[发明专利]场效应晶体管、包含所述晶体管的装置及其形成和使用方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年4月9日提交的名为“FIELD EFFECT NANOPORE DEVICE AND CHEMICAL-STOP NANOPORE ETCHING FOR GENOME SEQUENCING,PROTEIN SEQUENCING AND OTHER APPLICATIONS(用于基因组测序、蛋白质测序和其它应用的场效应纳米孔装置和化学终止纳米孔蚀刻)”的美国临时专利申请序列号No.61/621,966的权益，以及2013年3月15日提交的名为“FIELD EFFECT NANOPORE TRANSISTOR DEVICE METHODS OF FORMING AND USING THE SAME(场效应纳米孔晶体管装置及其形成与使用方法)”的美国临时专利申请序列号No.61/802,235的权益，上述文献的公开内容均以不与本公开内容冲突的方式通过引用纳入本文。

政府许可权利

本申请经政府支持在NIH授予的基金号5R21HG006314下做出。美国政府享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明一般涉及场效应晶体管以及包含所述晶体管的装置。更具体地，本发明涉及适于检测不同材料的场效应晶体管、包含所述晶体管的装置以及形成和使用所述晶体管和装置的方法。

背景技术

可采用不同传感器来检测和表征材料，例如生物学、化学和/或放射性材料。例如，已开发纳米孔或纳米通道传感器来检测并表征生物学材料。近年来，人们对用于检测和表征生物学材料的基于纳米孔的测序方法很有兴趣，因为此类技术相较于其它技术平台具有两个不同的优势，包括：(i)点转导能力和(ii)高速纳米孔移位。基于纳米孔测序生物学材料的方法如下：离子电流封锁(ion current blockade)技术和更近期的横向电子传递(transverse electron transport)技术。尽管这些技术对于递送能够以低成本和合理短期读出三十亿个碱基对的溶液而言具有前景，但其障碍在于一些基本限制。

离子电流封锁技术受限于当检测穿过纳米孔的离子流时的水性溶液中相对低的离子活动性。近期研究显示，在穿过纳米孔装置施加并检测输入步骤的10⁴微秒的时程中出现电流反应，可能限制测序速率低于1000个碱基/秒。另一方面，横向电子传递法因量子点机械噪音而受限于测序速度。在离子电流封锁和横向电子传递技术中，这些限制导致无法开发纳米孔中高速DNA移位的最显著优势。因此，研究者已采取方法使DNA从其在固态纳米孔中数百万个碱基/秒和石墨烯纳米孔中至多1亿个碱基/秒的自然高速移位减慢。

一般而言，全基因组测序需要低成本高质量溶液。所述低成本的技术将导致真正的个性化诊断和个性化治疗。不同的技术的目标在于提供采用不同技术方法的所述溶液。然而，所述系统通常是昂贵的，因而是众多患者所不能负担的。因此，需要具有相对较低的总成本、装置、仪表装置、试剂的积累、耗时和其它资源的装置和方法，即，能够监测一段时间内肿瘤突变并且有利于在甚至穷困国家进行基因组测序的台式测序仪。

发明内容

本发明提供一种改进的场效应晶体管和装置，所述场效应晶体管和装置能够用于感测和表征不同材料。所述场效应晶体管和/或装置包括能够用于多种应用的晶体管，所述应用包括基因组测序、蛋白质测序、生物分子测序和对于离子、分子、化学品、生物分子、金属原子、聚合物、纳米颗粒等的检测。例如，所述方法可用于检测未经修饰的蛋白质、DNA和其它生物分子，或已用化学标签和金属原子标签、纳米颗粒标签、杂交标志物等修饰的蛋白质、DNA、生物分子。

如下文更详细地描述，本发明不同实施方式的示例性装置利用一个或多个场效应晶体管传导机理和电场聚焦(例如，以双特征(bi-feature)，例如，圆锥形或锥形的亚-1000nm～亚-10nm纳米孔)。本文所述的场效应晶体管和装置可以积聚、贫化、部分贫化、完全贫化、反型或体反型(volume inversion)模式操作。