Fabricage van koolstof nanobuis High-Frequency Nano-elektronische biosensoren voor Sensing in High Ionic Strength Solutions

Samenvatting

We beschrijven het apparaat fabricage en meetprotocol voor koolstof nanobuis gebaseerde hoge frequentie biosensoren. De hoge frequentie sensing techniek vermindert de fundamentele ionische (Debye) screening effect en laat nanobuis biosensor in hoge ionische sterkte oplossingen waar conventionele elektronische biosensoren niet worden bediend. Onze technologie biedt een uniek platform voor point-of-care (POC) elektronische biosensoren die in fysiologisch relevante omstandigheden.

Samenvatting

Het unieke elektronische eigenschappen en een hoge oppervlakte-volume verhouding van single-walled carbon nanotubes (SWNT) en halfgeleider nanodraden (NW) ^1-4 maken ze goede kandidaten voor hoge gevoeligheid biosensoren. Wanneer een geladen molecuul bindt aan dergelijke sensoroppervlak, het verandert de ladingsdichtheid ⁵ in de sensor, wat resulteert in veranderingen in de DC geleiding. Echter, in een ionische oplossing een geladen oppervlak trekt ook contra-ionen uit de oplossing, het vormen van een elektrische dubbellaag (EDL). Deze EDL effectief afschermt van de lading, en in fysiologisch relevante omstandigheden ~ 100 millimolair (mM), de karakteristieke lading screening lengte (Debye lengte) is minder dan een nanometer (nm). Zo is in hoge ionische sterkte oplossingen, charge gebaseerde (DC)-detectie is fundamenteel belemmerd ^6-8.

We overwinnen lading screening effecten door het detecteren van moleculaire dipolen in plaats van kosten bij hoge frequentie, door het bedienen van koolstof NANOTube field effect transistors als hoge frequentie mixers ^9-11. Bij hoge frequenties, kan de frequentieregelaar kracht niet meer overwinnen van de oplossing slepen en de ionen in oplossing niet voldoende tijd om de EDL te vormen. Verder frequentie mixing techniek ook toe bij de frequenties hoog genoeg ionische screening overwinnen, en de sensor signalen bij lagere frequenties ^11-12 Nog detecteren. Ook de grote steilheid van SWNT transistoren betekent een interne winst voor het detectiesignaal, dat de behoefte aan externe signaalversterker ondervangt.

Hier beschrijven we het protocol tot (a) vervaardigen SWNT transistoren, (b) het functionaliseren biomoleculen nanobuis ¹³ (c) het ontwerpen en stempel een polydimethylsiloxaan (PDMS) microfluïdische kamer ¹⁴ op de inrichting en (d) uitvoeren van hoogfrequente sensing in verschillende ionische sterkte oplossingen ^11.

Inleiding

Wanneer een geladen molecuul bindt aan een SWNT of NW elektronische sensor, kan het ofwel doneren / accepteren elektronen of fungeren als een lokale elektrostatische poort. In beide gevallen kan de gebonden molecule de ladingsdichtheid te wijzigen of de SWNT NW kanaal, wat leidt tot een verandering in de gemeten DC geleiding van de sensor. Een grote verscheidenheid aan moleculen ^15-20 met succes gedetecteerd door het bestuderen DC kenmerken van de nanosensoren tijdens dergelijke bindingsgebeurtenissen. Ook al last-detectie gebaseerd sensing mechanisme heeft vele voordelen, waaronder label-free detectie ^21, Femto-mol gevoeligheid ^22, e....

Protocol

1. Katalysator Patterning voor SWNT Growth

1. Begin met een silicium wafer met een lage druk chemical vapor deposition (CVD) gegroeid 500 nm Si ₃ N _4/500 nm _SiO2-film op de top.
2. Spin laag een laag fotoresist (PR) bij 500 rpm gedurende 5 seconden en vervolgens 4000 rpm gedurende 40 sec.
3. Bak de wafer bij 115 ° C gedurende 90 sec.
4. Gebruik een fotomasker met rechthoekige pits katalysatoren (fig. 1) en de wafer bloot UV (365 nm) bestralingssterkte van 300 mJ / cm ² voor 0,3 sec. Na blootstelling bak de wafer bij 115 ° C gedurende 90 sec.

Resultaten

Een scanning elektronenmicroscoop beeld van SWNT transistor met een zwevende bovenste poort is getoond in figuur 7a. De afmetingen poort kritisch zijn voor schorsing ^25. Het huidige ontwerp afmetingen zijn (lengte x breedte x dikte = 25 pm x 1 micrometer x 100 nm). De gate-elektrode bestaat uit 50 nm Cr/50 nm Au, een dikke chroomlaag voegt meer kracht om zwevende structuur. De zwevende structuur wordt bevestigd door de afwezigheid van lekstroom tussen top gate en drain (figuur 7b).

Discussie

De groei van koolstof nanobuisjes niet alleen afhankelijk ovenvoorwaarden maar ook substraat hygiëne. De optimale gasstroom, temperatuur en druk voor groei om nauwkeurig gekalibreerde en eenmaal vastgesteld ze min of meer stabiel. Zelfs met deze voorwaarden is voldaan, we vonden dat de groei afhankelijk is van de gevormde katalysator gebied, hoeveelheid katalysator en substraat schoon. Vandaar dat we opgenomen meerdere katalysator pit maten om rekening te houden met de variabiliteit in de groei. Een een uur bij hoge tem.......

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
REAGENTS
Reagents die binnen Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) werden geleverd, zijn gemarkeerd als LNF in de cataloguskolom. Chemicaliën die beschermende uitrusting (handschoenen, veiligheidsbril, gezichtsmasker, schort) en/of afzuiging vereisen, worden aangeduid met PPE in de opmerkingensectie.
Siliconen wafers (P-type, <100>, 500-550 μm dik)	Silicon Valley Microelectronics
SPR 220 3.0	Dow (Rohm and Haas)	Megaposit SPR	PPE
AZ 300MIF	AZ Electronic Material Corporation		PPE
Aceton	J T Baker	9005-05	PPE
Isopropanol (IPA)	J T Baker	9079-05
Gebufferde waterstoffluoridezuur	Transene		PPE
1-Pyrene Butanoic Zuur, succinimidyl ester	Molecular Probes	P130	PPE
Biotin PEO Amine	Thermo Scientific	EZ- Link PEG2 Biotin, # 21346	PPE
Streptavidine	Invitrogen	S 888	PPE
Dimethylformamide	MP Biomedicals	0219514791	PPE
Polydimethylsiloxaan Elastomer Base en Hardener	Dow Corning	Sylgard 184 Elastomer Kit	PPE
SU-8 2015	Microchem	Y111064	PPE
SU-8 Ontwikkelaar	Microchem	Y020100	PPE
Silaniseringsmiddel	Sigma Aldrich	452807	PPE
Waterstof	Purity Plus	LNF
Etheen	Purity Plus	LNF
Argon	Purity Plus	LNF
Fosfaat Buffer Saline Systeem	Sigma Aldrich	PBS1
UITRUSTING
Utrusting geleverd door Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) wordt aangeduid als LNF in de cataloguskolom.
GCA 200 Autostepper	GCA	LNF
Low Pressure Chemical Vapor Deposition Tool	Tempress	LNF
e-beam Evaporator	Enerjet	LNF
CNT groeifurnace	First Nano	Easy Tube 3000 (LNF)
Fotomaskers	Nanofilm	LNF
Petrischaal (150mm)		LNF
Desiccator	Bel-Art	F420100000
Biopsy Punch	Ted Pella	15071/78
Schaar	Ted Pella	548
Polyethyleen Buizen PE-50	VWR	20903-414
Spuitpomp	New Era Pump Systems	NE-1000
Spuit	Fisher Scientific	BD Safety-Lok Syringes
Spuitnaalden	Fisher Scientific	14-821-13A
DAQ kaart	National Instruments	779111-01
GPIB connector	National Instruments	778032-51
Lock-in Versterker	Stanford Research Systems	SR 830
Frequentie Generator	HP Agilent	8648B, 9kHz -2GHz
Bias Tee	Picosecond	5575A-104
Huidige Versterker	DL Instruments, LLC	DL 1211
BNC kabels	Allied Electronics	665-xxxx
SMA kabels	Sentro Tech Corp	SCF65141