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

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, eine neue nano-elektrische Sensorschnittstelle für die biomolekulare Detektion am Point-of-Care in Lösungen mit hohen Ionenstärken zu demonstrieren. Dies wird erreicht, indem einwandige Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren mit hoher Frequenz betrieben werden, um den Ionenabschirmeffekt zu verringern. Zunächst werden die Nanoröhren-Transistoren hergestellt und mit Rezeptormolekülen funktionalisiert.

Als zweiten Schritt werden die Geräte mit einem mikrofluidischen Durchflusskanal umhüllt, der es ermöglicht, Probenlösungen von Biomolekülen zur Echtzeiterkennung einzuspeisen. Anschließend werden die Einzelwand-Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren als Hochfrequenzmischer betrieben. Um einen ionischen Abschirmeffekt bei hoher Ansteuerfrequenz zu überwinden, können Ionen und Lösungen die Nanoröhren-Sensoren nicht mehr wirksam abschirmen, wodurch die oszillierenden Dipolmomente an der Oberfläche gebundener Biomoleküle detektiert werden können.

Die Ergebnisse zeigen den Nachweis von Streptavidin- und Biotin-Bindung in einer 100 Millimolar Hintergrundlösung, basierend auf der Überwachung von Änderungen des Mischstroms bei einer Anregungsfrequenz von 10 Megahertz. Der Hauptvorteil dieser Methode gegenüber etablierten Verfahren wie dem Gleichstromnachweis besteht darin, dass sie den Abschirmeffekt des Geräts überwindet, der den Gleichstromnachweis in Lösungen mit hoher Ionenstärke grundsätzlich behindert. Im Gegensatz zu herkömmlichen, auf Ladungsnachweis basierenden Sensoren detektiert unsere Methode die Dipolmomente von Biomolekülen, indem sie die Hochfrequenzantwort von Nanoröhren-Transistoren nutzt.

Platzieren Sie zunächst eine Fotomaske mit rechteckigen Vertiefungen für den Katalysator auf einem mit Fotolack beschichteten Siliziumwafer und belichten Sie ihn mit einer UV-Strahlung von 300 Millijoule pro Quadratzentimeter für 0,3 Sekunden. Laden Sie den strukturierten Wafer in eine Elektronenstrahl-Verdampfungskammer und dampfen Sie 0,5 Nanometer Eisen bei einem Kammerdruck von 10 hoch minus sechs Torr auf. Nachdem der mit Katalysator beschichtete Siliziumwafer in der Kammer in kleinere Scheiben zugeschnitten wurde, platzieren Sie diese auf einem Quarzboot und führen Sie das Boot in den CVD-Wachstumsreaktor ein. Programmieren Sie den Ofen, sodass die Ofentemperatur im Zentrum des Rohres auf 800 Grad Celsius erhöht wird, während ein Durchfluss von einem SLM Argon aufrechterhalten wird.

Leiten Sie 0,2 SLM Wasserstoff fünf Minuten lang durch, um die Katalysatorpartikel zu reduzieren und Eisenoxid in Eisen umzuwandeln. Anschließend wird 35 Minuten lang 5,5 SCCM Ethylen zugeführt, um die S-Gew.-% zu erzeugen. Während des gesamten Prozesses wird ein Wasserstoffstrom von 0,2 SLM aufrechterhalten.

Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur unter leichtem Argonstrom das Substrat aus dem Ofen nehmen. Nach der Definition des Bereichs für die Metallabscheidung der Kontakte das Substrat in die Verdampfungskammer geben und anschließend 0,5 Nanometer Titan und 50 Nanometer Gold als Source- und Drain-Kontaktmetalle in einer Elektronenstrahl-Verdampfungskammer bei 10⁻⁶ Torr aufdampfen. Danach das Substrat zur Metallabhebung über Nacht in Aceton einlegen.

Anschließend 10 Minuten in Isopropanol tauchen und mit Stickstoff trockenblasen. Danach die Probe zurück in die Verdampfungskammer geben und im Elektronenstrahl-Verdampfer 500 Nanometer elektronenstrahlverdampftes Siliciumdioxid bei 10⁻⁶ Torr, gefolgt von 50 Nanometern Chrom und 50 Nanometern Gold als oberer Gate-Elektrode aufdampfen. Nach dem Strukturieren des Fotolacks wird das verdampfte Siliciumdioxid nassgeätzt mit einer 1:20 gepufferten Flusssäurelösung für drei Minuten und 30 Sekunden.

Stellen Sie nun eine Lösung von sechs Millimolar PBSE in Dimethylformamid her und inkubieren Sie das S-W-N-T-F-E-T-D in der PBSE-Linker-Molekül-Lösung eine Stunde bei Raumtemperatur. Bereiten Sie danach eine Lösung von 20 Milligramm pro Milliliter Amin her. PEGylieren Sie zwei Biotin in entionisiertem Wasser.

Die Färbung 18 Stunden in dieser Lösung inkubieren. Anschließend die Färbung gründlich mit entionisiertem Wasser spülen. Den Spülvorgang acht bis zehn Mal wiederholen, dann trockenblasen.

Legen Sie eine neue Siliziumwafer in eine Petrischale und gießen Sie eine DGAs-PDMS-Mischung in die Schale, bis die Mischung fünf Millimeter über dem Wafer steht. Stellen Sie anschließend die Petrischale eine Stunde lang in einen Ofen bei 70 Grad Celsius. Nehmen Sie die Petrischale aus dem Ofen und lassen Sie den Wafer auf Raumtemperatur abkühlen.

Verwenden Sie ein Skalpell, um ein rechteckiges Stück PDMS auszuschneiden, und ziehen Sie es mit einer Pinzette heraus. Legen Sie dann das rechteckige Die mit der aktiven Fläche nach unten und stanzen Sie mit einem 3-mm-Biopsiestanzer ein Loch durch die flache Seite. Nachdem Sie das Die unter dem Mikroskop platziert haben, setzen Sie die PDMS-Kammer vorsichtig auf das Die auf, indem Sie sie über dem aktiven Bereich der hergestellten S-W-N-T-F-E-T-Vorrichtungen ausrichten.

Legen Sie eine Siliziumwafer mit einer SU-8-Form in eine Petrischale und geben Sie zwei bis drei Tropfen Tri-Chloro-3,3,3-trifluorpropylsilan hinzu. Stellen Sie die Petrischale eine Stunde lang in eine Vakuumkammer, nachdem Sie die Petrischale aus dem Vakuum entnommen haben.

Geben Sie die PDMS-Mischung der DGAs auf das Wafer und erhitzen Sie sie eine Stunde lang bei 70 Grad Celsius im Ofen. Entfernen Sie danach die Petrischale aus dem Ofen und lassen Sie das Wafer auf Raumtemperatur abkühlen. Schneiden Sie einen rechteckigen PDMS-Stempel aus, legen Sie ihn mit der Unterseite nach oben und stanzen Sie an jedem Ende des Strömungskanals mit einer 0,75-Millimeter-Biopsiestanze ein Loch aus.

Nachdem die Farbstofflösung unter dem Mikroskop platziert wurde, vorsichtig die PDMS-Flusskammer auf den Farbstoff legen, indem sie über dem aktiven Bereich der hergestellten S-W-N-T-F-E-T-Vorrichtungen ausgerichtet wird. Danach einen Polyethylen-Schlauch in jedes Loch einführen und einen Schlauch mit dem Kolben einer Flüssigkeitsquelle sowie den anderen Schlauch mit einer Abfluss-Spritze verbinden. Die Spritze an eine Spritzenpumpe anschließen, um einen kontrollierten Flüssigkeitsfluss durch den Kanal aufrechtzuerhalten.

Um den amplitudenmodulierten Frequenzausgang einzurichten, schließen Sie das Ref-Out-Signal des Lock-In-Verstärkers an den externen Modulationssignalanschluss des Frequenzgenerators an. Anschließend verbinden Sie den amplitudenmodulierten HF-Ausgang und die Gleichspannung mit einem Bias-T und leiten den Ausgang des Bias-T an den Source-Anschluss der SWNT weiter. Danach schließen Sie den Gate-Anschluss an den Spannungsanschluss der DAC-Karte an, um den Wechselstrom durch die Nanoröhre zu messen.

Verbinden Sie den Drain-Anschluss mit einem Lock-in-Verstärker. Verbinden Sie die Amplituden- und Phasenanschlüsse des Lock-in-Verstärkers mit den DAC-Eingangsanschlüssen. Halten Sie die Source-Gleichspannung bei null Volt und die Frequenz des A-Signals bei 200 Kilohertz.

Scannen Sie die Gate-Spannung ab und messen Sie den Strom am Drain. Füllen Sie die Flüssigkeitskammer mit entionisiertem Wasser mithilfe einer Pipette. Führen Sie die Wechselstrom-Elektrikmessung durch.

Wiederholen Sie dies mit ein Millimolar Natriumchlorid, 10 Millimolar Natriumchlorid und 100 Millimolar Natriumchlorid. Messen Sie die Geräteantwort für jede Lösung. Nachdem der mikrofluidische Durchflusskanal auf dem Gerät platziert wurde, verbinden Sie einen Schlauch mit einer leeren Spritze, die auf der Spritzenpumpe steht, und verbinden Sie den anderen Schlauch mit einem Spritzenkörper und füllen Sie ihn mit 100 Millimolar Natriumchloridlösung.

Stellen Sie die Spritzenpumpe auf Abzugmodus ein. Eine 100 Millimolar-Natriumchloridlösung wird in das Rohr gezogen. Der Strom kann am Computer überwacht werden.

Danach wechseln Sie die Lösung zu einer Konzentration von einem Milligramm pro Milliliter Streptavidin in 100 Millimolar Natriumchlorid und überwachen Sie die Änderung des Echtzeitstroms für die Bindung von Streptavidin an Biotin. Hier ist ein Rasterelektronenmikroskopie-Bild eines S SW NT-Transistors mit einem freihängenden oberen Gate dargestellt. Die Elektrode besteht aus 50 Nanometern Chrom und 50 Nanometern Gold, und eine dicke Chromschicht verleiht der freihängenden Struktur Festigkeit. Die freihängende Struktur wird durch das Fehlen eines Leckstroms zwischen dem oberen Gate und dem Drain bestätigt.

Um den Erfolg der Seitenwand-Funktionalisierung zu charakterisieren, wurden die Änderungen der FET-DC-Übertragungskurven in Luft nach jedem Funktionalisierungsschritt überwacht. Die Übertragungskurve für den unmodifizierten Nanoröhren-FET verschiebt sich nach der Bio-tation und der Bindung von Strep-Aden nach rechts.

Hier ist das gemessene Mischstrom-Signal in Abhängigkeit von der Gatter-Spannung für ein typisches Bauelement in 100 Millimolar Natriumchlorid. Der Graph zeigt die Kurven für Gleichstrom, Mischstrom und den theoretischen Mischstrom. Die Daten zeigen, dass die Ergebnisse des Mischstroms gut mit einem theoretischen Modell übereinstimmen.

Die repräsentativen Ergebnisse von statischen Messungen und Echtzeit-Durchflussmessungen werden hier gezeigt. Die Kurven des Mischstroms in Abhängigkeit von der Gate-Spannung zeigen biotinylierte und Streptavidin-gebundene SWNT in 100 Millimolar Natriumchlorid. Der Mischstrom ändert sich bei der Bindung von Streptavidin im Echtzeit-Durchflussversuch.

Die Signaländerung wurde ebenfalls vor und nach der Bindung von Streptavidin in einer Kontrollvorrichtung aus Silizium und Oxid in deionisiertem Wasser bei verschiedenen Frequenzen gemessen. Nach der Bindung zeigte sich keine Änderung, was darauf hinweist, dass der Nachweismechanismus auf der Wechselwirkung zwischen SWNT und Biomolekülen bei hohen Frequenzen beruht. Diese Messtechnik kann allgemein auf elektronische Biosensoren auf Basis von Nanoröhren, Nanodrähten oder Graphen angewendet werden und direkt in Lösungen mit hohen Ionenstärken durchgeführt werden, ohne dass zeitaufwändige Schritte wie Entsalzung erforderlich sind.