Name: 높은 이온 강도 솔루션에 감지하기위한 탄소 나노 튜브 고주파 나노 바이오 센서의 제작 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-22T12:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 20 s
Description: 학습하세요 고주파 믹서 방식의 탄소 나노튜브 전계효과 트랜지스터를 이용하여 높은 이온 강도 용액에서 생체 분자를 감지하는 나노전자 바이오센서 제작 방법을. 이 기술은 생리학적 조건에서 실시간 무표지 감지가 가능합니다.

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우리는 초기 논의 코넬 대학에서 교수 폴 McEuen 고 감사합니다. 작업은 스타트 업 펀드 미시간 대학과 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 확장 가능한 나노 제조 프로그램 (DMR-1120187)에 의해 제공에 의해 지원됩니다. 이 작품은 미시간 대학, 국립 과학 재단에 의해 후원 국가 나노 인프라 네트워크의 회원에 Lurie는의 나노 제조 시설을 사용했다.

1. 단일 벽 탄소 나노 튜브 성장을위한 촉매 패터닝 <ol><li> 500 nm의시 3 N 5백분의 4 nm의 그런가 2 필름 위에 성장 저압 화학 기상 증착 (CVD)과 실리콘 웨이퍼로 시작합니다. </li><li> 40 초 동안 4,000 rpm으로 다음 5 초 동안 500 rpm에서 포토 레지스트 (PR)의 코팅 층을 회전합니다. </li><li> 90 초 동안 115 ° C에서 웨이퍼를 굽는다. </li><li> 촉매 (그림 1)를위한 직사각형 구덩이에 포토 마스크를 사용하고 300 0.3 초 엠제이 / cm 2의 UV (365 nm의) 조도에서 웨이퍼를 노출합니다. 노출 된 후 90 초 동안 115 ° C에서 웨이퍼를 굽는다. </li></ol> 팁 : 다른 크기의 디자인 구덩이 SWNT 화학 기상 증착 (CVD) 성장 과정에서 다양성을 고려하여 5 미크론 × 5 미크론, 10 미크론 × 5 마이크론 등의 예를 들어. <ol start="5"><li> 70 초 부드럽게 과정을 통해 웨이퍼를 흔들어에 대한 개발자의 웨이퍼를 개발할 수 있습니다. </li><li> DI 물 공급과 웨이퍼를 씻어2 분 R 한 다음 질소 (N 2) 총을 불어 건조시킵니다. </li><li> 10 -6 torr의의 챔버 압력에서 전자빔 증발 챔버 및 예금 0.5 nm의 철 (철)로 개발 된 웨이퍼를 넣습니다. </li><li> 1.5 cm × 1.5 cm 작은 다이에 웨이퍼를 주사위. </li><li> 10 분 각각에 대해 따뜻한 아세톤과 이소 프로필 알코올 (IPA)에 침지에 의해 포토 레지스트를 제거합니다. 이 나노 튜브 성장을위한 직사각형 구덩이 철 촉매 뒤에 둡니다. </li></ol> 2. 탄소 나노 튜브의 CVD 성장 <ol><li> CVD 성장 용광로의 석영 관에 촉매 코팅 다이를 놓습니다. </li></ol> 팁 : 나노 튜브 성장을위한 스위트 스폿을 결정합니다. 성장은 우리로 (그림 2C)를위한 2 인치 X 2 인치 하류 지역에 균일. <ol start="2"><li> 포토 레지스트 잔류 물 (그림 2A)를 제거하는 한 시간 동안 880 ° C에서 공기 기판을 어닐링. 냉각 할 수 있습니다. </li><li> 아르와 실을 제거3 SLM (분당 표준 리터)에서 5 분 곤. </li><li> 아르곤 (그림 2B) 1 SLM의 흐름을 유지하면서 관의 중앙에 800 ° C로 가열을 진입로. </li><li> 즉, 철 철 산화물을 변환 촉매 입자를 줄이기 위해 5 분 유량 수소의 0.2 SLM합니다. </li><li> 단일 벽 탄소 나노 튜브를 성장하는 35 분 동안의 에틸렌 5.5 SCCM (분당 표준 입방 센티미터) (C 2 H 4) 소개합니다. 과정에서 0.2 SLM의 H 2 흐름을 유지합니다. 이 조리법에서 얻은 단일 벽 탄소 나노 튜브의 길이는&gt; 20 미크론 (μm의)입니다. </li><li> 용광로는 작은 아르곤 흐름을 실온으로 냉각 할 수 있습니다. </li></ol> 3. SWNT FET 트랜지스터 제작 <ol><li> 탄소 나노 튜브의 전류 - 전압 (IV) 특성의 소스 - 드레인 전극을 정의하기위한 포토 마스크 (그림 1)을 디자인합니다. </li></ol> 팁 : 지금 APAR 전극 접촉 패드를 확장다이 t 그들은 심지어 활성 나노 튜브의 지역에 마이크로 유체 스탬프를 내려 놓고 후에 접근 남아 있도록. <ol start="2"><li> 연락처를 금속 증착 영역을 정의하는 단계 1.2 -1.6를 수행합니다. </li><li> 보증금 티 / 10 -6 torr를 전자 빔 증발기 챔버에서 소스 - 드레인 컨택 오 0.5 nm/50 뉴 멕시코. </li><li> 금속 이륙 하룻밤 아세톤에 다이를 남겨주세요. 이륙 후 10 분 동안 IPA에 다이를 찍어 한 후 건조하여 N 2 총을 날려. </li><li> 500 ㎚의 담요 증착은 전자빔 10 -6 torr를 게이트 유전체에 대한 그런가 2 증발 않습니다. </li><li> 게이트 전극을 정의하기위한 포토 마스크 (그림 1)을 디자인합니다. </li><li> 게이트 금속 증착 영역을 정의하는 단계 1.2-1.6를 수행합니다. </li><li> 전자 빔 증발기에서 최고 게이트 전극으로 50 nm/50 nm의 크롬 / AU 물을 증발시킬 것. 금속 이륙을 위해 3.4 단계를 따르십시오. </li></ol> 팁 : 힘 (을)를 높이기 위해 두꺼운 크롬 층을 사용F는 탑 게이트를 중단. 게이트 크기는 성공적인 서스펜션 중요하다. <ol start="9"><li> 담요 예금 최고 전극 보호막에 대한 그런가 2의 얇은 층 (20 nm의). </li><li> 탄소 나노 튜브 채널에 액세스 할 그런가 2 트렌치를 엽니 포토 마스크 (그림 1)을 디자인합니다. 디자인 패드 식각 같은 마스크 영역 SWNT 채널에서 멀리 소스, 드레인 및 게이트 전극에 액세스하기위한 영역을 엽니 다. </li><li> 그런가 2의 습식 식각을위한 트렌치를 열어 PR 패턴 단계 1.2-1.6를 수행합니다. </li><li> 습식 식각 그런가 2 3 분 30 초 1시 20분 BHF 용액을 사용하여 증발. SI 3 N 4 BHF의 추가 침투를 방지하기 위해 식각 정지 층을 제공합니다. </li></ol> 팁 : 에칭 시간 보정을 권장합니다. <ol start="13"><li> 철저 DI 물에 장치를 씻어 후 5 분 동안 IPA에 담근다. N 2 총을 사용하여 건조 불어. 장치 성ructure은 두꺼운 크롬 층으로 인해 그대로 유지됩니다. </li></ol> 4. 탄소 나노 튜브 측벽의 화학적 기능화 <ol><li> 6 개 mm 디메틸 포름 아미드에있는 1 pyrenebutanoic 산 석신 에스테르 (PBSE) (DMF) 용액을 준비합니다. </li><li> 실온에서 1 시간 동안이 링커 분자 용액에 SWNT FET 다이를 품어. </li><li> 철저하게 과잉 시약을 씻어 DMF의 주사위를 씻어. 장치를 타격 - 건조. </li><li> biotinyl-3 20mg/ml 솔루션, 단일 벽 탄소 나노 튜브의 biotinylation을위한 DI 물에 6 dioxaoctanediamine (비오틴 PEO 아민 BPA)를 준비합니다. </li><li> 철저 DI 물에 주사위를 세척하고 건조 폭파 된 후 18 시간 동안이 솔루션의 다이를 품어. BPA는 PBSE 링커 분자에 연결됩니다. </li><li> 스트렙 바인딩 7.2 pH를 PBS 용액에 1mg/ml의 스트렙 타비 딘의 솔루션을 준비합니다. </li><li> 정적 측정을 위해, 완전히 바이오틴 단일 벽 탄소 나노 튜브를 기능화하기 위해 20 분 동안 스트렙 타비 딘 용액에 다이를 품어. 토로ughly 씻어 주사위를 건조 불어. 실시간 감지를 들어, 첫 번째 PDMS 흐름 채널 (6 단계) 도장 후 스트렙 바인딩 (그림 3) 높은 이온 강도의 배경 스트렙 타비 딘 용액 흐름. </li></ol> 참고 : 우리는 스퀴즈 병을 사용하여 다이에 분배 DI 워터 (~ 50 ml)에 의해 주사위를 씻어. 그렇다면 우리는 DI 물을 포함하는 다른 페트리 접시에 다이를 이동하고 1 분 동안 주위에 주사위를 이동합니다. 우리는 두 단계 8 ~ 10 시간의 합계를 반복합니다. 5. 유체 챔버를위한 폴리 디메틸 실록산의 준비 (PDMS)는 몰드 <ol><li> 계량 컵, PDMS 단량체 중량 9 부품을 넣고 경화제 1 중량 부를 추가하고 철저하게 두 가지를 혼합. </li><li> 25 분 데시 케이 터 드가 혼합. 거품이 혼합물을 상승 떠날 것입니다. </li></ol> 팁 : 혼합물이 거품이 시작되면 챔버를 배출하고 몇 가지에 대한 정착하자다시 탈기되기까지의 시간 (초). <ol start="3"><li> 페트리 접시의 새로운 실리콘 웨이퍼를 놓습니다. 웨이퍼 위에 5mm의 PDMS 층을 가지고 그 위에 탈기 PDMS 혼합물을 부어. </li><li> 1 시간 70 오븐에 페트리 접시 ° C를 놓습니다. </li><li> 페트리 접시를 제거하고 식혀 보자. PDMS의 사각형 조각을 잘라 핀셋을 사용하여 그것을 밖으로 끌어 메스를 사용합니다. </li></ol> 팁 : 직접 실리콘 웨이퍼와 접촉 PDMS면이 깨끗하고 매우 평면이다. 이면은 SWNT FET 다이에 접촉 될 것이다. 그것을 오염되지 않도록주의해야합니다. <ol start="6"><li> 거꾸로 직사각형의 다이를 배치하고 다른 평평한면에서 생검 펀치 (3 mm 직경)를 사용하여에 구멍을 뚫습니다. 이 PDMS (그림 4A)의 평평한 측에 거친 가장자리를 보장하지 않습니다. </li><li> &lt;제작 SWNT FET 다이 (의 활성 영역의 맨 위에 정렬하여 조심스럽게 장치의 상단에 PDMS 챔버를 배치강해&gt; 그림 4A, B). 다이 스탬프를 확보하기 위해 부드럽게 누릅니다. 누설 챔버를 제공하는 다이 평평한면 채권. </li></ol> 팁 :이 육안으로 수행하거나 충분한 작업 공간을 광학 현미경을 사용 할 수 있습니다. PDMS 잘 스틱 (다이 및 / 또는 PDMS 스탬프가 깨끗하지 일반적 경우)하지 않는 경우, 결합을 지원하기 위해 PDMS에 (20w, 15 초) 산소 플라즈마를 않습니다. 강한 결합이 리드보다 높은 플라즈마 파워를 사용하는, 그러나, 우리는 이러한 경우에 PDMS를 제거하는 동안 전극 추출 보았다. <ol start="8"><li> 전기 테스트 후 DI 물에 주사위를 찍기 부드럽게 스탬프를 들어 올려 옆에 화학 작용 단계 전에 PDMS 스탬프를 제거합니다. </li></ol> 6. 미세 유체 흐름 채널의 준비 <ol><li> 깨끗한 실리콘 웨이퍼를 가지고있는 수분을 제거하기 위하여 5 분 동안 200 ° C에서 뜨거운 접시에 놓습니다. </li><li> 500 rpm으로 코트 SU-8 2015 회전(100 RPM / 초 램프 속도) 후 5 초, 300 분당 회전 수 / 초 램프 속도로 30 초 동안 1,250 rpm으로합니다. 이 실리콘 웨이퍼에 30 μm의 두께의 SU-8 층을 제공합니다. </li><li> 부드러운 빵을 95에서 웨이퍼 ° C 5 분. </li><li> SWNT 영역의 상단에 300 μm의 폭 넓은 교류 수로 패턴을 정의하는 포토 마스크 (그림 4C)를 디자인합니다. </li></ol> 팁 : 구조 채널 폭의 붕괴를 방지하려면 : 10:1 높이 비율 (이 경우 30 μm의 300 μm의) 충분합니다. <ol start="5"><li> 365 nm의 자외선 리소그래피를 사용하면 0.9 초 UV 노출 시간이 흐름 채널을 정의합니다. </li><li> 5 분 95 다이 ° C를 구워 게시 할 수 있습니다. </li><li> 부드러운 흔들림과 함께 5 분 SU-8 개발자의 패턴을 개발합니다. </li><li> IPA에 웨이퍼를 씻어 N 2 총을 불어 건조시킵니다. </li><li> PDMS 혼합물을 제조하는 단계 5.1-5.2를 수행합니다. </li><li> silanizing 에이전트 TRIC의 2 ~ 3 방울과 함께 데시 케이 터 SU-8 몰드로 웨이퍼를 배치hloro (3, 3, 3 trifluoropropyl) 페트리 접시에 실란. 진공 펌프를 켜고는 웨이퍼 1 시간 동안 진공에 앉아 보자. </li><li> 웨이퍼에 가스가 제거 된 PDMS 혼합물을 붓고 1 시간 동안 70 ° C에서 오븐에 가열한다. </li><li> 메스를 사용하여 PDMS 금형 (SU-8 음) 잘라. </li><li> 거꾸로 PDMS 스탬프를 배치하고 유동 채널의 양쪽 끝에 구멍을 드릴 생검 펀치 (0.75 mm 직경)를 사용하여. 거친 가장자리를 (그림 4E)을 방지하기 위해 다른 평평한면 (실리콘 웨이퍼와 접촉하는면)에 구멍을 뚫을 수 있는지 확인하십시오. </li><li> 현미경 제작 된 SWNT FET 다이의 활성 영역의 맨 위에 정렬하여 조심스럽게 장치의 상단에 PDMS 유량 용기를 놓습니다. 다이 스탬프를 확보하기 위해 부드럽게 누릅니다. 누설 챔버를 제공하는 다이 평평한면 채권. (그림 4C와 4D) </li><li> 구멍에 폴리에틸렌 관을 누르고 유체 소스와 드레인 주사기 (F에 다른 쪽 끝을 연결합니다igure 4E). </li><li> 채널 (그림 6)를 통해 유체의 제어 흐름을 유지하기 위해 주사기 펌프 시스템에 주사기를 연결합니다. </li></ol> 7. DC 전기 측정 설정 <ol><li> 소스와 DAQ 카드의 전압 포트 FET SWNT의 게이트 연락처를 연결합니다. </li><li> 현재 프리 앰프를 통해 DAQ 카드의 입력 포트에 드레인 접점을 연결합니다. </li><li> 소스 연락하는 30 밀리 볼트 (MV)을 적용 게이트 전압을 청소 및 드레인 (그림 5a)에서 전류를 기록한다. </li></ol> 팁 : 솔루션의 측정을 위해, 내 게이트 전압 스윕 매개 변수를 유지 | 0.7 볼트 | 누설 게이트 금속 전극과 용액 사이의 반응을 방지 할 수 있습니다. 8. AC 전기 측정 설정 <ol><li> 설정하는 주파수 발생기의 외부 변조 신호 포트 증폭기 잠금 출발 참조 아웃 신호를 연결 변조 된 freque를 오전NCY 출력. </li><li> 바이어스 티 (그림 5b 및 5c)를 사용하여 DAQ 카드에서 주파수 발생기와 직류 전압의 AM-변조 된 RF 출력 포트에 FET SWNT의 소스 접촉을 연결합니다. </li><li> DAQ 카드의 전압 포트 게이트 접촉을 연결합니다. </li><li> 나노 튜브를 통해 AC 전류를 읽을 잠금 앰프에 드레인 접점을 연결합니다. DAQ 입력 포트를 통해 진폭과 전류의 위상을 읽습니다. </li><li> 200 킬로 헤르츠 (kHz에서)에서 0 볼트와 AM 신호 주파수에서 원본 DC 전압을 누릅니다. </li><li> 게이트 전압을 청소 및 드레인의 전류를 측정한다. </li><li> 서로 다른 주파수에서 I 믹스-V G 스윕에 대한 주파수 단계를 반복 8.6 증가한다. </li></ol> 9. 솔루션의 전기적 측정 (없음 흐름) <ol><li> 1 mM의 NaCl을, 10 MM NaCl을하고 5M NaCl을 원액부터 100 mM의 NaCl을 소금 솔루션을 준비합니다. </li><li> 단계 3.13에서 SWNT 장치를 가져 가라. biotinylate를 얻기 위해 단계 4.1-4.5를 수행D 장치. </li><li> 장치의 맨 위에 PDMS 챔버를 넣어 5 단계를 따르십시오. </li><li> 피펫을 사용하여 DI 물과 챔버를 채우십시오. </li><li> 다른 주파수에 대한 주파수를 혼합 측정을위한 8 단계를 따르십시오. </li><li> 세 가지 다른 소금 용액 1 ㎜의 NaCl, 10 MM NaCl을 100 mM의 NaCl을 9.4 단계를 반복합니다. </li></ol> 팁 : 이전 솔루션을 철회하고 새로운 솔루션과 챔버를 여러 번 세척하는 피펫을 사용합니다. 항상 높은 농도 솔루션 낮은에서 전환합니다. <ol start="7"><li> 부드럽게 트위터에 스탬프를 올려 PDMS 스탬프를 제거합니다. </li><li> 철저 DI 물과 장치를 헹구십시오. </li><li> 4.6-4.7에 설명 된대로 스트렙 바인딩을 수행합니다. </li><li> 단계 9.3-9.6를 반복합니다. </li></ol> 10. 솔루션의 전기적 측정 (실시간 흐름) <ol><li> 5 M NaCl을 원액부터 100 mM의 NaCl을 염 용액을 준비합니다. </li><li> 인트에서 SWNT 장치를 선택P 3.13. 바이오틴 장치를 획득하는 단계 4.1-4.5를 수행합니다. </li><li> 6 단계에 따라 장치의 마이크로 유체 흐름 채널을 배치 .. 금단 모드 동작을위한 마이크로 유체 채널의 한쪽 끝을 빈 주사기를 연결합니다. 다른 쪽 끝에서 100 mM의 NaCl을 배경 용액을 주사기를 연결합니다. </li><li> 8 단계에서 설명 된대로 전기 측정을 설정합니다. 주파수 (f = 10 MHz의) 고정 게이트 전압 바이어스 (V = 0). </li><li> 금단 모드에서 주사기 펌프를 시작합니다 (유량 = 0.4 ML 시간 -1)와 시간 전류 신호를 모니터링합니다. 100 mM의 염화나트륨과 스트렙 타비 딘 - 비오틴 결합 (그림 6)에 대한 모니터 신호 변화 1mg/ml의 스트렙 타비 딘에 대한 해결책을 전환합니다. </li></ol>

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</ol>

저자는 그들이 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.

탄소 나노 튜브의 성장은 용광로 조건뿐만 아니라 기판 청결뿐만 아니라 따라 달라집니다. 성장을위한 최적의 가스 유량, 온도, 압력은 신중하게 보정하고 일단 그들이 더 많거나 적은 안정적인 고정해야합니다. 이러한 조건이 충족되고도 함께, 우리는 성장 패턴 촉매 영역 촉매와 기판 청결의 양에 따라 달라집니다 있습니다. 따라서, 우리는 성장 변화에 대한 계정에 여러 촉매 구덩이 크기를 포함. 한 시간 고온 단계는 기판 PR 잔류 등과 같은 오염 물질을 제거 도왔다. 그림 2는 우리가 단일 벽 탄소 나노 튜브 성장을 위해 채택 된 상태를 보여줍니다 어닐링. 다이 처리 단계에서 오염 물질의 존재는 화학적 및 생물학적 센싱의 스퓨리어스 신호를 발생할 수 있습니다. 따라서, 화학 작용 전후에 완전히 기판을 세척 할 필요가 있습니다. 각 작용 후 세척 단계는 REM하는 데 도움이활성 근처 장치에 부착 할 수있는 여분의 시약을 비켜. 우리는 또한 기판이 깨끗 아...

충전 된 분자가 단일 벽 탄소 나노 튜브 또는 NW 전자 센서에 바인딩 할 때, 그것은 하나 기증 / 전자를 받아들이거나 지역 정전 게이트 역할을 할 수 있습니다. 두 경우 모두, 바인딩 분자 센서의 측정 DC 전도성의 변화로 이어지는, SWNT 또는 NW 채널 전하 밀도를 변경할 수 있습니다. 15-20 분자의 큰 다양성이 성공적으로 바인딩 이벤트 기간 동안 나노 센서의 DC 특성을 연구하여 발견되었다. 충전 감지 기반 감지 메커니즘은 레이블 무료 탐지 21 펨토 몰 감도 22, 전자는 기능 15를 읽을 등 많은 이점이있다하더라도, 그것은 단지 낮은 이온 강도 솔루션에 효과적입니다. 높은 이온 강도 솔루션, DC 검출은 이온 검사 6-8에 의해 방해된다. 충전 된 표면은 표면 근처에 전기 이중층 (EDL)를 형성하는 솔루션에서 카운터 이온을 끈다. EDL은 효과적으로 비용을 상영. T와 같은솔루션 증가 그는 이온 강도, EDL은 좁고 심사 증가됩니다. 이 검사 결과는 검사의 Debye 길이 λ D에 의해 특징입니다 <img alt="식 1" fo:src="/files/ftp_upload/50438/50438eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50438/50438eq1.jpg" /> , ε는 미디어의 유전체 유전율이고, K B는 볼츠만 상수, T는 온도이다, Q는 전자 전하, 그리고 C는 전해질 용액의 이온 강도이다. 일반적으로 100 밀리미터 완충 용액의 경우, λ D 1 nm의 주위 및 표면 전위는 완전히 몇 나노 미터의 거리에서 상영 될 것입니다. 그 결과로, 단일 벽 탄소 나노 튜브 또는 나노 와이어를 기반으로 나노 센서의 대부분은 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM의 건조 상태 20 또는 낮은 이온 강도 솔루션의 하나 운영- 10 MM), 그렇지 않으면 샘플 탈염 단계 15,23를 받아야합니다. 점의 배려 진단 장치는 제한된 샘플 처리 능력과 환자의 사이트에서 생리학 관련 이온 강도에서 작동해야합니다. 따라서 완화 이온 선별 효과는 POC 나노 바이오 센서의 개발 및 구현을위한 중요합니다. 우리는 메가 헤르츠 주파수 범위에서 단일 벽 탄소 나노 튜브 기반의 나노 센서를 작동하여 이온 선별 효과를 완화. 프로토콜은 자세한 나노 센싱 플랫폼과 생명 탐지를위한 고주파 혼합 측정을 기반으로 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 제조 여기서 제공. 단일 벽 탄소 나노 튜브는 철 촉매 24과 패턴 기판 위에 화학 기상 증착법에 의해 성장하고 있습니다. 우리의 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터를 들어, 우리는 일시 중단 된 높은 게이트 25 고주파 센서의 응답을 향상하는 데 도움이 나노 튜브 위에 500 nm의 배치 또한 컴팩트 MICR 수 있습니다 통합오 - 유체 챔버 장치를 밀봉하는. 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터 배경 이온 선별 효과를 극복하기 위해 높은 주파수 믹서 9-11로 운영됩니다. 높은 주파수에서 솔루션 모바일 이온은 EDL을 형성 할 수있는 충분한 시간과 변동 생명 쌍극자가없는 수 여전히 게이트 우리의 감지 신호 혼합 전류를 생성하는 SWNT. 혼합 주파수는 FET 나노 튜브의 비선형 IV 특성으로 인해 발생합니다. 우리 탐지 기술은 비용 기반의 탐지 및 임피던스 분광 26-27 종래의 기술과는 다릅니다. 첫째, 우리는 오히려 관련 비용보다 높은 주파수에서 생명 쌍극자를 감지합니다. 둘째, 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 높은 컨덕턴스는 감지 신호에 대한 내부 이득을 제공한다. 이 고주파 임피던스 측정의 경우와 같은 외부 증폭에 대한 필요성을 미연에 방지. 최근, 다른 그룹은 높은 바에서 생명 감지를 해결했다ckground 농도 23,28. 그러나, 이러한 방법은 복잡한 제조 또는 수용체 분자의주의 화학 공학을 필요로하는 더 참여하고 있습니다. 우리의 높은 주파수 SWNT 센서는 간단한 설계를 통합하고 나노 튜브 트랜지스터의 고유 주파수 혼합 속성을 사용합니다. 따라서 우리는 생리학 관련 조건에서 직접 작동하는 바이오 센서가 필요한 순간​​ 점의 배려 검출을위한 새로운 바이오 센싱 플랫폼을 약속 이온 심사 영향을 완화 할 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td colspan="4">REAGENTS<</td></tr><tr>td colspan="4">Lurie Nanofabrication Facility(University of Michigan) 내에서 제공된 시약은 카탈로그 열에서 LNF로 표시됩니다. 보호 장비(장갑, 보안경, 안면 마스크, 앞치마) 및/또는 흄 후드가 필요한 화학 물질은 의견 섹션에 PPE로 표시됩니다.</td></tr><tr><td>실리콘 웨이퍼(P형, < 100>, 500-550 &뮤; m 두께)</td><td>실리콘 밸리 마이크로 일렉트로닉스</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SPR 220 3.0</td><td>다우 (Rohm and Haas)</td><td>Megaposit SPR</td><td>PPE</td></tr><tr><td>AZ 300MIF</td><td>AZ Electronic Material Corporation</td><td></td><td>PPE</td></tr><tr><td>아세톤</td><td>J T Baker</td><td>9005-05</td><td>PPE</td></tr><tr><td>이소프로판올 (IPA)</td> <td>J T Baker</td><td>9079-05</td><td></td></tr><tr><td>완충 불화 수소산</td><td>Transene</td><td></td><td>PPE</td></tr><tr><td>1-피렌 부탄산, 숙시니미딜 에스테르</td><td>분자 프로브</td><td>P130</td><td>PPE</td></tr><tr><td>비오틴 PEO 아민</td><td>Thermo Scientific</td><td>EZ- 링크 PEG2 비오틴, # 21346</td><td>PPE</td></tr><tr><td>스트렙타비</td>딘 <td>인비트로겐</td><td>S 888</td><td>PPE</td></tr><tr><td>디메틸포름아미드</td><td>MP 바이오메디컬</td><td></td><td>0219514791 PPE</td></tr><tr><td>폴리디메틸실록산 엘라스토머 베이스 및 경화제</td><td>다우 코닝</td><td>실가드 184 엘라스토머 키트</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 개발자</td><td>Microchem</td><td>Y020100</td><td>PPE</td></tr><tr><td>실란화 에이전트</td><td>Sigma Aldrich</td><td>452807</td><td>PPE</td></tr><tr><td>수소</td><td>순도 플러스</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>에틸렌</td><td>순도 플러스</td><td>LNF</td><td></td>아르</tr><tr><td>곤</td><td>Purity Plus</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>인산염 버퍼 식염수 시스템</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 (University of Michigan)에서 제공하는 장비는 카탈로그 열에서 LNF로 표시됩니다.</td></tr><tr><td>GCA 200 자동 스테퍼</td><td>GCA</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>저압 화학 기상 증착 도구</td><td>Tempress</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>전자 빔 증발기</td><td>Enerjet</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>CNT 성장로</td><td>최초의 나노</td><td>이지 튜브 3000 (LNF)</td><td></td></tr> <tr><td>포토 마스크 나</td><td>노 필름</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>페트리 접시 (150mm)</td><td></td> <td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>Desiccator</td><td>Bel-Art</td><td>F420100000</td><td></td></tr><tr><td>생검 펀치</td><td>Ted Pella</td><td>15071/78</td><td></td></tr><tr><td>메스</td><td>Ted Pella</td><td>548</td><td></td></tr><tr><td>폴리에틸렌 튜빙 PE-50</td><td>VWR</td><td>20903-414</td><td></td></tr><tr><td>주사기 펌프</td><td>New Era 펌프 시스템</td><td>NE-1000</td><td></td></tr><tr><td>주사기</td><td>Fisher Scientific</td><td>BD Safety-Lok 주사기</td><td></td></tr><tr><td>주사기 바늘</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-821-13A</td><td></td></tr><tr><td>DAQ 카드</td><td>National Instruments</td><td>779111-01</td><td></td></tr><tr><td>GPIB 커넥터</td><td>National Instruments</td><td>778032-51</td><td></td></tr><tr><td>락인 증폭기</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR 830</td><td></td></tr><tr><td>주파수 발생기</td><td>HP Agilent</td><td>8648B, 9kHz -2GHz</td><td></td></tr><tr><td>바이어스 티</td><td>Picosecond</td><td>5575A-104</td><td></td></tr><tr><td>전류 프리앰프</td><td>DL Instruments, LLC</td><td>DL 1211</td><td></td></tr><tr><td>BNC 케이블</td><td>Allied Electronics</td><td>665-xxxx</td><td></td></tr><tr><td>SMA 케이블</td><td>Sentro Tech Corp</td><td>SCF65141</td><td></td></tr></tbody></table>

높은 이온 강도 솔루션에 감지하기위한 탄소 나노 튜브 고주파 나노 바이오 센서의 제작

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

독특한 전자 특성과 단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWNT) 및 반도체 나노 와이어의 높은 표면 대 부피 비율은 (NW) 1-4 그들에게 고감도 바이오 센서에 대한 좋은 후보를합니다. 충전 된 분자가 같은 센서 표면에 바인딩 할 때, 그것의 DC 전도성의 변화의 결과로, 센서 캐리어 밀도 5 변경합니다. 그러나 이온 용액에 청구 표면은 전기 이중층 (EDL)를 형성 솔루션에서 카운터 이온을 끈다. 이 EDL 효과적으로 충전을 화면 및 생리학 관련 조건 ~ 100 밀리몰 (MM), 특성 담당 검사 길이 (Debye에 길이) 나노 미터 (nm의) 미만이다. 따라서, 높은 이온 강도 솔루션, 충전 기반 (DC) 검출은 근본적으로 6-8을 방해합니다. 우리는 탄소 nanot을 운영하여, 높은 주파수에서 분자 쌍극자보다는 요금을 감지하여 충전 선별 효과를 극복고주파 믹서 9-11과 같은 우베 전계 효과 트랜지스터. 높은 주파수에서 AC 드라이브 힘은 더 이상 용액 저항을 극복 할 수 없으며 솔루션 이온은 EDL을 형성하는 데 충분한 시간을 가지고 있지 않습니다. 또한, 주파수 혼합 기술은 우리가 이온 심사를 극복 할만큼 충분히 높은 주파수에서 작동 할 수 있으며, 아직 낮은 주파수 11-12에서 감지 신호를 감지합니다. 또한, 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 높은 컨덕턴스 외부 신호 증폭기의 필요성을 미연에 방지 센싱 신호에 대한 내부 이득을 제공한다. 여기, 우리는 () 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터, (B) (C) 설계 및 장치에 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 마이크로 유체 챔버 (14)를 스탬프 나노 튜브 13 생체 분자를 기능화 등을 조작하는 프로토콜을 설명 (D) 다른 이온 강도 해결책 11에서 높은 주파수 감지를 수행합니다.

중단 탑 게이트와 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 주사 전자 현미경 이미지는 그림 7A에 표시됩니다. 게이트 크기는 정지 25 일에 대한 중요합니다. 현재 디자인 치수 (x 가로 x 두께 = 25 μm의 X 1 ㎛ × 100 nm의 길이)입니다. 게이트 전극은 50 nm의 Cr/50 뉴 멕시코의 Au 구성되어 두꺼운 크롬 층은 중단 구조에 힘을 더 추가합니다. 중단 된 구조는 탑 게이트와 드레인 (그림 7b) 간의 누설 전류의 유무에 의해 확인된다. 우리는 우리의 SWNT 센서를 평가하기 위해 비오틴 - 스트렙 타비 딘 리간드 - 수용체 시스템을 사용합니다. 측벽 작용의 성공을 특성화하기 위해 우리는 각 작용 단계 후 공기 FET DC 전송 곡선을 모니터링 할 수 있습니다. 77 그림 설명이 biotinylation 후 오른쪽으로 이동 곡선의 변화 (적색)와 스...

우리는 제조 장치 및 탄소 나노 튜브 기반의 고주파 바이오 센서를위한 측정 프로토콜을 설명합니다. 높은 주파수 감지 기술은 근본적인 이온 (의 Debye) 선별 효과를 완화하고 기존의 전자 바이오 센서가 실패 높은 이온 강도 솔루션을 운영 할 나노 튜브 바이오 센서 수 있습니다. 우리의 기술은 점의 배려 (POC) 생리학 관련 조건에서 작동하는 전자 바이오 센서의 고유 한 플랫폼을 제공합니다.

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

다음 실험의 전반적인 목표는 고이온 강도 용액 내 현장 진단용 생체 분자 검출을 위한 새로운 나노 전기 센싱 플랫폼을 입증하는 것입니다. 이는 단일 벽 탄소 나노튜브 전계 효과 트랜지스터를 고주파수에서 작동시켜 이온 차폐 효과를 완화함으로써 달성됩니다. 먼저, 나노튜브 트랜지스터를 제작하고 수용체 분자로 기능화합니다.두 번째 단계로, 소자를 미세유체 흐름 채널로 캡슐화하여 실시간 센싱을 위한 생체분자 시료 용액의 주입이 가능하게 합니다. 다음으로, 단일벽 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터를 고주파 믹서로 작동시킵니다. 높은 구동 주파수에서는 이온과 용액이 더 이상 나노튜브 센서를 효과적으로 차폐할 수 없으므로, 이온 차폐 효과를 극복하여 표면에 결합된 생체분자의 진동 쌍극자 모멘트를 검출할 수 있습니다.결과는 10 megahertz 구동 주파수에서 혼합 전류의 변화를 모니터링함으로써 100 millimolar 배경 용액 내의 strep avid 및 biotin 결합 검출을 보여줍니다. 직접 전류 검출과 같은 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 고이온 강도 용액에서 전류 검출을 근본적으로 방해하는 소자 스크리닝 효과를 극복한다는 점입니다. 전통적인 전하 검출 기반 센서와 달리, 본 방법은 나노 튜브 트랜지스터의 고주파 응답을 탐색하여 생체 분자의 쌍극자 모멘트를 검출합니다.먼저 촉매를 위한 직사각형 피트(pit)가 있는 포토마스크를 포토레지스트가 코팅된 실리콘 웨이퍼 위에 배치하고, 300 millijoules per centimeter squared의 UV I 복사량으로 0.3초 동안 노광합니다. 현상된 웨이퍼를 전자빔 증착 챔버에 넣고 10⁻⁶ tor의 챔버 압력에서 0.5 nanometers의 철을 증착합니다. 촉매가 코팅된 실리콘 웨이퍼를 챔버에서 꺼내 작은 다이(die) 형태로 절단한 후, 이를 쿼츠 보트에 담아 CVD 성장로에 넣습니다. 1 SLM의 argon 흐름을 유지하면서 튜브 중심부의 온도가 800 °C까지 상승하도록 성장로를 프로그래밍합니다.촉매 입자를 환원시키고 산화철을 철로 변환하기 위해 0.2 SLM의 수소를 5분 동안 흘려줍니다. 그 후 S wts를 성장시키기 위해 5.5 SCCM의 에틸렌을 35분 동안 도입합니다. 공정 전반에 걸쳐 0.2 SLM의 수소 흐름이 유지됩니다.소량의 아르곤 흐름으로 실온까지 냉각한 후, 가마에서 염료를 꺼냅니다. 접점 형성을 위한 금속 증착 영역을 정의한 후, 염료를 증착 챔버에 넣고 전자빔 증착 챔버 내에서 10⁻⁶ tor 수준으로 유지하며 소스 및 드레인 접점 금속으로 티타늄 0.5 nanometers와 금 50 nanometers를 증착합니다. 완료되면 금속 리프트오프를 위해 염료와 아세톤에 하룻밤 동안 담가 둡니다.그런 다음 이소프로판올에 10분 동안 담근 후 질소로 건조시킵니다. 이어서 다이를 증착 챔버에 다시 넣고, 전자빔 증착기를 사용하여 10⁻⁶ torr의 증착 압력에서 500 nm의 이산화규소를 증착하며, 상단 게이트 전극으로 50 nm의 크롬과 50 nm의 금을 증착합니다. 포토레지스트 패턴 형성 후, 1:20 희석 완충 불산 용액을 사용하여 증착된 이산화규소를 3분 30초 동안 습식 식각합니다.이제 Dimethylformamide에 6 mM PBSE 용액을 준비하고, S-W-N-T-F-E-T-D를 PBSE 링커 분자 용액 내에서 상온으로 1시간 동안 배양합니다. 그 다음, 탈이온수 내에 amine-PEG2-biotin 20 mg/mL 용액을 준비합니다.염료를 이 용액에서 18시간 동안 배양합니다. 그 후 탈이온수로 염료를 충분히 헹굽니다. 헹굼 과정을 8~10회 반복한 다음, 바람으로 건조합니다.새 실리콘 웨이퍼를 페트리 접시에 넣고, 혼합물이 웨이퍼 위로 5 mm 높이가 될 때까지 DGAs PDMS 혼합물을 접시에 붓습니다. 다음으로, 페트리 접시를 70 °C 오븐에 넣고 1시간 동안 가열합니다. 페트리 접시를 오븐에서 꺼내어 웨이퍼를 실온까지 식힙니다.메스로 PDMS를 직사각형 모양으로 잘라낸 후 핀셋을 사용하여 꺼냅니다. 그런 다음 직사각형 다이를 뒤집어 놓고 3 mm 생검 펀치(biopsy punch)를 사용하여 평평한 면에 구멍을 뚫습니다. 다이를 현미경 아래에 놓은 후, 제작된 S-W-N-T-F-E-T 소자의 활성 영역 위에 맞춰 PDMS 챔버를 다이 위에 조심스럽게 배치합니다.SU-8 몰드가 있는 실리콘 웨이퍼를 페트리 접시에 넣고 1,3,3,3-tetrafluoropropylsilane을 2~3방울 첨가합니다. 페트리 접시를 진공 챔버에 1시간 동안 둡니다. 진공 챔버에서 페트리 접시를 꺼냅니다.DGA PDMS 혼합물을 웨이퍼 위에 붓고 70 °C 오븐에서 1시간 동안 가열합니다. 가열이 끝나면 페트리 접시를 오븐에서 꺼내 웨이퍼를 실온으로 식힙니다. 직사각형 모양으로 PDMS 스탬프를 절단한 후, 이를 뒤집어 놓고 0.75 mm 생검 펀치를 사용하여 유체 채널의 양 끝에 구멍을 뚫습니다.염료를 현미경 아래에 놓은 후, 제작된 S-W-N-T-F-E-T 소자의 활성 영역 위에 맞춰 PDMS 유동 챔버를 염료 위에 조심스럽게 배치합니다. 다음으로, 각 구멍에 폴리에틸렌 튜브를 밀어 넣고, 한쪽 튜브는 유체 공급원 시린지 배럴에, 다른 쪽 튜브는 배출 시린지에 연결합니다. 시린지를 시린지 펌프에 부착하여 채널을 통해 유체가 제어된 흐름으로 흐르도록 유지합니다.AM 변조 주파수 출력을 설정하려면, 락인 앰프(lock-in amplifier)의 ref out 신호를 주파수 발생기의 외부 변조 신호 포트에 연결하십시오. 다음으로, AM 변조된 RF 출력과 DC 전압을 바이어스 T(bias T)에 연결하고, 바이어스 T의 출력을 SWNT 소스 전극에 연결하십시오. 그런 다음, 나노튜브를 통해 흐르는 AC 전류를 측정하기 위해 게이트 전극을 DAC 카드의 전압 포트에 연결하십시오.드레인 접점을 락인 앰플리파이어에 연결합니다. 락인 앰플리파이어의 진폭 및 위상 포트를 DAC 입력 포트에 연결합니다. 소스 DC 전압은 0 V로 유지하고, A 신호 주파수는 200 kHz로 설정합니다.게이트 전압을 스윕하며 드레인에서의 전류를 측정합니다. 피펫을 사용하여 유체 챔버를 탈이온수로 채웁니다. AC 전기 측정을 수행합니다.1 mM 염화나트륨, 10 mM 염화나트륨, 100 mM 염화나트륨을 사용하여 동일하게 반복합니다. 그리고 각 용액에 대한 장치의 반응을 측정합니다. 장치 위에 미세유체 흐름 채널을 배치한 후, 한쪽 튜브는 시린지 펌프에 장착된 빈 시린지에 연결하고, 다른 쪽 튜브는 시린지 배럴에 연결하여 100 mM 염화나트륨 용액을 채웁니다.시린지 펌프를 흡입 모드로 설정합니다. 100 millimolar 염화나트륨 용액을 튜브 안으로 끌어당깁니다. 전류는 컴퓨터로 모니터링할 수 있습니다.그 다음 용액을 100 millimolar sodium chloride 내의 1 mg/mL streptavidin으로 교체하고, streptavidin-biotin 결합에 따른 실시간 전류 변화를 모니터링합니다. 여기에는 부유형 톱 게이트(suspended top gate)가 있는 S SW NT 트랜지스터의 주사 전자 현미경 이미지가 표시되어 있습니다. 전극은 50 nanometers chromium과 50 nanometers gold로 구성되며, 두꺼운 크롬 층이 부유 구조에 강도를 더합니다. 부유 구조는 톱 게이트와 드레인 사이의 누설 전류가 없음을 통해 확인됩니다.측벽 기능화의 성공 여부를 특성화하기 위해, 각 기능화 단계 후 공기 중에서의 FET DC 전달 곡선 변화를 모니터링하였습니다. 그림에 표시된 바와 같이, 순수 나노튜브 FET의 전달 곡선은 바이오티네이션 및 스트렙타비딘 결합 후 오른쪽으로 이동합니다.100 millimolar 염화나트륨 내의 전형적인 장치에서 보행 전압의 함수로 측정된 혼합 전류 감지 신호입니다. 그래프는 DC 전류, 혼합 전류 및 이론적 혼합 전류 곡선을 보여줍니다. 이 데이터는 혼합 전류 결과가 이론적 모델과 잘 일치함을 입증합니다.정적 측정 및 실시간 유동 측정의 대표적인 결과가 여기에 제시되어 있습니다. 게이트 전압에 따른 혼합 전류 곡선은 100 millimolar 염화나트륨 내의 비오틴화 및 스트렙타비딘이 결합된 SWNT를 나타냅니다. 실시간 유동 실험에서 스트렙타비딘이 결합함에 따라 혼합 전류가 변화합니다.탈이온수 내의 다양한 주파수에서 실리콘 및 산화물 코팅 대조 장치를 사용하여 streptavidin 결합 전후의 신호 변화를 측정하였으며, 결합 후 변화가 나타나지 않았습니다. 이는 고주파수에서의 검출 메커니즘이 SWNT와 생체 분자의 상호작용으로 인해 발생함을 나타냅니다. 이러한 측정 기술은 나노튜브, 나노와이어 또는 그래핀 기반의 전자 바이오센서에 일반적으로 적용될 수 있으며, 탈염과 같이 시간이 많이 소요되는 단계 없이 고이온 강도 배경 용액에서 직접 수행될 수 있습니다.

fabrication-carbon-nanotube-high-frequency-nanoelectronic-biosensor

Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

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우리는 양친매성 폴리머와 DNA를 사용하여 근적외선 형광 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)의 코로나 단계를 엔지니어링하여 알려진 인식 요소가 없는 분자 표적에 대한 센서를 개발하기 위한 프로토콜을 제시합니다.

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높은 이온 강도 솔루션에 감지하기위한 탄소 나노 튜브 고주파 나노 바이오 센서의 제작

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