CN110554177B - 生物场效晶体管装置、微流体系统及其使用方法 - Google Patents

生物场效晶体管装置、微流体系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种用于生物感测的生物场效晶体管装置、微流体系统以及使用生物场效晶体管装置的方法。微流体系统包括：半导体衬底，具有第一表面以及相对平行第二表面；第一生物场效晶体管(bioFET)传感器；以及第二bioFET传感器。界面层设置于第一开口以及第二开口中的至少每一个中。系统包括具有差分放大器的读出电路，差分放大器设计成测量与第一bioFET传感器以及第二bioFET传感器相关联的信号之间的差值。系统还包括微流体网络，微流体网络设计成将流体传递到设置于第一开口以及第二开口中的每一个中的界面层。

Description

生物场效晶体管装置、微流体系统及其使用方法
技术领域
本公开是涉及一种用于生物感测的生物场效晶体管装置、微流体系统以及使用生物场效晶体管装置的方法。
背景技术
生物传感器是用于感测及检测生物分子的装置并且基于电子、电化学、光学和/或机械检测原理来操作。包括晶体管的生物传感器是电感测生物实体或生物分子的电荷、光子和/或机械性质的传感器。检测可通过检测生物实体或生物分子自身或通过指定反应物与生物实体/生物分子之间的相互作用和反应来执行。这类生物传感器可使用半导体工艺制造且可易于应用到集成电路(integrated circuit，IC)和微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)。
发明内容
本公开的生物场效晶体管装置包括半导体衬底、第一生物场效晶体管传感器、第二生物场效晶体管传感器、隔离层以及读出电路。半导体衬底具有第一表面以及相对平行第二表面。第一生物场效晶体管传感器在半导体衬底上。第一生物场效晶体管传感器包括第一栅极以及第一沟道区。第一栅极形成于半导体衬底的第一表面上。第一沟道区形成于第一栅极下方的半导体衬底内以及将第一源极/漏极区插入于半导体衬底中。第一沟道区包括半导体衬底的第二表面的一部分。第二生物场效晶体管传感器在半导体衬底上。第二生物场效晶体管传感器包括第二栅极以及第二沟道区。第二栅极形成于半导体衬底的第一表面上。第一栅极以及第二栅极是相同材料。第二沟道区形成于第二栅极下方的半导体衬底内以及将第二源极/漏极区插入于半导体衬底中。第二沟道区包括半导体衬底的第二表面的一部分。隔离层在半导体衬底的第二表面上以及具有第一开口以及第二开口。第一开口暴露包括第一沟道区的半导体衬底的第二表面的一部分。第二开口暴露包括第二沟道区的半导体衬底的第二表面的一部分。界面层分别地设置在在第一开口以及第二开口中的第一沟道区以及第二沟道区中的每一个上。读出电路包括差分放大器。差分放大器配置成测量与第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器相关联的信号之间的差值。
本公开的微流体系统包括半导体衬底、第一生物场效晶体管传感器、第二生物场效晶体管传感器、隔离层、界面层、读出电路以及微流体网络。半导体衬底具有第一表面以及相对平行第二表面。第一生物场效晶体管传感器具有半导体衬底的第一表面上的第一栅极。以及第二生物场效晶体管传感器，具有半导体衬底的第一表面上的第二栅极。隔离层，设置在半导体衬底的第二表面上以及具有在第一生物场效晶体管传感器上方的第一开口以及在第二生物场效晶体管传感器上方的第二开口。界面层设置于第一开口以及第二开口中的至少每一个中。读出电路包括差分放大器。差分放大器配置成测量与第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器相关联的信号之间的差值。微流体网络配置成将流体传递到设置于第一开口以及第二开口中的每一个中的界面层。微流体网络包括。第一入口沟道、第二入口沟道以及出口沟道。第一入口沟道以及第二入口沟道分别地在第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器的上游。出口沟道在第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器的下游。
本公开的使用生物场效晶体管装置的方法包括：提供具有在半导体衬底的第一表面上的第一栅极的第一生物场效晶体管传感器以及具有在半导体衬底的第一表面上的第二栅极的第二生物场效晶体管传感器，其中第一栅极与第二栅极是相同材料，以及其中第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器中的每一个包括配置成结合捕捉试剂的界面层；使含有捕捉试剂的溶液流动通过定位在第一生物场效晶体管传感器上方的第一微流体沟道以及通过定位在第二生物场效晶体管传感器上方的第二微流体沟道；使含有可与捕捉试剂专一结合捕捉试剂的靶向分析物的溶液向下流动到第一微流体沟道而非第二微流体沟道；使缓冲溶液流动通过第一微流体沟道以及第二微流体沟道；以及检测获自第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器的差分信号。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述最好地理解本公开的各方面。应注意，根据业界中的标准惯例，各个特征未按比例绘制。实际上，为了论述的清楚起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
图1示出根据一些实施例的感测装置的组件。
图2示出根据一些实施例的示范性双栅极背侧感测FET传感器的截面图。
图3是根据一些实施例的配置呈示范性可寻址阵列状的多个FET传感器的电路图。
图4是根据一些实施例的双栅极FET传感器和加热器的示范性可寻址阵列的电路图。
图5示出根据一些实施例的示范性双栅极背侧感测FET传感器的截面图。
图6示出根据一些实施例的用于在bioFET传感器之间提供差分感测的电路图。
图7A和图7B示出根据一些实施例的bioFET传感器的布置。
图8A和图8B示出根据一些实施例的具有流体沟道的bioFET传感器的布置。
图9A和图9B示出根据一些实施例的具有流体沟道的bioFET传感器的布置。
图10A和图10B示出根据一些实施例的具有流体沟道的bioFET传感器的布置。
图11A和图11B示出根据一些实施例的具有流体沟道的bioFET传感器的布置。
图12A和图12B示出根据一些实施例的用于将流体传递到多个bioFET传感器的流体布局。
图13示出根据一些实施例的具有多个电极的流体布局。
图14示出根据一些实施例的流体布局的截面图。
图15示出根据一些实施例的利用多个bioFET传感器来执行感测的示范性方法的流程图。
图16示出根据一些实施例的制造多个双栅极背侧感测FET传感器的示范性方法的流程图。
图17A和图17B示出根据一些实施例的使用双栅极背侧感测FET传感器作为pH传感器。
图18示出根据一些实施例的检测DNA的示范性双栅极背侧感测bioFET的截面图。
图19A示出根据一些实施例的受体表面上的DNA的结合力学。
图19B示出根据一些实施例的用于基于匹配分析物结合的示范性双栅极背侧感测bioFET的阈值电压的改变。
图20示出根据一些实施例的具有固定在其感测层上的抗体的示范性双栅极背侧感测bioFET的截面图。
图21示出根据一些实施例的受体表面上的抗原和抗体的结合力学。
附图标号说明
100：生物传感器系统；
102：传感器阵列；
104：流体传递系统；
106：读出电路；
108：控制器；
200、500：双栅极背侧FET传感器；
202：控制栅极/栅极；
204：源极区、S/D区；
206：漏极区、S/D区；
208：沟道区；
210、714：隔离层；
211：互连区；
212：开口；
214、706、1404：衬底；
215：介入介电质；
216、218：电触点；
220：前侧栅极触点；
222：背侧栅极触点；
300：可寻址阵列、示意图；
302：FET、存取晶体管；
304：bioFET传感器；
306：位线；
308：字线；
400：示意图；
401：阵列；
402：像素；
404：行解码器；
406：列解码器；
408：加热器；
410：温度传感器；
412：n通道FET
502：金属互连件；
504：主体区；
506：电路；
508、716：界面层；
510、VFG1、VFG2：流体栅极；
512：溶液；
600：差分读出电路；
602：第一bioFET传感器/阵列；
604：第二bioFET传感器/阵列；
606a、606b：跨阻抗放大器；
608：差分放大器；
610：测量信号、输出信号；
700：半导体装置；
702：第一感测区；
704：第二感测区；
708a、708b：栅极；
710a、710b：掺杂源极区；
712a、712b：掺杂漏极区；
802：第一沟道；
804：第二沟道；
806：射流层；
902：捕捉试剂；
1002：靶标分析物；
1200、1201：流体网络；
1202、1212：第一流体入口；
1203、1205、1207：流体沟道；
1204、1214：第二流体入口；
1206：第一阀门；
1207、1209：沟道；
1208：第二阀门；
1210、1218：流体出口；
1216：阀门；
1302：第一流体储集器；
1304：第二流体储集器；
1306：主电极；
1308：微小电极；
1310：流体液滴；
1402：载体衬底；
1403：多层互连结构；
1405：隔离层；
1406：介电层；
1408：疏水性层；
1410：共同电极；
1412：顶板；
1414：壁；
1500、1600：方法；
1502、1504、1506、1508、1510、1602、1604、1606、1608、1610：框；
1801：流体样本；
1802、2002：连接分子；
1804：探针DNA；
1806：单链DNA序列；
2001：样本溶液；
2004：探针抗体；
A’-A’：平面；
Ids、Ids1、Ids2：电流；
VD：末端；
VPAG1、VPG2：栅极电极、栅极；
Vs1、Vs2：电压、输入端。
具体实施方式
以下公开提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的具体实例以简化本公开。当然，这些只是实例且并不意欲为限制性的。举例来说，在以下描述中，第一构件形成在第二构件上方可包括第一构件与第二构件直接接触地形成的实施例，且还可包括额外构件可形成在第一构件与第二构件之间和/或设置在第一构件与第二构件之间从而使得第一构件与第二构件可以不直接接触的实施例。另外，本公开可能在各个实例中重复附图标号和/或字母。这种重复本身并不指示所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
另外，为易于描述，本文中可使用空间相对术语，例如“在…下方”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等等来描述如图式中所示出的一个元件或构件与另一元件或构件的关系。除图式中所描绘的定向以外，空间相对术语意欲涵盖装置在使用或操作中的不同定向。设备可以其它方式定向(例如旋转90度或处在其它定向)，且本文中所使用的空间相对描述词同样可相应地进行解释。
术语
除非另外定义，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的一般技术人员通常所理解相同的含义。虽然任何与本文中所描述类似或等效的方法和材料可用于实践或测试本发明的实施例；方法、装置和材料于现在被描述。本文中提到的所有专利和公开案都以引用的方式并入本文中用于描述和公开所述公开案中所报道的可能结合本公开使用的材料和方法的目的。
如本文中所使用，首字母缩写“FET”是指场效应晶体管。FET类型被称为“金属氧化物半导体场效应晶体管”(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)。MOSFET可以是建于例如半导体晶片的衬底的平面表面中和平面表面上的平面结构。MOSFET还可具有三维鳍式类结构。
术语“bioFET”是指包括固定探针分子层的生物场效晶体管，所述固定探针分子充当表面受体来检测生物来源的靶向分析物的存在。根据一些实施例，bioFET是具有半导体换能器的场效应传感器。bioFET的一个优势是无标记操作前景。具体地说，bioFET使得能够避免昂贵且耗时的标记操作，例如通过例如荧光或放射性探针来标记分析物。本文中所描述的一种特定类型的bioFET是“双栅极背侧感测bioFET”。通过bioFET检测的分析物可以是生物来源，例如(但不限于)蛋白质、碳水化合物、脂质、组织片段或其部分。bioFET还可以是可检测化学化合物的更宽种类的FET传感器的部分；这种类型的bioFET被称为“ChemFET”或任何其它元件。bioFET还可检测离子，例如质子或金属离子；这种类型的bioFET被称为“ISFET”。本公开应用于所有类型的FET类传感器(“FET传感器”)。本文中所描述的一种特定类型的FET传感器是“双栅极背侧感测FET传感器(Dual-Gate Back Side Sensing FETSensor)”(DG BSS FET传感器)。
“S/D”是指形成FET的四个端子中的两个的源极/漏极结(source/drainjunction)。
表述“高k”是指高介电常数。在半导体装置结构和制造方法领域中，高k是指大于SiO2的介电常数的介电常数(即大于3.9)。
如本文中所使用，术语“竖直”是指垂直于衬底的表面。
术语“分析(analysis)”一般是指涉及物理、化学、生物化学或生物分析的方法或步骤，包括(但不限于)特性、测试、测量、优化、分离、合成、添加、过滤、溶解或混合。
术语“分析(assay)”一般是指涉及化学品或靶向分析物的分析的方法或步骤且包括(但不限于)基于细胞的分析、生物化学分析、高产量分析及筛选、诊断性分析、pH值测定、核酸杂交分析、聚合酶活性分析、核酸及蛋白定序、免疫分析(例如抗体抗原结合分析、ELISA以及iqPCR)、用于检测基因的甲基化图案的亚硫酸氢盐甲基化分析、蛋白分析、蛋白结合分析(例如蛋白-蛋白、蛋白-核酸以及蛋白-配体结合分析)、酶分析、耦合酶分析、动力学测量(例如蛋白折叠动力学和酶反应动力学)、酶抑制剂和活化剂筛选、化学发光和电化学发光分析、荧光分析、荧光偏振和各向异性分析、吸收和比色分析(例如布拉德福分析(Bradford assay)、劳里分析(Lowry assay)、哈特里劳里分析(Hartree-Lowry assay)、缩二脲分析(Biuret assay)以及BCA分析)、化学分析(例如用于检测环境污染物(pollutant)和致污物(contaminant)、纳米粒子或聚合物)、药物发现分析、全基因组分析、基因组分型分析(genome typing analysis)、基因组-外显子组分析、微生物群系分析以及临床分析(包括(但不限于)癌症分析、非侵入性产前测试(non-invasive prenatal testing，NIPT)分析和/或通用载体筛选(universal carrier screening，UCS)分析)。本文中所描述的设备、系统以及方法可以使用或采用待与设计描述的FET传感器中的任一个一起使用的这些分析中的一个或多个。
术语“液体活检体(liquid biopsy)”一般是指相较于个体的组织样本而获自个体的体液的活检样本。使用体液样本执行分析的能力时常比使用组织样本更为需要。就患者福利来说，使用体液样本这种较小创伤性的方式有广泛的意义。它能够进行纵向疾病监测，且即使在组织细胞不是易于可存取的时候，也能够获得特性表达，例如在前列腺腺体中。用以检测液体活检样本中的靶向分析物的分析包括(但不限于)上文所描述的那些分析。作为非限制性实例，可在液体活检样本上进行体循环肿瘤细胞(circulating tumor cell，CTC)分析。
举例来说，固定于FET传感器上的捕捉试剂(例如抗体)可用于使用CTC分析来检测液体活检样本中的靶向分析物(例如肿瘤细胞标记物)。CTC是已从肿瘤中和体循环中流到血管中，例如在血流中循环，的细胞。通常在体循环中，CTC以较低浓度循环存在。为分析CTC，通过此项技术中已知的各种技术来从患者血液或血浆中集中CTC。可使用此项技术中已知方法，包括(但不限于)基于细胞测量术(例如流式细胞测量术)的方法和基于IHC的方法来对CTC进行染色用于具体标记物。对于本文中所描述的设备、系统以及方法，可使用捕捉试剂来捕获或检测CTC；或可将来自CTC的核酸、蛋白或其它细胞环境靶向作为靶向分析物用于结合到捕捉试剂或通过捕捉试剂来检测。
当在CTC上或从CTC中检测到靶向分析物时，例如表达或含有CTC的靶向分析物的增大可帮助鉴别患有癌症的个体有可能响应于具体疗法(例如与靶向分析物关联的一种疗法)或允许通过例如针对靶向分析物的抗体来优化治疗性方案。CTC测量和定量可提供关于例如肿瘤分期、对于疗法的反应、疾病进展或其组合的信息。可使用从检测CTC上的靶向分析物中获得的信息作为例如预后、预测或药效学生物标记物。另外，用于液体活检样本的CTC分析可单独使用或与其它固体活检样本的肿瘤标记物分析组合使用。
术语“鉴别(identification)”通常是指基于靶向分析物所结合的已知身份的捕捉试剂来确定靶向分析物的身份的方法。
术语“测量(measurement)”通常是指基于靶向分析物所结合到的捕捉试剂来确定靶向分析物的量、数量(quantity)、质量或特性的方法。
术语“定量(quantitation)”通常是指基于靶向分析物所结合到的捕捉试剂来确定靶向分析物的数量或浓度的方法。
术语“检测(detection)”通常是指基于靶向分析物所结合到的捕捉试剂来确定存在或不存在靶向分析物的方法。检测包括(但不限于)鉴别、测量以及定量。
术语“化学品(chemical)”是指物质、化合物、混合物、溶液、乳液、分散液、分子、离子、二聚体、例如聚合物或蛋白的大分子、生物分子、沉淀物、晶体、化学部分或基团、粒子、纳米粒子、反应剂、反应产物、溶剂或流体。这些参考物中的任一个可以固体、液体或气体状态存在，且可以是分析的个体。
术语“反应(reaction)”是指涉及至少一种化学品且通常涉及(在化学、生物化学以及生物转化的情况下)一个或多个键，例如共价键、非共价键、范德华(van der Waals)键、氢键或离子键的断开或形成的物理、化学、生物化学或生物转化。术语包括化学反应，例如合成反应、中和反应、分解反应、置换反应、还原-氧化反应、沉积、结晶、燃烧反应以及聚合反应，以及共价结合与非共价结合、相变、色彩变化、相形成、结晶、溶解、发光、光吸收或发光特性的变化、温度变化或热吸收或发射、构象变化以及例如蛋白的大分子的折叠或去折叠。
如本文中所使用，“捕捉试剂(capture reagent)”是能够结合靶向分析物的分子或化合物。捕捉试剂可直接或间接附接到大体上固体材料。捕捉试剂可以是化学品，并且具体地说任何物质，其中存在天然存在靶向分析物(例如抗体、多肽、DNA、RNA、细胞、病毒等)或其中可以制备靶向分析物，且在分析中，捕捉试剂可结合到一个或多个靶向分析物。捕捉试剂可以是非天然存在的或天然存在的，且如果是天然存在的，所述捕捉试剂可在活体内或活体外合成。
如本文中所使用，“靶向分析物(target analyte)”是待使用本公开的实施例在测试样本中检测的物质。靶向分析物可以是化学品，并且具体地说任何物质，其中存在天然存在的捕捉试剂(例如抗体、多肽、DNA、RNA、细胞、病毒等)或其中可制备捕捉试剂，且在分析中靶向分析物可结合到一个或多个捕捉试剂。“靶向分析物”还包括任何抗原物质、抗体以及其组合。靶向分析物可包括蛋白、肽、氨基酸、碳水化合物、激素、类固醇、维生素、药物，所述药物包括出于治疗性目的投与的那些以及出于违禁目的投与的那些。
如本文中所使用，“测试样本(test sample)”是指含有待使用本公开的实施例检测且分析的靶向分析物的组成物、溶液、物质、气体或液体。除所述靶向分析物以外，测试样本可含有其它组分，可具有液体或气体的物理性属性，且可以是任何大小或体积，包括(例如)液体或气体的移动串流。除靶向分析物以外，只要其它物质不会干扰靶向分析物与捕捉试剂的结合或第一结合构件与第二结合构件的特异性结合，测试样本可含有任何物质。测试样本的实例包括(但不限于)天然存在的样本和非天然存在的样本或其组合。天然存在的测试样本可以是合成物或合成的。天然存在的测试样本包括从个体的身体中或上的任何地方分离的体液(body or bodily fluid)包括(但不限于)血液、血浆、血清、尿、唾液(saliva)或痰液、脊髓液、脑脊髓液、胸膜液、乳头抽出物(nipple aspirate)、淋巴液(lymph fluid)、呼吸道、肠道以及泌尿生殖道的液体、泪液、唾液(saliva)、母乳、来自淋巴系统的液体、精液、器官系统内液、腹水液、肿瘤囊液、羊膜液以及其组合，以及环境样本，例如地下水或废水、尘土提取物、空气以及农药残留物或食物相关样本。
检测到的物质可包括(例如)核酸(包括DNA和RNA)、激素、不同病原体(包括引起其宿主的疾病(disease)或病痛(illness)的生物学试剂，例如病毒(例如H7N9或HIV)、原虫(例如疟原虫引起的疟疾)或细菌(例如大肠杆菌(E.coli)或结核分枝杆菌(Mycobacteriumtuberculosis))、蛋白、抗体、各种药物或疗法或其它化学品或生物物质(包括氢或其它离子、非离子分子或化合物、多糖、较小化学化合物，例如化学组合库成员等等)。所检测或测定的参数可包括(但不限于)例如pH变化、乳糖变化、改变的浓度、每单位时间粒子(其中流体在装置内流动一段时间来检测粒子，例如粒子是稀疏的)以及其它参数。
如本文所使用，当相对于例如捕捉试剂使用时，术语“固定”包括将在分子级下的捕捉试剂大体上附接到表面。举例来说，可使用吸附技术将捕捉试剂固定到衬底材料的表面，所述吸附技术包括非共价相互作用(例如静电力、范德华(van der Waals)以及疏水性接口的脱水)和共价结合技术，其中官能团或连接子促进将捕捉试剂附接到表面。将捕捉试剂固定到衬底材料的表面可基于衬底表面的性质、承载捕捉试剂的介质以及捕捉试剂的性质。在一些情况下，衬底表面可经第一修饰以具有结合到表面的官能团。官能团可随后结合到生物分子或生物或化学物质来将所述生物分子或生物或化学物质固定到其上。
术语“核酸(nucleic acid)”通常是指通过磷酸二酯键彼此连接的核苷酸组且是指与本质上存在的天然存在的核苷酸连接的天然存在的核酸，例如包括具有彼此连接的腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶以及胸(腺)嘧啶中的任一个的脱氧核糖核苷酸的DNA和/或包括具有彼此连接的腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶以及尿嘧啶中的任一个的核糖核苷酸的RNA。天然存在的核酸包括例如DNA、RNA以及微RNA(miRNA)。另外，非天然存在的核苷酸和非天然存在的核酸在本公开的核酸的范围内。实例包括cDNA、肽核酸(peptide nucleic acid，PNA)、具有磷酸基团的肽核酸(peptide nucleic acids with phosphate groups，PHONA)、桥接核酸/锁核酸(bridged nucleic acid/locked nucleic acid，BNA/LNA)以及吗啉基核酸(morpholino nucleic acid)。其它实例包括化学修饰核酸及核酸类似物，例如甲基膦酸酯DNA/RNA、硫代磷酸酯DNA/RNA、氨基磷酸酯DNA/RNA以及2'-O-甲基DNA/RNA。核酸包括可修饰的那些核酸。举例来说，可视需要标记核酸中的磷酸基团、糖和/或碱基。可使用此项技术中已知用于核酸标记的任何物质来标记。其实例包括(但不限于)放射性同位素(例如32P、3H以及14C)、DIG、生物素(biotin)、荧光染料(例如FITC、Texas、cy3、cy5、cy7、FAM、HEX、VIC、JOE、Rox、TET、Bodipy493、NBD以及TAMRA)以及发光物质(例如吖锭酯(acridiniumester))。
如本文中所使用的适体是指结合到具体靶分子的寡核苷酸或肽分子。使用单链核酸(适体)作为用于蛋白结合的亲和力分子的概念最初公开于艾灵顿(Ellington)、安德烈(Andrew D.)，以及杰克W.绍斯塔克(Jack W.Szostak)的“折叠成特定配体结合结构的单链DNA分子的活体外选择(Selection in vitro of single-stranded DNA molecules thatfold into specific ligand-binding structures.)”自然(Nature)355(1992):850-852；图尔克(Tuerk)、克雷格(Craig)以及拉里金(Larry Gold)的“指数集中的配体的系统性演进：RNA配体到噬菌体T4DNA聚合酶(Systematic evolution of ligands by exponentialenrichment:RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase.)”科学(Science)249.4968(1990):505-510)中且是在存在靶标的情况下，基于较短序列的能力来折叠成以高亲和性以及特异性结合靶标的独特三维结构。吴(Ng)、尤金WM(Eugene WM)等人的“用于眼部血管疾病的靶向抗VEGF适体，哌加他尼(Pegaptanib,a targetedanti-VEGF aptamerfor ocular vascular disease)”自然综述：药物发现(Nature Reviews,Drug Discovery)5.2(2006):123，公开适体是选用于高亲和性结合到分子靶标的寡核苷酸配体。
术语“蛋白(protein)”通常是指通常以具体序列连接在一起的氨基酸组。蛋白可以是天然存在的或非天然存在的。如本文中所使用，术语“蛋白”包括氨基酸序列以及已经修饰的氨基酸序列，所述修饰的氨基酸序列含有例如糖、聚合物、金属有机物基团(metalloorganic group)荧光或发光基团的部分或基团，增进或参与例如分子内或分子间电子转移的方法的部分或基团，促进或诱导蛋白承担特定构形或构形系列的部分或基团，妨碍或抑制蛋白承担特定构形或构形系列的部分或基团，诱导、增进或抑制蛋白折叠的部分或基团或并入到氨基酸序列中且意图修饰序列的化学、生物化学或生物性质的其它部分或基团。如本文中所使用，蛋白包括(但不限于)酶、结构要素、抗体、抗原结合抗体片段、激素、受体、转录因子、电子载流子以及其它大分子，所述大分子涉及例如细胞过程的过程或活动。蛋白可具有至多四个结构层级，包括初级结构、次级结构、第三结构以及第四结构。
如本文中所使用，术语“抗体”是指能够非共价地、可逆地且以具体方式结合对应抗原的免疫球蛋白家族的多肽。举例来说，天然存在的IgG抗体是包括通过二硫键来互连的至少两个重(heavy，H)链和两个轻(light，L)链的四聚体。每一重链包括重链可变区(本文中简称为VH)和重链恒定区。重链恒定区包括三个域：CH1、CH2以及CH3。每一轻链包括轻链可变区(本文中简称为VL)和轻链恒定区。轻链恒定区包括一个域：CL。VH区和VL区可以进一步细分成高变区，称为互补决定区(complementarity determining region，CDR)，穿插有称为构架区(framework region，FR)的更保守区。每个VH及VL是由自氨基端到羧基端按以下顺序布置的三个CDR及四个FR组成：FR1、CDR1、FR2、CDR2、FR3、CDR3以及FR4。三个CDR构成约15％至20％的可变域。重链和轻链的可变区含有与抗原相互作用的结合域。抗体的恒定区可调节免疫球蛋白与宿主组织或因子的结合，所述因子包括免疫系统的各种细胞(例如效应细胞)以及传统互补系统的第一组分(C1q)。(库比(Kuby),免疫学(Immunology),第4版,第4章.W.H.弗里曼出版社(W.H.Freeman&Co),纽约,2000)。
术语“抗体(antibody)”包括(但不限于)单株抗体、人类抗体、人类化抗体、嵌合抗体以及抗个体基因型(抗Id)抗体(包括例如针对本公开的抗体的抗Id抗体)。抗体可以是任何同型/类别(例如IgG、IgE、IgM、IgD、IgA以及IgY)或子类别(例如IgG1、IgG2、IgG3、IgG4、IgA1以及IgA2)。
如本文中所使用，术语“抗原结合片段”是指保留与抗原的抗原决定基特异性地相互作用(例如通过结合、位阻、稳定/不稳定以及空间分布)的能力的抗体的一个或多个部分。结合片段的实例包括(但不限于)单链Fv(single-chain Fv，scFv)、骆驼科抗体(camelid antibodies)、二硫键连接的Fv(disulfide-linked Fv，sdFv)、Fab片段、F(ab′)片段、由VL域、VH域、CL域以及CH1域组成的单价片段、F(ab)2片段、包括在铰链区通过二硫桥键连结的两个Fab片段的二价片段、由VH域和CH1域组成的Fd片段、由抗体的单组的VL域和VH域组成的Fv片段、dAb片段(沃德(Ward)、E.萨利(E.Sally)等人的“大肠杆菌分泌的单个免疫球蛋白可变结构域的抗体库的结合活性(Binding activities of a repertoireof single immunoglobulin variable domains secreted from Escherichia coli)”自然(Nature)341.6242(1989):544-546)，其由VH域，以及互补决定区(complementaritydetermining region CDR)或抗体的其它抗原决定基结合片段组成。
此外，虽然Fv片段的两个域(VL和VH)是通过单独基因编码的，但是其可通过合成使得所述域能够制成单个蛋白链的连接子接合(使用重组方法)，其中VL区和VH区配对以形成单价分子(称为单链Fv(“scFv”)；参见例如伯德(Bird)、罗伯特E(Robert E.)等人，“单链抗原结合蛋白(Single-chain antigen-binding proteins)”科学(Science)242.4877(1988):423-427；以及休斯顿(Huston)、詹姆斯S(JamesS.)等人，“抗体结合位点的蛋白质工程：大肠杆菌中产生的抗地高辛单链Fv类似物的特异活性复原(recovery of specificactivity in an anti-digoxin single-chain Fv analogue produced in Escherichiacoli)”美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)85.16(1988):5879-5883)。这类单链抗体还意欲涵盖在术语“抗原结合片段”内。这些抗原结合片段是使用本领域的技术人员已知的常规技术获得的，并且以与完整抗体相同的方式针对效用对片段进行筛选。
抗原结合片段还可并入到单域抗体、最大抗体(maxibodies)、微型抗体、单域抗体、内抗体、双功能抗体(diabodies)、三功能抗体(triabodies)、四功能抗体(tetrabodies)、v-NAR以及双scFv中(参见例如霍利格尔(Holliger)、菲利普(Philipp)以及彼得J.赫德森(Peter J.Hudson),“工程化的抗体片段和单个域的升高(Engineeredantibody fragments and the rise of single domains)”.自然·生物技术(NatureBiotechnology)23.9(2005):1126)。抗原结合片段可基于多肽，例如纤维结合蛋白类型III(fibronectin type III，Fn3)来接枝成支架(参见美国专利第6,703,199号，其描述纤维结合蛋白多肽单功能抗体)。
抗原结合片段可并入到单链分子中，所述单链分子包括汇接Fv区段对(VH-CH1-VH-CH1)，其连同互补轻链多肽形成抗原结合区对(萨帕塔(Zapata)、拉多(Gerardo)等人,“用于有效产生大肠杆菌且增强抗增殖活性的工程改造的线性F(ab')2片段(Engineeringlinear F(ab')2fragments for efficient production in Escherichia coli andenhanced antiproliferative activity)”.蛋白质工程、设计以及选择(ProteinEngineering,Design and Selection)8.10(1995):1057-1062以及美国专利第5,641,870号)。
如本文中所使用，术语“单株抗体”或「单株抗体组成物」是指包括抗体和抗原结合片段的多肽，所述多肽具有大体上相同的氨基酸序列或是衍生于相同基因源。这种术语还包括制备单个分子组成物的抗体分子。单株抗体组成物展示对于特定抗原决定基的单一结合特异性和亲和性。
术语“纳米粒子(nanoparticles)”是指长度尺度是例如大约1纳米到100纳米的原子、分子或巨分子粒子。观察到或以重要的物质长度尺度，例如在100纳米下产生的纳米粒子的新颖且分化性质和功能。纳米粒子可用于构建纳米级结构且可整合于较大材料组分、系统以及架构中。在一些实施例中，对于涉及纳米粒子的新颖性质和现象的重要长度尺度可以在1纳米下(例如以大约0.1纳米操纵原子)或可大于100纳米(例如纳米粒子加固聚合物具有随纳米粒子与聚合物之间的局部桥或键变化的大约200纳米到300纳米处的独特特征)。
术语“晶核组成物(nucleation composition)”是指包括在适用于晶体形成的条件下能够成长成晶体的一个或多个核的物质或混合物。举例来说，可通过蒸镀、反应剂浓度变化、添加例如沉淀剂的物质、播种固体材料、机械搅拌或刮擦与晶核组成物接触的表面来诱导晶核组成物经历结晶。
术语“粒子(particulate)”是指例如原子、分子、离子、二聚体、聚合物或生物分子的成簇物或附聚物。粒子可包括固体物质，或可以大体上是固体的，但其还可以是多孔或部分中空的。其可含有液体或气体。另外，粒子可以是同构或异构；即其可包括一种或多种物质或材料。
术语“聚合物(polymer)”是指由重复地连接到彼此的两种或超过两种建构嵌段(‘聚体(mers)')组成的任何物质或化合物。举例来说，“二聚体”是两个建构嵌段已接合在一起的化合物。聚合物包括缩合聚合物和添加聚合物两个。缩合聚合物的实例包括聚酰胺、聚酯、蛋白、毛绒、真丝、聚氨酯、纤维素以及聚硅氧烷。添加聚合物的实例是聚乙烯(polyethylene)、聚异丁烯(polyisobutylene)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、聚(氯乙烯)(poly(vinylchloride))以及聚苯乙烯(polystyrene)。其它实例包括具有增强电或光学性质(例如非线性光学性质)的聚合物，例如导电聚合物或屈光性聚合物。聚合物包括直链聚合物和支链聚合物两个。
示范性生物感测装置的概要
图1示出可包括于生物传感器系统100中的组件的概要。生物传感器系统100包括具有至少一个用于检测生物或化学分析物的感测元件的传感器阵列102和设计成将一种或多种流体样本传递到传感器阵列102的流体传递系统104。流体传递系统104可以是定位于传感器阵列102上方的微流体阱来含有传感器阵列102上方的流体。流体传递系统104还可包括微流体沟道用于将各种液体传递到传感器阵列102。流体传递系统104可包括任何数目的设计成将流体传递到传感器阵列102的阀门、泵、腔室和/或沟道。
根据一些实施例，提供读出电路106来测量来自于传感器阵列102中的传感器的信号且产生可定量传感器信号，所述可定量传感器信号指示存在于靶标溶液中的某一分析物的数量。本文中所描述的读出电路106的不同实施例利用数字组件来减少功耗和管芯面积。
控制器108可用于发送且接收电信号到传感器阵列102和读出电路106两个来执行生物感测测量或化学感测测量。控制器108还可用来将电信号发送到流体传递系统104来例如致动一个或多个阀门、泵或发动机。
传感器阵列102可包括bioFET阵列，其中阵列中的bioFET中的一个或多个经功能化来检测特定靶向分析物。传感器中的不同者可以使用用于检测不同靶向分析物的不同捕捉试剂来功能化。下文提供关于特定bioFET的实例设计的其它细节。bioFET可布置呈多个行和列，形成2维传感器阵列。在一些实施例中，每行的bioFET使用不同捕捉试剂来功能化。在一些实施例中，每列的bioFET使用不同捕捉试剂来功能化。
控制器108可包括一个或多个处理装置，例如微处理器，且可以可程式化来控制读出电路106和/或传感器阵列102的操作。控制器108自身的细节对于理解本文所述实施例中并不是首要的技术重点。然而，下文将更详细地论述可发送且从传感器阵列102接收的各种电信号。
双栅极背侧FET传感器
本文所述实施例涉及以差分方式测量来自一个或多个bioFET传感器或bioFET传感器阵列的信号来减少bioFET传感器之间的共同噪声。实现这一目标涉及控制流体传递到两个单独bioFET传感器，或bioFET传感器阵列，且以差动方式读出来自bioFET传感器或bioFET传感器阵列中的每一个的测量信号。这一特定部分描述可用于本申请的实施例中的实例bioFET传感器设计。
可用于传感器阵列102中的传感器类型的一个实例是双栅极背侧FET传感器。双栅极背侧FET传感器利用半导体制造技术和生物捕捉试剂来形成经排列传感器。当MOSFET可具有连接到单一电节点的单一栅极电极时，双栅极背侧感测FET传感器可具有连接到不同电节点的两个栅极电极，其中每一个。两个栅极电极中的第一个在本文中被称作“前侧栅极”而两个栅极电极中的第二个在本文中被称作“背侧栅极”。前侧栅极和背侧栅极两个经配置以使得在操作中，每一个可以以电气方式充电和/或放电且进而各自影响双栅极背侧感测FET传感器的源极/漏极端子之间的电场。前侧栅极介电质与沟道区分离，前侧栅极导电且配置成利用其耦合的电路来充电和放电。背侧栅极通过背侧栅极介电质与沟道区分离且包括设置在背侧栅极介电质上的生物功能化感测层。背侧栅极上的电荷量随是否已发生生物认知反应而变化。在双栅极背侧感测FET传感器的操作中，为前侧栅极充电到电压的预定范围内的电压。前侧栅极上的电压判定FET传感器的沟道区的对应导电性。背侧栅极上的电荷的相对较小的变化量改变沟道区的导电性。导电性中的这一变化指示生物认知反应。
FET传感器的一个优势是无标记操作。具体地说，FET传感器使得能够避免昂贵且耗时的标记操作，利用例如荧光或放射性探针来标记分析物。
根据一些实施例，图2示出示范性双栅极背侧感测FET传感器200。双栅极背侧感测FET传感器200包括控制栅极202，所述控制栅极202形成于衬底214的表面上且通过设置在衬底214上的介入介电质215来与所述表面分离。包括多个互连层的互连区211可提供于衬底214的一侧上。衬底214包括源极区204、漏极区206以及源极区204与漏极区206之间的沟道区208。在一些实施例中，衬底214具有介于约100纳米与约130纳米之间的厚度。可以使用适合CMOS工艺技术形成栅极202、源极区204、漏极区206以及沟道区208。栅极202、源极区204、漏极区206以及沟道区208形成FET。隔离层210设置在基板214中与闸极202相反的一侧上。在一些实施例中，隔离层210具有约1微米的厚度。在本公开中，其上设置栅极202的衬底214的侧部被称为衬底214的“前侧”。类似地，其上设置隔离层210的衬底214的侧部被称为“背侧”。
开口212提供于隔离层210中。开口212可与栅极202大体上对准。在一些实施例中，开口212大于栅极202且可延伸于多个双栅极背侧感测FET传感器上。界面层(未绘示)可设置于沟道区208的表面上的开口212中。界面层可以可操作方式提供接口用于定位且固定一个或多个受体来检测生物分子或生物实体。本文提供关于界面层的其它细节。
双栅极背侧感测FET传感器200包括分别地到漏极区206和源极区204的电触点216和电触点218。前侧栅极触点220可连到栅极202，同时背侧栅极触点222可连到沟道区208。应注意，背侧栅极触点222不需要实体接触衬底214或衬底214上的任何界面层。因此，当FET可使用栅极触点来控制源极与漏极之间的半导体的传导(例如沟道)时，双栅极背侧感测FET传感器200允许形成于与FET装置的栅极202相对的一侧上的受体来控制传导，同时栅极202提供另一区域来控制传导。因此，双栅极背侧感测FET传感器200可用于检测开口212周围和/或开口212中的环境中的一种或多种具体生物分子或生物实体，如使用本文中各种实例更详细论述。
双栅极背侧感测FET传感器200可以连接到其它无源组件，例如电阻器、电容器、电感器和/或熔丝；其它有源组件，包括p通道场效应晶体管(p-channel field effecttransistor，PFET)、n通道场效应晶体管(n-channel field effect transistor，NFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)、高电压晶体管和/或高频晶体管；其它合适的组件；或其组合。进一步理解针对双栅极背侧感测FET传感器200的其它实施例，其它构件可以添加于双栅极背侧感测FET传感器200中，且可置换或消除所描述构件中的一些。
图3示出连接到位线306和字线308的bioFET传感器304的示范性可寻址阵列300的一部分的示意图。应注意，本文中使用术语位线和字线来指示存储器装置中的与阵列构造的类似性，然而，不存在暗示存储器装置或存储阵列必需包括于阵列中。可寻址阵列300可具有与其它半导体装置所采用的阵列，例如动态随机存取存储器(dynamic random accessmemory，DRAM)阵列的类似性。举例来说，上文参考图2所描述的双栅极背侧感测FET传感器200可形成于将在DRAM阵列中发现电容器的位置中。示意图300仅是示范性且有人将认识到其它配置是可能的。
BioFET传感器304可各自大体上类似于根据一些实施例的双栅极背侧感测FET传感器200。FET 302配置成提供bioFET传感器304的漏极端与位线306之间的电连接。通过这种方式，FET 302类似于DRAM阵列中的存取晶体管。在一些实施例中，bioFET传感器304是双栅极背侧感测FET传感器且各自包括由设置在上覆于设置在反应位点处的FET沟道区的介电层上的受体材料提供的感测栅极和由设置在上覆于FET沟道区的介电层上的栅极电极(例如多晶硅)提供的控制栅极。
可寻址阵列300展示阵列形式，所述阵列形式设计成检测由引入到bioFET传感器304的生物分子或生物实体提供的较小信号改变。由于呈相同行或列的不同FET的公共端子系结在一起，所以使用位线306和字线308的经排列格式允许较小数目个输入/输出垫。放大器可用于增强信号强度以改良具有示意图300的电路布置的装置的检测能力。在一些实施例中，当将电压施加到特定字线308和位线306时，对应存取晶体管302将接通(turned ON)(例如，如开关)。当相关bioFET传感器304的栅极(例如双栅极背侧感测FET传感器200的背侧栅极222)具有受生物分子存在影响的电荷时，改变bioFET传感器304的阈值电压，进而调变用于施加到背侧栅极222的给定电压的电流(例如Ids)。电流(例如Ids)或阈值电压(Vt)的变化可用来指示相关生物分子或生物实体的检测。
参看图4，呈现示范性示意图400。示范性示意图400包括布置呈个别可寻址的像素402的阵列401状的存取晶体管302和bioFET传感器304。阵列401可包括任何数目的像素402。举例来说阵列401可包括128×128个像素。其它布置可包括256×256个像素或非方形阵列，例如128×256个像素。
每一像素402包括存取晶体管302和bioFET传感器304连同其它组件，所述其它组件可包括一个或多个加热器408和温度传感器410。在这个实例中，存取晶体管302是n通道FET。n通道FET 412还可充当用于温度传感器410的存取晶体管。在一些实施例中，连接FET302和FET 412的栅极，虽然这并未要求。每一像素402(和其相关组件)可使用行解码器404和列解码器406分别地定址。在一些实施例中，每一像素402具有约10微米乘约10微米的大小。在一些实施例中，每一像素402具有约5微米乘约5微米的大小或具有约2微米乘约2微米的大小。
列解码器406和行解码器404可用于控制n通道FET 302和n通道FET 412两个的开(ON)/关(OFF)状态(例如将电压施加到FET 302和FET 412一起的栅极，以及将电压施加到FET 302和FET 412一起的漏极区)。接通(turning ON)n通道FET 302为bioFET传感器304的S/D区提供电压。当bioFET传感器304是开启(ON)时，电流Ids流经bioFET传感器304且可经测量。
加热器408可用于局部升高bioFET传感器304周围的温度。加热器408可使用任何已知技术来构建，例如利用流动通过其的高电流形成金属图案。加热器408还可以是热电加热器/冷却器，如帕尔贴装置(Peltier device)。可在某些生物测试期间使用加热器408以便使DNA或RNA变性或以提供结合环境用于某些生物分子。温度传感器410可用于测量bioFET传感器304周围的局部温度。在一些实施例中，可建立控制环路来使用加热器408和从温度传感器410接收的反馈来控制温度。在一些实施例中，加热器408可以是热电加热器/冷却器，所述冷却器允许局部主动冷却像素402内的组件。
参看图5，根据一些实施例，提供实例双栅极背侧感测FET传感器500的截面图。双栅极背侧感测FET传感器500是双栅极背侧感测FET传感器200的一个实施方案。因此，来自图2的先前描述元件标记有来自图2的元件符号且此处不重复其描述。双栅极背侧感测FET传感器500包括栅极202、源极区204、漏极区206以及沟道区208，其中源极区204和漏极区206形成于衬底214内。栅极202、源极区204、漏极区206以及沟道区208形成FET。应注意，图5的各种组件并不意图按比例绘制且出于视觉便利而放大，如相关领域的技术人员将理解。
在一些实施例中，双栅极背侧感测FET传感器500耦合到金属互连件502的多个层，所述金属互连件与形成于衬底214内的多个掺杂区和其它装置形成电连接。金属互连件502可使用相关领域的技术人员熟知的制造工艺来制造。
双栅极背侧FET传感器500可包括与源极区204和漏极区206分离的主体区504。主体区504可用于偏压源极区204与漏极区206之间的沟道区208中的载流子浓度。在一些实施例中，可将电压偏压施加到主体区504以改良双栅极背侧FET传感器500的敏感性。在一些实施例中，主体区504电连接到源极区204。在一些实施例中，主体区504电接地。
双栅极背侧FET传感器500可耦合到制造于衬底214内的其它电路506。电路506可包括任何数目的MOSFET装置、电阻器、电容器和/或电感器来形成电路来帮助双栅极背侧感测FET传感器500的操作。电路506可表示用以测量来自双栅极背侧FET传感器500(即指示分析物检测)的信号的读出电路。电路506可包括放大器、模/数转换器(analog to digitalconverter，ADC)、数/模转换器(digital to analog converter，DAC)、电压产生器、逻辑电路和/或DRAM存储器，仅举几例实例。在一些实施例中，电路506包括数字组件且不会测量来自双栅极背侧FET传感器500的模拟信号。其它电路506的组件的所有或中的一些可集成在相同衬底214中作为双栅极背侧FET传感器500。应理解，各自大体上类似于双栅极背侧FET传感器500的许多FET传感器可集成在衬底214中且耦合到其它电路506。在另一实例中，其它电路506的组件的所有或中的一些提供于与衬底214分离的另一半导体衬底上。在又另一实例中，其它电路506中的一些组件集成在同一衬底214中作为双栅极背侧FET传感器500，而其它电路506中的一些组件提供于与衬底214分离的另一半导体衬底上。
仍参看图5的说明性实例，双栅极背侧感测FET传感器500包括界面层508，所述界面层沉积于隔离层210上且在沟道区208上方的开口内。在一些实施例中，界面层508具有介于约20埃
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与约40埃之间的厚度。界面层508可以是高K介电质材料，例如硅酸铪(hafnium silicate)、二氧化铪、氧化锆、氧化铝、五氧化二钽(tantalum pentoxide)、二氧化铪氧化铝(hafnium dioxide-alumina，HfO2-Al2O3)合金或其任何组合。界面层508可以充当支撑物用于捕捉试剂的附接件，如较晚将在涉及生物感测的部分中更详细论述。溶液512提供于双栅极背侧感测FET传感器500的反应位点上方，且流体栅极510放置在溶液512内。溶液512可以是含有捕捉试剂、靶向分析物、清洗溶液或任何其它生物或化学物质的缓冲溶液。
根据一实施例，图6示出设计成提供测量信号610的差分读出电路600，所述测量信号表示第一bioFET传感器602与第二bioFET传感器604之间的差分测量。在一些实例中，bioFET传感器602和bioFET传感器604中的每一个表示独立的bioFET传感器阵列。
根据一实施例，bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604均使用用于类似元件的相同材料一起制造。举例来说，bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604中的每一个使用用于至少栅极电极(VPG1和VPG2)的相同材料，和相同界面层材料，在所述相同界面层材料上，相同捕捉分子结合到每一bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604。在一实施例中，bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604设计成尽可能类似，且唯一不同是bioFET传感器/阵列602暴露于靶向分析物而bioFET传感器/阵列604未暴露。
根据一实施例，差分电路配置使用跨阻抗放大器606a和跨阻抗放大器606b组来将来自每一bioFET/阵列的电流转换成待在差分放大器608处进行比较的电压。举例来说，跨阻抗放大器606a将电流Ids1转化成对应电压Vs1。电流Ids1具有取决于bioFET传感器/阵列602的阈值电压的量值。如果出现与靶向分析物结合，阈值电压将变化。跨阻抗放大器606b将电流Ids2转化成对应电压Vs2。电流Ids2具有取决于bioFET传感器/阵列604的阈值电压的量值。由于bioFET传感器/阵列604设计成不暴露于靶向分析物，因此在测试期间不期望这一阈值电压显著地变化。电流Ids1可通过将电压施加到bioFET传感器/阵列602的栅极VPG1和流体栅极VFG1中的任一个或两个来产生。类似地，电流Ids2可通过将电压施加到bioFET传感器/阵列604的栅极VPG2和流体栅极VFG2中的任一个或两个来产生。
根据一实施例，差分放大器608接收作为输入与来自bioFET传感器/阵列602的测量相关联的电压Vs1和与来自bioFET传感器/阵列604的测量相关联的电压Vs2。来自差分放大器608的输出信号610提供电压Vs1与电压Vs2之间的差值。输出信号610的量值可用于鉴别是否出现靶向分析物的结合，以及所存在靶向分析物的浓度。举例来说，如果输出信号610的量值是零或大体上是零，bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604的阈值电压大致相同且因此未发生靶向分析物的结合。然而，如果输出信号610的量值是一些大于或小于零的值，接着输出信号610的绝对量值可能与结合到bioFET传感器/阵列602的靶向分析物的浓度相关。在一些实施例中，差分放大器608具有单位增益。在一些实施例中，差分放大器608具有大于1的增益，例如5、10、20、30、40、50或100的增益。
在一实施例中，bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604中的每一个表示传感器阵列，例如具有行和列连接的bioFET传感器的2维阵列。在一个实例中，bioFET阵列602中的每一bioFET传感器电耦合到由Vs1表示的差分放大器608的输入端且bioFET阵列604中的每一bioFET传感器电耦合到由Vs2表示的差分放大器608的输入端。在另一实例中，bioFET阵列602中的每一bioFET传感器与bioFET阵列604中的对应bioFET传感器连接到其自身的差分读出电路。在另一实例中，存在单一差分读出电路，且bioFET阵列602中的每一bioFET传感器与bioFET阵列604中的对应bioFET传感器使用时间多工方案在特定时刻连接到差分读出电路。
跨阻抗放大器606a和跨阻抗放大器606b以及差分放大器608可各自是标准组件，如相关领域的技术人员将熟知。跨阻抗放大器606a和跨阻抗放大器606b可具有应用增益相同的相同配置。根据一实施例，提供跨阻抗放大器606a和跨阻抗放大器606b来维持bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604中的每一个的恒定的漏极电压。可选择跨阻抗放大器606a或跨阻抗放大器606b中任一个的末端VD处的电压使得bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604是线性或饱和模式。在一个实例中，VD＝0.2伏(volts)且bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604中的每一个呈线性模式。在另一实例中，VD＝2伏且bioFET传感器/阵列602和bioFET传感器/阵列604中的每一个呈饱和模式。
根据一实施例，图7A示出半导体装置700的从上到下的视图，所述半导体装置包括至少两个感测区702和感测区704。感测区702和感测区704可各自包括bioFET传感器。在其它实例中，感测区702和感测区704各自包括bioFET传感器阵列。bioFET传感器中的每一个可以是类似图5中所示出的双栅极背侧FET传感器。感测区702和感测区704可能分离一定距离，所述距离足够大以可靠地控制分别地流动于感测区702和感测区704中的每一个的上方的液体，如本文中将更详细论述。
根据一实施例图7B示出半导体装置700的截面图。为简单起见，图7B的截面图示出感测区702中的单一bioFET传感器602和感测区704中的单一bioFET传感器604。然而，应理解，bioFET传感器602和bioFET传感器604中的每一个还可表示bioFET传感器阵列。
根据一实施例，BioFET传感器602和BioFET传感器604分别是双栅极背侧FET传感器。BioFET传感器602和BioFET传感器604形成于同一衬底706中且使用相同工艺一起制造。因此，bioFET传感器602和bioFET传感器604各自分别地具有栅极708a和栅极708b，所述栅极由相同材料形成并且优选地使用同一掩模来图案化。BioFET传感器602包括掺杂源极区710a和掺杂漏极区712a。根据一些实施例，BioFET传感器604还包括具有与掺杂源极区710a和掺杂漏极区712a相同掺杂浓度和曲线的掺杂源极区710b和掺杂漏极区712b。在一些实施例中，源极区710a、漏极区712a、源极区710b以及漏极区712b中的每一个同时形成。隔离层714设置于衬底706的背侧上方且形成开口以暴露bioFET传感器602和bioFET传感器604中的每一个的沟道区。界面层716还沉积在开口中的每一个内以及bioFET传感器602和bioFET传感器604中的每一沟道区的上方。在一实施例中，用于界面层716的材料在bioFET传感器602和bioFET传感器604中的每一个上方相同。在一实施例中，界面层716同时沉积在bioFET传感器602和bioFET传感器604中的每一个的上方。
根据一实施例，图8A和图8B分别示出半导体装置700的从上到下视图和截面图，所述半导体装置具有定位在装置上方的微流体网络。微流体网络包括至少一个第一沟道802和第二沟道804。第一沟道802可定位以大体上包围感测区702。第二沟道804可定位以大体上包围感测区704。流体网络可能模制于射流层806中。在一些实施例中，射流层806是聚合材料，例如聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)或聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)。在其它实例中，射流层806是刚性材料(例如玻璃或石英)，且将第一沟道802和第二沟道804蚀刻到射流层806中。射流层806可直接地接合于界面层716上。在一些其它实施例中，射流层806通过设置于射流层806与界面层716之间的粘附层而接合到界面层716。在其它实施例中，射流层806暴露于氧等离子体处理来增强对到界面层716的粘合强度。第一沟道802和第二沟道804中的每一个可通常是任何大小，然而，每一沟道偏好的是具有介于约5微米与约500微米之间的高度。
在一些实施例中，流体栅极(未绘示)可图案化形成在第一沟道802和第二沟道804中的每一个内。流体栅极可以是任何导电材料。可将势能施加到流体栅极以增强bioFET传感器602或bioFET传感器604的背侧表面处所累积的电荷。
根据一实施例，图9A和图9B分别示出半导体装置700的从上到下视图和截面图，所述半导体装置具有微流体网络，其中表面处理从每一沟道流下。相同表面处理可流经第一沟道802和第二沟道804中的每一个，使得将相同处理应用到存在于感测区702和感测区704处的bioFET传感器。
在一些实施例中，表面处理包括结合到界面层716的捕捉试剂902。图9B中示出的捕捉试剂902结合到bioFET传感器602和bioFET传感器604上方的开口内的界面层716。然而，应理解，捕捉试剂902可结合到界面层716的任何暴露表面，包括开口外部的任何表面。根据一实施例，相同浓度和类型的捕捉试剂流经第一沟道802和第二沟道804中的每一个以确保bioFET传感器602或bioFET传感器604的制造之间的一致性。捕捉试剂的实例可包括酶、抗体、配体、肽、核苷酸、器官细胞、生物体或组织块中的一种或多种。
根据一实施例，设置捕捉试剂902后，可将其它表面处理引入到第一沟道802和第二沟道804两个中来阻断界面层716的任何暴露部分以致力于减少靶向分析物的非特异性结合。阻断处理为此项技术中熟知的且包括(例如)6-巯基己醇(6-mercaptohexanl)和牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)。
在这一阶段，已使用相同方法和相同材料制造bioFET传感器602和bioFET传感器604中的每一个。理想地，bioFET传感器602和bioFET传感器604中的每一个具有相同装置特征和对于施加栅极708a/栅极708b或流体栅极(未绘示)的电压的相同响应。
根据一实施例，图10A和图10B分别示出半导体装置700的从上到下视图和截面图，所述半导体装置具有微流体网络，其中选择性引入样本溶液。将含有靶向分析物1002的样本溶液仅引入到第一沟道802中。第二沟道804未接收样本溶液，然而在一些实施例中，将不含靶向分析物1002的缓冲溶液引入到第二沟道804中同时将样本溶液引入到第一沟道802中。
存在于样本溶液内的靶向分析物1002与提供于感测区702上方的捕捉试剂902结合。靶向分析物的结合改变在bioFET传感器602的背侧表面处积聚的电荷且继而改变bioFET传感器602的阈值电压。由于未将靶向分析物引入到感测区704，因此bioFET传感器604的阈值电压保持不变。通过这种方式，bioFET传感器604作用类似“控制(control)”传感器，其输出端与bioFET传感器602(“实际(actual)”传感器)的输出端进行比较。靶向分析物的实例可包括DNA、RNA、抗体、多肽、细胞、组织、蛋白或肿瘤标记物中的一种或多种。
根据一实施例，图11A和图11B分别示出半导体装置700的从上到下视图和截面图，所述半导体装置具有微流体网络，其中将缓冲溶液引入到每一沟道中用于执行测量。优选地，将相同缓冲溶液引入到第一沟道802和第二沟道804中的每一个中。在一些实施例中，可清洗溶液前将缓冲溶液引入到两个沟道中来将非结合材料从沟道中清洗掉。
缓冲溶液可以是具有稳定pH值的任何溶液。将相同缓冲溶液引入到第一沟道802和第二沟道804两个来确保在bioFET传感器602和bioFET传感器604进行测量的时间期间感测区702周围流体环境与感测区704周围流体环境相同。使用差分电路方案，例如图6中所示出的差分电路方案来测量来自每一bioFET传感器602和bioFET传感器604的电流(Ids)。
根据一些实施例，图12A和图12B示出用以将流体传递到感测区702和感测区704的流体网络的实例。如图12A中所展示，流体网络1200包括用以分别地将流体传递到流体沟道1203和流体沟道1205的第一流体入口1202和第二流体入口1204。流体网络1200还包括流体出口1210，所述流体出口可以是废液储集器或可包括压力源极以抽吸流体通过流体网络1200。流体入口可以是含有一定量流体的阱或与导管或注射器针头连接的口以引入流体。流体网络1200可包括其它集成组件，例如微型泵或微型混合器，所述集成组件设计成移动和/或中断流经沟道中的任一个的流体如相关领域的技术人员将理解，微型泵和微型混合器可以是压电致动或气动致动。
根据一实施例，流体沟道1205分支成两个沟道(1207和1209)，所述沟道将流体传递到第一感区702和第二感测区704中的每一个。因此，可以通过第二流体入口1204引入待传递到第一感测区702和第二感测区704中的每一个的流体。
流体沟道1203与将流体传递到第一感测区702的流体沟道1207汇合。由于流体沟道1203与流体沟道1207汇合的几何构型，因此引入到流体入口1202中的流体仅流动于感测区702上方，而不流动于感测区704上方。根据一实施例，为提供对于流体流量的更好控制，可包括第一阀门1206和第二阀门1208以在阀门闭合时切断任何流动通过阀门的流体。举例来说，第一阀门1206和第二阀门1208可各自闭合使得建立仅通过第一感测区702的第一流体入口1202与流体出口1210之间的流体路径。当通过第二流体入口1204在第一感测区702和第二感测区704中的每一个的上方传递流体时，可打开第一阀门1206和第二阀门1208。
第一阀门1206和第二阀门1208中的每一个可以是本领域的技术人员已知的任何阀门。举例来说，阀门可以是压电致动、气动致动或磁性致动。
图12B示出包括第一流体入口1212和第二流体入口1214的另一流体网络1201，所述流体入口用以分别将流体传递到第一感测区702和第二感测区704。流体网络1201还包括流体出口1218，所述流体出口可以是废液储集器或可包括压力源极以抽吸流体通过流体网络1201。流体入口可以是含有一定量流体的阱，或与导管或注射器针头连接的口来引入流体。流体网络1201可包括其它集成组件，例如微型泵或微型混合器，所述集成组件设计成移动和/或中断流经沟道中的任一个的流体如相关领域的技术人员将理解，微型泵和微型混合器可以是压电致动或气动致动。
流体网络1201包括两个独立沟道用于将流体传递到第一感测区702和第二感测区704。因此，将相同流体引入到第一流体入口1212和第二流体入口1214中的每一个以在第一感测区702和第二感测区704中的每一个的上方接收。为仅将流体传递到第一感测区702，可以仅通过第一流体入口1212传递流体。可以包括阀门1216以提供更好的控制且确保当阀门闭合时，意欲仅在第一感测区702上方传递的流体不会朝向第二感测区704回流。
根据一实施例，另一流体传递机构包括图案化电极阵列以用于称为介电质上电润湿(electrowetting-on-dielectric，EWOD)的技术中。关于EWOD装置和使用应用电场控制流体液滴的移动的后方机构的设计的其它细节可在美国专利第9,254,485号和美国专利第9,366,647号中发现。简单来说，在EWOD环境中通过在图案化电极与通常沿流体沟道的顶部提供的共同电极之间产生电场来操控流体液滴。应用电场的应用修饰介电表面的润湿性质，液滴放置在所述介电表面上，其可使得液滴取决于活化用于应用电场的电极而在给定方向上移动。
根据一实施例，图13示出用于通过EWOD执行流体液滴操纵的沟道和电极布置的从上到下视图。可将第一流体储集器1302和第二流体储集器1304连接到具有图案化主电极1306和微小电极1308的栅格样布置的流体沟道。可将第一感测区702和第二感测区704提供于网格中的不同流体交叉点处。主电极1306可用于提供流体液滴的粗移动而微小电极1308提供流体液滴的更精细且更受控移动。通过将势能施加到一系列连结电极，可将液滴沿特定路径移动通过流体网络栅格。举例来说，从流体储集器1302中牵引出的流体液滴1310可通过将势能连续施加到沿路径分各个电极来遵循由点线和箭头所绘示的路径。通过这种方式，流体液滴可谨慎地受控来移动于第一感测区702和第二感测区704中的任一个或两个的上方。
根据一实施例，图14示出用于操控图13中示出的整个平面A’-A’中采集的流体液滴的EWOD布置的截面图。可在多层互连结构(multi-level interconnect structure，MLI)1403下方提供载体衬底1402来为上述层中的每一个给出进一步支撑，并且还潜在地提供其上可以是制造其它电路的衬底。MLI 1403可用于将提供于第一感测区702中的多个bioFET传感器电连接到其它电路、电源平面和接地平面以及接合垫中的至少一个。
第一感测区702中的bioFET传感器在衬底1404上经图案化，类似于图5中示出的双栅极背侧感测FET传感器500。隔离层1405提供于衬底1404上方且经图案化来形成开口(或多个开口)以暴露第一感测区702内的bioFET传感器的沟道区。
EWOD环境包括包围下方流体沟道的顶板1412。顶板1412可以是玻璃或硅衬底。共同电极1410在顶板1412的内表面上经图案化。共同电极1410可以是任何导体材料。在一些实施例中，共同电极1410是大体上透明的导体材料以允许在操作期间目视检查流体沟道。透明导体的实例包括氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)和铝铜(aluminum-copper，AlCu)。聚合材料可用于形成壁1414来包围顶板1412与衬底1404之间的流体沟道。
介电层1406设置于隔离层1405上方，并且还设置于主电极1306上方。介电层1406可以是高K介电质材料，列举一个实例，例如二氧化铪。介电层1406还沉积于顶板1412的内部上方以及沉积于共同电极1410上方。
疏水性层1408设置于沟道的顶表面和底表面两个上的介电层1406的上方。疏水性层1408通常可以是呈现高疏水性的任何材料使得接触疏水性层1408的流体液滴将在疏水性层1408上维持高接触角(例如大于90度)。疏水性层1408的一些实例包括铁氟龙(Teflon)和某些表面组装单层(surface assembled monolayer，SAM)，例如6-巯基-己醇。
通过这一EWOD设计，包夹在沿沟道的顶部和底部的疏水性层1408之间的流体液滴将由于疏水性层1408的疏水性而保持其位置。液滴可接着通过在对应电极(例如主电极1306)与共同电极1410之间应用电场来在给定方向上移动。
根据一些实施例，图15示出用于在不同感测区之间传递流体的实例方法1500。不同感测区可各自包括一个或多个bioFET传感器(例如阵列)，例如图5中示出的实例双栅极背侧FET传感器。应理解，可在方法1500之前、期间以及之后提供其它操作，且可以置换或免除下文描述的步骤中的一些用于所述方法的其它实施例。在一些实施例中，方法1500的多个操作在图7到图11中示出。
根据一实施例，方法1500开始于框1502，其中将含有捕捉试剂的溶液引入于第一感测区和第二感测区上方。捕捉试剂可悬浮于缓冲溶液中，所述缓冲溶液向下流动到分支成两个流体沟道的单一流体沟道，其中一个沟道通向第一感测区而另一沟道通向第二感测区。在另一实例中，捕捉试剂悬浮于向下流动到两个独立沟道的缓冲溶液中，其中每一沟道对应于不同感测区。在又另一实例中，捕捉试剂悬浮于缓冲溶液的液滴中，所述液滴使用EWOD技术移动于第一感测区和第二感测区两个的上方。
捕捉试剂结合到第一感测区和第二感测区中的每一个中的暴露界面层。含有捕捉试剂的溶液可在第一感测区和第二感测区中的每一个的上方保持给定时段来确保捕捉试剂的充分结合。实例捕捉试剂可包括抗体、多肽、DNA、RNA、细胞、病毒、蛋白或酶。捕捉试剂可以是自组装单层(self-assembled monolayer，SAM)分子的一部分。SAM可具有硅烷基团(silane group)、甲硅烷基(silyl group)、硅烷醇基(silanol group)、膦酸酯基(phosphonate group)、胺基(amine group)、硫醇基(thiol group)、烷基(alkyl group)、烯烃基(alkene group)、炔基(alkyne group)、叠氮基(azido group)或环氧基(expoxygroup)中的头基(head group)。捕捉试剂附接到SAM中之头基。
根据一实施例，方法1500接着继续进行到框1504，其中在第一感测区的上方提供含有靶向分析物的溶液。靶向分析物可提供于缓冲溶液中。可以阻断对第二感测区的存取的方式提供溶液，使得将靶向分析物仅引入到第一感测区。举例来说，流体阀门可用于阻断沟道网络中的某些沟道，或单独沟道可用于将流体传递到第一感测区或第二感测区。在其它实例中，EWOD布置可用于控制含有靶向分析物的溶液中的液滴的移动来仅在第一感测区的上方移动，而不在第二感测区的上方移动。
靶向分析物结合到存在于第一感测区中的捕捉试剂。含有靶向分析物溶液可在第一感测区的上方保持给定时段来确保靶向分析物的充分结合。实例靶向分析物可包括抗体、多肽、DNA、RNA、细胞、病毒、蛋白或酶。
根据一实施例，方法1500继续进行到框1506，其中在第一感测区和第二感测区两个的上方提供清洗溶液。框1506是任选的且可执行来帮助从第一感测区中清洗掉任何非结合材料，所述非结合材料可使信号测量变形或中断信号测量。还将相同清洗溶液提供到第二感测区来确保两个感测区之间的一致性(除引入靶向分析物之外)上升直到两个感测区用于测量。
根据一实施例，方法1500继续进行到框1508，其中在第一感测区和第二感测区两个的上方提供缓冲溶液。可提供缓冲溶液来创造具有稳定pH的液体环境来对第一感测区和第二感测区中的每一个中的bioFET传感器执行测量。
根据一实施例，方法1500继续进行到框1510，其中从第一感测区和第二感测区中的每一个中的bioFET传感器测量差分输出。可使用差分放大器电路，例如图6中所示出的差分读出电路600来测量差分输出。由于第一感测区和第二感测区中的每一个中的bioFET传感器是同时且使用相同材料制造，因此其对于相同施加栅极电压的输出响应应大体上相同，其中任何不同仅由第一感测区中的靶向分析物的存在所引起。因为这一点，第一感测区和第二感测区中的bioFET传感器之间的差分测量将抵消任何环境噪声或由于bioFET传感器中的每一个的类似地效果的偏移的噪声。因此，相较于先前方法，所得差分测量是可用于检测较低浓度的靶向分析物的更干净信号。
根据一些实施例，图16示出用于制造多个双栅极背侧FET传感器，例如图5中示出的双栅极背侧FET传感器的实例方法1600。多个双栅极背侧FET传感器可提供于本文中所论述的第一感测区和第二感测区中用于执行bioFET传感器之间的差分感测。方法1600可包括使用与互补型金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)工艺相容或具有代表性的一个或多个工艺步骤来形成双栅极背侧FET传感器。应理解，可在方法1600之前、期间以及之后提供其它操作，且可以置换或免除下文描述的步骤中的一些用于所述方法的其它实施例。另外，应理解，方法1600包括具有典型CMOS技术工艺流程的特征的操作且因此，本文中仅简单描述。典型CMOS技术工艺可包括：光刻；离子植入；扩散；沉积，包括物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)、金属蒸镀或溅镀、化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhancedchemical vapor deposition，PECVD)、大气压化学气相沉积(atmospheric pressurechemical vapor deposition，APCVD)、低压CVD(low-pressure CVD，LPCVD)、高密度等离子CVD(high density plasma CVD，HDPCVD)、原子层CVD(atomic layer CVD，ALCVD)、旋转涂布；以及蚀刻，包括湿式蚀刻、干式蚀刻以及等离子蚀刻。可参考图5中示出的某些元件。
方法1600开始于框1602，其中提供衬底。衬底可以是半导体衬底。半导体衬底可以是硅衬底。或者，衬底可包括另一基本半导体，例如锗；包括碳化硅的化合物半导体；包括硅锗的合金半导体；或其组合。在一些实施例中，衬底是绝缘体上半导体(semiconductor oninsulator，SOI)衬底。衬底可包括掺杂区，例如p阱和n阱。在本公开中，晶片是包括半导体衬底和多个构件的工件，所述构件形成于半导体衬底中和上方且附接到半导体衬底。晶片可在各个制造阶段中且使用CMOS工艺加工。在完成各个制造阶段后，晶片分离成单个管芯，所述单个管芯经包装成集成芯片。
方法1600接着继续进行到框1604，其中多个栅极形成于衬底的前表面上。多个栅极的第一集合可充当存在于第一感测区中的双栅极背侧FET传感器的栅极而多个栅极的第二集合可充当存在于第二感测区中的双栅极背侧FET传感器的栅极。根据一些实施例，栅极是多晶硅。其它示范性栅极材料包括金属，例如铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)、钽(Ta)、铬(Cr)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)；合适的金属化合物，类似氮化钛(titanium nitride，TiN)、氮化钽(tantalum nitride，TaN)、硅化镍(nickel silicide，NiSi)、硅化钴(cobalt silicide，CoSi)；其组合；和/或其它合适的导电材料。
栅极介电质提供于多个栅极与衬底的前表面之间。在一些实施例中，栅极介电质是氧化硅。其它示范性栅极介电质包括氮化硅(silicon nitride)、氮氧化硅(siliconoxynitride)、具有高介电常数(高k)的介电质或其组合。高k材料的实例包括硅酸铪、二氧化铪、氧化锆、氧化铝、五氧化二钽、二氧化铪氧化铝(HfO2-Al2O3)合金或其组合。
方法1600继续进行到框1606，其中S/D区形成于多个栅极中的每一个的两侧上的衬底中。S/D区可取决于FET配置而包括n型掺杂剂或p型掺杂剂(即n通道或p通道)。双栅极背侧FET传感器的S/D区可同时形成。其它互连层可形成来创造与多个栅极和S/D区中的每一个的电连接，例如图5中示出的金属互连件502。
在一些实施例中，载体衬底还可以附接到互连层来允许对于衬底的背侧的多个后续操作且不影响半导体衬底的结构完整性。在一些实施例中，将载体衬底接合到互连层的最末金属互连层。在一些实施例中，将载体衬底接合到形成于互连层上的钝化层。可使用融合、扩散、共晶和/或其它合适的接合方法来将载体衬底附接到装置衬底。用于载体衬底的示范性组合物包括硅、玻璃以及石英。在一些实施例中，载体衬底可包括其它功能，例如互连特征、接合位点、限定腔体和/或其它合适的特征。可在后续处理期间(例如在薄化后)将载体衬底移除。
根据一些实施例，方法1600继续进行到框1608，其中形成穿过在衬底的背侧上的介电层的开口。举例来说，开口可经蚀刻穿过隔离层714(如图7B中所绘示)来暴露第一感测区702和第二感测区704内的衬底706的背侧。根据一些实施例，第一感测区702和第二感测区704中的每一个中的单一较大开口可涵盖超过一个双栅极背侧FET传感器。在一些其它实施例中，开口形成于每一单个双栅极背侧FET传感器的上方。
可通过首先执行干式蚀刻，例如反应性离子蚀刻(reactive ion etch，RIE)或任何等离子体蚀刻来薄化衬底的背侧上的介电层来形成开口。然后，可使用湿润蚀刻，例如缓冲氧化蚀刻(buffered oxide etch，BOE)或氢氟酸(hydrofluoric acid，HF)来将开口内的介电层的较薄的剩余部分移除。
根据一些实施例，方法1600继续进行到框1610，其中界面层(例如图7B中所示出的层716)设置在开口内的暴露沟道区上方的衬底的背表面上。界面层可兼容用于生物分子或生物实体结合。举例来说，界面层可提供结合界面用于生物分子或生物实体。界面层可包括介电材料、导电材料和/或其它合适材料用于固持受体。示范性界面材料包括高k介电质膜、金属、金属氧化物、介电质和/或其它合适的材料。作为另一实例，示范性界面层材料包括：二氧化铪(hafnium oxide，HfO2)、氧化钽(tantalum oxide，Ta2O5)、Pt、Au、W、Ti、铝(Al)；这类金属的氧化物，例如二氧化硅(silicon dioxide，SiO2)、氮化硅(silicon nitride，Si3N4)、氧化铝(aluminum oxide，Al2O3)、氧化钛(titanium oxide，TiO2)、TiN、氧化锆(zirconium oxide，ZrO2)、氧化锡(II)(tin(II)oxide，SnO)、二氧化锡(tin dioxide，SnO2)；和/或其它合适的材料。可使用CMOS工艺，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CVD(HDPCVD)或原子层CVD(ALCVD)来形成界面层。在一些实施例中，界面层包括多个层。
化学、生物学以及界面
现将参考图5描述作为pH传感器的双栅极背侧FET传感器500的实例操作。虽然双栅极背侧FET传感器500上方的开口仅示出为在沟道区208的上方，但是应理解开口可进一步拉伸来暴露其它双栅极背侧FET传感器，且开口的大小不会改变本文中所描述的生物感测操作。
简单来说，流体栅极510用来提供与双栅极背侧FET传感器500的“背栅”的电接触。溶液512提供于双栅极背侧感测FET传感器500的反应位点的上方，且流体栅极510放置在溶液512内。溶液的pH大体上涉及溶液中的氢离子[H+]的浓度。靠近沟道区208上方的界面层508的表面的离子的积聚影响沟道区208内的反型层的形成，所述沟道区在S/D区204与S/D区206之间形成导电路径。在一些实施例中，电流Ids从一个S/D区流动到另一个S/D区。
可测量电流Ids来测定溶液512的pH。在一些实施例中，流体栅极510在感测期间用作晶体管的栅极而栅极202保持浮动。在一些实施例中，流体栅极510在感测期间用作晶体管的栅极而栅极202在给定势能下偏压。举例来说，栅极202可取决于应用在介于-2伏(V)与2伏之间的势能下偏压，而流体栅极510在电压范围之间冲走或在恒定电压下固持。在一些实施例中，在感测期间，流体栅极510在给定势能下偏压(或接地)而应用到栅极202的电压在整个势能范围中被冲走，或在恒定电压下固持。流体栅极510可由铂形成或可由用于电化学分析中的参考电极的任何其它常用材料形成。参考电极的实例是银/氯化银(silver/silver chloride，Ag/AgCl)电极，其具有约0.230伏的稳定势能值。
图17A绘示结合到界面层508的表面的溶液中的离子。界面层508的最顶部原子层描绘为多个悬[O-]、[OH]以及[OH2 +]键。随着离子积聚在表面上，总表面电荷影响晶体管的阈值电压。如本文中所使用，阈值电压是FET传感器的栅极与源极之间的最小势能，需要所述阈值电压来在FET传感器的源极与漏极之间形成载流子的导电路径。总电荷还直接地涉及溶液的pH，如高积聚的正电荷表示较低pH而高积聚的负电荷表示较高pH。
图17B示出阈值电压中的实例改变，所述改变是由于n通道FET传感器中的不同pH值而产生的。如在这个实例中可以观察到，阈值电压增大59毫伏(mV)大致表示溶液的pH的一个增大。换句话说，当测量作为需要用来接通晶体管的电压时，一个pH改变产生59毫伏的总表面电荷当量。
改变双栅极背侧FET传感器500的阈值电压还改变用来在S/D区204与S/D区206之间形成导电路径的时间，所述导电路径用于到流体栅极510或栅极202的给定电压输入端。根据一些实施例，“接通”FET传感器中的这一时间延迟可使用数字电路来定量且可用来测定分析物浓度。
本申请案中所描述的设备、系统以及方法可用于监测多个实体之间的相互作用。这些相互作用包括生物反应和化学反应来检测测试样本中的靶向分析物。作为一实例，可监测包括物理、化学、生物化学或生物转化的反应来检测中间物、副产物、产物以及其组合的产生。另外，本公开的设备、系统以及方法可用于检测如本文中所描述的多个分析中的这些反应，所述分析包括(但不限于)用于液体活检的体循环肿瘤细胞分析和检测重金属和其它环境污染物的存在的螯合分析。可以单一格式或以阵列格式监测这类分析和反应来检测例如多个靶向分析物。
参看图18，使用双栅极背侧感测FET传感器执行实例生物感测测试。通过连结分子1802将探针DNA 1804(捕捉试剂的实例)结合到界面层508。连结分子1802可具有结合到界面层508的一部分的反应性化学基团。连结分子的实例包括硫醇。连结分子还可以通过硅烷化界面层508的表面，或通过将界面层508的表面暴露到氨(NH3)等离子来形成以在表面上形成反应性NH2基团。硅烷化工艺涉及将界面层508的表面依次暴露到不同化学品来在界面层508的表面上积聚共价接合分子，如相关领域的技术人员将大体理解。探针DNA 1804表示单链DNA。图18中所示出的双栅极背侧感测FET传感器可以是将存在于芯片上的传感器阵列内的一个bioFET传感器。
探针DNA 1804可在使FET传感器经受流体样本1801之前固定于界面层508上。流体样本1801可包括牢固地结合到其匹配探针DNA 1804的匹配单链DNA序列1806。其它DNA的结合增大存在于界面层508上和FET传感器的沟道区208的正上方的负电荷。
图19A中概念地示出DNA结合。此处，具有核酸序列TCGA的探针DNA结合到具有核酸序列AGCT的其互补匹配链。任何不匹配序列不会与探针DNA序列杂交。匹配DNA的结合增大界面层508的界面处累积的负电荷。在图19A中所示出的实例中，界面层508是氧化铪。
图19B示出当匹配DNA结合到界面层508的表面时双栅极背侧感测FET传感器的阈值电压中的偏移。简单来说，可将电压施加到流体栅极510直到FET传感器“接通”且电流流动于S/D区204与S/D区206之间。在另一实例中，当流体栅极510在给定势能下偏压时将电压施加到栅极202来接通FET传感器。当由于互补DNA结合因此更多负电荷存在于界面层508处时，需要较高电压来在沟道区208内形成导电反型层。因此，根据一些实施例，在FET传感器传导且Ids电流流动之前，可将较高电压施加到流体栅极510或栅极202。阈值电压中的这一不同可经测量且用来不仅测定靶标匹配DNA序列的存在，并且还能测定其浓度。应理解，界面层508处的净正积聚电荷将使得阈值电压减小而非增大。另外，相较于p通道FET，阈值电压中的改变将具有相反符号用于n通道FET。
参看图20，使用双栅极背侧FET传感器执行另一实例生物感测测试。探针抗体2004(捕捉试剂的另一实例)通过连结分子2002结合到界面层508。连结分子2002可具有结合到界面层508的一部分的反应性化学基团。可在探针抗体2004上方提供样本溶液2001来测定是否匹配抗原存在于样本溶液2001内。
参看图21，示出将抗原匹配到探针抗体2004的结合工艺。此处，匹配抗原将结合到固定探针抗体2004而不匹配抗原将不结合。类似于上文所描述的DNA杂交工艺，匹配抗原将改变存在于界面层508处的积聚电荷。以与如上文参考图19B所论述的大体上相同的方式测量阈值电压中的偏移，所述偏移是由于结合到探针抗体的匹配抗体的积聚电荷所导致的。
一般生物应用
本公开的BioFET可用于测定存在或不存在靶向分析物。在一些方面，bioFET可检测且测量一个或多个靶向分析物的绝对浓度或相对浓度。bioFET还可用来测定一个或多个靶向分析物的静态水准和/或动态水准和/或浓度，结合生物工艺和化学工艺来提供有价值的信息。bioFET可进一步用来监测酶促反应和/或非酶促相互作用，包括(但不限于)结合。作为一实例，bioFET可用于监测酶促反应，其中底物和/或试剂耗尽且/或产生反应中间物、副产物和/或产物。可使用本公开的bioFET来监测的反应的实例是核酸合成来例如确定核酸序列。
用于本公开的实施例的靶向分析物的类型可具有此处提供的任何性质，存在其选择性且在一些情况下特异性地结合的捕捉试剂。靶向分析物可存在于测试样本中或例如遵循使测试样本与双栅极背侧感测bioFET的感测层或与溶液中的其它试剂接触来产生，所述溶液与双栅极背侧感测bioFET的感测层接触。因此，靶向分析物的类型包括(但不限于)氢离子(质子)或其它离子物质、非离子分子或化合物、金属、金属配位化合物、核酸、蛋白、脂类、多糖以及较小化学化合物，例如糖、药物、药品、化学组合库化合物。靶向分析物可以是天然存在的或可以是活体内或活体外合成的。靶向分析物可指示已发生反应或相互作用，或指示其进程。然而，通过根据本公开的bioFET测量的靶向分析物不受限制且可包括多种生物物质或化学物质中的任一种，所述生物物质或化学物质提供关于生物工艺或化学工艺的相关信息(例如结合事件，例如核酸杂交和其它核酸相互作用、蛋白核酸结合、蛋白质-蛋白质结合、抗原-抗体结合、受体-配体结合、酶-底物结合、酶-抑制剂结合、细胞刺激和/或触发、细胞或组织与化合物，例如药学上候选物的相互作用等等)。应理解，本公开进一步涵盖在不存在受体的情况下检测靶向分析物，例如在不存在PPi受体或Pi受体的情况下检测PPi和Pi。根据一些实施例，引起双栅极背侧感测bioFET的跨导的改变的任何结合或杂交事件改变了电流，所述电流从本文中所描述的传感器的漏极流动到源极且可以检测到。
对于检测多个靶向分析物，本公开的双栅极背侧感测bioFET的感测表面可涂布有捕捉试剂用于靶向分析物，所述捕捉试剂选择性结合到所关注的靶向分析物或在一些情况下选择性结合到所述靶向分析物所属于的分析物属。选择性结合到靶向分析物的捕捉试剂是优选地结合到所述分析物的分子(即其对于所述分析物的结合亲和力大于其对于任何其它分析物的结合亲和力)。分析物对于所关注的分析物的结合亲和力可以是超过其对于任何其它分析物的结合亲和力的至少约2倍、至少约3倍、至少约4倍、至少约5倍、至少约6倍、至少约7倍、至少约8倍、至少约9倍、至少约10倍、至少约15倍、至少约20倍、至少约25倍、至少约30倍、至少约40倍、至少约50倍、至少约100倍、至少约500倍或至少约1000倍。除相关结合亲和力以外，捕捉试剂具有高到足以有效结合所关注的靶向分析物的绝对结合亲和力(即其具有充分敏感性)。用于本公开的方法和系统的捕捉试剂可具有在飞摩尔(femtomolar)、皮摩尔(picomolar)、纳摩尔(nanomolar)或微摩尔(micromolar)范围内的结合亲和力，且可以是可逆的。
捕捉试剂可具有任何性质(例如化学品、核酸、肽、脂质或其组合)。本公开涵盖是离子载体的捕捉试剂，所述捕捉试剂选择性结合到离子物质，无论阴离子或阳离子。在一些实施例中，离子载体是捕捉试剂且所述捕捉试剂所结合到的离子是靶向分析物。离子载体包括领域公认的衍生于(例如)微生物的载流子离子载体(即结合到特定离子的较小脂溶性分子)。在一些实施例中，捕捉试剂是聚硅氧烷、缬氨霉素(valinomycin)或沙利霉素(salinomycin)且所述捕捉试剂所结合到的离子是钾。在一些实施例中，捕捉试剂是莫能菌素(monensin)、制霉菌素(nystatin)或SQI-Pr，且所述捕捉试剂所结合到的离子是钠。且在其它实施例中，捕捉试剂是伊屋诺霉素(ionomycin)、卡西霉素(calcimycine)(A23187)或CA 1001(ETH 1001)，且所述捕捉试剂所结合到的离子是钙。在其它方面，本公开涵盖结合到超过一个离子的捕捉试剂。举例来说，白僵菌素(beauvericin)可用于检测钙离子和/或钡离子，尼日利亚菌素(nigericin)可用于检测钾离子、氢离子和/或铅离子，以及短杆菌肽(gramicidin)可用于检测氢离子、钠离子和/或钾离子。
测试样本可来自天然存在的来源或可以是非天然存在的。天然存在的测试样本包括(但不限于)待分析用于诊断性目的、预测目的和/或治疗性目的的体液、细胞或组织。测试样本可包括细胞、核酸、蛋白、糖、脂类等等中的任一种。在各种实施例中，测试样本可包括待筛查用于具有特定结构或功能性属性的药剂的存在的化学库或生物库。样本可以是液体或溶解于液体中且具有小体积并且因此经受高速高密度分析，例如使用微流体的分析物检测。
由本文中所论述的各种实施例涵盖的bioFET的实例包括(但不限于)：化学FET(chemical FET，chemFET)，离子敏感FET(ion sensitive FET，ISFET)、免疫FET(immunologic FET，ImmunoFET)、基因FET(genetic FET，GenFET或DNA-FET)、酶FET(enzymeFET，EnFET)、受体FET(receptor FET)、基于细胞的FET(cell-based FET)、无细胞FET(cell-free FET)以及液体活检FET(liquid biopsy FET)。因此，本文中所描述的bioFET可用于利用捕捉试剂来检测靶向分析物并且因此限定并不相互排斥的bioFET类型。作为非限制性实例，液体活检FET可检测无细胞DNA且还可被称作无细胞FET或DNA-FET。参见，例如坂田(Sakata)等人，“通过使用基因场效应晶体管电位检测单核苷酸多态性(PotentiometricDetection of Single Nucleotide Polymorphism by Using a Genetic Field-effecttransistor)”，化学生物化学(Chembiochem)6(2005):703-10；乌鲁斯(Uslu)等人，“基于场效应晶体管装置的无标记全电子核酸检测系统(Labelfree fully electronic nucleicacid detection system based on a field-effect transistor device)”,生物传感器和生物电子学(Biosens Bioelectron)19(2004):1723-31；樱阱(Sakurai)等人，“利用微型ISFET pH传感器实时监测DNA聚合酶反应(Real-time monitoring of DNA polymerasereactions by a micro ISFET pH sensor)”,分析化学(Anal Chem)64.17(1992):1996-1997。
举例来说，一些实施例提供用于检测核酸的方法，所述方法包括使结合到双栅极背侧感测bioFET的背侧感测层的表面的探针核酸与样本接触；以及检测来自样本的核酸与探针核酸的一个或多个区的结合。这类核酸检测bioFET还可被称作GenFET或DNA-FET。
在其它方面，一些实施例提供用于检测蛋白的方法，所述方法包括使结合到双栅极背侧感测bioFET的背侧感测层的表面的探针蛋白质分子与样本接触；以及检测来自样本的蛋白与探针蛋白质分子的一个或多个区的结合。GenFET和DNA-FET可用于检测所述蛋白。
在其它方面，一些实施例提供用于检测核酸的方法，所述方法包括使结合到双栅极背侧感测bioFET的背侧感测层的表面的探针蛋白质分子与样本接触以及检测来自样本的核酸与探针蛋白质分子的一个或多个区的结合。在又其它方面，一些实施例提供用于检测抗原的方法，所述方法包括使结合到双栅极背侧感测bioFET的背侧感测层探针抗体与样本接触；以及检测来自样本的抗原与探针抗体的一个或多个区的结合。这类蛋白或抗体结合bioFET还可被称作ImmunoFET。
在其它方面，一些实施例提供用于检测酶底物或抑制剂的方法，所述方法包括使结合到双栅极背侧感测bioFET的背侧感测层的表面的探针酶与样本接触以及检测来自样本的实体(或样本中产生的酶促产物)与探针酶的一个或多个区的结合。在又其它方面，一些实施例提供用于检测酶的方法，所述方法包括使结合到双栅极背侧感测bioFET的背侧感测层的表面的酶底物或抑制剂与样本接触以及检测来自样本的实体(或样本中产生的酶促产物)与酶底物或抑制剂中的一个或多个的结合。这类基于酶的bioFET还可被称作EnFET。
在其它方面，一些实施例提供用于检测蛋白-小分子(例如有机化合物)相互作用的方法，所述方法包括使结合到双栅极背侧感测bioFET的背侧感测层的表面的小分子与样本接触以及检测来自样本的蛋白与探针小分子的一个或多个区的结合。在又其它方面，一些实施例提供用于检测核酸-小分子(例如有机化合物)相互作用的方法，所述方法包括使结合到双栅极背侧感测bioFET的背侧感测层的表面的小分子与样本接触以及检测来自样本的核酸与探针小分子的一个或多个区的结合。在任一个检测方法中，样本可包括小分子且结合到背侧感测层的表面的捕捉试剂可以是核酸或蛋白。在其它方面，所关注的靶向分析物是重金属和其它环境污染物，且/或bioFET阵列特定地配置成检测不同污染物的存在。这类小分子或化学品感测bioFET还可被称作chemFET。
在其它方面，一些实施例提供用于检测氢离子和/或H+浓度的变化(即pH的变化)的方法。这类离子感测bioFET还可被称作ISFET。
本文中所描述的系统和方法还可用于帮助鉴别和治疗疾病。举例来说，一些实施例提供用于鉴别与特定疾病相关联的序列或用于鉴别与对于特定活性成分或治疗或防治性试剂的响应相关联的序列的方法，所述方法包括使结合到双栅极背侧感测bioFET的背侧感测层的表面的捕捉试剂(例如核酸探针)与样本接触，以及检测来自样本的核酸(例如包括变体或缺乏核酸，所述核酸另外含于对应野生型核酸序列中)与捕捉试剂的一个或多个区的结合。这类bioFET还可被称作GenFET、DNA-FET或液体活检FET。
阵列
使用本文描述的用于检测目标分析物的bioFET的分析和反应可以以阵列形式监测以进行检测例如多个目标分析物。在一些实施例中，双栅极背侧感测bioFET阵列可经配置使得阵列的每一单个双栅极背侧感测bioFET能够以多工格式检测靶标，包括(例如)分析物存在(或不存在)、靶向分析物含量(或数量)和/或浓度，或化学工艺和/或生物工艺(例如化学反应、细胞培养、核酸测序工艺等)的产物。靶向分析物可以是(例如)基因组DNA样本、miRNA或siRNA样本、来自细胞、组织或块状物(例如肿瘤)的cDNA样本、获自体液的无细胞DNA，或生长在阵列上或潜在地呈二维阵列的细胞群，且尤其可分析类型和数量。
在各种实施例中，阵列可包括多种生物捕捉试剂和/或化学捕捉试剂，包括(但不限于)多个蛋白、多个核酸或蛋白和核酸的混合物。多种生物捕捉试剂或化学捕捉试剂可以是均质生物捕捉药剂或化学捕捉药剂。在其它实施例中，多种生物捕捉试剂或化学捕捉试剂不是均质的。在另外其它实施例中，多种生物捕捉试剂或化学捕捉试剂是呈阵列的四分体而非四分体对四分体形式的均质的。
使用本文中所描述的bioFET的分析和反应涵盖附接件，无论共价或非共价且无论直接或间接染色体核酸，例如寡核苷酸(包括寡脱氧核糖核苷酸(oligodeoxyribonucleotide)和寡核糖核苷酸(oligoribonucleotide))的较短核酸，例如DNA、RNA、PNA、LNA的核酸，或包括这些多种组分的任何组合和/或含量的核酸，肽，包括糖蛋白的蛋白，碳水化合物，寡糖，多糖以及所关注的其它分子，无论其性质如何。这些中的任一种可应用于呈微阵列形式的双栅极背侧感测bioFET阵列的感测且不限制结合化学反应。
在各种实施例中，阵列可以是耦合到一个或多个流体结构，所述流体结构在单个双栅极背侧感测bioFET或这类bioFET的群组的上方形成一个或多个阱或微阱。在一些实施例中，阵列可以是耦合到设备。所述设备将样本传递到阱且从阱中移除样本。在其它实施例中，双栅极背侧感测bioFET上方的体积是连续的，且因此阵列可以是耦合到一个或多个流体结构，所述流体结构用于传递靶向分析物或捕捉试剂且用于移除测试样本、捕捉试剂和/或靶向分析物。在一些实施例中，连续流包括“闭合”系统，例如其中试剂和清洗溶液等等的流动是自动化的。在一些实施例中，使用多个流动腔室允许同时分析多种，优选的是不同的靶向分析物。阵列可包括2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个流动腔室。这类配置应用于多个双栅极背侧感测bioFET阵列，包括(但不限于)核酸阵列、蛋白阵列、抗体阵列、酶阵列、化学化合物阵列等等。
核酸阵列
在各种方面中，一些实施例在双栅极背侧感测bioFET的寡核苷酸阵列上提供靶核酸的检测和/或鉴别。在一些实施例中，靶核酸固定于阵列上，且已知捕捉试剂、底物和/或杂交探针用来鉴别靶核酸。在一些实施例中，捕捉试剂固定于阵列上且添加靶核酸(例如)以鉴别靶核酸的存在。因此，例如可提供呈较短核酸形式(例如寡核苷酸)或较长核酸形式(例如全长cDNA)的核酸于本文中所描述的双栅极背侧感测bioFET阵列的感测层上。
本文中所描述的核酸阵列涵盖附接无论共价或非共价且无论直接或间接的靶核酸或捕捉试剂，包括(但不限于)染色体核酸、例如寡核苷酸(包括寡脱氧核糖核苷酸和寡核糖核苷酸)的较短核酸，例如DNA、RNA、PNA、LNA的核酸，或包括这些各种组分的任何组合和/或含量的核酸到双栅极背侧感测bioFET的感测层。捕捉试剂还可包括(但不限于)肽、包括糖蛋白的蛋白、碳水化合物、寡糖、多糖以及所关注的其它分子，只要其结合到靶核酸或另外帮助检测靶核酸。在各种实施例中，这些中的任一种可以用于核酸阵列的方式或以任何其它方式应用到双栅极背侧感测bioFET阵列的感测层且不限制结合化学反应。
在其中核酸阵列使用上文所论述的类别的多个捕捉试剂的实施例中，这类阵列可包括相同或不同捕捉试剂且可或不可不均匀地分散在阵列上。借助于实例，核酸阵列可包括多个相同核酸捕捉试剂，其中例如超过一个双栅极背侧感测bioFET感测层且视情况所述阵列的整个感测表面具有共轭到其的相同核酸。相同核酸可以均匀地分散在阵列表面上或其可在表面上组织成分散区(或单元)。或者，核酸阵列可包括多个不相同核酸捕捉试剂。这类阵列可随后包括不均匀地分散在阵列的表面上的不相同核酸，或多种不相同核酸可以在阵列的表面上组织成分散区(或单元)，其中例如相同核酸分散在一个分散区中，另一分散区含有不同的不相同核酸等等，使得阵列包括多种分散到相同核酸的分散区中的不相同核酸。
捕捉试剂可取决于任何数目的因素变化，包括(但不限于)靶核酸类型、序列、修饰、靶核酸长度或用来将捕捉试剂附接到双栅极背侧感测bioFET的感测层的方法。举例来说，阵列可具有任何数目的包括捕捉试剂的分散区，包括(但不限于)至少10个、102个、103个、104个、105个、106个、107个或更多。捕捉试剂可以分散或附接到阵列使得捕捉多种靶核酸，包括(但不限于)至少10种、50种、100种、500种、103种、104种、105种、106种或更多核酸。举例来说，其中核酸是用作捕捉试剂，多种核酸捕捉试剂具有在长度上小于100个碱基的长度(包括约10个、15个、20个、25个、30个、40个、50个、60个、70个、80个或90个碱基的长度)或多种核酸捕捉试剂具有在长度上小于100个碱基的平均长度(包括约10个、15个、20个、25个、30个、40个、50个、60个、70个、80个或90个碱基的长度)。在一些实施例中，核酸捕捉试剂或多种核酸捕捉试剂是单链的。在其它实施例中，核酸捕捉试剂或多种核酸捕捉试剂是双链的。举例来说，其中捕捉试剂是蛋白，例如抗体或本文中所描述的任何其它捕捉试剂，捕捉试剂可类似地优化以检测靶核酸。参见例如美国专利第8,349,167号(第17栏，第1至54行)。
用于将包括核酸、蛋白、分子等等的捕捉试剂附接到固体支撑物(特别在阵列的情形中)的方法已在其它地方论述，包括在利普舒茨(Lipshutz)等人，“高密度合成寡核苷酸阵列(High density synthetic oligonucleotide arrays)”.自然·遗传学(Nat.Genet.)(副刊)21(1999):20-24；李(Li)、郑(Cheng)以及王永雄(Wing Hung Wong),“寡核苷酸阵列的基于模型的分析：表达指数计算和离群值检测(Model-based analysis ofoligonucleotide arrays:expression index computation and outlier detection)”.美国国家科学院院刊98.1(2001):31-36；洛克哈(Lockhart)、大卫J(David J.)等人,“通过与高密度寡核苷酸阵列杂交进行表达监测(Expression monitoring by hybridizationto high-density oligonucleotide arrays)”.自然·生物技术14.13(1996):1675-1680；沃迪卡(Wodicka)、丽莎(Lisa)等人,“酿酒酵母的全基因组表达监测(Genome-wideexpression monitoring in Saccharomyces cerevisiae)”.自然·生物技术15.13(1997):1359-1367；陈易东(Chen,Yidong)、爱德华R.多尔蒂(Edward R.Dougherty)以及迈克尔L.比特纳(Michael L.Bittner),“基于比率的决策以及cDNA微阵列图像的定量分析(Ratio-based decisions and the quantitative analysis of cDNA microarrayimages)”.生物医学光学期刊(Journal of Biomedical Optics)2.4(1997):364-374；达根(Duggan)、大卫J等人,“使用cDNA微阵列进行表达分析(Expression profiling usingcDNA microarrays)”.自然·遗传学(Nature Genetics)21(1999)第10至12页；马顿(Marton)、马太J(Matthew J)等人,“使用DNA微阵列药物靶向验证且鉴别次级药物靶向效果(Drug target validation and identification of secondary drug target effectsusing DNA microarrays)”.自然·医学(Nature Medicine)4.11(1998):1293-1301；科诺宁(Kononen)、尤哈(Juha)等人,“用于肿瘤标本的高产量分子分析的组织微阵列(Tissuemicroarrays for high-throughput molecular profiling of tumor specimens)”.自然·医学4.7(1998):844-847；麦克贝思(MacBeath)、加文(Gavin)以及斯图尔特L.施赖伯(Stuart L.Schreiber),“印刷蛋白作为高产量功能测定的微阵列(Printing proteins asmicroarrays for high-throughput function determination)”.科学289.5485(2000):1760-1763；哈布(Haab)、布莱恩B.(Brian B.)、弥勒J.邓纳姆(Maitreya J.Dunham)以及帕特里克O.布朗(Patrick O.Brown),“用于高度平行检测且定量复合溶液中的特异性蛋白和抗体的蛋白微阵列(Protein microarrays for highly parallel detection andquantitation of specific proteins and antibodies in complex solutions)”.基因组生物学(Genome Biology)2.2(2001):研究0004-1；波拉克(Pollack)、乔纳森R(JonathanR)等人，“使用cDNA微阵列来全基因组分析DNA拷贝数的变化(Genome-wide analysis ofDNA copy-number changes using cDNA microarrays)”.自然·遗传学23.1(1999):41-46；王(Wang)、大卫G.(David G.)等人,“大规模鉴别、映射以及基因分型人类基因组中的单核苷酸多态性”.科学280.5366(1998):1077-1082；弗德(Fodor)、史蒂芬PA(Stephen PA)等人,“轻定向、空间可寻址平行化学合成(Light-directed,spatially addressableparallel chemical synthesis)”.科学251(1991):767-773；弗德、史蒂芬等人,“多工生物化学分析生物芯片(Multiplexed biochemical assays with biological chips)”.自然(Nature)364(1993):555-556；皮斯(Pease)、安卡维尼亚(Ann Caviani)等人,“用于快速DNA序列分析的轻产生寡核苷酸阵列(Light-generated oligonucleotide arrays forrapid DNA sequence analysis)”.美国国家科学院院刊91.11(1994):5022-5026；弗德、史蒂芬PA,“大规模平行基因组学(Massively parallel genomics)”.科学277.5324(1997):393-95；邵瑟(Southern)、E.M.、U.马斯科(U.Maskos)以及J.K.埃尔德(J.K.Elder),“通过与寡核苷酸阵列杂交来分析且比较核酸序列：使用实验模型评估(Analyzing andcomparing nucleic acid sequences by hybridization to arrays ofoligonucleotides:evaluation experimental models)”.基因组学(Genomics)13.4(1992):1008-1017；斯赫纳(Schena)、马克(Mark)等人,“通过互补DNA微阵列定量监测基因表达模式(Quantitative monitoring of gene expression patterns with acomplementary DNA microarray)”.科学270(1995):467-470；沙拉姆(Shalon)、达里(Dari)、史蒂芬J.史密斯(Stephen J.Smith)以及帕特里克O.布朗,“使用两种色彩荧光探针杂交的用于分析复合DNA样本的DNA微阵列系统(A DNA microarray system foranalyzing complex DNA samples using two-color fluorescent probehybridization”.基因组研究(Genome Research)6.7(1996):639-645；琼斯玛(Jongsma)、马腾A.(MaartenA.)以及拉尔夫HGM利特延斯(Ralph HGM Litjens),“在DNA芯片上通过利用单一DNA地址自动标记融合蛋白来自组装蛋白阵列(Self-assembling protein arrayson DNA chips by auto-labeling fusion proteins with a single DNA address)”.蛋白质组研究(Proteomics)6.9(2006):2650-2655；坂田(Sakata)、俊也(Toshiya)以及宫原裕司(Yuji Miyahara),“使用基因场效应晶体管将等位基因特异性引物延伸部直接转导成电信号(Direct transduction of allele-specific primer extension intoelectrical signal using genetic field effect transistor)”.生物传感器与生物电子学(Biosensors and Bioelectronics)22.7(2007):1311-1316中。且用于在底物，例如玻璃、塑料、耐纶、硝化纤维以及活化凝胶上产生微阵列的结合化学反应中的任一种可用于将核酸固定于双栅极背侧感测bioFET阵列的感测层上。参见例如扎马泰奥(Zammatteo)、娜塔莉(Nathalie)等人,“将DNA共价结合到玻璃表面来构建DNA微阵列的不同策略之间的比较(Comparison between different strategies of covalent attachment of DNA toglass surfaces to build DNA microarrays)”.分析型生物化学(AnalyticalBiochemistry)280.1(2000):143-150。下文论述若干非限制性实例。
可将核酸捕捉试剂共价或非共价地(例如离子性)固定或附接到双栅极背侧感测bioFET的感测层上。共价附接可以是直接或间接的(例如通过连接子，例如双功能连接子)。在核酸阵列的情形中，离子性结合可采用带负电物质(例如DNA)与带正电表面(例如涂布有聚赖氨酸的载玻片)的相互作用。参见斯赫纳、马克等人,“通过互补DNA微阵列定量监测基因表达模式(Quantitative monitoring of gene expression patterns with acomplementary DNA microarray)”.科学270(1995):467-470。疏水性相互作用还可用来将核酸附接到多种表面。参见阿莱曼德(Allemand)、J.F.、本西蒙D.(Bensimon,D.)、朱利安L.(Jullien,L.)、本西蒙A.(Bensimon,A.)以及克罗凯特V.(Croquette,V.),“DNA的pH依赖特异性结合和梳理(pH-dependent specific binding and combing of DNA)”.生物物理学杂志(Biophysical Journal)73(4)(1997):2064-2070。类似非共价附接策略可用于将核酸捕捉试剂固定或附接到双栅极背侧感测bioFET的感测层。
另外，可以通过将捕捉试剂非共价沉积到表面上，涉及例如使用聚合物基质或类似技术来实现核酸捕捉试剂的非共价固定或附接。聚合物可以是天然存在的或非天然存在的。捕捉试剂可以是吸附到聚合物基质上且/或包覆于聚合物基质内。聚合物的性质将取决于所使用的捕捉试剂和/或检测到的靶向分析物的性质。可使用的聚合物的实例可发现于美国专利第7,948,015号(第33栏,第34至67行)、美国专利第6,063,637号(第15栏,第11至26行)以及美国公开申请第2010/0137143号(段落[0375]、段落[0377])中。聚合物基质还可用于共价沉积核酸捕捉试剂。在一些实施例中，核酸捕捉试剂可以是共价共轭或交联到聚合物(例如“接枝”到功能化聚合物上)。
例如可以通过多种方法实现核酸捕捉试剂的共价结合。UV辐射可用于将核酸(例如DNA)交联到含有氨基的物质，例如通过在带正电氨基与沿核酸链的长度存在的胸苷残留物之间形成共价键。参见例如达根等人，“使用cDNA微阵列进行表达分析”，自然·遗传学21,10-14(1999)。另外，还可使用用于将肽核酸(Peptide Nucleic Acids，PNA)、PCR产物或寡核苷酸共价结合到玻璃或聚丙烯支撑物的作为底物的树枝状聚合物(dendrimeric)连接子分子。参见例如贝耶尔(Beier)、马库斯(Markus)以及霍D.海塞尔(
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D.Hoheisel),“用于DNA微芯片上的共价结合的固体支撑物介质的多功能衍生(Versatile derivatisationof solid support media for covalent bonding on DNA-microchips)”.核酸研究(Nucleic Acids Research)27.9(1999):1970-1977。
在其它实施例中，核酸捕捉试剂可以通过来其5′端或3′端附接到固体支撑物，特别是其中这类端部经羧化或磷酸化。参见例如朱斯(Joos)等人，“将可杂交寡核苷酸共价结合到玻璃支撑物(Covalent attachment of hybridizable oligonucleotides to glasssupports)”,分析生物化学(Anal Biochem)247(1997):96-101。这类核酸捕捉试剂可耦合到胺化支撑物上，或核酸自身可经胺化且接着附接到羧化、磷酸化、环氧化物修饰、异硫氰酸酯活化或醛活化的支撑物或表面。参见例如高希(Ghosh)等人,“将寡核苷酸共价结合到固体支撑物(Covalent attachment of oligonucleotides to solid supports)”,核酸研究15(1987):5353-5372；拉图尔(Lamture)等人，“在电荷耦合装置的表面上直接检测核酸杂交(Direct detection of nucleic acid hybridization on the surface of acharge coupled device)”,核酸研究22(1994):2121-2125；郭(Guo)等人,“通过与玻璃支撑物上的寡核苷酸阵列杂交来直接荧光分析基因多晶型现象(Direct fluorescenceanalysis of genetic polymorphisms by hybridization with oligonucleotidearrays on glass supports)”.核酸研究22(1994):5456-5465；斯赫纳(Schena)等人,“平行人类基因组分析：1000个基因的基于微阵列的表达监测(Parallel human genomeanalysis:microarray-based expression monitoring of 1000genes)”,PNAS 93(1996):10614-10619。借助于实例，可利用反应基团，例如胺基或硫醇基来合成核酸以提供用于双功能连接子的附接点或可通过并入共轭胜任型试剂(conjugation-competent reagent)，例如Uni-Link氨基改质剂、5-DMS(O)MT-氨基-改质剂-C6、5-氨基-改质剂-C3-TFA、5-氨基-改质剂-C12、5-氨基-改质剂-C6-TFA、5'-氨基-dT、5'-氨基-改质剂-5、氨基-改质剂-C2-dT、氨基-改质剂-C6-dT、3'-氨基-改质剂-C7-CPG、5'-硫醇-改质剂C6S-S、3'-硫醇-改质剂-C3S-S来合成核酸。
双功能连接子是具有至少两个反应基团的化合物，两个实体可结合到所述两个反应基团。在一些实施例中，反应基团定位于双功能连接子的相对端处。在一些实施例中，双功能连接子是通用双功能连接子，其是可用于连接多个实体的连接子。双功能连接子的实例包括论述于美国公开申请第2010/0282617A1号(段落[0249]、段落[0250])中的那些连接子。
双功能连接子可以是同型双功能连接子或异质双功能连接子，取决于待共轭的分子的性质而定。同型双功能连接子具有两个相同反应基团。异质双功能连接子具有两个不同的反应基团。不同类型的连接子与以下基团中的一种或多种反应：一级胺、二级胺、硫氢基、羧基、羧基以及碳水化合物。这类连接子的非限制性实例可以发现于美国专利第7,948,015号(第32栏，第58至67行；第33栏，第1至17行)；美国公开申请第2010/0137143号(段落[0373]至[0374])；邦切瓦(Boncheva)等人,“界面处的寡核苷酸阵列的设计(Design ofOligonucleotide Arrays at Interfaces”,朗格缪尔(Langmuir)15(1999):4317-4320(附接到金的硫醇或二硫化物修饰的寡核苷酸)；克丽希(Chrisey)等人,“将合成DNA共价结合到自组装单层膜(Covalent attachment of synthetic DNA to self-assembled单层膜)”,核酸研究24.15(1996):3031-3039(附接到氨基硅烷修饰的玻璃表面)；罗格(Rogers)等人,“通过二硫键将寡核苷酸固定到玻璃支撑物上：用于制备DNA微阵列的方法(Immobilization of oligonucleotides onto a glass support via disulfide bonds:A method for preparation of DNA microarrays)”,分析型生物化学(AnalyticalBiochemistry)266(1999):23-30(3-巯基丙基硅烷修饰的玻璃表面)中。
除将预制核酸附接到阵列中的双栅极背侧感测bioFET的感测层以外或将预制核酸附接到阵列中的双栅极背侧感测bioFET的感测层组合，本公开包括将核酸合成到感测层上(例如原位合成)。实例的不全面列表包括通过喷墨印刷传递磷酰胺来原位合成(布兰查德(Blanchard)等人,“高密度寡核苷酸阵列(High-density oligonucleotide arrays)”,生物传感器与生物电子学11(1996):687-690)；平行合成(埃格兰(Egeland)、瑞恩D(RyanD)以及埃德温M.邵瑟(Edwin M.Southern),“电化学定向合成寡核苷酸用于DNA微阵列制造(Electrochemically directed synthesis of oligonucleotides for DNA microarrayfabrication)”.核酸研究33.14(2005):e125-e125)；无掩模的光生酸(photo-generatedacid，PGA)受控合成(勒普罗斯特(LeProust)等人,“数字轻定向合成.准许在组合基础上快速反应优化的微阵列平台(Digital light-directed synthesis.A microarray platformthat permits rapid reaction optimization on a combinatorial basis)”,库勃化学杂志(J Comb Chem)2.4(2000):349-354；高(Gao)等人,“通过使用溶液光生酸来去除保护基以栅控柔性轻定向DNA芯片合成(A flexible light-directed DNA chip synthesisgated by deprotection using solution photogenerated acids)”,核酸研究29(2001):4744-4750)；利用光刻的掩模定向合成(directed synthesis utilizingphotolithography，PLPG)(弗德等人,“轻定向、空间可寻址平行化学合成(Light-directed,spatially addressable parallel chemical synthesis)”,科学251(1991):767-773)；以及无掩模的PLPG平行原位合成(辛格-高森(Singh-Gasson)等人,“使用数字微镜阵列无掩模制造轻定向寡核苷酸微阵列(Maskless fabrication of light-directedoligonucleotide microarrays using a digital micromirror array)”，自然·生物技术17(1999):974-78)。另外参见纽威士(Nuwaysir)、埃米尔F(Emile F.)等人,“使用通过无掩模光刻产生的寡核苷酸阵列进行基因表达分析(Gene expression analysis usingoligonucleotide arrays produced by maskless photolithography)”.基因组研究12.11(2002):1749-1755。
将靶核酸或捕捉试剂附接或固定到阵列的其它方法包括通过压电沉积定点到表面上；将核酸UV交联到聚合物层例如(但不限于)聚-L-赖氨酸或聚吡咯；直接共轭到硅涂布的SiO2(美国公开申请第2003/0186262号(段落[0026]、段落[0045]、段落[0055]、段落[0083]))；直接共轭到硅烷化bioFET表面(例如用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(aminopropyltriethoxysilane，APTES)处理的表面(乌鲁斯F(Uslu,F)等人,“基于场效应晶体管装置的无标签全面电子核酸检测系统(Labelfree fully electronic nucleicacid detection system based on a field-effect transistor device)”.生物传感器与生物电子学19.12(2004):1723-1731))。另外参见，皮斯、安卡维尼亚等人“用于快速DNA序列分析的轻产生寡核苷酸阵列”.美国国家科学院院刊91.11(1994):5022-5026。借助于其它实例，将靶核酸或捕捉试剂附接或固定到阵列的若干非限制性方法包括(但不限于)机械性测定点位(例如针型点样器(pin-type spotters))、压电或印刷头印刷(包括喷墨或按需滴墨)或通过从溶液中附接来原位合成或涂覆，例如限制稀释法或浸渍。这些技术可与用于本文中所描述的bioFET的双栅极背侧感测bioFET感测层的应用相容。
例如在严格杂交条件、中等严格度杂交条件下或在高严格度杂交条件下执行将靶核酸结合或杂交到捕捉试剂，例如核酸。关于用于实现特定程度的严格度的杂交条件的计算论述于例如萨布鲁克(Sambrook)、约瑟夫(Joseph)、爱德华F.弗里奇(EdwardF.Fritsch)以及汤姆马尼亚迪斯(Tom Maniatis),分子克隆实验指南(MolecularCloning:A Laboratory Manual)第4版.冷泉港实验室出版社(Cold Spring HarborLaboratory Press)(2012)第1卷,第2章、第6章、第10章；核酸杂交-实用方法(NucleicAcid Hybridization-A Practical Approach),编哈梅斯(Hames)、B.D.，以及希金斯，S.J.,IRL出版,1985；奥斯贝F.M.(Ausubel F.M.)等人,“现代分子生物学实验技术(Current Protocols in Molecular Biology)”约翰·威利父子公司(John Wiley&Sons,Inc.)(2017)单元19.6、单元21.25；以及美国专利第8,357,488号(第9栏,第36至45行)中。实例杂交严格度条件包括(按提高严格度的顺序)(但不限于)以下：25℃、37℃、50℃以及68℃的培育温度；10×SSC、6×SSC、4×SSC、1×SSC、0.1×SSC的缓冲液浓度(其中SSC(柠檬酸钠盐水)是0.15摩尔/升(M)NaCl和15毫摩尔/升(mM)柠檬酸盐缓冲液)和使用其它缓冲系统的其等效物；0％、25％、50％以及75％的甲酰胺浓度；5分钟到24小时的培育时间；1个、2个或更多个清洗步骤；1分钟、2分钟或15分钟的清洗培育时间；以及6×SSC、1×SSC、0.1×SSC或去离子水的清洗溶液。
应理解，虽然标记和/或标记检测可用于本文中所描述的设备、系统以及方法中，但是类似本文中所涵盖蛋白阵列，来自核酸阵列的读出可以是通过bioFET的电流的改变且因此这些阵列方法不需要其它标记和/或标记检测步骤。
蛋白阵列
在各种方面中，一些实施例在双栅极背侧感测bioFET的蛋白阵列上提供靶蛋白的检测和/或鉴别。在一些实施例中，靶蛋白固定于阵列上且已知捕捉试剂用来鉴别靶蛋白。在一些实施例中，捕捉试剂固定于阵列上且添加靶核酸(例如)以鉴别靶蛋白的存在。因此，例如呈蛋白、肽，或包括生物部分的其它氨基酸形式的蛋白可提供于本文中所描述的双栅极背侧感测bioFET阵列的感测层上。
本文中所描述的蛋白阵列涵盖将靶蛋白或捕捉试剂包括(但不限于)酶、抗体以及抗体片段或抗体模拟物(例如单链抗体)附接(无论共价或非共价且无论直接或间接)到双栅极背侧感测bioFET的感测层。捕捉试剂还可包括(但不限于)核酸、肽、包括糖蛋白的蛋白、碳水化合物、寡糖、多糖以及所关注的其它分子，只要其结合到靶核酸或另外帮助检测靶核酸。在各种实施例中，这些中的任一种可以用于蛋白阵列的方式或以任何其它方式应用到双栅极背侧感测bioFET阵列的感测层且不限制结合化学反应。
在其中蛋白阵列使用上文所论述的类别的多个捕捉试剂的实施例中，这类阵列可包括相同或不同捕捉试剂且可或不可不均匀地分散在阵列上。借助于实例，蛋白阵列可包括多个相同核酸捕捉试剂，其中例如超过一个双栅极背侧感测bioFET感测层及视情况所述阵列的整个感测表面具有共轭到其的相同蛋白。相同蛋白可以均匀地分散在阵列表面上或其可在表面上组织成分散区(或单元)。或者，蛋白阵列可包括多个不相同蛋白捕捉试剂。这类阵列可随后包括不均匀分散在阵列的表面上的非相同蛋白，或多个非相同蛋白可在阵列的表面上组织成分散区(或单元)，其中例如相同蛋白分散于一个分散区中，另一分散区含有不同非相同蛋白等等，使得阵列包括分散成相同蛋白分散区的多个非相同蛋白。
多种捕捉试剂可取决于任何数目的因素而变化，包括(但不限于)靶蛋白类型、序列、修饰、靶蛋白长度或用来将捕捉试剂附接到双栅极背侧感测bioFET的感测层的方法。举例来说，阵列可具有任何数目的包括捕捉试剂的分散区，包括(但不限于)至少10个、102个、103个、104个、105个、106个、107个或更多。捕捉试剂可分散或附接到阵列使得捕捉到多种靶蛋白，包括(但不限于)至少10种、50种、100种、500种、103种、104种、105种、106种或更多蛋白。举例来说，其中捕捉试剂是蛋白，例如抗体或本文中所描述的任何其它捕捉试剂，捕捉试剂可以是类似地优化来检测靶蛋白。参见例如美国专利第8,349,167号(第99栏,第45至67行；第100栏,第1至3行)。上文已参照核酸阵列描述用于将包括核酸、蛋白、分子等等的捕捉试剂附接到固体支撑物的方法，特别是在阵列的情形中。与蛋白阵列相关的其它参考包括：朱恒(Zhu,Heng)以及迈克尔辛德尔(Michael Snyder),“蛋白阵列和微阵列(Proteinarrays and microarrays)”.化学生物学近期评述(Curr Opin Chem Biol)5.1(2001):40-45；史怀哲(Schweitzer)等人,“测量微阵列上的蛋白(Measuring proteins onmicroarrays)”,生物技术近期评述(Curr Opin Biotechnol)13(2002):14-19；史怀哲等人,“在微阵列上通过滚环扩增进行多工化蛋白分析(Multiplexed protein profiling onmicroarrays by rolling-circle amplification)”,自然·生物技术20(2002):359-365；埃平格(Eppinger)等人,“酶微阵列：基于酶促活性的亲和性标记检测的抑制常量的芯片上测定(On-chip determination of inhibition constants based on affinity-labeldetection of enzymatic activity)”,应用化学国际英文版(Angew Chem Int Ed Engl)43(2004):3806-3810；富内里乌(Funeriu)等人,“使用酶微阵列基于酶家族特异性和活性筛选化学库(Enzyme family-specific and activity-based screening of chemicallibraries using enzyme microarrays)”,自然·生物技术23(2005):622-7；史怀哲、巴里(Barry)等人,“利用滚环DNA扩增的免疫分析：用于超灵敏抗原检测的多功能平台(Immunoassays with rolling circle DNA amplification:a versatile platform forultrasensitive antigen detection)”.美国国家科学院院刊97.18(2000):10113-10119,10114-10116；高、肖琏(Xiaolian)等人,“高密度肽微阵列原位合成及应用(High densitypeptide microarrays.In situ synthesis and applications)”.分子多样性(MolecularDiversity)8.3(2004):177-187。
可将蛋白捕捉试剂共价或非共价地(例如离子性)固定或附接到双栅极背侧感测bioFET的感测层上。用于将蛋白捕捉试剂固定或附接到双栅极背侧感测bioFET的感测层上的许多技术类似于上文描述的用于核酸捕捉试剂的那些技术。举例来说，可使用涂覆溶液、直接印刷肽或蛋白、使用(例如)寡核苷酸标签在阵列上自组装肽或蛋白、固定高亲和性核酸适体以及各种原位肽合成方法来执行共价和非共价(例如离子性，包括抗生蛋白链菌素(streptavidin)-生物素(biotin)相互作用)地将肽、蛋白、抗体或其片段附接到双栅极背侧感测bioFET的感测层。参见例如美国专利第8,349,167号(第100栏,第38至67行；第101栏,第1至16行)；李(Li)等人，科学中国系列B版：化学(Science in China Series B:Chemistry)51(2008):193-204(当耦合到单个ISFET时适体已展示为成功的传感器(aptamers have been shown to be successful sensors when coupled to individualISFETs))；另外参见美国专利第9,329,173B2号(第7栏,第24至46行；第9栏,第27至61行)。
当蛋白捕捉试剂包括抗体时，可使用物质特异性抗体(例如抗小鼠、抗家兔、抗山羊、抗天竺鼠、抗大鼠、抗大羊驼、抗骆驼)且将其固定到双栅极背侧感测bioFET的感测层上。在例如小鼠、家兔、山羊、天竺鼠、大鼠、大羊驼或骆驼体内升高的抗原特异性多株和单株初级抗体可通过固定到传感器表面或其它表面的二级抗体来添加且识别。为稳定相互作用，化学双功能性交联剂可用于不可逆地连接两个抗体。参见例如美国公开申请第2016/0041157号；第2016/0184477号(段落[0238]、段落[0248]、段落[0249]、段落[0250]、段落[0251]、段落[0252])；第2013/0178587号(段落[0003])；美国专利第4,676,980号(第1栏,第45至68行)；布伦南(Brennan)、莫琳(Maureen)、彼得F戴维森(Peter F.Davison)以及亨利保罗斯(Henry Paulus),“通过化学再结合单株免疫球蛋白G1片段来制备双特异性抗体(Preparation of bispecific antibodies by chemical recombination of monoclonalimmunoglobulin G1 fragments)”.科学229(1985):81-84。
除将预制蛋白附接到阵列中的双栅极背侧感测bioFET的感测层以外或与将预制蛋白附接到阵列中的双栅极背侧感测bioFET的感测层组合，本公开包括将蛋白合成到感测层上(例如原位合成)，如上文用于核酸阵列所论述。举例来说，蛋白可使用无细胞DNA表达或化学合成来合成。参见例如麦克贝斯、加文以及斯图尔特L.施赖伯,“印刷蛋白作为高产量功能测定的微阵列.科学289.5485(2000):1760-1763；托德(Todd)、约翰A.(JohnA.)等人,“来自1型糖尿病的全基因组分析的四个新染色体区的稳固性缔合(Robustassociations of four new chromosome regions from genome-wide analyses of type1 diabetes)”.自然·遗传学39.7(2007):857-864；美国专利第6,919,211号(第62栏,第53至65行)；美国公开申请第2003/0113835号(段落[0003]、段落[0007]、段落[0008]、段落[0013])。
应理解，虽然标记和/或标记检测可用于本文中所描述的设备、系统以及方法中，但是类似本文中所涵盖核酸阵列，来自核酸阵列的读出可以是通过bioFET的电流的改变且因此这些阵列方法不需要其它标记和/或标记检测步骤。参见例如萨弗特(Schasfoort)、理查德BM(Richardus BM)等人,“通过免疫反应来调节ISFET响应(Modulation of the ISFETresponse by an immunological reaction)”.传感器及致动器(Sensors and Actuators)17.3-4(1989):531-535；“通过免疫反应来调节ISFET响应”传感器及致动器17,531-535(1989)；萨弗特、理查德BM等人,“借助于免疫场效应晶体管直接检测蛋白电荷的可能性及局限性(Possibilities and limitations of direct detection of protein chargesby means of an immunological field-effect transistor)”,分析化学学报(AnalyticaChimica Acta)238(1990):323-329；贝希林克G.A.J.(Besselink,G.A.J.)、理查德BM萨弗特(Richardus BM Schasfoort)以及皮特贝格维德(Piet Bergveld),“利用乳胶珠粒单层修饰ISFET用于蛋白的特异性检测(Modification of ISFETs with a monolayer oflatex beads for specific detection of proteins)”.生物传感器与生物电子学18.9(2003):1109-1114。
化学化合物阵列
在各种方面中，一些实施例在双栅极背侧感测bioFET的化学化合物阵列上提供靶向化学化合物的检测和/或鉴别。在一些实施例中，靶向化学化合物固定于阵列上且已知捕捉试剂用来鉴别靶向化学化合物。在一些实施例中，捕捉试剂固定于阵列上且添加靶向化学化合物(例如)以鉴别靶向化学化合物的存在。因此，例如呈任何形式的化学化合物可以提供于本文中所描述的双栅极背侧感测bioFET阵列的感测层上。
本文中所描述的化学化合物阵列包括将靶向化学化合物或捕捉试剂附接(无论共价或非共价且无论直接或间接)到双栅极背侧感测bioFET的感测层。捕捉试剂还可包括(但不限于)核酸、例如寡核苷酸(包括寡和脱氧核糖核苷酸和寡和核糖核苷酸))的较短核酸、DNA、RNA、PNA、LNA或包括这些多种组分的任何组合和/或含量的核酸、肽、包括糖蛋白的蛋白、碳水化合物、寡糖、多糖以及所关注的其它分子，只要其结合到靶向化学化合物或以其它方式帮助检测靶向化学化合物。在各种实施例中，这些中的任一种可以用于化学化合物的方式或以任何其它方式应用到双栅极背侧感测bioFET阵列的感测层且不限制结合化学反应。
在其中化学化合物阵列使用上文所论述的类别的多个捕捉试剂的实施例中，这类阵列可包括相同或不同捕捉试剂且可或不可不均匀地分散在阵列上。借助于实例，化学化合物阵列可包括多个相同核酸捕捉试剂，其中例如超过一个双栅极背侧感测bioFET感测层且视情况所述阵列的整个感测表面具有共轭到其的相同捕捉试剂。相同捕捉试剂可以均匀地分散在阵列表面上或其可在表面上组织成分散区(或单元)。或者，化学化合物阵列可包括多个不相同捕捉试剂。这类阵列可随后包括不均匀地分散在阵列的表面上的不相同捕捉试剂，或多种不相同捕捉试剂可以在阵列的表面上组织成分散区(或单元)，其中例如相同捕捉试剂分散在一个分散区中，另一分散区含有不同的不相同捕捉试剂等等，使得阵列包括多种分散到相同捕捉试剂的分散区中的不相同捕捉试剂。
多种捕捉试剂可取决于任何数目的因素变化，包括(但不限于)靶向化学化合物类型、修饰、大小或用来将捕捉试剂附接到双栅极背侧感测bioFET的感测层的方法。举例来说，阵列可具有任何数目的包括捕捉试剂的分散区，包括(但不限于)至少10个、102个、103个、104个、105个、106个、107个或更多。捕捉试剂可分散或附接到阵列使得捕捉到多种靶向化学化合物，包括(但不限于)至少10种、50种、100种、500种、103种、104种、105种、106种或更多种化学化合物。其中例如捕捉试剂是用于核酸阵列和蛋白阵列(如上文所论述)，其中捕捉试剂可经类似地优化来检测靶向化学化合物。参见例如美国专利第8,349,167号(第13栏)。
上文参考核酸阵列和蛋白阵列论述用于将捕捉试剂(包括核酸、蛋白、分子等等)固定或附接到固体支撑物的方法，特别是在阵列的情形中。可使用类似固定和附接策略制得化学化合物阵列。举例来说，可将化学化合物捕捉试剂共价或非共价地(例如离子性)固定或附接到双栅极背侧感测bioFET的感测层上。共价附接可以是直接或间接的(例如通过连接子，例如双功能连接子)。化学化合物阵列固定或附接策略和格式的实例包括描述于例如美国公开申请第2003/0032203号(小分子微阵列；段落[0093])；第2004/0171053号(小分子微阵列；段落[0036]至段落[0047])；辛格,V.(Singh,V.)等人,“基于表面等离子共振成像的小分子微阵列筛选方法(Small molecule microarray screening methodologybased on surface plasmon resonance imaging)”,阿拉伯化学杂志(Arabian J.Chem.)(2015)；费里伯格(Freiberg)、加里(Gail)等人,“利用微阵列化合物筛选(microarrayedcompound screening，μARCS)以鉴别p56lck酪氨酸激酶的抑制剂(Utilization ofmicroarrayed compound screening (μARCS)to identify inhibitors of p56lcktyrosine kinase)”.生物分子筛选期刊(Journal of Biomolecular Screening)9.1(2004):12-21；乌塔曼查尼(Uttamchandani)、玛赫什(Mahesh)等人,“小分子微阵列：近期发展和应用(Small molecule microarrays:recent advances and applications)”.化学生物学近期评述9.1(2005):4-13；沃尔什(Walsh,D.P.)、，以及Y.T.常(Y.T.Chang),“小分子微阵列的近期发展：应用和技术(Recent advances in small molecule microarrays:applications and technology)”.组合化学及高产量筛选(Combinatorial Chemistry&High Throughput Screening)7.6(2004):557-564；马海清(Ma,Haiching)以及久留美Y.堀内(Kurumi Y.Horiuchi),“化学微阵列：用于药物筛选和发现的新工具(Chemicalmicroarray:a new tool for drug screening and discovery)”.今日药物发现(DrugDiscovery Today)11.13(2006):661-668中的那些策略和格式。
本文中所描述的化学化合物阵列可有助于检测阵列化合物与生物大分子之间的结合和/或激活事件。因此，本公开包括用于鉴别用于所关注的生物大分子的小分子伴侣的方法。小分子伴侣可以是结合到所关注的特定大分子且能够激活或抑制所关注的生物大分子的化合物。如果化学化合物阵列包括一种或多种不同类型的化合物，可使用用于对特异性化合物中的每一个进行编码的方法使得可以鉴别出具有特异性相互作用的化合物。特异性编码技术以及其它当量或改良技术包括描述于恰尔尼克(Czarnik)、安东尼W.(AnthonyW.),“用于组合化学的的编码方法(Encoding methods for combinatorial chemistry)”.化学生物学近期评述1.1(1997):60-66中的那些技术。或者，当阵列包括一种类型的化学化合物时，生物大分子库可与这一阵列接触以测定化学化合物与多种生物大分子相互作用的能力。
核酸测序
在各种方面中，用于靶向分析物测序的一些实施例包括使用双栅极背侧感测bioFET的核酸。在一些实施例中，核酸测序可包括任何核酸，例如(但不限于)双链或单链、线性或圆形核酸(例如圆形DNA)、单链DNA发夹、DNA/RNA杂交、具有用于聚合酶结合的识别位点的RNA、RNA发夹或粒线体DNA。一些实施例提供使用双栅极背侧感测bioFET测序复合核酸结构，例如5'或3'非转换序列、汇接重复、外显子或内含子、染色体区段、全部染色体或基因组。在一些实施例中，可执行使用双栅极背侧感测bioFET的测序来测定核酸的部分或完整核苷酸序列，来检测核酸中存在或不存在单核苷酸多态性，来测定插入、缺失以及基因组重排，来测定单倍型、核型和/或基因型的靶向分析物，来测定两种或多于两种靶向分析物的核酸表达谱，包括(例如)野生型和突变表现型、患病和正常组织、未治疗组织和经药物、酶、辐射或化学处理治疗的组织。
具有核酸的靶向分析物可以来自任何来源，包括天然存在的来源或合成来源。举例来说，核酸包括(但不限于)PCR产物、粘粒、质粒或天然存在的或合成库。如上文在阵列的情形中所论述的核酸可具有任何长度。借助于实例，在长度上核酸可以是数百个、数千个或数万个核苷酸。在一些实施例中，在大小上核酸是约20个至10000个、30个至7500个、40个至5000个、50个至2500个、100个至2000个、200个至1000个、300个至800个或400个至700个碱基对。在一些实施例中，在长度上核酸是约20、约30、约40、约50、约60、约70、约80、约90、约100、约150、约200、约250、约300、约350、约400、约450、约500、约550、约600、约650、约700、约750、约800、约850、约900、约950、约1000、约1500、约2000、约2500、约5000、约7500、约10000或大于10000个碱基对。
对于使用双栅极背侧感测bioFET测序核酸，可以使用此项技术中已知的技术来制备包括核酸的靶向分析物。这类技术包括(但不限于)通过机械、酶促或化学手段进行DNA分片操作，包括剪切、超声处理、雾化、核酸内切酶(例如DNaseI)消化、例如PCR扩增的扩增，或此项技术中已知的产生核酸片段的任何其它技术，无论是否是所需长度(参见例如萨布鲁克(Sambrook)、约瑟夫(Joseph)、爱德华F.弗里奇(Edward F.Fritsch)以及汤姆马尼亚迪斯(Tom Maniatis),分子克隆实验指南.第4版.冷泉港实验室出版社(2012)第1卷,第6章、第7章,第2卷,第10章、第11章)。分片操作可以接着进行大小选择技术来集中或隔离特定长度或大小的片段。这类技术包括(但不限于)凝胶电泳或固相可逆固定(solid phasereversible immobilization，SPRI)。用于在测序之前分离和/或集中序列，例如外显子的其它技术描述于例如艾伯特(Albert)、托马斯J.(Thomas J.)等人,“通过微阵列杂交来直接选择人类基因组轨迹(Direct selection of human genomic loci by microarrayhybridization)”.自然方法(Nature Methods)4.11(2007):903-905；波雷卡(Porreca)、格勒果瑞J(Gregory J.)等人,“多工扩增较大集合的人类外显子(Multiplex amplificationof large sets of human exons)”.自然方法4.11(2007):931-936；奥库(Okou)、大卫T(David T.)等人,“用于高产量重测序的基于微阵列的基因组选择(Microarray-basedgenomic selection for high-throughput resequencing)”.自然方法4.11(2007):907-909；美国专利第9,588,051号中。
当所需时，例如当靶向分析物中的核酸处于较低浓度时，例如涵盖样本中的核酸的以小于10％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％的频率发生的体细胞突变的核酸，可在将核酸放置于双栅极背侧感测bioFET中之前或之后扩增核酸。任何技术可用于扩增核酸包括(但不限于)桥扩增技术、滚环扩增技术、等温或非等温扩增技术。参见例如美国专利第5,641,658号(第5至7栏)；美国公开申请第2002/0055100 A1号(段落[0222]、段落[0232])；美国专利第7,115,400号(第5栏,第30行)；2004/0096853 A1(段落[0005]至段落[0025]、段落[0033]至段落[0038])；2004/0002090 A1；2007/0128624A1(段落[0005]至段落[0013])；以及(段落[0010]至段落[0018])；美国专利第8,349,167号(第27栏,第14至21行)；美国专利第9,588,051号(第24栏,第36至67行)；帕兹J.吉列尔莫(Paez,J.Guillermo)等人,“基于φ29聚合酶的多链置换全基因组扩增的基因组覆盖度以及序列保真度(Genomecoverage and sequence fidelity of φ29 polymerase-based multiple stranddisplacement whole genome amplification)”.核酸研究32.9(2004):e71-e71。
在一些实施例中，在5'端、3'端上或在5′端以及3′端两个上，靶核酸配位到衔接子序列。在一些实施例中，衔接子序列是条码或类似序列来鉴别核酸。衔接子序列可(例如)包括与扩增引物互补的序列和/或包括有助于将核酸附接或结合到双栅极背侧感测bioFET的部分。这类部分包括(但不限于)生物素分子或双倍生物素部分(参见迪尔(Diehl)、弗兰克(Frank)等人,“BEAMing：油包水乳液中的微米粒子上的单分子PCR(BEAMing:single-molecule PCR on microparticles in water-in-oil emulsions)”.自然方法3.7(2006):551-559)或NHS酯以及胺亲和性配对。
在各种实施例中，本文中所描述的双栅极背侧感测bioFET用于单分子测序且在其它实施例中用于同时测序不同核酸。在其中靶向分析物包括多种核酸的实施例中，双栅极背侧感测bioFET可呈阵列格式且包括相同或不同核酸，所述核酸可或不可不均匀地分散于阵列上。借助于实例，核酸测序阵列可包括多个相同核酸，其中例如超过一个双栅极背侧感测bioFET感测层及视情况所述阵列的整个感测表面具有分散到其上的相同核酸。相同核酸可以均匀地分散在阵列表面上或其可在表面上组织成分散区(或单元)。或者，核酸测序阵列可包括多种不同核酸。这类阵列可随后包括不均匀地分散在阵列的表面上的不相同核酸，或多种不相同核酸可以在阵列的表面上组织成分散区(或单元)，其中例如相同核酸分散在一个分散区中，另一分散区含有不同的不相同核酸等等，使得阵列包括多种分散到相同核酸的分散区中的不相同核酸。
新合成核酸的序列的知识是通过测定是否已知核苷酸已并入到新合成核酸中并且如果是，已并入多少这类已知核苷酸来推导出的。为检测并入于本文中所描述的核酸测序应用中的核苷酸，可使用准许使用双栅极背侧感测bioFET检测的任何方法或技术。在一些实施例中，检测核苷酸并入包括双栅极背侧感测bioFET电流和/或阈值电压的变化。这类变化可能是以下中的一种或多种事件单独或其某一组合的结果：产生PPi、产生Pi(例如在存在焦磷酸酯的情况下)、产生氢(且伴随例如在存在较低强度缓冲液的情况下pH的变化)、双栅极背侧感测bioFET的感测层处的未并入的dNTP的浓度减小或双栅极背侧感测bioFET的感测层处未并入的dNTP的到达延迟。在一些实施例中，检测可通过选择性结合到PPi的捕捉试剂来发生。这类PPi受体包括(但不限于)论述于美国公开申请第2010/028617 A1号(段落[0245])；李董勋(Lee,Dong Hoon)、金顺英(Soon Young Kim)以及洪中一(Jong-InHong)“在含ATP的水上具有高选择性的荧光焦磷酸传感器(A fluorescent pyrophosphatesensor with high selectivity over ATP in water)”.应用化学国际版(AngewandteChemie International Edition)43.36(2004):4777-4780；美国公开申请第2005/0119497A1号(段落[0113])；李董勋等人,“在水中的基于偶氮苯酚的显色焦磷酸传感器(Anazophenol-based chromogenic pyrophosphate sensor in water”.美国化学学会杂志(Journal of the American Chemical Society)125.26(2003):7752-7753；李韩娜(Lee,Han Na)等人,“通过荧光变化来感测焦磷酸和无机磷酸的简单但有效方式(Simple buteffective way to sense pyrophosphate and inorganic phosphate by fluorescencechanges)”.有机快报(Organic Letters)9.2(2007):243-246；卡里莫M.A.(Karymov,M.A.等人,“将DNA直接地定色于光波导表面上用于分子探针生物传感器发展(Fixation of DNAdirectly on optical waveguide surfaces for molecular probe biosensordevelopment)”.传感器和致动器B:化学(Sensors and Actuators B:Chemical)29.1-3(1995):324-327；法布里兹(Fabbrizzi)、路易吉(Luigi)等人,“通过荧光竞争分析来在水中检测焦磷酸：通过指示物的选择诱导选择性(Pyrophosphate detection in water byfluorescence competition assays:inducing selectivity through the choice ofthe indicator)”.应用化学国际主版41.20(2002):3811-3814；国际申请公告第WO 2007/002204号(第9页,第30至34行；第10页,第11页,第12页第1至12行)；麦克唐纳(McDonough)、马太J.(Matthew J.)等人,“使用主链修饰环肽受体选择性认知水中的焦磷酸(Selectiverecognition of pyrophosphate in water using a backbone modified cyclicpeptide receptor)”.化学通讯(Chemical Communications)28(2006):2971-2973中的那些受体。在核酸阵列的情形中，上文所描述的技术和条件中的许多例如将核酸附接到双栅极背侧感测bioFET同等适用于本文中所描述的测序应用，且可得到关于其的参考。
其它应用
涵盖本文中所描述的双栅极背侧感测bioFET的若干其它应用。举例来说，双栅极背侧感测bioFET的感测层提供实时无标记量化和分析用于多种生物、化学以及其它应用，包括(但不限于)基因表达分析、比较性基因组杂交(comparative genome hybridization，CGH)、基于阵列的外显子集中工艺、蛋白测序、组织微阵列以及细胞培养。在一些实施例中，双栅极背侧感测bioFET可用于筛选样本用于存在或不存在的物质，所述样本包括(但不限于)体液和/或组织，例如血液、尿、唾液、CSF或灌洗或环境样本，例如供水样本或空气样本。举例来说，阵列可用于基于靶向基因组、蛋白质组和/或其它元素来测定存在或不存在病原体(例如食物承载或感染性病原体)例如病毒、细菌或寄生虫。阵列还可用以鉴别个体体内存在或不存在表征癌细胞或指示另一病状或病症的细胞。用于本文中所描述的双栅极背侧感测bioFET的其它应用包括描述于美国专利第8,349,167号(基因表达分析、比较性基因组杂交(CGH)、基于阵列的外显子集中工艺)；第8,682,592号(非侵入性产前诊断(Non-Invasive Prenatal Diagnosis，NIPD)、DNA/RNA污染物、SNP鉴别)；第9,096,899号(提供扩增以及测序流动细胞内的DNA的方法)；第9,340,830号(分析肿瘤样本)；第9,329,173号(用于测试肠道沙门氏菌细菌的自动化系统)；第9,341,529号(用于制造压力传感器的方法)；美国公开申请第2015/0353920号；第2015/0355129号(体液中的化学以及生物物质检测)；第2016/0054312号(用于样本分析的化学区分传感器阵列)；第2016/0040245号(与神经内分泌前列腺癌(neuroendocrine prostate cancer，NEPC)相关联的CTC的鉴别以及分子表征)中的那些应用。
在一些实施例中，双栅极背侧感测bioFET可用于从所关注的细胞样本中(例如异构细胞样本中)的一个或多个细胞中获得单细胞基因表达谱。这类样本通常在其基因/生物标记物表现水准上呈现高度变化(例如由于细胞周期、环境以及随机的转录/转译机构)，即使在具有相同表现型的单个细胞中。双栅极背侧感测bioFET能够探查样本中的每一细胞的表达谱。在某些方面中，用于单个细胞分子分析的个体方法除去从异构细胞样本中分离所关注的细胞的需要，所述异构细胞样本具有在每一双栅极背侧感测bioFET处可用的的单个分析。异构细胞样本中的直接分子分析有利于临床诊断以及生物标记物发现应用。在某些方面中，双栅极背侧感测bioFET用于异构原始或集中疾病组织和生物流体样本的分子分析以及细胞亚分型，所述样本是(例如)活检肿瘤样本、来自心血管疾病样本的内皮细胞、骨髓样本、淋巴结样本、淋巴、羊膜液、来自不同神经病症的大脑样本、肺病理性样本和/或任何其它所关注的异质性疾病组织样本。举例来说，因此双栅极背侧感测bioFET用于正常生物组织和生物流体样本的分子分析来阐明(例如)分化机制、免疫反应、细胞细胞连通或大脑发育。
在一些实施例中，双栅极背侧感测bioFET用于获得体循环肿瘤细胞(circulatingtumor cell，CTC)中的单细胞表达谱。CTC可衍生自癌转移且可通过血流和淋巴再体循环到定殖独立器官和/或原发肿瘤，产生继发性癌转移。CTC在癌瘤的转移性扩展中发挥重要作用。因此，检测血液中的CTC(液体活检)或骨髓中的肿瘤细胞传播(disseminating tumorcell，DTC)可用于监测肿瘤分期且将在转移性复发的高风险下改良癌症患者的鉴别、诊断以及治疗。参见例如美国专利第9,340,830号(第205栏,第61至64行)；第9,447,411号(第21栏,第42至54行)；第9,212,977号(第19栏,第56至67行)；第9,347,946号(第9栏,第16至30行)。在一些实施例中，双栅极背侧感测bioFET用来获得细胞样本中的表现以及突变分布图，所述细胞样本包括CTC以及非靶向受污染细胞类型(例如白细胞)。参见例如美国专利第9,340,830号(第1栏，第41至67行)；第9,447,411号(第2栏,第41至55行)；第9,212,977号(第2栏,第48至67行；第3栏,第1至10行)；以及第9,347,946号(第9栏)。
在其它实施例中，本文中所描述的双栅极背侧感测bioFET可提供定点照护、便携式和/或实时诊断性工具。其可(例如)提供电子读出酶联免疫吸附分析(enzyme linkedimmunosorbent assay，ELISA)或其它分析来检测多种化学或生物物质。双栅极背侧感测bioFET可配置成将生物化学结合事件或反应转导或转换成可以读出的电信号。可利用双栅极背侧感测bioFET来执行对于结合化学或生物物质的位点处产生的自由漫射电子活性物质的间接检测。可使用电子读出ELISA流程，其中酶能够产生电子活性物质。在一些实施例中，核开关用来检测代谢物。参见例如米罗诺夫(Mironov)、亚历山大S.(Alexander S.)等人,“通过初生RNA感测小分子：控制细菌中的转录的机构(Sensing small molecules bynascent RNA:a mechanism to control transcription in bacteria)”.细胞(Cell)111.5(2002):747-756；温克勒(Winkler)、韦德(Wade)、阿里纳维(Ali Nahvi)以及罗纳德R.布雷克(Ronald R.Breaker),“硫胺素衍生物结合信使RNA来直接地调节细菌基因表达(Thiamine derivatives bind messenger RNAs directly to regulate bacterial geneexpression)”，自然419.6910(2002):952-956。在一些实施例中，双栅极背侧感测bioFET阵列用来测量反应的动力学和/或对酶的活动进行比较，所述酶包括底物、辅因子或用于读出的另一部分。
用于双栅极背侧感测bioFET阵列的其它应用涉及使用分子识别位点，其中特异性地识别特定靶向分子的分子经鉴别或设计且施加到阵列的表面。前期利用chemFET的工作已证明单一个ISFET能够识别到离子，例如钾。
在一些实施例中，双栅极背侧感测bioFET用来监测特异性分子的存在和/或量，包括例如环境测试特异性毒素和重要元素。这类测试可使用分子识别位点来测量污染气体和粒子污染物两个，其中特异性地识别特定靶向分子的分子经鉴别或设计且施加到阵列的表面。参见例如布佐兹卡(Brzozka)等人，“通过优化聚硅氧烷薄膜来增强钾CHEMFET的性能(Enhanced performance of potassium CHEMFETs by optimization of a polysiloxanemembrane)”,传感器和致动器B.化学18,38-41(1994)；西伯尔德(Sibbald)等人，“用于同时测量钾、氢、钙以及钠离子的具有四个功能ChemFET的集成电路的微型导流单元(Aminiature flow-through a four-function ChemFET integrated circuit forsimultaneous measurements of potassium,hydrogen,calcium and sodium ions)”,分析化学学报.159,47-62(1984)；科本(Cobben)等人，“通过化学修饰场效应晶体管(chemically modified field effect transistors，CHEMFET)来转导重金属离子的选择性认知(Transduction of selective recognition of heavy metal ions bychemically modified field effect transistors(CHEMFETs))”，美国化学学会杂志114,10573-10582(1992)。在一些实施例中，双栅极背侧感测bioFET可以与个人、便携式以及可穿戴式检测器系统一起使用。这一系统可以充当预警装置，指示用户其当前本地环境的污染层级处于可使得用户发生一些不适或甚至引起呼吸问题的层级。这特别是与患有呼吸道或支气管或哮喘病状的人相关，其中用户需要采取必要的注意事项。双栅极背侧感测bioFET具有检测单个气体，例如NOx、SO2、CO和/或监测温度及湿度的能力。参见美国公开申请第2014/0361901号；第2016/0116434号(段落[0117])。污染传感器可例如被称作气体场效晶体管(gas field effective transistor，gasFET)。gasFET可含有例如具有暴露于周围大气的栅极金属化的FET。当气体吸收于表面上时，质子可漫射到金属气体界面。这产生影响装置的阈值电压的偶极层。
在一些实施例中，双栅极背侧感测bioFET可通过引入到个体(例如大脑或经受离子流的其它区域中)中来用于活体内且接着分析变化。举例来说，细胞的电活动可以通过离子性流动来检测到。因此，bioFET阵列可以集成到新颖离子鉴别组织探针上。其它应用包括例如耳蜗假体和视网膜及皮层植入物。参见例如胡马雍(Humayun)等人，构想研究(VisionResearch)43,2573-2581(2003)；诺曼(Normann)等人，构想研究39,2577-2587(1999)。
最终备注
在一些实施例中，生物场效晶体管装置包括半导体衬底、第一生物场效晶体管传感器、第二生物场效晶体管传感器、隔离层以及读出电路。半导体衬底具有第一表面以及相对平行第二表面。第一生物场效晶体管传感器在半导体衬底上。第一生物场效晶体管传感器包括第一栅极以及第一沟道区。第一栅极形成于半导体衬底的第一表面上。第一沟道区形成于第一栅极下方的半导体衬底内以及将第一源极/漏极区插入于半导体衬底中。第一沟道区包括半导体衬底的第二表面的一部分。第二生物场效晶体管传感器在半导体衬底上。第二生物场效晶体管传感器包括第二栅极以及第二沟道区。第二栅极形成于半导体衬底的第一表面上。第一栅极以及第二栅极是相同材料。第二沟道区形成于第二栅极下方的半导体衬底内以及将第二源极/漏极区插入于半导体衬底中。第二沟道区包括半导体衬底的第二表面的一部分。隔离层在半导体衬底的第二表面上以及具有第一开口以及第二开口。第一开口暴露包括第一沟道区的半导体衬底的第二表面的一部分。第二开口暴露包括第二沟道区的半导体衬底的第二表面的一部分。界面层设置在分别地在第一开口以及第二开口中的第一沟道区以及第二沟道区中的每一个上。读出电路包括差分放大器。差分放大器配置成测量与第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器相关联的信号之间的差值。
在一些实施例中，生物场效晶体管装置更包括第一生物场效晶体管传感器阵列以及第二生物场效晶体管传感器阵列。第一生物场效晶体管传感器阵列包括第一生物场效晶体管传感器。第二生物场效晶体管传感器阵列包括第二生物场效晶体管传感器。
在一些实施例中，第一生物场效晶体管传感器阵列中的每一生物场效晶体管传感器电耦合到差分放大器的正输入。第二生物场效晶体管传感器阵列中的每一生物场效晶体管传感器电耦合到差分放大器的负输入。
在一些实施例中，第一生物场效晶体管传感器阵列中的生物场效晶体管传感器电耦合到差分放大器的正输入，以及第二生物场效晶体管传感器阵列中的对应生物场效晶体管传感器电耦合到差分放大器的负输入。
在一些实施例中，生物场效晶体管装置更包括第一微流体沟道以及第二微流体沟道，第一微流体沟道定位在第一生物场效晶体管传感器上方以及配置成将流体传递到隔离层中的第一开口中，第二微流体沟道定位在第二生物场效晶体管传感器上方以及配置成将流体传递到隔离层中的第二开口中。
在一些实施例中，生物场效晶体管装置更包括捕捉试剂，捕捉试剂结合到第一开口以及第二开口中的至少每一个中的界面层。
在一些实施例中，结合到第一开口中的界面层的捕捉试剂具有与结合到第二开口中的界面层的捕捉试剂相同的浓度以及类型。
在一些实施例中，微流体系统包括半导体衬底、第一生物场效晶体管传感器、第二生物场效晶体管传感器、隔离层、界面层、读出电路以及微流体网络。半导体衬底具有第一表面以及相对平行第二表面。第一生物场效晶体管传感器具有半导体衬底的第一表面上的第一栅极。以及第二生物场效晶体管传感器，具有半导体衬底的第一表面上的第二栅极。隔离层，设置在半导体衬底的第二表面上以及具有在第一生物场效晶体管传感器上方的第一开口以及在第二生物场效晶体管传感器上方的第二开口。界面层设置于第一开口以及第二开口中的至少每一个中。读出电路包括差分放大器。差分放大器配置成测量与第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器相关联的信号之间的差值。微流体网络配置成将流体传递到设置于第一开口以及第二开口中的每一个中的界面层。微流体网络包括。第一入口沟道、第二入口沟道以及出口沟道。第一入口沟道以及第二入口沟道分别地在第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器的上游。出口沟道在第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器的下游。
在一些实施例中，微流体系统更包括第一生物场效晶体管传感器阵列以及第二生物场效晶体管传感器阵列，第一生物场效晶体管传感器阵列包括第一生物场效晶体管传感器，第二生物场效晶体管传感器阵列包括第二生物场效晶体管传感器。
在一些实施例中，第二入口沟道分支成第一感测沟道以及第二感测沟道，其中第一感测沟道将流体传递到设置于第一开口中的界面层以及第二感测沟道将流体传递到设置于第二开口中的界面层。
在一些实施例中，第一入口沟道流体地耦合第一感测沟道。
在一些实施例中，微流体系统更包括阀门，阀门定位于在第一入口沟道与第一感测沟道流体地耦合的位置与第二入口沟道分支成第一感测沟道以及第二感测沟道的位置之间的第一感测沟道中。
在一些实施例中，微流体系统更包括第二阀门，第二阀门定位于第二生物场效晶体管传感器下游的第二感测沟道中。
在一些实施例中，第一入口沟道配置成将流体传递到第一开口中的界面层而非第二开口中的界面层。
在一些实施例中，微流体系统更包括电极阵列，电极阵列图案化于第一入口沟道、第二入口沟道以及出口沟道中的每一个内，其中图案化电极阵列配置成将溶液液滴移动通过微流体网络。
在一些实施例中，使用生物场效晶体管装置的方法包括：提供具有在半导体衬底的第一表面上的第一栅极的第一生物场效晶体管传感器以及具有在半导体衬底的第一表面上的第二栅极的第二生物场效晶体管传感器，其中第一栅极与第二栅极是相同材料，以及其中第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器中的每一个包括配置成结合捕捉试剂的界面层；使含有捕捉试剂的溶液流动通过定位在第一生物场效晶体管传感器上方的第一微流体沟道以及通过定位在第二生物场效晶体管传感器上方的第二微流体沟道；使含有配置成结合到捕捉试剂的靶向分析物的溶液向下流动到第一微流体沟道而非第二微流体沟道；使缓冲溶液流动通过第一微流体沟道以及第二微流体沟道；以及检测获自第一生物场效晶体管传感器以及第二生物场效晶体管传感器的差分信号。
在一些实施例中，使用生物场效晶体管装置的方法更包括在使含有靶向分析物的溶液流动之后使清洗溶液流动通过第一微流体沟道以及第二微流体沟道。
在一些实施例中，使用生物场效晶体管装置的方法更包括更包括在使所述含有所述标靶分析物的溶液沿着所述第一微流体沟道流动的期间致动阀门以切断所述第二微流体沟道的连接。
在一些实施例中，使含有捕捉试剂的溶液流动的步骤包括使含有以下物质中的一种或多种的溶液流动：酶、抗体、配体、肽、核苷酸、器官细胞、生物体、DNA、RNA或组织块。
在一些实施例中，使含有靶向分析物的溶液流动的步骤包括使含有以下物质中的一种或多种的溶液流动：DNA、RNA、抗体、多肽、细胞、组织、蛋白或肿瘤标记物。
应了解，前述实施方式(the Detailed Description)部分而非本公开摘要(theAbstract of the Disclosure)部分意图用以解释权利要求。本公开发明摘要部分可阐述本公开的一个或多个(但非全部)示范性实施例作为发明人涵盖，且因此并不意图以任何方式限制本公开和随附权利要求书。
应理解，本文的措辞或术语是出于描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措辞待由本领域的技术人员按照教示和指南进行解释。
本公开的广度和范围不应受到上述示范性实施例中任一实施例限制，而应仅根据随附权利要求书及其等效物界定。

Claims (20)

1.一种生物场效晶体管装置，其特征在于，所述生物场效晶体管装置包括：
半导体衬底，具有第一表面以及相对平行第二表面；
第一生物场效晶体管传感器，在所述半导体衬底上，所述第一生物场效晶体管传感器包括：
第一栅极，形成于所述半导体衬底的所述第一表面上，以及
第一沟道区，形成于所述第一栅极下方的所述半导体衬底内以及将第一源极漏极区插入于所述半导体衬底中，其中所述第一沟道区包括所述半导体衬底的所述第二表面的一部分；
第二生物场效晶体管传感器，在所述半导体衬底上，所述第二生物场效晶体管传感器包括：
第二栅极，形成于所述半导体衬底的所述第一表面上，其中所述第一栅极以及所述第二栅极是相同材料，以及
第二沟道区，形成于所述第二栅极下方的所述半导体衬底内以及将第二源极漏极区插入于所述半导体衬底中，其中所述第二沟道区包括所述半导体衬底的所述第二表面的一部分；
隔离层，在所述半导体衬底的所述第二表面上以及具有第一开口以及第二开口，所述第一开口暴露包括所述第一沟道区的所述半导体衬底的所述第二表面的一部分，所述第二开口暴露包括所述第二沟道区的所述半导体衬底的所述第二表面的一部分；
连续界面层，设置在在所述第一开口以及所述第二开口中的所述第一沟道区以及所述第二沟道区中上；
读出电路，包括差分放大器，所述差分放大器配置成测量与所述第一生物场效晶体管传感器以及所述第二生物场效晶体管传感器相关联的信号之间的差值；
第一微流体沟道，具有多个第一电极，所述第一微流体沟道定位在所述第一生物场效晶体管传感器上方以及配置成将流体传递到所述隔离层中的所述第一开口中；
顶板，设置在所述第一生物场效晶体管传感器的上方并包围所述第一微流体沟道；以及
第二电极，设置在所述顶板的内表面，其中所述第一微流体沟道中的所述流体藉由所述第二电极与对应的所述多个第一电极之间的电场进行给定方向移动。
2.根据权利要求1所述的生物场效晶体管装置，其特征在于，所述生物场效晶体管装置更包括第一生物场效晶体管传感器阵列以及第二生物场效晶体管传感器阵列，所述第一生物场效晶体管传感器阵列包括所述第一生物场效晶体管传感器，所述第二生物场效晶体管传感器阵列包括所述第二生物场效晶体管传感器。
3.根据权利要求2所述的生物场效晶体管装置，其特征在于，所述第一生物场效晶体管传感器阵列中的每一生物场效晶体管传感器电耦合到所述差分放大器的正输入，以及所述第二生物场效晶体管传感器阵列中的每一生物场效晶体管传感器电耦合到所述差分放大器的负输入。
4.根据权利要求2所述的生物场效晶体管装置，其特征在于，所述第一生物场效晶体管传感器阵列中的生物场效晶体管传感器电耦合到所述差分放大器的正输入，以及所述第二生物场效晶体管传感器阵列中的对应生物场效晶体管传感器电耦合到所述差分放大器的负输入。
5.根据权利要求1所述的生物场效晶体管装置，其特征在于，所述生物场效晶体管装置更包括第二微流体沟道，所述第二微流体沟道定位在所述第二生物场效晶体管传感器上方以及配置成将流体传递到所述隔离层中的所述第二开口中。
6.根据权利要求1所述的生物场效晶体管装置，其特征在于，所述生物场效晶体管装置更包括捕捉试剂，所述捕捉试剂结合到所述第一开口以及所述第二开口中的至少每一个中的所述连续界面层的部分。
7.根据权利要求6所述的生物场效晶体管装置，其特征在于，结合到所述第一开口中的所述连续界面层的部分的所述捕捉试剂具有与结合到所述第二开口中的所述连续界面层的部分的所述捕捉试剂相同的浓度以及类型。
8.一种微流体系统，其特征在于，所述微流体系统包括：
半导体衬底，具有第一表面以及相对平行第二表面；
第一生物场效晶体管传感器，具有所述半导体衬底的所述第一表面上的第一栅极，以及第二生物场效晶体管传感器，具有所述半导体衬底的所述第一表面上的第二栅极；
隔离层，设置在所述半导体衬底的所述第二表面上以及具有在所述第一生物场效晶体管传感器上方的第一开口以及在所述第二生物场效晶体管传感器上方的第二开口；
连续界面层，设置于所述第一开口以及所述第二开口中；
读出电路，包括差分放大器，所述差分放大器配置成测量与所述第一生物场效晶体管传感器以及所述第二生物场效晶体管传感器相关联的信号之间的差值；
微流体网络，配置成将流体传递到设置于所述第一开口以及所述第二开口中的每一个中的所述界面层，所述微流体网络包括：
第一入口沟道以及第二入口沟道，所述第一入口沟道耦接至所述第一生物场效晶体管传感器，以及所述第二入口沟道至少耦接至所述第二生物场效晶体管传感器在所述第一生物场效晶体管传感器以及所述第二生物场效晶体管传感器的上游，以及
出口沟道，在所述第一生物场效晶体管传感器以及所述第二生物场效晶体管传感器的下游；
微流体沟道，具有多个第一电极，所述微流体沟道定位在所述第一生物场效晶体管传感器上方以及配置成将所述流体传递到所述隔离层中的所述第一开口中；
顶板，设置在所述第一生物场效晶体管传感器的上方并包围所述微流体沟道；以及
第二电极，设置在所述顶板的内表面，其中所述微流体沟道中的所述流体藉由所述第二电极与对应的所述多个第一电极之间的电场进行给定方向移动。
9.根据权利要求8所述的微流体系统，其特征在于，所述微流体系统更包括第一生物场效晶体管传感器阵列以及第二生物场效晶体管传感器阵列，所述第一生物场效晶体管传感器阵列包括所述第一生物场效晶体管传感器，所述第二生物场效晶体管传感器阵列包括所述第二生物场效晶体管传感器。
10.根据权利要求8所述的微流体系统，其特征在于，所述第二入口沟道分支成第一感测沟道以及第二感测沟道，其中所述第一感测沟道将所述流体传递到设置于所述第一开口中的所述连续界面层的部分以及所述第二感测沟道将所述流体传递到设置于所述第二开口中的所述连续界面层的部分。
11.根据权利要求10所述的微流体系统，其特征在于，所述第一入口沟道流体地耦合所述第一感测沟道。
12.根据权利要求11所述的微流体系统，其特征在于，所述微流体系统更包括阀门，所述阀门定位于在所述第一入口沟道与所述第一感测沟道流体地耦合的位置与所述第二入口沟道分支成所述第一感测沟道以及所述第二感测沟道的位置之间的所述第一感测沟道中。
13.根据权利要求12所述的微流体系统，其特征在于，所述微流体系统更包括第二阀门，所述第二阀门定位于所述第二生物场效晶体管传感器下游的所述第二感测沟道中。
14.根据权利要求8所述的微流体系统，其特征在于，所述第一入口沟道配置成将所述流体传递到所述第一开口中的所述连续界面层的部分而非所述第二开口中的所述连续界面层的部分。
15.根据权利要求8所述的微流体系统，其特征在于，所述微流体系统更包括电极阵列，所述电极阵列图案化于所述第一入口沟道、所述第二入口沟道以及所述出口沟道中的每一个内，其中图案化电极阵列配置成将溶液小滴移动通过所述微流体网络。
16.一种使用生物场效晶体管装置的方法，其特征在于，所述使用生物场效晶体管装置的方法包括：
提供具有在半导体衬底的第一表面上的第一栅极的第一生物场效晶体管传感器以及具有在所述半导体衬底的所述第一表面上的第二栅极的第二生物场效晶体管传感器，其中所述第一栅极与所述第二栅极是相同材料；
将捕捉试剂结合到设置于所述第一生物场效晶体管传感器以及所述第二生物场效晶体管传感器的连续界面层；
使含有所述捕捉试剂的溶液流动通过定位在所述第一生物场效晶体管传感器上方的第一微流体沟道以及通过定位在所述第二生物场效晶体管传感器上方的第二微流体沟道，其中所述第一微流体沟道具有多个第一电极，其中使含有所述捕捉试剂的溶液流动通过定位在所述第一生物场效晶体管传感器上方的第一微流体沟道的步骤包括：
提供设置在所述第一生物场效晶体管传感器的上方并包围所述微流体沟道的顶板，并在所述顶板的内表面设置第二电极；以及
藉由所述第二电极与对应的所述多个第一电极之间的电场移动含有所述捕捉试剂的溶液；
使含有配置成结合到所述捕捉试剂的靶向分析物的溶液向下流动到所述第一微流体沟道而非所述第二微流体沟道；
使缓冲溶液流动通过所述第一微流体沟道以及所述第二微流体沟道；以及
检测获自所述第一生物场效晶体管传感器以及所述第二生物场效晶体管传感器的差分信号。
17.根据权利要求16所述的使用生物场效晶体管装置的方法，其特征在于，所述使用生物场效晶体管装置的方法更包括在使所述含有所述靶向分析物的溶液流动之后使清洗溶液流动通过所述第一微流体沟道以及所述第二微流体沟道。
18.根据权利要求16所述的使用生物场效晶体管装置的方法，其特征在于，所述使用生物场效晶体管装置的方法更包括在使含有靶向分子的溶液向下流动到所述第一微流体沟道期间致动阀门来切断对于所述第二微流体沟道的出入。
19.根据权利要求16所述的使用生物场效晶体管装置的方法，其特征在于，使所述含有捕捉试剂的溶液流动包括使含有以下物质中的一种或多种的溶液流动：酶、抗体、配体、肽、核苷酸、器官细胞、生物体、DNA、RNA或组织块。
20.根据权利要求16所述的使用生物场效晶体管装置的方法，其特征在于，使所述含有靶向分析物的溶液流动包括使含有以下物质中的一种或多种的溶液流动：DNA、RNA、抗体、多肽、细胞、组织、蛋白或肿瘤标记物。
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