用于检测生物分子的系统及方法与流程

1.本发明实施例涉及用于检测生物分子的系统及方法。


背景技术：

2.本公开大体涉及用于检测或感测生物分子的系统及方法。具体来说，本公开涉及用于基于电子检测原理检测免疫作用及杂交作用的系统及方法。
3.生物分子的识别已成为疾病诊断的主要方面。一些关键疾病(如癌症)可用蛋白质标记的增加浓度来识别，如血管内皮生长因子(vegf)是众所周知的癌症标记。此外，已知病毒及细菌细胞是疾病的主要原因，其还可借助其表面上存在的蛋白质来检测。开发用于生物分子的检测的各种光学感测技术。尽管用于基于光学检测原理检测目标生物分子的现存技术具有良好检测灵敏度，但其可为相当耗时的。包含晶体管的生物传感器是对生物实体或生物分子的电荷、光子及机械性质进行电感测的传感器。传感器经由指定反应物与生物实体/生物分子之间的相互作用来检测生物实体或生物分子的浓度。此类生物传感器在信号转换上是快速的，可使用半导体过程制造，且容易应用于集成电路及mems。可产生生物fet传感器来检测各种类型的生物分子，包含(例如)h

、ca
2
、dna、蛋白质及葡萄糖。


技术实现要素：

4.本发明的实施例涉及一种用于检测生物分子的方法，其包括：将与第一目标生物分子相关联的第一涂层放置于传感器的感测膜的第一部分上；将与所述第一目标生物分子相关联的第二涂层放置于所述感测膜的所述第一部分上；由所述传感器测量与缓冲溶液相关联的基线电信号；将第一分析物溶液放置于所述传感器上及测量与所述第一分析物溶液相关联的第一电信号；及基于所述经测量第一电信号与第一阈值之间的比较确定是否在所述第一分析物溶液中检测到所述第一目标生物分子。
5.本发明的实施例涉及一种用于检测生物分子的方法，其包括：将与第一目标生物分子相关联的第一涂层放置于传感器的第一区域上；将与所述第一目标生物分子相关联的第二涂层放置于所述传感器的所述第一区域上；将第一分析物溶液放置于所述传感器的第一区域上及测量与所述第一分析物溶液相关联的第一电信号；及基于所述经测量第一电信号确定是否在所述第一分析物溶液中检测到所述第一目标生物分子。
6.本发明的实施例涉及一种用于检测生物分子的系统，其包括：传感器，其包括：衬底，其具有第一侧及与所述第一侧相对的第二侧；第一控制栅极，其与所述第一侧相邻放置；及第二控制栅极，其与所述第二侧相邻放置；及分离结构，其围绕所述传感器的第一区域。
附图说明
7.当结合附图阅读时，从以下实施方式更好理解本公开的实施例的方面。应注意，根据行业中的标准实践，各种结构未按比例绘制。事实上，为清晰论述，各种结构的尺寸可任
意增加或减小。
8.图1a说明根据本公开的一些实施例的半导体装置的俯视图。
9.图1b说明根据本公开的一些实施例的半导体装置的俯视图。
10.图2说明根据本公开的一些实施例的沿图1a的虚线a-a'的半导体装置的剖面图。
11.图3a说明根据本公开的一些实施例的半导体装置的三维图。
12.图3b说明根据本公开的一些实施例的半导体装置的放大图。
13.图4说明根据本公开的一些实施例的沿图3b的虚线b-b'的半导体装置的剖面图。
14.图5a、图5b及图5c说明根据本公开的一些实施例的用于基于电子检测原理检测目标生物分子的示范性操作。
15.图6说明根据本公开的一些实施例的包含用于基于电子检测原理检测目标生物分子的操作的流程图。
16.图7说明根据本公开的一些比较性实施例的用于基于光学检测原理检测目标生物分子的操作。
17.图8说明根据本公开的一些比较性实施例的用于基于光学检测原理检测目标生物分子的操作。
18.图9说明根据本公开的一些比较性实施例的用于检测目标生物分子的测试条的示意图。
具体实施方式
19.以下公开提供用于实施所提供标的物的不同构件的许多不同实施例或实例。在下文描述元件及布置的特定实例以简化本公开。当然，这些仅为实例且并不希望具限制性的。例如，在以下描述中，在第二构件上方或上形成第一构件可包含其中第一构件及第二构件形成为直接接触的实施例，且还可包含其中额外构件可形成于第一构件与第二构件之间，使得第一构件及第二构件可不直接接触的实施例。另外，本公开可在各种实例中重复元件符号及/或字母。此重复是出于简单及清晰的目的且本身并不指示所论述的各种实施例及/或构形之间的一关系。
20.此外，为便于描述，例如“在
……
下面”、“在
……
下方”、“下”、“在
……
上面”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
上”及类似物的空间相对术语可在本文中用于描述一个元件或构件与另一(些)元件或构件的关系，如图中说明。空间相对术语旨在涵盖除在图中描绘的定向以外的装置在使用或操作中的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或按其它定向)且因此可同样解释本文中使用的空间相对描述词。
21.如本文使用，虽然术语(例如“第一”、“第二”及“第三”)描述各种元件、组件、区域、层及/或区段，但此类元件、组件、区域、层及/或区段不应被此类术语限制。此类术语仅可用于使元件、组件、区域、层或区段彼此区分。例如“第一”、“第二”及“第三”的术语当在本文中使用时并不暗示序列或顺序，除非由上下文明确指示。
22.虽然陈述本公开的广泛范围的数值范围及参数为近似值，但尽可能精确地报告特定实例中所陈述的数值。然而，任何数值固有地含有必然由相应测试测量中发现的标准偏差所引起的某些误差。而且，如本文中使用，术语“基本上”、“近似”及“约”通常意味着在可由所属领域的一般技术人员所考虑的值或范围内。替代地，当由所属领域的一般技术人员
考虑时，术语“基本上”、“约”及“大约”意味着在可接受的平均值标准误差内。所属领域的一般技术人员可理解，可接受的标准误差可根据不同技术而变化。除了在操作/工作实例中之外，或除非另有明确指定，本文中公开的全部数值范围、数量、值及百分比(例如材料量、持续时间、温度、操作条件、数量比及其类似者的数值范围、数量、值及百分比)应被理解为在全部例子中都由术语“基本上”、“约”或“大约”修饰。因此，除非相反地指示，否则本公开及随附权利要求书中陈述的数值参数是可视需要变动的近似值。最起码，每一数值参数应至少依据所报告的有效数字的数字且通过应用普通舍入技术解释。本文将范围表达为从一个端点到另一端点或在两个端点之间。本文公开的所有范围包含所述端点，除非另有指定。
23.图1a说明根据本公开的一些实施例的半导体装置的俯视图。
24.图1a展示装置100。装置100可为电气装置。装置100可为集成电路(ic)的系统。装置100可包含放置于印刷电路板(pcb)10上的传感器20s。传感器20s可包含感测区域20a1、20a2及20a3。在一些实施例中，感测区域20a1、20a2及20a3可具有相同尺寸/大小。在一些实施例中，感测区域20a1、20a2及20a3可具有不同尺寸/大小。
25.感测区域的数目不限于三个。在一些实施例中，传感器20s可包含超过三个感测区域。在一些实施例中，传感器20s可包含仅两个感测区域或仅一个感测区域。
26.感测区域20a1、20a2及20a3可由分离结构18围绕。感测区域20a1、20a2及20a3可由分离结构18分离。分离结构18可形成用于感测区域20a1、20a2及20a3中的每一者的个别空间。分离结构18可形成用于感测区域20a1、20a2及20a3中的每一者的槽。
27.装置100包含导电接点12及16。导电接点12可通过互连14与导电接点16电耦合。导电接点16可经电连接到传感器20s。导电接点16可与感测区域20a1、20a2及20a3电耦合。可将电流或电压施加到导电接点12。可在导电接点12与16之间传送信号或命令。可在导电接点12与感测区域20a1、20a2及20a3之间传送信号或命令。传感器20s可基于施加到导电接点12的电流或电压来操作。感测区域20a1、20a2及20a3可基于施加到导电接点12的信号或命令来操作。
28.感测区域20a1、20a2及20a3可用于同时检测不同生物分子。感测区域20a1、20a2及20a3可用于同时用不同剂量检测相同生物分子。
29.在一些实施例中，分离结构18可包含硅基有机聚合物。在一些实施例中，分离结构18可包含聚二甲基硅氧烷(pdms)。在一些实施例中，分离结构18可包含硅胶。在一些实施例中，分离结构18可包含适用于固持液体的任何类型的材料。
30.图1b说明根据本公开的一些实施例的半导体装置的俯视图。图1b展示装置120。装置120可为电气装置。装置120可为ic的系统。装置120可包含放置于pcb 10上的传感器20s'。图1b的装置120类似于图1a的装置100，惟传感器20s'的感测区域不同于传感器20s的感测区域除外。
31.传感器20s'包含感测区域20b1。传感器20s'包含感测区域20b2。传感器20s'包含感测区域20b3。感测区域20b1、20b2及20b3可具有不同大小/尺寸。感测区域20b1、20b2及20b3的数目可不同。在一些实施例中，感测区域20b1、20b2及20b3的数目可相同。感测区域20b1、20b2及20b3可用于同时检测不同生物分子。感测区域20b1、20b2及20b3可用于同时用不同剂量检测相同生物分子。
32.分离结构18可具有厚度18t。在一些实施例中，厚度18t可在从约0.05cm到0.5cm的
范围内。围绕感测区域20b2的分离结构18可具有长度18l及宽度18w。在一些实施例中，长度18l可在从约0.05cm到0.5cm的范围内。在一些实施例中，宽度18w可在从约0.05cm到0.5cm的范围内。
33.长度18l、宽度18w及厚度18t之间的比率可具有特定范围。在一些实施例中，长度18l与宽度18w的比率可在从1到3的范围内。长度18l与厚度18t的比率可在从5到10的范围内。宽度18w与厚度18t的比率可在从5到10的范围内。
34.图2说明根据本公开的一些实施例的沿图1a的虚线a-a'的半导体装置的剖面图。
35.图2展示沿图1a的虚线a-a'的传感器20s的剖面图。放置于pcb 10上的传感器20s包含电介质层34、衬底36、掩埋氧化物(box)层46及感测膜48。基极电极40、源极电极42及漏极电极44可嵌入衬底36内。底部栅极电极38嵌入电介质层34内。互连层32a、32b、32c及32d可放置于电介质层34内。互连层32a可电耦合于基极电极40与接地(gnd)之间。互连层32b可电耦合于源极电极42与gnd之间。互连层32c可电耦合于漏极电极44与漏极电压vd之间。互连层32d可电耦合于底部栅极电极38与底部栅极电压vbg之间。
36.在一些实施例中，电介质层34可包含氧化硅。另一示范性电介质层34包含氮化硅、氮氧化硅、具有高介电系数(高k)的介电质及/或其组合。高k材料的实例包含硅酸铪、氧化铪、氧化锆、氧化铝、五氧化二钽、二氧化铪-氧化铝(hfo2al2o3)合金或其组合。
37.衬底36具有第一侧36s1及与第一侧相对的第二侧36s2。衬底36可为半导体衬底(例如，晶片)。衬底36可为硅衬底。替代性地，衬底36可包含：另一元素半导体，例如锗；化合物半导体，其包含碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟及/或锑化铟；合金半导体，其包含sige、gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp及/或gainasp；或其组合。在一些实施例中，衬底36可为绝缘体上半导体(soi)衬底。衬底36可包含掺杂区域，例如p阱及n阱。
38.基极电极40、源极电极42、漏极电极44及/或通道区域43形成在衬底36的主动区域上。传感器20s可为n型fet(nfet)或p型fet(pfet)。例如，源极/漏极电极42及44可取决于fet配置包含n型掺杂剂或p型掺杂剂。底部栅极电极38与衬底36的第一侧36s1相邻放置，且充当控制栅极。在一些实施例中，底部栅极电极38可包含多晶硅。在一些实施例中，底部栅极电极38可包含材料，例如cu、w、ti、ta、cr、pt、ag、au，或适当金属化合物，如tin、tan、nisi、cosi，或其组合。
39.box层46可通过例如植入氧分离(simox)的过程及/或其它适当过程形成。开口50形成于衬底36的第二侧36s2处。开口50可包含形成在放置于衬底36的第二侧36s2上中的一或多个层中的沟槽。开口50可形成在通道区域43上方。开口50可使用用以在衬底上提供图案的适当光刻过程，以及用以从掩埋氧化物层46移除材料直到衬底36的第二侧36s2暴露的蚀刻过程来形成。蚀刻过程包含湿式蚀刻、干式蚀刻、等离子体蚀刻及/或其它适当过程。
40.开口50包含深度50d。在一些实施例中，深度50d可为大约1微米。在一些实施例中，深度50d可在从约0.5微米到3微米的范围内。在一些实施例中，深度50d可在从约0.1微米到10微米的范围内。
41.感测膜48与box层46及开口50保形地形成。感测膜48沉积在开口50的侧壁及底部上方。感测膜48能够与生物分子或生物实体结合。例如，感测膜48可为生物分子或生物实体提供结合接口。感测膜48可包含电介质材料、导电材料及/或用于固持受体的其它适当材料。示范性感测材料包含高k电介质膜、金属、金属氧化物、介电质及/或其它适当材料。如另
一实例，示范性感测材料包含hfo2、ta2o5、pt、au、w、ti、al、cu、此类金属的氧化物、sio2、si3n4、al2o3、tio2、tin、sno、sno2、srtio3、zro2、la2o3；及/或其它适当材料。感测膜48可使用cmos过程形成，例如(例如)物理气相沉积(pvd)(溅镀)、化学气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)、大气压化学气相沉积(apcvd)、低压cvd(lpcvd)、高密度等离子体cvd(hdpcvd)或原子层沉积(ald)。在一些实施例中，感测膜48可包含多个层。在感测膜48上置放例如酶、抗体、配位体、胜肽、核苷酸、器官的细胞、生物体或组织的碎片的受体，用于检测目标生物分子。
42.参考电极56可置放在分析物溶液54中，从而充当控制栅极。参考电极56可与衬底36的第二侧36s2相邻放置。
43.参考电极56可与流体栅极电压vfg电耦合。在一些实施例中，感测膜48暴露于分析物溶液54，且参考电极56浸没在分析物溶液54中，使得参考电极56是流体栅极。参考电极56的表面电势变化通过电容式耦合对传感器20s的阈值电压(v
th
)进行调制。
44.当参考电极56通过生物分子的存在触发时，传感器20s将转移电子并诱导底部栅极电极38的场效充电，借此调制电流(例如，ids)。电流或阈值电压(v
th
)的变化可用于指示相关生物分子或生物实体的检测。
45.分离结构18放置于感测膜48上方并与感测膜48接触。分离结构18可形成围绕感测区域20a2的槽。由分离结构18形成的槽可具有深度18d。在一些实施例中，深度18d可在从约0.05cm到0.5cm的范围内。
46.分离结构18可维持传感器20s的特定区域内的分析物溶液54。分离结构18可防止分析物溶液54泄漏出传感器20s的特定区域。分离结构18可维持传感器20s的感测区域20a2内的分析物溶液54。
47.图3a说明根据本公开的一些实施例的半导体装置的三维图。图3a展示装置140。装置140可为电气装置。装置140可为ic的系统。装置140可包含放置于pcb 10上的传感器20s”。装置140进一步包含集成在传感器20s”上的聚二甲基硅氧烷(pdms)微流体系统70。pdms微流体系统70可放置于传感器20s”上方。pdms微流体系统70可固定到传感器20s”。pdms微流体系统70可附接到传感器20s”。
48.图3b说明根据本公开的一些实施例的半导体装置的放大图。图3b展示集成在传感器20s”上的pdms微流体系统70的放大图。pdms微流体系统70包含两个入口in1及in2以及两个出口out1及out2。入口in1通过通道60a连接到出口out1。入口in2通过通道60b连接到出口out2。液体可分别通过入口in1及in2填充到通道60a及60b。
49.通道60a或60b内的生物分子可通过底部栅极电极38感测或检测。通道60a与通道60b隔离。通道60a与通道60b分离。通道60a可用于检测第一类型的生物分子。通道60b可用于检测第二类型的生物分子。通道60a及60b可用于同时检测不同类型的生物分子。
50.由pdms微流体系统70所包含的通道的数目不限于图3b中展示的数目。在一些实施例中，pdms微流体系统70可包含多于两个通道。凭借更多隔离通道，可通过传感器20s”同时检测更多类型生物分子。
51.放置于pcb 10上的传感器20s”包含电介质层34、衬底36、box层46及感测膜58。集成于传感器20s”上的pdms微流体系统70的结构将根据图4进一步说明。
52.图4说明根据本公开的一些实施例的沿图3b的虚线b-b'的半导体装置的剖面图。
53.传感器20s”包含电介质层34、衬底36、box层46及感测膜58。图4的传感器20s”与图2的传感器20s类似，除了传感器20s的分离结构18由pdms微流体系统70替换之外。此外，传感器20s的开口50由通道60a及60b替换。
54.虽然传感器20s”的互连层32a'、32b'、32c'及32d'经绘制成具有与传感器20s的互连层32a、32b、32c及32d不同的轮廓，但经考虑传感器20s”的互连层32a'、32b'、32c'及32d'可与传感器20s的互连层32a、32b、32c及32d类似地起作用。
55.感测膜58可与box层46保形地形成，且包含壁结构58w。壁结构58w可连接到pdms微流体系统70的壁结构70w1。壁结构58w及70w1可将通道60a与通道60b分离。壁结构58w及70w1可将通道60a与通道60b隔离。通道区域43可形成在源极/漏极电极42及44之间。通道60a及60b可放置于通道区域43上方。
56.感测膜58可包含第一部分58a及第二部分58b。第一部分58a可定位于壁结构58w的第一侧上。第二部分58b可定位于壁结构58w的与第一侧相对的第二侧上。
57.除了壁结构70w1外，pdms微流体系统70还包含壁结构70w2及70w3。壁结构70w1、70w2及70w3还可称为分离结构。壁结构70w2可围绕感测膜58的第一部分58a。壁结构70w3可围绕感测膜58的第二部分58b。壁结构70w2可围绕传感器20s”的部分。壁结构70w3可围绕传感器20s”的部分。
58.参考电极56可放置于入口in1或in2中。参考电极56可放置于出口out1或out2中。
59.图5a、图5b及图5c说明根据本公开的一些实施例的在生物分子检测期间的示范性操作。
60.图1a、图1b及图3a中展示的装置100、120及140可用于检测各种类型的目标生物分子。如图5a中展示，可在检测开始之前在感测膜48上放置涂层501及502。涂层501及502可提供受体分子80用于结合目标生物分子。
61.取决于目标生物分子的类型，涂层501及502可放置于感测膜48上。
62.在一些实施例中，涂层501可包含聚-l-赖氨酸(poly-l-lysine)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷中的一或多者。
63.在一些实施例中，如果待通过装置100、120及140检测/感测的目标生物分子为rna，那么涂层502可包含微rna。在一些实施例中，如果待通过装置100、120及140检测/感测的目标生物分子为rna，那么涂层502可包含酶。在一些实施例中，如果待通过装置100、120及140检测/感测的目标生物分子为dna，那么涂层502可包含dna探子。在一些实施例中，如果待通过装置100、120及140检测/感测的目标生物分子为dna，那么涂层502可包含适体探子。在一些实施例中，如果待通过装置100、120及140检测/感测的目标生物分子为抗原，那么涂层502可包含抗体探子。在一些实施例中，如果待通过装置100、120及140检测/感测的目标生物分子为抗体，那么涂层502可包含抗原探子。
64.涂层501可通过首先用包含聚-l-赖氨酸、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷中的一或多者的溶液浸渍感测膜48，且接着用缓冲溶液(例如磷酸盐缓冲盐水(pbs))冲洗感测膜48而形成。涂层502可通过首先用包含微rna、酶、dna探子、适体探子、抗体探子或抗原探子中的一或多者的溶液浸渍感测膜48，且接着用缓冲溶液(例如pbs)冲洗感测膜48而形成。
65.参考图5b，在包含目标生物分子82的分析物溶液54填充在由分离结构18形成的槽
内后，目标生物分子82将逐渐结合到受体分子80。图5c展示在时序t1对传感器电流(i
ds
)的改变。在目标生物分子82在时序t1结合到受体分子80之前，传感器电流具有平均值ia。在目标生物分子82在时序t1结合到受体分子80之后，传感器电流具有平均值ib。平均值ia与ib之间的差可为确定目标生物分子82是否存在于分析物溶液54内的基础。
66.在一些实施例中，可预确定用于生物分子检测的阈值。例如，具有介于值ia与ib之间的值的阈值可经设置以确定是否检测到目标生物分子。用于生物分子检测的阈值可基于值ia及ib确定。值ia可称为基线值。用于生物分子检测的阈值可与值ia相关联。用于生物分子检测的阈值可与值ib相关联。用于生物分子检测的阈值可与值ia与ib之间的差相关联。
67.应注意，图5c中展示的电流的波形是出于说明性目的；然而，在一些其它实施例中，平均值ia可大于平均值ib。在一些实施例中，生物分子82到受体分子80的结合可增加由传感器输出的电信号的量值。在一些实施例中，生物分子82到受体分子80的结合可降低由传感器输出的电信号的量值。
68.返回参考图1a，感测区域20a1、20a2及20a3可用于检测不同生物分子。如果感测区域20a1、20a2及20a3用于检测不同目标生物分子，那么放置于感测区域20a1、20a2及20a3上的涂层的类型可不同。例如，如果感测区域20a1用于检测rna，那么放置于感测区域20a1上的涂层可包含微rna及聚-l-赖氨酸、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷中的一者。替代地，如果感测区域20a2用于检测抗原，那么放置于感测区域20a2上的涂层可包含抗原探子及聚-l-赖氨酸、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷中的一者。另外，如果感测区域20a3用于检测另一rna，那么放置于感测区域20a3上的涂层可包含酶及聚-l-赖氨酸、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷中的一者。
69.返回参考图4，通道60a及60b可用于检测不同目标生物分子。如果通道60a及60b用于检测不同目标生物分子，那么放置于感测膜58的第一部分58a上的涂层的类型可不同于放置于感测膜58的第二部分58b上的涂层的类型。例如，如果通道60a用于检测rna，那么放置于感测膜58的第一部分58a上的涂层可包含微rna及聚-l-赖氨酸、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷中的一者。替代地，如果通道60b用于检测抗原，那么放置于感测膜58的第二部分58b上的涂层可包含抗体探子及聚-l-赖氨酸、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷中的一者。
70.放置于感测膜58上的涂层与目标生物分子的类型相关联。放置于感测膜58上的涂层取决于目标生物分子的类型。
71.图6说明根据本公开的一些实施例的包含用于基于电子检测原理检测目标生物分子的操作的流程图。图6展示流程图600。流程图600包含操作602、604、606、608、610、612及614。
72.在操作602，将与目标生物分子相关联的第一涂层放置于传感器的感测膜上。例如，参考图5a，涂层501可放置于感测膜48上。第一涂层的材料可取决于待检测的目标生物分子的类型。
73.在操作604，将与目标生物分子相关联的第二涂层放置于传感器的感测膜上。例如，参考图5a，涂层502可放置于感测膜48上。第二涂层的材料可取决于待检测的目标生物分子的类型。在一些实施例中，如果待检测/感测的目标生物分子是rna、dna、抗原或抗体，
那么涂层502可包含微rna、酶、dna探子、适体探子、抗体探子或抗原探子中的一或多者。
74.在操作606中，测量基线电信号。基线电信号可包含电流信号或电压信号。可在仅用缓冲溶液(例如pbs)浸渍传感器时测量基线电信号。例如，参考图5c，可在时序t1之前测量基线电信号。可在包含目标生物分子的分析物溶液54填充在通过分离结构18形成的槽内之前测量基线电信号。
75.基线电信号可用作用于确定是否已检测到目标生物分子的参考。在一些实施例中，基线电信号可用作用于确定阈值的参考。根据基线电信号确定的阈值可用于确定是否已检测到目标生物分子。
76.在操作608中，从通过分离结构18形成的槽移除缓冲溶液(例如pbs)，且接着，在传感器上提供包含目标生物分子的分析物溶液54以用于培养。例如，参考图5b，目标生物分子82可逐渐结合到受体分子80。
77.在操作610中，用缓冲溶液(例如pbs)冲洗传感器。将移除未结合到受体分子80的分析物溶液54内的生物分子。
78.在操作612中，可测量通过传感器输出的电信号。经测量电信号可(例如)在计算机的屏幕上显示。在操作614中，可基于经测量电信号及第一阈值确定是否检测到目标生物分子。在一些实施例中，如果经测量电信号大于第一阈值，那么可确定检测到目标生物分子。在一些实施例中，如果经测量电信号小于第一阈值，那么可确定检测到目标生物分子。
79.本公开中的上文描述技术提供优于生物分子检测的现存技术的各种优势。本公开中的上文描述技术提供具有高灵敏度的快速检测。一般来说，本公开中的上文描述技术具有超过93％的灵敏度。此外，可检测到的目标生物分子的最小量为约0.01fg/ml。本公开中的上文描述技术可广泛应用于实验室或护理点诊断的常规及紧急情况。另外，本公开中的上文描述技术可应用于各种类型的疾病诊断，例如，肿瘤、covid-19及帕金森病。
80.图7说明根据本公开的一些比较性实施例的用于基于光学检测原理检测目标生物分子的操作。
81.图7包含用于基于光学检测原理检测目标生物分子的操作702、704、706及708。
82.在操作702中，收集目标生物分子的样本。可使用(例如)拭子收集样本。在操作704中，可制备经收集样本。在分析化学中，样本制备是指在样本的分析前对样本进行处理的方法。样本制备可涉及溶解、萃取、与一些化学物质的反应、粉碎、用螯合剂(例如，edta)处理、掩盖、过滤、稀释、二次取样或许多其它技术。样本制备可涉及粉碎及溶解、用酸或碱化学分解、样本萃取、样本净化及样本预浓缩中的一或多者。
83.在操作706中，执行实时聚合酶连锁反应(实时pcr)。实时pcr(还称为定量聚合酶连锁反应(qpcr))是一种基于聚合酶连锁反应(pcr)的分子生物学实验室技术。其监测pcr期间(即，实时)的标定dna分子的放大。
84.在操作708中，执行数据分析以确定是否已检测到目标生物分子。
85.应注意，可通过图7中展示的操作检测的目标生物分子仅包含dna或rna。虽然所述操作具有良好的检测灵敏度，但其可为相当费时的。此外，可检测到的目标生物分子的最小量不能小于10ng/ml。
86.图8说明根据本公开的一些比较性实施例的用于基于光学检测原理检测目标生物分子的操作。
87.图8包含用于基于光学检测原理检测目标生物分子的操作802、804、806、808及810。
88.在操作802中，用于检测目标蛋白质86的抗体84固定在微孔盘开孔(microplate well)的表面上。在操作804中，将特定于目标蛋白质86的另一抗体88提供到微孔盘开孔。用酶标记抗体88。在操作806中，培养抗体84、目标蛋白质86及用酶标记的抗体88。在操作808中，可在抗体88上辨识酶反应89。在操作810中，执行数据分析以确定是否已检测到目标蛋白质86。
89.应注意，可通过图8中展示的操作检测的目标生物分子仅包含抗体或抗原。虽然所述操作具有良好的检测灵敏度，但其可为相当费时的。此外，可检测到的目标抗体的最小量不应小于20ng/ml，且可检测到的目标抗原的最小量不能小于780pg/ml。
90.图9说明根据本公开的一些比较性实施例的用于检测目标生物分子的测试条的示意图。
91.测试条90包含样本垫92、共轭垫94、硝化纤维素(nc)隔膜96及吸收剂垫98。nc隔膜96包含线96l1、96l2及96l3。线96l1可用第一类型的抗体96a1固定。线96l2可用第二类型的抗体96a2固定。线96l3可用第三类型的抗体96a3固定。在一些实施例中，测试条90可用于检测蛇毒蛋白质。在此类实施例中，抗体96a1可与出血毒液相关联，且抗体96a2可与神经性毒液相关联。线96l3可为对照线。
92.应注意，可通过图9中展示的测试条检测的目标生物分子仅包含抗体或抗原。虽然具有快速检测的优势，但测试条具有相对低的检测灵敏度。此外，可检测到的目标抗体的最小量不应小于200ng/ml，且可检测到的目标抗原的最小量不能小于10ng/ml。
93.本公开的一些实施例提供一种用于检测生物分子的方法。所述方法包括将与第一目标生物分子相关联的第一涂层放置于传感器的感测膜的第一部分上且将与所述第一目标生物分子相关联的第二涂层放置于所述感测膜的所述第一部分上。所述方法进一步包括：通过所述传感器测量与缓冲溶液相关联的基线电信号；将第一分析物溶液放置于所述传感器上；及测量与第一分析物溶液相关联的第一电信号。所述方法进一步包括：基于经测量第一电信号与第一阈值之间的比较确定是否在所述第一分析物溶液中检测到所述第一目标生物分子。
94.本公开的一些实施例提供一种用于检测生物分子的方法。所述方法包括将与第一目标生物分子相关联的第一涂层放置于传感器的第一区域上且将与第一目标生物分子相关联的第二涂层放置于所述传感器的所述第一区域上。所述方法进一步包括：将第一分析物溶液放置于所述传感器的第一区域上及测量与所述第一分析物溶液相关联的第一电信号。所述方法进一步包括：基于经测量第一电信号确定是否在所述第一分析物溶液中检测到所述第一目标生物分子。
95.本公开的一些实施例提供一种用于检测生物分子的系统。所述系统包括传感器及围绕所述传感器的第一区域的分离结构。所述传感器包括：衬底，其具有第一侧及与所述第一侧相对的第二侧；第一控制栅极，其与所述第一侧相邻放置；及第二控制栅极，其与所述第二侧相邻放置。
96.前文概述若干实施例之结构，使得所属领域的技术人员可更佳理解本公开的方面。所属领域的技术人员应了解，其可容易地使用本公开作为设计或修改用于实行本文中
介绍的实施例的相同目的及/或实现相同优点的其它过程及结构的基础。所属领域的技术人员还应认识到，此类等效构造并不脱离本公开的精神及范围，且其可在不脱离本公开的精神及范围的情况下在本文中作出各种改变、替代及更改。
97.符号说明
98.10:印刷电路板(pcb)
99.12:导电接点
100.14:互连
101.16:导电接点
102.18:分离结构
103.18d:深度
104.18l:长度
105.18t:厚度
106.18w:宽度
107.20a1:感测区域
108.20a2:感测区域
109.20a3:感测区域
110.20b1:感测区域
111.20b2:感测区域
112.20b3:感测区域
113.20s:传感器
114.20s':传感器
115.20s”:传感器
116.32a:互连层
117.32a':互连层
118.32b:互连层
119.32b':互连层
120.32c:互连层
121.32c':互连层
122.32d:互连层
123.32d':互连层
124.34:电介质层
125.36:衬底
126.36s1:第一侧
127.36s2:第一侧
128.38:底部栅极电极
129.40:基极电极
130.42:源极电极
131.43:通道区域
132.44:漏极电极
133.46:掩埋氧化物(box)层
134.48:感测膜
135.50:开口
136.50d:深度
137.54:分析物溶液
138.56:参考电极
139.58:感测膜
140.58a:第一部分
141.58b:第二部分
142.58w:壁结构
143.60a:通道
144.60b:通道
145.70:聚二甲基硅氧烷(pdms)微流体系统
146.70w1:壁结构
147.70w2:壁结构
148.70w3:壁结构
149.80:受体分子
150.82:目标生物分子
151.84:抗体
152.86:目标蛋白质
153.88:抗体
154.89:酶反应
155.90:测试条
156.92:样本垫
157.94:共轭垫
158.96:硝化纤维素(nc)隔膜
159.96a1:第一类型的抗体
160.96a2:第二类型的抗体
161.96a3:第三类型的抗体
162.96l1:线
163.96l2:线
164.96l3:线
165.98:吸收剂垫
166.100:装置
167.120:装置
168.140:装置
169.501:涂层
170.502:涂层
171.600:流程图
172.602:操作
173.604:操作
174.606:操作
175.608:操作
176.610:操作
177.612:操作
178.614:操作
179.702:操作
180.704:操作
181.706:操作
182.708:操作
183.802:操作
184.804:操作
185.806:操作
186.808:操作
187.810:操作
188.gnd:接地
189.ia:平均值
190.ib:平均值
191.i
ds
:传感器电流
192.in1:入口
193.in2:入口
194.out1:出口
195.out2:出口
196.t1:时序
197.vbg:底部栅极电压
198.vd:漏极电压
199.vfg:流体栅极电压。