CN1205079A - 用于分子探测和电场增强的基于晶体三极管的装置和方法 - Google Patents

Abstract

采用一个具有一个位于一个结合部位上的栅极(14)的晶体三极管(10)来检测一个分子(24)跟一个分子受体(22)之间的结合。当该分子(24)跟该分子受体(22)结合时,该晶体三极管(10)的沟道(20)电导被与该分子(24)有关的电荷所改变。通过检测该晶体三极管(10)的已被改变了的电特性,就能检测该结合事件。通过向该栅极(14)施加一个电压,以实现电场增强。可以将一个第二检测晶体三极端管耦合到该(第一)检测晶体三极管,以形成一个差分对。该差分对允许增强和检测差分结合事件。

Description

用于分子探测和电场增强的基于 晶体三极管的装置和方法

本发明涉及分子探测装置。

为了研制用于分子探测的各种芯片，人们已经投入了越来越多的努力。一般来说，一个分子探测芯片包括一个基底，在其上安置了一个结合部位的阵列。每一个结合部位(或杂交部位)都有一个各自的分子受体，用以结合一个具有预定结构的分子或与之杂交。一种样品溶液被施加于该分子探测芯片，并且该样品中的诸分子结合于一个或多个结合部位或与之杂交。发生杂交的特定结合部位被探测到，并且在该样品中的一个或多个分子结构随后被推断出来。

用于基因序列的分子探测芯片是最令人感兴趣的。这些芯片，通常被称为DNA芯片，利用一个具有各自的单链DNA探针的选择性结合部位的阵列。一个被称为靶DNA的单链DNA碎片的样品被施加到该DNA芯片上。诸DNA碎片通过一个杂交过程附着到一个或多个DNA探针上。通过检测那些DNA探针具有一个已杂交于其上的DNA碎片，就能测定在该DNA碎片里面的一系列的核苷酸碱基。

为了加速该杂交过程，使用电场增强技术，可以在预定的诸部位增加靶DNA的局部浓度。在这里，每一个部位都有一个用于选择性地产生一个电场的相关的电极。通过将一个电势施加到在该部位的一个电极以及位于该芯片外围部分的一个计数器电极之间，就能产生该电场。为了将DNA碎片吸引到该部位，应该这样来选择该电势的极性，使之能产生一个与该DNA碎片的电荷极性相反的电场。为了使该部位去杂交，可以产生一个与该DNA碎片极性相同的电场，以便从该部位拒斥该DNA碎片。

为了在一个结合部位探测一个杂交事件，人们已经采用过各种方案。在一个方案中，将一个放射性标记物附着到该样品中的每一个分子上。通过探测该放射性标识物，就能探测到一个分子跟一个分子受体的结合。

另一种检测方案利用荧光标记物，例如一种在发生杂交时能选择性地发光的荧光物质。这些荧光物质被位于该基底外面的一个泵光源所照明。一个外部的电荷耦合器件(CCD)摄像机被用来检测来自该被照明的荧光物质的荧光。

在本文所附的权利要求书中详细地指出了本发明的特征。然而，通过参考以下的结合附图的详细说明，将会使本发明的其他特征变得更加明显，并使本发明能更好地被人们所理解。在附图中：

图1是根据本发明的一个分子探测装置的一个实施例的方框图；

图2是在一个分子探测装置中，一种检测一个分子跟一个分子受体的结合的方法的一个实施例的流程图；

图3是一种检测该晶体三极管的已被改变了的电特性的方法的一个实施例的流程图；

图4是一种检测该晶体三极管的已被改变了的电特性的方法的另一个实施例的流程图；

图5是一个根据本发明的分子探测装置的另一个实施例的方框图；

图6是一个分子探测装置的又一个实施例的方框图；

图7是一个根据本发明的分子探测装置的再一个实施例的方框图；

图8是本发明的又一个实施例的方框图；以及

图9是一份流程图，它概括了为增强和检测一次差分结合事件而执行的诸步骤。

本发明的诸实施例有利地提供了一种分子探测装置，该装置通过检测与该分子有关的电荷，探测一个分子跟一个分子受体的结合或杂交。一个优选实施例利用一个具有一个位于结合部位的栅极的晶体三极管。该晶体三极管被用来探测结合事件以及控制该结合部位的杂交和去杂交。一个由该晶体三极管以及第二晶体三极管组成的差分对被用来检测差分杂交事件。该差分对有利于消除对一个计数器电极的需求。

图1是一个根据本发明的分子探测装置10的一个实施例的方框图。该分子探测装置10包括一个晶体三极管12，它具有一个栅极14，一个源极16，以及一个漏极18。该晶体三极管12具有一个半导电性沟道20，用以实现该源极16到该漏极18之间的电耦合。在该源极16以及该漏极18之间的电导取决于被施加到该栅极14的一个电压或一个电荷。

可以用各种已知的工艺来构成该晶体三极管12。最好是，该晶体三极管12由一个薄膜晶体三极管(TFT)或者一个例如金属氧化物半导体场效应晶体三极管(MOSFET)那样的场效应晶体三极管(FET)来构成。在这些情况下，可以由一个半导电性薄膜层或体半导电性材料来形成该半导电性沟道。该栅极14既可以直接地耦合到该半导电性沟道20，也可以通过一个绝缘层(图中没有明确地画出)耦合到该半导电性沟道20。

该栅极14被定位于一个结合部位，以便接纳一个分子受体22。最好是，该分子受体22被直接地连接到该栅极14，在这种情况下该栅极14支持或规定该结合部位。在这里，该分子受体22可以通过一个引物连接到该栅极14。更一般地说，该分子受体被电耦合到该栅极14。

总的来说，根据待探测的分子24来选择该分子受体22。该分子受体22典型地包括一个生物的或合成的分子，后者跟待探测的分子24之间具有一种专门的亲和力。该分子受体22可以包括由至少一个核苷酸组成的链，它跟该分子里面所包括的至少一个核苷酸的互补链杂交。例如，该分子受体22可以包括一个DNA探针，用于探测在该分子24中的一个相应的互补DNA序列。然而，要指出的是，本发明的范围并不限于检测诸DNA分子的杂交。例如，本发明的诸实施例可以用于探测RNA的杂交以及抗体-抗原结合诸事件。

当该分子24跟该分子受体22结合时，介于源极16与漏极18之间的电导被与该分子24有关的电荷所改变。跟该分子24有关的电荷被耦合到该栅极14之后，引起该晶体三极管12电特性的改变，通过检测一个已被改变了的电特性，就能检测该分子24与该分子受体22之间的结合。

与该分子24有关的电荷可以是在该分子24中所固有的，例如在一个DNA分子中的固有电荷。与该分子24有关的电荷也可以来自一个附着于该分子24的带电部分26。该带电部分26被用来显著地增加与该分子24有关的电荷的量值。如果有必要，与该分子24有关的全部电荷实质上都可以由该带电部分26来提供。

该带电部分26可具有一种附着于该分子24之上的带电颗粒的形式。该带电颗粒可能呈球状，其直径为0．1到1．0微米量级。若该分子24包括一个高分子链，则该带电部分26可以使用通常的引物技术，附着到该高分子链的一端。例如，本方法允许该带电部分26附着到一个DNA分子的一端。

在另一个实施例中，该带电部分26被直接地纳入到该分子24的分子结构中去。例如，该带电部分26可以被直接地纳入到一个DNA螺旋中去。

要指出的是，在本发明的不同的实施例中，带电部分26的使用是可选择的。

该晶体三极管12可以任选地包括一个第二栅极28，它被用来检测该已被改变了的电特性。鉴于该栅极14已被安置于该半导电性沟道20的一个第一侧面，该第二栅极28将被安置于该半导电性沟道20的一个第二侧面。该第二栅极28可以被用来作为一个增益控制与有源反馈装置，以改进对已被改变了的电特性的探测灵敏度。

图2是在一个分子探测装置中，检测一个分子到一个分子受体的结合的方法的一个实施例的流程图。如方框30所示，本方法包括提供一个晶体三极管的步骤，该晶体三极管具有一个位于该分子探测装置中的一个结合部位上的栅极。通过利用本文所描述的分子探测装置各种实施例中的任何一种，就能执行这个步骤。该分子受体被安置于由该晶体三极管栅极所规定的该结合部位。

如方框32所示，本方法包括一个检测当该分子结合于该分子受体时所导致的该晶体三极管电特性的改变的步骤。该已被改变了的电特性归因于被耦合到该晶体三极管栅极的与该分子有关的电荷。

检测该晶体三极管的已被改变了的电特性的步骤可以用多种方法来实现。在图3和图4中，用流程图的形式说明了参照于图1的装置的两种方案。

图3是一种检测该晶体三极管12的已改变了的电特性的方法的一个实施例的流程图。如方框40所示，本方法包括在该分子24结合于该分子受体22之前以一种预定方式偏置该晶体三极管12的一个步骤。在这里，一个各自的、预定的电压电平被施加到该晶体三极管12的源极16和漏极18中的每一个。若该晶体三极管12含有该第二栅极28，则此步骤可选择地包括将一个预定的电压电平施加到该第二栅极28的一个步骤。

如方框42所示，在该分子24结合于该分子受体22之前，执行一个测量介于源极16与漏极18之间的第一沟道电流的步骤。该第一沟道电流归因于在前述步骤中所执行的对该晶体三极管12的偏置。

在测量该第一沟道电流之后，该分子24被允许跟该分子受体22进行杂交或结合。如方框44所示，通过执行一个将一个第一电压施加到栅极14、源极16和漏极18当中的至少一个的步骤，就能使该结合受到电场增强。该第一电压被这样选择，使之产生一个将分子24吸引到该结合部位去的电场。在一个优选实施例中，所有这样的电场实质上都由施加到该栅极14的一个电压来产生。

在杂交之后，可以执行一个将任何不需要的分子从该结合部位去杂交的可选择的步骤。特别是，如方框46所示，通过将一个第二电压施加到栅极14、源极16和漏极18当中的至少一个，就能执行一个去杂交的步骤。该第二电压被这样选择，使之产生一个将不需要的诸分子从该结合部位拒斥出去的电场。该不需要的诸分子可能包括，例如，未被结合的诸分子以及部分地被结合的诸分子。最好是，所有这样的电场实质上都由施加于该栅极14的一个电压来产生。

如方框48所示，执行一个对该晶体三极管12进行重新偏置的步骤。在这里，按照与方框40所指示的步骤相同的预定方式，对晶体三极管12进行偏置。

如方框50所示，在该分子24结合于该分子受体22之后，执行一个测量介于源极16与漏极18之间的第二沟道电流的步骤。该第二沟道电流归因于在前述步骤中所执行的对该晶体三极管12的偏置。

如方框52所示，通过检测该第一沟道电流与该第二沟道电流之间的差值的一个步骤，就能检测该已被改变了的电特性。例如，当该第一沟道电流与该第二沟道电流之间的差值超出一个预定的阈值时，就能测定该已被改变了的电特性。

如果有必要，在诸方框40和48所指示的诸偏置步骤中，施加于该第二栅极28的电压被这样选择，使之产生一个增益控制，它能改进对该第一沟道电流与该第二沟道电流之间的差值的检测灵敏度。

图4是一种检测该晶体三极管12的已被改变了的电特性的方法的另一个实施例的流程图。如方框60所示，本方法包括以一种预定方式对该晶体三极管12进行偏置的步骤。在这里，一个各自的、预定的电压电平被施加到源极16和漏极18当中的每一个。

如方框62所示，执行一个测定一个电压的步骤，该电压被施加于该第二栅极28以产生一个预定的沟道电流。通过由方框64所指示的一个步骤，即检测在上述步骤中测定的电压跟一个预定的电压电平之间的差值，就能检测已被改变了的电特性。该预定的电压电平可能是，例如，在杂交之前产生该预定的沟道电流的电压。因此，当产生该预定的沟道电流的第二栅极电压(杂交之后)超出一个预定的阈值时，就能测定已被改变了的电特性。

图5是根据本发明的一个分子探测装置的另一个实施例的方框图。该分子探测装置包括一个用作检测元件的第一晶体三极管70，以及一个用作开关元件的第二晶体三极管72。该第一晶体三极管70具有一个栅极74，一个源极76以及一个漏极78。该栅极74被定位于一个结合部位，以便接纳一个分子受体。当一个分子结合于该分子受体时，导致该第一晶体三极管70的电特性发生改变。

该第二晶体三极管72选择性地将第一晶体管70的栅极74跟一个电压源80接通或断开，以便在该结合部位选择性地产生一个电场。在所说明的实施例中，该第二晶体三极管72包括一个连接于该电压源80的源极82，以及一个连接于第一晶体三极管的栅极74的漏极84。该第二晶体三极管72还包括一个栅极86，它接收一个输入信号，用以控制介于源极82以及漏极84之间的电耦合。因此，该输入信号控制介于该电压源80以及该第一晶体三极管70的栅极74之间的接通和断开。

该电压源80被施加于该第二晶体三极管72以及一个计数器电极88之间。该计数器电极88被安置在一个远离该结合部位的位置。

为了在该结合部位产生一个电场，通过向该栅极86施加一个适当的输入信号，令该第二晶体三极管72导通。响应于这个输入信号，该电压源80跟该第一晶体三极管70之间变为电耦合。因而，在该栅极74处产生一个电场。该电场的极性和强度取决于该电压源80的极性和幅度。一般地说，根据待执行的是一个杂交步骤，一个去杂交步骤，或者是一个筛选步骤，来选择该电压源80的极性和幅度。

为了执行一个检测或者探测步骤，通过向该栅极86施加一个适当的输入信号使该第二晶体三极管72截止。响应于这个输入信号，该第一晶体三极管70的栅极74跟该电压源80之间建立电气耦合。此后，可以利用本文所述的用于检测该第一晶体三极管70的已被改变了的电特性的诸方案中的任何一个，去检测一个被结合于该结合部位的分子。

图6是分子探测装置的又一个实施例的方框图。这个实施例包括一个第一晶体三极管100，一个第二晶体三极管102，一个电压源104，以及一个像图6那样连接的计数器电极106。但是，在本实施例中的第一晶体三极管100还包括一个背部栅极108。该背部栅极108被用来作为一个增益控制和／或有源反馈元件，以改进对该第一晶体三极管100的已被改变了的电特性的检测灵敏度。例如，可以根据图4所示的方法，利用背部栅极108去检测已被改变了的电特性。

图7是根据本发明的分子探测装置的又一个实施例的方框图。本实施例利用一个第一检测晶体三极管110以及一个第二检测晶体三极管112，并将二者耦合以形成一个差分对。该第一检测晶体三极管110具有一个栅极114，一个源极116，以及一个漏极118。该第二检测晶体三极管112具有一个栅极120，一个源极122，以及一个漏极124。该源极116跟该源极122相耦合，以形成该差分对。

该第一检测晶体三极管110的栅极114被安置在一个第一个结合部位，以便接纳一个第一分子受体。该第二检测晶体三极管112的栅极120被安置在一个第二结合部位，以便接纳一个第二分子受体。为了由此进行差分杂交和检测，该第一结合部位以及该第二结合部位都接纳相似的诸分子受体。

一个第一开关晶体三极管126包括一个栅极128，一个源极130，以及一个漏极132。一个电压源134被施加到该源极130以及一个位于远离该第一结合部位处的计数器电极136之间。该漏极132被连接到该第一检测晶体三极管110的栅极114。根据施加于该栅极128的一个输入信号，该第一开关晶体三极管126选择性地将该第一检测晶体三极管110的栅极114跟该电压源134接通或断开。其结果是，在该第一结合部位可以选择性地产生一个电场。

一个第二开关晶体三极管140包括一个栅极142，一个源极144，以及一个漏极146。一个电压源148被施加到该源极144以及一个位于远离该第二结合部位处的计数器电极150。要注意的是，诸计数器电极136和150既可以包括分离的诸电极，也可以包括一个单独的电极。

该漏极146被连接到该第二检测晶体三极管112的栅极120。根据施加于该栅极142的一个输入信号，该第二开关晶体三极管140选择性地将该第二检测晶体三极管112的栅极120跟该电压源148接通或断开。其结果是，在该第二结合部位可以选择性地产生一个电场。

为了在该第一结合部位和该第二结合部位产生诸电场，通过向诸栅极128和142施加适当的诸输入信号，令该第一开关晶体三极管126和该第二开关晶体三极管140导通。该第一开关晶体三极管126和该第二开关晶体三极管140可以实质上基本上同时导通或相继导通。诸电场的极性和强度取决于诸电压源134和142的极性和幅度。

为了增强介于该第一结合部位与该第二结合部位之间的一次差分杂交事件，诸电压源134和142的幅度被这样选择，使得在它们之间存在一个电压差。若跟位于该第一结合部位以及该第二结合部位的分子受体都具有亲和力的诸分子被施加于该装置，则该电压差将导致更多的分子被结合到这两个结合部位中的一个的诸分子受体上。

通过首先将适当的诸输入信号施加于诸栅极128和142，令该第一开关晶体三极管126和该第二开关晶体三极管140截止，就能探测一次结合事件。其结果是，诸栅极114和120跟诸电压源134和142断开。该第一开关晶体三极管126以及该第二开关晶体三极管140可以实质上同时断开或相继断开。

其次，通过检测介于该第一检测晶体三极管110以及该第二检测晶体三极管112之间的一种预定的电特性的差值，就能探测该差分杂交事件。当该差值超出一个预定的阈值时，就能探测到该差分杂交事件。

在一个实施例中，由该第一检测晶体三极管110以及该第二检测晶体三极管112形成的差分对被偏置，以便探测来源于该差分杂交事件的该沟道电导的差值。诸沟道电导的差值在该差分对中引起诸沟道电流的一个差值。一般来说，该差分对提供一个信号，例如一个电压或一个电流，用以指示一次差分杂交事件。

可选择地，该第一检测晶体三极管110包括一个背部栅极152，并且该第二检测晶体三极管112包括一个背部栅极154。在这里，将一个非零的偏移电压施加于背部栅极152和154之间，使得该第一检测晶体三极管110和该第二检测晶体三极管112产生相等的沟道电流，这时，只要检测到该非零的偏移电压，就能检测到该差分杂交事件。当该偏移电压超出一个预定的阈值时，就能检测该差分杂交事件。

图7的实施例经过修改后，可以不用诸计数器电极136和150。这样的修改示于图8。

图8是本发明的再一个实施例的方框图。如同图7所示那样，本实施例包括一个第一检测晶体三极管160，一个第二检测晶体三极管162，一个第一开关晶体三极管164，以及一个第二开关晶体三极管166。所不同的是，一个电压源168被施加于该第一开关晶体三极管164的源极170以及该第二开关晶体三极管166的源极172之间。由该电压源168所产生的电压幅度导致更多的分子被结合到这两个结合部位当中一个的诸分子受体上。

图9是一份流程图，它概括了为增强和检测一次差分杂交事件而执行的诸步骤。如方框180所示，本方法包括提供一个第一检测晶体三极管的步骤，该晶体三极管具有一个栅极，后者支持一个第一结合部位。如方框182所示，本方法包括提供一个第二检测晶体三极管的步骤，该晶体三极管具有一个栅极，后者支持一个第二结合部位。该第一结合部位和该第二结合部位都接纳相似的分子受体。

如方框184所示，为了使差分结合事件获得电场增强，执行下列步骤：将一个差分电压施加于该第一检测晶体三极管的栅极以及该第二检测晶体三极管的栅极之间。如图7和图8所示，可以用一个单独的电压源，也可以用两个电压源来施加该差分电压。

如方框186所示，通过一个检测该第一检测晶体三极管以及该第二检测晶体三极管之间的电特性的差值的步骤，就能检测该差分结合事件。这个步骤可以包括检测该第一检测晶体三极管以及该第二检测晶体三极管在诸沟道电导或诸沟道电流上的差值。另一方面，这个步骤可以包括下列步骤，即：将一个非零的偏移电压施加于该第一和第二检测晶体三极管的两个背部栅极之间，当二者产生相等的沟道电流时，检测这个非零的偏移电压。

虽然以上的说明是针对在该结合部位的一个单独的分子受体而作出的，但要注意的是，本发明的诸实施例典型地使用位于该结合部位的多个相似的分子受体。在这里，多个相似的分子受体被用来在诸靶分子的一个样品中探测一种预定的分子结构。

还有，要注意的是，本发明的诸实施例典型地具有一个由诸结合部位构成的阵列，用以探测在诸靶分子的一个样品中的不同的分子结构。在这里，每一个结合部位都具有一个检测晶体三极管，并且，可选择地，伴有一个开关晶体三极管。构成这样一个分子探测装置的许多晶体三极管可以全部集成到一个单独的基底上，例如，采用TFT或MOSFET工艺。

同样要注意的是，本文所述的任何开关晶体三极管都可以用任何适当的开关元件来替代，后者应当能够按照从一个控制输入端接收的信号选择性地接通或断开一对端子。

这样，本文已经说明了一个概念以及若干实施例，包括一种基于晶体三极管的分子探测装置和方法。

因为本发明的各种实施例通过检测跟一个靶分子有关的电荷来探测一次结合事件，所以它们提供了以下的重大改进，即：可以利用被集成在该分子探测装置里面的一个晶体三极管，用电子方法探测该靶分子。为了改进探测效果，可以将一个带电颗粒附着到该靶分子上，以增加与该靶分子有关的电荷。

此外，本文所述的本发明的各种实施例都利用该晶体三极管中的栅极来进行电场辅助的杂交和去杂交。

再有，可以利用一对晶体三极管去增强和检测一次差分杂交事件。这种配置在消除对计数器电极的需求方面是有利的。

所公开的本发明可以用多种方法加以修改，也可以在上面专门发布和叙述的优选形式之外，采取若干其他的实施例。这对本专业的技术人员来说是显而易见的。

相应地，作者打算用所附的权利要求书来覆盖所有符合本发明的精神实质和范围的对本发明的修改。

Claims (10)

1．一种在一个分子探测装置中的结合部位上，检测一个分子跟一个分子受体的结合的方法，本方法包括下列诸步骤：

提供一个第一检测晶体三极管，它具有一个栅极，一个源极，一个漏极，以及一个在该源极和该漏极之间建立电耦合的半导电性沟道，该栅极位于该结合部位，使得当该分子与该分子受体结合时，介于该源极与该漏极之间的电导被与该分子有关的电荷所改变；以及

当该分子与该分子受体结合时，检测与该分子有关的电荷所导致的第一检测晶体三极管的已被改变了的电特性。

2．根据权利要求1中的方法，其中，所述检测该第一检测晶体三极管的已被改变了的电特性的步骤包括：

在该分子跟该分子受体结合之前，测量一个第一沟道电流；

在该分子跟该分子受体结合之后，测量一个第二沟道电流；

检测该第一沟道电流与该第二沟道电流之间的差值。

3．根据权利要求1中的所述方法，还包括下列诸步骤中的至少一个：通过向该栅极施加一个电压，产生一个电场以增强杂交过程；通过向该栅极施加一个电压，产生一个电场使该分子进行杂交；以及提供一个具有一个栅极的第二检测晶体三极管，该栅极支持一个第二结合部位，其中，通过检测该第一检测晶体三极管以及该第二检测晶体三极管在电特性方面的差值，就能检测该结合事件。

4．根据权利要求1的所述方法，其中，一个第二检测晶体三极管以电气方式连接于该第一检测晶体三极管，以形成一个差分对。

5．根据权利要求4的所述方法，其中，通过检测该第一检测晶体三极管与该第二检测晶体三极管在沟道电流方面的差值，就能检测该结合事件。

6．一个分子探测装置，包括：

一个第一检测晶体三极管，它具有一个栅极，一个源极，一个漏极，以及一个在该源极与该漏极之间以电气方式建立耦合的半导电性沟道，该栅极支持一个第一结合部位，以便接纳一个分子受体；

其中介于该源极与该漏极之间的一个电导被跟一个结合于该分子受体的分子有关的电荷所改变，并且其中与该分子有关的电荷导致该第一检测晶体三极管电特性的改变，通过检测已被改变了的电特性，就能检测该分子与该分子受体的结合。

7．根据权利要求6的所述装置，其中，与该分子有关的电荷至少有一部分来自附着于该分子之上的一个带电部分。

8．根据权利要求6的所述装置，还包括一个开关元件，它选择性地将该栅极跟一个电压源接通或断开，以便选择性地向该结合部位提供电场增强。

9．根据权利要求6所述装置，还包括一个第二检测晶体三极管，它具有一个支持一个第二结合部位的栅极，其中，通过检测该第一检测晶体三极管与该第二检测晶体三极管在电特性方面的差值，就能检测该结合事件。

10．根据权利要求9的所述装置，其中，该第二检测晶体三极管以电气方式连接于该第一检测晶体三极管，以形成一个差分对。

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