用于感测靶分子的场效应晶体管制造技术

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；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，六方氮化硼层的第一表面在电场感应层上，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，每个电接触件都与电场感应层电接触。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于感测靶分子的场效应晶体管
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，如本专利技术人所认定的，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。如本专利技术人所认定的，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、聚甲基丙烯酸甲酯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于感测靶分子的场效应晶体管，所述场效应晶体管包括：/n基板；/n所述基板上的电场感应层；/n六方氮化硼层，包括第一表面和第二表面，/n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；/n两个或更多个电接触件，其中每个所述电接触件都与所述电场感应层电接触。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181116 GB 1818729.41.一种用于感测靶分子的场效应晶体管，所述场效应晶体管包括：
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，其中每个所述电接触件都与所述电场感应层电接触。


2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述多个受体分子中的每个受体分子对所述靶分子都具有结合亲和力，在所述受体分子与所述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。


3.根据权利要求2所述的场效应晶体管，其中，使所述靶分子带有电荷，在所述受体分子与所述靶分子之间相互作用时，所述靶分子与所述受体分子结合，并且净电荷的变化产生所述电场。


4.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，使用接头分子将所述多个受体分子连接至所述六方氮化硼层。


5.根据权利要求1至3中任一项所述的场效应晶体管，其中，改性所述六方氮化硼层以允许所述多个受体分子直接结合至所述六方氮化硼层。


6.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，所述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。


7.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，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。


8.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，所述电场感应层包括石墨烯。


9.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，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。


10.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，所述电场感应层包括体型半导体。


11.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，所述六方氮化硼层包括少于10个原子层的六方氮化硼。


12.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，所述电场感应层包括第一表面和第二表面，所述电场感应层的第一表面在所述基板上，所述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。


13.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，所述两个或更多个电接触件与所述电场感应层的侧部电接触。


14.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，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。


15.根据前述权利要求中任一项所述的场效应晶体管，其中，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，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。


16.根据权利要求1至14中任一项所述的场效应晶体管，其中，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，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。


17.根据前述权利要求中任一项所述的场...

【专利技术属性】
技术研发人员：王睿智，H·斯特恩，S·霍夫曼，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB