用于分析物检测的三维集成电路的制作方法

专利名称：用于分析物检测的三维集成电路的制作方法
技术领域：
本发明的实施方案涉及用于检测生物分子如分析物的器件 和方法。具体而言，所述实施方案包括使用包括晶体管的半导体器 件作为在生物分子检测中的电传感器。本发明跨越了若干学科，如 生物化学、物理学、微电子学、免疫学、分子生物学和医学诊断 学。
背景对于诸如基因组学、蛋白质组学、诊断和病理研究至关重 要的生物测定而言，快速而特异性地检测生物分子和生物细胞(如蛋 白、DNA和RNA，病毒、肽、抗体、抗原、红细胞、白细胞和血小 板)已经变得越来越重要。例如，快速而准确地检测特定抗原和病毒 对于抗击流行性疾病如AIDS、流感和其它传染病而言非常重要。此 外，由于分离和检测细胞和生物分子的方法更快且特异性更强，因 此正在以飞快的速度阐明疾病的分子水平起源，有可能开创一个个 人化医疗的新时代，为每位患者开发出特定的疗程。为了全面利用 疾病表型的这一延展的知识，越来越需要和要求同时检测多种生物 分子(如病毒、DNA和蛋白)的新方法。多重生物分析检测法必须快 速、灵敏、高度平行，且理想的是能够在体内诊断细胞表型。越来越多地用于医学诊断、食物及环境分析中的一种特定 类型的生物测定法是免疫测定。免疫测定是一种生物化学检验，利用抗体与其抗原的反应，测量生物液体(如血清或尿液)中物质的水平。该测定法利用抗体对其抗原的特异性结合。常常使用单克隆抗体，因为它们通常仅与特定分子的一个部位结合，因而提供特异性更强且更准确的检验，这种检验不太容易因其它分子的存在而被混淆。所选抗体必须对抗原具有高亲和性(如果可得到抗原，则其相当大的部分必须与该抗体结合)。在免疫测定中，抗原或抗体的存在皆可4皮测量。例如，当4企测感染时，4全测抗病原体抗体是否存在。为了测量激素如胰岛素，则将胰岛素用作抗原。传统上，为了得到数值结果，必须将待测的液体反应与已
知浓度的标准品相比较。这通常通过在图上作标准曲线来完成，然后检查曲线中未知物反应的位置，因而发现未知物的量。对抗体或抗原含量的检测可以通过各种各样的方法来实现。最常用的方法之一是对抗原或抗体进行标记。标记可以由酶、放射性同位素或荧光团组成。日益增多的生物测定如免疫测定和基因测序正在在微阵列(如DNA微阵列或蛋白微阵列)上进行。微阵列是连接于固体表面(如玻璃、塑料或硅芯片)、形成阵列的含有探针的微观点(如DNA点或蛋白点)的集合。可以采用本领域技术人员众所周知的技术将多重探针装配在单个基片上。探针可以通过杂交与分析物或分析物组结合。应用这种阵列的实例包括但不限于研究以确定哪些基因在癌症中有活性、研究以确定哪些基因差异使患者对药物治疗产生不良反应、研究传染病、研究以确定患者是否存在基因突变。目前，对化学反应或结合的检测用多步骤方法来实现，如

图1所示。用荧光标记或其它标记(例如化学发光、放射性、染料等)对样品中的分析物进行标记。在阵列上洗涤样品，分析物因杂交而结合于与表面上的其互补探针上。基片上发生与探针的结合时，所述标记被结合到基片上的某个位置。用仪器照射标记产生读者可见的点。通常使用荧光标记，且用利用激光照明和CCD照相机的仪器来读出，以将所结合标记的位置和亮度数字化。附图简述图1 (现有技术)图示了采用常规微阵列用荧光型标记检测分析物的方法。图2显示本发明实施方案的生物化学传感器。图2a显示记录用作为微处理器应用的逻辑晶体管的SOI FET的平面图。图2b表明SOI器件可以通过使生物化学试剂暴露于晶体管的沟道区而用作传感器。图2c阐明了用三维晶片(wafer)叠层技术制造的SOIFET传感器。图3显示了可在本发明实施方案中用作生物传感器的叠层晶片器件的橫截面视图。图4显示了薄体SOI器件和背面基片(back substrate)偏压对含p型晶体管器件的沟道传输的影响。图5显示具有本发明实施方案的生物化学传感器的微阵列。图6显示了可以片上直接检测和数字化读出和分析的测定法的示意图。
详细描述如说明书和权利要求书中所使用的，单数形式"a"、"an"和"所述(the)"包括复数形式，除非上下文清楚表明并非如此。例如，术语"阵列(an array)"可以包括多个阵列，除非上下文清楚表明并非如此。"电传感器"、"生化传感器"或"传感器"意指4企测或感测由于电子运动而产生的电信号(包括但不限于电阻、电流、电压或功率)的物质或器件。"场效应晶体管"或FET意指依赖于电场来控制半导体材料中沟道电导的晶体管。FET有三个端子，通常被称为栅极、漏极和源极。施加在栅极端子和源极端子之间的电压调节源极端子和漏极端子之间的电流。小的栅极电压变化可以引起从源极至漏极电流的大变化，因此使FET能够放大信号。场效应晶体管(FET)是依赖电场来矿质半导体材料中沟道电导的晶体管。FET有三个端子，通常被称为栅极、漏极和源极。施加在栅极端子和源极端子之间的电压调节源极端子和漏极端子间的电流。小的栅极电压变化可以引起从源极至漏极电流的大变化，因此使FET能够放大信号。FET可用来放大弱信号，并且可以放大模拟信号或数字信号。它们也可用作电压控制电阻以及化学和生物检测中的传感器。"阵列，，"宏阵列(macroarray)"或"微阵列"是有意创造的连接于或制造于基片或固体表面(如玻璃、塑料、硅芯片或形成阵列的其它材料)上的物质(如分子)、开口(opening)、微线圈、检测器和/或传感器的集合。这些阵列可用来同时测量大量(如数十个、成千或成百万个)反应或组合的表达水平。阵列也可以含有小数目的物质，如几种或12种物质。阵列中的所述物质可以彼此相同或不同。阵列可以采用各种各样的形式，例如可溶性分子库；结合于树脂珠、氧化硅芯片或其它固相支持体的化合物库。阵列或者是宏观阵列或微阵列，这取决于阵列上焊盘(pad)的尺寸。宏观阵列的焊盘尺寸一般约为300微米以上，宏观阵列可以容易地通过凝胶和印迹扫描器成像。微阵列的焊盘大小通常小于300微米。"基片"、"支持体"和"固相支持体"意指具有一个或多个刚性或半刚性表面的材料或一组材料。在某些方面，固相支持体的至少一个表面为基本平的，尽管在某些方面可能理想的是对于不同分子有例如阱(well)、凸区、管脚(pin)、蚀刻沟槽等的物理上独立的合成区。在某些方面，固相支持体将采用微珠、树脂、凝胶、微球或其它几何结构的形式。术语"分析物，，、"靶标，，或"靶分子"意指有待检测和/或分析的目标分子，例如核苷酸、寡核苷酸、多核苦酸、肽或蛋 白。分析物、靶标或靶分子可以是小分子、生物分子或纳米材料， 例如但不必限于具生物活性的小分子、核酸极其序列、肽和多肽、 以及用生物分子或能结合分子探针的小分子修饰的纳米结构材料，
例如化学改性碳纳米管、碳纳米管束、纳米线(nanowire)、纳米簇 (nanocluster)或纳米微粒。靶分子可以是荧光标记的抗原、抗体、 DNA或RNA。"生物分析物"意指作为生物分子的分析物。术语"捕获分子"意指被固定在表面上的分子。捕获分子 一般(但非必须)与靶标或靶分子结合。捕获分子通常为抗体、核苷 酸、寡核苦酸、多核普酸、肽或蛋白，但也可以是小分子、生物分 子或纳米材料，例如但不必限于具有生物活性的小分子、核酸及其 序列、肽和多肽、以及用能与结合了探针分子的靶分子结合的生物 分子或小分子化学修饰的、以形成捕获分子、靶分子和探针分子复 合物的纳米结构材料。就固相免疫测定而言，捕获分子被固定在基 片表面，并且是对靶标即待测抗原具特异性的抗体。捕获分子可以 是荧光标记的抗体、蛋白、DNA或RNA。捕获分子能够或不能仅与 輩巴分子或仅与4笨针分子结合。术语"探针"或"探针分子"意指与用于分析靶标的与靶 分子结合的分子。探针或探针分子一般(但非必须)具有已知的分子结 构或序列。探针或探针分子可以连接或不连接于阵列基片。探针或 探针分子通常是抗体、核苷酸、寡核苷酸、多核苷酸、肽或蛋白， 包括例如单克隆抗体、cDNA或预先合成的沉积于阵列上的多核苷 酸。探针分子是能够与靶分子进行结合或分子识别事件的生物分 子。(在某些文献中，术语"靶标，，和"探针"的定义与本文所提供 的定义相反)。在免疫测定中，探针分子可以是标记的对靶标即待测 抗原具特异性的抗体。在这种情况下，捕获分子、靶分子和探针分 子形成"三明治，，。多核苷酸探针仅需要基因的序列信息，因此可 以利用生物体的基因组序列。在cDNA阵列中，由于在基因家族成员中的序列同源性，可能有交叉杂交。多核苷酸阵列可以具体用来 鉴别基因家族中的高同源性成员以及同 一基因的剪接形式(外显子特 异性的)。本发明实施方案的多核苷酸阵列也可以用来允许检测突变 和单核苷酸多态性。探针或探针分子可以是捕获分子。"结合配偶体"意指对一种或多种分析物、靶标或其它分 子具有结合亲和性的分子或聚集体。从这种意义来说，结合配偶体 或者是"捕获分子"或者是"探针分子"。在本发明实施方案的范 围内，实际上对目标分析物或靶标具有结合亲和性的任何分子都可 以是结合配偶体，包括但不限于多克隆抗体、单克隆抗体、单链抗 体、嵌合抗体、人源化抗体、抗体片段、寡核苷酸、多核苷酸、核 酸、适体、核酸配体和可以与至少一种靶分子结合的任何其它已知 配体。尽管在某些实施方案中，结合配偶体与单一靶标特异性地结 合，但在其它实施方案中，结合配偶体可以与具有相似结合或结合 结构域的多种靶标结合。"结合，，是指两种以上物质之间产生足够稳定的复合物以 便允许检测结合分子复合物的相互作用，如耙标和捕获分子或探针 分子之间的相互作用。在本发明的某些实施方案中，结合也可以指 第二分子和靶标之间的相互作用。"与......连接"或"连接(association)"意指两种以上物质
之间产生足够稳定的复合物的直接或间接相互作用，例如靶标和捕 获分子或探针之间的相互作用。例如，当分子或复合物通过另一分 子或物质与基片表面直接结合或者与另一分子或物质和基片表面结 合时，所述分子或分子复合物"与"基片表面"连接"。换句话 说，当所述物质中任一成员直接结合于所述物质的至少另一成员 时，所述物质彼此"连接"。另外，集成器件中的元件也与该器件 "连接"。例如，集合电路中的晶体管与该电路"连接"。术语"标记"、"标志"和"传感化合物"可互换使用， 意指可被观测者、但不一定被用来鉴别分析物或靶标的系统辨别的标记或指示物。标记也可以通过进行预先设计的可检测过程来达到 其效果。标记通常在生物测定中用来与在其它情况下难以被检测的 物质缀合或连接。同时，标记通常不改变或影响基础的测定过程。 用于生物测定的标记或标志包括但不限于放射性物质、磁性物质、 量子点、酶、基于脂质体的标记、生色团、荧光团、染料、纳米微 粒、量子点或量子阱、复合有机-无机纳米簇、胶体金属微粒、或它 们的组合。术语"管芯"、"聚合物阵列芯片"、"阵列"、"阵列 芯片"或"生物芯片"可互换使用，意指布置在共享基片上的大量 捕获分子的集合，其中共享基片可以是硅晶片、尼龙条或载玻片的 一部分。当用阵列芯片来分析核苷酸时，使用术语"DNA阵列"或 "DNA阵列芯片"。当用阵列芯片分析蛋白质时，使用术语"蛋白 芯片"。术语"芯片"或"效芯片"意指由半导体材料制造并具有 一个以上集成电路或一个以上器件的微电子器件。"芯片"或"微 芯片，，通常为晶片切片，通过切割晶片制造。"芯片，，或"微芯 片，，可以在单个薄长方形硅、蓝宝石、锗、氮化硅、硅锗(silicn germanium)或任何其它半导体材料上包括许多微型晶体管和其它电子 元件。微芯片可以包含数打、数百或数百万个电子元器件。"微型电子机械系统(MEMS)"是通过微制造技术将机械 部件、传感器、执行器和电子器件集成在共同的硅基片上。虽然电 子器件用集成电路(IC)工艺步骤制造(例如CMOS、双极性或 BICMOS工艺)，但可以用选择性地蚀刻掉硅晶片上部分或加入新结 构层形成机械器件或电子机械器件的兼容"微制造"工艺制造微型 机械元件。微电子集成电路可被认为是系统的"大脑"，而MEMS 以"目艮睛"和"手臂"增强这种决策能力，允许微系统感测和控制 环境。传感器通过测量机械、热、生物、化学、光学和^ 兹力现象， 从环境采集信息。然后电子器件处理来自传感器的信息，并且通过某些决策能力，命令执行器通过移动、定位、调节、泵送和过滤而
作出反应，借此控制环境以达到某些所需结果或目的。因为MEMS 器件采用与集成电路所用技术相似的批量制造技术来制造，所以能 够以相对低成本给小硅芯片赋予空前水平的功能性、可靠性和复杂性。"微处理器"是集成电路(IC)芯片上处理器。该处理器可 以是一个以上IC芯片上的一个以上的处理器。芯片通常是具有数千 个电子元件的硅芯片，用作计算机或计算装置的中央处理器(CPU)。"大分子，，或"聚合物"包括共价连接的两个以上的单 体。单体可以一次连接一个，或者可被连接在一连串的多个单体 中， 一般被称为"寡聚物"。因此，例如，l个单体和一连串的5个 单体可以连接形成6个单体的大分子或聚合物。同样地， 一连串的 50个单体可以与一连串的100个单体连接形成150个单体的大分子 或聚合物。本文所用的术语聚合物包括例如核酸、多核苷酸、多核 苷酸、多糖、寡糖、蛋白、多肽、肽、磷脂和肽核酸(PNA)的线性或 环状聚合物。肽包括具有a-氨基酸、(3-氨基酸或co-氨基酸的那些 肽。另外，聚合物包括杂聚物，其中已知药物被共价连接到以上任 何一种、聚氨酯、聚酯、聚碳酸酯、聚脲、聚酰胺、聚乙烯亚胺、 聚亚芳基硫醚、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚醋酸酯或在参阅本申请公 开内容后显而易见的其他聚合物。本文所用的"纳米材料"意指在原子水平、分子水平和大 分子水平上具有长度范围在大约1-100纳米范围尺寸的结构、器件 或系统。优选纳米材料因其大小而具有性能和功能，并且可以在原 子水平上进行4乘作和控制。术语"生物分子"意指作为有生命的生物体一部分的任何 有机分子。生物分子其中包括核苷酸、多核苷酸、寡核苷酸、肽、 蛋白、配体、受体。"生物分子复合体，，意指由两种以上类型生物 分子构成的结构。生物分子复合体的实例包括细胞或病毒粒子。细胞可以包括例如细菌、真菌、哺乳动物细胞。术语"核苦酸"包括脱氧核苦酸及其类似物。这些类似物 是这样的分子，它们具有某些与天然核苷酸相同的结构特征，因此 当被掺入到多核苷酸序列中时，它们可以与溶液中的互补多核苦酸 杂交。通常，这些类似物由天然核普酸通过置换和/或修饰碱基、核 糖或磷酸二酯键而衍生。这些变化可以是定制的，以使杂交体的形 成稳定或去稳定，或者以增强与所需互补多核苷酸序列杂交的特异 性，或者以增强多核苦酸稳定性。本文所用术语"多核苷酸"意指任何长度的核苷酸(是核糖 核苷酸或脱氧核苷酸)的聚合形式，其包含噪呤和嘧啶碱基、或其他 天然的、经化学或生物化学修饰的、非天然的、或衍生化的核苷酸 碱基。本发明实施方案的多核苷酸包括可以从天然来源中分离的、 重组生产的、或人工合成的脱氧核糖多核苷酸(DNA)、核糖多核苷酸 (RNA)或核糖多核苷酸的DNA拷贝(cDNA)。本发明实施方案的多核 苷酸的其他实例包括聚酰胺多核苷酸(PNA)。多核苷酸和核酸可以作 为单链或双链存在。多核苷酸的主链可以包含通常可以在RNA或 DNA中找到的糖和磷酸基团，或者包含修饰型或取代型糖或磷酸基 团。多核苷酸可以包含修饰型核苷酸，例如曱基化核苷酸和核苷酸 类似物。核苷酸序列可以被非核苷酸成分中断。由核苷酸构成的聚 合物(例如核酸、多核苷酸和多核苷酸)在本文也可被称为"核苷酸聚 合物"。"寡核苷酸，，是具有2-20个核苷酸的多核苷酸。类似物 还包括常规用于多核苷酸合成的受保护和/或修饰型单体。正如本领 域技术人员所周知的，多核苷酸合成釆用多种碱基保护的核苷衍生 物，其中嘌呤和嘧啶部分的一个以上的氮原子被诸如二曱氧基三苯 曱基、千基、叔丁基、异丁基等的基团保护。例如，任选将结构基团加入到用于掺入多核苷酸的核苷酸 的核糖或核苷的碱基，例如核糖2，-0位的曱基、丙基或烯丙基，或用于取代2'-0基团的氟基，或核糖核苷碱基上的溴基。2，-0-曱基寡 核苷酸(2，-0-MeORN)对互补多核苷酸(尤其是RNA)的亲和性强于其 未经修饰的对应物。或者，还可以使用其中嘌呤或嗜咬中的一个以 上的氮原子被C原子取代的脱氮嘌呤和脱氮嘧啶。多核苦酸的磷酸二酯键或"糖-磷酸酯主链"也可被取代或 修饰，例如被曱基膦酸酯、O-曱基磷酸酯或硫代磷酸酯取代或修 饰。用于本公开目的、包含这种修饰型键合的多核苷酸的另一实例 包括"肽多核苷酸"，其中聚酰胺主链与多核苷酸碱基或修饰型多 核苷酸碱基连接。包含聚酰胺主链和天然核苷酸中存在的碱基的肽 多核苷酸是市售的。具有修饰型碱基的核苷酸也可以用于本发明实施方案中。 某些碱基修饰的实例包括2-氨基腺噤呤、5-曱基胞嘧啶、5-(丙炔-1-基)胞嗜啶、5-(丙炔-l-基)尿嘧啶、5-溴尿嘧啶、5-溴胞嘧啶、羟曱基 胞嗜啶、曱基尿嘧啶、羟曱基尿嘧啶和二羟基戊基尿嘧啶，其可被 掺入多核苷酸以便改变对互补多核苷酸的结合亲和性。基团也可以连接于核苷糖环上或者嘌呤或嘧啶环上的各种 位置，这可以通过与带负电的磷酸酯主链静电相互作用、或者通过 大沟或小沟中的相互作用而稳定双链体。例如，腺嘌呤和鸟嘌呤核 普酸可以在N^立被咪唑基丙基取代，以提高双链体的稳定性。也可 以包括通用的碱基类似物，例如3-硝基吡咯和5-辨基吲咮。在文献 中描述了各种各样的适用于本发明实施方案的修饰型多核苷酸。当目标大分子为肽时，氨基酸可以是任何氨基酸，包括a-氨基酸、(3-氨基酸或co-氨基酸。当氨基酸为a-氨基酸时，可以使用 L-旋光异构体或D-旋光异构体。另外，本发明实施方案也包括非天 然氨基酸，例如P-丙氨酸、苯甘氨酸和高精氨酸。这些氨基酸在本 领域众所周知。"肽，，是一种聚合物，其中单体为氨基酸，氨基酸通过酰 胺键连接在一起，或者被称为多肽。在本说明书的上下文中，应当认识到，所述氨基酸可以是L-旋光异构体或D-旋光异构体。肽长度 为两个以上的氨基酸单体，通常多于20个氨基酸单体。"蛋白"是通过肽键连接的氨基酸的长聚合物，可以由两 条以上的多肽链组成。更具体地说，术语"蛋白"意指由一条以上 特定顺序的氨基酸链组成的分子，所述顺序由蛋白编码基因中的核 苦酸序列来确定。蛋白是生物体的细胞、组织和器官的结构、功能 和调节所必不可少的，每种蛋白具有特有的功能。实例为激素、酶 和抗体。术语"序列"意指大分子中单体的特定顺序，它在本文中 可被称为大分子的序列。术语"杂交"意指两个单链多核苷酸非共价结合形成稳定 的双链多核苷酸的过程；三链杂交在理论上是可行的。所产生的(通 常的)双链多核苷酸为"杂交体"。形成稳定杂交体的核苷酸群的比 例在本文中被称为"杂交程度"。例如，杂交意指在探针多核苷酸 (例如包括取代、缺失和/或添加的本发明多核苷酸)与特定靶多核苷酸 (例如分析物多核苷酸)之间形成杂交体，其中探针优先与所述特定靶 多核苷酸杂交，基本上不与基本上不与靶多核苷酸互补的序列构成 的多核苷酸杂交。然而，本领域技术人员会认识到，与靶多核苷酸 特异性杂交所需的多核苷酸最小长度将取决于若干因素其中有G/C 含量、错配碱基(如果有的话)的位置、与耙多核苷酸群相比所述序列 的独特程度、和多核苷酸的化学性质(例如曱基膦酸酯主链、硫代磷 酸酉旨等)。用于进行多核苷酸杂交测定的方法在本领域已被充分开发 出。杂交测定程序和条件将随应用而变，按照本领域已知的通用结 合方法来进行选择。应当认识到，两种单链多核苷酸杂交的能力将取决于诸如 互4卜程度以及杂交反应条件的严格性的因素。"配体"是被特定受体识别的分子或分子部分。可以用本发明研究的配体的实例包括但必不限于细胞膜受体的激动剂和拮 抗剂、毒素和毒物、病毒表位、激素、激素受体、肽、酶、酶底 物、辅因子、药物(例如阿片类、类固醇等)、凝集素、糖、多核苷 酸、核酸、寡糖、蛋白和单克隆抗体。"受体，，是对给定配体具有亲和性的分子。受体可以是天 然的或人造的分子。此外，它们可以其未经改变的状态或作为与其 他物质的聚集体来使用。可将受体与结合成员直接或通过特定的结 合物质共价或非共价连接。可用于本发明的受体的实例包括但不限 于抗体、细胞膜受体、与特定抗原决定簇(例如病毒、细胞或其他 物质上的)反应的单克隆抗体和抗血清、药物、多核苷酸、核酸、 肽、辅因子、凝集素、糖、多糖、细胞、细胞膜和细胞器。受体有 时在本领域被称为抗配体。本文使用术语"受体，，，在含义上没有 差别。当两种大分子通过分子识别已经结合形成复合体时，形成 "配体受体对，，。可以用本发明研究的受体的其他实例包括但不限
于
a) 微生物受体确定与受体结合的配体(例如特定的转运蛋白或 对于微生物存活必不可少的酶)可用于开发新一类抗生素。抗机会致 病性真菌、原生动物和那些抗目前所用抗生素的细菌的抗生素将特 别有价值。
b) 酶例如， 一种类型的受体是酶的结合部位，所述酶例如为 负责切割神经递质的酶；确定与某些受体结合从而调节切割不同神 经递质的酶的作用的配体，可用于开发可用于治疗神经传递疾病的 药物。
c) 抗体例如，本发明可以用于研究抗体中与目标抗原之表位 结合的配体结合部位；确定模拟抗原表位的序列可导致开发出基于 一种或多种这种序列的免疫原的疫苗，或者可导致开发出可用于治 疗性治疗例如自身免疫病(例如通过阻断"抗自身，，抗体结合)的相关 诊断药或化合物。d) 核酸可以合成核酸序列，以建立DNA或RNA结合序列。
e) 催化性多肽能促进涉及使一种以上反应物转化为一种以上 产物的化学反应的聚合物，优选多肽。这种肽一般包括结合部 位，对至少一种反应物或反应中间体具有特异性；和接近结合部位 的活性官能团(fonctionality)，其能化学修修饰所结合的反应物。
f) 激素受体激素受体的实例包括例如胰岛素和生长激素的受 体。以高亲和性与受体结合的配体的确定有益于开发例如糖尿病患 者服用以緩解糖尿病症状的每日注射的口服替代物。其他实例是血 管收缩性激素受体；结合受体的那些配体的确定可导致开发出控制 血压的药物。
g) 阿片受体在脑中结合阿片受体的配体的确定有益于开发吗 啡及相关药物的成瘾性较低的替代物。"荧光团"或"荧光化合物"可以包括但不限于染料、固 有荧光的蛋白、镧系荧光体等。染料例如包括罗丹明及衍生物， 如得克萨斯红、ROX (6-羧基-X-罗丹明)、罗丹明-NHS和TAMRA (5/6-羧基四曱基罗丹明NHS);荧光素及衍生物，如5-溴曱基荧光素 和FAM (5，-羧基荧光素NHS)、荧光黄、IAEDANS、 7-Me2、 N-香豆 素-4-乙酸酯、7-OH-4-CHr香豆素-3-乙酸酯、7^112-4013-香豆素-3-乙酸酉旨(AMCA)、 monobromobimane、三石黄酸芘如Cascade Blue、和 monobromotrimethyl-ammoniobimane。术语"互补"意指配体分子和其受体的相互作用表面的拓 朴结构互补性或互相匹配。因此，受体及其配体可被描述为互补 的，此外，接触表面特征彼此互补。术语"晶片"是指半导体基片。可将晶片制成各种尺寸和 形状。它可用作微芯片的基片。基片上可以覆盖或嵌入电路，例如 焊盘、通孔、互连点或划线。晶片的电路也可用于若干目的，例如 用作微处理器、存贮器和/或通信能力。电路可由晶片本身上的微处 理器控制，或者由晶片外部的器件控制。
本发明的实施方案涉及使用半导体器件的器件和方法，其 中所述半导体器件具有作为晶体管的电传感器，以检测电传感器附 近是否存在生物分子。所述半导体器件对生物化学物质存在的反应 是非线性的。本发明实施方案的半导体器件可以常采用已开发的三 维集成电路工艺技术制备，并且可被制造成对不同生物化学物质或 生物分子的存在相当灵敏。该器件包括晶体管，该晶体管的特性如
暴露时改变。在所述实施方案中，当将生物分子引至电传感器附近时晶 体管特性的改变是特定化学和/或生物相互作用的反映，并且被电传 感器检测到，该电传感器可作为用于进行化学分析和医学诊断的集 成片上器件的部分。在具体实施方案中，电传感器可以是场效应晶 体管。本发明的实施方案还涉及其中基片中包含电传感器阵列的 器件和方法。来自电传感器的信号由基片上或独立器件中的电路检 测和采集。本发明电传感器阵列的一个应用是其在用于同时分析多 种蛋白或DNA的蛋白质或DNA阵列中的应用。本发明实施方案的 基片可以是也用作微阵列或宏阵列、集成电路、微流体器件、MEMS 或它们的组合的集成器件的部分。因此，该器件所包含或处理的样 品也可以由该集成器件分析，并对信号进行处理分析。生物样品通常含有成千种或甚至更多种类型的生物分子， 床诊断需要测量多种分析物以进行疾病确诊。目前，对每种分析 物单独测量，这需要来自患者的多个样品。本发明实施方案的传感 器可以用作多重测定，其中可以对多种分析物同时进行测量。在本发明的实施方案中，可被检测的分析物包括所有类型 的抗原，例如蛋白、多糖和与蛋白偶联的小分子。抗原及其相应抗 体之间的特异性结合构成了免疫测定的基础。适用于本发明实施方 案的抗体包括单克隆抗体、多克隆抗体、重组抗体、随机肽和适
他体。适用于本发明实施方案的免疫测定包括基于夹心原理和竟争原 理的固相免疫测定。也包括特定类型的免疫测定，例如酶联免疫吸
附测定(ELES A)和电化学发光(ECL)。本发明实施方案中的分析物还包括核酸(DNA和RNA)， 它们可以通过杂交、即互补碱基配对而形成双链分子。核酸杂交的 特异性使得可以通过电读出带电靶分子(例如DNA、 RNA、蛋白)和 化学修饰型纳米材料(例如用DNA功能化的碳纳米管、纳米线、纳 米微粒)间相互作用引起的极化变化，来检测分子和/或纳米材料结合 事件，其中化学修饰型纳米材料具有互补靶探针(例如DNA、 RNA、 抗体)，并且与电极(例如Au、 Pt)相连。互补碱基配对的这种特异性 也使得可以在DNA芯片(也称为DNA阵列)上的同一个实验中同时 进行上千个杂交。分子探针或捕获分子通过表面功能化技术被固定在可单独 寻址的电传感器阵列的表面。本发明实施方案的阵列可以是布置在 微型支持体上的包含稠密的网格型点(也称为元件(element)或填料 (pad))的DNA阵列(共用基区上的DNA探针的集合)。每个点可代表 不同的基因。 DNA芯片中的捕获分子或探针通常与通过制备来源于特 定细胞类型(来源)的RNA分子的复杂复合物的DNA拷贝而产生的复 杂RNA或cDNA靶杂交。这种靶的組成反映了所述来源中各个 RNA分子的水平。来自在探针和耙之间杂交后DNA芯片中的DNA 点的结合事件所产生的信号的强度，代表了所述来源的基因的相对 表达水平。所述DNA芯片可以用于样品(例如健康组织对患病组织)间 的差别基因表达，以搜索各种特定基因(例如与感染性因子相关的)或 用于基因多态性和表达分析。特别是，所述DNA芯片可以用来研究 与各种疾病相关的各种基因的表达，以找出这些疾病的病因以及使 得能够进行准确的治疗。
采用本发明的实施方案，人们可以查找基因的特定核酸区 段，即在所检查的基因中查找具有特定碱基顺序的位点。这种检测 可以采用诊断性多核苦酸来进行，其中诊断性多核苦酸由合成装配 的短单链互补多核苷酸(即通过A-T或G-C键与所述核酸的特定区段 结合(杂交)的以镜像顺序构成的碱基链)构成。除非另有说明，否则本发明实施方案的实施可以采用微电 子、纳米技术、有机化学、聚合物技术、分子生物学(包括重组技 术)、细胞生物学、生物化学和免疫学的常规技术，这些技术在本领 域的技术范围内。这样的常规技术包括聚合物阵列合成、免疫测 定、杂交、连接、分子(如抗体)的检测和采用标记的杂交。合适技术 的具体说明可以参考下文的实施例。然而，当然也可以使用其它等 同的常规程序。本发明的一个实施方案涉及用于检测分析的器件。该器件 包括电传感器，后者在生物分子被引入电传感器附近时改变其特性 之一。按照本发明的实施方案，其特性如亚阈值斜率因传感器附近 环境的电荷变化而改变的任何传感器，皆可用作所述电传感器。在具体实施方案中，电传感器包括电磁传感器、晶体管、 电阻传感器、电功率传感器、磁性传感器、电压传感器或电流传感 器。特定检测系统可用作电传感器的部分或全部，包括欧姆计、万 用表、检流计、电表、叶片式验电器(leaf electroscope)、伏特计、瓦 时表、磁罗盘、磁通门罗盘或磁强计。在另外的实施方案中，电传感器是场效应晶体管(FET)。 如本文所论述的，FET是依赖于电场来控制半导体材料中"沟道，， 电导的晶体管。FET通常有三个端子，被称为栅极、漏极和源极。 施加于栅极端子和源极端子间的电压调节源极端子和漏极端子间的 电流。换句话说，在FET中，电流沿称作沟道的半导体路径流动。 在沟道一端有称为源极的电极。在沟道另一端有称为漏极的电极。 尽管沟道的物理直径对于给定FET是固定的，但其有效电直径可通过施加电压以控制称为栅极的电极而变化。在一个实施方案中，可将生物分子引至晶体管栅极区附 近，致使生物分子的电荷可在FET的栅极和源极间产生电压，因此 在FET的源极和漏极之间产生电流。如本文所述，可对FET的两种 操作模式和电流强度进行测量，使得可以检测生物分子的存在情况 下和生物分子上电荷的强度。许多类型场效应晶体管可用于本发明实施方案中，包括结 型FET (JFET)和金属氧化物半导体FET (MOSFET)以及N型半导体 (N-沟道)或P型半导体(P-沟道)。在具体实施方案中，FET是 MOSFET、 JFET、金属半导体FET (MESFET)或高电子迁移率 (HEMFET)。在本发明的另一实施方案中，在场效应晶体管中可使用各 种纳米材料，尤其是用作源极和漏极间的沟道、用于增强灵敏度和 选择性。在具体实施方案中，FET包括纳米线、纳米晶体或纳米 管，如单壁(single walled)或多壁(multiple walled)纳米管。FET也可以 包括纳米柱(nanopillar)、纳米缝隙(nanogap)、图案化纳米结构。在本发明的所述实施方案中，分析物包括用于检测或分析 的任何目标化合物、分子或聚集体。分析物的非限制性实例包括 抗体、蛋白、肽、受体、抗原、DNA、 RNA、多核苷酸、核酸、糖 类、脂类、细菌、大分子、变应原、糖类、多糖、糖蛋白、生长因 子、细胞因子、脂类、激素、代谢物、辅因子、抑制剂、药物、药 剂、毒物、爆炸物、杀虫剂、营养素、毒素、化学战剂、生物战 剂、生物危害剂、病原体、朊病毒、放射性同位素、维生素、致癌 物质、诱变剂、麻醉药、杂环芳族化合物、安非他明、巴比妥酸 盐、 迷幻剂、废物和污染物。在本发明的一个实施方案中，分析物包括生物分子。更具 体而言，分析物包括抗原、抗体、蛋白、肽、病毒、DNA、 RNA、 淡红、核酸、糖类、脂类、细菌或大分子。
在本发明的所述实施方案中，通过将生物分子引至传感器
附近而产生的电荷变化包括电扰动、阻抗、电流、电压或由电荷变 化引起的光诱导电荷分离。扰动可以电流、电势、阻抗或场效应的 形式由电传感器感测。在这方面，本发明的实施方案可以使得能够实时检测由分 子事件(如下文所述的生物分子相互作用)所致的电荷变化。在本发明 的某些实施方案中，FET对电扰动、阻抗、电流、电压或光诱导电 荷分离的检测是距离依赖性的。具体而言，当生物分子和FET表面 间的距离处于纳米(nm)范围时，检测的灵敏度可取决于所述距离。在 某些情况下，远离传感器的生物分子可能检测不到。因此，在本发 明的特定实施方案中，生物分子和传感器间的距离可以小于10微 米，优选小于1微米，更优选小于1000纳米(nm)，最优选小于100 nm。按照本发明的另一实施方案，所述器件或电传感器是另一 器件如集成电路的部分。因此，在一个实施方案中，电传感器与基 片相连，基片可以包括聚合物、硅或玻璃。在另一实施方案中，基 片包括微阵列、宏阵列、多孔板、微流体器件、集成电路、MEMS 或它们的组合。基片还可包括能够处理电传感器所检测到的信号或 数据的微处理器。在本发明的所述实施方案中，可用作基片的具体材料包括 但不限于聚苯乙烯、聚二曱基硅氧烷(PDMS)、硅、玻璃、化学功能 化的玻璃、包被聚合物的玻璃、包被硝基纤维素的玻璃、未包被玻 璃、石英、天然水凝胶、合成水凝胶、塑料、金属和陶瓷。基片可 以包括目前用于实施免疫测定、DNA或蛋白微阵列分析的任何平台 或器件。因此，基片可以包括微阵列或宏阵列、多孔板、微流体器 件、集成电路、MEMS或它们的组合。此外，基片也可以不是平 的，可以包括珠、微粒或其它形状的物体。在本发明的另一实施方案中，基片包括微处理器，后者含有软件或硬件以处理来自所述器件或电传感器的信号或数据。例 如，由传感器产生的作为电信号的相/强度信息可以被读取到微处理 器以转换并产生数据，例如所检测的特定分析物的类型和量。在本发明的另一实施方案中，基片包括在其上进行化学分 析或生物分析的平台或器件。具体而言，基片可以包括用于进行免 疫测定如ELISA测定的器件，其中已经形成了抗体/抗原/抗体的夹心 型结合。基片也可以包括DNA微阵列测定，其中已经形成了夹心型 的捕获分子/靶DNA/探针结合。因此，按照本发明所述实施方案的 器件和检测可以作为其中可形成序贯的多重程序的更大器件或方法 的部分。在本发明的所述实施方案中，所述一个或多个微流沟道可 以作为基片的部分，它们可以是集成器件，如集成电路、微流体器 件或MEMS。微流体沟道或其集成器件可以采用本领域技术人员已 知的技术或本文所公开的方法来制造。例如，微流体沟道可以采用 软光刻法(soft l池ography method)用聚二曱基硅氧烷来制造。采用这 些技术，可以产生小至30 nm临界尺寸的图案。这些技术使用在表 面具有图案化凹凸(relief)的透明弹性聚二曱基硅氧烷(PDMS)"印 记，，来产生特征(feature)。可以通过在用常规光刻技术形成图案的主 部件上以及在其它目标主部件上浇铸预聚合物，制备所述印记。若 干不同的技术被统称为软光刻。所用的技术还包括微制造用于微型电子机械系统(MEMS) 的硅、和用图案化石英使热塑性塑料成紋。与常规光刻法不同，这 些技术能在弯曲基片和反射基片上产生特征，以及快速使大区域图 案化。可以用以上技术使各种各样的材料形成图案，包括金属和聚 合物。所述方法补充和扩展了现有的纳米光刻技术，并且为特征尺 寸约为30nm的高质量图案和结构4是供了新途径。可以由压力梯度、电场梯度、重力、热梯度等来控制。标记或标记 缀合分子可被带有单室或多室的平面器件来分隔，其中表面用可使
非特异性结合最小化的聚合物(聚乙二醇(PEG)改性(dramatized)化合
物)来修饰。本发明的实施方案也包括用于检测分析物的器件，其包括
括电传感器的阵列和连接的复合物。具体而言，该器件包括电传感 器阵列和与至少一部分所述电传感器中的每个电传感器的表面连接
的复合物。在该实施方案中，复合物包含在暴露于辐射时能产生电 荷变化的标记，而被连接的电传感器能检测所述电荷变化。因此，按照该实施方案，所述器件包括预设计图案的电传 感器(如场效应晶体管)阵列。在具体实施方案中，电传感器中的至少 一部分可分别寻址。换句话说，根据需要，检测和控制单独传感器 的类型、位置和电连接。该实施方案能够对分析物进行同时的多重 才企测和分片斤。本发明的实施方案涉及一种器件，其包括第一基片，其 含有晶体管；第二基片；绝缘层，其位于第一基片和第二基片之间
并与第一基片和第二基片邻接；和开口，位于第二基片内，所述开
口对准晶体管；其中晶体管配置用于检测开口内的电荷变化。优选
晶体管是场效应晶体管(FET)。优选FET是金属氧化物半导体FET (MOSFET)、结型FET (JFET)、金属半导体FET (MESFET)或高电子 迁移率(MEMFET)。优选FET含有纳米线、纳米晶体、纳米管、纳 米柱、纳米缝隙或图案化纳米结构。优选FET含有单壁碳纳米管。 优选第一基片和第二基片独立包含聚合物、硅或玻璃。优选第一基 片和第二基片独立包含微阵列、宏阵列、多壁板、微流体器件、集
成电路、MEMS或它们的组合。该器件可以进一步包括能处理晶体管所产生的信号或数据 的微处理器。优选第一基片连接于支持基片，所述连接通过粘结 层。优选第一基片为基本平的，厚度为约10 nm至约1.0 mn。优选绝缘层包含氧化硅。优选绝缘层的厚度为约5.0 nm至约100 nm。优 选第二基片为基本平的，厚度为约0.5 nm至约10 nm。优选开口通 过第二基片的厚度方向。优选开口所占空间包括立方体、圆柱体、 棱柱体或平截头体。优选开口的尺寸为约10 nm至约5 pm。优选晶 体管是FET，而开口对准FET的沟道区。优选电荷变化包括电扰 动、阻抗、电流、电压或光i秀导电荷分离。j尤选开口内表面^皮功能 化，以有助于分子结合。优选电荷变化由开口内表面或其附近的分 子结合事件引起。优选所述分子结合事件包括第一结合配偶体结合
到开口内表面以及第二结合配偶体与第一结合配偶体的结合。优选 第一或第二结合配偶体包含生物分子。优选第一结合配偶体包含抗 体、抗原、受体、配体、蛋白、肽、病毒、细菌、糖类、脂类、多 核苷酸、核酸或大分子。优选第二结合配偶体包含抗原、抗体、蛋 白、肽、病毒、细菌、糖类、脂类、多核苷酸、核酸或大分子。优 选第二结合配偶体包含抗原，而第 一结合配偶体包含抗该抗原的抗 体。优选第二结合配偶体包含肽，而第一结合配偶体包含该肽的受 体或配体。优选第二结合配偶体包含第一多核苦酸，而第一结合配 偶体包含第 一 多核苦酸的互补多核苷酸。本发明的另一实施方案涉及一种方法，其包括提供基 片，该基片包含第一部分、第二部分、和位于第一部分和第二部分 之间并邻接第一和第二部分的绝缘层；在第一部分上制造晶体管； 和在第二部分内制造开口，所述开口对准晶体管；其中晶体管配置 用于检测开口内的电荷变化。优选基片包括硅晶片。优选基片的提 供包括将氧离子植入基片的预定区域，以产生绝缘层，该绝缘层将 基片分隔成第 一部分和第二部分。优选基片的提供包括提供第 一基 片和第二基片；氧化第一基片和第二基片的表面；和将第一基片和 第一基片通过氧化表面结合；其中所述第一基片形成第一部分，第 二基片形成第二部分，而结合的氧化表面形成绝缘层。在一个变体中，上述方法可进一步包括将支持基片与第一基片连接。优选所述连接通过焊接(bonding)手段进行。上述方法可进一步包括在第一部分和第二部分上独立制造微阵列、宏阵列、多孔板、微流体器件，集成电路、MEMS或它们的组合。上述方法可进一步包括在第一部分或第二部分上制备微处理器，所述微处理器能够处理由晶体管产生的信号或数据。上述方法可进一步包括将第一部分或第二部分削薄(thinning)。优选第一部分为基本平的，厚度为约10 nm至约1.0 mm。优选绝缘层的厚度为约5.0 nm至约100 nm。优选第二部分为基本平的，厚度为约1.0 pm至约10 mm。优选开口通过第二基片的厚度方向。优选晶体管为FET，而开口对准FET的沟道区。在一个实施方案中，上述方法可进一步包括将开口内表面功能化，以有助于分子结合。本发明的另外的实施方案涉及一种方法，其包括提供一种器件，该器件包含含有晶体管的第一基片、第二基片、位于第一基片和第二基片之间并与这两个基片邻接的绝缘层；和位于第二基片内的开口，所述开口对准晶体管；在开口内表面或其附近提供分析物；和用晶体管才企测开口内表面或附近的电荷变化。该方法可进一步包括处理由晶体管产生的信号或数据。优选电荷变化包括电扰动、阻抗、电流、电压或光诱导电荷分离。优选开口的内表面被功能化，以有助于分子结合。优选电荷变化因开口内表面或其附近的分子结合事件而产生。该方法可进一步包括将结合配偶体固定在开口内表面。优选分析物的提供包括使分析物与结合配偶体结合。优选结合配偶体或分析物包含生物分子。优选结合配偶体包含抗体、抗原、受体、配体、蛋白、肽、病毒、细菌、糖类、脂类、多核苷酸、核酸或大分子。优选分析物包含抗原、抗体、蛋白、肽、病毒、细菌、糖类、脂类、多核苷酸、核酸或大分子。优选分析物包含抗原，而结合配偶体包含抗该抗原的抗体。优选分析物包含肽，而结合配偶体包含该肽的受体或配体。优选分析物包含第一多核苷酸，而结合配偶体包含第一多核苷酸的互补多核苷酸。
本发明的其它实施方案涉及一种器件，其包含第一基片、第二基片、和位于第一基片和第二基片并与这两个基片邻接的绝缘
层；其中第一基片包含晶体管阵列，而第二基片包含开口阵列，至少一部分开口中的每个开口对准所述晶体管之一。优选至少一部分
晶体管中的每个晶体管能检测对准所述晶体管的开口内的电荷变化。优选至少一部分晶体管是场效应晶体管(FET)。优选至少一部分晶体管可单独寻址。优选至少一部分晶体管的内表面被功能化，以有助于分子结合。优选至少一部分开口中的每个开口的内表面结合有一种以上结合配偶体。优选与一个开口结合的结合配偶体包含相同的分子。优选与一个开口结合的结合配偶体中的至少两种包含不同的分子。优选与开口中的至少两个结合的结合配偶体包含相同的分子。优选与开口中的至少两个结合的结合配偶体包含不同的分子。本发明的其它实施方案涉及一种器件，其包含具有正面和背面的基片、基片第一面上的传感器节点阵列和穿过基片厚度的通孔开口(via opening),其中至少某些传感器节点含有由基片背面通过通孔开口功能化的探针分子。所述器件还可在起始晶片(start wafer)上含有用于列和行选择的外部逻辑，以访问特定传感器节点。该器件还可含有包括CMOS逻辑的读出电路，所述CMOS逻辑单元具有读出放大器，以检测分析物分子被加入到通孔开口时的电流变化。现通过以下实施例解释本发明的实施方案。实施例实施例l:本发明实施方案的传感器本发明实施方案的传感器示于图2，该图显示了作为生物化学传感器的SOIFET (硅绝缘子场效应晶体管(Silicon on InsulatorField Effect Transistor))。图2a显示了记录S01 FET用作为微处理器应用的逻辑晶体管的平面图。SOI FET的特征是设置在埋入氧化物顶部的极薄的硅鳍片(fm); Si膜厚度根据晶体管栅极长度来调整-栅极长度越小，则需要越薄的Si膜，以维持沟道中的静电。图2b表明，SOI器件可通过使生物化学物质接触晶体管的沟道区而用作传感器。生物化学物质的变化改变了晶体管装置的传输特性，并因此用作传感器。图2c阐述了用三维晶片叠层技术制造的SOIFET传感器。图lc显示了用作SOIFET传感器的最终器件。MOSFET晶体管的加工首先在SOI基片上完成。此后将其倒装，用铜焊将其焊接到操作用晶片(handle wafer)上以得到机械支持。然后使SOI晶圆基片从顶部变薄至厚度范围为0.5微米至5微米。在图案形成步骤之后，在削薄的基片上制造通孔开口并蚀刻到埋入氧化物，产生贯通硅通孔。在某些情况下，可用定时的湿法蚀刻法使埋入氧化物层进一步变薄。带有SOI器件的晶片可用铜焊层连接到操作用晶片上，如图3所示。然后将器件晶片变薄至数微米，随后可以制造贯通硅通孔(开口)。可将生物分子加入到通孔中，它们会改变器件的特性。因此，本发明实施方案的半导体器件可用作传感器。请参阅图3，在第一含硅基片上制造晶体管和其它器件，所述第一含硅基片位于绝缘层(例如氧化物层)上，而绝缘层位于第二含硅基片上。在绝缘层或第一含硅基片顶部制造由铜块制成的伪焊接层(dummy bonding layer)。在有源SOI晶片和操作用晶片两者的介质钝化层中产生铜焊。将具有相似焊接层(其为铜层)的操作用晶片精确对准并焊接(例如通过热压焊接)至第一含硅基片，使得另 一晶片适用于操作用晶片，这在磨削和深腐蚀处理期间提供机械支持。焊接后，通过机械磨削或蚀刻，将作为含有有源晶体管的SOI基片晶片的第二含硅基片变薄至数微米。通过蚀刻制造与晶体管器件对应的贯通硅通孔。选择性地蚀刻硅，直至到达埋入氧化物层。此时，可将埋入氧化物层进一步变薄至50-500埃的厚度。这将用作晶体管沟道的背面栅极氧化物。可将待测生物分子加入该通孔，与该生物分子相关的电荷将改变传感器的传输特性。实施例2:背面基片偏置对本发明实施方案之传感器的沟道传输的影响图4 (上图)显示了可加入到本发明实施方案之传感器中的薄体(thin body) SOI器件的示意图。图4 (下图)显示了背面基片偏压对含P型晶体管器件的沟道传输的影响。图4表明，基片偏置电压可与沟道耦合，并改变该器件的阈值电压，从而影响驱动电流。实施例3:带有本发明实施方案的传感器的微阵列
图5显示了制造带有本发明实施方案之传感器的微阵列的方法中的各步骤。图3的传感器将构成节点阵列中的一个节点。这些传感器节点中的至少某些(优选每个)节点可通过背面贯通硅通孔开口用具有独特特征的探针分子功能化。阵列的密度由背面通孔尺寸和间隔以及对准允许误差来确定。在SOI起始晶片中有用CMOS逻辑技术形成的用于行列选择的外周逻辑，以访问特定传感器节点；读出电路也可用CMOS逻辑用读出放大器实现，以检测分析物分子加入到通孔开孔时的电流(I读数)变化。 图6显示了用带有本发明实施方案之传感器的微阵列检测和分析生物分子的方法。样品制备、杂交、片上直接检测和数字化读出以及分析的方法是本领域技术人员所熟知的标准技术。本申请公开了支持所公开数值范围内任何范围的若干数值范围限定，即使在说明书中没有逐字逐句地陈述精确的范围限定，因为本发明的实施方案可以在整个所公开的数值范围内实施。此外，本申请中所引用的专利和出版物(如果有的话)的整个公开内容在此整体引作参考。
权利要求
1. 一种器件，其含有第一基片，其含有晶体管；第二基片；绝缘层，位于第一基片和第二基片之间并与这两个基片邻接；和开口，位于第二基片内，所述开口对准晶体管；其中所述晶体管配置用于检测所述开孔内的电荷变化。
2. 权利要求l的器件，其中晶体管为场效应晶体管(FET)。
3. 权利要求2的器件，其中FET是金属氧化物半导体FET (MOSFET)、结型FET (JFET)、金属半导体FET (MESFET)或高电子 迁移率(HEMFET)。
4. 权利要求2的器件，其中FET含有纳米线、纳米晶体、纳米 管、纳米柱、纳米缝隙或图案化纳米结构。
5. 权利要求4的器件，其中FET含有单壁碳纳米管。
6. 权利要求1的器件，其中第一基片和第二基片独立含有聚合 物、^圭或玻璃。
7. 权利要求l的器件，其中第一基片或第二基片含有硅晶片。
8. 权利要求1的器件，其中第一基片和第二基片独立含有微阵 列、宏阵列、多孔板、微流体器件、集成电路、MEMS或它们的组 合。
9. 权利要求1的器件，其进一步包含能处理晶体管所产生的信 号或数据的微处理器。
10. 权利要求l的器件，其中第一基片与支持基片相连接。
11. 权利要求10的器件，其中所述连接通过焊接层实现。
12. 权利要求l的器件，其中第一基片为基本平的，并且厚度为 约10nm至约1.0 mm。
13. 权利要求l的器件，其中绝缘层含有氧化硅。
14. 权利要求1的器件，其中绝缘层的厚度为约5.0nm至约100nm。
15. 权利要求l的器件，其中第二基片为基本平的，并且厚度为 约0.5 pm至约10 mm。
16. 权利要求15的器件，其中开口通过第二基片的厚度方向。
17. 权利要求15的器件，其中开口所占空间包括立方体、圓柱 体、棱柱体或平截头体。
18. 权利要求17的器件，其中开口的尺寸为约10 nm至约5,。
19. 权利要求1的器件，其中晶体管为FET,而开口对准FET 的沟道区。
20. 权利要求1的器件，其中电荷变化包括电扰动、阻抗、电 流、 电压或光诱导电荷分离。
21. 权利要求1的器件，其中开口内表面被功能化，以有助于分 子结合。
22. 权利要求1的器件，其中电荷变化由开口内表面或其附近的 分子结合事件引起。
23. 权利要求22的器件，其中分子结合事件包括第一结合配偶 体结合到开口内表面以及第二结合配偶体与第一结合配偶体的结 合。
24. 权利要求23的器件，其中第一结合配偶体或第二结合配偶 体包含生物分子。
25. 权利要求23的器件，其中第一结合配偶体包含抗体、抗 原、受体、配体、蛋白、肽、病毒、细菌、糖类、脂类、多核苷 酸、核酸或大分子。
26. 权利要求23的器件，其中第二结合配偶体包含抗原、抗 体、蛋白、肽、病毒、细菌、糖类、脂类、多核苷酸、核酸或大分子。
27. 权利要求23的器件，其中第二结合配偶体包含抗原，而第 一结合配偶体包含抗该抗原的抗体。
28. 权利要求23的器件，其中第二结合配偶体包含肽，而第一 结合配偶体包含该肽的受体或配体。
29. 权利要求23的器件，其中第二结合配偶体包含第一多核苷 酸，而第一结合配偶体包含第一多核苦酸的互补多核香酸。
30. —种方法，其包括提供基片，其含有第一部分、第二部分、和位于第一部分和第二部分之间并与这两部分邻接的绝缘层； 在第一部分上制造晶体管；和在第二部分中制造开口，所述开口对准晶体管；其中所述晶体管配置用于检测所述开口内的电荷变化。
31. 权利要求30的方法，其中所述基片含有硅晶片。
32. 权利要求30的方法，其中基片的提供包括将氧离子植入基 片的预定区域，以产生绝缘层，其中绝缘层将基片分隔成第一部分 和第二部分。
33. 权利要求30的方法，其中基片的提供包括 提供第一基片和第二基片； 氧化第一基片和第二基片的表面；和 使第一基片和第二基片通过氧化表面结合； 其中第一基片形成所述第一部分，第二基片形成所述第二部分，而结合的氧化表面形成所述绝缘层。
34. 权利要求30的方法，其进一步包括使支持基片与第一基片 相连接。
35. 权利要求34的方法，其中所述连接通过焊接手段实现。
36. 权利要求30的方法，其进一步包括在第一部分和第二部分 上独立制造微阵列、宏阵列、多孔板、微流体器件、集成电路、MEMS或它们的组合。
37. 权利要求30的方法，其进一步包括在第一部分或第二部分 上制造微处理器，所述微处理器能处理晶体管所产生的信号或数 据。
38. 权利要求30的方法，其进一步包括使第一部分或第二部分变薄。
39. 权利要求30的方法，其中第一部分为基本平的，且厚度为 约10 nm至约1.0 mm。
40. 权利要求30的方法，其中绝缘层的厚度为约5.0 nm至约 100 nm。
41. 权利要求30的方法，其中第二部分为基本平的，且厚度为 约1.0 pm至约10 mm。
42. 权利要求39的方法，其中开口通过第二基片的厚度方向。
43. 权利要求30的方法，其中晶体管为FET，而开口对准FET 的沟道区。
44. 权利要求30的方法，其进一步包括将开口的内表面功能 化，以有助于分子结合。
45. —种方法，其包括提供器件，所述器件含有包含晶体管的第一基片、第二基 片、位于第一基片和第二基片之间并与这两个基片邻接的绝缘层、 和位于第二基片内的开口，所述开口对准晶体管； 在开口内表面或其附近提供分析物；和 用晶体管检测开口内表面上或其附近的电荷变化。
46. 权利要求45的方法，其进一步包括处理晶体管产生的信号 或数据。
47. 权利要求45的方法，其中电荷变化包括电扰动、阻抗、电 流、电压或光诱导电荷分离。
48. 权利要求45的方法，其中开口内表面被功能化，以有助于分子结合。
49. 权利要求45的方法， 的分子结合事件引起。
50. 权利要求49的方法， 口的内表面。
51. 权利要求50的方法， 合配偶体结合。
52. 权利要求51的方法，子。
53. 权利要求50的方法， 体、配体、蛋白、肽、病毒、 或大分子。
54. 权利要求51的方法， 肽、病毒、细菌、糖类、脂类
55. 权利要求52的方法， 包含抗该抗原的抗体。
56. 权利要求52的方法， 含该肽的受体或配体。
57. 权利要求52的方法， 合配偶体包含第一多核苷酸的互补多核苷酸。
58. —种器件，其含有第一基片、第二基片、和位于第一基片和第二基片之间并与这 两个基片邻接的绝缘层；其中第一基片含有晶体管阵列，而第二基 片含有开口阵列，至少一部分开口中的每一个开口对准所述晶体管之一《
59. 权利要求58的器件，其中至少一部分晶体管中的每一个都 能检测对准该晶体管的开口内的电荷变化。
60. 权利要求58的器件，其中至少一部分晶体管为场效应晶体其中电荷变化由开口内表面或其附近其进一步包括将结合配偶体固定在开其中分析物的提供包括使分析物与结其中结合配偶体或分析物包含生物分其中结合配偶体包含抗体、抗原、受 细菌、糖类、脂类、多核苷酸、核酸其中分析物包含抗原、抗体、蛋白、 多核苦酸、核酸或大分子。 其中分析物包含抗原，而结合配偶体其中分析物包含肽，而结合配偶体包其中分析物包含第一多核苷酸，而结管(FET)。
61. 权利要求58的器件，其中至少一部分晶体管可独立寻址。
62. 权利要求58的器件，其中至少一部分开口的内表面被功能 化，以有助于分子结合。
63. 权利要求58的器件，其中至少一部分开口中的每一个开口 的内表面结合有一种以上结合配偶体。
64. 权利要求63的器件，其中与一个开口结合的结合配偶体包 含相同的分子。
65. 权利要求63的器件，其中与一个开口结合的结合配偶体中 的至少两种包含不同的分子。
66. 权利要求63的器件，其中与所述开口中的至少两个开口结 合的结合配偶体包含相同的分子。
67. 权利要求63的器件，其中与所述开口中的至少两个开口结 合的结合配偶体包含不同分子。
68. —种器件，其含有具有正面和背面的基片、位于基片第一 面上的传感器节点阵列、和通过基片厚度的通孔开口，其中至少某 些所述传感器节点含有由基片背面通过通孔开口的功能化探针分 子。
69. 权利要求68的器件，其进一步含有在起始晶片上用于列和 行选择的外部逻辑，以访问特定传感器节点。
70. 权利要求69的器件，其进一步含有读出电路，该电路包含 具有读出放大器的CMOS逻辑，以检测分析物分子被加入到通孔开 口时的电流变化。
全文摘要
本发明的实施方案涉及一种器件，其具有包含晶体管的第一基片；第二基片；绝缘层，位于第一基片和第二基片之间并且与第一基片和第二基片邻接；和位于第二基片内的开口，所述开口对准晶体管；其中晶体管配置用于检测开口内的电荷变化。其它实施方案涉及一种方法，其包括提供基片，其包括第一部分、第二部分和位于第一部分和第二部分之间并邻接这两部分的绝缘层；和制造位于第二部分中的开口，所述开口对准晶体管；其中晶体管配置用于检测开口内的电荷变化。
文档编号H01L21/20GK101484978SQ200780025053
公开日2009年7月15日 申请日期2007年6月28日 优先权日2006年6月30日
发明者B·巴内特, J·K·布拉斯克, J·T·卡瓦利罗斯, S·拉马纳坦, S·达塔 申请人:英特尔公司