Przygotowanie tranzystora polowego z nanodrutu krzemowego do zastosowań chemicznych i biosensorycznych

Ogólnym celem tego protokołu jest weryfikacja immobilizacji biosondy i późniejszej biodetekcji DNA na tranzystorach polowych z nanodrutów polikrzemowych. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na ważne pytania w dziedzinie czujników bioelektrycznych, takie jak immobilizacja biosondy i wykrywanie kwasów nukleinowych. Nasze urządzenie biosensoryczne jest obiecującym tranzystorem do zastosowań biosensorycznych w czasie rzeczywistym, wymagających dużego nakładu pracy, a także o wysokiej czułości.

Implikacje tych bioczujników rozciągają się na kliniczną diagnostykę pojawiających się chorób zakaźnych, ponieważ mogą one łatwo, czułie i dokładnie wykryć konkretny cel biologiczny. Chociaż ta metoda może zapewnić wgląd w wykrywanie kwasów nukleinowych, może być również stosowana do wykrywania innych cząsteczek, takich jak cytokiny, hormony, białka i wirusy. Ogólnie rzecz biorąc, osoby nowe w tej metodzie będą miały trudności, ponieważ wymaga ona interdyscyplinarnej współpracy między biologią a dziedzinami elektrotechniki.

Przygotowanie tranzystora polowego z polikrystalicznego nanodrutu krzemowego jest objęte protokołem tekstowym. Urządzenie składa się z sześciocalowej płytki. Nanodruty krzemowe na urządzeniu mają około 100 nanometrów szerokości i 1,6 mikrona długości.

Aby poddać urządzenie wstępnej obróbce, najpierw wyjmij je z magazynu w suchej szafce elektronicznie i otwórz szczelnie zamknięty worek próżniowy, który je zawiera. Wyczyść bioczujnik w Sonicatorze wypełnionym czystym acetonem przez 10 minut. Następnie zmień kąpiel na czysty etanol i powtarzaj sonikację przez kolejne pięć minut.

Po tej drugiej kąpieli użyj strumienia azotu gazowego do wysuszenia urządzenia. Następnie potraktuj urządzenie plazmą tlenową o mocy 18 watów przez 30 sekund. Teraz wykonaj pomiary przewodności prądu przemiennego i zmierz właściwości elektryczne prądu drenu w urządzeniu, jak wyjaśniono w następnej sekcji.

Następnie przystąp do unieruchamiania DNA na powierzchni urządzenia, wykonując dodatkowe pomiary, zarówno przewodności prądu przemiennego, jak i prądu drenującego, po każdej modyfikacji. Najpierw przygotuj się do profilowania pH. Zrobić 10 milimolowy trójzasadowy fosforan sodu dwunastowodny w wodzie dejonizowanej o pH 11,6.

Następnie przygotuj 10-milimolowy roztwór kwasu fosforowego w wodzie dejonizowanej, która ma pH 2,35. Teraz przygotuj siedem 10-milimolowych roztworów buforowych o wartościach pH w zakresie od trzech do dziewięciu, mieszając dwa roztwory podstawowe. Po przygotowaniu roztworów testowych i kanału mikroprzepływowego zmierz przewodność w czasie rzeczywistym przy użyciu techniki lock-in.

Umieść dwie sondy igłowe na każdym ze źródeł i wkładek spustowych. Zamień sygnał prądu przemiennego na sygnał napięciowy prądu przemiennego za pomocą przedwzmacniacza prądowego o niskim poziomie szumów. Następnie ustaw optymalne napięcie bramki cieczy i kontynuuj dostarczanie każdego roztworu buforowego, mierząc przewodność przy napięciu drenu 10 miliwoltów.

Następnie zmierz prąd drenu za pomocą bufora neutralnego. Wlej bufor pH 7 do urządzenia z pompy strzykawkowej w ilości pięciu mililitrów na godzinę. Następnie, korzystając z komercyjnego oprogramowania do analizy półprzewodników, zmierz prąd drenu w trybie N MOSFET.

Ustaw napięcie polaryzacji na 0,5 V i zamiataj potencjał bramki od ujemnego jednego do trzech woltów w odstępach 0,2 V. Teraz uruchom test i uzyskaj dane. Zacznij od zanurzenia biosensora w 2% APTES w etanolu na 30 minut, aby kowalencyjnie połączyć powierzchnię nanodrutu.

Następnie umyj biosensor trzy razy przez 30 sekund etanolem, a następnie wyczyść go w Sonicatorze załadowanym etanolem. Teraz, aby utworzyć grupy aminowe na nanodrutach krzemowych, umieść biosensor na powierzchni o temperaturze 120 stopni Celsjusza na 10 minut. Postępując zgodnie z etapem nagrzewania, wykonaj pomiary na urządzeniu zgodnie z opisem w poprzednim rozdziale.

Następnie, aby utworzyć grupy aldehydowe na nanodrutach krzemowych, zanurz urządzenie w 12,5% aldehydzie glutarowym w 10-milimolowym fosforanie sodu o pH 7 na godzinę w temperaturze pokojowej. Na tym etapie ogranicz ekspozycję na światło. Po zabiegu aldehydem glutarowym umyj urządzenie 10-milimolowym buforem fosforanu sodu trzy razy przez 30 sekund na mycie.

Następnie wysuszyć bioczujnik pod czystym gazem azotowym i wykonać pomiary, aby potwierdzić modyfikację powierzchni. Następnym krokiem jest inkubacja biosensora w jednym mikromolowym roztworze sondy przez noc, aby w ten sposób zastosować sondę DNA. Następnego dnia zablokuj nieprzereagowane grupy aldehydowe, zanurzając urządzenie w 10-milimolowym Tris z czterema milimolowymi cyjanoborowodorkami sodu na pół godziny.

Następnie trzykrotnie umyć urządzenie 10-milimolowym buforem fosforanu sodu o pH 7, a następnie wysuszyć urządzenie pod gazowym azotem, jak poprzednio. Następnie wykonaj ostateczny zestaw pomiarów, aby potwierdzić modyfikację powierzchni przed przystąpieniem do użycia go jako bioczujnika. Zacznij od wykonania pomiaru bazowego.

Wlej bufor fosforanu sodu o neutralnym pH do urządzenia na 10 minut. Podczas tej procedury natężenie przepływu roztworu wynosi zawsze pięć mililitrów na godzinę. Następnie odczekaj 30 minut, ponownie przelej bufor o neutralnym pH przez biosensor przez 10 minut i zmierz prąd urządzenia.

Następnie załaduj 10 pikomoli DNA, komplementarnych do sondy, na powierzchnię nanodrutu krzemowego, przepływając roztwór przez urządzenie przez 10 minut. Następnie inkubuj bioczujnik przez 30 minut. Jako kontrolę ujemną nałóż na urządzenie 100 pikomoli niekomplementarnego DNA.

Po inkubacji przepływaj bufor o neutralnym pH przez biosensor przez 10 minut, aby zmyć niezwiązane docelowe DNA. Wykonując ten krok, zmierz prąd urządzenia tak jak poprzednio. Następnie załaduj jeden nanomolar odzyskanego DNA na unieruchomioną powierzchnię nanodrutu krzemowego sondy DNA na 10 minut.

Następnie inkubuj biosensor przez 30 minut, tak jak poprzednio. Na koniec należy przelać przez urządzenie bufor o neutralnym pH przez kolejne 10 minut, a następnie ponownie wykonać bieżące pomiary. Sonda DNA została unieruchomiona na powierzchni tlenku krzemu, a każdy etap modyfikacji został potwierdzony za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów.

W przypadku niezmodyfikowanego pSNWFET zawierającego natywną warstwę tlenku na powierzchni SNW, grupy hydroksylowe zostały zjonizowane w celu utworzenia naładowanych grup o rosnących wartościach pH. Przewodność prawdopodobnie różniła się przy różnych pH. Zmiana właściwości elektrycznych urządzenia po różnych modyfikacjach potwierdza zmianę powierzchni drutu.

W takich eksperymentach jako linię bazową wykorzystano krzywą napięcia prądu niezmodyfikowanego urządzenia. Po zanurzeniu urządzenia w APTES, krzywa napięcia prądu urządzenia przesunęła się w lewo z powodu dodatniego ładunku na powierzchni drutu. Po sprzężeniu aldehydu glutarowego ze zmodyfikowanym urządzeniem APTES, krzywa napięcia prądu przesunęła się z powrotem w prawo z powodu tworzenia neutralnie naładowanego wiązania MI.

Na koniec wprowadzono sondę DNA modyfikowaną pięcioma pierwszymi aminami, aby związać się z urządzeniem zmodyfikowanym aldehydem glutarowym APTES. Szkielet DNA spowodował, że krzywa napięcia prądu przesunęła się skrajnie w prawo. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak potwierdzić immobilizację biosondy i zastosowanie wykrywania DNA na tranzystorach polowych z nanodrutów polikrzemowych.

Po opanowaniu tę technikę przygotowania do wykrywania kwasów nukleinowych można wykonać w ciągu jednej godziny, jeśli zostanie wykonana prawidłowo, co można wykonać z wyprzedzeniem. Końcowa biodetekcja trwa mniej niż 10 minut. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o analizie właściwości elektrycznych urządzenia na każdym etapie modyfikacji biosondy.

Technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się czujnikami opartymi na półprzewodnikach do szerszego zastosowania biodetekcji. Po tych procedurach można wykonać inne metody, takie jak unieruchamiająca sonda biomarkerów raka, w celu uzyskania odpowiedzi na dodatkowe pytania w dziedzinach takich jak kliniczna diagnostyka raka.