用于在离子流体中侦测的系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种用以侦测靶标(324)的系统(300)及方法，用于在离子流体中侦测，其中，电化学式延伸栅极晶体管(electrochemical extended‑gate transistor；EET)系统包括：场效应晶体管(field effect transistor；FET)(310)，其具有栅极(312)、源极(316)以及漏极(314)；恒电位仪(330)，其具有工作电极(332)、对电极(334)以及参考电极(336)；其中，该工作电极(332)与侦测区(320)耦接，且该对电极(334)与该栅极(312)耦接；其中，该侦测区(320)、该栅极(312)以及该参考电极(336)置于离子流体(302)中；其中，该恒电位仪(330)经配置，以电化学方法在该离子流体(302)中产生氧化还原反应，进而侦测该靶标(324)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在离子流体中侦测的系统及方法
本专利技术涉及场效应晶体管式(fieldeffecttransistor-based；FET-based)生物感测器，尤其是涉及利用电化学方法改善在高离子流体中的侦测极限及灵敏度的场效应晶体管式生物感测器。
技术介绍
在诊断中，确定血液或血清样本中所含有的物质(例如蛋白质或某些特定靶标)是重要的。例如，如图1(A)所示，在一般的场效应晶体管式生物感测器100中，为了侦测特定生物标记(biomarker)154，栅极150上会被修饰抗体或某些识别元件152。当生物标记154被识别元件152捕获时，生物标记154的电荷将积累于栅极表面上，以在栅极150上形成电位，进而在提供电压源110的情况下，透过侦测流经源极140与漏极130之间的基板120的电流(也就是IDS)，可确定生物标记的浓度。不过，如果测试样本具有高离子强度，则由生物标记的电荷导致的电位将被样本中的离子中和。如此，一旦栅极表面与所捕获的生物标记之间的距离(r)超过特定长度(如图1(B))，也就是德拜长度(Debyelength)(λ)，样本中的离子会遮罩所捕获生物标记的电位。被遮罩的电位可能降低流过源极140与漏极130之间的基板120的电流，进而使系统不能够提供用来侦测生物标记的浓度所需的侦测极限及灵敏度。因此，传统的场效应晶体管生物感测器不能够提供用来侦测高离子流体中的目标生物标记所需的侦测极限及灵敏度(离子强度为～150mM；如表1)。图2进一步显示在100mM磷酸缓冲溶液(phosphatebuffersolution；PBS)(离子强度为～400mM；如表1)与0.1mMPBS(离子强度为～0.4mM；如表1)中传统延伸式栅极场效应晶体管(extended-gatefieldeffecttransistor；EGFET)的侦测结果的比较。因此，由于德拜长度的降低，高离子流体中的侦测极限较低离子流体中的侦测极限差。请参照表1，在100mMPBS中，德拜长度可进一步降低至～0.48nm，该德拜长度小于血红蛋白的直径(～5nm，BiolProcedOnline2009,11:32-51)。因此，血红蛋白所载电荷不足以在延伸式栅极场效应晶体管的栅极上产生电位而引发相对应的IDS以进行侦测。文献中已公布了用于此类侦测的各种方法。例如，关于如图1(B)所示的高离子流体中的样本，部分方法是透过稀释该测试样本，以达到低离子强度状态来延长德拜长度。不过，以此方式，测量条件将大幅地被限制且无法用于实际应用中，例如对低浓度的目标生物标记作进一步稀释而导致的限制。在另一种方法中，为移除测试样本中的离子，测试样本必须通过多个复杂的前处理过程，这些过程将消耗更多的时间和成本。电化学(electrochemical；EC)系统可透过侦测电化学信号来作为解决德拜长度问题的解决方案。不过，当靶标浓度低时，传统电化学系统的灵敏度不足。因此，业界需要克服这些传统技术上的问题。
技术实现思路
本专利技术提供电化学延伸式栅极场效应晶体管式系统，也称为电化学式延伸栅极晶体管(electrochemicalextended-gatetransistor；EET)系统，其能够避免德拜长度的问题并可直接用以侦测高离子流体中的靶标(例如，生物标记)。此外，本专利技术应用电化学方法于电化学式延伸栅极晶体管系统中，进而可透过侦测在离子流体中因氧化还原反应而产生的电化学信号以确定靶标的浓度。根据本专利技术所提供的用以侦测靶标的电化学式延伸栅极晶体管系统，该电化学式延伸栅极晶体管系统包括：场效应晶体管(fieldeffecttransistor；FET)，其具有栅极、源极以及漏极；恒电位仪，其具有工作电极、对电极以及参考电极；其中，该工作电极与侦测区耦接，且该对电极与该栅极耦接；其中，该侦测区、该栅极以及该参考电极置于离子流体中；其中，该恒电位仪经配置，以电化学方法在该离子流体中产生氧化还原反应，进而侦测该靶标。在一实施例中，该场效应晶体管包括与其耦接的读取单元，用以量化信号。在一实施例中，该场效应晶体管可为n-MOS、p-MOS场效应晶体管或具有类似功能的任意元件。在一实施例中，形成该工作电极、对电极以及参考电极的物质包括至少一种从以下群组所选的物质:金、银、铂、钯、碳、铟锡氧化物(indiumtinoxide；ITO)玻璃、任意导电油墨、或其任意组合。在一实施例中，该离子流体可为气态或液态。在一实施例中，该离子流体可为电解液，例如PBS、血液、血清、尿液、唾液、汗液，或离子强度与生理环境近似的任意溶液。在一实施例中，该靶标包括至少一种从以下群组所选的物质:小分子、蛋白质、酶、抗原、抗体、核酸、DNA、RNA、miRNA、适合体(aptamer)、醣脂、配位基、外泌体(exosome)或任意可用于感测应用的生物标记。在一实施例中，以对该靶标具有亲和力或专一性的识别元件修饰该侦测区。在一实施例中，该识别元件可为对该靶标具有亲和力或专一性的任意分子。在一实施例中，该靶标可涉及电化学(electrochemical；EC)活动。而且，本专利技术还提供一种用以侦测靶标的方法，包括：提供具有栅极、源极及漏极的场效应晶体管；提供具有工作电极、对电极及参考电极的恒电位仪，其中，该工作电极与侦测区耦接，其中，该对电极与该栅极耦接，其中，该侦测区、该栅极以及该参考电极置于离子流体中；以及执行由该恒电位仪所驱动的电化学方法，以在该离子流体中产生氧化还原反应，进而侦测该靶标。在本专利技术中，该电化学方法包括：伏安法、安培法、电导法、阻抗法，或任意传统电化学方法。附图说明图1(A)及1(B)为绘示传统的场效应晶体管式生物感测器，以及离子强度与德拜长度之间的关系；图2为使用传统延伸式栅极场效应晶体管系统于100mMPBS及0.1mMPBS中侦测血红蛋白的结果；图3为根据本专利技术一实施例的电化学式延伸栅极晶体管系统的示意图，其中，箭头为范例方向，以说明氧化还原反应的方向；图4为根据本专利技术一实施例的电化学式延伸栅极晶体管系统的示意图，其中，向该电化学式延伸栅极晶体管系统引入识别元件及能量传递介质(mediator)；图5(A)为根据本专利技术一实施例，由传统延伸式栅极场效应晶体管系统侦测血红蛋白的侦测时间与标准化电流比的关系图；图5(B)为根据本专利技术一实施例，由传统延伸式栅极场效应晶体管系统侦测血红蛋白的血红蛋白浓度与标准化电流比的关系图；图5(C)为根据本专利技术一实施例，由电化学式延伸栅极晶体管系统侦测血红蛋白的侦测时间与标准化电流比的关系图；图5(D)为根据本专利技术一实施例，由电化学式延伸栅极晶体管系统侦测血红蛋白的血红蛋白浓度与标准化电流比的关系图；图6(A)为根据本专利技术一实施例，由传统电化学系统侦测H2O2的侦测时间与标准化电流比的关系图；图6(B)为根据本专利技术一实施例，由传统电化学系统侦测H2O2的H2O2浓度与标准化电流比的关系图；图6(C)为根据本专利技术一实施例，由电化学式延伸栅极晶体管系统侦测H2O2的侦测时间与标准化电流比的关系图；图6(D)为根据本专利技术一实施例，由电化学式延伸栅极晶体管系统侦测H2O2的H2O2浓度与标准化电流比的关系图；图7为本专利技术的电化学式延伸栅极晶体管系统与传统延伸式栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用以侦测靶标的系统，其特征为，该系统包括：场效应晶体管(FET)，其具有栅极、源极以及漏极；恒电位仪，其具有工作电极、对电极以及参考电极；其中，该工作电极与侦测区耦接，且该对电极与该栅极耦接；其中，该侦测区、该栅极以及该参考电极置于离子流体中；其中，该恒电位仪经配置，以电化学方法在该离子流体中产生氧化还原反应，进而侦测靶标。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.30 US 62/155,1501.一种用以侦测靶标的系统，其特征为，该系统包括：场效应晶体管(FET)，其具有栅极、源极以及漏极；恒电位仪，其具有工作电极、对电极以及参考电极；其中，该工作电极与侦测区耦接，且该对电极与该栅极耦接；其中，该侦测区、该栅极以及该参考电极置于离子流体中；其中，该恒电位仪经配置，以电化学方法在该离子流体中产生氧化还原反应，进而侦测靶标。2.根据权利要求1所述的系统，其特征为，该场效应晶体管包括与其耦接的读取单元，以量化量测信号。3.根据权利要求1所述的系统，其特征为，该场效应晶体管为延伸式栅极场效应晶体管。4.根据权利要求1所述的系统，其特征为，该靶标涉及电化学活动。5.根据权利要求1所述的系统，其特征为，该靶标包括至少一种从以下群组所选的物质:小分子、蛋白质、核酸、及醣脂、以及其任意组合。6.根据权利要求1所述的系统，其特征为，该离子流体为气态或液态。7.根据权利要求6所述的系统，其特征为，该液态的离子流体为电解液。8.根据权利要求1所述的系统，其特征为，该离子流体包括能量传递介质。9.根据权利要求1所述的系统，其特征为，以对该靶标具有亲和力或专一性的识别元件修饰该侦测区。10.根据权利要求1所述的系统，其特征为，该电化学方法为至少一种从以下群组所选的方法，该群组由伏安法、安培法、电导法、阻抗法、以及其任意组合所...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊乐昌，戴君彦，陈育琳，林芳瑜，C·W·E·胡，
申请(专利权)人：伊勒伯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71