Summary
Descriviamo la fabbricazione del dispositivo e il protocollo di misura per la base di nanotubi di biosensori ad alta frequenza di carbonio. La tecnica di rilevamento ad alta frequenza riduce la ionica (Debye) effetto fondamentale di screening e permette di nanotubi biosensore per essere utilizzato in soluzioni ad alta forza ionica dove biosensori elettronici convenzionali non riescono. La nostra tecnologia fornisce una piattaforma unica per il point-of-care (POC) biosensori elettronici operanti in condizioni fisiologicamente rilevanti.
Abstract
Le proprietà elettroniche uniche e coefficienti elevati superficie-volume di nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT) e nanofili semiconduttori (NO) 1-4 li rendono ottimi candidati per biosensori ad alta sensibilità. Quando una molecola carica lega a una tale superficie del sensore, altera la densità trasportatore 5 nel sensore, causando cambiamenti nella sua conduttanza DC. Tuttavia, in una soluzione ionica una superficie carica attrae anche contro-ioni dalla soluzione, formando un doppio strato elettrico (EDL). Questo EDL scherma efficacemente fuori la carica, e in condizioni fisiologicamente rilevanti ~ 100 millimolare (MM), la caratteristica lunghezza di screening di carica (lunghezza di Debye) è inferiore a un nanometro (nm). Così, in soluzioni ad alta forza ionica, rilevamento basato carica (CC) è fondamentalmente ostacolata 6-8.
Superiamo effetti di screening carica rilevando dipoli molecolari piuttosto che oneri ad alta frequenza, operando carbonio Nanotube effetto di campo come mixer ad alta frequenza 9-11. Alle alte frequenze, la forza di azionamento AC non può più superare la soluzione di trascinamento e gli ioni in soluzione non hanno il tempo sufficiente a formare l'EDL. Inoltre, la frequenza di tecnica di miscelazione ci consente di operare a frequenze abbastanza alte per superare lo screening ionica, e tuttavia di rilevare i segnali di rilevamento a frequenze più basse 11-12. Inoltre, l'elevata transconduttanza dei transistori SWNT fornisce un guadagno interno per il segnale di lettura, che evita la necessità di amplificatore di segnale esterno.
Qui, descriviamo il protocollo da (a) fabbricare transistor SWNT, (b) funzionalizzare biomolecole per il nanotubo 13, (c) progettare e timbrare un poli-dimetilsilossano (PDMS) camera di micro-fluidica 14 sul dispositivo, e (d) svolgere sensing ad alta frequenza in diverse soluzioni resistenza ionica 11.
Introduction
Quando una molecola carica si lega ad un sensore elettronico o SWNT NW, può sia donare / accettare elettroni o agire come un cancello elettrostatico locale. In entrambi i casi, la molecola legata può alterare la densità di carica nella SWNT o canale NW, portando ad un cambiamento della conduttanza CC misurata del sensore. Una grande varietà di molecole 15-20 aver rilevato con successo studiando caratteristiche CC dei nanosensori durante tali eventi di legame. Anche se la carica di rilevamento basato meccanismo di rilevamento ha molti vantaggi tra cui la rilevazione di etichette-free 21, sensibilità femto-molare 22, e leggere elettroniche fuori la capacità di 15, ma è efficace solo in soluzioni a bassa forza ionica. In soluzioni ad alta forza ionica, rilevamento DC è ostacolato dallo screening ionica 6-8. Una superficie carica attrae controioni dalla soluzione che forma un doppio strato elettrico (EDL) vicino alla superficie. L'EDL scherma efficacemente da queste accuse. Come tegli forza ionica della soluzione aumenta, l'EDL diventa lo screening aumenta stretto e. Questo effetto di schermatura è caratterizzata dal Debye screening di lunghezza λ D,
, Dove ε è la costante dielettrica del materiale, k B è la costante di Boltzmann, T è la temperatura, q è la carica dell'elettrone, e C è la forza ionica della soluzione elettrolitica. Per una tipica soluzione tampone 100 mM, λ D è di circa 1 nm e il potenziale superficiale sarà completamente proiettato ad una distanza di pochi nm. Come risultato, la maggior parte dei sensori nanoelettroniche basato su SWNTs o NWs funzionare sia in stato secco 20 o in soluzioni a bassa forza ionica 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mm), altrimenti il campione deve essere sottoposto a misure dissalazione 15,23. Dispositivi diagnostici point-of-care bisogno di operare in fisiologicamente rilevanti punti di forza ionica al sito paziente con capacità di elaborazione campione limitato. Quindi, attenuante effetto schermante ionico è fondamentale per lo sviluppo e l'attuazione del POC nanoelettronici biosensori.
Abbiamo mitigare l'effetto di schermatura ionico operando SWNT sensore nanoelettronica basata in gamma di frequenza megahertz. Il protocollo qui fornite dettagli la fabbricazione di un transistore SWNT basata nanoelettronico piattaforma rilevamento e misura miscelazione ad alta frequenza per il rilevamento biomolecolare. I nanotubi di carbonio a parete singola sono coltivate da deposizione di vapore chimico su substrati a motivi geometrici con catalizzatori Fe 24. Per i nostri transistor SWNT, incorporiamo un sospeso alto cancello 25 posizionato a 500 nm sopra il nanotubo, che aiuta a migliorare la risposta del sensore ad alta frequenza e permette anche di una micr compattocamera di o-fluidico per sigillare il dispositivo. I transistor SWNT sono gestiti come miscelatori ad alta frequenza 9-11 per superare gli effetti di sfondo di screening ionici. Alle alte frequenze, gli ioni mobili in soluzione non hanno tempo sufficiente a formare l'EDL ed i dipoli biomolecolari fluttuanti può ancora il cancello SWNT per generare una corrente di miscelazione, che è il nostro segnale di rilevamento. La frequenza di miscelazione si pone a causa delle caratteristiche IV non lineare di un nanotubo FET. Nostra tecnica di rilevazione differenzia dalle tecniche convenzionali di rilevamento basato carica e spettroscopia di impedenza 26-27. In primo luogo, si rileva dipoli biomolecolari ad alta frequenza, piuttosto che costi associati. In secondo luogo, l'elevata transconduttanza del transistore SWNT fornisce un guadagno interno per il segnale di rilevamento. Questo evita la necessità di amplificazione esterna come nel caso delle misure di impedenza ad alta frequenza. Recentemente, altri gruppi hanno affrontato anche il rilevamento biomolecolare in alta baconcentrazioni SFONDO 23,28. Tuttavia, questi metodi sono più coinvolti, che richiedono la fabbricazione complessi o un'attenta ingegneria chimica delle molecole recettoriali. Nostro sensore SWNT ad alta frequenza comprende un disegno semplice e utilizza la frequenza di miscelazione proprietà intrinseca di un transistor nanotubo. Siamo in grado di mitigare gli effetti di screening ionici, promettendo così una nuova piattaforma di biosensori per il rilevamento in tempo reale point-of-care, dove sono desiderati biosensori funzionanti direttamente in condizione fisiologicamente rilevanti.
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Protocol
1. Patterning catalizzatore per la crescita SWNT
- Inizia con un wafer di silicio con una pressione di deposizione di vapore chimico basso (CVD), cresciuto a 500 nm Si 3 N 4/500 nm SiO 2 pellicola sulla parte superiore.
- Spin cappotto uno strato di fotoresist (PR) a 500 rpm per 5 sec e poi 4.000 rpm per 40 sec.
- Cuocere il wafer a 115 ° C per 90 sec.
- Utilizzare un photomask con box rettangolari per catalizzatori (Figura 1) ed esporre il wafer in UV (365 nm), irradianza di 300 mJ / cm 2 per 0,3 sec. Dopo l'esposizione cuocere il wafer a 115 ° C per 90 sec.
Tip: Design pozzi di diverse dimensioni per esempio 5 micron x 5 micron, 10 micron x 5 micron ecc per tenere conto della variabilità dei SWNT deposizione di vapore chimico (CVD) processo di crescita.
- Sviluppare il wafer in sviluppo per 70 sec scuotendo delicatamente il wafer attraverso il processo.
- Sciacquare il wafer con DI acqur per 2 minuti e poi asciugare con un azoto (N 2) pistola.
- Caricare il wafer sviluppato in e-beam evaporatore camera di deposito e 0,5 nm di ferro (Fe) ad una pressione della camera di 10 -6 torr.
- Tagliare a dadini il wafer in matrici più piccole 1,5 centimetri x 1,5 cm.
- Rimuovere il photoresist per immersione in acetone caldo e isopropanolo (IPA) per 10 minuti ciascuno. Questo lascia dietro Fe catalizzatore nei box rettangolari per la crescita di nanotubi.
2. CVD Crescita di nanotubi di carbonio
- Mettere gli stampi rivestite di catalizzatore nel tubo di quarzo della crescita fornace CVD.
Suggerimento: Determinare punto debole per la crescita di nanotubi. La crescita è uniforme su una superficie di 2 pollici x 2 pollici a valle per il nostro forno (Figura 2 quater).
- Anneal il substrato in aria a 880 ° C per un'ora per rimuovere il residuo photoresist (Figura 2a). Lasciar raffreddare.
- Spurgare la camera con Argon per 5 minuti a 3 SLM (litri standard al minuto).
- Rampa fino il forno a 800 ° C al centro del tubo, mantenendo un flusso di 1 SLM di argon (Figura 2b).
- 0,2 SLM flusso di idrogeno per 5 min a ridurre le particelle di catalizzatore cioè convertire ossido di ferro al ferro.
- Introdurre 5,5 SCCM (centimetro cubo standard per minuto) di etilene (C 2 H 4) per 35 min a crescere SWNTs. Mantenere un H 2 flusso di 0,2 SLM durante tutto il processo. La lunghezza del SWNTs ottenuta da questa ricetta è> 20 micron (um).
- Lasciare che il forno si raffreddi fino a temperatura ambiente con un piccolo flusso di argon.
3. SWNT FET transistor Fabrication
- Progettare un photomask (Figura 1) per la definizione di elettrodi di source-drain di corrente-tensione (IV) caratterizzazione di nanotubi di carbonio.
Consiglio: Amplia elettrodo di contatto pad lontano APARt sul dado in modo che rimangano accessibili anche dopo aver messo giù un timbro micro-fluidica sulla regione nanotubo attivo.
- Seguire i passaggi da 1.2 -1.6 per definire un'area di deposizione del metallo per i contatti.
- Cassetta di Ti / Au 0,5 nm/50 nm per contatti source-drain in una camera di evaporatore a fascio elettronico a 10 -6 torr.
- Lasciare lo stampo in acetone durante la notte per la partenza in metallo. Dopo il decollo, immergete lo stampo in IPA per 10 minuti e quindi asciugare con N 2 pistola.
- Do una deposizione coperta di 500 nm e-beam evaporato SiO 2 per dielettrico di gate a 10 -6 torr.
- Progettare una fotomaschera (Figura 1) per la definizione di gate.
- Seguire i passaggi 1,2-1,6 per definire regione per cancello deposizione del metallo.
- Far evaporare 50 nm/50 nm Cr / Au come l'elettrodo superiore cancello in evaporatore a fascio elettronico. Seguire il punto 3.4 per la partenza in metallo.
Suggerimento: Utilizzare strato di cromo di spessore per aumentare la forza of sospeso cancello superiore. Dimensioni del cancello sono anche fondamentali per la sospensione di successo.
- Deposito di un sottile strato (20 nm) di SiO 2 per parte superiore dell'elettrodo passivazione Blanket.
- Progettare un photomask (Figura 1) per aprire una trincea in SiO 2 per accedere al canale di nanotubi di carbonio. Progettazione dell'area pad-etch nella stessa maschera di aprire regione per l'accesso source, drain e elettrodi di gate lontano dal canale SWNT.
- Seguire i passaggi 1,2-1,6 per modello il PR di aprire la trincea per wet etch di SiO 2.
- Wet etch il evaporato SiO 2 utilizzando 01:20 soluzione BHF per 3 min e 30 sec. Si 3 N 4 fornisce un livello di stop etch per evitare l'ulteriore penetrazione di BHF.
Suggerimento: calibrazione dell'ora Etch viene consigliato.
- Sciacquare accuratamente il dispositivo in acqua deionizzata, e poi immergerlo in IPA per 5 min. Asciugare con un N 2 pistola. La st dispositivoructure rimane intatto a causa dello strato di cromo di spessore.
4. Funzionalizzazione chimica di Sidewalls nanotubi di carbonio
- Preparare una soluzione di 6 mm di acido 1-pyrenebutanoic succinimidyl estere (PbSe) in dimetilformammide (DMF).
- Incubare la matrice FET SWNT in questa soluzione molecolare linker per 1 ora a temperatura ambiente.
- Sciacquare a fondo il dado in DMF per lavare via il reagente in eccesso. Blow-asciugare il dispositivo.
- Preparare una soluzione 20mg/ml di Biotinyl-3, 6-dioxaoctanediamine (biotina PEO ammina-BPA) in acqua deionizzata per biotinilazione di SWNT.
- Incubare il dado in questa soluzione per 18 ore dopo di che sciacquare lo stampo in acqua deionizzata ed asciugare. BPA attribuisce al linker molecola PbSe.
- Preparare una soluzione di streptavidina 1mg/ml a 7.2 pH soluzione di PBS per streptavidina vincolante.
- Per le misurazioni statiche, incubare il dado in soluzione streptavidina per 20 min a funzionalizzare completamente il SWNT biotinilato. Thoroughly risciacquare e asciugare lo stampo. Per il rilevamento in tempo reale, il canale di flusso timbro PDMS (passaggio 6) e poi fluire la soluzione di streptavidina in fondo elevato forza ionica per streptavidina vincolante (Figura 3).
Nota: Sciacquare il dado di erogazione di acqua deionizzata (~ 50 ml) sopra il dado usando una bottiglia a spruzzo. Poi ci spostiamo il dado per un altro piatto di Petri contenente acqua deionizzata e spostiamo il dado in giro per 1 min. Ripetiamo le due fasi per un totale di 8-10 volte.
5. Preparazione di Polidimetilsilossano (PDMS) Stampo per Fluid Camera
- In una tazza di pesatura, versare 9 parti in peso di PDMS monomero e aggiungere 1 parte in peso di induritore e mescolare i due.
- Degas la miscela in un essiccatore per 25 min. Le bolle salirà attraverso la miscela e lasciare.
Suggerimento: Se la miscela inizia la formazione di schiuma, ventilare la camera e lasciare riposare per qualchesecondi prima di degassamento di nuovo.
- Posizionare un nuovo wafer di silicio in una capsula di Petri. Versare il composto degassato PDMS su di essa per avere uno strato di PDMS 5 mm sopra il wafer.
- Porre la capsula di Petri in un forno a 70 ° C per 1 ora.
- Rimuovere la capsula di Petri e lasciare raffreddare. Utilizzare un bisturi per tagliare un pezzo rettangolare di PDMS e tirarlo fuori con una pinzetta.
Tip: Il lato PDMS direttamente a contatto con il wafer di silicio è pulito ed estremamente piatta. Questo lato sarà in contatto con lo stampo FET SWNT. Fare attenzione a non contaminarlo.
- Posizionare la matrice rettangolare capovolto e praticare un foro in esso utilizzando un punzone biopsia (diametro 3 mm) dal lato piatto all'altro. In questo modo nessun bordi grezzi sul lato piatto di PDMS (figura 4a).
- Posizionare la camera di PDMS sulla parte superiore del dispositivo con attenzione allineandola sopra l'area attiva delle matrici FET SWNT fabbricato (<strong> Figura 4a, b). Toccare delicatamente al sicuro il timbro sul dado. Le obbligazioni laterali piane allo stampo per fornire una camera a tenuta.
Tip: Questo può essere fatto con l'occhio nudo o utilizzando un microscopio ottico con sufficiente spazio di lavoro. Se il PDMS non aderisce bene (in genere se la matrice e / o il timbro PDMS non è pulito), do plasma di ossigeno (20 watt, 15 sec) on PDMS per assistere incollaggio. Utilizzando i poteri plasmatici superiori a questo porta al forte legame, tuttavia, abbiamo visto lo strappo di elettrodi durante la rimozione del PDMS in tal caso.
- Rimuovere il timbro PDMS dopo test elettrici e prima del prossimo funzionalizzazione chimica passo immergendo lo stampo in acqua deionizzata e sollevando delicatamente il timbro.
6. Preparazione di Microfluidic Canale di flusso
- Prendete un wafer di silicio pulito e posizionarlo sul piatto caldo a 200 ° C per 5 minuti per rimuovere l'umidità.
- Spin cappotto SU-8 2015 500 min(100 rpm / sec velocità di rampa) per 5 sec e poi 1.250 rpm per 30 sec a 300 giri / sec velocità di rampa. Questo dà un micron di spessore SU-8 strato 30 su wafer di silicio.
- Morbido cuocere il wafer a 95 ° C per 5 min.
- Progettare un photomask (Figura 4c) per definire il micron di larghezza modello canale 300 di flusso sulla parte superiore dell'area di SWNT.
Suggerimento: per evitare il collasso della struttura di una larghezza di canale: rapporto di altezza di 10:1 è sufficiente (300 micron: 30 micron, in questo caso).
- Utilizzando 365-nm fotolitografia UV definire il canale di flusso con un tempo di esposizione ai raggi UV di 0.9 sec.
- Posta cuocere il dado a 95 ° C per 5 min.
- Sviluppare il modello in SU 8-sviluppatore per 5 min accompagnato da un leggero scuotimento.
- Sciacquare il wafer in IPA ed asciugare con N 2 pistola.
- Seguire i passaggi 5,1-5,2 per preparare una miscela PDMS.
- Posizionare la cialda con SU-8 stampo in un essiccatore con un 2-3 goccia di silanizzante agente trichloro (3, 3, 3-trifluoropropyl) silano in una capsula di Petri. Accendere la pompa del vuoto lasciato il wafer sedere nel vuoto per 1 ora.
- Versare il composto degassato PDMS sul wafer e riscaldare in un forno a 70 ° C per 1 ora.
- Tagliare lo stampo PDMS (negativo di SU-8) con un bisturi.
- Inserire il timbro PDMS capovolto e con un punzone biopsia (0.75 mm di diametro) per praticare un foro ad ogni estremità del canale di flusso. Assicurarsi di eseguire il foro dal lato piatto (il lato a contatto con il wafer di silicio) all'altro per evitare bordi grezzi (Figura 4e).
- Posizionare la camera di flusso PDMS sulla parte superiore del dispositivo con attenzione allineandola sopra dell'area attiva degli stampi FET SWNT fabbricati sotto un microscopio. Toccare delicatamente per fissare il timbro sul dado. Le obbligazioni laterali piane allo stampo per fornire una camera a tenuta. (Figura 4c e 4d)
- Spingere un tubo in polietilene nei fori e collegare l'altra estremità ad una sorgente di fluido e la siringa scarico (F4e igura).
- Attaccare la siringa ad un sistema di pompa siringa per mantenere un flusso controllato di fluido attraverso il canale (Figura 6).
7. DC Setup misurazione elettrica
- Collegare la fonte e contatti di gate di SWNT FET ai porti di tensione di una scheda DAQ.
- Collegare il contatto di scarico alla porta di ingresso della scheda DAQ attraverso una corrente di pre-amplificatore.
- Applicare 30 millivolt (mV) a contatto di source, spazzare la tensione di gate e registrare la corrente dal drain (figura 5a).
Suggerimento: Per misure in soluzione, tenere parametro spazzata tensione gate all'interno | 0,7 volt | per evitare perdite e reazione tra l'elettrodo di gate metallici e soluzione.
8. AC Setup misurazione elettrica
- Collegare il segnale di Ref-out da amplificatore lock-in alla porta esterna del segnale di modulazione del generatore di frequenza per impostare AM freque modulatoUscita ncy.
- Collegare il contatto fonte di SWNT FET per la porta di uscita RF AM-modulata di generatore di frequenza e di tensione continua da scheda DAQ utilizzando un tee bias (Figura 5b e 5c).
- Collegare il contatto porta a porta tensione della scheda DAQ.
- Collegare il contatto di drain di un amplificatore lock-in per leggere la corrente alternata attraverso il nanotubo. Leggere l'ampiezza e la fase della corrente attraverso le porte di ingresso DAQ.
- Tenere sorgente di tensione DC a 0 volt e la frequenza del segnale AM a 200 kilohertz (kHz).
- Spazzare la tensione di gate e misurare la corrente dallo scarico.
- Aumentare la frequenza e ripetere il punto 8.6 per I mix-V g spazza a frequenze diverse.
9. Misure elettriche in soluzione (Nessun flusso)
- Preparare 1 mM NaCl, 10 mM NaCl e 100 mm soluzioni saline NaCl a partire da 5M NaCl soluzione madre.
- Prendete il dispositivo SWNT dal punto 3.13. Eseguire passaggi 4,1-4,5 per ottenere un biotinylatedispositivo d.
- Eseguire il passaggio 5 per mettere una camera di PDMS sulla parte superiore del dispositivo.
- Riempire la camera con acqua deionizzata con una pipetta.
- Seguite il passaggio 8 per le misure di frequenza di miscelazione per diverse frequenze.
- Ripetere 9.4 per le tre differenti soluzioni saline 1 mM NaCl, 10 mM NaCl e 100 mM NaCl.
Suggerimento: Utilizzare pipetta per aspirare la soluzione precedente e poi lavare la camera più volte con la nuova soluzione. Spegnere sempre dal basso verso soluzioni ad alta concentrazione.
- Rimuovere il timbro PDMS sollevando delicatamente il timbro con una pinzetta.
- Sciacquare accuratamente il dispositivo con acqua deionizzata.
- Effettuare streptavidina vincolante come spiegato in 4,6-4,7.
- Ripetere i passaggi 9,3-9,6.
10. Misurazione elettrica in soluzione (Real Time Flow)
- Preparare una soluzione di sale NaCl 100 mM a partire dal 5 M NaCl soluzione stock.
- Prendete il dispositivo SWNT da step 3.13. Eseguire passaggi 4,1-4,5 per ottenere un dispositivo biotinilato.
- Posizionare il canale di flusso di micro-fluidico sul dispositivo seguendo passo 6 .. Collegare una siringa vuota ad una estremità del canale micro-fluidico per la modalità di ritiro. All'altra estremità allegare una siringa con soluzione di 100 mM NaCl sfondo.
- Impostare la misura elettrica come descritto al punto 8. Fissare la frequenza (f = 10 MHz) e cancello tensione di polarizzazione (V = 0).
- Avviare pompa a siringa in prelievo (portata = 0,4 ml -1 ora) e monitorare il segnale di corrente con il tempo. Passare la soluzione di streptavidina 1mg/ml in 100 mM NaCl e cambiamento di segnale monitor per streptavidina-biotina binding (Figura 6).
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Representative Results
Un microscopio elettronico a scansione immagine di transistor SWNT con un cancello alto sospesa è mostrato in Figura 7a. Le misure della porta sono critici per sospensione 25. Le attuali dimensioni di design sono (lunghezza x larghezza x spessore = 25 micron x 1 micron x 100 nm). L'elettrodo di gate è costituito da 50 nm Cr/50 nm di Au; uno strato di spessore cromo aggiunge più forza per struttura sospesa. La struttura sospesa è confermata dalla mancanza di corrente tra top gate e drain (figura 7b) perdite.
Noi usiamo il sistema ligando-recettore biotina-streptavidina per valutare il nostro sensore di SWNT. Per caratterizzare il successo di fianco funzionalizzazione monitoriamo i FET curve di trasferimento DC in aria dopo ogni fase di funzionalizzazione. Figura 7c illustrare che la curva di trasferimento spostamento a destra dopo biotinilazione (rosso) e streptavidina vincolante (blu). Questo può essere attribuito al gating elettrostatica dal electronegative gruppi amminici presenti sulla PEO biotina e streptavidina-ammina.
Per misure ad alta frequenza, seguiamo lo schema mostrato in Figura 5b. Le caratteristiche non lineari IV di transistor SWNT, mescola gli ingressi ad alta frequenza alla fonte e porta ad ottenere una corrente di uscita di miscelazione, io mix che è il nostro segnale di rilevamento. Figura 7d dimostra mescolo misurata in funzione della tensione di gate per un dispositivo tipico in 100 mM NaCl. La corrente di miscelazione per un AM ingresso modulato alla frequenza di modulazione m ω, è data da 10-11
, Dove m è la profondità di modulazione, V AC è l'ampiezza di ingresso AM e ∂ G / ∂ V g è la transconduttanza del dispositivo (pendenza della I
Per il rilevamento biomolecolare, è necessario che il CNT è esposto direttamente alla soluzione cioè SiO 2 è completamente incisa via durante la fase etch BHF. Se questa condizione non è soddisfatta, la modificazione chimica del CNT di non è possibile in quanto la molecola linker non può impilare lungo il fianco del nanotubo.Questo è chiaramente illustrato nella figura 7g dove vediamo nessun cambiamento prima e dopo il legame anche in acqua deionizzata per un dispositivo passivato SiO 2. Questo dimostra anche che i nostri risultati di misura indicano modificazione chimica di successo e l'accertamento biomolecolare in concentrazioni ioniche alte fondo. In tutte le misure, si osserva che la risposta del sensore scende al di là di 30 MHz che è dovuto alla risonanza di setup.
Figura 1. Transistor di flusso del processo di fabbricazione di nanotubi (a) processo di fabbricazione -. (1) Photomask strato-1 (PL-1) per il catalizzatore deposizione, (2), decollo in metallo, (3) la crescita CNT, (4) PL-2 per il source-drain contatto, (5) decollo metallo, (6) SiO 2 blanket deposizione, (7) PL-3 per cancello contatto, (8) in metallodecollo, (9) Sottile SiO 2 coperta deposizione, (10) PL-4 per BHF bagnato canale etch e (11) del dispositivo finale dopo rimozione di photoresist. Combinazione di colori è illustrato. (B) Schema di struttura del dispositivo.
Figura 2. Crescita di nanotubi di carbonio. (A) Anneal passo per eliminare i residui di photoresist, (b) fase di crescita per la crescita CNT e (c) il posizionamento del dispositivo nel forno di crescita.
Figura 3. Diagramma di flusso per la funzionalizzazione chimica del Cnt.
Figura 4. PDMS bollo per le misure di soluzione (a) -. (B) statiche (assenza di flusso) misure (a), punzonatura e montaggio di una camera di PMDS sul dispositivo, (b) Schema di camera di flusso su un dispositivo (C). -. (E Misure di portata). (c) Flusso di processo per il canale di flusso PDMS utilizzando SU 8-stampo. (1) Photomask per la definizione dei canali di flusso, (2) reticolato SU 8-stampo, (3) PDMS sul SU-8 e (4) canale di flusso PDMS sovraimponendovi dispositivo. (D) Schema del canale di flusso su un dispositivo e (e) punzonatura fori di ingresso / uscita in PDMS, timbra il canale di flusso sul dispositivo e il collegamento di tubi in polietilene per porte di ingresso / uscita.
Figura 5. Setup di misura elettrica. (A) DC misurazione schematica, (b) AC miscelazione schematica misura di corrente e (c) immagine del setup sperimentale per la modulazione di frequenza AM miscelazione misurazione. Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 6. Flusso di setup di misura (a) immagine di tutto il sistema di misura,. (B) Pompa siringa e la stazione della sonda, e (c) immagine del dispositivo con PDMS canale di flusso, tubi di flusso di ingresso / uscita e di p elettricavesti.
Figura 7. Risultati rappresentativi per biosensore SWNT. (A) Immagine SEM di un dispositivo top-gate tipica sospesa, (b) perdita gate-drain di confermare la struttura sospesa, (c) I dc-V curva g di nanotubi incontaminata FET (nero), dopo biotinylation (rosso) e dopo streptavidina vincolante (blu) misurata in aria, io dc (nero, sd V = 10 mV) e miscelazione corrente (d) corrente continua,, I mix (rosso, modulazione f = 200 kHz) in funzione g di V per il dispositivo in 100 mM di NaCl. Teorica I mescolare ottenuta utilizzando il modello in equazione (1) è anche indicato (▲) per il confronto. (E) I mix-V g curVes biotinilato (nero) e streptavidina-biotina legata (rosso) SWNT in 100 mM NaCl af = 10 MHz, (f) reale tempo di misurazione del flusso per rilevare streptavidina obbligatorio in 100 mM NaCl e (g) modificazione dopo obbligatorio in un completamente passivato dispositivo di controllo in acqua deionizzata a frequenze diverse. Clicca qui per ingrandire la figura .
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Discussion
La crescita di nanotubi di carbonio dipende non solo dalle condizioni di forni ma anche substrato pulizia. L'ottimale della portata del gas, temperatura e pressione per la crescita devono calibrata attentamente e quando fissati sono più o meno stabile. Anche con l'essere soddisfatte queste condizioni, abbiamo scoperto che la crescita dipende dalla zona catalizzatore fantasia, quantità di catalizzatore e substrato pulizia. Quindi, abbiamo incorporato più dimensioni pit catalizzatore per tenere conto della variabilità della crescita. A una temperatura elevata un'ora ricottura passo aiutato rimuovere eventuali contaminanti come PR residuo ecc dal substrato. Figura 2 illustra le condizioni che abbiamo adottato per la crescita SWNT.
La presenza di contaminanti da fasi di lavorazione dado può comportare segnale spurio un sensing chimici e biologici. Quindi, è necessario pulire accuratamente il supporto prima e dopo funzionalizzazione chimica. Le fasi di risciacquo dopo ogni funzionalizzazione aiuta remOve qualsiasi reagente in eccesso che potrebbero depositarsi sul dispositivo vicino all'area attiva. Abbiamo anche osservato che, se il supporto non è stato pulito, il timbro PDMS non era a tenuta e staccata con la pressione del fluido durante le misurazioni. In tali casi, molto delicato O 2 al plasma sul timbro PDMS aiutato adesione. Troppo forte l'O 2 plasma può rendere il timbro PDMS bastone bene ma difficile da rimuovere dal dispositivo, abbiamo notato che strappa di elettrodi, mentre la rimozione che rende lo stampo inutilizzabile. Se il timbro PDMS e il morire sono pulite, l'adesione tra di loro è abbastanza buono per sopravvivere misure di flusso del fluido senza trattamento al plasma di ossigeno anche. Non utilizzare O 2 plasma sul dispositivo SWNT come questa volontà etch i nanotubi di carbonio.
In soluzione misure elettriche basate, qualsiasi corrente di dispersione travolge il segnale di rilevamento. Questa perdita accade perché la soluzione troppo può agire come un conduttore, la cui resistenza diminuisce all'aumentare della concentrazione salina.Pertanto, è necessario incorporare elettrodo passivazione passo nella progettazione transistor. Le due deposizioni coperta nel nostro protocollo di fabbricazione (500 nm e 20 nm SiO 2) hanno contribuito a ridurre perdite dai sorgenti, di drenaggio e di contatti metallici cancelli. Inoltre, prima di prendere qualsiasi misura elettrica, si consiglia una fuga spazzata gate-drain per garantire che non vi siano perdite avviene nel range di tensione spazzata previsto.
Per misure di portata del fluido, è necessario evitare trappole aria nel canale di flusso. Il traferro porta a segnalare distorsioni perché la risposta del sensore in aria è diversa rispetto a quando in soluzione. Nella modalità di pompaggio in avanti questo problema è stato spesso rilevato che impediva il flusso del fluido. Questo è stato evitato azionando la pompa a siringa in prelievo.
Per le misurazioni elettriche ad alta frequenza in soluzioni ioniche fondo alti la risposta è sceso al di là 30-40 MHz a causa della perdita di risonanza dal setup di misura. Noi saremolieve questo può essere migliorata progettazione di dispositivi con parasitics inferiori. Ottimizzato distanza gate-SWNT e cavi BNC e SMA più piccoli possono contribuire a migliorare la sensibilità.
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Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Acknowledgments
Ringraziamo il Prof. Paolo McEuen alla Cornell University per la discussione iniziale. Il lavoro è supportato dal fondo iniziale fornire dall'Università del Michigan e la National Science Foundation Programma di nanofabbricazione scalabile (DMR-1.120.187). Questo lavoro ha utilizzato il Lurie Nanofabrication Facility presso Università del Michigan, un membro della National Nanotechnology Network Infrastructure finanziato dalla National Science Foundation.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| REAGENTS | |||
| Reagents which were provided within Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) are marked as LNF in the catalogue column. Chemicals which require protective equipment (gloves, safety goggles, face mask, apron) and/or fume hood are denoted with PPE in comments section. | |||
| Silicon wafers (P-type, <100>, 500-550 μm thick) | Silicon Valley Microelectronics | ||
| SPR 220 3.0 | Dow (Rohm and Haas) | Megaposit SPR | PPE |
| AZ 300MIF | AZ Electronic Material Corporation | PPE | |
| Acetone | J T Baker | 9005-05 | PPE |
| Isopropanol (IPA) | J T Baker | 9079-05 | |
| Buffered Hydrofluoric Acid | Transene | PPE | |
| 1-Pyrene Butanoic Acid, succinimidyl ester | Molecular Probes | P130 | PPE |
| Biotin PEO Amine | Thermo Scientific | EZ- Link PEG2 Biotin, # 21346 | PPE |
| Streptavidin | Invitrogen | S 888 | PPE |
| Dimethylformamide | MP Biomedicals | 0219514791 | PPE |
| Polydimethylsiloxane Elastomer Base and Curing Agent | Dow Corning | Sylgard 184 Elastomer Kit | PPE |
| SU-8 2015 | Microchem | Y111064 | PPE |
| SU-8 Developer | Microchem | Y020100 | PPE |
| Silanizing agent | Sigma Aldrich | 452807 | PPE |
| Hydrogen | Purity Plus | LNF | |
| Ethylene | Purity Plus | LNF | |
| Argon | Purity Plus | LNF | |
| Phosphate Buffer Saline System | Sigma Aldrich | PBS1 | |
| EQUIPMENT | |||
| Equipment provided by Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) is denoted as LNF in Catalogue column. | |||
| GCA 200 Autostepper | GCA | LNF | |
| Low Pressure Chemical Vapor Deposition Tool | Tempress | LNF | |
| e-beam Evaporator | Enerjet | LNF | |
| CNT growth Furnace | First Nano | Easy Tube 3000 (LNF) | |
| Photomasks | Nanofilm | LNF | |
| Petri dish (150mm) | LNF | ||
| Desiccator | Bel-Art | F420100000 | |
| Biopsy Punch | Ted Pella | 15071/78 | |
| Scalpel | Ted Pella | 548 | |
| Polyethylene Tubing PE-50 | VWR | 20903-414 | |
| Syringe Pump | New Era Pump Systems | NE-1000 | |
| Syringe | Fisher Scientific | BD Safety-Lok Syringes | |
| Syringe Needles | Fisher Scientific | 14-821-13A | |
| DAQ card | National Instruments | 779111-01 | |
| GPIB connector | National Instruments | 778032-51 | |
| Lock-in Amplifier | Stanford Research Systems | SR 830 | |
| Frequency Generator | HP Agilent | 8648B, 9kHz -2GHz | |
| Bias Tee | Picosecond | 5575A-104 | |
| Current Preamplifier | DL Instruments, LLC | DL 1211 | |
| BNC cables | Allied Electronics | 665-xxxx | |
| SMA cables | Sentro Tech Corp | SCF65141 | |
References
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