JP2022511068A - Difference sensor measurement method and equipment - Google Patents
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Abstract
本明細書では、生物学的物質を検出するための半導体ベースのセンサ装置及び方法が説明される。【選択図】図1AThis specification describes semiconductor-based sensor devices and methods for detecting biological material. [Selection diagram] FIG. 1A
Description
バイオセンサは、一般的に、結合分子(本明細書では「検出器分子」とも呼ばれる)と信号変換器とが統合された装置を備えており、特定の標的(例えば、分析物)の存在を認識する信号を提供することができる。バイオセンサは、様々な物理的原理に基づくことができるが、一般的には、結合分子の標的分析物への結合に依存している。結合分子と分析物との間の特異的な結合または反応は、信号を導入し、それが伝達されて測定することができる。バイオセンサは、様々な種類のヒトの細胞、ウイルス、病原体等の高分子認識に対応するように構成することができる。そのため、これらの装置には、人間の健康、食品の安全性、薬物反応、個別化医療への応用など、広範囲にわたる診断上の有用性がある。 Biosensors typically include a device that integrates a binding molecule (also referred to herein as a "detector molecule") with a signal transducer to detect the presence of a particular target (eg, an analyte). It can provide a signal to recognize. Biosensors can be based on a variety of physical principles, but generally rely on the binding of bound molecules to the target analyte. A specific bond or reaction between the bound molecule and the analyte can be measured by introducing a signal, which is transmitted. Biosensors can be configured to address macromolecular recognition of various types of human cells, viruses, pathogens, and the like. Therefore, these devices have a wide range of diagnostic usefulness such as human health, food safety, drug response, and personalized medicine applications.
バイオセンサ開発の大きな課題の一つが信号ノイズである。例えば、センサの中には、抵抗の変化を検出する目的で、オーム計、電圧計、電流計等の外部測定装置に接続されているものがある。そのような場合、センサは大きな流体の中にあり、接続は流体の外で行う必要があるため、非常に長い電極、ケーブル、及び他の回路が使用されている。その結果、電極及び他のコンポーネントは、センサに結合するときに非常に大きな接触抵抗を受ける可能性がある。これらの要因の全ては、測定において重大なノイズとバックグラウンドの原因となる。他のノイズ発生源としては、回路内の誘導ループ、電極が流体と接触している領域において流体によって発生するノイズ、熱ノイズ、及び他の発生源に関連しているものがある。このノイズは、回路の全長と全ての接点の品質にほぼ依存する可能性があり、分析物の結合による抵抗の変化よりもはるかに大きくなる可能性がある。多くの場合、ノイズ及びバックグラウンドは、大規模な外部変動によるものであるため、センサの表面の各部分において同じである。したがって、測定からそのような系統的ノイズを除去する方法は、改良されたバイオセンサにとって非常に望ましい。 One of the major issues in biosensor development is signal noise. For example, some sensors are connected to an external measuring device such as an ohmmeter, voltmeter, or ammeter for the purpose of detecting changes in resistance. In such cases, very long electrodes, cables, and other circuits are used because the sensor is in a large fluid and the connection must be made outside the fluid. As a result, electrodes and other components can experience very high contact resistance when coupled to the sensor. All of these factors cause significant noise and background in the measurement. Other sources of noise include inductive loops in the circuit, noise generated by the fluid in the region where the electrodes are in contact with the fluid, thermal noise, and those associated with other sources. This noise can be largely dependent on the overall length of the circuit and the quality of all contacts and can be much greater than the change in resistance due to the coupling of the analyte. In many cases, the noise and background are the same on each part of the surface of the sensor, as they are due to large external fluctuations. Therefore, a method of removing such systematic noise from measurements is highly desirable for improved biosensors.
本明細書では、生物学的物質を検出するための半導体ベースのセンサ装置及び方法が説明される。 This specification describes semiconductor-based sensor devices and methods for detecting biological material.
一側面では、装置が提供される。前記装置は、検出器分子で機能化された第1絶縁層を備える第1半導体ベースのセンサを備える。前記装置は、前記第1半導体ベースのセンサと電気通信する第2半導体ベースのセンサを更に備える。前記第2半導体ベースのセンサは、第2絶縁層を備える。前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層は、前記第1半導体ベースのセンサ及び前記第2半導体ベースのセンサが分析物を含む流体に露出されるときに、前記第1半導体ベースのセンサの電気的特性の変化が、前記第2半導体ベースのセンサの対応する電気的特性の変化よりも大きくなるように構成されている。 On one side, the device is provided. The device comprises a first semiconductor-based sensor with a first insulating layer functionalized with a detector molecule. The device further comprises a second semiconductor-based sensor that telecommunicationss with the first semiconductor-based sensor. The second semiconductor-based sensor includes a second insulating layer. The first insulating layer and the second insulating layer are the electricity of the first semiconductor-based sensor when the first semiconductor-based sensor and the second semiconductor-based sensor are exposed to a fluid containing an analyte. The change in physical characteristics is configured to be greater than the corresponding change in electrical characteristics of the second semiconductor-based sensor.
他の側面では、装置が提供される。前記装置は、検出器分子で機能化された第1絶縁層を備える第1半導体ベースのセンサを備える。前記装置は、前記第1半導体ベースのセンサと電気通信する第2半導体ベースのセンサを更に備える。前記第2半導体ベースのセンサは、第2絶縁層を備える。前記第1絶縁層の厚さは、前記第2絶縁層の厚さの少なくとも2倍である。 On the other side, the device is provided. The device comprises a first semiconductor-based sensor with a first insulating layer functionalized with a detector molecule. The device further comprises a second semiconductor-based sensor that telecommunicationss with the first semiconductor-based sensor. The second semiconductor-based sensor includes a second insulating layer. The thickness of the first insulating layer is at least twice the thickness of the second insulating layer.
他の側面では、方法が記載される。前記方法は、分析物を含む流体に装置を露出することを含む。前記装置は、検出器分子で機能化された第1絶縁層を備える第1半導体ベースのセンサを備える。前記装置は、前記第1半導体ベースのセンサと電気通信する第2半導体ベースのセンサを更に備える。前記第2半導体ベースのセンサは、第2絶縁層を備える。前記方法は、少なくとも部分的に、前記第1半導体ベースのセンサの電気的特性の変化及び前記第2半導体ベースのセンサの電気的特性の変化に基づいて、差分の電気的特性を決定するために、前記第1半導体ベースのセンサの前記電気的特性の前記変化及び前記第2半導体ベースのセンサの対応する前記電気的特性の前記変化を測定することと、を含む。 On the other side, the method is described. The method comprises exposing the device to a fluid containing the analyte. The device comprises a first semiconductor-based sensor with a first insulating layer functionalized with a detector molecule. The device further comprises a second semiconductor-based sensor that telecommunicationss with the first semiconductor-based sensor. The second semiconductor-based sensor includes a second insulating layer. The method is at least partially to determine the electrical characteristics of the difference based on the changes in the electrical characteristics of the first semiconductor-based sensor and the changes in the electrical characteristics of the second semiconductor-based sensor. Includes measuring said changes in the electrical properties of the first semiconductor-based sensor and corresponding changes in the electrical properties of the second semiconductor-based sensor.
いくつかの実施形態では、前記第2絶縁層は、前記検出器分子で機能化されている。 In some embodiments, the second insulating layer is functionalized with the detector molecule.
場合によっては、前記第1半導体ベースのセンサの電気的特性の変化は、前記第2半導体ベースのセンサの対応する電気的特性の変化よりも少なくとも2倍大きい。 In some cases, the change in electrical properties of the first semiconductor-based sensor is at least twice as large as the corresponding change in electrical properties of the second semiconductor-based sensor.
いくつかの実施形態では、前記第1半導体ベースのセンサと、前記第1半導体ベースのセンサが流体に露出され、前記分析物が前記第1半導体ベースのセンサの前記検出器分子に結合するときに形成される電荷の層との間の静電容量は、前記第2半導体と、前記第2半導体ベースのセンサが前記流体に露出され、前記分析物が前記第2半導体ベースのセンサの前記検出器分子に結合するときに形成される電荷の層との間の静電容量よりも大きい。 In some embodiments, when the first semiconductor-based sensor and the first semiconductor-based sensor are exposed to fluid and the analyte binds to the detector molecule of the first semiconductor-based sensor. The capacitance between the formed layers of charge is such that the second semiconductor and the second semiconductor-based sensor are exposed to the fluid and the analyte is the detector of the second semiconductor-based sensor. Greater than the capacitance between the layers of charge formed when binding to the molecule.
場合によっては、前記第2絶縁層の厚さは、前記第1絶縁層の厚さの2倍以上であり、前記第1絶縁層の厚さの50倍以下である In some cases, the thickness of the second insulating layer is at least twice the thickness of the first insulating layer and at least 50 times the thickness of the first insulating layer.
いくつかの実施形態では、前記第1絶縁層の厚さは、2nm以上5nm以下である。場合によっては、前記第2絶縁層の厚さは、10nm以上100nm以下である。 In some embodiments, the thickness of the first insulating layer is 2 nm or more and 5 nm or less. In some cases, the thickness of the second insulating layer is 10 nm or more and 100 nm or less.
いくつかの実施形態では、前記第1絶縁層の誘電率は、前記第2絶縁層の誘電率よりも大きい。 In some embodiments, the dielectric constant of the first insulating layer is greater than the dielectric constant of the second insulating layer.
いくつかの実施形態では、前記第1絶縁層及び/または前記第2絶縁層は、酸化物を含む。 In some embodiments, the first insulating layer and / or the second insulating layer comprises an oxide.
いくつかの実施形態では、前記検出器分子は、抗体、DNA断片、及び/またはRNA断片を含む。場合によっては、前記検出器分子は、酵素を含む。ある実施形態では、前記検出器分子は、グルコースオキシダーゼを含む。ある実施形態では、前記検出器分子は、ウレアーゼを含む。 In some embodiments, the detector molecule comprises an antibody, a DNA fragment, and / or an RNA fragment. In some cases, the detector molecule comprises an enzyme. In certain embodiments, the detector molecule comprises glucose oxidase. In certain embodiments, the detector molecule comprises urease.
いくつかの実施形態では、前記分析物は、生体分子を含む。場合によっては、前記分析物は、単糖類及び/または多糖類を含む。いくつかの例では、前記分析物は、グルコースを含む。いくつかの実施形態では、前記分析物は、尿素を含む。 In some embodiments, the analyte comprises a biomolecule. In some cases, the analyte comprises monosaccharides and / or polysaccharides. In some examples, the analyte comprises glucose. In some embodiments, the analyte comprises urea.
いくつかの実施形態では、電気的特性は、電圧、抵抗、コンダクタンス、及び電流からなるグループから選択される電気的特性である。 In some embodiments, the electrical property is an electrical property selected from the group consisting of voltage, resistance, conductance, and current.
場合によっては、前記第1半導体ベースのセンサ及び/または前記第2半導体ベースのセンサは、1つ以上のナノワイヤを備える。 In some cases, the first semiconductor-based sensor and / or the second semiconductor-based sensor comprises one or more nanowires.
いくつかの実施形態では、前記第1半導体ベースのセンサは、前記第1絶縁層によって少なくとも部分的に覆われており、及び/または、前記第2半導体ベースのセンサは、前記第2絶縁層によって少なくとも部分的に覆われている。 In some embodiments, the first semiconductor-based sensor is at least partially covered by the first insulating layer and / or the second semiconductor-based sensor is covered by the second insulating layer. At least partially covered.
いくつかの実施形態では、前記第1半導体ベースのセンサ及び/または前記第2半導体ベースのセンサは、電界効果トランジスタを備える。 In some embodiments, the first semiconductor-based sensor and / or the second semiconductor-based sensor comprises a field effect transistor.
場合によっては、前記装置は、少なくとも部分的に、前記第1半導体ベースのセンサの電気的特性の変化及び前記第2半導体ベースのセンサの電気的特性の変化に基づいて、差分の電気的特性を出力するように構成されている。 In some cases, the device may, at least in part, obtain differential electrical characteristics based on changes in the electrical characteristics of the first semiconductor-based sensor and the electrical characteristics of the second semiconductor-based sensor. It is configured to output.
いくつかの実施形態では、方法は、少なくとも部分的に、前記差分の電気的特性に基づいて、前記分析物の存在を検出することを含む。 In some embodiments, the method comprises detecting the presence of the analyte, at least in part, based on the electrical properties of the difference.
いくつかの実施形態では、前記差分の電気的特性は、前記第1半導体ベースのセンサの前記電気特性の前記変化から前記第2半導体ベースのセンサの前記電気特性の前記変化を差し引くことによって決定される。 In some embodiments, the electrical properties of the difference are determined by subtracting the changes in the electrical properties of the second semiconductor-based sensor from the changes in the electrical properties of the first semiconductor-based sensor. To.
他の側面及び実施形態は、添付の図と併せて考慮すると、本発明の様々な非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。本明細書と参照によって組み込まれた文書とが相反する開示及び/または矛盾する開示を含む場合、本明細書が優先される。 Other aspects and embodiments will become apparent from the following detailed description of the various non-limiting embodiments of the invention, when considered in conjunction with the accompanying figures. If the specification and the document incorporated by reference contain conflicting and / or contradictory disclosures, the specification will prevail.
本発明の非限定的な実施形態は、添付の図を参照して例示的に説明されるが、これらの図は、概略的なものであり、縮尺通りに描くことを意図されていない。図では、図示されている同一または略同一の各コンポーネントは、通常、単一の数字で表される。明確にするために、全てのコンポーネントが全ての図にラベル付けされているわけではなく、当業者が本発明を理解するために図示が必要でない場合、本発明の各実施形態の全てのコンポーネントが示されているわけでもない。
本明細書では、生物学的物質(例えば、分析物)を検出するための装置及び方法が説明される。装置は、装置と接触している流体中の分析物を検出するために、アクティブ検出器センサを使用してもよい。分析物は、センサの表面で機能化された検出器分子に結合する可能性がある。このような結合は、分析物の存在を検出するために測定可能な信号をもたらすことができる。以下でさらに説明するように、装置は、アクティブ検出器センサに加えて、信号を伝えない(または検出器センサの信号に比べて最小限の信号を伝える)基準(例えば、非アクティブ)センサを利用してもよい。基準センサは、検出器センサのすぐ近くに配置されてもよい。基準センサと比較した検出器センサの電気的特性(例えば、抵抗)の変化が測定されてもよい。このようにして、基準センサは、アクティブ検出器センサによって生成された信号からフィルタリングされたベースライン測定値を提供することができ(例えば、センサ環境に存在する可能性のあるノイズを除去するために差分測定技術を使用)、分析物のより高感度な検出を可能にする。センサは、食品の安全性、薬物反応、個別化医療、癌の検出、病気の検証、並びにその他の医学的及び生物学的用途に役立つ可能性のある特定の分子の存在を検出するために使用することができる。 As used herein, devices and methods for detecting biological substances (eg, analytes) are described. The device may use an active detector sensor to detect the analyte in the fluid in contact with the device. The analyte may bind to the functionalized detector molecule on the surface of the sensor. Such coupling can result in a measurable signal to detect the presence of the analyte. As further described below, the device utilizes a reference (eg, inactive) sensor that does not convey a signal (or conveys a minimal signal compared to the signal of the detector sensor) in addition to the active detector sensor. You may. The reference sensor may be located in the immediate vicinity of the detector sensor. Changes in the electrical characteristics (eg, resistance) of the detector sensor compared to the reference sensor may be measured. In this way, the reference sensor can provide filtered baseline measurements from the signal generated by the active detector sensor (eg, to remove noise that may be present in the sensor environment). (Uses difference measurement technology), enabling more sensitive detection of analytes. Sensors are used to detect the presence of specific molecules that may be useful in food safety, drug response, personalized medicine, cancer detection, disease validation, and other medical and biological applications. can do.
図1A-1Bは、ある実施形態によるアクティブな半導体ベースの検出器センサ10を示す。検出器分子12は、センサの表面14に機能化されている。後述するように、検出器分子は、検出したい分析物に結合する能力に応じて選択される。図1Bは、センサに接触している流体16を示す。示されるように、流体は分析物18及び他の種20を含む。この実施形態では、分析物は検出器分子に結合する。分析物の結合は、半導体の物理的特性(例えば、電気的特性)の測定可能な変化を引き起こす。例えば、例示的な実施形態では、図1A及び図1Bに示すように、測定された抵抗変化ΔRは分析物の存在を示す。このようにして、センサは、流体サンプル中のある分析物の濃度を検出するために使用することができる。
1A-1B show an active semiconductor-based
抵抗とは異なる物理的特性の変化を測定してもよいことを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、コンダクタンス(またはΔG)の変化が測定されてもよく、また、いくつかの実施形態では、導電率の変化が測定されてもよい。いくつかの実施形態では、検出器分子の結合時の構造変化は、測定可能な変化を引き起こす。ある実施形態では、その変化は、分析物による電気的ゲーティングによるものである。いくつかの実施形態では、その変化は、表面プラズモン共鳴の変化によるものである。いくつかの実施形態では、特性(例えば、コンダクタンス、抵抗)の変化は、一般に、センサに電流を印加し、電圧の変化を測定することによって電気的に検出されてもよい。いくつかの実施形態では、特性(例えば、コンダクタンス、抵抗)の変化は、一般に、交流電界を印加することによって電気的に検出されてもよい。 It should be understood that changes in physical properties different from resistance may be measured. For example, in some embodiments, changes in conductance (or ΔG) may be measured, and in some embodiments, changes in conductivity may be measured. In some embodiments, structural changes during binding of the detector molecules cause measurable changes. In certain embodiments, the change is due to electrical gating by the analyte. In some embodiments, the change is due to a change in surface plasmon resonance. In some embodiments, changes in characteristics (eg, conductance, resistance) may generally be detected electrically by applying a current to the sensor and measuring the change in voltage. In some embodiments, changes in properties (eg conductance, resistance) may generally be detected electrically by applying an alternating electric field.
図2A-2Bは、アクティブな半導体ベースの検出器センサ10と、半導体ベースの検出器基準(例えば、非アクティブ)センサ11とを示す。基準センサは、同じような環境に露出されるように、検出器センサのすぐ近くに配置される。
2A-2B show an active semiconductor-based
図2Aに示すように、いくつかの実施形態では、基準センサ及び検出器センサの両方が、分析物(図示せず)と結合することができる検出器分子を含む。そのような実施形態では、検出器分子と分析物の結合は、検出器センサの半導体の特性(例えば、電気的特性)に測定可能な変化をもたらすが、基準センサの半導体の特性には同じ(または任意の)測定可能な変化をもたらさない。 As shown in FIG. 2A, in some embodiments, both the reference sensor and the detector sensor include a detector molecule capable of binding to an analyte (not shown). In such an embodiment, the binding of the detector molecule to the analyte results in measurable changes in the characteristics of the detector's semiconductor (eg, electrical characteristics), but the same as the characteristics of the reference sensor's semiconductor (eg, electrical characteristics). Or does not result in any (arbitrary) measurable change.
図2Bに示すように、いくつかの実施形態では、検出器センサは分析物(図示せず)と結合することができる検出器分子を含み、基準センサは検出器分子を含まない。そのような実施形態では、検出器分子と分析物の結合は、検出器センサの半導体の特性(例えば、電気的特性)に測定可能な変化をもたらすが、分析物は基準センサの表面に結合されないため、基準センサの半導体の特性には測定可能な変化はない。 As shown in FIG. 2B, in some embodiments, the detector sensor comprises a detector molecule capable of binding to an analyte (not shown) and the reference sensor does not include a detector molecule. In such an embodiment, the binding of the detector molecule to the analyte results in a measurable change in the properties of the detector sensor's semiconductor (eg, electrical properties), but the analyte is not bound to the surface of the reference sensor. Therefore, there is no measurable change in the semiconductor characteristics of the reference sensor.
両方の実施形態において、基準センサと比較した検出器センサの電気的特性(例えば、抵抗)の変化を測定することができる。例えば、半導体ベースの検出器センサの電気的特性の変化は、第2半導体ベースの基準センサの対応する電気的特性の変化と比較して、少なくとも2倍、場合によっては少なくとも5倍、場合によっては少なくとも10倍、場合によっては少なくとも100倍大きくなる。基準センサは、アクティブ検出器センサによって生成された信号からフィルタリングされたベースライン測定値を提供し(例えば、センサ環境に存在する可能性のあるノイズを除去するために差分測定技術を使用)、分析物のより高感度な検出を可能にする。適切な差分測定技術は、2014年10月9日に出願された共同所有の米国特許出願シリアル番号14/510,178に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
In both embodiments, changes in the electrical characteristics (eg, resistance) of the detector sensor compared to the reference sensor can be measured. For example, changes in the electrical characteristics of a semiconductor-based detector sensor are at least twice, in some cases at least five times, and in some cases at least five times, as compared to the corresponding changes in electrical characteristics of a second semiconductor-based reference sensor. It is at least 10 times larger, and in some cases at least 100 times larger. The reference sensor provides filtered baseline measurements from the signal generated by the active detector sensor (eg, using differential measurement techniques to remove noise that may be present in the sensor environment) and analysis. Allows for more sensitive detection of objects. Suitable differential measurement techniques are described in co-owned US patent application
図3は、アクティブな半導体ベースの検出器センサ10と、半導体ベースの検出器基準(例えば、非アクティブ)センサ11とを示す。検出器センサと基準センサの両方は、絶縁層22を含む。このように、検出器センサの絶縁層は、基準センサの絶縁層よりも薄くなっている。
FIG. 3 shows an active semiconductor-based
基準センサの絶縁層は、分析物(図示せず)が検出器分子に結合したときに、基準センサの半導体の特性の測定可能な変化が殆どまたは実質的に生じないように、十分に厚くなるように選択することができる。例えば、基準センサの絶縁層の厚さは、10nm以上、25nm以上、50nm以上であってもよく、また、いくつかの実施形態では、100nm以下、50nm以下、または10nm以下であってもよい。なお、上記の上限及び下限はいずれも適正であり得ることを理解されたい(例えば、10nm以上且つ100nm以下)。 The insulating layer of the reference sensor is thick enough so that when the analyte (not shown) binds to the detector molecule, there is little or no measurable change in the semiconductor properties of the reference sensor. Can be selected as. For example, the thickness of the insulating layer of the reference sensor may be 10 nm or more, 25 nm or more, 50 nm or more, and in some embodiments, it may be 100 nm or less, 50 nm or less, or 10 nm or less. It should be understood that both the upper limit and the lower limit may be appropriate (for example, 10 nm or more and 100 nm or less).
そのような実施形態では、検出器センサの絶縁層は、分析物(図示せず)が検出器分子に結合したときに、検出器センサの半導体の特性に測定可能な変化が生じるように、十分に薄くなるように選択することができる。例えば、検出器センサの絶縁層の厚さは、2nm以上、2nm以上、4nm以上であってもよく、また、いくつかの実施形態では、10nm以下、5nm以下、または4nm以下であってもよい。なお、上記の上限及び下限はいずれも適正であり得ることを理解されたい(例えば、2nm以上且つ5nm以下)。 In such an embodiment, the insulating layer of the detector sensor is sufficient to cause measurable changes in the semiconductor properties of the detector sensor when the analyte (not shown) binds to the detector molecule. Can be selected to be thinner. For example, the thickness of the insulating layer of the detector sensor may be 2 nm or more and 2 nm or more and 4 nm or more, and in some embodiments, it may be 10 nm or less, 5 nm or less, or 4 nm or less. .. It should be understood that both the above upper limit and the lower limit can be appropriate (for example, 2 nm or more and 5 nm or less).
基準センサの絶縁層の厚さは、検出器センサの絶縁層の厚さの2倍以上、10倍以上、または25倍以上であってもよい。検出器センサの絶縁層の厚さは、基準センサの絶縁層の厚さの50倍以下、25倍以下、または10倍以下であってもよい。 The thickness of the insulating layer of the reference sensor may be 2 times or more, 10 times or more, or 25 times or more the thickness of the insulating layer of the detector sensor. The thickness of the insulating layer of the detector sensor may be 50 times or less, 25 times or less, or 10 times or less the thickness of the insulating layer of the reference sensor.
酸化膜(例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン)または窒化膜を含む任意の適切な絶縁層を使用することができる。 Any suitable insulating layer can be used, including an oxide film (eg, aluminum oxide, silicon oxide) or a nitride film.
他の技術もまた、基準センサ及び検出器センサを製造するために利用されてもよい。例えば、信号の差を生成するために、基準センサが高絶縁層を含み、検出器センサが同程度の厚さの低絶縁層を含んでもよい。いくつかの実施形態では、基準センサは、その抵抗をさらに制御するために、外部電圧でゲートされる。 Other techniques may also be utilized to manufacture reference sensors and detector sensors. For example, the reference sensor may include a high insulation layer and the detector sensor may include a low insulation layer of similar thickness in order to generate a signal difference. In some embodiments, the reference sensor is gated with an external voltage to further control its resistance.
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の装置は、アクティブセンサ領域、基準(例えば、非アクティブ)センサ領域、電圧入力電極、電圧測定電極、及び電圧計を含んでもよい。例として、各センサ領域は、ここでは、機能化されたナノワイヤと、その上に電極が接続するパッドとで構成されている。パッドは、電極からセンサまでの連続した経路を提供する。 In some embodiments, the devices described herein may include an active sensor region, a reference (eg, inactive) sensor region, a voltage input electrode, a voltage measuring electrode, and a voltmeter. As an example, each sensor area is here composed of functionalized nanowires and pads on which electrodes are connected. The pad provides a continuous path from the electrode to the sensor.
いくつかの実施形態では、2つのセンサは互いに平行に配置されている。いくつかの実施形態では、センサは垂直である。ある実施形態では、センサは直線的に配置されている。差分測定が可能な他の幾何学的形状も使用し得る。 In some embodiments, the two sensors are arranged parallel to each other. In some embodiments, the sensor is vertical. In one embodiment, the sensors are arranged linearly. Other geometric shapes that allow difference measurements can also be used.
差分技術では、定電圧Vinが両方のセンサ領域の片側に印加され、その結果、センサの他端部に生じる電圧差が測定される。いくつかの実施形態では、電圧を供給及び測定するためにロックインアンプが採用される。いくつかの実施形態では、半導体センサ(例えば、ナノワイヤ)の非オーミックな性質のため、感度を高めるために追加のソース-ドレイン電圧が印加されてもよい。普遍的なノイズや一定のバックグラウンド信号は、両方のセンサの電極に同じレベルで存在し、体系的に差し引かれて、基準センサに対するアクティブセンサの抵抗変化だけが残るであろう。 In the difference technique, a constant voltage Vin is applied to one side of both sensor regions, and as a result, the voltage difference that occurs at the other end of the sensor is measured. In some embodiments, lock-in amplifiers are employed to supply and measure voltage. In some embodiments, due to the non-ohmic nature of semiconductor sensors (eg, nanowires), additional source-drain voltages may be applied to increase sensitivity. Universal noise and constant background signals will be present at the same level on the electrodes of both sensors and will be systematically subtracted, leaving only the resistance change of the active sensor to the reference sensor.
図4を参照すると、センサは2つの並列抵抗と考えることができる。入力電圧Vinが両方のセンサに印加され、その結果生じるセンサ間の電圧差が測定される。R0はセンサの裸の抵抗で、ΔRは分析物の結合による抵抗の変化である。ここでは、実証の目的で、R0がアクティブセンサと非アクティブセンサとで同じであると仮定する。この解析は、裸の抵抗が異なる可能性がある場合、または非アクティブセンサの抵抗をゲート制御できる場合に、容易に拡張できる。ノイズは、時間的にランダムな各センサiの追加のδRiとして現れ、時間的にランダムなノイズδV_E,iは、iによってラベル付けされた各個別のポストセンサ電極に現れるかもしれない。熱揺らぎ、流体の流れ、及び他の大きな発生源によって生成されるこのノイズの多くは、回路の各部分で同じであるため、常にδR1=δR2,δV1=δV2となる。いくつかの測定では、V1とV2はここでの定義とは逆になっている。 With reference to FIG. 4, the sensor can be thought of as two parallel resistances. The input voltage Vin is applied to both sensors and the resulting voltage difference between the sensors is measured. R0 is the bare resistance of the sensor, and ΔR is the change in resistance due to the coupling of the analyte. Here, for the purpose of demonstration, it is assumed that R 0 is the same for the active sensor and the inactive sensor. This analysis can be easily extended if the bare resistance can be different or if the resistance of the inactive sensor can be gate controlled. The noise may appear as an additional δR i for each temporally random sensor i, and the temporally random noise δV_E, i may appear for each individual post-sensor electrode labeled by i. Since much of this noise generated by thermal fluctuations, fluid flow, and other large sources is the same in each part of the circuit, δR 1 = δR 2 , δV 1 = δV 2 at all times. In some measurements, V 1 and V 2 are the opposite of the definition here.
測定された電圧は、簡単な回路解析で解くことができる。本発明で予想される非常に小さな抵抗変化に対しては、ΔV=V1-V2=Vin*δR/R0である。 The measured voltage can be solved by a simple circuit analysis. For very small resistance changes expected in the present invention, ΔV = V 1 − V 2 = Vin * δR / R 0 .
ここで考慮された小さなδRは、実証のためのものである。V1-V2がδRで非線形になるより大きな抵抗変化でも、ノイズをかなり低減して測定することができる。 The small δRs considered here are for demonstration purposes. Even larger resistance changes where V 1 -V 2 become non-linear at δR can be measured with significantly reduced noise.
任意の適切な半導体ベースのセンサ装置をセンサのために使用することができる。例えば、適切な装置は、共同所有の米国の文献に記載されている。2014年10月9日に出願された特許出願シリアル番号14/510,178と、国際公開番号WO2016/089453として公開された共同所有の国際出願番号PCT/US2015/041527とがあり、これらは全て、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
Any suitable semiconductor-based sensor device can be used for the sensor. For example, suitable equipment is described in co-owned US literature. There are patent application
センサは、半導体材料を含む。ナノセンサを作製することができる適切な半導体材料には、シリコン、ゲルマニウム、III-V族半導体等が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、センサはシリコンを含む。センサは、追加の半導体材料層や絶縁層(例えば、酸化シリコン等の酸化物)等、半導体材料の上または下に形成された1つ以上の層を含んでいてもよい。 Sensors include semiconductor materials. Suitable semiconductor materials from which nanosensors can be made include, but are not limited to, silicon, germanium, III-V semiconductors and the like. In some embodiments, the sensor comprises silicon. The sensor may include one or more layers formed above or below the semiconductor material, such as an additional semiconductor material layer or insulating layer (eg, an oxide such as silicon oxide).
いくつかの実施形態では、半導体はナノワイヤ(複数可)にパターニングされる。センサは、いくつかの実施形態では、電界効果トランジスタセンサ(例えば、ナノセンサ)であってもよい。一般に、電界効果トランジスタ(FET)は、電界を使用して導電チャネルを制御し、その結果、チャネル内の電荷キャリアの伝導性を制御する。ゲートに電界を印加して導電チャネルのサイズ及び形状を変えることで、ソース・ドレイン間の電荷キャリアの流れを調整することができる。例示的なバイオセンサ構成では、FETは、ソース端子とドレイン端子との間にナノセンサ(例えば、ナノワイヤ)チャネルを備える。ナノセンサ(例えば、ナノワイヤ)の表面は、従来のFET(図1)に印加される制御電界と同様の電界を生体分子の結合現象が作り出すことができるように、バイオ機能化されることができる。FETの原理を使用するある装置では、指定され物理的に分離されたセンサ面を精密な製造によって形成することができる。FETセンサを電子回路に接続して、センサ表面の特定のコンダクタンスをモニタすることができる。いくつかの実施形態では、動作上、多くの独立した電子回路が超並列方式で問い合わせられてもよい。FETバイオセンサは、このようなセンサ表面と相互作用する生体分子の測定に適合させることができる(図1A及び1B)。 In some embodiments, the semiconductor is patterned into nanowires (s). The sensor may be, in some embodiments, a field effect transistor sensor (eg, a nanosensor). In general, a field effect transistor (FET) uses an electric field to control a conductive channel, thus controlling the conductivity of charge carriers in the channel. By applying an electric field to the gate to change the size and shape of the conductive channel, the flow of charge carriers between the source and drain can be adjusted. In an exemplary biosensor configuration, the FET comprises a nanosensor (eg, nanowire) channel between the source and drain terminals. The surface of a nanosensor (eg, nanowire) can be biofunctionalized so that a biomolecular binding phenomenon can create an electric field similar to the controlled electric field applied to a conventional FET (FIG. 1). In some devices that use the FET principle, a designated and physically separated sensor surface can be formed by precision manufacturing. A FET sensor can be connected to an electronic circuit to monitor a particular conductance on the sensor surface. In some embodiments, many independent electronic circuits may be queried in massively parallel fashion in operation. FET biosensors can be adapted for the measurement of biomolecules that interact with such sensor surfaces (FIGS. 1A and 1B).
いくつかの実施形態では、センサは、ナノスケールのシリコンベースのFET装置を備える。このような装置の多くは、多くの多重診断マイクロアレイに必要な感度、信頼性、堅牢性、及びセンサの柔軟性を示す。場合によっては、ナノスケールの装置を従来のトップダウンシリコン上で開発及び/または実装することができる。場合によっては、従来のトップダウンシリコン上にナノスケールの装置を開発及び実装することによって、診療現場及び中央検査室の両方で、トップダウンシリコン半導体製造プロセスの信頼性と堅牢性を向上させ、テストのエラー率を低減することができる。これにより、場合によっては、検査室または診療所への各患者の訪問の有効性が高まり、診断コストが削減され、早期の診断、治療、およびモニタリングが可能になる。 In some embodiments, the sensor comprises a nanoscale silicon-based FET device. Many of these devices exhibit the sensitivity, reliability, robustness, and sensor flexibility required for many multiple diagnostic microarrays. In some cases, nanoscale devices can be developed and / or mounted on conventional top-down silicon. In some cases, developing and implementing nanoscale equipment on top-down silicon to improve the reliability and robustness of top-down silicon semiconductor manufacturing processes and test them both in the clinic and in central laboratories. Error rate can be reduced. This will, in some cases, increase the effectiveness of each patient's visit to the laboratory or clinic, reduce diagnostic costs, and enable early diagnosis, treatment, and monitoring.
ある特定の実施形態では、ナノセンサは、シリコンナノチャネル電界効果トランジスタ(FET)バイオセンサである。このようなセンサは、高感度及び/またはラベルフリーの分析物の検出に使用することができる。このようなセンサは、優れた電気的特性と小さな寸法を持つことができる。ある実施形態では、シリコンナノチャネルは、超高感度に理想的に適している。場合によっては、これらのシステムの高い表面積対体積比により、単一分子の検出が可能になる。場合によっては、このようなFETセンサ(例えば、バイオセンサ)は、診断における従来の光学的手法に典型的な感度を犠牲にすることなく、高速、低コスト、高収率の製造という利点を提供する。トップダウンの製造方法を使用して、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)技術の利点を活用し、豊富に多重化されたセンサアレイを実現できる。ナノチャネルベースのセンサシステムの例は、例えば、ユチェンらによる国際特許公開WO2008/063901A1、及びモハンティらによる国際特許公開WO2009/124111A1に記載されており、これらの各々は全ての目的のために参照により全体が組み込まれている。 In certain embodiments, the nanosensor is a silicon nanochannel field effect transistor (FET) biosensor. Such sensors can be used to detect sensitive and / or label-free analytes. Such sensors can have excellent electrical properties and small dimensions. In certain embodiments, silicon nanochannels are ideally suitable for ultrasensitivity. In some cases, the high surface area-to-volume ratios of these systems allow the detection of single molecules. In some cases, such FET sensors (eg, biosensors) offer the advantages of high speed, low cost, high yield manufacturing without sacrificing the sensitivity typical of traditional optical techniques in diagnostics. do. Top-down manufacturing methods can be used to take advantage of complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology to achieve a richly multiplexed sensor array. Examples of nanochannel-based sensor systems are described, for example, in International Patent Publication WO2008 / 063901A1 by Yuchen et al. And International Patent Publication WO2009 / 124111A1 by Mohanti et al., Each of which is by reference for all purposes. The whole is built in.
いくつかの実施形態では、半導体ベースのセンサは、バイアス及び測定回路の一部であることができる。いくつかの実施形態では、バイアス及び測定回路は、回路内のナノセンサ(例えば、ナノチャネル)の両端にバイアス電圧を印加することによって動作する。バイアス電圧は、センサの表面電位(例えば、ナノチャネルの表面電位)に対する検出素子の微分コンダクタンスの所望の依存性を達成するために、十分に負となるように選択することができる。ある実施形態では、この依存性は、ゼロバイアス状態の検出素子によって示される基準増幅率よりも実質的に大きい高増幅率の急峻な傾斜領域を有しており、これにより比較的高い信号対ノイズ比を実現している。バイアス及び測定回路は、いくつかの実施形態では、検出素子の微分コンダクタンスを測定し、測定された微分コンダクタンスを分析物の存在または活性を示す信号に変換する。ある実施形態では、測定された微分コンダクタンスは、以前のキャリブレーション操作を反映したルックアップテーブルまたは代替の変換メカニズムを使用することによって、分析物の存在または活性を示す信号に変換することができる。いくつかの実施形態では、印加されたゲート電圧を使用して、センサの感度を制御することができる。ある実施形態によれば、感度を制御するために、バイアスゲート電圧及び基準ゲート電圧を独立して使用することができる。 In some embodiments, the semiconductor-based sensor can be part of a bias and measurement circuit. In some embodiments, the bias and measurement circuit operates by applying a bias voltage across the nanosensor (eg, nanochannel) in the circuit. The bias voltage can be selected to be sufficiently negative to achieve the desired dependence of the differential conductance of the detection element on the surface potential of the sensor (eg, the surface potential of the nanochannel). In one embodiment, this dependency has a steep slope region with a high amplification factor that is substantially greater than the reference amplification factor indicated by the zero bias state detector, thereby resulting in a relatively high signal vs. noise. Achieve the ratio. The bias and measurement circuit, in some embodiments, measures the differential conductance of the detection element and converts the measured differential conductance into a signal indicating the presence or activity of the analyte. In certain embodiments, the measured derivative conductance can be converted into a signal indicating the presence or activity of the analyte by using a look-up table or alternative conversion mechanism that reflects the previous calibration operation. In some embodiments, the applied gate voltage can be used to control the sensitivity of the sensor. According to certain embodiments, the bias gate voltage and the reference gate voltage can be used independently to control the sensitivity.
上述のように、センサの少なくとも一部(例えば、表面)は、検出器分子で機能化されている。検出器分子は、例えば、抗体、酵素、タンパク質、ペプチド、小分子、核酸、アプタマー、受容体分子、ポリマー、及び/または超分子構造を含んでいてもよい。検出器分子は、粒子特異的であるように設計されてもよい。つまり、1つの特定の分析物のみが特定の検出器分子に結合する。いくつかの実施形態では、検出器分子は抗体である。ある実施形態では、検出器分子は、DNAまたはRNA断片であるか、DNAまたはRNA断片を含む。いくつかの実施形態では、検出器分子は、グルコースオキシダーゼであるか、グルコースオキシダーゼを含む。場合によっては、検出器分子はウレアーゼであるか、ウレアーゼを含む。 As mentioned above, at least a portion (eg, surface) of the sensor is functionalized with a detector molecule. The detector molecule may include, for example, an antibody, enzyme, protein, peptide, small molecule, nucleic acid, aptamer, acceptor molecule, polymer, and / or supermolecular structure. The detector molecule may be designed to be particle specific. That is, only one particular analyte binds to a particular detector molecule. In some embodiments, the detector molecule is an antibody. In certain embodiments, the detector molecule is a DNA or RNA fragment or comprises a DNA or RNA fragment. In some embodiments, the detector molecule is glucose oxidase or comprises glucose oxidase. In some cases, the detector molecule is or contains urease.
分析物は、例えば、タンパク質、小分子、核酸、ペプチド、抗体、アプタマー、バイオマーカー、遺伝子、ウイルス粒子、超分子構造体、高分子、受容体分子、生体細胞、及び/または生体細胞クラスターを含んでいてもよい。場合によっては、分析物は生体分子を含む。いくつかの例では、分析物は、タンパク質バイオマーカーまたは遺伝子バイオマーカーであってもよい。ある実施形態では、分析物は、単糖類及び/または多糖類であるか、単糖類及び/または多糖類を含む。例えば、場合によっては、分析物は、グルコースであるか、グルコースを含む。小分子分析物の非限定的な例の1つは、尿素である。 Analysts include, for example, proteins, small molecules, nucleic acids, peptides, antibodies, aptamers, biomarkers, genes, virus particles, supermolecular structures, polymers, receptor molecules, living cells, and / or living cell clusters. You may be. In some cases, the analyte comprises a biomolecule. In some examples, the analyte may be a protein biomarker or a genetic biomarker. In certain embodiments, the analyte is a monosaccharide and / or a polysaccharide, or comprises a monosaccharide and / or a polysaccharide. For example, in some cases, the analyte is or contains glucose. One of the non-limiting examples of small molecule analytes is urea.
本明細書に記載の方法は、特定の検出器分子または分析物に限定されないことを理解されたい。 It should be understood that the methods described herein are not limited to a particular detector molecule or analyte.
いくつかの実施形態では、分析物及び検出器分子は、化学結合等の化学的相互作用を介して結合してもよい。化学結合は、共有結合でも非共有結合でもよい。場合によっては、化学結合は、水素結合、イオン結合、配位結合、及び/またはファンデルワールス相互作用等の非共有結合である。種及び/または物質(例えば、分析物、検出器分子)の1つ以上は、そのような結合を形成することができる官能基を含んでいてもよい。コンポーネント間の共有結合及び非共有結合は、当業者に知られているように、そのような反応を受けるために適切な官能基を用いて、任意のタイプの反応によって形成される可能性があることを理解されたい。本明細書に記載の様々な実施形態での使用に適した化学的相互作用は、本明細書の記載に基づいて、当業者が容易に選択することができる。 In some embodiments, the analyte and the detector molecule may be attached via a chemical interaction such as a chemical bond. The chemical bond may be a covalent bond or a non-covalent bond. In some cases, the chemical bond is a non-covalent bond such as a hydrogen bond, an ionic bond, a coordinate bond, and / or a van der Waals interaction. One or more of the species and / or substances (eg, analytes, detector molecules) may contain functional groups capable of forming such bonds. Covalent and non-covalent bonds between components can be formed by any type of reaction, as is known to those of skill in the art, using appropriate functional groups to undergo such reactions. Please understand that. Chemical interactions suitable for use in the various embodiments described herein can be readily selected by one of ordinary skill in the art based on the description herein.
いくつかの実施形態では、分析物と検出器の種との間の関連性は、生物学的結合現象を介して(すなわち、相補的な生物学的分子のペアの間で)生じてもよい。例えば、分析物または検出器分子は、他の種または物質上のアビジンまたはストレプトアビジン等の相補的な実在物と特異的に結合するビオチン等の実在物を含んでいてもよい。生物学的分子のペアの間で生物学的結合を形成し得る生物学的分子の他の例には、タンパク質、核酸、糖タンパク質、炭水化物、ホルモン等が含まれるが、これらに限定されない。非限定的な例には、抗体/ペプチドのペア、抗体/抗原のペア、酵素/基質のペア、酵素/阻害剤のペア、酵素/補因子のペア、タンパク質/基質のペア、核酸/核酸のペア、タンパク質/核酸のペア、ペプチド/ペプチドのペア、タンパク質/タンパク質のペア、小分子/タンパク質のペア、受容体/ホルモンのペア、受容体/エフェクタのペア、リガンド/細胞受容体のペア、ビオチン/アビジンのペア、ビオチン/ストレプトアビジンのペア、薬剤/ターゲットのペア、小分子/ペプチドのペア、小分子/タンパク質のペア、及び小分子/酵素のペア等が含まれるが、これらに限定されない。本明細書に記載されている実施形態で使用する種及び/または物質(複数可)の間の生物学的相互作用は、これらの機能に関する本明細書の記述、そのような生物学的相互作用の例、及び適切な生物学的相互作用を特定するための簡単な技術に関する本明細書及び当技術分野での知識に基づいて、当業者によって容易に選択することができる。 In some embodiments, the association between the analyte and the detector species may occur via a biological binding phenomenon (ie, between a pair of complementary biological molecules). .. For example, the analyte or detector molecule may include a physical substance such as biotin that specifically binds to a complementary physical substance such as avidin or streptavidin on another species or substance. Other examples of biological molecules that can form biological bonds between pairs of biological molecules include, but are not limited to, proteins, nucleic acids, glycoproteins, carbohydrates, hormones, and the like. Non-limiting examples include antibody / peptide pairs, antibody / antigen pairs, enzyme / substrate pairs, enzyme / inhibitor pairs, enzyme / cofactor pairs, protein / substrate pairs, nucleic acids / nucleic acids. Pairs, protein / nucleic acid pairs, peptide / peptide pairs, protein / protein pairs, small molecule / protein pairs, acceptor / hormone pairs, acceptor / effector pairs, ligand / cell acceptor pairs, biotin Includes, but is not limited to, a / avidin pair, a biotin / streptavidin pair, a drug / target pair, a small molecule / peptide pair, a small molecule / protein pair, a small molecule / enzyme pair, and the like. Biological interactions between species and / or substances (s) used in the embodiments described herein are described herein for these functions, such biological interactions. Can be readily selected by one of ordinary skill in the art, based on the present specification and knowledge in the art regarding the examples of, and simple techniques for identifying suitable biological interactions.
ある実施形態では、分析物と検出器の種は、物理的な相互作用を介して互いに関連付けられてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、分析物(例えば、超分子構造)は、検出器の種(例えば、高分子)の少なくとも一部と物理的に絡み合っていてもよい。 In certain embodiments, the analyte and the detector species may be associated with each other via physical interaction. For example, in some embodiments, the analyte (eg, supramolecular structure) may be physically entangled with at least a portion of the detector species (eg, macromolecules).
ある実施形態では、分析物と検出器の種は、連結部分(例えば、分析物と検出器の種を近接させる他の生物学的または化学的種)を介して互いに関連付けられてもよい。例えば、互いに関連する分析物と検出器の種との間の最短距離は、デバイ長よりも長くてもよい。いくつかの例では、最短距離は、約100ナノメートル以下、約50ナノメートル以下、約25ナノメートル以下、約10ナノメートル以下、または約1ナノメートル以下であってもよい。 In certain embodiments, the analyte and detector species may be associated with each other via a linking moiety (eg, other biological or chemical species that brings the analyte and detector species close together). For example, the shortest distance between the analyte and the detector species that are related to each other may be longer than the Debye length. In some examples, the shortest distance may be about 100 nanometers or less, about 50 nanometers or less, about 25 nanometers or less, about 10 nanometers or less, or about 1 nanometer or less.
図5A及び図5Bは、マイクロチップ上に統合された差分抵抗バイオセンサの一実施形態を示す。図5Bに示すセンサ領域の拡大図で、アクティブセンサ(半導体パッドに接続された半導体ナノワイヤ)、機能化しないことによって非アクティブ化された非アクティブセンサ、及び電圧出力電極4を備える。いくつかの実施形態では、電極は、AL2O3、SiO2、HfO2、またはSi3N4を含むがこれらに限定されない絶縁層でコーティングされている。図5は、外部回路に接続するボンディングパッドを含む完全なマイクロチップを示す。この実施形態では、センサは、電極に平行なナノワイヤを用いて互いに平行に設計されている。いくつかの実施形態は、異なるボンディングパッド構成と異なる電極構成とを有するであろう。
5A and 5B show an embodiment of a differential resistance biosensor integrated on a microchip. An enlarged view of the sensor region shown in FIG. 5B, comprising an active sensor (semiconductor nanowires connected to a semiconductor pad), an inactive sensor deactivated by non-functionalization, and a
これは、例示的な幾何学的形状の図を含む代表的なセンサが作られるプロセスの非限定的な例である。このセンサは、典型的には約200nmの厚さの二酸化シリコン層の上に、典型的には約100nmの厚さの薄いシリコン層を重ねて作られている。 This is a non-limiting example of the process by which a representative sensor is made, including an exemplary geometry diagram. The sensor is typically made by overlaying a thin silicon layer, typically about 100 nm, on top of a silicon dioxide layer, typically about 200 nm thick.
いくつかの実施形態では、接続パッドが作られる領域のシリコンにイオンが注入される。イオンは、前述したように、金属または他のドーパントであることができる。 In some embodiments, ions are injected into the silicon in the area where the connection pad is made. The ions can be metals or other dopants, as described above.
次に、ナノワイヤと電極取り付けパッドとが、電子ビームリソグラフィと反応性イオンエッチングとによって作成される。これにより、センサ領域を除く全ての場所でシリコンが除去される。いくつかの実施形態では、ナノワイヤとパッドの定義は2つのステップに分割され、ナノワイヤとパッドとは別々に定義される。いくつかの実施形態では、ナノワイヤは電子ビームリソグラフィで定義され、パッドはフォトリソグラフィで定義される。いくつかの実施形態では、パッドとナノワイヤは全てフォトリソグラフィで定義される。私たちの発明は、ナノワイヤとパッドを作成する全ての方法を一般的にカバーしている。 Next, nanowires and electrode mounting pads are created by electron beam lithography and reactive ion etching. This removes silicon everywhere except the sensor area. In some embodiments, the definition of nanowires and pads is divided into two steps, with nanowires and pads defined separately. In some embodiments, nanowires are defined by electron beam lithography and pads are defined by photolithography. In some embodiments, the pads and nanowires are all defined by photolithography. Our invention generally covers all methods of making nanowires and pads.
その後、4点測定形状の金属電極のパターンがフォトリソグラフィで作成され、金属電極が堆積される。電極は、Au、Cu、Ag、Al等の金属を含んでおり、合金または金属多層であってもよい。多くの場合、Ti、Ta、または他の金属の接着層が使用される。電極は、センサの近くでは約10~20ミクロンの幅で、遠くなるほど幅広になる。典型的には、金属の厚さは100nmの範囲である。 After that, a pattern of metal electrodes having a four-point measurement shape is created by photolithography, and the metal electrodes are deposited. The electrode contains a metal such as Au, Cu, Ag, Al, and may be an alloy or a metal multilayer. Often, an adhesive layer of Ti, Ta, or other metal is used. The electrodes are about 10-20 microns wide near the sensor and wider as they are farther away. Typically, the thickness of the metal is in the range of 100 nm.
次に、電極は、典型的には約100nmの厚い絶縁バリア、典型的にはAl2O3、SiO2、HfO2、またはSi3N4等の酸化物でコーティングされる。厚いバリアはセンサの1つも覆い、センサを非アクティブにする。 The electrodes are then coated with a thick insulating barrier, typically about 100 nm, typically an oxide such as Al 2 O 3 , SiO 2 , HfO 2 , or Si 3 N 4 . The thick barrier also covers one of the sensors, deactivating the sensor.
その後、センサと電極は、同様の酸化物からなる上部の薄い絶縁バリア(典型的には10nm)でコーティングされる。 The sensor and electrodes are then coated with a thin insulating barrier (typically 10 nm) on top made of similar oxides.
最後に、金属パッドが、外部の測定機器への接続を可能にするために堆積される。パッドは、典型的には、1~2ミクロンの厚さのAu、Ag、Cu等の高導電性貴金属である。これらは通常、薄い(厚さ10nm)Tiのような接着層を含む。最終的な金属堆積工程はまた、センサをさらに改良するために追加の電極の堆積を含んでもよい。最終的な回路に統合する準備ができた完成したセンサの概略図が、図6に示される。 Finally, metal pads are deposited to allow connection to external measuring instruments. The pad is typically a highly conductive noble metal such as Au, Ag, Cu with a thickness of 1-2 microns. These usually include a thin (10 nm thick) Ti-like adhesive layer. The final metal deposition process may also include the deposition of additional electrodes to further improve the sensor. A schematic diagram of the completed sensor ready to be integrated into the final circuit is shown in FIG.
Claims (45)
前記第1半導体ベースのセンサと電気通信する第2半導体ベースのセンサであって、第2絶縁層を備える前記第2半導体ベースのセンサと、を備え、
前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層は、前記第1半導体ベースのセンサ及び前記第2半導体ベースのセンサが分析物を含む流体に露出されるときに、前記第1半導体ベースのセンサの電気的特性の変化が、前記第2半導体ベースのセンサの対応する電気的特性の変化よりも大きくなるように構成されている装置。 A first semiconductor-based sensor with a first insulating layer functionalized with a detector molecule,
A second semiconductor-based sensor that telecommunicationss with the first semiconductor-based sensor, comprising the second semiconductor-based sensor with a second insulating layer.
The first insulating layer and the second insulating layer are the electricity of the first semiconductor-based sensor when the first semiconductor-based sensor and the second semiconductor-based sensor are exposed to a fluid containing an analyte. A device configured such that the change in physical characteristics is greater than the corresponding change in electrical characteristics of the second semiconductor-based sensor.
前記第1半導体ベースのセンサと電気通信する第2半導体ベースのセンサであって、第2絶縁層を備える第2半導体ベースのセンサと、を備え
前記第1絶縁層の厚さは、前記第2絶縁層の厚さの少なくとも2倍である装置。 A first semiconductor-based sensor with a first insulating layer functionalized with a detector molecule,
A second semiconductor-based sensor that telecommunicationss with the first semiconductor-based sensor, the second semiconductor-based sensor including the second insulating layer, and the thickness of the first insulating layer is the second. A device that is at least twice the thickness of the insulating layer.
少なくとも部分的に、前記第1半導体ベースのセンサの電気的特性の変化及び前記第2半導体ベースのセンサの電気的特性の変化に基づいて、差分の電気的特性を決定するために、前記第1半導体ベースのセンサの前記電気的特性の前記変化及び前記第2半導体ベースのセンサの対応する前記電気的特性の前記変化を測定することと、を含む方法。 A first semiconductor-based sensor having a first insulating layer functionalized with a detector molecule, and a second semiconductor-based sensor that telecommunicationss with the first semiconductor-based sensor, said to have a second insulating layer. Exposing the device with the second semiconductor-based sensor to the fluid containing the analyte,
The first to determine the electrical characteristics of the difference, at least in part, based on the changes in the electrical characteristics of the first semiconductor-based sensor and the changes in the electrical characteristics of the second semiconductor-based sensor. A method comprising measuring said change in said electrical property of a semiconductor-based sensor and said change in said corresponding electrical property of said second semiconductor-based sensor.
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