基于报告体部分的酶促裂解的靶标的电子检测的制作方法

基于报告体部分的酶促裂解的靶标的电子检测
相关申请的交叉引用本技术要求于2019年6月25日为kiana aran等人提交的题为“systems and methods for electronic detection of cleavage and collateral activity of crispr-associated endonucleases”的美国临时专利申请第62/866,312号的权益；要求于2020年6月9日为kiana aran等人提交的题为“dynamic excitation and measurement of biochemicalinteractions”的美国临时专利申请第63/036,772号的权益；以及是于2019年7月1日为michael heltzen等人提交的题为“systems and methods for exosome capture and detection”的美国专利申请第16/459,298号的部分延续申请并要求其优先权，该美国专利申请要求于2018年6月29日为michael heltzen等人提交的题为“exosome capture and sensing”的美国临时专利申请第62/692,520号的权益；其中的每一个申请都在法律允许的范围内通过引用整体并入本文。
技术领域
本文公开的主题涉及生物技术，并且更具体地涉及基于报告体部分(reporter moiety)的酶促裂解(enzymatic cleavage)的靶标(target)的电子检测。


背景技术：

存在用于检测靶标分子或部分的各种生化测验。在靶标是核酸、例如用于检测病毒感染的测试中的病毒rna序列或用于检测癌症的测试中的癌症微型rna序列的情况下，一些测验可能涉及使用重组酶聚合酶扩增(rpa)或其他扩增技术来扩增靶标。用于检测核酸靶标并将其与非靶标序列区分开来的测试系统的操作要求可能是复杂的。


技术实现要素：

公开了用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的系统。在一个实施方式中，生物栅控晶体管包括通道和固定至通道的报告体部分。在一些实施方式中，生物栅控晶体管被配置成使得来自生物栅控晶体管的一个或更多个输出信号响应于至生物栅控晶体管的一个或更多个激励条件的施加以及与通道接触的样品流体的施加而受报告体部分的状态影响。在另外的实施方式中，样品流体包含被配置成响应于靶标核酸而激活以裂解报告体部分的酶。在一些实施方式中，激励电路系统被配置成将一个或更多个激励条件施加至生物栅控晶体管。在另外的实施方式中，测量电路系统被配置成执行对来自生物栅控晶体管的受报告体部分的状态影响的一个或更多个输出信号中的至少一个输出信号的一个或更多个测量。在一些实施方式中，分析模块被配置成基于一个或更多个测量来确定与靶标核酸的存在有关的参数。公开了用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的设备。在一个实施方式中，一种设备包括用于生物栅控晶体管的通道。在一些实施方式中，报告体核酸被固定至通道。在一些实施方式中，固定至通道的报告体核酸使得来自生物栅控晶体管的一个或更多个输
出信号响应于至生物栅控晶体管的一个或更多个激励条件的施加以及与通道接触的样品流体的施加而受报告体核酸的状态影响。在另外的实施方式中，样品流体包括被配置成响应于靶标核酸而激活以裂解报告体核酸的核酸酶。公开了用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的方法。在一个实施方式中，一种方法包括提供生物栅控晶体管，该生物栅控晶体管包括通道和固定至通道的报告体部分。在另外的实施方式中，该方法包括向通道施加样品流体，而不向样品流体施加靶标扩增处理。在一些实施方式中，该方法包括在样品流体内提供酶，其中该酶被配置成响应于靶标核酸而激活以裂解报告体部分。在一些实施方式中，该方法包括向生物栅控晶体管施加一个或更多个激励条件，使得来自生物栅控晶体管的一个或更多个输出信号受报告体部分的状态影响。在一些实施方式中，该方法包括执行对来自生物栅控晶体管的受报告体部分的状态影响的一个或更多个输出信号中的至少一个输出信号的一个或更多个测量。在一些实施方式中，该方法包括基于一个或更多个测量来确定与靶标核酸的存在有关的参数。在另一实施方式中，一种设备包括用于响应于通过靶标核酸的激活而附带地裂解报告体部分的装置。在另外的实施方式中，该设备包括用于基于报告体部分与表面之间的相互作用来检测报告体部分的裂解的装置。
附图说明
为了容易理解本发明的优点，将通过参照在附图中示出的特定实施方式来呈现上面简要描述的本发明的更具体的描述。要理解的是，这些附图仅描绘了本发明的典型实施方式并且因此不应被认为是对其范围的限制，将通过使用附图以附加的特性和细节来描述和说明本发明，在附图中：图1是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的系统的一个实施方式的透视图；图2是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的设备的一个实施方式的示意性框图，其包括生物栅控晶体管的一个实施方式；图3是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的设备的另一实施方式的示意性框图，其包括生物栅控晶体管的另一实施方式；图4是示出生物栅控晶体管阵列的一个实施方式的顶视图；图5是示出生物栅控晶体管阵列的另一实施方式的顶视图；图6是示出并入有图5的阵列的基于芯片的生物传感器的一个实施方式的顶视图；图7是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的设备的另外的实施方式的示意性框图，其包括生物栅控晶体管的另外的实施方式；图8是图7中所描绘的区域的详细视图，其示出激活酶以裂解报告体部分；图9是示出在一个实施方式中在报告体裂解之前和在报告体裂解之后的感测表面和报告体部分的侧视图；图10是示出在另一实施方式中在报告体裂解之前和在报告体裂解之后的感测表面和报告体部分的侧视图；图11是示出在另一实施方式中在报告体裂解之前和在报告体裂解之后的感测表面和报告体部分的侧视图；
图12是示出在另一实施方式中在报告体裂解之前和在报告体裂解之后的感测表面和报告体部分的侧视图；图13是示出在另一实施方式中在报告体裂解之前和在报告体裂解之后的感测表面和报告体部分的侧视图；图14是示出在另一实施方式中在报告体裂解之前和在报告体裂解之后的感测表面和报告体部分的侧视图；
1.图15是示出测量设备的一个实施方式的示意性框图；以及图16是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的方法的一个实施方式的示意性流程图。
具体实施方式
如本领域技术人员将理解的，本公开内容的各方面可以体现为系统、方法或程序产品。因此，实施方式可以采用完全硬件实施方式、完全软件实施方式(包括固件、驻留软件、微代码等)或结合软件和硬件方面的实施方式的形式，这些软件和硬件方面在本文中可以统称为“电路、“模块”或“系统”。此外，实施方式可以采用包含在一个或更多个计算机可读存储装置中的程序产品的形式，所述一个或更多个计算机可读存储装置存储机器可读代码、计算机可读代码和/或程序代码，下文中称为代码。存储装置可以是有形的、非暂态的和/或非传输的。存储装置可能不包含信号。在某些实施方式中，存储装置仅采用用于访问代码的信号。本说明书中描述的某些功能单元已经被标记为模块，以便更具体地强调它们的实现方式独立性。例如，模块可以实现为硬件电路，该硬件电路包括定制的vlsi电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立部件的现成的半导体。模块还可以以可编程硬件装置、例如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件等实现。模块也可以以代码和/或软件来实现以供各种类型的处理器执行。所识别的代码模块可以例如包括可执行代码的一个或更多个物理或逻辑块，上述一个或更多个物理或逻辑块可以例如被组织为对象、过程或功能。然而，所识别模块的可执行体不需要物理地放置在一起，而是可以包括存储在不同位置的不同指令，这些指令当逻辑地连接在一起时构成模块并实现所陈述的模块的目的。实际上，代码模块可以是单个指令或多个指令，并且甚至可以分布在若干不同的代码段上、分布在不同的程序之间以及跨若干存储装置分布。类似地，操作数据可以在本文中在模块内被识别和示出，并且可以以任何合适的形式体现并且可以在任何合适类型的数据结构内被组织。操作数据可以集合作为单个数据集，或者可以分布在不同的位置，包括分布在不同的计算机可读存储装置上。在模块或模块的部分以软件实现的情况下，软件部分存储在一个或更多个计算机可读存储装置上。可以利用一种或更多种计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是存储代码的存储装置。存储装置可以是例如但不限于电子、磁、光、电磁、红外、全息、微机械或半导体系统、设备或装置、或者前述的任意合适的组合。存储装置的更具体示例(非穷举列表)将包括以下：具有一条或更多条线的电连接
件、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、光存储装置、磁存储装置、或者前述的任意合适的组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是可以包含或存储用于由指令执行系统、设备或装置使用或与指令执行系统、设备或装置结合使用的程序的任何有形介质。用于执行实施方式的操作的代码可以以一种或更多种编程语言的任意组合编写，一种或更多种编程语言包括诸如python、ruby、java、smalltalk、c 等的面向对象的编程语言，以及诸如“c”编程语言等的常规过程编程语言，以及/或者诸如汇编语言的机器语言。代码可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为独立软件包执行、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任意类型的网络连接至用户的计算机，网络包括局域网(lan)或广域网(wan)、或者可以连接至外部计算机(例如，通过使用因特网服务提供商的因特网)。如本文所使用的，部件包括有形的、物理的、非暂态的装置。例如，部件可以实现为硬件逻辑电路，硬件逻辑电路包括定制的vlsi电路、门阵列或其他集成电路；现成的半导体，例如逻辑芯片、晶体管或其他分立器件；以及/或者其他机械或电气装置。部件还可以以可编程硬件装置、例如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件等实现。部件可以包括一个或更多个硅集成电路装置(例如，芯片、管芯、管芯平面、封装)或其他分立的电气装置，它们通过印刷电路板(pcb)的电线等与一个或更多个其他部件进行电通信。在某些实施方式中，本文描述的每个模块可以替选地由部件实施或被实现为部件。如本文所使用的，电路或电路系统包括提供电流的一个或更多个路径的一个或更多个电气和/或电子部件的集合。在某些实施方式中，电路系统可以包括电流的返回路径，使得电路是闭环。然而，在另一实施方式中，不包括电流的返回路径的部件的集合可以被称为电路或电路系统(例如，开环)。例如，无论集成电路是否耦接至地(作为电流的返回路径)，集成电路都可以被称为电路或电路系统。在各种实施方式中，电路系统可以包括集成电路、集成电路的一部分、集成电路的集合、具有或不具有集成电路器件的非集成电气和/或电气部件的集合等。在一个实施方式中，电路可以包括定制的vlsi电路、门阵列、逻辑电路或其他集成电路；现成的半导体，例如逻辑芯片、晶体管或其他分立器件；以及/或者其他机械或电气装置。电路还可以被实现为例如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件等的可编程硬件装置中的合成电路(例如，被实现为固件、网表等)。电路可以包括一个或更多个硅集成电路装置(例如，芯片、管芯、管芯平面、封装)或其他分立的电气装置，它们通过印刷电路板(pcb)的电线等与一个或更多个其他部件进行电通信。在某些实施方式中，本文描述的每个模块可以由电路实施或被实现为电路。在整个说明书中对“一个实施方式”、“实施方式”或类似语言的引用意指结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，除非另有明确说明，否则在整个说明书中短语“在一个实施方式中”、“在实施方式中”和类似的语言的出现可能但不一定都指代相同的实施方式，而是意指“一个或更多个但不是所有的实施方式”。除非另有明确说明，否则术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们的变型意指“包括但不限于”。除非另有明确说明，否则枚举的项列表并不暗示任何或所有项是相互排斥的。除非另
有明确说明，否则术语“一个(a)”、“一(an)”和“该(the)”也指代“一个或更多个”。此外，实施方式的所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。在下面的描述中，提供了大量的具体细节，例如编程、软件模块、用户选择、网络事务、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等的示例，以提供对实施方式的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或更多个具体细节的情况下或者利用其他方法、部件、材料等来实践实施方式。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作以避免使实施方式的方面模糊。下面参照根据实施方式的方法、设备、系统和程序产品的示意性流程图和/或示意性框图来描述实施方式的方面。将理解的是，示意性流程图和/或示意性框图的每个块以及示意性流程图和/或示意性框图中块的组合都可以通过代码实现。该代码可以被提供至通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实现示意性流程图和/或示意性框图的一个或更多个块指定的功能/动作的装置。代码还可以存储在存储装置中，该代码可以指导计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置以特定方式运行，使得存储在存储装置中的指令产生包括实现示意性流程图和/或示意性框图的一个或更多个块指定的功能/动作的指令的制品。也可以将代码加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，以使在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的代码提供用于实现流程图和/或框图的一个或更多个块指定的功能/动作的过程。附图中的示意性流程图和/或示意性框图示出了根据各种实施方式的设备、系统、方法和程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。在该方面，示意性流程图和/或示意性框图中的每个块可以表示模块、段、或代码的一部分，代码的一部分包括代码的用于实现指定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应当注意，在一些替选实现方式中，块中标注的功能可以不按照附图中标注的顺序发生。例如，根据所涉及的功能，相继示出的两个块实际上可以基本同时执行，或者有时可以以相反的顺序执行这些块。可以设想在功能、逻辑或效果上与所示附图的一个或更多个块或其部分等同的其他步骤和方法。尽管在流程图和/或框图中可以采用各种箭头类型和线类型，但是它们被理解为不限制相应实施方式的范围。实际上，可以使用一些箭头或其他连接符来仅指示所描绘实施方式的逻辑流程。例如，箭头可以指示在所描绘实施方式的枚举步骤之间的未指定持续时间的等待或监测时段。还将注意，框图和/或流程图的每个块以及框图和/或流程图中块的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统、或专用硬件和代码的组合来实现。每幅附图中元件的描述可以参照前面附图的元件。在所有附图中，相同的数字表示相同的元件，包括相同元件的替选实施方式。如本文所使用的，带有“和/或(以及/或者)”连词的列表包括列表中任意单个项或列表中项的组合。例如，a、b和/或c的列表包括仅a、仅b、仅c、a和b的组合、b和c的组合、a和c的组合、或a、b和c的组合。如本文所使用的，使用术语“中的一个或更多个”的列表包括列表
中任意单个项或列表中项的组合。例如，a、b和c中的一个或更多个包括仅a、仅b、仅c、a和b的组合、b和c的组合、a和c的组合、或a、b和c的组合。如本文所使用的，使用术语“中的一个”的列表包括列表中任意单个项中的一个且仅一个。例如，“a、b和c中的一个”包括仅a、仅b或仅c并且不包括a、b和c的组合。如本文所使用的，“选自由a、b和c组成的组的成员”包括a、b或c中的一个且仅一个并且不包括a、b和c的组合。如本文所使用的，“选自由a、b和c以及它们的组合组成的组的成员”包括仅a、仅b、仅c、a和b的组合、b和c的组合、a和c的组合、或a、b和c的组合。定义：如本文所使用的，术语“生物栅控晶体管”指代其中通过至少一个通道的源极端子与漏极端子之间的电流能够通过在与通道表面接触的样品流体内的事件、出现或相互作用被影响、栅控或调制的晶体管。例如，样品流体内的离子、分子或部分的相互作用或者通道表面与样品流体内的离子、分子或部分之间的相互作用可能能够栅控、调制或影响通道电流。可以使用术语“生物栅控晶体管”来指代此类使用中的装置，其中样品流体施加至通道的表面，或者指代在施加样品流体之前的相同装置。可以使用术语“生物栅控晶体管”而不考虑样品流体内的分子或部分是否是生物产生的。例如，生物栅控晶体管可以通过样品流体中生物产生的酶与酶的底物之间的相互作用来栅控，或者可以通过样品流体内的非生物相互作用来栅控，但是仍可以被称为“生物栅控”。如本文所使用的，术语“输出信号”指代来自生物栅控晶体管的可测量或可检测电信号，或者指代可以基于可测量或可检测信号计算出的结果。例如，输出信号可以是生物栅控晶体管的一个或更多个端子处的电压、一个或更多个生物栅控晶体管处的电流、电容、电感或电阻(基于所施加和测量的电压和电流计算出的)、复值阻抗、复阻抗谱、电化学阻抗谱、阈值电压、狄拉克电压、功率谱密度、一个或更多个网络参数(例如s参数或h参数)等。如本文所使用的，术语“激励条件”指代施加至生物栅控晶体管或施加至由生物栅控晶体管测量的样品的物理条件、电条件或化学条件。激励条件可能会影响报告体部分的状态，这进而可能会影响来自生物栅控晶体管的一个或更多个输出信号。例如，激励条件可以包括施加至生物栅控晶体管的电信号的电压、电流、频率、幅度、相位或波形、一个或更多个温度、一个或更多个流体流速、电磁辐射的一个或更多个波长等。如本文所使用的，术语“核酸”指代任何形式的rna和/或dna。例如，核酸可以是单链rna、双链dna、单链dna(ssdna)、病毒rna、信使rna(mrna)、非编码rna(ncrna)、微型rna(mirna)等。可以使用术语“核酸”来指代dna或rna分子，或指代作为较大结构的一部分的一条或更多条多核苷酸或寡核苷酸链。例如，dna可能与另一分子或部分化学链接，但是尽管不是独立的dna分子可以仍称为核酸。类似地，较长dna序列内的一个或更多个dna子序列(连续或非连续)的集合可以称为核酸。如本文所使用的，术语“部分”指代分子的一部分。例如，部分可以是另一分子的核酸部分、二糖中的单糖、多糖中的单糖或二糖、药物分子的活性部分、药物分子的非活性部分、与酶底物结合的酶分子的一部分、与酶结合的底物分子的一部分、酶或底物的另一部分等。在单数形式中，可以使用术语“部分”来指代一个分子的一部分或相同(或相似)类型或部分的多个实例。例如，化学结合至底物的核酸的多条链可以称为固定至底物的核酸部分。在复数形式中，可以使用术语“部分”来指代多种类型的部分(例如，酶部分和底物部分)或
指代多个分子的相同类型的部分(例如，针对蛋白质的多个分子的该蛋白质的部分)。如本文所使用的，术语“酶”指代作用于底物的蛋白质或涉及蛋白质的复合物。例如，参照由向导rna引导以结合至dna底物并裂解dna底物的crispr相关(cas)9酶，可以使用术语“酶”来指代cas9蛋白本身或该蛋白及其相关向导rna的复合物。可以使用复数形式“酶”来指代不同类型的酶，或指代同一类型酶的多个实例。单数形式“酶”可以指代单一类型酶的一个或更多个实例。例如，将相同cas14酶的多个副本添加至样品流体在本文中可以被描述为将酶添加至样品流体。如本文所使用的，术语“裂解(cleave和cleavage)”指代部分内的共价键断裂以产生该部分的一个或更多个片段。例如，从链的端部裂解核酸部分可能涉及从链的端部一次去除核苷酸，使得所得片段为所去除的核苷酸和链的其余部分。类似地，链内核酸部分的裂解可以产生两条较短的链作为片段。双链dna的裂解可以包括断开两条链中的键以产生单独的片段。作为另外的示例，二糖或多糖的裂解可以产生更短的单糖、二糖或多糖作为片段。类似地，单糖可以被裂解以形成较小的糖或碳链作为片段(例如当葡萄糖被裂解以形成丙酮酸时)。如本文所使用的，术语“核酸酶”(nuclease)和“核酸酶(nuclease enzyme)”指代能够裂解核酸的酶。核酸酶可以是从端部裂解核酸的外切核酸酶，或者可以是在链内位点处裂解核酸链的内切核酸酶。核酸酶可以是裂解dna的dnase、裂解rna的rnase、在识别位点处或在识别位点附近的裂解位点处裂解dna或rna的限制酶等。在一些实施方式中，核酸酶可以是cas9、cas12、cas13或cas14酶、锌指核酸酶、转录激活因子样效应物核酸酶(talen)等。术语“靶标”指代可以在测验或测试中确定与靶标有关的存在、不存在、浓度、活性或其他参数的分子或部分。例如，使用生物栅控晶体管的测验可以用来确定靶标的存在、不存在或浓度。例如“靶标核酸”或“靶标部分”的复合术语可以类似地用来指代作为测验的靶标的核酸或部分。对于如本文所描述的基于酶的测试，术语“靶标”可以指代与酶结合或以其他方式与酶相互作用(或受其作用)以激活酶的进一步活性(例如裂解靶标或裂解另一非靶标分子或部分)的分子或部分。如本文所使用的，术语“报告体(reporter)”指代可以响应于酶通过酶与其靶标的相互作用而激活而被酶裂解、结合或以其他方式修改的分子或部分。对于顺式作用酶，报告体可以是靶标，或者报告体和靶标可以都是同一分子的一部分。对于反式作用酶，报告体和靶标可以是单独的分子，或单独分子的部分。例如“报告体核酸”或“报告体部分”的复合术语可以类似地用来指代作为报告体的核酸或部分。如本文所使用的，术语“附带裂解”指代除了靶标以外的报告体的酶促裂解(例如，通过反式作用酶)。例如，某些酶可以被包括特定核苷酸序列的靶标激活，以附带地或不加选择地裂解报告体，而不管报告体是否包括靶标序列。用于检测靶标分子或部分的各种生化方法可能是昂贵的或复杂的。例如，使用重组酶聚合酶扩增(rpa)或另一种扩增技术扩增靶标核酸可能是耗时的，从而增加了用于检测靶标的测试的费用或复杂性。此外，用于检测扩增靶标的测试可能能够检测靶标的存在或不存在，但是不能检测靶标的扩增前水平或浓度。用于靶标检测的光学技术(例如，通过在靶标存在的情况下引起或淬灭荧光)可能涉及昂贵的光学部件。另外，专门配置用于检测
一个靶标的测试设备可能不适合检测其他靶标。相比之下，如本文所公开的，在有或没有靶标的扩增的情况下，使用生物栅控晶体管的测验可以为电子靶标检测或表征提供低成本和低复杂性。包括生物栅控晶体管的传感器可以使用传统的电子制造技术制造，从而降低成本。使用生物栅控晶体管的系统可能能够针对多种靶标进行电子靶标检测，从而降低单个测验的总成本。图1是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的系统100的一个实施方式的示意性框图。在所描绘的实施方式中，系统100包括一个或更多个基于芯片的生物传感器104、芯片读取器装置102、样品制备设备112、计算装置114、远程数据储存库118和数据网络120。在所描绘的实施方式中，基于芯片的生物传感器104包括一个或更多个生物栅控晶体管106，一个或更多个生物栅控晶体管106在下面进一步详细地描述。在各种实施方式中，基于芯片的生物传感器104是包括布置在固体支承件上的一个或更多个固体二维传感器元件(例如生物栅控晶体管106和/或其他传感器元件)的装置。传感器元件可以直接或间接对传感器元件上或足够接近传感器元件的样品中的邻近生化分析物或生物分子分析物或相互作用或两者的存在作出响应，以产生适合于放大、过滤、数字化、以及其他模拟和数字信号处理操作的电响应信号或电磁响应信号。报告体部分可以固定至感测表面，例如生物栅控晶体管的通道。在一些实施方式中，基于芯片的生物传感器104可以包括多个晶体管，其中至少一个晶体管是生物栅控晶体管106。在一些实施方式中，基于芯片的生物传感器104可以包括在生物栅控晶体管106旁边的一个或更多个附加传感器。例如，可以包括使用太赫兹光谱、表面增强光谱、石英晶体微天平、光栅耦合干涉测量等的各种类型的传感器。在一些实施方式中，基于芯片的生物传感器104可以包括另外的部件，例如流动池(flow cell)或流体推进机构。在所描绘的实施方式中，芯片读取器装置102包括用于与基于芯片的生物传感器104的部件进行通信(例如，向基于芯片的生物传感器104的部件发送电信号或从基于芯片的生物传感器104的部件接收电信号)的电路系统。例如，基于芯片的生物传感器104可以包括安装至在一个边缘处具有电触点的印刷电路板的、具有一个或更多个生物栅控晶体管106的芯片或集成电路。芯片读取器装置102中的插座可以包括匹配的触点，使得基于芯片的生物传感器104可以插入到芯片读取器装置102中或从芯片读取器装置102移除。可以使用各种其他或另外类型的连接器来提供在基于芯片的生物传感器104与芯片读取器装置102之间的可拆卸的耦接。在另外的实施方式中，芯片读取器装置102可以包括用于经由数据网络120进行通信的电路系统。例如，芯片读取器装置102可以通过数据网络将关于使用基于芯片的生物传感器104执行的测量的信息传送至计算装置114和/或远程数据储存库118。在各种实施方式中，数据网络120可以是因特网，或者可以是诸如广域网、城域网、局域网、虚拟专用网等的另一网络。在另一实施方式中，除了或替代通过数据网络120进行通信，芯片读取器装置102可以以另一种方式传送信息。例如，芯片读取器装置102可以显示或打印信息，将信息保存到可移除数据存储装置，等等。在所描绘的实施方式中，测量设备122由基于芯片的生物传感器104和/或芯片读
取器装置102实现。在各种实施方式中，测量设备122可以包括用于将激励条件施加至生物栅控晶体管106的激励电路系统。来自生物栅控晶体管106的输出信号(例如电流、电压、电容、阻抗等)可以响应于激励条件和与通道接触的样品流体110的施加而受固定至生物栅控晶体管106的通道的报告体部分的状态影响。例如，如果样品流体包含响应于靶标而激活以裂解报告体部分的酶，则报告体部分的裂解或未裂解状态(对应于样品流体110中靶标的存在或不存在)可能影响一个或更多个输出信号。测量设备122可以包括用于执行对受报告体部分的状态影响的至少一个输出信号的一个或更多个测量的测量电路系统。下面进一步详细地描述测量设备122的各种实施方式。在各种实施方式中，系统100的靶标检测可以基于报告体部分与表面之间的相互作用。例如，在一个实施方式中，报告体部分可以固定至生物栅控晶体管106的通道，使得取决于报告体是否被裂解、报告体部分与表面之间的相互作用是报告体部分要么保留在通道表面上、要么具有从通道表面裂解掉的片段，从而影响表面处的电位和生物栅控晶体管106的相应输出信号。在另一实施方式中，可以在施加至生物栅控晶体管106的样品流体110内提供报告体部分，并且取决于报告体是被裂解还是未裂解，报告体部分与表面之间的相互作用可以是未裂解的报告体的较大颗粒或报告体的裂解片段吸附至通道表面，从而类似地影响通道表面处的电位。另外，尽管系统100在所描绘的实施方式中包括生物栅控晶体管106，但是在另一实施方式中的系统可以包括用于基于报告体部分与表面之间的相互作用来检测报告体部分的裂解的其他或另外的装置。例如，诸如金属膜、石墨表面或一片石墨烯的表面可以用作包括用于测量电化学电位的参考电极以及用于修改电化学电位的反电极的电化学系统中的工作电极。报告体部分与工作电极表面之间的相互作用可以如上面针对生物栅控晶体管106所描述的那样包括从表面去除报告体的片段或将片段吸附至表面(在报告体发生裂解的情况下)，从而影响输出信号，例如工作电极与样品流体110之间的电化学阻抗谱。这可能类似于或等同于使用生物栅控晶体管106并测量通道电容(通道与样品流体之间)而不是通道电流。替代生物栅控晶体管106或除了生物栅控晶体管106以外，基于芯片的生物传感器104的一些实施方式可以包括电容传感器。在一些实施方式中，基于芯片的生物传感器104可以包括测量设备122。例如，激励电路系统和/或测量电路系统可以作为基于芯片的生物传感器104的一部分设置在与生物栅控晶体管106相同的芯片上或在相同的封装上、在相同的印刷电路板上等。在另一实施方式中，芯片读取器装置102可以包括测量设备122。例如，激励电路系统和/或测量电路系统可以设置在芯片读取器装置102中，使得激励电路系统和/或测量电路系统可与多个基于芯片的生物传感器104一起重复使用。在另一实施方式中，基于芯片的生物传感器104和芯片读取器装置102都可以包括测量设备122的部分。例如，基于芯片的生物传感器104可以包括激励电路系统的部分，例如用于生物栅控晶体管106的温度控制的电阻加热器，并且芯片读取器装置102可以包括激励电路系统的其他部分，例如电压或电流源。在各种实施方式中，测量设备122的激励电路系统、测量电路系统和/或其他部件可以以各种其他或另外的方式设置在基于芯片的生物传感器104与芯片读取器装置102之间。另外，尽管所描绘的实施方式中的系统100包括可以耦接至芯片读取器装置102或
从芯片读取器装置102移除的基于芯片的生物传感器104，但是基于芯片的生物传感器104和芯片读取器装置102的功能和/或部件可以在另一实施方式中被集成到单个装置中。相反，在一些实施方式中，系统可以包括多个装置而不是单个芯片读取器装置102。例如，测量设备122的激励电路系统和/或测量电路系统可以包括实验室工作台硬件，例如源测量单元、函数发生器、偏置三通、化学阻抗分析仪、锁定放大器、数据获取装置等，实验室工作台硬件可以耦接至基于芯片的生物传感器104。在所描绘的实施方式中，样品制备设备112被配置成自动或半自动地制备样品流体110。在一些实施方式中，样品制备设备112可以包括自动分配设备，例如分配机器人和/或流体系统。在一些实施方式中，样品制备设备112可以包括其自己的控制器以及用于设置例如样品流体110的培养时间和温度的样品制备参数的用户界面。在一些实施方式中，样品制备设备112可以经由数据网络进行控制120。例如，计算装置114或测量设备122可以控制样品制备设备112。在另一实施方式中，系统100可以省略样品制备设备112，并且可以手动制备样品流体110。在一些实施方式中，制备样品流体110可以包括获得或制备其中可以观察到靶标(或可以检测到靶标的不存在)的流体样品。在一些实施方式中，制备样品流体110可以包括添加被配置成响应于靶标而激活以裂解报告体的酶。在一些实施方式中，可以将已获得的样品流体110直接施加至基于芯片的生物传感器104。例如，在一些实施方式中，基于芯片的生物传感器104可以用来测试血液中靶标的存在，并且血液可以作为样品流体110施加至基于芯片的生物传感器104。在另一实施方式中，用于制备样品流体110的另外的样品制备步骤可以包括添加试剂、浓缩或稀释、加热或冷却、离心等。可以使用各种其他或另外的制备技术来制备与测量设备122一起使用的样品流体110。在各种实施方式中，样品流体110可以包括一种或更多种类型的生物分子108。在各种实施方式中，生物分子108可以是由生物有机体产生的任何分子，包括例如蛋白质、多糖、脂质和核酸(dna和rna)的大聚合物分子以及例如初级代谢物、次级代谢物和其他自然产物的小分子。例如，在所描绘的实施方式中，样品流体110包括靶标核酸108a以及与靶标核酸108a相互作用的酶108b。靶标108a对酶108b的激活可以基于被激活的酶108b对报告体的裂解来检测。与靶标108a有关的参数、例如靶标108a的存在、不存在108a或浓度可以使用基于芯片的生物传感器104、基于报告体的裂解来确定。在所描绘的实施方式中，计算装置114实现分析模块116。在各种实施方式中，计算装置114可以是膝上型计算机、台式计算机、智能电话、手持计算装置、平板计算装置、虚拟计算机、集成到仪器中的嵌入式计算装置等。在另外的实施方式中，计算装置114可以经由数据网络120与测量设备122进行通信。在某些实施方式中，分析模块116被配置成基于来自生物栅控晶体管106的输出信号的一个或更多个测量，来确定与靶标核酸的存在有关的参数，其中测量由测量设备122进行。在各种实施方式中，分析模块116可以确定与靶标核酸的存在有关的各种参数，例如靶标核酸是否存在于样品流体中的指示、靶标核酸的浓度或者与该浓度对应或与该浓度有关的另一参数、报告体部分是否(或在多大程度上)被裂解的指示、裂解速率的确定等。在所描绘的实施方式中，分析模块116与测量设备122分开，并且由与测量设备122分开的计算装置114实现。在另一实施方式中，分析模块116可以部分地或完全地与测量设
备122集成。例如，测量设备122可以包括执行存储在存储器中的代码以实现分析模块116的全部或部分的处理器和/或专用逻辑硬件。在一些实施方式中，分析模块116可以被实现为形成基于芯片的生物传感器104的一部分和/或芯片读取器装置102的一部分的嵌入式处理器系统或其他集成电路。在一些实施方式中，在分析模块116与测量设备122集成的情况下，系统100可以省略单独的计算装置114。在各种实施方式中，远程数据储存库118可以是远离测量设备122并且能够存储数据的装置或装置组。例如，远程数据储存库118可以是或可以包括硬盘驱动器、固态驱动器、驱动器阵列等。在一些实施方式中，远程数据储存库118可以是计算装置114内的数据存储装置。在一些实施方式中，远程数据储存库118可以是网络附加存储装置、存储区域网络等。在一些实施方式中，测量设备122(例如，基于芯片的生物传感器104和/或芯片读取器装置102)可以包括将测量信息发送至远程数据储存库118的通信电路系统。测量信息可以是来自生物栅控晶体管106的测量或关于测量的信息、例如基于原始测量的计算量。分析模块116可以与远程数据储存库118进行通信，以基于由远程数据储存库118存储的信息确定与靶标核酸的存在有关的一个或更多个参数。在另外的实施方式中，分析模块116可以将分析结果存储到远程数据储存库118。然而，在另一实施方式中，分析模块116可以直接或通过数据网络120从测量设备122接收测量信息，并且可以省略远程数据储存库118(例如，支持本地数据存储)。图2是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的设备200的一个实施方式的示意性框图，其包括耦接至测量设备122的生物栅控晶体管106a的一个实施方式。生物栅控晶体管106a以顶视图描绘。所描绘的实施方式中的生物栅控晶体管106a和测量设备122可以基本上如上面参照图1所描述的，并且在下面进一步描述。在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106a包括在下面描述的源极212、漏极202、通道210、参考电极208、反电极204和液体井206。通常，在各种实施方式中，生物栅控晶体管106a可以包括能够在源极212与漏极202之间传导电流的至少一个通道210。如在绝缘栅场效应晶体管中，源极212与漏极202之间的电流不仅取决于源极212与漏极202之间的电压差，还取决于影响通道210的导电性的某些条件。然而，绝缘栅场效应晶体管是其中栅电极通过薄电介质层与通道分开的固态器件，使得通道电导率由栅-体(或栅-源)电压调制。相反，在各种实施方式中，生物栅控晶体管106a的通道电导率(和所产生的漏-源电流)可以被液态事件调制、栅控或影响。特别地，样品流体110可以被施加至生物栅控晶体管106a以与通道210接触，使得通道电导率取决于样品流体110内的部分的状态(或者被样品流体110内的部分的状态栅控或调制)。在各种实施方式中，源极212、漏极202、通道210、参考电极208和反电极204可以形成在例如硅晶片或芯片的氧化物或其他电介质层的衬底(未示出)上。生物栅控晶体管106a的某些部件可以形成为与样品流体110接触。例如，通道210、参考电极208和反电极204的上表面可以暴露或裸露以与样品流体110直接相互作用。其他部件可以被覆盖或与样品流体110电绝缘。例如，源极212和漏极202可以被例如二氧化硅、氮化硅或另外的电介质的绝缘层覆盖，使得电流通过通道210在源极212与漏极202之间流动，而样品流体110不会在源极212与漏极202之间产生短路或者替选或非预期的电流路径。液体井206可以是在生物栅控晶体管106a的其他部件上方的区域中的用于包含样
品流体110的结构。例如，液体井206可以是环氧树脂、热固性树脂、热塑性塑料等的脊。液体阱206可以沉积在衬底上，形成为用于生物栅控晶体管106a的芯片封装中的开口等。在一些实施方式中，通道210由诸如石墨烯的高度灵敏的导电材料制成。在另外的实施方式中，石墨烯通道210可以通过化学气相沉积(cvd)沉积在生物栅控晶体管106a的衬底上。在一些实施方式中，通道210可以由具有强面内共价键合和弱层间相互作用的另外的二维材料制成。此类材料可以称为范德华材料。例如，在各种实施方式中，通道210可以由石墨烯纳米带(gnr)、双层石墨烯、磷烯、锡烯、氧化石墨烯、还原石墨烯、氟石墨烯、二硫化钼、金、硅、锗烯、拓扑绝缘体等制成。可以在生物栅控晶体管106a中使用导电和表现出场效应特性并且当直接暴露于各种溶液时在室温下稳定的各种材料。可以适合于形成生物栅控晶体管106a的通道210的材料可以包括硅表面、碳电极、石墨烯或除了石墨烯以外的二维材料。类似的材料也可以用于电化学或电容式传感器。在各种实施方式中，与例如碳纳米管的一维替选材料相比，使用具有由平面二维范德华材料形成的一个或更多个通道210的生物栅控晶体管106a提高了可制造性，并且降低了成本。源极212和漏极202设置在通道210的相对端处，使得通过通道210传导的电流从漏极202传导至源极212，或从源极212传导至漏极202。在各种实施方式中，源极212和漏极202可以由诸如金、铂、多晶硅等的导电材料制成。在一些实施方式中，源极212可以耦接至生物栅控晶体管106a的衬底(例如，氧化物或其他电介质层下方的硅)，使得施加至源极212的偏置电压(或另一偏置信号)也对通道210下方的衬底进行偏置。在另一实施方式中，生物栅控晶体管106a可以包括用于对衬底进行偏置的单独的主体端子(未示出)。术语“源极”和“漏极”在本文中可以用来指代直接接触通道210的导电区域或电极，或指代连接至这些区域或电极的引线、线或其他导体。另外，术语“源极”和“漏极”用作晶体管端子的常规名称，但不一定暗示电荷载流子的类型。例如，石墨烯通道210可以根据各种外部条件(例如由测量设备122施加的激励条件和报告体部分的裂解或未裂解状态)来以电子或空穴作为电荷载流子导电，并且电荷载流子可以从源极212流向漏极202，或从漏极202流向源极212。在各种实施方式中，来自生物栅控晶体管106a的一个或更多个输出信号可能受激励条件和报告体部分的状态影响。如上所述，激励条件可以是施加至生物栅控晶体管106a的物理、电或化学条件。诸如恒定偏置电压(或信号)、时变激励电压(或信号)、温度条件等的激励条件可以通过测量设备122施加至生物栅控晶体管106a或样品流体110。报告体部分的裂解或未裂解状态可能取决于酶是否(或在多大程度上)被靶标激活，并因此可能取决于靶标的存在、不存在或浓度。报告体部分(或其裂解后的片段)与通道210的相互作用可以对通道电导率进行栅控或调制，从而影响一个或更多个输出信号。输出信号可以是或可以包括通道电流、电压、电容、电感或电阻(基于所施加和测量的电压和电流计算出的)、复值阻抗、复阻抗谱、电化学阻抗谱、狄拉克电压、功率谱密度、一个或更多个网络参数(例如s参数或h参数)等。在各种实施方式中，用作电介质的层可以形成于生物栅控晶体管的通道210的表面附近或者例如电容或电化学传感器的另一传感器的类似表面附近。当流体被施加为与通道表面接触时，可以在通道表面附近形成一层或更多层离子。例如，双层离子可以包括被吸引或吸附至通道表面的第一层离子以及被吸引至第一层中的离子的第二层离子。或者，如
果通道已经通过将某些分子或部分(例如，蛋白质、肽、表面活性剂、诸如聚乙二醇的聚合物，等等)固定至通道表面而被功能化，形成具有净电荷的离子渗透层，则来自流体的离子可以由于吉布斯-唐南效应(gibbs-donnan effect)而扩散至固定的分子或部分的离子渗透层中，从而形成唐南平衡区。在任一情况下，通道表面附近的电荷可以充当通道210(或另一类型传感器中的类似表面)与大部分样品流体110之间的电介质。报告体的裂解可能导致添加或去除该电介质层中的报告体片段，或电介质层内报告体的状态变化，从而影响输出信号，例如通道电流或电容。在一些实施方式中，报告体部分可以固定至通道210的表面。将报告体部分固定至通道210可以包括将报告体化学或物理链接至通道。例如，在报告体部分包括链接在一起的亚基的聚合链(polymeric strand)，例如dna或rna链中的核苷酸链、多糖中的单糖链等的情况下，将报告体固定至通道210可以包括将链的一个或两个端部链接至通道，或者可以包括将报告体分子在水凝胶中与由报告体链形成的水凝胶骨架链接在一起，以及将水凝胶化学链接或物理粘附至通道。由于报告体固定至通道210，报告体的裂解引起报告体的片段扩散至样品流体中或在冲洗步骤中被冲洗掉，从而影响通道210附近的电场，并因此由于通道210的场效应灵敏度而影响输出信号。然而，在另一实施方式中，通道210可以是裸石墨烯或未功能化的石墨烯(或包括另一种非生物材料，例如水凝胶或聚合物)，并且报告体分子或部分可以被设置在样品流体110内。在报告体被设置在样品流体110中而不是固定至通道210的情况下，报告体可能被吸附至通道，但是报告体的裂解可能产生报告体的片段而不是被吸附至通道的报告体的完整副本。报告体片段与报告体的吸附之间的差异可能会影响通道210附近的电场，从而由于通道210的场效应灵敏度而影响输出信号。在另一实施方式中，通道210可以是裸的或未功能化的，但是直径在约1nm至10μm范围内的磁性粒子或非磁性粒子(其可以称为“珠子”)可以如上面针对通道210所描述的那样利用报告体部分被功能化并添加至样品流体110。来自生物栅控晶体管106a的输出信号可能对珠子上的报告体部分的状态灵敏。对于磁珠，可以施加磁场以将珠子从样品流体110的本体溶液中吸向通道210，使得输出信号更强烈地受接近通道210的珠子影响。在各种实施方式中，施加至通道210的液体(例如，样品流体110)可以被称为生物栅控晶体管106a的液体栅极，因为生物栅控晶体管106a的一个或更多个输出信号受液体栅极内的条件、例如报告体部分的状态影响。另外，在各种实施方式中，生物栅控晶体管106a可以包括用于检测和/或调节液体栅极的电压或电位的一个或更多个栅电极。例如，在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106a包括用于测量样品流体110的电化学电位的参考电极208和用于调节样品流体110的电化学电位的反电极204。在一些实施方式中，在样品流体110与参考电极208和/或反电极204之间的界面处可能产生电位。因此，在一些实施方式中，参考电极208可以由具有已知或稳定的电极电位的材料制成。然而，在另一实施方式中，参考电极208可以是不保持恒定电极电位的伪参考电极。然而，经由伪参考电极对样品流体110的电化学电位的测量仍然可以用作输出信号或用作用于经由反电极204调节样品流体110的电化学电位的反馈。在一些实施方式中，参考电极208和/或反电极204可以由非反应性材料、例如金或铂制成。在一些实施方式中，生物栅控晶体管106a可以使用光刻法或其他可商购的芯片制
造技术来制造。例如，可以在硅衬底上生长热氧化层，并且可以在热氧化层上对诸如源极212、漏极202、参考电极208和/或反电极204的金属部件进行沉积或图案化。石墨烯通道210可以使用化学气相沉积形成。常规制造技术的使用可以提供低成本的生物栅控晶体管106a，尤其是与使用诸如碳纳米管的高成本材料或特殊制造技术的传感器相比。在下述专利中讨论了生物栅控晶体管106a的各种其他或另外的配置以及用于制造生物栅控晶体管106a的方式：题为“patterning graphene with ahard mask coating”的美国专利申请第15/623,279号；题为“providing atemporary protective layer on a graphene sheet”的美国专利申请第15/623,295号；题为“systems for transferring graphene”的美国专利申请第16/522,566号；以及题为“depositing apassivation layer on agraphene sheet”的美国专利第10,395,928号；其中的每一个都通过引用并入本文。图3是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的设备300的另一实施方式的示意性框图，其包括耦接至测量设备122的生物栅控晶体管106b的另一实施方式。如图2所示，生物栅控晶体管106b以顶视图描绘。所描绘的实施方式中的生物栅控晶体管106b和测量设备122可以基本上如上面参照图1和图2所描述的，并且在下面进一步描述。在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106b包括源极312、多个漏极302、多个通道210、参考电极308和反电极304，它们可以基本上类似于上面参照图2描述的源极212、漏极202、通道210、参考电极208和反电极204(类似于图2的液体井206的液体井在图3中没有描绘，但可以类似地作为生物栅控晶体管106b的一部分提供)。然而，在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106b包括多个通道310和多个漏极302。在各种实施方式中，多个通道310可以是同质的或异质的。例如，同质通道310可以是裸石墨烯或未功能化的石墨烯，或者可以具有以相同方式固定至通道的报告体部分。相反，异质通道310可以是裸石墨烯通道310和功能化的石墨烯通道310的混合、以多于一种方式被功能化的通道310的混合(可选地包括一个或更多个未功能化的通道310)等。例如，异质通道310可以包括具有固定至通道的报告体部分的通道310子集以及没有报告体部分的另一通道子集，另一通道子集用于除了靶标检测以外的测试。在一些实施方式中，提供多个异质通道310可以使生物栅控晶体管106b用于依赖于通道310表面附近的事件的各种不同的测试。另外，使用多个通道310可以提供冗余以减轻对任何单独的通道310的损坏(例如，来自用于施加样品流体110的移液管尖端的机械损坏)，并且可以使生物栅控晶体管106b跨比单通道器件中的表面区域大的表面区域对样品流体110中的生化相互作用灵敏。在一些实施方式中，生物栅控晶体管106b可以包括耦接至通道310的多个漏极302。在一些实施方式中，每个通道310可以设置一个漏极302，使得每个通道310可以被独立地偏置。然而，在一些实施方式中，通道310可以成组地耦接至漏极302，使得一组的通道310可以并行地一起被偏置，但是不同的组可以不同地被偏置。例如，在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106b包括耦接至三个漏极302a至302c的十五个通道310，使得漏极302中的一个可以用来对一组五个通道310进行偏置。在另一实施方式中，多个通道310可以并行耦接至单个漏极302。在所描绘的实施方式中，通道310并行耦接至一个源极312。对于一些测量，源极312可以耦接至地(例如，0伏或另一参考电压)。然而，在另一实施方式中，通道310可以耦接至多个源极312，从而允许利用不同的源极偏置进行不同的测量。例如，通道310可以单独地
或成组地耦接至多个源极312，如上面针对多个漏极302所描述的那样。在所描绘的实施方式中，参考电极308和反电极304被设置成使得通道310在参考电极308与反电极304之间。在这种配置中，可以经由反电极304修改液体栅极的电化学电位并且经由参考电极308监测液体栅极的电化学电位，使得通道310附近的电化学电位接近所修改的和/或监测的电位。另外，在所描绘的实施方式中，反电极304明显大于通道310或参考电极308，使得经由反电极304对液体栅极的电化学电位的修改跨大表面区域并且在大量的样品流体110中快速发生。尽管图2和图3描绘了单独的生物栅控晶体管106a、106b，但是在各种实施方式中，基于芯片的生物传感器104可以包括可以被同质或异质地配置的多个生物栅控晶体管106。例如，上面针对一个生物栅控晶体管106b中的多个通道310描述的同质或异质配置可以类似地应用于各自具有它们自己独立的源极端子、漏极端子、参考端子和反端子的多个生物栅控晶体管106。图4和图5(分别)描绘了呈二维阵列或线性阵列的多个生物栅控晶体管106。系统100或基于芯片的生物传感器104可以包括多个生物栅控晶体管106，其中报告体部分固定至通道。阵列中的多个生物栅控晶体管106可以包括如上面参照图1至图3所描述的其中报告体部分固定至通道的至少一个生物栅控晶体管。测量设备122可以包括用于向阵列中的多个生物栅控晶体管106施加激励条件的激励电路系统，并且可以包括用于针对阵列中的多个生物栅控晶体管106执行测量的测量电路系统。分析模块116可以确定与阵列中的多个生物栅控晶体管106有关的参数。例如，对于阵列中的晶体管106中的每一个，分析模块116可以确定报告体的裂解是否发生、裂解的速率、靶标是否存在、靶标的浓度等。在各种实施方式中，多晶体管阵列可以用来检测不同晶体管处的不同靶标，以将来自样品流体的结果与来自对照流体等的结果进行比较。图4是示出生物栅控晶体管106的阵列400的一个实施方式的顶视图。在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106是上面所描述的包括三个漏极302a至302c、一个源极312和参考电极308的生物栅控晶体管106b。在另一实施方式中，阵列400可以包括另一种类型或配置的生物栅控晶体管106。在所描绘的实施方式中提供反电极304以修改样品流体110的电位。在所描绘的实施方式中，多个生物栅控晶体管106b(由虚线圆圈指示)被设置在例如基于芯片的生物传感器104的芯片的衬底上的液滴位置402(由实心圆形轮廓指示)的二维阵列中。液体屏障或疏水涂层可以在液滴位置之间施加至衬底。液体屏障或疏水涂层可以与上面参照图2描述的用于形成液体阱206的材料类似。在一些实施方式中，生物栅控晶体管106的二维阵列400可以与沉积在基于芯片的生物传感器104上的多个液滴一起使用，或者与垂直于基于芯片的生物传感器104的表面的流动通道一起使用。在所描绘的实施方式中，液滴位置呈三角形阵列，其中每个液滴位置与其最近的相邻位置相距4.5mm。在另一实施方式中，液滴位置可以呈方形阵列，或者可以以另一种二维排列方式排列，并且可以相距得比4.5mm更近或更远。在所描绘的实施方式中，阵列400包括八个液滴位置。在另一实施方式中，阵列400可以包括更多或更少的液滴位置，例如两个或四个液滴位置，或几百到几千个液滴位置。图5是示出生物栅控晶体管的阵列500的另一实施方式的顶视图。在所描绘的实施
方式中，生物栅控晶体管被设置在例如基于芯片的生物传感器104的芯片的衬底上的位置的线性阵列中。每个晶体管包括将漏极502链接至源极512的通道510，如上面所描述的。在所描绘的实施方式中，参考电极508和反电极504沿着阵列500的侧面延伸，以测量和/或修改样品流体110内的电化学电位。在另一实施方式中，可以设置多个参考电极508和/或反电极504。在一些实施方式中，生物栅控晶体管的线性阵列500可以设置有由液体屏障或疏水涂层分隔开的液滴位置的行，如上面参照图4所描述的，或者可以设置生物栅控晶体管的线性阵列500而在通道510之间没有液体屏障或疏水涂层。在一些实施方式中，生物栅控晶体管106的线性阵列500可以与按线沉积在基于芯片的生物传感器104上的多个液滴一起使用，或者与垂直于基于芯片的生物传感器104的表面的流动通道一起使用。然而，在一些实施方式中，生物栅控晶体管106的线性阵列500可以与平行于基于芯片的生物传感器104的表面的流动通道一起使用，使得样品流体顺序地流过阵列500的晶体管106。与图4中描绘的二维阵列400相比，图5中描绘的线性阵列500可以在基于芯片的生物传感器上使用更多的芯片区域，但是由于简化的芯片封装和组装，总体上可以更便宜。图6是示出并入有图5的阵列500的基于芯片的生物传感器104的一个实施方式的顶视图。在所描绘的实施方式中，外壳602包围在例如芯片或印刷电路板的衬底上的阵列500。外壳602可以由塑料或另外的材料形成。流动通道606沿着阵列500的晶体管从外壳602的一端处的开口604延伸到相对端处的设置在外壳内的吸收垫608。在一个实施方式中，流动通道606形成在将阵列500耦接至外壳602的压敏粘合剂中。在另一实施方式中，流动通道606形成在另一材料层中，设置在阵列500与外壳602的顶部之间。因此，基于芯片的生物传感器的用户可以将样品流体100移液(或以其他方式插入)开口604中，使得样品流体110沿着流动通道606顺序地流过阵列500的晶体管，并且被吸收垫吸收。基于芯片的生物传感器104可以包括用于芯片读取器装置102与阵列500的晶体管之间的通信的焊盘、引线或其他连接器(未示出)。图7是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的设备700的另外的实施方式的示意性框图，其包括耦接至测量设备122的生物栅控晶体管106c的另外的实施方式。生物栅控晶体管106c以截面图从侧面描绘。所描绘的实施方式中的生物栅控晶体管106c和测量设备122可以基本上如上面参照图1至图3所描述的，并且在下面进一步描述。在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106c包括源极712、漏极702、通道710、参考电极708、反电极704和液体阱706，它们可以基本上如上面所描述的。在所描绘的实施方式中，通道710是设置在衬底(未示出)上方的电介质层726上的二维石墨烯区域。源极712和漏极702形成为与通道710接触，并且被电介质724(例如，氮化硅)覆盖。样品流体718(其可以基本上类似于上面所描述的样品流体110)被施加为与通道710的表面728接触。例如，样品流体718可以被移液(或以其他方式插入)液体井706中以接触通道表面728、参考电极708和反电极704。电介质724将源极712和漏极702与样品流体718电绝缘，使得源极712与漏极702之间的电流通过通道710而不是直接通过样品流体718。在所描绘的实施方式中，样品流体718包括靶标核酸722和酶720，酶720被配置成响应于靶标核酸而激活以裂解报告体部分730。尚未被靶标722遇到或激活的酶720由实线轮廓指示。已经被靶标722激活以裂解报告体的酶732由酶732的轮廓内的靶标副本指示，从
而指示酶732结合至靶标，并且已经被靶标722激活以裂解报告体的酶732由从酶732的轮廓延伸的一副剪刀指示，从而指示该酶的附带裂解活性已经被激活。酶720可以添加至样品流体718以用于靶标722的检测。对于足够浓度的酶720，酶720被激活的速率取决于样品流体718内靶标722的存在或浓度。如果靶标722不存在，则酶720将不会被激活。如果靶标722以低浓度存在，则一些酶720将被激活而一些酶720将不被激活，并且被激活的酶732对报告体730的附带裂解将以低速率发生。如果靶标722以更高的浓度存在，则更多的酶720将被激活，并且被激活的酶732对报告体730的附带裂解将以更高的速率发生。在所描绘的实施方式中，报告体部分730(由曲线表示)被固定至通道710的表面728。各种类型的报告体部分730可以以各种方式被固定至通道表面728。例如，在一个实施方式中，可以利用包括锚定至石墨烯通道710的芘基和羧酸官能团的分子接头对通道表面728进行功能化。一旦锚定至石墨烯，接头的羧酸就可以经由edc/nhs化学而激活。在另外的实施方式中，报告体部分可以是报告体核酸，该报告体核酸包括rna链或单链dna、或者双链dna寡核苷酸。核苷酸链可以通过在一个端部或两个端部处添加胺基团来修改，以链接至激活的羧酸官能团。在另一实施方式中，报告体可以被功能化以直接结合至通道表面728而无需接头分子。在另一实施方式中，可以使用另一种类型的接头分子或部分，其在一个端部结合至报告体并在另一端部结合至报告体。各种接头可以包括应变炔烃、羧基团、胺基团、酰亚胺酯或n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)、硅烷基团等。在一些实施方式中，可以使用无铜点击化学将接头端部缀合至通道表面728。在一些实施方式中，接头端部可以包括二苯并环辛炔-胺(dbco)或十八烷基氨基磷酸二丁酯(dbop)。在一些实施方式中，报告体部分730可以包括聚合链，例如dna链、rna链、ssdna链、多糖中的糖链、聚合物中的其他单体的链等。在一个实施方式中，报告体部分730的链可以在一个端部处链接至通道表面728。在另一实施方式中，报告体部分730的链可以在两个端部处链接至通道表面728。在一些实施方式中，报告体部分730可以以由报告体分子的链作为凝胶的骨架形成的水凝胶的形式被固定至通道710，并且水凝胶可以链接至通道710。尽管在所描绘的实施方式中报告体部分730被固定至通道710的表面728，但是在另一实施方式中的通道710可以是裸通道或未功能化的通道，并且报告体部分730可以被添加至样品流体718。对于样品流体中的报告体部分或分子730，报告体部分730至通道表面的吸附与报告体部分730的裂解片段至通道表面的吸附的差异可能影响输出信号。在所描绘的实施方式中，测量设备122耦接至源极712、漏极702、参考电极708和反电极704。在各种实施方式中，测量设备122可以经由源极712、漏极702和/或反电极704将激励条件施加至生物栅控晶体管106c。在另外的实施方式中，测量设备122可以经由源极712、漏极702和/或参考电极708执行对来自生物栅控晶体管106c的一个或更多个输出信号的测量。在一些实施方式中，设备700可以包括温度控制电路系统714和/或流体装置716。测量设备122可以包括温度控制电路系统714和/或流体装置716或者与温度控制电路系统714和/或流体装置716进行通信，并且测量设备122可以控制温度控制电路系统714和/或流体装置716。图7以虚线描绘了温度控制电路系统714和流体装置716，指示了它们在一些实
施方式中可以存在或在其他实施方式中可以不存在。在各种实施方式中，出于各种原因，例如为了控制、增加、优化或降低酶720被靶标722激活的速率或者为了影响被激活的酶732对报告体730的附带裂解活性，测量设备122可以使用温度控制电路系统714来控制样品流体718的温度。在各种实施方式中，温度控制电路系统714可以是能够改变样品流体718和/或生物栅控晶体管106c的温度的任何电路系统。在一些实施方式中，温度控制电路系统714能够加热样品流体718和/或生物栅控晶体管106c。在一些实施方式中，温度控制电路系统714能够冷却样品流体718和/或生物栅控晶体管106c。在一些实施方式中，可以提供温度控制电路系统714以用于加热和冷却两者。在各种实施方式中，温度控制电路系统714可以包括下述部件，例如，在基于芯片的生物传感器104附近的电阻加热器、与生物栅控晶体管106c在同一衬底上的电阻丝、用于控制电阻元件(或用作焦耳加热的电阻元件的通道710本身)中的电流的焦耳加热控制器、固态热泵(例如，使用珀尔帖效应(peltier effect))。在一些实施方式中，温度控制电路系统714可以包括用于监测样品流体718和/或生物栅控晶体管106c的温度(以及用于基于所监测的温度控制温度)的部件，例如热敏电阻、一个或更多个热电偶、硅带隙温度传感器、电阻温度计等。在设备700或测量设备122的各种实施方式中，可以包括用于测量或控制温度的各种其他或另外的部件作为温度控制电路系统714。在一些实施方式中，一个或更多个流体装置716可以用来驱动样品流过流动池或其他的流体或微流体通道。在一些实施方式中，生物栅控晶体管106c可以使用流动池。然而，在一些实施方式中，生物栅控晶体管106c可以是高度灵敏的并且可以在没有流动池的情况下执行高灵敏度测量。在一些实施方式中，基于芯片的生物传感器104可以包括多个生物栅控晶体管106c，并且流体装置716可以驱动样品流体在一系列生物栅控晶体管106c上流动，使得上游和下游晶体管分别对在不同时间发生的生化相互作用的早期和晚期方面灵敏。在各种实施方式中，测量设备122可以向生物栅控晶体管106c施加一个或更多个激励条件，使得来自生物栅控晶体管106c的一个或更多个输出信号受激励条件和报告体部分730的状态影响。在各种实施方式中，报告体部分或分子的“状态”可以是该部分或分子相对于被激活酶的附带裂解活性的条件。例如，单独的报告体部分可以处于裂解或未裂解状态，或者如果被激活的酶732裂解已经裂解的报告体的剩余部分，则单独的报告体部分可以处于比初始裂解状态更短的状态。单个报告体部分的裂解状态实际上可能意指报告体的特定副本被破坏或者变成片段并且不再存在。然而，因为术语“部分”在本文中也用来指代相同(或类似)部分的多个副本，所以集体报告体部分730的状态可以是未裂解状态、完全裂解状态或其中报告体的一些实例或副本被裂解而一些没有被裂解的部分裂解状态。具有对应于不同状态的不同裂解程度的多个部分裂解状态是可能的。报告体部分730的状态可能影响生物栅控晶体管106c的输出信号。例如，例如通道-液体电容(c响应)或通道电流(i响应)的输出信号可能取决于报告体是否被裂解或者报告体的裂解发生的程度。因此，分析模块可以使用测量设备122对受影响输出信号的测量来确定与靶标核酸722的存在有关的参数。这样的参数可以包括靶标核酸722是否存在于样品流体718中的指示、靶标核酸722的浓度或者与该浓度对应或与该浓度有关的另一参数、报告体部分730是否(或在多大程度上)被裂解的指示、裂解速率的确定，等等。
在各种实施方式中，酶720可以是被配置成响应于靶标722而激活以裂解报告体的任何酶。配置酶720以响应于靶标722而激活以裂解报告体可以涉及选择、设计或修改酶以被靶标722激活。可以选择酶720以进行与靶标722的位点特异性结合，使得酶720结合至靶标722内的特定位点(例如dna或rna子序列)或被靶标722内的特定位点激活。配置酶720以响应于靶标722而激活可以包括选择或修改酶或将酶与特定于靶标的另外成分结合。例如，各种crispr相关(cas)酶可以由向导rna引导，并且配置酶720以响应于靶标而激活可以包括将cas酶与对应于所选择的靶标722(例如，与出现在靶标722中的序列、子序列或子序列集合互补)的向导rna结合。技术人员将认识到用于配置例如锌指核酸酶或talens的其他或另外的酶720以响应于特定靶标序列而激活的各种方式。在一些实施方式中，可以基于所选择的酶720的附带裂解活性来选择报告体730。然而，在一些实施方式中，配置酶720以响应于靶标722而激活以裂解报告体730还可以包括选择、设计或修改酶以针对已经选择的报告体730具有附带裂解活性。在一些实施方式中，可以选择酶720以针对报告体部分730具有非特异性附带裂解活性。例如，在酶720可以结合至靶标核酸722的特定核苷酸子序列的情况下，该酶可以裂解报告体核酸而不需要报告体中出现特定的核苷酸序列。作为另外的示例，如果酶针对ssdna具有非特异性附带裂解活性，则任何ssdna序列都可以用作报告体730。报告体730的长度(例如，以dna或rna报告体的碱基对或核苷酸为单位)可以通过表征对于不同的报告体长度、报告体裂解对输出状态的影响来选择，而无需过度实验。在一些实施方式中，报告体730相对于通道710的取向可以受例如施加至通道710的偏压的所施加的电场控制或影响。在一个实施方式中，酶720是核酸酶，并且报告体部分730是报告体核酸。报告体核酸可以是rna、dna或单链dna或可以包括rna、dna或单链dna，并且报告体核酸可以基于核酸酶的附带裂解活性被选择用于固定至生物栅控晶体管的通道。例如，在一个实施方式中，靶标核酸722可以是具有激活核酸酶的特定序列、子序列或子序列集合的双链dna(dsdna)。在另外的实施方式中，用于检测靶标dsdna的酶可以是针对ssdna具有附带裂解活性的cas12酶，因此报告体可以是ssdna部分。作为另外的示例，在靶标722是单链rna的情况下，用于检测靶标ssrna的酶可以是针对ssdna具有附带裂解活性的cas13酶，因此报告体可以是ssdna部分。在另一示例中，在靶标722是ssdna的情况下，用于检测靶标ssdna的酶可以是针对ssdna具有附带裂解活性的cas14酶，因此报告体可以是ssdna部分。在另一示例中，在靶标722是病毒rna(双链)的情况下，用于检测病毒rna的酶可以是针对ssrna具有附带裂解活性的rnase l酶，因此报告体可以是ssrna部分。更一般地，如果由靶标722激活的酶针对某种类型的分子或部分具有附带裂解活性，则可以选择该类型的分子或部分作为报告体730。在一些实施方式中，被靶标722激活的酶732可以裂解靶标722，并且可以附带地裂解报告体730。在一些实施方式中，裂解靶标722的酶可以被修改以结合至靶标而不裂解靶标，并且在靶标结合至酶时保持对报告体730的附带裂解的活性。在一些实施方式中，报告体730可以是任何酶可裂解分子。例如，在一个实施方式中，结合具有针对糖的附带裂解活性的酶，糖部分可以用作报告体730。在一些实施方式中，靶标722可以是将胰蛋白酶原转化为活性胰蛋白酶的酶，使得未激活的酶720是胰蛋白酶原并且被激活的酶732是被激活的胰蛋白酶。可被活性胰蛋白酶裂解的报告体可以是包含至
少一种精氨酸和赖氨酸的肽，从而胰蛋白酶对肽的裂解发生在精氨酸或赖氨酸处。基于肽报告体的裂解的胰蛋白酶活性的量化可以用于组织培养、细胞培养和蛋白质组学研究。另外，尽管本文参照被激活的酶732对报告体730的附带裂解描述了靶标的检测，但是其他酶可以被配置成响应于靶标722对酶的激活、结合至报告体730或以其他方式修改报告体730而不对报告体730进行裂解。然后，可以通过测量生物栅控晶体管的输出信号类似地检测结合或其他修改。在一些实施方式中，酶720可以作为用于制备样品流体718的试剂而被提供。例如，由用户手动制备样品流体718或由样品制备设备112自动制备样品流体718可以包括在样品流体施加至生物栅控晶体管106c之前或在样品流体施加至生物栅控晶体管106c之后添加酶720。在报告体730没有固定至生物栅控晶体管106c的实施方式中，报告体730可以类似地在样品流体施加至生物栅控晶体管106c之前或在样品流体施加至生物栅控晶体管106c之后添加至具有酶720的样品流体。然而，如果靶标722可通过酶被消耗或裂解，一旦样品流体已经与生物栅控晶体管106c接触，就可以添加酶(以及可能地、报告体)，从而当酶的激活和报告体的裂解可以经由生物栅控晶体管106c的输出信号被感测时发生酶的激活和报告体的裂解。在一些实施方式中，酶720可以被提供以预先施加至生物栅控晶体管106c。例如，可以将不含酶720的样品流体施加至已经预先施加酶720的生物栅控晶体管106c，使得酶720混合到样品流体718中。图8是图7中以虚线勾勒的区域的详细视图。描绘了通道710、通道表面728、电介质层726、报告体730和样品流体718(包括靶标722、非激活酶720和激活酶732)的部分，如上面参照图7所描述的。在所描绘的实施方式中，酶720是rna引导的cas酶。如所描绘的，向导rna对应于靶标722。特别地，酶720内的向导rna的至少一部分与靶标核酸722中的识别位点互补。在被激活的酶732中，靶标722的识别位点已经结合至向导rna，并且酶732的附带裂解活性被激活(如对剪刀的描绘所指示的)以裂解报告体730。可以在各种实施方式中与不同的靶标对应地提供不同的向导rna(或用于配置酶720以基于不同的靶标激活的其他方式)。例如，在用于检测病毒的测试中，可以提供与已知病毒rna序列互补的向导rna。类似地，在用于检测癌症的测试中，可以提供与已知癌症mirna序列互补的向导rna。基于场效应感测(例如，使用生物栅控晶体管106)来检测靶标激活的酶对报告体的酶促裂解可以提供具有低成本硬件的灵敏靶标检测。图9至图14是示出在报告体部分在被酶附带裂解之前或在被酶附带裂解之后的各种实施方式的情况下的、例如用于生物栅控晶体管的通道710或用于电容或其他电化学传感器的类似表面的感测表面710的侧视图。在图9至图14的左侧处，描绘了各种报告体部分的初始状态，该初始状态也是没有附带裂解的状态(例如，在用于对酶进行激活的靶标不存在的情况下)。在图9至图14的右侧处，描绘了裂解后状态，该裂解后状态发生在报告体的附带裂解之后(例如，在用于对酶进行激活的靶标存在的情况下)。如图7和图8中描绘的酶和靶标没有描绘，以便更清楚地看到报告体的裂解前状态和裂解后状态。替代地，靶标对酶的激活由对裂解前(左)状态与裂解后(右)状态之间的剪刀的描绘表示。在一些实施方式中，报告体部分730可以包括聚合链，例如dna链、rna链、ssdna链、
多糖中的糖链、聚合物中的其他单体的链等，并且这些链可以是可被酶裂解的。在图9中描绘的实施方式中，报告体部分730包括具有链接至通道710的第一端部和没有链接至通道710的第二端部的聚合链。在链的一个端部链接至通道的配置中，靶标激活的酶对链的附带裂解引起链的缩短，如裂解后状态所描绘的。来自未链接端部的片段可能会扩散至样品流体中或可能通过冲洗去除。在图10中描绘的实施方式中，报告体部分包括具有链接至通道710的第一端部的聚合链，如图9所示，但是第二端部链接至可链接分子1002。靶标激活的酶对链的附带裂解引起可链接分子1002从通道解偶，以扩散至样品流体中或通过冲洗去除。在各种实施方式中，可链接分子1002可以是任何分子或包括能够链接至链的第二端部的任何部分。在一些实施方式中，通道710附近的可链接分子1002的存在或不存在可以直接影响输出信号。例如，如果可链接分子1002是具有使其在样品流体中具有非零净电荷的等电点ph(i)的蛋白质，则蛋白质的电荷可能会影响通道电流、通道电容或其他输出信号。在一些实施方式中，通道710附近的可链接分子1002可以置换(displace)来自样品流体的离子，或者当该可链接分子1002与通道710断开链接时，该可链接分子1002可以被来自样品流体的离子置换。因此，即使通道附近的中性可链接分子也可能与它置换的离子不同地影响通道710，从而允许基于可链接分子1002的靶标检测。在图11中描绘的实施方式中，报告体部分730是链接至一个或更多个电活性部分1102的核酸。电活性部分1102与报告体的链接可以如图10所示的那样发生在报告体的端部处，或者沿着报告体的长度发生。靶标激活的酶对报告体的裂解引起电活性部分1102从通道解偶，以扩散至样品流体中，通过冲洗去除，或者被施加至通道710的偏压排斥。在图12中描绘的实施方式中，报告体部分1230包括与上面描述的报告体部分730的聚合链类似的聚合链。然而，在所描绘的实施方式中，链包括链接至通道710的第一端部和链接至通道710的第二端部。由于报告体部分1230在两端处链接至通道，靶标激活的酶对链的附带裂解引起在一个端部处链接至通道710的片段。在一些实施方式中，这些片段可以比链在两个端部处链接时更远离通道延伸。在图13中描绘的实施方式中，报告体部分1302设置在样品流体内而不是被固定至通道710。然而，报告体部分1302的一些副本或实例可能吸附至通道表面。靶标激活的酶对报告体部分1302的附带裂解引起样品流体内的较小片段，较小片段可以以不同的速率吸附至通道表面。在图14中描绘的实施方式中，报告体部分被固定至通道作为固定至通道710的水凝胶1402的骨架。水凝胶可以是“骨架”聚合物链的网络，“骨架”聚合物链可以是报告体部分。骨架链之间的交联可以使得水凝胶1402能够接纳来自样品流体的水而不溶解在水中。靶标激活的酶对报告体部分的附带裂解引起水凝胶1402结构的变化。例如，骨架部分的裂解可能会降低水凝胶的厚度，或者可能会增加水凝胶的孔隙率以接纳影响通道电流或电容的离子。因此，水凝胶在裂解后状态下被描绘为更薄或降解。在上面所描述的图9至图14中描绘的实施方式中，报告体的裂解前(左)与裂解后(右)状态之间的差异可能影响生物栅控晶体管的输出信号。受影响的输出信号可以包括通道电容、通道电流、电化学阻抗等。图15是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的设备1500的一个实施
方式的示意性框图，其包括测量设备122的一个实施方式。在所描绘的实施方式中，测量设备122包括激励电路系统1502和测量电路系统1504。由图15中虚线指示的某些部件包括在所描绘的实施方式中，但是在另一实施方式中可以省略。在所描绘的实施方式中，测量电路系统1504包括电测量电路系统1506和光学测量电路系统1508。在所描绘的实施方式中，测量设备122包括分析模块116、温度控制电路系统714、流体装置716和通信电路系统1510。所描绘的实施方式中的测量设备122、分析模块116、温度控制电路系统714和流体装置716可以基本上如上面参照前面的附图所描述的那样。在各种实施方式中，测量设备122可以使用激励电路系统1502来向生物栅控晶体管106施加激励条件，并且可以使用测量电路系统1504来执行对来自生物栅控晶体管106的一个或更多个输出信号中的至少一个输出信号的一个或更多个测量。输出信号可能受激励条件和施加至生物栅控晶体管106的样品流体110内的报告体部分的状态(例如，裂解或未裂解)影响。在一些实施方式中，测量设备122可以包括分析模块116，该分析模块116用于基于来自测量电路系统1504的一个或更多个测量，来确定与样品流体中靶标核酸的存在有关的参数。然而，在一些实施方式中，测量设备122可以不包括分析模块116。例如，在一个实施方式中，分析模块116可以由与测量设备122分开的计算装置114实现。在一些实施方式中，测量设备122可以包括通信电路系统1510，该通信电路系统1510用于将来自测量电路系统1504的测量或基于测量的信息传送至远程数据储存库118。在所描绘的实施方式中，激励电路系统1502被配置成向生物栅控晶体管106或一组生物栅控晶体管106施加一个或更多个激励条件。在各种实施方式中，激励条件可以是施加至生物栅控晶体管106的物理、化学或电条件，例如电压、幅度、频率、幅度、相位、或者用于电或电化学激励的波形、温度、流体流速等。激励电路系统1502可以是施加、修改、移除或以其他方式控制一个或更多个激励条件的任何电路系统。在一些实施方式中，激励条件可以包括施加至生物栅控晶体管106的一个或更多个电信号(或施加至样品流体的电化学电位)，例如恒定电压偏置或时变激励信号。激励电路系统1502可以产生偏置或其他激励信号或将它们耦合至生物栅控晶体管106(例如，经由源极212、漏极202或反电极204)。因此，在各种实施方式中，激励电路系统1502可以包括能够生成或调制偏压或激励信号的任何电路系统，例如电源、电压源、电流源、振荡器、放大器、函数发生器、偏置三通(例如，为了将dc偏移添加至振荡波形)、执行代码以控制输入/输出引脚的处理器、源测量单元的信号生成部分、锁定放大器、网络分析仪、化学阻抗分析仪等。各种其他或另外的实施方式中的激励电路系统1502可以包括用于创建和施加可编程偏置的各种其他或另外的电路系统。在一些实施方式中，激励条件可以包括施加至生物栅控晶体管106的样品流体110的温度，并且激励电路系统1502可以使用温度控制电路系统714来控制温度。在各种实施方式中，控制温度可以包括：升高或降低温度(例如，以检测或分析生化相互作用的温度灵敏方面)；将温度保持在某个范围内或接近目标温度；监测温度以进行基于反馈的控制，等等。因此，如上面所描述的，温度控制电路系统714可以包括能够改变样品流体110和/或生物栅控晶体管106的温度的任何电路系统。例如，在各种实施方式中，温度控制电路系统714可以包括电阻加热器、用于控制电阻加热器(或通道210本身)的电流的焦耳加热控制器、固态热
泵、热敏电阻等。各种其他或另外的实施方式中的温度控制电路系统714可以包括用于控制或测量温度的各种其他或另外的电路系统。另外，在一些实施方式中，激励电路系统1502可以包括用于施加不同于电信号和/或温度或者除了电信号和/或温度以外的激励条件的其他或另外的电路系统。例如，激励电路系统1502可以包括用于磁激励的电磁体、任何所期望波长的光发射器、放射源、紫外光、x射线、伽马射线、电子束等的发射器、超声换能器、机械搅拌器，等等。各种其他或另外类型的激励电路系统1502可以用来施加各种其他或另外的激励条件。如上面所描述的，生物栅控晶体管106的一个或更多个输出信号可能受报告体部分的状态影响或对报告体部分的状态灵敏，报告体部分可以基于酶是否被靶标激活以裂解报告体而被裂解或未被裂解。在报告体固定至通道表面的情况下，报告体的裂解(以及裂解的片段从表面扩散或冲洗掉)可以通过输出信号的变化来测量。类似地，当在样品流体内提供报告体时，报告体的裂解(以及裂解的片段至通道表面的吸附)可以通过输出信号的变化来测量。作为简单的示例，对于包括恒定漏源偏置电压的激励条件，在通道表面428处或在通道表面428附近的报告体部分的状态可能影响输出信号，例如，漏源电流、在通道表面428处形成的离子双层的电容(例如，如在漏极202与参考电极208之间测量的)，等等。可能受报告体部分的状态影响并被测量的各种输出信号可以包括通道210的复电阻(例如阻抗)、通过通道210的电流、跨通道210的电压降、通道210与液体栅极之间的耦合(例如，经由反电极204和/或参考电极208偏置和/或测量的)、电(通道)和/或电化学(液体栅极)电压、电流、电阻、电容、电感、复阻抗、网络参数(例如，使用网络分析仪确定的s参数或h参数)、狄拉克电压(例如，使石墨烯通道210中的通道电流最小化的液体栅极电压)、电荷载流子迁移率、接触电阻、动态电感、例如功率谱密度的基于多个测量的谱、电阻抗谱、电化学阻抗谱，等等。因为来自生物栅控晶体管106的某些输出信号可能受报告体部分的状态影响，报告体部分可以基于酶是否被靶标激活以裂解报告体而被裂解或未被裂解，所以可以通过测量一个或更多个受影响的输出信号来获得与靶标的存在对应的信息。因此，在各种实施方式中，测量电路系统1504可以被配置成执行对受影响的输出信号的一个或更多个测量。例如，测量电路系统1504可以测量初始和最终输出信号、样品流体和对照流体的输出信号等。受影响的输出信号特性变化的速率指示样品中靶标的浓度，其中速率越快，指示浓度越高。可以通过增加受影响的输出信号的初始测量与最终测量之间的时间长度来增加测量设备122的灵敏度。另外，在一些实施方式中，测量电路系统1504可以被配置成执行对一个或更多个受影响的输出信号的多个时间相关的测量。通过受影响的输出信号的随时间的多个测量，分析模块116可以表征与随着时间的推移的报告体部分的状态有关的参数。例如，分析模块116可以确定报告体被裂解的速率，这可以对应于靶标的浓度。在各种实施方式中，测量电路系统1504可以包括能够执行一个或更多个输出信号的测量的任何电路系统。例如，在一些实施方式中，测量电路系统1504可以包括前置放大器、放大器、滤波器、电压跟随器、数据获取(daq)装置或板、传感器或换能器电路系统、信号调节电路系统、模数转换器、执行代码以经由输入/输出引脚接收和处理信号的处理器、源测量单元的测量部分、锁定放大器、网络分析仪、化学阻抗分析仪等。各种其他或另外的实
施方式中的测量电路系统1504可以包括用于执行输出信号的测量的各种其他或另外的电路系统。在所描绘的实施方式中，测量电路系统1504包括用于执行电测量的电测量电路系统1506。电测量可以是电和/或电化学输出信号的测量。例如，在一些实施方式中，电输出信号可以经由生物栅控晶体管106的源极212端子和漏极202端子来测量。在一些实施方式中，测量包括经由生物栅控晶体管106的参考电极208测量样品流体110的电化学电位。在生物栅控晶体管106上，设置了用作有效栅极电介质的、由样品流体中的离子形成的双层或在石墨烯通道与本体液体之间任选添加的敏化层。敏化层可以是具有净电荷的离子渗透层，使得来自流体的离子可以由于吉布斯-唐南效应而扩散至固定的分子或部分的离子渗透层中，从而形成唐南平衡区。在除了晶体管以外的电容或电化学传感器中，可以在表面(例如，工作电极的表面)与样品流体之间形成类似的电介质层。电测量电路系统1506可以监测通过石墨烯通道的电流，而激励电路系统1502向液体栅极施加变化的或恒定的电压。来自液体栅极的电场的影响因有效栅极电介质区域中报告体分子的存在或不存在而改变。对于固定至通道表面的报告体，靶标激活的酶驱动附带裂解的催化活性缓慢地从石墨烯表面去除材料，从而降低了有效电介质厚度。对于样品流体中的报告体，由于酶活性而引起的增加浓度的小块裂解报告体吸附至石墨烯表面，，从而增加了有效电介质厚度。在任一种情况下，报告体的裂解均可能引起电流或通道(或其他表面)与液体之间的电容的增加或减少，或者石墨烯经历的有效栅极电位的变化(相当于狄拉克电压的移位)。具体响应取决于报告体的电荷和疏水性、通道或其他表面的有效掺杂以及样品流体的特性。所有这些都可以通过与所施加的液体栅极电压配合地监测通道电流来同时完成。类似地，可以使用电化学系统中工作电极的表面替代生物栅控晶体管106的通道。电化学系统的工作电极可以是金属膜、石墨表面、石墨烯片等。如上面所描述的，可以提供用于控制和测量液体的电化学电位的反电极和参考电极。在该测量中，激励电路系统1502可以在液体与工作电极之间施加具有随时间变化的频率的电压。例如，频率可以随时间变化以在0.1hz与1mhz之间移动。电测量电路系统1506可以测量工作电极与液体之间的复阻抗，并且可以计算工作电极与液体之间的电容和电阻。工作电极与液体之间的电容应随着石墨烯表面上的报告体分子的厚度的增加而增加。这类似于使用生物栅控晶体管106，但具有不太复杂的传感器。在一些实施方式中，电测量电路系统1506对电信号的测量可以包括电流的测量，该电流指示样品流体与生物栅控晶体管的通道(或另一电化学系统的工作电极表面)之间的电荷转移。替代阻抗谱测量，如前一段所描述，可以进行直接电化学测量。在这种情况下，测量从液体至通道的电流，其中该电流的存在指示电荷从液体转移至通道。可以向样品流体添加氧化还原标签，例如fe(ii)盐，通过施加小电压，该fe(ii)盐将很容易在通道的表面上转化为fe(iii)，从而引起电子从铁转移至通道。通过循环电压，电荷转移被逆转，从而允许重新使用铁。在该传感器中，通道的表面上的报告体分子的存在将减少电流或完全阻止电流流动。如果通过裂解从表面去除报告体部分，则较高的电流指示酶活性和阳性靶标检测。相反，如果在裂解之后报告体片段吸附至表面，则较低的电流指示酶活性和阳性靶标检测。在另一示例中，氧化还原标签包含在报告体中，因此在报告体被触发酶裂解之前，将记
录非常少的直流电流。在酶被靶标激活之后，从可移除报告体释放氧化还原标签将增加电流。在一个实施方式中，电测量可以由光学测量来补充，并且测量电路系统1504可以包括用于执行光学输出信号的测量的光学测量电路系统1506。在各种实施方式中，光学测量电路系统1508可以包括能够检测或放大光学信号的任何电路系统，例如光电二极管、光电晶体管、放大器等。在一个实施方式中，报告体部分的一个端部包括荧光团或链接至荧光团，该荧光团将通过接近传感器表面而猝灭。一个示例是通过接近石墨烯而猝灭的荧光团。对于固定至通道的报告体，靶标激活酶以裂解报告体将增加荧光团，因为荧光团从接近石墨烯的位置移除。相反，对于样品流体中的报告体，靶标激活酶以裂解报告体将降低荧光团，因为包含或链接至荧光团的报告体片段被吸附至石墨烯。在另一实施方式中，光学测量电路系统1508可以用来监测电荷灵敏染料的变化，或执行表面光学测量，例如表面等离子体共振或生物层干涉测量。这样的光学测量的特性可能受报告体部分的裂解影响，并且因此可以用于靶标检测。在一些实施方式中，在测量设备122中使用电测量电路系统1506和光学测量电路系统1508可以允许校正由于不期望的背景电或光学信号引起的误差。可以使用各种高频激励和/或测量技术来确定附加信息。例如，高频激励和/或测量技术可以用来实时检测报告体的附带裂解，或者实时监测酶在其结合至靶标、激活和裂解报告体时的构象变化。各种合适的高频激励和/或测量技术在于2020年6月9日为kiana aran等人提交的题为“dynamic excitation and measurement of biochemical interactions”的美国临时专利申请第63/036,772号中被描述，该美国临时专利申请在法律允许的范围内通过引用整体并入本文。在各种实施方式中，激励电路系统1502和/或测量电路系统1504的部分或部件可以设置在基于芯片的生物传感器104、芯片读取器装置102或耦接至基于芯片的生物传感器104的单独装置中(例如，实验室台架测试和测量设备)。例如，例如用于激励电路系统1502的电阻加热器部件的单一用途部件可以设置在基于芯片的生物传感器104上，而例如用于生成或分析复杂波形的数字信号处理电路系统的多用途部件可以设置在芯片读取器装置102中。可以在各种其他实施方式中使用各种其他方式来设置或布置激励电路系统1502和/或测量电路系统1504的部分或部件。在一些实施方式中，分析模块116被配置成基于由测量电路系统1504执行的一个或更多个测量来确定与靶标核酸的存在有关的参数。这样的参数可以包括靶标核酸722是否存在于样品流体718中的指示、靶标核酸722的浓度或者与该浓度对应或与该浓度有关的另一参数、报告体部分730是否(或在多大程度上)被裂解的指示、裂解速率的确定等。在各种实施方式中，分析模块116可以使用各种方法，包括用于基于一个或更多个测量来确定与靶标核酸的存在有关的参数的已知定量分析方法。来自分析模块116的结果、例如由分析模块116表征的参数可以经由显示器或打印输出(例如，来自芯片读取器装置102)直接传达至用户，经由数据网络120发送至用户，保存到存储介质(例如，在远程数据储存库118中)以供一个或更多个用户稍后访问等。在一些实施方式中，分析模块116可以与测量设备122分开。例如，分析模块116可以由与测量设备122分开的计算装置114实现。因此，在一些实施方式中，测量设备122可以
包括替代分析模块116或除了分析模块116以外的通信电路系统1510。在所描绘的实施方式中，通信电路系统1510被配置成将信息发送至远程数据储存库118。通信电路系统1510可以经由数据网络120发送信息，并且可以包括用于数据传输(并且可能地、接收)的部件，例如用于通过以太网或wi-fi网络进行通信的网络接口控制器(nic)、用于通过移动数据网络进行通信的收发器等。在各种其他或另外的实施方式中，用于发送数据的各种其他或另外的部件可以被包括在通信电路系统1510中。在一些实施方式中，由通信电路系统1510发送至远程数据储存库118的信息可以是基于由测量电路系统1504执行的测量的信息。基于测量的信息可以是测量本身(例如，原始样品)、基于测量的计算出的信息(例如，从原始数据计算出的谱)和/或来自分析模块116的分析结果(例如，确定的参数)。在另外的实施方式中，分析模块116可以与远程数据储存库118进行通信(例如，经由数据网络120)。分析模块116可以被配置成基于发送至远程数据储存库118的信息来表征一个或更多个参数。例如，替代分析模块116直接从测量电路系统1504接收测量，通信电路系统1510可以将测量(或关于测量的信息)发送至远程数据储存库118，并且分析模块116可以从远程数据储存库118检索测量(或关于测量的信息)。在一些实施方式中，将数据存储在远程数据储存库118中可以允许从多个测量设备122汇总信息，以用于对根据单个测量设备122可能不明显的现象进行远程分析。例如，出于流行病学目的，测量设备122可以基于从人获得的样品流体110中的涉及来自病原体的病毒、抗体、dna或rna等的生化相互作用来确定人是否感染了疾病，样品流体110可以包括血液、唾液、粘液、脑脊液、粪便等的样品。从多个测量设备122上传到远程数据储存库118的信息可以用来确定汇总特征，例如不同地理区域的感染率如何不同。在各种实施方式中，分析模块116可以实现使用来自多个测量设备122的汇总信息的各种其他或另外的方式。在各种实施方式中，测量设备122可以以各种方式与一个或更多个生物栅控晶体管106一起使用激励电路系统1502、测量电路系统1504和分析模块116来确定或表征与靶标的存在有关的参数。在一些实施方式中，多个生物栅控晶体管106可以被同质配置(例如，用于冗余)或异质配置(例如，具有以不同方式功能化以表征生化相互作用的不同方面的通道表面728)。在一些实施方式中，激励电路系统1502和测量电路系统1504可以与使用第一生物栅控晶体管106的测量并行地执行对照测量。例如，可以在非反应性生物分子阻挡层或诸如水的对照流体而不是样品流体110的情况下，在基于芯片的生物传感器104中设置第二生物栅控晶体管106。激励电路系统1502和测量电路系统1504可以针对两个晶体管106并行地施加激励和执行测量，并且在由分析模块116进行分析之前，可以从来自第一生物栅控晶体管106的测量中减去来自第二生物栅控晶体管106的对照测量。在一些实施方式中，激励电路系统1502和测量电路系统1504可以针对具有变化条件的多个晶体管106施加激励条件并且执行测量。例如，酶的版本或例如缓冲液组成和温度的实验条件可以在多个晶体管106之间变化，并且可以确定和比较附带裂解的速率(或与附带裂解或靶标存在有关的其他参数)。这样的比较可能是一种用于以快速反馈来改善实验条件的简单方式。图16是示出用于基于酶对报告体的附带裂解的靶标检测的方法1600的一个实施方式的示意性流程图。方法1600开始于提供1602包括通道和固定至通道的报告体部分的生
物栅控晶体管106。将样品流体施加1604至通道，而不向样品流体施加靶标扩增处理。靶标扩增处理可以是诸如重组酶聚合酶扩增(rpa)、聚合酶链式反应(pcr)等的技术，该技术通过制造靶标的多个副本来扩增靶标。靶标扩增可能会使低浓度靶标更容易检测，但也可能掩盖有关靶标原始浓度的信息。因此，在各种实施方式中，传感器对未扩增靶标的灵敏度可以提高测试速度，以及/或者提供比与扩增靶标一起使用的传感器更多的信息。在样品流体内提供1606酶。例如，可以通过将酶添加至样品流体或通过在施加1604样品流体之前将酶预先施加至通道来提供1606酶。酶可以被配置成响应于靶标核酸而激活以裂解报告体部分。激励电路系统1502向生物栅控晶体管施加1608一个或更多个激励条件，使得来自生物栅控晶体管106的一个或更多个输出信号受报告体部分的状态影响。测量电路系统1504执行1610来自生物栅控晶体管106的受报告体部分的状态影响的一个或更多个输出信号中的至少一个输出信号的一个或更多个测量。分析模块116基于一个或更多个测量来确定1612与靶标核酸的存在有关的一个或更多个参数，并且方法1600结束。在各种实施方式中，用于附带地裂解报告体部分730的手段可以包括被选择、设计或修改以被靶标激活以裂解不同于靶标的报告体的酶、核酸酶、rna引导的cas酶、cas12酶、cas13酶、cas14酶、rnase l酶、胰蛋白酶、当被靶标激活时转化为活性胰蛋白酶的胰蛋白酶原，或本文公开的其他手段。其他实施方式可以包括用于附带地裂解报告体部分730的类似或等同手段。在各种实施方式中，用于基于与表面的相互作用来检测报告体部分的附带裂解的装置可以包括：一个或更多个基于芯片的生物传感器、电容或电化学传感器、生物栅控晶体管、用于观察报告体中的荧光团基于与通道表面(或者电容或电化学传感器的表面)接近而淬灭或激活的光学传感器、基于所施加的电压而在电离状态之间转换以在表面与标签之间转移电荷并返回电荷以使得电荷转移速率受报告体的裂解影响的氧化还原标签、或者本文公开的其他装置。在另外的实施方式中，用于基于与表面的相互作用来检测报告体部分的附带裂解的装置可以包括测量设备122、测量电路系统1504、分析模块116等。其他实施方式可以包括用于基于与表面的相互作用来检测报告体部分的附带裂解的类似或等同装置。可以以其他特定形式实践实施方式。所描述的实施方式在所有方面都应被视为说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述描述指示。在权利要求的等同含义和范围内的所有变化都包含在权利要求的范围内。