CN116779697A - 生物感测芯片 - Google Patents
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Abstract
一种生物感测芯片，包括：基板及至少两个感测单元在基板上，且两个感测单元分别与基板电性连接，于其中一个感测单元上具有多个生物探针及于另一个感测单元上没有生物探针，当具有目标物的待测样品分别与两个感测单元接触之后，在其中一个感测单元的多个生物探针用以捕捉在待测样品中的目标物，使得其中一个感测单元产生电压变化而产生可量测的讯号变化，以及在另一个感测单元作为阴性对照组(negative control)，藉由阴性对照及讯号变化得到在待测样品内的目标物的浓度或是数量。
Description
技术领域
本发明涉及生物感测技术领域，特别是有关于一种生物感测芯片及其感测方法。
背景技术
生物传感器(biosensors)为感测与检测生物分子的装置，而其基于电子、电化学、光学及机械等检测原则而进行操作。包括晶体管的生物传感器为可电性感测生物体(bio-entities)或生物分子(biomolecules)的电荷、光子与机械等特性的传感器。检测可藉由侦测生物体或是生物分子其本身或透过特定反应物与生物体或生物分子之间的交互作用(interaction)与反应(reactions)等方式而施行。此类型的生化传感器可采用半导体制程制作，因而可以快速地转换电子讯号以及可以轻易地应用于集成电路(ICs)及微机电系统(MEMs)中。
生物芯片实质上为可以同时施行数百或是数千种的生化反应的数个微型化实验室。生物芯片可检测特定生物分子，量测其特性、处理讯号、且更可以直接分析数据。生物芯片使得研究者可以基于疾病诊断(disease diagnosis)至检测生物反应因子(detectionof bioreaction agents)等多种目的而快速地筛检大批但少量的生物分析物(biologicalanalytes)。先进的生物芯片使用了伴同有微流体(microfluidics)的多个传感器以整合反应、感测与试样管理。生物场效晶体管(BioFET，biological field-effect transistor orbio-organic field-effect transistor)可以是包括用于电性感测生物分子或是生物体的晶体管的一种生物传感器。于生物场效晶体管于许多方面应用为有效的同时，于其制作及/或操作的挑战也随之提升，如此挑战起因于半导体制程、生物应用、半导体制程的限制及/或极限，电子讯号与生物应用的灵敏度与分辨率，及/或源自于实施大规模集成电路制程(LSI process)的其他挑战。
发明内容
根据现有技术的缺陷，本发明的主要目的在于将场效晶体管的闸极延伸，形成具有微感应闸极构造的生物感测芯片，其利用微感应闸极来检测待样品内的目标物，藉由延伸出的微感应闸极来避免场效晶体管与待测样品直接接触，可以提高整个生物感测芯片的稳定性。
本发明的又一目的在于提供一种由具有微感应闸极的场效晶体管所构成的生物感测芯片，利用表面化学固定技术将多个生物探针固定在场效晶体管的微感应闸极上，利用这些探针来捕捉待测样品内的目标物，且这些目标物本身的负电荷会影响场效晶体管的电荷分布，进而造成场效晶体管的电性以产生可量测的讯号变化，这些讯号变化可以表示在待测样品中的目标物的数量或是浓度。
本发明的又一目的在于提供一种生物感测芯片，于生物感测芯片上具有多个感测区域，且每一个感测区域内具有多个感测单元，在不同的感测区域内的感测单元具有不同的生物探针，每一种类的探针对应特定的目标物，使得在同一个时间内，生物感测芯片可以检测在同一个待测样品中不同目标物的浓度或是数量，可以快速的得到检测结果。
本发明的另一目的在于提供一种生物感测芯片，其利用天线效应来放大经由生物感测芯片与待测样品接触之后所得到的生物讯号，使其检测结果更为精准。
本发明的再一目的在于提供一种生物感测芯片。此生物感测芯片的制程可以配合标准半导体制程，因此具有良好的稳定性且可以大量的生产。
根据上述目的，本发明披露一种生物感测芯片，包括：基板及至少两个感测单元在基板上，且两个感测单元分别与基板电性连接，于其中一个感测单元上具有多个生物探针及于另一个感测单元上没有生物探针，当具有目标物的待测样品分别与两个感测单元接触之后，在其中一个感测单元的多个生物探针用以捕捉在待测样品中的目标物，使得其中一个感测单元产生电压变化而产生可量测的讯号变化，以及在另一个感测单元作为阴性对照组(negative control)，藉由阴性对照组及讯号变化得到在待测样品的目标物的浓度或是数量。
根据上述，本发明还披露一种生物感测芯片，包括：基板，在基板上至少具有第一感测区及第二感测区以及多个感测单元，这些感测单元设置基板上且与基板电性连接，其中部分感测单元设置在基板的第一感测区及其他部分感测芯片设置在基板的第二感测区，在第一感测区内的部分感测单元具有多个第一生物探针及其中一个感测芯片不具有生物探针，且第二感测区内的其他部分感测单元具有多个第二生物探针及在第二感测区内的其中一个感测单元不具有第二生物探针，当待测样品与在该第一感测区的部分感测单元及与在第二感测区的其他部分感测单元接触之后，在第一感测区中，部分感测单元的第一生物探针捕捉在待测样品的第一目标物，使得在第一感测区的具有第一生物探针的部分感测单元产生第一总电压变化而产生可量测的第一讯号变化，及在第一感测区中，不具有第一生物探针的其中一个感测单元作为第一阴性对照，使得由第一感测区中得到的第一阴性对照组及第一讯号变化得到在待测样品的第一目标物的第一浓度或是第一数量，以及在第二感测区中，其他部分感测单元的第二生物探针捕捉在待测样品的第二目标物，使得在第二感测区的具有第二生物探针的其他部分感测单元产生第二总电压变化而产生可量测的第二讯号变化，及在第二感测区中，不具有第二生物探针的其中一个感测单元作为第二阴性对照组，使得由第二感测区中得到的阴性对照及第二讯号变化得到在待测样品的第二目标物的第二浓度或是第二数量。
附图说明
图1是根据本发明所披露的技术，表示生物感测芯片的结构示意图。
图2A是根据本发明所披露的技术，表示构成生物感测芯片的具有微感应闸极的场效晶体管的结构示意图。
图2B是根据本发明所披露的技术，表示利用具有微感应闸极的场效晶体管检测待测样品的电路结构示意图。
图3是根据本发明所披露的技术，表示利用生物感测芯片进行酸碱值量测的数据图。
图4是根据本发明所披露的技术，表示利用生物感测芯片进行细菌量测的数据图。
图5是根据本发明所披露的技术，表示利用生物感测芯片进行全血干扰测试的数据图。
图6是根据本发明所披露的技术，表示生物感测芯片中具有多个感测区域，且各感测区域内具有多个感测单元用以检测相同待测样品中的各种目标物的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术特征及优点，能更为相关技术领域人员所了解，并得以实施本发明，在此配合所附的图式、具体阐明本发明的技术特征与实施方式，并列举较佳实施例进一步说明。以下文中所对照的图式，为表达与本发明特征有关的示意，并未亦不需要依据实际情形完整绘制。而关于本案实施方式的说明中涉及本领域技术人员所熟知的技术内容，亦不再加以陈述。
首先请参考图1。图1是表示生物感测芯片的示意图。在图1中，生物感测芯片1至少由第一感测单元20及第二感测单元30所构成，其中第一感测单元20及第二感测单元30分别设置于基板10上，且与基板10电性连接，且第一感测单元20与第二感测单元30各自电性独立。此外，第一感测单元20还具有多个生物探针28，第二感测单元30则是不具有任何生物探针28，其中第二感测单元30是作为第一感测单元20的阴性对照组(negative control)，当具有目标物(未在图中表示)的待测样品(未在图中表示)分别与第一感测单元20及第二感测单元30接触之后，由于只有第一感测单元20具有生物探针28，故可以经由生物探针28来捕捉在待测样品(未在图中表示)中的目标物(未在图中表示)，使得第一感测单元20会由于生物探针28的存在而产生可量测的讯号变化，而第二感测单元30由于没有任何的生物探针28故不会有任何的讯号变化，因此可以藉由第二感测单元30的阴性对照组与第一感测单元20所产生的讯号变化来得到在待测样品(未在图中表示)的目标物(未在图中表示)的浓度或是数量。要说明的是，在本发明所揭露的生物感测芯片1中的第一感测单元20及第二感测单元30是由具有微感应闸极的场效晶体管所构成，其具有微感应闸极的场效晶体管的结构于后详述。
接着，请参考图2A。图2A是表示具有微感应闸极的场效晶体管的结构示意图。在图2中，具有微感应闸极250的场效晶体管例如可以是N型金属氧化半导体(NMOS)，其结构至少包含硅基板202、源极(source electrode)212、汲极(drain electrode)214，以及介于源极212与汲极214之间的通道区(channel region)220、设置在通道区220上且位于硅基板202的表面上的隔离层(或称场氧化层)230及设置在隔离层230上的金属层240，于金属层240上方为一井区(well region)260用以与待测样品(未在图中表示)接触，于井区260内具有微感应闸极250，此微感应闸极250与场效晶体管中的金属层240电性连接。要说明的是，上述具有微感应闸极250的场效晶体管的形成方式是利用适合的互补式金属氧化半导体(CMOS)制程来形成，其形成步骤不是本发明的主要技术特征，不在此多加陈述。
此外，于微感应闸极250上具有多个生物探针28，这些生物探针28是利用表面化学修饰技术，在生物感测芯片1(如图1所示)生产之后的生物探针加工过程例如利用点胶机，将生物探针28固定在场效晶体管的微感应闸极250上。这些生物探针28是用以捕捉待测样品(未在图中表示)中的目标物(未在图中表示)，且当有目标物(未在图中表示)被生物探针28捕捉之后，由于目标物(未在图中表示)本身带有电荷，其会影响微感应闸极250的电荷分布，造成具有微感应闸极250的场效晶体管的电性改变，藉此可以产生可量测的讯号变化。在本发明中，待测样品可以是体液、血浆或是全血。而在待测样品中的目标物可以是细菌例如大肠杆菌或是病毒，要说明的是，在进行本发明的检测时，体液、血浆或是全血这些待测样品必需要利用缓冲溶液(buffer)进行稀释以除去体液、血浆或是全血中的噪声，其稀释的倍数为10-100倍。
接着，请参考图2B。图2B是表示利用具有微感应闸极的场效晶体管检测待测样品的电路结构示意图。在图2B中，将汲极214、源极212分别与外部处理单元50电性连接，当将具有目标物42的待测样品40置于井区260内，并且与场效晶体管的微感应闸极250接触时，同时对汲极214施予2V的电压，并且将参考电极52与待测样品40接触，用以供应量测微感应闸极250的电压值变化时所需要的电压，由于微感应闸极250上的生物探针28会捕捉在待测样品40内的目标物42，又目标物42本身带有电荷，在生物探针28捕捉目标物42的同时亦会影响微感应闸极250的电荷分布，造成微感应闸极250产生电压变化，使得整个场效晶体管产生可量测的讯号变化。
以图1的生物感测芯片1为例，若要检测待测样品40中的目标物42例如大肠杆菌(E.coli)的浓度或是数量，先将待测样品40分别与第一感测单元20及第二感测单元30接触，具体来说是将待测样品置于井区260内并且与场效晶体管的微感应闸极250接触，同样的对第一感测单元20及第二感测单元30中的汲极214施予2V的电压，并且将参考电极42分别与第一感测单元20及第二感测单元30上的待测样品40接触。将在静置一段时间之后，由于作为第一感测单元20的具有微感应闸极250的场效晶体管具有生物探针28，因此待测样品40中的大肠杆菌42会被在微感应闸极250上的生物探针28捕捉，由于大肠杆菌42的细胞壁多半带有负电荷，此负电荷会影响具有微感应闸极250的场效晶体管的电荷分布，造成具有微感应闸极250的场效晶体管的电性改变，藉此可以产生可量测的讯号变化。又，作为第二感测单元30的另一个场效晶体管的微感应闸极上没有生物探针，因此具有微感应闸极的场效晶体管只会有施予汲极的电压(Vd＝2V)，故由此第二感测单元30所传送至外部处理单元的讯号可以视为阴性对照组或是视为空白试验，藉由第一感测单元20所量测得到的讯号变化及与第二感测单元30的阴性对照组，可以得到在待测样品40中的目标物42即大肠杆菌的浓度或是数量。
此外，在本发明中，为了更进一步的了解生物感测芯片1对于酸碱值、大肠感菌的浓渡检测的能力分别进行酸碱值及大肠感菌的测试。
酸碱值测试：
将本发明所披露的生物感测芯片1置于不同酸碱值的液体环境以得到不同的讯号反应，如图3所示。在图3中，以酸碱值pH＝7为标准态(图中分别标示为G的曲线及B的曲线)，当生物感测芯片1在酸性环境例如酸碱值为5(pH＝5)时，会产生向左偏移的讯号反应，即为图中标示为O的曲线。当生物感测芯片1在碱性环境例如酸碱值为8(pH＝8)时，会产生向右偏移的讯号反应，即为图中标示为Y的曲线。由此可知，本发明所揭露的生物感测芯片1的讯号反应与液体的酸碱值有关。
大肠杆菌测试：
在此大肠杆菌测试中，本发明所揭露的生物感测芯片1的表面上的生物探针为大肠杆菌探针，此时待测样品为具有大肠杆菌的全血，其体积为100uL。当具有大肠杆菌的全血的待测样品置于如图2B中的井区260内，使得在微感应闸极250上的大肠杆菌探针28可以捕捉全血(待测样品)中的大肠杆菌，藉由讯号的变化可以测到106cfu/mL的大肠杆菌浓度，如图4中标示为Y1的曲线所示。相较于现有的检测法，其灵敏度高达10－1000倍，且待测样品不需要多余的培养时间，因此大幅度的降低检测所需要的时间。
无菌全血测试：
在此无菌全血测试中，生物感测芯片1的表面上的生物探针28同样为大肠杆菌探针，同样是将无菌全血(待测样品)置于如图2B中的井区260内，由于全血的待测样品内没有任何大肠杆菌，因此在微感应闸极250上的大肠杆菌探针28不会捕捉到任何大肠杆菌，因此不会有任何讯号的产生，如图5所示。
接着请参考图6。图6是表示生物感测芯片中具有多个感测区域，且各感测区域内具有多个感测单元用以检测相同待测样品中的各种目标物的另一实施例的示意图。在图3中，生物感测芯片2具有至少两个感测区60A及60B，于第一感测区60A内具有多个第一感测单元70及在第二感测区60B内具有多个第二感测单元80，其中多个第一感测单元70及多个第二感测单元80分别与基板60电性连接，且多个第一感测单元70之间彼此以并联的方式电性连接，多个第二感测单元80彼此以并联的方式电性连接且在第一感测区60A内的多个第一感测单元70与在第二感测区60B的多个第二感测单元80彼此之间电性独立。在第一感测区60A中的部分第一感测单元70具有第一生物探针78，而在第一感测区60A中的其中一个第一感测单元72不具有任何生物探针；同样的，在第二感测区60B中的部分第二感测单元80具有第二生物探针88，而在第二感测区60B中的其中一个第二感测单元82不具有任何生物探针。在此实施例中，第一生物探针78与第二生物探针88是不同的生物探针，用以捕捉在同一个待测样品中的两个不同的目标物。例如，第一生物探针78用以捕捉细菌例如大肠杆菌，第二生物探针88用以捕捉病毒，其反之亦可。于其他实施例中，生物感测芯片2亦可以区分成四个感测区、六个或甚至更多，在不同感测区的多个感测单元具有不同的生物探针用以捕捉在同一个待测样品中的多个不同目标物，藉此，可以更快速的从单一待测样品中检测出在待测样品中的各种目标物，来提供后续相关人员作更精确的判断或是研究。
因此，以图6的生物感测芯片2为例，若要检测待测样品中的多个目标物的浓度或是数量，先将待测样品同时放置在第一感测区60A的多个第一感测单元70及放置在第二感测区60B的多个第二感测单元80，接着，与前述图2B相同，在第一感测区60A的多个第一感测单元70上的第一生物探针78与待测样品接触并捕捉第一目标物之后所产生的第一电压值变化，会经由作为第一感测单元70的具有微感应闸极的场效晶体管将此第一电压值变化输出至外部处理单元，并且再以并联方式计算在第一感测区60A的多个第一感测单元70的总输出第一电压值变化并产生对应于此总输出第一电压值变化的第一讯号变化。此外，在第一感测区60A中的其中一个第一感测单元72不具有任何第一生物探针78，此第一感测单元72同样也会与待测样品接触，但没有第一生物探针78来捕捉第一目标物，因此只会有施予具有微感应闸极的场效晶体管的汲极(如图2B所示)的电压(Vd＝2V)，故由此第一感测单元72所传送至外部处理单元的讯号可以视为阴性对照组或是视为空白试验。藉由此阴性对照组(或空白试验)与第一讯号变化来判断待测样品内的第一目标物的总数量或是总浓度。
同样的，在第二感测区60B的多个第二感测单元80的第二生物探针88捕捉待测样品内的第二目标物之后也会产生第二电压值变化，再经由作为第二感测单元80的场效晶体管将此第二电压值变化输出至外部处理单元，并且再以并联方式计算在第二感测区60B的多个第二感测单元80的总输出第二电压值变化并产生对应于此总输出第二电压值变化的第二讯号变化。与前述相同，在第二感测区60B中的其中一个第二感测单元82不具有生物探针88，此第二感测单元82同样也会与待测样品接触，但不会捕捉第二目标物，因此只会有施予具有微感应闸极的场效晶体管的汲极(如图2B所示)的电压(Vd＝2V)，故由此第二感测单元82所传送至外部处理单元的讯号可以视为阴性对照组或是视为空白试验。藉由此阴性对照组(或空白试验)与第二讯号变化来判断待测样品内的第二目标物的总数量或是总浓度。藉此可以透过生物感测芯片2上来检测同一待测样品内的多个不同目标物的数量或是浓度，可以快速的提供后续相关人员进行研究来判断，以解决了现有技术的生物感测芯片只能检测有无目标物的存在，而无法对目标物来定量或是定性的技术问题。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明之权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域之专门人士应可明了及实施，因此其他未脱离本发明所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。
Claims (10)
1.一种生物感测芯片，其特征在于，包括：
基板；以及
至少两个感测芯片在该基板上，各所述感测单元与所述基板电性连接，且于其中之所述感测单元上具有多个生物探针以及于其中之另一所述感测单元上没有所述生物探针，
当具有目标物的待测样品分别与两个感测单元接触之后，在其中之所述感测单元的所述生物探针用以捕捉在所述待测样品中的所述目标物，使得其中之所述感测单元产生电压变化而产生可量测的讯号变化，以及在其中之另一所述感测单元作为阴性对照，藉由所述阴性对照及所述讯号变化得到在所述待测样品的所述目标物的浓度或是数量。
2.如权利要求1所述的生物感测芯片，其特征在于，所述两个感测单元是具有微感应闸极的场效晶体管。
3.如权利要求1所述的生物感测芯片，其特征在于，所述待测样品的所述目标物可以是细菌或是病毒。
4.如权利要求1或3所述的生物感测芯片，其特征在于，所述待测样品可以是血浆或是全血。
5.一种生物感测芯片，其特征在于，包括：
基板，在所述基板上至少具有第一感测区及第二感测区；及
多个感测单元，所述感测单元设置所述基板上且与所述基板电性连接，其中部分所述感测单元设置在所述基板的所述第一感测区及其他部分所述感测芯片设置在所述基板的所述第二感测区，在所述第一感测区内的部分所述感测单元具有多个第一生物探针及其中之所述感测芯片不具有所述生物探针，且所述第二感测区内的其他部分所述感测单元具有多个第二生物探针及在所述第二感测区内的其中之所述感测单元不具有所述第二生物探针，
当待测样品与在所述第一感测区的部分所述感测单元及与在所述第二感测区的其他部分所述感测单元接触之后，在所述第一感测区中，部分所述感测单元的所述第一生物探针捕捉在所述待测样品的第一目标物，使得在所述第一感测区的具有所述第一生物探针的部分所述感测单元产生第一总电压变化而产生可量测的第一讯号变化，及在所述第一感测区中，不具有所述第一生物探针的其中之所述感测单元作为第一阴性对照，使得由所述第一感测区中得到的所述阴性对照及所述第一讯号变化得到在所述待测样品的所述第一目标物的第一浓度或是第一数量，以及在所述第二感测区中，其他部分所述感测单元的所述第二生物探针捕捉在所述待测样品的第二目标物，使得在所述第二感测区的具有所述第二生物探针的其他部分所述感测单元产生第二总电压变化而产生可量测的第二讯号变化，及
在所述第二感测区中，不具有所述第二生物探针的其中之所述感测单元藉作为第二阴性对照，使得由所述第二感测区中得到的所述阴性对照及所述第二讯号变化得到在所述待测样品的所述第二目标物的第二浓度或是第二数量。
6.如权利要求5所述的生物感测芯片，其特征在于，所述感测单元为具有微感应闸极的场效晶体管。
7.如权利要求5所述的生物感测芯片，其特征在于，在所述第一感测区的所述感测芯片彼此电性连接及在所述第二感测区的其他所述感测单元彼此电性连接，且在所述第一感测区的所述感测单元与在所述第二感测区的其他所述感测单元彼此电性独立。
8.如权利要求1所述的生物感测芯片，其特征在于，所述待测样品可以是血浆或是全血。
9.如权利要求1所述的生物感测芯片，其特征在于，所述第一目标物与所述第二目标物不同。
10.如权利要求1所述的生物感测芯片，其特征在于，所述第一目标物可以是细菌及该第二目标物可以是病毒。
Priority Applications (1)
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| CN202210242825.9A CN116779697A (zh) | 2022-03-11 | 2022-03-11 | 生物感测芯片 |
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| CN116779697A true CN116779697A (zh) | 2023-09-19 |
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