Wytwarzanie nanoelektronicznego biosensora wysokiej częstotliwości z nanorurek węglowych do wykrywania w roztworach o wysokiej sile jonowej

Gdy naładowana cząsteczka wiąże się z elektronicznym czujnikiem SWNT lub NW, może albo oddawać/przyjmować elektrony, albo działać jako lokalna bramka elektrostatyczna. W obu przypadkach związana cząsteczka może zmienić gęstość ładunku w kanale SWNT lub NW, prowadząc do zmiany zmierzonej przewodności prądu stałego czujnika. Duża różnorodność cząsteczek^15-20 została z powodzeniem wykryta poprzez badanie charakterystyki prądu stałego nanoczujników podczas takich zdarzeń wiązania. Mimo że mechanizm wykrywania oparty na wykrywaniu ładunku ma wiele zalet, w tym wykrywanie bez etykiet²¹, czułość femtomolową²² i możliwość elektronicznego odczytu¹⁵; Jest skuteczny tylko w roztworach o niskiej sile jonowej. W roztworach o wysokiej sile jonowej wykrywanie prądu stałego jest utrudnione przez ekranowanie jonowe^6-8. Naładowana powierzchnia przyciąga przeciwjony z roztworu, który tworzy podwójną warstwę elektryczną (EDL) w pobliżu powierzchni. EDL skutecznie odsiewa te opłaty. Wraz ze wzrostem siły jonowej roztworu EDL staje się węższy, a przesiewanie wzrasta. Ten efekt przesiewania charakteryzuje się długością przesiewania Debye'a λ_D,

, gdzie ε jest przenikalnością dielektryczną ośrodka, k_B jest stałą Boltzmanna, T jest temperaturą, q jest ładunkiem elektronu, a c jest siłą jonową roztworu elektrolitu. Dla typowego roztworu buforowego 100 _{mM λ D} wynosi około 1 nm, a potencjał powierzchniowy zostanie całkowicie przesienięty w odległości kilku nm. W rezultacie, większość czujników nanoelektronicznych opartych na SWNT lub NW działa albo w stanie suchym²⁰, albo w roztworach o niskiej sile jonowej^{5,15,17,21-22} (c ~ 1 nM - 10 mM); W przeciwnym razie próbkę należy poddać etapom odsalania^15,23. Urządzenia diagnostyczne w miejscu opieki nad pacjentem muszą działać z fizjologicznie istotną siłą jonową w miejscu pacjenta przy ograniczonych możliwościach przetwarzania próbek. W związku z tym łagodzenie efektu przesiewowego jonów ma kluczowe znaczenie dla rozwoju i wdrożenia nanoelektronicznych bioczujników POC.

Łagodzimy efekt ekranowania jonowego, używając nanoelektronicznego czujnika opartego na SWNT w zakresie częstotliwości megaherców. Przedstawiony tutaj protokół szczegółowo opisuje wytwarzanie nanoelektronicznej platformy detekcyjnej opartej na tranzystorze SWNT i pomiar mieszania wysokiej częstotliwości do detekcji biomolekularnej. Jednościenne nanorurki węglowe są hodowane przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej na podłożach wzorowanych za pomocą katalizatorów Fe²⁴. W naszych tranzystorach SWNT stosujemy zawieszoną górną bramkę²⁵ umieszczoną 500 nm nad nanorurką, co pomaga poprawić reakcję czujnika wysokiej częstotliwości, a także pozwala na kompaktową komorę mikroprzepływową do uszczelnienia urządzenia. Tranzystory SWNT są eksploatowane jako miksery wysokiej częstotliwości^9-11 w celu przezwyciężenia efektów ekranowania jonów tła. Przy wysokich częstotliwościach ruchome jony w roztworze nie mają wystarczająco dużo czasu, aby utworzyć EDL, a fluktuujące dipole biomolekularne mogą nadal bramkować SWNT, aby wygenerować prąd mieszający, który jest naszym sygnałem czujnikowym. Mieszanie częstotliwości wynika z nieliniowej charakterystyki I-V tranzystora FET z nanorurek. Nasza technika detekcji różni się od konwencjonalnych technik detekcji opartej na ładunku i spektroskopii impedancyjnej^26-27. Po pierwsze, wykrywamy dipole biomolekularne o wysokiej częstotliwości, a nie związane z nimi ładunki. Po drugie, wysoka transkonduktancja tranzystora SWNT zapewnia wewnętrzne wzmocnienie sygnału detekcji. Eliminuje to potrzebę zewnętrznego wzmacniania, jak w przypadku pomiarów impedancji wysokiej częstotliwości. Ostatnio inne grupy również zajęły się detekcją biomolekularną w wysokich stężeniach tła^23,28. Jednak metody te są bardziej skomplikowane, wymagają skomplikowanego wytwarzania lub starannej inżynierii chemicznej cząsteczek receptorów. Nasz czujnik SWNT wysokiej częstotliwości ma prostszą konstrukcję i wykorzystuje naturalną właściwość mieszania częstotliwości tranzystora nanorurkowego. Jesteśmy w stanie złagodzić efekty przesiewowych badań jonowych, obiecując w ten sposób nową platformę biosensoryczną do wykrywania w miejscu opieki nad pacjentem w czasie rzeczywistym, gdzie pożądane są bioczujniki działające bezpośrednio w fizjologicznie istotnych warunkach.

1. Wzorce katalizatora dla wzrostu SWNT

1. Zacznij od płytki krzemowej z niskociśnieniową warstwą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) o długości 500 nm Si₃N₄/500 nm SiO₂ na wierzchu.
2. Wiruj warstwę fotorezystu (PR) przy 500 obr./min przez 5 sekund, a następnie 4,000 obr./min przez 40 sekund.
3. Piecz wafelek w temperaturze 115°C przez 90 sekund.
4. Użyj fotomaski z prostokątnymi wgłębieniami na katalizatory (rysunek 1) i naświetl płytkę w promieniowaniu UV (365 nm) o natężeniu 300 mJ/^cm2 przez 0,3 sekundy. Po naświetleniu piecz wafelek w temperaturze 115 °C przez 90 sek.

Porada: Zaprojektuj doły o różnych rozmiarach, np. 5 mikronów x 5 mikronów, 10 mikronów x 5 mikronów itd., aby uwzględnić zmienność procesu wzrostu chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) SWNT.

5. Rozwijaj wafel w wywoływaczu przez 70 sekund, delikatnie potrząsając waflem przez cały proces.
6. Opłucz wafel wodą DI przez 2 minuty, a następnie wysusz suszarką za pomocą pistoletu do azotu (_N2).
7. Załaduj wynalezioną płytkę do komory parownika z wiązką elektroniczną i nałóż 0,5 nm żelaza (Fe) pod ciśnieniem w komorze ^10-6 torr.
8. Wafel pokroić w mniejsze wykrojniki o wymiarach 1,5 cm x 1,5 cm.
9. Usuń fotorezyst, zanurzając go w ciepłym acetonie i izopropanolu (IPA) na 10 minut każdy. Pozostawia to katalizator Fe w prostokątnych wgłębieniach do wzrostu nanorurek.

2. Wzrost CVD nanorurek węglowych

1. Umieść matryce pokryte katalizatorem w rurze kwarcowej pieca do wzrostu CVD.

Porada: Określ idealne miejsce dla wzrostu nanorurek. Wzrost jest równomierny na obszarze 2 cale x 2 cale za naszym piecem (rysunek 2c).

2. Wyżarzać podłoże w powietrzu w temperaturze 880 °C przez jedną godzinę w celu usunięcia pozostałości fotorezystu (rysunek 2a). Pozostawić do ostygnięcia.
3. Oczyszczać komorę argonem przez 5 minut przy 3 SLM (standardowy litr na minutę).
4. Zwiększ temperaturę pieca do 800 °C w środku rury, utrzymując przepływ 1 SLM argonu (rysunek 2b).
5. Przepływaj 0,2 SLM wodoru przez 5 minut, aby zredukować cząstki katalizatora, tj. przekształcić tlenek żelaza w żelazo.
6. Wprowadź 5,5 sccm (standardowy centymetr sześcienny na minutę) etylenu (C₂H₄) przez 35 minut, aby wyhodować SWNT. Utrzymuj przepływ H₂ na poziomie 0,2 SLM przez cały proces. Długość SWNT uzyskanych z tej receptury wynosi > 20 mikronów (μm).
7. Poczekaj, aż piec ostygnie do temperatury pokojowej przy niewielkim przepływie argonu.

3. Produkcja tranzystorów SWNT FET

1. Zaprojektuj fotomaskę (rysunek 1) do definiowania elektrod źródłowo-drenowych do charakterystyki prądowo-napięciowej (I-V) nanorurek węglowych.

Porada: Rozsuń elektrody daleko od siebie na matrycy, aby pozostały dostępne nawet po umieszczeniu mikro-przepływowego stempla na obszarze aktywnej nanorurki.

2. Wykonaj kroki 1.2 -1.6, aby zdefiniować obszar osadzania metalu dla kontaktów.
3. Depozyt Ti/Au 0,5 nm/50 nm dla styków źródło odpływ w komorze parownika z wiązką elektroniczną przy ^10-6 torach.
4. Pozostaw matrycę w acetonie na noc do zdejmowania metalu. Po starcie zanurz matrycę w IPA na 10 minut, a następnie wysusz suszarką za pomocą pistoletu N₂.
5. Wykonaj osadzanie kocowe wiązki e 500 nm odparowanej wiązki e₂ dla dielektryka bramki przy ^10-6 torach.
6. Zaprojektuj fotomaskę (rysunek 1) do definiowania elektrody bramkowej.
7. Wykonaj kroki 1.2-1.6, aby zdefiniować obszar osadzania metalu bramki.
8. Odparować 50 nm/50 nm Cr/Au jako elektrodę górnej bramki w parowniku z wiązką elektroniczną. Wykonaj krok 3.4, aby wykonać metalowy liftoff.

Porada: Użyj grubej warstwy chromu, aby zwiększyć wytrzymałość zawieszonej górnej bramy. Wymiary bramy mają również kluczowe znaczenie dla skutecznego zawieszenia.

9. Pokryj cienką warstwę (20 nm) SiO₂ do pasywacji elektrody górnej.
10. Zaprojektuj fotomaskę (rysunek 1), aby otworzyć rów w SiO₂ w celu uzyskania dostępu do kanału nanorurek węglowych. Zaprojektuj obszar wytrawiania padów w tej samej masce, aby otworzyć obszar dostępu do elektrod źródłowych, drenujących i bramkowych znajdujących się daleko od kanału SWNT.
11. Wykonaj kroki 1.2-1.6, aby utworzyć wzór PR, aby otworzyć rów do mokrego wytrawiania SiO₂.
12. Odparowany SiO₂ należy wytrawić na mokro roztworem BHF w stosunku 1:20 przez 3 minuty i 30 sekund. Si₃N₄ zapewnia warstwę zatrzymującą wytrawianie, aby zapobiec dalszej penetracji BHF.

Wskazówka: Zalecana jest kalibracja czasu wytrawiania.

13. Dokładnie opłucz urządzenie w wodzie DI, a następnie zanurz je w IPA na 5 minut. Wysusz suszarką za pomocą pistoletu N₂. Konstrukcja urządzenia pozostaje nienaruszona dzięki grubej warstwie chromu.

4. Chemiczna funkcjonalizacja ścian bocznych z nanorurek węglowych

1. Przygotować roztwór 6 mM estru sukcynimidylowego kwasu 1-pirenebutanowego (PBSE) w dimetyloformamidzie (DMF).
2. Inkubować matrycę SWNT FET w tym sprzęgającym roztworze molekularnym przez 1 godzinę w temperaturze pokojowej.
3. Dokładnie wypłucz matrycę w DMF, aby zmyć nadmiar odczynnika. Wysuszyć urządzenie suszarką.
4. Przygotować roztwór 20 mg/ml biotynylo-3, 6-dioksaoktanodiaminy (biotyna PEO amina -BPA) w wodzie DI do biotynylacji SWNT.
5. Inkubuj matrycę w tym roztworze przez 18 godzin, po czym dokładnie opłucz matrycę w wodzie DI i wysusz suszarką. BPA przyłącza się do cząsteczki łącznika PBSE.
6. Przygotować roztwór 1 mg/ml streptawidyny w roztworze PBS o pH 7,2 do wiązania streptawidyny.
7. W przypadku pomiarów statycznych należy inkubować matrycę w roztworze streptawidyny przez 20 minut, aby całkowicie funkcjonalizować biotynylowany SWNT. Dokładnie spłucz i wysusz matrycę. W celu wykrywania w czasie rzeczywistym należy najpierw wytłoczyć kanał przepływu PDMS (krok 6), a następnie przepuścić roztwór streptawidyny na tle o wysokiej sile jonowej w celu wiązania streptawidyny (ryc. 3).

Uwaga: Płuczemy matrycę, dozując wodę DI (~50 ml) na matrycę za pomocą butelki do wyciskania. Następnie przenosimy kostkę na inną szalkę Petriego zawierającą wodę demineralizowaną i przesuwamy kostkę przez 1 minutę. Powtarzamy te dwa kroki w sumie 8-10 razy.

5. Przygotowanie formy z polidimetylosiloksanu (PDMS) do komory płynów

1. Do pojemnika wagowego wlej 9 części wagowych monomeru PDMS i dodaj 1 część wagową utwardzacza i dokładnie wymieszaj.
2. Odgazować mieszaninę w eksykatorze przez 25 minut. Bąbelki uniosą się przez mieszaninę i odejdą.

Porada: Jeśli mieszanina zacznie się pienić, przewietrz komorę i pozwól jej się uspokoić na kilka sekund przed ponownym odgazowaniem.

3. Umieść nową płytkę krzemową na szalce Petriego. Wlej na nią odgazowaną mieszaninę PDMS, aby uzyskać warstwę PDMS 5 mm nad płytką.
4. Umieścić szalkę Petriego w piekarniku w temperaturze 70 °C na 1 godzinę.
5. Wyjmij szalkę Petriego i pozwól jej ostygnąć. Użyj skalpela, aby wyciąć prostokątny kawałek PDMS i wyciągnij go za pomocą pęsety.

Tip: Strona PDMS bezpośrednio stykająca się z płytką krzemową jest czysta i wyjątkowo płaska. Ta strona będzie w kontakcie z matrycą SWNT FET. Uważaj, aby go nie zanieczyścić.

6. Umieść prostokątną matrycę do góry nogami i wywierć w niej otwór za pomocą dziurkacza do biopsji (średnica 3 mm) od płaskiej strony do drugiej. Zapewnia to brak ostrych krawędzi po płaskiej stronie PDMS (Rysunek 4a).
7. Ostrożnie umieść komorę PDMS na górze urządzenia, wyrównując ją na powierzchni aktywnej wyprodukowanych matryc SWNT FET (Rysunek 4a, b). Postukaj w nią delikatnie, aby zabezpieczyć stempel na matrycy. Płaska strona łączy się z matrycą, zapewniając szczelną komorę.

Porada: Można to zrobić gołym okiem lub za pomocą mikroskopu optycznego z wystarczającą ilością miejsca do pracy. Jeśli PDMS nie przylega dobrze (zwykle jeśli matryca i/lub stempel PDMS nie są czyste), wykonaj plazmę tlenową (20 watów, 15 sekund) na PDMS, aby wspomóc wiązanie. Użycie mocy plazmy wyższej niż ta prowadzi do silniejszego wiązania, jednak w takim przypadku zaobserwowaliśmy rozerwanie elektrod podczas usuwania PDMS.

8. Usuń stempel PDMS po testach elektrycznych i przed kolejnym krokiem funkcjonalizacji chemicznej, zanurzając matrycę w wodzie DI i delikatnie podnosząc stempel.

6. Przygotowanie kanału przepływu mikroprzepływowego

1. Weź czystą płytkę silikonową i umieść ją na płycie grzejnej w temperaturze 200 °C na 5 minut, aby usunąć wilgoć.
2. Wirowanie SU-8 2015 przy 500 obr./min (prędkość narastania 100 obr./min) przez 5 sekund, a następnie 1,250 obr./min przez 30 sekund przy prędkości narastania 300 obr./min. Daje to warstwę SU-8 o grubości 30 μm na płytce krzemowej.
3. Wafelek pieczemy na miękko w temperaturze 95°C przez 5 minut.
4. Zaprojektuj fotomaskę (Rysunek 4c), aby zdefiniować wzór kanału przepływu o szerokości 300 μm na górze obszaru SWNT.

Porada: Aby uniknąć zawalenia się konstrukcji, wystarczy stosunek szerokości kanału do wysokości 10:1 (w tym przypadku 300 μm: 30 μm).

5. Za pomocą fotolitografii UV 365 nm zdefiniuj kanał przepływu z czasem naświetlania UV wynoszącym 0,9 sek.
6. Piecz matrycę w temperaturze 95 °C przez 5 minut.
7. Rozwijaj wzór w wywoływaczu SU-8 przez 5 minut, czemu towarzyszy delikatne potrząsanie.
8. Wafel opłucz w IPA i wysusz suszarką za pomocą pistoletu_N2.
9. Wykonaj kroki 5.1-5.2, aby przygotować mieszaninę PDMS.
10. Umieścić wafel z formą SU-8 w eksykatorze wraz z 2-3 kroplami środka silanizującego trichloro(3, 3, 3-trifluoropropylo)silan na szalce Petriego. Włącz pompę próżniową, pozwól wafli siedzieć w próżni przez 1 godzinę.
11. Odgazowaną mieszaninę PDMS wylać na wafel i podgrzewać w piekarniku w temperaturze 70 °C przez 1 godzinę.
12. Wytnij formę PDMS (negatyw SU-8) za pomocą skalpela.
13. Umieść stempel PDMS do góry nogami i za pomocą stempla do biopsji (średnica 0,75 mm) wywierc otwór na każdym końcu kanału przepływowego. Upewnij się, że wiercisz otwór od płaskiej strony (strona stykająca się z płytką silikonową) do drugiej, aby uniknąć ostrych krawędzi (Rysunek 4e).
14. Ostrożnie umieść komorę przepływową PDMS na górze urządzenia, wyrównując ją na powierzchni aktywnej wyprodukowanego matrycy SWNT FET pod mikroskopem. Postukaj w nią delikatnie, aby zabezpieczyć stempel na matrycy. Płaska strona łączy się z matrycą, zapewniając szczelną komorę. (Rysunek 4c i 4d)
15. Wsuń rurkę polietylenową do otworów i podłącz drugi koniec do źródła płynu i opróżnij strzykawkę (Rysunek 4e).
16. Podłączyć strzykawkę do systemu pompy strzykawkowej, aby utrzymać kontrolowany przepływ płynu przez kanał (Rysunek 6).

7. Konfiguracja pomiaru elektrycznego prądu stałego

1. Podłącz styki źródła i bramki SWNT FET do voltage porty karty DAQ.
2. Podłącz styk drenu do portu wejściowego karty DAQ za pomocą przedwzmacniacza prądowego.
3. Przyłóż 30 miliwoltów (mV) do styku źródła, przesuń napięcie bramki i zarejestruj prąd z odpływu (rysunek 5a).

Porada: Dla pomiarów w roztworze, utrzymuj parametr przemiatania napięcia bramki w granicach |0,7 wolta|, aby uniknąć wycieku i reakcji między metalową elektrodą bramki a roztworem.

8. Konfiguracja pomiaru elektrycznego prądu przemiennego

1. Podłącz sygnał Ref-out z lock-in amplifier do zewnętrznego portu sygnału modulacji w generatorze częstotliwości, aby skonfigurować wyjście częstotliwości modulowanej AM.
2. Podłącz styk źródła SWNT FET do portu wyjściowego RF modulowanego AM generatora częstotliwości i napięcia stałego z karty DAQ za pomocą trójnika polaryzacji (Rysunek 5b i 5c).
3. Podłącz styk bramki do portu napięcia karty DAQ.
4. Podłącz styk drenu do wzmacniacza blokującego, aby odczytać prąd przemienny przez nanorurkę. Odczyt amplitudy i fazy prądu przez porty wejściowe DAQ.
5. Utrzymuj napięcie prądu stałego źródła na poziomie 0 V i częstotliwość sygnału AM na poziomie 200 kiloherców (kHz).
6. Przemiataj napięcie bramki i zmierz prąd z odpływu.
7. Zwiększ częstotliwość i powtórz krok 8.6 dla przemiatania I_{mix-V g} z różnymi częstotliwościami.

9. Pomiary elektryczne w roztworze (brak przepływu)

1. Przygotować roztwory soli 1 mM NaCl, 10 mM NaCl i 100 mM NaCl, zaczynając od roztworu podstawowego 5M NaCl.
2. Weź urządzenie SWNT z kroku 3.13. Wykonaj kroki 4.1-4.5, aby uzyskać urządzenie do biotynylowania.
3. Wykonaj krok 5, aby umieścić komorę PDMS na górze urządzenia.
4. Napełnij komorę wodą DI za pomocą pipety.
5. Wykonaj krok 8, aby wykonać pomiary mieszania częstotliwości dla różnych częstotliwości.
6. Powtórzyć 9.4 dla trzech różnych roztworów soli: 1 mM NaCl, 10 mM NaCl i 100 mM NaCl.

Porada: Użyj pipety, aby pobrać poprzedni roztwór, a następnie kilkakrotnie przepłukać komorę nowym roztworem. Zawsze zmieniaj roztwory o niskim i wysokim stężeniu.

7. Usuń stempel PDMS, delikatnie podnosząc stempel pęsetą.
8. Dokładnie spłucz urządzenie wodą DI.
9. Przeprowadzić wiązanie streptawidyny, jak wyjaśniono w 4.6-4.7.
10. Powtórz kroki 9.3-9.6.

10. Pomiar elektryczny w roztworze (przepływ w czasie rzeczywistym)

1. Przygotować 100 mM roztwór soli NaCl, zaczynając od 5 M roztworu podstawowego NaCl.
2. Weź urządzenie SWNT z kroku 3.13. Wykonaj kroki 4.1-4.5, aby uzyskać urządzenie do biotynylowania.
3. Umieść kanał przepływu mikroprzepływowego na urządzeniu, postępując zgodnie z krokiem 6. Podłączyć pustą strzykawkę do jednego końca kanału mikroprzepływowego, aby działała w trybie pobierania. Na drugim końcu podłącz strzykawkę z roztworem tła 100 mM NaCl.
4. Skonfiguruj pomiar elektryczny zgodnie z opisem w kroku 8. Ustal częstotliwość (f = 10 MHz) i napięcie bramki polaryzacja (V = 0).
5. Uruchomić pompę strzykawkową w trybie pobierania (natężenie przepływu = 0,4 ml ^godzina-1) i monitorować aktualny sygnał w czasie. Zmień roztwór na 1 mg/ml streptawidyny w 100 mM NaCl i monitoruj zmianę sygnału pod kątem wiązania streptawidyny z biotyną (ryc. 6).

Obraz tranzystora SWNT z zawieszoną górną bramką ze skaningowego mikroskopu elektronowego jest pokazany na rysunku 7a. Wymiary bramy mają kluczowe znaczenie dla zawieszenia25. Obecne wymiary konstrukcyjne to (długość x szerokość x grubość = 25 μm x 1 μm x 100 nm). Elektroda bramkowa składa się z 50 nm Cr/50 nm Au; Gruba warstwa chromu zwiększa wytrzymałość zawieszonej konstrukcji. O podwieszeniu konstrukcji świadczy brak prądu upływowego między górną bramą a odpływem (rysunek 7b).

Używamy systemu ligand-receptor biotyna-streptawidyna do oceny naszego czujnika SWNT. Aby scharakteryzować powodzenie funkcjonalizacji ścian bocznych, monitorujemy krzywe przenoszenia prądu stałego FET w powietrzu po każdym etapie funkcjonalizacji. Rysunek 7c ilustruje, że krzywa przenoszenia przesuwa się w prawo po biotynylacji (kolor czerwony) i związaniu streptawidyny (kolor niebieski). Można to przypisać bramkowaniu elektrostatycznemu przez elektroujemne grupy aminowe obecne na biotynie, PEO-aminie i streptawidynie.

Dla pomiarów o wysokiej częstotliwości, postępujemy zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 5b. Nieliniowa charakterystyka I-V tranzystora SWNT miesza wejścia wysokiej częstotliwości w źródle i bramce, aby uzyskać wyjście prądu mieszającego,mieszam, który jest naszym sygnałem czujnikowym. Rysunek 7d przedstawiamieszankę I mierzoną w funkcji napięcia bramki dla typowego urządzenia w 100 mM NaCl. Prąd mieszania dla wejścia modulowanego AM przy częstotliwości modulacji, ωm, jest określony przez10-11

, gdzie m oznacza głębokość modulacji, vac oznacza amplitudę wejściową AM, a ∂G/∂Vg oznacza transkonduktancję urządzenia (nachylenie krzywej Idc-V g na rysunku 7d). Wyniki prądu mieszania (m = 0,78 i vac = 20 mV) dobrze zgadzają się z modelem, jak pokazano na rysunku. W przypadku statycznych pomiarów fluidycznych porównujemy szczyt takich przemiatania prądu mieszania dla funkcjonalizowanych nanorurek. W przypadku pomiarów przepływu ustalamy częstotliwość nośną sygnału modulowanego AM i ustalamy napięcie bramki (Vg = 0) oraz monitorujemymieszankę I pod kątem wiązania biomolekularnego w funkcji czasu, utrzymując stały przepływ płynu. Rysunek 7e-7f przedstawia reprezentatywne wyniki zarówno dla pomiarów statycznych, jak i przepływowych.

Do detekcji biomolekularnej konieczne jest, aby CNT był wystawiony bezpośrednio na działanie roztworu, tzn. SiO2 jest całkowicie wytrawiany podczas etapu wytrawiania BHF. Jeśli ten warunek nie jest spełniony, chemiczna modyfikacja CNT nie jest możliwa, ponieważ cząsteczka łącznika nie może układać się wzdłuż ściany bocznej nanorurki. Jest to wyraźnie zilustrowane na rysunku 7g, gdzie nie widzimy żadnych zmian przed i po związaniu, nawet w wodzie DI dla urządzenia pasywowanego SiO2. Dowodzi to również, że wyniki naszych pomiarów wskazują na udaną modyfikację chemiczną, a także detekcję biomolekularną w wysokich stężeniach jonów tła. We wszystkich pomiarach zaobserwowaliśmy, że odpowiedź czujnika spada powyżej 30 MHz, co jest spowodowane rezonansem z konfiguracji.

Rysunek 1. Przebieg procesu produkcji tranzystorów nanorurkowych. (a) Proces produkcyjny - (1) Warstwa fotomaski-1 (PL-1) do osadzania katalizatora, (2) unoszenie metalu, (3) wzrost CNT, (4) PL-2 do kontaktu źródło-dren, (5) metalowe liftoff, (6) osadzanie koca SiO2, (7) PL-3 do styku bramy, (8) metalowe liftoff, (9) cienkie osadzanie SiO2, (10) PL-4 do mokrego kanału trawienia BHF i (11) urządzenie końcowe po usunięciu fotorezystu. Kolorystyka jest zilustrowana. (b) Schemat budowy urządzenia.

Rysunek 2. Wzrost nanorurek węglowych. (a) Etap wyżarzania w celu usunięcia pozostałości fotorezystu, (b) etap wzrostu dla wzrostu CNT i (c) umieszczenie urządzenia w piecu wzrostowym.

Rysunek 3. Schemat blokowy chemicznej funkcjonalizacji CNT.

Rysunek 4. Pieczęć PDMS do pomiarów roztworu. lit. a)-b) Pomiary statyczne (brak przepływu). (a) Wykrawanie i montaż komory PMDS na urządzeniu, (b) Schemat ideowy komory przepływowej na urządzeniu. lit. c)-e) Pomiary przepływu. (c) Przebieg procesu dla kanału przepływowego PDMS przy użyciu formy SU-8. (1) Fotomaska do definiowania kanału przepływu, (2) usieciowana forma SU-8, (3) PDMS na SU-8 i (4) kanał przepływu PDMS wybity na urządzeniu. (d) Schemat ideowy kanału przepływowego na urządzeniu oraz (e) Wykrawanie otworów wlotowych/wylotowych w PDMS, tłoczenie kanału przepływowego na urządzeniu i podłączanie przewodów polietylenowych do portów wlotowych/wylotowych.

Rysunek 5. Konfiguracja pomiaru elektrycznego. (a) Schemat pomiaru prądu DC, (b) Schemat pomiaru prądu mieszania prądu przemiennego oraz (c) obraz zestawu doświadczalnego do pomiaru mieszania częstotliwości modulowanej AM. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Rysunek 6. Konfiguracja pomiaru przepływu. a) Obraz całego układu pomiarowego; b) pompa strzykawkowa i stacja sondy; oraz (c) obraz urządzenia z kanałem przepływowym PDMS, rurkami przepływowymi wlotowymi/wylotowymi i sondami elektrycznymi.

Rysunek 7. Reprezentatywne wyniki dla biosensora SWNT. (a) obraz SEM typowego zawieszonego urządzenia z górną bramką, (b) nieszczelność drenu bramki w celu potwierdzenia zawieszonej struktury, (c) krzywa Idc-V g dla nieskazitelnie czystych nanorurek FET (), po biotynylacji (czerwona) i po związaniu streptawidyny (niebieska) mierzona w powietrzu, (d) prąd stały, Idc (, Vsd = 10 mV) i prąd mieszający, mieszam (czerwony, modulacja f = 200 kHz) w funkcji Vg dla urządzenia w 100 mM roztworze NaCl. Dla porównania pokazano równieżteoretyczną mieszaninę I otrzymaną za pomocą modelu z równania (1) (▲). e) Mieszam krzyweV g dla biotynylowanego (czarnego) i związanego ze streptawidyną i biotyną (czerwonego) SWNT w 100 mM NaCl przy f = 10 MHz, (f) pomiar przepływu w czasie rzeczywistym w celu wykrycia wiązania streptawidyny w 100 mM NaCl oraz (g) zmiana sygnału po związaniu w całkowicie pasywowanym urządzeniu kontrolnym w wodzie DI o różnych częstotliwościach. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.