CN105301083A - 一种生物大分子荷质比的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生物大分子荷质比的测量装置及方法，所述装置包括电泳样品槽、双栅极薄膜晶体管阵列，对电泳样品槽施加电场，生物大分子在电场中发生极化，带负电的部分沿电场的反方向移动，带电的生物大分子电泳层与参考电极构成双栅极薄膜晶体管的顶部栅极，从而影响到底部双栅极薄膜晶体管的电流输出，因此根据电流输出即可判断各双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中是否有生物大分子，从而根据生物大分子移动的速度得出该生物大分子的荷质比。该装置结构简单、成本低、效率高，可以取代价格昂贵、体积庞大且系统复杂的分子质谱仪的部分功能，实现低成本的便携式生物大分子检测。
Description
技术领域
本发明涉及生物检测领域，更具体地，涉及一种生物大分子荷质比的测量装置及方法。
背景技术
用于环境监控、食品检疫、和基因测序等方面的生物传感器技术一直是生物医学工程领域的研究热点。生物样品检测一般都是基于对生物大分子如蛋白质、DNA和RNA的检测。对未知生物大分子进行检测最准确的方法是质谱分析，质谱分析仪根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类，并计算出荷质比（电荷跟质量的比）来区分未知生物大分子。然而，传统的质谱仪体积十分庞大，机构复杂，如图1所示，它先将生物大分子样品离化（离子源），然后利用电磁场来分离和偏转，最终筛选出不同荷质比的生物大分子样品。它不仅价格昂贵，而且样品准备和测试时间长，测试效率低，不适合快速给出实验结果的场合。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
本发明的首要目的是克服现有技术所述的质谱仪价格昂贵、测试效率低的缺陷，提供低成本、便携、测试效率高的生物大分子荷质比的测量装置。
本发明的进一步目的是提供低成本、测试效率高的生物大分子荷质比的测量方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种生物大分子荷质比的测量装置，所述装置包括电泳样品槽、双栅极薄膜晶体管阵列，所述电泳样品槽中沿槽方向设有电场，电泳样品槽顶部设有参考电极，所述双栅极薄膜晶体管阵列包括呈一字排列的多个双栅极薄膜晶体管，双栅极薄膜晶体管阵列设置于电泳样品槽的底部，每个双栅极薄膜晶体管均依次电连接有放大器和信号处理单元。
在一种优选的方案中，所述双栅极薄膜晶体管包括基板、底栅极、底部介电层、半导体沟道层、源极、漏极、顶部介电层，底栅极设置于基板上，底部介电层设置于基板上且覆盖底栅极，半导体沟道层设置于底部介电层上，源极和漏极设置于半导体沟道层上，顶部介电层设置于半导体沟道层上且覆盖源极和漏极。
在一种优选的方案中，所述基板为玻璃基板。
在一种优选的方案中，所述双栅极薄膜晶体管的工作区位于在亚阈值区或关态区，以提高对电荷感应的灵敏度。
在一种优选的方案中，所述顶部介电层采用低介电常数材料，也可加增加顶部介电层的厚度，以提高顶部感应电极对薄膜晶体管的控制力，顶部介电层采用聚酰亚胺树脂材料，该薄膜晶体管可以是非晶硅、多晶硅、氧化物或者有机半导体。
一种生物大分子荷质比的测量方法，所述方法上述生物大分子荷质比的测量装置，包括以下步骤：
S1：将电泳液注入电泳样品槽中，生物大分子位于电泳样品槽的一端；
S2：在电泳样品槽中沿槽方向施加电场，生物大分子在电场中发生极化，带负电的部分沿电场的反方向移动；
S3：通过放大器和信号处理单元读取各双栅极薄膜晶体管的电流输出，根据电流输出判断各双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中是否有生物大分子，如果有，则该双栅极薄膜晶体管到生物大分子运动的起始点即为预设时间内生物大分子移动的距离；
双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中有生物大分子时，带电的生物大分子电泳层与参考电极构成双栅极薄膜晶体管的顶部栅极，从而影响到底部双栅极薄膜晶体管的电流输出，因此根据电流输出即可判断各双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中是否有生物大分子。
S4：根据预设时间和预设时间内生物大分子移动的距离计算生物大分子移动的速度，生物大分子沿着电场方向的移动速度将取决于其荷质比以及外加电场大小和电泳液的pH值，因此进一步计算出该生物大分子的荷质比，不同的生物大分子具有不同的荷质比，根据荷质比即可判断该生物大分子的类型。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供一种生物大分子荷质比的测量装置，所述装置包括电泳样品槽、双栅极薄膜晶体管阵列，对电泳样品槽施加电场，生物大分子在电场中发生极化，带负电的部分沿电场的反方向移动，带电的生物大分子电泳层与参考电极构成双栅极薄膜晶体管的顶部栅极，从而影响到底部双栅极薄膜晶体管的电流输出，因此根据电流输出即可判断各双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中是否有生物大分子，从而根据生物大分子移动的速度得出该生物大分子的荷质比。该装置结构简单、成本低、效率高，可以取代价格昂贵、体积庞大且系统复杂的分子质谱仪的部分功能，实现低成本的便携式生物大分子检测。
本发明还提供一种生物大分子荷质比的测量方法，所述方法与装置结合实现了实现低成本、高效率的生物大分子检测。
附图说明
图1为传统的质谱仪的示意图。
图2为本发明生物大分子荷质比的测量装置的示意图。
图3为双栅极薄膜晶体管的示意图。
图4为多通道和多分子的测量的示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图2所示，一种生物大分子荷质比的测量装置，所述装置包括电泳样品槽、双栅极薄膜晶体管阵列，所述电泳样品槽中沿槽方向设有电场，电泳样品槽顶部设有参考电极，所述双栅极薄膜晶体管阵列包括呈一字排列的多个双栅极薄膜晶体管，双栅极薄膜晶体管阵列设置于电泳样品槽的底部，每个双栅极薄膜晶体管均依次电连接有放大器和信号处理单元。
如图3所示，在具体实施过程中，所述双栅极薄膜晶体管包括基板、底栅极、底部介电层、半导体沟道层、源极、漏极、顶部介电层，底栅极设置于基板上，底部介电层设置于基板上且覆盖底栅极，半导体沟道层设置于底部介电层上，源极和漏极设置于半导体沟道层上，顶部介电层设置于半导体沟道层上且覆盖源极和漏极。
在具体实施过程中，所述基板为玻璃基板。
在具体实施过程中，所述双栅极薄膜晶体管的工作区位于在亚阈值区或关态区，以提高对电荷感应的灵敏度。
在具体实施过程中，所述顶部介电层采用低介电常数材料，也可加增加顶部介电层的厚度，以提高顶部感应电极对薄膜晶体管的控制力，顶部介电层采用聚酰亚胺树脂材料，该薄膜晶体管可以是非晶硅、多晶硅、氧化物或者有机半导体。
在具体实施过程中，如图4所示，为了实现多通道和多分子的测量，在一个多通道电泳样品槽上设计多个双栅极薄膜晶体管阵列进行并行测量，各个通道和阵列彼此互不干扰。
本发明提供一种生物大分子荷质比的测量装置，所述装置包括电泳样品槽、双栅极薄膜晶体管阵列，对电泳样品槽施加电场，生物大分子在电场中发生极化，带负电的部分沿电场的反方向移动，带电的生物大分子电泳层与参考电极构成双栅极薄膜晶体管的顶部栅极，从而影响到底部双栅极薄膜晶体管的电流输出，因此根据电流输出即可判断各双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中是否有生物大分子，从而根据生物大分子移动的速度得出该生物大分子的荷质比。该装置结构简单、成本低、效率高，可以取代价格昂贵、体积庞大且系统复杂的分子质谱仪的部分功能，实现低成本的便携式生物大分子检测。
实施例2
一种生物大分子荷质比的测量方法，所述方法上述生物大分子荷质比的测量装置，包括以下步骤：
S1：将电泳液注入电泳样品槽中，生物大分子位于电泳样品槽的一端；
S2：在电泳样品槽中沿槽方向施加电场，生物大分子在电场中发生极化，带负电的部分沿电场的反方向移动；
S3：通过放大器和信号处理单元读取各双栅极薄膜晶体管的电流输出，根据电流输出判断各双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中是否有生物大分子，如果有，则该双栅极薄膜晶体管到生物大分子运动的起始点即为预设时间内生物大分子移动的距离；
双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中有生物大分子时，带电的生物大分子电泳层与参考电极构成双栅极薄膜晶体管的顶部栅极，从而影响到底部双栅极薄膜晶体管的电流输出，因此根据电流输出即可判断各双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中是否有生物大分子。
S4：根据预设时间和预设时间内生物大分子移动的距离计算生物大分子移动的速度，生物大分子沿着电场方向的移动速度将取决于其荷质比以及外加电场大小和电泳液的pH值，因此进一步计算出该生物大分子的荷质比，不同的生物大分子具有不同的荷质比，根据荷质比即可判断该生物大分子的类型。
本实施例所述方法与实施例1所述的装置结合实现了实现低成本、高效率的生物大分子检测。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种生物大分子荷质比的测量装置，其特征在于，所述装置包括电泳样品槽、双栅极薄膜晶体管阵列，所述电泳样品槽中沿槽方向设有电场，电泳样品槽顶部设有参考电极，所述双栅极薄膜晶体管阵列包括呈一字排列的多个双栅极薄膜晶体管，双栅极薄膜晶体管阵列设置于电泳样品槽的底部，每个双栅极薄膜晶体管均依次电连接有放大器和信号处理单元。
2.根据权利要求1所述的生物大分子荷质比的测量装置，其特征在于，所述双栅极薄膜晶体管包括基板、底栅极、底部介电层、半导体沟道层、源极、漏极、顶部介电层，底栅极设置于基板上，底部介电层设置于基板上且覆盖底栅极，半导体沟道层设置于底部介电层上，源极和漏极设置于半导体沟道层上，顶部介电层设置于半导体沟道层上且覆盖源极和漏极。
3.根据权利要求2所述的生物大分子荷质比的测量装置，其特征在于，所述基板为玻璃基板。
4.根据权利要求2所述的生物大分子荷质比的测量装置，其特征在于，所述双栅极薄膜晶体管的工作区位于在亚阈值区或关态区。
5.根据权利要求2所述的生物大分子荷质比的测量装置，其特征在于，所述顶部介电层为厚介电层结构或采用低介电常数材料。
6.一种生物大分子荷质比的测量方法，所述方法基于权利要求1所述的生物大分子荷质比的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将电泳液注入电泳样品槽中，生物大分子位于电泳样品槽的一端；
S2：在电泳样品槽中沿槽方向施加电场，生物大分子在电场中发生极化，带负电的部分沿电场的反方向移动；
S3：通过放大器和信号处理单元读取各双栅极薄膜晶体管的电流输出，根据电流输出判断各双栅极薄膜晶体管上方的电泳液中是否有生物大分子，如果有，则该双栅极薄膜晶体管到生物大分子运动的起始点即为预设时间内生物大分子移动的距离；
S4：根据预设时间和预设时间内生物大分子移动的距离计算生物大分子移动的速度，生物大分子沿着电场方向的移动速度将取决于其荷质比以及外加电场大小和电泳液的pH值，因此进一步计算出该生物大分子的荷质比。
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