Summary
We beschrijven het apparaat fabricage en meetprotocol voor koolstof nanobuis gebaseerde hoge frequentie biosensoren. De hoge frequentie sensing techniek vermindert de fundamentele ionische (Debye) screening effect en laat nanobuis biosensor in hoge ionische sterkte oplossingen waar conventionele elektronische biosensoren niet worden bediend. Onze technologie biedt een uniek platform voor point-of-care (POC) elektronische biosensoren die in fysiologisch relevante omstandigheden.
Abstract
Het unieke elektronische eigenschappen en een hoge oppervlakte-volume verhouding van single-walled carbon nanotubes (SWNT) en halfgeleider nanodraden (NW) 1-4 maken ze goede kandidaten voor hoge gevoeligheid biosensoren. Wanneer een geladen molecuul bindt aan dergelijke sensoroppervlak, het verandert de ladingsdichtheid 5 in de sensor, wat resulteert in veranderingen in de DC geleiding. Echter, in een ionische oplossing een geladen oppervlak trekt ook contra-ionen uit de oplossing, het vormen van een elektrische dubbellaag (EDL). Deze EDL effectief afschermt van de lading, en in fysiologisch relevante omstandigheden ~ 100 millimolair (mM), de karakteristieke lading screening lengte (Debye lengte) is minder dan een nanometer (nm). Zo is in hoge ionische sterkte oplossingen, charge gebaseerde (DC)-detectie is fundamenteel belemmerd 6-8.
We overwinnen lading screening effecten door het detecteren van moleculaire dipolen in plaats van kosten bij hoge frequentie, door het bedienen van koolstof NANOTube field effect transistors als hoge frequentie mixers 9-11. Bij hoge frequenties, kan de frequentieregelaar kracht niet meer overwinnen van de oplossing slepen en de ionen in oplossing niet voldoende tijd om de EDL te vormen. Verder frequentie mixing techniek ook toe bij de frequenties hoog genoeg ionische screening overwinnen, en de sensor signalen bij lagere frequenties 11-12 Nog detecteren. Ook de grote steilheid van SWNT transistoren betekent een interne winst voor het detectiesignaal, dat de behoefte aan externe signaalversterker ondervangt.
Hier beschrijven we het protocol tot (a) vervaardigen SWNT transistoren, (b) het functionaliseren biomoleculen nanobuis 13 (c) het ontwerpen en stempel een polydimethylsiloxaan (PDMS) microfluïdische kamer 14 op de inrichting en (d) uitvoeren van hoogfrequente sensing in verschillende ionische sterkte oplossingen 11.
Introduction
Wanneer een geladen molecuul bindt aan een SWNT of NW elektronische sensor, kan het ofwel doneren / accepteren elektronen of fungeren als een lokale elektrostatische poort. In beide gevallen kan de gebonden molecule de ladingsdichtheid te wijzigen of de SWNT NW kanaal, wat leidt tot een verandering in de gemeten DC geleiding van de sensor. Een grote verscheidenheid aan moleculen 15-20 met succes gedetecteerd door het bestuderen DC kenmerken van de nanosensoren tijdens dergelijke bindingsgebeurtenissen. Ook al last-detectie gebaseerd sensing mechanisme heeft vele voordelen, waaronder label-free detectie 21, Femto-mol gevoeligheid 22, en elektronische uitgelezen mogelijkheid 15, het is alleen effectief in lage ionische sterkte oplossingen. In hoge ionische sterkte oplossingen, wordt DC detectie belemmerd door ionische screening 6-8. Een geladen oppervlak trekt contra-ionen uit de oplossing die een elektrische dubbellaag (EDL) nabij het oppervlak vormt. De EDL effectief afschermt deze kosten. Als tHij ionsterkte van de oplossing toeneemt, de EDL smaller en screening verhoogt. Deze screening effect wordt gekenmerkt door de Debye screening lengte λ D,
, Waarin ε de diëlektrische permittiviteit van de media, k B de constante van Boltzmann, T de temperatuur, q de elektronlading, en c is de ionsterkte van de elektrolytoplossing. Voor een typische 100 mM bufferoplossing, λ D is ongeveer 1 nm en de potentiële oppervlak volledig vertoond op een afstand van enkele nm. Dientengevolge meeste van nano-elektronische sensoren op basis van SWNT of NWs werken ofwel in droge toestand 20 of lage ionsterkte oplossingen 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mM), anders moet het monster ontzouten stappen ondergaan 15,23. Point-of-care diagnostische apparaten moeten werken in fysiologisch relevante ionsterktes op locatie patiënt met beperkte steekproef verwerkingscapaciteit. Vandaar verzachtende ionische screening effect is van cruciaal belang voor de ontwikkeling en implementatie van POC nano-elektronische biosensoren.
We beperken de ionische screening effect door het bedienen van SWNT gebaseerde nano-elektronische sensor aan megahertz frequentiebereik. Het protocol hier verstrekte informatie de fabricage van een SWNT transistor gebaseerd nano-elektronische detectie-platform en de hoge frequentie mengen meting voor biomoleculaire detectie. De single-walled carbon nanotubes worden geteeld door chemisch opdampen op ondergronden met Fe-katalysatoren 24 patroon. Voor onze SWNT transistoren, we nemen een geschorste top-poort 25 geplaatst 500 nm boven de nanobuis, die helpt te verbeteren hoogfrequente sensor respons en maakt het ook mogelijk voor een compacte MICRo-fluidic kamer om het apparaat af te dichten. De SWNT transistoren worden uitgevoerd als hoogfrequent mixers 9-11 om de achtergrond ionische afschermingseffect overwinnen. Bij hoge frequenties, hoeft de mobiele ionen in oplossing niet voldoende tijd hebben om de EDL te vormen en de fluctuerende biomoleculaire dipolen kan nog steeds de poort van de SWNT een vermenging stroom, dat is onze detectie-signaal te genereren. De frequentiemenging ontstaat door de lineaire IV kenmerken van een nanobuis FET. Onze detectie techniek verschilt van de conventionele technieken van lading gebaseerde detectie en impedantie spectroscopie 26-27. Ten eerste, detecteren we biomoleculaire dipolen bij hoge frequentie in plaats van de daaraan verbonden kosten. Ten tweede, de hoge steilheid van SWNT transistor geeft een interne winst voor de detectie signaal. Dit ondervangt de noodzaak voor externe versterking als bij hoogfrequente impedantiemetingen. Onlangs hebben andere groepen ook aan de orde biomoleculaire detectie in hoge background concentraties 23,28. Echter, deze methoden zijn meer betrokken, die complexe fabricage of zorgvuldige chemische techniek van receptor moleculen. Onze hoge frequentie SWNT sensor is voorzien van een eenvoudiger ontwerp en maakt gebruik van de inherente frequentie mengen eigendom van een nanobuis transistor. Wij zijn in staat om de ionische screening gevolgen te verzachten, waardoor veelbelovende een nieuwe biosensoren platform voor real-time point-of-care-detectie, waar biosensoren direct functioneren in fysiologisch relevante conditie gewenst zijn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Katalysator Patterning voor SWNT Growth
- Begin met een silicium wafer met een lage druk chemical vapor deposition (CVD) gegroeid 500 nm Si 3 N 4/500 nm SiO2-film op de top.
- Spin laag een laag fotoresist (PR) bij 500 rpm gedurende 5 seconden en vervolgens 4000 rpm gedurende 40 sec.
- Bak de wafer bij 115 ° C gedurende 90 sec.
- Gebruik een fotomasker met rechthoekige pits katalysatoren (fig. 1) en de wafer bloot UV (365 nm) bestralingssterkte van 300 mJ / cm 2 voor 0,3 sec. Na blootstelling bak de wafer bij 115 ° C gedurende 90 sec.
Tip: Ontwerp putten van verschillende afmetingen bv 5 micron x 5 micron, 10 micron x 5 micron enz. om rekening te houden met de variabiliteit in SWNT chemical vapor deposition (CVD) groeiproces.
- Ontwikkelen van de wafer in ontwikkelaar voor 70 seconden zachtjes schudden van de wafer door het proces.
- Spoel de wafer met DI water voor 2 min en daarna föhnen met een stikstof (N 2) pistool.
- Laad de ontwikkelde wafer in e-beam verdamper kamer en deposito 0,5 nm ijzer (Fe) bij een druk in de verbrandingskamer van 10 -6 torr.
- Snijd de wafer in kleinere matrijzen 1.5 cm x 1.5 cm.
- Verwijder het fotoresist door dompelen in warm aceton en isopropanol (IPA) voor elke 10 minuten. Dit achterlaat Fe katalysator in de rechthoekige kuilen voor nanobuis groei.
2. CVD groei van koolstof nanobuisjes
- Plaats de katalysator gecoate sterft in de kwarts buis van de CVD-groei oven.
Tip: Bepaal sweet spot voor nanobuis groei. Groei is uniform over een oppervlakte van 2 inch x 2 inch stroomafwaarts voor onze oven (figuur 2c).
- Hybridiseren het substraat in lucht bij 880 ° C gedurende een uur fotoresist residu (figuur 2a) te verwijderen. Laat afkoelen.
- Spoel de kamer met Argon gedurende 5 min bij 3 SLM (standaard liter per minuut).
- Aanloop de oven tot 800 ° C in het midden van de buis, terwijl een stroom van 1 SLM van argon (figuur 2b).
- Stroom 0,2 SLM waterstof gedurende 5 min aan de katalysatordeeltjes verminderen ie ijzeroxide zetten in ijzer.
- Introduceer 5,5 SCCM (standaard kubieke centimeter per minuut) van etheen (C 2 H 4) voor 35 min naar SWNTs groeien. Handhaven van een H 2 stroom van 0.2 SLM gedurende het gehele proces. De lengte van SWNTs verkregen uit dit recept is> 20 micron (um).
- Laat de oven afkoelen tot kamertemperatuur met een kleine stroom argon.
3. SWNT FET Transistor Fabrication
- Ontwerp een fotomasker (figuur 1) voor het definiëren source-drain-elektroden voor stroom-spanning (IV) karakterisering van koolstof nanobuisjes.
Tip: Breid elektrodecontact pads ver apart op de dobbelsteen, zodat ze toegankelijk zijn, zelfs na het neerzetten van een micro-vloeibare stempel op de actieve nanobuis regio blijven.
- Volg de stappen 1.2 -1.6 tot gebied te definiëren voor metalen afzetting voor contacten.
- Aanbetaling Ti / Au 0.5 nm/50 nm voor source-drain contacten in een e-beam verdamper kamer bij 10 -6 torr.
- Laat de dobbelsteen in aceton nachts voor metaal lancering. Na de lancering, dip de matrijs in IPA voor 10 minuten en daarna föhnen met behulp van N 2 pistool.
- Heb een deken afzetting van 500 nm e-beam verdampt SiO 2 voor stuurelektrodediëlektrische op 10 -6 torr.
- Ontwerp een fotomasker (figuur 1) voor het definiëren van de poortelektrode.
- Volg de stappen 1,2-1,6 tot regio te definiëren voor de poort metalen afzetting.
- Verdampen 50 nm/50 nm Cr / Au als de top gate-elektrode in de e-beam verdamper. Volg stap 3.4 voor metaal lancering.
Tip: Gebruik dikke chroomlaag te verhogen kracht of opgeschort top gate. Poort afmetingen zijn ook van cruciaal belang voor een succesvolle schorsing.
- Deken storting een dunne laag (20 nm) van SiO 2 voor top elektrode passiveren.
- Ontwerp een fotomasker (figuur 1) een sleuf open SiO2 om de koolstof nanobuis kanaal. Ontwerp pad-etsen gebied op dezelfde masker te openen regio voor toegang source, drain en gate elektrodes ver weg van de SWNT kanaal.
- Volg de stappen 1,2-1,6 aan patroon van de PR om de openstelling van de geul voor natte ets van SiO 2.
- Nat etsen afgedampt SiO2 middels 01:20 BHF oplossing gedurende 3 min en 30 sec. Si 3N 4 geeft een etsafsluitlaag verdere penetratie van BHF voorkomen.
Tip: Etch tijdkalibra wordt aanbevolen.
- Het apparaat in DI-water grondig afspoelen, en vervolgens dompel het in IPA gedurende 5 minuten. Föhnen met behulp van een N 2 pistool. Het apparaat structure intact blijft door de dikke chroomlaag.
4. Chemische Functionalisering van koolstof nanobuisje Sidewalls
- Bereid een oplossing van 6 mM 1-pyrenebutanoic succinimidylester (PBSE) in dimethylformamide (DMF).
- Incubeer de SWNT FET sterven in dit linker moleculaire oplossing gedurende 1 uur bij kamertemperatuur geroerd.
- De dobbelsteen in DMF grondig spoelen weg te wassen de overmaat reagens. Föhn het apparaat.
- Bereid een 20mg/ml oplossing van biotinyl-3, 6-dioxaoctanediamine (biotine PEO amine-BPA) in DI water voor biotinylering van SWNTs.
- Incubeer de dobbelsteen in deze oplossing gedurende 18 uur, waarna grondig spoelen van de matrijs in DI-water en droog te blazen. BPA hecht aan de PBSE linker-molecule.
- Bereid een oplossing van 1mg/ml streptavidine in 7,2 pH PBS oplossing voor streptavidine binding.
- Voor statische metingen, incubeer de matrijs in streptavidineoplossing gedurende 20 min. volledig functionalize de gebiotinyleerde SWNT. Thoroughly afspoelen en föhnen van de dobbelsteen. Voor real-time detectie, stempel de PDMS stroom kanaal (stap 6) eerste en stromen de streptavidineoplossing in hoge ionische sterkte achtergrond voor streptavidine binding (Figuur 3) daarna.
Opmerking: We spoelen de dobbelsteen door afgifte DI water (~ 50 ml) over de matrijs met behulp van een knijpfles. Dan is de dobbelsteen verhuizen we naar een andere petrischaal met DI-water en beweeg de matrijs rond voor 1 min. We herhalen de twee stappen in totaal 8-10 keer.
5. Voorbereiding van Polydimethylsiloxane (PDMS) Mold voor Fluid Kamer
- In een weeg beker, giet 9 gewichtsdelen PDMS monomeer en voeg 1 gewichtsdeel verharder en grondig mengen de twee.
- Degas het mengsel in een exsiccator gedurende 25 minuten. De belletjes zal stijgen door het mengsel en laat.
Tip: Als het mengsel begint te schuimen, ventileren de kamer en laat het settelen voor een paarseconden voordat de ontgassing.
- Plaats een nieuwe silicium wafer in een petrischaal. Giet het ontgaste PDMS mengsel bovenop een PDMS laag 5 mm boven de wafer hebben.
- Plaats de petrischaal in een oven bij 70 ° C gedurende 1 uur.
- Verwijder de petrischaal en laat het afkoelen. Gebruik een scalpel te snijden een rechthoekig stuk PDMS en trek het uit met behulp van een pincet.
Tip: De PDMS side rechtstreeks contact met de silicium wafer is schoon en zeer vlak. Deze zijde in contact met de SWNT FET matrijs. Wees voorzichtig niet te besmetten.
- Plaats de rechthoekige matrijs ondersteboven en boor een gat in het gebruik van een biopsie punch (3 mm diameter) van de platte kant naar de andere. Dit garandeert geen ruwe randen op de platte kant van PDMS (figuur 4a).
- Plaats de PDMS kamer op de bovenkant van het apparaat zorgvuldig door het gelijktrekken van het op de top van het actieve gebied van het gefabriceerde SWNT FET sterft (<strong> Figuur 4a, b). Tik er zachtjes aan de stempel beveiligen op sterven. De platte kant obligaties om de dobbelsteen om een lekdichte ruimte bieden.
Tip: Dit kan met het blote oog of met behulp van een optische microscoop met voldoende werkruimte. Als de PDMS niet goed plakken (doorgaans als de matrijs en / of PDMS stempel niet schoon), do zuurstofplasma (20 Watt, 15 sec) op PDMS om binding staan. Met behulp van plasma bevoegdheden hoger dan leidt dit tot een sterkere binding, echter, hebben we gezien het rippen van de elektroden tijdens het verwijderen van de PDMS in een dergelijk geval.
- Verwijder de PDMS stempel na elektrische testen en voor de volgende chemische functionaliseringsstap door dompelen het sterven in DI-water en voorzichtig op te tillen het stempel.
6. Bereiding van Microfluidic Flow Channel
- Neem een schone silicium wafer en plaats het op hete plaat bij 200 ° C gedurende 5 minuten tot het vocht te verwijderen.
- Spin jas SU-8 2015 bij 500 rpm(100 rpm / sec Stijgingssnelheid) voor 5 sec en dan 1250 rpm gedurende 30 seconden bij 300 tpm / sec Stijgingssnelheid. Dit geeft een 30 um dikke SU-8 op silicium wafer.
- Zachte bak de wafer bij 95 ° C gedurende 5 minuten.
- Ontwerp een fotomasker (Figuur 4c) de 300 urn brede stromingskanaal patroon bovenop de SWNT te definiëren.
Tip: Om instorting van de structuur van een kanaalbreedte vermijden: hoogte verhouding van 10:01 is voldoende (300 micrometer: 30 micrometer in dit geval).
- Met behulp van 365-nm UV-fotolithografie bepaal het debiet kanaal met een UV belichtingstijd van 0.9 sec.
- Voeg bak de matrijs bij 95 ° C gedurende 5 minuten.
- Ontwikkelen van het patroon in SU-8 ontwikkelaar voor 5 min begeleid door zacht schudden.
- Spoel de wafer in IPA en droog te blazen met N2 pistool.
- Volg de stappen 5,1-5,2 om een PDMS mengsel te bereiden.
- Plaats de wafer met SU-8 schimmel in een exsiccator samen met een 2-3 druppel silaneren middel trichloro (3, 3, 3-trifluorpropyl) silaan in een petrischaal. Zet de vacuümpomp laat de wafer zitten in vacuüm gedurende 1 uur.
- Giet het ontgaste PDMS mengsel op de wafer en verwarmen in een oven bij 70 ° C gedurende 1 uur.
- Snijd de PDMS mal (negatief of SU-8) met behulp van een scalpel.
- Plaats de PDMS stempel ondersteboven en met een biopsie pons (0.75 mm diameter) om een gat aan elk uiteinde van het stromingskanaal boren. Zorg ervoor dat het gat te boren van de vlakke zijde (de zijde in contact met de silicium wafer) aan de andere om ruwe randen (figuur 4e) te vermijden.
- Plaats de PDMS stroom kamer op de bovenkant van het apparaat zorgvuldig door het gelijktrekken van het op de top van het actieve gebied van het gefabriceerde SWNT FET sterft onder een microscoop. Tik er zachtjes aan de stempel beveiligen op sterven. De platte kant obligaties om de dobbelsteen om een lekdichte ruimte bieden. (Figuur 4c en 4d)
- Duw een polyethyleen buis in de gaten en sluit het andere uiteinde aan een vloeistof source en drain injectiespuit (Figure 4e).
- Bevestig de spuit aan een spuitpomp systeem om een gecontroleerde stroom van het fluïdum door het kanaal (figuur 6) te handhaven.
7. DC Elektrische meetopstelling
- Sluit de bron en de poort contacten van SWNT FET om spanning havens van een DAQ-kaart.
- Sluit de afvoer contact op ingangspoort van de DAQ-kaart via een lopende voorversterker.
- Solliciteer 30 millivolt (mV) om de bron aanraking, vegen de gate-spanning en noteer de huidige uit de afvoer (Figuur 5a).
Tip: Voor metingen in oplossing, gate parameter spanningszwaai houden binnen | 0,7 volt | om lekkage en reactie tussen de gate metalen elektrode en oplossing te voorkomen.
8. AC Elektrische meetopstelling
- Sluit de Ref-out signaal van lock-in versterker om de externe modulatie signaal poort op de frequentie generator te installeren AM gemoduleerde frequency uitgang.
- Sluit bron contactgegevens van SWNT FET aan de AM-gemoduleerde RF-uitgang van de frequentie generator en gelijkspanning van DAQ-kaart met behulp van een vooroordeel tee (figuur 5b en 5c).
- Sluit contact poort naar spanning haven van DAQ-kaart.
- Sluit de afvoer contactpersoon aan een lock-in versterker te lezen van de AC-stroom door de nanobuis. Lees de amplitude en fase van de stroom door de DAQ ingangspoorten.
- Houd source dc spanning op 0 volt en AM-signaal frequentie 200 kilohertz (kHz).
- Vegen de gate-spanning en meet de stroom van de drain.
- Verhogen de frequentie en herhaal stap 8.6 voor I mix-V g sweeps op verschillende frequenties.
9. Elektrische metingen in Solution (No flow)
- Bereid 1 mM NaCl, 10 mM NaCl en 100 mM NaCl zoutoplossingen vanaf 5M NaCl stamoplossing.
- Neem de SWNT apparaat vanaf stap 3.13. Het uitvoeren van de stappen 4,1-4,5 om een biotinyleren verkrijgend-apparaat.
- Volg stap 5 om een PDMS kamer boven op het apparaat.
- Vult de kamer met DI-water met behulp van een pipet.
- Volg stap 8 voor de frequentie mengen metingen voor verschillende frequenties.
- Herhaal 9.4 voor de drie verschillende zoutoplossingen 1 mM NaCl, 10 mM NaCl en 100 mM NaCl.
Tip: Gebruik pipet naar de vorige oplossing intrekken en spoel dan de kamer meerdere keren met de nieuwe oplossing. Schakel altijd van de lage naar hoge concentratie oplossingen.
- Verwijder de PDMS stempel door voorzichtig op te tillen het stempel met een pincet.
- Grondig het apparaat met DI-water afspoelen.
- Voeren streptavidine binding zoals uitgelegd in 4,6-4,7.
- Herhaal de stappen 9,3-9,6.
10. Elektrische metingen in Solution (Real Time Flow)
- Bereid 100 mM NaCl-zoutoplossing vanaf 5 M NaCl stamoplossing.
- Neem de SWNT apparaat uit step 3,13. Het uitvoeren van de stappen 4,1-4,5 om een gebiotinyleerd apparaat te verkrijgen.
- Plaats de micro-vloeibare stroom kanaal op het toestel na stap 6 .. Sluit een lege injectiespuit aan een uiteinde van de microfluïdische kanaal voor opname modus. Aan de andere kant sluit een spuit met achtergrond oplossing van 100 mM NaCl.
- Opzetten van de elektrische metingen zoals beschreven in stap 8. Bevestig de frequentie (f = 10 MHz) en gatespanning voorspanning (V = 0).
- Start injectiepomp in schrappingscode (debiet = 0,4 ml uur -1) en toezicht op de huidige signaal met de tijd. Schakel de oplossing 1mg/ml streptavidine in 100 mM NaCl en monitorsignaal verandering streptavidine-biotine binding (figuur 6).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een scanning elektronenmicroscoop beeld van SWNT transistor met een zwevende bovenste poort is getoond in figuur 7a. De afmetingen poort kritisch zijn voor schorsing 25. Het huidige ontwerp afmetingen zijn (lengte x breedte x dikte = 25 pm x 1 micrometer x 100 nm). De gate-elektrode bestaat uit 50 nm Cr/50 nm Au, een dikke chroomlaag voegt meer kracht om zwevende structuur. De zwevende structuur wordt bevestigd door de afwezigheid van lekstroom tussen top gate en drain (figuur 7b).
We gebruiken de biotine-streptavidine ligand-receptorsysteem onze SWNT sensor evalueren. Om het succes van de zijwand functionalisering karakteriseren bewaken we de FET DC overdracht bochten in de lucht na elke functionaliseringsstap. Figuur 7c illustreren dat de overdracht curve shift naar rechts na biotinylatie (rood) en streptavidine binding (blauw). Dit kan worden toegeschreven aan de elektrostatische gating door electronegative aminegroepen aanwezig op PEO-biotine en streptavidine amine.
Voor hoogfrequente metingen volgen we de in figuur 5b schematisch. De niet lineaire IV kenmerken van SWNT transistor, mengt de hoogfrequente input aan de bron en poort naar een meng stroomuitgang opbrengst, I mix die onze waarneming signaal. Figuur 7d toont I meng gemeten als functie van de gate-spanning voor een typische inrichting in 100 mM NaCl. Het mengen van stroom voor een AM gemoduleerde ingang bij modulatie frequentie, ω m, wordt gegeven door 10-11
, Waarbij m de modulatiediepte v ac de AM ingangsamplitude en ∂ G / ∂ V g de steilheid van de inrichting (helling van de I
Voor biomoleculaire detectie, is het noodzakelijk dat de CNT rechtstreeks wordt blootgesteld aan de oplossing ie SiO 2 volledig weggeëtst tijdens de BHF etsstap. Indien deze voorwaarde niet wordt voldaan, de chemische modificatie van CNT's is niet mogelijk als de linker-molecuul niet kunt stapelen langs de nanobuis zijwand.Dit wordt duidelijk geïllustreerd in figuur 7 g, waar we zien geen verandering voor en na binding zelfs in DI-water voor een SiO 2 gepassiveerd apparaat. Dit bewijst ook dat onze meetresultaten geven aan succesvolle chemische modificatie als biomoleculaire detectie in hoge achtergrond ionische concentraties. In alle metingen, zien we dat de sensor respons verlaagt dan 30 MHz die door resonantie van setup.
Figuur 1. Nanobuis transistor fabricageproces flow (a) Fabrication proces -. (1) fotomasker layer-1 (PL-1) voor de katalysator depositie, (2) metalen lancering, (3) CNT groei, (4) PL-2 voor de source-drain contact, (5) metalen lancering, (6) SiO 2 deken depositie, (7) PL-3 voor poortcontact, (8) metalenlancering, (9) Dunne SiO 2 deken depositie, (10) PL-4 voor BHF nat etsen kanaal en (11) definitief apparaat na fotolak verwijderen. Kleurenschema wordt geïllustreerd. (B) Schematische weergave van de structuur-apparaat.
Figuur 2. Koolstof nanobuis groei. (A) Anneal stap naar fotolak residu, (b) de groei stap voor CNT groei en (c)-apparaat plaatsing in de groei oven te verwijderen.
Figuur 3. Stroomschema voor chemische functionalisering van CNT.
Figuur 4. PDMS stempel voor oplossing metingen (a) -. (B) Statische (geen stroming) metingen (a) Ponsen en bevestigingsmiddelen een PMDS kamer op het apparaat, (b) Schematische voorstelling van stroom kamer op een apparaat (c) -.. (E ) Flow metingen. (c) Proces flow voor PDMS stroom kanaal met SU-8 schimmel. (1) fotomasker voor het definiëren stromingskanaal, (2) verknoopt (d) Schematisch diagram van het stromingskanaal op een apparaat SU-8 matrijs (3) PDMS on SU-8 en (4) PDMS stromingskanaal gestempeld op het apparaat. En (e) Ponsen inlaat / uitlaat gaten in PDMS, stampen de stroom kanaal op het apparaat en het aansluiten van polyethyleen buis naar inlaat / uitlaatpoorten.
Figuur 5. Elektrische meetopstelling. (A) DC meting schema, (b) AC mengen stroommeting (c) beeld van experimentele opstelling voor schematische en AM gemoduleerde frequentie mengen meting. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 6. Debietmeting setup (a) Afbeelding van volledige meetopstelling;. (B) Spuit pomp en probe-station, en (c) het beeld van apparatuur met PDMS stroom kanaal, inlaat / uitlaat stroom buizen en elektrische pgewaden.
Figuur 7. Representatieve resultaten voor SWNT biosensor. (A) SEM beeld van een typische zwevende top-gate-apparaat, (b) gate-drain lekkage om zwevende structuur te bevestigen, (c) I dc-V g curve voor ongerepte nanobuis FET (zwart), na biotinylering (rood) en na streptavidine binding (blauw) gemeten in lucht, (d) gelijkstroom, gelijkstroom I (zwart, V sd = 10 mV) en mengen stroom I mix (rood, modulatie f = 200 kHz) als functie V g de inrichting in 100 mM NaCl-oplossing. Theoretische Ik meng verkregen met behulp van het model in vergelijking (1) wordt ook getoond (▲) voor vergelijking. (E) Ik meng-V g curves van gebiotinyleerd (zwart) en streptavidine-biotine gebonden (rood) SWNT in 100 mM NaCl bij f = 10 MHz, (f) realtime stroommeting te sporen streptavidine binding in 100 mM NaCl en (g) signaal veranderen na binding in een volledig gepassiveerd controle-apparaat in DI-water bij verschillende frequenties. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De groei van koolstof nanobuisjes niet alleen afhankelijk ovenvoorwaarden maar ook substraat hygiëne. De optimale gasstroom, temperatuur en druk voor groei om nauwkeurig gekalibreerde en eenmaal vastgesteld ze min of meer stabiel. Zelfs met deze voorwaarden is voldaan, we vonden dat de groei afhankelijk is van de gevormde katalysator gebied, hoeveelheid katalysator en substraat schoon. Vandaar dat we opgenomen meerdere katalysator pit maten om rekening te houden met de variabiliteit in de groei. Een een uur bij hoge temperatuur gloeien stap hielp verwijderen verontreinigingen zoals resten PR etc. van het substraat. Figuur 2 illustreert de voorwaarden die wij vastgestelde SWNT groei.
De aanwezigheid van verontreinigingen van sterven processtappen kan leiden tot vals signaal in chemische en biologische sensing. Daarom is het noodzakelijk het substraat grondig te reinigen voor en na chemische functionalisering. De spoelstappen na elke functionalisering helpt remove overtollige reagens die kunnen houden aan het apparaat in de buurt van het actieve gebied. We merkten ook op dat wanneer de ondergrond was niet schoon, de PDMS stempel was niet lekdicht en afgepeld met vloeistofdruk tijdens de metingen. In dergelijke gevallen zeer zacht O2 plasma op PDMS stempel geholpen hechting. Te sterk een O 2 plasma kan de PDMS stempel stick goed maar moeilijk uit het apparaat te verwijderen; wij hebben gemerkt rippen van elektroden, terwijl verwijdering die de dobbelsteen onbruikbaar maakt. Als de PDMS stempel en de matrijs zijn schoon, de hechting tussen hen goed genoeg is om de vloeistofstroom metingen zonder zuurstof plasma behandeling ook overleven. Gebruik geen O 2 plasma op de SWNT apparaat als dit zal etsen de koolstof nanobuisjes.
In oplossing gebaseerde elektrische metingen, geen lekstroom overdondert de detectie-signaal. Deze lekkage gebeurt omdat de oplossing ook kan fungeren als een geleider, waarvan de weerstand daalt met toenemende zoutconcentratie.Daarom moet elektrode passiveringsstap in de transistor ontwerp opgenomen. De twee deken deposities in onze fabricage-protocol (500 nm en 20 nm SiO 2) bijgedragen tot een vermindering lekkage van de bron, drain en gate metalen contacten. Ook voordat u een elektrische metingen, wordt een gate-drain lekkage sweep aanbevolen om ervoor te zorgen dat er geen lekkage gebeurt in de beoogde sweep spanningsbereik.
Fluïdumstroming metingen moet dat luchtbellen in het stromingskanaal voorkomen. De luchtspleet leidt tot verstoringen signaal omdat de sensor respons in de lucht is anders dan in de oplossing. In de voorwaartse pompende functie werd dit probleem vaak tegengekomen die vloeistofstroom belemmerd. Dit werd voorkomen door het bedienen van de injectiepomp in de terugtrekking mode.
Voor de hoogfrequente elektrische metingen in hoge achtergrond ionische oplossingen de respons gedaald dan 30-40 MHz vanwege de resonantie verlies van de meetopstelling. Wij zijnLieve kan worden verbeterd door het ontwerpen van inrichtingen met lagere parasieten. Geoptimaliseerd gate-SWNT afstand en kleinere BNC en SMA kabels kunnen helpen bij het verbeteren gevoeligheid.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.
Acknowledgments
Wij danken prof. dr. Paul McEuen aan de Cornell University voor de vroege discussie. Het werk wordt ondersteund door de start-up fonds verschaffen door de Universiteit van Michigan en de National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Program (DMR-1120187). Dit werk gebruikt de Lurie Nanofabrication faciliteit aan de Universiteit van Michigan, een lid van het National Nanotechnology Infrastructure Network gefinancierd door de 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. Single-walled carbon nanotube electronics. IEEE Transactions on Nanotechnology. 1, 78-85 (2002).
- 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. Nanowire-based biosensors. Analytical Chemistry. 78, 4260-4269 (2006).
- 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).
