在发光成像中使用的设备和组成物及使用其的方法与流程

在发光成像中使用的设备和组成物及使用其的方法
1.本技术是申请日为2017年04月21日，申请号为201780039083.7，发明名称为“在像素内的多个位点的发光成像中使用的基于光子结构的设备和组成物及使用其的方法”的申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求2016年4月22日提交的且标题为“photonic structure-based devices and compositions for use in luminescent imaging of multiple sites within a pixel,and methods of using the same”美国临时专利申请号62/326,568的利益，该临时专利申请的全部内容通过引用被并入本文。
4.领域
5.本技术一般涉及发光成像。
6.背景
7.由行业领跑者开发的某些最先进的测序工具依赖于各种“合成测序(sbs)”化学物质来确定多核苷酸序列，例如dna或rna序列。测序可以涉及使用发光成像例如荧光显微镜检查系统以通过它们每个的荧光标记的发射波长来识别核苷酸或相同核苷酸的局部化聚簇。尽管在开发中的一些sbs化学物质可能需要仅仅一种染料，但在商业系统中通常使用多种荧光染料(多达4种)，以便唯一地识别多核苷酸中的核苷酸，例如dna中的a、g、c和t核苷酸。
8.概述
9.本发明的实施例提供了用于在像素内的多个位点的发光成像中使用的基于光子结构的设备和组成物以及使用其的方法。
10.依据一个方面，提供了一种用于在发光成像中使用的设备。该设备可以包括成像像素阵列和布置在成像像素阵列上的光子结构。该设备还可以包括布置在光子结构上的特征阵列。特征阵列的第一特征可以布置在成像像素阵列的第一像素上，并且特征阵列的第二特征可以布置在第一像素上并在空间上从第一特征移位。第一发光体可布置在第一特征内或之上，以及第二发光体可布置在第二特征内或之上。该设备还可以包括辐射源，该辐射源被配置为在第一时间产生具有第一特性的第一光子，并且被配置为在第二时间产生具有第二特性的第二光子。第二特性可以不同于第一特性，以及第二时间可以不同于第一时间。第一像素可以选择性地接收由第一发光体在第一时间响应于第一光子而发射的冷光，并且可以选择性地接收由第二发光体在第二时间响应于第二光子而发射的冷光。
11.可选地，具有第一特性的第一光子在第一时间在光子结构内产生第一谐振图案，第一谐振图案相对于第二发光体选择性地激发第一发光体。可选地，具有第二特性的第二光子在第二时间在光子结构内产生第二谐振图案，第二谐振图案相对于第一发光体选择性地激发第二发光体。
12.此外或替代地，成像像素阵列、光子结构和特征阵列可选地彼此单片地集成。
13.此外或替代地，光子结构可选地包括光子晶体、光子超晶格、微腔阵列或等离子体纳米天线阵列。
14.此外或替代地，特征阵列可选地包括多个阱。第一特征可以包括第一阱，第一发光体布置在该第一阱中，以及第二特征可以包括第二阱，第二发光体布置在该第二阱中。替代地，特征阵列可选地包括多个柱。第一特征可以包括第一发光体布置在其上的第一柱，以及第二特征可以包括第二发光体布置在其上的第二柱。
15.此外或替代地，第一和第二特性可选地独立地选自由波长、偏振和角度组成的组。例如，第一特性可选地包括第一线偏振，以及第二特性可选地包括不同于第一线偏振的第二线偏振。可选地，第一线偏振实质上正交于第二线偏振，或者可选地，第一线偏振相对于第二线偏振旋转在约15度和约75度之间的角度。此外或替代地，第一特性可选地可以包括第一波长，以及第二特性可选地可以包括不同于第一波长的第二波长。
16.此外或替代地，辐射源可选地包括光学部件。可选地，该设备还包括控制器，该控制器耦合到光学部件并且被配置为控制光学部件以便将第一特性施加在第一光子上并且被配置为将第二特性施加在第二光子上。可选地，光学部件包括双折射材料，该双折射材料被配置为通过控制器响应于第一控制信号而将第一光子旋转到第一线偏振，并且被配置为通过控制器响应于第二控制信号而将第二光子旋转到第二线偏振。
17.此外或替代地，第一和第二光子可选地每个以彼此实质上相同的角度照射光子结构。此外或替代地，第一和第二光子可选地每个以近似垂直于光子结构的主表面的角度照射光子结构。此外或替代地，第一和第二光子可选地每个以近似平行于光子结构的主表面的角度照射光子结构。
18.此外或替代地，第二特征可选地从第一特征横向移位。
19.此外或替代地，特征阵列的第三特征可选地布置在第一像素上，并且在空间上从第一和第二特征中的每一个移位。该设备还可选地可包括布置在第三特征内或之上的第三发光体。辐射源可选地可以被配置成在第三时间产生具有第三特性的第三光子。可选地，第三特性可以不同于第一和第二特性，并且第三时间可以不同于第一和第二时间。可选地，第一像素选择性地接收由第三发光体在第三时间响应于第三光子而发射的冷光。此外或替代地，特征阵列的第四特征可选地布置在第一像素上，并且在空间上从第一、第二和第三特征中的每一个移位。该设备可选地还包括布置在第四特征内或之上的第四发光体。辐射源可选地被配置成在第四时间产生具有第四特性的第四光子。可选地，第四特性可以不同于第一、第二和第三特性，并且第四时间可以不同于第一、第二和第三时间。第一像素选择性地接收由第四发光体在第四时间响应于第四光子而发射的冷光。可选地，第一发光体耦合到第一核酸，第二发光体耦合到第二核酸，第三发光体耦合到第三核酸，以及第四发光体耦合到第四核酸。
20.此外或替代地，特征阵列的第三特征可选地布置在成像像素阵列的第二像素上，并且特征阵列的第四特征可选地布置在第二像素上并在空间上从第三特征移位。该设备可选地还包括布置在第三特征内或之上的第三发光体，以及布置在第四特征内或之上的第四发光体。可选地，第二像素选择性地接收由第三发光体在第一时间响应于第一光子或在第二时间响应于第二光子而发射的冷光。可选地，第二像素选择性地接收由第四发光体在第一时间响应于第一光子或在第二时间响应于第二光子而发射的冷光。可选地，第一发光体耦合到第一核酸，第二发光体耦合到第二核酸，第三发光体耦合到第三核酸，以及第四发光体耦合到第四核酸。
21.此外或替代地，第一和第二特征可选地每个具有实质上圆形的横截面。此外或替代地，光子结构可选地包括六边形晶格，并且可选地成像像素是矩形的。
22.此外或替代地，辐射源可选地被配置成用第一和第二光子泛光照射(flood illuminate)光子结构。此外或替代地，辐射源可选地包括激光器。此外或替代地，第一和第二光子可选地独立地具有在约300nm和约800nm之间的波长。
23.此外或替代地，第一发光体可选地耦合到第一核苷酸，以及第二发光体可选地耦合到第二核酸。此外或替代地，该设备可选地包括至少一个微流控特征，该微流控特征与特征阵列接触并且被配置为向第一特征和第二特征提供一种或更多种分析物的流。
24.此外或替代地，第一发光体可选地耦合到待测序的第一多核苷酸，以及第二发光体可选地耦合到待测序的第二多核苷酸。可选地，第一多核苷酸耦合到第一特征，并且可选地第二多核苷酸耦合到第二特征。此外或替代地，设备可选地还可以包括第一聚合酶，第一聚合酶将第一核酸添加到与第一多核苷酸互补并耦合的第三多核苷酸。第一核酸可选地可以耦合到第一发光体。设备可选地还可以包括第二聚合酶，第二聚合酶将第二核酸添加到与第二多核苷酸互补并耦合的第四多核苷酸。第二核酸可选地可以耦合到第二发光体。可选地，设备还可以包括使包括第一核酸和第二核酸以及第一聚合酶和第二聚合酶的第一液体流动到第一特征和第二特征内或在第一特征和第二特征之上流动的通道。
25.依据另一方面，提供了一种用于在发光成像中使用的方法。该方法可以包括提供成像像素阵列，以及提供布置在成像像素阵列上的光子结构。该方法还可以包括提供布置在光子结构上的特征阵列。特征阵列的第一特征可以布置在成像像素阵列的第一像素上，并且特征阵列的第二特征可以布置在第一像素上并在空间上从第一特征移位。该方法还可以包括提供布置在第一特征内或之上的第一发光体，以及提供布置在第二特征内或之上的第二发光体。该方法还可以包括由辐射源在第一时间产生具有第一特性的第一光子，以及由辐射源在第二时间产生具有第二特性的第二光子。第二特性可以不同于第一特性，以及第二时间可以不同于第一时间。该方法还可以包括由第一像素选择性地接收由第一发光体在第一时间响应于第一光子而发射的冷光；以及由第一像素选择性地接收由第二发光体在第二时间响应于第二光子而发射的冷光。
26.可选地，具有第一特性的第一光子在第一时间在光子结构内产生第一谐振图案，第一谐振图案相对于第二发光体选择性地激发第一发光体。可选地，具有第二特性的第二光子在第二时间在光子结构内产生第二谐振图案，第二谐振图案相对于第一发光体选择性地激发第二发光体。
27.此外或替代地，成像像素阵列、光子结构和特征阵列可选地彼此单片地集成。
28.此外或替代地，光子结构可选地包括光子晶体、光子超晶格、微腔阵列或等离子体纳米天线阵列。
29.此外或替代地，特征阵列可选地包括多个阱。第一特征可选地可以包括第一阱，第一发光体布置在该第一阱中，以及第二特征可选地可以包括第二阱，第二发光体布置在该第二阱中。替代地，特征阵列可以包括多个柱。第一特征可选地可包括第一发光体布置在其上的第一柱，以及第二特征可选地可以包括第二发光体布置在其上的第二柱。
30.此外或替代地，第一和第二特性可选地可以独立地选自由波长、偏振和角度组成的组。例如，第一特性可选地可以包括第一线偏振，以及第二特性可选地可以包括不同于第
一线偏振的第二线偏振。可选地，第一线偏振可以实质上正交于第二线偏振，或者可以相对于第二线偏振旋转在约15度和约75度之间的角度。此外或替代地，第一特性可选地包括第一波长，以及第二特性可选地包括不同于第一波长的第二波长。
31.此外或替代地，辐射源可选地包括光学部件。该方法可选地还包括控制光学部件，以便将第一特性施加在第一光子上，并且将第二特性施加在第二光子上。可选地，光学部件包括双折射材料，该双折射材料通过控制器响应于第一控制信号而将第一光子旋转到第一线偏振，并且通过控制器响应于第二控制信号而将第二光子旋转到第二线偏振。
32.此外或替代地，第一和第二光子可选地每个以彼此实质上相同的角度照射光子结构。此外或替代地，第一和第二光子可选地每个以近似垂直于光子结构的主表面的角度照射光子结构，或者第一和第二光子可选地每个以近似平行于光子结构的主表面的角度照射光子结构。
33.此外或替代地，第二特征可选地从第一特征横向移位。
34.此外或替代地，特征阵列的第三特征可选地布置在第一像素上，并且在空间上从第一和第二特征中的每一个移位。可选地，该方法还包括提供布置在第三特征内或之上的第三发光体，并在第三时间产生具有第三特性的第三光子。第三特性可选地可以不同于第一和第二特性，以及第三时间可选地可以不同于第一和第二时间。该方法可选地还可以包括由第一像素选择性地接收由第三发光体在第三时间响应于第三光子而发射的冷光。可选地，特征阵列的第四特征布置在第一像素上，并且在空间上从第一、第二和第三特征中的每一个移位。该方法可选地还包括提供布置在第四特征内或之上的第四发光体，以及在第四时间产生具有第四特性的第四光子。第四特性可选地可以不同于第一、第二和第三特性，以及第四时间可选地可以不同于第一、第二和第三时间。该方法可选地还可以包括由第一像素选择性地接收由第四发光体在第四时间响应于第四光子而发射的冷光。可选地，第一发光体耦合到第一核酸，第二发光体耦合到第二核酸，第三发光体耦合到第三核酸，以及第四发光体耦合到第四核酸。
35.此外或替代地，特征阵列的第三特征可选地可以布置在成像像素阵列的第二像素上，并且特征阵列的第四特征布置在第二像素上并在空间上从第三特征移位。该方法可选地还包括提供布置在第三特征内或之上的第三发光体，以及提供布置在第四特征内或之上的第四发光体。该方法可选地还包括由第二像素选择性地接收由第三发光体在第一时间响应于第一光子或在第二时间响应于第二光子而发射的冷光；以及由第二像素选择性地接收由第四发光体在第一时间响应于第一光子或在第二时间响应于第二光子而发射的冷光。可选地，第一发光体耦合到第一核酸，第二发光体耦合到第二核酸，第三发光体耦合到第三核酸，以及第四发光体耦合到第四核酸。
36.此外或替代地，第一和第二特征可选地每个具有实质上圆形的横截面。此外或替代地，光子结构可选地包括六边形晶格，并且成像像素可选地是矩形的。
37.此外或替代地，该方法可选地包括用第一和第二光子泛光照射光子结构。此外或替代地，该方法可选地包括用激光器产生第一和第二光子。此外或替代地，第一和第二光子独立地具有在约300nm和约800nm之间的波长。
38.此外或替代地，第一发光体可选地耦合到第一核酸，以及第二发光体可选地耦合到第二核酸。此外或替代地，该方法可选地包括提供与特征阵列接触的至少一个微流控特
征以及通过至少一个微流控特征使一种或更多种分析物流到第一特征和第二特征。
39.此外或替代地，第一发光体可选地耦合到待测序的第一多核苷酸，以及第二发光体可选地耦合到待测序的第二多核苷酸。可选地，第一多核苷酸耦合到第一特征，以及第二多核苷酸可选地耦合到第二特征。此外或替代地，该方法可选地包括由第一聚合酶将第一核酸添加到与第一多核苷酸互补并耦合的第三多核苷酸。第一核酸可选地可以耦合到第一发光体。该方法可选地还包括由第二聚合酶将第二核酸添加到与第二多核苷酸互补并耦合的第四多核苷酸。第二核酸可选地可以耦合到第二发光体。可选地，该方法还包括通过通道使包括第一核酸和第二核酸以及第一聚合酶和第二聚合酶的第一液体流动到第一特征和第二特征内或在第一特征和第二特征之上流动。
40.依据另一方面，提供了一种用于在发光成像中使用的设备。该设备可以包括成像像素阵列和布置在成像像素阵列上的光子结构。该设备还可以包括布置在光子结构上的特征阵列。特征阵列的第一特征可以布置在成像像素阵列的第一像素上，并且特征阵列的第二特征可以布置在第一像素上并在空间上从第一特征移位。光子结构可以被调整以对比于第二偏振的光用第一偏振的光选择性地照射第一特征。光子结构可以被调整以对比于第一偏振的光用第二偏振的光选择性地照射第二特征。
41.可选地，该设备还包括辐射源，该辐射源被配置成在第一时间产生具有第一偏振的第一光子，并且被配置成在第二时间产生具有第二偏振的第二光子。
42.此外或替代地，该设备可选地还包括布置在第一特征内或之上的第一发光体和布置在第二特征内或之上的第二发光体。
43.此外或替代地，该设备可选地还包括布置在第一特征内或之上的第一目标分析物和布置在第二特征内或之上的第二目标分析物。第一目标分析物可选地可以不同于第二目标分析物。第一和第二目标分析物可选地包括具有不同序列的核酸。
44.附图的简要说明
45.图1a示意性地示出了用于在像素内的位点的发光成像中使用的示例性基于光子结构的设备的透视图。
46.图1b示意性地示出了在设备阵列例如图1a所示的设备阵列内的示例性位点阵列的透视图，其中每个位点对应于一个像素。
47.图1c示意性地示出了示例性设备例如图1a所示的设备的截面图。
48.图2a示意性地示出了图1b所示的位点阵列的示例性激发的透视图。
49.图2b示意性地示出了响应于例如图2a所示的激发的在例如图1a和1c所示的设备阵列内的模拟示例性场强。
50.图3a示意性地示出了例如在此提供的示例性位点阵列的透视图，其中多个位点对应于一个像素。
51.图3b示意性地示出了例如在此提供的设备的截面图，其中如图3a所示多个位点对应于一个像素。
52.图4a示意性地示出了使用例如在此提供的扫描聚焦光束照明对图3a所示的位点阵列的选定位点进行的示例性激发的透视图。
53.图4b示意性地示出了使用例如本文提供的多激光干涉照明对图3a所示的位点阵列的选定位点进行的示例性激发的透视图。
54.图5示意性地示出了示例性光子结构例如可以被包括在例如在此提供并在图3a-3b中所示的设备中。
55.图6a-6d示意性地示出了对于辐射源的在例如图5所示的光子结构内的示例性模拟场强，该辐射源在不同时间分别产生具有彼此不同的特性的光子。
56.图7a示意性地示出了例如在此提供并在图3a-3b中所示的示例性的基于光子结构的设备的平面图，该设备包括每像素第一和第二位点(例如簇)。
57.图7b示意性地示出了对于辐射源的在例如在此提供并在图7a和3a-3b中所示的设备阵列内的示例性模拟场强，该辐射源在第一时间产生具有选择性地激发第一位点的第一特性的光子。
58.图7c示意性地示出了对于辐射源的在例如在此提供并在图7a和3a-3b中所示的设备阵列内的示例性模拟场强，该辐射源在第二时间产生具有选择性地激发第二位点的第二特性的光子。
59.图7d示意性地示出了由例如在此提供并分别在图7b和7c中所示的第一和第二位点的选择性激发产生的示例性串扰项。
60.图8a示意性地示出了例如在此提供并在图3a-3b中所示的示例性的基于光子结构的设备的平面图，该设备包括每像素第一、第二和第三位点(例如簇)。
61.图8b示意性地示出了对于辐射源的在例如在此提供并在图8a和3a-3b中所示的设备阵列内的示例性模拟场强，该辐射源在第一时间产生具有选择性地激发第一位点的第一特性的光子。
62.图8c示意性地示出了对于辐射源的在例如在此提供并在图8a和3a-3b中所示的设备阵列内的示例性模拟场强，该辐射源在第二时间产生具有选择性地激发第二位点的第二特性的光子。
63.图8d示意性地示出了对于辐射源的在例如在此提供并在图8a和3a-3b中所示的设备阵列内的示例性模拟场强，该辐射源在第三时间产生具有选择性地激发第三位点的第三特性的光子。
64.图8e示意性地示出了根据一些实施例的由例如在此提供并分别在图8b-8d中所示的第一、第二和第三位点的选择性激发产生的示例性串扰项。
65.图9a-9d分别示意性地示出了使用在不同时间产生具有不同特性的光子的辐射源的在例如在此提供并在图3a-3b中所示的设备阵列内的第一、第二、第三和第四位点的示例性选择性激发的透视图。
66.图10示出了在此提供的用于在发光成像中使用的方法中的步骤的示例性流程。
67.图11示出了可用于制备例如本文所提供的设备或组成物的步骤的示例性顺序。
68.图12示出了可用于制备例如本文所提供的设备或组成物的步骤的示例性顺序。
69.图13示出了用于在例如本文提供的发光成像中使用的示例性设备。
70.详细描述
71.本发明的实施例提供了用于在像素内的多个位点的发光成像中使用的基于光子结构的设备和组成物以及使用其的方法。
72.首先，将定义一些示例性术语，后面是用于在发光成像中使用的本发明的基于光子结构的设备和组成物以及使用其的方法的示例性实施例的进一步描述。
73.如本文所使用的，术语“光子结构”意指包括一种或更多种光学透明材料的周期性结构，其选择性地影响具有特定特性例如波长、角度和偏振的辐射的传播。例如，光子结构可以选择性地使具有这种特性例如在该波长、该角度和该偏振下的辐射传播通过该结构或者在相同角度或不同角度下传播出该结构，并且这种辐射的场强可以具有在光子结构内的选定的图案。此外，该结构可以选择性地抑制具有不同特性例如在不同的波长、角度和/或偏振下的辐射传播通过该结构或者在不同角度下传播出该结构，和/或这种辐射的场强可以具有在光子结构内的不同的选定图案。光子结构的材料可以包括在一维或更多维中例如在一维中、在两维中或在三维中分布的特征。光子结构的特征的形状、尺寸和分布以及材料的折射率可以被调整，以便选择可以传播通过光子结构或在一角度下传播到光子结构之外的特定辐射特性，例如波长、角度或偏振，和/或以便在光子结构内选择这样的辐射的场强的图案。示例性光子结构包括但不限于光子晶体、光子超晶格、微腔阵列和等离子体纳米天线阵列。
74.如在这里使用的，术语“光子晶体”、“phc”、“光子晶格”、“光子晶体晶格”和“phc晶格”意指包括一种或更多种材料的光子结构，所述材料包括在光的波长的数量级的折射率的周期性变化。例如，光子结构可以包括在三维中延伸、例如具有长度、宽度和厚度的材料。该材料可以具有两个主表面，每个主表面位于由长度和宽度限定的平面内，并且通过厚度从彼此分离。该材料可以在两维或更多维中被图案化，以便限定光子带结构，在该光子带结构中，具有特定特性(例如波长、角度或偏振)的辐射可以通过光子晶体传播或以一角度传播到光子晶体外，和/或以便在光子晶体内选择这种辐射的场强的图案。图案可以包括例如多个特征，例如被限定在材料内的例如穿过材料的一个或两个主表面的阱或柱，材料不存在于该特征内或之间，例如在阱内或在柱之间。在特征内或之间的空间可以填充有一种或更多种额外材料，其可以分别具有不同于该材料的折射率和不同于彼此的折射率的折射率。传播或不传播通过光子结构或在一角度下传播或不传播到光子结构之外的辐射的特定特性例如波长、角度或偏振可以基于该材料的折射率和布置在特征内或特征之间的任何额外材料的折射率，以及可以基于特征的特性，例如特征的形状、尺寸和分布。这些特征可以都是彼此相同的形状、尺寸和/或分布。
75.如在本文所使用的，术语“光子结构”和“phc超晶格”意指选择性地影响具有第一和第二特性例如在第一和第二波长、角度或偏振下的辐射(与具有第三特性例如在第三波长、角度或偏振下的辐射比较)的传播的光子结构。例如，具有第一特性的辐射的场强可以具有第一图案，并且具有第二特性的辐射的场强可以具有不同于第一图案的第二图案。第三波长可以出现在电磁光谱中的第一和第二波长之间。例如，光子结构可以选择性地使具有第一和第二特性例如在第一和第二波长、角度或偏振下的辐射传播通过光子结构或在一角度下传播到光子结构之外，并且具有第一和第二特性的辐射的场强的图案可选地可以彼此不同。例如，光子超晶格可以选择性地抑制具有第一和第二特性例如在第一和第二波长、角度或偏振下的辐射传播通过光子超晶格或者在一角度下传播到光子超晶格之外。例如，光子超晶格可以选择性地使具有第三特性例如在第三波长、角度或偏振下的辐射传播通过光子超晶格或者在一角度下传播到光子超晶格之外。例如，光子超晶格可以选择性地抑制具有第三特性例如在第三波长、角度或偏振下的辐射传播通过该结构或者在一角度下传播到该结构之外。材料可以包括在一维或更多维中例如在一维中、在两维中或在三维中分布
的特征。特征的形状、尺寸和分布以及材料的折射率可以被调整，以便选择可以传播通过光子超晶格或在一角度下传播到光子超晶格之外的辐射的特定特性例如波长、角度或偏振以及这样的特性的场强的图案，以及以便选择实质上不传播通过光子超晶格或在一角度下传播到光子超晶格之外的辐射的特定特性。
76.说明性地，光子超晶格可以包括在三维中延伸(例如具有长度、宽度和厚度)的材料。该材料可以具有两个主表面，每个主表面位于由长度和宽度限定的平面内，并且通过厚度从彼此分离。材料可以在两维或更多维中被图案化，以便限定光子带结构，光子带结构允许具有至少第一和第二特性例如波长、角度或偏振的辐射在由长度和宽度限定的平面内传播或在一角度传播到该平面之外，并且抑制具有第三特性例如第三波长、角度或偏振的至少辐射在材料内传播或在一角度下传播到材料之外。图案可以包括例如多个特征，例如被限定在材料内的例如穿过材料的一个或两个主表面的阱或柱，材料不存在于该特征内或之间，例如在阱内或在柱之间。在特征内或之间的空间可以填充有一种或更多种额外材料，其可以分别具有不同于该材料的折射率和不同于彼此的折射率的折射率。通过光子超晶格传播或不传播或在一角度下传播或不传播到光子超晶格之外的辐射的特定特性可以基于该材料的折射率和布置在特征内或特征之间的任何额外材料的折射率，以及可以基于特征的特性，例如特征的形状、尺寸和分布。一些特征可选地可以在至少一个特性例如形状、尺寸或分布上不同于其他特征。对于关于可在本发明的设备、组成物和方法中使用的示例性光子超晶格的另外的细节，见2016年3月24日提交的且标题为“photonic superlattice-based devices and compositions for use in luminescent imaging,and methods of using the same”美国临时专利申请62/312,704，该专利申请的全部内容通过引用被并入本文。
77.如在本文所使用的，“微腔阵列”意指支持多个(例如至少两个、至少三个或至少四个)谐振的光子微谐振器的周期性二维布置，这些谐振可以通过改变激发源的特性(例如激发源的波长、偏振或角度)而独立于彼此被激发。对于关于可在本发明的设备、组成物和方法中使用的示例性微腔阵列的另外的细节，见altug等人的“polarization control and sensing with twodimensional coupled photonic crystal microcavity arrays”(opt.lett.30:1422-1428(2011))，其全部内容通过引用被并入本文。
78.如在本文所使用的，“等离子体纳米天线阵列”意指支持多个(例如至少两个、至少三个或至少四个)谐振的等离子体纳米结构的周期性二维布置，这些谐振可以通过改变激发源的特性例如偏振源的波长、偏振或角度而独立于彼此被激发。对于关于可在本发明的设备、组成物和方法中使用的示例性等离子体纳米天线的另外的细节，见regmi等人的“nanoscale volume confinement and fluorescence enhancement with double nanohole aperture”(scientific reports 5:15852-1-5(2015))，其全部内容通过引用被并入本文。
79.光子结构的一种或更多种材料可以是或包括“介电材料”，意指光学透明的并且是电绝缘体的流体、固体或半固体材料。流体介电材料的例子包括气体例如空气、氮气和氩气以及液体，例如水、含水溶剂和有机溶剂。固体介电材料的例子包括玻璃(例如无机玻璃例如硅石或改性或功能化玻璃)和聚合物(例如丙烯酸树脂、聚苯乙烯、苯乙烯和其它材料的共聚物、聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚氨酯类、teflon
tm
、环烯、聚酰亚胺或尼龙)。半固体介电
材料的例子包括凝胶，例如水凝胶。此外或替代地，光子结构的一种或更多种材料可以是或包括光学透明的固体半导体材料。
80.如在本文使用的，术语“凝胶”预期意指可渗透液体和气体的半固体或半刚性材料。通常，凝胶材料在液体被吸进时可以膨胀并且在液体通过干燥被移除时可以收缩。示例性凝胶包括但不限于具有胶态结构的那些凝胶，例如琼脂糖或水凝胶；聚合物网状结构，例如明胶；或交联聚合物结构，例如聚丙烯酰胺、sfa(见例如us 2011/0059865，其全部内容通过引用被并入本文)或pazam(见例如us 2014/0079923，其全部内容通过引用被并入本文)。特别有用的凝胶材料将符合它存在于其中的阱或其他凹特征的形状。
81.如在本文使用的，术语“阱”意指在具有被表面的脉间区(interstitial region)完全围绕的表面开口(孔)的材料中的分立凹特征。阱可以具有特性，例如尺寸(例如体积、直径和深度)、横截面形状(例如圆形、椭圆形、三角形、正方形、多边形、星形的(具有任何合适数量的顶点)、不规则的或具有被介电材料分离的同心阱)和分布(例如在介电材料内的阱的空间位置，例如规则地间隔开的或周期性位置，或不规则地间隔开的或非周期性位置)。阱的横截面可以是但不一定需要是沿着阱的长度是均匀的。
82.如在本文使用的，术语“柱”意指从材料的表面突出的并被表面的脉间区完全围绕的分立凸特征。柱可以具有特性，例如尺寸(例如体积、直径和深度)、形状(例如圆形、椭圆形、三角形、正方形、多边形、星形(具有任何合适数量的顶点)、不规则的或具有被介电材料隔开的同心柱)和分布(例如，从介电材料的表面突出的柱的空间位置，例如规则地间隔开的或周期性位置，或不规则地间隔开的或非周期性位置)。柱的横截面可以是但不一定需要是沿柱的长度是均匀的。
83.如在本文使用的，术语“表面”意指与另一种材料接触的材料的一部分或层。
84.如在本文使用的，术语“脉间区”意指在材料中或在表面中的区域，其分离材料或表面的区域。例如，脉间区可以将光子结构的一个特征与光子结构的另一特征分离，或者脉间区可以将阵列的一个位点与阵列的另一位点分离。
85.如在本文使用的，术语“发光”意指发射冷体辐射，以及术语“发光体”意指发光的物品。术语“发光”被规定为不同于白炽光，白炽光是作为热的结果从材料发射的辐射。通常，当能量源将原子的电子从它的最低能量基态转移到较高能量激发态时，冷光产生；然后，电子以辐射的形式返回能量，所以它可落回到它的基态。一种特别有用的类型的发光物品是当能量由激发辐射提供时发射冷体辐射的发光物品。这样的物品可以被称为“光致发光的”。光致发光物品的例子包括在激发辐射之后相对快速地(例如，小于1毫秒)发射冷体辐射的“荧光”物品以及在激发辐射之后相对缓慢地(例如，大于或等于1毫秒)发射冷体辐射的“磷光”物品。光致发光可以被感知为由物品在一波长下的辐射的发射，其为在另一波长下照射该物品的结果。另一有用类型的发光物品是当能量由化学或生物反应提供时发射冷体辐射的物品。这样的物品可以被称为“化学发光的”。
86.可以在本文阐述的方法中检测多种信号中的任一个，包括例如光信号，例如辐射吸收率、冷光发射、冷光寿命、冷光偏振等；瑞利散射和/或米式散射；等等。可以在本文阐述的方法中检测的示例性标记包括但不限于荧光团、发光体、发色团、纳米颗粒(例如金、银、碳纳米管)等。
87.如在本文使用的，术语“特征”意指在材料的结构或组成物例如固体支持架中的独
特变化。可选地，该变化也在材料的结构或组成物中重复。特征的集合可以在材料中或上形成阵列或晶格。示例性特征包括但不限于阱、柱、脊、通道、承载分析物的位点、多层材料的层、具有与在材料中或上的其他区域的化学成分不同的化学成分的材料中或上的区域等。特征可以具有特性，例如尺寸(例如体积、直径和深度)、形状(例如圆形、椭圆形、三角形、正方形、多边形、星形的(具有任何合适数量的顶点)、不规则的或具有被介电材料分离的同心特征)和分布(例如，特征在介电材料内的空间位置，例如规则地间隔开的或周期性位置，或不规则地间隔开的或非周期性位置)。特征的横截面可以是但不一定需要是沿着特征的长度是均匀的。
88.如在本文使用的，术语“位点”意指分子或细胞(或其它分析物)的特定物种的在阵列中的位置。位点可仅包含单个分子(或细胞或其它分析物)或它可包含相同物种的若干分子(或细胞或其它分析物)的群体。在一些实施例中，在附着特定分析物之前，位点存在于材料上。在其他实施方案中，通过将分子或细胞(或其他分析物)附着到材料上来创建位点。阵列的位点通常是离散的。离散的位点可以是邻接的或它们彼此之间可具有距离。应该理解，位点是一种特征。特征可以起晶格、阵列或这两者的部件的作用。
89.如在本文使用的，术语“阵列”意指可以根据相对位置彼此区分开的位点的群体。
90.如在本文所使用的，术语“间距”当参考晶格(例如光子结构)或阵列的特征被使用时意欲指晶格或阵列的相邻特征的中心到中心间距。特征的图案可以按照平均间距来表征。图案可以是有序的，使得在平均间距周围的变化的系数很小，或图案可以是随机的，在这种情况下变化的系数可以是相对大的。在任一情况下，平均间距可以是例如至少大约在光谱的一个或更多个区域中的光的波长的数量级。例如，间距可以对应于在可见光谱(约380-700nm)、uv光谱(小于约380nm至约10nm)和ir光谱(大于约700nm至约1mm)中的一个或更多个中的波长。在光子结构中，特征可以在不同方向上具有彼此不同的间距。例如，在光子超晶格中，不同类型的特征可以具有彼此不同的间距和图案。例如，一种类型的特征(例如在第一晶格中)的间距可以不同于另一种类型的特征(例如在第二晶格中)的间距。
91.如在本文使用的，术语“随机”可用于指表面上的位置的空间分布，例如布置。例如，光子结构或光子超晶格的一个或更多个特征(例如阱或柱)可以随机地间隔开，使得可以具有彼此相同的类型或不同的类型的最近邻特征具有在彼此之间的可变间距。可选地，在彼此相同的类型或不同的类型的特征之间的间距可以是有序的，例如，形成规则图案，例如直线栅格或六边形栅格。
92.如在本文中使用的，术语“核苷酸”或“核酸”预期意指包括糖和至少一个磷酸基团的分子，并且可选地还包括核碱基。缺少核碱基的核苷酸可以被称为“脱碱基的”。核苷酸包括脱氧核糖核苷酸、改性脱氧核糖核苷酸、核糖核苷酸、改性核糖核苷酸、肽核苷酸、改性肽核苷酸、改性磷酸糖骨架核苷酸及其混合物。核苷酸的例子包括腺苷一磷酸(amp)、腺苷二磷酸(adp)、腺苷三磷酸(atp)、胸苷一磷酸(tmp)、胸苷二磷酸(tdp)、胸苷三磷酸(ttp)、胞苷一磷酸(cmp)、胞苷二磷酸(cdp)、胞苷三磷酸(ctp)、鸟苷二磷酸(gdp)、鸟苷三磷酸(gtp)、尿苷一磷酸(ump)、尿苷二磷酸(udp)、尿苷三磷酸(utp)、脱氧腺苷一磷酸(damp)、脱氧腺苷二磷酸(dadp)、脱氧腺苷三磷酸(datp)、脱氧胸苷一磷酸(dtmp)、脱氧胸苷二磷酸(dtdp)、脱氧胸苷三磷酸(dttp)、脱氧胞苷二磷酸(dcdp)、脱氧胞苷三磷酸(dctp)、脱氧鸟苷一磷酸(dgmp)、脱氧鸟苷二磷酸(dgdp)、脱氧鸟苷三磷酸(dgtp)、脱氧尿苷一磷酸
(dump)、脱氧尿苷二磷酸(dudp)、脱氧尿苷三磷酸(dutp)、可逆阻断腺苷三磷酸(rbatp)、可逆阻断胸苷三磷酸(rbttp)、可逆阻断胞苷三磷酸(rbctp)以及可逆阻断鸟苷三磷酸(rbgtp)。对于可逆阻断核苷三磷酸(rbntp)的更多细节，见美国专利公布号2013/0079322，其全部内容通过引用被并入本文。
93.术语“核苷酸”或“核酸”还意欲包括任何核苷酸类似物，其是包括改性核碱基、糖和/或磷酸盐部分的一种类型的核苷酸。可被包括在多核苷酸——不管是否具有天然骨干或类似结构——中的示例性改性核碱基包括次黄嘌呤核苷、黄嘌呤(xathanine)、次黄嘌呤(hypoxathanine)、异胞嘧啶、异鸟嘌呤、2-氨基嘌呤、5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、2-氨基腺嘌呤、6-甲基腺嘌呤、6-甲基鸟嘌呤、2-丙基鸟嘌呤、2-丙基腺嘌呤、2-硫代尿嘧啶、2-硫代胸腺嘧啶、2-硫代胞嘧啶、15-卤代尿嘧啶、15-卤代胞嘧啶、5-丙炔基尿嘧啶、5-丙炔基胞嘧啶、6-偶氮尿嘧啶、6-偶氮胞嘧啶、6-偶氮胸腺嘧啶、5-尿嘧啶、4-硫尿嘧啶、8-卤腺嘌呤或鸟嘌呤、8-氨基腺嘌呤或鸟嘌呤、8-巯基腺嘌呤或鸟嘌呤、8-硫代腺嘌呤或鸟嘌呤、8-羟基腺嘌呤或鸟嘌呤、5-卤代尿嘧啶或胞嘧啶、7-甲基鸟嘌呤、7-甲基腺嘌呤、8-氮鸟嘌呤、8-氮腺嘌呤、7-脱氮鸟嘌呤、7-脱氮腺嘌呤、3-脱氮鸟嘌呤、3-脱氮腺嘌呤或相似物。如在本领域中已知的，某些核苷酸类似物不能被合并到多核苷酸中，例如核苷酸类似物，例如腺苷5
’‑
磷硫酸盐。
94.如在本文使用的，术语“多核苷酸”指包括相互结合的核苷酸序列的分子。多核苷酸的例子包括脱氧核糖核酸(dna)、核糖核酸(rna)及其类似物。多核苷酸可以是核苷酸的单链序列例如rna或单链dna、核苷酸的双链序列例如双链dna，或者可以包括核苷酸的单链和双链序列的混合物。双链dna(dsdna)包括基因组dna以及pcr和扩增产物。单链dna(ssdna)可以转化为dsdna，反之亦然。多核苷酸中的核苷酸的精确序列可以是已知的或未知的。下面是多核苷酸的例子：基因或基因片段(例如探针、引物、表达序列标签(est)或基因表达系列分析(sage)标签)、基因组dna、基因组dna片段、外显子、内含子、信使rna(mrna)、转移rna、核糖体rna、核糖核酸酶、cdna、重组多核苷酸、合成多核苷酸、支链多核苷酸、质粒、媒介、任何序列的隔离dna、任何序列的隔离rna、核酸探针、引物或任何前述项的扩增拷贝。
95.如在本文使用的，“化学耦合”预期意指在第一构件和第二构件之间的附接。在一些实施例中，这种附接在所附接的构件被使用的条件下通常是不可逆的。在其他实施例中，这种附接是可逆的，但持续至少一段时间，在这段时间中，它用于在本文阐述的分析或制备技术的一个或更多个步骤(例如检测聚合物的亚单位的分析步骤)。这种附接可以通过化学键例如通过共价键、氢键、离子键、偶极-偶极键、伦敦分散力或其任何合适的组合来形成。共价键只是可适当地用于将第一构件耦合到第二构件的附接的一个例子。其他例子包括在寡核苷酸之间的双链体、肽-肽相互作用和半抗原-抗体相互作用例如链霉抗生素蛋白-生物素、链霉抗生素蛋白-脱硫生物素和地高辛-抗地高辛。在一个实施例中，可以通过将第一多核苷酸与抑制第一多核苷酸从第二多核苷酸的分离的第二多核苷酸杂交来形成附接。可选地，可以使用物理或生物相互作用例如在第一蛋白质和第二蛋白质之间的相互作用来形成附接，该相互作用抑制第一蛋白质从第二蛋白质的分离。如在本文使用的，“聚合酶”预期意指具有通过将核苷酸聚合成多核苷酸而组合多核苷酸的活性位点的酶。聚合酶可以结合引物单链多核苷酸模板，并且可以顺序地向生长引物添加核苷酸以形成具有与模板的序列
互补的序列的多核苷酸。
96.如在本文使用的，术语“近似”或“大约”意指在规定值的10％内。
97.在本文提供了包括光子结构的组成物和设备，其例如用于可选地在激发的法线入射下在多个激发和/或冷光发射带中的来自分析物(例如dna簇)的单色或多色发光信号增强。例如，在cmos成像阵列的顶部上的光子芯片和微流控芯片的单片集成可用于减小dna测序仪的尺寸，例如使dna测序仪小型化。基于cmos的测序设备的吞吐量可能受到成像像素的大小的限制。例如，相对大的像素尺寸可能对从单个dna分子或相同分子的簇提供足够的信号收集是有用的。虽然可以将像素做得更小以增加吞吐量，但是这种尺寸减小可能减小满阱容量，并且可能增加在像素之间的串扰，从而降低成像和测序的信噪比(snr)。这种方法也可能例如通过增加成像阵列的工程量以及这种成像阵列与光子和/或微流控部件的集成来增加制造成像阵列的成本。
98.通过提供每设备多个测试位点来增加吞吐量的可选方式可以涉及引入每像素多个发光位点(例如dna簇、微阵列反应室等)。例如，在特定实施例中，本发明的组成物、设备和方法可以通过使用激发源在彼此不同的时间选择性地激发不同的位点并在每个这样的时间获得相应的图像使用成像像素来使多个位点成像，每个位点可以包括相应的分析物。说明性地，可以提供成像像素阵列，并且可以在每个这样的成像像素上布置多个位点。相对于在每个给定像素上仅布置一个位点的配置，本发明的每像素多位点配置可以显著增加使用给定像素阵列可以被成像的位点的数量。然而，如果布置在给定成像像素上的所有位点彼此同时被激发，则像素将接收来自每个这样的位点的彼此同时的发光，因而阻碍基于电信号来区分开来自一个这样的位点的发光和来自另一个这样的位点的发光的能力，像素响应于接收到这样的发光而产生该电信号。
99.可以使用例如这里提供的光学技术，以便在给定时间选择性地仅激发布置在给定成像像素上的多个位点中的单个位点，以便响应于当时仅来自该位点的发光而获得来自该像素的电信号，并且随后在第二时间激发在该成像像素上的多个位点中的第二位点，以便响应于来自该第二位点的发光而获得来自该像素的第二电信号。因此，基于在这两个时间从成像像素获得的电信号，可以将来自这两个位点的发光彼此区分开来。因此，本发明的组成物、设备和方法可以提供比在成像阵列中的像素的数量更大的数量的位点的发光成像，例如像素的数量的整数倍n，其中n大于或等于2、3、4、5或大于5。
100.如本文所提供的，通过在彼此不同的时间选择性地将激发光子引导位点中的相应的位点，可以选择性地激发布置在成像像素上的不同位点。例如，聚焦激光束可以在彼此不同的时间在不同的位点之上被扫描，以便在这样的时间选择性地激发不同位点中的位点，像素在这样的时间响应于来自被激发的特定位点的发光而产生电信号。作为另一个例子，位点可以在第一时间用任何合适数量的相互干涉的激光束被照射以便在第一时间产生选择性地激发位点之一的第一光强度图案，并且可以在第二时间用任何合适数量的相互干涉的激光束被照射以便在第二时间产生选择性地激发位点中的另一个的第二光强度图案。像素可以响应于来自相应位点的发光而在第一和第二时间产生相应的电信号。作为又一示例，这些位点可以布置在光子结构之上或内，光子结构布置在成像像素上。光子结构可以被配置成在第一时间响应于用具有第一特性的光子照射而选择性地激发像素上的位点之一，并且在第二时间响应于用具有第二特性的光子照射而选择性地激发像素上的位点中的另
一个。像素可以响应于来自相应位点的发光而在第一和第二时间产生相应电信号。
101.本发明的基于光子结构的设备、组成物和方法与先前已知的落射荧光显微术和显微镜扫描系统(例如在例如由illumina有限公司(加州圣地亚哥)生产的市场上可买到的测序平台中的那些系统)兼容，在一些情况下，这些系统可以使用在法线下激发并在各种光谱窗口中在法线入射下成像的多种荧光染料。这种染料可以与核苷酸耦合，以便便于对多核苷酸例如dna进行测序。然而，应当认识到，本发明的基于光子结构的设备、组成物和方法可适当地在任何类型的发光成像或任何其他合适的应用中使用，并且不限于在对多核苷酸例如dna进行测序中使用。
102.先前已成功地利用介电基板的图案化来控制多核苷酸簇的大小和均匀性，并增加此类簇的密度，以便提高测序的吞吐量。见例如通过引用被并入本文的美国专利申请公布号2014/0243224a1。然而，簇尺寸的减小导致所收集的多色荧光信号的数量的显著减少。例如，当dna簇中的所标记的核苷酸的数量减少(例如降低到单分子水平或成像系统的分辨率限制)时，来自大采样区域的微弱多色荧光信号的检测可能变得越来越困难。因此，显著的荧光信号增强能够有助于促进核苷酸鉴定和增加下一代sbs系统的吞吐量。
103.例如，在荧光标记的生物分子附近的例如高折射率电介质的材料的周期性图案化可以通过创建具有在光波长的数量级的折射率的周期性变化的一维或二维波导来增强荧光信号。这种波导——其可以被称为光子晶体(phc)、光子晶格、光子晶体晶格或phc晶格——可以支持高q谐振模，该高q谐振模可以通过谐振地增强荧光团激发、荧光收集或两者来增强荧光信号。对于使用phc晶格的单色荧光信号增强的例子，见下面的参考文献，其中每个文献的全部内容通过引用被并入本文：cunningham等人的美国专利号7,768,640；estrada等人的“small volume excitation and enhancement of dye fluorescence on a 2d photonic crystal surface”(opt.express 18:3693-3699(2010))；zhen等人的“enabling enhanced emission and low-threshold lasing of organic molecules using special fano resonances of macroscopic photonic crystals”(pnas 110:13711-13716(2013))；kaji等人的“fabrication of two-dimensional ta2o
5 photonic crystal slabs with ultra-low background emission toward highly sensitive fluorescence spectroscopy”(opt.express 19:1422-1428(2011))；以及pokhriyal等人的“photonic crystal enhanced fluorescence using a quartz substrate to reduce limits of detection”(opt.express 18:24793-24808(2010))。
104.phc晶格也可在多色荧光信号增强中使用。例如，使用phc通过在不同波长处的激发的谐振增强来实现双激发荧光信号增强，该谐振增强需要激发源的入射角的调节以匹配由phc支持的谐振。对于另外的细节，见lu等人的美国专利号8,344,333，其全部内容通过引入被并入本文。然而，因为lu等人描述的信号增强方案通过调节照射角度在反荧光模式(trans-fluorescence mode)中操作，这样的方案对于依赖于所有感兴趣波长的固定入射角处的多色外延照射(例如法线或接近法线入射角)的成像或测序平台是不方便的。
105.图1a示意性地示出了用于在像素内的对位点的发光成像中使用的示例性基于光子结构的设备的透视图。图1a所示的设备包括成像像素，例如基于互补金属氧化物半导体(cmos)的图像传感器；布置在成像像素上的光子结构，例如phc层；以及在布置在phc层上的第三材料内限定的纳米阱。phc层可包括具有n1的折射率的第一材料(用黑色示出)和在第
一材料内限定并填充有具有n2的折射率的第二材料(用白色示出)的均匀形状和尺寸的阱的规则图案，其中n1和n2彼此不同。包括一个或更多个发光体例如分别耦合到发光体的一个或更多个分析物例如分别耦合到发光体的一个或更多个核苷酸的位点可以布置在纳米阱内。发光体可布置在phc层的近场中，并由激发波长例如具有合适特性的光子(在图1a中被示为大的指向下的箭头)短暂地激发。成像像素可以适当地电耦合到检测电路(未具体示出)，其可以被配置成接收和分析由成像像素响应于由发光体产生的发光而产生的电信号。尽管成像像素在图1a中被示为在每一侧上具有1.75μm的尺寸，但是应当认识到，可以使用任何合适尺寸的成像像素。
106.可选地，可以提供任何合适数量的这种设备的阵列。例如，图1b示意性地示出了在设备阵列例如图1a所示的设备阵列内的示例性位点阵列的透视图，其中每个位点(被表示为黑色圆圈)对应于像素(被表示为矩形)。也就是说，图1b所示的示例性阵列包括针对每个像素的一个位点。另外，每个这样的设备可以包括任何合适数量和类型的材料。例如，图1c示意性地示出了例如图1a所示的示例性设备的截面图。在图1a-1c所示的设备的示例性实施例中，phc层可以布置在例如本领域中已知的任何合适的成像像素上。phc层可以包括被图案化以便限定光子晶体的第一材料，例如氮化硅(sin)。诸如氧化钽(tao)的第二材料可以布置在phc层上。纳米阱可以被限定在第三材料例如sin中，而第四材料如tao可以被布置在纳米阱上。如图1a-1c所示，可以在每个成像像素上布置单个纳米阱。因此，每个成像像素可以从布置在该像素上的纳米阱内的发光体接收发光，并响应于接收到这种发光而产生合适的电信号。
107.例如，图2a示意性地示出了图1b所示的位点阵列的示例性激发的透视图。说明性地，可以用来自单个光源(例如激光器)的均匀(平顶)照明来照射位点阵列。这种照射适当地可以在这样的位点(例如在图1a和1c示出)之下的phc中激发一个或更多个谐振模。例如，图2b示意性地示出了响应于例如图2a所示的激发的在例如图1a和1c所示的设备阵列内的模拟示例性场强。可以调整phc的特征，以便提供在紧接着在纳米阱200下方的位置上提供相对高的场强，因而选择性地激发布置在该纳米阱内的位点处的发光体。
108.如在本文所提供的，通过在彼此不同的时间选择性地激发这样的位点中的不同位点，位点的数量可以增加为成像像素的数量的整数倍n》1。例如，图3a示意性地示出了例如在此提供的示例性位点阵列的透视图，其中多个位点对应于一个像素。在图3a所示的非限制性示例中，提供每像素(被表示为矩形)四个位点(分别被表示为具有彼此不同填充的圆)，尽管应当认识到，可以提供每像素任何合适数量的位点，例如每像素2个或更多个位点、每像素3个或更多个位点、每像素4个或更多个位点、或者每像素5个或更多个位点。可以使用任何合适的特征来提供这样的位点。例如，图3b示意性地示出了例如在此提供的设备的截面图，其中多个位点对应于例如图3a所示的像素。在图3a-3b所示的设备的示例性实施例中，可选的光子结构可以布置在例如本领域已知的任何合适的成像像素上。可选的光子晶体可以包括布置在成像像素上的第一材料，例如氮化硅(sin)；布置在第一材料上的第二材料，例如二氧化硅(sio2)；以及包括第三材料(例如sin)和第四材料(例如sio2)的图案的光子晶体。第五材料例如氧化钽(tao)可以布置在phc层上。诸如多个纳米阱的多个特征可以被限定在诸如sio2的第六材料中，并且诸如tao的第七材料可以布置在多个纳米阱上。如图3a-3b所示，多个特征例如多个纳米阱可以布置在每个成像像素上。因此，每个成像像素
可以在不同时间从布置在每个这样的特征内或之上例如在该像素之上的每个这样的纳米阱内的发光体接收发光，并且在这样的不同时间响应于接收到这样的发光而产生合适的电信号。成像像素、可选的光子结构和特征可选地可以彼此单片地集成。
109.应当认识到，图3b所示的可选的光子结构被规定为是示例性的，而不是限制性的。例如，光子结构可以包括光子晶体或光子结构或微腔阵列或等离子体纳米天线阵列。
110.例如参考图3a-3b，可以使用任何合适的技术来选择性地激发例如这里提供的位点。例如，光子结构可选地可以被省略，并且在给定像素上的位点可以通过将光子引导到这样的位点来选择性地被激发。说明性地，聚焦激光束可以在彼此不同的时间在不同的位点之上被扫描，以便在这样的时间选择性地激发不同位点中的位点，像素在这样的时间响应于来自正被激发的特定位点的发光而产生电信号。例如，图4a示意性地示出了使用例如在本文提供的扫描聚焦光束照明对图3a所示的位点阵列的选定位点进行的示例性激发的透视图。说明性地，可以使用高精度自由空间光束控制或者通过样本操纵以与在hahn等人的“laser scanning lithography for surface micropatterning on hydrogels”(adv.mater.17:2939-2942(2005))中所描述的或在brakenhoff等人的“confocal light scanning microscopy with high-aperture immersion lenses”(j.microsc.117:219-232(1997))中所描述的方式类似的方式实现激发光束的精确控制，这两个文献的全部内容通过引用被并入本文。
111.作为另一个例子，位点可以在第一时间用任何合适数量的相互干涉的激光束被照射以便在第一时间产生选择性地激发位点之一的第一光强度图案，并且可以在第二时间用任何合适数量的相互干涉的激光束被照射以便在第二时间产生选择性地激发位点中的另一个的第二光强度图案。像素可以响应于来自相应位点的发光而在第一和第二时间产生相应电信号。例如，图4b示意性地示出了使用例如本文提供的多激光干涉照明对图3a所示的位点阵列的选定位点进行的示例性激发的透视图。可以使用与在van wolferen等人的“laser interference lithography”(在lithography:principles,processes and materials中,第133-148页,theodore hennessy,ed.,nova science publishers,inc.(2011))中或在he等人的“polarization control in flexible interference lithography for nano-patterning of different photonic structures with optimized contrast”(optics express 11518-11525(may 4,2015))中所述的多激光干涉照明类似的多激光干涉照明来选择性地照射这些位点，其中每个文献的全部内容通过引用被并入本文。
112.作为又一例子，这些位点可以布置在光子结构之上或内，光子结构布置在成像像素上。光子结构可以被配置成在第一时间响应于用具有第一特性的光子照射而选择性地激发像素上的位点之一，并且在第二时间响应于用具有第二特性的光子照射而选择性地激发像素上的位点中的另一个。像素可以响应于来自相应位点的发光而在第一和第二时间产生相应电信号。例如，图5示意性地示出了例如可以被包括在例如这里提供并在图3a、3b中示出的设备中的示例性光子结构。在图5所示的特定实施例中，光子结构可以包括光子晶体(phc)，但是应当认识到，光子结构可以包括光子超晶格或微腔阵列或等离子体纳米天线阵列。图5所示的示例性phc包括在材料内限定的特征的六边形阵列，其中在特征之间的间距λphc具有激发波长λ
激发
的波长的量级。
113.可以调整光子结构，例如phc(例如，可以选择phc的特征)，使得具有彼此不同的特性的光子可以选择性地激发在phc内的不同谐振。光子结构设计参数可以在计算上被调整，以便例如使用有限差分时域(fdtd)、严格耦合波分析(rcwa)和平面波展开(pwe)中的一个或更多个来将谐振调整到发光体的相应期望位置和/或激发或发射峰值。设计优化可以采用多参数扫描或自优化算法来最大化期望在期望物理区域和/或光谱区域中的发光信号，例如荧光信号。例如，光子结构将包括的材料的折射率、高场强被期望的空间位置和波长——对于该波长，期望光子结构选择性地支持谐振——可以以计算方式被定义，并且fdtd、rcwa、pwe或任何其他合适的优化程序的任何合适的组合可被使用，以便调整结构的其他参数，例如在结构内的特征的尺寸、形状和分布，以便探究结构的设计参数空间，并且识别使结构的光谱和空间特征与期望发光体位置和/或激发或发射波长对准的参数的组合。
114.例如，图6a-6d示意性地示出了对于辐射源的在例如图5所示的光子晶体内的示例性模拟场强，该辐射源在不同时间分别产生具有彼此不同的特性的光子。模拟光子晶体包括在位于sio2衬底的顶部上的ta2o5膜中的气孔的六边形阵列。更具体地，图6a示出了对于在第一时间具有第一偏振(例如x偏振)的光子的在图5的示例性光子晶体内的模拟场强；图6b示出了对于在第二时间具有第二偏振(例如y偏振)的光子的在该光子晶体内的模拟场强；图6c示出了对于在第三时间具有第三偏振(例如rx偏振)的光子的在该光子晶体内的模拟场强；以及图6d示出了对于在第四时间具有第四偏振(例如ry偏振)的光子的在该光子晶体内的模拟场强。基于图6a-6d，可以理解，通过改变光子的偏振，可以激发在光子晶体内的场强的不同图案。应当认识到，按照场强的不同图案，改变光子的其他特性，例如光子的波长或角度，在光子晶体内的场强的不同图案可以类似地被激发。可以通过适当地调整光子结构的特征并适当地改变在彼此不同的时间照射该结构的光子的特性来获得任何合适类型的光子结构例如光子晶体、光子超晶格、微腔阵列或等离子体纳米天线阵列的场强的图案的类似差异。
115.在一些实施例中，本发明的设备、组成物和方法可以提供多个发光体，包括分别与在彼此不同的时间激发的场强的不同图案在空间上重叠的位点。例如，图7a示意性地示出了例如在此提供并在图3a-3b中示出的示例性的基于光子结构的设备的平面图，该设备包括每像素第一和第二位点(例如簇)。该设备可以包括成像像素阵列、布置在成像像素阵列上的光子结构；以及布置在光子结构上的特征阵列。光子结构可以例如包括光子晶体、光子超晶格、微腔阵列或等离子体纳米天线阵列。成像像素阵列、光子结构和特征阵列可选地可以彼此单片地集成。在一个非限制性示例中，光子结构可以包括六边形晶格，并且成像像素可以是矩形的。
116.特征阵列的第一特征可以布置在成像像素阵列的第一像素上，并且特征阵列的第二特征可以布置在第一像素上并在空间上从第一特征移位。例如，在图7a所示的非限制性示例中，第一特征(被称为“簇1”)和第二特征(被称为“簇2”)彼此布置在同一像素上。第二特征可以以例如图7a所示的方式从第一特征横向移位。在一个示例中，第一和第二特征分别位于像素上方的金属遮光孔的右下角和左上角处。第一发光体可布置在第一特征内或之上，以及第二发光体可布置在第二特征内或之上。例如，在一些实施例中，特征阵列可以包括多个阱；第一特征可以包括第一阱，第一发光体布置在该第一阱中，第二特征可以包括第
二阱，第二发光体布置在该第二阱中，例如以与图3b所示的方式类似的方式。在其他实施例中，特征阵列可以包括多个柱；第一特征可以包括第一发光体布置在其上的第一柱，以及第二特征可以包括第二发光体布置在其上的第二柱。说明性地，第一和第二特征(例如，阱或柱)每个可以具有实质上圆形的横截面。
117.该设备还可以包括辐射源，该辐射源被配置为在第一时间产生具有第一特性的第一光子，并且被配置为在第二时间产生具有第二特性的第二光子，第二特性不同于第一特性，第二时间不同于第一时间。与在这里参照图4a-4b描述的实施例相反，辐射源不需要一定被配置成在不同时间选择性地将辐射引导到不同的位点。相反，在一些实施例中，辐射源可以被配置成分别在第一时间和第二时间用第一和第二光子泛光照射光子结构，并且光子结构的特征可以选择性地将辐射引导到不同的位点。此外或替代地，辐射源可以包括激光器。可选地，由辐射源发射的第一和第二光子可以在光谱的光学范围内，例如，第一和第二光子独立地具有在约300nm和约800nm之间的波长。
118.在一些实施例中，光子结构可以被调整成对比于第二偏振的光用第一偏振的光选择性地照射第一特征，并且可以被调整成对比于第一偏振的光用第二偏振的光选择性地照射第二特征。例如，该设备可以包括布置在第一特征内或之上的第一发光体和布置在第二特征内或之上的第二发光体。说明性地，该设备可以包括布置在第一特征内或之上的第一目标分析物和布置在第二特征内或之上的第二目标分析物，其中第一目标分析物不同于第二目标分析物。可选地，第一和第二目标分析物可以包括具有不同序列的核酸。
119.在一些实施例中，第一像素可以选择性地接收由第一发光体在第一时间响应于第一光子而发射的冷光，并且可以选择性地接收由第二发光体在第二时间响应于第二光子而发射的冷光。例如，具有第一特性的第一光子可以在第一时间在光子结构内产生第一谐振图案，第一谐振图案相对于第二发光体选择性地激发第一发光体。说明性地，图7b示意性地示出了对于辐射源的在例如在此提供并在图7a和3a-3b中示出的设备阵列内的示例性模拟场强，该辐射源在第一时间产生具有选择性地激发第一位点的第一特性的光子。可以看到，具有第一特性的光子产生在第一特征处比在第二特征处明显更强的场强的空间图案，且因此可以在第一时间相对于第二发光体选择性地激发第一发光体。因此，成像像素可以在第一时间产生电信号，该电信号实质上对应于布置在第一特征内或之上的第一发光体的选择性激发。
120.另外，具有第二特性的第二光子可以在第二时间在光子结构内产生第二谐振图案，第二谐振图案相对于第一发光体选择性地激发第二发光体。说明性地，图7c示意性地示出了对于辐射源的例如在此提供并在图7a和3a-3b中示出的设备阵列内的示例性模拟场强，该辐射源在第二时间产生具有选择性地激发第二位点的第二特性的光子。可以看到，具有第二特性的光子产生在第二特征处比在第一特征处明显更强的场强的空间图案，且因此可以在第二时间相对于第一发光体选择性地激发第二发光体。因此，成像像素可以在第二时间产生电信号，该电信号实质上对应于布置在第二特征内或之上的第二发光体的选择性激发。因此，在特定像素的检测区域内的两个或更多个发光体可以使用在不同时间施加到发光体上的激发光的空间图案来彼此区分开。激发事件的空间和时间分离的这个组合可以允许像素在它的检测区域内区分开两个或更多个发光体。
121.注意，尽管第一发光体可以在第一时间相对于第二发光体选择性地被激发，例如
在图7b中所示的，但是第二发光体仍然可以在第一时间在比第一发光体小的程度上被激发。类似地，尽管第二发光体可以在第二时间相对于第一发光体选择性地被激发，例如在图7c中所示的，但是第一发光体仍然可以在第二时间在比第二发光体小的程度上被激发。在第一时间的第二发光体的这种激发和在第二时间的第一发光体的这种激发可以被称为“串扰”。图7d示意性地示出了由例如在此提供和分别在图7b和7c中示出的第一和第二位点的选择性激发产生的示例性串扰项。可以调整光子结构和/或第一和第二光子的每个特性，以便将串扰降低到来自第一和第二发光体的相应发光可以适当地彼此区分开来的水平。
122.在例如图7b和7c所示的实施例中，第一和第二光子的第一和第二特性可以独立地选自由波长、偏振和角度组成的组。说明性地，第一特性可以包括第一线偏振，并且第二特性可以包括不同于第一线偏振的第二线偏振。作为一个例子，第一线偏振可以实质上正交于第二线偏振。说明性地，使用具有第一线偏振(例如x偏振)的光子产生图7b所示的场强的图案，该图案选择性地激发在第一特征内或之上的第一发光体；并且使用具有实质上正交于第一线偏振的第二线偏振例如y偏振的光子产生图7c所示的场强的图案，该图案选择性地激发在第二特征内或之上的第二发光体。然而，应当认识到，在第一时间和第二时间的光子可以具有任何合适的偏振。例如，第一线偏振可以相对于第二线偏振旋转在约15度和约75度之间的角度，例如以便产生场强的其它图案，如在这里参考图6a-6d所述的。作为另一个例子，偏振轴可以顺时针旋转30度，并且旋转的x偏振光束和y偏振光束(rx偏振光束和ry偏振光束)可以被使用。另外，应当认识到，在第一时间和第二时间的光子可以分别具有任何其他合适的特性。例如，在第一时间的光子的第一特性可以包括第一波长，以及在第二时间的光子的第二特性可以包括不同于第一波长的第二波长。
123.在第一时间和第二时间产生的第一和第二光子的特性可以以任何合适的方式被控制。例如，在一些实施例中，设备的辐射源可以包括光学部件和耦合到该光学部件的控制器。控制器适当地可以被配置成控制光学部件以便将第一特性施加在第一光子上，并且被配置成将第二特性施加在第二光子上。例如，在相应光子特性包括偏振的实施例中，光学部件可以包括双折射材料，该双折射材料被配置为通过控制器响应于第一控制信号而将第一光子旋转到第一线偏振，并且被配置为通过控制器响应于第二控制信号而将第二光子旋转到第二线偏振。在相应光子特性包括波长的实施例中，光学部件可以包括可以被调节以便通过控制器响应于控制信号来控制到达光子结构的光子的波长的、布置在光子的路径中的电子地可调的滤光器，或者可以包括可以被调节以便通过控制器响应于控制信号来控制由辐射源在给定时间产生的光子的波长的辐射源的一部分。在相应光子特性包括角度的实施例中，光学部件可以包括可以被调节以便通过控制器响应于控制信号来控制到达光子结构的光子的角度的反射或透射光学器件，例如透镜和/或反射镜。应当认识到，一次可以改变多于一个的光子特性。例如，可以调节光子的波长、角度和偏振中的两个或更多个的任何适当组合，以便相对于布置在像素上的另一个发光体选择性地激发布置在该像素上的给定发光体。
124.在一些实施例中，第一和第二光子可以以任何合适的角度照射光子结构。例如，第一和第二光子每个可以以彼此实质上相同的角度、说明性地以近似垂直于光子结构的主表面的角度或者以近似平行于光子结构的主表面的角度照射光子结构。
125.在例如图7a-7d所示的实施例中，应当认识到，特征阵列的其他特征可以布置在其
他像素上。例如，特征阵列的第三特征可以布置在成像像素阵列的第二像素上，并且特征阵列的第四特征可以布置在第二像素上并在空间上从第三特征移位。该设备还可以包括布置在第三特征内或之上的第三发光体，以及布置在第四特征内或之上的第四发光体。例如，如果第三发光体可以被第一光子或第二光子激发，则第二像素可以选择性地接收由第三发光体在第一时间响应于第一光子或在第二时间响应于第二光子而发射的冷光。例如，如果第四发光体可以被第一光子或第二光子激发，则第二像素可以选择性地接收由第四发光体在第一时间响应于第一光子或在第二时间响应于第二光子而发射的冷光。
126.还应该认识到，可以提供每像素任何合适数量的位点。说明性地，例如在图3a-3b和7a-7d中所示的设备可选地还可以包括特征阵列的第三特征，该第三特征布置在第一像素上并且在空间上从第一和第二特征中的每一个移位。该设备可以包括布置在第三特征内或之上的第三发光体。辐射源可以被配置成在第三时间产生具有第三特性的第三光子，第三特性不同于第一和第二特性，第三时间不同于第一和第二时间。第一像素可以选择性地接收由第三发光体在第三时间响应于第三光子而发射的冷光。例如，图8a示意性地示出了例如在此提供并且在图3a-3b中示出的示例性的基于光子结构的设备的平面图，该设备包括每像素(被表示为圆)的第一、第二和第三位点(例如簇)。以与上面参考图6a-6d和7a-7c描述的方式类似的方式，光子结构可以分别在第一、第二和第三时间用具有第一、第二和第三特性的光子照射，以便分别在这样的时间激发在第一、第二和第三位点处的第一、第二和第三发光体。
127.例如，图8b示意性地示出了对于辐射源的在例如在此提供并且在图8a和3a-3b中示出的设备阵列内的示例性模拟场强，该辐射源在第一时间产生具有选择性地激发第一位点的第一特性的光子。图8c示意性地示出了对于辐射源的在这种设备阵列内的示例性模拟场强，该辐射源在第二时间产生具有选择性地激发第二位点的第二特性的光子。图8d示意性地示出了对于辐射源的在这种设备阵列内的示例性模拟场强，辐射源在第三时间产生具有选择性地激发第三位点的第三特性的光子。作为一个例子，第一特性可以包括第一线偏振，例如y偏振，第二特性可以包括第二线偏振，例如ry偏振，并且第三特性可以包括第三线偏振，例如rx偏振。注意，一个或更多个这样的偏振可以彼此正交，但不需要一定彼此正交。例如，rx偏振和ry偏振彼此正交，并且每一个都与y偏振成在大约15度和大约75度之间的角度，例如45度。例如，第一线偏振可以相对于第二线偏振旋转在约15度和约75度之间的角度，例如以便产生场强的其它图案，如在这里参考图6a-6d所述的。作为另一个例子，偏振轴可以顺时针旋转30度，并且旋转的x偏振光束和y偏振光束(rx偏振光束和ry偏振光束)可以被使用。另外注意，以与上面参考图7d描述的方式类似的方式，在第一时间选择性地激发第一位点也可以在较小程度上激发第二和/或第三位点，在第二时间选择性地激发第二位点也可以激发第一和/或第三位点，和/或在第三时间选择性地激发第三位点也可以激发第一和/或第二位点。图8e示意性地示出了根据一些实施例的由例如在此提供以及分别在图8b-8d中示出的第一、第二和第三位点的选择性激发产生的示例性串扰项。可以调整光子结构和/或第一和第二光子的相应特性，以便将串扰降低到来自第一和第二发光体的相应冷光可以彼此适当地被区分开来的水平。
128.本发明的设备适当地还可以包括布置在每个像素上的更多数量的位点。例如，例如上面参考图3a-3b和8a-8e所述的设备可选地还可以包括特征阵列的第四特征，该第四特
征布置在第一像素上并且在空间上从第一、第二和第三特征中的每一个移位。该设备还可以包括布置在第四特征内或之上的第四发光体。辐射源可以被配置成在第四时间产生具有第四特性的第四光子，第四特性不同于第一、第二和第三特性，第四时间不同于第一、第二和第三时间。第一像素可以选择性地接收由第四发光体在第四时间响应于第四光子而发射的冷光。说明性地，图9a-9d分别示意性地示出了使用在不同时间产生具有不同特性的光子的辐射源对在例如在此提供和在图3a-3b中所示的设备阵列内的第一、第二、第三和第四位点进行的示例性选择性激发的透视图。例如，以例如图9a所示的方式，在第一时间可以用具有第一特性(例如第一偏振，例如x偏振)的光子照射光子结构，以便选择性地激发布置在每个像素上的第一位点。随后，以例如图9b所示的方式，在第二时间可以用具有第二特性(例如第二偏振，例如xy偏振)的光子照射光子结构，以便选择性地激发布置在每个像素上的第二位点。随后，以例如图9c所示的方式，在第三时间可以用具有第三特性(例如第三偏振，例如yx偏振)的光子照射光子结构，以便选择性地激发布置在每个像素上的第三位点。随后，以例如图9d所示的方式，在第四时间可以用具有第四特性(例如第四偏振，例如y偏振)的光子照射光子结构。像素可以分别在第一时间、第二时间、第三时间和第四时间产生电信号，基于这些电信号，布置在这样的像素上的第一、第二、第三和第四位点可以彼此被区分开。
129.本发明的组成物、设备和方法可适当地被使用，以便在法线入射照明下产生在sbs测序荧光信号增强中的发光图像。例如，该设备还可包括至少一个微流控特征，该微流控特征与特征阵列接触并且被配置为向第一特征和第二特征提供一种或更多种分析物的流。此外或可选地，本发明的组成物、设备和方法可以使用任何合适数量的激发波长来增强任何合适数量的发光体的激发效率，例如可以增强在4通道sbs化学方案中的四个谐振波长(λ1、λ2、λ3和λ4)下的四个不同激发源的激发效率，或者可以增强在2通道sbs化学方案中的两个激发波长(λ1和λ2)下的激发效率，或者可以增强在1通道sbs化学方案中的一个激发波长(λ1)下的激发效率。示例性的4信道、3信道、2信道或1信道sbs方案例如在美国专利号2013/0079232 a1(通过引用被并入本文)中被描述，并且可以被修改以供本文阐述的设备和方法使用。例如，再次参考例如参考图7a-7d描述的实施例，其中第一和第二发光体布置在第一像素上，第一发光体可以耦合到第一核酸，以及第二发光体可以耦合到第二核酸。作为另一个例子，参考参照图7a-7d描述的可选实施例，其中第一和第二发光体布置在第一像素上，以及第三和第四发光体布置在第二像素上，第一发光体可以耦合到第一核酸，第二发光体可以耦合到第二核酸，第三发光体耦合到第三核酸，以及第四发光体可以耦合到第四核酸。作为又一个例子，再次参考参照图9a、9d描述的说明性实施例，第一发光体可以耦合到第一核酸，第二发光体可以耦合到第二核酸，第三发光体可以耦合到第三核酸，以及第四发光体可以耦合到第四核酸。例如，在用于在使用发光成像对dna进行测序时使用的组成物中，第一发光体可以耦合到a，第二发光体可以耦合到g，第三发光体可以耦合到c，以及第四发光体可以耦合到t。作为另一个例子，在用于在使用发光成像对rna进行测序时使用的组成物中，第一发光体可以耦合到a，第二发光体可以耦合到g，第三发光体可以耦合到c，以及第四发光体可以耦合到u。
130.在例如在此提供的、例如参考图3a-3b、7a-7d、8a-8e或9a-9d所述的设备中，第一发光体可以耦合到待测序的第一多核苷酸，以及第二发光体可以耦合到待测序的第二多核苷酸。例如，第一多核苷酸可以耦合到第一特征，以及第二多核苷酸可以耦合到第二特征。
设备还可包括第一聚合酶，其将第一核酸添加到与第一多核苷酸互补并耦合的第三多核苷酸，第一核酸耦合到第一发光体。设备还可包括第二聚合酶，其将第二核酸添加到与第二多核苷酸互补并耦合的第四多核苷酸，第二核酸耦合到第二发光体。设备还可以包括使包括第一核酸和第二核酸以及第一聚合酶和第二聚合酶的第一液体流动到第一特征和第二特征内或在第一特征和第二特征之上流动的通道。例如，第一和第二多核苷酸可以耦合到布置在第一像素上并且使用合适的sbs方案被测序的第一和第二特征。第一和第二发光体可以分别耦合到例如使用第一和第二聚合酶而分别合并到第一和第二多核苷酸中的第一和第二核酸。在将第一和第二核酸合并到第一和第二多核苷酸中的sbs步骤之后，第一和第二发光体可以以例如本文所提供的方式在彼此不同的时间选择性地被发光地成像，以便响应于在第一多核苷酸处的第一发光体的存在(即，第一核酸到第一多核苷酸中的合并)和响应于在第二多核苷酸处的第二发光体的存在(即，第二核酸到第二多核苷酸中的合并)而获得相应电信号。
131.应当认识到，可以使用任何合适的方法，以便使用给定的像素在多个位点使发光体成像。例如，图10示出了在此提供的用于在发光成像中使用的方法中的步骤的示例性流程。图10所示的方法1000可以包括提供成像像素阵列(1001)。例如，成像像素阵列是在市场上可获得的。图10所示的方法1000还可以包括提供布置在成像像素阵列上的光子结构(1002)。例如，可以使用例如本领域中已知的材料制造和图案化技术的任何合适组合来将光子晶体、光子超晶格、微腔阵列或等离子体纳米天线阵列布置在成像像素阵列上。
132.图10所示的方法1000还可以包括提供布置在光子结构上的特征阵列(1003)。例如，可以使用例如本领域中已知的材料制造和图案化技术的任何合适的组合来将阱或柱的阵列布置在光子结构上。特征阵列可以与光子晶体和像素阵列配准，使得整数数量n》2的特征布置在每个像素上。例如，特征阵列的第一特征可以布置在成像像素阵列的第一像素上，并且特征阵列的第二特征可以布置在第一像素上并在空间上从第一特征移位。例如，第二特征可以从第一特征横向移位。在一个非限制性示例中，光子结构包括六边形晶格，并且成像像素是矩形的。第一和第二特征例如第一和第二柱或阱可选地每个可以具有实质上圆形的横截面。可选地，成像像素阵列、光子结构和特征阵列可以彼此单片地集成，例如，可以例如使用一系列cmos处理步骤而被制备为单一结构。
133.图10所示的方法1000还可以包括提供布置在第一特征内或之上的第一发光体(1004)，以及提供布置在第二特征内或之上的第二发光体(1005)。例如，特征阵列可以包括多个阱。第一特征可以包括第一阱，第一发光体布置在该第一阱中，以及第二特征可以包括第二阱，第二发光体布置在该第二阱中。作为另一个例子，特征阵列可以包括多个柱。第一特征可以包括第一发光体布置在其上的第一柱，以及第二特征可以包括第二发光体布置在其上的第二柱。可选地，第一和第二发光体可以分别直接或间接地耦合到第一和第二特征。作为一个非限制性例子，第一和第二发光体可以分别耦合到第一和第二核酸和/或可以耦合到以例如在本文其它地方所述的方式被测序的第一和第二多核苷酸。
134.图10所示的方法1000还可以包括由辐射源在第一时间产生具有第一特性的第一光子(1006)。具有第一特性的第一光子可以在第一时间在光子结构内产生第一谐振图案，第一谐振图案相对于第二发光体选择性地激发第一发光体。图10所示的方法1000由辐射源在第二时间产生具有第二特性的第二光子(1007)。第二特性可以不同于第一特性，以及第
二时间可以不同于第一时间。在一个示例中，步骤1006和1007可以分别包括用第一和第二光子泛光照射光子结构和/或可以包括用激光器产生第一和第二光子。可选地，第一和第二光子可以在光谱的可见光范围内和/或独立地可以具有在约300nm和约800nm之间的波长。
135.具有第二特性的第二光子可以在第二时间在光子结构内产生第二谐振图案，第二谐振图案相对于第一发光体选择性地激发第二发光体。示例性的辐射源、光子特性和谐振图案在本文的其他地方被描述。说明性地，第一和第二光子特性可以独立地选自由波长、偏振和角度组成的组。作为一个例子，第一光子特性可以包括第一线偏振，并且第二光子特性可以包括不同于第一线偏振的第二线偏振。可选地，第一线偏振实质上正交于第二线偏振。替代地，第一线偏振可以相对于第二线偏振旋转在约15度和约75度之间的角度。作为另一个例子，第一光子特性可以包括第一波长，以及第二光子特性可以包括不同于第一波长的第二波长。
136.可选地，第一和第二光子每个以彼此实质上相同的角度照射光子结构。例如，第一和第二光子每个可以以近似垂直于光子结构的主表面的角度照射光子结构。或者例如，第一和第二光子每个以近似平行于光子结构的主表面的角度照射光子结构。在一些实施例中，辐射源可以包括光学部件，并且方法1000可以还包括控制光学部件，以便将第一特性施加在第一光子上，并且被配置为将第二特性施加在第二光子上。说明性地，光学部件可以包括双折射材料，该双折射材料通过控制器响应于第一控制信号而将第一光子旋转到第一线偏振，并且通过控制器响应于第二控制信号而将第二光子旋转到第二线偏振。此外或替代地，光学部件可以通过控制器响应于控制信号来控制第一和第二光子的波长或角度。
137.图10中示出的方法1000还可以包括由第一像素选择性地接收由第一发光体在第一时间响应于第一光子而发射的冷光(1008)，以及由第一像素选择性地接收由第二发光体在第二时间响应于第二光子而发射的冷光(1009)。以例如如在本文其它地方所述的方式，第一像素可以在第一和第二时间产生相应的电信号，基于该电信号，第一和第二发光体可以彼此被区分开。
138.任何合适数量的特征例如三个或四个特征可以以例如在这里参照图3a-3b、7a-7d、8a-8e或9a-9d描述的方式布置在第一像素上。例如，特征阵列的第三特征可选地可以布置在第一像素上，并且在空间上从第一和第二特征中的每一个移位，并且方法1000还可以包括提供布置在第三特征内或之上的第三发光体；在第三时间产生具有第三特性的第三光子，第三特性不同于第一和第二特性，第三时间不同于第一和第二时间；以及由第一像素选择性地接收由第三发光体在第三时间响应于第三光子而发射的冷光。可选地，特征阵列的第四特征可以布置在第一像素上，并且在空间上从第一、第二和第三特征中的每一个移位，并且方法1000还可以包括提供布置在第四特征内或之上的第四发光体；在第四时间产生具有第四特性的第四光子，第四特性不同于第一、第二和第三特性，第四时间不同于第一、第二和第三时间；以及由第一像素选择性地接收由第四发光体在第四时间响应于第四光子而发射的冷光。在一个非限制性例子中，第一发光体可耦合到第一核酸，第二发光体可耦合到第二核酸，第三发光体可耦合到第三核酸，以及第四发光体可耦合到第四核酸。
139.此外或替代地，任何合适数量的特征例如两个、三个、四个或多于四个特征可以布置在第二像素上。例如，特征阵列的第三特征可以布置在成像像素阵列的第二像素上；特征阵列的第四特征可布置在第二像素上并在空间上从第三特征移位；方法1000还可以包括提
供布置在第三特征内或之上的第三发光体；以及提供布置在第四特征内或之上的第四发光体。方法1000还可以包括由第二像素选择性地接收由第三发光体在第一时间响应于第一光子或在第二时间响应于第二光子而发射的冷光；以及由第二像素选择性地接收由第四发光体在第一时间响应于第一光子或在第二时间响应于第二光子而发射的冷光。在一个非限制性例子中，第一发光体可耦合到第一核酸，第二发光体可耦合到第二核酸，第三发光体可耦合到第三核酸，以及第四发光体可耦合到第四核酸。
140.方法1000可适合于sbs方案中的发光成像。例如，方法1000可以包括提供与特征阵列接触的至少一个微流控特征，以及通过至少一个微流控特征使一种或更多种分析物流到第一和第二特征。作为另一个例子，第一发光体可以耦合到第一核苷酸，以及第二发光体可以耦合到第二核苷酸。此外或替代地，第一发光体可以耦合到待测序的第一多核苷酸，以及第二发光体可以耦合到待测序的第二多核苷酸。第一多核苷酸可以耦合到第一特征，以及第二多核苷酸可以耦合到第二特征。方法1000还可包括由第一聚合酶将第一核苷酸添加到与第一多核苷酸互补并耦合的第三多核苷酸，第一核苷酸耦合到第一发光体。方法1000还可包括由第二聚合酶将第二核苷酸添加到与第二多核苷酸互补并耦合的第四多核苷酸，第二核苷酸耦合到第二发光体。方法1000还可以包括通过通道使包括第一和第二核苷酸以及第一和第二聚合酶的第一液体流动到第一和第二特征内或在第一和第二特征之上流动。
141.如在本文其他地方所提到的，可以使用材料处理和图案化技术的任何合适组合来制备本发明的设备和方法。例如，图11示出了可用于制备例如本文所提供的设备或组成物的步骤的示例性顺序。说明性地，可以使用两个纳米压印光刻步骤、随后是共形电介质沉积步骤来制备例如在本文参考图3a-3b所述的设备或组成物。例如，在图11的步骤(a)，第一光学透明材料例如电介质或半导体例如聚合物(例如树脂)可以布置在基板例如玻璃基板上。在图11的步骤(b)，可以使用纳米压印光刻术来图案化第一材料，例如以便限定多个特征，例如阱或柱。在图11的步骤(c)，第三光学透明材料例如具有比第一材料更高的折射率的电介质或半导体材料可以布置(例如共形地涂覆)在第一材料内限定的特征上。在图11的步骤(d)，第四光学透明材料例如电介质或半导体例如聚合物(例如树脂)可以布置在第三材料上。在图11的步骤(e)，可以使用纳米压印光刻术来图案化第四材料，例如以便限定多个阱或纳米阱。第四材料可选地填充例如在图11的步骤(e)中所示的光子结构内的空间。包括一个或更多个发光体的第二材料(未特别示出)可以布置在阱或纳米阱内，例如可以布置在光子结构上。尽管图11示出了每像素单个阱的制备，但是应当理解，可以例如通过改变在第二纳米压印步骤中形成的特征的分布和尺寸来容易制备每像素多个阱。
142.作为另一个例子，可以使用两个光刻步骤、两个rie步骤、电介质沉积和cmp的组合来制备例如在本文参考图3a-3b所述的设备或组成物。例如，图12示出了可用于制备例如本文所提供的设备或组成物的步骤的另一示例性顺序。在图12的步骤(a)，第一光学透明材料例如电介质或半导体例如聚合物(例如树脂)可以布置在基板例如玻璃基板上。在图12的步骤(b)，可使用光刻法、后面是反应离子蚀刻(rie)来图案化第一材料，例如以便限定多个特征，例如阱或柱。在图12的步骤(c)，第三光学透明材料例如具有比第一材料更高的折射率的电介质或半导体材料可以布置(例如共形地涂覆)在第一材料内限定的特征上。在图12的步骤(d)，第四光学透明材料例如电介质或半导体例如聚合物(例如树脂)可以布置在第三材料上。在图12的步骤(e)，可以例如使用化学机械抛光(cmp)来平坦化第四材料。在图12的
步骤(f)，可以使用光刻术、后面是rie来图案化第四材料，例如以便限定多个阱或纳米阱。第四材料可选地填充例如在图12的步骤(f)中所示的光子结构内的空间。包括一个或更多个发光体的第二材料(未特别示出)可以布置在阱或纳米阱内，例如可以布置在光子结构上。尽管图12示出了每像素单个阱的制备，但是应当理解，可以例如通过改变在第二光刻和rie步骤中形成的特征的分布和尺寸来容易制备每像素多个阱。
143.应该理解，本发明的设备可适当地在各种应用中的任一个中使用，例如用于发光成像。例如，图13示出了例如这里提供的在发光成像中使用的示例性设备。图13示出了包括光子结构1310、光学部件1330、成像像素1350和检测电路1340的示例性设备。光子结构1310包括具有第一折射率的第一材料(由对角线图案指示)和具有不同于第一折射率的第二折射率的第二材料(由水平地划线的图案指示)。第一材料可以包括第一和第二主表面1311、1312以及通过第一和第二主表面中的至少一个限定的第一和第二多个特征，例如阱1313、1314。第一多个特征1313中的特征(例如阱)可以在至少一个特性上不同于第二多个特征1314中的特征(例如阱)，例如可以在形状、尺寸或分布上不同。例如，在图13所示的示例性光子结构1310中，与第二多个特征1314中的特征相比，第一多个特征1313中的特征(例如阱)在尺寸(例如宽度)上和在分布(例如间距)上不同。在图13所示的非限制性例子中，第二材料可以布置在第一和第二多个特征例如阱1313、1314内或之间，并且可以包括第一和第二发光体1321、1322。例如，第一和第二发光体1321、1322中的一些可以位于第一多个特征(例如阱1313)内或之间，而第一和第二发光体1321、1322中的另一些可以位于第二多个特征(例如阱1314)内或之间。在例如上面参考图3a-3b讨论的其他实施例中，第二材料可以布置在第一和第二多个特征上。说明性地，第一材料可以包括聚合物或玻璃或其他合适的材料，或者第二材料可以包括流体或凝胶或其他合适的材料。可选地，光子结构1310还包括具有不同于第一和第二折射率的第三折射率的第三材料，以例如在本文参考图3a-3b所述的方式，第三材料布置在第一和第二多个特征中的至少一个上，第二材料布置在第三材料上。可选地，第一发光体1321可以耦合到第一核酸，以及第二发光体1322可以耦合到不同于第一核酸的第二核酸。
144.光子结构1310可以响应于在第一时间用具有第一特性的光子照射而选择性地支持第一谐振图案，第一发光体1321可以响应于该照射而发射第一波长λ1。光子结构1310可以响应于在第二时间用具有第二特性的光子照射而选择性地支持第二谐振图案，第二发光体1322可以响应于该照射而发射第二波长λ2。第一和第二波长可选地可以彼此不同，例如，可选地可以由不在光子结构内选择性地谐振的第一非传播波长彼此分开。光学部件1330可以布置在第一材料的第一主表面1311和第二主表面1312之一上，例如在第一主表面1311之上并且可选地在与第一主表面1311间隔开的一段距离处。光学部件1330可以被配置成在第一时间用第一光子照射光子结构1310，并且在第二时间用第二光子照射光子结构1310。在图13所示的示例性设备中，以近似垂直于第一材料的第一主表面1311的角度用第一和第二光子照射光子结构1310，但是应当理解，可以适当地使用任何其他角度，例如在本文公开的角度。
145.光子结构1310可以布置在成像像素1350上，成像像素1350可以包括被配置为分别在第一时间和第二时间对所接收的第一波长λ1和第二波长λ2成像的图像传感器。像素1350可以与光子结构1310间隔开，或者可以与光子结构1310接触，例如可以布置成与第二主表
面1312接触。说明性地，像素1350可以包括与光子结构1310接触的基于互补金属氧化物半导体(cmos)的图像传感器。可以适当地电耦合到像素1350的检测电路1340可以被配置为接收和分析来自在第一和第二时间的像素1350的电信号。在第一和第二发光体分别耦合到第一和第二核酸的非限制性例子中，检测电路1340可以被配置为基于在第一和第二时间的电信号例如以例如在本文其它地方所述的方式来识别第一和第二核酸中的哪个被耦合到特定的多核苷酸，其耦合到光子结构。可以使用其他成像像素，例如ccd摄像机的像素。在bentley等人的(nature 456:53-59(2008))pct公布号wo 91/06678、wo 04/018497或wo 07/123744、美国专利号7,057,026、7,329,492、7,211,414、7,315,019或7,405,281以及美国专利申请公布号2008/0108082中阐述了示例性检测器，其中每个文献的全部内容通过引用被并入本文。
146.例如在本文提供的设备还可以将辐射传输到光子结构，以便适当地激发其中的发光体。例如，设备1300还可以包括被配置成产生由光学部件1330传输到光子结构的辐射的宽带激发源例如发光二极管(led)或者窄带激发源例如激光器。
147.注意，本发明的设备例如在图13中示出的设备1300可选地可以包括例如在本文其它地方描述的一个或更多个微流控特征。例如，设备1300可选地可以包括至少一个微流控特征，该微流控特征与光子结构接触，并且被配置成提供一种或更多种分析物在布置在像素之上的第一和第二多个特征内、之间或之上的流动。这种分析物可选地可以包括用于核酸测序的一种或更多种试剂，例如核苷酸、核酸或聚合酶。
148.因此，本文提供了包括光子结构的设备、组成物和方法，该光子结构可以在比在发光成像中使用的像素的数量更大数量的位点处提供单色或多色发光信号增强，例如所述设备、组成物和方法与先前已知的荧光显微镜扫描系统例如在市场上从例如illumina有限公司可购得的测序平台兼容。例如，本发明的设备、组成物和方法的一些实施例可以产生被分开在光的波长的量级上的距离的激发“热点”。可以例如通过适当地选择光子结构晶格特征(例如对称性)和/或激发光束的波长、角度和/或偏振状态来调整这些高强度谐振特征(例如，fano或导模谐振)的空间分布。将发光体(例如，耦合到这种发光体的生物分子)放置在这种光子结构附近可以增强发光信号，但是谐振地增强发光体激发、发光收集或两者。因此，光子结构是用于例如使用均匀照明来实现来自在单个像素之上的多个成像位点的发光信号增强的有吸引力的平台，其中可以通过在不同时间控制激发光束的特性来实现选择性成像位点激发。光子结构可以被调整以减少例如在这里参考图7d和8e所描述的串扰项。可选地，可以省略光子结构，并且可以例如使用自由空间光学器件或多激光干涉来将激发光束引导到成像位点中的选定的成像位点。
149.其它可选的实施例
150.虽然上面描述了本发明的各种说明性例子，对于本领域的技术人员来说将明显的是，可以在其中做出各种改变和修改而不偏离本发明。例如，尽管上面参考与测序多核苷酸(例如dna或rna)相关的发光成像讨论了某些组成物、系统和方法，但是应当理解，本文的组成物、系统和方法可适当地适合于在与任何合适的对象相关的发光成像。所附的权利要求旨在涵盖落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变和修改。