CN103189741B - 化学感测器件 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括具有第一输出信号并配置为接收电输入的变换器。该变换器切换第一输出信号的开关状态。该装置包括耦合到变换器并配置为接收化学输入的化学感测表面。信号生成器使一个或多个所述输入振荡来改变变换器的切换点。振荡输入可以是化学输入和/或电输入。输出信号可以是其开关周期由化学输入调制的振荡输入所确定的脉冲。

Description

化学感测器件
技术领域
本发明涉及到化学感测器件。特别地，本发明可用于根据液体中离子浓度提供数字输出信号。本发明适用于核酸的鉴定和测序。
背景技术
此前出版物已经披露了离子敏感场效应晶体管（ISFET）检测靠近敏感表面的化学物质的能力。可通过检测化学反应的产物来确定目标分析物的存在。在一个实例中，离子敏感场效应晶体管（ISFET）可用于通过检测核酸末端由核苷酸插入引起的pH值变化来确定核酸模板的一个或多个部分的特性（identity）。通常在反应过程中释放氢离子（质子）。离子敏感场效应晶体管（ISFET）电信号的强度取决于释放的氢离子的量，该电信号表达为模拟输出信号，可以是电压信号或电流信号。
对于例如可用于DNA测序的大型离子敏感场效应晶体管（ISFET）阵列，发明人已经意识到处理这些模拟数据需要巨大的计算能力和千兆比特每秒的带宽。
另外，通常的方法需要精确的模拟读出电路，并且对寄生元件及环境电噪声敏感。高精度的大型模拟系统限制了处理速度和集成能力；从而制约了检测效率和可量测性。而且高性能前端接口电路会消耗大量的系统面积和功耗，使得片上数据处理不切实际。
发明人在本文中提出了能够解决上述一个或多个缺陷的新颖的半导体及方法。
发明内容
根据本发明第一方面提供了一种半导体器件，其包括具有第一输出信号并配置为接收电输入的变换器。变换器切换第一输出信号的开（ON）和关（OFF）状态。该器件包括耦合到所述变换器的化学感测表面，配置为接收化学输入。信号生成器使所述输入中的一个或多个振荡来改变变换器的开关点。
振荡输入可以是化学输入和/或是电输入。
输出信号可以是其开或关周期由化学输入调制的振荡输入所确定的脉冲。
信号生成器可以包括配置为释放或吸收化学物质的滴定电极，该化学物质影响化学感测表面检测的离子浓度。信号生成器还可以包括控制器，来向滴定电极提供振荡电流。
所述化学物质优选为氢离子和氢氧离子。
该信号生成器可以使化学输入信号振荡，以在第一周期使第一输出信号切换为开并且在第二周期切换为关。信号生成器也可以使电输入信号振荡，以使第一电输出信号在第一周期切换为开并且在第二周期切换为关；并且其中所述化学输入信号调制第一周期和第二周期的周期。
信号生成器可以将振荡电输入信号提供给包括在变换器中的晶体管的栅极、源极、漏极以及块体之一。
检测到的靠近化学感测表面的离子可以提供使变换器偏置的化学输入信号，以调制第一输出信号。
变换器可以包括连接到第二类型的第二晶体管的第一类型的第一晶体管，以形成CMOS反相器。化学感测表面可以耦合到第一晶体管和第二晶体管的栅极。该栅极可以是浮栅。
第一电输出信号可以提供给另外一个或多个晶体管以形成逻辑电路。
该装置还可以包括接收第一电输出信号的解调器，解调器提供表示化学输入信号幅度的第二数字输出信号。
该解调器可以是相位解调器或时间数字转换器（TDC）之一。
该装置还可以包括连接到第二输出信号的编码器，该编码器配置为提供包括2位二进制代码的第三输出信号。
优选地，信号生成器的振荡波形是锯齿波、正弦波或三角波中的一种。
根据本发明的第二方面提供一种使用根据第一方面的装置来确定液体中分析物的一种或多种成分的方法，包括：（i）向化学感测表面提供液体；（ii）使一个或多个输入振荡以提供调制的第一输出信号；（iii)解调调制的第一输出信号以提供表示第一离子浓度的第一数据；（iv）使分析物特定试剂和液体结合，由此如果试剂与分析物发生反应则产生离子；（v）使一个或多个输入振荡以提供调制的第一输出信号；（vi）解调调制的第一输出信号以提供表示第二离子浓度的第二数据；（vii）比较第一数据和第二数据以量化离子浓度的变化；（viii）然后将离子浓度的变化与阀值进行比较，以确定试剂是否与分析物发生反应，从而确定分析物的成分。
该方法可进一步包括解调第一和第二调制的输出信号以提供表示离子浓度的第一和第二数字输出信号，然后对第一和第二数字输出信号进行比较以量化液体中离子浓度的变化。
该方法还可以在（iv）之后进一步包括从液体中去除现存的试剂。事实上，还优选至少重复（ii）至（vi）以进一步确定分析物的成分。
该分析物优选是待测序的核酸模板，并且试剂是已知类型的核苷酸。因此优选地，离子浓度依据核苷酸是否插入到核酸模板中而改变。
离子浓度的改变理想地与插入到核酸模板中的核苷酸碱基数量相关。
编码器可提供表示所插入的核苷酸类型的2位二进制代码。
根据本发明第三方面提供了一种测量缓冲液中的离子浓度的方法，该方法包括：（i）从暴露于液体中的离子敏感场效应晶体管（ISFET）中监测电输出信号；（ii）从滴定电极向液体释放或吸收化学物质以改变所述离子浓度，直到输出信号达到预定阀值；以及（iii)确定释放或吸收的化学物质的量。
该方法可根据缓冲容量的知识和释放及吸收的化学物质的量来确定初始离子浓度。因此，该方法可进一步包括（iv）根据缓冲容量的知识和释放及吸收的化学物质的量来确定初始离子浓度。该方法还可以包括在两个不同的时间或以不同的液体来重复部分（ii）和（iii），然后：（iv）根据在每个部分(ii)释放或吸收的化学物质的量的差别的知识来确定初始离子浓度的差别，其中在每一部分（ii）之前缓冲容量基本相同。
该方法可在两个不同的时间或以不同液体来重复步骤（ii）和步骤（iii），然后（iv）根据在步骤（ii）释放或吸收的化学物质的量的差别的知识来确定初始离子浓度的差别，其中在每一步骤（ii）之前缓冲容量基本相同。该方法还可以包括通过滴定电极从液体吸收或向液体释放与所述化学物质基本相同的量来撤销步骤（ii）的影响。
因此，该方法还优选包括通过滴定电极从液体吸收或向液体释放与所述化学物质基本相同的量来撤销或部分地反转部分（ii）的影响。因此，该方法还优选包括通过第二滴定电极从液体中吸收或向液体释放与第二化学物质基本相同的量来撤销或部分地反转部分（ii）的影响。
优选地是部分（ii）的周期大于2秒，优选地大于5秒、10秒或30秒。
还优选地是部分（ii）的周期小于200秒，优选地少于100秒、60秒或50秒。
上述输出信号和离子浓度之间的关系优先为已知的。
优先地，阀值是以下之一：预定的输出信号的变化；预定的输出信号的变化率；或是输出信号从开到关或者从关到开而改变的状态。
离子浓度变化优选地取决于化学反应。释放或吸收的化学物质的量优选地被确定为控制器提供到滴定电极的总电荷。
本发明提供了一个简化的处理离子敏感场效应晶体管（ISFET）信号的架构，这增加了传感器的集成能力和加工到单一芯片的能力。在优选实施例中固有的模拟到数字转换不仅不再需要信号调节和模拟处理的几个步骤，而且相对现有技术器件还减少了与这些步骤相关联的电噪声。
因此，在另一方面，提供上述所讨论的装置的阵列。该阵列可包括多路复用器，其连接到每个器件以选择要解调的第一输出信号。优选地，在该阵列中的装置中所述变换器包括连接到第二类型的第二晶体管的第一类型的第一晶体管来组成CMOS反相器。优选地，所述阵列包括连接到每一个所述的第二晶体管的多路复用器来激活或停用各个器件。该阵列还可以包括CDMA处理器以对来自每个设备的输出信号进行编码，优选地使所述输出信号在单一通道中发送。
附图说明
本发明的具体实施例将仅通过示例的方式参照附图进行描述，在附图中：
图1是一个优选实施例的系统的框图；
图2示出了变换器的四种示意构造；
图3是示意性的读出电路；
图4示出了核酸反应的输出信号的曲线图；
图5示出了具有振荡化学输入的系统的输入和输出信号的曲线图。
具体实施方式
在包括本发明的系统中，典型地包括容纳传感器和信号处理器的半导体衬底，其由包括液体通道和一个或多个腔室的基片覆盖。这些腔室包含具有待测量离子浓度的液体。该离子浓度是恒定或可变的。这种变化可以是释放或吸收离子的化学反应的结果。此系统的检测极限通过a）掩蔽离子浓度变化的该液体中的缓冲量和b)需要离子电荷来形成电场以允许电流流动并可以检测到的晶体管的电特性来进行控制。这些可以看做是要超过的阀值。在本发明中，将受控的振荡信号提供给系统，该振荡信号与化学/离子信号相结合超过一个或两个阀值以提供可检测的输出信号。受控信号的影响被从输出信号中扣除以确定化学信号贡献的影响。随着时间的推移通过振荡被控信号对系统的净影响变为零。振荡信号理想化地在一部分周期内连续变化，以便确定超过阀值的点。
在一实施例中，振荡信号是一种提供到液体中的化学物质，用来改变缓冲液内的离子浓度。在另一实施例中，振荡信号是一种提供到传感器变换器的电信号，用来改变电操作点。这些实施例的结合是可以设想的并且落在本发明范围内。
在这样一个系统中化学信号可以视为对输出信号进行调制并且是以一种高效的形式进行调制以用于数据处理。理想地，化学物质浓度转换成数字信号以便进一步处理。该信号处理可以由硬件或软件来执行。
电振荡
图1示出了示例性系统的框图。包括分析物的浓度（包括分析物不在样本中的零浓度）的液体样本与离子敏感场效应晶体管（ISFET）的化学感测表面接触，ISFET将分析物的浓度转换为模拟电信号。变换器将化学信号转换为模拟信号。变换器连接到振荡信号输入。该化学信号及振荡信号结合以产生振荡输出信号。如果变换器包括形成部分CMOS反相器的离子敏感场效应晶体管（ISFET），则变换器将开、关以产生如图所示的脉冲输出信号。模拟化学信号有助于调制输出信号使得相位移动或脉冲宽度改变。这种变化表示化学物质的浓度。然后时间数字转换器或相位解调器对脉冲信号进行解码并输出数字信号。振荡输入信号的贡献可被扣除从而留下纯化学贡献。这些信号可以预处理并存储在存储器中。时间数字转换器可以为以下类型：Jianjun Yu et al,12-Bit Vernier Ring Time-to-DigitalConverter in0.13μm CMOS Technology,IEEE JOURNAL OFSOLID-STATE CIRCUITS,VOL.45,NO.4,April2010；或Gordon W.Roberts,A Brief Introduction to Time-to-Digital Digital-to-Time Converters,IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS ANDSYSTEMS II:EXPRESS BRIEFS,VOL.57,NO.3,March2010。
如下文进一步讨论，信号可代表一系列片段化DNA链的核苷酸合并反应，在此情况下，通过映射算法单元进一步处理信号以测定完整的DNA序列。
在一个实施例中，如图2a所示，化学感测层23耦合到由布置成反相器的两个晶体管（24和25）共用的浮栅20。输出22连接到漏极。栅极上的电压将具有打开一个晶体管并关闭另一个晶体管的作用，使得输出在本质上为数字的。对该构造及操作的进一步参考见申请PCT/IB2011/002376。其它器件及方法可扩展到使用块体（bulk）输入调制的2（b）或2（c），或使用伪CMOS逻辑的2（d）。
通过将信号生成器连接到晶体管终端，可以偏置该晶体管以使输出为预定形式，从而使得化学信号能够如期望地调制输出。振荡信号可以由电容性地耦合到晶体管栅极的半导体衬底中的信号生成器提供。例如来自信号生成器的振荡信号能够将晶体管电偏置为在设置周期内开和关，任何化学信号与该偏置累加来调制这些周期。典型地，振荡的电压将在Vss和Vdd之间持续改变。例如，信号可以在0V到3.3V之间改变。优选锯齿波、正弦波或三角波。振荡信号的频率被诸如扫描阵列的频率、观察到的化学反应的时间间隔以及数字输出信号检测离子浓度的变化所需的分辨率等因素来决定。
离子敏感场效应晶体管（ISFET）反相器可以由特定频率的公用或单独信号来驱动，输出信号相位将由氢离子或其他目标离子的浓度调制。基本变成了化学调制的数字信号的输出信号大大地简化了读出和处理模块，而且不受大多数电气噪声的影响。
变换器和腔室的数量取决于实际应用，不过在优选的实施例中可以是一组超过10、超过100、超过1000、超过10000、超过100000、或超过1000000的阵列。在实际应用中需要更多的变换器并且典型地腔室的尺寸会更小。在优选的实施例中，腔室的容量小于1ml、小于10ul、小于100nl、小于30nl、小于1nl或小于100pl。
码分多址（CDMA）技术也可纳入到系统中以根据变换器阵列的每一变换器像素来编码数据，允许所有像素数据发送到单一通道。
由于是简化的读出系统，本发明的方法和器件可以广泛地实施于不同的技术领域，如离散玻璃离子敏感场效应晶体管（ISFET）或基于CMOS的离子敏感场效应晶体管（ISFET）。为了大规模的集成目的，可优选基于离子敏感场效应晶体管（ISFET）的CMOS并在下文描述以进一步解释其实施。
与图2（a）的实施例对比，振荡信号可连接到图2（b）示出的块体。图2（c）示出了器件行的第三实施例，其中化学感测表面耦合到单一FET（场效应晶体管），反相器的第二FET的由行选择信号26来切换开和关状态。对于二维变换器阵列，图2（d）示出的实施例是期望得到的。
在图2（d）中，单个像素具有感测晶体管、导通晶体管和选择晶体管。选择晶体管可用于控制单行或单列的末级输出22。行选择控制26或列选择控制27都可连接到振荡信号。由于输出信号是数字的，晶体管的尺寸可进一步缩小到亚微米级，并且仅受化学设置（chemical setup）的限制。在这些配置中，由于使用数字输出，信号损耗和失真可忽略不计。
所有变换器像素可共用同一缓冲器和同一前端读出。然而，为进一步加快处理速度，一行（或一列）中的变换器能够共享同一读出通道。在每一读出通道，数字脉冲通过数字反相器（或位缓冲器）来缓冲。图3示出了读出相位调制脉冲信号并输出数字序列的计数器系统。
时间数字转换器的输出将被截短至表示化学信号的变化的较短长度。这种构造可减少处理的数据和需要的存储器。例如，通常具有12位分辨率的整个输出可以减少到4位并存储在存储器中。基数（base line）将视为共用信号并存储。因此针对每一像素，所需的最大数据是基本计数乘以4位加上10位共模信号。
核酸检测与识别的应用
在基因检测领域中，期望鉴别核酸（诸如DNA和RNA）的一个或更多核苷酸。典型地，核酸单链用探针退火（anneal）直到或包括要识别的核酸中一个点。核苷酸将并入到探针的3’端来延长链。这种合并反应已证明可释放出氢离子，其可以通过具有适当处理过的感测表面的离子敏感场效应晶体管（ISFET）检测到。例如，表面可以是氮化硅、二氧化硅、氧化钽或已知对氢离子敏感的其他物质。
核苷酸仅在其与相对的核苷酸互补时才可以合并。通过将所添加的已知化合物（例如核苷酸dATP、dNTP、dTTP、dGTP的类型，或等位基因特异性探针）与输出信号的变化（或其缺位）相关，可以识别核酸上关注点的核苷酸。此应用及实施的细节在专利申请US11/625844、专利US7686929和US7888015中描述，通过引用并入本文中。
测序
作为识别核酸中单一核苷酸碱基的延伸，期望能够识别几十到几百个核苷酸碱基的序列。
在已知为射击枪的方法中，整个DNA链切割成小片段，并复制以增加检测冗余。这些片段被分割到传感器像素阵列中。因此每一像素数据表示一个DNA小片段的复制本。识别碱基序列的重叠（即存储器中数据的相似性），提供完整的DNA碱基序列。这种比较可以由数字逻辑实施，即XOR、AND、NOR、NAND等实施。数字处理模块可基于比较结果把序列联系起来。该处理可以与感测功能并行执行，将映射结果反馈到预处理部分，从而减少计算的复杂性和对存储器的需求。
结果
图4示出了基于6个碱基长度的DNA的仿真结果，其中曲线图示出了（a）在整个反应周期（16秒）中每4个传感器的碱基引入次序（base calling order）和碱基延伸（base extension）以及（b）每个传感器在单一反应（2秒）中的振荡参考信号和调制的输出信号。
下面描述一种测序方法的示例性仿真，如图4所示。在下表中给出的设置参数和输出示出了简化的处理结果。要识别的核酸（TGACCC）被复制并切割以提供四个片段（片段1、2、3、4），其中每一片段置于一个腔室内，每一腔室具有一个传感器（传感器1、2、3、4）。通常在一个腔室内具有数百万的给定片段的相同复制本。探针连接到每一片段但不包括图示的碱基。为简单起见探针未被示出。
添加的核苷酸的次序（碱基引入次序）是dATP、dCTP、dTTP、dGTP（A、C、T、G），反复进行直到每个片段完全延伸。液体最初设置为pH7并且在添加每个碱基之后复位到pH7。
在这种情况下，每2秒钟一个新的碱基按上述给定次序添加到每个腔室内。如果添加的碱基与相对的碱基片段互补，则发生延伸以释放氢离子。对于每一碱基延伸，释放的氢离子将引入特定的pH降低。在本实例中，每延伸一个碱基下降0.2pH。这个pH值将直接被输出信号反映，该输出信号的调制宽度和相位与pH值的变化相关（图4（b））。需要注意的是，在使用了反相器的情况下，更多的碱基延伸导致更多的离子释放，减少了输出信号开的周期。
传感器的振荡输入信号是如图4（b）所示的三角波，其具有高于碱基增加率的频率，优选地高于能够被检测到的最小变化率。
通过去除初始脉冲宽度（即在pH7处），可以从此信号中提取pH值的变化量。通过将pH值变化除以每个碱基的变化率（本实例中为0.2pH/每碱基），可以转换成延伸的碱基数量。参见图4（a）中的传感器输出。在现实中，pH值的变化对延伸碱基不是线性的，pH值的变化在反应中也不是瞬时和稳定变化。
通过将已知碱基的增加与延伸计数相关，可以识别每个片段的次序。每个片段的碱基可以由编码器提供的2位二进制代码表示（例如，00=A，01=T,10=G,11=C）。最终，识别的片段用已知的映射技术重新组装（没有示出）：
例如，在碱基添加的4秒周期内，来自延伸反应的pH值变化可持续1秒。为了测量变化，捕捉pH值变化的峰值和宽度，以1秒的周期采样pH值10次。在4秒的反应窗口内开（ON）周期的宽度将发生改变。碱基延伸的量将涉及复杂的算法，利用最小脉冲宽度、平均脉冲宽度及脉冲宽度的总和等。
可以看出，输出次序可以很容易地根据该方案得出。
系统优选实施例的优点在于：
-通过使用新颖的离子敏感场效应晶体管（ISFET）构造，单一检测像素的总晶体管数量可减少到两个（包括选择晶体管）；
-不需要模拟处理电路。
输出不受转换时间和数字处理电路引入的大多数电气噪声的影响。
由于采用数字逻辑可以进一步减小晶体管的尺寸，并可以忽略晶体管的不匹配。
处理模块和存储器模块可以集成到单一芯片上。
由于所有的检测是同步的，因此可以针对所有像素精确触发测序和比较。测序与反应可以同时执行，极大地减少了处理时间并提高了处理精度。
在一个实施例中，在每一核苷酸插入步骤之前对参考信号进行复位，以补偿任意背景离子浓度（例如，从之前插入步骤中剩余的离子浓度）。复位的参考信号与背景化学信号一起产生一致的预插入参考输出信号，后续对输出信号的任何调制表示当前的核苷酸插入步骤所带来的浓度变化。
除了核酸测序外，该器件还可用于识别其他化学物质。例如，可以使用与分析物特定试剂进行的步进（或重复）反应来识别具有几种类型变化的可识别元素的复杂分子。该数字输出将识别确切的分子类型。
化学振荡
如上述所讨论的，在实施例中对系统的化学输入可以被受控的化学信号所改变，以使初始离子浓度对输出信号起调制作用。可在一定范围内扫描这种组合的化学信号，来检查a）缓冲液内的离子浓度以及b）检查晶体管的电工作点（亚阀值区、线性区、饱和区）。当初始离子浓度处在缓冲容量之内时适用前者，使得任何小的变化将被缓冲液掩蔽。后者可利用反相器如上文所述进行操作，以建立其宽度被初始离子浓度调制的输出脉冲。可以结合两种效果，使得添加的滴定液将离子浓度操作点移动至超过缓冲容量并穿过反相器的切换点。
图5例示了上述效果。在图5（a）中，在第一周期将受控量的滴定液加入到液体中，并在第二周期去除。这样对系统的净化学影响是零。图5（b）中两种情况的pH值绘制在相同周期。在第一种情况（实线）中，氢离子的浓度小于缓冲容量，因此需要较长时间来出现可检测的pH值变化。在第二种情况（虚线）中，氢离子浓度大于缓冲容量，因此出现可检测pH值变化的时间较短。随着离子浓度超过缓冲容量，相对每份添加的滴定液的pH值变化率增加。这可看做是水平缓冲线之后的陡坡。
初始离子浓度可以通过时间（添加滴定液的量）来进行测量，直到斜率达到阀值斜率或pH值变化超过某一阀值。在时间与浓度之间显然存在相反关系。此关系可以由化学系统模型来确定或经验确定。该关系可以作为查找表存储在存储器中。
图5（b）中pH值可用于从被检测和测量的离子敏感场效应晶体管（ISFET）中产生模拟输出信号。还可以形成上述离子敏感开关，其中两个FET布置为反相器，其在离子浓度超过某一阀值（标识为图5（b）中上方的水平线）时被偏置而进行切换。这样输出为开或关，其中开的周期取决于如图5（c）所示的初始离子浓度。
自然地滴定反应是缓慢的，因此在优选实施例中振荡周期大于2秒，优选地大于5秒、10秒或30秒。然而，周期不应该太长以错过离子浓度的变化或拖慢检测速度。因此在优选实施例中，振荡周期少于200秒，优选地少于100秒、60秒或50秒。
当滴定的离子浓度（T）加初始离子浓度（I）大于缓冲容量（B）时可以达到阀值。
在离子浓度的变化被检测到的情况下，在第一时间使用上面讨论的并在图5中示出的各步骤来确定初始离子浓度。在第二时间重复这些步骤来确定需要更多还是更少的滴定液以达到阀值。
在时间1，当T1+I1>B时达到阀值；
在时间2，当T2+I2>B时达到阀值；因此（不考虑缓冲容量（可能是未知的））：
I1-I2=△I=T2-T1
因此，根据在每个时间达到阈值所需的滴定量可以得知初始离子浓度的变化。
在仅测量初始离子浓度一次的情况下，滴定可以是单向的，使得滴定液在第一周期加入或去除，但是其影响无法在第二周期反转（reversed）。为了测量绝对初始离子浓度，必须知道液体的缓冲容量和超过容量达到阀值所添加的滴定液的量（例如，斜坡或变化）。
即：B-T=I。
在任一种情况下，滴定电极可操作为添加或释放化学物质，该化学物质影响将被检测的离子浓度。这种影响可能是从初始浓度增加或减少离子浓度。
添加的滴定液不必是预定量，而可以是添加直到达到某一阀值。在这种情况下计算添加的量。
可以通过将滴定电极暴露于液体中来完成滴定。电极连接到提供受控量的电流的控制器上。通过计算电流对时间的积分得到已知电荷量，它与电极释放或吸收的滴定量成比例。滴定电极可以是B.Vander Schoot等人在Titration-on-a-chip,chemical sensor-actuator systems from idea to commercial product,Sensors and Actuators B105(2005)88-95中所描述的类型。
带负电荷的电极上的滴定反应可以表示为：
2H20+e-→H2(气体)+20H-，其具有升高pH值的作用。
带正电荷的电极上的滴定反应可以表示为：
2H20-e-→O2(气体)+4H+，其具有降低pH值的作用。
虽然已经针对上述优选实施例描述了本发明，但应了解这些实施例仅为示例性，权利要求不限于这些实施例。所属领域技术人员能够基于公开内容做出修改和替换，这些修改和替换也落入所附权利要求的范围内。例如，连接可以是直接连接或间接连接，视情况而定。本说明书公开或说明的每一特征都可以与本发明结合，无论是单独出现还是与本文公开或说明的其他特征任意结合而出现。

Claims (25)

1.一种半导体器件，包括：
变换器，其提供第一电输出信号并配置为接收电输入信号，该变换器依靠所述电输入信号和化学输入信号切换第一电输出信号的开关状态；
耦合到变换器的化学感测表面，用于接收所述化学输入信号；以及
信号生成器，用于使所述化学输入信号振荡来改变变换器的切换点并且使所述第一电输出信号在第一周期切换为开并且在第二周期切换为关。
2.根据权利要求1的半导体器件，其中信号生成器包括滴定电极，该滴定电极配置为释放或吸收化学物质，所述化学物质影响由化学感测表面检测到的离子浓度。
3.根据权利要求2的半导体器件，其中所述信号生成器还包括控制器，用来向滴定电极提供振荡电流。
4.根据权利要求2或3的半导体器件，其中所述化学物质是氢离子或氢氧离子。
5.根据权利要求1的半导体器件，其中检测到的靠近化学感测表面的离子提供使变换器偏置的化学输入信号，以调制第一电输出信号。
6.根据权利要求1的半导体器件，其中所述变换器包括连接到第二类型的第二晶体管的第一类型的第一晶体管，以形成CMOS反相器。
7.根据权利要求6的半导体器件，其中所述化学感测表面耦合到第一晶体管和第二晶体管的栅极。
8.根据权利要求7的半导体器件，其中所述栅极是浮栅。
9.根据权利要求1的半导体器件，其中所述第一电输出信号提供给另外一个或多个晶体管，以组成逻辑电路。
10.根据权利要求1的半导体器件，还包括接收第一电输出信号的解调器，所述解调器提供表示化学输入信号的幅度的第二数字输出信号。
11.根据权利要求10的半导体器件，其中所述解调器从下列组中选择：相位解调器或时间数字转换器(TDC)。
12.根据权利要求10的半导体器件，还包括连接到第二数字输出信号的编码器，该编码器配置为提供由2位二进制代码组成的第三输出信号。
13.根据权利要求1的半导体器件，其中所述信号生成器提供如下振荡波形之一：锯齿波、正弦波或三角波。
14.由前面任一权利要求的半导体器件构成的阵列。
15.根据权利要求14的阵列，包括连接到每一器件的多路复用器，用于选择要被解调的第一电输出信号。
16.由权利要求6的半导体器件构成的阵列，包括连接到每个第二晶体管以激活或停用各个器件的多路复用器。
17.根据权利要求15或16的阵列，还包括CDMA处理器，用来对每个器件的输出信号进行编码。
18.根据权利要求17的阵列，其中所述CDMA处理器使所述输出信号能够在单一通道中发送。
19.用于确定液体中分析物的一种或多种成分的方法，包括：
(i)向化学变换器提供液体；
(ii)使变换器的化学输入信号振荡以切换第一电输出信号的开关状态，其中所述液体中离子浓度调制所述第一输出信号的开关状态的脉冲宽度；
(iii)将分析物特定试剂与该液体结合，由此若试剂与所述液体中的分析物发生反应则产生离子；
(iv)使变换器的一个或多个化学输入信号振荡以切换第二电输出信号的开关状态，其中所述液体中所述离子浓度调制所述第二输出信号的开关状态的脉冲宽度；
(v)比较所述第一与第二输出信号，来量化液体中离子浓度的变化；以及
(vi)将离子浓度的变化与阀值对比以确定分析物是否与试剂发生反应，从而确定分析物的成分。
20.根据权利要求19的方法，进一步包括解调调制的第一和第二输出信号以提供表示离子浓度的第一和第二数字输出信号，然后比较该第一和第二数字输出信号以量化液体中的离子浓度变化。
21.根据权利要求19或20的方法，还包括在(iv)之后从液体中去除现存试剂。
22.根据权利要求19或20的方法，还包括重复(ii)至(vi)以确定分析物的其他成分。
23.根据权利要求19或20的方法，其中分析物是待测序的核酸模版而试剂是已知类型的核苷酸，并且其中离子浓度变化取决于核苷酸是否插入到核酸模版上。
24.根据权利要求23的方法，其中离子浓度的变化与插入核酸模版上的核苷酸碱基的数量相关。
25.根据权利要求22的方法，编码器提供表示插入的核苷酸的类型的2位二进制代码。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9702846B2 (en) 2013-11-08 2017-07-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biosensor device and related method
JP6239665B2 (ja) * 2016-03-16 2017-11-29 株式会社東芝 半導体装置
JP7231963B2 (ja) * 2017-02-21 2023-03-02 国立大学法人山形大学 電気化学計測装置
CN110208676A (zh) * 2019-05-20 2019-09-06 西北工业大学 前端读出集成电路的等效噪声电荷测试电路及测试方法
CN112880401A (zh) * 2019-11-29 2021-06-01 科德尔科股份公司 用于测量熔炼炉中白金属中铜的百分比的系统
US11614421B2 (en) * 2020-05-08 2023-03-28 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. BioFET system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101292156A (zh) * 2004-07-13 2008-10-22 Dna电子有限公司 包括离子敏感场效应晶体管的信号处理电路以及监控流体属性的方法

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4478914B1 (en) * 1980-01-24 1997-06-17 Roger W Giese Process for applying multiple layers of a protein and a ligand extender to a surface and to the multiple layer system
US4488556A (en) * 1982-06-03 1984-12-18 Critikon, Inc. AC Mode operation of chemfet devices
JPS60230038A (ja) * 1984-04-27 1985-11-15 Hochiki Corp 光電式アナログ煙感知器の受光回路
US4735906A (en) * 1984-11-28 1988-04-05 Texas A&M University Sensor having piezoelectric crystal for microgravimetric immunoassays
US4716448A (en) * 1985-09-03 1987-12-29 Kelly Kevin A CHEMFET operation without a reference electrode
GB8522207D0 (en) * 1985-09-06 1985-10-09 Kodak Ltd Ion-sensitive electrochemical sensor
GB8528794D0 (en) * 1985-11-22 1985-12-24 Emi Plc Thorn Buffer compensation in enzyme
GB2200999B (en) * 1987-02-06 1990-05-09 Emi Plc Thorn Surface impedance measurement devices
US4847193A (en) * 1987-06-18 1989-07-11 Gene-Trak Systems Signal amplification in an assay employing a piezoelectric oscillator
FR2620868B1 (fr) * 1987-09-22 1994-03-25 Thomson Csf Procede de realisation de microcavites et application a un capteur electrochimique ainsi qu'a un chomatographe en phase gazeuse
US4874499A (en) * 1988-05-23 1989-10-17 Massachusetts Institute Of Technology Electrochemical microsensors and method of making such sensors
US6235488B1 (en) * 1988-09-29 2001-05-22 Agilent Technologies, Inc. Surface preparation for chemical-specific binding
AT393416B (de) * 1989-04-27 1991-10-25 Avl Verbrennungskraft Messtech Messverfahren zur bestimmung bzw. ueberwachung von mechanischen und/oder physikalischen groessen
AU2907092A (en) * 1991-10-21 1993-05-21 James W. Holm-Kennedy Method and device for biochemical sensing
JPH06249825A (ja) * 1993-02-26 1994-09-09 Tokyo Gas Co Ltd Ｆｅｔセンサ
JPH0735718A (ja) * 1993-07-21 1995-02-07 Nippon Soken Inc アルコール濃度センサ
US5494831A (en) * 1993-08-30 1996-02-27 Hughes Aircraft Company Electrochemical immunosensor system and methods
US5827482A (en) * 1996-08-20 1998-10-27 Motorola Corporation Transistor-based apparatus and method for molecular detection and field enhancement
JP3567082B2 (ja) * 1998-05-28 2004-09-15 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサのポンプ電流安定化方法
GB0105831D0 (en) 2001-03-09 2001-04-25 Toumaz Technology Ltd Method for dna sequencing utilising enzyme linked field effect transistors
US8114591B2 (en) * 2001-03-09 2012-02-14 Dna Electronics Ltd. Sensing apparatus and method
EP1421371B1 (en) * 2001-08-28 2014-03-19 Duke University Biosensor
US7462512B2 (en) * 2004-01-12 2008-12-09 Polytechnic University Floating gate field effect transistors for chemical and/or biological sensing
US7544979B2 (en) * 2004-04-16 2009-06-09 Technion Research & Development Foundation Ltd. Ion concentration transistor and dual-mode sensors
ATE479780T1 (de) * 2007-03-02 2010-09-15 Dna Electronics Ltd Qpcr unter verwendung eines ionen-sensitiven feldeffekt-transistors zur ph-messung
WO2009103034A2 (en) * 2008-02-13 2009-08-20 Board Of Regents, The University Of Texas System System, method and apparatus for an amorphous iridium oxide film ph sensor
JP4927785B2 (ja) * 2008-06-02 2012-05-09 日本電信電話株式会社 電界効果型センサ
GB2461128B (en) * 2008-06-25 2010-12-15 Ion Torrent Systems Inc ChemFET Arrays for Nucleic Acid Sequencing
US20100137143A1 (en) * 2008-10-22 2010-06-03 Ion Torrent Systems Incorporated Methods and apparatus for measuring analytes
EP2440651B1 (en) * 2009-06-10 2019-03-13 Stefan Thalhammer Semiconductor biosensors
TWI400888B (zh) * 2010-04-13 2013-07-01 Univ Nat Chi Nan Ion sensing circuit

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101292156A (zh) * 2004-07-13 2008-10-22 Dna电子有限公司 包括离子敏感场效应晶体管的信号处理电路以及监控流体属性的方法

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CA2811701C (en) 2014-07-22
GB2485068B (en) 2013-03-13
EP3258257A1 (en) 2017-12-20
US10697011B2 (en) 2020-06-30
WO2012056247A1 (en) 2012-05-03
US9683260B2 (en) 2017-06-20
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CN103189741A (zh) 2013-07-03

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