Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen Hochfrequenztechnik Nanoelectronic Biosensor für Sensing in hoher Ionenstärke Lösungen

Zusammenfassung

Wir beschreiben die Herstellung von Vorrichtungen und Messprotokoll für Kohlenstoff-Nanoröhrchen basierenden Hochfrequenz Biosensoren. Die Hochfrequenz-Sensortechnik mildert die grundlegenden ionische (Debye) Screening-Effekt und ermöglicht Nanoröhrchen Biosensor in hoher Ionenstärke Lösungen, bei denen herkömmliche elektronische Biosensoren nicht betrieben werden. Unsere Technologie bietet eine einzigartige Plattform für die Point-of-Care (POC) elektronischen Biosensoren, die in physiologisch relevanten Bedingungen.

Zusammenfassung

Die einzigartigen elektronischen Eigenschaften und eine hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisse von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT) und Halbleiter-Nanodrähten (NW) ^1-4 machen sie gute Kandidaten für hohe Empfindlichkeit Biosensoren. Wenn ein geladenes Molekül solchen Sensors Oberfläche bindet, verändert sie die Ladungsträgerdichte ⁵ in den Sensor, was zu Änderungen in der Leitfähigkeit DC. Jedoch in einer ionischen Lösung eine geladene Oberfläche zieht auch Gegenionen aus der Lösung, Bilden einer elektrischen Doppelschicht (EDL). Das EDL effektiv abschirmt die Ladung, und in physiologisch relevanten Bedingungen ~ 100 Millimol (mM), die charakteristische Ladung Abschirmlänge (Debye-Länge) ist weniger als ein Nanometer (nm). So in hoher Ionenstärke Lösungen, wird die Ladung auf (DC)-Erkennung fundamental ^6-8 behindert.

Wir überwinden Ladung Screening-Effekte durch den Nachweis molekularer Dipole anstatt Gebühren bei hoher Frequenz, durch Betätigen Kohlenstoff NanotUbe Feldeffekttransistoren Hochfrequenzmischer ^9-11. Bei hohen Frequenzen kann die AC Antriebskraft nicht mehr überwinden Lösung Drag und die Ionen in der Lösung nicht über genügend Zeit, um die EDL zu bilden. Ferner ermöglicht Frequenz Mischtechnik uns bei Frequenzen hoch genug, um ionische Screening überwinden betreiben, und doch erkennt die Messsignale bei niedrigeren Frequenzen ^11-12. Außerdem stellt der hohe Transkonduktanz SWNT-Transistoren eine interne Verstärkung für das Messsignal, das die Notwendigkeit für externe Signalverstärker vermeidet.

Hier beschreiben wir das Protokoll auf (a) herzustellen SWNT Transistoren, (b) Funktionalisierung von Biomolekülen an das Nanoröhrchen ^13, (c) entwerfen und stempeln eine Polydimethylsiloxan (PDMS) mikrofluidischen Kammer ¹⁴ auf das Gerät, und (d) Durchführung hochfrequente Abtastung in verschiedenen Ionenstärke Lösungen ^11.

Einleitung

Wenn ein geladenes Molekül zu einem SWNT oder NW elektronischen Sensor bindet, kann es entweder spenden / Elektronen aufnehmen oder fungieren als lokale elektrostatische Tor. In jedem Fall kann das gebundene Molekül die Ladungsdichte im SWNT oder NW Kanal zu ändern, was zu einer Änderung der gemessenen DC Leitfähigkeit des Sensors. Eine große Vielfalt von Molekülen ^15-20 wurden erfolgreich durch das Studium DC Eigenschaften der Nanosensoren während solche Bindung Ereignisse erkannt. Obwohl Charge-Erkennung basiert Fühlmechanismus hat viele Vorteile, einschließlich Label-Detektion ^21, Femto-Mol-Empfindlichkeit ²² und elektronischen Aus....

Protokoll

1. Katalysator für Patterning SWNT Wachstum

1. Beginnen mit einem Silizium-Wafer mit einer chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidung (CVD) 500 nm Si ₃ N _4/500 nm SiO _2-Schicht auf der Oberseite gezüchtet.
2. Spin Mantel eine Schicht aus Fotolack (PR) bei 500 rpm für 5 Sekunden und dann 4.000 rpm für 40 sec.
3. Backen Sie den Wafer bei 115 ° C für 90 sec.
4. Verwenden Sie eine Photomaske mit rechteckigen Gruben für Katalysatoren (Abbildung 1) und setzen die Wafer in UV (365 nm) Bestrahlungsstärke von 300 mJ / cm ² für 0,3 sek. Nach der Belichtung der Wafer backen bei 115 ° C fü....

Ergebnisse

Ein Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme von SWNT Transistor mit einer Bewährungsstrafe Top-Gate ist in Abbildung 7a gezeigt. Die Gate-Dimensionen sind entscheidend für die Aufhängung ^25. Der gegenwärtige Entwurf Abmessungen (Länge x Breite x Dicke = 25 um x 1 x um 100 nm). Die Gate-Elektrode besteht aus 50 nm Cr/50 nm Au; eine dicke Chromschicht fügt mehr Kraft ausgesetzt Struktur. Die frei hängende Struktur wird durch die Abwesenheit von Leckstrom zwischen Top-Gate-und Drain (Abbildun.......

Diskussion

Das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren hängt nicht nur von Ofenbedingungen sondern auch Substrat Sauberkeit. Die optimale Gas-Durchfluss, Temperatur und Druck für Wachstum müssen sorgfältig kalibriert und einmal fixiert sie sind mehr oder weniger stabil. Auch bei Erfüllung dieser Bedingungen, fanden wir, dass das Wachstum hängt von der strukturierten Katalysator Bereich, Menge an Katalysator und Substrat Sauberkeit. Daher haben wir mehrere Katalysator Grube Größen zur Berücksichtigung der Variabilität des Wachstums aufg.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
REAGENTS
Reagenzien, die in der Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) bereitgestellt wurden, sind in der Katalogspalte als LNF gekennzeichnet. Chemikalien, die Schutzausrüstung (Handschuhe, Schutzbrille, Gesichtsmaske, Schürze) und/oder Abzüge erfordern, werden im Kommentarbereich mit PSA gekennzeichnet.
Siliziumwafer (P-Typ, < 100>, 500-550 μ m dick)	Silicon Valley Microelectronics
SPR 220 3.0	Dow (Rohm and Haas)	Megaposit SPR	PPE
AZ 300MIF	AZ Electronic Material Corporation		PPE
Aceton	J T Baker	9005-05	PPE
Isopropanol (IPA)	J T Baker	9079-05
Gepufferte Flusssäure			PPE
1-Pyren-Butansäure, Succinimidylester	Molekulare Sonden	P130	PPE
Biotin PEO Amin	Thermo Scientific	EZ-Link PEG2 Biotin, # 21346	PPE
Streptavidin	Invitrogen	S 888	PPE
Dimethylformamid	MP Biomedicals	0219514791	PPE
Polydimethylsiloxan Elastomer Base und Härter	Dow Corning	Sylgard 184 Elastomer Kit	PPE
SU-8 2015	Microchem	Y111064	PSA
SU-8 Entwickler	Microchem	Y020100	PSA
Silanisierungsmittel	Sigma Aldrich	452807	PSA
Wasserstoff	Reinheit Plus	LNF
Ethylen	Reinheit Plus	LNF
Argon	Purity Plus	LNF
Phosphatpuffer Kochsalzsystem	Sigma Aldrich	PBS1
EQUIPMENT<
GCA 200 Autostepper	GCA	LNF
Niederdruck-Werkzeug für die chemische Gasphasenabscheidung	Tempress	LNF
Elektronenstrahlverdampfer	Enerjet	LNF
CNT Wachstumsofen	Erstes Nano	Easy Tube 3000 (LNF)
Fotomasken	Nanofilm	LNF
Petrischale (150mm)		LNF
Exsikkator	Bel-Art	F420100000
Biopsiestempel	Ted Pella	15071/78
Skalpell	Ted Pella	548
Polyethylenschlauch PE-50	VWR	20903-414
Spritzenpumpe	New Era Pump Systems	NE-1000
Spritze	Fisher Scientific	BD Safety-Lok Spritzen
Spritzennadeln	Fisher Scientific	14-821-13A
Messkarte	National Instruments	779111-01
GPIB-Anschluss	National Instruments	778032-51
Lock-in-Verstärker	Stanford Research Systems	SR 830
Frequenzgenerator	HP Agilent	8648B, 9kHz -2GHz
Bias T-Stück	Picosecond	5575A-104
Stromvorverstärker	DL Instruments, LLC	DL 1211
BNC-Kabel	Allied Electronics	665-xxxx
SMA-Kabel	Sentro Tech Corp	SCF65141

td colspan="4">Die von der Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) bereitgestellte Ausrüstung wird in der Katalogspalte als LNF bezeichnet.