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

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zademonstrowanie nowej nanoelektrycznej platformy detekcyjnej do wykrywania biomolekularnego w miejscu opieki nad pacjentem w roztworach o wysokiej sile jonowej. Osiąga się to poprzez działanie jednościennych tranzystorów polowych z nanorurek węglowych o wysokiej częstotliwości w celu złagodzenia efektu ekranowania jonowego. Po pierwsze, tranzystory nanorurkowe są wytwarzane i funkcjonalizowane za pomocą cząsteczek receptorowych.

W drugim etapie urządzenia są otoczone mikroprzepływowym kanałem przepływowym, który umożliwia wstrzykiwanie roztworów próbek biomolekuł w celu wykrywania w czasie rzeczywistym. Następnie jednościenne tranzystory paliwowe z nanorurkami węglowymi są eksploatowane jako mieszalniki wysokiej częstotliwości. Aby przezwyciężyć efekt ekranowania jonowego przy wysokiej częstotliwości jazdy, jony i roztwory nie mogą już skutecznie ekranować czujnika nanorurek, co pozwala na wykrywanie oscylujących momentów dipolowych biomolekuł związanych z powierzchnią.

Wyniki wskazują na wykrycie wiązania paciorkowca i biotyny w 100-milimolowym roztworze tła w oparciu o monitorowanie zmian prądu mieszania przy częstotliwości sterowania 10 megahercami. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak detekcja prądu stałego, jest to, że przezwycięża ona efekt ekranowania urządzenia, który zasadniczo utrudnia wykrywanie prądu podczas w roztworach o wysokiej sile jonowej. W przeciwieństwie do tradycyjnych czujników opartych na wykrywaniu ładunku, nasza metoda wykrywa momenty dipolowe biomolekuł, badając odpowiedź wysokoczęstotliwościową tranzystorów nanorurkowych.

Najpierw umieść maskę fotograficzną z prostokątnymi wgłębieniami na katalizator na silikonowej płytce pokrytej fotorezystem i wystaw ją na działanie promieniowania UV I o natężeniu 300 milidżuli na centymetr kwadratowy przez 0,3 sekundy. Załaduj wynalezioną płytkę do komory parowania wiązką elektronów i umieść 0,5 nanometra żelaza pod ciśnieniem w komorze od 10 do minus sześć torów. Po pocięciu płytki krzemowej pokrytej katalizatorem z komory na mniejsze barwniki, umieść je na łodzi kwarcowej i załaduj łódź do pieca wzrostowego CVD Zaprogramuj piec tak, aby rozpędził piec do 800 stopni Celsjusza w środku rury, utrzymując przepływ jednego SLM argonu.

Przepływaj 0,2 SLM wodoru przez pięć minut, aby zredukować cząstki katalizatora i przekształcić tlenek żelaza w żelazo. Następnie wprowadza się 5,5 SCCM etylenu na 35 minut, aby wyhodować S wts. Przepływ wodoru na poziomie 0,2 SLM jest utrzymywany przez cały proces.

Po schłodzeniu do temperatury pokojowej przy niewielkim przepływie argonu usuń barwnik z pieca. Po zdefiniowaniu obszaru osadzania metalu dla styków, umieść barwnik w komorze parowania, a następnie osadź 0,5 nanometra tytanu i 50 nanometrów złota jako źródło i odprowadź metale kontaktowe w komorze parowania wiązką elektronów przy tendencji do ujemnych sześciu torów. Po zakończeniu namocz barwnik i aceton przez noc, aby uzyskać metalowy liftoff.

Następnie zanurz izopropanol na 10 minut i wysusz go azotem. Następnie umieść barwnik z powrotem w komorze parowania i umieść 500 nanometrów odparowanego dwutlenku krzemu wiązką elektronów przy 10 do ujemnych sześciu torów odparowania, 50 nanometrach chromu i 50 nanometrach złota jako elektrodę górnej bramki w parowniku wiązki elektronów. Po ułożeniu mokrego rezystu fotograficznego wytrawiono odparowany dwutlenek krzemu za pomocą buforowanego roztworu kwasu fluorowodorowego od jednego do 20 przez trzy minuty i 30 sekund.

Teraz przygotuj roztwór sześciomilimolowego PBSE w dimetyloformamidzie, inkubuj S-W-N-T-F-E-T-D w roztworze cząsteczki łącznika PBSE przez godzinę w temperaturze pokojowej. Następnie przygotuj 20 miligramów na mililitr roztworu aminy. Przymocuj dwie biotyny do wody dejonizowanej.

Inkubuj barwnik w tym roztworze przez 18 godzin. Następnie dokładnie spłucz barwnik w wodzie dejonizowanej. Powtórz płukanie od ośmiu do 10 razy, a następnie wysusz suszarką.

Umieść nową płytkę krzemową na szalce Petriego i wlej mieszaninę PDMS DGA do naczynia, aż mieszanina znajdzie się pięć milimetrów nad płytką. Następnie umieść szalkę Petriego w piekarniku w temperaturze 70 stopni Celsjusza na godzinę. Wyjmij szalkę Petriego z piekarnika i pozwól wafli ostygnąć do temperatury pokojowej.

Użyj skalpela, aby wyciąć prostokątny kawałek PDMS i wyciągnij go za pomocą pęsety. Następnie umieść prostokątny barwnik do góry nogami i przebij otwór przez płaską stronę za pomocą trzymilimetrowego dziurkacza do biopsji. Po umieszczeniu barwnika pod mikroskopem, ostrożnie umieść komorę PDMS na barwniku, wyrównując ją na powierzchni aktywnej wytworzonych urządzeń S-W-N-T-F-E-T.

Umieść wafel krzemowy z foremką SU ósemkę na szalce Petriego i dodaj dwie do trzech kropli tri Chloro. 3 3 3 tri fluoro propylu soli fizjologicznej. Umieścić szalkę Petriego w komorze próżniowej na godzinę po wyjęciu szalki Petriego z próżni.

Mieszaninę DGAs PDMS wylać na wafel i podgrzewać w piekarniku w temperaturze 70 stopni Celsjusza przez godzinę. Po zakończeniu wyjmij szalkę Petriego z piekarnika i pozwól wafli ostygnąć do temperatury pokojowej. Po wycięciu prostokątnego stempla PDMS umieść go do góry nogami i wybij otwór na każdym końcu kanału przepływowego za pomocą stempla do biopsji o średnicy 0,75 milimetra.

Po umieszczeniu barwnika pod mikroskopem, ostrożnie umieść komorę przepływową PDMS na wierzchu barwnika, wyrównując ją na powierzchni aktywnej wytworzonych urządzeń S-W-N-T-F-E-T. Następnie wepchnij rurkę polietylenową do każdego otworu i podłącz jedną rurkę do cylindra strzykawki ze źródłem płynu, a drugą rurkę do strzykawki drenującej. Podłączyć strzykawkę do pompy strzykawkowej, aby utrzymać kontrolowany przepływ płynu przez kanał.

Aby skonfigurować wyjście modulowanej częstotliwości AM, podłącz sygnał ref out z lockin amplifier do zewnętrznego portu sygnału modulacji w generatorze częstotliwości. Następnie podłącz modulowane AM wyjście RF i napięcie DC do polaryzacji T i podłącz wyjście polaryzacji T do styku źródła SWNT. Następnie podłącz styk bramki do portu napięcia karty DAC, aby odczytać prąd AC przez nano rurkę.

Podłącz styk odpływu do lock-in amplifier. Podłącz porty amplitudy i fazy lock-in amplifier do portów wejściowych przetwornika cyfrowo-analogowego. Utrzymuj źródło napięcia DC na poziomie zero woltów, a częstotliwość sygnału A na poziomie 200 kiloherców.

Przemiataj napięcie bramki i zmierz prąd z odpływu. Napełnij komorę na płyn wodą dejonizowaną za pomocą pipety. Przeprowadzić pomiar elektryczny prądu przemiennego.

Powtórz z jednym milimolowym chlorkiem sodu, 10 milimolowym chlorkiem sodu i 100 milimolowym chlorkiem sodu. I zmierz odpowiedź urządzenia dla każdego rozwiązania. Po umieszczeniu mikroprzepływowego kanału przepływowego na urządzeniu, należy podłączyć jedną rurkę do pustej strzykawki umieszczonej na pompie strzykawkowej, a drugą rurkę podłączyć do cylindra strzykawki i napełnić ją 100 milimolowym roztworem chlorku sodu.

Ustawić pompę strzykawkową w tryb pobierania. Do rurki wciąga się 100-milimolowy roztwór chlorku sodu. Prąd można monitorować na komputerze.

Następnie zmień roztwór na jeden miligram na mililitr streptawidyny w 100 milimolowym chlorku sodu i monitoruj zmianę prądu w czasie rzeczywistym dla wiązania biotyny streptawidyny Pokazano tutaj obraz tranzystora S SW NT ze skaningowym mikroskopem elektronowym z zawieszoną górną bramką. Elektroda składa się z 50 nanometrów chromu i 50 nanometrów złota, a gruba warstwa chromu dodaje wytrzymałości zawieszonej strukturze. Zawieszona konstrukcja jest potwierdzona przez brak prądu upływowego między górną bramą a odpływem.

Aby scharakteryzować sukces funkcjonalizacji ścian bocznych, należy wziąć pod uwagę zmiany w krzywych przenoszenia prądu stałego FET w powietrzu. Po każdym kroku funkcjonalizacji były monitorowane. Krzywa przenoszenia dla nieskazitelnie czystych nanorurek FET przesuwa się w prawo po przedstawieniu bio tacji i wiązania paciorkowca Aden.

Oto sygnał wykrywania prądu mieszanego mierzony w funkcji napięcia chodu dla typowego urządzenia w 100 milimolowym chlorku sodu. Wykres przedstawia krzywe prądu stałego, prądu mieszanego i teoretycznego prądu mieszanego. Dane pokazują, że obecne wyniki mieszania dobrze zgadzają się z modelem teoretycznym.

Poniżej przedstawiono reprezentatywne wyniki pomiarów statycznych i pomiarów przepływu w czasie rzeczywistym. Krzywe prądu mieszania w funkcji napięcia chodu reprezentują biotynylowany i związany ze streptawidyną SWNT w 100-milimolowym chlorku sodu. Prąd mieszania zmienia się po związaniu streptawidyny w eksperymencie przepływu w czasie rzeczywistym.

Zmierzono również zmianę sygnału przed i po związaniu streptawidyny w urządzeniu kontrolnym z krzemem i utlenieniem w wodzie dejonizowanej o różnych częstotliwościach, nie ma zmiany po związaniu, co wskazuje, że mechanizm wykrywania powstaje w wyniku interakcji biomolekuły SWNT przy wysokich częstotliwościach. Ta technika pomiarowa może być ogólnie stosowana do nanorurek, nanodrutów lub elektronicznych bioczujników na bazie grafenu i może być wykonywana bezpośrednio w roztworach tła o wysokiej sile jonowej, bez konieczności wykonywania czasochłonnych etapów, takich jak odsalanie.