Устройства детектирования света с двойной фильтрацией и относящиеся к ним способы - RU2737847C1
Код документа: RU2737847C1
Чертежи
Описание
Отсылка к родственным заявкам
По настоящей заявке на патент испрашивается приоритет Предварительной заявки на патент США №62/609,903, поданной 22 декабря 2017 г., озаглавленной «Устройства детектирования света с двойной фильтрацией и относящиеся к ним способы», и нидерландской Заявки №2020625, поданной 20 марта 2018 г., озаглавленной «Устройства детектирования света с двойной фильтрацией и относящиеся к ним способы». Содержание каждой из вышеуказанных заявок во всей полноте включено в настоящую заявку посредством отсылки.
Уровень техники
Различные способы биологических или химических исследований предусматривают проведение большого числа управляемых реакций на локальных несущих поверхностях или в пределах заранее образованных реакционных пространств. Затем можно вести наблюдение за указанными реакциями или детектировать их, с последующим анализом, могущим способствовать определению или выявлению свойств химических субстанций, участвующих в реакции. Например, при проведении некоторых мультиплексных анализов, неизвестный аналит, имеющий распознаваемую метку (например, флуоресцентную метку), может быть подвергнут воздействию тысяч известных зондов в контролируемых условиях. Каждый из известных зондов может быть помещен в соответствующую лунку микропланшета. Любые наблюдаемые химические реакции между известными зондами и неизвестным аналитом, происходящие в пределах лунок, могут позволить идентифицировать аналит или выявить его свойства. В число других примеров таких способов входят такие известные технологии секвенирования ДНК, как секвенирование путем синтеза (СПС) или циклическое секвенирование.
В некоторых традиционных способах флуоресцентного детектирования применяют оптическую систему для направления света возбуждения на флуоресцентно-меченые аналиты, а также для детектирования сигналов флуоресценции, которые могу исходить от аналитов. Однако такие оптические системы могут иметь относительно высокую стоимость и занимать относительно большую площадь поверхности стола. Например, в состав таких систем могут входить расположенные в определенном порядке линзы, фильтры и источники света.
В других предложенных системах детектирования управляемые реакции происходят на локальных несущих поверхностях или в пределах заранее образованных реакционных пространств, созданных на твердотельном электронном фотоприемнике или формирователе изображений (например, приемнике на основе комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП) или приемнике на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС)), что не предусматривает применения крупного оптического блока для детектирования флуоресцентных излучений. Однако такие твердотельные системы формирования изображений могут иметь некоторые ограничения. Например, доставка по текучей среде реактивов (например, флуоресцентно-меченых молекул) к аналитам, расположенным на электронном устройстве таких систем, может быть затруднена. Например, в некоторых ситуациях раствор реактива может повредить электронное устройство и вызвать коррозию его компонентов.
Раскрытие сущности изобретения
В соответствии с одним аспектом, предложено устройство. Устройство содержит реакционную структуру для размещения реакционного раствора и множества реакционных центров, генерирующих световые излучения под действием падающего света возбуждения после обработки реакционным раствором. Реакционный раствор может вызывать реакцию и/или образовывать продукт реакции в реакционных центрах, генерирующих световые излучения под действием света возбуждения. Реакционная структура расположена поверх основания устройства. Устройство также содержит множество светочувствительных элементов в пределах основания устройства и схему устройства в пределах основания устройства, электрически соединенную с множеством светочувствительных элементов и выполненную с возможностью передачи сигналов данных по результатам детектирования фотонов светочувствительными элементами. Устройство дополнительно содержит множество световодов с вводными областями для приема света возбуждения и световых излучений от по меньшей мере одного соответствующего реакционного центра, при этом световоды проходят в основание устройства от вводных областей в направлении по меньшей мере одного соответствующего светочувствительного элемента. Каждый из множества световодов содержит первую фильтрующую область, образованную первым фильтрующим материалом с возможностью отфильтровывания света возбуждения с по меньшей мере первой длиной волны и пропускания через себя световых излучений со второй длиной волны к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу, и вторую фильтрующую область, образованную вторым фильтрующим материалом с возможностью отфильтровывания света возбуждения с по меньшей мере первой длиной волны и пропускания через себя световых излучений с третьей длиной волны к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу.
В некоторых примерах по меньшей мере один первый реакционный центр множества реакционных центров испускает свет по меньшей мере со второй и третьей длинами волн под действием света возбуждения с первой длиной волны после обработки реакционным раствором (например, после того, как реакционный раствор вызвал реакции и/или образовал по меньшей мере один продукт реакции в реакционных центрах). В некоторых примерах по меньшей мере один первый реакционный центр множества реакционных центров испускает свет по меньшей мере со второй и третьей длинами волн под действием света возбуждения с первой длиной волны и, соответственно, с четвертой длиной волны после обработки реакционным раствором. В некоторых примерах по меньшей мере один первый реакционный центр множества реакционных центров испускает световые излучения со второй длиной волны под действием света возбуждения с первой длиной волны после обработки реакционным раствором, при этом по меньшей мере один второй реакционный центр множества реакционных центров испускает световые излучения с третьей длиной волны под действием света возбуждения с четвертой длиной волны после обработки реакционным раствором.
В некоторых примерах устройство дополнительно содержит несущий слой в пределах нижней части световодов, проходящий под нижней частью первых областей и вблизи них. В некоторых из таких примеров несущий слой состоит из оксида, нитрида или их комбинации. В других таких примерах вторая область световодов проходит поверх несущего слоя и вблизи первых областей. В некоторых из таких примеров первые и вторые области световодов образуют вводные области световодов.
В некоторых примерах устройство дополнительно содержит второй футеровочный слой, расположенный между несущим слоем и схемой устройства в нижней части световодов и между второй фильтрующей областью и схемой устройства в пределах верхней части световодов. В некоторых из таких примеров второй футеровочный слой включает в себя нитридкремниевый защитный слой. В некоторых примерах схема устройства в составе основания устройства образует схемы на основе комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП).
В некоторых примерах первый фильтрующий материал дополнительно отфильтровывает световые излучения с третьей длиной волны, при этом второй фильтрующий материал дополнительно отфильтровывает световые излучения со второй длиной волны. В некоторых примерах первый фильтрующий материал представляет собой полимерный материал с первым красителем, при этом второй фильтрующий материал представляет собой полимерный материал со вторым красителем, отличным от первого красителя. В некоторых примерах каждый из множества реакционных центров иммобилизован на реакционной структуре в пределах по меньшей мере одного реакционного углубления в реакционной структуре.
В некоторых примерах реакционный раствор вызывает реакцию и/или образует продукт реакции в реакционных центрах, генерирующий световые излучения со второй и третьей длинами волн под действием падающего света возбуждения. В некоторых из таких примеров указанный по меньшей мере один реакционный центр содержит по меньшей мере один аналит, при этом реакционный раствор представляет собой водный раствор, содержащий по меньшей мере одну флуоресцентно-меченую молекулу. В некоторых из таких примеров указанный по меньшей мере один аналит включает в себя олигонуклеотид, при этом указанная по меньшей мере одна флуоресцентно-меченая молекула включает в себя флуоресцентно-меченый нуклеотид.
В еще одном аспекте настоящего раскрытия предложен биосенсор. Биосенсор включает в себя любое из раскрытых выше устройств. Биосенсор также содержит проточную ячейку, установленную на устройство, и реакционные центры в пределах реакционной структуры. Проточная ячейка содержит реакционный раствор и по меньшей мере один канал потока, связанный по текучей среде с реакционными центрами реакционной структуры с возможностью направления в них реакционного раствора.
В еще одном аспекте настоящего раскрытия предложен способ. Способ содержит этап, на котором формируют множество канавок в пределах основания устройства, содержащего множество светочувствительных элементов и схему устройства, электрически соединенную со светочувствительными элементами, выполненными с возможностью передачи сигналов данных по результатам детектирования фотонов светочувствительными элементами. Каждая из множества канавок проходит от верхней поверхности основания устройства в направлении по меньшей мере одного соответствующего светочувствительного элемента. Способ также содержит этап, на котором наносят несущий слой на внутренние поверхности множества канавок. Способ дополнительно содержит этап, на котором поверх нанесенного несущего слоя множество канавок наполняют первым фильтрующим материалом, отфильтровывающим свет с по меньшей мере первой длиной волны и пропускающим через себя свет со второй длиной волны к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу. Способ также содержит этап, на котором удаляют верхнюю часть нанесенного несущего слоя в пределах множества канавок между основанием устройства и первым фильтрующим материалом с образованием множества пустот. Способ дополнительно содержит этап, на котором наполняют множество пустот вторым фильтрующим материалом, отфильтровывающим свет с по меньшей мере первой длиной волны и пропускающим через себя свет с третьей длиной волны к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу, с образованием множества световодов. Способ также содержит этап, на котором формируют реакционную структуру поверх основания устройства и множества световодов для размещения реакционного раствора и по меньшей мере одного реакционного центра, генерирующего свет второй и/или третьей длин волн после обработки реакционным раствором под действием падающего света возбуждения с по меньшей мере первой длиной волны.
В некоторых примерах по меньшей мере один первый реакционный центр испускает свет по меньшей мере со второй и третьей длинами волн под действием света возбуждения с первой длиной волны после обработки реакционным раствором (например, после того, как реакционный раствор вызвал реакции и/или образовал по меньшей мере один продукт реакции в реакционных центрах). В некоторых примерах по меньшей мере один первый реакционный центр испускает свет по меньшей мере со второй и третьей длинами волн под действием света возбуждения с первой длиной волны и, соответственно, с четвертой длиной волны после обработки реакционным раствором. В некоторых примерах по меньшей мере один первый реакционный центр испускает световые излучения со второй длиной волны под действием света возбуждения с первой длиной волны после обработки реакционным раствором, при этом по меньшей мере один второй реакционный центр испускает световые излучения с третьей длиной волны под действием света возбуждения с четвертой длиной волны после обработки реакционным раствором.
В некоторых примерах в результате удаления верхней части нанесенного несущего слоя в пределах множества канавок возникает часть несущего слоя, проходящая под нижней частью первых областей и вблизи них. В некоторых примерах способ дополнительно содержит этап, на котором наносят второй футеровочный слой поверх внутренних поверхностей множества канавок и поверх верхней поверхности основания устройства до нанесения несущего слоя так, чтобы несущий слой проходил поверх второго футеровочного слоя. В некоторых примерах первый фильтрующий материал дополнительно отфильтровывает свет со второй длиной волны, при этом второй фильтрующий материал дополнительно отфильтровывает свет с первой длиной волны. В некоторых примерах первый фильтрующий материал содержит полимерный материал с первым красителем, при этом второй фильтрующий материал содержит полимерный материал со вторым красителем, отличным от первого красителя.
Следует понимать, что все комбинации раскрытых выше аспектов и дополнительных идей, подробнее раскрытых ниже (при отсутствии взаимного противоречия между такими идеями), считаются частью раскрытого в настоящей заявке объекта изобретения.
Указанные и иные объекты, отличительные признаки и преимущества раскрываемого здесь изобретения станут очевидны из нижеследующего описания осуществления различных аспектов раскрываемого изобретения при его совместном рассмотрении с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Указанные и прочие отличительные признаки, аспекты и преимущества предлагаемого изобретения станут более понятны при рассмотрении нижеследующего раздела «Осуществление изобретения» совместно с прилагаемыми чертежами, которые не обязательно выполнены в масштабе, и на которых аналогичные номера позиций обозначают аналогичные аспекты на всех чертежах, из которых:
ФИГ.1 изображает, в одном примере, поперечный разрез биосенсора по настоящему раскрытию.
ФИГ. 2 изображает, в одном примере, вид сверху основания устройства биосенсора на ФИГ.1.
ФИГ. 3 изображает, в одном примере, вид сбоку в поперечном разрезе части биосенсора на ФИГ.1, иллюстрирующий часть реакционной структуры и ее световода.
ФИГ. 4 изображает, в одном примере, вид сверху в поперечном разрезе части биосенсора на ФИГ.1, иллюстрирующий матрицу световодов.
ФИГ. 5 изображает, в одном примере, увеличенный фрагмент поперечного разреза на ФИГ.3, содержащий реакционный раствор на реакционной структуре.
ФИГ. 6 изображает, в одном примере, увеличенный фрагмент поперечного разреза на ФИГ.3, включающий в себя событие детектирования света.
ФИГ. 7 - принципиальная схема, иллюстрирующя, в одном примере, способ изготовления биосенсора по настоящему раскрытию.
ФИГ. 8 изображает, в одном примере, формирование канавки в основании устройства детектирования света.
ФИГ. 9 изображает, в одном примере, формирование первой футеровки в пределах канавки в основании устройства на ФИГ.8.
ФИГ. 10 изображает, в одном примере, формирование второй футеровки в пределах канавки в основании устройства на ФИГ.9.
ФИГ. 11 изображает, в одном примере, наполнение футерованной канавки на ФИГ.10 первым фильтрующим материалом с образованием первой фильтрующей области.
ФИГ. 12 изображает, в одном примере, удаление верхней части второй футеровки с образованием полости в пределах канавки в основании устройства на ФИГ.11.
ФИГ. 13 изображает, в одном примере, наполнение полости канавки в основании устройства на ФИГ.12 вторым фильтрующим материалом с образованием световода с первой и второй фильтрующими областями.
Осуществление изобретения
Аспекты настоящего раскрытия, а также некоторые их примеры, отличительные признаки, преимущества и детали, более подробно разъяснены ниже на неограничивающих примерх, проиллюстрированных на прилагаемых чертежах. Описания общеизвестных материалов, производственных инструментов, технологий обработки и т.п. опущены, чтобы избежать неоправданного усложнения понимания важных деталей. При этом следует понимать, что раздел «Осуществление изобретения» и конкретные примеры, указывающие аспекты раскрываемого изобретения, носят исключительно иллюстративный и ни в коей мере не ограничивающий характер. Из настоящего раскрытия специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны различные замены, модификации, дополнения и/или компоновки без отступления от существа и/или объема идей, лежащих в основе изобретения.
Выражения, означающие приблизительность, в контексте настоящего описания могут служить для смягчения любой количественно выраженной характеристики, которая может варьироваться без изменения основной функции, к которой она относится. Соответственно, значение, смягчаемое такими словами, как, например, «приблизительно» («около») или «по существу», не ограничено указанным точным значением. Например, указанные слова могут означать допуск не более ±5%, например, не более ±2%, не более ±1%, не более ±0.5%, не более ±0.2%, не более ±0.1%, не более ±0.05%. В некоторых случаях выражения, означающие приблизительность, могут относиться к точности измерения данного значения каким-либо прибором.
Используемая в настоящей заявке терминология служит исключительно для раскрытия частных примеров и не носит ограничивающего характера. Подразумевается, что используемые в настоящей заявке слова в единственном числе с артиклями «а», «ап» и «the» также включают в себя множественное число, если иное явно не следует из контекста. Кроме того, ссылки на «один пример» не следует толковать как исключающие существование дополнительных примеров, также содержащих указанные отличительные признаки. Более того, если явно не указано обратное, слова «содержать» (в любой форме, например «содержит» и «содержащий»), «иметь» (в любой форме, например, «имеет» и «имеющий»), «включать в себя» (в любой форме, например, «включает в себя» и «включающий в себя») и «вмещать» («содержать») (в любой форме, например, «вмещает» и «вмещающий») используются как глаголы связи без ограничительного смысла. Таким образом, любой пример, который «содержит», «имеет», «включает в себя» или «вмещает» один или несколько этапов или элементов, содержит эти один или несколько элементов, но это не означает, что он содержит только эти один или несколько этапов или элементов. В контексте настоящей заявки слова «может» и «может быть» указывают на возможность того или иного события при той или иной совокупности обстоятельств, на обладание указанным свойством, характеристикой или функцией и/или придают другому глаголу значение наличия способности, потенциала или возможности совершения действия, обозначаемого таким глаголом. Соответственно, использование слов «может» или «может быть» указывает на то, что предмет, обозначаемый словом, к которому они относятся, явно является пригодным, способным или подходящим для указанной роли, функции или области применения, с учетом того, что при некоторых обстоятельствах предмет, к которому относятся указанные слова, может не быть пригодным, способным или подходящим. Например, в некоторых обстоятельствах можно ожидать того или иного события или способности, а в других обстоятельствах это событие или способность могут отсутствовать - на это различие и указывают слова «может» и «может быть».
Раскрытые в настоящей заявке примеры могут найти применение в различных биологических или химических способах и системах для научного или коммерческого анализа. В частности, раскрытые здесь примеры могут найти применение в различных способах и системах, где нужно выявить какое-либо событие, свойство, качество или характеристику, являющуюся признаком предусмотренной реакции. Например, в число раскрытых здесь примеров входят устройства детектирования света, биосенсоры и их компоненты, а также системы биоанализа, работающие с биосенсорами. В некоторых примерах указанные устройства, биосенсоры и системы могут включать в себя проточную ячейку и один или несколько светочувствительных элементов, соединенные между собой (с возможностью отсоединения или без нее) в по существу единую структуру.
Указанные устройства, биосенсоры и системы биоанализа могут быть выполнены с возможностью осуществления множества предусмотренных реакций, которые могут быть детектированы по отдельности или совместно. Устройства, биосенсоры и системы биоанализа могут быть выполнены с возможностью осуществления многочисленных циклов, в которых указанное множество предусмотренных реакций происходит параллельно. Например, устройства, биосенсоры и системы биоанализа можно использовать для секвенирования плотного набора фрагментов ДНК путем многократных циклов ферментативной манипуляции и детектирования/получения света или изображения. Устройства, биосенсоры и системы биоанализа (например, за счет одного или нескольких картриджей) могут включать в себя один или несколько микрофлюидных каналов, доставляющих реактивы или иные компоненты реакции в реакционном растворе в реакционный центр устройств, биосенсоров и систем биоанализа. В некоторых примерах реакционный раствор может быть по существу кислым, например, с рН не выше приблизительно 5, или не выше приблизительно 4, или не выше приблизительно 3. В некоторых других примерах реакционный раствор может быть по существу основным/щелочным, например, с рН не ниже приблизительно 8, или не ниже приблизительно 9, или не ниже приблизительно 10. В контексте настоящей заявки слово «кислотность» и его различные грамматические формы относятся к значению рН ниже приблизительно 7, при этом слова «основность», «щелочность» и их различные грамматические формы относятся к значению рН выше приблизительно 7. В некоторых примерах реакционные центры созданы или разнесены заранее определенным образом, например, по равномерной или повторяющейся схеме. В некоторых других примерах реакционные центры распределены бессистемнно. Любой из реакционных центров может соответствовать одному или нескольким световодам и светочувствительным элементам, детектирующим свет из соответствующего реакционного центра. В некоторых примерах реакционные центры расположены в реакционных углублениях или пространствах, которые могут как минимум частично пространственно ограничивать предусмотренные реакции в себе.
В контексте настоящей заявки «предусмотренная реакция» включает в себя изменение по меньшей мере одного химического, электрического, физического или оптического свойства (или качества) химической или биологической субстанции, например, интересующего аналита. В частных примерах предусмотренная реакция представляет собой событие положительного связывания, например, включение флуоресцентно-меченой биомолекулы в интересующий аналит. В более широком смысле, предусмотренная реакция может представлять собой химическое превращение, химическое изменение или химическое взаимодействие. Предусмотренная реакция также может представлять собой изменение в электрических свойствах. В частных примерах предусмотренная реакция включает в себя включение флуоресцентно-меченой молекулы в по меньшей мере один аналит. Аналит может представлять собой олигонуклеотид, а флуоресцентно-меченая молекула может представлять собой нуклеотид. Предусмотренная реакция может быть детектирована, когда свет возбуждения направляют к олигонуклеотиду с меченым нуклеотидом, и флуорофор испускает флуоресцентный сигнал, которые может быть детектирован. В других примерах детектируемые световые излучения или сигналы являются результатом хемилюминесценции или биолюминисценции. Предусмотренная реакция также может увеличивать резонансный перенос энергии флуоресценции (или Ферстеровский резонансный перенос энергии) (РПЭФ), например, за счет приближения донорного флуорофора к акцепторному флуорофор, уменьшать РПЭФ за счет пространственного разделения донорного и акцепторного флуорофоров, увеличивать флуоресценцию за счет пространственного разделения гасителя и флуорофора, или уменьшать флуоресценцию за счет совмещения гасителя и флуорофора.
В контексте настоящей заявки «реакционный раствор», «компонент реакции» или «реактант» включает в себя любое вещество, которое можно использовать для получения по меньшей мере одной предусмотренной реакции. Например, в число компонентов реакции входят реагенты, ферменты, образцы, прочие биомолекулы и буферные растворы. Компоненты реакции могут быть доставлены в реакционный центр в растворе и/или иммобилизованы в реакционном центре. Компоненты реакции могут непосредственно или опосредованно взаимодействовать с другим веществом, например, интересующим аналитом, иммобилизованным в реакционном центре. В некоторых примерах реакционный раствор может быть относительно сильнокислым (например, с рН не выше приблизительно 5) или относительно сильнощелочным /основным (например, с рН не ниже приблизительно 8).
В контексте настоящей заявки термин «реакционный центр» означает ограниченную область, где может происходить по меньшей мере одна предусмотренная реакция. Реакционный центр может включать в себя несущие поверхности реакционной структуры или подложку, на которой может быть иммобилизовано вещество. Например, реакционный центр может, в частности, включать в себя по существу плоскую поверхность реакционной структуры (которая может быть расположена в канале проточной ячейки) с колонией нуклеиновых кислот на ней. В некоторых примерах нуклеиновые кислоты в составе колонии имеют одну и ту же последовательность, являясь, например, клональными копиями одноцепочечной или двухцепочечной матрицы. При этом в некоторых примерах реакционный центр может содержать только одну молекулу нуклеиновой кислоты, например, в одноцепочечной или двухцепочечной форме. Кроме того, множество реакционных центров может быть распределено бессистемно вдоль реакционной структуры или расположено в заранее определенном порядке (например, бок о бок в матрице, например, в микроматрице). Реакционный центр также может включать в себя реакционное пространство или углубление, как минимум частично ограничивающее собой пространственную область или объем с возможностью пространственного ограничения предусмотренной реакции. В контексте настоящей заявки значение термина «реакционное пространство» включает в себя ограниченную пространственную область несущей структуры (которая зачастую связана по текучей среде с каналом потока). Реакционные углубления могут быть, по меньшей мере, частично отделены от окружающей среды или иных пространственных областей. Например, реакционные углубления в составе множества могут быть отделены друг от друга общими стенками. В частности, реакционные углубления могут представлять собой, например, наноразмерные лунки, в том числе - вырезанное углубление, ямку, лунку, канавку, или полость открытую с одной стороны, или углубление, ограниченное внутренними поверхностями и ограничивающее отверстие или проем с возможностью связи по текучей среде между наноразмерными лунками и каналом потока.
В некоторых примерах реакционные углубления реакционной структуры по размеру и форме выполнены по отношению к твердым телам (в том числе, полутвердым телам) с возможностью ввода в них твердых тел полностью или частично. Например, реакционные углубления могут быть по размеру и форме выполнены с возможностью размещения захватной гранулы. Захватная гранула может нести на себе клонально амплифицированные ДНК или иные вещества. Или же реакционные углубления могут быть по размеру и форме выполнены с возможностью размещения приблизительного числа гранул или твердых подложек. В еще одном примере реакционные углубления могут быть наполнены пористым гелем или веществом, обеспечивающим возможность управления диффузией или фильтрации текучих сред, могущих течь в реакционные углубления.
В некоторых примерах светочувствительные элементы (например, фотодиоды) соотнесены с соответствующими реакционными центрами. Светочувствительный элемент, соотнесенный с реакционным центром, выполнен с возможностью детектирования световых излучений из соответствующего реакционного центра по по меньшей мере одному световоду, когда в соответствующем реакционном центре произошла предусмотренная реакция. В некоторых случаях множество светочувствительных элементов (например, несколько пикселей устройств детектирования света или съемочного устройства) может соответствовать единственному реакционному центру. В других случаях единственный светочувствительный элемент (например, единственный пиксель) может соответствовать единственному реакционному центру или группе реакционных центров. Светочувствительный элемент, реакционный центр и иные особенности биосенсора могут быть выполнены с возможностью непосредственного детектирования как минимум части света светочувствительным элементом без отражения света.
В контексте настоящей заявки «биологическая или химическая субстанция» включает в себя биомолекулы, исследуемые образцы, интересующие аналиты и прочие химические соединения. Биологическая или химическая субстанция может быть использована для детектирования, идентификации или анализа другого химического соединения (соединений) или служить промежуточными средствами для изучения или анализа другого химического соединения (соединений). В частных примерах биологическая или химическая субстанция включает в себя биомолекулу. В контексте настоящей заявки термин «биомолекула» обозначает по меньшей мере одно из следующего: биополимер, нуклеозид, нуклеиновую кислоту, полинуклеотид, олигонуклеотид, белок, фермент, полипептид, антитело, антиген, лиганд, рецептор, полисахарид, углевод, полифосфат, клетку, ткань, организм или фрагмент чего-либо вышеперечисленного или иного биологически активного химического соединения (соединений), например, аналогов или миметиков вышеуказанных веществ. В дополнительном примере биологическая или химическая субстанция или биомолекула включает в себя фермент или реагент, применяемый в сопряженной реакции для детектирования продукта другой реакции, например, фермент или реагент, например, фермент или реагент, применяемый для детектирования пирофосфата в реакции пиросеквенирования. Ферменты и реагенты, которые могут быть использованы для детектирования пирофосфатов, раскрыты, например, в публикации патента США №2005/0244870 А1, содержание которого во всей полноте включено в настоящее описание посредством отсылки.
Биомолекулы, образцы, а также биологическая или химическая субстанция могут быть природного происхождения или синтетическими, и могут находиться во взвешенном состоянии в растворе или смеси в пределах реакционного углубления или области. Биомолекулы, образцы, а также биологическая или химическая субстанция также могут быть связаны с материалом в твердой фазе или с гелем. Биомолекулы, образцы, а также биологическая или химическая субстанция также могут включать в себя фармацевтическую композицию. В некоторых случаях биомолекулы, образцы, а также интересующая биологическая или химическая субстанция могут именоваться «мишени», «зонды» или «аналиты».
В контексте настоящей заявки «биосенсор» представляет собой устройство, включающее в себя реакционную структуру с множеством реакционных центров, выполненное с возможностью детектирования предусмотренных реакций, происходящих в реакционных центрах или возле них. Биосенсор может включать в себя твердотельное устройство детектирования света или «формирования изображения» (например, устройство детектирования света на базе ПЗС или КМОП) и, необязательно, установленную на нем проточную ячейку. Проточная ячейка может включать в себя по меньшей мере один канал потока, связанный по текучей среде с реакционными центрами. В одном конкретном примере биосенсор выполнен с возможностью соединения по текучей среде и электрического соединения с системой биоанализа. Система биоанализа может доставлять реакционный раствор в реакционные центры согласно заранее заданному протоколу (например, секвенирования путем синтеза) и осуществлять множество событий формирования изображения. Например, система биоанализа может направлять потоки реакционных растворов вдоль реакционных центров. По меньшей мере один из реакционный растворов может включать в себя типы нуклеотидов с одинаковыми или разными флуоресцентными метками. Нуклеотиды могут образовывать связи с реакционными центрами, например, с соответствующими олигонуклеотидами в реакционных центрах. Далее система биоанализа может осветить реакционные центры посредством источника источник света возбуждения (например, таких твердотельных источников света, как светоиспускающие диоды (светодиоды)). Свет возбуждения может иметь заранее заданную длину или длины волн, в том числе - диапазон длин волн. Флуоресцентные метки, возбуждаемые падающим светом возбуждения, могут подавать сигналы излучения (например, свет длины или длин волн, отличных от света возбуждения и, возможно, друг от друга), которые могут детектировать светочувствительные элементы.
В контексте настоящей заявки термин «иммобилизованный» применительно к биомолекуле или биологической или химической субстанции означает по существу прикрепление биомолекулы или биологической или химической субстанции на молекулярном уровне к поверхности, например, к поверхности детектирования устройства детектирования света или реакционной структуры. Например, биомолекула или биологическая или химическая субстанция может быть иммобилизована на поверхности реакционной структуры методами адсорбции, в том числе - за счет нековалентных взаимодействий (например, электростатических сил, вандервальсовых сил и обезвоживания гидрофобных поверхностей раздела) и методов ковалентного связывания, при котором функциональные группы или линекеры облегчают прикрепление биомолекул к поверхности. Иммобилизация биомолекул или биологической или химической субстанции на поверхности может быть обусловлена свойствами поверхности, жидкой среды, несущей биомолекулу или биологическую или химическую субстанцию, а также собственными свойствами биомолекул или биологической или химической субстанции. В некоторых случаях поверхность может быть функционализирована (например, химически или физически модифицирована) для облегчения иммобилизации биомолекул (или биологической или химической субстанции) на поверхности.
В некоторых примерах нуклеиновые кислоты могут быть иммобилизованы на реакционной структуре, например, на поверхностях реакционных углублений в ней. В частных примерах устройства, биосенсоры, системы биоанализа и раскрытые в настоящем описании способы могут предусматривать применение природных нуклеотидов, а также ферментов, способных взаимодействовать с природными нуклеотидами. В число природных нуклеотидов входят, например, рибонуклеотиды или дезоксирибонуклеотиды. Природные нуклеотиды могут быть в моно-, ди- или трифосфатной форме с основанием, выбранным из следующих: аденин (А), тимин (Т), урацил (U), гуанин (G) или цитозин (С). При этом следует понимать, что можно использовать неприродные нуклеотиды, модифицированные нуклеотиды или аналоги вышеуказанных нуклеотидов.
Как сказано выше, биомолекула или биологическая или химическая субстанция может быть иммобилизована в реакционном центре в реакционном углублении реакционной структуры. Эта биомолекула или биологическая субстанция может быть физически зафиксирована или иммобилизована в пределах реакционных углублений за счет неподвижной посадки, адгезии, ковалентной связи или улавливания. В число примеров материалов или твердых тел, которые могут быть размещены в пределах реакционных углублений, входят полимерные гранулы, таблетки, агарозный гель, порошки, квантовые точки или иные твердые тела с возможностью сжатия и/или фиксации в пределах реакционного пространства. В некоторых вариантах реализации реакционные углубления могут быть покрыты или наполнены слоем гидрогеля, способного к ковалентному связыванию олигонуклеотидов ДНК. В частных примерах сверхструктура нуклеиновой кислоты, например, шарик ДНК, может быть расположена в реакционном углублении или у него, например, путем прикрепления к внутренней поверхности реакционного углубления или за счет нахождения в жидкости в пределах реакционного углубления. Шарик ДНК или иная сверхструктура нуклеиновой кислоты может быть создана, а затем размещена в реакционное углубление или у него. Или же шарик ДНК может быть синтезирован на месте у реакционного углубления. Субстанция, иммобилизованная в реакционном углублении, может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии.
ФИГ. 1-8 иллюстрируют в поперечном разрезе части биосенсора 100, сформированного в одном примере. Показано, что биосенсор 100 может включать в себя проточную ячейку 102, непосредственно или опосредованно соединенную с устройством 104 детектирования света. Проточная ячейка 102 может быть установлена в устройство 104 детектирования света. В иллюстрируемом примере проточная ячейка 102 прикреплена непосредственно к устройству 104 детектирования света с помощью одного или нескольких фиксирующих механизмов (например, адгезива, связующего материала, крепежных элементов и т.п.). В некоторых примерах проточная ячейка 102 может быть съемно соединена с устройством 104 детектирования света.
Биосенсор 100 и/или устройство 104 детектирования может быть выполнено для проведения биологического или химического анализа для получения любой относящейся к нему информации или данных. В частных примерах биосенсор 100 и/или устройство 104 детектирования может содержать систему секвенирования нуклеиновых кислот (или секвенатор) выполненный для различных видов применения, в том числе, помимо прочего, для независимого сиквенса, ресеквенирования целых геномов, или целевых участков генома, или для метагеномики. Система секвенирования может быть выполнена для анализа ДНК или РНК. В некоторых примерах биосенсор 100 и/или устройство 104 детектирования выполнены с возможностью осуществления большого числа параллельных реакций в пределах биосенсора 100 и/или устройстви 104 детектирования для получения относящейся к ним информации.
Проточная ячейка 102 может включать в себя один или несколько каналов потока, направляющих раствор в реакционные центры 114 или к ним на устройстве 104 детектирования, как подробнее разъяснено ниже. В связи с этим, проточная ячейка 102 и/или биосенсор 100 могут включать в себя систему хранения текучей среды (не показана), выполненную с возможностью хранения разнообразных компонентов реакции или реактантов, например - применяемых для проведения в них предусмотренных реакций, или быть связаны по текучей среде с такой системой. Система хранения текучей среды также может быть выполнена с возможностью хранения текучих сред для промывки или очистки сети текучей среды и биосенсора 100 и/или устройства 104 детектирования, а также, потенциально, для разбавления реактантов. Например, система хранения текучей среды может включать в себя разнообразные емкости для хранения образцов, реагентов, ферментов, иных биомолекул, буферных растворов, водных, масляных и иных неполярных растворов и т.п. Как сказано выше, текучая среда или раствор на реакционной структуре 126 может быть относительно кислым (например, с рН не выше приблизительно 5) или основным/щелочным (например, с рН не ниже приблизительно 8). Кроме того, система хранения текучей среды также может включать в себя емкости для приема отходов из биосенсора 100 и/или устройства 104 детектирования.
В иллюстрируемом примере устройство 104 детектирования света включает в себя основание 125 устройства и реакционную структуру 126, лежащую поверх основания 125 устройства, как показано на ФИГ. 1 и 3-8. В частных примерах основание 125 устройства включает в себя множество расположенных друг над другом слоев (например, кремниевый слой или подложку, диэлектрический слой, металлодиэлектрические слои и т.п.). Основание 125 устройства может включать в себя сенсорную матрицу 124 светочувствительных элементов 140 и направляющую матрицу световодов 118, как показано на ФИГ.3. На ФИГ. 1 и 3-8 показано, что реакционная структура 126 может включать в себя матрицу реакционных углублений 108 с по меньшей мере одним соответствующим реакционным центром 114, созданным на ней (например, иммобилизованным на ее поверхности). В некоторых примерах устройство 104 детектирования света выполнено так, что каждый светочувствительный элемент 140 соответствует единственному световоду 118 и/или единственному реакционному углублению 108 (и, потенциально, ориентирован на них) с возможностью приема фотонов только из них. При этом в других примерах единственный светочувствительный элемент 140 может принимать фотоны через более чем один световод 118 и/или более чем одно реакционное углубление 108. Аналогичным образом, единственный светочувствительный элемент 140 может принимать фотоны из реакционного центра 114 или из нескольких реакционных центров 114. Таким образом, единственный светочувствительный элемент 140 может формировать один пиксель или более одного пикселя.
Как показано на ФИГ.2, матрица реакционных углублений 108 и/или световодов 118 (и, потенциально, светочувствительных элементов 140) может быть создана по определенной повторяющейся схеме так, что, по меньшей мере, некоторые из углублений 108 и/или световодов 118 (и, потенциально, светочувствительных элементов 140) отстоят друг от друга на равное расстояние по определенной схеме. В других примерах реакционные углубления 108 и/или световоды 118 (и, потенциально, светочувствительные элементы 140) могут быть расположены бессистемно, и/или, по меньшей мере, некоторые реакционные углубления 108 и/или световоды 118 (и, потенциально, светочувствительные элементы 140) могут отстоять друг от друга на разные расстояния.
Как показано на ФИГ. 1 и 2, реакционная структура 126 устройства 104 детектирования может образовывать поверхность 112 детектирования с возможностью растекания по ней и нахождения на ней реакционного раствора, как подробнее разъяснено ниже. Поверхность 112 детектирования реакционной структуры 126 может представлять собой верхнюю открытую поверхность устройства 104 детектирования. Поверхность 112 детектирования может включать в себя поверхности углублений 108 и промежуточные зоны 113, проходящие между углублениями 108 и вблизи их.
Поверхность 112 детектирования устройства 104 детектирования света может быть функционализирована (например, химически или физически модифицирована так, чтобы приспособить ее для осуществления предусмотренных реакций). Например, поверхность 112 детектирования может быть функционализирована и может включать в себя множество реакционных центров 114 с одной или несколькими биомолекулами, иммобилизованными на ней как показано на ФИГ. 1, 3 и 4. Как сказано выше, поверхность 112 детектирования может включать в себя матрицу реакционных углублений 108 (например, открытых с одной стороны реакционных пространств). Каждое из реакционных углублений 108 может включать в себя один или несколько реакционных центров 114. Реакционные углубления 108 могут быть образованы, например, за счет изменения глубины (или толщины) вдоль поверхности 112 детектирования. В других примерах поверхность 112 детектирования может быть по существу плоской.
Как показано на ФИГ. 3 и 4, реакционные центры 114 могут быть распределены по той или иной схеме вдоль поверхности 112 детектирования, например, в пределах реакционных углублений 108. Например, реакционные центры 114 могут быть расположены в ряд по горизонтали и вертикали вдоль реакционных углублений 108 аналогично микроматрице. При этом следует понимать, что возможно применение различных схем расположения реакционных центров 114. Реакционные центры 114 могут включать в себя биологическую или химическую субстанцию, испускающую световые сигналы, как подробнее разъяснено ниже. Например, биологическая или химическая субстанция в реакционных центрах 114 может генерировать световые излучения под действием света 101 возбуждения. В частных примерах реакционные центры 114 включают в себя кластеры или колонии биомолекул (например, олигонуклеотидов), иммобилизованных на поверхности 112 детектирования в пределах реакционных углублений 108.
Как показано на ФИГ.1, в одном примере проточная ячейка 102 включает в себя по меньшей мере одну боковую стенку и крышку 110 потока. Указанная по меньшей мере одна боковая стенка может быть соединена с поверхностью 112 детектирования и проходить между крышкой 110 потока и поверхностью 112 детектирования. Проточная ячейка 102 может быть выполнена с возможностью образования канала 119 потока между крышкой 110 потока и поверхностью 112 детектирования устройства 104 детектирования света. В некоторых примерах канал 119 потока может иметь высоту (между крышкой 110 потока и поверхностью 112 детектирования) в диапазоне от приблизительно 50 до приблизительно 400 мкм (микрон), или от приблизительно 80 до приблизительно 200 мкм. В одном примере, высота канала 119 потока составляет приблизительно 100 мкм. Крышка 110 потока может содержать материал (например, пластмассу, стекло или полимерный материал), проницаемый для света 101 возбуждения, распространяющегося изнутри биосенсора 100 в сторону/в канал 119 потока, как показано на ФИГ.1. Отметим, что свет 101 возбуждения может подходить к крышке 110 потока с любого угла, а также под одинаковыми или разными углами.
Свет 101 возбуждения может испускать или создавать любая система освещения или источник (не показан), могущий входить или не входить в состав системы биоанализа, биосенсора 100 или устройства 104 детектирования света. В некоторых примерах система освещения может включать в себя источник света (например, один или несколько светодиодов) и, потенциально, множество оптических компонентов для освещения, по меньшей мере, реакционной структуры 126 устройства 104 детектирования. В число примеров источников света могут входить лазеры, дуговые лампы, светодиоды или лазерные диоды. Например, оптические компоненты могут представлять собой отражатели, светоделители, делители пучка, коллиматоры, линзы, фильтры, клины, призмы, зеркала, детекторы и т.п. В одном частном примере система освещения выполнена с возможностью направления света 101 возбуждения в реакционные центры 114 в пределах углублений 108 реакционной структуры 126 устройства 104 детектирования. В некоторых примерах система освещения может испускать свет 101 возбуждения с некой длины волны или в некоем диапазоне длин волн, например, с длиной волны в диапазоне от приблизительно 300 нм до приблизительно 700 нм, или в диапазоне от приблизительно 400 нм до приблизительно 600 нм. В некоторых примерах система освещения может испускать свет 101 возбуждения с некой длиной волны или длинами волн, возбуждающий испускание биологической или химической субстанцией (субстанциями) в реакционных центрах 114 световых излучений с отличающейся длиной или длинами волн. Например, в одном примере, в котором устройство включает в себя реакционные центры 114 в пределах единственного реакционного углубления 108 или разных реакционных углублений 108, содержащих первый и второй флуорофоры, возбуждаемые светом с длинами волн голубой области видимого спектра, длина волны свет возбуждения может составлять приблизительно 400 нм, длина волны световых излучений из реакционных центров 114 с первым флуорофором может составлять приблизительно 500 нм (или лежать в диапазоне от приблизительно 450 нм до приблизительно 550 нм), а длина волны световых излучений из реакционных центров 114 со вторым флуорофором может составлять приблизительно 650 нм (или лежать в диапазоне от приблизительно 600 нм до приблизительно 550 нм).
В некоторых других примерах система освещения может испускать свет 101 возбуждения с длинами волн в разных диапазонах (не перекрывающихся), независимо или выборочно возбуждающими испускание разными биологическими или химическими субстанциями в разных реакционных центрах 114 световых излучений с разными длинами волн или с длинами волн в разных диапазонах. Например, в одном примере, в котором устройство включает в себя реакционные центры 114 в пределах единственного реакционного углубления 108 или разных реакционных углублений 108, содержащие первый и второй флуорофоры, возбуждаемые светом с разными длинами волн или с длинами волн в разных диапазонах, система освещения может испускать первый свет 101 возбуждения с первой длиной волны или диапазоном длин волн (например, голубой свет возбуждения (приблизительно 400 нм, например) или зеленый свет возбуждения (приблизительно 530 нм, например)), под действием которого реакционные центры 114 с первым флуорофором испускают свет с первой длиной волны или диапазоном длин волн (например, в диапазоне от приблизительно 450 нм до приблизительно 550 нм, или в диапазоне от приблизительно 600 нм до приблизительно 550 нм), и испускают второй свет 101 возбуждения с первой длиной волны или диапазоном длин волн (например, голубой свет возбуждения (приблизительно 400 нм, например) или зеленый свет возбуждения (приблизительно 530 нм, например)) в тот же самый период времени или в другой период времени (то есть в течение одного и того же события детектирования света или в течение разных событий детектирования света), когда первый свет 101 возбуждения, под действием которого реакционные центры 114 со вторым флуорофором испускают свет со второй длиной волны или диапазоном длин волн (например, в диапазоне от приблизительно 450 нм до приблизительно 550 нм, или в диапазоне от приблизительно 600 нм до приблизительно 550 нм).
На ФИГ.1 также показано, что крышка 110 потока может содержать по меньшей мере одно отверстие 120, выполненное с возможностью создания соединения по текучей среде с каналом 119 потока и, потенциально, иные отверстия (не показаны). Например, иные отверстия могут вести из картриджа или рабочей станции, содержавшей реакционный раствор или другую биологическую или химическую субстанцию. Канал 119 потока может быть выполнен (например, по размеру и форме) с возможностью направления текучей среды или раствора, например, реакционного раствора, вдоль поверхности 112 детектирования.
На ФИГ. 3 и 4 пример устройства 104 детектирования показан более подробно, чем на ФИГ.1. В частности, на ФИГ. 3 и 4 показаны единственный светочувствительный элемент 140, единственный световод 118 для направления и пропускания световых излучений из по меньшей мере одного относящегося к нему реакционного центра 114 к светочувствительному элементу 140, и соответствующая схема 146 для передачи сигналов, в основе которых лежат световые излучения (например, фотоны), детектированные светочувствительным элементом 140. Следует понимать, что прочие светочувствительные элементы 140 сенсорной матрицы 124 (ФИГ. 1 и 2) и соответствующие компоненты могут быть выполнены идентичным или аналогичным образом. При этом следует понимать, что устройство 104 детектирования света не обязательно должно быть изготовлено единообразно по всему объему. Напротив, один или несколько светочувствительных элементов 140 и/или соответствующие компоненты могут быть изготовлены неодинаково или иметь разные взаиморасположения относительно друг друга.
Схема 146 может включать в себя взаимосоединенные проводящие элементы (например, проводники, спутники, перемычки, соединительные провода и т.п.), выполненные с возможностью проведения электрического тока, например, передачи сигналов данных по результатам детектирования фотонов. В некоторых примерах схема 146 может включать в себя микросхему. Устройство 104 детектирования света и/или основание 125 устройства могут содержать по меньшей мере одну интегральную схему с матрицей светочувствительных элементов 140. Схема 146, расположенная в пределах устройства 104 детектирования, может быть выполнена с возможностью осуществления по меньшей мере одного из следующих действий: усиление сигнала, преобразование в цифровую форму, хранение и обработка. Схема 146 может собирать (и, потенциально, анализировать) детектированные световые излучения и генерировать сигналы данных для передачи данных детектирования в систему биоанализа. Схема 146 также выполнена с возможностью дополнительной обработки аналоговых и/или цифровых сигналов в устройстве 104 детектирования света.
Изготовление основания 125 устройства и схемы 146 можно осуществлять с применением способов изготовления интегральных схем, например, способов, применяемых для изготовления приборов или схем с зарядовой связью (ПЗС) или приборов или схем на основе комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП). Например, как показано на ФИГ.3, основание 125 устройства может представлять собой устройство на основе КМОП, содержащее множество расположенных друг над другом слоев, включающее в себя сенсорную основание 141, могущую представлять собой кремниевый слой (например, подложку) в некоторых примерах. Сенсорное основание 141 может включать в себя светочувствительный элемент 140 и сформированные на ней вентили 143. Вентили 143 выполнены с возможностью электрического соединения со светочувствительным элементом 140. Если устройство 104 детектирования света выполнено, как показано на ФИГ.3, светочувствительный элемент 140 выполнен с возможностью электрического соединения со схемой 146 через вентили 143, например.
По меньшей мере часть схемы 146 может быть расположена в пределах слоев подложки устройства в составе основания 125 устройства 104 детектирования, через/в которые может проходить каждый из волноводов 118. В некоторых примерах каждый из слоев подложки может включать в себя взаимосоединенные проводящие элементы, образующие, по меньшей мере, часть схемы 146 устройства, и диэлектрик 142, прилегающий к проводящим элементам схемы 146 (и, потенциально, окружающий их), как показано на ФИГ.3. Проводящие элементы схемы 146 могут быть заделаны в диэлектрик 142. На ФИГ.3 также показано, что волноводы 118 могут проходить через диэлектрик 142 и могут отстоять от схемы 146. Возможно применение различных металлических элементов и/или диэлектриков, например тех, что пригодны для изготовления интегральных схем (изготовления КМОП). В некоторых примерах проводящие элементы/схема 146 могут представлять собой металлические элементы, например, элементы из W (вольфрама), Сu (меди), Al (алюминия) или их комбинациии (при этом следует понимать, что возможно применение иных материалов и конфигураций). В некоторых примерах диэлектрик может представлять собой SiO2 (при этом следует понимать, что возможно применение иных материалов и конфигураций).
В контексте настоящей заявки, если не указано иное, термин «слой» не ограничен значением «единый сплошной массив материала». Например, сенсорный слой 141 и/или слои устройства в составе основания 125 устройства могут включать в себя несколько подслоев из других материалов и/или могут включать в себя покрытия, адгезивы и т.п. Кроме того, один или несколько слоев (или подслоев) могут быть модифицированы (например, путем травления, осаждения на них материала и т.п.) для создания раскрытых в настоящем описании признаков.
Как показано на ФИГ. 3 и 4, реакционная структура 126 может содержать один или несколько слоев, образующих проходящие в них реакционные углубления 104. Реакционная структура 126 может проходить вдоль верхней наружной поверхности основания 125 устройства. В иллюстрируемом примере реакционная структура 126 расположена непосредственно вдоль верхней или наружной поверхности первого футеровочного слоя 154 и первого и второго фильтрующих материалов 116, 115 основания 125 устройства, как подробнее раскрыто ниже. При этом в других примерах между реакционной структурой 126 и основанием 125 устройства может быть расположен промежуточный слой. Реакционная структура 126 может включать в себя один или несколько материалов с возможностью пропускания сигналов 101 света возбуждения и испускаемых световых сигналов из реакционных центров 114 (после обработки реакционным раствором) в пределах углублений 108 через себя в отверстие 158 одного или нескольких световодов 118, соответствующих тому или иному реакционному углублению 108. В некоторых примерах реакционная структура 126 может включать в себя один или несколько слоев или иной признак, предотвращающий перекрестные помехи или попадание испускаемого света из того или иного реакционного центра 114/реакционных углублений 108 на несоответствующий им чувствительный элемент 140.
Реакционная структура 126 может содержать множество разных слоев, как показано на ФИГ. 3 и 4. В иллюстрируемом примере реакционная структура 126 может включать в себя первый реакционный слой 160, проходящий поверх (непосредственно или опосредованно) основания 125 устройства (например, поверх первого футеровочного слоя 154) и отверстиями 158 световодов 118 (например, первым и вторым фильтрующими материалами 116, 115) основания 125 устройства, как показано на ФИГ. 3 и 4. На ФИГ. 3 и 4 также показано, что в иллюстрируемом примере реакционная структура 126 дополнительно включает в себя второй слой 162, проходящий поверх (непосредственно или опосредованно) первого слоя 160. Реакционная структура 126 в иллюстрируемом примере также включает в себя третий слой 164, проходящий поверх (непосредственно или опосредованно) второго слоя 162, и четвертый слой 166, проходящий поверх (непосредственно или опосредованно) третьего слоя 162. Реакционные углубления 108 могут проходить в по меньшей мере третий слой 164.
Четвертый слой 166 может образовывать внутренние поверхности (например, боковые стенки и нижнюю стенку) реакционных углублений 108 за счет прохождения по впадине (например, полости или пустоте) в третьем слое 162, как показано на ФИГ. 3 и 4. Четвертый слой 166, и, потенциально, второй слой 162, могут образовывать поверхность 112 детектирования, как показано на ФИГ. 3 и 4. В некоторых случаях четвертый слой 166, и, потенциально, второй слой 162 могут быть выполнены с возможностью создания твердой поверхности, обеспечивающей возможностью иммобилизации на ней химикатов, биомолекул или иных интересующих аналитов. Например, любой из реакционных центров 114 может включать в себя кластер биомолекул, иммобилизованных на поверхности 112 детектирования, которая может включать в себя четвертый слой 166, и, потенциально, второй слой 162. Таким образом, четвертый слой 166, и, потенциально, второй слой 162, могут содержать материал, обеспечивающий возможность иммобилизации на них реакционных центров 114. Первый слой 160 и четвертый слой 166 (и, потенциально, второй слой 162 и третий слой 166) могут содержать материал, по меньшей мере, по существу проницаемый для света 101 возбуждения и света, испускаемого реакционными центрами 114. Кроме того, четвертый слой 166, и, потенциально, второй слой 162, могут быть физически или химически модифицированы для облегчения иммобилизации биомолекул и/или для облегчения детектирования световых излучений.
В качестве примера и как показано на ФИГ. 3 и 4, первый слой 160 и третий слой 166 могут содержать первый материал, а второй слой 162 и четвертый слой 168 могут содержать второй, отличный от первого материала. В некоторых из таких примеров первый материал представляет собой SiN, а второй материал - ТаО. При этом реакционная структура 126 может содержать отличные от указанных слои (например, разные слои, меньшее число слоев и/или дополнительные слои) и/или отличные от указанных материалы.
Как показано на ФИГ. 3 и 4, основание 125 устройства 104 детектирования может включать в себя первый защитный слой 150, проходящий поверх (непосредственно или опосредованно) расположенных друг над другом слоев (например, металлодиэлектрических слоев) основания 125 устройства, например, поверх диэлектрика 142 и проводящих компонентов схемы 146. Первый защитный слой 150 может включать в себя материал, выполненный с возможностью блокирования, отражения и/или значительного ослабления света 101 возбуждения и/или световых излучений из реакционных центров 114 (например, световых сигналов, проходящих из канала потока 118). Исключительно в качестве примера, первый защитный слой 150 может содержать вольфрам (W).
Первый защитный слой 150 может содержать по меньшей мере одно сквозное отверстие, находящееся, по меньшей мере, частично на одной линии с по меньшей мере одним соответствующим световодом 118. Первый защитный слой 150 может включать в себя матрицу таких отверстий. В некоторых примерах отверстия в первом защитном слое 150 могут быть расположены на всем его протяжении. Световые сигналы от света 101 возбуждения и/или световые излучения из реакционных центров 114 могут быть блокированы, отражены и/или значительно ослаблены во избежание прохождения световых сигналов через основание 125 устройства за пределами световодов 118 и детектирования их светочувствительными элементами 140. В некоторых примерах первый защитный слой 150 является сплошным между соседними отверстиями или световодами 118 и/или отверстиями, проходящими в него. В некоторых других примерах первый защитный слой 150 не является сплошным между соседними отверстиями или световодами 118, то есть в первом защитном слое 150 есть одно или несколько других отверстий, могущих пропускать через себя свет 101 возбуждения и/или световые излучения из реакционных центров 114.
В некоторых примерах основание 125 устройства 104 детектирования может включать в себя второй защитный слой 152, проходящий поверх (непосредственно или опосредованно) первого защитного слоя 150, как показано на ФИГ. 3 и 4. Второй защитный слой 152 может включать в себя светопоглощающий материал и/или материал, предотвращающий загрязнение нижележащих частей основания 125 устройства. Исключительно в качестве примера, второй защитный слой 152 может содержать SiON. В некоторых примерах второй защитный слой 152 может быть выполнен с возможностью предотвращения взаимодействия загрязнителя, например, натрия, с первым защитным слоем 150, диэлектриком 142 и/или проводящими (например, металлическими) элементами схемы 146 устройства. В некоторых примерах второй защитный слой 152 может повторять очертание первого защитного слоя 150. Например, второй защитный слой 152 может содержать по меньшей мере одно сквозное отверстие, находящееся, по меньшей мере, частично на одной линии с по меньшей мере одним соответствующим световодом 118, как показано на ФИГ. 3 и 4. Второй защитный слой 152 может включать в себя матрицу таких отверстий. В некоторых примерах отверстия во втором защитном слое 152 могут быть расположены на всем его протяжении. В некоторых примерах второй защитный слой 152 является сплошным между соседними световодами 118 и/или отверстиями, проходящими в него. В некоторых других примерах второй защитный слой 152 не является сплошным между соседними световодами 118 и/или отверстиями, проходящими в него, то есть во втором защитном слое 152 есть одно или несколько других отверстий, как показано на ФИГ. 3 и 4.
В некоторых примерах устройство 104 детектирования света может включать в себя первый футеровочный слой 154, проходящий поверх основания 125 устройства и вблизи световодов 118, как показано на ФИГ. 3 и 4. Первый футеровочный слой 154 может представлять собой сплошной конформный слой, сформированный на основании 125 устройства. Первый футеровочный слой 154 может не содержать сформированных отверстий. При этом первый футеровочный слой 154 может содержать внутренние несплошности, поры, разрывы или нечто подобное, пропускающие через себя поток жидкости или раствора, например, реакционного раствора, как подробнее разъяснено ниже. Первый футеровочный слой 154 может обладать способностью вступать в химическую реакцию с реакционным раствором. Например, состав (например, вода и/или масло), и/или относительно высокая кислотность (например, рН не выше приблизительно 5), или относительно высокая основность (например, рН не ниже приблизительно 8) реакционного раствора обеспечивает возможность его вступления в химическую реакцию с материалом первого футеровочного слоя 154 при контакте с ним и растворения или отщепления материала иным образом (то есть травления футеровочного слоя 154). Таким образом, за время экспозиции реакционный раствор может проникать путем травления через первый футеровочный слой 154 и, в итоге, вступать во взаимодействие со схемой 146 устройства и вызывать ее коррозию или иным образом влиять на ее функционирование. Например, первый футеровочный слой 154 может представлять собой нитридкремниевый слой (или иным образом содержать SiN), при этом относительно сильнокислый или основной реакционный раствор может травить SiN при вступлении с ним в контакт.
В иллюстрируемых примерах первый футеровочный слой 154 проходит между реакционной структурой 126 и вторым защитным слоем 152 на самой верхней части основания 125 устройства (и/или иного слоя на самой верхней или верхней части основания 125 устройства) в промежуточных областях 113, и проходит вдоль световодов 118, как показано на ФИГ. 3 и 4. В иллюстрируемом примере первый футеровочный слой 154 проходит вблизи световодов 118 и в непосредственной близости от диэлектрика 142 основания 125 устройства, как показано на ФИГ. 3 и 4. На ФИГ. 3 и 4 также показано, что первый футеровочный слой 154 может проходить вблизи световодов 118 так, что он расположен между (например, непосредственно между) диэлектриком 142 основания 125 устройства и несущей футеровкой 130 и второй фильтрующей областью 115 световодов 118. Первый футеровочный слой 154 может быть выполнен как светопоглощающий слой или отражающий слой (например, для обеспечения прохождения света, испускаемого из реакционных центров 114, через световоды 118), предотвращающий загрязнение слой (например, для предотвращения загрязнения натрием основания 125 устройства) и/или адгезивный слой (например, для сцепления несущей футеровки 130 и второй фильтрующей области 115 световодов 118 с диэлектриком 142). В некоторых примерах футеровочный слой 154 может быть выполнен как предотвращающий загрязнение слой, предотвращающий проникновение любых ионных форм в слои устройства (например, металлодиэлектрические слои). В некоторых примерах футеровочный слой 154 содержит SiN. В некоторых примерах футеровочный слой 154 содержит слой SiN.
Как показано на ФИГ. 3 и 4, первый футеровочный слой 154 может иметь по существу постоянную толщину. В других примерах толщина первого футеровочного слоя 154 может быть непостоянной. Например, части первого футеровочного слоя 154, проходящие поверх верхней части основания 125 устройства могут быть первой толщины, а части первого футеровочного слоя 154, проходящие вблизи световодов 118, могут быть второй толщины, большей или меньшей, чем первая толщина. В еще одном примере толщина частей первого футеровочного слоя 154, проходящих вблизи световодов 118, может быть разной на разной глубине в пределах основания 125 устройства (например, может убывать по ходу вглубь основания 125 устройства). В некоторых примерах диапазон толщины первого футеровочного слоя 154 может составлять от приблизительно 10 нм до приблизительно 100 нм. В иллюстрируемом примере толщина первого футеровочного слоя 154 составляет приблизительно 50 нм.
Как показано на ФИГ.3, основание 125 устройства также может включать в себя второй футеровочный слой 155, расположенный в пределах слоев устройства и под световодами 118. Второй футеровочный слой 155 может быть по существу аналогичен первому футеровочному слою 154 или схож с ним, за исключением его положения в пределах основания 125 устройства. В некоторых примерах второй футеровочный слой 155 может проходить непосредственно под несущей футеровкой 130 вдоль дна световодов 118, как показано на ФИГ.3. Таким образом, первый футеровочный слой 154 и второй футеровочный слой 155 могут проходить полностью вблизи световодов 118, за исключением отверстий 158 световодов 118 под реакционными углублениями 108.
Как раскрыто выше, основание 125 устройства 104 детектирования может включать в себя несущую футеровку или слой 130, расположенный у нижней части световодов 118, как показано на ФИГ.3. Несущая футеровка 130 может проходить (непосредственно или опосредованно) между первой фильтрующей областью 116 и диэлектриком 142, и между первой фильтрующей областью 116 и вторым футеровочным слоем 155. Например, несущая футеровка 130 может проходить вблизи первой фильтрующей области 116 и между (непосредственно или опосредованно) первой фильтрующей областью 116 и первым футеровочным слоем 154, как показано на ФИГ.3. Таким образом, несущая футеровка 130 может проходить вблизи нижней часть первой фильтрующей области 116, в том числе - вблизи ее боковых и нижних поверхностей. Несущая футеровка 130 может проходить полностью вблизи первого фильтрующего материала 116 световодов 118. Как показано на ФИГ.3, вторая фильтрующая область 115 может проходить над несущей футеровкой 130 в верхней части световодов 118. Таким образом, несущая футеровка 130 может служить опорой второй фильтрующей области 115 или проходить под ней. В некоторых примерах несущая футеровка 130 может проходить непосредственно под второй фильтрующей областью 115. Таким образом, возможно объединение несущей футеровки 130 и второй фильтрующей области 115 с образованием слоя, проходящего вблизи первого фильтрующего материала 116 и расположенного между первым фильтрующим материалом 116 и первым футеровочным слоем 154 и/или диэлектриком 142 основания 125 устройства, как показано на ФИГ.3.
Толщина несущей футеровки 130 может быть любой. В некоторых примерах диапазон толщины несущей футеровки 130 может составлять от приблизительно 100 нм до приблизительно 1 микрона или от приблизительно 100 нм до приблизительно 500 нм. В некоторых примерах толщина несущей футеровки 130 может быть равна или по существу аналогична толщине второй фильтрующей области 115, например, по меньшей мере, части несущей футеровки 130, примыкающей ко второй фильтрующей области 115 или расположенной рядом с ней. В некоторых примерах толщина несущей футеровки 130 под первой фильтрующей областью 116 у дна световодов 118 (между первой фильтрующей областью 116 и вторым футеровочным слоем 155 и/или диэлектриком 142) может быть равна или по существу аналогична толщине несущей футеровки 130, проходящей вблизи боковых поверхностей первой фильтрующей области 116 (между первой фильтрующей областью 116 и первым футеровочным слоем 154 и/или диэлектриком 142).
Несущая футеровка 130 может не содержать заранее сформированных отверстий или иных пустот, которые пропускали бы через себя поток жидкости или раствора, например, реакционного раствора. Несущая футеровка 130 может не содержать какие-либо внутренние несплошности, поры, трещины, разрывы или нечто подобное, которые пропускали бы через себя поток жидкости или раствора, например, реакционного раствора, или предотвращать их образование. Таким образом, несущая футеровка 130 может представлять собой непроницаемый для жидкости запирающий слой. В настоящем описании «непроницаемый для жидкости слой» означает слой, могущий препятствовать прохождению через него какой-либо жидкости или раствора (например, реакционного раствора), например, препятствующий прохождению через него по меньшей мере 99% об. реакционного раствора, контактирующего с защитным слоем 130 под атмосферным давлением. Несущая футеровка 130 также может быть химически инертна к реакционному раствору, в связи с чем не происходит травление реакционным раствором (могущим обладать относительно высокой кислотностью или относительно высокой основностью, как раскрыто выше) несущей футеровки 130 или происходит ее травление со скоростью менее приблизительно одного (1) ангстрема (А) толщины несущей футеровки 130 в час при приблизительно 100 градусах Цельсия и при приблизительно атмосферном давлении, когда реакционный раствор контактирует с несущей футеровкой 130. Например, состав несущей футеровки 130 может не вступать в химическую реакцию или вступает в химическую реакцию только в относительно малой степени с составом реакционного раствора (могущим обладать относительно высокой кислотностью или относительно высокой основностью), в связи с чем не происходит травление реакционным раствором несущей футеровки 130 или происходит ее травление со скоростью менее приблизительно одного (1) ангстрема (А) толщины несущей футеровки 130 в час при приблизительно 100 градусах Цельсия и при приблизительно атмосферном давлении, когда реакционный раствор контактирует с несущей футеровкой 130. Таким образом, несущая футеровка 130 может включать в себя слой, устойчивый к травлению реакционным раствором (рН которого может быть не выше приблизительно 5 или не ниже приблизительно 8, например), для предотвращения проникновения через нее (со временем) реакционного раствора и, в итоге, его взаимодействия со схемой 146 устройства, вызывающего ее коррозию или иным образом влияющего на ее функционирование. Таким образом, несущая футеровка 130 выполнена с возможностью предотвращения взаимодействия жидкости или раствора (например, реакционного раствора), могущего проникнуть через реакционную структуру 126 и фильтрующий материал 116 световода 118 на несущую футеровку 130, со схемой 146 устройства.
Несущая футеровка 130 может содержать любой материал, отличный от материала первого футеровочного слоя 154 и первого фильтрующего материала 116 и пропускающий свет, испускаемый из реакционных центров 114 через себя и к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу 140 по соответствующему световоду 118. Например, несущая футеровка 130 может содержать любой материал, пропускающий через себя свет, испускаемый из реакционных центров 114 соответствующего реакционного углубления 108, не отфильтрованный первой и второй фильтрующими областями 116, 115. Как подробнее разъяснено ниже, несущая футеровка 130 может содержать любой материал, отличный от материала первого футеровочного слоя 154 и первого фильтрующего материала 116, с возможностью выборочного удаления (например, травлением) верхней части несущей футеровки 130 с образованием несущей футеровки 130 только в более низкой или нижней части световодов 118. В некоторых примерах несущая футеровка 130 может содержать оксид, нитрид или их комбинации. В некоторых из таких примеров несущая футеровка 130 может включать в себя Si02, оксид металла или их комбинацию.
В некоторых примерах несущая футеровка 130 может содержать материал, химически инертный к реакционному раствору. Например, несущая футеровка 130 может содержать любой материал, не вступающий в химическую реакцию с реакционным раствором (рН которого может быть не выше приблизительно 5 или не ниже приблизительно 8, например) или вступающий с ним в реакцию только в относительно малой степени, в связи с чем не происходит травление реакционным раствором несущей футеровки 130 или происходит ее травление со скоростью менее приблизительно одного (1) ангстрема (А) толщины несущей футеровки 130 в час при приблизительно 100 градусах Цельсия и при приблизительно атмосферном давлении, когда реакционный раствор контактирует с несущей футеровкой 130. Например, несущая футеровка 130 может содержать оксид, нитрид или их комбинации. В некоторых примерах несущая футеровка 130 может содержать диоксид кремния, оксид металла, нитрид металла или их комбинацию. В некоторых примерах несущая футеровка 130 может содержать диоксид кремния, оксинитрид кремния, монооксид кремния, карбид кремния, оксикарбид кремния, нитрокарбид кремния, диоксид кремния, оксид металла, нитрид металла или их комбинацию. В некоторых примерах рН реакционного раствора не ниже приблизительно 8, при этом несущая футеровка 130 может содержать диоксид кремния, оксинитрид кремния, монооксид кремния, карбид кремния, оксикарбид кремния, нитрокарбид кремния, диоксид кремния, оксид металла, нитрид металла или их комбинацию. В некоторых примерах рН реакционного раствора не выше приблизительно 5, при этом несущая футеровка 130 содержит карбид кремния, оксикарбид кремния, нитрокарбид кремния, оксид металла, нитрид металла или их комбинацию.
Как раскрыто выше, световоды 118 могут проходить от отверстия 158 в основание 125 устройства, например, через диэлектрические слои 142 к по меньшей мере одному формирователю 140 сигнала изображения. В частных примерах световоды 118 выполнены продолговатыми и проходят от места вблизи по меньшей мере одного соответствующего реакционного углубления 108 из отверстия 158 в нем в направлении по меньшей мере одного соответствующего светочувствительного элемента 140 в пределах сенсорного слоя 141. Световоды 118 могут проходить в продольном направлении по центральной продольной оси. Световоды 118 могут быть выполнены в трехмерной форме, обеспечивающей возможность и/или способствующей тому, что свет, испускаемых из реакционного центра (центров) 112 по меньшей мере одного соответствующего реакционного углубления 108 поступает к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу 140, например, выполненному по существу по форме цилиндра или усеченного конуса с круглым отверстием 158. Продольная ось световодов 118 может проходить через геометрический центр поперечного сечения. При этом в других примерах возможны иные геометрические формы. Например, поперечное сечение световодов 118 может быть по существу квардартным или восьмиугольным. Световоды 118 могут содержать первую фильтрующую область 116, вторую фильтрующую область 115 и несущую футеровку 130.
Как раскрыто выше и показано на ФИГ. 3 и 4, световоды 118 могут включать в себя первую фильтрующую область 116 и вторую фильтрующую область 115. Первая фильтрующая область 116 может быть выполнена по форме усеченного конуса, а вторая фильтрующая область 115 может представлять собой кольцеобразный кожух или футеровку, проходящую вблизи первой фильтрующей области 116 (над кольцеобразной несущей футеровкой или кожухом 130). Первая фильтрующая область 116 может содержать первый фильтрующий материал, выполненный с возможностью отфильтровывания света 101 возбуждения с первой длиной волны или диапазоном длин волн (и, потенциально, с четвертой длиной волны или диапазоном длин волн) и пропускания световых излучений со второй длиной волны или диапазоном длин волн из по меньшей мере одного реакционного центра 114 по меньшей мере одного соответствующего реакционного углубления 108 через себя и в направлении по меньшей мере одного соответствующего светочувствительного элемента 140. Аналогичным образом, вторая фильтрующая область 115 может содержать второй фильтрующий материал, выполненный с возможностью отфильтровывания света 101 возбуждения с первой длиной волны или диапазоном длин волн (и, потенциально, с четвертой длиной волны или диапазоном длин волн) и пропускания световых излучений с третьей длиной волны или диапазоном длин волн из по меньшей мере одного реакционного центра 114 указанного по меньшей мере одного соответствующего реакционного углубления 108 через себя и к указанному по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу 140. В некоторых примерах первая фильтрующая область 116 также может отфильтровывать световые излучения с третьей длиной волны или диапазоном длин волн из указанного по меньшей мере одного реакционного центра 114 (то есть препятствовать прохождению через себя такого испускаемого света), и/или вторая фильтрующая область 115 также может отфильтровывать световые излучения со второй длиной волны или диапазоном длин волн из указанного по меньшей мере одного реакционного центра 114 (то есть препятствовать прохождению через себя такого испускаемого света). В других примерах первая фильтрующая область 116 может пропускать световые излучения с третьей длиной волны или диапазоном длин волн из указанного по меньшей мере одного реакционного центра 114 через себя, и/или вторая фильтрующая область 115 может пропускать световые излучения со второй длиной волны или диапазоном длин волн из указанного по меньшей мере одного реакционного центра 114 через себя. Каждый из световодов 118 матрицы световодов 118 устройства 104 может содержать первую и вторую фильтрующие области 116, 115 с по существу одинаковой конфигурацией (например, фильтрующими свойствами), либо разные световоды 118 могут содержать первую и вторую фильтрующие области 116, 115 с разными конфигурациями (например, фильтрующими свойствами).
Первая фильтрующая область 116 и вторая фильтрующая область 115 световода 118 могут представлять собой, например, поглощающие фильтры (например, органический поглощающий фильтр) с возможностью поглощения волн с соответствующими длинами или диапазонами длин и пропускания через себя волн с по меньшей мере одной заранее определенной длиной или диапазоном длин. Исключительно в качестве примера, по меньшей мере один первый реакционный центр 114 по меньшей мере одного реакционного углубления 108 устройства 104 может быть выполнен с возможностью создания первых световых излучений с первой длиной волны или диапазоном длин волн под действием падающего света 101 возбуждения с третьей длиной волны или диапазоном длин волн, при этом по меньшей мере один второй реакционный центр 114 по меньшей мере одного реакционного углубления 108 устройства 104 может быть выполнен с возможностью создания вторых световых излучений со второй длиной волны или диапазоном длин волн под действием падающего света 101 возбуждения с третьей длиной волны или диапазоном длин волн, отличающихся от первых световых излучений (или не перекрывающихся с ними). Первый и второй реакционные центры 114 могут представлять собой один и тот же реакционный центр 114, разные реакционные центры 114, созданные в пределах одного и того же реакционного углубления 108, или разные реакционные центры 114, созданные в пределах разных реакционных углублений 108. В таком примере первая фильтрующая область 116 может поглощать свет 101 возбуждения и вторые световые излучения, но пропускать через себя первые световые излучения из первых реакционных центров. Аналогичным образом, вторая фильтрующая область 115 может поглощать свет 101 возбуждения и первые световые излучения, но пропускать через себя вторые световые излучения из первых реакционных центров.
В другом примере по меньшей мере один первый реакционный центр 114 по меньшей мере одного реакционного углубления 108 устройства 104 может быть выполнен с возможностью создания первых световых излучений с первой длиной волны или диапазоном длин волн под действием падающего первого света 101 возбуждения с третьей длиной волны или диапазоном длин волн, при этом по меньшей мере один второй реакционный центр 114 по меньшей мере одного реакционного углубления 108 устройства 104 может быть выполнен с возможностью создания вторых световых излучений со второй длиной волны или диапазоном длин волн под действием падающего второго света 101 возбуждения с четвертой длиной волны или диапазоном длин волн. Первые, вторые, третьи и четверые длины волн или диапазоны длин волн могут быть отличны друг от друга (и не перекрывать друг друга, если речь идет о диапазонах длин волн). Испускание третьего и четвертого света 101 возбуждения может происходить в одно и то же время (например, во время одного и того же события детектирования света), или испускание третьего и четвертого света 101 возбуждения может происходить независимо друг от друга или по отдельности в разное время (например, во время разных событий детектирования света). Первый и второй реакционные центры 114 могут представлять собой один и тот же реакционный центр 114, разные реакционные центры 114, созданные в пределах одного и того же реакционного углубления 108, или разные реакционные центры 114, созданные в пределах разных реакционных углублений 108. В таком примере первая фильтрующая область 116 может поглощать по меньшей мере первый свет 101 возбуждения и вторые световые излучения, но пропускать через себя первые световые излучения из первых реакционных центров. Первая фильтрующая область 116 также может поглощать второй свет 101 возбуждения. Аналогичным образом, вторая фильтрующая область 115 может поглощать по меньшей мере второй свет 101 возбуждения и первые световые излучения, но пропускать через себя вторые световые излучения из первых реакционных центров. Вторая фильтрующая область 115 также может поглощать первый свет 101 возбуждения.
Материал первой и второй фильтрующих областей 116, 115 может представлять собой любой материал, препятствующий прохождению через него света возбуждения (например, отражающий, преломляющий и/или поглощающий такой свет) и пропускающий через себя испускаемый свет (из по меньшей мере одного реакционного центра 114) заранее установленной или определенной длиной волны или диапазоном длин волн. Например, материал первой и второй фильтрующих областей 116, 115 может представлять собой полимерный материал (один и тот же или разные полимерные материалы) с разными красителями. Например, материал первой и второй фильтрующих областей 116, 115 может представлять собой полимерный материал (один и тот же или разные полимерные материалы) с разными красителями. В таких примерах полимерный материал может включать в себя матрицу на основе С-Н-О, при этом указанные разные красители могут представлять собой разные молекулы металлоорганических комплексов. При этом может быть применен любой другой подходящий материал. Как раскрыто выше, в некоторых примерах первая и вторая фильтрующие области 116, 115 могут пропускать через себя испускаемый свет (из по меньшей мере одного реакционного центра 114) с разными длинами волн или диапазонами длин волн. По существу, в некоторых примерах первая фильтрующая область 116 световода 118 может отфильтровывать (то есть блокировать) испускаемый свет (из по меньшей мере одного реакционного центра 114), который вторая фильтрующая область 115 световода 118 пропускает через себя, и/или вторая фильтрующая область 115 световода 118 может отфильтровывать (то есть блокировать) испускаемый свет (из по меньшей мере одного реакционного центра 114), который первая фильтрующая область 116 световода 118 пропускает через себя.
Таким образом, каждый световод 118 может быть выполнен, относительно окружающего материала основания 125 устройства (например, диэлектрика 142 и/или первого и второго футеровочных слоев 154, 155), так, что он образует канализирующую свет конструкцию. Например, световоды 118 могут иметь показатель преломления по меньшей мере приблизительно 2. В некоторых примерах световод 118 выполнен так, что оптическая плотность (ОП) или мера поглощения света возбуждения составляет по меньшей мере приблизительно 4 ОП. В частности, выбор фильтрующего материала 116 световодов 118 и размеры световода 118 могут обеспечивать достижение по меньшей мере приблизительно 4 ОП. В дополнительных частных примерах световод 118 может быть выполнен с возможностью достижения по меньшей мере приблизительно 5 ОП или по меньшей мере приблизительно 6 ОП.
В исходном состоянии, в реакционных центрах 114 одного или нескольких реакционных углублений 114 реакционной структуры 126 устройства 104 или биосенсора 100 может не происходить предусмотренная реакция. Как раскрыто выше, реакционный центр 114 может содержать биологическую или химическую субстанцию, иммобилизованную на поверхности 112 детектирования или, в частности, на поверхностях основания и/или боковых поверхностях реакционных углублений 108. В частных примерах реакционные центры 114 расположены вблизи отверстия 158 по меньшей мере одного соответствующего световода 118 с возможностью прохождения предопределенных световых излучений, испускаемых из реакционных центров 114 после того, как произойдет предусмотренная реакция (за счет обработки реакционным раствором), через реакционную структуру 126, через отверстие 158 и первый и/или второй фильтрующие материалы 116, 115, через несущую футеровку 130 (и, потенциально, первый и/или второй футеровочные слои 154, 155), и к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу 140.
Биологическая или химическая субстанция единственного реакционного центра 114 может быть аналогичной или идентичной (например, колонией аналитов (например, олигонуклеотидов) с общей последовательностью). При этом в других примерах единственный реакционный центр 114 и/или реакционное углубление может включать в себя разные биологические или химические субстанции. Аналогичным образом, реакционные центры 114 единственного реакционного углубления 108 могут включать в себя разные биологические или химические субстанции (и, следовательно, предусмотренные реакции с разными флуоресцентными метками). До того, как произойдет предусмотренная реакция, реакционные центры 114 могут содержать по меньшей мере один аналит (например, интересующий аналит). Например, аналит может представлять собой олигонуклеотид или их колонию (например, интересующий олигонуклеотид). Олигонуклеотиды могут иметь по существу общую последовательность и образовывать связь с заранее определенной или конкретной флуоресцентно-меченой биомолекулой, например, флуоресцентно-меченым нуклеотидом. Таким образом, разные реакционные центры 114 могут содержать разные флуоресцентно-меченые биомолекулы, например, нуклеотиды с разными флуоресцентными метками.
При этом, до того, как произойдет предусмотренная реакция, флуорофоры флуоресцентно-меченой биомолекулы не внедрены в биологическую или химическую субстанцию (например, олигонуклеотид) в реакционных центрах 114 или не связаны с ней. Для достижения или получения предусмотренной реакции (то есть внедрения флуоресцентно-меченой биомолекулы в биологическую или химическую субстанцию у реакционных центров 114/в реакционных центрах 114), может быть создан поток реакционного раствора 170 по проточной ячейке к реакционной структуре 126 устройства 104 детектирования света, как показано на ФИГ.5. Таким образом, реакционный раствор 170 может вызывать реакцию и/или образовывать продукт реакции в реакционных центрах 114, генерирующий световые излучения под действием падающего света возбуждения.
Реакционный раствор может содержать один или несколько реагентов для секвенирования, применяемых, например, для пересадки, кластеризации, расщепления, внедрения и/или считывания ДНК. При этом реакционный раствор может представлять собой любой раствор. Например, реакционный раствор 170 может представлять собой раствор на водной и/или масляной основе; при этом следует понимать, что реакционный раствор 170 может содержать любую другую жидкость. Реакционный раствор 170 может включать в себя одну или несколько составляющих, могущих вступить в реакцию со схемой 146, вызвать ее коррозию, растворение, ухудшение характеристик или иным образом привести к потере ее работоспособности или снижению эффективности в качестве схемы (то есть в части передачи сигналов или электронов). Например, реакционный раствор 170 может представлять собой водный раствор, могущий окислить металлические части схемы 146, если вступит с ними во взаимодействие.
В одном примере, реакционный раствор 170 содержит нуклеотиды одного или нескольких типов, по меньшей мере, некоторые из которых флуоресцентно-мечены, при этом реакционный раствор 170 также содержит одну или несколько биомолекул, например, ферменты-полимеразы, внедряющие нуклеотиды в растущий олигонуклеотид в реакционном центре 114, тем самым помечая олигонуклеотид флуоресцентной меткой. В данном варианте осуществления по проточной ячейке поступает промывной раствор для удаления любых свободных нуклеотидов, которые не были внедрены в олигонуклеотиды. Далее реакционные центры 114 освещают светом 101 возбуждения с первой длиной волны, в результате чего возникает флуоресценция со второй или с третьей длиной волны в тех реакционных центрах 114, где произошло внедрение флуоресцентно-меченого нуклеотида. Реакционные центры 114, в которых флуоресцентно-меченый нуклеотид не внедрен, не испускают свет.
Как показано на в примере, проиллюстрированном на ФИГ.5, реакционный раствор 170 может быть подан в пределы реакционных углублений 118 для достижения предусмотренных реакций, например, образования связи по меньшей мере одной флуоресцентно-меченой молекулы с биологической или химической субстанцией, иммобилизованной в реакционных центрах 114, или внедрения в нее. В некоторых примерах биологическая или химическая субстанция в реакционных центрах 114 может представлять собой аналит, а флуоресцентно-меченая молекула может содержать по меньшей мере один флуорофор, образующий связь с аналитом или внедряющийся в него. В таких примерах аналит может включать в себя олигонуклеотид, при этом указанная по меньшей мере одна флуоресцентно-меченая молекула включает в себя флуоресцентно-меченый нуклеотид. Реакционный раствор 170 может содержать разные флуоресцентно-меченые молекулы, испускающие свет с разными длинами волн или диапазонами длин волн под действием падающего света возбуждения. Таким образом, разные реакционные центры 114 (в одном и том же или в разных реакционных углублениях 108) могут быть выполнены с возможностью испускания света с разными длинами волн или диапазонами длин волн под действием падающего света возбуждения.
Реакционные центры 114 могут быть выполнены с возможностью генерирования одинаковых световых излучений после предусмотренной реакции и поглощения света 101 возбуждения флуоресцентно-мечеными молекулами, связанными с ними или внедренными в них из реакционного раствора 170, если биологические или химические субстанции (например, олигонуклеотиды) в реакционных центрах 114 являются аналогичными или идентичными, например, имеют одну и ту же последовательность. Реакционные центры 114 могут быть выполнены с возможностью генерирования разных световых излучений (с разными длинами волн или диапазонами длин волн) после предусмотренной реакции и поглощения света 101 возбуждения разными флуоресцентно-мечеными молекулами, связанными с ними или внедренными в них (например, из реакционного раствора 170), если биологические или химические субстанции (например, олигонуклеотиды) в реакционных центрах 114 являются разными, например, имеют разные последовательности. Таким образом, первая фильтрующая область 116 световодов 118 может быть выбрана или выполнена с возможностью пропускания через себя световых излучений из реакционных центров 114 с первой предусмотренной реакцией и к соответствующему светочувствительному элементу 140 (и предотвращения прохождения через себя света возбуждения, и, потенциально, световых излучений из реакционных центров 114 со второй предусмотренной реакцей, к соответствующему светочувствительному элементу 140), при этом вторая фильтрующая область 115 световодов 118 может быть выбрана или выполнена с возможностью пропускания через себя световых излучений из реакционных центров 114 со второй предусмотренной реакцией, отличной от первой предусмотренной реакции (например, с другими флуоресцентно-мечеными молекулами, испускающими свет с другими длинами волн или диапазонами длин волн) и к соответствующему светочувствительному элементу 140 (и предотвращения прохождения через себя света возбуждения, и, потенциально, световых излучений из реакционных центров 114 с первыми предусмотренными реакциями к соответствующему светочувствительному элементу 140).
Как показано на ФИГ.6, после того, как реакционный раствор 170 вступил в реакцию с биологической или химической субстанцией (например, олигонуклеотидами) в реакционных центрах 114, произошли предусмотренные реакции в реакционных центрах 114, содержащих флуоресцентно-меченые молекулы (одинаковые или разные флуоресцентно-меченые молекулы), например, флуорофоры, испускающие свет заранее установленной или с определенной длиной волны или диапазоном длин волн, будучи возбуждены светом 101 возбуждения (то есть когда свет 101 возбуждения падает на реакционные центры 114). Таким образом, конфигурация света 101 возбуждения может зависеть от флуоресцентно-меченых молекул реакционного раствора 170 или наоборот. Как показано на ФИГ.6, будучи возбуждены светом 101 возбуждения, реакционные центры 114 могут испускать испускаемый свет 172 или сигналы с длиной волны или диапазоном длин волн, отличном отсвета 101 возбуждения.
Как показано на ФИГ.6, испускание света 172 из реакционных центров 114 может происходить во всех направлениях (например, изотропно), например, с возможностью направления части испускаемого света 172 в указанный по меньшей мере один соответствующий световод 118 и части света 172 в канал 119 потока или реакционную структуру 126. В отношении части, направляемой в световод 118, устройства 104 выполнено с возможностью облегчения детектирования фотонов указанным по меньшей мере одним соответствующим светочувствительным элементом 140. В частности, испускаемый свет 172 из реакционных центров 114, проходящий через отверстие 158 соответствующего световода 118, пройдет через первую или вторую фильтрующие области 116, 115 к светочувствительному элементу 140. Свет 101 возбуждения при этом будет поглощен, или иным образом будет предотвращено его прохождение через световод 118 к светочувствительному элементу 140 первой и/или второй фильтрующими областями 116, 115, как показано на ФИГ.6.
Как показано на ФИГ.6, некоторые реакционные центры 114 могут быть выполнены с возможностью испускания света 172 с первой длиной волны или диапазоном длин волн, который не отфильтровывает первая фильтрующая область 116, но отфильтровывает (то есть предотвращает его прохождение через себя) вторая фильтрующая область 115, при этом некоторые реакционные центры 114 могут быть выполнены с возможностью испускания света 172 со второй длиной волны или диапазоном длин волн, который не отфильтровывает вторая фильтрующая область 115, но отфильтровывает (то есть предотвращает его прохождение через себя) первая фильтрующая область 116. Как сказано выше, в некоторых примерах некоторые реакционные центры 114 устройства 104 могут быть выполнены с возможностью испускания света 172 с первой длиной волны или диапазоном длин волн под действием падающего света 101 возбуждения с третьей длиной волны, при этом некоторые другие реакционные центры 114 устройства 104 могут быть выполнены с возможностью испускания света 172 со второй длиной волны или диапазоном длин волн под действием падающего света 101 возбуждения с третьей длиной волны. В таком примере, как первая, так и вторая фильтрующие области 116, 115 могут быть выполнены с возможностью отфильтровывания света 101 возбуждения с третьей длиной волны. Кроме того, в некоторых других примерах некоторые реакционные центры 114 устройства 104 могут быть выполнены с возможностью испускания света 172 с первой длиной волны или диапазоном длин волн под действием падающего света 101 возбуждения с третьей длиной волны или диапазоном длин волн, при этом некоторые другие реакционные центры 114 устройства 104 могут быть выполнены с возможностью испускания света 172 со второй длиной волны или диапазоном длин волн под действием падающего света 101 возбуждения с четвертой длиной волны или диапазоном длин волн. В таком примере, как первая, так и вторая фильтрующие области 116, 115 могут быть выполнены с возможностью отфильтровывания света 101 возбуждения с третьей и четвертой длинами волн или диапазонами длин волн, либо первая и вторая фильтрующие области 116, 115 могут быть выполнены с возможностью отфильтровывания света 101 возбуждения одной из длин волн или диапазона длин волн: третьей или четвертой (например, первая фильтрующая область 116 может быть выполнена с возможностью отфильтровывания света 101 возбуждения с третьей длиной волны или диапазоном длин волн, а вторая фильтрующая область 115 может быть выполнена с возможностью отфильтровывания света 101 возбуждения с четвертой длиной волны или диапазоном длин волн). Схема 146 устройства, электрически соединенная со светочувствительными элементами 140, передает сигналы данных по результатам детектирования фотонов светочувствительными элементами 140. Таким образом, только при условии наличия предусмотренной реакции в реакционном центре 114 в результате обработки реакционным раствором, испускаемый свет 172 будет детектирован светочувствительными элементами 140 во время события детектирования света (то есть реакции, приводящей к испусканию света 172, не отфильтровываемого по меньшей мере одной из первой и второй фильтрующих областей 116, 115).
Как показано на ФИГ.6, часть испускаемого света 172 из реакционного центра (центров) 114, проходящая в указанный по меньшей мере один соответствующий световод 118, может проходить непосредственно через первый фильтрующий материал 116 или второй фильтрующий материал 115 и к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу 140. Например, по меньшей мере, большая часть испускаемого света 172 из реакционного центра (центров) 114, проходящая в указанный по меньшей мере один соответствующий световод 118 через отверстие 158, может пройти непосредственно (например, линейно или по существу линейно) через первый фильтрующий материал 116 или второй фильтрующий материал 115 к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу 140. Небольшое количество испускаемого света 172 из реакционного центра (центров) 114, проходящее в указанный по меньшей мере один соответствующий световод 118, может идти под углом с возможностью прохождения через несущую футеровку 130, футеровочный слой 154 и в диэлектрические слои 142. Этот свет может быть отражен схемой 146 или иными металлическими или отражающими конструкциями, заделанными в диэлектрические слои 142, и, потенциально, обратно в соответствующий световод 118 (и, потенциально, к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу 140). В некоторых примерах несущая футеровка 130 и/или футеровочный слой 154 могут быть проницаемыми для света, например, прозрачными или по существу прозрачными, по меньшей мере, для испускаемого света 172 из реакционного центра (центров) 114.
ФИГ. 7-13 иллюстрируют пример способа 200 изготовления устройства детектирования света, например, устройства 104 детектирования света на ФИГ. 1-6. Поэтому аналогичные номера позиций, в начале которых стоит «2», а не «1», служат для обозначения аналогичных компонентов, признаков, функций, процессов или функций, при этом то, что было раскрыто выше, равным образом применимо и к способу, в связи с чем повторное раскрытие будет опущено для краткости и ясности. В способе 200, например, могут быть задействованы конструкции и признаки различных примеров (например, системы и/или способы), речь о которых шла в настоящем описании. В различных примерах некоторые этапы могут быть опущены или добавлены, объединены, выполняться одновременно, параллельно, могут быть разбиты на несколько этапов, выполняться в другом порядке, либо некоторые этапы или серии этапов могут неоднократно выполняться повторно.
Как показано на ФИГ. 7 и 8, способ 200 формирования устройства 204 может включать в себя формирование (на этапе 270 на ФИГ.7) множества или матрицы канавок или полостей 280 в пределах основания 225 устройства. Как раскрыто выше, основание 225 устройства может включать в себя матрицу светочувствительных элементов 240 и схему 246 устройства, электрически соединенную со светочувствительными элементами 240, передающими сигналы данных по результатам детектирования фотонов светочувствительными элементами 240. Основание 225 устройства может быть создано или получено любым способом. Например, основание 225 устройства может быть получено в заранее смонтированном или изготовленном состоянии, либо основание 225 устройства может быть сформировано или изготовлено до формирования на этапе 270 множества канавок 280. Множество канавок может проходить от наружной, внешней или верхней поверхности основания 225 устройства и в направлении по меньшей мере одного соответствующего светочувствительного элемента 240 (по толщине основания 225 устройства).
Как раскрыто выше, основание 225 устройства может быть изготовлено с применением технологий изготовления интегральных схем, например, технологий изготовления КМОП. Например, основание 225 устройства может включать в себя несколько слоев подложки (например, диэлектрических слоев 242) с различными модифицированными функциональными средствами (например, металлическими элементами), заделанными в него и образующими схему 246 устройства. Множество канавок 280 может быть сформировано в слоях подложки (например, в диэлектрических слоях 242) так, чтобы оно соответствовало частям основания 225 устройства, которые будут включать в себя, после выполнения способа 200, световоды 218. Несмотря на то, что на ФИГ.8 изображена только одна канавка 280, как раскрыто выше, основание 225 устройства может включать в себя матрицу световодов 218, в связи с чем может быть сформирована матрица канавок 280.
На ФИГ.8 показано, что канавки 280 могут проходить через отверстия в первом защитном слое 250 и/или втором защитном слое 252, а также через диэлектрик 242 в направлении по меньшей мере одного соответствующего светочувствительного элемента 240. Как показано на ФИГ.8, внутренние поверхности основания 225 устройства, например, ее диэлектрик 242, могут ограничивать собой канавки 280 для образования в них световодов 218. Канавки или полости 280 могут проходить во второй футеровочный слой 255, проходящий через диэлектрик 242. Таким образом, второй футеровочный слой 255 может образовывать дно канавок 280. На ФИГ.8 также показано, что в первом защитном слое 250 и/или втором защитном слое 252 могут быть сформированы и другие отверстия в промежуточных зонах 213 основания 225 устройства.
Канавки 280 могут быть сформированы любым способом (способами) или методом (методами), посредством которых удаляют части диэлектрика 242 (и, потенциально, части первого защитного слоя 250 и/или второго защитного слоя 252). Например, канавки 280 могут быть сформированы одним или несколькими способами избирательного травления и/или реактивного ионного травления. В одном примере, канавки 280 могут быть сформированы путем нанесения по меньшей мере одной маски (не показана) на основание 225 устройства и удаления материала (например, травлением) частей диэлектрика 242 (и, потенциально, частей первого защитного слоя 250 и/или второй защитный слой 252).
Как показано на ФИГ. 7 и 9, после формирования множества канавок 280, способ 200 может включать в себя этап, на котором наносят (на этапе 272 на ФИГ. 7) первый футеровочный слой 254 поверх верхней поверхности основания 225 устройства и в пределах множества канавок 280. В некоторых примерах первый футеровочный слой 254 может быть сформирован поверх боковых стенок множества канавок 280, но не поверх второго футеровочного слоя 255 на дне канавок 280. В некоторых других примерах первый футеровочный слой 254 может быть сформирован поверх второго футеровочного слоя 255 на дне канавок 280, но впоследствии удален. Первый футеровочный слой 254 может быть нанесен поверх второго защитного слоя 252 на верхней поверхности основания 225 устройства, и, потенциально, поверх любых отверстий в первом защитном слое 250 и/или втором защитном слое 252 в промежуточных зонах 213 основания 225 устройства так, чтобы второй защитный слой 252 проходил поверх диэлектрика 242 в таких отверстиях, как показано на ФИГ.9.
Первый футеровочный слой 254 может быть выполнен как светопоглощающий слой или отражающий слой (например, для обеспечения прохождения света, испускаемого из реакционных центров, через световоды), предотвращающий загрязнение слой (например, например, для предотвращения загрязнения натрием схемы), адгезивный слой (например, для сцепления фильтрующего материала световодов с диэлектриком) и/или. В некоторых примерах первый футеровочный слой 254 может быть выполнен как предотвращающий загрязнение слой, предотвращающий проникновение любых ионных форм в слои устройства (например, в металлодиэлектрические слои). В некоторых примерах первый футеровочный слой 254 может содержать SiN.
Первый футеровочный слой 254 может представлять собой сплошной конформный слой, сформированный на основании 225 устройства. Первый футеровочный слой 254 может не содержать сформированных отверстий. При этом первый футеровочный слой 254 может содержать по меньшей мере одну внутреннюю несплошность, пору, разрыв или нечто подобное, пропускающее поток жидкости или раствора, например, реакционного раствора, через первый футеровочный слой 254. Например, плотность первого футеровочного слоя 254 может быть относительно низкой с возможностью образования его внутренними несплошностями пути через первый футеровочный слой 254. В еще одном примере несплошности, проходящие через первый футеровочный слой 254, могут быть сформированы реакционным раствором или любой другой жидкостью или раствором) в результате реакции с первым футеровочным слоем 254 и прохождения через него путем травления. Несплошности первого футеровочного слоя 254 могут пропускать жидкость или раствор (например, реакционный раствор) через себя и, в итоге, к проводящим (например, металлическим) элементам схемы 246 устройства. Как раскрыто выше, жидкость или раствор (например, реакционный раствор) могут вызывать коррозию или иным образом влиять на работу схемы 246 устройства.
Первый футеровочный слой 254 может быть сформирован любым способом (способами) или методом (методами). Например, первый футеровочный слой 254 может быть сформирован по меньшей мере одним способом химического осаждения (например, плакирования, химического парофазного осаждения (ХПФО), плазмостимулированного ХПФО (ПСХПФО), или атомно-слоевого осаждения (АСО)), способом физического осаждения, посредством механизма роста, эпитаксиального наращивания или их комбинации. В некоторых примерах первый футеровочный слой 254 может быть сформирован конформно поверх поверхности основания 225 устройства и в пределах канавок 280 (например, поверх боковых стенок и, потенциально, нижней поверхности канавок 280). Первый футеровочный слой 254 может иметь по существу постоянную толщину, либо его толщина может быть непостоянной.
После формирования первого футеровочного слоя 254 на основании 225 устройства (и в пределах канавок 280), первый футеровочный слой 254 может быть дополнительно обработан. Например, по меньшей мере, часть первого футеровочного слоя 254, проходящая поверх верхней поверхности основания 225 устройства (то есть промежуточные зоны 213 первого футеровочного слоя 254), может быть обработана для обеспечения плоскостности, выравнивания, сглаживания или улучшения рельефа ее поверхности иным образом. В некоторых из таких примеров, по меньшей мере, часть первого футеровочного слоя 254, проходящая поверх верхней поверхности основания 225 устройства (то есть промежуточные зоны 213 первого футеровочного слоя 254) может быть подвергнута травлению и/или полированию (например, химическому и/или механическому полированию/сглаживанию) для обеспечения плоскостности наружной поверхности первого футеровочного слоя 254.
Как показано на ФИГ. 7 и 10, способ 200 может включать в себя этап, на котором наносят (на этапе 274 на ФИГ.7) несущую футеровку 230 поверх основания 225 устройства с возможностью ее прохождения поверх верхней поверхности основания 225 устройства и в пределах множества канавок 280. В некоторых примерах несущая футеровка 230 может быть сформирована поверх боковых стенок множества канавок 280 и дна канавок 280. Несущая футеровка 230 может быть сформирована поверх первого футеровочного слоя 254 и второго футеровочного слоя 255.
Несущая футеровка 230 может быть сформирована любым способом (способами) или методом (методами). Например, несущая футеровка 230 может быть сформирована по меньшей мере одним способом химического осаждения (например, плакирования, химического парофазного осаждения (ХПФО), плазмостимулированного ХПФО (ПСХПФО), или атомно-слоевого осаждения (АСО)), способом физического осаждения, посредством механизма роста, эпитаксиального наращивания или их комбинации. В некоторых примерах несущая футеровка 230 может быть сформирована конформно поверх поверхности основания 225 устройства и в пределах канавок 280 (например, поверх боковых стенок и, потенциально, нижней поверхности канавок 280). Несущая футеровка 230 может иметь по существу постоянную толщину, либо толщина может быть непостоянной. Как дополнительно раскрыто ниже, несущая футеровка 230 может содержать материал, отличный от материала первой фильтрующей области 116.
Как раскрыто выше, несущая футеровка 230 может быть выполнена с возможностью формирования монолитного сплошного запирающего слоя (без пустот, трещин или иных несплошностей), предотвращающего взаимодействие какого-либо реакционного раствора (могущего иметь рН не выше приблизительно 5 или не ниже приблизительно 8, например), проникающего через реакционную структуру 226, и, потенциально, через фильтрующий материал 216 световодов 218, со схемой 246. Например, несущая футеровка 230 может быть выполнена химически инертной к реакционному раствору так, чтобы не происходило травление реакционным раствором (могущим обладать относительно высокой кислотностью или относительно высокой основностью, как раскрыто выше) несущей футеровки 230, или происходило ее травление со скоростью менее приблизительно одного (1) ангстрема (А) толщины несущей футеровки 230 в час при приблизительно 100 градусах Цельсия и при приблизительно атмосферном давлении, когда реакционный раствор контактирует с несущей футеровкой 230. Например, несущая футеровка 230 может содержать оксид, нитрид или их комбинации. В некоторых примерах несущая футеровка 230 может содержать диоксид кремния, оксид металла, нитрид металла или их комбинацию. В некоторых примерах несущая футеровка 230 может содержать диоксид кремния, оксинитрид кремния, монооксид кремния, карбид кремния, оксикарбид кремния, нитрокарбид кремния, диоксид кремния, оксид металла, нитрид металла или их комбинацию. В некоторых примерах рН реакционного раствора не ниже приблизительно 8, при этом несущая футеровка 230 содержит диоксид кремния, оксинитрид кремния, монооксид кремния, карбид кремния, оксикарбид кремния, нитрокарбид кремния, диоксид кремния, оксид металла, нитрид металла или их комбинацию. В некоторых примерах рН реакционного раствора не выше приблизительно 5, при этом несущая футеровка 230 содержит карбид кремния, оксикарбид кремния, нитрокарбид кремния, оксид металла, нитрид металла или их комбинацию. Таким образом, несущая футеровка 230 может предотвращать взаимодействие реакционного раствора или какого-либо другого раствора или жидкости со схемой 246 устройства (и, тем самым, ухудшение ее характеристик). Способ формирования, толщина и материал несущей футеровки 230 могут быть выполнены, независимо друг от друга или с учетом друг друга, так, чтобы несущая футеровка 230 не содержала каких-либо несплошностей, могущих пропускать какой-либо раствор или жидкость (например, реакционный раствор) через себя, при этом несущая футеровка 230 химически инертна к реакционному раствору, то есть стойка к травлению (реакционным раствором).
Как показано на ФИГ. 7 и 11, после формирования несущей футеровки 230, способ 200 может содержать этап, на котором наполняют (на этапе 276 на ФИГ.7) множество футерованных канавок 280 по меньшей мере одним первым фильтрующим материалом с образованием первой фильтрующей области 116 множества световодов 218. Как раскрыто выше, указанный по меньшей мере один фильтрующий материал 216 может отфильтровывать свет с первой длиной волны или диапазоном длин волн (например, свет возбуждения), и пропускает через себя свет со второй длиной волны или диапазоном длин волн (например, испускаемый свет из первых реакционных центров) к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу 240. В некоторых примерах количество фильтрующего материала 216, наносимого на основание 225 устройства, может превышать свободный объем в пределах футерованных канавок 280. Поэтому возможен перелив первого фильтрующего материала 216 из футерованных канавок 280 и его прохождение вдоль верха основания 225 устройства, например, поверх несущей футеровки 230. В таком примере, по меньшей мере, часть первого фильтрующего материала 216, проходящая поверх верхней поверхности несущей футеровки 230, может быть удалена. В других примерах операция 276 наполнения может включать в себя выборочное наполнение каждой футерованной канавки 280 во избежание выхода первого фильтрующего материала 216 на поверхность или его перелива из канавки 280 (например, его прохождения поверх несущей футеровки 230 или первого футеровочного слоя 254). В некоторых примерах наполнение (на этапе 276 на ФИГ.7) первым фильтрующим материалом 216 может включать в себя механическое вжимание или вдавливание первого фильтрующего материала 216, по меньшей мере, в футерованные канавки 280.
Как показано на ФИГ. 7 и 12, после нанесения первого фильтрующего материала 216 в пределах футерованных канавок 280, способ 200 может содержать этап, на котором выборочно удаляют (на этапе 278 на ФИГ.7) верхнюю часть несущей футеровки 230 с образованием пустоты, зазора, полости или открытого пространства 290, проходящего вблизи первого фильтрующего материала 216 и между первым фильтрующим материалом 216 и диэлектриком 142 (и первым футеровочным слоем 254, при его наличии) каждой канавки 280, как показано на ФИГ.12. Пустоты 290 могут проходить от верхней поверхности основания 225 устройства (тем самым образуя отверстия у верхней поверхности основания 225 устройства) в оставшуюся или неудаленную нижнюю часть несущей футеровки 230. Таким образом, пустота 290 в пределах световодов 218 может быть кольцеобразной и проходить от нижней части канавок 280 к верхней поверхности основания 225 устройства.
Как показано на ФИГ.12, дно или нижняя часть несущей футеровки 230 может не быть удалена и может оставаться в пределах канавки 280 под первым фильтрующим материалом 216 и вблизи дна или нижней части первого фильтрующего материала 216. Таким образом, после выборочного удаления верхней части несущей футеровки 230, первый фильтрующий материал 216 может представлять собой свободно стоящий элемент (например, выполненный по форме усеченного конуса), опертый на несущую футеровку 230 в своем основании или нижней части.
Верхняя часть несущей футеровки 230 может быть выборочно удалена так, чтобы первый фильтрующий материал 216, нанесенный в пределах канавок 280, остался полностью или, по меньшей мере, по существу в неизменном состоянии. Аналогичным образом, верхняя часть несущей футеровки 230 может быть выборочно удалена так, чтобы первый футеровочный слой 254, нанесенный в пределах канавок, остался полностью или, по меньшей мере, по существу в неизменном состоянии. Если основание 225 устройства не содержит первый футеровочный слой 254 в пределах канавок 280, верхняя часть несущей футеровки 230 может быть выборочно удалена так, чтобы диэлектрик 242, прилегающий к канавкам 208, остался полностью или, по меньшей мере, по существу в неизменном состоянии. Верхняя часть несущей футеровки 230 может быть удалена любым способом выборочного удаления, удаляющим только верхнюю часть несущей футеровки 230. Как раскрыто выше, материал несущей футеровки 230 может быть отличен от первого футеровочного слоя 254 (и диэлектрика 242) и материала первой фильтрующей области 116. В некоторых из таких примеров верхняя часть несущей футеровки 230 может быть удалена по меньшей мере одним способом избирательного химического или плазменного травления, характерным для материала несущей футеровки 230 (но не первого футеровочного слоя 254 и материала первой фильтрующей области 116). Например, верхняя часть несущей футеровки 230 может быть выборочно удалена способом радикального химического травления, например, способом травления Producer® Selectra™ компании Applied Materials®.
При этом следует отметить, что в некоторых примерах верхняя часть несущей футеровки 230 может не быть удалена из пустот 290. То есть несущая футеровка 230 может оставаться поверх основания 225 устройства с возможностью прохождения поверх верхней поверхности основания 225 устройства и в пределах множества канавок 280, проходящих вблизи первого фильтрующего материала 216 между первым фильтрующим материалом 216 и диэлектриком и схемой 246 устройства, как показано на ФИГ.11. В таком примере способ 200 может содержать этап, на котором формируют (на этапе 282 на ФИГ.7) реакционную структуру поверх множества световодов 218, содержащих только первый фильтрующий материал 216 и несущую футеровку 230, как показано на ФИГ.11, и промежуточных зон 213 основания 225 устройства (например, поверх верхней поверхности основания 225 устройства, например, поверх несущей футеровки 230), как дополнительно раскрыто ниже. Таким образом, несущая футеровка 230 может предотвращать взаимодействие какого-либо раствора или жидкости, например, реакционного раствора, могущего проникать через реакционную структуру или реакционную структуру и световод 218, со схемой 246 устройства в конечном итоге.
Если верхняя часть несущей футеровки 230 выборочно удалена с образованием пустот 290, как показано на ФИГ. 7 и 13, способ 200 может содержать этап, на котором наполняют (на этапе 280 на ФИГ.7) множество пустот 290 по меньшей мере одним вторым материалом с образованием второй фильтрующей области 115 множества световодов 218. Таким образом, первая и вторая фильтрующие области 216, 215 могут образовывать световоды 218. Как раскрыто выше, фильтрующий материал второй фильтрующей области 115 может отфильтровывать свет с первой длиной волны или диапазоном длин волн (например, свет возбуждения) и пропускать свет с третьей длиной волны или диапазоном длин волн (например, испускаемый свет из первых реакционных центров) через себя к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу 240. Как также отмечено выше, фильтрующий материал второй фильтрующей области 115 может отфильтровывать свет со второй длиной волны или диапазоном длин волн, пропускаемый через себя первой фильтрующей областью 116. Таким образом, каждая из первой и второй фильтрующих областей 216, 215 может отфильтровывать свет с длиной волны или диапазоном длин волн, пропускаемый через себя другой областью.
В некоторых примерах количество второго фильтрующего материала 215, наносимого на основание 225 устройства, может превышать свободный объем в пределах пустот 290. Поэтому возможен перелив второго фильтрующего материала 215 из пустот 290 и его прохождение вдоль верха основания 225 устройства, например, поверх несущей футеровки 230. В таком примере, по меньшей мере, часть второго фильтрующего материала 215, проходящая поверх верхней поверхности основания 225 устройства (например, поверх первого футеровочного слоя 254), может быть удалена. В других примерах операция 280 наполнения пустот 290 может включать в себя выборочное наполнение каждой из пустот 290 во избежание выхода второго фильтрующего материала 215 на поверхность или его перелива из пустот 290 (например, его прохождения поверх основания 225 устройства, например, поверх первого футеровочного слоя 254). В некоторых примерах наполнение (на этапе 280 на ФИГ.7) пустот 290 вторым фильтрующим материалом 215 может включать в себя вжимание (например, с помощью компонента наподобие резинового валика) второго фильтрующего материала 215, по меньшей мере, в пустоты 290.
После формирования световодов 218 посредством первой и второй фильтрующих областей 216, 215, способ 200 может необязательно содержать этап, на котором удаляют часть первого фильтрующего материала 216 и/или второго фильтрующего материала 216 с верхней части основания 225 устройства (при наличии) и/или из пределов световодов 218, как показано на ФИГ.13. Первый и второй фильтрующий материал 216, 215 могут быть удалены из пределов световодов 218 так, чтобы отверстие 258 световодов 218 было расположено на глубине или в положении под верхней поверхностью первого футеровочного слоя 254, как показано на ФИГ.13. Одна или несколько частей первого фильтрующего материала 216 и/или второго фильтрующего материала 216 могут быть удалены разными или одним и тем же способом. Например, операция удаления может включать в себя по меньшей мере одно из следующего: травление или химическую полировку части первого фильтрующего материала 216 и/или второго фильтрующего материала 216.
После формирования световодов 218 посредством первой и второй фильтрующих областей 216, 215, способ 200 может содержать этап, на котором формируют (на этапе 282 на ФИГ.7) реакционную структуру поверх множества световодов 218 и промежуточных зон 213 основания 225 устройства (например, поверх верхней поверхности основания 225 устройства, например, поверх первого футеровочного слоя 254) (см. ФИГ.3). Как раскрыто выше, реакционная структура, созданная поверх множества световодов 218 и промежуточных зон 213 верхней поверхности основания 225 устройства, может включать в себя множество реакционных углублений, каждое из которых соответствует по меньшей мере одному световоду 218, для размещения по меньшей мере одного реакционного центра и реакционного раствора, вызывающего реакцию и/или образующего продукт реакции в указанном по меньшей мере одном реакционном центре, генерирующем или испускающем свет под действием падающего света возбуждения. Как также раскрыто выше, реакционная структура может содержать множество слоев. Поэтому формирование (на этапе 282 на ФИГ.7) реакционной структуры может включать в себя формирование множества слоев поверх основания 225 устройства (например, верхней поверхности основания 225 устройства и отверстия 258 световодов 218) (см. ФИГ.3). Реакционная структура может быть сформирована любым способом (способами) или методом (методами).
Способ 200 может необязательно содержать этап, на котором создают по меньшей мере один реакционный центр в по меньшей мере одном реакционном углублении сформированной реакционной структуры и/или устанавливают проточную ячейку в устройство 204 (см. ФИГ.1). Создание реакционных центров может происходить до или после присоединения проточной ячейки к устройству 204. Реакционные центры могут быть расположены по заранее определенной схеме вдоль реакционных углублений. Соответствие реакционных центров может быть установлено (например, один центр - одному светочувствительному элементу, один центр - нескольким светочувствительным элементам, или несколько центров -одному светочувствительному элементу) заранее определенным образом. В других примерах реакционные центры могут быть сформированы вдоль реакционных углублений бессистемно. Как раскрыто в настоящем описании, реакционные центры могу включать в себя биологическую или химическую субстанцию, иммобилизованную на поверхности детектирования в пределах реакционных углублений. Биологическая или химическая субстанция может быть способна испускать световые сигналы под действием света возбуждения. В частных примерах реакционные центры включают в себя кластеры или колонии биомолекул (например, олигонуклеотидов), иммобилизованных на поверхности детектирования в пределах реакционных углублений.
Следует понимать, что приведенное выше описание носит иллюстративный, а не ограничивающий характер. Например, вышеописанные примеры (и/или их аспекты) можно применять в комбинации друг с другом. Кроме того, могут быть внесены многочисленные изменения для того, чтобы сделать идеи различных примеров пригодными для применения в той или иной ситуации или для того или иного материала, без отступления от объема этих идей. Несмотря на то, что в настоящем описании могут быть указаны размеры и типы материалов, это сделано для того, чтобы исключительно для примера охарактеризовать параметры некоторых из множества примеров осуществления, но не для того, чтобы ограничить все примеры. После ознакомления с вышеприведенным описанием, специалистам в данной области техники могут прийти на ум множество других примеров. В связи с этим следует понимать, что объем указанных различных примеров определяют по прилагаемым пунктам формулы изобретения, а также в соответствии с полным объемом их возможных эквивалентов.
Следует понимать, что все комбинации изложенных выше и дополнительных идей, подробнее раскрытых ниже (если такие идеи не противоречат друг другу) считаются частью раскрытого в настоящей заявке объекта изобретения. В частности, предполагается, что все комбинации заявленного объекта изобретения, указанные в конце настоящего раскрытия, являются частью раскрытого в настоящей заявке объекта изобретения.
В прилагаемых пунктах формулы изобретения слова «включающий в себя» (англ. «including») и «в котором» (англ. «in which») используются в качестве простых и доступных эквивалентов слов «содержащий» («comprising») и «причем» (англ. «wherein»). Кроме того, в нижеследующих пунктах формулы изобретения слова «первый», «второй», «третий» и т.д. служат ориентировочными обозначениями и не предназначены для установления каких-либо численных, конструктивных или иных требований к их объектам. Формы выражения «основанный на», «в основе которого лежит» и т.п. в настоящем описании обозначают взаимосвязи, при которых в основе какого-либо элемента частично или полностью лежит другой. Формы слова «образованный», «ограниченный» (англ. «defined») означают взаимосвязи, при которых элемент частично или полностью образован или ограничен чем-либо. Кроме того, ограничения нижеследующих пунктов формулы не сформулированы как «средство плюс функция» и не должны толковаться в соответствии с шестым пунктом § 112 Раздела 35 Свода законов США, за исключением случаев, когда такие ограничения пунктов явным образом содержат выражение «средство для», после чего указана та или иная функция без дополнительной структуры. Следует понимать, что достижение раскрытых выше целей и преимуществ не обязательно может быть обеспечено любым конкретным примером. Так, например, специалистам в данной области техники будет понятно, что раскрытые в настоящем описании устройства, системы и способы могут быть осуществлены или реализованы таким путем, который позволяет достичь или оптимизировать одно из указанных здесь преимуществ или группу преимуществ без обязательного достижения других указанных в настоящем описании или предполагаемых целей или преимуществ.
Несмотря на то, что в настоящем описании детально раскрыто только ограниченное число конкретных примеров, следует понимать, что раскрытое изобретение не сводится к таким примерам. Напротив, раскрытое здесь изобретение может быть модифицировано для внесения любого числа вариантов, изменений, замен или эквивалентных решений, не раскрытых в настоящем описании, но соответствующих сущности и объему настоящего раскрытия. Также следует понимать, что, несмотря на то, что раскрыто несколько примеров, аспекты раскрытия могут включать только один или некоторые из раскрытых примеров. Кроме того, несмотря на то, что в некоторых раскрытых примерах указано некое количество элементов, следует понимать, что такие примеры могут быть реализованы на практике с количеством элементов, меньшим или большим чем то, что указано.
Реферат
Использование: для детектирования света. Сущность изобретения заключается в том, что устройства включают в себя реакционную структуру для размещения реакционного раствора и по меньшей мере один реакционный центр, генерирующий световые излучения под действием падающего света возбуждения после обработки реакционным раствором, также включают в себя множество светочувствительных элементов и схему устройства. Устройства дополнительно включают в себя множество световодов, проходящих в направлении по меньшей мере одного соответствующего светочувствительного элемента от вводных областей, принимающих свет возбуждения и световые излучения из по меньшей мере одного соответствующего реакционного углубления, световоды содержат первую фильтрующую область, отфильтровывающую свет возбуждения и пропускающую световые излучения с первой длиной волны к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу, и вторую фильтрующую область, отфильтровывающую свет возбуждения и пропускающую световые излучения со второй длиной волны к по меньшей мере одному соответствующему светочувствительному элементу. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения площади и надежности устройств. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 13 ил.
