Name: 制备碳纳米管高频纳电子生物传感器的传感高离子强度的解决方案 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-22T12:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 20 s
Description: 了解利用单壁碳纳米管场效应晶体管在高离子强度溶液中进行生物分子检测的纳米电子传感平台。该方法通过高频混频技术克服离子屏蔽效应，实现生理条件下的实时无标记检测。

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感谢康奈尔大学的 Paul McEuen 教授早期的讨论。本工作由密歇根大学提供的启动资金以及美国国家科学基金会可扩展纳米制造项目（DMR-1120187）资助。本研究使用了密歇根大学卢里纳米制造中心的设施，该中心是美国国家科学基金会资助的国家纳米技术基础设施网络的成员之一。

1. 用于SWNT生长的催化剂图案化
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>将硅片在115 °C下烘烤90秒。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
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。
<ol start="5">
	<li>将晶圆放入显影液中显影 70 秒，在此过程中轻轻摇动晶圆。</li>
	<li>用去离子水冲洗晶圆 2 分钟，然后用氮气（N2）枪吹干。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>将晶圆切割成 1.5 cm × 1.5 cm 的小芯片。</li>
	<li>依次在温热的丙酮和异丙醇（IPA）中各浸泡 10 分钟以去除光刻胶。此步骤后，铁催化剂将保留在矩形凹坑中，用于后续纳米管生长。</li>
</ol>
2. 碳纳米管的化学气相沉积生长
<ol>
	<li>将涂有催化剂的模具放入化学气相沉积生长炉的石英管中。</li>
</ol>
提示： 确定碳纳米管生长的最佳位置。在我们的炉子中，生长在下游2英寸×2英寸的区域内是均匀的（图2c）。
<ol start="2">
	<li>在空气中将基底于 880 °C 退火一小时，以去除光刻胶残留物（图2a）。静置冷却。</li>
	<li>用氩气以3 SLM（标准升/分钟）流速吹扫反应室5分钟。</li>
	<li>将炉温升至管式炉中心位置800 °C，同时维持1 SLM的氩气流图2b).</li>
	<li>以 0.2 SLM 的氢气流速吹扫 5 分钟，以还原催化剂颗粒 即 将氧化铁转化为铁。</li>
	<li>引入5.5 sccm（标准立方厘米每分钟）的乙烯（C₂H₄）2H4）35分钟以生长SWNTs。保持H2 0.2 SLM 的流速贯穿整个过程。通过本方案获得的单壁碳纳米管（SWNTs）的长度为 &gt; 20 微米（μm）</li>
	<li>让炉子在少量氩气流中冷却至室温。</li>
</ol>
3. SWNT FET 晶体管的制备
<ol>
	<li>设计一个光刻掩模（图1），用于定义碳纳米管电流-电压（I-V）特性测量中的源极-漏极电极。</li>
</ol>
提示：将电极触点焊盘在芯片上尽量分开放置，以便即使在活性纳米管区域上放置微流控印章后，这些焊盘仍可接触。
<ol start="2">
	<li>按照步骤 1.2 - 1.6 定义用于接触电极的金属沉积区域。</li>
	<li>在真空度为 10-6 torr 的电子束蒸发腔室中，沉积 0.5 nm/50 nm 的 Ti/Au 作为源极和漏极接触电极。</li>
	<li>将芯片置于丙酮中浸泡过夜以去除金属。完成剥离后，将芯片在异丙醇（IPA）中浸泡 10 分钟，然后用 N2 枪吹干。</li>
	<li>在真空度为 10-6 torr 的条件下，通过电子束蒸发沉积 500 nm 厚的 SiO2 作为栅介质层。</li>
	<li>设计用于定义栅电极的光刻掩模（图 1）。</li>
	<li>按照步骤 1.2 - 1.6 定义栅极金属沉积区域。</li>
	<li>在电子束蒸发系统中蒸发 50 nm/50 nm 的 Cr/Au 作为顶部栅电极，并按照步骤 3.4 进行金属剥离。</li>
</ol>
提示：使用较厚的铬层以增强悬浮顶栅的强度。栅极尺寸对于成功实现悬浮也至关重要。
<ol start="9">
	<li>均匀沉积一层薄薄的SiO₂（20 nm）2 用于顶电极钝化。</li>
	<li>设计光刻掩模（图1) 在 SiO 中开凿一条沟槽2 用于接触碳纳米管通道。在同一掩模中设计垫层刻蚀区域，以打开通往远离单壁碳纳米管通道的源极、漏极和栅极电极的区域。</li>
	<li>按照步骤 1.2–1.6 对 PR 进行图形化处理，以打开用于 SiO 湿法刻蚀的沟槽2.</li>
	<li>湿法刻蚀蒸发的SiO2 使用1:20的BHF溶液处理3分钟30秒。Si3N4 提供一层刻蚀停止层，以防止BHF进一步渗透。</li>
</ol>
提示：建议进行刻蚀时间校准。
<ol start="13">
	<li>用去离子水彻底冲洗装置，然后将其浸入异丙醇（IPA）中5分钟。使用氮气吹干2 枪。由于厚铬层的存在，器件结构保持完整。</li>
</ol>
4. 碳纳米管侧壁的化学功能化
<ol>
	<li>配制6 mM的1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯（PBSE）在二甲基甲酰胺（DMF）中的溶液。</li>
	<li>将SWNT FET芯片置于该连接分子溶液中，在室温下孵育1小时。</li>
	<li>用DMF彻底冲洗芯片以去除过量试剂，然后用气流吹干器件。</li>
	<li>配制20 mg/mL的生物素化-3,6-二氧杂辛二胺（生物素PEO胺-BPA）去离子水（DI水）溶液，用于SWNT的生物素化。</li>
	<li>将芯片在此溶液中孵育18小时，随后用去离子水彻底冲洗芯片并吹干。BPA会连接到PBSE连接分子上。</li>
	<li>配制1 mg/mL链霉亲和素在pH 7.2的磷酸盐缓冲液（PBS）中的溶液，用于链霉亲和素结合。</li>
	<li>对于静态测量，将芯片在链霉亲和素溶液中孵育20分钟，以完全功能化生物素化的SWNT。孵育后彻底冲洗并吹干芯片。对于实时检测，首先压印PDMS流道（步骤6），然后在高离子强度的背景溶液中通入链霉亲和素溶液，实现链霉亲和素的结合（图3）。</li>
</ol>
注意：我们使用挤压瓶将去离子水（约 50 ml）冲洗芯片表面，对芯片进行清洗。然后将芯片转移至另一含有去离子水的培养皿中，搅动芯片约 1 分钟。重复上述两个步骤，总共进行 8–10 次。
5. 流体室用聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具的制备
<ol>
	<li>在称量杯中，倒入9份质量的PDMS单体，加入1份质量的固化剂，并充分混合两者。</li>
	<li>将混合物置于真空干燥器中脱气25分钟。气泡将从混合物中上升并逸出。</li>
</ol>
提示：如果混合物开始起泡，需打开腔室排气，并静置数秒钟，然后再进行脱气。
<ol start="3">
	<li>将新的硅晶圆放入培养皿中。将脱气后的PDMS混合物倒在硅晶圆上，使其形成厚度为5 mm的PDMS层。</li>
	<li>将培养皿放入70 °C的烘箱中加热1小时。</li>
	<li>取出培养皿并使其冷却。使用手术刀切割出一块矩形PDMS，并用镊子将其取出。</li>
</ol>
提示： 直接与硅晶圆接触的PDMS面是洁净且极为平整的。该面将与SWNT FET芯片接触。请注意勿使其受到污染。
<ol start="6">
	<li>将矩形模具倒置，从平整面开始使用活检打孔器（直径 3 mm）钻孔至另一侧。这样可确保 PDMS 平整面无粗糙边缘（图 4a）。</li>
	<li>将 PDMS 腔室小心地对准放置在器件上方，使其与已制备的 SWNT FET 模具的活性区域对齐（图 4a, b）。轻轻按压，使印章牢固地固定在模具上。平整面与模具键合，形成密封不漏液的腔室。</li>
</ol>
提示：此步骤可通过肉眼或使用具有足够工作空间的光学显微镜完成。如果聚二甲基硅氧烷（PDMS）粘附不良（通常是因为模具和/或PDMS印章不洁净），可对PDMS进行氧气等离子体处理（20瓦，15秒）以促进粘接。使用高于此功率的等离子体可实现更强的结合，但在这种情况下，我们曾观察到在移除PDMS时电极被撕裂的现象。
<ol start="8">
	<li>在电学测试完成后、进行下一次化学功能化步骤之前，将芯片浸入去离子水中，轻轻抬起并取下PDMS印章。</li>
</ol>
6. 微流控流动通道的制备
<ol>
	<li>取一片洁净的硅片，置于200 °C的加热板上加热5分钟，以去除表面水分。</li>
	<li>以500 rpm（加速度100 rpm/秒）旋涂SU-8 2015，持续5秒，随后以1,250 rpm（加速度300 rpm/秒）继续旋涂30秒。此工艺可在硅片表面形成厚度为30 μm的SU-8薄膜。</li>
	<li>将硅片在95 °C下进行前烘5分钟。</li>
	<li>设计一块光掩模（图4c），用于在SWNT区域上方定义宽度为300 μm的流道图案。</li>
</ol>
提示： 为避免结构塌陷，通道宽度与高度之比为10:1已足够（本例中为300 μm : 30 μm）。
<ol start="5">
	<li>使用365 nm紫外光刻技术，通过0.9秒的紫外曝光时间定义流道。</li>
	<li>将芯片在 95 °C 下后烘 5 分钟。</li>
	<li>在SU-8显影液中显影5分钟，同时轻轻摇动。</li>
	<li>用异丙醇冲洗晶圆，并用氮气吹干2 枪</li>
	<li>按照步骤 5.1–5.2 制备 PDMS 混合物。</li>
	<li>将带有SU-8模具的晶圆与一个培养皿中的2–3滴硅烷化试剂三氯(3,3,3-三氟丙基)硅烷一同放入干燥器中。开启真空泵，使晶圆在真空环境中静置1小时。</li>
	<li>将脱气后的PDMS混合物倒入晶圆上，放入70 °C烘箱中加热1小时。</li>
	<li>使用手术刀切割PDMS模具（SU-8的负模）。</li>
	<li>将PDMS印章倒置，使用穿刺活检打孔器（0.75 mm直径）在流道两端各钻一个孔。确保从平整面（即与硅片接触的一面）向另一侧钻孔，以避免产生毛边图4e).</li>
	<li>在显微镜下，将PDMS流动室小心地放置在器件上，使其与制备好的SWNT FET芯片的有源区域对齐。轻轻按压以确保印章牢固地固定在芯片上。平面一侧与芯片结合，形成密封不漏液的腔室。图4c和4d)</li>
	<li>将聚乙烯管插入孔中，并将另一端连接至液体源和引流注射器（图4e).</li>
	<li>将注射器连接至注射泵系统，以控制液体在通道中的流速（图6).</li>
</ol>
7. 直流电测量装置
<ol>
	<li>将单壁碳纳米管场效应晶体管（SWNT FET）的源极和栅极接触点连接到数据采集卡（DAQ卡）的电压端口。</li>
	<li>通过电流前置放大器，将漏极接触点连接到DAQ卡的输入端口。</li>
	<li>在源极接触点施加30毫伏（mV）电压，扫描栅极电压并记录漏极电流（图5a）。</li>
</ol>
提示： 进行溶液中的测量时，应将栅极电压扫描参数保持在 |0.7 伏特| 以内，以避免栅极金属电极与溶液之间发生漏电及反应。
8. 交流电测量装置
<ol>
	<li>将锁相放大器的参考输出信号（Ref-out）连接至频率发生器的外部调制信号端口，以设置幅度调制（AM）的频率输出。</li>
	<li>利用偏置器（bias tee）将单壁碳纳米管场效应晶体管（SWNT FET）的源极与频率发生器的幅度调制射频（AM-modulated RF）输出端口以及数据采集卡（DAQ card）的直流电压相连（图5b和5c）。</li>
	<li>将栅极与数据采集卡的电压端口相连。</li>
	<li>将漏极与锁相放大器连接，以读取通过纳米管的交流电流，并通过数据采集卡的输入端口读取电流的幅值和相位。</li>
	<li>将源极直流电压保持在0伏特，幅度调制信号频率保持在200千赫兹（kHz）。</li>
	<li>扫描栅极电压，并测量漏极电流。</li>
	<li>提高频率，并在不同频率下重复步骤8.6，进行Imix-Vg扫描。</li>
</ol>
9. 溶液中的电学测量（无流动）
<ol>
	<li>从5 M NaCl储备液开始，配制1 mM NaCl、10 mM NaCl和100 mM NaCl盐溶液。</li>
	<li>取步骤3.13中的SWNT器件，执行步骤4.1–4.5以获得生物素化器件。</li>
	<li>按照步骤5，将PDMS腔室置于器件上方。</li>
	<li>使用移液器将去离子水注入腔室中。</li>
	<li>按照步骤8，对不同频率进行频率混合测量。</li>
	<li>对三种不同的盐溶液（1 mM NaCl、10 mM NaCl和100 mM NaCl）重复步骤9.4。</li>
</ol>
提示：使用移液器吸出先前的溶液，然后用新溶液反复冲洗腔室多次。始终从低浓度溶液切换到高浓度溶液。
<ol start="7">
	<li>用镊子轻轻提起 PDMS 印模，将其移除。</li>
	<li>用去离子水彻底冲洗装置。</li>
	<li>按照 4.6–4.7 步骤进行链霉亲和素结合。</li>
	<li>重复步骤 9.3–9.6。</li>
</ol>
10. 溶液中的电学测量（实时流动）
<ol>
	<li>从5 M NaCl储备液开始，配制100 mM NaCl盐溶液。</li>
	<li>取步骤3.13中的SWNT器件。执行步骤4.1–4.5，获得生物素化器件。</li>
	<li>按照步骤6，将微流控通道放置在器件上。在一端连接空注射器，用于抽吸模式操作；在另一端连接装有100 mM NaCl背景溶液的注射器。</li>
	<li>按照步骤8所述设置电学测量系统。固定频率（f = 10 MHz）和栅极电压偏置（V = 0）。</li>
	<li>启动注射泵，进入抽吸模式（流速 = 0.4 ml hour-1），并随时间监测电流信号。切换至含1 mg/ml链霉亲和素的100 mM NaCl溶液，监测链霉亲和素-生物素结合引起的信号变化（图6）。</li>
</ol>

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</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

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...

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 λD 来表征，
<img alt="德拜长度公式，λ_D，方程；静电学，介电常数，温度，电荷。" fo:src="/files/ftp_upload/50438/50438eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50438/50438eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 1"> 
，其中 ε 为介质的介电常数，kB 为玻尔兹曼常数，T 为温度，q 为电子电荷，c 为电解质溶液的离子强度。对于典型的 100 mM 缓冲溶液，λD 约为 1 nm，在几纳米的距离之外表面电势将被完全屏蔽。因此，大多数基于单壁碳纳米管（SWNTs）或纳米线（NWs）的纳米电子传感器在干燥状态20或低离子强度溶液5,15,17,21-22（c ~ 1 nM - 10 mM）中运行；否则样品需经过脱盐处理15,23。即时检测（point-of-care）诊断设备需要在患者现场以生理相关的离子强度运行，且样本处理能力有限。因此，减轻离子屏蔽效应对于即时检测纳米电子生物传感器的开发与应用至关重要。
我们通过在兆赫兹频率范围内操作基于单壁碳纳米管（SWNT）的纳米电子传感器，来减轻离子屏蔽效应。本文提供的方案详细描述了基于SWNT晶体管的纳米电子传感平台的制备方法，以及用于生物分子检测的高频混频测量技术。单壁碳纳米管采用化学气相沉积法在含有铁催化剂图案化的衬底上生长24。对于我们的SWNT晶体管，我们集成了一个悬空的顶栅25，其位于纳米管上方500 nm处，这有助于增强高频传感器响应，同时允许使用紧凑的微流体腔室对器件进行密封。SWNT晶体管作为高频混频器运行9-11，以克服背景离子屏蔽效应。在高频条件下，溶液中的可移动离子没有足够时间形成双电层（EDL），而振荡的生物分子偶极子仍可对SWNT进行栅控，从而产生混频电流，即我们的传感信号。混频现象源于纳米管场效应晶体管（FET）的非线性I-V特性。我们的检测技术不同于传统的基于电荷检测和阻抗谱的检测方法26-27。首先，我们检测的是高频下的生物分子偶极子，而非其相关电荷；其次，SWNT晶体管的高跨导为传感信号提供了内部增益，因此无需像高频阻抗测量那样依赖外部放大。最近，其他研究团队也提出了在高背景浓度下进行生物分子检测的方法23,28。然而，这些方法更为复杂，需要复杂的器件制备工艺或对受体分子进行精细的化学设计。我们的高频SWNT传感器设计更为简单，并利用了纳米管晶体管固有的混频特性。我们能够有效减轻离子屏蔽效应，因而有望为即时检测（point-of-care）提供一种新型生物传感平台，特别适用于需在生理相关条件下直接运行的生物传感器。

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;试剂&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td colspan="4">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。</td></tr><tr><td>硅片（P型，&amp;lt;100&amp;gt;，500–550 &amp;mu;m厚）</td><td>硅谷微电子公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SPR 220 3.0</td><td>陶氏化学（罗门哈斯）</td><td>兆正SPR</td><td>PPE</td></tr><tr><td>AZ 300MIF</td><td>AZ电子材料公司</td><td></td><td>PPE</td></tr><tr><td>丙酮</td><td>J T Baker</td><td>9005-05</td><td>PPE</td></tr><tr><td>异丙醇（IPA）</td><td>J T Baker</td><td>9079-05</td><td></td></tr><tr><td>缓冲氢氟酸</td><td>Transene</td><td></td><td>PPE</td></tr><tr><td>1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯</td><td>分子探针公司</td><td>P130</td><td>PPE</td></tr><tr><td>生物素PEG胺</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>EZ-Link PEG2 生物素，#21346</td><td>PPE</td></tr><tr><td>链霉亲和素</td><td>英潍捷基</td><td>S 888</td><td>PPE</td></tr><tr><td>二甲基甲酰胺</td><td>MP生物医学</td><td>0219514791</td><td>PPE</td></tr><tr><td>聚二甲基硅氧烷弹性体基础剂与固化剂</td><td>道康宁</td><td>Sylgard 184 弹性体套件</td><td>PPE</td></tr><tr><td>SU-8 2015</td><td>Microchem</td><td>Y111064</td><td>PPE</td></tr><tr><td>SU-8显影液</td><td>Microchem</td><td>Y020100</td><td>PPE</td></tr><tr><td>硅烷化试剂</td><td>Sigma Aldrich</td><td>452807</td><td>PPE</td></tr><tr><td>氢气</td><td>Purity Plus</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>乙烯</td><td>Purity Plus</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>氩气</td><td>Purity Plus</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>磷酸盐缓冲液系统</td><td>Sigma Aldrich</td><td>PBS1</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;设备&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td colspan="4">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。</td></tr><tr><td>GCA 200 自动步进曝光机</td><td>GCA</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>低压化学气相沉积设备</td><td>Tempress</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>电子束蒸发仪</td><td>Enerjet</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>CNT生长炉</td><td>First Nano</td><td>Easy Tube 3000（LNF）</td><td></td></tr><tr><td>光刻掩模</td><td>Nanofilm</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>培养皿（150 mm）</td><td></td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>干燥器</td><td>Bel-Art</td><td>F420100000</td><td></td></tr><tr><td>活检打孔器</td><td>Ted Pella</td><td>15071/78</td><td></td></tr><tr><td>手术刀</td><td>Ted Pella</td><td>548</td><td></td></tr><tr><td>聚乙烯管PE-50</td><td>VWR</td><td>20903-414</td><td></td></tr><tr><td>注射泵</td><td>New Era Pump Systems</td><td>NE-1000</td><td></td></tr><tr><td>注射器</td><td>费舍尔科技</td><td>BD Safety-Lok 注射器</td><td></td></tr><tr><td>注射器针头</td><td>费舍尔科技</td><td>14-821-13A</td><td></td></tr><tr><td>数据采集卡</td><td>国家仪器公司</td><td>779111-01</td><td></td></tr><tr><td>GPIB连接器</td><td>国家仪器公司</td><td>778032-51</td><td></td></tr><tr><td>锁相放大器</td><td>斯坦福研究系统</td><td>SR 830</td><td></td></tr><tr><td>信号发生器</td><td>惠普安捷伦</td><td>8648B，9kHz - 2GHz</td><td></td></tr><tr><td>偏置T型接头</td><td>Picosecond</td><td>5575A-104</td><td></td></tr><tr><td>电流前置放大器</td><td>DL Instruments, LLC</td><td>DL 1211</td><td></td></tr><tr><td>BNC电缆</td><td>Allied Electronics</td><td>665-xxxx</td><td></td></tr><tr><td>SMA电缆</td><td>Sentro Tech Corp</td><td>SCF65141</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Fabrication of Carbon Nanotube High-Frequency Nanoelectronic Biosensor for Sensing in High Ionic Strength Solutions

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。

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...

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。

单壁碳纳米管（SWNT）和半导体纳米线（NW）独特的电子特性以及高比表面积使其……

以下实验的总体目标是展示一种新的纳米电学传感平台，该平台可用于在高离子强度溶液中进行即时检测的生物分子检测。该方法通过在高频下操作单壁碳纳米管场效应晶体管，以减轻离子屏蔽效应。首先，制备纳米管晶体管，并用受体分子进行功能化。第二步，将器件封装微流控流动通道，从而允许注入生物分子样品溶液以实现实时检测。接着，单壁碳纳米管场效应晶体管作为高频混频器运行。为了克服在高驱动频率下的离子屏蔽效应，此时离子和溶液无法有效屏蔽纳米管传感器，从而使表面结合的生物分子的振荡偶极矩得以被检测到。结果表明，在100毫摩尔的背景溶液中，通过监测10兆赫驱动频率下的混合电流变化，可实现对链霉亲和素和生物素结合的检测。与现有的直流检测等方法相比，该技术的主要优势在于克服了器件屏蔽效应，而屏蔽效应从根本上阻碍了高离子强度溶液中的直流检测。与传统的基于电荷检测的传感器相比，我们的方法通过研究纳米管晶体管的高频响应来检测生物分子的偶极矩。首先，将带有用于催化剂的矩形凹坑的光刻掩模放置在涂有光刻胶的硅片上，并用300毫焦耳/平方厘米的紫外光照射0.3秒。将显影后的硅片装入电子束蒸发腔室，在腔室压力为10⁻⁶托的条件下沉积0.5纳米厚的铁。将从腔室中取出的带有催化剂的硅片切割成较小的芯片后，将其置于石英舟中，并将石英舟装入CVD生长炉内。设置炉温程序，使管式炉中心温度升至800摄氏度，同时保持1 SLM的氩气流速。以 0.2 SLM 的氢气流速吹扫五分钟，以还原催化剂颗粒并将氧化铁转化为铁。然后通入 5.5 SCCM 的乙烯持续 35 分钟，以生长 S wts。整个过程中保持 0.2 SLM 的氢气流速。在通入少量氩气冷却至室温后，将样品从炉中取出。确定用于沉积金属电极的区域后，将样品放入蒸发腔室，在电子束蒸发腔室中沉积0.5纳米的钛和50纳米的金作为源极和漏极接触金属，腔室压力维持在10⁻⁶托。完成后，将样品在丙酮中浸泡过夜，以完成金属剥离。然后将样品浸入异丙醇中10分钟，并用氮气吹干。接着将样品放回蒸发腔，在电子束蒸发系统中以10⁻⁶ Torr的真空度沉积500纳米厚的电子束蒸发二氧化硅，随后依次沉积50纳米厚的铬层和50纳米厚的金层，作为顶层栅极电极。光刻胶图形化后，采用1:20的缓冲氢氟酸溶液对蒸发的二氧化硅进行湿法刻蚀，刻蚀时间为3分30秒。现在配制六毫摩尔的PBSE溶于二甲基甲酰胺的溶液，将S-W-N-T-F-E-T-D置于PBSE交联分子溶液中，在室温下孵育一小时。随后，配制20毫克/毫升的胺溶液。将二生物素PEG化于去离子水中。将染料在此溶液中孵育18小时，然后用去离子水彻底冲洗染料。重复冲洗8至10次，随后吹干。将一片新的硅晶圆放入培养皿中，并倒入 DGAs PDMS 混合物，直至混合物高出晶圆表面 5 毫米。接着，将培养皿置于 70 摄氏度的烘箱中加热 1 小时。从烘箱中取出培养皿，使晶圆冷却至室温。使用手术刀切下一矩形PDMS片，并用镊子将其取出。然后将该矩形模具倒置，使用3毫米活检打孔器在平坦面中心打孔。将模具置于显微镜下，仔细将PDMS腔室对准并覆盖在已制备的S-W-N-T-F-E-T器件的活性区域上方。将带有 SU-8 模具的硅晶片放入培养皿中，并加入两到三滴三氯(3,3,3-三氟丙基)硅烷。将培养皿放入真空腔室中抽真空一小时，然后从真空腔室中取出培养皿。将DGAs PDMS混合物倒入晶圆上，放入70摄氏度的烘箱中加热一小时。完成后，将培养皿从烘箱中取出，使晶圆冷却至室温。切割出矩形PDMS印章后，将其倒置，使用0.75毫米活检打孔器在流道两端各打一个孔。将染料置于显微镜下后，小心地将PDMS流动室对准已制备的S-W-N-T-F-E-T器件的活性区域上方，并放置在染料之上。接着，将聚乙烯管插入每个孔中，其中一根管连接至流体源注射器筒，另一根管连接至排水注射器。将注射器连接至注射泵，以维持流经通道的受控流体流动。为了设置调幅调制频率输出，将锁相放大器的参考输出信号连接到频率发生器的外部调制信号端口。接着，将调幅调制的射频输出和直流电压连接至偏置T型接头（bias T），并将偏置T型接头的输出连接至单壁碳纳米管（SWNT）的源极接触点。然后将栅极接触点连接到数模转换卡（DAC）的电压端口，以读取通过纳米管的交流电流。将漏极接触端连接至锁相放大器。将锁相放大器的幅度和相位输出端口连接至数模转换器（DAC）的输入端口。保持源极直流电压为0伏特，A信号频率为200千赫兹。扫描栅极电压并测量漏极的电流。使用移液枪向流体腔室中注入去离子水。进行交流电学测量。依次使用 1 毫摩尔/升氯化钠、10 毫摩尔/升氯化钠和 100 毫摩尔/升氯化钠重复上述操作，并测量每种溶液下设备的响应信号。将微流控流动通道放置到设备上后，将其中一根管路连接至置于注射泵上的空注射器，另一根管路连接至注射器筒，并用 100 毫摩尔/升氯化钠溶液将其充满。将注射泵设置为回抽模式。将100毫摩尔的氯化钠溶液吸入管中。可在计算机上监测电流。然后将溶液更换为含1毫克/毫升链霉亲和素的100毫摩尔/升氯化钠溶液，并实时监测链霉亲和素与生物素结合过程中的电流变化。此处显示的是具有悬浮顶栅结构的S型SWNT晶体管的扫描电子显微镜图像。电极由50纳米厚的铬层和50纳米厚的金层组成，较厚的铬层增强了悬浮结构的机械强度。通过顶栅与漏极之间无泄漏电流的现象可证实该结构处于悬浮状态。为了表征侧壁功能化的成功程度，监测了每个功能化步骤后场效应晶体管（FET）在空气中的直流转移曲线变化。原始纳米管FET的转移曲线在生物素化及链霉亲和素结合后向右移动，如图所示。这是在 100 毫摩尔氯化钠溶液中，针对典型器件测得的随门电压变化的混合电流传感信号。该图显示了直流电流、混合电流和理论混合电流的曲线。数据表明，混合电流结果与理论模型符合良好。此处展示了静态测量和实时流动测量的代表性结果。混合电流随栅极电压的变化曲线代表了在 100 毫摩尔氯化钠溶液中生物素化与链霉亲和素结合的单壁碳纳米管。在实时流动实验中，链霉亲和素结合后混合电流发生变化。在去离子水中，对硅和氧化物对照器件在不同频率下检测链霉亲和素结合前后信号的变化，结合后无信号变化，表明检测机制源于高频下SWNT与生物分子的相互作用。该测量技术可普遍应用于基于纳米管、纳米线或石墨烯的电子型生物传感器，并可在高离子强度背景溶液中直接进行，无需脱盐等耗时的前处理步骤。

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