Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Fabrikasjon av karbon nanorør høyfrekvente nanoelectronic Biosensor for Sensing i High ionestyrke Solutions

Published: July 22, 2013 doi: 10.3791/50438
Automatic Translation
1, 1
1Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan - Ann Arbor

Summary

Vi beskriver enheten fabrikasjon og måling protokoll for karbon nanorør baserte høyfrekvente biosensorer. Den høye frekvensen sensing teknikk reduserer den grunnleggende ionisk (Debye) screening effekt og lar nanorør biosensor å bli operert i høye ionestyrke løsninger der konvensjonelle elektroniske biosensorer mislykkes. Vår teknologi gir en unik plattform for point-of-care (POC) elektroniske biosensorer som opererer i fysiologisk relevante forhold.

Abstract

De unike elektroniske egenskaper og høye overflate-til-volum forholdstall av single-vegger karbon nanorør (SWNT) og halvledere nanotråder (NW) 1-4 gjøre dem gode kandidater for høy følsomhet biosensorer. Når et ladet molekyl binder seg til en slik sensor overflate, endrer det transportøren tetthet 5 i sensoren, noe som resulterer i forandringer i dets DC-konduktans. Imidlertid, i en ionisk oppløsning en ladet overflate tiltrekker også motionene fra løsningen, danner en elektrisk dobbeltlag (EDL). Dette EDL skjermer effektivt av tillegget, og i fysiologisk relevante forhold ~ 100 millimolar (MM), den karakteristiske kostnad screening lengde (Debye lengde) er mindre enn en nanometer (nm). Således, i høye ionestyrke løsninger, er kostnad basert (DC) deteksjon fundamentalt hindres 6-8.

Vi overvinne lade screening effekter ved å oppdage molekylære dipoler snarere enn kostnader ved høy frekvens, ved å operere karbon nanotube felteffekttransistorene som høyfrekvente miksere 9-11. Ved høye frekvenser, kan frekvensomformeren kraft ikke lenger overvinne løsningen dra og ionene i løsningen ikke har tilstrekkelig tid til å danne EDL. Videre tillater frekvens blandeteknikk oss å operere ved frekvenser som er høy nok til å overvinne ionisk screening, og likevel detektere sensormidlet signaler ved lave frekvenser 11-12. Dessuten gir den høye transkonduktans av SWNT transistorer en intern gevinst for avføling av signalet, noe som overflødiggjør behovet for ekstern signalforsterker.

Her beskriver vi protokollen til (a) dikte SWNT transistorer, (b) functionalize biomolekyler til nanorør 13, (c) utforme og stemple en poly-dimetylsiloksan (PDMS) mikro-fluidic kammer 14 på enheten, og (d) gjennomføre høyfrekvente sensing i ulike ionestyrke løsninger 11.

Introduction

Når et ladet molekyl binder seg til et SWNT eller NW elektronisk sensor, kan den enten donere / akseptere elektroner eller fungere som en lokal elektrostatisk port. I begge tilfeller kan det bundne molekyl endre ladningstetthet i SWNT eller NW-kanalen, som fører til en endring i den målte DC konduktansen av sensoren. Et stort utvalg av molekyler 15-20 har blitt oppdaget at ved å studere DC-egenskapene til de nanosensorer under slike bindende hendelser. Selv om lade-deteksjon basert sensing mekanismen har mange fordeler, inkludert label-free deteksjon 21, femto-molar følsomhet 22, og elektronisk lest opp evnen 15, det er bare effektiv i lavionestyrke løsninger. I høye ionestyrke løsninger, DC deteksjon hindret av ionisk screening 6-8. En ladet overflate tiltrekker motionene fra oppløsningen som danner et elektrisk dobbeltlag (EDL) i nærheten av overflaten. EDL-skjermer effektivt av disse kostnadene. Som than ionestyrke av løsningen økes, blir smalere og EDL screening øker. Dette screening effekt er preget av Debye screening lengde λ D,

Ligning 1
, Hvor ε er den dielektriske permittiviteten for mediet, k er B den Boltzmanns konstant, T er temperaturen, q er elektronets ladning, og c er den ioniske styrke av elektrolyttoppløsningen. For en typisk 100 mM bufferoppløsning, er λ D rundt 1 nm og overflaten potensialet vil være helt kontrolleres i en avstand på noen få nm. Som et resultat, de fleste av nanoelectronic sensorer basert på SWNTs eller NWS operere enten i tørr tilstand 20 eller i lavionestyrke løsninger 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mm), ellers prøven må gjennomgå avsalting trinn 15,23. Point-of-care diagnostiske enheter trenger for å operere i fysiologisk relevante ioniske styrker på pasienten område med begrenset utvalgets behandling evne. Derfor er formildende ionisk screening effekt kritisk for utvikling og implementering av POC nanoelectronic biosensorer.

Vi dempe ionisk screening effekt ved å operere SWNT baserte nanoelectronic sensor på megahertz frekvensområdet. Protokollen gitt her beskriver fabrikasjon av en SWNT transistor basert nanoelectronic sensing plattform og høy frekvens miksing måling for biomolecular gjenkjenning. De single-vegger karbon nanorør er dyrket ved kjemisk damp avsetning på underlag mønstrede med Fe katalysatorer 24. For våre SWNT transistorer, har vi lagt inn en suspendert topp-gate 25 plassert 500 nm over nanorør, som bidrar til å forsterke høyfrekvent sensor respons og gir også mulighet for en kompakt micro-fluidic kammer for å forsegle enheten. De SWNT transistorene drives som høyfrekvente blandere 9-11 for å overvinne bakgrunns ioniske screening effekter. Ved høye frekvenser, gjør de mobile ioner i løsningen ikke har tilstrekkelig tid til å danne EDL og den varierende Biomolecular dipoler kan fortsatt gate i SWNT å generere en blanding strøm, som er vårt sensing signal. Frekvensen blanding oppstår på grunn av de ulineære IV egenskapene til et nanorør FET. Vår oppdagelse teknikken skiller seg fra de konvensjonelle teknikker for avgift basert gjenkjenning og impedansspektroskopi 26-27. For det første, oppdage vi Biomolecular dipoler med høy frekvens i stedet for tilhørende kostnader. Dernest gir den høye transkonduktans av SWNT transistor en intern gevinst for sensing signal. Dette fjerner behovet for ytre forsterkning som i tilfelle av høy frekvens impedansmålinger. Nylig har andre grupper også adressert Biomolekylære deteksjon i høy BABAKGRUNN konsentrasjoner 23,28. Men disse metodene er mer involvert, krever komplekse fabrikasjon eller forsiktig kjemiteknikk av reseptor-molekyler. Vår høyfrekvent SWNT sensor har en enklere utforming og utnytter den iboende frekvens miksing tilhører et nanorør transistor. Vi er i stand til å dempe de ioniske screening effekter, og dermed lovende en ny biosensing plattform for sanntids point-of-care deteksjon, hvor biosensorer fungerer direkte i fysiologisk relevant tilstand er ønskelig.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

En. Katalysator Mønster for SWNT Vekst

  1. Begynn med en silisium wafer med et lavtrykk kjemisk damp nedfall (CVD) dyrket 500 nm Si 3 N 4/500 nm SiO 2 film på toppen.
  2. Spin belegge et lag av fotoresist (PR) ved 500 opm i 5 sekunder og deretter 4000 rpm i 40 sekunder.
  3. Bake skiven ved 115 ° C i 90 sek.
  4. Bruk en photomask med rektangulære groper for katalysatorer (figur 1) og utsett wafer i UV (365 nm) bestråling på 300 mJ / cm 2 for 0,3 sek. Etter eksponering bake skiven ved 115 ° C i 90 sek.

Tips: Design groper i forskjellige størrelser f.eks 5 mikron x 5 mikron, 10 mikron x 5 mikron etc. å ta hensyn til variasjonen i SWNT kjemisk damp nedfall (CVD) vekstprosessen.

  1. Utvikle wafer i utbygger for 70 sek forsiktig risting wafer gjennom prosessen.
  2. Skyll wafer med DI water i 2 min, og deretter blåse tørr med en nitrogen (N2) pistol.
  3. Laste utviklet wafer inn e-beam fordamperkammer og innskudd 0,5 nm jern (Fe) i et kammer trykk på 10 -6 torr.
  4. Terninger wafer i mindre dør 1,5 cm x 1,5 cm.
  5. Fjern fotoresist ved dypping i varm aceton og isopropanol (IPA) i 10 minutter hver. Dette etterlater Fe katalysator i de rektangulære groper for nanorør vekst.

2. CVD Vekst av karbonnanorør

  1. Plasser katalysator belagt dør i kvarts tube av hjerte-og karsykdom vekst ovn.

Tips: Bestem sweet spot for nanorør vekst. Veksten er ensartet over et område på 2-tommers x 2inch nedstrøms for vår ovn (figur 2c).

  1. Basepartilpasses substratet i luft ved 880 ° C i en time for å fjerne fotoresisten residuum (figur 2a). La det kjøle seg ned.
  2. Rens kammeret med Argon i 5 min ved 3 SLM (standard liter per minutt).
  3. Rampe opp ovnen til 800 ° C ved sentrum av røret, samtidig som en strøm av en SLM av argon (figur 2b).
  4. Flow 0,2 SLM av hydrogen i 5 min for å redusere katalysatorpartiklene dvs. konvertere jernoksyd til jern.
  5. Introdusere 5.5 SCCM (standard kubikk centimeter per minutt) av etylen (C 2 H 4) for 35 min å vokse SWNTs. Opprettholde en H 2 flyt av 0,2 SLM gjennom hele prosessen. Lengden av SWNTs oppnådd fra denne oppskrift er> 20 mikron (um).
  6. Tillat ovnen kjøles ned til romtemperatur med en liten strøm av argon.

3. SWNT FET transistor Fabrication

  1. Designe en photomask (figur 1) for å definere kilden strømforbruk elektroder for strøm-spenning (IV) karakterisering av karbon nanorør.

Tips: Trekk elektrode kontakt pads langt leilt på dør slik at de forblir tilgjengelig selv etter å sette ned en mikro-fluidic stempel på den aktive nanorør regionen.

  1. Følg trinn 1,2 -1,6 å definere område for metall deponering for kontakter.
  2. Innskudd Ti / Au 0.5 nm/50 nm for kilde-drain kontakter i en e-beam fordamperkammer på 10 -6 torr.
  3. La dø i aceton over natten for metall oppskytning. Etter oppskytning, dypp dør i IPA i 10 min og deretter blåse tørt med N 2 pistol.
  4. Trenger et teppe deponering av 500 nm e-bjelke fordampet SiO 2 for gate dielektriske på 10 -6 torr.
  5. Design en fotomaske (figur 1) for å definere den port-elektroden.
  6. Følg trinn 01.02 til 01.06 for å definere regionen for gate metall deponering.
  7. Fordampe 50 nm/50 nm Cr / Au som den øverste gate elektrode i e-bjelke fordamperen. Følg trinn 3.4 for metall oppskytning.

Tips: Bruk tykk krom lag for å øke styrken of suspendert toppen gate. Gate dimensjoner er også avgjørende for vellykket suspensjon.

  1. Teppe innskudd et tynt lag (20 nm) av SiO 2 for topp elektrode passivisering.
  2. Designe en photomask (figur 1) for å åpne en grøft i SiO 2 for å få tilgang til karbon nanorør kanal. Design pad-ets areal i samme maske for å åpne opp region for tilgang til kilde, drain-og gate-elektrodene langt borte fra SWNT kanal.
  3. Følg trinn 01.02 til 01.06 til mønster PR å åpne opp grøften for våt etse av SiO 2.
  4. Våt etse fordampet SiO 2 ved hjelp av 01:20 BHF løsningen i 3 min og 30 sek. Si 3 N 4 gir en etch stop lag for å hindre videre utbredelse av BHF.

Tips: Etch tid kalibrering anbefales.

  1. Skyll enheten i DI-vann, og deretter dyppe den i IPA i 5 min. Føn med en N 2 pistol. Enheten structure forblir intakt på grunn av det tykke lag krom.

4. Kjemisk Funksjonalisering av karbon nanorør sidevegger

  1. Tilbered en oppløsning av 6 mM 1-pyrenebutanoic syre suksinimidyl-ester (PBSE) i dimetylformamid (DMF).
  2. Inkuber SWNT FET dør i denne linkeren molekylær løsning i 1 time ved romtemperatur.
  3. Skyll dysen i DMF for å vaske bort den overskytende reagens. Blow-tørke enheten.
  4. Forbered en 20mg/ml løsning av biotinyl-3, 6-dioxaoctanediamine (biotin PEO amin-BPA) i DI vann for biotinylering av SWNTs.
  5. Inkuber dysen i denne løsningen i 18 timer hvoretter grundig skylling dysen i DI vann og føn. BPA festes til PBSE linker molekylet.
  6. Forbered en løsning av 1mg/ml streptavidin i pH 7,2 PBS løsning for streptavidin binding.
  7. For statiske målinger, ruge terningen i streptavidin løsning for 20 min å fullstendig functionalize biotinylerte SWNT. Thoroughly skyll og føn terningen. For sanntids sensing, stemple PDMS flyt kanal (trinn 6) og deretter flyte streptavidin løsning i høy ionestyrke bakgrunnen for streptavidin binding (figur 3).

Merk: Vi skylle dysen ved å dispensere DI vann (~ 50 ml) over dysen ved hjelp av en klemme flaske. Da kan vi flytte terningen til en annen petriskål inneholder DI vann og flytte terningen rundt i 1 min. Vi gjentar de to trinnene i alt 8-10 ganger.

5. Utarbeidelse av Polydimethylsiloxane (PDMS) Mold for Fluid Chamber

  1. I en veiing kopp, hell 9 vekt-deler PDMS monomer og tilsett 1 vektdel herdemiddel og grundig blande de to.
  2. Avgasse blandingen i en eksikator i 25 min. Boblene vil stige gjennom blandingen og la.

Tips: Hvis blandingen begynner å skumme, lufte kammeret og la den slå seg ned for noensekunder før avgassing igjen.

  1. Plasser en ny silisium wafer i en petriskål. Hell den avgassede PDMS blandingen på toppen av det å ha en PDMS sjikt av 5 mm over skiven.
  2. Plasser petriskål i en ovn ved 70 ° C i 1 time.
  3. Fjern petriskål og la det avkjøles. Bruk en skalpell til å kutte ut et rektangulært stykke PDMS og trekk den ut med en pinsett.

Tips: PDMS side direkte i kontakt med silisium wafer er ren og ekstremt flat. Denne side vil være i kontakt med den SWNT FET dysen. Være forsiktig med å forurense den.

  1. Plasser den rektangulære dør opp ned og bore et hull i den med en biopsipunch (3 mm diameter) fra den flate siden til den andre. Dette sikrer at ingen skarpe kanter på den flate siden av PDMS (figur 4a).
  2. Plasser PDMS kammer på toppen av enheten nøye ved å justere den på toppen av det aktive området av de fabrikerte SWNT FET stempler (<strong> Figur 4a, b). Trykk den forsiktig for å sikre stempel på terningen. Den flate siden obligasjoner til dør for å gi en lekkasje-tett kammer.

Tips: Dette kan gjøres med det blotte øye eller ved hjelp av et optisk mikroskop med nok plass til å arbeide. Hvis PDMS ikke stikker godt (vanligvis hvis terningen og / eller PDMS stempel er ikke rent), gjør oksygen plasma (20 watt, 15 sek) på PDMS å hjelpe bonding. Ved hjelp av plasma makter høyere enn dette fører til sterkere bonding, har vi imidlertid sett ripping av elektrodene mens du fjerner PDMS i slike tilfelle.

  1. Fjern PDMS stempel etter elektrisk testing og før neste kjemisk funksjonalisering steg ved å dyppe dør i DI vann og forsiktig løfte stempelet.

6. Utarbeidelse av Microfluidic Flow Channel

  1. Ta en ren silisium wafer og plassere den på varm plate ved 200 ° C i 5 min for å fjerne eventuell fuktighet.
  2. Spin pels SU-8 2015 ved 500 rpm(100 rpm / sek ramp rate) i 5 sek og deretter 1250 rpm i 30 sek ved 300 rpm / sek ramp rate. Dette gir en 30 mikrometer tykk SU-8 lag på silisiumskiven.
  3. Myk bake wafer ved 95 ° C i 5 min.
  4. Design en fotomaske (figur 4C) for å definere den 300 mikrometer brede strømningskanal mønster på toppen av SWNT område.

Tips: For å unngå kollaps av struktur en kanal bredde: høyde-forhold på 10:1 er tilstrekkelig (300 mikrometer: 30 mikrometer i dette tilfellet).

  1. Ved hjelp av 365 nm UV-fotolitografi definerer strømningskanalen med en UV-eksponeringstid på 0,9 sek.
  2. Post bake i dysen ved 95 ° C i 5 min.
  3. Develop mønsteret i SU-8 utvikler i 5 min fulgt av forsiktig risting.
  4. Skyll wafer i IPA og føn med N 2 pistol.
  5. Følg trinn 05.01 til 05.02 for å forberede en PDMS blanding.
  6. Plasser wafer med SU-8 mold i en eksikkator sammen med en 2-3 dråpe silanizing agenten triskhloro (3, 3, 3-trifluorpropyl) silan i en petriskål. Slå på vakuumpumpen la skiven sitte i vakuum i 1 time.
  7. Hell den avgassede PDMS blandingen på skiven og varme den i en ovn ved 70 ° C i 1 time.
  8. Skjær PDMS mold (negativt av SU-8) med en skalpell.
  9. Plasser PDMS stempel opp ned, og ved hjelp av en biopsipunch (0,75 mm diameter) for å bore et hull ved hver ende av strømningskanalen. Kontroller til å bore hullet fra den flate side (den siden i kontakt med den silisiumskive) til den andre for å unngå skarpe kanter (fig. 4e).
  10. Plasser PDMS strømningskammeret på toppen av innretningen grundig ved å justere den på toppen av det aktive området av de fabrikerte SWNT FET dør under et mikroskop. Trykk den forsiktig for å sikre stempel på terningen. Den flate siden obligasjoner til dør for å gi en lekkasje-tett kammer. (Figur 4c og 4d)
  11. Skyv en polyetylen rør inn i hullene og koble den andre enden til en væske source og drain sprøyte (Figur 4e).
  12. Fest sprøyten på en sprøytepumpe system for å opprettholde en kontrollert strømning av fluidet gjennom kanalen (figur 6).

7. DC Elektrisk Measurement Setup

  1. Koble kilden og gate kontakter av SWNT FET til spenning portene på en DAQ kort.
  2. Koble avløpet kontakt til input-porten på DAQ kortet gjennom en før-forsterker.
  3. Påfør 30 millivolt (mV) til kilden kontakt, feie gate spenning og ta strømmen fra avløp (figur 5a).

Tips: For målinger i løsningen, holde gate spenning feie parameter innen | 0,7 volt | for å unngå lekkasje og reaksjon mellom gate metall elektrode og løsning.

8. AC Elektrisk Measurement Setup

  1. Koble Ref-ut signal fra lock-in forsterker til eksterne modulasjonssignalet port på frekvens generator for å sette AM modulert frequeNCY utgang.
  2. Koble kilden kontakt SWNT FET til AM-modulerte RF-utgangen på frekvens generator og DC spenning fra DAQ kortet ved hjelp av en skjevhet tee (figur 5b og 5c).
  3. Koble gate kontakt til spenning havnen i DAQ kort.
  4. Koble avløpet kontakt til en innlåsningsforsterkeren å lese ac strøm gjennom nanorør. Les av amplituden og fasen av strømmen gjennom DAQ inndataportene.
  5. Hold kilde dc spenning på 0 volt og AM-signal frekvens på 200 kHz (kHz).
  6. Sweep Gate spenning og måle strømmen fra avløpet.
  7. Øke frekvens og gjenta steg 8,6 for jeg mix-V g feier ved ulike frekvenser.

9. Elektriske Målinger i Solution (No Flow)

  1. Forbered en mM NaCl, 10 mM NaCl og 100 mM NaCl saltløsninger start fra 5M NaCl stamløsning.
  2. Ta SWNT enhet fra trinn 3.13. Utfør trinn 04.01 til 04.05 for å få et biotinylated enhet.
  3. Følg trinn 5 for å sette en PDMS kammer på toppen av enheten.
  4. Fyll kammeret med DI vann ved hjelp av en pipette.
  5. Følg trinn 8 for frekvens miksing målinger for ulike frekvenser.
  6. Gjenta 9.4 for de tre forskjellige saltløsninger 1 mM NaCl, 10 mM NaCl og 100 mM NaCl.

Tips: Bruk pipetten til å trekke seg forrige løsning og deretter skylle kammeret flere ganger med den nye løsningen. Slå alltid fra lav til høy konsentrasjon løsninger.

  1. Fjern PDMS stempel ved å forsiktig løfte stempel med en pinsett.
  2. Skyll enheten med DI vann.
  3. Gjennomføre streptavidin binding som forklart i 4.6 til 4.7.
  4. Gjenta trinn 09.03 til 09.06.

10. Elektrisk Measurement in Solution (Real Time Flow)

  1. Forbered 100 mM NaCl salt løsning start fra 5 M NaCl stamløsning.
  2. Ta SWNT enheten fra step 3.13. Utfør trinn 04.01 til 04.05 for å få en biotinylated enhet.
  3. Plasser mikro-fluidic flyt kanal på enheten etter trinn 6 .. Koble en tom sprøyte til en ende av den mikro-fluidteknisk kanal for uttak modus operasjon. I den andre enden ved en sprøyte med bakgrunn løsning av 100 mM NaCl.
  4. Sett opp den elektriske måling som beskrevet i punkt 8. Fix frekvensen (f = 10 MHz) og gate spenning skjevhet (V = 0).
  5. Begynn sprøytepumpe i tilbaketrekning modus (flow rate = 0,4 ml time -1) og overvåke den nåværende signal med tiden. Slå løsningen på 1mg/ml streptavidin i 100 mM NaCl og monitorsignalet endring for streptavidin-biotin-binding (figur 6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En scanning elektronmikroskop bilde av SWNT transistor med en suspendert toppen gate er vist i figur 7a. Porten dimensjoner er avgjørende for suspensjon 25. Den nåværende utforming dimensjonene er (lengde x bredde x tykkelse = 25 mikrometer x 1 mikrometer x 100 nm). Porten elektroden består av 50 nm Cr/50 nm Au, en tykk krom lag legger mer styrke til suspendert struktur. Den fjærende struktur bekreftes ved fravær av lekkasjestrøm mellom top gate-og drain (figur 7b).

Vi bruker det biotin-streptavidin ligand-reseptor-system for å evaluere det SWNT sensoren. Å karakterisere suksessen til sideveggen funksjonalisering vi overvåke FET DC overføring kurver i luften etter hvert funksjonalisering trinn. Figur 7c illustrerer at overføringen kurven skiftet til høyre etter biotinylering (rød) og streptavidin binding (blå). Dette kan tilskrives den elektrostatiske gating av electronegative amingrupper tilstede på biotin PEO-amin og streptavidin.

For høy frekvens målinger, følger vi skjematisk vist i figur 5b. De ikke-lineære karakteristikk av IV SWNT transistor, blander de høyfrekvente inngangene ved kilden og porten for å gi en blanding strømutgang, I blanding som er vår sensing signal. Figur 7d viser jeg blande målt som en funksjon av port-spenning for en typisk enhet i 100 mM NaCl. Blandetiden strøm til et AM modulert inngang ved modulasjonsfrekvensen, ω m, er gitt ved 10-11

Ligning 1
, Der m er modulasjonsdybde, er v ac AM innspill amplitude og ∂ G / ∂ V g er transconductance av enheten (skråningen av jeg g kurve i figur 7d). Miksing dagens resultater (m = 0,78 og v ac = 20mV) er enige godt med modellen som vist i figuren. For statiske fluidic målinger, sammenligner vi toppen av slike blande dagens feier for functionalized nanorør. For flow målinger, fikse vi bærerfrekvens av AM modulert signal og fikse gate spenning (V g = 0) og overvåke jeg blande for biomolecular bindende som en funksjon av tiden, og samtidig opprettholde en jevn strømning. Figur 7e-7f viser representative resultater for både statisk og strømmålinger henholdsvis.

For biomolekylære deteksjon, er det nødvendig at CNT er eksponert direkte til løsningen dvs. SiO 2 er helt etset bort under BHF etse trinn. Dersom dette vilkåret ikke er oppfylt, er kjemisk modifisering av CNT er ikke mulig som linker molekylet ikke kan stable langs nanorør sidevegg.Dette er klart illustrert i figur 7g hvor vi ser ingen forandring før og etter binding til og med i DI-vann for et SiO 2 passivert enhet. Dette viser seg også at våre måleresultater indikere vellykket kjemisk modifikasjon samt biomolecular deteksjon i høy bakgrunn ioniske konsentrasjoner. I alle målinger, ser vi at sensoren responsen faller utover 30 MHz som skyldes resonans fra oppsettet.

Figur 1
Figur 1. Nanotube transistor fabrikasjon prosessflyt (a) fremstillingsprosess - (1). Photomask sjikt-1 (PL-1) for deponering katalysator, (2) av metall liftoff, (3) CNT vekst, (4) PL-2 for source-drain kontakt, (5) liftoff metall, (6) SiO2 teppe avsetning, (7) PL-porten 3 for kontakt, (8) metalletoppskytning, (9) Thin SiO 2 teppe deponering, (10) PL-4 for BHF våt etse kanalen og (11) endelig enheten etter fotoresistente fjerning. Fargevalget er illustrert. (B) Skjematisk av enheten struktur.

Figur 2
Figur 2. Karbon nanorør vekst. (A) basepartilpasses trinn for å fjerne fotoresisten rest, (b) veksttrinn for CNT vekst og (c) utstyrplassering i vekst ovn.

Figur 3
Figur 3. Flytskjema for kjemisk funksjonalisering av CNT.


Figur 4. PDMS stempel for løsning målinger (a) -. (B) Static (ingen flow) målinger (a) Stansing og montere en PMDS kammer på enheten, (b) Skjematisk fremstilling av flyt kammer på en enhet (c) -.. (E ) Flow målinger. (c) Process flyt for PDMS flyt kanal med SU-8 mold. (1) for å definere Photomask strømningskanal (2) kryssbundede SU-8 mugg, (3) PDMS om SU-8, og (4) PDMS strømningskanalen stemplet på enheten. (D) Skjematisk diagram av strømningskanalen på en enhet og (e) Stempling innløp / utløp hull i PDMS, stempling flyten kanal på enheten og kobler polyetylen rør til Inngang / utgang porter.

Figur 5 Figur 5. Elektrisk måleoppsettet. (A) DC måling skjematisk, (b) AC blande dagens måling skjematisk og (c) bilde av eksperimentelt oppsett for AM modulert frekvens blande måling. Klikk her for å se større figur .

Figur 6
Figur 6. Flow måleoppsettet (a) Bilde av hele måleoppsettet;. (B) Sprøyte pumpe og sonde stasjon, og (c) bilde av enhet med PDMS flyt kanal, innløp / utløp flyt rør og elektriske pkapper.

Figur 7
Figur 7. Representative resultater for SWNT biosensor. (A) SEM bilde av en typisk suspendert topp-gate enhet, (b) gate-drain lekkasje for å bekrefte suspendert struktur, (c) Jeg dc-V g kurve for uberørte nanorør FET (svart), etter biotinylering (rød) og etter streptavidin binding (blå) målt i luft, (d) likestrøm, I DC (svart, V sd = 10 mV) og blanding strøm, I blandingen (rød, modulering f = 200 kHz) som en funksjon av V g for enheten i 100 mM NaCl løsning. Teoretisk blander jeg oppnådd ved bruk av modellen i ligning (1) er også vist (▲) for sammenligning. (E) I blanding-V g curves for biotinylated (svart) og streptavidin-biotin bundet (rød) SWNT i 100 mM NaCl ved f = 10 MHz, (f) sanntid mengdemåling å oppdage streptavidin binding i 100 mM NaCl og (g) signal endring etter binding i en fullt passiveres kontroll enheten i DI vann ved ulike frekvenser. Klikk her for å se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Veksten av karbon nanorør avhenger ikke bare av ovn forhold, men også underlaget renslighet. Den optimale gass-strømningshastighet, temperatur og trykk for vekst må nøye kalibrert og en gang løst de er mer eller mindre stabile. Selv med disse betingelsene er oppfylt, fant vi at veksten avhenger av mønstrede katalysator området, mengde katalysator og substrat renslighet. Derfor innlemmet vi flere katalysator pit størrelser å ta hensyn til variasjon i vekst. En én time høy temperatur basepartilpasses trinn hjalp fjerne eventuelle forurensninger som PR-rester etc. fra substratet. Figur 2 illustrerer forholdene vi innført for SWNT vekst.

Tilstedeværelsen av forurensninger fra mold behandlingen trinnene kan føre til falsk signal i kjemiske og biologiske sensing. Derfor er det nødvendig å rense substratet grundig før og etter kjemisk funksjonalisering. De skylling Etter hver funksjonalisering hjelper remove overflødig reagens som kan forholde seg til enheten nær det aktive området. Vi har også observert at hvis underlaget ikke var ren, PDMS stempel var ikke lekkasje-tight og skrelles av med væsketrykk under målingene. I slike tilfeller, hjalp veldig skånsom O 2 plasma på PDMS stempel vedheft. For sterkt O 2 plasma kan gjøre PDMS stempel pinne godt, men vanskelig å fjerne fra enheten, vi har lagt merke til ripping av elektroder mens fjerning som gjengir die ubrukelig. Hvis PDMS stempel og terningen er rene, er vedheft mellom dem godt nok til å overleve fluidstrømningshastigheter mål uten oksygen plasma behandling også. Ikke bruk O 2 plasma på SWNT enhet som dette vil etse karbon nanorør.

I løsning basert elektriske målinger, forvirrer noen lekkasjestrøm påvisning signal. Denne lekkasjen skjer fordi løsningen også kan fungere som en elektrode, motstanden hvorav ned med økende saltkonsentrasjon.Derfor er det nødvendig å innlemme elektrode passivering trinn i transistoren utforming. De to teppe avsetninger i vår fabrikasjon protokoll (500 nm og 20 nm SiO 2) bidratt til å redusere lekkasje fra kilde, avløp og gate metall kontakter. Også, før du tar noen elektrisk måling, er en gate-drain lekkasje feie anbefales for å sikre at ingen lekkasje skjer i den tiltenkte feie spenning.

For fluidstrømningshastigheter målinger, er det nødvendig å unngå luft-feller i strømningskanalen. Luftspalten fører til signal forvrengninger fordi sensoren reaksjon i luft er annerledes enn når den er i løsning. I frem pumping modus dette problemet ble ofte oppstått som hindret væskestrømmen. Dette ble unngått ved å operere sprøytepumpe i uttak-modus.

For de høyfrekvente elektriske målinger i høy bakgrunn ioniske løsninger responsen falt utover 30-40 MHz på grunn av resonans tap fra måleoppsettet. Vi væreLieve dette kan forbedres ved å utforme enheter med lavere parasitics. Optimalisert gate-SWNT avstand og mindre BNC og SMA kabler kan bidra til å forbedre følsomheten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer at de har ingen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgments

Vi takker professor Paul McEuen ved Cornell University for tidlig diskusjon. Arbeidet er støttet av oppstart fond gi ved University of Michigan og National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Program (DMR-1120187). Dette arbeidet brukte Lurie Nanofabrication Facility ved University of Michigan, et medlem av National Nanoteknologi Infrastructure Network finansiert av National Science Foundation.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
REAGENTS
Reagents which were provided within Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) are marked as LNF in the catalogue column. Chemicals which require protective equipment (gloves, safety goggles, face mask, apron) and/or fume hood are denoted with PPE in comments section.
Silicon wafers (P-type, <100>, 500-550 μm thick) Silicon Valley Microelectronics
SPR 220 3.0 Dow (Rohm and Haas) Megaposit SPR PPE
AZ 300MIF AZ Electronic Material Corporation PPE
Acetone J T Baker 9005-05 PPE
Isopropanol (IPA) J T Baker 9079-05
Buffered Hydrofluoric Acid Transene PPE
1-Pyrene Butanoic Acid, succinimidyl ester Molecular Probes P130 PPE
Biotin PEO Amine Thermo Scientific EZ- Link PEG2 Biotin, # 21346 PPE
Streptavidin Invitrogen S 888 PPE
Dimethylformamide MP Biomedicals 0219514791 PPE
Polydimethylsiloxane Elastomer Base and Curing Agent Dow Corning Sylgard 184 Elastomer Kit PPE
SU-8 2015 Microchem Y111064 PPE
SU-8 Developer Microchem Y020100 PPE
Silanizing agent Sigma Aldrich 452807 PPE
Hydrogen Purity Plus LNF
Ethylene Purity Plus LNF
Argon Purity Plus LNF
Phosphate Buffer Saline System Sigma Aldrich PBS1
EQUIPMENT
Equipment provided by Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) is denoted as LNF in Catalogue column.
GCA 200 Autostepper GCA LNF
Low Pressure Chemical Vapor Deposition Tool Tempress LNF
e-beam Evaporator Enerjet LNF
CNT growth Furnace First Nano Easy Tube 3000 (LNF)
Photomasks Nanofilm LNF
Petri dish (150mm) LNF
Desiccator Bel-Art F420100000
Biopsy Punch Ted Pella 15071/78
Scalpel Ted Pella 548
Polyethylene Tubing PE-50 VWR 20903-414
Syringe Pump New Era Pump Systems NE-1000
Syringe Fisher Scientific BD Safety-Lok Syringes
Syringe Needles Fisher Scientific 14-821-13A
DAQ card National Instruments 779111-01
GPIB connector National Instruments 778032-51
Lock-in Amplifier Stanford Research Systems SR 830
Frequency Generator HP Agilent 8648B, 9kHz -2GHz
Bias Tee Picosecond 5575A-104
Current Preamplifier DL Instruments, LLC DL 1211
BNC cables Allied Electronics 665-xxxx
SMA cables Sentro Tech Corp SCF65141

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Bioteknologi Chemical Engineering biokjemi biofysikk elektroteknikk nanoteknologi biosensing Teknikker karbon nanorør (syntese og egenskaper) bioelectronic instrumenter (teori og teknikker) Karbon nanorør biosensor frekvens miksing biotin streptavidin poly- dimetylsiloksan
Fabrikasjon av karbon nanorør høyfrekvente nanoelectronic Biosensor for Sensing i High ionestyrke Solutions
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kulkarni, G. S., Zhong, Z.… More

Kulkarni, G. S., Zhong, Z. Fabrication of Carbon Nanotube High-Frequency Nanoelectronic Biosensor for Sensing in High Ionic Strength Solutions. J. Vis. Exp. (77), e50438, doi:10.3791/50438 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter