Summary
Descrevemos a fabricação do dispositivo e protocolo de medição para nanotubos baseados em biossensores de alta freqüência de carbono. A técnica de detecção de alta frequência atenua a iônica (Debye) efeito fundamental de triagem e permite nanotubo de biosensor para ser operado em soluções de força iônica alta onde biossensores eletrônicos convencionais falham. Nossa tecnologia oferece uma plataforma única para o ponto de atendimento (POC) biossensores eletrônicos que operam em condições fisiologicamente relevantes.
Abstract
As propriedades eletrônicas únicas e elevados rácios de superfície-volume de nanotubos de carbono de parede única (SWNT) e nanofios semicondutores (NW) 1-4 torná-los bons candidatos para biossensores de alta sensibilidade. Quando se liga uma molécula carregada para uma tal superfície do sensor, que altera a densidade do portador 5 no sensor, o que resulta em mudanças na sua condutância CC. No entanto, numa solução iónica uma superfície carregada também atrai contra-iões na solução, formando uma dupla camada eléctrica (EDL). Este EDL telas efetivamente fora do cargo, e em condições fisiologicamente relevante ~ 100 milimolar (mM), a característica de carga comprimento triagem (Debye comprimento) é menor do que um nanômetro (nm). Assim, em soluções de alta força iônica, detecção de carga baseado (DC) é fundamentalmente impedido 6-8.
Nós superar os efeitos de triagem de carga através da detecção de dipolos moleculares, em vez de encargos em alta freqüência, operando nanot carbonoUBE transistores de efeito de campo como misturadores de alta freqüência 9-11. Em altas freqüências, a força de acionamento AC não pode mais superar o arrasto solução e os íons em solução não tem tempo suficiente para formar a EDL. Além disso, a técnica de mistura freqüência nos permite operar em freqüências mais altas o suficiente para superar triagem iônica, e ainda detectar os sinais de detecção em freqüências mais baixas 11-12. Além disso, a elevada transcondutância dos transístores SWNT fornece um ganho interno para o sinal de detecção, o que evita a necessidade de amplificador de sinal externo.
Aqui, descrevemos o protocolo (a) fabricar transistores SWNT, (b) funcionalizar biomoléculas para o nanotubo 13, (c) projetar e carimbar um poli-dimethylsiloxane (PDMS) câmara de micro-fluídico 14 para o dispositivo, e (d) realizar a detecção de alta freqüência em diferentes soluções de força iônica 11.
Introduction
Quando uma molécula carregada liga-se a um sensor eletrônico SWNT ou NW, ele pode doar / aceitar elétrons ou atuar como um portão eletrostática local. Em ambos os casos, a molécula de ligação pode alterar a densidade de carga no canal SWNT ou NW, conduzindo a uma alteração na condutância CC medida do sensor. Uma grande variedade de moléculas de 15-20 foram detectados com sucesso através do estudo das características DC nanosensors durante tais eventos de ligação. Mesmo que de detecção de carga mecanismo de detecção baseado tem muitas vantagens, incluindo a detecção de etiqueta livre de 21, a sensibilidade femto-molar 22, e ler eletrônico a capacidade de 15, mas só é eficaz em soluções de baixa força iônica. Nas soluções de elevada força iónica, a detecção de DC é impedida pela triagem iónico 6-8. A superfície carregada atrai contra-iões da solução, que forma uma camada dupla eléctrica (EDL) perto da superfície. A EDL telas efetivamente off esses encargos. Como tele força iónica da solução aumenta, a EDL torna-se mais estreito e os aumentos de triagem. Este efeito de blindagem é caracterizada por o comprimento de Debye triagem λ D,
, Onde ε é a permissividade dieléctrica do material, k B é a constante de Boltzmann, T é a temperatura, q é a carga do electrão, e c representa a força iónica da solução de electrólito. Para uma solução de 100 mM de tampão típico, λ D é de cerca de 1 nm e o potencial de superfície será completamente conferido a uma distância de alguns nm. Como resultado, a maioria dos sensores nanoeletrônicos baseado em nanotubos de carbono ou NWs funcionar quer em estado seco ou 20, em soluções de baixa força iónica 5,15,17,21-22 (C ~ 1 nM- 10 mM), caso contrário, a amostra tem de passar por etapas de dessalinização 15,23. Dispositivos de diagnóstico Point-of-care precisa para operar em forças iônicas fisiologicamente relevantes no local paciente com limitada capacidade de processamento da amostra. Assim, mitigar efeitos de triagem iônica é fundamental para o desenvolvimento e implementação do POC nanoeletrônica biossensores.
Nós mitigar o efeito de blindagem iônica operando sensor de nanoeletrônica baseada SWNT na faixa de freqüência de megahertz. O protocolo fornecido aqui detalhes da fabricação de um transistor baseado SWNT plataforma de sensoriamento nanoeletrônica e alta freqüência de medição de mistura para a detecção biomolecular. Os nanotubos de carbono de parede única são cultivados por deposição química a vapor em substratos estampados com catalisadores Fe 24. Para os nossos transistores SWNT, incorporamos uma suspensão de 25 top-gate colocados 500 nm acima do nanotubo, o que ajuda a melhorar a resposta do sensor de alta freqüência e também permite um micr compactocâmara de o-fluídico para selar o dispositivo. Os transistores SWNT são operados como misturadores de alta freqüência 9-11, a fim de superar os efeitos iônicos fundo de triagem. Em altas freqüências, os íons móveis em solução não tem tempo suficiente para formar a EDL e os dipolos biomoleculares flutuantes ainda pode portão SWNT para gerar uma corrente de mistura, que é o nosso sinal de detecção. A freqüência de mistura surge devido às características não lineares IV de um nanotubo de FET. A técnica de detecção difere das técnicas convencionais de detecção baseada em espectroscopia de impedância de carga e 26-27. Em primeiro lugar, detectar dipolos biomoleculares em alta freqüência, em vez de os encargos associados. Em segundo lugar, a alta transcondutância do transistor SWNT fornece um ganho interno para o sinal de detecção. Isto evita a necessidade de amplificação externa, como no caso de medições de impedância alta frequência. Recentemente, outros grupos também têm abordado a detecção biomolecular em alta baconcentrações ckground 23,28. No entanto, estes métodos são mais envolvidos, exigindo fabricação complexa ou engenharia química cuidado de moléculas receptoras. Nosso sensor de SWNT alta freqüência incorpora um design mais simples e utiliza a propriedade de mistura freqüência inerente de um transistor de nanotubos. Somos capazes de mitigar os efeitos de triagem iônicos, prometendo assim uma nova plataforma biosensing para detecção em tempo real de pontos de atendimento, onde biossensores funcionando diretamente em condições fisiologicamente relevante são desejados.
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Protocol
1. Padronização catalisador para o crescimento SWNT
- Comece com uma pastilha de silício com uma pressão de deposição química a vapor baixa (CVD) cresceu 500 nm de Si 3 N 4/500 nm SiO 2 filme no topo.
- Girar revestimento de uma camada de material fotosensitivo (PR) a 500 rpm durante 5 segundos e, em seguida, 4.000 rpm, durante 40 seg.
- Cozer a bolacha a 115 ° C durante 90 seg.
- Usar uma fotomáscara com poços rectangulares para catalisadores (Figura 1) e expor a bolacha no UV (365 nm) irradiância de 300 mJ / cm 2 para 0,3 seg. Após a exposição a bolacha cozer a 115 ° C durante 90 seg.
Dica: Poços de design de diferentes tamanhos, por exemplo, de 5 micron x 5 micra, 10 micra, etc x 5 micra para explicar a variabilidade na SWNT deposição química de vapor (CVD) processo de crescimento.
- Desenvolver o wafer de desenvolvedor para 70 seg agitando a hóstia durante o processo.
- Lavar o wafer com DI water por 2 min e, em seguida, seque com um nitrogênio (N 2) arma.
- Coloque o wafer desenvolvido em e-beam evaporador câmara e depósito de 0,5 nm de ferro (Fe) a uma pressão de câmara de 10 -6 torr.
- Dado o wafer em dies menores 1,5 cm x 1,5 cm.
- Retire o fotorresiste por imersão em acetona quente e isopropanol (IPA) por 10 min cada. Isso deixa para trás Fe catalisador nos boxes retangulares para o crescimento de nanotubos.
2. CVD crescimento de nanotubos de carbono
- Coloque os catalisadores revestidos morre no tubo de quartzo do forno de crescimento CVD.
Dica: Determine ponto ideal para o crescimento de nanotubos. O crescimento é uniforme sobre uma área de 2inch x 2inch jusante para a fornalha (Figura 2c).
- Hibridar o substrato ao ar a 880 ° C durante uma hora para remover os resíduos de material fotosensitivo (Figura 2a). Deixe esfriar.
- Purgar a câmara com Argon durante 5 min a 3 SLM (litros normais por minuto).
- Rampa até o forno a 800 ° C no centro do tubo, enquanto se mantém um fluxo de árgon de um SLM (Figura 2b).
- Fluxo de 0,2 SLM de hidrogénio durante 5 minutos para reduzir as partículas de catalisador, isto é converter o óxido de ferro a ferro.
- Introduzir 5,5 sccm (centímetros cúbicos por minuto) de etileno (C 2 H 4) por 35 min para crescer nanotubos de carbono. Manter um 2 fluxo de 0,2 SLM H durante o processo. O comprimento de nanotubos de carbono obtido a partir desta receita é> 20 mícron (um).
- Permitir que o forno arrefecer até à temperatura ambiente com um pequeno fluxo de árgon.
3. SWNT Fabrication Transistor FET
- Projetar um photomask (Figura 1) para a definição de eletrodos fonte-dreno de corrente-tensão caracterização (IV) de nanotubos de carbono.
Dica: Estender almofadas contato do eletrodo muito apart no dado para que eles permaneçam acessíveis, mesmo depois de colocar para baixo um selo de micro-fluídico na região de nanotubos ativo.
- Siga os passos 1,2 -1,6 para definir a área para a deposição de metal para contatos.
- Depósito Ti / nm Au 0,5 nm/50 para contatos fonte-dreno em uma câmara de evaporação e-beam em 10 -6 torr.
- Deixe a morrer em acetona durante a noite para decolagem metal. Após a decolagem, mergulhe a morrer no IPA por 10 min e, em seguida, explodir usando seca N 2 arma.
- Não um depoimento cobertor de 500 nm e-beam evaporado SiO 2 para a porta dielétrica em 10 -6 torr.
- Projetar um photomask (Figura 1) para a definição do eletrodo de porta.
- Siga os passos de 1,2-1,6 para definir a região para portão de metal de deposição.
- Evaporar 50 nm/50 nm Cr / Au como eletrodo de porta superior no evaporador e-beam. Siga o passo 3.4 para decolagem metal.
Dica: Use a camada de cromo grosso para aumentar a força of suspenso top portão. Dimensões de porta também são fundamentais para a suspensão de sucesso.
- Depósito de uma camada fina (20 nm) de SiO 2 para cima passivation eletrodo cobertor.
- Projetar um photomask (Figura 1) para abrir uma trincheira em SiO 2 para acessar o canal de nanotubos de carbono. Projeto área pad-etch na mesma máscara para abrir a região para o acesso à fonte, dreno e eletrodos de porta longe do canal SWNT.
- Siga os passos de 1,2-1,6 para o padrão do PR para abrir a vala para molhado etch de SiO 2.
- Wet etch evaporada SiO 2 utilizando solução BHF 01:20 durante 3 min e 30 seg. Si 3 N 4 fornece uma camada de paragem etch para evitar mais a penetração de BHF.
Dica: calibração tempo Etch é recomendado.
- Enxaguar o aparelho em água DI e, em seguida, mergulhe-o em IPA por 5 min. Seque usando uma arma de 2 N. A rua dispositivoructure permanece intacto, devido à espessura da camada de cromo.
4. A funcionalização química de paredes laterais de Nanotubos de Carbono
- Prepara-se uma solução de 6 mM de 1-pyrenebutanoic succinimidilo éster de ácido (PBSE) em dimetilformamida (DMF).
- Incubar a fieira FET SWNT nesta solução ligante molecular durante 1 hora à temperatura ambiente.
- Lave bem o dado em DMF para lavar o excesso de reagente. Seque o aparelho.
- Prepara-se uma solução de 20mg/ml de biotinil-3, 6-dioxaoctanediamine (biotina PEO-amina BPA) em água Dl para a biotinilação de nanotubos de carbono.
- Incubar a morrer nesta solução por 18 horas depois que enxaguar o dado em água DI e seque. BPA atribui à molécula vinculador PBSE.
- Prepare uma solução de estreptavidina 1mg/ml em solução PBS pH 7,2 por streptavidin vinculativo.
- Para as medições estáticas, incubar a matriz numa solução de estreptavidina durante 20 min para funcionalizar completamente a SWNT biotinilado. Thoroughly enxaguar e secar o dado. Para a detecção em tempo real, estampar o canal de fluxo de PDMS (passo 6) e, em seguida, primeiro fluir a solução de estreptavidina no fundo força iónica elevada para ligação a estreptavidina (Figura 3).
Nota: lavar a morrer pela distribuição de água DI (~ 50 ml) sobre o dado usando uma garrafa squeeze. Em seguida, passamos a morrer para outra placa de Petri contendo água DI e mover a morrer em torno de 1 min. Repetimos as duas etapas um total de 8-10 vezes.
5. Preparação de polidimetilsiloxano (PDMS) Mold para câmara de fluido
- Em um copo de pesagem, despeje 9 partes em peso de monómero de PDMS e adicionar 1 parte em peso de agente de cura e misturar completamente os dois.
- Desgaseifica-se a mistura num excicador durante 25 minutos. As bolhas vão subir através da mistura e sair.
Dica: Se a mistura começa a espumar, ventilar a câmara e deixe-a estabelecer-se para algunssegundos antes de desgaseificação novamente.
- Colocar uma nova pastilha de silício numa placa de Petri. Despeje a mistura PDMS desgaseificado em cima dele para ter uma camada de PDMS de 5 mm acima do wafer.
- Colocar a placa de Petri, num forno a 70 ° C durante 1 hora.
- Remova a placa de Petri e deixe esfriar. Usar um bisturi para cortar um pedaço retangular de PDMS e retirá-lo usando uma pinça.
Dica: O lado PDMS diretamente em contato com o wafer de silício é limpa e extremamente plana. Este lado vai estar em contato com o dado FET SWNT. Tenha cuidado para não contaminá-lo.
- Coloque o molde rectangular, de cabeça para baixo e fazer um furo na mesma utilizando um perfurador de biópsia (3 mm de diâmetro) a partir do lado plano para o outro. Isso garante não arestas sobre o lado plano do PDMS (Figura 4a).
- Coloque a câmara de PDMS na parte superior do dispositivo com cuidado, alinhando-a em cima da área ativa das matrizes FET SWNT fabricadas (<forte> Figura 4a, b). Toque suavemente para garantir o carimbo no die. Os títulos secundários plana para o dado para fornecer uma câmara estanque.
Dica: Isto pode ser feito a olho nu ou utilizando um microscópio óptico com um espaço de trabalho suficiente. Se o PDMS não adere bem (em geral, se o dado e / ou o selo de PDMS não é limpo), plasma do oxigénio (20 watts, 15 seg) em PDMS para auxiliar a ligação. Usando poderes plasmáticos mais elevados do que isso leva a mais forte de ligação, no entanto, vimos rasgando de eletrodos durante a remoção do PDMS em tal caso.
- Retire o selo PDMS após testes elétricos e antes da próxima etapa de funcionalização química por imersão a morrer em água DI e levantando suavemente o selo.
6. Preparação do canal de fluxo de Microfluidic
- Tome uma pastilha de silício limpa e coloque-o em placa quente a 200 ° C por 5 minutos para remover qualquer umidade.
- Gire casaco SU-8 2015 em 500 rpm(100 rpm / sec taxa de rampa) por 5 segundos e, em seguida, 1.250 rpm por 30 segundos a 300 rpm / sec taxa de rampa. Isso dá um mm de espessura SU-8 camada 30 no wafer de silício.
- Assar a bolacha Mole a 95 ° C durante 5 min.
- Desenhar uma fotomáscara (Figura 4c), para definir o padrão de canal de fluxo mM larga 300 na parte superior da área de SWNT.
Dica: Para evitar o colapso da estrutura de uma largura de canal: a relação altura de 10:01 é suficiente (300 mm: 30 mM, neste caso).
- Utilizando-365 nm UV fotolitografia definir o canal de fluxo com um tempo de exposição à radiação UV de 0,9 seg.
- Adicione cozer o molde a 95 ° C durante 5 min.
- Desenvolver o padrão em SU-8 desenvolvedor para 5 min acompanhado por agitação suave.
- Lavar o wafer em IPA e seque com N 2 arma.
- Siga os passos de 5,1-5,2 para preparar uma mistura PDMS.
- Coloque o wafer com SU-8 molde em um dessecador, juntamente com um 2-3 gota de silanizar tric agentehloro (3, 3, 3-trifluoropropil) silano em uma placa de Petri. Ligar a bomba de vácuo deixe a bolacha sentar no vácuo durante 1 hora.
- Despeje a mistura PDMS desgaseificado no wafer e aquecê-lo num forno a 70 ° C durante 1 hora.
- Cortar o molde PDMS (negativo de SU-8), usando um bisturi.
- Coloque o selo de PDMS de cabeça para baixo e utilizando um punção de biópsia (0,75 mm de diâmetro) para perfurar um furo em cada extremidade do canal de escoamento. Certifique-se de fazer o furo do lado liso (o lado em contato com o wafer de silício) para o outro para evitar arestas (Figura 4e).
- Coloque a câmara de fluxo PDMS no topo do dispositivo, alinhando-a cuidadosamente em cima de uma área activa dos moldes FET SWNT fabricadas sob um microscópio. Toque suavemente para garantir o carimbo no die. Os títulos secundários plana para o dado para fornecer uma câmara estanque. (Figura 4c e 4d)
- Empurrar um tubo de polietileno para os buracos e ligar a outra extremidade a uma fonte de fluido e uma seringa de drenagem (Figura 4e).
- Introduzir a seringa de um sistema de bomba de seringa para manter um fluxo controlado de fluido através do canal (Figura 6).
7. DC Configuração de Medição Elétrica
- Ligue a fonte e os contatos de porta de SWNT FET aos portos de tensão de uma placa DAQ.
- Ligue o contato dreno para a porta de entrada do cartão de aquisição de dados através de uma corrente de pré-amplificador.
- Aplicar 30 milivolt (mV) para contato source, varrer a tensão da porta e registrar a corrente do dreno (Figura 5a).
Dica: Para medições em solução, manter a porta parâmetro varredura de tensão dentro 0,7 volts | | para evitar vazamento e reação entre o eletrodo de metal gate e solução.
8. AC Instalação de Medição Elétrica
- Ligue o sinal Ref-out do amplificador lock-in à porta de sinal de modulação externa em gerador de freqüência para configurar AM freque moduladasaída ncy.
- Conecte-se Fale fonte de SWNT FET à porta AM modulada saída RF do gerador de freqüência e tensão CC do cartão DAQ usando uma tee viés (Figura 5b e 5c).
- Ligação contato portão à porta tensão de cartão DAQ.
- Ligue o contato de drenagem para um amplificador lock-in para ler o ac corrente através do nanotubo. Leia a amplitude e fase da corrente através das portas de entrada de aquisição de dados.
- Segure tensão dc fonte em 0 volts e freqüência do sinal AM em 200 kilohertz (kHz).
- Varrer a tensão da porta e medir a corrente do dreno.
- Aumentar a frequência e repita o passo 8.6 para I mix-V G varreduras em diferentes frequências.
9. Medidas Elétricas em Solution (Sem Flow)
- Prepare a NaCl a 1 mM, NaCl 10 mM e soluções de sal de NaCl de 100 mM a partir de uma solução estoque de NaCl 5M.
- Leve o dispositivo SWNT do passo 3.13. Realizar passos 4,1-4,5 para obter uma biotinylatedispositivo d.
- Seguir o passo 5 para colocar numa câmara de PDMS no topo do dispositivo.
- Encha com a câmara de água desionizada, utilizando uma pipeta.
- Siga o passo 8 para as medidas de mistura de freqüência para diferentes freqüências.
- Repita 9.4 para as três soluções de sais diferentes de NaCl a 1 mM, NaCl 10 mM e NaCl 100 mM.
Dica: Use uma pipeta para retirar solução anterior e, em seguida, lave a câmara várias vezes com a nova solução. Desligue sempre de baixo para soluções de alta concentração.
- Retire o selo PDMS, levantando suavemente o selo com uma pinça.
- Lave o aparelho com água DI.
- Realizar streptavidin ligação conforme explicado na 4,6-4,7.
- Repita os passos de 9,3-9,6.
10. Medição Elétrica em Solution (Fluxo de Tempo Real)
- Preparar a solução de sal NaCl 100 mM a partir de M solução stock 5 NaCl.
- Leve o dispositivo SWNT de step 3,13. Realizar passos 4,1-4,5 para a obtenção de um dispositivo de biotina.
- Colocar o micro-canal de escoamento de fluidos no dispositivo seguindo a etapa 6 .. Conectar uma seringa vazia para uma extremidade do canal de micro-fluídico para funcionamento em modo de retirada. No outro extremo atribuir uma seringa com uma solução de NaCl 100 mM de fundo.
- Configure a medição elétrica, conforme detalhado na etapa 8. Fixe a freqüência (f = 10 MHz) e portão tensão de polarização (V = 0).
- Comece bomba de seringa no modo de retirada (vazão = 0,4 ml hora -1) e monitorar o sinal de corrente com o tempo. Alternar a solução para 1mg/ml estreptavidina em NaCl 100 mM e monitor de alteração do sinal de estreptavidina-biotina de ligação (Figura 6).
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Representative Results
A imagem do microscópio electrónico de varrimento do transistor SWNT com uma porta superior suspensa é mostrado na Figura 7a. As dimensões da porta são críticos para a suspensão 25. As atuais dimensões do projeto são (comprimento x largura x espessura = 25 mM mM x 1 x 100 nm). O eletrodo de porta consiste de 50 nm Cr/50 nm Au; uma camada de cromo espesso acrescenta mais força à estrutura suspensa. A estrutura suspensa é confirmado pela ausência de corrente entre os top gate e dreno (Figura 7b) fugas.
Usamos o sistema ligando-receptor de biotina-estreptavidina para avaliar nosso sensor SWNT. Para caracterizar o sucesso do lateral funcionalização nós monitoramos as curvas de transferência DC FET no ar após cada etapa de funcionalização. Figura 7c ilustrar essa mudança a transferência curva para a direita após biotinylation (vermelho) e estreptavidina ligação (azul). Isto pode ser atribuído ao gating electrostático pelo electronegative grupos amina presentes na amina PEO-biotina e da estreptavidina.
Para medições de alta freqüência, seguimos o esquema mostrado na Figura 5b. As características não lineares do transistor SWNT IV, mistura das entradas altas frequências na fonte e porta para produzir uma saída de corrente de mistura, mistura I, que é a detecção de sinal. Figura 7d mostra que misturar medido como uma função da tensão de porta para um dispositivo típico em NaCl 100 mM. A corrente de mistura para um PM de entrada modulado em frequência de modulação, m ω, é dada por 10-11
, Onde m é a profundidade de modulação, V AC representa a amplitude de entrada AM e ∂ L / V ∂ g é a transcondutância do dispositivo (declive do I
Para a detecção de biomoléculas, é necessário que o CNT é exposto directamente à solução ou seja, SiO 2 seja completamente gravado fora durante o passo da etch BHF. Se esta condição não for atendida, a modificação química da CNT é não é possível, pois a molécula de ligação não pode acumular ao longo da parede lateral do nanotubo.Isto é claramente ilustrado na Figura 7g, onde vemos nenhuma alteração antes e após a ligação do mesmo em água desionizada para um dispositivo passivado SiO 2. Isso também prova que os nossos resultados de medições indicam modificação química de sucesso, bem como a detecção biomolecular em altas concentrações iônicas de fundo. Em todas as medições, observamos que a resposta do sensor cai para além de 30 MHz que é devido à ressonância de configuração.
Figura 1. Transistor de nanotubos de fluxo do processo de fabricação (a) Processo de Fabricação -. (1) fotomáscara camada-1 (PL-1) para a deposição de catalisador, (2) a decolagem metal, (3) o crescimento CNT, (4) PL-2 para a fonte-dreno contato, (5) a decolagem metal, (6) SiO 2 cobertor deposição, (7) PL-3 para contato portão (8), de metaldecolagem, (9) Fina SiO 2 cobertor deposição, (10) PL-4 para BHF canal etch molhada e (11) do dispositivo final, após a remoção photoresist. Esquema de cores é ilustrado. (B) Esquema da estrutura do dispositivo.
Figura 2. Crescimento de nanotubos de carbono. (A) Recozer passo para remover resíduos de fotorresiste, (b) etapa de crescimento para o crescimento CNT e (c) a colocação do dispositivo em forno crescimento.
Figura 3. Fluxograma para funcionalização química da CNT.
Figura 4. PDMS selo para as medições da solução (a) -. (B) (sem fluxo) Medições Estáticas (a) perfuração e montagem de uma câmara de PMDS no dispositivo, (b) Diagrama esquemático da câmara de fluxo em um dispositivo (c). -. (E medições de fluxo). (c) Fluxo de processo para o canal de fluxo PDMS usando SU-8 mofo. (1) fotomáscara para a definição de canal de fluxo (2), reticulado SU-8 molde (3), PDMS em SU-8 e (4) canal de fluxo PDMS carimbado no seu dispositivo. (D) Diagrama esquemático do canal de fluxo em um dispositivo e (e) perfurar os orifícios de entrada / saída em PDMS, carimbando o canal de fluxo no dispositivo e conectar tubos de polietileno para os portos de entrada / saída.
Figura 5. Configuração de medição elétrica. (A) DC medição esquema, (b) AC mistura esquema de medição de corrente e (c) imagem de instalação experimental para PM freqüência modulada mistura medição. Clique aqui para ver a figura maior .
Figura 6. Instalação de medição de vazão (a) Imagem da configuração de medição inteira;. (B) Bomba de Seringa e estação de sonda, e (c) imagem do dispositivo com PDMS fluxo do canal, os tubos de fluxo de entrada / saída e p elétricavestes.
Figura 7. Os resultados representativos para biosensor SWNT. (A) Imagem SEM de um dispositivo típico suspenso top-gate, (b) perda de porta-dreno para confirmar a estrutura suspensa, (c) I dc-V g curva para nanotubo intocada FET (preto), após biotinilação (vermelho) e após ligação a estreptavidina (azul), medido no ar, (d) de corrente CC, eu cc (preto, V dp = 10 mV) e a mistura de corrente, I mistura (vermelho, a modulação de f = 200 kHz) como uma função V de g para o dispositivo em solução de NaCl a 100 mM. Teórico Eu misturo obtidos usando o modelo na equação (1) também é mostrado (▲) para comparação. (E) I mix-V g curves para biotinilado (preto) e estreptavidina-biotina acoplado SWNT (vermelho) em NaCl 100 mM, a f = 10 MHz, (f) medição do fluxo em tempo real para detectar a ligação de estreptavidina em NaCl 100 mM e (g) a mudança de sinal após a ligação de uma totalmente passivado dispositivo de controle em água DI em freqüências diferentes. Clique aqui para ver a figura maior .
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Discussion
O crescimento dos nanotubos de carbono depende não só das condições de forno, mas também limpeza substrato. A taxa de fluxo de gás óptima, temperatura e pressão para o crescimento tem que cuidadosamente calibrada e uma vez fixado eles são mais ou menos estável. Mesmo com essas condições sejam cumpridas, verificou-se que o crescimento depende da área de catalisador a modelada, a quantidade de catalisador e limpeza do substrato. Por isso, nós incorporamos vários tamanhos pit catalisador para dar conta da variabilidade no crescimento. A uma temperatura elevada horas recozimento passo contribuído para remover quaisquer contaminantes, como PR resíduo a partir do substrato, etc. Figura 2 ilustra que as condições adoptadas para o crescimento SWNT.
A presença de contaminantes a partir das etapas de processamento de matriz pode levar a um sinal espúrio na detecção químicos e biológicos. Por isso, é necessário limpar o substrato cuidadosamente antes e depois funcionalização química. Os passos de lavagem após cada funcionalização auxilia remove qualquer excesso de reagente que podem aderir ao dispositivo perto da área ativa. Observou-se também que se o substrato não estava limpo, o selo PDMS não era estanque e tirou com a pressão do fluido durante as medições. Em tais casos, muito suave O2 no plasma em PDMS selo ajudou a aderência. Muito forte a O 2 plasma pode tornar o PDMS selo vara bem, mas difícil de remover do dispositivo, temos notado rasgando de eletrodos enquanto a remoção que torna o dado inutilizável. Se o carimbo de PDMS ea matriz são limpos, a adesão entre eles é boa o suficiente para sobreviver medições de fluxo de fluido, sem tratamento de plasma de oxigênio também. Não use O 2 plasma no dispositivo SWNT como isso vai gravar os nanotubos de carbono.
Em medições elétricas baseadas em soluções, qualquer fuga de corrente supera o sinal de detecção. Esta fuga ocorre porque a solução também pode actuar como um condutor, a resistência do que desce com o aumento da concentração de sal.Portanto, é necessário incorporar passo de passivação eléctrodo no design do transistor. Os dois depoimentos cobertor em nosso protocolo de fabricação (500 nm e 20 nm SiO 2) ajudou a reduzir a perda da fonte, dreno e porta de contatos de metal. Além disso, antes de tomar qualquer medida elétrica, um vazamento de varredura gate-dreno é recomendado para garantir que nenhum vazamento acontece na faixa de tensão de varredura pretendido.
Para as medições de fluxo de fluido, é necessário evitar as armadilhas de ar no canal de escoamento. O intervalo de ar leva a sinalizar as distorções, porque a resposta do sensor no ar é diferente de quando em solução. No modo de avanço de bombeamento esta questão foi muitas vezes encontrou o que impediu o fluxo de fluido. Isto foi evitado através da operação da bomba de seringa, no modo de retirada.
Para as medições eléctricas de alta frequência em soluções de elevada interferência de fundo iónicos a resposta diminuiu para além de 30-40 MHz, devido à perda de ressonância a partir da configuração de medição. Nós serLieve isso pode ser melhorada através da concepção de dispositivos com parasitas inferiores. Optimizado distância porta-SWNT e cabos BNC e SMA menores podem ajudar a melhorar a sensibilidade.
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Disclosures
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Acknowledgments
Agradecemos ao Prof Paul McEuen na Universidade de Cornell para a discussão inicial. O trabalho é apoiado pelo fundo de arranque fornecer pela Universidade de Michigan e do National Science Foundation Programa de Nanofabricação (Scalable DMR-1120187). Este trabalho utilizou a Nanofabricação Facilidade Lurie na Universidade de Michigan, membro da Rede Nacional de Infra-estrutura Nanotecnologia financiado pela 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).
