DE102017103469A1

DE102017103469A1 - Patrone und Analysator für die Analyse von Fluiden

Info

Publication number: DE102017103469A1
Application number: DE102017103469.2A
Authority: DE
Inventors: Jui-Cheng Huang; Chin-Hua Wen; Tung-Tsun Chen; Cheng-Hsiang Hsieh; Yu-Jie Huang; Ching-Hui Lin
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-07-19
Also published as: US20180203006A1; US20210263022A1; US11119101B2

Abstract

Es werden eine Fluidikpatrone und Verfahren für deren Betrieb beschrieben. Die Fluidikpatrone weist ein Substrat mit einer Vielzahl von Kontakt-Pads, die so konfiguriert sind, dass sie sich mit einem Analysator elektrisch verbinden, einen Halbleiterchip mit einem Sensor-Array und eine Referenz-Elektrode auf. Die Fluidikpatrone weist einen ersten Fluidikkanal auf, der einen Einlass hat und mit einem zweiten Fluidikkanal verbunden ist, wobei der zweite Fluidikkanal so ausgerichtet ist, dass das Sensor-Array und die Referenz-Elektrode in dem zweiten Fluidikkanal angeordnet sind. Ein erster Stopfen ist an dem ersten Einlass angeordnet. Der erste Stopfen weist ein nachgiebiges Material auf, das so konfiguriert ist, dass es von einer Kapillare durchstochen wird, ohne dass Flüssigkeit durch den ersten Stopfen durchsickert.

Description

Hintergrund der Erfindung
Biosensoren sind Bauelemente zum Abtasten und Detektieren von Biomolekülen und arbeiten nach elektronischen, elektrochemischen, optischen und mechanischen Detektionsprinzipien. Biosensoren, die Transistoren aufweisen, sind Sensoren, die Ladungen, Photonen und mechanische Eigenschaften von Bio-Entitäten oder Biomolekülen elektrisch erfassen. Die Detektion kann durch Detektieren der Bio-Entitäten oder Biomoleküle selbst oder durch Wechselwirkung und Reaktion zwischen festgelegten Reaktanten und Bio-Entitäten oder Biomolekülen erfolgen. Diese Biosensoren können unter Verwendung von Halbleiterprozessen hergestellt werden, können elektrische Signale rasch umwandeln und können problemlos für integrierte Schaltkreise (ICs) und MEMSs (mikroelektromechanische Systeme) verwendet werden.
Die Wechselwirkung zwischen der biologischen Probe selbst und dem Biosensor kann eine Herausforderung sein. Normalerweise wird ein Fluid, das die biologische Probe enthält, direkt über dem Abtastteil des Biosensors pipettiert. Dieses Verfahren führt dazu, dass ein großer Teil der Fluidprobe nicht genutzt wird, und es ist zeitaufwändig, jeden Abtastbereich manuell zu laden.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.

1 ist eine Darstellung, die Komponenten einer beispielhaften Bioabtastpatrone zeigt.
2 ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Dual-Gate-FET-Sensors mit Rückseitenabtastung.
3 ist ein Schaltplan einer Vielzahl von FET-Sensoren, die in einem beispielhaften adressierbaren Array angeordnet sind.
4 ist ein Schaltplan eines beispielhaften adressierbaren Arrays von Dual-Gate-FET-Sensoren und Heizelementen.
5 ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Dual-Gate-FET-Sensors mit Rückseitenabtastung, der als ein pH-Sensor konfiguriert ist.
6A zeigt ein Beispiel für das Binden von Ionen an eine Rezeptorschicht.
6B zeigt eine Änderung der Schwellenspannung in einem beispielhaften FET-Sensor auf Grund des pH-Werts.
7 ist ein Lageplan eines beispielhaften Biosensorchips.
8 zeigt eine Reihe von Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren für die Montage eines beispielhaften Biosensorchips an eine Handle-Schicht zeigen.
9 ist eine Draufsicht der Handle-Schicht mit dem beispielhaften Biosensorchip, der auf ein Substrat montiert ist.
10 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Fluidikpatrone, die einen integrierten Biosensorchip hat.
11 ist eine schematische Darstellung einiger Fluidikkanäle in der beispielhaften Fluidikpatrone.
12 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Fluidikpatrone, die mit einem Analysator verbunden ist.
13 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Nutzung der Fluidikpatrone.
14 ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Dual-Gate-BioFET mit Rückseitenabtastung zur Detektion von DNA.
15A zeigt den Mechanismus des Bindens von DNA an eine Rezeptor-Oberfläche.
15B zeigt eine Änderung der Schwellenspannung für den beispielhaften Dual-Gate-BioFET mit Rückseitenabtastung auf Grund einer passenden Analytenbindung.
16 ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Dual-Gate-BioFET mit Rückseitenabtastung, der Antikörper hat, die auf seiner Abtastschicht immobilisiert sind.
17 zeigt den Mechanismus der Bindung von Antigenen und Antikörpern an eine Rezeptor-Oberfläche.

Detaillierte Beschreibung
Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt ausgebildet werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so ausgebildet und/oder angeordnet werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen des in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Bauelements umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
Fachausdrücke
Wenn nicht anders angegeben, haben alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hier verwendet werden, die Bedeutung, die einem Durchschnittsfachmann auf dem Fachgebiet gemeinhin bekannt ist, zu dem diese Erfindung gehört. Obwohl Verfahren und Materialien, die denen ähnlich oder mit denen identisch sind, die hier beschrieben werden, in der Praxis oder bei der Prüfung von Ausführungsformen gemäß der Erfindung verwendet werden können, werden die Verfahren, Bauelemente/Vorrichtungen und Materialien jetzt beschrieben. Alle Patente und Veröffentlichungen, die hier erwähnt werden, werden durch Bezugnahme aufgenommen, um die Materialien und Methodologien, die in den Veröffentlichungen berichtet sind und in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden könnten, zu beschreiben und zu offenbaren.
Das hier verwendete Akronym „FET“ bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor. Ein sehr gebräuchlicher FET-Typ ist ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Herkömmlich sind MOSFETs planare Strukturen, die in die und auf der planaren Oberfläche eines Substrats, wie etwa eines Halbleiterwafers, integriert werden. Jüngste Fortschritte in der Halbleiterfertigung haben jedoch zu dreidimensionalen oder Finnen-basierten MOSFET-Strukturen geführt.
Der Begriff „BioFET“ bezieht sich auf einen FET, der eine Schicht aus immobilisierten Fangreagenzien aufweist, die als Oberflächenrezeptoren zum Detektieren des Vorhandenseins eines Target-Analyten biologischen Ursprungs fungieren. Ein BioFET ist bei einer Ausführungsform ein Feldeffekttransistor mit einem Halbleiterwandler. Ein Vorteil von BioFETs ist die Aussicht auf einen markierungsfreien Betrieb. Insbesondere ermöglichen BioFETs die Vermeidung von teuren und zeitraubenden Markierungsoperationen, wie etwa die Markierung eines Analyten zum Beispiel mit einer Fluoreszenz- oder radioaktiven Sonde. Eine spezielle Art von BioFET, die hier beschrieben wird, ist ein Dual-Gate-BioFET mit Rückseitenabtastung. Die Analyte für die Detektion mittels eines BioFET sind normalerweise biologischen Ursprungs, wie etwa Proteine, Kohlenhydrate, Lipide oder Gewebeteile (die Auflistung ist nicht beschränkend). Ist einem allgemeineren Sinn ist ein BioFET jedoch ein Teil einer breiteren Gattung von FET-Sensoren, die auch eine chemische Verbindung detektieren können (auf dem Fachgebiet als ChemFET bekannt) oder ein anderes Element, unter anderem Ionen, wie etwa Protonen oder Metallionen, detektieren können (auf dem Fachgebiet als ISFET bekannt). Die vorliegende Erfindung soll für alle Arten von FET-basierten Sensoren („FET-Sensoren“) gelten. Eine spezielle Art von FET-Sensor ist hier ein Dual-Gate-FET-Sensor mit Rückseitenabtastung (Dual-Gate Back-Side Sensing FET Sensor; DG-BSS-FET-Sensor).
„S/D“ bezieht sich auf die Source-Drain-Verbindungen, die zwei der vier Anschlüsse eines FET bilden.
Der Ausdruck „High-k“ bezieht sich auf eine hohe Dielektrizitätskonstante. Auf dem Gebiet der Strukturen und Fertigungsprozesse für Halbleiter-Bauelemente bezieht sich High-k auf eine Dielektrizitätskonstante, die größer als die Dielektrizitätskonstante von SiO₂ (d. h. größer als 3,9) ist.
Der Begriff „Analyse“ bezieht sich in der Regel auf einen Prozess oder Schritt, der eine physikalische, chemische, biochemische oder biologische Analyse beinhaltet, die unter anderem Charakterisierung, Prüfung, Messung, Optimierung, Trennung, Synthese, Zugabe, Filtration, Auflösung oder Mischung umfasst.
Der Begriff „Assay“ bezieht sich im Allgemeinen auf einen Prozess oder Schritt, der die Analyse einer Chemikalie oder eines Target-Analyten beinhaltet und unter anderem Folgendes umfasst: zellenbasierte Assays, biochemische Assays, Assays und Screening mit hohem Durchsatz, diagnostische Assays, pH-Wert-Bestimmung, Nucleinsäurehybridisierungs-Assays, Polymeraseaktivitäts-Assays, Nucleinsäure- und Proteinsequenzierung, Immunoassays (z. B. Antikörper-Antigen-Bindungsassays, ELISAs und iqPCR), Bisulfitmethylierungs-Assays zum Detektieren von Methylierungsmustern von Genen, Protein-Assays, Proteinbindungs-Assays (z. B. Protein-Protein-, Protein-Nucleinsäure- und Protein-Ligand-Bindungsassays), enzymatische Assays, gekoppelte enzymatische Assays, kinetische Messungen (z. B. Kinetik der Proteinfaltung und Kinetik enzymatischer Reaktionen), Ezym-Inhibitor- und -Aktivator-Screening, Chemilumineszenz- und Elektrochemilumineszenz-Assays, Fluoreszenz-Assays, Fluoreszenzpolarisations- und Anisotropie-Assays, Extinktions- und kalorimetrische Assays (z. B. Bradford-Assay, Lowry-Assay, Hartree-Lowry-Assay, Biuret-Assay und BCA-Assay), chemische Assays (z. B. zur Detektion von Umweltschadstoffen, Nanopartikeln oder Polymeren) und Drogenauffindungs-Assays. Die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren, die hier beschrieben werden, können eine oder mehrere dieser Assays nutzen, die zusammen mit einer der beschriebenen FET-Sensor-Konfigurationen verwendet werden sollen.
Der Begriff „Flüssigkeitsbiopsie“ bezieht sich im Allgemeinen auf eine BiopsieProbe, die, im Gegensatz zu einer Gewebeprobe, aus der Körperflüssigkeit eines Patienten gewonnen wird. Die Durchführung von Assays unter Verwendung einer Körperflüssigkeit ist oftmals zweckmäßiger als bei Verwendung einer Gewebeprobe. Das weniger invasive Verfahren der Verwendung einer Körperflüssigkeitsprobe hat weit reichende Auswirkungen auf das Wohl des Patienten, das Vermögen, eine Langzeit-Krankheitsüberwachung durchzuführen, und das Vermögen, Expressionsprofile auch dann zu erhalten, wenn Gewebezellen nicht leicht zugänglich sind, z. B. in der Prostata. Assays, die zum Detektieren von Target-Analyten in flüssigen Biopsieproben verwendet werden, sind unter anderem die vorgenannten. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann ein CTC-Assay (CTC: circulating tumor cell; zirkulierende Tumorzelle) an einer flüssigen Biopsieprobe durchgeführt werden.
Zum Beispiel kann ein Fangreagens (z. B. ein Antikörper), das auf einem FET-Sensor immobilisiert ist, zur Detektion eines Target-Analyten (z. B. eines Tumorzellenmarkers) in einer flüssigen Biopsieprobe mittels eines CTC-Assays verwendet werden. CTCs sind Zellen, die sich von einem Tumor in das Gefäßsystem verbreitet haben und z. B. im Blutkreislauf zirkulieren. In der Regel sind CTCs in extrem niedrigen Konzentrationen im Kreislauf vorhanden. Um die CTCs zu untersuchen, werden sie aus dem Blut oder Plasma des Patienten mittels verschiedener Verfahren angereichert, die auf dem Fachgebiet bekannt sind. CTCs können mit spezifischen Markern unter Verwendung von Verfahren angefärbt werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, unter anderem Zytometrie-basierten Verfahren (z. B. Durchflusszytometrie) und IHC-basierten Verfahren. Für die hier beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren können CTCs unter Verwendung eines Fangreagens immobilisiert oder detektiert werden, oder die Nucleinsäuren, Proteine oder anderes zelluläres Milieu aus den CTCs können als Target-Analyten für die Bindung an ein Fangreagens oder zur Detektion mit einem Fangreagens targetiert werden.
Wenn ein Target-Analyt an oder aus einer CTC detektiert wird, kann ein Anstieg des Target-Analyten, der CTCs exprimiert oder enthält, die Identifizierung des Patienten als einen Krebspatienten unterstützen, der wahrscheinlich auf eine spezifische Therapie anspricht (z. B. eine, die mit einem Target-Analyten assoziiert ist), oder kann eine Optimierung eines Behandlungsregimes z. B. mit einem Antikörper zu dem Target-Analyten ermöglichen. Eine CTC-Messung und quantitative Bestimmung können Informationen z. B. über das Stadium des Tumors, das Ansprechen auf die Therapie, den Krankheitsverlauf oder eine Kombination davon liefern. Die Informationen, die durch das Detektieren des Target-Analyten an der CTC erhalten werden, können z. B. als ein prognostischer, prädiktiver oder pharmakodynamischer Biomarker verwendet werden. Darüber hinaus können CTC-Assays für eine flüssige Biopsieprobe entweder allein oder in Kombination mit einer weiteren Tumormarker-Analyse von festen Biopsieproben verwendet werden.
Der Begriff „Identifizierung“ bezieht sich im Allgemeinen auf den Prozess der Bestimmung der Identität eines Target-Analyten auf Grund seiner Bindung an ein Fangreagens, dessen Identität bekannt ist.
Der Begriff „Messung“ bezieht sich im Allgemeinen auf den Prozess der Bestimmung der Menge, Qualität oder Eigenschaften eines Target-Analyten auf Grund seiner Bindung an ein Fangreagens.
Der Begriff „quantitative Bestimmung“ bezieht sich im Allgemeinen auf den Prozess der Bestimmung der Menge oder Konzentration eines Target-Analyten auf Grund seiner Bindung an ein Fangreagens.
Der Begriff „Detektion“ bezieht sich im Allgemeinen auf den Prozess der Bestimmung des Vorhandenseins oder Fehlens eines Target-Analyten auf Grund seiner Bindung an ein Fangreagens. Die Detektion umfasst unter anderem die Identifizierung, Messung und quantitative Bestimmung.
Der Begriff „Chemikalie“ bezieht sich auf eine Substanz, eine Verbindung, ein Gemisch, eine Lösung, eine Emulsion, eine Dispersion, ein Molekül, ein Ion, ein Dimer, ein Makromolekül, wie etwa ein Polymer oder Protein, ein Biomolekül, einen Niederschlag, einen Kristall, eine funktionelle chemische Gruppe, Teilchen, Nanopartikel, ein Reagens, ein Reaktionsprodukt, ein Lösungsmittel oder ein Fluid, die jeweils im festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand vorliegen können und normalerweise der Gegenstand einer Analyse sind.
Der Begriff „Reaktion“ bezieht sich auf eine physikalische, chemische, biochemische oder biologische Umwandlung, bei der mindestens eine Chemikalie beteiligt ist und die im Allgemeinen (bei chemischen, biochemischen und biologischen Umwandlungen) das Aufspalten oder Bilden einer oder mehrerer Bindungen, wie etwa kovalenter, nichtkovalenter, Van-der-Waals-, Wasserstoff- oder Ionenbindungen, umfasst. Der Begriff umfasst typische chemische Reaktionen, wie etwa Synthese-, Neutralisations-, Zersetzungs-, Verdrängungs-, Redox-, Fällungs-, Kristallisations-, Verbrennungs- und Polymerisationsreaktionen sowie kovalente und nichtkovalente Bindung, Phasenumwandlung, Farbänderung, Phasenbildung, Kristallisation, Auflösung, Lichtemission, Änderungen der Lichtabsorptions- oder -emissionseigenschaften, Temperaturänderung oder Wärme-Absorption oder -Emission, Konformationsänderung und Faltung oder Entfaltung von Makromolekülen, wie etwa eines Proteins.
Ein „Fangreagens“, das hier verwendet wird, ist ein Molekül oder eine Verbindung, das/die den Target-Analyten oder das Target-Reagens binden kann und sich direkt oder indirekt an ein im Wesentlichen festes Material anlagern kann. Das Fangreagens kann eine Chemikalie und insbesondere eine Substanz sein, für die es einen natürlich vorkommenden Target-Analyten gibt (z. B. ein Antikörper, Polypeptid, DNA, RNA, Zelle, Virus usw.) oder für die ein Target-Analyt hergestellt werden kann, und das Fangreagens kann sich an einen oder mehrere Target-Analyten in einem Assay binden.
Ein „Target-Analyt“, der hier verwendet wird, ist die Substanz, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung in der Untersuchungsprobe detektiert werden soll. Der Target-Analyt kann eine Chemikalie und insbesondere eine Substanz sein, für die es einen natürlich vorkommenden Target-Analyten gibt (z. B. ein Antikörper, Polypeptid, DNA, RNA, Zelle, Virus usw.) oder für die ein Fangreagens hergestellt werden kann, und der Target-Analyt kann sich an eine oder mehrere Fangreagenzien in einem Assay binden. Ein „Target-Analyt“ umfasst auch antigene Substanzen, Antikörper und Kombinationen davon. Der Target-Analyt kann Folgendes umfassen: ein Protein, ein Peptid, eine Aminosäure, ein Kohlenhydrat, ein Hormon, ein Steroid, ein Vitamin, ein Arzneimittel, wie etwa solche, die zu therapeutischen Zwecken verabreicht werden, sowie solche, die mit illegalen Absichten eingenommen werden, ein Bakterium, ein Virus und Metaboliten von, oder Antikörper gegen, eine der vorgenannten Substanzen.
Eine „Untersuchungsprobe“, die hier verwendet wird, bedeutet die Zusammensetzung, Lösung, Substanz, Gas oder Flüssigkeit, die den Target-Analyten enthält, der unter Verwendung der vorliegenden Erfindung detektiert und untersucht werden soll. Die Untersuchungsprobe kann außer dem Target-Analyten auch andere Komponenten enthalten, kann die physikalischen Merkmale einer Flüssigkeit oder eines Gases haben und kann jede Größe oder jedes Volumen haben, zum Beispiel ein wandernder Flüssigkeits- oder Gasstrom sein. Die Untersuchungsprobe kann alle Substanzen außer dem Target-Analyten enthalten, solange die anderen Substanzen die Verbindung des Target-Analyten mit dem Fangreagens oder die spezifische Bindung des ersten Bindungsteils an den zweiten Bindungsteil nicht beeinträchtigt. Beispiele für Untersuchungsproben sind unter anderem natürlich vorkommende und nicht natürlich vorkommende Proben oder Kombinationen davon. Natürlich vorkommende Proben können synthetisch sein oder synthetisch hergestellt sein. Natürlich vorkommende Proben sind Körperflüssigkeiten, die von einer Stelle in oder auf dem Körper eines Patienten isoliert werden, unter anderem Blut, Plasma, Serum, Urin, Speichel oder Sputum, Spinalflüssigkeit, Hirnflüssigkeit, Flüssigkeit im Pleuraraum, Brustwarzenaspirate, Lymphe, Flüssigkeit der Atemwege und des Darm- und Urogenitaltrakts, Tränenflüssigkeit, Speichel, Muttermilch, Flüssigkeit aus dem lymphatischen System, Sperma, Flüssigkeit in einem Organsystem, Aszitesflüssigkeit, Tumorzystenflüssigkeit, Fruchtwasser und Kombinationen davon; und Umweltproben, wie etwa Grundwasser oder Abwasser, Bodenextrakte, Luft und Pestizidrückstände, oder Lebensmittel-bezogene Proben.
Detektierte Substanzen können die folgenden Substanzen sein: Nucleinsäuren (DNA und RNA), Hormone, verschiedene Pathogene [unter anderem biologische Agenzien, die ihren Wirt krank machen, wie etwa Viren (z. B. H7N9 oder HIV), Protozoen (z. B. Plasmodium verursachende Malaria) oder Bakterien (z. B. E. coli oder Mocybacterium tuberculosis)], Proteine, Antikörper, verschiedene Arzneimittel oder Therapeutika oder andere chemische oder biologische Substanzen, die Wasserstoff oder andere Ionen, nichtionische Moleküle oder Verbindungen, Polysaccharide, kleine chemische Verbindungen, wie etwa chemische kombinatorische Bankteile, und dergleichen aufweisen. Detektierte oder ermittelte Parameter können unter anderem die folgenden Parameter sein: pH-Änderungen, Lactose-Änderungen, sich ändernde Konzentrationen, Teilchen je Zeiteinheit, wobei ein Fluid eine Zeit lang über die Vorrichtung fließt, um Teilchen, z. B. spärlich vorhandene Teilchen, zu detektieren, und andere Parameter.
Der hier verwendete Begriff „immobilisiert“ umfasst, wenn er z. B. für ein Fangreagens verwendet wird, das wesentliche Anlagern des Fangreagens an eine Oberfläche auf einer molekularen Ebene. Zum Beispiel kann ein Fangreagens an eine Oberfläche des Substratmaterials gebunden werden, wobei Adsorptionsverfahren verwendet werden, die nichtkovalente Wechselwirkungen (z. B. elektrostatische Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte und Dehydratisierung von hydrophoben Grenzflächen) und kovalente Bindungsverfahren umfassen, bei denen funktionelle Gruppen oder Linker das Anlagern des Fangreagens an die Oberfläche unterstützen. Die Bindung eines Fangreagens an eine Oberfläche eines Substratmaterials kann von den Eigenschaften der Substratoberfläche, dem Medium, das das Fangreagens trägt, und den Eigenschaften des Fangreagens abhängig sein. In einigen Fällen kann eine Substratoberfläche zunächst so modifiziert werden, dass sie funktionelle Gruppen hat, die an die Oberfläche gebunden sind. Die funktionellen Gruppen können sich dann an Biomoleküle oder biologische oder chemische Substanzen anlagern, um sie darauf zu immobilisieren.
Der Begriff „Nucleinsäure“ bezieht sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Nucleotiden, die miteinander durch eine Phosphodiesterbindung verbunden sind, und bezieht sich auf natürlich vorkommende Nucleinsäuren, an die ein natürlich vorkommendes Nucleotid, das in der Natur vorkommt, angelagert ist, wie etwa eine DNA, die Desoxyribonucleotide hat, bei denen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin miteinander verbunden sind, und/oder eine RNA, die Ribonucleotide hat, bei denen Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil miteinander verbunden sind. Außerdem liegen nicht natürlich vorkommende Nucleotide und nicht natürlich vorkommende Nucleinsäuren innerhalb des Schutzumfangs der Nucleinsäuren der vorliegenden Erfindung. Beispiele sind Peptid-Nucleinsäuren (PNA), Peptid-Nucleinsäuren mit Phosphatgruppen (PHONA), Brücken-Nucleinsäuren / Schleusen-Nucleinsäuren (BNA/LNA) und Morpholino-Nucleinsäuren. Weitere Beispiele sind chemisch modifizierte Nucleinsäuren und Nucleinsäuren-Analoge, wie etwa Methylphosphonat-DNA/RNA, Phosphorothiotat-DNA/RNA, Phosphoramidat-DNA/RNA und 2'-O-Methyl-DNA/RNA. Nucleinsäuren sind solche, die modifiziert werden können. Zum Beispiel können bei Bedarf eine Phosphorsäuregruppe, ein Zucker und/oder eine Base in einer Nucleinsäure markiert werden. Für die Nucleinsäure-Markierung können alle Substanzen verwendet werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind. Beispiele sind unter anderem radioaktive Isotope (z. B. 32P, 3H und 14C), DIG, Biotin, Fluoreszenzfarbstoffe (z. B. FITC, Texas, cy3, cy5, cY7, FAM, HEX, VIC, JOE, Rox, TET, Bodipy493, NBD und TAMRA) und Lumineszenzstrahler (z. B. Acridinester).
Ein „Aptamer“, das hier verwendet wird, bezieht sich auf Oligonucleinsäuren oder Peptidmoleküle, die sich an ein spezifisches Target-Molekül binden. Die Idee, einzelsträngige Nucleinsäuren (Aptamere) als Affinitätsmoleküle für die Proteinbindung zu verwenden, wurde erstmalig in 1990 offenbart (Ellington und Szostak, 1990, 1992; Tuerk und Gold, 1990) und beruht auf der Fähigkeit von kurzen Sequenzen, sich in Gegenwart eines Targets zu nur einmal vorhandenen dreidimensionalen Strukturen zu falten, die das Target mit hoher Affinität und Spezifität binden. Eugene W. M Ng et al., 2006 offenbaren, dass Aptamere Oligonucleotidliganden sind, die für eine hochaffine Bindung an Molekül-Targets gewählt werden.
Der hier verwendete Begriff „Antikörper“ bezieht sich auf ein Polypeptid aus der Immunglobulin-Familie, das ein entsprechendes Antigen nichtkovalent, reversibel und spezifisch binden kann. Zum Beispiel ist ein natürlich vorkommender IgG-Antikörper ein Tetramer, das mindestens zwei schwere (heavy; H) Ketten und zwei leichte (L) Ketten hat, die durch Disulfidbindungen miteinander verbunden sind. Jede schwere Kette hat einen variablen Bereich (hier als VH abgekürzt) und einen konstanten Bereich. Der konstante Bereich der schweren Kette besteht aus den drei Domänen CH1, CH2 und CH3. Jede leichte Kette hat einen variablen Bereich (hier als VL abgekürzt) und einen konstanten Bereich. Der konstante Bereich der leichten Kette besteht aus der einzigen Domäne CL. Die VH- und LH-Bereiche können weiter in hypervariable Bereiche unterteilt werden, die als Komplementaritätsbestimmungsbereiche (complementarity determining regions; CDR) bezeichnet werden und mit als Gerüstregionen (framework regions; FRs) bezeichneten Bereichen durchsetzt sind, die konservativer sind. Jeder VH- und LH-Bereich besteht aus drei CDRs und vier FRs, die vom Amino-Terminus zum Carboxy-Terminus in der folgenden Reihenfolge angeordnet sind: FR1, CDR1, FR2, CDR2, FR3, CDR3 und FR4. Die drei CDRs bilden etwa 15 bis 20 % der variablen Domänen. Die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten enthalten eine Bindungsdomäne, die mit einem Antigen wechselwirkt. Die konstanten Regionen der Antikörper vermitteln die Bindung des Immunglobulins an Wirtsgewebe oder -faktoren, unter anderem verschiedene Zellen des Immunsystems (z. B. Effektorzellen) und die erste Komponente (C1q) des klassischen Komplementsystems (Kuby, Immunology, 4. Aufl., Kapitel 4, W. H. Freeman & Co., NewYork, 2000).
Der Begriff „Antikörper“ umfasst unter anderem monoklonale Antikörper, humane Antikörper, humanisierte Antikörper, chimäre Antikörper und anti-idiotypische (Anti-Id-) Antikörper (z. B. Anti-Id-Antikörper gegen Antikörper der Erfindung). Die Antikörper können jedes Isotop/Klasse (z. B. IgG, IgE, IgM, IgD, IgA und IgY) oder Unterklasse (z. B. IgG1, IgG2, IgG3, IgG4, IgA1 und IgA2) umfassen.
Der Begriff „Polymer“ bedeutet eine Substanz oder Verbindung, die aus zwei oder mehr Bausteinen („mers“) besteht, die repetitiv miteinander verbunden sind. Zum Beispiel ist ein „Dimer“ eine Verbindung, bei der zwei Bausteine miteinander verbunden worden sind. Polymere umfassen Kondensations- und Additionspolymere. Typische Beispiele für Kondensationspolymere sind Polyamid, Polyester, Protein, Wolle, Seide, Polyurethan, Cellulose und Polysiloxan. Beispiele für Additionspolymere sind Polyethylen, Polyisobutylen, Polyacrylnitril, Polyvinylchlorid und Polystyren. Weitere Beispiele sind Polymere, die verbesserte elektrische oder optische Eigenschaften (z. B. nichtlineare optische Eigenschaften) haben, wie etwa elektrisch leitende oder lichtbrechende Polymere. Polymere umfassen lineare und verzweigte Polymere.
Überblick über die Bioabtastpatrone
1 zeigt einen Überblick über verschiedene Komponenten, die zu einer beispielhaften Bioabtastpatrone 102 kombiniert sind. Die Bioabtastpatrone 102 kann eine Vielzahl von Fluidikkanälen haben, die so konfiguriert sind, dass sie den Fluidfluss zu oder von einer Abtastposition steuern, an der das Vorhandensein eines Target-Analyten detektiert werden kann.
Bei dieser beispielhaften Ausführungsform weist die Bioabtastpatrone 102 ein Array von FET-Sensoren 104 auf. Die FET-Sensoren 104 bilden die Wandler-Komponente der Bioabtastpatrone 102. Die FET-Sensoren 104 können in einem Array angeordnet werden und einzeln adressiert werden, um Bindungsvorgänge an der Oberfläche der FET-Sensor-Abtastschicht zu detektieren. Bei einer Ausführungsform sind die FET-Sensoren 104 Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung. Bei anderen Ausführungsformen können andere Arten von Sensoren auf FET-Sensor-Basis verwendet werden.
Die Bioabtastpatrone 102 weist eine biologische Schnittstelle 106 auf. Die biologische Schnittstelle 106 kann mit den Dual-Gate-FET-Sensoren 104 mit Rückseitenabtastung verbunden werden, um Bindungsreaktionen an der Oberfläche der Dual-Gate-FET-Sensoren 104 mit Rückseitenabtastung zu unterstützen, die dann detektiert werden können. Verschiedene Arten von Biomolekülen können einen Teil der biologischen Schnittstelle 106 bilden, wie etwa DNA- oder RNA-Aptamere und Antikörper, um nur einige Beispiele zu nennen. Weitere Einzelheiten zu der biologischen Schnittstelle und die mit dieser assoziierte Chemie und biologische Mechanik werden später näher erörtert.
Die Bioabtastpatrone 102 weist verschiedene Ebenen der Chip-Verkappung 108 auf, um einen Dual-Gate-FET-Sensor-Chip mit Rückseitenabtastung in eine flüssige Umgebung zu integrieren. Die Bioabtastpatrone 102 weist außerdem eine Fluidikkomponente 110 auf, die Mikrofluidikkanäle hat, um die Zuführung von Flüssigkeiten zu den FET-Sensoren 104 zu bewerkstelligen. Die Fluidikkomponente 110 hat außerdem Fluid-Einlässe zum Zusammenführen mit Fluiden, die von außerhalb der Bioabtastpatrone 102 zugeführt werden.
Die Integration verschiedener Komponenten in die Bioabtastpatrone 102 führt zu einer kompakten und transportablen Plattform, die für viele verschiedene Bioabtastungsanwendungen genutzt werden kann. Die Verwendung von FET-Sensoren mit der integrierten Fluidikkomponente führt zu exakten Ergebnissen, wobei nur geringe Probenvolumina verwendet werden. Außerdem kann die Bioabtastpatrone 102 so konfiguriert werden, dass sie völlig autonom mit einem Analysator betrieben werden kann und nach Gebrauch entsorgt werden kann.
Die nachstehende Beschreibung ist in vier Hauptabschnitte unterteilt, um die Komponenten der Bioabtastpatrone 102 näher zu beschreiben. Der erste Abschnitt beschreibt die Anordnung und Herstellung der Dual-Gate-BioFET-Sensoren 104 mit Rückseitenabtastung. Der zweite Abschnitt beschreibt den Verkappungsprozess. Der dritte Abschnitt beschreibt die Fluidikkomponente 110 sowie die Wechselwirkung zwischen der Bioabtastpatrone 102 und einem Analysator. Der letzte Abschnitt liefert Einzelheiten zur Biologie und den verschiedenen Bioabtast-Anwendungen, bei denen die Dual-Gate-FET-Sensoren 104 mit Rückseitenabtastung verwendet werden.
Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung
Für Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung werden Halbleiter-Fertigungsverfahren und biologische Fangreagenzien zur Herstellung von empfindlichen und leicht anzuordnenden Sensoren verwendet. Während herkömmliche MOSFETs nur eine Gate-Elektrode haben, die mit nur einem elektrischen Knoten verbunden ist, hat der Dual-Gate-FET-Sensor mit Rückseitenabtastung zwei Gate-Elektroden, die jeweils mit einem anderen elektrischen Knoten verbunden sind. Eine erste der beiden Gate-Elektroden wird hier als vorderseitiges Gate bezeichnet, und die zweite der beiden Gate-Elektroden wird als rückseitiges Gate bezeichnet. Sowohl das vorderseitige Gate als auch das rückseitige Gate sind so konfiguriert, dass bei Betrieb jedes Gate elektrisch geladen und/oder entladen werden kann und dadurch jedes Gate das elektrische Feld zwischen den Source-/Drain-Anschlüssen des Dual-Gate-FET-Sensors mit Rückseitenabtastung beeinflusst. Das vorderseitige Gate ist elektrisch leitend, ist von einem Kanalbereich durch ein vorderseitiges Gate-Dielektrikum getrennt und ist so konfiguriert, dass es mit einem elektrischen Schaltkreis, mit dem es verbunden ist, geladen und entladen werden kann. Das rückseitige Gate ist normalerweise von dem Kanalbereich durch ein rückseitiges Gate-Dielektrikum getrennt und weist eine biofunktionalisierte Abtastschicht auf, die auf dem rückseitigen Gate-Dielektrikum angeordnet ist. Die Größe der elektrischen Ladung an dem rückseitigen Gate ist eine Funktion davon, ob eine biologische Erkennungsreaktion aufgetreten ist. Bei normalem Betrieb von Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung wird das vorderseitige Gate auf eine Spannung in einem festgelegten Bereich von Spannungen geladen. Die Spannung an dem vorderseitigen Gate bestimmt eine entsprechende Leitfähigkeit des Kanalbereichs des FET-Sensors. Schon eine relativ geringe Änderung der elektrischen Ladung an dem rückseitigen Gate ändert die Leitfähigkeit des Kanalbereichs. Es ist diese Änderung der Leitfähigkeit, die eine biologische Erkennungsreaktion anzeigt.
Ein Vorteil von FET-Sensoren ist die Aussicht auf einen markierungsfreien Betrieb. Insbesondere ermöglichen FET-Sensoren die Vermeidung von teuren und zeitaufwändigen Markierungsoperationen, wie etwa der Markierung eines Analyten zum Beispiel mit einer Fluoreszenz- oder radioaktiven Sonde.
In 2 ist ein beispielhafter Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung gezeigt. Der Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung weist ein Steuer-Gate 202 auf, das über einem Substrat 214 hergestellt ist und von diesem durch ein Zwischenschicht-Dielektrikum 215 getrennt ist, das auf dem Substrat 214 angeordnet ist. Das Substrat 214 weist weiterhin einen Source-Bereich 204, einen Drain-Bereich 206 und einen Kanalbereich 208 zwischen dem Source-Bereich 204 und dem Drain-Bereich 206 auf. Bei einer Ausführungsform hat das Substrat eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 130 nm. Das Gate 202, der Source-Bereich 204, der Drain-Bereich 206 und der Kanalbereich 208 können mit einer geeigneten CMOS-Prozesstechnologie hergestellt werden. Das Gate 202, der Source-Bereich 204, der Drain-Bereich 206 und der Kanalbereich 208 bilden einen FET. Eine Trennschicht 210 ist auf der Seite des Substrats 214 angeordnet, die dem Gate 202 gegenüberliegt. Bei einer Ausführungsform hat die Trennschicht 210 eine Dicke von etwa 1 µm. In dieser Erfindung wird die Seite des Substrats 214, über der das Gate 202 angeordnet ist, als die „Vorderseite“ des Substrats 214 bezeichnet. In ähnlicher Weise wird die Seite des Substrats 214, auf der die Trennschicht 210 angeordnet ist, als die „Rückseite“ bezeichnet.
In der Trennschicht 210 ist eine Öffnung 212 vorgesehen. Die Öffnung 212 kann im Wesentlichen zu dem Gate 202 ausgerichtet sein. Bei anderen Ausführungsformen ist die Öffnung 212 größer als das Gate 202 und kann sich über mehrere Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung erstrecken. In der Öffnung 212 auf der Oberfläche des Kanalbereichs 208 kann eine Grenzschicht (nicht dargestellt) angeordnet sein. Die Grenzschicht kann so betreibbar sein, dass sie eine Grenzfläche zum Positionieren und Immobilisieren eines oder mehrerer Rezeptoren für die Detektion von Biomolekülen oder Bio-Entitäten bereitstellt. Weitere Einzelheiten zu der Grenzschicht werden später beschrieben.
Der Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung weist elektrische Kontakte zu dem Drain-Bereich 206 (Vd 216), dem Source-Bereich 204 (Vs 218), der Gate-Struktur 202 (das vorderseitige Gate 220) und/oder zu dem aktiven Bereich 208 (z. B. das rückseitige Gate 222) auf. Es ist zu beachten, dass das rückseitige Gate 222 nicht in physischem Kontakt mit dem Substrat 214 oder einer Grenzschicht über dem Substrat 214 zu sein braucht. Während ein herkömmlicher FET einen Gate-Kontakt zum Steuern des Leitwerts des Halbleiters zwischen der Source und dem Drain (z. B. dem Kanal) verwendet, können bei dem Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung Rezeptoren, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des FET-Bauelements befinden, den Leitwert steuern, wobei die Gate-Struktur 202 ein weiteres Gate zum Steuern des Leitwerts bereitstellt. Daher kann der Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung zum Detektieren eines oder mehrerer spezifischer Biomoleküle oder Bio-Entitäten in der Umgebung um die und/oder in der Öffnung 212 verwendet werden, wie später anhand verschiedener Beispiele näher erörtert wird.
Der Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung kann mit folgenden Komponenten verbunden werden: weiteren passiven Komponenten, wie etwa Widerständen, Kondensatoren, Induktoren und/oder Sicherungen; und anderen aktiven Bauelementen, wie etwa p-Kanal-Feldeffekttransistoren (P-FETs), n-Kanal-Feldeffekttransistoren (N-FETs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Hochspannungstransistoren und/oder Hochfrequenztransistoren; anderen geeigneten Komponenten; und/oder Kombinationen davon. Darüber hinaus ist klar, dass für weitere Ausführungsformen des Dual-Gate-FET-Sensors 200 mit Rückseitenabtastung weitere Strukturelemente in dem Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung zusätzlich verwendet werden können und einige der beschriebenen Strukturelemente ersetzt oder weggelassen werden können. Weitere Einzelheiten zu beispielhaften Herstellungsverfahren für den Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung sind in dem US-Patent Nr. 2013/0200438 und dem US-Patent Nr. 2014/0252421 zu finden, deren Mitinhaber die Erfinder der vorliegenden Anmeldung sind.
In 3 ist ein Schaltbild eines beispielhaften adressierbaren Arrays 300 von FET-Sensoren 304 gezeigt, die mit Bitleitungen 306 und Wortleitungen 308 verbunden sind. Es ist zu beachten, dass die Begriffe „Bitleitungen“ und „Wortleitungen“ hier verwendet werden, um auf Ähnlichkeiten mit der Array-Konfiguration bei Speicher-Bauelementen hinzuweisen, was jedoch nicht bedeutet, dass unbedingt Speicher-Bauelemente oder ein Speicher-Array in dem Array enthalten sein müssen. Das adressierbare Array 300 kann Ähnlichkeiten mit dem haben, das bei anderen Halbleiter-Bauelementen, wie etwa DRAM-Arrays (DRAM: dynamischer Direktzugriffsspeicher), verwendet wird. Zum Beispiel kann der Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung, der vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben worden ist, an einer Position hergestellt werden, an der ein Kondensator in einem DRAM-Array zu finden wäre. Das Schaltbild 300 ist nur beispielhaft, und es dürfte zu erkennen sein, dass andere Konfigurationen möglich sind.
Die FET-Sensoren 304 können jeweils im Wesentlichen dem Dual-Gate-FET-Sensor 200 mit Rückseitenabtastung ähnlich sein. FETs 302 sind so konfiguriert, dass sie eine Verbindung zwischen einem Drain-Anschluss des FET-Sensors 304 und einer Bitleitung 306 herstellen. Auf diese Weise sind die FETs 302 mit Zugriffstransistoren in einem DRAM-Array vergleichbar. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der FET-Sensor 304 ein Dual-Gate-FET-Sensor mit Rückseitenabtastung und weist ein Abtast-Gate, das von einem Rezeptor-Material bereitgestellt wird, das auf einer dielektrischen Schicht über einem aktiven FET-Bereich angeordnet ist, der sich an einem Reaktionsort befindet, und ein Steuer-Gate auf, das von einer Gate-Elektrode (z. B. Polysilicium) bereitgestellt wird, die auf einer dielektrischen Schicht über dem aktiven FET-Bereich angeordnet ist.
Das Schaltbild 300 zeigt eine Array-Formatierung, die beim Detektieren von geringen Signaländerungen durch minimale Biomoleküle oder Bio-Entitäten, die in die FET-Sensoren 304 eingebracht werden, vorteilhaft sein kann. Das Array-Format, das die Bitleitungen 306 und die Wortleitungen 308 verwendet, ermöglicht eine geringere Anzahl von Eingangs-/Ausgangs-Pads. Zum Verbessern des Detektionsvermögens des Bausteins, der die Schaltungsanordnung des Schaltbilds 300 hat, können Verstärker zum Vergrößern der Signalstärke verwendet werden. Bei einer Ausführungsform werden, wenn spezielle Wortleitungen 308 und Bitleitungen 306 in einen aktiven Zustand gebracht werden, die entsprechenden Zugriffstransistoren 302 eingeschaltet (z. B. wie ein Schalter). Wenn die Ladung des Gates des zugehörigen FET-Sensors 304 (wie etwa des rückseitigen Gates 222 des Dual-Gate-FET-Sensors 200 mit Rückseitenabtastung) durch das Vorhandensein von Biomolekülen beeinflusst wird, überträgt der FET-Sensor 304 Elektronen und induziert die Feldeffektladung des Bauelements, wodurch der Strom (z. B. I_ds) moduliert wird. Die Änderung des Stroms (z. B. I_ds) oder der Schwellenspannung (Vt) kann zum Anzeigen der Detektion der relevanten Biomoleküle oder Bio-Entitäten dienen. Somit kann mit dem Baustein, der das Schaltbild 300 hat, eine Biosensor-Anwendung erreicht werden, die eine Anwendung mit differentieller Abtastung für eine verbesserte Empfindlichkeit umfasst.
In 4 ist ein beispielhaftes Layout 400 dargestellt. Das beispielhafte Layout 400 weist Zugriffstransistoren 302 und FET-Sensoren 304 auf, die als ein Array 401 von einzeln adressierbaren Pixeln 402 angeordnet sind. Das Array 401 kann jede Anzahl von Pixeln 402 haben. Das Array 401 kann zum Beispiel 128 × 128 Pixel haben. Weitere Anordnungen können 256 × 256 Pixel haben oder nicht-quadratische Arrays sein, wie etwa 128 × 256 Pixel.
Jedes Pixel 402 umfasst den Zugriffstransistor 302 und den Dual-Gate-FET-Sensor 304 mit Rückseitenabtastung zusammen mit anderen Komponenten, die ein oder mehrere Heizelemente 408 und einen Temperatursensor 410 umfassen können. In diesem Beispiel ist der Zugriffstransistor 302 ein n-Kanal-FET. Ein n-Kanal-FET 412 kann auch als ein Zugriffstransistor für den Temperatursensor 410 fungieren. In diesem erläuternden Beispiel sind die Gates der FETs 302 und 412 zusammengeschaltet, obwohl das nicht notwendig ist. Die Pixel 402 (und seine zugehörigen Komponenten) können jeweils unter Verwendung eines Spaltendecoders 406 und eines Zeilendecoders 404 einzeln adressiert werden. In einem Beispiel hat jedes Pixel 402 eine Größe von etwa 10 µm mal etwa 10 µm. In einem anderen Beispiel hat jedes Pixel 402 eine Größe von etwa 5 µm mal etwa 5 µm oder eine Größe von etwa 2 µm mal etwa 2 µm.
Der Spaltendecoder 406 und der Zeilendecoder 404 können zum Ermitteln des EIN-/AUS-Zustands der n-Kanal-FETs 302 und 412 verwendet werden. Durch Einschalten des n-Kanal-FET 302 wird ein Strom in einen S/D-Bereich des Dual-Gate-FET-Sensors 304 mit Rückseitenabtastung eingespeist. Wenn diese Bauelemente eingeschaltet sind, fließt ein Strom I_ds durch den FET-Sensor 304, und dieser Strom kann gemessen werden.
Das Heizelement 408 kann dazu verwendet, die Temperatur um einen Dual-Gate-FET-Sensor 304 mit Rückseitenabtastung lokal zu erhöhen. Das Heizelement 408 kann mit einem bekannten Verfahren konfiguriert werden, wie etwa durch Herstellen einer Metallstruktur, durch die ein hoher Strom fließt. Das Heizelement 408 kann auch ein thermoelektrisches Heiz- oder Kühlelement sein, wie etwa ein Peltier-Element. Das Heizelement 408 kann bei bestimmten biologischen Tests verwendet werden, wie etwa zum Denaturieren von DNA oder RNA, oder zum Bereitstellen einer idealeren Bindungsumgebung für bestimmte Biomoleküle. Der Temperatursensor 410 kann zum Messen der lokalen Temperatur um den Dual-Gate-FET-Sensor 304 mit Rückseitenabtastung verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann ein Regelkreis zum Regeln der Temperatur unter Verwendung des Heizelements 408 und der von dem Temperatursensor 410 empfangenen Rückmeldung erzeugt werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Heizelement 408 ein thermoelektrisches Heiz- oder Kühlelement sein, das eine lokale aktive Kühlung der Komponenten in dem Pixel 402 ermöglicht.
In 5 ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Dual-Gate-FET-Sensors 500 mit Rückseitenabtastung gezeigt. Der Dual-Gate-FET-Sensor 500 mit Rückseitenabtastung ist eine Implementierung des Dual-Gate-FET-Sensors 200 mit Rückseitenabtastung, und daher werden Elemente, die zuvor in 2 beschrieben worden sind, mit den gleichen Bezugssymbolen wie in 2 bezeichnet und nicht nochmals beschrieben. Der Dual-Gate-FET-Sensor 500 mit Rückseitenabtastung weist ein Gate 202, einen Source-Bereich 204, einen Drain-Bereich 206 und einen Kanalbereich 208 auf, wobei der Source-Bereich 204 und der Drain-Bereich 206 in dem Substrat 214 hergestellt sind. Das Gate 202, der Source-Bereich 204, der Drain-Bereich 206 und der Kanalbereich 208 bilden einen FET. Es ist zu beachten, dass die verschiedenen Komponenten von 5 nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind und für eine bessere Sichtbarkeit überspitzt dargestellt sind, wie es ein Fachmann verstehen dürfte.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Dual-Gate-FET-Sensor 500 mit Rückseitenabtastung mit verschiedenen Schichten von Metallverbindungen 502 verbunden, die eine elektrische Verbindung mit den verschiedenen dotierten Bereichen und anderen Bauelementen herstellen, die in dem Substrat 214 hergestellt sind. Die Metallverbindungen 502 können mit Herstellungsverfahren hergestellt werden, die einem Fachmann bekannt sind.
Der Dual-Gate-FET-Sensor 500 mit Rückseitenabtastung kann einen Body-Bereich 504 haben, der von dem Source-Bereich 204 und dem Drain-Bereich 206 getrennt ist. Der Body-Bereich 504 kann zum Beeinflussen (to bias; Vorspannen) der Trägerkonzentration in dem aktiven Bereich 208 zwischen dem Source-Bereich 204 und dem Drain-Bereich 206 verwendet werden. An sich kann eine negative Vorspannung an den Body-Bereich 504 angelegt werden, um die Empfindlichkeit des Dual-Gate-FET-Sensors 500 mit Rückseitenabtastung zu verbessern. Bei einer Ausführungsform wird der Body-Bereich 504 mit dem Source-Bereich 204 elektrisch verbunden. Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Body-Bereich 504 elektrisch geerdet.
Der Dual-Gate-FET-Sensor 500 mit Rückseitenabtastung kann mit einer weiteren Schaltung 506 verbunden werden, die in dem Substrat 214 hergestellt ist. Die Schaltung 506 kann eine Anzahl von MOSFET-Bauelementen, Widerständen, Kondensatoren oder Induktoren umfassen, um eine Schaltung zur Unterstützung des Betriebs des Dual-Gate-FET-Sensors 500 mit Rückseitenabtastung herzustellen. Zum Beispiel können ein Spaltendecoder 406 und ein Zeilendecoder 404 in der Schaltung 506 hergestellt werden. Die Schaltung 506 kann Verstärker, Analog-Digital-Wandler (ADCs), Digital-Analog-Wandler (DACs), Spannungsgeneratoren, Logikschaltungen und DRAM-Speicher aufweisen, um nur einige Beispiele zu nennen. Alle oder einige der Komponenten der zusätzlichen Schaltung 506 können in das gleiche Substrat 214 wie der Dual-Gate-FET-Sensor 500 mit Rückseitenabtastung integriert werden. Es ist zu beachten, dass mehrere FET-Sensoren, die jeweils im Wesentlichen dem Dual-Gate-FET-Sensor 500 mit Rückseitenabtastung ähnlich sind, auf dem Substrat 214 integriert werden können und mit der zusätzlichen Schaltung 506 verbunden werden können. In einem anderen Beispiel werden alle oder einige der Komponenten der zusätzlichen Schaltung 506 auf einem anderen Halbleitersubstrat als dem Substrat 214 vorgesehen. Bei einem noch weiteren Beispiel werden einige Komponenten der zusätzlichen Schaltung 506 in dem gleichen Substrat 214 wie der Dual-Gate-FET-Sensor 500 mit Rückseitenabtastung integriert, und einige Komponenten der zusätzlichen Schaltung 506 werden auf einem anderen Halbleitersubstrat als dem Substrat 214 vorgesehen.
Bleiben wir bei dem erläuternden Beispiel von 5. Der Dual-Gate-FET-Sensor 500 mit Rückseitenabtastung weist eine Grenzschicht 508 auf, die über der Trennschicht 210 und in der Öffnung über dem Kanalbereich 208 abgeschieden ist. Bei einer Ausführungsform hat die Grenzschicht 508 eine Dicke von etwa 20 Å bis etwa 40 Å. Die Grenzschicht 508 kann ein dielektrisches High-k-Material sein, wie etwa Hafniumsilicat, Hafniumoxid, Zirconiumoxid, Aluminiumoxid, Tantalpentoxid, Hafniumdioxid-Aluminiumoxid(HfO₂-Al₂O₃)-Legierung oder eine Kombination davon. Die Grenzschicht 508 kann als ein Träger für die Bindung von Fangreagenzien fungieren, wie in dem Abschnitt, der sich mit biologischer Abtastung befasst, näher erörtert wird.
Nun wird ein beispielhafter Betrieb des Dual-Gate-FET-Sensors 500 mit Rückseitenabtastung beschrieben, der als ein pH-Sensor fungiert. Kurz gesagt, ein Fluid-Gate 510 wird zum Herstellen des elektrischen Kontakts mit dem „zweiten Gate“ des Dual-Gate-FET-Sensors 500 mit Rückseitenabtastung verwendet. Eine Lösung 512, die einen bestimmten pH-Wert hat, wird über dem Reaktionsort des Dual-Gate-FET-Sensors 500 mit Rückseitenabtastung bereitgestellt, und das Fluid-Gate 510 wird in der Lösung 512 platziert. Der pH-Wert der Lösung bezieht sich im Allgemeinen auf die Konzentration von Wasserstoffionen [H+] in der Lösung. Die Ansammlung der Ionen in der Nähe der Oberfläche der Grenzschicht 508 über dem Kanalbereich 208 beeinflusst die Bildung der Inversionsschicht in dem Kanalbereich 208, der den Strompfad zwischen dem Source-Bereich 204 und dem Drain-Bereich 206 bildet. Das kann durch die Änderung der Leitfähigkeit des FET-Sensors gemessen werden. Bei einer Ausführungsform dient das Fluid-Gate 510 als das Gate des Transistors bei der Abtastung, während das Gate 202 floatend bleibt. Bei einer anderen Ausführungsform dient das Fluid-Gate 510 als das Gate des Transistors bei der Abtastung, während das Gate 202 auf ein bestimmtes Potential vorgespannt wird. Das Gate 202 kann in Abhängigkeit von der Anwendung zum Beispiel auf ein Potential zwischen -2 V und 2 V vorgespannt werden, während das Fluid-Gate 510 innerhalb eines Bereichs von Spannungen abgetastet wird. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Fluid-Gate 510 auf ein bestimmtes Potential vorgespannt (oder geerdet), während das Gate 202 als das Gate des Transistors bei der Abtastung verwendet wird (z. B. wird seine Spannung über einen Bereich von Potentialen hinweg abgetastet). Das Fluid-Gate 510 kann aus Platin oder aus einem oder mehreren anderen Materialien hergestellt werden, die üblicherweise für Referenz-Elektroden bei der elektrochemischen Analyse verwendet werden. Die am häufigsten verwendete Referenz-Elektrode ist die AG/AgCl-Elektrode, die einen stabilen Potentialwert von etwa 0,230 V hat.
6A zeigt Ionen in einer Lösung, die sich an eine Oberfläche der Grenzschicht 508 binden. Eine oberste Atomlage der Grenzschicht 508 ist als die verschiedenen [O]-, [OH]- und [OH₂]-Schlenkerbindungen dargestellt. Wenn sich die Ionen auf der Oberfläche ansammeln, beeinflusst die Oberflächen-Gesamtladung die Schwellenspannung des Transistors. Die hier verwendete Schwellenspannung ist das Mindestpotential zwischen dem Gate und der Source eines FET-Sensors, das zum Herstellen eines Strompfads von Minoritätsträgern zwischen der Source und dem Drain des FET-Sensors notwendig ist. Die Gesamtladung steht außerdem in direktem Zusammenhang mit dem pH-Wert der Lösung, da eine größere Speicherung einer positiven Ladung einen niedrigen pH-Wert bedeutet, während eine größere Speicherung einer negativen Ladung einen hohen pH-Wert bedeutet. 6B zeigt die Änderung der Schwellenspannung, die durch unterschiedliche pH-Werte in einem n-Kanal-FET-Sensor entsteht. Wie in der Figur zu erkennen ist, bedeutet ein Anstieg der Schwellenspannung von 59 mV einen Anstieg des pH-Werts der Lösung von etwa 1. Mit anderen Worten, eine pH-Änderung von 1 führt zu einer Oberflächen-Gesamtladung, die einer Spannung von 59 mV entspricht, wenn sie als die Spannung gemessen wird, die zum Einschalten des Transistors erforderlich ist.
Chipverkappung
In 7 ist ein beispielhafter Lageplan für einen Halbleiterchip 702 gezeigt. Der Chip 702 weist ein Sensor-Array 704, eine optionale Referenz-Elektrode 706, einen Analogschaltkreis 708 und E/A-Pads 716 auf. Der Chip 702 kann Silicium, Galliumarsenid oder Indiumphosphid sein, um nur einige Beispiele zu nennen. Der Chip 702 kann Abmessungen von etwa 3 mm mal etwa 2,5 mm haben.
Das Sensor-Array 704 stellt das Array von Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung dar, wie etwa derjenigen, die vorstehend in den 2 und 5 gezeigt sind. Das Array kann als eine Zeilen-Spalten-Matrix von Pixeln angeordnet werden, wie es zum Beispiel in 4 gezeigt ist. Die verschiedenen FET-Sensoren in dem Sensor-Array 704 können mit den gleichen oder verschiedenen Fangreagenzien funktionalisiert werden, um eine Bioabtastung für verschiedene Analyte durchzuführen.
Die Referenz-Elektrode 706 kann auf dem Chip 702 strukturiert werden, das auch das Sensor-Array 704 aufweist. Die Referenz-Elektrode 706 kann annähernd zu dem Sensor-Array 704 entlang einer X- oder Y-Richtung ausgerichtet werden, sodass sich ein Fluidikkanal über dem Sensor-Array 704 und der Referenz-Elektrode 706 befinden kann. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Referenz-Elektrode 706 an einer anderen Stelle außerhalb des Chips 702 vorgesehen.
Die Referenz-Elektrode 706 kann ein Material aufweisen, das ein relativ stabiles Potential hat. Beispielhafte Referenz-Elektrodenmaterialien sind Platin oder Ag/AgCl. Die Herstellung einer Ag/AgCl-Elektrode auf einer Substratoberfläche ist auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt und wird zum Beispiel von Moschou et al. in „Surface and Electrical Characterization of Ag/AgCl Pseudo-Reference Electrodes Manufactured with Commercially Available PCB Technologies" („Oberflächen- und elektrische Charakterisierung von Ag/AgCl-Pseudo-Referenz-Elektroden, die mit Technologien für handelsübliche Leiterplatten hergestellt werden"), Sensors, Jg. 15(8), 2015, S. 18102 - 18113, beschrieben.
Der Analogschaltkreis 708 kann ein Schaltkreis sein, der sich auf den Betrieb des Sensor-Arrays 704 bezieht. An sich kann der Analogschaltkreis 708 so konfiguriert sein, dass er Signale für das Sensor-Array 704 bereitstellt und Signale von dem Sensor-Array 704 misst, während er mit verschiedenen E/A-Pads 716 verbunden ist. Bei einer Ausführungsform weist der Analogschaltkreis 708 eine serielle periphere Schnittstelle (serial peripheral interface; SPI) 712 und einen Sensor-Array-Schaltkreis 714 auf. Bei dieser Ausführungsform ist ein Abstand zwischen dem Sensor-Array 704 und dem Sensor-Array-Schaltkreis 714 nicht kleiner als etwa 135 µm.
Die SPI 712 kann ein serieller Schnittstellen-Schaltkreis zum Unterstützen der Datenübertragung zwischen dem Sensor-Array-Schaltkreis 714 und einer Analysator-Einheit sein, die später näher beschrieben wird. Der allgemeine Betrieb einer SPI dürfte einem Fachmann hinlänglich bekannt sein. Der Sensor-Array-Schaltkreis 714 kann eine Anzahl von Referenzspannungsgeneratoren, Operationsverstärkern, Tiefpassfiltern, Analog-Digital-Wandlern und Digital-Analog-Wandlern aufweisen, um Signale für das Sensor-Array 704 bereitzustellen und von diesem zu empfangen.
In einem Beispiel kann eine Referenz-Vorspannung unter Verwendung des Sensor-Array-Schaltkreises 714 erzeugt werden, um eine negative Vorspannung von etwa -0,24 V für den Body-Bereich eines bestimmten FET-Sensors oder einer bestimmten Gruppe von FET-Sensoren in dem Sensor-Array 704 bereitzustellen. Eine anpassbare Spannung kann auch für das Fluid-Gate eines bestimmten FET-Sensors oder einer bestimmten Gruppe von FET-Sensoren in dem Sensor-Array 704 bereitgestellt werden, wenn eine Abtastung durchgeführt wird.
Wenn Signale (wie etwa I_ds) gemessen werden, die von einem bestimmten FET-Sensor oder einer bestimmten Gruppe von FET-Sensoren in dem Sensor-Array 704 empfangen werden, kann der Sensor-Array-Schaltkreis 714 die gemessenen Signale empfangen und sie durch einen Transimpedanzverstärker, d. h. einen Strom-Spannungs-Wandler, leiten, woran sich eine oder mehrere weitere Verstärkungsstufen, Tiefpassfilter und schließlich ein Analog-Digital-Wandler anschließen, bevor das resultierende Signal an ein E/A-Pad 716 ausgegeben wird. Durch Subtrahieren eines Hintergrund-WS-Signals von dem gemessenen Signal, bevor das gemessene Signal verstärkt wird, kann auch das Rauschen in dem gemessenen Signal verringert werden. Ein Temperatursignal (das von einem oder mehreren Temperatursensoren in dem Sensor-Array 704 empfangen wird) kann ebenfalls verstärkt, gefiltert und durch einen Analog-Digital-Wandler geleitet werden, bevor es an ein E/A-Pad 716 ausgegeben wird.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von E/A-Pads 716 entlang der Peripherie des Chips 702 angeordnet werden. Es können viel mehr E/A-Pads als tatsächliche Eingänge und Ausgänge vorgesehen werden, die von den verschiedenen Komponenten des Chips 702 verwendet werden. Bei einer Ausführungsform können Drahtbondverfahren verwendet werden, um verschiedene E/A-Pads 716 mit einem anderen Substrat oder Package zu verbinden, das an den Chip 702 gebondet ist. Bei einer speziellen Ausführungsform können 32 E/A-Pads um die Peripherie des Chips 702 angeordnet werden. Die Größe eines gegebenen E/A-Pads 716 kann etwa 80 µm mal etwa 70 µm betragen, und der Abstand zwischen den E/A-Pads 716 kann etwa 150 µm betragen. Ein Abstand zwischen dem Sensor-Array 704 und einem nächstgelegenen E/A-Pad 716 kann mindestens 400 µm betragen, während ein Abstand zwischen E/A-Pads 716 und einem äußersten Rand des Chips 702 mindestens etwa 177,5 µm betragen kann.
In 8 ist ein beispielhaftes Verkappungsschema für den Chip 702 gezeigt. Der Chip 702 mit seinen E/A-Pads 716 wird an eine Trägerschicht 802 gebondet. Die Trägerschicht 802 kann ein anderes Halbleitersubstrat sein, wie etwa ein Siliciumsubstrat. In einem anderen Beispiel ist die Trägerschicht 802 ein Isolator, wie etwa ein Hartkunststoff-Material. Der Chip 702 kann mit einem bekannten Verbindungsverfahren, wie etwa unter Verwendung von Lot oder Klebstoff, mit der Trägerschicht 802 verbunden werden.
Bei einer Ausführungsform weist die Trägerschicht 802 eine Vielzahl von Durchkontaktlöchern auf, die mit einem leitenden Material 804 gefüllt sind. Das leitende Material 804 kann ein Metall sein, unter anderem Zinn, Kupfer, Aluminium, Gold oder eine Legierung davon. Das leitende Material 804 kann ein Lötkontakthügel oder eine Lotkugel an einer Unterseite 805 der Trägerschicht 802 sein. Das Lot kann über die Unterseite 805 hinaus reichen.
Das Chip-Package weist bei einer Ausführungsform auch eine erste Isolierschicht 806 auf, die an die Seiten des Chips 702 angrenzt. Die erste Isolierschicht 806 kann ebenfalls ein Kunststoff-Material oder Harz sein, das die Bereiche um den Chip 702 füllt, und kann dazu betragen, den Chip 702 in der richtigen Lage zu halten. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist die erste Isolierschicht 806 Durchkontaktlöcher auf, die mit leitenden Stiften 808 gefüllt sind. Die leitenden Stifte 808 können aus dem gleichen Material wie das leitende Material 804 bestehen. Die leitenden Stifte 808 sind im Wesentlichen über entsprechenden Bereichen des leitenden Materials 804 ausgerichtet, sodass ein ohmscher Kontakt zwischen den leitenden Stiften 808 und dem leitenden Material 804 entsteht.
Nachdem der Chip 702 an der Trägerschicht 802 befestigt worden ist und von der ersten Isolierschicht 806 umgeben wird, können elektrische Verbindungen 812 zwischen den E/A-Pads 716 und den leitenden Stiften 808 hergestellt werden. Die elektrischen Verbindungen 812 können unter Verwendung von Drahtbondverfahren hergestellt werden, die einem Fachmann bekannt sein dürften. In einem weiteren Beispiel werden die elektrischen Verbindungen 812 unter Verwendung von lithografischen Strukturierungsverfahren hergestellt, um eine Leiterbahn zum elektrischen Verbinden von E/A-Pads 716 mit entsprechenden leitenden Stiften 808 zu strukturieren. Nachdem die elektrischen Verbindungen 812 hergestellt worden sind, kann eine zweite Isolierschicht 810 abgeschieden werden, um die elektrischen Verbindungen 812 vor der Umgebung zu schützen. Die zweite Isolierschicht 810 kann aus dem gleichen Material wie die erste Isolierschicht 806 bestehen. Die zweite Isolierschicht 810 kann ein Harzmaterial sein, das um die elektrischen Verbindungen 812 fließt und dann zu einer Schutzhülle aushärtet. In der zweiten Isolierschicht 810 wird eine Öffnung 814 hergestellt, um einen Pfad zu dem Sensor-Array zu begründen, das sich auf dem Chip 702 befindet. Bei einer Ausführungsform, bei der auch eine Referenz-Elektrode auf dem Chip 702 strukturiert wird, würde die Öffnung 814 dann einen Pfad zu dem Sensor-Array und der Referenz-Elektrode begründen.
Ein endgültiges Chip-Package 816 weist den Chip 702 auf, der mit der Trägerschicht 802 verbunden ist und elektrisch mit verschiedenen leitenden Lötpunkten oder Metall-Pads auf der Unterseite 805 der Trägerschicht 802 verbunden ist. Der Chip 702 wird auch durch die erste Isolierschicht 806 und die zweite Isolierschicht 810 vor der Umgebung geschützt. Das Chip-Package 816 kann leichter gehandhabt werden und kann mit einem größeren Substrat, wie etwa einer Leiterplatte, verbunden werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Chip-Package 816 mit einem oder mehreren Kühlkörpern verbunden werden, um einen effizienteren Wärme-Ableitungspfad von dem Chip 702 entweder in die Umgebungsluft oder in ein Substrat bereitzustellen, an dem das Chip-Package 816 befestigt ist. Bei anderen Ausführungsformen kann das Chip-Package 816 mit einem Peltier-Element verbunden werden, um eine thermoelektrische Erwärmung und/oder Abkühlung zu ermöglichen.
Bei der beispielhaften Ausführungsform von 9 wird ein Chip-Package 816 an ein Substrat 902 gebondet. Das Substrat 902 kann eine Leiterplatte sein, die leitende Kontakt-Pads zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit den Löt- oder leitenden Pads auf der Unterseite der Trägerschicht 802 aufweist. Zum Bonden des Chip-Packages 816 an die Oberfläche des Substrats 902 kann eine Flip-Chip-Bondtechnik verwendet werden. Kurz gesagt, die Löt- oder leitenden Pads entlang der Unterseite der Trägerschicht 802 werden zu entsprechenden leitenden Pads ausgerichtet, die auf dem Substrat 902 strukturiert sind, und werden aneinander gebondet, um das Chip-Package 816 physisch an dem Substrat 902 zu befestigen und die E/A-Pads von dem Chip 702 mit Leiterbahnen elektrisch zu verbinden, die sich auf dem Substrat 902 befinden. Die Leiterbahnen auf dem Substrat 902 können in Randverbindern 908 enden.
Ein oder mehrere Randverbinder 908 können eine elektrische Verbindung zu dem Chip 702 herstellen. Ein oder mehrere Randverbinder 908 können eine elektrische Verbindung zu einer Referenz-Elektrode 906 herstellen, die auf einer Oberfläche des Substrats 902 strukturiert ist. Durch Verwenden der Referenz-Elektrode 906 kann die Notwendigkeit entfallen, eine Referenz-Elektrode auf dem Chip 702 vorzusehen. Der eine oder die mehreren Randverbinder 908 können jeweils unter Verwendung eines Metalls hergestellt werden, unter anderem Kupfer, Gold oder Aluminium. Die Referenz-Elektrode 906 kann mit ähnlichen Verfahren wie denen hergestellt werden, die vorstehend für die Referenz-Elektrode 706 auf dem Chip 702 erörtert worden sind.
Die Abmessungen des beispielhaften Chip-Packages 816 können etwa 1 bis 2 cm mal 1 bis 2 cm oder weniger betragen, während die Abmessungen des Substrats 902 3 bis 4 cm mal 3 bis 4 cm oder weniger betragen können.
Die Öffnung 814 ist über dem Chip 702 dargestellt und legt zumindest das Sensor-Array des Chips 702 frei. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die Öffnung 814 ungefähr zu der Referenz-Elektrode 906 entlang einer X- oder Y-Richtung ausgerichtet, sodass sich ein Fluidikkanal über der Öffnung 814 und der Referenz-Elektrode 906 befinden kann.
Fluidikdesign
In 10 ist ein Schema einer beispielhaften Fluidikpatrone 1000 dargestellt. Das Schema zeigt eine Top-Down-Ansicht der Patrone 1000, und es ist zu beachten, dass nicht alle gezeigten Elemente auf ein und derselben horizontalen Ebene liegen. Außerdem sind die speziellen Abmessungen und der spezielle Maßstab der verschiedenen Fluidikkanäle zur besseren Veranschaulichung absichtlich nicht maßstabsgerecht dargestellt. Die Patrone 1000 weist ein Gehäuse 1002 auf. Das Gehäuse 1002 kann aus einem Kunststoff-Material, wie etwa Polymethylmethacrylat (PMMA), durch Spritzgieß-, Gieß- oder 3-D-Druckverfahren hergestellt werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Das Gehäuse 1002 kann aus mehr als einem Segment hergestellt werden, die entweder mechanisch oder durch Verwendung eines Klebstoffs miteinander verbunden werden. Bei einer Ausführungsform werden die verschiedenen Fluidikkanäle und -kammern in einer oder mehreren Komponenten des Gehäuses 1002 geformt. Bei einer anderen Ausführungsform werden die verschiedenen Fluidikkanäle und - kammern aus einem anderen Polymer-Formstoff hergestellt, wie etwa Polydimethylsiloxan (PDMS). Die Gesamtabmessungen des Gehäuses 1002 können etwa 4 cm bis etwa 7 cm mal etwa 4 cm bis etwa 7 cm betragen. Mit dem technologischen Fortschritt kann das Gehäuse 1002 noch kleiner werden. Bei einer Ausführungsform wird das Substrat 902 mit dem verkappten Chip 802 in dem Gehäuse 1002 angeordnet. In einem Beispiel wird nur ein Teil des Substrats 902 von dem Gehäuse 1002 umschlossen, während die Randverbinder 908 außerhalb des Gehäuses 1002 freiliegen.
Das Fluidikdesign des beispielhaften Gehäuses 1002 weist mindestens einen ersten Kanal 1004, einen zweiten Kanal 1006 und einen dritten Kanal 1008 auf. Die erste Kanal 1004 und der zweite Kanal 1006 weisen jeweils einen entsprechenden Fluid-Einlass 1010a bzw. 1010b auf. Die Fluid-Einlässe stellen Bereiche zum Einspritzen von Fluid in die Patrone 1000 von außerhalb der Patrone 1000 bereit. Die Fluid-Einlässe können auch Bereiche zum Ausstoßen von Fluid aus der Patrone 1000 in die Umgebung der Patrone 1000 bereitstellen. Der dritte Kanal 1008 kann über dem verkappten Chip 802, der an das Substrat 902 gebondet ist, ausgerichtet werden. Bei einer Ausführungsform befindet sich die Öffnung 814 über dem Sensor-Array im Wesentlichen in dem dritten Kanal 1008. Bei einer Ausführungsform wird die Referenz-Elektrode 906, die auf dem Substrat 902 strukturiert ist, ebenfalls so ausgerichtet, dass sie sich in dem dritten Kanal 1008 befindet.
Der erste Kanal 1004, der zweite Kanal 1006 und der dritte Kanal 1008 können jeweils Kanalbreiten von etwa 1 mm bis 3 mm haben. Die Kanalhöhe kann etwa 1 mm betragen. Bei einer anderen Ausführungsform sind der erste Kanal 1004, der zweite Kanal 1006 und/oder der dritte Kanal 1008 Mikrofluidikkanäle mit einer Breiten- und Höhen-Abmessung von weniger als 1 mm. Der erste Kanal 1004, der zweite Kanal 1006 und der dritte Kanal 1008 können jeweils einen rechteckigen, quadratischen oder halbkreisförmigen Querschnitt haben.
Bei einigen Ausführungsformen sind der erste Kanal 1004 und/oder der zweite Kanal 1006 mit dem dritten Kanal 1008 verbunden. Auf diese Weise fließt Fluid, das durch den ersten Kanal 1004 fließt, schließlich durch den dritten Kanal 1008, und ebenso fließt Fluid, das durch den zweiten Kanal 1006 fließt, schließlich ebenfalls durch den dritten Kanal 1008. Bei einigen Ausführungsformen fließt Fluid aus dem dritten Kanal 1008 schließlich in eine Abwasserkammer 1016, die alle Fluide sammelt, die durch die Patrone 1000 fließen. Die Abwasserkammer 1016 kann eine Entlüftungsöffnung (nicht dargestellt) in die Atmosphäre haben, um einen Rückstau-Aufbau in dem Fluidiksystem zu vermeiden.
Bei einigen Ausführungsformen weisen die Einlässe 1010a und 1010b jeweils einen Stopfen 1012a bzw. 1012b auf. Die Stopfen 1012a und 1012b können aus einem weichen, nachgiebigen Material bestehen, das genau in den Einlass 1010a oder 1010b passt, um ihn gegen einen Fluidverlust zu schützen. Der Stopfen 1012a oder 1012b kann aus einem Polymermaterial, wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE), oder Kork bestehen. Der Stopfen 1012a oder 1012b kann den Einlass 1010a oder 1010b abdichten, wobei eine Kapillare den Stopfen 1012a oder 1012b durchstechen kann, ohne die Fluidikdichtung zu beeinträchtigen. Die Kapillare kann ein nadelartiges Röhrchen sein, wie etwa eine Spritzennadel. Die Kapillare kann ein hartes, steifes Material aufweisen, wie etwa ein Metall oder einen Hartkunststoff. Die Verbindung der Kapillare mit der Patrone 1000 wird später näher beschrieben, wenn die Verbindung der Patrone 1000 mit einem Analysator erörtert wird.
Die Patrone 1000 weist einen Probeneinlass 1014 auf, der so eingerichtet ist, dass er eine Probe in den ersten Kanal 1004 (der in 10 gezeigt ist) oder den zweiten Kanal 1006 einleitet. In einem Beispiel kann eine Blutprobe über den Probeneinlass 1014 in das Fluidiksystem platziert werden. Nachdem die Probe eingeleitet worden ist, kann der Probeneinlass 1014 unter Verwendung einer Kappe oder einer anderen ähnlichen Struktur abgedichtet werden, um eine lecksichere Dichtung um den Probeneinlass 1014 herzustellen. Bei der Kanal-Anordnung, die in 10 gezeigt ist, vermischt sich Fluid, das von dem Einlass 1010a durch den ersten Kanal 1004 fließt, mit einer Probe, die über den Probeneinlass 1014 eingeleitet wird, und das Gemisch fließt über die Öffnung 814 und die Referenz-Elektrode 906 in den dritten Kanal 1008. Nachdem die Probe dem Sensor-Array, das über die Öffnung 814 freigelegt ist, zugeführt worden ist, kann eine Wechselwirkung zwischen den Biomolekülen erfolgen, und die FET-Sensoren können zum Detektieren des Vorhandenseins bestimmter Analyten in der Probe oder zum Messen ihrer Konzentration verwendet werden. Das Fluid kann mittels einer durch Druck angetriebenen Strömung entlang und zwischen den verschiedenen Kanälen bewegt werden. Der Druck kann mit einer Spritze erzeugt werden, die Flüssigkeit oder Luft durch die Patrone 1000 drückt, oder durch Druckluft, die gegen die Flüssigkeit drückt, um nur einige Beispiele zu nennen. Weitere Beispiele für Verfahren zum Transportieren von Flüssigkeit durch die Patrone 1000 sind Elektrobefeuchtung oder Verwendung einer chipintegrierten peristaltischen Pumpe. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Fluidvermischung in der Patrone 1000 unter Verwendung eines von mehreren Verfahren zum chipintegrierten Mischen durchgeführt werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind. Die Abmessungen der Fluidikkanäle der Patrone 1000 können so groß sein, dass eine gewisse Fluidvermischung auf Grund der turbulenten Strömung der Flüssigkeit bei ihrer Bewegung durch den Kanal erfolgt. Es dürfte klar sein, dass sich die Position des Probeneinlasses 1014 ändern kann. Zum Beispiel kann sich der Probeneinlass 1014 direkt über der Öffnung 814 befinden, sodass eine Probe, die in den Probeneinlass 1014 eingeleitet wird, auch über das Sensor-Array eingeleitet wird, das durch die Öffnung 814 freigelegt ist.
Nachdem das Substrat 902 in das Gehäuse ₁₀₀₂ integriert worden ist, kann bei einer Ausführungsform das Sensor-Array, auf das über die Öffnung 814 zugegriffen wird, mit verschiedenen Fangreagenzien funktionalisiert werden. Dieser Prozess kann das Leiten einer Pufferlösung, die die Fangreagenzien aufweist, durch den dritten Kanal 1008 umfassen, sodass die Fangreagenzien die Möglichkeit haben, sich an die verschiedenen FET-Sensoren in dem Sensor-Array zu binden. In einem anderen Beispiel werden die Fangreagenzien direkt über der Öffnung 814 zugeführt, wenn sich der Probeneinlass 1014 über der Öffnung 814 befindet. Nachdem die Fangreagenzien immobilisiert worden sind, kann der Probeneinlass 1014 abgedichtet werden, sodass die Patrone 1000 bis zur Durchführung eines biologischen Abtasttests gelagert werden kann. Die Fangreagenzien können in ihrer Anfangspufferlösung verbleiben, oder es kann eine frische Pufferlösung zugeführt werden, um die Fangreagenzien zu konservieren, während die Patrone 1000 auf den Test wartet. Nachstehend werden Beispiele für verschiedene Fangreagenzien und Tests beschrieben, die mit den Fangreagenzien durchgeführt werden.
In 11 ist ein weiteres Design für die verschiedenen Fluidikkanäle der Patrone 1000 gezeigt. Bei diesem Design laufen ein erster Kanal 1104, der einen ersten Einlass 1102a hat, und ein zweiter Kanal 1106, der einen Einlass 1102b hat, in einem Bereich zusammen, der einen Probeneinlass 1110 hat. Ein dritter Kanal 1108, der eine Öffnung 814 hat, die darin ausgerichtet ist, verbindet den ersten Kanal 1104 an dem Probeneinlass 1110 mit dem zweiten Kanal 1106. Die Öffnung 814 stellt einen Pfad hinunter zu einem Chip bereit, um zumindest das Sensor-Array auf dem Chip für das Fluid in dem dritten Kanal 1108 freizulegen. Fluid, das entweder von dem ersten Kanal 1104 oder dem zweiten Kanal 1106 durch den dritten Kanal 1108 fließt, wird schließlich in einer Abwasserkammer 1112 gesammelt. Das Fluid kann auf Grund der Geometrie der verschiedenen Kanäle oder durch Verwenden von Ventilen zum Absperren bestimmter Kanäle zu der Abwasserkammer 1112 geleitet werden. Der Probeneinlass 1110 kann sich ebenfalls über der Öffnung 814 befinden.
Der erste Kanal 1104, der zweite Kanal 1106 und/oder der dritte Kanal 1108 können eine Blasenfalle 1114 haben. Die Blasenfalle 1114 kann einen Bereich des Fluidikkanals verkörpern, der einen abrupt größeren Querschnitt (oder eine höhere „Decke“) hat, sodass Luft, die sich in der Lösung befindet, in den zusätzlichen Raum aufsteigen kann, der an der Blasenfalle 1114 entsteht. Es können auch andere Blasenfallen-Konfigurationen verwendet werden, wie ein Fachmann erkennen dürfte. Das Entfernen von Luftblasen aus der Lösung, bevor sie das Sensor-Array unter der Öffnung 814 erreicht, kann wichtig sein, um exakte Abtastergebnisse zu gewährleisten.
In 12 ist die Patrone 1000 gezeigt, die mit einem Analysator 1200 zum Durchführen der biologischen Abtastung verbunden ist. Die Patrone 1000 kann zum Beispiel durch Drücken der Patrone 1000 gegen eine Aufnahme-Öffnung des Analysators 1200 in physischen Kontakt mit dem Analysator 1200 gebracht werden. Die Aufnahme-Öffnung des Analysators 1200 kann elektrische Kontaktstellen zum Herstellen von ohmschen Kontakten mit einigen oder allen Randverbindern 908 aufweisen. Ein Rand des Substrats 902 kann genau in eine Aufnahme-Öffnung des Analysators 1200 passen, sodass die Randverbinder 908 gegen entsprechende leitende Kontaktstellen des Analysators 1200 drücken. Weitere Methoden zum Verbinden der Patrone 1000 mit dem Analysator 1200 sind unter anderem, sie miteinander zu verrasten oder sie ineinander zu stecken. Der Analysator 1200 kann so klein sein, dass er leicht transportiert werden kann, und kann in den Handteller eines Erwachsenen passen.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Analysator 1200 mindestens eine erste Spritze 1202a und eine zweite Spritze 1202b auf. Die erste Spritze 1202a und die zweite Spritze 1202b können jeweils Pufferlösungen oder andere Flüssigkeiten enthalten, die beim Betrieb der Patrone 1000 verwendet werden. Die Spritzen 1202a und 1202b haben jeweils eine Nadel 1204a bzw. 1204b, die so ausgerichtet sein kann, dass sie in einen Raum außerhalb des übrigen Teils des Analysators 1200 hinein reicht. Bei einigen Ausführungsformen kann die Nadel 1204a bzw. 1204b so ausgerichtet werden, dass sie durch Drücken der Patrone 1000 gegen die Aufnahme-Öffnung des Analysators 1200 den entsprechenden Stopfen 1012a bzw. 1012b durchsticht und in den Einlass 1010a bzw. 1010b eindringt. Bei dieser Ausführungsform ist die Nadel 1204a bzw. 1204b ein Beispiel für eine Kapillare, die den entsprechenden Stopfen 1012a bzw. 1012b durchsticht. So entsteht eine lecksichere Dichtung zum Überführen einer Lösung von der Spritze 1202a bzw. 1202b in den entsprechenden Einlass 1010a bzw. 1010b der Patrone 1000. Es dürfte klar sein, dass, obwohl hier nur zwei Spritzen, die zu zwei Einlässen ausgerichtet sind, beschrieben werden, jede Anzahl von Spritzen und Fluidikeinlässen verwendet werden kann, wie etwa in einem Beispiel, in dem nur eine Spritze zum Verbinden mit nur einem Einlass verwendet wird. Jede Spritze 1202a bzw. 1202b kann mit einer Lösung zur Verwendung bei verschiedenen Tests vorgeladen werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann jede Spritze 1202a bzw. 1202b von einem Nutzer problemlos herausgenommen und durch eine andere Spritze ersetzt werden.
Der Kolben, der zu jeder Spritze 1202a bzw. 1202b gehört, kann über einen entsprechenden Aktor 1206a bzw. 1206b gesteuert werden. Beispiele für den Aktor 1206a bzw. 1206b sind ein Schrittmotor und ein Induktionsmotor. Die Geschwindigkeit, mit der die Aktoren 1206a und 1206b den Kolben der Spritze 1202a bzw. 1202b betätigen, beeinflusst direkt den Durchsatz der Lösung in den Fluidikkanälen der Patrone 1000. Der Aktor 1206a bzw. 1206b kann über ein Motorsteuermodul 1208a bzw. 1208b gesteuert werden. Das Motorsteuermodul 1208a bzw. 1208b umfasst die Schaltungen, die zum Erzeugen von Spannungen zum Steuern der Geschwindigkeit und des Betriebs des Aktors 1206a bzw. 1206b benötigt werden, wie einem Fachmann klar sein dürfte.
Alle elektrischen Verbindungen, die zu den Randverbindern 908 der Patrone 1000 hergestellt werden, können zu einer Abtastelektronik 1210 geführt werden. Die Abtastelektronik 1210 kann jede Anzahl von diskreten Schaltkreisen, integrierten Schaltkreisen und diskreten anlogen Schaltkreiskomponenten umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie zahlreiche verschiedene elektrische Signale zwischen der Abtastelektronik 1210 und den Randverbindern 908 sowohl bereitstellen als auch empfangen. Zum Beispiel kann die Abtastelektronik 1210 so konfiguriert sein, dass sie Strom-, Erdungs- und Taktsignale für die Randverbinder 908 bereitstellt, die im Wesentlichen dazu dienen können, das Sensor-Array und andere Elektronik auf dem Chip 702 mit Strom zu versorgen und zu betreiben. Die Abtastelektronik 1210 kann außerdem verschiedene Vorspannungspegel zum Aktivieren der Gates bestimmter FET-Sensoren in dem Sensor-Array bereitstellen. Die Abtastelektronik 1210 kann Signale empfangen, die Drain-Ströme darstellen, die von bestimmten FET-Sensoren gemessen werden, und kann Signale empfangen, die Ausgangssignale von Temperatursensoren auf dem Chip 702 darstellen. Die Abtastelektronik 1210 kann diese empfangenen Daten in einem Speicher speichern oder kann die empfangenen Daten dazu verwenden, die Vorspannungspegel zu ändern oder die Wärmemenge zu ändern, die von den Heizelementen auf dem Chip 702 erzeugt wird. Im Allgemeinen steuert die Abtastelektronik 1210 alle Signale, die in Zusammenhang mit der Bioabtastung stehen, die von dem Sensor-Array der Patrone 1000 durchgeführt wird.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Analysator 1200 außerdem einen Prozessor 1212 auf, der die Funktionen und die Zeitsteuerung jedes der anderen Module des Analysators 1200 steuert, wie etwa des Motorsteuermoduls 1208a bzw. 1208b und der Abtastelektronik 1210. Der Prozessor 1212 kann eine Art zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) oder Microcontroller sein und kann von einem Nutzer so programmiert werden, dass er bestimmte Funktionen in Zusammenhang mit dem Betrieb des Analysators 1200 ausführt. Der Prozessor 1212 kann so konfiguriert sein, dass er Signale analysiert, die von der Abtastelektronik 1210 empfangen werden, um einen Konzentrationswert eines gegebenen Analyten aus der Probe in der Patrone 1000 zu bestimmen. Daten, die sich auf die ermittelten Konzentrationswerte beziehen, können in einem Speicher des Analysators 1200 gespeichert werden. Bei einer weiteren Ausführungsform bestimmt die Abtastelektronik 1210 einen Konzentrationswert eines gegebenen Analyten aus der Probe in der Patrone 1000 und ist weiterhin so konfiguriert, dass sie Daten, die sich auf die ermittelten Konzentrationswerte beziehen, in einem Speicher des Analysators 1200 speichert.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Analysator 1200 ein Kommunikationsmodul 1214 auf, das so konfiguriert ist, dass es Daten an eine externe Verarbeitungsvorrichtung sendet. Der Prozessor 1212 kann mit dem Kommunikationsmodul 1214 elektrisch verbunden werden, um die Datenübertragung zu steuern. Die Kommunikation kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Beispiele für die drahtgebundene Kommunikation sind Datenübertragung über ein Netzwerkkabel oder Datenübertragung über ein USB-Kabel (USB: universal serial bus). Die drahtlose Kommunikation kann Hochfrequenz-Übertragung, Bluetooth, WiFi, 3G oder 4G umfassen. Das Kommunikationsmodul 1214 kann ebenfalls so konfiguriert sein, dass es Daten von der externen Verarbeitungsvorrichtung empfängt. Zum Beispiel kann ein Programm für die Verfahrensweise zum Betreiben der verschiedenen Komponenten des Analysators 1200 an das Kommunikationsmodul 1214 gesendet werden und von dem Prozessor 1212 abgearbeitet werden. Das Kommunikationsmodul 1214 kann jede Anzahl von bekannten Hardware-Komponenten zum Unterstützen von analoger und/oder digitaler Datenübertragung und -empfang umfassen.
Nachdem eine Bioabtastung durchgeführt worden ist, kann die Patrone 1000 aus dem Analysator 1200 herausgenommen werden und verworfen werden. Außerdem können die Spritzen 1202a und 1202b aus dem Analysator 1200 herausgenommen werden und verworfen werden. Somit verbleiben alle Reagenzien entweder in der Patrone 1000 oder in den Spritzen 1202a und 1202b, und es wird kein anderer Teil des Analysators 1200 verunreinigt. Auf diese Weise kann ein einzelner Analysator 1200 zum Testen einer Anzahl von weiteren Patronen wieder verwendet werden, wobei jede Patrone einzeln mit verschiedenen Fangreagenzien funktionalisiert werden kann, um einen anderen Bioabtasttest durchzuführen.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden die Spritzen 1202a und 1202b an der Patrone 1000 integriert, und durch die Verbindung zwischen der Patrone 1000 und dem Analysator 1200 werden die zugehörigen Kolben der Spritzen 1202a und 1202b zu den Aktoren 1206a und 1206b an dem Analysator 1200 ausgerichtet. Bei dieser Ausführungsform weist der Analysator 1200 überhaupt keine Behälter auf, die Reagenzien enthalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Patrone 1000 eine oder mehrere Kapillaren auf, die durch den entsprechenden Stopfen 1012a bzw. 1012b gestochen werden. Bei dieser Ausführungsform verbinden sich die Kapillaren fluidisch mit den übrigen Spritzen 1202a bzw. 1202b in dem Analysator 1200, wenn die Patrone 1000 mit dem Analysator 1200 verbunden wird. Nachdem ein Bioabtasttest durchgeführt worden ist, kann die Patrone 1000 zusammen mit ihren Kapillaren aus dem Analysator 1200 herausgenommen werden und entsorgt werden.
In 13 ist ein beispielhaftes Verfahren 1300 dargestellt. Das Verfahren 1300 kann von dem Analysator 1200 durchgeführt werden, nachdem die Patrone 1000 mit dem Analysator 1200 verbunden worden ist. Weitere Schritte, die sich auf den Fluidtransport und die elektrische Messung beziehen und nicht in 13 gezeigt sind, können vor, zwischen oder nach den angegebenen Schritten des Verfahrens 1300 ausgeführt werden. Die verschiedenen Schritte des Verfahrens 1300 können in einer anderen Reihenfolge als der dargestellten ausgeführt werden. Bei einer Ausführungsform wird das Verfahren 1300 erst dann durchgeführt, nachdem die Fangreagenzien in der Patrone 1000 immobilisiert worden sind.
Im Bock 1302 fließt eine erste Lösung durch einen ersten Kanal einer Patrone. Die erste Lösung kann über einen Einlass, der mit dem ersten Kanal verbunden ist, in die Patrone gelangen. Die erste Lösung kann von einer Spritze bereitgestellt werden, die eine Nadel hat, die einen Stopfen durchsticht, der sich an dem Einlass des ersten Kanals befindet. Die erste Lösung kann eine Pufferlösung zum Herstellen eines stabilen pH-Milieus sein.
Im Bock 1304 werden die Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung des Sensor-Arrays in der ersten Lösung kalibriert. Die Kalibrierung kann zum Messen eines Rausch- oder Hintergrundsignals der verschiedenen FET-Sensoren durchgeführt werden. Die Messergebnisse können gespeichert und später bei der Detektion von Biomolekülen von dem gemessenen Signal subtrahiert werden, um zu versuchen, das Rauschen zu verringern und ein deutlicheres Detektionssignal zu erzielen. Die erste Lösung muss sich über dem Sensor-Array und der Referenz-Elektrode, die in dem Hauptdetektionskanal angeordnet ist, befinden, um die Kalibrierung durchzuführen. Bei einigen Ausführungsformen fließt die erste Lösung während der Kalibrierungsmessung nicht. Bei einigen Ausführungsformen stellt die Kalibrierungsmessung die Grundschwellenspannung für die FET-Sensoren dar.
Im Bock 1306 wird eine Probe über einen Probeneinlass in das Fluidik-Netzwerk der Patrone eingeleitet. Die Probe kann eine flüssige Probe, wie etwa eine Blutprobe, sein. Bei einigen Ausführungsformen ist die Probe eine halbfeste Probe, die in der Lösung zerfällt. Nachdem die Probe über den Probeneinlass eingeleitet worden ist, kann der Probeneinlass unter Verwendung einer Kappe oder einer anderen ähnlichen Struktur abgedichtet werden.
Im Bock 1308 fließt eine zweite Lösung durch einen zweiten Kanal der Patrone. Die zweite Lösung kann die gleiche Lösung wie die erste Lösung sein. Die Wege der zweiten Lösung können sich mit denen der Probe kreuzen, die im Bock 1306 in das Fluidiksystem eingeleitet worden ist, und die zweite Lösung kann sich mit der Probe vermischen. Das Gemisch aus der Probe und der zweiten Lösung kann dann durch den zweiten Kanal und in den Hauptdetektionskanal fließen, in dem sich das Sensor-Array befindet. Die zweite Lösung kann einer Pufferlösung sein. In einem Beispiel ist die zweite Lösung eine Lysepufferlösung. Die zweite Lösung kann mittels einer durch Druck angetriebenen Strömung entlang und zwischen den verschiedenen Kanälen bewegt werden. Der Druck kann mit einer Spritze erzeugt werden, die Flüssigkeit oder Luft durch die Patrone drückt, oder durch Druckluft, die gegen die zweite Lösung drückt, um nur einige Beispiele zu nennen. Weitere Beispiele für Verfahren zum Befördern der zweiten Lösung durch die Patrone sind Elektrobefeuchtung und Verwendung einer chipintegrierten peristaltischen Pumpe.
Im Bock 1310 werden Biomoleküle, die sich in der Probe befinden, über dem Sensor-Array inkubiert. Die Inkubation kann eine bestimmte Zeit lang, zum Beispiel 30 s bis 10 min, durchgeführt werden. Während der Inkubation fließt die Probe, die mit der zweiten Lösung vermischt ist, möglicherweise nicht, oder sie fließt mit einer sehr geringen Fließgeschwindigkeit. Die Fließgeschwindigkeit kann so konzipiert werden, dass eine Zeit lang frische Lösung über dem Sensor-Array bereitgestellt wird, aber die Strömung nicht so stark ist, dass die Fangreagenzien beschädigt werden oder keine Bindungsreaktionen auftreten können.
Im Bock 1312 wird nach dem Ablauf der Inkubationszeit eine dritte Lösung durch den ersten Kanal der Patrone und durch den Hauptdetektionskanal geleitet, um im Wesentlichen die gesamte Probe, die mit der zweiten Lösung vermischt ist, in die Abwasserkammer zu drücken. Die dritte Lösung kann eine bestimmte Zeit lang durch den Hauptdetektionskanal eingespritzt werden, um zu gewährleisten, dass die Probe aus dem Hauptdetektionskanal entfernt worden ist. Die dritte Lösung, die in dem Bock 1312 verwendet wird, sollte idealerweise die Gleiche wie die erste Lösung sein. Bei einer weiteren Ausfiihrungsform ist die dritte Lösung von der ersten Lösung verschieden. Die dritte Lösung kann einer Pufferlösung sein.
Im Bock 1314 wird das Ausgangssignal von dem Sensor-Array gemessen, um zu ermitteln, ob Bindungsreaktionen aufgetreten sind. Das Sensor-Ausgangssignal kann ein Drain-Strom sein, der von einem oder mehreren der Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung in dem Sensor-Array gemessen wird. Der gemessene Drain-Strom kann mit einem Drain-Strom verglichen werden, der während der Kalibrierung dieses Sensors im Bock 1304 gemessen worden ist. Wenn sich die Schwellenspannung (die z. B. annähernd der Spannung entspricht, die zum Einschalten des FET und zum Fließenlassen des Drain-Stroms erforderlich ist) gegenüber dem Zeitpunkt der Kalibrierung des Sensors geändert hat, kann festgestellt werden, dass eine Bindungsreaktion aufgetreten ist und ein Target-Analyt in der Probe vorhanden war. Die Größe und das Vorzeichen der Änderung der Schwellenspannung können von zahlreichen Faktoren abhängen, wie etwa davon, ob der Dual-Gate-FET-Sensor mit Rückseitenabtastung ein n-Kanal-Bauelement oder ein p-Kanal-Bauelement ist, von der Art des detektierten Analyten und von der Größe der positiven oder negativen Ladung, die mit den Analyten verbunden ist. In einem anderen Beispiel ist das gemessene Ausgangssignal von dem Sensor-Array die Schwellenspannung selbst, die mit einer Schwellenspannung verglichen werden kann, die bei der Kalibrierung dieses Sensors im Bock 1304 gemessen worden ist.
Chemie, Biologie und Schnittstelle
Die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren der Erfindung, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, können zum Detektieren und/oder Überwachen von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Entitäten verwendet werden. Die Wechselwirkungen umfassen biologische und chemische Reaktionen zum Detektieren von Target-Analyten in einer Testprobe. Als ein Beispiel können Reaktionen, wie etwa physikalische, chemische, biochemische oder biologische Umwandlungen, überwacht werden, um die Entstehung von Zwischenprodukten, Nebenprodukten, Produkten und Kombinationen davon zu detektieren. Darüber hinaus können die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren der Erfindung zum Detektieren dieser Reaktionen in verschiedenen Assays, die hier beschrieben sind, verwendet werden, unter anderem Assays von zirkulierenden Tumorzellen, die bei Flüssigkeitsbiopsien verwendet werden, und Chelatbildungs-Assays zum Detektieren von Schwermetallen und anderen Umweltschadstoffen. Diese Assays und Reaktionen können in einem einzelnen Format oder in einem Array-Format, z. B. zum Detektieren mehrerer Target-Analyten, überwacht werden.
Beispiele für die biologische Abtastung mit einem DGBSS-FET-Sensor
In 14 wird ein beispielhafter Bioabtasttest unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Dual-Gate-FET-Sensors mit Rückseitenabtastung durchgeführt. Eine Proben-DNA 1404 (ein Beispiel für ein Fangreagens) wird mittels eines Verbindungsmoleküls 1402 an die Grenzschicht 508 gebunden. Das Verbindungsmolekül 1402 kann eine reaktive chemische Gruppe haben, die sich an einen Teil der Grenzschicht 508 bindet. Ein Beispiel für Verbindungsmoleküle sind Thiole. Verbindungsmoleküle können auch durch Silanisierung der Oberfläche der Grenzschicht 508 oder durch Behandeln der Oberfläche der Grenzschicht 508 mit Ammoniak(NH₃)-Plasma zur Bildung von reaktiven NH₂-Gruppen auf der Oberfläche gebildet werden. Der Silanisierungsprozess umfasst das Behandeln der Oberfläche der Grenzschicht 508 nacheinander mit verschiedenen Chemikalien zur Bildung von kovalent gebundenen Molekülen auf der Oberfläche der Grenzschicht 508, wie einem Fachmann bekannt sein dürfte. Die Proben-DNA 1404 stellt eine einzelsträngige DNA dar. Bei einer Ausführungsform wird das Verbindungsmolekül 1402 an die Grenzschicht 508 gebunden, bevor Schritte des Verfahrens 1300 ausgeführt werden. Die Proben-DNA 1404 kann auch an das Verbindungsmolekül 1402 gebunden werden, bevor Schritte des Verfahrens 1300 ausgeführt werden. In einem weiteren Beispiel wird die Proben-DNA 1404 bereits im Bock 1302 des Verfahrens 1300 an das Verbindungsmolekül 1402 gebunden.
Der Dual-Gate-FET-Sensor mit Rückseitenabtastung, der in 14 gezeigt ist, ist bei einer Ausführungsform ein FET in einem Sensor-Array, das sich auf einem Chip befindet, wie etwa dem vorstehend beschriebenen Chip 702. Das Verbindungsmolekül 1402 kann an die Grenzschicht 508 gebunden werden, bevor ein Wafer, der den Chip 702 enthält, zersägt wird, um den Chip 702 von dem Wafer zu trennen.
Die Proben-DNA 1404 kann auf der Grenzschicht 508 immobilisiert werden, bevor der FET-Sensor eine Probe 1401 erhält. Die Probe 1401 kann eine passende einzelsträngige DNA-Sequenz 1406 umfassen, die sich fest an die zu ihr passende Proben-DNA 1404 bindet. Die Bindung weiterer DNA erhöht die negative Ladung, die auf der Grenzschicht 508 und direkt über dem Kanalbereich 208 des FET-Sensors vorhanden ist.
Die DNA-Bindung ist konzeptionell in 15A dargestellt. Hier bindet sich eine Proben-DNA, die die Nucleinsäuresequenz TCGA hat, an ihren komplementär passenden Strang, der die Nucleinsäuresequenz AGCT hat. Alle nicht passenden Sequenzen hybridisieren nicht mit den Proben-DNA-Sequenzen. Die Bindung der passenden DNA erhöht die negative Ladung, die an der Grenzfläche der Grenzschicht 508 entsteht. In dem Beispiel, das in 15A gezeigt ist, ist die Grenzschicht 508 Hafniumoxid.
15B zeigt eine Änderung der Schwellenspannung des Dual-Gate-FET-Sensors mit Rückseitenabtastung, wenn passende DNA an die Oberfläche der Grenzschicht 508 gebunden wird. Kurz gesagt, eine Spannung wird an das Fluid-Gate 510 angelegt, bis sich der FET-Sensor „einschaltet“ und Strom zwischen dem Drain-Bereich 206 und dem Source-Bereich 204 fließt. Wenn auf Grund der komplementären DNA-Bindung mehr negative Ladung an der Grenzschicht 508 vorhanden ist, ist eine höhere Spannung zum Herstellen der leitenden Inversionsschicht in dem Kanalbereich 208 erforderlich. Somit kann bei einer Ausfiihrungsform eine höhere Spannung an das Fluid-Gate 510 angelegt werden, bevor der FET-Sensor als Leiter wirkt und ein I_ds-Strom fließt. Diese Differenz in der Schwellenspannung kann gemessen werden und zum Ermitteln nicht nur des Vorhandenseins der zu dem Target passenden DNA-Sequenz, sondern auch ihrer Konzentration verwendet werden. Es dürfte klar sein, dass eine netto-positive gespeicherte Ladung an der Grenzschicht 508 zu einem Absinken der Schwellenspannung statt zu einem Anstieg führt. Darüber hinaus hat die Änderung der Schwellenspannung für einen n-Kanal-FET ein Vorzeichen, das dem für einen p-Kanal-FET entgegengesetzt ist.
In 16 wird ein weiterer beispielhafter Bioabtasttest unter Verwendung des Dual-Gate-FET-Sensors mit Rückseitenabtastung durchgeführt. Proben-Antikörper 1604 (ein weiteres Beispiel für Fangreagenzien) werden mittels Verbindungsmolekülen 1602 an die Grenzschicht 508 gebunden. Die Verbindungsmoleküle 1602 können eine reaktive chemische Gruppe haben, die sich an einen Teil der Grenzschicht 508 bindet. Eine Probenlösung 1601 kann über den Proben-Antikörpern 1604 bereitgestellt werden, um zu ermitteln, ob sich die passenden Antigene in der Probenlösung 1601 befinden. Bei einer Ausführungsform werden die Verbindungsmoleküle 1602 an die Grenzschicht 508 gebunden, bevor Schritte des Verfahrens 1300 ausgeführt werden. Die Proben-Antikörper 1604 können auch an die Verbindungsmoleküle 1602 gebunden werden, bevor Schritte des Verfahrens 1300 ausgeführt werden. In einem weiteren Beispiel werden die Proben-Antikörper 1604 bereits im Bock 1302 des Verfahrens 1300 an die Verbindungsmoleküle 1602 gebunden.
In 17 ist der Prozess der Bindung der passenden Antigene an die Proben-Antikörper 1604 dargestellt. Hier binden sich passende Antigene an die immobilisierten Proben-Antikörper, während sich nicht-passende Antigene nicht binden. Ähnlich wie bei dem vorstehend beschriebenen DNA-Hybridisierungsprozess ändern die passenden Antigene die gespeicherte Ladung, die an der Grenzschicht 508 vorhanden ist. Die Änderung der Schwellenspannung auf Grund der gespeicherten Ladung von den passenden Antikörpern, die sich an die Proben-Antikörper binden, wird im Wesentlichen in der gleichen Weise gemessen, die vorstehend unter Bezugnahme auf 15B erörtert worden ist.
Schlussbemerkungen
Es ist klar, dass der Abschnitt „Detaillierte Beschreibung“ und nicht der Abschnitt „Zusammenfassung“ zum Interpretieren der Ansprüche verwendet werden soll. Der Abschnitt „Zusammenfassung“ kann eine oder mehrere, aber nicht alle, beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darlegen, die von den Erfindern in Betracht gezogen werden, und soll daher in keiner Weise die vorliegende Erfindung und die beigefügten Ansprüche beschränken.
Es dürfte klar sein, dass die hier verwendete Phraseologie oder Terminologie der Beschreibung und nicht der Beschränkung dient, sodass die Phraseologie oder Terminologie der vorliegenden Patentbeschreibung von einem Fachmann vor dem Hintergrund der Grundsätze interpretiert werden soll.
Der Umfang und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung dürfen nicht durch eine der vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt werden, sondern sollen nur gemäß den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0200438 [0043]
US 2014/0252421 [0043]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ellington und Szostak, 1990, 1992; Tuerk und Gold, 1990 [0028]
Eugene W. M Ng et al., 2006 [0028]
Moschou et al. in „Surface and Electrical Characterization of Ag/AgCl Pseudo-Reference Electrodes Manufactured with Commercially Available PCB Technologies“ („Oberflächen- und elektrische Charakterisierung von Ag/AgCl-Pseudo-Referenz-Elektroden, die mit Technologien für handelsübliche Leiterplatten hergestellt werden“), Sensors, Jg. 15(8), 2015, S. 18102 - 18113 [0061]

Claims

Fluidikpatrone mit: einem Substrat, das Folgendes aufweist: eine Vielzahl von Kontakt-Pads, die so konfiguriert sind, dass sie sich elektrisch mit einem Analysator verbinden, einen Halbleiterchip, der ein Array von Sensoren umfasst, und eine Referenz-Elektrode; einem ersten Fluidikkanal, der einen ersten Einlass hat und mit einem zweiten Fluidikkanal verbunden ist, wobei der zweite Fluidikkanal so ausgerichtet ist, dass das Array von Sensoren und die Referenz-Elektrode in dem zweiten Fluidikkanal angeordnet sind; einem Probeneinlass zum Platzieren einer Probe in einem Pfad des ersten Fluidikkanals oder des zweiten Fluidikkanals; und einem ersten Stopfen, der an dem ersten Einlass angeordnet ist und ein nachgiebiges Material aufweist, das so konfiguriert ist, dass es von einer Kapillare durchstochen werden kann, ohne dass Flüssigkeit durch den ersten Stopfen durchsickert.
Fluidikpatrone nach Anspruch 1, die weiterhin einen dritten Fluidikkanal aufweist, der einen zweiten Einlass hat.
Fluidikpatrone nach Anspruch 2, wobei der dritte Fluidikkanal mit dem zweiten Fluidikkanal verbunden ist.
Fluidikpatrone nach Anspruch 2 oder 3, die weiterhin einen zweiten Stopfen aufweist, der an dem zweiten Einlass angeordnet ist und ein nachgiebiges Material aufweist, das so konfiguriert ist, dass es von einer Kapillare durchstochen werden kann, ohne dass Flüssigkeit durch den zweiten Stopfen durchsickert.
Fluidikpatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Stopfen und der zweite Stopfen so konfiguriert sind, dass sie sich zu einer ersten Kapillare und einer zweiten Kapillare ausrichten, die mit dem Analysator verbunden sind, und sich die mehreren Kontakt-Pads mit dem Analysator verbinden, wenn die Fluidikpatrone und der Analysator in physischen Kontakt gebracht werden.
Fluidikpatrone nach Anspruch 5, wobei die erste Kapillare und die zweite Kapillare den ersten Stopfen bzw. den Stopfen durchstechen, wenn die Fluidikpatrone und der Analysator in physischen Kontakt gebracht werden.
Fluidikpatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat eine Leiterplatte ist.
Fluidikpatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine Abwasserkammer aufweist, die mit dem zweiten Fluidikkanal verbunden ist.
Fluidikpatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere Sensoren des Arrays von Sensoren eine Vielzahl von Proben-Molekülen aufweisen, die so konfiguriert sind, dass sie sich an ein Target-Molekül binden, das in der Probe vorhanden ist.
Fluidikpatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Array von Sensoren ein Array von Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung umfasst.
Fluidikpatrone mit: einem ersten Fluidikkanal, der einen ersten Einlass hat und mit einem zweiten Fluidikkanal verbunden ist, wobei der zweite Fluidikkanal so ausgerichtet ist, dass ein Array von Sensoren und eine Referenz-Elektrode in dem zweiten Fluidikkanal angeordnet sind; einem Probeneinlass zum Platzieren einer Probe in einem Pfad des ersten Fluidikkanals oder des zweiten Fluidikkanals; und einem ersten Stopfen, der an dem ersten Einlass angeordnet ist und ein nachgiebiges Material aufweist, das so konfiguriert ist, dass es von einer Kapillare durchstochen werden kann, ohne dass Flüssigkeit durch den ersten Stopfen durchsickert, wobei die Kapillare mit einem Analysator verbunden wird und den ersten Stopfen durchsticht, wenn die Fluidikpatrone und der Analysator in physischen Kontakt gebracht werden.
Fluidikpatrone nach Anspruch 11, wobei das Array von Sensoren ein Array von Dual-Gate-FET-Sensoren mit Rückseitenabtastung umfasst.
Fluidikpatrone nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein oder mehrere Sensoren des Arrays von Sensoren eine Vielzahl von Proben-Molekülen aufweisen, die so konfiguriert sind, dass sie sich an ein Target-Molekül binden, das in der Probe vorhanden ist.
Fluidikpatrone nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Vielzahl von Proben-Molekülen DNA, RNA und/oder Antikörper umfasst.
Fluidikpatrone nach einem der Ansprüche 11 bis 14, die weiterhin ein Substrat mit einer Vielzahl von Kontakt-Pads, die so konfiguriert sind, dass sie sich mit dem Analysator elektrisch verbinden, einen Halbleiterchip mit dem Array von Sensoren und die Referenz-Elektrode aufweist.
Analysator, der zum Verbinden mit einer Fluidikpatrone konfiguriert ist, mit: einer Spritze, die so angeordnet ist, dass sich eine Nadel der Spritze zu einer entsprechenden Einlassöffnung der Fluidikpatrone ausrichtet, wenn die Fluidikpatrone physisch mit dem Analysator verbunden wird; einem Aktor, der so konfiguriert ist, dass er den Betrieb der Spritze steuert; einem Abtastmodul, das so konfiguriert ist, dass es Signale über eine Vielzahl von leitenden Pads an die Fluidikpatrone sendet und von dieser empfängt, wobei die leitenden Pads in Kontakt mit einer entsprechenden Vielzahl von leitenden Pads an der Fluidikpatrone kommen, wenn die Fluidikpatrone physisch mit dem Analysator verbunden wird; und einem Prozessor, der elektrisch mit dem Abtastmodul verbunden ist und so konfiguriert ist, dass er einen Konzentrationswert eines gegebenen Analyten aus einer Probe in der Fluidikpatrone auf Grund von Signalen ermittelt, die von der Fluidikpatrone empfangen werden.
Analysator nach Anspruch 16, der weiterhin eine Aktorsteuereinheit aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie den Betrieb des Aktors steuert.
Analysator nach Anspruch 17, wobei der Prozessor weiterhin mit der Aktorsteuereinheit elektrisch verbunden ist.
Analysator nach einem der Ansprüche 16 bis 18, der weiterhin mindestens eine weitere Spritze aufweist, die so angeordnet ist, dass sich die Nadel der mindestens einen weiteren Spritze zu einer entsprechenden Einlassöffnung der Fluidikpatrone ausrichtet, wenn die Fluidikpatrone physisch mit dem Analysator verbunden wird.
Analysator nach einem der Ansprüche 16 bis 19, der weiterhin einen Speicher aufweist, der so konfiguriert ist, dass er Daten speichert, die sich auf den von dem Prozessor ermittelten Konzentrationswert eines gegebenen Analyten beziehen.