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Methodenartikel

Herstellung von Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistor für chemische und Biosensorik Anwendungen

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DOI:

10.3791/53660

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21. April 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Molecular Medicine and Bioengineering, National Chiao Tung University, 2Department of Biological Science and Technology, National Chiao Tung University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Wir beschreiben Schlüsselschritte für die Biosensorik unter Verwendung von Polysilizium-Nanodraht-Feldeffekttransistoren, einschließlich der Vorbereitung des Geräts und der Immobilisierung und Bestätigung einer DNA-Molekülsonde auf der Nanodrahtoberfläche, sowie Bedingungen für die DNA-Sensorik.

Zusammenfassung

Die Überwachung mit Biomarkern ist entscheidend für die Früherkennung, schnelle Intervention und Reduzierung der Inzidenz von Krankheiten. In dieser Studie beschreiben wir die Herstellung von polykristallinen Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistoren (pSNWFETs), die als Biosensorgeräte für die Biomarker-Detektion dienen. Es wird ein Protokoll für die chemische und biomolekulare Sensorik unter Verwendung von pSNWFETs vorgestellt. Es wurde gezeigt, dass der pSNWFET-Baustein ein vielversprechender Wandler für markierungsfreie und ultrahochempfindliche Echtzeit-Biosensorikanwendungen ist. Die Leitfähigkeit des Source/Drain-Kanals eines pSNWFET reagiert empfindlich auf Veränderungen in der Umgebung seiner Silizium-Nanodraht-Oberfläche (SNW). Durch die Immobilisierung von Sonden auf der SNW-Oberfläche kann der pSNWFET zum Nachweis verschiedener Bioziele verwendet werden, die von kleinen Molekülen (Dopamin) bis hin zu Makromolekülen (DNA und Proteine) reichen. Die Immobilisierung einer Biosonde auf der SNW-Oberfläche, die ein mehrstufiges Verfahren ist, ist entscheidend für die Bestimmung der Spezifität des Biosensors. Es ist wichtig, dass jeder Schritt des Immobilisierungsverfahrens korrekt durchgeführt wird. Wir verifizierten Oberflächenmodifikationen, indem wir die Verschiebung der elektrischen Eigenschaften des pSNWFET nach jedem Modifikationsschritt direkt beobachteten. Zusätzlich wurde die Röntgenphotoelektronenspektroskopie eingesetzt, um die Oberflächenzusammensetzung nach jeder Modifikation zu untersuchen. Schließlich haben wir die DNA-Sensorik auf dem pSNWFET demonstriert. Dieses Protokoll bietet Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Überprüfung der Immobilisierung von Biosonden und zur anschließenden Anwendung der DNA-Biosensorik.

Einleitung

Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistoren (SNWFETs) haben die Vorteile der extrem hohe Empfindlichkeit und eine direkte elektrische Reaktionen auf Umweltladungsänderung. In n-Typ SNWFETs Wenn beispielsweise ein negativ (oder positiv) geladenen Molekül die Silizium-Nanodraht (SNW) nähert, werden die Träger in der SNW abgereichertes (oder akkumulieren). Folglich nimmt die Leitfähigkeit des SNWFET (oder erhöht) 1. Daher kann jedes geladene Molekül in der Nähe der Oberfläche der SNW SNWFET Vorrichtung detektiert werden. Vital Biomolekülen einschließlich Enzymen, Proteinen, Nukleotiden und viele Moleküle auf der Zelloberfläche sind Ladungsträger und kann mit SNWFETs überwacht werden. Mit geeigneten Modifikationen, insbesondere eine biomolekulare Sonde auf der SNW Immobilisierung kann ein SNWFET in einen markierungsfreien Biosensor entwickelt werden.

Überwachungs Biomarkern verwendet ist kritisch für die Diagnose von Krankheiten. Wie in Tabelle 1 gezeigt, haben mehrere Studien verwendet NWFET-basierten Biosensoren für die markierungsfreie, ultra-hoher Empfindlichkeit und Echtzeit - Erkennung von verschiedenen biologischen Ziele, einschließlich eines einzelnen Virus 2, Adenosintriphosphat und Kinase - 3 - Bindung, neuronale Signale 4, Metallionen 5,6, bakterielle Toxine 7, Dopamin 8, DNA 9-11, RNA 12,13, Enzym und Krebs - Biomarker 14-19, menschliche Hormone 20 und Zytokine 21,22. Diese Studien haben gezeigt, dass NWFET-basierten Biosensoren eine leistungsfähige Detektionsplattform für ein breites Spektrum an biologischen und chemischen Spezies in einer Lösung darstellen.

In SNWFET-Biosensoren, die Sonde auf der SNW immobilisierte Oberfläche der Vorrichtung erkennt eine spezifische BioTarget. ein bioPROBE immobilisieren beinhaltet in der Regel eine Reihe von Schritten, und es ist wichtig, dass jeder Schritt richtig, das ordnungsgemäße Funktionieren des Biosensors, um sicherzustellen, durchgeführt wird. Verschiedene Techniken wurden zur Analyse der s entwickelturface Zusammensetzung, einschließlich der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Ellipsometrie, Kontaktwinkelmessung, Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Methoden wie AFM und SEM bieten einen direkten Beweis für bioPROBE Immobilisierung auf der Nanodraht-Gerät, während Methoden wie XPS, Ellipsometrie und Kontaktwinkelmessung auf parallelen Versuchen an anderen ähnlichen Materialien durchgeführt abhängig sind. In diesem Bericht beschreiben wir die Bestätigung jeder Änderung Schritt durch zwei unabhängige Methoden. XPS wird verwendet, um die Konzentrationen an spezifischen Atome auf Polysilicium-Wafern und Variationen in den elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung gemessen werden, direkt auf die Ladungsänderung an der Oberfläche zu bestätigen SNW zu untersuchen. Wir beschäftigen DNA Biosensor von polykristallinem SNWFETs mit (pSNWFETs) als ein Beispiel dieses Protokoll zu illustrieren. eine DNA-Sonde auf der SNW Oberfläche immobilisieren umfasst drei Schritte: Amingruppe Modifikation auf der nativen Hydroxyl-Oberfläche des SNW, aldehyd Gruppe Modifikation und 5'-aminomodifizierten DNA-Sonde Immobilisierung. An jedem Änderungsschritt kann die Vorrichtung direkt auf die Veränderung in der Ladung der funktionellen Gruppe an der Oberfläche immobilisiert SNW erfassen, weil die Oberflächenladungen lokale Grenzflächenpotentialänderungen über dem Gate - Dielektrikum führen, die den Kanalstrom und Konduktanz 1 verändern. Kosten der SNW Oberfläche umgibt, kann elektrisch die elektrischen Eigenschaften der pSNWFET Gerät modulieren; Daher spielen die Oberflächeneigenschaften der SNW eine entscheidende Rolle bei der elektrischen Eigenschaften von pSNWFET Geräte zu bestimmen. In den berichteten Verfahren kann die Immobilisierung eines bioPROBE auf der SNW Oberfläche direkt durch elektrische Messung bestimmt und bestätigt werden, und das Gerät ist für die Biosensorik Anwendungen vorbereitet.

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Protokoll

1. Herstellung und Konservierung von pSNWFET Devices

  1. Vorrichtung Fabrication
    Hinweis: Die pSNWFET wurde unter Verwendung eines Seitenwandabstandshalter Technik wie zuvor 23,24 berichtet.
    1. Bereiten Sie die Gate-Dielektrikum-Schicht.
      1. Kappe mit einer 100 nm dicken thermischen Oxid (SiO 2) Schicht auf einem Si - Substrat durch das Naßoxidationsprozeß 25 mit (O 2 und H 2 Prozessgas bei 980 ° C für 4 h).
      2. Ablagern einer 50 nm dicken Nitrid (Si 3 N 4) Schicht , die durch chemische Niederdruck - Dampfabscheidung unter Verwendung von (LPCVD) 25 bei 980 ° C für 4 Stunden.
    2. Abzuscheiden , einen 100-nm-dicke Tetraethylorthosilikat (TEOS) -Schicht durch LPCVD unter Verwendung von 25 bei 780 ° C für 4 Stunden.
    3. Führen Standardlithographie unter Verwendung einer I-Line-Stepper das Oxid Dummy-Strukturen zu definieren.
      1. Bestreichen Sie die Waferoberfläche mit einer 830 nm dicken Fotolackschicht.
      2. ichnsert ein Muster definierte Photomaske in das I-Line-Stepper.
      3. Verarbeiten, um die Belichtung durch die I-Line-Stepper verwendet (Wellenlänge: 365 nm) bei einer Stärke von 1.980 J bei Raumtemperatur.
      4. Entwickeln des Wafers in einem Entwickler für 5 min.
      5. Führen Sie den isotropen Ätzprozess durch einen Standard mit induktiv gekoppeltem Plasma 25 Radierer mit HBr und Cl Plasmagas für 1 min.
    4. Abzuscheiden 100 nm dicke amorphe Silizium (α-Si) Schicht durch LPCVD 25 verwendet wird .
    5. Durchführen eines Wärmebehandlungsschritt bei 600 ° C in N 2 -Umgebung für 24 h das α-Si in eine polykristalline Struktur zu transformieren.
    6. Implantat Phosphorionen durch Source / Drain (S / D) Dotieren bei niedriger Energie (5E 15 cm -2) 25.
    7. Führen Sie Standard - Lithographie durch die I-Line - Stepper mit der Poly-Si - Schicht zu entfernen und das Polysilizium Nanodraht- (pSNW) 25 bilden.
      Hinweis: Wiederholen Sie Schritt 1.1.3 dop einzupflanzenAmeisen an anderen Orten als S / D-Gebiete mit Poly-Si-Entfernung und der Seitenwand Si Kanäle in einer selbstausrichtenden Art und Weise bilden.
    8. Führen Sie die Passivierung (200 nm dicke TEOS - Oxidschicht) unter Verwendung von LPCVD bei 780 ° C für 5 Stunden 25.
    9. Führen Sie Standard-Lithographie durch die I-Line-Stepper mit den Nanodraht-Kanäle und Formtest-Pads zu belichten, indem die zweistufigen Trocken- / Nass Ätzprozess.
      1. Wiederholen Sie Schritt 1.1.3.
      2. Führen Sie die Naßätzprozeß (DHF: HF / H 2 O für 1 min).
  2. Wafer Konservierung
    1. Verschließen Sie den Wafer in einer Vakuumspeicherbeutel und lagern Sie es in einem elektronischen Trockenschrank (relative Luftfeuchtigkeit <40% bei Raumtemperatur).

2. Vorbehandlung des Geräte

  1. Gerätereinigung
    1. Spülen Sie das Gerät mit reinem Aceton.
    2. Beschallen (46 kHz, 80 W) ist das Gerät in reinem Aceton für 10 min.
    3. Ultraschallbad (46 kHz, 80 W) ist das Gerät in reinem Ethanol (99,5%) für 5 min.
    4. Föhnen Sie die Oberfläche des Gerätes mit Stickstoff.
  2. Sauerstoffplasma
    1. Behandeln Sie das Gerät mit O 2 Plasma bei 18 W für 30 Sekunden.

3. Immobilisierung der DNA-Sonde auf der Oberfläche der Vorrichtung

  1. Amingruppe Modifikation
    1. Eintauchen der Vorrichtung in einer 2,0% (3-Aminopropyl) triethoxysilan (APTES) / Ethanollösung für 30 min.
    2. Waschen Sie das Gerät mit Ethanol dreimal und dann Sonikat (46 kHz, 80 W) ist das Gerät in Ethanol für 10 min.
    3. Erhitzen Sie das Gerät auf einer heißen Platte bei 120 ° C für 10 min Amingruppen auf SNWs zu erstellen.
  2. Aldehydgruppe Modifikation
    1. Eintauchen der Vorrichtung in 12,5% Glutaraldehyd während 1 Stunde bei Raumtemperatur Aldehydgruppen auf der Oberfläche zu schaffen. Vermeiden Sie Belichtung.
    2. Waschen Sie das Gerät Witzh 10 mM Natriumphosphatpuffer (Na-PB, pH 7,0) dreimal und dann Föhnen die Oberfläche der Vorrichtung mit Stickstoff.
  3. DNA - Sonde Immobilisierung
    1. Tauchen Sie das Gerät in einer Lösung, die 1 & mgr; M DNA-Sonden über Nacht.
    2. Eintauchen der Vorrichtung in 10 mM Tris - Puffer (pH 8,0) mit 4,0 mM NaBH 3 CN für 30 min die nicht umgesetzten Aldehydgruppen zu blockieren.
    3. Waschen Sie das Gerät mit Na-PB (pH 7,0) dreimal und dann Föhnen die Oberfläche der Vorrichtung mit Stickstoff.

4. Bestätigung und Analyse von Oberflächenmodifizierung auf pSNWFET

  1. pH - Profil nach jedem Schritt der Oberflächenmodifikation
    1. Bereiten Sie 10 mM Na-PB in pH 3,0 bis 9,0.
      1. Herstellung von 10 mM Natriumphosphat , dreibasischem Dodecahydrat (Na 3 PO 4) in deionisiertem Wasser (pH 11,60).
      2. Herstellung von 10 mM Phosphorsäure (H 3 PO 4) in deionisiertem Wasser(PH 2,35).
      3. Legen Sie die pH - Elektrode in 500 ml 10 mM Na 3 PO 4 Puffer und mischen diese Lösung mit unterschiedlichen Volumina von 10 mM H 3 PO 4 Puffer , während der pH - Wert Messung zu erhalten Puffer mit pH - Werten von 3,0, 4,0, 5,0, 6,0 , 7.0, 8.0 und 9.0.
    2. AC-Leitfähigkeitsmessung
      Hinweis: Die Messschaltung einen kleinen Wechselstromsignalgenerator und einen Au Mikrodraht enthalten, der als Flüssigkeit Gate-Elektrode diente.
      1. Bestimmen die optimale Flüssigkeits Gate - Spannung (V LG) zur Messung 26 bei jedem Änderungsschritt (Schritte 2.2, 3.1, 3.2 und 3.3).
        Hinweis: Die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung nach vier Oberflächenmodifikationen an der SNW gemessen wurden, wie in diesem Abschnitt beschrieben. In Schritt 2.2 wird das unmodifizierte pSNWFET die natürliche Oxidschicht enthält, modifiziert; Schritt 3.1 beinhaltet die Vorrichtung mit der Amingruppe von APTES modifizieren; Schritt 3.2 beinhaltet Modifikation mit dem ungeladenenfunktionelle Gruppe von Glutaraldehyd; und Schritt 3.3 beinhaltet DNA-Sonde Modifikation.
        1. Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) Lösung der SNW Oberfläche durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h) für den direkten Kontakt mit der SNW.
        2. Messen der Echtzeit - Konduktanz der Vorrichtung während Fegen V LG 0,80-1,30 V.
          1. Führen Leitwertmessung durch die Lock-in - Technik 27 bei Raumtemperatur verwendet wird .
          2. Wandeln die Wechselstromsignale in ein AC-Spannungssignal durch einen rauscharmen Vorverstärker Strom verwendet wird.
          3. Sammeln Sie Daten auf Leitfähigkeit (G) bei Erhöhung V LG 0,80-1,30 V (Intervall = 0,02 V).
        3. Bestimmen die optimale V LG (empfindlichsten V LG) der Vorrichtung 26.
          1. Zeichnen Sie die GV LG Kurven aus Schritt 4.1.2.1.2.3 die Gleichung der Kurve zu erhalten.
          2. Difzieren die Gleichung, und berechnen Sie die Werte in jedem Punkt von V LG.
          3. Unterteilen den Wert aus Schritt 4.1.2.1.3.2 von G, und bestimmen die optimale V LG entsprechend der maximalen Anzahl.
      2. Messen der Echtzeit-Leitwert des pH-Profil bei jedem Schritt der Oberflächenmodifikation.
        1. Führen Leitwertmessung durch die Lock-in - Technik 27 bei Raumtemperatur verwendet wird .
        2. Konvertieren Sie die AC-Stromsignal in Wechselspannungssignale durch einen rauscharmen Vorverstärker Strom verwendet wird.
        3. Stellen Sie die optimale V LG für jeden Schritt der Oberflächenmodifikation (Schritt 2.2: V LG = 1,02, Schritt 3.1: V LG = 0,98, Schritt 3.2: V LG = 0,98, und Schritt 3.3: V LG = 1,0).
        4. Geben Sie sich die 10 mM Na-PB-Lösung mit pH-Werten von 3,0 bis 9,0 auf der SNW Oberfläche (Fließgeschwindigkeit: 5,0 ml / h), Und die Daten auf Konduktanz bei einer Drainspannung von 0,01 V. sammeln
  2. Messung der elektrischen Eigenschaften (der I D -V BG curve) der Vorrichtung in 10 mM Na-PB (pH 7,0) nach jedem Schritt der Oberflächenmodifikation (Schritte 2.2, 3.1, 3.2 und 3.3.)
    Hinweis: Die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung nach vier Oberflächenmodifikationen an der SNW wurden gemessen: in Schritt 2.2, der unmodifizierte pSNWFET die native Oxidschicht enthält, modifiziert ist; Schritt 3.1 beinhaltet das Gerät mit der Amingruppe von APTES Modifizierung; Schritt 3.2 bringt Modifikation mit der ungeladenen funktionelle Gruppe von Glutaraldehyd; und Schritt 3.3 bringt DNA-Sonde Modifikation.
    1. Liefern die 10 mM Na-PB (pH 7,0) Lösung der SNW Oberfläche (Schritte 2.2, 3.1, 3.2 und 3.3) durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h) für den direkten Kontakt mit der SNW.
    2. Messen Sie die I D Der Vorrichtung (Schritte 2.2, 3.1, 3.2 und 3.3) von einem kommerziellen Halbleiter Analysator und Software.
      1. Wählen Sie den "nMOSFET" -Modus.
      2. Wählen Sie "I D - V BG" Module.
        Hinweis: I D ist die Drain / Source - Strom und V BG ist die Back - Gate - Spannung.
      3. Stellen Sie eine konstante Vorspannung (V D = 0,5 V) , während fegt das Gate - Potential (V BG) von -1 bis 3,0 V (Intervall = 0,2 V).
      4. Klicken Sie auf das Symbol Run I D zu erhalten - V BG Kurven.

5. DNA Biosensorik

Anmerkung: In einem typischen Experiment wurde die I D - V B G Kurve wird dreimal bestimmt , um sicherzustellen , dass keine weitere Variation ist Observed.

  1. Bestimmung der Baseline
    1. Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) auf die DNA-Sonde immobilisiert SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), und dann die SNW für 30 min inkubiert.
    2. Messen Sie die I D des Gerätes (Wiederholen Sie Schritt 4.2.2).
  2. Erfassen von DNA / DNA - Hybridisierung
    1. Last 10 pM komplementärer Ziel-DNA an die DNA-Sonde immobilisiert SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), und dann die SNW für 30 min inkubieren.
    2. Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) auf die SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), um die nicht gebundenen Ziel-DNA entfernt zu waschen.
    3. Wiederholen Sie Schritt 4.2.2 die I D der Vorrichtung zu messen.
  3. Überprüfen Sie noch einmal das Signal von DNA / DNA - Hybridisierung.
    1. Last 1 nM Erholung DNA auf ter DNA-Sonde immobilisiert SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), und dann die SNW für 30 min inkubiert.
    2. Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) auf die SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h).
    3. Wiederholen Sie Schritt 4.2.2 die I D der Vorrichtung zu messen.
  4. Negative Kontrolle
    1. Last 100 pM nicht komplementäre DNA an die DNA-Sonde immobilisiert SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), und dann die SNW für 30 min inkubieren.
    2. Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) auf die SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h).
    3. Wiederholen Sie Schritt 4.2.2 die I D der Vorrichtung zu messen.

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Ergebnisse

Verschiedene SNWFETs wurden als Wandler von Biosensoren (Tabelle 1) dienen berichtet. Einkristalline SNWFETs (sSNWFETs) und pSNWFETs zeigen vergleichbare elektrische Eigenschaften als Wandler in wässrigen Lösungen, und beide haben viele Biosensor-Anwendungen berichtet. Ein vorteilhaftes Merkmal der pSNWFET Gerät in dieser Studie verwendet wird , ist seine einfache und kostengünstige Herstellungsverfahren. 1a zeigt die wichtigsten Schritte , die in der pS...

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Diskussion

Die Kommerzialisierung der Top-down und Bottom-up - Herstellungsansätze für sSNWFETs schwierig wegen der Kosten betrachtet 32,33, SNW Positionssteuerung 34,35 und seiner niedrigen Produktionsmaßstab 36. Im Gegensatz dazu ist pSNWFETs Herstellung einfach und kostengünstig 37. Durch den Top-Down - Ansatz und die Verbindung mit dem Seitenwandabstandshalter Bildungstechnik (Figur 1) kann die Größe des SNW durch Einstellen der Dauer des reaktiven Plasmaätzen gesteu...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Diese Forschung wurde finanziell unterstützt vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan (104-2514-S-009 -001, 104-2627-M-009-001 und 102-2311-B-009-004-MY3). Wir danken den National Nano Device Laboratories (NDL) für ihre wertvolle Unterstützung bei der Herstellung und Analyse der Geräte.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
AcetonECHOAH-3102
(3-Amonopropyl)triethoxysilan (APTES), ≥ 98%Sigma-AldrichA3648Gefahr
Ethanol, wasserfrei, 99,5%ECHO484000203108A-72EC
Glutaraldehydlösung (GA), 50%Sigma-AldrichG7651Vermeiden Sie leichtes
Natriumcyanoborohydrid, ≥ 95.0% Fluka71435Gefährliches und zerfließendes
Natriumphosphat tribasisches Dodecahydrat, ≥ 98%Sigma04277
Phosphorsäure, ≥ 99,0 %Fluka79622zerfließender
Fotolack (iP3650)Tokyo Ohka Kogyo Co., LtdTHMR-iP3650 HP
Synthetische Oligonukleotide, HPLC-gereinigtProtech Technology
Tris(hydroxymethyl)aminomethan (Tris), ≥ 99.8%USB75825
Keithley 2636 System SourceMeterKeithley
SR830 DSP Lock-In AmplifierStanford Research Systems
SR570 Rauscharmer StromvorverstärkerStanford Research Systems
Ni PXI ExpressNational Instruments

Referenzen

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