Name: Fabricação de Nanotubos de Carbono de Alta Frequência Nanoelectronic Biosensor de Sensoriamento em High Solutions força iônica (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-22T12:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 20 s
Description: Aprenda a fabricar biosensores nanoelectrônicos de nanotubos de carbono para detecção biomolecular em soluções de alta força iônica. Este método utiliza transistores SWNT-FET em alta frequência para superar o efeito de blindagem iônica.

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Agradecemos ao Prof Paul McEuen na Universidade de Cornell para a discussão inicial. O trabalho é apoiado pelo fundo de arranque fornecer pela Universidade de Michigan e do National Science Foundation Programa de Nanofabricação (Scalable DMR-1120187). Este trabalho utilizou a Nanofabricação Facilidade Lurie na Universidade de Michigan, membro da Rede Nacional de Infra-estrutura Nanotecnologia financiado pela National Science Foundation.

1. Padronização catalisador para o crescimento SWNT <ol><li> Comece com uma pastilha de silício com uma pressão de deposição química a vapor baixa (CVD) cresceu 500 nm de Si 3 N 4/500 nm SiO 2 filme no topo. </li><li> Girar revestimento de uma camada de material fotosensitivo (PR) a 500 rpm durante 5 segundos e, em seguida, 4.000 rpm, durante 40 seg. </li><li> Cozer a bolacha a 115 ° C durante 90 seg. </li><li> Usar uma fotomáscara com poços rectangulares para catalisadores (Figura 1) e expor a bolacha no UV (365 nm) irradiância de 300 mJ / cm 2 para 0,3 seg. Após a exposição a bolacha cozer a 115 ° C durante 90 seg. </li></ol> Dica: Poços de design de diferentes tamanhos, por exemplo, de 5 micron x 5 micra, 10 micra, etc x 5 micra para explicar a variabilidade na SWNT deposição química de vapor (CVD) processo de crescimento. <ol start="5"><li> Desenvolver o wafer de desenvolvedor para 70 seg agitando a hóstia durante o processo. </li><li> Lavar o wafer com DI water por 2 min e, em seguida, seque com um nitrogênio (N 2) arma. </li><li> Coloque o wafer desenvolvido em e-beam evaporador câmara e depósito de 0,5 nm de ferro (Fe) a uma pressão de câmara de 10 -6 torr. </li><li> Dado o wafer em dies menores 1,5 cm x 1,5 cm. </li><li> Retire o fotorresiste por imersão em acetona quente e isopropanol (IPA) por 10 min cada. Isso deixa para trás Fe catalisador nos boxes retangulares para o crescimento de nanotubos. </li></ol> 2. CVD crescimento de nanotubos de carbono <ol><li> Coloque os catalisadores revestidos morre no tubo de quartzo do forno de crescimento CVD. </li></ol> Dica: Determine ponto ideal para o crescimento de nanotubos. O crescimento é uniforme sobre uma área de 2inch x 2inch jusante para a fornalha (Figura 2c). <ol start="2"><li> Hibridar o substrato ao ar a 880 ° C durante uma hora para remover os resíduos de material fotosensitivo (Figura 2a). Deixe esfriar. </li><li> Purgar a câmara com Argon durante 5 min a 3 SLM (litros normais por minuto). </li><li> Rampa até o forno a 800 ° C no centro do tubo, enquanto se mantém um fluxo de árgon de um SLM (Figura 2b). </li><li> Fluxo de 0,2 SLM de hidrogénio durante 5 minutos para reduzir as partículas de catalisador, isto é converter o óxido de ferro a ferro. </li><li> Introduzir 5,5 sccm (centímetros cúbicos por minuto) de etileno (C 2 H 4) por 35 min para crescer nanotubos de carbono. Manter um 2 fluxo de 0,2 SLM H durante o processo. O comprimento de nanotubos de carbono obtido a partir desta receita é&gt; 20 mícron (um). </li><li> Permitir que o forno arrefecer até à temperatura ambiente com um pequeno fluxo de árgon. </li></ol> 3. SWNT Fabrication Transistor FET <ol><li> Projetar um photomask (Figura 1) para a definição de eletrodos fonte-dreno de corrente-tensão caracterização (IV) de nanotubos de carbono. </li></ol> Dica: Estender almofadas contato do eletrodo muito apart no dado para que eles permaneçam acessíveis, mesmo depois de colocar para baixo um selo de micro-fluídico na região de nanotubos ativo. <ol start="2"><li> Siga os passos 1,2 -1,6 para definir a área para a deposição de metal para contatos. </li><li> Depósito Ti / nm Au 0,5 nm/50 para contatos fonte-dreno em uma câmara de evaporação e-beam em 10 -6 torr. </li><li> Deixe a morrer em acetona durante a noite para decolagem metal. Após a decolagem, mergulhe a morrer no IPA por 10 min e, em seguida, explodir usando seca N 2 arma. </li><li> Não um depoimento cobertor de 500 nm e-beam evaporado SiO 2 para a porta dielétrica em 10 -6 torr. </li><li> Projetar um photomask (Figura 1) para a definição do eletrodo de porta. </li><li> Siga os passos de 1,2-1,6 para definir a região para portão de metal de deposição. </li><li> Evaporar 50 nm/50 nm Cr / Au como eletrodo de porta superior no evaporador e-beam. Siga o passo 3.4 para decolagem metal. </li></ol> Dica: Use a camada de cromo grosso para aumentar a força of suspenso top portão. Dimensões de porta também são fundamentais para a suspensão de sucesso. <ol start="9"><li> Depósito de uma camada fina (20 nm) de SiO 2 para cima passivation eletrodo cobertor. </li><li> Projetar um photomask (Figura 1) para abrir uma trincheira em SiO 2 para acessar o canal de nanotubos de carbono. Projeto área pad-etch na mesma máscara para abrir a região para o acesso à fonte, dreno e eletrodos de porta longe do canal SWNT. </li><li> Siga os passos de 1,2-1,6 para o padrão do PR para abrir a vala para molhado etch de SiO 2. </li><li> Wet etch evaporada SiO 2 utilizando solução BHF 01:20 durante 3 min e 30 seg. Si 3 N 4 fornece uma camada de paragem etch para evitar mais a penetração de BHF. </li></ol> Dica: calibração tempo Etch é recomendado. <ol start="13"><li> Enxaguar o aparelho em água DI e, em seguida, mergulhe-o em IPA por 5 min. Seque usando uma arma de 2 N. A rua dispositivoructure permanece intacto, devido à espessura da camada de cromo. </li></ol> 4. A funcionalização química de paredes laterais de Nanotubos de Carbono <ol><li> Prepara-se uma solução de 6 mM de 1-pyrenebutanoic succinimidilo éster de ácido (PBSE) em dimetilformamida (DMF). </li><li> Incubar a fieira FET SWNT nesta solução ligante molecular durante 1 hora à temperatura ambiente. </li><li> Lave bem o dado em DMF para lavar o excesso de reagente. Seque o aparelho. </li><li> Prepara-se uma solução de 20mg/ml de biotinil-3, 6-dioxaoctanediamine (biotina PEO-amina BPA) em água Dl para a biotinilação de nanotubos de carbono. </li><li> Incubar a morrer nesta solução por 18 horas depois que enxaguar o dado em água DI e seque. BPA atribui à molécula vinculador PBSE. </li><li> Prepare uma solução de estreptavidina 1mg/ml em solução PBS pH 7,2 por streptavidin vinculativo. </li><li> Para as medições estáticas, incubar a matriz numa solução de estreptavidina durante 20 min para funcionalizar completamente a SWNT biotinilado. Thoroughly enxaguar e secar o dado. Para a detecção em tempo real, estampar o canal de fluxo de PDMS (passo 6) e, em seguida, primeiro fluir a solução de estreptavidina no fundo força iónica elevada para ligação a estreptavidina (Figura 3). </li></ol> Nota: lavar a morrer pela distribuição de água DI (~ 50 ml) sobre o dado usando uma garrafa squeeze. Em seguida, passamos a morrer para outra placa de Petri contendo água DI e mover a morrer em torno de 1 min. Repetimos as duas etapas um total de 8-10 vezes. 5. Preparação de polidimetilsiloxano (PDMS) Mold para câmara de fluido <ol><li> Em um copo de pesagem, despeje 9 partes em peso de monómero de PDMS e adicionar 1 parte em peso de agente de cura e misturar completamente os dois. </li><li> Desgaseifica-se a mistura num excicador durante 25 minutos. As bolhas vão subir através da mistura e sair. </li></ol> Dica: Se a mistura começa a espumar, ventilar a câmara e deixe-a estabelecer-se para algunssegundos antes de desgaseificação novamente. <ol start="3"><li> Colocar uma nova pastilha de silício numa placa de Petri. Despeje a mistura PDMS desgaseificado em cima dele para ter uma camada de PDMS de 5 mm acima do wafer. </li><li> Colocar a placa de Petri, num forno a 70 ° C durante 1 hora. </li><li> Remova a placa de Petri e deixe esfriar. Usar um bisturi para cortar um pedaço retangular de PDMS e retirá-lo usando uma pinça. </li></ol> Dica: O lado PDMS diretamente em contato com o wafer de silício é limpa e extremamente plana. Este lado vai estar em contato com o dado FET SWNT. Tenha cuidado para não contaminá-lo. <ol start="6"><li> Coloque o molde rectangular, de cabeça para baixo e fazer um furo na mesma utilizando um perfurador de biópsia (3 mm de diâmetro) a partir do lado plano para o outro. Isso garante não arestas sobre o lado plano do PDMS (Figura 4a). </li><li> Coloque a câmara de PDMS na parte superior do dispositivo com cuidado, alinhando-a em cima da área ativa das matrizes FET SWNT fabricadas (&lt;forte&gt; Figura 4a, b). Toque suavemente para garantir o carimbo no die. Os títulos secundários plana para o dado para fornecer uma câmara estanque. </li></ol> Dica: Isto pode ser feito a olho nu ou utilizando um microscópio óptico com um espaço de trabalho suficiente. Se o PDMS não adere bem (em geral, se o dado e / ou o selo de PDMS não é limpo), plasma do oxigénio (20 watts, 15 seg) em PDMS para auxiliar a ligação. Usando poderes plasmáticos mais elevados do que isso leva a mais forte de ligação, no entanto, vimos rasgando de eletrodos durante a remoção do PDMS em tal caso. <ol start="8"><li> Retire o selo PDMS após testes elétricos e antes da próxima etapa de funcionalização química por imersão a morrer em água DI e levantando suavemente o selo. </li></ol> 6. Preparação do canal de fluxo de Microfluidic <ol><li> Tome uma pastilha de silício limpa e coloque-o em placa quente a 200 ° C por 5 minutos para remover qualquer umidade. </li><li> Gire casaco SU-8 2015 em 500 rpm(100 rpm / sec taxa de rampa) por 5 segundos e, em seguida, 1.250 rpm por 30 segundos a 300 rpm / sec taxa de rampa. Isso dá um mm de espessura SU-8 camada 30 no wafer de silício. </li><li> Assar a bolacha Mole a 95 ° C durante 5 min. </li><li> Desenhar uma fotomáscara (Figura 4c), para definir o padrão de canal de fluxo mM larga 300 na parte superior da área de SWNT. </li></ol> Dica: Para evitar o colapso da estrutura de uma largura de canal: a relação altura de 10:01 é suficiente (300 mm: 30 mM, neste caso). <ol start="5"><li> Utilizando-365 nm UV fotolitografia definir o canal de fluxo com um tempo de exposição à radiação UV de 0,9 seg. </li><li> Adicione cozer o molde a 95 ° C durante 5 min. </li><li> Desenvolver o padrão em SU-8 desenvolvedor para 5 min acompanhado por agitação suave. </li><li> Lavar o wafer em IPA e seque com N 2 arma. </li><li> Siga os passos de 5,1-5,2 para preparar uma mistura PDMS. </li><li> Coloque o wafer com SU-8 molde em um dessecador, juntamente com um 2-3 gota de silanizar tric agentehloro (3, 3, 3-trifluoropropil) silano em uma placa de Petri. Ligar a bomba de vácuo deixe a bolacha sentar no vácuo durante 1 hora. </li><li> Despeje a mistura PDMS desgaseificado no wafer e aquecê-lo num forno a 70 ° C durante 1 hora. </li><li> Cortar o molde PDMS (negativo de SU-8), usando um bisturi. </li><li> Coloque o selo de PDMS de cabeça para baixo e utilizando um punção de biópsia (0,75 mm de diâmetro) para perfurar um furo em cada extremidade do canal de escoamento. Certifique-se de fazer o furo do lado liso (o lado em contato com o wafer de silício) para o outro para evitar arestas (Figura 4e). </li><li> Coloque a câmara de fluxo PDMS no topo do dispositivo, alinhando-a cuidadosamente em cima de uma área activa dos moldes FET SWNT fabricadas sob um microscópio. Toque suavemente para garantir o carimbo no die. Os títulos secundários plana para o dado para fornecer uma câmara estanque. (Figura 4c e 4d) </li><li> Empurrar um tubo de polietileno para os buracos e ligar a outra extremidade a uma fonte de fluido e uma seringa de drenagem (Figura 4e). </li><li> Introduzir a seringa de um sistema de bomba de seringa para manter um fluxo controlado de fluido através do canal (Figura 6). </li></ol> 7. DC Configuração de Medição Elétrica <ol><li> Ligue a fonte e os contatos de porta de SWNT FET aos portos de tensão de uma placa DAQ. </li><li> Ligue o contato dreno para a porta de entrada do cartão de aquisição de dados através de uma corrente de pré-amplificador. </li><li> Aplicar 30 milivolt (mV) para contato source, varrer a tensão da porta e registrar a corrente do dreno (Figura 5a). </li></ol> Dica: Para medições em solução, manter a porta parâmetro varredura de tensão dentro 0,7 volts | | para evitar vazamento e reação entre o eletrodo de metal gate e solução. 8. AC Instalação de Medição Elétrica <ol><li> Ligue o sinal Ref-out do amplificador lock-in à porta de sinal de modulação externa em gerador de freqüência para configurar AM freque moduladasaída ncy. </li><li> Conecte-se Fale fonte de SWNT FET à porta AM modulada saída RF do gerador de freqüência e tensão CC do cartão DAQ usando uma tee viés (Figura 5b e 5c). </li><li> Ligação contato portão à porta tensão de cartão DAQ. </li><li> Ligue o contato de drenagem para um amplificador lock-in para ler o ac corrente através do nanotubo. Leia a amplitude e fase da corrente através das portas de entrada de aquisição de dados. </li><li> Segure tensão dc fonte em 0 volts e freqüência do sinal AM em 200 kilohertz (kHz). </li><li> Varrer a tensão da porta e medir a corrente do dreno. </li><li> Aumentar a frequência e repita o passo 8.6 para I mix-V G varreduras em diferentes frequências. </li></ol> 9. Medidas Elétricas em Solution (Sem Flow) <ol><li> Prepare a NaCl a 1 mM, NaCl 10 mM e soluções de sal de NaCl de 100 mM a partir de uma solução estoque de NaCl 5M. </li><li> Leve o dispositivo SWNT do passo 3.13. Realizar passos 4,1-4,5 para obter uma biotinylatedispositivo d. </li><li> Seguir o passo 5 para colocar numa câmara de PDMS no topo do dispositivo. </li><li> Encha com a câmara de água desionizada, utilizando uma pipeta. </li><li> Siga o passo 8 para as medidas de mistura de freqüência para diferentes freqüências. </li><li> Repita 9.4 para as três soluções de sais diferentes de NaCl a 1 mM, NaCl 10 mM e NaCl 100 mM. </li></ol> Dica: Use uma pipeta para retirar solução anterior e, em seguida, lave a câmara várias vezes com a nova solução. Desligue sempre de baixo para soluções de alta concentração. <ol start="7"><li> Retire o selo PDMS, levantando suavemente o selo com uma pinça. </li><li> Lave o aparelho com água DI. </li><li> Realizar streptavidin ligação conforme explicado na 4,6-4,7. </li><li> Repita os passos de 9,3-9,6. </li></ol> 10. Medição Elétrica em Solution (Fluxo de Tempo Real) <ol><li> Preparar a solução de sal NaCl 100 mM a partir de M solução stock 5 NaCl. </li><li> Leve o dispositivo SWNT de step 3,13. Realizar passos 4,1-4,5 para a obtenção de um dispositivo de biotina. </li><li> Colocar o micro-canal de escoamento de fluidos no dispositivo seguindo a etapa 6 .. Conectar uma seringa vazia para uma extremidade do canal de micro-fluídico para funcionamento em modo de retirada. No outro extremo atribuir uma seringa com uma solução de NaCl 100 mM de fundo. </li><li> Configure a medição elétrica, conforme detalhado na etapa 8. Fixe a freqüência (f = 10 MHz) e portão tensão de polarização (V = 0). </li><li> Comece bomba de seringa no modo de retirada (vazão = 0,4 ml hora -1) e monitorar o sinal de corrente com o tempo. Alternar a solução para 1mg/ml estreptavidina em NaCl 100 mM e monitor de alteração do sinal de estreptavidina-biotina de ligação (Figura 6). </li></ol>

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<li>Katz, E., Willner, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+biomolecular+interactions+at+conductive+and+semiconductive+surfaces+by+impedance+spectroscopy%3A+Routes+to+impedimetric+immunosensors%2C+DNA-Sensors%2C+and+enzyme+biosensors%5BTitle%5D)+AND+%22Electroanalysis%22%5BJournal%5D)">Probing biomolecular interactions at conductive and semiconductive surfaces by impedance spectroscopy: Routes to impedimetric immunosensors, DNA-Sensors, and enzyme biosensors.</a> Electroanalysis. 15, 913-947 (2003).</li>
<li>K'Owino, I. O., Sadik, O. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impedance+spectroscopy%3A+A+powerful+tool+for+rapid+biomolecular+screening+and+cell+culture+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22Electroanalysis%22%5BJournal%5D)">Impedance spectroscopy: A powerful tool for rapid biomolecular screening and cell culture monitoring.</a> Electroanalysis. 17, 2101-2113 (2005).</li>
<li>Elnathan, R., Kwiat, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biorecognition+Layer+Engineering%3A+Overcoming+Screening+Limitations+of+Nanowire-Based+FET+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Biorecognition Layer Engineering: Overcoming Screening Limitations of Nanowire-Based FET Devices.</a> Nano Letters. 12, 5245-5254 (2012).</li>
</ol>

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

O crescimento dos nanotubos de carbono depende não só das condições de forno, mas também limpeza substrato. A taxa de fluxo de gás óptima, temperatura e pressão para o crescimento tem que cuidadosamente calibrada e uma vez fixado eles são mais ou menos estável. Mesmo com essas condições sejam cumpridas, verificou-se que o crescimento depende da área de catalisador a modelada, a quantidade de catalisador e limpeza do substrato. Por isso, nós incorporamos vários tamanhos pit catalisador para dar conta da variabilidade no ...

Quando uma molécula carregada liga-se a um sensor eletrônico SWNT ou NW, ele pode doar / aceitar elétrons ou atuar como um portão eletrostática local. Em ambos os casos, a molécula de ligação pode alterar a densidade de carga no canal SWNT ou NW, conduzindo a uma alteração na condutância CC medida do sensor. Uma grande variedade de moléculas de 15-20 foram detectados com sucesso através do estudo das características DC nanosensors durante tais eventos de ligação. Mesmo que de detecção de carga mecanismo de detecção baseado tem muitas vantagens, incluindo a detecção de etiqueta livre de 21, a sensibilidade femto-molar 22, e ler eletrônico a capacidade de 15, mas só é eficaz em soluções de baixa força iônica. Nas soluções de elevada força iónica, a detecção de DC é impedida pela triagem iónico 6-8. A superfície carregada atrai contra-iões da solução, que forma uma camada dupla eléctrica (EDL) perto da superfície. A EDL telas efetivamente off esses encargos. Como tele força iónica da solução aumenta, a EDL torna-se mais estreito e os aumentos de triagem. Este efeito de blindagem é caracterizada por o comprimento de Debye triagem λ D, <img alt="Equação 1" fo:src="/files/ftp_upload/50438/50438eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50438/50438eq1.jpg" /> , Onde ε é a permissividade dieléctrica do material, k B é a constante de Boltzmann, T é a temperatura, q é a carga do electrão, e c representa a força iónica da solução de electrólito. Para uma solução de 100 mM de tampão típico, λ D é de cerca de 1 nm e o potencial de superfície será completamente conferido a uma distância de alguns nm. Como resultado, a maioria dos sensores nanoeletrônicos baseado em nanotubos de carbono ou NWs funcionar quer em estado seco ou 20, em soluções de baixa força iónica 5,15,17,21-22 (C ~ 1 nM- 10 mM), caso contrário, a amostra tem de passar por etapas de dessalinização 15,23. Dispositivos de diagnóstico Point-of-care precisa para operar em forças iônicas fisiologicamente relevantes no local paciente com limitada capacidade de processamento da amostra. Assim, mitigar efeitos de triagem iônica é fundamental para o desenvolvimento e implementação do POC nanoeletrônica biossensores. Nós mitigar o efeito de blindagem iônica operando sensor de nanoeletrônica baseada SWNT na faixa de freqüência de megahertz. O protocolo fornecido aqui detalhes da fabricação de um transistor baseado SWNT plataforma de sensoriamento nanoeletrônica e alta freqüência de medição de mistura para a detecção biomolecular. Os nanotubos de carbono de parede única são cultivados por deposição química a vapor em substratos estampados com catalisadores Fe 24. Para os nossos transistores SWNT, incorporamos uma suspensão de 25 top-gate colocados 500 nm acima do nanotubo, o que ajuda a melhorar a resposta do sensor de alta freqüência e também permite um micr compactocâmara de o-fluídico para selar o dispositivo. Os transistores SWNT são operados como misturadores de alta freqüência 9-11, a fim de superar os efeitos iônicos fundo de triagem. Em altas freqüências, os íons móveis em solução não tem tempo suficiente para formar a EDL e os dipolos biomoleculares flutuantes ainda pode portão SWNT para gerar uma corrente de mistura, que é o nosso sinal de detecção. A freqüência de mistura surge devido às características não lineares IV de um nanotubo de FET. A técnica de detecção difere das técnicas convencionais de detecção baseada em espectroscopia de impedância de carga e 26-27. Em primeiro lugar, detectar dipolos biomoleculares em alta freqüência, em vez de os encargos associados. Em segundo lugar, a alta transcondutância do transistor SWNT fornece um ganho interno para o sinal de detecção. Isto evita a necessidade de amplificação externa, como no caso de medições de impedância alta frequência. Recentemente, outros grupos também têm abordado a detecção biomolecular em alta baconcentrações ckground 23,28. No entanto, estes métodos são mais envolvidos, exigindo fabricação complexa ou engenharia química cuidado de moléculas receptoras. Nosso sensor de SWNT alta freqüência incorpora um design mais simples e utiliza a propriedade de mistura freqüência inerente de um transistor de nanotubos. Somos capazes de mitigar os efeitos de triagem iônicos, prometendo assim uma nova plataforma biosensing para detecção em tempo real de pontos de atendimento, onde biossensores funcionando diretamente em condições fisiologicamente relevante são desejados.

<table><tbody><tr><td colspan="4">REAGENTS</td></tr><tr><td colspan="4">Os reagentes que foram fornecidos na Lurie Nanofabrication Facility (Universidade de Michigan) são marcados como LNF na coluna do catálogo. Os produtos químicos que requerem equipamento de proteção (luvas, óculos de segurança, máscara facial, avental) e/ou exaustor são indicados com EPI na seção de comentários.</td></tr><tr><td>Placas de silício (tipo P, < 100>, 500-550 &mu; m de espessura)</td> <td>Silicon Valley Microelectronics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SPR 220 3.0</td><td>Dow (Rohm and Haas)</td> <td>Megaposit SPR</td><td>PPE</td></tr><tr><td>AZ 300MIF</td><td>AZ Electronic Material Corporation</td><td></td><td>PPE</td></tr><tr><td>Acetona</td><td>JT Baker</td><td>9005-05</td><td>PPE</td></tr><tr><td>Isopropanol (IPA)</td> <td>JT Baker</td><td>9079-05</td><td></td></tr><tr><td>Transeno de ácido fluorídrico tamponado</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ácido butanóico PPE 1-Pyrene, sondas moleculares de éster succinimidyl</td><td></td><td>P130</td><td>PPE</td></tr><tr><td>Biotina PEO amina</td><td>Thermo Scientific</td><td>EZ- Link PEG2 Biotina, # 21346</td><td>PPE</td></tr><tr><td>Streptavidin</td><td>Invitrogen</td><td>S 888</td><td>PPE</td></tr><tr><td>Dimetilformamida</td><td>MP Biomedicals</td><td>0219514791</td><td>PPE</td></tr><tr><td>Base de elastômero de polidimetilsiloxano e agente de cura</td><td>Kit de</td><td>elastômero Dow Corning Sylgard 184</td><td>PPE</td></tr><tr><td>SU-8 2015</td><td>Microchem</td><td>Y111064</td><td>PPE</td></tr><tr><td>SU-8 Desenvolvedor</td><td>Microchem</td><td>Y020100</td><td>PPE</td></tr><tr><td>Agente de silanização</td><td>Sigma Aldrich</td><td>452807</td><td>PPE</td></tr><tr><td>Pureza de hidrogênio</td><td>mais</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>Pureza de etileno</td><td>mais</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>Argônio</td><td>Pureza mais</td><td>sistema</td> salino de tampão de fosfato LNF <td></td></tr><tr><td></td><td>Sigma Aldrich</td><td>PBS1</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">EQUIPMENT</td></tr><tr><td colspan="4">O equipamento fornecido pela Lurie Nanofabrication Facility (Universidade de Michigan) é indicado como LNF na coluna Catálogo.</td></tr><tr><td>GCA 200 Autostepper</td><td>GCA</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>Ferramenta de Deposição de Vapor Químico de Baixa Pressão</td><td>Tempress</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>e-beam Evaporador</td><td>Enerjet</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>CNT Forno de crescimento</td><td>Primeiro Nano</td><td>Easy Tube 3000 (LNF)</td><td></td></tr> <tr><td>Photomasks</td><td>Nanofilme</td><td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>Placa de Petri (150mm)</td><td></td> <td>LNF</td><td></td></tr><tr><td>Dessecador</td><td>Bel-Art</td><td>F420100000</td><td></td></tr><tr><td>Biópsia Punch</td><td>Ted Pella</td><td>15071/78</td><td></td></tr><tr><td>Bisturi</td><td>Ted Pella</td><td>548</td><td></td></tr><tr><td>Tubo de polietileno PE-50</td><td>VWR</td><td>20903-414</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de seringa</td><td>New Era Pump Systems</td><td>NE-1000</td><td></td></tr><tr><td>Seringa</td><td>Fisher Scientific</td><td>BD Safety-Lok Seringas</td><td></td></tr><tr><td>Agulhas de Seringa</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-821-13A</td><td></td></tr><tr><td>Cartão DAQ</td><td>Conector GPIB National Instruments</td><td>779111-01</td><td></td></tr> Amplificador de Bloqueio <tr><td></td><td>National Instruments</td><td>778032-51</td><td></td></tr><tr><td>Gerador de</td> Frequência <td>SR 830</td><td></td>da <td>Stanford Research Systems</td></tr><tr><td></td><td>HP Agilent</td><td>8648B, T de polarização de 9kHz -2GHz</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Pré-amplificador de Corrente Picosecond</td><td>5575A-104</td><td></td></tr><tr><td></td><td>DL Instruments, LLC</td><td>DL 1211</td><td></td></tr><tr><td>Cabos BNC</td><td>Allied Electronics</td><td>665-xxxx</td><td></td></tr><tr><td>Cabos SMA</td><td>Sentro Tech Corp</td><td>SCF65141</td><td></td></tr></tbody></table>

fabricação de nanotubos de carbono de alta frequência nanoelectronic biosensor de sensoriamento em high solutions força iônica

Fabrication of Carbon Nanotube High-Frequency Nanoelectronic Biosensor for Sensing in High Ionic Strength Solutions

As propriedades eletrônicas únicas e elevados rácios de superfície-volume de nanotubos de carbono de parede única (SWNT) e nanofios semicondutores (NW) 1-4 torná-los bons candidatos para biossensores de alta sensibilidade. Quando se liga uma molécula carregada para uma tal superfície do sensor, que altera a densidade do portador 5 no sensor, o que resulta em mudanças na sua condutância CC. No entanto, numa solução iónica uma superfície carregada também atrai contra-iões na solução, formando uma dupla camada eléctrica (EDL). Este EDL telas efetivamente fora do cargo, e em condições fisiologicamente relevante ~ 100 milimolar (mM), a característica de carga comprimento triagem (Debye comprimento) é menor do que um nanômetro (nm). Assim, em soluções de alta força iônica, detecção de carga baseado (DC) é fundamentalmente impedido 6-8. Nós superar os efeitos de triagem de carga através da detecção de dipolos moleculares, em vez de encargos em alta freqüência, operando nanot carbonoUBE transistores de efeito de campo como misturadores de alta freqüência 9-11. Em altas freqüências, a força de acionamento AC não pode mais superar o arrasto solução e os íons em solução não tem tempo suficiente para formar a EDL. Além disso, a técnica de mistura freqüência nos permite operar em freqüências mais altas o suficiente para superar triagem iônica, e ainda detectar os sinais de detecção em freqüências mais baixas 11-12. Além disso, a elevada transcondutância dos transístores SWNT fornece um ganho interno para o sinal de detecção, o que evita a necessidade de amplificador de sinal externo. Aqui, descrevemos o protocolo (a) fabricar transistores SWNT, (b) funcionalizar biomoléculas para o nanotubo 13, (c) projetar e carimbar um poli-dimethylsiloxane (PDMS) câmara de micro-fluídico 14 para o dispositivo, e (d) realizar a detecção de alta freqüência em diferentes soluções de força iônica 11.

A imagem do microscópio electrónico de varrimento do transistor SWNT com uma porta superior suspensa é mostrado na Figura 7a. As dimensões da porta são críticos para a suspensão 25. As atuais dimensões do projeto são (comprimento x largura x espessura = 25 mM mM x 1 x 100 nm). O eletrodo de porta consiste de 50 nm Cr/50 nm Au; uma camada de cromo espesso acrescenta mais força à estrutura suspensa. A estrutura suspensa é confirmado pela ausência de corrente entre os top gate e dreno (F...

Descrevemos a fabricação do dispositivo e protocolo de medição para nanotubos baseados em biossensores de alta freqüência de carbono. A técnica de detecção de alta frequência atenua a iônica (Debye) efeito fundamental de triagem e permite nanotubo de biosensor para ser operado em soluções de força iônica alta onde biossensores eletrônicos convencionais falham. Nossa tecnologia oferece uma plataforma única para o ponto de atendimento (POC) biossensores eletrônicos que operam em condições fisiologicamente relevantes.

Fabricação de Nanotubos de Carbono de Alta Frequência Nanoelectronic Biosensor de Sensoriamento em High Solutions força iônica

The unique electronic properties and high surface-to-volume ratios of single-walled carbon nanotubes (SWNT) and semiconductor nanowires (NW) 1-4 make them ...

O objetivo geral do experimento a seguir é demonstrar uma nova plataforma de detecção elétrica nano para a identificação de biomoléculas no ponto de atendimento em soluções com alta força iônica. Isso é alcançado operando transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono de parede simples em alta frequência, para atenuar o efeito de blindagem iônica. Primeiro, os transistores de nanotubos são fabricados e funcionalizados com moléculas receptoras.Como segundo passo, os dispositivos são encapsulados com um canal de fluxo microfluídico, o que permite a injeção de soluções de amostras de biomoléculas para detecção em tempo real. Em seguida, os transistores de nanotubos de carbono de parede simples são operados como misturadores de alta frequência. Para superar um efeito de blindagem iônica em alta frequência de excitação, os íons e as soluções já não conseguem blindar efetivamente o sensor de nanotubo, permitindo a detecção dos momentos dipolares oscilantes das biomoléculas ligadas à superfície.Os resultados mostram a detecção da ligação strep avidina e biotina em uma solução tampão de 100 milimolar com base no monitoramento das alterações na corrente de mistura a uma frequência de acionamento de 10 megahertz. A principal vantagem desta técnica em relação a métodos existentes, como a detecção de corrente contínua, é que ela supera o efeito de blindagem do dispositivo, que fundamentalmente impede a detecção de corrente contínua em soluções com alta força iônica. Em contraste com sensores tradicionais baseados na detecção de carga, nosso método detecta os momentos dipolares de biomoléculas explorando a resposta em alta frequência de transistores de nanotubos.Primeiro, coloque uma máscara fotográfica com cavidades retangulares para o catalisador sobre uma pastilha de silício revestida com fotoresina e exponha-a a uma radiação UV I de 300 milijoules por centímetro quadrado durante 0,3 segundos. Carregue a pastilha revelada em uma câmara de evaporação por feixe de elétrons e deposite 0,5 nanômetros de ferro a uma pressão de câmara de 10 elevado a menos seis torr. Após cortar a pastilha de silício revestida com catalisador da câmara em pedaços menores, coloque-os em um barco de quartzo e insira o barco no forno de crescimento por CVD. Programe o forno para elevar a temperatura até 800 graus Celsius no centro do tubo, mantendo um fluxo de um SLM de argônio.Fluxo de 0,2 SLM de hidrogênio por cinco minutos para reduzir as partículas do catalisador e converter o óxido de ferro em ferro. Em seguida, 5,5 SCCM de etileno são introduzidos por 35 minutos para crescer os S wts. Um fluxo de hidrogênio de 0,2 SLM é mantido durante todo o processo.Após resfriar até a temperatura ambiente com um pequeno fluxo de argônio, remova o chip do forno. Após definir a área para deposição de metal para os contatos, coloque o chip na câmara de evaporação e, em seguida, deposite 0,5 nanômetros de titânio e 50 nanômetros de ouro como metais dos contatos de fonte e dreno em uma câmara de evaporação por feixe de elétrons a 10⁻⁶ torr. Ao finalizar, mergulhe o chip em acetona durante a noite para remoção do metal.Em seguida, mergulhe em isopropanol por 10 minutos e seque com nitrogênio. A seguir, coloque novamente o substrato na câmara de evaporação e deposite 500 nanômetros de dióxido de silício evaporado por feixe de elétrons a 10⁻⁶ torr, 50 nanômetros de cromo e 50 nanômetros de ouro como eletrodo da porta superior no evaporador por feixe de elétrons. Após a definição do fotoresiste, ataque úmido do dióxido de silício evaporado utilizando uma solução de ácido fluorídrico tamponado na proporção de 1 para 20 durante três minutos e 30 segundos.Agora, prepare uma solução de seis milimolar de PBSE em dimetilformamida, incube o S-W-N-T-F-E-T-D na solução da molécula ligadora PBSE por uma hora à temperatura ambiente. Em seguida, prepare uma solução de 20 miligramas por mililitro de amina. PEGue dois biotinas em água desionizada.Incube o corante nesta solução por 18 horas. Em seguida, enxágue completamente o corante com água desionizada. Repita o enxágue de oito a dez vezes e, depois, seque com jato de ar.Coloque uma nova lâmina de silício em uma placa de Petri e despeje uma mistura de PDMS DGAs na placa até que a mistura fique cinco milímetros acima da lâmina. Em seguida, coloque a placa de Petri em uma estufa a 70 graus Celsius por uma hora. Retire a placa de Petri da estufa e deixe a lâmina esfriar até a temperatura ambiente.Use um bisturi para recortar um pedaço retangular de PDMS e remova-o com uma pinça. Em seguida, posicione o corante com a face voltada para baixo e perfure um orifício através da face plana utilizando um punch de biópsia de três milímetros. Após posicionar o corante sob o microscópio, coloque cuidadosamente a câmara de PDMS sobre o corante, alinhando-a com a área ativa dos dispositivos S-W-N-T-F-E-T fabricados.Coloque uma lâmina de silício com um molde de SU oito em uma placa de Petri e adicione duas a três gotas de tri cloreto. 3 3 3 tri fluoro propil silano. Coloque a placa de Petri em uma câmara de vácuo por uma hora após remover a placa de Petri do vácuo.Despeje a mistura de PDMS DGA sobre a pastilha e aqueça-a em uma estufa a 70 graus Celsius por uma hora. Após o término, retire a placa de Petri da estufa e deixe a pastilha esfriar até a temperatura ambiente. Após cortar um carimbo retangular de PDMS, coloque-o de cabeça para baixo e faça um furo em cada extremidade do canal de fluxo usando um furador de biópsia de 0,75 milímetro.Após colocar o corante sob o microscópio, posicione cuidadosamente a câmara de fluxo de PDMS sobre o corante, alinhando-a com a área ativa dos dispositivos S-W-N-T-F-E-T fabricados. Em seguida, insira um tubo de polietileno em cada orifício e conecte um tubo ao corpo da seringa da fonte de fluido e o outro tubo à seringa de drenagem. Fixe a seringa a uma bomba de seringa para manter um fluxo controlado de fluido através do canal.Para configurar a saída de frequência modulada em AM, conecte o sinal de referência de saída do amplificador com trava de fase à porta de sinal de modulação externa do gerador de frequência. Em seguida, conecte a saída de RF modulada em AM e a tensão contínua a um acoplador bias T e conecte a saída do bias T ao contato de fonte do NTSC. Depois, conecte o contato de porta à porta de tensão do cartão DAC para ler a corrente alternada através do nanotubo.Conecte o contato de drenagem a um amplificador com detecção por sincronismo. Conecte as portas de amplitude e fase do amplificador com detecção por sincronismo às portas de entrada DAC. Mantenha a tensão contínua da fonte em zero volt e a frequência do sinal A em 200 quilohertz.Varra a tensão da porta e meça a corrente do dreno. Preencha a câmara de fluido com água desionizada usando uma pipeta. Realize a medição elétrica em corrente alternada.Repita com cloreto de sódio de um milimolar, cloreto de sódio de 10 milimolares e cloreto de sódio de 100 milimolares. E meça a resposta do dispositivo para cada solução. Após colocar o canal de fluxo microfluídico no dispositivo, conecte um tubo a uma seringa vazia posicionada na bomba de seringa e conecte o outro tubo ao corpo de uma seringa e preencha-o com solução de cloreto de sódio de 100 milimolares.Configure a bomba de seringa no modo de aspiração. Uma solução de cloreto de sódio a 100 milimolar é puxada para dentro do tubo. A corrente pode ser monitorada no computador.Em seguida, troque a solução por uma contendo estreptavidina a um miligrama por mililitro em cloreto de sódio 100 milimolar e monitore em tempo real a variação da corrente devido à ligação entre estreptavidina e biotina. Uma imagem de microscopia eletrônica de varredura de um transistor S SW NT com porta superior suspensa é mostrada aqui. O eletrodo é composto por 50 nanômetros de cromo e 50 nanômetros de ouro, e uma camada espessa de cromo adiciona resistência à estrutura suspensa. A estrutura suspensa é confirmada pela ausência de corrente de fuga entre a porta superior e o dreno.Para caracterizar o sucesso da funcionalização da parede lateral, foram monitoradas as alterações nas curvas de transferência CC de FET no ar após cada etapa de funcionalização. A curva de transferência do FET de nanotubo virgem desloca-se para a direita após a bioconjugação e a ligação da estreptavidina, conforme ilustrado.Aqui está o sinal de detecção de corrente mista medido em função da tensão de passo para um dispositivo típico em cloreto de sódio 100 milimolar. O gráfico mostra as curvas para corrente contínua, corrente mista e corrente mista teórica. Os dados demonstram que os resultados da corrente de mistura concordam bem com um modelo teórico.Os resultados representativos de medições estáticas e medições em tempo real de fluxo são apresentados aqui. As curvas de corrente de mistura versus tensão de porta representam SWNT biotiniladas e ligadas à estreptavidina em cloreto de sódio 100 milimolar. A corrente de mistura muda com a ligação da estreptavidina no experimento de fluxo em tempo real.A alteração do sinal também foi medida antes e depois da ligação de estreptavidina em um dispositivo de controle com silício e óxido em água desionizada em diferentes frequências; não houve alteração após a ligação, indicando que o mecanismo de detecção decorre da interação entre a biomolécula e o NT de SW por altas frequências. Essa técnica de medição pode ser aplicada de forma geral a biossensores eletrônicos baseados em nanotubos, nanofios ou grafeno, e pode ser realizada diretamente em soluções com alta força iônica de fundo, sem a necessidade de etapas demoradas, como a dessalinização.

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Research

JoVE Journal

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