生物傳感器設備及其方法
2023-11-11 09:34:52
專利名稱：生物傳感器設備及其方法
技術領域：
本技術總體上涉及生物傳感器，並且更具體來說涉及具有場效應電晶體柵極的生物傳感器，所述場效應電晶體柵極與溝道區偏置定位，以便使得與連接到所述柵極和/或溝道區上的一個或多個分子探針相配合的靶標用作在偏置柵極與溝道區之間的電場分路。
背景技術：
例如檢測導致在水中產生病原體的疾病的應用對傳感器，特別是能夠感測生物靶標的傳感器有著很大的需求。建議用於生物檢測的許多類型的傳感器使用了諸如微流體、聚合酶鏈式反應(PCR)靶標放大、壓電材料或離子敏感場效應電晶體(ISFET)的技術。不幸的是，許多這些技術都要求對生物樣品進行過濾和培養，並且因此不適用於對流體狀況進行實時監控。例如，通過分子探針功能化的ISFET傳感器依賴於FET溝道區的表面附近的電荷的增加，以便表示存在靶標。這些系統通常具有大的柵極區域，由此要求高濃度的多個固定的靶標用於給定的裝置，以便獲得有意義的積極的測試結果。因此，在培養試驗樣品時，可能花費較長的時間來獲得測試結果，實時結果是不實際的，並且犧牲了測量解析度，這是由於初始濃度可能是未知的。
發明內容
一種生物傳感器具有一個或多個場效應電晶體，每個場效應電晶體包括通過溝道區隔開的源極區和漏極區以及與所述溝道區偏置定位且間隔開的柵極。所述生物傳感器還具有連接到所述溝道區和所述偏置柵極中的至少一個上的一個或多個分子探針，所述一個或多個分子探針被構造成與至少一個靶標相配合。一種用於靶標的檢測方法包括使一個或多個靶標作為用於一個或多個生物傳感器的偏置柵極與溝道區之間的電場分路而固定。靶標測量值被測定為是與具有所述電場分路的所述一個或多個生物傳感器的數量成比例的。一種用於製造生物傳感器設備的方法包括形成一個或多個場效應電晶體。這些場效應電晶體中的每一個包括通過溝道區隔開的源極區和漏極區以及與所述溝道區偏置定位且間隔開的柵極。一個或多個分子探針被連接到所述溝道區和所述偏置柵極中的至少一個上，所述一個或多個分子探針被構造成與至少一個靶標相配合。公開了一種計算機可讀介質，計算機可讀介質上存儲有用於靶標檢測的指令。所述指令包括機器可執行代碼，所述機器可執行代碼在由至少一個處理器執行時，使得所述處理器執行包括以下內容的步驟測定與具有電場分路的一個或多個生物傳感器的數量成比例的靶標測量值。所述電場分路是由在用於所述一個或多個生物傳感器的偏置柵極與溝道區之間固定的靶標引起的。生物感測系統具有生物傳感器陣列和控制器。所述生物傳感器陣列具有一個或多個場效應電晶體，所述一個或多個場效應電晶體包括通過溝道區隔開的源極區和漏極區以及與所述溝道區偏置定位且間隔開的柵極。所述生物傳感器陣列還具有連接到所述溝道區和所述偏置柵極中的至少一個上的一個或多個分子探針，所述一個或多個分子探針被構造成與至少一個靶標相配合。所述控制器是連接到生物傳感器陣列上的並且被構造成測定與具有電場分路的所述一個或多個場效應電晶體的數量成比例的靶標測量值，所述電場分路是由在所述偏置柵極與所述溝道區之間固定的靶標引起的。本技術提供了多個優點，包括提供更有效且高效的生物傳感器設備。本文公開的技術總的來說並不依賴於靶標的離子勢，而是所述技術的實施例將靶標的強偶極矩(高的相對介電常數)用作在場效應電晶體的偏置柵極與溝道區之間的電場分路。因此，所公開的生物傳感器設備可以具有非常小的尺寸，這允許對單個靶標微生物進行實時檢測和監控。此外，所公開的生物傳感器設備並不要求分析物製備(例如，無細胞溶解、無試劑、無碎片過濾、無用於靶標放大的PCR)，並且是與現有的集成電路製造技術兼容的。
圖IA是具有與溝道區偏置定位且間隔開的柵極的示例性場效應電晶體的俯視圖。圖IB是圖IA的示例性場效應電晶體的透視圖。圖2是具有連接到場效應電晶體的偏置柵極上的一個或多個分子探針的示例性生物傳感器的透視圖。圖3是具有連接到場效應電晶體的溝道區上的一個或多個分子探針的示例性生物傳感器的透視圖。圖4是具有連接到場效應電晶體的偏置柵極和溝道區上的一個或多個分子探針的示例性生物傳感器的透視圖。圖5是與固定的靶標相配合的圖4中所示的生物傳感器的透視圖。圖6是圖4中所示的生物傳感器的橫截面側視圖，所述圖展示了在不存在固定的靶標的情況下，在偏置柵極與溝道區之間的弱電場。圖7是圖5中所示的生物傳感器的橫截面側視圖，所述圖展示了當靶標在偏置柵極與溝道區之間固定時在所述偏置柵極與所述溝道區之間的較強的電場。圖8A是具有偏置柵極的示例性生物傳感器的俯視圖，所述偏置柵極並不是與溝道區平行間隔開的。圖SB是具有在源極區上方的偏置柵極的示例性生物傳感器的俯視圖。圖SC是具有在漏極區上方的偏置柵極的示例性生物傳感器的俯視圖。圖8D和圖SE是具有與溝道區偏置定位且間隔開的多個偏置柵極的示例性生物傳感器的俯視圖。 圖9是示例性生物傳感器陣列。圖10是其中多個生物傳感器共享一個共用的偏置柵極的示例性生物傳感器陣列。圖11是具有共享的漏極區和源極區的示例性生物傳感器陣列。圖12是具有第一組生物傳感器、第二組生物傳感器、參考場效應電晶體以及尋址電路的示例性生物傳感器陣列，所述第一組生物傳感器具有被構造成與第一靶標相配合的偏置柵極，所述第二組生物傳感器具有被構造成與第二靶標相配合的偏置柵極。
圖13是用於靶標檢測的示例性方法的流程圖。圖14是用於經過功能化以便與靶標生物種相配合的壓電懸臂梁的共振頻率隨時間變化的圖表。圖15是示例性生物感測系統。應了解，為清楚起見並且在認為需要的情況下，已在這些圖中重複使用參考數字來指示相應的特徵。圖不一定是按比例繪製的。雖然本文通過舉例而針對若干實施方案和示意圖描述了用於靶標檢測的生物傳感器設備和方法，但本領域技術人員將認識到，所述系統和方法並不限於所描述的實施方案或圖式。應理解，本文的圖式和詳細描述並不旨在使實施方案限於所公開的特定形式。而是，本發明將覆蓋落在所附權利要求書的精神和範圍內的所有修改、等效物以及替代物。本文使用的任何標題都是僅用於組織目的並且並不意圖限制說明書和權利要求書的範圍。如本文所使用，詞語「可以」是在容許意義上使用的(即，意味著有可能)，而不是強制性意義的(即，意味著必須)。類似地，詞語「包括(include, including, includes) 」意味著包括，但不限於。
具體實施例方式圖IA是具有與溝道區24偏置定位且間隔開的柵極22的示例性場效應電晶體(FET) 20的俯視圖。圖IB是圖IA的示例性FET 20的透視圖。FET 20具有通過溝道區24隔開的源極區26和漏極區28。在某些實施方案中，源極區26、漏極區28以及溝道區24形成於襯底(未示出)中。FET 20襯底的非限制性實例可以包括矽和砷化鎵。源極區26和漏極區28可以包括第一類型的半導體，而溝道區24可以包括第二類型的半導體。用於形成源極區26、漏極區28以及溝道區24的適當類型的半導體對於本領域技術人員是已知的並且可以很容易地取決於實施方案進行選擇。溝道區24具有沿長度(L)軸的溝道長度以及沿寬度(W)軸的溝道寬度。在圖IA和圖IB的實施方案中，柵極22是在平行於W軸的方向上與溝道區24間隔開的。柵極22還在平行於高度(H)軸的方向上與溝道區24正交偏置。在這個實施方案中，柵極22具有平行於H軸的柵極高度以及平行於L軸的柵極長度。在其它實施方案中，柵極22可能具有其它的位置和/或甚至可能存在用於FET的多個偏置柵極。在這個實施方案中，柵極22的長度大致平行於溝道區24的長度。如圖I中所示，偏置柵極FET (OGFET) 20的表面都尚未被功能化來與靶標物質相配合。因此，在這個構造中，OGFET 20可能充當參考FET。OGFET20是如下論述的生物傳感器的構建塊之一。圖2是與上述OGFET實施方案類似的示例性生物傳感器30的透視圖，所述示例性生物傳感器具有連接到場效應電晶體的偏置柵極22上的一個或多個分子探針32 (通過點畫示出)，所述場效應電晶體具有通過溝道區24隔開的源極區26和漏極區28。可替代地，在某些實施方案中，如圖3的透視圖中所示，生物傳感器34可以具有連接到溝道區24上的一個或多個分子探針36 (通過點畫示出)。溝道區24將通常被諸如但不限於二氧化矽的溝道絕緣體(為了便於解釋而未示出)覆蓋，並且所述一個或多個分子探針36可以通過首先連接到溝道絕緣體上而間接地連接到溝道區24上。在另外的實施方案中，如圖4的透視圖中所示，生物傳感器38可以具有連接到偏置柵極22和溝道區24 二者上的一個或多個分子探針40 (通過點畫示出)。
如圖5的透視圖中所示，所述一個或多個分子探針40被構造成與至少一個靶標42相配合。適當的靶標42的非限制性實例包括微生物病原體、細菌、病毒、毒素、寄生物、分子、小球隱孢子蟲原生動物、人隱孢子蟲、大腸桿菌、霍亂弧菌、肉毒梭菌、傷寒沙門菌、沙門菌屬、A型肝炎病毒、痢疾志賀菌、痢疾阿米巴變形蟲、脊髓灰質炎病毒、蘭伯賈第蟲原生動物、痢疾阿米巴、環孢子蟲、微孢子蟲、裂體吸蟲屬、麥地那龍線蟲、肉毒桿菌、空腸彎曲菌、霍亂弧菌、海洋分枝桿菌、嗜肺軍團菌以及鉤端螺旋體屬細菌。適當的分子探針40對於本領域技術人員是已知的並且可以被用來取決於實施方案使用於特定靶標的偏置柵極22和/或溝道區24功能化。圖6是圖4中所示的生物傳感器38的橫截面側視圖，這個圖展示了在不存在固定的靶標的情況下，在偏置柵極22與溝道區24之間的弱電場44。偏置柵極22被構造成接收柵極偏壓。偏置柵極22是與溝道區24間隔開且偏置定位的，這樣使得柵極偏壓在不存在固定的靶標的情況下形成弱電場44。弱電場44沒有強到足以在溝道區24中形成反型層，由此大致防止了除漏電流外的任何東西在源極區與漏極區之間傳遞。在這種情況下，生物傳感器38似乎處於關閉狀態，這表示不存在任何靶標。圖7是圖5中所示的生物傳感器38的橫截面側視圖，這個圖展示了當靶標42在偏置柵極22與溝道區24之間被固定時，在偏置柵極22與溝道區24之間的較強的電場46。對於給定的柵極偏壓或柵極偏壓的範圍來說，溝道區24和柵極22是基於靶標42的覆蓋區相對於彼此定位的，以便使得與所述一個或多個分子探針40相配合的靶標42用作偏置柵極22與溝道區24之間的電場分路。諸如微生物病原體的靶標物質通常具有非常強的偶極矩，從而導致了非常高的相對介電常數。例如，在低頻率下大腸桿菌的相對介電常數近似為800，000。因此，在靶標42固定後，在偏置柵極22與溝道區24之間的區域有效地填充有極高的相對介電常數的材料。在這種情況下，來自偏置柵極22上的適當偏壓的電場46足以在源極區與漏極區之間形成溝道反型層48，由此表示存在固定的靶標病原體。在這種情況下，電流可以在源極區26與漏極區28之間流動，並且生物傳感器38似乎處於打開狀態，這表示存在IE標42。如上所述，連接到溝道區和/或偏置柵極上的給定的一個或多個分子探針40可以被選來與一個或多個靶標相配合。某些實施方案可以被構造成使單個靶標固定。在此類構造中，確定溝道長度和寬度的尺寸以與靶標的覆蓋區相匹配可能是令人希望的。可替代地，或額外地，在某些實施方案中確定柵極高度和長度的尺寸以與靶標的覆蓋區相匹配可能是令人希望的。通過此類確定尺寸，一旦通過連接到柵極和/或溝道區上的一個或多個分子探針使單個靶標固定，傳感器就能夠檢測靶標的單個例子，同時靶標保持結合到所述一個或多個分子探針上(與之相配合)。此外，本領域技術人員可以選擇一個或多個分子探針，以便使靶標結合能適於使得在一個或多個分子探針與靶標之間的結合被破壞之前，能夠進行溝道區的電氣詢問。取決於實施方案，偏置柵極可以存在於除已描述的那些構造之外的一個或多個各種各樣的構造中。例如，圖8A是具有偏置柵極52的示例性生物傳感器50的俯視圖，所述偏置柵極並不是與溝道區24平行間隔開的。圖SB是具有在源極區26上方的偏置柵極56的示例性生物傳感器54的俯視圖。在此類實施方案中，柵極56將會需要與源極區26電氣絕緣。在本領域技術人員已知的其它適當的絕緣體選擇中，此類絕緣尤其可能呈二氧化矽的形式。圖8C是具有在漏極區28上方的偏置柵極60的示例性生物傳感器58的俯視圖。在此類實施方案中，柵極60將會再次需要與漏極區28電氣絕緣。圖8D和圖SE分別是具有多個偏置柵極66、68和70、72的示例性生物傳感器62和64的俯視圖，所述多個偏置柵極是與溝道區24偏置定位且間隔開的。就像在先前所述的實施方案中一樣，雖然圖8A至圖8E的溝道區和偏置柵極均被展示為是通過一個或多個分子探針40功能化的，但僅溝道區中的一個或多個和/或柵極中的一個需要連接到所述一個或多個分子探針上。可以使用現有的集成電路和微電子機械系統(MEMS)製造技術來製造上述傳感器的實施方案及其等效物。因此，一個或多個生物傳感器可以在單個陣列上成批構建和/或作為集成電路的一部分構建。圖9是示例性生物傳感器陣列74。陣列74具有多個OGFET76，已在上文描述了這些OGFET 76的特徵。在這個實施例中，OGFET 76各自具有它們自己的功能化的偏置柵極78。取決於實施方案，偏置柵極78可以均被功能化來與同一類型的靶標相配合。在其它實施方案中，不同組的偏置柵極可以被功能化來與不同類型的靶標相配合。用於訪問用於每個FET生物傳感器的源極區26、漏極區28以及柵極78的電路跟蹤包括有傳感器陣列74，但為簡單起見而未示出。本領域技術人員可以很容易地製造電路跟蹤和/或尋址電路，以便提供對個體傳感器78的訪問和/或尋址。圖10是其中多個生物傳感器82共享共用的偏置柵極84的另一個示例性生物傳感器陣列80。使用共享的柵極84可以簡化陣列80中所需的電路跟蹤的數量。圖11是又一個示例性生物傳感器陣列86。陣列86具有多個OGFET 88，這些OGFET88具有共享的漏極區和源極區90。每個OGFET傳感器88都可以獨立於其鄰近物被尋址和讀出，並且共享的漏極區和源極區90使得傳感器的間距更加緊密並可以減少陣列86所需的電路跟蹤的總數量。圖12是另一個示例性生物傳感器陣列92。陣列92具有第一組OGFET生物傳感器94，所述第一組OGFET生物傳感器具有被構造成與第一靶標相配合的偏置柵極96 ；以及第二組生物傳感器98，所述第二組生物傳感器具有被構造成與第二靶標相配合的偏置柵極100。這個實施方案還具有至少一個參考場效應電晶體20，所述參考場效應電晶體沒有任何功能化的表面。參考FET 20可以被監控來測定參考讀數，所述參考讀數可以被從功能化的傳感器讀數中減去以從生物傳感器測量值中去除不想要的背景噪聲。這個實施方案中的陣列92還具有尋址電路102，以便在陣列92與可能連接到所述陣列92上的處理裝置之間提供更加簡化的接口。尋址電路的類型對於本領域技術人員是熟知的，並且可以包括(例如)一個或多個輸入解碼器、一個或多個輸出解碼器和/或用於查詢和讀出個體傳感器104的數據緩衝器。生物傳感器陣列的其它實施方案可以僅僅提供用於每個傳感器元件的電路跟蹤並且將所述傳感器元件留給一個或多個外部裝置，以便處理尋址。圖13是用於靶標檢測的示例性方法的流程圖。在步驟106中，使一個或多個靶標物質作為在用於一個或多個生物傳感器的偏置柵極與溝道區之間的電場分路而固定。連接到上述OGFET生物傳感器實施方案的溝道區和/或偏置柵極上的一個或多個分子探針及其等效物提供了用於完成這個動作的適當的結構。同樣如所述，所述固定並不一定需要是永久的或持久的。相反，所述一個或多個分子探針可以具有靶標結合能，所述靶標結合能適於使得(例如在以下步驟中)在所述一個或多個分子探針與靶標之間的結合被破壞之前，能夠進行溝道區的電氣詢問。
在步驟108中，靶標物質測量值被測定為是與具有電場分路的所述一個或多個生物傳感器的數量成比例的。在某些實施方案中，這可以通過以下步驟來完成在讀出時間期間監控所述一個或多個生物傳感器中的每一個，以便計算具有所述電場分路的所述一個或多個生物傳感器的數量。如上所述，如果柵極偏壓被施加到偏置柵極上，同時靶標與偏置柵極和/或溝道區上的一個或多個分子探針相配合，那麼電流將在源極區與漏極區之間流動。由於每個傳感器都被詢問，所以可以針對每個傳感器計算電流的流動或來自電流流動的相應電壓的讀數。在某些實施方案中，如步驟110中所示，可以在讀出時間內基於具有電場分路的所述一個或多個生物傳感器的數量的計數來測定靶標的濃度。例如，圖14是用於被功能化來與靶標生物種相配合的壓電懸臂梁(不同類型的功能化的傳感器)的共振頻率隨時間變化的圖表。在相關實驗中，在lmL/min下的流動配置中，功能化的壓電懸臂梁的共振頻率被觀察出是依賴於病原體的濃度。對共振頻率的減少的測量是對靶標病原體的固定的指示。對卵囊的三個不同的濃度(100、1，000以及10，000每毫升)進行了研究。圖14中曲線的觀察結果表明，針對每個濃度的共振頻移飽和是以近似相同的時間間隔(固定時間常數)達到的，並且更重要的是，所述共振頻移是依賴於濃度的。在不希望與特定理論相關聯的情況下，這最有可能是因有限的平均固定保留時間而引起的。這個觀察結果已導致了以下發現可以專門定製分子探針使其具有靶標結合能。如上所述，在某些實施方案中，可以選擇結合能，這樣靶標將在足以進行電氣詢問以及因此進行檢測的平均保留時間內保持是固定的。然而，在超出所述平均固定保留時間的情況下，靶標/探針結合將破壞，從而形成自我再生的檢測陣列。自我再生的生物傳感器陣列具有在成本以及減少維護方面的顯著優點。這在其中更換生物傳感器陣列不容易實現的第三世界的位置是特別重要的。在某些實施方案中，讀出時間可能小於用於靶標的固定時間常數，以便於實時讀數，所述實時讀數對濃度的波動更加敏感。例如，在步驟112中，可能在讀出時間內重複對靶標物質測量值的測定，所述讀出時間小於用於所述靶標物質的固定時間常數，以便監控所述靶標物質測量值的實時變化。在其它實施方案中，讀出時間可能比固定時間常數要長，以便確保實現穩態的讀出。在某些實施方案中，不是保持傳感器單元的計數，而是靶標測量值可以通過測量用於具有電場分路的一個或多個生物傳感器的總電流而被測定為是與所述一個或多個生物傳感器的數量成比例的。圖15是示例性生物感測系統114。系統114具有生物傳感器陣列116，所述生物傳感器陣列具有一個或多個場效應電晶體118，所述場效應電晶體118中的每一個包括通過溝道區24隔開的源極區26和漏極區28以及與溝道區24偏置定位且間隔開的柵極22，如在以上實施方案中所論述。也如先前所論述，一個或多個分子探針連接到溝道區24和偏置柵極22中的至少一個上，所述一個或多個分子探針被構造成與至少一個靶標相配合。在這個實施方案中，生物傳感器陣列116還具有尋址電路120，以便提供對一個或多個OGFET118的訪問。系統114還具有控制器122，所述控制器連接到生物傳感器陣列116上並且被構造成測定與具有電場分路的所述一個或多個生物傳感器118的數量成比例的靶標測量值，所述電場分路是由在用於所述一個或多個場效應電晶體的偏置柵極與溝道區之間固定的靶標引起的。用於靶標測量值的測定的適當方法已在上文進行了描述。
控制器122被連接用於與尋址電路120進行通信，然而控制器122可以連接到其它數量和類型的系統、裝置、部件以及其它構造中的其它元件上。在這個實施例中，控制器122是一個計算裝置，所述計算裝置具有通過總線或其它數量和類型的鏈路連接在一起的至少一個中央處理單元(CPU)或處理器、至少一個存儲器以及一個接口單元，然而控制器122可能包括其它數量和類型的系統、裝置、部件以及其它構造中的其它元件。控制器122的中央處理單元(CPU)或處理器執行用於本文所述技術的一個或多個方面的所存儲指令的程序。控制器122的存儲器存儲了用於本文所述技術的一個或多個方面的這些經過編程的指令，然而這些經過編程的指令中的一些或所有可能在其它地方被存儲和/或執行。多種不同類型的存儲器存儲裝置，例如，系統中的隨機存取存儲器(RAM)或只讀存儲器(ROM)或軟盤、硬碟、⑶ROM、DVD ROM或通過連接到控制器122的處理器上的磁性系統、光學系統或其它讀出和/或寫入系統讀出和/或寫入的其它計算機可讀介質，可以用於控制器122的存儲器。控制器122的接口單元用於使控制器122與尋址電路120之間的通信操作性地連接，然而其它類型和數量的系統、裝置、部件以及其它元件也可能連接在一起以用於通信。儘管示例性控制器122已在本文進行了描述和圖解，但也可能使用其它類型和數量的系統、裝置、部件以及其它構造中的其它元件。將理解的是，本文描述的控制器122是用於示例性目的，這是由於用於實施實施例的特定硬體和軟體的很多變體是可能的，如相關領域的技術人員將了解。此外，可以使用根據實施例的傳授內容進行編程的一個或多個通用計算機系統、微處理器、特定應用集成電路、現場可編程門陣列、數位訊號處理器以及微控制器來很方便地實施控制器122，如本文所描述和圖解，並且如本領域技術人員將理解。另外，在任何實施例中，兩個或更多的計算系統或裝置可以取代控制器122。因此，根據需要，也可以實施分布式處理的原理和優點，例如，冗餘和複製，以便增加這些實施例的裝置和系統的穩健性和性能。也可以使用任何適當的接口機構和通信技術在計算機系統或橫跨任何適當的網絡延伸的系統上實施這些實施例，所述通信技術包括(僅通過以下舉例)呈現任何適當形式的電信(例如，聲音和數據機)、無線通信介質、無線通信網絡、蜂窩式通信網絡、G3通信網絡、公共交換電話網(PSTN)、分組數據網(TON)、網際網路、內聯網及其組合。控制器122的操作實施例也可以體現為計算機可讀介質124，所述計算機可讀介質上存儲有用於如本文所描述和圖解的技術的一個或多個方面的指令，所述指令在由處理器執行時，使得所述處理器執行實施實施例的方法所必需的步驟，如本文所描述和圖解。在已如此描述了本發明的基本概念的情況下，對於本領域技術人員來說相當明顯的是，先前詳述的公開旨在僅通過舉例來呈現，並且是非限制性的。將出現不同的更改、改善以及修改，並且目的是針對本領域技術人員的，然而本文並沒有進行明確說明。這些更改、改善以及修改旨在被特此提出，並且是在本發明的精神和範圍內的。另外，處理元件或序列的所列舉順序或為此數字、字母或其它標號的使用並不旨在將所要求的過程限制為任何順序，除非在所附權利要求書中進行指明。因此，本發明僅通過所附權利要求書及其等效物來限制。
權利要求
1.一種生物傳感器設備，包括 一個或多個場效應電晶體，所述場效應電晶體中的每一個都包括通過溝道區隔開的源極區和漏極區以及與所述溝道區偏置定位且間隔開的柵極；以及 連接到所述溝道區和所述偏置柵極中的至少一個上的一個或多個分子探針，所述一個或多個分子探針被構造成與至少一個靶標相配合。
2.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述源極區和所述漏極區各自包括第一類型的半導體並且所述溝道區包括第二類型的半導體。
3.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述場效應電晶體中的每一個進一步包括襯底，在所述襯底中形成了所述源極區、所述漏極區以及所述溝道區。
4.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述溝道區具有的溝道長度和溝道寬度被近似地確定尺寸來與所述靶標的覆蓋區相匹配。
5.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述柵極具有的柵極高度和柵極長度被近似地確定尺寸來與所述靶標的覆蓋區相匹配。
6.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述柵極具有的長度大致平行於所述溝道區的長度。
7.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述柵極在所述源極區上方。
8.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述柵極在所述漏極區上方。
9.如權利要求I所述的生物傳感器，進一步包括至少一個額外的偏置柵極。
10.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述靶標是選自由以下內容組成的群組微生物病原體、細菌、病毒、毒素、寄生蟲、分子、小球隱孢子蟲原生動物、人隱孢子蟲、大腸桿菌、霍亂弧菌、肉毒梭菌、傷寒沙門菌、沙門菌屬、A型肝炎病毒、痢疾志賀菌、痢疾阿米巴變形蟲、脊髓灰質炎病毒、蘭伯賈第蟲原生動物、痢疾阿米巴、環孢子蟲、微孢子蟲、裂體吸蟲屬、麥地那龍線蟲、肉毒桿菌、空腸彎曲菌、霍亂弧菌、海洋分枝桿菌、嗜肺軍團菌以及鉤端螺旋體屬細菌。
11.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述溝道區和柵極是基於所述靶標的覆蓋區相對於彼此定位的，以便使得與所述一個或多個分子探針相配合的靶標用作在所述偏置柵極與所述溝道區之間的電場分路。
12.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述偏置柵極被構造成接收柵極偏壓並且與所述溝道區是間隔開的並偏置定位，這樣使得 在不存在通過所述一個或多個分子探針固定的靶標同時所述柵極偏壓被施加到所述偏置柵極上的情況下，在所述溝道區中不會形成反型層；以及 當所述靶標通過所述一個或多個分子探針固定同時所述柵極偏壓被施加到所述偏置柵極上時，在所述溝道區中形成所述反型層。
13.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述一個或多個分子探針具有靶標結合能，所述靶標結合能適於使得在所述一個或多個分子探針與所述靶標之間的結合被破壞之前，能夠進行所述溝道區的電氣詢問。
14.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述一個或多個場效應電晶體中的至少一個的源極區包括所述一個或多個場效應電晶體中的另一個的漏極區。
15.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述一個或多個場效應電晶體中的至少兩個的柵極包括一個共享的柵極。
16.如權利要求I所述的生物傳感器，其中所述一個或多個場效應電晶體包括第一組的一個或多個場效應電晶體和第二組的一個或多個場效應電晶體； 連接到用於所述第一組的一個或多個場效應電晶體中的每一個的所述溝道區和所述偏置柵極中的至少一個上的所述一個或多個分子探針被構造成與第一靶標相配合；以及 連接到用於所述第二組的一個或多個場效應電晶體中的每一個的所述溝道區和所述偏置柵極中的至少一個上的所述一個或多個分子探針被構造成與第二靶標相配合。
17.如權利要求I所述的生物傳感器，進一步包括一個或多個參考場效應電晶體，所述參考場效應電晶體中的每一個都包括通過溝道區隔開的源極區和漏極區以及與所述溝道區偏置定位的柵極。
18.如權利要求I所述的生物傳感器，進一步包括被構造成對所述一個或多個場效應電晶體進行尋址的電路。
19.一種用於靶標的檢測的方法，所述方法包括 提供具有偏置柵極和溝道區的一個或多個生物傳感器，所述生物傳感器被構造成與一個或多個靶標相配合併且形成電場分路；以及 提供控制器，所述控制器測定與具有所述電場分路的所述一個或多個生物傳感器的數量成比例的靶標測量值。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述提供所述控制器進一步包括提供所述控制器，所述控制器被進一步構造成在讀出時間期間監控所述一個或多個生物傳感器中的每一個以計算具有所述電場分路的所述一個或多個生物傳感器的所述數量。
21.如權利要求20所述的方法，其中所述提供所述控制器進一步包括提供所述控制器，所述控制器被構造成在所述讀出時間內基於具有所述電場分路的所述一個或多個生物傳感器的所述數量的所述計數來測定所述靶標的濃度。
22.如權利要求21所述的方法，其中所述讀出時間小於用於所述靶標的固定時間常數。
23.如權利要求19所述的方法，其中所述提供所述控制器包括提供所述控制器，所述控制器被構造成在讀出時間內重複對所述靶標測量值的所述測定以監控所述靶標測量值的實時變化，所述讀出時間小於用於所述靶標的固定時間常數。
24.如權利要求19所述的方法，其中所述靶標測量值包括用於所述一個或多個生物傳感器的總電流。
25.一種用於製造生物傳感器設備的方法，所述方法包括 形成一個或多個場效應電晶體，所述場效應電晶體中的每一個都包括通過溝道區隔開的源極區和漏極區以及與所述溝道區偏置定位且間隔開的柵極；以及 將一個或多個分子探針連接到所述溝道區和所述偏置柵極中的至少一個上，所述一個或多個分子探針被構造成與至少一個靶標相配合。
26.如權利要求25所述的方法，其中所述源極區具有的溝道長度和溝道寬度被近似地確定尺寸以與所述靶標的覆蓋區相匹配。
27.如權利要求25所述的方法，其中所述柵極具有的柵極高度和柵極長度被近似地確定尺寸以與所述靶標的覆蓋區相匹配。
28.一種計算機可讀介質，所述計算機可讀介質上存儲有用於靶標的檢測的指令，所述指令包括機器可執行代碼，所述機器可執行代碼在由至少一個處理器執行時，使得所述處理器執行包括以下各項的步驟 識別具有電場分路的一個或多個生物傳感器的數量，所述電場分路是由在用於所述一個或多個生物傳感器的偏置柵極與溝道區之間固定的靶標引起的；以及 測定與一個或多個生物傳感器的所述識別出的數量成比例的靶標測量值，所述一個或多個生物傳感器具有由在所述偏置柵極與所述溝道區之間固定的所述靶標引起的所述電場分路。
29.如權利要求28所述的介質，其中所述識別具有電場分路的一個或多個生物傳感器的數量進一步包括在讀出時間期間監控所述一個或多個生物傳感器中的每一個，以便計算具有所述電場分路的所述一個或多個生物傳感器的所述數量，所述電場分路是由在用於所述一個或多個生物傳感器的偏置柵極與溝道區之間固定的靶標引起的。
30.如權利要求29所述的介質，進一步包括在所述讀出時間期間基於具有所述電場分路的所述一個或多個生物傳感器的所述數量的所述計數來測定所述靶標的濃度。
31.如權利要求29所述的介質，其中所述讀出時間小於用於所述靶標的固定時間常數。
32.如權利要求28所述的介質，進一步包括在讀出時間內重複所述識別和所述測定以監控所述靶標測量值的實時變化，所述讀出時間小於用於所述靶標的固定時間常數。
33.如權利要求29所述的介質，其中所述測定所述靶標測量值是基於用於所述一個或多個生物傳感器的總的測量電流的。
34.一種生物感測系統，包括 一個生物傳感器陣列，包括 一個或多個場效應電晶體，所述場效應電晶體中的每一個都包括通過溝道區隔開的源極區和漏極區以及與所述溝道區偏置定位且間隔開的柵極；以及 連接到所述溝道區和所述偏置柵極中的至少一個上的一個或多個分子探針，所述一個或多個分子探針被構造成與至少一個靶標相配合；以及 連接到所述生物傳感器陣列上並且被構造成測定與具有電場分路的所述一個或多個場效應電晶體的數量成比例的靶標測量值的控制器，所述電場分路是由在所述偏置柵極與所述溝道區之間固定的所述靶標弓I起的。
35.如權利要求34所述的系統，其中所述偏置柵極被構造成接收柵極偏壓並且是與所述溝道區間隔開的並偏置定位，這樣使得 在不存在通過所述一個或多個分子探針固定的所述靶標同時所述柵極偏壓被施加到所述偏置柵極上的情況下，在所述溝道區中不會形成反型層；以及 當所述靶標通過所述一個或多個分子探針固定同時所述柵極偏壓被施加到所述偏置柵極上時，在所述溝道區中形成所述反型層。
36.如權利要求34所述的系統，其中所述一個或多個分子探針具有靶標結合能，所述靶標結合能適於使得在所述一個或多個分子探針與所述靶標之間的結合被破壞之前，能夠進行所述溝道區的電氣詢問。
37.如權利要求34所述的系統，其中所述生物傳感器陣列進一步包括一個或多個參考場效應電晶體，所述參考場效應電晶體中的每一個都包括通過溝道區隔開的源極區和漏極區以及與所述溝道區偏置定位的柵極。
38.如權利要求34所述的系統，進一步包括被構造成對所述一個或多個場效應電晶體進行尋址的電路。
39.如權利要求34所述的系統，其中所述控制器進一步被構造成在讀出時間內基於具有所述電場分路的所述一個或多個場效應電晶體的所述數量的計數來測定所述靶標的濃度。
40.如權利要求39所述的系統，其中所述讀出時間小於用於所述靶標的固定時間常數。
全文摘要
生物傳感器具有一個或多個場效應電晶體，每個場效應電晶體包括通過溝道區隔開的源極區和漏極區以及與所述溝道區偏置定位且間隔開的柵極。所述生物傳感器還具有連接到所述溝道區和所述偏置柵極中的至少一個上的一個或多個分子探針，所述一個或多個分子探針被構造成與至少一個靶標相配合。還公開了一種靶標的檢測方法。一個或多個靶標作為在用於一個或多個生物傳感器的偏置柵極與溝道區之間的電場分路而被固定。靶標測量值被測量為是與具有所述電場分路的所述一個或多個生物傳感器的數量成比例的。
文檔編號G01N27/414GK102985814SQ201180031686
公開日2013年3月20日 申請日期2011年7月15日 優先權日2010年7月20日
發明者麥可·波特 申請人:Nth技術公司