生物学的および化学的分析のための集積センサアレイ
本発明は、分析のためにサンプル流体からの化学的または生物学的サンプル保持することが可能なサンプル保持領域のアレイを含む大規模化学電界効果トランジスタアレイを備える装置およびチップを対象とする。１つの態様では、かかるトランジスタアレイは、１０μｍ以下のピッチを有し、各サンプル保持領域は、かかるサンプル保持領域内で化学的または生物学的サンプルの特性に関連する少なくとも１つの出力信号を生成するように構成される少なくとも１つの化学電界効果トランジスタ上に配置される。一実施形態では、前記化学的または生物学的サンプルの特性は、帯電した種の濃度であり、前記化学電界効果トランジスタはそれぞれ、浮遊ゲートを有し、浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、誘電体層は、前記サンプル流体に接触し、前記サンプル流体中の帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である。一実施形態では、かかる帯電した種は、センサが、センサのサンプル保持領域内のまたはサンプル保持領域に隣接するサンプル流体のｐＨの変化を測定するように、水素イオンである。本発明の装置およびチップは、大規模ｐＨベースＤＮＡシークエンシングおよび他の生物科学および生物医学用途に適合してもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全ての全体の内容が参照により本明細書に組み込まれる、２００８年１０月２２日、２００８年１１月４日、および２００９年１月２２日にそれぞれ出願された米国仮出願第６１／１９６９５３号、第６１／１９８２２２号、第６１／２０５６２６号に対して米国特許法第１１９条（ｅ）による、また、いずれも２００９年５月２９日に出願された米国非仮出願第１２／４７４８９７号および第１２／４７５３１１号に対して米国特許法第１２０条による優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、一般に、化学測定を行う半導体チップを対象とし、より詳細には、１または２以上の分析物をモニタリングする単一チップＩＳＦＥＴアレイ（および単一チップＩＳＦＥＴアレイのアレイ）を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
生物学的および化学的分析物の迅速かつ正確な測定は、診断から、工業プロセス制御、環境モニタリング、科学研究にわたる多くの分野において重要である。化学感応性がある、特にイオン感応性がある電界効果トランジスタ（それぞれ「ｃｈｅｍＦＥＴ」および「ＩＳＦＥＴ」）は、長年、こうした測定のために使用されてきた。例えば、Ｂｅｒｇｖｅｌｔ，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，８８：１−２０（２００３）、Ｙｕｑｉｎｇ等，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｄｖａｎｃｅｓ，２１：５２７−５３４（２００３）など。より最近では、単一デバイスを使用して空間分布しかつ複数分析物の測定を得るために、集積回路技術を使用してこうしたセンサのアレイを作製する試みが行われている、例えば、Ｙｅｏｗ等，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ ４４:４３４−４４０（１９９７）、Ｍａｒｔｉｎｏｎｉａ等，Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ＆Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１６：１０４３−１０５０（２００１）、Ｍｉｌｇｒｅｗ等，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ １０３：３７−４２（２００４）、Ｍｉｌｇｒｅｗ等，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ，１１１−１１２：３４７−３５３（２００５）、Ｈｉｚａｗａ等，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ，１１７：５０９−５１５（２００６）、Ｈｅｅｒ等，Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２２：２５４６−２５５３（２００７）など。こうした努力は、特にＩＳＦＥＴセンサアレイが、センサ素子の何千を超えるスケールおよび何百センサ素子／ｍｍ２を超える密度を有するときに、いくつかの異なる技術的難題に直面する。こうした難題は、アレイ内にセンサごとに均一な性能特性を有するセンサ素子を用いて大規模アレイを作ること、センサアレイ自体とサンプルを含む反応物または分析物をアレイに運ぶフルイディクスシステムの両方から、多くのノイズ源の背景に対して検出可能な信号を生成することが可能なミクロンオーダーの実装面積を有するセンサ素子を作ることを含む。浮遊ゲートなどの電荷感応性コンポーネントを有するセンサ素子を備えるＩＳＦＥＴの場合、前者の難題は、半導体作製技術の一般的な副産物である、こうしたコンポーネント内へのまたはそれに隣接したトラップ電荷の蓄積によって悪化する。後者の難題は、ＩＳＦＥＴセンサの電荷感応性コンポーネントにおいてまたはその上に蓄積する帯電した種を、対象となる分析物が直接的にまたは間接的に生成するという要件によって悪化する。非常に密度が高いアレイでは、拡散、分析物またはその代用物の反応性、隣接するセンサからの相互汚染、ならびに、サンプル流体中の電気ノイズは全て、測定に悪い影響を及ぼしうる。これらの難題を克服する大規模ＩＳＦＥＴアレイの可用性は、上記分野で、特に、ゲノムの大規模遺伝子解析などにおいて益々高度な並列多重化学測定が必要とされる場合に有用であろう。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の態様は、一部には、反応中に、存在するか、生成されるか、使用される分析物をモニタリングすることに基づいて、例えば核酸（例えば、ＤＮＡ）シークエンシング反応を含む、反応をモニタリングするｃｈｅｍＦＥＴ、またはより具体的にはＩＳＦＥＴの大きなアレイに関する。より一般的には、ｃｈｅｍＦＥＴの大きなアレイを含むアレイは、種々の化学的および／または生物学的プロセス（例えば、生物学的または化学的反応、細胞または組織培養またはモニタリング、神経活性、核酸シークエンシングなど）における種々の分析物（例えば、水素イオン、他のイオン、非イオン性分子または化合物など）の静的および／または動的な量または濃度を検出し測定するために使用されてもよく、こうしたプロセスでは、こうした分析物測定に基づいて価値ある情報が得られる可能性がある。こうしたアレイは、帯電した生成物の直接的な蓄積によって、または、対象の分析物の濃度または存在に関連する帯電した種の間接的な生成または捕捉によって、分析物を検出する方法および／またはアレイ内のセンサの表面の電荷の変化によって生物学的または化学的プロセスをモニタリングする方法において使用されてもよい。本発明は、多数の実施態様および適用態様において例示され、その一部が以下で要約される。
【０００５】
一態様では、本発明は、回路支持基材（substrate）内に化学電界効果トランジスタアレイを備える装置を対象とし、かかるトランジスタアレイは、表面上に、サンプル流体からの化学的または生物学的サンプルを保持することが可能なサンプル保持領域を配設されており、かかるトランジスタアレイは、１０μｍ以下のピッチを有し、各サンプル保持領域は、かかるサンプル保持領域における化学的または生物学的サンプルの特性に関連する少なくとも１つの出力信号を生成するように構成される少なくとも１つの化学電界効果トランジスタ上に配置される。一実施形態では、前記化学的または生物学的サンプルの特性は、帯電した種の濃度または量であり、前記化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、誘電体層は、前記サンプル流体に接触し、前記サンプル流体中の帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である。一実施形態では、かかる帯電した種は、センサが、センサのサンプル保持領域内のまたはサンプル保持領域に隣接するサンプル流体のｐＨの変化を測定するように、水素イオンである。かかる実施形態の一態様において、誘電体層は、他の要件に整合する、誘電体層の両端のキャパシタンス（capacitance thereacross）を最大にするように選択された厚さを有する。かかる厚さは、１〜１０００ナノメートル（ｎｍ）の範囲、１０〜５００ｎｍの範囲、または２０〜１００ｎｍの範囲で選択されてもよい。
【０００６】
別の態様において、本発明は集積センサアレイを対象とし、集積センサアレイは、回路支持基材内に形成された複数のセンサを備え、各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、センサは、１００センサ／ｍｍ２より大きい密度の、２５６個より多いセンサの平面アレイであり、アレイの各センサは、センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、かかる出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、アレイの各センサについて実質的に同じである。この態様の一実施形態では、集積センサアレイはさらに、前記回路支持基材内に複数のサンプル保持領域をさらに含み、各サンプル保持領域は、前記センサの少なくとも１つの上に（または別法として、その下にまたはそのそばに）ありかつ前記センサの少なくとも１つに動作可能に連結される。別の実施形態では、かかるサンプル保持領域は、サンプル流体のある容積内にサンプルを保持するように構成された各マイクロウェルである。別の実施形態では、集積センサアレイのセンサは、帯電した種の濃度を検出し、測定し、センサはそれぞれ、浮遊ゲートを有し、浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、誘電体層は、前記化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、誘電体層に隣接する、サンプル流体中の帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である。誘電体層は、他の要件に整合する、誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する。
【０００７】
さらなる態様において、本発明は単一チップ化学アッセイデバイスを対象とし、単一チップ化学アッセイデバイスは、（ａ）回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、かかる出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、（ｂ）回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、少なくとも１つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、（ｃ）少なくとも１フレーム／秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから出力信号のサンプルを受信するための、センサアレイに結合した回路支持基材内の制御回路要素（circuitry）とを備える。
【０００８】
なお別の態様では、本発明は、単一チップ核酸アッセイデバイスを対象とし、単一チップ核酸アッセイデバイスは、（ａ）回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、かかる出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、（ｂ）回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、各サンプル保持領域は少なくとも１つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、（ｃ）サンプル保持領域上に配設された粒子固体支持体であって、各支持体は、支持体にコンカテマー化（concatemerized）テンプレートが付着されている、粒子固体支持体などの固体支持体を含む支持体と、（ｄ）少なくとも１フレーム／秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから出力信号のサンプルを受信するための、センサアレイに結合した回路支持基材内の制御回路要素とを備える。支持体は、固体または多孔質コアおよび／または固体または多孔質表面を有するビーズを含むビーズ、マイクロスフェア、マイクロ粒子、ゲルマイクロ液滴、および、ＤＮＡテンプレート、特にクローン集合体としてのものに付着するための他の分離可能粒子支持体を含んでもよい。かかる支持体は、用途に応じて、ミクロンまたはナノメートルのオーダーであってよい。例えば、ビーズは、マイクロビーズであってよく、または、ナノビーズであってよい。
【０００９】
本発明のこれらの先に特徴付けられた態様ならびに他の態様は、多数の例証される実施態様および適用態様において例示され、その一部が、図で示され、下記の特許請求の範囲の節で特徴付けられる。しかし、上記概要は、本発明の例証される各実施形態または全ての実施態様を説明することを意図しない。
【００１０】
図面において、同様の参照文字は、一般に、異なる図全体を通して同じ部品を指す。同様に、図面は、一定比例尺に必ずしも従っておらず、代わりに、本明細書で論じる種々の概念を一般的に示すことに重点が置かれる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の１つの発明の実施形態による、大規模ｃｈｅｍＦＥＴアレイを備える核酸処理システムを一般的に示す図である。
【００１２】
【図２】図２は、本開示の１つの発明の実施態様による、図１に示すアレイに類似のｃｈｅｍＦＥＴアレイの１つの列を示す図である。
【００１３】
【図３】図３は、本開示の別の発明の実施態様によるピクセル作製の層ごとの図を示す、複数の近傍ピクセル（neighboring pixel）の複合断面図である。
【００１４】
【図４】図４Ａ〜Ｌは、図３に示すセンサの作製時に載置された(lay down)材料層に対応するパターンの上面図である。
【００１５】
【図５Ａ】図５Ａは、センサ浮遊ゲート上に薄い誘電体層を有するアレイを作製するプロセスステップを示す図であり、誘電体層は、電荷感応性層および接着層を備える。
【図５Ｂ】図５Ｂは、センサ浮遊ゲート上に薄い誘電体層を有するアレイを作製するプロセスステップを示す図であり、誘電体層は、電荷感応性層および接着層を備える。
【００１６】
【図６】図６は、本発明の一実施形態の電子コンポーネントの実施形態のブロック図である。
【００１７】
【図７】図６に示すコンポーネントについての例示的なタイミング図である。
【００１８】
【図８Ａ】図８Ａは、ＩＳＦＥＴソースおよびドレイン上の電圧変化が分析物にノイズを注入し、検知された値に誤差が生じる、基本的な受動センサピクセルを示す、一部がハイレベルブロック図であり一部がハイレベル回路図である図である。
【００１９】
【図８Ｂ】図８Ｂは、ＩＳＦＥＴドレイン上の電圧変化が、ドレインをグラウンドに接続することによってなくなり、ピクセル出力が、列バッファを介して取得され、ＣＤＳが、相関ノイズを低減するために列バッファの出力に使用される、基本的な受動センサピクセルを示す、一部がハイレベルブロック図であり一部がハイレベル回路図である図である。
【００２０】
【図８Ｃ】図８Ｃは、ＩＳＦＥＴドレインおよびソース上の電圧変化が実質的になくなり、ピクセル出力が、バッファを介して取得され、ＣＤＳが、相関ノイズを低減するために列バッファの出力に使用される、２トランジスタ受動センサピクセルを示す、一部がハイレベルブロック図であり一部がハイレベル回路図である図である。
【００２１】
【図９】図９は、フローセルの断面図である。
【００２２】
【図１０Ａ】図１０Ａは、ＩＳＦＥＴデバイスからのトレースを示すグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、２３ｍｅｒ合成オリゴヌクレオチドのシークエンシング反応からのヌクレオチド読み出しを示すグラフである。
【００２３】
【図１１Ａ】図１１Ａは、ＩＳＦＥＴデバイスからのトレースを示すグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、２５ｍｅｒＰＣＲ産物のシークエンシング反応からのヌクレオチド読み出し（Ｂ）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、種々の変更および代替形態に適応できるが、その具体像は、図面において例として示されており、詳細に述べられるであろう。しかし、その意図が、述べられる特定の実施形態に本発明を限定しないことであることが理解されるべきである。それとは反対に、その意図は、本発明の趣旨および範囲内に入る全ての変更物、等価物、および代替物をカバーすることである。例えば、装置およびアレイのマイクロエレクトロニクス部分は、例証のためにＣＭＯＳ技術で実装される。しかし、他の半導体ベースの技術が明細書で論じるシステムのマイクロエレクトロニクス部分の種々の態様を実装するために利用されてもよいため、本開示が、この点で制限的であることを意図されないことが理解されるべきである。本発明のアレイを作製する指針は、その関連部分が参照により組み込まれる、Ａｌｌｅｎ等，ＣＭＯＳ Ａｎａｌｏｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ（Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２ｎｄＥｄｉｔｉｏｎ，２００２）、Ｌｅｖｉｎｓｏｎ，Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ（ＳＰＩＥ Ｐｒｅｓｓ，２００５）、Ｄｏｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｎｉｓｈｉ，Ｅｄｉｔｏｒｓ，Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ（ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，２００７）、Ｂａｋｅｒ，ＣＭＯＳ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｌａｙｏｕｔ，ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，２００８）、Ｖｅｅｎｄｒｉｃｋ，Ｄｅｅｐ−Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ ＣＭＯＳ ＩＣｓ（Ｋｌｕｗｅｒ−Ｄｅｖｅｎｔｅｒ、１９９８）、Ｃａｏ，Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ＆Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ（Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｒｅｓｓ，２００４）などを含むが、それに限定されない、集積回路設計および製造および微細加工に関する多くの入手可能な参考文献および論文において見出される。
【００２５】
一態様において、本発明は、化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）の集積センサアレイ（例えば、２次元アレイ）を対象とし、その集積センサアレイにおいて、アレイの個々のｃｈｅｍＦＥＴセンサ素子または「ピクセル(pixel)」は、サンプル流体中の分析物の存在（または非存在）、分析物レベル（または量）、および／または分析物濃度を検出するように構成される。「サンプル流体(sample fluid)」は、マルチステップ反応の洗浄流体などの、サンプルまたは試薬をサンプル保持領域に送出するか、または、生成物または反応物をサンプル保持領域から除去するために使用される流体を意味する。サンプル流体は、アレイ上で起こる１または２以上の分析プロセスの過程において同じままであってもよく、または、変化してもよい。本発明のアレイによって検出されるかまたはモニタリングされる分析プロセスは、アレイに近接して起こる化学的および／または生物学的プロセス（例えば、化学反応、細胞培養、神経活性、核酸シークエンシング反応など）を含む。以下でさらに詳細に論じられる種々の実施形態によって想定されるｃｈｅｍＦＥＴの例は、イオン感応性電界効果トランジスタ(ion-sensitive field effect transistor)（ＩＳＦＥＴ）および酵素感応性電界効果トランジスタ(enzyme-sensitive field effect transistor)（ＥｎＦＥＴ）を含むが、それに限定されない。１つの例示的な実施形態では、１または２以上のマイクロ流体構造は、生物学的または化学的反応の保持、封じ込め、および／または閉じ込めを実現するためにｃｈｅｍＦＥＴセンサアレイの上に作製され、マイクロ流体構造内で、対象となる分析物が、場合に応じて、捕捉、生成、または消費される可能性がある。かかる構造は、本明細書で「サンプル保持領域(sample-retaining region)」と呼ばれる領域をアレイ上に画定する。例えば、一実施態様において、１または２以上のマイクロ流体構造は、アレイの１または２以上のセンサ上に配設される１または２以上のウェル（または、用語が本明細書で交換可能に使用されるため、マイクロウェルか、反応チャンバか、または反応ウェル）として構成されてもよく、それにより、所与のウェルがそれを覆って配設される１または２以上のセンサが、所与のウェル内の分析物の存在、レベル、および／または濃度を検出し、測定する。好ましくは、ウェルとセンサの１：１の比が存在する。
【００２６】
本開示の種々の本発明の実施形態によるｃｈｅｍＦＥＴは、種々の分析物のうちの任意の１または２以上の分析物に対して感応性を有するように構成されてもよい。一実施形態では、アレイの１または２以上のｃｈｅｍＦＥＴは、１または２以上の分析物に対して感応性を有するように特に構成されてもよく、他の実施形態では、所与のアレイの異なるｃｈｅｍＦＥＴが、異なる分析物に対して感応性を有するように構成されてもよい。例えば、一実施形態では、アレイの１または２以上のセンサ（ピクセル）は、第１の分析物に対して感応性を有するように構成された第１の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよく、アレイの１または２以上の他のセンサは、第１の分析物と異なる第２の分析物に対して感応性を有するように構成された第２の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよい。一実施形態では、第１および第２の分析物は、互いに関連してもよい。例として、第１および第２の分析物は、同じ生物学的または化学的反応／プロセスの副産物であってよく、したがって、反応の発生（または反応の欠如）を確認するために同時に検出されてもよい。かかる冗長性は、一部の分析物検出方法において好ましい。もちろん、２つの異なる型のｃｈｅｍＦＥＴが、任意の所与のアレイで使用されて、異なるタイプの分析物が検出されてもよく、かつ／または、測定されてもよく、また任意に、結合事象などの生物学的または化学的プロセスがモニタリングされてもよいことが理解されるべきである。一般に、所与のセンサアレイは、「均一(homogeneous)」であり、それにより、同じ分析物（例えば、ｐＨまたは他のイオン濃度）を検出かつ／または測定する、実質的に類似のまたは同一の型のｃｈｅｍＦＥＴからなってもよく、あるいは、センサアレイは、「不均一(heterogeneous)」であり、異なる分析物を検出かつ／または測定するために、異なる型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよいことが、本明細書で論じるセンサアレイの実施形態の任意の実施形態において理解されるべきである。別の実施形態では、アレイ内のセンサは、検出かつ／または測定されるそのタイプ（またはクラス）の種が、センサ間で異なっていても、単一のタイプ（またはクラス）の分析物を検出かつ／または測定するように構成されてもよい。例として、アレイ内の全てのセンサは、核酸を検出かつ／または測定するように構成されてもよいが、各センサは、異なる核酸を検出かつ／または測定する。
【００２７】
本明細書で用いる場合、アレイは、センサまたはウェルなどの要素の平面的な配置である。１次元アレイは、第１の次元に要素の１つの列（または行）および第２の次元に複数の列（または行）を有するアレイである。１次元アレイの例は、１×５アレイである。２次元アレイは、第１と第２の両方の次元に複数の列（または行）を有するアレイである。第１と第２の次元の列（または行）の数は、同じであっても、同じでなくてもよい。２次元アレイの例は、５×１０アレイである。
【００２８】
したがって、一実施形態は、ＣＭＯＳ作製（CMOS-fabricated）センサのアレイを備える装置を対象とし、各センサは、１個の化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）を備え、１０μｍ２以下、９μｍ２以下、８μｍ２以下、７μｍ２以下、６μｍ２以下、５μｍ２以下、４μｍ２以下、３μｍ２以下、２μｍ２以下の面積をアレイの表面上で占める。本発明の別の実施形態は、少なくとも１００センサ／ｍｍ２、少なくとも２５０センサ／ｍｍ２、少なくとも１０００センサ／ｍｍ２、少なくとも５０００センサ／ｍｍ２、または少なくとも１００００センサ／ｍｍ２の密度のＣＭＯＳ作製センサの平面アレイを備える装置を対象とする。
【００２９】
別の実施形態は、ＣＭＯＳ作製センサのアレイを備える装置を対象とし、各センサは、１個の化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）を備える。ＣＭＯＳ作製センサのアレイは、２５６より多いセンサを含み、アレイの全てのｃｈｅｍＦＥＴからのｃｈｅｍＦＥＴ出力信号の集合は、データフレームを構成する。装置はさらに、アレイに結合し、少なくとも１フレーム／秒のフレームレートでアレイから複数のデータフレームを提供するために、少なくとも１つのアレイ出力信号を生成するように構成された制御回路要素を備える。一態様において、フレームレートは少なくとも１０フレーム／秒であってよい。別の態様では、フレームレートは少なくとも２０フレーム／秒であってよい。さらに別の態様では、フレームレートは少なくとも３０、４０、５０、７０、または最高１００フレーム／秒であってよい。センサによって測定される化学的または生物学的現象は、様々な継続時間および振幅を有する電気信号、通常、電流または電圧のレベル変化をもたらす可能性がある。一部の実施形態では、かかる信号は、数ミリ秒、例えば１０ミリ秒〜数十秒、例えば１０〜２０秒の範囲の継続時間を有してもよい。アレイによってモニタリングされる周期的または逐次プロセスの場合、かかる信号は、数分、数時間、または数日の間隔にわたって実質的に繰返される可能性がある。さらに、信号は、アレイ自体からのフリッカノイズおよび特にサンプル流体からの熱ノイズを含む種々のタイプのノイズが重ね合わされている可能性がある。装置の制御回路要素は、完全なデータフレームについて、アレイ内の各センサから各信号をサンプリングするように構成される。かかるサンプリングは、先に挙げたフレーム／秒の値で読み出されるように、短い継続時間、例えば１〜１００μｓｅｃなどのためのものであってよい。
【００３０】
以下でより完全に説明されるように、本発明のアレイは、同じアレイ内のセンサによる、同じかまたは類似の検知条件に対するセンサごとの応答の安定性および均一性の欠如を含む、トラップ電荷の影響を低減するように作製されている。一実施形態では、かかる応答は、予め規定されたｐＨの変化にアレイのセンサを暴露することによって測定されてもよい。一実施形態では、アレイ内のセンサの少なくとも９５％の応答は、７〜９の範囲のｐＨにわたって実質的に線形であり、それぞれ少なくとも４０ｍＶ／ｐＨ単位の感度の電圧出力信号を有する。別の実施形態では、アレイのセンサの少なくとも９８％は、かかる性能を有する。「実質的に線形(substantially linear)」は、かかるｐＨ範囲にわたる測定ｐＨ値が、１０％未満、５％未満、または２％未満の線形性からの偏差の変動係数を有することを意味する。別の実施形態では、かかるアレイのセンサの少なくとも９５％はそれぞれ、２００ｍｓｅｃ未満のｐＨ変化に対する応答時間を有する。
【００３１】
別の実施形態は、複数の行および複数の列に配列された複数の電子センサを備えるセンサアレイを対象にする。各センサは、アレイの表面に近接して分析物の存在および／または濃度を示す少なくとも１つの出力信号およびある例では少なくとも２つの出力信号を提供するように構成された１つの化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）を備える。複数の列の各列について、アレイはさらに、列内の各ｃｈｅｍＦＥＴに一定のドレイン電流および一定のドレイン−ソース電圧を提供するように構成された列回路要素を備え、列回路要素は、一定のドレイン−ソース電圧を提供するために、各ｃｈｅｍＦＥＴを用いてケルビンブリッジ構成で配列された２つの演算増幅器とダイオード接続ＦＥＴを含む。
【００３２】
別の実施形態は、複数の行および複数の列に配列された複数の電子センサを備えるセンサアレイを対象にする。各センサは、アレイの表面に近接して溶液内のイオン濃度を示す少なくとも１つの出力信号およびある例では少なくとも２つの出力信号を提供するように構成された１つの化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）を備える。アレイはさらに、複数の行の各行をイネーブルにする少なくとも１つの行選択シフトレジスタおよび複数の列の各列からｃｈｅｍＦＥＴ信号を取得する少なくとも１つの列選択シフトレジスタを備える。
【００３３】
本発明の装置およびデバイスは、種々のエンティティ間の相互作用を検出かつ／またはモニタリングするために使用されうる。これらの相互作用は、生物学的および化学的反応を含み、限定はしないが結合事象などの、酵素反応および／または非酵素相互作用を含む可能性がある。例として、本発明は、物質および／または試薬が消費される、かつ／または中間反応物、副産物、および／または生成物が生成される酵素反応をモニタリングすることを想定する。本発明に従ってモニタリングされうる反応の例は、核酸シークエンスに関する情報を提供する方法などの核酸合成方法である。この反応は、本明細書でより詳細に論じられるであろう。
【００３４】
装置
本発明の装置は、検出される分析物、補助試薬とのアッセイ反応が必要とされるかどうか、逐次反応が必要とされるか周期的反応が必要とされるかに応じて、大幅に異なりうる。一態様において、本発明の装置は、センサアレイ、および、サンプル流体によって表面に送出される生物学的または化学的分析物を保持するための、センサアレイの表面上のサンプル保持領域のアレイを備える。一実施形態では、サンプル保持領域は、センサアレイと一体であり、いろいろな形式を有してもよい。かかる領域は、センサアレイの表面上の化学反応性基によって、所定の分析物にとって特異的であるセンサアレイの表面に付着した結合性化合物によって、疎水性または親水性領域によって、またはマイクロウェル、キャビティ、ウィヤ（weir）、ダム、リザーバなどのような空間的特徴部によって画定されてもよい。さらなる実施形態では、本発明の装置は、ビーズ、粒子、ゲルマイクロ液滴などの担体、あるいは、対象となる分析物を保持し、サンプル流体によってサンプル保持領域に送出される可能性がある他の支持体、構造、または物質を含んでもよい。かかるサンプル担体は、サンプル保持領域への付着を可能にするために結合部分または反応性基を含んでもよい。かかる付着は特異的であってもよく、かかる結合部分または反応性基は、相補的結合化合物または官能基だけとのリンケージを形成し、または、付着はランダムであってもよく、サンプル担体は、アレイの任意のサンプル保持領域内に保持される、実質的に同じ可能性を有する。以下でより完全に述べるように、サンプル保持領域は、マイクロウェルのアレイであり、マイクロウェルのアレイはそれぞれ、サンプル、分析物、および／または１または２以上のサンプル担体を物理的に保持するために壁および内部を有する。
【００３５】
以下で例示するように、サンプル流体およびサンプルまたは分析物は、いくつかの方法でセンサアレイの保持領域に送出されてもよい。センサアレイが、プロセス、環境モニタリング、または細胞モニタリングなどを用いる、１回使用のサンプル特徴付けデバイスとして使用される場合、サンプルは、浸漬、ピペッティング、注入によって、または他の直接的方法によって送出されてもよい。センサアレイが、ＤＮＡシークエンシングなどの、遂次的または周期的反応において使用される場合、核酸テンプレート、試薬、洗浄溶液などを含むサンプル流体は、コンピュータ制御下の流体システムによって送出されてもよい。かかる後者の用途の場合、本発明の実施形態はさらに、サンプル保持領域およびセンサアレイと一体化されたフローセルを含んでもよい。以下でより完全に述べるように、一実施形態では、かかるフローセルは、制御された条件下でサンプル保持領域にサンプル流体（アッセイ反応物、緩衝液などを含む）を送出し、これは、層流、各サンプル保持領域における一定流量、制御された温度、気泡または他の流れの乱れの最小化などを含む可能性がある。一態様において、本発明の装置のフローセルは、入口、出口、および内部空間を備え、内部空間は、フローセルが、サンプル保持領域およびセンサのアレイに連通する、例えばそれに密閉的に結合すると、入口および出口を除いて閉じるチャンバを形成する。一部の実施形態では、デバイスは、フローセルおよび一方または両方のアレイが互いに一体になるように製造される。他の実施形態では、フローセルは、アレイに密閉的に結合される。いずれの実施形態も、考えられる他の有害要因の中でもとりわけ、サンプル流体に電気ノイズを導入すると思われる流体漏洩を防止することになる。一態様において、本発明の装置は、サンプル流体に流体接続状態の参照電極を含み、それにより、動作中に、参照電極とアレイのセンサとの間に電位差が確立される。
【００３６】
核酸シークエンシングに適応する例示的な装置が図１に示される。以下の説明では、アレイのｃｈｅｍＦＥＴは、例証のために、限定はしないが水素イオン濃度を含む、静的および／または動的イオン濃度に対して感応性を有するように構成されたＩＳＦＥＴとして述べられる。しかし、以下でさらに詳細に論じるように、本開示がこの点において限定されないこと、また、ＩＳＦＥＴが例証的な例として使用される本明細書で論じられる実施形態の任意の実施形態において、他の型のｃｈｅｍＦＥＴが、代替の実施形態で、同様に使用されてもよいことが理解されるべきである。同様に、本発明の種々の態様および実施形態は、センサが水素イオンでない１または２以上のイオン種を検出するため、ＩＳＦＥＴを使用する可能性があることが理解されるべきである。
【００３７】
システム１０００は、ＩＳＦＥＴセンサアレイ１００およびマイクロフルイディクスフローセル２００を備える半導体／マイクロフルイディクスハイブリッド構造３００を含む。一態様において、フローセル２００は、ＩＳＦＥＴアレイ１００の対応するセンサの上に配設された、多数のウェル（図１には示さず）を備えてもよい。別の態様では、フローセル２００は、多数のシークエンシング試薬２７２（例えば、ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ（一般的に、本明細書でｄＮＴＰと呼ばれる）、限定はしないがＭｇ２＋などの二価カチオン、洗浄溶液など）のフローセルへの、制御され順序付けられた導入を介して、フローセル内に配設された１または２以上の同一のテンプレート核酸のシークエンシングを促進するように構成される。
【００３８】
図１に示すように、フローセル２００へのシークエンシング試薬の導入は、コンピュータ２６０によって制御される１または２以上の弁２７０および１または２以上のポンプ２７４を介して達成されてもよい。多数の技法が、かかるフローセルのウェル内に種々の処理材料（すなわち、溶液、サンプル、反応試薬、洗浄溶液など）を入れる（すなわち、導入する）ために使用されてもよい。図１に示すように、ｄＮＴＰを含む試薬は、ウェル内にそこから拡散するフローセルに（例えば、コンピュータ制御式弁２７０およびポンプ２７４を介して）入れられてもよく、または、試薬は、インクジェットなどの他の手段によってフローセルに添加されてもよい。なお別の例では、フローセル２００は、ウェルを全く含まなくてよく、試薬の拡散特性は、ＩＳＦＥＴアレイ１００の各センサ間のクロストークを制限するために利用されてもよく、または、核酸は、ＩＳＦＥＴアレイ１００のセンサの表面上で不動化されてもよい。
【００３９】
図１のシステムのフローセル２００は、ＩＳＦＥＴアレイ１００に近接して１または２以上の分析物（あるいは１または２以上の反応溶液）を提供するために種々の方法で構成されてもよい。例えば、テンプレート核酸は、センサアレイ１００の１または２以上のピクセルに適切に近接して、センサアレイの上であるが反応チャンバ内に位置する支持材料（例えば、１または２以上の「ビーズ(beads)」）内またはその上に、あるいは、センサ表面自体の上に直接付着されるかまたは適用されてもよい。処理試薬（例えば、ポリメラーゼなどの酵素）はまた、直接センサ上に、または、センサに近接して１または２以上の固体支持体上に（例えば、処理試薬は、捕捉ビーズまたは他のビーズに結合されてもよい）設置されうるか、あるいは、処理試薬は、溶液内にあるかまたは自由流動性であってもよい。デバイスはウェルまたはビーズなしで使用されてもよいことが理解される。
【００４０】
図１のシステム１０００では、一実施形態によれば、ＩＳＦＥＴセンサアレイ１００は、イオン種、特に、水素イオンを含むイオン種のレベル／量および／または濃度の変化をモニタリングする。重要な実施形態では、種は、核酸合成またはシークエンシング反応から得られる種である。
【００４１】
（同様に、コンピュータ２６０の動作下で）アレイコントローラ２５０を介して、ＩＳＦＥＴアレイは、分析物検出および／または測定に関連するデータ（例えば、アレイの各ＩＳＦＥＴの出力信号）を取得するように制御されてもよく、収集データは、コンピュータ２６０によって処理されて、テンプレート核酸の処理（シークエンシングを含む）に関連する意味のある情報がもたらされてもよい。
【００４２】
図１に示すシステム１０００のＩＳＦＥＴアレイ１００に関し、一実施形態において、アレイ１００は、標準的なＣＭＯＳプロセス（例えば、０．３５マイクロメートルプロセス、０．１８マイクロメートルプロセス）を使用して設計され作製される集積回路として実装され、１または２以上の分析物および／または反応物をモニタリング／測定するために必要とされる全てのセンサおよび電子部品を含む。やはり図１を参照して、ＩＳＦＥＴアレイ１００に関して使用される１または２以上の参照電極７６は、アレイ１００の各ＩＳＦＥＴに近接する分析物濃度の変化がそれに対して比較されるベースラインを確立するために、フローセル２００中に設置されてもよく（例えば、フローセルの「未使用(unused)」セル内に配設されてもよく）、またはその他の方法で参照（例えば、シークエンシング試薬１７２の１または２以上）に暴露されてもよい。１または２以上の参照電極７６は、アレイ１００から得られる電圧信号に基づいて分析物測定を容易にするために、アレイ１００に、アレイコントローラ２５０に、または直接コンピュータ２６０に電気的に結合されてもよい。一部の実施態様では、以下にさらに論じるように、ＩＳＦＥＴ出力信号測定のための電気的参照を確立するために、１または２以上の参照電極が、電気接地または他の所定の電位に結合されてもよく、または、参照電極電圧が、接地に対して測定されてもよい。
【００４３】
より一般的には、本開示の種々の実施形態によるｃｈｅｍＦＥＴアレイは、種々の分析物の任意の１または２以上の分析物に対して感応性を有するように構成されてもよい。一実施形態では、アレイの１または２以上のｃｈｅｍＦＥＴは、１または２以上の分析物および／または１または２以上の結合事象に対して感応性を有するように構成され、他の実施形態では、所与のアレイの異なるｃｈｅｍＦＥＴが、異なる分析物に対して感応性を有するように構成される。例えば、一実施形態では、アレイの１または２以上のセンサ（ピクセル）は、第１の分析物に対して感応性を有するように構成された第１の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよく、またアレイの１または２以上の他のセンサは、第１の分析物と異なる第２の分析物に対して感応性を有するように構成された第２の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよい。１つの例示的な実施態様では、第１および第２の分析物は共に、例えば合成によるシークエンシング(sequencing-by-synthesis)法においてヌクレオチド取込みなどの特定の反応を示す可能性がある。もちろん、３つ以上の異なる型のｃｈｅｍＦＥＴが、異なるタイプの分析物および／または他の反応物を検出かつ／または測定するために任意の所与のアレイで使用されてもよいことが理解されるべきである。一般に、所与のセンサアレイが、「均一」であり、同じタイプの分析物（例えば、水素イオン）を検出かつ／または測定するために、実質的に類似または同一の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよく、または、センサアレイが「不均一」であり、異なるタイプの分析物を検出かつ／または測定するために、異なる型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよいことが、本明細書で論じるセンサアレイの実施形態の任意の実施形態において理解されるべきである。
【００４４】
図１に示すシステムの他の態様では、１または２以上のアレイコントローラ２５０は、ＩＳＦＥＴアレイ１００を動作させるために使用されてもよい（例えば、分析物測定結果を示す出力信号を得るためにアレイの各ピクセルを選択すること／イネーブルにすること）。種々の実施態様では、１または２以上のアレイコントローラを構成する１または２以上のコンポーネントは、アレイ自体のピクセル要素と一緒に、アレイと同じ集積回路（ＩＣ）チップ上だがＩＣチップの異なる部分に、またはオフチップで実装されてもよい。アレイ制御に関し、ＩＳＦＥＴ出力信号のアナログ−デジタル変換は、ＩＳＦＥＴアレイと同じ集積回路チップ上に実装されるが、センサアレイ領域の外部に位置する回路要素によって実施されてもよい（センサアレイ領域の外部にアナログ−デジタル変換回路要素を配置することは、より小さいピッチ、したがってより多数のセンサを可能にすると共に、ノイズの低減も可能にする）。以下でさらに論じる種々の例示的な実施態様では、アナログ−デジタル変換は、必要とされる信号ダイナミックレンジに応じて、４ビット、８ビット、１２ビット、１６ビットまたは他のビット分解能でありうる。
【００４５】
一般に、データは、直列か、並列か、またはその組合せでアレイから除去されてもよい。オンチップコントローラ（またはセンス増幅器）は、チップ全体またはチップの一部分を制御しうる。そのため、チップコントローラまたは信号増幅器は、用途の要求に従って必要に応じて複製されてもよい。アレイは、一様である必要はないが、一様であってよい。例えば、信号処理または他のある制約が、１つの大きなアレイの代わりに複数の小さなアレイを必要とし、それぞれのアレイが自分自身のセンス増幅器またはコントローラロジックを有する場合、それは、全く実行可能である。
【００４６】
１または２以上の分析物を測定する例示的なシステム１０００における、ｃｈｅｍＦＥＴ（例えば、ＩＳＦＥＴ）アレイ１００の役割の一般的な概要が提供されたが、以下に述べるのは、種々の用途で使用されてもよい本開示の種々の本発明の実施形態による例示的なｃｈｅｍＦＥＴアレイのより詳細な説明である。やはり例証のために、本開示によるｃｈｅｍＦＥＴアレイは、ＩＳＦＥＴアレイの特定の例を使用して以下で論じられるが、他の型のｃｈｅｍＦＥＴアレイが、代替の実施形態において使用されてもよい。同様にやはり、例証のために、ｃｈｅｍＦＥＴアレイは、核酸シークエンシング用途の文脈で論じられる。しかし、本発明は、そのように制限されず、むしろ、本明細書で述べるｃｈｅｍＦＥＴアレイのための種々の用途を想定する。
【００４７】
センサレイアウトおよびアレイ作製
センサレイアウト設計方法およびアレイ作製方法は、Ｒｏｔｈｂｅｒｇ他，米国特許公報第２００９／００２６０８２号および第２００９／０１２７５８９号に記載される。特に、トラップ電荷を低減しうるかまたはなくす技法が開示され、したがって、これらの参考文献が参照により組み込まれる。一態様において、センサ設計および信号読み出し回路要素が、本発明において使用されてもよい。例えば、図２に示す一実施形態では、アレイの各ｃｈｅｍＦＥＴは、浮遊ゲート構造、ならびに、第１の半導体型を有し、第２の半導体型を有する領域内に作製されたソースおよびドレインを備え、第２の半導体型を有する領域をソースまたはドレインに電気的に接続する電気導体は存在しない。各センサは、ｃｈｅｍＦＥＴを含む３つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなり、各センサは、３つのＦＥＴに電気的に接続される複数の電気導体を含む。３つのＦＥＴは、複数の電気導体が、各センサによって占められるエリアを横切りかつアレイの複数のセンサを相互接続するわずか４つの導体を含むように配列される。各センサ内のＦＥＴは全て、同じチャネル型であり、アレイ基板の単一半導体領域内に実装される。アレイの全てのｃｈｅｍＦＥＴからのｃｈｅｍＦＥＴ出力信号の集合体は、データフレームを構成する。装置はさらに、アレイに結合され、少なくとも２０フレーム／秒のフレームレートでアレイから複数のデータフレームを提供する少なくとも１つのアレイ出力信号を生成するように構成された制御回路要素を備える。
【００４８】
マイクロウェルおよびセンサアレイの集積の例として、図３は、ピクセル作製の層ごとの図ならびに浮遊ゲートおよびマイクロウェルの相対位置を示す近傍ピクセルの複合断面図を示す。３つの隣接ピクセルが断面で示される。ピクセル１０５１のＦＥＴコンポーネントは全て、単一ｎ型ウェル１５４内でｐチャネルＦＥＴとして作製される。さらに、図３の複合断面図では、高濃度ドープｐ型領域１５９もまた見ることができ、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２およびＱ３の共有ドレイン（Ｄ）に対応している。例証のために、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３のポリシリコンゲート１６６もまた、図３で見ることができる。しかし、簡潔のために、図２に示すＭＯＳＦＥＴ Ｑ２およびＱ３の各ソースならびにＱ２のゲートは、共有ドレインとして同じ（すなわち、図の平面に垂直な）軸に沿って存在するため、図３では見ることができない。最上部の金属層３０４は、ＩＳＦＥＴ感応性エリア１７８に対応し、感応性エリア１７８の上には分析物感応性パッシベーション層１７２が配設される。最上部の金属層３０４は、ＩＳＦＥＴポリシリコンゲート１６４ならびに介在導体３０６、３０８、３１２、３１６、３２０、３２６および３３８と共にＩＳＦＥＴ浮遊ゲート構造１７０を形成する。しかし、ＩＳＦＥＴドレインへの電気的な接続は、金属３層ではなく金属２層内に形成されるライン１１６１に結合した導体３４０、３２８、および３１８によって提供される。さらに、ライン１１２１および１１４１もまた、金属３層ではなく金属２層内に形成されるものとして示される。これらのラインならびにライン１１８１の構成はさらに、図４Ａ〜図４Ｌの各画像から理解されてもよく、特に、ライン１１８１が、金属導体３２２と共に、金属層内に形成されることが、図４Ｆで観察することができ、また、ライン１１２１、１１４１、および１１６１が金属２層内に形成され、図４Ｊに示す金属３層内に浮遊ゲート構造１７０のジャンパ３０８だけを残すことを観察することができる。
【００４９】
したがって、金属１層および金属２層に信号ライン１１２１、１１４１、１１６１、および１１８１を集め、それにより、これらの信号ラインと金属４層内の浮遊ゲート構造の最上部層３０４との間の距離を増加させることによって、ＩＳＦＥＴ内の寄生キャパシタンスが、少なくとも部分的に軽減される可能性がある。（例えば、信号ラインと浮遊ゲート構造の最上部層との間に１または２以上の介在金属層を含む）この一般的な概念が、多数の金属層を含む他の作製プロセスにおいて実施されてもよいことが理解されるべきである。例えば、ピクセル信号ラインと最上部金属層との間の距離は、さらなる金属層を付加する（全部で５つ以上の金属層）ことによって増大する可能性があり、最上部金属層へのジャンパだけが、さらなる金属層内に形成される。特に、６金属層作製プロセスが使用されてもよく、６金属層作製プロセスでは、信号ラインは金属１層および金属２層を使用して作製され、浮遊ゲート構造の最上部金属層は、金属６層内に形成され、最上部金属層へのジャンパは、（金属層間の関連するビアと共に）金属３層、金属４層、および金属５層内にそれぞれ形成される。
【００５０】
キャパシタンス低減に関連するなお別の態様では、最上部金属３０４（したがって、ＩＳＦＥＴ感応性エリア１７８）の寸法「ｆ」は、近傍ピクセル間の相互キャパシタンスを低減するために低減されてもよい。図４で観察されるように（また、ＩＳＦＥＴアレイの上でのウェル作製を対象とした他の実施形態に関してさらに以下で論じるように）、ウェル７２５は、ウェルの上部の寸法「ｇ」が、ピクセルピッチ「ｅ」より小さいが、ウェルの底部の寸法「ｆ」より大きくなるよう、テーパ付き形状を有するように作製されてもよい。かかるテーパリングに基づいて、最上部金属３０４は、近傍ピクセルの上部金属層間にさらなる空間を提供するために、寸法「ｇ」ではなく寸法「ｆ」を持つように設計されてもよい。一部の例証的で非限定的な実施態様では、９マイクロメートルのオーダーの寸法「ｅ」を有するピクセルの場合、寸法「ｆ」は、（先に論じたように、７マイクロメートルと対照的に）６マイクロメートルのオーダーであってよく、５マイクロメートルのオーダーの寸法「ｅ」を有するピクセルの場合、寸法「ｆ」は、３．５マイクロメートルのオーダーであってよい。
【００５１】
本発明によって判定される水素イオンおよび他の分析物の検出は、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸窒化シリコン（Ｓｉ２Ｎ２Ｏ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、五酸化タンタル（Ｔａ３Ｏ５）、酸化錫または酸化第二錫（ＳｎＯ２）などでできたパッシベーション層を使用して実行されうる。
【００５２】
誘電体層が、ＩＳＦＥＴセンサ配置構成の浮遊ゲート構造を覆って付加されると、分析物からＩＳＦＥＴまでの経路は、３つのキャパシタンスの直列接続としてモデル化されてもよい。３つのキャパシタンスとは、（１）分析物−誘電体層界面において上述した電気２重層に起因するキャパシタンス（ＣＤＬと表示される）、（２）浮遊ゲート誘電体層によるキャパシタンス（ＣＦＧＤと表示される）、および（３）ゲート酸化物キャパシタンス（ＣＯＸ）である。（上記文章では、浮遊ゲート誘電体層は、「パッシベーション」層と呼ばれることがあることに留意されたい。ここで、その層の材料組成が、回路素子をコーティングし保護するためにＣＭＯＳ処理で使用されることが多い、１または２以上のいわゆるパッシベーション材料（例えば、ＰＥＣＶＤ窒化シリコン）に必ず関連するという示唆を回避するために、本発明者等は、より具体的に浮遊ゲート誘電体層としてその層を参照する。）直列キャパシタンスストリングは、ウェル内の液体分析物とＩＳＦＥＴゲートとの間に延在する。
【００５３】
直列のキャパシタンスは、容量性電圧デバイダを形成することがよく知られている。その結果、分析物によってまたは分析物内で生成する信号電圧ＶＳの一部だけが、ＩＳＦＥＴを駆動する電圧ＶＧとしてゲート酸化物に印加される。ゲート利得がＶＧ／ＶＳとして規定される場合、理想的には、単位利得、すなわち３つのキャパシタンスのいずれの両端でも信号損失が全くないことを有することが好まれるであろう。ＣＤＬの値は、材料特性の関数であり、通常、約１０〜４０μＦ／ｃｍ２のオーダーである。ゲート酸化物キャパシタンスは、通常、比較すると非常に小さな値である。そのため、ＣＦＧＤを、ＣＯＸとＣＤＬの直列結合よりずっと大きくする（手短に言えば、ＣＦＧＤ＞＞ＣＯＸ）ことによって、ゲート利得は、実用的である程度に近く１に接近するようにさせられうる。
【００５４】
関係ＣＦＧＤ＞＞ＣＯＸを達成するために、ＣＯＸが最小にされるか、ＣＦＧＤが最大にされるか、または両方が行われうる。ＣＦＧＤの最大化は、高誘電率材料の薄層を使用することによって、または、浮遊ゲート金属化の面積を増加させることによって達成されうる。キャパシタンスＣＦＧＤは、本質的に、その誘電体として浮遊ゲート誘電体層を有する平行板キャパシタによって形成される。その結果、所与の板（すなわち、浮遊ゲート金属化）面積について、ＣＦＧＤの値を増加させるために主に利用可能なパラメータは、（１）誘電体層の厚さおよび（２）誘電体材料の選択、したがって、その誘電定数である。浮遊ゲート誘電体層のキャパシタンスは、その誘電定数に関して直接変動し、その厚さに関して逆に変動する。そのため、最大ゲート利得を得るという目的を満たすために、薄く高誘電定数の層が好ましいことになる。
【００５５】
浮遊ゲート誘電体層材料についての１つの候補は、標準的なＣＭＯＳファウンドリプロセスによって使用されるパッシベーション材料である。標準的な（通常、ＰＥＣＶＤ窒化物、より厳密には、酸窒化シリコンを覆う窒化シリコン）パッシベーション層は、形成されると比較的薄く（例えば、約１．３μｍ）、典型的なパッシベーション材料は、制限された誘電定数を有する。第１の改善は、形成後にパッシベーション層を薄化することによって達成されうる。これは、窒化物パッシベーション層内にエッチングし、その多くを消費し、わずか約２００〜６００オングストローム厚の層などの薄層を残すために、マイクロウェル形成中に、オーバエッチステップを使用することなどによって、ＣＭＯＳパッシベーション層をエッチバックすることによって達成されうる。
【００５６】
酸窒化シリコンを覆って堆積した窒化シリコンの標準的なＣＭＯＳパッシベーション層をエッチングするために、２つの手法が使用されている。第１の手法は、「部分エッチ(partial etch)」技法と呼ばれ、薄膜金属酸化物検知層を堆積する前に、窒化シリコン層と酸窒化シリコン層の約半分を足したものをエッチング除去することを含む。第２の手法は、「エッチ−金属(etch-to-metal)」技法と呼ばれ、薄膜金属酸化物検知層を堆積する前に、窒化シリコン層および酸窒化シリコン層の全てをエッチング除去することを含む。ＡＬＤ Ｔａ２Ｏ５薄膜検知層が「部分エッチ」を覆って堆積した状態で、約０．３７〜約０．４３のＩＳＦＥＴ利得が、約１５．０２〜１７．０８ｍＶ／ｐＨのセンサ感度と共に経験的に得られている。
【００５７】
代替法は、従来のＣＭＯＳパッシベーションプロセスの１．３μｍの代わりに指示される２００〜６００オングストロームなどの、誘電体（パッシベーション）材料の薄層をまず単に堆積させることである。浮遊ゲート誘電体層について有用な材料は、酸化タンタル、酸化タングステン、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウムなどの金属酸化物であるが、通常の窒化シリコンパッシベーション材料の誘電定数より大きい誘電定数の他の材料で置換されてもよい。ただし、かかる材料は、対象となるイオンに対して感応性があるか、または、感応性があるようにさせられうるものとする。エッチ−金属手法が好ましく、ＣＭＯＳプロセスの浮遊ゲート上のパッシベーション酸化物は、浮遊ゲート誘電体材料層を堆積する前に、完全にエッチング除去される。その誘電体層は、金属延伸ＩＳＦＥＴ浮遊ゲート電極上に直接塗布されてもよい。これは、キャパシタンスＣＦＧＤの値を最大にするのに役立つことになる。図５Ａおよび５Ｂは、アレイセンサ板に対する高い容量性結合用の誘電体層を生成する、容易に利用可能な作製技法を使用するステップを示す。プロセスステップはさらに、オフチップ通信用のボンドパッド構造に対する電気的アクセスを提供する。最初に、半導体製造業者からのウェハ（５００）は、マイクロウェルがそこから形成される材料層（５０２）（この例では、ＴＥＯＳ）を塗布するために処理され、その後、マイクロウェル（５０４）が、センサ板の金属に対してエッチングすることによって形成される。誘電体層（５０６）は、例えば原子層堆積によって付加される。一実施形態では、図５Ｂに示すように、誘電体層（５０６）は、電荷感応性層（５１２）および接着層（５１４）を備える。代替の技法および材料を使用して、単一または複数コンポーネント誘電体層が形成されてもよい。酸化タンタルおよびアルミニウムは、誘電体層（５０６）の例示的な電荷感応性層および接着層である。先に述べたように、誘電体層（５０６）がそこから形成されてもよい他の材料は、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ３、またはＷＯ３を含む。特に、かかる材料は、サンプル流体中のｐＨ変化に応答して大きな信号をもたらす。例えば、Ｄ．Ｏ．Ｗｉｐｆ等「Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐＨ ｗｉｔｈ Ｉｒｉｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２０００，７２，４９２１−４９２７およびＹ．Ｊ．Ｋｉｍ等「Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏ ｐＨ Ｓｅｎｓｏｒ」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．２１（Ｏｃｔ．１６，２００３）に記載されるように、酸化イリジウム酸化が使用されてもよい。
【００５８】
チップ制御および読み出し(readout)回路要素
いろいろなオンチップアーキテクチャおよび回路設計が、本発明のアレイ内のセンサによって生成される出力信号を取得し処理するために使用されてもよい。いくつかの手法がＲｏｔｈｂｅｒｇ他の米国特許公報第２００９／００２６０８２号および第２００９／０１２７５８９号に開示され、これらを本発明のアレイに関して使用してもよい。例えば、図６は、本開示の１つの発明の実施形態による、アレイコントローラ２５０に結合するセンサアレイ１００のブロック図を示す。種々の例示的な実施態様では、アレイコントローラ２５０は、「独立型」コントローラとして、または、コンピュータ２６０の一部を形成する１または２以上のコンピュータと互換性のある「カード」として作製されてもよい。一態様において、アレイコントローラ２５０の機能は、インタフェースブロック２５２（例えば、ＵＳＢポートまたはＰＣＩバスを介したシリアルインタフェース、インターネット接続など）を通してコンピュータ２６０によって制御されてもよい。一実施形態では、アレイコントローラの全てまたは一部分は、１または２以上のプリント回路板として作製され、アレイ１００は、従来のＩＣチップと同様に、プリント回路板の１つに差し込まれるように構成される（例えば、アレイ１００はゼロ挿入力(zero-insertion-force)「ＺＩＦ」ソケットなどのチップソケットに差し込まれるＡＳＩＣとして構成される）。かかる実施形態の一態様において、ＡＳＩＣとして構成されるアレイ１００は、アレイコントローラ２５０によってアクセスされる／読取られる、かつ／または、コンピュータ２６０上に渡されてもよい識別コードを提供することに専用の１または２以上のピン／端子接続を含んでもよい。かかる識別コードは、アレイ１００の種々の属性（例えば、ピクセルのサイズ、数、出力信号の数、電源電圧および／またはバイアス電圧などの種々の動作パラメータなど）を示してもよく、また、多数の異なるタイプのアレイ１００の任意のアレイに関して適切な動作を保証するため、アレイコントローラ２５０によって提供される対応する動作モード、パラメータ、および／または信号を確定するために処理されてもよい。１つの例示的な実施態様では、ＡＳＩＣとして構成されるアレイ１００は、識別コードに専用の３つのピンを備えてもよく、また、製造プロセス中に、ＡＳＩＣは、アレイコントローラ２５０によって読み取られる、考えられる３つの電圧状態の１つをこれらの３つのピンのそれぞれに提供するために符号化されてもよい（すなわち、３状態ピンコーディングスキーム）。この実施形態の別の態様では、アレイコントローラ２５０の全てまたは所定部分は、以下でさらに詳細に述べる種々のアレイコントローラの機能を実行するように構成されたフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として実装されてもよい。
【００５９】
一般的に、アレイコントローラ２５０は、アレイ１００に対する種々の電源電圧およびバイアス電圧、ならびに、行および列選択に関連する種々の信号、ピクセル出力のサンプリングおよびデータ取得を提供する。特に、アレイコントローラ２５０は、アレイ１００からの多重化された各ピクセル電圧信号を含む１または２以上のアナログ出力信号（例えば、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２）を読み取り、その後、これらの各ピクセル信号をデジタル化して、測定データがコンピュータ２６０に提供され、コンピュータ２６０は、次に、データを格納してもよく、かつ／または、処理してもよい。一部の実施態様では、アレイコントローラ２５０はまた、種々のアレイ較正および機能診断を実施するかまたは容易にするように構成されてもよい。アレイコントローラ２５０は一般に、アレイ１００に、アナログ電源電圧およびグラウンド（ＶＤＤＡ、ＶＳＳＡ）、デジタル電源電圧およびグラウンド（ＶＤＤＤ、ＶＳＳＤ）、ならびにバッファ出力電源電圧およびグラウンド（ＶＤＤＯ、ＶＳＳＯ）を提供する。１つの例示的な実施態様では、電源電圧ＶＤＤＡ、ＶＤＤＤおよびＶＤＤＯはそれぞれ、約３．３ボルトである。別の実施態様では、電源電圧ＶＤＤＡ、ＶＤＤＤおよびＶＤＤＯは、約１．８ボルト程度に低くてもよい。先に論じたように、一態様において、これらの電源電圧はそれぞれ、ノイズ分離を容易にするために別個の導電性経路を介してアレイ１００に提供される。別の態様では、これらの電源電圧は、各電源／レギュレータから発生するか、または、これらの電源電圧の１または２以上は、アレイコントローラ２５０の電源２５８内の共通供給源から発生してもよい。電源２５８はまた、アレイ動作に必要とされる種々のバイアス電圧（例えば、ＶＢ１、ＶＢ２、ＶＢ３、ＶＢ４、ＶＢＯ０、ＶＢＯＤＹ）、およびアレイ診断および較正に使用される参照電圧ＶＲＥＦを提供してもよい。
【００６０】
別の態様では、電源２５８は、バイアス電圧、参照電圧、および電源電圧のいずれかまたは全てをソフトウェア制御下で変更されることを可能にする（すなわち、プログラム可能なバイアス設定）、コンピュータ２６０によって制御されてもよい１または２以上のデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を含む。例えば、（例えば、ソフトウェア実行による）コンピュータ制御に応答する電源２５８は、電源電圧の１または２以上の調整（例えば、識別コードによって示されるチップタイプに応じた３．３ボルトと１．８ボルトとの間の切換え）、ならびに／または、ピクセルドレイン電流用のバイアス電圧ＶＢ１およびＶＢ２、列バスドライブ用のバイアス電圧ＶＢ３、列増幅器帯域用のバイアス電圧ＶＢ４、および列出力バッファ電流ドライブ用のバイアス電圧ＶＢＯ０の調整を容易にしてもよい。一部の態様では、１または２以上のバイアス電圧は、イネーブルされたピクセルからの信号のセトリングタイムを最適化するために調整されてもよい。さらに、アレイの全てのＩＳＦＥＴについての共通ボディ電圧ＶＢＯＤＹは、トラップ電荷を低減するためにオプションの作製後ＵＶ照射処理中に接地され、その後、診断解析、較正、および測定／データ取得のためのアレイの通常動作中に、高電圧（例えば、ＶＤＤＡ）に結合されてもよい。同様に参照電圧ＶＲＥＦは、種々の診断および較正機能を容易にするために変更されてもよい。
【００６１】
図６に示すように、アレイ１００によって測定される分析溶液に関連して通常使用される参照電極７６は、ピクセル出力電圧用の参照電位を提供する電源２５８に結合されてもよい。例えば、一実施態様において、参照電極７６は、ピクセル出力電圧用のリファレンスを提供するために、電源グラウンド（例えば、アナロググラウンドＶＳＳＡ）に結合されてもよい。他の例示的な実施態様では、参照電極電圧は、既知のｐＨレベルを有する対象となる溶液／サンプルをセンサアレイ１００に近接して設置し、アレイ出力信号Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２が所望の参照レベルのピクセル電圧を提供するまで参照電極電圧を調整することによって設定されてもよく、それにより、後続のピクセル電圧の変化は、既知の参照ｐＨレベルに対してｐＨの局所変化を反映する。一般に、一部の実施態様では、電源２５８によって提供される参照電圧ＶＲＥＦは参照電極７６の電圧を設定するために使用されるが、参照電極７６に関連する電圧は、先に論じた参照電圧ＶＲＥＦ（種々のアレイ診断および較正機能のために使用されてもよい）と必ずしも同一である必要はないことが理解されるべきである。
【００６２】
アレイ１００からのデータ取得に関して、一実施形態では、図６のアレイコントローラ２５０は、センサアレイからの１または２以上の出力信号（例えば、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２）をさらにバッファリングし、選択可能な利得を提供する１または２以上の前置増幅器２５３を含んでもよい。一態様において、アレイコントローラ２５０は、各出力信号について１つの前置増幅器（例えば、２つのアナログ出力信号について２つの前置増幅器）を含んでもよい。他の態様では、前置増幅器は、０．０〜１．８ボルト、または０．０〜３．３ボルトの入力電圧を受容するように構成されてもよく、プログラム可能な／コンピュータ選択可能な利得（例えば、１、２、５、１０、および２０）ならびに低ノイズ出力（例えば、＜１０ｎＶ／ｓｑｒｔＨｚ）を有してもよく、ローパスフィルタリング（例えば、５ＭＨｚおよび２５ＭＨｚの帯域幅）を提供してもよい。ノイズ低減および信号対雑音比の増加に関して、アレイ１００が、アレイコントローラ２５０の全てまたは一部分を収容するプリント回路板のチップソケット内に設置されるＡＳＩＣとして構成される一実施態様において、フィルタリングキャパシタは、ノイズ低減を容易にするために、チップソケットに近接して（例えば、ＺＩＦソケットの下側で）使用されてもよい。さらに別の態様では、前置増幅器は、入力電圧信号および／または出力電圧信号のために、電圧信号用の基準レベルを所望の範囲に設定するためのプログラム可能な／コンピュータ選択可能なオフセットを有してもよい。
【００６３】
図６のアレイコントローラ２５０はまた、コンピュータ２６０にデータを提供するために、センサアレイ出力信号Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２をデジタル出力（例えば、１０ビットまたは１２ビット）に変換する１または２以上のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４を含んでもよい。一態様において、１つのＡＤＣがセンサアレイの各アナログ出力について使用されてもよく、各ＡＤＣは、（前置増幅器が所与の実施態様において用いられる場合）対応する前置増幅器の出力に結合されてもよい。別の態様では、１または２以上のＡＤＣは、異なる範囲のアレイ出力信号および／または前置増幅器パラメータとの整合性を容易にするためのコンピュータ選択可能な入力範囲（例えば、５０ｍＶ、２００ｍＶ、５００ｍＶ、１Ｖ）を有してもよい。なお他の態様では、１または２以上のＡＤＣの帯域幅は６０ＭＨｚより大きくてもよく、データ取得／変換レートは２５ＭＨｚより大きくてもよい（例えば、１００ＭＨｚ以上ほどに高い）。
【００６４】
図６の実施形態では、ＡＤＣ取得タイミングならびにアレイの行および列の選択はタイミング発生器２５６によって制御されてもよい。特に、タイミング発生器は、行選択を制御するデジタル垂直データおよびクロック信号（ＤＶ、ＣＶ）、列選択を制御するデジタル水平データおよびクロック信号（ＤＨ、ＣＨ）、ならびに、イネーブルされた行について各ピクセル電圧をサンプリングする列サンプルおよびホールド信号ＣＯＬ ＳＨを提供する。タイミング発生器はまた、図７に関連して以下でさらに論じるように、所与のアレイアナログ出力信号（例えば、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２）のデータストリーム内の連続するピクセル値を適切にサンプリングしデジタル化するために、１または２以上のＡＤＣ２５４にサンプリングクロック信号ＣＳを提供する。一部の実施態様では、タイミング発生器２５６は、マイクロプロセッサ実行コードによって実装され、適切に時間制御された信号を提供するマルチチャネルデジタルパターン発生器として構成されてもよい。１つの例示的な実施態様では、タイミング発生器２５６はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として実装されてもよい。
【００６５】
図７は、センサアレイ１００からのピクセルデータを取得するために、タイミング発生器２５６によって提供される種々のアレイ制御信号の例示的なタイミング図を示す。以下説明のために、「フレーム(frame)」は、アレイ内の各ピクセルについての値（例えば、ピクセル出力信号または電圧ＶＳ）を含むデータセットとして規定され、「フレームレート(frame rate)」は、連続するフレームがアレイから取得されてもよいレートとして規定される。そのため、フレームレートは、任意の所与のピクセルからのデータがそのフレームレートで得られるため、アレイの各ピクセルについての「ピクセルサンプリングレート(pixel sampling rate)」に本質的に対応する。
【００６６】
図７の例では、２０フレーム／秒の例示的なフレームレートが、アレイの動作（すなわち、行および列選択および信号取得）を示すために選択される。しかし、より低いフレームレート（例えば１〜１０フレーム／秒）またはより高いフレームレート（例えば、２５、３０、４０、５０、６０、７０〜１００フレームレート／秒など）を含む異なるフレームレートが、同じ数かまたはそれより多い数のピクセルを有するアレイによって可能であるため、本開示によるアレイおよびアレイコントローラがこの点に限定されないことが理解されるべきである。一部の例示的な適用形態では、１または２以上の所与の分析物に関する実験を行うために、数秒にわたって多くのフレームを含むデータセットが取得されてもよい。いくつかのかかる実験は、連続して行われてもよく、ある場合には、データ転送／処理および／またはセンサアレイＡＳＩＣの洗浄および後続の実験のための試薬の調製を可能にするための休止を伴って行われてもよい。
【００６７】
例えば、核酸取込みを検出する方法に関して、適切なフレームレートが、ＩＳＦＥＴの出力信号を十分にサンプリングするために選択されてもよい。一部の例示的な実施態様では、水素イオン信号は、核酸取込み事象の数に応じて、約１秒〜約２．５秒のオーダーの半値全幅(full-width at half-maximum)（ＦＷＨＭ）を有してもよい。これらの例示的な値が与えられると、２０Ｈｚのフレームレート（または、ピクセルサンプリングレート）は、所与のピクセル出力信号内の信号を確実に分解するのに十分である。やはり、この例で与えられるフレームレートは、主に例証のために提供され、異なるフレームレートが、他の実施態様に含まれてもよい。
【００６８】
一実施態様において、アレイコントローラ２５０は、行を連続的に、１度に１回イネーブルするようにアレイ１００を制御する。例えば、ピクセルの第１の行は、行選択信号
【数１】
によってイネーブルされる。イネーブルされたピクセルは、ある期間の間、セトリングされることを許容され、その後、ＣＯＬ ＳＨ信号が、一時的にアサートされて、各列内のサンプル／ホールドスイッチが閉じられ、列のサンプル／ホールドキャパシタＣｓｈ上に、列内の第１のピクセルによって出力される電圧値が格納される。この電圧は、その後、２つ（奇数列および偶数列）のアレイ出力ドライバ１９８１および１９８２の一方に印加される列出力電圧ＶＣＯＬｊとして利用可能である（例えば、図１６参照）。ＣＯＬ ＳＨ信号は、その後デアサートされ、それにより、各列内のサンプル／ホールドスイッチが開放され、列増幅器１０７Ａおよび１０７Ｂから、列出力バッファ１１１ｊが切離される。その後すぐに、ピクセルの第２の行は、行選択信号
【数２】
によってイネーブルされる。ピクセルの第２の行がセトリングすることを許容される期間中に、行選択信号は、一度に２回（１つの奇数および１つの偶数；奇数列選択信号は連続して奇数出力ドライバに印加され、偶数列選択信号は連続して偶数出力ドライバに印加される）生成されて、第１の行に関連する列出力電圧が読み取られる。こうして、アレイ内の所与の行がイネーブルされセトリングする間に、前の行が、一度に２つの列だけ読み出される。行選択およびサンプリング／読出しを交互に行うことによって、また、所与の行について一度に複数の列を読み取ることによって、データフレームは、かなり能率化された方法でアレイから取得されてもよい。
【００６９】
図７は、２０フレーム／秒の例示的なフレームレートについて先のプロセスのタイミングの詳細を示す。５１２×５１２アレイでは、各行は、図７の垂直の描写によって示すように、約９８マイクロ秒で読み出されなければならない。したがって、垂直クロック信号ＣＶは９８マイクロ秒の周期を有し（すなわち、１０ｋＨｚを超えるクロック周波数）、新しい行は、ＣＶ信号の前方エッジ(trailing edge)（負の遷移）でイネーブルされる。図７の左側は、新しいフレームサイクルの始まりを反映し、その時点で、垂直データ信号ＤＶは、ＣＶ信号の第１の前方エッジの前にアサートされ、ＣＶ信号の次の前方エッジの前にデアサートされる。同様に、ＣＶ信号の各前方エッジの（すなわち、新しい行がイネーブルされる）直前に、ＣＯＬ ＳＨ信号は、２マイクロ秒間アサートされ、ＣＶ信号の前方エッジ前に５０ナノ秒が残る。
【００７０】
図７では、ＣＯＬ ＳＨ信号の第１の発生は、５１２×５１２アレイの行５１２のピクセル値を実際にサンプリングしている。こうして、ＣＶ信号の第１の前方エッジが生じると、第１の行はイネーブルされ、ＣＯＬ ＳＨ信号の第２の発生まで（約９６マイクロ秒間）セトリングすることを許容される。第１の行についてのセトリング時間中、行５１２のピクセル値は、列選択信号を介して読み出される。５１２列を読み取るために、２つの列選択信号が同時に生成されるため、水平クロック信号ＣＨは、この期間内に２５６サイクル生成しなければならず、ＣＨ信号の各前方エッジは、１つの奇数および１つの偶数列選択信号を生成する。図７に示すように、所与の行内のＣＨ信号の第１の前方エッジは、サンプル／ホールドキャパシタＣｓｈ上に格納され、列出力バッファによって提供される電圧値のセトリングを可能にするために、行の選択後（ＣＯＬ ＳＨ信号の不活性化後）２マイクロ秒経って発生するように時間制御される。しかし、他の実施態様では、ＣＨ信号の第１の前方エッジとＣＯＬ ＳＨ信号の前方エッジ（すなわち、不活性化）との間の期間は、２マイクロ秒より著しく小さく、ある場合には、丁度５０ナノ秒を超える程度に小さい可能性がある。同様に、各行について、水平データ信号ＤＨは、ＣＨ信号の第１の前方エッジの前にアサートされ、ＣＨ信号の次の前方エッジの前にデアサートされる。最後の２列は、先に論じたように、次の行がイネーブルされる約２マイクロ秒前に発生するＣＯＬ ＳＨ信号の発生前に選択される。こうして、先の例では、列は、約９４マイクロ秒（すなわち、１行当たり９８マイクロ秒から、各行の最初と最後の２マイクロ秒を引く）の期間内に、一度に２回読み取られる。これは、約２．７ＭＨｚの各アレイ出力信号Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２についてのデータレートをもたらす。
【００７１】
アレイの全ての列内のセンサによってサンプル流体中に結合されるノイズは、センサの出力信号内に存在する可能性がある。行がアレイ内で選択されるとき、列内のＩＳＦＥＴの全ての間で共有されるドレイン端子電圧が、（ソース−ドレインフォロワの必要な要件として）上昇または下降する。これは、列内の未選択ＩＳＦＥＴの全てのゲート−ドレインキャパシタンスを変化させる。次に、このキャパシタンスの変化は、全ての未選択ＩＳＦＥＴのゲートから流体中に結合し、最終的に、流体中のノイズ（すなわち、不正確な電荷、モニタリングされる化学反応によらない電荷）として現れる。すなわち、共有されるドレイン端子電圧の任意の変化は、列内のそれぞれのまたは全ての未選択ＩＳＦＥＴによって流体中にノイズを注入することと見なされうる。したがって、アレイ内の行を選択するときに、未選択ＩＳＦＥＴの共有されるドレイン端子電圧が一定に維持されうる場合、流体中にノイズを結合するというこのメカニズムが、低減されるかまたはさらに効果的になくされうる。行がアレイ内で選択されるとき、列内の未選択ＩＳＦＥＴの全てのソース端子電圧もまた変化する。次に、それは、列内のこれらのＩＳＦＥＴの全てのゲート−ソースキャパシタンスを変化させる。このキャパシタンスの変化は、全ての未選択ＩＳＦＥＴのゲートから流体中に結合し、やはり最終的に、流体中のノイズとして現れる。すなわち、列内の未選択ＩＳＦＥＴの端子電圧の任意の変化は、流体中へのノイズの注入と見なされうる。したがって、アレイ内の行を選択するときに、未選択ＩＳＦＥＴのソース端子電圧が一定に維持されうる場合、流体中にノイズを結合するというこのメカニズムが、低減されるかまたはさらに効果的になくされうる。
【００７２】
列バッファが、ＩＳＦＥＴのソースの問題ではなく、ＩＳＦＥＴのドレインの問題を軽減するために、一部の受動ピクセル設計に関して使用されうる。こうして、列バッファが、先に示したソース−ドレインフォロワにとって好ましい可能性が最も高い。ソース−ドレインフォロワ配置構成を使用する３トランジスタ受動ピクセルを用いて、２つのセンスノード、ＩＳＦＥＴソースおよびドレイン端子が本質的に存在する。ピクセルを列バッファに接続し、ＩＳＦＥＴのドレイン端子を接地することによって、１つだけのセンスノード、ＩＳＦＥＴソース端子が存在することになる。こうしてドレインの問題がなくされる。
【００７３】
サンプルアンドホールドブロックとマルチプレクサブロックの両方を備える上述した読み出し回路はまた、１の理想値より小さい利得を有する。さらに、サンプルアンドホールドブロックは、かなりのパーセンテージ、おそらく２５％を超える総合チップノイズに寄与する。スイッチドキャパシタ理論から、サンプルアンドホールド「ｋＴ／Ｃ」ノイズは、キャパシタンスに反比例する。したがって、より大きなキャパシタを選択することによって、サンプルアンドホールドノイズは低減されうる。ノイズを低減する別の手法は、相関２重サンプリング(Correlated double Sampling)（ＣＤＳ）を使用することであり、第２のサンプルアンドホールドおよび差回路が、ノイズを相殺するために使用される。この手法は、以下でより詳細に論じられる。
【００７４】
相関２重サンプリング（ＣＤＳ）は、望ましくないオフセットの除去を可能にする、電圧または電流などの電気的値を測定する、知られている技法である。センサの出力は、２回、すなわち、既知の条件下で１回と未知の条件下で１回測定される。既知の条件から測定される値は、その後、未知の条件から減算されて、測定される物理量に対して既知の関係を有する値が生成される。ここでの難題は、ＣＤＳを実装するときに効率的である方法および相関ノイズと分析物流体中へのノイズ注入の最小化の両方に対処する方法である。
【００７５】
出発点は、本出願の始めの部分で示されるセンサピクセルおよびその読出し構成である。図８Ａを参照して、基本的な受動センサピクセル７７Ａ１は、ＩＳＦＥＴ７７Ａ２ならびにＩＳＦＥＴソースに接続された一対の行選択トランジスタ７７Ａ３および７７Ａの３トランジスタ配置構成である。トランジスタ７７Ａ３は、次に、電流源またはシンク７７Ａ５に接続される。読出しは、センス増幅器７７Ａ６の入力に接続されるトランジスタ７７Ａ４によって得られる。別の増幅器７７Ａ８と直列接続したダイオード接続トランジスタ７７Ａ７は、センス増幅器の出力からＩＳＦＥＴのドレインまでフィードバックループで接続する。センス増幅器出力は、出力増幅器７７Ａ１０に給電するサンプルアンドホールド回路７７Ａ９によって取り込まれる。
【００７６】
先に論じたように、ＩＳＦＥＴのソースおよびドレイン上での電圧変化は、分析物内にノイズを注入し、検知される値に誤差をもたらす。２つの建設的な変更は、図８Ｂに示すように、ノイズレベルをかなり低減しうる。
【００７７】
第１の変更は、ＩＳＦＥＴ上の信号を変えることである。ＩＳＦＥＴのドレインへのフィードバックループがなくされ、ドレインは、グラウンドなどの安定した電圧に接続される。列バッファ７７Ｂは、トランジスタのエミッタに接続される。
【００７８】
第２の変更は、列バッファの出力に対してＣＤＳを実施する回路を含むことである。先に述べたように、ＣＤＳは、第１の参照値を必要とする。これは、「ＳＨ」フェーズとして示すクロックの第１のまたは参照フェーズ中に、スイッチ７７Ｂ２を介して参照電圧に列バッファ７７Ｂ１の入力を接続することによって得られる。ＣＤＳとサンプルアンドホールドの結合回路は、その後、参照サンプルおよび検知された値を得る列バッファの出力を２重サンプリングし、減算を実施し、結果として得られるノイズ低減された出力値を供給する。その理由は、同じ相関ノイズが参照サンプル内とセンサ出力内に現れるからである。
【００７９】
ＣＤＳおよびサンプルアンドホールド回路の動作は簡単である。回路は、２フェーズクロックで動作し、第１のフェーズはＳＨフェーズであり、第２のフェーズはＳＨｂフェーズである。通常、フェーズは、対称であり、したがって、互いの反転値であることになる。参照サンプルは、ＳＨフェーズで得られ、キャパシタＣｉｎ上に電荷（したがって、電圧）を配置し、その電荷は、クロックフェーズが変化するときに、列バッファの出力から減算される。
【００８０】
依然として受動センサピクセルを用いる代替の実施形態が図８Ｃに示される。センサピクセルは、この実施形態では、そのドレインが一定電源電圧ＶＳＳＡに接続されるＩＳＦＥＴを備える２トランジスタ回路である。７７Ａ４と同等のトランジスタは存在せず、ピクセル出力は、代わりに、トランジスタ７７Ａ３のエミッタから得られる。ＣＤＳおよびサンプルアンドホールド回路は、フィードバックループの削除によって少し簡略化されているが、センサピクセルによって供給される信号からキャパシタＣｉｎ上の参照値を減算するという同じ機能を、キャパシタＣｂｌ上に貯蔵される電荷（電圧）と連携して果たす。
【００８１】
マイクロウェルアレイ
他所で論じたように、ＤＮＡシークエンシングなどにおける多くの使用の場合、半導体センサのアレイを覆って、対応するマイクロウェルのアレイを設けることが望ましく、各マイクロウェルは、好ましくは１つだけのＤＮＡ負荷ビーズ(DNA-loaded bead)を受取るのに十分小さく、これに関連して、アレイの下にあるピクセルは、対応する出力信号を提供することになる。
【００８２】
かかるマイクロウェルアレイの使用は、それぞれが別々に論じられる作製および調製の３つのステージを含む。３つのステージとは、（１）マイクロウェルアレイ層を含むコートを有するチップをもたらすようにマイクロウェルのアレイを生成すること、（２）流体インタフェースにコーティングされたチップを搭載すること、およびＤＮＡシークエンシングの場合、（３）１または２以上のＤＮＡ負荷ビーズをウェル内にロードすることである。もちろん、他の用途では、ビーズは不要であってもよく、または、異なる特性を有するビーズが使用されてもよいことが理解される。
【００８３】
本明細書で述べるシステムは、ｃｈｅｍＦＥＴのアレイを備える半導体と一体化されたマイクロ流体反応チャンバのアレイを含みうる。一部の実施形態では、本発明はかかるアレイを包含する。反応チャンバは、例えば、ガラス、誘電体材料、感光性材料、またはエッチング可能材料で形成されてもよい。
【００８４】
本発明の種々の態様または実施形態は、反応チャンバのアレイで覆われたｃｈｅｍＦＥＴセンサのアレイを備える装置を含み、反応チャンバの底部はｃｈｅｍＦＥＴセンサに接触する（または、容量的に結合する）。一部の実施形態では、各反応チャンバ底部が、ｃｈｅｍＦＥＴセンサに、好ましくは別個のｃｈｅｍＦＥＴセンサに接触する。一部の実施形態では、全てより少ない数の反応チャンバ底部がｃｈｅｍＦＥＴセンサに接触する。一部の実施形態では、アレイ内の各センサが反応チャンバに接触する。他の実施形態では、全てより少ない数のセンサが反応チャンバに接触する。センサ（および／または反応チャンバ）アレイは、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、またはそれより多いｃｈｅｍＦＥＴセンサ（および／または反応チャンバ）からなってもよい。本明細書で用いる場合、例として２５６センサまたは反応チャンバを備えるアレイは、２５６以上の（すなわち、少なくとも２５６の）センサまたは反応チャンバを含むことになることが意図される。要素および／またはステップを「備える(comprise)」、本明細書で述べる態様および実施形態はまた、かかる要素および／またはステップ「からなる(consist of)」または「から本質的になる(consist essentially of)」態様および実施形態を完全にサポートし包含することがさらに意図される。
【００８５】
本発明の種々の態様および実施形態は、中心間距離または間隔（または、本明細書で用語が交換可能に使用されるため、「ピッチ(pitch)」）で互いから離間するアレイ内のセンサ（および／または反応チャンバ）を含み、その中心間距離または間隔は、１〜５０ミクロン、１〜４０ミクロン、１〜３０ミクロン、１〜２０ミクロン、または、約９ミクロン以下または約５．１ミクロン以下を含む５〜１０ミクロン、または、約２．８ミクロン以下を含む１〜５ミクロンの範囲内にある。反応チャンバアレイ内の隣接する反応チャンバ間の中心間距離は、約１〜９ミクロンか、約２〜９ミクロン、または約１〜９ミクロン、あるいは、約１ミクロン、約２ミクロン、約３ミクロン、約４ミクロン、約５ミクロン、約６ミクロン、約７ミクロン、約８ミクロン、または約９ミクロンであってよい。
【００８６】
一部の実施形態では、反応チャンバは、０．５ｐＬ未満、０．１ｐＬ未満、０．０５ｐＬ未満、０．０１ｐＬ未満、０．００５ｐＬ未満を含む約１ピコリットル（ｐＬ）以下の容積を有する。
【００８７】
反応チャンバは、例えばそのベースまたは底部において正方形断面を有してもよい。例は、８μｍ×８μｍ断面、４μｍ×４μｍ断面、または１．５μｍ×１．５μｍ断面を含む。あるいは、反応チャンバは、例えばそのベースまたは底部において長方形断面を有してもよい。例は、８μｍ×１２μｍ断面、４μｍ×６μｍ断面、または１．５μｍ×２．２５μｍ断面を含む。
【００８８】
別の例示的な実施態様では、本発明は、少なくとも１つの反応チャンバの２次元アレイを備えるシステムを包含し、各反応チャンバは、化学感応性電界効果トランジスタ（「ｃｈｅｍＦＥＴ」）に結合され、各反応チャンバは、容積がわずか１０μｍ３（すなわち、１ｐＬ）である。好ましくは、各反応チャンバは、容積が、わずか０．３４ｐＬであり、より好ましくはわずか０．０９６ｐＬまたはさらに０．０１２ｐＬである。反応チャンバは、任意に、上部における断面積が、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２、９２、または１０２平方ミクロンでありうる。好ましくは、アレイは、少なくとも、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、またはそれより多い反応チャンバを有する。反応チャンバは、ｃｈｅｍＦＥＴに容量的に結合されてもよく、また、好ましくは、ｃｈｅｍＦＥＴに容量的に結合される。かかるシステムは、核酸ハイ高スループットシークエンシングのために使用されてもよい。
【００８９】
一部の実施形態では、反応チャンバアレイ（または等価的に、マイクロウェルアレイ）は、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７のマイクロウェルアレイまたは反応チャンバを備える。一部の実施形態では、反応チャンバアレイ内の個々の反応チャンバは、少なくとも１つのｃｈｅｍＦＥＴに接触するかまたは容量的に結合される。一実施形態では、アレイの反応チャンバは、１つのｃｈｅｍＦＥＴまたは１つのＩＳＦＥＴに接触するかまたは容量的に結合される。一部の実施形態では、ｃｈｅｍＦＥＴアレイは、任意に、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７のｃｈｅｍＦＥＴを備えてもよい。
【００９０】
これらのまた他の態様および実施形態では、ｃｈｅｍＦＥＴまたはＩＳＦＥＴアレイは、２５６以上のｃｈｅｍＦＥＴまたはＩＳＦＥＴを備えてもよい。かかるアレイのｃｈｅｍＦＥＴまたはＩＳＦＥＴは、１〜１０ミクロンの（隣接するｃｈｅｍＦＥＴまたはＩＳＦＥＴ間の）中心間間隔を有してもよい。一部の実施形態では、中心間間隔は、約９ミクロン、約８ミクロン、約７ミクロン、約６ミクロン、約５ミクロン、約４ミクロン、約３ミクロン、約２ミクロン、または約１ミクロンである。特定の実施形態では、中心間間隔は、約５．１ミクロンまたは約２．８ミクロンである。
【００９１】
一部の実施形態では、ビーズは反応チャンバ内にあり、任意に、１つだけのビーズが反応チャンバ内にある。一部の実施形態では、反応チャンバは、ＩＳＦＥＴに接触するかまたは容量的に結合する。一部の実施形態では、ＩＳＦＥＴはＩＳＦＥＴアレイ内にある。一部の実施形態では、ビーズは、６ミクロン未満、３ミクロン未満、または１ミクロン未満の直径を有する。ビーズは、約１ミクロンから約７ミクロンまで、または約１ミクロンから約３ミクロンまでの直径を有してもよい。
【００９２】
一部の実施形態では、反応チャンバは、約１ミクロンから約１０ミクロンの中心間距離を有する。一部の実施形態では、反応チャンバアレイは、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７の反応チャンバを備える。
【００９３】
本発明によれば、ＩＳＦＥＴのゲート上の誘電体層は、ＩＳＦＥＴの一部である。反応チャンバ内の電荷は誘電体の一方の面上に蓄積し、その第２の板として浮遊ゲート金属層を有するキャパシタの一方の板を形成することが認識され、したがって、反応チャンバは、ＩＳＦＥＴに容量的に結合していると呼ばれる。
【００９４】
一部の実施形態では、ＩＳＦＥＴはＩＳＦＥＴアレイ内にある。ＩＳＦＥＴアレイは、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７の反応チャンバを備える。
【００９５】
一部の実施形態では、テンプレート核酸は、ＩＳＦＥＴに接触するかまたは容量的に結合する反応チャンバ内にある。一部の実施形態では、反応チャンバは、反応チャンバアレイ内にある。一部の実施形態では、反応チャンバアレイは、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７の反応チャンバを備える。
【００９６】
マイクロウェルは、アレイ間でサイズが異なっていてもよい。これらのマイクロウェルのサイズは、幅（または直径）と高さの比によって記述されてもよい。一部の実施形態では、この比は、１：１〜１：１．５である。ビーズ対ウェルサイズ（例えば、ビーズ直径対ウェル幅、直径、または高さ）は、好ましくは、０．６〜０．８の範囲にある。
【００９７】
マイクロウェルサイズは、断面によって記述されてもよい。断面は、ウェルの深さ（または高さ）に平行な「スライス」を指してもよく、または、断面は、ウェルの深さ（または高さ）に垂直な「スライス」であってよい。マイクロウェルは、断面が正方形であってよいが、そのように制限されない。マイクロウェルの底部の（すなわち、ウェルの深さに垂直である断面における）寸法は、１．５μｍ×１．５μｍであってよく、または、１．５μｍ×２μｍであってよい。適した直径は、丁度または約１００μｍ、９５μｍ、９０μｍ、８５μｍ、８０μｍ、７５μｍ、７０μｍ、６５μｍ、６０μｍ、５５μｍ、５０μｍ、４５μｍ、４０μｍ、３５μｍ、３０μｍ、２５μｍ、２０μｍ、１５μｍ、１０μｍ、９μｍ、８μｍ、７μｍ、６μｍ、５μｍ、４μｍ、３μｍ、２μｍ、１μｍ、またはそれより小さい値を含むが、それに限定されない。一部の特定の実施形態では、直径は、丁度または約４４μｍ、３２μｍ、８μｍ、４μｍ、または１．５μｍであってよい。適した高さは、丁度または約１００μｍ、９５μｍ、９０μｍ、８５μｍ、８０μｍ、７５μｍ、７０μｍ、６５μｍ、６０μｍ、５５μｍ、５０μｍ、４５μｍ、４０μｍ、３５μｍ、３０μｍ、２５μｍ、２０μｍ、１５μｍ、１０μｍ、９μｍ、８μｍ、７μｍ、６μｍ、５μｍ、４μｍ、３μｍ、２μｍ、１μｍ、またはそれより小さい値を含むが、それに限定されない。一部の特定の実施形態では、高さは、丁度または約５５μｍ、４８μｍ、３２μｍ、１２μｍ、８μｍ、６μｍ、４μｍ、２．２５μｍ、１．５μｍ、またはそれより小さい値であってよい。本発明の種々の実施形態は、これらの高さの任意の高さと共に、これらの直径の任意の直径の組合せを想定する。なお他の実施形態では、反応ウェルの寸法は、（μｍ単位の直径×μｍ単位の高さ）４４×５５、３２×３２、３２×４８、８×８、８×１２、４×４、４×６、１．５×１．５、または１．５×２．２５であってよい。
【００９８】
反応ウェル容積は、ウェル寸法に基づく（アレイ間の、好ましくは、単一アレイ内でない）範囲にあってよい。この容積は、丁度または約１００ピコリットル(picoliter)（ｐＬ）、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、またはそれより少ないｐＬであってよい。重要な実施形態では、ウェル容積は、０．５ｐＬ以下、０．１ｐＬ以下、０．０５ｐＬ以下、０．０１ｐＬ以下、０．００５ｐＬ以下、または０．００１ｐＬ以下を含む１ｐＬ未満である、容積は、０．００１〜０．９ｐＬ、０．００１〜０．５ｐＬ、０．００１〜０．１ｐＬ、０．００１〜０．０５ｐＬ、または０．００５〜０．０５ｐＬであってよい。特定の実施形態では、ウェル容積は、７５ｐＬ、３４ｐＬ、２３ｐＬ、０．５４ｐＬ、０．３６ｐＬ、０．０７ｐＬ、０．０４５ｐＬ、０．００２４ｐＬ、または０．００４ｐＬである。一部の実施形態では、各反応チャンバは、わずか約０．３９ｐＬの容積および約４９μｍ２表面開口部を有し、より好ましくは、わずか約１６μｍ２の開口部およびわずか約０．０６４ｐＬの容積を有する。
【００９９】
そのため、本発明の種々の態様および実施形態は、一般に、１または２以上の分析物を測定するか、または、ｃｈｅｍＦＥＴ表面に結合した電荷を測定するための大規模ＦＥＴアレイに関することが理解される。ｃｈｅｍＦＥＴおよびより詳細にはＩＳＦＥＴは、分析物および／または電荷を検出するために使用されてもよいことが理解されるであろう。ＩＳＦＥＴは、先に論じたように、水素イオン（または陽子）検出などのイオン検出のために構成される特定の型のｃｈｅｍＦＥＴである。本開示によって想定される他の型のｃｈｅｍＦＥＴは、分析物を検出するために酵素を使用する酵素ＦＥＴ（ＥｎＦＥＴ）を含む。しかし、本開示は、ＩＳＦＥＴおよびＥｎＦＥＴに限定されるのではなく、より一般に、あるタイプの化学的感応性のために構成される任意のＦＥＴに関することが理解されるべきである。本明細書で用いる場合、化学的感応性は、限定することなく、有機の、無機の、自然に発生する、自然に発生しない、イオンなどの化学的および生物学的化合物、小分子、核酸などのポリマー、タンパク質、ペプチド、多糖類などを含む、対象となる任意の分子に対する感応性を広く包含する。
【０１００】
一部の実施形態では、本発明は、ｃｈｅｍＦＥＴを覆う(overlying)誘電体層を備えるシークエンシング装置を包含し、誘電体層は、ｃｈｅｍＦＥＴの最上部で側方に中心を持つ凹所を有する。好ましくは、誘電体層は、二酸化シリコンで形成される。
【０１０１】
半導体構造が、図示するように形成された後、マイクロウェル構造がダイに塗布される。すなわち、マイクロウェル構造は、ダイ上に直接形成されうるか、または、マイクロウェル構造は、別々に形成され、その後、ダイ上に搭載されてもよく、いずれの手法も許容可能である。ダイ上にマイクロウェルを形成するために、種々のプロセスが使用されてもよい。例えば、ダイ全体が、例えばＭｉｃｒｏｃｈｅｍ ＳＵ−８ ２０１５などのネガ型フォトレジストまたはＨＤ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ ＨＤ８８２０などのポジ型レジスト／ポリイミドを用いて、マイクロウェルの所望の高さまでスピンコーティングされてもよい。１または２以上のフォトレジスト層内のウェルの所望の高さ（例えば、１ウェル当たり１ピクセルの例では約４〜１２μｍであるが、一般事項としてそのように制限されない）は、１または２以上の層内で、所定のレート（文献および製造業者の仕様を参照することによって、または、実験的に見出されうる）で適切なレジストを回転させることによって達成されうる。（ウェルの高さは、通常、センサピクセルの横方向寸法に対応して、好ましくは公称１：１〜１．５：１のアスペクト比（高さ：幅または直径）のために選択されてもよい。信号対雑音の検討に基づいて、所望のレベルの性能を達成するための、寸法と必要とされるデータサンプリングレートとの間の関係が存在する。そのため、所与の用途について最適パラメータを選択するときに考慮されることになる多数のパラメータが存在する。）あるいは、複数層の異なるフォトレジストが塗布されてもよく、または、別の形態の誘電体層が堆積されてもよい。種々のタイプの化学気相堆積が、材料層内でのマイクロウェル形成に適した材料層を堆積するために使用されてもよい。
【０１０２】
フォトレジスト層（単数形の「層(layer)」は、同様に、集合体の複数の層を包含するために使用される）が所定場所に置かれると、個々のウェル（通常、１ウェル当たり１個または４個のＩＳＦＥＴセンサを有するようにマッピングされる）は、レジストコーティングされたダイを覆って（例えば、クロムの）マスクを配置し、架橋（通常、ＵＶ）照射にレジストを露光することによって生成されてもよい。照射に露光された全てのレジスト（すなわち、マスクが照射をブロックしない場所）は架橋結合し、結果として、チップ（ダイ）の表面に結合した永久プラスチック層を形成することになる。未反応レジスト（すなわち、光がレジストに達することをマスクが阻止し、架橋結合が防止されるため、露光されていないエリア内のレジスト）は、プロピレングリコールメチルエチルアセテート（ＰＧＭＥＡ）または他の好適な溶媒などの適した溶媒（すなわち現像剤）中でチップを洗浄することによって除去される。結果として得られる構造は、マイクロウェルアレイの壁を画定する。
【０１０３】
例えば、種々の分解能の、また、種々のエッチャントおよび現像剤の接触リソグラフィが使用されてもよい。マイクロウェルが形成される１または２以上の層のために、有機および無機材料が共に使用されてもよい。１または２以上の層は、パッシベーション層などの、センサアレイ内のピクセル構造を覆う誘電体層を有するチップ上にエッチングされてもよく、または、１または２以上の層は、別々に形成され、その後、センサアレイを覆って塗布されてもよい。特定の選択またはプロセスは、アレイサイズ、ウェルサイズ、利用可能な作製施設、許容可能なコストなどの要因に依存することになる。
【０１０４】
１または２以上のマイクロウェル層を形成するために、一部の実施形態で使用されてもよい、種々の有機材料の中に、上述したＳＵ−８型ネガ作用型フォトレジスト、従来のポジ作用型フォトレジスト、およびポジ作用型感光性ポリイミドが存在する。有機材料はそれぞれ、フォトリソグラフィ分野の当業者によく知られている長所および短所を有する。
【０１０５】
当然、製造環境において、変更は適切である。
【０１０６】
接触リソグラフィは、制限を有し、最高密度のウェルを製造するために選択される製造方法ではない可能性がある。すなわち、接触リソグラフィは、横方向に、所望より大きな最小ピッチ限界を課す可能性がある。遠紫外線ステップアンドリピートなどの他の技法は、高分解能リソグラフィを提供することが可能で、小さなピッチおよびおそらくより小さなウェル直径を生成するために使用されうる。もちろん、異なる所望の仕様（例えばチップ当たりのセンサおよびウェルの数）について、異なる技法が最適であるとわかる可能性がある。また、製造業者に利用可能な作製プロセスなどの実際的な要因が、特定の作製方法の使用を動機付ける可能性がある。新規な方法が論じられるが、本発明の種々の態様は、これらの新規な方法の使用に限定される。
【０１０７】
好ましくは、ＩＳＦＥＴアレイを有するＣＭＯＳウェハは、最終金属化プロセス後に平坦化されることになる。窒化シリコンパッシベーションの前の、化学機械誘電平坦化が適する。これは、後続のリソグラフィステップを、バックエンドＣＭＯＳトポグラフィのない非常に平坦な表面上で行うことを可能にすることになる。
【０１０８】
遠紫外線ステップアンドリピート・リソグラフィシステムを利用することによって、優れた分解能、レジストレーション、および再現性を有する小さなフィーチャを分解することが可能である。しかし、これらのシステムの高分解能および大きな開口数（ＮＡ）は、これらが大きな焦点深度を有することを妨害する。したがって、かかる作製システムを使用するとき、パターン転写し、次に下にある１または２以上の層にマイクロウェルフィーチャをエッチングするために、より薄い感光性スピンオン層（すなわち、接触リソグラフィで使用される厚い層ではなく、１〜２μｍオーダーのレジスト）を使用することが必要となる場合がある。高分解能リソグラフィは、その後、マイクロウェルフィーチャをパターニングするために使用され、選択性エッチストップを有する従来のＳｉＯ２エッチ化学物質（それぞれ、ボンドパッドエリア用の化学物質と、次に、マイクロウェル用の化学物質）が使用されうる。エッチストップは、その後、アルミニウムボンドパッドおよび窒化シリコンパッシベーション（または類似のもの）上にそれぞれ存在しうる。あるいは、他の適した代用パターン転写およびエッチ方法が使用されて、無機材料のマイクロウェルがもたらされうる。
【０１０９】
他の手法は、有機材料でマイクロウェル構造を形成することである。例えば、二重レジスト「ソフトマスク(soft-mask)」プロセスが使用されてもよく、それにより、薄い高分解能遠紫外線レジストが、厚い有機材料（例えば、硬化ポリイミドまたは逆作用型（opposite-acting）レジスト）の上部で使用される。上部レジスト層がパターニングされる。パターンは、酸素プラズマ反応性イオンエッチプロセスを使用して転写されうる。このプロセスシークエンスは、「ポータブルコンフォーマブルマスク(portable comformable mask)」（ＰＣＭ）技法と呼ばれることがある。Ｂ．Ｊ．Ｌｉｎ等「Ｐｒａｃｔｉｃｉｎｇ ｔｈｅ Ｎｏｖｏｌａｃ ｄｅｅｐ−ＵＶ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌe ｍａｓｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １９，Ｎｏ．４，１３１３−１３１９（１９８１）およびＡ．Ｃｏｏｐｅｒ等「Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｓｐｉｎ−ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｃｏｐｐｅｒ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｉｌ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＲＦ ＳｏＣ ｄｅｖｕｌｉｓｅｓ」を参照されたい。
【０１１０】
あるいは、「ドリルフォーカス（drill-focusing）」技法が使用されてもよく、それにより厚いレジスト層をパターニングするときの高分解能ステッパの制限された焦点深度（ＤＯＦ）を補償するために、数回のステップアンドリピート露光が、異なる焦点深度で行われる。この技法は、ステッパのＮＡおよびＤＯＦならびにレジスト材料のコントラスト特性に依存する。
【０１１１】
そのため、マイクロウェルは、必要な厚さ（例えば、約４〜１０μｍ）を提供しうる、任意の高アスペクト比で感光性のまたはエッチング可能な薄膜プロセスによって作製されうる。適すると思われる材料の中に、光感応性ポリマー、二酸化シリコン、例えばプラズマエッチングプロセスを使用してエッチングされうる非光感応性ポリマーなどが存在する。二酸化シリコンのファミリにおいて、ＴＥＯＳおよびシラン窒素酸化物(silane nitrous oxide)（ＳＩＬＯＸ）が適しているように見える。最終的な構造は同じであるが、種々の材料は、標的生物学的物質または化学的物質に、異なるように反応させる可能性がある異なる表面組成を呈する。
【０１１２】
マイクロウェル層が形成されると、エッチングプロセスが、所望されるより先に進まないように、エッチストップ層を設けることが必要である場合がある。例えば、低Ｋ誘電体などの、保存される下地層が存在する可能性がある。エッチストップ材料は、用途に応じて選択されるべきである。ＳｉＣおよびＳｉＮ材料が適するが、そのことは、代わりに他の材料が使用される可能性がないことを示すことを意図しない。これらのエッチストップ材料はまた、適切なゼロ電荷点(point of zero charge)（ＰＺＣ）を有するようにエッチストップ材料を選択することによって、ＩＳＦＥＴセンサ感度を向上させる(drive)表面化学を増強するのに役立ちうる。種々の金属酸化物が、二酸化シリコンおよび窒化シリコン以外に適する可能性がある。
【０１１３】
種々の金属酸化物についてのＰＺＣは、Ｊ．Ｆｉｅｒｒｏによる「Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅｓ−Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」などの種々のテキストに見出される可能性がある。本発明者等は、Ａｌ２Ｏ３のＰＺＣが、まさに(right)使用されるｐＨ（すなわち、約８．８）にあり、したがって、まさにゼロ電荷点にあるため、Ａｌ２Ｏ３を覆うエッチストップとして、Ｔａ２Ｏ５が好ましい可能性があることを見出した。さらに、Ｔａ２Ｏ５は、センサ性能における別の重要な因子である、ｐＨに対する高い感応性（すなわち、ｍＶ／ｐＨ）を有する。これらのパラメータを最適化することは、パッシベーション表面材料の賢明な選択を必要とする可能性がある。
【０１１４】
このために（すなわち、エッチストップ層として）薄い金属酸化物を使用することは、これらがあまりに薄く（通常、２００〜５００Å）堆積されている事実から難しい。マイクロウェル作製後金属酸化物堆積技法は、高アスペクト比のマイクロウェルの底部に適切なＰＺＣ金属酸化物膜の配置を可能にする可能性がある。
【０１１５】
（ａ）反応性スパッタによる酸化タンタル、（ｂ）非反応性化学量論的酸化タンタル、（ｃ）酸化タングステン、または（ｄ）酸化バナジウムの電子ビーム堆積は、堆積プロセスの優れた指向性によって、優れた「ダウンインウェル(down-in-well)」カバレッジを有することを証明する可能性がある。
【０１１６】
アレイは、通常、少なくとも１００個のマイクロ流体ウェルを備え、マイクロ流体ウェルはそれぞれ、１または２以上のｃｈｅｍＦＥＴセンサに結合する。好ましくは、ウェルは、ガラス（例えば、ＳｉＯ２）、ポリマー材料、感光性材料、または反応性イオンエッチング可能な薄膜材料の少なくとも１つで形成される。好ましくは、ウェルは、約１：１より小さい幅対高さ比を有する。好ましくは、センサは、電界効果トランジスタであり、より好ましくはｃｈｅｍＦＥＴである。ｃｈｅｍＦＥＴは、任意に、ＰＰｉ受容器に結合されてもよい。好ましくは、ｃｈｅｍＦＥＴはそれぞれ、１０２ミクロン以下であるアレイのエリアを占める。
【０１１７】
一部の実施形態では、本発明は、反応チャンバがその中に形成される、ガラス（例えば、ＳｉＯ２）、ポリマー材料、感光性材料、または反応性イオンエッチング可能材料などの誘電体層に結合した半導体ウェハデバイスを備えるシークエンシングデバイスを包含する。通常、ガラス、誘電体材料、ポリマー材料、感光性材料、または反応性イオンエッチング可能材料は、半導体ウェハ層に一体化される。一部の事例では、ガラス層、ポリマー層、感光性層、または反応性イオンエッチング可能層は非結晶性である。一部の事例では、ガラスはＳｉＯ２であってよい。デバイスは、任意にさらに、ポリマー材料、好ましくは射出成形材料などの適した材料の流体送出モジュールを備えうる。
【０１１８】
一部の実施形態では、本発明は、フォトリソグラフィを使用して、トランジスタのアレイの上部に、ガラス、誘電体材料、感光性材料、または反応性イオンエッチング可能材料内にウェルを生成することを含む、シークエンシングデバイスを製造する方法を包含する。
【０１１９】
アレイ作製のためにＣＭＯＳまたは類似の作製プロセスが使用されるときの、なお別の代替法は、ＣＭＯＳ材料を使用して直接マイクロウェルを形成することである。すなわち、ＩＳＦＥＴアレイの浮遊ゲートを形成するＣＭＯＳ上部金属化層は、通常、約１．３μｍ厚であるパッシベーション層でコーティングされる。１．３μｍの深さのマイクロウェルが、パッシベーション材料をエッチング除去することによって形成されうる。例えば、１：１のアスペクト比、その上部において深さ１．３μｍおよび幅１．３μｍを有するマイクロウェルが形成されてもよい。ウェルサイズが減少するにつれて、実際には、ＤＮＡ濃度、したがって、ＳＮＲが増加することを、モデル化が示す。そのため、他の要因が同一である場合、かかる小さなウェルが望ましいことがわかる可能性がある。
【０１２０】
フローセルおよびフルイディクスシステム
センサアレイを使用するための完全なシステムは、用途に応じて、適した流体源、バルビング、および、マイクロアレイまたはセンサアレイ上の低い試薬および洗浄液に対してバルビングを動作させるコントローラを含むであろう。これらの要素は、既製のコンポーネントから容易に組み立られ、コントローラは、所望の実験を実施するために容易にプログラムできる。
【０１２１】
ｃｈｅｍＦＥＴにおける読出し情報は、電流または電圧（およびその変化）であってよいこと、また、いずれの読出し情報に対する任意の特定の参照は、簡潔であることを目的とし、他の読出し情報の排除を意図するものではないことが理解されるべきである。したがって、ｃｈｅｍＦＥＴにおける電流検出または電圧検出に対する以下のテキストでの任意の参照は、他の読出し情報を想定し、他の読出し情報にも同様に適用されることが理解されるべきである。重要な実施形態では、読出しは、分析物濃度の急速で一過性の変化を反映する。２つ以上の分析物の濃度は、異なる時間に検出されてもよい。一部の事例では、かかる測定は、定常状態濃度測定に重点を置く方法と対照をなす。
【０１２２】
サンプル中のＤＮＡのシークエンシングを行うために、マイクロウェルのアレイと組み合わせて、チップ上のセンサアレイの組立体（assembly）を使用するプロセスは、「実験(experiment)」と呼ばれる。実験を実行することは、ウェルにＤＮＡ結合ビーズをロードすること、および、ウェルにわたっていくつかの異なる流体溶液（すなわち、試薬および洗浄液）を流すことを必要とする。流体インタフェースに結合する液体送出システム（例えば、弁、導管、１または２以上の圧力源など）が必要とされ、液体送出システムは、死容積および逐次溶液（sequential solutions）間の相互汚染が許容可能なほどに小さい状態で、制御された均一流でウェルにわたって種々の溶液を流す。理想的には、チップに対する流体インタフェース（「フローセル(flow cell)」と呼ばれることがある）は、流体が全てのマイクロセルに同時に達するようにさせる。アレイ速度を最大にするために、同じ時間のできる限り近くでアレイ出力が利用可能であることが必要である。理想は、明らかに可能でないが、アレイからの全ての信号の総合取得速度を最大にするために、種々のウェルにおいて、導入される流体の到着時間の差またはスキューを最小にすることが望ましい。
【０１２３】
多くの構成のフローセル設計が可能であり、したがって、本明細書で提示するシステムおよび方法は、特定のフローセル構成の使用に依存しない。しかし、適したフローセルは、以下の一連の目的に実質的に適合する。目的とは、
・フルイディクス送出システムと相互接続するのに適した接続を有すること−例えば、適切なサイズにされた配管による、
・ウェルの上に適切なヘッドスペースを有すること、
・流体が遭遇する死容積を最小にすること、
・（相互汚染を最小化するために）液体に接触するが、フローセルを通る洗浄流体流によって迅速に押し流されない小さな空間を最小にすること、
・ウェルにわたる流れの均一な通過時間を達成するように構成されること、
・ウェルにわたる流れの中で最小の気泡を生成するかまたは伝搬させること、
・フローチャンバ内部にまたはフローチャンバのできる限り近くに、取外し可能な参照電極を配置するようになっていること、
・ビーズの容易なローディングを容易にすること、
・許容可能なコストで製造可能であること、および、
・容易に、組立てられ、チップパッケージに取付けられること
である。
【０１２４】
これらの基準をできる限り満たすことは、システム性能にポジティブに寄与することになる。例えば、気泡の最小化は、アレイからの信号が、スプリアスノイズであるのではなく、ウェル内の反応を真に示すために重要である。
【０１２５】
異なる方法でまた異なる程度にこれらの基準を満たすいくつかの例示的な設計がそれぞれ論じられる。各事例において、典型的には、２つの方法の一方で設計を実施することを選択することができる。２つの方法とは、フローセルをフレームに取り付け、チップにフレームを接着する（またはその他の方法でフレーム取り付ける）ことによる方法、または、フレームをフローセル構造内に一体化し、この統合型組立体をチップに取り付けることによる方法である。さらに、設計は、参照電極が配置構成内に一体化される方法によって分類されてもよい。設計に応じて、参照電極は、フローセル内に一体化されてもよく（例えば、フローチャンバの天井の一部を形成してもよく）、または流路内に（通常、センサアレイ後の、流路の出口または下流側に）存在してもよい。
【０１２６】
かかる流体インタフェースを組み込む、適した実験装置３４１０の例が、図９に示され、その製造および構成が、以下でさらに詳細に論じられる。装置は、その上またはその中にウェルおよびセンサのアレイが形成される半導体チップ３４１２（隠れているが、全体的に示される）、および、チップの上部にあり、読取りのためにチップにサンプルを送出するフルイディクス組立体３４１４を備える。フルイディクス組立体は、サンプルを含む流体を導入する部分３４１６、流体が管によって排出されることを可能にする部分３４１８、および流体が入口から出口まで流れ、その途中でウェル内の材料と相互作用することを可能にするフローチャンバ部分３４２０を含む。これら３つの部分は、ガラススライド３４２２（例えば、３分の１に切断され、それぞれが約２５ｍｍ×２５ｍｍのサイズであるＥｒｉｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ（ニューハンプシャー州ポーツマス(Portsmouth, NH）所在)からのＥｒｉｅ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ｃａｔ ＃Ｃ２２−５１２８−Ｍ２０）を備えるインタフェースにより統合される。
【０１２７】
ガラススライドの上部面には、ワシントン州オークハーバ(Oak Harbor, WA)のＵｐｃｈｕｒｃｈ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃからのナノポート取付け具Ｐａｒｔ ＃ ｎ−３３３などの２つの取付け具３４２４および３４２６が搭載される。１つのポート（例えば３４２４）は、以下で述べるがここでは図示されないポンピング／バルビングシステムから液体を送出する入口として役立つ。第２のポート（例えば３４２６）は、液体を管で流して廃棄する出口である。各ポートは、適切な内径の可撓性の配管などの導管３４２８、３４３２に接続される。ナノポートは、配管がガラススライドの対応する穴を貫通できるように搭載される。管の開口部は、スライドの底部表面と同一平面上にあるべきである。
【０１２８】
ガラススライドの底部において、フローチャンバ３４２０は、マイクロウェルアレイにわたって実質的に層状の流れを促進する種々の構造を備えてもよい。例えば、フローチャンバの入口管から縁部までファンアウトする一連のマイクロ流体チャネルは、マサチューセッツ州ニュートン(Newton, MA)のＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ．からのＳＵ−８フォトレジストなどのポジ型フォトレジストを使用する接触リソグラフィによってパターニングされてもよい。他の構造が、以下で論じられる。
【０１２９】
チップ３４１２は、次に、パッケージングおよびコネクタピン３４３２への接続のために、キャリア３４３０に搭載される。
【０１３０】
一様なフローフロントを達成し、問題となる流路エリアをなくすことは、いくつかの理由で望ましい。１つの理由は、システムのフローセル内での流体インタフェースの非常に速い遷移が、多くの用途、特に遺伝子シークエンシングについて望ましいことである。換言すれば、入って来る流体は、短期間で以前の流体を完全に置換しなければならない。フローセル内の不均等な流体速度および拡散ならびに問題となる流路は、この要件と競合しうる。長方形断面の導管を通る単純なフローは、フロー容積の中心に近い領域から側壁に隣接する領域まで、流体速度のかなりの相違を示す可能性があり、１つの側壁は、マイクロウェル層およびウェル内の流体の上部表面である。かかる相違は、移動する２つの流体間に空間的および時間的な大きな濃度勾配をもたらす。さらに、気泡は、フローセル内部の鋭い角部のような停滞したエリア内にトラップされるかまたはそこで生成される可能性がある。（表面エネルギー（親水性対疎水性）は、気泡保持に著しく影響を及ぼしうる。成形時の表面が、疎水性が強過ぎる場合、処理中の表面汚染の回避およびより親水性の強い表面を生成するための表面処理の使用が考えられるべきである。）もちろん、フローチャンバの物理的配置構成は、おそらく、フローフロントについて達成可能な一様性の程度に最も影響を及ぼす要因である。
【０１３１】
全ての場合に、試薬サイクルと試薬サイクルとの間に、マイクロウェルと共に、フローチャンバ全体の完全な洗浄を保証することに対して注意が払われるべきである。流れの乱れは、フローチャンバを完全にクリーニングするという難題を悪化させる可能性がある。
【０１３２】
流れの乱れはまた、流体中で気泡を誘発するかまたは倍増させる可能性がある。気泡は、流体がマイクロウェルに達するのを妨げるか、または、マイクロウェルへの流体の導入を遅延させる可能性があり、マイクロウェルの読取りにエラーをもたらすか、または、アレイからの出力の処理時にそのマイクロウェルからの出力を使い物にならなくさせる。そのため、考えられる有害な要因を管理するために、流れかく乱要素についての構成および寸法を選択するときに注意が払われるべきである。例えば、かく乱要素の高さと所望される速度プロファイル変化との間にトレードオフが行われてもよい。
【０１３３】
フローセルは、他所で述べたように、多くの異なる材料から作製されてもよい。射出成形されるポリカーボネートは、極めて適しているようである。導電性金属（例えば金）は、フローセル屋根の下側（フローチャンバの天井）に接着層（例えばクロム）を使用して堆積されてもよい。材料（例えばポリカーボネート）および流体セルの底部側における大きな段差被覆トポグラフィ（すなわちＩＳＦＥＴアレイのフレーム包囲部）のため、適切な低温薄膜堆積技法が、好ましくは金属参照電極の堆積において使用される。考えられる１つの手法は、遊星システムにおいて電子ビーム蒸着を使用することであると思われる。
【０１３４】
組立体が完成すると−導電性エポキシ（例えばＥｐｏ−Ｔｅｋ Ｈ２０Ｅなど）が、シールリング上に分注され、フローセルが整列され、配置され、圧迫され、硬化されてもよい−ＩＳＦＥＴフローセルは、パッケージの割り当てられたピンに参照電位が印加されることによって、いつでも動作できる状態になる。
【０１３５】
一部の実施形態では、本発明は、層状の流体流システムを備える、ｐＨの検出装置を包含する。好ましくは、装置は、アレイ内に存在する複数の核酸テンプレートのシークエンシングを行うために使用される。
【０１３６】
装置は、通常、流体がマイクロ流体反応チャンバの全てに同時にまたは実質的に同時に達するように、少なくとも１００Ｋ（１０万）、５００Ｋ（５０万）、または１Ｍ（１００万）のマイクロ流体反応チャンバのアレイに流体流を非機械的に誘導する１または２以上の開口部を備える膜を含むフルイディクス組立体を含む。通常、流体流は、センサ表面に平行である。通常、組立体は、１０００、５００、２００、１００、５０、２０、または１０未満のレイノルズ数を有する。好ましくは、膜はさらに、センサアレイに向かって流体を誘導する第１の開口部およびセンサアレイから遠くに流体を誘導する第２の開口部を備える。
【０１３７】
一部の実施形態では、本発明は、センサアレイに流体を誘導する方法を包含し、該方法は、流体源をセンサアレイに流体的に結合する開口部を備えるフルイディクス組立体を設けること、および、センサアレイに流体を非機械的に誘導することを含む。「非機械的に(non-mechanically)」は、機械式ポンプと対照的に、気体圧力源からの圧力下で流体が移動することを意味する。
【０１３８】
一部の実施形態では、本発明は、ウェルのアレイを包含し、そのそれぞれは、入口ポートおよび出口ポートならびに前記入口および出口ポートから流体を非機械的に送出し除去する流体送出システムを有する蓋に結合する。
【０１３９】
一部の実施形態では、本発明は、上述した装置を利用して、核酸などの生物学的ポリマーのシークエンシングを行う方法を包含し、該方法は、反応チャンバのアレイにモノマーを含む流体を誘導することを含み、流体は最大で２０００、１０００、２００、１００、５０、または２０の流体流レイノルズ数を有する。該方法は、任意にさらに、各前記反応チャンバからｐＨまたはｐＨの変化を検出することを含んでもよい。これは、通常、センサ表面へのイオン拡散によって検出される。マイクロウェルおよびセンサアレイ組立体にわたって適切な流体流を送出するフルイディクス組立体を設ける種々の他の方法が存在し、したがって、先の例は、網羅的であることを意図しない。
【０１４０】
ｐＨベース核酸シークエンシング
本発明の装置は、核酸取込みによって放出される水素イオンを検出するように適合していてもよく、その検出プロセスは、Ｒｏｔｈｂｅｒｇ等の米国特許公報第２００９／００２６０８２号および第２００９／０１２７５８９号においてＤＮＡシークエンシング法として開示される。これらの、および種々の他の態様において、できる限り高い信号（および／または信号対雑音比）を達成するために、できる限り多くの放出水素イオンを検出することが重要である。ｃｈｅｍＦＥＴ表面によって最終的に検出される放出陽子の数を増加させる方策は、とりわけ、ウェル内で反応基との放出陽子の相互作用を制限すること、陽子に対して比較的不活性である、ウェルを製造する材料を最初に選択すること、ｃｈｅｍＦＥＴで検出される前に放出陽子がウェルを出ることを防止すること、および（各ヌクレオチド取込みからの信号を増幅するために）ウェル当たりのテンプレートのコピー数を増加させることを含むが、それに限定されない。
【０１４１】
一態様において、本発明は、水素イオン変化（またはｐＨ変化）をより正確にモニタリングおよび／または測定するための、緩衝能力が低減したアレイおよびデバイスを提供する。例として、本発明は、緩衝能力が全くないかまたは制限された環境でポリメラーゼ伸長反応におけるｐＨ変化をモニタリングする装置およびデバイスを提供する。低い緩衝環境の例は、サンプル流体および／または反応混合物内でｐＨ緩衝成分を欠く環境、サンプル流体および／または反応混合物に接触するアレイ成分の表面が、緩衝能力をほとんど持たないかまたは全く持たない環境、および、本明細書で述べるように、０．０１、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、または１．０ｐＨ単位のオーダーのｐＨ変化が、例えばｃｈｅｍＦＥＴ、より詳細にはＩＳＦＥＴによって検出可能である環境を含む。
【０１４２】
緩衝抑制剤はまた、リン脂質であってもよい。リン脂質は、天然に存在するリン脂質であっても、天然に存在しないリン脂質であってもよい。緩衝抑制剤として使用されるリン脂質は、ホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルグリセロール、およびホスファチジルセリンを含むが、それに限定されない。一部の実施形態では、リン脂質は、ｃｈｅｍＦＥＴ表面（または反応チャンバ表面）上にコーティングされてもよい。かかるコーティングは、共有結合性であっても、非共有結合性であってもよい。他の実施形態では、リン脂質は液内に存在する。
【０１４３】
本発明の一部の事例は、たとえ緩衝されていたとしても、最小限に緩衝された反応溶液を含む環境を使用する。緩衝は、溶液の成分によって、または、かかる溶液と接触する固体支持体によって提供されうる。緩衝能力（または活性）が全くないかまたは低い溶液は、少なくとも約＋／−０．００５ｐＨ単位、少なくとも約＋／−０．０１、少なくとも約＋／−０．０１５、少なくとも約＋／−０．０２、少なくとも約＋／−０．０３、少なくとも約＋／−０．０４、少なくとも約＋／−０．０５、少なくとも約＋／−０．１０、少なくとも約＋／−０．１５、少なくとも約＋／−０．２０、少なくとも約＋／−０．２５、少なくとも約＋／−０．３０、少なくとも約＋／−０．３５、少なくとも約＋／−０．４５、少なくとも約＋／−０．５０、またはそれより大きな値のオーダーの水素イオン濃度の変化が、（例えば、本明細書で述べるｃｈｅｍＦＥＴセンサを使用して）検出可能である溶液である。一部の実施形態では、１ヌクレオチド取込み当たりのｐＨ変化は、約０．００５のオーダーである。一部の実施形態では、１ヌクレオチド取込み当たりのｐＨ変化は、ｐＨの減少である。緩衝能力が全くないかまたは低い反応溶液は、緩衝液を全く含まないか、緩衝液の濃度が非常に低いか、または、弱い緩衝液を使用する可能性がある。
【０１４４】
コンカテマー化テンプレート
テンプレートまたはプライマーの数（すなわちコピー数）の増加は、センサ当たりの、かつ／または、反応チャンバ当たりのより多くの数のヌクレオチド取込みをもたらし、それにより、より高い信号、したがって、より高い信号対雑音比がもたらされる。コピー数は、とりわけ、例えば、コンカテマー（すなわち、シークエンシングされる核酸の、複数のタンデムに配置されたコピーを含む核酸）であるテンプレートを使用することによって、ビーズ上のまたはビーズ内の核酸の数を、かかるビーズが飽和するまで増加させることによって、また、立体障害を減少させ、かつ／または、（例えば、テンプレートを共有結合で付着させることによる）テンプレート付着を保証する方法で、ビーズまたはセンサ表面にテンプレートまたはプライマーを付着させることによって増加させることができる。コンカテマーテンプレートは、ビーズ上でまたはビーズ内で、あるいは、センサ表面などの他の固体支持体上で不動化されてもよいが、一部の実施形態では、コンカテマーテンプレートは、不動化なしで反応チャンバ内に存在してもよい。例えば、テンプレート（または、テンプレートおよびプライマーを含む複合体）は、ｃｈｅｍＦＥＴ表面に共有結合でまたは非共有結合で付着されてもよく、そのシークエンシングは、放出水素イオンの検出、および／または、ヌクレオチオド取込み事象によるｃｈｅｍＦＥＴ表面への負電荷の付加を含んでもよい。後者の検出スキームは、緩衝環境または緩衝溶液内で実施されてもよい（すなわち、ｐＨの変化は、ｃｈｅｍＦＥＴによって全く検出されず、したがって、かかる変化は、ｃｈｅｍＦＥＴ表面への負電荷付加の検出に干渉しないであろう）。
【０１４５】
ＲＣＡまたはＣＣＲ増幅法は、何十、何百、何千、またはそれより多いタンデムに配列されたテンプレートのコピーを含むテンプレート核酸のコンカテマーを生成する。かかるコンカテマーは、依然として本明細書でテンプレート核酸と呼ばれてもよいが、スターティングテンプレート核酸の複数のコピーを含んでもよい。一部の実施形態では、かかるコンカテマーはまた、増幅されたテンプレート核酸と呼ばれてもよい。あるいは、それらは、標的核酸フラグメントの複数のコピーを含むものとして本明細書で言及されてもよい。コンカテマーは、スターティング核酸の、２つの、３つの、４つの、５つの、６つの、７つの、８つの、９つの、１０の、２０の、３０の、４０の、５０の、６０の、７０の、８０の、９０の、１００の、５００の、１０００の、またはそれより多いコピーを含んでもよい。コンカテマーは、スターティング核酸の、１０〜１０２の、１０２〜１０３の、１０３〜１０４の、１０３〜１０５の、またはそれより多いコピーを含んでもよい。これらのまた他の方法（例えばＤＮＡナノボールなど）を使用して生成されるコンカテマーは、本明細書で述べる合成によるシークエンシングで使用されうる。コンカテマーは、アレイとは別にインビトロで生成され、その後、アレイの反応チャンバ内に配置されてもよく、または、コンカテマーは、反応チャンバ内で生成されてもよい。反応チャンバの１または２以上の内側壁は、コンカテマーの付着および保持を増大させるために処理されてもよいが、これは必要とされない。本発明の一部の実施形態では、コンカテマーが、ｃｈｅｍＦＥＴ表面などの反応チャンバの内部壁に付着する場合、本明細書で論じた放出水素イオンの検出の代替法としてまたはそれに加えて、ヌクレオチド取込みは、少なくとも合成によるシークエンシング反応において、ｃｈｅｍＦＥＴ表面における電荷の変化によって検出されてもよい。コンカテマーがｃｈｅｍＦＥＴ表面上にかつ／または反応チャンバ内に堆積される場合、合成によるシークエンシングは、本明細書で論じた放出水素イオンの検出を通して起こりうる。本発明は、コンカテマー化テンプレートを生成する他の手法の使用を包含する。１つのかかる手法は、米国特許第５８３４２５２号でＳｔｅｍｍｅｒ他によって述べられるＰＣＲであり、この手法の説明は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４６】
本発明の重要な態様は、複数の異なるテンプレート核酸のシークエンシングを同時に行うことを想定する。これは、本明細書で述べるセンサアレイを使用して達成することができる。一実施形態では、１マイクロウェル当たり少なくとも１つのセンサが存在するという条件で、センサアレイは、マイクロウェル（あるいは、これらの用語が交換可能に使用されるため、反応チャンバまたはウェル）で覆われる（かつ／または、それと一体化される）。複数のマイクロウェル内には、テンプレート核酸の同一コピーの集合体が存在する。いずれか２つのマイクロウェルが同一のテンプレート核酸を保持する必要性はないが、一部の事例では、かかるテンプレートは、オーバラップシークエンスを共有してもよい。そのため、各マイクロウェルは、テンプレート核酸の複数の同一コピーを含み、マイクロウェル間のテンプレートが異なってもよい。
【０１４７】
したがって、本発明は、光学検出なしで、任意に非標識ヌクレオチドを使用して、非標識核酸のシークエンシングを行い、少なくとも１００の反応チャンバのアレイを備えるシークエンシング装置を想定することが理解される。一部の実施形態では、アレイは、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、またはそれより多い反応チャンバを備える。ピッチ（または、隣接する反応チャンバ間の中心間距離）は、１〜９ミクロン、１〜８ミクロン、１〜７ミクロン、１〜６ミクロン、１〜５ミクロン、１〜４ミクロン、１〜３ミクロン、または１〜２ミクロンを含む約１〜１０ミクロンのオーダーである。
【０１４８】
本発明の種々の態様および実施形態において、それの何十、何百、何千、またはそれより多い数が存在する可能性がある核酸負荷ビーズは、まずフローセルに入り、次に、個々のビーズが個々のウェルに入る。ビーズは、受動的にまたはその他の方法でウェルに入ってよい。例えば、ビーズは、外部力を加えられることなく重量によってウェルに入ってもよい。ビーズは、限定はしないが磁気力または遠心力を含む外部力を加えることによってウェルに入ってもよい。一部の実施形態では、目的が、できる限り多くのビーズを「捕捉する(capture)」ことであるため、外部力は、加えられる場合、ウェルの高さ／深さを横切るのではなく、ウェルの高さ／深さに平行である方向に加えられる。好ましくは、ウェル（または、ウェルアレイ）は、例えばウェルの高さ／深さに垂直である外部力が加えられることによって起こるように、撹拌されない。さらに、ウェルは、一度そのようにロードされると、ビーズをウェルから除去しうる任意の他の力を受けない。
【０１４９】
例は、磁気ビーズにおける例示的なビーズローディングプロトコルの簡潔な説明を提供する。他のビーズタイプをロードするために、類似の手法が使用されうることが理解される。プロトコルは、フローチャンバのウェル内への空気のトラップの可能性または発生率を減少させ、フローチャンバのウェルの全体の中に核酸負荷ビーズを一様に分配し、フローチャンバ内での過剰のビーズの存在および／または蓄積を回避することを立証した。
【０１５０】
種々の事例において、本発明は、フローチャンバ内の各ウェルが１つの核酸負荷ビーズだけを含むことを想定する。これは、１ウェル当たり２つのビーズの存在が、２つの異なるテンプレート核酸に由来する使用できないシークエンシング情報をもたらすことになるからである。
【０１５１】
シークエンシング反応の一部として、ｄＮＴＰは、その相補的なヌクレオチドがテンプレート核酸上の同じ場所に存在する場合、新しく合成されたストランドの３’末端（または、最初に取り込まれるｄＮＴＰの場合、シークエンシングプライマーの３’末端）に結合される（または、本明細書で用いる場合「取り込まれる(incorporated into)」）ことになる。したがって、導入されたｄＮＴＰの取込み（およびＰＰｉの付随的放出）は、テンプレート核酸内の対応するヌクレオチドの同一性（identity）を示す。ｄＮＴＰが取込まれない場合、水素は放出されず、ｃｈｅｍＦＥＴ表面において信号は検出されない。したがって、相補的ヌクレオチドがその場所のテンプレート内に存在しなかったことを結論付けることができる。導入されたｄＮＴＰが新しく合成されたストランドに取り込まれた場合、ｃｈｅｍＦＥＴは信号を検出することになる。信号強度および／または曲線下面積は、取り込まれたヌクレオチドの数の関数である（例えば、テンプレート内のホモポリマーストレッチで起こる可能性がある）。結果として、配列情報は、テンプレート内のホモポリマーストレッチ（例えば、ポリＡ、ポリＴ、ポリＣ、またはポリＧ）のシークエンシングを通して失われない。
【０１５２】
例１
ＩＳＦＥＴアレイ上のｐＨシフトによって検出されるオンチップポリメラーゼ伸長
シークエンシングプライマーおよびＴ４ ＤＮＡポリメラーゼが結合されるビオチン化合成テンプレートを担持するストレプトアビジン被覆２．８ミクロンビーズを、４つのヌクレオチドのそれぞれの３つの逐次的なフローに供した。各ヌクレオチドサイクルは、ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、およびｄＴＴＰのフローからなり、それぞれの間に、緩衝液のみの洗浄流を流した。第１のサイクルからのフローは青で示され、第２のサイクルからのフローは赤で示され、第３のサイクルからのフローは黄で示される。図１０Ａに示すように、２つのｄＡＴＰフローの両方について生成される信号は、非常によく似ていた。図１０Ｂは、ｄＣＴＰの第１（青）のトレースが、後続のサイクルからのｄＣＴＰフローより高く、ポリメラーゼが、１テンプレート分子当たり単一のヌクレオチドを取り込ませたであろうフローに対応することを示す。図１０Ｃは、ｄＧＴＰの第１（青）のトレースが、後続のサイクルからのｄＧＴＰフローより約６カウント高く（ピーク−ピーク）、ポリメラーゼが、１テンプレート分子当たり１０のヌクレオチドのストリングを取込むべきであるフローに対応することを示す。図１０Ｄは、ｄＴＴＰの第１（青）のトレースが、後続のサイクルからのｄＴＴＰフローより同様に約６カウント高く（ピーク−ピーク）、ポリメラーゼが、１テンプレート分子当たり１０ヌクレオチドのストリングを取り込ませたであろうフローに対応することを示す。
【０１５３】
例２
閉じたシステムにおけるシークエンシングおよびデータ操作
配列は、２３ｍｅｒの合成オリゴヌクレオチドおよび２５ｍｅｒのＰＣＲ産物オリゴヌクレオチドから得た。オリゴヌクレオチドは、ビーズに付着され、ビーズは、その後、５．１ミクロンピッチを有する１３４８×１１５２のアレイで１５５万のセンサ（３８４００センサ／ｍｍ２）を有するチップ上の個々のウェル内にロードされた。１ビーズ当たり合成オリゴヌクレオチドの約百万のコピーが負荷され、１ビーズ当たりＰＣＲ産物の約３０００００〜６０００００のコピー負荷された。アレイを通しかつアレイにわたる４ヌクレオチドのサイクルは、２分の長さであった。ヌクレオチオドは、それぞれ５０マイクロモルの濃度で使用した。ポリメラーゼは、当該プロセスで使用した唯一の酵素であった。データは、３２フレーム／秒で収集した。
【０１５４】
図１１Ａは、合成オリゴヌクレオチドについてＩＳＦＥＴから直接測定された未加工（raw）データを示す。１ミリボルトは６８カウントに匹敵する。データは、１秒当たり多数回、チップ上の各センサ（３１４チップ上の１５５０２００センサ）でサンプリングされた。図は、各ヌクレオチドフローについて色分けされている。各ヌクレオチドフローについて、数秒のイメージングが起こる。グラフは、各フロー中に行われた個々の測定の連続（concatenation）を示す。Ｙ軸は未加工カウント表示であり、Ｘ軸は秒表示である。Ｘ軸の真上に重ね合せて示したのは、各フローにおける予想される取込みである。
【０１５５】
図１１Ｂは、シークエンシングが行われるテンプレートに対して正規化された、各ヌクレオチドフローについての積分値を示す。積分値は、図１１Ａに示す未加工トレース測定値から得られ、積分限界は、信号対雑音比を最大にするように選択された。結果は、ベース取込み当たりの信号に対して正規化され、ヌクレオチドフローごとにグラフ化された。Ｙ軸は取込み数であり、Ｘ軸は、ＴＡＣＧの順で行われるヌクレオチドフロー番号である。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全ての全体の内容が参照により本明細書に組み込まれる、２００８年１０月２２日、２００８年１１月４日、および２００９年１月２２日にそれぞれ出願された米国仮出願第６１／１９６９５３号、第６１／１９８２２２号、第６１／２０５６２６号に対して米国特許法第１１９条（ｅ）による、また、いずれも２００９年５月２９日に出願された米国非仮出願第１２／４７４８９７号および第１２／４７５３１１号に対して米国特許法第１２０条による優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、一般に、化学測定を行う半導体チップを対象とし、より詳細には、１または２以上の分析物をモニタリングする単一チップＩＳＦＥＴアレイ（および単一チップＩＳＦＥＴアレイのアレイ）を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
生物学的および化学的分析物の迅速かつ正確な測定は、診断から、工業プロセス制御、環境モニタリング、科学研究にわたる多くの分野において重要である。化学感応性がある、特にイオン感応性がある電界効果トランジスタ（それぞれ「ｃｈｅｍＦＥＴ」および「ＩＳＦＥＴ」）は、長年、こうした測定のために使用されてきた。例えば、Ｂｅｒｇｖｅｌｔ，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，８８：１−２０（２００３）、Ｙｕｑｉｎｇ等，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｄｖａｎｃｅｓ，２１：５２７−５３４（２００３）など。より最近では、単一デバイスを使用して空間分布しかつ複数分析物の測定を得るために、集積回路技術を使用してこうしたセンサのアレイを作製する試みが行われている、例えば、Ｙｅｏｗ等，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ ４４:４３４−４４０（１９９７）、Ｍａｒｔｉｎｏｎｉａ等，Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ＆Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１６：１０４３−１０５０（２００１）、Ｍｉｌｇｒｅｗ等，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ １０３：３７−４２（２００４）、Ｍｉｌｇｒｅｗ等，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ，１１１−１１２：３４７−３５３（２００５）、Ｈｉｚａｗａ等，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ，１１７：５０９−５１５（２００６）、Ｈｅｅｒ等，Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２２：２５４６−２５５３（２００７）など。こうした努力は、特にＩＳＦＥＴセンサアレイが、センサ素子の何千を超えるスケールおよび何百センサ素子／ｍｍ２を超える密度を有するときに、いくつかの異なる技術的難題に直面する。こうした難題は、アレイ内にセンサごとに均一な性能特性を有するセンサ素子を用いて大規模アレイを作ること、センサアレイ自体とサンプルを含む反応物または分析物をアレイに運ぶフルイディクスシステムの両方から、多くのノイズ源の背景に対して検出可能な信号を生成することが可能なミクロンオーダーの実装面積を有するセンサ素子を作ることを含む。浮遊ゲートなどの電荷感応性コンポーネントを有するセンサ素子を備えるＩＳＦＥＴの場合、前者の難題は、半導体作製技術の一般的な副産物である、こうしたコンポーネント内へのまたはそれに隣接したトラップ電荷の蓄積によって悪化する。後者の難題は、ＩＳＦＥＴセンサの電荷感応性コンポーネントにおいてまたはその上に蓄積する帯電した種を、対象となる分析物が直接的にまたは間接的に生成するという要件によって悪化する。非常に密度が高いアレイでは、拡散、分析物またはその代用物の反応性、隣接するセンサからの相互汚染、ならびに、サンプル流体中の電気ノイズは全て、測定に悪い影響を及ぼしうる。これらの難題を克服する大規模ＩＳＦＥＴアレイの可用性は、上記分野で、特に、ゲノムの大規模遺伝子解析などにおいて益々高度な並列多重化学測定が必要とされる場合に有用であろう。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の態様は、一部には、反応中に、存在するか、生成されるか、使用される分析物をモニタリングすることに基づいて、例えば核酸（例えば、ＤＮＡ）シークエンシング反応を含む、反応をモニタリングするｃｈｅｍＦＥＴ、またはより具体的にはＩＳＦＥＴの大きなアレイに関する。より一般的には、ｃｈｅｍＦＥＴの大きなアレイを含むアレイは、種々の化学的および／または生物学的プロセス（例えば、生物学的または化学的反応、細胞または組織培養またはモニタリング、神経活性、核酸シークエンシングなど）における種々の分析物（例えば、水素イオン、他のイオン、非イオン性分子または化合物など）の静的および／または動的な量または濃度を検出し測定するために使用されてもよく、こうしたプロセスでは、こうした分析物測定に基づいて価値ある情報が得られる可能性がある。こうしたアレイは、帯電した生成物の直接的な蓄積によって、または、対象の分析物の濃度または存在に関連する帯電した種の間接的な生成または捕捉によって、分析物を検出する方法および／またはアレイ内のセンサの表面の電荷の変化によって生物学的または化学的プロセスをモニタリングする方法において使用されてもよい。本発明は、多数の実施態様および適用態様において例示され、その一部が以下で要約される。
【０００５】
一態様では、本発明は、回路支持基材（substrate）内に化学電界効果トランジスタアレイを備える装置を対象とし、かかるトランジスタアレイは、表面上に、サンプル流体からの化学的または生物学的サンプルを保持することが可能なサンプル保持領域を配設されており、かかるトランジスタアレイは、１０μｍ以下のピッチを有し、各サンプル保持領域は、かかるサンプル保持領域における化学的または生物学的サンプルの特性に関連する少なくとも１つの出力信号を生成するように構成される少なくとも１つの化学電界効果トランジスタ上に配置される。一実施形態では、前記化学的または生物学的サンプルの特性は、帯電した種の濃度または量であり、前記化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、誘電体層は、前記サンプル流体に接触し、前記サンプル流体中の帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である。一実施形態では、かかる帯電した種は、センサが、センサのサンプル保持領域内のまたはサンプル保持領域に隣接するサンプル流体のｐＨの変化を測定するように、水素イオンである。かかる実施形態の一態様において、誘電体層は、他の要件に整合する、誘電体層の両端のキャパシタンス（capacitance thereacross）を最大にするように選択された厚さを有する。かかる厚さは、１〜１０００ナノメートル（ｎｍ）の範囲、１０〜５００ｎｍの範囲、または２０〜１００ｎｍの範囲で選択されてもよい。
【０００６】
別の態様において、本発明は集積センサアレイを対象とし、集積センサアレイは、回路支持基材内に形成された複数のセンサを備え、各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、センサは、１００センサ／ｍｍ２より大きい密度の、２５６個より多いセンサの平面アレイであり、アレイの各センサは、センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、かかる出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、アレイの各センサについて実質的に同じである。この態様の一実施形態では、集積センサアレイはさらに、前記回路支持基材内に複数のサンプル保持領域をさらに含み、各サンプル保持領域は、前記センサの少なくとも１つの上に（または別法として、その下にまたはそのそばに）ありかつ前記センサの少なくとも１つに動作可能に連結される。別の実施形態では、かかるサンプル保持領域は、サンプル流体のある容積内にサンプルを保持するように構成された各マイクロウェルである。別の実施形態では、集積センサアレイのセンサは、帯電した種の濃度を検出し、測定し、センサはそれぞれ、浮遊ゲートを有し、浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、誘電体層は、前記化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、誘電体層に隣接する、サンプル流体中の帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である。誘電体層は、他の要件に整合する、誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する。
【０００７】
さらなる態様において、本発明は単一チップ化学アッセイデバイスを対象とし、単一チップ化学アッセイデバイスは、（ａ）回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、かかる出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、（ｂ）回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、少なくとも１つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、（ｃ）少なくとも１フレーム／秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから出力信号のサンプルを受信するための、センサアレイに結合した回路支持基材内の制御回路要素（circuitry）とを備える。
【０００８】
なお別の態様では、本発明は、単一チップ核酸アッセイデバイスを対象とし、単一チップ核酸アッセイデバイスは、（ａ）回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、かかる出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、（ｂ）回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、各サンプル保持領域は少なくとも１つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、（ｃ）サンプル保持領域上に配設された粒子固体支持体であって、各支持体は、支持体にコンカテマー化（concatemerized）テンプレートが付着されている、粒子固体支持体などの固体支持体を含む支持体と、（ｄ）少なくとも１フレーム／秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから出力信号のサンプルを受信するための、センサアレイに結合した回路支持基材内の制御回路要素とを備える。支持体は、固体または多孔質コアおよび／または固体または多孔質表面を有するビーズを含むビーズ、マイクロスフェア、マイクロ粒子、ゲルマイクロ液滴、および、ＤＮＡテンプレート、特にクローン集合体としてのものに付着するための他の分離可能粒子支持体を含んでもよい。かかる支持体は、用途に応じて、ミクロンまたはナノメートルのオーダーであってよい。例えば、ビーズは、マイクロビーズであってよく、または、ナノビーズであってよい。
【０００９】
本発明のこれらの先に特徴付けられた態様ならびに他の態様は、多数の例証される実施態様および適用態様において例示され、その一部が、図で示され、下記の特許請求の範囲の節で特徴付けられる。しかし、上記概要は、本発明の例証される各実施形態または全ての実施態様を説明することを意図しない。
【００１０】
図面において、同様の参照文字は、一般に、異なる図全体を通して同じ部品を指す。同様に、図面は、一定比例尺に必ずしも従っておらず、代わりに、本明細書で論じる種々の概念を一般的に示すことに重点が置かれる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の１つの発明の実施形態による、大規模ｃｈｅｍＦＥＴアレイを備える核酸処理システムを一般的に示す図である。
【００１２】
【図２】図２は、本開示の１つの発明の実施態様による、図１に示すアレイに類似のｃｈｅｍＦＥＴアレイの１つの列を示す図である。
【００１３】
【図３】図３は、本開示の別の発明の実施態様によるピクセル作製の層ごとの図を示す、複数の近傍ピクセル（neighboring pixel）の複合断面図である。
【００１４】
【図４】図４Ａ〜Ｌは、図３に示すセンサの作製時に載置された(lay down)材料層に対応するパターンの上面図である。
【００１５】
【図５Ａ】図５Ａは、センサ浮遊ゲート上に薄い誘電体層を有するアレイを作製するプロセスステップを示す図であり、誘電体層は、電荷感応性層および接着層を備える。
【図５Ｂ】図５Ｂは、センサ浮遊ゲート上に薄い誘電体層を有するアレイを作製するプロセスステップを示す図であり、誘電体層は、電荷感応性層および接着層を備える。
【００１６】
【図６】図６は、本発明の一実施形態の電子コンポーネントの実施形態のブロック図である。
【００１７】
【図７】図６に示すコンポーネントについての例示的なタイミング図である。
【００１８】
【図８Ａ】図８Ａは、ＩＳＦＥＴソースおよびドレイン上の電圧変化が分析物にノイズを注入し、検知された値に誤差が生じる、基本的な受動センサピクセルを示す、一部がハイレベルブロック図であり一部がハイレベル回路図である図である。
【００１９】
【図８Ｂ】図８Ｂは、ＩＳＦＥＴドレイン上の電圧変化が、ドレインをグラウンドに接続することによってなくなり、ピクセル出力が、列バッファを介して取得され、ＣＤＳが、相関ノイズを低減するために列バッファの出力に使用される、基本的な受動センサピクセルを示す、一部がハイレベルブロック図であり一部がハイレベル回路図である図である。
【００２０】
【図８Ｃ】図８Ｃは、ＩＳＦＥＴドレインおよびソース上の電圧変化が実質的になくなり、ピクセル出力が、バッファを介して取得され、ＣＤＳが、相関ノイズを低減するために列バッファの出力に使用される、２トランジスタ受動センサピクセルを示す、一部がハイレベルブロック図であり一部がハイレベル回路図である図である。
【００２１】
【図９】図９は、フローセルの断面図である。
【００２２】
【図１０Ａ】図１０Ａは、ＩＳＦＥＴデバイスからのトレースを示すグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、２３ｍｅｒ合成オリゴヌクレオチドのシークエンシング反応からのヌクレオチド読み出しを示すグラフである。
【００２３】
【図１１Ａ】図１１Ａは、ＩＳＦＥＴデバイスからのトレースを示すグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、２５ｍｅｒＰＣＲ産物のシークエンシング反応からのヌクレオチド読み出し（Ｂ）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、種々の変更および代替形態に適応できるが、その具体像は、図面において例として示されており、詳細に述べられるであろう。しかし、その意図が、述べられる特定の実施形態に本発明を限定しないことであることが理解されるべきである。それとは反対に、その意図は、本発明の趣旨および範囲内に入る全ての変更物、等価物、および代替物をカバーすることである。例えば、装置およびアレイのマイクロエレクトロニクス部分は、例証のためにＣＭＯＳ技術で実装される。しかし、他の半導体ベースの技術が明細書で論じるシステムのマイクロエレクトロニクス部分の種々の態様を実装するために利用されてもよいため、本開示が、この点で制限的であることを意図されないことが理解されるべきである。本発明のアレイを作製する指針は、その関連部分が参照により組み込まれる、Ａｌｌｅｎ等，ＣＭＯＳ Ａｎａｌｏｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ（Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２ｎｄＥｄｉｔｉｏｎ，２００２）、Ｌｅｖｉｎｓｏｎ，Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ（ＳＰＩＥ Ｐｒｅｓｓ，２００５）、Ｄｏｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｎｉｓｈｉ，Ｅｄｉｔｏｒｓ，Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ（ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，２００７）、Ｂａｋｅｒ，ＣＭＯＳ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｌａｙｏｕｔ，ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，２００８）、Ｖｅｅｎｄｒｉｃｋ，Ｄｅｅｐ−Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ ＣＭＯＳ ＩＣｓ（Ｋｌｕｗｅｒ−Ｄｅｖｅｎｔｅｒ、１９９８）、Ｃａｏ，Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ＆Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ（Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｒｅｓｓ，２００４）などを含むが、それに限定されない、集積回路設計および製造および微細加工に関する多くの入手可能な参考文献および論文において見出される。
【００２５】
一態様において、本発明は、化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）の集積センサアレイ（例えば、２次元アレイ）を対象とし、その集積センサアレイにおいて、アレイの個々のｃｈｅｍＦＥＴセンサ素子または「ピクセル(pixel)」は、サンプル流体中の分析物の存在（または非存在）、分析物レベル（または量）、および／または分析物濃度を検出するように構成される。「サンプル流体(sample fluid)」は、マルチステップ反応の洗浄流体などの、サンプルまたは試薬をサンプル保持領域に送出するか、または、生成物または反応物をサンプル保持領域から除去するために使用される流体を意味する。サンプル流体は、アレイ上で起こる１または２以上の分析プロセスの過程において同じままであってもよく、または、変化してもよい。本発明のアレイによって検出されるかまたはモニタリングされる分析プロセスは、アレイに近接して起こる化学的および／または生物学的プロセス（例えば、化学反応、細胞培養、神経活性、核酸シークエンシング反応など）を含む。以下でさらに詳細に論じられる種々の実施形態によって想定されるｃｈｅｍＦＥＴの例は、イオン感応性電界効果トランジスタ(ion-sensitive field effect transistor)（ＩＳＦＥＴ）および酵素感応性電界効果トランジスタ(enzyme-sensitive field effect transistor)（ＥｎＦＥＴ）を含むが、それに限定されない。１つの例示的な実施形態では、１または２以上のマイクロ流体構造は、生物学的または化学的反応の保持、封じ込め、および／または閉じ込めを実現するためにｃｈｅｍＦＥＴセンサアレイの上に作製され、マイクロ流体構造内で、対象となる分析物が、場合に応じて、捕捉、生成、または消費される可能性がある。かかる構造は、本明細書で「サンプル保持領域(sample-retaining region)」と呼ばれる領域をアレイ上に画定する。例えば、一実施態様において、１または２以上のマイクロ流体構造は、アレイの１または２以上のセンサ上に配設される１または２以上のウェル（または、用語が本明細書で交換可能に使用されるため、マイクロウェルか、反応チャンバか、または反応ウェル）として構成されてもよく、それにより、所与のウェルがそれを覆って配設される１または２以上のセンサが、所与のウェル内の分析物の存在、レベル、および／または濃度を検出し、測定する。好ましくは、ウェルとセンサの１：１の比が存在する。
【００２６】
本開示の種々の本発明の実施形態によるｃｈｅｍＦＥＴは、種々の分析物のうちの任意の１または２以上の分析物に対して感応性を有するように構成されてもよい。一実施形態では、アレイの１または２以上のｃｈｅｍＦＥＴは、１または２以上の分析物に対して感応性を有するように特に構成されてもよく、他の実施形態では、所与のアレイの異なるｃｈｅｍＦＥＴが、異なる分析物に対して感応性を有するように構成されてもよい。例えば、一実施形態では、アレイの１または２以上のセンサ（ピクセル）は、第１の分析物に対して感応性を有するように構成された第１の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよく、アレイの１または２以上の他のセンサは、第１の分析物と異なる第２の分析物に対して感応性を有するように構成された第２の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよい。一実施形態では、第１および第２の分析物は、互いに関連してもよい。例として、第１および第２の分析物は、同じ生物学的または化学的反応／プロセスの副産物であってよく、したがって、反応の発生（または反応の欠如）を確認するために同時に検出されてもよい。かかる冗長性は、一部の分析物検出方法において好ましい。もちろん、２つの異なる型のｃｈｅｍＦＥＴが、任意の所与のアレイで使用されて、異なるタイプの分析物が検出されてもよく、かつ／または、測定されてもよく、また任意に、結合事象などの生物学的または化学的プロセスがモニタリングされてもよいことが理解されるべきである。一般に、所与のセンサアレイは、「均一(homogeneous)」であり、それにより、同じ分析物（例えば、ｐＨまたは他のイオン濃度）を検出かつ／または測定する、実質的に類似のまたは同一の型のｃｈｅｍＦＥＴからなってもよく、あるいは、センサアレイは、「不均一(heterogeneous)」であり、異なる分析物を検出かつ／または測定するために、異なる型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよいことが、本明細書で論じるセンサアレイの実施形態の任意の実施形態において理解されるべきである。別の実施形態では、アレイ内のセンサは、検出かつ／または測定されるそのタイプ（またはクラス）の種が、センサ間で異なっていても、単一のタイプ（またはクラス）の分析物を検出かつ／または測定するように構成されてもよい。例として、アレイ内の全てのセンサは、核酸を検出かつ／または測定するように構成されてもよいが、各センサは、異なる核酸を検出かつ／または測定する。
【００２７】
本明細書で用いる場合、アレイは、センサまたはウェルなどの要素の平面的な配置である。１次元アレイは、第１の次元に要素の１つの列（または行）および第２の次元に複数の列（または行）を有するアレイである。１次元アレイの例は、１×５アレイである。２次元アレイは、第１と第２の両方の次元に複数の列（または行）を有するアレイである。第１と第２の次元の列（または行）の数は、同じであっても、同じでなくてもよい。２次元アレイの例は、５×１０アレイである。
【００２８】
したがって、一実施形態は、ＣＭＯＳ作製（CMOS-fabricated）センサのアレイを備える装置を対象とし、各センサは、１個の化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）を備え、１０μｍ２以下、９μｍ２以下、８μｍ２以下、７μｍ２以下、６μｍ２以下、５μｍ２以下、４μｍ２以下、３μｍ２以下、２μｍ２以下の面積をアレイの表面上で占める。本発明の別の実施形態は、少なくとも１００センサ／ｍｍ２、少なくとも２５０センサ／ｍｍ２、少なくとも１０００センサ／ｍｍ２、少なくとも５０００センサ／ｍｍ２、または少なくとも１００００センサ／ｍｍ２の密度のＣＭＯＳ作製センサの平面アレイを備える装置を対象とする。
【００２９】
別の実施形態は、ＣＭＯＳ作製センサのアレイを備える装置を対象とし、各センサは、１個の化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）を備える。ＣＭＯＳ作製センサのアレイは、２５６より多いセンサを含み、アレイの全てのｃｈｅｍＦＥＴからのｃｈｅｍＦＥＴ出力信号の集合は、データフレームを構成する。装置はさらに、アレイに結合し、少なくとも１フレーム／秒のフレームレートでアレイから複数のデータフレームを提供するために、少なくとも１つのアレイ出力信号を生成するように構成された制御回路要素を備える。一態様において、フレームレートは少なくとも１０フレーム／秒であってよい。別の態様では、フレームレートは少なくとも２０フレーム／秒であってよい。さらに別の態様では、フレームレートは少なくとも３０、４０、５０、７０、または最高１００フレーム／秒であってよい。センサによって測定される化学的または生物学的現象は、様々な継続時間および振幅を有する電気信号、通常、電流または電圧のレベル変化をもたらす可能性がある。一部の実施形態では、かかる信号は、数ミリ秒、例えば１０ミリ秒〜数十秒、例えば１０〜２０秒の範囲の継続時間を有してもよい。アレイによってモニタリングされる周期的または逐次プロセスの場合、かかる信号は、数分、数時間、または数日の間隔にわたって実質的に繰返される可能性がある。さらに、信号は、アレイ自体からのフリッカノイズおよび特にサンプル流体からの熱ノイズを含む種々のタイプのノイズが重ね合わされている可能性がある。装置の制御回路要素は、完全なデータフレームについて、アレイ内の各センサから各信号をサンプリングするように構成される。かかるサンプリングは、先に挙げたフレーム／秒の値で読み出されるように、短い継続時間、例えば１〜１００μｓｅｃなどのためのものであってよい。
【００３０】
以下でより完全に説明されるように、本発明のアレイは、同じアレイ内のセンサによる、同じかまたは類似の検知条件に対するセンサごとの応答の安定性および均一性の欠如を含む、トラップ電荷の影響を低減するように作製されている。一実施形態では、かかる応答は、予め規定されたｐＨの変化にアレイのセンサを暴露することによって測定されてもよい。一実施形態では、アレイ内のセンサの少なくとも９５％の応答は、７〜９の範囲のｐＨにわたって実質的に線形であり、それぞれ少なくとも４０ｍＶ／ｐＨ単位の感度の電圧出力信号を有する。別の実施形態では、アレイのセンサの少なくとも９８％は、かかる性能を有する。「実質的に線形(substantially linear)」は、かかるｐＨ範囲にわたる測定ｐＨ値が、１０％未満、５％未満、または２％未満の線形性からの偏差の変動係数を有することを意味する。別の実施形態では、かかるアレイのセンサの少なくとも９５％はそれぞれ、２００ｍｓｅｃ未満のｐＨ変化に対する応答時間を有する。
【００３１】
別の実施形態は、複数の行および複数の列に配列された複数の電子センサを備えるセンサアレイを対象にする。各センサは、アレイの表面に近接して分析物の存在および／または濃度を示す少なくとも１つの出力信号およびある例では少なくとも２つの出力信号を提供するように構成された１つの化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）を備える。複数の列の各列について、アレイはさらに、列内の各ｃｈｅｍＦＥＴに一定のドレイン電流および一定のドレイン−ソース電圧を提供するように構成された列回路要素を備え、列回路要素は、一定のドレイン−ソース電圧を提供するために、各ｃｈｅｍＦＥＴを用いてケルビンブリッジ構成で配列された２つの演算増幅器とダイオード接続ＦＥＴを含む。
【００３２】
別の実施形態は、複数の行および複数の列に配列された複数の電子センサを備えるセンサアレイを対象にする。各センサは、アレイの表面に近接して溶液内のイオン濃度を示す少なくとも１つの出力信号およびある例では少なくとも２つの出力信号を提供するように構成された１つの化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）を備える。アレイはさらに、複数の行の各行をイネーブルにする少なくとも１つの行選択シフトレジスタおよび複数の列の各列からｃｈｅｍＦＥＴ信号を取得する少なくとも１つの列選択シフトレジスタを備える。
【００３３】
本発明の装置およびデバイスは、種々のエンティティ間の相互作用を検出かつ／またはモニタリングするために使用されうる。これらの相互作用は、生物学的および化学的反応を含み、限定はしないが結合事象などの、酵素反応および／または非酵素相互作用を含む可能性がある。例として、本発明は、物質および／または試薬が消費される、かつ／または中間反応物、副産物、および／または生成物が生成される酵素反応をモニタリングすることを想定する。本発明に従ってモニタリングされうる反応の例は、核酸シークエンスに関する情報を提供する方法などの核酸合成方法である。この反応は、本明細書でより詳細に論じられるであろう。
【００３４】
装置
本発明の装置は、検出される分析物、補助試薬とのアッセイ反応が必要とされるかどうか、逐次反応が必要とされるか周期的反応が必要とされるかに応じて、大幅に異なりうる。一態様において、本発明の装置は、センサアレイ、および、サンプル流体によって表面に送出される生物学的または化学的分析物を保持するための、センサアレイの表面上のサンプル保持領域のアレイを備える。一実施形態では、サンプル保持領域は、センサアレイと一体であり、いろいろな形式を有してもよい。かかる領域は、センサアレイの表面上の化学反応性基によって、所定の分析物にとって特異的であるセンサアレイの表面に付着した結合性化合物によって、疎水性または親水性領域によって、またはマイクロウェル、キャビティ、ウィヤ（weir）、ダム、リザーバなどのような空間的特徴部によって画定されてもよい。さらなる実施形態では、本発明の装置は、ビーズ、粒子、ゲルマイクロ液滴などの担体、あるいは、対象となる分析物を保持し、サンプル流体によってサンプル保持領域に送出される可能性がある他の支持体、構造、または物質を含んでもよい。かかるサンプル担体は、サンプル保持領域への付着を可能にするために結合部分または反応性基を含んでもよい。かかる付着は特異的であってもよく、かかる結合部分または反応性基は、相補的結合化合物または官能基だけとのリンケージを形成し、または、付着はランダムであってもよく、サンプル担体は、アレイの任意のサンプル保持領域内に保持される、実質的に同じ可能性を有する。以下でより完全に述べるように、サンプル保持領域は、マイクロウェルのアレイであり、マイクロウェルのアレイはそれぞれ、サンプル、分析物、および／または１または２以上のサンプル担体を物理的に保持するために壁および内部を有する。
【００３５】
以下で例示するように、サンプル流体およびサンプルまたは分析物は、いくつかの方法でセンサアレイの保持領域に送出されてもよい。センサアレイが、プロセス、環境モニタリング、または細胞モニタリングなどを用いる、１回使用のサンプル特徴付けデバイスとして使用される場合、サンプルは、浸漬、ピペッティング、注入によって、または他の直接的方法によって送出されてもよい。センサアレイが、ＤＮＡシークエンシングなどの、遂次的または周期的反応において使用される場合、核酸テンプレート、試薬、洗浄溶液などを含むサンプル流体は、コンピュータ制御下の流体システムによって送出されてもよい。かかる後者の用途の場合、本発明の実施形態はさらに、サンプル保持領域およびセンサアレイと一体化されたフローセルを含んでもよい。以下でより完全に述べるように、一実施形態では、かかるフローセルは、制御された条件下でサンプル保持領域にサンプル流体（アッセイ反応物、緩衝液などを含む）を送出し、これは、層流、各サンプル保持領域における一定流量、制御された温度、気泡または他の流れの乱れの最小化などを含む可能性がある。一態様において、本発明の装置のフローセルは、入口、出口、および内部空間を備え、内部空間は、フローセルが、サンプル保持領域およびセンサのアレイに連通する、例えばそれに密閉的に結合すると、入口および出口を除いて閉じるチャンバを形成する。一部の実施形態では、デバイスは、フローセルおよび一方または両方のアレイが互いに一体になるように製造される。他の実施形態では、フローセルは、アレイに密閉的に結合される。いずれの実施形態も、考えられる他の有害要因の中でもとりわけ、サンプル流体に電気ノイズを導入すると思われる流体漏洩を防止することになる。一態様において、本発明の装置は、サンプル流体に流体接続状態の参照電極を含み、それにより、動作中に、参照電極とアレイのセンサとの間に電位差が確立される。
【００３６】
核酸シークエンシングに適応する例示的な装置が図１に示される。以下の説明では、アレイのｃｈｅｍＦＥＴは、例証のために、限定はしないが水素イオン濃度を含む、静的および／または動的イオン濃度に対して感応性を有するように構成されたＩＳＦＥＴとして述べられる。しかし、以下でさらに詳細に論じるように、本開示がこの点において限定されないこと、また、ＩＳＦＥＴが例証的な例として使用される本明細書で論じられる実施形態の任意の実施形態において、他の型のｃｈｅｍＦＥＴが、代替の実施形態で、同様に使用されてもよいことが理解されるべきである。同様に、本発明の種々の態様および実施形態は、センサが水素イオンでない１または２以上のイオン種を検出するため、ＩＳＦＥＴを使用する可能性があることが理解されるべきである。
【００３７】
システム１０００は、ＩＳＦＥＴセンサアレイ１００およびマイクロフルイディクスフローセル２００を備える半導体／マイクロフルイディクスハイブリッド構造３００を含む。一態様において、フローセル２００は、ＩＳＦＥＴアレイ１００の対応するセンサの上に配設された、多数のウェル（図１には示さず）を備えてもよい。別の態様では、フローセル２００は、多数のシークエンシング試薬２７２（例えば、ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ（一般的に、本明細書でｄＮＴＰと呼ばれる）、限定はしないがＭｇ２＋などの二価カチオン、洗浄溶液など）のフローセルへの、制御され順序付けられた導入を介して、フローセル内に配設された１または２以上の同一のテンプレート核酸のシークエンシングを促進するように構成される。
【００３８】
図１に示すように、フローセル２００へのシークエンシング試薬の導入は、コンピュータ２６０によって制御される１または２以上の弁２７０および１または２以上のポンプ２７４を介して達成されてもよい。多数の技法が、かかるフローセルのウェル内に種々の処理材料（すなわち、溶液、サンプル、反応試薬、洗浄溶液など）を入れる（すなわち、導入する）ために使用されてもよい。図１に示すように、ｄＮＴＰを含む試薬は、ウェル内にそこから拡散するフローセルに（例えば、コンピュータ制御式弁２７０およびポンプ２７４を介して）入れられてもよく、または、試薬は、インクジェットなどの他の手段によってフローセルに添加されてもよい。なお別の例では、フローセル２００は、ウェルを全く含まなくてよく、試薬の拡散特性は、ＩＳＦＥＴアレイ１００の各センサ間のクロストークを制限するために利用されてもよく、または、核酸は、ＩＳＦＥＴアレイ１００のセンサの表面上で不動化されてもよい。
【００３９】
図１のシステムのフローセル２００は、ＩＳＦＥＴアレイ１００に近接して１または２以上の分析物（あるいは１または２以上の反応溶液）を提供するために種々の方法で構成されてもよい。例えば、テンプレート核酸は、センサアレイ１００の１または２以上のピクセルに適切に近接して、センサアレイの上であるが反応チャンバ内に位置する支持材料（例えば、１または２以上の「ビーズ(beads)」）内またはその上に、あるいは、センサ表面自体の上に直接付着されるかまたは適用されてもよい。処理試薬（例えば、ポリメラーゼなどの酵素）はまた、直接センサ上に、または、センサに近接して１または２以上の固体支持体上に（例えば、処理試薬は、捕捉ビーズまたは他のビーズに結合されてもよい）設置されうるか、あるいは、処理試薬は、溶液内にあるかまたは自由流動性であってもよい。デバイスはウェルまたはビーズなしで使用されてもよいことが理解される。
【００４０】
図１のシステム１０００では、一実施形態によれば、ＩＳＦＥＴセンサアレイ１００は、イオン種、特に、水素イオンを含むイオン種のレベル／量および／または濃度の変化をモニタリングする。重要な実施形態では、種は、核酸合成またはシークエンシング反応から得られる種である。
【００４１】
（同様に、コンピュータ２６０の動作下で）アレイコントローラ２５０を介して、ＩＳＦＥＴアレイは、分析物検出および／または測定に関連するデータ（例えば、アレイの各ＩＳＦＥＴの出力信号）を取得するように制御されてもよく、収集データは、コンピュータ２６０によって処理されて、テンプレート核酸の処理（シークエンシングを含む）に関連する意味のある情報がもたらされてもよい。
【００４２】
図１に示すシステム１０００のＩＳＦＥＴアレイ１００に関し、一実施形態において、アレイ１００は、標準的なＣＭＯＳプロセス（例えば、０．３５マイクロメートルプロセス、０．１８マイクロメートルプロセス）を使用して設計され作製される集積回路として実装され、１または２以上の分析物および／または反応物をモニタリング／測定するために必要とされる全てのセンサおよび電子部品を含む。やはり図１を参照して、ＩＳＦＥＴアレイ１００に関して使用される１または２以上の参照電極７６は、アレイ１００の各ＩＳＦＥＴに近接する分析物濃度の変化がそれに対して比較されるベースラインを確立するために、フローセル２００中に設置されてもよく（例えば、フローセルの「未使用(unused)」セル内に配設されてもよく）、またはその他の方法で参照（例えば、シークエンシング試薬１７２の１または２以上）に暴露されてもよい。１または２以上の参照電極７６は、アレイ１００から得られる電圧信号に基づいて分析物測定を容易にするために、アレイ１００に、アレイコントローラ２５０に、または直接コンピュータ２６０に電気的に結合されてもよい。一部の実施態様では、以下にさらに論じるように、ＩＳＦＥＴ出力信号測定のための電気的参照を確立するために、１または２以上の参照電極が、電気接地または他の所定の電位に結合されてもよく、または、参照電極電圧が、接地に対して測定されてもよい。
【００４３】
より一般的には、本開示の種々の実施形態によるｃｈｅｍＦＥＴアレイは、種々の分析物の任意の１または２以上の分析物に対して感応性を有するように構成されてもよい。一実施形態では、アレイの１または２以上のｃｈｅｍＦＥＴは、１または２以上の分析物および／または１または２以上の結合事象に対して感応性を有するように構成され、他の実施形態では、所与のアレイの異なるｃｈｅｍＦＥＴが、異なる分析物に対して感応性を有するように構成される。例えば、一実施形態では、アレイの１または２以上のセンサ（ピクセル）は、第１の分析物に対して感応性を有するように構成された第１の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよく、またアレイの１または２以上の他のセンサは、第１の分析物と異なる第２の分析物に対して感応性を有するように構成された第２の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよい。１つの例示的な実施態様では、第１および第２の分析物は共に、例えば合成によるシークエンシング(sequencing-by-synthesis)法においてヌクレオチド取込みなどの特定の反応を示す可能性がある。もちろん、３つ以上の異なる型のｃｈｅｍＦＥＴが、異なるタイプの分析物および／または他の反応物を検出かつ／または測定するために任意の所与のアレイで使用されてもよいことが理解されるべきである。一般に、所与のセンサアレイが、「均一」であり、同じタイプの分析物（例えば、水素イオン）を検出かつ／または測定するために、実質的に類似または同一の型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよく、または、センサアレイが「不均一」であり、異なるタイプの分析物を検出かつ／または測定するために、異なる型のｃｈｅｍＦＥＴを含んでもよいことが、本明細書で論じるセンサアレイの実施形態の任意の実施形態において理解されるべきである。
【００４４】
図１に示すシステムの他の態様では、１または２以上のアレイコントローラ２５０は、ＩＳＦＥＴアレイ１００を動作させるために使用されてもよい（例えば、分析物測定結果を示す出力信号を得るためにアレイの各ピクセルを選択すること／イネーブルにすること）。種々の実施態様では、１または２以上のアレイコントローラを構成する１または２以上のコンポーネントは、アレイ自体のピクセル要素と一緒に、アレイと同じ集積回路（ＩＣ）チップ上だがＩＣチップの異なる部分に、またはオフチップで実装されてもよい。アレイ制御に関し、ＩＳＦＥＴ出力信号のアナログ−デジタル変換は、ＩＳＦＥＴアレイと同じ集積回路チップ上に実装されるが、センサアレイ領域の外部に位置する回路要素によって実施されてもよい（センサアレイ領域の外部にアナログ−デジタル変換回路要素を配置することは、より小さいピッチ、したがってより多数のセンサを可能にすると共に、ノイズの低減も可能にする）。以下でさらに論じる種々の例示的な実施態様では、アナログ−デジタル変換は、必要とされる信号ダイナミックレンジに応じて、４ビット、８ビット、１２ビット、１６ビットまたは他のビット分解能でありうる。
【００４５】
一般に、データは、直列か、並列か、またはその組合せでアレイから除去されてもよい。オンチップコントローラ（またはセンス増幅器）は、チップ全体またはチップの一部分を制御しうる。そのため、チップコントローラまたは信号増幅器は、用途の要求に従って必要に応じて複製されてもよい。アレイは、一様である必要はないが、一様であってよい。例えば、信号処理または他のある制約が、１つの大きなアレイの代わりに複数の小さなアレイを必要とし、それぞれのアレイが自分自身のセンス増幅器またはコントローラロジックを有する場合、それは、全く実行可能である。
【００４６】
１または２以上の分析物を測定する例示的なシステム１０００における、ｃｈｅｍＦＥＴ（例えば、ＩＳＦＥＴ）アレイ１００の役割の一般的な概要が提供されたが、以下に述べるのは、種々の用途で使用されてもよい本開示の種々の本発明の実施形態による例示的なｃｈｅｍＦＥＴアレイのより詳細な説明である。やはり例証のために、本開示によるｃｈｅｍＦＥＴアレイは、ＩＳＦＥＴアレイの特定の例を使用して以下で論じられるが、他の型のｃｈｅｍＦＥＴアレイが、代替の実施形態において使用されてもよい。同様にやはり、例証のために、ｃｈｅｍＦＥＴアレイは、核酸シークエンシング用途の文脈で論じられる。しかし、本発明は、そのように制限されず、むしろ、本明細書で述べるｃｈｅｍＦＥＴアレイのための種々の用途を想定する。
【００４７】
センサレイアウトおよびアレイ作製
センサレイアウト設計方法およびアレイ作製方法は、Ｒｏｔｈｂｅｒｇ他，米国特許公報第２００９／００２６０８２号および第２００９／０１２７５８９号に記載される。特に、トラップ電荷を低減しうるかまたはなくす技法が開示され、したがって、これらの参考文献が参照により組み込まれる。一態様において、センサ設計および信号読み出し回路要素が、本発明において使用されてもよい。例えば、図２に示す一実施形態では、アレイの各ｃｈｅｍＦＥＴは、浮遊ゲート構造、ならびに、第１の半導体型を有し、第２の半導体型を有する領域内に作製されたソースおよびドレインを備え、第２の半導体型を有する領域をソースまたはドレインに電気的に接続する電気導体は存在しない。各センサは、ｃｈｅｍＦＥＴを含む３つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなり、各センサは、３つのＦＥＴに電気的に接続される複数の電気導体を含む。３つのＦＥＴは、複数の電気導体が、各センサによって占められるエリアを横切りかつアレイの複数のセンサを相互接続するわずか４つの導体を含むように配列される。各センサ内のＦＥＴは全て、同じチャネル型であり、アレイ基板の単一半導体領域内に実装される。アレイの全てのｃｈｅｍＦＥＴからのｃｈｅｍＦＥＴ出力信号の集合体は、データフレームを構成する。装置はさらに、アレイに結合され、少なくとも２０フレーム／秒のフレームレートでアレイから複数のデータフレームを提供する少なくとも１つのアレイ出力信号を生成するように構成された制御回路要素を備える。
【００４８】
マイクロウェルおよびセンサアレイの集積の例として、図３は、ピクセル作製の層ごとの図ならびに浮遊ゲートおよびマイクロウェルの相対位置を示す近傍ピクセルの複合断面図を示す。３つの隣接ピクセルが断面で示される。ピクセル１０５１のＦＥＴコンポーネントは全て、単一ｎ型ウェル１５４内でｐチャネルＦＥＴとして作製される。さらに、図３の複合断面図では、高濃度ドープｐ型領域１５９もまた見ることができ、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２およびＱ３の共有ドレイン（Ｄ）に対応している。例証のために、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ３のポリシリコンゲート１６６もまた、図３で見ることができる。しかし、簡潔のために、図２に示すＭＯＳＦＥＴ Ｑ２およびＱ３の各ソースならびにＱ２のゲートは、共有ドレインとして同じ（すなわち、図の平面に垂直な）軸に沿って存在するため、図３では見ることができない。最上部の金属層３０４は、ＩＳＦＥＴ感応性エリア１７８に対応し、感応性エリア１７８の上には分析物感応性パッシベーション層１７２が配設される。最上部の金属層３０４は、ＩＳＦＥＴポリシリコンゲート１６４ならびに介在導体３０６、３０８、３１２、３１６、３２０、３２６および３３８と共にＩＳＦＥＴ浮遊ゲート構造１７０を形成する。しかし、ＩＳＦＥＴドレインへの電気的な接続は、金属３層ではなく金属２層内に形成されるライン１１６１に結合した導体３４０、３２８、および３１８によって提供される。さらに、ライン１１２１および１１４１もまた、金属３層ではなく金属２層内に形成されるものとして示される。これらのラインならびにライン１１８１の構成はさらに、図４Ａ〜図４Ｌの各画像から理解されてもよく、特に、ライン１１８１が、金属導体３２２と共に、金属層内に形成されることが、図４Ｆで観察することができ、また、ライン１１２１、１１４１、および１１６１が金属２層内に形成され、図４Ｊに示す金属３層内に浮遊ゲート構造１７０のジャンパ３０８だけを残すことを観察することができる。
【００４９】
したがって、金属１層および金属２層に信号ライン１１２１、１１４１、１１６１、および１１８１を集め、それにより、これらの信号ラインと金属４層内の浮遊ゲート構造の最上部層３０４との間の距離を増加させることによって、ＩＳＦＥＴ内の寄生キャパシタンスが、少なくとも部分的に軽減される可能性がある。（例えば、信号ラインと浮遊ゲート構造の最上部層との間に１または２以上の介在金属層を含む）この一般的な概念が、多数の金属層を含む他の作製プロセスにおいて実施されてもよいことが理解されるべきである。例えば、ピクセル信号ラインと最上部金属層との間の距離は、さらなる金属層を付加する（全部で５つ以上の金属層）ことによって増大する可能性があり、最上部金属層へのジャンパだけが、さらなる金属層内に形成される。特に、６金属層作製プロセスが使用されてもよく、６金属層作製プロセスでは、信号ラインは金属１層および金属２層を使用して作製され、浮遊ゲート構造の最上部金属層は、金属６層内に形成され、最上部金属層へのジャンパは、（金属層間の関連するビアと共に）金属３層、金属４層、および金属５層内にそれぞれ形成される。
【００５０】
キャパシタンス低減に関連するなお別の態様では、最上部金属３０４（したがって、ＩＳＦＥＴ感応性エリア１７８）の寸法「ｆ」は、近傍ピクセル間の相互キャパシタンスを低減するために低減されてもよい。図４で観察されるように（また、ＩＳＦＥＴアレイの上でのウェル作製を対象とした他の実施形態に関してさらに以下で論じるように）、ウェル７２５は、ウェルの上部の寸法「ｇ」が、ピクセルピッチ「ｅ」より小さいが、ウェルの底部の寸法「ｆ」より大きくなるよう、テーパ付き形状を有するように作製されてもよい。かかるテーパリングに基づいて、最上部金属３０４は、近傍ピクセルの上部金属層間にさらなる空間を提供するために、寸法「ｇ」ではなく寸法「ｆ」を持つように設計されてもよい。一部の例証的で非限定的な実施態様では、９マイクロメートルのオーダーの寸法「ｅ」を有するピクセルの場合、寸法「ｆ」は、（先に論じたように、７マイクロメートルと対照的に）６マイクロメートルのオーダーであってよく、５マイクロメートルのオーダーの寸法「ｅ」を有するピクセルの場合、寸法「ｆ」は、３．５マイクロメートルのオーダーであってよい。
【００５１】
本発明によって判定される水素イオンおよび他の分析物の検出は、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸窒化シリコン（Ｓｉ２Ｎ２Ｏ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、五酸化タンタル（Ｔａ３Ｏ５）、酸化錫または酸化第二錫（ＳｎＯ２）などでできたパッシベーション層を使用して実行されうる。
【００５２】
誘電体層が、ＩＳＦＥＴセンサ配置構成の浮遊ゲート構造を覆って付加されると、分析物からＩＳＦＥＴまでの経路は、３つのキャパシタンスの直列接続としてモデル化されてもよい。３つのキャパシタンスとは、（１）分析物−誘電体層界面において上述した電気２重層に起因するキャパシタンス（ＣＤＬと表示される）、（２）浮遊ゲート誘電体層によるキャパシタンス（ＣＦＧＤと表示される）、および（３）ゲート酸化物キャパシタンス（ＣＯＸ）である。（上記文章では、浮遊ゲート誘電体層は、「パッシベーション」層と呼ばれることがあることに留意されたい。ここで、その層の材料組成が、回路素子をコーティングし保護するためにＣＭＯＳ処理で使用されることが多い、１または２以上のいわゆるパッシベーション材料（例えば、ＰＥＣＶＤ窒化シリコン）に必ず関連するという示唆を回避するために、本発明者等は、より具体的に浮遊ゲート誘電体層としてその層を参照する。）直列キャパシタンスストリングは、ウェル内の液体分析物とＩＳＦＥＴゲートとの間に延在する。
【００５３】
直列のキャパシタンスは、容量性電圧デバイダを形成することがよく知られている。その結果、分析物によってまたは分析物内で生成する信号電圧ＶＳの一部だけが、ＩＳＦＥＴを駆動する電圧ＶＧとしてゲート酸化物に印加される。ゲート利得がＶＧ／ＶＳとして規定される場合、理想的には、単位利得、すなわち３つのキャパシタンスのいずれの両端でも信号損失が全くないことを有することが好まれるであろう。ＣＤＬの値は、材料特性の関数であり、通常、約１０〜４０μＦ／ｃｍ２のオーダーである。ゲート酸化物キャパシタンスは、通常、比較すると非常に小さな値である。そのため、ＣＦＧＤを、ＣＯＸとＣＤＬの直列結合よりずっと大きくする（手短に言えば、ＣＦＧＤ＞＞ＣＯＸ）ことによって、ゲート利得は、実用的である程度に近く１に接近するようにさせられうる。
【００５４】
関係ＣＦＧＤ＞＞ＣＯＸを達成するために、ＣＯＸが最小にされるか、ＣＦＧＤが最大にされるか、または両方が行われうる。ＣＦＧＤの最大化は、高誘電率材料の薄層を使用することによって、または、浮遊ゲート金属化の面積を増加させることによって達成されうる。キャパシタンスＣＦＧＤは、本質的に、その誘電体として浮遊ゲート誘電体層を有する平行板キャパシタによって形成される。その結果、所与の板（すなわち、浮遊ゲート金属化）面積について、ＣＦＧＤの値を増加させるために主に利用可能なパラメータは、（１）誘電体層の厚さおよび（２）誘電体材料の選択、したがって、その誘電定数である。浮遊ゲート誘電体層のキャパシタンスは、その誘電定数に関して直接変動し、その厚さに関して逆に変動する。そのため、最大ゲート利得を得るという目的を満たすために、薄く高誘電定数の層が好ましいことになる。
【００５５】
浮遊ゲート誘電体層材料についての１つの候補は、標準的なＣＭＯＳファウンドリプロセスによって使用されるパッシベーション材料である。標準的な（通常、ＰＥＣＶＤ窒化物、より厳密には、酸窒化シリコンを覆う窒化シリコン）パッシベーション層は、形成されると比較的薄く（例えば、約１．３μｍ）、典型的なパッシベーション材料は、制限された誘電定数を有する。第１の改善は、形成後にパッシベーション層を薄化することによって達成されうる。これは、窒化物パッシベーション層内にエッチングし、その多くを消費し、わずか約２００〜６００オングストローム厚の層などの薄層を残すために、マイクロウェル形成中に、オーバエッチステップを使用することなどによって、ＣＭＯＳパッシベーション層をエッチバックすることによって達成されうる。
【００５６】
酸窒化シリコンを覆って堆積した窒化シリコンの標準的なＣＭＯＳパッシベーション層をエッチングするために、２つの手法が使用されている。第１の手法は、「部分エッチ(partial etch)」技法と呼ばれ、薄膜金属酸化物検知層を堆積する前に、窒化シリコン層と酸窒化シリコン層の約半分を足したものをエッチング除去することを含む。第２の手法は、「エッチ−金属(etch-to-metal)」技法と呼ばれ、薄膜金属酸化物検知層を堆積する前に、窒化シリコン層および酸窒化シリコン層の全てをエッチング除去することを含む。ＡＬＤ Ｔａ２Ｏ５薄膜検知層が「部分エッチ」を覆って堆積した状態で、約０．３７〜約０．４３のＩＳＦＥＴ利得が、約１５．０２〜１７．０８ｍＶ／ｐＨのセンサ感度と共に経験的に得られている。
【００５７】
代替法は、従来のＣＭＯＳパッシベーションプロセスの１．３μｍの代わりに指示される２００〜６００オングストロームなどの、誘電体（パッシベーション）材料の薄層をまず単に堆積させることである。浮遊ゲート誘電体層について有用な材料は、酸化タンタル、酸化タングステン、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウムなどの金属酸化物であるが、通常の窒化シリコンパッシベーション材料の誘電定数より大きい誘電定数の他の材料で置換されてもよい。ただし、かかる材料は、対象となるイオンに対して感応性があるか、または、感応性があるようにさせられうるものとする。エッチ−金属手法が好ましく、ＣＭＯＳプロセスの浮遊ゲート上のパッシベーション酸化物は、浮遊ゲート誘電体材料層を堆積する前に、完全にエッチング除去される。その誘電体層は、金属延伸ＩＳＦＥＴ浮遊ゲート電極上に直接塗布されてもよい。これは、キャパシタンスＣＦＧＤの値を最大にするのに役立つことになる。図５Ａおよび５Ｂは、アレイセンサ板に対する高い容量性結合用の誘電体層を生成する、容易に利用可能な作製技法を使用するステップを示す。プロセスステップはさらに、オフチップ通信用のボンドパッド構造に対する電気的アクセスを提供する。最初に、半導体製造業者からのウェハ（５００）は、マイクロウェルがそこから形成される材料層（５０２）（この例では、ＴＥＯＳ）を塗布するために処理され、その後、マイクロウェル（５０４）が、センサ板の金属に対してエッチングすることによって形成される。誘電体層（５０６）は、例えば原子層堆積によって付加される。一実施形態では、図５Ｂに示すように、誘電体層（５０６）は、電荷感応性層（５１２）および接着層（５１４）を備える。代替の技法および材料を使用して、単一または複数コンポーネント誘電体層が形成されてもよい。酸化タンタルおよびアルミニウムは、誘電体層（５０６）の例示的な電荷感応性層および接着層である。先に述べたように、誘電体層（５０６）がそこから形成されてもよい他の材料は、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ３、またはＷＯ３を含む。特に、かかる材料は、サンプル流体中のｐＨ変化に応答して大きな信号をもたらす。例えば、Ｄ．Ｏ．Ｗｉｐｆ等「Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐＨ ｗｉｔｈ Ｉｒｉｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２０００，７２，４９２１−４９２７およびＹ．Ｊ．Ｋｉｍ等「Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏ ｐＨ Ｓｅｎｓｏｒ」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．２１（Ｏｃｔ．１６，２００３）に記載されるように、酸化イリジウム酸化が使用されてもよい。
【００５８】
チップ制御および読み出し(readout)回路要素
いろいろなオンチップアーキテクチャおよび回路設計が、本発明のアレイ内のセンサによって生成される出力信号を取得し処理するために使用されてもよい。いくつかの手法がＲｏｔｈｂｅｒｇ他の米国特許公報第２００９／００２６０８２号および第２００９／０１２７５８９号に開示され、これらを本発明のアレイに関して使用してもよい。例えば、図６は、本開示の１つの発明の実施形態による、アレイコントローラ２５０に結合するセンサアレイ１００のブロック図を示す。種々の例示的な実施態様では、アレイコントローラ２５０は、「独立型」コントローラとして、または、コンピュータ２６０の一部を形成する１または２以上のコンピュータと互換性のある「カード」として作製されてもよい。一態様において、アレイコントローラ２５０の機能は、インタフェースブロック２５２（例えば、ＵＳＢポートまたはＰＣＩバスを介したシリアルインタフェース、インターネット接続など）を通してコンピュータ２６０によって制御されてもよい。一実施形態では、アレイコントローラの全てまたは一部分は、１または２以上のプリント回路板として作製され、アレイ１００は、従来のＩＣチップと同様に、プリント回路板の１つに差し込まれるように構成される（例えば、アレイ１００はゼロ挿入力(zero-insertion-force)「ＺＩＦ」ソケットなどのチップソケットに差し込まれるＡＳＩＣとして構成される）。かかる実施形態の一態様において、ＡＳＩＣとして構成されるアレイ１００は、アレイコントローラ２５０によってアクセスされる／読取られる、かつ／または、コンピュータ２６０上に渡されてもよい識別コードを提供することに専用の１または２以上のピン／端子接続を含んでもよい。かかる識別コードは、アレイ１００の種々の属性（例えば、ピクセルのサイズ、数、出力信号の数、電源電圧および／またはバイアス電圧などの種々の動作パラメータなど）を示してもよく、また、多数の異なるタイプのアレイ１００の任意のアレイに関して適切な動作を保証するため、アレイコントローラ２５０によって提供される対応する動作モード、パラメータ、および／または信号を確定するために処理されてもよい。１つの例示的な実施態様では、ＡＳＩＣとして構成されるアレイ１００は、識別コードに専用の３つのピンを備えてもよく、また、製造プロセス中に、ＡＳＩＣは、アレイコントローラ２５０によって読み取られる、考えられる３つの電圧状態の１つをこれらの３つのピンのそれぞれに提供するために符号化されてもよい（すなわち、３状態ピンコーディングスキーム）。この実施形態の別の態様では、アレイコントローラ２５０の全てまたは所定部分は、以下でさらに詳細に述べる種々のアレイコントローラの機能を実行するように構成されたフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として実装されてもよい。
【００５９】
一般的に、アレイコントローラ２５０は、アレイ１００に対する種々の電源電圧およびバイアス電圧、ならびに、行および列選択に関連する種々の信号、ピクセル出力のサンプリングおよびデータ取得を提供する。特に、アレイコントローラ２５０は、アレイ１００からの多重化された各ピクセル電圧信号を含む１または２以上のアナログ出力信号（例えば、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２）を読み取り、その後、これらの各ピクセル信号をデジタル化して、測定データがコンピュータ２６０に提供され、コンピュータ２６０は、次に、データを格納してもよく、かつ／または、処理してもよい。一部の実施態様では、アレイコントローラ２５０はまた、種々のアレイ較正および機能診断を実施するかまたは容易にするように構成されてもよい。アレイコントローラ２５０は一般に、アレイ１００に、アナログ電源電圧およびグラウンド（ＶＤＤＡ、ＶＳＳＡ）、デジタル電源電圧およびグラウンド（ＶＤＤＤ、ＶＳＳＤ）、ならびにバッファ出力電源電圧およびグラウンド（ＶＤＤＯ、ＶＳＳＯ）を提供する。１つの例示的な実施態様では、電源電圧ＶＤＤＡ、ＶＤＤＤおよびＶＤＤＯはそれぞれ、約３．３ボルトである。別の実施態様では、電源電圧ＶＤＤＡ、ＶＤＤＤおよびＶＤＤＯは、約１．８ボルト程度に低くてもよい。先に論じたように、一態様において、これらの電源電圧はそれぞれ、ノイズ分離を容易にするために別個の導電性経路を介してアレイ１００に提供される。別の態様では、これらの電源電圧は、各電源／レギュレータから発生するか、または、これらの電源電圧の１または２以上は、アレイコントローラ２５０の電源２５８内の共通供給源から発生してもよい。電源２５８はまた、アレイ動作に必要とされる種々のバイアス電圧（例えば、ＶＢ１、ＶＢ２、ＶＢ３、ＶＢ４、ＶＢＯ０、ＶＢＯＤＹ）、およびアレイ診断および較正に使用される参照電圧ＶＲＥＦを提供してもよい。
【００６０】
別の態様では、電源２５８は、バイアス電圧、参照電圧、および電源電圧のいずれかまたは全てをソフトウェア制御下で変更されることを可能にする（すなわち、プログラム可能なバイアス設定）、コンピュータ２６０によって制御されてもよい１または２以上のデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を含む。例えば、（例えば、ソフトウェア実行による）コンピュータ制御に応答する電源２５８は、電源電圧の１または２以上の調整（例えば、識別コードによって示されるチップタイプに応じた３．３ボルトと１．８ボルトとの間の切換え）、ならびに／または、ピクセルドレイン電流用のバイアス電圧ＶＢ１およびＶＢ２、列バスドライブ用のバイアス電圧ＶＢ３、列増幅器帯域用のバイアス電圧ＶＢ４、および列出力バッファ電流ドライブ用のバイアス電圧ＶＢＯ０の調整を容易にしてもよい。一部の態様では、１または２以上のバイアス電圧は、イネーブルされたピクセルからの信号のセトリングタイムを最適化するために調整されてもよい。さらに、アレイの全てのＩＳＦＥＴについての共通ボディ電圧ＶＢＯＤＹは、トラップ電荷を低減するためにオプションの作製後ＵＶ照射処理中に接地され、その後、診断解析、較正、および測定／データ取得のためのアレイの通常動作中に、高電圧（例えば、ＶＤＤＡ）に結合されてもよい。同様に参照電圧ＶＲＥＦは、種々の診断および較正機能を容易にするために変更されてもよい。
【００６１】
図６に示すように、アレイ１００によって測定される分析溶液に関連して通常使用される参照電極７６は、ピクセル出力電圧用の参照電位を提供する電源２５８に結合されてもよい。例えば、一実施態様において、参照電極７６は、ピクセル出力電圧用のリファレンスを提供するために、電源グラウンド（例えば、アナロググラウンドＶＳＳＡ）に結合されてもよい。他の例示的な実施態様では、参照電極電圧は、既知のｐＨレベルを有する対象となる溶液／サンプルをセンサアレイ１００に近接して設置し、アレイ出力信号Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２が所望の参照レベルのピクセル電圧を提供するまで参照電極電圧を調整することによって設定されてもよく、それにより、後続のピクセル電圧の変化は、既知の参照ｐＨレベルに対してｐＨの局所変化を反映する。一般に、一部の実施態様では、電源２５８によって提供される参照電圧ＶＲＥＦは参照電極７６の電圧を設定するために使用されるが、参照電極７６に関連する電圧は、先に論じた参照電圧ＶＲＥＦ（種々のアレイ診断および較正機能のために使用されてもよい）と必ずしも同一である必要はないことが理解されるべきである。
【００６２】
アレイ１００からのデータ取得に関して、一実施形態では、図６のアレイコントローラ２５０は、センサアレイからの１または２以上の出力信号（例えば、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２）をさらにバッファリングし、選択可能な利得を提供する１または２以上の前置増幅器２５３を含んでもよい。一態様において、アレイコントローラ２５０は、各出力信号について１つの前置増幅器（例えば、２つのアナログ出力信号について２つの前置増幅器）を含んでもよい。他の態様では、前置増幅器は、０．０〜１．８ボルト、または０．０〜３．３ボルトの入力電圧を受容するように構成されてもよく、プログラム可能な／コンピュータ選択可能な利得（例えば、１、２、５、１０、および２０）ならびに低ノイズ出力（例えば、＜１０ｎＶ／ｓｑｒｔＨｚ）を有してもよく、ローパスフィルタリング（例えば、５ＭＨｚおよび２５ＭＨｚの帯域幅）を提供してもよい。ノイズ低減および信号対雑音比の増加に関して、アレイ１００が、アレイコントローラ２５０の全てまたは一部分を収容するプリント回路板のチップソケット内に設置されるＡＳＩＣとして構成される一実施態様において、フィルタリングキャパシタは、ノイズ低減を容易にするために、チップソケットに近接して（例えば、ＺＩＦソケットの下側で）使用されてもよい。さらに別の態様では、前置増幅器は、入力電圧信号および／または出力電圧信号のために、電圧信号用の基準レベルを所望の範囲に設定するためのプログラム可能な／コンピュータ選択可能なオフセットを有してもよい。
【００６３】
図６のアレイコントローラ２５０はまた、コンピュータ２６０にデータを提供するために、センサアレイ出力信号Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２をデジタル出力（例えば、１０ビットまたは１２ビット）に変換する１または２以上のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４を含んでもよい。一態様において、１つのＡＤＣがセンサアレイの各アナログ出力について使用されてもよく、各ＡＤＣは、（前置増幅器が所与の実施態様において用いられる場合）対応する前置増幅器の出力に結合されてもよい。別の態様では、１または２以上のＡＤＣは、異なる範囲のアレイ出力信号および／または前置増幅器パラメータとの整合性を容易にするためのコンピュータ選択可能な入力範囲（例えば、５０ｍＶ、２００ｍＶ、５００ｍＶ、１Ｖ）を有してもよい。なお他の態様では、１または２以上のＡＤＣの帯域幅は６０ＭＨｚより大きくてもよく、データ取得／変換レートは２５ＭＨｚより大きくてもよい（例えば、１００ＭＨｚ以上ほどに高い）。
【００６４】
図６の実施形態では、ＡＤＣ取得タイミングならびにアレイの行および列の選択はタイミング発生器２５６によって制御されてもよい。特に、タイミング発生器は、行選択を制御するデジタル垂直データおよびクロック信号（ＤＶ、ＣＶ）、列選択を制御するデジタル水平データおよびクロック信号（ＤＨ、ＣＨ）、ならびに、イネーブルされた行について各ピクセル電圧をサンプリングする列サンプルおよびホールド信号ＣＯＬ ＳＨを提供する。タイミング発生器はまた、図７に関連して以下でさらに論じるように、所与のアレイアナログ出力信号（例えば、Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２）のデータストリーム内の連続するピクセル値を適切にサンプリングしデジタル化するために、１または２以上のＡＤＣ２５４にサンプリングクロック信号ＣＳを提供する。一部の実施態様では、タイミング発生器２５６は、マイクロプロセッサ実行コードによって実装され、適切に時間制御された信号を提供するマルチチャネルデジタルパターン発生器として構成されてもよい。１つの例示的な実施態様では、タイミング発生器２５６はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として実装されてもよい。
【００６５】
図７は、センサアレイ１００からのピクセルデータを取得するために、タイミング発生器２５６によって提供される種々のアレイ制御信号の例示的なタイミング図を示す。以下説明のために、「フレーム(frame)」は、アレイ内の各ピクセルについての値（例えば、ピクセル出力信号または電圧ＶＳ）を含むデータセットとして規定され、「フレームレート(frame rate)」は、連続するフレームがアレイから取得されてもよいレートとして規定される。そのため、フレームレートは、任意の所与のピクセルからのデータがそのフレームレートで得られるため、アレイの各ピクセルについての「ピクセルサンプリングレート(pixel sampling rate)」に本質的に対応する。
【００６６】
図７の例では、２０フレーム／秒の例示的なフレームレートが、アレイの動作（すなわち、行および列選択および信号取得）を示すために選択される。しかし、より低いフレームレート（例えば１〜１０フレーム／秒）またはより高いフレームレート（例えば、２５、３０、４０、５０、６０、７０〜１００フレームレート／秒など）を含む異なるフレームレートが、同じ数かまたはそれより多い数のピクセルを有するアレイによって可能であるため、本開示によるアレイおよびアレイコントローラがこの点に限定されないことが理解されるべきである。一部の例示的な適用形態では、１または２以上の所与の分析物に関する実験を行うために、数秒にわたって多くのフレームを含むデータセットが取得されてもよい。いくつかのかかる実験は、連続して行われてもよく、ある場合には、データ転送／処理および／またはセンサアレイＡＳＩＣの洗浄および後続の実験のための試薬の調製を可能にするための休止を伴って行われてもよい。
【００６７】
例えば、核酸取込みを検出する方法に関して、適切なフレームレートが、ＩＳＦＥＴの出力信号を十分にサンプリングするために選択されてもよい。一部の例示的な実施態様では、水素イオン信号は、核酸取込み事象の数に応じて、約１秒〜約２．５秒のオーダーの半値全幅(full-width at half-maximum)（ＦＷＨＭ）を有してもよい。これらの例示的な値が与えられると、２０Ｈｚのフレームレート（または、ピクセルサンプリングレート）は、所与のピクセル出力信号内の信号を確実に分解するのに十分である。やはり、この例で与えられるフレームレートは、主に例証のために提供され、異なるフレームレートが、他の実施態様に含まれてもよい。
【００６８】
一実施態様において、アレイコントローラ２５０は、行を連続的に、１度に１回イネーブルするようにアレイ１００を制御する。例えば、ピクセルの第１の行は、行選択信号
【数１】
によってイネーブルされる。イネーブルされたピクセルは、ある期間の間、セトリングされることを許容され、その後、ＣＯＬ ＳＨ信号が、一時的にアサートされて、各列内のサンプル／ホールドスイッチが閉じられ、列のサンプル／ホールドキャパシタＣｓｈ上に、列内の第１のピクセルによって出力される電圧値が格納される。この電圧は、その後、２つ（奇数列および偶数列）のアレイ出力ドライバ１９８１および１９８２の一方に印加される列出力電圧ＶＣＯＬｊとして利用可能である（例えば、図１６参照）。ＣＯＬ ＳＨ信号は、その後デアサートされ、それにより、各列内のサンプル／ホールドスイッチが開放され、列増幅器１０７Ａおよび１０７Ｂから、列出力バッファ１１１ｊが切離される。その後すぐに、ピクセルの第２の行は、行選択信号
【数２】
によってイネーブルされる。ピクセルの第２の行がセトリングすることを許容される期間中に、行選択信号は、一度に２回（１つの奇数および１つの偶数；奇数列選択信号は連続して奇数出力ドライバに印加され、偶数列選択信号は連続して偶数出力ドライバに印加される）生成されて、第１の行に関連する列出力電圧が読み取られる。こうして、アレイ内の所与の行がイネーブルされセトリングする間に、前の行が、一度に２つの列だけ読み出される。行選択およびサンプリング／読出しを交互に行うことによって、また、所与の行について一度に複数の列を読み取ることによって、データフレームは、かなり能率化された方法でアレイから取得されてもよい。
【００６９】
図７は、２０フレーム／秒の例示的なフレームレートについて先のプロセスのタイミングの詳細を示す。５１２×５１２アレイでは、各行は、図７の垂直の描写によって示すように、約９８マイクロ秒で読み出されなければならない。したがって、垂直クロック信号ＣＶは９８マイクロ秒の周期を有し（すなわち、１０ｋＨｚを超えるクロック周波数）、新しい行は、ＣＶ信号の前方エッジ(trailing edge)（負の遷移）でイネーブルされる。図７の左側は、新しいフレームサイクルの始まりを反映し、その時点で、垂直データ信号ＤＶは、ＣＶ信号の第１の前方エッジの前にアサートされ、ＣＶ信号の次の前方エッジの前にデアサートされる。同様に、ＣＶ信号の各前方エッジの（すなわち、新しい行がイネーブルされる）直前に、ＣＯＬ ＳＨ信号は、２マイクロ秒間アサートされ、ＣＶ信号の前方エッジ前に５０ナノ秒が残る。
【００７０】
図７では、ＣＯＬ ＳＨ信号の第１の発生は、５１２×５１２アレイの行５１２のピクセル値を実際にサンプリングしている。こうして、ＣＶ信号の第１の前方エッジが生じると、第１の行はイネーブルされ、ＣＯＬ ＳＨ信号の第２の発生まで（約９６マイクロ秒間）セトリングすることを許容される。第１の行についてのセトリング時間中、行５１２のピクセル値は、列選択信号を介して読み出される。５１２列を読み取るために、２つの列選択信号が同時に生成されるため、水平クロック信号ＣＨは、この期間内に２５６サイクル生成しなければならず、ＣＨ信号の各前方エッジは、１つの奇数および１つの偶数列選択信号を生成する。図７に示すように、所与の行内のＣＨ信号の第１の前方エッジは、サンプル／ホールドキャパシタＣｓｈ上に格納され、列出力バッファによって提供される電圧値のセトリングを可能にするために、行の選択後（ＣＯＬ ＳＨ信号の不活性化後）２マイクロ秒経って発生するように時間制御される。しかし、他の実施態様では、ＣＨ信号の第１の前方エッジとＣＯＬ ＳＨ信号の前方エッジ（すなわち、不活性化）との間の期間は、２マイクロ秒より著しく小さく、ある場合には、丁度５０ナノ秒を超える程度に小さい可能性がある。同様に、各行について、水平データ信号ＤＨは、ＣＨ信号の第１の前方エッジの前にアサートされ、ＣＨ信号の次の前方エッジの前にデアサートされる。最後の２列は、先に論じたように、次の行がイネーブルされる約２マイクロ秒前に発生するＣＯＬ ＳＨ信号の発生前に選択される。こうして、先の例では、列は、約９４マイクロ秒（すなわち、１行当たり９８マイクロ秒から、各行の最初と最後の２マイクロ秒を引く）の期間内に、一度に２回読み取られる。これは、約２．７ＭＨｚの各アレイ出力信号Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２についてのデータレートをもたらす。
【００７１】
アレイの全ての列内のセンサによってサンプル流体中に結合されるノイズは、センサの出力信号内に存在する可能性がある。行がアレイ内で選択されるとき、列内のＩＳＦＥＴの全ての間で共有されるドレイン端子電圧が、（ソース−ドレインフォロワの必要な要件として）上昇または下降する。これは、列内の未選択ＩＳＦＥＴの全てのゲート−ドレインキャパシタンスを変化させる。次に、このキャパシタンスの変化は、全ての未選択ＩＳＦＥＴのゲートから流体中に結合し、最終的に、流体中のノイズ（すなわち、不正確な電荷、モニタリングされる化学反応によらない電荷）として現れる。すなわち、共有されるドレイン端子電圧の任意の変化は、列内のそれぞれのまたは全ての未選択ＩＳＦＥＴによって流体中にノイズを注入することと見なされうる。したがって、アレイ内の行を選択するときに、未選択ＩＳＦＥＴの共有されるドレイン端子電圧が一定に維持されうる場合、流体中にノイズを結合するというこのメカニズムが、低減されるかまたはさらに効果的になくされうる。行がアレイ内で選択されるとき、列内の未選択ＩＳＦＥＴの全てのソース端子電圧もまた変化する。次に、それは、列内のこれらのＩＳＦＥＴの全てのゲート−ソースキャパシタンスを変化させる。このキャパシタンスの変化は、全ての未選択ＩＳＦＥＴのゲートから流体中に結合し、やはり最終的に、流体中のノイズとして現れる。すなわち、列内の未選択ＩＳＦＥＴの端子電圧の任意の変化は、流体中へのノイズの注入と見なされうる。したがって、アレイ内の行を選択するときに、未選択ＩＳＦＥＴのソース端子電圧が一定に維持されうる場合、流体中にノイズを結合するというこのメカニズムが、低減されるかまたはさらに効果的になくされうる。
【００７２】
列バッファが、ＩＳＦＥＴのソースの問題ではなく、ＩＳＦＥＴのドレインの問題を軽減するために、一部の受動ピクセル設計に関して使用されうる。こうして、列バッファが、先に示したソース−ドレインフォロワにとって好ましい可能性が最も高い。ソース−ドレインフォロワ配置構成を使用する３トランジスタ受動ピクセルを用いて、２つのセンスノード、ＩＳＦＥＴソースおよびドレイン端子が本質的に存在する。ピクセルを列バッファに接続し、ＩＳＦＥＴのドレイン端子を接地することによって、１つだけのセンスノード、ＩＳＦＥＴソース端子が存在することになる。こうしてドレインの問題がなくされる。
【００７３】
サンプルアンドホールドブロックとマルチプレクサブロックの両方を備える上述した読み出し回路はまた、１の理想値より小さい利得を有する。さらに、サンプルアンドホールドブロックは、かなりのパーセンテージ、おそらく２５％を超える総合チップノイズに寄与する。スイッチドキャパシタ理論から、サンプルアンドホールド「ｋＴ／Ｃ」ノイズは、キャパシタンスに反比例する。したがって、より大きなキャパシタを選択することによって、サンプルアンドホールドノイズは低減されうる。ノイズを低減する別の手法は、相関２重サンプリング(Correlated double Sampling)（ＣＤＳ）を使用することであり、第２のサンプルアンドホールドおよび差回路が、ノイズを相殺するために使用される。この手法は、以下でより詳細に論じられる。
【００７４】
相関２重サンプリング（ＣＤＳ）は、望ましくないオフセットの除去を可能にする、電圧または電流などの電気的値を測定する、知られている技法である。センサの出力は、２回、すなわち、既知の条件下で１回と未知の条件下で１回測定される。既知の条件から測定される値は、その後、未知の条件から減算されて、測定される物理量に対して既知の関係を有する値が生成される。ここでの難題は、ＣＤＳを実装するときに効率的である方法および相関ノイズと分析物流体中へのノイズ注入の最小化の両方に対処する方法である。
【００７５】
出発点は、本出願の始めの部分で示されるセンサピクセルおよびその読出し構成である。図８Ａを参照して、基本的な受動センサピクセル７７Ａ１は、ＩＳＦＥＴ７７Ａ２ならびにＩＳＦＥＴソースに接続された一対の行選択トランジスタ７７Ａ３および７７Ａの３トランジスタ配置構成である。トランジスタ７７Ａ３は、次に、電流源またはシンク７７Ａ５に接続される。読出しは、センス増幅器７７Ａ６の入力に接続されるトランジスタ７７Ａ４によって得られる。別の増幅器７７Ａ８と直列接続したダイオード接続トランジスタ７７Ａ７は、センス増幅器の出力からＩＳＦＥＴのドレインまでフィードバックループで接続する。センス増幅器出力は、出力増幅器７７Ａ１０に給電するサンプルアンドホールド回路７７Ａ９によって取り込まれる。
【００７６】
先に論じたように、ＩＳＦＥＴのソースおよびドレイン上での電圧変化は、分析物内にノイズを注入し、検知される値に誤差をもたらす。２つの建設的な変更は、図８Ｂに示すように、ノイズレベルをかなり低減しうる。
【００７７】
第１の変更は、ＩＳＦＥＴ上の信号を変えることである。ＩＳＦＥＴのドレインへのフィードバックループがなくされ、ドレインは、グラウンドなどの安定した電圧に接続される。列バッファ７７Ｂは、トランジスタのエミッタに接続される。
【００７８】
第２の変更は、列バッファの出力に対してＣＤＳを実施する回路を含むことである。先に述べたように、ＣＤＳは、第１の参照値を必要とする。これは、「ＳＨ」フェーズとして示すクロックの第１のまたは参照フェーズ中に、スイッチ７７Ｂ２を介して参照電圧に列バッファ７７Ｂ１の入力を接続することによって得られる。ＣＤＳとサンプルアンドホールドの結合回路は、その後、参照サンプルおよび検知された値を得る列バッファの出力を２重サンプリングし、減算を実施し、結果として得られるノイズ低減された出力値を供給する。その理由は、同じ相関ノイズが参照サンプル内とセンサ出力内に現れるからである。
【００７９】
ＣＤＳおよびサンプルアンドホールド回路の動作は簡単である。回路は、２フェーズクロックで動作し、第１のフェーズはＳＨフェーズであり、第２のフェーズはＳＨｂフェーズである。通常、フェーズは、対称であり、したがって、互いの反転値であることになる。参照サンプルは、ＳＨフェーズで得られ、キャパシタＣｉｎ上に電荷（したがって、電圧）を配置し、その電荷は、クロックフェーズが変化するときに、列バッファの出力から減算される。
【００８０】
依然として受動センサピクセルを用いる代替の実施形態が図８Ｃに示される。センサピクセルは、この実施形態では、そのドレインが一定電源電圧ＶＳＳＡに接続されるＩＳＦＥＴを備える２トランジスタ回路である。７７Ａ４と同等のトランジスタは存在せず、ピクセル出力は、代わりに、トランジスタ７７Ａ３のエミッタから得られる。ＣＤＳおよびサンプルアンドホールド回路は、フィードバックループの削除によって少し簡略化されているが、センサピクセルによって供給される信号からキャパシタＣｉｎ上の参照値を減算するという同じ機能を、キャパシタＣｂｌ上に貯蔵される電荷（電圧）と連携して果たす。
【００８１】
マイクロウェルアレイ
他所で論じたように、ＤＮＡシークエンシングなどにおける多くの使用の場合、半導体センサのアレイを覆って、対応するマイクロウェルのアレイを設けることが望ましく、各マイクロウェルは、好ましくは１つだけのＤＮＡ負荷ビーズ(DNA-loaded bead)を受取るのに十分小さく、これに関連して、アレイの下にあるピクセルは、対応する出力信号を提供することになる。
【００８２】
かかるマイクロウェルアレイの使用は、それぞれが別々に論じられる作製および調製の３つのステージを含む。３つのステージとは、（１）マイクロウェルアレイ層を含むコートを有するチップをもたらすようにマイクロウェルのアレイを生成すること、（２）流体インタフェースにコーティングされたチップを搭載すること、およびＤＮＡシークエンシングの場合、（３）１または２以上のＤＮＡ負荷ビーズをウェル内にロードすることである。もちろん、他の用途では、ビーズは不要であってもよく、または、異なる特性を有するビーズが使用されてもよいことが理解される。
【００８３】
本明細書で述べるシステムは、ｃｈｅｍＦＥＴのアレイを備える半導体と一体化されたマイクロ流体反応チャンバのアレイを含みうる。一部の実施形態では、本発明はかかるアレイを包含する。反応チャンバは、例えば、ガラス、誘電体材料、感光性材料、またはエッチング可能材料で形成されてもよい。
【００８４】
本発明の種々の態様または実施形態は、反応チャンバのアレイで覆われたｃｈｅｍＦＥＴセンサのアレイを備える装置を含み、反応チャンバの底部はｃｈｅｍＦＥＴセンサに接触する（または、容量的に結合する）。一部の実施形態では、各反応チャンバ底部が、ｃｈｅｍＦＥＴセンサに、好ましくは別個のｃｈｅｍＦＥＴセンサに接触する。一部の実施形態では、全てより少ない数の反応チャンバ底部がｃｈｅｍＦＥＴセンサに接触する。一部の実施形態では、アレイ内の各センサが反応チャンバに接触する。他の実施形態では、全てより少ない数のセンサが反応チャンバに接触する。センサ（および／または反応チャンバ）アレイは、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、１０００、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、またはそれより多いｃｈｅｍＦＥＴセンサ（および／または反応チャンバ）からなってもよい。本明細書で用いる場合、例として２５６センサまたは反応チャンバを備えるアレイは、２５６以上の（すなわち、少なくとも２５６の）センサまたは反応チャンバを含むことになることが意図される。要素および／またはステップを「備える(comprise)」、本明細書で述べる態様および実施形態はまた、かかる要素および／またはステップ「からなる(consist of)」または「から本質的になる(consist essentially of)」態様および実施形態を完全にサポートし包含することがさらに意図される。
【００８５】
本発明の種々の態様および実施形態は、中心間距離または間隔（または、本明細書で用語が交換可能に使用されるため、「ピッチ(pitch)」）で互いから離間するアレイ内のセンサ（および／または反応チャンバ）を含み、その中心間距離または間隔は、１〜５０ミクロン、１〜４０ミクロン、１〜３０ミクロン、１〜２０ミクロン、または、約９ミクロン以下または約５．１ミクロン以下を含む５〜１０ミクロン、または、約２．８ミクロン以下を含む１〜５ミクロンの範囲内にある。反応チャンバアレイ内の隣接する反応チャンバ間の中心間距離は、約１〜９ミクロンか、約２〜９ミクロン、または約１〜９ミクロン、あるいは、約１ミクロン、約２ミクロン、約３ミクロン、約４ミクロン、約５ミクロン、約６ミクロン、約７ミクロン、約８ミクロン、または約９ミクロンであってよい。
【００８６】
一部の実施形態では、反応チャンバは、０．５ｐＬ未満、０．１ｐＬ未満、０．０５ｐＬ未満、０．０１ｐＬ未満、０．００５ｐＬ未満を含む約１ピコリットル（ｐＬ）以下の容積を有する。
【００８７】
反応チャンバは、例えばそのベースまたは底部において正方形断面を有してもよい。例は、８μｍ×８μｍ断面、４μｍ×４μｍ断面、または１．５μｍ×１．５μｍ断面を含む。あるいは、反応チャンバは、例えばそのベースまたは底部において長方形断面を有してもよい。例は、８μｍ×１２μｍ断面、４μｍ×６μｍ断面、または１．５μｍ×２．２５μｍ断面を含む。
【００８８】
別の例示的な実施態様では、本発明は、少なくとも１つの反応チャンバの２次元アレイを備えるシステムを包含し、各反応チャンバは、化学感応性電界効果トランジスタ（「ｃｈｅｍＦＥＴ」）に結合され、各反応チャンバは、容積がわずか１０μｍ３（すなわち、１ｐＬ）である。好ましくは、各反応チャンバは、容積が、わずか０．３４ｐＬであり、より好ましくはわずか０．０９６ｐＬまたはさらに０．０１２ｐＬである。反応チャンバは、任意に、上部における断面積が、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２、９２、または１０２平方ミクロンでありうる。好ましくは、アレイは、少なくとも、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、またはそれより多い反応チャンバを有する。反応チャンバは、ｃｈｅｍＦＥＴに容量的に結合されてもよく、また、好ましくは、ｃｈｅｍＦＥＴに容量的に結合される。かかるシステムは、核酸ハイ高スループットシークエンシングのために使用されてもよい。
【００８９】
一部の実施形態では、反応チャンバアレイ（または等価的に、マイクロウェルアレイ）は、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７のマイクロウェルアレイまたは反応チャンバを備える。一部の実施形態では、反応チャンバアレイ内の個々の反応チャンバは、少なくとも１つのｃｈｅｍＦＥＴに接触するかまたは容量的に結合される。一実施形態では、アレイの反応チャンバは、１つのｃｈｅｍＦＥＴまたは１つのＩＳＦＥＴに接触するかまたは容量的に結合される。一部の実施形態では、ｃｈｅｍＦＥＴアレイは、任意に、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７のｃｈｅｍＦＥＴを備えてもよい。
【００９０】
これらのまた他の態様および実施形態では、ｃｈｅｍＦＥＴまたはＩＳＦＥＴアレイは、２５６以上のｃｈｅｍＦＥＴまたはＩＳＦＥＴを備えてもよい。かかるアレイのｃｈｅｍＦＥＴまたはＩＳＦＥＴは、１〜１０ミクロンの（隣接するｃｈｅｍＦＥＴまたはＩＳＦＥＴ間の）中心間間隔を有してもよい。一部の実施形態では、中心間間隔は、約９ミクロン、約８ミクロン、約７ミクロン、約６ミクロン、約５ミクロン、約４ミクロン、約３ミクロン、約２ミクロン、または約１ミクロンである。特定の実施形態では、中心間間隔は、約５．１ミクロンまたは約２．８ミクロンである。
【００９１】
一部の実施形態では、ビーズは反応チャンバ内にあり、任意に、１つだけのビーズが反応チャンバ内にある。一部の実施形態では、反応チャンバは、ＩＳＦＥＴに接触するかまたは容量的に結合する。一部の実施形態では、ＩＳＦＥＴはＩＳＦＥＴアレイ内にある。一部の実施形態では、ビーズは、６ミクロン未満、３ミクロン未満、または１ミクロン未満の直径を有する。ビーズは、約１ミクロンから約７ミクロンまで、または約１ミクロンから約３ミクロンまでの直径を有してもよい。
【００９２】
一部の実施形態では、反応チャンバは、約１ミクロンから約１０ミクロンの中心間距離を有する。一部の実施形態では、反応チャンバアレイは、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７の反応チャンバを備える。
【００９３】
本発明によれば、ＩＳＦＥＴのゲート上の誘電体層は、ＩＳＦＥＴの一部である。反応チャンバ内の電荷は誘電体の一方の面上に蓄積し、その第２の板として浮遊ゲート金属層を有するキャパシタの一方の板を形成することが認識され、したがって、反応チャンバは、ＩＳＦＥＴに容量的に結合していると呼ばれる。
【００９４】
一部の実施形態では、ＩＳＦＥＴはＩＳＦＥＴアレイ内にある。ＩＳＦＥＴアレイは、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７の反応チャンバを備える。
【００９５】
一部の実施形態では、テンプレート核酸は、ＩＳＦＥＴに接触するかまたは容量的に結合する反応チャンバ内にある。一部の実施形態では、反応チャンバは、反応チャンバアレイ内にある。一部の実施形態では、反応チャンバアレイは、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、または１０７の反応チャンバを備える。
【００９６】
マイクロウェルは、アレイ間でサイズが異なっていてもよい。これらのマイクロウェルのサイズは、幅（または直径）と高さの比によって記述されてもよい。一部の実施形態では、この比は、１：１〜１：１．５である。ビーズ対ウェルサイズ（例えば、ビーズ直径対ウェル幅、直径、または高さ）は、好ましくは、０．６〜０．８の範囲にある。
【００９７】
マイクロウェルサイズは、断面によって記述されてもよい。断面は、ウェルの深さ（または高さ）に平行な「スライス」を指してもよく、または、断面は、ウェルの深さ（または高さ）に垂直な「スライス」であってよい。マイクロウェルは、断面が正方形であってよいが、そのように制限されない。マイクロウェルの底部の（すなわち、ウェルの深さに垂直である断面における）寸法は、１．５μｍ×１．５μｍであってよく、または、１．５μｍ×２μｍであってよい。適した直径は、丁度または約１００μｍ、９５μｍ、９０μｍ、８５μｍ、８０μｍ、７５μｍ、７０μｍ、６５μｍ、６０μｍ、５５μｍ、５０μｍ、４５μｍ、４０μｍ、３５μｍ、３０μｍ、２５μｍ、２０μｍ、１５μｍ、１０μｍ、９μｍ、８μｍ、７μｍ、６μｍ、５μｍ、４μｍ、３μｍ、２μｍ、１μｍ、またはそれより小さい値を含むが、それに限定されない。一部の特定の実施形態では、直径は、丁度または約４４μｍ、３２μｍ、８μｍ、４μｍ、または１．５μｍであってよい。適した高さは、丁度または約１００μｍ、９５μｍ、９０μｍ、８５μｍ、８０μｍ、７５μｍ、７０μｍ、６５μｍ、６０μｍ、５５μｍ、５０μｍ、４５μｍ、４０μｍ、３５μｍ、３０μｍ、２５μｍ、２０μｍ、１５μｍ、１０μｍ、９μｍ、８μｍ、７μｍ、６μｍ、５μｍ、４μｍ、３μｍ、２μｍ、１μｍ、またはそれより小さい値を含むが、それに限定されない。一部の特定の実施形態では、高さは、丁度または約５５μｍ、４８μｍ、３２μｍ、１２μｍ、８μｍ、６μｍ、４μｍ、２．２５μｍ、１．５μｍ、またはそれより小さい値であってよい。本発明の種々の実施形態は、これらの高さの任意の高さと共に、これらの直径の任意の直径の組合せを想定する。なお他の実施形態では、反応ウェルの寸法は、（μｍ単位の直径×μｍ単位の高さ）４４×５５、３２×３２、３２×４８、８×８、８×１２、４×４、４×６、１．５×１．５、または１．５×２．２５であってよい。
【００９８】
反応ウェル容積は、ウェル寸法に基づく（アレイ間の、好ましくは、単一アレイ内でない）範囲にあってよい。この容積は、丁度または約１００ピコリットル(picoliter)（ｐＬ）、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０、１０、またはそれより少ないｐＬであってよい。重要な実施形態では、ウェル容積は、０．５ｐＬ以下、０．１ｐＬ以下、０．０５ｐＬ以下、０．０１ｐＬ以下、０．００５ｐＬ以下、または０．００１ｐＬ以下を含む１ｐＬ未満である、容積は、０．００１〜０．９ｐＬ、０．００１〜０．５ｐＬ、０．００１〜０．１ｐＬ、０．００１〜０．０５ｐＬ、または０．００５〜０．０５ｐＬであってよい。特定の実施形態では、ウェル容積は、７５ｐＬ、３４ｐＬ、２３ｐＬ、０．５４ｐＬ、０．３６ｐＬ、０．０７ｐＬ、０．０４５ｐＬ、０．００２４ｐＬ、または０．００４ｐＬである。一部の実施形態では、各反応チャンバは、わずか約０．３９ｐＬの容積および約４９μｍ２表面開口部を有し、より好ましくは、わずか約１６μｍ２の開口部およびわずか約０．０６４ｐＬの容積を有する。
【００９９】
そのため、本発明の種々の態様および実施形態は、一般に、１または２以上の分析物を測定するか、または、ｃｈｅｍＦＥＴ表面に結合した電荷を測定するための大規模ＦＥＴアレイに関することが理解される。ｃｈｅｍＦＥＴおよびより詳細にはＩＳＦＥＴは、分析物および／または電荷を検出するために使用されてもよいことが理解されるであろう。ＩＳＦＥＴは、先に論じたように、水素イオン（または陽子）検出などのイオン検出のために構成される特定の型のｃｈｅｍＦＥＴである。本開示によって想定される他の型のｃｈｅｍＦＥＴは、分析物を検出するために酵素を使用する酵素ＦＥＴ（ＥｎＦＥＴ）を含む。しかし、本開示は、ＩＳＦＥＴおよびＥｎＦＥＴに限定されるのではなく、より一般に、あるタイプの化学的感応性のために構成される任意のＦＥＴに関することが理解されるべきである。本明細書で用いる場合、化学的感応性は、限定することなく、有機の、無機の、自然に発生する、自然に発生しない、イオンなどの化学的および生物学的化合物、小分子、核酸などのポリマー、タンパク質、ペプチド、多糖類などを含む、対象となる任意の分子に対する感応性を広く包含する。
【０１００】
一部の実施形態では、本発明は、ｃｈｅｍＦＥＴを覆う(overlying)誘電体層を備えるシークエンシング装置を包含し、誘電体層は、ｃｈｅｍＦＥＴの最上部で側方に中心を持つ凹所を有する。好ましくは、誘電体層は、二酸化シリコンで形成される。
【０１０１】
半導体構造が、図示するように形成された後、マイクロウェル構造がダイに塗布される。すなわち、マイクロウェル構造は、ダイ上に直接形成されうるか、または、マイクロウェル構造は、別々に形成され、その後、ダイ上に搭載されてもよく、いずれの手法も許容可能である。ダイ上にマイクロウェルを形成するために、種々のプロセスが使用されてもよい。例えば、ダイ全体が、例えばＭｉｃｒｏｃｈｅｍ ＳＵ−８ ２０１５などのネガ型フォトレジストまたはＨＤ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ ＨＤ８８２０などのポジ型レジスト／ポリイミドを用いて、マイクロウェルの所望の高さまでスピンコーティングされてもよい。１または２以上のフォトレジスト層内のウェルの所望の高さ（例えば、１ウェル当たり１ピクセルの例では約４〜１２μｍであるが、一般事項としてそのように制限されない）は、１または２以上の層内で、所定のレート（文献および製造業者の仕様を参照することによって、または、実験的に見出されうる）で適切なレジストを回転させることによって達成されうる。（ウェルの高さは、通常、センサピクセルの横方向寸法に対応して、好ましくは公称１：１〜１．５：１のアスペクト比（高さ：幅または直径）のために選択されてもよい。信号対雑音の検討に基づいて、所望のレベルの性能を達成するための、寸法と必要とされるデータサンプリングレートとの間の関係が存在する。そのため、所与の用途について最適パラメータを選択するときに考慮されることになる多数のパラメータが存在する。）あるいは、複数層の異なるフォトレジストが塗布されてもよく、または、別の形態の誘電体層が堆積されてもよい。種々のタイプの化学気相堆積が、材料層内でのマイクロウェル形成に適した材料層を堆積するために使用されてもよい。
【０１０２】
フォトレジスト層（単数形の「層(layer)」は、同様に、集合体の複数の層を包含するために使用される）が所定場所に置かれると、個々のウェル（通常、１ウェル当たり１個または４個のＩＳＦＥＴセンサを有するようにマッピングされる）は、レジストコーティングされたダイを覆って（例えば、クロムの）マスクを配置し、架橋（通常、ＵＶ）照射にレジストを露光することによって生成されてもよい。照射に露光された全てのレジスト（すなわち、マスクが照射をブロックしない場所）は架橋結合し、結果として、チップ（ダイ）の表面に結合した永久プラスチック層を形成することになる。未反応レジスト（すなわち、光がレジストに達することをマスクが阻止し、架橋結合が防止されるため、露光されていないエリア内のレジスト）は、プロピレングリコールメチルエチルアセテート（ＰＧＭＥＡ）または他の好適な溶媒などの適した溶媒（すなわち現像剤）中でチップを洗浄することによって除去される。結果として得られる構造は、マイクロウェルアレイの壁を画定する。
【０１０３】
例えば、種々の分解能の、また、種々のエッチャントおよび現像剤の接触リソグラフィが使用されてもよい。マイクロウェルが形成される１または２以上の層のために、有機および無機材料が共に使用されてもよい。１または２以上の層は、パッシベーション層などの、センサアレイ内のピクセル構造を覆う誘電体層を有するチップ上にエッチングされてもよく、または、１または２以上の層は、別々に形成され、その後、センサアレイを覆って塗布されてもよい。特定の選択またはプロセスは、アレイサイズ、ウェルサイズ、利用可能な作製施設、許容可能なコストなどの要因に依存することになる。
【０１０４】
１または２以上のマイクロウェル層を形成するために、一部の実施形態で使用されてもよい、種々の有機材料の中に、上述したＳＵ−８型ネガ作用型フォトレジスト、従来のポジ作用型フォトレジスト、およびポジ作用型感光性ポリイミドが存在する。有機材料はそれぞれ、フォトリソグラフィ分野の当業者によく知られている長所および短所を有する。
【０１０５】
当然、製造環境において、変更は適切である。
【０１０６】
接触リソグラフィは、制限を有し、最高密度のウェルを製造するために選択される製造方法ではない可能性がある。すなわち、接触リソグラフィは、横方向に、所望より大きな最小ピッチ限界を課す可能性がある。遠紫外線ステップアンドリピートなどの他の技法は、高分解能リソグラフィを提供することが可能で、小さなピッチおよびおそらくより小さなウェル直径を生成するために使用されうる。もちろん、異なる所望の仕様（例えばチップ当たりのセンサおよびウェルの数）について、異なる技法が最適であるとわかる可能性がある。また、製造業者に利用可能な作製プロセスなどの実際的な要因が、特定の作製方法の使用を動機付ける可能性がある。新規な方法が論じられるが、本発明の種々の態様は、これらの新規な方法の使用に限定される。
【０１０７】
好ましくは、ＩＳＦＥＴアレイを有するＣＭＯＳウェハは、最終金属化プロセス後に平坦化されることになる。窒化シリコンパッシベーションの前の、化学機械誘電平坦化が適する。これは、後続のリソグラフィステップを、バックエンドＣＭＯＳトポグラフィのない非常に平坦な表面上で行うことを可能にすることになる。
【０１０８】
遠紫外線ステップアンドリピート・リソグラフィシステムを利用することによって、優れた分解能、レジストレーション、および再現性を有する小さなフィーチャを分解することが可能である。しかし、これらのシステムの高分解能および大きな開口数（ＮＡ）は、これらが大きな焦点深度を有することを妨害する。したがって、かかる作製システムを使用するとき、パターン転写し、次に下にある１または２以上の層にマイクロウェルフィーチャをエッチングするために、より薄い感光性スピンオン層（すなわち、接触リソグラフィで使用される厚い層ではなく、１〜２μｍオーダーのレジスト）を使用することが必要となる場合がある。高分解能リソグラフィは、その後、マイクロウェルフィーチャをパターニングするために使用され、選択性エッチストップを有する従来のＳｉＯ２エッチ化学物質（それぞれ、ボンドパッドエリア用の化学物質と、次に、マイクロウェル用の化学物質）が使用されうる。エッチストップは、その後、アルミニウムボンドパッドおよび窒化シリコンパッシベーション（または類似のもの）上にそれぞれ存在しうる。あるいは、他の適した代用パターン転写およびエッチ方法が使用されて、無機材料のマイクロウェルがもたらされうる。
【０１０９】
他の手法は、有機材料でマイクロウェル構造を形成することである。例えば、二重レジスト「ソフトマスク(soft-mask)」プロセスが使用されてもよく、それにより、薄い高分解能遠紫外線レジストが、厚い有機材料（例えば、硬化ポリイミドまたは逆作用型（opposite-acting）レジスト）の上部で使用される。上部レジスト層がパターニングされる。パターンは、酸素プラズマ反応性イオンエッチプロセスを使用して転写されうる。このプロセスシークエンスは、「ポータブルコンフォーマブルマスク(portable comformable mask)」（ＰＣＭ）技法と呼ばれることがある。Ｂ．Ｊ．Ｌｉｎ等「Ｐｒａｃｔｉｃｉｎｇ ｔｈｅ Ｎｏｖｏｌａｃ ｄｅｅｐ−ＵＶ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌe ｍａｓｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １９，Ｎｏ．４，１３１３−１３１９（１９８１）およびＡ．Ｃｏｏｐｅｒ等「Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｓｐｉｎ−ｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｃｏｐｐｅｒ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｉｌ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＲＦ ＳｏＣ ｄｅｖｕｌｉｓｅｓ」を参照されたい。
【０１１０】
あるいは、「ドリルフォーカス（drill-focusing）」技法が使用されてもよく、それにより厚いレジスト層をパターニングするときの高分解能ステッパの制限された焦点深度（ＤＯＦ）を補償するために、数回のステップアンドリピート露光が、異なる焦点深度で行われる。この技法は、ステッパのＮＡおよびＤＯＦならびにレジスト材料のコントラスト特性に依存する。
【０１１１】
そのため、マイクロウェルは、必要な厚さ（例えば、約４〜１０μｍ）を提供しうる、任意の高アスペクト比で感光性のまたはエッチング可能な薄膜プロセスによって作製されうる。適すると思われる材料の中に、光感応性ポリマー、二酸化シリコン、例えばプラズマエッチングプロセスを使用してエッチングされうる非光感応性ポリマーなどが存在する。二酸化シリコンのファミリにおいて、ＴＥＯＳおよびシラン窒素酸化物(silane nitrous oxide)（ＳＩＬＯＸ）が適しているように見える。最終的な構造は同じであるが、種々の材料は、標的生物学的物質または化学的物質に、異なるように反応させる可能性がある異なる表面組成を呈する。
【０１１２】
マイクロウェル層が形成されると、エッチングプロセスが、所望されるより先に進まないように、エッチストップ層を設けることが必要である場合がある。例えば、低Ｋ誘電体などの、保存される下地層が存在する可能性がある。エッチストップ材料は、用途に応じて選択されるべきである。ＳｉＣおよびＳｉＮ材料が適するが、そのことは、代わりに他の材料が使用される可能性がないことを示すことを意図しない。これらのエッチストップ材料はまた、適切なゼロ電荷点(point of zero charge)（ＰＺＣ）を有するようにエッチストップ材料を選択することによって、ＩＳＦＥＴセンサ感度を向上させる(drive)表面化学を増強するのに役立ちうる。種々の金属酸化物が、二酸化シリコンおよび窒化シリコン以外に適する可能性がある。
【０１１３】
種々の金属酸化物についてのＰＺＣは、Ｊ．Ｆｉｅｒｒｏによる「Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅｓ−Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」などの種々のテキストに見出される可能性がある。本発明者等は、Ａｌ２Ｏ３のＰＺＣが、まさに(right)使用されるｐＨ（すなわち、約８．８）にあり、したがって、まさにゼロ電荷点にあるため、Ａｌ２Ｏ３を覆うエッチストップとして、Ｔａ２Ｏ５が好ましい可能性があることを見出した。さらに、Ｔａ２Ｏ５は、センサ性能における別の重要な因子である、ｐＨに対する高い感応性（すなわち、ｍＶ／ｐＨ）を有する。これらのパラメータを最適化することは、パッシベーション表面材料の賢明な選択を必要とする可能性がある。
【０１１４】
このために（すなわち、エッチストップ層として）薄い金属酸化物を使用することは、これらがあまりに薄く（通常、２００〜５００Å）堆積されている事実から難しい。マイクロウェル作製後金属酸化物堆積技法は、高アスペクト比のマイクロウェルの底部に適切なＰＺＣ金属酸化物膜の配置を可能にする可能性がある。
【０１１５】
（ａ）反応性スパッタによる酸化タンタル、（ｂ）非反応性化学量論的酸化タンタル、（ｃ）酸化タングステン、または（ｄ）酸化バナジウムの電子ビーム堆積は、堆積プロセスの優れた指向性によって、優れた「ダウンインウェル(down-in-well)」カバレッジを有することを証明する可能性がある。
【０１１６】
アレイは、通常、少なくとも１００個のマイクロ流体ウェルを備え、マイクロ流体ウェルはそれぞれ、１または２以上のｃｈｅｍＦＥＴセンサに結合する。好ましくは、ウェルは、ガラス（例えば、ＳｉＯ２）、ポリマー材料、感光性材料、または反応性イオンエッチング可能な薄膜材料の少なくとも１つで形成される。好ましくは、ウェルは、約１：１より小さい幅対高さ比を有する。好ましくは、センサは、電界効果トランジスタであり、より好ましくはｃｈｅｍＦＥＴである。ｃｈｅｍＦＥＴは、任意に、ＰＰｉ受容器に結合されてもよい。好ましくは、ｃｈｅｍＦＥＴはそれぞれ、１０２ミクロン以下であるアレイのエリアを占める。
【０１１７】
一部の実施形態では、本発明は、反応チャンバがその中に形成される、ガラス（例えば、ＳｉＯ２）、ポリマー材料、感光性材料、または反応性イオンエッチング可能材料などの誘電体層に結合した半導体ウェハデバイスを備えるシークエンシングデバイスを包含する。通常、ガラス、誘電体材料、ポリマー材料、感光性材料、または反応性イオンエッチング可能材料は、半導体ウェハ層に一体化される。一部の事例では、ガラス層、ポリマー層、感光性層、または反応性イオンエッチング可能層は非結晶性である。一部の事例では、ガラスはＳｉＯ２であってよい。デバイスは、任意にさらに、ポリマー材料、好ましくは射出成形材料などの適した材料の流体送出モジュールを備えうる。
【０１１８】
一部の実施形態では、本発明は、フォトリソグラフィを使用して、トランジスタのアレイの上部に、ガラス、誘電体材料、感光性材料、または反応性イオンエッチング可能材料内にウェルを生成することを含む、シークエンシングデバイスを製造する方法を包含する。
【０１１９】
アレイ作製のためにＣＭＯＳまたは類似の作製プロセスが使用されるときの、なお別の代替法は、ＣＭＯＳ材料を使用して直接マイクロウェルを形成することである。すなわち、ＩＳＦＥＴアレイの浮遊ゲートを形成するＣＭＯＳ上部金属化層は、通常、約１．３μｍ厚であるパッシベーション層でコーティングされる。１．３μｍの深さのマイクロウェルが、パッシベーション材料をエッチング除去することによって形成されうる。例えば、１：１のアスペクト比、その上部において深さ１．３μｍおよび幅１．３μｍを有するマイクロウェルが形成されてもよい。ウェルサイズが減少するにつれて、実際には、ＤＮＡ濃度、したがって、ＳＮＲが増加することを、モデル化が示す。そのため、他の要因が同一である場合、かかる小さなウェルが望ましいことがわかる可能性がある。
【０１２０】
フローセルおよびフルイディクスシステム
センサアレイを使用するための完全なシステムは、用途に応じて、適した流体源、バルビング、および、マイクロアレイまたはセンサアレイ上の低い試薬および洗浄液に対してバルビングを動作させるコントローラを含むであろう。これらの要素は、既製のコンポーネントから容易に組み立られ、コントローラは、所望の実験を実施するために容易にプログラムできる。
【０１２１】
ｃｈｅｍＦＥＴにおける読出し情報は、電流または電圧（およびその変化）であってよいこと、また、いずれの読出し情報に対する任意の特定の参照は、簡潔であることを目的とし、他の読出し情報の排除を意図するものではないことが理解されるべきである。したがって、ｃｈｅｍＦＥＴにおける電流検出または電圧検出に対する以下のテキストでの任意の参照は、他の読出し情報を想定し、他の読出し情報にも同様に適用されることが理解されるべきである。重要な実施形態では、読出しは、分析物濃度の急速で一過性の変化を反映する。２つ以上の分析物の濃度は、異なる時間に検出されてもよい。一部の事例では、かかる測定は、定常状態濃度測定に重点を置く方法と対照をなす。
【０１２２】
サンプル中のＤＮＡのシークエンシングを行うために、マイクロウェルのアレイと組み合わせて、チップ上のセンサアレイの組立体（assembly）を使用するプロセスは、「実験(experiment)」と呼ばれる。実験を実行することは、ウェルにＤＮＡ結合ビーズをロードすること、および、ウェルにわたっていくつかの異なる流体溶液（すなわち、試薬および洗浄液）を流すことを必要とする。流体インタフェースに結合する液体送出システム（例えば、弁、導管、１または２以上の圧力源など）が必要とされ、液体送出システムは、死容積および逐次溶液（sequential solutions）間の相互汚染が許容可能なほどに小さい状態で、制御された均一流でウェルにわたって種々の溶液を流す。理想的には、チップに対する流体インタフェース（「フローセル(flow cell)」と呼ばれることがある）は、流体が全てのマイクロセルに同時に達するようにさせる。アレイ速度を最大にするために、同じ時間のできる限り近くでアレイ出力が利用可能であることが必要である。理想は、明らかに可能でないが、アレイからの全ての信号の総合取得速度を最大にするために、種々のウェルにおいて、導入される流体の到着時間の差またはスキューを最小にすることが望ましい。
【０１２３】
多くの構成のフローセル設計が可能であり、したがって、本明細書で提示するシステムおよび方法は、特定のフローセル構成の使用に依存しない。しかし、適したフローセルは、以下の一連の目的に実質的に適合する。目的とは、
・フルイディクス送出システムと相互接続するのに適した接続を有すること−例えば、適切なサイズにされた配管による、
・ウェルの上に適切なヘッドスペースを有すること、
・流体が遭遇する死容積を最小にすること、
・（相互汚染を最小化するために）液体に接触するが、フローセルを通る洗浄流体流によって迅速に押し流されない小さな空間を最小にすること、
・ウェルにわたる流れの均一な通過時間を達成するように構成されること、
・ウェルにわたる流れの中で最小の気泡を生成するかまたは伝搬させること、
・フローチャンバ内部にまたはフローチャンバのできる限り近くに、取外し可能な参照電極を配置するようになっていること、
・ビーズの容易なローディングを容易にすること、
・許容可能なコストで製造可能であること、および、
・容易に、組立てられ、チップパッケージに取付けられること
である。
【０１２４】
これらの基準をできる限り満たすことは、システム性能にポジティブに寄与することになる。例えば、気泡の最小化は、アレイからの信号が、スプリアスノイズであるのではなく、ウェル内の反応を真に示すために重要である。
【０１２５】
異なる方法でまた異なる程度にこれらの基準を満たすいくつかの例示的な設計がそれぞれ論じられる。各事例において、典型的には、２つの方法の一方で設計を実施することを選択することができる。２つの方法とは、フローセルをフレームに取り付け、チップにフレームを接着する（またはその他の方法でフレーム取り付ける）ことによる方法、または、フレームをフローセル構造内に一体化し、この統合型組立体をチップに取り付けることによる方法である。さらに、設計は、参照電極が配置構成内に一体化される方法によって分類されてもよい。設計に応じて、参照電極は、フローセル内に一体化されてもよく（例えば、フローチャンバの天井の一部を形成してもよく）、または流路内に（通常、センサアレイ後の、流路の出口または下流側に）存在してもよい。
【０１２６】
かかる流体インタフェースを組み込む、適した実験装置３４１０の例が、図９に示され、その製造および構成が、以下でさらに詳細に論じられる。装置は、その上またはその中にウェルおよびセンサのアレイが形成される半導体チップ３４１２（隠れているが、全体的に示される）、および、チップの上部にあり、読取りのためにチップにサンプルを送出するフルイディクス組立体３４１４を備える。フルイディクス組立体は、サンプルを含む流体を導入する部分３４１６、流体が管によって排出されることを可能にする部分３４１８、および流体が入口から出口まで流れ、その途中でウェル内の材料と相互作用することを可能にするフローチャンバ部分３４２０を含む。これら３つの部分は、ガラススライド３４２２（例えば、３分の１に切断され、それぞれが約２５ｍｍ×２５ｍｍのサイズであるＥｒｉｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ（ニューハンプシャー州ポーツマス(Portsmouth, NH）所在)からのＥｒｉｅ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ｃａｔ ＃Ｃ２２−５１２８−Ｍ２０）を備えるインタフェースにより統合される。
【０１２７】
ガラススライドの上部面には、ワシントン州オークハーバ(Oak Harbor, WA)のＵｐｃｈｕｒｃｈ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃからのナノポート取付け具Ｐａｒｔ ＃ ｎ−３３３などの２つの取付け具３４２４および３４２６が搭載される。１つのポート（例えば３４２４）は、以下で述べるがここでは図示されないポンピング／バルビングシステムから液体を送出する入口として役立つ。第２のポート（例えば３４２６）は、液体を管で流して廃棄する出口である。各ポートは、適切な内径の可撓性の配管などの導管３４２８、３４３２に接続される。ナノポートは、配管がガラススライドの対応する穴を貫通できるように搭載される。管の開口部は、スライドの底部表面と同一平面上にあるべきである。
【０１２８】
ガラススライドの底部において、フローチャンバ３４２０は、マイクロウェルアレイにわたって実質的に層状の流れを促進する種々の構造を備えてもよい。例えば、フローチャンバの入口管から縁部までファンアウトする一連のマイクロ流体チャネルは、マサチューセッツ州ニュートン(Newton, MA)のＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ．からのＳＵ−８フォトレジストなどのポジ型フォトレジストを使用する接触リソグラフィによってパターニングされてもよい。他の構造が、以下で論じられる。
【０１２９】
チップ３４１２は、次に、パッケージングおよびコネクタピン３４３２への接続のために、キャリア３４３０に搭載される。
【０１３０】
一様なフローフロントを達成し、問題となる流路エリアをなくすことは、いくつかの理由で望ましい。１つの理由は、システムのフローセル内での流体インタフェースの非常に速い遷移が、多くの用途、特に遺伝子シークエンシングについて望ましいことである。換言すれば、入って来る流体は、短期間で以前の流体を完全に置換しなければならない。フローセル内の不均等な流体速度および拡散ならびに問題となる流路は、この要件と競合しうる。長方形断面の導管を通る単純なフローは、フロー容積の中心に近い領域から側壁に隣接する領域まで、流体速度のかなりの相違を示す可能性があり、１つの側壁は、マイクロウェル層およびウェル内の流体の上部表面である。かかる相違は、移動する２つの流体間に空間的および時間的な大きな濃度勾配をもたらす。さらに、気泡は、フローセル内部の鋭い角部のような停滞したエリア内にトラップされるかまたはそこで生成される可能性がある。（表面エネルギー（親水性対疎水性）は、気泡保持に著しく影響を及ぼしうる。成形時の表面が、疎水性が強過ぎる場合、処理中の表面汚染の回避およびより親水性の強い表面を生成するための表面処理の使用が考えられるべきである。）もちろん、フローチャンバの物理的配置構成は、おそらく、フローフロントについて達成可能な一様性の程度に最も影響を及ぼす要因である。
【０１３１】
全ての場合に、試薬サイクルと試薬サイクルとの間に、マイクロウェルと共に、フローチャンバ全体の完全な洗浄を保証することに対して注意が払われるべきである。流れの乱れは、フローチャンバを完全にクリーニングするという難題を悪化させる可能性がある。
【０１３２】
流れの乱れはまた、流体中で気泡を誘発するかまたは倍増させる可能性がある。気泡は、流体がマイクロウェルに達するのを妨げるか、または、マイクロウェルへの流体の導入を遅延させる可能性があり、マイクロウェルの読取りにエラーをもたらすか、または、アレイからの出力の処理時にそのマイクロウェルからの出力を使い物にならなくさせる。そのため、考えられる有害な要因を管理するために、流れかく乱要素についての構成および寸法を選択するときに注意が払われるべきである。例えば、かく乱要素の高さと所望される速度プロファイル変化との間にトレードオフが行われてもよい。
【０１３３】
フローセルは、他所で述べたように、多くの異なる材料から作製されてもよい。射出成形されるポリカーボネートは、極めて適しているようである。導電性金属（例えば金）は、フローセル屋根の下側（フローチャンバの天井）に接着層（例えばクロム）を使用して堆積されてもよい。材料（例えばポリカーボネート）および流体セルの底部側における大きな段差被覆トポグラフィ（すなわちＩＳＦＥＴアレイのフレーム包囲部）のため、適切な低温薄膜堆積技法が、好ましくは金属参照電極の堆積において使用される。考えられる１つの手法は、遊星システムにおいて電子ビーム蒸着を使用することであると思われる。
【０１３４】
組立体が完成すると−導電性エポキシ（例えばＥｐｏ−Ｔｅｋ Ｈ２０Ｅなど）が、シールリング上に分注され、フローセルが整列され、配置され、圧迫され、硬化されてもよい−ＩＳＦＥＴフローセルは、パッケージの割り当てられたピンに参照電位が印加されることによって、いつでも動作できる状態になる。
【０１３５】
一部の実施形態では、本発明は、層状の流体流システムを備える、ｐＨの検出装置を包含する。好ましくは、装置は、アレイ内に存在する複数の核酸テンプレートのシークエンシングを行うために使用される。
【０１３６】
装置は、通常、流体がマイクロ流体反応チャンバの全てに同時にまたは実質的に同時に達するように、少なくとも１００Ｋ（１０万）、５００Ｋ（５０万）、または１Ｍ（１００万）のマイクロ流体反応チャンバのアレイに流体流を非機械的に誘導する１または２以上の開口部を備える膜を含むフルイディクス組立体を含む。通常、流体流は、センサ表面に平行である。通常、組立体は、１０００、５００、２００、１００、５０、２０、または１０未満のレイノルズ数を有する。好ましくは、膜はさらに、センサアレイに向かって流体を誘導する第１の開口部およびセンサアレイから遠くに流体を誘導する第２の開口部を備える。
【０１３７】
一部の実施形態では、本発明は、センサアレイに流体を誘導する方法を包含し、該方法は、流体源をセンサアレイに流体的に結合する開口部を備えるフルイディクス組立体を設けること、および、センサアレイに流体を非機械的に誘導することを含む。「非機械的に(non-mechanically)」は、機械式ポンプと対照的に、気体圧力源からの圧力下で流体が移動することを意味する。
【０１３８】
一部の実施形態では、本発明は、ウェルのアレイを包含し、そのそれぞれは、入口ポートおよび出口ポートならびに前記入口および出口ポートから流体を非機械的に送出し除去する流体送出システムを有する蓋に結合する。
【０１３９】
一部の実施形態では、本発明は、上述した装置を利用して、核酸などの生物学的ポリマーのシークエンシングを行う方法を包含し、該方法は、反応チャンバのアレイにモノマーを含む流体を誘導することを含み、流体は最大で２０００、１０００、２００、１００、５０、または２０の流体流レイノルズ数を有する。該方法は、任意にさらに、各前記反応チャンバからｐＨまたはｐＨの変化を検出することを含んでもよい。これは、通常、センサ表面へのイオン拡散によって検出される。マイクロウェルおよびセンサアレイ組立体にわたって適切な流体流を送出するフルイディクス組立体を設ける種々の他の方法が存在し、したがって、先の例は、網羅的であることを意図しない。
【０１４０】
ｐＨベース核酸シークエンシング
本発明の装置は、核酸取込みによって放出される水素イオンを検出するように適合していてもよく、その検出プロセスは、Ｒｏｔｈｂｅｒｇ等の米国特許公報第２００９／００２６０８２号および第２００９／０１２７５８９号においてＤＮＡシークエンシング法として開示される。これらの、および種々の他の態様において、できる限り高い信号（および／または信号対雑音比）を達成するために、できる限り多くの放出水素イオンを検出することが重要である。ｃｈｅｍＦＥＴ表面によって最終的に検出される放出陽子の数を増加させる方策は、とりわけ、ウェル内で反応基との放出陽子の相互作用を制限すること、陽子に対して比較的不活性である、ウェルを製造する材料を最初に選択すること、ｃｈｅｍＦＥＴで検出される前に放出陽子がウェルを出ることを防止すること、および（各ヌクレオチド取込みからの信号を増幅するために）ウェル当たりのテンプレートのコピー数を増加させることを含むが、それに限定されない。
【０１４１】
一態様において、本発明は、水素イオン変化（またはｐＨ変化）をより正確にモニタリングおよび／または測定するための、緩衝能力が低減したアレイおよびデバイスを提供する。例として、本発明は、緩衝能力が全くないかまたは制限された環境でポリメラーゼ伸長反応におけるｐＨ変化をモニタリングする装置およびデバイスを提供する。低い緩衝環境の例は、サンプル流体および／または反応混合物内でｐＨ緩衝成分を欠く環境、サンプル流体および／または反応混合物に接触するアレイ成分の表面が、緩衝能力をほとんど持たないかまたは全く持たない環境、および、本明細書で述べるように、０．０１、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、または１．０ｐＨ単位のオーダーのｐＨ変化が、例えばｃｈｅｍＦＥＴ、より詳細にはＩＳＦＥＴによって検出可能である環境を含む。
【０１４２】
緩衝抑制剤はまた、リン脂質であってもよい。リン脂質は、天然に存在するリン脂質であっても、天然に存在しないリン脂質であってもよい。緩衝抑制剤として使用されるリン脂質は、ホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルグリセロール、およびホスファチジルセリンを含むが、それに限定されない。一部の実施形態では、リン脂質は、ｃｈｅｍＦＥＴ表面（または反応チャンバ表面）上にコーティングされてもよい。かかるコーティングは、共有結合性であっても、非共有結合性であってもよい。他の実施形態では、リン脂質は液内に存在する。
【０１４３】
本発明の一部の事例は、たとえ緩衝されていたとしても、最小限に緩衝された反応溶液を含む環境を使用する。緩衝は、溶液の成分によって、または、かかる溶液と接触する固体支持体によって提供されうる。緩衝能力（または活性）が全くないかまたは低い溶液は、少なくとも約＋／−０．００５ｐＨ単位、少なくとも約＋／−０．０１、少なくとも約＋／−０．０１５、少なくとも約＋／−０．０２、少なくとも約＋／−０．０３、少なくとも約＋／−０．０４、少なくとも約＋／−０．０５、少なくとも約＋／−０．１０、少なくとも約＋／−０．１５、少なくとも約＋／−０．２０、少なくとも約＋／−０．２５、少なくとも約＋／−０．３０、少なくとも約＋／−０．３５、少なくとも約＋／−０．４５、少なくとも約＋／−０．５０、またはそれより大きな値のオーダーの水素イオン濃度の変化が、（例えば、本明細書で述べるｃｈｅｍＦＥＴセンサを使用して）検出可能である溶液である。一部の実施形態では、１ヌクレオチド取込み当たりのｐＨ変化は、約０．００５のオーダーである。一部の実施形態では、１ヌクレオチド取込み当たりのｐＨ変化は、ｐＨの減少である。緩衝能力が全くないかまたは低い反応溶液は、緩衝液を全く含まないか、緩衝液の濃度が非常に低いか、または、弱い緩衝液を使用する可能性がある。
【０１４４】
コンカテマー化テンプレート
テンプレートまたはプライマーの数（すなわちコピー数）の増加は、センサ当たりの、かつ／または、反応チャンバ当たりのより多くの数のヌクレオチド取込みをもたらし、それにより、より高い信号、したがって、より高い信号対雑音比がもたらされる。コピー数は、とりわけ、例えば、コンカテマー（すなわち、シークエンシングされる核酸の、複数のタンデムに配置されたコピーを含む核酸）であるテンプレートを使用することによって、ビーズ上のまたはビーズ内の核酸の数を、かかるビーズが飽和するまで増加させることによって、また、立体障害を減少させ、かつ／または、（例えば、テンプレートを共有結合で付着させることによる）テンプレート付着を保証する方法で、ビーズまたはセンサ表面にテンプレートまたはプライマーを付着させることによって増加させることができる。コンカテマーテンプレートは、ビーズ上でまたはビーズ内で、あるいは、センサ表面などの他の固体支持体上で不動化されてもよいが、一部の実施形態では、コンカテマーテンプレートは、不動化なしで反応チャンバ内に存在してもよい。例えば、テンプレート（または、テンプレートおよびプライマーを含む複合体）は、ｃｈｅｍＦＥＴ表面に共有結合でまたは非共有結合で付着されてもよく、そのシークエンシングは、放出水素イオンの検出、および／または、ヌクレオチオド取込み事象によるｃｈｅｍＦＥＴ表面への負電荷の付加を含んでもよい。後者の検出スキームは、緩衝環境または緩衝溶液内で実施されてもよい（すなわち、ｐＨの変化は、ｃｈｅｍＦＥＴによって全く検出されず、したがって、かかる変化は、ｃｈｅｍＦＥＴ表面への負電荷付加の検出に干渉しないであろう）。
【０１４５】
ＲＣＡまたはＣＣＲ増幅法は、何十、何百、何千、またはそれより多いタンデムに配列されたテンプレートのコピーを含むテンプレート核酸のコンカテマーを生成する。かかるコンカテマーは、依然として本明細書でテンプレート核酸と呼ばれてもよいが、スターティングテンプレート核酸の複数のコピーを含んでもよい。一部の実施形態では、かかるコンカテマーはまた、増幅されたテンプレート核酸と呼ばれてもよい。あるいは、それらは、標的核酸フラグメントの複数のコピーを含むものとして本明細書で言及されてもよい。コンカテマーは、スターティング核酸の、２つの、３つの、４つの、５つの、６つの、７つの、８つの、９つの、１０の、２０の、３０の、４０の、５０の、６０の、７０の、８０の、９０の、１００の、５００の、１０００の、またはそれより多いコピーを含んでもよい。コンカテマーは、スターティング核酸の、１０〜１０２の、１０２〜１０３の、１０３〜１０４の、１０３〜１０５の、またはそれより多いコピーを含んでもよい。これらのまた他の方法（例えばＤＮＡナノボールなど）を使用して生成されるコンカテマーは、本明細書で述べる合成によるシークエンシングで使用されうる。コンカテマーは、アレイとは別にインビトロで生成され、その後、アレイの反応チャンバ内に配置されてもよく、または、コンカテマーは、反応チャンバ内で生成されてもよい。反応チャンバの１または２以上の内側壁は、コンカテマーの付着および保持を増大させるために処理されてもよいが、これは必要とされない。本発明の一部の実施形態では、コンカテマーが、ｃｈｅｍＦＥＴ表面などの反応チャンバの内部壁に付着する場合、本明細書で論じた放出水素イオンの検出の代替法としてまたはそれに加えて、ヌクレオチド取込みは、少なくとも合成によるシークエンシング反応において、ｃｈｅｍＦＥＴ表面における電荷の変化によって検出されてもよい。コンカテマーがｃｈｅｍＦＥＴ表面上にかつ／または反応チャンバ内に堆積される場合、合成によるシークエンシングは、本明細書で論じた放出水素イオンの検出を通して起こりうる。本発明は、コンカテマー化テンプレートを生成する他の手法の使用を包含する。１つのかかる手法は、米国特許第５８３４２５２号でＳｔｅｍｍｅｒ他によって述べられるＰＣＲであり、この手法の説明は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４６】
本発明の重要な態様は、複数の異なるテンプレート核酸のシークエンシングを同時に行うことを想定する。これは、本明細書で述べるセンサアレイを使用して達成することができる。一実施形態では、１マイクロウェル当たり少なくとも１つのセンサが存在するという条件で、センサアレイは、マイクロウェル（あるいは、これらの用語が交換可能に使用されるため、反応チャンバまたはウェル）で覆われる（かつ／または、それと一体化される）。複数のマイクロウェル内には、テンプレート核酸の同一コピーの集合体が存在する。いずれか２つのマイクロウェルが同一のテンプレート核酸を保持する必要性はないが、一部の事例では、かかるテンプレートは、オーバラップシークエンスを共有してもよい。そのため、各マイクロウェルは、テンプレート核酸の複数の同一コピーを含み、マイクロウェル間のテンプレートが異なってもよい。
【０１４７】
したがって、本発明は、光学検出なしで、任意に非標識ヌクレオチドを使用して、非標識核酸のシークエンシングを行い、少なくとも１００の反応チャンバのアレイを備えるシークエンシング装置を想定することが理解される。一部の実施形態では、アレイは、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、またはそれより多い反応チャンバを備える。ピッチ（または、隣接する反応チャンバ間の中心間距離）は、１〜９ミクロン、１〜８ミクロン、１〜７ミクロン、１〜６ミクロン、１〜５ミクロン、１〜４ミクロン、１〜３ミクロン、または１〜２ミクロンを含む約１〜１０ミクロンのオーダーである。
【０１４８】
本発明の種々の態様および実施形態において、それの何十、何百、何千、またはそれより多い数が存在する可能性がある核酸負荷ビーズは、まずフローセルに入り、次に、個々のビーズが個々のウェルに入る。ビーズは、受動的にまたはその他の方法でウェルに入ってよい。例えば、ビーズは、外部力を加えられることなく重量によってウェルに入ってもよい。ビーズは、限定はしないが磁気力または遠心力を含む外部力を加えることによってウェルに入ってもよい。一部の実施形態では、目的が、できる限り多くのビーズを「捕捉する(capture)」ことであるため、外部力は、加えられる場合、ウェルの高さ／深さを横切るのではなく、ウェルの高さ／深さに平行である方向に加えられる。好ましくは、ウェル（または、ウェルアレイ）は、例えばウェルの高さ／深さに垂直である外部力が加えられることによって起こるように、撹拌されない。さらに、ウェルは、一度そのようにロードされると、ビーズをウェルから除去しうる任意の他の力を受けない。
【０１４９】
例は、磁気ビーズにおける例示的なビーズローディングプロトコルの簡潔な説明を提供する。他のビーズタイプをロードするために、類似の手法が使用されうることが理解される。プロトコルは、フローチャンバのウェル内への空気のトラップの可能性または発生率を減少させ、フローチャンバのウェルの全体の中に核酸負荷ビーズを一様に分配し、フローチャンバ内での過剰のビーズの存在および／または蓄積を回避することを立証した。
【０１５０】
種々の事例において、本発明は、フローチャンバ内の各ウェルが１つの核酸負荷ビーズだけを含むことを想定する。これは、１ウェル当たり２つのビーズの存在が、２つの異なるテンプレート核酸に由来する使用できないシークエンシング情報をもたらすことになるからである。
【０１５１】
シークエンシング反応の一部として、ｄＮＴＰは、その相補的なヌクレオチドがテンプレート核酸上の同じ場所に存在する場合、新しく合成されたストランドの３’末端（または、最初に取り込まれるｄＮＴＰの場合、シークエンシングプライマーの３’末端）に結合される（または、本明細書で用いる場合「取り込まれる(incorporated into)」）ことになる。したがって、導入されたｄＮＴＰの取込み（およびＰＰｉの付随的放出）は、テンプレート核酸内の対応するヌクレオチドの同一性（identity）を示す。ｄＮＴＰが取込まれない場合、水素は放出されず、ｃｈｅｍＦＥＴ表面において信号は検出されない。したがって、相補的ヌクレオチドがその場所のテンプレート内に存在しなかったことを結論付けることができる。導入されたｄＮＴＰが新しく合成されたストランドに取り込まれた場合、ｃｈｅｍＦＥＴは信号を検出することになる。信号強度および／または曲線下面積は、取り込まれたヌクレオチドの数の関数である（例えば、テンプレート内のホモポリマーストレッチで起こる可能性がある）。結果として、配列情報は、テンプレート内のホモポリマーストレッチ（例えば、ポリＡ、ポリＴ、ポリＣ、またはポリＧ）のシークエンシングを通して失われない。
【０１５２】
例１
ＩＳＦＥＴアレイ上のｐＨシフトによって検出されるオンチップポリメラーゼ伸長
シークエンシングプライマーおよびＴ４ ＤＮＡポリメラーゼが結合されるビオチン化合成テンプレートを担持するストレプトアビジン被覆２．８ミクロンビーズを、４つのヌクレオチドのそれぞれの３つの逐次的なフローに供した。各ヌクレオチドサイクルは、ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、およびｄＴＴＰのフローからなり、それぞれの間に、緩衝液のみの洗浄流を流した。第１のサイクルからのフローは青で示され、第２のサイクルからのフローは赤で示され、第３のサイクルからのフローは黄で示される。図１０Ａに示すように、２つのｄＡＴＰフローの両方について生成される信号は、非常によく似ていた。図１０Ｂは、ｄＣＴＰの第１（青）のトレースが、後続のサイクルからのｄＣＴＰフローより高く、ポリメラーゼが、１テンプレート分子当たり単一のヌクレオチドを取り込ませたであろうフローに対応することを示す。図１０Ｃは、ｄＧＴＰの第１（青）のトレースが、後続のサイクルからのｄＧＴＰフローより約６カウント高く（ピーク−ピーク）、ポリメラーゼが、１テンプレート分子当たり１０のヌクレオチドのストリングを取込むべきであるフローに対応することを示す。図１０Ｄは、ｄＴＴＰの第１（青）のトレースが、後続のサイクルからのｄＴＴＰフローより同様に約６カウント高く（ピーク−ピーク）、ポリメラーゼが、１テンプレート分子当たり１０ヌクレオチドのストリングを取り込ませたであろうフローに対応することを示す。
【０１５３】
例２
閉じたシステムにおけるシークエンシングおよびデータ操作
配列は、２３ｍｅｒの合成オリゴヌクレオチドおよび２５ｍｅｒのＰＣＲ産物オリゴヌクレオチドから得た。オリゴヌクレオチドは、ビーズに付着され、ビーズは、その後、５．１ミクロンピッチを有する１３４８×１１５２のアレイで１５５万のセンサ（３８４００センサ／ｍｍ２）を有するチップ上の個々のウェル内にロードされた。１ビーズ当たり合成オリゴヌクレオチドの約百万のコピーが負荷され、１ビーズ当たりＰＣＲ産物の約３０００００〜６０００００のコピー負荷された。アレイを通しかつアレイにわたる４ヌクレオチドのサイクルは、２分の長さであった。ヌクレオチオドは、それぞれ５０マイクロモルの濃度で使用した。ポリメラーゼは、当該プロセスで使用した唯一の酵素であった。データは、３２フレーム／秒で収集した。
【０１５４】
図１１Ａは、合成オリゴヌクレオチドについてＩＳＦＥＴから直接測定された未加工（raw）データを示す。１ミリボルトは６８カウントに匹敵する。データは、１秒当たり多数回、チップ上の各センサ（３１４チップ上の１５５０２００センサ）でサンプリングされた。図は、各ヌクレオチドフローについて色分けされている。各ヌクレオチドフローについて、数秒のイメージングが起こる。グラフは、各フロー中に行われた個々の測定の連続（concatenation）を示す。Ｙ軸は未加工カウント表示であり、Ｘ軸は秒表示である。Ｘ軸の真上に重ね合せて示したのは、各フローにおける予想される取込みである。
【０１５５】
図１１Ｂは、シークエンシングが行われるテンプレートに対して正規化された、各ヌクレオチドフローについての積分値を示す。積分値は、図１１Ａに示す未加工トレース測定値から得られ、積分限界は、信号対雑音比を最大にするように選択された。結果は、ベース取込み当たりの信号に対して正規化され、ヌクレオチドフローごとにグラフ化された。Ｙ軸は取込み数であり、Ｘ軸は、ＴＡＣＧの順で行われるヌクレオチドフロー番号である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路支持基材内に化学電界効果トランジスタアレイを備える装置であって、前記トランジスタアレイは、その表面上に、サンプル流体からの化学的または生物学的サンプルを保持することが可能なサンプル保持領域を配設されており、前記トランジスタアレイは、１０μｍ以下のピッチを有し、各サンプル保持領域は、前記サンプル保持領域における化学的または生物学的サンプルの特性に関連する少なくとも１つの出力信号を生成するように構成される少なくとも１つの化学電界効果トランジスタ上に配置される、前記装置。
【請求項２】
化学的または生物学的サンプルの特性が、帯電した種の濃度であり、化学電界効果トランジスタがそれぞれ、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、サンプル流体に接触し、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
誘電体層の厚さが、１〜１０００ナノメートルである、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
誘電体層が金属酸化物を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化錫、および酸化第二錫からなる群から選択される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
誘電体層が、サンプル流体と流体接触状態にある電荷感応性層と、前記電荷感応性層を浮遊ゲートに接合するために前記浮遊ゲート上に配設された接着層とからなる２層を備える、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
電荷感応性層が酸化タンタルであり、接着層が二酸化アルミニウムである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、化学的または生物学的サンプルを収容することが可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
マイクロウェルのアレイは、化学電界効果トランジスタアレイに密閉的に付着したフローセルによって閉囲され、前記フローセルは、前記マイクロウェルに試薬を送出するように構成され、前記フローセルは、入口、出口を有し、前記アレイとともに前記試薬用の流路を画定するチャンバを形成し、それにより、各マイクロウェルは前記チャンバに流体連通する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
チャンバが、マイクロウェルのそれぞれにおいて実質的に等しい試薬の流量を提供するように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記回路支持基材が、少なくとも１フレーム／秒のレートで化学電界効果トランジスタから出力信号のサンプルを受信するための、前記化学電界効果トランジスタアレイに結合された制御回路要素をさらに含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
集積センサアレイであって、
回路支持基材内に形成された複数のセンサを備え、各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、前記センサは、１００センサ／ｍｍ２より大きい密度の、２５６個より多いセンサの平面アレイであり、前記アレイの各センサは、前記センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、前記アレイの各センサについて実質的に同じである、前記集積センサアレイ。
【請求項１４】
回路支持基材内に複数のサンプル保持領域をさらに含み、各サンプル保持領域は、前記センサの少なくとも１つの上にありかつ前記センサの少なくとも１つに動作可能に連結される、請求項１３に記載の集積センサアレイ。
【請求項１５】
濃度が、帯電した種の濃度を含み、化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、前記誘電体層に隣接する、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項１４に記載の集積センサアレイ。
【請求項１６】
誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項１５に記載の集積センサアレイ。
【請求項１７】
誘電体層の厚さが、１〜１０００ナノメートルである、請求項１６に記載の集積センサアレイ。
【請求項１８】
誘電体層が金属酸化物を含む、請求項１７に記載の集積センサアレイ。
【請求項１９】
金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化錫、および酸化第二錫からなる群から選択される、請求項１８に記載の集積センサアレイ。
【請求項２０】
誘電体層が、サンプル流体と流体接触状態にある電荷感応性層と、前記電荷感応性層を浮遊ゲートに接合するために前記浮遊ゲート上に配設された接着層とからなる２層を備える、請求項１６に記載の集積センサアレイ。
【請求項２１】
電荷感応性層が酸化タンタルであり、接着層が二酸化アルミニウムである、請求項２０に記載の集積センサアレイ。
【請求項２２】
サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、化学的または生物学的サンプルを収容することが可能である、請求項１４に記載の集積センサアレイ。
【請求項２３】
マイクロウェルのアレイが、化学電界効果トランジスタアレイに密閉的に付着したフローセルによって閉囲され、前記フローセルは、前記マイクロウェルに試薬を送出するように構成され、前記フローセルは、入口、出口、および前記試薬用の流路を画定する内部を有し、それにより、各マイクロウェルは前記フローセルの前記内部に流体連通する、請求項２２に記載の集積センサアレイ。
【請求項２４】
フローセルの内部が、マイクロウェルのそれぞれにおいて実質的に等しい試薬の流量を提供するように構成される、請求項２３に記載の集積センサアレイ。
【請求項２５】
単一チップ化学アッセイデバイスであって、
回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、前記アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、前記アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、
前記回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、各サンプル保持領域が少なくとも１つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、
少なくとも１フレーム／秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから前記出力信号のサンプルを受信するための、前記センサアレイに結合した前記回路支持基材内の制御回路要素とを備えるアッセイデバイス。
【請求項２６】
濃度が、帯電した種の濃度を含み、化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、前記誘電体層に隣接する、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項２５に記載のアッセイデバイス。
【請求項２７】
誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項２６に記載のアッセイデバイス。
【請求項２８】
誘電体層の厚さが、金属酸化物を含み、１〜１０００ナノメートルである、請求項２７に記載のアッセイデバイス。
【請求項２９】
誘電体層が、サンプル流体と流体接触状態にある電荷感応性層と、前記電荷感応性層を浮遊ゲートに接合するために前記浮遊ゲート上に配設された接着層とからなる２層を備える、請求項２８に記載のアッセイデバイス。
【請求項３０】
電荷感応性層が酸化タンタルであり、接着層が二酸化アルミニウムである、請求項２９に記載のアッセイデバイス。
【請求項３１】
サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、化学的または生物学的サンプルを収容することが可能である、請求項３０に記載のアッセイデバイス。
【請求項３２】
単一チップ核酸アッセイデバイスであって、
回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、前記アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、前記アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、
前記回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、各サンプル保持領域が少なくとも１つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、
前記サンプル保持領域上に配設された粒子固体支持体であって、各粒子固体支持体が、粒子固体支持体に付着したコンカテマー化テンプレートを有する、粒子固体支持体と、
少なくとも１フレーム／秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから前記出力信号のサンプルを受信するための、前記センサアレイに結合した前記回路支持基材内の制御回路要素とを備えるアッセイデバイス。
【請求項３３】
濃度が、コンカテマー化テンプレートの特性に関連する帯電した種の濃度を含み、化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、前記誘電体層に隣接する、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項３２に記載のアッセイデバイス。
【請求項３４】
誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項３３に記載のアッセイデバイス。
【請求項３５】
誘電体層の厚さが、金属酸化物を含み、１〜１０００ナノメートルである、請求項３４に記載のアッセイデバイス。
【請求項３６】
サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、粒子固体支持体を収容することが可能である、請求項３５に記載のアッセイデバイス。
【請求項１】
回路支持基材内に化学電界効果トランジスタアレイを備える装置であって、前記トランジスタアレイは、その表面上に、サンプル流体からの化学的または生物学的サンプルを保持することが可能なサンプル保持領域を配設されており、前記トランジスタアレイは、１０μｍ以下のピッチを有し、各サンプル保持領域は、前記サンプル保持領域における化学的または生物学的サンプルの特性に関連する少なくとも１つの出力信号を生成するように構成される少なくとも１つの化学電界効果トランジスタ上に配置される、前記装置。
【請求項２】
化学的または生物学的サンプルの特性が、帯電した種の濃度であり、化学電界効果トランジスタがそれぞれ、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、サンプル流体に接触し、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
誘電体層の厚さが、１〜１０００ナノメートルである、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
誘電体層が金属酸化物を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化錫、および酸化第二錫からなる群から選択される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
誘電体層が、サンプル流体と流体接触状態にある電荷感応性層と、前記電荷感応性層を浮遊ゲートに接合するために前記浮遊ゲート上に配設された接着層とからなる２層を備える、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
電荷感応性層が酸化タンタルであり、接着層が二酸化アルミニウムである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、化学的または生物学的サンプルを収容することが可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
マイクロウェルのアレイは、化学電界効果トランジスタアレイに密閉的に付着したフローセルによって閉囲され、前記フローセルは、前記マイクロウェルに試薬を送出するように構成され、前記フローセルは、入口、出口を有し、前記アレイとともに前記試薬用の流路を画定するチャンバを形成し、それにより、各マイクロウェルは前記チャンバに流体連通する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
チャンバが、マイクロウェルのそれぞれにおいて実質的に等しい試薬の流量を提供するように構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記回路支持基材が、少なくとも１フレーム／秒のレートで化学電界効果トランジスタから出力信号のサンプルを受信するための、前記化学電界効果トランジスタアレイに結合された制御回路要素をさらに含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
集積センサアレイであって、
回路支持基材内に形成された複数のセンサを備え、各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、前記センサは、１００センサ／ｍｍ２より大きい密度の、２５６個より多いセンサの平面アレイであり、前記アレイの各センサは、前記センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、前記アレイの各センサについて実質的に同じである、前記集積センサアレイ。
【請求項１４】
回路支持基材内に複数のサンプル保持領域をさらに含み、各サンプル保持領域は、前記センサの少なくとも１つの上にありかつ前記センサの少なくとも１つに動作可能に連結される、請求項１３に記載の集積センサアレイ。
【請求項１５】
濃度が、帯電した種の濃度を含み、化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、前記誘電体層に隣接する、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項１４に記載の集積センサアレイ。
【請求項１６】
誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項１５に記載の集積センサアレイ。
【請求項１７】
誘電体層の厚さが、１〜１０００ナノメートルである、請求項１６に記載の集積センサアレイ。
【請求項１８】
誘電体層が金属酸化物を含む、請求項１７に記載の集積センサアレイ。
【請求項１９】
金属酸化物が、酸化アルミニウム、酸化タンタル、窒化シリコン、酸窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化錫、および酸化第二錫からなる群から選択される、請求項１８に記載の集積センサアレイ。
【請求項２０】
誘電体層が、サンプル流体と流体接触状態にある電荷感応性層と、前記電荷感応性層を浮遊ゲートに接合するために前記浮遊ゲート上に配設された接着層とからなる２層を備える、請求項１６に記載の集積センサアレイ。
【請求項２１】
電荷感応性層が酸化タンタルであり、接着層が二酸化アルミニウムである、請求項２０に記載の集積センサアレイ。
【請求項２２】
サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、化学的または生物学的サンプルを収容することが可能である、請求項１４に記載の集積センサアレイ。
【請求項２３】
マイクロウェルのアレイが、化学電界効果トランジスタアレイに密閉的に付着したフローセルによって閉囲され、前記フローセルは、前記マイクロウェルに試薬を送出するように構成され、前記フローセルは、入口、出口、および前記試薬用の流路を画定する内部を有し、それにより、各マイクロウェルは前記フローセルの前記内部に流体連通する、請求項２２に記載の集積センサアレイ。
【請求項２４】
フローセルの内部が、マイクロウェルのそれぞれにおいて実質的に等しい試薬の流量を提供するように構成される、請求項２３に記載の集積センサアレイ。
【請求項２５】
単一チップ化学アッセイデバイスであって、
回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、前記アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、前記アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、
前記回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、各サンプル保持領域が少なくとも１つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、
少なくとも１フレーム／秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから前記出力信号のサンプルを受信するための、前記センサアレイに結合した前記回路支持基材内の制御回路要素とを備えるアッセイデバイス。
【請求項２６】
濃度が、帯電した種の濃度を含み、化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、前記誘電体層に隣接する、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項２５に記載のアッセイデバイス。
【請求項２７】
誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項２６に記載のアッセイデバイス。
【請求項２８】
誘電体層の厚さが、金属酸化物を含み、１〜１０００ナノメートルである、請求項２７に記載のアッセイデバイス。
【請求項２９】
誘電体層が、サンプル流体と流体接触状態にある電荷感応性層と、前記電荷感応性層を浮遊ゲートに接合するために前記浮遊ゲート上に配設された接着層とからなる２層を備える、請求項２８に記載のアッセイデバイス。
【請求項３０】
電荷感応性層が酸化タンタルであり、接着層が二酸化アルミニウムである、請求項２９に記載のアッセイデバイス。
【請求項３１】
サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、化学的または生物学的サンプルを収容することが可能である、請求項３０に記載のアッセイデバイス。
【請求項３２】
単一チップ核酸アッセイデバイスであって、
回路支持基材内に形成されたセンサアレイであって、前記アレイの各センサは、化学電界効果トランジスタを備え、各センサに近接する化学的または生物学的サンプルの濃度または存在に関連する少なくとも１つの出力信号を提供するように構成され、前記出力信号は、同じ化学的または生物学的サンプルの同じ濃度または存在に応答して、前記アレイの各センサについて実質的に同じである、センサアレイと、
前記回路支持基材内の複数のサンプル保持領域であって、各サンプル保持領域が少なくとも１つのセンサ上に配設される、複数のサンプル保持領域と、
前記サンプル保持領域上に配設された粒子固体支持体であって、各粒子固体支持体が、粒子固体支持体に付着したコンカテマー化テンプレートを有する、粒子固体支持体と、
少なくとも１フレーム／秒のレートで前記化学電界効果トランジスタから前記出力信号のサンプルを受信するための、前記センサアレイに結合した前記回路支持基材内の制御回路要素とを備えるアッセイデバイス。
【請求項３３】
濃度が、コンカテマー化テンプレートの特性に関連する帯電した種の濃度を含み、化学電界効果トランジスタのそれぞれは、浮遊ゲートを有し、前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を有するイオン感応性電界効果トランジスタであり、前記誘電体層は、化学的または生物学的サンプルを含有するサンプル流体に接触し、前記誘電体層に隣接する、前記サンプル流体中の前記帯電した種の濃度に比例する電荷を蓄積することが可能である、請求項３２に記載のアッセイデバイス。
【請求項３４】
誘電体層が、前記誘電体層の両端のキャパシタンスを最大にするように選択された厚さを有する、請求項３３に記載のアッセイデバイス。
【請求項３５】
誘電体層の厚さが、金属酸化物を含み、１〜１０００ナノメートルである、請求項３４に記載のアッセイデバイス。
【請求項３６】
サンプル保持領域のアレイが、化学電界効果トランジスタアレイ上で形成され、前記化学電界効果トランジスタアレイと一体であるマイクロウェルのアレイであり、前記アレイの各マイクロウェルは、マイクロウェル容積を閉囲する壁を有し、各マイクロウェル容積は、粒子固体支持体を収容することが可能である、請求項３５に記載のアッセイデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【公表番号】特表２０１２−５０６５５７（Ｐ２０１２−５０６５５７Ａ）
【公表日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３３１７８（Ｐ２０１１−５３３１７８）
【出願日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／００５７４５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４７８０４
【国際公開日】平成２２年４月２９日（２０１０．４．２９）
【出願人】（５０２２２１２８２）ライフ テクノロジーズ コーポレーション (113)
【公表日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／００５７４５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０４７８０４
【国際公開日】平成２２年４月２９日（２０１０．４．２９）
【出願人】（５０２２２１２８２）ライフ テクノロジーズ コーポレーション (113)
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