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Artículo de método

Preparación de silicio de nanocables de transistor de efecto de campo de químicos y biosensores Aplicaciones

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DOI:

10.3791/53660

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21 de abril de 2016

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

En este artículo

Resumen

Describimos los pasos clave para la biodetección mediante el uso de transistores de efecto de campo de nanocables de polisilicio, incluida la preparación del dispositivo y la inmovilización y confirmación de una sonda molecular de ADN en la superficie del nanocable, así como las condiciones para la detección de ADN.

Resumen

La vigilancia mediante biomarcadores es fundamental para la detección temprana, la intervención rápida y la reducción de la incidencia de enfermedades. En este estudio, describimos la preparación de transistores de efecto de campo de nanocables de silicio policristalino (pSNWFETs) que sirven como dispositivos de biodetección para la detección de biomarcadores. Se presenta un protocolo para la detección química y biomolecular mediante el uso de pSNWFETs. Se demostró que el dispositivo pSNWFET es un transductor prometedor para aplicaciones de biodetección en tiempo real, sin etiquetas y de ultra alta sensibilidad. La conductividad del canal de fuente/drenaje de un pSNWFET es sensible a los cambios en el entorno alrededor de su superficie de nanocables de silicio (SNW). Así, al inmovilizar las sondas en la superficie del SNW, el pSNWFET puede utilizarse para detectar diversos bioobjetivos que van desde moléculas pequeñas (dopamina) hasta macromoléculas (ADN y proteínas). La inmovilización de una biosonda en la superficie SNW, que es un procedimiento de varios pasos, es vital para determinar la especificidad del biosensor. Es esencial que cada paso del procedimiento de inmovilización se realice correctamente. Verificamos las modificaciones de la superficie observando directamente el cambio en las propiedades eléctricas del pSNWFET después de cada paso de modificación. Además, se utilizó la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X para examinar la composición de la superficie después de cada modificación. Finalmente, demostramos la detección de ADN en el pSNWFET. Este protocolo proporciona procedimientos paso a paso para verificar la inmovilización de la biosonda y la posterior aplicación de biodetección de ADN.

Introducción

Silicio de nanocables transistores de efecto de campo (SNWFETs) tienen las ventajas de ultra-alta sensibilidad y respuestas eléctricas directos a la variación de carga del medio ambiente. En SNWFETs de tipo n, por ejemplo, cuando una molécula negativamente (o positivamente) cargado se acerca al nanocable de silicio (SNW), los portadores en el SNW se agotan (o se acumulan). En consecuencia, la conductividad de la SNWFET disminuye (o aumenta) 1. Por lo tanto, cualquier molécula cargada cerca de la superficie del dispositivo de SNW SNWFET puede ser detectado. biomoléculas vitales incluyendo enzimas, proteínas, nucleótidos, y muchas moléculas en la superficie celular son los portadores de carga y pueden ser monitorizados utilizando SNWFETs. Con las modificaciones adecuadas, en particular la inmovilización de una sonda biomolecular en la PN, un SNWFET puede ser convertido en un biosensor libre de etiquetas.

Vigilancia a través de biomarcadores es fundamental para el diagnóstico de enfermedades. Como se muestra en la Tabla 1, varios estudios han utilizado NWFEBiosensores basados-T para etiqueta libre, ultra-alta sensibilidad, y la detección en tiempo real de diversos objetivos biológicos, incluyendo un solo virus 2, trifosfato de adenosina y quinasa de unión 3, señales neuronales 4, iones metálicos 5,6, toxinas bacterianas 7, 8 de la dopamina, 9-11 de ADN, ARN 12,13, enzimas y biomarcadores de cáncer de 14-19, hormonas humanas, 20 y citoquinas 21,22. Estos estudios han demostrado que los biosensores basados ​​en NWFET representan una potente plataforma de detección para una amplia gama de especies biológicas y químicas en una solución.

En los biosensores basados ​​en SNWFET, la sonda inmovilizada sobre la superficie SNW del dispositivo reconoce un biotarget específico. Inmovilizar un biosonda por lo general implica una serie de pasos, y es fundamental que cada paso se lleva a cabo adecuadamente para garantizar el correcto funcionamiento del biosensor. Varias técnicas se han desarrollado para el análisis de los scomposición urface, incluyendo espectroscopía de rayos X de fotoelectrones (XPS), elipsometría, la medición del ángulo de contacto, microscopía de fuerza atómica (AFM), y microscopía electrónica de barrido (SEM). Métodos tales como AFM y SEM proporcionan una evidencia directa de inmovilización biosonda en el dispositivo de nanocables, mientras que los métodos tales como XPS, elipsometría, y la medición del ángulo de contacto dependen de experimentos paralelos realizados en otros materiales similares. En este informe, se describe la confirmación de cada etapa de modificación mediante el uso de dos métodos independientes. XPS se utiliza para examinar las concentraciones de átomos específicos sobre obleas de polisilicio, y las variaciones en las propiedades eléctricas del dispositivo se mide directamente para confirmar la variación de carga en la superficie SNW. Empleamos los biosensores de ADN mediante el uso de SNWFETs policristalinas (pSNWFETs) como un ejemplo para ilustrar este protocolo. La inmovilización de una sonda de ADN en la superficie SNW consta de tres pasos: modificación del grupo amino en la superficie hidroxilo nativo de la PN, colmodificación del grupo dehído, y 5'-aminomodified inmovilización de la sonda de ADN. En cada etapa de modificación, el dispositivo puede detectar directamente la variación de la carga del grupo funcional inmovilizado en la superficie SNW, debido a que las cargas de superficie provocan cambios potenciales interfaciales locales sobre el dieléctrico de la compuerta que alteran la corriente de canal y la conductancia 1. Cargos que rodea la superficie SNW puede modular eléctricamente las propiedades eléctricas del dispositivo pSNWFET; Por lo tanto, las propiedades superficiales de la SNW juegan un papel crucial en la determinación de las características eléctricas de los dispositivos pSNWFET. En los procedimientos descritos, la inmovilización de un biosonda en la superficie SNW se puede determinar directamente y se confirmó mediante la medición eléctrica, y el dispositivo se prepara para aplicaciones de biosensores.

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Protocolo

1. La fabricación y conservación de los dispositivos pSNWFET

  1. la fabricación de dispositivos
    Nota: El pSNWFET se fabricó usando una técnica de pared lateral espaciador como se informó anteriormente 23,24.
    1. Preparar la capa de dieléctrico de la compuerta.
      1. Coronar un óxido de 100 nm de espesor térmico (SiO2) capa sobre un sustrato de Si mediante el uso de la (gas de proceso O2 y H2 a 980 ° C durante 4 h) proceso de oxidación húmeda 25.
      2. Depositar un nitruro de 50 nm de espesor (Si 3 N 4) capa mediante el uso de deposición química de vapor a baja presión (LPCVD) de 25 a 980 ° C durante 4 horas.
    2. Depositar una capa de 100 nm de espesor ortosilicato de tetraetilo (TEOS) mediante el uso de LPCVD 25 a 780 ° C durante 4 horas.
    3. Realizar la litografía normal, utilizando paso a paso I-línea para definir las estructuras de óxido ficticias.
      1. Cubra la superficie de la oblea con una capa de resina fotosensible 830 nm de espesor.
      2. yonsert una fotomáscara patrón definido en el paso a paso I-line.
      3. Procesar la exposición utilizando el paso a paso I-line (longitud de onda: 365 nm) a una fuerza de 1.980 J a temperatura ambiente.
      4. Desarrollar la oblea dentro de un desarrollador durante 5 min.
      5. Realizar el proceso de grabado isotrópico mediante el uso de un estándar de plasma de acoplamiento inductivo 25 grabador con gas de plasma HBr y Cl durante 1 min.
    4. Depositar una capa de 100 nm de grosor de silicio amorfo (a-Si α) mediante el uso de LPCVD 25.
    5. Realizar una etapa de recocido a 600 ° C en N 2 ambiente durante 24 hr para transformar la α-Si en una estructura policristalina.
    6. Implante iones de fósforo a través de fuente / drenaje (S / D) dopaje a baja energía (5E 15 cm -2) 25.
    7. Realizar la litografía estándar con el paso a paso I-línea para eliminar la capa de poli-Si y formar el nanocable de polisilicio (PSNW) 25.
      Nota: Repita el paso 1.1.3 para implantar DOPhormigas en lugares distintos de las regiones S / D con la eliminación de poli-Si y formar los canales de la pared lateral de Si de una manera auto-alineados.
    8. Realizar el proceso de pasivación (200-nm de espesor TEOS capa de óxido) mediante el uso de LPCVD a 780 ° C durante 5 horas 25.
    9. Realizar la litografía estándar con el paso a paso I-line para exponer los canales de nanocables y almohadillas forma de prueba utilizando el proceso de grabado de dos pasos seco / húmedo.
      1. Repita el paso 1.1.3.
      2. Realizar el proceso de grabado en húmedo (FHD: HF / H2O durante 1 min).
  2. la preservación de la oblea
    1. Sellar la oblea en una bolsa de vacío y almacenarlo en un gabinete seco electrónico (humedad relativa <40% a temperatura ambiente).

2. Tratamiento previo del dispositivo de

  1. dispositivo de limpieza
    1. Enjuague el dispositivo con acetona pura.
    2. Someter a ultrasonidos (46 kHz, 80 W) del dispositivo en acetona pura para 10 min.
    3. Someter a ultrasonidos (46 kHz, 80 W) del dispositivo en etanol puro (99,5%) durante 5 min.
    4. Blow-secar la superficie del dispositivo con nitrógeno.
  2. El plasma de oxígeno
    1. Se trata el dispositivo con plasma de O2 a 18 W durante 30 segundos.

3. La inmovilización de la sonda de ADN sobre la superficie del dispositivo

  1. Modificación grupo amina
    1. Sumerja el dispositivo en un trietoxisilano 2,0% (3-aminopropil) (APTES) solución / etanol durante 30 min.
    2. Lavar el dispositivo con etanol tres veces, y luego se somete a ultrasonidos (46 kHz, 80 W) del dispositivo en etanol durante 10 min.
    3. Calentar el dispositivo sobre una placa caliente a 120 ° C durante 10 minutos para crear grupos amina en SNWs.
  2. Modificación grupo aldehído
    1. Sumerja el dispositivo en 12,5% de glutaraldehído durante 1 hora a temperatura ambiente para crear grupos aldehído en la superficie. Evitar la exposición a la luz.
    2. Lavar el ingenio dispositivoh tampón de 10 mM de fosfato de sodio (Na-PB; pH 7,0) tres veces, y luego secar con secar la superficie del dispositivo con nitrógeno.
  3. La inmovilización de sondas de ADN
    1. Sumerja el dispositivo en una solución que contiene sondas de ADN 1 mM durante la noche.
    2. Sumerja el dispositivo en tampón Tris 10 mM (pH 8,0) con 4,0 mM NaBH 3 CN durante 30 min para bloquear los grupos aldehído sin reaccionar.
    3. Lavar el dispositivo con Na-PB (pH 7,0) tres veces, y luego secar con secar la superficie del dispositivo con nitrógeno.

4. Confirmación y Análisis de la modificación de la superficie de pSNWFET

  1. perfil de pH después de cada etapa de modificación de superficie
    1. Preparar 10 mM Na-PB en el pH 3,0-9,0.
      1. Preparar fosfato de sodio 10 mM tribásico dodecahidrato (Na 3 PO 4) en agua desionizada (pH 11,60).
      2. Preparar 10 mM de ácido fosfórico (H 3 PO 4) en agua desionizada(PH 2,35).
      3. Coloque el electrodo de pH en 500 ml de Na mM 3 PO 4 tampón 10, y se mezcla esta solución con diferentes volúmenes de mM H 3 PO 4 tampón 10 mientras se mide el valor de pH para obtener tampones con valores de pH de 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 , 7.0, 8.0, y 9.0.
    2. medición de la conductancia de CA
      Nota: El circuito de medición incluye un pequeño generador de señal de CA y un Au microhilo que sirvió como el electrodo de puerta líquido.
      1. Determinar la tensión de puerta líquido óptima (V LG) para la medición de 26 en cada etapa de modificación (pasos 2.2, 3.1, 3.2, y 3.3).
        Nota: Las propiedades eléctricas del dispositivo después de cuatro modificaciones de la superficie en la SNW se midieron como se describe en esta sección. En la etapa 2.2, el pSNWFET no modificado que contiene la capa de óxido nativo se modifica; paso 3.1 conlleva la modificación del dispositivo con el grupo amina de APTES; 3.2 paso implica la modificación con el descargadasgrupo funcional de glutaraldehído; y el paso 3.3 implica la modificación de la sonda de ADN.
        1. para el contacto directo con el SNW: Entregar el 10 mM Na-PB (pH 7,0) solución a la superficie SNW mediante el uso de una bomba de jeringa (5,0 ml / hr caudal).
        2. Medir la conductancia en tiempo real del dispositivo durante el barrido V LG 0,80-1,30 V.
          1. Realizar una medición de la conductancia mediante el uso de la técnica de lock-in 27 a temperatura ambiente.
          2. Convertir las señales de corriente alterna en una señal de voltaje de corriente alterna mediante el uso de un preamplificador de bajo ruido actual.
          3. Recopilar datos sobre la conductancia (G) al aumentar V LG 0,80-1,30 V (intervalo = 0,02 V).
        3. Determinar el LG V óptima (más sensible V LG) del dispositivo 26.
          1. Trazar las curvas GV LG desde el paso 4.1.2.1.2.3 para obtener la ecuación de la curva.
          2. Differentiate la ecuación, y calcular los valores en cada punto de V LG.
          3. Divida el valor del paso 4.1.2.1.3.2 por G, y determinar la óptima V LG de acuerdo con el número máximo.
      2. Medir la conductancia en tiempo real del perfil de pH en cada etapa de la modificación de la superficie.
        1. Realizar una medición de la conductancia mediante el uso de la técnica de lock-in 27 a temperatura ambiente.
        2. Convertir la señal de corriente de CA en señales de voltaje de corriente alterna mediante el uso de un preamplificador de bajo ruido actual.
        3. Establecer el óptimo V LG para cada etapa de modificación de superficie (paso 2.2: V LG = 1.02, paso 3.1: V LG = 0.98, paso 3.2: V LG = 0,98, y paso 3.3: V LG = 1,0).
        4. Entregar la solución 10 mM Na-PB con valores de pH 3,0 a 9,0 a la superficie SNW (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), Y recoger los datos de la conductancia a una tensión de drenaje de 0,01 V.
  2. Medición de las propiedades eléctricas (la curva I -V D BG) del dispositivo en 10 mM Na-PB (pH 7,0) después de cada etapa de modificación de superficie (pasos 2.2, 3.1, 3.2 y 3.3.)
    Nota: Las propiedades eléctricas del dispositivo después de cuatro modificaciones de la superficie en la SNW se midieron: en la etapa 2.2, el pSNWFET no modificado que contiene la capa de óxido nativo se modifica; paso 3.1 implica modificar el dispositivo con el grupo amina de APTES; paso 3.2 implica la modificación con el grupo funcional no cargado de glutaraldehído; y el paso 3.3 implica la modificación de la sonda de ADN.
    1. Entregar el mM Na-PB 10 (pH 7,0) solución a la superficie SNW (pasos 2.2, 3.1, 3.2 y 3.3) mediante el uso de una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr) para el contacto directo con el PN.
    2. Medir la I D Del dispositivo (pasos 2.2, 3.1, 3.2, y 3.3) mediante el uso de un analizador de semiconductor comercial y software.
      1. Seleccione el modo "nMOSFET".
      2. Seleccione "I D - V BG" módulos.
        Nota: Me d es la corriente de drenaje / fuente, y V BG es el voltaje de la puerta trasera.
      3. Establecer una tensión de polarización constante (V D = 0,5 V) durante el barrido de la puerta de potencial (V BG) desde -1 a la de 3,0 V (intervalo = 0,2 V).
      4. Haga clic en el icono Ejecutar para obtener I D - Curvas V BG.

5. ADN biosensor

Nota: En un experimento típico, el I D - V curva B G se determina tres veces para asegurarse de que ninguna otra variación es OBSErved.

  1. Determinación de la línea de base
    1. Entregar la solución 10 mM Na-PB (pH 7,0) a la superficie SNW sonda inmovilizada de ADN durante 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), y luego se incuba la SNW para 30 min.
    2. Medir la I D del dispositivo (repita el paso 4.2.2).
  2. La detección de ADN / hibridación de ADN
    1. Cargar 22:00 diana complementaria de ADN sobre la superficie SNW sonda inmovilizada de ADN durante 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), y luego incubar el SNW para 30 min.
    2. Entregar la solución 10 mM Na-PB (pH 7,0) sobre la superficie SNW de 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr) para lavar el ADN diana no unida distancia.
    3. Repita el paso 4.2.2 para medir el I D del dispositivo.
  3. Vuelva a confirmar la señal de hibridación ADN / ADN.
    1. Carga 1 nM de ADN de recuperación en tél DNA sonda inmovilizada en la superficie SNW de 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), y luego se incuba la SNW para 30 min.
    2. Entregar la solución 10 mM Na-PB (pH 7,0) sobre la superficie SNW de 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr).
    3. Repita el paso 4.2.2 para medir el I D del dispositivo.
  4. Control negativo
    1. Carga 100 pM de ADN no complementario sobre la superficie SNW sonda inmovilizada de ADN durante 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), y luego incubar el SNW para 30 min.
    2. Entregar la solución 10 mM Na-PB (pH 7,0) sobre la superficie SNW de 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr).
    3. Repita el paso 4.2.2 para medir el I D del dispositivo.

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Resultados

Varios SNWFETs se han reportado para servir como transductores de biosensores (Tabla 1). SNWFETs Single-cristalinos (sSNWFETs) y pSNWFETs muestran propiedades eléctricas comparables como transductores en soluciones acuosas, y ambos se han notificado a tener muchas aplicaciones de biosensores. Una característica ventajosa del dispositivo pSNWFET utilizado en este estudio es su sencilla fabricación y bajo costo procedimiento. La Figura 1a muestra los pasos...

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Discusión

La comercialización de la de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba fabricación enfoques para sSNWFETs se considera difícil debido a su coste de 32,33, 34,35 SNW control de posición, y su baja escala de producción 36. Por el contrario, la fabricación de pSNWFETs es simple y de bajo costo 37. A través de la aproximación de arriba hacia abajo y la combinación con la técnica de formación de pared lateral espaciador (Figura 1), el tamaño de la SNW se puede con...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Esta investigación fue financiada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (104-2514-S-009 -001, 104-2627-M-009-001 y 102-2311-B-009-004-MY3). Agradecemos a los Laboratorios Nacionales de Nano Dispositivos (NDL) por su valiosa asistencia durante la fabricación y el análisis de dispositivos.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
AcetonaECHOAH-3102
(3-Amonopropil)trietoxisilano (APTES), ≥ 98%Sigma-AldrichA3648Peligro
Etanol, anhidro, 99.5%ECHO484000203108A-72EC
Solución de glutaraldehído (GA), 50%Sigma-AldrichG7651Evite la luz
Cianoborohidruro de sodio, ≥ 95.0% Fluka71435Peligro y delicuescente
Fosfato sódico tribásico dodecahidratado, ≥ 98%Sigma04277
Ácido fosfórico, ≥ 99.0%Fluka79622Fotorresistencia delicuescente
(iP3650)Tokyo Ohka Kogyo Co., LTDTHMR-iP3650 HP
Oligonucleótidos sintéticos, purificado por HPLCTecnología
Tris (hidroximetil) aminometano (Tris), ≥ 99.8%USB75825
Keithley 2636 Sistema SourceMeterKeithley
SR830 DSP Lock-In Amplificador StanfordResearch Systems
SR570 Preamplificador de corriente de bajo ruidoStanford Research Systems
Ni PXI ExpressNational Instruments
Protech

Referencias

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