CN114401792A - 分析物的传送和检测 - Google Patents

Abstract

公开了用于分析物的传送和检测的设备、系统和方法。珠状物(624)可以利用捕获部分(626)被功能化以结合至靶标部分。可以将尚未在样品溶液(110)中培育的珠状物(624)定位在流体(414)中、在生物传感器(104)的感测表面(420)附近。可以使用生物传感器(104)执行校准测量，之后可以移除珠状物(624)。可以将已经在样品溶液(110)中培育的珠状物(624)定位在感测表面(420)附近，并且可以使用生物传感器(104)执行检测测量。可以基于校准测量和检测测量来确定诸如样品溶液(110)中的靶标部分的存在、不存在或浓度的参数。

Description

分析物的传送和检测

相关申请的交叉引用

本申请要求Regis Peytavi等人于2019年8月7日提交的且题为“DEVICES ANDMETHODS FOR LABEL-FREE DETECTION OF ANALYTES”的美国临时专利申请第62/883,887号的权益；并且要求Kiana Aran等人于2020年6月9日提交的且题为“DYNAMIC EXCITATIONAND MEASUREMENT OF BIOCHEMICAL INTERACTIONS”的美国临时专利申请第63/036,772号的权益；上述专利申请中的每一个都在法律允许的范围内通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本文中公开的主题涉及生物技术，并且更具体地涉及分析物的传送和检测。

背景技术

存在用于检测诸如特定分子或部分(moiety)的分析物的各种生化测验。当液体溶液中的分析物在感测表面附近时，特定测验可以检测分析物。然而，液体溶液中的许多分析物可能没有足够靠近于感测表面以被检测到。

发明内容

公开了一种用于分析物的传送和检测的系统。在一些实施方式中，基于芯片的场效应生物传感器包括感测表面。在一些实施方式中，感测表面被配置成使得基于芯片的场效应生物传感器的一个或更多个输出信号响应于向基于芯片的场效应生物传感器施加一个或更多个激励条件以及与感测表面接触地施加流体、而受到感测表面的测量距离内的电荷的影响。在一些实施方式中，珠状物控制装置(bead control device)包括用于将多个珠状物电磁定位在流体内的一个或更多个珠状物控制部件。在一些实施方式中，珠状物可以利用捕获部分被功能化以结合至靶标部分(target moiety)。在一些实施方式中，测量控制器被配置成对基于芯片的场效应生物传感器和珠状物控制装置进行操作，以利用被定位在感测表面的测量距离内的第一组珠状物对输出信号中的至少一个输出信号执行校准测量，其中，第一组珠状物尚未在样品溶液中培育。在一些实施方式中，测量控制器被配置成操作珠状物控制装置以从感测表面移除第一组珠状物。在一些实施方式中，测量控制器被配置成对基于芯片的场效应生物传感器和珠状物控制装置进行操作，以利用被定位在感测表面的测量距离内的第二组珠状物对所述至少一个输出信号执行检测测量，其中，第二组珠状物已经在样品溶液中培育。在一些实施方式中，分析模块被配置成基于校准测量和检测测量确定与样品溶液中的靶标部分的存在相关的参数。

公开了一种用于分析物的传送和检测的方法。在一些实施方案中，所述方法包括提供利用捕获部分被功能化以结合至靶标部分的多个珠状物。在一些实施方式中，所述方法包括将第一组珠状物定位在流体内以在基于芯片的场效应生物传感器的感测表面的测量距离内，其中，第一组珠状物尚未在样品溶液中培育。在一些实施方式中，所述方法包括对来自基于芯片的场效应生物传感器的至少一个输出信号执行校准测量。在一些实施方式中，所述方法包括从感测表面移除第一组珠状物。在一些实施方式中，所述方法包括在样品溶液中培育第二组珠状物。在一些实施方式中，所述方法包括将第二组珠状物定位在流体内以在感测表面的测量距离内。在一些实施方式中，所述方法包括对至少一个输出信号执行检测测量。在一些实施方式中，所述方法包括基于校准测量和检测测量确定与样品溶液中的靶标部分的存在相关的参数。

公开了一种用于分析物的传送和检测的设备。在一些实施方式中，该设备包括用于将多个珠状物定位在流体内、在基于芯片的场效应生物传感器的感测表面的测量距离内的装置，其中，珠状物利用捕获部分被功能化以结合至靶标部分。在一些实施方式中，该设备包括用于利用被定位在感测表面的测量距离内的第一组珠状物、使用基于芯片的场效应生物传感器执行校准测量的装置，其中，第一组珠状物尚未在样品溶液中培育。在一些实施方式中，该设备包括用于利用被定位在感测表面的测量距离内的第二组珠状物、使用基于芯片的场效应生物传感器执行检测测量的装置，其中，第二组珠状物已在样品溶液中培育。

附图说明

为了容易地理解本发明的优点，将参照附图中示出的具体实施方式呈现以上简要描述的本发明的更具体的描述。要理解的是，这些附图仅描绘了本发明的典型实施方式并且因此不应被视为限制其范围，将通过使用附图来利用附加的具体性和细节描述和解释本发明，在附图中：

图1是示出用于分析物的传送和检测的系统的一个实施方式的示意性框图；

图2是示出用于分析物的传送和检测的设备的一个实施方式的示意性框图，该实施方式包括生物栅控晶体管的一个实施方式；

图3是示出用于分析物的传送和检测的设备的另一实施方式的示意性框图，该实施方式包括生物栅控晶体管的另一实施方式；

图4是示出用于分析物的传送和检测的设备的又一实施方式的示意性框图，该实施方式包括珠状物和珠状物控制部件的实施方式；

图5是示出用于分析物的传送和检测的设备的另一实施方式的示意性框图，该实施方式包括珠状物和珠状物控制部件的实施方式；

图6是示出珠状物的一个实施方式的侧视图；

图7是图4中指示的区域的详细视图，图7示出在一个实施方式中在校准测量期间的珠状物和感测表面；

图8是图4中指示的区域的详细视图，图8示出在一个实施方式中从感测表面移除珠状物；

图9是图4中指示的区域的详细视图，图9示出在一个实施方案中在培育期间的珠状物和感测表面；

图10是图4中指示的区域的详细视图，图10示出在一个实施方式中在检测测量期间的珠状物和感测表面；

图11是示出包括珠状物控制装置和测量控制器的设备的一个实施方式的示意性框图；

图12是示出用于分析物的传送和检测的方法的一个实施方式的示意性流程图；

图13是示出用于分析物的传送和检测的方法的另一实施方式的示意性流程图；以及

图14是示出用于分析物的传送和检测的方法的另一实施方式的示意性流程图。

具体实施方式

如本领域技术人员将理解的，本公开的各方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，实施方式可以采取完全硬件实施方式、完全软件实施方式(包括固件、驻留软件、微代码等)或者结合软件方面和硬件方面的实施方式的形式，这些软件和硬件方面在本文中全部可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，实施方式可以采取包含在一个或更多个计算机可读存储装置中的程序产品的形式，上述一个或更多个计算机可读存储装置存储有机器可读代码、计算机可读代码和/或程序代码，下文中称为“代码”。存储装置可以是有形的、非暂态的和/或非传输的。存储装置可以不包括信号。在特定实施方式中，存储装置仅采用用于访问代码的信号。

该说明书中描述的某些功能单元已被标记为模块，以便更具体地强调它们的实现方式独立性。例如，模块可以实现为包括定制VLSI电路或门阵列的硬件电路、例如逻辑芯片的成品半导体、晶体管或其他分立部件。模块也可以以例如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置等的可编程硬件装置来实现。

模块也可以以通过各种类型的处理器执行的代码和/或软件来实现。例如，所标识的代码模块可以包括例如可以被组织为对象、过程或功能的可执行代码的一个或更多个物理块或逻辑块。然而，所标识的模块的可执行部分不需要在物理上位于一起，而是可以包括存储在不同位置的不同指令，这些指令在逻辑上结合在一起时构成模块并且实现模块的所述目的。

实际上，代码模块可以是单个指令或多个指令，并且甚至可以分布在若干个不同的代码段上、分布在不同的程序中以及跨若干个存储装置分布。类似地，在本文中可以标识和示出模块内的操作数据，并且操作数据可以以任何合适的形式来体现并且可以被组织在任何合适类型的数据结构内。操作数据可以被集合为单个数据集，或者可以分布在不同位置上，包括分布在不同计算机可读存储装置上。在模块或模块的一部分以软件实现的情况下，软件部分被存储在一个或更多个计算机可读存储装置上。

可以利用一个或更多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是存储代码的存储装置。存储装置可以是但不限于例如电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、全息的、微机械的或半导体系统、设备或装置，或者前述的任何合适的组合。

存储装置的更具体示例(非详尽列表)包括下面的内容：具有一个或更多个布线的电连接件、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式致密盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储装置、磁性存储装置或者前述的任何合适组合。在该文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是可以包含或存储由指令执行系统、设备或装置使用或者与指令执行系统、设备或装置结合使用的程序的任何有形介质。

用于实行实施方式的操作的代码可以用诸如汇编语言的机器语言以及/或者一种或更多种编程语言的任何组合来编写，上述编程语言包括：面向对象的编程语言，例如Python、Ruby、Java、Smalltalk、C++等；以及常规的过程式编程语言，例如“C”编程语言等。代码可以完全在用户的计算机上执行、部分地在用户的计算机上执行、作为独立的软件包执行、部分地在用户的计算机上以及部分地在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过包括局域网(LAN)或广域网(WAN)的任何类型的网络连接至用户的计算机，或者可以与外部计算机进行连接(例如，通过使用因特网服务提供商的因特网)。

如本文中所使用，部件包括有形的、物理的、非暂态的装置。例如，部件可以实现为包括定制VLSI电路、门阵列或其他集成电路的硬件逻辑电路；诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立部件的成品半导体；以及/或者其他机械装置或电学装置。部件也可以以诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置等的可编程硬件装置实现。部件可以包括一个或更多个硅集成电路装置(例如，芯片、管芯、管芯平面、封装)或者其他分立电学装置，其通过印刷电路板(PCB)的电线等与一个或更多个其他部件进行电通信。在特定实施方式中，本文中描述的模块中的每个模块都可以替选地通过部件体现或实现为部件。

如本文中所使用，电路或电路系统包括为电流提供一个或更多个路径的一个或更多个电学和/或电子部件的集合。在特定实施方式中，电路系统可以包括电流的返回路径，使得电路是闭环。然而，在另一实施方式中，不包括电流的返回路径的部件集合也可以被称为电路或电路系统(例如，开环)。例如，无论集成电路是否耦接至地(作为电流的返回路径)，集成电路都可以称为电路或电路系统。在各种实施方式中，电路系统可以包括集成电路、集成电路的一部分、集成电路集合、具有或不具有集成电路装置的非集成电学部件和/或电学部件集合等。在一个实施方式中，电路可以包括定制VLSI电路、门阵列、逻辑电路或其他集成电路；诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立装置的成品半导体；以及/或者其他机械装置或电学装置。电路还可以实现为诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置等(例如，固件、网表等)的可编程硬件装置中的合成电路。电路可以包括一个或更多个硅集成电路装置(例如，芯片、管芯、管芯平面、封装)或者其他分立电学装置，其通过印刷电路板(PCB)的电线等与一个或更多个其他部件进行电通信。在特定实施方式中，本文中描述的模块中的每个模块都可以通过电路体现或实现为电路。

贯穿该说明书，对“一个实施方式”、“实施方式”或类似的语言的提及意指结合实施方式所描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施方式中。因此，除非另有明确说明，否则贯穿该说明书出现的短语“在一个实施方式中”、“在实施方式中”和类似的语言可以但不一定都指代相同的实施方式，而是意指“一个或更多个但并非全部实施方式”。除非另有明确说明，否则术语“包括”、“包含”、“具有”及其变型意指“包括但不限于”。除非另有明确说明，否则列举的项的列表并不暗指这些项中的任何项或全部项是互相排斥的。除非另有明确说明，否则术语“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”还指代“一个或更多个”。

此外，所描述的实施方式的特征、结构或特性可以以任何合适的方式进行组合。在下面的描述中，提供了许多具体细节以提供对实施方式的透彻理解，上述具体细节例如为编程、软件模块、用户选择、网络事务、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等的示例。然而，相关领域的技术人员将意识到，实施方式可以在没有具体细节中的一个或更多个的情况下来实践，或者利用其他方法、部件、材料等来实践。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使实施方式的各方面模糊。

以下参照根据实施方式的方法、设备、系统和程序产品的示意性流程图和/或示意性框图来描述实施方式的各方面。应当理解，可以通过代码来实现示意性流程图和/或示意性框图中的每个块以及示意性流程图和/或示意性框图中的块的组合。可以将该代码提供至通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实现在示意性流程图和/或示意性框图的块或多个块中指定的功能/动作的装置。

代码也可以存储在存储装置中，该代码可以指导计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置以特定方式运转，使得存储在存储装置中的指令产生包括实现示意性流程图和/或示意性框图的块或多个块中指定的功能/动作的指令的制品。

代码还可以被加载至计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，使得在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行一系列操作步骤来产生计算机实现的处理，从而使得在计算机或其他可编程设备上执行的代码提供用于实现流程图和/或框图的块或多个块中指定的功能/动作的处理。

附图中的示意性流程图和/或示意性框图示出了根据各种实施方式的设备、系统、方法和程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。在这方面，示意性流程图和/或示意性框图中的每个块可以表示包括用于实现指定逻辑功能的代码的一个或更多个可执行指令的模块、区段或代码的一部分。

还应当注意，在一些替选实现方式中，在块中指出的功能可以不按照附图中所指出的顺序发生。例如，根据所涉及的功能，连续示出的两个块实际上可以基本上同时执行，或者这两个块有时可以按照相反的顺序执行。可以构思出在功能、逻辑或效果上与所示附图的一个或更多个块或其一部分等同的其他步骤和方法。

尽管在流程图和/或框图中可以采用各种箭头类型和线类型，但是它们被理解为不限制相应的实施方式的范围。实际上，一些箭头或其他连接符号可以用于仅指示所描绘的实施方式的逻辑流。例如，箭头可以指示所描绘的实施方式的列举步骤之间的未指定持续时间的等待或监测时段。还应注意，框图和/或流程图中的每个块以及框图和/或流程图中的块的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件和代码的组合来实现。

对每个附图中的元件的描述可以参考先前附图的元件。相似的附图标记在所有附图中指代相似元件，包括相似元件的替选实施方式。

如本文中所使用的，使用“和/或(以及/或者)”连词的列表包括列表

中的任何单个项目或列表中的项目的组合。例如，A、B和/或C的列表包

括仅A、仅B、仅C、A和B的组合、B和C的组合、A和C的组合或者

A、B和C的组合。如本文中所使用的，使用术语“中的一个或更多个”的列表包括列表中的任何单个项目或列表中的项目的组合。例如，A、B和C中的一个或更多个包括仅A、仅B、仅C、A和B的组合、B和C的组合、A和C的组合或者A、B和C的组合。如本文中所使用的，使用术语“中的一个”的列表包括列表中任何单个项目中的一个且仅一个。例如，“A、B和C中的一个”包括仅A、仅B或仅C并且不包括A、B和C的组合。如本文中所使用的，“选自由A、B和C组成的组中的成员”包括A、B或C中的一个且仅一个，并且不包括A、B和C的组合。如本文中所使用的，“选自由A、B和C及其组合组成的组中的成员”包括仅A、仅B、仅C、A和B的组合、B和C的组合、A和C的组合或者A、B和C的组合。

定义：

如本文中所使用的，术语“基于芯片的场效应生物传感器”是指以下传感器：在衬底上包括感测表面，使得当与感测表面接触地施加流体时，生物传感器的输出信号能够受到接近于感测表面的流体中的电场和/或磁场的调制或影响。例如，流体内的离子或极性分子可能会影响感测表面附近的电场，从而影响输出信号，例如电压、电流、阻抗、电容等。术语“生物传感器”可以指其中流体被施加至感测表面的使用中的这种装置，或者指流体被施加之前的相同装置。可以使用术语“生物传感器”而不考虑流体内的分子或部分是否是生物产生的。例如，生物传感器可以用于感测流体中的生物产生的分子或部分或者合成产生的分子或部分，但是在任一情况下仍可以称为“生物传感器”。

如本文中所使用的，术语“生物栅控晶体管”是指一种基于芯片的场效应生物传感器，其被配置为其中通过至少一个通道的在源极端子与漏极端子之间的电流能够受到与通道表面接触的流体内的事件、事情或相互作用栅控、调制或影响的晶体管。因此，通道表面是生物传感器的感测表面。例如，流体内的离子、分子或部分的相互作用或者通道表面与流体内的离子、分子或部分之间的相互作用可能能够栅控、调制或影响通道电流。术语“生物栅控晶体管”可以用于指代其中流体被施加至通道的表面的使用中的这样的装置，或者指代流体被施加之前的相同装置。可以使用术语“生物栅控晶体管”而不考虑流体内的分子或部分是否是生物产生的。例如，生物栅控晶体管可以通过流体中生物产生的酶与酶的底物之间的相互作用而被栅控，或者可以通过流体内的非生物相互作用而被栅控，但是仍可以称为“生物栅控”。

如本文中所使用的，术语“输出信号”是指来自基于芯片的场效应生物传感器的可测量或可检测的电信号，或者可以基于可测量或可检测的信号计算出的结果。例如，输出信号可以是基于芯片的场效应生物传感器的一个或更多个端子处的电压、一个或更多个基于芯片的场效应生物传感器处的电流、电容、电感或电阻(基于所施加和所测量的电压和电流计算出的)、复值阻抗、复阻抗谱、电化学阻抗谱、阈值电压、狄拉克电压(Dirac voltage)、功率谱密度、一个或更多个网络参数(例如，S参数或h参数)等。

如本文中所使用的，有关距例如基于芯片的场效应生物传感器中的感测表面或生物栅控晶体管中的通道表面的表面的距离的术语“距离”是指点(例如，在被施加至生物传感器的液体中)与表面的离上述点最近的点之间的距离。例如，从感测表面到所施加的流体中的在感测表面正上方的点的距离是沿着与感测表面正交(垂直)的线的在感测表面上的点到流体中的点之间的距离。

如本文中所使用的，术语“测量距离”是指距基于芯片的场效应生物传感器中的感测表面的距离，使得在测量距离处或测量距离内出现的至少一些相互作用、分子或部分以可以通过测量控制器检测到的方式影响输出信号。换言之，来自基于芯片的场效应生物传感器的输出信号对测量距离内的电荷(例如，离子的电荷或者部分、分子或分子复合物内的电荷)敏感。通过测量控制器是否可以检测到对输出信号的影响可以取决于测量控制器的实际灵敏度、输出信号中的噪声的噪声水平、输出信号受到更靠近于感测表面的事件或事情影响的程度等。通过测量控制器是否可以检测到对输出信号的影响可以基于关于检测或灵敏度的预定阈值，上述预定阈值可以是信噪比，上述信噪比是由距表面一定距离处的事件引起的对输出信号的影响与由感测表面处的事件引起的对输出信号的影响之间的比率等。在一些示例中，测量距离可以取决于激励条件，或者也可以取决于频率。

如本文中所使用的，术语“在测量距离内”是指被施加至基于芯片的场效应生物传感器的流体内的对象，使得从感测表面到这种对象的至少一部分的距离小于测量距离。例如，如果流体中的珠状物的至少一部分比测量距离更靠近于表面，则珠状物可以被称为在测量距离内。这种珠状物可以完全在测量距离内，或者可以包括比测量距离更远离感测表面延伸的部分。

如本文中所使用的，术语“激励条件”是指被施加于基于芯片的场效应生物传感器或者被施加至由基于芯片的场效应生物传感器测量的样品的物理条件、电学条件或化学条件。激励条件可能影响被施加于生物传感器的流体中的分子或部分的状态，这进而可能影响来自生物传感器的一个或更多个输出信号。例如，激励条件可以包括被施加至生物栅控晶体管的电信号的电压、电流、频率、幅度、相位或波形、一个或更多个温度、一个或更多个流体流速、电磁辐射的一个或更多个波长等。

如本文中所使用的，术语“珠状物”是指直径在约1nm至10μm范围内的、具有被配置成与溶液中的分子或部分的相应组分结合的功能化表面的颗粒。一些珠状物是磁性的，而其他珠状物是非磁性的。珠状物的非限制性示例包括使用链霉亲和素涂层功能化的颗粒，该涂层被配置成与溶液中的生物素化分子结合。用于使珠状物表面功能化的材料的其他非限制性示例包括抗体、生物素、结合至生物素的蛋白质、锌指蛋白、CRISPR Cas家族酶、核酸和合成核酸类似物，例如肽核酸、异种核酸等。

如本文中所使用的，术语“部分”是指分子的一部分。例如，部分可以是生物素化分子的生物素部分、与珠状物的表面链接的链霉亲和素部分等。在复数形式中，术语“部分”可用于指代多个类型的部分(例如，捕获部分和靶标部分)或者指代多个分子的相同类型的部分的多个实例(例如，靶标部分的多个实例)。

如本文中所使用的，术语“靶标部分”是指分析物的部分，其可以是对于其可以在测验或测试中确定与分析物相关的存在、不存在、浓度、活性或其他参数的分子或分子复合物。例如，使用基于芯片的场效应生物传感器的测验可以用于确定包括靶标部分的分析物的存在、不存在或浓度。

如本文中所使用的，术语“捕获部分”是指具有用于结合至靶标部分的亲和力的部分。例如，当靶标部分是生物素时，捕获部分可以是生物素结合蛋白，或者当靶标部分是核酸序列时，捕获部分可以是RNA引导的Cas酶。相反，当靶标部分是生物素结合蛋白时，捕获部分可以是生物素，或者当靶标部分是RNA引导的Cas酶时，捕获部分可以是核酸序列。

存在用于检测诸如特定分子或部分的分析物的各种生化测验。当液体溶液中的分析物在感测表面附近时，特定测验可以检测到分析物。然而，当分析物是大分子时，分析物在液体溶液中的扩散可能不会使足够的分析物足够靠近于感测表面以被检测到。

附加地，一些测验可以涉及对感测表面进行功能化以捕获分析物或结合至分析物。然而，感测表面一旦被功能化成与特定分析物结合那么就可能不适合于测量其他分析物，导致制造商可能制造昂贵的单一用途传感器而非能够用于多个测验的低成本传感器。另外，在功能化感测表面或者分析物被荧光或比色标签标记以光学地检测分析物与感测表面的结合的情况下，用于标记的试剂、标记反应时间和用于检测的光学部件可能会显著地增加测验的时间、复杂性和费用。

相比之下，如本文中所公开的，使用基于芯片的场效应生物传感器与用于捕获靶标部分的珠状物和用于将珠状物定位在感测表面附近的珠状物控制部件的测验可以高效地且廉价地传送和检测分析物。可以使用传统的电子制造技术构建基于芯片的场效应生物传感器，从而降低成本。使用基于芯片的场效应生物传感器的系统可以能够对各种各样的靶标执行电子靶标检测，从而降低单个测验的总体成本。

图1是示出用于分析物的传送和检测的系统100的一个实施方式的示意性框图。在所描绘的实施方式中，系统100包括一个或更多个基于芯片的场效应生物传感器104、芯片读取器装置102、样品制备设备112、计算装置114、远程数据储存库118和数据网络120。

在所描绘的实施方式中，基于芯片的场效应生物传感器104在所描绘的实施方式中包括一个或更多个生物栅控晶体管106，以下将进一步对此进行详细描述。在各种实施方式中，基于芯片的场效应生物传感器104可以包括布置在固体支承物上的一个或更多个感测表面。在生物栅控晶体管106中，感测表面可以是将漏极端子耦接至源极端子的通道的表面。在电容或电化学传感器中，感测表面可以是工作电极的表面，并且基于芯片的场效应生物传感器104可以包括具有用于测量电化学势的参考电极和用于改变电化学势的对电极(counter electrode)的电化学系统。

当与感测表面接触地施加流体时，一层或更多层的离子可以在感测表面附近形成。例如，双层离子可以包括被吸引至或吸附至感测表面的第一层离子以及被吸引至第一层中的离子的第二层离子。或者，如果已经通过将特定分子或部分(例如，蛋白质、肽、表面活性剂、例如聚乙二醇的聚合物等)固定至感测表面而将表面功能化，形成具有净电荷的离子渗透层，那么来自流体的离子可以因为吉布斯-唐南效应(Gibbs-Donnan effect)而扩散至固定的分子或部分的离子渗透层中，从而形成唐南平衡区。在任一情况下，感测表面附近的电荷都可以充当生物栅控晶体管106的通道或电容传感器的工作电极与所施加的流体的主体之间的电介质。

当激励条件被施加于基于芯片的场效应生物传感器104时，诸如通道电流或电容的输出信号可以取决于该(有效)电介质层内的电荷，或者更通常地，取决于感测表面的测量距离内的电荷。影响生物传感器104的输出信号的在感测表面的测量距离内的电荷可以是带正电荷或带负电荷的离子或部分，或者可以是替代其他电荷的不带电荷的分子或部分(例如，包括相等数量的正电荷和负电荷)。例如，如果施加于基于芯片的场效应生物传感器104的流体包括具有带负电荷的磷酸基团的DNA分子，则将DNA分子传送至感测表面附近或与感测表面接触会将负电荷带至测量距离内，从而影响生物传感器104的输出信号。

在一些实施方式中，基于芯片的场效应生物传感器104可以包括多个晶体管，其中上述晶体管中至少一个晶体管是生物栅控晶体管106。在一些实施方式中，基于芯片的场效应生物传感器104可以包括不使用场效应感测的一个或更多个附加传感器，以及具有用于场效应感测的感测表面的传感器。例如，可以包括使用太赫兹光谱、表面增强光谱、石英晶体微天平、光栅耦合干涉测量等的各种类型的传感器。在一些实施方式中，基于芯片的场效应生物传感器104可以包括另外的部件，例如流动池(flow cell)或流体推进机构。

在所描绘的实施方式中，芯片读取器装置102包括用于与基于芯片的场效应生物传感器104的部件进行通信(例如，向基于芯片的场效应生物传感器104的部件发送电信号或从基于芯片的场效应生物传感器104的部件接收电信号)的电路系统。例如，基于芯片的场效应生物传感器104可以包括具有一个或更多个生物栅控晶体管106的芯片或集成电路，上述芯片或集成电路被安装至在一个边缘处具有电触点的印刷电路板。芯片读取器装置102中的插座可以包括匹配的触点，使得基于芯片的场效应生物传感器104可以插入至芯片读取器装置102中或从芯片读取器装置102移除。各种其他或另外的类型的连接器可以用于提供基于芯片的场效应生物传感器104与芯片读取器装置102之间的可拆卸耦接。

在另外的实施方式中，芯片读取器装置102可以包括用于经由数据网络120进行通信的电路系统。例如，芯片读取器装置102可以通过数据网络将与使用基于芯片的场效应生物传感器104执行的测量有关的信息传达至计算装置114和/或传达至远程数据储存库118。在各种实施方式中，数据网络120可以是因特网，或者可以是诸如广域网、城域网、局域网、虚拟专用网等的另一网络。在另一实施方式中，除了通过数据网络120进行通信之外或者代替通过数据网络120进行通信，芯片读取器装置102可以以另一方式传达信息。例如，芯片读取器装置102可以显示或打印信息、将信息保存至可移除数据存储装置等。

在所描绘的实施方式中，珠状物控制装置122和测量控制器124由基于芯片的场效应生物传感器104和/或芯片读取器装置102实现。

在各种实施方式中，珠状物控制装置122可以包括用于将多个珠状物电磁定位在被施加至基于芯片的场效应生物传感器104的流体内的一个或更多个珠状物控制部件。如参照后续附图进一步详细讨论的，珠状物可以使用捕获部分被功能化以结合至靶标部分并且可以被控制成将珠状物带至基于芯片的场效应生物传感器104的感测表面的测量距离内。因此，在各种实施方式中，珠状物可以结合至分析物，并且可以被电磁定位成使分析物靠近感测表面以被检测到。

在各种实施方式中，电磁定位珠状物可以包括使用电场和/或磁场来移动珠状物或者限制或约束珠状物的运动。例如，电磁定位珠状物的珠状物控制部件可以是可以被控制成使磁性珠状物朝向表面移动或使磁性珠状物远离表面移动或者被控制成将磁性珠状物保持在表面上(例如，在用以洗涤珠状物的流体流动期间)的电磁体。作为另一示例，电磁定位珠状物的珠状物控制部件可以是平行导电板(或其他导体)对，其被配置成使得将不同电压施加至上述导体中的每个导体而在上述导体之间产生电场、以通过吸引或排斥带电荷的珠状物来移动珠状物或者限制珠状物的运动。用于产生电场和/或磁场的各种其他或另外的部件可以用作珠状物控制部件。

附加地，在各种实施方式中，珠状物控制装置122可以包括用于控制珠状物控制部件的电路系统。例如，珠状物控制装置122可以包括用于控制电磁体的电力供应部件、电流源或调节器，用于向场板施加电势的电压源或调节器，用于对珠状物控制部件进行电力施加、移除或调制的控制电路系统等。

在各种实施方式中，测量控制器124可以包括用以将激励条件施加至基于芯片的场效应生物传感器104的激励电路系统，上述基于芯片的场效应生物传感器104包括生物栅控晶体管106或电容传感器。响应于激励条件以及与感测表面接触的流体的施加，来自基于芯片的场效应生物传感器104的输出信号(例如电流、电压、电容、阻抗等)可能受到感测表面的测量距离内的电荷的影响。例如，如果所施加的流体包含生物素化的DNA，并且如果具有与靶标生物素部分结合的捕获部分的珠状物在流体中被培育并被带至测量距离内，则与珠状物结合的DNA的负电荷可能会影响一个或更多个输出信号。测量控制器124可以包括用以对受到测量距离内的电荷影响的输出信号中的至少一个输出信号执行一个或更多个测量的测量电路系统。以下更详细地描述测量控制器124的各种实施方式。

在一些实施方式中，基于芯片的场效应生物传感器104可以包括珠状物控制装置122和/或测量控制器124。例如，珠状物控制部件、激励电路系统和/或测量电路系统可以作为基于芯片的场效应生物传感器104的一部分与生物栅控晶体管106或电容传感器设置在相同的芯片上，或者设置在相同的封装上、相同的印刷电路板上等。在另一实施方式中，芯片读取器装置102可以包括珠状物控制装置122和/或测量控制器124。例如，珠状物控制部件、激励电路系统和/或测量电路系统可以设置在芯片读取器装置102中，以便与多个基于芯片的场效应生物传感器104一起重复使用。

在另一实施方式中，基于芯片的场效应生物传感器104和芯片读取器装置102两者均可以包括珠状物控制装置122和/或测量控制器124的部分。例如，基于芯片的场效应生物传感器104可以包括珠状物控制装置122的部分，诸如接近于感测表面的、用于将珠状物定位在感测表面的测量距离内的电磁体，以及芯片读取器装置102可以包括珠状物控制装置122的其他部分，诸如用于从感测表面移除珠状物的电磁体。在各种实施方式中，珠状物控制装置122的部分和/或测量控制器124的部分可以以各种其他或另外的方式设置在基于芯片的场效应生物传感器104与芯片读取器装置102之间。

附加地，虽然在所描绘的实施方式中的系统100包括可以耦接至芯片读取器装置102或从芯片读取器装置102移除的基于芯片的场效应生物传感器104，但是在另一实施方式中，基于芯片的场效应生物传感器104的功能和/或部件以及芯片读取器装置102的功能和/或部件可以集成至单个装置中。相反，在一些实施方式中，系统可以包括多个装置而不是单个芯片读取器装置102。例如，测量控制器124的激励电路系统和/或测量电路系统可以包括可以耦接至基于芯片的场效应生物传感器104的实验室工作台硬件，例如源测量单元、函数发生器、偏置三通、化学阻抗分析仪、锁定放大器、数据采集装置等。

在所描绘的实施方式中，样品制备设备112被配置成自动或半自动地制备样品溶液110。使用基于芯片的场效应生物传感器104的测验可以用于确定与样品溶液中的分析物的存在相关的参数，上述参数例如是分析物的存在、不存在或浓度。因此，样品溶液110的制备可以包括制备其中可能存在或不存在分析物的溶液。在一些实施方式中，样品制备设备112可以包括自动化分配装备，例如分配机器人和/或流体系统。在一些实施方式中，样品制备设备112可以包括其自身的控制器以及用户界面，以用于设置样品制备参数，例如样品溶液110的培育时间和温度。在一些实施方式中，样品制备设备112可以经由数据网络120来控制。例如，计算装置114或测量控制器124可以控制样品制备设备112。

在另一实施方式中，系统100可以省略样品制备设备112，并且样品溶液110可以被手动地制备。在一些实施方式中，制备样品溶液110可以包括获得或制备其中可观察到分析物(或者可检测到不存在分析物)的流体的样品。在一些实施方式中，制备样品溶液110可以包括在样品溶液中培育珠状物。在一些实施方式中，样品溶液110可以是直接获得而无需另外的样品制备步骤的生物样品，例如血液、尿液、唾液等。在另一实施方式中，用以制备样品溶液110的另外的样品制备步骤可以包括添加试剂、浓缩或稀释、加热或冷却、离心等。各种其他或另外的制备技术可以用于制备与测量控制器124一起使用的样品溶液110。

在各种实施方式中，样品溶液110可以包括一个或更多个类型的生物分子108。在各种实施方式中，生物分子108可以是由生物有机体产生的任何分子，包括诸如蛋白质、多糖、脂质和核酸(DNA和RNA)的大聚合物分子以及诸如初级代谢物、次级代谢物以及其他自然产物的小分子。生物分子108或其他分析物可以包括能够被结合至珠状物的捕获部分的靶标部分。例如，靶标部分可以包括生物素或DNA序列，并且可以分别通过生物素结合蛋白(例如链霉亲和素、亲和素、中性亲和素等)或者通过RNA引导的Cas酶结合。当珠状物被定位在感测表面的测量距离内时，可以检测到结合至珠状物的分析物的存在或不存在或者相关参数。

在所描绘的实施方式中，计算装置114实现分析模块116。在各种实施方式中，计算装置114可以是膝上型计算机、台式计算机、智能电话、手持式计算装置、平板计算装置、虚拟计算机、集成至仪器中的嵌入式计算装置等。在另外的实施方式中，计算装置114可以经由数据网络120与测量控制器124进行通信。在特定实施方式中，分析模块116被配置成基于如下所述的由测量控制器124采取的校准测量和检测测量，来确定与样品溶液110中的靶标部分的存在相关的参数。在各种实施方式中，分析模块116可以确定与靶标部分的存在相关的各种参数，例如，诸如靶标部分(或包括靶标部分的分析物)是否存在于样品溶液中的指示、靶标部分(或包括靶标部分的分析物)的浓度、或者与该浓度相对应的或与该浓度相关的另一参数等。

在所描绘的实施方式中，分析模块116与测量控制器124分开，并且由与测量控制器124分开的计算装置114实现。在另一实施方式中，分析模块116可以与测量控制器124部分或完全地集成。例如，测量控制器124可以包括专用逻辑硬件和/或执行存储在存储器中的代码的处理器以实现分析模块116中的全部或部分。在一些实施方式中，分析模块116可以实现为形成基于芯片的场效应生物传感器104的一部分和/或芯片读取器装置102的一部分的嵌入式处理器系统或其他集成电路。在分析模块116与测量控制器124集成的一些实施方式中，系统100可以省略单独的计算装置114。

在各种实施方式中，远程数据储存库118可以是远离测量控制器124并且能够存储数据的装置或装置组。例如，远程数据储存库118可以是或者可以包括硬盘驱动器、固态驱动器、驱动器阵列等。在一些实施方式中，远程数据储存库118可以是计算装置114内的数据存储装置。在一些实施方式中，远程数据储存库118可以是网络附加存储装置、存储区域网络等。

在一些实施方式中，测量控制器124(例如，基于芯片的场效应生物传感器104和/或芯片读取器装置102)可以包括将测量信息传输至远程数据储存库118的通信电路系统。测量信息可以是来自基于芯片的场效应生物传感器104的测量，或者是关于测量的信息，例如基于原始测量的计算量。分析模块116可以与远程数据储存库118进行通信以基于由远程数据储存库118存储的信息确定与靶标部分的存在相关的一个或更多个参数。在另外的实施方式中，分析模块116可以将分析结果存储至远程数据储存库118。然而，在另一实施方式中，分析模块116可以直接地或通过数据网络120从测量控制器124接收测量信息，并且可以省略远程数据储存库118(例如，支持本地数据存储)。

图2是示出用于通过酶进行分析物的传送和检测的设备200的一个实施方式的示意性框图，上述实施方式包括耦接至珠状物控制装置122和测量控制器124的生物栅控晶体管106a的一个实施方式。以顶视图描绘了生物栅控晶体管106a。所描绘的实施方式中的生物栅控晶体管106a、珠状物控制装置122和测量控制器124可以基本上如以上参照图1所描述的，并且以下将进一步进行描述。

在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106a包括以下描述的源极212、漏极202、通道210、参考电极208、对电极204和液体井(liquid well)206。通常，在各种实施方式中，生物栅控晶体管106a可以包括能够在源极212与漏极202之间传导电流的至少一个通道210。如在绝缘栅极场效应晶体管中，源极212与漏极202之间的电流不仅取决于源极212与漏极202之间的电压差，而且取决于影响通道210的导电性的特定条件。然而，绝缘栅极场效应晶体管是其中栅电极通过薄电介质层与通道分开的固态器件，因此通道导电性通过栅极到体(或栅极到源极)电压调制。相反，在各种实施方式中，生物栅控晶体管106a的通道导电性(以及产生的漏极到源极电流)可以通过液态事件被调制、栅控或影响。特别地，可以将流体与通道210接触地施加至生物栅控晶体管106a，使得通道导电性取决于流体内的部分的状态(或者通过流体内的部分的状态被栅控或调制)。

在各种实施方式中，源极212、漏极202、通道210、参考电极208和对电极204可以形成在例如硅晶片或芯片的氧化物或其他电介质层(未示出)的衬底上。生物栅控晶体管106a的特定部件可以形成为与流体接触。例如，通道210、参考电极208和对电极204的上表面可以暴露或裸露以与流体直接相互作用。其他部件可以被覆盖或与流体电绝缘。例如，源极212和漏极202可以被诸如二氧化硅、氮化硅或其他电介质的绝缘层覆盖，使得电流在源极212与漏极202之间通过通道210流动，而流体不会在源极212与漏极202之间产生短路或者替选的或非预期的电流路径。

液体井206可以是在生物栅控晶体管106a的其他部件上方的区域中的用以容纳所施加的流体的结构。例如，液体井206可以是环氧树脂、热固性树脂、热塑性塑料等的脊。液体井206可以沉积在衬底上，形成为生物栅控晶体管106a的芯片封装中的开口等。

在一些实施方式中，通道210包括由诸如石墨烯的高灵敏度导电材料制成的感测表面。在另外的实施方式中，石墨烯通道210可以通过化学气相沉积(CVD)沉积在生物栅控晶体管106a的衬底上。在一些实施方式中，通道210可以由具有强平面内共价键合和弱层间相互作用的另一二维材料制成。这种材料可以称为范德华材料。例如，在各种实施方式中，通道210可以由石墨烯纳米带(GNR)、双层石墨烯、磷烯、锡烯、氧化石墨烯、还原石墨烯、荧光石墨烯、二硫化钼、金、硅、锗烯、拓扑绝缘体等制成。传导并表现出场效应特性并且在直接暴露于各种溶液时在室温下稳定的各种材料可以用于生物栅控晶体管106a。可以适于形成生物栅控晶体管106a的通道210的材料可以包括硅表面、碳电极、石墨烯或除石墨烯之外的二维材料。类似的材料也可以用作电化学传感器或电容传感器中的感测表面。在各种实现方式中，与诸如碳纳米管的一维替选相比，使用具有由平面二维范德华材料形成的一个或更多个通道210的生物栅控晶体管106a提高了可制造性并且降低了成本。

源极212和漏极202设置在通道210的相对端，使得通过通道210传导的电流从漏极202传导至源极212，或者从源极212传导至漏极202。在各种实施方式中，源极212和漏极202可以由诸如金、铂、多晶硅等的导电材料制成。在一些实施方式中，源极212可以耦接至生物栅控晶体管106a的衬底(例如，氧化物或其他电介质层下方的硅)，使得被施加至源极212的偏置电压(或其他偏置信号)也对通道210下方的衬底进行偏置。在另一实施方式中，生物栅控晶体管106a可以包括用于对衬底进行偏置的单独的体端子(未示出)。

术语“源极”和“漏极”在本文中可以用于指代直接接触通道210的导电区域或电极，或者指代连接至那些区域或电极的引线、布线或其他导体。附加地，术语“源极”和“漏极”被用作晶体管端子的常规名称，但不一定暗指电荷载流子的类型。例如，石墨烯通道210可以根据各种外部条件(例如，通过测量控制器124施加的激励条件和测量距离内的电荷)以电子或空穴作为电荷载流子来导电，并且电荷载流子可以从源极212流至漏极202或者从漏极202流至源极212。

在各种实施方式中，来自生物栅控晶体管106a的一个或更多个输出信号可能受到激励条件以及受到通道表面的测量距离内的电荷的影响。如以上所定义的，激励条件可以是施加于生物栅控晶体管106a的物理条件、电学条件或化学条件。诸如恒定偏置电压(或信号)、随时间变化的激励电压(或信号)、温度条件等的激励条件可以通过测量控制器124施加至生物栅控晶体管106a或施加至所施加的流体。当在样品溶液110中培育的珠状物被定位在所施加的流体内以处于感测表面(例如，通道表面)的测量距离内时，测量距离内的电荷可以取决于靶标部分是否被功能化到珠状物的捕获部分捕获(或以何种程度被捕获)，并且因此可以取决于靶标部分的存在、不存在或浓度。这种电荷与通道210的相互作用可以对通道导电性进行栅控或调制，从而影响一个或更多个输出信号。输出信号可以是或可以包括通道电流、电压、电容、电感或电阻(基于所施加和测量出的电压和电流计算的)、复值阻抗、复阻抗谱、电化学阻抗谱、狄拉克电压、功率谱密度、一个或更多个网络参数(例如，S参数或h参数)等。

在一些实施方式中，特定生物分子或部分可以被固定至或功能化至通道210的表面以与可能存在于所施加的流体中的其他生物分子或部分反应。然而，使用珠状物对分析物进行捕获和传送以使分析物处于测量距离内可以允许使用裸露的或未功能化的通道210或者使用被功能化成与除了分析物或靶标部分之外的生物分子或部分反应的通道210检测分析物。

在各种实施方式中，被施加至通道210的流体可以称为生物栅控晶体管106a的液体栅极，因为生物栅控晶体管106a的输出信号中的一个或更多个输出信号可能受到液体栅极内的电荷(例如，测量距离内的电荷)的影响。另外，在各种实施方式中，生物栅控晶体管106a可以包括用于检测和/或调整液体栅极的电压或电势的一个或更多个栅电极。例如，在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106a包括用于测量所施加的流体的电化学势的参考电极208和用于调节所施加的流体的电化学势的对电极204。

在一些实施方式中，在所施加的流体与参考电极208和/或对电极204之间的界面处可以产生电势。因此，在一些实施方式中，参考电极208可以由具有已知或稳定的电极电势的材料制成。然而，在另一实施方式中，参考电极208可以是不保持恒定电极电势的伪参考电极。然而，经由伪参考电极进行的流体的电化学势的测量仍然可以用作输出信号或者用于经由对电极204调节流体的电化学势的反馈。在一些实施方式中，参考电极208和/或对电极204可以由例如金或铂的非反应性材料制成。

在一些实施方式中，生物栅控晶体管106a可以使用光刻法或其他可商购的芯片制造技术来制造。例如，可以在硅衬底上生长热氧化物层，以及可以在热氧化物层上对诸如源极212、漏极202、参考电极208和/或对电极204的金属部件进行沉积或图案化。可以使用化学气相沉积形成石墨烯通道210。使用常规的制造技术可以提供低成本的生物栅控晶体管106a，尤其是与使用诸如碳纳米管的高成本材料或特殊制造技术的传感器相比。生物栅控晶体管106a的各种其他或另外的配置以及制造生物栅控晶体管106a的方法在题为“PATTERNING GRAPHENE WITH A HARD MASK COATING”的美国专利申请第15/623,279号，题为“PROVIDING A TEMPORARY PROTECTIVE LAYER ON A GRAPHENE SHEET”的美国专利申请号15/623,295，题为“SYSTEMS FOR TRANSFERRING GRAPHENE”的美国专利申请第16/522,566号，以及题为“DEPOSITING A PASSIVATION LAYER ON A GRAPHENE SHEET”的美国专利申请第10,395,928号中进行了讨论；上述美国专利申请中的每一个都在法律允许的范围内通过引用以其整体并入本文中。

图3是示出用于分析物的传送和检测的设备300的另一实施方式的示意性框图，上述实施方式包括耦接至珠状物控制装置122和测量控制器124的生物栅控晶体管106b的另一实施方式。如图2，以顶视图描绘了生物栅控晶体管106b。所描绘的实施方式中的生物栅控晶体管106b、珠状物控制装置122和测量控制器124可以基本上如以上参照图1和图2所描述的，并且以下将进一步进行描述。

在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106b包括可以与以上参照图2描述的源极212、漏极202、通道210、参考电极208和对电极204基本上相似的源极312、多个漏极302、多个通道210、参考电极308和对电极304。(类似于图2的液体井206的液体井在图3中未描绘，但是可以类似地设置为生物栅控晶体管106b的一部分)。

然而，在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106b包括多个通道310和多个漏极302。在各种实施方式中，多个通道310可以是同质的或异质的。例如，同质的通道310可以是裸露的或未功能化的石墨烯，或者可以具有以一种方式固定至通道的部分。相反，异质的通道310可以是裸露的和功能化的石墨烯通道310的混合物、以多于一种方式功能化的通道310的混合物(任选地包括一个或更多个未功能化的通道310)等。例如，异质的通道310可以包括用于使用珠状物进行分析物检测的未功能化的通道的子集，以及使用各种部分被功能化以执行各种其他或另外的测试的通道的另一子集。在一些实施方式中，设置多个异质的通道310可以使生物栅控晶体管106b对于依赖于通道310表面附近的事件的各种不同测试是有用的。附加地，使用多个通道310可以提供冗余以减轻对任何单个通道310的损坏(例如，来自用于施加流体的移液管尖端的机械损坏)，并且可以使得生物栅控晶体管106b跨越比在单通道装置中的表面区域更大的表面区域对施加的流体中的电荷敏感。

在一些实施方式中，生物栅控晶体管106b可以包括耦接至通道310的多个漏极302。在一些实施方式中，可以对每个通道310设置一个漏极302，从而可以独立地对每个通道310进行偏置。然而，在一些实施方式中，通道310可以成组地耦接至漏极302，使得一个组的通道310可以一起被并行偏置，但是不同的组可以被不同地偏置。例如，在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106b包括耦接至三个漏极302a-c的十五个通道310，使得一个漏极302可以用于对一组五个通道310进行偏置。在另一实施方式中，多个通道310可以被并联耦接至单个漏极302。

在所描绘的实施方式中，通道310被并联耦接至一个源极312。对于一些测量，源极312可以耦接至地(例如，0伏，或另一参考电压)。然而，在另一实施方式中，通道310可以耦接至多个源极312，从而允许利用不同的源极偏置进行不同的测量。例如，通道310可以单独或成组地耦接至多个源极312，如以上针对多个漏极302所描述的那样。

在所描绘的实施方式中，参考电极308和对电极304被设置成使得通道310在参考电极308与对电极304之间。在该配置中，可以经由对电极304改变液体栅极的电化学势并经由参考电极308监测液体栅极的电化学势，使得通道310附近的电化学势接近于改变的和/或监测的电势。附加地，在所描绘的实施方式中，对电极304显著地大于通道310或参考电极308，因此跨大的表面区域并且在大体积的所施加的流体中迅速地发生经由对电极304对液体栅极的电化学势进行的改变。

尽管图2和图3描绘了单独的生物栅控晶体管106a、106b，但是各种实施方式中的基于芯片的场效应生物传感器104可以包括可以同质或异质配置的多个生物栅控晶体管106和/或电容传感器。例如，以上针对一个生物栅控晶体管106b中的多个通道310描述的同质或异质配置可以类似地应用于多个生物栅控晶体管106，每个生物栅控晶体管106均具有其自身的独立的源极端子、漏极端子、参考端子和对端子。

图4和图5是示出用于分析物的传送和检测的设备400、500的另外的实施方式的示意性框图，上述实施方式包括珠状物424、524和珠状物控制部件422、522的实施方式。在所描绘的实施方式中，设备400、500包括耦接至珠状物控制装置122和测量控制器124的生物栅控晶体管106c的另外的实施方式。在横截面图中从侧面描绘了生物栅控晶体管106c。所描绘的实施方式中的生物栅控晶体管106c、测量控制器124、珠状物控制装置122、珠状物控制部件422和珠状物424可以基本上如以上参照图1至图3所描述的，并且以下将进一步进行描述。

在所描绘的实施方式中，生物栅控晶体管106c包括可以基本上如上所述的源极412、漏极402、通道410、参考电极408、对电极404和液体井406。在所描绘的实施方式中，通道410是设置在衬底418上的二维石墨烯区域。源极412和漏极402与通道410接触地形成，并且被电介质416(例如，氮化硅)覆盖。流体414与通道410的表面420接触地被施加，该表面420是基于芯片的场效应生物传感器104的感测表面420。例如，流体414可以用移液器吸取(或以其他方式插入)至液体井406中以接触感测表面420、参考电极408和对电极404。电介质416将源极412和漏极402与流体414电绝缘，使得源极412与漏极402之间的电流通过通道410而不是直接通过所施加的流体414。

在所描绘的实施方式中，测量控制器124耦接至源极412、漏极402、参考电极408和对电极404。在各种实施方式中，测量控制器124可以经由源极412、漏极402和/或对电极404向生物栅控晶体管106c施加激励条件。在另外的实施方式中，测量控制器124可以经由源极412、漏极402和/或参考电极408对来自生物栅控晶体管106c的一个或更多个输出信号执行测量。

在所描绘的实施方式中，流体414包括可以通过珠状物控制部件422、522被电磁定位在流体414内的多个珠状物424、524。在图4和图5中未示出捕获部分和靶标部分，以便更清楚地描绘珠状物424、524和珠状物控制部件422、522的其他方面，但是以下参照图6更详细地描述了捕获部分和靶标部分。

在一个实施方式中，如图4所描绘的，珠状物424是磁性的。图4中的珠状物424上的箭头指示珠状物424的磁偶极子的定向。附加地，在所描绘的实施方式中，珠状物控制装置122包括珠状物控制部件422或耦接至珠状物控制部件422，该珠状物控制部件422在所描绘的实施方式中为电磁体422a、422b。如图4所示，珠状物控制装置122不为任一电磁体422供电，且珠状物424不必定向至任何特定磁场。例如，珠状物424与地球磁场的磁相互作用可能比流体414内的其他力弱。然而，如果珠状物控制装置122开启任一电磁体422，则珠状物424将被定向至所施加的磁场并被吸引至通电的电磁体422。

在磁性珠状物424的情况下，珠状物控制部件422可以包括被定位成使珠状物在朝向感测表面420的第一方向上移动的第一电磁体422b，以及被定位成使珠状物在远离感测表面420的第二方向上移动的第二电磁体422a。例如，在所描绘的实施方式中，电磁体422b被定位在感测表面420下方，并且可以被控制成通过使珠状物朝向感测表面420移动或使珠状物保持在适当位置来将珠状物424定位在感测表面420的测量距离内。相反，电磁体422a被定位在流体414上方并且可以被控制成使珠状物424定位成比感测表面420的测量距离更远。例如，取决于电磁体422a与珠状物424之间的磁相互作用相对于流体414的表面张力的强度，电磁体422可以将珠状物424吸引朝向流体414的上表面、远离感测表面420，或者可以从流体414中完全移除珠状物424(例如，使得尚未在样品溶液中培育的珠状物可以被经培育的珠状物替代)。

在另一实施方式中，如图5所描绘的，珠状物524是带电荷的。图5中的珠状物524上的加号指示珠状物具有正电荷。然而，在另一实施方式中，珠状物可以具有负电荷。附加地，在所描绘的实施方式中，珠状物控制装置122包括一个或更多个珠状物控制部件522或耦接至一个或更多个珠状物控制部件522。在带电荷的珠状物524的情况下，珠状物控制装置122控制电场以使珠状物524移动。例如，在所描绘的实施方式中，珠状物控制装置122使用场板522a、522b施加电场。珠状物控制装置122可以在场板522a和522b两端施加电压差，使得产生的电场使珠状物524移动或对珠状物524进行定位。在各种实施方式中，场板522可以是可以对其施加电势以使得电势梯度产生电场的任何导体。例如，在所描绘的实施方式中，场板522是生物栅控晶体管106c上方和下方的导体。然而，在另一实施方式中，生物栅控晶体管106c内的导体可以用于使带电荷的珠状物524移动或对带电荷的珠状物524进行定位。例如，被施加至通道410或被施加至通道下方的衬底418的电势可以用于朝向表面420或远离表面420地吸引珠状物524或排斥珠状物524。因此，通道410或衬底418可以用作用以产生使珠状物524移动的电场的珠状物控制部件522。

图6是示出一个实施方式中的珠状物624的图。在所描绘的实施方式中，珠状物624可以是基本上类似于以上参照图4描述的磁性珠状物424的磁性珠状物，或者可以是基本上类似于以上参照图5描述的带电荷的珠状物524的带电荷的珠状物。在各种实施方式中，珠状物624可以使用捕获部分626被功能化以结合至靶标部分。在本文中描述了各种捕获部分，并且各种捕获部分在图6中被表示为从珠状物624的表面延伸的线。图6描绘了使用捕获部分626功能化的两个珠状物624，其中第一珠状物624a尚未使用分析物培育，以及其中第二珠状物624b已在包含分析物628的溶液中培育使得珠状物624b中的一个或更多个捕获部分626已经结合至分析物628的靶标部分。在一些实施方式中，靶标部分可以是分析物628的已知部分，因为靶标部分作为分析物628的组分天然存在或者因为样品溶液110已经被预处理成将靶标部分结合至分析物628。在所描绘的实施方式中，分析物628是DNA，以及靶标部分可以是特定的核苷酸序列、已经与DNA分子链接的生物素分子等。各种其他类型的分析物628和相应的靶标部分可以通过各种捕获部分626结合。

在各种实施方式中，捕获部分626可以是具有用于结合至靶标部分的亲和力的任何部分。基于分析物628的已知靶标部分，可以选择具有特定捕获部分626的珠状物624以用于在设备或系统中进行分析物628的传送。在各种实施方式中，捕获部分626可以包括抗体、生物素结合蛋白(例如，链霉亲和素、中性亲和素、亲和素、凯普亲和素(captavidin)等)、生物素、锌指蛋白或CRISPR Cas家族酶、核酸等。特定捕获部分626可以结合特定相应的靶标部分。例如，抗体可以结合至抗原，生物素结合蛋白可以结合至生物素，以及锌指蛋白或CRISPR Cas家族酶可以结合至核酸。各种其他或另外的捕获部分626可以用于结合其他或另外的靶标部分。捕获部分626可以通过将捕获部分结合或链接至珠状物624的表面而被功能化到珠状物624。使用不同的捕获部分626被功能化的各种珠状物624可以是可商购的。

图7至图10是图4中用虚线勾勒的区域的详细视图。所描绘的区域在基于芯片的场效应生物传感器104的感测表面420上方(例如，生物栅控晶体管106的通道410的表面，或电容电化学传感器的工作电极表面)。感测表面上方的所施加的流体414被描绘出并且具有以上参照图4至图6描述的珠状物624(例如，磁性珠状物或带电荷的珠状物)。在连续的图7至图10中在测量或分析过程中的连续点处描绘了相同的区域。为便于描绘测量或分析过程的其他方面，在图7至图10中未描绘如图6中的线所描绘的捕获部分626。然而，图7至图10中描绘的珠状物624如上所述的那样使用捕获部分626被功能化。虚线指示测量距离730，使得至少部分地在虚线下方的珠状物624处于感测表面420的测量距离730内以及完全地在虚线上方的珠状物624不处于测量距离730内。在图7至图10中，如图6中那样地，附图标记624a用于指示其中捕获部分未结合至靶标部分的珠状物624，以及附图标记624b用于指示其中捕获部分结合至靶标部分使得珠状物624b结合至分析物628的珠状物624。

图7描绘了在校准测量期间的第一组珠状物624。测量控制器124操作珠状物控制装置122以将珠状物624定位在感测表面420的测量距离730内。第一组珠状物624尚未在样品溶液110中培育，并且因此珠状物624未暴露于或结合至分析物628。

在所描绘的实施方式中，在校准测量期间，第一组珠状物中的珠状物624的数量足以在测量距离730内形成单层珠状物。在另一实施方式中，一定数量的珠状物624可以在测量距离730内形成部分层的珠状物624，使感测表面420的一部分未被珠状物624覆盖。在另一实施方式中，第一组珠状物中的珠状物624的数量足以在感测表面420上方形成多层珠状物。一个或更多个层可以在测量距离730内。例如，如果珠状物624的直径大约为测量距离730的一半时，两层珠状物624可以在测量距离内层叠。

为了执行校准测量，测量控制器124使用激励电路系统将激励条件施加至生物传感器104，并且使用测量电路系统对来自生物传感器104的受到测量距离730内的电荷影响的一个或更多个输出信号进行测量。因为第一组珠状物624尚未在样品溶液中培育，因此校准测量允许测量控制器124测量和记录未受到分析物影响的输出信号，以便稍后与可能已经受到分析物影响的输出信号进行比较。

图8描绘了从感测表面420移除的第一组珠状物624。测量控制器124对珠状物控制装置122进行操作来使珠状物624移动远离感测表面420。例如，珠状物控制装置122可以对电磁体422a进行操作来将磁性珠状物吸引远离感测表面420，或者可以控制电场来使带电荷的珠状物移动远离感测表面420。虽然图8在所描绘的区域的顶部处描绘了珠状物624以指示已经从感测表面420中移除珠状物624，但是从感测表面420移除的实际珠状物624可能会被移出所描绘的区域、分散遍及流体414主体、被定位在流体414内远离感测表面420的特定位置处、从流体414中移除等。在各种实施方式中，在校准测量之后从感测表面420移除第一组珠状物624清理了感测表面420，以用于使用第二组珠状物624进行的后续测量。

图9描绘了在样品溶液110中进行的第二组珠状物624的培育。样品溶液110可以包含待检测的分析物628，或者分析物可能不存在于样品溶液110中(在这种情况下，测验可以确定分析物628不存在)。如果分析物实际上存在于样品溶液110中，则在样品溶液中进行的珠状物624的培育允许珠状物的捕获部分626结合至分析物的靶标部分。

在各种实施方式中，在样品溶液110中培育的第二组珠状物624可以是与用于校准测量的第一组珠状物624相同的一组珠状物，或者可以是与用于校准测量的第一组珠状物624不同的一组珠状物。在所描绘的实施方式中，第二组珠状物与第一组珠状物相同。本实施方式中的第二组是通过在样品溶液110中培育第一组珠状物而形成的。例如，第一组珠状物可以从施加至感测表面420的流体414中移除并在样品溶液中分开培育。替选地，如图9中所描绘的，可以通过将样品溶液110添加至所施加的流体414中或者通过将样品溶液110与所施加的流体414交换来原位培育珠状物624。珠状物控制部件422、522可以用于在流体交换期间将珠状物保持在适当位置，使得珠状物624不会从生物传感器104中移除。

在另一实施方式中，第二组珠状物624可以是与第一组不同的一组珠状物，并且可以通过在样品溶液110中培育与第一组珠状物分开的珠状物来形成。例如，第一组珠状物624和第二组珠状物624可以分别是不同的一组未培育的珠状物624和一组经培育的珠状物624。可以在样品溶液110与流体414分开(例如，在分开的容器中)的情况下在样品溶液110中进行单独的一组珠状物的培育。随后，可以在将第二组珠状物624添加至被施加至感测表面420的流体414之前从样品溶液110中移除第二组珠状物624。在这种情况下，第一组珠状物624可能已经从流体414中完全移除，以免干扰涉及第二组珠状物624的测量。在第二组与第一组分开的情况下在样品溶液110中培育第二组珠状物允许在校准测量(其使用第一组)之前或在校准测量期间进行培育。

在培育阶段中，如果分析物628存在于样品溶液110中，则珠状物624的表面可以暴露于分析物，使得珠状物624的捕获部分626结合至分析物628的靶标部分。因此，图9描绘了尚未结合至分析物628的一些珠状物624a和结合至分析物628的其他珠状物624b。在特定实施方式中，第二组珠状物624中的珠状物可以共同地具有比感测表面420更大的表面积。附加地，随着珠状物在样品溶液110内移动，分析物628(如果存在)可以比其接触感测表面420更频繁地接触珠状物624的表面。因此，利用捕获部分626使珠状物624功能化而不是利用捕获部分626使感测表面420功能化可以提供更多将分析物结合至表面以用于最终检测的机会。附加地，利用捕获部分626功能化的珠状物624可以与裸露的或未功能化的感测表面420一起使用，从而允许执行涉及不同捕获部分的多个测验而不需要多种类型的生物传感器104。

在特定实施方式中，可以在培育之后且在执行以下参照图10描述的检测测量之前洗涤珠状物624。洗涤珠状物624可以移除未通过捕获部分626被结合至珠状物的离子、分子或部分，从而有效地对结合至珠状物624的任何分析物628进行纯化以用于随后的检测。可以在与最初施加至生物传感器以用于校准测量的流体414相似或相同的流体中洗涤珠状物。例如，流体414可以是缓冲溶液、纯净水等。在通过将样品溶液110添加至流体中原位培育珠状物的情况下，洗涤可以包括使用珠状物控制部件422、522，珠状物控制部件422、522可以用于在与新流体414进行流体交换期间将珠状物保持在适当位置。在珠状物在单独的容器中培育的情况下，洗涤可以类似地涉及磁地固定珠状物624或电固定珠状物624以使它们不会被洗涤掉，同时将样品溶液110从珠状物624冲洗掉。

图10描绘了检测测量期间的第二组珠状物624。在所描绘的实施方式中，分析物628存在于样品溶液中，并且结合至至少一些珠状物624b。测量控制器124对珠状物控制装置122进行操作以将珠状物624定位在感测表面420的测量距离730内。因为第二组珠状物624已经在样品溶液110中培育，因此分析物628结合至至少一些珠状物624b。因此，将第二组珠状物带入测量距离730内也将至少一些分析物628带入感测表面420的测量距离730内。(相反，如果分析物不存在于样品溶液110中，则珠状物将不会结合至分析物628，并且检测测量将类似于校准测量)。

第二组中的珠状物624的数量可以类似于第一组中的数量，以如以上参照校准测量描述的那样在测量距离内形成单层珠状物、部分层的珠状物或者多层珠状物。

为了执行检测测量，测量控制器124使用激励电路系统来将激励条件施加至生物传感器104，并且使用测量电路系统对来自生物传感器104的受到测量距离730内的电荷影响的一个或更多个输出信号进行测量。因此，在第一组和第二组中的珠状物624的数量类似或相等并且流体414类似或等同的情况下，校准测量与检测测量之间的一个或更多个输出信号的差异可能由分析物628(如果存在)引起。在校准测量与检测测量之间的更大差异可以对应于更多量的分析物628。

因此，在特定实施方式中，分析模块116可以基于校准测量和检测测量确定与样品溶液110中的靶标部分的存在相关的参数。例如，与靶标部分的存在相关的参数可以是靶标部分或包含靶标部分的分析物的存在、不存在、数量或浓度的指示。

图11是示出用于分析物的传送和检测的设备1100的一个实施方式的示意性框图，上述实施方式包括可以基本上如上所述的珠状物控制装置122和测量控制器124的实施方式。所描绘的实施方式中的珠状物控制装置122包括诸如电磁体422或场板522的一个或更多个珠状物控制部件，或者与上述一个或更多个珠状物控制部件进行通信。在所描绘的实施方式中，珠状物控件包括吸引电路系统1102和移除电路系统1104。

在各种实施方式中，吸引电路系统1102包括电源电路系统和/或控制电路系统(例如，包括用于计算机控制的处理器)以对珠状物控制部件进行供电和操作来将珠状物624定位在感测表面420的测量距离730内。可以针对校准测量和检测测量对吸引电路系统1102进行操作以分别将未培育的珠状物和培育的珠状物定位在测量距离内。

在各种实施方式中，移除电路系统1104包括电源电路系统和/或控制电路系统(例如，包括用于计算机控制的处理器)以对珠状物控制部件进行供电和操作来将珠状物从感测表面420移除。可以在校准测量与检测测量之间操作移除电路系统1104，从而允许在感测培育的珠状物之前从感测表面420移除未培育的珠状物。测量控制器124可以与包括吸引电路系统1102和/或移除电路系统1104的珠状物控制装置122进行通信，以在校准测量和检测测量期间以及在校准测量与检测测量之间定位珠状物。

在所描绘的实施方式中，测量控制器124包括激励电路系统1106和测量电路系统1108。图11中的由虚线指示的特定部件包括在所描绘的实施方式中，但是在另一实施方式中可以被省略。在所描绘的实施方式中，测量控制器124包括分析模块116、通信电路系统1110、温度控制电路系统1112和流体装置1114。所描绘的实施方式中的测量控制器124和分析模块116可以基本上如以上参照之前的附图所描述的。

在各种实施方式中，测量控制器124可以使用激励电路系统1106来将激励条件施加至包括感测表面的基于芯片的场效应生物传感器104，并且可以使用测量电路系统1108来对来自基于芯片的场效应生物传感器104的一个或更多个输出信号中的至少一个输出信号执行一个或更多个测量。输出信号可能会受到激励条件的影响，并且会受到感应表面的测量距离内的电荷的影响。

在一些实施方式中，测量控制器124可以包括分析模块116，以基于来自测量电路系统1108的一个或更多个测量来确定与样品溶液110中的靶标部分的存在相关的参数。然而，在一些实施方式中，测量控制器124可以不包括分析模块116。例如，在一个实施方式中，分析模块116可以通过与测量控制器124分开的计算装置114实现。在一些实施方式中，测量控制器124可以包括通信电路系统1110以将来自测量电路系统1108的测量或基于测量的信息传输至远程数据储存库118。

在所描绘的实施方式中，激励电路系统1106被配置成将一个或更多个激励条件施加至基于芯片的场效应生物传感器104或一组基于芯片的场效应生物传感器104。在各种实施方式中，激励条件可以是被施加至生物栅控晶体管106的物理条件、化学条件或电学条件，例如用于电激励或电化学激励的电压、幅度、频率、幅度、相位或波形、温度、流体流速等。激励电路系统1106可以是施加、修改、移除或以其他方式控制一个或更多个激励条件的任何电路系统。

在一些实施方式中，激励条件可以包括被施加至基于芯片的场效应生物传感器104的一个或更多个电信号(或被施加至与生物传感器接触的流体的电化学电势)，例如恒定电压偏置或时变激励信号。激励电路系统1106可以产生偏置或其他激励信号或者将它们耦合至基于芯片的场效应生物传感器104(例如，经由源极212、漏极202或对电极204)。因此，在各种实施方式中，激励电路系统1106可以包括能够生成或调制偏置或激励信号的任何电路系统，例如电源、电压源、电流源、振荡器、放大器、函数发生器、偏置三通(例如，用以将DC偏移添加至振荡波形)、执行用以控制输入引脚/输出引脚的代码的处理器、源测量单元的信号生成部分、锁定放大器、网络分析仪、化学阻抗分析仪等。在各种其他或另外的实施方式中的激励电路系统1106可以包括用于创建和施加可编程偏置的各种其他或另外的电路系统。

在一些实施方式中，激励条件可以包括施加至基于芯片的场效应生物传感器104的流体的温度，并且激励电路系统1106可以使用温度控制电路系统1112来控制温度。在各种实施方式中，控制温度可以包括：升高或降低温度(例如，用以检测或分析生化相互作用的温度敏感方面)，将温度保持在目标温度范围中或在目标温度附近，监测温度以进行基于反馈的控制等。因此，温度控制电路系统1112可以包括能够改变流体和/或基于芯片的场效应生物传感器104的温度的任何电路系统。例如，在各种实施方式中，温度控制电路系统1112可以包括：电阻加热器，用以控制电阻加热器中(或通道210本身中)的电流的焦耳加热控制器，固态热泵，热敏电阻等。各种其他或另外的实施方式中的温度控制电路系统1112可以包括用于控制或测量温度的各种其他或另外的电路系统。

附加地，在一些实施方式中，激励电路系统1106可以包括用于施加不同于电信号和/或温度或者除了电信号和/或温度之外的激励条件的其他或另外的电路系统。例如，激励电路系统1106可以包括：用于磁激励的电磁体，任何期望波长的光发射器，放射源，紫外光、X射线、伽马射线、电子束等的发射器；超声换能器；机械搅拌器等。各种其他或另外的类型的激励电路系统1106可以用于施加各种其他或另外的激励条件。

如上所述，基于芯片的场效应生物传感器104的一个或更多个输出信号可能受到感测表面的测量距离内的电荷影响或对感测表面的测量距离内的电荷敏感。作为简单的示例，在包括恒定漏极至源极偏置电压的激励条件下，测量距离内的电荷可能会影响输出信号，例如漏极至源极电流、在感测表面420处形成的离子双层(例如，在漏极202与参考电极208之间测量)的电容等。可能受到测量距离内的电荷影响并且被测量的各种输出信号可以包括生物栅控晶体管106的通道210的复电阻(例如，阻抗)、通过通道210的电流、通道210两端的电压降、通道210与液体栅极之间的耦合(例如，经由对电极204和/或参考电极208测量以及/或者偏置)、电(通道)和/或电化学(液体栅极)电压、电流、电阻、电容、电感、复阻抗、网络参数(例如，使用网络分析仪确定的S参数或h参数)、狄拉克电压(例如，使石墨烯通道210中的通道电流最小化的液体栅极电压)、电荷载流子迁移率、接触电阻、动态电感、基于多次测量的谱、例如功率谱密度、电阻抗谱、电化学阻抗谱等。

在各种实施方式中，测量电路系统1108可以包括能够执行一个或更多个输出信号的测量的任何电路系统。例如，在一些实施方式中，测量电路系统1108可以包括前置放大器、放大器、滤波器、电压跟随器、数据采集(DAQ)装置或板、传感器或换能器电路系统、信号调节电路系统、模数转换器、执行用以经由输入引脚/输出引脚接收和处理信号的代码的处理器、源测量单元的测量部分、锁定放大器、网络分析仪、化学阻抗分析仪等。各种其他或另外的实施方式中的测量电路系统1108可以包括用于执行输出信号的测量的各种其他或另外的电路系统。

在各种实施方式中，激励电路系统1106和/或测量电路系统1108的部分或部件可以设置在基于芯片的场效应生物传感器104、芯片读取器装置102或者耦接至基于芯片的场效应生物传感器104的单独的装置(例如，实验室工作台测试和测量装备)中。例如，诸如用于激励电路系统1106的电阻加热器部件的单用途部件可以设置在基于芯片的场效应生物传感器104上，而诸如用于生成或分析复杂波形的数字信号处理电路系统的多用途部件可以设置在芯片读取器装置102中。在各种其他实施方式中可以使用各种其他方式来设置或布置激励电路系统1106和/或测量电路系统1108的部分或部件。

在一些实施方式中，分析模块116被配置成基于由测量电路系统1108执行的校准测量和检测测量来确定与靶标部分的存在相关的参数。这样的参数可以包括靶标部分是否存在于样品溶液110中的指示、靶标部分的浓度或者与浓度相对应或与浓度相关的另一参数等。在各种实施方式中，分析模块116可以使用包括已知定量分析方法的各种方法，基于校准测量和检测测量来确定与靶标部分的存在相关的参数。来自分析模块116的结果、例如由分析模块116表征的参数可以经由显示器或打印输出(例如，来自芯片读取器装置102)直接传达至用户，经由数据网络120传输至用户，保存至存储介质(例如，在远程数据储存库118中)以由一个或更多个用户稍后访问等。

在一些实施方式中，分析模块116可以与测量控制器124分开。例如，分析模块116可以由与测量控制器124分开的计算装置114实现。因此，在一些实施方式中，测量控制器124可以包括通信电路系统1110替代分析模块116，或者除了分析模块116之外可以包括通信电路系统1110。在所描绘的实施方式中，通信电路系统1110被配置成将信息传输至远程数据储存库118。通信电路系统1110可以经由数据网络120传输信息，并且可以包括用于数据传输(以及可能还有接收)的部件，例如用于通过以太网或Wi-Fi网络进行通信的网络接口控制器(NIC)、用于通过移动数据网络进行通信的收发器等。在各种其他或另外的实施方式中，用于传输数据的各种其他或另外的部件可以包括在通信电路系统1110中。

在一些实施方式中，由通信电路系统1110传输至远程数据储存库118的信息可以是基于由测量电路系统1108执行的测量的信息。基于测量的信息可以是测量本身(例如，原始样品)、基于测量计算的信息(例如，根据原始数据计算的谱)以及/或者来自分析模块116的分析结果(例如，确定的参数)。在另外的实施方式中，分析模块116可以与远程数据储存库118进行通信(例如，经由数据网络120)。分析模块116可以被配置成表征基于被传输至远程数据储存库118的信息的一个或更多个参数。例如，替代分析模块116直接从测量电路系统1108接收测量，通信电路系统1110可以将测量(或关于测量的信息)传输至远程数据储存库118，并且分析模块116可以从远程数据储存库118检索测量(或有关测量的信息)。

在一些实施方式中，将数据存储在远程数据储存库118中可以允许从多个测量控制器124聚合信息以用于对根据单个测量控制器124可能不明显的现象进行远程分析。例如，出于流行病学的目的，测量控制器124可以基于从人获得的样品中的例如病毒、抗体、来自病原体的DNA或RNA等的一种或更多种分析物，来确定人是否感染了疾病，上述样品可以包括血液、唾液、粘液、脑脊液、粪便等样品。从多个测量控制器124上传至远程数据储存库118的信息可用于确定诸如不同地理区域的感染率如何不同的综合特征。在各种实施方式中，分析模块116可以实现使用来自多个测量控制器124的聚合信息的各种其他或另外的方式。

在各种实施方式中，测量控制器124可以以各种方式与一个或更多个基于芯片的场效应生物传感器104一起使用激励电路系统1106、测量电路系统1108和分析模块116，以确定或表征与靶标的存在相关的参数。在一些实施方式中，多个基于芯片的场效应生物传感器104可以同质配置(例如，用于冗余)或异质配置(例如，其中感测表面420以不同方式被功能化成表征生化相互作用的不同方面)。

在各种实施方式中，流体装置1114可以是由测量控制器124使用以驱动流体流过流动池或者其他流体或微流体通道的装置。例如，在一些实施方式中，测量控制器124可以使用流体装置1114以将流体414施加至感测表面以进行校准测量，用以在校准测量与检测测量之间将流体交换为用于进行珠状物624的培育的样品溶液，以及/或者用以在培育之后驱动附加流体414流动以移除样品溶液并洗涤珠状物624。

图12是示出用于分析物的传送和检测的方法1200的一个实施方式的示意性流程图。方法1200开始于提供1202使用捕获部分626被功能化以结合至靶标部分的多个珠状物624。将第一组珠状物624定位1204在流体414内以在基于芯片的场效应生物传感器104的感测表面420的测量距离730内。在所描绘的实施方式中，第一组珠状物尚未在样品溶液110中培育。执行校准测量1206以测量来自基于芯片的场效应生物传感器104的至少一个输出信号。从感测表面420移除1208第一组珠状物624。

在一些实施方式中，珠状物624可以是磁性的，并且将第一组珠状物624定位1204在感测表面420的测量距离730内包括激活第一电磁体422b。类似地，从感测表面420移除1208第一组珠状物624可以包括激活第二电磁体422a。

在一些实施方式中，珠状物624可以带电荷，并且将第一组珠状物624定位1204在感测表面420的测量距离730内包括施加第一电场(例如，通过在例如场板522的两个导体两端施加电压差)。类似地，从感测表面420移除1208第一组珠状物624可以包括施加第二电场(例如，通过改变一个或更多个导体的电压)。

在样品溶液110中培育1210第二组珠状物624。将第二组珠状物624定位1212在流体414内以在感测表面420的测量距离730内。执行检测测量1214以测量至少一个输出信号。基于校准测量和检测测量确定1216与样品溶液110中的靶标部分的存在相关的参数，并且方法1200结束。

图13是示出用于分析物的传送和检测的方法1300的另一实施方式的示意性流程图。方法1300的特定步骤可以基本上类似于以上参照图12描述的方法1200的步骤，但是其他步骤可以不同。

方法1300开始于提供1302使用捕获部分626被功能化以结合至靶标部分的多个珠状物624。将第一组珠状物624定位1304在流体414内以在基于芯片的场效应生物传感器104的感测表面420的测量距离730内。在所描绘的实施方式中，第一组珠状物尚未在样品溶液110中培育。执行校准测量1306以测量来自基于芯片的场效应生物传感器104的至少一个输出信号。从感测表面420并从流体414移除1308第一组珠状物624。

在样品溶液110中培育1310第二组珠状物624。将第二组珠状物从样品溶液中移除、洗涤并添加1312至流体414。将第二组珠状物624定位1314在流体414内以在感测表面420的测量距离730内。执行检测测量1316以测量至少一个输出信号。基于校准测量和检测测量确定1318与样品溶液110中的靶标部分的存在相关的参数，并且方法1300结束。

图14是示出用于分析物的传送和检测的方法1400的另一实施方式的示意性流程图。方法1400的特定步骤可以基本上类似于以上参照图12描述的方法1200的步骤，但是其他步骤可以不同。

方法1400开始于提供1402使用捕获部分626被功能化以结合至靶标部分的多个珠状物624。将第一组珠状物624定位1404在流体414内以在基于芯片的场效应生物传感器104的感测表面420的测量距离730内。在所描绘的实施方式中，第一组珠状物尚未在样品溶液110中培育。执行校准测量1406以测量来自基于芯片的场效应生物传感器104的至少一个输出信号。从感测表面420并从流体414移除1408第一组珠状物624。

通过将样品溶液110添加至流体414，在样品溶液110中培育1410第二组珠状物624。通过固定珠状物(例如，使用珠状物控制部件)同时将已与样品溶液110混合的流体交换为未与样品溶液110混合的新流体414来洗涤1412第二组珠状物。将第二组珠状物624定位1414在流体414内以在感测表面420的测量距离730内。执行检测测量1416以测量至少一个输出信号。基于校准测量和检测测量确定1418与样品溶液110中的靶标部分的存在相关的参数，并且方法1400结束。

在各种实施方式中，用于将多个珠状物624定位在流体414内、在基于芯片的场效应生物传感器104的感测表面430的测量距离730内的测量距离内的装置可以包括本文公开的珠状物控制装置122，一个或更多个珠状物控制部件、一个或更多个电磁体422、一个或更多个场板或其他导体、或者其他装置。其他实施方式可以包括用于定位珠状物624的类似或等同装置。

在各种实施方式中，用于执行校准测量的装置可以包括本文公开的测量控制器124、激励电路系统1106、测量电路系统1108或者其他装置。其他实施方式可以包括用于执行校准测量的类似或等同装置。

在各种实施方式中，用于执行检测测量的装置可以包括本文公开的测量控制器124、激励电路系统1106、测量电路系统1108或者其他装置。其他实施方式可以包括用于执行检测测量的类似或等同装置。

在各种实施方式中，用于在校准测量与检测测量之间从感测表面420移除珠状物624的装置可以包括本文公开的珠状物控制装置122、一个或更多个珠状物控制部件、一个或更多个电磁体422、一个或更多个场板或其他导体、或者其他装置。其他实施方式可以包括用于移除珠状物624的类似或等同装置。

在各种实施方式中，用于基于校准测量和检测测量来确定与样品溶液110中的靶标部分的存在相关的参数的装置可以包括本文公开的分析模块116、执行具有用于确定参数的指令的机器可读代码的处理器、其他逻辑硬件或可执行代码或者其他装置。其他实施方式可以包括用于确定参数的类似或等同装置。

实施方式可以以其他特定形式来实践。所描述的实施方式在所有方面都被认为仅是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前述说明书指示。落入权利要求的等同含义和范围内的所有变化都应包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种系统，包括：

包括感测表面的基于芯片的场效应生物传感器，所述感测表面被配置成使得所述基于芯片的场效应生物传感器的一个或更多个输出信号响应于向所述基于芯片的场效应生物传感器施加一个或更多个激励条件以及与所述感测表面接触地施加流体、而受到所述感测表面的测量距离内的电荷的影响；

珠状物控制装置，所述珠状物控制装置包括用于将多个珠状物电磁定位在所述流体内的一个或更多个珠状物控制部件，其中，所述珠状物利用捕获部分被功能化以结合至靶标部分；

测量控制器，所述测量控制器被配置成对所述基于芯片的场效应生物传感器和所述珠状物控制装置进行操作以：

利用被定位在所述感测表面的所述测量距离内的第一组珠状物对所述输出信号中的至少一个输出信号执行校准测量，其中，所述第一组珠状物尚未在样品溶液中培育；

从所述感测表面移除所述第一组珠状物；以及

利用被定位在所述感测表面的所述测量距离内的第二组珠状物对所述至少一个输出信号执行检测测量，其中，所述第二组珠状物已经在所述样品溶液中培育；以及

分析模块，所述分析模块被配置成基于所述校准测量和所述检测测量确定与所述样品溶液中的所述靶标部分的存在相关的参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述珠状物是磁性的，并且所述珠状物控制部件包括被定位成使所述珠状物沿朝向所述感测表面的第一方向移动的第一电磁体、以及被定位成使所述珠状物沿远离所述感测表面的第二方向移动的第二电磁体。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述珠状物带电荷并且所述珠状物控制装置控制电场以使所述珠状物移动。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括所述多个珠状物，其中，所述第二组珠状物是通过在所述样品溶液中培育所述第一组珠状物而形成的。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括所述多个珠状物，其中，所述第二组珠状物是通过在所述样品溶液中培育与所述第一组珠状物分开的珠状物而形成的。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基于芯片的场效应生物传感器包括生物栅控晶体管。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述感测表面包括石墨烯。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括所述多个珠状物，其中，所述捕获部分包括以下中的一个或更多个：抗体、生物素结合蛋白、生物素、锌指蛋白、CRISPRCas家族酶和核酸。

9.一种方法，包括：

提供利用捕获部分被功能化以结合至靶标部分的多个珠状物；

将第一组珠状物定位在流体内以在基于芯片的场效应生物传感器的感测表面的测量距离内，其中，所述第一组珠状物尚未在样品溶液中培育；

对来自所述基于芯片的场效应生物传感器的至少一个输出信号执行校准测量；

从所述感测表面移除所述第一组珠状物；

在所述样品溶液中培育第二组珠状物；

将所述第二组珠状物定位在所述流体内以在所述感测表面的所述测量距离内；

对所述至少一个输出信号执行检测测量；以及

基于所述校准测量和所述检测测量确定与所述样品溶液中的所述靶标部分的存在相关的参数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：所述珠状物是磁性的，将所述第一组珠状物定位在所述感测表面的所述测量距离内包括激活第一电磁体，以及从所述感测表面移除所述第一组珠状物包括激活第二电磁体。

11.根据权利要求9所述的方法，其中：所述珠状物带电荷，将所述第一组珠状物定位在所述感测表面的所述测量距离内包括施加第一电场，以及从所述感测表面移除所述第一组珠状物包括施加第二电场。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括：在所述样品溶液中培育所述第二组珠状物之后且在执行所述检测测量之前洗涤所述第二组珠状物。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二组珠状物是所述第一组珠状物，并且在所述样品溶液中培育所述第二组珠状物包括将所述样品溶液添加至所述流体。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二组珠状物与所述第一组珠状物分开，并且所述样品溶液与所述流体分开，所述方法还包括从所述样品溶液中移除所述第二组珠状物并将所述第二组珠状物添加至所述流体。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述基于芯片的场效应生物传感器包括生物栅控晶体管。

16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述感测表面包括石墨烯。

17.根据权利要求9所述的方法，其中，所述捕获部分包括以下中的一个或更多个：抗体、生物素结合蛋白、生物素、锌指蛋白、CRISPR Cas家族酶和核酸。

18.一种设备，包括：

用于将多个珠状物定位在流体内、在基于芯片的场效应生物传感器的感测表面的测量距离内的装置，其中，所述珠状物利用捕获部分被功能化以结合至靶标部分；

用于利用被定位在所述感测表面的所述测量距离内的第一组珠状物、使用所述基于芯片的场效应生物传感器执行校准测量的装置，其中，所述第一组珠状物尚未在样品溶液中培育；以及

用于利用被定位在所述感测表面的所述测量距离内的第二组珠状物、使用所述基于芯片的场效应生物传感器执行检测测量的装置，其中，所述第二组珠状物已在所述样品溶液中培育。

19.根据权利要求18所述的设备，还包括用于在所述校准测量与所述检测测量之间从所述感测表面移除所述第一组珠状物的装置。

20.根据权利要求18所述的设备，还包括用于基于所述校准测量和所述检测测量来确定与所述样品溶液中的所述靶标部分的存在相关的参数的装置。

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