專利名稱：集成的分析系統(tǒng)和方法
集成的分析系統(tǒng)和方法相關(guān)申請的交叉引用本申請要求下述申請的優(yōu)先權(quán)2010年2月19日提交的標(biāo)題為INTEGRATEDANALYTICAL DEVICES AND SYSTEMS 的美國臨時(shí)申請?zhí)?61/306，235,2010 年 11 月 4 日提交的標(biāo)題為ILLUMINATION OF INTEGRATED ANALYTICAL SYSTEMS的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?61/410，189,2010 年 9 月 29 日提交的標(biāo)題為 INTEGRATED ANALYTICAL SYSTEM AND
METHOD的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?1/387,916，和_提交的標(biāo)題為OPTICS COLLECTION
AND DETECTION SYSTEM AND METHOD的美國專利申請?zhí)朹[代理人案卷號
067191-5044-US]，所述申請的全部內(nèi)容通過該引用并入本文中用于所有目的。關(guān)于聯(lián)邦資助研究的聲明不適用。
背景技術(shù)：
分析技術(shù)持續(xù)發(fā)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 19世紀(jì)和20世紀(jì)的試管規(guī)模的評價(jià)，且已經(jīng)進(jìn)展至這樣的程度其中研究人員可以在體內(nèi)、在體外、在細(xì)胞水平和甚至在單個(gè)分子水平研究非常特異性的相互作用。該進(jìn)展不僅由理解它們的最純形式的重要反應(yīng)的愿望驅(qū)動(dòng)，而且由下述實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)即在活系統(tǒng)中的微小的或輕微的反應(yīng)看起來可以促進(jìn)一系列其它事件，所述事件可能解除(unleash)生或死的結(jié)果。在該進(jìn)展中，這些分析不僅已經(jīng)變得更多地集中于更少的事件上，而且已經(jīng)必須變得適當(dāng)?shù)馗`敏，才能夠監(jiān)測這類反應(yīng)。在增加靈敏度至細(xì)胞水平或甚至單分子水平時(shí)，可能固有地增加所述系統(tǒng)對其它無關(guān)信號或“噪音”的靈敏度。在一些情況下，噪音水平可能具有足夠的量級，使得它會(huì)部分地或完全地遮蔽希望的信號，即，與感興趣的分析相對應(yīng)的那些信號。因此，希望能夠增加檢測的靈敏度，并同時(shí)維持信噪比。繼續(xù)需要增加分析系統(tǒng)的性能，并降低與生產(chǎn)和使用所述系統(tǒng)有關(guān)的成本。具體地，繼續(xù)需要增加分析系統(tǒng)的處理量。繼續(xù)需要減小分析系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性。繼續(xù)需要具有可變配置且可容易地縮放大小的分析系統(tǒng)。本發(fā)明提供了用于克服上述問題并具有其它益處的裝置、系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明整體涉及集成分析裝置，其包括在單個(gè)一體式結(jié)構(gòu)(unified structure)內(nèi)的多個(gè)反應(yīng)池、至少一個(gè)檢測器元件和光學(xué)元件，所述光學(xué)元件用于將來自各個(gè)反應(yīng)池的光信號遞送至所述檢測器元件。多個(gè)元件可以集成在增強(qiáng)所述裝置的性能和可擴(kuò)縮性的裝置結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明的不同方面涉及采用集成分析裝置的分析系統(tǒng)以及用于有效集成的元件和方法。本發(fā)明的方法和裝置具有其它特征和優(yōu)點(diǎn)，所述其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從附圖(它們并入本文中)和下述的具體實(shí)施方式
(它們一起用于解釋本發(fā)明的某些原理)顯而易見的或在其中更詳細(xì)地闡述。


圖IA是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)分析裝置體系結(jié)構(gòu)(architecture)的框圖。圖IB示意性地圖解了集成的光學(xué)分析裝置(包括波導(dǎo)(waveguide)照射)的端視圖。圖IC示出了在圖IB中圖解的集成裝置的重要部件的頂視圖。圖2A和2B是本發(fā)明的集成分析裝置(光極(optode))的示意圖。圖3是將集成分析裝置(光極)集成進(jìn)根據(jù)本發(fā)明的光極陣列芯片中的示意圖。圖4是將流體元件和照射元件頂側(cè)連接至集成分析裝置的示意圖。圖5是測試座(test socket)和分析系統(tǒng)的示意圖。圖5A是接納示例性的分析光極芯片的示例性的測試座的透視圖。圖6是用于將試劑遞送至光極芯片陣列的微量移液器陣列的示意圖。圖7是示出微流體連接的測試座和分析系統(tǒng)的橫截面視圖。圖8是示出分布的光子部件(photonics)和流控部件(fluidics)系統(tǒng)的測試座的頂部部分的示意圖。圖9是圖8的測試座的頂視圖。圖10是在透明基底中的反應(yīng)池的陣列的示意圖，示出了用于給反應(yīng)池提供照射光的實(shí)施方案。圖11是交錯(cuò)的電數(shù)據(jù)聯(lián)接件相對于單分子波導(dǎo)的示例圖。圖12是具有限定光引導(dǎo)路徑的定向部件的分析裝置的示意圖，所述裝置由在基底上的層形成。圖13示出了在光極陣列芯片中的各個(gè)層。圖13A是具有檢測器和處理部件的層，圖13B是所述裝置的頂視圖，其示出了分布的流控部件和照射系統(tǒng)。圖13C示出了裝置的底部，所述裝置具有電觸點(diǎn)，所述電觸點(diǎn)用于聯(lián)接分布的功率和信號系統(tǒng)。圖13D和13E示意性地圖解了混合制造連接過程。圖13D示意性地圖解了疏水/親水表面相互作用在連接和對準(zhǔn)部件基底中的應(yīng)用。圖13E示意性地圖解了將間隔元件導(dǎo)入基底之間的過程。圖14示出了光極陣列部件、流體輸入部件和照射輸入部件的不同排列配置的視圖。圖15是反應(yīng)池的陣列和從那些反應(yīng)池發(fā)出的光發(fā)射譜的示意圖。圖16是用于根據(jù)本發(fā)明的用途的光學(xué)容納結(jié)構(gòu)的示意圖。圖17是在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中使用的典型CMOS傳感器的像素的橫截面示意圖。圖18示意性地圖解了本發(fā)明的光學(xué)容納結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)。圖19示意性地圖解了用于制造在圖18中所示的結(jié)構(gòu)的一種工藝流程。圖20是本發(fā)明的替代光學(xué)容納結(jié)構(gòu)的示意圖，所述結(jié)構(gòu)采用衍射材料和反射材料的混合物。圖21A、B和C示出了使用與圖23的系統(tǒng)類似的系統(tǒng)，交錯(cuò)的激發(fā)照射和信號數(shù)據(jù)的示例圖。圖22是具有任選地門控的存儲(chǔ)元件的像素設(shè)計(jì)的示意圖。圖23是具有多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的集成分析裝置的分析系統(tǒng)的示意圖。圖24是具有多個(gè)集成分析裝置的分析系統(tǒng)的示意圖。
圖25是具有反應(yīng)池的陣列和波導(dǎo)的分析裝置的示意圖，所述分析裝置被構(gòu)造成用于測量來自納米顆粒的散射。圖26是根據(jù)本發(fā)明的基于探詢的數(shù)據(jù)同步化方案的示意圖。圖27是根據(jù)本發(fā)明的中斷驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)的示意圖，所述體系結(jié)構(gòu)具有減少的在光極元件中的存儲(chǔ)。圖28是根據(jù)本發(fā)明的具有多物質(zhì)鑒別力的用于事件記錄的智能像素的示意圖。圖29是根據(jù)本發(fā)明的具有箝位電容器(clamped capacitor)的差分電路(differential circuit)的不意圖。圖30是根據(jù)本發(fā)明的緊湊的CMOS可編程觸發(fā)電路的示意圖。圖31是根據(jù)本發(fā)明的觸發(fā)電路的差分放大器的示意圖。圖32是根據(jù)本發(fā)明的緊湊的CMOS觸發(fā)電路的示意圖。圖33是根據(jù)本發(fā)明的來自具有非破壞性監(jiān)測的光電檢測器的2個(gè)tap存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的示意圖。圖34是根據(jù)本發(fā)明的事件捕獲電路的代表性計(jì)時(shí)圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)地提及本發(fā)明的不同實(shí)施方案，所述實(shí)施方案的實(shí)施例在附圖中進(jìn)行了解釋。盡管結(jié)合不同的實(shí)施方案描述本發(fā)明，應(yīng)該理解，它們無意將本發(fā)明限制為那些實(shí)施方案。相反，本發(fā)明意圖覆蓋可以包括在所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的替代方案、改進(jìn)方案和等效方案。I.光學(xué)分析本發(fā)明整體涉及改進(jìn)的系統(tǒng)、方法和裝置，它們用于光學(xué)分析，特別是生物樣品和/或化學(xué)樣品和反應(yīng)的光學(xué)分析。一般而言，這些光學(xué)分析試圖采集和檢測一個(gè)或多個(gè)光信號，所述光信號的出現(xiàn)或消失或其位置會(huì)指示給定的化學(xué)或生物學(xué)反應(yīng)和/或給定的物質(zhì)在樣品材料內(nèi)的存在與否。在一些情況下，反應(yīng)物、它們的產(chǎn)物或感興趣的物質(zhì)(在本文中，它們都被稱作反應(yīng)物)固有地呈現(xiàn)光學(xué)可檢測的信號，所述信號可以被檢測到。在其它情況下，給反應(yīng)物提供外源性的標(biāo)記基團(tuán)，以便利它們的檢測。有用的標(biāo)記基團(tuán)包括熒光標(biāo)記、發(fā)光標(biāo)記、質(zhì)量標(biāo)記、光散射標(biāo)記、電化學(xué)標(biāo)記(例如，攜帶大電荷基團(tuán))、金屬標(biāo)記等。這類標(biāo)記基團(tuán)的實(shí)例，由下述專利和申請公開美國專利號7，332，284和2009年3月12日提交的美國專利公開號2009/0233302、2008年3月27日提交的美國專利公開號2008/0241866和2009年11月17日提交的美國專利公開號2010/0167299，這些專利和申請的內(nèi)容通過該引用并入本文中用于所有目的。在多個(gè)實(shí)施方案中，給要分析的一種或多種反應(yīng)物提供突光標(biāo)記基團(tuán)，所述突光標(biāo)記基團(tuán)具有從它的激發(fā)光譜轉(zhuǎn)移的熒光發(fā)射光譜，這允許在激發(fā)光源和標(biāo)記基團(tuán)的發(fā)射之間進(jìn)行區(qū)分。這些熒光標(biāo)記通常具有高量子產(chǎn)率，這會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)它們的可檢測性。多種不同的熒光標(biāo)記基團(tuán)是本領(lǐng)域眾所周知的，且包括基于熒光素和羅丹明的有機(jī)染料，諸如在Cy3和Cy5標(biāo)記下從例如GE Healthcare售出的那些，和可從Life Technologies, Inc.得到的AlexaFluor 染料。以前在本領(lǐng)域中已經(jīng)描述了多種有機(jī)染料結(jié)構(gòu)。其它熒光標(biāo)記基團(tuán)包括，例如，基于顆粒的標(biāo)記基團(tuán)。一些這類顆粒標(biāo)記基團(tuán)構(gòu)成包封的或以其它方式夾帶的(entrained)有機(jī)熒光團(tuán)，而其它則包含熒光納米顆粒，諸如無機(jī)半導(dǎo)體納米晶體，例如，描述于美國專利號6，207，392,6, 225，198,6, 251，303,6, 501，091和7，566，476，它們的整個(gè)公開內(nèi)容通過引用整體并入本文中用于所有目的。通過檢測這些熒光標(biāo)記基團(tuán)，可以確定給定的被標(biāo)記反應(yīng)物的定位，或檢測導(dǎo)致被突光地標(biāo)記的反應(yīng)物的光譜或其它方面的變化的反應(yīng)事件。例如，在結(jié)合或雜交反應(yīng)中，如下檢測被標(biāo)記反應(yīng)物的結(jié)合另一固定化的反應(yīng)物的能力接觸反應(yīng)物，洗掉未結(jié)合的被標(biāo)記反應(yīng)物，并觀察固定化的反應(yīng)物，以尋找結(jié)合的熒光標(biāo)記的存在。這樣的試驗(yàn)常規(guī)地用于雜交試驗(yàn)、抗體試驗(yàn)和多種其它分析中。在多個(gè)不同的核酸測序分析中，使用被熒光地標(biāo)記的核苷酸來監(jiān)測引物延伸反應(yīng)中的聚合酶介導(dǎo)的、模板依賴性的核苷酸摻入。具體地，將被標(biāo)記核苷酸導(dǎo)入引物模板聚合酶復(fù)合物中，并檢測被標(biāo)記核苷酸的摻入。如果被標(biāo)記核苷酸被摻入，它指示在模板分子序列中的基礎(chǔ)的且互補(bǔ)的核苷酸。在傳統(tǒng)的Sanger測序過程中，被標(biāo)記核苷酸的摻入的檢測利用這樣的終止反應(yīng)其中被標(biāo)記核苷酸攜帶終止基團(tuán)，所述終止基團(tuán)阻斷引物的進(jìn)一步延伸。通過混合被標(biāo)記的被終止核苷酸和未被標(biāo)記的天然核苷酸，產(chǎn)生在不同的核苷酸處終止的嵌套片段集合。然后通過毛細(xì)管電泳分離這些片段，以分離相差單個(gè)核苷酸的那些片段，并以遞增片段大小的次序讀出所述片段的標(biāo)記，從而提供序列(由最后加入的、被標(biāo)記的被終止核苷酸提供)。通過在添加的每類核苷酸上提供不同的熒光標(biāo)記，可以容易地區(qū)分在序列中的不同核苷酸(例如，美國專利號5，821，058，其通過該引用并入本文中用于所有目的)。在更新的測序技術(shù)中，將引物-模板復(fù)合物陣列固定化在基底表面上，使得單個(gè)分子或單個(gè)且均一的分子集合分別在空間上離開其它單個(gè)分子或分子集合。以導(dǎo)致單個(gè)核苷酸添加至每個(gè)單個(gè)分子或分子集合的方式，加入被標(biāo)記核苷酸。在加入核苷酸以后，檢測和鑒別標(biāo)記的添加。在一些情況下，所述過程利用每次添加單一類型的核苷酸，繼之以洗滌步驟。然后檢測加入的被標(biāo)記核苷酸，去除它們的標(biāo)記，并用不同的核苷酸類型重復(fù)該過程。單獨(dú)模板序列的序列由標(biāo)記在基底上的給定位置處出現(xiàn)的次序決定。在其它類似的情況下，使固定化的復(fù)合物接觸所有4類被標(biāo)記核苷酸，其中每類攜帶可辨別的熒光標(biāo)記和終止子基團(tuán)，所述終止子基團(tuán)防止在給定的步驟中添加超過一個(gè)核苷酸。在單個(gè)摻入每個(gè)單獨(dú)模板序列(或模板序列集合)以后，洗掉未結(jié)合的核苷酸，并掃描固定化的復(fù)合物，以鑒別在每個(gè)位置添加了哪個(gè)核苷酸。重復(fù)該過程，會(huì)產(chǎn)生每個(gè)模板序列的序列信息。在其它情況下，使用超過4類被標(biāo)記核苷酸。在特別巧妙的方案中，在單個(gè)分子復(fù)合物的摻入過程中實(shí)時(shí)檢測被標(biāo)記核苷酸。這樣的方法參見，例如，美國專利號7，056，661，它通過引用整體并入本文中用于所有目的。在這些過程中，用在摻入過程中被釋放的末端磷酸酯基團(tuán)標(biāo)記核苷酸，從而避免標(biāo)記在延伸產(chǎn)物上的積累，并避免對標(biāo)記去除過程的任何需求，所述標(biāo)記去除過程可能對復(fù)合物有害。在聚合過程中觀察引物/模板聚合酶復(fù)合物，并借助于它們的結(jié)合的標(biāo)記來檢測添加的核苷酸。在一個(gè)具體方面，使用光學(xué)上局限的結(jié)構(gòu)諸如零模波導(dǎo)(zero mode waveguide)(參見，例如，美國專利號6，917，726，它通過引用整體并入本文中用于所有目的)來觀察它們，所述零模波導(dǎo)限制激發(fā)輻射向在單個(gè)復(fù)合物周圍緊鄰處的體積的暴露。結(jié)果，僅處于摻入過程中的被標(biāo)記核苷酸被暴露于激發(fā)照射足以鑒別所述核苷酸的時(shí)間。在另一個(gè)方案中，將在核苷酸上的標(biāo)記構(gòu)造成與在復(fù)合物上或附近(例如，連接至聚合酶)的補(bǔ)充基團(tuán)相互作用，其中所述相互作用會(huì)提供獨(dú)特信號。例如，可以給聚合酶提供在第一波長處被激發(fā)而在第二波長處發(fā)射的供體熒光團(tuán)，同時(shí)用熒光團(tuán)標(biāo)記要添加的核苷酸，所述熒光團(tuán)在第二波長處被激發(fā)，但是在第三波長處發(fā)射(參見，例如，美國專利7，056，661，在前面并入本文中)。結(jié)果，當(dāng)核苷酸和聚合酶彼此充分接近以允許能量從供體熒光團(tuán)向在核苷酸上的標(biāo)記轉(zhuǎn)移時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特征性的信號。另外，在這些情況下，給不同類型的核苷酸提供特征性的熒光標(biāo)記，所述熒光標(biāo)記允許通過所述核苷酸的標(biāo)記的光譜或其它熒光特征來鑒別它們。應(yīng)當(dāng)理解，使用本文所述的總反應(yīng)框架，可以進(jìn)行多種分析操作，結(jié)果，它們適用于本發(fā)明。這樣的反應(yīng)包括反應(yīng)試驗(yàn)，例如，檢查反應(yīng)物的組合，以監(jiān)測產(chǎn)物生產(chǎn)或試劑消耗的速率，諸如酶反應(yīng)、催化劑反應(yīng)等。同樣地，在尋找2種或更多種反應(yīng)物之間的特異性締合的情況下，可以監(jiān)測締合型反應(yīng)或結(jié)合反應(yīng)，諸如核酸雜交試驗(yàn)、抗體/抗原試驗(yàn)、偶聯(lián)或裂解試驗(yàn)等。II.分析裝置根據(jù)本發(fā)明的分析系統(tǒng)采用一個(gè)或多個(gè)稱作“光極”元件的分析裝置。在一個(gè)示例性的實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)包括形成為單個(gè)集成裝置的分析裝置的陣列。合適的光極元件的一個(gè)實(shí)例，由2010年2月19日提交的標(biāo)題為Integrated Analytical Devices andSystems的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/306，235 (’ 235申請)公開，其整個(gè)內(nèi)容通過該引用并入本文中用于所有目的。所述示例性陣列被構(gòu)造成一次性使用的消耗品。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述光極元件包括其它部件，包括、但不限于局部流控部件、電聯(lián)接件、電源、照射元件、檢測器、邏輯和處理電路(processing circuit)。每個(gè)分析裝置或陣列被構(gòu)造成用于執(zhí)行如上所述的分析操作。盡管所述系統(tǒng)中的每個(gè)裝置的部件和所述裝置的配置可以變化，但是每個(gè)分析裝置通常包括示為圖I中的框圖的一般結(jié)構(gòu)。如所示的，分析裝置100通常包括反應(yīng)池102，在所述反應(yīng)池102中設(shè)置反應(yīng)物，并從所述反應(yīng)池102發(fā)出光信號?！胺磻?yīng)池”應(yīng)當(dāng)理解為，通常用于分析和化學(xué)領(lǐng)域，并表示發(fā)生目標(biāo)反應(yīng)的位置。因而，“反應(yīng)池”可以包括完全自容納式的反應(yīng)孔、容器、流動(dòng)池、室等，例如，被一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)屏障、壁、蓋等包封，或它可以包括在基底上和/或在給定的反應(yīng)孔、容器、流動(dòng)池等內(nèi)的特定區(qū)域，例如，在鄰近的反應(yīng)池之間沒有結(jié)構(gòu)限制或容納。所述反應(yīng)池可以包括用于增強(qiáng)反應(yīng)或它的分析的結(jié)構(gòu)元件，諸如光學(xué)限制結(jié)構(gòu)、納米孔、柱、表面處理，諸如疏水區(qū)或親水區(qū)、結(jié)合區(qū)等。在多個(gè)方面，“分析裝置”表示在功能上相連的反應(yīng)池和相關(guān)的部件。在多個(gè)方面，“分析系統(tǒng)”表示超過一個(gè)相關(guān)的分析裝置和相關(guān)的部件。在多個(gè)方面，“分析系統(tǒng)”表示，包括分析系統(tǒng)和用于執(zhí)行分析操作的其它儀器的更大系統(tǒng)。在一些情況下，可以將目標(biāo)反應(yīng)的一種或多種反應(yīng)物固定化、夾帶或以其它方式定位在給定的反應(yīng)池內(nèi)。多種技術(shù)可用于反應(yīng)物的定位和/或固定化，包括通過共價(jià)或非共價(jià)連接的表面固定化、基于珠子或顆粒的固定化(然后定位珠子或顆粒)、夾帶在基質(zhì)中的給定位置處等。反應(yīng)池可以包括分子整體(諸如溶液)或分子片(patches ofmolecules),或它可以包括單個(gè)分子反應(yīng)復(fù)合物,例如，參與目標(biāo)反應(yīng)的每種分子的一個(gè)分子作為復(fù)合物。類似地，本發(fā)明的所有裝置和系統(tǒng)可以包括單個(gè)反應(yīng)池，或可以包括在集成的結(jié)構(gòu)(例如，多壁或多池板、芯片、基底或系統(tǒng))中的反應(yīng)池的集合、陣列或其它組合。這類陣列化的反應(yīng)池的一些實(shí)例包括核酸陣列芯片，例如，GeneChip 陣列(Affymetrix, Inc.),零模波導(dǎo)陣列(如本文別處所述)，微孔和納米孔板，多通道微流體裝置，例如，Lab(::hip 裝置(Caliper Life Sciences, Inc.)，和多種其它反應(yīng)池中的任一種。在多個(gè)方面，所述“反應(yīng)池”、測序?qū)雍土隳２▽?dǎo)與在Foquet等人的美國專利號7，486，865中所述的那些類似，其整個(gè)內(nèi)容通過該引用并入本文中用于所有目的。盡管示例性的分析裝置包括具有單個(gè)波導(dǎo)層和反應(yīng)池層的分析裝置的陣列，但是應(yīng)當(dāng)明白，在波導(dǎo)陣列基底和包覆/反應(yīng)池層中可以采用多種層組成，且仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的(參見，例如，公開的美國專利申請?zhí)?008-0128627，其通過該引用并入本文中用于所有目的)。分析系統(tǒng)通常包括一個(gè)或多個(gè)分析裝置100，所述分析裝置100具有檢測器元件120，所述檢測器元件120設(shè)置成與反應(yīng)池102光通信。在反應(yīng)池102和檢測器元件120之間的光通信可以由光學(xué)元件鏈(optical train)104提供,所述光學(xué)元件鏈104包括一個(gè)或 多個(gè)一般命名為106、108、110和112的光學(xué)元件，用于將來自反應(yīng)池102的信號有效地引導(dǎo)至檢測器120。這些光學(xué)元件通?？梢园ㄈ我鈹?shù)量的元件，諸如透鏡、濾光器、光柵、反射鏡、棱鏡、折射材料等，或這些的各種組合，這取決于應(yīng)用的細(xì)節(jié)。在多個(gè)實(shí)施方案中，反應(yīng)池102和檢測器120與一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件一起提供在集成裝置結(jié)構(gòu)中。通過將這些元件集成在單個(gè)裝置體系結(jié)構(gòu)中，可以提高反應(yīng)池和檢測器之間的光耦合的效率。具體地，在常規(guī)的光學(xué)分析系統(tǒng)中，通常將分立的反應(yīng)器放入光學(xué)儀器中，所述光學(xué)儀器利用自由空間光學(xué)部件將光信號傳遞至反應(yīng)器和將來自反應(yīng)器的光信號傳遞至檢測器。這些自由空間光學(xué)部件意圖包括更高質(zhì)量和體積的部件，且具有造成這類系統(tǒng)的多個(gè)弱點(diǎn)的自由空間界面。例如，這類系統(tǒng)具有更大的損失傾向(鑒于從這些更高質(zhì)量部件導(dǎo)入不希望的泄漏途徑)，且通常會(huì)導(dǎo)入更高水平的自發(fā)熒光，所有這些都會(huì)降低系統(tǒng)的信噪比(SNR)，并降低它的總靈敏度，這又可以影響所述系統(tǒng)的速度和處理量。另外，在多路化的應(yīng)用中，來自多個(gè)反應(yīng)區(qū)(即，多個(gè)反應(yīng)池或在單個(gè)池內(nèi)的多個(gè)反應(yīng)位置)的信號通常穿過共同的光學(xué)元件鏈或光學(xué)元件鏈的共同部分，其中使用在要成像到檢測器平面上的元件鏈中的光學(xué)元件的整個(gè)體積。結(jié)果，光學(xué)象差在這些光學(xué)部件中的存在，諸如衍射、散射、散光和慧差(coma)，會(huì)使信號在振幅和整個(gè)視野上降級，從而導(dǎo)致更大的噪音貢獻(xiàn)和檢測的信號之間的串?dāng)_。相比而言，本發(fā)明的裝置在反應(yīng)池和檢測器之間包括相對較低的體積，從而減少來自那些部件的噪音貢獻(xiàn)，并在光學(xué)部件之間幾乎不提供或不提供可以促進(jìn)損失和需要使用小數(shù)值孔徑檢測的自由空間區(qū)域。進(jìn)一步，在優(yōu)選的方面，為給定的反應(yīng)區(qū)提供它自身的專用光學(xué)元件鏈，以將信號導(dǎo)向至傳感器的專用部分。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述裝置被構(gòu)造成，使得從納米級池中的熒光物質(zhì)發(fā)射的光穿過固體介質(zhì)(例如，基本上固體的介質(zhì))傳輸至檢測器，且不穿過在它的道路上的唯一自由空間(例如，空氣隙)傳輸。基本上固體的介質(zhì)包括具有固體介質(zhì)區(qū)域和空氣區(qū)域的介質(zhì)。在一個(gè)示例性的實(shí)施方案中，所述基本上固體的介質(zhì)是多層化的電介質(zhì)，所述多層化的電介質(zhì)包括一個(gè)或多個(gè)固體層和任選的一個(gè)或多個(gè)空氣層。所述基本上固體的介質(zhì)通?？赏高^發(fā)射的熒光。所述固體介質(zhì)可以包含無機(jī)或有機(jī)材料，包括，例如金屬氧化物、玻璃、二氧化硅或蒸發(fā)性的聚合物材料。盡管通常會(huì)傳輸發(fā)射的熒光，但是在納米級池和檢測器之間的光學(xué)層也可以構(gòu)造成起電磁波譜的其它部分的濾光器的作用。例如，所述光學(xué)層可以包括一個(gè)或多個(gè)濾光器層，所述濾光器層阻斷或反射光譜的不希望的部分。這樣的濾光器可以包括二色性濾光器或電介質(zhì)疊堆，所述電介質(zhì)疊堆包括具有不同折射指數(shù)的材料層。在一些情況下，這些二色性濾光器可以具有包含空氣的薄層，例如以便提供低折射指數(shù)層。盡管所述光學(xué)層可以包括有空氣的薄層，但是應(yīng)當(dāng)理解，具有一個(gè)或多個(gè)這樣的區(qū)域的材料仍然是基本上固體的介質(zhì)，并且這樣的薄層或?qū)咏M不會(huì)造成自由空間光學(xué)部件的使用。所述包含空氣的薄層具有通常大于約O. I微米、O. 2微米、O. 5微米或I微米的厚度。所述包含空氣的薄層具有通常小于約100微米、50微米、20微米或10微米的厚度。所述包含空氣的薄層具有通常約O. I微米至約100微米、O. 5微米至50微米、或約I微米至10微米的厚度。結(jié)果，光學(xué)象差被限制在單個(gè)反應(yīng)區(qū)，而不是出現(xiàn)在反應(yīng)區(qū)的整個(gè)陣列中。同樣地，在另一個(gè)優(yōu)選的方面，在集成的過程(例如，微機(jī)械光刻制造工藝)中制造所述反應(yīng)區(qū)、光學(xué)元件鏈和檢測器，使得所述部件借助于所述生產(chǎn)過程而預(yù)對準(zhǔn)，并借助于所述制造過程而鎖定在這樣的對準(zhǔn)。隨著反應(yīng)區(qū)尺寸減小和多路增加，使用自由空間光學(xué)部件系統(tǒng)的這種對準(zhǔn)越來越困難。另外，通過將這些部件集成在一個(gè)一體式部件中，在這樣的子部件之間的相對運(yùn)動(dòng)(正如使用自由空間光學(xué)部件的情況)可以使由振動(dòng)導(dǎo)致的漂移和繼續(xù)對準(zhǔn)成為一項(xiàng)更困難的任務(wù)。同樣地，與自由空間系統(tǒng)相比，在集成的系統(tǒng)中消除了或至少基本上減少了在任意中間空間中的污染(例如，灰塵和/或其它污染物)可能性。除了減少來自光路的噪音貢獻(xiàn)以外，本發(fā)明的集成裝置也受益于這樣的制造工藝和技術(shù)它們消除了與分立的反應(yīng)池、光學(xué)部件和檢測部件相關(guān)的其它問題。例如，就某些高度多路化的或陣列化的反應(yīng)池而言，初始對準(zhǔn)和在分析全程中保持檢測與反應(yīng)池的對準(zhǔn)，會(huì)增加困難。在可以在反應(yīng)池的不同陣列位置中和/或在不同的反應(yīng)池中特異性地靶向激發(fā)照射的情況下，尤其如此。在圖I所示的實(shí)施方案中，信號源、傳輸層(其包括用于調(diào)節(jié)在其中傳輸穿過的光的光學(xué)部件)和檢測器一起連接進(jìn)集成裝置中。當(dāng)用于表示本發(fā)明的不同方面時(shí)，本文使用的術(shù)語“集成的”可以具有不同的含義。例如，在集成的光學(xué)裝置或集成的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，術(shù)語“集成的”通常是指，各種部件物理地相連，且光信號穿過固體介質(zhì)在部件之間傳輸。光信號通常這樣傳輸其不進(jìn)入空氣或自由空間的大區(qū)域，正如光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解的。集成的光學(xué)系統(tǒng)可以具有這樣的區(qū)域所述區(qū)域包括含有空氣的薄膜，例如在本文所述的電介質(zhì)疊堆或電介質(zhì)濾光器的背景下。在描述系統(tǒng)的背景下，術(shù)語“集成的”應(yīng)當(dāng)理解為，通常用于分析和電工程領(lǐng)域，其中“集成的”是指，例如，在其它方面不同的元件的組合或協(xié)調(diào)，以提供和諧的且相關(guān)的整體(無論在物理上還是在功能上)。通過所述術(shù)語的使用背景，本領(lǐng)域技術(shù)人員通常會(huì)理解所述術(shù)語的含義。在集成裝置中，從反應(yīng)池102發(fā)射的光會(huì)穿過固體介質(zhì)至檢測器。在一些實(shí)施方案中，集成的分析裝置也包括為反應(yīng)池102提供照射的部件。例如，在其中反應(yīng)池102包括零模波導(dǎo)的多種情況下，經(jīng)常希望從反應(yīng)池下面(例如在反應(yīng)池102的底部和傳輸層或光學(xué)元件鏈104之間)提供照射。在一些情況下，將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)整合進(jìn)分析裝置中，以提供這樣的照射。在本文中，和例如在2007年8月31日提交的美國專利申請?zhí)?1/849，157以及2009年9月15日提交的美國專利申請?zhí)?2/560,308 (它們通過引用并入本文中用于所有目的)中，更詳細(xì)地描述了包括用于照射的波導(dǎo)的分析裝置。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述分析裝置是這樣的基底其包括反應(yīng)池陣列，和在所述陣列的底部表面上的檢測器陣列。所述裝置還可以包括其它部件，諸如處理電路、光波導(dǎo)(optical guide)和處理電路。在多個(gè)實(shí)施方案中，通過在基底上構(gòu)建層，或通過粘結(jié)2個(gè)或更多個(gè)基底，可以形成分析裝置。在一個(gè)示例性的裝置中，使熔融的硅(FuSi)基底、ZMW層和具有光電檢測器陣列的硅基底粘結(jié)到一起，以形成分析裝置陣列。應(yīng)當(dāng)明白，這類集成分析裝置在對準(zhǔn)和光采集方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。例如，在生產(chǎn)過程中對準(zhǔn)反應(yīng)部位和檢測器。從本文的描述會(huì)明白，可以以不同的方式集成或修改任意的部件和系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述ZMW基底和檢測器陣列是在分開的基底上，所述基底結(jié)合到一起以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，隨后在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，用另一個(gè)基底替代ZMW基底。利用該方案，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)以后，可以重復(fù)使用檢測器陣列，而不是和ZMW基底設(shè)置在一起。由于每個(gè)過程的生產(chǎn)(yield)是分開的，還可能更節(jié)省成本。以此方式，在實(shí)驗(yàn)過程中，ZMW陣列和檢測器陣列緊密接觸(好像它們是集成裝置的一部分)，但是它們可以在測量以后分開。在圖IB和IC中，示出了裝置的一個(gè)實(shí)施例，所述裝置包括集成的反應(yīng)池、傳感器和光學(xué)部件，所述光學(xué)部件包括照射導(dǎo)管。如圖IB所示，從端視圖示出的集成裝置700包括多個(gè)反應(yīng)池702。每個(gè)反應(yīng)池702與光導(dǎo)管或波導(dǎo)706光通信，所述光導(dǎo)管或波導(dǎo)706設(shè)置在波導(dǎo)陣列基底層704中，其將激發(fā)照射遞送至反應(yīng)池。從反應(yīng)池發(fā)射的光信號然后從反應(yīng)池702傳遞，穿過波導(dǎo)陣列基質(zhì)704，被集成的光學(xué)元件(例如，光隧道708)捕獲并轉(zhuǎn)遞，以將所述信號遞送至傳感器陣列712的傳感器元件710。在圖IC中示出了俯視圖，該圖示意性地圖解了在檢測器陣列712 (未示出)上的分離的波導(dǎo)704、分離的反應(yīng)池702和分離的傳感器元件710。穿過波導(dǎo)704的一端遞送照射，并沿著長度傳播。因?yàn)榉磻?yīng)池被限定在覆蓋于波導(dǎo)陣列基底706上面的基底層中，在除了限定反應(yīng)池的位置以外的每個(gè)地方，所述基底層起包覆層的作用。例如，在金屬包覆零模波導(dǎo)陣列的情況下，將反應(yīng)池限定在金屬層中，所述金屬層形成波導(dǎo)陣列基質(zhì)706中的波導(dǎo)的上包覆層。在限定反應(yīng)池的位置處，所述包覆層不存在，這允許從下面的波導(dǎo)704逐漸消失地照射反應(yīng)池。應(yīng)當(dāng)理解，在波導(dǎo)陣列基底和包覆/反應(yīng)池層中可以采用多種層組成，并仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的(參見，例如，公開的美國專利申請?zhí)?008-0128627，在前面并入本文中)。在一些情況下，零模波導(dǎo)的包覆層不是金屬，而是這樣的材料所述材料的折射指數(shù)低于位于它下面的透明層的折射指數(shù)。通常選擇所述包覆層的折射指數(shù)，使得存在入射照射的全內(nèi)反射。在所述包覆層和位于所述包覆層下面的透明層之間的折射指數(shù)差異，取決于諸如下述因素用于照射的光的波長，和照射光在所述包覆層和所述透明層之間的表面上的沖角。在照射光的入射角較淺的情況下，全內(nèi)反射所需的折射指數(shù)差異可以較小。為全內(nèi)反射選擇適當(dāng)?shù)恼凵渲笖?shù)差異，是本領(lǐng)域眾所周知的。在具有較低折射指數(shù)的材料被用作包覆層的情況下，可能有用的是，在零模波導(dǎo)內(nèi)的流體的折射指數(shù)接近于所述包覆層的折射指數(shù)，以便使來自零模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的任何散射最小化。在一些情況下，所述流體的折射指數(shù)與所述包覆層的折射指數(shù)基本上相同。在一些情況下，折射指數(shù)的差異小于O. 001或小于O. 0001。在一些情況下，折射指數(shù)的差異是O. 01 至 O. 00001。
可以使在每個(gè)分析裝置中的處理電路的大小最小化，以降低成本。通過在接收照相機(jī)電子器件(例如非常平行的DSP或微處理器，或?qū)Ｓ玫腇PGA、CPLD或ASIC)中形成板，可以使總的運(yùn)行成本(即$/兆堿基)最小化。在圖2A中示出了本發(fā)明的集成分析裝置(光極)的另一個(gè)實(shí)施方案。盡管以開放的形式示出圖2A來圖解各種部件，應(yīng)當(dāng)理解，圖2A的分析裝置代表包括所有固體或液體部件的結(jié)構(gòu)，且在部件之間不存在實(shí)質(zhì)的開放空間或自由空間。在圖2A和2B中，示出了本文所述的裝置和系統(tǒng)集成的另一個(gè)實(shí)例。如圖2A所示，所述分析裝置具有反應(yīng)池802，所述反應(yīng)池802與試劑蓄池或流體導(dǎo)管806聯(lián)接，所述流體導(dǎo)管806將反應(yīng)物遞送至反應(yīng)池802。所述反應(yīng)池可以是納米級池或零模波導(dǎo)。在一些情況下，所述反應(yīng)池具有固定化在其內(nèi)部的生物分子諸如聚合酶。所述流體導(dǎo)管可以為多個(gè)反應(yīng)池提供試劑。在所述反應(yīng)池的下面是波導(dǎo)，所述波導(dǎo)用于為在所述反應(yīng)池內(nèi)的試劑提供激發(fā)照射。盡管在這里示出了波導(dǎo)，但是其它光學(xué)元件(諸如在本文別處提供的那些)可以用于從反應(yīng)池下面提供光。所述照射光可以用于從反應(yīng)池內(nèi)的試劑激發(fā)熒光發(fā)射。從所述反應(yīng)池發(fā)射的光被向下引導(dǎo)穿過傳輸層，所述傳輸層的作用是，將來自反應(yīng)池的光傳輸至檢測器。在一些情況下，所述傳輸層具有光學(xué)部件，所述光學(xué)部件用于增強(qiáng)光傳遞效率或調(diào)節(jié)光。在圖2A的分析裝置中，將光隧道或?qū)Ч?08設(shè)置成與反應(yīng)池802光通信，所述反應(yīng)池802又與檢測器中的傳感元件810光通信，所述傳感元件810示出為傳感器元件的多色辨別集合。所述傳感器元件聯(lián)接至適當(dāng)?shù)碾娮硬考?諸如總線和互連器812)，所述電子部件構(gòu)成總傳感器或照相機(jī)。也示出了波導(dǎo)814，其用于將激發(fā)照射遞送至反應(yīng)池802。圖8B示出了多路化裝置的更大視圖，所述多路化裝置包括多個(gè)反應(yīng)池和相關(guān)的部件，諸如陣列化的波導(dǎo)814。也示出了流體導(dǎo)管816，其也集成在所述裝置中，并設(shè)置成與各個(gè)反應(yīng)池流體連通。示意性地示出的總裝置800聯(lián)接至處理器820和計(jì)算機(jī)822。在一些情況下，所述檢測器具有多個(gè)傳感元件，每個(gè)傳感元件用于檢測具有不同色譜的光。例如，在測序的情況下，每個(gè)反應(yīng)池的傳感器可以具有4個(gè)元件，每個(gè)元件針對4種堿基中的一個(gè)。在一些情況下，所述傳感器元件會(huì)提供顏色辨別，在其它情況下，使用濾色器來將適當(dāng)顏色的光引導(dǎo)至適當(dāng)?shù)膫鞲衅髟?，所述傳感器元件在圖2A中示出為傳感器元件的多色辨別集合。所述傳感器元件聯(lián)接至適當(dāng)?shù)碾娮硬考?12 (諸如總線和互連器)，所述電子部件構(gòu)成總傳感器或照相機(jī)。所述電子部件也可以包括處理元件，所述處理元件用于處理來自檢測器的信號。III.光極陣列和包裝本發(fā)明的集成分析裝置通常制造成裝置陣列，這允許一次同時(shí)觀察數(shù)千至數(shù)百萬的分析反應(yīng)。這些光極陣列通常需要輸入流體(以提供進(jìn)行分析反應(yīng)所需的試劑和條件)、輸入激發(fā)光(用于測量熒光)和聯(lián)接件(用于從檢測器輸出信號數(shù)據(jù))。本發(fā)明提供了用于包裝實(shí)現(xiàn)這些輸入和輸出的光極陣列的裝置、系統(tǒng)和方法。圖3提供了一個(gè)實(shí)施方案，其用于將光極元件的陣列提供到光極陣列組和光極陣列芯片中，這會(huì)便利光和流體的輸入和數(shù)據(jù)的電子輸出。可以將所述光極陣列芯片導(dǎo)入儀器或系統(tǒng)中，所述儀器或系統(tǒng)用需要的輸入和輸出聯(lián)接件來構(gòu)建。例如，在一些情況下，可以穿過在芯片上面的輸入端口，從上面導(dǎo)入光和流體，且可以從在芯片底部上的電子觸點(diǎn)，從芯片下面提取電子數(shù)據(jù)。所述光極陣列組包括光極陣列部件310、流體輸入部件320和照射輸入部件330。在圖3所示的實(shí)施方案中，流體輸入部件320和照射輸入部件330在邊緣處連接至光極陣列部件。示例性的光極陣列部件310包括光極元件的陣列。要測量的分析反應(yīng)的特征，可以決定陣列中的光極的數(shù)目。在光極陣列部件中的光極元件的數(shù)目可以是約10至約100萬或更多。在一些情況下，光極元件的數(shù)目是約100至約100，000。如圖3所示，流體導(dǎo)管在給定的光極的上面延伸至在另一側(cè)的光極。如該圖所示，示例性的流體導(dǎo)管在一個(gè)方向(但是基本上不是在垂直的方向)在整個(gè)光極元件上延伸。在一些情況下，可以將流體導(dǎo)管構(gòu)造成在任一個(gè)或兩個(gè)方向在多個(gè)光極元件上面延伸。在一些情況下，所述導(dǎo)管可以將流體遞送至在光極陣列部件上的所有光極。在一些情況下，一個(gè)導(dǎo)管可以將流體遞送至光極元件子集，而其它導(dǎo)管將流體遞送至其它光極元件。在一些情況下，每個(gè)導(dǎo)管將流體遞送至單個(gè)光極元件。類似地，在該圖中關(guān)于單個(gè)光極元件所示的波導(dǎo)通常在所述陣列中的整個(gè)多個(gè)光極元件上延伸。所述波導(dǎo)可以是沿著單行光極元件延伸、從而為該行中的反應(yīng)池提供照射的通道波導(dǎo)(channel waveguide)，或所述波導(dǎo)可以是比一行更寬的通道波導(dǎo)，其照射超過一行。所述波導(dǎo)也可以是平面波導(dǎo)(planar waveguide),其照射光極陣列部件中的部分或照射光極陣列部件中的所有反應(yīng)池。流體輸入部件320具有流體輸入端口 322，用于將流體引導(dǎo)至光極陣列芯片。在圖3所示的實(shí)施方案中，所述流體輸入端口可從頂部接近。所述流體輸入端口 322具有多個(gè)從輸入端口延伸至光極陣列部件的流體導(dǎo)管。在所述流體輸入端口上的流體導(dǎo)管通常與在所述光極陣列部件上的流體導(dǎo)管直接配合，且兩個(gè)部件通常在同一組工藝步驟中形成。流體導(dǎo)管的數(shù)目可以取決于用途。在一些情況下，一個(gè)流體導(dǎo)管會(huì)為光極陣列部件中的一行反應(yīng)池提供流體。照射輸入部件330具有照射輸入端口 332，諸如光管，其用于將照射光輸入到光極陣列芯片上。所述照射輸入端口 332連接至多個(gè)波導(dǎo)，所述多個(gè)波導(dǎo)從照射輸入端口延伸進(jìn)在光極陣列上的波導(dǎo)中。簡而言之，可以如下在基底內(nèi)提供波導(dǎo)包括更高IR區(qū)，以在更低IR材料基底中傳遞光，其中所述更低IR材料起波導(dǎo)的部分包覆層的功能。在沒有包覆層的情況下，所述波導(dǎo)接觸反應(yīng)池，這允許從所述波導(dǎo)逐漸消失地照射反應(yīng)池。如圖3所示的光極陣列部件310、流體輸入部件320和照射輸入部件330的組合可以稱作光極陣列組?？梢越M合多個(gè)光極陣列組，以形成光極陣列芯片。所述光極陣列芯片可以包括I至約100個(gè)、約100至約1，000個(gè)或更多個(gè)光極陣列組。使用半導(dǎo)體和微制造加工技術(shù)，可以制造包括多個(gè)光極陣列組的光極陣列芯片。例如，可以在晶片上制造具有光極陣列組的陣列的光極陣列芯片，所述晶片可以分割成用于特定用途的具有適當(dāng)數(shù)目的光極陣列組的更小的光極陣列芯片。如此生產(chǎn)的光極陣列芯片具有流體和照射輸入端口，且具有用于轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的從芯片上的檢測器和其它電子元件延伸的電觸點(diǎn)。圖4解釋了如何從側(cè)面給光極陣列部件(中央)供給流體和光，所述光極陣列部件具有例如200x 200個(gè)光極元件。流體端口 33c將流體分配進(jìn)流體通道的陣列中，所述流體通道將流體引導(dǎo)至反應(yīng)池或ZMW。光管53c將光聯(lián)接進(jìn)通道中，所述通道將照射光從下面?zhèn)鬏斶M(jìn)反應(yīng)池中。來自ZMW的發(fā)射光向下穿過透明的傳輸層傳輸至檢測器，在該情況下，所述檢測器是光電二極管。所述光電二極管檢測光信號，并將數(shù)據(jù)信號傳輸進(jìn)在芯片上的圖像處理元件中。通過在芯片底部上的電觸點(diǎn)，將經(jīng)過處理的信號數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，用于進(jìn)一步處理。在芯片上的圖像處理元件可用于即時(shí)處理來自光電檢測器的數(shù)據(jù)。一般而言，就核酸測序而言，光學(xué)事件的速率相對較低，例如約IO3/秒。該速率顯著低于圖像處理元件能夠工作的典型處理速率，后者可以是約IO9/秒。可以用作本發(fā)明的一部分的一個(gè)方案是，用單個(gè)圖像處理元件處理來自多個(gè)像素(例如10至1000個(gè)像素)的數(shù)據(jù)。該方案允許最大程度地利用圖像處理元件，例如晶體管。在一個(gè)方面，本發(fā)明包括具有光極元件的陣列的裝置，其中每個(gè)光極元件具有在包覆層內(nèi)的反應(yīng)池(諸如ZMW或納米級孔)，所述反應(yīng)池被構(gòu)造成接納流體，所述流體含有要分析的反應(yīng)物。所述分析通常包括至少一種被熒光地標(biāo)記的物質(zhì)，來自所述物質(zhì)的熒光會(huì)提供關(guān)于所述反應(yīng)的信息。在反應(yīng)池的上面是流體層，所述流體層與所述反應(yīng)池流體連通。在孔層的下面是波導(dǎo)層，所述波導(dǎo)層會(huì)用逐漸消失的輻照為納米級池提供照射。所述波導(dǎo)層可以包括通道波導(dǎo)和/或平面波導(dǎo)。在所述波導(dǎo)層的下面是傳輸層，所述傳輸層將從反應(yīng)池中的熒光物質(zhì)發(fā)射的光傳輸至下面的檢測器。在所述傳輸層的下面是檢測器層，所述檢測器層接收并檢測穿過所述傳輸層傳輸?shù)陌l(fā)射光，其中所述發(fā)射光被傳輸至檢測器，且不被傳輸穿過空氣。在一些情況下，所述檢測器層在其下面具有電觸點(diǎn)，所述電觸點(diǎn)用于將來自芯片的數(shù)據(jù)信號傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)部件中，用于分析和處理。在一些情況下，將處理元件構(gòu)建進(jìn)芯片中，以在將數(shù)據(jù)發(fā)送出芯片之前提供信號的某種處理。所述光極元件陣列通常提供在一個(gè)集成的堅(jiān)固包裝件中。在一些情況下，光極元件陣列的包括檢測器的部分可以與所述陣列的包括反應(yīng)池的部分可逆地分離。這允許檢測器部分與不同的反應(yīng)池陣列一起重復(fù)使用。IV.包括光極陣列的測量系統(tǒng)可以將光極陣列芯片插入提供分析反應(yīng)的結(jié)構(gòu)中，所述光極陣列芯片包括光極陣列、光和流體輸入以及用于電子轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的輸出。在一些情況下，所述光極陣列芯片可以夾在組件內(nèi)，所述組件會(huì)提供輸入和輸出部件的物理對準(zhǔn)，且可以提供組件部件的有效配合所需的力。組件的一個(gè)方案是，使用蛤殼式組件。一個(gè)示例性的系統(tǒng)包括集成在具有測試座的系統(tǒng)中的分析裝置的陣列。一個(gè)示例性的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)利用自配合的測試裝置和芯片級包裝技術(shù)。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述測試座是自配合的測試裝置(ATE)座(socket)(示于圖5A)。在所述示例性系統(tǒng)中，所述座連接至處理系統(tǒng)和其它系統(tǒng)部件，諸如電系統(tǒng)。在一些方面，本發(fā)明提供了具有夾心結(jié)構(gòu)的組件，所述組件包括包括照射光和流體的輸入的頂段；在中間的集成分析芯片，所述集成分析芯片包括具有多個(gè)納米級孔(所述孔穿過包覆層與芯片頂部流體接觸)的孔層，和具有多個(gè)波導(dǎo)(所述波導(dǎo)被構(gòu)造成從下面為納米級孔提供照射光)的波導(dǎo)層，所述波導(dǎo)層具有在頂部表面上的一個(gè)或多個(gè)照射端口(用于為所述波導(dǎo)提供照射光);包含透明材料的傳輸層，其用于傳輸來自所述納米級孔的發(fā)射光；在所述傳輸層下面的檢測器陣列層，所述檢測器陣列層具有電連接至延伸出芯片的底部的引腳(pin)的檢測器；和具有電觸點(diǎn)的底段，所述電觸點(diǎn)對應(yīng)于在芯片的底部上的引腳；構(gòu)造所述組件，使得在閉合以后，所述芯片與頂段和底段對準(zhǔn)，以允許從所述頂段輸入照射光和流體，并從所述底段提取電信號。一個(gè)示例性的集成裝置使電部件與光學(xué)部件和流體部件分離開，例如，在所述裝置的一側(cè)具有光和流體遞送，在所述裝置的另一側(cè)具有電互連器。在圖5和5A中示出了系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案，其中將光極陣列芯片40 (其包括例如光極陣列組56的陣列)插入包括頂段51和底段57的座中，所述頂段51將照射穿過照射系統(tǒng)53和流控遞送系統(tǒng)33遞送至光極陣列芯片，所述底段57具有電觸點(diǎn)的陣列，所述電觸點(diǎn)與在光極陣列芯片上的電觸點(diǎn)配合。在一些實(shí)施方案中，所述座可以使用真空來將所述系統(tǒng)的部件牽引到一起，以增強(qiáng)流體、照射和電觸點(diǎn)。所述電聯(lián)接件通常是在集成裝置的底部表面上，所述光學(xué)和流體聯(lián)接件通常是在所述裝置的頂側(cè)上(示于圖5)。以該示例性方式進(jìn)行的電部件分隔會(huì)提供雙側(cè)座，后者可以供給在標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)容差內(nèi)的所有110聯(lián)接件。作為一個(gè)實(shí)例，可以修改在示例性的商業(yè)ATE中使用的蛤殼式座，以與分析陣列40 —起使用。這類測試座通常具有超過50，000個(gè)插入回路可靠性(insertion cycle reliability),并會(huì)提供足夠且均勻的接觸力。此外，因?yàn)樗霾考稍趩蝹€(gè)裝置中，所述座是自就位的，所述光學(xué)部件和檢測器可自配合地對準(zhǔn)。實(shí)例包括裝有彈簧的耐久接觸引腳和氧化物擦洗冠，以進(jìn)一步促進(jìn)自對準(zhǔn)和可靠接觸。因而，通過插入所述座中，可以使集成裝置容易地連接至處理系統(tǒng)和其它系統(tǒng)部件。這會(huì)提供更高的可靠性、更低的成本和通常更容易的技術(shù)人員使用?？梢栽谖挥诩裳b置的處理區(qū)的上面且鄰近反應(yīng)池的區(qū)域上以分布方式進(jìn)行試劑處理、樣品處理和照射功能(例如，如圖13B所示)。照射端口和流體端口可以定位于棋盤圖案中的交替行中。這些照射和流體端口可以服務(wù)于單個(gè)鄰近的光極陣列部件56，或在一些情況下，可以服務(wù)于4個(gè)最接近的相鄰光極陣列部件。照射和流體的分布是更均勻的、更低復(fù)雜性的，且通過陣列區(qū)段可擴(kuò)縮性將所述性能維持至非常多的多路。如果需要的話，可以單個(gè)地控制每個(gè)陣列區(qū)段照射和流控部件。在多個(gè)實(shí)施方案中，在裝置40的頂段上制造流控部件和座51的光子聯(lián)接件。參考圖5，將樣品提供至座的頂部，并導(dǎo)入一組移液器，所述移液器與在光極陣列上的流體端口對準(zhǔn)。由于所述光極被分組成子陣列，減少數(shù)目的流體端口允許對準(zhǔn)至標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)容差(例如約O. 3mm),且減少數(shù)目的聯(lián)接件會(huì)增加可靠性。單個(gè)端口的失效不會(huì)使整個(gè)實(shí)驗(yàn)無效，且剩余的端口可以采集數(shù)據(jù)。本發(fā)明的集成系統(tǒng)通常被構(gòu)造成導(dǎo)入流體和光信號。為了提供無菌環(huán)境來導(dǎo)入樣品和試劑，可以將具有一次性使用能力的低成本流體分布裝置插入進(jìn)行每個(gè)實(shí)驗(yàn)的座中。可以用與多種微量移液器系統(tǒng)(由諸如Biohit、Thermo和Eppendorf等公司銷售)類似的標(biāo)準(zhǔn)的生物相容的聚合物模鑄該流體裝置。在圖6中示出了 ATE蛤殼式座蓋的一次性2-D微量移液器插入物的一個(gè)實(shí)施例。圖7示出了將流體導(dǎo)入光極陣列芯片中的簡圖，所述光極陣列芯片具有微量移液器的陣列，所述微量移液器被構(gòu)造成與在光極陣列芯片上的流體輸入端口配合。微量移液器陣列83與在光極陣列芯片上的流體輸入端口 82配合。所述流體沿著導(dǎo)管86延伸進(jìn)光極元件中。在所述光極元件內(nèi)的ZMW受到照射，并通過光管將發(fā)射光傳輸至檢測器84。所述檢測器將信號發(fā)送至在所述芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)處理部件?？梢杂猛|(zhì)材料實(shí)現(xiàn)流控部件向光極組(optode group)的導(dǎo)入,或者,每個(gè)光極組可以與不同的樣品或試劑情況一起工作，用于執(zhí)行高度多路化的測定實(shí)驗(yàn)。也可以調(diào)節(jié)或維持每個(gè)流體輸入的溫度，例如，以提供在測定中的可變性。在多個(gè)實(shí)施方案中，在商業(yè)容差內(nèi)(例如在約0. 3mm至約0. 6mm)，用在蛤殼式座的頂段處的分立的光端口導(dǎo)入光子照射信號。通過將耐久座中的光能分布至局部光極區(qū)，可以使用謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)和特殊材料使損失最小化，并能夠?qū)崿F(xiàn)多色激發(fā)和減少在有效的一次性使用的裝置上的熱負(fù)荷。例如，可以設(shè)計(jì)這樣的鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)其具有非常低的插入損失和向光極組的傳播損失。能夠?qū)崿F(xiàn)在一次性芯片上的更低質(zhì)量分布網(wǎng)絡(luò)作為傳輸距離，并顯著減小分支?？梢孕纬晒庾臃植季W(wǎng)絡(luò)，以與微流體分布插入物交錯(cuò)，如圖8和圖9所示。在多個(gè)實(shí)施方案中，使用頂側(cè)泛光照射(flood illumination)方法,如圖10所示。流控通道和ZMW被光學(xué)地遮蔽免于頂側(cè)照射，并提供將光導(dǎo)向ZMW的有效區(qū)的路徑。示例性的ATE座的上一半可透過泛光照射，并同時(shí)遮蔽微流體插入物。所述座可以由波導(dǎo)材料制成，以輔助該部分的泛光照射。例如，所述座可以包括選擇的結(jié)構(gòu)或材料，以沿著預(yù)定路徑引導(dǎo)泛光照射。在圖10中，所述光極陣列芯片包括ZMW 91的陣列，所述ZMW 91形成在透明基底(諸如玻璃)內(nèi)。不透明的包覆材料(包括，例如，金屬諸如鋁)區(qū)包圍所述ZMW，并延伸進(jìn)玻璃基底的頂部表面中。從芯片上面導(dǎo)入的照射光96向下穿過玻璃，并被光學(xué)元件95向上引導(dǎo)至ZMW的底部，所述光學(xué)元件95可以包括反射鏡或電介質(zhì)疊堆。所述光可以刺激在ZMW內(nèi)的樣品發(fā)射,來自所述樣品的發(fā)射光向下傳輸至光學(xué)檢測器97。流體導(dǎo)管92將流體運(yùn)輸至ZMW。ZMW的頂部被不透光罩94覆蓋，所述不透光罩94防止照射光從上面進(jìn)入ZMW。所述不透明罩94可以包含金屬諸如鋁。在一些實(shí)施方案中，用與圖10所示的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行頂照射，其中從上面照射每個(gè)ZMW 91，且光學(xué)元件95包括相對于ZMW環(huán)狀對稱的反射結(jié)構(gòu)?？梢允褂梅瓷湫筒贾脕矸瓷涔?，所述光在從ZMW下面的環(huán)狀對稱反射元件反射離開以后，從芯片上面向上進(jìn)入ZMW中。所述反射系統(tǒng)可以具有彎曲表面，例如設(shè)計(jì)成優(yōu)化入射到ZMW上的光的量的拋物線型表面。所述反射系統(tǒng)的中心可以是不反射的，這允許從ZMW發(fā)射的光穿過設(shè)置在反射元件下面的一個(gè)或多個(gè)光電檢測器。選擇開口的相對大小，以提供高強(qiáng)度照射和最大光采集量之間的最佳平衡。在一些方面，本發(fā)明包括用于測量分析反應(yīng)的裝置，所述裝置包括具有多個(gè)納米級孔行的透明基底，所述納米級孔穿過不透明的包覆層延伸至透明基底的頂部。所述納米級孔行被透明基底的區(qū)域隔開，所述透明基底的區(qū)域從上面向照射開放。所述裝置具有多個(gè)流體導(dǎo)管，每個(gè)流體導(dǎo)管是在納米級孔行的上面，并與納米級孔行流體接觸。就這些示例性裝置而言，給每個(gè)流體導(dǎo)管包被不透明的材料，所述材料防止照射光從上面進(jìn)入納米級孔。另外，所述裝置具有在納米級孔下面的一系列部件，所述部件被構(gòu)造成從透明基底上面向上引導(dǎo)照射光從下面進(jìn)入納米級孔中。在一些實(shí)施方案中，所述裝置也具有內(nèi)置的光學(xué)檢測器，其中每個(gè)納米級孔有至少一個(gè)檢測器。在一些情況下，所述裝置具有多個(gè)檢測器(對于每個(gè)納米級池)，例如，4個(gè)檢測器，每個(gè)檢測器對不同的顏色敏感，以允許四色核酸測序。在一個(gè)示例性的系統(tǒng)中，使用芯片級包裝技術(shù)，能夠?yàn)榉治鲫嚵虚_發(fā)低成本的包裝。例如,通孔通路(through-hole via)與分布式處理和數(shù)據(jù)采集電路一起使用，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)分析信號在極大減少數(shù)目的輸入/輸出線(1/0 line)上的多路復(fù)用。作為實(shí)例，256X256元件(每個(gè)元件以25次摻入/秒運(yùn)行，并提供5個(gè)字節(jié)/事件)的集合需要約65兆比特/秒的電帶寬。可以在僅需要2個(gè)聯(lián)接件的標(biāo)準(zhǔn)LVDS信號傳遞(ANSI-644)的最大數(shù)據(jù)速率的僅約10%，提供該帶寬。對于能夠在15分鐘內(nèi)繪制整個(gè)基因組的圖譜的裝置，需要例如少至14個(gè)LVDS電聯(lián)接件，如圖11所示。在一些實(shí)施方案中，在從片材切下的基底(例如晶片)中形成多個(gè)裝置。所述晶片可以包含，例如，硅或熔融的二氧化硅。所述示例性裝置包括與化學(xué)反應(yīng)池集成的實(shí)時(shí)傳感結(jié)構(gòu)，并提供反應(yīng)器位置與光學(xué)元件的解耦。所述檢測器元件集合在分布式處理池周圍，從而能夠具有高平行性的重要性能優(yōu)點(diǎn)。另外，通過將池排列成對應(yīng)于光極組的可管理的輸入/輸出“墊”(I/O “pads”)組，該體系結(jié)構(gòu)會(huì)減少流控部件、信號和刺激的分布路徑。用池陣列/反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)集成的傳感元件，會(huì)提供多個(gè)益處，包括更高速度的運(yùn)行和從具有同步光的減少的發(fā)射提取被標(biāo)記信號的能力。圖12示出了集成的分析裝置池的另一個(gè)實(shí)施方案，所述集成的分析裝置池具有完全內(nèi)含的光源、細(xì)胞反應(yīng)器元件和檢測器。通過消除共有的和多余的照射和檢測路徑，可以維持所傳感信號的保真度。盡管分布式體系結(jié)構(gòu)存在多個(gè)益處，高分辨率陣列所需的分布分支網(wǎng)絡(luò)帶來了一些挑戰(zhàn)和限制。例如，與波導(dǎo)(其用多個(gè)分支和分接頭來運(yùn)行)相關(guān)的損失會(huì)在整個(gè)所述裝置中導(dǎo)入光強(qiáng)度梯度?？朔搯栴}的一種方法是，使用畫有陰影交叉線的、交替的波導(dǎo)。在一些情況下，所述裝置使用單色照射和檢測技術(shù)來避免或減輕這樣的問題。轉(zhuǎn)向圖13A、13B和13C，示出了具有分布式功能的陣列。圖13A、13B和13C代表在光極陣列芯片內(nèi)的層，圖示了在芯片的不同部分中執(zhí)行的各種功能。圖13B示出了光極陣列芯片的頂側(cè)，其具有反應(yīng)器陣列部件71、照射輸入部件72和流體輸入部件73。圖13A示出了這樣的層在所述層中，光極陣列部件具有檢測器70的陣列。如圖解的，所述檢測器連接至處理部件75。這些處理部件處理來自檢測器的信號，然后發(fā)送所述信號用于進(jìn)一步處理和分析。圖13C示出了光極陣列芯片的底部。所述底部具有電聯(lián)接件的陣列。在示出的實(shí)施方案中，所述芯片在光極陣列部件下面的部分具有用于輸入功率的觸點(diǎn)。所述芯片在流體輸入和照射輸入部件下面的部分具有用于從信號處理元件輸出信號的電觸點(diǎn)。使用與硅晶片制備和測試技術(shù)類似的技術(shù)，制造圖解的陣列。所述陣列建造在基底上，所述基底具有任一種上述的分析元件。所述陣列不需要規(guī)則間距。還會(huì)理解，所述系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可以容易地建立和縮放。每個(gè)“單元”可以是具有多個(gè)光學(xué)元件、檢測元件和處理元件的集成的局部系統(tǒng)。每個(gè)反應(yīng)池檢測器(其含有預(yù)處理的像素?cái)?shù)據(jù))的輸出連接至處理電路，在處理電路中可以執(zhí)行各種實(shí)用程序的多個(gè)功能，包括、但不限于，數(shù)據(jù)簡化、數(shù)字化、緩沖寄存器、總線仲裁等。參考圖13B，使用在處理區(qū)上面且鄰近反應(yīng)池中的每一個(gè)的區(qū)域，可以以分布方式執(zhí)行試劑處理和照射。提供了交替行的照射端口和流體端口的棋盤圖案?？梢匀缟厦骊P(guān)于光極陣列組的陣列所述，提供這些流體端口和照射端口。這些端口可以服務(wù)于單個(gè)鄰近的反應(yīng)器陣列或多個(gè)陣列。在多個(gè)實(shí)施方案中，端口的每個(gè)節(jié)點(diǎn)或集合服務(wù)于相鄰陣列(例如在四個(gè)側(cè)面中的每一個(gè)上的陣列)。與常規(guī)裝置相比，照射和流體的分布更均勻，且復(fù)雜度更低，并通過陣列區(qū)段可擴(kuò)縮性將所述性能維持至非常多的多路。應(yīng)當(dāng)明白，如果需要的話，可以單個(gè)地控制每個(gè)陣列區(qū)段照射和流控部件。參考圖13C，經(jīng)由通向基底聯(lián)接件的局部通孔通路，可以執(zhí)行陣列區(qū)段的讀出。用工業(yè)接受的且經(jīng)過驗(yàn)證的工藝，可以完成所述系統(tǒng)的包裝和測試。為了補(bǔ)充在晶片頂側(cè)上的流體和照射聯(lián)接件，可以如上面討論的在晶片底部上制作多個(gè)電聯(lián)接件，所述電聯(lián)接件代表陣列區(qū)段的I/o。這些聯(lián)接件可以被功率和信號組分段。利用該頂-底聯(lián)接設(shè)置，上述的標(biāo)準(zhǔn)的蛤殼式包裝技術(shù)(例如ATE座)可以用于將所述裝置連接至總系統(tǒng)。參考圖4，頂側(cè)聯(lián)接件包含多個(gè)照射光管53c和微流體噴嘴33c的對準(zhǔn)。例如，如果需要2000X 2000池陣列，且將100個(gè)陣列區(qū)段放入在5微米中心上的200X 200多路中，則鄰近的1001/0和處理區(qū)段的大小是約Imm X 1mm。因此，需要照射和流控部件的IOX 5聯(lián)接，但是在所述的節(jié)距(pitch)處具有可實(shí)現(xiàn)的對準(zhǔn)。以類似的方式，在處理區(qū)中進(jìn)行的數(shù)據(jù)簡化會(huì)減少需要與外部電路接合的電聯(lián)接件的數(shù)目。標(biāo)準(zhǔn)的電凸塊接點(diǎn)(bump bond)可以用于連接標(biāo)準(zhǔn)的耐久電座，所述耐久電座具有可實(shí)現(xiàn)的高速運(yùn)行容差。返回圖14，集成裝置的可擴(kuò)縮性延伸至可擴(kuò)縮的陣列區(qū)段和非常高的分辨率。在該高分辨率陣列中，利用本文所述的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)使得在整個(gè)陣列上的性能(周圍相對于中心)更均勻。應(yīng)當(dāng)明白，反應(yīng)器陣列和光極的大小和排列是相對靈活的。反應(yīng)器陣列部分和鄰近的分布區(qū)和處理區(qū)的分隔，可以在相對寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)大小，且每個(gè)部分相對于彼此可間隔不同的距離，以支持需要的總功能。示例性的分隔示出在圖14中。在圖14 (A)中，光極陣列部件201a連接至2個(gè)流體輸入部件202a和2個(gè)照射輸入部件203a。在圖14 (B)中，光極陣列201a部件連接至I個(gè)流體輸入部件202和I個(gè)照射輸入部件203a。在圖14(C)中，光極陣列部件201a沿著一個(gè)邊緣連接至流體輸入部件202a，并沿著另一個(gè)邊緣連接至照射輸入部件203a。盡管在多個(gè)方面，所述分析裝置被描述為以整體方式制造，使得所有集成的元件從最初制造進(jìn)同一個(gè)結(jié)構(gòu)中，但是從本文的描述應(yīng)當(dāng)理解，可以使用其它制造技術(shù)。在一些情況下，分別制造不同的部件，然后將分開的部件集成到單個(gè)集成裝置結(jié)構(gòu)中。例如，可以在分立的部件部分中制造傳感器元件，所述傳感器元件任選地包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件。同樣地，可以任選地與一個(gè)或多個(gè)光學(xué)部件一起，在分立的部件部分中制造反應(yīng)池。這2個(gè)分開的部分然后可以配合到一起，并聯(lián)接成單個(gè)集成裝置結(jié)構(gòu)，其中在第一部件部分中的傳感器元件與在第二部件部分中的反應(yīng)池適當(dāng)?shù)貙?zhǔn)。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述分析裝置采用模塊裝配技術(shù)。以此方式，可以根據(jù)需要連接、分離和重裝各個(gè)部件。例如，可以在實(shí)驗(yàn)過程中裝配反應(yīng)池陣列和波導(dǎo)和傳感器，然后分離，使得可以為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的建立而替換池陣列和波導(dǎo)。通過在半導(dǎo)體工業(yè)中用于連接不同部件的多種已知方法中的任一種，可以連接2個(gè)分立的部分。例如，可以如下連接2個(gè)平面部件例如，通過范德華力來連接，超聲焊接，熱退火，靜電，真空，或使用其它連接機(jī)制，例如，環(huán)氧化物粘結(jié)、粘合劑粘結(jié)等。適當(dāng)?shù)倪B接技術(shù)包括、但不限于機(jī)械的、化學(xué)的和離子的技術(shù)。如以上所討論的，在連接分開的部分時(shí)，可能希望連接這樣的部分，使得各個(gè)功能部件在所述部分之間對準(zhǔn)。例如，在總裝置意圖具有每個(gè)反應(yīng)池的專用傳感器元件的情況下，可能必須將包括傳感器元件的部分與包括反應(yīng)池的部分對準(zhǔn)，使得它們在光通信中對準(zhǔn)?？梢匀缦聦?shí)現(xiàn)對準(zhǔn)使用制造在部件部分上的結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)元件作為制造過程中的基準(zhǔn)(fiducial)，例如，在相對的表面、脊和槽等上的引腳和孔?；蛘?，在制造過程中，可以在部件部分上提供不同的活性區(qū)，使得在希望對準(zhǔn)的區(qū)域之間表現(xiàn)出吸引力。例如，可以在相對部件表面上布置互補(bǔ)的電荷區(qū)，以產(chǎn)生用于正確對準(zhǔn)的吸引力。同樣地，疏水區(qū)和親水區(qū)在相對基底表面上的布置，與水性連接過程一起，會(huì)產(chǎn)生自動(dòng)對準(zhǔn)過程，隨后進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^程步驟來去除在2個(gè)部分之間的任何殘余水分。在圖13D中示意性地圖解了該過程。如所示的，給2個(gè)基底902和904提供疏水區(qū)906，所述疏水區(qū)906布置在它們各自的表面上。應(yīng)當(dāng)理解，相對更親水的區(qū)域(例如，對應(yīng)于非疏水區(qū)910)也可以布置在所述基底上，正如多種其它表面處理一樣。布置這些區(qū)域，使得在相對基底上的區(qū)域的對準(zhǔn)會(huì)產(chǎn)生在這類基底內(nèi)的部件的對準(zhǔn)(步驟i)。將水層(示為小滴908)沉積在所述基底之一或二者的表面上，所述水層通常被疏水區(qū)排斥(步驟ii )。當(dāng)基底配合到一起時(shí)，所述水層與在相對基底上的對應(yīng)的非疏水區(qū)910對準(zhǔn)(步驟iii)。在正確對準(zhǔn)以后，去除水層，例如，通過常規(guī)的干燥機(jī)制(步驟iv)。得到的基底然后通過在它們各自表面上的化學(xué)上相似的(即，疏水的)區(qū)域之間的范德華力相連。根據(jù)該方法，也可以在連接2個(gè)裝置部件時(shí)容易地導(dǎo)入間隔元件，如圖13E所示。具體地，通過提供親水的或疏水的間隔部件，可以在粘結(jié)步驟中提供例如納米級間隔元件(例如，示于圖13D)。如所示的，在相對基底之間的水性膜內(nèi)，提供親水的間隔件。所述間隔件集中在親水區(qū)，并將這些區(qū)域聯(lián)接到一起，從而在粘結(jié)的產(chǎn)物中剩下空氣隙或空間914。另外，應(yīng)當(dāng)理解，也任選地或替代地使用疏水的間隔元件來與疏水區(qū)對準(zhǔn)，并通過疏水區(qū)形成粘結(jié)元件。所述間隔件可以任選地包括光學(xué)部件，諸如透鏡、指數(shù)匹配的材料、濾光器部件等，它們被整合在總裝置中，并在粘結(jié)過程中以自裝配的方式對準(zhǔn)。V.光學(xué)部件根據(jù)本發(fā)明，除了在單個(gè)分析裝置內(nèi)集成傳感器和反應(yīng)池元件以外，還可以在所述裝置內(nèi)包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)部件。集成的光學(xué)元件的實(shí)例包括、但不限于定向的光學(xué)元件，即，這樣的光學(xué)元件其改變光信號的方向，以將那些信號引導(dǎo)至或?qū)騻鞲衅髟蚱渌鈱W(xué)元件。這類元件包括，例如，反射鏡、棱鏡、光柵、透鏡等。作為實(shí)例，在某些情況下，將拋物線型反射器元件或微反射鏡集成到所述裝置中，以在給定的方向更有效地引導(dǎo)光信號(參見，例如，2009年9月25日提交的美國專利申請?zhí)?2/567，526，它通過引用整體并入本文中用于所有目的)。其它光學(xué)元件包括光譜元件，例如，改變光信號的光譜特征的元件，所述改變包括在不同的方向引導(dǎo)信號或信號集合的光譜分量，將信號分離成不同的光譜分量等。這些元件包括，例如，二向色鏡(dichroic)、濾光器、光柵或棱鏡，它們將給定的信號分離成光譜組分。在多個(gè)實(shí)施方案中，這類光學(xué)部件包括內(nèi)含式光學(xué)殼體，所述光學(xué)殼體有效地收集從反應(yīng)區(qū)發(fā)射出的光子信號，并在寬發(fā)射角分布范圍內(nèi)入射，將那些信號導(dǎo)向指定的一個(gè)或多個(gè)傳感器元件。這類自容納式殼體通常會(huì)將大量從反應(yīng)區(qū)發(fā)射的光子捕集在室內(nèi)，消除反應(yīng)池或區(qū)域之間的串?dāng)_(所述串?dāng)_否則會(huì)源自進(jìn)入鄰近的傳感器元件的散射信號)，減少泄漏電流(因?yàn)樗鰝鞲性梢灾圃斓梅浅Ｐ?，減少在每個(gè)光學(xué)室內(nèi)的散射路徑和散射元件，并減少自發(fā)熒光(由于大幅減少的光程量和消除的自由空間區(qū)域)。圖15圖解了在本發(fā)明的多個(gè)方面，來自反應(yīng)池的光信號的一般性質(zhì)。如所示的，所述反應(yīng)池或區(qū)域包括設(shè)置在基底204上的非常小體積的反應(yīng)區(qū)，諸如零模波導(dǎo)(ZMW)，例如，ZMW 202。如在分解圖中所示，ZMW包括貫穿包覆層210設(shè)置的未填充的核心206或孔，所述包覆層210通常包括金屬膜層。如在例如美國專利號6，917，726和7，486，865 (它們的整個(gè)內(nèi)容并入本文中用于所有目的)中所述，示例性的零模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有足夠小的尺寸，使得大于進(jìn)入波導(dǎo)核心208的截止頻率的光不會(huì)傳播穿過核心，但是表現(xiàn)出通過核心的逐漸消失的衰減。這允許僅有效地照射在開口處的ZMW的體積(通過在核心206內(nèi)的虛線來示意性地圖解)，并收集在相同體積內(nèi)發(fā)生的任何光發(fā)射。結(jié)果是，允許激發(fā)設(shè)置在核心開口處(例如，在透明的基部層上)的單個(gè)分子并收集來自單個(gè)分子的熒光發(fā)射。來自反應(yīng)池或所示的ZMW 202的光信號以朗伯(Lambertian)分布發(fā)射，如箭頭212所示。表現(xiàn)出該特性的信號的有效捕獲，可能需要定向光學(xué)部件來將所述信號重新導(dǎo)向至檢測器，或需要提供與該信號特性的半球表面匹配的檢測器。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案，在所述裝置內(nèi)、具體地在基底內(nèi)提供光學(xué)室，以有效地捕集光信號并引導(dǎo)至集成的傳感器元件。在圖16中示意性地圖解了該方面。如所示的，提供了反應(yīng)池或區(qū)域，諸如ZMW 302，其設(shè)置在基底層304的上面。檢測器306設(shè)置在基底層的相對表面上或附近，所述基底層通常包括多個(gè)傳感器元件，例如，傳感器元件308和310。在基底中提供光隧道312或?qū)Ч?，以將來自反?yīng)池302的光信號更有效地傳遞至傳感器元件308和310。所述光隧道通常包含反射材料，諸如集成的金屬壁層314，其在所述隧道內(nèi)容納光信號，或它包含具有充分不同的折射指數(shù)的材料，所述材料通過全內(nèi)反射將光信號維持在所述隧道內(nèi)。如所示的，還可以在檢測器層306或在它上面的氧化物或其它絕緣體層內(nèi)，提供傳感器的其它部件，諸如電互連器316和總線318。通過在半導(dǎo)體制造工藝中經(jīng)常使用的多種制造工藝，可以制造這些具有集成的光隧道的裝置。例如，可能采用多個(gè)工藝來在反應(yīng)池和傳感器元件之間的中間層內(nèi)制造反射金屬隧道。在一個(gè)示例性的工藝中，將光隧道部分制造在檢測器和傳感器元件或它們的部分的上面。為了參考和容易討論，圖17示意性地圖解了 CMOS傳感器(其基于顏色辨別進(jìn)行檢測)的2個(gè)像素元件的典型結(jié)構(gòu)。如所示的，總結(jié)構(gòu)400包括硅光電二極管元件402和404，它們對應(yīng)于總傳感器或照相機(jī)的每個(gè)像素。在所述傳感器元件上提供多個(gè)額外的層，包括絕緣的氧化物層406、氮化物層408、任選的濾色器層410，所述濾色器層410包括不同的光譜濾光器410a和410b，以將光譜上不同的信號分配給不同的像素、氧化物層412和微透鏡層414。為了容易討論本發(fā)明的內(nèi)容部分，提供前述討論。在本發(fā)明中使用的CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)，或甚至采用的傳感器的類型，包括、但不限于CM0S傳感器、CCD等。盡管圖17圖解了基于顏色辨別進(jìn)行檢測的檢測器結(jié)構(gòu)，但是從本文的描述應(yīng)當(dāng)理解，可以采用其它檢測技術(shù)。圖18和19示意性地圖解了光隧道的一個(gè)示例性的結(jié)構(gòu)和制造過程。如圖18所示，金屬隧道502包括一系列金屬層，其中每個(gè)層提供環(huán)形環(huán)或邊框(border)504和506，所述環(huán)形環(huán)或邊框504和506具有遞增的橫截面，使得這些層共同地限定會(huì)聚性的金屬隧道，所述隧道將來自反應(yīng)池510的光引導(dǎo)至傳感器元件508。圖19提供了用于制造圖18所示的結(jié)構(gòu)的示意性工藝流程。如步驟(i)所示，提供了一個(gè)示例性的傳感器陣列，其中示出了設(shè)置在基底層512上的僅單個(gè)光傳感器像素508，在它上面設(shè)置有絕緣的氧化物層514。在步驟(ii)中，將抗性層516設(shè)置在絕緣體層514的上面，以允許在步驟(iii)中所示的在絕緣體層514中的部分蝕刻，例如，在時(shí)間或深度受控的蝕刻工藝中。在步驟(iv)中，將第二抗性層518設(shè)置在蝕刻的表面上，以提供光隧道的中央部分的掩蔽。在步驟(V)中，共形的金屬沉積步驟(例如，蒸發(fā))然后會(huì)為光隧道提供第一金屬環(huán)或邊框504。然后在步驟(vi)中，在所述結(jié)構(gòu)上生長或沉積氧化物層522。在步驟(vii)中，重復(fù)該工藝，以沉積后續(xù)的金屬環(huán)層506和氧化物層524。應(yīng)當(dāng)理解，可以進(jìn)一步重復(fù)該工藝，以給金屬隧道502提供額外的層。應(yīng)當(dāng)明白，類似的步驟和工藝可以用于生產(chǎn)本文所述的任意裝置和部件。可以采用類似的制造工藝，以提供從反應(yīng)池至傳感器元件的更高折射指數(shù)(IR)材料隧道，或提供包括高IR隧道部件和反射(例如金屬)光隧道的雜合體的裝置。圖20提供了具有更高IR材料栓的裝置的示意圖，所述栓提供在位于檢測器和反應(yīng)池之間的中間基底層中。如所示的，總結(jié)構(gòu)600包括檢測器基底602，所述基底602具有設(shè)置在它上面的傳感器元件，諸如硅光傳感器604。氧化物絕緣層606設(shè)置在檢測器基底上面。給層608和610提供具有更高折射指數(shù)的區(qū)域612。這些區(qū)域具有與周圍的基底材料相比足夠高的IR，使得它們將光傳遞至檢測器，這通過在更高的IR區(qū)內(nèi)維持全內(nèi)反射來實(shí)現(xiàn)。作為實(shí)例，如果高IR區(qū)具有例如2. 04的IR，諸如在氮化硅栓的情況下，所述氮化硅栓設(shè)置在具有I. 64的IR的中間層(例如，如二氧化硅)中并與其交界，會(huì)導(dǎo)致以小于30度照射該界面的任何光的全內(nèi)反射。從本文的描述顯而易見，多種方法可用于提供精確地定位在基底層608和610內(nèi)的高IR區(qū)，包括、但不限于，蝕刻并繼之以氮化物沉積，例如，液相化學(xué)氣相沉積(LPCVD)?？梢栽谘b置的制造中包括其它指數(shù)遷移材料，包括、例如，摻雜的二氧化硅材料，例如，納米晶體摻雜的部件或材料(參見，例如，美國專利申請?zhí)?007-0034833，它的所有公開內(nèi)容通過引用整體并入本文中用于所有目的)，和/或空氣或其它氣體填充的間隙或空間，以提供指數(shù)失配來引導(dǎo)光信號。如圖20所示，在較靠近反應(yīng)池618處提供任選的額外金屬壁部件616，例如，如上面關(guān)于圖18所述。這允許以小于高IR區(qū)和周圍基底的界面的臨界角的角度(例如，就示例性的氮化硅/氧化硅界面而言，小于30度)，將來自反應(yīng)池的光信號導(dǎo)入高IR區(qū)中，并減少所述裝置的鄰近部分之間串?dāng)_的可能性(如虛線箭頭示意性所示)。應(yīng)當(dāng)理解，因?yàn)楸景l(fā)明的裝置通常適合使用標(biāo)準(zhǔn)的整體半導(dǎo)體制造技術(shù)來制造，所述裝置的制造可以并入檢測器所用的多個(gè)功能部件，例如，CMOS傳感器陣列所用的電互連器和總線、以及光學(xué)部件(光隧道、透鏡、反射鏡等)和甚至反應(yīng)池本身，例如，金屬包覆的ZMW。另外，使用相同的或類似的工藝，可以集成其它功能元件，包括、例如，可以集成到總裝置結(jié)構(gòu)中的微流體元件，和照射部件，例如，用于將激發(fā)照射遞送至反應(yīng)池。也如以前指出的，盡管通常以單個(gè)或幾個(gè)反應(yīng)池和相關(guān)的集成光學(xué)部件和傳感器的方式來解釋，但是應(yīng)當(dāng)理解，本文提供的解釋和描述適用于這樣的反應(yīng)池的遠(yuǎn)遠(yuǎn)更大的陣列。具體地，這樣的裝置通常可以已經(jīng)在單個(gè)裝置中集成了超過約1000個(gè)分立的反應(yīng)池和相關(guān)的光學(xué)部件和傳感器。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述集成裝置包括在選自下述的范圍內(nèi)的多個(gè)反應(yīng)池約1000至約100萬、約2000至約100萬、約1000至約100，000、約100，000至約100萬、約100萬至約1000萬、和超過1000萬?？赡芟Ｍ谛枰挠猛緛磉x擇反應(yīng)池的數(shù)目。例如，所述裝置可以包括約1000至約100，000個(gè)池(對于臨床試驗(yàn))、約100,000至約1，000, 000 (對于診斷實(shí)驗(yàn)室)或超過約1，000, 000 (對于高處理量研究)。根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)反應(yīng)池可以具有與其相關(guān)的單個(gè)傳感器元件或像素，或它可以具有與其相關(guān)的多個(gè)傳感器元件或像素(尤其在保證光譜分離、方向和單獨(dú)檢測的情況下)。同樣地，每個(gè)反應(yīng)池可以優(yōu)選地具有與它相關(guān)的它自己的專用的集成光學(xué)部件。在一些情況下，多個(gè)反應(yīng)池可以共用集成的光學(xué)部件，例如，以施加標(biāo)準(zhǔn)的過濾，以將照射施加于多個(gè)池等，且通常另外加上一個(gè)或多個(gè)專用的光學(xué)部件。如上所述，在一些情況下，在集成的裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)包括照射光學(xué)部件。這些光學(xué)部件可以包括真實(shí)的照射源，例如，LED、固態(tài)激光器部件等，和/或它們可以包括光導(dǎo)管，所述光導(dǎo)管用于將來自內(nèi)部或外部光源的激發(fā)照射傳輸至反應(yīng)池。特別優(yōu)選的光導(dǎo)管的實(shí)例包括波導(dǎo)，所述波導(dǎo)集成在與反應(yīng)池鄰近的基底中。這樣的照射導(dǎo)管的實(shí)例以前已經(jīng)描述在，例如，公開的美國專利申請?zhí)?008-0128627中，它的所有公開內(nèi)容通過引用整體并入本文中用于所有目的。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述照射源可逆地光學(xué)地聯(lián)接至照射端口?！翱赡娴毓鈱W(xué)地聯(lián)接”是指，可以去除在功能上與另一個(gè)元件聯(lián)接的一個(gè)元件。換而言之，所述聯(lián)接不是永久性的。如本文使用的，例如，可以使照射源與照射端口相連和斷開。如以前指出的，在所述裝置內(nèi)的光學(xué)腔(optical cavity)可以用于多種用途，這取決于用途的性質(zhì)和裝置的體系結(jié)構(gòu)。例如，這樣的間隙或空間可以用于光學(xué)元件鏈中，以給檢測器或傳感器元件提供額外的信號通道?；蛘?，這些間隙可以提供照射導(dǎo)管，用于將照射輻射遞送至反應(yīng)池。VI.檢測器部件如以前指出的，在一些用途中，可能希望辨別不同的信號分量，例如，以鑒別已經(jīng)發(fā)生的反應(yīng)，并鑒別該反應(yīng)的參與物。作為實(shí)例，在核酸測序的情況下，可以給不同的核苷酸提供不同的光學(xué)標(biāo)記基團(tuán)，從而不僅允許檢測聚合反應(yīng)，而且允許鑒別在該聚合反應(yīng)中摻入的核苷酸的具體類型。因此，可能希望在本發(fā)明的裝置和/或系統(tǒng)內(nèi)包括辨別不同的信號分量的能力。在一些光學(xué)系統(tǒng)中，可以如下實(shí)現(xiàn)辨別不同的信號分量的能力通過使用例如不同的濾光的光學(xué)元件鏈，或包括色散性的光學(xué)元件以將信號的不同光譜分量差別地引導(dǎo)至不同檢測器或給定檢測器陣列的不同區(qū)域。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)被構(gòu)造成用于基于其它檢測技術(shù)的檢測和辨別。所述檢測裝置和方法的多個(gè)方面與在下述文獻(xiàn)中描述的那些類似2005年8月11日提交的美國專利公開號2007/0036511,2005年8月11日提交的美國專利公開號2007/0036511,2007年9月27日提交的美國專利公開號2008/0080059，2007年8月31日提交的美國專利公開號2008/0128627，2008年5月9日提交的美國專利公開號2008/0283772，2007年9月14日提交的美國專利公開號2008/0277595，和2009年9月15日提交的美國專利公開號2010/0065726，和美國專利號7，626，704,7, 692，783,7, 715，001和7，630，073，所述申請和專利的整個(gè)內(nèi)容通過該引用并入本文中用于所有目的。在集成裝置的背景下，通常會(huì)減少用于信號分量的差別引導(dǎo)的可用空間。類似地，在將單個(gè)傳感器元件指定給反應(yīng)池的情況下，可能無法將不同的分量指定給不同的檢測器。集成裝置可以包括定向部件和/或?yàn)V光器部件，它們將信號的不同光譜分量選擇性地引導(dǎo)至所述裝置內(nèi)的不同的鄰近的像素或傳感器。作為實(shí)例，給定的反應(yīng)池和它的相關(guān)的光學(xué)元件鏈可以包括與它相關(guān)的多個(gè)單個(gè)傳感器元件，例如，像素。在光學(xué)元件鏈內(nèi)包括定向部件，所述定向部件將光譜上可辨別的信號分量引導(dǎo)至不同的傳感器元件或傳感器元件集合。這類部件的實(shí)例包括棱鏡、光柵或可以重新引導(dǎo)和分離信號分量的其它色散元件。這類部件在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用，描述于，例如，公開的美國專利申請?zhí)?008-0226307，它的所有公開內(nèi)容通過引用整體并入本文中用于所有目的。除了這類定向元件以外，或作為這類元件的替代，可以給多個(gè)傳感器元件提供過濾光學(xué)部件，所述過濾光學(xué)部件允許僅單個(gè)信號類型到達(dá)特定傳感器元件。每個(gè)傳感器被不同地濾光，以允許它檢測特定信號分量，從而允多色區(qū)分。具體地，為在給定的反應(yīng)池的專用光學(xué)元件鏈內(nèi)的多個(gè)傳感器元件中的每一個(gè)提供濾光器，所述濾光器允許來自反應(yīng)池的總信號的一個(gè)分量狹窄地穿過。例如，與給定的核苷酸摻入事件相關(guān)的信號會(huì)穿過在第一像素元件上的濾光器，但是被在3個(gè)其它鄰近的像素元件上的濾光器拒絕。為給定用途的給定信號分量，選擇在每個(gè)傳感器上的每個(gè)不同的濾光器層。此外，每個(gè)反應(yīng)池可以具有
1、2、3、4或更多個(gè)像素元件，所述像素元件專用于接收來自該反應(yīng)池的信號。在一些情況下，5、10、20、50或甚至100個(gè)或更多個(gè)像素可以服務(wù)于給定的反應(yīng)池。通?？梢栽谑褂贸Ｒ?guī)CMOS制造工藝制造總集成裝置或基礎(chǔ)傳感器元件的過程中沉積可調(diào)濾光器層，即在不同像素或像素集合上提供不同的濾光器。同樣地，二色性濾光器同樣適合制造/設(shè)置在傳感器元件上，以拒絕任何潛在的激發(fā)照射。替代性地，或除了選擇性引導(dǎo)/過濾來自反應(yīng)池的輸出信號以外，通過檢測響應(yīng)于特定激發(fā)事件的輸出信號，也可以區(qū)分信號分量。具體地，如果響應(yīng)于對給定的信號發(fā)生器(例如，熒光標(biāo)記)特異性的激發(fā)輻射而接受信號，可以假定所述標(biāo)記是存在的。通過調(diào)節(jié)或交錯(cuò)激發(fā)照射，所述激發(fā)照射跨具有不同激發(fā)光譜(或不同的激發(fā)/發(fā)射譜)的多個(gè)熒光團(tuán)的激發(fā)光譜，可以鑒別熒光團(tuán)集合中的任一個(gè)存在于反應(yīng)池中的時(shí)間。通過將發(fā)射的信號與給定的激發(fā)事件相關(guān)聯(lián)，可以鑒別發(fā)生該信號的熒光團(tuán)。該過程的實(shí)例描述于公開的美國專利申請?zhí)?009-0181396，它的所有公開內(nèi)容通過引用整體并入本文中用于所有目的。應(yīng)當(dāng)理解，使照射的定時(shí)、檢測器的幀率和熒光團(tuán)的衰減時(shí)間匹配，以提供每個(gè)不同信號事件的最佳可檢測性，而不使不同的事件相互滲透，同時(shí)也允許在檢測器的給定幀捕獲事件過程中的充分取樣，以致于不錯(cuò)失單個(gè)事件。在一個(gè)示例性的過程中，包括多種不同的被標(biāo)記物質(zhì)(例如，不同的被標(biāo)記核苷酸)的給定用途包括，在它們的激發(fā)光譜方面存在差異的標(biāo)記。用不同波長的激發(fā)源反復(fù)照射反應(yīng)混合物，會(huì)提供不同標(biāo)記的激發(fā)之間的時(shí)間分離。通過使發(fā)射的信號與不同的激發(fā)波長之一相關(guān)聯(lián)，可以隨著信號從給定的標(biāo)記發(fā)出而解釋所述信號。在實(shí)施中，可以高頻率地在多種不同的激發(fā)源中循環(huán)，并同樣高頻率地檢測相關(guān)的發(fā)射。這在圖21A、21B和21C中示例。如圖21A所示，以交錯(cuò)的方式脈沖不同的激發(fā)源。在圖21B中示出了這類脈沖的示例性的時(shí)間量程，以及可檢測的物質(zhì)的對應(yīng)的預(yù)期停留時(shí)間和將從那些物質(zhì)發(fā)出的預(yù)期信號。也示出了在給定的幀內(nèi)的像素集成，所述幀包括在不同的激發(fā)脈沖中的多個(gè)循環(huán)。圖21C示出了來自被標(biāo)記反應(yīng)物的信號的模擬集成和檢測(圖的左半)和被標(biāo)記反應(yīng)物的缺失(圖的右半)，甚至在有高噪音水平存在下(以O(shè). 5電子/樣品和6樣品/幀的信號和I電子背景進(jìn)行脈沖提取)。根據(jù)本發(fā)明，集成的智能像素可以用于不同信號元件的有效檢測和區(qū)分，所述信號元件可以從前述內(nèi)容得到。在圖22中提供了像素設(shè)計(jì)的一個(gè)示意圖。如所示的，包括光電二極管1102的像素包括4個(gè)集成的存儲(chǔ)元件1104，其中的每個(gè)可以通過單獨(dú)的激發(fā)源的活化而電子地門控。在這樣的情況下，受調(diào)節(jié)的控制器元件可以聯(lián)接至檢測器和激發(fā)照射源，以使照射和存儲(chǔ)事件同步化。結(jié)果，每個(gè)存儲(chǔ)元件將與給定的激發(fā)事件和隨后的發(fā)射事件相關(guān)聯(lián)，使得每個(gè)不同類型的激發(fā)事件的檢測信號傳遞至不同的存儲(chǔ)元件。除了與分立的激發(fā)事件相關(guān)聯(lián)以外，可以將額外的關(guān)聯(lián)預(yù)先編程進(jìn)這類系統(tǒng)中。例如，在激發(fā)事件和發(fā)射譜之間的任意延遲(例如，對于給定類型的標(biāo)記基團(tuán))可以預(yù)先編程進(jìn)像素中，從而在檢測事件中考慮進(jìn)這類延遲。同樣地，可以在激發(fā)過程的中間階段期間關(guān)閉所有存儲(chǔ)元件，以避免任何噪音貢獻(xiàn)，減慢一些信號的衰減速率等。如所示的，且應(yīng)當(dāng)理解，也包括常規(guī)的邏輯元件、放大器等。圖22的示例性的像素檢測器包括引導(dǎo)邏輯(steering logic)和多個(gè)積分節(jié)點(diǎn)。所述節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)地運(yùn)行，或在光學(xué)積分階段中轉(zhuǎn)換。光電二極管1102連接至多個(gè)積分和處理節(jié)點(diǎn)1104。這些節(jié)點(diǎn)通常經(jīng)由傳輸門(TXn)連接至光電檢測器。在耗竭模式，當(dāng)將低電壓施加于所述門時(shí)，這些通路是非傳導(dǎo)的(即開放的)。但是，當(dāng)施加高電壓(例如比晶體管閾值電壓高幾kT)時(shí)，在節(jié)點(diǎn)和光電檢測器之間產(chǎn)生傳導(dǎo)路徑。在多個(gè)實(shí)施方案中，獨(dú)立地復(fù)位每個(gè)積分節(jié)點(diǎn)，以在傳輸操作之前從它的電路中清除以前的電荷。盡管示例性的光電檢測器使用CMOS、NMOS或PMOS技術(shù)，可以替代任何MISFET、BJT或其它開關(guān)電路元件，而不改變公開的基本運(yùn)行。多個(gè)積分節(jié)點(diǎn)在普通光電檢測器上的應(yīng)用，可以用于分離多個(gè)原因的光電荷事件。在多個(gè)實(shí)施方案中，將檢測器構(gòu)造成豎直檢測器，由此使所述檢測器中的光子的吸收深度與它的能量水平相關(guān)聯(lián)。在檢測器的不同深度處具有多個(gè)收集節(jié)點(diǎn)，會(huì)提供一種通過對比信號的相對強(qiáng)度和吸收深度來測定入射照射的顏色的方法。在該情況下，通常所有的傳輸門同時(shí)活動(dòng)，且通過傳輸門活動(dòng)持續(xù)時(shí)間可以控制光學(xué)積分時(shí)間。基于以前的事件，每個(gè)積分時(shí)間可以是不同的，以基本上均衡或延伸運(yùn)行動(dòng)態(tài)范圍。在多個(gè)實(shí)施方案中，光子向規(guī)則的或同步化的事件的到達(dá)時(shí)間或共振相位，可以用于分類信號的種類。如果每個(gè)信號是響應(yīng)于不同的輸入刺激，可以以規(guī)則且序貫的方式施加刺激。通過用獨(dú)特的積分節(jié)點(diǎn)同步化所述刺激，可以確定種類。如果存在響應(yīng)于所述刺激(線性調(diào)頻脈沖的、掃頻的、恒定的)的頻率調(diào)制的滯后，通過適當(dāng)?shù)匮舆t傳輸門至具有來自所述刺激的同相信號的每個(gè)積分節(jié)點(diǎn)，可以檢測該相位裕量。在每個(gè)這樣的情況下，來自每個(gè)積分節(jié)點(diǎn)的相對響應(yīng)可以用于確定地鑒別和分類種類。應(yīng)當(dāng)明白，通過存儲(chǔ)多個(gè)可具有時(shí)間重疊的子幀樣品，該體系結(jié)構(gòu)也可以用于測定高速事件(子幀速率)。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述檢測器包括在像素內(nèi)的局部存儲(chǔ)器，以實(shí)現(xiàn)高速爆發(fā)收集。VII.總分析系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向圖23和圖24，大量光學(xué)分析(包括本文所述的那些)利用共同的總分析系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，通常指定為30。盡管系統(tǒng)30的部件和配置可以變化，但是在多個(gè)實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)具有在圖23和圖24中不為框圖的一般結(jié)構(gòu)。在多個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及可擴(kuò)縮的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，其使用通常指定為32的分析組件。如所示的，所述示例性系統(tǒng)另外包括樣品遞送組件33和處理系統(tǒng)35。在圖23中，所述示例性系統(tǒng)包括集成的樣品遞送系統(tǒng)。所述示例性的樣品遞送系統(tǒng)30包括樣品37和樣品遞送裝置39，諸如流控系統(tǒng)。所述樣品遞送系統(tǒng)將樣品遞送至分析組件。微流體通路在所述裝置上的添加，可以減小樣品和試劑體積，并改善試劑向所述裝置的流動(dòng)的控制。示例性的分析系統(tǒng)30包括多個(gè)與上述的光極類似的分析裝置，通常指定為40。2個(gè)或更多個(gè)分析裝置集合成分析組42。所述分析組可以是集成單元，所述集成單元具有通過局部流控部件、光子部件和檢測部件相連的一個(gè)或多個(gè)分析裝置。在多個(gè)方面，分析裝置40和分析組44在某種程度上與“光極”或“光極陣列”可互換地使用。
分析裝置40通常被構(gòu)造成用于上述的光學(xué)分析和數(shù)據(jù)采集。每個(gè)分析組又任選地被構(gòu)造成用于來自各個(gè)分析裝置的數(shù)據(jù)的壓縮、數(shù)字化和串行化。在多個(gè)實(shí)施方案中，分析裝置的數(shù)目和類型與要執(zhí)行的分析功能相對應(yīng)。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)包括比分析組更多的分析裝置。在多個(gè)實(shí)施方案中，分析裝置的數(shù)目與要測序的堿基對的數(shù)目相對應(yīng)。系統(tǒng)30提供了在分析組件下游的處理系統(tǒng)30，其用于處理和解讀數(shù)據(jù)。所述示例性的處理系統(tǒng)包括多個(gè)任選的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)塊46和特定用途集成電路(ASIC)47，它們又聯(lián)接至一個(gè)或多個(gè)分析組。每個(gè)處理組件被構(gòu)造成用于粗堿基調(diào)用和任選的功能，諸如脈沖寬度控制。示例性系統(tǒng)30另外包括中央處理單元(CPU) 49，其用于處理數(shù)據(jù)和控制總系統(tǒng)。所述CPU任選地連接至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，諸如固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備。在示例性系統(tǒng)30中，所述分析組件是集成的且自容納式的。在多個(gè)實(shí)施方案中，總系統(tǒng)形成為集成系統(tǒng)，所述總系統(tǒng)包括分析系統(tǒng)、樣品遞送系統(tǒng)、處理系統(tǒng)和其它部件中的一個(gè)或多個(gè)。在多個(gè)方面，所述分析系統(tǒng)利用與在’235申請(在上面并入)和上面的光極陣列描述中公開的類似的集成裝置。系統(tǒng)元件的集合，通常允許使用商業(yè)上可行的生產(chǎn)方法，所述方法具有共同的I/O和局部處理，用于數(shù)據(jù)簡化。從本文的描述會(huì)明白，本發(fā)明的不同方面涉及建立可擴(kuò)縮的體系結(jié)構(gòu)的方法，其中以平行的方式傳輸數(shù)據(jù)，以提供摻入事件的樣品區(qū)段時(shí)序數(shù)據(jù)。從在多個(gè)平行的低成本商業(yè)通路(諸如低電壓差分信號傳遞(LVDS)(例如ANSI-644))上的集成分析裝置40，輸出所述數(shù)據(jù)。該示例性的方案可以使輸入/輸出墊最小化，以提供低成本，并容易地生產(chǎn)與多個(gè)現(xiàn)成的質(zhì)量測試座(例如ATE座)相容的系統(tǒng)。在多個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)LVDS輸出可以連接至數(shù)字信號處理塊，以在嵌入的處理板中維持傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流處理。圖23的示例性系統(tǒng)被構(gòu)造成用于基因組測序。在實(shí)施中，通常將樣品遞送至分析裝置40，用于數(shù)據(jù)采集。將收集的數(shù)據(jù)傳送至分析組40，然后由處理系統(tǒng)35進(jìn)行處理。所述總系統(tǒng)具有使得所述系統(tǒng)可以有效地縮放的模塊設(shè)計(jì)。因?yàn)樗鱿到y(tǒng)包括從分析裝置至處理的確定數(shù)據(jù)通路，通過添加部件可以簡單地放大所述系統(tǒng)。在示例性系統(tǒng)中，處理系統(tǒng)35是耐用的照相機(jī)板(例如FPGA)。在所述照相機(jī)板中嵌入了平行的處理功能，并執(zhí)行堿基調(diào)用和格式化功能。所述照相機(jī)板對從分析裝置輸出的數(shù)據(jù)執(zhí)行這些功能。在示例性實(shí)施方案中，使照相機(jī)板與在每個(gè)分析裝置處的單個(gè)元件事件同步化。通過在嵌入的照相機(jī)板處格式化數(shù)據(jù)，可以用第三方軟件、專有的內(nèi)部例程或其組合執(zhí)行下游處理(通常稱作“二次分析”)。示例性的集成系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在板水平的數(shù)據(jù)簡化可以產(chǎn)生將該數(shù)據(jù)文件傳輸至遙遠(yuǎn)位置用于進(jìn)一步處理或存檔的能力。在所述示例性系統(tǒng)中，上游分布式處理和局部數(shù)據(jù)流處理允許便攜式測序系統(tǒng)用于低多路復(fù)用和分布式基因組數(shù)據(jù)處理。例如，小實(shí)驗(yàn)室可以能夠按每次使用情況采用計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備的服務(wù)。從本文的描述會(huì)明白，通過數(shù)據(jù)采集和處理功能的模塊性，可以實(shí)現(xiàn)這些和其它優(yōu)點(diǎn)。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述分析裝置或裝置40是一種集成的便攜式裝置，其被構(gòu)造成用于局部數(shù)據(jù)流處理。在一個(gè)實(shí)施例中，一次性使用的分析系統(tǒng)包括60，000個(gè)單獨(dú)的分析裝置元件，它們被集合在小于約1_2的面積中?？梢栽谘b置外面準(zhǔn)備樣品，并經(jīng)由微型流控通道(例如，流體遞送系統(tǒng)33)導(dǎo)入裝置中。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述分析陣列包括局部的、集成的部件，包括、但不限于流控系統(tǒng)、電源、照射系統(tǒng)、檢測器、處理電路、控制器、弓丨導(dǎo)邏輯和電聯(lián)接件中的至少一個(gè)。所述示例性裝置包括便攜式的芯片上的電池供電的光源(即LED或激光)，且單個(gè)FPGA可以處理數(shù)據(jù)流(例如65，OOO個(gè)樣品，平均25個(gè)堿基/秒)?？梢哉{(diào)節(jié)本文所述的檢測方法以維持帶寬，其中單個(gè)LVDS通路與FPGA交界，且可以從FPGA輸出給外部分析設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的PC接口。在多個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)30包括選自下述的光極40的數(shù)目超過或等于約1000個(gè)光極，超過或等于約100，000個(gè)光極，和超過或等于約1，000, 000個(gè)光極。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)包括約1000至約100，000個(gè)、約100，000至約1，000, 000個(gè)或超過100萬個(gè)光極40。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)包括超過1000個(gè)形成在單個(gè)LVDS芯片上的光極。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)包括多個(gè)芯片，每個(gè)芯片包括多個(gè)光極。圖24的示例性系統(tǒng)與圖23的系統(tǒng)基本上類似。在圖24中，所述示例性系統(tǒng)包括光極陣列40，所述光極陣列40被構(gòu)造成以非常平行的方式感知測序數(shù)據(jù)。這些事件中的每一個(gè)是異步的。在所述裝置中的電路可以用于將這些隨機(jī)的事件對準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘，且可以排定所述序列從而以系列的或平行的同步方式讀出芯片上的數(shù)據(jù)?？梢詧?zhí)行堿基調(diào)用的某種測定水平，或者，可以輸出來自每個(gè)通路的原始數(shù)據(jù)。使用局部時(shí)基來提供選項(xiàng)，以計(jì)算脈沖的持續(xù)時(shí)間和事件之間的時(shí)間。圖24的示例性系統(tǒng)是使用數(shù)據(jù)簡化的全管道體系結(jié)構(gòu)，其具有在上游的遞增水平的信號聚集和在下游的共同處理。將共同樣品37施加于多個(gè)光極元件40，在光極元件40處同時(shí)地或基本上同時(shí)地執(zhí)行平行的取樣操作。這些取樣操作可以以同步的或異步的方式來進(jìn)行。數(shù)據(jù)是從每個(gè)樣品碎片獲取的原始信號。在多個(gè)實(shí)施方案中，在該水平處理所述數(shù)據(jù)。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述數(shù)據(jù)處理包括噪音減小、信號放大和/或聚集成事件和基于程序化規(guī)則的預(yù)分類。這些操作通常不需要來自其它數(shù)據(jù)采集元件的信息。將數(shù)據(jù)傳遞至流水線中的下一階段，在這里合并元件組42。元件的這種組合的益處包括共用處理電路的成本減小，對比鄰近元件的增強(qiáng)的性能(例如串?dāng)_減少)的能力，和進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理(例如數(shù)字化、緩沖和同步化或串行化)以提高下游效率的能力。通過信號脈沖來表征每個(gè)測序事件。共用處理電路在組水平42的應(yīng)用，可以將事件驅(qū)動(dòng)的來自光極元件40的數(shù)據(jù)提煉成高置信度事件脈沖，以用于在下游操作中分類。在多個(gè)實(shí)施方案中，將含有信息(包括暫時(shí)啟動(dòng)和結(jié)束時(shí)間、信號強(qiáng)度和其它特征分類器)的脈沖傳輸至芯片外(Off-Chip)電路。芯片上電路的應(yīng)用會(huì)增加測序芯片的成本，將一些數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫酒夂蜏p少數(shù)據(jù)的量，通常會(huì)提供成本益處。通過以組合的和連續(xù)的形式(數(shù)字的和/或模擬的)傳輸數(shù)據(jù)，會(huì)減少輸入/輸出(I/O)路徑，這會(huì)增加芯片產(chǎn)量和降低成本。連續(xù)的芯片-至-芯片或芯片-至-板通信的一個(gè)常見方案是，經(jīng)由LVDS信號傳遞標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了低電壓差分層來傳輸任意的數(shù)據(jù)格式。所述LVDS標(biāo)準(zhǔn)常用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，諸如用于USB協(xié)議中。通過將數(shù)據(jù)傳輸至照相機(jī)板，可以執(zhí)行增強(qiáng)的信號處理。該板水平處理可以利用商業(yè)的裝置，諸如微處理器、數(shù)字信號處理(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)以及其它部件。這些裝置可以平行地設(shè)置，以基于合計(jì)脈沖水平信息來分類事件，從而增加處理量。可以采用這樣的算法來提高性能所述算法通過針對以前的數(shù)據(jù)運(yùn)行進(jìn)行訓(xùn)練或通過用流式傳輸數(shù)據(jù)調(diào)諧來增加有效性。通過使用包括脈沖之間的時(shí)間、每色信號的相對強(qiáng)度和其它特征分類器在內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以確定代表摻入聚合物中的試劑的種類的具體符號。另外，基于針對模型化的和測得的數(shù)據(jù)的相對擬合，可以估測該測定的確定性。在計(jì)算機(jī)49中的下游處理可以利用該測定確定性水平來更好地執(zhí)行分離的數(shù)據(jù)流的對準(zhǔn)和裝配成完整的序列集?？梢匝由焓纠缘捏w系結(jié)構(gòu)，以在單個(gè)裝置或芯片上包括與圖24的格式類似的塊的陣列?？梢詫⒍鄠€(gè)分立的樣品獨(dú)立地應(yīng)用于處理傳感器的每個(gè)庫，或可以將共同樣品延伸至該更高的多路以實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)行。以此方式，所述體系結(jié)構(gòu)會(huì)以高置信度水平提供可擴(kuò)縮性和高處理量。另外，使用嵌入式電路來運(yùn)行在光極陣列40下游的數(shù)據(jù)，會(huì)提供多個(gè)優(yōu)點(diǎn)?？梢允顾鲭娐肥强蓸?gòu)造的，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)用途(即DNA、RNA、蛋白組學(xué))、支持?jǐn)?shù)據(jù)處理例程的現(xiàn)場升級或系統(tǒng)樣品或化學(xué)的變化?？梢詫@些數(shù)據(jù)流進(jìn)行更高階分析(即高程度地追蹤至堿基，初始對準(zhǔn)例程)。通過沿著裝置多路分隔維持流水線，整個(gè)系統(tǒng)是可擴(kuò)縮的。如果添加額外的組，則相應(yīng)地添加額外的嵌入核心。因而，通過修改常規(guī)部件和按照描述集成它們，系統(tǒng)可以能夠在小包裝件中以降低的成本進(jìn)行高處理量測序，且具有增加的可擴(kuò)縮性和靈活性。從本文的描述應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的系統(tǒng)和裝置會(huì)提供優(yōu)良的可擴(kuò)縮性和在現(xiàn)有裝置的一部分時(shí)間內(nèi)對整個(gè)基因組測序的潛力。盡管本發(fā)明的分析裝置通常包括集成在單個(gè)裝置體系結(jié)構(gòu)中的分析系統(tǒng)的多個(gè)元件，但是應(yīng)當(dāng)理解，在多種情況下，集成分析裝置仍然可以采用類似的儀器系統(tǒng)，以提供對于目標(biāo)分析的額外功能。具體地，如以前指出的，在一些情況下，光學(xué)分析的照射將采用與集成裝置結(jié)構(gòu)分開的照射源。例如，可以將激光、LED或其它常規(guī)地采用的照射源提供在更大的儀器內(nèi)，所述儀器與集成裝置配合。同樣地，在需要的情況下，也可以將集成裝置的電源提供在儀器體系結(jié)構(gòu)內(nèi)。另外，可以將任何環(huán)境控制件、流控部件、流體控制部件(無論是電動(dòng)的、基于壓力的，還是集成的泵和閥機(jī)構(gòu)的控制件，還是其它的)提供在儀器體系結(jié)構(gòu)內(nèi)。從本文的描述會(huì)明白，可以將任意數(shù)量的這些部件集成在系統(tǒng)中或遠(yuǎn)程連接。例如，可以將照射部件集成在具有系統(tǒng)平臺的系統(tǒng)中，并連接至具有上述測試座的分析裝置陣列。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以將照射部件提供在單獨(dú)的照射儀器中，并以常規(guī)方式連接至系統(tǒng)。在將這類其它功能提供在儀器體系結(jié)構(gòu)內(nèi)的情況下，這樣的體系結(jié)構(gòu)可以包括一個(gè)或多個(gè)接口，所述接口用于將特定功能遞送至集成裝置。例如，光學(xué)接口可以包括纖維光學(xué)聯(lián)接件、光學(xué)元件鏈或其它光學(xué)接口，以提供對集成裝置上的補(bǔ)充聯(lián)接件的照射，所述補(bǔ)充聯(lián)接件然后在必要時(shí)將所述照射傳送至反應(yīng)池或其它部件。電和數(shù)據(jù)聯(lián)接件也可以提供必要的動(dòng)力和在裝置的傳感器部件和處理器之間的數(shù)據(jù)通信，所述處理器可以集成在儀器體系結(jié)構(gòu)中，或可以輸出或連通至相關(guān)的計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)是在儀器本身的外部。還任選地將流體接口提供在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)，用于將反應(yīng)組分容易地遞送至反應(yīng)池。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述流體接口包括流體連接件，所述流體連接件允許在儀器中的流體蓄池與在分析裝置上的補(bǔ)充聯(lián)接件的密封聯(lián)接，所述補(bǔ)充聯(lián)接件包括、例如，具有可控制的閥和泵機(jī)構(gòu)的流體歧管。在多個(gè)實(shí)施方案中，所述流體連接件提供在測試座上，在所述測試座中安置有分析裝置陣列。其它接口包括，例如，與裝置的控制接口，所述控制接口用于控制流體在集成裝置周圍的運(yùn)動(dòng)。這類接口可以包括電接口(例如，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)運(yùn)輸或給集成的泵和閥機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力)，或氣動(dòng)或液壓接口(以執(zhí)行類似的控制)。裝置還通常包括用戶接口(例如，突片、柄等)，用于方便地操作這類裝置，并在與儀器(例如，突片、引腳或孔)接合時(shí)確保正確的取向，使得裝置正確地安裝在儀器上。技術(shù)人員從本文的描述會(huì)明白，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法通常會(huì)增加靈活性、促進(jìn)可擴(kuò)縮性和降低成本。本發(fā)明的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)同時(shí)進(jìn)行的測序用途。通過開發(fā)具有共同設(shè)計(jì)元件的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)等級，并導(dǎo)致部分成本、現(xiàn)場服務(wù)以及開發(fā)時(shí)間和資源的總體降低?？邕@些用途的捆綁部分(Bundling part)可以提供增強(qiáng)的購買力以及更好的管理產(chǎn)量和總質(zhì)量的能力。從本文的描述應(yīng)當(dāng)理解，可以修改系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)自容納式分析裝置的配置。此外，可以修改每個(gè)分析裝置和各個(gè)集成的光學(xué)元件的配置。例如，包括各個(gè)集成光學(xué)元件的多個(gè)自容納式分析裝置可以與共同的I/O和局部處理集合在一起，以用于實(shí)際的裝置生產(chǎn)。可以進(jìn)一步延伸該體系結(jié)構(gòu)，以增加可擴(kuò)縮性至更高階信號處理，并將各個(gè)段數(shù)據(jù)裝配成總序列集。如以上所討論的，若干分隔可以在整個(gè)關(guān)鍵設(shè)備和一次性使用的裝置分區(qū)上提供商業(yè)的、節(jié)省成本的解決方案。從本文的描述應(yīng)當(dāng)理解，在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中，可以修改上述的任意元件和/或與任意其它元件一起以任意組合使用。VIII.散射檢測參考圖25，示出了與圖I的裝置類似的集成裝置100a。所述集成裝置被構(gòu)造成用于在通過DNA聚合酶合成的同時(shí)通過SMRT測序原理檢測散射的納米顆粒101a。所述納米顆粒(諸如金或銀顆粒)連接至dNTP,以形成磷酸連接(phospholink)類似物。示例性的裝置由高折射指數(shù)基礎(chǔ)基底103a (諸如鈮酸鋰)形成，在所述基礎(chǔ)基底103a中導(dǎo)入照射光，以在多個(gè)方面造成頂部表面的暗視野照射或全內(nèi)反射照射。所述頂部表面具有從更低折射指數(shù)材料105a (諸如玻璃或氧化鋁)制成的ZMW 102a。所述照射會(huì)產(chǎn)生在規(guī)則的ZMW中的相同觀察體積限制，但是頂部表面層的透明性質(zhì)會(huì)使入射光的散射最小化。在由酶加工它們的同時(shí)，檢測金屬納米顆粒的后向散射。將不同大小的顆粒綴合到4種堿基中的每一個(gè)上。在示例性的裝置中，通過不同粒度固有的不同散射截面(與直徑的6次方相對應(yīng)，其形成不同堿基的不同散射“亮度”)，辨別堿基。集成裝置的底側(cè)裝載集成的檢測器120a (諸如CCD照相機(jī))，其用于檢測來自ZMW的散射光。因此應(yīng)當(dāng)理解，檢測不需要常規(guī)的光學(xué)部件(例如物鏡、透鏡、反射鏡、楔塊)。從本文的描述應(yīng)當(dāng)理解，所述裝置的材料和配置可以變化。其它金屬或合金可以充當(dāng)顆粒的基礎(chǔ)基底。所述高折射指數(shù)基底可以是不同的材料、玻璃、聚合物等。所述高折射指數(shù)材料可以跨整個(gè)基底，或可以是在構(gòu)造成波導(dǎo)的載體基底上的薄層。頂層可以是其它材料，諸如聚合物或者不同的玻璃或復(fù)合材料。所述裝置也可以是多層化的結(jié)構(gòu)，例如，具有氧化鋁涂層的玻璃。可以將薄層安置在核心和包覆層(例如，玻璃層)之間，以實(shí)現(xiàn)表面化學(xué)。通過引導(dǎo)不同波長來影響不同納米顆粒材料的散射特征，可以使用圖25所示的裝置進(jìn)行檢測。可以使用白色光源(例如氙燈)，其能夠?qū)崿F(xiàn)光譜檢測。在一個(gè)示例性的實(shí)施方案中，按時(shí)間門控不同的輸入波長，檢測的辨別基于時(shí)間門控的檢測。所述裝置的底側(cè)還可以裝載包覆層，所述包覆層可以是與頂側(cè)相同或不同的材料，以提供在裝置和檢測陣列之間的間隔件。將任選的掩蔽物置于底部表面上，以使串?dāng)_最小化。在多個(gè)實(shí)施方案中，通過相互關(guān)聯(lián)來自鄰近ZMW的信號，以計(jì)算方式校正串?dāng)_。如果檢測器與芯片隔開一定距離，則可以使用間隔件材料(例如固體、流體和氣體)來提高散射光輻射效率。在多個(gè)實(shí)施方案中，將表面形態(tài)構(gòu)建進(jìn)芯片的背側(cè)，以增強(qiáng)散射信號向檢測單元的導(dǎo)向。不像熒光檢測，圖25的集成裝置通常會(huì)減少與信噪比(染料亮度)和光損傷有關(guān)的問題。所述裝置還不需要強(qiáng)大的激光、復(fù)雜的光學(xué)部件和昂貴的檢測技術(shù)。IX.系統(tǒng)同步化和動(dòng)態(tài)的速度控制用動(dòng)態(tài)電子控制可以增強(qiáng)靈活的高速分子測序引擎的開發(fā)，所述動(dòng)態(tài)電子控制基于來自在每個(gè)光極處的分子摻入速率的反饋。下面的描述將詳解實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)處理和數(shù)據(jù)傳輸(其與測序速度有關(guān))的方法和電路。另外，描述了實(shí)現(xiàn)來自自由運(yùn)行的光極元件的流水線化同步數(shù)據(jù)流的方法。在多個(gè)實(shí)施方案中，可以使集成的檢測器陣列與分子測序反應(yīng)器(例如，SMRT 池，由Pacific Biosciences of California, Inc.生產(chǎn))集成，例如，用于摻入事件的異步檢測，其中整個(gè)事件集成并存儲(chǔ)在檢測元件中，以實(shí)現(xiàn)降低的帶寬和最高靈敏度。以光極組水平的分布式處理可以提供智能的數(shù)據(jù)采集和緊貼在芯片上，以實(shí)現(xiàn)低功率和系統(tǒng)復(fù)雜性。例如，可以用共享的I/O、處理和信號和樣品分布，集合光極元件組?？梢栽谶@些共享的處理電路中捕獲和緩沖來自這些光極元件的異步事件?？偲骄鶕饺胨俾室约皢蝹€(gè)元件速率可以基于故意的和無意的因素而變化，且可以隨序列不同而變化，或甚至隨測序運(yùn)行而變化?？梢詷?gòu)造以總裝置或局部水平控制系統(tǒng)速度的方法，以優(yōu)化系統(tǒng)的靈敏度和能力。可以考慮至少2種方法，以從自由運(yùn)行的傳感器元件系綜(ensemble)提供流水線化的數(shù)據(jù)流。在一個(gè)方法中，每個(gè)元件會(huì)提供事件已經(jīng)發(fā)生和數(shù)據(jù)可被讀出的信號。這通常稱作“中斷驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)”。在另一個(gè)方案中，處理電路定期地探詢每個(gè)元件，以尋找局部存儲(chǔ)的事件。這通常稱作“基于探詢的體系結(jié)構(gòu)”。在基于中斷的體系結(jié)構(gòu)中，帶寬必須可用于處理多個(gè)同時(shí)的事件，且可以在流水線中提供緩沖來均衡傳輸帶寬。在基于探詢的體系結(jié)構(gòu)中，因?yàn)榈却蛳掠蝹鬏敚虼吮仨氃趥鞲衅髟恢锰幪峁┛臻g。任一個(gè)方案的選擇由系統(tǒng)約束驅(qū)動(dòng)?；谔皆兊捏w系結(jié)構(gòu)示于圖26。在該圖中，在事件結(jié)束時(shí)在傳感器元件中辨別事件，且各自存儲(chǔ)在緩沖池(模擬的或數(shù)字的存儲(chǔ)器)中。必須提供多個(gè)存儲(chǔ)元件，以減少數(shù)據(jù)損失。緩沖器的控制可以包括常用的電路，以防止在傳感器元件電路書寫緩沖池時(shí)緩沖池的讀出。作為圖26的一個(gè)實(shí)例，示出了脈沖持續(xù)時(shí)間和信號類型，但是除了脈沖持續(xù)時(shí)間和信號類型以外或作為替代，也可以存儲(chǔ)其它代表性的數(shù)據(jù)值。例如，可以存儲(chǔ)每個(gè)模擬電壓(其集成在傳感器像素中的多個(gè)存儲(chǔ)元件上)，以備在下游用于測定在測序事件過程中鑒別出的分子標(biāo)簽。定期地詢問鄰近光極元件系綜的電路。這可以用驅(qū)動(dòng)復(fù)用器尋址電路的局部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。這通常稱作狀態(tài)機(jī)寄存器。尋址每個(gè)光極存儲(chǔ)器元件，并將內(nèi)容轉(zhuǎn)移至公用緩沖區(qū)?？梢詳?shù)字化和解讀所述內(nèi)容。例如，如果在該探詢期間沒有檢測到事件，可以壓縮所述數(shù)據(jù)，以減小輸出帶寬。將所述狀態(tài)機(jī)計(jì)數(shù)器增量，以尋址下一個(gè)傳感器元件存儲(chǔ)器。在掃描結(jié)束時(shí)，將計(jì)數(shù)器復(fù)位，以開始下一個(gè)循環(huán)。現(xiàn)在可以將所述數(shù)據(jù)理解為在掃描時(shí)間內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)流，其映射至已知的物理位置。該數(shù)據(jù)流可以在存儲(chǔ)器陣列諸如先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器中緩沖，從而實(shí)現(xiàn)同步的下游傳輸和流水線處理。在圖26所示的一個(gè)實(shí)施例中，使用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議諸如低電壓差分信號傳遞(LVDS)，可以連載和傳輸數(shù)據(jù)。該方法會(huì)減少在裝置上的輸入輸出墊的數(shù)目。平衡的低電壓差分信號也會(huì)減少在芯片上的噪音和功率消耗。一個(gè)示例性的中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)示于圖27。在該實(shí)施例中，在小光極元件印記中需要減少的存儲(chǔ)電路。在該情況下，檢測任何通氣口、脈沖開啟(pulse-on)、脈沖關(guān)閉(pulse-off)和數(shù)據(jù)，并做出中斷請求。存儲(chǔ)局部時(shí)鐘，直到所述請求得到滿足。將該值轉(zhuǎn)移并存儲(chǔ)在遠(yuǎn)離光極元件的緩沖器中。然后清除所述請求，并重新裝備寄存器。在事件結(jié)束時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至輸出FIFO，以用于下游處理。通常，當(dāng)存在規(guī)則的(高任務(wù))循環(huán)事件數(shù)據(jù)時(shí)，使用基于探詢的體系結(jié)構(gòu)，當(dāng)存在稀少的數(shù)據(jù)事件時(shí)，使用中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。FIFO緩沖器可以含有標(biāo)志(ObOO-低，ObOl-正常，OblO-接近全部，Obll-全部)，且可以輸出每個(gè)樣品的各個(gè)信號。這可以由主控制器使用，以確定是否應(yīng)調(diào)節(jié)總或局部時(shí)鐘。或者，這些標(biāo)志可以與局部時(shí)鐘產(chǎn)生或分布網(wǎng)絡(luò)一起使用，以基于標(biāo)志的狀態(tài)來調(diào)節(jié)性倉泛?；趧?dòng)態(tài)局部事件，可以增加或降低每個(gè)局部狀態(tài)機(jī)的頻率，以使性能最大化和減小數(shù)據(jù)帶寬。當(dāng)在裝置上的多個(gè)陣列組與不同的試劑和試驗(yàn)一起使用時(shí)，這是重要的?；蛘?，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)數(shù)器的控制能夠?qū)崿F(xiàn)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)參數(shù)(即，溫度、試劑混合物、樣品類型、濃度等)的變化的高靈活性一起使用。應(yīng)當(dāng)明白，中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)可以利用速度控制與基于行狀態(tài)的緩沖器，以減小由于更高的帶寬中斷頻率導(dǎo)致錯(cuò)過的服務(wù)請求的概率。X.光子事件檢測和分選已經(jīng)用光子室的陣列執(zhí)行基因組序列的測定，在光子室中可以詢問單個(gè)分子的連接的熒光團(tuán)。在這些系統(tǒng)中，自由運(yùn)行的照相機(jī)監(jiān)測所述室，并隨著信號從所述室發(fā)射出而讀出所述信號。信號計(jì)時(shí)與照相機(jī)曝光開始是異步的，且為了捕獲大多數(shù)事件，需要高幀率。因此，大多數(shù)事件在長度上是多個(gè)幀。在這些情況下，可以將事件信號分成若干幀，且每個(gè)幀含有讀噪聲的固定組分。這2種效應(yīng)組合以減小信噪比和儀器準(zhǔn)確度。根據(jù)本發(fā)明，描述了事件檢測器的概念。事件檢測器可以將全部測序信號積分到一個(gè)樣品中，從而在減小總帶寬的同時(shí)增加信噪比。也根據(jù)本發(fā)明，可以使用多種方法來將信號的組分積分到多個(gè)積分節(jié)點(diǎn)中用于下游分類(如果存在多種物質(zhì)的話)。在不增加芯片外帶寬的情況下，更高處理量的裝置需要檢測多個(gè)序列標(biāo)簽。為了避免在增加摻入速率時(shí)造成標(biāo)簽亮度的必然增加，需要增加的靈敏度檢測。滿足這兩種需求的一種方法是，通過事件檢測。通過檢測摻入事件的定時(shí)，整個(gè)信號可以積分在單個(gè)電荷中?？梢栽诜e分過程中評價(jià)該電荷，以測定標(biāo)簽種類。在智能像素減小芯片外數(shù)據(jù)比率的同時(shí)，可以增加靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明，可以使用檢測器來與隨機(jī)的事件源(諸如遺傳序列)同步化。一個(gè)示例性的檢測器示于圖28。該示意圖詳解了記錄和存儲(chǔ)事件所需的各種電路功能，所述事件可以由多個(gè)潛在標(biāo)簽之一產(chǎn)生。從該圖可見，檢測器連接至觸發(fā)電路，所述觸發(fā)電路感知事件的開始和結(jié)束。信號被同時(shí)發(fā)送至若干存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之一。這些節(jié)點(diǎn)積分來自事件的電荷，并同步化至獨(dú)特標(biāo)簽的辨別性元件。在一些情況下，所述標(biāo)簽與刺激(即激光波長)的性質(zhì)相關(guān)，且在其它情況下與在檢測器上的特征(即檢測深度)相關(guān)。當(dāng)事件是活動(dòng)的時(shí)，積分信號。將事件的時(shí)間標(biāo)記和來自每種物質(zhì)的積分信號存儲(chǔ)在緩沖器中。將所述系統(tǒng)想象為分立的SMRT 池處理過的元件的系綜，每個(gè)元件異步地運(yùn)行。上面已經(jīng)描述了常見的讀出電路，其利用獨(dú)立的事件，并將它們格式化以用于下游處·理。這些電路元件中的每一個(gè)和它們的功能如下所述。這些功能的組合執(zhí)行獨(dú)特的運(yùn)行，以將聚合物測序整合進(jìn)像素中微尺寸的實(shí)驗(yàn)室中。閾值檢測在圖28中，將檢測器設(shè)計(jì)成具有閾值檢測器。該閾值可以在外部設(shè)定，以提供與多個(gè)輸入信號一起工作的靈活性。在多種情況下，閾值檢測器尋找輸入信號中的時(shí)間響應(yīng)的變化。信號S Q/St的時(shí)間導(dǎo)數(shù)是脈沖檢測的有效方法，且容易在小集成電路中實(shí)現(xiàn)。具有增加的靈敏度的該方案的變體是，使用具有δ 2Q/ δ 2t響應(yīng)的拉普拉斯(Laplacian)電路。簡單的RC電路也可以獲得該響應(yīng)，運(yùn)算放大器也是如此。簡單的電路，即零交叉閾值檢測器，可以用于執(zhí)行該功能。具有正反饋的電子比較器電路(通常稱作施密特觸發(fā)器)也可以提供該功能。在多個(gè)實(shí)施方案中，重要的是，忽略DC值，因?yàn)槊}沖可以安設(shè)在任意的背景信號上。為了去除該DC靈敏度，公開了一種箝位電容器電路設(shè)計(jì)。箝位電容器差分電路的示意圖示于圖29。以線性方式運(yùn)行所述電容器，會(huì)仿真理想的微分器Ic=C(dV/dT)。高增益反饋電路的使用，允許間接測量I。。在圖29中的電路的輸出與輸入信號的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成比例，如下述傳遞函數(shù)所示方程(I)H(S)=-τ s/ (1+1/A(1+TS)) τ s對于高增益，所述輸出與時(shí)間常數(shù)成比例。還可能需要高增益來感知在噪音水平以上的少數(shù)光電子的信號時(shí)間梯度。該輸入電流可以從光電二極管電壓的源極跟隨器放大產(chǎn)生。小容量光電二極管可以在源極跟隨器裝置處誘導(dǎo)超過lOOuV/e-的跨導(dǎo)增益。該電壓可以非破壞性地產(chǎn)生(例如，維持光電檢測器電荷)。構(gòu)造了一個(gè)像素中(in-pixel)閾值緊湊的電路，其具有足以檢測2光子梯度的靈敏度。該電路也可以針對靈敏度(光子/秒)進(jìn)行編程，以用于就不同的化學(xué)和用途靈活地布置。該4T CMOS放大器的輸出電流與輸入電壓梯度成比例。所述電路由與2個(gè)晶體管簡單逆變器級聯(lián)的亞閾值跨導(dǎo)放大器(公共源配置)組成。增強(qiáng)模式NMOS裝置的使用，會(huì)提供亞閾值偏壓，并需要在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝中可得到的額外植入步驟。方程(2)I0Ut=I0e (Vout^Vcap)/vt還可以使用差分放大器來確定觸發(fā)器，這基于光電二極管電壓中的時(shí)間梯度的變化。盡管該電路不是緊湊的，但是它可以提供具有尖銳觸發(fā)器點(diǎn)的電壓操縱功能。所述觸發(fā)器是基于積分的電荷，而不是瞬時(shí)電壓。
脈沖開始由閾值上升邊緣輸出啟動(dòng)的開關(guān)可以提供關(guān)于事件開始時(shí)間的信息。該輸出可以用于使用內(nèi)部計(jì)數(shù)器(局部的或總體的)給事件的開始印上時(shí)間印記，并能夠?qū)⑿盘柗指糁翗?biāo)記的存儲(chǔ)位置。可以執(zhí)行該功能的電路是D (數(shù)據(jù)或延遲)或RS (設(shè)定-復(fù)位)型觸發(fā)器(flip flop)。來自觸發(fā)電路的輸出脈沖可以用于設(shè)定該觸發(fā)器。相反電流可以用于復(fù)位所述電路。該電路的輸出Q是摻入事件的包絡(luò)。在圖32中的電路將執(zhí)行該功能。示例性的電路是在CMOS中的8晶體管實(shí)施，所述CMOS具有正反饋環(huán)，所述正反饋環(huán)將輸出鎖定在設(shè)定或復(fù)位狀態(tài)。它使用一對具有電源的互補(bǔ)反相器。每個(gè)放大器的輸出彼此相連，以提供反饋。通過在觸發(fā)電路的輸出處提供一對背對背(back-to-back)二極管，可以分隔每個(gè)閾值交叉，以給脈沖持續(xù)時(shí)間電路提供設(shè)定和復(fù)位輸入。這會(huì)在12個(gè)晶體管、2個(gè)二極管和I個(gè)電容器中提供具有可編程性的全包絡(luò)檢測電路。應(yīng)當(dāng)明白，還可以使用其它配置。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和控制參考圖33，單個(gè)光電檢測器元件可以連接至若干積分節(jié)點(diǎn)，并通過外部同步化進(jìn)行分選。據(jù)公開，可以將多個(gè)傳輸門連接至光電二極管，后者可以將與單級CCD電路類似的電荷轉(zhuǎn)移至鄰近的浮動(dòng)擴(kuò)散電容。該電容將保留該電荷。通過將MOS裝置的門元件(JFET、MOSFET等)連接至浮動(dòng)擴(kuò)散電容的板上，可以監(jiān)測該電荷，而不擾亂所述電荷。所述電容可以在任意時(shí)間復(fù)位，并獨(dú)立地清空每個(gè)電容。還公開了，通過在放大器的線性區(qū)域中施加偏壓，可以部分地復(fù)位電容器，且可以在事件捕獲過程中用于擴(kuò)展檢測器的動(dòng)態(tài)范圍。還公開了，多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可以積分來自側(cè)向地或豎直地設(shè)置的多組光電檢測器的電荷，以輔助辨別事件源。緩沖存儲(chǔ)器和定時(shí)脈沖包絡(luò)的邊緣檢測可以用作觸發(fā)器，以發(fā)出事件的發(fā)生和結(jié)束的信號，將相關(guān)信息轉(zhuǎn)移至緩沖器然后讀出。在該電路中可以使用多個(gè)事件緩沖器，所以可以比讀出可以支持的速度更快地捕獲快速發(fā)生的事件?？梢耘c事件消逝時(shí)間異步地讀出存儲(chǔ)的事件。例如，在脈沖開始時(shí)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可以復(fù)位，并將時(shí)間記錄在緩沖器中。在脈沖結(jié)束時(shí)，可以將來自每個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的積分信號存儲(chǔ)在模擬的或數(shù)字的緩沖器中，并記錄結(jié)束時(shí)間。結(jié)束下降邊緣的使用，也可以為下一個(gè)事件重新裝備電路。該運(yùn)行的代表性的計(jì)時(shí)圖示于圖34。可以使用完全傳輸?shù)幕蚓植慨a(chǎn)生的時(shí)鐘來記錄事件的臨界時(shí)間。預(yù)期下游處理執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算來確定特定的定時(shí)參數(shù)，諸如脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖之間的時(shí)間。XI.其它集成元件除了光學(xué)元件、流體元件和電元件以外，多種其它的元件可以任選地集成在一體式裝置結(jié)構(gòu)中。作為實(shí)例，可以將安全部件制造在裝置結(jié)構(gòu)中，以防止偽造、防止未經(jīng)授權(quán)的重復(fù)使用、鑒別預(yù)期的裝置的具體用途等。具體地，因?yàn)樗鲅b置包括集成的電子器件，還可以將它制造成包括電子識別元件，諸如RFID標(biāo)簽、鍵元件、系列號編碼、使用指示器等。這些標(biāo)識符可以用于防止給定裝置的未經(jīng)授權(quán)使用，或可以用于確保裝置僅用于它的預(yù)期用途。在總裝置的制造過程中，通過常規(guī)的IC制造工藝，可以包括這樣的編碼、傳感器和其它電子部件。除了預(yù)編碼的元件以外，所述裝置還可以包括存儲(chǔ)功能，以記錄與給定的分析相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如，診斷功能，以鑒別何時(shí)發(fā)生和是否發(fā)生失效，從而將樣品數(shù)據(jù)分配給給定的裝置，例如，患者名稱和測試運(yùn)行。
在使所述裝置與總儀器接合以后，所述儀器可以下載由裝置的標(biāo)識符部件提供的任何數(shù)據(jù)，這允許跟蹤裝置的類型、希望的用途、所述裝置是否已經(jīng)被重復(fù)使用或構(gòu)成偽造裝置。此后，所述儀器可以執(zhí)行為讀取的標(biāo)識符預(yù)先編程的任何動(dòng)作，諸如運(yùn)行特定類型的應(yīng)用、排列其它裝置的次序、關(guān)機(jī)或暫停運(yùn)行等。應(yīng)當(dāng)理解，以上描述旨在是說明性的而不是局限性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地明白，可以對本申請公開的發(fā)明做出各種實(shí)施方案和改變，而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)參考以上描述來確定，相反，應(yīng)當(dāng)參照所附的權(quán)利要求以及這些權(quán)利要求的所有等效范圍來確定。在本文中描述本發(fā)明時(shí)，對單數(shù)形式的任何元件的提及均包括對復(fù)數(shù)形式的提及，反之亦然，除非從上下文中顯而易見這被明確地排除。在本文中提及的所有出版物都被引用，用于描述和公開可以與本發(fā)明結(jié)合使用的試劑、方法和概念的目的。本文中的任何內(nèi)容都不應(yīng)解釋為承認(rèn)這些參考文獻(xiàn)是與本文所述的發(fā)明有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。在本公開內(nèi)容中，提及多個(gè)專利、專利申請和出版物。除非另有說明，每篇通過引用整體并入本文中用于所有目的。
權(quán)利要求
1.一種分析裝置，其包括 第一反應(yīng)池，所述第一反應(yīng)池具有放置在其中的第一組反應(yīng)物； 第一傳感器元件，所述第一傳感器元件設(shè)置成與所述第一反應(yīng)池光通信；和 第一光學(xué)部件，所述第一光學(xué)部件設(shè)置成將來自所述第一反應(yīng)池的光信號傳送至所述第一傳感器元件，其中所述反應(yīng)池、光學(xué)部件和傳感器元件集成在一體式裝置結(jié)構(gòu)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述第一光學(xué)部件至少包括第一光學(xué)容納結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述第一光學(xué)部件包括光隧道，所述光隧道用于將來自所述反應(yīng)池的光信號優(yōu)先引導(dǎo)至所述傳感器元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，所述裝置另外至少包括集成在所述一體式裝置結(jié)構(gòu)中的第二反應(yīng)池、與所述第二反應(yīng)池光通信的第二傳感器元件以及第二光學(xué)部件，所述第二光學(xué)部件設(shè)置成將來自所述第二反應(yīng)池的光信號傳送至所述第二傳感器元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述裝置結(jié)構(gòu)包括集成在單一的/鄰接的結(jié)構(gòu)內(nèi)的至少10、100、1000、10，000個(gè)反應(yīng)池，所述至少10、100、1000、10，000個(gè)反應(yīng)池中的每一個(gè)與分立的傳感器元件光通信，所述分立的傳感器元件設(shè)置成經(jīng)由相關(guān)的光學(xué)元件與它的各個(gè)反應(yīng)池光通信，所述相關(guān)的光學(xué)元件設(shè)置成將來自所述10、100、1000、10，000個(gè)反應(yīng)池中的每一個(gè)的光信號傳送至它的相關(guān)的傳感器元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，所述裝置另外包括光波導(dǎo)，其中所述光波導(dǎo)與所述至少10個(gè)反應(yīng)池中的多個(gè)和激發(fā)照射源光通信，由此將激發(fā)照射遞送至所述多個(gè)反應(yīng)池。
7.一種包括光極元件的陣列的裝置，每個(gè)光極元件包括 在包覆層內(nèi)的納米級孔，所述孔形成接納流體的納米級池，所述接納流體的納米級池用于接納包含熒光物質(zhì)的流體； 在孔層上面的流體層，所述流體層與所述納米級池流體接觸； 在孔層下面的波導(dǎo)層，所述波導(dǎo)層為所述納米級池提供照射； 在所述波導(dǎo)層下面的傳輸層，所述傳輸層傳輸從所述納米級池中的所述熒光物質(zhì)發(fā)射的光；和 在所述傳輸層下面的檢測器層，所述檢測器層接收和檢測穿過所述傳輸層傳輸?shù)陌l(fā)射光，其中所述發(fā)射光通過固體區(qū)域傳輸至所述檢測器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述傳輸層通過逐漸消失的輻照傳輸所述發(fā)射光。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述陣列包括大于1000個(gè)納米級孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所有的所述層被永久地粘結(jié)，以形成集成裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中永久地連接所述裝置的包括所述孔層的部分和所述裝置的包括所述檢測器層的部分，以允許使用具有多個(gè)孔層的所述檢測器。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述波導(dǎo)層包括一個(gè)或多個(gè)零模波導(dǎo)，使所述一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)被構(gòu)造為和使其尺寸形成為將所述照射的暴露限制于由所述納米級池確定的各個(gè)體積。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述零模波導(dǎo)中的每一個(gè)具有小于約O.5微米的最大寬度。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述波導(dǎo)層包括通道波導(dǎo)的陣列，所述通道波導(dǎo)從所述集成裝置的邊緣受到照射。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述波導(dǎo)層包括通道波導(dǎo)的陣列，每個(gè)通道波導(dǎo)跨多個(gè)光極元件延伸。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述傳輸層包括光隧道，所述光隧道用于將所述發(fā)射光引導(dǎo)至所述檢測器。
17.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述傳輸層包括一個(gè)或多個(gè)濾光器。
18.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述流體層包括流體導(dǎo)管的陣列，每個(gè)流體導(dǎo)管跨多個(gè)光極元件延伸。
19.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，所述裝置另外包括循環(huán)裝置，所述循環(huán)裝置用于使流體流至所述納米級孔。
20.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述檢測器層包括互連器，所述互連器用于來自所述檢測器的輸出數(shù)據(jù)的電通信。
21.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述檢測器層包括嵌入式處理器，所述嵌入式處理器用于處理來自所述檢測器的輸出數(shù)據(jù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述處理器過濾來自所述檢測器的背景噪音。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，所述裝置另外包括用于放大所述輸出數(shù)據(jù)的放大器。
24.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，所述裝置另外包括一個(gè)或多個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器。
25.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述孔層接受泛光照射。
26.一種用于測量分析反應(yīng)的裝置，所述裝置包括 a.包括光極元件的陣列的反應(yīng)器部件,每個(gè)光極元件包括 在包覆層內(nèi)的納米級孔，所述孔形成接納流體的納米級池，所述接納流體的納米級池用于接納包含熒光物質(zhì)的流體； 在孔層上面的流體層，所述流體層與所述納米級池流體接觸，所述流體層包括流體導(dǎo)管的陣列，每個(gè)流體導(dǎo)管跨多個(gè)光極元件延伸； 在孔層下面的波導(dǎo)層，所述波導(dǎo)層為所述納米級池提供照射，所述波導(dǎo)層包括通道波導(dǎo)的陣列，所述通道波導(dǎo)從集成裝置的邊緣受到照射，每個(gè)通道波導(dǎo)跨多個(gè)光極元件延伸； 在所述波導(dǎo)層下面的傳輸層，所述傳輸層傳輸從所述納米級池中的所述熒光物質(zhì)發(fā)射的光；和 在所述傳輸層下面的檢測器層，所述檢測器層接收和檢測穿過所述傳輸層傳輸?shù)陌l(fā)射光，其中所述發(fā)射光被傳輸至所述檢測器而不被傳輸穿過空氣； b.連接至所述反應(yīng)器部件的邊緣的流體端口部件，所述流體端口部件包括在它的頂部表面上的用于導(dǎo)入流體的端口，和流體連接至所述流體端口的流體導(dǎo)管的陣列，所述流體導(dǎo)管延伸至所述流體端口部件的所述邊緣并連接至所述反應(yīng)器部件的所述流體導(dǎo)管；和 c.連接至所述反應(yīng)器部件的邊緣的照射部件，所述照射部件具有在它的頂部表面上的用于導(dǎo)入照射光的光學(xué)端口，和連接至所述光學(xué)端口的波導(dǎo)的陣列，所述波導(dǎo)延伸至所述反應(yīng)器部件的所述邊緣并連接至所述反應(yīng)器部件的所述波導(dǎo)。
27.一種裝置，其包括連接成2維陣列的元件的陣列，每個(gè)元件包括根據(jù)權(quán)利要求26所述的具有反應(yīng)器部件、流體端口部件和照射部件的裝置。
28.一種儀器，其被構(gòu)造成與根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置配合，所述儀器包括 照射源，所述照射源可逆地光學(xué)地聯(lián)接至一個(gè)或多個(gè)照射端口 ； 流體源，所述流體源可逆地流體連接至一個(gè)或多個(gè)所述流體端口 ；和計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)可逆地電連接至所述檢測器，所述檢測器用于處理來自由所述檢測器測得的信號的數(shù)據(jù)。
29.一種用于測量分析反應(yīng)的裝置，所述裝置包括 包括多個(gè)納米級孔行的透明基底，所述納米級孔穿過不透明的包覆層延伸至所述透明基底的頂部，所述納米級孔行被所述透明基底的區(qū)域隔開，所述透明基質(zhì)的區(qū)域從上面向照射開放； 多個(gè)流體導(dǎo)管，每個(gè)流體導(dǎo)管在所述納米級孔行的上面，并與所述納米級孔行流體接觸；每個(gè)流體導(dǎo)管被不透明的材料包被； 在所述納米級孔下面的一系列部件，所述一系列部件被構(gòu)造成從所述透明基底上面引導(dǎo)照射光從下面進(jìn)入所述納米級孔。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，所述裝置另外包括聯(lián)接至所述透明層的檢測器層，所述檢測器層用于檢測從所述納米級孔發(fā)射的光。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其中在所述納米級孔下面的所述一系列部件包括反射鏡。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的裝置，其中所述照射是泛光照射。
33.一種座組件，其包括 包括照射光和流體的輸入的頂部構(gòu)件； 用于容納集成分析芯片的殼體，所述芯片包括 包括多個(gè)納米級孔的孔層，所述納米級孔穿過包覆層與所述芯片的頂部流體接觸； 包括多個(gè)波導(dǎo)的波導(dǎo)層，所述波導(dǎo)被構(gòu)造成從下面為所述納米級孔提供照射光，所述波導(dǎo)層具有在所述頂部表面上的一個(gè)或多個(gè)照射端口，所述一個(gè)或多個(gè)照射端口用于為所述波導(dǎo)提供照射光； 包含透明材料的傳輸層，所述傳輸層用于傳輸來自所述納米級孔的發(fā)射光；和 在所述傳輸層下面的檢測器陣列層，所述檢測器陣列層具有 電連接至延伸出所述芯片的底部的引腳的檢測器；和 包括電觸點(diǎn)的底部構(gòu)件，所述電觸點(diǎn)對應(yīng)于在所述芯片的所述底部上的引腳； 其中構(gòu)造所述組件，使得在所述殼體中接納所述芯片以后，所述芯片的所述孔層與所述頂部構(gòu)件對準(zhǔn)，且所述引腳與所述底部構(gòu)件的所述電觸點(diǎn)對準(zhǔn)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的組件，其中所述頂部構(gòu)件和底部構(gòu)件是夾心結(jié)構(gòu)的部分。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的組件，其中所述組件是ATE座。
36.一種分析裝置，其包括 多個(gè)反應(yīng)池，每個(gè)反應(yīng)池用于接納反應(yīng)物； 多個(gè)傳感器元件，每個(gè)傳感器元件設(shè)置成與所述多個(gè)反應(yīng)池中的至少一個(gè)光通信；和 多個(gè)光學(xué)部件，每個(gè)光學(xué)部件設(shè)置成將來自所述多個(gè)反應(yīng)池中的至少一個(gè)的光信號傳輸至所述多個(gè)傳感器元件中的至少一個(gè)， 其中所述多個(gè)反應(yīng)池、多個(gè)光學(xué)部件和多個(gè)傳感器元件集成在一體式分析裝置中。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中所述一體式分析裝置包括基底，包括在基底的一個(gè)表面上的所述多個(gè)反應(yīng)池的反應(yīng)池層，和在所述基底的相對表面上的所述多個(gè)傳感器元件。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述分析裝置另外包括至少一個(gè)位于所述反應(yīng)池層和傳感器元件之間的光學(xué)層，所述光學(xué)層用于將來自所述至少一個(gè)反應(yīng)池的光信號引導(dǎo)至所述至少一個(gè)傳感器元件，其中所述光學(xué)層是固體。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中所述分析裝置另外包括至少一個(gè)位于所述反應(yīng)池層和傳感器元件之間的用于調(diào)節(jié)所述光信號的層。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述分析裝置另外包括集成的流控系統(tǒng)。
41.根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中所述裝置包括約1，000至約100，000個(gè)反應(yīng)池。
42.一種用于分析反應(yīng)池中的樣品的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求36所述的分析裝置；和 用于接納所述一體式分析裝置的集成座。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)另外包括與所述集成座流體聯(lián)接的流控系統(tǒng)，所述流控系統(tǒng)用于將樣品遞送至所述一體式分析裝置。
44.一種用于分析反應(yīng)池中的樣品的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 多個(gè)聯(lián)接在光極組中的根據(jù)權(quán)利要求36所述的分析裝置； 光極組處理器，所述光極組處理器用于接收在光極組輸入時(shí)來自每個(gè)裝置的各個(gè)數(shù)據(jù)信號，并產(chǎn)生所述光極組輸入的代表性的光極組象征性輸出信號。
45.一種用于分析反應(yīng)池中的樣品的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求44所述的光極組和光極組處理器；和 支持物； 其中第一光極組和光極組處理器安裝在所述支持物上的第一光極區(qū)中，另一個(gè)光極組和光極組處理器安裝在所述支持物上的另一個(gè)光極區(qū)中。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述支持物是半導(dǎo)體晶片。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)另外包括分布式處理器，所述分布式處理器基于來自所述光極組處理器中的每一個(gè)的各個(gè)輸出信號而產(chǎn)生輸出信號。
48.一種系統(tǒng)，其包括在前述公開內(nèi)容中描述的部件的組合。
49.一種用于分析反應(yīng)池中的反應(yīng)的方法，所述方法包括 提供上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的裝置； 將具有目標(biāo)顆粒的樣品遞送至所述系統(tǒng)；和 檢測來自所述反應(yīng)池中的至少一個(gè)的光信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了在一體式裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)的分析組件，其用于集成到分析系統(tǒng)中。所述分析組件是可擴(kuò)縮的，且包括多個(gè)分析裝置，每個(gè)分析裝置包括反應(yīng)池、光學(xué)傳感器和至少一個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件設(shè)置成與所述反應(yīng)池和所述傳感器光通信，并將來自所述反應(yīng)池的光信號遞送至所述傳感器。任選地將其它元件集成在所述分析組件中。還公開了用于形成和運(yùn)行所述分析系統(tǒng)的方法。
文檔編號G01N21/00GK102985803SQ201180019730
公開日2013年3月20日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月19日
發(fā)明者N·J·麥卡弗瑞, S·特納, R·薩克賽納, S·E·海吉森 申請人:加利福尼亞太平洋生物科學(xué)股份有限公司