Fabbricazione di Nanotubi di carbonio ad alta frequenza Nanoelectronic biosensore per la rilevazione in alta forza ionica Solutions

L'obiettivo generale del seguente esperimento è dimostrare una nuova piattaforma nano-elettrica per il rilevamento di biomolecole al punto di cura in soluzioni con elevata forza ionica. Questo risultato si ottiene facendo funzionare transistor a effetto di campo a base di nanotubi di carbonio a parete singola ad alta frequenza, attenuando così l'effetto di schermatura ionica. In primo luogo, i transistor a base di nanotubi vengono fabbricati e funzionalizzati con molecole recettrici.

Come secondo passaggio, i dispositivi vengono incapsulati con un canale di flusso microfluidico, che permette l'iniezione di soluzioni campione di biomolecole per il rilevamento in tempo reale. Successivamente, i transistor a nanotubi di carbonio a parete singola vengono utilizzati come miscelatori ad alta frequenza. Per superare l'effetto di schermatura ionica a elevate frequenze di pilotaggio, gli ioni e le soluzioni non riescono più a schermare efficacemente il sensore a nanotubo, consentendo così la rilevazione dei momenti dipolari oscillanti delle biomolecole legate alla superficie.

I risultati mostrano il rilevamento del legame tra streptavidina e biotina in una soluzione tampone di 100 millimolare, basato sul monitoraggio delle variazioni della corrente di miscelamento a una frequenza di pilotaggio di 10 megahertz. Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come il rilevamento in corrente continua, è che supera l'effetto di schermatura del dispositivo, che ostacola fondamentalmente il rilevamento in corrente continua in soluzioni ad alta forza ionica. A differenza dei tradizionali sensori basati sul rilevamento della carica, il nostro metodo rileva i momenti dipolari delle biomolecole sfruttando la risposta ad alta frequenza dei transistor a nanotubi.

Posizionare innanzitutto una maschera fotolitografica con cavità rettangolari per il catalizzatore su una wafer di silicio rivestita con fotoresist e sottoporla a un'irradianza UV I di 300 millijoule per centimetro quadrato per 0,3 secondi. Caricare la wafer sviluppata in una camera per deposizione a fascio elettronico ed evaporare 0,5 nanometri di ferro a una pressione della camera di 10 alla meno sei tor. Dopo aver tagliato la wafer di silicio rivestita con catalizzatore dalla camera in pezzi più piccoli, posizionarli su un portacampione in quarzo e inserire il portacampione nel forno per la crescita mediante CVD. Programmare il forno per aumentare la temperatura fino a 800 gradi Celsius al centro del tubo, mantenendo al contempo un flusso di un SLM di argon.

Far fluire 0,2 SLM di idrogeno per cinque minuti per ridurre le particelle del catalizzatore e convertire l'ossido di ferro in ferro. Successivamente, vengono introdotti 5,5 SCCM di etilene per 35 minuti per far crescere gli S in peso. Durante tutto il processo viene mantenuto un flusso di idrogeno di 0,2 SLM.

Dopo aver raffreddato a temperatura ambiente con un leggero flusso di argon, rimuovere il chip dal forno. Dopo aver definito l'area per la deposizione del metallo per i contatti, posizionare il chip nella camera di evaporazione, quindi depositare 0,5 nanometri di titanio e 50 nanometri di oro come metalli per i contatti di source e drain in una camera di evaporazione a fascio elettronico a 10⁻⁶ torr. Al termine, immergere il chip in acetone per tutta la notte per il sollevamento del metallo.

Quindi immergere in isopropanolo per 10 minuti e asciugare con azoto. Successivamente, riposizionare il campione nella camera di evaporazione e depositare 500 nanometri di biossido di silicio evaporato con fascio elettronico a una pressione di 10 alla meno sei tor, seguiti da 50 nanometri di cromo e 50 nanometri di oro come elettrodo della porta superiore nell'evaporatore a fascio elettronico. Dopo aver definito il fotoresist, incidere per via umida il biossido di silicio evaporato utilizzando una soluzione di acido fluoridrico tamponato in rapporto 1:20 per tre minuti e trenta secondi.

Ora preparare una soluzione di PBSE 6 millimolare in dimetilformammide, incubare il S-W-N-T-F-E-T-D nella soluzione della molecola linker PBSE per un'ora a temperatura ambiente. Successivamente, preparare una soluzione di ammina a 20 milligrammi per millilitro. PEG-ilare due biotine in acqua deionizzata.

Incubare il colorante in questa soluzione per 18 ore. Successivamente, risciacquare accuratamente il colorante con acqua deionizzata. Ripetere il risciacquo da otto a dieci volte, quindi asciugare con flusso d'aria.

Posizionare un nuovo wafer di silicio in una piastra di Petri e versare nella piastra una miscela di PDMS DGAs fino a quando la miscela raggiunge cinque millimetri sopra il wafer. Successivamente, posizionare la piastra di Petri in un forno a 70 gradi Celsius per un'ora. Rimuovere la piastra di Petri dal forno e lasciare raffreddare il wafer a temperatura ambiente.

Utilizzare un bisturi per ritagliare un pezzo rettangolare di PDMS ed estrarlo con una pinzetta. Successivamente, posizionare il colorante rettangolare a faccia in giù e praticare un foro attraverso il lato piatto utilizzando un punch per biopsia di tre millimetri. Dopo aver posizionato il colorante sotto il microscopio, posizionare con attenzione la camera in PDMS sopra il colorante allineandola sulla zona attiva dei dispositivi S-W-N-T-F-E-T realizzati.

Posizionare una wafer di silicio con uno stampo in SU-8 in una piastra di Petri e aggiungere due o tre gocce di tri Cloro 3 3 3 tri fluoro propil silano. Collocare la piastra di Petri in una camera a vuoto per un'ora, quindi rimuovere la piastra di Petri dal vuoto.

Versare la miscela di PDMS per le DGA sulla wafer e riscaldarla in forno a 70 gradi Celsius per un'ora. Al termine, rimuovere la piastra di Petri dal forno e lasciare raffreddare la wafer a temperatura ambiente. Dopo aver tagliato un tampone rettangolare di PDMS, posizionarlo capovolto e praticare un foro a ciascuna estremità del canale di flusso utilizzando un punch per biopsia da 0,75 millimetri.

Dopo aver posizionato il colorante sotto il microscopio, posizionare con attenzione la camera di flusso in PDMS sopra il colorante, allineandola sulla zona attiva dei dispositivi S-W-N-T-F-E-T realizzati. Successivamente, inserire un tubo in polietilene in ciascun foro e collegare un tubo al serbatoio del fluido della siringa e l'altro tubo alla siringa di scarico. Fissare la siringa a una pompa per siringhe per mantenere un flusso controllato del fluido attraverso il canale.

Per configurare l'uscita di frequenza modulata in AM, collegare il segnale ref out dall'amplificatore lock-in alla porta del segnale di modulazione esterna sul generatore di frequenza. Successivamente, collegare l'uscita RF modulata in AM e la tensione continua a un bias T e connettere l'uscita del bias T al contatto di source del SWNT. Quindi, collegare il contatto di gate alla porta di tensione della scheda DAC per misurare la corrente alternata attraverso il nanotubo.

Collegare il contatto di drenaggio a un amplificatore rivelatore a sincronismo. Collegare le porte di ampiezza e fase dell'amplificatore rivelatore a sincronismo alle porte di ingresso del convertitore digitale-analogico. Mantenere la tensione continua della sorgente a zero volt e la frequenza del segnale A a 200 chilohertz.

Scansionare la tensione di gate e misurare la corrente dal drain. Riempire la camera fluidica con acqua deionizzata utilizzando una pipetta. Eseguire la misurazione elettrica in corrente alternata.

Ripetere con cloruro di sodio uno millimolare, cloruro di sodio 10 millimolare e cloruro di sodio 100 millimolare. Misurare la risposta del dispositivo per ciascuna soluzione. Dopo aver posizionato il canale di flusso microfluidico sul dispositivo, collegare un tubo a una siringa vuota posizionata sulla pompa per siringhe e collegare l'altro tubo al corpo di una siringa, riempiendolo con soluzione di cloruro di sodio 100 millimolare.

Impostare la pompa per siringa in modalità aspirazione. Una soluzione di cloruro di sodio 100 millimolare viene aspirata nel tubo. L'intensità di corrente può essere monitorata sul computer.

Quindi si passa a una soluzione contenente streptavidina ad una concentrazione di un milligrammo per millilitro in cloruro di sodio 100 millimolare e si monitora in tempo reale la variazione della corrente associata al legame tra streptavidina e biotina. Qui è mostrata un'immagine al microscopio elettronico a scansione di un transistor in SWNT-S con un gate superiore sospeso. L'elettrodo è costituito da 50 nanometri di cromo e 50 nanometri di oro, e uno strato spesso di cromo conferisce robustezza alla struttura sospesa. La sospensione della struttura è confermata dall'assenza di corrente di dispersione tra il gate superiore e il drain.

Per caratterizzare il successo della funzionalizzazione delle pareti laterali, sono state monitorate le variazioni delle curve di trasferimento in corrente continua (DC) del FET in aria dopo ogni passaggio di funzionalizzazione. La curva di trasferimento del FET a nanotubi puri si sposta verso destra dopo il legame con la biotina e la streptavidina, come illustrato.

Di seguito è riportato il segnale di rilevamento della corrente mista misurato in funzione della tensione di gate per un dispositivo tipico in cloruro di sodio 100 millimolare. Il grafico mostra le curve per la corrente continua, la corrente mista e la corrente mista teorica. I dati dimostrano che i risultati della corrente di miscelamento sono in buon accordo con un modello teorico.

I risultati rappresentativi di misurazioni statiche e misurazioni in tempo reale di flusso sono mostrati qui. Le curve della corrente di miscelamento in funzione della tensione di gate rappresentano SWNT biotinilati e legati alla streptavidina in cloruro di sodio 100 millimolare. La corrente di miscelamento cambia in seguito al legame della streptavidina nell'esperimento di flusso in tempo reale.

È stata inoltre misurata la variazione del segnale prima e dopo il legame dello streptavidina in un dispositivo di controllo in silicio e ossido, in acqua deionizzata, a diverse frequenze; non si osserva alcuna variazione dopo il legame, indicando che il meccanismo di rilevamento deriva dall'interazione biomolecolare con i nanotubi a parete singola (SWNT) ad alte frequenze. Questa tecnica di misurazione può essere applicata in generale a biosensori elettronici basati su nanotubi, nanofili o grafene ed è eseguibile direttamente in soluzioni con elevata forza ionica, senza necessità di passaggi dispendiosi in termini di tempo come la desalazione.