私たちは、ポリシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタを使用したバイオセンシングの主要なステップ、デバイスの準備、ナノワイヤ表面へのDNA分子プローブの固定化と確認、およびDNAセンシングの条件について説明します。
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私たちは、ポリシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタを使用したバイオセンシングの主要なステップ、デバイスの準備、ナノワイヤ表面へのDNA分子プローブの固定化と確認、およびDNAセンシングの条件について説明します。
バイオマーカーを使用した監視は、病気の早期発見、迅速な介入、および発生率の低下にとって重要です。本研究では、バイオマーカー検出のためのバイオセンシングデバイスとして機能する多結晶シリコンナノワイヤ電界効果トランジスタ(pSNWFET)の作製について述べる。pSNWFETを用いた化学的および生体分子的なセンシングのプロトコールを紹介します。pSNWFETデバイスは、リアルタイム、ラベルフリー、超高感度のバイオセンシングアプリケーション向けの有望なトランスデューサであることが実証されました。pSNWFETのソース/ドレインチャネルの導電率は、シリコンナノワイヤ(SNW)表面の周囲の環境の変化に敏感です。このように、SNW表面にプローブを固定化することで、pSNWFETは低分子(ドーパミン)から高分子(DNAやタンパク質)まで、さまざまなバイオターゲットを検出することができます。バイオプローブをSNW表面に固定化することは、多段階の手順であり、バイオセンサーの特異性を決定するために不可欠です。固定化手順のすべてのステップが正しく実行されることが不可欠です。各改質ステップ後のpSNWFETの電気的特性の変化を直接観察することにより、表面改質を検証しました。さらに、X線光電子分光法を使用して、各修飾後の表面組成を調べました。最後に、pSNWFET上でのDNAセンシングを実証しました。このプロトコルは、バイオプローブの固定化とその後のDNAバイオセンシングアプリケーションを検証するための段階的な手順を提供します。
シリコンナノワイヤ電界効果トランジスタ(SNWFETs)は、超高感度の利点と環境電荷変動に直接的な電気的応答を有します。負(または正に)帯電した分子は、シリコンナノワイヤー(SNW)に近づくときに、例えばn型SNWFETsにおいて、SNW内のキャリアが枯渇(又は蓄積)されています。その結果、SNWFETの導電率が減少(または増加)1。したがって、SNWFET装置のSNW面付近に荷電分子を検出することができます。細胞表面上の酵素、タンパク質、ヌクレオチド、および多くの分子を含む重要な生体分子は、電荷キャリアであり、SNWFETsを用いてモニターすることができます。特にSNWの生体分子プローブを固定化する適切な改変、で、SNWFETはラベルフリーバイオセンサーへと発展することができます。
バイオマーカーを用いたサーベイランスは、疾患を診断するために重要です。 表1に示すように 、いくつかの研究はNWFE使用していますTベースの無標識、超高感度バイオセンサ、及び図3に示すように、神経信号4を結合する単一のウイルス2、アデノシン三リン酸、およびキナーゼを含む種々の生物学的標的のリアルタイム検出、金属イオン5,6、細菌毒素7、ドーパミン8、DNA 9-11、RNA 12,13、酵素と癌バイオマーカー14-19、ヒトのホルモン20、およびサイトカイン21,22。これらの研究は、NWFETベースのバイオセンサーは、溶液中の生物学的および化学種の広い範囲のための強力な検出プラットフォームを表していることを実証しました。
SNWFETベースのバイオセンサでは、デバイスのSNW表面上に固定化されたプローブは、特定のbiotargetを認識する。バイオプローブを固定化することは、通常の一連の工程を含み、すべてのステップが正常にバイオセンサーの適切な機能を確保するために行われることが重要です。様々な技術は、Sを分析するために開発されていますX線光電子分光法(XPS)、エリプソメトリー、接触角測定、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型電子顕微鏡(SEM)を含むurface組成物。このようなXPS、エリプソメトリー、および接触角測定などの方法が他の同様の材料で行わ平行実験に依存しているのに対し、このようなAFMやSEMなどの方法は、ナノワイヤデバイス上のバイオプローブの固定化の直接的な証拠を提供します。本稿では、2つの独立した方法を用いて、各変更ステップの確認を説明します。 XPSは、シリコンウェーハ上の特定の原子の濃度を調べるために使用され、デバイスの電気的特性の変化を直接SNW表面上の電荷の変化を確認するために測定されます。我々は、このプロトコルを説明する例として、多結晶SNWFETs(pSNWFETs)を用いてDNAのバイオセンシングを使用します。 SNW表面にDNAプローブを固定するには、3つの手順を実行します。SNW、アルのネイティブヒドロキシル表面上のアミン基修飾をアルデヒド基の修飾、及び5'-アミノ修飾DNAプローブの固定化。表面電荷はチャネル電流とコンダクタンス1を変えるゲート誘電体上にローカル界面電位変化を引き起こすので、各修正ステップにおいて、デバイスは、直接、SNW表面上に固定化された官能基の電荷の変化を検出することができます。電気pSNWFETデバイスの電気的特性を調節することができるSNW面を囲む電荷。従って、SNWの表面特性はpSNWFETデバイスの電気的特性を決定する際に重要な役割を果たしています。報告された手順では、SNW表面にバイオプローブの固定化は、直接決定することができ、電気的測定によって確認され、デバイスがバイオセンシング応用のために準備されます。
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1.作製とpSNWFETデバイスの保全
デバイスの2.前処理
デバイス表面上のDNAプローブの3固定化
pSNWFET上の表面改質の4確認と分析
5. DNAバイオセンシング
注:典型的な実験では、I D - V B G曲線はさらなる変動はOBSEされていないことを確認するために、3回に決定されますrved。
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種々 SNWFETsは、バイオセンサー( 表1)の変換器として機能することが報告されています。単結晶SNWFETs(sSNWFETs)とpSNWFETsは、水溶液中の変換器と同等の電気特性を示し、両者は多くのバイオセンシング用途を有することが報告されています。本研究で使用pSNWFET装置の有利な特徴は、簡単かつ低コストな製造手順である。 図1aは pSNWFETの製造に関与する重要なステップを示しています。 6インチウェハ( 図1b)と単一デバイスのSEM像( 図1c)からのダイの光学像(2 SNWs、約100幅ナノメートル、長さ1.6μm)を得ました。
図2aは、SNW表面上のDNAプローブの固定化の手順を示す図です。各修飾工程はXPS( 図2Bを
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トップダウンとボトムアップの製造はsSNWFETsためのアプローチ商業化するため、そのコスト32,33、SNW位置制御34,35、およびその低生産規模36のために困難であると考えられます。これとは対照的に、pSNWFETsを製造することは簡単で低コスト37です。側壁スペーサ形成技術( 図1)と、トップダウンアプローチと組み合わせて、SNWの大きさは、反応性プラズマエッチングの時間を調整することにより制御することができます。 図1aに示さpSNWFETのナノワイヤを製造するための手順は、容易に商業的な半導体設備に適合させることができます。したがって、pSNWFETsは、費用対効果、簡単な構成技術、およびCMOS互換製造プロセスを含むいくつかの利点を有し、したがって、バイオセンシングに適用することができます。
半導体デバイスの製造とは対照的に、プロセスは、十分に定義されたCOMMErcial施設、デバイス上のバイオプローブの固定化は...
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著者らは開示するものは何もない。
この研究は台湾科学技術部(104-2514-S-009 -001、104-2627-M-009-001、102-2311-B-009-004-MY3)によって財政的に支援されました。National Nano Device Laboratories(NDL)には、デバイスの作製と分析における貴重な支援に感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アセトン | エコーAH-3102 | ||
| (3-アモノプロピル)トリエトキシシラン(APTES)、≥98% | Sigma-Aldrich | A3648 | 危険 |
| エタノール、無水、99.5% | ECHO | 484000203108A-72EC | |
| グルタルアルデヒド溶液(GA)、50% | Sigma-Aldrich | G7651 | 軽い |
| シアノボロ水素化ナトリウムを避けてください。95.0% | Fluka | 71435 | 危険性と潮解性 |
| リン酸ナトリウム三塩基性十二水和物、≥98% | Sigma | 04277リン酸 | |
| 、≥99.0% | Fluka | 79622 | 解 |
| 性フォトレジスト(iP3650) | 東京応化工業株式会社 | THMR-iP3650 HP | |
| 合成オリゴヌクレオチド、HPLC精製 | プロテックテクノロジー | ||
| トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(トリス)、≥99.8% | USB | 75825 | |
| ケースレー2636 システム・ソースメータ | ケースレー | ||
| SR830 DSPロックイン・アンプ | スタンフォード・リサーチ・システム | ||
| SR570 低ノイズ電流プリアンプ | スタンフォード・リサーチ・システム | ||
| ズ NI PXI Express | ナショナル・インスツルメンツ |
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