Name: 高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-22T12:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 20 s
Description: 学ぶカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製法。高イオン強度溶液におけるイオン遮蔽効果を克服し、ストレプトアビジン-ビオチン結合を検出する。生理学的条件下での生体分子検出に応用可能。

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我々は早期に議論のためにコーネル大学の教授ポールMcEuenに感謝します。仕事はミシガン大学と国立科学財団スケーラブルナノ製造プログラム（DMR-1120187）によってスタートアップ資金提供によってサポートされています。この作品は、ミシガン大学、国立科学財団によって資金を供給国家ナノテクノロジー基盤ネットワークのメンバーでルーリーのナノファブリケーション施設を使用していました。

1。 SWNT成長のための触媒のパターニング<ol><li> 500nmでのSi 3 N 500分の4程度の SiO 2膜上に成長低圧化学蒸着（CVD）によるシリコンウェハで始まる。 </li><li> 5秒後、40秒間4,000 rpmで、500 rpmでフォトレジスト（PR）の層コートをスピン。 </li><li> 90秒間115℃でウェハを焼く。 </li><li>触媒のための長方形のピット（ 図1）とフォトマスクを使用して、0.3秒のために300 MJ / cm 2でUV（365 nm）の放射照度にウェハを公開します。露光後90秒間115℃でウェハを焼く。 </li></ol> ヒントサイズの異なるデザインピットがSWNT化学蒸着（CVD）成長プロセスのばらつきを考慮するために5ミクロン×5ミクロン、10ミクロン×5ミクロン等、例えば 。 <ol start="5"><li> 70秒優しくプロセスを通じてウェハを振るための現像剤中のウェハを開発する。 </li><li> DI WATEでウェハをすすぐその後2分間、rと窒素（N 2）銃でブロードライ。 </li><li> 10 -6トルのチャンバ圧力で電子ビーム蒸発器室及び預金0.5 nmの鉄（Fe）に開発されたウェハをロードします。 </li><li> 1.5センチメートル×1.5センチ小さいダイスにウェハをサイコロ。 </li><li> 10分間ずつ暖かくアセトン、イソプロパノール（IPA）に浸漬することによってフォトレジストを除去。これは、ナノチューブの成長のための長方形のピットのFe触媒の後ろに残します。 </li></ol> 2。カーボンナノチューブのCVD成長<ol><li> CVD成長炉の石英管に触媒コーティングされた金型を置きます。 </li></ol> ヒント：ナノチューブの成長のためのスイートスポットを決定します。成長は、私たちの炉（ 図2c）用2インチX 2インチの下流の領域の上に均一である。 <ol start="2"><li>フォトレジスト残渣（ 図2a）を除去するために一時間880℃で空気中の基板をアニール。クールダウンすることができます。 </li><li> Arでチャンバーをパージ3 SLM（標準リットル毎分）で5分間角形。 </li><li> 800炉を立ち上げる度管の中心にCを、アルゴンの1 SLM（図2b）の流れを維持しながら。 </li><li>触媒粒子を減少させる、すなわち鉄への酸化鉄を変換する5分間の水素の流れ0.2 ​​SLM。 </li><li>単層カーボンナノチューブを成長させる35分間のエチレン5.5 sccmの（分当たりの標準立方センチメートル）（C 2 H 4）を導入する。プロセス全体の0.2 SLMのH 2流れを維持。このレシピから得られた単層カーボンナノチューブの長さは、&gt; 20ミクロン（μm）である。 </li><li>炉が小さいアルゴン流量で室温まで冷却することができます。 </li></ol> 3。 SWNT FETトランジスタの製造<ol><li>カーボンナノチューブの電流-電圧（IV）特性評価のためにソース-ドレイン電極を画定するためのフォトマスク（ 図1）を設計する。 </li></ol> ヒント：遠くAPAR電極接触パッドを拡張ダイ上のT彼らもアクティブナノチューブ領域上にマイクロ流体スタンプを押した後に入れて引き続きアクセスするように。 <ol start="2"><li>連絡先の金属堆積のために領域を定義するための手順1.2 -1.6に従ってください。 </li><li>預金のTi / Auの10 -6トルで、電子ビーム蒸発器チャンバ内のソース·ドレインコンタクトの0.5 nm/50 nmである。 </li><li>金属リフトオフ用一晩アセトンにダイのままにしておきます。リフトオフ後、10分間IPAでダイを浸した後、N 2銃を使用してブロードライ。 </li><li> 10 -6トールでゲート誘電体のためのSiO 2を蒸発500nmの電子ビームのブランケット堆積を行う。 </li><li>ゲート電極を画定するためのフォトマスク（ 図1）を設計する。 </li><li>ゲート金属堆積のための領域を定義するための手順1.2から1.6に従ってください。 </li><li> e-ビーム蒸発器のトップゲート電極として50 nm/50程度のCr / Auから蒸発させる。金属リフトオフ用ステップ3.4に従ってください。 </li></ol> ヒント：強Oを高めるために厚いクロム層を使用して、fはトップゲートを停止した。ゲート寸法は、また、成功したサスペンションのために重要である。 <ol start="9"><li>毛布預金上部電極不動態化のために、SiO 2の薄層（20 nm）を。 </li><li>カーボンナノチューブチャネルにアクセスするためのSiO 2にトレンチを開くためのフォトマスク（ 図1）を設計する。遠くSWNTチャネルからソース、ドレイン、ゲート電極にアクセスするための領域を開放するために、同じマスクのデザインパッドエッチエリア。 </li><li> SiO のウェットエッチング用のトレンチを開くPRパターンにステップ1.2から1.6に従ってください。 </li><li>ウェットエッチングは、SiO 2を3分および30秒間1時20 BHF溶液を用いて蒸発させた。のSi 3 N 4は、BHFのさらなる浸透を防止するためにエッチング停止層を提供する。 </li></ol> ヒント：エッチング時間校正をお勧めします。 <ol start="13"><li>完全に脱イオン水で装置を洗浄した後、5分間IPAに浸し。 N 2銃を使用してブロードライ。デバイスセントructureは厚いクロム層のためにそのまま残ります。 </li></ol> 4。カーボンナノチューブ側壁の化学官能<ol><li> 6 mMのジメチルホルムアミド1 - pyrenebutanoic酸スクシンイミジルエステル（PBSE）（DMF）の溶液を準備します。 </li><li>室温で1時間のためにこのリンカ分子溶液中のSWNT FETダイをインキュベートする。 </li><li>徹底的に過剰の試薬を洗い流すために、DMF中のダイをすすいでください。デバイスをブロードライ。 </li><li>ビオチニル-3の20mg/mlのソリューション、SWNTのビオチン化のためのDI水の6 dioxaoctanediamine（ビオチンPEOアミンBPA）を準備します。 </li><li>徹底的にDI水でダイスをすすぎ、ブロードライした後18時間は、この溶液中のダイをインキュベートする。 BPAはPBSEリンカー分子に付着する。 </li><li>ストレプトアビジン結合のために7.2のpH PBS溶液中で1mg/mlのストレプトアビジンの溶液を調製します。 </li><li>静的な測定のために、完全にビオチン化SWNTを官能する20分間ストレプトアビジン溶液にダイをインキュベート。ソロughlyすすぎとダイを乾燥吹く。リアルタイム検出のために、第PDMS流路（ステップ6）をスタンプした後、ストレプトアビジン結合（ 図3）高イオン強度のバックグラウンドでストレプトアビジン溶液を流す。 </li></ol> 注意：我々は、スクイーズボトルを使用してダイの上調剤DI水（〜50ml）をすることによって、ダイをすすいでください。次に我々は、DI水を含む別のペトリ皿にダイスを移動し、1分間の周りダイスを移動させます。我々は2つ​​のステップ8-10回の合計を繰り返す。 5。流体室のためのポリジメチルシロキサン（PDMS）モールドの作製<ol><li>計量カップに、PDMSモノマーの重量9部を注ぎ、硬化剤1重量部を加え、十分に混合する二つ。 </li><li>ドガ25分間デシケーター内の混合。気泡が混合物を通して上昇し、残す。 </li></ol> ヒント：混合物が発泡を開始した場合は、チャンバーを排出し、それが少数のために落ち着くましょう再び脱までの秒。 <ol start="3"><li>ペトリ皿に新たなシリコンウエハーを置きます。上記ウェハ5mmのPDMS層を有するように、その上に脱気したPDMSの混合物を注ぐ。 </li><li> 1時間70℃のオーブンでペトリ皿°Cを置きます。 </li><li>シャーレを取り出し、それがクールダウンしましょう​​。 PDMSの矩形部分を切り出し、ピンセットを用いて、それを引っ張ってメスを使用してください。 </li></ol> ヒント：PDMS側に直接シリコンウエハと接触しては清潔で、非常にフラットです。この面では、SWNT FETダイと接触することになる。それを汚染しないように注意してください。 <ol start="6"><li>逆さまに長方形のダイを配置し、それを他に平らな側から生検パンチ（直径3mm）を使用して穴を開ける。これは、PDMS（図4a）の平らな面にはギザギザを保証しません。 </li><li> &lt;製造されたSWNT FETダイ（の活性領域の上に整列させることにより注意深くデバイスの上にPDMSチャンバを配置strong&gt;の図4a、b）に示す。ダイ上にスタンプを確保するために軽くタップします。漏れのないチャンバを提供するダイ平坦面ボンド。 </li></ol> ヒント：これは肉眼で行うか、十分な作業スペースと光学顕微鏡を用いてすることができます。 PDMSは（ダイおよび/またはPDMSスタンプがきれいでない場合、一般的に）うまくつかない場合は、結合を支援するために、PDMSに酸素プラズマ（20ワット、15秒）を行います。強力な接着には、このリードより高いプラズマパワーを使用して、しかし、我々はこのような場合にPDMSを除去しながら電極のリッピングを見てきました。 <ol start="8"><li>電気試験後とDI水でダイを浸漬し、軽くスタンプを持ち上げて次の化学的機能ステップの前にPDMSスタンプを削除します。 </li></ol> 6。マイクロ流体流路の準備<ol><li>きれいなシリコンウェハを取り、任意の水分を除去するために5分間200℃のホットプレート上に置きます。 </li><li> 500rpmでコートSU-8 2015スピン（100回転/秒の昇温速度）を5秒、300回転/秒の昇温速度で30秒間、1,250 rpmのために。これは、シリコンウエハ上に30μmの厚さのSU-8層を提供します。 </li><li>ソフトベーク95℃ウェハ℃で5分間。 </li><li> SWNTの領域の上に300μm幅の流路パターンを定義するためのフォトマスク（ 図4C）を設計。 </li></ol> ヒント：構造チャネル幅の崩壊を避けるために10:1の高さの比（この場合には30μm300μm以下）で十分です。 <ol start="5"><li> 365nmのUVフォトリソグラフィーを使用して0.9秒でUV露光時間で流路を画定する。 </li><li> 5分間95℃ダイ°Cを焼く投稿。 </li><li>穏やかに振盪を伴う5分間SU-8の開発中のパターンを開発する。 </li><li> IPAにウェハをすすぎ、N 2銃でブロードライ。 </li><li> PDMSの混合物を調製するために5.1から5.2の手順に従ってください。 </li><li>シラン化剤TRICの2-3ドロップと一緒にデシケータにSU-8鋳型とウエハーを置きhloro（3、3、3 - トリフルオロプロピル）ペトリ皿中のシラン。真空ポンプをオンには、ウエハ1時間真空中で座らせて。 </li><li>ウェハ上に脱気したPDMSの混合物を注ぎ、70℃のオーブンで1時間のために、C言語でそれを加熱する。 </li><li>メスを使用したPDMSモールド（SU-8の負の）カットします。 </li><li>逆さまにPDMSスタンプを配置し、流路の各端部に穴を開けるために生検パンチ（直径0.75mm）を用いた。ラフエッジ（ 図4e）を回避するために、他にフラット側（シリコンウエハと接触している側）から穴を開けるようにしてください。 </li><li>顕微鏡下で製造されたSWNT FETダイの活性領域の上に整列させることにより注意深くデバイスの上にPDMS流室を配置する。ダイ上にスタンプを確保するために軽くタップします。漏れのないチャンバを提供するダイ平坦面ボンド。 （ 図4（c）及び（d）） </li><li>穴にポリエチレンチューブを押して、流体のソースとドレインシリンジ（Fにもう一方の端を接続しますigure 4E）。 </li><li>チャネル（ 図6）を通る流体の制御された流れを維持するために、シリンジポンプシステムにシリンジを取り付けます。 </li></ol> 7。 DC電気的測定のセットアップ<ol><li> DAQカードの電圧ポートにFET SWNTのソースとゲートの接点を接続します。 </li><li>現在のプリアンプを通してDAQカードの入力ポートにドレイン接点を接続します。 </li><li> 、ソースコンタクトに30ミリボルト（MV）を適用し、ゲート電圧をスイープし、ドレイン（ 図5a）からの電流を記録します。 </li></ol> ヒント：溶液中の測定では、内のゲート電圧掃引パラメータを保つ| 0.7ボルト|ゲート金属電極と溶液との間の漏れとの反応を避けるために。 8。 AC電気的測定のセットアップ<ol><li>変調freque AMセットアップするロックイン周波数発生器の外部変調信号ポートにアンプから参照·アウト信号を接続NCY出力。 </li><li>バイアス·ティー（ 図5bと5cが ） を使用して、DAQカードから周波数発生器とDC電圧のAM変調されたRF出力ポートにFET SWNTのソースコンタクトを接続します。 </li><li> DAQカードの電圧ポートにゲートコンタクトを接続します。 </li><li>ナノチューブを通して交流電流を読むことをロックインアンプにドレインコンタクトを接続します。 DAQ入力ポートを流れる電流の振幅と位相をお読みください。 </li><li> 200キロヘルツ（kHz）の時に0ボルトとAM信号の周波数でDC電源電圧を保持します。 </li><li>ゲート電圧をスイープし、ドレインからの電流を測定します。 </li><li>異なる周波数でI ミ ​​ックス V Gスイープのための周波数を繰り返しステップ8.6を増やします。 </li></ol> 9。溶液中の電気測定（ノーフロー） <ol><li> 1のNaCl、10mMのNaClおよび5M NaClを原液から始まる100mMのNaCl塩溶液を準備します。 </li><li>ステップ3.13からSWNTデバイスを取る。ビオチンを取得するためのステップ4.1から4.5までを行うdはデバイス。 </li><li>デバイスの上にPDMSチャンバーを入れてステップ5に従ってください。 </li><li>ピペットを使用してDI水でチャンバーを埋める。 </li><li>異なる周波数に対する周波数ミキシング測定に手順8に従ってください。 </li><li>三つの異なる塩溶液1のNaCl、10mMのNaClおよび100mMのNaClのために9.4を繰り返します。 </li></ol> ヒント：新しいソリューションで複数回以前のソリューションを撤回した後、チャンバーをフラッシュするピペットを使用してください。常に高濃度溶液に低いから切り替える。 <ol start="7"><li>そっとピンセットでスタンプを持ち上げてPDMSスタンプを削除します。 </li><li>徹底的にDI水でデバイスをすすいでください。 </li><li> 4.6から4.7で説明したように、ストレプトアビジン結合を行う。 </li><li>手順9.3から9.6を繰り返します。 </li></ol> 10。溶液中の電気計測（リアルタイム·フロー） <ol><li> 5 M NaClを原液から始まる100mMのNaCl塩溶液を準備します。 </li><li>ステレオからSWNTデバイスを取るP 3.13。ビオチン化した装置を得るための手順4.1から4.5を実行します。 </li><li>ステップ6次のデバイス上のマイクロ流体流路を置き..撤退モード動作のためのマイクロ流体チャネルの一方の端に空のシリンジを接続します。もう一方の端に100mMのNaClの背景液でシリンジを取り付けます。 </li><li>ステップ8で説明するように電気的測定をセットアップします。周波数（f = 10 MHz）で、ゲート電圧バイアス（V = 0）を固定します。 </li><li>撤退モード（流量= 0.4ミリリットル時間-1）にシリンジポンプを起動し、時間とともに電流信号を監視します。ストレプトアビジン-ビオチン結合（ 図6）のために100mMのNaClとモニタ信号変化に1mg/mlのストレプトアビジンへのソリューションを切り替えます。 </li></ol>

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<li>K'Owino, I. O., Sadik, O. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impedance+spectroscopy%3A+A+powerful+tool+for+rapid+biomolecular+screening+and+cell+culture+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22Electroanalysis%22%5BJournal%5D)">Impedance spectroscopy: A powerful tool for rapid biomolecular screening and cell culture monitoring.</a> Electroanalysis. 17, 2101-2113 (2005).</li>
<li>Elnathan, R., Kwiat, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biorecognition+Layer+Engineering%3A+Overcoming+Screening+Limitations+of+Nanowire-Based+FET+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Biorecognition Layer Engineering: Overcoming Screening Limitations of Nanowire-Based FET Devices.</a> Nano Letters. 12, 5245-5254 (2012).</li>
</ol>

著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。

カーボンナノチューブの成長だけでなく、炉の条件だけでなく、基板の清浄度に依存する。成長のための最適のガス流量、温度及び圧力は慎重に較正され、一旦、多かれ少なかれ安定している固定されなければならない。これらの条件が満たされていてもして、我々は、成長がパターン化された触媒領域、触媒と基質清浄の量に依存するがわかった。したがって、我々は成長のばらつきを考慮するために、複数の触媒ピットサイズを組み込んだ。一時間高温アニール工程基板からPR残基などのような汚染物質を除去できました。 図2は、我々 は SWNTの成長のために採用条件を示しています。 ダイの処理工程からの汚染物質の存在は、化学的、生物学的なセンシングにおけるスプリアス信号につながる可能性があります。それゆえ、化学的機能の前後に十分に基板をクリーニングする必要がある。各機能化後のすすぎの手順はレムを助けるアクティブエリアの近くに機器に付着することがあり、任意の過剰の試薬をオベ。また、基板はきれいではなかった場合、PDMSスタンプがリークタイトではなかったし、測定中...

帯電した分子がSWNTまたはNW電子センサに結合すると、それはどちらか寄付/電子を受け入れるか、またはローカルの静ゲートとして機能することができます。いずれの場合も、結合分子は、センサの測定されたDCコンダクタンスの変化をもたらす、SWNT又はNWチャネル内の電荷密度を変えることができる。 15-20分子の多種多様が正常な結合イベント時にナノセンサーのDC特性を研究することによって検出されている。電荷検出してい感知機構は、ラベルフリー検出21、フェムトモル感度22、及び電子が機能15を読み出す含む多くの利点を持っているにもかかわらず、それは、低イオン強度溶液に有効である。高イオン強度溶液において、DC検出は、イオンスクリーニング6-8によって妨げられる。帯電した表面は、表面近傍の電気二重層（EDL）を形成する溶液から対イオンを魅了しています。 EDLは、効果的にこれらの費用をオフに選別。 Tと彼溶液が増加するイオン強度、EDLが狭く及びスクリーニングが増大となる。この遮蔽効果は、デバイ長λDスクリーニングすることを特徴とする<img alt="式（1）" fo:src="/files/ftp_upload/50438/50438eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50438/50438eq1.jpg" /> 、ε媒体の誘電率であり、kはBはボルツマン定数、Tは温度であり、qは電子の電荷であり、cは電解液のイオン強度である。典型的な100mMの緩衝液については、λDは 1nm で程度で、表面電位が完全に数nmの距離で上映される。結果として、単層カーボンナノチューブまたはナノワイヤをもとにしてナノセンサのほとんどは、乾燥状態で20または低イオン強度溶液5,15,17,21-22（℃〜1nMのいずれかで動作する- 10mM）を、そうでない場合はサンプルは脱塩手順15,23を経る必要があります。ポイント·オブ·ケア診断装置は、限られた試料処理機能を備えた患者の生理学的に適切な部位にイオン強度で動作する必要がある。したがって、イオン遮蔽効果を緩和するPOCナノバイオセンサーの開発と実施のために重要である。 我々は、メガヘルツの周波数範囲においてSWNT系ナノセンサを操作することにより、イオン遮蔽効果を緩和する。プロトコルは詳細ナノセンシングプラットフォームと生体分子検出用高周波混合測定基づくSWNTトランジスタの製造ここで提供。単層カーボンナノチューブは、鉄触媒24でパターン化基板上に化学気相蒸着法によって成長させる。我々のSWNTトランジスタのために、我々は懸トップゲート25が 500nm高周波センサの応答性を高めるのに役立ち、また、コンパクトなMICRを可能ナノチューブの上に配置組み込むデバイスを密封するO流体室。 SWNTトランジスタは、バックグラウンドイオン遮蔽効果を克服するために、高周波ミキサ9-11として動作する。高い周波数では、溶液中の可動イオンは、EDLを形成すると変動する生体分子の双極子は、まだゲートSWNTは私たちの検知信号であるミキシング電流を生成することができる十分な時間がありません。周波数混合はFETナノチューブの非線形IV特性に起因し発生する。当社の検出技術は、充電ベースの検出とインピーダンス分光26-27の従来の技術とは異なります。まず、我々はむしろ、関連する費用よりも高い周波数で生体分子双極子を検出する。第二に、SWNTトランジスタの高い相互コンダクタンスは、検知信号用の内部ゲインを提供します。これは、高周波インピーダンス測定の場合のように外部増幅の必要性がなくなる。最近では、他のグループはまた、高BAで生体分子検出に対処してきたckground濃度23,28。しかし、これらの方法は、複雑な製造または受容体分子の慎重な化学工学を必要とする、より複雑である。当社の高周波SWNTセンサはシンプルなデザインを内蔵しナノチューブトランジスタの固有の周波数混合性を利用しています。そこで我々は、生理学的に適切な状態で直接機能するバイオセンサが望まれるリアルタイムのポイント·オブ·ケア検出のための新しいバイオセンシングプラットフォームを有望、イオン遮蔽効果を緩和することができる。

<table><tbody><tr><td colspan="4">REAGENTS</td></tr><tr><td colspan="4">Reagentsは、カタログ欄にLNFと記載されています。保護具(手袋、安全ゴーグル、フェイスマスク、エプロン)および/またはドラフトが必要な化学物質は、コメント欄にPPEと記載されています。</td></tr><tr><td>シリコンウェーハ(Pタイプ、<100>、500-550 &MU;シリコン</td><td>バレー マイクロエレクトロニクス</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SPR 220 3.0</td><td>ダウ (ローム アンド ハース)</td><td>メガポジット SPR</td><td>PPE</td></tr><tr><td>AZ 300MIF</td><td>AZ エレクトロニック マテリアル コーポレーション</td><td></td><td>PPE</td></tr><tr><td>アセトン</td><td>J T Baker</td><td>9005-05</td><td>PPE</td></tr><tr><td>イソプロパノール (IPA)</td><td>J T Baker</td><td>9079-05</td><td></td></tr><tr><td>緩衝フッ化水素酸</td><td>トランセン</td><td></td><td>PPE</td></tr><tr><td>1-ピレンブタン酸、スクシンイミジルエステル</td><td>分子プローブ</td><td>P130</td><td>PPE</td></tr><tr><td>ビオチン PEO アミン</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>EZ-Link PEG2 ビオチン、# 21346</td><td>PPE</td></tr><tr><td>ストレプトアビジン</td><td>Invitrogen</td><td>S 888</td><td>PPE</td></tr><tr><td>ジメチルホルムアミド</td><td>MP バイオメディカル 0219514791</td><td></td><td>PPE</td></tr><tr><td>ポリジメチルシロキサン エラストマーベースおよび硬化剤</td><td>ダウ コーニング</td><td>シルガード 184 エラストマー キット</td><td>PPE</td></tr><tr><td>SU-8 2015</td><td>Microchem</td><td>Y111064</td><td>PPE</td></tr><tr><td>SU-8 開発者</td><td>Microchem</td><td>Y020100</td><td>PPE</td></tr><tr><td>シラン化剤</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td>452807</td><td>PPE</td></tr><tr><td>水素</td><td>純度プラス</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>エチレン</td><td>純度プラス</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>アルゴン</td><td>Purity Plus</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>Phosphate Buffer Saline System</td><td>Sigma Aldrich</td><td>PBS1</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">EQUIPMENT</td></tr><tr><td colspan="4">Lurie Nanofabrication Facility(ミシガン大学)が提供する機器は、カタログ欄にLNFと記載されています。</td></tr><tr><td>GCA 200 オートステッパー</td><td>GCA</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>低圧化学蒸着ツール</td><td>テンプレス</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>電子ビーム エバポレーター</td><td>エネルジェット</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>CNT 成長炉</td><td>ファースト ナノ</td><td>イージー チューブ 3000 (LNF)</td><td></td></tr><tr><td>フォトマスク</td><td>ナノフィルム</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>シャーレ (150mm)</td><td></td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>デシケーター</td><td>Bel-Art</td><td>F420100000</td><td></td></tr><tr><td>Biopsy Punch</td><td>Ted Pella</td><td>15071/78</td><td></td></tr><tr><td>Scalpel</td><td>Ted Pella</td><td>548</td><td></td></tr><tr><td>ポリエチレンチューブ PE-50</td><td>VWR</td><td>20903-414</td><td></td></tr><tr><td>シリンジ</td><td>ポンプ New Era ポンプシステム</td><td>NE-1000</td><td></td></tr><tr><td>シリンジ</td><td>Fisher Scientific</td><td>BD Safety-Lok シリンジ</td><td></td></tr><tr><td>シリンジ 針</td><td>フィッシャーサイエンティフィック</td><td>14-821-13A</td><td></td></tr><tr><td>DAQカード</td><td>ナショナルインスツルメンツ</td><td>779111-01</td><td></td></tr><tr><td>GPIBコネクタ</td><td>ナショナルインスツルメンツ</td><td>778032-51</td><td></td></tr><tr><td>ロックインアンプ</td><td>スタンフォードリサーチシステム</td><td>ズ SR 830</td><td></td></tr><tr><td>周波数発生器</td><td>HP Agilent</td><td>8648B、9kHz -2GHz</td><td></td></tr><tr><td>バイアスティー</td><td>Picosecond</td><td>5575A-104</td><td></td></tr><tr><td>電流プリアンプ</td><td>DL Instruments, LLC</td><td>DL 1211</td><td></td></tr><tr><td>BNC ケーブル</td><td>Allied Electronics</td><td>665-xxxx</td><td></td></tr><tr><td>SMA ケーブル</td><td>Sentro Tech Corp</td><td>SCF65141</td><td></td></tr></tbody></table>

高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製

Fabrication of Carbon Nanotube High-Frequency Nanoelectronic Biosensor for Sensing in High Ionic Strength Solutions

ユニークな電子特性と単層カーボンナノチューブ（SWNT）と半導体ナノワイヤの高い表面積対体積比（NW）は1-4は、それらの高感度バイオセンサーのための良好な候補にする。荷電分子は、例えばセンサ表面に結合すると、そのDCコンダクタンスの変化をもたらす、センサ内のキャリア密度を変化させる5。しかしながら、イオン溶液に帯電した表面は、電気二重層（EDL）を形成し、溶液からの対イオンを引き付ける。このEDLを効果的に電荷をオフにスクリーニングし、そして生理学的に適切な条件で約100ミリモル（mM）を、特徴的な電荷スクリーニング長（デバイ長さ）はメートル（nm）未満である。このように、高イオン強度溶液中で、電荷系（DC）の検出は、基本的に6-8の妨げとなっている。 我々は、炭素nanotを操作することにより、高い周波数ではなく、分子の双極子の電荷を検出することにより、電荷スクリーニング影響を克服高周波ミキサ9-11として宇部電界効果トランジスタ。高い周波数では、AC駆動力はもはや溶液抗力に打ち勝つことができない、溶液中のイオンは、EDLを形成するのに十分な時間がない。さらに、周波数ミキシング技術は、私たちはイオンスクリーニングを克服するのに十分に高い周波数で動作することを可能にし、まだ低い周波数11-12で感知信号を検出する。また、SWNTトランジスタの高い相互コンダクタンスは、外部の信号増幅器が不要に検知信号用の内部ゲインを提供します。 ここでは、（b）は、デバイス上チャンバ14（c）は、マイクロ流体（PDMS）、ポリジメチルシロキサンを設計し、スタンプ、ナノチューブ13に生体分子を官能化し、（d）は、（）SWNTトランジスタを作製するためのプロトコルを記述異なるイオン強度溶液11における高周波センシングを行う。

懸トップゲートを有するトランジスタSWNTの走査型電子顕微鏡画像は、 図7aに示されている。ゲート寸法は、サスペンション25のために重要である。現在の設計寸法（長さ×幅×厚さ= 25ミクロン×1ミクロン×100 nm）である。ゲート電極は、50nm Cr/50 nmのAuから構成され、厚さのクロム層が浮遊構造へより多くの強さを追加します。懸架構造は、上部ゲートとドレイン（ 図7b）との間のリーク電流の有無によって確認される。 私たちは、SWNTセンサーを評価するために、ビオチン - ストレプトアビジンリガンド - 受容体システムを使用しています。側壁官能基化の成功を特徴付けるために我々には、各機能化工程の後に空気中のFETの直流伝達曲線を監視します。 図7c例証そのビオチン化後に右に伝達曲線シフト（赤）とストレプトアビジン結合（青）。これはelectronegatiによって静電ゲーに起因することができますビオチンPEO - アミンおよびストレプトアビジンに存...

我々は、デバイス作製およびカーボンナノチューブ系高周波バイオセンサーの測定プロトコルを説明する。高周波センシング技術は、基本イオン（デバイ）遮蔽効果を緩和し、ナノチューブバイオセンサーは、従来の電子バイオセンサが失敗し、高イオン強度溶液で動作することを可能にする。当社の技術は、ポイントオブケア（POC）生理学的に適切な状態で動作する電子バイオセンサーのためのユニークなプラットフォームを提供します。

The unique electronic properties and high surface-to-volume ratios of single-walled carbon nanotubes (SWNT) and semiconductor nanowires (NW) 1-4 make them ...

本実験の目的は、高イオン強度溶液中におけるポイントオブケア生体分子検出のための、新しいナノ電気センシングプラットフォームを実証することです。これは、単層カーボンナノチューブ電界効果トランジスタを高周波で動作させ、イオン遮蔽効果を軽減させることで達成されます。まず、ナノチューブトランジスタを作製し、受容体分子で機能化します。第2ステップとして、デバイスをマイクロ流路で封止し、リアルタイムセンシングのためにバイオ分子試料溶液を注入できるようにします。次に、単層カーボンナノチューブ電界効果トランジスタを高周波ミキサーとして動作させます。高い駆動周波数では、イオン遮蔽効果を克服できるため、イオンや溶液がナノチューブセンサを効果的に遮蔽できなくなり、表面に結合したバイオ分子の振動双極子モーメントの検出が可能になります。結果は、10 MHzの駆動周波数における混合電流の変化をモニタリングすることにより、100 mMのバックグラウンド溶液中でのストレプトアビジンおよびビオチンの結合検出を示しています。直流検出のような既存の手法に対する本手法の主な利点は、高イオン強度溶液における直流検出を根本的に妨げるデバイススクリーニング効果を克服できる点にあります。従来の電荷検出ベースのセンサーとは対照的に、本手法はナノチューブトランジスタの高周波応答を探索することで、バイオ分子の双極子モーメントを検出します。まず、触媒用の長方形のピットがあるフォトマスクをフォトレジストを塗布したシリコンウェハーの上に配置し、300 millijoules per centimeter squaredのUV I放射に0.3秒間露光します。現像したウェハーを電子ビーム蒸着装置に入れ、チャンバー圧10 to the negative six torで0.5 nanometersの鉄を蒸着させます。触媒をコートしたシリコンウェハーを装置から取り出し、小さなダイに切断した後、クオーツボートに配置してCVD成長炉にロードします。アルゴンを1 SLMの流量で維持しながら、チューブ中心部の温度が800 degrees Celsiusまで上昇するように炉をプログラムします。触媒粒子を還元し、酸化鉄を鉄に変換するため、水素を0.2 SLMで5分間流します。次に、S wtsを成長させるため、5.5 SCCMのエチレンを35分間導入します。全工程を通じて0.2 SLMの水素流量を維持します。少量のアルゴン流量で室温まで冷却した後、炉から色素を取り出します。コンタクト用の金属堆積領域を定義した後、色素を蒸着装置に入れ、電子ビーム蒸着装置を用いて、10⁻⁶ Torrまで減圧した状態で、ソースおよびドレインのコンタクト金属として0.5 nanometersのチタンと50 nanometersの金を蒸着させます。完了後、金属リフトオフを行うため、色素をアセトンに一晩浸漬させます。その後、イソプロパノールに10分間浸し、窒素でブロードライします。次に、ダイを蒸着室に戻し、電子ビーム蒸着装置を用いて、10⁻⁶ torの真空度で500 nanometersの二酸化ケイ素を蒸着させ、続いてトップゲート電極として50 nanometersのクロムと50 nanometersの金を蒸着させます。フォトレジストによるパターニング後、1:20に希釈した緩衝フッ化水素酸溶液を用いて、蒸着した二酸化ケイ素を3分30秒間ウェットエッチングします。次に、ジメチルホルムアミドで6 mMのPBSE溶液を調製し、S-W-N-T-F-E-T-DをPBSEリンカー分子溶液中で室温にて1時間インキュベートします。その後、脱イオン水を用いて20 mg/mLのアミン・ペグ2ビオチン溶液を調製します。この溶液中で染料を18時間インキュベートします。その後、脱イオン水で染料を十分に洗浄します。この洗浄操作を8〜10回繰り返し、その後、エアブローで乾燥させます。新しいシリコンウェハをペトリ皿に入れ、ウェハの上に5 mmの厚さになるまでDGAs PDMS混合液を注ぎます。次に、ペトリ皿を70 °Cのオーブンで1時間加熱します。オーブンからペトリ皿を取り出し、ウェハを室温まで冷却させます。メスを使用してPDMSを長方形に切り出し、ピンセットで取り出します。次に、その長方形のダイを裏返しに置き、3 mmのバイオプシーパンチを用いて平らな面から穴を開けます。ダイを顕微鏡下に配置した後、作製したS-W-N-T-F-E-Tデバイスの有効領域に合わせて、PDMSチャンバーをダイの上に慎重に配置します。SU-8モールドを形成したシリコンウェハーをペトリ皿に置き、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン（tri Chloro. 3 3 3 tri fluoro propyl saline）を2〜3滴加します。ペトリ皿を真空チャンバーに1時間置き、その後、真空チャンバーからペトリ皿を取り出します。DGAs PDMS混合液をウェハー上に注ぎ、70 °Cのオーブンで1時間加熱します。終了後、ペトリ皿をオーブンから取り出し、ウェハーを室温まで冷却させます。長方形にカットしたPDMSスタンプを伏せて配置し、0.75 mmのバイオプシーパンチを用いて流路の両端に穴を開けます。色素を顕微鏡下に配置した後、作製したS-W-N-T-F-E-Tデバイスの活性領域に合わせて、PDMSフローチャンバーを色素の上に慎重に配置します。次に、各穴にポリエチレンチューブを挿入し、一方のチューブを流体供給用のシリンジバレルに、もう一方のチューブを排水用シリンジに接続します。シリンジをシリンジポンプに取り付け、チャネル内での流体フローを制御しながら維持します。AM変調周波数出力を設定するには、ロックインアンプのref out信号を周波数発生器の外部変調信号ポートに接続します。次に、AM変調RF出力とDC電圧をバイアスTに接続し、バイアスTの出力をSWNTのソース電極に接続します。その後、ゲート電極をDACカードの電圧ポートに接続し、ナノチューブを流れるAC電流を読み取ります。ドレイン接点をロックインアンプに接続します。ロックインアンプの振幅および位相ポートをDAC入力ポートに接続します。ソースDC電圧を0 voltに、A信号周波数を200 kilohertzに固定します。ゲート電圧をスイープし、ドレインからの電流を測定します。ピペットを用いて、流体チャンバーに脱イオン水を満たします。AC電気測定を実施します。1 mM 塩化ナトリウム、10 mM 塩化ナトリウム、および 100 mM 塩化ナトリウムを用いて同様の操作を繰り返し、各溶液に対するデバイスの応答を測定します。デバイスにマイクロ流体フローチャネルを配置した後、一方のチューブをシリンジポンプに設置した空のシリンジに接続し、もう一方のチューブをシリンジバレルに接続して、100 mM 塩化ナトリウム溶液を満たします。シリンジポンプを吸引モードに設定します。100 millimolar 塩化ナトリウム溶液をチューブ内に吸引します。電流はコンピュータ上でモニターできます。次に、溶液を100 mM塩化ナトリウムを含む1 mg/mLストレプトアビジンに切り替え、ストレプトアビジンとビオチンの結合に伴うリアルタイムの電流変化をモニターします。ここでは、吊り下げられたトップゲートを持つS SW NTトランジスタの走査電子顕微鏡画像を示します。電極は50 nmのクロムと50 nmの金で構成されており、厚いクロム層が吊り下げ構造に強度を与えています。吊り下げ構造は、トップゲートとドレインの間にリーク電流が認められないことで確認されます。サイドウォール機能化の成功を特性評価するため、各機能化ステップ後の空気中におけるFET DC伝達曲線の変化をモニタリングしました。図に示すように、バイオチン化およびストレプトアビジン結合後、未修飾ナノチューブFETの伝達曲線は右方にシフトします。100 millimolar 塩化ナトリウム中における典型的なデバイスの、歩行電圧の関数として測定された混合電流センシング信号を示します。グラフには、DC電流、混合電流、および理論的混合電流の曲線が示されています。データは、混合電流の結果が理論モデルと良好に一致することを示しています。静的測定およびリアルタイムフロー測定の代表的な結果をここに示します。混合電流対ゲート電圧曲線は、100 millimolar 塩化ナトリウム中におけるビオチン化およびストレプトアビジン結合SWNTを表しています。リアルタイムフロー実験において、ストレプトアビジンの結合に伴い混合電流が変化しています。シリコンおよび酸化膜を形成したコントロールデバイスを用い、脱イオン水中で異なる周波数におけるストレプトアビジン結合前後の信号変化を測定したところ、結合後の変化は見られませんでした。これは、検出メカニズムが高周波におけるSWNTとバイオ分子の相互作用に起因することを示しています。この測定手法は、ナノチューブ、ナノワイヤー、またはグラフェンベースの電子バイオセンサーに一般的に適用可能であり、脱塩のような時間のかかる工程を経ることなく、高イオン強度のバックグラウンド溶液中で直接実施することができます。

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

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高感度バイオセンシングを可能にする溶液依存性インジウム-スズ-酸化物ベースのワンピーストランジスタの作製

学ぶカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製法。高イオン強度溶液におけるイオン遮蔽効果を克服し、ストレプトアビジン-ビオチン結合を検出する。生理学的条件下での生体分子検出に応用可能。

高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製

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