CN101051038A - 在栅极传感表面上使用相同场效应晶体管检测生物分子的方法 - Google Patents

在栅极传感表面上使用相同场效应晶体管检测生物分子的方法 Download PDF

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CN101051038A CNA2007100936810A CN200710093681A CN101051038A CN 101051038 A CN101051038 A CN 101051038A CN A2007100936810 A CNA2007100936810 A CN A2007100936810A CN 200710093681 A CN200710093681 A CN 200710093681A CN 101051038 A CN101051038 A CN 101051038A
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Abstract

提供一种使用场效应晶体管检测靶生物分子的存在或生物分子浓度的方法。该方法包括：将具有第一靶生物分子的第一样品提供到场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的第一电信号变化；将第二样品提供到同一场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的第二电信号变化；以及比较第一电信号和第二电信号，其中场效应晶体管包括：由半导体材料组成的基底；在基底上分开形成并被掺杂具有与基底相反的极性的源极区域和漏极区域；布置在源极区域和漏极区域之间的通道区域；布置在通道区域上并具有由电绝缘材料组成的传感表面的绝缘层；和布置在绝缘层的传感表面上方并与其分开的参比电极。

Description

在栅极传感表面上使用相同场效应晶体管检测生物分子的方法
技术领域
本发明涉及使用场效应晶体管检测靶生物分子的存在或生物分子浓度的方法。
背景技术
包括晶体管的晶体管类生物传感器为一种使用电信号检测生物分子的传感器。利用半导体工艺制造晶体管类生物传感器，因此电信号可在晶体管类生物传感器中快速转换。因此，已进行了对这种传感器的大量研究。
美国专利4238757公开了可用于检测生物反应的场效应晶体管(FET)。利用FET，生物传感器测量由于表面电荷浓度变化引起的半导体反型层(inversion layer)中的电流变化，以便检测抗原-抗体反应。利用使用FET的生物传感器，可检测生物分子中的蛋白质。美国专利4777019公开了用于通过将生物单体吸收到使用FET的栅极的表面上来测量生物单体与互补单体杂交的传感器。
美国专利5846708公开了使用电荷耦合装置(CCD)通过消除耦合的生物分子测定杂交存在的方法。美国专利5466348和6203981公开了使用带有电路的薄膜晶体管(TFT)增加信噪比的方法。
FET作为生物传感器的使用降低了成本并减少了检测生物分子所需的时间，并且FET容易与包含集成电路(IC)/MEMS的工艺一起使用。
图1A为常规FET的结构的示意图。参考图1A，FET包括掺杂有n-型或p-型材料的基底11、形成在基底11两侧上并被掺杂以与具有基底11相反极性的源极12a和漏极12b、和在基底11上与源极12a和漏极12b接触的栅极13。通常，栅极13包括氧化物层14、多晶硅层15和栅电极16。探针生物分子被粘附到面对参比电极17的栅电极16的表面16a上。探针生物分子通过氢键等结合到靶生物分子上，并使用电学方法检测键。
图1B为在图1A所示FET的栅电极16的表面16a上固定探针生物分子18并用探针生物分子18结合靶生物分子的过程示意图。参考图1B，流过通道的电流随栅电极16表面上固定的探针生物分子18的存在和固定的探针生物分子18与靶生物分子之间键的存在而变化，由此可检测靶生物分子。
通常，使用两个以上的FET来改进用FET检测生物分子的常规方法的精确度和灵敏度。将一些FET用作不与靶生物分子反应的参照FET，而将其他用作和靶生物分子反应的传感FET。传感FET测量的电信号减去通过参照FET测量的电信号可以获得靶生物分子的电信号，假设参照FET和传感FET中的噪声信号相同。
例如，国际公开WO03/062811公开了一种通过比较由两个不同传感器测得的数据推导出代表因子(representative factor)的方法。
但是，参照FET和传感FET中的噪声信号相同的假设是不可靠的。也就是，尽管以相同的工艺制造FET来满足相同的标准要求，但现有的FET制造技术仍存在很大的差异。因此，参照FET的电信号可能比传感FET的电信号大。
发明内容
本发明提供一种容易并准确地检测生物分子的存在和生物分子浓度的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种使用相同场效应晶体管检测靶生物分子的方法，包括：将具有第一靶生物分子的第一样品提供到场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的第一电信号变化；将第二样品提供到同一场效应晶体管的传感表面上并测量场效应晶体管的第二电信号变化；以及比较第一电信号和第二电信号，其中场效应晶体管包括：由半导体材料组成的基底；在基底上分开形成并被掺杂具有与基底相反的极性的源极区域和漏极区域；布置在源极区域和漏极区域之间的通道区域；布置在通道区域上并具有由电绝缘材料组成的传感表面的绝缘层；和绝缘层分开并面对绝缘层的参比电极。
在本发明的一种实施方案中，所述方法还包括在将第二样品提供到场效应晶体管的传感表面前用不具有生物分子的溶液洗涤场效应晶体管的传感表面。
电信号可包括漏极电流、栅极-源极电压和源极-漏极电压中的至少一种。
生物分子可为核酸或蛋白质。
核酸可为聚合酶链式反应(PCR)产物或纯化的PCR产物。
第一样品可包含在模板和引物存在下由PCR扩增得到的产物，而第二样品可包含除了没有模板外和第一样品相同的PCR产物。
第一电信号和第二电信号之比是通过比较第一电信号和第二电信号而计算的。
半导体材料可为硅，电绝缘材料可为二氧化硅、氮化硅和金属氧化物中的一种。
基底可掺杂有n-型材料，源极区域和漏极区域可掺杂有p-型材料。
基底还可掺杂有p-型材料，源极区域和漏极区域可掺杂有n-型材料。
根据本发明的另一方面，提供一种使用相同场效应晶体管检测靶生物分子的方法，包括：将各自具有已知不同的生物分子浓度的多个样品提供到场效应晶体管的传感表面和参比电极之间并测量场效应晶体管的电信号变化；将具有未知的靶生物分子浓度的样品提供到场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的电信号变化；以及比较靶生物分子的电信号变化和该多个样品的电信号变化并计算(assuming)靶生物分子的浓度，其中场效应晶体管包括：由半导体材料组成的基底；在基底上分开形成并被掺杂具有与基底相反的极性的源极区域和漏极区域；布置在源极区域和漏极区域之间的通道区域；布置在通道区域上并具有传感表面的绝缘层；和布置在绝缘层的传感表面上方并与其分开的参比电极。
在本发明的另一实施方案中，该方法还包括在将样品提供到场效应晶体管的传感表面的过程之前用不具有生物分子的溶液洗涤担当栅极的场效应晶体管的传感表面。
电信号可包括漏极电流、栅极-源极电压和源极-漏极电压中的至少一种。
生物分子可为核酸或蛋白质。
核酸可为PCR产物或纯化的PCR产物。
半导体材料可为硅，电绝缘材料可为二氧化硅、氮化硅和金属氧化物中的一种。
基底可掺杂有n-型材料，源极区域和漏极区域可掺杂有p-型材料。
基底还可掺杂有p-型材料，源极区域和漏极区域可掺杂有n-型材料。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显，其中：
图1A为常规场效应晶体管的结构示意图；
图1B为在图1A所示场效应晶体管的栅电极的表面上固定探针生物分子并用探针生物分子结合靶生物分子的过程示意图；
图2为在本发明的实施方案的检测生物分子方法中使用的场效应晶体管的结构示意图；
图3为将PCR产物、洗涤缓冲液和阴性对照物(negative control)交替地提供到本发明实施方案的场效应晶体管的传感表面的过程示意图；
图4A为将各自具有不同的浓度的多种PCR产物和洗涤缓冲液交替地提供到本发明实施方案的场效应晶体管的传感表面的过程示意图；和
图4B为图示当将具有不同浓度的PCR产物和洗涤缓冲液交替地提供到图4A所示场效应晶体管的传感表面时的电压变化的图。
具体实施方式
下文中，将参考附图更全面地描述本发明，在附图中显示了本发明的示例性实施方案。但是，本发明可体现在多种不同形式中，并且不应被视为局限于本文所述的实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开更全面和完整，并将本发明的构思充分地传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方案，不用固定生物分子就可使用场效应晶体管检测生物分子的存在或生物分子的浓度。
图2为在根据本发明实施方案的检测生物分子的方法中使用的场效应晶体管的结构示意图。
参考图2，在检测生物分子的方法中使用的场效应晶体管包括：由半导体材料组成的基底21；在基底21上分开形成并被掺杂具有与基底21相反的极性的源极区域22a和漏极区域22b；在源极区域22a和漏极区域22b之间形成的通道区域；布置在通道区域上并具有传感表面23a的绝缘层23；和布置在绝缘层23的上方并与绝缘层23分开的参比电极24。
在本发明实施方案中的场效应晶体管可为常规生物传感器中或可为n-金属氧化物半导体(n-MOS)或p-金属氧化物半导体(p-MOS)的互补金属氧化物半导体(CMOS)中常用的任何场效应晶体管。当基底21掺杂有n-型材料时，源极22a和漏极22b掺杂有p-型材料。反之，当基底21掺杂有p-型材料时，源极22a和漏极22b掺杂有n-型材料。
在场效应晶体管中，源极22a可供应载流子如自由电子或空穴，漏极22b可为由源极22a供应的载流子到达的区域，并且担当栅极的传感表面23a可控制源极22a和漏极22b之间的载流子的流动。
构成基底21的半导体可为硅，构成绝缘层23的电绝缘材料可为其上不会固定生物分子的任何材料，例如二氧化硅、氮化硅和金属氧化物中的一种。或者，可在绝缘层23上进一步形成由其上不会固定生物分子的其它材料组成的附加层。
场效应晶体管可形成在微通道中。此时，基底21可被包括在微通道的内壁中，栅电极24可被布置在微通道中或微通道的内壁上。
根据本发明的实施方案，可以使用相同的场效应晶体管通过比较样品的电信号来检测靶生物分子的存在。
在该方法中，将具有第一靶生物分子的第一样品提供到场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的第一电信号变化。
生物分子可为核酸或蛋白质。
“核酸”意指包括各种核酸、核酸类似物和它们的杂化物。例如，核酸可为DNA、RNA、肽核酸(PNA)、锁核酸(LNA)和它们的杂化物中的一种。核酸还可为寡核苷酸或聚合酶链式反应(PCR)产物，并优选PCR产物或纯化的PCR产物。
蛋白质可为酶、底物、抗原、抗体、配体、适配体和受体中的一种。
电信号可包括漏极电流、栅极-源极电压和源极-漏极电压中的至少一种。
然后，在提供第一样品后，可通过将不具有生物分子的溶液提供到传感表面和参比电极来洗涤场效应晶体管的传感表面和参比电极。该溶液可为电解质溶液。
然后，在同一场效应晶体管的传感表面和参比电极之间提供第二样品，并测量场效应晶体管的第二电信号变化。
第一样品可包含在模板和引物存在下由PCR扩增得到的产物，而第二样品可包含除了没有模板外和第一样品相同的PCR产物。第二样品还包括和第一样品浓度不同的PCR产物。
然后，将第一电信号和第二电信号进行比较。可根据靶生物分子的类型、特征和浓度以各种方式比较信号。例如，第一电信号和第二电信号之比可比较第一电信号和第二电信号采用下面的公式1进行计算。
公式1
比较信号＝(第一电信号)/(第二电信号)
在本发明的另一实施方案中，可以通过比较使用相同场效应晶体管的样品之间的电信号来检测靶生物分子的浓度。
上面描述了用于检测靶生物分子的浓度的场效应晶体管。
为了检测生物分子的浓度，在场效应晶体管的绝缘层和参比电极之间提供各自具有不同生物分子浓度的多个样品，并测量场效应晶体管的电信号变化。
生物分子可为核酸或蛋白质。上面描述了详细内容。
电信号可包括漏极电流、栅极-源极电压和源极-漏极电压中的至少一种。
然后，将具有未知的靶生物分子浓度的样品提供到同一场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的电信号变化。
在提供样品的步骤之间，场效应晶体管的栅电极可任选通过将不含生物分子的溶液提供至栅电极而进行清洗。
然后，将该靶生物分子的电信号变化和所述多个样品的电信号变化进行比较，并计算靶生物分子的浓度。
根据本发明实施方案的检测生物分子的方法可用于检测PCR产物。如果在样品中存在靶生物分子，就会发生PCR，但如果在样品中不存在靶生物分子，就不会发生PCR。使用所述方法通过检测PCR产物可检测样品中靶生物分子的存在和生物分子浓度。
在常规场效应晶体管中，由于场效应晶体管之间的灵敏度和效率不同，因此检测生物分子的误差几率高。但是，根据本发明实施方案的检测生物分子的方法能够克服在常规场效应晶体管中出现的问题。也就是，使用根据本发明实施方案的检测生物分子的方法可以准确和容易地检测生物分子。另外，由于生物分子不固定在场效应晶体管上，因此可简单地制造场效应晶体管，并降低了由附加过程引起的场效应晶体管之间的特征差异。
下文中，将参考下面的实施例更具体地描述本发明。下面的实施例用于说明性目的，并不意图限制本发明的范围。
实施例1
场效应晶体管类生物传感器的制造
使用X-FAB Semiconductor Foundries(德国)的XC-1.0um CMOS工艺制造场效应晶体管装置。在源极和漏极之间的通道上形成氧化硅，通过图案化氧化硅形成具有传感表面23a的绝缘层23，形成布置在传感表面23a的上方并与传感表面23a分开的参比电极24，以制造如图2所示的场效应晶体管。
然后，用纯丙酮和去离子水仔细洗涤包括暴露的传感表面23a和参比电极24的场效应晶体管的表面并进行干燥。在洗涤基底时，使用半导体制造工艺中使用的湿法(wet station)。然后，使用旋转干燥方法干燥基底。
实施例2
使用场效应晶体管类生物传感器检测PCR产物
确定实施例1中制造的4×12个场效应晶体管类生物传感器能否检测PCR产物。
为此，将PCR产物、洗涤缓冲液和阴性对照物(NTC)交替地提供到场效应晶体管类生物传感器上。
图3为将PCR产物、洗涤缓冲液和NTC交替地提供到本发明实施方案的场效应晶体管的传感表面和参比电极之间的过程示意图。参考图3，将校准溶液(calibrant solution)32、洗涤溶液33a、PCR产物34a、洗涤溶液33b、NTC 35a、洗涤缓冲液33c、PCR产物34b、洗涤溶液33d、NTC 35b和洗涤缓冲液33e提供到至少一个场效应晶体管类生物传感器31上。
在实施例中使用0.1mM NaOAc作为校准溶液。
使用校准溶液等同地设定场效应晶体管的条件。
在实施例中使用0.01mM磷酸盐缓冲液(pH 6.04)作为洗涤溶液。
通过PCR扩增来扩增作为模板的金黄色葡萄球菌，得到在实施例中使用的PCR产物。正向引物的碱基序列为5’-(TAG CAT ATC AGA AGG CACACC C)-3’，反向引物的碱基序列为5’-(ATC CAC TCA AGA GAG ACA ACATT)-3’。扩增的PCR产物具有240bp的大小，包括PCR产物的磷酸盐缓冲液的pH为6.47，PCR产物的浓度为5ng/μl。
此外，使用NTC溶液除去PCR中的模板并抑制产生PCR产物，由此鉴定对PCR产物之外的物质的抑制。以与实施例1相同的方式进行PCR，除了不添加模板。由于在PCR之后不发生PCR扩增，因此PCR产物的浓度是未知的。该实验有意针对由于样品中不包含靶DNA未进行PCR的情况。
将PCR产物、洗涤缓冲液和阴性对照物(NTC)交替提供到根据图3所示过程中的场效应晶体管的传感表面和参比电极之间。使用公式2计算从48个相同的场效应晶体管类生物传感器中得到的PCR产物的电流变化和NTC的电流变化的平均值和标准偏差。结果显示在表1中。
公式2
比较电流＝(PCR产物的电流变化)/(NTC的电流变化)
测量了包含PCR产物的溶液和洗涤溶液之间的pH差异是否影响电流变化。PCR产物和洗涤溶液之间的pH差异为0.43，因此，因pH差异而引起的电流变化可以忽略。
如表1所示，根据所述方法有效地检测了PCR产物和NTC，且结果是有意义的，因为标准偏差低。
比较例1
使用场效应晶体管类生物传感器检测PCR产物
以和实施例1相同的方式进行实验。使用公式2计算从48个相同的场效应晶体管类生物传感器中的任意两个所得到的PCR产物的电流变化和NTC的电流变化的平均值和标准偏差。结果显示在表1中。
如表1所示，根据所述方法未有效地对PCR产物和NTC进行检测，因为标准偏差过高。
表1
    平均值     标准偏差
    实施例2     4.28     1.78
    比较例1     4.94     4.03
实施例3
使用场效应晶体管类生物传感器检测PCR产物的浓度
确定实施例1中制造的场效应晶体管类生物传感器能否检测PCR产物的浓度。
为此，将各自具有不同浓度的多种PCR产物和洗涤缓冲液交替提供到场效应晶体管类生物传感器。
图4A为将各自具有不同浓度的多种PCR产物和洗涤缓冲液交替提供到本发明实施方案的场效应晶体管的传感表面的过程示意图。参考图4A，将10ng/μl PCR产物42、洗涤溶液43a、5ng/μl PCR产物44、洗涤溶液43b，1ng/μl PCR产物45、洗涤溶液43c、5ng/μl PCR产物46、洗涤溶液43d、0.25ng/μl PCR产物47和洗涤溶液43e提供到至少一个场效应晶体管类生物传感器41上。
洗涤溶液和PCR产物和实施例1所用的相同。
图4B为图示当将各自具有不同浓度的多种PCR产物和洗涤缓冲液交替地提供到图4A所示的场效应晶体管的传感表面时的电压变化的图。
参考图4B，PCR产物的浓度和表面电流的变化有关系。因此，将未知浓度的PCR产物提供至同一场效应晶体管以获得表面电流变化。然后，将表面电流变化与图4B的值进行比较，得到PCR产物的浓度。
根据本发明的检测生物分子的方法，使用参照场效应晶体管和传感场效应晶体管可以克服由于常规场效应晶体管之间灵敏度和效率不同而在常规场效应晶体管中出现的误差几率高的问题。也就是，使用根据本发明的检测生物分子的方法可以准确和容易地检测生物分子。此外，由于生物分子不固定在场效应晶体管上，因此可简单地制造场效应晶体管，并可降低由附加过程引起的场效应晶体管之间的特征差异。
尽管参考本发明的示例性实施方案具体说明和描述了本发明，但本领域的普通技术人员可理解，在不背离如下面的权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (14)

1.一种使用相同场效应晶体管检测靶生物分子的方法，该方法包括：
将具有第一靶生物分子的第一样品提供到场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的第一电信号变化；
将第二样品提供到同一场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的第二电信号变化；以及
比较第一电信号和第二电信号，
其中场效应晶体管包括：由半导体材料组成的基底；在基底上分开形成并被掺杂具有与基底相反的极性的源极区域和漏极区域；布置在源极区域和漏极区域之间的通道区域；布置在通道区域上并具有传感表面的绝缘层；和布置在绝缘层上方并与其分开的参比电极。
2.权利要求1的方法，还包括在将第二样品提供到场效应晶体管的传感表面前用不具有生物分子的溶液洗涤场效应晶体管的传感表面。
3.权利要求1的方法，其中电信号包括选自漏极电流、栅极-源极电压和源极-漏极电压中的至少一种。
4.权利要求1的方法，其中生物分子为核酸或蛋白质。
5.权利要求4的方法，其中核酸为聚合酶链式反应(PCR)产物或纯化的PCR产物。
6.权利要求1的方法，其中第一样品包含在模板和引物存在下由PCR扩增得到的产物，而第二样品包含除了没有模板外和第一样品相同的PCR产物。
7.权利要求1的方法，其中第一电信号和第二电信号之比是比较第一电信号变化和第二电信号变化而计算的。
8.权利要求1的方法，其中半导体材料是硅，电绝缘材料选自二氧化硅、氮化硅和金属氧化物。
9.一种使用相同场效应晶体管检测靶生物分子的方法，该方法包括：
将各自具有已知不同的生物分子浓度的多个样品提供到场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的电信号变化；
将具有未知的靶生物分子浓度的样品提供到场效应晶体管的传感表面并测量场效应晶体管的电信号变化；以及
比较靶生物分子的电信号变化和该多个样品的电信号变化并计算靶生物分子的浓度，
其中场效应晶体管包括：由半导体材料组成的基底；在基底上分开形成并被掺杂具有与基底相反的极性的源极区域和漏极区域；布置在源极区域和漏极区域之间的通道区域；布置在通道区域上并具有传感表面的绝缘层；和布置在绝缘层上方并与其分开的参比电极。
10.权利要求9的方法，还包括在将每个样品提供到场效应晶体管的传感表面前用不具有生物分子的溶液洗涤场效应晶体管的传感表面。
11.权利要求9的方法，其中电信号包括选自漏极电流、栅极-源极电压和源极-漏极电压中的至少一种。
12.权利要求9的方法，其中生物分子为核酸或蛋白质。
13.权利要求12的方法，其中核酸为PCR产物或纯化的PCR产物。
14.权利要求9的方法，其中半导体材料是硅，电绝缘材料选自二氧化硅、氮化硅和金属氧化物。
CNA2007100936810A 2006-04-03 2007-04-02 在栅极传感表面上使用相同场效应晶体管检测生物分子的方法 Pending CN101051038A (zh)

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