本发明专利技术属于半导体器件技术领域，具体为一种快速基因检测装置与方法。本发明专利技术快速基因检测装置包括体衬底、氧化埋层、沟道、金属电极、介质层、纳米金颗粒、绝缘层、受体分子、靶标基因和微反应腔。本发明专利技术利用静电感应富集的原理进行靶标基因往传感界面的富集，利用静电感应平衡的原理进行测试液体的再平衡；具体为，先在体衬底上施加偏压以通过静电感应在测试液体中产生向上的电场吸引在生理盐水中荷负电的靶标基因，然后在体衬底上施加偏压以通过静电感应在测试液体中产生向下的电场推斥未杂交的靶标基因。本发明专利技术可显著缩短反应时间，实现各种基因分子的快速和高灵敏检测。现各种基因分子的快速和高灵敏检测。现各种基因分子的快速和高灵敏检测。
【技术实现步骤摘要】
一种快速基因检测装置与方法
[0001]本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种快速基因检测装置与方法。
技术介绍
[0002]基因是控制生物性状的基本遗传单位，其支持着生命的基本构造和性能。高性能基因检测对人类社会的健康发展具有重要意义，现有的基因检测“金标准”是实时荧光定量聚合酶链反应方法。虽然这种方法非常灵敏，但它需要严格的核酸提取、扩增程序和信号分子标记，导致其是一种高成本、非便携、劳动密集且耗时的方法。基于场效应晶体管的生物传感器被认为是满足基因检测筛选要求的优越平台，它可以直接感应分析物的固有电荷，而无需额外的样品放大或标记程序。特别是，具有石墨烯沟道的电解质栅控场效应晶体管已经显示出对基因分子的超灵敏检测能力。然而，测试液体与石墨烯沟道之间的直接接触是不可预期的，因为这可能导致栅极漏电以及石墨烯沟道与测试液体之间可能的相互作用。同时，电解质栅控配置需要将栅电极插入测试液体中以施加栅极偏压。然而，栅电极金属和测试液体之间可能会发生电化学反应，这会导致测试分析物受到污染。
[0003]显然，成熟的硅基金属氧化物半导体场效应晶体管技术非常适合基因检测，但基于常规平面硅基金属氧化物半导体场效应晶体管生物传感器的灵敏度通常不够高。作为替代方案，石墨烯沟道可以用硅纳米线代替，它也可以提供超灵敏的核酸检测。但是可控和可重复的硅纳米线制造增加了工艺复杂性。因此，亟需实现基于常规平面硅基金属氧化物半导体场效应晶体管生物传感器的高灵敏基因检测。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提供一种能高灵敏度、快速检测基因装置与方法。
[0005]本专利技术提供的快速基因检测的装置，包括体衬底、氧化埋层、沟道、金属电极、介质层、纳米金颗粒、绝缘层、受体分子、靶标基因和微反应腔；其中：所述体衬底提供静电感应发生的电极，所述介质层将沟道与测试溶液分隔开，所述金属电极提供源/漏电极偏置电压；所述纳米金颗粒充当固载受体分子的有效“连接器”，所述绝缘层使得受体分子的共价自组装仅发生在沟道上方，所述受体分子作为特异性捕获靶标基因的识别元件，所述微反应腔提供化学或生物反应的限域空间。
[0006]本专利技术种，所述沟道一般为硅、锗硅、氮化镓或者铟镓砷等材料；常用金属为铝、镍、钛或者金属硅化物，如镍硅、钛硅等；所述介质层可选用常用的氧化物及氮化物等，优选氧化铝；所述纳米金颗粒的蒸镀厚度在0.2nm至12nm之间；所述绝缘层可为光刻胶、氧化物、氮氧化硅等；所述微反应腔可用黏附、倒模、3D打印等方法制作，常用材料为聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、玻璃等。
[0007]本专利技术中，采用沟道和测试液体的非接触设计，即在所述沟道和测试液体之间插
入一层介质层，避免了沟道和测试液体的直接接触；所述介质层优选氧化铝，以及其他常用的氧化物介质材料。
[0008]本专利技术中，纳米金颗粒作为连接介质层和受体分子的有效“连接器”，受体基因通过共价自组装固载至纳米金颗粒表面。
[0009]本专利技术应用静电感应富集的原理进行靶标基因往传感界面的富集，利用静电感应平衡的原理进行测试液体的再平衡；具体为：先在体衬底上施加偏压以通过静电感应在测试液体中产生向上的电场吸引在生理盐水中荷负电的靶标基因，然后在体衬底上施加偏压以通过静电感应在测试液体中产生向下的电场推斥未杂交的靶标基因。
[0010]本专利技术还提供基于上述装置的快速基因检测的方法，具体步骤为：（1）通过光刻和刻蚀在起始的绝缘体上硅混合衬底上定义出硅岛作为有源区，然后光刻打开源漏极接触孔，淀积金属并剥离形成源漏电极；（2）器件表面淀积一层绝缘介质，形成沟道和测试液体的非直接接触式配置，然后生长纳米金颗粒作为固载受体分子的有效“连接器”；（3）器件表面生长一层绝缘层，光刻打开沟道正上方区域，仅露出该区域的纳米金颗粒；（4）搭建微反应腔，加入受体分子进行自组装，然后清洗微反应腔，去除未共价结合的受体分子，并充满干净的缓冲溶液；（5）加入含有靶标基因分子的待测溶液，先在体衬底上施加正偏压，然后施加负偏压，最后进行测试读取信号。
[0011]步骤（1）中，对于起始的绝缘体上硅（SOI）晶圆，其衬底掺杂一般为弱p型掺杂的硅，掺杂浓度在10
15
cm
‑2至 10
17
cm
‑2之间。衬底也可为锗硅，氮化镓或者铟镓砷等材料。其埋层一般为二氧化硅，厚度在10nm至1000nm之间。上层的沟道一般为硅、锗硅、氮化镓或者铟镓砷等材料，厚度为5nm至500nm之间；刻蚀可选用干法或者湿法方法：干法刻蚀一般使用氟基或者卤族元素气体，如SF6、Cl2等；而湿法腐蚀一般使用强酸或强碱如HF、NH4HF2等溶液；常用金属为铝、镍、钛或者金属硅化物，如镍硅、钛硅等，退火温度为200 ℃至900 ℃之间，时间为30s至30 min。
[0012]步骤（2）中，常用介质为SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2等，淀积可采用化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）等工艺，介质层覆盖厚度为1nm至50 nm之间，退火温度在200 ℃至900 ℃之间，时间为30s至30 min；可采用电子束蒸发镀膜（EBE）、溅射镀膜、热蒸发镀膜等工艺制备纳米金颗粒（AuNP），纳米金颗粒的蒸镀厚度在0.2nm至12nm之间，退火温度在200 ℃至500 ℃之间，时间为30s至30 min。
[0013]步骤（3）中，绝缘层可为光刻胶(Photoresist)、Si3N4、氮氧化硅等绝缘材料。
[0014]步骤（4）中，制作微反应腔的常用材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚丙烯（PP）等；受体分子由巯基（
‑
SH）或氨基（
‑
NH2）封端，并用三（2
‑
羧乙基）膦（TCEP）预活化；受体分子的浓度在1 nM至1mM之间，静置温度为2 ℃至10 ℃，静置时间在10h至24 h之间；受体分子通过金硫键（Au
‑
S）或金氮键（Au
‑
N）自组装至纳米金颗粒表面；常用的缓冲溶液有磷酸缓冲盐溶液（PBS）和TE缓冲溶液（Tris
‑
EDTA buffer solution）等。
[0015]步骤（5）中，将含有靶标基因分子的待测溶液滴加至微反应腔中，先在体衬底上施加正偏压进行静电感应富集操作，然后施加负偏压进行静电感应平衡操作；正偏压的电压
在0.5 V至80 V之间，时间在1s至2h之间；所述负偏压的电压在
‑
0.5 V至
‑
80 V之间，时间在1s至2h之间；最后读取信号（提取阈值电压、提取电流值、提取跨导值等）并进行分析。
[0016]本专利技术提供的快速基因检测的方法和装置可以用于各种核酸分子的快速和灵敏检测。
[0017]本专利技术成功实现了平面绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管生物传感器对基因分子的超灵敏检测。绝缘体上硅背栅偏压的施加可以在测试液体分析物中诱导所需的电场以进行静电感应本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种快速基因检测装置，其特征在于，包括体衬底、氧化埋层、沟道、金属电极、介质层、纳米金颗粒、绝缘层、受体分子、靶标基因和微反应腔；其中：所述体衬底提供静电感应发生的电极，所述介质层将沟道与测试溶液分隔开，所述金属电极提供源/漏电极偏置电压；所述纳米金颗粒充当固载受体分子的有效“连接器”，所述绝缘层使得受体分子的共价自组装仅发生在沟道上方，所述受体分子作为特异性捕获靶标基因的识别元件，所述微反应腔提供化学或生物反应的限域空间。2.根据权利要求1所述的快速基因检测装置，其特征在于：所述沟道材李敖为硅、锗硅、氮化镓或者铟镓砷；所述金属电极为铝、镍、钛或者金属硅化物；所述介质层为氧化物或氮化物；所述纳米金颗粒的蒸镀厚度在0.2nm至12nm之间；所述绝缘层为光刻胶、氧化物或氮氧化硅；所述微反应腔材料为聚二甲基硅氧烷、聚丙烯或玻璃。3.根据权利要求1所述快速基因检测装置，其特征在于，采用所述静电感应的原...
【专利技术属性】
技术研发人员：万景，蒋玉龙，王海华，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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