集成的分析系統和方法

2023-05-11 00:09:21 2

專利名稱：集成的分析系統和方法
集成的分析系統和方法相關申請的交叉引用本申請要求下述申請的優先權2010年2月19日提交的標題為INTEGRATEDANALYTICAL DEVICES AND SYSTEMS 的美國臨時申請號 61/306，235,2010 年 11 月 4 日提交的標題為ILLUMINATION OF INTEGRATED ANALYTICAL SYSTEMS的美國臨時專利申請號 61/410，189,2010 年 9 月 29 日提交的標題為 INTEGRATED ANALYTICAL SYSTEM AND
METHOD的美國臨時專利申請號61/387,916，和_提交的標題為OPTICS COLLECTION
AND DETECTION SYSTEM AND METHOD的美國專利申請號_[代理人案卷號
067191-5044-US]，所述申請的全部內容通過該引用併入本文中用於所有目的。關於聯邦資助研究的聲明不適用。
背景技術：
分析技術持續發展，遠遠超過了 19世紀和20世紀的試管規模的評價，且已經進展至這樣的程度其中研究人員可以在體內、在體外、在細胞水平和甚至在單個分子水平研究非常特異性的相互作用。該進展不僅由理解它們的最純形式的重要反應的願望驅動，而且由下述實現驅動即在活系統中的微小的或輕微的反應看起來可以促進一系列其它事件，所述事件可能解除(unleash)生或死的結果。在該進展中，這些分析不僅已經變得更多地集中於更少的事件上，而且已經必須變得適當地更靈敏，才能夠監測這類反應。在增加靈敏度至細胞水平或甚至單分子水平時，可能固有地增加所述系統對其它無關信號或「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的那些信號。因此，希望能夠增加檢測的靈敏度，並同時維持信噪比。繼續需要增加分析系統的性能，並降低與生產和使用所述系統有關的成本。具體地，繼續需要增加分析系統的處理量。繼續需要減小分析系統的尺寸和複雜性。繼續需要具有可變配置且可容易地縮放大小的分析系統。本發明提供了用於克服上述問題並具有其它益處的裝置、系統和方法。

發明內容
本發明整體涉及集成分析裝置，其包括在單個一體式結構(unified structure)內的多個反應池、至少一個檢測器元件和光學元件，所述光學元件用於將來自各個反應池的光信號遞送至所述檢測器元件。多個元件可以集成在增強所述裝置的性能和可擴縮性的裝置結構中。本發明的不同方面涉及採用集成分析裝置的分析系統以及用於有效集成的元件和方法。本發明的方法和裝置具有其它特徵和優點，所述其它特徵和優點將從附圖(它們併入本文中)和下述的具體實施方式
(它們一起用於解釋本發明的某些原理)顯而易見的或在其中更詳細地闡述。


圖IA是根據本發明的光學分析裝置體系結構(architecture)的框圖。圖IB示意性地圖解了集成的光學分析裝置(包括波導(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)集成進根據本發明的光極陣列晶片中的示意圖。圖4是將流體元件和照射元件頂側連接至集成分析裝置的示意圖。圖5是測試座(test socket)和分析系統的示意圖。圖5A是接納示例性的分析光極晶片的示例性的測試座的透視圖。圖6是用於將試劑遞送至光極晶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池的陣列的示意圖，示出了用於給反應池提供照射光的實施方案。圖11是交錯的電數據聯接件相對於單分子波導的示例圖。圖12是具有限定光引導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示出了在光極陣列晶片中的各個層。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。圖13C示出了裝置的底部，所述裝置具有電觸點，所述電觸點用於聯接分布的功率和信號系統。圖13D和13E示意性地圖解了混合製造連接過程。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部件基底中的應用。圖13E示意性地圖解了將間隔元件導入基底之間的過程。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是反應池的陣列和從那些反應池發出的光發射譜的示意圖。圖16是用於根據本發明的用途的光學容納結構的示意圖。圖17是在根據本發明的系統中使用的典型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明的光學容納結構的一種結構。圖19示意性地圖解了用於製造在圖18中所示的結構的一種工藝流程。圖20是本發明的替代光學容納結構的示意圖，所述結構採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的系統類似的系統，交錯的激發照射和信號數據的示例圖。圖22是具有任選地門控的存儲元件的像素設計的示意圖。圖23是具有多個根據本發明的集成分析裝置的分析系統的示意圖。圖24是具有多個集成分析裝置的分析系統的示意圖。
圖25是具有反應池的陣列和波導的分析裝置的示意圖，所述分析裝置被構造成用於測量來自納米顆粒的散射。圖26是根據本發明的基於探詢的數據同步化方案的示意圖。圖27是根據本發明的中斷驅動的體系結構的示意圖，所述體系結構具有減少的在光極元件中的存儲。圖28是根據本發明的具有多物質鑑別力的用於事件記錄的智能像素的示意圖。圖29是根據本發明的具有箝位電容器(clamped capacitor)的差分電路(differential circuit)的不意圖。圖30是根據本發明的緊湊的CMOS可編程觸發電路的示意圖。圖31是根據本發明的觸發電路的差分放大器的示意圖。圖32是根據本發明的緊湊的CMOS觸發電路的示意圖。圖33是根據本發明的來自具有非破壞性監測的光電檢測器的2個tap存儲節點的示意圖。圖34是根據本發明的事件捕獲電路的代表性計時圖。
具體實施例方式現在將詳細地提及本發明的不同實施方案，所述實施方案的實施例在附圖中進行了解釋。儘管結合不同的實施方案描述本發明，應該理解，它們無意將本發明限制為那些實施方案。相反，本發明意圖覆蓋可以包括在所附權利要求書限定的本發明的精神和範圍內的替代方案、改進方案和等效方案。I.光學分析本發明整體涉及改進的系統、方法和裝置，它們用於光學分析，特別是生物樣品和/或化學樣品和反應的光學分析。一般而言，這些光學分析試圖採集和檢測一個或多個光信號，所述光信號的出現或消失或其位置會指示給定的化學或生物學反應和/或給定的物質在樣品材料內的存在與否。在一些情況下，反應物、它們的產物或感興趣的物質(在本文中，它們都被稱作反應物)固有地呈現光學可檢測的信號，所述信號可以被檢測到。在其它情況下，給反應物提供外源性的標記基團，以便利它們的檢測。有用的標記基團包括螢光標記、發光標記、質量標記、光散射標記、電化學標記(例如，攜帶大電荷基團)、金屬標記等。這類標記基團的實例，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容通過該引用併入本文中用於所有目的。在多個實施方案中，給要分析的一種或多種反應物提供突光標記基團，所述突光標記基團具有從它的激發光譜轉移的螢光發射光譜，這允許在激發光源和標記基團的發射之間進行區分。這些螢光標記通常具有高量子產率，這會進一步增強它們的可檢測性。多種不同的螢光標記基團是本領域眾所周知的，且包括基於螢光素和羅丹明的有機染料，諸如在Cy3和Cy5標記下從例如GE Healthcare售出的那些，和可從Life Technologies, Inc.得到的AlexaFluor 染料。以前在本領域中已經描述了多種有機染料結構。其它螢光標記基團包括，例如，基於顆粒的標記基團。一些這類顆粒標記基團構成包封的或以其它方式夾帶的(entrained)有機螢光團，而其它則包含螢光納米顆粒，諸如無機半導體納米晶體，例如，描述於美國專利號6，207，392,6, 225，198,6, 251，303,6, 501，091和7，566，476，它們的整個公開內容通過引用整體併入本文中用於所有目的。通過檢測這些螢光標記基團，可以確定給定的被標記反應物的定位，或檢測導致被突光地標記的反應物的光譜或其它方面的變化的反應事件。例如，在結合或雜交反應中，如下檢測被標記反應物的結合另一固定化的反應物的能力接觸反應物，洗掉未結合的被標記反應物，並觀察固定化的反應物，以尋找結合的螢光標記的存在。這樣的試驗常規地用於雜交試驗、抗體試驗和多種其它分析中。在多個不同的核酸測序分析中，使用被螢光地標記的核苷酸來監測引物延伸反應中的聚合酶介導的、模板依賴性的核苷酸摻入。具體地，將被標記核苷酸導入引物模板聚合酶複合物中，並檢測被標記核苷酸的摻入。如果被標記核苷酸被摻入，它指示在模板分子序列中的基礎的且互補的核苷酸。在傳統的Sanger測序過程中，被標記核苷酸的摻入的檢測利用這樣的終止反應其中被標記核苷酸攜帶終止基團，所述終止基團阻斷引物的進一步延伸。通過混合被標記的被終止核苷酸和未被標記的天然核苷酸，產生在不同的核苷酸處終止的嵌套片段集合。然後通過毛細管電泳分離這些片段，以分離相差單個核苷酸的那些片段，並以遞增片段大小的次序讀出所述片段的標記，從而提供序列(由最後加入的、被標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螢光標記，可以容易地區分在序列中的不同核苷酸(例如，美國專利號5，821，058，其通過該引用併入本文中用於所有目的)。在更新的測序技術中，將引物-模板複合物陣列固定化在基底表面上，使得單個分子或單個且均一的分子集合分別在空間上離開其它單個分子或分子集合。以導致單個核苷酸添加至每個單個分子或分子集合的方式，加入被標記核苷酸。在加入核苷酸以後，檢測和鑑別標記的添加。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。然後檢測加入的被標記核苷酸，去除它們的標記，並用不同的核苷酸類型重複該過程。單獨模板序列的序列由標記在基底上的給定位置處出現的次序決定。在其它類似的情況下，使固定化的複合物接觸所有4類被標記核苷酸，其中每類攜帶可辨別的螢光標記和終止子基團，所述終止子基團防止在給定的步驟中添加超過一個核苷酸。在單個摻入每個單獨模板序列(或模板序列集合)以後，洗掉未結合的核苷酸，並掃描固定化的複合物，以鑑別在每個位置添加了哪個核苷酸。重複該過程，會產生每個模板序列的序列信息。在其它情況下，使用超過4類被標記核苷酸。在特別巧妙的方案中，在單個分子複合物的摻入過程中實時檢測被標記核苷酸。這樣的方法參見，例如，美國專利號7，056，661，它通過引用整體併入本文中用於所有目的。在這些過程中，用在摻入過程中被釋放的末端磷酸酯基團標記核苷酸，從而避免標記在延伸產物上的積累，並避免對標記去除過程的任何需求，所述標記去除過程可能對複合物有害。在聚合過程中觀察引物/模板聚合酶複合物，並藉助於它們的結合的標記來檢測添加的核苷酸。在一個具體方面，使用光學上局限的結構諸如零模波導(zero mode waveguide)(參見，例如，美國專利號6，917，726，它通過引用整體併入本文中用於所有目的)來觀察它們，所述零模波導限制激發輻射向在單個複合物周圍緊鄰處的體積的暴露。結果，僅處於摻入過程中的被標記核苷酸被暴露於激發照射足以鑑別所述核苷酸的時間。在另一個方案中，將在核苷酸上的標記構造成與在複合物上或附近(例如，連接至聚合酶)的補充基團相互作用，其中所述相互作用會提供獨特信號。例如，可以給聚合酶提供在第一波長處被激發而在第二波長處發射的供體螢光團，同時用螢光團標記要添加的核苷酸，所述螢光團在第二波長處被激發，但是在第三波長處發射(參見，例如，美國專利7，056，661，在前面併入本文中)。結果，當核苷酸和聚合酶彼此充分接近以允許能量從供體螢光團向在核苷酸上的標記轉移時，會產生特徵性的信號。另外，在這些情況下，給不同類型的核苷酸提供特徵性的螢光標記，所述螢光標記允許通過所述核苷酸的標記的光譜或其它螢光特徵來鑑別它們。應當理解，使用本文所述的總反應框架，可以進行多種分析操作，結果，它們適用於本發明。這樣的反應包括反應試驗，例如，檢查反應物的組合，以監測產物生產或試劑消耗的速率，諸如酶反應、催化劑反應等。同樣地，在尋找2種或更多種反應物之間的特異性締合的情況下，可以監測締合型反應或結合反應，諸如核酸雜交試驗、抗體/抗原試驗、偶聯或裂解試驗等。II.分析裝置根據本發明的分析系統採用一個或多個稱作「光極」元件的分析裝置。在一個示例性的實施方案中，所述系統包括形成為單個集成裝置的分析裝置的陣列。合適的光極元件的一個實例，由2010年2月19日提交的標題為Integrated Analytical Devices andSystems的美國臨時申請號61/306，235 (』 235申請)公開，其整個內容通過該引用併入本文中用於所有目的。所述示例性陣列被構造成一次性使用的消耗品。在多個實施方案中，所述光極元件包括其它部件，包括、但不限於局部流控部件、電聯接件、電源、照射元件、檢測器、邏輯和處理電路(processing circuit)。每個分析裝置或陣列被構造成用於執行如上所述的分析操作。儘管所述系統中的每個裝置的部件和所述裝置的配置可以變化，但是每個分析裝置通常包括示為圖I中的框圖的一般結構。如所示的，分析裝置100通常包括反應池102，在所述反應池102中設置反應物，並從所述反應池102發出光信號。「反應池」應當理解為，通常用於分析和化學領域，並表示發生目標反應的位置。因而，「反應池」可以包括完全自容納式的反應孔、容器、流動池、室等，例如，被一個或多個結構屏障、壁、蓋等包封，或它可以包括在基底上和/或在給定的反應孔、容器、流動池等內的特定區域，例如，在鄰近的反應池之間沒有結構限制或容納。所述反應池可以包括用於增強反應或它的分析的結構元件，諸如光學限制結構、納米孔、柱、表面處理，諸如疏水區或親水區、結合區等。在多個方面，「分析裝置」表示在功能上相連的反應池和相關的部件。在多個方面，「分析系統」表示超過一個相關的分析裝置和相關的部件。在多個方面，「分析系統」表示，包括分析系統和用於執行分析操作的其它儀器的更大系統。在一些情況下，可以將目標反應的一種或多種反應物固定化、夾帶或以其它方式定位在給定的反應池內。多種技術可用於反應物的定位和/或固定化，包括通過共價或非共價連接的表面固定化、基於珠子或顆粒的固定化(然後定位珠子或顆粒)、夾帶在基質中的給定位置處等。反應池可以包括分子整體(諸如溶液)或分子片(patches ofmolecules),或它可以包括單個分子反應複合物,例如，參與目標反應的每種分子的一個分子作為複合物。類似地，本發明的所有裝置和系統可以包括單個反應池，或可以包括在集成的結構(例如，多壁或多池板、晶片、基底或系統)中的反應池的集合、陣列或其它組合。這類陣列化的反應池的一些實例包括核酸陣列晶片，例如，GeneChip 陣列(Affymetrix, Inc.),零模波導陣列(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.)，和多種其它反應池中的任一種。在多個方面，所述「反應池」、測序層和零模波導與在Foquet等人的美國專利號7，486，865中所述的那些類似，其整個內容通過該引用併入本文中用於所有目的。儘管示例性的分析裝置包括具有單個波導層和反應池層的分析裝置的陣列，但是應當明白，在波導陣列基底和包覆/反應池層中可以採用多種層組成，且仍然實現本發明的目的(參見，例如，公開的美國專利申請號2008-0128627，其通過該引用併入本文中用於所有目的)。分析系統通常包括一個或多個分析裝置100，所述分析裝置100具有檢測器元件120，所述檢測器元件120設置成與反應池102光通信。在反應池102和檢測器元件120之間的光通信可以由光學元件鏈(optical train)104提供,所述光學元件鏈104包括一個或 多個一般命名為106、108、110和112的光學元件，用於將來自反應池102的信號有效地引導至檢測器120。這些光學元件通常可以包括任意數量的元件，諸如透鏡、濾光器、光柵、反射鏡、稜鏡、折射材料等，或這些的各種組合，這取決於應用的細節。在多個實施方案中，反應池102和檢測器120與一個或多個光學元件一起提供在集成裝置結構中。通過將這些元件集成在單個裝置體系結構中，可以提高反應池和檢測器之間的光耦合的效率。具體地，在常規的光學分析系統中，通常將分立的反應器放入光學儀器中，所述光學儀器利用自由空間光學部件將光信號傳遞至反應器和將來自反應器的光信號傳遞至檢測器。這些自由空間光學部件意圖包括更高質量和體積的部件，且具有造成這類系統的多個弱點的自由空間界面。例如，這類系統具有更大的損失傾向(鑑於從這些更高質量部件導入不希望的洩漏途徑)，且通常會導入更高水平的自發螢光，所有這些都會降低系統的信噪比(SNR)，並降低它的總靈敏度，這又可以影響所述系統的速度和處理量。另外，在多路化的應用中，來自多個反應區(即，多個反應池或在單個池內的多個反應位置)的信號通常穿過共同的光學元件鏈或光學元件鏈的共同部分，其中使用在要成像到檢測器平面上的元件鏈中的光學元件的整個體積。結果，光學象差在這些光學部件中的存在，諸如衍射、散射、散光和慧差(coma)，會使信號在振幅和整個視野上降級，從而導致更大的噪音貢獻和檢測的信號之間的串擾。相比而言，本發明的裝置在反應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，並在光學部件之間幾乎不提供或不提供可以促進損失和需要使用小數值孔徑檢測的自由空間區域。進一步，在優選的方面，為給定的反應區提供它自身的專用光學元件鏈，以將信號導向至傳感器的專用部分。在多個實施方案中，所述裝置被構造成，使得從納米級池中的螢光物質發射的光穿過固體介質(例如，基本上固體的介質)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。基本上固體的介質包括具有固體介質區域和空氣區域的介質。在一個示例性的實施方案中，所述基本上固體的介質是多層化的電介質，所述多層化的電介質包括一個或多個固體層和任選的一個或多個空氣層。所述基本上固體的介質通常可透過發射的螢光。所述固體介質可以包含無機或有機材料，包括，例如金屬氧化物、玻璃、二氧化矽或蒸發性的聚合物材料。儘管通常會傳輸發射的螢光，但是在納米級池和檢測器之間的光學層也可以構造成起電磁波譜的其它部分的濾光器的作用。例如，所述光學層可以包括一個或多個濾光器層，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疊堆，所述電介質疊堆包括具有不同折射指數的材料層。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層。儘管所述光學層可以包括有空氣的薄層，但是應當理解，具有一個或多個這樣的區域的材料仍然是基本上固體的介質，並且這樣的薄層或層組不會造成自由空間光學部件的使用。所述包含空氣的薄層具有通常大於約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於約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。結果，光學象差被限制在單個反應區，而不是出現在反應區的整個陣列中。同樣地，在另一個優選的方面，在集成的過程(例如，微機械光刻製造工藝)中製造所述反應區、光學元件鏈和檢測器，使得所述部件藉助於所述生產過程而預對準，並藉助於所述製造過程而鎖定在這樣的對準。隨著反應區尺寸減小和多路增加，使用自由空間光學部件系統的這種對準越來越困難。另外，通過將這些部件集成在一個一體式部件中，在這樣的子部件之間的相對運動(正如使用自由空間光學部件的情況)可以使由振動導致的漂移和繼續對準成為一項更困難的任務。同樣地，與自由空間系統相比，在集成的系統中消除了或至少基本上減少了在任意中間空間中的汙染(例如，灰塵和/或其它汙染物)可能性。除了減少來自光路的噪音貢獻以外，本發明的集成裝置也受益於這樣的製造工藝和技術它們消除了與分立的反應池、光學部件和檢測部件相關的其它問題。例如，就某些高度多路化的或陣列化的反應池而言，初始對準和在分析全程中保持檢測與反應池的對準，會增加困難。在可以在反應池的不同陣列位置中和/或在不同的反應池中特異性地靶向激發照射的情況下，尤其如此。在圖I所示的實施方案中，信號源、傳輸層(其包括用於調節在其中傳輸穿過的光的光學部件)和檢測器一起連接進集成裝置中。當用於表示本發明的不同方面時，本文使用的術語「集成的」可以具有不同的含義。例如，在集成的光學裝置或集成的光學系統的情況下，術語「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在部件之間傳輸。光信號通常這樣傳輸其不進入空氣或自由空間的大區域，正如光學領域的技術人員會理解的。集成的光學系統可以具有這樣的區域所述區域包括含有空氣的薄膜，例如在本文所述的電介質疊堆或電介質濾光器的背景下。在描述系統的背景下，術語「集成的」應當理解為，通常用於分析和電工程領域，其中「集成的」是指，例如，在其它方面不同的元件的組合或協調，以提供和諧的且相關的整體(無論在物理上還是在功能上)。通過所述術語的使用背景，本領域技術人員通常會理解所述術語的含義。在集成裝置中，從反應池102發射的光會穿過固體介質至檢測器。在一些實施方案中，集成的分析裝置也包括為反應池102提供照射的部件。例如，在其中反應池102包括零模波導的多種情況下，經常希望從反應池下面(例如在反應池102的底部和傳輸層或光學元件鏈104之間)提供照射。在一些情況下，將波導結構整合進分析裝置中，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號11/849，157以及2009年9月15日提交的美國專利申請號12/560,308 (它們通過引用併入本文中用於所有目的)中，更詳細地描述了包括用於照射的波導的分析裝置。在多個實施方案中，所述分析裝置是這樣的基底其包括反應池陣列，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(optical guide)和處理電路。在多個實施方案中，通過在基底上構建層，或通過粘結2個或更多個基底，可以形成分析裝置。在一個示例性的裝置中，使熔融的矽(FuSi)基底、ZMW層和具有光電檢測器陣列的矽基底粘結到一起，以形成分析裝置陣列。應當明白，這類集成分析裝置在對準和光採集方面具有顯著的優點。例如，在生產過程中對準反應部位和檢測器。從本文的描述會明白，可以以不同的方式集成或修改任意的部件和系統。在另一個實施例中，所述ZMW基底和檢測器陣列是在分開的基底上，所述基底結合到一起以進行實驗，隨後在第二個實驗中，用另一個基底替代ZMW基底。利用該方案，在一個實驗以後，可以重複使用檢測器陣列，而不是和ZMW基底設置在一起。由於每個過程的生產(yield)是分開的，還可能更節省成本。以此方式，在實驗過程中，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後分開。在圖IB和IC中，示出了裝置的一個實施例，所述裝置包括集成的反應池、傳感器和光學部件，所述光學部件包括照射導管。如圖IB所示，從端視圖示出的集成裝置700包括多個反應池702。每個反應池702與光導管或波導706光通信，所述光導管或波導706設置在波導陣列基底層704中，其將激發照射遞送至反應池。從反應池發射的光信號然後從反應池702傳遞，穿過波導陣列基質704，被集成的光學元件(例如，光隧道708)捕獲並轉遞，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704、分離的反應池702和分離的傳感器元件710。穿過波導704的一端遞送照射，並沿著長度傳播。因為反應池被限定在覆蓋于波導陣列基底706上面的基底層中，在除了限定反應池的位置以外的每個地方，所述基底層起包覆層的作用。例如，在金屬包覆零模波導陣列的情況下，將反應池限定在金屬層中，所述金屬層形成波導陣列基質706中的波導的上包覆層。在限定反應池的位置處，所述包覆層不存在，這允許從下面的波導704逐漸消失地照射反應池。應當理解，在波導陣列基底和包覆/反應池層中可以採用多種層組成，並仍然實現本發明的目的(參見，例如，公開的美國專利申請號2008-0128627，在前面併入本文中)。在一些情況下，零模波導的包覆層不是金屬，而是這樣的材料所述材料的折射指數低於位於它下面的透明層的折射指數。通常選擇所述包覆層的折射指數，使得存在入射照射的全內反射。在所述包覆層和位於所述包覆層下面的透明層之間的折射指數差異，取決於諸如下述因素用於照射的光的波長，和照射光在所述包覆層和所述透明層之間的表面上的衝角。在照射光的入射角較淺的情況下，全內反射所需的折射指數差異可以較小。為全內反射選擇適當的折射指數差異，是本領域眾所周知的。在具有較低折射指數的材料被用作包覆層的情況下，可能有用的是，在零模波導內的流體的折射指數接近於所述包覆層的折射指數，以便使來自零模波導結構的任何散射最小化。在一些情況下，所述流體的折射指數與所述包覆層的折射指數基本上相同。在一些情況下，折射指數的差異小於O. 001或小於O. 0001。在一些情況下，折射指數的差異是O. 01 至 O. 00001。
可以使在每個分析裝置中的處理電路的大小最小化，以降低成本。通過在接收照相機電子器件(例如非常平行的DSP或微處理器，或專用的FPGA、CPLD或ASIC)中形成板，可以使總的運行成本(即$/兆鹼基)最小化。在圖2A中示出了本發明的集成分析裝置(光極)的另一個實施方案。儘管以開放的形式示出圖2A來圖解各種部件，應當理解，圖2A的分析裝置代表包括所有固體或液體部件的結構，且在部件之間不存在實質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集成的另一個實例。如圖2A所示，所述分析裝置具有反應池802，所述反應池802與試劑蓄池或流體導管806聯接，所述流體導管806將反應物遞送至反應池802。所述反應池可以是納米級池或零模波導。在一些情況下，所述反應池具有固定化在其內部的生物分子諸如聚合酶。所述流體導管可以為多個反應池提供試劑。在所述反應池的下面是波導，所述波導用於為在所述反應池內的試劑提供激發照射。儘管在這裡示出了波導，但是其它光學元件(諸如在本文別處提供的那些)可以用於從反應池下面提供光。所述照射光可以用於從反應池內的試劑激發螢光發射。從所述反應池發射的光被向下引導穿過傳輸層，所述傳輸層的作用是，將來自反應池的光傳輸至檢測器。在一些情況下，所述傳輸層具有光學部件，所述光學部件用於增強光傳遞效率或調節光。在圖2A的分析裝置中，將光隧道或導管808設置成與反應池802光通信，所述反應池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。所述傳感器元件聯接至適當的電子部件(諸如總線和互連器812)，所述電子部件構成總傳感器或照相機。也示出了波導814，其用於將激發照射遞送至反應池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反應池和相關的部件，諸如陣列化的波導814。也示出了流體導管816，其也集成在所述裝置中，並設置成與各個反應池流體連通。示意性地示出的總裝置800聯接至處理器820和計算機822。在一些情況下，所述檢測器具有多個傳感元件，每個傳感元件用於檢測具有不同色譜的光。例如，在測序的情況下，每個反應池的傳感器可以具有4個元件，每個元件針對4種鹼基中的一個。在一些情況下，所述傳感器元件會提供顏色辨別，在其它情況下，使用濾色器來將適當顏色的光引導至適當的傳感器元件，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。所述傳感器元件聯接至適當的電子部件812 (諸如總線和互連器)，所述電子部件構成總傳感器或照相機。所述電子部件也可以包括處理元件，所述處理元件用於處理來自檢測器的信號。III.光極陣列和包裝本發明的集成分析裝置通常製造成裝置陣列，這允許一次同時觀察數千至數百萬的分析反應。這些光極陣列通常需要輸入流體(以提供進行分析反應所需的試劑和條件)、輸入激發光(用於測量螢光)和聯接件(用於從檢測器輸出信號數據)。本發明提供了用於包裝實現這些輸入和輸出的光極陣列的裝置、系統和方法。圖3提供了一個實施方案，其用於將光極元件的陣列提供到光極陣列組和光極陣列晶片中，這會便利光和流體的輸入和數據的電子輸出。可以將所述光極陣列晶片導入儀器或系統中，所述儀器或系統用需要的輸入和輸出聯接件來構建。例如，在一些情況下，可以穿過在晶片上面的輸入埠，從上面導入光和流體，且可以從在晶片底部上的電子觸點，從晶片下面提取電子數據。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。要測量的分析反應的特徵，可以決定陣列中的光極的數目。在光極陣列部件中的光極元件的數目可以是約10至約100萬或更多。在一些情況下，光極元件的數目是約100至約100，000。如圖3所示，流體導管在給定的光極的上面延伸至在另一側的光極。如該圖所示，示例性的流體導管在一個方向(但是基本上不是在垂直的方向)在整個光極元件上延伸。在一些情況下，可以將流體導管構造成在任一個或兩個方向在多個光極元件上面延伸。在一些情況下，所述導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，一個導管可以將流體遞送至光極元件子集，而其它導管將流體遞送至其它光極元件。在一些情況下，每個導管將流體遞送至單個光極元件。類似地，在該圖中關於單個光極元件所示的波導通常在所述陣列中的整個多個光極元件上延伸。所述波導可以是沿著單行光極元件延伸、從而為該行中的反應池提供照射的通道波導(channel waveguide)，或所述波導可以是比一行更寬的通道波導，其照射超過一行。所述波導也可以是平面波導(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池。流體輸入部件320具有流體輸入埠 322，用於將流體引導至光極陣列晶片。在圖3所示的實施方案中，所述流體輸入埠可從頂部接近。所述流體輸入埠 322具有多個從輸入埠延伸至光極陣列部件的流體導管。在所述流體輸入埠上的流體導管通常與在所述光極陣列部件上的流體導管直接配合，且兩個部件通常在同一組工藝步驟中形成。流體導管的數目可以取決於用途。在一些情況下，一個流體導管會為光極陣列部件中的一行反應池提供流體。照射輸入部件330具有照射輸入埠 332，諸如光管，其用於將照射光輸入到光極陣列晶片上。所述照射輸入埠 332連接至多個波導，所述多個波導從照射輸入埠延伸進在光極陣列上的波導中。簡而言之，可以如下在基底內提供波導包括更高IR區，以在更低IR材料基底中傳遞光，其中所述更低IR材料起波導的部分包覆層的功能。在沒有包覆層的情況下，所述波導接觸反應池，這允許從所述波導逐漸消失地照射反應池。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。可以組合多個光極陣列組，以形成光極陣列晶片。所述光極陣列晶片可以包括I至約100個、約100至約1，000個或更多個光極陣列組。使用半導體和微製造加工技術，可以製造包括多個光極陣列組的光極陣列晶片。例如，可以在晶片上製造具有光極陣列組的陣列的光極陣列晶片，所述晶片可以分割成用於特定用途的具有適當數目的光極陣列組的更小的光極陣列晶片。如此生產的光極陣列晶片具有流體和照射輸入埠，且具有用於轉移數據的從晶片上的檢測器和其它電子元件延伸的電觸點。圖4解釋了如何從側面給光極陣列部件(中央)供給流體和光，所述光極陣列部件具有例如200x 200個光極元件。流體埠 33c將流體分配進流體通道的陣列中，所述流體通道將流體引導至反應池或ZMW。光管53c將光聯接進通道中，所述通道將照射光從下面傳輸進反應池中。來自ZMW的發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體。所述光電二極體檢測光信號，並將數據信號傳輸進在晶片上的圖像處理元件中。通過在晶片底部上的電觸點，將經過處理的信號數據發送至計算機，用於進一步處理。在晶片上的圖像處理元件可用於即時處理來自光電檢測器的數據。一般而言，就核酸測序而言，光學事件的速率相對較低，例如約IO3/秒。該速率顯著低於圖像處理元件能夠工作的典型處理速率，後者可以是約IO9/秒。可以用作本發明的一部分的一個方案是，用單個圖像處理元件處理來自多個像素(例如10至1000個像素)的數據。該方案允許最大程度地利用圖像處理元件，例如電晶體。在一個方面，本發明包括具有光極元件的陣列的裝置，其中每個光極元件具有在包覆層內的反應池(諸如ZMW或納米級孔)，所述反應池被構造成接納流體，所述流體含有要分析的反應物。所述分析通常包括至少一種被螢光地標記的物質，來自所述物質的螢光會提供關於所述反應的信息。在反應池的上面是流體層，所述流體層與所述反應池流體連通。在孔層的下面是波導層，所述波導層會用逐漸消失的輻照為納米級池提供照射。所述波導層可以包括通道波導和/或平面波導。在所述波導層的下面是傳輸層，所述傳輸層將從反應池中的螢光物質發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，所述檢測器層接收並檢測穿過所述傳輸層傳輸的發射光，其中所述發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，所述電觸點用於將來自晶片的數據信號傳輸進計算機部件中，用於分析和處理。在一些情況下，將處理元件構建進晶片中，以在將數據發送出晶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集成的堅固包裝件中。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池的部分可逆地分離。這允許檢測器部分與不同的反應池陣列一起重複使用。IV.包括光極陣列的測量系統可以將光極陣列晶片插入提供分析反應的結構中，所述光極陣列晶片包括光極陣列、光和流體輸入以及用於電子轉移數據的輸出。在一些情況下，所述光極陣列晶片可以夾在組件內，所述組件會提供輸入和輸出部件的物理對準，且可以提供組件部件的有效配合所需的力。組件的一個方案是，使用蛤殼式組件。一個示例性的系統包括集成在具有測試座的系統中的分析裝置的陣列。一個示例性的系統體系結構利用自配合的測試裝置和晶片級包裝技術。在多個實施方案中，所述測試座是自配合的測試裝置(ATE)座(socket)(示於圖5A)。在所述示例性系統中，所述座連接至處理系統和其它系統部件，諸如電系統。在一些方面，本發明提供了具有夾心結構的組件，所述組件包括包括照射光和流體的輸入的頂段；在中間的集成分析晶片，所述集成分析晶片包括具有多個納米級孔(所述孔穿過包覆層與晶片頂部流體接觸)的孔層，和具有多個波導(所述波導被構造成從下面為納米級孔提供照射光)的波導層，所述波導層具有在頂部表面上的一個或多個照射埠(用於為所述波導提供照射光);包含透明材料的傳輸層，其用於傳輸來自所述納米級孔的發射光；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晶片的底部的引腳(pin)的檢測器；和具有電觸點的底段，所述電觸點對應於在晶片的底部上的引腳；構造所述組件，使得在閉合以後，所述晶片與頂段和底段對準，以允許從所述頂段輸入照射光和流體，並從所述底段提取電信號。一個示例性的集成裝置使電部件與光學部件和流體部件分離開，例如，在所述裝置的一側具有光和流體遞送，在所述裝置的另一側具有電互連器。在圖5和5A中示出了系統的一個實施方案，其中將光極陣列晶片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53和流控遞送系統33遞送至光極陣列晶片，所述底段57具有電觸點的陣列，所述電觸點與在光極陣列晶片上的電觸點配合。在一些實施方案中，所述座可以使用真空來將所述系統的部件牽引到一起，以增強流體、照射和電觸點。所述電聯接件通常是在集成裝置的底部表面上，所述光學和流體聯接件通常是在所述裝置的頂側上(示於圖5)。以該示例性方式進行的電部件分隔會提供雙側座，後者可以供給在標準的商業容差內的所有110聯接件。作為一個實例，可以修改在示例性的商業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個插入迴路可靠性(insertion cycle reliability),並會提供足夠且均勻的接觸力。此外，因為所述部件集成在單個裝置中，所述座是自就位的，所述光學部件和檢測器可自配合地對準。實例包括裝有彈簧的耐久接觸引腳和氧化物擦洗冠，以進一步促進自對準和可靠接觸。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和其它系統部件。這會提供更高的可靠性、更低的成本和通常更容易的技術人員使用。可以在位於集成裝置的處理區的上面且鄰近反應池的區域上以分布方式進行試劑處理、樣品處理和照射功能(例如，如圖13B所示)。照射埠和流體埠可以定位於棋盤圖案中的交替行中。這些照射和流體埠可以服務於單個鄰近的光極陣列部件56，或在一些情況下，可以服務於4個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、更低複雜性的，且通過陣列區段可擴縮性將所述性能維持至非常多的多路。如果需要的話，可以單個地控制每個陣列區段照射和流控部件。在多個實施方案中，在裝置40的頂段上製造流控部件和座51的光子聯接件。參考圖5，將樣品提供至座的頂部，並導入一組移液器，所述移液器與在光極陣列上的流體埠對準。由於所述光極被分組成子陣列，減少數目的流體埠允許對準至標準的商業容差(例如約O. 3mm),且減少數目的聯接件會增加可靠性。單個埠的失效不會使整個實驗無效，且剩餘的埠可以採集數據。本發明的集成系統通常被構造成導入流體和光信號。為了提供無菌環境來導入樣品和試劑，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行每個實驗的座中。可以用與多種微量移液器系統(由諸如Biohit、Thermo和Eppendorf等公司銷售)類似的標準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實施例。圖7示出了將流體導入光極陣列晶片中的簡圖，所述光極陣列晶片具有微量移液器的陣列，所述微量移液器被構造成與在光極陣列晶片上的流體輸入埠配合。微量移液器陣列83與在光極陣列晶片上的流體輸入埠 82配合。所述流體沿著導管86延伸進光極元件中。在所述光極元件內的ZMW受到照射，並通過光管將發射光傳輸至檢測器84。所述檢測器將信號發送至在所述晶片內的數據處理部件。可以用同質材料實現流控部件向光極組(optode group)的導入,或者,每個光極組可以與不同的樣品或試劑情況一起工作，用於執行高度多路化的測定實驗。也可以調節或維持每個流體輸入的溫度，例如，以提供在測定中的可變性。在多個實施方案中，在商業容差內(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埠導入光子照射信號。通過將耐久座中的光能分布至局部光極區，可以使用謹慎的設計和特殊材料使損失最小化，並能夠實現多色激發和減少在有效的一次性使用的裝置上的熱負荷。例如，可以設計這樣的鈮酸鋰波導結構其具有非常低的插入損失和向光極組的傳播損失。能夠實現在一次性晶片上的更低質量分布網絡作為傳輸距離，並顯著減小分支。可以形成光子分布網絡，以與微流體分布插入物交錯，如圖8和圖9所示。在多個實施方案中，使用頂側泛光照射(flood illumination)方法,如圖10所示。流控通道和ZMW被光學地遮蔽免於頂側照射，並提供將光導向ZMW的有效區的路徑。示例性的ATE座的上一半可透過泛光照射，並同時遮蔽微流體插入物。所述座可以由波導材料製成，以輔助該部分的泛光照射。例如，所述座可以包括選擇的結構或材料，以沿著預定路徑引導泛光照射。在圖10中，所述光極陣列晶片包括ZMW 91的陣列，所述ZMW 91形成在透明基底(諸如玻璃)內。不透明的包覆材料(包括，例如，金屬諸如鋁)區包圍所述ZMW，並延伸進玻璃基底的頂部表面中。從晶片上面導入的照射光96向下穿過玻璃，並被光學元件95向上引導至ZMW的底部，所述光學元件95可以包括反射鏡或電介質疊堆。所述光可以刺激在ZMW內的樣品發射,來自所述樣品的發射光向下傳輸至光學檢測器97。流體導管92將流體運輸至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入ZMW。所述不透明罩94可以包含金屬諸如鋁。在一些實施方案中，用與圖10所示的結構類似的結構，進行頂照射，其中從上面照射每個ZMW 91，且光學元件95包括相對於ZMW環狀對稱的反射結構。可以使用反射型布置來反射光，所述光在從ZMW下面的環狀對稱反射元件反射離開以後，從晶片上面向上進入ZMW中。所述反射系統可以具有彎曲表面，例如設計成優化入射到ZMW上的光的量的拋物線型表面。所述反射系統的中心可以是不反射的，這允許從ZMW發射的光穿過設置在反射元件下面的一個或多個光電檢測器。選擇開口的相對大小，以提供高強度照射和最大光採集量之間的最佳平衡。在一些方面，本發明包括用於測量分析反應的裝置，所述裝置包括具有多個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域隔開，所述透明基底的區域從上面向照射開放。所述裝置具有多個流體導管，每個流體導管是在納米級孔行的上面，並與納米級孔行流體接觸。就這些示例性裝置而言，給每個流體導管包被不透明的材料，所述材料防止照射光從上面進入納米級孔。另外，所述裝置具有在納米級孔下面的一系列部件，所述部件被構造成從透明基底上面向上引導照射光從下面進入納米級孔中。在一些實施方案中，所述裝置也具有內置的光學檢測器，其中每個納米級孔有至少一個檢測器。在一些情況下，所述裝置具有多個檢測器(對於每個納米級池)，例如，4個檢測器，每個檢測器對不同的顏色敏感，以允許四色核酸測序。在一個示例性的系統中，使用晶片級包裝技術，能夠為分析陣列開發低成本的包裝。例如,通孔通路(through-hole via)與分布式處理和數據採集電路一起使用，能夠實現多個分析信號在極大減少數目的輸入/輸出線(1/0 line)上的多路復用。作為實例，256X256元件(每個元件以25次摻入/秒運行，並提供5個字節/事件)的集合需要約65兆比特/秒的電帶寬。可以在僅需要2個聯接件的標準LVDS信號傳遞(ANSI-644)的最大數據速率的僅約10%，提供該帶寬。對於能夠在15分鐘內繪製整個基因組的圖譜的裝置，需要例如少至14個LVDS電聯接件，如圖11所示。在一些實施方案中，在從片材切下的基底(例如晶片)中形成多個裝置。所述晶片可以包含，例如，矽或熔融的二氧化矽。所述示例性裝置包括與化學反應池集成的實時傳感結構，並提供反應器位置與光學元件的解耦。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點。另外，通過將池排列成對應於光極組的可管理的輸入/輸出「墊」(I/O 「pads」)組，該體系結構會減少流控部件、信號和刺激的分布路徑。用池陣列/反應器實現集成的傳感元件，會提供多個益處，包括更高速度的運行和從具有同步光的減少的發射提取被標記信號的能力。圖12示出了集成的分析裝置池的另一個實施方案，所述集成的分析裝置池具有完全內含的光源、細胞反應器元件和檢測器。通過消除共有的和多餘的照射和檢測路徑，可以維持所傳感信號的保真度。儘管分布式體系結構存在多個益處，高解析度陣列所需的分布分支網絡帶來了一些挑戰和限制。例如，與波導(其用多個分支和分接頭來運行)相關的損失會在整個所述裝置中導入光強度梯度。克服該問題的一種方法是，使用畫有陰影交叉線的、交替的波導。在一些情況下，所述裝置使用單色照射和檢測技術來避免或減輕這樣的問題。轉向圖13A、13B和13C，示出了具有分布式功能的陣列。圖13A、13B和13C代表在光極陣列晶片內的層，圖示了在晶片的不同部分中執行的各種功能。圖13B示出了光極陣列晶片的頂側，其具有反應器陣列部件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，然後發送所述信號用於進一步處理和分析。圖13C示出了光極陣列晶片的底部。所述底部具有電聯接件的陣列。在示出的實施方案中，所述晶片在光極陣列部件下面的部分具有用於輸入功率的觸點。所述晶片在流體輸入和照射輸入部件下面的部分具有用於從信號處理元件輸出信號的電觸點。使用與矽晶片製備和測試技術類似的技術，製造圖解的陣列。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。所述陣列不需要規則間距。還會理解，所述系統體系結構可以容易地建立和縮放。每個「單元」可以是具有多個光學元件、檢測元件和處理元件的集成的局部系統。每個反應池檢測器(其含有預處理的像素數據)的輸出連接至處理電路，在處理電路中可以執行各種實用程序的多個功能，包括、但不限於，數據簡化、數位化、緩衝寄存器、總線仲裁等。參考圖13B，使用在處理區上面且鄰近反應池中的每一個的區域，可以以分布方式執行試劑處理和照射。提供了交替行的照射埠和流體埠的棋盤圖案。可以如上面關於光極陣列組的陣列所述，提供這些流體埠和照射埠。這些埠可以服務於單個鄰近的反應器陣列或多個陣列。在多個實施方案中，埠的每個節點或集合服務於相鄰陣列(例如在四個側面中的每一個上的陣列)。與常規裝置相比，照射和流體的分布更均勻，且複雜度更低，並通過陣列區段可擴縮性將所述性能維持至非常多的多路。應當明白，如果需要的話，可以單個地控制每個陣列區段照射和流控部件。參考圖13C，經由通向基底聯接件的局部通孔通路，可以執行陣列區段的讀出。用工業接受的且經過驗證的工藝，可以完成所述系統的包裝和測試。為了補充在晶片頂側上的流體和照射聯接件，可以如上面討論的在晶片底部上製作多個電聯接件，所述電聯接件代表陣列區段的I/o。這些聯接件可以被功率和信號組分段。利用該頂-底聯接設置，上述的標準的蛤殼式包裝技術(例如ATE座)可以用於將所述裝置連接至總系統。參考圖4，頂側聯接件包含多個照射光管53c和微流體噴嘴33c的對準。例如，如果需要2000X 2000池陣列，且將100個陣列區段放入在5微米中心上的200X 200多路中，則鄰近的1001/0和處理區段的大小是約Imm X 1mm。因此，需要照射和流控部件的IOX 5聯接，但是在所述的節距(pitch)處具有可實現的對準。以類似的方式，在處理區中進行的數據簡化會減少需要與外部電路接合的電聯接件的數目。標準的電凸塊接點(bump bond)可以用於連接標準的耐久電座，所述耐久電座具有可實現的高速運行容差。返回圖14，集成裝置的可擴縮性延伸至可擴縮的陣列區段和非常高的解析度。在該高解析度陣列中，利用本文所述的系統體系結構使得在整個陣列上的性能(周圍相對於中心)更均勻。應當明白，反應器陣列和光極的大小和排列是相對靈活的。反應器陣列部分和鄰近的分布區和處理區的分隔，可以在相對寬的範圍內調節大小，且每個部分相對於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個流體輸入部件202a和2個照射輸入部件203a。在圖14 (B)中，光極陣列201a部件連接至I個流體輸入部件202和I個照射輸入部件203a。在圖14(C)中，光極陣列部件201a沿著一個邊緣連接至流體輸入部件202a，並沿著另一個邊緣連接至照射輸入部件203a。儘管在多個方面，所述分析裝置被描述為以整體方式製造，使得所有集成的元件從最初製造進同一個結構中，但是從本文的描述應當理解，可以使用其它製造技術。在一些情況下，分別製造不同的部件，然後將分開的部件集成到單個集成裝置結構中。例如，可以在分立的部件部分中製造傳感器元件，所述傳感器元件任選地包括一個或多個光學元件。同樣地，可以任選地與一個或多個光學部件一起，在分立的部件部分中製造反應池。這2個分開的部分然後可以配合到一起，並聯接成單個集成裝置結構，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池適當地對準。在多個實施方案中，所述分析裝置採用模塊裝配技術。以此方式，可以根據需要連接、分離和重裝各個部件。例如，可以在實驗過程中裝配反應池陣列和波導和傳感器，然後分離，使得可以為下一個實驗的建立而替換池陣列和波導。通過在半導體工業中用於連接不同部件的多種已知方法中的任一種，可以連接2個分立的部分。例如，可以如下連接2個平面部件例如，通過範德華力來連接，超聲焊接，熱退火，靜電，真空，或使用其它連接機制，例如，環氧化物粘結、粘合劑粘結等。適當的連接技術包括、但不限於機械的、化學的和離子的技術。如以上所討論的，在連接分開的部分時，可能希望連接這樣的部分，使得各個功能部件在所述部分之間對準。例如，在總裝置意圖具有每個反應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池的部分對準，使得它們在光通信中對準。可以如下實現對準使用製造在部件部分上的結構對準元件作為製造過程中的基準(fiducial)，例如，在相對的表面、脊和槽等上的引腳和孔。或者，在製造過程中，可以在部件部分上提供不同的活性區，使得在希望對準的區域之間表現出吸引力。例如，可以在相對部件表面上布置互補的電荷區，以產生用於正確對準的吸引力。同樣地，疏水區和親水區在相對基底表面上的布置，與水性連接過程一起，會產生自動對準過程，隨後進行適當的過程步驟來去除在2個部分之間的任何殘餘水分。在圖13D中示意性地圖解了該過程。如所示的，給2個基底902和904提供疏水區906，所述疏水區906布置在它們各自的表面上。應當理解，相對更親水的區域(例如，對應於非疏水區910)也可以布置在所述基底上，正如多種其它表面處理一樣。布置這些區域，使得在相對基底上的區域的對準會產生在這類基底內的部件的對準(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排斥(步驟ii )。當基底配合到一起時，所述水層與在相對基底上的對應的非疏水區910對準(步驟iii)。在正確對準以後，去除水層，例如，通過常規的乾燥機制(步驟iv)。得到的基底然後通過在它們各自表面上的化學上相似的(即，疏水的)區域之間的範德華力相連。根據該方法，也可以在連接2個裝置部件時容易地導入間隔元件，如圖13E所示。具體地，通過提供親水的或疏水的間隔部件，可以在粘結步驟中提供例如納米級間隔元件(例如，示於圖13D)。如所示的，在相對基底之間的水性膜內，提供親水的間隔件。所述間隔件集中在親水區，並將這些區域聯接到一起，從而在粘結的產物中剩下空氣隙或空間914。另外，應當理解，也任選地或替代地使用疏水的間隔元件來與疏水區對準，並通過疏水區形成粘結元件。所述間隔件可以任選地包括光學部件，諸如透鏡、指數匹配的材料、濾光器部件等，它們被整合在總裝置中，並在粘結過程中以自裝配的方式對準。V.光學部件根據本發明，除了在單個分析裝置內集成傳感器和反應池元件以外，還可以在所述裝置內包括一個或多個光學部件。集成的光學元件的實例包括、但不限於定向的光學元件，即，這樣的光學元件其改變光信號的方向，以將那些信號引導至或導向傳感器元件或其它光學元件。這類元件包括，例如，反射鏡、稜鏡、光柵、透鏡等。作為實例，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光信號(參見，例如，2009年9月25日提交的美國專利申請號12/567，526，它通過引用整體併入本文中用於所有目的)。其它光學元件包括光譜元件，例如，改變光信號的光譜特徵的元件，所述改變包括在不同的方向引導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、光柵或稜鏡，它們將給定的信號分離成光譜組分。在多個實施方案中，這類光學部件包括內含式光學殼體，所述光學殼體有效地收集從反應區發射出的光子信號，並在寬發射角分布範圍內入射，將那些信號導向指定的一個或多個傳感器元件。這類自容納式殼體通常會將大量從反應區發射的光子捕集在室內，消除反應池或區域之間的串擾(所述串擾否則會源自進入鄰近的傳感器元件的散射信號)，減少洩漏電流(因為所述傳感元件可以製造得非常小)，減少在每個光學室內的散射路徑和散射元件，並減少自發螢光(由於大幅減少的光程量和消除的自由空間區域)。圖15圖解了在本發明的多個方面，來自反應池的光信號的一般性質。如所示的，所述反應池或區域包括設置在基底204上的非常小體積的反應區，諸如零模波導(ZMW)，例如，ZMW 202。如在分解圖中所示，ZMW包括貫穿包覆層210設置的未填充的核心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 (它們的整個內容併入本文中用於所有目的)中所述，示例性的零模波導結構具有足夠小的尺寸，使得大於進入波導核心208的截止頻率的光不會傳播穿過核心，但是表現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內的虛線來示意性地圖解)，並收集在相同體積內發生的任何光發射。結果是，允許激發設置在核心開口處(例如，在透明的基部層上)的單個分子並收集來自單個分子的螢光發射。來自反應池或所示的ZMW 202的光信號以朗伯(Lambertian)分布發射，如箭頭212所示。表現出該特性的信號的有效捕獲，可能需要定向光學部件來將所述信號重新導向至檢測器，或需要提供與該信號特性的半球表面匹配的檢測器。根據本發明的某些實施方案，在所述裝置內、具體地在基底內提供光學室，以有效地捕集光信號並引導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，提供了反應池或區域，諸如ZMW 302，其設置在基底層304的上面。檢測器306設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或導管，以將來自反應池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，其在所述隧道內容納光信號，或它包含具有充分不同的折射指數的材料，所述材料通過全內反射將光信號維持在所述隧道內。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，提供傳感器的其它部件，諸如電互連器316和總線318。通過在半導體製造工藝中經常使用的多種製造工藝，可以製造這些具有集成的光隧道的裝置。例如，可能採用多個工藝來在反應池和傳感器元件之間的中間層內製造反射金屬隧道。在一個示例性的工藝中，將光隧道部分製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(其基於顏色辨別進行檢測)的2個像素元件的典型結構。如所示的，總結構400包括矽光電二極體元件402和404，它們對應於總傳感器或照相機的每個像素。在所述傳感器元件上提供多個額外的層，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。為了容易討論本發明的內容部分，提供前述討論。在本發明中使用的CMOS傳感器的結構，或甚至採用的傳感器的類型，包括、但不限於CM0S傳感器、CCD等。儘管圖17圖解了基於顏色辨別進行檢測的檢測器結構，但是從本文的描述應當理解，可以採用其它檢測技術。圖18和19示意性地圖解了光隧道的一個示例性的結構和製造過程。如圖18所示，金屬隧道502包括一系列金屬層，其中每個層提供環形環或邊框(border)504和506，所述環形環或邊框504和506具有遞增的橫截面，使得這些層共同地限定會聚性的金屬隧道，所述隧道將來自反應池510的光引導至傳感器元件508。圖19提供了用於製造圖18所示的結構的示意性工藝流程。如步驟(i)所示，提供了一個示例性的傳感器陣列，其中示出了設置在基底層512上的僅單個光傳感器像素508，在它上面設置有絕緣的氧化物層514。在步驟(ii)中，將抗性層516設置在絕緣體層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)然後會為光隧道提供第一金屬環或邊框504。然後在步驟(vi)中，在所述結構上生長或沉積氧化物層522。在步驟(vii)中，重複該工藝，以沉積後續的金屬環層506和氧化物層524。應當理解，可以進一步重複該工藝，以給金屬隧道502提供額外的層。應當明白，類似的步驟和工藝可以用於生產本文所述的任意裝置和部件。可以採用類似的製造工藝，以提供從反應池至傳感器元件的更高折射指數(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，所述栓提供在位於檢測器和反應池之間的中間基底層中。如所示的，總結構600包括檢測器基底602，所述基底602具有設置在它上面的傳感器元件，諸如矽光傳感器604。氧化物絕緣層606設置在檢測器基底上面。給層608和610提供具有更高折射指數的區域612。這些區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區內維持全內反射來實現。作為實例，如果高IR區具有例如2. 04的IR，諸如在氮化矽栓的情況下，所述氮化矽栓設置在具有I. 64的IR的中間層(例如，如二氧化矽)中並與其交界，會導致以小於30度照射該界面的任何光的全內反射。從本文的描述顯而易見，多種方法可用於提供精確地定位在基底層608和610內的高IR區，包括、但不限於，蝕刻並繼之以氮化物沉積，例如，液相化學氣相沉積(LPCVD)。可以在裝置的製造中包括其它指數遷移材料，包括、例如，摻雜的二氧化矽材料，例如，納米晶體摻雜的部件或材料(參見，例如，美國專利申請號2007-0034833，它的所有公開內容通過引用整體併入本文中用於所有目的)，和/或空氣或其它氣體填充的間隙或空間，以提供指數失配來引導光信號。如圖20所示，在較靠近反應池618處提供任選的額外金屬壁部件616，例如，如上面關於圖18所述。這允許以小於高IR區和周圍基底的界面的臨界角的角度(例如，就示例性的氮化矽/氧化矽界面而言，小於30度)，將來自反應池的光信號導入高IR區中，並減少所述裝置的鄰近部分之間串擾的可能性(如虛線箭頭示意性所示)。應當理解，因為本發明的裝置通常適合使用標準的整體半導體製造技術來製造，所述裝置的製造可以併入檢測器所用的多個功能部件，例如，CMOS傳感器陣列所用的電互連器和總線、以及光學部件(光隧道、透鏡、反射鏡等)和甚至反應池本身，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構中的微流體元件，和照射部件，例如，用於將激發照射遞送至反應池。也如以前指出的，儘管通常以單個或幾個反應池和相關的集成光學部件和傳感器的方式來解釋，但是應當理解，本文提供的解釋和描述適用於這樣的反應池的遠遠更大的陣列。具體地，這樣的裝置通常可以已經在單個裝置中集成了超過約1000個分立的反應池和相關的光學部件和傳感器。在多個實施方案中，所述集成裝置包括在選自下述的範圍內的多個反應池約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。可能希望基於需要的用途來選擇反應池的數目。例如，所述裝置可以包括約1000至約100，000個池(對於臨床試驗)、約100,000至約1，000, 000 (對於診斷實驗室)或超過約1，000, 000 (對於高處理量研究)。根據本發明，每個反應池可以具有與其相關的單個傳感器元件或像素，或它可以具有與其相關的多個傳感器元件或像素(尤其在保證光譜分離、方向和單獨檢測的情況下)。同樣地，每個反應池可以優選地具有與它相關的它自己的專用的集成光學部件。在一些情況下，多個反應池可以共用集成的光學部件，例如，以施加標準的過濾，以將照射施加於多個池等，且通常另外加上一個或多個專用的光學部件。如上所述，在一些情況下，在集成的裝置結構內包括照射光學部件。這些光學部件可以包括真實的照射源，例如，LED、固態雷射器部件等，和/或它們可以包括光導管，所述光導管用於將來自內部或外部光源的激發照射傳輸至反應池。特別優選的光導管的實例包括波導，所述波導集成在與反應池鄰近的基底中。這樣的照射導管的實例以前已經描述在，例如，公開的美國專利申請號2008-0128627中，它的所有公開內容通過引用整體併入本文中用於所有目的。在多個實施方案中，所述照射源可逆地光學地聯接至照射埠。「可逆地光學地聯接」是指，可以去除在功能上與另一個元件聯接的一個元件。換而言之，所述聯接不是永久性的。如本文使用的，例如，可以使照射源與照射埠相連和斷開。如以前指出的，在所述裝置內的光學腔(optical cavity)可以用於多種用途，這取決於用途的性質和裝置的體系結構。例如，這樣的間隙或空間可以用於光學元件鏈中，以給檢測器或傳感器元件提供額外的信號通道。或者，這些間隙可以提供照射導管，用於將照射輻射遞送至反應池。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，以鑑別已經發生的反應，並鑑別該反應的參與物。作為實例，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標記基團，從而不僅允許檢測聚合反應，而且允許鑑別在該聚合反應中摻入的核苷酸的具體類型。因此，可能希望在本發明的裝置和/或系統內包括辨別不同的信號分量的能力。在一些光學系統中，可以如下實現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元件鏈，或包括色散性的光學元件以將信號的不同光譜分量差別地引導至不同檢測器或給定檢測器陣列的不同區域。在多個實施方案中，所述系統被構造成用於基於其它檢測技術的檢測和辨別。所述檢測裝置和方法的多個方面與在下述文獻中描述的那些類似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內容通過該引用併入本文中用於所有目的。在集成裝置的背景下，通常會減少用於信號分量的差別引導的可用空間。類似地，在將單個傳感器元件指定給反應池的情況下，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/或濾光器部件，它們將信號的不同光譜分量選擇性地引導至所述裝置內的不同的鄰近的像素或傳感器。作為實例，給定的反應池和它的相關的光學元件鏈可以包括與它相關的多個單個傳感器元件，例如，像素。在光學元件鏈內包括定向部件，所述定向部件將光譜上可辨別的信號分量引導至不同的傳感器元件或傳感器元件集合。這類部件的實例包括稜鏡、光柵或可以重新引導和分離信號分量的其它色散元件。這類部件在光學系統中的應用，描述於，例如，公開的美國專利申請號2008-0226307，它的所有公開內容通過引用整體併入本文中用於所有目的。除了這類定向元件以外，或作為這類元件的替代，可以給多個傳感器元件提供過濾光學部件，所述過濾光學部件允許僅單個信號類型到達特定傳感器元件。每個傳感器被不同地濾光，以允許它檢測特定信號分量，從而允多色區分。具體地，為在給定的反應池的專用光學元件鏈內的多個傳感器元件中的每一個提供濾光器，所述濾光器允許來自反應池的總信號的一個分量狹窄地穿過。例如，與給定的核苷酸摻入事件相關的信號會穿過在第一像素元件上的濾光器，但是被在3個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，選擇在每個傳感器上的每個不同的濾光器層。此外，每個反應池可以具有
1、2、3、4或更多個像素元件，所述像素元件專用於接收來自該反應池的信號。在一些情況下，5、10、20、50或甚至100個或更多個像素可以服務於給定的反應池。通常可以在使用常規CMOS製造工藝製造總集成裝置或基礎傳感器元件的過程中沉積可調濾光器層，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製造/設置在傳感器元件上，以拒絕任何潛在的激發照射。替代性地，或除了選擇性引導/過濾來自反應池的輸出信號以外，通過檢測響應於特定激發事件的輸出信號，也可以區分信號分量。具體地，如果響應於對給定的信號發生器(例如，螢光標記)特異性的激發輻射而接受信號，可以假定所述標記是存在的。通過調節或交錯激發照射，所述激發照射跨具有不同激發光譜(或不同的激發/發射譜)的多個螢光團的激發光譜，可以鑑別螢光團集合中的任一個存在於反應池中的時間。通過將發射的信號與給定的激發事件相關聯，可以鑑別發生該信號的螢光團。該過程的實例描述於公開的美國專利申請號2009-0181396，它的所有公開內容通過引用整體併入本文中用於所有目的。應當理解，使照射的定時、檢測器的幀率和螢光團的衰減時間匹配，以提供每個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，以致於不錯失單個事件。在一個示例性的過程中，包括多種不同的被標記物質(例如，不同的被標記核苷酸)的給定用途包括，在它們的激發光譜方面存在差異的標記。用不同波長的激發源反覆照射反應混合物，會提供不同標記的激發之間的時間分離。通過使發射的信號與不同的激發波長之一相關聯，可以隨著信號從給定的標記發出而解釋所述信號。在實施中，可以高頻率地在多種不同的激發源中循環，並同樣高頻率地檢測相關的發射。這在圖21A、21B和21C中示例。如圖21A所示，以交錯的方式脈衝不同的激發源。在圖21B中示出了這類脈衝的示例性的時間量程，以及可檢測的物質的對應的預期停留時間和將從那些物質發出的預期信號。也示出了在給定的幀內的像素集成，所述幀包括在不同的激發脈衝中的多個循環。圖21C示出了來自被標記反應物的信號的模擬集成和檢測(圖的左半)和被標記反應物的缺失(圖的右半)，甚至在有高噪音水平存在下(以O. 5電子/樣品和6樣品/幀的信號和I電子背景進行脈衝提取)。根據本發明，集成的智能像素可以用於不同信號元件的有效檢測和區分，所述信號元件可以從前述內容得到。在圖22中提供了像素設計的一個示意圖。如所示的，包括光電二極體1102的像素包括4個集成的存儲元件1104，其中的每個可以通過單獨的激發源的活化而電子地門控。在這樣的情況下，受調節的控制器元件可以聯接至檢測器和激發照射源，以使照射和存儲事件同步化。結果，每個存儲元件將與給定的激發事件和隨後的發射事件相關聯，使得每個不同類型的激發事件的檢測信號傳遞至不同的存儲元件。除了與分立的激發事件相關聯以外，可以將額外的關聯預先編程進這類系統中。例如，在激發事件和發射譜之間的任意延遲(例如，對於給定類型的標記基團)可以預先編程進像素中，從而在檢測事件中考慮進這類延遲。同樣地，可以在激發過程的中間階段期間關閉所有存儲元件，以避免任何噪音貢獻，減慢一些信號的衰減速率等。如所示的，且應當理解，也包括常規的邏輯元件、放大器等。圖22的示例性的像素檢測器包括引導邏輯(steering logic)和多個積分節點。所述節點可以同時地運行，或在光學積分階段中轉換。光電二極體1102連接至多個積分和處理節點1104。這些節點通常經由傳輸門(TXn)連接至光電檢測器。在耗竭模式，當將低電壓施加於所述門時，這些通路是非傳導的(即開放的)。但是，當施加高電壓(例如比電晶體閾值電壓高几kT)時，在節點和光電檢測器之間產生傳導路徑。在多個實施方案中，獨立地復位每個積分節點，以在傳輸操作之前從它的電路中清除以前的電荷。儘管示例性的光電檢測器使用CMOS、NMOS或PMOS技術，可以替代任何MISFET、BJT或其它開關電路元件，而不改變公開的基本運行。多個積分節點在普通光電檢測器上的應用，可以用於分離多個原因的光電荷事件。在多個實施方案中，將檢測器構造成豎直檢測器，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聯。在檢測器的不同深度處具有多個收集節點，會提供一種通過對比信號的相對強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活動，且通過傳輸門活動持續時間可以控制光學積分時間。基於以前的事件，每個積分時間可以是不同的，以基本上均衡或延伸運行動態範圍。在多個實施方案中，光子向規則的或同步化的事件的到達時間或共振相位，可以用於分類信號的種類。如果每個信號是響應於不同的輸入刺激，可以以規則且序貫的方式施加刺激。通過用獨特的積分節點同步化所述刺激，可以確定種類。如果存在響應於所述刺激(線性調頻脈衝的、掃頻的、恆定的)的頻率調製的滯後，通過適當地延遲傳輸門至具有來自所述刺激的同相信號的每個積分節點，可以檢測該相位裕量。在每個這樣的情況下，來自每個積分節點的相對響應可以用於確定地鑑別和分類種類。應當明白，通過存儲多個可具有時間重疊的子幀樣品，該體系結構也可以用於測定高速事件(子幀速率)。在多個實施方案中，所述檢測器包括在像素內的局部存儲器，以實現高速爆發收集。VII.總分析系統體系結構轉向圖23和圖24，大量光學分析(包括本文所述的那些)利用共同的總分析系統體系結構，通常指定為30。儘管系統30的部件和配置可以變化，但是在多個實施方案中，所述系統具有在圖23和圖24中不為框圖的一般結構。在多個實施方案中，本發明涉及可擴縮的系統體系結構，其使用通常指定為32的分析組件。如所示的，所述示例性系統另外包括樣品遞送組件33和處理系統35。在圖23中，所述示例性系統包括集成的樣品遞送系統。所述示例性的樣品遞送系統30包括樣品37和樣品遞送裝置39，諸如流控系統。所述樣品遞送系統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，並改善試劑向所述裝置的流動的控制。示例性的分析系統30包括多個與上述的光極類似的分析裝置，通常指定為40。2個或更多個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或多個分析裝置。在多個方面，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通常被構造成用於上述的光學分析和數據採集。每個分析組又任選地被構造成用於來自各個分析裝置的數據的壓縮、數位化和串行化。在多個實施方案中，分析裝置的數目和類型與要執行的分析功能相對應。在多個實施方案中，所述系統包括比分析組更多的分析裝置。在多個實施方案中，分析裝置的數目與要測序的鹼基對的數目相對應。系統30提供了在分析組件下遊的處理系統30，其用於處理和解讀數據。所述示例性的處理系統包括多個任選的現場可編程門陣列(FPGA)塊46和特定用途集成電路(ASIC)47，它們又聯接至一個或多個分析組。每個處理組件被構造成用於粗鹼基調用和任選的功能，諸如脈衝寬度控制。示例性系統30另外包括中央處理單元(CPU) 49，其用於處理數據和控制總系統。所述CPU任選地連接至數據存儲單元，諸如固態存儲設備。在示例性系統30中，所述分析組件是集成的且自容納式的。在多個實施方案中，總系統形成為集成系統，所述總系統包括分析系統、樣品遞送系統、處理系統和其它部件中的一個或多個。在多個方面，所述分析系統利用與在』235申請(在上面併入)和上面的光極陣列描述中公開的類似的集成裝置。系統元件的集合，通常允許使用商業上可行的生產方法，所述方法具有共同的I/O和局部處理，用於數據簡化。從本文的描述會明白，本發明的不同方面涉及建立可擴縮的體系結構的方法，其中以平行的方式傳輸數據，以提供摻入事件的樣品區段時序數據。從在多個平行的低成本商業通路(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，輸出所述數據。該示例性的方案可以使輸入/輸出墊最小化，以提供低成本，並容易地生產與多個現成的質量測試座(例如ATE座)相容的系統。在多個實施方案中，每個LVDS輸出可以連接至數位訊號處理塊，以在嵌入的處理板中維持傳輸的數據流處理。圖23的示例性系統被構造成用於基因組測序。在實施中，通常將樣品遞送至分析裝置40，用於數據採集。將收集的數據傳送至分析組40，然後由處理系統35進行處理。所述總系統具有使得所述系統可以有效地縮放的模塊設計。因為所述系統包括從分析裝置至處理的確定數據通路，通過添加部件可以簡單地放大所述系統。在示例性系統中，處理系統35是耐用的照相機板(例如FPGA)。在所述照相機板中嵌入了平行的處理功能，並執行鹼基調用和格式化功能。所述照相機板對從分析裝置輸出的數據執行這些功能。在示例性實施方案中，使照相機板與在每個分析裝置處的單個元件事件同步化。通過在嵌入的照相機板處格式化數據，可以用第三方軟體、專有的內部例程或其組合執行下遊處理(通常稱作「二次分析」)。示例性的集成系統的一個優點是，在板水平的數據簡化可以產生將該數據文件傳輸至遙遠位置用於進一步處理或存檔的能力。在所述示例性系統中，上遊分布式處理和局部數據流處理允許可攜式測序系統用於低多路復用和分布式基因組數據處理。例如，小實驗室可以能夠按每次使用情況採用計算和存儲設備的服務。從本文的描述會明白，通過數據採集和處理功能的模塊性，可以實現這些和其它優點。在多個實施方案中，所述分析裝置或裝置40是一種集成的可攜式裝置，其被構造成用於局部數據流處理。在一個實施例中，一次性使用的分析系統包括60，000個單獨的分析裝置元件，它們被集合在小於約1_2的面積中。可以在裝置外面準備樣品，並經由微型流控通道(例如，流體遞送系統33)導入裝置中。在多個實施方案中，所述分析陣列包括局部的、集成的部件，包括、但不限於流控系統、電源、照射系統、檢測器、處理電路、控制器、弓丨導邏輯和電聯接件中的至少一個。所述示例性裝置包括可攜式的晶片上的電池供電的光源(即LED或雷射)，且單個FPGA可以處理數據流(例如65，OOO個樣品，平均25個鹼基/秒)。可以調節本文所述的檢測方法以維持帶寬，其中單個LVDS通路與FPGA交界，且可以從FPGA輸出給外部分析設備提供標準的PC接口。在多個實施方案中，系統30包括選自下述的光極40的數目超過或等於約1000個光極，超過或等於約100，000個光極，和超過或等於約1，000, 000個光極。在多個實施方案中，所述系統包括約1000至約100，000個、約100，000至約1，000, 000個或超過100萬個光極40。在多個實施方案中，所述系統包括超過1000個形成在單個LVDS晶片上的光極。在多個實施方案中，所述系統包括多個晶片，每個晶片包括多個光極。圖24的示例性系統與圖23的系統基本上類似。在圖24中，所述示例性系統包括光極陣列40，所述光極陣列40被構造成以非常平行的方式感知測序數據。這些事件中的每一個是異步的。在所述裝置中的電路可以用於將這些隨機的事件對準系統時鐘，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晶片上的數據。可以執行鹼基調用的某種測定水平，或者，可以輸出來自每個通路的原始數據。使用局部時基來提供選項，以計算脈衝的持續時間和事件之間的時間。圖24的示例性系統是使用數據簡化的全管道體系結構，其具有在上遊的遞增水平的信號聚集和在下遊的共同處理。將共同樣品37施加於多個光極元件40，在光極元件40處同時地或基本上同時地執行平行的取樣操作。這些取樣操作可以以同步的或異步的方式來進行。數據是從每個樣品碎片獲取的原始信號。在多個實施方案中，在該水平處理所述數據。在多個實施方案中，所述數據處理包括噪音減小、信號放大和/或聚集成事件和基於程序化規則的預分類。這些操作通常不需要來自其它數據採集元件的信息。將數據傳遞至流水線中的下一階段，在這裡合併元件組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的性能(例如串擾減少)的能力，和進行數據的預處理(例如數位化、緩衝和同步化或串行化)以提高下遊效率的能力。通過信號脈衝來表徵每個測序事件。共用處理電路在組水平42的應用，可以將事件驅動的來自光極元件40的數據提煉成高置信度事件脈衝，以用於在下遊操作中分類。在多個實施方案中，將含有信息(包括暫時啟動和結束時間、信號強度和其它特徵分類器)的脈衝傳輸至晶片外(Off-Chip)電路。晶片上電路的應用會增加測序晶片的成本，將一些數據傳輸到晶片外和減少數據的量，通常會提供成本益處。通過以組合的和連續的形式(數字的和/或模擬的)傳輸數據，會減少輸入/輸出(I/O)路徑，這會增加晶片產量和降低成本。連續的晶片-至-晶片或晶片-至-板通信的一個常見方案是，經由LVDS信號傳遞標準。該標準定義了低電壓差分層來傳輸任意的數據格式。所述LVDS標準常用於計算機領域中，諸如用於USB協議中。通過將數據傳輸至照相機板，可以執行增強的信號處理。該板水平處理可以利用商業的裝置，諸如微處理器、數位訊號處理(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)以及其它部件。這些裝置可以平行地設置，以基於合計脈衝水平信息來分類事件，從而增加處理量。可以採用這樣的算法來提高性能所述算法通過針對以前的數據運行進行訓練或通過用流式傳輸數據調諧來增加有效性。通過使用包括脈衝之間的時間、每色信號的相對強度和其它特徵分類器在內的數據，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，基於針對模型化的和測得的數據的相對擬合，可以估測該測定的確定性。在計算機49中的下遊處理可以利用該測定確定性水平來更好地執行分離的數據流的對準和裝配成完整的序列集。可以延伸示例性的體系結構，以在單個裝置或晶片上包括與圖24的格式類似的塊的陣列。可以將多個分立的樣品獨立地應用於處理傳感器的每個庫，或可以將共同樣品延伸至該更高的多路以實現更快的運行。以此方式，所述體系結構會以高置信度水平提供可擴縮性和高處理量。另外，使用嵌入式電路來運行在光極陣列40下遊的數據，會提供多個優點。可以使所述電路是可構造的，以實現多個用途(即DNA、RNA、蛋白組學)、支持數據處理例程的現場升級或系統樣品或化學的變化。可以對這些數據流進行更高階分析(即高程度地追蹤至鹼基，初始對準例程)。通過沿著裝置多路分隔維持流水線，整個系統是可擴縮的。如果添加額外的組，則相應地添加額外的嵌入核心。因而，通過修改常規部件和按照描述集成它們，系統可以能夠在小包裝件中以降低的成本進行高處理量測序，且具有增加的可擴縮性和靈活性。從本文的描述應當理解，本發明的系統和裝置會提供優良的可擴縮性和在現有裝置的一部分時間內對整個基因組測序的潛力。儘管本發明的分析裝置通常包括集成在單個裝置體系結構中的分析系統的多個元件，但是應當理解，在多種情況下，集成分析裝置仍然可以採用類似的儀器系統，以提供對於目標分析的額外功能。具體地，如以前指出的，在一些情況下，光學分析的照射將採用與集成裝置結構分開的照射源。例如，可以將雷射、LED或其它常規地採用的照射源提供在更大的儀器內，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構內。另外，可以將任何環境控制件、流控部件、流體控制部件(無論是電動的、基於壓力的，還是集成的泵和閥機構的控制件，還是其它的)提供在儀器體系結構內。從本文的描述會明白，可以將任意數量的這些部件集成在系統中或遠程連接。例如，可以將照射部件集成在具有系統平臺的系統中，並連接至具有上述測試座的分析裝置陣列。在另一個實施例中，可以將照射部件提供在單獨的照射儀器中，並以常規方式連接至系統。在將這類其它功能提供在儀器體系結構內的情況下，這樣的體系結構可以包括一個或多個接口，所述接口用於將特定功能遞送至集成裝置。例如，光學接口可以包括纖維光學聯接件、光學元件鏈或其它光學接口，以提供對集成裝置上的補充聯接件的照射，所述補充聯接件然後在必要時將所述照射傳送至反應池或其它部件。電和數據聯接件也可以提供必要的動力和在裝置的傳感器部件和處理器之間的數據通信，所述處理器可以集成在儀器體系結構中，或可以輸出或連通至相關的計算機，所述計算機是在儀器本身的外部。還任選地將流體接口提供在系統體系結構內，用於將反應組分容易地遞送至反應池。在多個實施方案中，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充聯接件的密封聯接，所述補充聯接件包括、例如，具有可控制的閥和泵機構的流體歧管。在多個實施方案中，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，所述控制接口用於控制流體在集成裝置周圍的運動。這類接口可以包括電接口(例如，以驅動電動運輸或給集成的泵和閥機構提供動力)，或氣動或液壓接口(以執行類似的控制)。裝置還通常包括用戶接口(例如，突片、柄等)，用於方便地操作這類裝置，並在與儀器(例如，突片、引腳或孔)接合時確保正確的取向，使得裝置正確地安裝在儀器上。技術人員從本文的描述會明白，本發明的系統和方法通常會增加靈活性、促進可擴縮性和降低成本。本發明的系統體系結構能夠實現多個同時進行的測序用途。通過開發具有共同設計元件的系統，可以實現巨大的經濟等級，並導致部分成本、現場服務以及開發時間和資源的總體降低。跨這些用途的捆綁部分(Bundling part)可以提供增強的購買力以及更好的管理產量和總質量的能力。從本文的描述應當理解，可以修改系統和一個或多個自容納式分析裝置的配置。此外，可以修改每個分析裝置和各個集成的光學元件的配置。例如，包括各個集成光學元件的多個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，以用於實際的裝置生產。可以進一步延伸該體系結構，以增加可擴縮性至更高階信號處理，並將各個段數據裝配成總序列集。如以上所討論的，若干分隔可以在整個關鍵設備和一次性使用的裝置分區上提供商業的、節省成本的解決方案。從本文的描述應當理解，在根據本發明的系統中，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。所述集成裝置被構造成用於在通過DNA聚合酶合成的同時通過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基礎基底103a (諸如鈮酸鋰)形成，在所述基礎基底103a中導入照射光，以在多個方面造成頂部表面的暗視野照射或全內反射照射。所述頂部表面具有從更低折射指數材料105a (諸如玻璃或氧化鋁)製成的ZMW 102a。所述照射會產生在規則的ZMW中的相同觀察體積限制，但是頂部表面層的透明性質會使入射光的散射最小化。在由酶加工它們的同時，檢測金屬納米顆粒的後向散射。將不同大小的顆粒綴合到4種鹼基中的每一個上。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，其形成不同鹼基的不同散射「亮度」)，辨別鹼基。集成裝置的底側裝載集成的檢測器120a (諸如CCD照相機)，其用於檢測來自ZMW的散射光。因此應當理解，檢測不需要常規的光學部件(例如物鏡、透鏡、反射鏡、楔塊)。從本文的描述應當理解，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顆粒的基礎基底。所述高折射指數基底可以是不同的材料、玻璃、聚合物等。所述高折射指數材料可以跨整個基底，或可以是在構造成波導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複合材料。所述裝置也可以是多層化的結構，例如，具有氧化鋁塗層的玻璃。可以將薄層安置在核心和包覆層(例如，玻璃層)之間，以實現表面化學。通過引導不同波長來影響不同納米顆粒材料的散射特徵，可以使用圖25所示的裝置進行檢測。可以使用白色光源(例如氙燈)，其能夠實現光譜檢測。在一個示例性的實施方案中，按時間門控不同的輸入波長，檢測的辨別基於時間門控的檢測。所述裝置的底側還可以裝載包覆層，所述包覆層可以是與頂側相同或不同的材料，以提供在裝置和檢測陣列之間的間隔件。將任選的掩蔽物置於底部表面上，以使串擾最小化。在多個實施方案中，通過相互關聯來自鄰近ZMW的信號，以計算方式校正串擾。如果檢測器與晶片隔開一定距離，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。在多個實施方案中，將表面形態構建進晶片的背側，以增強散射信號向檢測單元的導向。不像螢光檢測，圖25的集成裝置通常會減少與信噪比(染料亮度)和光損傷有關的問題。所述裝置還不需要強大的雷射、複雜的光學部件和昂貴的檢測技術。IX.系統同步化和動態的速度控制用動態電子控制可以增強靈活的高速分子測序引擎的開發，所述動態電子控制基於來自在每個光極處的分子摻入速率的反饋。下面的描述將詳解實現動態處理和數據傳輸(其與測序速度有關)的方法和電路。另外，描述了實現來自自由運行的光極元件的流水線化同步數據流的方法。在多個實施方案中，可以使集成的檢測器陣列與分子測序反應器(例如，SMRT 池，由Pacific Biosciences of California, Inc.生產)集成，例如，用於摻入事件的異步檢測，其中整個事件集成並存儲在檢測元件中，以實現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據採集和緊貼在晶片上，以實現低功率和系統複雜性。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。可以在這些共享的處理電路中捕獲和緩衝來自這些光極元件的異步事件。總平均摻入速率以及單個元件速率可以基於故意的和無意的因素而變化，且可以隨序列不同而變化，或甚至隨測序運行而變化。可以構造以總裝置或局部水平控制系統速度的方法，以優化系統的靈敏度和能力。可以考慮至少2種方法，以從自由運行的傳感器元件系綜(ensemble)提供流水線化的數據流。在一個方法中，每個元件會提供事件已經發生和數據可被讀出的信號。這通常稱作「中斷驅動的體系結構」。在另一個方案中，處理電路定期地探詢每個元件，以尋找局部存儲的事件。這通常稱作「基於探詢的體系結構」。在基於中斷的體系結構中，帶寬必須可用於處理多個同時的事件，且可以在流水線中提供緩衝來均衡傳輸帶寬。在基於探詢的體系結構中，因為等待向下遊傳輸，因此必須在傳感器元件位置處提供空間。任一個方案的選擇由系統約束驅動。基於探詢的體系結構示於圖26。在該圖中，在事件結束時在傳感器元件中辨別事件，且各自存儲在緩衝池(模擬的或數字的存儲器)中。必須提供多個存儲元件，以減少數據損失。緩衝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衝池時緩衝池的讀出。作為圖26的一個實例，示出了脈衝持續時間和信號類型，但是除了脈衝持續時間和信號類型以外或作為替代，也可以存儲其它代表性的數據值。例如，可以存儲每個模擬電壓(其集成在傳感器像素中的多個存儲元件上)，以備在下遊用於測定在測序事件過程中鑑別出的分子標籤。定期地詢問鄰近光極元件系綜的電路。這可以用驅動復用器尋址電路的局部計數器實現。這通常稱作狀態機寄存器。尋址每個光極存儲器元件，並將內容轉移至公用緩衝區。可以數位化和解讀所述內容。例如，如果在該探詢期間沒有檢測到事件，可以壓縮所述數據，以減小輸出帶寬。將所述狀態機計數器增量，以尋址下一個傳感器元件存儲器。在掃描結束時，將計數器復位，以開始下一個循環。現在可以將所述數據理解為在掃描時間內的連續數據流，其映射至已知的物理位置。該數據流可以在存儲器陣列諸如先進先出(FIFO)緩衝器中緩衝，從而實現同步的下遊傳輸和流水線處理。在圖26所示的一個實施例中，使用商業標準協議諸如低電壓差分信號傳遞(LVDS)，可以連載和傳輸數據。該方法會減少在裝置上的輸入輸出墊的數目。平衡的低電壓差分信號也會減少在晶片上的噪音和功率消耗。一個示例性的中斷驅動的系統示於圖27。在該實施例中，在小光極元件印記中需要減少的存儲電路。在該情況下，檢測任何通氣口、脈衝開啟(pulse-on)、脈衝關閉(pulse-off)和數據，並做出中斷請求。存儲局部時鐘，直到所述請求得到滿足。將該值轉移並存儲在遠離光極元件的緩衝器中。然後清除所述請求，並重新裝備寄存器。在事件結束時，將數據轉移至輸出FIFO，以用於下遊處理。通常，當存在規則的(高任務)循環事件數據時，使用基於探詢的體系結構，當存在稀少的數據事件時，使用中斷驅動的系統。FIFO緩衝器可以含有標誌(ObOO-低，ObOl-正常，OblO-接近全部，Obll-全部)，且可以輸出每個樣品的各個信號。這可以由主控制器使用，以確定是否應調節總或局部時鐘。或者，這些標誌可以與局部時鐘產生或分布網絡一起使用，以基於標誌的狀態來調節性倉泛。基於動態局部事件，可以增加或降低每個局部狀態機的頻率，以使性能最大化和減小數據帶寬。當在裝置上的多個陣列組與不同的試劑和試驗一起使用時，這是重要的。或者，數字數據計數器的控制能夠實現裝置設計與試驗參數(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。應當明白，中斷驅動的系統可以利用速度控制與基於行狀態的緩衝器，以減小由於更高的帶寬中斷頻率導致錯過的服務請求的概率。X.光子事件檢測和分選已經用光子室的陣列執行基因組序列的測定，在光子室中可以詢問單個分子的連接的螢光團。在這些系統中，自由運行的照相機監測所述室，並隨著信號從所述室發射出而讀出所述信號。信號計時與照相機曝光開始是異步的，且為了捕獲大多數事件，需要高幀率。因此，大多數事件在長度上是多個幀。在這些情況下，可以將事件信號分成若干幀，且每個幀含有讀噪聲的固定組分。這2種效應組合以減小信噪比和儀器準確度。根據本發明，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樣品中，從而在減小總帶寬的同時增加信噪比。也根據本發明，可以使用多種方法來將信號的組分積分到多個積分節點中用於下遊分類(如果存在多種物質的話)。在不增加晶片外帶寬的情況下，更高處理量的裝置需要檢測多個序列標籤。為了避免在增加摻入速率時造成標籤亮度的必然增加，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，整個信號可以積分在單個電荷中。可以在積分過程中評價該電荷，以測定標籤種類。在智能像素減小晶片外數據比率的同時，可以增加靈敏度。
根據本發明，可以使用檢測器來與隨機的事件源(諸如遺傳序列)同步化。一個示例性的檢測器示於圖28。該示意圖詳解了記錄和存儲事件所需的各種電路功能，所述事件可以由多個潛在標籤之一產生。從該圖可見，檢測器連接至觸發電路，所述觸發電路感知事件的開始和結束。信號被同時發送至若干存儲節點之一。這些節點積分來自事件的電荷，並同步化至獨特標籤的辨別性元件。在一些情況下，所述標籤與刺激(即雷射波長)的性質相關，且在其它情況下與在檢測器上的特徵(即檢測深度)相關。當事件是活動的時，積分信號。將事件的時間標記和來自每種物質的積分信號存儲在緩衝器中。將所述系統想像為分立的SMRT 池處理過的元件的系綜，每個元件異步地運行。上面已經描述了常見的讀出電路，其利用獨立的事件，並將它們格式化以用於下遊處·理。這些電路元件中的每一個和它們的功能如下所述。這些功能的組合執行獨特的運行，以將聚合物測序整合進像素中微尺寸的實驗室中。閾值檢測在圖28中，將檢測器設計成具有閾值檢測器。該閾值可以在外部設定，以提供與多個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間響應的變化。信號S Q/St的時間導數是脈衝檢測的有效方法，且容易在小集成電路中實現。具有增加的靈敏度的該方案的變體是，使用具有δ 2Q/ δ 2t響應的拉普拉斯(Laplacian)電路。簡單的RC電路也可以獲得該響應，運算放大器也是如此。簡單的電路，即零交叉閾值檢測器，可以用於執行該功能。具有正反饋的電子比較器電路(通常稱作施密特觸發器)也可以提供該功能。在多個實施方案中，重要的是，忽略DC值，因為脈衝可以安設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計。箝位電容器差分電路的示意圖示於圖29。以線性方式運行所述電容器，會仿真理想的微分器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間導數成比例，如下述傳遞函數所示方程(I)H(S)=-τ s/ (1+1/A(1+TS)) τ s對於高增益，所述輸出與時間常數成比例。還可能需要高增益來感知在噪音水平以上的少數光電子的信號時間梯度。該輸入電流可以從光電二極體電壓的源極跟隨器放大產生。小容量光電二極體可以在源極跟隨器裝置處誘導超過lOOuV/e-的跨導增益。該電壓可以非破壞性地產生(例如，維持光電檢測器電荷)。構造了一個像素中(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)進行編程，以用於就不同的化學和用途靈活地布置。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個電晶體簡單逆變器級聯的亞閾值跨導放大器(公共源配置)組成。增強模式NMOS裝置的使用，會提供亞閾值偏壓，並需要在標準的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器，這基於光電二極體電壓中的時間梯度的變化。儘管該電路不是緊湊的，但是它可以提供具有尖銳觸發器點的電壓操縱功能。所述觸發器是基於積分的電荷，而不是瞬時電壓。
脈衝開始由閾值上升邊緣輸出啟動的開關可以提供關於事件開始時間的信息。該輸出可以用於使用內部計數器(局部的或總體的)給事件的開始印上時間印記，並能夠將信號分隔至標記的存儲位置。可以執行該功能的電路是D (數據或延遲)或RS (設定-復位)型觸發器(flip flop)。來自觸發電路的輸出脈衝可以用於設定該觸發器。相反電流可以用於復位所述電路。該電路的輸出Q是摻入事件的包絡。在圖32中的電路將執行該功能。示例性的電路是在CMOS中的8電晶體實施，所述CMOS具有正反饋環，所述正反饋環將輸出鎖定在設定或復位狀態。它使用一對具有電源的互補反相器。每個放大器的輸出彼此相連，以提供反饋。通過在觸發電路的輸出處提供一對背對背(back-to-back)二極體，可以分隔每個閾值交叉，以給脈衝持續時間電路提供設定和復位輸入。這會在12個電晶體、2個二極體和I個電容器中提供具有可編程性的全包絡檢測電路。應當明白，還可以使用其它配置。存儲節點和控制參考圖33，單個光電檢測器元件可以連接至若干積分節點，並通過外部同步化進行分選。據公開，可以將多個傳輸門連接至光電二極體，後者可以將與單級CCD電路類似的電荷轉移至鄰近的浮動擴散電容。該電容將保留該電荷。通過將MOS裝置的門元件(JFET、MOSFET等)連接至浮動擴散電容的板上，可以監測該電荷，而不擾亂所述電荷。所述電容可以在任意時間復位，並獨立地清空每個電容。還公開了，通過在放大器的線性區域中施加偏壓，可以部分地復位電容器，且可以在事件捕獲過程中用於擴展檢測器的動態範圍。還公開了，多個存儲節點可以積分來自側向地或豎直地設置的多組光電檢測器的電荷，以輔助辨別事件源。緩衝存儲器和定時脈衝包絡的邊緣檢測可以用作觸發器，以發出事件的發生和結束的信號，將相關信息轉移至緩衝器然後讀出。在該電路中可以使用多個事件緩衝器，所以可以比讀出可以支持的速度更快地捕獲快速發生的事件。可以與事件消逝時間異步地讀出存儲的事件。例如，在脈衝開始時，存儲節點可以復位，並將時間記錄在緩衝器中。在脈衝結束時，可以將來自每個存儲節點的積分信號存儲在模擬的或數字的緩衝器中，並記錄結束時間。結束下降邊緣的使用，也可以為下一個事件重新裝備電路。該運行的代表性的計時圖示於圖34。可以使用完全傳輸的或局部產生的時鐘來記錄事件的臨界時間。預期下遊處理執行數學運算來確定特定的定時參數，諸如脈衝持續時間和脈衝之間的時間。XI.其它集成元件除了光學元件、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構中。作為實例，可以將安全部件製造在裝置結構中，以防止偽造、防止未經授權的重複使用、鑑別預期的裝置的具體用途等。具體地，因為所述裝置包括集成的電子器件，還可以將它製造成包括電子識別元件，諸如RFID標籤、鍵元件、系列號編碼、使用指示器等。這些標識符可以用於防止給定裝置的未經授權使用，或可以用於確保裝置僅用於它的預期用途。在總裝置的製造過程中，通過常規的IC製造工藝，可以包括這樣的編碼、傳感器和其它電子部件。除了預編碼的元件以外，所述裝置還可以包括存儲功能，以記錄與給定的分析相關的數據，例如，診斷功能，以鑑別何時發生和是否發生失效，從而將樣品數據分配給給定的裝置，例如，患者名稱和測試運行。
在使所述裝置與總儀器接合以後，所述儀器可以下載由裝置的標識符部件提供的任何數據，這允許跟蹤裝置的類型、希望的用途、所述裝置是否已經被重複使用或構成偽造裝置。此後，所述儀器可以執行為讀取的標識符預先編程的任何動作，諸如運行特定類型的應用、排列其它裝置的次序、關機或暫停運行等。應當理解，以上描述旨在是說明性的而不是局限性的。本領域技術人員可容易地明白，可以對本申請公開的發明做出各種實施方案和改變，而不脫離本發明的範圍和精神。因此，本發明的範圍不應參考以上描述來確定，相反，應當參照所附的權利要求以及這些權利要求的所有等效範圍來確定。在本文中描述本發明時，對單數形式的任何元件的提及均包括對複數形式的提及，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，用於描述和公開可以與本發明結合使用的試劑、方法和概念的目的。本文中的任何內容都不應解釋為承認這些參考文獻是與本文所述的發明有關的現有技術。在本公開內容中，提及多個專利、專利申請和出版物。除非另有說明，每篇通過引用整體併入本文中用於所有目的。
權利要求
1.一種分析裝置，其包括 第一反應池，所述第一反應池具有放置在其中的第一組反應物； 第一傳感器元件，所述第一傳感器元件設置成與所述第一反應池光通信；和 第一光學部件，所述第一光學部件設置成將來自所述第一反應池的光信號傳送至所述第一傳感器元件，其中所述反應池、光學部件和傳感器元件集成在一體式裝置結構中。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中所述第一光學部件至少包括第一光學容納結構。
3.根據權利要求I所述的裝置，其中所述第一光學部件包括光隧道，所述光隧道用於將來自所述反應池的光信號優先引導至所述傳感器元件。
4.根據權利要求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構中的第二反應池、與所述第二反應池光通信的第二傳感器元件以及第二光學部件，所述第二光學部件設置成將來自所述第二反應池的光信號傳送至所述第二傳感器元件。
5.根據權利要求I所述的裝置，其中所述裝置結構包括集成在單一的/鄰接的結構內的至少10、100、1000、10，000個反應池，所述至少10、100、1000、10，000個反應池中的每一個與分立的傳感器元件光通信，所述分立的傳感器元件設置成經由相關的光學元件與它的各個反應池光通信，所述相關的光學元件設置成將來自所述10、100、1000、10，000個反應池中的每一個的光信號傳送至它的相關的傳感器元件。
6.根據權利要求5所述的裝置，所述裝置另外包括光波導，其中所述光波導與所述至少10個反應池中的多個和激發照射源光通信，由此將激發照射遞送至所述多個反應池。
7.一種包括光極元件的陣列的裝置，每個光極元件包括 在包覆層內的納米級孔，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於接納包含螢光物質的流體； 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； 在孔層下面的波導層，所述波導層為所述納米級池提供照射； 在所述波導層下面的傳輸層，所述傳輸層傳輸從所述納米級池中的所述螢光物質發射的光；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的發射光，其中所述發射光通過固體區域傳輸至所述檢測器。
8.根據權利要求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射光。
9.根據權利要求7所述的裝置，其中所述陣列包括大於1000個納米級孔。
10.根據權利要求7所述的裝置，其中所有的所述層被永久地粘結，以形成集成裝置。
11.根據權利要求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孔層的所述檢測器。
12.根據權利要求7所述的裝置，其中所述波導層包括一個或多個零模波導，使所述一個或多個波導被構造為和使其尺寸形成為將所述照射的暴露限制於由所述納米級池確定的各個體積。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中所述零模波導中的每一個具有小於約O.5微米的最大寬度。
14.根據權利要求7所述的裝置，其中所述波導層包括通道波導的陣列，所述通道波導從所述集成裝置的邊緣受到照射。
15.根據權利要求7所述的裝置，其中所述波導層包括通道波導的陣列，每個通道波導跨多個光極元件延伸。
16.根據權利要求7所述的裝置，其中所述傳輸層包括光隧道，所述光隧道用於將所述發射光引導至所述檢測器。
17.根據權利要求7所述的裝置，其中所述傳輸層包括一個或多個濾光器。
18.根據權利要求7所述的裝置，其中所述流體層包括流體導管的陣列，每個流體導管跨多個光極元件延伸。
19.根據權利要求7所述的裝置，所述裝置另外包括循環裝置，所述循環裝置用於使流體流至所述納米級孔。
20.根據權利要求7所述的裝置，其中所述檢測器層包括互連器，所述互連器用於來自所述檢測器的輸出數據的電通信。
21.根據權利要求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於處理來自所述檢測器的輸出數據。
22.根據權利要求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.根據權利要求21所述的裝置，所述裝置另外包括用於放大所述輸出數據的放大器。
24.根據權利要求7所述的裝置，所述裝置另外包括一個或多個模擬-數字轉換器和數字-模擬轉換器。
25.根據權利要求7所述的裝置，其中所述孔層接受泛光照射。
26.一種用於測量分析反應的裝置，所述裝置包括 a.包括光極元件的陣列的反應器部件,每個光極元件包括 在包覆層內的納米級孔，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於接納包含螢光物質的流體； 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管的陣列，每個流體導管跨多個光極元件延伸； 在孔層下面的波導層，所述波導層為所述納米級池提供照射，所述波導層包括通道波導的陣列，所述通道波導從集成裝置的邊緣受到照射，每個通道波導跨多個光極元件延伸； 在所述波導層下面的傳輸層，所述傳輸層傳輸從所述納米級池中的所述螢光物質發射的光；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的發射光，其中所述發射光被傳輸至所述檢測器而不被傳輸穿過空氣； b.連接至所述反應器部件的邊緣的流體埠部件，所述流體埠部件包括在它的頂部表面上的用於導入流體的埠，和流體連接至所述流體埠的流體導管的陣列，所述流體導管延伸至所述流體埠部件的所述邊緣並連接至所述反應器部件的所述流體導管；和 c.連接至所述反應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於導入照射光的光學埠，和連接至所述光學埠的波導的陣列，所述波導延伸至所述反應器部件的所述邊緣並連接至所述反應器部件的所述波導。
27.一種裝置，其包括連接成2維陣列的元件的陣列，每個元件包括根據權利要求26所述的具有反應器部件、流體埠部件和照射部件的裝置。
28.一種儀器，其被構造成與根據權利要求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地聯接至一個或多個照射埠 ； 流體源，所述流體源可逆地流體連接至一個或多個所述流體埠 ；和計算機，所述計算機可逆地電連接至所述檢測器，所述檢測器用於處理來自由所述檢測器測得的信號的數據。
29.一種用於測量分析反應的裝置，所述裝置包括 包括多個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域隔開，所述透明基質的區域從上面向照射開放； 多個流體導管，每個流體導管在所述納米級孔行的上面，並與所述納米級孔行流體接觸；每個流體導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造成從所述透明基底上面引導照射光從下面進入所述納米級孔。
30.根據權利要求29所述的裝置，所述裝置另外包括聯接至所述透明層的檢測器層，所述檢測器層用於檢測從所述納米級孔發射的光。
31.根據權利要求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.根據權利要求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件； 用於容納集成分析晶片的殼體，所述晶片包括 包括多個納米級孔的孔層，所述納米級孔穿過包覆層與所述晶片的頂部流體接觸； 包括多個波導的波導層，所述波導被構造成從下面為所述納米級孔提供照射光，所述波導層具有在所述頂部表面上的一個或多個照射埠，所述一個或多個照射埠用於為所述波導提供照射光； 包含透明材料的傳輸層，所述傳輸層用於傳輸來自所述納米級孔的發射光；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晶片的底部的引腳的檢測器；和 包括電觸點的底部構件，所述電觸點對應於在所述晶片的所述底部上的引腳； 其中構造所述組件，使得在所述殼體中接納所述晶片以後，所述晶片的所述孔層與所述頂部構件對準，且所述引腳與所述底部構件的所述電觸點對準。
34.根據權利要求33所述的組件，其中所述頂部構件和底部構件是夾心結構的部分。
35.根據權利要求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 多個反應池，每個反應池用於接納反應物； 多個傳感器元件，每個傳感器元件設置成與所述多個反應池中的至少一個光通信；和 多個光學部件，每個光學部件設置成將來自所述多個反應池中的至少一個的光信號傳輸至所述多個傳感器元件中的至少一個， 其中所述多個反應池、多個光學部件和多個傳感器元件集成在一體式分析裝置中。
37.根據權利要求36所述的裝置，其中所述一體式分析裝置包括基底，包括在基底的一個表面上的所述多個反應池的反應池層，和在所述基底的相對表面上的所述多個傳感器元件。
38.根據權利要求37所述的裝置，其中所述分析裝置另外包括至少一個位於所述反應池層和傳感器元件之間的光學層，所述光學層用於將來自所述至少一個反應池的光信號引導至所述至少一個傳感器元件，其中所述光學層是固體。
39.根據權利要求38所述的裝置，其中所述分析裝置另外包括至少一個位於所述反應池層和傳感器元件之間的用於調節所述光信號的層。
40.根據權利要求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。
41.根據權利要求36所述的裝置，其中所述裝置包括約1，000至約100，000個反應池。
42.一種用於分析反應池中的樣品的系統，所述系統包括 多個根據權利要求36所述的分析裝置；和 用於接納所述一體式分析裝置的集成座。
43.根據權利要求42所述的系統，所述系統另外包括與所述集成座流體聯接的流控系統，所述流控系統用於將樣品遞送至所述一體式分析裝置。
44.一種用於分析反應池中的樣品的系統，所述系統包括 多個聯接在光極組中的根據權利要求36所述的分析裝置； 光極組處理器，所述光極組處理器用於接收在光極組輸入時來自每個裝置的各個數據信號，並產生所述光極組輸入的代表性的光極組象徵性輸出信號。
45.一種用於分析反應池中的樣品的系統，所述系統包括 多個根據權利要求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中，另一個光極組和光極組處理器安裝在所述支持物上的另一個光極區中。
46.根據權利要求45所述的系統，其中所述支持物是半導體晶片。
47.根據權利要求45所述的系統，所述系統另外包括分布式處理器，所述分布式處理器基於來自所述光極組處理器中的每一個的各個輸出信號而產生輸出信號。
48.一種系統，其包括在前述公開內容中描述的部件的組合。
49.一種用於分析反應池中的反應的方法，所述方法包括 提供上述權利要求中的任一項所述的裝置； 將具有目標顆粒的樣品遞送至所述系統；和 檢測來自所述反應池中的至少一個的光信號。
全文摘要
本發明公開了在一體式裝置結構內的分析組件，其用於集成到分析系統中。所述分析組件是可擴縮的，且包括多個分析裝置，每個分析裝置包括反應池、光學傳感器和至少一個光學元件，所述光學元件設置成與所述反應池和所述傳感器光通信，並將來自所述反應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。還公開了用於形成和運行所述分析系統的方法。
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 優先權日2010年2月19日
發明者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股份有限公司