Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Fabrikation af kulstof nanorør High-Frequency Nanoelektroniske biosensor for Sensing i høj ionstyrke 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 enhedens fabrikation og måling protokol for kulstof nanorør baserede højfrekvente biosensorer. Den højfrekvente sensing teknik afbøder den grundlæggende ioniske (Debye) screening effekt og giver nanorør biosensor kan betjenes i høje ionstyrke løsninger, hvor konventionelle elektroniske biosensorer mislykkes. Vores teknologi giver en unik platform for point-of-care (POC) elektroniske biosensorer, der opererer i fysiologisk relevante betingelser.

Abstract

De unikke elektroniske egenskaber og høje overflade-til-volumen nøgletal for single-walled carbon nanorør (SWNT) og halvleder nanotråde (NW) 1-4 gør dem gode kandidater til høj følsomhed biosensorer. Når en ladet molekyle binder til en sådan sensor overflade, det ændrer transportøren massefylde 5 i sensoren, hvilket resulterer i ændringer i DC ledningsevne. Men i en ionisk opløsning en ladet overflade tiltrækker også modioner fra opløsningen og danner et elektrisk dobbeltlag (EDS). Denne EDL effektivt afskærmer afgiften, og i fysiologisk relevante betingelser ~ 100 millimolær (mM), og hvis karakteristiske ladning screening længde (Debye længde) er mindre end en nanometer (nm). Således i høje ionstyrke løsninger er afgift baseret (DC) afsløring fundamentalt hæmmet 6-8.

Vi overvinde charge screening effekter ved at afsløre molekylære dipoler snarere end afgifter ved høj frekvens, ved at betjene carbon nanotUbe felteffekttransistorer som højfrekvente mixere 9-11. Ved høje frekvenser, kan frekvensomformeren kraft ikke længere overvinde løsningen træk og ionerne i opløsning ikke har tilstrækkelig tid til at danne EDL. Endvidere frekvens blanding teknik giver os mulighed for at operere ved frekvenser er høje nok til at overvinde ionisk screening, og alligevel detektere sensing signaler ved lavere frekvenser 11-12. Også den høje transconductance af SWNT transistorer giver en intern forstærkning for sensing signal, som overflødiggør behovet for ekstern signal forstærker.

Her beskriver vi den protokol (a) fabrikere SWNT transistorer, (b) functionalize biomolekyler til nanorør 13 (c) designe og stemple en poly-dimethylsiloxan (PDMS) mikro-fluidisk kammer 14 på enheden, og (d) udføre højfrekvente sensing i forskellige ionstyrke løsninger 11..

Introduction

Når en ladet molekyle binder til en SWNT eller NW elektronisk sensor, kan det enten donere / acceptere elektroner eller fungere som en lokal elektrostatisk gate. I begge tilfælde kan det bundne molekyle ændre ladningstætheden i SWNT eller NW kanal, der fører til en ændring i den målte DC konduktans af sensoren. En lang række molekyler 15-20 succes er blevet opdaget ved at studere DC karakteristika Nanosensorerne under sådanne bindende begivenheder. Selvom charge-detektering baseret følemekanisme har mange fordele, herunder label-fri afsløring 21 femtosekund-molær følsomhed 22 og elektronisk udlæsning kapacitet 15, det er kun effektiv i lav ionstyrke løsninger. I høj ionstyrke løsninger, er DC-detektion hæmmes ved ionisk screening 6-8. En ladet overflade tiltrækker modioner fra den løsning, der danner et elektrisk dobbeltlag (EDS) nær overfladen. EDL effektivt skærmer disse afgifter. Da tHan ionstyrke i opløsningen stiger, EDL bliver smallere og screening stiger. Denne screening effekt er karakteriseret ved Debye screening længde λ D,

Ligning 1
, Hvor ε er den dielektriske permittivitet af medierne, k B er Boltzmanns konstant, T er temperaturen, q er elektron ladning, og c er ionstyrken af elektrolytten opløsningen. For en typisk 100 mM pufferopløsning, er λ D omkring 1 nm og overfladen potentiale vil være helt screenet i en afstand af få nm. Som resultat betjene de fleste af nanoelektroniske sensorer baseret på SWNTs eller NWS enten i tør tilstand 20 eller i lav ionstyrke løsninger 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mM), ellers prøven skal gennemgå udblødning trin 15,23. Point-of-care diagnostik nødt til at operere i fysiologisk relevante ionstyrker på patienten site med begrænset prøve forarbejdning kapacitet. Derfor formildende ionisk screening effekt er afgørende for udvikling og implementering af POC nanoelektroniske biosensorer.

Vi afbøde den ioniske screening effekt ved drift SWNT baserede nanoelektroniske føler ved megahertz frekvensområde. Protokollen forudsat her detaljer fremstillingen af ​​en SWNT transistor baseret nanoelektroniske sensing platform og høj frekvens blanding måling for biomolekylær detektion. De single-walled carbon nanotubes dyrkes ved kemisk pådampning på substrater mønstrede med Fe katalysatorer 24.. For vores SWNT transistorer, indarbejde vi en suspenderet top-gate 25 placeret 500 nm over den nanorør, der hjælper med at forbedre højfrekvent sensor respons og giver også mulighed for en kompakt MICRo-fluidic kammer at forsegle enheden. SWNT transistorer drives som højfrekvente blandere 9-11 for at overvinde baggrunden ioniske screening effekter. Ved høje frekvenser, gør de mobile ioner i opløsning ikke har tilstrækkelig tid til at danne EDL og de svingende biomolekylære dipoler kan stadig gate SWNT at generere en blanding strøm, som er vores sensing signal. Frekvensen blanding opstår på grund af de lineære IV egenskaber ved et nanorør FET. Vores afsløring teknik adskiller sig fra de konventionelle teknikker til beregning baseret detektion og impedansspektroskopi 26-27. For det første vi registrerer biomolekylære dipoler ved høj frekvens end de tilhørende afgifter. For det andet den høje transconductance af SWNT transistor giver en intern forstærkning for sensing signal. Dette overflødiggør behovet for ekstern forstærkning som i tilfælde af højfrekvente impedansmålinger. For nylig har andre grupper også taget biomolekylær detektion i høj baGGRUND koncentrationer 23,28. Men disse metoder er mere involveret, der kræver komplekse fremstilling eller omhyggelig kemiingeniør af receptor molekyler. Vores høje frekvens SWNT sensor har en enklere konstruktion og udnytter den iboende frekvens blanding egenskab af et nanorør transistor. Vi er i stand til at afbøde de ioniske screening effekter, og dermed lovende en ny biosensorer platform for real-time point-of-care afsløring, hvor biosensorer fungerer direkte i fysiologisk relevante betingelse er ønsket.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1.. Katalysator Patterning for SWNT vækst

  1. Begynd med en silicium wafer med et lavt tryk kemisk dampudfældning (CVD) dyrket 500 nm Si 3 N 4/500 nm SiO 2 film på toppen.
  2. Spin pels et lag af fotoresist (PR) ved 500 rpm i 5 sek og derefter 4.000 rpm i 40 sek.
  3. Bag skiven ved 115 ° C i 90 sek.
  4. Brug en fotomaske med rektangulære huller til katalysatorer (figur 1) og udsætte skiven i UV (365 nm) bestråling på 300 mJ / cm 2 for 0,3 sek. Efter eksponering bage wafer ved 115 ° C i 90 sek.

Tip: Design gruber i forskellige størrelser fx 5 mikron x 5 mikron, 10 mikron x 5 mikron osv. at tage højde for variation i SWNT kemisk dampudfældning (CVD) vækstproces.

  1. Udvikle wafer i udvikleren for 70 sekunder forsigtigt ryste wafer gennem processen.
  2. Skyl wafer med DI water for 2 min og derefter føntørre med en kvælstof (N 2) pistol.
  3. Læg den udviklede wafer ind i e-beam fordamper kammeret og deponering 0,5 nm jern (Fe) ved et kammer tryk på 10 -6 torr.
  4. Skær wafer i mindre dies 1,5 cm x 1,5 cm.
  5. Fjern fotoresist ved dypning i varm acetone og isopropanol (IPA) i 10 min hver. Dette efterlader Fe katalysator i de rektangulære gruber for nanorør vækst.

2.. CVD Vækst af kulstof-nanorør

  1. Placer katalysator overtrukne matricer kvartsrøret af CVD vækst ovnen.

Tip: Bestem sweet spot for nanorør vækst. Vækst er ensartet over et areal på 2inch x 2inch nedstrøms for vores ovn (Figur 2c).

  1. Anneale substratet i luft ved 880 ° C i en time for at fjerne fotoresist rest (figur 2a). Lad det køle ned.
  2. Rens kammeret med Argon i 5 minutter ved 3 SLM (standard liter per minut).
  3. Rampe op ovnen til 800 ° C ved midten af røret, samtidig med at en strøm af 1 SLM af argon (figur 2b).
  4. Flow 0,2 SLM af hydrogen i 5 minutter for at reducere katalysatorpartiklerne dvs konvertere jernoxid til jern.
  5. Indføre 5.5 SCCM (standard kubikcentimeter pr minut) af ethylen (C 2 H 4) for 35 min til at vokse SWNTs. Oprethold en H2 strøm på 0,2 SLM hele processen. Længden af ​​SWNTs opnået fra denne opskrift er> 20 mikron (um).
  6. Lad ovnen køle ned til stuetemperatur med en lille argon flow.

3.. SWNT FET Transistor Fabrication

  1. Design en fotomaske (Figur 1) for at definere source-drain-elektroder for strøm-spænding (IV) karakterisering af kulstof nanorør.

Tip: Forlæng elektrode kontaktpuderne langt apart på den dør, så de forbliver tilgængelige, selv efter at sætte ned en mikro-fluidisk præg på den aktive nanorør regionen.

  1. Følg trin 1.2 -1.6 at definere område for metalafsætning til kontakter.
  2. Depositum Ti / Au 0.5 nm/50 nm for source-drain kontakter i en e-beam fordamper kammer ved 10 -6 torr.
  3. Lad dø i acetone natten over for metal liftoff. Efter liftoff, dyppe dø i IPA i 10 min, og derefter føntørre hjælp N2 pistol.
  4. Har et tæppe aflejring af 500 nm e-beam fordampet SiO 2 for gate dielektriske ved 10 -6 torr.
  5. Design en fotomaske (Figur 1) for at definere gate elektroden.
  6. Følg trin 1,2-1,6 at definere region for gate metal deposition.
  7. Inddampes 50 nm/50 nm Cr / Au som den øverste gate elektrode i e-beam fordamper. Følg trin 3.4 til metal liftoff.

Tip: Brug tykt krom lag for at øge styrken of suspenderet øverste port. Gate dimensioner er også kritisk for en vellykket suspension.

  1. Blanket deponering et tyndt lag (20 nm) i SiO2 for top elektrode passivering.
  2. Designe en fotomaske (figur 1) for at åbne en grøft i SiO2 at få adgang til kulstof nanorør kanal. Design pad-etch område i den samme maske at åbne region for adgang kilde, dræn og gateelektroderne langt væk fra SWNT kanal.
  3. Følg trin 1,2-1,6 til pattern PR til at åbne op renden til våd etch af SiO2.
  4. Våd etch fordampet SiO2 anvendelse 01:20 BHF opløsning i 3 minutter og 30 sekunder. Si 3 N 4 indeholder en etch stopper lag for at forhindre yderligere indtrængning af BHF.

Tip: Etch tid kalibrering anbefales.

  1. Skyl enheden i DI vand, og derefter dyppe den i IPA i 5 min. Blæs tørre med en N2 pistol. Enheden structure forbliver intakt på grund af den tykke chromlag.

4.. Kemisk Funktionalisering af kulstof nanorør sidestykker

  1. Der fremstilles en opløsning af 6 mM 1-pyrenebutanoic acid succinimidylester (PBSE) i dimethylformamid (DMF).
  2. Inkubér SWNT FET matrice i denne linker molekylær opløsning i 1 time ved stuetemperatur.
  3. Skyl dø i DMF at vaske væk overskydende reagens. Blow-tørre enheden.
  4. Forbered en 20mg/ml opløsning af biotinyl-3, 6-dioxaoctanediamine (biotin PEO amin-BPA) i DI vand til biotinylering af SWNTs.
  5. Inkuber terningen i denne opløsning i 18 timer, hvorefter skyl matricen i DI vand og blæse tør. BPA tillægger PBSE linkermolekyle.
  6. Forbered en opløsning af 1mg/ml streptavidin i 7,2 pH PBS løsning til streptavidinbinding.
  7. For statiske målinger, inkuberes terningen i streptavidin løsning for 20 min til helt functionalize det biotinylerede SWNT. Thoroughly skylles og føntørre terningen. Til tidstro sensing, stempel PDMS strømningskanalen (trin 6) og derefter flyde streptavidin løsning i høj ionstyrke baggrund for streptavidinbinding (figur 3).

Bemærk: Vi skylle dø ved dispensering DI vand (~ 50 ml) i løbet die ved hjælp af en sprøjteflaske. Så kan vi flytte terningen til en anden petriskål indeholdende DI-vand og flytte terningen rundt i 1 min. Vi gentager de to trin totalt 8-10 gange.

5.. Fremstilling af Polydimethylsiloxan (PDMS) Mold til Fluid Chamber

  1. I en vejning kop, hæld 9 vægtdele PDMS monomeren og tilsættes 1 vægtdel hærder og blandes grundigt to.
  2. Afgasses blandingen i en ekssikkator i 25 minutter. Boblerne vil stige gennem blandingen og forlade.

Tip: Hvis blandingen begynder skumdannelse, udlufte kammeret og lad det afregne for et parsekunder før afgasning igen.

  1. Placer en ny silicium wafer i en petriskål. Hæld den afgassede PDMS blandingen på toppen af ​​det at have en PDMS lag af 5 mm over skiven.
  2. Anbring petriskålen i en ovn ved 70 ° C i 1 time.
  3. Fjern petriskål, og lad den køle af. Brug en skalpel til at skære et rektangulært stykke PDMS og træk det ud ved hjælp af en pincet.

Tip: PDMS side direkte i kontakt med silicium wafer er ren og ekstremt flade. Denne side vil være i kontakt med SWNT FET matrice. Vær forsigtig med ikke at forurene det.

  1. Placer rektangulære matrice hovedet og bore et hul i den med en biopsitang (3 mm i diameter) fra den flade side til den anden. Dette sikrer ingen ru kanter på den flade side af PDMS (figur 4a).
  2. Placer PDMS kammer oven på enheden omhyggeligt ved at justere den på toppen af ​​det aktive område af de fabrikerede SWNT FET dies (<strong> Figur 4a, b). Tryk den forsigtigt for at sikre stempel på dø. Den flade side obligationer til terning for at give et læktæt kammer.

Tip: Dette kan gøres med det blotte øje eller ved hjælp af et optisk mikroskop med nok plads. Hvis PDMS ikke hænger godt (generelt, hvis matricen og / eller PDMS stempel er ikke ren), gøre oxygenplasma (20 watt, 15 sek) på PDMS at bistå binding. Brug plasma, der er højere end dette fører til en stærkere limning, dog har vi set ripping af elektroder samtidig fjerne PDMS i sådanne tilfælde.

  1. Fjern PDMS stempel efter elektrisk test og før næste kemisk funktionalisering skridt ved at dyppe dø i DI vand og forsigtigt løfte stempel.

6.. Fremstilling af Mikrofluid strømningskanal

  1. Tag en ren silicium wafer og placere den på varmeplade ved 200 ° C i 5 min for at fjerne eventuel fugt.
  2. Spin coat SU-8 2015 500 rpm(100 opm / sek stigningsgrad) i 5 sek og derefter 1.250 rpm i 30 sekunder ved 300 rpm / sek stigningsgrad. Dette giver en 30 um tyk SU-8 lag på silicium wafer.
  3. Blød bage wafer ved 95 ° C i 5 min.
  4. Designe en fotomaske (4c) til at definere 300 um brede strømningskanal mønster på toppen af SWNT område.

Tip: For at undgå kollaps strukturen en kanal bredde: højde forhold på 10:1 er tilstrækkelig (300 um: 30 pm i dette tilfælde).

  1. Brug 365-nm UV fotolitografi definere strømningskanalen med en UV-eksponeringstid på 0,9 sek.
  2. Indlæg bage matricen ved 95 ° C i 5 min.
  3. Udvikle mønster i SU-8 developer i 5 min ledsaget af forsigtig rystning.
  4. Skyl wafer i IPA og blæse tør med N2 pistol.
  5. Følg trin 5,1-5,2 at forberede en PDMS blanding.
  6. Placer wafer med SU-8 formen i en ekssikkator sammen med en 2-3 dråbe silanizing agent trichloro (3, 3, 3-trifluorpropyl) silan i en petriskål. Tænd vakuumpumpen lade skiven sidde i vakuum i 1 time.
  7. Hæld den afgassede PDMS blandingen på skiven og opvarmes i en ovn ved 70 ° C i 1 time.
  8. Skær PDMS skimmel (negativ SU-8) med en skalpel.
  9. Placer PDMS stempel hovedet og anvend en biopsitang (0,75 mm i diameter) til at bore et hul i hver ende af strømningskanalen. Sørg for at bore hullet fra den flade side (den side, i kontakt med silicium wafer) til den anden for at undgå skarpe kanter (fig. 4e).
  10. Placer PDMS flowkammer på toppen af ​​enheden omhyggeligt ved at justere den på toppen af ​​det aktive område af de fabrikerede SWNT FET dør under et mikroskop. Tryk den forsigtigt for at sikre stempel på dø. Den flade side obligationer til terning for at give et læktæt kammer. (Figur 4c og 4d)
  11. Skub et polyethylenrør i hullerne og tilslut den anden ende til en flydende kilde og dræn sprøjte (Figur 4e).
  12. Sæt sprøjten til en sprøjtepumpe system til at opretholde en styret strømning af fluidum gennem kanalen (figur 6).

7.. DC Elektrisk Måling Setup

  1. Forbind kilden og gate kontakter SWNT FET til spænding havne af en DAQ-kort.
  2. Slut drain kontakt til indgangsport for DAQ kort gennem en løbende forforstærker.
  3. Påfør 30 millivolt (mV) til source kontakt feje gate spænding og optage den aktuelle fra afløbet (figur 5a).

Tip: For målinger i opløsning, gate spænding sweep parameter holde sig inden for | 0,7 volt | for at undgå lækage og reaktion mellem gate metal elektrode og løsning.

8.. AC elektrisk måling Setup

  1. Slut Ref-out signal fra lock-in forstærker til eksterne modulationssignalet port på frekvens generator til opsætning AM moduleret frequeNCY udgang.
  2. Forbind kilden kontakt SWNT FET til AM-modulerede RF output port frekvens generator og DC spænding fra DAQ-kortet ved hjælp en bias tee (figur 5b og 5c).
  3. Slut gate kontakt til spænding havn DAQ kort.
  4. Slut drain kontakt til en lock-in forstærker til at læse ac strøm gennem nanorør. Læs amplitude og fase af strøm gennem DAQ indgangsporte.
  5. Hold source dc spænding ved 0 volt og AM-signal frekvens ved 200 kilohertz (kHz).
  6. Feje gate spænding og måle strøm fra afløbet.
  7. Øge frekvensen, og gentag trin 8.6 for jeg mix-V g sweeps ved forskellige frekvenser.

9.. Elektriske Målinger i Solution (No Flow)

  1. Forbered 1 mM NaCl, 10 mM NaCl og 100 mM NaCl saltopløsninger startende fra 5M NaCl stamopløsning.
  2. Tag SWNT enheden fra trin 3.13. Udfør trin 4,1-4,5 for at opnå en biotinylered enhed.
  3. Følg trin 5 for at sætte en PDMS kammer oven på enheden.
  4. Fylde kammeret med DI-vand ved hjælp af en pipette.
  5. Følg trin 8 for frekvens blande målinger for forskellige frekvenser.
  6. Gentag 9.4 for tre forskellige saltopløsninger 1 mM NaCl, 10 mM NaCl og 100 mM NaCl.

Tip: Brug pipetten til at trække tidligere løsning og derefter skylle kammeret flere gange med den nye løsning. Altid skifte fra lav til høj koncentration løsninger.

  1. Fjern PDMS stempel ved forsigtigt at løfte stempel med en pincet.
  2. Skyl enhed med DI vand.
  3. Udføre streptavidinbinding som forklaret i 4,6-4,7.
  4. Gentag trin 9,3-9,6.

10.. Elektrisk Måling i Solution (Real Time Flow)

  1. Forbered 100 mM NaCI saltopløsning ud fra 5 M NaCI stamopløsning.
  2. Tag SWNT enhed fra Stes. 3.13. Udfør trin 4,1-4,5 for at opnå et biotinyleret enhed.
  3. Placer mikro-fluidic flow kanal på enheden efter trin 6 .. Tilslut en tom sprøjte til den ene ende af mikro-fluidic kanal for tilbagetrækning mode operation. I den anden ende vedhæfte en sprøjte med baggrund opløsning af 100 mM NaCl.
  4. Opsæt elektrisk måling som beskrevet i trin 8.. Fastgør frekvens (f = 10 MHz) og gate spænding bias (V = 0).
  5. Start sprøjtepumpe i tilbagetrækningskode (flow 0,4 ml time -1), og overvåge den aktuelle signal med tiden. Skift løsningen på 1mg/ml streptavidin i 100 mM NaCl og monitorsignalets ændring for streptavidin-biotin-binding (figur 6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En scanning elektron mikroskop billede af SWNT transistor med en ophængt top port er vist i figur 7a. De mål af porten er afgørende for suspension 25. Den nuværende udformning dimensioner er (længde x bredde x tykkelse = 25 um x 1 um x 100 nm). Gateelektroden består af 50 nm Cr/50 nm Au, et tykt lag krom tilføjer mere styrke til suspenderet struktur. Det suspenderede struktur bekræftes ved fravær af lækstrøm mellem top gate og drain (figur 7b).

Vi bruger biotin-streptavidin ligand-receptor-systemet til at evaluere vores SWNT sensor. At karakterisere succes dæksiden funktionalisering vi overvåger FET DC transfer kurver i luften efter hvert funktionalisering trin. Figur 7c illustrerer, at overdragelsen kurven skift til højre efter biotinylering (rød) og streptavidinbinding (blå). Dette kan tilskrives den elektrostatiske gating ved electronegative amingrupper til stede på biotin PEO-amin og streptavidin.

For højfrekvente målinger følger vi den skematiske vist i figur 5b. De ikke-lineære IV karakteristika SWNT transistor, blander de højfrekvente input ved kilden og gate til opnåelse af en blanding strømudgang, jeg mix, som er vores sensing signal. Figur 7d viser jeg blander målt som en funktion af gate spænding for en typisk anordning i 100 mM NaCl. Den blanding strøm til en AM moduleret input på modulationsfrekvens, ω m, er givet ved 10-11

Ligning 1
, Hvor m er modulationsdybden, V AC er AM indgangsamplituden og ∂ G / ∂ Vg er transkonduktansen af enheden (hældning af I dc-Vg kurve i figur 7d). De blande nuværende resultater (m = 0,78 og v ac = 20mV) stemmer godt med modellen som vist i figuren. For statiske fluidisk målinger sammenligner vi toppen af ​​sådanne blandingszoner nuværende fejer for funktionaliserede nanorør. Til flowmåling, fix vi carrier frekvens AM moduleret signal og løse gate spænding (V g = 0) og overvåge jeg blande for biomolekylaer binding som en funktion af tiden, og samtidig opretholde en stabil væske flow. Figur 7e-7f viser repræsentative resultater for både statiske og flowmålinger hhv.

For biomolekylær detektion, er det nødvendigt at CNT udsættes direkte til opløsningen, dvs SiO2 er helt ætset væk under BHF etch trin. Hvis denne betingelse ikke er opfyldt, kemisk modifikation af CNT er ikke muligt, da det linkermolekylet ikke kan stable langs nanorør dæksiden.Dette er tydeligt illustreret i figur 7g hvor vi ser ingen ændring før og efter binding selv i DI vand et SiO2 passiveret enhed. Dette beviser også, at vores måleresultater indikerer vellykket kemisk modifikation samt biomolekylær opdagelse i høje baggrund ionkoncentrationer. I alle målinger, observere vi at sensoren respons falder over 30 MHz, hvilket skyldes resonans fra setup.

Figur 1
Figur 1. Nanorør transistor produktionsprocessen flow (a) Fabrication proces -. (1) fotomasken layer-1 (PL-1) for katalysator deposition, (2) metal liftoff, (3) CNT vækst (4) PL-2 for source-drain kontakt (5) af metal liftoff, (6) SiO2 tæppe aflejring, (7) PL-3 til gate kontakt (8) af metalliftoff, (9) Thin SiO2 tæppe aflejring (10) PL-4 for BHF våd ætsning kanal og (11) endelig enheden efter fotoresist fjernelse. Farveskema er illustreret. (B) Skematisk enhed struktur.

Figur 2
Figur 2. Carbon nanorør vækst. (A) Anneal trin for at fjerne photoresist rester, (b) væksten skridt for CNT vækst og (c) anordning placering i væksten ovn.

Figur 3
Figur 3. Rutediagram for kemisk funktionalisering af CNT.


Figur 4.. PDMS stempel til opløsning målinger (a) -. (B) Statiske (ingen gennemstrømning) målinger (a) Stansning og montering af en PMDS kammer enhed (b) Skematisk diagram af flowkammer på en enhed (c) -.. (E ) Flow målinger. (c) Process flow for PDMS flow kanal ved hjælp af SU-8 skimmel. (1) fotomaske for at definere strømningskanalen, (2) tværbundet SU-8 skimmel, (3) PDMS på SU-8 og (4) PDMS strømningskanal stemplet på enheden. (D) Skematisk diagram af strømningskanalen på en enhed og (e) Stansning indløb / udløb huller i PDMS, stempling flow kanal på enheden og tilslutning polyethylen slange til indløb / udløb porte.

Figur 5 Figur 5. Elektrisk måling setup. (A) DC måling skematiske, (b) AC blanding aktuelle måling skematisk og (c) billede af forsøgsopstilling til AM-modulerede frekvens blanding måling. Klik her for at se større figur .

Figur 6
Figur 6.. Flowmåling setup (a) Billede af hele måling setup,. (B) Sprøjte pumpe og sonde station, og (c) billede af enhed med PDMS flow kanal indløb / udløb flow rør og elektriske pgevandter.

Figur 7
Figur 7. Repræsentative resultater for SWNT biosensor. (A) SEM-billede af en typisk ophængt top-gate enhed, (b) gate-drain lækage at bekræfte suspenderet struktur, (c) Jeg dc-Vg kurve for uberørt nanorør FET (sort), efter biotinylering (rød) og efter streptavidinbinding (blå) målt i luft, (d) jævnstrøm I dc (sort, V sd = 10 mV) og blanding strøm, jeg mix (rød, graduering f = 200 kHz) som en funktion af V g for enheden i 100 mM NaCl-opløsning. Teoretisk jeg blander opnået ved hjælp af modellen i ligning (1) er også vist (▲) til sammenligning. (E) Jeg mix-V g curves for biotinyleret (sort) og streptavidin-biotin bundet (rød) SWNT i 100 mM NaCl ved f = 10 MHz, (f) realtid flowmåling at detektere streptavidinbinding i 100 mM NaCl og (g) signal forandring efter binding i en fuldt passiviseret betjeningsanordning i DI vand ved forskellige frekvenser. Klik her for at se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Væksten af ​​kulstof nanorør afhænger ikke kun af ovne betingelser, men også substrat renlighed. Den optimale gasstrømmen, temperatur og tryk for vækst har omhyggeligt kalibreret og når fast at de er mere eller mindre stabilt. Selv med disse betingelser er opfyldt, fandt vi, at vækst afhænger af det mønstrede katalysator-området, mængden af ​​katalysator og substrat renlighed. Derfor har vi indarbejdet flere katalysator pit størrelser at tage højde for variation i vækst. En times høj temperatur anneal skridt hjalp fjerne eventuelle forurenende stoffer som PR rester mv fra underlaget. Figur 2 illustrerer de vilkår, vi har vedtaget for SWNT vækst.

Tilstedeværelsen af ​​forurenende stoffer fra dør bearbejdningstrin kan føre til falsk signal i kemiske og biologiske sensorer. Derfor er det nødvendigt at rense underlaget grundigt før og efter kemisk funktionalisering. De skylninger efter hver funktionalisering hjælper remove overskydende reagens, som kan klæbe til enheden tæt det aktive område. Vi har også observeret, at hvis underlaget ikke var ren, PDMS stempel var ikke lækagetæt og skrælles med væsketryk under målingerne. I sådanne tilfælde hjulpet meget blid O 2 plasma på PDMS stempel vedhæftning. For stærk en O 2 plasma kan gøre PDMS stempel stick godt, men svært at fjerne fra enheden, vi har bemærket ripping af elektroder, mens fjernelsen som gør die ubrugelig. Hvis PDMS stempel og die er rene, vedhæftningen mellem dem er god nok til at overleve fluidumstrømsmålinger uden ilt plasma behandling også. Brug ikke O 2 plasma på SWNT enhed da dette vil ætse kulstof nanorør.

I løsning baseret elektriske målinger, overvælder enhver lækage nuværende afsløring signal. Denne lækage sker, fordi løsningen også kan fungere som en leder, den modstand, som går ned med stigende saltkoncentration.Derfor er det nødvendigt at inkorporere elektrode passivering trin i transistor design. De to tæppe nedlægninger i vores fabrikation protokol (500 nm og 20 nm SiO2) bidrog til at reducere lækage fra kilden, drain og gate metal kontakter. Også, før De tager nogen elektrisk måling er en gate-drain lækage sweep anbefales for at sikre, at ingen lækage sker i den tilsigtede sweep spændingsområde.

For fluidumstrømsmålinger er det nødvendigt at undgå luftlommer i flowet kanal. Luftspalten fører til signalforvrængninger fordi sensoren respons i luften er anderledes end når i opløsning. I den forreste pumpningsmåde dette spørgsmål blev ofte stødt, som har forhindret fluid flow. Dette blev undgået ved at betjene sprøjtepumpe i tilbagetrækning mode.

For de højfrekvente elektriske målinger i høj baggrund ioniske opløsninger svaret faldt over 30-40 MHz grund af resonans tabet fra målingen setup. Vi skaltror på dette kan forbedres ved at designe apparater med lavere parasitter. Optimeret gate-SWNT afstand og mindre BNC og SMA kabler kan hjælpe med at forbedre følsomheden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.

Acknowledgments

Vi takker Prof. Paul McEuen ved Cornell University for tidlig diskussion. Arbejdet er støttet af opstartsfonden give af University of Michigan og National Science Foundation Scalable nanofabrikation Program (DMR-1.120.187). Dette arbejde brugte Lurie nanofabrikation faciliteten på University of Michigan, et medlem af det nationale Nanotechnology Infrastructure Network finansieret af 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

Bioteknik Kemiteknik biokemi biofysik Electrical Engineering Nanoteknologi biosensorer Teknikker kulstofnanorør (syntese og egenskaber) bioelectronic instrumenter (teori og teknikker) Carbon nanorør biosensor frekvens blanding biotin streptavidin poly- dimethylsiloxan
Fabrikation af kulstof nanorør High-Frequency Nanoelektroniske biosensor for Sensing i høj ionstyrke 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