用于感测靶分子的场效应晶体管的制作方法

本技术涉及使用场效应晶体管感测靶分子的领域。更具体地，本技术涉及包括用多个受体分子官能化六方氮化硼层的场效应晶体管。

背景技术：

近年来，对快速和灵敏的分子传感器的需求不断增长。特别地，对能够可靠地感测过敏原、引起疾病的病原体、饮食相关分子和有毒物质的存在和/或水平的传感器的需求更强烈。

可以提供能够感测此类靶分子存在的多种技术，包括侧流试验、酶联免疫吸附试验(elisa)、凝胶电泳和血培养。但是，这样的技术通常具有低灵敏度，即，直到达到危险水平或直到出现免疫反应才能够检测到感染原的存在，或者需要高水平的专业知识和花费才能准确地执行。此外，许多技术仅能够检测物质的存在，而不能检测其水平/浓度。

可以提供使用诸如石墨烯或硅纳米线之类的低维材料的其它技术，这些材料可以具有较高的灵敏度，同时使用起来相对容易且便宜。但是，由于这种材料在制造、存储和使用过程中对环境条件极为敏感，导致现实世界的性能不佳，并增加了与低产量和短保质期相关的成本，这种技术被证明在实践中是不可行的。

本公开的至少某些实施例解决了上述这些问题中的一个或更多个。

技术实现要素：

在所附权利要求书中陈述了特定方面和实施例。

从一个角度来看，可以提供一种用于感测靶分子的场效应晶体管，场效应晶体管包括：基板；所述基板上的电场感应层；六方氮化硼层，包括第一表面和第二表面，其中，所述六方氮化硼层的第一表面在所述电场感应层上，所述六方氮化硼层的第二表面被多个受体分子官能化；两个或更多个电接触件，其中每个电接触件都与所述电场感应层电接触。

通过以这种方式包括六方氮化硼层，简化了场效应晶体管的制造，因为六方氮化硼层起到保护电场感应层的作用，从而使六方氮化硼层(即，待官能化的表面)以较低的损坏电场感应层的风险被积极清洁(aggressivelyclean)。因此，既可以保持原始的电场感应层，又可以制备干净的六方氮化硼层，从而增强与多个受体分子的结合。

先前的方法并未尝试以这种方式使用保护层，因为在受体分子和电场感应层之间引入常规电介质层，会使电场感应层处的电场强度由于受体分子与电场感应层之间的距离以及电介质的屏蔽效果增加而显著降低。例如，由六方氮化硼的原子单层形成的层具有约0.34nm的厚度。相反，常规的电介质层具有大于10nm的厚度。

然而，如本发明人所认定的，近来已经开发了一种材料，该材料基本上不影响通过该材料的电场，同时仍充当良好的绝缘体。六方氮化硼是一种二维材料，其可以制的极薄，在一些示例中，可以薄到少于十个原子层的厚度，同时仍充当良好的绝缘体。因此，六方氮化硼层不会严重影响由受体分子在电场感应层处感受到的电场。

因此，使用六方氮化硼层能够保持电场感应层对受体分子的灵敏度，同时还允许维护原始电场感应层和增强与多个受体分子的结合，这进一步增强场效应晶体管对靶分子的灵敏度。

此外，六方氮化硼层在电场感应层上形成光滑、界限分明且稳定的电介质，其用于保护电场感应层在存储和使用过程中不被环境降解，从而保持场效应晶体管的灵敏度。作为特定示例，六方氮化硼层用于钝化电场感应层的表面并保护电场感应层免于氧化。依据用于电场感应层的材料，在电场感应层上形成的氧化物可以是几纳米厚，这将因此通过增加到受体分子的距离而降低电场感应层的灵敏度。此外，这种氧化物层在一些环境中可能是不均匀且不稳定的(即，氧化物可能在特定环境中生长或收缩)，这两者均不利于使用这种设备进行测量的可再现性。因此，使用六方氮化硼层既能提高场效应晶体管的灵敏度，又能提高其稳定性。

在一些示例中，所述多个受体分子中的每个受体分子中对靶分子具有结合亲和力，并且在所述受体分子与靶分子之间相互作用时，产生电场，从而选通所述电场感应层。因此，受体分子仅与特定的靶分子(即，与受体分子具有结合亲和力的分子)相互作用，而不是与所有或大范围的分子相互作用，从而确保仅接收由特定靶分子产生的信号。此外，通过产生电场，电场感应层直接受到靶分子与受体分子之间的相互作用的影响。在一些示例中，电场是通过电荷分布的变化产生的。在其它示例中，电场是通过净电荷的变化产生的。应当理解，在一些示例中，可能有预先存在的电场，并且电场的产生是在预先存在的电场之外作用在电场感应层上的附加电场。

在一些示例中，靶分子带电，并且在受体分子与靶分子之间相互作用时，靶分子与受体分子结合，净电荷的变化产生电场。从而，通过改变净电荷(即，相对于仅改变靶分子中的电荷分布)，产生了大到足以对电场敏感层产生大影响的电场。此外，在结合是永久性的情况下，场效应晶体管可以提供它所接触的多少靶分子的累积测量。相反，在结合是暂时性的情况下(例如，靶分子在一段时间后自然解除结合)，场效应晶体管可以提供靶分子的当前水平/浓度的“瞬时”测量，此外，这允许重复使用受体分子/场效应晶体管。

在一些示例中，多个受体分子使用接头分子连接至六方氮化硼层。术语“连接”应理解为包括任何合适的连接机制，包括离子键、共价键、极性键、氢键以及任何其它类型的非共价键。因此，通过使用接头分子，可以将大范围不同的分子结合到六方氮化硼层。此外，使用接头分子可以起到防止受体分子与六方氮化硼层之间的相互作用的作用，从而可以增强受体分子的灵敏度。在一些示例中，接头分子是：具有多环芳烃基的分子诸如苯、萘或芘；二氨基萘；芘丁酸琥珀酰亚胺酯；四硫富瓦烯(tetrafulvalene)；六氰基六氮杂苯并菲(hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile)或能够将受体分子连接到六方氮化硼层的任何其它分子。

在一些示例中，六方氮化硼层被改性成允许多个受体分子直接结合至六方氮化硼层。因此，随着受体分子与电场感应层之间的距离减小，可以增强受体分子与靶分子相互作用产生的电场对电场感应层的影响。此外，制造场效应晶体管的工艺可以被简化，因为不需要提供将接头分子连接至六方氮化硼层的工艺步骤和将接头分子连接至受体分子的工艺步骤。如本发明人所认定的，尽管原则上可以直接改性电场感应层以允许多个受体分子直接结合到电场感应层，但是这将起到破坏电场感应层的作用并因此降低多个受体分子对电场的灵敏度。因此，通过改性六方氮化硼层，受体分子可以连接在电场感应层附近同时保持电场感应层的原始特性。

在一些示例中，多个受体分子包括一种或多种类型的抗体和/或一种或多种类型的适体和/或一种或多种类型的酶和/或一种或多种类型的核酸。因此，通过使用抗体、适体、酶和核酸，可以容易地设计出对大范围不同靶分子的选择性，因为抗体、适体、酶和核酸都是可用的，它们在大量不同的靶分子中具有选择性。换句话说，特定的抗体、适体、酶或核酸可以仅对单个或少量靶分子具有选择性，但是可以获得大量不同的抗体、适体、酶和核酸。在一些示例中，通过使用多种类型的抗体和/或适体和/或酶和/或核酸，多个受体分子整体上可以对特定的多个不同靶分子具有选择性。

在一些示例中，所述基板包括以下中的一个或多个：硅、二氧化硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓(gaas)、硅锗合金、磷化铟、氮化镓、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、碳酸丙二酯(ppc)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)、醋酸丁酸纤维素(cab)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚碳酸酯(pc)和聚乙烯醇(pva)。因此，可以将容易获得的材料用作设备的基板，而这些基板可能有既定的工艺技术。更一般地，可以将任何合适的材料用于基板，例如可以包括常规的半导体、聚合物和陶瓷。

在一些示例中，所述电场感应层包括石墨烯。因此，可以提供响应于所施加的电场而电性能(例如，电阻)变化大的材料作为电场感应层，从而对靶分子导致的电场具有高灵敏度。此外，由于石墨烯与六方氮化硼具有相似的晶格间距和原子结构，因此在电场感应层(石墨烯)和六方氮化硼层之间可以获得良好的附着力，同时在石墨烯层中保持较大的响应，并因此保持高灵敏度。

在一些示例中，所述电场感应层包括纳米线、纳米管和二维材料中的一个或多个。可以形成合适的纳米线的材料包括，例如硅、砷化镓(gaas)、砷化铟(inas)和氮化镓(gan)。可以形成合适的纳米管的材料包括，例如，碳和过渡金属硫族化合物(transitionmetaldichalcogenide)。可以形成合适的二维材料的材料包括，例如，石墨烯、磷烯、硅烯、锗烯和过渡金属硫族化合物。因此，通过提供低维材料，可以提供对电场具有高灵敏度的电场感应层。

在一些示例中，所述电场感应层包括体型半导体。因此，可以将具有既定工艺技术的廉价且容易获得的材料用于电场感应层。合适的半导体的示例包括：硅、锗、砷化镓(gaas)、硅锗合金、磷化铟和氮化镓。如本发明人所认定的，使用六方氮化硼层可以增强体型半导体作为电场感应层的使用。六方氮化硼用于钝化表面免于氧化，从而防止形成原生氧化物。许多半导体，包括例如硅和锗，会形成几纳米厚的不均匀的原生氧化物。这些原生氧化物可能不利于电场感应层的灵敏度(例如，通过增加与受体分子的距离)和稳定性(例如，在特定环境中不稳定而可能导致受体分子的去除从而限制实际应用)。用六方氮化硼包封可以实现平滑且界限分明的表面电介质，其厚度可降低至原子级厚度。在一些示例中，可以使用单层六方氮化硼作为六方氮化硼层，其厚度约为0.34纳米厚。

在一些示例中，六方氮化硼层包括少于10个原子层的六方氮化硼。因此，通过确保六方氮化硼层很薄，由靶分子与受体分子相互作用产生的电场对电场感应层的影响可能很强，因此可以使晶体管对靶分子具有良好的灵敏度。在一些示例中，六方氮化硼层可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个原子层的六方氮化硼。在一些示例中，六方氮化硼层可以包括少于2、5、10、20、50或100个原子层的六方氮化硼。应当认识到，通常六方氮化硼的原子层的数量越少，通过增加的电场效应对电场感应层的影响，设备的灵敏度就越高。还应当认识到，通常，原子层的数量越多，六方氮化硼的电绝缘效果越强。

在一些示例中，所述电场感应层包括第一表面和第二表面，其中，所述电场感应层的第一表面在所述基板上，两个或更多个电接触件与所述电场感应层的第二表面电接触。因此，通过使用这种“顶部接触”，可以使电接触件和电场感应层之间有大面积的电接触，从而在使用电接触件进行电测量时确保低接触电阻，进而对靶分子具有高灵敏度。在其它示例中，电接触件与电场感应层在基板上的同一表面(即，第一表面)电接触，从而形成“背部接触”。使用“背部接触”还可以使电接触件和电场感应层之间有大面积的电接触，从而在使用电接触件进行电测量时确保低接触电阻，进而对靶分子具有高灵敏度。此外，“背部接触”可以用于保护电接触件不受环境的影响，并增加可用于将受体分子连接到六方氮化硼层的面积。

在一些示例中，所述两个或更多个电接触件与电场感应层的侧部电接触。一些材料(例如，石墨烯和过渡金属硫族化合物)中使用这种“侧部接触”可以在使用电接触件进行电测量时产生低接触电阻，进而对靶分子具有高灵敏度。在一些示例中，电接触将包括“顶部接触”和“侧部接触”，这使得在使用电接触件进行电测量时可以用于进一步降低接触电阻，进而提高对靶分子的灵敏度。

在一些示例中，所述两个或更多个电接触件包括以下中的一个或多个：金、铂、钯、铜、钛、钨、镍、铝、钼、铬、多晶硅及其合金。由此，可以提供具有低电阻率的接触件，低电阻率的接触件可以导致电测量中的低接触电阻，并因此导致高灵敏度，进而导致对靶分子的高灵敏度。此外，这种材料可具有用于沉积和设备制造的既定技术，因此可以实现便宜又精确的制造。

在一些示例中，所述场效应晶体管包括与所述电场感应层电接触的两个电接触件，其中，所述两个电接触件被布置为对所述电场感应层进行两端子测量。由此，可以提供用于进行电测量的紧凑布置，该紧凑布置允许在芯片上实现高密度的场效应晶体管。下面讨论在单个芯片上具有多个场效应晶体管的效果。此外，使用两个电接触件可以简单而廉价地制造。

在一些示例中，所述场效应晶体管包括与所述电场感应层电接触的四个电接触件，其中，所述四个电接触件被布置为对所述电场感应层进行四端子测量。因此，通过使用四端子测量，可以在电测量中获得高灵敏度，因为四端子测量可以减小或消除引线和接触电阻，因此获得对靶分子的高灵敏度。

在一些示例中，所述基板包括第一表面和第二表面，其中，所述电场感应层在所述基板的第一表面上，所述场效应晶体管包括在所述基板的第二表面上的背栅，其中，所述背栅被布置为向所述电场感应层施加偏置电场。由此，可以调整电场感应层的响应。这可以使场效应晶体管对靶分子的灵敏度在靶分子的特别重要的浓度范围内得到增强。

从一个角度来看，可以提供一种包括多个上述任一场效应晶体管的芯片。由此，可以提供单个芯片，其允许将多个场效应晶体管放置在紧凑的区域中。在一些示例中，多个场效应晶体管可以针对彼此相似或不同的目的。

在一些示例中，所述多个场效应晶体管中的至少两个场效应晶体管使用相同类型的受体分子，其中，所述芯片被布置为允许来自所述多个场效应晶体管中的至少两个场效应晶体管的测量被复用。由此，例如，可以通过对跨多个相似场效应晶体管的信号求取平均值来提供对靶分子的高灵敏度。此外，复用可以导致测量的高精度，例如，因为可以减少非典型场效应晶体管(例如，部分带有缺陷的晶体管)的影响。

在一些示例中，多个场效应晶体管中的至少两个场效应晶体管使用不同类型的受体分子，这些受体分子被布置为与不同类型的靶分子相互作用。因此，单个紧凑型芯片可以同时检测多个不同靶分子的存在或浓度。

从一个角度看，可以提供一种感测系统，包括：如上所述的任一场效应晶体管和/或芯片，其中，所述场效应晶体管和/或所述芯片被布置为感测系统的可替换元件；电测量模块，被布置为对所述场效应晶体管和/或所述芯片进行电测量；输出模块，被布置为输出靶分子测量。

因此，所述场效应晶体管和/或所述芯片可以是“消耗性”组件，其允许系统一旦耗尽了给定的场效应晶体管和/或芯片，在“消耗性”组件被替换后继续运行。电测量模块可以是能够对所述场效应晶体管和/或所述芯片进行电测量的任何合适的元件。合适的示例包括一个或多个电压表、电流表和/或电阻表。在一些示例中，电测量模块可以包括用于处理原始电测量的计算设备。输出模块可以是能够输出靶分子测量的任何合适的元件。在一些示例中，输出模块可以包括输出设备，诸如七段显示器、监视器、扬声器或触觉致动器。在一些示例中，输出模块可以包括计算设备，用于将原始或处理后的电测量处理成可以在输出设备上输出的格式。

从一个角度来看，可以提供一种使用上述系统感测靶分子的方法，该方法包括：在所述系统的场效应晶体管中的一个场效应晶体管的六方氮化硼层的官能化后的第二表面上施加一定量的分析物；使用所述电测量模块测量所述系统的场效应晶体管中该场效应晶体管的电性能；以及使用所述输出模块基于所述测量的电性能输出靶分子测量结果。

因此，该方法可以实现上述关于场效应晶体管的各种效果和优点。在一些示例中，所述分析物可以是固体(例如，食物的成分)、液体(例如，饮用水)或气体(例如，封闭空间中的气体)，从而允许以分析物的便利形式进行测量。在一些示例中，靶分子可以仅是分析物的一部分，并且分析物可以包含大量其它物质。在一些示例中，分析物被静态地施加到六方氮化硼层的官能化后的第二表面。在其它示例中，分析物连续或间歇流动通过六方氮化硼层的官能化后的第二表面的上方。在一些示例中，靶分子测量结果可以简单地说是靶分子的存在高于阈值浓度。阈值浓度取决于所需的应用。例如，在分析食物时，典型的阈值浓度约为百万分之0.01。通常，该阈值可以是例如在万亿分之1到百万分之100的范围内的任一值。在其它示例中，靶分子测量结果可以是靶分子的数值浓度水平。通常，测得的数值浓度范围为万亿分之1到百万分之100。

在一些示例中，被测量的电性能可以是电压、电流、电阻、电容、阻抗或任何其它合适的电参数。

在一些示例中，所述系统的场效应晶体管中的一个场效应晶体管包括与所述电场感应层电接触的两个电接触件，其中，所述电测量模块通过对所述电场感应层进行两端子测量来测量电性能。由此，可以提供用于进行电测量的紧凑布置，该紧凑布置允许在芯片上实现高密度的场效应晶体管。此外，使用两个电接触件可以简单而廉价地制造。

在一些示例中，电性能是电阻，其中，所述测量包括：所述电测量模块通过在两个电接触件之间施加电流或电压中的一个，并在两个电接触件之间测量电流或电压中的另一个来确定电阻。由此，可以进行直接且准确的电测量。在一示例性设备中，施加10μa的电流，测得10mv的电压。测得的电阻为1,000ω。在一些示例中，测得的电阻可以是1ω到1,000,000ω范围内的任一值。

在一些示例中，所述系统的场效应晶体管中的一个场效应晶体管包括与所述电场感应层电接触的四个电接触件，其中，所述电测量模块通过对所述电场感应层进行四端子测量来测量电性能。由此，通过使用四端子测量，可以在电测量中获得高灵敏度，因为四端子测量可以减小或消除引线和接触电阻，因此获得对靶分子的高灵敏度。

在一些示例中，所述电性能是电阻，其中，所述测量包括，电测量模块通过在四个电接触件的第一对之间施加电流并在四个电接触件的第二对之间测量电压来确定电阻。由此，可以进一步减小接触和引线电阻，从而允许进行更灵敏的电测量，进而进行更灵敏的靶分子测量。

在一些两端子或四端子示例中，可以静态施加电流或电压，从而允许进行直接测量。在其它示例中，可以以振荡方式施加电流或电压，因此可以产生关于电测量的时间响应的信息。在一些示例中，振荡测量可以使电测量(进而对靶分子)具有高灵敏度。

在一些示例中，所述系统包括多个场效应晶体管，其中，所述电测量模块测量多个场效应晶体管中的每一个场效应晶体管的电性能。由此，可以对多个场效应晶体管进行测量，场效应晶体管可针对彼此相似或不同的目的。

在一些示例中，所述多个场效应晶体管中的至少两个场效应晶体管使用相同类型的受体分子，其中，所述测量的电性能通过所述输出模块在多个场效应晶体管中的使用相同类型受体分子的至少两个场效应晶体管之间被复用。由此，例如，可以通过对跨多个相似场效应晶体管的信号求取平均值来提供对靶分子的高灵敏度。此外，复用可以导致测量的高精度，例如，因为可以减少非典型场效应晶体管(例如，部分带有缺陷的晶体管)的影响。

在一些示例中，所述多个场效应晶体管中的至少两个场效应晶体管使用不同类型的受体分子，这些受体分子被布置为与不同类型的靶分子相互作用，其中，所述输出模块基于使用不同类型受体分子的多个场效应晶体管中的至少两个场效应晶体管的各自所测量的电性能，输出至少两个靶分子测量结果。因此，单个紧凑型芯片可以同时检测多个不同靶分子的存在或浓度。

在一些示例中，所述输出模块使用校准曲线将测量的电性能转换为靶分子测量结果。从而，提供一种用于从电测量转换为靶分子测量结果的计算效率高的技术。在一些示例中，校准曲线是在一“批”相似设备中的某个相似设备上生成的。在其它示例中，校准曲线是在全部或部分设备上生成的。在一些示例中，校准程序包括将被测设备暴露在一个或多个已知浓度的分析物中，并持续一个或多个时间段。

用于生成校准曲线的一示例性程序采用一组设备，并且在相同的设定时间内使设备中的每个设备都经受不同浓度的分析物。所采用的精度值取决于特定的应用和对应感兴趣的浓度。一示例性程序采用一组5个设备，将这些设备分别在分析物浓度为0.1ppb、1ppb、10ppb、100ppb、1ppm的溶液中培养10分钟(每种溶液一个设备)。在预定的培养时间(本示例中为10分钟)后，读取每个设备的电阻，这些读数用于生成电阻的校准曲线作为分析物浓度的函数。应当理解，这仅仅是用于生成校准曲线的示例性程序，并且可以应用任何合适的程序。

在审阅本公开之后，特别是在审阅附图说明、具体实施方式和权利要求书部分后，其它方面也将变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述本公开的实施例，其中：

图1：根据本公开的教导示意性地示出了用于感测靶分子的第一示例性场效应晶体管。

图2：根据本公开的教导示意性地示出了用于感测靶分子的第二示例性场效应晶体管。

图3a、图3b：根据本公开的教导示意性地示出了示例性电气设置，其可以进行a：对电场感应层的两端子测量，以及b：对电场感应层的四端子测量。

图4：根据本公开的教导示意性地示出了包括两个场效应晶体管的芯片的示例性布局。

图5：根据本公开的教导示意性地示出了一种系统。

图6：根据本公开的教导示意性地示出了用于感测靶分子的方法。

图7：示出了具有和不具有荧光标记的抗体的六方氮化硼表面的荧光显微术。

图8：根据本公开的教导示出了场效应晶体管的照片。

尽管本公开易于进行各种修改和替代形式，但是在附图中以示例的方式示出了具体的示例性方法，并且在本文中对其进行了详细描述。然而，应当理解，附图和所附的具体实施方式并非旨在将本公开限制为所公开的特定形式，而是本公开将覆盖落入所要求保护的发明的精神和范围内的所有修改、等同和替换方案。

应当认识到，本公开中上述示例的特征可以以任何合适的组合方便地且可互换地使用。

具体实施方式

图1为根据本公开的教导示出的用于感测靶分子的第一示例性场效应晶体管100的示意图。

所描绘的场效应晶体管100包括基板110、电场感应层120、六方氮化硼层130、两个电接触件140、多个受体分子150和多个接头分子160。

在图1所描绘的第一示例中，基板110位于示意图的底部；电场感应层120位于基板110上，六方氮化硼层130位于电场感应层120上。

电场感应层120和六方氮化硼层130夹在两个电接触件140之间。在六方氮化硼层130的上表面上连接有多个接头分子160，多个受体分子150连接在接头分子160的顶部。

尽管已经以特定的取向描绘了场效应晶体管100，但是应当理解，场效应晶体管100可以以任何取向进行操作。例如，在使用中，可以对晶体管进行定向，使得基板110是垂直的，或者使得整个晶体管相对于所描绘的晶体管是上下颠倒的。

应当理解，可以使用半导体加工和生物制药业中已知的技术来制造场效应晶体管100。

在一些示例中，多个受体分子150中的每一个对靶分子具有结合亲和力。换句话说，受体分子150优先与靶分子结合。在受体分子150和靶分子之间相互作用时，产生电场，从而选通电场感应层120。

在一些示例中，靶分子带电，并且净电荷的这种变化产生电场，电场影响附近的电场感应层120。在其它示例中，靶分子与受体分子和/或接头分子相互作用，改变了电荷的分布，从而产生影响附近电场感应层120的短距离电场。

在一些示例中，在受体分子150与靶分子之间相互作用时，靶分子变为永久性地与受体分子150结合。在其它示例中，在受体分子150与靶分子之间相互作用时，靶分子变为暂时性地与受体分子150结合。应当理解，靶分子与受体分子150结合的时间可具有概率性，并且特征结合时间可以在纳秒、微秒、毫秒、秒、分钟、小时、天或更长的时间范围内。

在一些示例中，基板110是由硅、二氧化硅、碳化硅、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓(gaas)、硅和锗的合金、磷化铟、氮化镓、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、碳酸丙二酯(ppc)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)、醋酸丁酸纤维素(cab)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚碳酸酯(pc)、聚乙烯醇(pva)或任何其它合适的基板材料制成的。应理解的是，在一些示例中，基板110可以由两种或更多种列出的材料制成。例如，基板110的一部分可以由第一材料制成，并且基板110的另一部分可以由第二材料制成。附加地或可替代地，基板110的一部分或全部可以由两种或更多种材料的混合物制成。

在一些示例中，电场感应层120由石墨烯制成。在其它示例中，电场感应层120由纳米线、纳米管和/或二维材料制成。在其它示例中，电场感应层120由体型半导体制成。应理解的是，电场感应层120可以由以上列出的材料的某种组合制成。例如，电场感应层120可以由第一层第一材料(例如，石墨烯原子层)和第二层第二材料(例如，二维二硫化钼原子层)制成。附加地或可替代地，电场感应层120可以由以上列出的两种材料的混合物形成。使用多种这样的材料可以提高对电场影响的灵敏度并因此提高对靶分子的灵敏度方面的广度。

在一些示例中，六方氮化硼层130由几层六方氮化硼原子层制成。六方氮化硼是二维材料，由六方晶格状交替的硼原子和氮原子制成。六方氮化硼具有极高的绝缘性，甚至六方氮化硼单原子层也可以作为高质量的绝缘体。此外，六方氮化硼具有优异的耐化学性和机械性能，包括非常高的强度和硬度。在一些示例中，六方氮化硼层可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9或10层六方氮化硼原子层。在一些示例中，六方氮化硼层可以包括少于2、5、10、20、50或100层的六方氮化硼原子层。

图2为根据本公开的教导示出的用于感测靶分子的第二示例性场效应晶体管200的示意图。

所描绘的场效应晶体管200包括基板210、电场感应层220、六方氮化硼层230、两个电接触件240、多个受体分子250和背栅270。

应认识到，基板210可以基本上类似于如上所述的基板110；电场感应层220可以基本上类似于如上所述的电场感应层120。六方氮化硼层230可以基本上类似于如上所述的六方氮化硼层130。受体分子250可以基本上类似于如上所述的受体分子150。

在图2所描绘的第二示例性场效应晶体管200中，背栅270在示意图的底部，基板210位于背栅270的顶部，电场感应层220位于基板210的顶部，六方氮化硼层230位于电场感应层220的顶部。

在第二示例性场效应晶体管200中，两个电接触件240在电场感应层220的顶部和侧面均与电场感应层220接触。在六方氮化硼层230的上表面，直接连接有多个受体分子250。

尽管已经以特定的取向描绘了场效应晶体管200，但是应当理解，场效应晶体管200可以以任何取向进行操作。例如，在使用中，可以对晶体管进行定向，使得基板210是垂直的，或者使得整个晶体管相对于所描绘的晶体管是上下颠倒的。

应当理解，可以使用半导体加工和生物制药业中已知的技术来制造场效应晶体管200。

在图1中，描绘了场效应晶体管100，多个受体分子150通过多个接头分子160连接到六方氮化硼层130。合适的接头分子包括：多环芳烃基如苯、萘或芘；二氨基萘；芘丁酸琥珀酰亚胺酯；四硫富瓦烯(tetrafulvalene)；六氰基六氮杂苯并菲(hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile)或能够将受体分子150连接到六方氮化硼层130的任何其它分子。

相比之下，描绘了图2中的场效应晶体管200，多个受体分子250直接连接到六方氮化硼层230。为了将受体分子250直接连接到六方氮化硼层230，在一些示例中，需要改性六方氮化硼层230，以使得受体分子250结合到六方氮化硼层230。在一些示例中，该改性可以包括在六方氮化硼层230中诱发允许受体分子250结合的缺陷。可允许受体分子250结合的合适的改性技术的示例的非穷举列表包括：引入机械应力/应变以在膜中引起裂纹；例如通过等离子体或酸进行选择性蚀刻；高温退火；以及电子束处理。

在任一情况下，受体分子可以是抗体和/或适体和/或酶和/或核酸。这些受体分子通常将结合特定类型或范围的靶分子。在一些示例中，一系列不同的抗体和/或适体和/或酶和/或核酸可以用作受体分子，以允许对期望的多个不同靶分子或靶分子范围具有选择性。

在图1所描绘的示例性场效应晶体管100中，使用两个电接触件140对电场感应层120进行电侧接触。

相比之下，在图2所描绘的示例性场效应晶体管200中，电场感应层220在其顶表面和侧表面都被两个电接触件240中的每个电接触件接触。应当理解，在一些示例中，电场感应层120、220可以只在其顶表面被电接触件140、240接触。还应当理解，在一些示例中，由于特定场效应晶体管的电气或物理要求，不同的电接触件140、240可以在彼此不同的表面上接触电场感应层120、220(例如，一个电接触件140、240可以在顶部接触电场感应层120、220，第二电接触件140、240可以在侧部接触电场感应层120、220)。

在一些示例中，两个或更多个电接触件140、240由金、铂、钯、铜、钛、钨、镍、铝、钼、铬或多晶硅制成。在一些示例中，两个或更多个电接触件140、240可以由这些材料中的两种或更多种的合金或混合物制成。在一些示例中，不同的电接触件140、240或电接触件140、240的一部分可以由彼此不同的材料制成。

在图2所描绘的第二示例性场效应晶体管200中，背栅270存在于基板210的下方。背栅被布置为向电场感应层施加偏置电场。在一些示例中，相对于电场感应层220通过向背栅270施加电压来产生偏置电场。

可明确预期的是，在一些示例中，第一示例性场效应晶体管100和第二示例性场效应晶体管200中描绘的元件可以互换。作为一个示例，电接触件240、背栅270和/或不具有接头分子的受体分子250可以与第一示例性场效应晶体管100一起使用。作为另一示例，电接触件140和/或具有接头分子160的受体分子150可以与第二场效应晶体管200一起使用。

图3a和3b示意性地示出了用于对场效应晶体管的电场感应层330进行测量的示例性电气设置300a、300b。这两幅图均描绘了场效应晶体管的电源310、电压传感器320和电场感应层330。

应当理解，电场感应层330可以与场效应晶体管100内的电场感应层120或场效应晶体管200内的电场感应层220基本相似。

在所描绘的示例中，电源310由电池和电流表组成。在所描绘的示例中，电压传感器320由电压表组成。应当理解，在其它示例中，可以使用任何合适的电测量设备来测量电场感应层330的期望电参数，包括使用以“dc”或“ac”模式操作的一个或多个电压表、电流表和/或电阻表。

图3a示意性地示出了示例性“双端子”测量，其中电场感应层330上相同的两条引线和电接触件(1和2)用来承载电压(即，从电场感应层330测量的)和电流(即，从电源310提供的)。应当理解，在其它示例中，可以将电压施加到电场感应层330，并从电场感应层330测量电流。

相比之下，图3b示意性地示出了示例性“四端子”测量，其使用单独的引线和电接触件来承载电压(即，从电场感应层330测量的)和电流(即，从电源310提供的)。具体地，外部接触件组(1和4)用于将电流供给电场感应层330，而内部接触件组(2和3)用于测量来自电场感应层330的电压。这种布置使得引线电阻和接触电阻较低或可忽略，并因此提高了所进行的电测量的灵敏度。

图4示意性地示出了包括两个场效应晶体管420的芯片400的示例性布局。具体地，芯片400具有两个场效应晶体管420和四个接触垫410。接触垫410中的两个用导电迹线(conductivetrack)电连接到两个场效应晶体管中的每个。

两个场效应晶体管420可以基本上类似于前述任一场效应晶体管100、200。接触垫用作相对较大的电接触件(即，与场效应晶体管420的电接触件相比较大)以允许直接连接到电测量设备，例如，图3a和3b中所描绘的那些电测量设备。

在一些示例中，芯片可以具有两个以上的场效应晶体管420。在一些示例中，芯片可以具有2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个场效应晶体管420。

在一些示例中，多个场效应晶体管420中的至少两个场效应晶体管使用相同类型的受体分子，其中，芯片被布置为允许来自多个场效应晶体管中的至少两个场效应晶体管的测量被复用。换句话说，多个场效应晶体管420中的至少两个场效应晶体管对相同的靶分子或相同范围的靶分子敏感。因此，可以对来自至少两个场效应晶体管420中的每个场效应晶体管的电测量进行复用(例如，求取平均值或以其它方式组合)以获得合成的结合信号并因此获得合成的结合靶分子测量。

附加地或可替代地，在一些示例中，多个场效应晶体管中的至少两个场效应晶体管使用不同类型的受体分子，不同类型的受体分子被布置为与不同类型的靶分子相互作用。换句话说，多个场效应晶体管420中的至少两个场效应晶体管对不同的靶分子或不同范围的靶分子敏感。来自至少两个场效应晶体管420中的每个场效应晶体管的电测量因此可以在一些示例中用于获得针对多种不同类型的靶分子的单独的靶分子测量。在一些示例中，不同类型的受体分子可能对相同的靶分子敏感，但是对不同浓度的靶分子有不同的反应，从而提供了有关靶分子浓度的进一步信息。

图5示意性地示出了系统500，该系统500包括电测量模块510、输出模块520和场效应晶体管/芯片530。场效应晶体管/芯片530可以包括一个或多个场效应晶体管，该场效应晶体管基本上类似于上述场效应晶体管100、200或420，附加地或可替代地，可以包括芯片，该芯片基本上类似于上述芯片400。

在一些示例中，场效应晶体管/芯片530被设计为系统500中易于更换的组件。如果场效应晶体管/芯片530的有效寿命短于整个系统，这将特别有用。

电测量模块510被布置为对场效应晶体管/芯片530进行电测量。在一些示例中，电测量模块可以包括用于处理原始电测量的计算设备。在一些示例中，电测量模块包括图3a或3b所示的测量设置。

输出模块520被布置成输出靶分子测量。在一些示例中，输出模块可以包括输出设备，诸如七段显示器、监视器、扬声器或触觉致动器。在一些示例中，输出模块可以包括计算设备，用于将原始或处理后的电测量处理成可以在输出设备上输出的格式。

图6示意性地示出了用于使用系统感测靶分子的方法600。该系统可以基本上类似于上述系统500。

在步骤s610中，将一定量(例如，一滴)的分析物施加在系统500的其中一个场效应晶体管100、200的六方氮化硼层130、230的官能化的第二表面上。

在步骤s620中，使用电测量模块510测量系统500的场效应晶体管100、200中的一个场效应晶体管的电性能。

在一些示例中，系统的场效应晶体管100、200中的一个场效应晶体管包括与电场感应层120、220电接触的两个电接触件，其中，电测量模块510通过对电场感应层120、220进行两端子测量来测量电性能。在一些示例中，电性能是电阻，其中，测量包括：电测量模块510通过在两个电接触件之间施加电流或电压中的一个，并测量两个电接触件之间的电流或电压中的另一个来确定电阻。

在其它示例中，系统500的场效应晶体管100、200中的一个场效应晶体管包括与电场感应层电接触的四个电接触件，其中，电测量模块510通过对电场感应层进行四端子测量来测量电性能。在一些示例中，电性能是电阻，其中，测量包括：电测量模块510通过在四个电接触件的第一对之间施加电流并在四个电接触件的第二对之间测量电压来确定电阻。

在一些示例中，系统500包括多个场效应晶体管100、200，其中，电测量模块510测量多个场效应晶体管中的每个场效应晶体管的电性能。

在步骤s630中，使用输出模块520基于测量的电性能输出靶分子测量结果。

在一些示例中，在系统500包括多个场效应晶体管100、200的情况下，多个场效应晶体管100、200中的至少两个场效应晶体管使用相同类型的受体分子，其中，所测量的电性能通过输出模块520在使用相同类型受体分子的多个场效应晶体管中的至少两个场效应晶体管之间被复用。

附加地或可替代地，在一些示例中，多个场效应晶体管100、200中的至少两个场效应晶体管使用不同类型的受体分子，该受体分子被布置为与不同类型的靶分子相互作用，其中，输出模块520基于使用不同类型受体分子的多个场效应晶体管100、200中的至少两个场效应晶体管的各自所测量的电性能，输出至少两个靶分子测量结果。

在一些示例中，输出模块520使用校准曲线将测量的电性能转换为靶分子测量结果。

图7示出了在添加抗体前后使用荧光显微术拍摄的六方氮化硼表面的一对图像。抗体经过荧光标记，使得其可以在荧光显微术下看到。可以看出，在图7b中比在图7a中可见更多的亮点(即，荧光抗体)。这表明大量抗体已被成功地固定在六方氮化硼表面，因此六方氮化硼表面已被成功地官能化。

图8示出了类似于上述场效应晶体管100、200、420的场效应晶体管的照片。这张照片是场效应晶体管的俯视平面图。背景部分示出了在照片的顶部和底部清晰可见的带有电接触件的基板。在石墨烯顶部的六方氮化硼细条(用作电场感应层)只是可见桥接了两个电接触件。在与细条重叠的中央矩形中可见已应用“官能化”受体分子的中央区域。

上述方法可以在设备上执行的计算机程序的控制下执行。因此，计算机程序可以包括用于控制设备执行上述任一方法的指令。程序可以存储在存储介质上。该存储介质可以是非暂时性记录介质或暂时性信号介质。

在本申请中，词语“被布置为……”用来表示设备的元件具有能够执行所定义的操作的配置。在本文中，“布置”是指硬件或软件互连的配置或方式。例如，该设备可以具有提供定义的操作的专用硬件，或者可以对处理器或其它处理设备进行编程以执行功能。“被布置为”并不意味着为了提供所定义的操作，需要以任何方式改变装置元件。

尽管本文已经参考附图详细描述了本公开的说明性教导，但是应当理解，本发明不限于那些精确的教导，并且本领域技术人员在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种改变和修饰。