Summary
Vi beskriver Komponentframställning och mätprotokoll för baserade Nanorör högfrekventa biosensorer. Den höga frekvensen avkänningsteknik mildrar den grundläggande joniska (Debye) screening effekt och gör nanorör biosensor för användning i hög jonstyrka lösningar där konventionella elektroniska biosensorer misslyckas. Vår teknik ger en unik plattform för point-of-care (POC) elektroniska biosensorer verksamma i fysiologiskt relevanta förhållanden.
Abstract
De unika elektroniska egenskaper och höga surface-to-volymförhållandena av enkel vägg kolnanorör (SWNT) och nanotrådar halvledare (NW) 1-4 gör dem till goda kandidater för hög känslighet biosensorer. När en laddad molekyl binder till en sådan sensor yta, förändrar det bärartätheten 5 i sensorn, vilket resulterar i förändringar i DC konduktans. Men i en jonisk lösning en laddad yta attraherar också motjoner från lösningen, som bildar ett elektriskt dubbla lager (EDL). Denna EDL skärmar effektivt av avgiften, och i fysiologiskt relevanta förhållanden ~ 100 millimolar (mM), den karaktäristiska laddningen screening längd (Debye längd) är mindre än en nanometer (nm). Således, i hög jonstyrka lösningar, är avgiften baserad (DC) upptäckt grunden hindras 6-8.
Vi övervinna effekterna avgift screening genom att upptäcka molekylära dipoler snarare än avgifter vid hög frekvens, genom att driva kol nanotUBE fälteffekttransistorer som högfrekventa blandare 9-11. Vid höga frekvenser, kan frekvensomriktaren kraft inte längre övervinna lösningen dra och jonerna i lösningen har inte tillräckligt med tid för att bilda EDL. Vidare medger Frekvensblandningsanordning teknik oss att arbeta vid frekvenser som är tillräckligt höga för att övervinna jonisk screening, och ändå upptäcka avkänningssignaler vid lägre frekvenser 11-12. Dessutom ger den höga transkonduktansen av SWNT transistorer en intern vinst för avkänningssignalen, vilket undanröjer behovet av extern signalförstärkare.
Här beskriver vi de protokoll till (a) tillverka SWNT transistorer, (b) functionalize biomolekyler till nanorör 13, (c) utforma och stämpla en poly-dimetylsiloxan (PDMS) Mikrofluidanordning kammaren 14 på enheten, och (d) utföra högfrekventa avkänning i olika jonstyrka lösningar 11.
Introduction
När en laddad molekyl binder till en SWNT eller NW elektronisk sensor, kan det skänker antingen / acceptera elektroner eller agera som en lokal elektrostatisk grind. I båda fallen kan den bundna molekylen förändra laddningsdensitet i SWNT eller NW-kanal, vilket leder till en förändring i den uppmätta DC-konduktansen hos sensorn. Ett stort utbud av molekyler 15-20 har framgångsrikt detekteras genom att studera DC egenskaperna hos de nanosensorer under sådana bindande händelser. Även om laddning-detektering baserad avkänningsmekanism har många fördelar inklusive etikett-fri upptäckt 21, femto-molar känslighet 22, och elektronisk läsa upp kapacitet 15, det är bara aktiv i låg jonstyrka lösningar. I hög jonstyrka lösningar, är DC detektion hindras av jonisk screening 6-8. En laddad yta attraherar motjoner från lösningen, som bildar ett elektriskt dubbelskikt (EDL) nära ytan. Den EDL skärmar effektivt av dessa avgifter. Som than jonstyrka av lösningen ökar blir EDL smalare och ökar screening. Denna screening effekt kännetecknas av Debye screening längden λ D,
, Där ε är den dielektriska permittiviteten hos mediet, k B den Boltzmanns konstant, T är temperaturen, q är elektronens laddning, och c är jonstyrkan hos elektrolytlösningen. För en typisk 100 mM buffertlösning, är λ D omkring 1 nm, och ytpotentialen kommer att vara helt screenas på ett avstånd av några få nm. Som ett resultat, de flesta av nanoelektroniska sensorer baserade på SWNTs eller NWS drivas antingen i torrt tillstånd 20 eller i låg jonstyrka lösningar 5,15,17,21-22 (C ~ 1 nM- 10 mm), annars provet behöver genomgå avsaltning steg 15,23. Point-of-care diagnostiska enheter måste fungera i fysiologiskt relevanta jonstyrkor på patientens plats med begränsat urval processorkapacitet. Därför är förmildrande jonisk screening effekt avgörande för utveckling och genomförande av POC nanoelektroniska biosensorer.
Vi mildra joniska screening effekten genom att driva SWNT baserade nanoelektroniska sensor på megahertz frekvensområdet. Protokollet ges här information tillverkningen av en SWNT transistor baserad nanoelektroniska avkänning plattform och hög Frekvensblandningsanordning mätning för biomolekylär detektion. De enda vägg kolnanorör odlas genom kemisk förångning på substrat mönstrade med Fe katalysatorer 24. För våra SWNT transistorer, införliva vi en upphängd top-gate 25 placerade 500 nm ovanför nanorör, vilket bidrar till att öka hög svarsfrekvens sensor och även möjliggör en kompakt micro-fluidic kammare för att täta enheten. De SWNT transistorerna drivs som högfrekventa bländare 9-11 för att övervinna bakgrunden joniska screening effekter. Vid höga frekvenser, behöver de mobila joner i lösning inte tillräcklig tid för att bilda den EDL och fluktuerande dipoler biomolekylära kan fortfarande gate SWNT att generera en blandning ström, som är vår avkänningssignal. Frekvensen blandning uppstår på grund av de olinjära IV egenskaperna hos en nanotube FET. Vår upptäckt teknik skiljer sig från de konventionella tekniker för laddning baserad detektering och impedansspektroskopi 26-27. Först upptäcker vi biomolekylär dipoler med hög frekvens i stället för de tillhörande avgifter. Vidare ger den höga transkonduktansen av SWNT transistor en intern vinst för avkänningssignalen. Detta undanröjer behovet av extern förstärkning såsom i händelse av höga frekvensmätningar impedans. Nyligen har andra grupper behandlas också biomolekylär detektion i hög baBAKGRUND koncentrationerna 23,28. Men dessa metoder är mer engagerade, kräver komplex tillverkning eller noggrann kemiteknik av receptormolekyler. Vår högfrekvent SWNT sensor har en enklare konstruktion och utnyttjar den inneboende Frekvensblandningsanordning egenskap av ett nanorör transistor. Vi har möjlighet att mildra de joniska screening effekter, vilket borgar för en ny biosensing plattform för realtids-point-of-care upptäckt, där biosensorer fungerar direkt i fysiologiskt relevanta tillstånd önskas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Ett. Katalysator Mönstring för SWNT Tillväxt
- Börja med en kiselskiva med ett lågt tryck kemisk ångavsättning (CVD) som odlas 500 nm Si 3 N 4/500 nm SiO 2 filmen ovanpå.
- Snurra belägga ett skikt av fotoresist (PR) vid 500 rpm i 5 sekunder och därefter 4.000 rpm i 40 sek.
- Baka rånet vid 115 ° C under 90 sek.
- Använd en fotomask med rektangulära gropar för katalysatorer (figur 1) och exponera skivan i UV (365 nm) irradians av 300 mJ / cm 2 för 0,3 sek. Efter exponering baka rånet vid 115 ° C under 90 sek.
Tips: Design gropar av olika storlek, t.ex. 5 mikron x 5 micron, 10 micron x 5 micron etc. att ta hänsyn till variationer i SWNT kemisk ångavsättning (CVD) tillväxtprocess.
- Utveckla skivan i utvecklare för 70 sek försiktigt skaka skivan genom processen.
- Skölj skivan med DI water för 2 minuter och sedan föna med en kväve (N 2) pistol.
- Ladda den utvecklade skivan i e-stråle förångningskammaren och insättning 0,5 nm järn (Fe) vid ett kammartryck på 10 -6 torr.
- Tärna rånet i mindre formar 1.5 cm x 1.5 cm.
- Avlägsna fotoresisten genom doppning i varm aceton och isopropanol (IPA) under 10 min vardera. Detta lämnar efter Fe katalysator i de rektangulära gropar för nanorör tillväxt.
2. CVD tillväxt av kolnanorör
- Placera formarna katalysatorbelagd i kvartsröret av CVD tillväxt ugnen.
Tips: Bestäm sweet spot för nanorör tillväxt. Tillväxten är likformig över en yta på 2inch x 2inch nedströms för vår ugn (figur 2c).
- Anneal substratet i luft vid 880 ° C under en timme för att avlägsna fotoresist återstod (figur 2a). Låt svalna.
- Rensa kammaren med Argon i 5 min vid 3 SLM (standardliter per minut).
- Ramp upp ugnen till 800 ° C vid mitten av röret, samtidigt som ett flöde av en SLM av argon (figur 2b).
- Flöde 0,2 SLM av väte under 5 min för att minska katalysatorpartiklarna dvs konvertera järnoxiden till järn.
- Införa 5,5 sccm (standard kubikcentimeter per minut) av eten (C 2 H 4) i 35 min för att växa SWNTs. Upprätthåll en H 2 flöde av 0,2 SLM under hela processen. Längden på SWNTs erhållits från detta recept är> 20 mikron (pm).
- Låt ugnen för att svalna till rumstemperatur med en liten argonflöde.
Tre. SWNT FET Transistor Fabrication
- Design en fotomask (figur 1) för att avgränsa source-drain-elektroderna för ström-spänning (IV) karakterisering av kolnanorör.
Tips: Utöka pads elektrodkontakt långt apart på formen så att de förblir tillgängliga även efter att sätta ner en Mikrofluidanordning stämpel på aktiva nanorör regionen.
- Följ stegen 1.2 -1.6 att definiera området för metallbeläggning för kontakter.
- Deposition Ti / Au 0.5 nm/50 nm för source-drain kontakter i ett e-balk förångningskammare vid 10 -6 torr.
- Låt formen i aceton över natten för metall uppskjutningen. Efter uppskjutningen, doppa formen i IPA i 10 min och sedan föna med N 2 pistol.
- Gör en filt avsättning av 500 nm e-balk avdunstat SiO 2 för styredielektrikat vid 10 -6 torr.
- Design en fotomask (figur 1) för att definiera grindelektroden.
- Följ stegen 1,2-1,6 för att definiera regionen för grind metal deposition.
- Avdunstar 50 nm/50 nm Cr / Au som bästa grindelektrod i e-beam förångare. Följ steg 3,4 för metall uppskjutningen.
Tips: Använd tjockt kromskikt att öka styrkan of avbrytas övre porten. Gate dimensioner är också avgörande för lyckad upphängning.
- Blanket insättning ett tunt skikt (20 nm) av SiO 2 för toppelektroden passivering.
- Designa en fotomask (figur 1) för att öppna ett dike i SiO 2 att komma åt kanalen Nanorör. Design pad-etch område i samma mask för att öppna upp regionen för åtkomst emitter-, kollektor-och styrelektroderna långt bort från SWNT kanalen.
- Följ stegen 1,2-1,6 till mönstret PR för att öppna upp diket för våtetsning av SiO 2.
- Våt etsa avdunstat SiO 2 med 1:20 BHF lösning under 3 min och 30 sek. Si 3 N 4 ger ett etsningsstopp skikt för att förhindra ytterligare penetrering av BHF.
Tips: Etch tid kalibrering rekommenderas.
- Skölj enheten i Dl-vatten, och sedan doppa den i IPA under 5 min. Föna med en N 2 pistol. Anordningen structure förblir intakt på grund av den tjocka kromskiktet.
4. Kemisk Funktionalisering sidoväggar kolnanotub
- Bered en lösning av 6 mM 1-pyrenebutanoic acid succinimidylester (PBSE) i dimetylformamid (DMF).
- Inkubera SWNT FET dör i denna linker molekylär lösning under 1 timme vid rumstemperatur.
- Skölj munstycket i DMF för att tvätta bort överskottet av reagens. Föna enheten.
- Bered en 20mg/ml lösning av biotinyl-3, 6-dioxaoctanediamine (biotin PEO amin-BPA) i avjoniserat vatten för biotinylering av SWNTs.
- Inkubera munstycket i denna lösning under 18 h efter vilken grundligt skölja dynan i DI-vatten och blås torrt. BPA fäster PBSE linkermolekylen.
- Bered en lösning av 1mg/ml streptavidin i 7,2 pH PBS-lösning för streptavidin bindande.
- För statiska mätningar, inkubera dynan i streptavidin lösning under 20 minuter för att helt funktionalisera biotinylerade SWNT. Thoroughly skölja och föna dynan. För realtid avkänning, stämpla PDMS flödeskanalen (steg 6) först och sedan strömma den streptavidin lösningen i hög jonstyrka bakgrund för streptavidin bindning (Figur 3).
OBS: Vi sköljer formen av utlämning DI vatten (~ 50 ml) under munstycket med hjälp av en sprutflaska. Då kan vi flytta munstycket till en annan petriskål med DI-vatten och flytta munstycket runt i 1 min. Vi upprepar de två stegen sammanlagt 8-10 gånger.
Fem. Framställning av Polydimetylsiloxan (PDMS) Mögel för fluidumkammaren
- I en vägning kopp, häll 9 viktdelar PDMS monomer och tillsätt en viktdel härdningsmedel och grundligt blanda de två.
- Degas blandningen i en exsickator under 25 min. Bubblorna stiger genom blandningen och lämna.
Tips: Om blandningen börjar skummande, ventilera kammaren och låt det slå sig ner för ett fåtalsekunder före avgasning igen.
- Placera en ny kiselskiva i en petriskål. Häll avgasade PDMS blandningen ovanpå den för att ha en PDMS skikt av 5 mm ovanför skivan.
- Placera petriskålen i en ugn vid 70 ° C under 1 timme.
- Avlägsna petriskål och låt den svalna. Använd en skalpell för att skära ut en rektangulär bit av PDMS och dra ut den med en pincett.
Tips: Den PDMS sidan direkt i kontakt med kiselskivan är ren och extremt platt. Denna sida kommer att vara i kontakt med den SWNT FET dö. Var noga med att inte förorena det.
- Placera den rektangulära formen upp och ner och borra ett hål i den med en biopsistans (3 mm diameter) från den platta sidan till den andra. Det garanterar att inga skarpa kanter på den platta sidan av PDMS (figur 4a).
- Placera PDMS kammare ovanpå enheten försiktigt genom att rikta in den på toppen av den aktiva delen av de tillverkade SWNT FET dör (<strong> Figur 4a, b). Knacka försiktigt för att säkra stämpel på munstycket. Den platta sidan obligationer till formen för att ge en läckagetät kammare.
Tips: Detta kan göras med blotta ögat eller med hjälp av ett optiskt mikroskop med tillräckligt med utrymme. Om PDMS inte fäster ordentligt (vanligtvis om dynan och / eller PDMS stämpeln är inte ren), gör syreplasma (20 watt, 15 sek) på PDMS att bistå bindning. Använda plasma som är högre än detta leder till en starkare bindning, har vi dock sett rippning av elektroder medan du tar bort PDMS i ett sådant fall.
- Ta bort PDMS stämpeln efter elektrisk provning och innan nästa kemisk funktionalisering steg genom att doppa formen i avjoniserat vatten och försiktigt lyfta stämpeln.
6. Framställning av Microfluidic Flow Channel
- Ta en ren kiselskiva och placera den på varm platta vid 200 ° C under 5 min för att avlägsna eventuell fukt.
- Spin päls SU-8 2015 500 rpm(100 varv per minut / sek ramphastighet) för 5 sekunder och sedan 1250 varv per minut i 30 sekunder vid 300 varv per minut / sek ramphastighet. Detta ger en 30 ^ m tjock SU-8 lager på kiselskiva.
- Mjuk baka rånet vid 95 ° C under 5 min.
- Design en fotomask (Figur 4c) för att definiera den 300 ^ m brett mönster flödeskanal ovanpå SWNT området.
Tips: För att undvika kollaps av strukturen en kanal bredd: höjd-förhållande på 10:1 är tillräcklig (300 um: 30 um i det här fallet).
- Använda 365-nm UV fotolitografi definierar flödet kanalen med en UV exponeringstid på 0,9 sek.
- Post baka formen vid 95 ° C under 5 min.
- Utveckla mönstret i SU-8 utvecklare under 5 minuter åtföljt av försiktig skakning.
- Skölj skivan i IPA och föna med N 2 pistol.
- Följ stegen 5.1-5.2 för att förbereda en PDMS blandningen.
- Placera skivan med SU-8 mögel i en exsickator tillsammans med en 2-3 droppe silaniseringsmedel trichloro (3, 3, 3-trifluorpropyl) silan i en petriskål. Slå på vakuumpumpen låt skivan sitta i vakuum under en timme.
- Häll den avgasade PDMS blandningen på skivan och värma det i en ugn vid 70 ° C under 1 timme.
- Skär PDMS formen (negativ av SU-8) med användning av en skalpell.
- Placera PDMS stämpeln upp och ned och med hjälp av en biopsistans (0,75 mm diameter) för att borra ett hål i varje ände av strömningskanalen. Se till att borra hålet från den plana sidan (den sida i kontakt med kiselskiva) till den andra för att undvika ojämna kanter (figur 4e).
- Placera PDMS flödeskammaren ovanpå enheten försiktigt genom att rikta in den på toppen av den aktiva delen av de tillverkade SWNT FET dör under ett mikroskop. Knacka försiktigt för att säkra stämpel på munstycket. Den platta sidan obligationer till formen för att ge en läckagetät kammare. (Fig 4c och 4d)
- Skjut ett polyetenrör i hålen och anslut den andra änden till en fluid emitter och kollektor spruta (Figure 4e).
- Fäst sprutan en sprutpump för att upprätthålla ett kontrollerat flöde av fluiden genom kanalen (figur 6).
7. DC elektrisk mätning Setup
- Anslut källan och kontakter Gate of SWNT FET till spänning hamnar i ett DAQ-kort.
- Anslut avloppet kontakten till ingångsporten DAQ-kort genom en ström förförstärkare.
- Applicera 30 millivolt (mV) till källan kontakt, sopa gate spänningen och spela in strömmen från avloppet (figur 5a).
Tips: För mätningar i lösning, hålla gate parameter spänningssvep inom | 0,7 volt | att undvika läckage och reaktionen mellan gate metallelektroden och lösning.
8. AC elektrisk mätning Setup
- Anslut Ref-ut signalen från synkroniseringsförstärkare till externa moduleringssignalen port på frekvens generator för att ställa AM modulerade frequeNCY utgång.
- Anslut källa kontakt SWNT FET till AM-modulerade RF-utgången på frekvens generator och likspänning från DAQ-kort med en bias tee (Figur 5b och 5c).
- Anslut gate kontakt med spänning hamn DAQ kortet.
- Anslut avloppet kontakten till en lock-in-förstärkare för att läsa växelström genom nanorör. Läs amplituden och fasen hos strömmen genom DAQ ingångsportarna.
- Håll spänningskälla fm 0 volt och AM-signal frekvens på 200 kilohertz (kHz).
- Sweep styrets spänning och mäta strömmen från avloppet.
- Öka frekvens och upprepa steg 8,6 för jag mix-V g svep vid olika frekvenser.
9. Elektrisk mätteknik i lösning (No Flow)
- Bered en mM NaCl, 10 mM NaCl och 100 mM NaCl saltlösningar början från 5M NaCI stamlösning.
- Ta SWNT enheten från steg 3,13. Utför steg 4,1-4,5 för att få en biotinylerad enhet.
- Följ steg 5 för att sätta en PDMS kammare ovanpå enheten.
- Fyll kammaren med DI-vatten med användning av en pipett.
- Följ steg 8 för Frekvensblandningsanordning mätningar för olika frekvenser.
- Upprepa 9,4 för de tre olika saltlösningar 1 mM NaCl, 10 mM NaCl och 100 mM NaCl.
Tips: Använd pipetten för att återkalla tidigare lösning och sedan spola kammaren flera gånger med den nya lösningen. Stäng alltid från låg till hög koncentration lösningar.
- Ta bort PDMS stämpeln genom att försiktigt lyfta stämpeln med en pincett.
- Skölj enheten med DI-vatten.
- Utför streptavidin bindning som förklaras i 4,6-4,7.
- Upprepa steg från 9,3 till 9,6.
10. Elektrisk mätning i Solution (Real Time Flow)
- Bered 100 mM NaCl-saltlösning med början från 5 M NaCl stamlösning.
- Ta SWNT enheten från stes. 3.13. Utför steg 4,1-4,5 för att få en biotinylerad enhet.
- Placera Mikrofluidanordning flödeskanalen på enheten efter steg 6 .. Anslut en tom spruta till den ena änden av Mikrofluidanordning kanal för tillbakadragande mode operation. Vid den andra änden fästa en spruta med bakgrund lösning av 100 mM NaCl.
- Ställ in den elektriska mätningen enligt beskrivningen i steg 8. Fäst frekvensen (f = 10 MHz) och gate-förspänning (V = 0).
- Starta sprutpump i tillbakadragande läge (flöde = 0,4 ml timme -1) och övervaka den aktuella signalen med tiden. Växla lösningen på 1mg/ml streptavidin i 100 mM NaCl och monitorsignal förändring för streptavidin-biotin bindning (Figur 6).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ett svepelektronmikroskop bild av SWNT transistor med en inställd övre grind visas i figur 7a. Mottagningsavgifterna mått är avgörande för upphängning 25. De nuvarande utformning mått (längd x bredd x tjocklek = 25 pm x 1 fim x 100 nm). Den grindelektrod består av 50 nm Cr/50 nm Au, ett tjockt kromskikt ger mer styrka till hängande strukturen. Den hängande strukturen bekräftas genom frånvaron av läckström mellan topp styre och kollektor (figur 7b).
Vi använder biotin-streptavidin ligand-receptor-system för att utvärdera vår SWNT sensor. Att karaktärisera framgång sidoväggen funktionalisering vi övervaka FET kurvorna DC överföring i luften efter varje funktionalisering steg. Figur 7c visar att överföringen kurvan högervridning efter biotinyleringen (röd) och streptavidin bindning (blå). Detta kan hänföras till den elektrostatiska slussning av electronegative amingrupper närvarande på biotin PEO-amin och streptavidin.
För högfrekventa mätningar, följer vi schemat som visas i figur 5b. De icke-linjära IV egenskaper SWNT transistor, blandar de högfrekventa ingångarna vid källan och grind för att ge en blandning utström, jag mix som är vår avkänning signal. Figur 7d visar jag blandar mätt som en funktion av gate spänning för en typisk anordning i 100 mM NaCl. Den blandning strömmen för en AM-modulerad effekt vid modulering frekvens, ω m, ges av 10-11
, Där m är moduleringsdjupet, är v ac AM ingångsamplituden och ∂ G / ∂ V g är transkonduktansen för anordningen (lutningen av I
For Biomolecular upptäckt, är det nödvändigt att CNT exponeras direkt till lösningen dvs SiO 2 är helt etsas bort under BHF etssteg. Om detta villkor inte är uppfyllt, är kemisk modifiering av CNT: s inte möjligt eftersom linkermolekylen inte kan stapla längs nanorör sidovägg.Detta illustreras tydligt i figur 7g där vi ser ingen förändring före och efter bindning även i DI-vatten för en SiO 2 passiverad enhet. Detta visar också att våra mätresultat visar framgångsrika kemisk modifiering samt biomolekylär detektion i höga koncentrationer bakgrund joniska. I alla mätningar, observerar vi att sensorn svaret sjunker efter 30 MHz vilket beror på resonans från installationen.
Figur 1. Nanotube transistor tillverkningsprocessen flöde (a) Fabrication process -. (1) Photomask skikt-1 (PL-1) för katalysator nedfall, (2) metall liftoff, (3) CNT tillväxt, (4) PL-2 för source-drain kontakt, (5) metall liftoff, (6) SiO 2 filt nedfall, (7) PL-3 för gatekontakten, (8) metallliftoff, (9) Thin SiO 2 filt nedfall, (10) PL-4 för BHF våtetsning kanal och (11) slutlig enhet efter fotoresist borttagning. Färgschema illustreras. (B) Schematisk bild av enhetens struktur.
Figur 2. Carbon Nanotube tillväxt. (A) Anneal steg för att avlägsna fotoresist rest, (b) tillväxt steg för CNT tillväxt och (c) anordning placering i tillväxt ugn.
Figur 3. Flödesschema för kemisk funktionalisering av CNT.
Figur 4. PDMS stämpel för lösning mätningar (a) -. (B) Fasta (inget flöde) mätningar (a) stansning och montering av en PMDS kammare på enhet, (b) Skiss över flödet kammare på en enhet (c) -.. (E ) Flödesmätning. (c) Process flöde för PDMS flödeskanal med SU-8 mögel. (1) Fotomask för att definiera flödeskanalen, (2) tvärbunden SU-8 mögel, (3) PDMS på SU-8 och (4) PDMS flödeskanal tryckts på enheten. (D) Schematiskt diagram över flödeskanalen på en enhet och (e) Stansning inlopp / utlopp hål i PDMS, stämpling flödet kanal på enheten och ansluter polyetenrör till inlopp / utlopp.
Figur 5. Elektrisk mätning setup. (A) DC mätning schematiska, (b) AC blandning strömmätning schematisk och (c) bilden av experimentuppställning för AM-modulerade Frekvensblandningsanordning mätningen. Klicka här för att visa en större bild .
Figur 6. Flödesmätning setup (a) Bild av hela mätningen installationen,. (B) Sprutpump och sond station, och (c) bilden av enheten med PDMS genomloppsarea ingående / utgående rör flöden och elektriska pklädnader.
Figur 7. Representativa resultat SWNT biosensor. (A) SEM-bild av en upphängd typisk top-gate-enhet, (b) gate-drain läckage att bekräfta hängande strukturen, (c) I DC-V g kurvan för ren nanorör FET (svart), efter biotinylation (röd) och efter streptavidin bindning (blå) mätt i luft, (d) likström, I dc (svart, V sd = 10 mV) och blanda ström, jag mix (röd, modulering f = 200 kHz) som en funktion av V g under enheten i 100 mM NaCl-lösning. Teoretisk Jag blandar erhålls med modellen i ekvation (1) visas också (▲) för jämförelse. (E) I mix-V g curves för biotinylerad (svart) och streptavidin-biotin bundet (röd) SWNT i 100 mM NaCl vid f = 10 MHz, (f) realtid flödesmätning att upptäcka streptavidin bindande i 100 mM NaCl och (g) signalen förändras efter bindning i en fullt passiveras styranordning i DI vatten vid olika frekvenser. Klicka här för att visa en större bild .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Tillväxten av kolnanorör beror inte bara på ugnen villkor men även substrat renlighet. Den optimala gasflöde, temperatur och tryck för tillväxt måste noggrant kalibrerade och en gång fast de är mer eller mindre stabila. Även med dessa villkor är uppfyllda, fann vi att tillväxten beror på mönstrade katalysatorn området, mängden katalysator och substrat renlighet. Därför ingår vi flera storlekar katalysator grop att ta hänsyn till variationer i tillväxt. En timmes hög temperatur glödgning steg hjälpte avlägsna eventuella föroreningar som PR rester etc. från substratet. Figur 2 illustrerar de villkor som vi antagit för SWNT tillväxt.
Förekomsten av föroreningar från Die processteg kan leda till falsk signal på kemiska och biologiska avkänning. Därför är det nödvändigt att rengöra underlaget noga före och efter kemisk funktionalisering. De sköljningsstegen efter varje funktionalisering hjälper remove eventuellt överskott reagens, som kan fastna på enheten vid det aktiva området. Vi observerade också att om underlaget inte var ren, var PDMS stämpeln inte täta och skalades av med vätsketryck under mätningarna. I sådana fall, hjälpte mycket mild O 2 plasma på PDMS stämpel vidhäftning. Alltför stark en O 2 plasma kan göra PDMS stämpeln pinnen bra men svårt att ta bort från enheten, vi har märkt rippning av elektroder medan borttagning som gör matrisen oanvändbar. Om PDMS stämpeln och dynan är rena, är vidhäftningen mellan dem tillräckligt bra för att överleva fluidflödeshastigheter mätningar utan syre plasma behandling också. Använd inte O 2 plasma på SWNT enheten eftersom detta kommer att etsa kolnanorör.
I lösning baserad elektriska mätningar, överväldigar någon läckström detektionssignalen. Detta läckage inträffar eftersom lösningen också kan fungera som en ledare, går vars resistans ner med ökande saltkoncentration.Därför är det nödvändigt att införliva steg elektrod passivering i transistorn design. De två filt avlagringar i vår tillverkning protokollet (500 nm och 20 nm SiO 2) bidrog till att minska läckaget från källan, drain och gate kontakter metall. Också, innan du tar något elektrisk mätning, är en gate-drain läckage svep rekommenderas för att säkerställa att inget läckage sker i avsedd svep spänningsområde.
För fluidflöde mätningar är det nödvändigt att undvika luft-fällor i flödeskanalen. Luftspalten leder att signalera snedvridningar eftersom sensorn respons i luft är annorlunda än när den är i lösning. I den främre pumpmoduset denna fråga ofta uppstår som hindras vätskeflödet. Detta undveks genom att manövrera sprutan pumpen i tillbakadragande läget.
För de högfrekventa elektriska mätningar i höga bakgrund jonlösningar svaret föll utanför 30-40 MHz på grund av resonans förlusten från mätningen installationen. Vi ärlieve detta kan förbättras genom att utforma anordningar med lägre parasitkomponenter. Optimerad gate-SWNT avstånd och mindre BNC och SMA kablar kan bidra till att förbättra känsligheten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Vi tackar Prof. Paul McEuen vid Cornell University för tidig diskussion. Arbetet stöds av startfonden ger vid University of Michigan och National Science Foundation Scalable nanotillverkning Program (DMR-1.120.187). Detta arbete använde Lurie Nanotekniklaboratoriet Facility vid University of Michigan, en medlem av National Nanotechnology Infrastructure Network som finansieras 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 | |
References
- Dekker, C. Carbon nanotubes as molecular quantum wires. Phys. Today. 52, 22-28 (1999).
- McEuen, P. L., Fuhrer, M. S., Park, H. K.
- 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).
- 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).
- Heller, I., Janssens, A. M., et al. Identifying the mechanism of biosensing with carbon nanotube transistors. Nano Letters. 8, 591-595 (2008).
- Stern, E., Wagner, R., et al. Importance of the debye screening length on nanowire field effect transistor sensors. Nano Letters. 7, 3405-3409 (2007).
- Zhang, G. J., Zhang, G., et al. DNA sensing by silicon nanowire: Charge layer distance dependence. Nano Letters. 8, 1066-1070 (2008).
- 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).
- Appenzeller, J., Frank, D. J. Frequency dependent characterization of transport properties in carbon nanotube transistors. Applied Physics Letters. 84, 1771-1773 (2004).
- 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).
- Kulkarni, G. S., Zhong, Z. H. Detection beyond the Debye Screening Length in a High-Frequency Nanoelectronic Biosensor. Nano Letters. 12, 719-723 (2012).
- Sazonova, V. A Tunable Carbon Nanotube Resonator. , Cornell University. (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kong, J., Franklin, N. R., et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors. Science. 287, 622-625 (2000).
- 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).
- Patolsky, F., Zheng, G. F., Lieber, C. M.
- Stern, E., Klemic, J. F., et al. Label-free immunodetection with CMOS-compatible semiconducting nanowires. Nature. 445, 519-522 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Elnathan, R., Kwiat, M., et al. Biorecognition Layer Engineering: Overcoming Screening Limitations of Nanowire-Based FET Devices. Nano Letters. 12, 5245-5254 (2012).
