[发明专利]具有提高的灵敏度的纳米线场效应晶体管生物传感器

说明书

交叉引用相关申请

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2010年12月3日递交的美国临时申请系列号61/419,434和2011年6月7日递交的美国临时申请系列号61/494,373的权利，为所有的目的经由援引将二者以它们的全部内容合并入本文。

发明背景

带电荷的生物分子、化学品和离子的实时的和无标记的传感在很多应用中是有用的，例如毒素检测、疾病诊断和药物筛选。对于高特异性的生物分子检测，已开发了分类为基于荧光的检测或无标记的检测的多种光学传感方法。虽然基于荧光的检测在一些情况下允许达到单个分子的灵敏度，但是不精确的每分子的荧光团数目限制了这些测定的定量性质。包括折射率变化、光学吸收、和拉曼光谱检测的无标记的光学方法是相对简单但是被可度量性和灵敏度所牵制。

据研究高灵敏度的基于MEMS的机械生物传感器使用光学或电子检测设计之一以追踪生物功能化的受体层和靶分子之间特异性结合时的悬臂位移。但是，为了提高灵敏度，必须减小悬臂尺寸到纳米尺度，而这由于在点聚焦过程中的衍射损害了光学检测的前途。虽然集成的压阻的悬臂生物传感器取消了光学检测部件，但是这些装置对准静态表面层的固有检测引起压力并限制这些装置用于追踪基于亲和性的纳秒或微秒级的相互作用的随机性。当靶分子存在于许多弱结合的物质中时，该限制特别确切。

准-1-D半导体纳米线特别适用于高灵敏度的无标记的检测应用。它们微米尺度至纳米尺度的体积和大的表面对体积比分别有利于批量检测(bulk detection)(例如，辐射和表面传感)，例如，用于检测生物化学分子。此前半导体纳米线已有配置为衬底栅控(substrate-gated)FET通道。在绝缘体层上暴露的Si纳米线展现出对于免疫球蛋白<100fM和对于DNA的～10fM的检测限(LOD)。这些传感纳米线也被集成入具有微流体模块的检测系统。

发明概述

对于集成的传感系统的用途，硅纳米线场效应晶体管(Si nwFET)由于它们的可度量性和良好的灵敏度是特别有吸引力的。常规nwFET的共同缺陷是低水平的输出信号，这影响了该装置的最终性能。本发明解决了该问题和其它的需求。

一方面，本发明涉及多线纳米线场效应晶体管(nwFET)装置。在一个实施方式中，该装置包含具有第一端和第二端的传感纳米线和具有第一端和第二端的纳米线FET，其中传感纳米线的第一端与纳米线FET连接以形成节点。传感纳米线和纳米线FET各包含至少一种半导体材料。此外，纳米线FET的第一端与源极(source electrode)连接，纳米线FET的第二端与漏极(drain electrode)连接，且传感纳米线的第二端与基极(base electrode)连接。在进一步的实施方式中，传感纳米线的第一端以约10°和170°之间的角度与纳米线FET连接。

在一个实施方式中，该传感纳米线衍生有多个固定化的对感兴趣的靶有特异性的捕获探针。在进一步的实施方式中，该传感纳米线衍生有自由氨基。加到该装置上的溶液的pH变化改变氨基上的电荷，并因此改变传感纳米线的电学性质，例如导电性。来自传感纳米线的信号由纳米线FET放大产生较好的灵敏度。

在另一实施方式中，nwFET装置包含具有第一端和第二端的传感纳米线和具有第一端和第二端的纳米线FET,并且传感纳米线的第一端以约90°的角度与纳米线FET连接以形成节点，从而产生T型构造。在一个实施方式中，传感纳米线的第一端和第二端与纳米线FET的第一端和第二端在相同的平面。在另一实施方式中，传感纳米线的第二端与纳米线FET的第一端和第二端在不同的平面。

在一个实施方式中，提供了多线纳米线场效应晶体管(nwFET)装置。该装置包含具有第一端和第二端的传感纳米线和具有第一端和第二端的纳米线FET，其中传感纳米线的第一端与纳米线FET连接以形成节点，纳米线FET的第一端与源极连接，纳米线FET的第二端与漏极连接，传感纳米线的第二端与基极连接。所述传感纳米线和纳米线FET各包含至少一种半导体材料。在进一步的实施方式中，传感纳米线的第一端以约10°和约170°之间的角度与纳米线FET连接。在进一步的实施方式中，在硅衬底上例如在氧化硅上制作纳米线。在甚至进一步的实施方式中，传感纳米线和纳米线FET具有约一个或更多个相同的尺寸(例如，大约相同的高度、宽度、宽高比和/或长度)。