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 JoVE Bioengineering

La fabricación de nanotubos de carbono de alta frecuencia Nanoelectrónica biosensor para la detección in High Solutions fuerza iónica

1, 1

1Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan - Ann Arbor

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    Summary

    Se describe la fabricación de dispositivos y un protocolo de medición para biosensores de alta frecuencia basados ​​en nanotubos de carbono. La técnica de detección de alta frecuencia mitiga el efecto de apantallamiento iónica fundamental (de Debye) y permite nanotubo biosensor para ser operado en soluciones de elevada fuerza iónica donde biosensores electrónicos convencionales fallan. Nuestra tecnología ofrece una plataforma única para los puntos de atención (PDA) biosensores electrónicos que operan en condiciones fisiológicamente pertinentes.

    Date Published: 7/22/2013, Issue 77; doi: 10.3791/50438

    Cite this Article

    Kulkarni, G. S., Zhong, Z. Fabrication of Carbon Nanotube High-Frequency Nanoelectronic Biosensor for Sensing in High Ionic Strength Solutions. J. Vis. Exp. (77), e50438, doi:10.3791/50438 (2013).

    Abstract

    Las propiedades electrónicas únicas y altas proporciones de superficie-volumen de nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y nanocables semiconductores (NW) 1-4 hacen buenos candidatos para biosensores de alta sensibilidad. Cuando una molécula cargada se une a una superficie tal sensor, se altera la densidad de portadores 5 en el sensor, lo que resulta en cambios en su conductancia DC. Sin embargo, en una solución iónica una superficie cargada también atrae a contra-iones de la solución, la formación de una doble capa eléctrica (EDL). Este EDL pantallas eficaz de la carga y en condiciones fisiológicamente pertinentes ~ 100 milimoles (mM), la longitud característica de detección de carga (longitud de Debye) está a menos de un nanómetro (nm). Por lo tanto, en soluciones de elevada fuerza iónica, la detección basada en carga (CC) está fundamentalmente impedida 6-8.

    Superamos los efectos de detección de carga mediante la detección de los dipolos moleculares en vez de los cargos de alta frecuencia, operando nanot carbonoube transistores de efecto campo como mezcladores de alta frecuencia 9-11. A altas frecuencias, la fuerza de accionamiento de CA ya no puede superar la fricción y la solución de los iones en solución no tiene tiempo suficiente para formar el EDL. Además, la técnica de mezcla de frecuencias nos permite operar a frecuencias lo suficientemente altas como para superar proyección iónica, y sin embargo, detectar las señales de detección a bajas frecuencias 11-12. Además, la alta transconductancia de los transistores de SWNT proporciona una ganancia interna para la señal de detección, que obvia la necesidad de amplificador de señal externa.

    Aquí, se describe el protocolo para (a) fabricar transistores de SWNT, (b) funcionalizar biomoléculas para el nanotubo 13, (c) diseñar y estampar una poli-dimetil-siloxano (PDMS) micro-cámara de fluido 14 en el dispositivo, y (d) llevar a cabo la detección de alta frecuencia en las diferentes soluciones de fuerza iónica 11.

    Introduction

    Cuando una molécula cargada se une a un sensor electrónico de SWNT o NO, o bien puede donar / aceptar electrones o actuar como una puerta electrostático local. En cualquiera de los casos, la molécula unida puede alterar la densidad de carga en el canal de SWNT o NO, lo que lleva a un cambio en la conductancia continua medida del sensor. Una gran variedad de moléculas 15-20 se han detectado con éxito mediante el estudio de las características de corriente continua de los nanosensores durante tales eventos de unión. Aunque mecanismo de detección basado cargo de detección tiene muchas ventajas, incluyendo la detección sin etiqueta 21, la sensibilidad femto-molar 22, y electrónicos leídos capacidad 15, es eficaz sólo en soluciones de baja fuerza iónica. En las soluciones de elevada fuerza iónica, detección de corriente continua se ve impedida por la detección iónica 6-8. Una superficie cargada atrae contra-iones de la solución que forma una doble capa eléctrica (EDL) cerca de la superficie. La EDL pantallas efectiva de estos cargos. Como tque la fuerza iónica de la solución aumenta, la EDL se hace más estrecha y los aumentos de detección. Este efecto de apantallamiento se caracteriza por la longitud de detección de Debye λ D,

    Ecuación 1
    , Donde ε es la permitividad dieléctrica de los medios de comunicación, k B es la constante, de Boltzmann T es la temperatura, q es la carga del electrón, y c es la fuerza iónica de la solución de electrolito. Para una solución tampón 100 mM típica, λ D es de alrededor de 1 nm y el potencial de la superficie será completamente proyectó en una distancia de unos pocos nm. Como resultado, la mayoría de los sensores nanoelectrónicos basado en SWNT o NWs operan ya sea en estado seco 20 o en soluciones de baja fuerza iónica 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mM), de lo contrario la muestra debe someterse a medidas desalado 15,23. Dispositivos de diagnóstico de punto de atención necesitan para operar en fuerza iónica fisiológicamente relevantes en el sitio de los pacientes con capacidad de procesamiento de la muestra limitada. Por lo tanto, mitigar el efecto de apantallamiento iónico es fundamental para el desarrollo y ejecución de POC nanoelectrónica biosensores.

    Nos mitigar el efecto de apantallamiento iónico mediante la operación del sensor nanoelectrónica basada SWNT en el rango de frecuencia megahertz. El protocolo que se proporcionan aquí detalles de la fabricación de un transistor de SWNT plataforma de detección basado nanoelectrónicos y medición de mezcla de alta frecuencia para la detección biomolecular. Los nanotubos de carbono de pared única son cultivados por deposición química de vapor en sustratos estampados con catalizadores de Fe 24. Para nuestros transistores SWNT, incorporamos un top-puerta suspendida 25 colocado por encima de 500 nm del nanotubo, que ayuda a mejorar la respuesta del sensor de alta frecuencia y también permite una MICR compactocámara de o-fluídico para sellar el dispositivo. Los transistores de SWNT son operados como mezcladores de alta frecuencia 9-11 con el fin de superar los efectos de apantallamiento de fondo iónicos. A frecuencias más altas, los iones móviles en solución no tienen tiempo suficiente para formar la EDL y los dipolos biomoleculares fluctuaciones todavía puede puerta SWNT para generar una corriente de mezcla, que es nuestra señal de detección. La frecuencia de mezcla surge debido a las características no lineales IV de un nanotubo de FET. Nuestra técnica de detección difiere de las técnicas convencionales de detección basada en espectroscopia de impedancia de carga y 26-27. En primer lugar, detectamos dipolos biomoleculares en alta frecuencia en lugar de los costes asociados. En segundo lugar, el alto transconductancia del transistor SWNT proporciona una ganancia interna para la señal de detección. Esto obvia la necesidad de amplificación externa como en el caso de mediciones de la impedancia de alta frecuencia. Recientemente, otros grupos también han abordado la detección biomolecular en alta baconcentraciones ckground 23,28. Sin embargo, estos métodos son más complicado, que requiere la fabricación compleja o ingeniería química cuidado de moléculas receptoras. Nuestro sensor de SWNT de alta frecuencia incorpora un diseño más simple y utiliza la frecuencia de la propiedad de mezcla inherente de un transistor de nanotubos. Somos capaces de mitigar los efectos de apantallamiento iónicos, prometiendo así una nueva plataforma de biosensores para la detección de puntos de atención en tiempo real, cuando se desean biosensores que funcionan directamente en estado fisiológicamente relevante.

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    Protocol

    1. Patrones catalizador para el crecimiento SWNT

    1. Comience con una oblea de silicio con una deposición química de vapor de baja presión (ECV) crecido 500 nm de Si 3 N 4/500 nm de SiO 2 película en la parte superior.
    2. Girar la capa una capa de resina fotosensible (PR) a 500 rpm durante 5 seg y luego 4000 rpm durante 40 seg.
    3. Hornear la oblea a 115 ° C durante 90 seg.
    4. Utilice una fotomáscara con los hoyos rectangulares para catalizadores (Figura 1) y exponer la oblea en (365 nm) la radiación UV de 300 mJ / cm 2 de 0,3 seg. Después de la exposición de la oblea hornear a 115 ° C durante 90 seg.

    Consejo: hoyos del diseño de diversos tamaños, por ejemplo 5 micras x 5 micras, 10 micras x 5 micras etc para tener en cuenta la variabilidad en la deposición de vapor de SWNT químico (CVD) proceso de crecimiento.

    1. Desarrollar la oblea en el revelador de 70 segundos agitando suavemente la pastilla a través del proceso.
    2. Enjuague la oblea con DI water durante 2 minutos y luego secar con un átomo de nitrógeno (N 2) arma.
    3. Cargue la oblea convertido en e-beam cámara de evaporación y depósito de 0,5 nm de hierro (Fe) en una cámara de presión de 10 -6 torr.
    4. Cortar la oblea en dados pequeños 1,5 cm x 1,5 cm.
    5. Retire el fotoprotector por inmersión en acetona caliente y isopropanol (IPA) durante 10 minutos cada uno. Esto deja catalizador de Fe en las fosas rectangulares para el crecimiento de nanotubos.

    2. Crecimiento ECV de Nanotubos de Carbono

    1. Coloque los troqueles revestidos de catalizador en el tubo de cuarzo del horno de crecimiento de las enfermedades cardiovasculares.

    Sugerencia: Determine el punto dulce para el crecimiento de nanotubos. El crecimiento es uniforme sobre un área de 2inch x 2inch aguas abajo para nuestra horno (Figura 2c).

    1. Recocer el sustrato en aire a 880 ° C durante una hora para eliminar el residuo de resina fotosensible (Figura 2a). Deje que se enfríe.
    2. Purgar la cámara con Argon durante 5 min a 3 SLM (litros estándar por minuto).
    3. Rampa hasta el horno a 800 ° C en el centro del tubo, mientras se mantiene un flujo de 1 SLM de argón (Figura 2b).
    4. Flujo de 0,2 SLM de hidrógeno durante 5 minutos para reducir las partículas de catalizador es decir, convertir el óxido de hierro a hierro.
    5. Introducir 5,5 sccm (centímetro cúbico estándar por minuto) de etileno (C 2 H 4) durante 35 min a crecer SWNT. Mantener un flujo de H 2 0,2 SLM durante todo el proceso. La longitud de los nanotubos obtenidos de esta receta es> 20 micrómetros (micras).
    6. Deje que el horno se enfríe a temperatura ambiente con un pequeño flujo de argón.

    3. SWNT Fabricación Transistor FET

    1. Diseñar una fotomáscara (Figura 1) para la definición de electrodos fuente-drenaje de corriente-tensión de caracterización (IV) de los nanotubos de carbono.

    Sugerencia: Ampliar electrodos almohadillas de contacto ahora apart en el dado para que permanezcan accesibles incluso después de sofocar un sello de micro-fluido en la región de nanotubos activa.

    1. Siga los pasos 1,2 -1,6 para definir el área de deposición de metal para los contactos.
    2. Depósito Ti / Au 0.5 nm/50 nm para contactos fuente de drenaje en una cámara de evaporación por haz de electrones a 10 -6 torr.
    3. Deja el molde en acetona durante la noche para el despegue metal. Después del despegue, sumergir el molde en IPA durante 10 minutos y luego soplar con N2 seco pistola.
    4. Hacer un depósito general de 500 nm e-beam evaporó SiO2 para puerta dieléctrica a 10 -6 torr.
    5. Diseñar una fotomáscara (Figura 1) para definir el electrodo de puerta.
    6. Siga los pasos 1.2 a 1.6 para definir la región de deposición de metal de la puerta.
    7. Evaporar 50 nm/50 nm Cr / Au como electrodo de puerta superior en el evaporador de haz de electrones. Siga el paso 3.4 para el despegue metal.

    Consejo: Utilice capa de cromo de espesor para aumentar la fuerza of suspendido encima de la puerta. Dimensiones Gate también son fundamentales para la suspensión éxito.

    1. Depósito de una fina capa (20 nm) de SiO2 para la pasivación del electrodo top manta.
    2. Diseñar una fotomáscara (Figura 1) para abrir una zanja en SiO2 para acceder al canal de nanotubos de carbono. Diseño área de la almohadilla de grabado en la misma máscara para abrir la región de acceso a la fuente, drenaje y electrodos de puerta lejos del canal de SWNT.
    3. Siga los pasos 1.2 a 1.6 al patrón de la PR para abrir la zanja para el grabado húmedo de SiO2.
    4. Wet grabar el evaporó SiO2 usando 01:20 BHF solución durante 3 min y 30 seg. Si 3 N 4 proporciona una capa de detención del ataque químico para evitar una mayor penetración de la BHF.

    Se recomienda calibración Etch: Tip.

    1. Enjuague el aparato en agua DI y luego sumergirlo en IPA durante 5 min. Secar con una pistola de N 2. El st dispositivoructure permanece intacta debido a la capa de cromo de espesor.

    4. Funcionalización química de nanotubos de carbono de paredes laterales

    1. Preparar una solución de 6 mM de succinimidil éster de ácido 1-pyrenebutanoic (PBSE) en dimetilformamida (DMF).
    2. Incubar la matriz FET SWNT en esta solución molecular enlazador durante 1 hora a temperatura ambiente.
    3. Enjuague la boquilla en DMF para quitar el exceso de reactivo. Seque el dispositivo.
    4. Preparar una solución de 20mg/ml de biotinil-3, 6-dioxaoctanediamine (biotina PEO amina-BPA) en agua DI para la biotinilación de los nanotubos.
    5. Incubar el dado en esta solución durante 18 horas después de que enjuagar bien el molde en agua DI y brushing. BPA se une a la molécula de engarce PBSE.
    6. Preparar una solución de 1mg/ml estreptavidina en solución de PBS de pH 7,2 para la unión a estreptavidina.
    7. Para las mediciones estáticas, se incuba la matriz en una solución de estreptavidina durante 20 min para funcionalizar completamente el SWNT biotinilado. Thoroughly enjuagar y secar la boquilla. Para la detección en tiempo real, sellar el canal de flujo de PDMS (paso 6) y la primera entonces fluir la solución de estreptavidina en el fondo de alta fuerza iónica para la unión a estreptavidina (Figura 3).

    Nota: Enjuague el molde por dispensación DI agua (~ 50 ml) sobre la matriz utilizando un frasco lavador. Después nos trasladamos de la matriz a otra placa de Petri que contiene agua desionizada y movemos el molde alrededor de 1 min. Repetimos los dos pasos de un total de 8 a 10 veces.

    5. Preparación de polidimetilsiloxano (PDMS) Molde para cámara de fluido

    1. En una taza de pesaje, verter 9 partes en peso de monómero de PDMS y añadir 1 parte en peso de agente de curado y mezclar bien los dos.
    2. Desgasificar la mezcla en un desecador durante 25 min. Las burbujas subirán a través de la mezcla y se van.

    Consejo: Si la mezcla empieza la formación de espuma, ventilar la cámara y se deja reposar durante unossegundos antes de desgasificación de nuevo.

    1. Coloque una nueva oblea de silicio en una placa de Petri. Verter la mezcla de PDMS desgasificado en la parte superior de la misma para tener una capa de PDMS de 5 mm por encima de la oblea.
    2. Coloque la placa de Petri en un horno a 70 ° C durante 1 hora.
    3. Retire la placa de Petri y se deja enfriar. Utilice un bisturí para cortar una pieza rectangular de PDMS y tire de ella con una pinza.

    Consejo: El lado PDMS directamente en contacto con la oblea de silicio es extremadamente limpia y plana. Este lado estará en contacto con la matriz FET SWNT. Tenga cuidado de no contaminarlo.

    1. Coloque el troquel rectangular al revés y perforar un agujero en él utilizando un punzón de biopsia (3 mm de diámetro) de la parte plana a la otra. Esto asegura que no tenga bordes ásperos en la parte plana de PDMS (Figura 4a).
    2. Coloque la cámara de PDMS en la parte superior del dispositivo con cuidado mediante la alineación en la parte superior de la zona activa de las matrices fabricadas FET SWNT (<fuerte> Figura 4a, b). Toque suavemente para asegurar el sello de morir. Los bonos laterales planas a la matriz para proporcionar una cámara de prueba de fugas.

    Consejo: Esto se puede hacer a simple vista o usando un microscopio óptico con suficiente espacio de trabajo. Si el PDMS no se pega bien (en general, si la matriz y / o el sello PDMS no es limpio), hacer plasma de oxígeno (20 vatios, 15 seg) en PDMS para ayudar a la unión. Usando los poderes de plasma superiores a que esto conduce a la unión más fuerte, sin embargo, hemos visto que rasga de electrodos mientras se quita el PDMS en tal caso.

    1. Retire el sello PDMS después de la prueba eléctrica y antes de la siguiente etapa de funcionalización química sumergiendo el molde en agua DI y levantar suavemente el sello.

    6. Preparación del Canal de Flujo de microfluidos

    1. Tome una pastilla de silicio limpio y colocarlo en la placa caliente a 200 ° C durante 5 minutos para eliminar la humedad.
    2. Haga girar la capa SU-8 2015 a 500 rpm(100 rpm / seg velocidad de rampa) durante 5 segundos y, a continuación 1250 rpm durante 30 segundos a 300 rpm / seg velocidad de rampa. Esto da una m de espesor SU-8 capa 30 en la oblea de silicio.
    3. Hornear suave de la oblea a 95 ° C durante 5 min.
    4. Diseñar una fotomáscara (Figura 4c) para definir el patrón de micras canal de flujo 300 de ancho en la parte superior de la zona de SWNT.

    Sugerencia: Para evitar el colapso de la estructura de un ancho de canal: altura de las 10:01 es suficiente (300 m: 30 micras en este caso).

    1. Con fotolitografía UV de 365 nm definir el canal de flujo con un tiempo de exposición UV de 0,9 seg.
    2. Pon hornear la matriz a 95 ° C durante 5 min.
    3. Desarrollar el modelo en SU-8 desarrollador durante 5 minutos acompañado de agitación suave.
    4. Enjuague la oblea en IPA y secar con N2 arma.
    5. Siga los pasos de 05.01 a 05.02 para preparar una mezcla de PDMS.
    6. Coloque las tabletas con SU-8 del molde en un desecador con una caída 2-3 de silanización tric agentehloro (3, 3, 3-trifluoropropilo) silano en una placa de Petri. Encienda la bomba de vacío permiten la oblea sentarse en el vacío durante 1 hora.
    7. Verter la mezcla de PDMS desgasificado sobre la oblea y se calienta en un horno a 70 ° C durante 1 hora.
    8. Cortar el molde de PDMS (negativo de SU-8) con un bisturí.
    9. Coloque el sello PDMS al revés y utilizando un punzón de biopsia (0,75 mm de diámetro) para perforar un agujero en cada extremo del canal de flujo. Asegúrese de que para perforar el agujero desde el lado plano (el lado en contacto con la oblea de silicio) a la otra para evitar que los bordes ásperos (Figura 4e).
    10. Coloque la cámara de flujo de PDMS en la parte superior del dispositivo con cuidado mediante la alineación en la parte superior de la zona activa de las matrices de FET SWNT fabricados bajo un microscopio. Toque suavemente para asegurar el sello de morir. Los bonos laterales planas a la matriz para proporcionar una cámara de prueba de fugas. (Figura 4c y 4d)
    11. Empuje un tubo de polietileno en los agujeros y conectar el otro extremo a una fuente de fluido y una jeringa de drenaje (F4e igura).
    12. Acople la jeringa a un sistema de bomba de jeringa para mantener un flujo controlado de fluido a través del canal (Figura 6).

    7. DC Configuración de la medición eléctrica

    1. Conectar la fuente y los contactos de puerta de FET de SWNT a los puertos de tensión de una tarjeta de adquisición de datos.
    2. Conectar el contacto de drenaje al puerto de entrada de la tarjeta de adquisición de datos a través de un pre-amplificador de corriente.
    3. Aplicar 30 milivoltios (mV) a la fuente de contacto, barrer el voltaje de la puerta y registrar la corriente desde el desagüe (Figura 5a).

    Consejo: Para las mediciones en solución, mantenga el parámetro de barrido voltaje de la puerta dentro de 0,7 voltios | | para evitar fugas y la reacción entre el electrodo de puerta de metal y una solución.

    8. AC Configuración de la medición eléctrica

    1. Conecte la señal Ref Salida del amplificador lock-in al puerto de señal de modulación externa sobre generador de frecuencia para configurar AM freque moduladasalida ncy.
    2. Conectar contacto fuente de SWNT FET para el puerto de salida de RF modulada en AM de generador de frecuencia y tensión de corriente continua de la tarjeta de adquisición de datos usando una camiseta sesgo (Figura 5b y 5c).
    3. Conecte contacto de puerta a puerto de voltaje de la tarjeta de adquisición de datos.
    4. Conectar el contacto de drenaje a un amplificador lock-in para leer la corriente de corriente alterna a través del nanotubo. Leer la amplitud y la fase de la corriente a través de los puertos de entrada DAQ.
    5. Mantenga tensión continua fuente a 0 voltios y frecuencia de la señal de AM en 200 kilohercios (kHz).
    6. Barra el voltaje de la puerta y mida la corriente del drenaje.
    7. Aumentar la frecuencia y repita el paso 8.6 para que la mezcla-V g barridos a diferentes frecuencias.

    9. Mediciones eléctricas en solución (falta de flujo)

    1. Preparar 1 mM de NaCl, 10 mM de NaCl y 100 mM de soluciones de sal de NaCl 5 M a partir de solución madre de NaCl.
    2. Lleve el dispositivo SWNT desde el paso 3.13. Realizar los pasos 4.1 a 4.5 para obtener una biotinilardispositivo d.
    3. Siga el paso 5 para colocar una cámara de PDMS en la parte superior del dispositivo.
    4. Llenar la cámara con agua desionizada usando una pipeta.
    5. Siga el paso 8 para mediciones de frecuencia de mezcla de diferentes frecuencias.
    6. Repita 9,4 para las tres soluciones de sales diferentes 1 mM NaCl, 10 mM de NaCl y 100 mM de NaCl.

    Consejo: Utilice pipeta para retirar solución anterior y, a continuación enjuagar la cámara de múltiples veces con la nueva solución. Desconecte siempre de la baja a las soluciones de alta concentración.

    1. Retire el sello PDMS levantando suavemente el sello con una pinza.
    2. Enjuague el aparato con agua DI.
    3. Realizar estreptavidina como se explica en 4.6 a 4.7.
    4. Repita los pasos 9.3 hasta 9.6.

    10. Medición eléctrica en solución (flujo en tiempo real)

    1. Prepare una solución salina 100 mM NaCl a partir de solución de NaCl 5 M.
    2. Lleve el dispositivo SWNT de step 3.13. Realizar los pasos 4.1 a 4.5 para obtener un dispositivo con biotina.
    3. Coloque el canal de flujo de micro-fluídica en el dispositivo después de la etapa 6 .. Conectar una jeringa vacía a un extremo del canal de micro-fluídica para el modo de operación de retirada. En el otro extremo adjuntar una jeringa con una solución de fondo de 100 mM de NaCl.
    4. Configure la medición eléctrica como se detalla en el paso 8. Fijar la frecuencia (f = 10 MHz) y la puerta de voltaje de polarización (V = 0).
    5. Encienda la bomba de jeringa en el modo de retirada (caudal = 0,4 ml -1 hora) y controlar la señal de intensidad con el tiempo. Cambie la solución de 1mg/ml estreptavidina en 100 mM de NaCl y el cambio de señal del monitor de estreptavidina-biotina de unión (Figura 6).

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    Representative Results

    Una imagen de microscopio electrónico de barrido de transistor de SWNT con una puerta de la parte superior suspendido se muestra en la Figura 7a. Las dimensiones de la puerta son críticos para la suspensión 25. Las dimensiones actuales de diseño son (largo x ancho x espesor = 25 micras x 1 micras x 100 nm). El electrodo de puerta se compone de 50 nm Cr/50 nm Au, una capa de cromo gruesa añade más fuerza a la estructura suspendida. La estructura suspendida se confirma por la ausencia de corriente entre la parte superior y la puerta de drenaje (Figura 7b) fugas.

    Utilizamos el sistema de ligando-receptor de biotina-estreptavidina para evaluar nuestro sensor de SWNT. Para caracterizar el éxito de la pared lateral funcionalización hacemos un seguimiento de las curvas de transferencia DC FET en el aire después de cada paso de funcionalización. Figura 7c ilustrar que la curva de transferencia de cambio a la derecha después de biotinilación (rojo) y unión a estreptavidina (azul). Esto se puede atribuir a la compuerta electrostática por el electronegatiVE grupos amino presentes en biotina PEO-amina y estreptavidina.

    Para mediciones de alta frecuencia, seguimos el esquema mostrado en la Figura 5b. Las características no lineales IV de transistor de SWNT, mezclas de las entradas de alta frecuencia a la fuente y la puerta para producir una salida de corriente de mezcla, que mezcla la cual es nuestra señal de detección. Figura 7D muestra mezclo mide como una función de la tensión de puerta para un dispositivo típico en 100 mM de NaCl. La corriente de mezcla para una AM de entrada modulada a la frecuencia de modulación, ω m, viene dada por 10-11

    Ecuación 1
    , Donde m es la profundidad de modulación, V AC es la amplitud de entrada AM y ∂ G / ∂ V g es la transconductancia del dispositivo (pendiente de la me g curva de la Figura 7d). Los resultados actuales de mezcla (m = 0,78 y V AC = 20 mV) concuerdan bien con el modelo como se muestra en la figura. Para las mediciones de fluidos estáticos, se compara el pico de tales mezclas barridos actuales de nanotubos funcionalizados. Para las mediciones de flujo, fijamos frecuencia portadora de señal modulada en AM y arreglamos tensión de puerta (V g = 0) y monitoreamos mezclo para la unión como una función del tiempo biomolecular, mientras se mantiene un flujo de fluido constante. Figura 7e-7f muestran los resultados representativos por tanto estática y las mediciones de flujo, respectivamente.

    Para la detección biomolecular, es necesario que la CNT se expone directamente a la solución, es decir SiO 2 está completamente grabado de distancia durante el paso de grabado BHF. Si esta condición no se cumple, la modificación química de la CNT no es posible ya que la molécula de enlace no se puede acumular a lo largo de la pared lateral nanotubo.Esto se ilustra claramente en la Figura 7g donde vemos ningún cambio antes y después de la unión, incluso en agua DI para un dispositivo de pasivado SiO2. Esto también demuestra que los resultados de las mediciones indican una modificación química éxito, así como la detección biomolecular en concentraciones iónicas altas fondo. En todas las mediciones, se observa que la respuesta del sensor cae más allá de 30 MHz, que es debido a la resonancia de la instalación.

    Figura 1
    Figura 1. Nanotubos de transistor de flujo del proceso de fabricación (a) Proceso de fabricación -. (1) fotomáscara capa-1 (PL-1) para la deposición del catalizador, (2) el despegue de metal, (3) el crecimiento de CNT, (4) PL-2 para la fuente de la fuga contacto, (5) el despegue de metal, (6) SiO2 deposición manta, (7) PL-3 para la puerta de contacto, (8) de metaldespegue, (9) Thin SiO2 deposición manta, (10) PL-4 para BHF húmeda canal grabado y (11) Dispositivo de final después de la eliminación fotosensible. Se ilustra Combinación de colores. (B) Esquema de la estructura del dispositivo.

    La figura 2
    Figura 2. El crecimiento de nanotubos de carbono. (A) etapa de recocido para eliminar los residuos fotosensible, (b) Etapa de crecimiento para el crecimiento de CNT y (c) la colocación del dispositivo en el horno de crecimiento.

    Figura 3
    Figura 3. Diagrama de flujo para la funcionalización química de CNT.


    La Figura 4. PDMS sello para mediciones de la solución (a) -. (B) (sin flujo) Las medidas estáticas (a) perforación y montaje de una cámara de PMDS en el dispositivo, (b) Diagrama esquemático de la cámara de flujo en un dispositivo (c). -. (E mediciones de flujo). (c) El flujo del proceso para el canal de flujo de PDMS con SU-8 del molde. (1) fotomáscara para la definición de canal de flujo, (d) Diagrama esquemático (2) reticulado SU-8 molde, (3) de PDMS en SU-8 y (4) canal de flujo PDMS estampado en el dispositivo. De canal de flujo en un dispositivo y (e) Perforación de agujeros de entrada / salida en PDMS, sellado del canal de flujo en el dispositivo y la conexión de tubos de polietileno a los puertos de entrada / salida.

    La figura 5 Figura 5. Configuración de la medición eléctrica. (A) DC medición esquemática, (b) AC mezcla (c) la imagen de la instalación experimental de esquema y la medición de corriente AM modulada en frecuencia mezclando medición. Haz clic aquí para ver más grande la figura .

    La figura 6
    La Figura 6. Configuración de la medición de flujo (a) Imagen de la configuración de toda medida;. (B) Bomba de jeringa y la estación de la sonda, y (c) la imagen del dispositivo con PDMS canal de flujo, tubos de flujo de entrada / salida y p eléctricatúnicas.

    La figura 7
    Figura 7. Los resultados representativos para el biosensor SWNT. (A) Imagen SEM de un dispositivo top-gate suspendido típica, (b) pérdida en la puerta-drenaje para confirmar estructura suspendida, (c) I dc-V g curva de nanotubos prístinos FET (negro), después de biotinilación (rojo) y después de la unión a estreptavidina (azul) medida en el aire, (d) de corriente de corriente continua DC I (negro, V sd = 10 mV) y la mezcla actual,, que mezcla (rojo, modulación f = 200 kHz) como una función g de V para el dispositivo en una solución de NaCl 100 mM. Teórica Puedo mezclar obtiene utilizando el modelo de la ecuación (1) también se muestra (▲) para la comparación. (E) I mix-V g actVES para biotinilado (negro) y estreptavidina-biotina unida SWNT (rojo) en 100 mM de NaCl en f = 10 MHz, (f) la medición de flujo en tiempo real para detectar unión a estreptavidina en 100 mM de NaCl y (g) cambio de la señal después de la unión en un completamente pasivado dispositivo de control en agua DI a diferentes frecuencias. Haz clic aquí para ver más grande la figura .

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    Discussion

    El crecimiento de los nanotubos de carbono no sólo depende de las condiciones del horno, sino también a limpieza sustrato. La tasa de flujo de gas óptimo, temperatura y presión para el crecimiento tienen que calibrar cuidadosamente y una vez fijado que son más o menos estables. Incluso con que se cumplen estas condiciones, se encontró que el crecimiento depende de la zona de catalizador de modelado, cantidad de catalizador y la limpieza sustrato. Por lo tanto, hemos incorporado varios tamaños pit catalizador para dar cuenta de la variabilidad en el crecimiento. A alta temperatura una hora recocido paso ayudó a eliminar los contaminantes como el PR residuos etc del sustrato. Figura 2 ilustra las condiciones que adoptamos para el crecimiento SWNT.

    La presencia de contaminantes en los pasos de procesamiento de morir puede dar lugar a una señal espuria de detección química y biológica. Por lo tanto, es necesario limpiar el sustrato antes y después de la funcionalización química. Las etapas de aclarado después de cada ayuda a funcionalización REMove cualquier exceso de reactivo que puede adherirse al dispositivo cerca de la zona activa. También se observó que si el sustrato no estaba limpia, el sello PDMS no era a prueba de fugas y se quitó la presión del fluido durante las mediciones. En tales casos, muy suave O 2 de plasma en PDMS sello ayudó a la adhesión. Demasiado fuerte un 2 plasma O puede hacer el palo sello PDMS bien pero difícil de eliminar del dispositivo, hemos notado que rasga de electrodos, mientras que la eliminación que hace que la matriz inutilizable. Si el sello PDMS y la matriz están limpias, la adherencia entre ellos es lo suficientemente bueno como para sobrevivir a las mediciones de flujo de fluido sin tratamiento con plasma de oxígeno también. No utilice O 2 plasma en el dispositivo SWNT ya que esto grabado los nanotubos de carbono.

    En las mediciones eléctricas basadas en soluciones, cualquier corriente de fuga supera la señal de detección. Esta fuga ocurre porque la solución también puede actuar como un conductor, la resistencia de la que desciende con el aumento de la concentración de sal.Por lo tanto, es necesario incorporar el paso de pasivación del electrodo en el diseño de transistores. Las dos declaraciones manta en el protocolo de fabricación (500 nm y 20 nm de SiO 2) ayudaron a reducir las fugas de la fuente, drenaje y contactos de metal de la puerta. También, antes de tomar cualquier medición eléctrica, se recomienda una fuga barrido puerta-drenaje para asegurarse de que no hay fugas sucede en el rango de tensión de barrido deseado.

    Para las mediciones de flujo de fluido, es necesario para evitar trampas de aire en el canal de flujo. El espacio de aire conduce a distorsiones de la señal debido a que la respuesta del sensor en el aire es diferente que cuando está en solución. En el modo de avance de bombeo esta cuestión se encuentra a menudo que impedía el flujo de fluido. Este fue evitado mediante el funcionamiento de la bomba de jeringa en el modo de retirada.

    Para las mediciones eléctricas de alta frecuencia en soluciones iónicas altas fondo la respuesta se redujo más allá de 30-40 MHz debido a la pérdida de resonancia de la configuración de la medición. Nosotros seLieve esto se puede mejorar mediante el diseño de dispositivos con parásitos inferiores. Optimizado distancia gate-SWNT y cables BNC SMA y pequeños pueden ayudar a mejorar la sensibilidad.

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    Disclosures

    Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

    Acknowledgements

    Agradecemos al Prof. Paul McEuen en la Universidad de Cornell para la discusión temprana. El trabajo es apoyado por el fondo inicial brindar por la Universidad de Michigan y el Programa Nacional Science Foundation Scalable nanofabricación (DMR-1120187). En este trabajo se utilizó el Fondo para Nanofabrication Lurie de la Universidad de Michigan, miembro de la Red Nacional de Infraestructura nanotecnología financiada por la Fundación Nacional de Ciencia.

    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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    Comments

    2 Comments

    I have a question about chemical functionalization. After the linker molecule(1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester) is on the sensor surface, is streptavidin or anti-e.coli biotin antibody connected to the linker first? What I mean is there are two possibilities, 1. streptavidin is connected to linker first,then biotin antibody is connected to streptavidin 2.biotin antibody is connected to the linker first,then streptavidin is connected to biotin antibody, which
    one is right?
    Reply

    Posted by: Jay C.July 7, 2014, 7:52 AM

    After the linker molecule 1-pyrenebutanoic acid succinimidyl ester, the next step is biotinylation i.e. incubating the device with biotin antibody. After biotin is connected to the linker, we proceed with flowing streptavidin. We follow the functionalization steps as illustrated in Reference 13 (Chen et al, JACS. 123, 3838-3839, doi:10.1021/ja010172b (2001).
    Reply

    Posted by: Girish K.July 8, 2014, 10:01 AM

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