高度复用的核酸测序系统的制作方法

高度复用的核酸测序系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求在2020年2月18日提交的申请号为62/978,206的美国临时申请的权益，上述申请的全部公开内容通过引用方式并入本文。
3.关于联邦资助研究的声明
4.尚未获得。

背景技术：

5.随着复用分析系统持续地尺寸小型化、规模扩大、以及功率和吞吐量的增加，开发能够实现这种功能的改进系统的需求变得更加重要。此外，许多分析技术最初仅以高成本获得，并且它们仅可以由受过高度训练的实验室技术人员在实验室环境中进行。例如，使用昂贵且实施复杂的技术和设备的核酸测序最初仅在研究实验室中是可能的。核酸测序技术的进步已经降低了每单位测序的成本，因此极大地扩大了序列数据的可用性，但是测序反应仍然必须通常由经过高度训练的个体在拥有昂贵设备的复杂实验室中进行。
6.许多光学分析技术同样依赖于复杂的设备和专业知识，因此对光学分析技术的改进也是花费很大并且复杂的。例如，传统的光学系统采用复杂的光学系统，对光进行引导、聚焦、过滤、分散和分离到样本材料，并从样本材料检测出光。这种系统通常采用各种不同的光学元件来引导、修改和以其他方式操纵光进入和离开反应部位。这种系统通常复杂且昂贵，并且往往具有很大的空间需求。例如，典型的系统采用反射镜和棱镜将来自光源的光引导到期望的目的地。另外，这种系统可以包括例如分光棱镜或者衍射光栅等分光光学装置，以从单个原始光束产生两个或者更多光束。
7.最近，用于核酸测序的集成光学系统已经可以获得，使得能够用标准化的和可商购的实验室设备进行大规模、甚至基因组规模的核酸测序。例如，请参见公开号为2012/0014837、2012/0021525、2012/0019828和2016/0061740的美国专利申请。在一些情况下，这些系统可以包括光学微芯片，该光学微芯片包含纳米级集成分析装置的阵列，每个单元池包含在其中发生单独核酸测序反应的“零模波导”(zmw)或者“纳米孔”。微芯片通常使用半导体工业中公知的标准半导体制造技术(例如沉积、蚀刻和图案化技术)来制造。该技术能够小型化光学分析装置至纳米级，使得数百万或者甚至数千万的单个核酸测序反应可以在单个光学芯片上实时进行。然而，测序阵列的规模增加到超过该尺寸是困难的，因为可能存在与晶片现场拼接、每个晶片的晶粒数目以及芯片产率相关的设计规则约束。由于单元池之间的串扰和其它限制，例如可用于芯片制造的方法的限制，通过减小单个单元池的尺寸来增加复用也可能是困难的。在每种情况下，以合适的激光辐照度在单个微芯片上服务增加的测序区域可能增加仪器的总激光成本，以及增加仪器的总体尺寸。
8.因此，持续需要增加用于核酸测序的光学分析系统的复用能力，同时降低此类仪器的尺寸和成本。

技术实现要素：

9.本公开通过提供用于核酸测序的光学分析系统来解决这些需要以及其他需要，该光学分析系统包括：
10.多个复用光学芯片，每个复用光学芯片包括；
11.多个反应区域；
12.至少一个光波导，所述光波导与所述多个反应区域光连接；输入光耦合器，所述输入光耦合器与所述至少一个光波导光连接；和
13.光学检测器，所述光学检测器与所述多个反应区域光连接；
14.光源；以及
15.多个光学传输装置，所述多个光学传输装置与所述光源光连接，其中，至少一个光学传输装置照射至少一个复用光学芯片的所述输入光耦合器。
16.在一些系统实施例中，至少一个光学传输装置输出不超过两个光束或者不超过一个光束，和/或者至少一个复用光学芯片包括不超过两个输入光耦合器或者不超过一个输入光耦合器，和/或者光学分析系统包括至少两个复用光学芯片、至少三个复用光学芯片、至少四个复用光学芯片、至少六个复用光学芯片或者至少八个复用光学芯片，和/或者光学分析系统包括至少两个光学传输装置、至少三个光学传输装置、至少四个光学传输装置、至少六个光学传输装置或者至少八个光学传输装置。
17.在更具体的实施例中，至少一个复用光学芯片包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个或者至少50,000个光波导。在其他更具体的实施例中，至少一个复用光学芯片包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个或者不超过100个光波导。在其它更具体的实施例中，至少一个复用光学芯片包括1至100,000个、100至10,000个或者500至5,000个光波导。
18.在一些更具体的实施例中，至少一个复用光学芯片包括两个输入光耦合器，至少一个光波导包括两个端部，并且两个输入光耦合器分别与至少一个光波导的两个端部耦合。更具体地，用反向(对向)传播的光照射所述至少一个光波导的两个端部中的每个端部，或者更具体地，反向传播的光具有第一波长和第二波长。
19.在一些实施例中，至少一个复用光学芯片包括不多于一个输入光耦合器，并且其中至少一个光学传输装置利用多模光束照射输入光耦合器。更具体地说，多模光束是是波长复用、空间模复用或者偏振复用的。甚至更具体地，多模光束是偏振复用的。
20.在实施例中，至少一个光学传输装置输出不多于一个光束，例如，其中光源是宽带多纵向光激发光源，或者光源在相位、频率或者振幅上被调制。
21.根据一些实施例，至少一个光学传输装置和至少一个复用光学芯片通过测量来自至少一个反应区域的光学信号而光学对准，更具体地，光学分析系统配置成移动至少一个光学传输装置或者至少一个复用光学芯片以增加来自至少一个反应区域的光学信号，并且甚至更具体地，其中来自至少一个反应区域的光学信号被最大化。
22.在优选实施例中，光学分析系统不包括对准相机。
23.在一些实施例中，至少一个反应区域需要不超过1.0μw/μm2、不超过0.5μw/μm2、不超过0.4μw/μm2、不超过0.3μw/μm2、不超过0.2μw/μm2、或者不超过0.1μw/μm2的功率密度。
24.在一些实施例中，光源包括不多于四个激光器、不多于两个激光器或者不多于一个激光器。在更具体的实施例中，光源包括一个在450nm至700nm的波长范围内输出不超过2000mw的激光器，光源包括一个在450nm至700nm的波长范围内输出不超过2000mw的波长可调谐激光器，光源包括两个波长可调谐激光器，每个激光器在450nm至700nm的波长范围内输出不超过1000mw，或者光源是一个非可调谐激光器。
25.在一些实施例中，光源提供具有不超过两个波长的光，更具体地，光源提供具有不超过一个波长的光。
26.根据本公开的另一个方面，光学分析系统还包括与光源和至少一个光学传输装置光耦合的平面光波电路。在具体实施例中，平面光波电路包括多个光通道，并且平面光波电路控制多个光通道之间的光切换，平面光波电路包括多个光通道，并且至少一个光通道包括有源功率控制，例如可变光衰减器，光学分析系统包括至少两个光学传输装置、至少三个光学传输装置、至少四个光学传输装置或者至少六个光学传输装置，光学分析系统包括至少两个复用光学芯片、至少三个复用光学芯片、至少四个复用光学芯片或者至少六个复用光学芯片，或者至少一个复用光学芯片包括不多于两个输入光耦合器或者不多于一个输入光耦合器。
27.在其它具体实施例中，光学分析系统包括与光源和至少一个光学传输装置光连接的两个平面光波电路。更具体地，例如，光源向第一平面光波电路提供第一光波长，并向第二平面光波电路提供第二光波长，其中，至少一个光学传输装置与第一平面光波电路和第二平面光波电路两者均光连接，其中，光源包括两个波长可调谐激光器，或者其中，光源包括一个波长可调谐激光器，并且可选地，其中，光源还包括快速光学开关。
28.在一些系统实施例中，至少一个光波导配置成在多个反应区域处最小化输入光信号的功率损失。更具体地说，在这些实施例中，至少一个光波导具有楔形形状，至少一个光波导相对于至少一个复用光学芯片上的一行反应区域倾斜，或者至少一个光波导是二等分至少一个复用光学芯片的路由波导。
29.根据本公开的另一个方面，光学分析系统中的至少一个光学传输装置是小形状系数光学传输装置。更具体地，光源可以是集成小形状光学传输装置中的模块化光源(诸如激光二极管)。在其它具体实施例中，至少一个复用光学芯片的输入光耦合器可具有至少0.4、至少0.6、至少0.8、至少0.10、至少0.125或者至少0.25的数值孔径。
30.在一些实施例中，至少一个复用光学芯片包括不多于一个输入光耦合器或者不多于两个输入光耦合器，多个复用光学芯片封装在一起，例如在单个基板上，或者甚至在印刷电路板上，或者光学分析系统还包括连接来自至少一个复用光学芯片的数据流的高带宽串行路径。在更具体的实施例中，光学分析系统还包括与光学检测器光学连接的数据处理元件或者计算元件。甚至更具体地，数据处理元件或者计算元件位于距多个复用光学芯片、光源或者至少一个光学传输装置的一定距离处。
31.在一些实施例中，至少一个光学传输装置包括致动器元件，更具体地，包括摆臂元件。更具体地说，摆臂元件包括跟踪线圈、聚焦线圈或者铰接弹簧。
32.在一些实施例中，至少一个复用光学芯片的输入光耦合器具有至少0.4、至少0.6、至少0.8、至少0.10、至少0.125或者至少0.25的数值孔径。
33.根据本公开的另一个方面，光学分析系统中的至少一个复用光学芯片包括边缘耦
合器。在具体实施例中，边缘耦合器是扩束器耦合器或者透明肋折射率波导。在其它具体实施例中，至少一个复用光学芯片包括金属表面层，该金属表面层包括零模波导阵列，并且边缘耦合器位于金属表面层下方。在其他具体实施例中，光源是玻璃纤维或者激光二极管。
34.根据本公开的另一个方面，光学分析系统包括计算机，该计算机从至少一个复用光学芯片的光学检测器接收至少一个电信号，并分析该至少一个电信号。更具体地说，该至少一个电信号提供核酸序列信息。根据该公开的光学分析系统的其它方面，光源具有从约450nm到约700nm或者从约500nm到约650nm波长范围的激发波长，在硅芯片上制造至少一个复用光学芯片、至少一个复用光学芯片的光学检测器包括cmos传感器、和/或者至少一个光学芯片的多个反应区域包括多个核酸样本。
附图说明
35.图1示出了包括光源和目标光波导装置的分析系统。
36.图2示出了集成分析装置的框图。
37.图3示出了用于进行荧光分析的示例性装置结构的更详细的视图。
38.图4a示出了示例性光学分析系统，该光学分析系统包括单个光学芯片、与使用具有多个细光束的光刷的光学芯片耦合的两个激光源、以及对准相机。
39.图4b示出了简化了的示例性光学分析系统，该光学分析系统包括单个光学芯片和与使用具有单光束的光笔的光学芯片耦合的单个激光源。芯片和光笔的对准是利用来自芯片本身内的光学检测器的反馈来实现的。
40.图5示出了一种新颖的示例性光学分析系统，该光学分析系统包括多个光学芯片和与使用具有单个光束的单个光笔的每个光学芯片耦合的激光源。使用来自每个芯片内的光学检测器的反馈来实现芯片和光笔的对准。
41.图6示出了通过在芯片的中间定位输入耦合器和路由波导来最小化传播损耗的替代芯片设计。
42.图7示出了示例性芯片设计，其中，测序波导和zmw配置和定位成利用单侧波导照射来实现空间均匀性。
43.图8a和图8b示出了可选的示例性光学分析系统，该光学分析系统包括多个光学芯片和与使用单个双光束光刷的每个光学芯片耦合的激光源。使用来自每个芯片内的光学检测器的反馈来实现芯片和光刷的对准。
44.图9a-图9c示出了可选的示例性光学分析系统，其包括多个光学芯片和使用具有单光束的单个光笔耦合到每个光学芯片的光源。
45.图10示出了在zemax仿真中耦合效率和数值孔径之间的关系，其中光栅耦合器和光学输入在俯仰或者偏航角上失准2
°
。
46.图11示出了示例性摆臂致动器。
47.图12a和图12b示出了包括多个光学芯片和多个小形状系数模块化光源的示例性光学分析系统，其中每个光源包括在摆臂致动器中以形成光学传输装置。在图12a中，所有的光学传输装置与四个芯片上的输入耦合器对准，而在图12b中，下面的两个光学传输装置定位用于卸载芯片。
48.图13示出了单个封装中的多个测序芯片(“晶粒”)的示例性布置。
49.图14a-图14e概述了用于制造示例性边缘耦合器的示例性工艺流程。
50.图15a和图15b示出了包括封装的边缘耦合的目标芯片的光学分析系统，其中这些系统中的光学传输装置是玻璃纤维(图15a)或者激光二极管(图15b)。
具体实施方式
51.包括波导寻址集成分析装置的系统
52.图1以引入的方式示出了包括单个光学传输装置和单个集成目标波导装置的示例性光学分析系统。在该系统中，光学传输装置110发射照明光束115(也称为光激发信号或者光激发光束)到自由空间中。光学传输装置110可以耦合到或者包括例如激光源、发光二极管、半导体激光二极管或者任何其他合适的用于产生具有期望的光学性质的光能的装置，并且该光学传输装置110可以包括例如一个或者多个其他光学元件，光在被发射到自由空间中之前行进通过所述一个或者多个其他光学元件。例如，在发射照明光束115到自由空间中之前，其它光学元件可以包括一个或者多个光纤、平面光波电路(plc)或者这些或者其它光学元件的任何组合。此外，照明光束115可以可选地穿过一个或者多个光学元件120，该光学元件用于在照明光到达目标之前对照明光的性质进行成形、操纵(导向)或者以其他方式进行控制。
53.然后，已经可选地由一个或者多个光学元件120成形和/或者(导向)操纵的照明光束与目标装置170上或者内的光波导140耦合，该目标装置在本文中也可称为“复用光学芯片”或者“测序芯片”。耦合光通过光波导传输到目标装置上的关注区域150。通常，且如本文所示，使用例如光栅耦合器等光耦合器130发射照明光到光波导中。虽然示出了光栅耦合器，但是应当理解，可以使用任何类型的耦合器、棱镜或者其他接口、光学元件或者方法(包括例如边缘耦合器或者直接对接耦合)，以从光源和传输装置引导光激发信号到目标装置上的光波导中。
54.就核酸测序装置来说，关注区域150也可以称为“测序区域”或者“测序范围”，关注区域具有多个排列在关注区域内的反应区域155，例如纳米孔或者零模波导(zmw)。通常，光波导140在反应区域155下方延伸，从而通过与渐逝波照射进行光耦合以从下方对反应区域照射。换句话说，在这种情况下，在目标装置的表面上光波导与反应区域光学连接。反应区域优选地包含荧光反应物，当被渐逝波照射激发时，荧光反应物发射荧光190，该荧光190可以被检测以便进行期望的分析(例如，核酸测序)。在一些情况下，并且如这里所示，目标装置还具有也被称为光学检测器的集成传感器180。从反应区域发射的荧光通过该装置光耦合，以在光学检测器内的单个像素或者像素组185处被检测。换句话说，光学检测器与多个反应区域光学连接。
55.包括集成光学检测器的目标装置通常还包括电子输出175。例如，集成光学检测器检测并处理光发射信号，然后通过一个或者多个电子输出发送与检测到的信号相关的电子数据到装置之外。电子输出可以是例如硅芯片上的接合焊盘，接合焊盘通常被引线接合到芯片封装，并且芯片封装具有用于传输来自芯片的电信号的电子输出。电信号通常被发送到计算机(未示出)，该计算机处理接收到的信号以执行期望的分析。
56.目标装置上的光波导可以是任何合适的波导，包括光纤、平面波导或者通道波导。通常，使用通道波导。波导优选地是单模波导，但是对于一些应用，波导可以是多模波导。如
本领域普通技术人员所理解的，基于光源和期望的光学性质来选择光波导的尺寸和用于制造光波导的材料的折射率。
57.如上所述，测序区域包括多个排列在关注区域内的反应区域155，例如纳米孔或者零模波导(zmw)。反应区域与至少一个光波导和光学检测器光学连接，该光波导提供激发照射，光学检测器通常与目标装置物理集成，并且检测从反应区域发射的光。目标装置或者“复用光学芯片”可以可选地包含另外的光学组件、流体组件、电气组件和/或者机械组件。将这些组件中的一些或者全部集成到单个小型化装置中可解决较大的非集成分析系统所面临的许多问题(例如尺寸、成本、重量、与长路径或者自由空间光学器件相关联的低效率等)。用于分析纳米级样本的示例性高度复用集成装置和系统在公开号为2008/0128627、2012/0014837、2012/0019828、2012/0021525、2012/0085894、2014/0199016、2014/0287964、2016/0334334、2016/0363728、2016/0273034、2016/0061740和2017/0145498的美国专利申请中进行了描述，这些专利申请通过引用全部并入本文。
58.通过将检测元件与反应区域直接或者作为耦合部件集成，可以消除对自由空间光学系统所需的许多不同种类组件(例如许多传输光学装置、透镜、反射镜等)的需要。在许多情况下，也可以去除其它光学组件(例如各种对准功能)，因为可以通过检测元件与反应区域的直接集成来实现对准。本公开的光学分析系统通过极大地增加光学系统的多样性、通过简化复用光学芯片和用于照射复用光学芯片的光源之间的相互作用、以及通过提高它们的效率和可靠性，进一步提高了由这种复用装置提供的益处。
59.虽然纳米级集成分析装置阵列内的组件可以变化，但是阵列内的每个单元池通常至少部分地包括如图2中的框图所示的一般结构。如图所示，集成分析装置200通常包括反应池202，反应池202中设置反应物，并从反应池发出光发射信号。“反应池”应理解为通常用于分析和化学领域，是指发生关注的反应的位置。因此，“反应池”可以包括完全独立的反应孔、容器、流动池、室等，例如由一个或者多个结构屏障、壁、盖等封闭，或者反应池可以包括在基板上和/或者在给定的反应孔、容器、流动池等内的特定区域，例如在相邻的反应池之间没有结构限制或者抑制。反应池(例如疏水或者亲水区域、结合区域等)可以包括结构元件(例如光学限制结构、纳米孔、柱、表面处理)以增强反应或者反应池的分析。
60.在各个方面，“分析装置”、“集成分析装置”或者“单元池”是指功能性连接的反应池和相关组件。因此，复用测序芯片包括上述集成分析装置的阵列。在各个方面，“分析系统”是指包括测序芯片上的集成分析装置阵列和用于执行分析操作的其它组件的较大系统。优选地，测序芯片可移除地耦合到仪器中。在测序芯片与系统耦合之前或者之后，可以使液体样本和/或者试剂与测序芯片接触。该系统可以向测序芯片提供电信号和/或者照明光，并且可以从测序芯片中的检测器或者其他电子组件接收电信号。该系统还可以提供对测序芯片的机械支撑和/或者与测序芯片的热交换。仪器或者系统可以具有计算机以操作、存储和分析来自测序芯片的数据。例如，该仪器可以具有在核酸测序反应中鉴定添加的核苷酸类似物的顺序的能力。例如，可以如专利号为8,182,993的美国专利中所描述的进行鉴定，该专利通过引用并入本文。
61.在一些情况下，在目标反应中涉及的一种或者多种反应物可以被固定、夹带或者以其他方式定位在给定的反应池内。有多种技术可用于定位和/或者固定反应物，包括通过共价或者非共价附接的表面固定、基于珠或者颗粒的固定，随后定位珠或者颗粒、在给定位
置处的基质中夹带等。反应池可以包括分子的集合体(例如溶液或者分子的块)，或者它们可以包括单独的分子反应复合物(例如，作为复合物参与关注反应的每个微粒的一个分子)。类似地，本公开的复用光学芯片可以包括单独的反应池，或者可以包括集成结构中的反应池的集合、阵列或者其它分组，例如多壁或者多池板、芯片、基板或者系统。此类排列的反应池的一些示例包括核酸阵列芯片，例如阵列(affymetrix,inc.)、零模波导阵列(如本文别处所述的)、微孔和纳米孔板、多通道微流体装置，例如(caliper life sciences,inc.)，以及各种其他反应池。在各个方面，“反应池”、测序层和零模波导类似于专利号为7,486,865的美国专利中描述的那些，上述申请通过引用全部并入本文以用于所有目的。在一些情况下，这些阵列装置可以在单个集成的整体装置内共享光学组件(例如，单个波导层)以传输激发光到每个反应区域。例如，在专利号为8,207,509和8,274,040的美国专利以及公开号为2014/0199016和2014/0287964的美国专利申请中提供了用波导照射分析装置的方法，这些专利申请已经通过引用并入本文。
62.尽管分析系统可以包括具有单一波导层和反应池层的分析装置阵列，但是可以理解，在仍然实现装置的目标的同时，可以在波导阵列基板和包层/反应池层中采用各种层组合物(参见，例如，专利号为7,820,983的美国专利，上述专利通过引用并入本文)。
63.本公开的复用光学芯片通常包括如图2所示的具有检测器元件220的多个分析装置200的阵列，该检测器元件220设置成与反应孔202光连通。反应孔202和检测器元件220之间的光连通可以由光学系统204提供，该光学元件系统包括用于从反应孔202有效地引导信号到检测器元件220的一个或者多个光学元件206、208、210和212。根据应用的具体情况，这些光学元件通常可以包括任何数量的例如透镜、过滤器、光栅、反射镜、棱镜、折射材料等元件，或者这些元件的各种组合。除了用于从反应区域引导光发射信号到检测器的组件之外，芯片还可以具有用于传输照明光到用于进行荧光测量的反应区域的光学组件。
64.在各种实施例中，反应孔202和检测器元件220与一个或者多个光学元件一起设置在集成装置结构中。通过集成这些元件到单个装置结构中，可以提高反应池和检测器之间的光耦合效率。如本文所使用的，当涉及分析装置的不同组件时，术语“集成”通常是指彼此耦合以便相对于彼此固定的两个或者更多个组件。这样，集成的组件可以不可逆地或者永久地集成，这意味着分离将损坏或者破坏一个或者两个元件，或者这些组件可以可移除地集成，其中一个组件可以从另一个组件分离，只要当组件集成时，它们相对于彼此保持基本上不动。在一些情况下，这些组件集成在一起作为例如单个制造的装置，诸如在单个硅芯片中。在一些情况下，检测器部分是诸如cmos装置的分离结构组件或者装置的一部分，并且反应池组件是诸如可拆卸芯片的可拆卸装置的一部分。在芯片中的反应池组件位于与检测器组件分离的情况下，用于从反应池引导光发射信号到检测器的光学元件组件可以在反应池组件中、在检测器组件中、或者在其中一些组件在反应池组件中而其它组件在检测器组件中的组合中。
65.在常规的光学分析系统中，通常将分立的反应容器放置在光学仪器中，该光学仪器仅利用自由空间光学器件传输光学信号到反应容器和从反应容器传输光学信号到检测器。这些自由空间光学器件往往包括较大的组件、多个表面和较长的光路长度，并且具有导致这种系统产生许多弱点的自由空间界面。例如，由于从这些较大组件引入了不希望的泄
漏路径，这种系统具有较大的光损失倾向。这些较大组件通常还引入更高水平的自发荧光。所有这些固有的弱点都降低了系统的信噪比(snr)，并降低了系统的总灵敏度，这又可能影响系统的速度、精度和吞吐量。另外，在复用应用中，来自多个反应区域(即，多个反应池，或者单个池内的多个反应位置)的信号通常通过公共光学系统或者光学系统的公共部分，以使用该系统中的光学元件的全部体积以成像到检测器平面上。因此，在这些光学组件中存在的光学像差，(例如衍射、散射、像散和彗差)使信号在振幅和视场上都劣化，导致更大的噪声影响和检测信号之间的串扰。
66.在一些情况下，本公开的复用光学芯片的反应区域包括纳米级孔，例如，该纳米级孔具有不大于500nm的线性尺寸。本公开的光学芯片的纳米级孔可以例如是具有在约50nm和200nm之间的底部直径的圆柱形。孔的深度可以例如从大约50nm到大约400nm。在一些情况下，反应区域可以包括零模波导(zmw)。例如，在专利号为7,170,50、7,486,865和8,501,406的美国专利中描述了零模波导，上述专利各自通过引用全部并入本文。
67.这种装置利用在其中发生信号反应的反应区域或者容器与检测那些信号的检测器或者检测器元件之间的接近度，以便利用该接近度呈现的益处。如上所述，这些益处包括降低光学系统的尺寸、重量和复杂性，并且因此增加了系统的潜在复用，例如，可以在单个测序芯片或者系统中集成和检测的不同反应区域的数量。另外，与在信号收集和检测中利用大的自由空间光学器件和多个相机的系统相比，这种接近度潜在地提供了在信号传输期间减少损失、减少来自相邻反应区域的信号串扰以及减少利用这种集成装置的整个系统的成本的益处。
68.在本公开的复用光学系统中，存在许多可以受益于优化的设计标准。例如，在这些光学系统中，一个重要目标是最大限度地减少光系中可能干扰光发射信号从反应区域到探测器的有效传输的光学元件的数量，以及通过增加反应区域和传感器之间的光学元件的复杂性而使成本和对装置的空间需求增加。
69.此外，随着单分子检测系统的重要性的增加，对于任何给定的反应事件，使检测到的光发射信号量最大化也是重要的。特别地，在单个分子事件的光学检测中，在测量中通常依赖于与关注事件相对应的相对少量的光子。虽然高量子产率标记基团(例如荧光染料)，可以提高检测能力，但是这样的系统仍然在光学系统的可检测性的较低端操作。在使用公开的系统进行的分析反应中发现荧光染料的效用是公知的。可以使用任何合适的，例如，如公开号为wo2013/173844a1、wo2017/087973a1、wo2017/087974a1和wo2017/087975的pct国际专利申请，以及公开号为2009/0208957a1、2010/0255488a1、2012/0052506a1、2012/0058469a1、2012/0058473a1、2012/0058482a1和2012/0077189a1的美国专利申请中所述的荧光染料。
70.在本公开的光学分析系统的背景下，因为实现激发和与信号分离的目标或者实现一个信号与下一个信号分离的可用空间较少，所以光路的尺寸和复杂性造成更大的困难。因此，本公开系统的复用光学芯片利用与正在进行的分析相关的简化了的光路，以便优化针对那些光学芯片集成性质的分析。
71.图3更详细地示出了用于进行光学分析(例如核酸测序处理或者单分子结合测定)的单元池装置结构的示例。如图所示，集成装置300包括在第一基板层304上限定的反应孔302。如图所示，反应孔302设置在基板表面中。这种孔可以构成基板底面中的凹陷或者穿过
附加基板层设置到下面的透明基板的孔，例如，如在零模波导阵列中使用的(参见，例如，专利号为7,181,122和7,907,800的美国专利)。图3示出了具有一个反应孔302的装置的一部分。通常，装置具有多个反应区域，例如装置可以包括具有数千、至数百万、至数千万或者甚至更多的单独反应孔的阵列。
72.从激发光源(未示出)传输激发照射到反应区域，该激发光源可以与光学装置分离或者可以集成到光学装置中。如图所示，光波导(或者波导层)306用于传输激发光(箭头所示)到反应孔302附近，其中从波导306发出的渐逝场对反应孔302内的反应物照射。使用光波导照射反应区域在例如专利号为7,820,983、8,207,509和8,274,040的美国专利中有所描述，这些专利通过引用并入本文。
73.可选地，集成装置300包括光通道组件308，以有效地从反应孔引导发射光至设置在反应孔下方的检测器层312。检测器层通常包括多个检测器元件，例如，与给定反应孔302光耦合的四个给定的检测器元件312a-d。对于dna测序应用，经常需要实时监测四种不同的信号，每种信号对应于一种核酸碱基。不同的信号可以是可区分的，例如，通过波长、强度或者任何其他合适的区别或者区别的组合来区分。虽然图中示出为像素312a-d的线性布置，但是理解为可以以网格、n乘n正方形、环形阵列或者任何其它方便的取向或者布置来设置探测器元件。在一些情况下，每个检测器元件或者通道具有每个反应区域的单个像素，其中不同的分析信号可通过例如信号的不同强度来区分。在一些情况下，各检测器元件包括多个像素，例如每个反应区域两个、三个、四个或者甚至更多个像素。检测器元件与延伸到芯片之外的导体电连接，用于向检测器元件提供电信号，并用于从检测器元件发送信号到例如附接的处理器。在一些实施例中，检测器层是cmos晶片等，即，由cmos传感器或者ccd阵列构成的晶片。例如，参见《cmos成像器从光传导到图像处理(2004)》，yadid-pecht和etienne-cummings，eds.；springer期刊；《cmos/ccd传感器和照相机系统(2007)》，holst和lomheim；spie出版社。
74.然后检测并记录从反应孔302发射的、撞击在这些检测器元件上的信号。如图3的集成装置中所示，该装置可以另外包括在每个检测器元件上方如设置在过滤器层310中的过滤器。如图所示，“过滤器a”对应于与“通道a”相关联的过滤器，“过滤器b”对应于与“通道b”相关联的过滤器等等。选择过滤器组以允许捕获光子的高产率，例如其中每个过滤器具有一个或者多个阻断信号的阻断带，该阻断带阻断来自反应孔302中发生的反应发射的一个或者多个光谱上不同的信号的一部分的信号。具体地，过滤器设计成允许大部分发射光子通过，同时仍然区分四个碱基。当发射的信号通过它们的强度被区分时，单个检测器元件能够通过在一个波长或者波长范围下由样本从反应区域发射的光强度的差异来鉴定多个信号，例如由多个不同的核酸碱基发射的信号。
75.在一些情况下，提供光学元件以选择性地引导来自给定的波长组的光到给定的检测器元件。通常，不使用特定的光重新定向，使得到达过滤层的每个区域的光基本上相同。
76.检测器层可操作地与通常集成到基板中的适当电路耦合，以便向处理器提供信号响应，所述处理器可选地集成在同一装置结构内或者与检测器层和相关联电路分离但与检测器层和相关联电路电耦合。使用在此类装置中的电路类型的示例在先前以引用的方式并入本文中的公开号为2012/0019828的美国专利申请中有所描述。
77.本公开的复用光学芯片在本文中也可称为目标波导装置、目标装置或者集成分析
装置，该复用光学芯片通常具有至少一个输入光耦合器和一个集成波导，该集成波导与输入光耦合器光耦合并传输输入光信号到多个反应区域。在一些实施例中，输入光耦合器是衍射光栅耦合器或者边缘耦合器。在一些实施例中，光源通过光学传输装置引导到单个输入耦合器，而在其他情况下，光源被引导到多个(例如从2个到16个)输入耦合器。在一些实施例中，每个输入耦合器接收基本上相同的功率。在一些实施例中，不同的功率水平被引导到一个目标装置上或者不同目标装置上的不同输入耦合器。虽然本说明书可能涉及装置上的“耦合器”或者“输入耦合器”，但是应当理解，在一些实施例中，可以存在单个输入耦合器，并且在其他实施例中，在给定的装置上存在多个输入耦合器。
78.光栅耦合器及其在将光(通常是来自光纤的光)耦合到波导装置中的应用是本领域已知的。例如，专利号为3,674,335的美国专利申请公开了适于将光路由到薄膜波导中的反射和透射光栅耦合器。另外，专利号为7,245,803的美国专利申请公开了包括多个细长散射元件的改进的光栅耦合器。耦合器优选地具有带有窄端和宽端的扩口结构。该结构被认为在将光信号耦合进和耦合出平面波导结构方面提供了增强的效率。专利号为7,194,166的美国专利申请公开了适合于使波分复用光耦合到单模和多模光纤以及从单模光纤和多模光纤耦合波分复用光的波导光栅耦合器。公开的装置包括设置在表面上的一组波导光栅耦合器，该波导光栅耦合器全部由来自光纤的光点照射。该组耦合器内的至少一个光栅耦合器被调谐到光束中的每个通道，并且因此该组耦合器对在光纤中传播的通道进行解复用。光栅耦合器的另外的示例在专利号为7,792,402的美国专利和公开号为wo2011/126718和wo2013/037900的pct国际专利申请中公开。在专利号为7,58,261的美国专利中公开了棱镜耦合和光栅耦合到集成波导装置中的组合。
79.在本系统的复用光学芯片中，光能可以由任何合适的一个或者多个光学传输装置提供。如本领域普通技术人员将理解的，这样的装置可以包括光纤、透镜、棱镜、反射镜、分路器(分光器)或者任何其他合适的光学组件。光学传输装置可以耦合到或者包括一个或者多个平面光波电路(plc)。示例性的光学传输装置在公开号为2016/0273034的美国专利申请中公开。在光学传输装置传输多个光束到目标装置的情况下，该光学装置可以被称为“光刷”。在一些实施例中，此光刷可传输至少2个光束、至少3个光束、至少4个光束、至少6个光束、至少8个光束或者甚至更多光束。在一些实施例中，这种光刷可传送不超过8个光束、不超过6个光束、不超过4个光束、不超过3个光束或者甚至不超过2个光束。在优选实施例中，光学传输装置可以传输两个光束或者一个光束到目标装置。如果光学传输装置向目标装置传输两个光束，则该光学传输装置可称为“光叉”，而当光学传输装置向目标装置传输单个光束时，该光学传输装置可称为“光笔”。
80.如相关领域的普通技术人员理解的，可以通过任何合适的光源提供光能给光学传输装置。发射在可见光波长范围内的光源(例如，发射在450nm和700nm之间或者发射从500nm到650nm的光源)对于本公开的分析系统特别有用。在一些实施例中，本公开的系统可包括多于一个光源。
81.在一些实施例中，光源是多模光源。更具体地说，多模光源可以是波长复用、空间模复用或者偏振复用光源。甚至更具体地，多模光源可以是偏振复用光源。
82.在优选实施例中，光源是激光源。任何合适类型的激光器都可以用于本公开的系统。在一些情况下，使用固态激光器，例如iii-v半导体激光器。最近，在制造发射期望的波
长范围内的固态激光器方面已经取得了进展。特别有用的激光器是gainn固态激光器。适用于公开的系统的激光器包括galnn激光器，例如在sizov等人的“基于氮化镓铟的绿激光器”，30，679-699(光波技术杂志，2012年3月1日)、nakamura等人的“ingan基激光二极管的当前地位和未来前景”(jsap int.no.1，2000年1月)、jeong等人的自然科学报告“用浅周期性孔图案功能化的氮化铟镓基紫外、蓝和绿发光二极管”(doi：10.1038)以及tagaki等人的“高功率和高效率真正绿激光二极管”(sei tech rev，no.77，2013年10月)中均有所描述；上述内容通过引用全部并入本文以用于所有目的。
83.在一些实施例中，光源是发光二极管，例如超发光发光二极管。在一些实施例中，光源是垂直腔面发射激光器或者其它相当的光学装置。如果光源是小型、模块化装置，如发光二极管等，则光源本身也可以被认为是用于本公开光学系统的分析目的的光学传输装置。
84.在本公开的复用光学芯片中，如上所述，在输入光耦合器和关注区域例如反应区域之间可以有相当大的距离。光在波导中从输入光耦合器行进到关注区域的距离可以是例如几厘米(例如从1cm到10cm)。本文所指的距离是光在波导内行进的距离，例如，光通过一个或者多个波导的路由距离。通常，在光从耦合器经过相对长的距离被路由到关注区域的情况下，单个波导被用于从输入耦合器路由光到靠近关注区域的区域，在该区域中，可以发生从路由波导到多个波导的分离。在关注的区域内期望多个波导分支的情况下，通常在关注的区域附近而不是在靠近输入耦合器处发生从路由波导到关注的区域中的波导分支的分离，尽管在一些实施例中，分离发生在更靠近输入耦合器的位置可能是有利的，特别是在链路效率变化成问题的情况下，例如在公开号为2016/0216538的美国专利申请中所描述的。通常，每个耦合器使用一个路由波导是用于在相对长距离上路由的最有效方法。通常，使用一个路由波导涉及较少的元件，并且与每个耦合器使用多个路由波导相比，使用一个路由波导在装置上使用的空间更少。
85.有利的是，本公开的复用光学芯片包括多个光波导，该多个光波导配置为从至少一个输入光耦合器接收光激发光束。例如，复用光学芯片可包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个或者至少50,000个光波导。在一些实施例中，芯片包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个或者不超过100个光波导。在其他实施例中，芯片包括1至100,000个、100至10,000个或者500至5,000个光波导。
86.在一些实施例中，本公开的复用光学芯片包括至少一个分光器，其中该至少一个分光器包括光学输入和多个光学输出，并且其中该至少一个分光器的光学输入配置成从输入光耦合器接收光激发光束。这样的装置通常还包括多个光波导，该多个光波导配置成从该至少一个分光器的多个光输出接收光激发光束。
87.在一些实施例中，本公开的复用光学芯片包括用于向反应区域提供照明光的不超过一个输入光耦合器。在其它实施例中，本公开的复用光学芯片包括不超过两个输入光耦合器，用于向反应区域提供照明光。
88.为了使光反向传播通过本公开的复用光学芯片的波导，如将在下面更详细地描述的，芯片可以包括至少一个具有两个端部的光波导，并且光可以即通过反向传播被分别提供到光波导的两个端部。在一些实施例中，例如，在反向传播是自反向传播的情况下，光波
导的两个端部可以与复用光学芯片上的单个输入光耦合器耦合。
89.除了波导的数目之外，每个测序波导的反应区域的数目可以变化，以便获得所需的复用水平和性能。例如，对于芯片的每个波导，每个波导的反应区域的数量可以是例如1至100,000个反应区域、100至10,000个反应区域或者500至5,000个反应区域。本领域技术人员将理解如何设置这些数字以便获得期望的复用性能和水平。
90.在一些实施例中，本公开的系统还包括计算机，该计算机从光学检测器或者光学检测器的区域接收至少一个电信号，例如上文所述的检测信号，并且分析所述至少一个电信号。更具体地说，由计算机进行的分析可以包括从电信号获得核酸测序信息。
91.核酸测序
92.如本领域普通技术人员所理解的，荧光标记的核苷酸用于多种不同的核酸测序分析。例如，在一些情况下，此类标记用于监测引物延伸反应中聚合酶介导的、模板依赖性的核苷酸掺入。特别地，标记的核苷酸可以被引入引物模板聚合酶复合物，并且可以检测标记的核苷酸掺入检测到的引物中。如果特定类型的核苷酸掺入给定位置，则指示模板分子的序列中的潜在和互补核苷酸。
93.在特别精细的测序方法中，在掺入过程本身期间，通过单独的分子复合物实时检测标记的核苷酸。例如，在专利号为7,56,661的美国专利中描述了这样的方法，该专利通过引用全部并入本文以用于所有目的。在这些方法中，核苷酸被标记在掺入过程中释放的末端磷酸基团上，以避免标记积累在延伸产物上，并因此避免任何需要移除可能对复合物有害的标记的过程。在聚合过程中观察引物/模板聚合酶复合物，并通过其相关标记检测添加的核苷酸。
94.在一个特定示例中，可使用限制激发辐射暴露于紧邻围绕个别引物/模板聚合酶复合物的体积的光学限制结构(例如，零模波导)来观察标记的核苷酸(参见例如专利号为6,917,726的美国专利，该专利通过引用全部并入本文以用于所有目的)。因此，只有在被掺入的过程中被聚合酶保留的标记的核苷酸暴露于激发照射一段时间，该时间足以产生荧光并因此鉴定掺入的核苷酸。具有纳米级孔阵列或者零模波导阵列的示例性芯片因此被认为适合于这些目的，该芯片包括在硅胶基层上具有金属或者金属氧化物层的基板，其中纳米级孔穿过金属或者金属氧化物层设置到硅胶基层上或者硅胶基层中(参见例如专利号为6,917,726、7,302,146、7,907,800、8,802,600、8,906,670、8,993,307、8,994,946、9,223,084、9,372,308和9,624,540的美国专利，上述专利各自通过引用全部并入本文)。
95.在上述各种示例性过程中，检测到来自反应区域的信号事件指示反应已经发生。此外，对于许多上述方法，通过区分信号事件的光谱特征，也可以实现反应性质的鉴定，例如，鉴定在给定时间在引物延伸反应中添加的核苷酸，或者与模板分子中的给定位置互补的核苷酸。
96.本公开的复用光学芯片的光路起到传输激发辐射到反应区域的一个或者多个作用，例如，以激发荧光标记的分子，所述荧光标记的分子随后发射相关的光发射信号，传输从反应区域发射的光信号到光学检测器，以及对于多光谱信号，即，可通过其发射光谱区分的多个信号，将那些信号分离，使得可区别性地检测这些信号，例如，通过引导不同的信号到不同的光学检测器或者相同光学检测器阵列上的不同区域。然后将区别性检测的信号与反应的发生(例如在给定位置添加核苷酸)和反应性质的测定(例如添加的核苷酸被鉴定为
特定核苷酸类型，例如腺苷)两者相关联。
97.用于核酸测序的高度复用系统
98.本公开通过在一个方面提供包括由多个光束并行照射的多个光学芯片的光学分析系统，克服了与增加现有系统中的核酸测序反应的复用相关联的一些问题。
99.特别地，如上所述，简单地通过增加芯片上的反应孔的数量(例如，通过扩大芯片的总表面区域，例如，使用相同尺寸的反应池，或者通过减小单个反应池的横截面尺寸，例如，使用相同尺寸的芯片)，在当前集成的核酸测序芯片上可实现的复用水平存在限制。同时，简单地通过大幅增加所用测序仪器的数量来增加核酸测序的复用水平，不提供任何成本优势或者显著的规模效率。
100.改进的照射结构
101.本公开的发明人已经发现，通过使用包括多个复用光学芯片的单个光学分析系统，可以在至少一些方面实现增加的吞吐量，与芯片的先前版本相比，每个复用光学芯片可以具有降低的功率要求和/或者简化的光学输入。
102.作为比较，公开号为2016/0061740的美国专利申请中描述的复用波导装置用于美国的光耦合分析系统中。公开号为2016/0273034和2016/0363728的专利申请(所有这些专利申请通过引用并入本文)通常在每个反应区域需要大约1μw/μm2用于照射。如下面将更详细描述的，使用具有较低输入照射要求的光学芯片使得能够通过在单个光学分析系统内使用多个芯片来增加复用。
103.此外，已知的复用波导装置包括每个芯片的多个输入耦合器。例如，如公开号为2016/0363728的美国专利申请的图4a-图4c所示，同一芯片上的不同输入耦合器可向不同类型的波导提供光输入，该波导包括例如“测序波导”和“对准波导”，该“测序波导”传输光至发生关注反应(例如核酸测序)的纳米级样本孔，该“对准波导”用于评估光学芯片和光学传输装置在系统内的定位和对准。光学芯片的定位和对准在用于核酸测序的光学分析系统中特别重要，因为在使用过程中芯片被物理地插入光学系统中和从光学系统中移除。与在其制造期间对准并因此可以永久地附接到光学传输装置的耦合光学装置(例如，电信行业中使用的光学装置)不同，光学测序芯片需要在每次使用之前定位和对准。
104.在一些实施例中，已知波导装置的每个芯片多个输入耦合器对于使传输激发能量到装置上的样本孔的波导内的光能的“路由损耗”最小化也是重要的。例如，如果输入激发能量沿着波导降低太多，则取决于光行进通过的波导的长度的这种损耗可以影响从样本孔输出的荧光信号的强度。如公开号为2016/0273034的美国专利申请中的图4a和图4b所示，根据波导到达样本孔的路径，不同测序波导的路径长度可以显著不同。然而，在一些情况下，通过同时从测序波导的两个端部向目标装置的每个波导传输输入光能，可以克服路由损耗。然而，通过反向传播的光激发样本可产生另外的例如美国专利申请2016/0273034中所述的问题。具体地，当单个光源在芯片上被分开并被传输到测序波导的不同末端
‑‑
所谓的自反向传播时，这些问题可能出现。在一些情况下，这些问题可以通过使用具有不同波长、相位、频率和/或者振幅的光源来解决，但是提供用于反向传播的不同光输入通常需要通过单独的输入光耦合器将不同的光输入发射到波导中。
105.使用多光束光学传输装置对具有多个输入耦合器的测序芯片照射会引起复杂化，这种复杂化在包括多个光学芯片和多个输入光束的系统中会进一步加剧。例如，如公开号
为2016/0273034和2016/0363728的美国专利申请中的光耦合分析系统描述的，具有多个光输入耦合器的目标波导装置的激发通常通过使用多光束光学传输装置，即所谓的“光刷”来实现。如公开号为2016/0273034的美国专利申请中的图13b和公开号为2016/0363728的美国专利申请的图4f所示，这种光刷与目标波导装置的对准涉及沿六个自由度的控制：坐标空间内的x、y和z位置，以及俯仰、偏航和滚动旋转运动。显然，如果每个装置需要相对于六个自由度中的每一个最佳对准，则在具有多个目标装置和多个光学传输装置的分析系统中，目标装置与目标装置的光学传输装置的对准将变得极其复杂。
106.图4a示出了示例性光学分析系统，该光学分析系统包括与输出多个“细光束”的光学传输装置耦合的单个光学芯片，例如，如公开号为2016/0273034和2016/0363728的美国专利申请中所公开的。该系统中的光源包括两个不同的激光器，每个激光器具有不同可调谐波长的输出和大约330mw的功率输出。该系统还包括对准相机，以便使由光刷输出的多个细光束与目标装置上的多个输入光耦合器对准。
107.图4b示出了简化的示例性光学分析系统，该光学分析系统包括与输出单个光束的光学传输装置即“光笔”耦合的单个光学芯片。该系统包括单个不可调谐的宽带激光源，该激光源具有相对较低的功率，在522nm处为50mw。如图中所示，光学芯片与光学传输装置的对准可以通过直接来自集成光学检测器中的像素的反馈来实现，并且因此在系统中不需要对准相机。光学芯片可以被设计用于单侧激发或者用于反向传播激发。公开号为wo2019/090192a1的pct国际公开中公开了这种类型的示例性系统，该国际公开通过引用全部并入本文。
108.图5示出了本公开的新颖的示例性光学分析系统，其中该光学分析系统包括多个复用光学芯片，并且其中每个复用光学芯片由来自“光笔”光学传输装置的单个光束照射。在该示例中，示出了六个芯片，但是可以根据期望的系统配置添加附加的芯片。如图5所示，每个光笔与pfc装置光耦合，pfc装置将由激光源提供的光学输入分成用于每个光笔的单独输入。因此，复用系统中的每个芯片和光笔组合类似于图4b中所示的简化的单芯片系统。如在该系统中，每个芯片与其光笔的对准可以通过直接测量来自芯片内的光学检测器的输出来实现，例如通过在对准序列期间当芯片和/或者光笔相对于彼此移动时最大化输出信号。因此，多芯片系统不必需要单独的对准照相机或者其它等效装置来执行该功能。
109.还应当理解，除了分离来自激光源的光输入之外，pfc还可用于控制从激光源传输到每个输出光束并由此传输到每个复用光学芯片的光功率。在各个测序芯片需要不同量的激光功率以获得最佳性能的情况下，这种对传送到每个芯片的光功率的调制可能是重要的。在公开号为2016/0273034的美国专利申请中描述了具有来自每个输出光束的调制功率输出的示例性pec，该专利申请通过引用全部并入本文。
110.如本领域普通技术人员将理解的，可以通过任何适当的手段来实现从本公开的光学传输装置中的每个输出光束输出的功率的调制。在一些实施例中，可以使用在光学传输装置内制造的一个或者多个可变光衰减器(voa)来实现有源调制。这种方法允许给定光输出的强度在装置被使用时根据需要被调制，而不是具有由分路器(分光器)限定的固定功率输出。voa通常用于光纤通信线路中，以将光纤功率降低到某个期望的水平。这样的voa可以是，例如，固定的、步进式可变的或者连续可变的voa。voa可以用于将光学传输装置内的光束的功率输出例如从100％降低到0.3％或者甚至更低，并且降低到该范围内的任何特定输
出功率。在一些实施例中，衰减范围为1db至20db。
111.在一些上述系统中增加测序复用的能力可以至少部分地通过降低系统中测序芯片的输入辐照度要求来实现，使得可以使用单个光源在系统内辐照多个芯片，该单个光源的输出被分成单独的光束。如上所述，先前的测序芯片通常在反应区域需要大约1μw/μm2，而本系统中使用的测序芯片在反应区域需要大约低十倍的功率密度，或者大约0.1μw/μm2。因此，在一些实施例中，这些系统中使用的测序芯片可能需要每个反应区域不超过1.0μw/μm2、不超过0.5μw/μm2、不超过0.4μw/μm2、不超过0.3μw/μm2、不超过0.2μw/μm2、不超过0.1μw/μm2或者甚至更小的功率密度。
112.尽管用于刚刚描述的高度复用的光学系统的激光源的具体选择可以取决于系统中的其它设计特征和选择，但是合适的激光器例如将是输出不超过2000mw、1000mw、500mw、200mw、100mw或者甚至更小的激光器。在一些实施例中，激光器在从约450nm到约700nm的波长下显示这些功率输出。在更具体的实施例中，激光器是波长可调谐激光器，例如在约548nm处输出约330mw的波长可调谐激光器。在其它更具体的实施例中，激光器是波长可调谐激光器，其在约548nm处输出约660mw。
113.如下面将更详细描述的，图5中所示的测序芯片可以一起安装在相同的基板上，并且因此可以共享封装功能(诸如流体接口、处理特征等)。或者，每个测序芯片可以安装在其自己的单独的基板和封装上。在一些实施例中，测序芯片可以成对地、三个地或者以任何其他合适的倍数布置在基板和封装上。
114.同样如图5所示，可以使用芯片上的单个输入耦合器从单侧照射新颖系统的光学测序芯片。使用来自所谓的“光笔”的简单的单光束光源可以将这些系统中的光学器件的成本降低大约五到十倍。此外，单个激光源可用于通过分裂激光源的光来为多个芯片供电，例如使用如图5所示的plc，从而进一步降低光学系统的成本和复杂性。如上所述，在特定系统实施例中，plc可以包括每个通道上的有源功率控制，例如，如公开号为2016/0273034的美国专利申请中公开的光传输装置中所描述的。
115.尽管测序芯片的单光束、单面光笔照射可以显著地简化设计、降低成本并增加光学芯片上的测序反应的复用，但是只有当在所有zmw上实现空间均匀性所需的激光功率损失相对小时，才可以实现这种改进。在一些实施例中，这种均匀性可以通过减少沿着测序波导的传播损耗来实现，例如，通过使zmw孔尺寸更小以减少zmw散射，通过减少侧壁粗糙度，或者通过减少测序波导与芯片表面上的zmw金属层附近的损耗。使zmw之间的间隙较大可以有助于减少zmw散射，但是可能需要增加激光功率。
116.降低传播损耗的其它方法包括使用相对较窄的芯片，从而减小有源区域上的波导长度，或者使用分离芯片，其中输入耦合器放置在芯片的中间，例如如图6所示，其中输入耦合器示出为芯片左侧的正方形。在该示例中，发射到与输入耦合器相关联的波导中的光首先被分离到两个路由波导中(由两个向右箭头指示)，并且如由向上和向下箭头指示的，这些路由波导进一步沿着芯片的长度被分离到测序波导中。换句话说，路由波导二等分光学芯片。在这种方法中，由于测序波导的长度缩短，传播损耗应当仅为用全宽度芯片观察到的传播损耗的一半。然而，使用这种方法可能出现其它问题，例如，由于渐逝光从路由线路泄漏而在有源区域中产生背景荧光。这种背景荧光可以通过用薄金属层覆盖路由线路或者通过使用光吸收珠来抑制。例如，在公开号为2012/0085894、2014/0199016和2014/0287964的
美国专利申请中描述了用于在zmw中降低传播损耗并提高样本照射效率的其它方法，先前将上述专利申请引入作为参考。
117.图7中示出了用于改善从单侧照射测序波导的系统中的空间均匀性的其它方法。如该图7的左侧的图所示，通过使波导相对于zmw行的取向“倾斜”，可以设计均匀宽度的线性测序波导，以提供与zmw行(上述以圆圈表示)逐渐增加的重叠。尽管测序波导内的光能随着光在波导内沿箭头方向传播而减少，但与zmw进一步沿波导的重叠增加补偿了损失，并沿整个zmw行提供了更高的照射均匀性。或者，如该图7的右侧的图所示，可以将测序波导制造成“楔形”形状，以补偿进一步沿着波导的传播损耗，从而为沿着整行的zmw提供更高的照射均匀性。应当理解，这些设计所需的输入功率可能需要比芯片设计中的输入功率稍高，在芯片设计中，波导具有均匀的尺寸并且直接与它们照射的zmw一致。
118.如公开号为2016/0273034和2019/0179078的美国专利申请中所述的，自反向传播(即，在芯片上分离输入光源并引导分离的输入光到同一测序波导的相对端)不一定解决具有单侧输入耦合器的测序芯片中的传播损耗问题，其中光源是准单模窄带相干激光器，因为自反向传播由于相干效应可能导致空间上不均匀且时间上不稳定的照射图案。然而，如公开号为2016/0273034的美国专利申请中进一步描述的，该问题可以通过调制光源的相位、频率和/或者振幅来解决，或者如公开号为2019/0179078的美国专利申请中描述的，该问题可以使用宽带、多纵向光激发源来解决。具体地，随着宽带、多纵向源的功率输出持续增加，以及随着高度复用测序芯片的功率要求持续降低，此类方法非常适合用于包括多个复用光学芯片的本公开的光学分析系统。
119.图8a和图8b示出了包括多个复用光学芯片和多个输入光束的光学系统的可选配置，其中，每个芯片均由双光束光刷(也称为“光叉”)而不是单光束光笔。这些系统通过传输两种不同波长的光学照射到每个芯片来克服与使用自反向传播的光学输入相关联的上述问题。两个不同的光输入在芯片上被路由到每个测序波导的相对端，从而克服了传播损耗和相干效应的问题。特别地，使用不同的波长可以帮助防止在波导内形成干涉图案(例如驻波)。照射测序波导的光的波长随时间的调制或者单个宽带多纵模光源的使用也可解决链路效率变化(lev)的问题，如公开号为2016/0216538和2019/0179078的美国专利申请中所述的，其中当用具有单个波长的激光照射波导时，一些波导表现出随时间变化的不期望的背反射。使用两个输入光束还允许以最小的修改来适应当前的测序芯片。此外，尽管在这些系统配置中需要两个激光器，但是激光器输出在多个芯片之间共享，从而降低系统的成本和复杂性。例如，在一些实施例中，激光照射2、4、6、8或者甚至更多不同的测序芯片。在特定实施例中，这些光学系统的pfc或者光刷包括用于每个输出光束的有源功率控制。在图8a的示例性光学系统中，该系统包括两个激光器，每个激光器是输出例如在548nm处330mw的波长可调谐激光器。
120.在图8b的示例性系统中，该系统包括一个波长可调谐激光器，其输出例如548nm的660mw。该图中所示的系统还包括快速开关，以使激光器能够传输不同波长的光到与激光器光耦合的多个pfc。例如，如图8b所示，激光器可以在两个pfc之间来回切换，并且每个pfc又可以引导不同波长的光到多个测序芯片。可以选择切换频率以不仅超过每个测序芯片上的光学检测器的更新频率，而且超过荧光核苷酸在测序芯片上的反应区域中的扩散速率和从反应区域出来的扩散速率。这种考虑有助于避免增加的背景噪声。更具体地说，光源的调谐
可用于管理可导致hill型布拉格光栅的慢速材料的非线性。如果在快速开关的时间尺度上调谐较慢，则可能不一定需要两者的明确协调。在具体实施例中，开关是压电装置(例如锆钛酸铅(pzt)开关)，该开关能够在两个plc之间快速(例如优选大于50khz)切换。在优选实施例中，开关和plc被组合在同一芯片封装中。由光源的快速开关组件提供的照射优选地通过照射体积在荧光团的典型扩散持续时间内具有若干或者许多周期，以便最小化系统中的噪声。
121.在图8a和图8b的光学系统中，优选使用直接来自芯片上的检测器例如cmos检测器的反馈来实现测序芯片与光刷光学传输装置的对准，使得在优选实施例中，不需要对准相机。
122.图9a-图9c示出了图5中所示的光学系统的其它替代配置，其中每个测序芯片由单光束光笔照射。例如，如图9a所示，plc可以将输入光源(例如输入激光源)分成多个输出光束，以便传输到每个相关联的光笔。在该示例中，plc被设计成控制光输出的切换和/或者控制到不同光笔的光功率的衰减。在特定实施例中，至少一个光通道包括有源功率控制，例如可变光衰减器。
123.在图9b所示的实施例中，plc以固定比率将输入光源分给不同的光笔，而不使输出功率衰减。在每个光笔处，功率输出由与光笔相关联的独立衰减器控制。在图9c所示的实施例中，通过光纤分路器树来执行光源到光笔的分路。如图9b的系统中的情况，来自光笔的功率输出由与每个光笔相关联的独立衰减器控制。
124.随着测序芯片上每zmw的光功率要求的下降，使用具有不同光波长和/或者具有多个纵模的光源以防止在使用反向传播光激发的波导中形成干涉图案或者链路效率变化(lev)的需要可能变得不太重要。因此，在一些实施例中，本公开的高度复用光学分析系统的光源可以是单波长光源(即，单或者准单光源)。出于类似的原因，在一些实施例中，这些系统中的光源不是宽带、多纵向光源。例如，在一些实施例中，光源是窄带相干激光器。然而，应当理解，不被认为是宽带的光源仍然可以发射多于一个纵向模。
125.在一些实施例中，单或者准单光源甚至可以与具有每zmw正常光功率要求的测序芯片一起使用和/或者未被设计成使用反向传播波导激发的测序芯片一起使用，特别是如果单或者准单光源与其中传播损耗可以被减少和/或者其中样本照射的效率和空间均匀性可以被增加的芯片设计组合，例如，如在上面所描述的、在上面所参考的专利公开中所提供的，以及如图6和图7中所示的设计中。
126.如本节中所示，本公开的光学分析系统优选地包括多个复用光学芯片。在实施例中，光学分析系统包括每个系统至少两个复用光学芯片、至少三个复用光学芯片、至少四个复用光学芯片、至少六个复用光学芯片、至少八个复用光学芯片或者甚至更多个复用光学芯片，因此与已知测序系统相比，大大增加了可同时进行的测序反应的复用。在这些系统中，对于每个复用光学芯片，通常存在一个光学传输装置(例如光笔或者光叉)。因此，这些光学分析系统的每个系统可以包括至少两个光学传输装置、至少三个光学传输装置、至少四个光学传输装置、至少六个光学传输装置、至少八个光学传输装置，或者甚至更多的光学传输装置。这些系统中的任何一个系统还可以包括一个或者多个平面光波芯片，以分离、切换和/或者衰减提供给光学传输装置的光。
127.小形状系数模块化光源
128.如上所述，当前的复用光学测序芯片可以在每个芯片上包括多个光学输入耦合器，以便提供所需的样本照射并且促进测序芯片与光源的适当对准。此外，多光束光学传输装置(例如，光刷)通常位于距离测序芯片相当远的位置，以便在测序运行之间方便插入测序芯片到分析系统和从分析系统中取出芯片。尽管使用自由空间耦合，使用光学传输装置和具有低数值孔径的耦合器，以及具有相对大的表面区域的耦合器与直接或者接近直接的耦合方法(例如，参见申请号为2016/0363728的美国专利申请)相比提供了一些优点，这种光源的对准，特别是多光束光学传输装置的对准，必然涉及控制平移和旋转自由度的大部分(如果不是全部的话)，即，坐标空间内的x、y和z位置，以及俯仰、偏航和滚动旋转运动。此外，自由空间耦合所需的相对大的工作距离(例如，在现有系统中多达100mm)使得在将照射信号传输到芯片时必须使用体光学器件。体光学的使用可能需要对放大和/或者图案旋转的进一步补偿。此外，测序芯片上的相邻耦合器之间的串扰(例如，由于高斯重叠)可以排除芯片上的测序视场的缩小。
129.本公开的发明人已经发现，高度复用的光学测序系统中的光学传输装置的小型化和模块化可以提供优于使用自由空间耦合的光源的已知方法的明显优点，特别是在包括多个光学测序芯片的系统中或者在包括通过场拼接构建的较大芯片的系统中。例如，减小光学传输装置的尺寸在至少一个维度上到小于测序芯片的尺寸，使得具有多个芯片的测序仪器具有可缩放的模块化光机结构。因此，与小形状系数模块化光学器件并联的多个芯片的使用允许以晶粒区域的线性成本增加总的芯片区域(无论是在多个单独的芯片上还是在封装在单个芯片上的多个晶粒上，参见下文)，同时还允许在紧凑的总体系统中使用低成本(每瓦)的光源(例如，二极管激光器)。
130.在一些方面，这些系统中的小形状系数光学传输装置的照明光束的数值孔径被设计的足够高，使得需要控制较少的自由度以耦合来自照明光束到目标芯片上的光耦合器的光能。如图10所示的模拟中所示，对于具有0.01的数值孔径的光栅耦合器，俯仰或者偏航中2
°
的角度失准将耦合效率降低到接近零，而具有0.4、0.10和0.25的数值孔径的耦合器显示接近最大耦合。因此，在包括多个小形状系数光学传输装置和多个测序芯片的系统中，光耦合器的数值孔径优选地为至少0.4、至少0.6、至少0.8、至少0.10、至少0.125、至少0.25或者甚至更高。在这样的系统中，光学传输装置的俯仰和偏航自由度因此不需要像现有系统中那样被仔细地控制。
131.用于本公开的系统的合适的小形状系数、模块化光学传输装置在本领域中是已知的。例如，在光盘(cd)和数字通用光盘(dvd)技术中使用的激光光学器件可以提供用于本公开的系统的合适特性。光盘驱动器通常包括激光二极管(对于cd发射红外光，对于标准dvd发射红光，对于蓝光dvd发射紫光)，该激光二极管可以适于用作本公开的光学传输装置中的光源。激光二极管小且具有小的质量，并且相对于测序芯片上的相关输入耦合器定位激光二极管的机制可以从光盘和硬盘驱动器技术中适应。例如，可以旋转摆臂致动器类型装置以在一个位置方向上提供精细和粗略跟踪。在硬盘驱动器中，这种旋转由本领域技术人员公知的“跟踪线圈”控制。可以以多种方式提供对模块化光学传输装置在两个其它位置方向上的控制。例如，焦点调节(即，相对于测序芯片的表面上下移动)可以由“聚焦线圈”或者用于这种类型的弯曲的其他合适的控制器控制。图11示出了包括上述特征的示例性摆臂制动器。进一步提供了致动器和光学头设计，例如在chou等人(2010)的《ieee磁学会刊》46:
72603-1610(doi.org/10.1109/tmag.2010.2045388)；blankenbeckler等人(2004)proc.spie5380，《光学数据存储器》(doi.org/10.1117/12.557112)；和bell等人(2001)proc.spie4342，《光学数据存储器》(doi.org/10.1117/12.453385)，上述文献通过引用全部并入本文。
132.图12a和图12b中示出了测序芯片和摆臂致动器类型的光学传输装置的示例性布置。图12a中的所有四个摆臂致动器都处于“装载”位置，其中在每个臂的端部处的激光二极管或者等效模块化光源与四个测序芯片中的每一个上的输入光耦合器对准。在图12b中，顶部的两个致动器被示出为处于“装载”位置，其中激光二极管或者等效模块化光源位于顶部的两个测序芯片上的输入光耦合器上方，并且底部的两个致动器被示出为处于“未装载”位置。从该图示中应当清楚，系统可以被设计成允许移除单个测序芯片，即使系统中的其他芯片正在被主动监控。然而，在多个测序芯片被封装在单个基板上的情况下，将需要将所有致动器移动到“未装载”位置以便从系统移除测序芯片。图12a和图12b中的每个测序芯片的右侧的阴影正方形旨在表示可选的第二光耦合器，例如与可选的第二组摆动臂致动器类型的光学传输装置一起使用，其中第二组光学传输装置具有被选择为适合于上述反向传播方法的光学性质。
133.在其它方面，本公开提供了上述分析系统，并且还包括用于数据流整理的组件，该组件具有专用高带宽路径，从而在典型的芯片互连例如弹簧针被缩放的情况下避免了每个芯片的显著增加的插入力。例如，图12a和图12b中的每一张图中所示的单独的测序芯片可以被电连接以最小化对每个芯片上的单独引脚的完整集合的需要，并且来自每个芯片的光学传感器数据可以沿着高带宽路径(例如，到有源光缆(“aoc”)中，如附图中所示)整理(即，聚集)以便最小化引脚的总数。在优选实施例中，引脚需要保持在每个芯片上，仅用于功率、接地和串行通信。对于低单位距离损耗/高带宽链路(例如，光纤)，该链路可以允许远程放置一些或者全部数据处理和计算资源。进而，数据处理和计算资源的远程放置可以减少湿化学实验室内对这些资源的热耗散、电功率汲取和物理空间的要求，并且可以定位资源在可以更节约成本和有效地满足这些要求的地方(例如，在计算机机房内)。
134.此外，例如通过每个芯片的硅基板的体各向异性(bulk anisotropic)蚀刻实现的单片集成特征，可以允许多芯片模块在多个芯片之间具有高度可重复的间隔，并且由此显著地减小实现与光学传输装置的有效耦合所需的调整范围。如果这些特征在每个芯片基板的背面上实现，则不存在专用于测序的正面区域的固有折衷。相应的特征可以在多芯片模块基板上实现，或者可以在芯片被固定到较低值的多芯片模块基板期间使用的工具中实现。
135.多芯片组件
136.如上所述，目前的复用单分子实时测序系统通常包括单个光学芯片。例如，在专利号为9,372,308的美国专利和公开号为2016/0061740的美国专利申请中描述了用于在较大硅晶片上制造这种芯片的工艺流程。在制造步骤之后，并且如这些参考文献中所述，通常以各种方式进一步处理晶片，包括切割晶片以产生单独的芯片(或者“晶粒”)并且将单独的芯片封装到基板(例如陶瓷基板等)上。
137.在晶片产率低且组装率高的情况下，例如通过附接到印刷电路板(pcb)、陶瓷基板等而组装多个晶粒到单个封装上以便增加系统性能和/或者吞吐量可能是有利的。图13示
出了包括两个晶粒(左侧)或者四个晶粒(右侧)的两个示例性多晶粒封装。有利的是这种多晶粒封装可以使用前面部分中描述的光学传输方法和系统来照射。其它示例性的包装的核酸测序装置在2021年1月21日提交的申请号为17/149,455的美国申请中公开，上述申请通过引用全部并入本文以用于所有目的。
138.到新型边缘耦合器的光学传输
139.尽管上述测序芯片通常包括光栅耦合器以发射光激发到装置的波导中，但应理解，在一些情况下，从测序芯片的边缘与光源耦合可能是有利的。具体地，在由光纤提供光输入的情况下，可能有利的是，扩大芯片边缘附近的波导模尺寸以便改善耦合。参见，例如，papes等人(2016)“光学快讯”5026(doi.org/10.1364/oe24005026)。
140.然而，在这里描述的测序芯片的情况下，由于zmw层的集成，其优选地在芯片的测序区域中与高折射率波导层紧密接近，因此难以扩展输入耦合器到芯片上方，例如papes等人所述。
141.为了解决这个问题，本公开的发明人设计了一种改进的边缘耦合器结构，其中该耦合器结构被制造在芯片的周边附近并且包括透明肋折射率波导，该透明肋折射率波导与测序芯片的单元池的收集光学叠层具有近似相同的厚度。
142.图14a-图14e示出了用于制造这种设计的示例性边缘耦合器的示例性工艺流程。具体地，在步骤1中，如图14a所示，在芯片的测序区域中(即，在芯片的右侧，如图所示)在si cmos检测器基板(厚度大约750μm)上沉积并图案化的带阻滤波器叠层(rejection filter stack)(厚度大约31μm)。在步骤2中，如图14b所示，使用反向掩模在芯片的整个表面上沉积并平面化sio2层，然后在芯片的输入耦合器区域上沉积并图案化薄si3n4层以形成肋形波导。在步骤3中，如图14c所示，如果需要，添加附加的肋形波导层到芯片的输入耦合器区域。透镜化功能形成在芯片的测序区域上，如由每个单元池处的浸入sio2层所指示的。在步骤4中，如图14d所示，使高折射率透镜材料沉积、平坦化和图案化，然后使随后的sio2层沉积并平坦化。在步骤5中，高折射率si3n4序列波导层在边缘形成有倒锥形。该波导层被顶部覆层和其中形成zmw的铝层覆盖。图14e示出了芯片的集成结构，该芯片的集成结构包括边缘耦合器(左侧)和芯片的测序区域(右侧)。关于上述步骤中的任一步骤的进一步细节可在例如专利号为9,372,308的美国专利和公开号为2016/0061740的美国专利申请的工艺流程中到。图15a中示出了封装芯片的最终结构，以及在芯片插入光学分析系统时玻璃纤维光源相对于扩束器耦合器的位置。
143.上述集成扩束器光学器件还可以用于使来自激光二极管的光耦合到测序芯片中，例如，如图15b所示。在这种情况下，附接半导体激光二极管到转换层可能是有利的，该转换层还包含用于电驱动和对准标记的金属迹线。si cmos/光子晶粒上的平面蚀刻停止处可以提供明确定义的“z”参考平面以帮助对准激光发射到芯片，例如，如图15b所示。同样如图15a和图15b所示，“流体”储存室可以与每个芯片表面上的zmw阵列流体接触，以传输测序试剂(例如dna模板/引物和荧光核苷酸)到芯片上每个单元池的反应孔。
144.对于相关领域的普通技术人员来说，显而易见的是，在不背离本公开或者其任何实施例的范围的情况下，可以对本文所述的分析装置、系统和方法进行其它合适的处理和调整。
145.本文提及的所有专利、专利出版物和其它公开的参考文献通过引用全部并入本
文，如同每个都通过引用单独和具体地并入本文。
146.虽然已经提供了具体的示例，但是上述描述是说明性的而非限制性的。前述实施例的任何一个或者多个特征可以以任何方式与本公开中的任何其它实施例的一个或者多个特征组合。此外，在阅读说明书之后，本公开的许多变型对于本领域技术人员将变得显而易见。因此，本公开的范围应当参考所附权利要求书及其等同物的全部范围来确定。

技术特征：

1.一种用于核酸测序的光学分析系统，包括：多个复用光学芯片，每个复用光学芯片包括；多个反应区域；至少一个光波导，所述光波导与所述多个反应区域光连接；输入光耦合器，所述输入光耦合器与所述至少一个光波导光连接；和光学检测器，所述光学检测器与所述多个反应区域光连接；光源；以及多个光学传输装置，所述多个光学传输装置与所述光源光连接，其中，至少一个光学传输装置照射至少一个复用光学芯片的所述输入光耦合器。2.如权利要求1所述的光学分析系统，其中，所述至少一个光学传输装置输出不超过两个光束或者不超过一个光束。3.如权利要求1或者2所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片包括不超过两个输入光耦合器或者不超过一个输入光耦合器。4.如权利要求1-3中任一项所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统包括至少两个复用光学芯片、至少三个复用光学芯片、至少四个复用光学芯片、至少六个复用光学芯片、或者至少八个复用光学芯片。5.如权利要求1至4中任一项所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统包括至少两个光学传输装置、至少三个光学传输装置、至少四个光学传输装置、至少六个光学传输装置、或者至少八个光学传输装置。6.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片包括至少2个、至少5个、至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1,000个、至少5,000个、至少10,000个或者至少50,000个光波导。7.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片包括不超过100,000个、不超过50,000个、不超过10,000个、不超过5,000个、不超过1,000个、不超过500个或者不超过100个光波导。8.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片包括1至100,000、100至10,000或者500至5,000个光波导。9.如权利要求1至5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片包括两个输入光耦合器，所述至少一个光波导包括两个端部，并且所述两个输入光耦合器分别与所述至少一个光波导的所述两个端部耦合。10.如权利要求9所述的光学分析系统，其中，用反向传播的光照射所述至少一个光波导的所述两个端部中的每一个端部。11.如权利要求10所述的光学分析系统，其中，所述反向传播光具有第一波长和第二波长。12.如权利要求1至5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片包括不超过一个输入光耦合器，并且其中，所述至少一个光学传输装置利用多模光束照射所述输入光耦合器。13.如权利要求12所述的光学分析系统，其中，所述多模光束是波长复用的、空间模复用的或者偏振复用的。
14.如权利要求13所述的光学分析系统，其中，所述多模光束是偏振复用的。15.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个光学传输装置输出不超过一个光束。16.如权利要求15所述的光学分析系统，其中，所述光源是宽带、多纵向光激发源。17.如权利要求15所述的光学分析系统，其中，所述光源在相位、频率或者振幅上被调制。18.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，通过测量来自至少一个反应区域的光信号，使至少一个光学传输装置和至少一个复用光学芯片光学对准。19.如权利要求18所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统配置成移动所述至少一个光学传输装置或者所述至少一个复用光学芯片，以增加来自所述至少一个反应区域的所述光学信号。20.如权利要求19所述的光学分析系统，其中，来自所述至少一个反应区域的光学信号被最大化。21.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统不包括对准相机。22.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个反应区域需要不超过1.0μw/μm2、不超过0.5μw/μm2、不超过0.4μw/μm2、不超过0.3μw/μm2、不超过0.2μw/μm2、或者不超过0.1μw/μm2的功率密度。23.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述光源包括不多于四个激光器、不多于两个激光器或者不多于一个激光器。24.如权利要求23所述的光学分析系统，其中，所述光源包括一个激光器，所述激光器在450nm至700nm的波长范围内输出不超过2000mw。25.如权利要求23所述的光学分析系统，其中，所述光源包括一个波长可调谐激光器，所述波长可调谐激光器在450nm至700nm的波长范围内输出不超过2000mw。26.如权利要求23所述的光学分析系统，其中，所述光源包括两个波长可调谐激光器，每个激光器在450nm至700nm的波长范围内输出不超过1000mw。27.如权利要求23所述的光学分析系统，其中，所述光源是一个不可调谐激光器。28.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述光源提供具有不超过两个波长的光。29.如权利要求28所述的光学分析系统，其中，所述光源提供具有不超过一个波长的光。30.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统还包括平面光波电路，所述平面光波电路与所述光源和所述至少一个光学传输装置光耦合。31.如权利要求30所述的光学分析系统，其中，所述平面光波电路包括多个光学通道，并且其中所述平面光波电路控制所述多个光学通道之间的光学开关。32.如权利要求30所述的光学分析系统，其中，所述平面光波电路包括多个光学通道，并且其中所述至少一个光学通道包括有源功率控制。33.如权利要求32所述的光学分析系统，其中所述有源功率控制是可变光学衰减器。34.如权利要求30所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统包括至少两个光学传
输装置、至少三个光学传输装置、至少四个光学传输装置、或者至少六个光学传输装置。35.如权利要求30所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统包括至少两个复用光学芯片、至少三个复用光学芯片、至少四个复用光学芯片、或者至少六个复用光学芯片。36.如权利要求30所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片包括不超过两个输入光耦合器或者不超过一个输入光耦合器。37.如权利要求30所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统包括与所述光源和所述至少一个光学传输装置光耦合的两个平面光波电路。38.如权利要求37所述的光学分析系统，其中，所述光源向第一平面光波电路提供第一光波长，并且向第二平面光波电路提供第二光波长。39.如权利要求38所述的光学分析系统，其中，所述至少一个光学传输装置与所述第一平面光波电路和所述第二平面光波电路两者光学连接。40.如权利要求38所述的光学分析系统，其中，所述光源包括两个波长可调谐激光器。41.如权利要求38所述的光学分析系统，其中，所述光源包括一个波长可调谐激光器。42.如权利要求41所述的光学分析系统，其中，所述光源还包括快速光学开关。43.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个光波导配置成在所述多个反应区域处最小化输入光信号的功率损失。44.如权利要求43所述的光学分析系统，其中，所述至少一个光波导具有楔形形状。45.如权利要求43所述的光学分析系统，其中，所述至少一个光波导相对于所述至少一个复用光学芯片上的一行反应区域倾斜。46.如权利要求43所述的光学分析系统，其中，所述至少一个光波导是二等分所述至少一个复用光学芯片的路由波导。47.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个光学传输装置是小形状系数光学传输装置。48.如权利要求47所述的光学分析系统，其中，所述光源是集成到所述小形状系数光学传输装置中的模块化光源。49.如权利要求48所述的光学分析系统，其中，所述光源是激光二极管。50.如权利要求47所述的光学分析系统，其中所述至少一个复用光学芯片的输入光耦合器具有至少0.4、至少0.6、至少0.8、至少0.10、至少0.125或者至少0.25的数值孔径。51.如权利要求47所述的光学分析系统，其中所述至少一个复用光学芯片包括不超过一个输入光耦合器或者不超过两个输入光耦合器。52.如权利要求47所述的光学分析系统，其中，所述多个复用光学芯片一起封装。53.如权利要求52所述的光学分析系统，其中，所述多个复用光学芯片一起封装在单个基板上。54.如权利要求53所述的光学分析系统，其中，所述单个基板是印刷电路板。55.如权利要求47所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统还包括连接来自至少一个复用光学芯片的数据流的高带宽串行路径。56.如权利要求55所述的光学分析系统，其中，所述光学分析系统还包括与所述光学检测器光学连接的数据处理元件或者计算元件。57.如权利要求56所述的光学分析系统，其中，所述数据处理元件或者计算元件位于距
所述多个复用光学芯片、所述光源或者至少一个光学传输装置的一定距离处。58.如权利要求47所述的光学分析系统，其中，所述至少一个光学传输装置包括致动器元件。59.如权利要求58所述的光学分析系统，其中，所述致动器元件是摆臂元件。60.如权利要求59所述的光学分析系统，其中，所述摆臂元件包括跟踪线圈。61.如权利要求59所述的光学分析系统，其中，所述摆臂元件包括聚焦线圈。62.如权利要求59所述的光学分析系统，其中，所述摆臂元件包括铰接弹簧。63.如权利要求47所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片的输入光耦合器具有至少0.4、至少0.6、至少0.8、至少0.10、至少0.125或者至少0.25的数值孔径。64.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片包括边缘耦合器。65.如权利要求64所述的光学分析系统，其中，所述边缘耦合器是扩束器耦合器。66.如权利要求64所述的光学分析系统，其中，所述边缘耦合器是透明肋折射率波导。67.如权利要求64所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片包括金属表面层，所述金属表面层包括零模波导阵列，并且所述边缘耦合器位于所述金属表面层下方。68.如权利要求64所述的光学分析系统，其中，所述光源是玻璃纤维。69.如权利要求64所述的光学分析系统，其中，所述光源是激光二极管。70.如权利要求1至5中任一项所述的光学分析系统，所述光学分析系统进一步包括计算机，所述计算机从所述至少一个复用光学芯片的所述光学检测器接收至少一个电信号，并且分析所述至少一个电信号。71.如权利要求70所述的光学分析系统，其中，所述至少一个电信号提供核酸序列信息。72.如权利要求1至5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述光源具有从约450nm至约700nm或者从约500nm至约650nm波长范围的激发波长。73.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，在硅芯片上制造所述至少一个复用光学芯片。74.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片的光学检测器包括cmos传感器。75.如权利要求1-5中任一项所述的光学分析系统，其中，所述至少一个复用光学芯片的所述多个反应区域包括多个核酸样本。

技术总结

本文提供了用于核酸测序的改进的高度复用光学分析系统。该系统包括多个高度复用光学芯片、至少一个光源和用于照射每个光学芯片中上的纳米级反应区域阵列的多个光学传输装置。在使用中，反应区域包含荧光核酸测序试剂，并且布置成向与复用光学芯片相关联的光学检测器实时报告核酸序列信息。该系统能够大幅增加能在单个仪器内进行的核酸测序反应的规模，而不会相应地增加仪器的尺寸、复杂性或者成本。复杂性或者成本。复杂性或者成本。