Summary
Wir beschreiben die Herstellung von Vorrichtungen und Messprotokoll für Kohlenstoff-Nanoröhrchen basierenden Hochfrequenz Biosensoren. Die Hochfrequenz-Sensortechnik mildert die grundlegenden ionische (Debye) Screening-Effekt und ermöglicht Nanoröhrchen Biosensor in hoher Ionenstärke Lösungen, bei denen herkömmliche elektronische Biosensoren nicht betrieben werden. Unsere Technologie bietet eine einzigartige Plattform für die Point-of-Care (POC) elektronischen Biosensoren, die in physiologisch relevanten Bedingungen.
Abstract
Die einzigartigen elektronischen Eigenschaften und eine hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisse von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT) und Halbleiter-Nanodrähten (NW) 1-4 machen sie gute Kandidaten für hohe Empfindlichkeit Biosensoren. Wenn ein geladenes Molekül solchen Sensors Oberfläche bindet, verändert sie die Ladungsträgerdichte 5 in den Sensor, was zu Änderungen in der Leitfähigkeit DC. Jedoch in einer ionischen Lösung eine geladene Oberfläche zieht auch Gegenionen aus der Lösung, Bilden einer elektrischen Doppelschicht (EDL). Das EDL effektiv abschirmt die Ladung, und in physiologisch relevanten Bedingungen ~ 100 Millimol (mM), die charakteristische Ladung Abschirmlänge (Debye-Länge) ist weniger als ein Nanometer (nm). So in hoher Ionenstärke Lösungen, wird die Ladung auf (DC)-Erkennung fundamental 6-8 behindert.
Wir überwinden Ladung Screening-Effekte durch den Nachweis molekularer Dipole anstatt Gebühren bei hoher Frequenz, durch Betätigen Kohlenstoff NanotUbe Feldeffekttransistoren Hochfrequenzmischer 9-11. Bei hohen Frequenzen kann die AC Antriebskraft nicht mehr überwinden Lösung Drag und die Ionen in der Lösung nicht über genügend Zeit, um die EDL zu bilden. Ferner ermöglicht Frequenz Mischtechnik uns bei Frequenzen hoch genug, um ionische Screening überwinden betreiben, und doch erkennt die Messsignale bei niedrigeren Frequenzen 11-12. Außerdem stellt der hohe Transkonduktanz SWNT-Transistoren eine interne Verstärkung für das Messsignal, das die Notwendigkeit für externe Signalverstärker vermeidet.
Hier beschreiben wir das Protokoll auf (a) herzustellen SWNT Transistoren, (b) Funktionalisierung von Biomolekülen an das Nanoröhrchen 13, (c) entwerfen und stempeln eine Polydimethylsiloxan (PDMS) mikrofluidischen Kammer 14 auf das Gerät, und (d) Durchführung hochfrequente Abtastung in verschiedenen Ionenstärke Lösungen 11.
Introduction
Wenn ein geladenes Molekül zu einem SWNT oder NW elektronischen Sensor bindet, kann es entweder spenden / Elektronen aufnehmen oder fungieren als lokale elektrostatische Tor. In jedem Fall kann das gebundene Molekül die Ladungsdichte im SWNT oder NW Kanal zu ändern, was zu einer Änderung der gemessenen DC Leitfähigkeit des Sensors. Eine große Vielfalt von Molekülen 15-20 wurden erfolgreich durch das Studium DC Eigenschaften der Nanosensoren während solche Bindung Ereignisse erkannt. Obwohl Charge-Erkennung basiert Fühlmechanismus hat viele Vorteile, einschließlich Label-Detektion 21, Femto-Mol-Empfindlichkeit 22 und elektronischen Auslesen Fähigkeit 15; es ist nur wirksam in niedriger Ionenstärke Lösungen. In hoher Ionenstärke Lösungen, DC Erkennung durch ionische Screening 6-8 behindert. Einer geladenen Oberfläche zieht Gegenionen aus der Lösung, die einen elektrischen Doppelschicht (EDL) nahe der Oberfläche bildet. Die EDL effektiv abschirmt diese Gebühren. Wie ter Ionenstärke der Lösung erhöht, wird die EDL schmaler und die Abschirmung erhöht. Dieses Screening-Effekt wird durch die Debye-Screening Länge λ D gekennzeichnet,
, Wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Mediums ist, k B die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur ist, q die Elektronenladung ist, und c die Ionenstärke der Elektrolytlösung. Für eine typische 100 mM Pufferlösung ist λ D etwa 1 nm und das Oberflächenpotential vollständig in einem Abstand von wenigen nm abgeschirmt werden. Als Ergebnis arbeiten die meisten nanoelektronischer Sensoren SWNTs oder Nanodrähte basierend entweder im trockenen Zustand 20 oder in geringer Ionenstärke Lösungen 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mm), da sonst die Probe muss unterziehen Entsalzung Schritte 15,23. Point-of-Care-Diagnostik-Geräte müssen in physiologisch relevanten Ionenstärken bei Patienten vor Ort arbeiten mit begrenzten Stichprobe Verarbeitungskapazität. Daher ist mildernde ionischen abschirmende Wirkung kritisch für die Entwicklung und Umsetzung von POC nanoelektronische Biosensoren.
Wir begegnen der ionischen Abschirmwirkung durch Betätigen SWNT basierte Nanoelektronik Sensor Megahertz-Frequenzbereich. Das Protokoll hier zur Verfügung gestellten Informationen die Herstellung eines SWNT Transistor basierend nanoelektronische Sensing Plattform und Hochfrequenz-Messung Mischen für Biomolekulare Erkennung. Die einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren durch chemische Gasphasenabscheidung auf Substraten mit Fe Katalysatoren 24 gemustert gewachsen. Für unsere SWNT-Transistoren beziehen wir ein suspendierter Top-Gate 25 gelegt 500 nm über der Nanoröhrchen, die Verbesserung der Hochfrequenz-Sensor Reaktion hilft und ermöglicht eine kompakte micro-Fluidkammer, um die Vorrichtung abzudichten. Die SWNT Transistoren als Hochfrequenzmischer 9-11 betrieben, um die Hintergrund-Screening ionische Effekte zu überwinden. Bei hohen Frequenzen haben die mobilen Ionen in der Lösung nicht genügend Zeit, um die EDL zu bilden, und die schwankenden molekularbiologische Dipole kann immer noch das Tor SWNT eine Vermischung Strom, der unsere Messsignal zu erzeugen. Frequenzumsetzer entsteht durch die nichtlineare IV Eigenschaften einer Nanoröhre FET. Unsere Erkennung Technik unterscheidet sich von den herkömmlichen Techniken zur Verfügung basierte Erkennung und Impedanzspektroskopie 26-27. Erstens erkennen wir molekularbiologische Dipole bei hohen Frequenzen eher als die zugehörigen Kosten. Zweitens stellt die hohe Transkonduktanz SWNT-Transistor eine interne Verstärkung des Meßsignals. Dies vermeidet die Notwendigkeit für externe Verstärkung als bei hoher Frequenz Impedanzmessungen. In jüngster Zeit haben auch andere Gruppen molekularbiologische Nachweis in hoher ba angesprochenckground Konzentrationen 23,28. Allerdings sind diese Methoden mehr beteiligt, die komplexe Herstellung oder vorsichtig Chemieingenieurwesen der Rezeptor-Moleküle. Unsere Hochfrequenz SWNT Sensor verfügt über eine einfachere Konstruktion und nutzt die inhärente Frequenzmischung Eigenschaft einer Nanoröhrchen-Transistor. Wir sind in der Lage, die ionischen Screening Auswirkungen zu mildern, so verspricht eine neue Biosensor-Plattform für Echtzeit-Point-of-care-Erkennung, wo Biosensoren funktionieren direkt in physiologisch relevanten Bedingungen sind erwünscht.
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Protocol
1. Katalysator für Patterning SWNT Wachstum
- Beginnen mit einem Silizium-Wafer mit einer chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidung (CVD) 500 nm Si 3 N 4/500 nm SiO 2-Schicht auf der Oberseite gezüchtet.
- Spin Mantel eine Schicht aus Fotolack (PR) bei 500 rpm für 5 Sekunden und dann 4.000 rpm für 40 sec.
- Backen Sie den Wafer bei 115 ° C für 90 sec.
- Verwenden Sie eine Photomaske mit rechteckigen Gruben für Katalysatoren (Abbildung 1) und setzen die Wafer in UV (365 nm) Bestrahlungsstärke von 300 mJ / cm 2 für 0,3 sek. Nach der Belichtung der Wafer backen bei 115 ° C für 90 sec.
Tipp: Design-Box in verschiedenen Größen zB 5 micron x 5 micron, 10 micron x 5 Mikron usw. zu berücksichtigen, für die Variabilität in SWNT chemische Gasphasenabscheidung (CVD) Wachstumsprozess.
- Entwickeln Sie die Wafer in Entwickler für 70 sec leichtes Schütteln des Wafers durch den Prozess.
- Spülen Sie den Wafer mit DI water für 2 min und dann blasen mit Stickstoff (N 2) gun trocken.
- Laden des entwickelten Wafer in e-beam Verdampferkammer und Ablagerung 0,5 nm Eisen (Fe) bei einem Kammerdruck von 10 -6 Torr.
- Würfeln Wafer in kleinere Matrizen 1,5 cm x 1,5 cm.
- Entfernen Sie den Fotolack durch Eintauchen in warmem Aceton und Isopropanol (IPA) für jeweils 10 Minuten. Dies hinterlässt Fe-Katalysator in den rechteckigen Gruben für Nanoröhrchen Wachstum.
2. CVD Wachstum von Carbon Nanotubes
- Platzieren Sie die mit Katalysator beschichteten Werkzeugen im Quarzrohr des CVD Züchtungsofen.
Tipp: Ermitteln sweet spot für Nanoröhrchen Wachstum. Das Wachstum ist auf einer Fläche von 2 Zoll x 2 Zoll hinter unseren Ofen (Abbildung 2c) einheitlich.
- Glühen des Substrats an der Luft bei 880 ° C für eine Stunde Photoresistrest (2a) zu entfernen. Abkühlen lassen.
- Spülen Sie die Kammer mit Argon für 5 min bei 3 SLM (Standard-Liter pro Minute).
- Rampe des Ofens auf 800 ° C in der Mitte des Rohres, während ein Strom von 1 SLM von Argon (Abbildung 2b).
- Durchfluss 0,2 SLM von Wasserstoff für 5 min auf die Katalysator-Teilchen zu reduzieren, dh konvertieren Eisenoxid zu Eisen.
- Führen 5,5 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) von Ethylen (C 2 H 4) für 35 min auf SWNTs wachsen. Pflegen Sie eine H 2-Strom von 0,2 SLM während des gesamten Prozesses. Die Länge der SWNTs von diesem Rezept erhältlich ist> 20 Mikrometer (um).
- Lassen Sie den Ofen abkühlen auf Raumtemperatur mit einem kleinen Argonstrom.
3. SWNT FET Transistor Fabrication
- Entwerfen Sie eine Photomaske (Abbildung 1) zur Festlegung Source-Drain-Elektroden für die Strom-Spannungs (IV) Charakterisierung von Kohlenstoff-Nanoröhren.
Tipp: Erweitern-Kontaktpunkten weit apart auf dem Chip, so dass sie zugänglich auch nach Absetzen einer mikrofluidischen Stempel auf der aktiven Nanoröhrchen Region bleiben.
- Folgen Sie den Schritten 1.2 -1.6 bis Fläche für Metallabscheidung definieren für Kontakte.
- Kaution Ti / Au 0,5 nm/50 nm für Source-Drain-Kontakte in einer e-beam Verdampfer Kammer bei 10 -6 Torr.
- Lassen Sie die Würfel in Aceton über Nacht für Metall Abheben. Nach dem Abheben, tauchen die Matrize in IPA für 10 min und dann föhnen mit N 2 gun.
- Eine Decke Abscheidung von 500 nm e-beam Sie SiO2 für Gate-Dielektrikum verdampft bei 10 -6 Torr.
- Entwerfen Sie eine Photomaske (Abbildung 1) für die Definition der Gate-Elektrode.
- Befolgen Sie die Schritte 1.2-1.6 zu Region für Tor Metallabscheidung definieren.
- Eindampfen 50 nm/50 nm Cr / Au als Top-Gate-Elektrode in e-beam Verdampfer. Folgen Sie Schritt für Metall 3,4 Abheben.
Tipp: Verwenden Sie dicke Chromschicht Stärke o erhöhenf suspendiert Top-Gate. Tor Abmessungen sind auch entscheidend für eine erfolgreiche Suspension.
- Blanket Anzahlung eine dünne Schicht (20 nm) von SiO 2 für die obere Elektrode Passivierung.
- Entwerfen Sie eine Photomaske (Abbildung 1), um einen Graben in SiO2 öffnen, um die Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Kanal zugreifen. Design-Pad-Etch Bereich in der gleichen Maske zur Öffnung Region für den Zugriff auf Source-, Drain-und Gate-Elektroden weit weg von der SWNT-Kanal.
- Folgen Sie den Schritten, um 1.2-1.6 Muster der PR zu öffnen, den Graben für Nassätzung SiO2.
- Wet Etch das verdampfte SiO2 mit 1.20 BHF-Lösung für 3 min und 30 sek. Si 3 N 4 eine Ätzstoppschicht, um ein weiteres Eindringen von BHF verhindern.
Tipp: Etch Zeit Kalibrierung wird empfohlen.
- Spülen Sie das Gerät in DI-Wasser, und dann tauchen sie in IPA für 5 min. Föhnen mit einer N2-Pistole. Das Gerät structure intakt bleibt wegen der dicken Chromschicht.
4. Chemische Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanoröhren Seitenwände
- Bereiten Sie eine Lösung von 6 mM 1-pyrenebutanoic Säure Succinimidylester (PBSE) in Dimethylformamid (DMF).
- Inkubieren der SWNT FET Matrize in dieser Linker molekulare Lösung für 1 Stunde bei Raumtemperatur.
- Spülen Sie die Düse in DMF abzuwaschen das überschüssige Reagenz. Föhnen Sie das Gerät.
- Bereiten Sie eine Lösung von 20mg/ml biotinyl-3, 6-dioxaoctanediamine (Biotin PEO-Amin BPA) in DI-Wasser für Biotinylierung von einwandigen Nanoröhren.
- Inkubieren Sie die Würfel in dieser Lösung für 18 Stunden nach der gründlich die Matrize in DI-Wasser und trocken blasen. BPA wird an der PBSE Linkermolekül.
- Bereiten Sie eine Lösung von 1mg/ml Streptavidin in PBS pH 7.2 Lösung für Streptavidinbindung.
- Für statische Messungen, bebrüten die Matrize in Streptavidin-Lösung für 20 min vollständig zu funktionalisieren die biotinylierten SWNT. Thoroughly spülen und föhnen die Matrize. Für Echtzeit-Erkennung, prägen das PDMS Strömungskanal (Schritt 6) und erst dann fließen die Streptavidin-Lösung in hoher Ionenstärke Hintergrund für Streptavidinbindung (Abbildung 3).
Hinweis: Wir spülen die Matrize durch Abgabe DI-Wasser (~ 50 ml) über die Matrize mit einem Squeeze-Flasche. Dann bewegen wir die Düse zur anderen Petrischale mit DI-Wasser und bewegen Sie die Düse herum für 1 min. Wir wiederholen die zwei Stufen über insgesamt 8-10 mal.
5. Herstellung von Polydimethylsiloxan (PDMS) Mold für Fluid-Kammer
- In einer Waagschale, gießen 9 Gew.-Teile Monomer PDMS und fügen Sie 1 Gew.-Teil Härter und gründlich mischen die beiden.
- Degas die Mischung in einem Exsikkator für 25 min. Die Blasen werden durch die Mischung steigen und verlassen.
Tipp: Wenn die Mischung beginnt Schaumbildung verhindern, dass die Kammer und lassen Sie es sich niederzulassen für ein paarSekunden vor Entgasung wieder.
- Legen Sie einen neuen Silizium-Wafer in einer Petrischale. Gießen Sie die Mischung entgaste PDMS oben drauf eine Schicht PDMS von 5 mm oberhalb des Wafers haben.
- Legen Sie die Petrischale in einem Ofen bei 70 ° C für 1 Stunde.
- Entfernen Sie die Petrischale und abkühlen lassen. Mit einem Skalpell ausgeschnitten ein rechteckiges Stück von PDMS und ziehen Sie sie mit einer Pinzette.
Tipp: Die PDMS Seite direkt in Kontakt mit dem Silizium-Wafer ist sauber und extrem flach. Diese Seite wird in Kontakt mit der SWNT FET sterben. Achten Sie darauf, es nicht zu verunreinigen.
- Legen Sie die rechteckige Form auf den Kopf und bohrt ein Loch in ihm mit einem Biopsiestanze (3 mm Durchmesser) von der flachen Seite auf die andere. Dies stellt sicher, keine Ecken und Kanten auf der flachen Seite des PDMS (Abb. 4a).
- Legen Sie die PDMS Kammer auf der Oberseite des Gerätes sorgfältig durch, indem er sie auf der aktiven Fläche der hergestellten SWNT FET stirbt (<strong> 4a, b). Tippen Sie es sanft auf den Stempel auf dem Chip zu sichern. Die flache Seite verbindet der Düse, um eine dichte Kammer zu stellen.
Hinweis: Dies kann mit dem bloßen Auge durchgeführt werden oder unter Verwendung eines optischen Mikroskops mit ausreichend Arbeitsraum. Wenn das PDMS nicht gut haften (in der Regel, wenn die Düse und / oder der PDMS-Stempel nicht sauber ist), die keine Sauerstoff-Plasma (20 Watt, 15 sec) auf PDMS, um die Bindung zu unterstützen. Mit Plasmaleistungen höher führt zu einer stärkeren Bindung, jedoch haben wir gesehen Rippen von Elektroden Entfernen des PDMS in diesem Fall.
- Entfernen Sie die PDMS-Stempel nach elektrischen Prüfung und vor dem nächsten Schritt chemische Funktionalisierung durch Eintauchen der Düse in DI-Wasser und leichtes Anheben der Stempel.
6. Herstellung von Mikrofluidik-Kanal
- Nehmen Sie ein sauberes Silizium-Wafer und legen Sie es auf einer Heizplatte bei 200 ° C für 5 min, um alle Feuchtigkeit zu entfernen.
- Spin Mantel SU-8 2015 500 rpm(100 rpm / sec Rampe Rate) für 5 sec und dann 1.250 rpm für 30 sec bei 300 rpm / sec Rampe Rate. Daraus ergibt sich eine 30 um dicke SU-8-Schicht auf Silizium-Wafer.
- Weichbacken der Wafer bei 95 ° C für 5 min.
- Entwerfen Sie eine Photomaske (4c), um die 300 um breit Strömungskanalmuster auf der Oberseite des SWNT definieren.
Tipp: Um Zusammenbruch der Struktur eine Kanalbreite vermeiden: Höhe-Verhältnis von 10:1 ist ausreichend (300 um: 30 um in diesem Fall).
- Mit 365-nm-UV-Photolithographie definieren den Strömungskanal mit einem UV-Belichtungszeit von 0,9 Sekunden.
- Sende backen die Matrize bei 95 ° C für 5 min.
- Entwickeln Sie die Muster in SU-8-Entwickler für 5 min durch leichtes Schütteln begleitet.
- Spülen Sie den Wafer in IPA und blasen mit N2-Pistole trocken.
- Befolgen Sie die Schritte 5.1-5.2 einen PDMS-Gemisch herzustellen.
- Setzen Sie den Wafer mit SU-8 Form in einem Exsikkator zusammen mit einem 2-3 Tropfen Silanisierungsmittel trichloro (3, 3, 3-Trifluorpropyl) silan in einer Petrischale. Schalten Sie die Vakuumpumpe lassen die Wafer im Vakuum sitzen für 1 Stunde.
- Gießen Sie die Mischung entgaste PDMS auf den Wafer und erhitzen Sie es in einem Ofen bei 70 ° C für 1 Stunde.
- Schneiden Sie die PDMS-Form (Negativ des SU-8) mit einem Skalpell.
- Platzieren der PDMS-Stempel auf den Kopf und mit einem Biopsiestanze (0,75 mm Durchmesser), um ein Loch an jedem Ende des Strömungskanals zu bohren. Achten Sie darauf, um das Loch von der flachen Seite (die Seite in Kontakt mit dem Silizium-Wafer) zu bohren, um auf der anderen Ecken und Kanten (Abbildung 4e) zu vermeiden.
- Legen Sie die PDMS Fließkammer auf der Oberseite des Gerätes sorgfältig durch Ausrichten es auf der aktiven Fläche der hergestellten SWNT FET stirbt unter dem Mikroskop. Tippen Sie es sanft auf den Stempel auf dem Chip zu sichern. Die flache Seite verbindet der Düse, um eine dichte Kammer zu stellen. (4c und 4d)
- Schieben Sie einen Schlauch aus Polyethylen in die Löcher und das andere Ende an einem Fluid Source-und Drain-Spritze (Fild 4e).
- Die Spritze eine Spritzenpumpe System, um eine kontrollierte Strömung des Fluids durch den Kanal (6) zu halten.
7. DC Elektrischer Messaufbau
- Schließen Sie die Quelle und Gate-Kontakte von SWNT FET Spannung Ports einer Messkarte.
- Verbinden Sie den Drain-Kontakt zu Eingangsport Messkarte durch einen Strom-Vorverstärker.
- Bewerben 30 Millivolt (mV) auf Source-Kontakt, fegen die Gate-Spannung und notieren Sie die aktuellen aus dem Abfluss (Abb. 5a).
Tipp: Für Messungen in Lösung halten Gate-Spannung Sweep-Parameter innerhalb | 0,7 Volt | um ein Auslaufen und Reaktion zwischen dem Gate-Metall-Elektrode und Lösung zu vermeiden.
8. AC Elektrische Messaufbau
- Schließen Sie das Ref-out-Signal von Lock-in-Verstärker an die externe Modulation Signal-Anschluss Frequenz-Generator, um das Setup AM moduliert frequency Ausgang.
- Verbinden Source-Kontakt des SWNT FET mit dem AM-modulierten HF-Ausgang des Frequenz-Generator und Gleichspannung von Messkarte mit einem Bias-Tee (Abbildung 5b und 5c).
- Verbinden Gatekontakt an Spannung Hafen von Messkarte.
- Verbinden der Drain-Kontakt an einen Lock-In-Verstärker, um den Wechselstrom durch die Nanoröhre lesen. Lesen Sie die Amplitude und Phase des Stroms durch die DAQ Eingangs-Ports.
- Halten Quelle Gleichspannung auf 0 Volt und AM-Frequenz bei 200 Kilohertz (kHz).
- Fegen der Gate-Spannung und den Strom messen von dem Drain.
- Frequenz erhöhen und wiederholen Sie Schritt 8.6 für I-Mix-V g Sweeps bei unterschiedlichen Frequenzen.
9. Elektrische Messungen in Lösung (No Flow)
- Bereiten 1 mM NaCl, 10 mM NaCl und 100 mM NaCl Salzlösungen ab 5M NaCl-Stammlösung.
- Nehmen Sie das Gerät vom Schritt SWNT 3.13. Führen Sie die Schritte 4.1-4.5 einen biotinylieren erhaltend-Gerät.
- Führen Sie Schritt 5, um ein PDMS Kammer auf der Oberseite des Gerätes gelegt.
- Füllen Sie die Kammer mit DI-Wasser mit einer Pipette.
- Folgen Sie Schritt 8 für Frequenzmischung Messungen für verschiedene Frequenzen.
- Wiederholen 9,4 für die drei verschiedenen Salzlösungen 1 mM NaCl, 10 mM NaCl und 100 mM NaCl.
Tipp: Verwenden Sie Pipette zur vorherigen Lösung zurückziehen und dann spülen Sie die Kammer mehrmals mit der neuen Lösung. Immer von der niedrigen zur hohen Konzentration wechseln Lösungen.
- Entfernen Sie die PDMS-Stempel durch leichtes Anheben der Stempel mit einer Pinzette.
- Spülen Sie das Gerät mit DI-Wasser.
- Führen Sie Streptavidinbindung wie in 4,6-4,7.
- Wiederholen Sie die Schritte 9,3-9,6.
10. Elektrische Meßtechnik in Lösung (Real Time Flow)
- Bereiten 100 mM NaCl-Salzlösung ab 5 M NaCl-Stammlösung.
- Nehmen Sie das Gerät vom SWNT step 3.13. Führen Sie die Schritte 4.1-4.5 einen biotinylierten Gerät zu erhalten.
- Setzen Sie den mikrofluidischen Strömungskanal auf dem Gerät nach Schritt 6 .. Schließen Sie eine leere Spritze mit einem Ende des mikrofluidischen Kanal für die Rücknahme-Betrieb. Am anderen Ende befestigt eine Spritze mit Hintergrund Lösung von 100 mM NaCl.
- Richten Sie den elektrischen Messung, wie in Schritt 8 fort. Befestigen der Frequenz (f = 10 MHz) und die Gate-Vorspannung (V = 0).
- Starten Spritzenpumpe in Abzug Modus (Durchfluss = 0,4 ml Stunde -1) und überwachen die aktuelle Signalquelle mit der Zeit. Schalten Sie die Lösung 1mg/ml Streptavidin in 100 mM NaCl und Monitor Signaländerung für Streptavidin-Biotin-Bindung (Abbildung 6).
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Representative Results
Ein Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme von SWNT Transistor mit einer Bewährungsstrafe Top-Gate ist in Abbildung 7a gezeigt. Die Gate-Dimensionen sind entscheidend für die Aufhängung 25. Der gegenwärtige Entwurf Abmessungen (Länge x Breite x Dicke = 25 um x 1 x um 100 nm). Die Gate-Elektrode besteht aus 50 nm Cr/50 nm Au; eine dicke Chromschicht fügt mehr Kraft ausgesetzt Struktur. Die frei hängende Struktur wird durch die Abwesenheit von Leckstrom zwischen Top-Gate-und Drain (Abbildung 7b) bestätigt.
Wir verwenden die Biotin-Streptavidin-Ligand-Rezeptor-System in unseren SWNT Sensor auswerten. Um den Erfolg der Seitenwand Funktionalisierung charakterisieren wir überwachen die FET DC Transfer Kurven in der Luft nach jedem Schritt Funktionalisierung. 7c zeigen, dass die Übertragung Kurve Verschiebung nach rechts nach Biotinylierung (rot) und Streptavidinbindung (blau). Dies kann zu dem elektrostatischen Gate durch die Elektronegativitat zurückzuführenve Amin-Gruppen an Biotin PEO-Amin und Streptavidin.
Für Hochfrequenz-Messungen, folgen wir dem Schema in Abbildung 5b gezeigt. Die nicht-lineare IU-Kennlinien von SWNT-Transistor, mischt die Hochfrequenz-Eingänge an den Source-und Gate-, eine Misch-Stromausgang ergeben, I Mix, ist unser Erfassungssignal. 7d zeigt mischen I gemessen als eine Funktion der Gate-Spannung für eine typische Vorrichtung in 100 mM NaCl. Das Mischen Strom für ein AM modulierten Eingangssignals an Modulationsfrequenz ω m, wird von 10-11 gegeben
, Wobei m der Modulationsgrad, v ac die AM-Eingang Amplitude und ∂ G / ∂ V g die Steilheit der Vorrichtung (Steigung der I
Für biomolekularen Erfassungsvorrichtung, ist es notwendig, dass die CNT direkt zu der Lösung, dh SiO 2 vollständig entfernt wird, während der BHF Ätzschritt geätzt ausgesetzt. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, ist die chemische Modifikation der CNT nicht möglich, da der Linker-Molekül kann nicht entlang der Nanoröhrchen Seitenwand stapeln.Dies zeigt sich deutlich in 7g dargestellt, wo wir keine Veränderung vor und nach der Bindung auch in DI-Wasser für eine SiO2 passiviert Gerät zu sehen. Dies beweist auch, dass unsere Messergebnisse erfolgreiche chemische Modifikation sowie molekularbiologische Nachweis in hohen Hintergrund Ionenkonzentrationen anzuzeigen. Bei allen Messungen beobachten wir, dass der Sensor Reaktion über 30 MHz, die aufgrund der Resonanz von Setup fällt.
Abbildung 1. Nanotube-Transistor Herstellungsprozess Flow (a) Herstellungsverfahren -. (1) Photomask Schicht-1 (PL-1) für Katalysator Abscheidung (2) Metall start, (3) CNT Wachstum, (4) PL-2 für Source-Drain- Kontakt, (5) Metall start, (6) SiO2 Decke Abscheidung (7) PL-3 für Gate-Kontakt, (8) MetallAbheben, (9) Dünne SiO2 Decke Abscheidung (10) PL-4 für BHF Nassätzung Kanal und (11) letzte Gerät nach Photoresistentfernung. Farbschema dargestellt. (B) Schematische Darstellung der Struktur Gerät.
Abbildung 2. Kohlenstoff-Nanoröhrchen Wachstum. (A) Ausheilungsschritt zu Photoresistrückstände, (b) Wachstum Schritt für CNT Wachstum und (c) Gerät Platzierung in Wachstum Ofen entfernen.
Abbildung 3. Flussdiagramm für die chemische Funktionalisierung von CNT.
Abbildung 4. PDMS-Stempel für Messungen Lösung (a) -. (B) Static (kein Durchfluss) Messungen (a) Stanz-und Montage eines PMDS Kammer auf dem Gerät, (b) Schematische Darstellung der Strömung Kammer auf einem Gerät (c) -.. (E ) Durchflussmessung. (c) Prozessablauf für PDMS Strömungskanal mit SU-8 Form. (1) für die Definition Photomask Strömungskanal, (2) vernetzt SU-8 Form, (3) PDMS auf SU-8 und (4) PDMS Strömungskanal auf Gerät gestempelt. (D) Schematische Darstellung der Strömungskanal auf einem Gerät und (e) Stanzen Einlass / Auslass Löcher in PDMS, Stanzen den Strömungskanal auf dem Gerät und Verbinden Polyethylenschlauch um Einlass / Auslass-Ports.
Abbildung 5. Elektrische Mess-Setup. (A) DC-Messung schematische, (b) Mischen AC Strommessung schematische und (c) Bild des Versuchsaufbaus für den AM-modulierten Frequenz Mischen Messung. Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 6. Durchflussmessung setup (a) Bild des gesamten Messaufbau;. (B) Spritzenpumpe und Prüfstation, und (c) Bild des Gerätes mit PDMS Strömungskanal, Einlass / Auslass fließen Schläuche und elektrische pRoben.
Abbildung 7. Repräsentative Ergebnisse für SWNT Biosensor. (A) REM-Bild eines typischen suspendiert Top-Gate-Gerät, (b) Gate-Drain-Leckage ausgesetzt Struktur zu bestätigen, (c) I V dc-g-Kurve für unberührte Nanoröhrchen FET (schwarz), nach Biotinylierung (rot) und nach Streptavidinbindung (blau) in der Luft gemessen, (d) DC-Strom, I dc (schwarz, V sd = 10 mV) und Misch-Strom I-Mix (rot, Modulation f = 200 kHz) als Funktion von V g für das Gerät in 100 mM NaCl-Lösung. Theoretische mische ich unter Verwendung des Modells in Gleichung (1) auch gezeigt wird (▲) zum Vergleich. (E) I-Mix-V g Aktuellves für biotinylierte (schwarz) und Streptavidin-Biotin-Bindung (rot) SWNT in 100 mM NaCl bei f = 10 MHz, (f) Echtzeit-Messung zum Nachweis Streptavidin-Bindung in 100 mM NaCl und (g) Signaländerung nach Bindung in eine vollständig passiviert Steuergerät in DI-Wasser bei unterschiedlichen Frequenzen. Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
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Discussion
Das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren hängt nicht nur von Ofenbedingungen sondern auch Substrat Sauberkeit. Die optimale Gas-Durchfluss, Temperatur und Druck für Wachstum müssen sorgfältig kalibriert und einmal fixiert sie sind mehr oder weniger stabil. Auch bei Erfüllung dieser Bedingungen, fanden wir, dass das Wachstum hängt von der strukturierten Katalysator Bereich, Menge an Katalysator und Substrat Sauberkeit. Daher haben wir mehrere Katalysator Grube Größen zur Berücksichtigung der Variabilität des Wachstums aufgenommen. Eine Stunde Hochtemperaturglühen Schritt half entfernen Verunreinigungen wie PR Rückstand etc. aus dem Substrat. Abbildung 2 zeigt die Bedingungen, die wir für SWNT Wachstum angenommen.
Das Vorhandensein von Kontaminanten aus Aluminium Verarbeitungsschritten kann zu falschen Signal in chemischer und biologischer Erkennung führen. Daher ist es erforderlich, das Substrat gründlich gereinigt vor und nach der chemischen Funktionalisierung. Die Spülschritte nach jeder Funktionalisierung hilft remove überschüssiges Reagenz, das mit dem Gerät in der Nähe der aktiven Fläche haften kann. Wir haben auch festgestellt, dass, wenn das Substrat nicht sauber, das PDMS-Stempel nicht dicht und weg mit Flüssigkeitsdruck während der Messung abgezogen. In solchen Fällen half sehr sanft O 2-Plasmas auf PDMS-Stempel Haftung. Zu stark ein O 2-Plasma kann das PDMS-Stempel-Stick gut, aber schwer zu machen, um aus dem Gerät zu entfernen, haben wir festgestellt, Rippen von Elektroden, die Entfernung macht das Werkzeug unbrauchbar. Wenn der PDMS-Stempel und die Matrize sauber sind, ist die Haftung zwischen ihnen gut genug, um eine Fluidströmung Messungen ohne Sauerstoff-Plasmabehandlung auch überleben. Verwenden Sie keine O 2-Plasma auf der SWNT Gerät, da dies ätzt die Kohlenstoff-Nanoröhren.
In Lösung basierte elektrische Messungen, überwältigt einem Leckstrom die Erkennung Signal. Diese Leckage geschieht, weil die Lösung auch als Leiter dienen kann, geht dessen Widerstand sich mit steigender Salzkonzentration.Daher ist es notwendig, Elektrodenpassivierungsschicht Schritt in der Transistor-Design zu integrieren. Die beiden Decke Ablagerungen in unserem Fertigungs-Protokoll (500 nm und 20 nm SiO 2) ermöglichte eine Reduzierung der Leckage von Source, Drain und Gate-Metall Kontakte. Auch vor der Einnahme von allen elektrischen Messung wird eine Gate-Drain-Leckage Sweep empfohlen, um sicherzustellen, dass keine Leckage in der vorgesehenen Wobbelspannung Bereich passiert.
Für Fluidströmung Messungen, ist es notwendig, Lufteinschlüsse in den Strömungskanal zu vermeiden. Der Luftspalt führt zu Verzerrungen signalisieren, da der Sensor Reaktion in der Luft ist anders, als wenn in der Lösung. In der vorderen Pumpbetrieb wurde diese Frage oft begegnet die Strömung behindert. Dies wurde durch den Betrieb der Spritzenpumpe in Abzug Modus vermieden.
Für die hochfrequenten elektrischen Messungen in hohen Hintergrund ionischen Lösungen der Reaktion fiel über 30-40 MHz aufgrund der Resonanz Verlust aus dem Messaufbau. Wir werdenglauben kann dies durch die Gestaltung Geräte mit niedrigeren parasitären verbessert werden. Optimiert Gate-SWNT Entfernung und kleiner BNC und SMA Kabel kann dazu beitragen, die Empfindlichkeit.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.
Acknowledgments
Wir danken Prof. Paul McEuen an der Cornell University für die frühe Diskussion. Die Arbeit wird durch den Start-up-Fonds bieten von der University of Michigan und der National Science Foundation Skalierbare Nanofertigung Program (DMR-1120187) unterstützt. Diese Arbeit verwendet die Lurie Nanofabrication Einrichtung an der Universität von Michigan, ein Mitglied der National Nanotechnology Infrastructure Netzwerk von der National Science Foundation finanziert.
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
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