[发明专利]使用场效应晶体管检测生物分子的方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用场效应晶体管检测靶生物分子的存在或生物分子浓度的方法。

背景技术

包括晶体管的晶体管类生物传感器为一种使用电信号检测生物分子的传感器。利用半导体工艺制造晶体管类生物传感器，因此电信号可在晶体管类生物传感器中快速转换。因此，已进行了对这种传感器的大量研究。

美国专利4238757公开了可用于检测生物反应的场效应晶体管(FET)。利用FET，生物传感器测量由于表面电荷浓度变化引起的半导体反型层(inversion layer)中的电流变化，以便检测抗原-抗体反应。利用使用FET的生物传感器，可检测生物分子中的蛋白质。美国专利4777019公开了用于通过将生物单体吸收到使用FET的栅极的表面上测量生物单体与互补单体杂交的传感器。

美国专利5846708公开了通过使用电荷耦合装置(CCD)消除耦合的生物分子测定杂交存在的方法。美国专利5466348和6203981公开了使用带有电路的薄膜晶体管(TFT)增加信噪比的方法。

FET作为生物传感器的使用降低了成本并减少了检测生物分子所需的时间，并且FET容易与集成电路(IC)/MEMS一起使用。

图1A为常规FET传感器的结构的示意图。参考图1A，FET包括掺杂有n-型或p-型材料的基底11、形成在基底11两侧上并被掺杂以具有与基底11相反极性的源极12a和漏极12b、和形成在基底11上接触源极12a和漏极12b的栅极13。通常，栅极13包括氧化物层14、多晶硅层15和栅电极16。探针生物分子被粘附到面对参比电极17的栅电极16的传感表面上。探针生物分子通过氢键等结合到靶生物分子上，并使用电学方法检测键。

图1B为在图1A所示FET的栅电极16的表面上固定的探针生物分子18并用探针生物分子18结合靶生物分子的过程示意图。参考图1B，流过通道的电流随栅电极16表面上固定探针生物分子18的存在和固定的探针生物分子18与靶生物分子之间键的存在而变化，因此可检测靶生物分子。

在所有常规FET结构中，生物分子如寡核苷酸或PCR产物被固定在栅电极的表面上。使用用于制备微阵列的固定技术或改进技术来固定生物分子。例如在国际公开WO03/062811中，使用湿法用具有正电荷的聚-L-赖氨酸(PLL)处理栅极的表面，使用点样仪在其上点样(spot)DNA，并测量点样前后的电压。

但是，包括固定在栅极表面上的生物分子的FET应在每次使用后处理，而且传感器的响应慢。另外，需要附加的过程如涂敷或沉积附加层来固定生物分子，并预料到由附加过程引起的FET之间特性的差异。而且，点样不能容易地用于在芯片试验室(clab-on-a-chip)中固定生物分子。

发明内容

本发明提供一种连续、容易和准确地检测生物分子的存在和生物分子浓度的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种在传感表面上不用固定生物分子的情况下使用场效应晶体管检测生物分子的存在或生物分子浓度的方法，包括：将具有第一靶生物分子的第一样品提供到场效应晶体管的传感表面上；和测量场效应晶体管的电信号变化，其中场效应晶体管包括：半导体基底；在基底上分开形成并被掺杂以具有与基底相反的极性的源极区域和漏极区域；布置在源极区域和漏极区域之间的通道区域；具有布置在通道区域上的传感表面并由电绝缘材料组成的绝缘层；和布置在绝缘层上方并与其分开的参比电极。

在本发明的一种实施方案中，所述方法还可包括将具有第二靶生物分子的第二样品提供到场效应晶体管的传感表面。

所述方法还可包括在将具有第二靶生物分子的第二样品提供到场效应晶体管的传感表面前用不具有生物分子的溶液洗涤场效应晶体管的传感表面。

电信号可包括漏极电流、栅极-源极电压和源极-漏极电压中的至少一种。

生物分子可为核酸或蛋白质。

核酸可为DNA、RNA、肽核酸(PNA)、锁核酸(LAN)(locked nucleicacid)和它们的杂化物(hydrid)中的一种。

蛋白质可为酶、底物、抗原、抗体、配体、适配体(aptamer)和受体中的一种。

核酸可为聚合酶链式反应(PCR)产物或纯化的PCR产物。

半导体基底可为硅，而电绝缘材料可为二氧化硅、氮化硅和金属氧化物中的一种。

基底可掺杂有n-型材料，源极区域和漏极区域可掺杂有p-型材料。

基底还可掺杂有p-型材料，源极区域和漏极区域可掺杂有n-型材料。

场效应晶体管可形成在微通道中。