包括局部脫鹽系統(tǒng)的生物傳感器設(shè)備和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請 本申請在美國35 U. S. C. $ 119 (e)下要求2012年10月16日提交的名稱為 "LOCALIZED DESALTING SYSTEMS AND METHODS" 的美國臨時專利申請 61/714, 658 的權(quán)益， 其全部內(nèi)容并入本文以供參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開大體涉及分子探測系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于增加分子探測系統(tǒng)的敏感 度的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 納米結(jié)構(gòu)傳感器被廣泛地用在醫(yī)學(xué)和化學(xué)工業(yè)以便測量在樣品中所需化合物(例 如分析物或者其他分子）的存在性和/或濃度。納米結(jié)構(gòu)傳感器通常僅需要非常小的樣品 并且通常是非常敏感的。常見的納米結(jié)構(gòu)傳感器使用電基探測，例如場效應(yīng)晶體管（FET)。 通常，這些傳感器包括位于兩個電極之間的半導(dǎo)體材料，其中半導(dǎo)體材料被結(jié)合劑(例如抗 體或適體）功能化。將感興趣的或目標分子的化合物結(jié)合到傳感器表面上的結(jié)合劑會導(dǎo)致 半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)改變，并且因此能夠被測量并關(guān)聯(lián)于樣品內(nèi)化合物的濃度。當(dāng)尋求 生物樣品或者原生質(zhì)例如在醫(yī)學(xué)和臨床分析中的濃度時，這些納米結(jié)構(gòu)傳感器通常被稱為 生物傳感器。生物傳感器通常被用于測量分析物(例如抗體、抗原等等)在樣品流體(例如血 清、血液或者尿液）中的濃度。
[0004] 鹽或者離子聚積在生物傳感器處并且降低敏感度。使樣品脫鹽或去離子的一些示 例性方法利用使用超濾膜的離線處理。這些方法會經(jīng)受如下問題，即在過濾步驟期間會丟 失掉在低濃度時存在的分析物。另一些示例性方法利用脫鹽技術(shù)方案，例如透析、凝膠過濾 管柱和片上隔膜。這些方法也會存在缺點，包括可能丟失低豐度蛋白、增加成本并增加復(fù)雜 性。
【附圖說明】
[0005] 圖1示出了用于測量和探測樣品中的化合物的示例性納米結(jié)構(gòu)傳感器的側(cè)視圖。
[0006] 圖2示出了用于移動離子的示例性電極設(shè)置。
[0007] 圖3是根據(jù)本公開教導(dǎo)的用于脫鹽樣品的示例性系統(tǒng)的框圖。
[0008] 圖4A示出用于脫鹽樣品的另一示例性系統(tǒng)或設(shè)備，其具有被置于示例性傳感器 上方的示例性電極。
[0009] 圖4B示出用于脫鹽樣品的替代性示例性系統(tǒng)或設(shè)備，其具有被置于示例性傳感 器的基體上的示例性電極。
[0010] 圖5是具有兩個電極的用于脫鹽樣品的另一示例性系統(tǒng)或設(shè)備的圖釋。
[0011] 圖6是圖5的示例性系統(tǒng)的敏感度與時間的關(guān)系圖。
[0012] 圖7示出在操作一段時間之后圖5的示例性系統(tǒng)或設(shè)備。
[0013]圖8是圖5和圖7的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的敏感度與時間的關(guān)系圖。
[0014]圖9示出用于脫鹽樣品的另一示例性系統(tǒng)或設(shè)備，其具有被置于示例性傳感器的 基體上的兩個示例性電極。
[0015] 圖10示出用于脫鹽樣品的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的透視圖，其具有被置于示例性傳 感器的基體上的兩個示例性電極，其中一個電極施加電位。
[0016] 圖11是圖10的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的透視圖，其中兩個電極施加電位。
[0017] 圖12示出了在批量樣品供應(yīng)系統(tǒng)中使用的用于脫鹽樣品的示例性系統(tǒng)或設(shè)備， 其具有流動通道。
[0018] 圖13A是在漏極處的電流與時間關(guān)系的示例性繪圖的圖釋。
[0019] 圖13B是在示例性脫鹽電極處電流與時間關(guān)系的示例性繪圖的圖釋。
[0020] 圖13C是在脫鹽電極處電流與時間關(guān)系的示例性繪圖的圖釋。
[0021] 圖13D是在漏極處電流與在示例性脫鹽電極處的電壓之間關(guān)系的示例性繪圖的 圖釋。
[0022] 圖13E是被脫鹽樣品的體積與示例性脫鹽電極的電壓之間關(guān)系的示例性繪圖的 圖釋。
[0023] 圖14示出了具有示例性電極的用于脫鹽樣品的示例性系統(tǒng)或設(shè)備，其中所述電 極具有增加的高度。
[0024] 圖15A是圖14的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的俯視圖，其包括具有第一寬度的電極。
[0025] 圖15B是圖14的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的俯視圖，其包括具有第二寬度的電極。
[0026] 圖16A是帶有示例性流動通道的用于脫鹽樣品的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的側(cè)視圖。
[0027] 圖16B是沿A-A線截取的圖16A的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的橫截面圖。
[0028] 圖17示出用于脫鹽樣品的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的示意圖，其具有繞示例性傳感器 被放置的多個示例性電極。
[0029] 圖18示出實施圖17的系統(tǒng)或設(shè)備的示例性微芯片。
[0030]圖19是帶有多個電極和多個傳感器的用于脫鹽樣品的另一示例性系統(tǒng)或設(shè)備的 透視圖。
[0031] 圖20A是用于脫鹽樣品的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的側(cè)視圖。
[0032] 圖20B是用于脫鹽樣品的替代性示例性系統(tǒng)或設(shè)備的側(cè)視圖。
[0033] 圖21A-D示出了用于在芯片上產(chǎn)生用于脫鹽樣品的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的示例性 制造過程。
[0034] 圖22是具有被鈍化的示例性電極的用于脫鹽樣品的示例性系統(tǒng)或設(shè)備的透視 圖。
[0035] 圖23是圖22的系統(tǒng)或設(shè)備的透視圖，其中電極基本被暴露。
[0036] 圖24是代表根據(jù)本公開教導(dǎo)的脫鹽樣品的示例性方法的流程圖。
[0037] 圖25示出了可以被用于實施這里公開的示例性方法、系統(tǒng)和/或設(shè)備的示例性處 理器平臺。
【具體實施方式】
[0038] 雖然本說明書公開了包括在硬件上執(zhí)行的軟件和/或固件以及其他部件的示例 性設(shè)備和系統(tǒng)，但是應(yīng)該注意到的是，這樣的設(shè)備和系統(tǒng)僅是示意性的并且不應(yīng)被看作是 限制性的。例如，可以想到，這些硬件、軟件和固件部件中的任意或全部可以被專門地實現(xiàn) 在硬件中、專門地實現(xiàn)在軟件中或者實現(xiàn)在硬件和軟件的任意組合中。因此，雖然在下文示 出了示例性設(shè)備和系統(tǒng)，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地意識到，所提供的示例不是實 施這樣的設(shè)備和系統(tǒng)的唯一方式。
[0039] 一些納米結(jié)構(gòu)傳感器(例如生物傳感器）使用電基探測，例如場效應(yīng)晶體管（FET)， 來探測樣品中所需化合物的濃度。這樣的納米結(jié)構(gòu)傳感器通過測量基于分子(例如化合物、 分析物、抗體、抗原、適體和/或其他物質(zhì))結(jié)合或接近而變化的電學(xué)性質(zhì)的改變來操作。傳 感器的表面被結(jié)合劑(例如，蛋白、細胞、病毒、核酸、抗原、抗體、基質(zhì)蛋白、酶、輔酶、配體、 適體、受體等等）功能化以便特定地結(jié)合于已知為感興趣分析物或目標分子的具體分子(例 如，分析物)。如果樣品溶液內(nèi)的離子濃度較低，則在分析物結(jié)合時傳感器的表面的電學(xué)性 質(zhì)會改變，并且因此傳感器能夠探測到感興趣的分析物。特定地，感興趣的分析物具有與其 相關(guān)的凈電荷，并且一旦結(jié)合，則分析物的電荷會調(diào)制傳感器的部件(例如FET的半導(dǎo)體柵 極）內(nèi)的電荷密度。對FET柵極上的電荷密度的這種調(diào)制的特征在于，電阻、電流、電壓、電 容、阻抗等等中的一者或更多者的變化。
[0040] 在一些示例中，在FET傳感器中的柵極包括納米線。納米線是可以包括例如納米 棒、納米管、納米帶等等的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。此外，示例性納米線具有大縱橫比(例如，長度比寬 度)。在一些示例中，納米線傳感器包括位于兩個電極(例如柵極）之間的半導(dǎo)體材料，其中 半導(dǎo)體材料被結(jié)合劑(例如，抗體、適體等等)功能化。同樣地，在一些示例中，柵極由包括例 如半導(dǎo)體材料(如硅)的材料制成。在一些示例中，半導(dǎo)體材料被摻雜成為η型半導(dǎo)體，并且 在一些示例中，半導(dǎo)體材料被摻雜成為P型半導(dǎo)體。
[0041] 由于敏感度水平，納米線傳感器能夠有利地測量小樣品中感興趣的分析物的濃 度。例如當(dāng)測量生物材料時，感興趣的分析物結(jié)合到傳感器的表面導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的電學(xué) 性質(zhì)的變化，如上所述。電學(xué)性質(zhì)被測量并且關(guān)聯(lián)于樣品內(nèi)分析物的濃度，并且在非常小的 樣品尺寸的情況下能夠發(fā)生這種探測。
[0042] 此外，因為規(guī)模的原因，納米線傳感器是敏感的并且在低離子強度的溶液中具有 低的（阿托摩爾）探測極限。但是，納米線傳感器的敏感度受到高離子強度處的電荷屏蔽的 限制。換言之，這些納米結(jié)構(gòu)傳感器受到樣品流體內(nèi)的能夠扭曲探測操作的離子電荷(例 如，鹽）的影響。
[0043] 德拜長度被定義為距溶液內(nèi)