Summary
Biz cihaz imalat ve karbon nanotüp tabanlı yüksek frekans biyosensörler için ölçü protokol açıklar. Yüksek frekans algılama tekniği temel iyonik (Debye) tarama etkisi azaltır ve geleneksel elektronik biyosensörler başarısız yüksek iyonik gücü çözümleri ameliyat olmak için nanotüp biyosensör sağlar. Teknolojimiz noktası bakım (POC) fizyolojik gerekli koşulların faaliyet gösteren elektronik biyosensör için benzersiz bir platform sağlar.
Abstract
Eşsiz elektronik özellikleri ve tek duvarlı karbon nanotüpler (SWNT) ve yarı iletken nanotellerin yüksek yüzey-hacim oranları (KB) 1-4 bunları yüksek hassasiyet biyosensör için iyi bir aday olun. Dolu bir molekül, bir sensör yüzeyine bağlandığı zaman, kendi DC iletkenlikteki değişikliği ile sonuçlanan, sensör taşıyıcı yoğunluğu 5 değiştirir. Bununla birlikte, iyonik bir solüsyon içinde bir yüklü yüzey, aynı zamanda, bir elektriksel çift katman (EDS) oluşturan çözelti, bir karşı-iyonları çeker. Bu EDL etkili şarj kapalı perdeler, ve fizyolojik ilgili koşullarda ~ 100 milimolar (mM), karakteristik şarj tarama uzunluğu (Debye uzunluğu) bir nanometre (nm) daha azdır. Bu nedenle, yüksek iyonik güç çözümleri, şarj tabanlı (DC) algılama temelde 6-8 engellemektedir.
Biz karbon nanot çalıştırarak, yüksek frekansta moleküler dipol yerine ücretleri tespit ederek şarj tarama etkilerini aşmakyüksek frekans karıştırıcılar 9-11 olarak ube alan etkili transistörler. Yüksek frekanslarda, AC sürücü güç artık çözüm sürükle üstesinden gelebilir ve çözüm iyonları EDL oluşturmak için yeterli zamanımız yok. Ayrıca, frekans karıştırma tekniği bize iyonik tarama üstesinden gelmek için yeterince yüksek frekanslarda çalışmasını sağlar, ve henüz düşük frekanslarda 11-12 de algılama sinyalleri algılar. Ayrıca, SWNT transistörlerin yüksek iletkenliği harici sinyal amplifikatörü için duyulan ihtiyacı ortadan kaldırır algılama sinyali için bir iç kazanç temin etmektedir.
Burada, (a) SWNT transistörler, (b) (c) tasarım ve cihaz üzerine bir poli-dimetilsiloksan (PDMS) mikro-akışkan odası 14 damga, nanotüp 13 biyomoleküllerin işlerlik ve imal protokol açıklar (d) farklı iyonik gücü çözümleri 11 yüksek frekans algılama yürütmek.
Introduction
Bir ücret molekül bir SWNT veya KB elektronik sensör bağlandığında, ya bağış / elektronları kabul eden ya da yerel bir elektrostatik kapı olarak hareket edebilir. Her iki durumda da, bağlama molekülü sensörün ölçüm DC iletkenlik bir değişime yol açan, SWNT veya KB kanal yük yoğunluğu değiştirebilir. 15-20 moleküllerin büyük bir çeşitlilik başarılı gibi bağlayıcı olaylar sırasında nanosensors DC özelliklerini inceleyerek tespit edilmiştir. Şarj algılama tabanlı algılama mekanizması etiket-ücretsiz algılama 21, Femto-molar duyarlılık 22, ve elektronik yeteneği 15 okuma da dahil olmak üzere pek çok avantajı olmasına rağmen, bu sadece düşük iyonik gücü çözümleri etkilidir. Yüksek iyonik güç çözümleri, DC algılama iyonik tarama 6-8 tarafından engellenmektedir. Bir ücret yüzey yüzeye yakın bir elektriksel çift tabaka (EDL) oluşturan çözümünden karşı iyonları çekiyor. EDL etkili bu ücretleri kapalı ekranlarında. T gibiçözüm artar o iyonik gücü, EDL dar ve tarama artar hale gelir. Bu tarama etkisi, Debye tarama uzunluğu λ D ile karakterize edilir
, Ε medyanın dielektrik geçirgenlik olduğu, k B Boltzmann sabiti, T sıcaklık olduğunu, q elektron ücret ve c elektrolit çözeltisinin iyonik gücü. Tipik bir 100 mM tampon çözelti için, λ D 1 nm civarındadır ve yüzey potansiyeli tamamen birkaç nm mesafede izleyicilerle buluşacak. Sonuç olarak, SWNTs veya NWS göre nanoelektronik sensörler en 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM kuru halde 20 veya düşük iyonik güçlü Çözeltilerin ya yapmaktadır- 10 mM), aksi takdirde örnek tuzsuzlaştırma adımları 15,23 geçmesi gerekiyor. Point-of-bakım teşhis cihazları sınırlı örnek işleme yeteneği ile hasta yerinde fizyolojik ilgili iyonik güçlü faaliyet gerekir. Bu nedenle, hafifletici iyonik tarama etkisi POC nanoelektronik biyosensör geliştirilmesi ve uygulanması için çok önemlidir.
Biz megahertz frekans aralığında SWNT tabanlı nanoelektronik sensörü çalıştırarak iyonik tarama etkisini azaltmak. Protokol ayrıntıları nanoelektronik algılama platformu ve biyomoleküler tespiti için yüksek frekanslı karıştırma ölçüm dayalı bir SWNT transistörün üretim burada sağlanan. Tek duvarlı karbon nanotüpler Fe katalizörler 24 ile desenli yüzeyler üzerinde kimyasal buhar biriktirme tarafından yetiştirilmektedir. Bizim SWNT transistörler için, bir asma üst geçit 25 yüksek frekans sensörü yanıtı arttırmak yardımcı olur nanotüp, yukarıda 500 nm yerleştirilir ve aynı zamanda kompakt bir MICR sağlar dahilo-akışkan odası cihazı mühür. SWNT transistörler arka iyonik tarama etkilerini aşmak için yüksek frekans karıştırıcı 9-11 olarak işletilmektedir. Yüksek frekanslarda, çözüm mobil iyonları EDL oluşturmak için yeterli zaman ve dalgalanan biyomoleküler dipollerin yok olabilir hala kapı bizim algılama sinyali bir karıştırma akım, oluşturmak için SWNT. Karıştırma sıklığı FET bir nanotüp doğrusal olmayan IV özellikleri nedeniyle ortaya çıkar. Bizim algılama tekniği ücret tabanlı algılama ve empedans spektroskopisi 26-27 geleneksel teknikleri farklıdır. Öncelikle, yerine ilgili ücretleri daha yüksek frekansta biyomoleküler dipoller algılar. İkinci olarak, SWNT transistörün iletkenliği yüksek bir algılama sinyali için dahili bir kazanç temin etmektedir. Bu, yüksek frekans empedans ölçümleri durumunda olduğu gibi, harici amplifikasyon için duyulan ihtiyacı ortadan kaldırır. Son zamanlarda, diğer gruplar da yüksek ba biyomoleküler algılama ele varckground konsantrasyonları 23,28. Ancak, bu yöntemler karmaşık fabrikasyon veya reseptör moleküllerin dikkatli kimya mühendisliği gerektiren, daha karmaşık bulunmaktadır. Bizim yüksek frekans SWNT sensör daha basit bir tasarıma sahiptir ve bir nanotüp transistörün doğal frekans karıştırma özelliğini kullanır. Böylece fizyolojik ilgili durumda doğrudan işleyen biyosensör istenen gerçek zamanlı noktası bakım tespiti için yeni bir Biyoalgılayıcı platformu umut verici, iyonik tarama etkilerini azaltmak mümkün.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. SWNT Büyüme için Catalyst Desenlendirme
- 500 nm Si 3 N 4/500 nm SiO 2 filmi üstünde yetişen bir alçak basınç kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile bir silikon yonga ile başlayın.
- 40 sn için 4000 rpm daha sonra 5 saniye boyunca 500 rpm'de ışığa (PR) bir kat bir kat Spin ve.
- 90 saniye için 115 ° C 'de fırında gofret.
- Katalizörler (Şekil 1) dikdörtgen çukurlar ile bir photomask kullanın ve 300 0.3 sn için mJ / cm 2 UV (365 nm) ışıma olarak gofret maruz. Maruz bırakıldıktan sonra 90 saniye için 115 ° C 'de fırında gofret.
İpucu: farklı boyutlarda Tasarım çukurlar SWNT kimyasal buhar biriktirme (CVD) büyüme sürecinde değişkenliği açıklamak için 5 mikron x 5 mikron, 10 mikron x 5 mikron vb gibi.
- 70 sn hafifçe sürecinde gofret sallayarak için geliştirici gofret geliştirin.
- DI Su sağlama ile gofret durulayın2 dakika süreyle r ve daha sonra bir azot (N 2) tabanca ile kuru darbe.
- 10 -6 torr bir odası basınçta E-ışını buharlaştırma bölmesi ve mevduat 0.5 nm demir (Fe) içine gelişmiş gofret yükleyin.
- 1.5 cm x 1.5 cm daha küçük kalıplar içine gofret zar.
- Her biri 10 dakika için sıcak aseton ve isopropanol (IPA), daldırma ile ışığa çıkarın. Bu nanotüp büyüme için dikdörtgen çukurlarda Fe katalizör geride bırakır.
2. Karbon nanotüpler CVD Büyüme
- CVD büyüme fırın bölgesinin kuvars tüp içinde, katalizör kaplamalı kalıpların yerleştirin.
İpucu: nanotüp büyüme için tatlı yerinde belirleyin. Büyüme bizim fırın (Şekil 2c) için 2inch x 2inch aşağı bir alan üzerinde tekdüze.
- Fotorezist Kalıntı (Şekil 2a) çıkarmak için bir saat boyunca 880 ° C'de havada tabaka tavlama. Soğumasını bekleyin.
- Ar ile odası temizleyin3 SLM (dakika başına standart litre) 5 dakika için gon.
- Argon (Şekil 2b) 1 SLM arasında bir akış korurken, tüpün merkezinde 800 ° C fırın hızlandırılmasıdır.
- Yani demir, demir oksit dönüştürmek katalizör parçacıkları azaltmak için 5 dakika boyunca akış, hidrojen 0.2 SLM.
- SWNTs büyümek için 35 dakika boyunca, etilenin 5,5 sccm (dakika başına standart kübik santimetre) (C-2H 4) tanıtılması. Süreç boyunca 0.2 SLM bir H 2 akış sağlamak. Bu tarifi elde SWNTs uzunluğu> 20 mikron (mikron) 'dir.
- Fırının küçük bir argon akışı ile oda sıcaklığına soğumaya bırakın.
3. SWNT FET Transistör Fabrikasyon
- Karbon nanotüpler akım-gerilim (IV) karakterizasyonu için kaynak drenaj elektrotlar tanımlamak için bir photomask (Şekil 1) tasarlayın.
İpucu: çok apar elektrot temas pedleri uzatınkalıp t bile aktif nanotüp bölgeye bir mikro-akışkan damga aşağı koyarak sonra erişilebilir kalır o kadar.
- Kişiler için metal birikimi için alanı tanımlamak için adımları 1.2 -1.6 izleyin.
- Mevduat Ti / 10 -6 torr'da bir e-ışını buharlaştırma bölmesi kaynak-drenaj kişiler için Au 0.5 nm/50 nm.
- Metal fırlatmaya için gece boyunca aseton içinde kalıp bırakın. Fırlatmaya sonra, 10 dakika IPA kalıp daldırma ve sonra kuru kullanılarak N 2 tabanca darbe.
- 500 nm bir battaniye birikimi E-ışın 10 -6 torr'da kapı dielektrik için SiO 2 buharlaşmış yok.
- Kapının elektrot tanımlamak için bir photomask (Şekil 1) tasarlayın.
- Kapı metal birikimi için bölgeyi tanımlamak için adımları 1.2-1.6 izleyin.
- E-ışını evaporatör en üst kapı elektrot olarak 50 nm/50 nm Cr / Au buharlaşır. Metal Kalkışa 3.4 adım izleyin.
İpucu: gücü o artırmak için kalın krom tabaka kullanınf üst kapısı askıya aldı. Kapı boyutları da başarılı süspansiyon için kritik öneme sahiptir.
- Battaniye mevduat üst elektrot pasivasyon için SiO 2 ince bir tabaka (20 nm).
- Karbon nanotüp kanal erişmek için SiO 2 bir hendek açmak için bir photomask (Şekil 1) tasarlayın. Tasarım pad-etch aynı maske alanı SWNT kanaldan uzak kaynak, drenaj ve kapı elektrotlar erişim için bölgeye açmak için.
- SiO 2 ıslak aşındırma için hendek açmak için PR desene adımları 1.2-1.6 izleyin.
- Islak aşındırma SiO 2 3 dk ve 30 sn için 01:20 BHF çözüm kullanarak uçuruldu. Si 3 N 4 BHF daha fazla nüfuz etmesini önlemek için bir aşındırma dur katmanı sağlar.
İpucu: Asitli zaman ayarlama önerilir.
- Iyice DI su cihazı durulayın ve sonra 5 dakika boyunca IPA içinde daldırma. Bir N 2 tabancası kullanarak darbe kuru. Cihaz stkezlerinin kalın bir krom tabaka nedeniyle bozulmadan kalır.
4. Karbon Nanotube Yan duvarlar kimyasal fonksiyonlandırmalar
- 6 mM, dimetilformamid içinde 1-pyrenebutanoic asit süksinimidil ester (PBSE) (DMF) içinde bir çözeltisi hazırlandı.
- Oda sıcaklığında 1 saat boyunca bu bağlayıcı çözelti içinde moleküler SWNT FET kalıp inkübe edin.
- Iyice aşırı reaktif uzak yıkamak için DMF kalıp durulayın. Cihaz darbe-kuru.
- Biotinil-3 bir 20mg/ml çözüm, SWNTs bir biyotinilasyon için DI suda 6-dioxaoctanediamine (biotin PEO amin-BPA) hazırlayın.
- İyice DI suyla yıkayın ve kalıbın darbe kuru sonra, 18 saat boyunca bu çözelti içinde kalıp inkübe edin. BPA PBSE bağlayıcı molekülü bağlanır.
- Streptavidin bağlama için 7.2 pH PBS çözüm 1mg/ml streptavidin bir çözüm hazırlayın.
- Statik ölçümleri için, tamamen biyotinlenmiş SWNT fonksiyonalize 20 dakika boyunca streptavidin ile çözelti içinde kalıp inkübe edin. Thoroughly durulayın ve kalıp darbe kuru. Gerçek zamanlı algılama için, ilk PDMS akış kanalı (adım 6) pul ve sonra streptavidin bağlama (Şekil 3) için yüksek iyonik gücü arka planda streptavidin çözüm akış.
Not: Bu, bir plastik şişe ile kalıp üzerinde tevzi DI su (~ 50 mi) ile kalıp yıkayın. Sonra DI su içeren başka bir Petri kabı kalıp hareket ve 1 dakika etrafında kalıp hareket. Biz iki adım 8-10 kez toplam tekrarlayın.
5. Sıvı Odası için Polidimetilsiloksan hazırlanması (PDMS) Kalıp
- Bir tartım kabı, PDMS monomerin ağırlık olarak 9 birim dökün ve sertleştirme maddesinin, ağırlık olarak 1 kısım ve iyice iki karıştırın.
- 25 dakika boyunca bir desikatör içinde gazını karışım. Kabarcıklar karışımı üzerinden yükselmeye ve bırakacaktır.
İpucu: karışım köpük başlarsa, oda havalandırma ve birkaç için yerleşmek izintekrar gaz giderme önce saniye.
- Bir Petri kabındaki yeni bir silikon yonga yerleştirin. Gofret üzerinde 5 mm PDMS katmanı için bunun üstüne gazı alınmış PDMS karışımı dökün.
- 1 saat boyunca 70 ° C'deki bir fırında petri ° C'ye yerleştirin.
- Petri kabı çıkarın ve soğumaya bırakın. PDMS bir dikdörtgen parça kesip ve bir cımbız kullanarak dışarı çekmek için bir neşter kullanın.
İpucu: doğrudan silikon yonga ile temas PDMS tarafı temiz ve son derece düz. Bu yan SWNT FET kalıp ile temas halinde olacaktır. Bu kontamine için dikkatli olun.
- Ters dikdörtgen kalıp yerleştirin ve diğer düz tarafı bir biyopsi yumruk (3 mm çapında) kullanarak bir delik açın. Bu PDMS (Şekil 4a) düz tarafında hiçbir çıkıntılar sağlar.
- <Fabrikasyon SWNT FET ölür (en aktif alan üstüne hizalayarak dikkatli bir cihazın üstüne PDMS odasına yerleştirinstrong> Şekil 4a, b). Kalıp üzerinde damga sabitlemek için hafifçe dokunun. Bir sızıntı geçirmez oda sağlamak için kalıp için düz tarafı bağlar.
İpucu: Bu çıplak gözle yapılan ya da yeterince çalışma alanı ile bir optik mikroskop kullanılarak edilebilir. PDMS de sopa (kalıp ve / veya PDMS damga temiz değil genel olarak ise) değilse, bağ yardımcı olmak için PDMS üzerine (20 watt, 15 sn) oksijen plazma yapmak. Güçlü bağ için bu yol daha yüksek plazma yetkileri kullanarak, ancak, bu durumda PDMS çıkarırken elektrot müthiş gördük.
- Elektrik test sonrasında ve DI suda kalıp daldırma ve hafifçe damga kaldırarak sonraki kimyasal işlevsellik adım önce PDMS damga çıkarın.
6. Mikroakışkan akış kanalının hazırlanması
- Temiz bir silikon yonga almak ve herhangi bir nemi çıkarmak için 5 dakika boyunca 200 ° C sıcak plaka üzerine yerleştirin.
- 500 rpm kat SU-8 2.015 Spin(100 devir / sn rampa oranı) daha sonra 5 saniye ve 300 devir / sn rampa oranı az 30 saniye için 1250 rpm için. Bu silikon yonga üzerinde 30 mikron kalınlığında SU-8 katmanı sağlar.
- Yumuşak fırında 95 gofret ° C 5 dakika boyunca.
- SWNT alan üzerine 300 mikron genişliğinde akış kanalı deseni tanımlamak için bir photomask (Şekil 4c) tasarlayın.
İpucu: yapısı bir kanal genişliği çöküşü önlemek için: 10:1 yükseklik oranı (: bu durumda 30 mikron 300 mikron) yeterlidir.
- 365-nm UV fotolitografi kullanarak 0.9 saniye bir UV ışınlarına maruz kalma süresi ile akış kanalı tanımlar.
- 5 dakika boyunca 95 ° C kalıp fırında var.
- Nazik sallayarak eşlik 5 dakika SU-8 geliştirici model geliştirmek.
- IPA gofret durulayın ve N 2 tabanca ile kuru darbe.
- Bir PDMS karışımı hazırlamak için adımları 5.1-5.2 izleyin.
- Silanizing ajan mide bir 2-3 damla ile birlikte desikatöre SU-8 kalıp ile gofret yerleştirinKloro (3, 3, 3-trifluoropropil) bir Petri kabındaki silan. Vakum pompası açın gofret 1 saat vakum bekletin.
- Gofret üzerine gazı alınmış PDMS karışımı dökün ve sonra 1 saat boyunca 70 ° C sıcaklıkta bir fırın içinde ısı.
- Bir neşter kullanılarak PDMS kalıp (SU-8 negatif) kesin.
- Ters PDMS damga yerleştirin ve akış kanalının her iki ucunda bir delik açmak için bir biyopsi yumruk (0.75 mm çapında) kullanarak. Çıkıntılar (Şekil 4e) önlemek için diğer düz tarafı (silikon yonga ile temas tarafı) delik emin olun.
- Mikroskop altında fabrikasyon SWNT FET kalıpların aktif alanının üstüne hizalayarak dikkatli bir cihazın üstüne PDMS akış odasına yerleştirin. Kalıp üzerinde damga sabitlemek için hafifçe dokunun. Bir sızıntı geçirmez oda sağlamak için kalıp için düz tarafı bağlar. (Şekil 4c ve 4d)
- Deliklere bir polietilen boru itme ve bir sıvı kaynağı ve drenaj şırınga (F diğer ucunuŞEKIL 4e).
- Kanal (Şekil 6) aracılığıyla sıvı kontrollü bir akış sağlamak için bir şırınga pompası sistemi için şırınga takın.
7. DC Elektrik Ölçüm Kurulumu
- Kaynak ve bir DAQ kartı gerilim limanlarına FET SWNT kapısı kişileri bağlayın.
- Güncel bir pre-amplifikatör ile DAQ kartı giriş portuna drenaj temas bağlayın.
- , Kaynak kişiye 30 milivolt (mV) uygulayın geçit gerilimi süpürme ve boşaltma (Şekil 5a) Geçerli kaydedin.
İpucu: çözüm ölçümleri için, içinde geçit gerilimi süpürme parametre tutmak | 0,7 volt | kaçak ve kapı metal elektrot ve çözüm arasındaki reaksiyon önlemek için.
8. AC Elektrik Ölçüm Kurulumu
- Kurulum frekans jeneratörü harici modülasyon sinyali bağlantı noktasına amplifikatör kilit-in Ref-out sinyalini modüle frekanslı AMNCY çıktı.
- Bir önyargı tee (Şekil 5b ve 5c) kullanarak DAQ kartından frekans jeneratörü ve DC gerilim AM-modüle RF çıkış portuna FET SWNT kaynağı temas bağlayın.
- DAQ kartı gerilim bağlantı noktasına kapı temas bağlayın.
- Nanotüp ile AC akım okumak için bir kilit-amplifikatör için tahliye temas bağlayın. DAQ giriş bağlantı noktaları üzerinden genlik ve akım faz okuyun.
- 200 kilohertz (kHz) de 0 volt ve AM sinyal frekansta kaynağı DC gerilim tutun.
- Kapı voltajı, süpürme ve drenaj gelen akım ölçer.
- Farklı frekanslarda I mix-V g temizleyicileri için frekans ve tekrar adım 8.6 artırın.
9. Çözüm Elektrik Ölçümleri (Akış Yok)
- 1 mM NaCI, 10 mM NaCl ve 5M NaCI stok çözeltisi, başlangıç, 100 mM NaCl çözümleri hazırlayın.
- Adım 3.13 gelen SWNT cihazı alın. Bir biotinylate elde etmek için adımlar 4.1-4.5 yapınızd cihaz.
- Cihazın üstüne bir PDMS odasına koymak için 5 adım izleyin.
- Bir pipet kullanarak DI su ile oda doldurun.
- Farklı frekanslar için frekans karıştırma ölçümleri için 8 adım izleyin.
- Üç farklı tuz çözeltileri, 1 mM NaCI, 10 mM NaCl ve 100 mM NaCI, 9.4 tekrarlayın.
İpucu: Önceki çözüm geri ve daha sonra yeni bir çözüm ile oda birden çok kez temizlemek için pipet kullanın. Her zaman yüksek konsantrasyon çözümler için düşük geçiş.
- Hafifçe bir cımbız ile damga kaldırarak PDMS damga çıkarın.
- Iyice DI su ile cihazı durulayın.
- 4.6-4.7 açıklandığı üzere streptavidin bağlayıcı yapınız.
- Adımları 9.3-9.6 tekrarlayın.
10. Çözüm Elektrik Ölçüm (Gerçek Zamanlı Akış)
- 5 M NaCI stok çözeltisi, başlangıç 100 mM NaCl çözeltisi hazırlayın.
- Ste gelen SWNT cihazı alıns 3.13. Bir biotinlenmiş cihazı elde etmek için adımlar 4.1-4.5 yapınız.
- Adım 6 aşağıdaki cihaz üzerindeki mikro-akışkan akış kanalı yerleştirin .. Çekilmesi modunda çalışması için mikro-akışkan kanalın bir ucuna boş bir şırınga bağlayın. Diğer ucunda, 100 mM NaCI solüsyonu ile bir arka şırınga takmak.
- 8. adımda ayrıntılı olarak elektrik ölçüm ayarlayın. Frekans (f = 10 MHz) düzeltmek ve kapı gerilim önyargı (V = 0).
- Çekme modunda şırınga pompası Başlangıç (akış oranı = 0.4 ml saat -1) ve zamanla akım sinyali izlemek. 100 mM NaCl ve streptavidin-biotin bağlayıcı (Şekil 6) Monitör sinyal değişiklik 1mg/ml streptavidin çözüm geçin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Askıya alınmış bir üst geçit ile SWNT transistörün bir tarama elektron mikroskop görüntüsü, Şekil 7a'da gösterilmiştir. Kapı boyutları süspansiyon 25 için kritik öneme sahiptir. Mevcut tasarım boyutları (x genişlik x kalınlık = 25 mikron x 1 mikron x 100 nm uzunluk) bulunmaktadır. Kapı elektrot 50 nm Cr/50 nm Au oluşur kalın bir krom tabakası askıya yapısına daha fazla güç katıyor. Askıya yapısı üst kapı ve drenaj (Şekil 7b) arasında kaçak akım yokluğu ile doğrulanır.
Biz SWNT sensörü değerlendirmek için biotin-streptavidin ligand-reseptör sistemi kullanmak. Yanak işlevsellik başarısı karakterize etmek için her işlevsellik adımdan sonra havada FET DC transfer eğrileri izlemek. 7c Şekil göstermek olduğunu biyotinilasyon sonra sağa transfer eğrisi kayma (kırmızı) ve streptavidin bağlama (mavi). Bu electronegati tarafından elektrostatik perdeleme bağlanabilirbiotin PEO-amin ve streptavidin mevcut amin grupları ettik.
Yüksek frekans ölçümleri için, Şekil 5b'de gösterilen şematik izleyin. SWNT transistör doğrusal olmayan IV özellikleri, bizim algılama sinyali taşıyan bir karışımı, bir karıştırma çıkış akımı elde etmek için, kaynak ve kapıda yüksek frekans girdilerinin karıştırır. Şekil 7D, tipik bir cihaz için kapı voltajının bir fonksiyonu olarak ölçülür karışımı gösterir 100 mM NaCl. Bir için karıştırma akım, modülasyon frekansı, ω m modüle giriş AM 10-11 ile verilir
, Burada m modülasyon derinliği, (V AC AM giriş sinyal genliği ve ∂ G / ∂ Vg cihazın iletkenliği olan bir eğimi
Biyomoleküler tanıma için, CNT yani SİO2 tamamen BHF aşındırma adımı sırasında uzak kazınmış olan çözeltisine doğrudan maruz kalması gereklidir. Bu koşul ise bağlayıcı molekül nanotüp yanak boyunca yığını değil gibi, CNT'nin bir kimyasal değişiklik mümkün değildir.Daha önce ve SİO2 pasif cihaz DI su içinde bile bağlama sonra herhangi bir değişiklik bakınız burada açık Şekil 7g de gösterilmiştir. Bu, aynı zamanda ölçüm sonuçları başarılı kimyasal modifikasyon gibi yüksek arka iyonik konsantrasyonlarda biyomoleküler algılama göstermektedir olduğunu kanıtlamaktadır. Tüm ölçümlerde, biz sensör yanıt kurulumdan rezonans nedeniyle 30 MHz ötesine düşer görüyoruz.
Şekil 1. Nanotüp transistör üretim süreci akışı (a) Fabrikasyon süreci -. (1) Photomask kat-1 kaynak-boşaltma için katalizör birikimi, (2) metal fırlatmaya, (3) CNT büyüme, (4) PL-2 için (PL-1) temas, kapı temas (5) Metal fırlatmaya, (6) SiO 2 battaniye birikimi, (7) PL-3, (8) metalçeliğin çıkarıldıktan sonra BHF ıslak aşındırma kanalı ve (11) son cihaz için fırlatmaya, (9) İnce SiO 2 battaniye birikimi, (10) PL-4. Renk düzeni gösterilmiştir. Cihaz yapısı (B) şematik.
Şekil 2. Karbon Nanotube büyüme. (A) ışığa kalıntı, CNT büyüme için (b) büyüme adımı ve büyüme fırın (c) cihazı yerleştirilmesi kaldırmak için adım Tavlama.
Şekil 3,. CNT kimyasal işlevsellik için Akış Şeması.
Şekil 4. Çözüm ölçümler için PDMS damga (a) -. (B) Statik (akış) ölçümleri (a) cihazda bir PMDS odası, bir cihazda akış odasının (b) şematik diyagramı (c) Delme ve montaj -.. (E ) Akış ölçümleri. SU-8 kalıp kullanarak PDMS akış kanalı için (c) Süreç akış. Akış kanalı tanımlamak için (1) Photomask, bir cihaz üzerinde akış kanalının (2) çapraz bağlı SU-8 kalıp (3) SU-8 ve cihaz üzerine damgalı (4) akış kanalı PDMS PDMS. (D) şematik diyagramı ve (e) cihaza akış kanalı damgalama ve giriş / çıkış portları için polietilen boru bağlantı, PDMS içinde giriş / çıkış delik açmak.
Şekil 5,. Elektrik ölçüm kurulum. (A) DC ölçüm şematik, (b) AC karıştırma akım ölçümü şematik ve için deney düzeneği (c) görüntü modüle frekans ölçüm karıştırma var. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .
6 Şekil. Akış ölçümü kurulum tüm ölçüm kurulum (a) Görüntü;. (B) Şırınga pompa ve prob istasyonu ve PDMS akış kanalı, giriş / çıkış akış tüpleri ve elektrik p cihazın (c) görüntüelbiseler.
Şekil 7. SWNT biyosensör için Temsilcisi sonuçları. Tipik askıya üst geçidi cihazı (a) SEM görüntüsü, askıya yapısı onaylamak için (b) kapı-drenaj sızıntı, FET bozulmamış nanotüp için (c) DC-V g eğrisi (siyah), sonra biyotinilasyon (kırmızı) ve sonra havada ölçülen streptavidin bağlama (mavi), (d) DC akım, ben dc (siyah, V sd = 10 mV) ve karıştırma akım, bir fonksiyonu olarak ben karışımı (kırmızı, modülasyon f = 200 kHz) 100 mM NaCl içerisinde aygıtın V g. Teorik I (1) da karşılaştırma için (▲) gösterilir denkleminde modeli kullanılarak elde karıştırın. (E) mix-V g farkbiyotinlenmiş için ves (siyah) ve f = 10 MHz'de 100 mM NaCl streptavidin-biotin bağlı (kırmızı) SWNT, (f) gerçek zamanlı akış ölçümü 100 mM NaCl ve bir bağlama sonra (g) sinyal değişikliği streptavidin bağlayıcı tespit etmek için tamamen farklı frekanslarda DI suda kontrol cihazı pasifize. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Karbon nanotüpler büyüme fırın koşulları aynı zamanda yüzey temizlik sadece bağlıdır. Büyüme için en uygun gaz akış hızı, sıcaklık ve basınç dikkatle kalibre ve bir kez az ya da çok istikrarlı sabit zorunda. Bu koşullar karşılanmaktadır olsa bile, o büyüme desenli katalizör alanı, katalizör ve yüzey temizlik miktarına bağlıdır bulundu. Bu nedenle, büyüme değişkenliği açıklamak için birden fazla katalizör çukur boyutları dahil. Bir bir saat yüksek sıcaklık adım yüzeyden PR kalıntı vb gibi herhangi bir kirleri çıkarmak yardımcı oldu. Şekil 2 biz SWNT büyüme için kabul koşulları göstermektedir tavlama.
Kalıp işlem adımları kirletici maddelerin varlığı, kimyasal ve biyolojik algılama sinyali de sahte yol açabilir. Bu nedenle, kimyasal fonksiyonlandırma önce ve sonra iyice tabaka temizlenmesi gereklidir. Her işlevsellik sonra durulama adımları rem yardımcı oluraktif alanının yakınında cihaza bağlı herhangi bir aşırı reaktif ove. Ayrıca yüzey temiz değilse, PDMS damga sızdırmaz değildi ve ölçümler sırasında sıvı basıncı ile kapalı soyulmuş olduğu görülmektedir. Bu gibi durumlarda, PDMS damga çok nazik O 2 plazma yapışma yardımcı oldu. Çok güçlü bir O 2 plazma cihazdan kaldırmak için iyi ama zor PDMS damga sopa yapabilir, biz kaldırma kalıp kullanılamaz hale getirir hangi ise elektrot müthiş fark var. PDMS damga ve kalıp temiz ise, aralarındaki yapışma da oksijen plazma tedavi olmadan sıvı akışı ölçümleri hayatta kalmak için yeterince iyi. Bu etch karbon nanotüpler olacak gibi SWNT cihazda O 2 plazma kullanmayın.
Çözüm tabanlı elektrik ölçümlerde, mevcut herhangi bir sızıntı tespit sinyal bunaltıyor. Çözüm de bir iletken olarak hareket edebilir çünkü bu sızıntı olur, direnişi artan tuz konsantrasyonu ile iner.Bu nedenle, bu transistörün tasarımında elektrot pasivasyon adım birleştirmek için gereklidir. Bizim imalat protokolünde iki battaniye yeminli (500 nm ve 20 nm SiO 2) kaynak, drenaj ve kapı metal temas kaçağı azaltmaya yardımcı. Ayrıca, herhangi bir elektrik ölçümü yapmadan önce, bir kapı-tahliye kaçak süpürme sızıntı amaçlanan süpürme gerilim aralığında olur sağlamak için önerilir.
Sıvı akışı ölçümleri için, akış kanalı hava tuzakları önlemek için gereklidir. Havada sensör yanıt zaman çözelti içinde farklı olduğu için, hava boşluğu bozulmaları sinyal yol açar. Ileri pompalama modunda bu konu sık sık sıvı akışı engellenemez hangi karşılaşıldı. Bu çekme modunda şırınga pompası kullanma tarafından bertaraf edilmiştir.
Yüksek arka iyonik çözümlerinde yüksek frekanslı elektrik ölçümleri için yanıt ölçüm kurulumdan rezonans kaybı nedeniyle 30-40 MHz ötesine düştü. Biz olmaklieve Bu düşük parazitik cihazlar tasarlayarak geliştirilebilir. Optimize kapı SWNT mesafe ve küçük BNC ve SMA kabloları hassasiyeti artırmaya yardımcı olabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarlarının olmadığını beyan ederim.
Acknowledgments
Biz erken tartışma için Cornell Üniversitesi'nde Prof Paul McEuen teşekkür ederim. Çalışma başlangıç fonu Michigan Üniversitesi ve Ulusal Bilim Vakfı Ölçeklenebilir nano üretim Programı (DMR-1.120.187) tarafından temin tarafından desteklenmektedir. Bu çalışma Michigan Üniversitesi, Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen Ulusal Nanoteknoloji Altyapı Ağı üyesi de Lurie Nanofabrikasyon Tesis kullanılır.
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).
