Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

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

17.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50438

⸱

22 lipca 2013

 , 
1Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan - Ann Arbor

W tym artykule

Podsumowanie

Opisujemy protokół produkcji i pomiaru urządzeń dla biosensorów wysokiej częstotliwości opartych na nanorurkach węglowych. Technika wykrywania wysokiej częstotliwości łagodzi podstawowy efekt ekranowania jonowego (Debye) i umożliwia pracę biosensora z nanorurkami w roztworach o wysokiej sile jonowej, w których zawodzą konwencjonalne bioczujniki elektroniczne. Nasza technologia stanowi unikalną platformę dla elektronicznych bioczujników przyłóżkowych (POC) działających w warunkach fizjologicznie istotnych.

Streszczenie

Unikalne właściwości elektroniczne i wysoki stosunek powierzchni do objętości jednościennych nanorurek węglowych (SWNT) i nanodrutów półprzewodnikowych (NW) 1-4 sprawiają, że są one dobrymi kandydatami na biosensory o wysokiej czułości. Kiedy naładowana cząsteczka wiąże się z taką powierzchnią czujnika, zmienia gęstość nośnika5 w czujniku, powodując zmiany w jego przewodności prądu stałego. Jednak w roztworze jonowym naładowana powierzchnia przyciąga również przeciwjony z roztworu, tworząc podwójną warstwę elektryczną (EDL). Ten EDL skutecznie odsiewa ładunek, a w fizjologicznie istotnych warunkach ~100 milimolowych (mM), charakterystyczna długość ekranu ładunku (długość Debye'a) jest mniejsza niż nanometr (nm). Tak więc w roztworach o wysokiej sile jonowej wykrywanie oparte na ładunku (DC) jest zasadniczo utrudnione6-8.

Przezwyciężamy efekty ekranowania ładunków, wykrywając dipole molekularne, a nie ładunki o wysokiej częstotliwości, używając tranzystorów z efektem pola nanorurek węglowych jako mikserów wysokiej częstotliwości9-11. Przy wysokich częstotliwościach siła napędowa prądu przemiennego nie jest już w stanie pokonać oporu roztworu, a jony w roztworze nie mają wystarczająco dużo czasu, aby utworzyć EDL. Co więcej, technika mieszania częstotliwości pozwala nam działać na częstotliwościach wystarczająco wysokich, aby przezwyciężyć ekranowanie jonowe, a jednocześnie wykrywać sygnały detekcji na niższych częstotliwościach11-12. Ponadto wysoka transkonduktancja tranzystorów SWNT zapewnia wewnętrzne wzmocnienie sygnału detekcji, co eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznego wzmacniacza sygnału.

Tutaj opisujemy protokół (a) produkcji tranzystorów SWNT, (b) funkcjonalizacji biomolekuł do nanorurki13, (c) zaprojektowania i naniesienia na urządzenie komory mikroprzepływowej z poli-dimetylosiloksanu (PDMS)14, oraz (d) przeprowadzenia wykrywania wysokiej częstotliwości w różnych roztworach siły jonowej11.

Wprowadzenie

Gdy naelektryzowana cząsteczka wiąże się z elektronicznym czujnikiem opartym na SWNT lub NW, może ona oddać/przyjąć elektrony lub działać jako lokalna bramka elektrostatyczna. W obu przypadkach związana cząsteczka może zmienić gęstość ładunku w kanale SWNT lub NW, co prowadzi do zmiany zmierzonej przewodności DC czujnika. Dzięki badaniu charakterystyk DC nanoczujników podczas takich zdarzeń wiązania udało się skutecznie wykryć szeroką gamę cząsteczek15-20. Mimo że mechanizm detekcji oparty na wykrywaniu ładunku posiada wiele zalet, w tym detekcję bez znakowania21, czułość rzędu femtomola22 oraz możliwość elektronicznego odczytu15, jest on skuteczny jedynie w roztworach o niskiej sile jonowej. W roztworach o wysokiej sile jonowej detekcja DC jest utrudniona przez ekranowanie jonowe6-8. Naelektryzowana powierzchnia przyciąga przeciwjony z roztworu, co tworzy warstwę podwójną (EDL) w pobliżu powierzchni. EDL skutecznie ekranuje te ładunki. Wraz ze wzrostem siły jonowej roztworu warstwa EDL staje się węższa, a ekranowanie wzrasta. Efekt ekranowania ten jest charakteryzowany przez długość ekranowania Debye'a λD,

Wzór na długość Debye'a, λ_D, równanie; elektrostatyka, stała dielektryczna, temperatura, ładunek.
, gdzie ε to przenikalność dielektryczna ośrodka, kB to stała Boltzmanna, T to temperatura, q to ładunek elektronu, a c to siła jonowa roztworu elektrolitu. Dla typowego roztworu buforowego 100 mM, λD wynosi około 1 nm, a potencjał powierzchniowy zostanie całkowicie ekranowany w odległości kilku nm. W rezultacie większość nanoelektronicznych czujników opartych na SWNT lub NW działa albo w stanie suchym20, albo w roztworach o niskiej sile jonowej5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM - 10 mM); w przeciwnym razie próbka musi zostać poddana etapom odsalania15,23. Urządzenia diagnostyczne typu point-of-care muszą działać w fizjologicznie istotnych siłach jonowych w miejscu pobrania próbki od pacjenta, przy ograniczonej możliwości przetwarzania próbek. Dlatego złagodzenie efektu ekranowania jonowego jest kluczowe dla opracowania i wdrożenia nanoelektronicznych biosensorów POC.

Łagodzimy efekt ekranowania jonowego poprzez pracę nanoelektronicznego czujnika opartego na SWNT w zakresie częstotliwości megahertzowych. Przedstawiony tutaj protokół szczegółowo opisuje wykonanie nanoelektronicznej platformy sensorowej opartej na tranzystorze SWNT oraz pomiar mieszania wysokiej częstotliwości w celu detekcji biomolekularnej. Jednościanne nanorurki węglowe są hodowane metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej na podłożach z naniesionymi katalizatorami Fe24. W naszych tranzystorach SWNT zastosowaliśmy zawieszoną bramkę górną25 umieszczoną 500 nm nad nanorurką, co pomaga zwiększyć odpowiedź czujnika przy wysokich częstotliwościach i pozwala również na zastosowanie kompaktowej komory mikrofluidycznej do uszczelnienia urządzenia. Tranzystory SWNT pracują jako mieszacze wysokiej częstotliwości9-11, aby przezwyciężyć tło efektów ekranowania jonowego. Przy wysokich częstotliwościach ruchome jony w roztworze nie mają wystarczająco dużo czasu, aby utworzyć EDL, a fluktuujące dipole biomolekularne nadal mogą sterować bramką SWNT, generując prąd mieszania, który stanowi nasz sygnał detekcyjny. Mieszanie częstotliwości wynika z nieliniowej charakterystyki I-V tranzystora polowego FET z nanorurką. Nasza technika detekcji różni się od konwencjonalnych technik detekcji opartej na ładunku oraz spektroskopii impedancyjnej26-27. Po pierwsze, wykrywamy dipole biomolekularne przy wysokiej częstotliwości, a nie powiązane z nimi ładunki. Po drugie, wysoka transkonduktancja tranzystora SWNT zapewnia wewnętrze wzmocnienie sygnału sensorowego. Eliminuje to potrzebę zewnętrznego wzmacniania, co ma miejsce w przypadku pomiarów impedancji wysokiej częstotliwości. Niedawno inne grupy zajęły się również detekcją biomolekularną w wysokich stężeniach tła23,28. Jednak metody te są bardziej skomplikowane i wymagają złożonej fabrykacji lub precyzyjnej inżynierii chemicznej cząsteczek receptorowych. Nasz czujnik SWNT wysokiej częstotliwości opiera się na prostszej konstrukcji i wykorzystuje immanentną właściwość mieszania częstotliwości tranzystora nanorurkowego. Jesteśmy w stanie złagodzić efekty ekranowania jonowego, co zapowiada nową platformę biosensoryczną do detekcji w czasie rzeczywistym w punkcie opieki (point-of-care), gdzie pożądane są biosensory funkcjonujące bezpośrednio w warunkach fizjologicznie istotnych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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.

  1. Rozwijaj wafel w wywoływaczu przez 70 sekund, delikatnie potrząsając waflem przez cały proces.
  2. Opłucz wafel wodą DI przez 2 minuty, a następnie wysusz suszarką za pomocą pistoletu do azotu (N2).
  3. Załaduj wynalezioną płytkę do komory parownika z wiązką elektroniczną i nałóż 0,5 nm żelaza (Fe) pod ciśnieniem w komorze 10-6 torr.
  4. Wafel pokroić w mniejsze wykrojniki o wymiarach 1,5 cm x 1,5 cm.
  5. 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).

  1. Wyżarzać podłoże w powietrzu w temperaturze 880 °C przez jedną godzinę w celu usunięcia pozostałości fotorezystu (rysunek 2a). Pozostawić do ostygnięcia.
  2. Oczyszczać komorę argonem przez 5 minut przy 3 SLM (standardowy litr na minutę).
  3. Zwiększ temperaturę pieca do 800 °C w środku rury, utrzymując przepływ 1 SLM argonu (rysunek 2b).
  4. Przepływaj 0,2 SLM wodoru przez 5 minut, aby zredukować cząstki katalizatora, tj. przekształcić tlenek żelaza w żelazo.
  5. 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).
  6. 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.

  1. Wykonaj kroki 1.2 -1.6, aby zdefiniować obszar osadzania metalu dla kontaktów.
  2. Depozyt Ti/Au 0,5 nm/50 nm dla styków źródło odpływ w komorze parownika z wiązką elektroniczną przy 10-6 torach.
  3. 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.
  4. Wykonaj osadzanie kocowe wiązki e 500 nm odparowanej wiązki e2 dla dielektryka bramki przy 10-6 torach.
  5. Zaprojektuj fotomaskę (rysunek 1) do definiowania elektrody bramkowej.
  6. Wykonaj kroki 1.2-1.6, aby zdefiniować obszar osadzania metalu bramki.
  7. 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.

  1. Pokryj cienką warstwę (20 nm) SiO2 do pasywacji elektrody górnej.
  2. 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.
  3. Wykonaj kroki 1.2-1.6, aby utworzyć wzór PR, aby otworzyć rów do mokrego wytrawiania SiO2.
  4. 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.

  1. 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.

  1. Umieść nową płytkę krzemową na szalce Petriego. Wlej na nią odgazowaną mieszaninę PDMS, aby uzyskać warstwę PDMS 5 mm nad płytką.
  2. Umieścić szalkę Petriego w piekarniku w temperaturze 70 °C na 1 godzinę.
  3. 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.

  1. 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).
  2. 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.

  1. 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).

  1. Za pomocą fotolitografii UV 365 nm zdefiniuj kanał przepływu z czasem naświetlania UV wynoszącym 0,9 sek.
  2. Piecz matrycę w temperaturze 95 °C przez 5 minut.
  3. Rozwijaj wzór w wywoływaczu SU-8 przez 5 minut, czemu towarzyszy delikatne potrząsanie.
  4. Wafel opłucz w IPA i wysusz suszarką za pomocą pistoletuN2.
  5. Wykonaj kroki 5.1-5.2, aby przygotować mieszaninę PDMS.
  6. 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.
  7. Odgazowaną mieszaninę PDMS wylać na wafel i podgrzewać w piekarniku w temperaturze 70 °C przez 1 godzinę.
  8. Wytnij formę PDMS (negatyw SU-8) za pomocą skalpela.
  9. 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).
  10. 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)
  11. Wsuń rurkę polietylenową do otworów i podłącz drugi koniec do źródła płynu i opróżnij strzykawkę (Rysunek 4e).
  12. 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 Imix-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.

  1. Usuń stempel PDMS, delikatnie podnosząc stempel pęsetą.
  2. Dokładnie spłucz urządzenie wodą DI.
  3. Przeprowadzić wiązanie streptawidyny, jak wyjaśniono w 4.6-4.7.
  4. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego tranzystora SWNT z zawieszoną bramką górną przedstawiono na Rysunku 7a. Wymiary bramki mają kluczowe znaczenie dla zawieszenia25. Obecne wymiary konstrukcyjne wynoszą (długość x szerokość x grubość = 25 μm x 1 μm x 100 nm). Elektroda bramki składa się z 50 nm Cr/50 nm Au; gruba warstwa chromu zwiększa wytrzymałość zawieszonej struktury. Zawieszenie struktury potwierdzono brakiem prądu upływu pomiędzy bramką górną a drenem (Rysunek 7b

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Wzrost nanorurek węglowych zależy nie tylko od warunków panujących w piecu, ale także od czystości podłoża. Optymalne natężenie przepływu gazu, temperatura i ciśnienie dla wzrostu muszą być starannie skalibrowane, a po ustaleniu są mniej więcej stabilne. Nawet przy spełnieniu tych warunków stwierdziliśmy, że wzrost zależy od wzorzystej powierzchni katalizatora, ilości katalizatora i czystości podłoża. W związku z tym uwzględniliśmy wiele rozmiarów wgłębień katalizatora, aby uwzględnić zmienność wzrostu. Godzinny etap wyż...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

Dziękujemy prof. Paulowi McEuenowi z Cornell University za wczesną dyskusję. Prace są wspierane przez fundusz start-up zapewniony przez University of Michigan i National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Program (DMR-1120187). W pracy wykorzystano Lurie Nanofabrication Facility na Uniwersytecie Michigan, członka Narodowej Sieci Infrastruktury Nanotechnologicznej finansowanej przez National Science Foundation.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AGENT
Odczynniki, które zostały dostarczone w Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) są oznaczone jako LNF w kolumnie katalogu. Chemikalia, które wymagają wyposażenia ochronnego (rękawice, okulary ochronne, maska na twarz, fartuch) i/lub wyciąg spalinowy, są oznaczone środkami ochrony osobistej w sekcji komentarzy.
Płytki krzemowe (typ P, < 100>, 500-550 μ m gruby)Silicon Valley Microelectronics
SPR 220 3.0Dow (Rohm and Haas)Megaposit SPRPPE
AZ 300MIFAZ Electronic Material CorporationPPE
AcetonJ T Baker9005-05PPE
Izopropanol (IPA)J T Baker9079-05
Buforowany kwas fluorowodorowyTransenPPE
Kwas 1-pirenowo-butanowy, ester sukcynimidyluSondy molekularneP130PPE
Biotyna PEO AmineThermo ScientificEZ-Link PEG2 Biotyna, # 21346PPE
StreptawidynaInvitrogenS 888PPE
DimetyloformamidMP Biomedicals0219514791PPE
Polidimetylosiloksan Baza elastomerowa i utwardzaczDow CorningSylgard 184 Zestaw elastomerówPPE
SU-8 2015MicrochemY111064PPE
SU-8 DeveloperMicrochemY020100PPE
Środek silanizującySigmaAldrich 452807PPE
Czystość wodoruPlusLNF
Czystość etylenuPlusLNF
ArgonPurity PlusLNF
Sigma AldrichPBS1
EQUIPMENT
Sprzęt dostarczony przez Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) jest oznaczony jako LNF w kolumnie Katalog.
GCA 200 AutostepperGCALNF
Niskociśnieniowe narzędzie do chemicznego osadzania z fazy gazowejTempressLNF
Parownik e-beamEnerjetLNF
Piec wzrostowy CNTPierwszy NanoEasy Tube 3000 (LNF)Fotomaski
Nanofilm LNF
szalka Petriego (150mm)LNF
EksykatorBel-ArtF420100000
Dziurkacz do biopsjiTed Pella15071/78
SkalpelTed Pella548
Rurka polietylenowa PE-50VWR20903-414
Pompa strzykawkowaNew Era Systemy pompNE-1000
StrzykawkaFisher ScientificBD Safety-Lok Strzykawki
Igły strzykawkoweFisher Scientific14-821-13A
Karta DAQNational Instruments779111-01
Złącze GPIBNational Instruments778032-51
Wzmacniacz blokującyGenerator częstotliwości Stanford Research SystemsSR 830
HP Agilent8648B, 9kHz -2GHz
Bias TeePicosecond5575A-104
Przedwzmacniacz prądowyDL Instruments, LLCDL 1211
BNCAllied Electronics665-xxxx
SMASentro Tech CorpSCF65141
System soli fizjologicznej buforu fosforanowego

Bibliografia

  1. Dekker, C. Carbon nanotubes as molecular quantum wires. Phys. Today. 52, 22-28 (1999).
  2. McEuen, P. L., Fuhrer, M. S., Park, H. K. Single-walled carbon nanotube electronics. IEEE Transactions on Nanotechnology. 1, 78-85 (2002).
  3. Duan, X. F., Huang, Y., Cui, Y., Wang, J. F., Lieber, C. M. Indium phosphide nanowires as building blocks for nanoscale electronic and optoelectronic devices. Nature. 409, 66-69 (2001).
  4. Cui, Y., Zhong, Z. H., Wang, D. L., Wang, W. U., Lieber, C. M. High performance silicon nanowire field effect transistors. Nano Letters. 3, 149-152 (2003).
  5. Heller, I., Janssens, A. M., et al. Identifying the mechanism of biosensing with carbon nanotube transistors. Nano Letters. 8, 591-595 (2008).
  6. Stern, E., Wagner, R., et al. Importance of the debye screening length on nanowire field effect transistor sensors. Nano Letters. 7, 3405-3409 (2007).
  7. Zhang, G. J., Zhang, G., et al. DNA sensing by silicon nanowire: Charge layer distance dependence. Nano Letters. 8, 1066-1070 (2008).
  8. Sorgenfrei, S., Chiu, C. -y, Johnston, M., Nuckolls, C., Shepard, K. L. Debye Screening in Single-Molecule Carbon Nanotube Field-Effect Sensors. Nano Letters. 11, 3739-3743 (2011).
  9. Appenzeller, J., Frank, D. J. Frequency dependent characterization of transport properties in carbon nanotube transistors. Applied Physics Letters. 84, 1771-1773 (2004).
  10. Rosenblatt, S., Lin, H., Sazonova, V., Tiwari, S., McEuen, P. L. Mixing at 50 GHz using a single-walled carbon nanotube transistor. Applied Physics Letters. 87, (2005).
  11. Kulkarni, G. S., Zhong, Z. H. Detection beyond the Debye Screening Length in a High-Frequency Nanoelectronic Biosensor. Nano Letters. 12, 719-723 (2012).
  12. Sazonova, V. A Tunable Carbon Nanotube Resonator. , Cornell University. (2006).
  13. Chen, R. J., Zhang, Y. G., Wang, D. W., Dai, H. J. Noncovalent sidewall functionalization of single-walled carbon nanotubes for protein immobilization. Journal of the American Chemical Society. 123, 3838-3839 (2001).
  14. Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane. Analytical Chemistry. 70, 4974-4984 (1998).
  15. Zheng, G. F., Patolsky, F., Cui, Y., Wang, W. U., Lieber, C. M. Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nature Biotechnology. 23, 1294-1301 (2005).
  16. Star, A., Han, T. R., Gabriel, J. C. P., Bradley, K., Gruner, G. Interaction of aromatic compounds with carbon nanotubes: Correlation to the Hammett parameter of the substituent and measured carbon nanotube FET response. Nano Letters. 3, 1421-1423 (2003).
  17. Besteman, K., Lee, J. O., Wiertz, F. G. M., Heering, H. A., Dekker, C. Enzyme-coated carbon nanotubes as single-molecule biosensors. Nano Letters. 3, 727-730 (2003).
  18. Snow, E. S., Perkins, F. K., Houser, E. J., Badescu, S. C., Reinecke, T. L. Chemical detection with a single-walled carbon nanotube capacitor. Science. 307, 1942-1945 (2005).
  19. Kong, J., Franklin, N. R., et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors. Science. 287, 622-625 (2000).
  20. Star, A., Tu, E., et al. Label-free detection of DNA hybridization using carbon nanotube network field-effect transistors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103, 921-926 (2006).
  21. Patolsky, F., Zheng, G. F., Lieber, C. M. Nanowire-based biosensors. Analytical Chemistry. 78, 4260-4269 (2006).
  22. Stern, E., Klemic, J. F., et al. Label-free immunodetection with CMOS-compatible semiconducting nanowires. Nature. 445, 519-522 (2007).
  23. Krivitsky, V., Hsiung, L. -C., et al. Nanowires Forest-Based On-Chip Biomolecular Filtering, Separation and Preconcentration Devices: Nanowires Do it All. Nano Letters. 12, 4748-4756 (2012).
  24. Kong, J., Soh, H. T., Cassell, A. M., Quate, C. F., Dai, H. J. Synthesis of individual single-walled carbon nanotubes on patterned silicon wafers. Nature. 395, 878-881 (1998).
  25. Liu, G., Velasco, J., Bao, W. Z., Lau, C. N. Fabrication of graphene p-n-p junctions with contactless top gates. Applied Physics Letters. 92, (2008).
  26. Katz, E., Willner, I. Probing biomolecular interactions at conductive and semiconductive surfaces by impedance spectroscopy: Routes to impedimetric immunosensors, DNA-Sensors, and enzyme biosensors. Electroanalysis. 15, 913-947 (2003).
  27. K'Owino, I. O., Sadik, O. A. Impedance spectroscopy: A powerful tool for rapid biomolecular screening and cell culture monitoring. Electroanalysis. 17, 2101-2113 (2005).
  28. Elnathan, R., Kwiat, M., et al. Biorecognition Layer Engineering: Overcoming Screening Limitations of Nanowire-Based FET Devices. Nano Letters. 12, 5245-5254 (2012).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Biosensor oparty na nanorurkach w glowychdetekcja wysokocz stotliwo ciowatranzystor polowynanorurka jedno ciennamikrofluidyczny kana przep ywowytechnika mieszania cz stotliwo ciwi zanie streptawidyna biotynafunkcjonalizacja powierzchnipomiar elektryczny pr du przemiennego
Wytwarzanie nanoelektronicznego biosensora wysokiej częstotliwości z nanorurek węglowych do wykrywania w roztworach o wysokiej sile jonowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.