包括局部脫鹽系統的生物傳感器設備和方法
【專利說明】
[0001] 相關申請 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 的權益， 其全部內容并入本文以供參考。
技術領域
[0002] 本公開大體涉及分子探測系統，并且更具體地涉及用于增加分子探測系統的敏感 度的設備、系統和方法。
【背景技術】
[0003] 納米結構傳感器被廣泛地用在醫學和化學工業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。納米結構傳感器通常僅需要非常小的樣品 并且通常是非常敏感的。常見的納米結構傳感器使用電基探測，例如場效應晶體管（FET)。 通常，這些傳感器包括位于兩個電極之間的半導體材料，其中半導體材料被結合劑(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合到傳感器表面上的結合劑會導致 半導體材料的電學性質改變，并且因此能夠被測量并關聯于樣品內化合物的濃度。當尋求 生物樣品或者原生質例如在醫學和臨床分析中的濃度時，這些納米結構傳感器通常被稱為 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構傳感器的側視圖。
[0006] 圖2示出了用于移動離子的示例性電極設置。
[0007] 圖3是根據本公開教導的用于脫鹽樣品的示例性系統的框圖。
[0008] 圖4A示出用于脫鹽樣品的另一示例性系統或設備，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或設備，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或設備的圖釋。
[0011] 圖6是圖5的示例性系統的敏感度與時間的關系圖。
[0012] 圖7示出在操作一段時間之后圖5的示例性系統或設備。
[0013]圖8是圖5和圖7的示例性系統或設備的敏感度與時間的關系圖。
[0014]圖9示出用于脫鹽樣品的另一示例性系統或設備，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或設備的透視圖，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的示例性系統或設備的透視圖，其中兩個電極施加電位。
[0017] 圖12示出了在批量樣品供應系統中使用的用于脫鹽樣品的示例性系統或設備， 其具有流動通道。
[0018] 圖13A是在漏極處的電流與時間關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或設備，其中所述電 極具有增加的高度。
[0024] 圖15A是圖14的示例性系統或設備的俯視圖，其包括具有第一寬度的電極。
[0025] 圖15B是圖14的示例性系統或設備的俯視圖，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或設備的側視圖。
[0027] 圖16B是沿A-A線截取的圖16A的示例性系統或設備的橫截面圖。
[0028] 圖17示出用于脫鹽樣品的示例性系統或設備的示意圖，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的系統或設備的示例性微芯片。
[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或設備的 透視圖。
[0031] 圖20A是用于脫鹽樣品的示例性系統或設備的側視圖。
[0032] 圖20B是用于脫鹽樣品的替代性示例性系統或設備的側視圖。
[0033] 圖21A-D示出了用于在芯片上產生用于脫鹽樣品的示例性系統或設備的示例性 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或設備的透視 圖。
[0035] 圖23是圖22的系統或設備的透視圖，其中電極基本被暴露。
[0036] 圖24是代表根據本公開教導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、系統和/或設備的示例性處 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行的軟件和/或固件以及其他部件的示例 性設備和系統，但是應該注意到的是，這樣的設備和系統僅是示意性的并且不應被看作是 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 在硬件中、專門地實現在軟件中或者實現在硬件和軟件的任意組合中。因此，雖然在下文示 出了示例性設備和系統，但是本領域普通技術人員將容易地意識到，所提供的示例不是實 施這樣的設備和系統的唯一方式。
[0039] 一些納米結構傳感器(例如生物傳感器）使用電基探測，例如場效應晶體管（FET)， 來探測樣品中所需化合物的濃度。這樣的納米結構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)結合或接近而變化的電學性質的改變來操作。傳 感器的表面被結合劑(例如，蛋白、細胞、病毒、核酸、抗原、抗體、基質蛋白、酶、輔酶、配體、 適體、受體等等）功能化以便特定地結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)。如果樣品溶液內的離子濃度較低，則在分析物結合時傳感器的表面的電學性 質會改變，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 相關的凈電荷，并且一旦結合，則分析物的電荷會調制傳感器的部件(例如FET的半導體柵 極）內的電荷密度。對FET柵極上的電荷密度的這種調制的特征在于，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、納米帶等等的半導體結構。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）之間的半導體材料，其中 半導體材料被結合劑(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 如半導體材料(如硅)的材料制成。在一些示例中，半導體材料被摻雜成為η型半導體，并且 在一些示例中，半導體材料被摻雜成為P型半導體。
[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。例如當測量生物材料時，感興趣的分析物結合到傳感器的表面導致半導體材料的電學 性質的變化，如上所述。電學性質被測量并且關聯于樣品內分析物的濃度，并且在非常小的 樣品尺寸的情況下能夠發生這種探測。
[0042] 此外，因為規模的原因，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，這些納米結構傳感器受到樣品流體內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