Summary
אנו מתארים את ייצור מכשיר מדידה ולפרוטוקול biosensors בתדר גבוה המבוסס על צינורות פחמן. טכניקת חישת התדירות הגבוהה מפחית את הסיכון (דביי) השפעת ההקרנה יונית הבסיסית ומאפשרת Nanotube biosensor להיות מופעל בפתרונות כוח יוניים גבוהים שבי biosensors אלקטרוני קונבנציונלי נכשלים. הטכנולוגיה שלנו מספקת פלטפורמה ייחודית לbiosensors אלקטרוני הפועלים בתנאים פיסיולוגיים רלוונטיים נקודה של הטיפול (POC).
Abstract
המאפיינים האלקטרוניים הייחודיים ויחסי קרקע בנפח גבוהים של צינורות פחמן אחת חומה (SWNT) ומוליכים למחצה nanowires (NW) 1-4 להפוך אותם למועמדים טובים לbiosensors רגישות גבוהה. כאשר מולקולה טעונה נקשר למשטח חיישן כזה, זה משנה את צפיפות הספק 5 בחיישן, וכתוצאה משינויים במוליכות DC שלה. עם זאת, בפתרון יוני משטח טעון גם מושך יונים ללא מרשם מהפתרון, ויוצר שכבה כפולה חשמלית (אדי). אד זה מסכי ביעילות את תשלום, ובתנאים פיסיולוגיים רלוונטיים ~ 100 millimolar (מ"מ), אורך הקרנת תשלום האופייני (דביי אורך) הוא פחות מ ננומטר (ננומטר). לפיכך, במתן פתרונות כוח יוניים גבוהים, זיהוי מבוסס תשלום (DC) הוא עיכבו 6-8 במהותו.
שלנו להתגבר על השפעות הקרנת תשלום על ידי איתור הדיפולים מולקולריים ולא חיובים בתדירות גבוהה, על ידי הפעלת הפחם nanotהשפעת שדה טרנזיסטורים Ube כמערבלי 9-11 בתדירות גבוהה. בתדרים גבוהים, כוח כונן AC כבר לא יכול להתגבר על גרירת הפתרון ואת היונים בתמיסה אין לי זמן מספיק כדי ליצור את האד. יתר על כן, טכניקת ערבוב תדר מאפשרת לנו לפעול בתדרים גבוהים מספיק כדי להתגבר על הקרנה יונית, ובכל זאת לזהות את אותות חישה בתדרים נמוכים 11-12. כמו כן, transconductance הגבוה של טרנזיסטורים SWNT מספק רווח פנימי לאות החישה, שמייתרת את הצורך במגבר אות חיצוני.
כאן, אנו מתארים לפרוטוקול () לפברק טרנזיסטורים SWNT, (ב) functionalize ביומולקולות לNanotube 13, (ג) לתכנן ולהחתים פולי-dimethylsiloxane (PDMS) קאמרי מייקר fluidic 14 על המכשיר, ו (ד) לבצע חישה בתדירות גבוהה בפתרונות כוח יוניים שונים 11.
Introduction
כאשר מולקולה טעונה נקשר לחיישן אלקטרוני SWNT או NW, זה גם יכול לתרום / לקבל אלקטרונים או לפעול כאלקטרוסטטי שער מקומי. בכל מקרה, מולקולה המאוגדת יכולה לשנות את צפיפות המטען בSWNT או NW הערוץ, שהובילה לשינוי במוליכות DC הנמדד של החיישן. מגוון גדול של מולקולות 15-20 שכבר זוהה בהצלחה על ידי לימוד מאפייני DC של החיישנים הזעירים במהלך אירועים מחייבים כאלה. למרות שיש לו מנגנון חיוב איתור מבוסס חישת יתרונות רבים, כולל זיהוי ללא תווית 21, רגישות FEMTO-טוחנת 22, ואלקטרוניים לקרוא את היכולת 15, הוא יעיל רק בפתרונות כוח יוניים נמוכים. בפתרונות כוח יוניים גבוהים, זיהוי DC הוא הקשו על ידי הקרנה יונית 6-8. משטח טעון מושך יונים ללא מרשם מהפתרון המהווה שכבה כפולה חשמלית (אדי) קרוב לפני השטח. אדי מסכי ביעילות את ההאשמות הללו. כמו tהוא יוני כוח של עליות הפתרון, אדי הופך צר יותר ומגדיל את ההקרנה. השפעת ההקרנה זו מאופיינת על ידי דביי הקרנת אורך λ D,
, שבו ε הוא permittivity דיאלקטרי של התקשורת, k B הוא של הקבוע בולצמן, T הטמפרטורה, q הוא מטען האלקטרון, וג הוא החוזק היוני של תמיסת אלקטרוליט. לפתרון חיץ 100 מ"מ טיפוסיים, λ D הוא סביב 1 ננומטר ומשטח פוטנציאל יוקרן לחלוטין במרחק של כמה ננומטר. כתוצאה מכך, רוב החיישנים המבוססים על nanoelectronic SWNTs או NWS לפעול גם במצב יבש או 20 בפתרונות כוח יוניים נמוכים 5,15,17,21-22 (ג ~ 1 ננומטר- 10 מ"מ), אחרת המדגם צריך לעבור שלבי desalting 15,23. מכשירי אבחון נקודה של טיפול צריכים לפעול בחוזק היוני מבחינה פיזיולוגית רלוונטי באתר של מטופל עם יכולת עיבוד מדגם מוגבלת. לפיכך, השפעת ההקרנה יונית מקלים היא קריטית לפיתוח ויישום של חיישנים ביולוגיים nanoelectronic POC.
שלנו למתן את השפעת ההקרנה יונית על ידי הפעלת חיישן nanoelectronic מבוססת SWNT בטווח תדרי מגהרץ. הפרוטוקול הניתן כאן פרטי הייצור של הטרנזיסטור SWNT מבוסס פלטפורמת nanoelectronic חישה ומדידת ערבוב בתדירות גבוהה לגילוי biomolecular. צינורות פחמן אחת חומה גדלים על ידי שיקוע כימי על מצעים בדוגמת עם פה זרזים 24. לטרנזיסטורים SWNT שלנו, אנו משלבים מושעים העליון שער 25 להציב 500 ננומטר מעל Nanotube, אשר מסייע לשפר את תגובת חיישן בתדירות גבוהה וגם מאפשר לMICR קומפקטיקאמרי O-fluidic לאטום את המכשיר. הטרנזיסטורים SWNT מופעלים כמערבלי 9-11 בתדירות גבוהה על מנת להתגבר על השפעות ההקרנה יוניות הרקע. בתדרים גבוהים, אין להם את היונים הניידים בתמיסה מספיק זמן כדי ליצור את אדי ואת הדיפולים biomolecular תנודות יכול עדיין שער SWNT ליצור ערבוב נוכחי, שהיא אות החישה שלנו. תדירות ערבוב מתעוררת בשל מאפייני IV קוי של ננוצינורית FET. הטכניקה לזיהוי שלנו שונה מהטכניקות המקובלות של זיהוי מבוסס תשלום וספקטרוסקופיה עכבת 26-27. ראשית, אנו מזהים הדיפולים biomolecular בתדירות גבוהה ולא את החיובים הנלווים. שנית, transconductance הגבוה של טרנזיסטור SWNT מספק רווח פנימי לאות החישה. זה מייתר את הצורך בהגברה חיצונית כמו במקרה של מדידות עכבה בתדירות גבוהות. לאחרונה, קבוצות אחרות שהתייחסו גם לגילוי biomolecular בתואר ראשון גבוהckground ריכוזי 23,28. עם זאת, שיטות אלה מעורבות יותר, הדורשים ייצור מורכב או הנדסה כימית זהירה של מולקולות הקולטן. משלב חיישן SWNT התדירות הגבוה שלנו עיצוב פשוט ומנצל את רכוש הערבוב הגלום תדר של טרנזיסטור Nanotube. אנחנו יכולים למתן את השפעות ההקרנה יוניות, ובכך מבטיח פלטפורמת biosensing חדשה לגילוי נקודה של טיפול בזמן אמת, שבו חיישנים ביולוגיים המתפקדים באופן ישיר במצב רלוונטי מבחינה פיזיולוגית הם הרצויים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. דפוסים זרז לצמיחה SWNT
- להתחיל עם פרוסות סיליקון עם לחץ נמוך שיקוע כימי (CVD) גדל 500 ננומטר Si 3 N 4 / SiO סרט 500 ננומטר 2 על העליונה.
- ספין מעיל שכבת photoresist (PR) ב 500 סל"ד במשך 5 שניות ולאחר מכן 4,000 סל"ד במשך 40 שניות.
- אופים את פרוסות סיליקון ב 115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות.
- השתמש photomask עם בורות מלבניות לזרזים (איור 1) ולחשוף את רקיק בקרינה (365 ננומטר) UV של 300 mJ / 2 ס"מ ל0.3 שניות. לאחר החשיפה אופה את פרוסות סיליקון ב 115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות.
טיפ: בורות עיצוב בגדלים שונים למשל 5 מיקרון X 5 מיקרון, מיקרון 10 מיקרון X 5 וכו 'כדי להסביר את השונות בSWNT אדים כימיים בתהליך צמיחה (CVD).
- לפתח את רקיק במפתח עבור 70 שניות בעדינות רועדות רקיק בתהליך.
- שוטפים את פרוסות עם DI wateR למשך 2 דקות ואז לפוצץ יבש עם אקדח חנקן (N 2).
- טען את רקיק התפתח לקרן אלקטרונית מאייד קאמרי והפקדת 0.5 ננומטר ברזל (Fe) בלחץ לשכת 10 -6 טור.
- קוביות ופל למתים קטנים יותר 1.5 ס"מ X 1.5 ס"מ.
- הסר photoresist על ידי הטבילה באצטון החם וisopropanol (IPA) לכל 10 דקות. זה משאיר מאחורי הזרז פה בבורות מלבנית לצמיחת Nanotube.
2. צמיחת CVD של פחמן
- מניחים את מת מצופה הזרז בשפופרת קוורץ של תנור צמיחת CVD.
טיפ: קבע נקודה מתוקה לצמיחת Nanotube. הצמיחה היא אחידה על פני שטח של מורד הזרם 2inch x 2inch לתנור שלנו (איור 2 ג).
- לחשל את המצע באוויר ב 880 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת כדי להסיר את שאריות photoresist (איור 2 א). לאפשר להתקרר.
- לטהר את החדר עם ארגון במשך 5 דקות ב3 SLM (ליטר סטנדרטי לדקה).
- כבש את התנור ל 800 מעלות צלזיוס במרכזו של הצינור, תוך שמירה על זרימה של SLM 1 של ארגון (איור 2b).
- זרימת 0.2 SLM של מימן למשך 5 דקות כדי להפחית את חלקיקי הזרז כלומר להמיר תחמוצת ברזל לברזל.
- להציג 5.5 SCCM (סמ"ק הסטנדרטי לדקה) של אתילן (C 2 H 4) למשך 35 דקות לגדול SWNTs. לשמור על זרימה של H 2 0.2 SLM לאורך כל התהליך. אורכו של SWNTs מתקבל מהמתכון הזה הוא> 20 מיקרון (מיקרומטר).
- אפשר לתנור להתקרר לטמפרטורת חדר עם זרימת ארגון קטנה.
3. ייצור טרנזיסטור FET SWNT
- עיצוב photomask (איור 1) להגדרת אלקטרודות מקור ניקוז לאפיון (IV) נוכחי במתח של צינורות פחמן.
עצה: הרחב את רפידות מגע אלקטרודה רחוקה APARלא על למות כדי שהם יישארו נגישים גם לאחר שהניח חותמת מיקרו-fluidic באזור Nanotube הפעיל.
- בצע את השלבים 1.2 -1.6 להגדיר אזור לתצהיר מתכת עבור אנשי קשר.
- ההפקדה טי / Au 0.5 nm/50 ננומטר עבור אנשי קשר מקור ניקוז בתא מאייד אלקטרוני קורה ב10 -6 טור.
- השאר את הקובייה באצטון הלילה לשיגור מתכת. לאחר המראה, לטבול את הקובייה בIPA במשך 10 דקות ואז לפוצץ באמצעות יבש N 2 אקדח.
- האם שמיכת תצהיר של 500 ננומטר אלקטרוני קורה התאדה SiO 2 לשער דיאלקטרי ב 10 -6 טור.
- עיצוב photomask (איור 1) להגדרת האלקטרודה השער.
- בצע את השלבים 1.2-1.6 להגדיר אזור לשער מתכת בתצהיר.
- להתאדות 50 ננומטר nm/50 Cr / Au כאלקטרודה השער העליונה במאייד אלקטרוני קורה. בצע את השלב 3.4 לשיגור מתכת.
טיפ: השתמש בשכבת כרום עבה כדי להגדיל את כוח oF הושעה שער עליון. ממדי שער הם גם קריטיים להשעיה מוצלחת.
- שמיכת הפקדת שכבה דקה (20 ננומטר) של SiO 2 לפסיבציה האלקטרודה העליונה.
- עיצוב photomask (איור 1) כדי לפתוח תעלה בSiO 2 כדי לגשת לערוץ Nanotube הפחמן. אזור עיצוב Pad-לחרוט באותה המסכה כדי לפתוח את האזור לגישה מקור, ניקוז ואלקטרודות שער רחוק מערוץ SWNT.
- בצע את השלבים 1.2-1.6 לדפוס יחסי הציבור לפתוח את התעלה ללחרוט רטוב של SiO 2.
- רטוב לחרוט התאדה SiO 2 שימוש בפתרון BHF 1:20 דקות 3 ו -30 שניות. Si 3 N 4 מספק שכבת תחנה לחרוט כדי למנוע חדירה נוספת של BHF.
טיפ: זמן כיול Etch מומלץ.
- לשטוף ביסודיות את המכשיר במי DI, ולאחר מכן טובל אותו בIPA למשך 5 דקות. תייבש באמצעות אקדח N 2. רח המכשירructure נותר בשלמותה בשל שכבת הכרום העבה.
4. Functionalization הכימי של Sidewalls Nanotube פחם
- להכין תמיסה של 6 מ"מ 1 pyrenebutanoic חומצת succinimidyl אסתר (PbSe) בdimethylformamide (DMF).
- דגירה למות FET SWNT בפתרון מולקולרי זה מקשר במשך שעה 1 בטמפרטורת חדר.
- לשטוף ביסודיות את הקובייה בDMF כדי לשטוף את המגיב העודף. מכה יבשה במכשיר.
- הכן פתרון 20mg/ml של biotinyl-3, 6 dioxaoctanediamine (ביוטין PEO אמין-BPA) במי DI לbiotinylation של SWNTs.
- דגירה למות בפתרון זה עבור 18 שעות לאחר שלשטוף ביסודיות במי DI למות ולפוצץ יבשים. BPA מתחבר למולקולת מקשר PbSe.
- הכן פתרון של 1mg/ml streptavidin בפתרון PBS pH 7.2 לstreptavidin מחייב.
- למדידות סטטיות, דגירה למות בפתרון streptavidin במשך 20 דקות לfunctionalize SWNT biotinylated לחלוטין. Thoroughly לשטוף ותייבש את הקובייה. לחישה בזמן אמת, להחתים את ערוץ זרימת PDMS (שלב 6) ראשון ולאחר מכן לזרום פתרון streptavidin ברקע חוזק יוני גבוה לstreptavidin מחייב (איור 3).
הערה: אנו לשטוף למות על ידי מחלק DI מים (~ 50 מ"ל) מעל למות באמצעות בקבוק לחיץ. לאחר מכן אנחנו עוברים למנה למות אחר פטרי המכילה מים די ולהזיז את הקובייה סביב דקות 1. אנו חוזרים על שני השלבים כולל של 8-10 פעמים.
5. הכנת polydimethylsiloxane (PDMS) עובש ללשכת נוזלים
- , בגביע במשקל לשפוך 9 חלקים לפי משקל של PDMS מונומר ולהוסיף חלק 1, לפי משקל של סוכן ריפוי וביסודיות לערבב בין שתיים.
- דגה את התערובת בתא ייבוש עבור 25 דקות. הבועות יעלו באמצעות התערובת ולעזוב.
טיפ: אם התערובת מתחילה קצף, לפרוק את החדר ולתת לו להתיישב לכמהשניות לפני degassing שוב.
- מניחים פרוס סיליקון חדשה בצלחת פטרי. יוצקים את תערובת PDMS degassed על גבי זה יש שכבת PDMS של 5 מ"מ מעל פרוסות סיליקון.
- מניחים את צלחת פטרי בתנור בחום של 70 מעלות צלזיוס במשך שעה 1.
- הסר את צלחת פטרי ולתת לו להתקרר. השתמש באזמל כדי לחתוך את חתיכה מלבנית של PDMS ולמשוך אותו החוצה באמצעות מלקחיים.
טיפ: צד PDMS ישירות במגע עם פרוסות סיליקון הוא נקי ושטוח מאוד. הצד הזה יהיה במגע עם FET SWNT למות. היזהר שלא לזהם אותו.
- הנח את הקובייה המלבנית במהופך ולקדוח חור בתוכו באמצעות אגרוף ביופסיה (קוטר 3 מ"מ) מהצד השטוח לצד השני. זה מבטיח שאף קצוות גסים בצד השטוח של PDMS (איור 4 א).
- מניחים את חדר PDMS על גבי המכשיר בזהירות על ידי יישורה בחלק העליון של האזור הפעיל מהמת FET SWNT מפוברק (<חזק> איור 4 א, ב). הקש עליו בעדינות כדי לאבטח את החותמת על למות. תופעות האג"ח השטוח כדי למות כדי לספק קאמרי דליפה חזק.
טיפ: ניתן לעשות זאת בעין בלתי מזוינת או באמצעות מיקרוסקופ אופטי עם מרחב עבודה מספיק. אם PDMS לא יידבק היטב (בדרך כלל אם למות ו / או חותמת PDMS היא לא נקי), לעשות פלזמה חמצן (20 וואט, 15 שניות) על מנת לסייע PDMS מליטה. באמצעות כוחות פלזמה גבוהים יותר מאשר זה מוביל למליטה חזקה יותר, לעומת זאת, ראינו קריעה של אלקטרודות תוך הסרת PDMS במקרה כזה.
- הסר את חותמת PDMS לאחר בדיקות חשמליות ולפני השלב הבא functionalization כימי על ידי טבילה במי DI למות ובעדינות מרימה את החותמת.
6. הכנת Microfluidic ערוץ זרימה
- קח את פרוסות סיליקון נקיות ומניח אותו על צלחת חמה ב 200 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות כדי להסיר כל לחות.
- ספין מעיל SU-8 2015 ב 500 סל"ד(שיעור 100 סל"ד / שנייה רמפה) למשך 5 שניות ולאחר מכן 1,250 סל"ד במשך 30 שניות בקצב 300 סל"ד / שנייה רמפה. זה נותן מיקרומטר SU-8 שכבה עבה 30 על פרוסות סיליקון.
- לאפות רך רקיק על 95 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות.
- עיצוב photomask (איור 4 ג') כדי להגדיר את תבנית 300 מיקרומטר הרחב זרימה בתעלות בחלק העליון של אזור SWNT.
טיפ: כדי למנוע קריסה של מבנה רוחב ערוץ: יחס גובה 10:01 מספיק (300 מיקרומטר: 30 מיקרומטר במקרה זה).
- באמצעות photolithography UV 365 ננומטר מגדיר את ערוץ הזרימה עם זמן חשיפה לקרינת UV של 0.9 שניות.
- הודעה לאפות למות על 95 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות.
- לפתח את התבנית בSU-8 מפתח למשך 5 דקות מלווים בטלטול עדין.
- שוטפים את פרוסות בIPA ולפוצץ יבשים עם אקדח N 2.
- בצע את השלבים 5.1-5.2 כדי להכין תערובת PDMS.
- מניחים את פרוסות עם עובש SU-8 בייבוש, יחד עם ירידה של 2-3 tric סוכן silanizinghloro (3, 3, 3-trifluoropropyl) silane בצלחת פטרי. הפעל את משאבת הוואקום תן רקיק לשבת בואקום במשך שעה 1.
- יוצקים את תערובת PDMS degassed על גבי פרוסות סיליקון ולחמם אותו בתנור על 70 מעלות צלזיוס במשך שעה 1.
- חותכים את עובש PDMS (שלילי של SU-8) באמצעות אזמל.
- מניחים את חותמת PDMS במהופך ובאמצעות אגרוף ביופסיה (בקוטר 0.75 מ"מ) כדי לקדוח חור בכל קצה של ערוץ הזרימה. הקפד לקדוח החור מהצד השטוח (בצד במגע עם פרוסות סיליקון) לשנייה, כדי למנוע קצוות מחוספס (4E איור).
- הנח את תא זרימת PDMS על גבי המכשיר בזהירות על ידי יישורה בחלק העליון של האזור הפעיל של מת FET SWNT מפוברק תחת מיקרוסקופ. הקש עליו בעדינות כדי לאבטח את החותמת על למות. תופעות האג"ח השטוח כדי למות כדי לספק קאמרי דליפה חזק. (איור 4 ג'ו4D)
- לדחוף צינור פוליאתילן לתוך החורים ולחבר את הקצה השני למקור ומזרק ניקוז (F נוזל4E igure).
- צרף את המזרק למערכת משאבת מזרק כדי לשמור על זרימה מבוקרת של הנוזל דרך התעלה (איור 6).
7. הגדרת מדידה חשמלי DC
- חבר את המקור וקשר שער של SWNT FET ליציאות מתח של כרטיס DAQ.
- חבר את קשר הניקוז ליציאת קלט של כרטיס DAQ דרך מגבר מראש נוכחי.
- החל 30 millivolt (mV) למקור קשר, לטאטא את מתח השער ולהקליט נוכחי מהניקוז (איור 5 א).
טיפ: למדידות בתמיסה, לשמור פרמטר לטאטא מתח שער בתוך 0.7 וולט | | כדי למנוע דליפה ותגובה בין האלקטרודה שער המתכת והפתרון.
8. הגדרת מדידה חשמלי AC
- לחבר את אות Ref-מ נעילה ב מגבר ליציאת אות האפנון החיצונית על מחולל תדר להתקנת AM freque המווסתפלט ncy.
- חברו קשר מקור SWNT FET ליציאת פלט RF AM-מווסתת של מחולל תדר ומתח DC מכרטיס DAQ באמצעות טי הטיה (איור 5 ב ו -5 ג).
- להתחבר למגע שער יציאת מתח של כרטיס DAQ.
- חבר את קשר הניקוז לנעילה ב מגבר לקרוא נוכחי AC דרך Nanotube. קראו את המשרעת והמופע של זרם דרך יציאות קלט DAQ.
- החזק מקור מתח DC בתדר אות 0 וולט ואני ב200 kilohertz (קילוהרץ).
- לטאטא את מתח השער ולמדוד את הזרם לטמיון.
- להגדיל את התדירות וחזור על שלב 8.6 עבורי מטאטא גרם תמהיל-V בתדרים שונים.
9. מדידות חשמליות בפתרון (אין זרימה)
- הכן 1 מ"מ NaCl, 10 מ"מ NaCl ו100 פתרונות המלח NaCl מ"מ החל מפתרון מניות NaCl 5M.
- קח את מכשיר SWNT מצעד 3.13. לבצע צעדים 4.1-4.5 להשיג biotinylateמכשיר ד.
- בצע את השלב 5 כדי לשים תא PDMS על גבי המכשיר.
- למלא את התא עם DI מים באמצעות פיפטה.
- בצע את השלב 8 למדידות ערבוב תדרים לתדרים שונים.
- חזור על 9.4 לשלושה פתרונות השונים מלח 1 מ"מ NaCl, 10 מ"מ NaCl ו100 מ"מ NaCl.
טיפ: השתמש פיפטה לסגת פתרון קודם ולאחר מכן לשטוף את החדר מספר פעמים עם הפתרון החדש. תמיד לעבור מנמוך לפתרונות ריכוז גבוהים.
- הסר את חותמת PDMS בעדינות על ידי הרמת החותמת עם פינצטה.
- לשטוף ביסודיות את המכשיר עם מים די.
- לבצע streptavidin מחייב, כמוסבר ב4.6-4.7.
- חזור על שלבים 9.3-9.6.
10. מדידת חשמל בפתרון (זרימה בזמן אמת)
- הכן תמיסת מלח NaCl 100 מ"מ החל מפתרון מניות NaCl M 5.
- קח את מכשיר SWNT מSTEעמ '3.13. לבצע צעדים 4.1-4.5 להשיג מכשיר biotinylated.
- הנח את ערוץ זרימת מיקרו-fluidic על המכשיר לאחר שלב 6 .. חבר מזרק ריק בקצה אחד של ערוץ מיקרו-fluidic להפעלת מצב נסיגה. בקצה השני לצרף מזרק עם פתרון רקע של 100 מ"מ NaCl.
- הגדרת מדידת החשמל כמפורט בשלב 8. תקן את התדירות (F = 10 MHz) ושער מתח ההטיה (V = 0).
- התחל משאבת מזרק במצב נסיגה (קצב זרימה = שעה 0.4 מ"ל -1) ולנטר את האות הנוכחית עם זמן. החלף הפתרון ל1mg/ml streptavidin ב100 מ"מ NaCl ושינוי אות צג לstreptavidin-ביוטין מחייב (איור 6).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורקת של טרנזיסטור SWNT עם שער עליון מושעה מוצגת באיור 7 א. את ממדי השער הם קריטיים להשעיה 25. ממדי העיצוב הנוכחיים הם (אורך X רוחב X עובי = 25 מיקרומטר x 1 מיקרומטר x 100 ננומטר). אלקטרודת השער מורכבת של 50 ננומטר Cr/50 ננומטר Au; שכבת כרום עבה מוסיפה יותר כוח למבנה על תנאי. המבנה המושעה אושר על ידי היעדר זליגת זרם בין שער וניקוז (איור 7) העליון.
אנו משתמשים במערכת ליגנד רצפטור ביוטין-streptavidin להעריך חיישן SWNT שלנו. כדי לאפיין את ההצלחה של functionalization הדפנות אנו עוקבים אחר עקומות העברת DC FET באוויר אחרי כל צעד functionalization. איור 7C להמחיש כי שינוי העברת העקומה ימינה לאחר biotinylation (אדום) וstreptavidin המחייב (כחול). זו ניתן לייחס לgating אלקטרוסטטי ידי electronegative קבוצות אמינים בהווה בביוטין PEO-אמין וstreptavidin.
למדידות בתדירות גבוהות, אנו עוקבים סכמטי שמוצג באיור 5. מאפייני IV לא ליניארי של טרנזיסטור SWNT, מערבב את התשומות בתדירות הגבוהות במקור והשער להניב תפוקה נוכחית ערבוב, אני מערבב בו היא אות חישה שלנו. איור מציג 7d אני מערבב נמדד כפונקציה של מתח שער למכשיר טיפוסי ב100 מ"מ NaCl. הנוכחי לערבוב AM קלט מווסת באפנון תדר, מ 'ω, ניתן על ידי 10-11
, שבו מ 'הוא עומק האפנון, V AC הוא משרעת קלט AM ו ∂ G / ∂ V G הוא transconductance של המכשיר (שיפוע שלי
לגילוי biomolecular, זה הכרחי, כי CNT חשוף במישרין לפתרון כלומר SiO 2 חקוק ממנו לחלוטין במהלך השלב לחרוט BHF. אם תנאי זה אינו מתקיים, השינוי הכימי של ה-CNT של אינו אפשרי כמולקולת מקשר לא ניתן לערום לאורך דפנות Nanotube.זה משתקף בבירור באיור 7G שבו אנחנו לא רואים שום שינוי לפני ואחרי הקשירה גם במים די למכשיר פסיבציה SiO 2. זה גם מוכיח שתוצאות המדידה שלנו מצביעות על שינוי כימי מוצלח, כמו גם זיהוי biomolecular בריכוזים יוניים רקע גבוה. בכל המידות, אנו צופים כי תגובת החיישן יורדת מעבר ל 30 מגה הרץ אשר עקב תהודה מהתקנה.
איור 1. זרימת Nanotube טרנזיסטור ייצור תהליך (א) תהליך ייצור -. (1) שכבה Photomask-1 (PL-1) לזרז בתצהיר, (2) שיגור מתכת, (3) CNT צמיחה, (4) PL-2 למקור ניקוז ליצירת קשר, (5) שיגור מתכת, (6) SiO 2 שמיכה בתצהיר, (7) PL-3 לשער קשר, (8) מתכת המראה, (9) דק SiO 2 שמיכה בתצהיר, (10) PL-4 לערוץ BHF הרטוב ולחרוט (11) מכשיר סופי לאחר הסרת photoresist. ערכת צבעים מודגמת. (ב) סכמטי של מבנה התקן.
איור 2. צמיחת Nanotube הפחמן. (א) לחשל צעד כדי להסיר שאריות photoresist, (ב) שלב צמיחה לצמיחת CNT ו (ג) מיקום מכשיר בתנור צמיחה.
איור 3. תרשים זרימה לfunctionalization הכימי של ה-CNT.
ther.within עמודים = "תמיד"> 
איור 4. חותמת PDMS למדידות פתרון (א) -. (ב) (אין זרימה) מדידות סטטיות () אגרופים והרכבה קאמרי PMDS במכשיר, (ב) תרשים סכמטי של תא זרימה במכשיר (ג) -.. (ה מדידות זרימה). (ג) תהליך זרימה לערוץ זרימת PDMS באמצעות SU-8 עובש. (1) להגדרת Photomask ערוץ זרימה, (2) לחצות קשור SU-8 עובש, (3) PDMS על (4) ערוץ זרימת PDMS חותמת על גבי מכשיר SU-8 ו. (ד) תרשים סכמטי של ערוץ זרימה במכשיר ו (ה) ניקוב חורי כניסה / יציאה בPDMS, רוקע ערוץ הזרימה במכשיר וחיבור צינורות פוליאתילן ליציאות כניסה / יציאה.
איור 5. הגדרת מדידה חשמלית. () DC מדידת סכמטי, (ב) סכמטי AC ערבוב נוכחי מדידה ו( ג) תמונה של הגדרת ניסוי לתדר AM מווסת ערבוב מדידה. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 6. הגדרת מדידת זרימה (א) תמונה של הגדרת מדידה כולו;. (ב) מזרק משאבה ותחנת בדיקה, וכן (ג) תמונה של מכשיר עם PDMS זרימה בתעלות, צינורות זרימת כניסה / יציאה וחשמל עמ 'גלימות.
איור 7. תוצאות עבור נציג biosensor SWNT. (א) תמונת SEM של מכשיר מושעה טיפוסי העליון שער, (ב) דליפת שער ניקוז כדי לאשר מבנה מושעה, (ג) עקום אני DC-V גרם לNanotube הטהור FET (שחור), לאחר biotinylation (אדום) ואחרי streptavidin מחייב (כחול) שנמדד באוויר, (ד) DC נוכחי, אני DC (שחור, V SD = 10 mV) וערבוב נוכחי, אני מערבב (אדום, אפנון f = 200 kHz) כפונקציה של V גרם למכשיר בתמיסת 100 מ"מ NaCl. לערבב תיאורטי שהושג תוך שימוש במודל במשוואה (1) מוצג גם (▲) להשוואה. (ה) אני מערבב-V נוכ גרם ליVes לbiotinylated (שחור) וSWNT streptavidin-ביוטין המאוגד (אדום) ב100 מ"מ NaCl בf = 10 מגה הרץ, (ו) מדידת זרימה בזמן אמת כדי לזהות streptavidin מחייב ב100 מ"מ NaCl ו( ז) שינוי האות לאחר מחייב ב פסיבציה במלוא שליטה במכשיר מים די בתדרים שונים. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הצמיחה של צינורות פחמן תלויה לא רק בתנאים תנור, אלא גם ניקיון מצע. קצב זרימת הגז, הטמפרטורה והלחץ האופטימלית לצמיחה צריכים לכייל בזהירות וברגע שנקבעו שהם פחות או יותר יציבים. אפילו עם שעמדו בתנאים אלה, מצאנו כי הצמיחה תלויה באזור זרז הדוגמת, הסכום של זרז וניקיון מצע. לפיכך, אנו משולבים גדלים בור זרז רבים כדי להסביר את השונות בצמיחה. טמפרטורה גבוהה שעה אחת לחשל צעד סייע להסיר מזהמים כמו כל יחסי ציבור ועוד שאריות מהמצע. איור 2 ממחיש את התנאים שאמצנו לצמיחת SWNT.
הנוכחות של מזהמים ממדרגות עיבוד למות עלולה להוביל לאות מזויפת בכימי וחישה ביולוגית. לפיכך, יש צורך לנקות את המצע ביסודיות לפני ואחרי functionalization הכימי. שלבי השטיפה לאחר כל functionalization עוזר REMאובה כל מגיב עודף שעלולות לדבוק במכשיר בסמוך לאזור הפעיל. אנחנו גם ציינו שאם המצע לא היה נקי, לא הייתה חותמת PDMS דליפה חזק והתקלפה עם לחץ נוזלים במהלך מדידות. במקרים כאלה, מאוד עדין O 2 פלזמה על חותמת PDMS עזרה הידבקות. חזקה מדי O 2 פלזמה עשויה להפוך את חותמת PDMS מקל טובה, אבל קשה להסיר מההתקן; יש לנו לב קורע של אלקטרודות תוך ההסרה אשר הופכת את הקובייה לבלתי שמישה. אם חותמת PDMS ולמות הם נקיים, ההדבקה ביניהם היא מספיק טובה כדי לשרוד מדידות זרימת נוזל ללא טיפול פלזמה חמצן גם. אין להשתמש בפלזמת O 2 במכשיר SWNT כמו זה בצינורות פחמן לחרוט.
במדידות חשמליות המבוססות על פתרון, כל דליפה נוכחית מציפה את אות זיהוי. דליפה זה קורה כי הפתרון יכול לפעול גם כמנצח, את ההתנגדות שלו יורדת עם הגדלת ריכוז המלח.לכן, יש צורך לשלב את צעד פסיבציה האלקטרודה בעיצוב טרנזיסטור. את שמיכת התצהירים שני בפרוטוקול הייצור שלנו (500 ננומטר ו -20 ננומטר SiO 2) סייעו לצמצם את הדליפה ממקור, ניקוז ואנשי קשר שער מתכת. כמו כן, לפני נקיטת כל מדידה חשמלית, לטאטא זליגת שער ניקוז מומלץ לוודא שאין דליפה קורה בטווח המתח לטאטא המיועד.
למדידות זרימת נוזלים, יש צורך להימנע ממלכודות אוויר בערוץ הזרימה. פער האוויר מוביל לעיוותים לאותת כי תגובת החיישן באוויר היא שונה מאשר כאשר בתמיסה. במצב קדימה שאיבת נושא זה נתקל לעתים קרובות דבר שפגע זרימת נוזל. זה היה להימנע על ידי הפעלת משאבת המזרק במצב נסיגה.
למדידות החשמליות בתדירות הגבוהות בפתרונות יוניים רקע גבוה תגובת ירד מעבר MHz 30-40 עקב אובדן התהודה מהגדרת המדידה. שלנו להיותניתן לשפר Lieve זאת על ידי תכנון עם התקני parasitics נמוך יותר. מותאם באופן מיטבי מרחק שער SWNT וכבלי BNC וSMA קטנים יותר עשויים לעזור לשפר את הרגישות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.
Acknowledgments
אנו מודים לפרופ 'פול McEuen באוניברסיטת קורנל לדיון מוקדם. העבודה נתמכת על ידי הקרן הזנק לספק על ידי אוניברסיטת מישיגן ותכנית הקרן הלאומית למדע מדרגי Nanomanufacturing (DMR-1,120,187). עבודה זו נעשתה שימוש במתקן Nanofabrication לוריא באוניברסיטת מישיגן, חבר ברשת ננוטכנולוגיה התשתיות הלאומית מומנה על ידי הקרן הלאומית למדע.
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).
