用于对分子进行探测、检测和分析的带外部光源的集成装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于对单分子进行分析并且执行核酸测序的系统和方法。集成装置包括具有构造成接受样品的样品阱的多个像素，该样品当被激发时发出辐射。该集成装置包括至少一个波导，其构造成将来自用于与激发能量源耦合的集成装置的区域的激发能量传播至样品阱。一个像素也可包括用于朝向像素内的传感器引导发射能量的至少一个元件。该系统还包括与集成装置连接的仪器。该仪器可包括激发能量源，用于通过耦合到集成装置的激发能量耦合区而将激发能量提供给集成装置。可利用发射能量的时间参数而区分的多个标志的一个标志来标记样品，并且在一个像素内部的传感器的构造可允许对与标记样品的标志相关的时间参数的检测。

Integrated device with an external light source for detecting, detecting and analyzing molecules

The present invention relates to a system and method for performing analysis of single molecules and performing nucleic acid sequencing. The integrated device includes a plurality of pixels having a sample well configured to receive a sample that emits radiation when excited. The integrated device includes at least one waveguide configured to propagate the excitation energy from an area of the integrated device for coupling with the excitation energy source to the sample trap. A pixel may also include at least one element for guiding the emission energy to a sensor within the pixel. The system also includes an instrument to be connected to the integrated device. The instrument may include an excitation energy source for providing the excitation energy to the integrated device by coupling the excitation energy coupling area to the integrated device. A sign of the available time parameters of the emission energy and a plurality of distinguishing the labeled sample, and may allow the detection of time parameters related to the marking and labeling of the samples in the internal structure of a pixel sensor.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于对分子进行探测、检测和分析的带外部光源的集成装置相关申请本申请要求于2014年8月8日提交的名称为“用于对分子进行探测、检测和分析的带外部光源的集成装置”的美国临时专利申请62/035,258及于2015年5月20日提交的名称为“用于对分子进行探测、检测和分析的带外部光源的集成装置”的美国临时专利申请62/164,464的优先权，以上各专利申请的全部内容以参考的方式并入本文中。本申请与下列美国专利申请有关：于2015年5月20日提交的名称为“用于对接收的光子进行时间划分的集成装置”的美国临时专利申请62/164,506；于2015年5月20日提交的名称为“脉冲激光器”的美国临时专利申请62/164,485；于2015年5月20日提交的名称为“用于核酸测序的方法”的美国临时专利申请62/164,482；于2014年8月8日提交的名称为“用于对分子进行探测、检测和分析的光学系统和检测芯片”的美国临时专利申请62/035,242，该专利申请的全部内容以参考的方式并入本文中；与同一日期提交的文号R0708.70002US02、名称为“用于对所接收光子进行时间划分的集成装置”的美国非临时专利申请；于同一日期提交的文号R0708.70003US01、名称为“用于对分子进行探测、检测和分析的光学系统和检测芯片”的美国非临时专利申请。以上所列出的各相关申请的全部内容以参考的方式并入本文中。
本申请总体上涉及用于执行生物和/或化学样品的快速、大规模并行定量分析的装置、方法和技术，以及制造所述装置的方法。
技术介绍
对生物样品的检测和分析可利用生物学测定(“生物测定”)而进行。生物测定通常涉及到大且高价的实验室设备，这要求对助理研究员进行培训以便操作该设备并进行生物测定。此外，生物测定通常是整批地进行，因此大量特定类型的样品对于检测和定量而言是必需的。一些生物测定是通过给具有发出特定波长光的荧光标记的样品加标签而进行。用光源照射这些标记从而导致发光，并且用光检测器对发光进行检测以便对由标记所发出冷光的量进行定量。使用荧光标记的生物测定通常涉及到用于照射样品的高价激光光源、和复杂的大体积检测光学装置、及收集来自被照射样品的发光的电子器件。
技术实现思路
本文中所描述的技术涉及用于快速地利用可以与移动计算仪器相互作用的有源像素集成装置对试样进行分析的装置和方法。该集成装置可采用一次性使用或可循环使用的芯片实验室或封装模块的形式，该芯片实验室或封装模块构造成接收少量试样并且并行地对在试样内部的样品进行大量分析。该集成装置在一些实施方式中可用于检测特定化学或生物学分析物的存在，在一些实施方式中用于对化学或生物反应进行评估，并且在一些实施方式用于确定基因序列。根据一些实施例，该集成装置可用于单分子基因测序。根据一些实施例，用户将试样放置于在集成装置上的一个室中，并且将集成装置插入接受仪器中。该接受仪器单独地或者在与计算机连接的情况下自动地与集成装置相互作用，接收来自集成装置的数据，对所接收的数据进行处理，和将分析的结果提供给用户。正如可理解的，在芯片上的一体化和计算智能、接受仪器、和/或计算机降低了要求用户所具备的技能水平。根据本申请的一些实施方式，提供一种包括多个像素的集成装置。多个像素中的一个像素包括：用于接收来自在集成装置外部的激发源的激发能量的样品阱、和用于接收来自位于样品阱中的样品的发光并基于所接收的发光而产生提供样品鉴别信息的信号的至少一个传感器。在一些实施方式中，信号是所接收发光的时间参数的指示物。在一些实施方式中，时间参数是与来自样品的发光相关的寿命。在一些实施方式中，信号是发光光谱的指示物。在一些实施方式中，信号是发光的特征波长的指示物。在一些实施方式中，信号和激发能量表示样品的吸收光谱。在一些实施方式中，信号和激发能量表示被样品吸收的特征波长。根据本申请的一些实施方式，提供一种包括像素区的集成装置，该像素区包括多个像素。多个像素中的一个像素具有：在集成装置表面上的样品阱，其中该样品阱构造成接受样品；用于接收来自样品阱的发光的至少一个传感器；和用于将激发能量输送到样品阱附近的至少一个波导。该集成装置包括激发源耦合区，该激发源耦合区包括用于接收来自外部激发能量源的激发能量并将激发能量耦合进入波导的耦合部件。根据本申请的一些实施方式，提供一种包括激发源模块的系统，该激发源模块包括用于发出具有第一时间段的激发能量的脉冲的激发源和集成装置。该集成装置包括：用于接受样品的样品阱，该样品当被耦合到激发能量的脉冲时发出冷光；在第二时间段中对发光进行检测的传感器，其中第二时间段是出现在第一时间段之后；第一能量路径，激发能量的脉冲沿该路径从激发源移动到能量源耦合部件；第二能量路径，激发能量的脉冲沿该路径从能量源耦合部件移动到样品阱；和第三能量路径沿，发光沿该路径从样品阱移动到传感器。根据本申请的一些实施方式，提供一种检测分子在样品中的存在的方法。该方法包括将用多个发光标志的一个加标记的样品导入样品阱，其中多个发光标志中的至少一部分具有不同的发光寿命值。该方法还包括：用光的脉冲辐射样品阱，测量从样品阱中所发出光子的到达时间，和基于光子到达的时间确定标志的特征。根据本申请的一些实施方式，提供一种包括样品阱和传感器的集成装置。样品阱是用于接受用多个发光标志加标记的样品，多个发光标志的每个发光标志具有不同的发光寿命值。传感器是用于在多个时间段中检测来自多个发光标志中的一个发光标志的发光，其中对多个时间段进行选择以便在多个发光标志中进行区别。根据本申请的一些实施方式，提供一种包括样品阱和多个传感器的集成装置。样品阱是用于接收用多个发光标志中的一个发光标志加标记的样品。多个发光标志的每个发光标志在多个光谱范围的一个光谱范围内发出冷光，并且在多个光谱范围的一个光谱范围内发出冷光的多个发光标志的一部分各自具有不同的发光寿命值。多个传感器的各传感器是用于在多个时间段中对多个光谱范围的一个光谱范围进行检测，并且对多个时间段进行选择以便在多个发光标志的一部分之间进行区别。根据一些实施方式，提供一种包括多个激发源和集成装置的系统。多个激发源是用于发出多种激发能量，其中多个激发源的每个激发源发出多种激发能量的一种激发能量的脉冲。集成装置包括用于接受用多个发光标志中的一个加标记的样品的样品阱。多个发光标志中的一部分在被各自具有不同寿命值的多种激发能量中的一种照射后发出冷光。集成装置还包括传感器，该传感器是用于在多种激发能量中的一种激发能量的脉冲之后的多个时间段中检测来自多个发光标志中一个的发光，其中多种激发能量中的一种的脉冲的定时和多个时间段在多个发光标志中进行区别。根据本申请的一些实施方式，提供一种形成集成装置的方法。该方法包括形成多个传感器区，其中多个传感器区的一个传感器区包括多个传感器，从而形成多个样品阱，其中多个样品阱的一个样品阱与多个传感器区中的对应的一个传感器区对准，并且形成用于与多个样品阱分离的激发能量耦合的至少一个波导并且将激发能量引导到至少一个样品阱。根据本申请的一些实施方式，提供一种仪器。该仪器包括：用于提供至少一种激发能量的至少一个激发源、用于使由至少一个激发源所发出的至少一种激发能量与集成装置的耦合区对准的激发源定位系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成装置，包括：多个像素，其中所述多个像素的一个像素包括：样品阱，构造成接收来自在所述集成装置外部的激发源的激发能量；和至少一个传感器，定位成接收来自位于所述样品阱中样品的发光并且基于所接收的发光产生提供所述样品的鉴别信息的信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.08 US 62/035,258;2015.05.20 US 62/164,4641.一种集成装置，包括：多个像素，其中所述多个像素的一个像素包括：样品阱，构造成接收来自在所述集成装置外部的激发源的激发能量；和至少一个传感器，定位成接收来自位于所述样品阱中样品的发光并且基于所接收的发光产生提供所述样品的鉴别信息的信号。2.如权利要求1所述的集成装置，其中所述信号是所接收发光的时间参数的指示。3.如权利要求2所述的集成装置，其中所述时间参数是与来自所述样品发光相关的寿命。4.如权利要求1所述的集成装置，其中所述信号是所述发光的光谱的指示。5.如权利要求4所述的集成装置，其中所述信号是所述发光的特征波长的指示。6.如权利要求1所述的集成装置，其中所述信号和所述激发能量表示所述样品的吸收光谱。7.如权利要求6所述的集成装置，其中所述信号和所述激发能量表示被所述样品所吸收的特征波长。8.一种集成装置，包括：像素区，包括：多个像素，所述多个像素的一个像素具有：在所述集成装置的表面上的样品阱，其中所述样品阱构造成接受样品；至少一个传感器，构造成接收来自所述样品阱的发光；和至少一个波导，用于将激发能量输送到所述样品阱的附近；和激发源耦合区，其包括：耦合部件，构造成接收来自外部激发能量源的激发能量并且将所述激发能量耦合进入所述波导。9.如权利要求8所述的集成装置，其中所述样品阱构造成将分子从含有多个分子的样品中分离出。10.如权利要求8所述的集成装置，其中所述耦合部件包括光栅耦合器。11.如权利要求10所述的集成装置，其中所述激发源耦合区还包括定位成向所述光栅耦合器反射激发能量的反射器层。12.如权利要求11所述的集成装置，其中所述反射器层包括至少一个孔并且所述激发源耦合区还包括至少一个监控传感器，所述监控传感器定位成接收通过所述反射器层中的所述至少一个孔的激发能量并且测量所接收激发能量的强度。13.所述如权利要求12所述的集成装置，其中所接收激发能量的强度提供信号，作为所述激发能量向所述光栅耦合器的对准工艺的反馈回路的一部分。14.如权利要求8所述的集成装置，其中所述至少一个像素还包括在所述样品阱与所述波导之间的至少一个耦合元件，用于将来自所述波导的激发能量耦合到所述样品阱。15.如权利要求14所述的集成装置，其中所述至少一个耦合元件是微腔。16.如权利要求14所述的集成装置，其中所述至少一个耦合元件是牛眼光栅。17.如权利要求8所述的集成装置，其中所述至少一个像素还包括用于抑制激发能量被所述至少一个传感器所检测的挡板。18.如权利要求8所述的集成装置，其中所述像素区还包括位于所述波导和所述至少一个传感器之间的至少一个激发滤光器，用于选择性地过滤激发能量同时传递来自所述样品阱的发光能量。19.如权利要求8所述的集成装置，其中所述光栅耦合器具有在所述波导的方向上逐渐减小的宽度。20.如权利要求8所述的集成装置，其中所述样品阱包括形成于金属材料中的纳米孔。21.如权利要求20所述的集成装置，还包括同心环光栅，其包括由所述金属材料所形成的多个环，其中所述纳米孔是位于所述多个环的最内环中。22.如权利要求8所述的集成装置，其中所述至少一个波导构造成将激发能量提供至所述样品阱内的激发区，并且位于所述激发区内的样品响应于照射所述激发区的激发能量而发出激发能量。23.如权利要求8所述的集成装置，其中所述至少一个波导构造成将激发能量输送到样品阱附近用于在所述多个像素中的一部分像素的各个像素。24.所述如权利要求8所述的集成装置，其中所述多个像素的一个像素还包括构造成与所述至少一个波导耦合并且将激发能量引导至样品阱附近的至少一个激发耦合结构。25.如权利要求8所述的集成装置，其中所述多个像素的一个像素还包括构造成与位于样品阱内的样品所发出的发射能量耦合的至少一个表面能量耦合元件。26.一种系统，包括：激发源模块，包括构造成发出具有第一时间段的激发能量的脉冲的激发源；和集成装置，其包括：构造成接收样品的样品阱，所述样品阱当耦合到所述激发能量的脉冲时发出光；传感器，所述传感器在第二时间段中检测所述发光，其中所述第二时间段是出现在所述第一时间段之后；第一能量路径，所述激发能量的脉冲沿所述路径从所述激发源移动到能量源耦合部件；第二能量路径，所述激发能量的脉冲沿所述路径从所述能量源耦合部件移动到所述样品阱；和第三能量路径，所述发光沿所述路径从所述样品阱移动到所述传感器。27.如权利要求26所述的系统，还包括所述激发源模块和所述集成装置所附接的基础仪器。28.如权利要求27所述的系统，其中所述激发源模块是利用铰链销铰接地附接到所述基础仪器。29.如权利要求28所述的系统，其中：所述集成装置还包括多个钢球；并且所述激发源模块包括构造成置于所述多个钢球上的多个磁化径向V形凹槽。30.如权利要求27所述的系统，其中所述激发源模块可拆卸地附接到所述基础仪器。31.如权利要求27所述的系统，其中所述激发源经由滑动机构附接到所述基础仪器。32.如权利要求26所述的系统，其中所述激发源模块包括构造成控制所述光脉冲到所述集成装置的入射角和/或位置的至少一个可倾斜窗。33.如权利要求26所述的系统，其中所述集成装置还包括至少一个监控传感器。34.如权利要求26所述的系统，其中经由主动对准机构使所述激发源对准所述能量源耦合部件。35.一种检测分子在样品中存在的方法，所述方法包括：将标记有多种发光标志中一种的样品导入样品阱中，其中至少一部分的所述多个发光标志具有不同的发光寿命值；用光脉冲辐射所述样品阱；测量从样品阱中所发出光子的到达时间；和基于所述光子的到达时间确定所述标志的身份。36.如权利要求35所述的方法，还包括：测量从所述样品阱中所发出光子的波长；和基于所述光子的所测量波长来确定所述标志的身份。37.如权利要求35所述的方法，其中所述样品阱的辐射是利用在所述样品阱附近的波导而实现，使得所述光的倏逝拖尾耦合到所述样品阱。38.如权利要求37所述的方法，其中利用星形耦合器将所述光耦合到所述波导。39.如权利要求37所述的方法，其中利用薄片光栅将所述光耦合到所述波导。40.如权利要求37所述的方法，其中利用多模干涉分束器将所述光耦合到所述波导。41.一种集成装置，包括：用于接收标记有多种发光标志中一种的样品的样品阱，每个所述多个发光标志具有不同的发光寿命值；和构造成在多个时间段中检测来自所述多个发光标志中的一个的发光的传感器，其中对所述多个时间段进行选择以在所述多个发光标志中加以区别。42.如权利要求41所述的集成装置，还包括用于将激发能量输送到所述样品阱附近的波导。43.如权利要求42所述的集成装置，还包括用于接收所述来自外部能量源的激发能量并且将所述激发能量耦合入所述波导的光栅耦合器。44.如权利要求42所述的集成装置，其中所述光栅耦合器具有在所述波导的方向上逐渐减小的宽度。45.如权利要求41所述的集成装置，其中所述样品阱包括形成于金属材料中的纳米孔。46.如权利要求45所述的集成装置，还包括同心环光栅，所述光栅包括由所述金属材料所形成的多个环，其中所述纳米孔是位于所述多个环的最内环中。47.如权利要求45所述的集成装置，还包括在所述样品阱附近的至少一个微腔，其中所述至少一个微腔构造成将来自所述波导的激发能量耦合到所述样品阱。48.一种集成装置，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·M·罗思伯格，阿里·卡比里，杰森·W·斯克勒，布雷特·J·格亚凡思，杰瑞米·拉基，杰勒德·施密德，罗伦斯·C·威斯特，本杰明·西普里亚尼，基思·G·法夫，法席德·加塞米，
申请(专利权)人：宽腾矽公司，
类型：发明
国别省市：美国,US