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Articolo metodologico

Preparazione della Silicon Nanowire effetto di campo transistor per l'industria chimica e biosensing Applicazioni

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DOI:

10.3791/53660

⸱

21 aprile 2016

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

In questo articolo

Sommario

Descriviamo i passaggi chiave per il biorilevamento utilizzando transistor ad effetto di campo con nanofili di polisilicio, inclusa la preparazione del dispositivo e l'immobilizzazione e la conferma di una sonda molecolare del DNA sulla superficie del nanofilo, nonché le condizioni per il rilevamento del DNA.

Abstract

La sorveglianza con biomarcatori è fondamentale per la diagnosi precoce, l'intervento rapido e la riduzione dell'incidenza delle malattie. In questo studio, descriviamo la preparazione di transistor ad effetto di campo con nanofili di silicio policristallino (pSNWFET) che fungono da dispositivi di biorilevamento per il rilevamento di biomarcatori. Viene presentato un protocollo per il rilevamento chimico e biomolecolare utilizzando pSNWFET. Il dispositivo pSNWFET ha dimostrato di essere un trasduttore promettente per applicazioni di biorilevamento in tempo reale, senza marcatura e ad altissima sensibilità. La conducibilità del canale sorgente/drain di un pSNWFET è sensibile ai cambiamenti nell'ambiente intorno alla sua superficie di nanofili di silicio (SNW). Pertanto, immobilizzando le sonde sulla superficie SNW, il pSNWFET può essere utilizzato per rilevare vari bersagli biologici che vanno dalle piccole molecole (dopamina) alle macromolecole (DNA e proteine). L'immobilizzazione di una biosonda sulla superficie SNW, che è una procedura in più fasi, è fondamentale per determinare la specificità del biosensore. È essenziale che ogni fase della procedura di immobilizzazione sia eseguita correttamente. Abbiamo verificato le modifiche superficiali osservando direttamente il cambiamento delle proprietà elettriche del pSNWFET dopo ogni fase di modifica. Inoltre, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X è stata utilizzata per esaminare la composizione della superficie dopo ogni modifica. Infine, abbiamo dimostrato il rilevamento del DNA sul pSNWFET. Questo protocollo fornisce procedure dettagliate per la verifica dell'immobilizzazione della biosonda e la successiva applicazione del biorilevamento del DNA.

Introduzione

transistor ad effetto di campo Silicon nanowire (SNWFETs) presentano i vantaggi di ultra-elevata sensibilità e risposte elettriche scalo a variazione tassa ambientale. In tipo n SNWFETs per esempio, quando una molecola negativo (o positivo) addebitato avvicina alla nanowire silicio (SNW), i vettori nel SNW sono esauriti (o accumulano). Di conseguenza, la conduttività della SNWFET diminuisce (o aumenta) 1. Pertanto, qualsiasi molecola carica vicino alla superficie SNW del dispositivo SNWFET può essere rilevato. biomolecole vitali tra cui enzimi, proteine, nucleotidi, e molte molecole sulla superficie cellulare sono portatori di carica e possono essere monitorati utilizzando SNWFETs. Con opportune modifiche, in particolare immobilizzanti una sonda biomolecolare sul SNW, un SNWFET può essere sviluppato in un biosensore senza etichetta.

Sorveglianza utilizzando biomarcatori è fondamentale per la diagnosi delle malattie. Come mostrato nella Tabella 1, diversi studi hanno utilizzato NWFEBiosensori T-based per label-free, ultra-alta sensibilità, e la rilevazione in tempo reale dei vari bersagli biologici, tra cui un singolo virus 2, adenosina trifosfato e chinasi vincolante 3, i segnali neuronali 4, ioni metallici 5,6, tossine batteriche 7, 8 della dopamina, DNA 9-11, RNA 12,13, enzimi e biomarcatori tumorali 14-19, ormoni umani 20, e citochine 21,22. Questi studi hanno dimostrato che biosensori basati NWFET rappresentano una piattaforma di rilevazione potente per una vasta gamma di specie chimiche e biologiche in una soluzione.

In biosensori basati SNWFET, la sonda immobilizzata sulla superficie SNW del dispositivo riconosce una biotarget specifico. Immobilizzare un Bioprobe solito comporta una serie di passaggi, ed è fondamentale che ogni passo viene eseguito correttamente per garantire il corretto funzionamento del biosensore. Varie tecniche sono state sviluppate per analizzare le sComposizione urface, compresi raggi X spettroscopia fotoelettronica (XPS), ellissometria, misura dell'angolo di contatto, microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a scansione (SEM). Metodi come AFM e SEM forniscono prove dirette di Bioprobe immobilizzazione sul dispositivo nanofilo, mentre i metodi, come XPS, ellissometria, e la misurazione dell'angolo di contatto dipendono esperimenti paralleli condotti su altri materiali simili. In questo rapporto, descriviamo la conferma di ogni fase di modifica utilizzando due metodi indipendenti. XPS viene usato per esaminare le concentrazioni di atomi specifici su wafer di silicio policristallino, e variazioni nelle proprietà elettriche del dispositivo sono misurate direttamente per confermare la variazione di carica sulla superficie SNW. Impieghiamo biosensing DNA utilizzando SNWFETs policristallini (pSNWFETs) come un esempio per illustrare questo protocollo. Immobilizzare una sonda di DNA sulla superficie SNW comporta tre fasi: ammina modifica gruppo ossidrile sulla superficie nativa del SNW, almodifica gruppo deide, e 5'-aminomodified immobilizzazione della sonda di DNA. Ad ogni fase di modifica, il dispositivo può rilevare direttamente la variazione della carica del gruppo funzionale immobilizzato sulla superficie SNW, perché le cariche superficiali causano variazioni potenziali interfacciali locali oltre il dielettrico di gate che alterano la corrente del canale e conduttanza 1. Spese che circondano la superficie SNW può modulare elettricamente le proprietà elettriche del dispositivo pSNWFET; Pertanto, le proprietà superficiali del SNW giocano un ruolo cruciale nel determinare le caratteristiche elettriche dei dispositivi pSNWFET. Nelle procedure riportate, l'immobilizzazione di un Bioprobe sulla superficie SNW può essere determinata direttamente e confermata attraverso la misurazione elettrica, e il dispositivo è predisposto per applicazioni biosensori.

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Protocollo

1. Realizzazione e conservazione dei dispositivi pSNWFET

  1. fabbricazione di dispositivi
    Nota: Il pSNWFET è stato fabbricato utilizzando una tecnica parete laterale distanziale come precedentemente riportato 23,24.
    1. Preparare lo strato dielettrico di gate.
      1. Cap un ossido 100 nm di spessore termica (SiO 2) strato su un substrato di Si tramite (gas di processo O 2 e H 2 a 980 ° C per 4 ore) bagnato processo di ossidazione 25.
      2. Depositare un nitruro di 50 nm di spessore (Si 3 N 4) Strato utilizzando bassa pressione di deposizione chimica da fase vapore (LPCVD) 25 a 980 ° C per 4 ore.
    2. Depositate 100 nm di spessore tetraetilortosilicato strato (TEOS) utilizzando LPCVD 25 a 780 ° C per 4 ore.
    3. Eseguire litografia normale mediante stepper I-linea per definire le strutture di ossido fittizi.
      1. Rivestire la superficie del wafer con uno strato di resina fotosensibile 830 nm di spessore.
      2. ioNSERT un photomask modello definito in I linea passo-passo.
      3. Elaborare l'esposizione utilizzando la I-line stepper (lunghezza d'onda: 365 nm) al dosaggio di 1,980 J a temperatura ambiente.
      4. Sviluppare il wafer all'interno di uno sviluppatore per 5 min.
      5. Eseguire il processo di attacco isotropo utilizzando uno standard ad accoppiamento induttivo plasma 25 incisore con HBr e Cl gas plasma per 1 min.
    4. Depositare uno strato di 100 nm di spessore di silicio amorfo (α-Si) utilizzando LPCVD 25.
    5. Eseguire una fase di ricottura a 600 ° C in N 2 ambiente per 24 ore per trasformare l'α-Si in una struttura policristallina.
    6. Gli ioni di impianto di fosforo attraverso source / drain (S / D) il doping a bassa energia (5E 15 cm -2) 25.
    7. Eseguire litografia standard utilizzando lo stepper I-linea per rimuovere lo strato poly-Si e formare il nanowire polisilicio (pSNW) 25.
      Nota: ripetere il punto 1.1.3 di impiantare dopformiche in luoghi diversi dalle regioni S / D con la rimozione di poli-Si e formare i canali di fianco Si in maniera auto-allineato.
    8. Eseguire il processo di passivazione (200-nm-spesso strato di ossido TEOS) utilizzando LPCVD a 780 ° C per 5 ore 25.
    9. Eseguire la litografia standard utilizzando lo stepper I-line per esporre i canali nanowire, e pastiglie di test modulo utilizzando il processo di attacco in due fasi secco / umido.
      1. Ripetere il punto 1.1.3.
      2. Eseguire il processo di incisione a umido (DHF: HF / H 2 O per 1 min).
  2. conservazione Wafer
    1. Sigillare il wafer in un sacchetto di immagazzinaggio di vuoto e memorizzarlo in un armadietto asciutto elettronico (umidità relativa <40% a temperatura ambiente).

2. Pretrattamento del dispositivo

  1. pulizia dispositivo
    1. Risciacquare il dispositivo con acetone puro.
    2. Sonicare (46 kHz, 80 W) il dispositivo in acetone puro per 10 min.
    3. Sonicare (46 kHz, 80 W) il dispositivo in etanolo puro (99,5%) per 5 min.
    4. Blow-asciugare la superficie del dispositivo con azoto.
  2. plasma di ossigeno
    1. Trattare il dispositivo con O 2 al plasma a 18 W per 30 sec.

3. Immobilizzazione del DNA sonda sulla superficie periferica

  1. Modifica gruppo amminico
    1. Immergere il dispositivo in un 2,0% (3-amminopropil) trietossisilano (APTES) / soluzione di etanolo per 30 min.
    2. Lavare il dispositivo con etanolo per tre volte, e poi ultrasuoni (46 kHz, 80 W) il dispositivo in etanolo per 10 min.
    3. Riscaldare il dispositivo su una piastra calda a 120 ° C per 10 min per creare gruppi amminici sulla SNWs.
  2. Modifica gruppo aldeidico
    1. Immergere il dispositivo nel 12,5% glutaraldeide per 1 ora a temperatura ambiente per creare gruppi aldeidici in superficie. Evitare l'esposizione alla luce.
    2. Lavare il dispositivo di ingegnoh 10 mM tampone fosfato di sodio (Na-PB; pH 7,0) tre volte e quindi asciugarsi la superficie del dispositivo con azoto.
  3. Sonda di DNA di immobilizzazione
    1. Immergere il dispositivo in una soluzione contenente 1 mM sonde di DNA durante la notte.
    2. Immergere il dispositivo in 10 mM tampone Tris (pH 8,0) con 4,0 mM NaBH 3 CN per 30 minuti per bloccare i gruppi aldeidici reagiti.
    3. Lavare il dispositivo con Na-PB (pH 7,0) tre volte, e poi asciugarsi la superficie del dispositivo con azoto.

4. Conferma e analisi di modifica della superficie su pSNWFET

  1. profilo pH dopo ogni fase di modifica della superficie
    1. Preparare 10 mM Na-PB in pH 3,0-9,0.
      1. Preparare 10 mM sodio fosfato tribasico dodecaidrato (Na 3 PO 4) in acqua deionizzata (pH 11.60).
      2. Preparare 10 mM di acido fosforico (H 3 PO 4) in acqua deionizzata(PH 2.35).
      3. Posizionare l'elettrodo pH in 500 ml di 10 mM Na 3 PO 4 tampone, e mescolare questa soluzione con diversi volumi di 10 mm H 3 PO 4 buffer durante la misurazione del valore del pH per ottenere buffer con valori di pH di 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 , 7.0, 8.0 e 9.0.
    2. la misura della conduttanza AC
      Nota: Il circuito di misura comprendeva un piccolo generatore di segnale in corrente alternata ed un microconduttori Au che serviva come elettrodo di gate liquido.
      1. Determinare l'ottimale tensione di gate liquido (V LG) per misure 26 ad ogni fase di modifica (passi 2.2, 3.1, 3.2 e 3.3).
        Nota: Le proprietà elettriche del dispositivo dopo quattro modificazioni superficiali sulla SNW sono stati misurati come descritto in questa sezione. Nel passo 2.2, la pSNWFET non modificato contenente lo strato di ossido nativo viene modificata; passo 3.1 comporta la modifica del dispositivo con il gruppo amminico di APTES; punto 3.2 prevede la modifica con la unchargedgruppo funzionale di glutaraldeide; e passo 3,3 coinvolge DNA modifica della sonda.
        1. Fornire il 10 mM Na-PB (pH 7,0) la soluzione alla superficie SNW utilizzando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h) per il contatto diretto con il SNW.
        2. Misurare la conduttanza tempo reale del dispositivo durante la spazzata V LG 0,80-1,30 V.
          1. Eseguire misura conduttanza utilizzando la tecnica lock-in 27 a temperatura ambiente.
          2. Convertire i segnali di corrente CA in un segnale di tensione alternata utilizzando un basso rumore preamplificatore corrente.
          3. Raccogliere dati sulla conduttanza (G) su aumento V LG 0,80-1,30 V (intervallo = 0,02 V).
        3. Determinare la LG V ottimale (più sensibile V LG) del dispositivo 26.
          1. Tracciare le curve GV LG dal punto 4.1.2.1.2.3 per ottenere l'equazione della curva.
          2. Differentiate l'equazione, e calcolare i valori in ogni punto del V LG.
          3. Dividere il valore dal punto 4.1.2.1.3.2 da G, e determinare l'ottimale V LG base al numero massimo.
      2. Misurare la conduttanza in tempo reale del profilo di pH ad ogni passo della modifica superficiale.
        1. Eseguire misura conduttanza utilizzando la tecnica lock-in 27 a temperatura ambiente.
        2. Convertire il segnale in corrente alternata in segnali di tensione alternata utilizzando un basso rumore preamplificatore corrente.
        3. Impostare l'ottimale V LG per ogni fase di modifica della superficie (punto 2.2: V LG = 1,02, passo 3.1: V LG = 0.98, punto 3.2: V LG = 0,98, e passo 3.3: V LG = 1.0).
        4. Offrire la soluzione di 10 mM Na-PB con valori di pH 3,0-9,0 alla superficie SNW (portata: 5,0 ml / h), E raccogliere i dati relativi conduttanza ad una tensione di drain di 0,01 V.
  2. Misurazione delle proprietà elettriche (la curva I D -V BG) del dispositivo a 10 mM Na-PB (pH 7,0) seguito ogni fase della modifica della superficie (passi 2.2, 3.1, 3.2, e 3.3.)
    Nota: Le proprietà elettriche del dispositivo dopo quattro modificazioni superficiali sulla SNW stati misurati: nel passo 2.2, la pSNWFET non modificato contenente lo strato di ossido nativo viene modificata; passo 3.1 tratta di modificare il dispositivo con il gruppo amminico di APTES; punto 3.2 comporta la modifica con il gruppo funzionale uncharged di glutaraldeide; e passo 3.3 comporta DNA modifica della sonda.
    1. Fornire il 10 mM Na-PB (pH 7,0) la soluzione alla superficie SNW (fasi 2.2, 3.1, 3.2 e 3.3) utilizzando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h) per il contatto diretto con il SNW.
    2. Misurare la I D Del dispositivo (passi 2.2, 3.1, 3.2 e 3.3) utilizzando un analizzatore di semiconduttori commerciale e software.
      1. Selezionare la modalità "NMOSFET".
      2. Seleziona "I D - V BG" moduli.
        Nota: I D è la corrente di drain / source, e V BG è la tensione cancello posteriore.
      3. Impostare una tensione di polarizzazione costante (V D = 0,5 V), mentre spazzare il cancello potenziale (V BG) da -1 a 3,0 V (intervallo = 0,2 V).
      4. Fare clic sull'icona Esegui per ottenere I D - curve V BG.

5. DNA biopercezione

Nota: In un tipico esperimento, l'ho D - curva B G V è determinata per tre volte per garantire che nessun ulteriore variazione è observ ati.

  1. Determinazione della linea di base
    1. Somministrare la soluzione 10 mM Na-PB (pH 7,0) alla superficie SNW sonda immobilizzata DNA per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e poi incubare la SNW per 30 min.
    2. Misurare la I D del dispositivo (ripetere il punto 4.2.2).
  2. Percependo di DNA / DNA ibridazione
    1. Carico 22:00 obiettivo complementare del DNA sulla sonda-immobilizzato superficie SNW DNA per 10 minuti utilizzando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e poi incubare il SNW per 30 min.
    2. Fornire il 10 soluzione mM Na-PB (pH 7.0) sulla superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / hr) per lavare il DNA bersaglio non legato distanza.
    3. Ripetere passaggio 4.2.2 per misurare la I D del dispositivo.
  3. Riconfermare il segnale di ibridazione DNA / DNA.
    1. Carico 1 nM recupero del DNA su tegli DNA probe-immobilizzato superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e poi incubare la SNW per 30 min.
    2. Fornire il 10 soluzione mM Na-PB (pH 7.0) sulla superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / hr).
    3. Ripetere passaggio 4.2.2 per misurare la I D del dispositivo.
  4. controllo negativo
    1. Carico 100 pM DNA non complementare sulla sonda-immobilizzato superficie SNW DNA per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e quindi incubare l'SNW per 30 min.
    2. Fornire il 10 soluzione mM Na-PB (pH 7.0) sulla superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / hr).
    3. Ripetere passaggio 4.2.2 per misurare la I D del dispositivo.

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Risultati

Vari SNWFETs sono stati segnalati per servire come trasduttori di biosensori (Tabella 1). SNWFETs Single-cristallini (sSNWFETs) e pSNWFETs mostrano proprietà elettriche comparabili come trasduttori in soluzione acquosa, ed entrambi sono stati segnalati per avere molte applicazioni biosensori. Una caratteristica vantaggiosa del dispositivo pSNWFET utilizzato in questo studio è la sua procedura semplice e di fabbricazione a basso costo. Figura 1a mostra le...

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Discussione

Commercializzazione del top-down e bottom-up fabbricazione approcci per sSNWFETs è considerato difficile a causa del suo costo 32,33, SNW controllo di posizione 34,35, e la sua bassa produzione di scala 36. Al contrario, la fabbricazione pSNWFETs è semplice e di basso costo 37. Attraverso l'approccio top-down e la combinazione con la tecnica di formazione laterale distanziale (figura 1), la dimensione del SNW può essere controllata regolando la durata di a...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questa ricerca è stata finanziata dal Ministero della Scienza e della Tecnologia, Taiwan (104-2514-S-009 -001, 104-2627-M-009-001 e 102-2311-B-009-004-MY3). Ringraziamo i National Nano Device Laboratories (NDL) per la loro preziosa assistenza durante la fabbricazione e l'analisi dei dispositivi.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
AcetoneECHOAH-3102
(3-Amonopropil)trietossisilano (APTES), ≥ 98%Sigma-AldrichA3648Pericolo
Etanolo, anidro, 99,5%ECHO484000203108A-72EC
Soluzione di glutaraldeide (GA), 50%Sigma-AldrichG7651Evitare la luce
cianoboroidruro di sodio, ≥ 95,0% Fluka71435Pericolo e deliquescente
Sodio fosfato tribasico dodecaidrato, ≥ 98%Sigma04277
Acido fosforico, ≥ 99,0%Fluka79622deliquescente
(iP3650)Tokyo Ohka Kogyo Co., LTDTHMR-iP3650 HP
Oligonucleotidi sintetici, HPLC purificatoTecnologia
Tris (idrossimetil)amminometano (Tris), ≥ 99.8%USB75825
Keithley 2636 System SourceMeterKeithley
SR830 DSP Lock-In AmplifierStanford Research Systems
SR570 Preamplificatore di corrente a basso rumoreStanford Research Systems
Ni PXIExpress National Instruments
Fotoresist Protech

Riferimenti

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