用于高离子强度溶液中检测的碳纳米管高频纳米电子生物传感器的制备

摘要

我们介绍了基于碳纳米管的高频生物传感器的器件制备与测量方案。高频检测技术可有效缓解离子（德拜）屏蔽效应这一根本问题，使纳米管生物传感器能够在高离子强度溶液中运行，而传统电子生物传感器在此类条件下则无法工作。本技术为在生理相关条件下运行的即时检测（POC）电子生物传感器提供了一个独特的平台。

摘要

单壁碳纳米管（SWNT）和半导体纳米线（NW）独特的电子特性和高比表面积^1-4使其成为高灵敏度生物传感器的理想候选材料。当带电分子结合到此类传感器表面时，会改变传感器中的载流子密度⁵，从而导致其直流电导发生变化。然而，在离子溶液中，带电表面还会吸引溶液中的反离子，形成双电层（EDL）。该双电层会有效屏蔽表面电荷，在生理相关条件（约100毫摩尔/升（mM））下，特征电荷屏蔽长度（德拜长度）小于1纳米（nm）。因此，在高离子强度溶液中，基于电荷的（直流）检测从根本上受到阻碍^6-8。

我们通过在高频下检测分子偶极子而非电荷，克服了电荷屏蔽效应，将碳纳米管场效应晶体管作为高频混频器运行^9-11。在高频条件下，交流驱动场无法再克服溶液的阻力，溶液中的离子没有足够时间形成双电层（EDL）。此外，频率混频技术使我们能够在足够高的频率下工作以克服离子屏蔽效应，同时在较低频率下检测传感信号^11-12。同时，单壁碳纳米管（SWNT）晶体管的高跨导为传感信号提供了内部增益，从而无需外部信号放大器。

本文描述了以下实验方案：（a）制备单壁碳纳米管（SWNT）晶体管，（b）将生物分子功能化修饰至纳米管表面¹³，（c）设计并压印聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控腔室¹⁴至器件上，以及（d）在不同离子强度的溶液中进行高频传感检测¹¹。

引言

当带电分子结合到单壁碳纳米管（SWNT）或纳米线（NW）电子传感器上时，该分子可能向传感器提供或接受电子，或充当局部静电门。无论哪种情况，结合的分子都可能改变 SWNT 或 NW 通道中的电荷密度，从而导致传感器测得的直流电导发生变化。已有大量不同类型的分子^15-20通过研究此类结合事件期间纳米传感器的直流特性被成功检测到。尽管基于电荷检测的传感机制具有多种优势，包括无需标记检测²¹、飞摩尔级灵敏度²²以及电子信号读出能力¹⁵；但该机制仅在低离子强度溶液中有效。在高离子强度溶液中，直流检测会受到离子屏蔽效应的阻碍^6-8。带电表面会从溶液中吸引反离子，进而在表面附近形成双电层（EDL）。该双电层有效地屏蔽了这些电荷。随着溶液离子强度的增加，双电层变得更窄，屏蔽效应也随之增强。这种屏蔽效应由德拜屏蔽长度 λ_D 来表征，

方案

1. 用于SWNT生长的催化剂图案化

1. 以一片表面通过低压化学气相沉积（CVD）生长了500 nm氮化硅（Si₃N₄）和500 nm二氧化硅（SiO₂）薄膜的硅片为起始材料。
2. 以500 rpm转速旋涂光刻胶（PR）5秒，随后以4,000 rpm转速旋涂40秒。
3. 将硅片在115 °C下烘烤90秒。
4. 采用带有矩形凹坑图案的光刻掩模（用于催化剂，图1），在365 nm紫外光、辐照剂量为300 mJ/cm²的条件下曝光0.3秒。曝光后，将硅片在115 °C下再次烘烤90秒。

提示： 设计不同尺寸的凹坑 例如 5 微米 × 5 微米、10 微米 × 5 微米等，以应对单壁碳纳米管（SWNT）化学气相沉积（CVD）生长过程中的变异性。

5. 将晶圆放入显影液中显影 70 秒，在此过程中轻轻摇动晶圆。
6. 用去离子水冲洗晶圆 2 分钟，然后用氮气（N₂）枪吹干。
7. 将显影后的晶圆装入电子束蒸发镀膜腔室，在腔室压力为 10^-6 托的条件下沉积 0.5 nm 的铁（Fe）。
8. 将晶圆切割成 1....

结果

悬浮顶栅SWNT晶体管的扫描电子显微镜图像如图7a所示。栅极尺寸对实现悬浮结构至关重要²⁵。当前设计的尺寸为（长度 × 宽度 × 厚度 = 25 μm × 1 μm × 100 nm）。栅电极由50 nm Cr/50 nm Au构成；较厚的铬层可增强悬浮结构的机械强度。通过顶栅与漏极之间无泄漏电流可确认悬浮结构的形成（图7b）。

我们利用生物素-链霉亲和素配体-受体系统来评估我们的单壁碳纳米管（SWNT）传感器。为了表征侧壁功能化的成功程度，我们在每一步功能化处理后，在空气中监测场效应晶体管（FET）的直流转移曲线。图7c显示，生物素化（红色）和链霉亲和素结合（蓝色）后，转移曲线向右移动。这可归因于生物素PEO-胺和链霉亲和素所含的电负性氨基基团产生的静电门控效应。

对于高频测量，我们采用图5b所示的示意图。单壁碳纳米管晶体管的非线性I-V特性将源极和栅极的高频输入信号进.......

讨论

碳纳米管的生长不仅取决于炉内条件，还与基底的清洁度密切相关。生长所需的最佳气体流速、温度和压力必须仔细校准，一旦确定，这些条件便基本保持稳定。即使满足了上述条件，我们仍发现生长效果受图案化催化剂区域的大小、催化剂用量以及基底清洁度的影响。因此，我们设计了多种尺寸的催化剂凹坑，以应对生长过程中的变异性。一小时的高温退火步骤有助于去除基底上的各类污染物，例如光刻胶残留等。图2展示了我们采用的单壁碳纳米管（SWNT）生长条件。

芯片加工步骤中引入的污染物可能导致化学和生物传感中出现虚假信号。因此，在化学功能化前后必须对基底进行彻底清洗。每次功能化后的冲洗步骤有助于去除可能附着在器件活性区域附近的过量试剂。我们还观察到，如果基底不洁净，PDMS印章会因密封性不佳而在测量过程中受流体压力作用发生剥离。在这种情况下，对PDMS印章进行非常温和的O₂等离子体处理有助于增强其粘附性。但过强的O₂等离子体处理虽可使PDMS印章牢固粘附，却难以从器件上完整移除；我们曾发现移除时导致电极撕裂，从而使芯片无法使用。如果PDMS.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
试剂
密歇根大学Lurie纳米制造设施（LNF）内提供的试剂在目录栏中标记为LNF。需要佩戴防护装备（手套、护目镜、口罩、围裙）和/或在通风橱中操作的化学品在备注栏中标注为PPE。
硅片（P型，<100>，500–550 μm厚）	硅谷微电子公司
SPR 220 3.0	陶氏化学（罗门哈斯）	兆正SPR	PPE
AZ 300MIF	AZ电子材料公司		PPE
丙酮	J T Baker	9005-05	PPE
异丙醇（IPA）	J T Baker	9079-05
缓冲氢氟酸	Transene		PPE
1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯	分子探针公司	P130	PPE
生物素PEG胺	赛默飞世尔科技	EZ-Link PEG2 生物素，#21346	PPE
链霉亲和素	英潍捷基	S 888	PPE
二甲基甲酰胺	MP生物医学	0219514791	PPE
聚二甲基硅氧烷弹性体基础剂与固化剂	道康宁	Sylgard 184 弹性体套件	PPE
SU-8 2015	Microchem	Y111064	PPE
SU-8显影液	Microchem	Y020100	PPE
硅烷化试剂	Sigma Aldrich	452807	PPE
氢气	Purity Plus	LNF
乙烯	Purity Plus	LNF
氩气	Purity Plus	LNF
磷酸盐缓冲液系统	Sigma Aldrich	PBS1
设备
由密歇根大学Lurie纳米制造设施（LNF）提供的设备在目录栏中标记为LNF。
GCA 200 自动步进曝光机	GCA	LNF
低压化学气相沉积设备	Tempress	LNF
电子束蒸发仪	Enerjet	LNF
CNT生长炉	First Nano	Easy Tube 3000（LNF）
光刻掩模	Nanofilm	LNF
培养皿（150 mm）		LNF
干燥器	Bel-Art	F420100000
活检打孔器	Ted Pella	15071/78
手术刀	Ted Pella	548
聚乙烯管PE-50	VWR	20903-414
注射泵	New Era Pump Systems	NE-1000
注射器	费舍尔科技	BD Safety-Lok 注射器
注射器针头	费舍尔科技	14-821-13A
数据采集卡	国家仪器公司	779111-01
GPIB连接器	国家仪器公司	778032-51
锁相放大器	斯坦福研究系统	SR 830
信号发生器	惠普安捷伦	8648B，9kHz - 2GHz
偏置T型接头	Picosecond	5575A-104
电流前置放大器	DL Instruments, LLC	DL 1211
BNC电缆	Allied Electronics	665-xxxx
SMA电缆	Sentro Tech Corp	SCF65141