MX2013000293A

MX2013000293A - Aparatos biosensores y metodos de los mismos.

Info

Publication number: MX2013000293A
Application number: MX2013000293A
Authority: MX
Inventors: Michael Potter
Original assignee: Nth Tech Corp
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-03-08
Also published as: WO2012012284A3; CA2804507C; CA2804507A1; EP2596343B1; US20120021402A1; CN102985814B; EP2596343A4; WO2012012284A2; CN102985814A; US8373206B2; EP2596343A2; BR112013001410A2

Abstract

Un biosensor tiene uno o más transistores de efecto de campo cada uno que comprende una región de suministro y una región de drenaje separadas por una región de canal y una compuerta que se posiciona desfasada y separada de la región de canal. El biosensor además tiene una o más sondas moleculares acopladas a al menos una de la región de canal y la compuerta de desfase, la una o más sondas moleculares configuradas para emparejarse con al menos un objetivo. Un método para la detección de un objetivo se describe además. Uno o más objetivos se inmovilizan como una derivación del campo eléctrico entre una compuerta de desfase y una región de canal para uno o más biosensores. Un valor de medición de objetivo se determina en proporción a un número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico.

Description

APARATOS BIOSENSORES Y METODOS DE LOS MISMOS CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta tecnología generalmente se refiere a los biosensores, y más específicamente a los biosensores que tienen una compuerta de transistor de efecto de campo posicionada desfasada de una región de canal para utilizar un objetivo emparejado con una o más sondas moleculares acopladas a una región de canal y/o compuerta como una derivación del campo eléctrico entre la compuerta de desfase y la región de canal .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los sensores, y especialmente los sensores capaces de sensar objetivos biológicos, tienen gran demanda para aplicaciones tales como la detección de la enfermedad que provocan los patógenos en el agua. Muchos tipos de los sensores propuestos para la detección biológica utilizan tecnologías tales como amplificación de objetivos microfluídicos de reacción en cadena de la polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés) , materiales piezoeléctricos, o transistores de efecto campo sensible a iones (ISFET por sus siglas en inglés) . Desgraciadamente, muchas de estas técnicas requieren filtración y cultivación de muestras biológicas, y por lo tanto son inadecuadas para el monitoreo en tiempo real de las condiciones del fluido. Por ejemplo, los sensores ef.:237882 ISFET, que funcionan con sondas moleculares, cuentan con un aumento de la carga cerca de la superficie de una región de canal FET a fin de indicar la presencia de un objetivo. Estos sistemas por lo general tienen grandes áreas de compuerta, de esta manera se necesitan altas concentraciones de múltiples objetivos inmovilizados para un dispositivo dado a fin de obtener un resultado de prueba significativamente positivo. En consecuencia, para obtener los resultados de la prueba puede tomar un tiempo prolongado mientras se cultivan las muestras de prueba, los resultados en tiempo real no se practican, y la resolución de medición se sacrifica cuando se pueden desconocer las concentraciones originales .

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Un biosensor tiene uno o más transistores de efecto de campo cada uno que comprende una región de suministro y una región de drenaj e separadas por una región de canal y una compuerta que se posiciona desfasada y separada de la región de canal. El biosensor además tiene una o más sondas moleculares acopladas a al menos una de la región de canal y la compuerta de desfase, la una o más sondas moleculares configuradas para emparejarse con al menos un objetivo.

Un método para la detección de un objetivo incluye inmovilizar uno o más objetivos como una derivación del campo eléctrico entre una compuerta de desfase y una región de canal para uno o más biosensores . Un valor de medición de objetivo se determina en proporción a un número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico.

Un método para hacer un aparato biosensor incluye formar uno o más transistores de efecto de campo. Cada uno de los transistores de efecto de campo comprende una región de suministro y una región de drenaje separadas por una región de canal y una compuerta que se posiciona desfasada y separada de la región de canal . Una o más sondas moleculares se acoplan a al menos una de la región de canal y la compuerta de desfase, la una o más sondas moleculares configuradas para emparejarse con al menos un objetivo.

Se describe un medio legible por computadora que tiene almacenadas en el mismo las instrucciones para la detección de un objetivo. Las instrucciones comprenden códigos ejecutables por una máquina que cuando se ejecutan por al menos un procesador, · provocan que el procesador lleve a cabo las etapas que incluyen determinar un valor de medición de objetivo en proporción a un número de uno o más biosensores que tienen una derivación del campo eléctrico. La derivación del campo eléctrico se provoca por el objetivo que se inmoviliza entre una compuerta de desfase y una región de canal para el uno o más biosensores.

Un sistema de biosensado tiene una matriz de biosensores y un controlador. La matriz de biosensores tiene uno o más transistores de efecto de campo que comprenden una región de suministro y una región de drenaje separadas por una región de canal y una compuerta que, se posiciona desfasada y separada de la región de canal. La matriz de biosensores además tiene una o más sondas moleculares acopladas a al menos una de la región de canal y la compuerta de desfase, la una o más sondas moleculares configuradas para emparejarse con al menos un objetivo. El controlador se acopla a la matriz de biosensores y se configura para determinar un valor de medición de objetivo en proporción a un número del uno o más transistores de efecto de campo que tienen una derivación del campo eléctrico provocada por el objetivo inmovilizado entre la compuerta de desfase y la región de canal .

Esta tecnología proporciona un número de ventajas que incluyen proporcionar aparatos biosensores más efectivos y eficientes. La tecnología descrita en la presente no cuenta con el potencial iónico de un objetivo como una unidad, sino más bien ejemplos de la tecnología que utiliza el momento dipolar potente del objetivo (permititividad relativa alta) como una derivación del campo eléctrico entre una compuerta de desfase y una región de canal de un transistor de efecto de campo. Por lo tanto, los aparatos biosensores descritos pueden tener dimensiones muy pequeñas que permiten detectar y monitorear un microbio de un objetivo sencillo en tiempo real. Además, los aparatos biosensores descritos no requieren preparado de analito (por ejemplo, no lisina de celdas, no reactivos, no filtrado de residuos, no PCR para la amplificación del objetivo) , y son compatibles con las técnicas de fabricación de circuitos integrados existentes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Fig. 1A es una vista superior de un transistor de efecto de campo ejemplar que tiene una compuerta que se posiciona desfasada y separada de una región de canal.

La Fig. IB es una vista en perspectiva del transistor de efecto de campo ejemplar de la Fig. 1A.

La Fig. 2 es una vista en perspectiva de un biosensor ejemplar que tiene una o más sondas moleculares acopladas a una compuerta de desfase de un transistor de efecto de campo.

La Fig. 3 es una vista en perspectiva de un biosensor ejemplar que tiene una o más sondas moleculares acopladas a una región de canal de un transistor de efecto de campo.

La Fig. 4 es una vista en perspectiva de un biosensor ejemplar que tiene una o más sondas moleculares acopladas a una compuerta de desfase y una región de canal de un transistor de efecto de campo.

La Fig. 5 es una vista en perspectiva del biosensor ilustrado en la Fig. 4 emparejado con un objetivo inmovilizado.

La Fig. 6 es una vista en sección transversal del biosensor mostrado en la Fig. 4 que ilustra un campo eléctrico débil entre la compuerta de desfase y la región de canal en ausencia de un objetivo inmovilizado.

La Fig. 7 es una vista en sección transversal del biosensor mostrado en la Fig. 5 que ilustra un campo eléctrico más fuerte entre la compuerta de desfase y la región de canal cuando un objetivo se inmoviliza entre la compuerta de desfase y la región de canal.

La Fig. 8A es una vista superior de un biosensor ejemplar que tiene una compuerta de desfase que no está separada de forma paralela de una región de canal .

La Fig. 8B es una vista superior de un biosensor ejemplar que tiene una compuerta de desfase que está sobre una región de suministro.

La Fig. 8C es una vista superior de un biosensor ejemplar que tiene una compuerta de desfase que está sobre una región de drenaj e .

Las Figs. 8D y 8E son vistas superiores de biosensores ejemplares que tienen múltiples compuertas de desfase que se posicionan desplazadas y separadas de una región de canal.

La Fig. 9 es una matriz de biosensores ejemplar.

La Fig. 10 es una matriz de biosensores ejemplar donde múltiples biosensores comparten una compuerta de desfase común .

La Fig. 11 es una matriz de biosensores ejemplar que tiene regiones de suministro y drenaje compartidas.

La Fig. 12 es una matriz de biosensores ejemplar que tiene un primer grupo de biosensores que tienen compuertas de desfase configuradas para emparejarse con un primer objetivo, un segundo grupo de biosensores que tienen compuertas de desfase configuradas para emparejarse con un segundo objetivo, un transistor de efecto de campo de referencia, y el sistema de circuitos de direccionamiento .

La Fig. 13 es un diagrama de flujo de un método ejemplar para la detección de un objetivo.

La Fig. 14 es un gráfico de frecuencia resonante como una función del tiempo para un voladizo piezoeléctrico que funciona para emparejarse con una especie biológica objetivo.

La Fig. 15 es un sistema de biosensado ejemplar.

Se apreciará que para propósitos de claridad y donde adecuadamente coincidan, los números de referencia se han repetido en las figuras para indicar los elementos correspondientes. Las ilustraciones no se dibujan necesariamente a escala. Mientras que un aparato biosensor y un método para la detección de un objetivo se describen en la presente a modo de ejemplo para varias modalidades y se describen las figuras ilustrativas, los expertos en la materia reconocerán que el sistema y método no se limita a las modalidades o figuras descritos. Se debe entender, que las figuras y descripción detallada en la misma no se destinan a limitar las modalidades a la forma particular descrita. Más bien, la intención es cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que caen dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones adjuntas. Cualquiera de los encabezamientos usados en la presente son para propósitos de organización solamente y no se intenta limitar el alcance de la descripción o las reivindicaciones. Como se usa en la presente, la palabra "puede" se usa en un sentido permisivo (es decir, significa que tiene el potencial para) , en lugar del sentido obligatorio (es decir, significa debe). De manera similar, las palabras "incluir", "que incluye", y "incluye" significan que incluyen, pero sin limitarse a.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La Fig. 1A es una vista superior de un transistor de efecto de campo ejemplar (FET, por sus siglas en inglés) 20 que tiene una compuerta 22 que se posiciona desfasada y separada de una región de canal 24. La Fig. IB es una vista en perspectiva del FET ejemplar 20 de la Fig. 1A. El FET 20 tiene una región de suministro 26 y una región de drenaje 28 que están separadas por la región de canal 24. En algunas modalidades, la región de suministro 26, la región de drenaje 28, y la región de canal 24 se forman en una base (no mostrada) . Ejemplos no limitantes de bases del FET 20 pueden incluir silicio y arseniuro de galio. La región de suministro 26 y la región de drenaje 28 pueden incluir un primer tipo de semiconductor, mientras que la región de canal 24 puede incluir un segundo tipo de semiconductor. Los tipos adecuados de semiconductores para formar una región de suministro 26, y una región de drenaje 28, y una región de canal 24 son conocidos por los expertos en la materia y se pueden seleccionar fácilmente, dependiendo de la modalidad.

La región de canal 24 tiene una longitud de canal a lo largo de un eje de longitud (L) y un ancho del canal a lo largo de un eje de ancho (W) . En la modalidad de las Figs . 1A y IB, la compuerta 22 se separa de la región de canal 24 en una dirección de forma paralela al eje W. La compuerta. 22 está separada además ortogonalmente de la región de canal 24 en una dirección de forma paralela a un eje de altura (H) . En esta modalidad, la compuerta 22 tiene una altura de compuerta de forma paralela al eje H y una longitud de compuerta de forma paralela al eje L. En otras modalidades, la compuerta 22 puede tener otras localizaciones y/o puede haber aún múltiples compuertas de desfase por el FET. En esta modalidad, la longitud de la compuerta 22 está sustancialmente de forma paralela a la longitud de la región de canal 24. Como se ilustra en las Figs. 1A-1B, ninguna de las superficies de la compuerta de desfase FET (OGFET, por sus siglas en inglés) 20 se han funcionalizado para emparejarse con una sustancia del objetivo. Por lo tanto, en esta configuración, el OGFET 20 puede actuar como un FET de referencia. El OGFET 20 es uno de los componentes básicos de un biosensor como se describe a continuación.

La Fig. 2 es una vista en perspectiva de un biosensor ejemplar 30 que tiene una o más sondas moleculares 32 (mostradas con punteado) acopladas a una compuerta de desfase 22 de un transistor de efecto de campo que tiene una región de suministro 26 y una región de drenaje 28 separadas por una región de canal 24, similar a las modalidades del OGFET descritas anteriormente. Alternativamente, en algunas modalidades, como se muestra en la vista en perspectiva de la Fig. 3, un biosensor 34 puede tener una o más sondas moleculares 36 (mostradas con punteado) acopladas a la región de canal 24. La región de canal 24 se cubrirá por lo general por un aislador de canal (no mostrado para facilitar la explicación) , tal como, pero sin limitarse a dióxido de silicio, y la una o más sondas moleculares 36 se pueden acoplar a la región de canal 24 indirectamente acoplando la primera sonda al aislador de canal. En modalidades adicionales, como se muestra en la vista en perspectiva de la Fig. 4, un biosensor 38 puede tener una o más sondas moleculares 40 (mostradas con punteado) acopladas tanto a la compuerta de desfase 22 como a la región de canal 24.

Como se muestra en la vista en perspectiva de la Fig. 5, la una o más sondas moleculares 40 se configuran para emparejarse con al menos un objetivo 42. Ejemplos no limitantes de un objetivo adecuado 42 incluyen un patógeno microbial, una bacteria, un virus, una toxina, un parásito, una molécula, protozoo criptosporidium parvum, cryptosporidium ho inis, eschericia coli, bacteria vibrio cholerae, bacteria clostridium botulinum, bacteria salmonella typhi, salmonella, virus de hepatitis A, bacteria shigella dysenteriae, ameba entamoeja histolytica, poliovirus, protozoo giardia lamblia, entamoeba histolytica, cyclospora cayetanensis, microesporidia, schistosoma, dracunculus medinensis, clostridium botulinum, campylobacter jejuni, vibrio cholerae, ycobacterium marinum, legionella pneumophila, y bacteria leptospira. Las sondas moleculares adecuadas 40 son conocidas por los expertos en la materia y se pueden usar para funcionalizar la compuerta de desfase 22 y/o la región de canal 24 para un objetivo particular, dependiendo de la modalidad.

La Fig. 6 es una vista en sección transversal del biosensor 38 mostrado en la Fig. 4 que ilustra un campo eléctrico débil 44 entre la compuerta de desfase 22 y la región de canal 24 en ausencia de un objetivo inmovilizado. La compuerta de desfase 22 se configura para recibir un voltaje de presión de la compuerta. La compuerta de desfase 22 se separa y se posiciona separada de la región de canal 24 tal que el voltaje de presión de la compuerta crea el campo eléctrico débil 44 en ausencia de un objetivo inmovilizado. El campo eléctrico débil 44 no es suficientemente fuerte para crear una capa de inversión en la región de canal 24, de esta manera evitar sustancialmente cualquier corriente que no sea corriente de fuga que pasa entre la región de suministro y la región de drenaje. En esta condición, el biosensor 38 parecerá que está en un estado apagado, que indica que no hay objetivo presente.

La Fig. 7 es una vista en sección transversal del biosensor 38 mostrado en la Fig. 5 que ilustra un campo eléctrico más fuerte 46 entre la compuerta de desfase 22 y la región de canal 24 cuando un objetivo 42 se inmoviliza entre la compuerta de desfase 22 y la región de canal 24. Para un voltaje de presión dado de la compuerta o un intervalo de voltajes de presión de la compuerta, la región de canal 24 y la compuerta 22 se posicionan una con respecto a la otra basada en un área del objetivo 42 para utilizar el objetivo 42 emparejado con la una o más sondas moleculares 40 como una derivación del campo eléctrico entre la compuerta de desfase 22 y la región de canal 24. Las sustancias del objetivo, tales como patógenos microbiales, por lo general tienen un momento dipolar muy fuerte que provoca una permititividad relativa muy alta. Por ejemplo, la permititividad relativa de la escherichia coli a bajas frecuencias es aproximadamente de 800,000. Por lo tanto, después de la inmovilización del objetivo 42, la región entre la compuerta de desfase 22 y la región de canal 24 se rellena eficazmente con un material de permititividad relativa extremadamente alta. En este caso el campo eléctrico 46 a partir de una presión adecuada sobre la compuerta de desfase 22 es suficiente para formar una capa de inversión del canal 48 entre la región de suministro y la región de drenaje, que indica de esta manera la presencia de un patógeno del objetivo inmovilizado. En esta condición, la corriente puede fluir entre la región de suministro 26 y la región de drenaje 28, y el biosensor 38 parecerá que está en un estado encendido, que indica que está presente un objetivo 42.

Como se mencionó anteriormente, una o más sondas moleculares dadas 40 acopladas a la región de canal y/o la compuerta de desfase se pueden seleccionar para emparejarse con uno o más objetivo. Algunas modalidades se pueden configurar para inmovilizar un objetivo sencillo. En tales configuraciones, esto se puede desear para dimensionar la longitud y el ancho del canal para ajustar un área del objetivo. Alternativamente, o además, esto puede desearse en ciertas modalidades para dimensionar la altura y la longitud de comp'uerta para ajustar un área del objetivo. Con tales tamaños, una vez que un objetivo sencillo se inmoviliza por la una o más sondas moleculares acopladas a la compuerta y/o la región de canal, el sensor puede detectar la instancia única del objetivo mientras que el objetivo permanece enlazado a. (emparejado con) la una o más sondas moleculares.

Además, la una o más sondas moleculares se pueden seleccionar por los expertos en la materia para tener una energía de enlace del objetivo adecuada para permitir una interrogación eléctrica de la región de canal antes de que se rompa un enlace entre una o más sondas moleculares y el objetivo.

Dependiendo de la modalidad, la compuerta de desfase puede existir en una o más de una variedad de configuraciones adicionalmente a las ya descritas. Por ejemplo, la Fig. 8A es una vista superior de un biosensor ejemplar 50 que tiene una compuerta de desfase 52 que no está separada de forma paralela desde una región de canal 24. La Fig. 8B es una vista superior de un biosensor ejemplar 54 que tiene una compuerta de desfase 56 que está sobre una región de suministro 26. En tal modalidad, la compuerta 56 necesitaría que se aisle eléctricamente desde la región de suministro 26. Tal aislamiento puede tomar la forma de dióxido de silicio, entre otras opciones de aislamiento adecuadas conocidas por los expertos en la materia. La Fig. 8C es una vista superior de un biosensor ejemplar 58 que tiene una compuerta de desfase 60 que está sobre una región de drenaje 28. Por otra parte, en tal modalidad, la compuerta 60 necesitaría que se aisle eléctricamente desde la región de drenaje 28. Las Figs. 8D y 8E son vistas superiores de unos biosensores ejemplares 62 y 64 que tienen múltiples compuertas de desfase 66, 68 y 70, 72 respectivamente, que se posicionan desplazadas y separadas de la región de canal 24. Como en las modalidades previamente descritas, aunque la región de canal y las compuertas de desfase de las Figs. 8A-8E estaban todas ilustradas cuando se funcionalizaron con una o más sondas moleculares 40, solamente una o más de la región de canal y/o una de las compuertas se necesitan acoplarse a la una o más sondas moleculares .

Las modalidades de los biosensores descritos anteriormente, y sus equivalentes, se pueden fabricar usando el circuito integrado existente y las técnicas de fabricación del sistema microelectromecánico (MEMS, por sus siglas en inglés) . Por lo tanto, uno o más biosensores se pueden construir por lotes en una matriz sencilla y/o construir como parte de un circuito integrado. La Fig. 9 es una matriz de biosensores ejemplar 74. La matriz 74 tiene múltiples OGFET 76, los elementos de los cuales se han descritos anteriormente. En este ejemplo, los OGFET 76 cada uno tiene su propia compuerta de desfase funcionalizada 78. Dependiendo de la modalidad, la compuerta de desfase 78 se puede funcionalizar toda para emparejarse con el mismo tipo de objetivo. En otras modalidades, diferentes grupos de compuertas de desfase se pueden funcionalizar para emparejarse con diferentes tipos de un objetivo. Las trazas del circuito para acceder a la región de suministro 26, la región de drenaje 28, y la compuerta 78 para cada biosensor FET se pueden incluir con la matriz del sensor 74, pero no se muestran por su simplicidad. Los expertos en la materia pueden fabricar fácilmente las trazas del circuito y/o el sistema de circuitos de direccionamiento para proporcionar acceso a y/o las direcciones de los sensores individuales 78.

La Fig. 10 es otra matriz de biosensores ejemplar 80 donde múltiples biosensores 82 comparten una compuerta de desfase común 84. El uso de las compuertas compartidas 84 puede simplificar el número de las trazas del circuito necesarias en una matriz 80.

La Fig. 11 es una matriz de biosensores ejemplar adicional 86. La matriz 86 tiene múltiples OGFET 88 que tienen regiones de suministro y drenaje compartidos 90. Cada sensor de OGFET 88 se puede direccionar y leer independientemente de su vecino, y las regiones de suministro y drenaje compartidas 90 permiten más separación compacta de los sensores y pueden reducir el total de número de las trazas del circuito necesario para la matriz 86.

La Fig. 12 es otra matriz de biosensores ejemplar 92. La matriz 92 tiene un primer grupo de biosensores de OGFET 94 que tiene las compuertas de desfase 96 configuradas para emparejarse con un primer objetivo, y un segundo grupo de biosensores 98 que tiene las compuertas de desfase 100 configuradas para emparejarse con un segundo objetivo. Esta modalidad además tiene al menos un transistor de efecto de . campo de referencia 20 que no tiene superficies funcionalizadas . El FET de referencia 20 se puede monitorear para determinar una lectura de referencia que se puede restar de las lecturas del sensor funcionalizado para eliminar él ruido de fondo no deseado de las mediciones del biosensor. La matriz 92 en esta modalidad además tiene el sistema de circuitos de direccionamiento 102 para proporcionar una interfaz más simplificada entre la matriz 92 y un dispositivo de procesamiento que se puede acoplar a la matriz 92. Los tipos de sistema de circuitos de direccionamiento son bien conocidos por los expertos en la materia, y pueden incluir, por ejemplo, uno o más descodificadores de entrada, uno o más descodificadores de salida, y/o búferes de datos para los sensores individuales de lectura y consulta 104. Otras modalidades de las matrices del biosensor pueden proporcionar simplemente las trazas del circuito para cada elemento del sensor y dejarlas en uno o más dispositivos externos para tratarlas con el direccionamiento.

La Fig. 13 es un diagrama de flujo de un método ejemplar para la detección de un objetivo. En la etapa 106, una o más las sustancias del objetivo se inmovilizan como una derivación del campo eléctrico entre una compuerta de desfase y una región de canal para uno o más biosensores. La una o más sondas moleculares acopladas a la región de canal y/o la compuerta de desfase de las modalidades del biosensor OGFET descritas anteriormente, y sus equivalentes, proporcionan una estructura adecuada para llevar a cabo esta acción. Como se describió además, la inmovilización no necesita necesariamente ser permanente o de poca duración. En lugar de, la una o más sondas moleculares pueden tener una energía de enlace del objetivo adecuada para permitir una interrogación eléctrica de la región de canal, por ejemplo en las etapas siguientes, antes de que un enlace entre la una o más sondas moleculares y se rompa el objetivo.

En la etapa 108, un valor de medición de la sustancia del objetivo se determina en proporción a un número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico. En algunas modalidades, este se puede hacer monitoreando cada uno del uno o más biosensores durante un tiempo de lectura para contar el número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico. Como se describe anteriormente, la corriente fluirá entre la región de suministro y la región de drenaje si se aplica un voltaje de presión de la compuerta a la compuerta de desfase mientras que un objetivo se ajusta con la una o más sondas moleculares en la compuerta de desfase y/o la región de canal. Cuando cada sensor se interroga, el flujo de la corriente o una lectura de un voltaje correspondiente del flujo de corriente se puede contar para cada sensor.

En algunas modalidades, como se muestra en la etapa 110, una concentración del objetivo se puede determinar basada en la cuenta del número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico para el tiempo de lectura. Por ejemplo, la Fig. 14 es un gráfico que muestra la frecuencia resonante como una función de tiempo para un voladizo piezoeléctrico (un tipo diferente de sensor funcionalizado) funcionalizado para emparejarse con una especie biológica objetivo. En el experimento relacionado, en una configuración de flujo a 1 ml/min, la frecuencia resonante del voladizo piezoeléctrico funcionalizado se observó que la concentración depende de un patógeno. Una medida de una disminución en la frecuencia resonante fue la indicación de inmovilización del patógeno del objetivo. Se estudiaron tres diferentes concentraciones (100, 1,000, y 10,000 por mi) de oositos. La observación de las cuadrículas en la Fig. 14 muestran que la frecuencia resonante que desplaza la saturación para cada concentración se alcanzó en aproximadamente el mismo intervalo de tiempo (un tiempo de inmovilización constante) y, más importante, la frecuencia resonante que desplaza depende de la concentración. Sin desear que se vincule a una teoría particular, esta es más probable debido a un tiempo de retención de inmovilización de promedio limitado. Esta observación tiene que conducir al descubrimiento de que las sondas moleculares se pueden adaptar con una energía de enlace de objetivo. Como se describe anteriormente, en algunas modalidades, la energía de enlace se puede seleccionar de manera que el objetivo permanecerá inmovilizado por un tiempo de retención promedio suficiente para la interrogación eléctrica y por lo tanto la detección. Sin embargo, más allá del tiempo de retención de inmovilización promedio el enlace objetivo/sonda se romperá por lo tanto creando una matriz de detección de autoregeneración. Una matriz de biosensores de autoregeneración tiene ventajas significativas para el costo y mantenimiento reducido. Esto es especialmente importante en localizaciones del tercer mundo donde la sustitución de las matrices del biosensor no estaría disponible fácilmente. En algunas modalidades, el tiempo de lectura puede ser menor que un tiempo de inmovilización constante del objetivo a fin de facilitar lecturas en tiempo real que son más sensibles a fluctuaciones en las concentraciones. Por ejemplo, en la etapa 112, la determinación del valor de medición de la sustancia del objetivo se podría repetir dentro de un tiempo de lectura que es menor que un tiempo de inmovilización constante de la sustancia del objetivo para monitorear en un tiempo real el cambio del valor de medición de la sustancia del objetivo. En otras modalidades, el tiempo de lectura puede ser más largo que el tiempo de inmovilización constante para garantizar que se alcance una lectura en estado estacionario.

En algunas modalidades, en lugar de mantener una cuenta de las celdas del sensor, el valor de medición del objetivo se puede determinar en proporción al número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico midiendo una corriente total para el uno o más biosensores.

La Fig. 15 es un sistema de biosensado ejemplar 114. El sistema 114 tiene una matriz de biosensores 116 que tiene uno o más transistores de efecto de campo 118, cada uno de los transistores de efecto de campo 118 que comprenden una región de suministro 26 y una región de drenaje 28 separadas por una región de canal 24 y una compuerta 22 que se posiciona desfasada y separada de la región de canal 24 tales como las descritas en las modalidades anteriormente. Como se describió previamente además , una o más sondas moleculares se acoplan a al menos una de la región de canal 24 y la compuerta de desfase 22, la una o más sondas moleculares se configuran para emparejarse con al menos un objetivo. En esta modalidad, la matriz de biosensores 116 además tiene el sistema de circuitos de direccionamiento 120 para proporcionar acceso a uno o más OGFET 118. El sistema 114 además tiene un controlador 122 acoplado a la matriz de biosensores 116 y configurado para determinar un valor de medición de objetivo en proporción a un número del uno o más biosensores 118 que tienen una derivación del campo eléctrico provocada por el objetivo inmovilizado entre la compuerta de desfase y la región de canal para el uno o más transistores de efecto de campo . Los métodos adecuados por la determinación del valor de medición del objetivo se han descrito anteriormente.

El controlador 122 se acopla para la comunicación con el sistema de circuitos de direccionamiento 120, aunque el controlador 122 se puede acoplar a otros números y tipos de sistemas, dispositivos, componentes, y otros elementos en otras configuraciones. En este ejemplo, el controlador 122 es un dispositivo de computadora con al menos una unidad central de procesamiento (CPU, por sus siglas en inglés) o procesador, al menos una memoria, y una unidad de interfaz que se acoplan juntas por un bus u otros números y tipos de enlaces, aunque el controlador 122 puede comprender otros números y tipos de sistemas, dispositivos, componentes y otros elementos en otras configuraciones.

La unidad central de procesamiento (CPU) o procesador del controlador 122 ejecuta un programa de instrucciones almacenadas para uno o más aspectos de la tecnología como los descritos en la presente. La memoria del controlador 122 almacena estas instrucciones programadas para uno o más aspectos de la tecnología como los descritos en la presente, aunque algunas o todas las instrucciones programadas se pueden almacenar y/o ejecutar en otra parte. Una variedad de diferentes tipos de dispositivos de almacenamiento de memoria, tales como una memoria de acceso aleatorio (RAM) o memoria de sólo lectura (ROM, por sus siglas en inglés) en el sistema o un disco flexible, disco duro, CD ROM, DVD ROM, u otro medio legible por computadora . que se lee desde y/o se escribe hacia por un sistema magnético, óptico, u otro sistema de lectura y/o escritura que se . acopla al procesador del controlador 122, se pueden usar por la memoria del controlador 122. La unidad de interfaz del controlador 122 se usa para acoplar operativamente las comunicaciones entre el controlador 122 y el sistema de circuitos de direccionamiento 120, aunque otros tipos y números de sistemas, dispositivos, componentes, y otros elementos se pueden acoplar juntos para las comunicaciones.

Aunque un controlador ejemplar 122 se describe y se ilustra en la presente, se pueden usar otros tipos y números de sistemas, dispositivos, componentes, y otros elementos en otras configuraciones. Se entenderá que el controlador 122 descrito en la presente es para propósito ejemplar, como muchas variaciones de la programación y el kit específico usado son posibles para implementar los ejemplos, como se apreciará por los expertos en la (s) materia (s) pertinente (s) .

Además, el controlador 122 se puede implementar convenientemente usando uno o más sistemas de computadora de propósito general, microprocesadores, circuitos integrados de aplicación específica, matrices de compuerta de campo programable, procesadores de señal digital, y microcontroladores, programados de acuerdo con las enseñanzas de los ejemplos, como los descritos e ilustrados en la presente, y como se apreciará por los expertos en la materia.

Adicionalmente, dos o más sistemas de computación o dispositivos se pueden sustituir por el controlador 122 en cualquier ejemplo. En consecuencia, los principios y ventajas del procesamiento distribuido, tales como redundancia y replicación además se pueden implementar, cuando se desee, para aumentar la solidez y rendimiento de los dispositivos y sistemas de los ejemplos. Los ejemplos se pueden implementar además en el sistema de computadora o sistemas que se extienden a través de cualquier red adecuada usando cualquiera de los mecanismos de interfaz adecuados y las tecnologías de las comunicaciones, que incluyen a modo de ejemplo solamente telecomunicaciones en cualquier forma adecuada (por ejemplo, oral y vía modem) , medios de comunicaciones inalámbricas, redes de comunicaciones inalámbricas, redes de comunicaciones celulares, redes de comunicaciones G3, red pública telefónica conmutada (PSTN) , redes de datos por paquetes (PPN) , el internet, las intranet, y combinación de estos.

Los ejemplos de la operación del controlador 122 se pueden incorporar además como un medio legible por computadora 124 que tiene las instrucciones almacenadas en el mismo para uno o más aspectos de la tecnología como las descritas e ilustradas a modo de los ejemplos en la presente, que cuando se ejecutan por un procesador, provocan que el procesador lleve a cabo las etapas necesarias para implementar los métodos de los ejemplos, como los descritos e ilustrados en la presente.

Habiendo por lo tanto descrito el concepto básico de la invención, será bastante evidente para los expertos en la materia que la descripción detallada anterior está destinada para ser presentada a modo de ejemplo solamente, y no es limitante. Varias alteraciones, mejoras, y modificaciones ocurrirán y están destinadas a los expertos en la materia, aunque no se señalan explícitamente en la presente. Estas alteraciones, mejoras, y modificaciones están destinadas a sugerirse por la presente, y están dentro del espíritu y alcance de la invención. Además, el orden de numeración de los elementos de procesamiento o secuencias, o el uso de números, letras, u otras denominaciones por lo tanto, no está destinado a limitar los procesos reivindicados a cualquier orden excepto cuando se pueden especificar en las reivindicaciones. En consecuencia, la invención se limita solamente por las reivindicaciones siguientes y los equivalentes de la misma.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un aparato biosensor caracterizado porque comprende : uno o más transistores de efecto de campo, cada uno de los transistores de efecto de campo que comprende una región de suministro y una región de drenaje separadas por una región de canal y una compuerta que se posiciona desfasada y separada de la región de canal; y una o más sondas moleculares acopladas a al menos una de la región de canal y la compuerta de desfase, la una o más sondas moleculares configuradas para emparejarse con al menos un objetivo.

2. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de suministro y la región de drenaje cada una comprende un primer tipo de semiconductor y la región de canal que comprende un segundo tipo de semiconductor.

3. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de los transistores de efecto de campo comprenden además una base en la que se forma la región de suministro, la región de drenaje, y la región de canal .

4. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de canal tiene una longitud de canal y un ancho del canal que se dimensionan aproximadamente para ajustar un área del objetivo.

5. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la compuerta tiene una altura de compuerta y una longitud de compuerta que se dimensionan aproximadamente para ajustar un área del objetivo.

6. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la compuerta tiene una longitud que está sustancialmente de forma paralela a la longitud de la región de canal .

7. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la compuerta está sobre la región de suministro.

8. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la compuerta está sobre la región de drenaj e .

9. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además al menos una compuerta de desfase adicional.

10. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el objetivo se selecciona del grupo que consiste de un patógeno microbial, una bacteria, un virus, una toxina, un parásito, una molécula, protozoo cryptosporidiu parvum, cryptosporidium hominis, eschericia coli, bacteria vibrio cholerae, bacteria clostridium botulinum, bacteria salmonella typhi, sal onella, virus hepatitis A, bacteria shigella dysenteriae, ameba entamoeba histolytica, poliovirus, protozoo giardia la blia, entamoeba histolytica, cyclospora cayetanensis, microesporidia, schistosoma, dracunculus edinensis, clostridium botulinum, ca pylobacter jejuni, vibrio cholerae, mycobacterium marinu , legionella pneumophila, y bacteria leptospira.

11. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de canal y la compuerta se posicionan una con respecto a la otra basada en una área del objetivo para utilizar el objetivo emparejado con la una o más sondas moleculares como una derivación del campo eléctrico entre la compuerta de desfase y la región de canal.

12. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la compuerta de desfase se configura para recibir un voltaje de presión de la compuerta y se separa y se posiciona separada de la región de canal tal que: una capa de inversión no se crea en la región de canal en ausencia de un objetivo que se inmoviliza por la una o más sondas moleculares mientras que el voltaje de presión de la compuerta se aplica a la compuerta de desfase; y la capa de inversión se crea en la región de canal cuando el objetivo se inmoviliza por la una o más sondas moleculares mientras que el voltaje de presión de la compuerta se aplica a la compuerta de desfase.

13. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la una o más sondas moleculares tienen una energía de enlace del objetivo adecuada para permitir una interrogación eléctrica de la región de canal antes de que se rompa un enlace entre la una o más sondas moleculares y el objetivo.

14. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de suministro de al menos uno del uno o más transistores de efecto de campo comprenden la región de drenaje de otro del uno o más transistores de efecto de campo.

15. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las compuertas de al menos dos del uno ó más transistores de efecto de campo comprenden una compuerta compartida.

16. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque donde: el uno o más transistores de efecto de campo comprenden un primer grupo de uno o más transistores de efecto de campo y un segundo grupo de uno o más transistores de efecto de campo; la una. o más sondas moleculares acopladas a al menos una de la región de canal y la compuerta de desfase por cada uno del primer grupo de uno o más transistores de efecto de campo son configurados para emparejarse con un primer objetivo; y la una o más sondas moleculares acopladas a al menos una de la región de canal y la compuerta de desfase para cada uno del segundo grupo de uno o más transistores de efecto de campo son configurados para emparejarse con un segundo objetivo.

17. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además uno o más transistores de efecto de campo de referencia, cada uno de los transistores de efecto de campo de referencia que comprende una región de suministro y una región de drenaje separadas por una región de canal y una compuerta que se posiciona separada de la región de canal.

18. El biosensor de conformidad con la reivindicación 1, , caracterizado porque comprende además el sistema de circuitos configurados para las direcciones del uno o más transistores de efecto de campo.

19. Un método para la detección de un objetivo, caracterizado porque comprende: proporcionar uno o más biosensores con una compuerta de desfase y una región de canal configuradas para emparejarse con uno o más objetivos y formar una derivación del campo eléctrico; y proporcionar un controlador que determina un valor de medición de objetivo en proporción a un número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico.

20. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el proporcionar el controlador comprende adicionalmente proporcionar el controlador adicional configurado para monitorear cada uno del uno o más biosensores durante un tiempo de lectura para contar el número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico.

21. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el proporcionar el controlador comprende adicionalmente proporcionar el controlador configurado para determinar una concentración del objetivo basado en la cuenta del número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico para el tiempo de lectura.

22. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el tiempo de lectura es menor que un tiempo de inmovilización constante por el objetivo.

23. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el proporcionar el controlador comprende adicionalmente proporcionar el controlador configurado para repetir la determinación del valor de medición del objetivo dentro un tiempo de lectura que es menor que un tiempo de inmovilización constante por el objetivo para monitorear en un tiempo real el cambio del valor de medición del objetivo.

24. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el valor de medición del objetivo comprende una corriente total para el uno o más biosensores .

25. Un método para hacer un aparato biosensor, caracterizado porque comprende: formar uno o más transistores de efecto de campo, cada uno de los transistores de efecto de campo que comprende una región de suministro y una región de drenaje separadas por una región de canal y una compuerta que se posiciona desfasada y separada de la región de canal; y acoplar una o más sondas moleculares a al menos una de la región de canal y la compuerta de desfase, la una o más sondas moleculares configuradas para emparejarse con al menos un objetivo.

26. El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque la región de suministro tiene una longitud de canal y un ancho del canal que se dimensionan aproximadamente para ajustar un área del objetivo.

27. El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque la compuerta tiene una altura de compuerta y una longitud de compuerta que se dimensionan aproximadamente para ajustar un área del objetivo.

28. Un medio legible por computadora caracterizado porque tiene almacenadas en el mismo las instrucciones para la detección de un objetivo que comprende códigos ejecutables por una máquina que cuando se ejecutan por al menos un procesador, provocan que el procesador lleve a cabo las etapas que comprende: identificar un número de uno o más biosensores que tienen una derivación del campo eléctrico provocado por un objetivo inmovilizado entre una compuerta de desfase y una región de canal para el uno o más biosensores; y determinar un valor de medición del objetivo en proporción al número identificado de uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico provocada por el objetivo inmovilizado entre la compuerta de desfase y la región de canal .

29. El medio de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque identificar el número de uno o más biosensores que tienen una derivación del campo eléctrico provocada por un objetivo inmovilizado entre una compuerta de desfase y una región de canal por el uno o más biosensores comprenden adicionalmente monitorear cada uno del uno o más biosensores durante un tiempo de lectura para contar el número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico.

30. El medio de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque comprende además determinar una concentración del objetivo basada en la cuenta del número del uno o más biosensores que tienen la derivación del campo eléctrico durante el tiempo de lectura.

31. El medio de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque el tiempo de lectura es menor que un tiempo de inmovilización constante por el objetivo.

32. El medio de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque comprende además repetir la identificación y la determinación dentro un tiempo de lectura que es menor que un tiempo de inmovilización constante por el objetivo para monitorear en un tiempo real el cambio del valor de medición del objetivo.

33. El medio de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque donde determinar el valor de medición del objetivo se basa en una corriente de medición total para el uno o más biosensores .

34. Un sistema de biosensado, caracterizado porque comprende : una matriz de biosensores que comprende: uno o más transistores de efecto de campo, cada uno de los transistores de efecto de campo que comprende una región de suministro y una región de drenaje separadas por una región de canal y una compuerta que se posiciona desfasada y separada de la región de canal; y una o más sondas moleculares acopladas a al menos una de la región de canal y la compuerta de desfase, la una o más sondas moleculares configuradas para emparejarse con al menos un objetivo; y un controlador acoplado a la matriz de biosensores y configurado para determinar un valor de medición de objetivo en proporción a un número del uno o más transistores de efecto de campo que tienen una derivación del campo eléctrico provocada por el objetivo inmovilizado entre la compuerta de desfase y la región de canal.

35. El sistema de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque la compuerta de desfase se configura para recibir un voltaje de presión de la compuerta y se separa de y se posiciona separada de la región de canal tal que : una capa de inversión no se crea en la región de canal en ausencia del objetivo que se inmoviliza por la una o más sondas moleculares mientras que el voltaje de presión de la compuerta se aplica a la compuerta de desfase; y la capa de inversión se crea en la región de canal-cuando el objetivo se inmoviliza por la una o más sondas moleculares mientras que el voltaje de presión de la compuerta se aplica a la compuerta de desfase.

36. El sistema de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque la una o más sondas moleculares tienen una energía de enlace del objetivo adecuada para permitir una interrogación eléctrica de la región de canal antes de que se rompa un enlace entre la una o más sondas moleculares y el obj etivo .

37. El sistema de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque la matriz de biosensores comprende adicionalmente uno o más transistores de efecto de campo de referencia, cada uno de los transistores de efecto de campo de referencia que comprende una región de suministro y una región de drenaje separadas por una región de canal y una compuerta que se posiciona separada de la región de canal.

38. El sistema de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque comprende además el sistema de circuitos configurado para las direcciones del uno o más transistores de efecto de campo.

39. El sistema de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque el controlador se configura adicionalmente para determinar una concentración del objetivo basada en una cuenta del número del uno o más transistores de efecto de campo que tienen la derivación del campo eléctrico para un tiempo de lectura.

40. El sistema de conformidad con la reivindicación 39, caracterizado porque el tiempo de lectura es menor que un tiempo de inmovilización constante por el objetivo.