CN111175367B - 一种生物传感器、生物分子检测电路及生物芯片 - Google Patents

一种生物传感器、生物分子检测电路及生物芯片 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种生物传感器、生物分子检测电路及生物芯片，属于生物技术领域。本发明提供的一种生物传感器具有检测区域，检测区域内设置有梳状的第一电极和第二电极。第一电极的多个第一导电叉指和第二电极的多个第二导电叉指交替设置，且第一电极与待测生物分子的作用系数大于第二电极与待测生物分子的作用系数。该生物传感器还包括与第一电极相连的第一检测单元和与第二电极相连的第二检测单元。由于检测区域中的第一电极和第二电极能够与生物分子发生不同程度的反应，从而根据第一电极与第二电极之间电信号的差异能够实现生物分子的检测。又由于第一电极与第二电极都为梳状电极，占用的空间较小，因此能够使生物传感器的体积减小。

Description

一种生物传感器、生物分子检测电路及生物芯片
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种生物传感器、生物分子检测电路及生物芯片。
背景技术
生物传感器被应用在各类生物芯片中，生物传感器能够监测待测物(例如生物分子溶液)的浓度或流速等参数。传统的生物传感器采用离子敏感场效应管(Ion SensitiveField Effect Transistor，ISFET)对待测物进行检测。ISFET是一种采用敏感膜和参比电极取代金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field effectTransistor，M0SFET)的栅极的晶体管。以检测待测物的浓度为例，ISFET传感器的工作原理为将参比电极和敏感膜置于待测物的电解质溶液中，栅极电压加在参比电极上，敏感膜会与待测物发生反应随着待测物的电解质溶液pH值发生变化，栅极表面的氢离子浓度会随之发生变化，进而影响ISFET的阈值电压的变化，通过pH值的变化量与ISFET的阈值电压的变化量的比例关系，能够检测出待测物的电解质溶液的pH值，也即可以检测出电解质溶液中待测物的浓度。
但是ISFET传感器需要参比电极来实现对电位的控制，而通常参比电极的体积较大，不利于将ISFET传感器集成于生物芯片中，从而影响生物芯片的体积。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种生物传感器，其能够实现生物分子检测，且体积较较小，从而有利于将生物传感器集成于芯片中。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种生物传感器，具有检测区域；在所述检测区域设置有梳状的第一电极和第二电极；所述第一电极的多个第一导电叉指和所述第二电极的多个第二导电叉指交替设置；且所述第一电极与待测生物分子的作用系数大于所述第二电极与所述待测生物分子的作用系数；
所述生物传感器还包括第一检测单元和第二检测单元；所述第一检测单元与所述第一电极连接，其用于检测所述第一电极上的电信号；所述第二检测单元与所述第二电极连接，其用于检测所述第二电极上的电信号。
本发明提供的生物传感器，由于检测区域中的第一电极和第二电极能够与生物分子发生不同程度的反应，因此第一电极所产生的电信号与第二电极所产生的电信号不同，再由第一检测单元检测第一电极上的电压信号，第二检测单元检测第二电极上的电压信号，从而根据第一电极与第二电极上电信号的差异能够实现生物分子的检测。又由于第一电极与第二电极都为梳状电极，占用的空间较小，因此能够使生物传感器的体积减小，从而有利于将生物传感器集成于芯片中。
优选的是，在本发明提供的上述生物传感器中，所述第一检测单元包括第一晶体管，其控制极连接所述第一电极，其第一极连接电源电压端，其第二极连接公共电压端；
所述第二检测单元包括第二晶体管，其控制极连接所述第二电极，其第一极连接电源电压端，其第二极连接公共电压端。
优选的是，在本发明提供的上述生物传感器中，所述第一导电叉指的表面具有生物敏感膜。
优选的是，在本发明提供的上述生物传感器中，所述第一检测单元和所述第二检测单元连接同一电源电压端。
优选的是，在本发明提供的上述生物传感器中，还包括：
第一存储单元，连接在所述第一检测单元与所述第一电极之间，用于存储所述第一电极上的电荷；
第二存储单元，连接在所述第二检测单元与所述第二电极之间，用于存储所述第二电极上的电荷。
优选的是，在本发明提供的上述生物传感器中，所述第一存储单元和所述第二存储单元为电容器。
相应地，本发明还提供一种生物分子检测电路，包括至少一个上述的生物传感器。
优选的是，在本发明提供的上述生物分子检测电路中，还包括：信号读取单元，与所述第一检测单元和所述第二检测单元相连，用于读取所述第一检测单元和所述第二检测单元上的电压。
优选的是，在本发明提供的上述生物分子检测电路中，所述信号读取单元包括比较器，其输入端的第一端子连接所述第一检测单元，其输入端的第二端子连接所述第二检测单元，所述比较器用于对所述第一检测单元上的电压和所述第二检测单元上的电压进行差分处理。
相应地，本发明还提供一种生物芯片，包括上述任一所述的生物传感器。
附图说明
图1为本实施例提供的生物传感器的一种实施例的结构示意图；
图2为本实施例提供的生物传感器的一种实施例的层结构示意图(第一电极)；
图3为本实施例提供的生物传感器的一种实施例的层结构示意图(第二电极)；
图4为为本实施例提供的生物分子检测电路的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是为了便于对本发明实施例的内容的理解。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本发明实施例中的所采用的晶体管可以为薄膜晶体管或场效应管或其他特性的相同器件，由于采用的晶体管的源极和漏极是对称的，所以其源极、漏极是没有区别的。在本发明实施例中，为区分晶体管的源极和漏极，将其中一极称为第一极，另一极称为第二极，栅极称为控制极。此外按照晶体管的特性区分可以将晶体管分为N型和P型，以下实施例中是以P型晶体管进行说明的，当采用P型晶体管时，第一极为P型晶体管的源极，第二极为P型晶体管的漏极，栅极输入低电平时，源漏极导通；当采用N型晶体管时，第一极为N型晶体管的源极，第二极为N型晶体管的漏极，栅极输入高电平时，源漏极导通。可以想到的是采用N型晶体管实现是本领域技术人员可以在没有付出创造性劳动前提下轻易想到的，因此也是在本发明实施例的保护范围内的。
在此需要说明的是，本发明实施例中以所有晶体管均为采用P型晶体管为例，则工作电平是指使得P型晶体管开启工作的有效电平，即为低电平，非工作电平则指高电平。本发明实施例中的初始控制信号为一固定的工作电平，也即为一固定的低电平信号。
如图1所示，本实施例提供一种生物传感器，该生物传感器包括第一电极1、第二电极2、第一检测单元T1与第二检测单元T2。
具体地，参见图1，本实施例提供的生物传感器具有检测区域E，检测区域E中设置有第一电极1与第二电极2。第一电极1与第二电极2都为梳状的电极，且第一电极1具有多个并列排布的第一导电叉指11，第一导电叉指11即为梳状的第一电极1的梳齿，第二电极2具有多个并列排布的第二导电叉指21，第二导电叉指21即为梳状的第二电极2的梳齿，第一电极1的多个第一导电叉指11和第二电极2的多个第二导电叉指21交替设置。若第一电极1和第二电极2处于接电状态，则相邻的第一导电叉指11与第二导电叉指21之间具有耦合电容，且第一电极1与第二电极2之间具有静电场，从而使第一电极1与第二电极2之间发生电位关联。由于第一电极1与第二电极2都为梳状电极，梳状电极占用的空间较小，因此能够使生物传感器的体积减小，从而有利于将生物传感器集成于芯片中。
进一步地，第一电极1与待测生物分子的作用系数α1大于第二电极2与待测生物分子的作用系数α2。也就是说，若具有待测生物分子的溶液流过检测区域E，溶液与第一电极1和第二电极2相接触后，第一电极1与待测生物分子发生反应的程度大于第二电极2与待测生物分子发生反应的程度。由于第一电极1与第二电极2与待测生物分子的作用系数不同，又由于第一电极1与第二电极2之间具有电位关联，因此具有待测生物分子的溶液流过检测区域E后，会引起第一电极1和第二电极2的电位变化(第二电极2上的电位变化可为0)，且在第一电极1上引起的电位变化与在第二电极2上引起的电位变化不同，从而第一电极1上的电信号与第二电极2上的电信号不同。α1和α2的差值越大，第一电极1上的电信号与第二电极2上的电信号差异越大，即生物分子检测的敏感性越高。理想状态下可使得α1＝1，α2＝0，当然，α1和α2的具体数值可以根据需要设计，在此不做限定。
进一步地，参见图1，本实施例提供的生物传感器还包括第一检测单元T1和第二检测单元T2。第一检测单元T1与第一电极1连接，第一检测单元T1用于检测第一电极1上的电信号。第二检测单元T2与第二电极2连接，第二检测单元T2用于检测第二电极2上的电信号。根据第一电极1和第二电极2之间的电信号的差异与生物分子待测参数之间的关系，可以实现生物分子检测，生物分子的待测参数可以为溶液中生物分子的浓度或具有生物分子的溶液的流速等。具体地，以生物分子的待测参数为溶液中生物分子的浓度为例，具有待测生物分子的溶液流过本实施例提供的生物传感器中的检测区域E后，与检测区域E中的第一电极1和第二电极2产生不同程度的反应，由于第一电极1与待测生物分子的作用系数α1大于第二电极2与待测生物分子的作用系数α2，因此第一电极1上电信号的变化大于第二电极2上电信号的变化，第一检测单元T1将第一电极1上的电信号转化为第一电压信号V1，第二检测单元T2将第二电极2上的电信号转化为第二电压信号V2，设△V＝V1-V2，则△V正比于α1-α2，溶液中待测生物分子的浓度越高，△V越大，因此根据△V与溶液中待测生物分子的浓度的关系，将第一检测单元T1和第二检测单元T2上的电压信号读出即可检测出溶液中待测生物分子的浓度。
进一步地，第一电极1的多个第一导电叉指11和第二电极2的多个第二导电叉指21交错设置，相邻的第一导电叉指11与相邻的第二导电叉指21之间的距离可以设置得较小，相邻的第一导电叉指11与相邻的第二导电叉指21之间的距离越小，二者之间的电位关联越稳定，从而可以消除外部因素的影响，使生物分子检测的结果更准确。第一电极1可以包括任意个第一导电叉指11，第二电极2可以包括任意个第二导电叉指21，具体的第一导电叉指11与第二导电叉指21的具体数量可以根据需要设计，在此不做限定。
可选地，第一电极1与第二电极2可以为相同结构的电极，即第一电极1和第二电极2可以采用同一材料、同一工艺制成，且第一电极1中第一导电叉指11的数量与第二电极2中第二导电叉指21的数量相同，从而可以保证在进行生物分子检测时，引起第一电极1和第二电极2上电信号的变化的不同的因素仅为生物分子的作用系数的不同，从而可以提高生物分子检测的准确性。
可选地，在本实施例提供的生物传感器中，第一电极1中的第一导电叉指11的表面可以具有生物敏感膜。生物敏感膜可以与各种生物分子发生反应，在第一导电叉指11的表面设置生物敏感膜可以使得第一电极1更容易与生物分子发生反应，即增大第一电极1与生物分子的作用系数α1。生物敏感膜可以为各种类型的生物敏感膜，例如生物敏感膜可以包括有酶膜、全细胞膜、组织膜、细胞器膜、微生物膜、免疫功能膜和杂合膜等，具体的可以根据需要设计，在此不做限定。可选地，第二电极2中的第二导电叉指21的表面也可以设置生物敏感膜，只要让第二导电叉指21上的生物敏感膜与生物分子的作用系数，小与第一导电叉指11上的生物敏感膜与生物分子的作用系数即可。
进一步地，第一检测单元T1和第二检测单元T2可以连接电源电压端，以给自身以及第一电极1、第二电极2提供工作电压。第一检测单元和第二检测单元可以连接不同电源电压端，也可连接同一电源电压端(例如图1中电源电压端VDD)。
可选地，参见图1-图3，在本实施例提供的生物传感器中，第一检测单元T1和第二检测单元T2可以包括各种检测元件，例如，第一检测单元T1可以包括第一晶体管,第二检测单元T2可以包括第二晶体管。具体地，第一检测单元T1可以包括第一薄膜晶体管(ThinFilm Transistor，TFT)，第二检测单元T2可以包括第二TFT。以下以TFT的控制极为栅极、第一极为源极、第二极为漏极为例进行说明。
进一步地，第一TFT包括栅极a1、源极b1和漏极c1，第二TFT包括栅极a2、源极b2和漏极c2。具体地，第一TFT的栅极a1可以连接第一电极1，第一TFT的源极b1连接电源电压端VDD，第一TFT的漏极c1接公共电压端，以给第一TFT和第一电极1提供工作电压，第一TFT将电压通过其栅极a1加至第一电极1，若具有生物分子的溶液流过检测区域E，生物分子与检测区域E内的第一电极1产生反应，从而使第一TFT的阈值电压发生改变，即第一TFT上的阈值电压为第一电压信号V1。第二TFT的栅极a2可以连接第二电极2，第二TFT的源极b2连接电源电压端VDD，第二TFT的漏极c2接公共电压端，以给第二TFT和第二电极2提供工作电压，第二TFT将电压通过其栅极a2加至第二电极2，若具有生物分子的溶液流过检测区域E，生物分子与检测区域E内的第二电极2产生反应，从而使第二TFT的阈值电压发生改变，即第二TFT上的阈值电压为第二电压信号V2。本实施例中提供的生物传感器使用TFT作为检测元件，检测并放大第一电极1上的电信号和第二电极2上的电信号，相比起传统的生物传感器，TFT的响应速度更快，灵敏性更高，从而可以提高生物传感器的性能。
可选地，第一TFT和第二TFT可以具体相同的工艺参数，例如可以具体相同的结构与材料，从而可以消除外界因素对生物分子检测的影响，提高生物分子检测的准确性。
进一步地，参见图2、图3，图2为本实施例提供的生物传感器中第一电极和第一检测单元连接处的层结构，图3为本实施例提供的生物传感器中第二电极和第二检测单元连接处的层结构。从下至上本实施例提供的生物传感器具体包括基底01、介电层02、绝缘层03和反应层04。参见图2，在第一电极和第一检测单元连接处，有源层05设置在基底01之上且位于介电层02之中，第一检测单元的栅极a1、源极b1和漏极c1设置在介电层02之上，且位于绝缘层03之中，其中，第一检测单元的源极b1和漏极c1通过介电层02之间的通孔(Via)与有源层05相接。第一电极1设置在绝缘层03之中，连接在第一检测单元的栅极a1上，第一电极1的一部分穿过绝缘层03暴露在反应层04之中，第一电极1暴露在反应层04之中的部分的表面设置有生物敏感膜12。相应地，参见图3，在第二电极和第二检测单元连接处，有源层05设置在基底01之上且位于介电层02之中，第二检测单元的栅极a2、源极b2和漏极c2设置在介电层02之上，且位于绝缘层03之中，其中，第二检测单元的源极b2和漏极c2通过介电层02之间的通孔(Via)与有源层05相接。第二电极2设置在绝缘层03之中，连接在第二检测单元的栅极a2上，第二电极2的一部分穿过绝缘层03暴露在反应层04之中。第一电极1和第二电极2暴露在反应层04的部分与具有生物分子的溶液相接触。
可选地，如图1所示，在本实施例提供的生物传感器中，生物传感器还可以包括第一存储单元3和第二存储单元4。第一存储单元3可以连接在第一检测单元T1与第一电极1之间，若第一检测单元T1为TFT，具体的第一存储单元3可以连接在第一检测单元T1的栅极a1上，第一存储单元3用于存储第一电极1上的电荷。第二存储单元4连接在第二检测单元T2与第二电极2之间，若第二检测单元T2为TFT，具体的第二存储单元4可以连接在第二检测单元T2的栅极a2上，第二存储单元4用于存储第二电极上的电荷。第一存储单元3和第二存储单元4可以提高生物传感器的稳定性，且可以将其中存储的电荷转化为电压。
可选地，如图1所示，在本实施例提供的生物传感器中，第一存储单元3和第二存储单元4可以为电容器。具体地，为电容器的第一存储单元3的一端连接在第一检测单元T1与第一电极1之间，其另一端接公共电压端。为电容器的第二存储单元4的一端连接在第二检测单元T2与第二电极2之间，其另一端接公共电压端。当然，第一存储单元3和第二存储单元4还可以为其他结构，在此仅举出最简单的电路结构以说明原理，不对本申请中第一存储单元3和第二存储单元4的具体结构进行限定。
相应地，如图4所示，本实施例还提供一种生物分子检测电路，包括上述生物传感器。
可选地，在本实施例提供的生物分子检测电路中，该生物分子检测电路还可以包括信号读取单元001，信号读取单元001可以与第一检测单元T1和第二检测单元T2相连，用于读取第一检测单元T1和第二检测单元T2上的电压，以根据第一检测单元T1上的电压与第二检测单元T2上的电压的差异确定待测生物分子的参数。
可选地，在本实施例提供的生物分子检测电路中，信号读取单元001可以包括多种结构，例如，信号读取单元001可以包括比较器S1，比较器S1包括输入端和输出端，比较器S1的输入端可以接收两路信号。具体地，比较器S1的输入端的第一端子(+)可以连接第一检测单元T1，以读出第一检测单元T1上的第一电压信号V1，比较器S1的输入端的第二端子(-)可以连接第二检测单元T2，也读出第二检测单元T2上第二电压信号V2，比较器S1相当于一个差分电路，比较器S1对第一检测单元T1上的第一电压信号V1和第二检测单元T2上的第二电压信号V2进行差分处理后得到输出电压Vout。在生物分子检测电路中设置作为差分电路的比较器S1能够消除外界环境因素对电压信号的影响，且能够降低第一检测单元T1和第二检测单元T2本身的噪声对电压信号的影响，提高信噪比，从而能够提高生物分子检测单路检测生物分子的准确性。
需要说明的是，参见图4，信号读取单元001与第一检测单元T1和第二检测单元T2之间还可以包括其他电路结构，例如信号增益电路和信号降噪电路等，也就是说，信号读取单元001的输入端可以不与第一检测单元T1和第二检测单元T2直接相连，第一电压信号V1和第二电压信号V2可以经过其他电路的处理后再输入至信号读取单元001中。图4仅以最简单的电路结构进行原理说明，具体的电路结构可以根据需要设置，在此不做限定。
相应地，本实施例还提供一种生物芯片，该生物芯片包括上述的生物传感器。本实施例提供的生物芯片可以为各种类型的生物芯片，且可以应用在各个领域中，在此不做限定。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种生物传感器，具有检测区域；其特征在于，在所述检测区域设置有梳状的第一电极和第二电极；所述第一电极的多个第一导电叉指和所述第二电极的多个第二导电叉指交替设置；且所述第一电极与待测生物分子的作用系数大于所述第二电极与所述待测生物分子的作用系数；
所述生物传感器还包括第一检测单元和第二检测单元；所述第一检测单元包括第一晶体管，所述第一晶体管与所述第一电极连接，其用于检测所述第一电极上的电信号；所述第二检测单元包括第二晶体管，所述第二晶体管与所述第二电极连接，其用于检测所述第二电极上的电信号；
所述第一导电叉指的表面具有生物敏感膜；
所述生物传感器还包括：
第一存储单元，连接在所述第一检测单元与所述第一电极之间，用于存储所述第一电极上的电荷；
第二存储单元，连接在所述第二检测单元与所述第二电极之间，用于存储所述第二电极上的电荷。
2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述第一晶体管，其控制极连接所述第一电极，其第一极连接电源电压端，其第二极连接公共电压端；
所述第二晶体管，其控制极连接所述第二电极，其第一极连接电源电压端，其第二极连接公共电压端。
3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述第一检测单元和所述第二检测单元连接同一电源电压端。
4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述第一存储单元和所述第二存储单元为电容器。
5.一种生物分子检测电路，其特征在于，包括至少一个权利要求1-4任一所述的生物传感器。
6.根据权利要求5所述的生物分子检测电路，其特征在于，还包括：信号读取单元，与所述第一检测单元和所述第二检测单元相连，用于读取所述第一检测单元和所述第二检测单元上的电压。
7.根据权利要求6所述的生物分子检测电路，其特征在于，所述信号读取单元包括比较器，其输入端的第一端子连接所述第一检测单元，其输入端的第二端子连接所述第二检测单元，所述比较器用于对所述第一检测单元上的电压和所述第二检测单元上的电压进行差分处理。
8.一种生物芯片，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的生物传感器。
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