CN105431889B - 生物标记物传感器阵列和电路及其使用和形成方法 - Google Patents

生物标记物传感器阵列和电路及其使用和形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物标记传感器阵列，涉及包含传感器阵列的电路，涉及包含阵列的***，并涉及形成和使用这类阵列、电路和***的方法。这类阵列、电路和***可用于检测多种物质，包括化学、生物和放射性物质。这类阵列和电路可用于例如筛选测试、疾病诊断、预后和疾病监测。

Description

生物标记物传感器阵列和电路及其使用和形成方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2013年3月15日提交的题为“场效应传感器阵列及其形成和使用方法”的美国临时专利申请系列号61/787,881的权益，其内容通过引用以不与本发明公开的内容相冲突的程度纳入本文。
技术领域
本发明一般涉及用于检测物质的传感器阵列和电路。更具体地，本发明涉及适用于检测各种物质(如化学、生物或放射性物质)的传感器阵列，涉及包含一个或多个阵列的电路，并涉及形成和使用阵列和电路的方法。
背景
检测疾病特异性生物标记物如蛋白质、核酸、抗体、肽、PTM、聚糖、碳水化合物、代谢物、细胞等的传感器***被愈来愈多地应用于疾病诊断领域。疾病状态一般被认为是由内源性或外源性因素引发的、在生物分子或细胞水平上触发的异常和紊乱随时间的有理且通常严谨的进程，并逐渐发展至有害、威及生命的峰态。有鉴于此，或许可以通过检测疾病特异性生物标记物早期(甚至在症状出现之前)诊断疾病的发生，从而能够进行有效的治疗干预和护理。由于近来基因组学、蛋白组学、转录组学和代谢组学的进展，已经针对不同的癌症，糖尿病，自身免疫病如类风湿性关节炎，阿尔茨海默病，和特定感染性疾病如H1N1、HPV、乙型肝炎/丙型肝炎、HIV、西尼罗河病毒等鉴定到了早期生物标记物。然而，基于生物标记物检测如PSA测试和***造影筛选的现有产品尚不尽完善。这是由于这类产品往往过度简化了疾病的潜在基础，将少数生物标记物的存在/缺失与疾病最终结果相关联欠准确，导致假阳性高和/或阴性高，以及过度诊断/漏诊。疾病尤其癌症是复杂并且高度异质，其具有多种亚型和个体特异性病理，这使得早期诊断成为技术难题。为了解决固有的生物复杂性，需要更完备的、对生物标记物和其它关键生物分子进行高度多重检测的***-生物学方法，由此可提供组织水平、器官水平或整体(患者)水平的疾病状态快照，并提供高置信度的早期诊断。
发明内容
本发明的多个实施方式涉及生物标记物传感器阵列和电路。本发明公开的示例性传感器阵列可应用于(1)疾病筛查、预测：根据患者血液、唾液、血清、血浆、其它体液、细胞/组织提取物中的生物标记物检测症状前疾病特征，从而预测个体对各种疾病的易感性，(2)疾病诊断：在确认性测试和监测中检测疾病特异性生物标记物，(3)疾病预后：基于一段时间采集的诊断数据，对患者的病症区分疾病亚型，包括患者特异性病理和临床表现，(4)个性化治疗：根据患者自身的药物耐受性、医生使用单一药物或药物组合的决定及药物的患者个体性最优剂量形成个体特异性介入策略，(5)疾病监测：使用治疗后生物标记物检测对患者进行周期性监测以确定并跟踪对治疗的反应，从而能够及时对不良反应和出现耐药物性做出反应。本文所述的传感器阵列可用于高灵敏度、高特异性地检测生物分子，可应用于多重生物标记检测，假阳性低、假阴性低。另外，传感器阵列还可用于高通量无标药物研发。
按照本发明的示例性实施方式，传感器阵列包括一个或多个(例如，多个)传感器节点，其中各传感器节点包括一个或多个(例如，多个)传感器元件，并且各传感器元件包括一个或多个传感器装置。各传感器节点可检测生物标记物。多个传感器元件中的第一传感器元件可产生响应生物标记物的第一电响应，而多个传感器元件中的第二传感器元件可产生响应生物标记物的第二电响应。在检测生物标记物时使用多个传感器元件来检测相同的生物标记物并产生不同的电响应，使得能够可靠地检测生物标记物。按照这些实施方式的多个方面，设置传感器阵列以检测多个生物标记物。例如，可设置传感器阵列的各节点以检测生物标记物。传感器装置可以是，例如，选自下组的装置：场效应传感器、电化学传感器、纳米线传感器、纳米管传感器、石墨烯传感器、磁性传感器、巨磁阻传感器、纳米带传感器、聚合物传感器、电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器。按照这些实施方式的其它实施例，第一传感器节点包括第一传感器装置，并且第二传感器节点包括第一传感器装置或第二传感器装置，其中第一传感器装置是第一装置类型而第二装置是第二装置类型。例如，第一装置类型可以是FET装置，而第二类型可以是电化学传感器或巨磁阻传感器(GMR)。示例性FET装置包括部分耗尽的传感器、积聚模式传感器、完全耗尽的传感器、反转模式传感器、亚阈值传感器、p-沟道传感器、n-沟道传感器、本征传感器、互补CMOS传感器、增强模式传感器和耗尽模式传感器。FET传感器装置的宽度范围可以是1nm至100nm，100nm至1微米，或1微米至100微米，或100微米至几毫米。FET传感器装置的长度范围可以是10nm至1微米，或1微米至500微米，或500微米至几毫米。传感器节点内的各种传感器装置可包括(例如，涂布有)独特的化学或生物或放射敏感层，如单层、多层、薄膜、凝胶材料、基质材料、纳米结构的材料、纳米多孔材料、介孔材料、微米多孔材料、纳米图案化材料或微米图案化材料。例如，传感器装置可涂布选自下组的材料：蛋白质、抗体、核酸、DNA链、RNA链、肽、有机分子、生物分子、脂质、聚糖、合成分子、翻译后修饰的生物聚合物、有机薄膜、无机薄膜、金属薄膜、绝缘薄膜、拓扑绝缘体薄膜、半导体薄膜、介电薄膜、闪烁材料膜和有机半导体膜。通过示例的方式，一个或多个传感器装置中的全部可以是场效应传感器装置或其它类型的传感器装置，其中任意传感器元件中的多个传感器装置具有相同的特征，其中任意传感器节点中的传感器元件具有不同特征，其中传感器元件之间的区别特征包括，例如，一种或多种选自下组的特征：半导体沟道厚度、半导体沟道掺杂、半导体沟道注入类型和密度、半导体沟道杂质类型、半导体沟道杂质掺杂密度、半导体沟道杂质能级、半导体沟道表面化学处理、半导体沟道偏置条件、半导体沟道操作电压、半导体沟道宽度、半导体沟道顶端薄膜涂层和半导体沟道退火条件。
按照本发明的其它示例性实施方式，使用CMOS半导体技术(例如，微加工技术)形成传感器装置。可在基板上形成这一个或多个传感器装置，该基板选自下组：硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、碳化硅上硅、金刚石上硅、氮化镓、绝缘体上氮化镓、砷化镓、绝缘体上砷化镓、和锗以及绝缘体上锗。
按照本发明的其它实施方式，用于检测生物、化学或放射性物质的传感器阵列包括基板、在基板的选择部分上形成的绝缘体和在绝缘体上形成的多条半导体沟道。多条半导体沟道中的各半导体沟道可包括与至少一条其它半导体沟道不同的特征。半导体沟道之间的区别/区分特征选自下组：例如，半导体沟道厚度、半导体沟道掺杂、半导体沟道注入类型和密度、半导体沟道杂质类型、半导体沟道杂质密度、半导体沟道杂质能级、半导体沟道表面化学处理、半导体沟道偏置条件、半导体沟道操作电压、半导体沟道宽度、半导体沟道顶端薄膜涂层和半导体沟道退火条件。可用薄膜或单层或多层材料涂布多条半导体沟道。可设置巢式阵列中的多条半导体沟道以检测一种或多种化学或生物或放射性物质。此外，可设置该阵列以检测一种或多种化学或生物或放射性物质。可用化学或生物或放射敏感层中的一种或多种来涂布多条半导体沟道。化学或生物或放射敏感层中的一个或多个层可以是，例如，单层、多层或薄膜、凝胶材料、基质材料、纳米结构的材料、纳米多孔材料、介孔材料、微米多孔材料、纳米图案化材料或微米图案化材料。该基板可选自下组：硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、碳化硅上硅、金刚石上硅、氮化镓、绝缘体上氮化镓、砷化镓、绝缘体上砷化镓、锗和绝缘体上锗。可用介电薄膜层如氧化物来涂布传感器沟道，其可用化学或生物或放射敏感层或多层涂布；该层或多层可选自但不限于下组：蛋白质、抗体、核酸、DNA链、RNA链、肽、有机分子、生物分子、脂质、聚糖、合成分子、翻译后修饰的生物聚合物、有机薄膜、无机薄膜、金属薄膜、绝缘薄膜、拓扑绝缘体薄膜、半导体薄膜、介电薄膜、闪烁材料膜和有机半导体膜。
按照本发明的其它实施方式，传感器***包括本文所述的阵列。该传感器***可包括微流体通道。例如，可形成微流体通道，单独寻址各传感器沟道或寻址多条传感器沟道，其中微流体通道能将流体物质转移到巢式传感器阵列的阵列中的一些或全部传感器沟道。该***也可包含一种或多种以下物质：A/D转换器、继电器、开关、放大器、比较器、差分电路、源单元、感测电路、逻辑电路、微处理器、存储器、FPGA、电池、以及模拟和数字处理电路。
本发明其它示例性实施方式中，使用阵列如本文所述阵列的方法包括使用一种或多种用于疾病筛选和诊断的阵列，例如用于检测诸如血液、血清、尿液、痰液、细胞提取物、组织提取物、脑脊液、唾液、血浆和活检样品等测试介质中生物标记物的那些。示例性方法可包括图像识别算法和疾病特征方法之一或组合来改善测试的选择性和特异性以及预测值。
按照本发明的其它示例性实施方式，电路包括本文所述的阵列，该电路还可包括以下的一种或多种：A/D转换器、传感/逻辑电路、放大器、信号处理装置、FPGA、继电器、开关、处理器和存储器。
附图说明
可通过参考与以下附图相关的详细说明和权利要求来衍生对本发明的示例性实施方式的更全面理解。
图1显示了按照本发明的示例性实施方式的阵列。
图2显示了按照本发明的实施方式的示例性传感器装置。
图3显示了按照本发明的示例性实施方式对SRC激酶自磷酸化的FET传感器响应。
图4显示了FET传感器对pH的响应：按照本发明的示例性实施方式的4种不同的完全耗尽的FET传感器装置的对缓冲溶液pH值作图的阈值电压变化。
图5显示了按照本发明的示例性实施方式的传感器装置。
图6显示了按照本发明的其它示例性实施方式的示例性传感器节点。
图7显示了按照本发明的其它示例性实施方式的阵列。
图8显示了按照本发明的示例性实施方式来自单个传感器节点的对单个测试分析物检测的响应。
应理解为了简化和清楚起见在附图中图示各要素，这些要素不必按比例绘制。例如，附图中某些要素的尺寸可以相对其它要素放大，有助于更好地理解本发明的这些说明性实施方式。
发明详述
下面提供的实施方式的描述只是示例性的，且只用于举例说明；下面的描述无意于限制本发明或权利要求的范围。此外，具有所述特征的多个实施方式的限制并不旨在排除具有其它特征的其它实施方式或结合所述特征的不同组合的其它实施方式。
以下公开提供了改进的传感器阵列，包括一个或多个阵列的电路，包括一个或多个阵列的***，以及形成和使用传感器阵列、电路和***的方法。
图1显示按照本发明的各实施方式的传感器阵列100。在所示的实施例中，传感器阵列100包括多个传感器节点，示作传感器节点1-20。各传感器节点包括多个传感器元件。在实施例中，传感器节点2(或全部传感器节点1-20)包括传感器元件1-8。各传感器元件包括一个或多个传感器装置，如传感器装置1-4。传感器元件也可包括用于溶液偏置的参考电极124。
1.在传感器的任意阵列中，传感器装置可以是单个物理传感器装置或传感器单元。示例性传感器装置可以是，例如，选自下组的装置：场效应传感器、电化学传感器、纳米线传感器、纳米管传感器、石墨烯传感器、磁性传感器、巨磁阻传感器、纳米带传感器、聚合物传感器、电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器。通过示例的方式，传感器装置中的一个或多个可包括场效应晶体管纳米线n-沟道增强模式完全耗尽的基于反转的装置。通过另一个示例的方式，传感器装置可包括场效应晶体管传感器，如2009年12月8日提交的题为“纳米结构的场效应传感器及其形成和使用方法”的申请系列号12/663,666所公开的装置，其内容通过引用以不与本发明公开的内容相冲突的程度纳入本文。通过另一个示例的方式，传感器装置可包括场效应晶体管传感器、微米线和纳米线装置，如BharathTakulapalli在杂志ACS Nano,4(2):999-1011上于2010年2月23日发表的题为“使用作用为指数型换能器的单层浮动栅、完全耗尽的SOI MOSFET的分子传感(Molecular sensingusing monolayer floating gate,fully depleted SOI MOSFET acting as anexponential transducer)”的报告所述，其内容通过引用以不与本发明公开的内容相冲突的程度纳入本文。传感器装置可以是FDEC带电耦合的传感器或电位耦合的传感器或任意其它场效应传感器、微米级装置或纳米线装置。另一个示例性传感器装置包括具有表面结构的电化学传感器。
各传感器元件包括至少一个传感器装置。实施例：传感器元件可包括1个传感器装置、2个传感器装置、4个传感器装置、8个传感器装置等。在示例性实施方式中，传感器元件包括至少2个传感器装置，其中一个传感器装置是有源装置，其作用是感测目标分析物并且第二传感器装置是参考装置，其并不旨在检测分析物，而是测量背景信号。在另一个实施例中，传感器元件包括至少4个传感器装置，其中2个传感器装置是有源装置，如n-沟道和p-沟道CMOS场效应晶体管传感器并且另外2个传感器装置是用作参考装置的n-沟道和p-沟道传感器的无源版本。在一个示例性实施方式中，传感器元件包括至少2个在差分或比较电路中连接的传感器装置。结合图5更详细地描述了这类示例性传感器装置和电路。
如上所述，传感器元件可包括参考电极124。参考电极124可与传感器元件中的传感器装置联用，目的在于参考液相实验中的溶液偏置。示例性传感器电极可以是金属电极，如铂电极。
传感器节点包括至少一个传感器元件。实施例：传感器节点可包括1个传感器元件、2个传感器元件、4个传感器元件、8个传感器元件、16个传感器元件、32个传感器元件、100个传感器元件等。传感器节点中的各传感器元件具有与节点中的至少一个其它传感器元件不同的特征，并且在一些情况中具有与节点中的所有其它传感器元件不同的特征。由于不同特征，多个传感器元件中的第一传感器元件可产生响应生物标记物的第一电响应，而多个传感器元件中的第二传感器元件可产生响应生物标记物的第二电响应。示例性传感器节点包括传感器元件，其包括一个或多个场效应晶体管传感器装置(微米传感器或纳米传感器)，其中传感器元件-1中的传感器装置以反转的完全耗尽的方案运行，传感器元件-2中的传感器装置以反转的部分耗尽的方案运行，传感器元件-3中的传感器装置以亚阈值区中的完全耗尽的方案运行，传感器元件-4中的传感器装置以亚阈值区中的部分耗尽的方案运行，传感器元件-5中的传感器装置以积聚的完全耗尽的方案运行，传感器元件-6中的传感器装置以积聚的部分耗尽的方案运行，传感器元件-7中的传感器装置以体积聚模式运行，传感器元件-8中的传感器装置以体反转模式运行，另一组8个传感器元件(9-16)(其中这些传感器元件中的传感器装置以耗尽模式运行对比传感器元件1-8中的增强模式运行)。这些传感器装置的各种组合和各种数量的装置在本发明的范围内。
可用敏感层或多层(例如，独特敏感层)来涂布示例性传感器节点(或传感器节点内的各传感器装置)以检测单个目标分析物或物质。例如，可用单层、多层或薄膜的生物化学物质(抗体-1)涂布传感器节点(或节点内的装置)以检测特异性疾病生物标记物(抗原-1)，其中传感器节点检测疾病标记物的独特生物化学相互作用(抗体-1与抗原-1结合)。在示例性实施方式中，传感器节点包括16个传感器元件，其各自包含4个传感器装置，可应用于检测单个生物化学相互作用(例如，抗体-1与抗原-1结合)。按照这些实施方式的示例性方面，传感器节点中的各传感器装置能够检测相同的目标分析物，但是使用不同类型的传感器装置。不同类型的装置可使用不同的检测模式，从而积累检测信号，组合传感器阵列响应，产生目标分析物或疾病生物标记物的高特异性检测。可用不同的敏感生物化学物质(抗体-2)涂布第二传感器节点并且应用以检测相同的特异性生物标记物(抗原-1)，其中第二传感器节点检测疾病生物标记物的第二独特生物化学相互作用(抗体-2结合抗原-1)。可将多个传感器节点应用于检测单个疾病生物标记物。并且，可将多个传感器节点应用于检测多个生物标记物。示例性传感器节点可用于通过组合使用测量单个生物化学相互作用(例如，抗原-抗体相互作用)的不同类型的传感器装置检测目标分析物相互作用来对单个目标分析物进行高特异性检测。
图6显示了示例性传感器节点600，其包括8个传感器元件602，各自包含2个传感器装置604。在示例性实施例中，各传感器元件602具有与其它传感器元件相比不同的装置特征，这可能在用于检测给定(相同)的化学或生物分子或放射性物质时产生不同的电响应。可用单个化学或生物或放射性敏感薄膜来修饰节点600中的所有传感器元件604。
传感器阵列，如传感器阵列100，包括至少一个传感器节点。阵列，如阵列100设置成检测测试介质中的至少一种分析物。传感器阵列可包含10个传感器节点、20个传感器节点、100个传感器节点、1000个传感器节点或10000个传感器节点或100000个传感器节点或一百万个传感器节点或一千万个传感器节点、一亿个传感器节点或任意合适数量的传感器节点。
图7显示了按照本发明的其它示例性实施方式的其它传感器阵列700。传感器阵列700包括10x10传感器节点702。各传感器节点702可设置成检测不同的生物标记物。另外，超过一种传感器节点702可设置成检测单个目标生物标记物。可用与目标生物标记物差异性相互作用的化学或生物敏感膜或材料来涂布各传感器节点702。各传感器节点702可按照需要包装包封在孔、纳米腔室、密闭区域中。各节点702在电学上可依次或随机地单独或同时寻址，以提取传感信号。
可使用晶体管开关从传感器阵列100或700中获取传感器信号。传感器阵列尺寸可以是1平方毫米或约1平方厘米或约10平方厘米或25平方厘米或100平方厘米或200平方厘米或1000平方厘米。在给定的传感器阵列中，可一次使用传感器装置或传感器元件或传感器节点用于单个传感应用或可重复用于多个传感事件，其中可同时使用全部或少数传感器装置或传感器元件或传感器节点，或者可依次使用发展成仅在使用前一个之后使用下一个的系列方式，或者在一组传感器元件中平行使用，或任意随机方式。
按照本发明的多个实施例的传感器阵列可设置成冗余组合检测阵列(RCDA)。在示例性情况中，RCDA阵列以包含多个传感器节点的巢式传感器阵列中的传感器节点进行。冗余组合检测阵列是在特异性目标物质的检测中增加装置响应的灵敏度的传感器阵列。在RCDA传感器阵列中，所有的传感器装置用相似的表面物理和化学功能性设计并制造以检测独特的目标物质。各装置元件之间的差异主要在于归因于掺杂密度、装置厚度、操作方案(增强模式，耗尽模式，反转模式和积聚模式的部分耗尽等)、载流子类型(n-沟道对p-沟道，电子对空穴)、不同的半导体沟道层、不同的半导体材料等中的差异的装置功能性。示例性变化参数包括，但不限于，半导体沟道厚度、半导体沟道材料、半导体沟道掺杂、半导体沟道注入类型和密度、半导体沟道杂质类型、半导体沟道杂质掺杂密度、半导体沟道杂质能级、半导体沟道表面化学处理、半导体沟道偏置条件、半导体沟道操作电压、半导体沟道操作偏置、半导体沟道宽度、半导体沟道顶端薄膜涂层、半导体沟道退火条件。差异也可能在于界面或本体或杂质阱或缺陷状态密度及其在能量带间隙中的位置。可使用半导体(例如，ULSI)制造技术设计并制造具有差异属性的示例性不同装置元件。这些实施方式的其它实施例获得输出传感器信号，其是超高选择性的并且因此给出较低量的假阳性，并且也由于高灵敏度而减少假阴性。
RCDA阵列的一个简单实施例是CMOS对：增强模式n-沟道和耗尽模式p-沟道装置，其具有相同的表面物理和化学功能性。当CMOS对包含FDEC装置元件时，在装置表面上加入负电荷(由于目标物质结合)导致增强模式n-沟道FDEC装置元件漏电流增加，而加入相同的负电荷导致第二装置(耗尽模式p-沟道FDEC装置)的漏电流减少。相似的另一个CMOS对：耗尽模式n-沟道和增强模式p-沟道可用于选择性检测由于目标物质相互作用在装置表面上加入的正电荷。4个CMOS FDEC装置元件的简单阵列组成了用于选择性检测特定目标物质的示例RCDA。这4个装置元件各自可与相应参考/控制装置设置成各差分对电路，组成8个装置元件的RCDA。或者，在弱反转或亚阈值区中偏置的n-沟道和p-沟道装置的互补对可用于同时检测加入的负电荷和正电荷。对于正电荷或负电荷加入，预期一个装置的响应与其它装置的响应相反。
在该RCDA实施例中，所提及的装置是完全耗尽的FET传感器装置，这不是必要限制。通过控制半导体沟道层的厚度和掺杂密度，可能以整合到RCDA的半导体薄膜的完全体反转模式或部分耗尽模式或完全耗尽模式来运行装置来增加检测的选择性。可以积聚模式或耗尽模式或反转模式来运行该装置。RCDA阵列的另一个示例性实施方式列于以下：
Figure BDA0000846363710000111
如上所述的示例性RCDA阵列可含有相应差分对(总共16个传感器装置)中的8个传感器元件，其中RCDA可包含示例性传感器节点。可向上述添加其它不同装置类型的传感器元件以增加传感器阵列的选择性，例如，降低假阳性。或者，可包含上述所列的一个或多个类型的多个装置以在信号测量中提供其它冗余。单个RCDA阵列可构成一百或更多个传感器装置。这类高水平冗余在处理涉及疾病、癌症等的检测，体内和体外诊断，过程控制的化学和制造工业，食品工业等，传质***、商场、公众集会中的毒气或核或反射性传感中的生物标记物检测的检测场景中变得有用。高水平冗余在不希望假阳性或成本非常高的情况中是有益的。同时，这类高度冗余RCDA传感器装置可以廉价方式在单个芯片上制造，提供了这类场景中的最大价值。
对于FET传感器装置，更具体对于FDEC传感器装置，最重要的方面参数之一是陷阱状态(界面或块或杂质或其它种类的陷阱状态)。缺陷状态的性质、界面陷阱状态的密度、这些陷阱状态在半导体带隙内的位置等是FDEC传感器装置性能和运行的重要参数。差分组合检测阵列(DCDA)是FET传感器装置的阵列，其中阵列的各传感器装置以以下两种方式之一(或两者同时)与至少一个其它传感器不同：(1)通过在各“传感器元件”的激活区域上使用不同的表面化学或物理功能化或不同的介电半导体层或(2)通过阵列内各传感器元件使用不同的界面陷阱参数或体陷阱参数或杂质陷阱参数或其它界面、体缺陷状态或其它半导体材料参数。工程改造陷阱状态能级：可能通过控制体内或界面处的杂质掺杂性质来大致控制半导体带隙中陷阱状态的物理定位和能量位置。由各自具有不同界面陷阱状态的传感器装置或传感器元件组成的传感器阵列形成DCDA阵列，其中不同界面陷阱状态具有低于半导体沟道材料导带0.1eV、0.2eV、0.3eV、0.4eV、0.5eV、0.6eV、0.7eV、0.8eV或0.9eV处的峰密度。具有不同陷阱状态密度、能量的传感器元件各自对由于不同目标物质的相互作用有不同的响应。
图8显示了来自包含RCDA DCDA阵列的单个传感器节点的对单个测试分析物检测的响应。测试分析物可以是疾病生物标记物、分子、放射、离子或其它感兴趣的物质。传感器节点中的各传感器元件具有与节点中的其它传感器元件不同的特征，其可能导致对于给定(相同)的目标分析物检测，来自传感器元件的不同电子响应。有时，对于给定的电荷或者与敏感装置或装置表面的潜在或化学或生物或放射性相互作用，来自节点中各传感器装置的响应可能是预定的，或者预期增加或减少特定幅度。在一个实施例中，可用一种化学或生物或放射性敏感材料涂布节点中的所有传感器元件和传感器装置。
本发明所述的传感器阵列可用作电子鼻和电子舌应用。这类阵列和含有单一或两个传感器节点到上百万个传感器节点，其中各传感器节点可包含100个传感器元件，其中各传感器元件可包含32个传感器装置，形成传感器装置的巢式上述阵列。这些传感器元件可能是DCDA和，或RCDA或任何其它相似的传感器元件结构的组合，一个嵌套在其它中，或者是离散形式，取决于最终场效应传感器阵列的应用。所有这些传感器阵列应用包括一般是任何种类/类型的场效应传感器或本文所列的其它种类的传感器的传感器装置。
本发明其它实施例中，传感器阵列可包括用于pH传感器应用的无参考(reference-less)传感器阵列配置。活细胞和生物体中几乎所有的生物过程、生物化学反应都在水环境、有水存在的条件下进行，水起着溶剂、催化剂、反应物等作用。因此，人体内的氢离子([H+]或[H3O+]水合氢离子)浓度是反映身体机能的一项生理学参数，包括各种器官的功能到细胞内不同细胞器的功能。pH即氢离子浓度的负对数值作为一项胞内水平、胞间或组织水平、器官水平参数和用于评价体液尤其是血液活性的参数的重要性是众所周知的。在亚细胞水平，局部pH显著影响重要细胞过程，pH从正常值的任何偏离会导致酶功能丧失，细胞组分的上调或下调、抑制、变性和消化，细胞疾病，以及最终的细胞死亡。人体通过酸碱平衡维持适当的pH平衡(血液中pH 7.35)以防止体内各位置的酸性(或碱性)物质累积。血液pH降至6.8以下或升至7.8以上可能导致死亡。由于氢离子浓度在许多生物过程中起着核心作用，对人体内特定位点pH进行空间和时间上的体内监测具有重要的临床意义。
糖尿病中的胰岛素缺乏限制细胞代谢并且提高血液中的葡萄糖浓度，导致酸性增加。I型糖尿病会出现酮酸中毒所致的酮体累积，表现为血液pH降低。血液pH异常限制血红细胞的携氧能力，导致组织缺氧。肌肉pH可用于伤检分类和指示糖尿病患者外周血流不畅。就癌细胞而言，细胞增殖增强导致糖代谢增强而产生大量的三磷酸腺苷(ATP)和其它酸性化合物。为了防止胞内酸化，过量的氢离子被转运出细胞外，由此导致癌组织中的胞间酸化。通过体内或体外监测胞间(组织)pH，可及时测定癌细胞生长对治疗药物的反应。
由于pH变化至少部分缘于细胞代谢(即，能量转化和呼吸过程)，此处要论及另一个重要器官是人脑。脑消耗大量的能量，超过人总能量的25％，并且需要约20％的供血。由于脑部活性是非均衡的且神经活性具有区域特异性，脑局部活性对应于对能量和血液的局部需求，这些需求来自区域特异性的代谢速率和脑血流增加。因此，预期对脑中pH变化在空间和时间上进行精确监测能够获得区域特异性的脑活性、代谢速率和局部血流特征信息。对头部的严重物理冲击会导致脑部损伤、缺血，两者都会导致pH从正常值下降0.5至1个单位。传感器通过经皮导入植入创始或中风患者能够持续监测pH，这有助于测定治疗效果。
用于诊断GERD的pH传感：将导致胃灼热、返流、刺激的慢性酸-返流病症诊断为胃食管反流病(GERD，也称为GORD)，它可造成组织损伤、食管炎等。另一种由食道的酸性pH引起的病症是巴雷特食管(Barrett’s esophagus)，其被认为是发生食管腺癌的主要风险因素，食管腺癌的癌症致死性排第六位。GERD是由食道下端***(LES)功能异常引起的，其中，从胃部到食管的酸返流(和非酸返流)导致pH从pH7(正常)到pH2(高酸性)的大幅改变。若pH从pH7突然(在30秒内)降至低于pH4并保持低于pH 4相当一段时间，Johnson和DeMeester(JD)评分远超正常(14.72)，则将此返流情况诊断为GERD。除了用于LES的压力测试的测压法，pH传感已经被接受为GERD诊断的金标准。除了pH以外，还已经使用多种基于管腔内电抗阻(MII)的测量方法用于GERD诊断，通常与集成的pH监测联用(MII-pH)。监测食管pH通常在LES之上5cm的点处进行，而也可联用在其它距离位置处，如LES之上15cm和LES之下10cm到胃中的监测。虽然存在许多使用聚合物膜、荧光监测、光纤、ISFET、近红外(NIR)和NMR的基于导管的胶囊pH传感器技术，GERD诊断中最被接受的标准是使用无线胶囊传感器(无管)的流动pH测试。一种无线pH传感器胶囊是Medtronic’s Bravo pH监测***，其同时测量pH并使用发射遥测传输数据，从24小时直至4天。本文所述的传感器元件和传感器阵列中的FDEC FET纳米线pH传感器装置可解决用于GERD诊断的pH传感器的临床应用中的这些问题，并且可以胶囊构造使用或与用于组合的MII-pH多重管腔内测试构造的阻抗传感器整合到芯片上。
FDEC FET传感器装置或其它场效应传感器装置的阵列可用于在使用时精确测量溶液的pH。这种pH传感器可在需要或不需要平行工作的任何种类参考装置的情况下运行。常规pH传感器装置中使用参考电极或参考装置阻碍其在多种应用中的广泛使用，包括体外和体内应用。由选择顶端介电物质，化学敏感膜涂布的具有不同表面化学末端和响应氧化还原电位的FDEC装置阵列可用于传感溶液的独特pH值。由于对于给定装置表面化学，FDEC电荷偶联发生在溶液的特定pH值下，这些传感器阵列可用作少参考pH传感器装置。天然氧化物具有在pH 6.5至pH 7.5(作为示例pH点位置)下经离子交换反应的表面反应性羟基基团。当在预定电位下偏置时，FDEC传感器装置根据装置结构、构造、功能和溶液的pH值显示出不同的响应。例如，含有巢式16元件RCDA阵列的DCDA阵列的巢式阵列(作为示例)，具有RCDA阵列之间的差分参数是表面功能化的，或不同陷阱状态特征。通过用此作为该实施例中的传感器节点，用化学或有机或无机薄膜的或独特表面末端的独特的、预定表面涂层涂布各RCDA阵列的表面，各RCDA可用于在有或没有外部参考装置的情况下确定并区分它们所暴露的溶液的多个pH值。具有14个相应的、选择的、选定的、预定的表面末端，表面薄膜涂层的巢式RCDA的14DCDA阵列可用于区分pH 1至pH 14之间的pH值。通过前处理和后处理，可多次使用这些pH传感器阵列作为低成本装置。它们还可在体内用作装置植入应用，例如在体内多个位置测量pH，或一般设置成在不同器官内测量其它体内生物标记物。
本文所述的传感器阵列也可用于检测放射性物质。当具有低于半导体带隙能量的能量的光(电磁辐射)照射到半导体的表面上时，光子与各种陷阱状态相互作用，形成具有相应导电状态和价带(导致光子吸收)的施主-受主对，以及电子/空穴的捕获和因此在半导体内或在其界面上形成过量电荷。已经报道了常规FET传感器结构中的界面陷阱状态的光子相互作用的表征，但是没有通过这些相互作用检测光子的方面的研究。当与“完全耗尽的FET传感器结构”耦合时，由于陷阱辅助吸附形成的电荷由于与反转沟道的阈值电压耦合的二阶产生指数装置电流响应，潜在发挥“超低能量光子/辐射检测器”的作用。陷阱耦合的相同概念可用于通过对二次发射(轫致辐射)的检测来检测由闪烁物质集成的较高能量辐射。通过从阻隔薄膜涂布的集成FET传感器装置获得的电子签名的短范围低能量辐射的相互作用，可应用晶体管来检测亚原子粒子(α、β、低能量中子和其它)。
高能量核辐射如γ射线、中子和其它带电粒子与特定闪烁物质的相互作用产生在电磁光谱的可见和近紫外区中的窄带宽光子。从这些闪烁物质发射的光子可被集成的完全耗尽的场效应装置吸收，通过陷阱耦合的光致激发产生在完全耗尽的半导体区域中的自由电荷，其转而可通过反转沟道调制在场效应指数耦合的换能器(电容或晶体管)被精确检测到。阈值电压的小变化导致耗尽偏置装置中反转电流的数量级变化。因此，反转电流响应可用于检测由核辐射相互作用造成的陷阱辅助的电荷生成。在核辐射检测应用中，预期阈值电压变化是由于指数型电荷耦合并且也是由于自由载流子生成(功函数耦合)。预期陷阱耦合的电荷生成(电荷传导)和自由载流子生成(载流子涌现)导致指数型反转电流响应，后者是瞬时响应。核辐射(γ、中子和其它带电粒子)与半导体材料(HPGe)和某些闪烁材料(在装置顶部涂布的2微米厚的硼膜)的相互作用产生电子-空穴对，作为辐射能散失到材料晶格的最终结果。可在完全耗尽的半导体内的受主/施主杂质陷阱上捕获所产生的电子/空穴。该陷阱辅助的电荷捕获在膜中生成新的电荷和互补自由电荷载流子，两者都导致如上所述的反转沟道电导中的指数型耦合的场效应响应。
陷阱辅助的光子吸收：一般在场效应传感器装置并且具体在FDEC传感器中，通过界面、体和杂质陷阱的光子吸收和之后的检测可通过基于硅、AlGas、GaN、其它III-V族材料或化合物半导体材料的传感器装置进行。预期纳米结构化的半导体表面，如纳米孔、纳米光栅和纳米柱增加入射辐射的相互作用界面，而不是辅助束(粒子)准直，导致增加的陷阱辅助的吸收特性。通过整合上述FET传感器装置和具有不同表面纳米结构和厚度(金属、半导体和绝缘体，以及夹心结构的组合)不同的阻隔膜的阻隔辅助的短范围辐射吸收可应用于来自陷阱辅助的分散能量和由于与弱核辐射的相互作用的二次辐射的特定和组合电子签名。通过集成闪烁物质，可使用场效应传感器装置来检测高能量辐射如γ/X射线、中子等的电子签名。针对经准直优化的二次辐射、粒子发射的检测的新型纳米和微米结构将增加传感器灵敏度。
再次参考图1，传感器***102可包括传感器阵列，如阵列100。传感器***102还可包括其它电路特征以传感、接力、储存、加工并显示来自阵列中传感器装置的信息，包括信息分析、数据相关性、推荐值计算和决定。在示例性实施方式中，使用VLSI晶体管开关控制的平行的纵横交错的地址线结构对传感器***中的传感器装置进行寻址，与存储装置和计算机微处理器相似。寻址结构可包括叠层、片段、寻呼单元、寄存器、内核、框，其可以巢式寻址格式进行寻址。传感器***可包含选自以下的一个或多个的电路元件，但不限于A/D转换器、继电器、开关、放大器、比较器、差分电路、源单元、感测电路、逻辑电路、微处理器、存储器、FPGA、模拟和数字处理电路等。在图1所示的实施例中，电路元件104包括A/D转换器106、感测逻辑电路108、放大器110、信号加工装置112、FPGA 114、继电器和开关116、微芯片处理器118、存储器120和数据总线122。
传感器***102或阵列100可包括在一个或多个传感器节点周围形成的传感器孔126作为分离的微米或纳米孔用于转移、分离和含有流体物质，或用于从阻止传感器功能的环境或噪音或杂质中筛选传感器装置。
现在转向图2，显示了适用于传感器装置(例如，阵列100的传感器装置1-4)的装置200。传感器装置200包括可以是或用作基板的基底202，作用为栅绝缘体的绝缘层204，作用为半导体沟道的沟道区206和作用为绝缘体的介电层208。装置200也可包含敏感金属层210。
在传感器200运行期间，基底202起栅极的作用。基底202可由各种合适的材料形成。示例包括但不限于金属和金属氮化物，如Ge、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、TaTi、Ru、HfN、TiN等、金属合金、半导体如IV族(例如，硅)III-IV族(例如，砷化镓)和II-VI族(例如，硒化镉)、金属–半导体合金、半金属、或用作MOSFET栅极的各种有机或无机材料。
基底202的厚度可根据材料和应用而不同。实施例之一，基底202是绝缘体上硅(SOI)晶片中的硅基板。另一实施例中，基底202是柔性基板，例如有机材料，如并五苯。
绝缘层204在传感器200运行期间起栅极绝缘体或栅极电介质的作用。层204可由各种合适的材料形成，如各种合适的有机或无机绝缘材料。示例包括但不限于：二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化铝、氧化镁、氧化锆、硅酸锆、氧化钙、氧化钽、氧化镧、氧化钛、氧化钇、氮化钛等。适合层204的材料例子之一是SOI晶片中包埋的氧化物层。层204的厚度可根据材料和应用而不同。作为一个具体例，层204是厚度为约1nm至200微米的氧化硅；其它情况下，层204可以是1mm或更厚。
沟道区206可由多种材料形成，如晶体或无定形无机半导体材料，如一般MOS技术中使用的那些。示例包括但不限于：单质半导体，如硅、锗、金刚石、锡；化合物半导体如氮化硅、硅锗、金刚石、石墨；二元材料例如锑化铝(AlSb)、砷化铝(AlAs)、氮化铝(AlN)、磷化铝(AlP)、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、砷化硼(BAs)、锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)、氮化铟(InN)、磷化铟(InP)、硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、碲化锌(ZnTe)、氯化亚铜(CuCl)、硒化铅(PbSe)、硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、硫化锡(SnS)、碲化锡(SnTe)、碲化铋(Bi2Te3)、磷化镉(Cd3P2)、砷化镉(Cd3As2)、锑化镉(Cd3Sb2)、磷化锌(Zn3P2)、砷化锌(Zn3As2)、锑化锌(Zn3Sb2)，其它二元材料，例如碘化铅(II)(PbI2)、二硫化钼(MoS2)、硒化镓(GaSe)、硫化锡(SnS)、硫化铋(Bi2S3)、硅化铂(PtSi)、碘化铋(III)(BiI3)、碘化汞(II)(HgI2)、溴化铊(I)(TlBr)，半导体氧化物，例如氧化锌、二氧化钛(TiO2)、氧化亚铜(I)(Cu2O)、氧化铜(II)(CuO)、二氧化铀(UO2)、三氧化铀(UO3)，
Figure BDA0000846363710000181
材料或三元材料，例如铝砷化镓(AlGaAs，AlxGa1-xAs)、铟镓砷(InGaAs，InxGa1-xAs)、铝砷化铟(AlInAs)、铝锑化铟(AlInSb)、镓氮化砷(GaAsN)、砷化镓磷(GaAsP)、铝氮化镓(AlGaN)、铝磷化镓(AlGaP)、铟氮化镓(InGaN)、铟锑化砷(InAsSb)、铟锑化镓(InGaSb)、镉碲化锌(CdZnTe，CZT)、碲镉汞(HgCdTe)、碲锌汞(HgZnTe)、汞硒化锌(HgZnSe)、铅锡碲(PbSnTe)、碲化铊锡(Tl2SnTe5)、碲化铊锗(Tl2GeTe5)，以及四元材料，如磷化铝铟镓(AlGaInP，InAlGaP，InGaAlP，AlInGaP)、磷化铝砷镓(AlGaAsP)、磷化砷镓铟(InGaAsP)、磷化铝砷铟(AlInAsP)、氮化铝砷镓(AlGaAsN)、氮化铟砷镓(InGaAsN)、氮化铟砷铝(InAlAsN)、硒化铜铟镓(CIGS)，或五元材料，例如锑化铟氮镓砷(GaInNAsSb)等。
沟道区206也可由有机半导体材料制成。这类材料的示例包括但不限于：聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、红荧烯、酞菁、聚(3-己基噻吩)、聚(3-烷基噻吩)、α–ω-六噻吩、并五苯、α–ω-二-己基-六噻吩、α–ω-二己基-六噻吩、聚(3-己基噻吩)、双(二噻吩并噻吩)、α–ω-二己基-四噻吩、二己基-蒽二噻吩、n-癸五氟庚基甲基萘-1,4,5,8-四羧酸二酰亚胺(n-decapentafluoroheptylmethylnaphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylic diimide)、α–ω-二己基-五噻吩、N,N’-辛基-3,4,9,10-苝四羧酸、CuPc、亚甲基富勒烯(methanofullerene)、[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)、C60、3’,4’-二丁基-5–5双(二氰基亚甲基)-5,5’-二氢-2,2’:5’,2”三噻吩(DCMT)、PTCDI-C5、P3HT、聚(3,3”-二烷基-三噻吩)、C60-稠合的N-甲基吡咯烷-间-C12苯基(C60MC12)、噻吩并[2,3-b]噻吩、PVT、QM3T、DFH-nT、DFHCO-4TCO、BBB、FTTTTF、PPy、DPI-CN、NTCDI、F8T2-聚[9,9’二辛基芴-共-二噻吩]、MDMO-PPV-聚[2-甲氧基-5-(3,7-二甲基辛氧基)]-1,4-亚苯基亚乙烯基、P3HT-区域规则的聚[3-己基噻吩]；PTAA、聚三芳基胺、PVT-聚-[2,5-亚噻吩基亚乙烯(thienylene vinylene)]、DH-5T-α,ω-二己基五噻吩、DH-6T-α,ω-二己基六噻吩、酞菁、α-6T-α-六噻吩、NDI、萘二酰亚胺、F16CuPc-全氟铜酞菁、苝、PTCDA-3,4,9,10-苝-四羧酸二酐及其衍生物、PDI-N,N’-二甲基3,4,9,10-苝四羧酸二酰亚胺等。
如上所述，本发明的多个实施方式中，沟道区206具有孔和/或某些结构以提高装置灵敏度。
适合介电层208的示例性材料包括起栅极介电材料作用的无机电介质材料。示例包括但不限于，SiO2、Si3N4、SiNx、Al2O3、AlOx La2O3、Y2O3、ZrO2、Ta2O5、HfO2、HfSiO4、HfOx、TiO2、TiOx、a-LaAlO3、SrTiO3、Ta2O5、ZrSiO4、BaO、CaO、MgO、SrO、BaTiO3、Sc2O3、Pr2O3、Gd2O3、Lu2O3、TiN、CeO2、BZT、BST，或以上和/或此类其它栅极介电材料的堆叠组合物或混合组合物。
介电层208可另外或替代性包含有机栅极介电材料。有机材料的示例包括但不限于：PVP-聚(4-乙烯基苯酚)、PS-聚苯乙烯、PMMA-聚甲基-甲基丙烯酸酯、PVA-聚乙烯醇、PVC-聚氯乙烯、PVDF-聚偏二氟乙烯、PαMS-聚[α-甲基苯乙烯]、CYEPL-氰基-乙基支链淀粉、BCB-二乙烯基四甲基二硅氧烷-双(苯并环丁烯)、CPVP-Cn、CPS-Cn、PVP-CL、PVP-CP、有机聚合物担体(polynorb)、GR、纳米TiO2、OTS、Pho–OTS、多种自组装单层或多层，或以上以及其它有机栅极介电材料的堆叠组合物或混合组合物。
可以耗尽、积聚或反转、或从一种转变成另一种来运行传感器装置200，其包含所有基于场效应晶体管的传感器装置和FDEC传感器装置，其可以是微米级装置或纳米级装置或纳米结构的装置或这些的组合。半导体材料可以是有机半导体或无机半导体或两种材料的杂合体或者一般而言的任意半导体材料，包括石墨烯、碳纳米管、其它材料纳米管、富勒烯、石墨等。
图3显示了响应SRC激酶自磷酸化的示例性FET传感器装置(例如，传感器装置200)。在所示的实施例中，在加入10μl ATP之后，响应微球上固定的几皮摩尔的SRC蛋白产生大的阈值电压偏移。加入10μl的纯水和纯ADP不产生响应。
图4显示了传感器装置(例如，传感器装置200)对pH的响应：4种不同的完全耗尽的FET传感器装置的对缓冲溶液pH值作图的阈值电压变化。当从pH 8转变成pH 7和从pH 11转变成pH 10时，所有的装置显示出反常响应。在小图中，当时装置交替暴露于pH 7和pH 8(也可以是pH 9)时，装置阈值电压响应对时间作图。从酸性到碱性溶液和反向上都看到反常响应。
现在转向图5，显示了比较(或差分对)电路500。电路500包括第一传感器元件502和第二传感器元件504。在电路500运行期间，第一传感器元件502暴露于目标物质，而第二传感器元件504是参考装置并不暴露于目标物质。第一和第二传感器元件可在差分电路或相似的其它比较电路中连接，这使得能够进行更高灵敏度的目标分子检测，通过降低背景噪音来得到更高的灵敏度。电路500使得能够进行更高灵敏度的目标物质检测，通过减少背景噪音得到更高灵敏度和更高选择性，其也可与集成的放大电路连接以增加信号读取，或连接类似的其它电子电路。在所示的实施例中，传感器元件502包括源极506、漏极508和沟道区510。类似地，传感器元件504包括源极512、漏极514和沟道区516。
目标物质(也称为目标分析物)指各自化学或生物或***性或核或放射性物质，或者一般而言指用传感器检测其于基质中存在与否的任意物质、材料或辐射。这包括纳米颗粒、单细胞、多细胞、生物体、病毒、细菌、DNA或蛋白质或大分子和癌症、疾病标记物。对于相关感测应用而言，目标物质一词还包括电磁波，如可见光、红外光、微波、无线电波、紫外光、X射线、高能电磁辐射、低能电磁辐射。
应理解本发明并不限于所述的特定方法、方案和材料，因为这些可发生变化。还应理解，本文所用术语的目的仅是为了描述具体实施方式，不意在限制本发明的范围，本发明的范围仅受所附权利要求书的限制。
本领域技术人员应了解或能够确定仅采用常规实验即可获得本文所述的本发明具体实施方式的许多等同形式。这类等同形式应包含在所附权利要求书的范围内。

Claims (25)

1.一种传感器阵列，包含：
多个传感器节点，
其中，所述多个传感器节点中的各传感器节点包含多个传感器元件，并且各传感器元件包含一个或多个传感器装置，并且
其中，各传感器节点检测生物标记物，
其中，传感器节点中的各传感器元件具有与所述传感器节点中的至少一个其它传感器元件不同的特征，使得所述多个传感器元件中的第一传感器元件产生响应所述生物标记物的第一电响应，而所述多个传感器元件中的第二传感器元件产生响应所述生物标记物的第二电响应，并且
其中所述传感器阵列包括至少一个n沟道FDEC传感器装置以及至少一个p沟道FDEC传感器装置。
2.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，所述多个传感器节点中的一个或多个传感器节点检测多种生物标记物。
3.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，所述n沟道FDEC传感器装置包括增强模式n沟道FDEC传感器装置。
4.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，第一传感器节点包含第一传感器装置，而第二传感器节点包含第二传感器装置，其中所述第一传感器装置是第一装置类型而所述第二传感器装置是第二装置类型。
5.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，至少一个传感器元件进一步包括参考电极。
6.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，所述一个或多个传感器装置包括电化学传感器。
7.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，所述一个或多个传感器装置包括巨磁阻(GMR)传感器。
8.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，各传感器包含化学或生物或放射敏感层。
9.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，各传感器节点包括包含选自下组的物质的化学或生物或放射敏感层或多层：蛋白质、抗体、核酸、DNA链、RNA链、肽、有机分子、生物分子、脂质、聚糖、合成分子、翻译后修饰的生物聚合物、有机薄膜、无机薄膜、金属薄膜、绝缘薄膜、拓扑绝缘体薄膜、半导体薄膜、介电薄膜、闪烁材料膜和有机半导体膜。
10.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，使用CMOS半导体技术生产所述一个或多个传感器装置。
11.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，在基板上制造所述传感器装置，所述基板选自下组：硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、碳化硅上硅、金刚石上硅、氮化镓、绝缘体上氮化镓、砷化镓、绝缘体上砷化镓、锗、或锗和绝缘体。
12.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，所述p沟道FDEC传感器装置包括耗尽模式p沟道FDEC传感器装置。
13.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，所述一个或多个传感器装置中的全部是场效应传感器，其中任意传感器元件中的多个传感器装置具有相同特征，其中任意传感器节点中的传感器元件具有不同特征，传感器元件之间的区别特征选自下组：半导体沟道材料、半导体沟道厚度、半导体沟道掺杂、半导体沟道注入类型和密度、半导体沟道杂质类型、半导体沟道杂质掺杂密度、半导体沟道杂质能级、半导体沟道表面化学处理、半导体沟道偏置条件、半导体沟道操作电压、半导体沟道宽度、半导体沟道顶端薄膜涂层和半导体沟道退火条件。
14.一种使用权利要求1所述的阵列进行疾病筛选或诊断或预后或治疗后监测中的一种或多种的方法。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，采用图案识别算法和疾病特征方法中的一种或多种来改善选择性。
16.一种用于检测生物、化学或放射性物质的传感器阵列，包含：
基板；
在所述基板的选择部分之上形成的绝缘体；和
在所述绝缘体之上形成的多条半导体沟道，
其中，所述多条半导体沟道中的各半导体沟道包括与至少一条其它半导体沟道不同的特征，
其中所述特征选自下组：半导体沟道材料、半导体沟道厚度、半导体沟道宽度、半导体沟道长度、半导体沟道掺杂、半导体沟道注入类型和密度、半导体沟道杂质类型、半导体沟道杂质密度、半导体沟道杂质能级、半导体沟道表面化学处理、半导体沟道偏置条件、半导体沟道操作电压、半导体沟道宽度、半导体沟道顶端薄膜涂层和半导体沟道退火条件，并且
其中所述传感器阵列包括至少一个n沟道FDEC传感器装置以及至少一个p沟道FDEC传感器装置。
17.如权利要求16所述的传感器阵列，其特征在于，所述多条传感器沟道被涂布一层或多层化学或生物或放射敏感层。
18.如权利要求16所述的传感器阵列，其特征在于，所述基板选自下组：硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、碳化硅上硅、金刚石上硅、氮化镓、绝缘体上氮化镓、砷化镓、绝缘体上砷化镓、锗、和绝缘体上锗。
19.如权利要求16所述的传感器阵列，其特征在于，所述半导体沟道被涂布化学或生物或放射敏感层，所述层是选自但不限于下组的物质：蛋白质、抗体、核酸、DNA链、RNA链、肽、有机分子、生物分子、脂质、聚糖、合成分子、翻译后修饰的生物聚合物、有机薄膜、无机薄膜、金属薄膜、绝缘薄膜、拓扑绝缘体薄膜、半导体薄膜、介电薄膜、闪烁材料膜、有机半导体膜。
20.一种包含如权利要求16所述的传感器阵列和微流体通道的传感器***，其中所述微流体通道被形成从而单独寻址各传感器沟道或寻址多条传感器沟道，其中微流体通道使得能够将流体物质转移到巢式传感器阵列的阵列中的一些或全部传感器沟道中。
21.一种使用权利要求16所述的阵列进行疾病筛选或诊断或预后或治疗后监测中的一项或多项的方法。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，采用图案识别算法和疾病特征法中的一个或多个来改善选择性。
23.一种包含如权利要求16所述的传感器阵列和电路的传感器***，所述电路包含下列中的一种或多种：A/D转换器、继电器、开关、放大器、比较器、差分电路、源单元、感测电路、逻辑电路、微处理器、存储器、FPGA、电池、以及模拟和数字处理电路。
24.一种使用如权利要求21所述的阵列进行体外或体内pH检测应用的方法。
25.涂布特定材料薄膜并应用于检测电磁辐射或放射性物质的权利要求16所述的传感器***。
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