Se describe la fabricación de dispositivos y un protocolo de medición para biosensores de alta frecuencia basados en nanotubos de carbono. La técnica de detección de alta frecuencia mitiga el efecto de apantallamiento iónica fundamental (de Debye) y permite nanotubo biosensor para ser operado en soluciones de elevada fuerza iónica donde biosensores electrónicos convencionales fallan. Nuestra tecnología ofrece una plataforma única para los puntos de atención (PDA) biosensores electrónicos que operan en condiciones fisiológicamente pertinentes.
Las propiedades electrónicas únicas y altas proporciones de superficie-volumen de nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y nanocables semiconductores (NW) 1-4 hacen buenos candidatos para biosensores de alta sensibilidad. Cuando una molécula cargada se une a una superficie tal sensor, se altera la densidad de portadores 5 en el sensor, lo que resulta en cambios en su conductancia DC. Sin embargo, en una solución iónica una superficie cargada también atrae a contra-iones de la solución, la formación de una doble capa eléctrica (EDL). Este EDL pantallas eficaz de la carga y en condiciones fisiológicamente pertinentes ~ 100 milimoles (mM), la longitud característica de detección de carga (longitud de Debye) está a menos de un nanómetro (nm). Por lo tanto, en soluciones de elevada fuerza iónica, la detección basada en carga (CC) está fundamentalmente impedida 6-8.
Superamos los efectos de detección de carga mediante la detección de los dipolos moleculares en vez de los cargos de alta frecuencia, operando nanot carbonoube transistores de efecto campo como mezcladores de alta frecuencia 9-11. A altas frecuencias, la fuerza de accionamiento de CA ya no puede superar la fricción y la solución de los iones en solución no tiene tiempo suficiente para formar el EDL. Además, la técnica de mezcla de frecuencias nos permite operar a frecuencias lo suficientemente altas como para superar proyección iónica, y sin embargo, detectar las señales de detección a bajas frecuencias 11-12. Además, la alta transconductancia de los transistores de SWNT proporciona una ganancia interna para la señal de detección, que obvia la necesidad de amplificador de señal externa.
Aquí, se describe el protocolo para (a) fabricar transistores de SWNT, (b) funcionalizar biomoléculas para el nanotubo 13, (c) diseñar y estampar una poli-dimetil-siloxano (PDMS) micro-cámara de fluido 14 en el dispositivo, y (d) llevar a cabo la detección de alta frecuencia en las diferentes soluciones de fuerza iónica 11.
Cuando una molécula cargada se une a un sensor electrónico de SWNT o NO, o bien puede donar / aceptar electrones o actuar como una puerta electrostático local. En cualquiera de los casos, la molécula unida puede alterar la densidad de carga en el canal de SWNT o NO, lo que lleva a un cambio en la conductancia continua medida del sensor. Una gran variedad de moléculas 15-20 se han detectado con éxito mediante el estudio de las características de corriente continua de los nanosensores durante tales eventos de unión. Aunque mecanismo de detección basado cargo de detección tiene muchas ventajas, incluyendo la detección sin etiqueta 21, la sensibilidad femto-molar 22, y electrónicos leídos capacidad 15, es eficaz sólo en soluciones de baja fuerza iónica. En las soluciones de elevada fuerza iónica, detección de corriente continua se ve impedida por la detección iónica 6-8. Una superficie cargada atrae contra-iones de la solución que forma una doble capa eléctrica (EDL) cerca de la superficie. La EDL pantallas efectiva de estos cargos. Como tque la fuerza iónica de la solución aumenta, la EDL se hace más estrecha y los aumentos de detección. Este efecto de apantallamiento se caracteriza por la longitud de detección de Debye λ D,
, Donde ε es la permitividad dieléctrica de los medios de comunicación, k B es la constante, de Boltzmann T es la temperatura, q es la carga del electrón, y c es la fuerza iónica de la solución de electrolito. Para una solución tampón 100 mM típica, λ D es de alrededor de 1 nm y el potencial de la superficie será completamente proyectó en una distancia de unos pocos nm. Como resultado, la mayoría de los sensores nanoelectrónicos basado en SWNT o NWs operan ya sea en estado seco 20 o en soluciones de baja fuerza iónica 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mM), de lo contrario la muestra debe someterse a medidas desalado 15,23. Dispositivos de diagnóstico de punto de atención necesitan para operar en fuerza iónica fisiológicamente relevantes en el sitio de los pacientes con capacidad de procesamiento de la muestra limitada. Por lo tanto, mitigar el efecto de apantallamiento iónico es fundamental para el desarrollo y ejecución de POC nanoelectrónica biosensores.
Nos mitigar el efecto de apantallamiento iónico mediante la operación del sensor nanoelectrónica basada SWNT en el rango de frecuencia megahertz. El protocolo que se proporcionan aquí detalles de la fabricación de un transistor de SWNT plataforma de detección basado nanoelectrónicos y medición de mezcla de alta frecuencia para la detección biomolecular. Los nanotubos de carbono de pared única son cultivados por deposición química de vapor en sustratos estampados con catalizadores de Fe 24. Para nuestros transistores SWNT, incorporamos un top-puerta suspendida 25 colocado por encima de 500 nm del nanotubo, que ayuda a mejorar la respuesta del sensor de alta frecuencia y también permite una MICR compactocámara de o-fluídico para sellar el dispositivo. Los transistores de SWNT son operados como mezcladores de alta frecuencia 9-11 con el fin de superar los efectos de apantallamiento de fondo iónicos. A frecuencias más altas, los iones móviles en solución no tienen tiempo suficiente para formar la EDL y los dipolos biomoleculares fluctuaciones todavía puede puerta SWNT para generar una corriente de mezcla, que es nuestra señal de detección. La frecuencia de mezcla surge debido a las características no lineales IV de un nanotubo de FET. Nuestra técnica de detección difiere de las técnicas convencionales de detección basada en espectroscopia de impedancia de carga y 26-27. En primer lugar, detectamos dipolos biomoleculares en alta frecuencia en lugar de los costes asociados. En segundo lugar, el alto transconductancia del transistor SWNT proporciona una ganancia interna para la señal de detección. Esto obvia la necesidad de amplificación externa como en el caso de mediciones de la impedancia de alta frecuencia. Recientemente, otros grupos también han abordado la detección biomolecular en alta baconcentraciones ckground 23,28. Sin embargo, estos métodos son más complicado, que requiere la fabricación compleja o ingeniería química cuidado de moléculas receptoras. Nuestro sensor de SWNT de alta frecuencia incorpora un diseño más simple y utiliza la frecuencia de la propiedad de mezcla inherente de un transistor de nanotubos. Somos capaces de mitigar los efectos de apantallamiento iónicos, prometiendo así una nueva plataforma de biosensores para la detección de puntos de atención en tiempo real, cuando se desean biosensores que funcionan directamente en estado fisiológicamente relevante.
El crecimiento de los nanotubos de carbono no sólo depende de las condiciones del horno, sino también a limpieza sustrato. La tasa de flujo de gas óptimo, temperatura y presión para el crecimiento tienen que calibrar cuidadosamente y una vez fijado que son más o menos estables. Incluso con que se cumplen estas condiciones, se encontró que el crecimiento depende de la zona de catalizador de modelado, cantidad de catalizador y la limpieza sustrato. Por lo tanto, hemos incorporado varios tamaños pit catalizador para…
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos al Prof. Paul McEuen en la Universidad de Cornell para la discusión temprana. El trabajo es apoyado por el fondo inicial brindar por la Universidad de Michigan y el Programa Nacional Science Foundation Scalable nanofabricación (DMR-1120187). En este trabajo se utilizó el Fondo para Nanofabrication Lurie de la Universidad de Michigan, miembro de la Red Nacional de Infraestructura nanotecnología financiada por la Fundación Nacional de Ciencia.
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 |