Summary
Мы описываем изготовление устройств и протокол измерений углеродных нанотрубок на основе биосенсоров высокой частоты. Высокая частота обнаружения, смягчает фундаментальных ионные (Дебая) эффект экранирования и позволяет нанотрубки биосенсоров для работы в высокой ионной силой, когда обычные электронные биосенсоров неудачу. Наша технология обеспечивает уникальную платформу для точка-санитарной помощи (СПЭ) электронных биосенсоров работающих в физиологически значимых условий.
Abstract
Уникальные электронные свойства и высокое отношение поверхности к объему соотношениях одностенных углеродных нанотрубок (ОНТ) и полупроводниковых нанопроводов (NW) 1-4 делает их хорошими кандидатами на высокой чувствительности биосенсоров. Когда заряженная молекула связывается с такой поверхности датчика, он изменяет плотность носителей 5 в датчике, в результате изменений в постоянного тока проводимости. Однако в ионном растворе заряженной поверхности привлекает противоионов из раствора, формируя двойным электрическим слоем (ДЭС). Это EDL эффективно экранирует заряд, а в физиологически соответствующие условия ~ 100 миллимолярных (мм), характерная длина экранирования заряда (длина Дебая) меньше нанометра (нм). Таким образом, в высокой ионной силой, зарядом на основе (DC) обнаружение принципиально препятствует 6-8.
Мы преодолеваем эффект экранирования заряда путем обнаружения молекулярных диполей, а не обвинения на высокой частоте, от операционной углерода nanotВБО полевых транзисторов как миксеры повышенной частотой 9-11. На высоких частотах, сила переменного тока больше не может преодолеть сопротивление и решение ионов в растворе не имеют достаточно времени, чтобы сформировать EDL. Кроме того, смешение частот техника позволяет работать на частотах достаточно высокой, чтобы преодолеть ионной скрининга, и все же обнаружить зондирования сигналов на более низких частотах 11-12. Кроме того, высокая крутизна ОСНТ транзисторов обеспечивает внутренний коэффициент усиления сигнала обнаружения, который устраняет необходимость внешнего усилителя сигнала.
Здесь мы описываем протокол (а) изготовить ОНТ транзисторов, (б) функционализировать биомолекул к нанотрубке 13, (с) разрабатывать и печать поли-диметилсилоксана (PDMS) микро-жидкостный камере 14 на устройство, и (г) унести высокую частоту зондирования в различных ионной силой 11.
Introduction
Когда заряженная молекула связывается с датчиком ОНТ или NW электронной, он может либо пожертвовать / принимать электроны или выступать в качестве местного электростатического ворот. В любом случае, связанной молекулы могут изменять плотность заряда в ОСНТ или NW канал, что приводит к изменению измеренного постоянного тока проводимости датчика. Большое разнообразие молекул 15-20 были успешно обнаружен при изучении DC характеристик наносенсоры во время таких событий связывания. Хотя заряд обнаружения, основанные чувствительный механизм имеет много преимуществ, включая без наклеек обнаружения 21, фемто-молярной чувствительности 22, и электронные зачитал возможностями 15, она эффективна только в низкой ионной силы. В высокой ионной силой, DC обнаружение затруднено ионных скрининга 6-8. Заряженной поверхности привлекает Counter-ионы из раствора, который образуется двойной электрический слой (EDL) вблизи поверхности. EDL эффективно экранирует эти обвинения. Как Тон ионной силы раствора увеличивается, EDL становится более узким и скрининга увеличивается. Этот эффект экранирования характеризуется дебаевское экранирование длиной λ D,
, Где ε-диэлектрическая проницаемость среды, K B является постоянная Больцмана, Т-температура, Q-заряд электрона, с-ионной силы раствора электролита. Для типичного 100 мМ буферном растворе, λ D составляет около 1 нм и поверхностный потенциал будет полностью показан на расстояние в несколько нм. В результате, большая часть датчиков наноэлектроники на основе ОСНТ или ННК работать как в сухом состоянии 20 или в условиях низкой ионной силой 5,15,17,21-22 (C ~ 1 нм- 10 мМ), в противном случае образец должен пройти обессоливания шаги 15,23. Точка-санитарной помощи диагностического устройства должны работать в физиологически значимых ионной силы у больного сайте с ограниченными возможностями обработки образца. Таким образом, смягчение эффекта ионной скрининга имеет решающее значение для разработки и реализации ВОУ биосенсоров наноэлектроники.
Мы снижаем ионной эффект экранирования операционной ОНТ датчиков на основе наноэлектронных в диапазоне частот мегагерц. Протокола предусматривают здесь подробности изготовления транзистора на основе нанотрубок наноэлектронных зондирования платформе и высоких частот для измерения смешивания биомолекулярными обнаружения. Однослойные углеродные нанотрубки выращивают осаждением из газовой фазы на подложках с узором Fe катализаторов 24. Для нашего ОСНТ транзисторы, мы включаем подвесной верхний затвор 25 размещены 500 нм выше нанотрубки, который помогает увеличить высокую чувствительность датчика частоты, а также позволяет компактной мкро-жидкостной камеры для герметизации устройства. ОСНТ транзисторы работают как миксеры повышенной частотой 9-11 для того, чтобы преодолеть фонового ионного эффекта экранирования. На высоких частотах подвижных ионов в растворе не имеют достаточно времени, чтобы сформировать EDL и колебания диполей биомолекулярными может еще ворота ОНТ генерировать смешивания ток, который является нашим зондирования сигнала. Смешение частот возникает вследствие нелинейной ВАХ нанотрубки Фета. Наш метод обнаружения отличается от обычных методов заряда на основе выявления и импедансной спектроскопии 26-27. Во-первых, мы обнаруживаем биомолекулярными диполей на высокой частоте, а не связанных зарядов. Во-вторых, высокой крутизной ОСНТ транзистор обеспечивает внутренний коэффициент усиления для сигнала обнаружения. Это устраняет необходимость во внешнем усилении, как и в случае высокой частоты измерения импеданса. В последнее время другие группы также рассматривались Биомолекулярных Обнаружение в высоких баckground концентрации 23,28. Однако эти методы являются более сложным и требует изготовления сложных или осторожным химической рецепторных молекул. Наш датчик высокой частоты ОНТ включает более простую конструкцию и использует собственную частоту перемешивания нанотрубки транзисторов. Мы в состоянии смягчить ионных эффект экранирования, что свидетельствует о перспективности новой платформе биодатчиков в режиме реального времени точка-санитарной помощи обнаружения, биосенсоры, где функционируют непосредственно в физиологически соответствующего условия желательны.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Catalyst Patterning для роста нанотрубок
- Начните с кремниевой пластины с низким давлением химического осаждения из паровой фазы (CVD), выращенных 500 нм Si 3 N 4/500 нм SiO 2 фильма на вершине.
- Спин пальто слой фоторезиста (PR) при 500 оборотах в минуту в течение 5 секунд, а затем 4000 оборотов в минуту в течение 40 сек.
- Выпекать пластины при 115 ° С в течение 90 сек.
- Используйте фотошаблонов с прямоугольными ямами для катализаторов (рис. 1) и разоблачить пластины в УФ (365 нм) излучения 300 мДж / см 2 в течение 0,3 сек. После экспонирования пластин испечь при температуре 115 ° С в течение 90 сек.
Совет: Дизайн ям разных размеров, например, 5 х 5 микрон микрон, 10 микрон х 5 микрон и т.д. для учета изменчивости ОНТ химического осаждения из паровой фазы (CVD) процесса роста.
- Разработка вафельные в разработчика в течение 70 сек осторожно встряхивая пластины через этот процесс.
- Промыть пластины с DI водоснаR в течение 2 мин, а затем просушите азота (N 2) пистолет.
- Загрузите разработаны пластины в электронно-лучевого испарителя камеры и депозитных 0,5 нм железа (Fe) при давлении в камере 10 -6 Торр.
- Нарезать пластины на более мелкие умирает 1,5 см х 1,5 см.
- Снимите фоторезиста путем погружения в теплую ацетона и изопропанола (IPA) в течение 10 минут каждый. Это оставляет Fe катализатора в прямоугольной ямы для роста нанотрубок.
2. CVD роста углеродных нанотрубок
- Поместите катализатор покрытием умирает в кварцевую трубку из печи ростом сердечно-сосудистых заболеваний.
Совет: Определить сладкое место для роста нанотрубок. Рост однородна по площади 2inch х 2 дюйма вниз по течению для нашей печи (рис. 2в).
- Отжиг подложки на воздухе при 880 ° С в течение одного часа, чтобы удалить остаток фоторезист (фиг. 2а). Дать остыть.
- Очистки камеры с Arугольник течение 5 мин при 3 ОДС (стандарт литр в минуту).
- Повышение давления в печи до 800 ° С в центре трубки, сохраняя при скорости потока 1 ОДС аргона (рис. 2б).
- Поток 0,2 ОДС водорода в течение 5 мин, чтобы уменьшить частиц катализатора, т.е. преобразование оксида железа до железа.
- Введение 5,5 стандартных см (стандартный кубический сантиметр в минуту) этилена (C 2 H 4) в течение 35 минут расти ОСНТ. Поддержание H 2 потока 0,2 ОДС на протяжении всего процесса. Длина ОСНТ, полученные из этого рецепта> 20 микрон (мкм).
- Разрешить печи остыть до комнатной температуры с небольшим потоком аргона.
3. Изготовление ОНТ FET транзистор
- Дизайн фотошаблон (рис. 1) для определения исток-сток электродов для вольт-амперные (IV) характеристику углеродных нанотрубок.
Совет: Расширение электродов контактных площадок далеко APART на кристалле, так что они остаются доступными даже после подавления микро-жидкостный печать на активной области нанотрубки.
- Выполните шаги 1,2 -1,6 определить области для осаждения металлов для контактов.
- Депозит Ti / Au 0,5 нм для нм/50 исток-сток контактов в электронно-лучевого испарителя камере при 10 -6 Торр.
- Оставьте умирают в ацетоне на ночь для металла старта. После старта, окуните умирают в МПА в течение 10 мин, а затем сушить использованием N 2 пистолета.
- Сделать одеяло осаждения 500 нм электронного пучка выпаривали SiO 2 для диэлектрика затвора на 10 -6 Торр.
- Дизайн фотошаблон (рис. 1) для определения электрода затвора.
- Выполните шаги 1.2-1.6 определить области для нанесения металлических ворот.
- Испарите нм/50 50 нм Cr / Au в качестве верхнего электрода затвора в электронно-лучевого испарителя. Выполните шаг 3.4 для металла старта.
Совет: Используйте толстым слоем хрома для увеличения силы OF приостановлено верхний затвор. Ворота размеры также важна для успешного подвески.
- По вкладам тонким слоем (20 нм) SiO 2 для топ пассивации электрода.
- Дизайн фотошаблонов (рис. 1), чтобы открыть траншеи в SiO 2 Чтобы войти на канал углеродной нанотрубки. Дизайн площадки травления области в ту же маску, чтобы открыть регион для доступа истока, стока и электроды затвора далеко от ОНТ канала.
- Выполните шаги 1.2-1.6 для модели PR, чтобы открыть траншеи для влажного травления из SiO 2.
- Мокрый травления выпаривали SiO 2 с использованием 1:20 BHF раствор в течение 3 мин и 30 сек. Si 3 N 4 обеспечивает травление слоя, чтобы предотвратить дальнейшее проникновение BHF.
Совет: Etch время калибровки рекомендуется.
- Тщательно промойте прибор в воду DI, а затем опустите ее в МПА в течение 5 мин. Просушите использованием N 2 пистолета. Устройство улructure остается неизменным из-за толстого слоя хрома.
4. Химической функционализации боковин углеродных нанотрубок
- Готовят раствор 6 мМ 1-pyrenebutanoic кислота сукцинимидил эфира (PbSe) в диметилформамиде (ДМФ).
- Инкубируйте ОСНТ FET умирают в этом компоновщик молекулярного раствора в течение 1 часа при комнатной температуре.
- Тщательно промойте умирают в DMF, чтобы смыть избыток реагента. Blow-высушите прибор.
- Подготовить 20mg/ml решение биотинил-3, 6-dioxaoctanediamine (биотин ПЭО аминов BPA) в воде для DI биотинилирования ОУН.
- Выдержите умирают в этом растворе в течение 18 часов, после чего тщательно промыть умирают в дистиллированной водой и сушат. BPA придает PbSe молекулы линкера.
- Приготовьте раствор 1mg/ml стрептавидина в PBS рН 7,2 решение для стрептавидина.
- Для статических измерений, инкубировать матрицы в растворе стрептавидина в течение 20 минут, чтобы полностью функционализировать биотинилированному ОНТ. Thoroughly промыть и сушить матрицы. Для реального времени зондирование, штамп PDMS канала потока (шаг 6), а затем течь стрептавидин решение в фоне высокой ионной силы для стрептавидина (рис. 3).
Примечание: Мы промыть фильеры дозирования дистиллированной водой (~ 50 мл) в течение штампика бутыль. Затем мы перейдем к другой умирают чашку Петри с DI воды и двигаться вокруг умирают в течение 1 мин. Повторим два этапа в общей сложности в 8-10 раз.
5. Подготовка полидиметилсилоксана (PDMS) Форма для жидкостной камеры
- В взвешивание чашку, заливают 9 частей по весу PDMS мономера и добавить 1 часть по массе отверждающего агента и тщательно смешивают два.
- Смесь дегазируют в эксикаторе в течение 25 мин. Пузырьки вырастет через смесь и оставить.
Совет: Если смесь начнет пениться, вентиляционные камеры и пусть он успокоится в течение несколькихсекунд до дегазации снова.
- Установите новую кремниевых пластин в чашке Петри. Вылейте смесь PDMS дегазированному на нем, чтобы иметь слой PDMS из 5 мм выше пластин.
- Поместите чашку Петри в термостате при 70 ° С в течение 1 часа.
- Снимите чашку Петри и дайте ему остыть. Используйте скальпель, чтобы вырезать прямоугольный кусок PDMS и вытащить его с помощью пинцета.
Подсказка: стороны PDMS в непосредственном контакте с кремниевой пластины является чистым и очень плоскими. Эта сторона будет находиться в контакте с ОНТ FET умирают. Будьте осторожны, чтобы не загрязнить его.
- Поместите прямоугольной матрицы с ног на голову и просверлить отверстие в его с помощью биопсии удар (диаметром 3 мм) с плоской стороны в другую. Это обеспечивает отсутствие острых углов на плоской стороне PDMS (рис. 4а).
- Поместите камеру PDMS на верхней части устройства, тщательно совместив его на верхней части активной зоны изготовленной ОНТ FET умирает (<STRONG> На рисунке 4а, б). Нажмите ее осторожно, чтобы обеспечить печать на матрице. Плоские облигаций стороны к броску, чтобы обеспечить герметичность камеры.
Подсказка: Это может быть сделано с невооруженным глазом или с помощью оптического микроскопа с достаточным рабочим пространством. Если PDMS не прилипает хорошо (как правило, если матрицы и / или штампа PDMS не является чистым), сделать кислородной плазмы (20 Вт, 15 сек) в PDMS, чтобы помочь связи. Использование плазмы полномочия выше, чем это приводит к сильной связи, однако, мы видели копирования электродов при снятии PDMS в таком случае.
- Извлечение штампа PDMS после электрических испытаний и перед следующим шагом химической функционализации путем погружения умирают в дистиллированной водой и осторожно приподнимая штампа.
6. Подготовка Микрофлюидных канале
- Возьмите чистую кремниевой пластины и поместить его на горячей плите при 200 ° C в течение 5 мин, чтобы удалить влагу.
- Спин пальто SU-8 2015 при 500 оборотах в минуту(100 об / сек скорость изменения) в течение 5 сек, а затем 1250 оборотов в минуту в течение 30 сек при 300 об / сек рампой. Это дает толщиной 30 мкм SU-8 слой на кремниевой пластине.
- Мягкие выпекать пластины при 95 ° С в течение 5 мин.
- Дизайн фотошаблон (рис. 4c), чтобы определить 300 мкм широкий рисунок канал потока в верхней части ОСНТ области.
Совет: Чтобы избежать распада структура канала ширина: высота соотношении 10:1 достаточна (300 мкм, 30 мкм в данном случае).
- С помощью 365-нм УФ фотолитографии определить поток канал с УФ Выдержка 0,9 сек.
- Сообщение пекут умирают при 95 ° С в течение 5 мин.
- Разработать шаблон в СУ-8 Developer в течение 5 мин сопровождается легком встряхивании.
- Промыть пластины в МПА и просушите N 2 пистолета.
- Выполните шаги 5.1-5.2 приготовить смесь PDMS.
- Поместите пластину с SU-8 плесень в эксикатор вместе с 2-3 каплями силанизирующий агента электрическогоhloro (3, 3, 3-трифторпропил) силана в чашке Петри. Включите вакуумный насос пусть пластины сидеть в вакууме в течение 1 часа.
- Налейте дегазированной смеси PDMS на пластину и нагревают в печи при 70 ° С в течение 1 часа.
- Разрежьте плесень PDMS (отрицательный СУ-8) с помощью скальпеля.
- Поместите марки PDMS вверх дном и с помощью биопсии пуансоном (0,75 мм в диаметре) просверлить отверстие на каждом конце проточного канала. Убедитесь в том, чтобы просверлить отверстие от плоской стороны (стороны в контакте с кремниевой пластины) к другой, чтобы избежать острых углов (рис. 4д).
- Поместите камеру PDMS потока на верхней части устройства тщательно приведения его в верхней части активной зоны изготовлены ОСНТ FET штампов под микроскопом. Нажмите ее осторожно, чтобы обеспечить печать на матрице. Плоские облигаций стороны к броску, чтобы обеспечить герметичность камеры. (Рис. 4С и 4D)
- Нажмите полиэтиленовых труб в отверстия и подключите другой конец к жидкости, истоком и стоком шприц (Figure 4E).
- Присоединить шприц к системе шприцевой насос для поддержания контролируемого потока жидкости через канал (рис. 6).
7. DC Электрическая измерительная схема
- Подключите источник и ворота контакты ОНТ Фет напряжение порты карты сбора данных.
- Соедините сливной контакт с входным портом карт DAQ через текущие предварительного усилителя.
- Применяют 30 милливольт (мВ) к источнику контакта, подметать напряжение на затворе и записи текущего через сливное (рис. 5а).
Подсказка: Для измерений в растворе, держать напряжение на затворе параметр стреловидности в | 0,7 В |, чтобы избежать утечки и реакции между электродом затвора металла и раствора.
8. AC Электрическая измерительная схема
- Подключите Реф-аута от синхронного усилителя к порту внешнего сигнала на частоте модуляции генератора установить AM модулированный frequeNCY выход.
- Подключить источник контакта ОНТ Фет AM-модулированный ВЧ выход порта генератор частоты и напряжения постоянного тока с карты DAQ использованием собой сепаратор (рис. 5б и 5в).
- Подключите ворот контакт с напряжением порт карты сбора данных.
- Соедините сливной контакта с синхронным усилителем читать переменный ток через нанотрубки. Read амплитуды и фазы тока через DAQ входных портов.
- Удерживайте напряжение источника постоянного тока на 0 вольт частотой сигнала и АМ на 200 килогерц (кГц).
- Развертки напряжения на затворе и измерить ток утечки.
- Увеличение частоты и повторите шаг 8,6 для Я смешиваю-V г зачисток на разных частотах.
9. Электрические измерения в растворе (нет потока)
- Подготовить 1 мМ NaCl, 10 мМ NaCl и 100 мм NaCl солевых растворов, начиная с 5M раствора NaCl.
- Возьмите устройство от ОНТ шагом 3,13. Выполните шаги 4.1-4.5 для получения biotinylateD устройства.
- Выполните шаг 5 поставить камеру PDMS на верхней части устройства.
- Заполните камеру дистиллированной водой с помощью пипетки.
- Следуйте шаг 8 для смешения частот измерений для различных частот.
- Повтор 9,4 для трех различных солевых растворов 1 мМ NaCl, 10 мМ NaCl и 100 мМ NaCl.
Совет: Используйте пипетку отозвать предыдущее решение, а затем промойте камеру несколько раз с новым решением. Всегда выключайте от низкой до высокой концентрации растворов.
- Извлечение штампа PDMS осторожно приподнимая печать с пинцета.
- Тщательно промывают устройство деионизированной водой.
- Провести стрептавидина, как описано в 4.6-4.7.
- Повторите шаги 9.3-9.6.
10. Электрические измерения в растворе (реальный поток времени)
- Подготовьте 100 мМ NaCl раствор соли, начиная с 5 М раствора NaCl.
- Возьмите ОНТ устройство от Ste3,13 р. Выполните шаги 4.1-4.5 для получения биотинилированному устройства.
- Поместите микро-жидкостный поток канала на устройстве после шага 6 .. Соединение пустой шприц к одному концу микро-жидкостный канал отвода рабочего режима. На другом конце прикрепить шприц с фоновым раствором 100 мМ NaCl.
- Выполнить электрическое измерение, как указано в пункте 8. Фиксировать частоту (F = 10 МГц) и ворота напряжение смещения (V = 0).
- Начало шприцевого насоса в режим вывода (скорость потока = 0,4 мл час -1) и мониторинг текущего сигнала с течением времени. Включите решение 1mg/ml стрептавидина в 100 мМ NaCl и монитор изменение сигнала для стрептавидин-биотин связывания (рис. 6).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Сканирование изображений электронного микроскопа ОНТ транзистор с верхним затвором, приостановлено показан на рисунке 7а. Ворота размеры имеют решающее значение для подвески 25. Текущие размеры конструкции (длина х ширина х толщина = 25 мкм и длиной 1 мкм и шириной 100 нм). Электрод затвора состоит из 50 нм Cr/50 нм Au; толстым слоем хрома добавляет больше сил, чтобы подвесная конструкция. Подвесная конструкция подтверждается отсутствие утечки тока между верхней затвора и стока (рис. 7б).
Мы используем биотин-стрептавидин лиганд-рецептор системы оценки нашей ОНТ датчика. Для характеристики успехов функционализации боковине мы контролируем FET DC кривые передачи в воздухе после каждой стадии функционализации. Рисунке 7в показывают, что сдвиг кривой передачи направо после биотинилированием (красный) и стрептавидина (синий). Это может быть связано с электростатическим стробирование по electronegatiве амин группы, присутствующие на биотин ПЭО-амина и стрептавидином.
Для измерения высоких частот, мы следуем схеме, изображенной на рисунке 5б. Нелинейная ВАХ транзистора ОНТ, смешивает высокую частоту входов на исток и затвор, получая смешивания токовый выход, я смешиваю которая является нашим зондирования сигнала. Рисунок показывает 7d я смешиваю измеряется как функция напряжения на затворе для типичного устройства в 100 мМ NaCl. Смешивание тока для AM модулированный вход в частотной модуляцией, ω м, дается 10-11
, Где т глубина модуляции, В переменного тока является AM амплитуду входного и ∂ G / ∂ V г является крутизна устройства (наклон Я
Для обнаружения биомолекул, необходимо, чтобы CNT подвергается непосредственно к решению т.е. SiO 2 полностью вытравливают течение BHF травления шаг. Если это условие не выполняется, то химическая модификация НКТ невозможно, так как молекулы линкера не можете сложить вдоль нанотрубки боковины.Это наглядно видно на рисунке 7 г, где мы не видим никаких изменений до и после связывания даже в воде DI для SiO 2 пассивированной устройства. Это также доказывает, что наши результаты измерений указывают на успешную химической модификации, а также обнаружение биомолекул в высокой концентрации ионных фоне. Во всех измерениях, заметим, что отклик датчика падает после 30 МГц, что в связи с резонансом от установки.
Рисунок 1. Нанотрубки процесса изготовления транзисторов потока (а) Процесс изготовления -. (1) Photomask уровня 1 (PL-1) для осаждения катализатора, (2) Металлические старта, (3) роста УНТ, (4) PL-2 для исток-сток контактом, (5) металл старта, (6) SiO 2 одеяла осаждения, (7) PL-3 для ворот контакт, (8) металлстарта, (9) Тонкий SiO 2 одеяла осаждения, (10) PL-4 для влажного травления BHF канала и (11) конечное устройство после удаления фоторезиста. Цветовая схема проиллюстрирована. (Б) Схема устройства структуры.
Рисунок 2. Роста углеродных нанотрубок. (А) Отжиг шаг для удаления фоторезиста остаток, (б) стадии роста для роста УНТ и (с) устройство размещения в ростовую печь.
Рисунок 3. Блок-схема для химической функционализации УНТ.
Рисунок 4. PDMS марку для решения измерений () -. (Б) статический (без потоков) измерений (а) Штамповка и монтаж PMDS камеры на устройстве, (б) схема проточной камеры на устройстве (C) -.. (Е ) Измерение расхода. (с) технологическую блок для PDMS потока канала, используя SU-8 плесени. (1) Photomask для определения проточного канала, (2) сшитый SU-8 форму, (3) PDMS на СУ-8 и (4) PDMS проточный канал нанести на устройстве. (Г) схема проточного канала на устройстве и (е) Штамповка на входе / выходе отверстия в PDMS, штамповка проточный канал на устройство и соединительные полиэтиленовые трубы для портов входа / выхода.
Рисунок 5. Электрическая установка измерения. (А) измерения постоянного тока схемы, (б) AC смешивания Текущая схема измерений и (с) изображение экспериментальной установки для AM модулированный смешение частот измерения. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Рисунок 6. Измерение расхода установки (а) Изображение вся установка измерения;. (Б) и шприцевой насос зонда станции, и (с) изображение устройства с PDMS проточного канала, впускной / выпускной трубы и электрического потока Pодежды.
Рисунок 7. Типичные результаты для ОСНТ биосенсора. (А) СЭМ изображение типичного подвесной верхний затвор устройства, (б) затвор-сток утечки подтвердить подвесной конструкции, (в) постоянного тока I-V г кривой нетронутой нанотрубки FET (черный), после биотинилирования (красный) и после стрептавидина (синий), измеренные в воздухе, (г) постоянного тока, I постоянного тока (черный, V с.о. = 10 мВ) и перемешивание ток, I смеси (красный, модуляция е = 200 кГц) как функцию из V г для устройства в 100 мМ раствора NaCl. Теоретические ли смешивать получены с использованием модели в уравнении (1) также показана (▲) для сравнения. (Е) I-V смесь г токVES для биотинилированному (черный) и стрептавидин-биотин оценка (красный) ОНТ в 100 мМ NaCl при F = 10 МГц, (F) реальное измерение потока времени, чтобы обнаружить стрептавидина в 100 мМ NaCl и (г) изменения сигнала после связывания в Полностью пассивированы контрольное устройство в воду DI на разных частотах. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Рост углеродных нанотрубок зависит не только от условий печи, но и подложка чистоты. Оптимальная скорость потока газа, температуру и давление для роста должны тщательно откалиброван и как только фиксируется они более или менее стабильным. Даже при этих условиях удовлетворяются, мы обнаружили, что рост зависит от площади узорной катализатор, количество катализатора и субстрата чистоты. Таким образом, мы включили несколько катализаторов вмятины размером для учета изменчивости в росте. Один час высокая температура отжига шаг позволил Удалите все загрязняющие вещества, как PR и т.д. остаток от подложки. Рисунок 2 иллюстрирует условиях мы приняли для роста нанотрубок.
Наличие вредных веществ от умирают стадии обработки могут привести к ложным сигнал в химических и биологических датчиков. Следовательно, необходимо очистить поверхность тщательно до и после химической функционализации. Полоскания после каждого функционализацию помогает REMОве любой избыток реагента, который может придерживаться устройство к активной области. Мы также заметили, что если субстрат не был чистым, штамп PDMS не был герметичным и снимают с давления жидкости при измерениях. В таких случаях очень нежный O 2 плазмы на PDMS марки помогли адгезии. Слишком сильное O 2 плазмы может сделать палку PDMS марку, но трудно удалить с устройства, мы заметили копирования электрод на удаление, которое делает умирают непригодным для использования. Если штамп PDMS и матрицей чистые, адгезии между ними достаточно хорошо, чтобы выжить измерения потока жидкости без кислорода плазменной обработки также. Не используйте O 2 плазмы на ОНТ устройства, поскольку это обцарапает углеродных нанотрубок.
В растворе на основе электрических измерений, любые токи утечки подавляет сигнал обнаружения. Эта утечка происходит потому, что решение также может выступать в качестве проводника, сопротивление которого падает с увеличением концентрации соли.Поэтому необходимо включать электрод пассивации шаг в транзистор конструкции. Два одеяла отложений в нашем изготовления протокола (500 нм и 20 нм SiO 2) помогли снизить утечки из истока, стока и контактов металлические ворота. Кроме того, прежде чем принимать какие-либо электрические измерения, затвор-сток утечки развертки рекомендуется убедиться, что никакой утечки не происходит в заданном диапазоне напряжения развертки.
Для измерения потока жидкости, необходимо, чтобы избежать воздушных ловушек в проточном канале. Воздушный зазор приводит к искажению сигнала, поскольку датчик ответ на воздухе, отличается от когда в растворе. В прямом насосном режиме этот вопрос часто встречаются которая препятствует поток жидкости. Это было избежать при управлении шприцевого насоса в режим вывода.
За высокие частоты электрических измерений в высоком фоне ионных растворов ответ упала за 30-40 МГц за счет резонансного убыток от измерительной схемы. Мы бытьполагаем, это может быть улучшено путем разработки устройств с более низкой паразитных. Оптимизирован ворот ОНТ расстояния и меньше BNC и SMA кабели могут помочь улучшить чувствительность.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Мы благодарим профессора Пола Мак-Юэн Корнельского университета для раннего обсуждения. Работа выполнена при поддержке запуска фонда предусмотреть в Университете Мичигана и Национального научного фонда масштабируемая программа нанопроизводства (DMR-1120187). Эта работа на установке Лурье Nanofabrication Мичиганского университета, член Национальной сети нанотехнологической инфраструктуры финансируется Национальным научным фондом.
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).
