KR20230021723A - 생화학적 상호작용의 동적 여기 및 측정 - Google Patents

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KR20230021723A
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gated transistor
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키아나 아란
브레트 골드스미스
알렉산더 케인
레지스 페이타비
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카디아 바이오 인코포레이티드
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Abstract

생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 장치, 시스템, 및 방법이 개시된다. 여기 회로(excitation circuitry)(602)는 하나 이상의 여기 조건을 채널(210)을 포함하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(들)(biologically gated transistor)(106a, 402)에 적용함으로써, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a, 402)로부터의 하나 이상의 출력 신호가 채널 표면(428)과 접촉하는 샘플 유체(110) 내의 모이어티(moiety)(422)의 생화학적 상호작용에 의해 및 여기 조건(들)에 의해 영향을 받도록 구성된다. 측정 회로(606)는 측정 거리(502)에 대응하는 측정 대역폭을 사용하여 영향을 받은 출력 신호의 시간-의존성 측정을 수행함으로써 채널로부터 정전 차폐 거리(electrostatic screening distance)(504)를 초과하는 하나 이상의 측정 거리(502)에서 발생하는 생화학적 상호작용에 대한 정보를 획득하도록 구성된다. 분석 모듈(116)은 시간-의존성 측정에 기초하여 생화학적 상호작용의 파라미터를 특성화하도록 구성된다.

Description

생화학적 상호작용의 동적 여기 및 측정
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 6월 9일자로 미국에서 출원된 "생화학적 상호작용의 동적 여기 및 측정(Dynamic Excitation And Measurement Of Biochemical Interactions)"이란 발명의 명칭의 미국 임시 특허 출원 제63/036,772호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 법적으로 허용되는 범위 내에서 본원에서 참고로 포함된다.
기술분야
본원에서 개시되는 주제는 통합 전기 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 생화학적 상호작용의 동적 여기(dynamic excitation) 및 측정에 관한 것이다.
트랜지스터 및 집적 회로는 액체 환경에서 작동하도록 설계되는 경우가 거의 없으며, 이들은 일반적으로는 매우 느린 속도로 작동한다. 일반적으로, 액체 환경에 커플링된 반도체는 화학적 평형을 기다리거나 또는 간단한 화학적 상호작용을 특성화하도록 설계된 특정 단일 주파수 또는 매우 좁은 대역폭에서 수행된다. 핵산, 단백질 및 기타 다른 화합물과 같은 복잡한 화학 및 생화학 시스템뿐만 아니라 생체분자 상호작용은 다수의 중첩되는 동적 기간을 포함한다. 이러한 시스템을 특성화하는 기존 방법으로는 예를 들어 벌크 액상 반응의 종말점 평형에서 시약의 색상 변화를 측정하는 비색 분석법을 포함한다. 다른 방법은 특수한 고가의 장비를 사용하여 시스템을 광학적으로 여기하고 측정함으로써 결합 상호작용의 동역학을 광학적으로 추적할 수 있다. 통합 전자 등가물은 아직 이용할 수 없다.
생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 장치가 개시된다. 하나 이상의 예에서, 여기 회로(excitation circuitry)는 하나 이상의 여기 조건을 채널을 포함하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(biologically gated transistor)에 적용하도록 구성된다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터로부터의 하나 이상의 출력 신호는 채널의 표면과 접촉하는 샘플 유체 내의 모이어티(moiety)의 생화학적 상호작용에 의해 및 상기 하나 이상의 여기 조건에 의해 영향을 받을 수 있다. 하나 이상의 추가의 예에서, 측정 회로(measurement circuitry)는 하나 이상의 측정 거리(measurement distance)에 대응하는 사전 결정된(predetermined) 측정 대역폭을 사용하여 여기 조건 및 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 하나 이상의 출력 신호 중 적어도 하나의 복수의 시간-의존성 측정을 수행함으로써 채널의 표면으로부터 정전 차폐 거리(electrostatic screening distance)를 초과하는 적어도 하나의 측정 거리를 포함하는 하나 이상의 측정 거리에서 발생하는 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득하도록 구성된다. 일부 예에서, 분석 모듈(analysis module)은 복수의 시간-의존성 측정에 기초하여 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성된다.
생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 시스템이 개시된다. 다양한 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 하나 이상의 출력 신호가 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 대한 채널의 표면과 접촉하는 샘플 유체의 적용 및 하나 이상의 여기 조건의 적용에 응답하여 샘플 유체 내의 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받도록 구성된 채널을 포함한다. 일부 예에서, 여기 회로는 하나 이상의 여기 조건을 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 적용하도록 구성된다. 특정 예에서, 측정 회로는 하나 이상의 측정 거리에 대응하는 사전 결정된 측정 대역폭을 사용하여 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 하나 이상의 출력 신호 중 적어도 하나의 복수의 시간-의존성 측정을 수행함으로써 채널의 표면으로부터 정전 차폐 거리를 초과하는 적어도 하나의 측정 거리를 포함하는 하나 이상의 측정 거리에서 발생하는 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득하도록 구성된다. 일부 예에서, 통신 회로(communication circuitry)는 복수의 시간-의존성 측정에 기초한 정보를 원격 데이터 저장소로 전송하도록 구성된다.
생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 방법이 개시된다. 하나 이상의 예에서, 상기 방법은 채널을 포함하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터를 제공하는 단계를 포함한다. 다양한 예에서, 상기 방법은 샘플 유체를 채널의 표면과 접촉하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 적용하는 단계를 포함한다. 일부 예에서, 상기 방법은 하나 이상의 여기 조건을 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 적용하여 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 하나 이상의 출력 신호가 샘플 유체 내의 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받도록 하는 단계를 포함한다. 일부 예에서, 상기 방법은 하나 이상의 측정 거리에 대응하는 사전 결정된 측정 대역폭을 사용하여 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 하나 이상의 출력 신호 중 적어도 하나의 복수의 시간-의존성 측정을 수행함으로써 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득하는 단계를 포함한다. 특정 예에서, 상기 방법은 복수의 시간-의존성 측정에 기초하여 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면에서 예시되는 특정 예를 참조하여 상기에서 간략하게 설명된 예에 대한 보다 구체적인 설명이 제공될 것이다. 이러한 도면은 단지 일부 예를 나타내는 것이며 따라서 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다는 사실을 이해하고, 이러한 예들을 첨부 도면을 사용하여 추가의 구체적인 사항 및 세부 사항과 함께 기술하고 설명할 것이다.
도 1은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 시스템을 예시하는 개략적인 블록도이고;
도 2는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터를 포함하는 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 장치를 예시하는 개략적인 블록도이고;
도 3은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 또 다른 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터를 포함하는 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 또 다른 장치를 예시하는 개략적인 블록도이고;
도 4는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 추가의 실시형태를 포함하는 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 추가의 장치를 예시하는 개략적인 블록도이고;
도 5는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 생화학적 상호작용의 측정을 위한 측정 거리 및 정전 차폐 거리를 예시하는 도 4에 표시된 영역의 상세도이고;
도 6은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따른 측정 장치를 예시하는 개략적인 블록도이고;
도 7은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 방법을 예시하는 개략적인 흐름도이고;
도 8은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된(liquid-gated) 그래핀 전계 효과 트랜지스터(graphene field effect transistor)("gFET")에 대한 제1 기하 구조(geometry)를 예시하는 평면도이고;
도 9는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제2 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 10은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제3 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 11은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제4 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 12는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제5 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 13은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제6 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 14는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제7 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 15는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제8 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 16은 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제9 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 17은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제10 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 18은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제11 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 19는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제12 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 20은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제13 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 21은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제14 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 22는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제15 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 23은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제16 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 24는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제17 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 25는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제18 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 26은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제19 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 27은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제20 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 28은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제21 기하 구조를 예시하는 평면도이고;
도 29는 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제22 기하 구조를 예시하는 평면도이며;
도 30은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 하나 이상의 액체-게이트화된 gFET에 대한 제23 기하 구조를 예시하는 평면도이다.
당업자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 본 개시내용의 양태는 시스템, 방법, 또는 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 따라서, 구현예는 전체적인 하드웨어 구현예, 전체적인 소프트웨어 구현예(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로 코드 등을 포함) 또는 소프트웨어 및 하드웨어 양태를 조합한 구현예의 형태를 취할 수 있으며, 이들은 모두 일반적으로 본원에서는 "회로", "모듈", 또는 "시스템"으로서 지칭될 수 있다. 또한, 예시적인 구현예는 기계 판독 가능 코드, 컴퓨터 판독 가능 코드, 및/또는 이하 코드로 지칭되는 프로그램 코드를 저장하는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 저장 디바이스에서 구현되는 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 저장 디바이스는 유형(有形)적, 비일시적, 및/또는 비전송적일 수 있다. 저장 디바이스는 신호를 구현하지 않을 수 있다. 특정 구현예에서, 저장 디바이스는 단지 코드에 액세스하기 위한 신호만을 사용한다.
본원에서 기술되는 특정의 기능성 유닛은 그들의 구현 독립성을 특히 강조하기 위해 모듈로서 라벨링되었다. 예를 들어, 모듈은 맞춤형(custom) VLSI 회로 또는 게이트 어레이, 로직 칩과 같은 기성품(OTS: off-the-shelf) 반도체, 트랜지스터 또는 기타 다른 개별 부품을 포함하는 하드웨어 회로로서 구현될 수 있다. 모듈은 또한 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA: field programmable gate array), 프로그램 가능 어레이 로직, 프로그램 가능 로직 디바이스 등과 같은 프로그램 가능 하드웨어 디바이스에서 구현될 수도 있다.
모듈은 또한 다양한 유형의 프로세서에 의한 실행을 위해 코드 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 코드의 식별된 모듈은, 예를 들어, 대상, 절차, 또는 기능으로 구성될 수 있는 실행 가능한 코드의 하나 이상의 물리적 또는 논리적 블록을 포함할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 식별된 모듈의 실행 파일(executables)은 물리적으로 함께 위치할 필요는 없지만, 논리적으로 함께 결합될 때, 모듈을 구성하고 모듈에 대한 명시된 목적을 달성하는 서로 다른 위치에 저장된 개별적인 명령을 포함할 수 있다.
실제로, 코드의 모듈은 단일 명령 또는 많은 명령일 수 있으며, 상이한 프로그램들 중에서 여러 가지의 상이한 코드 세그먼트 상에서 및 여러 가지의 메모리 디바이스에 걸쳐 분산될 수도 있다. 이와 유사하게, 운용 데이터(operational data)는 본원에서는 모듈 내에서 식별되고 예시될 수 있으며, 임의의 적합한 형식으로 구현되고 임의의 적합한 유형의 데이터 구조 내에서 구성될 수 있다. 운용 데이터는 단일 데이터 세트로서 수집될 수 있거나, 또는 다른 컴퓨터 판독 가능 저장 디바이스를 포함하여 다른 위치에 분산될 수 있다. 모듈 또는 모듈의 일부가 소프트웨어로 구현되는 경우, 소프트웨어 부분은 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 저장 디바이스에 저장된다.
하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 매체의 임의의 조합이 이용될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 코드를 저장하는 저장 디바이스일 수 있다. 저장 디바이스는, 예를 들어, 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 홀로그램, 미세 역학적(micromechanical), 또는 반도체 시스템, 장치, 또는 디바이스, 또는 이들의 임의의 적합한 조합일 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
저장 디바이스의 보다 구체적인 예(비포괄적인 목록)는 다음의 것들을 포함할 것이다: 하나 이상의 와이어를 갖는 전기적 접속, 휴대용 컴퓨터 디스켓, 하드 디스크, 랜덤 액세스 메모리(RAM: random-access memory), 읽기 전용 메모리(ROM: read-only memory), 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(erasable programmable read-only memory)(EPROM 또는 플래시 메모리), 휴대용 컴팩트 디스크 읽기 전용 메모리(CD-ROM), 광학 저장 디바이스, 자기 저장 디바이스, 또는 이들의 임의의 적합한 조합. 본 문서의 맥락에서, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 명령 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 이와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 포함하거나 저장할 수 있는 임의의 모든 유형적인 매체일 수 있다.
다양한 예시적인 구현예를 위한 동작을 수행하기 위한 코드는 파이썬(Python), 루비(Ruby), 자바(Java), 스몰토크(Smalltalk), C++ 등과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어(object-oriented programming language)를 포함하는 하나 이상의 프로그래밍 언어, 및 "C" 프로그래밍 언어 등과 같은 통상적인 절차 지향 프로그래밍 언어(procedural programming language), 및/또는 어셈블리 언어와 같은 기계어의 임의의 조합으로 작성될 수 있다. 코드는 전적으로 사용자 컴퓨터 상에서, 부분적으로 사용자 컴퓨터 상에서, 또는 부분적으로 사용자 컴퓨터 상에서 및 부분적으로 원격 컴퓨터 상에서 또는 전적으로 원격 컴퓨터 또는 서버 상에서 독립 실행형 소프트웨어 패키지로서 실행될 수 있다. 후자의 시나리오에서, 원격 컴퓨터는 근거리 통신망(LAN: local area network) 또는 광역 통신망(WAN: wide area network)을 포함한 모든 임의의 유형의 네트워크를 통해 사용자의 컴퓨터에 연결될 수 있거나, 또는 외부 컴퓨터(예를 들어, 인터넷 서비스 공급자를 이용한 인터넷을 통해)에 연결될 수 있다.
본원에서 사용되는 컴포넌트는 유형적, 물리적, 비일시적 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 컴포넌트는 맞춤형 VLSI 회로, 게이트 어레이, 또는 다른 집적 회로를 포함하는 하드웨어 로직 회로; 로직 칩, 트랜지스터, 또는 다른 개별 디바이스와 같은 기성품 반도체; 및/또는 기타 다른 기계적 또는 전기적 디바이스로서 구현될 수 있다. 컴포넌트는 또한 필드 프로그램 가능 게이트 어레이, 프로그램 가능 어레이 로직, 프로그램 가능 로직 디바이스 등과 같은 프로그램 가능 하드웨어 디바이스에서 구현될 수도 있다. 컴포넌트는 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 등의 전선을 통해 하나 이상의 다른 컴포넌트와 전기적으로 통신하는 하나 이상의 실리콘 집적 회로 디바이스(예를 들어, 칩, 다이, 다이 평면, 패키지) 또는 다른 개별 전기 디바이스를 포함할 수 있다. 본원에서 기술되는 각각의 모듈은, 특정 예에서는, 대안적으로 하나 이상의 컴포넌트로서 구현될 수 있다.
본원에서 사용되는 회로(circuit) 또는 회로망(circuitry)은 하나 이상의 전류 경로를 제공하는 하나 이상의 전기 및/또는 전자 컴포넌트의 세트를 포함한다. 특정 예에서, 회로망은 회로가 폐쇄 루프가 되도록 전류에 대한 복귀 경로를 포함할 수 있다. 그러나, 일부 예에서, 전류에 대한 복귀 경로를 포함하지 않는 컴포넌트의 세트가 회로 또는 회로망(예를 들어, 개방 루프)으로서 지칭될 수 있다. 예를 들어, 집적 회로는 집적 회로가 (전류에 대한 복귀 경로로서의) 접지에 커플링되는지의 여부에 관계없이 회로 또는 회로망으로서 지칭될 수 있다. 다양한 예에서, 회로망은 집적 회로, 집적 회로의 일부, 집적 회로의 세트, 집적 회로 디바이스가 있거나 없는 비-집적 전기 및/또는 전기 컴포넌트의 세트 등을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 회로는 맞춤형 VLSI 회로, 게이트 어레이, 로직 회로, 또는 다른 집적 회로; 로직 칩, 트랜지스터, 또는 다른 개별 디바이스와 같은 기성품 반도체; 및/또는 기타 다른 기계적 또는 전기적 디바이스를 포함할 수 있다. 회로는 또한 필드 프로그램 가능 게이트 어레이, 프로그램 가능 어레이 로직, 프로그램 가능 로직 디바이스 등과 같은 프로그램 가능 하드웨어 디바이스(예를 들어, 펌웨어, 네트리스트 등)에서 합성 회로로서 구현될 수 있다. 회로는 인쇄 회로 기판(PCB) 등의 전선을 통해 하나 이상의 다른 컴포넌트와 전기적으로 통신하는 하나 이상의 실리콘 집적 회로 디바이스(예를 들어, 칩, 다이, 다이 평면, 패키지) 또는 다른 개별 전기 디바이스를 포함할 수 있다. 본원에서 기술되는 각각의 모듈은, 특정 예에서는, 회로에 의해 구현되거나 회로로서 구현될 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "일례", "예", "일 구현예", "구현예" 또는 유사한 언어에 대한 언급은 해당 예 또는 구현예와 관련하여 설명된 특정의 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 예 또는 구현예에 포함되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 "일례에서", "예에서", 및 유사한 언어의 출현은, 필수적인 것은 아니지만, 모두 동일한 예 또는 구현예를 지칭할 수 있지만, 달리 명시되지 않는 한 "모든 구현예는 아니지만 하나 이상의 구현예"을 의미할 수 있다. "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "갖는(having)" 및 이들의 변형 용어는, 달리 명확하게 명시되지 않는 한, "포함하지만 이에 국한되지 않음"을 의미한다. 열거된 항목의 목록은, 달리 명확하게 명시되지 않는 한, 임의의 또는 모든 항목이 상호 배타적임을 의미하지 않는다. 용어 "a", "an" 및 "the"는 또한, 달리 명확하게 명시되지 않는 한, "하나 이상"을 지칭한다.
또한, 예 또는 구현예의 기술된 특징, 구조, 또는 특성은 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 하기 설명에서, 프로그래밍, 소프트웨어 모듈, 사용자 선택, 네트워크 트랜잭션, 데이터베이스 쿼리, 데이터베이스 구조, 하드웨어 모듈, 하드웨어 회로, 하드웨어 칩 등의 예와 같은 많은 특정 세부 정보는 실시형태의 완전한 이해를 제공하기 위해 제공된다. 그러나, 당업자는 구현예가 하나 이상의 특정 세부 사항 없이 또는 다른 방법, 컴포넌트, 재료 등을 사용하여 실시될 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 다른 경우에, 잘 알려진 구조, 재료, 또는 작동은 예시적인 구현예의 모호한 양태를 피하기 위해 상세히 도시되거나 기술되지 않는다.
예시적인 구현예의 양태는 예에 따른 방법, 장치, 시스템, 및 프로그램 제품의 개략적인 흐름도 및/또는 개략적인 블록도를 참조하여 아래에서 설명된다. 개략적인 흐름도 및/또는 개략적인 블록도의 각각의 블록 및 개략적인 흐름도 및/또는 개략적인 블록도의 블록의 조합이 코드로 구현될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 코드는 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 또는 다른 프로그램 가능 데이터 처리 장치의 프로세서에 제공되어 머신(machine)을 생성할 수 있으므로, 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능 데이터 처리 장치의 프로세서를 통해 실행되는 명령은 개략적인 흐름도 및/또는 개략적인 블록도의 블록 또는 블록들에 지정된 기능/동작을 구현하기 위한 수단을 생성한다.
이러한 코드는 또한 컴퓨터, 다른 프로그램 가능 데이터 처리 장치, 또는 다른 장치가 특정 방식으로 기능하도록 지시할 수 있는 저장 디바이스에 저장되어, 저장 디바이스에 저장된 명령이 개략적인 흐름도 및/또는 개략적인 블록도의 블록 또는 블록들에 지정된 기능/동작을 구현하는 명령을 포함하는 제조 물품을 생성할 수 있다.
이러한 코드는 또한 컴퓨터, 다른 프로그램 가능 데이터 처리 장치, 또는 컴퓨터 구현 프로세스를 생성하기 위해 컴퓨터, 다른 프로그램 가능 장치 또는 다른 장치 상에서 일련의 동작 단계가 수행되도록 하는 다른 장치에 로딩됨으로써, 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능 장치 상에서 실행되는 코드는 흐름도 및/또는 블록도의 블록 또는 블록들에 지정된 기능/동작을 구현하기 위한 프로세스를 제공할 수도 있다.
도면의 개략적인 흐름도 및/또는 개략적인 블록도는 다양한 예에 따른 장치, 시스템, 방법, 및 프로그램 제품의 가능한 구현예의 아키텍처, 기능, 및 동작을 도시한다. 이와 관련하여, 개략적인 흐름도 및/또는 개략적인 블록도의 각각의 블록은 특정 논리 기능(들)을 구현하기 위한 코드의 하나 이상의 실행 가능한 명령을 포함하는 모듈, 세그먼트, 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다.
또한, 일부 대안적인 구현예에서, 블록에서 언급된 기능은 도면에 언급된 순서와 다르게 발생할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 예를 들어, 연속으로 도시된 2개의 블록은, 실제로는, 실질적으로 동시에 실행될 수 있거나, 또는 포함된 기능에 따라 블록들이 때로는 역순으로 실행될 수 있다. 도시된 도면의 하나 이상의 블록 또는 그 일부에 대한 기능, 논리, 또는 효과에 있어서 등가인 다른 단계 및 방법이 생각될 수 있다.
다양한 화살표 유형 및 라인 유형이 흐름도 및/또는 블록도에서 사용될 수 있지만, 그들은 상응하는 예의 범위를 제한하지 않는 것으로 이해된다. 실제로, 일부 화살표 또는 다른 연결 부호는 도시된 예의 논리적 흐름만을 나타내기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 화살표는 도시된 예의 열거된 단계들 사이의 불특정 기간의 대기 기간 또는 모니터링 기간을 나타낼 수 있다. 블록도 및/또는 흐름도의 각각의 블록, 및 블록도 및/또는 흐름도의 블록의 조합은 특정 기능 또는 동작을 수행하는 특수 목적 하드웨어-기반 시스템, 또는 특수 목적 하드웨어 및 코드의 조합에 의해 구현될 수 있다는 사실에 유의해야 한다.
각 도면의 요소에 대한 설명은 이후의 도면의 요소를 지칭할 수 있다. 유사 번호는 유사 요소를 갖는 대안적인 예를 포함하여 모든 도면에서 유사 요소를 지칭한다.
본원에서 사용되는 "및/또는"이 결합된 목록은 목록 내의 임의의 단일 항목 또는 목록 내의 항목들의 조합을 포함한다. 예를 들어, A, B, 및/또는 C의 목록은 A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B의 조합, B 및 C의 조합, A 및 C의 조합 또는 A, B 및 C의 조합을 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "하나 이상"을 사용하는 목록은 목록 내의 임의의 단일 항목 또는 목록 내의 항목들의 조합을 포함한다. 예를 들어, A, B 및 C 중 하나 이상은 A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B의 조합, B 및 C의 조합, A 및 C의 조합 또는 A, B 및 C의 조합을 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "~ 중 하나"를 사용하는 목록은 목록 내의 임의의 단일 항목 중 단지 하나만을 포함한다. 예를 들어, "A, B 및 C 중 하나"는 A 단독, B 단독, C 단독을 포함하고 A, B 및 C의 조합은 배제한다. 본원에서 사용되는 "A, B 및 C로 이루어진 군으로부터 선택되는 구성원"은 A, B 또는 C 중 단지 하나만을 포함하고, A, B 및 C의 조합은 배제한다. 본원에서 사용되는 "A, B, C 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 구성원"은 A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B의 조합, B 및 C의 조합, A 및 C의 조합 또는 A, B 및 C의 조합을 포함한다.
정의:
본원에서 사용되는 용어 "생체분자(biomolecule)"는 생물학적 유기체에 의해 생성되거나 생물학적 유기체에 의해 생성된 분자를 시뮬레이션하거나, 표현하거나 또는 그와 함께 작동하기 위해 합성적으로 생성된 임의의 분자, 예를 들어 단백질, 다당류, 지질, 및 핵산(DNA 및 RNA)과 같은 대형 중합체 분자뿐만 아니라 1차 대사 산물, 2차 대사 산물, 및 기타 다른 천연 생성물과 같은 소분자를 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "모이어티(moiety)"는 분자의 일부를 지칭한다. 예를 들어, 모이어티는 약물 분자의 활성 부분, 약물 분자의 비활성 부분, 효소의 기질에 결합하는 효소 분자의 일부, 효소에 결합하는 기질 분자의 일부, 효소 또는 기질의 또 다른 부분, DNA 또는 RNA 분자의 영역, 항체의 항원-결합 영역(Fab: antigen-binding region), 항체의 결정화 영역(Fc: crystallizable region) 등일 수 있다. 복수형에서, 용어 "모이어티들"은 다수의 유형의 모이어티(예를 들어, 효소 모이어티 및 기질 모이어티) 또는 다수의 분자에 대한 동일한 유형의 모이어티(예를 들어, 다수의 유형 또는 버전의 단백질 중에 존재하는 단백질의 모이어티)를 지칭하는 데 사용될 수 있다. 모이어티가 유체의 분자와 접촉하는 경우, 모이어티는 유체 "내에 존재"하는 것으로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 유체 내의 모이어티는 유체 내에 용해 또는 현탁될 수 있거나, 또는 고체의 표면 상에 배치될 수 있으며, 여기서 유체는 표면과 접촉함으로써 표면 상의 모이어티는 유체 내의 다른 분자와 상호작용할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "생화학적 상호작용"은 생체분자의 하나 이상의 모이어티의 화학적 또는 물리적 상호작용을 지칭한다. 생화학적 상호작용은 모이어티와 다른 모이어티(예를 들어, 기질에 결합하는 효소)와의 상호작용을 포함할 수 있거나, 또는 모이어티와 적용된 물리적 조건, 예를 들어 온도 또는 전기장과의 상호작용(예를 들어, 온도에 반응하는 단백질 내의 모이어티의 운동)을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "생물학적으로 게이트화된 트랜지스터"는 적어도 하나의 채널을 통한 소스와 드레인 단자 사이의 전류가 채널의 표면과 접촉하는(채널 표면의 측정 거리 내에 포함될 수 있는) 샘플 유체 내의 생체분자의 존재 또는 모이어티의 생화학적 상호작용에 의해 게이트화되거나, 변조되거나, 또는 영향을 받을 수 있는 트랜지스터를 지칭한다. 다시 말해, 다양한 예에서, "채널의 표면과 접촉하는(in contact with a surface of the channel)"이라는 용어는 채널의 측정 거리 내에 있는 물질뿐만 아니라 채널의 표면과 유체 접촉하는 물질 모두를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 특정 예에서, 채널의 표면은 멤브레인, 겔, 또는 심지어는 고체 상태의 층으로 덮일 수 있으며, 샘플 유체는, 샘플 유체 내의 관련 분석물이 샘플 유체가 채널의 표면과 유체 접촉하는지의 여부에 관계없이 채널의 측정 거리 내에 있는 경우, "채널의 표면과 접촉하는" 것으로 이해될 수 있다. 용어 "생물학적으로 게이트화된 트랜지스터"는 샘플 유체가 채널의 표면에(또는 채널의 측정 거리 내에) 적용된 사용 중인 이러한 디바이스, 또는 샘플 유체가 적용되기 전의 동일한 디바이스를 지칭하는 데 사용될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "출력 신호"는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터로부터의 측정 가능하거나 검출 가능한 전기 신호, 또는 측정 가능하거나 검출 가능한 신호에 기초하여 계산될 수 있는 결과를 지칭한다. 예를 들어, 출력 신호는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 하나 이상의 단자에서의 전압, 하나 이상의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에서의 전류, 커패시턴스, 인덕턴스, 또는 저항(적용되고 측정된 전압 및 전류에 기초하여 계산됨), 복소수 임피던스, 복소 임피던스 스펙트럼, 전기화학적 임피던스 스펙트럼, 디랙 전압(Dirac voltage), 전력 스펙트럼 밀도, 하나 이상의 네트워크 파라미터(예를 들어, S-파라미터 또는 h-파라미터) 등일 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "여기 조건(excitation condition)"은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터 또는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 의해 측정하기 위한 샘플에 적용되는 물리적, 전기적, 또는 화학적 조건을 지칭한다. 여기 조건은 생화학적 상호작용에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 실제로 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터로부터의 하나 이상의 출력 신호에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 여기 조건은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 적용되는 전압, 전류, 주파수, 진폭, 위상, 또는 전기 신호의 파형, 하나 이상의 온도, 하나 이상의 유체 유량, 전자기 방사선의 하나 이상의 파장 등을 포함할 수 있다.
생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 채널의 표면으로부터의 거리와 관련하여 본원에서 사용되는 용어 "거리(distance)"는 (예를 들어, 샘플 유체 내의) 하나의 지점과 그 지점에 가장 가까운 채널의 지점 사이의 거리를 지칭한다. 예를 들어, 채널의 표면에서 샘플 유체 내의 채널 바로 위 지점까지의 거리는 채널 표면 상의 하나의 지점에서 채널 표면에 대해 법선 방향(수직 방향)인 라인을 따라 샘플 유체 내의 지점까지의 거리이다.
본원에서 사용되는 용어 "측정 거리(measurement distance)"는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 채널 표면으로부터의 거리를 지칭하며, 따라서 측정 거리에서 발생하는 생화학적 상호작용의 적어도 일부 양태 또는 적어도 일부는 측정 장치에 의해 검출 가능한 방식으로 출력 신호에 영향을 미친다. 다시 말해, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터로부터의 출력 신호는 채널의 표면으로부터 측정 거리에서 또는 측정 거리 내에서 발생하는 생화학적 이벤트에 민감하다. 출력 신호에 대한 영향이 측정 장치에 의해 검출 가능한지의 여부는 측정 장치의 실제 감도, 출력 신호의 노이즈에 대한 노이즈 레벨, 출력 신호가 채널 표면에 근접하여 발생하는 생화학적 상호작용의 양태 또는 일부에 의해 영향을 받는 정도 등에 따라 달라질 수 있다. 출력 신호에 대한 영향이 측정 장치에 의해 검출 가능한지의 여부는 검출에 대해 미리 결정된 임계값 또는 감도에 기초할 수 있으며, 이는 신호 대 잡음비, 채널에서 멀리 떨어진 거리에서의 이벤트에 의해 야기된 출력 신호에 대한 영향과 채널 표면에서의 이벤트에 의해 야기된 출력 신호 사이의 비율 등일 수 있다. 일부 예에서, 측정 거리는 여기 조건에 따라 달라질 수 있거나, 또는 주파수에 따라 달라질 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "정전 차폐 거리(electrostatic screening distance)"는 정상 상태(예를 들어, 정전압 또는 직류) 또는 저주파(예를 들어, 10 Hz 미만) 여기 조건 및 측정을 위한 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 대한 측정 거리를 지칭한다. 하나 이상의 이온 층은 유체가 채널 표면과 접촉하여 적용될 때 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 채널 표면 근처에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 이중 이온 층은 채널 표면에 유인(attraction)되거나 흡착된 이온의 제1 층 및 제1 층의 이온에 유인된 이온의 제2 층을 포함할 수 있다. 아니면, 특정 분자 또는 모이어티(예를 들어, 단백질, 펩타이드, 계면활성제, 폴리에틸렌 글리콜과 같은 중합체 등)가 채널 표면에 고정화됨으로써 채널이 작용화되어 순전하(net charge)를 갖는 이온-투과성 층을 형성하는 경우, 그러면 유체의 이온은 깁스-도난 효과(Gibbs-Donnan effect)로 인해 고정된 분자 또는 모이어티의 이온 투과성 층으로 확산되어 도난 평형 영역을 형성하고 측정 가능한 도난 커패시턴스를 생성할 수 있다. 두 경우 모두에서, 채널 표면 근처의 전하는 채널과 샘플 유체의 벌크 사이에서 "차폐층(screen)"으로서 작용할 수 있다. 따라서, 정상 상태, 또는 저주파 여기 및 측정은 이중 층 또는 도난 평형 영역에서 또는 그 근처에서 발생하는 생화학적 상호작용의 양태 또는 부분에 대해서만 출력 신호에 대한 영향을 측정 장치가 검출하는 결과를 초래할 수 있으며, 정전 차폐 거리는 이중 층 및/또는 도난 평형 영역에 대한 두께(예를 들어, 디바이(Debye) 길이)에 기초할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "측정 대역폭(measurement bandwidth)"은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 출력 신호를 측정하는 대역 또는 주파수 범위를 지칭한다. 예를 들어, 출력 신호의 개별 샘플을 샘플링 속도에서 측정하는 경우, 측정 대역폭은 0 Hz에서 샘플링 속도의 절반까지의 범위일 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "바이어스"는 소스, 드레인, 상대 전극 또는 또 다른 전극과 같은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 전극 또는 단자에 적용되는 전기 신호 또는 파형을 지칭한다. "프로그램 가능 바이어스"라는 용어는 바이어스를 적용하는 회로에 의해 변화, 변경, 또는 변조될 수 있는 바이어스를 지칭하는 데 사용된다. 프로그램 가능 바이어스의 예는 바이어스 회로에 의해 선택되는 정전압 또는 정전류, 구형파, 사인파, 보다 복잡한 파형, 예를 들어 다양한 진폭, 주파수 및 위상(제로 주파수 또는 DC 오프셋 성분을 또한 포함할 수 있음)을 갖는 사인파의 합 등을 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "CMOS"는 상보적 금속 산화물 반도체 기술, 디바이스, 및/또는 처리 단계뿐만 아니라 CMOS 처리 단계에서 사용할 수 있는 처리 도구를 이용하는 CMOS 공정과는 별개인 특정 기술, 디바이스 및/또는 처리 단계를 지칭한다. CMOS 기술은 디지털, 아날로그 또는 혼합 신호 회로를 제조하는 데 사용될 수 있다. 또한, 용어 "<<다른 기술>> 하에서의 CMOS(CMOS under <<other technology>>)"는, "그래핀 하에서의 CMOS(CMOS under graphene)"에서와 같이, "다른 기술"(예를 들어, 그래핀)을 사용하는 특정 회로 및 CMOS 회로가 서로 적층될 수 있다는 것을 나타낸다. 일부 예에서, 다른 기술(예를 들어, 그래핀) 회로 및 CMOS 회로의 제1 부분은 서로 적층될 수 있으며, CMOS 회로의 제2 부분은 다른 기술(예를 들어, 그래핀) 회로로부터 수평 거리에 배치될 수 있다.
생체분자 또는 생체분자 상호작용을 조사하고 특성화하는 다양한 방법은 비용이 많이 들거나 복잡할 수 있다. 예를 들어, 비색 분석 또는 PCR-기반 분석은 고가이거나 복잡한 시약, 대형 테스트 장치 등을 포함할 수 있다. 광학 분광법에 기초한 테스트는 샘플의 일부를 구별하기 위해 생물학적 물질을 라벨링하는 단계를 포함할 수 있다. 라벨링은 샘플을 화학적으로 변화시킬 수 있으며, 광범위한 샘플 정제 및 처리를 포함할 수 있다. 결과는 샘플의 생물학적 또는 화학적 양태가 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지에 대한 정보가 없는 샘플 상태의 시간 스냅샷일 수 있다. 생물학적 또는 화학적 변화를 실시간으로 모니터링하는 광학 기술은 어렵고 비용이 많이 들 수 있다. 예를 들어, 펨토초 레이저(femtosecond laser)를 사용하여 생체분자로 작용화된 염료의 어레이에서 2차 고조파 생성을 구동하는 광학 생체분자 형태 분석 플랫폼은 실시간 정보를 제공할 수 있지만, 고도로 전문화된 광학 장비와 생체 분자의 전체 표면 화학에 대한 심오한 전문지식과 이해가 필요할 수 있다.
특정의 전자적 또는 전기적 바이오센싱 방법은 유사하게 제한된 정보를 제공할 수 있거나, 또는 매우 복잡하고 전문성을 수반할 수 있다. 예를 들어, 일정한 전압 또는 주파수에서의 전기적 바이오센싱은 광학 또는 질량 분광법을 사용하여 입수 가능할 수 있는 다른 입수 가능한 정보를 무시하면서 한 가지 유형의 정보를 기록할 수 있다. 보다 정교한 전자적 바이오센싱은 나노갭에서 또는 탄소 나노튜브 상에서 수행되는 단일 분자 실험에서 생체분자의 역학 관계(예를 들어, 활동도 및 형태)를 조사하기 위해 수행되어 왔다. 실시간 정보 또는 역학 정보를 획득하기 위한 이러한 기술에는 처리량이 매우 적은 특수 실험실 장비와 박사 수준의 나노 기술자와 관련된 기술 및 지식이 포함된다.
대조적으로, 본원에서 개시되는 바와 같은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터를 사용한 생체분자 상호작용의 전자적 측정 또는 특성화는 저비용 및 복잡성으로 생물학적 및/또는 화학적 역학 관계에 대한 실시간 정보를 제공할 수 있다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터를 포함하는 센서는 종래의 전자적 제조 기술을 사용하여 제조할 수 있으므로 비용이 절감될 수 있다. 일부 테스트는 무표지(label-free)이므로 샘플을 변경하는 복잡하거나 다단계 반응에 대한 필요성과 특정 시약에 대한 필요성을 줄일 수 있다. 무표지 측정을 위한 도구는 다양한 화학적 및 생화학적 분석을 수행할 수 있으므로 개별 측정에 대한 전체 비용을 낮출 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 시스템(100)을 예시하는 개략적인 블록도이다. 도시된 예에서, 시스템(100)은 하나 이상의 칩-기반 바이오센서(104), 칩 판독기 디바이스(102), 샘플 프렙 장치(sample prep apparatus)(112), 컴퓨팅 디바이스(114), 원격 데이터 저장소(118), 및 데이터 네트워크(120)를 포함한다.
도시된 예에서, 칩-기반 바이오센서(104)는 하나 이상의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)를 포함하며, 이는 아래에서 더 상세히 기술된다. 다양한 예에서, 칩-기반 바이오센서(104)는 고체 지지체 상에 배열된 하나 이상의 고체 2D 2차원 센서 요소(예를 들어, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106) 및/또는 다른 센서 요소)를 포함하는 디바이스이다. 센서 요소는 센서 요소 상의 또는 센서 요소에 충분히 근접한 샘플에서 근접한 생화학적 또는 생체분자 피분석물의 존재 또는 상호작용, 또는 이들 둘 모두에 직접적으로 또는 간접적으로 응답하여 증폭, 필터링, 디지털화, 및 기타 다른 아날로그 및 디지털 신호 처리 작업에 적합한 전기적 또는 전자기적 응답 신호를 생성할 수 있다.
일부 예에서, 칩-기반 바이오센서(104)는 복수의 트랜지스터 및 복수의 검출 모이어티를 포함할 수 있으며, 여기서 트랜지스터 중 적어도 하나는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)이다. 특정 예에서, 칩-기반 바이오센서(104)는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)와 함께 하나 이상의 추가의 센서를 포함한다. 예를 들어, 테라헤르츠 분광법, 표면 강화 분광법, 수정 진동자 마이크로천칭(quartz crystal microbalance), 격자 결합 간섭계(grating-coupled interferometry) 등을 사용하는 다양한 유형의 센서가 포함될 수 있다. 일부 예에서, 칩-기반 바이오센서(104)는 플로우 셀(flow cell) 또는 유체 추진 기구와 같은 추가의 컴포넌트를 포함할 수 있다.
도시된 예에서, 칩 판독기 디바이스(102)는 칩-기반 바이오센서(104)의 컴포넌트와 통신(예를 들어, 전기 신호를 송신하거나 전기 신호를 수신)하기 위한 회로를 포함한다. 예를 들어, 칩-기반 바이오센서(104)는 하나의 에지에 전기 접점을 가진 인쇄 회로 기판에 장착된 하나 이상의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)를 가진 칩 또는 집적 회로를 포함할 수 있다. 칩 판독기 디바이스(102)의 소켓은 매칭 접점(matching contact)을 포함할 수 있으므로, 칩-기반 바이오센서(104)는 칩 판독기 디바이스(102)에 플러그하거나 그로부터 제거할 수 있다. 다양한 다른 유형 또는 추가 유형의 커넥터를 사용하여 칩-기반 바이오센서(104)와 칩 판독기 디바이스(102) 사이에 탈착 가능한 커플링을 제공할 수 있다.
추가적인 예에서, 칩 판독기 디바이스(102)는 데이터 네트워크(120)를 통해 통신하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 칩 판독기 디바이스(102)는 칩-기반 바이오센서(104)를 사용하여 수행된 측정에 대한 정보를 데이터 네트워크를 통해 컴퓨팅 디바이스(114) 및/또는 원격 데이터 저장소(118)로 전달할 수 있다. 다양한 예에서, 데이터 네트워크(120)는 인터넷일 수 있거나, 또는 광역 네트워크, 대도시 네트워크, 근거리 네트워크, 가상 사설 네트워크 등과 같은 다른 네트워크일 수 있다. 다른 예에서, 칩 판독기 디바이스(102)는 데이터 네트워크(120)를 통한 통신에 추가하여 또는 그 대신에 다른 방식으로 정보를 통신할 수 있다. 예를 들어, 칩 판독기 디바이스(102)는 정보를 표시 또는 인쇄하거나, 제거 가능한 데이터 저장 디바이스 등에 정보를 저장할 수 있다.
도시된 예에서, 측정 장치(122)는 칩-기반 바이오센서(104) 및/또는 칩 판독기 디바이스(102)에 의해 구현된다. 다양한 예에서, 측정 장치(122)는 여기 조건을 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용하기 위한 여기 회로를 포함할 수 있다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)로부터의 출력 신호(예를 들어, 전류, 전압, 커패시턴스, 임피던스 등)는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용된 샘플 유체(110) 내의 생화학적 상호작용에 의해 및 여기에 의해 영향을 받을 수 있다. 측정 장치(122)는 생화학적 상호작용에 관한 정보 또는 그에 상응하는 정보를 획득하기 위한 측정 회로를 포함할 수 있다. 측정 회로는 여기 조건 및 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 출력 신호 중 적어도 하나의 복수의 시간-의존성 측정을 수행할 수 있다.
측정 대역폭은 시간-의존성 측정을 수행하기 위한 샘플 속도(sample rate)에 기초할 수 있다. 예를 들어, 측정 장치(122)는 0 Hz와 샘플 속도의 절반의 주파수 사이의 측정 대역폭에서 주파수와의 상호작용의 양태 또는 특성에 대한 생화학적 상호작용에 대한 실시간 정보를 "탐색(seeing)"(예를 들어, 정보를 관찰하거나 검출)할 수 있다. 다양한 예에서, 광대역 샘플링(예를 들어, 미리 결정된 측정 대역폭으로)은 정전압 또는 단일 주파수(협대역) 측정을 수행함으로써 획득할 수 없는 실시간 정보를 제공할 수 있다. 일부 예에서, 이렇게 획득한 정보는 광학 분광법 또는 질량 분광법을 사용하여 획득한 실시간 정보와 비교할 수 있지만, 광학 분광법 또는 질량 분광법과 관련된 높은 비용과 복잡성으로 인한 문제는 없다. 측정 장치(122)의 다양한 예는 도 2 내지 도 7을 참조하여 아래에서 더 상세히 기술된다.
일부 예에서, 칩-기반 바이오센서(104)는 측정 장치(122)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 여기 회로 및/또는 측정 회로는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)와 동일한 칩 상에, 또는 칩-기반 바이오센서(104)의 일부로서 동일한 패키지 상에, 동일한 인쇄 회로 기판 상에, 또는 기타 등등에 제공될 수 있다. 다른 예에서, 칩 판독기 디바이스(102)는 측정 장치(122)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 여기 회로 및/또는 측정 회로가 칩 판독기 디바이스(102)에 제공됨으로써 여기 회로 및/또는 측정 회로는 다중 칩-기반 바이오센서(104)와 함께 재사용이 가능할 수 있다.
다른 예에서, 칩-기반 바이오센서(104) 및 칩 판독기 디바이스(102)는 모두 측정 장치(122)의 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 칩-기반 바이오센서(104)는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 온도 제어를 위한 저항 히터와 같은 여기 회로의 일부를 포함할 수 있으며, 칩 판독기 디바이스(102)는 전압 또는 전류 소스와 같은 여기 회로의 다른 부분을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 측정 장치(122)의 여기 회로, 측정 회로 및/또는 다른 컴포넌트는 다양한 다른 방식 또는 추가적인 방식으로 칩-기반 바이오센서(104)와 칩 판독기 디바이스(102) 사이에 배치될 수 있다.
또한, 도시된 예의 시스템(100)은 칩 판독기 디바이스(102)에 커플링되거나 그로부터 제거될 수 있는 칩-기반 바이오센서(104)를 포함하지만, 칩-기반 바이오센서(104) 및 칩 판독기 디바이스(102)의 기능 및/또는 컴포넌트는 다른 예에서는 단일 디바이스로 통합될 수 있다. 반대로, 일부 예에서, 시스템은 단일의 칩 판독기 디바이스(102)가 아닌 다수의 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정 장치(122)에 대한 여기 회로 및/또는 측정 회로는 칩-기반 바이오센서(104)에 커플링될 수 있는 랩 벤치(lab bench) 하드웨어, 예를 들어 소스 측정 유닛, 함수 발생기, 바이어스 티(bias tee), 화학적 임피던스 분석기, 로크인 증폭기(lock-in amplifier), 데이터 획득 디바이스 등을 포함할 수 있다.
도시된 예에서, 샘플 프렙 장치(112)는 샘플 유체(110)를 자동 또는 반자동으로 제조하도록 구성된다. 일부 예에서, 샘플 프렙 장치(112)는 분배 로봇 및/또는 유체 시스템과 같은 자동화 분배 장비를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 샘플 프렙 장치(112)는 샘플 유체(110)에 대한 배양 시간 및 온도와 같은 샘플 프렙 파라미터를 설정하기 위한 그의 자체 컨트롤러 및 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 샘플 프렙 장치(112)는 데이터 네트워크(120)를 통해 제어될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(114) 또는 측정 장치(122)는 샘플 프렙 장치(112)를 제어할 수 있다.
다른 예에서, 시스템(100)은 샘플 프렙 장치(112)를 생략할 수 있고, 샘플 유체(110)는 수동으로 제조될 수 있다. 일부 예에서, 샘플 유체(110)를 제조하는 단계는 생화학적 상호작용을 관찰할 수 있는(또는 생화학적 상호작용의 부재를 검출할 수 있는) 유체의 샘플을 얻거나 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 일단 획득한 샘플 유체(110)는 칩-기반 바이오센서(104)에 직접 적용될 수 있다. 예를 들어, 일부 예에서, 칩-기반 바이오센서(104)는 혈액 내의 생화학적 상호작용을 특성화 또는 측정하는 데 사용될 수 있으며, 혈액은 샘플 유체(110)로서 칩-기반 바이오센서(104)에 적용될 수 있다. 또 다른 예에서, 샘플 유체(110)를 제조하기 위한 추가의 샘플 프렙 단계는 시약의 첨가, 농축 또는 희석, 가열 또는 냉각, 원심분리 등을 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 제조 기술을 사용하여 측정 장치(122)와 함께 사용하기 위한 샘플 유체(110)를 제조할 수 있다.
다양한 예에서, 샘플 유체(110)는 하나 이상의 유형의 생체분자(108)를 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 생체분자(108)는 단백질, 다당류, 지질 및 핵산(DNA 및 RNA)과 같은 대형 중합체 분자뿐만 아니라 1차 대사산물, 2차 대사산물 및 기타 다른 천연 생성물과 같은 소분자를 비롯하여 생물학적 유기체에 의해 생성되는 임의의 분자일 수 있다. 예를 들어, 도시된 예에서, 샘플 유체(110)는 DNA 분자(108a) 및 DNA 분자(108a)와 상호작용하는 효소(108b)를 포함한다. 다양한 예에서, 샘플 유체(110)는 다양한 유형의 생체분자(108)를 포함할 수 있다. 생체분자의 모이어티는 생화학적 상호작용에서 상호작용할 수 있으며, 생화학적 상호작용의 양태, 특징, 또는 파라미터는 칩-기반 바이오센서(104)를 사용하여 측정할 수 있다.
도시된 예에서, 컴퓨팅 디바이스(114)는 분석 모듈(116)을 구현한다. 다양한 예에서, 컴퓨팅 디바이스(114)는 랩탑 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 스마트폰, 휴대용 컴퓨팅 디바이스, 태블릿 컴퓨팅 디바이스, 가상 컴퓨터, 기기에 통합된 임베디드 컴퓨팅 디바이스 등일 수 있다. 추가의 예에서, 컴퓨팅 디바이스(114)는 데이터 네트워크(120)를 통해 측정 장치(122)와 통신할 수 있다. 특정 예에서, 분석 모듈(116)은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)로부터의 출력 신호의 측정에 기초하여 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성되며, 여기서 측정은 측정 장치(122)에 의해 수행된다.
도시된 예에서, 분석 모듈(116)은 측정 장치(122)와 분리되어 있고, 측정 장치(122)와 분리되어 있는 컴퓨팅 디바이스(114)에 의해 구현된다. 다른 예에서, 분석 모듈(116)은 측정 장치(122)와 부분적으로 또는 완전히 통합될 수 있다. 예를 들어, 측정 장치(122)는 분석 모듈(116)의 전부 또는 일부를 구현하기 위해 메모리에 저장된 코드를 실행하는 특수 목적 논리 하드웨어 및/또는 프로세서를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 분석 모듈(116)은 칩-기반 바이오센서(104)의 일부 및/또는 칩 판독기 디바이스(102)의 일부를 형성하는 임베디드 프로세서 시스템 또는 다른 집적 회로로서 구현될 수 있다. 일부 예에서, 분석 모듈(116)이 측정 장치(122)와 통합되는 경우, 시스템(100)은 별도의 컴퓨팅 디바이스(114)를 생략할 수 있다.
다양한 예에서, 원격 데이터 저장소(118)는 측정 장치(122)로부터 멀리 떨어져 있고 데이터를 저장할 수 있는 디바이스 또는 디바이스의 세트일 수 있다. 예를 들어, 원격 데이터 저장소(118)는 하드 디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브, 드라이브 어레이 등일 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 원격 데이터 저장소(118)는 컴퓨팅 디바이스(114) 내의 데이터 저장 디바이스일 수 있다. 일부 예에서, 원격 데이터 저장소(118)는 네트워크 부착 스토리지, 스토리지 영역 네트워크 등일 수 있다.
일부 예에서, 측정 장치(122)(예를 들어, 칩-기반 바이오센서(104) 및/또는 칩 판독기 디바이스(102))는 측정 정보를 원격 데이터 저장소(118)로 전송하는 통신 회로를 포함할 수 있다. 측정 정보는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)로부터의 측정치, 또는 미가공 측정치에 기초하여 계산된 양과 같은 측정치에 대한 정보일 수 있다. 분석 모듈(116)은 원격 데이터 저장소(118)에 의해 저장된 정보에 기초하여 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하기 위해 원격 데이터 저장소(118)와 통신할 수 있다. 추가의 예에서, 분석 모듈(116)은 분석 결과를 원격 데이터 저장소(118)에 저장할 수 있다. 그러나, 또 다른 예에서, 분석 모듈(116)은 측정 장치(122)로부터 직접 또는 데이터 네트워크(120)를 통해 측정 정보를 수신할 수 있으며, 원격 데이터 저장소(118)는 (예를 들어, 로컬 데이터 저장을 위해) 생략될 수 있다.
도 2는 측정 장치(122)에 커플링된, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)의 일례를 포함하는 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 장치(200)의 일례를 예시하는 개략적인 블록도이다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)는 평면도로 도시되어 있다. 도시된 예에서 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a) 및 측정 장치(122)는 실질적으로는 도 1을 참조하여 위에서 기술된 것과 같을 수 있으며, 아래에서 추가로 기술된다.
도시된 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)는 소스(212), 드레인(202), 채널(210), 기준 전극(208), 상대 전극(204), 및 액체 웰(206)을 포함하며, 이들은 아래에서 설명된다. 일반적으로, 다양한 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)는 소스(212)와 드레인(202) 사이에 전류를 전도할 수 있는 적어도 하나의 채널(210)을 포함할 수 있다. 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터에서와 같이, 소스(212)와 드레인(202) 사이의 전류는 소스(212)와 드레인(202) 사이의 전압 차이뿐만 아니라 채널(210)의 전도도에 영향을 미치는 특정 조건에 의존한다. 그러나, 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터는 게이트 전극이 박막 유전층에 의해 채널로부터 분리됨으로써 채널 전도도가 게이트-바디(또는 게이트-소스) 전압에 의해 변조되는 솔리드 스테이트 디바이스이다. 역으로, 다양한 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)에 대한 채널 전도도(및 생성되는 드레인-소스 전류)는 액체 상태 이벤트(liquid-state event)에 의해 변조되거나, 게이트화되거나, 또는 영향을 받을 수 있다. 특히, 샘플 유체(110)는 채널(210)과 접촉하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)에 적용될 수 있으므로, 채널 전도도는 샘플 유체(110) 내의 모이어티의 생화학적 상호작용에 의존한다(또는 그에 의해 게이트화되거나 변조된다).
다양한 예에서, 소스(212), 드레인(202), 채널(210), 기준 전극(208), 상대 전극(204)은 기판(미도시), 예를 들어 실리콘 웨이퍼 또는 칩의 산화물 또는 다른 유전층 상에 형성될 수 있다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)의 특정 컴포넌트는 샘플 유체(110)와 접촉하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널(210), 기준 전극(208) 및 상대 전극(204)의 상부 표면은 노출되거나 샘플 유체(110)와 직접 상호작용할 수 있다. 다른 컴포넌트는 샘플 유체(110)로부터 보호되거나 전기적으로 절연될 수 있다. 예를 들어, 소스(212) 및 드레인(202)은 이산화규소, 질화규소 또는 다른 유전체와 같은 절연층에 의해 보호될 수 있으므로, 전류는 샘플 유체(110)가 소스(212)와 드레인(202) 사이에서 단락 또는 대안적이거나 의도하지 않은 전류 경로를 생성하지 않고 채널(210)을 통해 소스(212)와 드레인(202) 사이에서 흐른다.
액체 웰(206)은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)의 다른 컴포넌트 위의 영역에 샘플 유체(110)를 함유하는 구조일 수 있다. 예를 들어, 액체 웰(206)은 에폭시, 열경화성 수지, 열가소성 수지 등의 리지(ridge)일 수 있다. 액체 웰(206)은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a) 등을 위한 칩 패키징의 개구로서 형성된 기판 상에 증착될 수 있다.
일부 예에서, 채널(210)은 그래핀과 같은 고감도 전도성 물질로 제조된다. 추가의 예에서, 그래핀 채널(210)은 화학 기상 증착(CVD)에 의해 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)용 기판 상에 증착될 수 있다. 일부 예에서, 채널(210)은 강한 면내(in-plane) 공유 결합 및 약한 층간(interlayer) 상호작용을 갖는 또 다른 2차원 물질로 제조될 수 있다. 그러한 물질은 반 데르 발스 물질(van der Waals)로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 다양한 예에서, 채널(210)은 그래핀 나노리본(GNR: graphene nanoribbon), 이중층 그래핀, 포스포렌, 스테나인(stanine), 그래핀 산화물, 환원된 그래핀, 플루오로그래핀, 이황화몰리브덴, 위상 절연체(topological insulator) 등으로 제조될 수 있다. 전계 효과 특성을 전도하고 나타내며 다양한 용액에 직접 노출되었을 때 실온에서 안정한 다양한 물질이 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)에 사용될 수 있다. 다양한 구현예에서, 평면 2차원 반 데르 발스 물질로 형성된 하나 이상의 채널(210)을 갖는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)를 사용하면 탄소 나노튜브와 같은 1차원적 대안에 비해 제조 능력(manufacturability)이 향상되고 비용이 절감된다.
소스(212) 및 드레인(202)은 채널(210)의 양단에 배치됨으로써 채널(210)을 통해 전도된 전류는 드레인(202)에서 소스(212)로 또는 소스(212)에서 드레인(202)으로 전도된다. 다양한 예에서, 소스(212) 및 드레인(202)은 금, 백금, 폴리실리콘 등과 같은 전도성 물질로 제조될 수 있다. 일부 예에서, 소스(212)는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)의 기판(예를 들어, 산화물 또는 다른 유전체 층 아래의 실리콘)에 커플링될 수 있으므로 소스(212)에 적용된 프로그램 가능 바이어스 전압(또는 다른 프로그램 가능 바이어스 신호)은 또한 채널(210) 아래의 기판을 바이어스할 수도 있다. 다른 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)는 기판을 바이어스하기 위한 별도의 바디(body) 단자(미도시)를 포함할 수 있다.
용어 "소스" 및 "드레인"은 채널(210)과 직접 접촉하는 전도성 영역 또는 전극, 또는 이러한 영역 또는 전극에 연결된 리드, 와이어 또는 기타 도체를 지칭하기 위해 본원에서 사용될 수 있다. 또한, 용어 "소스" 및 "드레인"은 트랜지스터 단자에 대한 일반적인 명칭으로서 사용되지만, 반드시 전하 캐리어의 유형을 의미하지는 않는다. 예를 들어, 그래핀 채널(210)은 다양한 외부 조건(예를 들어, 샘플 유체(110)에서 발생하는 생화학적 상호작용 및 측정 장치(122)에 의해 적용되는 여기 조건)에 따라 전자 또는 정공을 전하 캐리어로 사용하여 전기를 전도할 수 있으며, 전하 캐리어는 소스(212)에서 드레인(202)으로, 또는 드레인(202)에서 소스(212)로 흐를 수 있다.
다양한 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)로부터의 하나 이상의 출력 신호는 샘플 유체(110) 내의 모이어티의 여기 조건에 의해 및 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받을 수 있다. 상기에서 정의된 바와 같이, 여기 조건은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)에 적용되는 물리적, 전기적, 또는 화학적 조건일 수 있다. 프로그램 가능 바이어스 전압(또는 신호), 온도 조건 등과 같은 여기 조건은 측정 장치(122)에 의해 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a) 또는 샘플 유체(110)에 적용될 수 있다. 샘플 유체(110) 내의 모이어티의 생화학적 상호작용은 유체(110)가 제조되었을 때 유체(110) 내에(예를 들어, 용액 또는 현탁액 중에) 있었던 모이어티, 또는 유체(110)가 채널 표면과 접촉하여 적용되었을 때 유체(110) 내에 있는 채널(210)의 표면 상의 모이어티를 포함할 수 있다. 생화학적 상호작용은 채널 전도도를 게이트로 제어하거나 변조하여 하나 이상의 출력 신호에 영향을 미칠 수 있다. 출력 신호는 채널 전류, 전압, 커패시턴스, 인덕턴스, 또는 저항(적용되고 측정된 전압 및 전류에 기초하여 계산됨), 복소수 임피던스, 복소 임피던스 스펙트럼, 전기화학적 임피던스 스펙트럼, 디랙 전압, 전력 스펙트럼 밀도, 하나 이상의 네트워크 파라미터(예를 들어, S-파라미터 또는 h-파라미터) 등일 수 있거나, 또는 이를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 특정 생체분자 또는 모이어티는 채널(210)의 표면에 고정되거나 작용화되어 샘플 유체(110) 중에 존재할 수 있는 다른 생체분자 또는 모이어티와 반응할 수 있다. 예를 들어, 채널(210)은 스트렙타비딘으로 작용화되어 샘플 유체(110)에서 비오티닐화된 분자와 결합할 수 있다. 추가의 예로서, 채널(210)은 항체, 스트렙타비딘, 비오틴, 뉴트라비딘, 아비딘, 캡타비딘, 아연 집게 단백질(zinc finger protein), CRISPR Cas 계열 효소, 핵산, 및 합성 핵산 유사체, 예를 들어 펩티드 핵산, 제노 핵산 등으로 작용화될 수 있다.
그러나, 다른 예에서, 채널(210)은 노출되거나 또는 작용화되지 않은 그래핀(또는 하이드로겔 또는 중합체와 같은 다른 비-생물학적 물질을 포함)일 수 있으며, 샘플 유체(110)에서 생체분자 또는 모이어티의 상호작용에 민감할 수 있다. 예를 들어, 일부 예에서, 채널(210)은 노출되거나 작용화되지 않을 수 있지만, 약 1 nm 내지 10 μm 범위의 직경을 갖는 자성 또는 비-자성 입자("비드(bead)"라 지칭될 수 있음)는 스트렙타비딘, 비오틴, 또는 작용화된 채널(210)에 대해 전술된 바와 같고 샘플 유체(110)에 첨가되는 다른 물질로 작용화될 수 있다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)로부터의 출력 신호는 샘플 유체(110)에서 비드와 다른 분자 또는 모이어티 사이의 상호작용에 민감할 수 있다. 자성 비드를 사용하면, 샘플 유체(110)의 벌크 용액에서 채널(210) 쪽으로 비드를 끌어당기기 위해 자기장이 적용될 수 있으므로, 출력 신호는 채널(210)에 근접한 비드에 의해 더 강하게 영향을 받는다. 다른 예에서, 스트렙타비딘, CRISPR-Cas 계열 효소 등과 같은 특정 시약이 샘플 유체(110)에 직접 첨가될 수 있으며, 출력 신호는 샘플 유체의 모이어티가 채널(210)에 고정되지 않은 경우에 조차도 샘플 유체(110)의 모이어티 사이의 상호 작용에 민감할 수 있다.
그래핀 채널을 사용하는 일부 전계 효과 바이오센서에서, 채널 전도도(및 전류, 커패시턴스 등과 같은 바이오센서로부터의 출력 신호)는 단지 채널 표면에서 또는 그 근처에서(예를 들어, 이중층 및/또는 도난 평형 영역 내에서) 발생하는 상호작용에 대해서만 크게 반응할 수 있다. 정전 차폐 거리 내의(예를 들어, 이중층 또는 도난 평형 영역 내의) 생체분자 또는 모이어티는 채널(210)의 표면과 샘플 유체(110)의 벌크 사이에서 "스크린" 역할을 할 수 있다. 그러나, 채널 표면으로부터 멀리 떨어진 샘플 유체(110)의 특정 생화학적 이벤트는 생체분자 또는 모이어티의 물리적 또는 화학적 운동에 상응하는 특징적인 공진 주파수를 가질 수 있다. 예를 들어, CRISPR Cas 효소는 특정 주파수에서 DNA 기질 분자에 반복적으로 부착 및 분할될 수 있다. 유사하게, 2개의 다른 분자 또는 모이어티(예를 들어, 항체의 Fab 영역에 있는 항원을 항체의 Fc 영역에 있는 다른 분자에 연결하는 항체) 사이를 연결하는 링커 분자(linker molecule)는 특징적인 공명을 갖는 스프링으로서 작용할 수 있다. 이러한 특성 주파수를 포함하는 주파수 대역폭에서 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)에 여기 조건을 적용하고/하거나 그에 대한 출력 신호를 측정하기 위해 측정 장치(122)를 사용하면 이러한 장치(200)는 정전 스크리닝 거리 밖의 벌크 샘플 유체(110)에서 조차도 공명 효과의 검출을 통해 생화학적 상호작용의 양태를 "탐색(see)" 또는 검출하는 것이 가능할 수 있다.
추가적으로, 일부 예에서, 채널 표면으로부터 멀리 떨어져 있는 벌크 샘플 유체(110)의 모이어티는 이중층 또는 도난 평형 영역에서 채널(210)에 유인되거나 고정된 이온, 분자 또는 모이어티보다 더 빠르게(예를 들어, 더 높은 주파수에서) 자유롭게 이동하거나 상호작용할 수 있다. 따라서, 이중층 또는 도난 평형 영역의 이온, 분자 또는 모이어티가 상당히 반응하기에는 너무 높은 주파수에서 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)에 여기 조건을 적용하고/하거나 그에 대한 출력 신호를 측정하기 위해 측정 장치(122)를 사용하면 이러한 장치(200)는 정전 스크리닝 거리 밖의 벌크 샘플 유체(110)에서 생화학적 상호작용의 양태를 "탐색" 또는 검출하는 것이 가능할 수 있다.
유사하게, 고주파 전압을 적용함으로써 이온 이중층의 유효 차폐 거리를 증가시켜 이온 함유 용액에 의해 형성된 유전체의 주파수 의존성을 이용할 수 있으므로, 장치는 표면의 주파수 종속 동적 상호작용 거리 내에 있지만 평형 정전 차폐 거리의 밖에 있는 생화학적 상호작용의 양태를 검출할 수 있다. 출력 신호의 다양한 여기 조건 및/또는 측정은 후속 도면을 참조하여 아래에서 더 상세히 기술된다.
따라서, 일부 전계 효과 바이오센서는 그들이 단지 채널 표면에서 또는 그 근처에서만 상호작용을 검출할 수 있기 때문에 채널 표면에 고정된 모이어티에 의존하지만, 본원에서 개시되는 바와 같은 측정 장치(122)와 함께 사용되는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)는, 일부 예에서는, 그들이 채널 표면으로부터 멀리 떨어져 있는 벌크 샘플 유체(110)에서 발생하는 생화학적 상호작용에 민감하기 때문에 노출되거나 또는 작용화되지 않은 채널 표면을 사용할 수 있다. 일부 예에서, 측정 장치(122) 및 노출되거나 또는 작용화되지 않은 채널 표면을 갖는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)를 사용하여 상이한 테스트를 진행하기 위해(예를 들어, 상이한 테스트를 위해 상이한 방식으로 채널을 기능화함으로써) 상이한 바이오센서를 미리 제조할 필요 없이도 다양한 테스트를 수행할 수 있다. 그러나, 다른 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)는 작용화된 채널(210), 균일하게 또는 불균일하게 작용화될 수 있는 복수의 채널(210) 등을 포함할 수 있다. 출력 신호의 다양한 여기 조건 및/또는 측정은 후속 도면을 참조하여 아래에서 더 상세히 기술된다.
다양한 예에서, 채널(210)에 적용된 액체(예를 들어, 샘플 유체(110))는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)에 대한 액체 게이트로서 지칭될 수 있는데, 그 이유는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)에 대한 출력 신호 중 하나 이상이 액체 게이트 내의 조건, 예를 들어 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받기 때문이다. 또한, 다양한 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)는 액체 게이트의 전압 또는 전위를 검출 및/또는 조정하기 위한 하나 이상의 게이트 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도시된 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)는 샘플 유체(110)의 전기화학적 전위를 측정하기 위한 기준 전극(208), 및 샘플 유체(110)의 전기화학적 전위를 조정하기 위한 상대 전극(204)을 포함한다.
일부 예에서, 전위는 샘플 유체(110)와 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204) 사이의 계면에서 발생할 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 기준 전극(208)은 알려진 또는 안정적인 전극 전위를 갖는 물질로 제조될 수 있다. 그러나, 다른 예에서, 기준 전극(208)은 일정한 전극 전위를 유지하지 않는 유사 기준 전극(pseudo-reference electrode)일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 유사 기준 전극을 통한 샘플 유체(110)의 전기화학적 전위의 측정은 상대 전극(204)을 통한 샘플 유체(110)의 전기화학적 전위를 조정하기 위한 출력 신호로서 또는 피드백으로서 여전히 유용할 수 있다. 일부 예에서, 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204)은 금 또는 백금과 같은 비-반응성 물질로 제조될 수 있다.
일부 예에서, 칩-기반 바이오센서 상의 유사 기준 전극(208)은 은/염화은 전극, 표준 칼로멜 전극 등과 같은 전기화학적 기준 전극일 수 있는 오프칩(off-chip) 기준 전극으로 보충되거나 대체될 수 있다. 오프칩 기준 전극은 피드백 루프에서 온칩(on-chip) 상대 전극(204)과 함께 사용되어 온칩 유사 기준 전극(208)을 사용하는 것보다 샘플 유체(110)의 전기화학적 전위의 더 정밀하고 정확한 측정(및 제어)을 제공할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 예에서, 온칩 유사 기준 전극(208)에 의해 제공되는 낮은 수준의 정확도 및 정밀도는 특정 생화학적 상호작용의 측정 또는 특성화에 충분할 수 있다.
일부 예에서, 기준 전극(208)과 샘플 유체(110) 사이의 계면에서 안정한 화학 작용에 의해 제공되는 정적 전위 또는 안정한 전위는 기준 전극(208)을 사용하여 유체(110)의 전압을 측정하는 것을 용이하게 할 수 있다. 표준(산화환원 기반) 기준 전극의 경우, 전기화학 셀(electrochemical cell)은 기준 전극 표면에서 산화환원 반응을 통해 공지된 안정적인 전위를 생성한다. 해당 셀은 샘플 유체에 연결되므로 셀과 테스트 액체 사이에서 이온이 교환될 수 있다. 이러한 이온 교환은 샘플 유체와 기준 전극 사이에서 큰 저항성 임피던스를 유도한다. 이어서, 기준 전극의 전위는 샘플 유체의 전위에 의해 조정된다.
대조적으로, 샘플 유체(110)의 전압을 측정하기 위해 백금 또는 다른 비-반응성 물질로 제조된 온칩 유사 기준 전극(208)을 사용하는 경우, 전극 표면에서의 산화환원 반응 및 전극/액체 계면을 가로지르는 큰 용량성 임피던스가 존재하지 않을 수 있다. 전극(208)의 전위가 유체(110)의 전위와 일치하지 않는 결과로 특히 저주파수에서 이러한 계면을 가로질러 전위 강하(potential drop)가 있을 수 있다. 그러나, 여기 회로를 사용하여 AC 게이트 전압을 적용하여 계면을 통해 AC 전류를 통과시킴으로써 이러한 전위 강하를 최소화할 수 있다. 온칩 유사 기준 전극(208)은 계면 임피던스가 기준 전극(208) 전압을 모니터링하기 위한 측정 회로의 입력 저항에 비해 작은 경우 대략적으로는 유체(110)의 전위에 있을 것이다. 계면 임피던스는 1/(2πfC)로 주어지며, 여기서 f는 적용된 AC 전류의 주파수이며 C는 기준 전극(208)과의 계면에서의 커패시턴스이다.
그러나, 계면 커패시턴스와 임피던스 사이의 반비례 관계로 인해, 계면 커패시턴스가 감소하면 계면 임피던스가 증가할 수 있으므로 전극(208)의 전위는 유체(110)의 전위와 일치하지 않는다. 백금 또는 비-반응성 유사 기준 전극(208)의 오염은 계면 커패시턴스를 감소시키거나 원하지 않는 패러데이 전류를 유발함으로써 측정을 방해할 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204)의 오염을 피하기 위해 보호층이 제공될 수 있다. 보호층은 백금 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204)과 반응하거나 합금되지 않고, 사용 전에 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204)으로부터 제거될 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 산화알루미늄 및/또는 다양한 중합체가 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204)의 보호에 적합할 수 있다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 사용자는 사용 전에 이러한 보호 물질을 제거할 수 있거나, 제조자는 오염을 방지하는 다른 패키징에 칩-기반 바이오센서(104)를 패키징하기 전에 이러한 보호 물질을 제거할 수 있다.
일부 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)는 포토리소그래피 또는 다른 상업적으로 이용 가능한 칩 제조 기술을 사용하여 제조할 수 있다. 예를 들어, 열 산화물 층이 실리콘 기판 상에 성장될 수 있고, 소스(212), 드레인(202), 기준 전극(208) 및/또는 상대 전극(204)과 같은 금속 컴포넌트가 열 산화물 층 상에 증착되거나 패터닝될 수 있다. 그래핀 채널(210)은 화학 기상 증착을 이용하여 형성할 수 있다. 종래의 제조 기술을 사용하면 특히 탄소 나노튜브와 같은 고가의 물질 또는 특수 제조 기술을 사용하는 센서와 비교하였을 때 저비용의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)를 제공할 수 있다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)의 특정 구성 및 다양한 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a)의 감도, 신뢰성 및/또는 수율을 제조 및/또는 개선하는 방법은 "PATTERNING GRAPHENE WITH A HARD MASK COATING"이란 발명의 명칭의 미국 특허출원 제15/623,279호; "PROVIDING A TEMPORARY PROTECTIVE LAYER ON A GRAPHENE SHEET"란 발명의 명칭의 미국 특허출원 제15/623,295호; "SYSTEMS FOR TRANSFERRING GRAPHENE"이란 발명의 명칭의 미국 특허출원 제16/522,566호; 및 "DEPOSITING A PASSIVATION LAYER ON A GRAPHENE SHEET"란 발명의 명칭의 미국 특허 제10,395,928호에 논의되어 있으며, 이들 각각은 본원에서 참고로 포함된다.
도 3은 측정 장치(122)에 커플링된, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)의 또 다른 예를 포함하는 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 장치(300)의 또 다른 예를 예시하는 개략적인 블록도이다. 도 2에서와 같이, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)는 평면도로 도시되어 있다. 도시된 예에서 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b) 및 측정 장치(122)는 실질적으로는 도 1 및 2를 참조하여 위에서 기술된 것과 같을 수 있으며, 아래에서 추가로 기술된다.
도시된 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)는 소스(312), 복수의 드레인(302), 복수의 채널(310), 기준 전극(308), 및 상대 전극(304)을 포함하며, 이는 도 2를 참조하여 위에서 설명된 소스(212), 드레인(202), 채널(210), 기준 전극(208), 및 상대 전극(204)과 실질적으로 유사할 수 있다. (도 2의 액체 웰(206)과 유사한 액체 웰이 도 3에는 도시되지 않았지만 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)의 일부로서 유사하게 제공될 수 있다).
그러나, 도시된 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)는 복수의 채널(310) 및 복수의 드레인(302)을 포함한다. 다양한 예에서, 복수의 채널(310)은 균일하거나 또는 불균일할 수 있다. 예를 들어, 균일한 채널(310)은 노출되거나 또는 작용화되지 않은 그래핀일 수 있거나, 또는 동일한 방식으로 작용화될 수 있다. 반대로, 불균일한 채널(310)은 노출되고 작용화된 그래핀 채널(310)의 혼합물일 수 있으며, 이때 채널(310)의 혼합물은 하나 이상의 방식로 작용화(선택적으로 하나 이상의 작용화되지 않은 채널(310)을 포함함)될 수 있다. 일부 예에서, 복수의 불균일 채널(310)을 제공하면 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)를 채널(310)의 표면 근처의 이벤트에 의존하는 다양한 상이한 테스트에 유용하게 만들 수 있다.
그러나, 일부 예에서, 측정 장치(122)는 정전 차폐 거리보다 더 큰 측정 거리(예를 들어, 벌크 샘플 유체(110)에서, 이중층 또는 도난 평형 영역 외측)에서 발생하는 생화학적 상호작용의 양태에 대한 정보를 얻을 수 있다. 측정 장치(122)에 의해 사용되는 측정 대역폭은 정전 차폐 거리보다 더 큰 하나 이상의 측정 거리에 해당할 수 있으며, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)를 사용하는 테스트 또는 측정은 그래핀 채널(310)의 표면을 작용화하지 않고 이루어질 수 있다. 이러한 접근 방식은 또한 도난 커패시턴스의 특성을 조사하는 데에도 사용될 수 있다. 노출되거나 또는 작용화되지 않은 채널(310)을 사용하는 경우에 조차도, 다중 채널(310)을 사용하면 임의의 개별 채널(310)에 대한 손상(예를 들어, 샘플 유체(110)을 적용하는 데 사용되는 피펫 팁의 기계적 손상)을 완화하도록 중복성을 제공할 수 있으며, 단일 채널 디바이스에서보다 더 큰 표면적에 걸쳐 샘플 유체(110)의 생화학적 상호작용에 민감한 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)를 제조할 수 있다.
일부 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)는 채널(310)에 커플링된 복수의 드레인(302)을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 각각의 채널(310)이 독립적으로 바이어스될 수 있도록 채널(310)당 하나의 드레인(302)이 제공될 수 있다. 그러나, 특정 실시형태에서, 채널(310)은 그룹으로 드레인(302)에 커플링될 수 있으므로, 그룹의 채널(310)은 병렬로 함께 바이어스될 수 있지만 상이한 그룹은 상이하게 바이어스될 수 있다. 예를 들어, 도시된 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)는 3개의 드레인(302a-c)에 커플링된 15개의 채널(310)을 포함함으로써, 하나의 드레인(302)이 5개의 채널(310)의 그룹을 바이어스하는 데 사용될 수 있다. 하나 이상의 예에서, 복수의 채널(310)이 단일 드레인(302)에 병렬로 커플링될 수 있다.
도시된 예에서, 채널(310)은 하나의 소스(312)에 병렬로 커플링된다. 일부 측정의 경우, 소스(312)는 접지(예를 들어, 0 볼트, 또는 또 다른 기준 전압)에 커플링될 수 있다. 하나 이상의 예에서, 채널(310)은 복수의 소스(312)에 커플링되어 상이한 소스 바이어스를 사용하여 상이한 측정이 이루어지도록 할 수 있다. 예를 들어, 채널(310)은 복수의 드레인(302)에 대해 전술한 바와 같이 개별적으로 또는 그룹으로 다수의 소스(312)에 커플링될 수 있다.
일부 예에서, 트랜지스터 채널(310)의 작용화는 상이한 전하를 유인하거나 밀어내기 위해 상이한 채널(310)에 상이한 전압을 적용하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)의 채널(310)을 불균일하게 작용화하기 위해, 드레인(302a)에 커플링된 채널(310)에 부착될 표적 작용화 화학 물질을 갖는 용액이 트랜지스터(106b)에 적용될 수 있다. 해당 표적 화학 물질이 용액에서 음으로 하전되는 경우, 전압을 드레인(302a)에 적용하여 드레인(302a)에 커플링된 채널(310)로 음전하를 유인할 수 있는 반면, 또 다른 전압을 드레인(302b, 302c)에 적용하여 그들 드레인에 커플링된 채널(310)로부터 멀리 음전하를 밀어낼 수 있다.
이와 같이 표적 작용화 화학 물질로 작용화된 채널(310)의 서브세트로, 용액이 제거될 수 있으며, 드레인(302b)에 커플링된 채널(310)에 부착될 상이한 표적 작용화 화학 물질을 갖는 또 다른 용액이 적용될 수 있다. 유사하게, 전압을 드레인(302b)에 적용하여 표적 작용화 화학 물질을 유인할 수 있으며, 또 다른 전압을 다른 드레인(302a, 302c)에 적용하여 표적 작용화 화학 물질을 밀어낼 수 있다.
양 전압 또는 음 전압을 채널(310)에 적용하여 작용화에 사용되는 양하전 또는 음하전된 분자 또는 모이어티를 유인하거나 밀어냄으로써, 전압은 채널이 용액에 의해 작용화되었는지의 여부(또는 어느 정도)를 제어한다. 따라서, 트랜지스터 채널(310)을 작용화하기 위한 용액은 더 복잡한 미세 유체 또는 정밀한 미세 액적 위치 지정 대신에 액체 처리기 또는 간단한 흐름 셀을 사용하여 다중 채널 트랜지스터 또는 트랜지스터의 어레이에 순차적으로 적용되고 그로부터 제거될 수 있는 반면, 채널(310)의 전압 제어는 어떤 채널이 어떤 용액에 의해 작용화되는지를 결정하는 데 사용된다. 예를 들어, 칩-기반 바이오센서(104) 상에 다수의 트랜지스터(106)가 있는 경우, 각각의 트랜지스터는 서로 다른 용액을 차례로 적용 및 제거하고, 적용되는 각각의 용액에 대해 트랜지스터 채널의 전압 제어를 사용하여 어레이의 다른 트랜지스터로부터 원하는 화학 물질을 밀어내는 동안 원하는 화학 물질을 하나의 트랜지스터로 유인함으로써 상이하게 작용화될 수 있다.
도시된 예에서, 채널(310)이 기준 전극(308)과 상대 전극(304) 사이에 있도록 기준 전극(308) 및 상대 전극(304)이 배치된다. 이러한 구성에서, 액체 게이트의 전기화학적 전위는 상대 전극(304)을 통해 변경되고 기준 전극(308)을 통해 모니터링될 수 있으므로, 채널(310) 근처의 전기화학적 전위는 변경 및/또는 모니터링된 전위에 근접할 수 있다. 또한, 도시된 예에서, 상대 전극(304)은 채널(310) 또는 기준 전극(308)보다 상당히 대형이므로, 상대 전극(304)을 통해 이루어진 액체 게이트의 전기화학적 전위에 대한 변경이 넓은 표면적에 걸쳐 그리고 대량의 샘플 유체(110)에서 빠르게 발생한다.
도 2 및 3은 개별적인 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106a, 106b)를 도시하지만, 칩-기반 바이오센서(104)는 다양한 예에서 균일하게 또는 불균일하게 구성될 수 있는 복수의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)의 다중 채널(310)에 대해 전술한 균일하거나 또는 불균일한 구성은 그들 자신의 독립적인 소스, 드레인, 기준 단자, 및 상대 단자를 각각 갖는 다수의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 유사하게 적용될 수 있다.
도 4는 측정 장치(122)에 커플링된, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)의 추가의 예를 포함하는 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 장치(400)의 추가의 예를 예시하는 개략적인 블록도이다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)는 측면에서 바라본 단면도로 도시되어 있다. 도시된 예에서 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c) 및 측정 장치(122)는 실질적으로는 도 1 내지 도 3을 참조하여 위에서 기술된 것과 같을 수 있으며, 이는 아래에서 추가로 기술된다.
도시된 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106b)는 소스(412), 드레인(402), 채널(410), 기준 전극(408), 상대 전극(404), 및 액체 웰(406)을 포함하며, 이들은 실질적으로 전술한 바와 같을 수 있다. 도시된 예에서, 채널(410)은 기판(미도시) 위의 유전층(426) 상에 배치된 2차원 그래핀 영역이다. 소스(412) 및 드레인(402)은 채널(410)과 접촉하도록 형성되며, 유전체(424)(예를 들어, 질화규소)에 의해 커버된다. 샘플 유체(418)(전술한 샘플 유체(110)와 실질적으로 유사할 수 있음)는 채널(410)의 표면(428)과 접촉하도록 적용된다. 예를 들어, 샘플 유체(418)는 채널 표면(428), 기준 전극(408), 및 상대 전극(404)과 접촉하도록 액체 웰(406)에 피펫팅(또는 달리는 삽입)될 수 있다. 유전체(424)는 샘플 유체(418)로부터 소스(412) 및 드레인(402)을 전기적으로 절연함으로써, 소스(412)와 드레인(402) 사이의 전류는 샘플 유체(418)를 직접 통과하기 보다는 채널(410)을 통과한다.
도시된 예에서, 샘플 유체(418)는 복수의 생체분자 또는 모이어티(420, 422)를 포함한다. 생체분자(420)(예를 들어, 단백질)는 원형 섹션으로 표시되어 있으며, 단백질(예를 들어, 항체 단백질에 대한 항원, 효소 단백질에 대한 기질 등)과 상호작용하는 모이어티(422)는 삼각형으로 표시되어 있다. 따라서, 도시된 예에서, 생화학적 상호작용은 단백질(420)과 다른 모이어티(422) 사이에서 발생할 수 있다. 또한, 단백질-기반 상호작용이 도시되어 있지만, 다양한 다른 또는 추가적인 유형의 모이어티 및 모이어티의 상호작용 유형이 샘플 유체(418)에서 발생할 수 있다.
도시된 예에서, 채널(410)의 표면(428)은 특정 모이어티(420)를 채널 표면(428)에 고정화함으로써 작용화된다. 곡선으로 표시된 차단층(430)은 모이어티를 표면에 고정화할 수 있다. 다양한 예에서, 차단층(430)은 표면(428)에 이온, 분자, 또는 모이어티를 결합시킬 수 있는 폴리에틸렌 글리콜 또는 다른 분자 또는 중합체를 포함할 수 있다. 차단층(430)은 샘플 유체(418) 내의 특정 다른 이온, 분자, 또는 모이어티에 투과성일 수 있다. 예를 들어, 차단층(430)은 단백질(420)을 표면(428)에 결합시킬 수 있지만 단백질(420)과 상호작용하는 모이어티(422)에 투과성일 수 있다. 비록 채널(410)의 표면(428)이 도시된 예에서는 작용화되지만, 또 다른 예에서, 채널(410)은 표면(428)에 고정된 모이어티가 없는(예를 들어, 차단층(430)이 없는) 노출되거나 작용화되지 않은 채널일 수 있다.
도시된 예에서, 측정 장치(122)는 소스(412), 드레인(402), 기준 전극(408), 및 상대 전극(404)에 커플링된다. 다양한 예에서, 측정 장치(122)는 소스(412), 드레인(402), 및/또는 상대 전극(404)을 통해 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)에 여기 조건을 적용할 수 있다. 추가의 예에서, 측정 장치(122)는 소스(412), 드레인(404), 및/또는 기준 전극(408)을 통해 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)로부터 하나 이상의 출력 신호의 측정을 수행할 수 있다.
일부 예에서, 장치(400)는 온도 제어 회로(414), 및/또는 유체 디바이스(416)를 포함할 수 있다. 측정 장치(122)는 온도 제어 회로(414) 및/또는 유체 디바이스(416)를 포함하거나 그와 통신할 수 있으며, 온도 제어 회로(414) 및/또는 유체 디바이스(416)를 제어할 수 있다. 도 4는 온도 제어 회로(414) 및 유체 장치(416)를 점선으로 도시하고 있으며, 이는 그들이 일부 예에서 존재할 수 있거나 다른 예에서 부재할 수 있음을 나타낸다.
다양한 예에서, 측정 장치(122)는 다양한 이유, 예를 들어 미리 결정된 온도(예를 들어, 체온)에서 어떻게 생화학적 상호작용이 일어나는지를 측정하거나 또는 가열 또는 냉각에 반응하여 생화학적 상호작용의 하나 이상의 양태가 어떻게 변화하는지를 보기 위해 온도 제어 회로(414)를 사용하여 샘플 유체(418)의 온도를 제어할 수 있다. 다양한 예에서, 온도 제어 회로(414)는 샘플 유체(418) 및/또는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)의 온도를 제어하도록 구성되거나 온도를 변경하도록 작동할 수 있는 임의의 회로일 수 있다. 일부 예에서, 온도 제어 회로(414)는 샘플 유체(418) 및/또는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)를 가열할 수 있다. 일부 예에서, 온도 제어 회로(414)는 샘플 유체(418) 및/또는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)를 냉각할 수 있다. 일부 예에서, 온도 제어 회로(414)는 가열 및 냉각 모두를 위해 제공될 수 있다.
다양한 예에서, 온도 제어 회로(414)는 칩-기반 바이오센서(104)에 근접한 저항성 히터, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)와 동일한 기판 상의 저항성 와이어, 저항성 요소(또는 주울 가열을 위한 저항 요소로서 사용되는 채널(410) 자체에서), 고체 히트 펌프(예를 들어, 펠티에 효과 사용)와 같은 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 온도 제어 회로(414)는 샘플 유체(418) 및/또는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)의 온도를 모니터링하기 위한(및 모니터링된 온도에 기초하여 온도를 제어하기 위한) 컴포넌트, 예를 들어 서미스터, 하나 이상의 열전쌍, 실리콘 밴드갭 온도 센서, 저항 온도계 등을 포함할 수 있다. 온도를 측정하거나 제어하기 위한 다양한 다른 또는 추가의 컴포넌트가 장치(400) 또는 측정 장치(122)의 다양한 예에서 온도 제어 회로(414)로서 포함될 수 있다.
일부 예에서, 하나 이상의 유체 디바이스(416)는 흐름 셀 또는 다른 유체 또는 미세 유체 채널을 통해 샘플 흐름을 구동하는 데 사용될 수 있다. 다양한 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)는 흐름 셀을 사용할 수 있다. 그러나, 특정 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)는 매우 민감할 수 있으며 흐름 셀 없이도 고감도 측정을 수행할 수 있다. 일부 예에서, 칩-기반 바이오센서(104)는 다수의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)를 포함할 수 있으며, 유체 디바이스(416)는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)의 순서를 통해 샘플 유체의 흐름을 구동시킴으로써 상류 및 하류 트랜지스터는 각각 다른 시간에 발생하는 생화학적 상호작용의 초기 및 후기 양태에 민감하게 된다.
다양한 예에서, 측정 장치(122)는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)에 하나 이상의 여기 조건을 적용하므로, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106c)로부터의 하나 이상의 출력 신호는 샘플 유체(418) 내의 모이어티(420, 422)의 생화학적 상호작용에 의해 및 여기 조건에 의해 영향을 받을 수 있다. 추가의 예에서, 측정 장치(122)는 적어도 하나의 출력 신호에 대한 시간-의존성 측정을 수행함으로써 채널(410)의 표면(428)으로부터 하나 이상의 측정 거리에서 발생하는 생화학적 상호작용의 양태 또는 부분에 대응하는 정보를 획득할 수 있다. 표면(428)에 대한 측정 거리 및 다른 거리는 도 5를 참조하여 아래에서 더 상세히 기술된다.
도 5는 도 4에서 점선으로 표시된 영역의 상세도로서, 측정 거리(502) 및 정전 차폐 거리(504)를 도시한다. 도 4를 참조하여 전술한 채널(410), 채널 표면(428), 유전층(426), 차단층(430) 및 샘플 유체(418)(모이어티(420, 422)를 포함함)의 일부도 또한 도시되어 있다. 측정 거리(502) 및 정전 차폐 거리(504)는 채널 표면(428)으로부터 각각의 거리에서 점선으로 표시된다. 예를 들어, 측정 거리(502)는 점선으로 표시되며, 점선 상의 지점은 채널 표면(428)으로부터 떨어진 측정 거리(502)이다.
도시된 예에서, 측정 거리(502)는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 출력 신호에 대한 측정 거리(502)에서 발생하는 생화학적 상호작용의 적어도 일부 양태 또는 부분의 효과가 측정 장치(122)에 의해 검출할 수 있는 채널 표면(428)으로부터의 거리이다. 출력 신호에 대한 효과가 측정 장치(122)에 의해 검출 가능한지의 여부는 노이즈, 동일한 출력 신호에 영향을 미치는 다른 이벤트로부터의 간섭, 미리 결정된 검출 임계값 등에 관련될 수 있다. 예를 들어, 모이어티(422)에 결합하는 단백질(420)은 이러한 결합이 채널 표면(428)으로부터 측정 거리(502)에서 또는 그 이내의 거리에서 발생하는 경우에는 출력 신호에 검출 가능하게 영향을 미칠 수 있지만, 이러한 결합이 채널 표면(428)으로부터 측정 거리(502)보다 더 멀리 떨어진 거리에서 발생하는 경우에는 출력 신호에 검출 가능하게 영향을 미치지 않을 수 있다.
다양한 예에서, 측정 거리(502)는 측정 장치(122)에 의해 적용되는 여기 조건 또는 측정 주파수 또는 대역폭에 의존하거나 또는 그에 대응할 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 차단층(430)에서) 채널 표면(428)에 고정된 모이어티는 (광대역 여기, 열 분자 운동 등의 고주파 성분의) 고주파 여기에 응답하여 빠르게 이동하거나 상호작용할 수 없다. 따라서, 고주파를 포함하는 대역폭 또는 주파수 범위를 사용하는 측정은 증가된 측정 거리(502)를 제공하여 측정 장치(122)는 채널(410)로부터 더 멀리 떨어진 거리에서 상호 작용을 "탐색" 또는 검출할 수 있다. 반대로, 저주파에서의 측정은 더 짧은 측정 거리(502) 내에서 상호 작용을 검출할 수 있다. 도 5에서, 측정 거리(502)에 대한 점선 위 및 아래 방향의 화살표는 측정 거리(502)가 여기 조건 및/또는 측정 대역폭에 기초하여 증가 또는 감소될 수 있다는 것을 나타낸다.
정전 차폐 거리(504)는, 다양한 예에서, 정상 상태 또는 저주파 측정(예를 들어, 10 Hz 미만의 주파수에서)을 위한 측정 거리일 수 있다. 정상 상태 또는 저주파 조건(예를 들어, 고주파 상호작용이 여기되지 않고/않거나 측정되지 않는 경우) 하에, 출력 신호는 단지 채널 표면(428) 근처에서 발생하는 생화학적 상호작용의 양태 또는 부분에 의해서만 검출 가능하게 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 도시된 예에서, 도난 평형 영역은 표면(428)에(예를 들어, 차단층(430)에서) 고정된 대형 분자 또는 모이어티(420)에 의해 형성된다. 고주파 여기 및 측정이 도난 평형 영역 외측에서 더 빠르게 움직이는 상호작용(또는 특성 공진)을 고정된 분자 또는 모이어티의 더 느리게 움직이는 상호작용과 구별할 수 있지만, 정상 상태 또는 저주파 여기 및 측정을 위한 출력 신호는 도난 평형 영역에서 발생하는 생화학적 상호작용의 양태 또는 부분에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 도시된 예에서, 정전 차폐 거리(504)는 도난 평형 영역의 두께에 기초하지만, 측정 거리(502)는 측정 장치(122)가 고주파 여기 조건을 적용하고/하거나 고주파 측정을 수행하는 경우에 정전 차폐 거리(504)를 초과할 수 있다.
하나 이상의 다른 예에서, 이온 이중층은 도난 평형 영역이 부재하는 경우(예를 들어, 차단층(430)이 생략된 경우)에 형성될 수 있다. 도난 평형 영역에서와 같이, 표면(428) 또는 그 근처의 이온은 출력 신호에 검출 가능하게 영향을 미치는 표면으로부터 더 멀리 떨어져 발생하는 저주파 상호작용을 차폐할 수 있으며, 정전 차폐 거리(504)는 이온 이중층의 두께에 기초할 수 있다. (일부 예에서, 이온 이중층 및 도난 평형 영역이 둘 모두 존재하는 경우, 정전 차폐 거리(504)는 어느 층 또는 영역이 더 두꺼운지에 기초할 수 있다). 따라서, 도난 평형 영역에 대해 전술한 바와 같이, 고주파 측정은 정전 차폐 거리(504)를 초과하는 측정 거리(502)에서 발생하는 이벤트를 검출할 수 있다. 또한, 일부 예에서, 변화하는 여기 전위의 적용은 이중층에서 이온을 이동시켜 정전 차폐 거리(504)와 비교하여 이중층 두께(예를 들어, 정상 상태 또는 저주파 여기 조건 하에서의 이중층 두께)를 증가시킴으로써 측정 거리(502)를 증가시킬 수 있다. 정전 차폐 거리(504)를 초과하는 측정 거리(502)에서의 측정을 위한 여기 및 측정 회로는 도 6을 참조하여 아래에서 더 상세히 기술된다.
도 6은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라, 측정 장치(122)의 인스턴스(instance)를 포함하는, 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 추가의 장치(600)를 예시하는 개략적인 블록도이다. 도시된 예에서, 측정 장치(122)는 여기 회로(602) 및 측정 회로(606)를 포함한다. 도 6에서 점선으로 표시된 특정 컴포넌트는 도시된 예에 포함되지만, 하나 이상의 다른 예에서는 생략될 수 있다. 도시된 예에서, 여기 회로(602)는 바이어스 회로(604) 및 온도 제어 회로(414)를 포함한다. 도시된 예에서, 측정 장치(122)는 분석 모듈(116), 통신 회로(608), 및 유체 디바이스(416)를 포함한다. 도시된 예의 측정 장치(122), 온도 제어 회로(414), 분석 모듈(116), 및 유체 디바이스(416)는 실질적으로는 이전 도면들을 참조하여 전술한 바와 같을 수 있다.
다양한 예에서, 측정 장치(122)는 여기 회로(602)를 사용하여 여기 조건을 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용할 수 있으며, 측정 회로(606)를 사용하여 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)로부터의 하나 이상의 출력 신호의 시간-의존성 측정을 수행할 수 있다. 출력 신호(들)은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 대한 채널 표면(428)에 적용된 샘플 유체(110) 내의 모이어티의 생화학적 상호작용에 의해 및 여기 조건에 의해 영향을 받을 수 있다. 측정 회로(606)는 하나 이상의 측정 거리(502)에 대응하는 측정 대역폭을 사용하여 출력 신호(들)를 측정함으로써 정전 차폐 거리(504)를 초과하는 하나 이상의 측정 거리(502)에서 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득할 수 있다.
일부 예에서, 측정 장치(122)는 측정 회로(606)로부터의 복수의 시간-의존성 측정에 기초하여 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하기 위한 분석 모듈(116)을 포함할 수 있다. 그러나, 일부 예에서, 측정 장치(122)는 분석 모듈(116)을 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 예에서, 분석 모듈(116)은 측정 장치(122)와는 별개의 컴퓨팅 디바이스(114)에 의해 구현될 수 있다. 일부 예에서, 측정 장치(122)는 측정 회로(606)로부터의 측정치 또는 측정에 기초한 정보를 원격 데이터 저장소(118)로 전송하기 위한 통신 회로(608)를 포함할 수 있다.
도시된 예에서, 여기 회로(602)는 하나 이상의 여기 조건을 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106) 또는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 세트에 적용하도록 구성된다. 다양한 예에서, 여기 조건은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용되는 물리적, 화학적 또는 전기적 조건, 예를 들어 전압, 진폭, 주파수, 진폭, 위상, 또는 전기적 또는 전기화학적 여기를 위한 파형, 온도, 유체 유량 등일 수 있다. 여기 회로(602)는 하나 이상의 여기 조건을 적용하고, 변경하고, 제거하거나 또는 달리는 제어하는 임의의 회로일 수 있다.
일부 예에서, 여기 조건은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용되는 하나 이상의 프로그램 가능 바이어스를 포함할 수 있으며, 여기 회로(602)는 바이어스 회로(604)를 사용하여 프로그램 가능 바이어스를 제어, 변경, 변조 및/또는 적용할 수 있다. 다양한 예에서, 프로그램 가능 바이어스는 전기 신호 또는 파형, 예를 들어 바이어스 회로(604)에 의해 선택되는 정전압 또는 정전류, 구형파, 사인파, 보다 복잡한 파형, 예를 들어 다양한 진폭, 주파수 및 위상(제로 주파수 또는 DC 오프셋 컴포넌트를 또한 포함할 수 있음)을 갖는 사인파의 합 등일 수 있다. 다양한 예에서, 프로그램 가능 바이어스는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 소스(212)에 적용된 소스 바이어스, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 드레인(202)에 적용된 드레인 바이어스, 및/또는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 액체 게이트에 적용된((예를 들어, 상대 전극(204)을 통해 트랜지스터(106)의 채널(210)과 접촉하는 샘플 유체(110)에 적용되고, 가능하게는 기준 전극(208)으로부터의 피드백에 기초하여 제어된) 게이트 바이어스를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 소스 바이어스는 0 볼트, 접지 또는 또는 다른 DC 기준 전압일 수 있다. 예를 들어, 소스(212)는 접지에 연결되어 게이트-소스 및 드레인-소스 전압 차이는 게이트 바이어스 및 드레인 바이어스로 단순화될 수 있다. 그러나, 일부 예에서, 소스 바이어스는 0 볼트 또는 접지가 아닌 다른 프로그램 가능 바이어스일 수 있다. 예를 들어, 바이어스 회로(604)는 스위프(sweep), 파형 등에서 시간에 따라 소스 바이어스를 변경할 수 있다. 추가의 예에서, 바이어스 회로(604)는 소스 바이어스, 게이트 바이어스, 및/또는 드레인 바이어스를 변경, 스위프, 또는 변조할 수 있다.
다양한 예에서, 프로그램 가능 바이어스를 제어, 변경, 변조, 및/또는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용하기 위한 바이어스 회로(604)는 전력 공급 장치, 전압 소스, 전류 소스, 발진기, 증폭기, 함수 발생기, (예를 들어, 발진 파형에 DC 오프셋을 추가하기 위한) 바이어스 티, 입력/출력 핀을 제어하는 프로세서 실행 코드, 소스 측정 유닛의 신호 생성 부분, 로크인 증폭기, 네트워크 분석기, 화학적 임피던스 분석기 등과 같은 프로그램 가능 바이어스를 생성 또는 변조할 수 있는 임의의 회로를 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 예에서, 바이어스 회로(604)는 프로그램 가능 바이어스를 생성 및 적용하기 위한 다양한 다른 또는 추가의 회로를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 프로그램 가능 바이어스는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 소스(212) 및 드레인(202) 단자를 통해 적용되는 전위일 수 있다. 일부 예에서, 프로그램 가능 바이어스는 전기화학적 전위일 수 있다. 예를 들어, 일례에서, 바이어스 회로(604)는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 상대 전극(204)에 적용된 전압을 변경함으로써 샘플 유체(110)의 전기화학적 전위를 조정하도록 구성된다.
일부 예에서, 여기 조건은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용되는 샘플 유체(110)에 대한 온도를 포함할 수 있으며, 여기 회로(602)는 온도 제어 회로(414)를 사용하여 온도를 제어할 수 있다. 다양한 예에서, 온도를 제어하는 것은 (예를 들어, 생화학적 상호작용의 온도-민감성 양태를 검출하거나 분석하기 위해) 온도를 증가시키거나 감소시키는 것, 온도를 목표 온도 범위 또는 그에 근접하여 유지하는 것, 피드백 기반 제어를 위해 온도를 모니터링하는 것 등을 포함할 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이, 온도 제어 회로(414)는 샘플 유체(110) 및/또는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 온도를 변화시킬 수 있는 임의의 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 예에서, 온도 제어 회로(414)는 저항성 히터, 저항성 히터(또는 채널(210) 자체) 내의 전류를 제어하기 위한 주울 가열 제어기, 고체 히트 펌프, 서미스터 등을 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 예에서, 온도 제어 회로(414)는 온도를 제어 또는 측정하기 위한 다양한 다른 또는 추가의 회로를 포함할 수 있다.
또한, 일부 예에서, 여기 회로(602)는 프로그램 가능 바이어스 및/또는 온도 이외의 다른 또는 이에 더하여 여기 조건을 적용하기 위해 바이어스 회로(604) 및/또는 온도 제어 회로(414) 이외의 다른 또는 이에 더하여 다른 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 여기 회로(602)는 자기적 여기를 위한 전자석, 임의의 원하는 파장의 발광기, 방사성 소스, 자외선, x-선, 감마선, 전자 빔 등의 방출기, 초음파 트랜스듀서, 기계 교반기 등을 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 유형의 여기 회로(602)를 사용하여 다양한 다른 또는 추가의 여기 조건을 적용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 대한 하나 이상의 출력 신호는 채널 표면(428)과 접촉하는 샘플 유체(110) 내의 모이어티의 생화학적 상호작용에 의해 및 여기 회로(602)에 의해 적용되는 하나 이상의 여기 조건에 의해 영향을 받거나 이에 민감할 수 있다. 간단한 예로서, 일정한 드레인-소스 바이어스 전압을 포함하는 여기 조건을 사용하면, 채널 표면(428)에서 또는 그 근처에서의 모이어티의 생화학적 상호작용은 드레인-소스 전류, 채널 표면(428)에서 형성되는 이온 이중층의 커패시턴스(예를 들어, 드레인(202)과 기준 전극(208) 사이에서 측정됨) 등과 같은 출력 신호에 영향을 미칠 수 있다. 고주파 여기는 본원에서 기술되는 바와 같은 다양한 방식으로 출력 신호에 영향을 미칠 수 있다. 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받고 측정될 수 있는 다양한 출력 신호는 채널(210)의 복합 저항(예를 들어, 임피던스), 채널(210)을 통과하는 전류, 채널(210) 전체에 걸친 전압 강하, 채널(210)과 액체 게이트 사이의 커플링(예를 들어, 상대 전극(204) 및/또는 기준 전극(208)을 통해 바이어스되고/되거나 측정됨), 전기적(채널) 및/또는 전기화학적(액체 게이트) 전압, 전류, 저항, 커패시턴스, 인덕턴스, 복합 임피던스, 네트워크 파라미터(예를 들어, 네트워크 분석기를 사용하여 측정된 S-파라미터 또는 h-파라미터), 디랙 전압(예를 들어, 그래핀 채널(210)에서 채널 전류를 최소화하는 액체 게이트 전압), 전하 캐리어 이동도, 접촉 저항, 동적 인덕턴스, 전력 스펙트럼 밀도와 같은 다중 측정에 기초한 스펙트럼, 전기적 임피던스 스펙트럼, 전기화학적 임피던스 스펙트럼 등을 포함할 수 있다.
생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)로부터의 특정 출력 신호는 샘플 유체(110) 내의 모이어티의 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에, 생화학적 상호작용에 대응하는 정보는 하나 이상의 영향을 받은 출력 신호를 측정함으로써 획득될 수 있다. 생화학적 상호작용에 대응하는 정보는 상호작용에 대한 직접적인 정보일 수도 있고, 상호작용에 영향을 미치거나 그에 의해 영향을 받은 정보일 수도 있다. 예를 들어, 생화학적 상호작용에 대응하는 정보는 특정 조건 하에서 상호작용이 발생하는지의 여부, 반응이 발생하는 정도, 특정 모이어티 또는 분자의 존재 유무, 특정 모이어티 또는 분자의 농도, 샘플 유체(110) 전체에서의 상호작용에 대한 정보, 샘플 유체(110)의 일부 또는 영역에서의(예를 들어, 특정 측정 거리(502)에서 또는 그 내에서의) 상호작용에 대한 정보 등과 같은 정보일 수 있다.
따라서, 다양한 예에서, 측정 회로(606)는 여기 조건 및 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 하나 이상의 출력 신호 중 적어도 하나의 복수의 시간-의존성 측정을 수행하도록 구성될 수 있다. 다양한 예에서, 측정 회로(606)는 하나 이상의 출력 신호의 시간-의존성 측정을 수행할 수 있는 임의의 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 예에서, 측정 회로(606)는 전치 증폭기(preamplifier), 증폭기, 필터, 전압 폴로어(voltage follower), 데이터 수집(DAQ: data acquisition) 디바이스 또는 보드, 센서 또는 트랜스듀서 회로, 신호 컨디셔닝 회로, 아날로그-디지털 변환기, 입력/출력 핀을 통해 신호를 수신하고 처리하는 프로세서 실행 코드, 소스 측정 유닛의 측정 부분, 로크인 증폭기, 네트워크 분석기, 화학적 임피던스 분석기 등을 포함할 수 있다. 다양한 다른 또는 추가의 예에서, 측정 회로(606)는 출력 신호의 시간-의존성 측정을 수행하기 위한 다양한 다른 또는 추가의 회로를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 여기 조건 및 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 출력 신호는 진폭이 작을 수 있으며, 측정 회로(606)는 출력 신호를 증폭하기 위해 하나 이상의 유형의 증폭기를 포함할 수 있다. 증폭기 시스템 또는 회로는 연산 증폭기(operational amplifier)("op-amp")를 포함할 수 있다. 그러나, 측정의 이득, 잡음 및 대역폭은 궁극적으로 사용 중인 연산 증폭기(op-amp)에 의해 제한될 수 있다. 일부 증폭 회로는 다른 증폭 회로보다 더 큰 신호 대 잡음비를 제공할 수 있다.
다양한 예에서, 측정 회로(606)는 트랜지스터(106)의 채널에서 표면 전위의 변화에 응답하여 저항이 변화하는, 디바이스의 트랜스임피던스를 측정하는 데 사용되는 트랜스임피던스 증폭기를 포함할 수 있다. 트랜스임피던스 증폭기는 피드백 저항기에 의해 설정된 이득을 갖는 전류-전압 증폭기일 수 있다. 트랜스임피던스 증폭기의 노이즈 제한은 디바이스 및 배선의 노턴 등가 회로(Norton equivalent circuit) 소스 커패시턴스에 대응할 수 있다.
특정 예에서, 측정 회로(606)는 출력 신호의 증폭을 위한 소스-드레인 폴로어 회로를 포함할 수 있다. 소스-드레인 폴로어는 일정한 드레인 전류를 유지하기 위해 소스-게이트 전압을 조정함으로써 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 채널에서 표면 전위를 측정하는 네거티브 피드백 연산 증폭기 시스템일 수 있다.
다양한 예에서, 측정 회로(606)는 고주파 신호에 대해 높은 신호 대 잡음비를 제공하기 위해 다양한 다른 또는 추가의 증폭 회로를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 측정 회로(606)는 다수의 신호 또는 파라미터를 동시에 측정하기 위해 다수의 유형의 증폭기를 포함할 수 있다.
다양한 예에서, 시간-의존성 측정은 시간에 따라 수행되는 일련의 측정을 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 출력 신호의 시간-의존성 측정은 출력 신호가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 나타낼 수 있다(또는 출력 신호가 일정하게 유지되는지의 여부를 나타낼 수 있다). 시간-의존성 측정은 전기 및/또는 전기화학적 출력 신호의 측정일 수 있다. 예를 들어, 일부 예에서, 전기 출력 신호는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 소스(212) 및 드레인(202) 단자를 통해 측정될 수 있다. 일부 예에서, 복수의 시간-의존성 측정은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 기준 전극(208)을 통한 샘플 유체(110)의 전기화학적 전위의 측정을 포함한다.
측정 회로(606)는 (상기에서 정의된 바와 같이) 출력 신호가 측정되는 주파수의 대역 또는 범위인 측정 대역폭을 사용하여 시간-의존성 측정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 출력 신호의 개별 샘플을 샘플링 속도에서 측정하는 경우, 측정 대역폭은 0 Hz에서 샘플링 속도의 절반까지의 범위일 수 있다. 또 다른 예로서, 측정 회로(606)는 저주파 통과 필터(low-pass filter), 고주파 통과 필터, 대역 통과 필터(band-pass filter), 노치 필터 등과 같은 하나 이상의 필터를 포함할 수 있으며, 측정 대역폭은 필터를 사용하여 측정할 수 있다.
도 5를 참조하여 전술한 바와 같이, 출력 신호의 저주파 컴포넌트는 채널 표면(428) 근처의 생화학적 상호작용의 양태 또는 부분에 의해 지배될 수 있는 반면, 출력 신호의 고주파 컴포넌트는 채널 표면(428)으로부터 더 멀리 떨어진 거리에서의 생화학적 상호작용의 양태 또는 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 바이어스 회로(604)에 의해 적용된 고주파 파형 또는 심지어 주변 노이즈 또는 열 노이즈의 고주파 컴포넌트에 의한) 생화학적 상호작용의 고주파 여기는 대부분의 샘플 유체(110) 중의 모이어티의 운동 또는 상호작용을 초래할 수 있지만, 채널 표면(428)에 고정된 모이어티는 동일한 정도의 고주파 여기에 응답하여 빠르게 이동하거나 상호작용할 수 없다. 따라서, 측정 대역폭 내의 주파수는 측정 거리(502)에 대응할 수 있으므로, 해당 주파수에서의 출력 신호의 스펙트럼 컴포넌트는 채널 표면(428)으로부터의 측정 거리(502)에서 또는 그 내에서 발생하는 생화학적 상호작용에 대응한다.
따라서, 일부 예에서, 측정 회로(606)는 하나 이상의 측정 거리(502)에 대응하는 미리 결정된 측정 대역폭을 사용함으로써, 하나 이상의 측정 거리(502)에서 발생하는 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득하도록 구성될 수 있다. 측정 대역폭 및/또는 채널 표면(428)으로부터 대응하는 측정 거리(502)는 측정 장치(122)의 사용자 또는 제조업자에 의해 미리 결정될 수 있으며, 생화학적 상호작용의 어떤 양태가 관찰되어야 하는지, 또는 채널 표면(428)으로부터 어떤 거리가 관심이 있는지에 의존할 수 있다. 일부 예에서, 측정 거리(502) 중 적어도 하나는 채널 표면(428)으로부터의 정전 차폐 거리(504)를 초과할 수 있다.
다양한 예에서, 하나 이상의 출력 신호의 시간-의존성 측정을 수행하는 측정 회로(606)는 시간-의존성 측정 과정에 걸쳐 생체분자 반응에 대한 정보를 실시간으로 "탐색"하거나 검출할 수 있다. 또한, 일부 예에서, 측정 거리(502) 중 적어도 하나가 정전 차폐 거리(504)를 초과하는 하나 이상의 측정 거리(502)에 대응하는 미리 결정된 측정 대역폭을 사용하는 측정 회로(606)는 단지 채널 표면(428) 근처에서만이 아니라 벌크 샘플 유체(110)에서의 생체분자 반응에 대한 정보를 "탐색"하거나 검출할 수 있다.
다양한 예에서, 여기 회로(602) 및/또는 측정 회로(606)의 일부 또는 컴포넌트는 칩-기반 바이오센서(104), 칩 판독기 디바이스(102), 또는 칩-기반 바이오센서(104)에 커플링된 별도의 디바이스(예를 들어, 실험실 벤치 테스트 및 측정 장비) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 여기 회로(602)용의 저항성 히터 컴포넌트와 같은 일회용 컴포넌트는 칩-기반 바이오센서(104) 내에 배치될 수 있는 반면, 복합 파형을 생성하거나 분석하기 위한 디지털 신호 처리 회로와 같은 다용도 컴포넌트는 칩 판독기 디바이스(102) 내에 배치될 수 있다. 여기 회로(602) 및/또는 측정 회로(606)의 일부 또는 컴포넌트를 배치 또는 배열하는 다양한 다른 방법이 다양한 다른 예에서 사용될 수 있다.
일부 예에서, 여기 회로(602) 및/또는 측정 회로(606)의 일부 또는 컴포넌트는 칩-기반 바이오센서(104)에서 하나 이상의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)와 통합될 수 있다. 예를 들어, 여기 회로(602) 및/또는 측정 회로(606) 위에 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)를 형성하기 전에 기존의 CMOS 제조 기술을 사용하여 실리콘 기판 내에 여기 회로(602) 및/또는 측정 회로(606)를 위한 전자 장치를 형성할 수 있다. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)를 CMOS 패턴화된 웨이퍼와 통합하기 위해, CMOS 웨이퍼의 상부는 독립형의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 사용되는 유사한 패턴의 유전체 층(426) 및 금속 접속부로 패턴화될 수 있지만, 소스(212) 및 드레인(202) 전극은 물론 기준 전극(208) 및 상대 전극(204)이 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106) 아래의 CMOS 여기 회로(602) 및/또는 측정 회로(606)에 연결된다.
일부 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106) 아래의 CMOS 층에 여기 회로(602) 및/또는 측정 회로(606)를 제공하는 것은 그렇지 않을 경우에 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)와 여기 회로(602) 및/또는 또는 측정 회로(606) 사이에 놓일 더 긴 트레이스 또는 와이어를 제거할 수 있으며, 따라서 커패시턴스, 연결된 와이어의 안테나 효과 등으로 인한 노이즈 및 혼란을 제거할 수 있다. 일부 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106) 아래의 CMOS 층에 여기 회로(602) 및/또는 측정 회로(606)를 제공하는 것은 칩-기반 바이오센서(104)가 통합된 여기 회로(602) 및/또는 측정 회로(606)를 갖는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 어레이를 포함하도록 허용할 수 있다.
일부 예에서, 분석 모듈(116)은 측정 회로(606)에 의해 수행되는 복수의 시간-의존성 측정에 기초하여 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성된다. 다양한 예에서, 생화학적 상호작용의 파라미터는 특정 조건 하에서 상호작용이 일어나는지의 여부, 반응 속도, 분자 또는 모이어티의 존재, 부재 또는 농도 등과 같은 상호작용에 대한 정보일 수 있다. 다양한 예에서, 상호작용의 파라미터를 특성화하는 것은 파라미터를 결정하는 것, 파라미터에 관한 정보를 결정하는 것(예를 들어, 파라미터가 임계값 이상인지 이하인지의 여부) 등을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 분석 모듈(116)은 생화학적 상호작용의 파라미터를 특성화하기 위해 공지된 정량적 분석 방법을 비롯한 다양한 방법을 사용할 수 있다. 분석 모듈(116)에 의해 특성화된 파라미터와 같은 분석 모듈(116)로부터의 결과는 디스플레이 또는 프린트아웃(예를 들어, 칩 판독기 디바이스(102)으로부터)을 통해 사용자와 직접 통신하고, 데이터 네트워크(120)를 통해 사용자에게 전송되고, 나중에 하나 이상의 사용자가 액세스하기 위해 저장 매체(예를 들어, 원격 데이터 저장소(118))에 저장될 수 있다.
일부 예에서, 분석 모듈(116)은 복수의 시간-의존성 측정에 기초하여 관찰된 스펙트럼을 측정하고 관찰된 스펙트럼을 생화학적 상호작용의 하나 이상의 모델에 대응하는 하나 이상의 모델 스펙트럼과 비교함으로써 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화할 수 있다. 다양한 예에서, 관찰된 스펙트럼은 측정 회로(606)에 의해 수행된 시간-의존성 측정, 또는 시간-의존성 측정에 기초하여 계산된 다른 양을 주파수와 관련시키는 데이터일 수 있다. 예를 들어, 관찰된 스펙트럼은 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용된 프로그램 가능 바이어스에 대한 여기 주파수를 스위핑하고, 측정 대역폭 전체에 걸쳐 측정 주파수를 스위핑하고, 시간 영역 데이터(예를 들어, 측정 회로(606)에 의해 수행된 시간-의존성 측정)의 고속 푸리에 변환(FFT: fast Fourier transform)(또는 라플라스 변환 또는 Z-변환과 같은 관련 변환) 등을 수행함으로써 획득되는 주파수 영역 데이터일 수 있다. 관찰된 스펙트럼의 다양한 예로는 전력 스펙트럼 밀도, 복소 전기 임피던스 스펙트럼, 복소 전기화학적 임피던스 스펙트럼 등을 포함할 수 있다.
일부 예에서, 관찰된 스펙트럼은 주파수의 실가 함수(real-valued function)일 수 있다. 예를 들어, 전력 스펙트럼 밀도는 실가 전력 진폭을 주파수와 관련시킬 수 있다. 일부 예에서, 관찰된 스펙트럼은 주파수의 복소 함수(complex-valued function)일 수 있다. 예를 들어, 임피던스 스펙트럼은 측정된 전류 진폭 및 위상이 서로 다른 주파수에서 적용된 전압 진폭 및 위상과 어떻게 관련되는지에 따라 실수 및 허수 성분을 가질 수 있다.
특정 예에서, 분석 모듈(116)은 측정 회로(606)로부터의 시간-의존성 측정에 기초하여 관찰된 스펙트럼을 계산함으로써 관찰된 스펙트럼을 결정할 수 있다. 예를 들어, 분석 모듈(116)은 여기 회로(602)에 의해 적용된 프로그램 가능 바이어스 전압 및 측정 회로(606)에 의해 측정된 전류에 기초하여 임피던스 스펙트럼을 결정할 수 있다. 그러나, 하나 이상의 예에서, 분석 모듈(116)은 측정 회로(606)로부터 이미 계산된 관찰된 스펙트럼을 수신함으로써 관찰된 스펙트럼을 결정할 수 있다. 예를 들어, 측정 회로(606)는 관찰된 스펙트럼을 생성하기 위해 측정 대역폭 전체에 걸쳐 측정 주파수를 스위핑할 수 있으며, 관찰된 스펙트럼을 분석 모듈(116)에 전달할 수 있다.
대조적으로, 모델 스펙트럼은 관찰된 스펙트럼과 유사하거나 그에 상응하는 스펙트럼일 수 있지만, 생화학적 상호작용의 모델에 기초한다. 예를 들어, 관찰된 스펙트럼이 전력 스펙트럼 밀도인 경우, 모델 스펙트럼은 샘플 유체(110)에서 어떤 생화학적 상호작용이 발생할 수 있는지에 대한 모델을 기반으로 예측되거나 모델링된 전력 스펙트럼 밀도일 수 있다. 모델 스펙트럼은 생화학적 상호작용의 컴퓨터 모델을 기반으로 예측된 스펙트럼일 수 있거나, 알려진 상호작용(예를 들어, 알려진/제어된 시약, 모이어티 또는 분자를 갖는 샘플 유체(110)를 사용하여 이전에 측정됨)으로부터 관찰된 스펙트럼일 수 있다. 복수의 상이한 모델 스펙트럼은 샘플 유체(110)에서 어떤 생화학적 상호작용이 발생하거나 발생할 수 있는지에 대한 상이한 모델에 대응할 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 분석 모듈(116)은 관찰된 스펙트럼을 하나 이상의 모델 스펙트럼과 비교함으로써 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화할 수 있다. 관찰된 스펙트럼이 모델 스펙트럼과 일치하는 정도는 생화학적 상호작용이 생화학적 상호작용의 모델과 유사한 정도를 나타낼 수 있다. 따라서, 분석 모듈(116)은 관찰된 스펙트럼과 하나 이상의 모델 스펙트럼 사이의 상호 상관관계, 부분 상관관계 등과 같은 일부 유사성의 척도를 계산하고, 모델 스펙트럼이 관측된 스펙트럼과 가장 유사한 모델을 선택함으로써 모델 상호작용이 가장 유사한 상호작용의 파라미터를 특성화할 수 있다.
일부 예에서, 분석 모듈(116)은 측정 장치(122)와 분리될 수 있다. 예를 들어, 분석 모듈(116)은 측정 장치(122)와는 별개의 컴퓨팅 디바이스(114)에 의해 구현될 수 있다. 따라서, 특정 예에서, 측정 장치(122)는 분석 모듈(116) 대신에 또는 그에 더하여 통신 회로(608)를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 통신 회로(608)는 정보를 원격 데이터 저장소(118)로 전송하도록 구성된다. 통신 회로(608)는 데이터 네트워크(120)를 통해 정보를 전송할 수 있고, 이더넷 또는 Wi-Fi 네트워크를 통해 통신하기 위한 네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC), 모바일 데이터 네트워크 등을 통해 통신하기 위한 트랜시버 등과 같은 데이터 전송(및 가능하게는 수신)을 위한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 데이터를 전송하기 위한 다양한 다른 또는 추가의 컴포넌트는 다양한 다른 또는 추가의 예에서는 통신 회로(608)에 포함될 수 있다.
일부 예에서, 통신 회로(608)에 의해 원격 데이터 저장소(118)로 전송된 정보는 측정 회로(606)에 의해 수행된 복수의 시간-의존성 측정에 기초한 정보일 수 있다. 복수의 시간-의존성 측정에 기초한 정보는 측정 자체(예를 들어, 원시 샘플), 측정에 기초하여 계산된 정보(예를 들어, 원시 데이터로부터 계산된 스펙트럼), 및/또는 분석 모듈(116)로부터의 분석 결과(예를 들어, 특성화)일 수 있다. 하나 이상의 추가의 예에서, 분석 모듈(116)은 (예를 들어, 데이터 네트워크(120)를 통해) 원격 데이터 저장소(118)와 통신할 수 있다. 분석 모듈(116)은 원격 데이터 저장소(118)로 전송된 정보에 기초하여 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 측정 회로(606)로부터 측정치를 직접 수신하는 분석 모듈(116) 대신에, 통신 회로(608)는 측정치(또는 측정치에 대한 정보)를 원격 데이터 저장소(118)로 전송할 수 있으며, 분석 모듈(116)은 원격 데이터 저장소(118)로부터 측정치(또는 측정치에 대한 정보)를 검색할 수 있다.
일부 예에서, 원격 데이터 저장소(118)에 데이터를 저장하는 것은 단일 측정 장치(122)로부터 명백하지 않을 수 있는 현상의 원격 분석을 위해 다수의 측정 장치(122)로부터 정보가 집계되는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 역학 목적을 위해, 측정 장치(122)는 혈액, 타액, 점액, 뇌척수액, 대변 등의 샘플을 포함할 수 있는, 사람으로부터 입수한 샘플 유체(110)에서 바이러스, 항체, 병원체로부터의 DNA 또는 RNA 등을 포함하는 생화학적 상호작용에 기초하여 사람이 질병에 감염되었는지의 여부를 결정할 수 있다. 다수의 측정 장치(122)로부터 원격 데이터 저장소(118)로 업로드된 정보를 사용하여 서로 다른 지역에서 감염률이 어떻게 다른지와 같은 집계 특성을 결정할 수 있다. 다양한 예에서, 분석 모듈(116)은 다수의 측정 장치(122)로부터 집계 정보를 사용하는 다양한 다른 방식 또는 추가의 방식을 구현할 수 있다.
다양한 예에서, 측정 장치(122)는 생화학적 상호작용의 파라미터를 결정하거나 특성화하기 위해 하나 이상의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)와 함께 다양한 방식으로 여기 회로(602), 측정 회로(606) 및 분석 모듈(116)을 사용할 수 있다. 일부 예에서, 다수의 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)는 균일하게 구성(예를 들어, 중복성을 위해)되거나 불균일하게 구성(예를 들어, 채널 표면(428)이 생화학적 상호작용의 상이한 양태를 특성화하기 위해 상이한 방식으로 기능화됨)될 수 있다.
일례에서, 측정 회로(606)에 의해 사용되는 미리 결정된 측정 대역폭은 분석 모듈(116)에 의해 특성화될 생화학적 상호작용의 적어도 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위한 미리 결정된 주파수 기준을 만족시킨다. 샘플 유체(110) 내의 생체분자 또는 모이어티의 운동 또는 상호작용은 특성 주파수 f1에서 발생할 수 있다. 예를 들어, CRISPR Cas 효소는 특성 주파수 f1에서 DNA 기질 분자에 반복적으로 부착 및 분할될 수 있다. 생체분자의 다른 운동이나 상호작용은 다른 특성 주파수 f2, f3, ... fn에서 발생할 수 있다. 일부 예에서, 큰 생체분자 사이의 상호작용에 대한 특성 주파수, 또는 생체분자의 폴딩 및 언폴딩에 대한 특성 주파수는 0.1 Hz 내지 1 kHz의 범위일 수 있다. 일부 예에서, 생체분자의 내부 운동에 대한 특성 주파수 또는 특이적 결합 상호작용에 대한 특성 주파수는 1 kHz 내지 1 MHz의 범위일 수 있다. 따라서, 특정 예에서, 일부 운동 또는 상호작용의 특성 주파수의 적어도 두 배의 샘플 속도에서 시간-의존성 측정을 수행하는 측정 회로(606)는 출력 신호에 대한 그러한 운동 또는 상호작용의 효과를 "탐색"하거나 검출할 수 있으며, 분석 모듈(116)은 이러한 측정치를 사용하여 해당 특성 주파수에 대응하는 운동 또는 상호작용이 발생하는지 또는 어느 정도로 발생하는지의 여부와 같은 파라미터를 특성화할 수 있다.
따라서, 일부 예에서, 생화학적 상호작용의 적어도 하나의 파라미터를 측정하기 위한 주파수 기준은 관찰이 요망되는 하나 이상의 주파수(예를 들어, 상호작용에 대한 하나 이상의 특성 주파수), 주파수의 대역 등일 수 있다. 주파수 기준은 생화학적 상호작용의 모델, 생화학적 상호작용에 대한 선행 측정 등에 기초하여 측정 장치(122)의 제조업자 또는 사용자에 의해 미리 결정될 수 있다.
상호작용의 파라미터를 측정하기 위한 주파수 기준을 만족하는 측정 대역폭은 출력 신호에서 목표 주파수, 주파수들 또는 주파수 대역에 대한 정보를 나타내기에 충분한 시간-의존성 측정에 충분한 대역폭일 수 있다. 예를 들어, 측정 대역폭은 복수의 시간-의존성 측정에 대한 샘플 속도가 주파수 f1의 적어도 두 배인 경우 주파수 f1에서의 관찰에 대한 주파수 기준을 만족할 수 있다. 또한, 낮은 주파수가 관찰되지 않는 경우(예를 들어, 측정 대역폭이 0에서 출발하지 않는 경우), 측정 대역폭은 샘플 속도가 범위의 폭의 두 배인 경우 주파수 f1에서 주파수 fn까지의 목표 범위에서 관찰에 대한 주파수 기준을 만족할 수 있다. Nyquist-Shannon 정리 및/또는 샘플링과 관련된 다른 주제를 적용하여 주파수 기준을 만족시키기 위한 측정 대역폭에 대한 다양한 다른 또는 추가의 방식이 제안될 수 있다.
일부 예에서, 여기 회로(602)는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용되는 하나 이상의 프로그램 가능 바이어스를 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 여기 회로(602)는 바이어스 회로(604)를 사용하여 소스 바이어스, 드레인 바이어스, 및/또는 게이트 바이어스(예를 들어, 상대 전극(204)을 통해 액체 게이트에 적용되거나 기준 전극(208)을 통해 측정됨)를 생성 및 변경할 수 있다. 프로그램 가능 바이어스를 변경하는 것은 변경이 불연속적이거나 연속적일 수 있는 경우 시간에 따라 프로그램 가능 바이어스를 변경하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 바이어스 회로(604)는 프로그램 가능 바이어스를 단계적으로 또는 연속 스윕으로 증가 또는 감소시킬 수 있다. 일부 예에서, 프로그램 가능 바이어스를 변경하는 것은 사인파, 코사인파, 사각파, 삼각파 또는 톱니파와 같은 간단한 파형일 수 있거나 또는 보다 복잡한 파형일 수 있는 주기적 파형과 같은 일정하지 않은 바이어스를 적용하는 것을 포함할 수 있다. 보다 복잡한 파형은 주파수 컴포넌트라 지칭되는 다수의 주파수에서 사인파의 합일 수 있거나 이와 동등할 수 있다. 또한, 바이어스 회로(604)가 주기적인 파형과 같은 일정하지 않은 바이어스를 적용함으로써 프로그램 가능 바이어스를 변경하는 경우, 바이어스 회로(604)는 파형 또는 복잡한 파형의 하나 이상의 주파수 컴포넌트의 진폭, 주파수 또는 위상을 변경함으로써 바이어스를 추가로 변경할 수 있다.
추가의 예에서, 측정 회로(606)는 여기 회로(602)가 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 대한 프로그램 가능 바이어스 중 하나 이상을 변경하는 동안 시간-의존성 측정을 수행할 수 있다. 측정 회로(606) 및/또는 분석 모듈(116)은 여기 회로(602)에 의해 적용된 변동과 시간-의존성 측정을 상관시킬 수 있다. 예를 들어, 측정 장치(122)는 바이어스 회로(604)에 대한 함수 발생기를 측정 회로(606)와 동기화하기 위한 트리거 라인을 포함할 수 있다. 또한, 일부 예에서, 측정 회로(606)는 하나 이상의 프로그램 가능 바이어스 및 하나 이상의 출력 신호의 시간-의존성 측정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 측정은 프로그램 가능 바이어스와 출력 신호 사이의 위상차를 측정하는 것을 포함할 수 있다.
다양한 예에서, 측정 회로(606)는 여기 회로(602)가 다양한 방식으로 프로그램 가능 바이어스를 변경하는 동안 미리 결정된 측정 대역폭을 사용하여 측정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 일부 예에서, 바이어스 회로(604)는 다른 프로그램 가능 바이어스를 일정하게 유지하면서 하나의 프로그램 가능 바이어스를 스윕, 스캔 또는 그렇지 않으면 서서히 변경(예를 들어, 일정한 드레인-소스 전압을 유지하면서 상대 전극(204)에서 게이트 바이어스를 변경하거나, 일정한 게이트-소스 전압을 유지하면서 드레인 바이어스를 변경하거나, 또는 일정한 드레인-게이트 전압을 유지하면서 소스 바이어스를 변경)할 수 있으며, 측정 회로(606)는 미리 결정된 측정 대역폭(이는 느린 바이어스 변동 또는 저주파 바이어스 변동보다 더 높은 주파수 대역일 수 있음)을 사용하여 측정을 수행할 수 있다. 바이어스의 이러한 느린 변동은 측정 대역폭보다 느린 속도, 측정 대역폭 내의 속도 및 측정 대역폭보다 빠른 속도를 포함하는 조합으로 서로 다른 주파수에서의 변동을 포함하는 복잡한 전체 파형의 일부일 수 있다.
바이어스 변동에 대한 주파수 선택은 바이어스 회로(604) 및 측정 회로(606)의 조정(coordination)을 포함한다. 프로그램 가능 바이어스에 포함할 주파수의 선택은 샘플의 평형화를 위한 측정된, 전형적인 또는 예상된 시간 척도뿐만 아니라 액체 유전체의 측정된, 전형적인 또는 예상된 공진 및 주파수 의존성에 기초할 수 있다. 느린 주파수 컴포넌트는 패러데이 전류 또는 이중층 재구성과 같은 샘플의 요소 및 효과가 측정 이벤트 사이에서 거의 평형에 도달할 수 있을 만큼 충분히 느린 변화로 생각할 수 있다. 측정 대역폭 내의 주파수는 공진을 목표로 하거나 표면으로부터의 거리를 목표로 하는 것으로 생각할 수 있다. 측정 대역폭보다 높은 주파수는 낮은 주파수에서 측정되는 상호작용 또는 비선형 효과를 트리거하려는 구동 전위로 생각할 수 있다.
일부 예에서, 바이어스 회로(604)는 측정 회로(606)가 측정을 수행하는 동안 하나 초과의 프로그램 가능 바이어스를 변경할 수 있다. 일부 경우에, 하나의 특정 전압을 다른 전압에 대해 변경하는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, 상대 전극을 통해 액체 게이트에 가변 또는 고주파 바이어스 전압을 적용하면 상대 전극과 그래핀 채널 사이의 전체 영역을 조사할 수 있다. 주파수 범위 및 분석에 있어서의 적절한 변화는 벌크 용액의 전도도 변화, 표면층에서 멀리 떨어진 영역의 생화학적 또는 화학적 변화, 도난 층 또는 이중층 내의 생화학적 또는 화학적 변화를 조사하는 데 사용될 수 있다. 이는 용액의 효소 변화, 소분자 및 세포 신호 상호작용, 대사 신호, 염 또는 pH의 변화를 찾을 경우에 바람직할 수 있다.
대조적으로, 소스 및/또는 드레인 전극에 가변 주파수 또는 고주파 바이어스를 적용하면 그래핀 채널에 가장 가까운 영역을 조사할 것이다. 이것은 주로 표면 효과, 표면 화학 물질, 차단층, 및 다른 부착된 생체분자를 평가하는 데 유용할 것이다. 예를 들어, 효소를 표면에 부착한 다음 소스 및/또는 드레인 상에 가변 주파수 또는 고주파 바이어스를 사용하면 표면에서 효소의 운동을 민감하게 검출할 수 있다. 유사하게, 표적 핵산이 표면 화학 물질에 결합하는 것과 같이 표면 화학 물질에 화학적 변형이 가해졌는지의 여부를 평가할 수 있다. 액체 게이트에 전압을 적용하거나 소스 및/또는 드레인에 전압을 적용하여 표면의 화학 반응을 제어하거나 트리거할 수 있다. 가변 주파수 또는 고주파 바이어스를 액체 게이트와 소스 및/또는 드레인 모두에 적용하여 측정 기회를 확장할 수 있다. 예를 들어, 상대 전극을 통해 액체 게이트에 가변 또는 고주파 바이어스를 적용하면 결합 상호작용과 같은 대규모 단백질 운동을 구동 및 역전시키는 데 사용될 수 있는 반면, 소스 및/또는 드레인에 적용된 가변 또는 고주파 바이어스는 결합 중에만 발생하는 공명을 검출/측정하기 위해 조정될 수 있다. 이러한 방식으로 여러 번의 반복 측정을 신속하게 수행하여 전체 감도를 높일 수 있다.
또한, 일부 예에서, 바이어스 회로(604)는 측정 회로(606)가 측정을 수행하는 동안 하나 이상의 여기 주파수에서 프로그램 가능 바이어스 중 하나 이상을 변조할 수 있다. 예를 들어, 생화학적 상호작용의 공진을 측정하기 위해, 바이어스 회로(604)는 상호작용에 대한 공진 또는 특성 주파수에서 프로그램 가능 바이어스 중 하나 이상을 변조할 수 있으며, 측정 회로(606)는 공진 또는 특성 주파수를 포함하는 측정 대역폭을 사용하여 측정을 수행한다.
일부 예에서, 전술한 바와 같이, 측정 거리(502)는 측정 대역폭의 주파수에 기초하거나 이에 대응할 수 있다. 예를 들어, 생화학적 상호작용의 저주파 또는 정전기적 양태는 도난 평형 영역 또는 이온 이중층에 의해 차폐될 수 있으며, 따라서 정전 차폐 거리(504) 내에서 발생할 경우에는 출력 신호에 영향을 미칠 수 있지만 대부분의 샘플 유체(110) 내에서 추가로 발생할 경우에는 그렇지 않을 수 있다. 그러나, 생화학적 상호작용의 고주파 양태는 정전 차폐 거리(504)를 초과하는 측정 거리(502)에서 출력 신호에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 측정 회로(606)는 바이어스 회로(604)로부터의 프로그램 가능 바이어스가 저주파이거나 비주기적(예를 들어, 일정하거나 천천히 스위핑됨)인 경우에 조차도 원하는 측정 거리(502)에 대응하는 측정 대역폭을 사용함으로써 정전 차폐 거리(504)를 초과하는 원하는 측정 거리(502)에서 발생하는 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득할 수 있다.
또한, 여기 회로(602)는 여기 주파수에서 프로그램 가능 바이어스 중 하나 이상을 변경 또는 변조할 수 있다. 생화학적 상호작용에 대한 공진 또는 특성 주파수는 이러한 공진이 공진 또는 특성 주파수에서 변조된 프로그램 가능 바이어스 또는 다른 여기 조건에 의해 여기되는 경우 출력 신호의 시간-의존성 측정에 더 크게 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 여기 주파수는 측정 대역폭 내의 주파수일 수 있으며, 측정 거리(502)는 여기 주파수에 대응할 수 있다. 여기 주파수에서 프로그램 가능 바이어스를 변조하는 것은 여기 주파수에서 파동(예를 들어, 사인파, 코사인파, 사각파 또는 기타 파형)에 의해 프로그램 가능 바이어스 진폭을 변조하는 것을 포함할 수 있거나, 또는 여기 주파수에서 주파수 컴포넌트를 갖는 복소 파형에 따라 프로그램 가능 바이어스를 변경하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 여기 주파수 f1에서 변조된 프로그램 가능 바이어스는 주파수 f1을 갖는 파동일 수 있다. 유사하게, 다중 여기 주파수 f1 내지 fn에서 변조된 프로그램 가능 바이어스는 주파수 f1 내지 fn을 갖는 파동의 합일 수 있다. 대안적으로, 다중 여기 주파수에서 변조된 프로그램 가능 바이어스는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 동시이기 보다는 순차적으로, 또는 순차적 및 동시 접근법의 일부 조합으로 적용된 주파수 f1 내지 fn을 갖는 일련의 파동일 수 있다.
다양한 여기 주파수는 생화학적 상호작용의 다양한 파라미터의 특성화를 용이하게 할 수 있다. 이온 이중층에 의한 차폐를 위한 컷오프 주파수는 샘플 유체(110)의 함량에 따라 대략 1 내지 50 MHz의 범위일 수 있다. 컷오프 주파수 아래의 여기 주파수에서, 볼 수 있는 효과는 생화학적 상호작용의 "핑거 프린트(fingerprint)"을 제공할 수 있는 공진을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적용된 필드 아래의 채널(210)에 연결된 생체분자 복합체의 진동의 공진 주파수는 복합체의 질량에 민감할 것이며, 따라서 측정 대역폭에서 이 주파수를 모니터링하면 분석 모듈(116)에 의해 복합체의 상태를 조사할 수 있다.
이온 이중층으로 차폐하기 위한 컷오프 주파수에 접근하는 여기 주파수에서, 이중층의 디바이 길이(또는 두께)는 이온이 필드 뒤에서 지연되기 시작하므로 여기 주파수에 의해 영향을 받을 것이다. 적용된 주파수를 저주파에서 고주파로 스캐닝하면 측정 거리(502)가 증가하여 채널 표면(428)으로부터 더 높은 거리에서 발생하는 생화학 작용에 대한 정보를 제공할 것이다. 상이한 주파수에 대해 검출된 신호를 분석 모듈(116)에 의해 생화학 모델과 비교하여 발생하는 상호작용에 대한 정보를 얻을 수 있다.
이온 이중층으로 차폐하기 위한 컷오프 주파수보다 훨씬 높은 여기 주파수에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)는 적용된 장에 대한 생체분자 또는 모이어티의 반응에 훨씬 더 민감할 수 있다. 생성된 신호는 이중층에 의해 차폐되지 않을 것이며, 그들이 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 출력 신호를 변조할 때 생체분자 복합체의 쌍극자 공진이 관찰될 수 있다.
일부 예에서, 여기 회로(602)가 다중 여기 주파수에서 프로그램 가능 바이어스 중 적어도 하나를 변조하는 경우, 분석 모듈(116)은 여기 주파수 사이의 하나 이상의 변화에 대응하는 생화학적 상호작용의 변화를 특성화할 수 있다. 예를 들어, 일례에서, 채널 표면(428)은 항원에 결합하는 항체와 같은 다른 모이어티에 결합하도록 포획 분자 또는 링커 분자로 작용화될 수 있다. 그러나, 항원은 큰 입자(예를 들어, 전염병을 유발하는 병원체)의 일부이거나 더 작은 입자(예를 들어, 병원체의 단편)의 일부일 수 있다. 링커 분자와 연결된 입자는 스프링(링커 분자)의 단부에서 질량(연결된 입자)과 유사한 공진을 가질 수 있으므로, 여기 주파수의 변화에 응답하여 출력 신호가 어떻게 변화하는지, 또는 출력 신호가 상이한 여기 주파수에 어떻게 응답하는지에 대한 분석은 분석 모듈(116)이 더 큰 포획된 입자를 포함하는 상호작용과 더 작은 포획된 입자를 포함하는 상호작용을 구별하는 것을 가능하게 할 수 있다.
여기 회로(602)가 다중 여기 주파수에서 프로그램 가능 바이어스 중 적어도 하나를 변조하는 하나 이상의 추가의 예에서, 분석 모듈(116)은 채널(210)의 표면(428)으로부터 다중 측정 거리(502)에서 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성되며, 여기서 다중 측정 거리(502)는 다중 여기 주파수에 대응한다. 각각의 여기 주파수는 채널 표면(428)으로부터 상이한 거리에서의 상호작용에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 다중 여기 주파수를 적용하면 분석 모듈(116)은 상이한 측정 거리(502)에서 샘플 유체(110)를 통해 상이한 "절편"에 대한 생화학적 상호작용에 대한 파라미터를 특성화할 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 예에서, 채널 표면(428)은 링커 분자 및 항체로 작용화되어 샘플 유체(110)에서 엑소좀을 포획할 수 있다. 엑소좀은 약 30 내지 150 nm의 직경을 갖는 막에 의해 결합된 세포외 소포일 수 있다. 여기 회로(602)는 다중 주파수에서 프로그램 가능 바이어스 중 적어도 하나를 변조할 수 있으므로 저주파는 분석 모듈(116)이 채널 표면(428)에 근접한 측정 거리(502)에서 결합된 엑소좀과 관련된 생화학적 상호작용의 파라미터를 특성화하는 것을 가능하게 하는 반면, 고주파는 분석 모듈(116)이 채널 표면(428)으로부터 더 멀리 떨어진 측정 거리(502)에서 벌크 샘플 유체(110)에서 발생하는 것과 관련된 생화학적 상호작용의 파라미터를 특성화하는 것을 가능하게 만든다. 따라서, 예를 들어, 분석 모듈(116)은 상이한 여기 주파수에 기초하여 벌크 샘플 유체(110)에서 자유롭게 이동하는 동일한 모이어티의 유사한 상호작용으로부터 엑소좀 멤브레인의 표면에 결합된 모이어티의 상호작용을 구별할 수 있다. 일부 예에서, 여기 회로(602)를 사용하여 샘플 유체(110)로 엑소좀 또는 다른 생체분자를 동전기적으로 조작할 수 있다.
일부 예에서, 여기 회로(602)는 2개의 상이한 여기 주파수에서 프로그램 가능 바이어스 중 하나 이상을 변조할 수 있으며, 측정 대역폭은 여기 주파수에 기초한 헤테로다인 주파수를 포함할 수 있다. 2개의 여기 주파수에 기초한 헤테로다인 주파수는 2개의 주파수의 합 또는 차일 수 있다. 예를 들어, 여기 회로(602)는 제1 여기 주파수 및 제1 여기 주파수와 상이한 제2 여기 주파수를 사용하여 하나 이상의 프로그램 가능 바이어스를 변조할 수 있다. 제1 및 제2 여기 주파수는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 상이한 단자에 적용되거나 단일 단자에 동시에 적용될 수 있다. 제1 및 제2 여기 주파수의 합 또는 차와 같은 헤테로다인 주파수는 측정 대역폭 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 프로그램 가능 바이어스를 변조하는 데 사용되는 여기 주파수는 측정 대역폭 외부에 있을 수 있지만, 부착된 단백질의 비선형 유전 특성으로 인해 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 대한 출력 신호의 주파수는 측정 대역폭 내에 있을 수 있다. 이는 측정 회로(606)가 적용된 바이어스 전체를 필터링하여 노이즈를 저하시키고 측정의 민감도 또는 선택도를 증가시킬 수 있도록 만든다.
여기 주파수의 합 또는 차에서의 헤테로다인 주파수는 여기 회로(602)에 의한 프로그램 가능 바이어스(들)의 변조로부터 기인할 수 있다. 예를 들어, 여기 회로(602)는 2개의 상이한 여기 주파수에서 소스 바이어스, 드레인 바이어스, 상대 전극(204)을 통해 액체 게이트에 적용되는 게이트 바이어스, 또는 소스 및 게이트 또는 소스 및 드레인 바이어스의 조합을 포함하는 프로그램 가능 바이어스를 변조할 수 있으며, 여기서 여기 주파수 중 하나 또는 둘 모두는 칩-기반 바이오센서(104)의 컷오프 주파수보다 높다. 이어서, 헤테로다인 주파수에서의 반응은 측정 회로(606)에 의해 측정될 수 있다.
일부 예에서, 여기 주파수는 칩-기반 바이오센서(104) 및/또는 측정 회로(606) 또는 측정 장치(122)의 다른 컴포넌트에 대한 컷오프 주파수보다 높거나 낮을 수 있으며, 측정 대역폭은 헤테로다인 주파수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단백질 배좌(protein conformation)에 대한 작은 변화는 나노초 단위로 발생할 수 있다. 유사하게, 이온 이중층에 대한 이완 주파수는 용액의 이온 강도에 따라 1 내지 100 MHz 범위일 수 있다. 그러나, 일부 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)는 2 MHz 컷오프 주파수 초과의 이벤트(예를 들어, 이온 이중층 외부의 이벤트, 또는 나노초 시간 척도에서의 이벤트)를 검출, 측정, 또는 "탐색"하도록 약 2 MHz 측정에 대한 컷오프 주파수를 가질 수 있고, 컷오프 주파수 초과의 적어도 하나의 여기 주파수를 사용할 수 있으며, 헤테로다인 주파수에서 측정할 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 여기 회로(602)를 사용하여 다중 주파수 여기 바이어스를 적용하면 측정 회로(606)는 여기 주파수보다 상당히 높거나 낮은 헤테로다인 주파수에서 측정을 수행하고 상호작용을 "탐색"하거나 검출하는 것이 가능할 수 있다.
다양한 예에서, 여기 회로(602)는 여기 주파수에서 프로그램 가능 바이어스(또는 다중 프로그램 가능 바이어스)를 변조할 수 있으며, 측정 회로(606)에 대한 측정 대역폭은 전달 곡선(전류 대 게이트 전압)이 비선형인 경우 여기 주파수의 하나 이상의 더 높은 고조파(예를 들어, 제2 고조파, 제3 고조파, 또는 그 이상, 여기서 제1 고조파는 기본 주파수임)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 여기 주파수는 특정 효소에 대한 효소 활성을 유도할 수 있다. 해당 활성을 수행하는 효소는 완전한 효소 사이클을 완결하기 위해 결합, 화학적 변형 및 방출과 같은 다수의 작은 작업을 수행할 것이다. 이러한 각각의 단계는 필수적으로 구동 사이클보다 빠르게 수행될 것이며 더 높은 특성 주파수를 가질 것이다. 효소 활성의 하위 단계 중 단 하나만을 평가하기 위해, 측정 대역폭 내의 주파수는 여기 주파수보다 높을 수 있다. 또 다른 예에서, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 대한 디랙 전압은 채널(210)에 고정된 항체에 항원이 결합하는 것과 같은 특정 결합 이벤트가 발생할 경우에 이동할 수 있다. 가변 또는 고주파 게이트 바이어스는 상대 전극(204)을 통해 액체 게이트에 적용될 수 있으며, 게이트 바이어스는 결합 이벤트와 관련된 이동된 디랙 전압과 일치하는 DC 오프셋에 중심을 둔다. 결합 이벤트 후, 적용된 게이트 바이어스의 주파수는 트랜지스터의 전류 대 게이트 전압 반응의 높은 비선형성으로 인해 채널을 통과하는 전류에서 두 배가 되며, 결합 이전에는 존재하지 않는 더 높은 고조파로서 민감하게 측정될 수 있다. 유사하게, 일부 예에서, 측정 회로(606)에 대한 측정 대역폭은 여기 회로(602)가 프로그램 가능 바이어스를 변조하기 위해 해당 주파수를 구체적으로 사용하는지의 여부에 관계없이 생화학적 상호작용에 대한 특성 주파수 또는 공진 주파수의 하나 이상의 고조파를 포함할 수 있다. 여기 또는 공진 주파수의 더 높은 고조파에서의 측정은 상호작용을 특성화하기 위한 추가적인 정보를 제공할 수 있다.
일부 예에서, 생화학적 상호작용의 특정 양태는 온도에 민감할 수 있다. 따라서, 여기 회로(602)는 온도 제어 회로(414)를 사용하여 샘플 유체(110)에 온도 변화를 적용할 수 있다. 예를 들어, 특정 Cas 효소는 특정 온도에서 최적으로 작동할 수 있다. 이러한 경우, 온도를 최적의 범위 내로 이동시키면 감지 신호가 최대화되는 반면, 온도를 해당 범위 밖으로 이동시키면 Cas 활성의 추정된 포지티브 측정이 최적 온도 아래로 감소함을 확인함으로써 선택도가 증가한다. 측정 회로(606)는 온도 변화 전후에 시간-의존성 측정을 수행할 수 있으며, 분석 모듈(116)은 온도 변화에 대응하는 생화학적 상호작용의 변화를 특성화할 수 있다.
다양한 예에서, 여기 회로(602) 및 측정 회로(606)는 제1 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)를 사용하는 측정과 병행하여 제어 측정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제2 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)는 샘플 유체(110) 대신에 비-반응성 생체분자 차단층 또는 물과 같은 제어 유체와 함께 칩-기반 바이오센서(104)에 제공될 수 있다. 여기 회로(602) 및 측정 회로(606)는 여기 조건을 적용하고 두 트랜지스터(106) 모두에 대한 측정을 병행하여 수행할 수 있으며, 제2 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)로부터의 제어 측정치는 분석 모듈(116)에 의해 분석되기 전에 제1 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)로부터의 측정치에서 차감될 수 있다.
도 7은 본 개시내용의 하나 이상의 예에 따라 생화학적 상호작용의 여기 및 측정을 위한 방법(700)을 예시하는 개략적인 흐름도이다. 방법(700)은 채널(210)을 포함하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)를 제공(702)하는 것으로 시작한다. 샘플 유체(110)는 채널(210)의 표면(428)과 접촉하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용(704)된다. 여기 회로(602)는 하나 이상의 여기 조건을 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 적용(706)함으로써, 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 하나 이상의 출력 신호가 샘플 유체(110) 내의 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는다. 일부 예에서, 여기 조건은 (예를 들어, 상대 전극(204)을 통해) 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 액체 게이트에 바이어스 회로(604)에 의해 적용된 게이트 바이어스 및 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)의 드레인(202)에 적용된 드레인 바이어스를 포함하는 복수의 프로그램 가능 바이어스를 포함한다. 일부 예에서, 여기 조건을 적용하는 단계(706)는 다중 여기 주파수에서 프로그램 가능 바이어스 중 하나를 변조하는 여기 회로(602)를 포함할 수 있다.
측정 회로(606)는 하나 이상의 측정 거리에 대응하는 사전 결정된 측정 대역폭을 사용하여 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 하나 이상의 출력 신호 중 적어도 하나의 복수의 시간-의존성 측정을 수행함으로써 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득(708)한다. 분석 모듈(116)은 복수의 시간-의존성 측정에 기초하여 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화(710)하고, 방법(700)은 종료된다. 일부 실시형태에서, 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하는 단계(710)는 다중 여기 주파수 사이의 하나 이상의 변화에 대응하는 생화학적 상호작용의 하나 이상의 변화를 특성화하는 분석 모듈(116)을 포함할 수 있다.
도 8 내지 도 30은 하나 이상의 액체 게이트 그래핀 전계 효과 트랜지스터("gFET")의 다양한 예를 도시한다. 도 8 내지 도 30에 도시된 gFET는 아래에서 기술되는 차이점을 제외하고는 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106, 106a, 106b, 106c)와 실질적으로 유사할 수 있다.
도 2를 참조하면, 액체 게이트 트랜지스터(106)는 소스 접점(212)을 드레인 접점(202)에 커플링하는 채널(210)을 포함하므로, 트랜지스터에 대한 하나 이상의 출력 신호는 여기 조건 및 검출 범위 또는 채널과 접촉하는 샘플 유체 내에 있거나 또는 검출 범위 또는 채널 내에 있는 하나 이상의 이온, 분자, 또는 모이어티에 의해 영향을 받는다. 유사하게, 도 8 내지 도 30을 참조하여 기술된 액체 게이트 gFET에서, 채널은 접점 사이에서 전류를 전도하고, 출력 신호는 채널과 접촉하는 유체의 이벤트 또는 상호작용에 의해 영향을 받을 수 있다. 액체 게이트 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 특정 컴포넌트는 다른 컴포넌트들 사이의 변경을 설명하는 도 8 내지 도 30에서는 편의상 생략되었지만, 그럼에도 불구하고 실제 트랜지스터에 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 8 내지 도 15 및 도 19 내지 도 30은 기준 전극 또는 상대 전극을 도시하지 않았지만, 이들 도면에 도시된 컴포넌트를 포함하는 실제 트랜지스터는 기준 전극 및 상대 전극을 포함할 수 있다.
또한, 도 8 내지 도 30에서, 전류를 채널 내부 또는 외부로 전도하기 위한 접점(예를 들어, 도 8의 접점(802))은 접점 사이의 바이어스에 따라 전류가 어느 방향으로든 흐를 수 있고 대부분의 전하 캐리어를 (예를 들어, 상대 전극을 통해) 적용된 게이트 전압 및/또는 적용된 샘플 유체의 기타 조건에 따라 전자 또는 정공으로서 갖기 때문에 소스 또는 드레인 접점으로 라벨링되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 도 8 내지 도 30을 참조하여 기술된 접점은 다른 트랜지스터에 대해 전술한 드레인(202) 및 소스(212) 접점과 실질적으로 유사할 수 있다.
도 8을 참조하면, gFET(800)는 그래핀 채널(810)에 의해 커플링된 적어도 2개의 접점(802)을 포함한다. 패시베이션 층은 접점(802) 및/또는 채널(810)의 일부 위에 증착되며, 윈도우(806)(점선으로 표시됨)는 채널(810)의 적어도 일부를 노출시키도록 패시베이션 층 내에서 패턴화된다. 일부 예에서, 패시베이션 층은 접점(802)의 작은 부분을 노출시킬 수 있다.
후속 도면에서, 문맥상 달리 명확하게 나타내지 않는 한 유사한 번호는 유사한 요소를 지칭한다. 따라서, 도 9에서, gFET(900)의 일례는 채널(910)에 의해 커플링된 접점(902)을 포함하며, 패시베이션 층의 윈도우(906)는 채널(910)의 적어도 일부를 노출시킨다. 후속 도면 도 10 내지 도 30은 유사하게 채널(1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010, 2110, 2210, 2310, 2410, 2510, 2610, 2710, 2810, 2910, 3010)에 의해 커플링된 2개 이상의 접점(1002, 1102, 1202, 1302, 1402, 1502, 1602, 1702, 1802, 1902, 2002, 2102, 2202, 2302, 2402, 2502, 2602, 2702, 2802, 2902, 3002)을 각각 포함하는 트랜지스터(1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 2500, 2600, 2700, 2800, 2900, 3000)를 도시하며; 여기서 패시베이션 층의 윈도우(1006, 1106, 1206, 1306, 1406, 1506, 1606, 1706, 1806, 1906, 2006, 2106, 2206, 2306, 2406, 2506, 2606, 2706, 2806, 2906, 3006)는 채널 표면의 적어도 일부를 노출시킨다.
일부 예에서, gFET 채널은 도 2에 도시된 바와 같이 직사각형일 수 있다. 그러나, 도 8 내지 도 30을 참조하여 아래에서 기술되는 다양한 트랜지스터 형상 및 디자인은 (생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(106)에 대해 본원에서 기술되는 바와 같이) 다양한 방식의 상이한 유형의 측정에 영향을 미칠 수 있다.
도 8은 채널 폭(810)이 점진적으로 감소되어 채널을 따라 한 지점에서 최소 폭이 되도록 그래핀이 패턴화되는 수축-기반 디자인(constriction-based design)을 갖는 gFET(800)를 도시한다. 이러한 채널 폭은 100 나노미터 미만일 수 있으며, 이는 그래핀에서 수축 구동 밴드갭을 생성하기 시작하여 (예를 들어, 접점(802) 사이의 전류 대 상대 전극을 통해 적용된 게이트 전압의 I-V 그래프 상에서) 게이트 전달 곡선의 기울기를 가파르게 할 것이다. 이러한 수축-기반 디바이스는 밴드갭에 대해 약간의 주파수 의존성을 가질 수 있으며, 또한 수축부에 위치된 임의의 생물 제제 또는 기타 감지 표적이 감지 측정을 지배하도록 하여 화학적 상호작용의 소스를 소수의 사이트, 잠재적으로는 단일 사이트로 제한함으로써 주파수-기반 측정의 분석을 단순화할 수 있다.
수축-기반 디자인의 덜 극단적인 예에서, 수축은 밴드갭을 생성하기 위해 사용되지 않고 단지 제조를 용이하게 하는 방식으로 트랜지스터(800)(예를 들어, gFET)의 활성 게이트 영역을 감소시키기 위해 사용될 것이다. 예를 들어, 광학 리소그래피는 사용되는 도구에 따라 0.2 내지 1.0 마이크로미터의 해상도로 제한될 것이다. 이러한 경우, 수평 수축부는 도구의 해상도에 가깝게 패턴화될 것이며, 이어서 이것은 광학 리소그래피 해상도를 갖는 대략 정사각형 모양의 전체 액체 게이트 오버랩을 제공하기 위해 게이트 패시베이션의 해상도에서 패턴화된 수직 윈도우(806)와 인터페이스될 것이다. 이러한 작은 액체 게이트 영역은 감소된 커패시턴스를 가질 것이며, 그에 따라 디바이스의 속도는 증가하고 작용화에 유용한 그래핀 노출 영역은 작아질 것이며, 이는 단일 분자 검출을 위한 경로가 될 수 있다.
도 9는 작은 채널 디자인을 갖는 gFET(800)를 도시하며, 여기서 채널(910)은 2개의 더 큰 그래핀 영역 사이에 삽입된 작은 일반적으로 직사각형 영역을 포함한다. 이러한 디자인은 수축-기반 디자인과 동일한 많은 속성을 갖지만 제조하기가 더 쉬울 수 있다.
일부 제조 방법의 경우, 수축부 또는 작은 채널의 크기는 리소그래피 해상도로 제한될 수 있다. 그러나, 특정 에칭 기술을 사용하여 수축 또는 작은 채널에 대해 더 작은 그래핀 영역을 형성할 수 있다. 예를 들어, 금 또는 다른 적합한 금속의 "하드마스크" 층이 그래핀 채널(910) 위에 증착되어 윈도우(906)을 형성하기 위한 패시베이션 층의 패턴화와 같은 후속 공정 동안 오염 또는 손상으로부터 채널을 보호할 수 있다. 금은 그 후에 에칭되어 채널(810)을 노출시킬 수 있다. 그러나, 하드마스크(예를 들어, 금)가 예를 들어 약 10 나노미터로 매우 얇게 제조된 경우, 금속의 언더컷 에칭 속도는 느려지고 금속의 제어된 습식 에칭을 사용하여 그래핀 영역을 광학 해상도 아래로 제어 가능하게 감소시킬 수 있을 것이다. 대안적으로, 훨씬 더 얇은 금속 층(예를 들어, 금)의 상부에 있는 산화알루미늄 층과 같은 다양한 유형의 보호층이 순차적으로 에칭될 수 있다.
도 10 및 11은 접촉 한정 디자인(contact limited design)을 갖는 gFET(1000, 1100)를 도시한다. 이러한 경우, 채널(1010, 1100)의 중간에서 발생하는 최소 채널 폭 대신에, 이는 소스 및 드레인 금속 리드를 갖는 접점(1002, 1102) 중 하나 또는 둘 모두에서 발생할 것이다. 도 10은 두 개의 접점(1002)에서 발생하는 최소 채널 폭을 갖는 대칭 디자인을 도시하는 반면, 도 11은 하나의 접점(1102)에서 발생하는 최소 채널 폭을 갖는 비대칭 디자인을 도시한다. 이러한 경우, 접점 위치는 지배적인 저항 지점이 될 것이다.
도 10을 참조하면, 대칭형 접촉 한정 채널(1010)에서, 소스 및 드레인 접점(1002)의 자체 게이트화는 저항 대 소스-드레인 전압에서 점진적이고 가역적인 비선형 거동을 야기할 것이다. 게이트 전달 곡선은 또한 소스 또는 드레인 접점(1002)에 게이트에 비해 더 큰 전압을 적용함으로써 n-형 또는 p-형으로 기울어질 수도 있다. 이는 원하는 주파수 혼합을 향상시키거나 또는 원치 않는 주파수 혼합을 감소시키기 위해 비선형 효과의 정밀한 조정을 허용할 수 있다. 또한, 도 10의 디자인은 트랜지스터의 기하학적 커패시턴스에 대한 트랜지스터의 양자 커패시턴스의 비율의 변경을 허용할 수 있다. 양자 커패시턴스는 수축된 소스와 드레인에 의해 제한되는 반면, 기하학적 커패시턴스는 더 큰 표면적에 의해 향상될 것이다. 이러한 비율을 변경하면 전체 시스템의 전기적 특성에 대한 샘플 액체 조성물의 상대적 기여도를 엔지니어링할 수 있을 것이다. 도 8 및 도 9는 기하학적 커패시턴스에 대한 양자 커패시턴스의 기여도를 향상시키는 방법의 예를 보여준다.
도 11을 참조하면, 비대칭형 접촉 한정 채널(1110)은 단지 하나의 접점(1102)에서만 채널 수축부를 가질 것이다. 이는 원하는 비선형 반응을 얻기 위해 게이트에 대해 단지 하나의 전압만을 적절하게 제어해야 하므로 디바이스를 제어하기 쉽도록 만들 것이다. 비선형 출력 곡선은 또한 채널(1110)의 반대편에 접점(1102)을 형성하기 위해 티타늄 및 니켈과 같은 매우 상이한 일함수를 갖는 2개의 상이한 금속을 사용함으로써 달성되거나 향상될 수 있다.
도 12는 단층 트랜지스터 디자인의 gFET(1200)를 도시하며, 여기서 채널(1210)은 다수의 접점(1202)을 갖는 비교적 큰 그래핀 시트이다. 상이한 접점(1202)을 갖는 소스 전압 및 전류 측정의 조합은 2차원의 그래핀 시트에 전체에 걸쳐 연속적으로 저항의 매핑을 허용할 것이다. 매핑의 해상도는 에지의 전극 간 간격에 의해 설정된다. 이러한 디자인은 단지 그래핀 표면의 다중화된 부분에 별개의 결합 모이어티가 얼마나 밀접하게 부착될 수 있는가에 의해서만 제한되는 대형 다중 어레이로 다중화를 용이하게 할 수 있다. 다중화된 단층 트랜지스터 디자인을 제조하는 것는 다양한 다중화된 트랜지스터를 디자인하는 것보다 간단하다. gFET(1200)의 단층 트랜지스터 디자인은 분석물의 온칩 공간 분류 및/또는 분리에 대한 향상된 유용성을 갖는다. 이러한 디자인의 또 다른 이점은 윈도우(1206) 내의 표면 영역의 대부분이 그래핀이라는 사실로 인해 윈도우(1206)에 의해 노출된 비-그래핀 물질의 표면 완충 효과가 상당히 감소한다는 점이다.
도 13은 구불구불한 형상의 채널(1310)을 갖는 gFET(1300)를 도시한다. 구불구불한 채널(1310)은 픽셀 다중화에 적합한 콤팩트한 형상의 큰 감지 영역을 갖는 긴 그래핀 채널을 제공한다. 이러한 디자인은 낮은 트랜스컨덕턴스를 가질 수 있지만 희석률이 높은 샘플에서 감지를 용이하게 할 수 있다. 채널(1310)은 또한 구불구불하지 않은 채널보다 더 큰 에지 대 표면 평면 비율을 가질 수 있으며, 이는 채널(1310)의 화학적 반응성이 더 높은 에지가 작용화 및 감지에 사용되는 응용 분야에서 감도를 증가시킬 수 있다. 이러한 디자인의 단점으로는 높은 전체 저항, 낮은 트랜스컨덕턴스, 제조 문제에 대한 민감성을 포함한다. 임피던스 측면에서, 이러한 디자인은 높은 저항, 높은 인덕턴스, 및 높은 게이트 커패시턴스를 가질 수 있다.
도 14는 채널(1410)이 평행한 그래핀 스트립을 포함하는 gFET(1400)를 도시한다. 도 13에 도시된 구불구불한 채널(1310)과 비교하여, 채널(1410)에 대한 평행 스트립 디자인은 유사하게 그래핀에 대해 높은 에지 대 표면 평면 비율을 가질 수 있지만, 더 높은 트랜스컨덕턴스를 갖는다.
도 15는 채널(1510)이 맞물린 접점(1502) 사이에 배치된 평행한 그래핀 스트립을 포함하는 gFET(1500)를 도시한다. 맞물린 접점(1502)는 큰 채널 폭 및 큰 감지 영역을 다중화에 적합한 컴팩트한 형상으로 제공할 수 있다. 이러한 경우, 트랜스컨덕턴스가 매우 높을 수 있고, 그래핀 평면 표면적 대 에지 비율이 커져 신호 대 잡음비가 증가할 수 있다. 이러한 종류의 디바이스를 제조하는 것은 길이가 짧을수록 더 어려울 수 있으며, 이 경우 접촉 저항을 줄이거나 최소화하면 채널(1500)에서 결합 이벤트에 대한 트랜지스터(1500)의 감도를 유지할 수 있다. 이러한 디자인은 낮은 저항, 낮은 인덕턴스, 및 높은 게이트 커패시턴스를 가질 수 있다.
도 8 내지 도 15에서 설명된 gFET의 다양한 예는 디바이스 임피던스의 설계를 허용하기 때문에 특정의 측정 주파수에서 출력 신호의 시간-의존성 측정을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, gFET의 접점 또는 채널에 대해 특정 크기 및 형상을 선택하면 제조업자는 총 저항, 접점 저항, 채널 저항, 채널 인덕턴스, 및/또는 채널 커패시턴스(게이트에 대한)를 맞춤화할 수 있다.
도 16 내지 도 30은 트랜지스터 물질의 다양한 특성, 채널 저항률을 테스트하는 데 사용될 수 있는 gFET 디자인을 도시한다. 이러한 디자인은 또한 다양한 특성을 가진 gFET를 제공하면 다양한 종류의 측정을 용이하게 할 수 있는 다중 감지 응용 분야에서도 유용할 수 있다.
도 16 내지 도 18은, 전술한 상대 전극(204) 및 기준 전극(208)과 실질적으로 유사할 수 있는, 상대 전극(1604, 1704, 1804) 및 이중 기준 전극(1608, 1708, 1808)을 포함하는 gFET(1600, 1700, 1800)를 도시한다. 상대 전극(1604, 1704, 1804)과 채널(1610, 1710, 1810) 사이의 거리는 gFET(1600)에서 gFET(1700), gFET(1800) 순으로 감소한다. 상이한 채널-상대 전극 간격을 갖는 다수의 트랜지스터를 제공하면 액체 게이트 저항을 쉽게 측정할 수 있다. 하나 초과의 백금 기준 전극(1608, 1708, 1808)을 제공하면 개별 기준 전극의 안정성을 쉽게 측정할 수 있거나, 또는 적용된 액체의 저항률이 높은 경우에는 적용된 액체 전위의 공간적 변화를 쉽게 매핑할 수 있다.
도 19 내지 도 25는 채널 폭의 함수로서 접촉 저항률 및 그래핀 시트 저항을 포함하는 저항률을 측정하기 위한 gFET를 도시한다. 도 19 내지 도 21에서, gFET(1900, 2000, 2100)의 "홀 바(Hall bar)" 형상은 그래핀 채널(1910, 2010, 2110)에서 전하 캐리어의 밀도를 결정하기 위해 자기장 하에서 4-점 탐침 기술 및 홀 저항 측정을 가능하게 한다. 그래핀 채널(1910, 2010, 2110)의 폭은 gFET(1900)에서 gFET(2000)으로, 이어서 gFET(2100) 순으로 감소하므로 채널 폭의 함수로 측정할 수 있다.
도 22 내지 도 24에서, gFET(2200, 2300, 2400)의 전송 라인 측정(TLM: transmission line measurement) 구조는 접점 사이에 다수의 채널(2210, 2310, 2410)을 포함하고, 채널 길이는 각각의 트랜지스터 내에서 변하므로 채널 길이의 함수로서 측정할 수 있다. 도 19 내지 도 21에서와 같이, 채널 폭은 트랜지스터(2200, 2300, 2400) 사이에서 변하므로, 채널 폭의 함수로서 측정할 수 있다. 도 25는 하이브리드 홀 바 및 TLM 디자인을 가진 gFET(2500)를 도시한다.
도 26 내지 도 28은 일정한 폭 대 길이 비율로 채널 영역을 변화시켜 일정한 저항을 제공할 수 있는 반 데르 파우(van der Pauw) 구조로 구성된 gFET(2600, 2700, 2800)를 도시한다. 반 데르 파우 구조는 저항률을 측정할 수 있는 4-점 탐침 구조이다.
도 29 내지 도 30은 gFET(2900, 3000)를 국부적으로 백게이트화된 구조로 도시한다. 화학적-기계적 폴리싱(Chemical-mechanical polishing)("CMP")은 그래핀 채널(2910, 3010) 아래에 로컬 백 게이트(local back gate)(2950, 3050)를 제조하는 데 사용될 수 있다. 이는 채널 표면 전위 및 액체 전위의 변화를 어느 정도 독립적으로 허용한다. 반대로, 로컬 백 게이트(2950, 3050)는 채널 전위와 액체 전위를 연결하거나 기준 전극을 독립적으로 게이트화하는 데 사용될 수 있으며, 이는 채널이 작업 전극이 아닌 기준 전극으로 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 그런 경우에, 소스 및 드레인 접점(2902, 3002)은 그래핀 채널 전위가 DC 액체 전압에서 부유할 수 있도록 칩 배선에 용량적으로 커플링될 수 있다. 고주파 여기 및 측정은 칩 배선에 대한 소스 및 드레인 접점의 용량적 커플링시킴으로써 채널을 통해 교류를 제공할 수 있다.
도 30에 도시된 바와 같이, 그래핀 채널(3010)은 추가의 백금 기준 전극(3008)에 연결되어 그래핀 채널 전위를 액체 전위에 보다 근접하게 일치시킬 수 있다. 그래핀과 액체 사이의 전위차를 최소화하면 큰 전위가 액체에 적용되는 경우, 예를 들어 전기영동을 수행하는 경우 그래핀이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 일부 예시적인 어레이에서, 큰 전위를 사용하는 전기영동 방법은 상이한 포획제를 수평 및/또는 수직으로 이동시켜 미리 결정된 트랜지스터에 회합시킴으로써 미리 결정된 트랜지스터를 상이한 포획제로 작용화하는 데 사용될 수 있다.
도 8 내지 도 30에 도시된 제1 내지 제23 기하 구조의 일부 또는 전부의 다양한 조합은 다양한 여기 모드, 측정 주파수, 다중화 등을 수용하도록 불균일하게 또는 균일하게 작용화될 수 있는 별개의 단일 트랜지스터, 트랜지스터의 그룹, 다중 채널 트랜지스터, 트랜지스터의 어레이를 형성하는 데 사용될 수 있는 불균일하고 호환 가능한 빌딩 블록으로서 이용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
예 및 구현예들은 다른 특정 형태로 실시될 수 있다. 기술된 예는 모든 면에서 단지 예시적이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 특허청구범위로 나타낸다. 청구범위의 등가의 의미 및 범위 내에서 일어나는 모든 변경은 그 범위 내에 포함되어야 한다.

Claims (20)

  1. 하나 이상의 여기 조건(excitation condition)을 채널을 포함하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터(biologically gated transistor)에 적용함으로써, 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터로부터의 하나 이상의 출력 신호는 채널의 표면과 접촉하는 샘플 유체 내의 모이어티(moiety)의 생화학적 상호작용에 의해 및 상기 하나 이상의 여기 조건에 의해 영향을 받을 수 있도록 구성된 여기 회로(excitation circuitry);
    하나 이상의 측정 거리(measurement distance)에 대응하는 사전 결정된(predetermined) 측정 대역폭을 사용하여, 상기 여기 조건 및 상기 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 하나 이상의 출력 신호 중 적어도 하나의 복수의 시간-의존성 측정을 수행함으로써, 상기 채널의 표면으로부터 정전 차폐 거리(electrostatic screening distance)를 초과하는 적어도 하나의 측정 거리를 포함하는 하나 이상의 측정 거리에서 발생하는 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득하도록 구성된, 측정 회로(measurement circuitry); 및
    상기 복수의 시간-의존성 측정에 기초하여 상기 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성된 분석 모듈(analysis module)
    을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미리 결정된 측정 대역폭은 상기 생화학적 상호작용의 적어도 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위한 미리 결정된 주파수 기준을 만족시키는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 여기 조건은, 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 액체 게이트에 적용된 게이트 바이어스, 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 드레인에 적용된 드레인 바이어스, 및 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 소스에 적용된 소스 바이어스를 포함하는 복수의 프로그램 가능 바이어스(programmable bias)를 포함하고, 상기 여기 회로는 상기 프로그램 가능 바이어스 중 하나 이상을 변경하도록 구성되는, 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 여기 회로는 다중 여기 주파수에서 상기 프로그램 가능 바이어스 중 하나를 변조하도록 구성되고, 상기 분석 모듈은 상기 채널의 표면으로부터 다중 측정 거리에서 상기 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성되며, 상기 다중 측정 거리는 상기 다중 여기 주파수에 대응하는, 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 여기 회로는 제1 여기 주파수 및 상기 제1 여기 주파수와 상이한 제2 여기 주파수를 사용하여 상기 프로그램 가능 바이어스 중 하나 이상을 변경하도록 구성되고, 상기 측정 대역폭은 상기 제1 여기 주파수 및 상기 제2 여기 주파수에 기초한 적어도 하나의 헤테로다인(heterodyne) 주파수를 포함하는, 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 여기 회로는 여기 주파수에서 상기 프로그램 가능 바이어스 중 하나를 변조하도록 구성되고, 상기 측정 대역폭은 상기 여기 주파수의 적어도 하나의 더 높은 고조파(higher harmonic)를 포함하는, 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 시간-의존성 측정은 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 기준 전극을 통한 샘플 유체의 전기화학적 전위의 측정을 포함하는, 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 여기 회로는 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 상대 전극에 적용된 전압을 변경함으로써 샘플 유체의 전기화학적 전위를 조정하도록 구성되는, 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 여기 조건은 샘플 유체에 대한 온도를 포함하고, 상기 여기 회로는 온도를 제어하도록 구성된 온도 제어 회로를 포함하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 시간-의존성 측정은 상기 여기 회로에 의해 적용된 온도 변화 전후의 측정을 포함하고, 상기 분석 모듈은 상기 온도 변화에 대응하는 생화학적 상호작용의 변화를 특성화하도록 구성되는, 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분석 모듈은 상기 복수의 시간-의존성 측정에 기초하여 관찰된 스펙트럼을 측정하고 상기 관찰된 스펙트럼을 생화학적 상호작용의 하나 이상의 모델에 대응하는 하나 이상의 모델 스펙트럼과 비교함으로써 상기 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성되는, 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 시간-의존성 측정에 기초한 정보를 원격 데이터 저장소로 전송하도록 구성된 통신 회로(communication circuitry)를 추가로 포함하는 장치.
  13. 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 하나 이상의 출력 신호가 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 대한 채널의 표면과 접촉하는 샘플 유체의 적용 및 하나 이상의 여기 조건의 적용에 응답하여 상기 샘플 유체 내의 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받도록 구성된 채널을 포함하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터;
    하나 이상의 여기 조건을 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 적용하도록 구성된 여기 회로;
    하나 이상의 측정 거리에 대응하는 사전 결정된 측정 대역폭을 사용하여 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 하나 이상의 출력 신호 중 적어도 하나의 복수의 시간-의존성 측정을 수행함으로써, 채널의 표면으로부터 정전 차폐 거리를 초과하는 적어도 하나의 측정 거리를 포함하는 하나 이상의 측정 거리에서 발생하는 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득하도록 구성된, 측정 회로; 및
    상기 복수의 시간-의존성 측정에 기초한 정보를 원격 데이터 저장소로 전송하도록 구성된 통신 회로
    를 포함하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 원격 데이터 저장소와 통신하는 분석 모듈을 추가로 포함하고, 이때 상기 분석 모듈은 상기 원격 데이터 저장소로 전송된 정보에 기초하여 상기 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성되는, 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 미리 결정된 측정 대역폭은 상기 생화학적 상호작용의 적어도 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위한 미리 결정된 주파수 기준을 만족시키는, 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 여기 조건은, 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 액체 게이트에 적용된 게이트 바이어스, 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 드레인에 적용된 드레인 바이어스, 및 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 소스에 적용된 소스 바이어스를 포함하는 복수의 프로그램 가능 바이어스를 포함하고, 상기 여기 회로는 상기 프로그램 가능 바이어스 중 하나 이상을 변경하도록 구성되는, 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 여기 회로는 다중 여기 주파수에서 상기 프로그램 가능 바이어스 중 하나를 변조하도록 구성되고, 상기 분석 모듈은 상기 채널의 표면으로부터 다중 측정 거리에서 상기 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하도록 구성되며, 상기 다중 측정 거리는 상기 다중 여기 주파수에 대응하는, 시스템.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 여기 조건은 샘플 유체에 대한 온도를 포함하고, 상기 여기 회로는 온도를 제어하도록 구성된 온도 제어 회로를 포함하는, 시스템.
  19. 채널을 포함하는 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터를 제공하는 단계;
    샘플 유체를 상기 채널의 표면과 접촉하는 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 적용하는 단계;
    하나 이상의 여기 조건을 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터에 적용함으로써, 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 하나 이상의 출력 신호가 상기 샘플 유체 내의 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받도록 하는 단계;
    하나 이상의 측정 거리에 대응하는 사전 결정된 측정 대역폭을 사용하여 상기 생화학적 상호작용에 의해 영향을 받는 상기 하나 이상의 출력 신호 중 적어도 하나의 복수의 시간-의존성 측정을 수행함으로써, 상기 생화학적 상호작용에 대응하는 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 복수의 시간-의존성 측정에 기초하여 상기 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하는 단계
    를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 여기 조건은, 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 액체 게이트에 적용된 게이트 바이어스 및 상기 생물학적으로 게이트화된 트랜지스터의 드레인에 적용된 드레인 바이어스를 포함하는 복수의 프로그램 가능 바이어스를 포함하고;
    상기 여기 조건을 적용하는 단계는 다중 여기 주파수에서 상기 프로그램 가능 바이어스 중 하나를 변조하는 단계를 포함하며;
    상기 생화학적 상호작용의 하나 이상의 파라미터를 특성화하는 단계는 상기 다중 여기 주파수의 여기 주파수 사이의 하나 이상의 변화에 대응하는 상기 생화학적 상호작용의 하나 이상의 변화를 특성화하는 단계를 포함하는, 방법.
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