CN101118235B - 一种微量电荷的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量微量电荷的装置以及利用该装置测量微量电荷的方法。基于传统的场效应管进行改进，源极(5)和漏极(6)之间没有栅极，电介质层(2)中掺入75％Q_id至125％Q_id之间的电荷数量，探针(4)固定在电介质层(2)上，其中，本发明涉及的测量微量电荷的方法，测量步骤包括：利用本发明装置，在栅极(7)和衬底(1)之间加电压；在源极(5)和漏极(6)之间加固定的偏置电压，测出源极(5)和漏极(6)之间的电流；加入反应物与探针(4)，反应释放出被测电荷；调整栅极(7)和衬底(1)之间的电压偏置，以保证源极(5)和漏极(6)之间的电流不变；测量栅极(7)偏置电压的变化量；计算出电介质层(2)表面的微量电荷。

Description

一种微量电荷的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微量电荷测量方法及装置，尤其涉及一种生化领域特异反应的微量电荷测量方法及装置。

背景技术

对生物和化学成分的探测，识别或量化，主要是利用它们的特异性反应这一性质，比如DNA分子杂交，抗原抗体反应等。一般通过采用放射性，荧光，染色或者类似的酶标记反应物来实现。但是，这些传统方法耗时且难以操作，所以重复性和实时性不高。由于，被探测物发生特异性反应的过程中会产生一些附加信号，例如温度，电荷变化等，所以，利用一个探测器将某一特定的附加信号转化并放大成宜于探测的物理信号，例如：厚度，折射率，电特性变化等，可以及时了解特异反应的相关情形。特异性反应的特点是一种反应物只能与特定的另一种反应物发生反应，而不能与其他的反应物发生反应，例如两条互补DNA单链的配对，或者抗原抗体的反应等。

在生化领域进行的特异反应中，通过测量反应过程中产生的电荷，可以准确掌握正在进行的特异反应的情况，进而识别量化反应物。但是，对微量电荷的测量一直是测量领域存在的技术难题，尤其是对微小电荷量的实时测量，在现有的测量方法中，所需要的装置较为复杂，并且精度较低。

美国专利US5,869,244和美国专利US6,803,229公开了利用比较被探测物与探针杂交前后整个装置的阻抗变化来间接测量被测物的方法：在测量时通过外加低频信号，测出场效应管工作在积累、耗尽及反型等三个状态下的栅极电流，从而得出装置阻抗值。这种通过测量栅极电流，算出被测物反应前后阻抗相对栅极电压变化量，从而得出被测物情况的方法，对配套的信号处理工具要求较高，导致装置复杂，而且测量计算过程都比较繁琐。

发明内容

本发明的目的是，提供一种可以准确测量微量电荷的装置，尤其是测量生化领域特异反应过程中产生的微量电荷的装置，通过改进的场效应管，将微弱的电荷信号转换成较强的电信号，结构简单，测量精度高。

本发明的另一个目的是，提供一种可以准确测量微量电荷的方法，尤其适用于测量生化领域特异反应过程中产生的微量电荷。该方法通过利用场效应原理，将微弱的电荷信号转换成较强的电信号，测量精度高，操作简单。

本发明方案的一种测量微量电荷的装置，基于传统的场效应管进行改进，其特征在于，场效应管中源极和漏极之间的没有栅极，探针固定在电介质层上，通常采用自组织单层膜的方式，自组织单层膜的厚度与传统栅极金属厚度一样。探针为参与特异反应的一方反应物，当反应物与探针发生反应时则释放出被测电荷。在电介质层中掺入一定数量的电荷，掺入电介质层的电荷数量范围是75％Q_id至125％Q_id之间，其中Q_id为：

$Q_{\mathrm{id}}=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{\ϵ}}_s}{\mathrm{\β}{L}_D}{[(e^{-\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_{s1}}+\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_{s1}-1)+\frac{n_0}{p_0}(e^{\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_{s1}}-\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_{s1}-1)]}^{\frac{1}{2}}+Q_{\mathrm{ss}}$

其中， ${\mathrm{\ψ}}_{s1}={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fp}}=\ln \left(\frac{N_a}{n_i}\right)/\mathrm{\β},\mathrm{\β}=\frac{q}{\mathrm{kT}},L_D=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{q{p}_0\mathrm{\β}}}$

Q_id为注入电介质层的电荷浓度，Q_ss为衬底和电介质层界面态电荷浓度，φ_fp为衬底费米势，ε_s是衬底的介电常数，N_a为衬底掺杂浓度，n_i是衬底电子本征浓度，n₀为衬底电子浓度，p₀为衬底空穴浓度，Ψ_sl为衬底表面势，q为单位电荷量，T为温度，k为玻尔兹曼常数，L_D为德拜长度。对于Q_ss，通过测量器件的电容-电压关系来测出Q_ss是一种常规的工艺检测手段。

本装置更进一步的特征在于：电介质层表面还可以有基底。当电介质层表面有基底时，则探针以自组织单层膜的方式固定在基底。基底是由电介质材料制成，用二氧化硅具有良好的效果。

采用本发明装置进行微量电荷测量，操作步骤简单，测量精度高，在测量生化领域特异反应时具有很好的效果。

本发明方案的一种测量微量电荷的方法，利用本发明装置，其测量步骤包括：

A、测出衬底和电介质层界面态电荷浓度Q_ss的数值。Q_ss的数值是一个常量，是未去掉源极和漏极之间的栅极以前的数值。用C-V分析仪测出衬底—电介质—栅极结构的电容特性，即该结构的电容值随栅极电压变化的关系。通过比较衬底—电介质—栅极的实际结构(有界面态)与理想结构(没有界面态)的栅极电压的偏移量可以计算出Q_ss。通过测量器件的电容-电压关系来测出Q_ss是一种常规的工艺检测手段。

B、计算出在电介质层中掺入的电荷数量，掺入电介质层的电荷数量范围是75％Q_id至125％Q_id之间，其中Q_id为：

$Q_{\mathrm{id}}=\frac{\sqrt{2}{\mathrm{\ϵ}}_s}{\mathrm{\β}{L}_D}{[(e^{-\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_{s1}}+\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_{s1}-1)+\frac{n_0}{p_0}(e^{\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_{s1}}-\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_{s1}-1)]}^{\frac{1}{2}}+Q_{\mathrm{ss}}$

其中， ${\mathrm{\ψ}}_{s1}={\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fp}}=\ln \left(\frac{N_a}{n_i}\right)/\mathrm{\β},\mathrm{\β}=\frac{q}{\mathrm{kT}},L_D=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s}{q{p}_0\mathrm{\β}}}$

Q_id为注入电介质层的电荷浓度，Q_ss为衬底和电介质层界面态电荷浓度，φ_fp为衬底费米势，ε_s是衬底的介电常数，N_a为衬底掺杂浓度，n_i是衬底电子本征浓度，n₀为衬底电子浓度，p₀为衬底空穴浓度，Ψ_s1为衬底表面势，q为单位电荷量，T为温度，k为玻尔兹曼常数，L_D为德拜长度。

C、在电介质层中掺入步骤B中的电荷数量。

本发明向电介质层掺入电荷的方法是离子注入法，已经属于公知技术。

当引入上述数量的电荷时，可达到场效应的弱反型状态。达到弱反型状态后，被测电荷的微小变化就会引起平带电压较大的变化。平带电压的变化会引起整个结构的许多其他电学特性的改变，比如，栅极电压，电流，阻抗等，从而实现生化信号到电信号，微弱信号到强信号的转变。

当引入上述数量的电荷时，达到场效应的弱反型状态。这时，用探测器件可以对电介质层表面的微量电荷进行测量。

D、在电介质层上固定探针。探针为参与特异反应的一方反应物。探针固定在电介质层的方式通常采用自组织单层膜的方式，自组织单层膜的厚度与传统栅极金属厚度一样。自组织单层膜的固定方式是现有技术，为技术人员所熟知。

E、在栅极和衬底之间加电压。

F、在源极和漏极之间加固定的偏置电压，并用电流探测器探测源极和漏极之间的电流。

G、加入反应物与探针反应释放出被测电荷。

H、调整栅极和衬底之间的电压偏置，以保证源极和漏极之间的电流不变。

I、测量栅极偏置电压的变化量。

J、计算出电介质层表面的微量电荷。

Q_g＝Q_s-Q_id+Q_ss

其中，

当Ψ_s>0时取正号；当Ψ_s<0时，取负号，

$\mathrm{\&beta;}=\frac{q}{\mathrm{kT}},L_D=\sqrt{\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_s}{q{p}_0\mathrm{\&beta;}}}$

$V_g=V_{\mathrm{id}}+{\mathrm{\&psi;}}_S=\frac{Q_g}{C_{\mathrm{id}}}+{\mathrm{\&psi;}}_S$

$C_{\mathrm{id}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{id}}}{d_{\mathrm{id}}}$

其中：Q_s为衬底感应电荷浓度，Q_g为被测电荷浓度，Ψ_s为衬底表面势，V_g为栅极电压，V_id电介质层电势差，C_id电介质层电容，L_D德拜长度。

本测量方法进一步的特征在于：

电介质层表面还可以有基底。当电介质层表面有基底时，则探针固定在基底表面，探针和基底固定的方式通常采用自组织单层膜的方式，自组织单层膜的厚度与传统栅极金属厚度一样。基底是由电介质材料制成，用二氧化硅具有良好的效果。

当探针与反应物发生特异反应时，一般会产生电荷的微量变化，通过探测器件测出电流、电压等参数，则可以准确测量被测电荷，从而清楚地了解特异反应的进行程度。

采用本方法发明进行微量电荷测量，测量精度高。尤其在测量生化领域特异反应方面具有很好的效果。

附图说明

图1是本发明所属测量装置结构示意图。

具体实施方式

实施例1

请参见图1。如图1所示的一种利用场效应管测量微量电荷的装置，场效应管源极5和漏极9之间没有栅极。

衬底1为P型硅，电介质层2为二氧化硅层，基底3为二氧化硅层，栅极7为金属铝，探针4为寡聚核苷酸列硅烷—GGCTATTCGATATGGCTATTG，探针4以自组织单层膜的方式固定在基底3上。

计算出电介质层2掺杂的电荷浓度为Q_id＝9.768×10^-9q/cm³，实际掺入电荷为Q_id＝8.812×10^-9q/cm³。

实施例2

利用实施例1中的测量微量电荷的装置，参数如下：

q＝1.6021×10^-19C基元电荷量，ε_s＝1.03×10^-12衬底介电常数，

k＝1.38054×10^-23玻尔兹曼常数，T＝300K温度，

n₀＝4×10⁵/cm³衬底电子浓度，p₀＝1×10¹⁵/cm³衬底空穴浓度，ε_id＝3.4515×10^-13电介质层介电常数，d_id＝3×10^-7m电解质层厚度。

(1)使用590/1M C-V分析仪测量出衬底1和电解质层2界面态电荷浓度Q_ss＝1.6021×10^-9q/cm³；

(2)计算出掺入电介质层2掺杂的电荷浓度为Q_id＝9.768×10^-9q/cm³

(3)向电介质层2中掺入Q_id＝8.812×10^-9q/cm³浓度的电荷；

(4)在电介质层2固定二氧化硅基底3；

(5)在基底3上固定探针4，探针4为寡聚核苷酸列硅烷—GGCTATTCGATATGGCTATTG，浓度为1×10^-15mol/cm²；

(6)在栅极和衬底之间加电压0.075V；

(7)漏极和源极偏置电压0.5V，电流75微安；

(8)加入反应物：CCGATAAGCTATACCGATAAC，浓度为(12mg/ml)；

(9)调整栅极和衬底之间的电压偏置，以保证源极和漏极之间的电流不变；

(10)栅极电压变化量为0.1V；

(11)计算出电荷浓度为-2×10^-9q/cm²。

实施例3

利用实施例1中的测量微量电荷的装置，参数如下：

q＝1.6021×10^-19C基元电荷量，ε_s＝1.03×10^-12衬底介电常数，

k＝1.38054×10^-23玻尔兹曼常数，T＝300K温度，

n₀＝4×10⁵/cm³衬底电子浓度，p₀＝1×10¹⁵/cm³衬底空穴浓度，ε_id＝3.4515×10^-13电介质层介电常数，d_id＝3×10^-7m电解质层厚度。

(1)使用590/1M C-V分析仪测量出衬底1和电解质层2界面态电荷浓度Q_ss＝1.6021×10^-9q/cm³；

(2)计算出掺入电介质层2掺杂的电荷浓度为Q_id＝9.768×10^-9q/cm³

(3)向电介质层2中掺入Q_id＝12.21×10^-9q/cm³浓度的电荷；

(4)在电介质层2固定二氧化硅基底3；

(5)在基底3上固定探针4，寡聚核苷酸列硅烷—GGCTATTCGATATGGCTATTG(1×10^-15mol/cm²)；

(6)在栅极和衬底加电压0.025V；

(7)漏极和源极偏置电压0.5V，电流50微安；

(8)加入被测反应物：CCGATAAGCTATACCGATAAC(12mg/ml)；

(9)调整栅极和衬底之间的电压偏置，以保证源极和漏极之间的电流不变；

(10)栅极电压变化量为0.175V；

(11)电荷浓度为-3×10^-9q/cm²。

实施例4

利用实施例1中的测量微量电荷的装置，参数如下：

q＝1.6021×10^-19C基元电荷量，ε_s＝1.03×10^-12衬底介电常数，

k＝1.38054×10^-23玻尔兹曼常数，T＝300K温度，

n₀＝4×10⁵/cm³衬底电子浓度，p₀＝1×10¹⁵/cm³衬底空穴浓度，ε_id＝3.4515×10^-13电介质层介电常数，d_id＝3×10^-7m电解质层厚度。

(1)使用590/1M C-V分析仪测量出衬底1和电解质层2界面态电荷浓度Q_ss＝1.6021×10^-9q/cm³；

(2)计算出掺入电介质层2掺杂的电荷浓度为Q_id＝9.768×10^-9q/cm³

(3)向电介质层2中掺入Q_id＝7.326×10^-9q/cm³浓度的电荷；

(4)在电介质层2固定二氧化硅基底3；

(5)在基底3上固定探针4，寡聚核苷酸列硅烷—GGCTATTCGATATGGCTATTG(1×10^-15mol/cm²)；

(6)在栅极和衬底之间加电压0.01V

(7)漏极和源极偏置电压0.5V，电流63微安；

(8)加入被测反应物：CCGATAAGCTATACCGATAAC(12mg/ml)；

(9)调整栅极和衬底之间的电压偏置，以保证源极和漏极之间的电流不变；

(10)栅极电压变化量为0.09V；

(11)电荷浓度为-2.4×10^-9q/cm²。

Claims (11)

1.一种利用场效应管测量微量电荷的装置，其特征在于：源极(5)和漏极(6)之间没有栅极，电介质层(2)中掺入75％Q_id至125％Q_id之间的电荷数量，探针(4)固定在电介质层(2)上；其中Q_id为注入电介质层的电荷浓度：

其中，

Q_SS为衬底和电介质层界面态电荷浓度，φ_fp为衬底费米势，ε_s是衬底的介电常数，N_a为衬底掺杂浓度，b_i是衬底电子本征浓度，n₀为衬底电子浓度，p₀为衬底空穴浓度，ψ_s1为衬底表面势，q为单位电荷量，T为温度，k为玻尔兹曼常数，L_D为德拜长度。

2.一种如权利要求1所述的测量微量电荷的装置，其特征在于，探针(4)以自组织单层膜的方式固定在电介质层(2)上。

3.一种如权利要求1所述的测量微量电荷的装置，其特征在于，基底(3)固定在电介质层(2)，探针(4)以自组织单层膜的方式固定在基底(3)。

4.一种如权利要求3所述的测量微量电荷的装置，其特征在于，基底(3)由电介质材料制成。

5.一种如权利要求3或4之一所述的测量微量电荷的装置，其特征在于，基底(3)由二氧化硅材料制成。

6.一种利用权利要求1的装置测量微量电荷方法，测量步骤包括：

A、测出衬底(1)和电介质层(2)界面态电荷浓度Q_SS的数值；

B、计算出在电介质层(2)掺入的电荷数量，该电荷数量范围为75％Q_id至125％Q_id，

C、在电介质层(2)中掺入步骤B中的电荷数量；

D、在电介质层(2)上固定探针(4)；

E、在栅极(7)和衬底(1)之间加电压；

F、在源极(5)和漏极(6)之间加固定的偏置电压，并用电流探测器探测源极(5)和漏极(6)之间的电流；

G、加入反应物与探针(4)，反应释放出被测电荷；

H、调整栅极(7)和衬底(1)之间的电压偏置，以保证源极(5)和漏极(6)之间的电流不变；

I、测量栅极(7)偏置电压的变化量；

J、计算出电介质层(2)表面的微量电荷。

7.一种如权利要求6所述的微量电荷测量方法，其特征在于，探针(4)以自组织单层膜方式固定在电介质层(2)上。

8.一种如权利要求6所述的微量电荷测量方法，其特征在于，步骤E中，基底(3)固定于电介质层(2)，基底(3)上固定有探针(4)。

9.一种如权利要求8所述的微量电荷测量方法，其特征在于，探针(4)以自组织单层膜的方式固定在基底(3)上。

10.一种如权利要求8、9其中之一所述的微量电荷测量方法，其特征在于，基底(3)的材料是电介质。

11.一种如权利要求10所述的微量电荷测量方法，其特征在于基底(3)的材料是二氧化硅。

Images