用于可控地用电荷载流子填充沟道的装置和方法与流程

本发明的实施例涉及用于可控地用电荷载流子填充沟道的装置和方法。

背景技术：

一些电子装置被配置为可控地用电荷载流子填充沟道。然后测量沟道的导电性的后续变化。

例如，这种电子装置可以用于光电检测器。

期望使用一种装置来检测例如有机或无机化合物的物理分析物。

技术实现要素：

根据本发明的各种但并非全部的实施例，提供了一种装置，其包括：被配置为传导电荷载流子的沟道；以及被配置为生成用于填充该沟道的电荷载流子的电荷载流子生成器，其中，电荷载流子生成器被配置用于共振能量转移。

根据本发明的各种但并非全部的实施例，提供了一种方法，其包括：通过由用电荷载流子填充沟道的电荷载流子生成器修改共振能量转移来修改沟道中多数电荷载流子的数量。

根据本发明的各种但并非全部的实施例，提供了如所附权利要求所要求保护的示例。

附图说明

为了更好地理解对于理解简要描述有用的各种示例，现仅以示例的方式参考附图，在附图中：

图1示出了方法的示例；

图2示出了包括沟道和电荷载流子生成器的装置的示例；

图3a和3b示出了当电荷载流子生成器处于第一配置时的装置的操作；

图4示出了当电荷载流子生成器处于与第一配置不同的第二配置时的装置的操作；

图5示出了包括沟道和被配置用于共振能量转移(ret)的电荷载流子生成器的装置的示例；

图6a和6b示出了电荷载流子生成器在第一配置(图6a)和第二配置(图6b)中的官能化量子点的示例；

图7a和7b示出了电荷载流子生成器在第一配置(图7a)和第二配置(图7b)中的官能化量子点的示例；

图8a和8b示出了将例如在图6a和图6b中所示的官能化量子点应用于如图5中所示的装置；

图9a和9b示出了将例如在图7a和7b中所示的官能化量子点应用于如图5中所示的装置；

图10示出了方法的示例。

具体实施方式

以下描述描述了其中作为修改共振能量转移(ret)的结果修改沟道4的导电性的示例。控制沟道4的导电性的过程可以通过修改共振能量转移来中断，例如，通过接通共振能量转移或者通过关断共振能量转移。共振能量转移是一种过程，通过该过程，能量在非常接近并具有与ret受体结构部分的吸收光谱重叠的ret供体结构部分的发射光谱的结构部分(moiety)之间转移。因此，共振能量转移可以通过控制这种结构部分的添加或去除来控制。

本发明还可应用于用于分析物的存在的检测器。分析物可以例如是用作ret供体或ret受体的结构部分，或者被标记为用作ret供体或ret受体的结构部分。可替代地，分析物可以是启用ret或禁用ret或以其它方式影响ret的功效的结构部分。这种检测器是特别有利的，因为分析物的存在能够经由沟道4的导电性的变化来检测，这种变化可直接检测、较少受干扰并具有高的信噪比。

图1示出了方法100的示例。该方法包括：在框102处，通过由用电荷载流子6填充沟道4的电荷载流子生成器2修改共振能量转移(ret)来修改沟道4中电荷载流子6的数量。

图2示出了包括沟道4和电荷载流子生成器2的装置10的示例。沟道4被配置为传导电荷载流子6，并且电荷载流子生成器2被配置为生成用于填充沟道4的电荷载流子6。此外，电荷载流子生成器2被配置用于共振能量转移(ret)。

在图3a、3b和图4中示出了装置10的操作的示例。图3a和3b示出了当电荷载流子生成器2处于第一配置时的装置10的操作，图4示出了当电荷载流子生成器2处于与第一配置不同的第二配置时的装置10的操作。

参考图3a，激活12对电荷载流子6的产生(电荷载流子对的产生)提供激励。在该示例中，电荷载流子6是电子(e)和空穴(h)。例如，激活12可以导致电子在电荷载流子生成器2内从较低能级跃迁到较高能级。

如图3b所示，电荷载流子6可以移动穿过电荷载流子生成器2和沟道4之间的边界。该移动修改了沟道4中电荷载流子的数量密度，并修改了沟道4的导电性。在所示的示例中，电子6保留在电荷载流子生成器2内，空穴6跨越边界移动到沟道4。所保留的电荷载流子门控沟道4，静电地改变沟道4的导电性。该门控效应可以由于所保留的电荷载流子的稳定性而持续一段时间。

因此，应当理解，在第一配置中，电荷载流子生成器2响应激活12以生成修改沟道4的导电性的电荷载流子6。

作为示例，电荷载流子生成器2和沟道4之间的能带偏移产生局部电场，该局部电场用于电离由激活12产生的激子。一个电荷载流子(在该示例中是空穴)被(电场)吸引到沟道4中，剩下互补载流子在电荷载流子生成器2中。剩余的互补电荷载流子门控沟道4，静电地改变沟道4的导电性。这可以使电流能够在源极和漏极之间流动。

增益＝电荷载流子生成器2中保留的电荷的寿命/电荷载流子通过沟道的渡越时间。

因此，可以通过延长电荷载流子生成器2中保留的电荷的寿命以及通过增加将减少电荷载流子通过沟道的渡越时间的沟道的迁移率来增加增益。

图4示出了在第二配置中，电荷载流子生成器2不响应激活12以生成电荷载流子6。

在某些但并非全部的示例中，当电荷载流子生成器2处于第一配置和第二配置中的一个配置时，共振能量转移(ret)被启用，并且当电荷载流子生成器2处于第一配置和第二配置中的另一个配置时，共振能量转移(ret)被禁用。

在某些但并非全部的示例中，ret可以提供发生电荷载流子生成的手段。ret由供体启动，这导致电荷载流子生成。除去供体禁止ret并禁止电荷载流子生成。生物发光共振能量转移(bret)是该类型的ret的示例。

在某些但并非全部的示例中，ret可以提供电荷载流子生成的替代方案。ret通过添加受体来启动，这禁止电荷载流子生成。荧光共振能量转移(fret)是该类型ret的示例。

例如，在某些但并非全部的示例中，当电荷载流子生成器2处于第一配置时(图3a)，生物发光共振能量转移(bret)可被启用。从电荷载流子生成器2中去除生物发光共振能量转移(bret)供体结构部分将电荷载流子生成器2的配置从第一配置改变到第二配置(图4)，并禁用生物发光共振能量转移(bret)。在该示例中，生物发光共振能量转移(bret)是发生电荷载流子生成的手段。激活12激活生物发光。

例如，在某些但并非全部的示例中，当电荷载流子生成器2处于第一配置时(图3a，3b)，荧光共振能量转移(fret)可被禁用。将荧光共振能量转移(fret)受体结构部分添加到电荷载流子生成器2中将电荷载流子生成器2的配置从第一配置改变到第二配置(图4)，并启用荧光共振能量转移(fret)。在该示例中，荧光共振能量转移(fret)是电荷载流子生成的替代优选方法。激活12可以是适于引起电荷载流子生成器2中电荷载流子6的光电生成的波长的光子。

应当理解，所生成的电荷载流子6包括第一电荷载流子6(例如，电子)和第二电荷载流子(例如，空穴)。电荷载流子生成器2被配置为捕获第一电荷载流子(例如，电子)而不是第二电荷载流子(例如，空穴)。因此，第二电荷载流子(例如，空穴)填充沟道4。电荷载流子生成器2可具有与沟道4的功函数不匹配的功函数。

图5示出了如前所述的装置10的示例。它包括被配置为传导电荷载流子6的沟道4和被配置为生成用于填充沟道4的电荷载流子6的电荷载流子生成器2，其中，电荷载流子生成器2被配置用于共振能量转移(ret)。

在该示例中，沟道4由具有非常高的电荷载流子迁移率的材料来提供。该材料还可对场效应敏感以生成高增益。合适的材料的示例是石墨烯。例如，单层或双层的石墨烯20可以用作沟道4。在所示示例中，石墨烯20的层被支撑在介电基板21上。

用于沟道4的其它合适的材料包括例如碳材料，诸如石墨烯、还原性氧化石墨烯，诸如碳纳米管(cnt)的碳纳米结构等。

沟道的期望特征是高的表面积对体积比以使得场效应很高(沟道导电性可以容易地受影响)，高的电荷载流子迁移率以使得通过沟道的载流子渡越时间很小(光电导增益高)，以及低的电阻以使得噪声特性很好。

在该示例中，电荷载流子生成器2由已经被官能化以形成官能化量子点22的多个量子点24形成。官能化量子点22可以例如是官能化纳米粒子。

然而，在其它示例中，电荷载流子生成器2可以是强烈吸收产生激子的光的结构部分，该激子可以通过在电荷载流子生成器2和沟道4的边界处形成的局部电场被离子化，以向沟道4提供电荷。剩余的电荷应当保留在该结构部分上足够长的时间，以便它门控许多互补电荷载流子通过该沟道的通路。这种结构部分的示例可包括有机染料(钌络合物)和诸如二硫化钼(mos2)的二维(2d)材料。

量子点24可以是例如几百或几千个原子的团簇。原子可以排列成二元化合物(例如，pbs、cdse、cdte、gaas、inas、aln、sic)或三元化合物(ingan、ingap、ingaas..)。

量子点24可以具有小于100nm的尺寸，在一些示例中可以具有小于50nm或20nm的尺寸。量子点24的维度(dimensions)可以被控制，以控制量子点24的量子化能级并微调量子点24的光吸收能量。

因此，量子点24根据其尺寸(量子限制)及其材料来吸收不同波长的光。

在图5的示例中，电极23电耦合到沟道4以测量沟道4的导电性，或者以其它方式检测沟道4中电荷载流子的数量的变化或门控电势的变化。

图6a和6b示出了第一配置(图6a)和第二配置(图6b)中的电荷载流子生成器2的官能化量子点22的示例。在第一配置中，官能化量子点22接收激活12并产生电荷载流子6。

当官能化量子点22处于第一配置(图6a)时，生物发光共振能量转移(bret)被启用，当官能化量子点22处于第二配置(图6b)时，生物发光共振能量转移(bret)被禁用。生物发光共振能量转移(bret)是发生电荷载流子生成的沟道。激活12激活生物发光。

在该示例中，官能化量子点22包括包含可修改官能化(functionalization)26的量子点24。可修改官能化26在特定驱动下从图6a所示的第一配置改变到图6b所示的第二配置。

在图6a的第一配置中，第一结构部分28a和第二结构部分28b互连。第二结构部分28b经由第一结构部分28a连接到量子点24，并用作生物发光共振能量转移(bret)供体。

在图6b的第二配置中，第一结构部分28a保持附着到量子点24，但是第二结构部分28b已经从第一结构部分28a中去除或切割。因此，第二结构部分28b不再能够用作量子点24的生物发光共振能量转移(bret)供体，并且电荷载流子的生成不会发生。

因此，从官能化量子点22中去除生物发光共振能量转移(bret)供体结构部分28b将官能化量子点22的配置从第一配置(图6a)改变到第二配置(图6b)，并且禁用生物发光共振能量转移(bret)，禁止电荷载流子生成。

虽然图6a和6b的描述假定第一配置(图6a)在第二配置(图6b)之前，但是在其它示例中，转换可以相反地从第二配置(图6b)到第一配置(图6a)发生。

因此，可以检测作为在第一和第二配置之间的转换中的活性结构部分或标记在第一和第二配置之间的转换中的活性结构部分的分析物的存在。

图7a和7b示出了第一配置(图7a)和第二配置(图7b)中的电荷载流子生成器2的官能化量子点22的示例。在第一配置中，官能化量子点22接收激活12并产生电荷载流子6。

当电荷载流子生成器2处于第一配置(图7a)时，荧光共振能量转移(fret)被禁用，当官能化量子点22处于第二配置(图7b)时，荧光共振能量转移(fret)被启用。当没有荧光共振能量转移(fret)时，激活12可以是适于引起第一配置中的电荷载流子生成器2中的电荷载流子6的光电生成的波长的光子。

在该示例中，官能化量子点22包括包含可修改官能化26的量子点24。可修改官能化26在特定驱动下从图7a所示的第一配置改变到图7b所示的第二配置。

在图7a的第一配置中，可修改官能化26包括附着到量子点24的第一结构部分28a。第二结构部分28b不附着到第一结构部分28a。

在图7b的第二配置中，可修改官能化26包括与第二结构部分28b互连的第一结构部分28a。第二结构部分28b经由第一结构部分28a连接到量子点24，并用作荧光共振能量转移(fret)受体。第二结构部分28b用作荧光共振能量转移(fret)受体，因为荧光共振能量转移(fret)提供电荷载流子生成的替代优选沟道，所以电荷载流子生成不会发生。

因此，向官能化量子点22添加荧光共振能量转移(fret)受体结构部分28b将官能化量子点22的配置从第一配置(图7a)改变到第二配置(图7b)，并启用荧光共振能量转移(fret)，禁止电荷载流子生成。

受体结构部分28b可以被选择成以使得它自己不产生可以门控沟道4的载流子，也就是说，它应当具有非常短寿命的激发态，例如通过发射光子而迅速辐射衰减。

虽然图7a和7b的描述已经假定第一配置(图7a)在第二配置(图7b)之前，但是在其它示例中，转换可以相反地从第二配置(图7b)到第一配置(图7a)发生。

因此，可以检测作为在第一和第二配置之间的转换中的活性结构部分或标记在第一和第二配置之间的转换中的活性结构部分的分析物的存在。

图8a和图8b示出了例如在图6a和图6b中所示的官能化量子点22在图5所示的装置10中的应用。

在图8a和图8b中，装置10被示出在左侧，官能化量子点22被示出在右侧。在该示例中，第二结构部分28b是荧光素酶。

在图8a的第一配置中，探针(第一结构部分28a)和荧光素酶(第二结构部分28b)互连。荧光素酶(第二结构部分28b)经由第一结构部分28a连接到量子点24，并且用作启用电荷载流子生成的生物发光共振能量转移(bret)供体。

在图8b的第二配置中，探针(第一结构部分28a)附着到量子点24，但荧光素酶(第二结构部分28b)不附着到探针(第一结构部分28a)。荧光素酶(第二结构部分28b)不用作量子点24的生物发光共振能量转移(bret)供体，不发生电荷载流子生成。

蛋白酶的添加可用作驱动，以将荧光素酶(第二结构部分28b)从探针(第一结构部分28a)分离，并将配置从第一配置(图8a)改变到禁用电荷载流子生成的第二配置(图8b)。

检测电路40用于测量沟道4的导电性。例如，它可以测量电极23之间穿过沟道4的电流。测量的变化可用于例如检测作为在第一和第二配置之间的转换中的活性结构部分或标记在第一和第二配置之间的转换中的活性结构部分的分析物的存在。

在该示例中，沟道4包括栅极23。控制电路42可用于向栅极23施加电压，栅极23通过介电基板21与沟道4分离。通过控制施加到栅极23上的电压，沟道4的多数载流子类型可被修改，并且沟道4中电荷载流子的数量可被控制。当电荷载流子生成器生成填充沟道4的电荷载流子时，沟道4可能已经具有某一数量的借助于由栅电极23(根据场效应晶体管(fet))诱导的场效应的电荷载流子。

同样将理解，在图8a和8b的示例中，官能化量子点22由纳米粒子24提供，纳米粒子24具有设计成结合到第二部分28b的多个分子捕获探针(第一结构部分)28a。纳米粒子24上至少一部分用于分子捕获探针(第一结构部分28a)的位点使用封端剂33来稳定。根据分散剂(通常是生物分子不会变性的水缓冲溶液)来选择封端剂。

图9a和9b示出了例如在图7a和7b中所示的官能化量子点22在图5所示的装置10中的应用。

在图9a和9b中，装置10被示出在左侧，官能化量子点22被示出在右侧。

在图9a的第一配置中，探针(第一结构部分28a)附着到量子点24，但是第二结构部分28b不附着到探针(第一结构部分28a)。第二结构部分28b不用作荧光共振能量转移(fret)受体，发生电荷载流子生成。

在图9b的第二配置中，探针(第一结构部分28a)和第二结构部分28b互连。第二结构部分28b经由第一结构部分28a连接到量子点24，并用作荧光共振能量转移(fret)受体，禁用电荷载流子生成。fret受体同样发光。

检测电路40用于测量沟道4的导电性。例如，它可以测量电极23之间穿过沟道4的电流。测量的变化用于例如检测作为在第一和第二配置之间的转换中的活性结构部分或标记在第一和第二配置之间的转换中的活性结构部分的分析物的存在。

在该示例中，沟道4包括栅极23。控制电路42可用于向通过介电基板21与沟道4分离的栅极23施加电压。通过控制施加到栅极23的电压，沟道4的多数载流子类型可被修改，并且沟道4中的载流子的数量可被控制。

同样将理解，在图9a和9b的示例中，官能化量子点22由纳米粒子24提供，纳米粒子24具有设计成结合到第二结构部分28b的多个分子捕获探针(第一结构部分)28a。纳米粒子24上用于分子捕获探针(第一结构部分28a)的至少某些位点使用封端剂33来稳定。根据分散剂(通常是生物分子不会变性的水缓冲溶液)来选择封端剂。

图10示出了图1中所示的方法10的另一个示例。如图1所示，它包括框102，其中，通过由用电荷载流子6填充沟道4的电荷载流子生成器2修改共振能量转移(ret)来修改沟道4中多数电荷载流子6的数量。

在该示例中，方法100还可以可选地包括框104。在该框中，图8a、图8b、图9a、图9b所示的控制电路42用于控制沟道4中多数电荷载流子类型和/或电荷载流子密度。

方法100还可以可选地包括框106，框106包括使用图8a、图8b、图9a、图9b所示的控制电路40来测量沟道4的导电性，以检测由于特定分析物的存在而导致的共振能量转移的修改。

应当理解，装置10可以用作在不使用诸如镜子、滤波器和检测器的光学组件的情况下使用ret的传感器。因此，装置10更简单且更便宜。装置10可以是便携式的，并且可以集成到另一个装置中。

在沟道4的材料是石墨烯的情况下，传感器将非常灵敏，并且能够测量非常小浓度的分析物。这是因为石墨烯-量子点系统的非常高的光电导增益。

在示例中，蛋白酶或其它酶可用于破坏改变官能化量子点22的配置的多肽链，通过将作为第二结构部分28b或用第二结构部分28b标记的多肽链的一部分从官能化量子点22中分离。第二结构部分28b可以是荧光团，并可用作荧光共振能量转移(fret)受体，并且它的分离启用电荷载流子生成(图7a)。可替代地，第二结构部分28b可以用作生物发光共振能量转移(bret)供体，它的分离禁用电荷载流子生成(图6b)。

在另一个示例中，蛋白激酶、聚合酶或其它酶可用于将第二结构部分28b添加到官能化量子点22，从而改变它的配置。第二结构部分28b可以是荧光团，并用作荧光共振能量转移(fret)受体，并且它的附着禁用电荷载流子生成(图7b)。可替代地，第二结构部分28b可用作生物发光共振能量转移(bret)供体，并且它的附着启用电荷载流子生成(图6a)。

当电荷载流子生成器2包括具有抗生物素蛋白的探针(附着的第一结构部分28a)的多个官能化量子点22时，fret可发生。这可以使用链霉抗生物素蛋白缀合的量子点(qd)来实现。用生物素来标记的捕获探针和用花青染料(例如，cy5)来标记的报告探针杂交成靶dna，并形成包括生物素和cy5的夹心杂交体。因为杂交体的生物素与官能化量子点22的抗生物素蛋白相互作用，所以杂交体自组装到量子点24的表面上。杂交体形成第二结构部分28b，并用作荧光共振能量转移(fret)受体以发光并防止电荷载流子生成。激活12可以是488纳米波长的激光器或蓝色led。通过fret，第二配置中的官能化量子点24经由附着的杂交体发射675nm的光，而不是产生电荷载流子6。

在另一个示例中，使用大约10个麦芽糖结合蛋白(mbp)来将530nm量子点官能化，每一个用cy3和半胱氨酸95(最大吸收大约556nm，最大发射大约570nm)来单独标记。β-cd-cy3.5(最大吸收大约575nm，最大发射大约595nm)被附着，以形成qd-10mbp-cy3-β-cd-cy3.5官能化的量子点22。官能化量子点22的激发导致mbp-cy3的fret激发，接着fret激发β-cd-cy3.5。添加的麦芽糖取代β-cd-cy3.5，导致增加的cy3发射和电荷载流子生成的变化。

在另一个示例中，生物发光蛋白海肾荧光素酶(luc8)可以用作作为生物发光共振能量转移(bret)供体的第二结构部分28b。

根据示例，靶基质和标签融合到luc8。所得到的组合经由使luc8复合物接近量子点24的标签来官能化量子点24。当添加luc8基质肠溶素(如果ni2+离子存在)时，发生来自luc8的生物发光，启用bret(图6a)。组合官能化可通过例如使用靶酶消化靶基质来修改，以改变量子点的配置并去除第二结构部分28b(图6b)。标签的示例是多组氨酸(polyhisitidine)，靶的示例是基质金属蛋白酶(mmp-2)。

应当理解，可以检测在控制第一和第二配置之间(到/从)的转换中是活性的分析物的存在。分析物可引起或促进第二结构部分28b的附着/分离。分析物可以防止或阻止第二结构部分28b的附着/分离。分析物可以是或可以标记第二结构部分28b。分析物可以是或可以标记第一结构部分28a。第二结构部分28b可以用作bret供体。第二结构部分28b可以用作fret受体。第一结构部分28a可以使第二结构部分28b能够附着到量子点24。

上述示例可以应用于检测物理分析物，例如有机化合物、无机化合物或物质、水溶性分子、毒素、小分子炸药(smallmoleculeexplosive)、碳水化合物、离子物质、生物分子、dna、蛋白质、肽等。

应当理解，如上在一些示例中描述的装置10用作分析物敏感的光电晶体管。

在结构特征已经被描述的情况下，它可以通过用于执行结构特征的一个或多个功能的方法来替换，无论该功能或那些功能是否被明确地或隐含地描述。

在此使用的“模块”是指不包括将由终端制造商或用户添加的某些部件/组件的单元或装置。装置10可以是模块。

本文件中所使用的术语“包括”具有包含的意义，而不是排他的意义。也就是说，关于x包括y的任何引用指示该x可以仅包括一个y或可以包括多于一个y。如果旨在使用具有排他意义的“包括”，则将在上下文中通过引用“仅包括一个”或通过使用“由……组成”来明确。

在本简短描述中，已经参考了各种示例。与示例相关的特征或功能的描述指示这些特征或功能存在于该示例中。在本文中使用的术语“示例”或“例如”或“可以”表示无论是否明确陈述，这些特征或功能至少存在于所描述的示例中，无论是否被描述为示例，它们可以但不一定存在于某些或全部其它示例中。因此，“示例”、“例如”或“可以”是指一类示例中的特定实例。该实例的性质可以仅是该实例的性质，或可以是该类的性质，或可以是包括类中的一些但不是全部实例的类的子类的性质。因此，隐含地公开了参考一个示例而不是参考另一个示例所描述的特征可以在可能的情况下用于该另一个示例，但不一定必须在该另一个示例中使用。

尽管已经参考各种示例在之前的段落中描述了本发明的实施例，但是应当理解，在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下，可以对给出的示例进行修改。

上述描述中描述的特征可以在除了明确描述的组合以外的组合中使用。

尽管已经参考某些特征描述了功能，但是这些功能可以由其它特征来执行，无论其它特征是否被描述。

尽管已经参考某些实施例描述了特征，但是这些特征也可以存在于其它实施例中，无论其它实施例是否被描述。

尽管在前述说明书中努力提请注意被认为特别重要的本发明的特征，但是应当理解，申请人要求保护关于上文所指和/或在附图中所示的任何可专利特征或特征的组合是否特别强调了这一点。