임의의 효소(또는 중합 효소)를 일반적으로 언급한다. 폴리머리제들의 예들은, 핵산 폴리머라제, 전사효소(transcriptase) 또는 리가제를 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다. 폴리머라제는 중합 효소일 수 있다.
용어 "게놈(genome)"은 유기체의 유전성 정보의 전체를 일반적으로 언급한다. 게놈은 DNA에 또는 RNA에 코딩될 수 있다. 게놈은 단백질들에 대해 코딩하는 코딩 영역들뿐만 아니라 비코딩 영역들도 포함할 수 있다. 게놈은 유기체 내의 모든 염색체들의 서열을 함께 포함할 수 있다. 예를 들어, 인간 게놈은 총 46개의 염색체를 갖는다. 이것들 모두의 서열은 함께 인간 게놈을 구성한다.
본 개시내용은 핵산 분자들과 같은, 생체 분자들 또는 그의 서브유닛들을 검출하기 위한 디바이스들, 시스템들 및 방법들을 제공한다. 이러한 검출은 서열분석(sequencing)을 포함할 수 있다. 피험자로부터 획득된 생물학적 샘플로부터 생체 분자가 추출될 수 있다. 생물학적 샘플은 호흡, 타액, 소변 또는 혈액(예를 들어, 전혈 또는 혈장)과 같은, 피험자의 신체상 유체 또는 조직으로부터 추출될 수 있다. 피험자는 질병(예를 들어, 암)과 같은 건강 조건을 갖는 것으로 의심될 수 있다. 일부 예들에서, 피험자의 신체상 유체 또는 조직으로부터 하나 이상의 핵산 분자가 추출된다. 하나 이상의 핵산 분자는 피험자의 조직의 일부와 같은, 피험자로부터 획득된, 또는 전혈과 같은, 피험자의 세포 유리 신체상 유체로부터 획득된 하나 이상의 세포로부터 추출될 수 있다.
생물학적 샘플은 검출(예를 들어, 서열분석)에 대비하여 처리될 수 있다. 이러한 처리는 생물학적 샘플로부터 생체 분자(예를 들어, 핵산 분자)의 단리 및/또는 정제(isolation and/or purification), 및 생체 분자의 더 많은 복제들의 생성을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 피험자의 신체상 유체 또는 조직으로부터 하나 이상의 핵산 분자가 단리되어 정제되고, 폴리머라제 연쇄 반응(polymerase chain reaction)(PCR)과 같은 핵산 증폭을 통하여 증폭된다. 그 후, 하나 이상의 핵산 분자 또는 그의 서브유닛들이, 예를 들어 서열분석을 통하여, 식별될 수 있다.
서열분석은 템플릿 생체 분자(예를 들어, 핵산 분자)와 상보성인 또는 유사한 또 다른 생체 분자를 분석하는 것에 그 템플릿 생체 분자의 개개의 서브유닛들을 식별하는 것을 포함할 수 있고, 이는 예를 들어 템플릿 핵산 분자와 상보성인 핵산 분자를 합성하고 시간이 지남에 따라 뉴클레오티드들의 혼입을 식별하는 것(즉, 합성에 의한 서열분석)에 의해 이루어진다. 대안으로서, 서열분석은 생체 분자의 개개의 서브유닛들의 직접 식별을 포함할 수 있다.
서열분석 중에, 생체 분자의 개개의 서브유닛들을 나타내는 신호들이 메모리에 수집되고 생체 분자의 서열을 결정하기 위해 실시간으로 또는 나중 시점에 처리될 수 있다. 이러한 처리는 개개의 서브유닛들의 식별을 가능하게 하는 참조 신호들과의 신호들의 비교를 포함할 수 있고, 이는 일부 경우에 판독들을 야기한다. 판독들은, 예를 들어, 염색체 또는 게놈 영역 또는 유전자상의 위치에 정렬될 수 있는, 더 큰 서열 또는 영역을 식별하는데 사용될 수 있는 충분한 길이(예를 들어, 적어도 약 30 염기 쌍(base pairs)(bp))의 서열들일 수 있다.
서열 판독들은 피험체의 게놈의 더 긴 영역을 재구성하는데 사용될 수 있다(정렬). 판독들은 염색체 영역들, 전체 염색체들, 또는 전체 게놈을 재구성하는데 사용될 수 있다. 서열 판독들 또는 이러한 판독들로부터 생성된 더 큰 서열은 피험체의 게놈을 분석하기 위해, 예를 들어 변이체들 또는 다형성(polymorphism)들을 식별하는데 사용될 수 있다. 변이체들의 예들은 탠덤(tandem) 단일 뉴클레오티드 다형성(single nucleotide polymorphism)(SNP)들을 포함하는 SNP들, 인델(indels) 또는 결실 삽입 다형성(deletion insertion polymorphisms) 또는 DIP들로도 언급되는, 소규모 다중-염기 결실들 또는 삽입들, 다중-뉴클레오티드 다형성(Multi-Nucleotide Polymorphism)(MNP)들, STR(Short Tandem Repeat)들, 마이크로결실(microdeletions)을 포함하는, 결실들, 마이크로삽입(microinsertions)을 포함하는, 삽입들, 중복(duplications), 역위(inversions), 전위(translocations), 증식(multiplications), 복합 멀티사이트 변이체(complex multi-site variants), 복제수 변이(copy number variations)(CNV)를 포함하는 구조적 변이들을 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다. 게놈 서열들은 변이체들의 조합들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게놈 서열들은 하나 이상의 SNP 및 하나 이상의 CNV의 조합을 포괄할 수 있다.
생체 분자들의 개개의 서브유닛들은 마커들을 사용하여 식별될 수 있다. 일부 예들에서, 생체 분자들의 개개의 서브유닛들을 식별하기 위해 발광성 마커들이 사용된다. 일부 실시예들은 발광성 마커들(본 명세서에서 "마커들(markers)"이라고도 함)을 사용하는데, 이는 외인성(exogenous) 또는 내인성(endogenous) 마커들일 수 있다. 외인성 마커들은 발광성 표지를 위한 리포터 및/또는 태그로서 사용되는 외부의 발광성 마커들일 수 있다. 외인성 마커들의 예들은 형광성 분자, 형광단, 형광성 염료, 형광성 염색, 유기 염료, 형광성 단백질, 형광 공명 에너지 전달(fluorescence resonance energy transfer)(FRET)에 참여하는 종, 효소, 및/또는 양자점들을 포함할 수 있지만 이들에 제한되지 않는다. 다른 외인성 마커들이 관련 기술 분야에 공지되어 있다. 이러한 외인성 마커들은 특정 표적 또는 컴포넌트에 특히 결합하는 프로브 또는 관능기(functional group)(예를 들어, 분자, 이온, 및/또는 리간드)에 접합될 수 있다. 외인성 태그 또는 리포터를 프로브에 부착하는 것은 외인성 태그 또는 리포터의 존재의 검출을 통하여 표적의 식별을 가능하게 한다. 프로브들의 예들은 단백질, 핵산(예를 들어, DNA, RNA) 분자, 지질 및 항체 프로브를 포함할 수 있다. 외인성 마커와 관능기의 조합은, 분자 프로브, 표지된 프로브, 혼성화 프로브, 항체 프로브, 단백질 프로브(예를 들어, 비오틴-결합 프로브), 효소 표지, 형광성 프로브, 형광성 태그, 및/또는 효소 리포터를 포함한, 검출에 사용되는 임의의 적합한 프로브, 태그, 및/또는 표지를 형성할 수 있다.
본 개시내용은 발광성 마커들에 대해 언급하지만, 다른 종류의 마커들이 본 명세서에 제공된 디바이스들, 시스템들 및 방법들과 함께 사용될 수 있다. 이러한 마커들은 질량 태그, 정전기 태그, 또는 전기 화학 표지일 수 있다.
외인성 마커들이 샘플에 부가될 수 있지만, 내인성 마커들이 이미 샘플의 일부일 수 있다. 내인성 마커들은 여기 에너지가 있을 때 발광하거나 "자가형광(autofluoresce)"할 수 있는 존재하는 임의의 발광성 마커를 포함할 수 있다. 내인성 형광단들의 자가형광은 외인성 형광단들의 도입을 요구하지 않고 표지 없는 비침습적 표지(label-free and noninvasive labeling)를 제공할 수 있다. 이러한 내인성 형광단들의 예들은, 제한이 아닌 예로서, 헤모글로빈, 산화 헤모글로빈(oxyhemoglobin), 지질, 콜라겐 및 엘라스틴 교차결합, 환원된 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오티드(reduced nicotinamide adenine dinucleotide)(NADH), 산화 플라빈(FAD 및 FMN), 리포푸신, 케라틴, 및/또는 포르피린을 포함할 수 있다.
일부 실시예들은 시료에서 단일 분자를 검출하는 것에 의한 진단 테스팅에 관한 것일 수 있지만, 본 발명자들은 또한 본 개시내용의 단일 분자 검출 능력들이, 예를 들어, 유전자들의 하나 이상의 핵산 세그먼트들의 폴리펩티드(예를 들어, 단백질) 서열분석 또는 핵산(예를 들어, DNA, RNA) 서열분석을 수행하는데 사용될 수 있다는 점을 인식했다. 핵산 서열분석 기술은 서열분석 프로세스에서의 속도, 판독 길이, 및 에러의 정도에서 뿐만 아니라 핵산 서열을 결정하는데 사용된 방법들에서 다양할 수 있다. 예를 들어, 일부 핵산 서열분석 방법들은 합성에 의한 서열분석에 기초하며, 여기서 뉴클레오티드의 아이덴티티는 뉴클레오티드가 표적 핵산에 상보성인 핵산의 최근에 합성된 가닥에 혼입된 것으로서 결정된다.
서열분석 중에, 중합 효소가 표적 핵산 분자의 프라이밍 위치에 결합(예를 들어, 부착)될 수 있다. 프라이밍 위치는 표적 핵산 분자와 상보성인 프라이머일 수 있다. 대안으로서 프라이밍 위치는 표적 핵산 분자의 이중 가닥 세그먼트 내에 제공되는 갭(gap) 또는 닉(nick)이다. 갭 또는 닉은 길이가 0 내지 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 또는 40 뉴클레오티드일 수 있다. 닉은 이중 가닥 서열의 하나의 가닥에서의 틈(break)을 제공할 수 있고, 이는 예를 들어, 가닥 변위 폴리머라제 효소(strand displacing polymerase enzyme)와 같은, 중합 효소에 대한 프라이밍 위치를 제공할 수 있다.
일부 경우들에서, 샘플 웰과 같은 고형 지지체(solid support)에 고정화될 수 있거나 고정화되지 않을 수 있는 표적 핵산 분자에 서열분석 프라이머가 어닐링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 서열분석 프라이머가 고형 지지체에 고정화될 수 있고 표적 핵산 분자의 혼성화(hybridization)도 표적 핵산 분자를 고형 지지체에 고정화한다. 뉴클레오티드를 프라이머에 부가하거나 혼입할 수 있는 효소(예를 들어, 폴리머라제)의 작용을 통해, 뉴클레오티드들이 5' 내지 3', 템플릿 결합 방식(template bound fashion)으로 프라이머에 부가될 수 있다. (예를 들어, 폴리머라제의 작용을 통한) 프라이머로의 뉴클레오티드들의 이러한 혼입은 일반적으로 프라이머 연장 반응(primer extension reaction)으로서 언급될 수 있다. 각각의 뉴클레오티드는 프라이머에, 따라서, 새로이 합성된 핵산 분자의 서열에 혼입된 각각의 뉴클레오티드를 결정하기 위해 검출되고 사용될 수 있는 검출가능 태그와 관련될 수 있다. 새로이 합성된 핵산 분자의 서열 상보성을 통해, 표적 핵산 분자의 서열도 결정될 수 있다. 일부 경우들에서, 서열분석 프라이머를 표적 핵산 분자에 어닐링하고 뉴클레오티드들을 서열분석 프라이머에 혼입하는 것은 유사한 반응 조건들(예를 들어, 동일한 또는 유사한 반응 온도)에서 또는 상이한 반응 조건들(예를 들어, 상이한 반응 온도들)에서 발생할 수 있다. 또한, 일부 합성에 의한 서열분석 방법들은 표적 핵산 분자들의 집단(예를 들어, 표적 핵산 분자의 복제들)의 존재 및/또는 표적 핵산들의 집단을 달성하기 위한 표적 핵산의 증폭 단계를 포함할 수 있다.
실시예들은, 적어도 약 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.9%, 99.99%, 99.999%, 또는 99.9999%의 정확도와 같은, 및/또는 약 10 염기 쌍(bp), 50 bp, 100 bp, 200 bp, 300 bp, 400 bp, 500 bp, 1000 bp, 10,000 bp, 20,000 bp, 30,000 bp, 40,000 bp, 50,000 bp, 또는 100,000 bp 이상의 판독 길이들과 같은, 높은 정확도와 긴 판독 길이들로 단일 핵산 분자들의 서열분석을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 단일 분자 서열분석에 사용되는 표적 핵산 분자는, 샘플 웰의 바닥과 같은 고형 지지체에 고정화되거나 부착된 서열분석 반응의 적어도 하나의 부가 성분(예를 들어, DNA 폴리머라제, 서열분석 프라이머와 같은 폴리머라제)를 포함하는 샘플 웰에 부가되거나 고정화되는 단일 가닥 표적 핵산(예를 들어, 데옥시리보핵산(DNA), DNA 유도체들, 리보핵산(RNA), RNA 유도체들) 템플릿이다. 표적 핵산 분자 또는 폴리머라제는 직접 또는 링커를 통하여 샘플 웰에, 예를 들어 샘플 웰의 바닥에 부착될 수 있다. 샘플 웰은 또한 예를 들어 적합한 완충제(buffers), 보조 인자(co-factors), 효소(예를 들어, 폴리머라제)와 같은, 프라이머 연장 반응을 통한 핵산 합성에 필요한 임의의 다른 시약들, 및 형광단들과 같은 발광성 태그들을 포함하는, 예를 들어, 데옥시아데노신 트리포스페이트(dATP), 데옥시사이티딘 트리포스페이트(dCTP), 데옥시구아노신 트리포스페이트(dGTP), 데옥시유리딘 트리포스페이트(dUTP) 및 데옥시티미딘 트리포스페이트(dTTP) dNTP들을 포함하는, 데옥시리보뉴클레오시드 트리포스페이트와 같은, 데옥시리보뉴클레오시드 폴리포스페이트를 포함할 수 있다. 각각의 부류의 dNTP들(예를 들어, 아데닌-함유 dNTP들(예를 들어, dATP), 시토신-함유 dNTP들(예를 들어, dCTP), 구아닌-함유 dNTP들(예를 들어, dGTP), 우라실-함유 dNTP들(예를 들어, dUTP들) 및 티민-함유 dNTP들(예를 들어, dTTP))을 별개의 발광성 태그에 접합(conjugate)하여 태그로부터 방출된 광의 검출이 새로이 합성된 핵산에 혼입된 dNTP의 아이덴티티를 나타내도록 한다. 발광성 태그로부터의 방출된 광을 본 명세서의 다른 곳에 설명된 검출을 위한 디바이스들 및 방법들을 포함하는, 임의의 적합한 디바이스 및/또는 방법을 통해 검출하여 그것의 적절한 발광성 태그(그리고, 따라서, 관련된 dNTP)의 결과로 볼 수 있다. 발광성 태그는 발광성 태그의 존재가 새로이 합성된 핵산 가닥으로의 dNTP의 혼입 또는 폴리머라제의 활성을 억제하지 않는 임의의 위치에서 dNTP에 접합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광성 태그는 dNTP의 말단 포스페이트(감마 포스페이트)에 접합된다.
단일 가닥 표적 핵산 템플릿을 서열분석 프라이머, dNTP들, 폴리머라제 및 핵산 합성에 필요한 다른 시약들과 접촉시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 적절한 dNTP들을 단일 가닥 표적 핵산 템플릿과 동시에 접촉시켜(예를 들어, 모든 dNTP들이 동시에 존재한다) dNTP들의 혼입이 연속해서 발생할 수 있도록 할 수 있다. 다른 실시예들에서는, dNTP들을 단일 가닥 표적 핵산 템플릿과 순차적으로 접촉시킬 수 있고, 이 경우 단일 가닥 표적 핵산 템플릿은 각각의 적절한 dNTP와 개별적으로 접촉하고, 단일 가닥 표적 핵산 템플릿과 상이한 dNTP들과의 접촉 사이에 세척 단계들이 있다. 단일 가닥 표적 핵산 템플릿을 각각의 dNTP와 개별적으로 접촉시키고 이어서 세척하는 이러한 사이클을 식별될 단일 가닥 표적 핵산 템플릿의 각각의 연속적인 염기 위치에 대해 반복할 수 있다.
서열분석 프라이머는 단일 가닥 표적 핵산 템플릿에 어닐링되고 폴라미라제는 연속적으로 dNTP들(또는 다른 데옥시리보핵산 폴리포스테이트)을 단일 가닥 표적 핵산 템플릿을 통해 프라이머에 혼입한다. 각각의 혼입된 dNTP와 관련된 고유의 발광성 태그를 프라이머로의 dNTP의 혼입 중에 또는 혼입 후에 적절한 여기 광으로 여기시킬 수 있고 그 후 그것의 방출을 본 명세서의 다른 곳에 설명된 검출을 위한 디바이스들 및 방법들을 포함하는, 임의의 적합한 디바이스(들) 및/또는 방법(들)을 사용하여 검출할 수 있다. 광의 특정 방출의 검출은 혼입되는 특정 dNTP에 기인할 수 있다. 그 후 검출된 발광성 태그들의 수집으로부터 획득된 서열은 서열 상보성을 통해 단일 가닥 표적 핵산 템플릿의 서열을 결정하는데 사용될 수 있다.
본 개시내용은 dNTP들에 대해 언급하지만, 본 명세서에 제공된 디바이스들, 시스템들 및 방법들은 리보뉴클레오티드들 및 데옥시리보뉴클레오티드들(예를 들어, 적어도 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 포스페이트 기를 갖는 디옥시리보뉴클레오시드 포스페이트들)과 같은, 다양한 종류의 뉴클레오티드들과 함께 사용될 수 있다. 이러한 리보뉴클레오티드들 및 데옥시리보뉴클레오티드들은 다양한 종류의 태그들(또는 마커들) 및 링커들을 포함할 수 있다.
뉴클레오시드들의 혼입시에 방출된 신호들은 메모리에 저장되고 표적 핵산 템플릿의 서열을 결정하기 위해 나중 시점에 처리될 수 있다. 이것은 혼입된 뉴클레오시드들의 아이덴티티들을 시간의 함수로서 결정하기 위해 신호들을 참조 신호들과 비교하는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 뉴클레오시드의 혼입시에 방출된 신호가 수집되고 실시간으로 표적 핵산 템플릿의 서열을 결정하기 위해 실시간으로(즉, 뉴클레오시드 혼입시에) 처리될 수 있다.
본 명세서의 다른 곳에 설명된 디바이스들에서 흔히 있는 일이지만, 다수의 샘플 웰들이 사용가능한 경우 복수의 단일 가닥 표적 핵산 템플릿들의 핵산 서열분석이 완료될 수 있다. 각각의 샘플 웰에 단일 가닥 표적 핵산 템플릿이 제공될 수 있고 각각의 샘플 웰에서 서열분석 반응이 완료될 수 있다. 샘플 웰들 각각을 프라이머 연장 반응 중에 핵산 합성에 필요한 적절한 시약들(예를 들어, dNTP, 서열분석 프라이머, 폴리머라제, 보조 인자, 적절한 완충제, 등등)과 접촉시킬 수 있고 각각의 샘플 웰에서 서열분석 반응이 처리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 샘플 웰들을 모든 적절한 dNTP들과 동시에 접촉시킨다. 다른 실시예들에서는, 다수의 샘플 웰들을 각각의 적절한 dNTP와 개별적으로 접촉시키고 상이한 dNTP들과의 접촉 사이에 각각을 세척한다. 혼입된 dNTP들이 각각의 샘플 웰에서 검출될 수 있고 위에 설명된 바와 같이 각각의 샘플 웰에서 단일 가닥 표적 핵산 템플릿에 대한 서열이 결정될 수 있다.
단일 분자 핵산 서열분석에 관한 실시예들은 표적 핵산 분자와 상보성인 핵산을 합성할 수 있는 임의의 폴리머라제를 사용할 수 있다. 폴리머라제들의 예들은, 이에 제한되는 것은 아니지만, DNA 폴리머라제, RNA 폴리머라제, 내열성 폴리머라제, 야생형 폴리머라제, 변형된 폴리머라제, 이. 콜라이(E. coli) DNA 폴리머라제 I, T7 DNA 폴리머라제, 박테리오파지(bacteriophage) T4 DNA 폴리머라제 φ29 (프사이29) DNA 폴리머라제, Taq 폴리머라제, Tth 폴리머라제, Tli 폴리머라제, Pfu 폴리머라제, Pwo 폴리머라제, VENT 폴리머라제, DEEPVENT 폴리머라제, EX-Taq 폴리머라제, LA-Taq 폴리머라제, Sso 폴리머라제, Poc 폴리머라제, Pab 폴리머라제, Mth 폴리머라제, ES4 폴리머라제, Tru 폴리머라제, Tac 폴리머라제, Tne 폴리머라제, Tma 폴리머라제, Tca 폴리머라제, Tih 폴리머라제, Tfi 폴리머라제, 백금 Taq 폴리머라제, Tbr 폴리머라제, Tfl 폴리머라제, Tth 폴리머라제, Pfutubo 폴리머라제, Pyrobest 폴리머라제, Pwo 폴리머라제, KOD 폴리머라제, Bst 폴리머라제, Sac 폴리머라제, Klenow 프래그먼트(fragment), 3' 내지 5' 엑소뉴클레아제(exonuclease) 활성을 갖는 폴리머라제, 및 그의 변이체들, 변형된 산물들 및 유도체들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 폴리머라제는 단일 서브유닛 폴리머라제이다. 일부 실시예들에서, 폴리머라제는 높은 진행도(processivity)를 갖는 폴리머라제이다. 폴리머라제 진행도는 핵산 템플릿을 릴리스(release)하지 않고 핵산 템플릿에 연속적으로 dNTP들을 혼입하는 폴리머라제의 능력을 일반적으로 언급한다. 표적 핵산의 핵염기와 상보성인 dNTP 사이의 염기 쌍형성(base pairing)시에, 폴리머라제는 새로이 합성된 가닥의 3' 히드록실 단부와 dNTP의 알파 포스페이트 사이에 포스포디에스테르 결합(phosphodiester bond)을 형성함으로써 새로이 합성된 핵산 가닥에 dNTP를 혼입한다. dNTP에 접합된 발광성 태그가 형광단인 예들에서, 그의 존재는 여기에 의해 시그널링되고 혼입의 공정 중에 또는 그 후에 방출의 펄스가 검출된다. dNTP의 말단(감마) 포스페이트에 접합되는 검출 표지들에 대해, 새로이 합성된 가닥으로의 dNTP의 혼입은 베타 및 감마 포스페이트들과, 샘플 웰에서 자유로이 확산하는 검출 표지가 방출되는 결과를 야기하고, 결과적으로 형광단으로부터 검출되는 방출이 감소하게 된다.
단일 분자 RNA 서열분석에 관한 실시예들은 RNA 템플릿으로부터 상보성인 DNA(cDNA)를 합성할 수 있는 임의의 역전사효소(reverse transcriptase)를 사용할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 역전사효소는 RNA 템플릿에 어닐링된 역전사 프라이머로의 dNTP들의 혼입을 통해 RNA 템플릿으로부터 cDNA가 합성될 수 있다는 점에서 폴리머라제와 유사한 방식으로 기능할 수 있다. 그 후 cDNA는 서열분석 반응에 참여할 수 있고 그의 서열이 위에 설명된 바와 같이 결정될 수 있다. cDNA의 결정된 서열은 그 후, 서열 상보성을 통해, 원래 RNA 템플릿의 서열을 결정하는데 사용될 수 있다. 역전사효소들의 예들은 몰로니 뮤린 백혈병 바이러스(Moloney Murine Leukemia Virus)(M-MLV) 역전사효소, 조류 골수모구증 바이러스(avian myeloblastosis virus)(AMV) 역전사효소, 인간 면역결핍 바이러스(human immunodeficiency virus) 역전사효소(HIV-1) 및 텔로머라제(telomerase) 역전사효소를 포함한다.
단일 분자 검출 및/또는 핵산 서열분석을 수행하기 위한 단순한, 덜 복잡한 장치들에 대한 필요를 인식하고, 본 발명자들은 상이한 분자들을 표지하기 위해, 발광성 태그들의 세트들을 사용하여 단일 분자들을 검출하는 기술들을 고려하였다. 그러한 단일 분자들은 태그들을 갖는 뉴클레오티드들 또는 아미노산들일 수 있다. 태그들은 단일 분자들에 결합된 동안, 단일 분자들로부터의 방출시에, 또는 단일 분자들에 결합되고 그로부터 방출시에 검출될 수 있다. 일부 예들에서, 태그들은 발광성 태그들이다. 선택된 세트 내의 각각의 발광성 태그는 각각의 분자와 관련된다. 예를 들어, 4개의 태그들의 세트가 DNA에 존재하는 핵염기들을 "표지(label)"하는데 사용될 수 있다 - 세트의 각 태그는 상이한 핵염기와 관련되는데, 예를 들어, 제1 태그는 아데닌(A)과 관련되고, 제2 태그는 시토신(C)과 관련되고, 제3 태그는 구아닌(G)과 관련되고, 제4 태그는 티민(T)과 관련된다. 또한, 태그들의 세트 내의 발광성 태그들 각각은 세트의 제1 태그를 세트 내의 다른 태그들과 구별하는데 사용될 수 있는 상이한 속성들을 갖는다. 이러한 방식으로, 각 태그는 이러한 특징적인 특성들 중 하나 이상을 사용하여 고유하게 식별된다. 제한이 아닌 예로서, 하나의 태그를 또 다른 태그와 구별하는데 사용될 수 있는 태그들의 특성들은 여기에 응답하여 태그에 의해 방출되는 광의 방출 에너지 및/또는 파장 및/또는 태그를 여기 상태에 두기 위해 특정 태그에 의해 흡수되는 여기 광의 파장을 포함할 수 있다.
실시예들은 태그들의 세트 내의 제1 태그를 동일한 세트 내의 다른 태그들과 구별하기 위해 태그 특성들의 임의의 적합한 조합을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들은 태그들을 식별하기 위해 태그들로부터의 방출 광의 파장만을 사용할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 태그들의 선택된 세트 내의 각 태그는 세트 내의 다른 태그들과는 상이한 피크 방출 파장을 가지며 발광성 태그들은 모두 단일 여기 소스로부터의 광에 의해 여기된다. 도 1a는 일 실시예에 따른 4개의 발광성 태그들로부터의 방출 스펙트럼을 예시하는데, 이 실시예에서 4개의 태그들은 본 명세서에서 태그의 "피크 방출 파장(peak emission wavelength)"으로 언급되는, 상이한 방출 파장들에서 그 각자의 강도 피크를 보인다. 제1 발광성 태그로부터의 제1 방출 스펙트럼(1-101)은 λ1에서 피크 방출 파장을 갖고, 제2 발광성 태그로부터의 제2 방출 스펙트럼(1-102)은 λ2에서 피크 방출 파장을 갖고, 제3 발광성 태그로부터의 제3 방출 스펙트럼(1-103)은 λ3에서 피크 방출 파장을 갖고, 제4 발광성 태그로부터의 제4 방출 스펙트럼(1-104)은 λ4에서 피크 방출 파장을 갖는다. 이 실시예에서, 4개의 발광성 태그들의 방출 피크들은 λ1 < λ2 < λ3 < λ4의 관계를 만족시키는 임의의 적합한 값들을 가질 수 있다. 4개의 방출 스펙트럼은 겹칠 수 있거나 겹치지 않을 수 있다. 그러나, 2개 이상의 태그들의 방출 스펙트럼이 겹친다면, 각자의 피크 파장에서 하나의 태그가 임의의 다른 태그보다 실질적으로 더 많은 광을 방출하도록 발광성 태그를 선택하는 것이 바람직하다. 이 실시예에서, 4개의 태그들 각각이 여기 소스로부터의 광을 최대로 흡수하는 여기 파장은 실질적으로 동일하지만, 그럴 필요는 없다. 상기 태그 세트를 사용하여, 4개의 상이한 분자들은 태그 세트로부터의 각자의 태그로 표지될 수 있고, 태그들은 단일 여기 소스를 사용하여 여기될 수 있고, 태그들은 광 시스템 및 센서들을 사용하여 태그들의 방출 파장을 검출하는 것에 의해 서로 구별될 수 있다. 도 1a는 4개의 상이한 태그들을 예시하지만, 임의의 적합한 수의 태그들이 사용될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
다른 실시예들은 태그들을 식별하기 위해 태그들로부터의 방출 광의 파장과 태그들이 여기 광을 흡수하는 파장 양자 모두를 사용할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 태그들의 선택된 세트 내의 각 태그는 세트 내의 다른 태그들과는 상이한 방출 파장 및 여기 파장의 조합을 갖는다. 따라서, 선택된 태그 세트 내의 일부 태그들은 동일한 방출 파장을 갖지만, 상이한 파장들의 광에 의해 여기될 수 있다. 반대로, 선택된 태그 세트 내의 일부 태그들은 동일한 여기 파장을 갖지만, 상이한 파장들에서 광을 방출할 수 있다. 도 1ba는 일 실시예에 따른 4개의 발광성 태그들로부터의 방출 스펙트럼을 예시하는데, 이 실시예에서 태그들 중 2개는 제1 피크 방출 파장을 갖고 다른 2개의 태그들은 제2 피크 방출 파장을 갖는다. 제1 발광성 태그로부터의 제1 방출 스펙트럼(1-105)은 λ1에서 피크 방출 파장을 갖고, 제2 발광성 태그로부터의 제2 방출 스펙트럼(1-106)은 λ1에서 피크 방출 파장을 갖고, 제3 발광성 태그로부터의 제3 방출 스펙트럼(1-107)은 λ2에서 피크 방출 파장을 갖고, 제4 발광성 태그로부터의 제4 방출 스펙트럼(1-108)은 λ2에서 피크 방출 파장을 갖는다. 이 실시예에서, 4개의 발광성 태그들의 방출 피크들은 λ1 < λ2의 관계를 만족시키는 임의의 적합한 값들을 가질 수 있다. 도 1bb는 4개의 발광성 태그들로부터의 흡수 스펙트럼을 예시하는데, 이 실시예에서 태그들 중 2개는 제1 피크 흡수 파장을 갖고 다른 2개의 태그들은 제2 피크 흡수 파장을 갖는다. 제1 발광성 태그로부터의 제1 흡수 스펙트럼(1-109)은 λ3에서 피크 흡수 파장을 갖고, 제2 발광성 태그로부터의 제2 흡수 스펙트럼(1-110)은 λ4에서 피크 흡수 파장을 갖고, 제3 발광성 태그로부터의 제3 흡수 스펙트럼(1-111)은 λ3에서 피크 흡수 파장을 갖고, 제4 발광성 태그로부터의 제4 흡수 스펙트럼(1-112)은 λ4에서 피크 흡수 파장을 갖는다. 도 1ba에서 방출 피크 파장을 공유하는 태그들은 도 1bb에서 흡수 피크 파장을 공유하지 않는다는 점에 주목한다. 이러한 태그 세트를 사용하는 것은 4개의 염료들에 대해 2개의 방출 파장들만이 존재하는 경우에도 4개의 태그들의 구별을 가능하게 한다. 이것은 상이한 파장들에서 방출하는 2개의 여기 소스들 또는 다수의 파장들에서 방출할 수 있는 단일 여기 소스를 사용하여 가능하다. 여기 광의 파장이 각각의 검출된 방출 이벤트에 대해 알려진다면, 어느 태그가 존재했는지를 결정할 수 있다. 여기 소스(들)는 제1 여기 파장과 제2 여기 파장 사이에 교대할 수 있고, 이는 인터리빙(interleaving)으로 언급된다. 대안적으로, 제1 여기 파장의 2개 이상의 펄스들이 사용되고 이어서 제2 여기 파장의 2개 이상의 펄스들이 사용될 수 있다.
도면들에 예시되어 있지는 않지만, 다른 실시예들은 흡수 주파수에만 기초해서 발광성 태그의 아이덴티티를 결정할 수 있다. 이러한 실시예들은 여기 광이 태그 세트 내의 태그들의 흡수 스펙트럼과 매칭하는 특정 파장들로 조정(tune)될 수 있는 경우에 가능하다. 이러한 시스템들에서, 각 태그로부터 방출된 광을 지향시키고 검출하는데 사용되는 광 시스템 및 센서는 방출된 광의 파장을 검출할 수 있을 필요가 없다. 이것은 일부 실시예들에서 유리할 수 있는데 그 이유는 이러한 실시예들에서는 방출 파장의 검출이 요구되지 않기 때문에 광 시스템 및 센서들의 복잡성이 감소되기 때문이다.
위에 설명된 바와 같이, 본 발명자들은 상이한 광학적 (예를 들어, 발광성) 태그들을, 그 태그들의 다양한 특성들을 사용하여 서로 구별할 수 있을 필요를 인식하고 이해하였다. 태그의 아이덴티티를 결정하는데 사용되는 특성들의 종류는 이 분석을 수행하는데 사용되는 물리적 디바이스에 영향을 준다. 본 출원은 이러한 상이한 기술들을 수행하기 위한 장치, 디바이스, 기기 및 방법들의 몇몇 실시예들을 개시한다.
간략히, 본 발명자들은 상대적으로 다수의 픽셀들(예를 들어, 수백, 수천, 수백만 또는 그 이상)을 갖는 픽셀화 센서 디바이스(pixelated sensor device)는 복수의 개개의 분자들 또는 입자들을 병행하여 검출하는 것을 가능하게 한다는 점을 인식하고 이해하였다. 이러한 단일 분자들은 태그들을 갖는 뉴클레오티드들 또는 아미노산들일 수 있다. 태그들은, 단일 분자들에 결합되는 중, 단일 분자들로부터 방출시, 또는 단일 분자들에 결합되는 중 및 이로부터 방출시에 검출될 수 있다. 일부 예들에서, 태그들은 발광성 태그들이다. 분자들은, 제한이 아닌 예로서, 단백질들 및/또는 핵산들(예를 들어, DNA, RNA)일 수 있다. 또한, 초당 100 프레임보다 많이 데이터를 획득할 수 있는 고속 디바이스는 분석되는 샘플 내에서 시간이 지남에 따라 발생하는 동적인 프로세스들 또는 변화들의 검출 및 분석을 가능하게 한다.
본 발명자들은, 여기 광 소스, 옵틱스, 및 생물학적 샘플들로부터 방출되는 광 신호(예를 들어, 발광 광)을 측정하기 위한 광 센서를 포함하는 기기와 관련되어 저비용이고 1회용인 폐기처분가능한 어세이 칩이 사용될 수 있다는 점을 인식하고 이해하였다. 저비용 어세이 칩을 사용하는 것은 주어진 바이오어세이를 수행하는 비용을 감소시킨다. 생물학적 샘플은 어세이 칩상에 놓이고, 단일의 바이오어세이가 완료되면, 폐기처분될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 다수의 샘플들을 어세이 칩의 상이한 부분들에 둠으로써, 하나보다 많은 타입의 샘플이 동시에 병행하여 분석될 수 있다. 어세이 칩은 더 비싼, 다용도 기기와 결합되고, 이는 많은 상이한 1회용 어세이 칩들과 반복해서 사용될 수 있다. 콤팩트한 휴대 기기와 인터페이스하는 저비용 어세이 칩은, 실험실 전문 지식이 샘플들을 분석하도록 요구하는 고비용 생물학적 연구실들의 제약 없이, 세계 어디에서나 사용될 수 있다. 그러므로, 이전에는 생물학적 샘플들의 정량 분석을 수행할 수 없었던 세계의 지역들에 자동화 생체 분석론(automated bioanalytics)을 가져올 수 있다. 예를 들어, 유아들을 위한 혈액 검사들은, 1회용 어세이 칩 위에 혈액 샘플을 두고, 분석을 위해 작은 휴대용 기기 안에 1회용 어세이 칩을 두고, 사용자가 즉각 검토할 수 있도록 기기에 결합되는 컴퓨터에 의해 결과들을 처리하는 것에 의해 수행될 수 있다. 데이터는 또한 분석되기 위해, 그리고/또는 차후의 임상 분석용으로 기록 보관되기 위해 데이터 네트워크를 통하여 원격 위치로 송신될 수 있다. 대안적으로, 기기는 기기의 센서들부터 획득된 데이터를 분석하기 위한 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예들이 이하 보다 상세히 설명된다.
II. 일부 실시예들에 따른 장치의 개요
장치(2-100)의 개략 개요가 도 2a에 예시된다. 시스템은 어세이 칩(2-110), 및 여기 소스(2-121)와 적어도 하나의 센서(2-122)를 포함하는 기기(2-120) 양자 모두를 포함한다. 어세이 칩(2-110)은 임의의 적합한 어세이 칩 인터페이스를 사용하여 기기(2-120)와 인터페이스한다. 예를 들어, 기기(2-120)의 어세이 칩 인터페이스는 어세이 칩(2-110)을 수용하고 이를 여기 소스(2-110) 및 적어도 하나의 센서(2-122)와 정확한 광학적 정렬로 유지하기 위한 소켓(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 기기(2-120)의 외부 여기 소스(2-121)는 어세이 칩(2-110)의 샘플 웰(2-111)에서의 샘플을 여기하기 위한 목적으로 어세이 칩(2-110)에 여기 에너지를 제공하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 어세이 칩(2-110)은 다수의 픽셀들- 각각의 픽셀의 샘플 웰(2-111)은 다른 픽셀들로부터 독립적인 분석에 사용된 샘플을 수용하도록 구성됨 -을 갖는다. 어세이 칩(2-110)의 각각의 픽셀은 분석되는 시료로부터의 샘플을 수용, 보유 및 분석하기 위한 샘플 웰(2-211)을 포함한다. 이러한 픽셀들은 픽셀들이 픽셀과는 별개인 여기 소스로부터 여기 에너지를 수신하기 때문에 "패시브 소스 픽셀들(passive source pixels)"로서 언급될 수 있다. 일부 실시예들에서, 어세이 칩(2-110) 상에 존재하는 각각의 픽셀에 대응하는 픽셀이 기기(2-120)에 존재한다. 기기(2-120)의 각각의 픽셀은 여기 소스(2-121)로부터 여기 에너지로 조광되는 샘플에 응답하여 샘플에 의해 방출된 방출 에너지를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함한다. 일부 실시예들에서, 각각의 센서는 다수의 서브-센서들- 각각의 서브-센서는 샘플로부터 방출 에너지의 상이한 파장을 검출하도록 구성됨 -을 포함할 수 있다. 하나보다 많은 서브-센서가 특정 파장의 방출 에너지를 검출할 수 있지만, 각각의 서브-센서가 방출 에너지의 상이한 파장 대역을 검출할 수 있다.
일부 실시예들에서는, 여기 에너지를 여기 소스(2-121)로부터 샘플 웰(2-111)까지 안내하고 결합하기 위한 광학 소자들이, 도 2a의 화살표(2-101)에 의해 표시된 바와 같이, 어세이 칩(2-110) 및 기기(2-120) 양자 모두 상에 위치된다. 이러한 소스에서 웰로의 소자들은, 여기 에너지를 어세이 칩(2-110)에 결합하기 위해 기기(2-120) 상에 위치되는 미러들, 렌즈들, 유전체 코팅들 및 빔 커플러들, 및 기기(2-120)로부터 수신되는 여기 에너지를 샘플 웰(2-111)에 지향시키기 위한 어세이 칩(1-110) 상의 렌즈들, 플라즈몬 소자들 및 유전체 코팅들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에서는, 여기 에너지를 샘플 웰(2-111)로부터 센서(2-122)로 안내하기 위한 광학 소자들이, 도 2a의 화살표(2-102)에 의해 표시된 바와 같이, 어세이 칩(2-110) 및 기기(2-120) 상에 위치된다. 이러한 웰에서 샘플로의 소자들은, 여기 에너지를 어세이 칩(2-110)으로부터 기기(2-120)에 지향시키기 위해 어세이 칩(2-110) 상에 위치되는 렌즈들, 플라즈몬 소자들 및 유전체 코팅들, 및 어세이 칩(2-110)으로부터 수신되는 여기 에너지를 센서(2-111)에 지향시키기 위한 기기(1-120) 상의 렌즈들, 미러들, 유전체 코팅들, 필터들 및 회적 옵틱스를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 단일 컴포넌트가 여기 에너지를 샘플 웰에 결합하고 여기 에너지를 샘플 웰로부터 센서로 전달하는 양자 모두에서의 역할을 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 어세이 칩(2-110)은 복수의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 그 자신의 개개의 샘플 웰(2-111) 및 기기(2-120) 상의 그 자신의 관련된 센서(2-122)와 관련된다. 복수의 픽셀들은 어레이로 배열될 수 있고, 임의의 적합한 수의 픽셀들을 가질 수 있다. 예를 들어, 어세이 칩은 대략 1,000 픽셀들, 10,000 픽셀들, 대략 100,000 픽셀들, 대략 1,000,000 픽셀들, 대략 10,000,000 픽셀들, 또는 대략 100,000,000 픽셀들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기기(2-120)는 복수의 픽셀들로서 배열된 복수의 센서들(2-122)을 포함하는 센서 칩을 포함한다. 센서 칩의 각각의 픽셀은 어세이 칩(2-110)에서의 픽셀에 대응한다. 복수의 픽셀들은 어레이로 배열될 수 있고, 임의의 적합한 수의 픽셀들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 칩은 어세이 칩(2-110)과 동일한 수의 픽셀들을 갖는다. 예를 들어, 센서 칩은 대략 10,000 픽셀들, 대략 100,000 픽셀들, 대략 1,000,000 픽셀들, 대략 10,000,000 픽셀들, 또는 대략 100,000,000 픽셀들을 포함할 수 있다.
기기(2-120)는 어세이 칩 인터페이스(도시되지 않음)을 통해 어세이 칩(2-110)과 인터페이스한다. 어세이 칩 인터페이스는 여기 소스(2-121)로부터 어세이 칩(2-110)으로의 여기 에너지의 커플링을 향상시키기 위해 기기(2-120)에 어세이 칩(2-110)을 배치 및/또는 정렬시키기 위한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기 소스(2-121)는 여기 에너지를 어세이 칩(2-110)에 전달하기 위해 결합되는 다수의 여기 소스들을 포함한다. 다수의 여기 소스들은 상이한 파장들의 광에 대응하여 다수의 여기 에너지들을 생산하도록 구성될 수 있다.
기기(2-120)는 기기의 동작을 제어하기 위한 사용자 인터페이스(2-125)를 포함한다. 사용자 인터페이스(2-125)는 사용자가 기기의 기능을 제어하는데 사용된 명령들 및/또는 설정들과 같은, 정보를 기기에 입력하게 하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스(2-125)는 버튼들, 스위치들, 다이얼들, 및 음성 명령들을 위한 마이크로폰을 포함할 수 있다. 추가적으로, 사용자 인터페이스(2-125)는 사용자가 센서 칩 상의 센서들로부터 판독 신호들에 의해 획득되는 정보 및/또는 적절한 정렬과 같은, 기기 및/또는 어세이 칩의 성능에 대한 피드백을 수신하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스(2-125)는 가청 피드백을 제공하기 위한 스피커를 사용하여 피드백 그리고 시각적 피드백을 제공하기 위한 표시자 광들 및/또는 디스플레이 스크린을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기기(2-120)는 컴퓨팅 디바이스(2-130)와 결합하는데 사용되는 컴퓨터 인터페이스(2-124)를 포함한다. 임의의 적합한 컴퓨터 인터페이스(2-124)와 컴퓨팅 디바이스(2-130)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 인터페이스(2-124)는 USB 인터페이스 또는 파이어와이어 인터페이스일 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(2-130)는 랩톱, 데스크톱 또는 태블릿 컴퓨터와 같은, 임의의 범용 컴퓨터, 또는 셀룰러 전화와 같은 모바일 디바이스일 수 있다. 컴퓨터 인터페이스(2-124)는 기기(2-120)와 컴퓨팅 디바이스(2-130) 사이의 정보의 통신을 용이하게 한다. 기기(2-120)를 제어하기 위한 그리고/또는 구성하기 위한 입력 정보가 기기의 컴퓨터 인터페이스(2-124)에 결합된 컴퓨팅 디바이스(2-130)를 통하여 제공될 수 있다. 또한, 기기로부터의 출력 정보가 컴퓨터 인터페이스(2-124)를 통하여 컴퓨팅 디바이스(2-130)에 의해 수신될 수 있다. 이러한 출력 정보는 기기(2-120)의 수행에 대한 피드백 및 센서들(2-122)로부터의 판독 신호들로부터의 정보를 포함할 수 있다. 기기(2-120)는 또한 센서들(2-122)로부터 수신된 데이터를 분석하기 위한 처리 디바이스(2-123)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 처리 디바이스(2-123)는범용 프로세서(예를 들어, CPU(central processing unit), FPGA(field-programmable gate array), 또는 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 커스텀 집적 회로(custom integrated circuit))를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서들(1-122)로부터의 데이터의 처리는 처리 디바이스(2-123)와 외부 컴퓨팅 디바이스(2-130) 양자 모두에 의해 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 컴퓨팅 디바이스(2-130)가 생략될 수 있고, 센서들(2-122)로부터의 데이터의 처리가 처리 디바이스(2-123)에 의해서만 수행될 수 있다.
여기 소스(2-121)가 여기 에너지로 어세이 칩(2-110)을 조광할 때, 어세이 칩(2-110)의 하나 이상의 픽셀들 안에 있는 샘플들이 여기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 시료는 다수의 마커들와 다수의 마커들로 표지되고, 시료 내에 상이한 샘플과 관련된 이들 각각은 방출 에너지에 의해 식별가능하다. 샘플(2-111)로부터 센서(2-122)까지의 경로는 방출 에너지에 기초하여 다수의 마커들를 식별하는데 도움이 되는 하나 이상의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 컴포넌트들은 센서(2-122)를 향하여 방출 에너지를 집중시킬 수 있고, 상이한 특성 에너지들, 및 이에 따라 상이한 파장들을 갖는 방출 에너지들을 선택적으로 또는 대안적으로 공간적으로 분리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 어세이 칩(2-110)은 방출 에너지를 센서(2-122)를 향하여 지향시키는 컴포넌트들을 포함할 수 있고, 기기(2-120)는 상이한 파장들의 방출 에너지를 공간적으로 분리하기 위한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방출 에너지의 파장을 공간 자유도(spatial degree of freedom)에 결합하는데 광학 픽터들 또는 회절 옵틱스들이 사용될 수 있다. 센서 또는 센서 영역은 방사 패턴에 의존하는 방출 에너지의 공간 분포를 검출하도록 구성되는 다수의 서브-센서들을 포함할 수 있다. 상이한 방출 에너지들 및/또는 스펙트럼 범위들을 방출하는 발광성 태그들은 상이한 방사 패턴들을 형성할 수 있다. 센서 또는 센서 영역은 다수의 마커들 중에서 마커를 식별하는데 사용될 수 있는 방출 에너지의 공간 분포에 대한 정보를 검출할 수 있다.
샘플 웰(2-110)에서의 샘플로부터의 방출 에너지는 센서(2-122)에 의해 검출되고 적어도 하나의 전기적 신호로 변환될 수 있다. 이러한 전기적 신호들은 기기(2-120)의 회로에서 도전 라인들을 따라 송신되고 처리 디바이스(2-123) 및/또는 컴퓨팅 디바이스(2-130)에 의해 처리 및/또는 분석될 수 있다.
도 2b는 어세이 칩(2-110)의 평면도 및 센서 칩(2-260)의 평면도이고, 2개의 칩들의 픽셀들 사이의 대응관계를 도시한다. 어세이 칩(2-110)은 복수의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 도전성 재료(2-221)에 형성되는 샘플 웰(2-111)을 포함한다. 센서 칩(2-260)은 또한 복수의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 기판(2-247)에 또는 그 상에 형성되는 센서(2-121)를 포함한다. 도 2b에서의 화살표들은 어세이 칩(2-110)의 픽셀들 중 2개와 센서 칩(2-260)의 픽셀들 중 2개 사이의 대응관계를 도시한다. 명확성을 위해 도시되지는 않았지만, 어세이 칩(2-110)의 각각의 픽셀은 센서 칩(2-260)의 픽셀과 관련된다.
어세이 칩(2-110)의 단일 픽셀 및 센서 칩(2-260)의 단일 픽셀과 관련된 일부 컴포넌트들의 개요가 도 2c에 도시된다. 장치(2-100)는 어세이 칩(2-110) 및 기기(2-120) 양자 모두를 포함한다. 일부 실시예들에서, 어세이 칩(2-110)은 단일 시료의 분석을 위해 설계된 1회용 칩이다. 어세이 칩(2-110)은 하나 이상의 금속층들(2-221), 하나 이상의 유전체층들(2-225) 및 포커싱 소자들(2-227)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 금속층(2-221)은 층들의 스택을 포함하고, 그 중 일부는 흡수층들을 포함할 수 있다. 기기(2-120)는 하나 이상의 여기 소스들(2-250), 적어도 하나의 다색성 미러(2-230), 및 센서 칩(2-260)을 포함하고, 이는 필터링 소자들(2-241), 기판(2-247)에 있는 또는 그 상에 있는 스펙트럼 분류 소자들(2-243), 포커싱 소자들(2-245) 및 적어도 하나의 센서(2-122)를 포함할 수 있다. 도 2c는 어세이 칩(2-110)의 단일 픽셀 및 센서 칩(2-260)의 단일 픽셀만을 도시하지만, 여기 소스(2-250), 다색성 미러(2-230), 및 필터링 소자들(2-241)와 같은 기기(2-120)의 일부 컴포넌트들은 복수의 픽셀들에 공통일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 단일 여기 소스(2-250) 및 다색성 미러(2-230)는 여기 에너지를 어세이 칩(2-110)의 모든 픽셀에 지향시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 시료는 혈액, 소변 또는 타액과 같은, 신체상 유체를 포함할 수 있다. 금속층(2-221) 내의 샘플 웰(2-211)은 시료로부터의 샘플이 진입하기 위한 샘플 볼륨을 형성한다. 샘플 웰(2-211)의 단부에서의 개구들은 나노개구로서 언급될 수 있다. 나노개구는 여기 소스(2-250)에 의해 방출된 여기 에너지(2-251)의 파장보다 작은 폭을 가질 수 있다. 샘플로서 언급된, 시료의 일부가 샘플 웰(2-211)에 의해 정의되는 샘플 볼륨에 진입할 수 있다. 샘플은 시료에 존재하는 임의의 입자, 분자, 단백질, 유전 형질 또는 임의의 다른 샘플일 수 있다.
여기 소스(2-250)는 여기 에너지(2-251)를 방출하고, 이는 샘플을 조광시키기 위해 샘플 웰(2-211)을 향하여 지향된다. 일부 실시예들에서, 여기 소스(2-251)는 어세이 칩(2-110)의 모든 픽셀에 대해 여기 에너지를 제공하는 단일 광원일 수 있다. 다색성 미러(2-230)는 여기 소스(2-250)로부터의 광을 반사하고, 여기 에너지(2-251)를 어세이 칩(2-110)의 하나 이상의 샘플 웰들(2-211)을 향하여 지향시킨다. 따라서, 일부 실시예들에서는, 각각의 픽셀이 자기 자시의 다색성 미러와 관련되기 보다는 오히려, 모든 샘플 웰들을 향하여 여기 에너지를 지향시키는 단일 다색성 미러(2-230)만이 존재할 수 있다. 유사하게, 여기 에너지를 샘플 웰들(2-211)을 향하여 지향시키는데 사용되는 다른 광학 소자들 사이에 하나 내지 많은 관계성이 존재할 수 있다.
동심원 원형 격자(2-223)가 샘플 웰(2-211)의 바닥부 나노개구에 인접하여 형성될 수 있다. 동심원 원형 격자(2-223)는 금속층(2-221)의 바닥면으로부터 돌출할 수 있다. 샘플 웰(2-211)은 원형 격자(2-223)의 중심에 또는 그 근처에 위치될 수 있다. 샘플 웰(2-211)의 나노개구 및 동심원 원형 격자(2-223)의 서브-파장 스케일 양자 모두는, 샘플 웰(2-211)에서 여기 에너지의 강도를 증가시키는 필드 강화 효과를 생성하여, 샘플 웰(2-211)에 존재하는 샘플로의 여기 에너지의 증가된 결합을 초래한다. 적어도 일부 시간, 샘플은 여기 에너지로부터 광양자를 흡수하고, 여기 에너지(2-251)의 것 미만의 에너지로 광양자("방출 에너지"(2-253)으로서 언급됨)를 방출한다. 방출 에너지(2-253)는 하향 방향으로 방출될 수 있다. 원형 격자(2-223)는 방출 에너지(2-253)의 확장을 감소시키고 방출 에너지(2-253)를 관련된 센서를 향해 지향시키는데 사용될 수 있는 플라즈몬 소자로서 역할을 한다.
방출 에너지(2-253)는 유전체층(2-225)을 통과하고, 이는 방출 에너지(2-253)가 일부 거리를 전파하게 하는데 사용되는 스페이서층일 수 있다. 유전체층(2-225)은 또한 어세이 칩(2-110)에 구조적 강도를 제공할 수 있다. 방출 에너지(2-253)는 다음으로 기기(2-120) 내의 센서 칩(2-2260)의 관련된 픽셀에서 방출 에너지(2-253)를 센서(2-122)로 더욱 지향시키는데 사용되는 하나 이상의 포커싱 소자들(2-227)을 통과한다.
다색성 미러(2-230)는 다음으로 방출 에너지(2-253)를 전송하고, 어세이 칩(2-110)으로부터 반사된 임의의 여기 에너지(2-251)의 일부를 반사한다. 어세이 칩(2-110)에 의해 반사되지 않은 여기 광의 일부는 어세이 칩을 통해 전송되거나 또는 어세이 칩에 의해 흡수된다. 어세이 칩(2-110)에 의해 반사되고 다색성 미러(2-230)에 의해 반사되지 않은 여기 에너지(2-251)의 양을 더욱 감소시키기 위해, 필터링 소자들(2-241)은 센서 칩(2-260)을 향해서 광 경로에 배치될 수 있다. 필터링 소자들(2-241)은, 제한이 아닌 예로써, 광대역 필터, 노치 필터, 또는 에지 필터를 포함할 수 있고, 이들은 방출 에너지(2-253)를 전송하지만, 여기 에너지(2-251)를 흡수 및/또는 반사한다.
실시예들에서, 샘플 웰(2-211)에서 마커의 아이덴티티를 결정하는데 방출 에너지(2-253)의 스펙트럼 속성을 사용하는 것을 용이하게 하기 위해, 스펙트럼 분류 소자들(2-243)은 방출 에너지(2-253)가 지나가는 방향에 방출 에너지(2-253)의 스펙트럼 자유도를 결합하기 위해 센서 칩(2-260) 상에 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장의 방출 에너지(2-253)를 제1 방향으로 그리고 제2 파장의 방출 에너지(2-253)를 제2 방향으로 지향시키는데 회절 광학 소자가 사용될 수 있다. 하나 이상의 포커싱 소자들(2-245)은 센서(2-122) 상에 스펙트럼 분류된 광을 지향시키는데 사용될 수 있다. 센서(2-122)는 하나 이상의 서브-센서들(도시되지 않음)을 포함할 수 있고, 그 각각은 스펙트럼 분류 소자(2-243)에 의한 상이한 파장들의 광의 재지향에 기초하는 방출 에너지(2-253)의 상이한 파장과 관련된다.
도 2c의 상기 설명은 일부 실시예들에 따른 장치의 컴포넌트들의, 반드시 전부는 아니지만, 일부의 개요이다. 일부 실시예들에서, 도 2c의 하나 이상의 소자들은 없거나 또는 상이한 위치에 있을 수 있다. 어세이 칩(2-210) 및 기기(2-220)의 컴포넌트들이 이하 보다 상세히 설명된다.
어세이 칩(2-110)과 기기(2-120)는 기계적으로 정렬되고, 서로 분리가능하게 결합되고, 분리될 수 있다. 기기(2-120)는 기기 하우징을 포함할 수 있으며, 그 내부에는 마운팅 보드(2-405)가 배치된다. 도 2d는 기기(2-120)의 마운팅 보드(2-405) 상에 포함될 수 있는 컴포넌트들의 적어도 일부를 도시한다. 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있는 마운팅 보드(2-405)는, 센서 칩(2-260)(도 2d에는 도시되지 않음), 히트 싱크(2-407), 및 이에 탑재된 광 하우징(2-401)을 가질 수 있다. 기기(2-120)의 상이한 광 컴포넌트들이 광 하우징(2-401) 내에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기기 하우징과 마운팅 보드는 임의의 적합한 사이즈일 수 있다. 예를 들어, 마운팅 보드는 7-8"의 직경을 갖는 실질적으로 원형일 수 있다.
어세이 칩(2-110)은 광 하우징(2-401) 내의 광 컴포넌트들과의 정렬을 보장하도록 광 하우징(2-401)에 결합된다. 칩 홀더 프레임(3-102)은 광 하우징(2-401)의 개구부와 정렬될 수 있다. 바람직하게는, 어세이 칩(2-110)이 기기(2-120)에 분리가능하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 마그네틱 실린더들과 같은, 임의의 적합한 형상의 마그네틱 컴포넌트들(2-403a 내지 2-403b)는, 여기 에너지가 그를 통해 광 하우징(2-401)을 벗어나는 광 하우징(3-401)의 주변에 놓여질 수 있다. 추가적으로, 마그네틱 컴포넌트들(2-403a 내지 2-403c)은 칩 홀더 프레임(3-102)이 개구부와의 정렬로 유지되도록 캘리브레이션될 수 있다. 칩 홀더 프레임은 정렬 실린더들을 사용하여 미크론-레벨 정확도로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 3개의 마그네틱 실린더들(2-403a 내지 2-403b)이 칩 홀더 프레임 정렬을 생성하는데 사용된다. 그러나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니며, 정렬된 구성에서 칩을 제자리에 유지하기 위해 임의의 적합한 수의 마그네틱, 스프링-로드형, 공압형 또는 다른 이러한 컴포넌트들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 칩 홀더 프레임(3-102)은 스프링, 공기 압력 또는 진공으로부터의 흡입과 같은, 논-마그네틱 소자로 제자리에 유지될 수 있다. 선택적으로, 칩 홀더 프레임(3-102)은 광 블록과 정렬하여 칩을 배치하는데 적합한 임의의 딱딱한 재료를 사용하여 구성될 수 있다.
본 출원의 일부 양상들에 따르면, 칩이 시스템에 결합될 때, 샘플 웰들과 센서들 사이의 거리가 작게 유지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰들과 센서들 사이의 광학적 거리는 30 cm 미만, 10 cm 미만, 5 cm 미만, 또는 1 cm 미만일 수 있다.
III. 어세이 칩
일부 실시예들에서, 어세이 칩(2-110)은 어떠한 액티브 전자 컴포넌트들도 포함하지 않는다. 각각의 픽셀에 대해 여기 소스(2-250) 및 센서(2-122) 양자 모두가 기기(2-120)에서의 칩 밖에 위치된다.
일부 실시예들에서, 어세이 칩(2-110)은 도 3aa에 도시된 바와 같이 칩 홀더 프레임(3-102)에 하우징될 수 있다. 칩 홀더 프레임(3-102)은 1회용일 수 있고, 단일 사용 이후 어세이 칩(2-110)과 함께 폐기될 수 있다. 어세이 칩(2-110)은 도 3ab에 도시된 바와 같이, 칩 홀더 프레임(3-102)의 하부측 상에 놓일 수 있다. ]칩 홀더 프레임(3-102)은 철과 같은 임의의 적합한 강자성 급속을 포함할 수 있어, 광 하우징(2-401)에 고정된 마그네틱 컴포넌트들(2-403a 내지 2-403b)는 칩 홀더 프레임(3-102)을 홀드키고고, 따라서, 어세이 칩(2-110)을 제자리에 홀드시킨다. 일부 실시예들에서, 칩 홀더 프레임(3-102)은 도 2d에 도시된 바와 같이 같이 광 하우징(2-401)의 상단 표면에 부착될 수 있다.
다른 실시예들에서는, 도 3ac에 도시되듯이, 어세이 칩이 칩 홀더 프레임(3-102)의 상단 표면에 부착될 수 있다. 플라스틱 캡(3-103)은 어세이 칩(2-110)의 픽셀 어레이가 플라스틱 캡(3-103)에서의 개구부를 통해 노출되도록 어세이 칩(2-110)을 둘러싼다. 어세이 칩(2-110)의 사용자는 시료를 플라스틱 캡(3-103)의 개구 내에 둘 수 있다. 어세이 칩(2-110)의 상단 표면과 접촉하는 것에 의해, 시료 내의 샘플은 분석을 위해 어세이 칩(2-110)의 복수의 픽셀들 중 하나 이상에 도입될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 강요된 유동을 통해 샘플의 부분들을 픽셀들에 전달하기 위한 디바이스 또는 유동성 채널들이 필요없다.
A. 샘플 웰
도 2c에, 그리고 도 3b에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 일부 실시예들은 어세이 칩(2-110)의 하나 이상의 픽셀들에 형성되는 샘플 웰(2-211)을 포함한다. 샘플 웰은 금속층(2-221) 내에 형성되고 어세이 칩(2-110) 표면 상에 퇴적되는 시료로부터 샘플 웰의 내외로 샘플들이 확산할 수 있도록 배열되는 작은 볼륨 또는 영역을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 샘플 웰(2-211)은 여기 소스(2-250)로부터의 여기 에너지를 수신하도록 배열될 수 있다. 샘플 웰 안으로 확산하는 샘플들은, 일시적으로 또는 영구적으로, 피착체(3-211)에 의해 샘플 웰의 여기 영역(3-215) 내에 유지될 수 있다. 여기 영역에서, 샘플은 여기 에너지(예를 들어, 여기 광(3-245))에 의해 여기될 수 있고, 그 후 샘플을 특징화하기 위해 관찰되고 평가될 수 있는 에너지를 방출할 수 있다.
동작을 더 상세히 설명하면, 분석될 적어도 하나의 샘플(3-101)이, 예를 들어, 샘플들의 유체 현탁액을 포함하는 시료(도시되지 않음)로부터, 샘플 웰(2-211)로 도입될 수 있다. 기기(2-120)에서의 여기 소스(2-250)로부터의 여기 에너지(3-245)는, 샘플이 샘플 웰 내의 여기 영역(3-215) 내에 있는 동안 샘플 또는 샘플에 부착된 또는 달리 샘플과 관련된 적어도 하나의 태그(생물학적 마커, 리포터, 또는 프로브로도 언급됨)를 여기시킬 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 태그는 발광성 분자(예를 들어, 발광성 태그 또는 프로브) 또는 양자점일 수 있다. 일부 구현들에서는, 샘플을 분석하는데 사용되는 하나보다 많은 태그가 존재할 수 있다((예를 들어, 참고로 포함되는, Science 323, 133 페이지(2009)의, J. Eid 등이 저술한 "Real-Time DNA Sequencing from Single Polymerase Molecules", 에 설명된 단일 분자 유전자 서열분석에 사용되는 별개의 태그들). 여기 동안에 그리고/또는 여기 후에, 샘플 또는 태그는 방출 에너지를 방출할 수 있다. 다수의 태그들이 사용되는 경우, 이들은 상이한 특성 에너지들에서 방출하고/하거나(그리고 따라서 상이한 파장들을 가짐) 상이한 시간 특성들로 방출할 수 있다. 샘플 웰(2-211)로부터의 방출들은 기기(2-120) 상의 센서(2-122)에 방사될 수 있고, 이들은 검출되어 샘플을 특징하는데 사용될 수 있는 전기 신호들로 변환된다.
일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰(2-211)은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 부분적으로 둘러싸인 구조체(partially enclosed structure)일 수 있다. 일부 구현들에서, 샘플 웰(2-211)은 적어도 하나의 재료층에 형성된 1미크론 미만 사이즈의(sub-micron-sized) 홀 또는 개구(적어도 하나의 가로 치수 Dsw로 특징화됨)(2-221)를 포함한다. 샘플 웰의 가로 치수는 일부 실시예들에 따르면 대략 20 나노미터와 대략 1 미크론 사이일 수 있지만, 일부 구현들에서는 더 크고 더 작은 사이즈들이 사용될 수 있다. 샘플 웰(2-211)의 체적은 일부 구현들에서 약 10-21 리터와 약 10-15 리터 사이일 수 있다. 샘플 웰은 전파 모드를 지원할 수 있는, 또는 지원하지 않을 수 있는 도파관으로서 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰은 직경(또는 최대 가로 치수)이 Dsw인 실린더형 형상(또는 유사 형상)을 갖는 제로-모드 도파관(zero-mode waveguide)(ZMW)으로서 형성될 수 있다. ZMW는 해당 홀을 통하여 전파 광학 모드를 지원하지 않는 나노스케일 홀로서 단일 금속층에 형성될 수 있다.
샘플 웰(2-211)은 작은 체적을 갖기 때문에, 샘플들이 자연 환경들에서 발견되는 것들과 유사한 농도로 검사되는 시료에 집중될 수 있을지라도 각 픽셀에서 단일 샘플 이벤트들(예를 들어, 단일 분자 이벤트들)의 검출이 가능할 수 있다. 예를 들어, 어세이 칩과 접촉하여 배치되는 시료에 마이크로몰 농도(micromolar concentrations)의 샘플이 존재할 수 있지만, 픽셀 레벨에서만이다. 통계적으로, 어세이(2-110)의 샘플 웰들은 그들이 대부분 하나의 샘플도 포함하지 않거나 또는 하나의 샘플을 포함하도록 사이징되어, 단일 분자 분석이 가능할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서는 샘플 웰들의 30-40%가 단일 샘플을 포함한다. 그러나, 샘플 웰들은 하나보다 많은 샘플을 포함할 수 있다. 단일 분자 또는 단일 샘플 이벤트들이 각 픽셀에서 분석될 수 있기 때문에, 어세이 칩은 그렇지 않으면 앙상블 평균화된 측정들(ensemble averaged measurements)에서는 간과될 수도 있는 희귀한 이벤트들의 검출을 가능하게 한다.
샘플 웰의 가로 치수 Dsw는 일부 실시예들에서는 약 500나노미터(nm)와 약 1미크론 사이, 일부 실시예들에서는 약 250nm와 약 500nm 사이, 일부 실시예들에서는 약 100nm와 약 250nm 사이, 그리고 또 일부 실시예들에서는 약 20nm와 약 100nm 사이일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰의 가로 치수는 대략 80nm와 대략 180nm 사이, 또는 여기 파장 또는 방출 파장의 대략 1/4과 1/8 사이이다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰의 가로 치수는 대략 120nm와 대략 170nm 사이이다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰(2-211)의 깊이 또는 높이는 약 50nm와 약 500nm 사이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰(2-211)의 깊이 또는 높이는 약 80nm와 약 200nm 사이일 수 있다.
파장 미만의(sub-wavelength) 가로 치수를 갖는 샘플 웰(2-211)은 적어도 2개의 점에서 어세이 칩(2-110)의 픽셀(2-100)의 동작을 개선할 수 있다. 예를 들어, 시료에 대향하는 측으로부터 샘플 웰에 입사되는 여기 에너지(3-245)는 지수적으로 감쇠하는 파워로 여기 영역(3-215)에 결합되고, 샘플 웰을 통하여 시료에 전파되지 않을 수 있다. 그 결과, 여기 에너지는 여기 영역에서는 증가되어 관심 샘플을 여기시키고, 시료에서는 감소되어 배경 잡음에 기여할 수 있는 다른 샘플들을 여기시킬 수 있다. 또한, 웰의 베이스(base)에 유지된 샘플로부터의 방출이 바람직하게는 기기(2-120) 상의 센서를 향하여 지향되는데, 그 이유는 방출이 샘플 웰을 통하여 위로 전파될 수 없기 때문이다. 이러한 효과들 양자 모두는 픽셀에서의 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다. 본 발명자들은 픽셀에서의 신호 대 잡음 레벨들을 더 증가시키도록 개선될 수 있는 샘플 웰의 몇몇 양상들을 인식하였다. 이러한 양상들은 웰 형상 및 구조에 관련되고, 여기 에너지를 샘플 웰로의 여기 에너지 및 샘플 웰로부터의 방출된 방사의 결합하는데 도움을 주는 인접한 광학 및 플라즈몬 구조체들(아래 설명됨)에 대한 배치에도 관련된다.
일부 양상들에 따르면, 샘플 웰(2-211)은 서브-컷오프 나노 개구(sub-cutoff nano-aperture)(SCN)로 형성될 수 있고, 이는 전파 모드를 지원하지 않는다. 예를 들어, 샘플 웰(2-211)은 도전층(2-221)에 실린더형 형상의 홀 또는 보어(bore)를 포함할 수 있다. 샘플 웰의 단면이 원형일 필요는 없고, 일부 실시예들에서는 타원형, 정사각형, 직사각형, 또는 다각형일 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 여기 에너지(3-245)(예를 들어, 가시 또는 근적외 방사)는 샘플 웰의 제1 단부에서 샘플 웰(2-211)의 벽들(3-214)에 의해 정의될 수 있는 입구 개구(3-212)를 통하여 샘플 웰에 들어갈 수 있다. SCN으로서 형성될 때, 여기 에너지(3-245)는 SCN을 따라 지수적으로 감쇠할 수 있다. 일부 구현들에서, 도파관은 샘플로부터의 방출된 에너지에 대한 SCN을 포함할 수 있지만, 여기 에너지에 대한 SCN은 아닐 수 있다. 예를 들어, 샘플 웰에 의해 형성된 개구 및 도파관은 여기 에너지에 대한 전파 모드를 지원하기에 충분히 클 수 있는데, 그 이유는 그것이 방출된 에너지보다 짧은 파장을 가질 수 있기 때문이다. 더 긴 파장에서의 방출은 도파관에서의 전파 모드에 대한 차단 파장(cut-off wavelength)을 넘어설 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰(2-211)은 여기 에너지(3-245)에 대한 SCN을 포함할 수 있고, 따라서 여기 에너지의 최대 강도는 샘플 웰(2-211)로의 입구에서 샘플 웰의 여기 영역(3-215)으로 국한(localize)된다(예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이 층(3-235)과 층(2-221) 사이의 계면 부근에 국한된다). 여기 에너지의 이러한 국한은 샘플로부터의 방출 에너지 밀도를 증가시킬 수 있고, 입구 개구(3-212) 근처로 여기 에너지를 더욱 한정할 수 있고, 이에 의하면 관찰되는 방출을 단일 샘플(예를 들어, 단일 분자)에 제한할 수 있다.
SCN을 포함하는 샘플 웰의 입구 부분에서의 여기 국한의 예가 도 3c에 도시된다. SCN으로서 형성된 샘플 웰(2-211) 내의 그리고 그 부분의 여기 에너지의 강도를 결정하기 위해 수치 시뮬레이션이 수행되었다. 결과는 여기 에너지의 강도가 샘플 웰의 입구 개구에서는 입사 에너지의 약 70%이고 샘플 웰 내의 약 100nm 이내에 입사 강도의 약 20%까지 떨어지는 것을 보여준다. 이 시뮬레이션에 대해, 여기 에너지의 특성 파장은 633nm이었고 샘플 웰(2-211)의 직경은 140nm이었다. 샘플 웰(2-211)은 금 금속층에 형성되었다. 그래프에서 각각의 수평 분할은 50nm이다. 그래프에 의해 도시된 바와 같이, 샘플 웰에 수신된 여기 에너지의 1/2 초과가 샘플 웰(2-211)의 입구 개구(3-212) 내의 약 50nm로 국한된다.
샘플 웰(2-211)에서 국한되는 여기 에너지의 강도를 개선하기 위해, 본 발명자들에 의해 다른 샘플 웰 구조체들이 개발되고 연구되었다. 도 3d는 샘플 웰(2-211)의 여기 단부에 공동 또는 디봇(3-216)을 포함하는 샘플 웰의 일 실시예를 도시한다. 도 3c의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 샘플 웰의 입구 개구(2-212)의 바로 앞에 더 높은 여기 강도의 영역이 존재한다. 디봇(3-216)을 샘플 웰(2-211)에 부가하는 것은, 일부 실시예들에 따르면, 샘플이 더 높은 여기 강도의 영역으로 들어가는 것을 가능하게 한다. 일부 구현들에서, 디봇의 형상 및 구조는 국소 여기 필드(local excitation field)을 변경하고(예를 들어, 층(3-235)과 샘플 웰 내의 유체 간의 굴절률의 차이 때문에), 디봇에서 여기 에너지의 강도를 더욱 증가시킬 수 있다.
디봇은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 디봇은 샘플 웰의 가로 형상과 실질적으로 동등한 가로 형상을 가질 수 있다(예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각혀아, 다각형, 등등). 일부 실시예들에서, 디봇의 측벽들은, 샘플 웰의 벽들처럼, 실질적으로 곧고 수직일 수 있다. 일부 실시예들에서, 디봇의 측벽들은, 도면에 도시된 바와 같이, 경사질 수 있고/있거나 만곡될 수 있다. 디봇의 가로 치수는 일부 실시예들에서는 샘플 웰의 가로 치수와 실질적으로 동일한 사이즈일 수 있고, 일부 실시예들에서는 샘플 웰의 가로 치수보다 작을 수 있고, 또는 일부 실시예들에서는 샘플 웰의 가로 치수보다 클 수 있다. 디봇(3-216)은 샘플 웰의 금속층(2-221)을 넘어서 대략 10nm 내지 대략 200nm 연장될 수 있다. 일부 구현들에서, 디봇은 샘플 웰의 금속층(2-221)을 넘어서 대략 50nm 내지 대략 150nm 연장할 수 있다. 디봇을 형성함으로써, 여기 영역(3-215)은, 도 3d에 도시된 바와 같이, 샘플 웰의 금속층(2-221) 밖으로 연장할 수 있다.
도 3e는 (왼쪽 시뮬레이션 이미지에 도시된) 디봇을 포함하는 샘플 웰에 대한 여기 영역에서의 여기 에너지의 개선을 도시한다. 비교를 위해, 여기 필드는 오른쪽에 도시된, 디봇이 없는 샘플 웰에 대해서도 시뮬레이션된다. 장 규모(field magnitude)는 이 플롯들에서 연색(color rendering)으로부터 변환되었고, 디봇의 베이스에 있는 어두운 영역은 샘플 웰 내의 밝은 영역보다 더 높은 강도를 나타낸다. 샘플 웰 위의 어두운 영역들은 가장 낮은 강도를 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 디봇은 샘플(3-101)이 더 높은 여기 강도의 영역으로 이동하는 것을 가능하게 하고, 디봇은 또한 샘플 웰의 여기 단부에서 가장 높은 강도의 영역의 국한을 증가시킨다. 높은 강도의 영역은 디봇이 없는 샘플 웰에 대해서는 더 많이 분포된다는 점에 주목한다. 일부 실시예들에서, 디봇(3-216)은 여기 영역에서 2배 이상의 여기 에너지의 증가를 제공한다. 일부 구현들에서는, 디봇의 형상 및 길이에 따라 2배보다 더 많은 증가를 얻을 수 있다. 이러한 시뮬레이션들에서, 샘플 웰은 100nm 두께의 Al의 층과, 50nm 깊이의 디봇을 포함하고, 여기 에너지의 파장은 635nm이다.
도 3f는 샘플 웰과 디봇이 기판의 표면에 있는 돌출부(3-615)를 사용하여 형성되는 샘플 웰(2-211)의 또 다른 실시예를 도시한다. 샘플 웰에 대한 결과의 구조는 샘플에서의 여기 에너지를 도 3b에 도시된 샘플 웰에 비하여 2배보다 더 많이 증가시킬 수 있고, 샘플 웰로부터의 방출을 기기(2-120에서의 센서로 지향시킬 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 재료층(3-610)에 돌출부(3-615)가 패터닝된다. 돌출부는 일부 구현들에서 원형 토대(circular pedestal)로서 형성될 수 있고, 제1 층과 돌출부 위에 제2 층(3-620)이 퇴적될 수 있다. 돌출부에서, 제2 층은, 도시된 바와 같이, 돌출부 위에 실린더형 부분(cylindrical portion)(3-625)과 근사한 형상을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 층(3-620) 위에 도전층(3-230)(예를 들어, 반사성 금속)이 퇴적되고 돌출부 위에 도전층에 샘플 웰(3-210)을 형성하도록 패터닝된다. 그 후 제2 층 내로 디봇(3-216)이 에칭될 수 있다. 디봇은 도전층(3-230) 아래로 약 50nm 내지 약 150nm 연장할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 층(3-610)과 제2 층(3-620)은 광학적으로 투명할 수 있고, 동일한 재료로 형성될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 일부 구현들에서, 제1 층(3-610)은 산화물(예를 들어, SiO2) 또는 질화물(예를 들어, Si3N4)로 형성될 수 있고, 제2 층(3-620)은 산화물 또는 질화물로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 돌출부(3-625) 위의 도전층(3-230)은 대략 구형 반사체(spherical reflector)(3-630)로서 성형(shape)될 수 있다. 구형 부분의 형상은 돌출부 높이 h, 돌출부의 직경 또는 가로 치수 w, 및 제2 층(3-620)의 두께 t의 선택에 의해 제어될 수 있다. 여기 영역의 위치 및 샘플의 위치는 디봇 깊이 d의 선택에 의해 구형 반사체의 광학 초점에 관하여 조절될 수 있다. 구형 반사체(3-630)는 여기 에너지를 여기 영역(3-215)에 집중시킬 수 있고, 또한 샘플로부터 방출된 방사를 수집하고 그 방사를 반사하여 센서(3-260) 쪽으로 집중시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 샘플 웰은 임의의 적합한 형상으로 형성될 수 있고, 실린더형 형상으로만 제한되지 않는다. 일부 구현들에서, 샘플 웰은 원추형, 사면체, 오면체, 등등일 수 있다. 도 3ga 내지 도 3gf는 일부 실시예들에서 사용될 수 있는 일부 예시적인 샘플 웰 형상들 및 구조체들을 예시한다. 샘플 웰(2-211)은, 일부 실시예들에 따르면, 여기 에너지에 대한 제2 개구(2-218) 보다 큰 제1 개구(2-212)를 갖도록 형성될 수 있다. 샘플 웰의 측벽들은 테이퍼되거나 만곡될 수 있다. 샘플 웰을 이런 식으로 형성하는 것은 더 많은 에너지를 여기 영역에 수용할 수 있지만, 그럼에도 시료 쪽으로 이동하는 여기 에너지를 상당히 감쇠시킬 수 있다. 또한, 샘플에 의해 방사된 방출은 우선적으로 더 큰 개구를 갖는 샘플 웰의 단부 쪽으로 방사될 수 있는데, 그 이유는 그 방향으로의 에너지 전달이 유리하기 때문이다.
일부 실시예들에서, 도 3gb에 도시된 바와 같이, 디봇(3-216)은 샘플 웰의 베이스보다 더 작은 가로 치수를 가질 수 있다. 디봇을 에칭하기 전에 희생층으로 샘플 웰의 측벽들을 코팅하고, 그 후 희생층을 제거하는 것에 의해 더 작은 디봇이 형성될 수 있다. 더 작은 디봇은 샘플 웰의 도전성 벽들로부터 더 등거리인 영역에 샘플을 유지하기 위해 형성될 수 있다. 샘플 웰의 벽들로부터 등거리에 샘플을 유지하는 것은 방사하는 샘플에 대한 샘플 웰 벽들의 바람직하지 않은 효과들, 예를 들어, 방출의 ??칭(quenching) 및/또는 방사 수명의 변경을 감소시킬 수 있다.
도 3gc 및 도 3gd는 샘플 웰의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에 따르면, 샘플 웰(2-211)은 여기-에너지-향상 구조체들(3-711) 및 여기-에너지-향상 구조체들에 인접하여 형성된 피착체(3-211)를 포함할 수 있다. 여기-에너지-향상 구조체들(3-711)은, 일부 실시예들에 따르면, 광학적으로 투명한 층(3-235) 상에 도전성 재료들에 형성된 표면 플라즈몬 또는 나노-안테나 구조체들을 포함할 수 있다. 도 3gc는 샘플 웰(2-211) 및 인근의 구조체의 정면도를 도시하고, 도 3gd는 평면도를 도시한다. 여기-에너지-향상 구조체들(3-711)은 작은 국한된 영역에서의 여기 에너지를 향상시키도록 성형 및 배열될 수 있다. 예를 들어, 이 구조체들은 샘플 웰에 여기 영역(3-215) 내의 여기 에너지의 강도를 증가시키는 예각을 갖는 뾰족한 도체들을 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 여기-에너지-향상 구조체들(3-711)은 나비-넥타이의 형태로 이루어져 있다. 영역 내로 확산하는 샘플들(3-101)은, 일시적으로 또는 영구적으로, 피착체(3-211)에 의해 유지될 수 있고 기기(2-120)에 위치되는 여기 소스(2-250)로부터 전달될 수 있는 여기 에너지에 의해 여기될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 여기 에너지는 여기-에너지-향상 구조체들(3-711)에서 표면-플라즈몬 파들을 구동할 수 있다. 결과의 표면-플라즈몬 파들은 구조체들(3-711)의 뾰족한 점들에서 높은 전기장들을 생성할 수 있고, 이 높은 전기장들은 여기 영역(3-215)에 유지된 샘플을 여기시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 3gc에 도시된 샘플 웰(2-211)은 디봇(3-216)을 포함할 수 있다.
샘플 웰의 또 다른 실시예가 도 3ge에 도시되어 있고, 샘플 웰(2-211)의 내부 벽들을 따라 형성된 여기-에너지-향상 구조체(3-720)를 보여준다. 여기-에너지-향상 구조체(3-720)는 금속 또는 도체를 포함할 수 있고, 샘플 웰이 형성된 기판이 퇴적 동안에 회전되는 경사진(또는 섀도우), 방향성 퇴적을 사용하여 형성될 수 있다. 퇴적 동안에, 샘플 웰(2-211)의 베이스는 웰의 상부 벽들에 의해 가려지고, 따라서 퇴적된 재료는 베이스에서 축적되지 않는다. 결과의 구조체(3-720)는 구조체의 바닥에서 예각(3-722)을 형성할 수 있고, 도체의 이러한 예각은 샘플 웰 내의 여기 에너지를 향상시킬 수 있다.
도 3ge에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 샘플 웰이 형성되는 재료(3-232)는 도체일 필요는 없고, 임의의 적합한 유전체일 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 샘플 웰(2-211)과 여기-에너지-향상 구조체(3-720)는 유전체층(3-235) 내로 에칭된 블라인드 홀(blind hole)에 형성될 수 있고, 별도의 층(3-232)이 퇴적될 필요가 없다.
일부 구현들에서, 도 3ge에 도시된 구조체에 대해 후속하여 섀도우 증발(shadow evaporation)을 수행하여, 파선에 의해 도시된 바와 같이, 예를 들어, 사다리꼴 구조체 또는 뾰족한 원추를 퇴적할 수 있다. 에너지-향상 구조체는 표면 플라즈몬들을 통해 웰 내의 여기 에너지를 향상시킬 수 있다. 섀도우 증발 후에, 평탄화 프로세스(예를 들어, 화학-기계 연마 공정 또는 플라스마 에칭 프로세스)를 수행하여 샘플 웰의 상부에 있는 퇴적된 재료를 제거하거나 에치백하면서, 웰 내에 에너지-향상 구조체를 남길 수 있다.
일부 실시예들에서, 샘플 웰(2-211)은 단일 금속층보다 많은 것으로 형성될 수 있다. 도 3gf는 다중층 구조체에 형성된 샘플 웰을 예시하는데, 이 구조체에서는 상이한 층들에 대해 상이한 재료들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰(2-211)은 (반도전성 또는 도전성 재료일 수 있는) 제1 층(3-232), (절연체 또는 유전체일 수 있는) 제2 층(3-234), 및 (도체 또는 반도체일 수 있는) 제3 층(2-221)에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 축퇴형으로 도핑된(degeneratively-doped) 반도체 또는 그래핀이 샘플 웰의 층으로 사용될 수 있다. 일부 구현들에서는, 샘플 웰이 2개의 층에 형성될 수 있고, 다른 실시예들에서는 샘플 웰이 4개 이상의 층에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰을 형성하는데 사용되는 다중층 재료들은 샘플 웰의 베이스에서 표면-플라즈몬 생성을 증가시키거나 웰의 상부에서 표면-플라즈몬 방사를 억제하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰을 형성하는데 사용되는 다중층 재료들은 여기 에너지가 샘플 웰 및 다중층 구조체를 넘어서 벌크 시료로 전파되는 것을 억제하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예들에서, 샘플 웰을 형성하는데 사용되는 다중층 재료들은 샘플 웰에 입사되는 여기 에너지에 의해 생성될 수 있는 계면 여기자들(interfacial excitons)을 증가 또는 억제하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 이중 여기자들(biexcitons) 및 삼중 여기자들(triexitons)와 같은 다중 여기자들(multi-excitons)이 샘플 웰에 인접한 2개의 상이한 반도체층 사이의 계면에서 생성될 수 있다. 샘플 웰은 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이의 계면이 샘플 웰의 여기 영역(3-215)에 있도록 금속층과 제1 반도체층 양쪽 모두에 형성될 수 있다. 계면 여기자들은 단일 반도체층의 체적 내의 여기자들보다 더 긴 수명을 가질 수 있어, 그 여기자들이 FRET 또는 DET를 통해 샘플 또는 태그를 여기시킬 가능성을 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 다중 여기자들이 여기될 수 있는 적어도 하나의 양자점이 샘플 웰의 바닥에 부착될 수 있다(예를 들어, 결합 분자(linking molecule)에 의해). 양자점에서 여기된 여기자들도 단일 반도체층의 체적 내의 여기자들보다 더 긴 수명을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 계면 여기자들 또는 양자점에서 생성된 여기자들이 FRET 또는 DET의 속도를 증가시킬 수 있다.
상기 실시예들에서 설명된 다양한 웰들을 형성하기 위해 다양한 재료들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰(2-211)은, 도전성 재료, 반도체, 및 절연체 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는, 적어도 하나의 재료층(2-221)으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰(2-211)은 높은 도전성의 금속층, 예를 들어, 금, 은, 알루미늄, 구리를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층(2-221)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 티타늄, 티타늄 질화물, 팔라듐, 백금, 및 크롬 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 다중층 스택을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 다른 금속들이 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰은 AlCu 또는 AlSi와 같은 합금을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상이한 금속들 또는 합금들의 다수의 층이 샘플 웰을 형성하는데 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 샘플 웰(2-211)이 형성되는 재료는 금속들 및 비금속들의 교대 층들, 예를 들어, 금속과 하나 이상의 유전체들의 교대 층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비금속은 폴리비닐 포스폰산 또는 폴리에틸렌 글리콜(PEG)-티올과 같은 중합체를 포함할 수 있다.
샘플 웰이 형성되는 층(2-221)은, 일부 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 광학적으로 투명한 층(3-235) 상에 또는 그에 인접하여 퇴적될 수 있고, 따라서 (예를 들어, 가시 또는 근적외 방사의 형태의) 여기 에너지와 (예를 들어, 가시 또는 근적외 방사의 형태의) 방사 에너지가 현저한 감쇠 없이 샘플 웰(2-211)로 그리고 그로부터 이동할 수 있다. 예를 들어, 여기 소스(2-250)로부터의 여기 에너지는 적어도 하나의 광학적으로 투명한 층(2-235)을 통과하여 여기 영역(3-215)으로 이동할 수 있고, 샘플로부터의 방출은 동일한 층 또는 층들을 통과하여 센서(2-250)로 이동할 수 있다.
일부 실시예들에서, 샘플 웰(2-211)의 적어도 하나의 표면은, 도 3h에 도시된 바와 같이, 샘플 웰 내의 샘플의 작용에 영향을 미치는 하나 이상의 재료층(3-211, 3-280)으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 얇은 유전체층(3-280)(예를 들어, 알루미나, 티타늄 질화물, 또는 실리카)이 샘플 웰의 측벽들 상에 부동태화 코팅으로서 퇴적될 수 있다. 이러한 코팅은 여기 영역(3-215) 밖의 샘플의 샘플 부착을 감소시키기 위해, 또는 샘플 웰(2-211)이 형성되는 재료(2-221)와 샘플 사이의 상호 작용을 감소시키기 위해 구현될 수 있다. 샘플 웰 내의 부동태화 코팅의 두께는, 일부 실시예들에 따르면, 약 5nm와 약 50nm 사이일 수 있다.
일부 구현들에서, 코팅 층(3-280)을 위한 재료는 그 재료에 대한 화학적 작용제(chemical agent)의 친화도(affinity)에 기초하여 선택될 수 있고, 따라서 층(3-280)은 층으로의 샘플 종들의 부착을 더 억제하도록 화학적 또는 생물학적 물질로 처리될 수 있다. 예를 들어, 코팅 층(3-280)은, 일부 실시예들에 따르면, 폴리포스포네이트 부동태화 층으로 부동태화될 수 있는, 알루미나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서는 추가적인 또는 대안적인 코팅들 및 부동태화 작용제들이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰(2-211) 및/또는 디봇(3-216)의 적어도 바닥 표면은 샘플의 유지를 촉진하기 위해 화학적 또는 생물학적 피착체(3-211)(예를 들어, 비오틴)로 처리될 수 있다. 샘플은 영구적으로 또는 일시적으로, 예를 들어, 적어도 약 0.5밀리초와 약 50밀리초 사이의 시간 동안 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 피착체는 더 긴 기간 동안 샘플(3-101)의 일시적 유지를 촉진할 수 있다. 임의의 적합한 피착체가 다양한 실시예들에서 사용될 수 있으며, 비오틴으로 제한되지 않는다.
일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰에 인접한 재료층(3-235)은 그 층의 재료에 대한 피착체의 친화도에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰의 측벽들의 부동태화는 측벽들 상의 피착체의 코팅을 억제할 수 있고, 따라서 피착체(3-211)는 우선적으로 샘플 웰의 베이스에 퇴적된다. 일부 실시예들에서, 피착체 코팅은 샘플 웰의 측벽들의 일부 위로 연장될 수 있다. 일부 구현들에서, 피착체는 이방성 물리 퇴적 프로세스(예를 들어, 증발, 스퍼터링)에 의해 퇴적될 수 있고, 따라서 피착체는 샘플 웰 또는 디봇의 베이스에 축적되고 샘플 웰의 측벽들에는 상당히 형성되지 않는다.
어세이 칩을 위한 샘플 웰들(2-211)을 제조하기 위해 다양한 제조 기술들이 사용될 수 있다. 몇 개의 예가 아래에 설명되지만, 본 발명은 이러한 예들로만 제한되지 않는다.
샘플 웰(2-211)은 임의의 적합한 마이크로- 또는 나노-제조 프로세스에 의해 형성될 수 있는데, 그 프로세스는 포토리소그래피, 원자외선 포토리소그래피(deep-ultraviolet photolithography), 액침 포토리소그래피(immersion photolithography), 근거리장 광 접촉 포토리소그래피(near-field optical contact photolithography), EUV 리소그래피, x선 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography), 간섭측정 리소그래피(interferometric lithography), 스탭-앤-플래시 리소그래피(step-and-flash lithography), 다이렉트-라이트 전자 빔 리소그래피(direct-write electron beam lithography), 이온 빔 리소그래피(ion beam lithography), 이온 빔 밀링(ion beam milling), 리프트-오프 처리(lift-off processing), 반응성 이온 에칭(reactive-ion etching), 분자 자체-어셈블리, 유기 합성 등과 관련된 처리 공정들을 포함할 수 있지만, 이들에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰(2-211)은 포토리소그래피 및 리프트-오프 처리를 사용하여 형성될 수 있다. 샘플 웰의 리프트-오프 처리와 관련된 예시적인 제조 공정들이 도 3i에 도시된다. 픽셀에서 단 하나의 샘플 웰 또는 구조체의 제조가 전형적으로 도면들에 도시되지만, 다수의 샘플 웰들 또는 구조체들이 병행하여 기판 상에(예를 들어, 각 픽셀에서) 제조될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
일부 실시예들에 따르면, 도 3ia에 도시된 바와 같이, 기판 상의 층(3-235)(예를 들어, 산화물층)이 반사 방지(anti-reflection)(ARC) 층(3-910) 및 포토레지스트(3-920)로 커버될 수 있다. 포토레지스트는 포토리소그래피 및 레지스트의 현상을 사용하여 노출 및 패터닝될 수 있다. 레지스트는 (레지스터 종류에 따라) 노출된 부분들 또는 비노출된 부분들을 제거하도록 현상될 수 있으며, 이에 따라, 도 3ib에 도시된 바와 같이, 샘플 웰에 대한 원하는 직경과 대략 같은 직경을 갖는 기둥(3-922)이 남는다. 이러한 기둥의 높이는 샘플 웰의 원하는 깊이보다 클 수 있다.
기둥(3-922)의 패턴은, 예를 들어, 도 3ic에 도시된 바와 같이, 이방성, 반응성 이온 에칭(RIE)을 통해 ARC 층(3-910)으로 전사될 수 있다. 그 영역은 그 후 샘플 웰을 형성하기 위해 원하는 적어도 하나의 재료(2-221), 예를 들어, 도체 또는 금속으로 코팅될 수 있다. 퇴적된 재료, 또는 재료들의 일부가, 도 3id에 도시된 바와 같이, 기둥(3-922) 위에 캡(3-232)을 형성한다. 그 후 레지스트 및 ARC는, 선택적 제거 프로세스를 사용하여(예를 들어, 적어도 레지스트를 용해시키고 캡을 릴리스(release)하거나 "리프트 오프(lifts off)"하는 화학조(chemical bath)를 교반(agitation)과 함께 또는 교반 없이 사용하여) 기판으로부터 박리될 수 있다. ARC가 남아 있다면, 그것은 선택적 에칭을 사용하여 기판으로부터 박리될 수 있고, 이에 따라 도 3ie에 도시된 바와 같은 샘플 웰(3-210)이 남는다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰의 측벽들(3-214)은 적어도 하나의 재료(2-221)의 퇴적 특성으로 인해 경사질 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "선택적 에칭(selective etch)"은 에천트가 제거되거나 에칭되기를 원하는 하나의 재료를, 에천트가 제거되기를 의도하지 않는 다른 재료들을 에칭하는 것보다 더 빠른 속도로(예를 들어, 적어도 2배의 속도로) 선택적으로 에칭하는 에칭 프로세스를 의미한다.
레지스트 및 ARC는 전형적으로 중합체 기반이기 때문에, 이들은 높은 종횡비(aspect ratios)(예를 들어, 높이 대 폭에 관하여 약 2:1보다 큰 종횡비)를 갖는 샘플 웰들을 형성하기에는 적합하지 않을 수 있는 연질 재료들(soft materials)로 간주된다. 더 높은 종횡비를 갖는 샘플 웰들에 대해서는, 리프트-오프 프로세스에서 경질 재료(hard material)가 포함될 수 있다. 예를 들어, ARC 및 포토레지스트를 퇴적하기 전에, 경질(예를 들어, 무기 재료)의 층이 퇴적될 수 있다. 일부 실시예들에서, 티타늄 또는 실리콘 질화물의 층이 퇴적될 수 있다. 경질 재료층은 샘플 웰이 형성되는 재료, 또는 재료들(2-221)에 비해 우선적인 에칭을 보여야 한다. 포토레지스트가 패터닝된 후에, 기둥의 패턴이 ARC 및 하부의 경질 재료(3-930)로 전사될 수 있고 그에 따라 도 3if에 도시된 바와 같은 구조체가 생긴다. 그 후 포토레지스트 및 ARC는 박리되고, 재료(들)(2-221)가 퇴적되고, 리프트-오프 공정을 수행하여 샘플 웰을 형성할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 리프트-오프 프로세스는, 도 3gc 및 도 3gd에 도시된 바와 같이, 에너지-향상 구조체들(3-711)을 포함하는 샘플 웰을 형성하는데 사용될 수 있다.
샘플 웰을 형성하기 위한 대안적인 프로세스가 도 3j에 도시된다. 이 프로세스에서, 샘플 웰은 적어도 하나의 재료(2-211) 내로 직접 에칭될 수 있다. 예를 들어, 샘플 웰이 형성될 적어도 하나의 재료(2-211)가 기판(3-325) 상에 퇴적될 수 있다. 이 층은, 도 3ja에 예시된 바와 같이, ARC 층(3-910) 및 포토레지스트(3-920)로 커버될 수 있다. 포토레지스트는, 도 3jb에 도시된 바와 같이, 샘플 웰의 원하는 직경과 대략 같은 직경을 갖는 홀을 형성하기 위해 패터닝될 수 있다. 홀의 패턴은, 예를 들어 도 3jc에 도시된 바와 같이, 이방성, 반응성 이온 에칭을 사용하여 ARC로 그리고 층(3-230)을 통하여 전사될 수 있다. 레지스트 및 ARC는 박리될 수 있고, 그에 따라 도 3jd에 도시된 바와 같은 샘플이 생성된다. 일부 실시예들에 따르면, 재료층(3-230) 내로 에칭하는 것에 의해 형성된 샘플 웰의 측벽들은 리프트-오프 프로세스의 결과로 생긴 측벽들보다 더 수직일 수 있다.
일부 실시예들에서, 포토레지스트 및 ARC는 재료(2-221) 위에 하드 마스크(예를 들어, 도시되지 않은, 실리콘 질화물 또는 산화물층)를 패터닝하는데 사용될 수 있다. 패터닝된 홀은 그 후 하드 마스크로 전사될 수 있고, 하드 마스크는 그 패턴을 재료층(2-221)으로 전사하는데 사용된다. 하드 마스크는 더 높은 종횡비의 샘플 웰들을 형성하기 위해, 재료층(2-221) 내로 더 큰 에칭 깊이들을 가능하게 할 수 있다.
위에 설명한 리프트-오프 프로세스들 및 직접 에칭 제조 기술들은 샘플 웰이 형성되는 재료(2-211)의 스택을 형성하기 위해 상이한 재료들의 다수의 층이 사용되는 경우 샘플 웰을 형성하는데 사용될 수 있다. 예시적인 스택이 도 2k에 도시된다. 일부 실시예들에 따르면, 재료의 스택은 샘플 웰의 여기 영역으로의 여기 에너지의 결합을 개선하기 위해, 또는 벌크 시료에의 여기 에너지의 송신 또는 재방사를 감소시키기 위해 샘플 웰을 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 층(3-940) 위에 흡수층(3-942)이 퇴적될 수 있다. 제1 층은 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있고, 흡수층은 표면 플라즈몬을 억제하는 재료, 예를 들어, 비정질 실리콘, TaN, TiN, 또는 Cr을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 샘플 웰을 둘러싸는 표면을 부동태화(예를 들어, 분자들의 부착을 억제)하기 위한 표면층(3-944)이 또한 퇴적될 수 있다.
디봇(3-216)을 포함하는 샘플 웰의 형성은 임의의 적합한 방식으로 행해질 수 있다. 일부 실시예들에서, 디봇은 인접층(3-235) 내로, 및/또는 샘플 웰에 인접한, 임의의 중간층 또는 층들 내로 더 에칭하는 것에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 재료층(2-221)에 샘플 웰을 형성한 후에, 그 층(2-221)은, 도 3l에 도시된 바와 같이, 디봇을 패터닝하기 위한 에칭 마스크로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 기판에 대해 디봇(3-216)이 인접층(3-235) 내로 에칭될 수 있도록 선택적, 이방성 반응성 이온 에칭이 수행될 수 있다. 예를 들어, 재료(2-221)가 금속이고 인접층(3-235)이 실리콘 산화물인 실시예에서, 샘플 웰 아래의 노출된 실리콘 산화물을 우선적으로 제거하고 디봇(3-216)을 형성하기 위해 CHF3 또는 CF4를 포함하는 공급 가스를 갖는 반응성 이온 플라스마 에칭이 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "실리콘 산화물(silicon oxide)"은 SiOx를 일반적으로 언급하고, 예를 들어, 실리콘 이산화물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 에칭 동안의 플라스마 내의 조건들(예를 들어, 기판에 대한 바이어스 및 압력)은 디봇(3-216)의 에칭 프로파일을 결정하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 낮은 압력(예를 들어, 약 100mTorr 미만)과 높은 DC 바이어스(예를 들어, 약 20V 초과)에서, 에칭은 매우 이방성일 수 있고, 도면에 도시된 바와 같이, 디봇의 실질적으로 곧고 수직인 측벽들을 형성할 수 있다. 더 높은 압력과 더 낮은 바이어스에서, 에칭은 더 등방성일 수 있고 그에 따라 디봇의 테이퍼된 그리고/또는 만곡된 측벽들이 생성될 수 있다. 일부 구현들에서, 디봇을 형성하기 위해 습식 에칭이 사용될 수 있고, 이는 실질적으로 등방성일 수 있고, 샘플 웰의 측벽들까지 또는 그를 넘어서, 재료(2-221) 아래로 측방으로 연장할 수 있는 실질적으로 구형인 디봇을 형성할 수 있다.
도 3ma 내지 도 3mc는 샘플 웰(2-211)보다 작은 가로 치수를 갖는 디봇(3-216)(예를 들어, 도 3gb에 도시된 것과 같은 디봇)을 형성하는데 사용될 수 있는 프로세스 공정들을 도시한다. 일부 구현들에서, 샘플 웰을 형성한 후에, 샘플 웰을 포함하는 영역 위에 등각의 희생층(3-960)이 퇴적될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이 희생층(3-960)은 기상 증착 프로세스, 예를 들어, 화학 기상 증착법(CVD), 플라스마를 사용한 CVD(plasma-enhanced CVD), 또는 원자층 증착법(ALD)에 의해 퇴적될 수 있다. 희생층은 그 후, 희생층(3-960)에 대해 선택적이고, 수평 표면들로부터 층을 제거하고, 도 3mb에 도시된 바와 같이, 샘플 웰의 벽들에 측벽 코팅들(3-962)을 남기는 제1 이방성 에칭을 사용하여 에치백될 수 있다. 이 에치백은 일부 실시예들에서는 선택적이고 재료(2-221) 및 인접층(3-235)에서 정지할 수 있고, 또는 일부 실시예들에서는 비선택적인, 타이밍된 에치(non-selective, timed etch)일 수 있다.
인접층(3-235)에 대해 선택적인 제2 이방성 에칭을 실행하여, 도 3mc에 도시된 바와 같이 인접층 내로 디봇(3-216)을 에칭할 수 있다. 그 후 임의적으로 희생 측벽 코팅들(3-962)이 선택적 습식 또는 건식 에치에 의해 제거될 수 있다. 측벽 코팅들의 제거는 디봇(3-216)보다 큰 가로 치수를 갖도록 샘플 웰을 개방한다.
일부 실시예들에 따르면, 희생층(3-960)은 인접층(3-235)과 동일한 재료를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 제2 에칭은 디봇이 인접층(3-235) 내로 에칭될 때 측벽 코팅(3-962)의 적어도 일부를 제거할 수 있다. 측벽 코팅의 이러한 에치백은 일부 실시예들에서 디봇의 테이퍼된 측벽들을 형성할 수 있다.
일부 구현들에서, 희생층(3-960)은 샘플 웰의 측벽들을 부동태화하기 위해(예를 들어, 샘플 웰의 측벽들에서의 샘플들의 부착을 감소시키기 위해) 사용되는 재료로 형성되거나, 이러한 재료의 층을 포함할 수 있다. 그 후 디봇의 형성 후에 샘플 웰의 벽들에 층(3-960)의 적어도 일부가 남겨질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 디봇의 형성 후에 측벽 코팅들(3-962)의 형성이 발생한다. 이러한 실시예에서 층(3-960)은 디봇의 측벽들을 코팅한다. 이러한 프로세스는 디봇의 측벽들을 부동태화하고 샘플을 디봇의 중심에 국한시키기 위해 사용될 수 있다.
샘플 웰(2-211)의 베이스의 피착체(3-211), 및 부동태화 층(3-280)을 퇴적하는 것과 관련된 프로세스 공정들이 도 3n에 도시된다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰은 샘플 웰의 측벽들에 제1 부동태화 층(3-280)을 포함할 수 있다. 이 제1 부동태화 층은, 예를 들어, 도 3mb 또는 도 3h와 관련하여 위에 설명된 바와 같이 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 부동태화 층(3-280)은 임의의 적합한 퇴적 프로세스 및 에치백에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 부동태화 층은 샘플 웰이 형성되는 재료(3-230)를 산화시키는 것에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 샘플 웰은 알루미늄으로 형성될 수 있고, 이것은 샘플 웰들의 측벽들에 알루미나의 코팅을 생성하기 위해 산화될 수 있다.
피착체(3-980) 또는 피착체 전구체(adherent precursor)(예를 들어, 피착체를 우선적으로 결합하는 재료)가, 도 3na에 도시된 바와 같이, 이방성 물리 퇴적 프로세스, 예를 들어, 증발 퇴적을 사용하여 기판 상에 퇴적될 수 있다. 피착체 또는 피착체 전구체는, 도 3nb에 도시된 바와 같이, 샘플 웰의 베이스에 피착체 층(3-211)을 형성할 수 있고, 샘플 웰이 형성되는 재료(2-221)의 상부 표면을 코팅할 수 있다. 도 3nc에 도시된 후속의 경사진, 방향성 퇴적(때때로 섀도우 퇴적 또는 섀도우 증발 프로세스로 언급됨)이 피착체 층(3-211)을 커버하지 않고 재료(2-221)의 상부 표면 위에 제2 부동태화 층(2-280)을 퇴적하는데 사용될 수 있다. 섀도우 퇴적 프로세스 동안, 기판은 기판에 대해 법선인 축을 중심으로 회전될 수 있고, 따라서 제2 부동태화 층(3-280)은 샘플 웰의 상부 테두리(upper rim) 주위에 더 균일하게 퇴적된다. 결과의 구조체가 일부 실시예들에 따라 도 3nd에 도시된다. 제2 부동태화 층을 퇴적하는 것의 대안으로서, 재료(3-230)의 상부 표면으로부터 피착체를 제거하기 위해 평탄화 에칭(예를 들어, CMP 공정)이 사용될 수 있다.
일부 구현들에 따르면, 피착체 층(3-211)은, 도 3o에 도시된 바와 같이, 테이퍼된 샘플 웰의 베이스에 중심에 퇴적될 수 있다. 예를 들어, 피착체, 또는 피착체 전구체가, 위에 설명된 바와 같이 형성된, 테이퍼된 샘플 웰에, 도 3na에 도시된 바와 같이, 방향성으로 퇴적될 수 있다. 샘플 웰의 벽들은 피착체 층(3-211)의 퇴적 전에 또는 후에 산화 프로세스에 의해 부동태화될 수 있다. 재료(2-221)의 표면에 남아 있는 피착체 또는 전구체는 도 3nd와 관련하여 설명된 바와 같이 부동태화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료(2-221)의 상부 표면상의 피착체는 화학-기계 연마 공정에 의해 제거될 수 있다. 샘플 웰의 베이스에 중심에, 피착체 층, 또는 피착체 층 전구체를 형성함으로써, 샘플로부터의 방출에 대한 유해한 효과들(예를 들어, 샘플 웰로부터의 샘플 방사의 억제 또는 ??칭, 샘플이 샘플 웰 주위에 형성된 에너지 결합 구조체들에 대하여 중심에 위치하지 않기 때문에 샘플로부터의 바람직하지 못한 방사 분포, 샘플에 대한 발광 수명에 대한 역효과들)이 감소될 수 있다.
일부 실시예들에서, 샘플 웰 및 디봇을 형성하는데 사용되는 리프트-오프 패터닝, 에칭, 및 퇴적 프로세스들은 센서 칩 상에 통합 CMOS 회로들을 형성하는데 사용되는 CMOS 프로세스와 호환될 수 있다. 따라서, 통합 디바이스는 종래의 CMOS 설비 및 제조 기술들을 사용하여 제조될 수 있지만, 일부 구현들에서는 커스텀 또는 특수화된 제조 설비가 사용될 수도 있다.
위에 설명된 프로세스 공정들의 변형들이 샘플 웰들의 대안적인 실시예들을 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3ga 또는 도 3gb에 도시된 것과 같은 테이퍼된 샘플 웰은 도 3nc에 도시된 경사진 퇴적 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다. 도 3gb의 샘플 웰에 대해, 퇴적 각도는 퇴적 프로세스 동안 변경될 수 있다. 이러한 실시예들에서는, 실질적으로 곧고 수직인 측벽들을 갖는 샘플 웰이 먼저 형성될 수 있고, 그 후 샘플 웰의 측벽들을 테이퍼하기 위해 경사진 퇴적에 의해 추가적인 재료(2-221)가 퇴적될 수 있다.
B. 샘플 웰로의 여기 에너지 결합
도 2a 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 여기 소스(2-250)로부터의 여기 에너지(2-251)는 기기(2-120)의 컴포넌트들 및 어세이 칩(2-110)의 컴포넌트들을 사용하여 샘플 웰(2-211)에 안내된다. 본 섹션은 여기 에너지(2-251)를 샘플 웰(2-211)에 결합하는데 도움이 될 수 있는 어세이 칩(2-110)의 컴포넌트들을 설명한다.
여기 소스로부터 샘플로의 에너지의 결합은 샘플 웰 내에 그리고/또는 샘플 웰에 인접하여 여기-결합 구조체들을 형성하는 것에 의해 개선되거나 영향을 받을 수 있다. 여기-결합 구조체들은 일부 실시예들에서는 샘플 웰 주위에 제조된 마이크로- 또는 나노-스케일 구조체들을 포함할 수 있고, 또는 일부 실시예들에서는 샘플 웰에 형성된 구조체들 또는 입자들을 포함할 수 있다. 여기-결합 구조체들은 일부 구현들에서는 샘플의 방사성 여기에 영향을 미칠 수 있고, 일부 구현들에서는 샘플의 비-방사성 여기에 영향을 미칠 수 있다. 다양한 실시예들에서, 방사성 여기-결합 구조체들은 샘플 웰의 여기 영역 내의 여기 에너지의 강도를 증가시킬 수 있다. 비-방사성 여기-결합 구조체들은 (방사성 또는 비-방사성일 수 있는) 여기 소스로부터 샘플로의 비-방사성 에너지-전달 경로들을 개선 및/또는 변경할 수 있다.
C. 방사성 여기-결합 구조체들
여기 소스로부터 샘플 웰 내의 여기 영역으로의 여기 에너지의 결합에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있는 다수의 상이한 종류의 방사성 여기-결합 구조체들이 존재한다. 일부 방사성 결합 구조체들은 도체로 형성될 수 있고(예를 들어, 금속층을 포함하고), 샘플웰 근처 및/또는 내에서 여기 에너지에 국소적으로 영향을 미치는(예를 들어, 전자기장을 국소적으로 변경하는) 표면 플라즈몬 발진들을 지원할 수 있다. 일부 경우들에서, 표면-플라즈몬 구조체들은 샘플 웰의 여기 영역 내의 여기 에너지를 2배 이상 향상시킬 수 있다. 일부 방사성 결합 구조체들은 샘플 웰 내의 여기 에너지를 향상시키기 위해 여기 필드의 위상 및/또는 진폭을 변경할 수 있다. 이 섹션에서는 방사성 여기-결합 구조체들의 다양한 실시예들이 설명된다.
도 4aa는 샘플 웰로의 여기 에너지의 결합을 향상시키기 위해 사용될 수 있는 표면-플라즈몬 구조체(4-120)의 단지 하나의 예를 도시한다. 도면은 표면-플라즈몬 구조체(4-120) 주위의 영역의 평면도를 도시하고, 구조체 주위의 전기장 강도의 수치 시뮬레이션의 결과들을 나타낸다. 도면은 샘플 웰(도시되지 않음)에 아주 근접하여 위치하는 뾰족한 정점들을 갖는 3개의 삼각형 피처(features)를 포함하는 표면-플라즈몬 구조체를 도시한다. 일부 실시예들에 따르면, 표면-플라즈몬 구조체는 금속 또는 도체(예를 들어, 다음과 같은 금속들 또는 금속 합금들: Al, Au, Ag, Ti, TiN 중 어느 하나 또는 그 조합의 패터닝된 얇은 막)를 포함할 수 있다. 막의 두께는 일부 실시예들에서는 대략 10nm와 대략 100nm 사이일 수 있지만, 다른 실시예들에서는 다른 두께들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 표면-플라즈몬 구조체는 샘플 웰에 아주 근접하여(약 100nm 이내에) 위치하는 뾰족한 피처들(4-110)을 포함할 수 있다.
도 4ab는 파선에서 취해진, 도 4aa의 표면-플라즈몬 구조체의 단면 정면도를 도시한다. 시뮬레이션은 표면-플라즈몬 구조체의 삼각형의 정점에 인접하여 여기 에너지의 국한된 고강도 영역(4-505)을 보여준다. 이 시뮬레이션을 위해, 표면-플라즈몬 구조체(4-120)는 유전체층(4-135)(실리콘 이산화물) 상에 위치되었다. 표면-플라즈몬 구조체는 도파관의 소멸장(evanescent field)으로부터의 에너지를 탭(tap)하고, 샘플 웰에서 그 강도를 향상시킨다.
일부 실시예들에서, 표면-플라즈몬 구조체에 의한 여기 에너지의 향상은 깊은 샘플 웰(2-211)이 요구되지 않는 정도까지 국한될 수 있다. 예를 들어, 고강도 영역(4-505)이 영역 외부의 영역의 약 80%보다 큰 피크 강도 값으로 대략 100nm의 직경을 가지고 형성된다면, 깊은 샘플 웰이 요구되지 않을 수 있다. 고강도 영역(4-505) 내의 샘플들만이 검출을 위한 상당한 방사에 기여할 것이다.
입사 전기장이 표면-플라즈몬 구조체과 상호 작용할 때, 그 구조체에서 표면파 전류들이 생성된다. 구조체의 형상은 이 표면-플라즈몬들의 강도 및 분포에 영향을 미칠 수 있다. 이 국한된 전류들은, 예를 들어, 도 4ab에서 고강도 영역(4-505)에 의해 도시된 바와 같이, 표면-플라즈몬 구조체의 바로 부근에서 입사 전기장과 상호 작용하여 그것을 현저하게 변경하고 강화시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 표면-플라즈몬 구조체 근처에서 방사를 방출하는 방사체(예를 들어, 형광 태그)는 그의 방출이 구조체에 의해 변경될 수 있고, 따라서 방사체로부터의 원거리장 방사 패턴이 변경될 수 있다.
표면-플라즈몬 구조체(4-122)의 다른 실시예가 도 4ac의 평면도에 도시된다. 예시된 나비-넥타이 구조체는 샘플 웰(2-211)에 인접하여 위치하는 2개의 삼각형 금속 구조체를 포함한다. 이 구조체들은, 예를 들어, 샘플 웰 아래에, 그리고/또는 샘플 웰의 여기 영역에 인접하여 패터닝될 수 있다. 일부 구현들에서는, 표면-플라즈몬 구조체의 뾰족한 피처들(4-125)과 샘플 웰 사이에 갭(4-127)이 있을 수 있다. 이 갭(4-127)은, 일부 실시예들에 따르면, 대략 10nm와 대략 200nm 사이일 수 있다. 일부 구현들에서, 갭(4-127)은 대략 10nm와 대략 100nm 사이일 수 있다. 뾰족한 피처들(4-125)은, 도면에 도시된 바와 같이, 표면-플라즈몬 구조체의 에지에 포인트 또는 뾰족한 만곡부(sharp bend)를 포함할 수 있다. 뾰족한 피처들은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서 뾰족한 피처(4-125)의 만곡부 반경은 입사 여기 에너지와 관련된 대략 5개 파장 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서 뾰족한 피처(4-125)의 만곡부 반경은 입사 여기 에너지와 관련된 대략 2개 파장 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서 뾰족한 피처(4-125)의 만곡부 반경은 입사 여기 에너지에 의해 여기되는 표면-플라즈몬 파와 관련된 대략 5개 파장 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서 뾰족한 피처(4-125)의 만곡부 반경은 입사 여기 에너지에 의해 여기되는 표면-플라즈몬 파와 관련된 대략 2개 파장 미만일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 도 4ad의 정면도에 예시된 바와 같이 표면-플라즈몬 구조체들(4-122)이 샘플 웰(2-211) 내에 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰 내의 표면-플라즈몬 구조체는, 도면에 도시된 바와 같이, 샘플 웰의 측벽들 위에 패터닝된 하나 이상의 핑거(fingers)(예를 들어, 금속성 핑거)를 포함할 수 있다. 도 4ae는 샘플 웰 내의 측벽들에 형성된 표면-플라즈몬 구조체들(4-122)을 보여주는 샘플 웰(2-211)의 평면도를 도시한다. 일부 실시예들에서, 이 표면-플라즈몬 구조체들(4-122)의 하부 단부들은 뾰족한 피처들 또는 만곡부들을 형성하고 여기서 전기장이 향상될 것이다. 표면-플라즈몬 구조체들(4-122)은 샘플 웰의 베이스까지 연장할 수 있거나, 연장하지 않을 수 있다.
일부 실시예들에서, 표면-플라즈몬 구조체들(4-122)은 샘플 웰로부터의 방출된 에너지 및/또는 여기 에너지의 편광에 영향을 미치도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 4ae에 도시된 바와 같은 패턴은 샘플 웰 내의 방사체로부터의 선형 또는 타원형 편광의 선호되는 배향 및/또는 선형 또는 타원형 여기 편광의 선호되는 배향에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있다.
표면-플라즈몬 구조체들은 도 4aa 내지 도 4ae에 도시된 것들과 다른 형상들로 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 표면-플라즈몬 구조체들은, 일부 실시예들에 따르면, 도 4ba에 도시된 바와 같이, 규칙적인 또는 주기적인 구조체들로서 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 표면-플라즈몬 구조체는 샘플 웰(2-211)이 형성되는 재료(2-221)의 하부 표면상에 돌출 피처들(4-210)의 어레이로 패터닝될 수 있다. 주기적인 표면-플라즈몬 구조체들은 규칙적인 어레이, 예를 들어, 격자(grating), 그리드(grid), 래티스(lattice), 원형 격자, 나선형 격자, 타원형 격자, 또는 임의의 다른 적합한 구조로 형성될 수 있다. 표면-플라즈몬 구조체의 돌출부들(4-210) 사이에 실질적으로 균일한 간격 s가 존재할 수 있다. 일부 구현들에서, 그 간격 s는 대략 40nm와 대략 250nm 사이의 임의의 값을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 돌출부들은 대략 20nm와 대략 100nm 사이의 높이 h를 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 간격 s는 불균일할 수 있거나 처프형(chirped)(더 큰 반사상 거리들에서 감소하는 값을 갖는 것)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 표면-플라즈몬 구조체의 돌출부들(5-210)은 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)로서 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 4-210의 표면-플라스마 구조체는 투명한 층 및/또는 유전체층(3-235)에 인접하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 돌출부들(4-210) 사이의 간격은 주기적일 수 있지만, 다른 실시예들에서는 돌출부들(4-210)이 비주기적일 수 있다.
일부 구현들에서, 표면-플라스마 구조체(4-212)는 도 4bb에 도시된 바와 같이 샘플 웰이 형성되는 재료(2-221)로부터 이격될 수 있다. 예를 들어, 표면-플라스마 구조체(4-212)과 재료(4-230) 사이에 개재 유전체층(intervening dielectric layer)(4-247)이 있을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 표면 플라스마 구조체(4-212)는, 도면에 도시된 바와 같이, 샘플 웰의 디봇(3-216)에 인접하여 위치될 수 있다. 예를 들어, 표면-플라스마 구조체(4-212)는 , 도 4bb에 도시된 바와 같이, 디봇(3-216)의 측벽들에 인접하여 위치될 수 있다.
도 4bc는 동심의 원형 격자로서 형성되는 표면-플라스마 구조체(4-214)를 예시한다. 구조체(4-214)는 일부 실시예들에 따르면, 동심의 도전 링들(concentric conducting rings)(4-215)을 포함할 수 있다. 이 링들은 도 4ba와 관련하여 설명된 바와 같이, 규칙적인 간격 s에 의해 분리되고 높이 h를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 임의적인 디봇을 갖는 샘플 웰(4-210)이 링들의 중심에 위치될 수 있다. 원형 격자는 샘플의 베이스에 인접하여 패터닝될 수 있다.
표면-플라즈몬 구조체의 주기성은 일부 실시예들에 따른 공진 구조체를 형성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어 표면-플라즈몬 구조체의 간격 s는 여기 에너지에 의해 구조체에서 생성되는 표면-플라즈몬 파의 파장의 대략 1/2이 되도록 선택될 수 있다. 공진 구조체로서 형성될 때, 표면-플라즈몬 구조체는 주기적인 표면-플라즈몬 구조체의 방향을 따라 여기 에너지를 축적하고 공진시킬 수 있다. 이러한 공진 작용은, 도 4bd에 도시된 도시된 바와 같이, 샘플 웰 내의, 또는 샘플 웰에 인접한 전자기 에너지를 강화할 수 있다. 표면 플라즈몬 구조체의 간격은 일부 실시예들에서 주기적일 수 있지만, 다른 실시예들에서 이러한 간격은 비주기적일 수 있다. 비주기적 간격을 사용하는 것은 여기 에어지의 파장들 및 관련된 방출 에너지의 파장들에 대해 필드 향상이 구체적으로 설계되게 한다. 도 4bd는 샘플 웰의 베이스에서의 그리고 주기적인 표면-플라즈몬 구조체 주위의 수치 시뮬레이션된 전자기장 결과들을 나타낸다. 표면-플라즈몬 구조체(4-216)는 샘플 웰이 형성되는 재료(2-221)에 인접하여 위치되고, 샘플 웰(2-211)의 베이스에 인접해 있다. 표면-플라즈몬 구조체는 시뮬레이션된 영역의 외부 그리고 샘플 웰에서 떨어진 영역들에서 규칙적인 스페이싱 간격을 두고 반복되는 격자 또는 원형 격자의 형태로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 표면-플라즈몬 구조체(4-216)의 3개 내지 50개의 반복된 격자 돌출부가 있을 수 있다. 고강도 영역(4-240)이 샘플 웰(2-211)의 베이스에서 보일 수 있다. 이 영역 내의 강도는 표면-플라즈몬 구조체 바로 아래의 주위의 영역에 비하여 2배보다 더 많이 향상되었다.
도 4be는 공진 표면-플라즈몬 구조체(4-218)의 대안적인 실시예를 정면도로 도시한다. 일부 실시예들에 따르면, 표면-플라즈몬 구조체는 주기적인 또는 비주기적인 격자 또는 그리드 패턴들로서 형성될 수 있고, 다수의 층(4-247)에 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰(2-211)은 다수의 층(4-247)을 통하여 그리고 공진 표면-플라즈몬 구조체(4-218) 내에 패터닝될 수 있다. 일부 구현들에서, 공진 표면-플라즈몬 구조체는 도 4bf의 평면도에 도시된 바와 같이 별개의 도전성 소자들(4-222)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 공진 표면-플라즈몬 구조체는 도 4bg에 도시된 바와 같이, 연속적인 래티스 패턴(4-250)을 포함할 수 있다. 도전성 재료(4-250)의 보이드들에 유전체 충전재(dielectric filler)(4-252)가 위치될 수 있고, 보이드 내에 샘플 웰(2-211)이 위치될 수 있다.
샘플 웰로의 결합을 향상시키거나 샘플 웰 내의 샘플로부터의 방출에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있는 각종 상이한 표면-플라즈몬 구조체들이 존재한다. 도 4bh는 표면-플라즈몬 구조체의 또 다른 대안적인 실시예를 평면도로 도시한다. 이 구조체의 정면도가 도 4bi에 도시된다. 일부 구현들에 따르면, 표면-플라즈몬 구조체는 샘플 웰(2-211) 주위에 분포된 디스크(disc)들의 어레이를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서는, 도전성 디스크들(4-260)을 사용하는 대신에, 표면-플라즈몬 구조체는 홀들의 분포된 패턴이 형성되는 도전층을 포함할 수 있다. 이러한 구조체는 "나노-안테나"로 언급될 수 있다.
샘플 웰에 인접한 표면-플라즈몬 구조체들을 패터닝하기 위해 각종 상이한 프로세스들이 사용될 수 있다. 도 4ca 내지 도 4ee는 일부 실시예들에 따른, 샘플 웰에 인접한 표면-플라즈몬 구조체들을 형성하는데 사용될 수 있는 프로세스 공정들과 관련된 구조체들을 도시한다. 이제 도 4ca를 참조하면, 표면-플라즈몬 구조체를 형성하기 위한 프로세스는 마스킹 층(4-330) 상에 반사 방지 코팅(ARC)(4-320) 상에 레지스트 층(4-310)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 이 층들은 일부 구현들에 따르면, 투명한 유전체층(3-235) 상에 배치될 수 있다. 레지스트 층(4-310)은 리소그래피 방식으로 패터닝될 수 있는 포토레지스트 또는 전자- 또는 이온-빔 레지스트를 포함할 수 있다. 마스킹 층(4-330)은 일부 실시예들에 따르면, 무기 재료(예를 들어, 실리콘 또는 실리카 질화물, 또는 임의의 다른 적합한 재료)로 형성될 수 있다.
일부 구현들에서, 도 4cb에 도시된 바와 같이 레지스트(4-310)를 패터닝하기 위해 포토리소그래피 프로세스가 사용될 수 있다. 선택된 패턴은 원하는 표면-플라즈몬 구조체를 형성하는데 사용될 돌출부들 또는 홀들의 레이아웃을 포함할 수 있다. 레지스트(4-310)의 현상 후에, ARC의 영역들이 노출될 것이고, 패턴은 ARC 층(4-320) 내로 그리고 마스킹 층(4-330) 내로 에칭될 수 있다. 레지스트 및 ARC는 기판으로부터 박리될 수 있고, 결과의 구조체는 도 4cc에 도시된 것처럼 보일 수 있다. 그 후 마스킹 층(4-330)이 에치 마스크로서 사용될 수 있고, 따라서 도 4cd에 도시된 바와 같이, 패턴은 선택적 이방성 에치를 통해 하부의 유전체층(3-235)으로 전사될 수 있다.
그 후 도 4ce에 예시된 바와 같이, 도전성 재료(2-221), 또는 도체를 포함하는 재료들의 층이 영역 위에 퇴적될 수 있다. 재료(2-221)로부터 개별적인 층으로서 퇴적되는지 여부에 관계없이, 표면 플라즈몬 구조체를 형성하기 위해 임의의 적합한 도전성 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 제1 도전성 재료가 표면-플라즈몬 구조체가 형성되는 재료(2-221)의 베이스 층으로서 퇴적될 수 있다. 표면-플라즈몬 구조체를 형성하는데 사용될 수 있는 재료들의 예들은 Au, Al, Ti, TiN, Ag, Cu, 및 이들의 합금들 또는 조합 층들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
재료(2-221), 또는 재료들의 층은 물리 퇴적 프로세스 또는 화학 기상 증착 프로세스를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 퇴적 프로세스에 의해 퇴적될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료(2-221)는 대략 80nm와 대략 300nm 사이의 두께를 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 재료(2-221)는 (예를 들어, CMP 프로세스를 사용하여) 평탄화될 수 있지만, 평탄화가 필요한 것은 아니다. 샘플 웰을 제조하는 것과 관련하여 본 명세서에 설명된 임의의 적합한 프로세스를 사용하여 샘플 웰이 재료(2-221)에 형성될 수 있다.
본 발명자들은 도 4ca 내지 도 4ce에 도시된 단계들에 따라 표면-플라즈몬 구조체를 형성하는 것은 표면-플라즈몬 구조체에의 샘플 웰의 정확한 정렬을 요구하지 않을 수 있다는 것을 인식하였다. 예를 들어, 도 4bc에 도시된 바와 같은, 동심의 격자를 포함하는 표면-플라즈몬 구조체는 표면-플라즈몬 구조체(4-214)의 중심에의 샘플 웰(2-211)의 정확한 정렬을 요구하지 않을 수 있다. 이러한 정확한 정렬과 관련된 제조 어려움들을 피하기 위해, 도 4da 내지 도 4ee에 도시되어 있는 자기 정렬 프로세스들이 사용될 수 있다.
이제 도 4da를 참조하면, 표면-플라즈몬 구조체 및 이 표면-플라즈몬 구조체에 자기 정렬되는 샘플 웰을 형성하기 위한 프로세스는 투명한 유전체층(2-235) 상에 마스킹 층(4-410)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 마스킹 층은 일부 실시예들에 따르면, 실리콘 또는 실리카 질화물과 같은 무기 재료로 형성된 하드 마스크를 포함할 수 있다. 마스킹 층(4-410)의 두께는 샘플 웰(2-212)의 원하는 높이와 대략 같을 수 있다. 예를 들어, 마스킹 층의 두께는 일부 실시예들에 따르면, 대략 50nm와 대략 200nm 사이일 수 있지만, 다른 실시예들에서는 다른 두께들이 사용될 수 있다.
마스킹 층(4-410)은 유전체층(2-235)에 패터닝될 표면-플라즈몬 구조체의 원하는 패턴을 갖는 보이드들(4-430)을 생성하기 위해 패터닝될 수 있다. 마스킹 층(4-410)의 패터닝은 임의의 적합한 리소그래피 프로세스(예를 들어, 포토리소그래피, 전자-빔 리소그래피, 이온-빔 리소그래피, EUV 리소그래피, x선 리소그래피)를 사용하여 행해질 수 있다. 결과의 구조체는 도 4db에 도시된 것처럼 보일 수 있다. 이 구조체는 중심 기둥(central pillar)(4-420)을 포함할 것이고, 이것은 후속하여 자기 정렬된 샘플 웰을 형성하는데 사용될 것이다.
그 후 도 4dc에 도시된 바와 같이, 패터닝된 마스킹 층(4-410) 위에 레지스트(4-440)(예를 들어, 포토레지스트)가 패터닝될 수 있다. 레지스터(4-440)를 패터닝하기 위한 정렬(예를 들어, 마스크 대 기판 정렬)은 매우 정확할 필요가 없고, 레지스트(4-440)가 표면-플라즈몬 구조체를 형성하는데 사용될 보이드들(4-430)은 커버하지 않고 중심 필러(4-420)를 커버하기만 하면 된다.
그 후 일부 실시예들에 따르면 도 4dd에 도시된 바와 같이, 유전체층(2-235) 내로 에칭하고 표면-플라즈몬 구조체의 패턴을 유전체로 전사하기 위해 선택적 이방성 에치가 사용될 수 있다. 그 후 마스킹 층(4-410)의 노출된 위치들을 제거하기 위해 선택적 등방성 에치가 사용될 수 있다. 이 등방성 에치는, 예를 들어, 습식 에치일 수 있지만, 일부 실시예들에서는 등방성 건식 에치가 사용될 수 있다. 도 4de에 도시된 바와 같이, 레지스트(4-440)가 중심 기둥(4-420)을 커버하기 때문에, 중심 기둥은 에칭되지 않고 기판 상에 남을 것이다. 그 후 도 4df에 도시된 바와 같이, 레지스트(4-440)가 기판으로부터 박리되어 기둥(4-420)을 노출시킬 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 그 후 도 4dg에 예시된 바와 같이 영역 위에 금속 도전성 재료(2-221), 또는 도전성 재료를 포함하는 재료들의 스택이 퇴적될 수 있다. 그 후 중심 기둥(4-420) 및 기둥 위의 퇴적된 재료의 캡을 기둥의 선택적 습식 에치에 의해 제거하여, 캡을 리프트-오프할 수 있다. 중심 기둥의 제거는 하부의 표면-플라즈몬 구조체(4-450)에 자기 정렬되는 샘플 웰을 남긴다.
표면-플라즈몬 구조체에 자기 정렬되는 샘플 웰을 형성하기 위해 대안적인 프로세스가 사용될 수 있고, 도 4ea 내지 도 4ee에 도시된다. 일부 실시예들에 따르면, 도 4ea에 도시된 바와 같이, 임의의 적합한 리소그래피 공정을 사용하여 투명한 유전체층(2-235) 상에 하나 이상의 도전층(4-510, 4-520)이 패터닝될 수 있다. 일부 구현들에서, 제1 층(4-510)은 알루미늄을 포함할 수 있고, 제2 층(4-520)은 티타늄 질화물을 포함할 수 있지만, 다양한 실시예들에서 다른 재료 조합들이 사용될 수 있다. 하나 이상의 층의 총 두께는 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰의 원하는 높이와 대략 같을 수 있다. 패터닝은 하나 이사의 층에 샘플 웰(2-211), 및 이 샘플 웰에 인접한 보이드들(4-525)을 형성할 수 있다. 보이드들은 원하는 표면-플라즈몬 구조체의 패턴으로 배열될 수 있다.
일부 구현들에서, 도 4eb에 도시된 바와 같이, 유전체층(3-235)을 에칭하여 표면-플라즈몬 구조체 및 샘플 웰(2-211)의 패턴을 유전체층으로 전사할 수 있다. 유전체로의 에치 깊이는 일부 실시예들에 따르면, 대략 20nm와 대략 150nm 사이일 수 있다. 도 4ec에 도시된 바와 같이, 샘플 웰을 커버하도록 레지스트(4-440)를 패터닝할 수 있다. 레지스트를 패터닝하기 위한 정렬을 매우 정확할 필요가 없고, 표면-플라즈몬 구조체를 형성하는데 사용될 유전체층(2-235)의 인접한 에칭된 영역들은 커버하지 않고 샘플 웰을 커버하기만 하면 된다.
도 4ed에 예시된 바와 같이, 임의의 퇴적 프로세스를 사용하여 영역 위에 도전성 재료(4-512), 또는 도체를 포함하는 재료들의 층들이 퇴적될 수 있다. 이 재료(4-512)는 유전체층의 에칭된 영역들을 채울 수 있고, 하나 이상의 층(4-510, 4-520) 위로 연장할 수 있다. 그 후 레지스트(4-440) 및 이 레지스트를 커버하는 재료가 리프트-오프 프로세스에 따라 제거될 수 있다. 도 4ee에 도시된, 결과의 구조체는 주위의 표면-플라즈몬 구조체에 자기 정렬되는 샘플 웰을 남긴다. 샘플 웰은 디봇(3-216)을 포함한다.
일부 실시예들에서 도 4ea 내지 도 4ee에 도시된 프로세스는 디봇(3-216)을 갖지 않는 샘플 웰을 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유전체층(2-235)이 에칭되기 전에 샘플 웰(2-211) 위에 레지스트(4-440)가 패터닝될 수 있다. 그 후 유전체층(2-235)이 에칭될 것이고, 이는 디봇은 형성하지 않고 표면-플라즈몬 구조체의 패턴을 유전체층으로 전사할 것이다. 그 후 프로세스는 디봇이 없는 자기 정렬된 샘플 웰을 생성하기 위해 도 4ed 및 도 4ee에 예시된 바와 같이 진행될 수 있다.
표면-플라즈몬 구조체들에 추가로 또는 대안으로서, 다른 구조체들이 샘플 웰 내의 여기 에너지를 증가시키기 위해 샘플 웰(2-211)의 부근에 패터닝될 수 있다. 예를 들어 일부 구조체들은 샘플 웰 내의 여기 에너지의 강도를 증가시키도록 입사 여기 필드의 위상 및/또는 진폭을 변경할 수 있다. 도 4fa는 입사 여기 에너지의 위상 및 진폭을 변경하고 샘플 웰 내의 전자기 방사의 강도를 증가시키기 위해 사용될 수 있는 얇은 손실막(4-610)을 도시한다.
일부 실시예들에 따르면, 얇은 손실막은 여기 에너지의 보강 간섭(constructive interference)을 일으키고, 이는 샘플 웰의 여기 영역 내의 장 향상의 결과를 야기할 수 있다. 도 4fb는 샘플 웰에 바로 인접하여 얇은 손실막(4-610)이 형성된 샘플 웰에 입사되는 여기 에너지의 수치 시뮬레이션을 도시한다. 이 시뮬레이션을 위해, 샘플 웰은 대략 80nm의 직경을 갖고 두께가 대략 200nm인 금의 금속성 층으로 형성된다. 샘플 웰은 SCN을 포함하고, 샘플 웰을 통한 여기 에너지의 전파를 억제한다. 얇은 손실막(4-610)은 두께가 대략 10nm이고, 게르마늄으로 형성되고, 실리콘 이산화물을 포함하는 하부의 투명한 유전체를 커버한다. 이 얇은 손실막은 샘플 웰의 입구 개구를 가로질러 연장한다. 시뮬레이션은 여기 강도의 강도가 샘플 웰의 입구 개구에서 가장 높은 값이라는 것을 보여준다. 이 밝은 영역(4-620)에서의 여기 에너지의 강도는 샘플 웰의 왼쪽과 오른쪽의 강도의 값의 2배를 초과한다.
얇은 손실막은 임의의 적합한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 얇은 손실막은 굴절률 n이 해당 재료에 대한 흡광 계수 k와 대략 동일한 자릿수(order of magnitude)인 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 얇은 손실막은 굴절률 n이 해당 재료에 대한 흡광 계수 k의 값으로부터 약 두 자릿수 차이 이내인 재료로 이루어질 수 있다. 가시 파장들에서 이러한 재료들의 비제한적인 예들은 게르마늄과 실리콘이다.
얇은 손실막은 여기 소스, 또는 소스들과 관련된, 특성 파장, 또는 파장들에 의존할 수 있는, 임의의 적합한 두께일 수 있다. 일부 실시예들에서, 얇은 손실막은 두께가 대략 1nm와 대략 45nm 사이일 수 있다. 다른 실시예들에서, 얇은 손실막은 두께가 대략 15nm와 대략 45nm 사이일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 얇은 손실막은 두께가 대략 1nm와 대략 20nm 사이일 수 있다.
샘플 웰이 형성되는 재료(2-221)로부터의 반사율, 얇은 손실막 내의 여기 에너지 손실, 및 재료(2-221) 내의 여기 에너지 손실에 대한 얇은 손실막의 효과들이 도 4fc의 그래프에 도시된다. 그래프에 플로팅된 하나의 곡선은 반사율 곡선(4-634)을 나타내고, 재료(2-221) 및 얇은 손실막(4-610)으로부터의 반사율이 얇은 손실막의 두께가 0nm에서 100nm까지 변화함에 따라 어떻게 달라지는지를 보여준다. 시뮬레이션된 실시예에 따르면, 반사율은 약 25nm에서 최소값에 도달한다. 반사율 최소값은 얇은 손실막 및 재료(2-221)에 사용되는 재료들 및 여기 에너지의 특성 파장에 따라 상이한 두께들에서 발생할 것이다. 일부 구현들에서 얇은 손실막의 두께는 반사율이 대략 그것의 최소값에 있도록 선택된다.
일부 실시예들에서, 얇은 손실막(4-610)은, 도 4fd에 도시된 바와 같이, 샘플 웰(2-211) 및 재료(2-221)로부터 이격될 수 있다. 예를 들어, 얇은 손실막 위에 얇은 유전체층(4-620)(예를 들어, 실리콘 산화물 SiOx)이 형성될 수 있고, 이 유전체층(4-620)에 인접하여 샘플 웰(2-211)이 형성될 수 있다. 유전체층(4-620)의 두께는 일부 실시예들에 따르면 대략 10nm와 대략 150nm 사이일 수 있지만, 일부 실시예들에서는 다른 두께들이 사용될 수 있다.
단일 층으로서 도시되지만, 얇은 손실막은 둘 이상의 재료의 다수의 층을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 도 4fe에 도시된 바와 같이, 얇은 손실막(4-610)과 유전체층(4-620)의 교대 층들을 포함하는 다층 스택이 샘플 웰(2-211)에 인접하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 층들의 스택 내의 얇은 손실막(4-610)의 두께는 대략 5nm와 대략 100nm 사이일 수 있고, 층들의 스택 내의 유전체층(4-620)의 두께는 대략 5nm와 대략 100nm 사이일 수 있다. 일부 구현들에서, 다층 스택은 실리콘 이산화물의 층(4.2 nm 두께), 실리콘의 층(14.35 nm 두께), 및 게르마늄의 층(6.46 nm 두께)을 포함할 수 있지만, 다른 실시예들에서는 다른 두께들이 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 다층 스택은 실리콘 이산화물의 층(대략 4.2nm 두께), 실리콘의 층(대략 14.4nm 두께), 및 게르마늄의 층(대략 6.5nm 두께)을 포함할 수 있지만, 다른 실시예들에서는 다른 두께들이 사용될 수 있다.
얇은 손실막은 입사 방사에 대해 적어도 얼마간의 손실을 보이는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 얇은 손실막은 반도체 재료, 예를 들어 실리콘 및 게르마늄을 포함할 수 있지만, 다른 재료들이 사용될 수도 있다. 일부 구현들에서, 얇은 손실막은 무기 재료 또는 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 얇은 손실막은 합금 또는 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 얇은 손실막은 Si(중량으로 57.4%), Ge(중량으로 25.8%), 및 SiO2(중량으로 16.8%)를 포함하는 합금을 포함할 수 있지만, 다른 실시예들에서는 다른 비율들 및 조성들이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 얇은 손실막은 임의의 적합한 블랭킷 퇴적 프로세스, 예를 들어, 물리 퇴적 프로세스, 화학 기상 증착 프로세스, 스핀온(spin on) 프로세스, 또는 이들의 조합을 사용하여 기판 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 얇은 손실막은 퇴적 후에 처리될 수 있다(예를 들어, 베이킹되고, 어닐링되고/되거나 이온 주입을 겪는다).
샘플 웰 내의 여기 에너지를 향상시키기 위해 추가적으로 또는 대안적으로 다른 위상/진폭 변경 구조체들이 사용될 수 있다. 일부 구현들에 따르면 그리고 도 4ga에 도시된 바와 같이, 반사성 스택(4-705)이 샘플 웰(2-211)로부터 이격될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반사성 스택은 교대 굴절률들을 갖는 재료들의 유전체 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어 제1 유전체층(4-710)은 제1 굴절률을 가질 수 있고, 제2 유전체층(4-720)은 제1 굴절률과는 다른 제2 굴절률을 가질 수 있다. 반사성 스택(4-705)은 일부 실시예들에서 여기 에너지에 대해서는 높은 반사율을 보일 수 있고, 샘플 웰 내의 방사체로부터의 방사성 방출에 대해서는 낮은 반사율을 보일 수 있다. 예를 들어, 반사성 스택(4-705)은 여기 에너지에 대해서는 대략 80%보다 높은 반사율 그리고 샘플로부터의 방출에 대해서는 대략 40%보다 낮은 반사율을 보일 수 있지만, 일부 실시예들에서는 다른 반사율 값들이 사용될 수 있다. 여기 에너지를 투과하는 유전체층(4-730)이 반사성 스택과 샘플 웰 사이에 위치될 수 있다.
일부 구현들에 따르면, 도 4ga에 도시된 반사성 스택(4-705)은 샘플 웰(2-211)이 형성되는 재료(2-221)와 공진기를 형성할 수 있다. 예를 들어, 반사성 스택은 재료(2-221)로부터, 유전체 재료(4-730) 내의 여기 에너지의 파장의 1/2, 또는 그의 정수배와 대략 같은 거리만큼 이격될 수 있다. 공진기를 형성함으로써, 여기 에너지가 반사성 스택을 통과하고, 공진하고, 재료(2-221)와 반사성 스택(4-705) 사이의 공간에 축적될 수 있다. 이것은 샘플 웰(2-211) 내의 여기 강도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 강도는 공진 구조체 내에서 일부 실시예들에서는 2배보다 더 많이, 일부 실시예들에서는 5배보다 더 많이, 그리고 또 일부 실시예들에서는 10배보다 더 많이 증가할 수 있다.
도 4gb 및 도 4gc에 도시된 바와 같이, 샘플 웰의 부근에 추가적인 구조체들이 추가될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 4gb에 도시된 바와 같이, 유전체층(4-730)의 제2 굴절률보다 높은 제1 굴절률을 갖는 유전체 플러그(4-740)가 샘플 웰(2-21)에 인접하여 형성될 수 있다. 플러그는 샘플 웰의 직경과 대략 같은 직경을 갖는 원통의 형상일 수 있지만, 다른 형상들 및 사이즈들이 사용될 수도 있다. 그것의 더 높은 굴절률 때문에, 유전체 플러그(4-740)는 여기 에너지를 응축시키고 샘플 웰 쪽으로 지향시킬 수 있다.
플러그(4-740)와 같은 유전체 구조체는, 일부 실시예들에 따르면, 반사성 스택(4-705)과 함께 또는 반사성 스택 없이 사용될 수 있다. 이러한 유전체 구조체는 유전체 공진 안테나(dielectric resonant antenna)로 언급될 수 있다. 유전체 공진 안테나는 임의의 적합한 형상, 예를 들어, 실린더형, 직사각형, 정사각형, 다각형, 사다리꼴, 또는 피라미드형을 가질 수 있다.
도 4gc 및 도 4gd는 샘플 웰(2-211)의 부근에 형성될 수 있는 광 밴드갭(photonic bandgap)(PBG) 구조체를 도시한다. 광 밴드갭 구조체는 광학 콘트라스트(optical contrast) 구조체들(4-750)의 규칙적인 어레이 또는 래티스를 포함할 수 있다. 광학 콘트라스트 구조체들은, 일부 실시예들에 따르면, 주위의 유전체 재료의 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 광학 콘트라스트 구조체들(4-750)은 주위의 매질과는 상이한 손실 값을 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 샘플 웰(2-211)은 도 4gd에 도시된 바와 같이 래티스 내의 결손(defect)에 위치될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 광 래티스(photonic lattice) 내의 결손은 결손의 영역 내에 광양자들을 구속할 수 있고 샘플 웰에서 여기 에너지의 강도를 향상시킬 수 있다. 광 밴드갭 구조체로 인한 구속(confinement)은 실질적으로 기판의 표면에 가로인 2차원에서 이루어질 수 있다. 반사성 스택(4-705)과 조합될 때, 구속은 샘플 웰에서 3차원에서 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 밴드갭 구조체는 반사성 스택 없이 사용될 수 있다.
도 4fa 내지 도 4gd에 도시된 여기-결합 구조체들을 제조하기 위해 다양한 방법들이 고려되었다. 얇은 평면막들(예를 들어, 교대 굴절률의 유전체막들)을 요구하는 구조체들은, 일부 실시예들에 따르면, 평면 퇴적 프로세스들에 의해 형성될 수 있다. 평면 퇴적 프로세스들은 물리 퇴적(예를 들어, 전자빔 증발 또는 스퍼터링) 또는 화학 기상 증착 프로세스들을 포함할 수 있다. 도 4gb에 도시된 유전체 공진 안테나(4-740) 또는 도 4gc에 도시된 광학 콘트라스트 구조체들(4-750)과 같은, 3차원 형상들로 형성된 별개의 임베드된 유전체들을 요구하는 구조체들은 예를 들어, 기판 내에 패턴을 에칭하기 위한 리소그래피 패터닝 및 에칭 프로세스들을 사용하여, 그리고 후속의 유전체층의 퇴적, 및 기판의 평탄화를 사용하여 형성될 수 있다. 또한 샘플 웰(2-211)의 부근에 광 밴드갭 구조체뿐만 아니라 유전체 공진 안테나들을 형성하기 위한 자기 정렬 처리 기술들도 고려된다.
도 4ha 내지 도 4hg는 도 4gc에 예시된 바와 같은 광 밴드갭 구조체 및 자기 정렬된 샘플 웰을 형성하는데 사용될 수 있는 단지 하나의 자기 정렬 프로세스를 위한 프로세스 공정들과 관련된 구조체들을 도시한다. 일부 실시예들에 따르면, 도 4ha에 예시된 바와 같이, 먼저 유전체층(3-235) 위에 기판 상에 반사성 스택(4-705)이 형성될 수 있다. 그 후 반사성 스택 위에 제2 유전체층(4-730)이 퇴적될 수 있다. 이 유전체층(4-730)의 두께는 재료에서의 여기 에너지의 파장의 약 1/2, 또는 그의 정수배와 대략 같을 수 있다. 그 후 도 4da 내지 도 4de와 관련하여 설명된 프로세스 공정들을 수행하여 유전체층(4-730) 위에 기둥(4-420) 및 광 밴드갭 구조체를 위한 에칭된 피처들(4-810)의 패턴을 형성할 수 있다. 에칭된 피처들은 유전체층(4-730) 내로 그리고 임의적으로 반사성 스택(4-705) 내로 연장할 수 있다. 결과의 구조체는 도 4ha에 도시된 것처럼 보일 수 있다.
도 4hb에 도시된 바와 같이, 기둥(4-420)을 커버하는 레지스트(4-440)가 기판으로부터 박리되고 에칭된 피처들을 충전 재료(4-820)로 채우기 위해 등각 퇴적이 수행될 수 있다. 충전 재료(4-820)는, 일부 실시예들에 따르면, 기둥(4-420)을 형성하는데 사용되는 동일한 재료일 수 있다. 예를 들어, 충전 재료(4-820)와 기둥(4-420)은 실리콘 질화물로 형성될 수 있고 유전체층(4-730)은 산화물, 예를 들어, SiO2를 포함할 수 있다.
그 후 이방성 에치를 수행하여 충전 재료(4-820)를 에치백할 수 있다. 충전 재료는, 일부 실시예들에 따르면, 유전체층(4-730)의 표면을 노출시키도록 에치백될 수 있고, 그 결과 도 4hc에 도시된 바와 같은 구조체가 얻어질 수 있다. 에치는 원래의 기둥(4-420) 및 충전 재료(4-820)로부터 남는 측벽들(4-822)을 포함하는 기둥(4-830)을 남길 수 있다.
그 후 도 4hd에 도시된 바와 같이 기판 위에 레지스트(4-440)가 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 이 레지스트는 기판 상에 코팅될 수 있고, 레지스트에 홀이 패터닝될 수 있고, 기둥(4-830) 주위의 레지스트의 영역을 개방하도록 레지스트가 현상될 수 있다. 기둥에 대한 홀의 정렬은 매우 정확할 필요가 없고, 유전체층(4-730)에 임베드된 하부의 광 밴드갭 구조체들은 노출시키지 않고 기둥(4-830)을 노출시키기만 하면 된다.
기둥(4-830)이 노출된 후에, 기둥의 가로 치수를 감소시키기 위해 등방성 에칭이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 결과의 기둥 형상은 도 4he에 도시된 것처럼 보일 수 있다. 그 후 기판으로부터 레지스트(4-440)가 박리될 수 있고 재료(2-221), 또는 재료들의 층이 영역 위에 퇴적될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 4hf에 도시된 바와 같이 영역을 평탄화하기 위해 CMP 프로세스를 사용하여 재료(2-221)가 에치백될 수 있다. 후속하여, 선택적 건식 또는 습식 에치를 사용하여 나머지 기둥 구조체를 제거하여, 도 4hg에 예시된 바와 같이, 샘플 웰(2-211)을 남길 수 있다. 도면들에 의해 나타낸 바와 같이, 샘플 웰(2-211)은 유전체층(4-730)에 패터닝된 광 밴드갭 구조체에 자기 정렬된다.
대안적인 프로세스로서, 충전 재료(4-820)는 기둥(4-420)을 형성하는데 사용되는 재료와는 상이한 재료를 포함할 수 있다. 이 프로세스에서, 도 4hd 및 도 4he와 관련된 공정들은 생략될 수 있다. 도 4hf에 도시된 바와 같이, 재료(2-221)의 퇴적 및 평탄화 후에, 선택적 에치를 수행하여 기둥(4-420)을 제거할 수 있다. 이에 따라 샘플 웰(2-211)을 라이닝하는 충전 재료(4-820)의 측벽들이 남을 수 있다.
D. 비-방사성 여기-결합 구조체들
본 개시내용은 샘플 웰 내의 샘플로의 여기 에너지의 비-방사성 결합을 위한 구조체을 제공한다. 비-방사성 결합 구조의 단지 하나의 실시예가 도 4ia에 도시된다. 일부 실시예들에 따르면, 비-방사성 결합 구조체는 샘플 웰(2-211)에 바로 인접하여 형성된 반도체층(4-910)을 포함할 수 있다. 이 반도체층(4-910)은 일부 실시예들에서는 유기 반도체, 또는 일부 실시예들에서는 무기 반도체일 수 있다. 일부 구현들에서, 반도체층에 디봇(3-216)이 형성될 수 있거나, 형상되지 않을 수 있다. 반도체층(4-910)은 일부 실시예들에 따르면 대략 5nm와 대략 100nm 사이의 두께를 가질 수 있지만, 일부 실시예들에서는 다른 두께들이 사용될 수도 있다. 일부 구현들에 따르면, 여기 소스로부터의 여기 에너지 또는 광양자들(4-930)이 반도체층(4-910)에 부딪치고 여기자들(4-920)을 생성할 수 있다. 여기자들은 샘플 웰의 표면으로 확산할 수 있고 여기서 그것들은 비-방사성으로 재결합하고 샘플 웰의 벽들에 인접한 샘플에 에너지를 전달할 수 있다.
도 4ib는 반도체층(4-912)이 여기 에너지로부터의 에너지를 샘플에 비-방사성으로 전달하는데 사용될 수 있는 또 다른 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 반도체층(4-912)은, 도면에 도시된 바와 같이, 샘플 웰의 바닥에 또는 샘플 웰(2-211)의 디봇에 형성될 수 있다. 반도체층(4-912)은, 일부 실시예들에 따르면, 샘플 웰의 베이스에 피착체를 퇴적하기 위한 프로세스 공정들과 관련하여 본 명세서에 설명된 바와 같은 방향성 퇴적 프로세스를 사용하여 샘플 웰에 형성될 수 있다. 반도체층(4-912)은 일부 실시예들에 따르면 대략 5nm와 대략 100nm 사이의 두께를 가질 수 있지만, 다른 실시예들에서는 다른 두께들이 사용될 수 있다. 입사 방사가 반도체층 내에 여기자들을 생성할 수 있고, 그것들은 그 후 샘플 웰(2-211)의 바닥 표면으로 확산할 수 있다. 그 후 여기자들은 에너지를 샘플 웰 내의 샘플에 비-방사성으로 전달할 수 있다.
본 개시내용은 또한 여기 에너지를 샘플에 전달하기 위한 다수의 비-방사성 경로들을 제공한다. 일부 실시예들에 따르면, 그리고 도 4ic에 도시된 바와 같이, 샘플 웰 내에 에너지-전달 입자(4-940)가 퇴적될 수 있다. 에너지-전달 입자는 일부 실시예들에서는 양자점을 포함할 수 있고, 또는 일부 실시예들에서는 분자를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 에너지-전달 입자(4-940)는 결합 분자(linking molecule)를 통하여 샘플 웰의 표면에 관능화(functionalize)될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 얇은 반도체층(4-910)이 샘플 웰에 인접하여, 또는 샘플 웰 내에 형성될 수 있고, 이 반도체층에 입사되는 여기 에너지로부터 반도체층 내에 여기자들이 생성될 수 있다. 여기자들은 샘플 웰의 표면으로 확산할 수 있고, 에너지-전달 입자(4-940)에 에너지를 비-방사성으로 전달할 수 있다. 에너지-전달 입자(4-940)는 그 후 샘플 웰 내의 샘플(3-101)에 에너지를 비-방사성으로 전달할 수 있다.
일부 구현들에 따르면, 샘플 웰 내에 하나보다 많은 에너지-전달 입자(4-940)가 있을 수 있다. 예를 들어, 도 4ic에 도시된 샘플 웰과 같은 샘플 웰 내에 에너지-전달 입자들(4-942)의 층이 퇴적될 수 있다.
일부 구현들에서, 도 4id에 도시된 바와 같이, 에너지-전달 입자들(4-942), 또는 단일 에너지-전달 입자(4-940)가 샘플 웰의 베이스에 퇴적될 수 있다. 에너지-전달 입자, 또는 입자들은 웰 내의 샘플(3-101)에 방사성으로 또는 비-방사성으로 여기 에너지를 전달할 수 있다. 예를 들어, 에너지-전달 입자는 입사 방사를 흡수하여 에너지-전달 입자의 여기된 상태를 형성하고, 그 후 에너지를 샘플(3-101)에 방사성으로 또는 비-방사성으로 전달할 수 있다.
일부 구현들에서, 에너지-전달 입자는 입사 여기 에너지를 흡수하고, 그 후 흡수된 여기 에너지의 파장과는 상이한 파장에서 방사성 에너지를 재방출할 수 있다. 재방출된 에너지는 그 후 샘플 웰 내의 샘플을 여기시키는데 사용될 수 있다. 도 4ie는 하향 변환하는(down-converting) 에너지-전달 입자와 관련된 스펙트럼 그래프들을 나타낸다. 일부 실시예들에 따르면, 하향 변환하는 에너지-전달 입자는 짧은 파장 방사(더 높은 에너지)를 흡수하고, 하나 이상의 더 긴 파장 방사(더 낮은 에너지)를 방출하는 양자점을 포함할 수 있다. 6 내지 7nm의 반경을 갖는 양자점에 대해 예시적인 흡수 곡선(4-952)이 그래프에 파선으로 도시된다. 이 양자점은 곡선(4-954)에 의해 예시된 제1 방사 대역, 곡선(4-956)에 의해 예시된 제2 방사 대역, 및 곡선(4-958)에 의해 예시된 제3 방사 대역을 방출할 수 있다.
일부 구현들에서 에너지-전달 입자는 여기 소스로부터의 에너지를 상향 변환(up convert)할 수 있다. 도 4if는 에너지-전달 입자로부터의 상향 변환과 관련된 스펙트럼들을 도시한다. 일부 실시예들에 따르면, 양자점은 대략 980nm의 방사로 여기되고, 그 후 그래프에 예시된 바와 같은 3개의 스펙트럼 대역 중 하나로 재방출할 수 있다. 제1 대역은 대략 483nm에 중심을 둘 수 있고, 제2 대역은 대략 538nm에 중심을 둘 수 있고, 제3 대역은 대략 642nm에 중심을 둘 수 있다. 양자점으로부터의 재방출된 광양자들은 양자점을 여기시키기 위해 사용되는 방사의 광양자들보다 더 역동적(energetic)이다. 따라서, 여기 소스로부터의 에너지가 상향 변환된다. 방출된 스펙트럼 대역들 중 하나 이상이 샘플 웰 내의 하나 이상의 샘플을 여기시키는데 사용될 수 있다.
E. 센서를 향하여 방출 에너지를 지향시킴
어세이 칩(2-110)은 기기 상의 센서들에 의한 방출 에너지의 수집을 향상시키기 위해 픽셀 당 하나 이상의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이러한 컴포넌트들은 센서들 향하여 공간적으로 방출 에너지를 지향시키고 샘플 웰(2-211)로부터의 방출 에너지의 지향성을 증가시키도록 설계될 수 있다. 표면 옵틱스 및 원거리장 옵틱스 양자 모두 방출 에너지를 센서를 향해 지향시키는데 사용될 수 있다.
1. 표면 옵틱스
픽셀의 샘플 웰 가까이 위치되는 어세이 칩(2-110)의 픽셀 내의 컴포넌트들은 샘플에 의해 방출된 방출 에너지와 결합하도록 구성될 수 있다. 이러한 컴포넌트들은 어세이 칩의 2개 층들 사이의 인터페이스에 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 방출 에너지 결합 소자는 샘플 웰 층과 샘플 웰에 인접하고 샘플 웰들이 형성되는 대향 층 사이의 인터페이스에 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 샘플 웰 층 밑의 층은 유전체 층이고, 방출 에너지 결합 소자들은 표면 플라즈몬들을 지원할 수 있다. 다른 실시예들에서, 샘플 웰 층은 광학적으로 투명한 재료에 인접하는 도전성 재료일 수 있다. 표면-에너지 결합 소자들은 샘플 웰로부터의 방사성 방출에 의해 여기되고 이와 상호 작용하는 표면 옵틱스 표면들일 수 있다.
격자 주기, 피처 사이즈, 또는 샘플 웰로부터의 거리와 같은, 표면-광학 구조체의 특성 치수는 방출 에너지 운동량 벡터의 병렬 성분(parallel component)을 표면 플라즈몬을 위한 표면파 운동량 벡터로 최대로 결합하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 방출 에너지 운동량 벡터의 병렬 성분은, 일부 실시예들에 따르면, 구조에 의해 지원되는 표면 플라즈몬을 위한 표면파 운동량 벡터에 매칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰로부터 표면 옵틱스 구조체의 에지 또는 특징적 피처까지의 거리 d는 샘플 웰로부터의 방출 에너지를 선택된 방향, 예를 들어 표면에 대해 법선으로 또는 표면에 대해 법선으로부터 각도 θ로 경사지게 지향시키도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 그 거리 d는 표면에 대해 법선 방향으로 방출을 지향시키기 위해 정수개의 표면-플라즈몬 파장일 수 있다. 일부 실시예들에서, 거리 d는 표면-플라즈몬 파장의 분수, 또는 그의 파장 모듈로(modulo)이도록 선택될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 표면 옵틱스 구조체들은 샘플 웰 층에 대한 법선 방향으로 샘플 웰들로부터의 방사성 방출 에너지를 지향시킬 수 있다. 결합된 에너지는 좁아진 방향성 방사 패턴으로 법선 방향으로 지향될 수 있다.
표면 옵틱스 구조체의 예는 동심 격자(concentric grating)이다. 픽셀의 하나 이상의 센서들을 향해 방출 에너지를 지향시키기 위해 어세이 칩의 픽셀에 형성될 수 있는 동심 격자 구조체. 이러한 동심 격자 구조체는 샘플 웰 주위에 형성될 수 있다. 표면 플라즈몬 구조체로서의 동심 원형 격자 표면(5-102)의 예가 도 5a에 도시된다. 이 원형 격자는 임의의 적합한 수의 링을 포함할 수 있고 도 10a에 도시된 링들의 수(6개)는 비-제한적인 예이다. 원형 격자는 도전층의 표면으로부터의 돌출 링들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 원형 격자는 샘플 웰 층과 이 샘플 웰 층 아래에 형성된 유전체층의 계면에 형성될 수 있다. 샘플 웰 층은 도전성 재료일 수 있고 동심 격자는 그 도전성 재료와 유전체 사이의 계면에 격자 구조체를 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 원형 격자의 링들은 규칙적인 주기적 간격으로 있을 수 있고, 또는 링들 사이에 불규칙적인 비주기적 간격들을 가질 수 있다. 샘플 웰은 원형 격자의 중심에 또는 중심 근처에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰은 원형 격자에 대해 중심을 벗어나 위치될 수 있고 격자의 중심으로부터 소정 거리에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자-타입 표면 에너지-결합 컴포넌트는 나선형 격자를 포함할 수 있다. 나선형 격자(5-202)의 예가 도 5b에 도시된다. 나선형 격자(5-202)는 도전막에서의 나선형 개구를 포함할 수 있다. 나선형 격자를 형성하기 위해 나선형 격자의 임의의 적합한 치수들이 사용될 수 있다.
도 5c는 샘플 웰(2-211)로부터 방출 에너지에 대한 방출 패턴(5-302)을 도시한다. 동심 격자 구조(2-223)는 방출 에너지로 하여금 격자 구조체(2-223)의 부재시에 형성되는 방사 패턴에 비해 더 큰 방향성을 갖게 한다. 일부 실시예들에서, 방출 에너지는 아래쪽으로, 금속층(2-221)에 직각으로 지향된다.
표면 옵틱스 또는 표면 플라즈몬 구조체의 다른 예는 나노-안테나 구조체이다. 나노-안테나 구조체는 샘플 웰로부터의 방출 에너지를 공간적으로 지향시키도록 설계될 수 있다. 일부 실시예들에서, 나노-안테나 구조체에 대한 샘플 웰의 위치는 샘플 웰로부터의 방출 에너지를 하나 이상의 센서들을 향해 특정 방향으로 지향시키도록 선택된다. 나노-안테나들은 방출 에너지에 의해 여기될 때 방향성 방사 패턴을 생성하도록 설계되는 나노스케일 다이폴 안테나 구조체들을 포함할 수 있다. 나노-안테나들은 샘플 웰 주위에 분포될 수 있다. 방향성 방사 패턴은 안테나들의 전자기장들의 합계의 결과로 얻어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 방향성 방사 패턴은 안테나들의 전자기장들과 샘플로부터 직접 방출된 장의 합계의 결과로 얻어질 수 있다. 일부 구현들에서, 샘플로부터 직접 방출된 장은 샘플 웰과 나노-안테나 구조체 사이의 표면 플라즈몬에 의해 조정(mediate)될 수 있다.
나노-안테나 구조체를 형성하는 개개의 나노-안테나들의 치수들은 특정 분포 패턴들을 생성하는 전체 나노-안테나 구조체의 결합된 능력을 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 개개의 나노-안테나들의 직경들은 나노-안테나 구조체 내에서 달라질 수 있다. 그러나, 일부 경우에, 직경들은 나노-안테나들의 세트 내에서 동일할 수 있다. 다른 구현들에서, 전체 나노-안테나 구조체를 통틀어 소수의 선택된 직경들이 사용될 수 있다. 일부 나노-안테나들은 반경 R의 원에 분포될 수 있고 일부는 원으로부터 방사상 방향으로 시프트될 수 있다. 일부 나노-안테나들은 반경 R의 원 주위에 등간격으로 배치될 수 있고(예를 들어, 동등한 편각 증분들(equivalent polar-angle increments)에 중심을 둘 수 있고), 일부는 원 주위에 등간격으로부터 시프트될 수 있다. 일부 실시예들에서, 나노-안테나들은 샘플 웰 주위에 나선형 구성으로 배열될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 샘플 웰 주위에 행렬 어레이(matrix array), 십자형 분포(cross distribution), 및 성상 분포(star distributions)와 같은, 나노-안테나들의 다른 구성들이 가능하다. 개개의 나노-안테나들은 원 이외의 형상, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 십자형, 삼각형, 나비넥타이, 환상 링, 오각형, 육각형, 다각형, 등등일 수 있다. 일부 실시예들에서, 개구 또는 디스크의 원주는 대략 분수 파장의 정수배, 예를 들어, (N/2)λ일 수 있다.
나노-안테나 어레이는 샘플로부터의 방출 에너지를 집중된 방사 로브들 내로 지향시킬 수 있다. 샘플이 에너지를 방출할 때, 그것은 샘플 웰로부터 샘플 웰 주위에 분포된 나노-안테나들로 전파하는 표면 플라즈몬들을 여기시킬 수 있다. 표면 플라즈몬들은 그 후 샘플 웰 층의 표면에 수직인 방사를 방출하는 나노-안테나들에서의 방사 모드들 또는 다이폴 방사체들을 여기시킬 수 있다. 나노-안테나에서의 여기된 모드 또는 다이폴의 위상은 샘플 웰로부터의 나노-안테나의 거리에 의존할 것이다. 샘플 웰과 개개의 나노-안테나 간의 거리의 선택은 나노-안테나로부터 방출된 방사의 위상을 제어한다. 나노-안테나에서 여기된 공간 방사 모드는 나노-안테나의 기하학적 형상 및/또는 사이즈에 의존할 것이다. 개개의 나노-안테나의 기하학적 형상 및/또는 사이즈의 선택은 나노-안테나로부터 방출된 공간 방사 모드를 제어한다. 어레이 내의 모든 나노-안테나들 및, 일부 경우에 샘플 웰로부터의 기여들은 방사 패턴을 형성하는 전체 방사 로브 또는 로브들을 결정할 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 개개의 나노-안테나로부터 방출된 위상 및 공간 방사 모드는 파장에 의존할 수 있고, 따라서 방사 패턴을 형성하는 전체 방사 로브 또는 로브들도 파장에 의존할 것이다. 상이한 특성 파장들의 방출 에너지들의 전체 방사 로브 패턴들을 결정하기 위해 전자기장들의 수치 시뮬레이션들이 사용될 수 있다.
나노-안테나는 도전막에서의 홀들 또는 개구들의 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노-안테나 구조체는 도전성 샘플 웰 층과 하부의 유전체층 사이의 계면에 형성될 수 있다. 홀들은 중심점을 둘러싸는 동심원들에 분포된 홀들의 세트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰은 어레이의 중심점에 위치하는 반면, 다른 실시예들에서 샘플 웰은 중심을 벗어날 수 있다. 각각의 원형으로 분포된 홀들의 세트는 원형 분포 주위에 가장 작은 것에서 가장 큰 것까지 배열된 상이한 직경들의 집합(collection)을 포함할 수 있다. 홀 직경들은 세트들 사이에 상이할 수 있고(예를 들어, 하나의 세트 내의 가장 작은 홀이 또 다른 세트 내의 가장 작은 홀보다 클 수 있다), 가장 작은 홀의 위치는 원들의 각 세트에 대해 상이한 편각으로 배향될 수 있다. 일부 실시예들에서, 나노-안테나에 원형으로 분포된 홀들의 1 내지 7개 세트가 있을 수 있다. 다른 실시예들에서는, 7개보다 많은 세트가 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 홀들은 원형이 아닐 수 있고, 임의의 적합한 형상일 수 있다. 예를 들어, 홀들은 타원형, 삼각형, 직사각형, 등등일 수 있다. 다른 실시예들에서, 홀들의 분포는 원형이 아닐 수 있고, 나선형 형상을 생성할 수 있다.
도 5da 및 도 5db는 도전층에서의 홀들 또는 개구들로 구성된 예시적인 나노-안테나 구조체를 예시한다. 도 5da는 홀들(5-122)에 의해 둘러싸인 샘플 웰(5-108)을 갖는 어세이 칩의 표면의 평면도를 도시한다. 나노-안테나 홀들은 반경 R의 원 주위에 그들의 중심을 두고 대략 분포된다. 이 비제한적인 예에서, 홀 직경들은 홀들의 원의 원주 주위로 점증적으로 증가함으로써 달라진다. 도 5db는 도 5da에 도시된 어세이 칩의 라인 B-B'를 따르는 개략 단면도를 도시한다. 샘플 웰 층(5-116)은 나노-안테나 구조체의 일부인 개구들(5-122) 및 샘플 웰(5-108)을 포함한다. 어세이 칩의 층(5-118)은 샘플 웰 층(5-116) 아래에 놓인다. 층(5-118)은 유전체 재료 및/또는 광학적으로 투명한 재료일 수 있다.
일부 실시예들에서, 나노-안테나 구조체를 복수의 디스크를 포함할 수 있다. 나노-안테나 구조체의 디스크들은 도전성 재료의 표면으로부터 돌출하는 도전성 디스크들로서 형성될 수 있다. 도전성 재료는 광학적으로 투명한 재료에 인접할 수 있다. 일부 실시예들에서, 나노-안테나들은 샘플 웰 주위에 분포될 수 있다. 일부 경우들에서, 나노-안테나들은 반경 R의 원에 대략 샘플 웰 주위에 분포될 수 있다. 나노-안테나 어레이는 샘플 웰 주위에 상이한 반경들의 추가적인 원들에 대략 분포된 나노-안테나들의 다수의 세트를 포함할 수 있다.
도 5ea 및 도 5eb는 도전층으로부터 돌출하는 디스크들을 포함하는 나노-안테나 구조체의 예시적인 실시예를 예시한다. 도 5ea는 디스크들(5-224)에 둘러싸인 샘플 웰(5-208)을 갖는 어세이 칩의 표면의 개략 평면도이다. 나노-안테나 디스크들은 반경 R의 원 주위에 대략 분포된다. 이 비제한적인 예에서, 디스크들에 2개의 직경이 사용되고 디스크들은 나노-안테나의 원주 주위로 이 2개의 직경 사이에 교대한다. 도 5eb는 도 5ea에 도시된 어세이 칩의 라인 C-C'를 따르는 개략 단면도를 도시한다. 샘플 웰 층(5-216)은 나노-안테나 구조체의 일부인 디스크들(5-224) 및 샘플 웰(5-208)을 포함한다. 디스크들(5-224)은 샘플 웰 층(5-216)으로부터 소정의 거리만큼 돌출한다. 일부 실시예들에서, 디스크들이 샘플 웰 층으로부터 연장되는 거리는 나노-안테나 구조체 내에서 달라질 수 있다. 어세이 칩의 층(5-218)은 샘플 웰 층(5-216) 아래에 놓인다. 층(5-18)은 유전체 재료 및/또는 광학적으로 투명한 재료를 포함할 수 있다. 샘플 웰 층(5-216) 및 돌출 디스크들은 도전성 재료일 수 있다.
2. 원거리장 옵틱스
일부 실시예들에서, 표면 옵틱스 바로 아래의 층은 임의의 적합한 두께의 스페이서층(2-225)일 수 있고, 임의의 적합한 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 스페이서층은, 예를 들어, 10 μm 두께일 수 있고, 실리콘 이산화물로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 이 스페이서층은 48 μm 또는 50 μm일 수 있다. 스페이서층 아래에는 추가적 스페이서층을 갖는 하나 이상의 렌즈 층이 있을 수 있다. 예를 들어, 도 5fa는 적어도 하나의 굴절 렌즈를 포함할 수 있는 상부 렌즈 층(5-601)을 도시한다. 일부 실시예들에서, 상부 렌즈 층은 샘플 웰 층(2-221) 5 μm 아래에 위치될 수 있다. 각각의 샘플과 관련된 하나 이상의 렌즈들이 존재할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 렌즈 어레이가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상부 렌즈 층(5-601)의 각각의 렌즈는 샘플 웰(2-211) 아래에 중심을 두고, 그리고, 예를 들어, 10.5 μm보다 작은 반경을 가질 수 있다. 상부 렌즈 층은, 제한이 아니라 예로써, 실리콘 질화물과 같은 임의의 적합한 유전체 재료로 이루어질 수 있다.
상부 렌즈 층 바로 아래의 층은 임의의 적합한 유전체로 이루어진 구조적 및/또는 광학적 층(5-605)일 수 있다. 이러한 구조적 및/또는 광학적 층(5-605)은 용해된 실리카의 형태인 실리콘 이산화물로 이루어질 수 있다. 구조적 층 바로 아래의 층은 적어도 하나의 추가적 렌즈를 포함할 수 있는 하부 렌즈 층(5-603)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 하부 렌즈 층(5-603)에서의 각각의 렌즈 또한 샘플 웰 아래에 중심에 둘 수 있다. 하부 렌즈 층(5-603)은, 제한이 아니라 예로써, 실리콘 질화물과 같은 임의의 적합한 유전체 재료로 이루어진다. 상부 렌즈 층의 상단으로부터 하부 렌즈 층의 바닥부까지의 거리는 100-500 μm일 수 있다. 하부 렌즈 층 바로 아래의 층은 여기 에너지와 방출 에너지 양자 모두를 통과시키고 반사된 광량을 감소시키는 반사 방지층을 포함할 수 있다. 반사 방지층 바로 아래의 층은 칩이 기기와 정렬되고 기기 상으로 탑재되게 하기 위한 구조적 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 칩-탑재 층 바로 아래의 층은 분진을 포함하는 손상과 오염으로부터 시스템을 보호하기 위해 보호 덮개를 포함할 수 있다.
도 5fa는 굴절 렌즈들을 사용하는 2개의 렌즈 층들을 도시하지만, 임의의 적합한 렌즈가 사용될 수 있다. 예를 들어, 프레넬 렌즈들, 마이크로렌즈들, 굴절 렌즈 쌍들 및/또는 평평한 렌즈들이 사용될 수 있다. 도 5fb는 구조적 및/또는 광학적 층(5-605)에 의해 분리되는 상부 렌즈 층(5-611) 및 하부 렌즈 층(5-613) 양자 모두에서 프레넬 렌즈를 사용하는 실시예를 도시한다.
일부 실시예들에서는, 칩에서 위에 설명된 층들 사이의 인터페이스들 중 임의의 것이 반사 방지 코팅 또는 반사 방지층을 포함할 수 있다. 상부 렌즈 층 및 제2 렌즈 층 양자 모두는 샘플 웰들의 어레이로부터 방출되는 형광성을 기기의 릴레이 렌즈에 집중시키기 위해 샘플 웰 아래에 배열될 수 있다.
IV. 기기 컴포넌트들
1. 기기의 현미경 검사층
일부 실시예들에서, 기기는 도 6a에 도시된 바와 같은 서브-층들을 포함할 수 있는 현미경 검사층을 포함할 수 있다. 특히, 현미경 검사층은 여기 에너지를 어세이 칩으로 지향시키기 위해 각도 θ로 기울어진 다색성 미러(2-230)를 포함하는 서브-층을 포함할 수 있다. 이러한 다색성 미러는 실질적으로 유전체일 수 있고, 어세이 칩상의 샘플 웰들 중 하나 이상에서의 샘플로부터의 방출 에너지를 실질적으로 전송하면서 여기 에너지를 반사한다. 선택적으로, 다색성 미러에 의해 도입되는 난시에 대한 보상을 제공하기 위해, 추가적 유전체층을 포함하는 난시 보상 소자(6-101)가 다색성 미러 밑에 제공될 수 있고, 동일하지만 다색성 미러의 경사의 것에 수직인 축에 대한 각도 θ로 기울어질 수 있다. 도 6a에서, 난시 보상 소자(6-101)는 상부 필터와 동일한 평면에서 기울어진 것으로서 도시되지만, 이러한 도시는 상부 필터에 대한 기울어짐을 표현하고, 이것이 난시 보상 소자(6-101)의 배향을 어떠한 방식으로든 제한하는 것을 의미하는 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다. 이러한 난시 보상 소자(6-101)는 또한 추가적 필터링을 제공할 수 있다. 예를 들어, 난시 보상 소자(6-101)는 방출 에너지를 전송하면서 여기 에너지를 더욱 필터링하는 다른 다색성 미러일 수 있다. 렌즈(6-103)는 샘플 웰들로부터의 방출 에너지를 처리하는 것을 더욱 돕기 위해 난시 보상 소자(6-101) 밑에 제공될 수 있다. 렌즈(6-103)는, 예를 들어, 직경이 25.4 μm일 수 있지만, 임의의 적합한 직경이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 렌즈는 복수의 렌즈 소자들을 포함하는 릴레이 렌즈이다. 예를 들어, 릴레이 렌즈는 6개의 개별 렌즈 소자들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 릴레이 렌즈는 길이가 대략 17.5 ㎜ 일 수 있다. 여기 에너지가 센서들에 도달하는 것을 방지하기 위해 여기 에너지를 더욱 거부하기 위해 렌즈(6-103) 이전에 또는 이후에 추가적 필터링 소자들이 사용될 수 있다.
A. 센서 칩
샘플 웰 내의 샘플로부터 방출된 방출 에너지는 다양한 방식으로 픽셀의 센서들에 전송될 수 있고, 그 일부 예들이 아래에 상세히 설명된다. 일부 실시예들은 특정 파장의 광이 그 특정 파장의 광을 검출하는 것에 전용인 센서의 영역 또는 부분에 지향될 가능성을 증가시키기 위해 광학 및/또는 플라즈몬 컴포넌트들을 사용할 수 있다. 센서는 상이한 파장들의 방출 에너지를 동시에 검출하기 위한 다수의 서브-센서들을 포함할 수 있다.
도 6ba는 일부 실시예들에 따라, 특정 파장의 방출 에너지를 각자의 서브-센서(6-111 내지 6-114)로 지향시키는데 적어도 하나의 분류 소자(6-127)가 사용되는 일부 실시예들에 따른 센서 칩의 단일 픽셀의 개략도이다. 방출 에너지(2-253)는 센서 칩의 분류 소자(6-127)에 도달할 때까지 어세이 칩 및 기기의 광학 시스템을 통해 샘플 웰로부터 이동한다. 분류 소자(6-127)는 방출 에너지(2-253)의 파장을 공간 자유도에 결합하고, 이에 의해 방출 에너지를 분류된 방출 에너지(sorted emission energy)로 언급되는, 그의 구성 파장 성분들로 분리한다. 도 6ba는 방출 에너지(2-253)가 유전체 재료(6-129)를 통하여 4개의 분류된 방출 에너지 경로들로 분리되는 것을 개략적으로 도시하는데, 여기서 4개의 경로들 각각은 픽셀의 서브-센서(6-111 내지 6-114)와 관련된다. 이러한 방식으로, 각각의 서브-센서는 스펙트럼의 상이한 부분과 관련되어, 센서 칩의 각각의 픽셀에 대한 분광계(spectrometer)를 형성할 수 있다.
임의의 적합한 분류 소자(6-127)가 방출 에너지의 상이한 파장들을 분리하는데 사용될 수 있다. 실시예들은 광학 또는 플라즈몬 소자들을 사용할 수 있다. 광학 분류 소자들의 예들은, 홀로그래피 격자(holographic gratings), 위상 마스크 격자(phase mask gratings), 진폭 마스크 격자(amplitude mask gratings), 및 오프셋 프레넬 렌즈(offset Fresnel lenses)를 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다. 플라즈몬 분류 소자들의 예들은, 위상 나노-안테나 어레이(phased nano-antenna arrays), 및 플라즈몬 준결정(plasmonic quasi-crystals)을 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다.
도 6bb는 특정 파장의 방출 에너지를 각자의 서브-센서로 지향시키고 다른 파장들의 방출 에너지가 다른 서브-센서들에 도달하는 것을 방지하는데 필터링 소자들(6-121 내지 6-124)가 사용되는 일부 실시예들에 따른 센서 칩의 단일 픽셀의 개략도이다. 방출 에너지(2-253)는 필터링 소자들(6-121 내지 6-124) 중 하나에 도달할 때까지 어세이 칩 및 기기의 광학 시스템을 통하여 이동한다. 각각 특정 서브-센서(6-11 내지 6-114)와 관련되는, 필터링 소자들(6-121 내지 6-124)은 각각, 방출 에너지를 흡수하는 것(도 6ab에 도시되지 않음) 및/또는 방출 에너지를 반사하는 것에 의해 각자의 파장의 방출 에너지를 전송하고 다른 파장들의 방출 에너지를 거부하도록 구성된다. 각자의 필터링 소자를 통과한 후에, 필터링된 방출 에너지는 유전체 재료(6-129)를 통하여 이동하고 픽셀의 대응하는 서브-센서(6-111 내지 6-114)에 부딪친다. 이러한 방식으로, 각각의 서브-센서는 스펙트럼의 상이한 부분과 관련되어, 센서 칩의 각각의 픽셀에 대한 분광계를 형성한다.
임의의 적합한 필터링 소자들이 방출 에너지의 상이한 파장들을 분리하는데 사용될 수 있다. 실시예들은 광학 또는 플라즈몬 필터링 소자들을 사용할 수 있다. 광학 분류 소자들의 예들은, 반사성 다층 유전체 필터들 또는 흡수성 필터들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 플라즈몬 분류 소자들의 예들은, 특정 파장 및 광 밴드갭 결정들에서 에너지를 전송하도록 설계된 주파수 선택 표면들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
위에 언급된 분류 소자들 및 필터링 소자들에 대안적으로, 또는 추가적으로, 각 서브-센서(6-11 내지 6-114)에 인접하여 추가적인 필터링 소자들이 배치될 수 있다. 이 추가적인 필터링 소자들은 특정 파장의 방출 에너지에 대한 보강 간섭을 일으키도록 구성된 얇은 손실막을 포함할 수 있다. 이 얇은 손실막은 단일 또는 다층 막일 수 있다. 얇은 손실막은 임의의 적합한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 얇은 손실막은 굴절률 n이 흡광 계수 k와 대략 동일한 자릿수인 재료로 이루어질 수 있다. 다른 실시예들에서, 얇은 손실막은 굴절률 n이 해당 재료의 흡광 계수 k의 값으로부터 약 두 자릿수 차이 이내인 재료로 이루어질 수 있다. 가시 파장들에서 이러한 재료들의 비제한적인 예들은 게르마늄과 실리콘이다.
얇은 손실막은 임의의 적합한 두께일 수 있다. 일부 실시예들에서, 얇은 손실막은 두께가 1 - 45nm일 수 있다. 다른 실시예들에서, 얇은 손실막은 두께가 15 - 45nm일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 얇은 손실막은 두께가 1 - 20nm일 수 있다. 도 6ca는 얇은 손실막들(6-211 내지 6-214)이 각각, 각 서브-센서(6-11 내지 6-114)와 관련되는 파장에 의해 적어도 부분적으로 결정되는 상이한 두께를 갖는 실시예를 예시한다. 막의 두께는 이 얇은 손실막을 선택적으로 통과하여 서브-센서로 이동할 별개의 파장을 적어도 부분적으로 결정한다. 도 6-211에 예시된 바와 같이, 얇은 손실막(6-211)은 두께 d1을 갖고, 얇은 손실막(6-212)은 두께 d2를 갖고, 얇은 손실막(6-213)은 두께 d3를 갖고, 얇은 손실막(6-214)은 두께 d4를 갖는다. d1 > d2 > d3 > d4이 되도록 각각의 후속의 얇은 손실막의 두께는 이전의 얇은 손실막보다 작다.
추가로, 또는 대안적으로, 얇은 손실막들은 상이한 파장들의 방출 에너지가 각각의 각자의 서브-센서에서 보강 간섭하도록 상이한 속성들을 갖는 상이한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 굴절률 n 및/또는 흡광 계수 k는 특정 파장의 방출 에너지의 투과를 최적화하도록 선택될 수 있다. 도 6cb는 동일한 두께를 갖는 얇은 손실막들(6-221 내지 6-224)을 예시하지만 각각의 얇은 손실막은 상이한 재료로 형성된다. 일부 실시예들에서, 얇은 손실막들의 재료와 얇은 손실막들의 두께 양자 모두는 원하는 파장의 방출 에너지가 보강 간섭하고 막을 통하여 투과되도록 선택될 수 있다.
도 6a는 방출 에너지를 파장에 의해 분류하는데 회절 소자들과 렌즈의 조합이 사용되는 실시예를 도시한다. 센서 칩의 제1 층(6-105)은 블레이징된 위상 격자를 포함할 수 있다. 블레이징된 격자는, 예를 들어, 40도와 실질적으로 동일한 각도 Φ로 블레이징될 수 있고, 블레이징된 격자의 라인 간격 (Λ)는 1.25 μm와 실질적으로 동일할 수 있다. 본 기술분야에 숙련된 기술자는 방출 에너지의 상이한 파장들의 광의 분리를 달성하는데 상이한 블레이즈 각도들 및 주기성들이 사용될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 더욱이, 방출 에너지의 상이한 파장들을 분리하는데 임의의 적합한 회절 광학 소자가 사용될 수 있다. 예를 들어, 위상 마스크, 진폭 마스크, 블레이징된 격자 또는 오프셋 프레넬 렌즈가 사용될 수 있다.
센서 칩(2-260)의 제2 층(6-106)은 방출 에너지를 더욱 분류하기 위해 그리고 이를 센서(6-107)에 지향시키기기 위해 제1 층(6-105)의 아래에 배치된 하나 이상의 프레넬 렌즈를 포함할 수 있다. 더욱이, 방출 에너지의 상이한 파장들을 더욱 분리하는데 임의의 적합한 렌즈 소자가 사용될 수 있다. 예를 들어, 굴절 렌즈가 프레넬 렌즈 대신에 사용될 수 있다.
도 6a의 다양한 컴포넌트들은 임의의 적합한 거리에 떨어져 이격될 수 있다. 예를 들어, 센서들의 표면은 프레넬 렌즈 층(6-106)의 밑에 5 μm의 거리에 위치될 수 있고; 현미경 검사층의 렌즈(6-103)의 중심으로부터 프레넬 렌즈 층(6-106)까지의 거리는 50.6 mm일 수 있고; 블레이징된 위상 격자(6-105)는 센서들의 표면 위에 대략 100 μm의 거리에 위치될 수 있다. 대안적으로, 어세이 칩의 바닥부로부터 격자(6-105)의 상단까지의 거리는 대략 53㎜일 수 있다. 센서층의 폭은 대략 10 ㎜일 수 있다.
어세이 칩 및 기기의 다양한 층들은 위에서 설명된 순서에 있을 필요가 없다. 일부 실시예들에서, 기기의 포커싱 및/또는 분류 소자들과 이미징 옵틱스는 반대 순서에 있을 수 있다. 예를 들어, 블레이징된 위상 격자(6-105)는 프레넬 렌즈 층(6-106) 뒤에 배치될 수 있다. 대안적으로, 포커싱 및/또는 분류 소자들 및 이미징 옵틱스는 단일 회절 광학 소자(DOE)에 통합될 수 있다. 또한, 어세이 칩 및 기기의 다양한 컴포넌트들은, 예를 들어, 이미징 옵틱스가 포커싱 및/또는 분류 소자들 위 및 아래 양자 모두에서 발생할 수 있도록 혼합될 수 있다.
공기와 시스템의 층 사이의 계면을 포함하는, 시스템에서 위에 설명된 층들 사이의 인터페이스들 중 임의의 것은 반사 방지 코팅을 포함할 수 있다.
B. 기기의 광 블록의 실시예
일부 실시예들에서, 기기(1-120)의 광 블록은 위에 설명된 광 컴포넌트들의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 이러한 광 블록은 도 6-4에 배열된 바와 같이 광 컴포넌트들을 제공할 수 있다. 위에 설명된 컴포넌트들 이외에도, 광 블록은 여기 에너지의 제1 파장을 옮기는 제1 광 섬유가 결합될 수 있는 제1 파이버 커넥터(6-401) 및 여기 에너지의 제2 파장을 옮기는 제2 광 섬유가 결합될 수 있는 제2 파이버 커넥터(6-402)를 포함할 수 있다. 제한이 아니라 예로써, 여기 에너지의 제1 여기 파장은 630-640nm일 수 있다. 광 섬유 커넥터들은 FC 또는 LC 커넥터와 같은 임의의 적합한 종래의 커넥터일 수 있다. 2개의 상이한 파장들이 입력되면, 이러한 파장들은 이색성 또는 다색성 미러와 같은 파장 조합기(6-403)로 조합될 수 있다. 제2 여기 파장은 515 - 535 nm일 수 있다. 입력 여기 에너지는 선형 편광가 같은 임의의 적합한 편광일 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기 에너지를 옮기는 파이버는 편광-유지 파이버일 수 있다. 선택적으로, 광 섬유에서 자유 공간으로의 결합기들과 같은, 여기 필터들 및 편광기들은 여기 에너지의 특성들을 더욱 필터링하거나 또는 수정하기 위해 광 섬유 입력 뒤에 사용될 수 있다.
광 블록은 빔 성형과 같은 광학적 처리를 위해 렌즈들 및 다른 광 컴포넌트들을 수용하는 하나 이상의 금속 하우징들을 포함할 수 있다. 도 6d는 렌즈 및/또는 다른 광 컴포넌트들을 각각 수용하는 4개의 금속 하우징들(6-405 내지 6-408)을 도시한다. 여기 에너지를 조준하고 집중시키는데 사용되는 임의의 수의 렌즈들이 존재할 수 있다. 하나 이상의 미러들(6-411 및 6-412)이 어세이 칩(2-110)을 향해 여기 에너지를 안내하기 위해 이러한 금속 하우징들의 일부 사이에 위치된다. 도 6d에서, 제1 미러(6-411)는 여기 에너지를 제2 하우징(6-406)으로부터 제3 하우징(6-407)으로 지향시키고, 제2 미러(6-412)는 여기 에너지를 제4 하우징(6-408)으로부터 다색성 유전체 미러(2-230)로 반사한다. 다색성 유전체 미러(2-230)는 여기 에너지를 난시 보상 필터(6-601)를 향해 지향시킨다.
일부 실시예들에서, 원형으로 편광된 광은 발광성 마커들로 하여금 비슷한 강도를 갖는 발광성을 방출하게 하기 위해 샘플 웰 내로 지향될 수 있다. 4분의 1-파 플레이트는 선형으로 편광된 광을 그것이 어세이 칩에 도달하기 이전에 원형으로 편광된 광으로 전환하는데 사용될 수 있다. 다색성 유전체 미러(2-230)는 여기 에너지를 1/4 파 플레이트(6-415)로 지향시킨다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 4분의 1-파 플레이트(6-415)는 난시 보상 필터(6-101)과 어세이 칩(2-110) 사이에 배치될 수 있다. 원형으로 편광된 여기 에너지는 다음으로 어세이 칩 상의 복수의 픽셀들을 향해 지향된다. 픽셀들을 향해 지향되지 않은 여기 에너지는 빔 덤프 컴포넌트(6-417)에 의해 흡수될 수 있다. 하나 이상의 샘플 웰들 내에서 샘플에 도달하는 여기 에너지는 샘플로 하여금 방출 에너지를 방출하게 할 것이고, 이는 센서(2-260)를 향해 지향된다. 방출 에너지는 편광 옵틱스, 난시 보상 소자(6-101), 다색성 미러(2-230) 및 릴레이 렌즈(6-103)와 같은 광 컴포넌트들을 통과할 수 있다. 다색성 미러는 필터로서의 역할을 하고, 이는, 예를 들어, 노치 필터, 스파이크 필터 또는 컷-오프 필터일 수 있다. 릴레이 렌즈(6-103)는 센서를 향하는 방출 에너지를 촬영할 수 있다. 방출 에너지의 일부는 다음으로, 센서(2-260) 위에 놓이는, 하나 이상의 방출 필터들(6-421 및 6-422)을 통과할 수 있고, 이들은 방출 에너지를 더욱 필터링할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 방출 필터들은 필터들의 전송 특성을 조정하기 위해 및/또는 후방 반사에 의해 초래되는 간섭을 감소시키기 위해 입사 방출 에너지 전파 방향에 대해 소정 각도로 기울어질 수 있다. 상부 필터(6-421)가 각도 θ로 기울어지면, 바닥 필터(6-422)는, 방출 방사 빔 경로에 난시가 도입되지 않는 것을 보장하기 위해, 동일하지만 상부 필터의 경사의 것에 수직인 축에 대한 각도 θ로 기울어질 수 있다.
C. 센서들
본 개시내용은 센서들, 센서 동작, 및 신호 처리 방법들의 다양한 실시예들을 제공한다. 일부 실시예들에 따르면, 센서 칩(2-260)의 픽셀에서의 센서(2-122)는 샘플 웰 내의 하나 이상의 태그로부터 방출 에너지를 수신하고, 수신된 방출 에너지들을 나타내는 하나 이상의 전기 신호들을 생성할 수 있는 임의의 적합한 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서는 적어도 하나의 광 검출기(예를 들어, 반도체 기판에 형성되는 p-n 접합)를 포함할 수 있다. 도 7aa 및 도 7ab는 센서 칩의 픽셀(2-100) 내에 제조될 수 있는 센서의 하나의 실시예를 도시한다.
일부 실시예들에 따르면, 센서(2-122)가 센서 칩의 각각의 픽셀(2-100)에 형성될 수 있다. 센서는 어세이 칩의 샘플 웰(2-211)과 관련될 수 있다. 센서 위에 하나 이상의 투명한 층들(7-110)이 존재할 수 있고, 따라서 샘플 웰로부터의 방출은 현저한 감쇠 없이 센서로 이동할 수 있다. 센서(2-122)는, 일부 실시예들에 따라, 픽셀의 베이스에서 반도체 기판(7-120)에 형성되고, 어세이 칩(도시되지 않음)과 동일한 측의 샘플 웰 상에 위치될 수 있다.
센서는 하나 이상의 반도체 접합 광 검출기 세그먼트들을 포함할 수 있다. 각각의 반도체 접합은 제1 도전형의 웰(well)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 반도체 접합은 도면에 도시된 바와 같이, p형 기판에 형성된 n형 웰을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 센서(2-122)는 도 7ab의 평면도에 도시된 바와 같이, 불스-아이 검출기(7-162)로서 배열될 수 있다. 제1 광 검출기(7-124)가 센서의 중심에 위치될 수 있고, 제2 환상 광 검출기(7-122)가 중심 광 검출기를 둘러쌀 수 있다. 웰들과의 전기 접촉들은 제1 또는 후속 금속화 레벨에 형성된 도전성 트레이스들(7-134)을 통하여 그리고 도전성 비아들(7-132)을 통하여 이루어질 수 있다. 비아들의 접촉 영역들에 고농도로 도핑된 반도체 재료(7-126)의 영역이 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 필드 산화물(7-115)이 광 검출기들 사이의 표면들에 형성될 수 있고 각 광 검출기의 일부를 커버할 수 있다. 일부 구현들에서, 센서(2-122)에 인접하여 픽셀 내에 형성된 추가적인 반도체 디바이스들(7-125)(예를 들어, 트랜지스터, 증폭기 등)이 있을 수 있다. 픽셀 내에 추가적인 금속화 레벨들(7-138, 7-136)이 있을 수 있다.
일부 구현들에서, 금속화 레벨들(7-136)은 픽셀의 대부분을 가로질러 연장되고 광 검출기(7-124) 위에 중심을 두는 개방부를 가질 수 있고, 따라서 샘플 웰로부터의 방출이 센서에 도달할 수 있다. 일부 경우에, 금속화 레벨(7-136)은 기준 전위 또는 접지면으로서의 역할을 할 수 있고, 추가로 적어도 일부 배경 방사(예를 들어, 여기 소스로부터 또는 주변 환경으로부터의 방사)가 센서(2-260)에 도달하는 것을 막는 광학 블록(optical block)으로서의 역할을 할 수 있다.
도 7aa 및 도 7ab에 도시된 바와 같이, 센서(2-122)는 서로 공간적으로 그리고 전기적으로 분리되는 복수의 광 검출기 세그먼트(7-122, 7-124)로 세분될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서(2-122)의 세그먼트들은 정반대로 도핑된 반도체 재료의 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 센서 세그먼트에 대한 제1 전하 축척 웰(7-124)은 제1 웰 내에 제1 도전형(예를 들어, n형)을 갖도록 기판의 제1 영역을 도핑하는 것에 의해 형성될 수 있다. 기판은 p형일 수 있다. 제2 센서 세그먼트에 대한 제2 전하 축척 웰(7-122)은 제2 웰 내에 제1 도전형을 갖도록 기판의 제2 영역을 도핑하는 것에 의해 형성될 수 있다. 제1 및 제2 웰들은 기판의 p형 영역에 의해 분리될 수 있다.
센서(2-122)의 복수의 세그먼트들은 불스-아이 레이아웃 이외의 임의의 적합한 방식으로 배열될 수 있고, 센서에 2개보다 많은 세그먼트가 있을 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서는, 도 7ac에 도시된 바와 같이, 복수의 광 검출기 세그먼트(7-142)가 서로 측방으로 분리되어 스트라이프 센서(7-164)를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 도 7ad에 도시된 바와 같이, 세그먼트들(7-144)을 사분면 패턴(quad pattern)으로 배열함으로써 사분면(quad (or quadrant)) 센서(7-166)가 형성될 수 있다. 일부 구현들에서, 도 7ae에 도시된 바와 같이, 불스-아이 패턴과 조합하여 아크 세그먼트들(7-146)을 형성하여 아크-세그먼트형 센서(arc-segmented sensor)(7-168)를 형성할 수 있다. 또 다른 센서 구성은 원의 개별적인 섹션에 배열된 개개의 센서들을 포함할 수 있는, 파이 조각 섹션들(pie-piece sections)을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 센서 세그먼트들은 샘플 웰(2-211) 주위에 대칭으로 또는 샘플 웰 주위에 비대칭으로 배열될 수 있다. 센서 세그먼트들의 배열은 상기한 배열들로 제한되지 않고, 센서 세그먼트들의 임의의 적합한 분포가 사용될 수 있다.
본 발명자들은 사분면 센서들(7-166), 파이-섹터 센서, 또는 유사한 섹터 센서가 다른 센서 구성들보다 더 유리하게 더 작은 픽셀 사이즈들로 스케일링될 수 있다는 것을 발견하였다. 사분면 및 섹터 검출기들은 액티브 센서 영역 및 검출되는 다수의 파장들에 대해 더 적은 픽셀 영역을 소비할 수 있다.
센서들은 다양한 기하학적 구성들로 배열될 수 있다. 일부 예들에서, 센서들은 정사각형 구성들 또는 육각형 구성으로 배열된다.
본 개시내용의 센서들은 독립적으로(또는 개별적으로) 어드레싱 가능할 수 있다. 개별적으로 어드레싱 가능한 것은 신호를 검출할 수 있고 다른 센서들과 독립적인 출력을 제공할 수 있다. 개별적으로 어드레싱 가능한 센서는 개별적으로 판독 가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 7af에 도시된 바와 같이, 수직 스택으로 복수의 분리된 센서 세그먼트들(7-148)을 제조하는 것에 의해 스택형 센서(stacked sensor)(7-169)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 세그먼트들은 하나 위에 다른 하나가 배치되는 식으로(one above the other) 위치될 수 있고, 스택형-세그먼트들 사이에 절연층들이 있을 수 있거나, 없을 수 있다. 각각의 수직층은 특정 에너지의 방출 엥너지를 흡수하고, 상이한 에너지들에서 방출을 통과시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 검출기는 보다 짧은 파장의 방사(예를 들어, 샘플로부터의 약 500nm 아래의 청색 파장 방사)를 흡수하고 검출할 수 있다. 제1 검출기는 샘플로부터의 녹색 및 적색 파장 방사들을 통과시킬 수 있다. 제2 검출기는 녹색 파장 방사(예를 들어, 약 500nm와 약 600nm 사이)를 흡수하고 검출하고 적색 방출들은 통과시킬 수 있다. 제3 검출기는 적색 방출들을 흡수하고 검출할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 선택된 파장 대역의 광을 세그먼트를 통하여 도로 반사하기 위해 스택에 반사성 막들(7-149)이 통합될 수 있다. 예를 들어, 막은 제2 세그먼트에 의해 흡수되지 않은 녹색 파장 방사를 제2 세그먼트를 통하여 도로 반사하여 그것의 검출 효율을 증가시킬 수 있다.
수직 수택형 센서 세그먼트들을 갖는 일부 실시예들에서, 방출 파장에 의존하는 샘플 방출의 별개의 공간 분포 패턴들을 생성하기 위해 샘플 웰에 방출-결합 컴포넌트들이 포함되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 수직 수택형 센서(7-169)를 사용하여 그것의 스택형 세그먼트로부터의 신호들의 비율을 분석하는 것에 의해 스펙트럼으로 상이한 방출들의 판별이 달성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서(2-122)의 세그먼트들은 실리콘으로 형성되지만, 임의의 적합한 반도체(예를 들어, Ge, GaAs, SiGe, InP 등)가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 세그먼트는 유기 광도전막(organic photoconductive film)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서는, 센서 세그먼트들로 양자점 광 검출기들이 사용될 수 있다. 양자점 광 검출기들은 양자점의 사이즈에 기초하여 상이한 방출 에너지들에 반응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰로부터 수신된 상이한 방출 에너지들 또는 파장들을 구별하기 위해 다양한 사이즈들의 복수의 양자점이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 세그먼트는 제1 사이즈를 갖는 양자점들로부터 형성될 수 있고, 제2 세그먼트는 제2 사이즈를 갖는 양자점들로부터 형성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 센서들(2-122)은 종래의 CMOS 프로세스들을 사용하여 형성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 일부 실시예들에서는 샘플 웰에 인접하여 방출-결합 컴포넌트들이 제조될 수 있다. 분류 소자들(2-243)은 샘플 웰(2-211) 내의 샘플로부터의 방출을 변경하여 방출 파장에 의존하는 샘플 방출의 별개의 공간 분포 패턴들을 생성할 수 있다. 도 7ba는 제1 파장에서 제1 샘플로부터 생성될 수 있는 제1 공간 분포 패턴(7-250)의 예를 도시한다. 이 제1 공간 분포 패턴(7-250)은 , 예를 들어, 도 7bb에 도시된 바와 같이, 불스-아이 센서(7-162)의 중심 세그먼트를 향하여 지향되는 두드러진 중심 로브(central lobe)를 가질 수 있다. 이러한 패턴(7-250)은 샘플이 약 663 nm의 파장에서 방출될 때 임의의 적합한 회절 소자에 의해 생성될 수 있다. 센서 상에 입사되는 투사된 패턴(projected pattern)(7-252)은 도 7bb에 예시된 것처럼 보일 수 있다.
도 7bc는 일부 실시예들에 따른, 동일한 샘플 웰로부터 제2 파장에서 방출하는 제2 샘플로부터 생성될 수 있는 공간 분포 패턴(7-260)을 도시한다. 이 제2 공간 분포 패턴(7-260)은 2개의 방사 로브를 포함하고 제1 공간 분포 패턴(7-250)과 상이할 수 있다. 제2 공간 분포 패턴(7-260)의 투사된 패턴(7-262)은, 일부 실시예들에 따르면, 도 7bd에 도시된 것처럼 보일 수 있다. 제2 공간 분포 패턴(7-260)은 샘플이 약 687 nm의 파장에서 방출될 때 임의의 적합한 회절 소자에 의해 생성될 수 있다.
센서(2-122)의 세그먼트들은, 일부 실시예들에 따르면, 특정 방출 에너지들을 검출하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 센서의 세그먼트들 및 샘플 웰에 인접한 방출-결합 구조체들은 결합하여 특정 방출 에너지들 간의 신호 구별을 증가시키도록 설계될 수 있다. 방출 에너지들은 센서 칩과 함께 사용될 선택된 태그들에 대응할 수 있다. 예로서, 불스-아이 센서(7-162)는 샘플로부터의 투사된 패턴들(7-260, 7-262)과 더 잘 매칭하는 사이즈의 그리고/또는 더 잘 매칭하도록 위치하는 그것의 세그먼트들을 가질 수 있고, 따라서 더 높은 강도의 영역들은 센서의 액티브 세그먼트들 내의 더 중심에 속한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 회절 소자들은 강한 영역들이 센서의 세그먼트들 내의 더 중심에 속하도록 투사된 패턴들(7-260, 7-262)을 변경하도록 설계될 수 있다.
센서(2-122)는 2개의 세그먼트를 포함할 수 있지만, 일부 실시예들에서는 샘플로부터 2개보다 많은 스펙트럼으로 별개의 방출 대역을 판별하는 것이 가능하다. 예를 들어, 각각의 방출 대역은 센서 세그먼트들에 별개의 투사된 패턴을 생성하고 센서 세그먼트들로부터의 신호들의 별개의 조합을 산출할 수 있다. 이 신호들의 조합은 방출 대역을 판별 및 식별하기 위해 분석될 수 있다. 도 7be 내지 도 7bh는 4개의 별개의 방출 패턴들에 노출된 2-세그먼트 센서(2-122)로부터의 신호들의 수치 시뮬레이션들로부터의 결과들을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 2개의 센서 세그먼트로부터의 신호들의 각각의 조합은 별개이고, 4개의 파장에서 방사체들을 구별하는데 사용될 수 있다. 이 시뮬레이션을 위해, 불스-아이 센서(7-162)의 바깥쪽 검출기 세그먼트는 더 큰 영역을 가졌기 때문에, 그 검출기에 대해 더 많은 신호가 통합되었다. 또한, 검출기들 사이의 영역에 부딪친 광은 양쪽 검출기 세그먼트 쪽으로 드리프트하고 양쪽 세그먼트들로부터의 신호들에 기여할 수 있는 캐리어들을 생성하였다.
일부 실시예들에서, 픽셀마다 N개의 광 검출기 세그먼트가 있고, 여기서 N은 임의의 정수 값이다. 일부 실시예들에서, N은 1 이상이고 10 이하일 수 있다. 다른 실시예들에서, N은 2 이상이고 5 이하일 수 있다. N개 검출기에 의해 검출될 수 있는 판별 가능한 샘플 방출들(예를 들어, 상이한 발광성 태그로부터의 별개의 방출 파장들)의 수 M은 N 이상일 수 있다. M개 샘플 방출의 판별은, 일부 실시예들에 따르면, 각각의 센서 세그먼트로부터의 신호들의 비율을 평가하는 것에 의해 달성될 수 있다. 일부 구현들에서는, 샘플 웰로부터의 방출의 특성 파장을 결정하기 위해 수신된 신호들의 비율, 합계 및/또는 진폭들이 측정 및 분석될 수 있다.
일부 실시예들에서는, 샘플 웰(2-211) 내의 주어진 시간 윈도(time window)에서 하나보다 많은 방사체가 상이한 특성 파장들에서 방출할 수 있다. 센서(2-122)는 상이한 파장들에서의 다수의 방출로부터의 신호들을 동시에 검출하고 합계된 신호를 데이터 처리를 위해 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 다중 파장 방출이 센서 세그먼트들로부터의 신호 값들(도 7be 내지 도 7bh에 도시된 것들과 상이한 신호 값들)의 또 다른 세트로서 구별 가능할 수 있다. 이 신호 값들은 다중 파장 방출이 발생한 것을 판별하고 그 방출들과 관련된 방사체들의 특정 조합을 식별하기 위해 분석될 수 있다.
본 발명자들은 또한 4개의 동심 세그먼트를 갖는 불스-아이 센서를 고려하고 분석하였다. 세그먼트들로부터의 신호들이 도 7bg 및 도 7bh와 관련된 동일한 방출 조건들에 대해 각각 도 7bi 및 도 7bj에 플로팅되어 있다. 이 4-세그먼트 불스-아이 센서도 샘플 웰 내의 특정 방사체를 식별하기 위해 분석될 수 있는 판별 가능한 신호들을 보여준다.
각 센서 세그먼트에서 파장 필터링이 사용되거나, 스펙트럼 분리가 높은 경우, 센서의 각 세그먼트는 실질적으로 선택된 방출 대역만을 검출할 수 있다. 예를 들어, 제1 파장은 제1 세그먼트에 의해 검출될 수 있고, 제2 파장은 제2 세그먼트에 의해 검출될 수 있고, 제3 파장은 제3 세그먼트에 의해 검출될 수 있다.
다시 도 7aa를 참조하면, 픽셀(2-100) 내에, 센서(2-122)의 각 세그먼트로부터의 신호들을 수집하고 판독하는데 사용될 수 있는 추가적인 전자 회로(7-125)가 있을 수 있다. 도 7ca 및 도 7cd는 일부 실시예들에 따른, 다중 세그먼트 센서와 조합하여 사용될 수 있는 회로를 도시한다. 예로서, 신호 수집 회로(7-310)는 각 센서 세그먼트에 대해 3개의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 3개 트랜지스터의 배열이, 일부 구현들에 따라, 도 7cb에 도시된다. 각 세그먼트와 관련된 전하 축적 노드(7-311)에서의 신호 레벨은 리셋 트랜지스터 RST에 의해 리셋될 수 있고, 세그먼트에 대한 신호 레벨(전하 축적 노드에서의 전하의 양에 의해 결정됨)은 판독 트랜지스터 RD로 판독될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 픽셀 회로는 증폭 및 상관 이중 샘플링 회로(7-320)를 더 포함할 수 있다. 이 증폭 및 이중 샘플링 회로는 센서 세그먼트들로부터의 신호들을 증폭하도록 구성된 트랜지스터들뿐만 아니라 전하 축적 노드에서의 전압 레벨을 리셋하고 (예를 들어, 샘플 웰에서의 여기 에너지의 인가에 앞서) 센서에 방출 에너지가 존재하지 않을 때 노드에서 배경, 또는 "리셋" 신호를 판독하고 예를 들어, 후속 방출 신호를 판독하도록 구성된 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 검출된 방출 신호 레벨로부터 배경 또는 리셋 신호 레벨을 감산하는 것에 의해 배경 잡음을 감소시키기 위해 상관 이중 샘플링이 사용될 수 있다. 센서의 각 세그먼트와 관련된 수집된 방출 신호 및 배경 신호는 컬럼(column) 라인들(7-330) 상으로 판독될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출 신호 레벨과 배경 신호는 공통 컬럼 라인 상으로 시간 다중화된다. 각 센서 세그먼트에 대해 개별적인 컬럼 라인이 있을 수 있다. 컬럼 라인들로부터의 신호들은 버퍼링되고/되거나 증폭 회로(7-340)(액티브 픽셀 어레이의 외부에 위치될 수 있음)를 사용하여 증폭되고, 추가의 처리 및 분석을 위해 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서 이중 샘플링된 신호들의 감산은 칩 밖에서(off-chip), 예를 들어, 시스템 프로세서에 의해 계산된다. 다른 실시예들에서, 그 감산은 칩에서 또는 기기의 회로에서 수행될 수 있다.
상관 이중 샘플링의 일부 실시예들은 샘플에 대한 로우(row)를 선택하는 것에 의해 동작할 수 있고, 여기서 로우와 관련된 센서들은 샘플링 기간에 걸쳐 통합된 신호 전하들을 갖고 신호 레벨들을 포함한다. 이 신호 레벨들은 컬럼 라인들 상으로 동시에 판독될 수 있다. 통합된 신호 레벨들을 샘플링한 후에, 선택된 로우의 모든 픽셀들이 리셋되고 즉시 샘플링될 수 있다. 이 리셋 레벨은 리셋이 해제된 후에 축적을 시작하고, 나중에 동일한 로우가 다시 선택될 때 프레임의 통합을 완료하는 다음 통합 신호에 상관될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프레임의 리셋 값들은 칩 밖에 저장될 수 있고 따라서 신호들이 통합을 완료하고 샘플링되었을 때, 저장된 상관된 리셋 값들이 감산될 수 있다.
일부 실시예들에서, 2개보다 많은 세그먼트를 갖는 센서(2-122)는 추가적인 회로를 요구할 수 있다. 도 7cc는 사분면 센서와 관련된 신호 수집(7-312), 증폭(7-320), 및 이중 샘플링 회로를 도시한다. 일부 실시예들에 따르면, 도면에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 세그먼트로부터의 신호들이 픽셀에서 공통 신호 채널상으로 시간 다중화될 수 있다. 시간 다중화된 신호들은 잡음 제거를 위해 각 세그먼트에 대해 샘플링된 배경 신호들을 포함할 수 있다. 또한, 2개 이상의 세그먼트로부터의 신호들은 공통 컬럼 라인상으로 시간 다중화될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 여기 소스 또는 소스들로부터의 배경 신호 레벨들을 감소시키고/시키거나, 샘플과 관련된 상이한 방사체들로부터의 상이한 방출들을 판별하기 위해 시간 신호 획득(temporal signal-acquisition) 기술들이 사용될 수 있다. 도 7da는 일부 실시예들에 따른, 샘플에 태그를 부착하는데 사용될 수 있는 2개의 상이한 방사체들로부터의 형광 방출 및 붕괴를 도시한다. 2개의 방출은 상당히 상이한 시간-붕괴 특성들을 갖는다. 제1 방사체로부터의 제1 시간-붕괴 곡선(7-410)은 로다민(rhodamine)과 같은 공통 형광 분자에 대응할 수 있다. 제2 시간-붕괴 곡선(7-420)은 양자점 또는 인광 방사체(phosphorescent emitter)와 같은 제2 방사체의 특성일 수 있다. 양쪽 방사체들은 방사체의 초기 여기 후에 얼마간의 시간 동안 연장하는 방출-감쇠 테일(emission-decay tail)을 보인다. 일부 실시예들에서, 방출-감쇠 테일 동안에 적용된 신호 수집 기술들은 일부 실시예들에서는 여기 소스로부터 배경 신호를 감소시키기 위해, 그리고 일부 실시예들에서는 방사체들을 구별하기 위해 타이밍될 수 있다.
일부 구현들에 따르면, 여기 소스로부터의 방사로 인한 배경 신호를 감소시키기 위해 방출-붕괴 테일 동안에 시간 지연 샘플링(time-delayed sampling)이 사용될 수 있다. 도 7db 및 도 7dc는 일부 실시예들에 따른 시간 지연 샘플링을 예시한다. 도 7db는 여기 소스로부터의 여기 에너지의 여기 펄스(7-440), 및 샘플 웰 내에서 여기되는 샘플로부터 후속할 수 있는 후속 방출 펄스(7-450)의 시간 진화(temporal evolution)를 도시한다. 여기 펄스(7-440)는, 도 7dc에 도시된 바와 같이, 짧은 시간 기간 동안 구동 신호(7-442)로 여기 소스를 구동한 결과로 생길 수 있다. 예를 들어, 구동 신호는 제1 시간 t1에 시작하고 제2 시간 t2에 종료할 수 있다. 구동 신호의 지속 시간(t2 - t1)은 일부 실시예들에 따르면, 약 1피코초와 약 50나노초 사이일 수 있지만, 일부 구현들에서는 더 짧은 지속 시간들이 사용될 수 있다.
여기 소스에 대한 구동 신호의 종료 후 시간 t3에서, 픽셀에서의 센서(2-260)(또는 센서 세그먼트)는 시간 t3에서 시간 t4까지 연장하는 제2 시간 간격 동안 전하 축적 노드(7-311) 전하를 축적하기 위해 게이팅될 수 있다. 이 제2 시간 간격은 일부 실시예들에 따르면 약 1나노초와 약 50마이크로초 사이일 수 있지만, 다른 구현들에서는 다른 지속 시간들이 사용될 수 있다. 도 7db를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 전하 축적 노드는 여기 소스로 인한 것보다 방출 샘플로 인한 더 많은 신호 전하를 수집할 것이다. 따라서, 개선된 신호 대 잡음비가 얻어질 수 있다.
다시 도 7da를 참조하면, 방사체들의 상이한 시간 방출 특성들 때문에, 센서에서의 대응하는 신호들이 상이한 시간들에서 피크에 달할 수 있다. 일부 구현들에서는, 방출-붕괴 테일 동안에 적용되는 신호 획득 기술들이 상이한 방사체들을 판별하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 상이한 방사체들을 판별하기 위해 시간 검출 기술들을 공간 및 스펙트럼 기술들(예를 들어, 도 7b와 관련하여 위에 설명된 것)과 조합하여 사용할 수 있다.
도 7dd 내지 도 7dh는 상이한 시간 방출 특성들을 갖는 2개의 방사체들을 구별하기 위해 센서, 또는 센서 세그먼트에서의 이중 샘플링이 어떻게 사용될 수 있는지를 예시한다. 도 7dd는 제1 방사체 및 제2 방사체와 각각 관련된 방출 곡선들(7-470, 7-475)을 도시한다. 예로서, 제1 방사체는 로다민과 같은 공통 형광단일 수 있고 제2 방사체는 양자점 또는 인광 방사체일 수 있다.
도 7de는 도 7dd의 2개의 상이한 방출 특성에 응답하여 발생할 수 있는 전하 축적 노드(7-311)에서의 동적인 전압 레벨들을 나타낸다. 이 예에서, 형광 방사체에 대응하는 제1 전압 곡선(7-472)은 더 짧은 방출 스팬(emission span) 때문에, 더 빠르게 변화하고, 제1 시간 t1에 그것의 최대값(또는 노드의 극성에 따라, 최소값)에 도달할 수 있다. 제2 전압 곡선(7-477)은 제2 방사체의 더 긴 방출 특성으로 인해 더 느리게 변화하고, 제2 시간 t2에 그것의 최대값(또는 최소값)에 도달할 수 있다.
일부 실시예들에서는, 도 7df에 도시된 바와 같이, 샘플 여기 후 2개의 시간 t3, t4에 전하 축적 노드의 샘플링이 행해질 수 있다. 예를 들어, 제1 시간 t3에 전하 축적 노드로부터 제1 전압 값을 판독하기 위해 제1 판독 신호(7-481)가 인가될 수 있다. 후속하여, 제1 판독과 제2 판독 사이에 전하 축적 노드를 리셋하지 않고 제2 시간 t4에 전하 축적 노드로부터 제2 전압 값을 판독하기 위해 제2 판독 신호(7-482)가 인가될 수 있다. 그 후 2개의 샘플링된 신호 값의 분석을 사용하여 2개의 방사체들 중 어느 것이 검출된 신호 레벨들을 제공하였는지를 식별할 수 있다.
도 7dg는 도 7dd에 도시된 바와 같은 방출 곡선(7-470)을 갖는 제1 방사체에 대해 획득될 수 있는 제1 판독 및 제2 판독으로부터의 2개의 신호들의 예를 도시한다. 도 7dh는 도 7dd에 도시된 바와 같은 방출 곡선(7-475)을 갖는 제2 방사체에 대해 획득될 수 있는 제1 판독 및 제2 판독으로부터의 2개의 신호들의 예를 도시한다. 예를 들어 제1 방사체에 대한 도 7df에 도시된 샘플링 시퀀스는 곡선(7-472)을 샘플링하고 2개의 판독 시간에 대략 동일한 값들을 획득할 것이다. 제2 방사체의 경우, 도 7df에 도시된 샘플링 시퀀스는 2개의 판독 시간에 곡선(7-477)의 2개의 상이한 값을 샘플링한다. 2개의 판독 시간으로부터의 결과의 신호들의 쌍들은 2개의 방사체들을 구별하고, 각 방사체를 식별하기 위해 분석될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 판독 신호들로부터 배경 신호를 감산하기 위해 배경 감산을 위한 이중 샘플링도 실행될 수 있다.
동작시에, 센서 칩의 센서들(2-260)은 분석될 시료로부터의 데이터 수집에 앞서 파장 캘리브레이션 절차를 겪을 수 있다. 이 파장 캘리브레이션 절차는 센서들을 센서 칩과 함께 사용될 수 있는 형광단 파장들에 대응할 수 있거나, 대응하지 않을 수 있는 특성 파장들을 갖는 상이한 알려진 에너지들에 처하게 하는 것을 포함할 수 있다. 상이한 에너지들이 순차적으로 인가될 수 있고 따라서 각 에너지에 대해 센서들로부터 캘리브레이션 신호들이 기록될 수 있다. 그 후 캘리브레이션 신호들은 기준 신호들로서 저장될 수 있고, 이들은 실제 데이터 획득을 처리하기 위해 그리고 어느 방출 파장 또는 파장들이 센서들에 의해 검출되는지를 결정하는데 사용될 수 있다.
V. 발광성 마커들
실시예들은 분석되는 시료에서 샘플들(예를 들어, 단일 분자들)을 표지하기에 적합한 임의의 발광성 마커들을 사용할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 상업적으로 사용가능한 형광단이 사용될 수 있다. 제한이 아닌 예로써, 다음과 같은 형광단이 사용될 수 있다: Atto Rho14 ("ATRho14"), Dylight 650 ("D650"), SetaTau 647 ("ST647"), CF 633 ("C633"), CF 647 ("C647"), Alexa fluor 647 ("AF647"), BODIPY 630/650 ("B630"), CF 640R ("C640R") 및/또는 Atto 647N ("AT647N"). 추가적으로 및/또는 선택적으로, 발광성 마커들은 샘플 분석 프로세스의 속도 및 정확도를 증가시키기에 적합한 임의의 방법으로 수정될 수 있다. 예를 들어, 광 안정제가 발광성 마커들에 접합될 수 있다. 광 안정제들의 예들은 산소 스캐빈저(scavenger) 또는 3-상태 퀀처(quencher)를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 발광성 마커에 광 안정제들을 접합하는 것은 방출된 광양자의 속도를 증가시킬 수 있고, 또한 발광성 마커가 광양자를 방출하지 않는 "블링킹(blinking)" 효과를 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 생물학적 이벤트가 밀리초 규모로 발생할 때, 광양자 방출의 증가된 속도는 생물학적 이벤트의 검출의 확률을 증가시킬 수 있다. 광양자 이벤트의 증가된 속도는 후속하여 발광 신호의 신호 대 잡음비를 증가시킬 수 있고 측정이 이루어지는 속도를 증가시킬 수 있어, 더 빠르고 더 정확한 샘플 분석에 이르게 된다.
VI. 여기 소스들
여기 소스(2-250)는 어세이 칩의 적어도 하나의 샘플 웰(2-111)에 여기 에너지를 전달하도록 배열되는 임의의 적합한 소스일 수 있다. 어세이 칩 상의 픽셀들은 패시브 소스 픽셀들일 수 있다. 용어 "패시브 소스 픽셀(passive)"은 어세이 칩의 픽셀 또는 픽셀 어레이 밖의 영역으로부터 픽셀에 여기 에너지가 전달되는 픽셀을 언급하는데 사용된다(예를 들어, 여기가 기기 안에 있을 수 있음).
일부 실시예들에 따르면, 여기 소스는 방사성 프로세스를 통해 샘플을 여기시킬 수 있다. 예를 들어, 여기 소스는 가시 방사(예를 들어, 약 350nm와 약 750nm 사이의 파장을 갖는 방사), 근적외선 방사(예를 들어, 약 0.75미크론과 약 1.4미크론 사이의 파장을 갖는 방사), 및/또는 단파장 적외선 방사(예를 들어, 약 1.4미크론과 약 3미크론 사이의 파장을 갖는 방사)를 어세이 칩의 적어도 하나의 샘플 웰의 적어도 하나의 여기 영역(3-215)에 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방사성 여기 소스는 샘플 웰의 여기 영역에 바로 인접한 매개자(intermediary)(예를 들어, 분자, 양자점, 또는 선택된 분자들 및/또는 양자점들을 포함하는 재료층)를 여기시키는 에너지를 제공할 수 있다. 매개자는 그것의 에너지를 비-방사성 프로세스를 통해(예를 들어, FRET 또는 DET를 통해) 샘플에 전달할 수 있다.
일부 실시예들에서, 여기 소스는 하나보다 많은 여기 에너지의 소스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 방사성 여기 소스는 2개 이상의 별개의 스펙트럼 특성들을 갖는 여기 에너지들을 전달할 수 있다. 예로서, 다색 LED가 2개 이상의 파장들에 중심을 두는 에너지들을 방출할 수 있고, 이 에너지들이 샘플 웰의 여기 영역에 전달될 수 있다.
개요에서 그리고 일부 실시예들에 따르면, 기기는 여기 에너지를 어세이 칩의 적어도 하나의 샘플 웰의 적어도 하나의 여기 영역에 또는 그 여기 에너지를 변환하거나 하나 이상의 여기 영역 내의 적어도 하나의 샘플에 결합하는 적어도 하나의 매개자에 제공하기 위해 적어도 하나의 여기 소스(2-250)를 포함할 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 여기 소스(2-250)로부터의 방사 여기 에너지(2-251)는, 예를 들어, 샘플 웰(2-211) 주위의 영역에 부딪칠 수 있다. 일부 실시예들에서는, 입사 여기 에너지를 샘플 웰의 여기 영역(2-215) 내에 집중시키는데 도움을 주는 여기-결합 구조체들(2-223)이 존재할 수 있다.
여기 소스는 각각 특성 파장을 갖는 하나 이상의 별개의 스펙트럼 대역들에 의해 특징화될 수 있다. 단지 교육 목적으로, 여기 소스로부터의 스펙트럼 방출의 예가 도 8aa의 스펙트럼 그래프에 도시된다. 여기 에너지는 실질적으로 스펙트럼 여기 대역(8-110) 내에 포함될 수 있다. 스펙트럼 여기 대역의 피크 파장(8-120)은 여기 에너지를 특징화하는데 사용될 수 있다. 여기 에너지는 스펙트럼 분포, 예를 들어, 도면에 도시된 바와 같은 FWHM(full-width-half-maximum) 값에 의해서도 특징화될 수 있다. 도 8aa에 도시된 바와 같은 여기 소스 생성 에너지는 대략 540nm 방사의 파장에서 에너지를 전달하고 대략 55nm의 FWHM 대역폭을 갖는 것으로 특징화될 수 있다.
도 4ab는 하나 이상의 샘플 웰들에 2개의 여기 에너지 대역을 제공할 수 있는 여기 소스(또는 여기 소스들)의 스펙트럼 특성들을 도시한다. 일부 실시예들에 따르면, 도면에 예시된 바와 같이, 제1 여기 대역(8-112)은 대략 532nm에 있고, 제2 여기 대역(8-114)은 대략 638nm에 있다. 일부 실시예들에서, 제1 여기 대역은 대략 638nm에 있을 수 있고, 제2 여기 대역은 대략 650nm에 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 여기 대역은 대략 680nm에 있을 수 있고, 제2 여기 대역은 대략 690nm에 있을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 여기 대역들의 피크들은 이들 값들의 ±5nm 이내에 있을 수 있다.
일부 경우들에서, 방사성 여기 소스는 도 8aa에 도시된 바와 같은 넓은 여기 대역을 생성할 수 있다. 넓은 여기 대역(8-110)은, 일부 실시예들에 따르면, 대략 20nm보다 큰 대역폭을 가질 수 있다. 넓은 여기 대역은, 예를 들어, 발광 다이오드(LED)에 의해 생성될 수 있다. 일부 구현들에서, 방사성 여기 소스는, 도 8ab에 도시된 바와 같이, 좁은 여기 대역을 생성할 수 있다. 좁은 여기 대역은, 예를 들어, 레이저 다이오드에 의해 생성될 수 있거나, 또는 LED로부터의 출력을 스펙트럼으로 필터링하는 것에 의해 생성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 여기 소스는 광원을 포함할 수 있다. 임의의 적합한 광원이 사용될 수 있다. 일부 실시예들은 인코히어런트(incoherent) 소스들을 사용할 수 있고 다른 실시예는 코히어런트(coherent) 광원들을 사용할 수 있다. 제한이 아니라 예로써, 일부 실시예들에 따른 인코히어런트 광원들은, 유기 LED들(OLED들), 양자 점들(QLEDs), 나노 와이어 LED들, 및 (비)유기 반도체 LED들과 같은 다양한 종류의 발광 다이오드들(LED들)을 포함할 수 있다. 제한이 아니라 예로써, 일부 실시예들에 따른 코히어런트 광원은, 유기 레이저들, 양자점 레이저들, 수직 공동 표면 발광 레이저들(VCSELs), 에지 발광 레이저들, 분산형-피드백(DFB) 레이저 다이오드들과 같은 다양한 종류의 레이저들을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, SCOWL들(slab-coupled optical waveguide laser) 또는 다른 비대칭성 싱글-모드 도파관이 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 레이저 다이오들 또는 플래시 램프들에 의해 펌핑되는, Nd:YAG 또는 Nd:Glass와 같은 고체 상태 레이저가 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 레이저-다이오드-펌핑된 파이버 레이저가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 여기 소스의 출력은 비선형 결정, 또는 PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate) 또는 다른 유사한 주기적으로 폴된(poled) 비선형 결정에서, 파장의 절반까지 주파수가 2배가 될 수 있다. 이러한 주파수 2배화 프로세스는 효율적 레이저의 사용이 여기에 보다 적합한 파장들을 생성하게 할 수 있다. 픽셀들의 어레이를 위한 여기 소스의 하나보다 많은 종류가 존재할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 상이한 종류의 여기 소스들이 조합될 수 있다. 선택된 종류의 여기 소스를 제조하는데 사용되는 종래의 기술들에 따라서 여기 소스가 제조될 수 있다.
여기 에너지의 소스의 특성 파장은 어세이 분석에 사용되는 발광성 마커들의 선택에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 구현들에서, 여기 에너지의 소스의 특성 파장은 선택된 형광단의 직접 여기(예를 들어, 단일 광양자 여자)를 위해 선택된다. 일부 구현들에서, 여기 에너지의 소스의 특성 파장은 간접 여기(예를 들어, 직접 여기를 제공할 파장으로의 고조파 변환 또는 다중-광양자 여기)를 위해 선택된다. 일부 실시예들에서, 여기 에너지는 샘플 웰로의 인가를 위해 특정 파장에서 여기 에너지를 생성시키도록 구성되는 광원에 의해 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기 소스의 특성 파장은 샘플로부터의 대응하는 방출의 특성 파장 미만일 수 있다. 일부 구현들에서, 여기 소스의 특성 파장은 샘플로부터의 방출의 특성 파장보다 클 수 있고, 샘플의 여기는 다중-광양자를 통해 발생할 수 있다.
여기 소스는 배터리 또는 임의의 다른 전원을 포함할 수 있고, 이는 통합 바이오분석 디바이스 이외의 어딘가에 위치될 수 있다. 예를 들어, 여기 소스는 기기에 위치될 수 있고, 전원은 도전 배선들 및 커넥터들을 통해 통합 바이오분석 디바이스에 결합될 수 있다.
VII. 사용 방법, 기기 동작 및 사용자 인터페이스
기기(2-120)는 소프트웨어 및/또는 하드웨어를 사용하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 이 기기는 ASIC, FPGA 및/또는 소프트웨어를 실행하는 범용 프로세서와 같은, 처리 디바이스(1-123)를 사용하여 제어될 수 있다.
도 9a는 일부 실시예들에 따른 기기(2-120)의 동작의 흐름도를 예시한다. 사용자가 분석할 시료를 획득한 후에, 사용자는 단계 9-101에서 새로운 분석을 시작한다. 이것은 사용자 인터페이스(2-125)를 통해, 예를 들어, 버튼을 누르는 것에 의해 기기(2-120)에 지시(indication)를 제공하는 것에 의해 행해질 수 있다. 단계 9-103에서, 기기(2-120)는 이전에 수행된 분석으로부터의 어세이 칩(2-110)이 여전히 기기(2-120)에 삽입되어 있는지를 체크한다. 기존 칩이 존재하는 것으로 결정되면, 단계 9-105에서 여기 소스로의 전원이 차단되고, 단계 9-107에서 사용자 인터페이스(2-125)의 인디케이터를 사용하여 사용자에게 이전 칩을 인출(eject)하도록 안내(prompt)하고 기기(2-120)는 단계 9-109에서 기존 칩이 인출되는 것을 기다린다.
이전 칩이 사용자에 의해 인출될 때, 또는 기기(2-120)가 단계 9-103에서 이전 칩이 이미 제거된 것으로 결정하면, 단계 9-111에서 사용자에게 새로운 분석을 위한 새로운 어세이 칩(2-110)을 삽입하도록 안내한다. 그 후 기기(2-120)는 단계 9-113에서 새로운 어세이 칩(2-110)이 삽입되는 것을 기다린다. 사용자가 새로운 칩을 삽입할 때, 단계 9-115에서 사용자 인터페이스(2-125)의 인디케이터에 의해 사용자에게 어세이 칩(2-110)의 노출된 상부 표면 위에 분석될 시료를 배치하도록 안내하고 또한 기기(2-120)의 덮개를 닫도록 안내한다. 그 후 기기(2-120)는 단계 9-117에서 덮개가 닫히는 것을 기다린다. 사용자에 의해 덮개가 닫힐 때, 단계 9-119에서 어세이 칩(2-110)의 샘플 웰들에 존재하는 시료의 샘플 부분들을 여기시키기 위한 여기 에너지를 생성하도록 여기 소스를 구동할 수 있다. 단계 9-121에서, 샘플들로부터의 방출 에너지가 센서(2-122)에 의해 검출되고 센서(2-122)로부터의 데이터가 분석을 위해 처리 디바이스(2-123)에 스트리밍된다. 일부 실시예들에서, 데이터는 외부 컴퓨팅 디바이스(2-130)에 스트리밍될 수 있다. 단계 2-123에서, 기기(2-120)는 데이터 획득이 완료되었는지를 체크한다. 데이터 획득은 특정 길이의 시간 후에, 여기 소스로부터의 특정 수의 여기 펄스에 또는 일단 특정 표적이 식별되면 완료될 수 있다. 데이터 획득이 완료되면, 9-125에서 데이터 분석이 완료된다.
도 9b는 일부 실시예들에 따른 예시적인 셀프-캘리브레이션 루틴을 예시한다. 이 캘리브레이션 루틴은 시료의 분석 전에 임의의 적합한 시간에 실행될 수 있다. 예를 들어, 그것은 최종 사용자에 발송하기 전에 각 기기에 대해 제조업자에 의해 한 번 행해질 수 있다. 대안적으로, 최종 사용자가 임의의 적합한 시간에 캘리브레이션을 수행할 수 있다. 위에 논의한 바와 같이, 기기(2-120)는 상이한 샘플들로부터 방출된 상이한 파장들을 갖는 방출 에너지를 구별할 수 있다. 기기(2-120) 및/또는 컴퓨팅 디바이스(2-130)는, 예를 들어, 분석되는 시료의 분자들에 부착하는데 사용되는 발광성 태그와 관련된 광의 각각의 특정 색과 관련된 캘리브레이션으로 캘리브레이션될 수 있다. 이러한 방식으로, 특정 색과 관련된 정확한 출력 신호가 결정될 수 있다.
디바이스를 캘리브레이션하기 위해, 단일 발광성 태그와 관련된 캘리브레이션 시료가 한 번에 하나씩 기기(2-120)에 제공된다. 단계 9-201에서 사용자가 단일 파장의 방출 에너지를 방출하는 발광성 태그들을 포함하는 시료를 어세이 칩(2-110) 상에 배치하고 어세이 칩(2-110)을 기기(2-120)에 삽입할 때 셀프-캘리브레이션이 시작된다. 사용자 인터페이스(2-125)를 사용하여, 사용자는 기기(2-120)에 셀프-캘리브레이션을 시작하도록 지시한다. 이에 응답하여, 단계 9-203에서, 기기(2-120)는 여기 에너지로 어세이 칩(2-110)을 조광하고 캘리브레이션 시료로부터의 단일 파장 방출 에너지를 측정하는 것에 의해 캘리브레이션 분석을 실행한다. 그 후 기기(2-120)는, 단계 9-205에서, 센서 어레이의 각 픽셀에 대해 센서(2-122)의 서브-센서들의 어레이를 통해 측정된 검출 패턴을 저장한다. 각 발광성 태그에 대한 검출 패턴은 발광성 태그와 관련된 검출 시그너처(detection signature)로 간주될 수 있다. 이러한 방식으로, 시그너처들은 차후의 분석 실행들에서 분석되는 미지의 샘플들로부터 수신된 데이터를 분석하는데 사용되는 트레이닝 데이터로서 사용될 수 있다.
상기 캘리브레이션 루틴은 그 후 단일 발광성 태그와 관련된 모든 캘리브레이션 시료에 대해 실행될 수 있다. 이러한 방식으로, 픽셀들의 어레이의 각 센서(2-122)는 캘리브레이션 루틴의 완료 후에 단계 9-207에서 구현되는 차후의 분석 동안에 샘플 웰에 존재하는 발광성 태그를 결정하는데 사용될 수 있는 캘리브레이션 데이터와 관련된다.
도 9c는 일부 실시예들에 따른, 어떻게 캘리브레이션 데이터가 획득되고 데이터를 분석하는데 사용될 수 있는지를 더 예시한다. 단계 9-301에서 센서들로부터 캘리브레이션 데이터가 획득된다. 이것은 앞서 언급한 셀프-캘리브레이션 루틴을 사용하여 행해질 수 있다. 단계 9-303에서, 캘리브레이션 데이터에 기초하여 변환 행렬이 생성된다. 이 변환 행렬은 센서 데이터를 샘플의 방출 파장에 매핑하고 m x n 행렬이고, 여기서 m은 상이한 방출 파장들을 갖는 발광성 태그들의 수이고 n은 픽셀마다 방출 에너지를 검출하는데 사용되는 서브-센서들의 수이다. 따라서, 변환 행렬의 각 열은 센서에 대한 캘리브레이션 값들을 나타낸다. 예를 들어, 픽셀마다 4개의 서브-센서와 5개의 상이한 발광성 태그가 있다면, 변환 행렬은 4 x 5 행렬(즉, 4개의 행과 5개의 열)이고 각 열은 상이한 발광성 태그와 관련되고, 열의 값들은 셀프-캘리브레이션 루틴 동안에 서브-센스들로부터 획득된 측정값들에 대응한다. 일부 실시예들에서, 각 픽셀은 그 자신의 변환 행렬을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 픽셀들 중 적어도 일부로부터의 캘리브레이션 데이터는 평균될 수 있고 그 후 모든 픽셀들은 그 평균된 데이터에 기초하는 동일한 변환 행렬을 사용할 수 있다.
단계 9-305에서, 바이오어세이와 관련된 분석 데이터가 센서들로부터 획득된다. 이것은 위에 설명한 방법들 중 임의의 방법으로 행해질 수 있다. 단계 9-307에서, 변환 행렬 및 분석 데이터를 사용하여 방출 에너지의 파장 및/또는 발광성 태그의 아이덴티티가 결정될 수 있다. 이것은 임의의 적합한 방법으로 행해질 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 데이터는 변환 행렬의 의사 역행렬(pseudo-inverse)과 곱해져서, m x 1 벡터가 생성된다. 그 후 최대값을 갖는 벡터 성분과 관련된 발광성 태그가 샘플 웰에 존재하는 발광성 태그로서 식별될 수 있다. 실시예들은 이 기술에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 작은 값들을 갖는 행렬의 역행렬이 취해질 때 발생할 수 있는 가능한 병변들을 막기 위해, 샘플 웰에 존재하는 발광성 태그를 결정하기 위해, 최소 제곱법 또는 최대 가능성 기술과 같은 제한된 최적화 루틴이 수행될 수 있다.
센서들로부터의 데이터를 분석하기 위해 캘리브레이션 데이터를 사용하는 상기 방법은 임의의 적합한 프로세스에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 기기(2-120)의 처리 디바이스(2-123)가 분석을 수행할 수 있고, 또는 컴퓨팅 디바이스(2-130)가 분석을 수행할 수 있다.
IX. 컴퓨팅 디바이스.
도 10은 실시예들이 구현될 수 있는 적합한 컴퓨팅 시스템 환경(1000)의 예를 도시한다. 예를 들어, 도 2a의 컴퓨팅 디바이스(2-130)은 컴퓨팅 시스템 환경(1000)에 따라 구현될 수 있다. 추가적으로, 컴퓨팅 시스템 환경(1000)은 어세이를 수행하기 위한 기기를 제어하도록 프로그램되는 제어 시스템으로서의 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 이러한 제어 시스템은 어세이 칩의 샘플 웰들을 향해 광을 방출하고 지향시키도록 여기 소스를 제어할 수 있고; 샘플 웰들에서의 하나 이상의 샘플로부터의 방출 광의 검출을 허용하도록 센서를 제어할 수 있고; 그리고 예를 들어, 방출 에너지의 공간 분포를 분석하는 것에 의해, 샘플 웰에 존재하는 샘플을 식별하기 위해 센서들로부터의 신호들을 분석할 수 있다. 컴퓨팅 시스템 환경(1000)은 적합한 컴퓨팅 환경의 단지 하나의 예일 뿐, 본 발명의 용도 또는 기능성의 범위에 관해 어떠한 제한을 제시하고자 하는 것이 아니다. 또한, 컴퓨팅 환경(1000)이 예시적인 운영 환경(1000)에서 예시된 컴포넌트들 중 임의의 하나 또는 그들의 조합에 관련된 어떠한 종속성이나 요구조건을 갖는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예들은 많은 다른 범용 또는 전용 컴퓨팅 시스템 환경 또는 구성에서 동작한다. 본 발명과 함께 사용될 수 있는 공지된 컴퓨팅 시스템, 환경 및/또는 구성은 개인용 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드핼드형 또는 랩탑 디바이스들, 멀티프로세서 시스템들, 마이크로프로세서 기반 시스템들, 셋탑 박스들, 프로그래밍가능한 소비자 가전기기들, 네트워크 PC들, 미니컴퓨터들, 메인프레임 컴퓨터들, 상기의 시스템들 또는 디바이스들 중 임의의 것을 포함하는 분산형 컴퓨팅 환경들 등을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 컴퓨팅 환경은 프로그램 모듈들과 같은 컴퓨터-실행가능 명령어들을 실행할 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈들은 특정 태스크들을 수행하거나 특정 추상 데이터 타입들을 구현하는 루틴들, 프로그램들, 오브젝트들, 컴포넌트들, 데이터 구조들 등을 포함한다. 본 발명은 또한 통신 네트워크를 통해 링크되는 원격 처리 디바이스들에 의해 태스크들이 수행되는 분산 컴퓨팅 환경들에서 수행될 수 있다. 분산형 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈들은 메모리 스토리지 디바이스들을 포함하는 로컬 및 원격 컴퓨터 스토리지 매체 내에 위치될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 시스템을 구현하기 위한 예시적인 시스템은 컴퓨터(1010) 형태의 범용 컴퓨팅 디바이스를 포함한다. 컴퓨터(1010)의 컴포넌트들은 처리 유닛(1020), 시스템 메모리(1030), 및 시스템 메모리를 포함하는 각종 시스템 컴포넌트들을 처리 유닛(1020)에 결합하는 시스템 버스(1021)를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 시스템 버스(1021)은 메모리 버스 또는 메모리 제어기, 주변기기 버스, 및 각종 버스 아키텍처 중 임의의 것을 사용하는 로컬 버스를 포함하는 몇몇 종류의 버스 구조 중 임의의 것일 수 있다. 예로서, 이러한 아키텍처는 ISA(Industry Standard Architecture) 버스, MCA(Micro Channel Architecture) 버스, EISA(Enhanced ISA) 버스, VESA(Video Electronics Standard Association) 로컬 버스, 그리고 메자닌 버스(Mezzanine bus)로도 알려진 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스 등을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
컴퓨터(1010)는 각종 컴퓨터 판독가능 매체를 통상적으로 포함한다. 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터(1010)에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 이동식 및 비이동식 매체 모두를 포함한다. 제한이 아니라 예로써, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 스토리지 매체와 통신 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 스토리지 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위해 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성의 이동식 및 비이동식 매체를 포함한다. 컴퓨터 스토리지 매체로는 RAM, ROM, EEPROM, 플래쉬 메모리 또는 기타 메모리 기술, CD-ROM, DVD(digital versatile disk) 또는 기타 디스크 스토리지, 자기 카세트, 자기 테이프, 자기 디스크 스토리지 또는 기타 자기 스토리지 디바이스들, 또는 원하는 정보를 저장하는데 사용될 수 있고 또 컴퓨터(1010)에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체가 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 통신 매체는 통상적으로 반송파 또는 기타 전송 메카니즘과 같은 피변조 데이터 신호(modulated data signal)에 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터를 구현하고, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다. "피변조 데이터 신호"라는 용어는 신호의 특성들 중 하나 이상이 정보를 그 신호에 인코딩하는 방식으로 설정 또는 변경된 신호를 의미한다. 제한이 아닌 예로써, 통신 매체는 유선 네트워크 또는 다이렉트 유선 접속 등의 유선 매체와, 음향, RF, 적외선 및 기타 무선 매체와 같은 무선 매체를 포함한다. 전술한 것들의 임의의 조합이 또한 컴퓨터 판독가능 매체의 범위 내에 포함되어야 한다.
시스템 메모리(1030)는 판독 전용 메모리(ROM)(1031) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)(1032)와 같은 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리 형태의 컴퓨터 스토리지 매체를 포함한다. 기동(start up) 동안에서와 같이, 컴퓨터(1010) 내의 소자들 사이에서 정보를 전송하는 것을 돕 기본적 루틴을 포함하는 기본 입력/출력 시스템(1033)(BIOS)은 ROM(1031)에 저장된다. RAM(1032)은 통상적으로 처리 유닛(1020)에 즉시 액세스할 수 있고/있거나 현재 동작시되는 데이터 및/또는 프로그램 모듈을 포함한다. 제한이 아닌 예로써, 도 10은 운영 체제(1034), 애플리케이션 프로그램(1035), 기타 프로그램 모듈(1036), 및 프로그램 데이터(1037)를 도시하고 있다.
컴퓨터(1010)는 또한 기타 이동식/비이동식, 휘발성/비휘발성 컴퓨터 스토리지 매체를 포함할 수 있다. 단지 예로서, 도 10은 비-이동식, 비휘발성 자기 매체에 기록하거나 판독하는 하드 디스크 드라이브(1041), 이동식, 비휘발성 자기 디스크(1052)에 기록하거나 판독하는 자기 디스크 드라이브(1051), 및 이동식, 비휘발성 광학 디스크(1056)(CD-ROM 또는 기타 광학 매체 등)에 기록하거나 판독하는 광학 디스크 드라이브(1055)를 도시한다. 예시적인 운영 환경에서 사용될 수 있는 기타의 이동식/비이동식, 휘발성/비휘발성 컴퓨터 스토리지 매체로는 자기 테이프 카세트, 플래시 메모리 카드, DVD(digital versatile disk), 디지털 비디오 테이프, 고상 RAM, 고상 ROM, 기타 등등이 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 하드 디스크 드라이브(1041)는 통상적으로 인터페이스(1040) 등의 비이동식 메모리 인터페이스를 통해 시스템 버스(1021)에 결합되고, 자기 디스크 드라이브(1051) 및 광 디스크 드라이브(1055)는 통상적으로 인터페이스(1050) 등의 이동식 메모리 인터페이스에 의해 시스템 버스(1021)에 결합된다.
이상에서 설명되고 도 10에 도시되어 있는 드라이브들 및 이들과 연관된 컴퓨터 스토리지 매체는 컴퓨터(1010)에 대한 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 및 기타 데이터의 저장을 제공한다. 도 10에는, 예를 들어, 하드디스크 드라이브(1041)가 운영 체제(1044), 애플리케이션 프로그램(1045), 기타 프로그램 모듈(1046), 프로그램 데이터(1047)를 저장하는 것으로 도시된다. 이러한 컴포넌트들은 운영 체제(1034), 애플리케이션 프로그램(1035), 기타 프로그램 모듈(1036), 및 프로그램 데이터(1037)와 동일하거나 또는 상이할 수 있다는 점에 주목하자. 운영 체제(1044), 애플리케이션 프로그램(1045), 기타 프로그램 모듈(1046), 및 프로그램 데이터(1047)에 상이한 번호들이 부여되어 있다는 것은 적어도 이들이 상이한 사본들(copies)이라는 것을 나타내기 위한 것이다. 사용자는 키보드(1062), 및 일반적으로 마우스, 트랙볼 또는 터치 패드라 불리는 포인팅 디바이스(1061)와 같은 입력 디바이스들 통해 명령 및 정보를 컴퓨터(1010)에 입력할 수 있다. 다른 입력 디바이스들(도시되지 않음)은 마이크로폰, 조이스틱, 게임 패드, 위성 안테나, 스캐너 등을 포함할 수 있다. 이들 및 기타 입력 디바이스들은 종종 시스템 버스에 결합된 사용자 입력 인터페이스(1060)를 통해 처리 유닛(1020)에 접속되지만, 병렬 포트, 게임 포트 또는 USB(universal serial bus)와 같은 다른 인터페이스 및 버스 구조에 의해 접속될 수도 있다. 모니터(1091) 또는 다른 종류의 디스플레이 디바이스도 비디오 인터페이스(1090) 등의 인터페이스를 통해 시스템 버스(1021)에 접속된다. 모니터 외에도, 컴퓨터는 또한 스피커(1097) 및 프린터(1096) 등의 기타 주변 출력 디바이스들을 포함할 수 있고, 이들은 출력 주변기기 인터페이스(1095)를 통해 접속될 수 있다.
컴퓨터(1010)는 원격 컴퓨터(1080)와 같은 하나 이상의 원격 컴퓨터로의 논리적 접속을 사용하여 네트워크화된 환경에서 동작할 수 있다. 원격 컴퓨터(1080)는 개인용 컴퓨터, 서버, 라우터, 네트워크 PC, 피어 장치 또는 기타 통상의 네트워크 노드일 수 있고, 통상적으로 컴퓨터(1010)와 관련하여 상기한 구성요소들 중 다수 또는 그 전부를 포함하지만, 도 10에는 메모리 스토리지(1081)만이 도시된다. 도 10에 도시된 논리적 접속들은 근거리 통신망(LAN)(1071) 및 원거리 통신망(WAN)(1073)을 포함하지만, 다른 네트워크들도 포함할 수 있다. 이러한 네트워킹 환경은 사무실, 전사적 컴퓨터 네트워크, 인트라넷 및 인터넷에서 흔한 것이다.
LAN 네트워킹 환경에서 사용될 때, 컴퓨터(1010)는 네트워크 인터페이스 또는 어댑터(1070)를 통해 LAN(1071)에 접속된다. WAN 네트워킹 환경에서 사용될 때, 컴퓨터(1010)는 통상적으로 인터넷 등의 WAN(1073)을 통해 통신을 설정하는 모뎀(1072) 또는 기타 수단을 포함한다. 내장형 또는 외장형일 수 있는 모뎀(1072)은 사용자 입력 인터페이스(1060) 또는 기타 적절한 메커니즘을 통해 시스템 버스(1021)에 접속된다. 네트워크화된 환경에서, 컴퓨팅 디바이스(1010) 또는 그의 일부와 관련하여 기술된 프로그램 모듈은 원격 메모리 스토리지에 저장될 수 있다. 제한이 아닌 예로써, 도 10은 원격 애플리케이션 프로그램(1085)이 메모리 디바이스(1081)에 상주하는 것으로 도시하고 있다. 도시된 네트워크 결합이 예시적인 것이고 컴퓨터들 간에 통신 링크를 설정하는 기타 수단이 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
VIII. 결론
이와 같이 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 몇가지 측면에 대해 기술하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개량이 당업자에 의해 용이하게 안출될 것이라는 것을 잘 알 것이다.
이러한 변경, 수정 및 개량은 본 발명의 일부인 것으로 보아야 하며, 본 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다. 또한, 본 개시내용의 이점이 지시되었으나, 모든 실시예가 설명된 모든 장점을 포함하지는 않는 점이 이해되어야 한다. 일부 실시예들은 본 명세서에서 그리고 약간의 경우들에서 유리한 것으로서 설명된 임의의 특징을 구현하지 않을 수 있다. 그에 따라, 이상의 설명 및 도면은 단지 예에 불과하다.
본 발명의 상기한 실시예들은 수많은 방법들 중 어떤 방법으로도 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 실시예는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는, 단일 컴퓨터에 제공되든, 또는 복수의 컴퓨터 사이에 분산되든 간에, 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서들의 모음을 통해 실행될 수 있다. 이러한 프로세서는 CPU 칩, GPU 칩, 마이크로프로세서, 마이크로 제어기와 같은 이름으로 본 분야에 알려진 상업적으로 사용가능한 집적 회로 컴포넌트들을 포함하는, 집적 회로 컴포넌트들의 하나 이상의 프로세서 또는 코-프로세서로, 집적 회로로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 프로세서는, ASIC과 같은, 주문형 회로, 또는 프로그램가능 논리 디바이스를 구성한 결과인 반주문형 회로로 구현될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 프로세서는 상업적으로 사용가낭하거나, 반주문형이거나, 주문형이거나 간에, 더 큰 회로 또는 반도체 디바이스의 일부일 수 있다. 구체적인 예로서, 일부 상업적으로 사용가능한 마이크로프로세서는 이러한 코어들 중 하나 또는 그 서브세트가 프로세서를 구성하도록 다수의 코어들을 갖는다. 그러나 프로세서는 임의의 적절한 포맷으로 전기 회로망을 사용하여 구현될 수 있다.
게다가, 컴퓨터가 랙 탑재형(rack-mounted) 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 또는 태블릿 컴퓨터 등의 다수의 형태 중 어떤 형태로도 구현될 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 그에 부가하여, 컴퓨터가 일반적으로 컴퓨터로 간주되지는 않지만 적당한 처리 능력을 갖는 장치[PDA(Personal Digital Assistant), 스마트 폰(smart phone) 또는 임의의 다른 적당한 휴대형 또는 고정화형 전자 장치 등]에 임베딩되어 있을 수 있다.
또한, 컴퓨터는 하나 이상의 입력 장치 및 출력 장치를 가질 수 있다. 이러한 디바이스들은 다른 것 중에서도 사용자 인터페이스를 제공하도록 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스를 제공하는데 사용될 수 있는 출력 디바이스들의 예로는 출력의 시각적 표현을 위한 프린터 또는 디스플레이 화면 및 출력의 청각적 표현을 위한 스피커 또는 기타 사운드 발생 디바이스들 있다. 사용자 인터페이스용으로 사용될 수 있는 입력 디바이스의 예로는 키보드 및 포인팅 장치[마우스, 터치 패드, 및 디지타이징 태블릿(digitizing tablet) 등]가 있다. 다른 예로서, 컴퓨터는 음성 인식을 통해 또는 기타 청각적 형식으로 입력 정보를 수신할 수 있다.
이러한 컴퓨터들은 근거리 통신망 또는 원거리 통신망(기업 네트워크 또는 인터넷 등)을 비롯한 하나 이상의 네트워크에 의해 임의의 적당한 형태로 상호결합될 수 있다. 그러한 네트워크들은 임의의 적합한 기술에 기초할 수 있고 임의의 적합한 프로토콜에 따라 동작할 수 있고 무선 네트워크, 유선 네트워크, 또는 광 섬유 네트워크를 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에 개략적으로 설명된 다양한 방법 또는 프로세스가 각종의 운영 체제 또는 플랫폼 중 임의의 것을 사용하는 하나 이상의 프로세서에서 실행가능한 소프트웨어로서 코딩될 수 있다. 그에 부가하여, 이러한 소프트웨어는 다수의 적당한 프로그래밍 언어 및/또는 프로그래밍 또는 스크립팅 기기 중 임의의 것을 사용하여 작성될 수 있고, 또한 프레임워크 또는 가상 컴퓨터에서 실행되는 실행가능 기계어 코드 또는 중간 코드(intermediate code)로서 컴파일될 수 있다.
이와 관련하여, 본 개시내용의 실시예는 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 프로세서에서 실행될 때 상술한 본 개시내용의 다양한 실시예를 실시하는 방법을 실행하는 하나 이상의 프로그램이 인코딩된, 컴퓨터 판독 가능 스토리지 매체(또는 다수의 컴퓨터 판독 가능 매체)(예컨대, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크, 컴팩트 디스크(CD), 광학 디스크, 디지털 비디오 디스크(DVD), 자기 테이프, 플래쉬 메모리, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이 또는 다른 반도체 장치 내의 회로 구성, 또는 다른 종류의 컴퓨터 스토리지 매체)로서 실시될 수 있다. 상기 예로부터 명백한 바와 같이, 컴퓨터 판독 가능 스토리지 매체는 비일시적 형태로 컴퓨터-실행가능 명령을 제공하기에 충분한 시간 동안 정보를 보유할 수 있다. 이러한 컴퓨터 판독 가능 스토리지 매체 또는 매체들은, 여기에 저장된 프로그램 또는 프로그램들이 하나 이상의 상이한 컴퓨터 또는 다른 프로세서 상에 로딩될 수 있어 상술한 바와 같은 본 발명이 다양한 양상들을 실시할 수 있도록 수송 가능할 수 있다. 본 출원에 사용된 것처럼, 용어 "컴퓨터-판독가능 스토리지 매체"는 제조(즉, 제조 물품) 또는 머신인 것으로 간주될 수 있는 컴퓨터-판독가능 매체를 단지 포함한다. 이와 달리 또는 추가로, 본 발명은 전파 신호와 같은 컴퓨터 판독 가능 스토리지 매체 이외의 컴퓨터 판독가능 매체로서 실시될 수 있다.
용어 "프로그램" 또는 "소프트웨어"는, 본 명세서에서, 상기한 바와 같은 본 발명의 다양한 측면들을 구현하도록 컴퓨터 또는 기타 프로세서를 프로그램하는데 사용될 수 있는 임의의 종류의 컴퓨터 코드 또는 일련의 컴퓨터-실행가능 명령어들을 지칭하는 일반적인 의미로 사용된다. 그에 부가하여, 이 실시예의 한 측면에 따르면, 실행될 때 본 발명의 방법을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램이 단일의 컴퓨터 또는 프로세서 상에 존재할 필요가 없고 본 발명의 다양한 측면을 구현하기 위해 다수의 서로 다른 컴퓨터 또는 프로세서 간에 모듈 방식으로 분산되어 있을 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
컴퓨터-실행가능 명령어는 하나 이상의 컴퓨터 또는 기타 장치에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 다수의 형태로 되어 있을 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈은 특정 태스크를 수행하거나 특정 추상 데이터 종류를 구현하는 루틴, 프로그램, 개체, 컴포넌트, 데이터 구조 등을 포함한다. 통상적으로, 프로그램 모듈의 기능이 다양한 실시예에서 원하는 바에 따라 결합되거나 분산되어 있을 수 있다.
또한, 데이터 구조가 컴퓨터-판독가능 매체에 임의의 적당한 형태로 저장될 수 있다. 설명의 간단함을 위해, 데이터 구조가 데이터 구조 내에서의 위치를 통해 관련되어 있는 필드를 갖는 것으로 도시되어 있을 수 있다. 이러한 관계는 마찬가지로 필드들 간의 관계를 전달하는 컴퓨터-판독가능 매체에서의 위치를 가지는 필드에 대한 저장소를 할당함으로써 달성될 수 있다. 그렇지만, 데이터 요소들 간의 관계를 설정하는 포인터, 태그 또는 기타 메카니즘을 사용하는 것을 비롯하여, 데이터 구조의 필드들 내의 정보 사이의 관계를 설정하는데 임의의 적당한 메카니즘이 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 양상들이 단독으로, 조합하여, 또는 이상에 기술한 실시예에서 구체적으로 논의되지 않은 각종의 구성으로 사용될 수 있으며, 따라서 그의 응용이 이상의 설명에 기술되고 첨부 도면에 예시된 구성요소의 상세 및 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에 기술된 양상들이 다른 실시예에 기술된 들과 임의의 방식으로 결합될 수 있다.
또한, 본 발명은 방법으로서 구현될 수 있으며, 이 방법의 예가 제공되어 있다. 이 방법의 일부로서 수행되는 동작이 임의의 적당한 방식으로 순서가 매겨질 수 있다. 그에 따라, 동작들이 예시된 것과 다른 순서로 수행되는 실시예가 구성될 수 있으며, 이는, 비록 예시적인 실시예에서 순차적인 동작으로 나타내어져 있지만, 어떤 동작을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
청구 범위에서 청구항 구성요소를 수식하기 위해 "제1", "제2", "제3", 기타 등등의 서수 용어를 사용하는 것은 그 자체로 한 청구항 구성요소의 다른 구성요소에 대한 우선권, 우선순위 또는 순서, 또는 방법의 동작이 수행되는 시간적 순서를 의미하지 않으며, 단지 어떤 이름을 갖는 한 청구항 구성요소를 동일한 이름을 갖는(그렇지만, 서수 용어를 사용함) 다른 구성요소와 분류하여 청구항 구성요소들을 구별하기 위한 표시로서 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 어구 및 전문 용어가 설명을 위한 것이며, 제한하는 것으로 여겨져서는 안 된다. 본 명세서에서 "including", "comprising", 또는 "having", "containing", "involving", 및 그의 변형들의 사용은 그 뒤에 열거된 항목들 및 그의 동등물들뿐만 아니라 추가적인 항목들을 포함하도록 의도되어 있다.

Claims (20)

  1. 장치로서,
    칩의 표면 상에 배열된 샘플 웰들의 어레이 - 상기 어레이 내의 개별 샘플 웰들은 샘플을 수용하도록 구성됨 -;
    상기 칩 내에 복수의 렌즈를 형성하는 재료의 층 - 상기 복수의 렌즈의 개별 렌즈들은 상기 어레이 내의 샘플 웰로부터 방출된 광을 포커싱하도록 구성되고, 상기 복수의 렌즈는 복수의 굴절 렌즈를 포함하고, 상기 샘플 웰들의 어레이에 근접한 상기 재료의 층의 표면은 상기 복수의 렌즈에 대응하는 만곡된 부분들을 갖고 상기 샘플 웰들의 어레이로부터 먼 쪽의(distal) 상기 재료의 층의 표면은 평면임 -; 및
    상기 재료의 층과 상기 샘플 웰들의 어레이 사이에 위치된 유전체 재료의 층
    을 포함하고,
    상기 유전체 재료의 층은 실리콘 산화물을 포함하고, 상기 재료의 층은 실리콘 질화물을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 렌즈의 개별 렌즈들은 상기 어레이 내의 개별 샘플 웰들에 대응하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 렌즈의 개별 렌즈들은 상기 어레이 내의 대응하는 샘플 웰로부터 방출된 광을 센서를 향해 지향시키도록 위치되는 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 복수의 렌즈의 개별 렌즈들은 상기 어레이 내의 대응하는 샘플 웰과 중첩하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 렌즈의 개별 렌즈들은 상기 대응하는 샘플 웰 아래에 중심을 두는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 렌즈의 개별 렌즈들은 상기 대응하는 샘플 웰의 5 미크론 아래에 배치되는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 렌즈의 개별 렌즈들은 상기 샘플 웰들의 어레이에 가까운 쪽의(proximate) 볼록 표면 및 상기 샘플 웰들의 어레이로부터 먼 쪽의(distal) 평면 표면을 갖는 장치.
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  11. 제1항에 있어서, 상기 유전체 재료의 층은 5 미크론의 두께를 갖는 장치.
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