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Bioengineering

화학 및 바이오 센싱 애플리케이션을위한 실리콘 나노 와이어 전계 효과 트랜지스터의 제조

Published: April 21, 2016 doi: 10.3791/53660

Introduction

실리콘 나노 와이어 전계 효과 트랜지스터 (SNWFETs)은 매우 높은 감도의 장점 및 환경 대전 성 변화를 직접 전기 응답을 갖는다. 음 (또는 양으로) 대전 분자가 실리콘 나노 와이어 (SNW)에 접근 할 때, 예를 들면 n 형 SNWFETs에서 상기 SNW의 캐리어 고갈 된 (또는 축적)된다. 따라서, SNWFET의 도전성이 감소 (또는 증가) 1. 따라서, SNWFET 장치의 SNW 표면 근처에 충전 된 분자를 검출 할 수있다. 세포 표면의 효소, 단백질, 뉴클레오티드, 많은 분자를 비롯한 중요한 생체 분자는 전하 캐리어이며 SNWFETs을 사용하여 모니터링 할 수있다. 특히 SNW에서 생체 분자 프로브를 고정 적절한 수정과 더불어, SNWFET는 라벨없는 바이오 센서로 발전 할 수 있습니다.

바이오 마커를 이용하여 감시 질병 진단에 중요하다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 여러 연구 NWFE 사용한3 결합 단일 바이러스 2, 아데노신 삼인산 및 키나제 포함 T 기반의 라벨없는, 초 고감도위한 바이오 센서 및 다양한 생물학적 표적 실시간 검출, 신경 신호 (4) 금속 이온 5,6- 박테리아 독소 (7), 도파민 (8), DNA 9-11, RNA 12, 13, 효소 및 암 바이오 마커 14-19, 인간 호르몬 (20), 및 사이토 카인 (21, 22). 이 연구는 NWFET 기반의 바이오 센서가 용액에서 생물학 및 화학 종의 다양한위한 강력한 검색 플랫폼을 나타낸다는 것을 증명하고있다.

SNWFET 기반 바이오 센서에서, 상기 장치의 SNW 표면에 고정화 된 프로브는 특정 biotarget 인식한다. 바이오 프로브 고정화하는 것은 대개 일련의 단계들을 포함하고, 모든 단계가 적절하게 바이오 센서의 적절한 기능을 보장하기 위해 수행하는 것이 중요하다. 다양한 기술이 S를 분석을 위해 개발되어왔다X 선 광전자 분광법 (XPS), 타원, 접촉각 측정, 원자력 현미경 (AFM) 및 주사 전자 현미경 (SEM)을 포함 urface 조성물. 이러한 XPS, 타원 및 연락처 각도 측정 등의 방법이 다른 유사한 물질에서 수행 병렬 실험에 의존하는 반면, 같은 AFM과 SEM 등의 방법은, 나노 와이어 장치에 바이오 프로브 고정화의 직접적인 증거를 제공합니다. 이 보고서에서 우리는 두 개의 독립적 인 방법을 사용하여 각 수정 단계의 확인에 대해 설명합니다. XPS는 실리콘 웨이퍼의 특정 원자의 농도를 조사하는 데 사용되며, 상기 장치의 전기적 특성의 변화를 직접 SNW 표면 전하의 변화를 확인하기 위해 측정된다. 우리는이 프로토콜을 설명하기 위해 예를 들어 다결정 SNWFETs (pSNWFETs)를 사용하여 DNA의 바이오 센서를 사용한다. SNW 표면 상에 DNA 프로브를 고정화하기 세 단계를 포함 다음 SNW 알의 기본 히드 표면에 아민 기의 변형알데히드 그룹 변경, 5'- aminomodified DNA 프로브 고정화. 표면 전하가 채널 전류 및 컨덕턴스 한 변경 게이트 유전체 상에 로컬 계면 전위 변화를 야기하기 때문에, 각 개질 단계에서, 상기 장치는 직접적 SNW 표면에 고정화 된 작용기의 전하의 변화를 검출 할 수있다. pSNWFET 전기적 디바이스의 전기적 특성을 조절할 수 SNW 표면을 둘러싸 요금; 따라서, SNW의 표면 특성 pSNWFET 소자의 전기적 특성을 결정하는 중요한 역할을한다. 보고 된 절차에서, SNW 표면에 바이오 프로브의 고정화를 직접 결정할 수있다, 전기 측정을 통해 확인하고, 장치는 바이오 센싱 응용 프로그램을 준비한다.

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Protocol

1. 제조 및 pSNWFET 장치의 보존

  1. 디바이스 제조
    주 : pSNWFET 이전 23,24을보고 측벽 스페이서 기술을 이용하여 제조 하였다.
    1. 게이트 유전체 층을 준비합니다.
      1. 100 nm 두께의 열 산화막 (SiO2로) (4 시간 동안 980 ℃에서 O 2와 H 2 처리 가스) 습식 산화 공정 (25)을 이용하여 실리콘 기판상의 층을 모자.
      2. 4 시간 동안 980 ℃에서 저압 화학 기상 증착 (LPCVD) (25)를 사용하여 50-nm 두께의 질화 (SI 3 N 4) 층을 증착.
    2. 4 시간 동안 780 ℃에서 LPCVD (25)를 이용하여 100 nm의 두께로 테트라 에틸 오르 소 실리케이트 (TEOS) 층을 증착.
    3. 산화물 더미 구조를 정의하기 위해 I 선 스테퍼를 사용하여 표준 리소그래피를 수행한다.
      1. 코트 830-nm 두께의 포토 레지스트 층이 웨이퍼 표면.
      2. 나는아이 - 라인 스텝퍼에 패턴 정의 포토 마스크 nsert.
      3. 실온에서 1980 J의 강도가 다음 I 선 스테퍼 (365 nm의 파장)를 사용하여 노광 처리.
      4. 5 분 동안 현상 제 내의 웨이퍼를 개발한다.
      5. 유도 1 분간의 HBr 및 CL 플라즈마 가스 플라즈마 에칭 기 (25)에 결합 된 표준을 사용하여 등방성 에칭 처리를 행한다.
    4. LPCVD (25)를 사용하여 100 nm 두께의 비정질 실리콘 (α-시) 층을 증착.
    5. 다결정 구조로 α-변환시 24 시간 동안 N 2 분위기에서 600 ℃에서 어닐링 공정을 수행한다.
    6. 낮은 에너지의 소스 / 드레인 (S / D)을 통해 도핑 주입 인 이온 (5E 15cm -2) 25.
    7. 다결정 실리콘 층을 제거하고, 폴리 실리콘 나노 와이어 (pSNW) (25)을 형성하는 I 선 스테퍼를 사용하여 표준 리소그래피를 수행한다.
      참고 : DOP를 이식하는 단계 1.1.3를 반복다결정 실리콘을 제거하고, 자기 정렬 방식으로 실리콘 측벽 채널 형성과 S / D 영역 이외의 장소에서 개미.
    8. 5 시간 25 780 ℃에서 LPCVD를 이용하여 상기 패시베이션 처리 (200-nm 두께의 TEOS 산화물 층)을 수행한다.
    9. 두 단계 건식 / 습식 에칭 공정을 사용하여 나노 채널 및 폼 테스트 패드를 노출 I 선 스테퍼를 사용하여 표준 리소그래피를 수행한다.
      1. 단계를 반복 1.1.3.
      2. 습식 에칭 공정을 수행한다 (DHF : HF / 1 분 동안 H 2 O).
  2. 웨이퍼 보존
    1. 진공 수납 커버의 웨이퍼를 밀봉하는 전자 건조 캐비닛 (상대 습도 <실온에서 40 %)을 저장한다.

장치 2. 전처리

  1. 장치 청소
    1. 순수한 아세톤 장치를 씻어.
    2. 초음파 처리 (46 kHz에서, 80 W) 10 분 동안 순수 아세톤 장치.
    3. <리> 초음파 처리 (46 kHz에서, 80 W) 5 분 동안 순수 에탄올 (99.5 %)의 장치.
    4. 블로우 건조 질소로 장치의면.
  2. 산소 플라즈마
    1. 30 초 18 W에서 O 2 플라즈마 장치를 취급합니다.

장치 표면에 DNA 프로브의 고정화 3.

  1. 아민 그룹 수정
    1. 2.0 % (3- 아미노 프로필) 트리에 톡시 실란 (APTES) 30 분 / 에탄올 용액에 장치를 담금.
    2. 에탄올로 3 회 세척 장치 한 다음 초음파 처리 (46 kHz에서 80 W)를 10 분 동안 에탄올 장치.
    3. 10 분 SNWs에 아민기를 만드는 120 ℃에서 핫 플레이트 장치를 가열한다.
  2. 알데히드기 수정
    1. 표면에 알데히드기를 만들고, 실온에서 1 시간 동안 12.5 %의 글루 타르 알데히드에서 장치를 담그고. 빛의 노출을 피하십시오.
    2. 장치 위트을 씻으십시오H 된 10 mM 인산 나트륨 완충액 (Na-PB, pH를 7.0) 3 회, 및 블로우 건조 질소로 장치의면.
  3. DNA 프로브를 고정화
    1. 밤새 1 μM DNA 프로브를 함유하는 용액에 장치를 담금.
    2. 30 분간의 반응 알데히드기 차단 4.0 밀리미터의 NaBH 3 CN 10 mM 트리스 완충액 (pH 8.0)에서 장치를 담근다.
    3. PB-나트륨 (PH 7.0)로 3 회 세척 장치 한 후 질소로 디바이스의 표면을 취입 건조.

pSNWFET에 표면 개질 4. 확인 및 분석

  1. 표면 개질의 각 단계 다음의 pH 프로필
    1. pH가 3.0-9.0에서 10 밀리미터 나-PB를 준비합니다.
      1. 탈 이온수 (나 3 PO 4) (pH가 11.60) 수화물 삼 염기 10 mM의 인산 나트륨을 준비합니다.
      2. 탈 이온수에서 10 밀리미터에게 인산 준비 (H 3 PO 4)(PH 2.35).
      3. 3.0의 pH 값, 4.0, 5.0로 버퍼를 얻기 위해 pH 값을 측정하면서, 6.0을 10 mM의 나트륨 3 PO 4 완충액 500 ㎖ 중에 pH 전극을 위치시키고 10 mM의 H 3 PO 4 버퍼의 다른 볼륨이 용액을 혼합 7.0, 8.0, 9.0.
    2. AC 컨덕턴스 측정
      주 : 측정 회로는 작은 AC 신호 발생기와 액체 게이트 전극 게재 된 금 MICROWIRE 포함.
      1. 각 변형 측정 단계 (26)를위한 최적의 액상 게이트 전압 (V LG)을 결정 (2.2, 3.1, 3.2, 3.3 단계).
        주 : 디바이스의 전기적 특성이 섹션에 설명 된대로 SNW 네 개의 표면 변형을 측정 한 후. 단계 2.2에서, 네이티브 산화물 층을 포함하는 변성 pSNWFET 수정된다; APTES의 아민기를 가진 장치를 수정 3.1 수반 단계; 단계 3.2 대전 된 변성을 수반글루 타르 알데히드의 작용기; 단계 3.3 DNA 프로브의 변형을 포함한다.
        1. SNW과 직접 접촉하는 경우 : 10 mM의 나트륨-PB (PH 7.0) 주사기 펌프를 사용하여 SNW면에 용액을 전달 (5.0 ㎖ / 시간 유속).
        2. 0.80에서 1.30로 V. V LG 스위핑하면서 장치의 실시간 측정 컨덕턴스
          1. 실온에서 로크의 기법 (27)을 이용하여 전기 전도도 측정을 수행한다.
          2. 저잡음 전류 프리 앰프를 이용하여 AC 전압 신호로 AC 전류 신호를 변환한다.
          3. 1.30 V (간격 = 0.02 V)에 0.80에서 V LG 증가에 따라 컨덕턴스 (G) 데이터를 수집합니다.
        3. 장치 (26)의 최적 V의 LG (가장 민감한 V LG)를 결정합니다.
          1. 곡선의 방정식을 구하는 단계 4.1.2.1.2.3에서 GV LG 곡선을 그린다.
          2. DIF방정식을 ferentiate 및 V LG의 각 지점의 값을 계산합니다.
          3. G가 단계 4.1.2.1.3.2에서 값을 나누고, 최대 수에 따라 최적의 V LG를 결정한다.
      2. 표면 개질의 각 단계에서의 pH 프로파일의 실시간 전도도를 측정한다.
        1. 실온에서 로크의 기법 (27)을 이용하여 전기 전도도 측정을 수행한다.
        2. 저잡음 전류 프리 앰프를 이용하여 AC 전압 신호로 AC 전류 신호를 변환한다.
        3. 표면 개질 (단계 2.2의 각 단계에 대한 최적의 V LG 설정 : V LG를 = 1.02, 3.1 단계는 V를 LG = 0.98, 단계 3.2 : V LG = 0.98, 및 단계 3.3 : V LG = 1.0).
        4. 5.0 ㎖ / 시간 : 3.0에서 SNW 표면 9.0 (유량의 pH 값을 10 mM의 나트륨-PB 솔루션을 제공) 및 0.01 (V)의 드레인 전압에서 전기 전도도의 데이터를 수집
  2. 표면 개질의 각 단계 다음 10 mM의 나트륨-PB (PH 7.0)에서 장치의 전기적 특성 (D는 I - V 곡선 BG)을 측정한다 (단계 2.2, 3.1, 3.2 및 3.3).
    주 : 디바이스의 전기적 특성을 SNW 네 개의 표면 변형 후에 측정 하였다 : 단계 2.2에서, 네이티브 산화물 층을 포함하는 변성 pSNWFET 수정된다; 단계 3.1 APTES의 아민기를 가진 장치를 수정해야; 단계 3.2 글루 타르 알데히드의 충전되지 않은 기능 그룹과 수정을 수반; 단계 3.3 DNA 프로브의 변형을 수반한다.
    1. SNW과 직접 접촉하는 경우 : 시린지 펌프를 이용하여 (5.0 ㎖ / 시간 유속) (2.2, 3.1, 3.2, 3.3 단계들) 10 mM의 나트륨-PB (PH 7.0)에 SNW면에 용액을 전달한다.
    2. 는 I D를 측정
    3. 은 "nMOSFET 타입"모드를 선택합니다.
    4. 모듈 - "V의 BG를 내가 D"를 선택합니다.
      주 : I가 D 조 드레인 / 소스 전류이고, V는 BG 백 게이트 전압이다.
    5. 3.0 V에 -1 잠재적 인 게이트 (V BG)을 청소하는 동안 일정한 바이어스 전압 (V의 D = 0.5 V)를 설정합니다 (간격 = 0.2 V).
    6. V BG 곡선 - I D를 얻기 위해 실행 아이콘을 클릭합니다.

5. DNA 바이오 센싱

주의 : 전형적인 실험에서 D I - V B의 G 곡선은 더 변동 obse 없다는 것을 보장하기 위해 세 번 판단rved.

  1. 기준의 결정
    1. 주사기 펌프를 이용하여 10 분 동안 DNA 프로브 - 고정화 SNW 표면에 10 mM의 나트륨-PB 용액 (PH 7.0)을 제공하는 (유속 : 5.0 ㎖ / 시간)를 한 후 30 분 동안 SNW를 배양한다.
    2. 장치 (단계를 반복 4.2.2)의 I D를 측정한다.
  2. DNA의 검출 / DNA 혼성화
    1. 주사기 펌프를 이용하여 10 분간 DNA 프로브 - 고정화 SNW 표면 상 부하 오후 10시 상보 적 표적 DNA는 (유속 : 5.0 ㎖ / 시간)를 한 후 30 분 동안 배양 한 SNW.
    2. 멀리 바운드 타겟 DNA 씻어 : 시린지 펌프를 사용하여 10 분 동안 SNW 표면에 10 mM의 나트륨-PB 용액 (PH 7.0)을 제공 (5.0 ㎖ / 시간 유속).
    3. 장치의 I D를 측정하는 단계를 반복 4.2.2.
  3. DNA / DNA 혼성화 신호를 재확인.
    1. t 상에로드 1 nM의 복구 DNA그 DNA를 주사기 펌프를 사용하여 10 분 동안 SNW 표면 프로브 고정화 (유속 : 5.0 ㎖ / 시간)를 한 후 30 분 동안 배양 한 SNW.
    2. 주사기 펌프를 이용하여 10 분 동안 SNW 표면에 10 mM의 나트륨-PB 용액 (PH 7.0)을 제공 (5.0 ㎖ / 시간 유속).
    3. 장치의 I D를 측정하는 단계를 반복 4.2.2.
  4. 음성 대조군
    1. 주사기 펌프를 이용하여 10 분간 DNA 프로브 - 고정화 SNW 표면 상에로드 100 pM의 비 - 상보 적 DNA는 (유속 : 5.0 ㎖ / 시간)를 한 후 30 분 동안 배양 한 SNW.
    2. 주사기 펌프를 이용하여 10 분 동안 SNW 표면에 10 mM의 나트륨-PB 용액 (PH 7.0)을 제공 (5.0 ㎖ / 시간 유속).
    3. 장치의 I D를 측정하는 단계를 반복 4.2.2.

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Representative Results

다양한 SNWFETs는 바이오 센서 (표 1)의 센서 역할을하는 것으로보고되고있다. 단결정 SNWFETs (sSNWFETs) 및 pSNWFETs은 수용액에서 트랜스 듀서로서 유사한 전기적 특성을 보여주고, 두 많은 바이오 센서 응용을 나타내는 것으로보고 된 바있다. 본 연구에 사용 된 pSNWFET 장치의 유리한 특징은 단순하고 저가의 제조 ​​방법이다.도 1a는 pSNWFET 제조에 관련된 주요 단계를 나타낸다. 6 인치 웨이퍼 (도 1b) 및 하나의 장치의 SEM 이미지 (도 1C)에서 다이의 광학 상 (두 SNWs 약 100 폭 nm이고, 길이는 1.6 μm의)을 수득 하였다.

도 2a는 SNW 표면에 DNA 프로브를 고정화하는 과정을 도시한다. 각 개질 공정을 XPS (도 2b를 이용하여 확인 하였다 (도 2C, D)는 SNW 표면 개질의 다양한 스테이지에서 도시되어있다. SNW 표면상의 자연 산화물 층을 포함하는 변성 pSNWFET 들어, 수산기 (-OH) 대전기를 형성하는 이온화 된 (-O -)의 pH 값 (검은 선)를 증가. 9.0의 pH 6.0에서의 전도도의 감소는 수산기의 산 해리 상수 (약동학 A)는 약 7.0로 설정 될 수 있음을 나타낸다. 컨덕턴스 가능성이 소자 특성에 영향을 미치는 일이 때문에 이온 강도의 증가 6.0 pH를 3.0로 증가시킨다. APTES 수정 후 APTES 개질 장치의 컨덕턴스에 대한 응답은 높은 변화 (적색 라인)을 나타내었다. APTES의 아민 기 (약동학 A = 4.0)가 양의 전하 (28)를 생성하기 위해 저 pH에서 양성자 화 될 수있다. 따라서, SNW 컨덕턴스 pH 값에서의 이산 변화를 감소3.0~9.0에서. SNW는 글루 타르 알데하이드로 수정 한 후, 응답은 3.0에서 9.0 (파란색 선)에 이르기까지 pH에서 전도에 대한 상대적으로 안정적이었다. 이것은 pH가 환경의 변화에​​ 민감하다 대전 된 작용기에 기인 할 수있다. 음으로 하전 된 DNA 프로브를 고정화 한 후, 마지막으로, 컨덕턴스 약간 pH 값의 증가 (녹색 선)으로 감소 하였다.

다른 수정과 장치 (그림 2E)의 전기적 특성의 변화는 SNW 표면의 변화를 확인한다. 이러한 실험에서, 변성 pSNWFET의 I - V G D 곡선이 기준선 (검은 선)를 사용 하였다. SNW APTES를 침지 한 후, 상기 장치의 I - V G D 곡선 때문에 SNW CAUS 표면에 양전하의 왼쪽 (증가 된 전류)로 시프트APTES (레드 라인에 검은 색)의 아미노기로 에드. APTES 개질 장치 글루 타르 알데히드의 접합 후, I - V G D 곡선 때문에, 이미 드 결합 형성의 오른쪽 위로 이동. 양전하 아민 (파란색 선에 빨간색) 중성 청구 미드에 변환했기 때문에 현재는 감소 하였다. 마지막으로, 5'-amnimodified DNA 프로브는 APTES - 글루 타르 알데하이드 수정 장치에 결합하기 위해 도입되었다. DNA의 당 포스페이트 주쇄는 I - V G D 곡선은 n 형 FET에 음이온의 효과와 일치 오른쪽 (녹색 라인 파랑)으로 이동시킨다.

pSNWFET에 DNA / DNA 하이브리드의 검출은도 3에 도시되어있다. 조류 인플루엔자 바이러스 (AIV)를 검출하기 위해 설계된 프로브 대상, 복구 및 보적 DNA 서열 29,30 표에 나타낸다 최대 2. 10 mM의 나트륨-PB (PH 7.0)에서 얻어진 DNA 프로브 변성 pSNWFET의 I D -V G 곡선이 기준선 (블랙)을 사용 하였다. 이어서, 오후 10시 타겟 DNA는 SNW 표면에 고정화 된 DNA 프로브로 혼성화 도입하고, 상기 장치의 드레인 전류의 명확한 감소 (적색 선)이 관찰되었다. 감소 I D n 형으로 SNWFET는 SNW 표면 (포스페이트 백본으로 인한)의 증가 음전하를 암시. 회복 DNA는 타겟 DNA에 rehybridize과 DNA 프로브 (31)를 해제하도록 설계되었다. 회복 DNA가 적절히 설계된 경우보다 상보 뉴클레오티드가 두 DNA 가닥 프로브와 타겟 DNA 사이에서보다 (표 1) 사이에 사용할 수 있기 때문에, 반응이 열역학적 대상 복구 DNA 듀플렉스의 rehybridization 호의. 1 nM의 복구 DNA를 추가 (블루 라인)는 상기 타겟 DNA의 전기적 응답은 프로브의 타겟 DNA의 혼성화에 의한 것이 확인 후속 실험에 대해 재사용되는 DNA 프로브를 해방. 음성 대조군으로, DNA 보적 [AIV 아형 H5 타겟 DNA는 (100 PM)도 주입 및 DNA 프로브와 혼합하고, I D -V G 곡선 변하지 하였다. pSNWFET에 고정화 된 DNA 프로브는 보적 DNA에 영향을받지 않는다. V의 G 곡선 - 만 DNA가 I D에 상당한 변화가 발생 타겟팅 할 수 있습니다. 의 I D - V의 G 곡선은 복구 DNA와 함께 배양 한 다음베이스 라인으로 돌아갑니다.

그림 1
pSNWFET 장치 그림 1. 준비. 장치 FABRI의 (가) 계획양이온. (I) 6 인치 실리콘 웨이퍼를 100 nm 두께의 열 산화막으로 캡핑시켰다. 다음에, 50 nm 두께의 질화 및 100 nm 두께의 TEOS 층은 LPCVD를 이용하여 출발 물질로 증착 하였다. (ⅱ) TEOS 더미 구조는 정의 된 표준 리소그래피를 사용하여 형성 하였다; 이 절연 층 (산화 질화물) 게이트 유전체 역임했다. (III) 100 N 두께의 α-Si 층은 LPCVD를 이용하여 증착하고,이어서 소둔 다결정 실리콘으로 α-시를 변형 하였다. (IV) S / D 도핑이어서 인 이온 주입을 수행 하였다. (V) 측벽의 Si 채널은 표준의 리소그래피를 이용하여 자기 정렬 방식으로 형성 하였다. (ⅵ) pSNW으로 제작 된 소자 구조의 상위 뷰입니다. (b)는 pSNWFET 바이오 센서 칩의 광학 상. (다) 하나의 pSNWFET 장치의 SEM 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.


pSNWFET 그림 2. 표면 개질 및 검증. DNA와 DNA / DNA 하이브리드의 (a)는 제도면의 작용. (b) 상기 고정화 DNA 프로브의 순차 단계적으로 표면 개질을 수행 한 실리콘 웨이퍼 (샘플링 깊이 = 7.5 ㎚)에서 C1S, O1s의 한 N1S 신호의 XPS 스펙트럼. 고해상도 스펙트럼을 수득하고, 총 에너지 분해능은 0.1 eV로 설정 하였다. (c) 상기 표면 개질의 각 단계에서 다양한 pH 값에서 실제 - 시간 곡선; 10 mM의 나-PB는 다음과 같은 순서로 주입 : pH가 7.0 → pH가 6.0 → pH가 5.0 → pH가 4.0 → pH가 3.0 → pH가 4.0 → pH가 5.0 → pH가 6.0 → pH가 7.0 → pH가 8.0 → pH가 9.0 → pH가 8.0 → pH가 7.0 . (라) 평균 conduc표면 개질의 각 단계 다음 3.0 내지 10 mM의 나트륨 PB-9.0로 pH 값에서 tance. (마) 전기 특성 (I D - V BG 표면 개질의 각 단계에서 pSNWFET의 곡선). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
pSNWFET 그림 3. DNA의 바이오 센싱는. DNA를 프로브 수정 pSNWFET의 I D -V G 곡선은 10 밀리미터 나-PB (PH 7) (검은 선)을 얻었다. 의 I D -V G 곡선 프로브의 하이브리드를 다음과 DNA (레드 라인)을 대상으로는 10m와 오후 10시 타겟 DNA와 세척을 도입 얻었다M 나-PB (PH 7). 한 DNA 프로브 (파란 선)은 타겟 DNA를 제거하는 1 나노 회복 DNA를 추가로 회수 하였다. 보적 DNA는이 실험 (녹색 라인)에서 음성 대조군으로 사용 하였다.

바이오 대상 감광도 수정 같은 유형 참고
pH를 단일 (35)
낭포 성 섬유증 ΔF508 3 기지 삭제 단일 9
인플루엔자 A 단일 바이러스 단일
ATP 감지 100 μM의 단일
텔로 머라 아제 10 헬라 세포 단일 (14)
PSA / CEA / 점액-1 <1.4 / 5분의 2 pg / ml 인 단일 N / P (14)
신경 신호 단일 N / P 4
칼슘 2 + 100 nm의 단일 (5)
세균 독소 (SEB) 10 FM 폴리 (7)
도파민 1 FM 폴리 8
트로포 닌-T 1 FG / ㎖ 단일 (19)
혈관 내피 성장 인자 1.04 / 0.104 nM의 단일 N / P (18)
BRAF V599E 1베이스 불일치 단일 (11)
1 FM 폴리 (10)
아비딘 / 스트렙 타비 딘 1.48 ㎚ / 167 FM 폴리 (37)
칼슘 / 트로포 닌 I 1 μM / 7 nM의 단일 6
뎅기열 혈청 형이 RNA <10 FM 단일 (12)
캠 단백질 키나제 발현 세포 용 해물 단일 (16)
기질 금속 -2- 100 FM 단일 (15)
마이크로 RNA (은 miR-21 /은 miR-205) 1 zeptomole (약 600 부) 단일 (13)
혈관 내피 성장 인자 1.25 pg / ml 인 폴리
인간의 갑상선 자극 호르몬 오후 12시 11분 단일 (20)
아포 지단백 II 단백질 6.7 pg / ml 인 폴리 (17)
인터루킨 8 / 종양 괴사 인자 α 10 FG / ㎖ 단일 (22)

biotargets 표 1. 일부 목록 SNWFET 장치를 사용하여 조사 하였다.

올리고 뉴클레오티드 순서
AIV H1 5'- aminomodified 프로브 DNA 5'-NH-C6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 '
AIV H1 타겟 DNA 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 '
AIV H1 복구 DNA 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 '
비 상보적인 DNA (AIV H5 대상 DNA) 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 '

합성 올리고 뉴클레오티드의 표 2. 시퀀스.

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Discussion

하향식 상용화 및 상향식 (bottom-up) 제작은 sSNWFETs에 대한 때문에 비용 32, 33, SNW 위치 제어 34, 35, 및 낮은 생산 규모 36의 어려운 간주됩니다 접근한다. 반면, pSNWFETs를 제작하는 것은 간단하고 저렴한 비용으로 37입니다. 측벽 스페이서 형성 기술 (도 1)과 하향식 접근 및 조합을 통해, SNW의 크기는 반응성 플라즈마 에칭 시간을 조정함으로써 제어 할 수있다. 도 1a에 도시 된 pSNWFET의 나노 와이어를 제조하기위한 절차를 쉽게 상업적 반도체 설비에 적용 할 수있다. 따라서 pSNWFETs 비용 효율성, 간단한 구성 기법과 호환 CMOS 제조 공정 등 여러 가지 장점을 가지고있어 바이오 센서에 적용될 수있다.

반도체 장치의 제조는 대조적으로, 프로세스는 잘 정의 콤rcial 시설, 장치의 바이오 프로브의 고정화는 각각의 특정 응용 프로그램에 따라 다를 수 있습니다. SNW 표면에 DNA 프로브의 고정화는 예를 들어도 2a에 도시되어있다. 항체, 앱 타머 및 효소와 같은 다른 bioprobes은 또한 다른 표적을 검출하기위한 SNW 표면에 고정화 될 수있다. 다음 단계는 성공적으로 DNA 프로브를 고정하기위한 중요하다. 우리의 프로토콜에서, AS-pSNWFET 제조 장치는 세정, 산소 플라즈마로 처리 한 다음에 SNWs 아민 그룹을 생성하는 APTES / 에탄올 용액에 침지. 다음으로, 소자 표면에 알데히드기를 만들 글루 타르 알데히드 용액에 침지된다. 이 그룹은 나중에 5'-aminomodified DNA 프로브에 결합된다. 가교제 분자 및 바이오 프로브 사이 다단계 접속사는 바이오 센서에 반도체 소자를 변형 할 필요 하였다. 따라서, 모든 단계가 성공적인지 확인하기 위해 중요하다. 각 단계에서DNA 프로브 고정화, XPS 분석 및 표면의 조성 및 화학 제를 확인하기 위해 사용되었다. 도 2b에 도시 된 바와 같이, 탄소, 산소, 질소의 원자 농도는, 각각의 XPS 피크 검사에 기초하여 결정 하였다. DNA의 프로브의 첨가시, 가장 주목할만한 변화가 탄소 및 질소의 농도가 증가 하였다. 증가하는 경향은 DNA 프로브 고정화 과정의 각 단계에서 탄소와 질소 농도에서 관찰되었다. 네이티브 수산기 표면 개질을 포함 되었기 때문에, 산소 농도는 절차 동안 감소 하였다. 이 결과는 DNA 프로브는도 2C, DE에 도시 된 바와 같이, 전기 특성의 변화에 일치하는, 고정화 한 것으로 나타났다. 상기 절차는 실패 표면 개질의 경우 문제 해결에 유용합니다. 그러나 보통 w 별도에서 수행Afer 즉 나노 와이어 표면에 유사한 재료로 코팅. 다음 단락에 설명 된대로 수정 된 디바이스의 전기적 특성의 변화의 직접적인 증거는 장치에서 표면 개질의 결과를 확인하기 위해 필요하다.

직접 FET 디바이스 표면의 변화를 모니터링하기 위해 가장 많이 사용되는 방법 중 하나는도 2DD에 도시 한 바와 같이, pH를 감지한다. 다른 표면 변형이 크게 다른 환경 하에서 pSNWFET의 표면 전위에 영향을 미치는 상기 SNW 표면 전하의 변화를 초래한다. 우리는 SNW 표면의 작용기에 대응하는 컨덕턴스의 변화를 검출하는 넓은 범위의 pH 완충액을 사용 하였다. 기계론 관점에서, (수소 이온의 증가)의 pH 변화와 컨덕턴스의 증가는 accumulati 통해 N 형 FET "온"양의 표면 전하의 증가와 일치전자의에. pSNWFET의 컨덕턴스에 실시간 전기 응답은 3.0에서 9.0 범위의 pH 값을 버퍼 용액으로 측정 할 수있다. 이 보고서에 기술 된 방법은 반도체 기반의 센서는 바이오 센싱 응용 프로그램에 대한 준비가되어 있는지 여부를 검사하는 데 유용합니다.

도 2E는 상기 장치의 전기적 특성의 직접 측정을 통해 표면 개질의 결과를 결정하기위한 편리한 방법을 도시한다. D는 I 변화 -도 2E에 도시 G V 곡선은 SNW 표면에 DNA 프로브 고정화의 각 단계와 일치한다. 결과에 따르면, pSNWFETs 직접 바이오 프로브 고정화의 각 단계의 순서를 확인하기 위해 사용될 수있다. 이 결과는 또한 수정 된 pSNWFET는 바이오 센싱 응용 프로그램에 대한 준비가되어 있음을 나타냅니다. 이러한 절차는 때 고정화 procedur 특히 유용하다에스가 잘 확립되어있다. pSNWFET 기반 바이오 센서의 기능은 예를 들어 (도 3) AIV 아형 H1의 DNA를 검출함으로써 조사 하였다. 프로브와 타겟 DNA를 사용하기 때문에 DNA 분자가 쉽게 원하는 DNA 서열을 얻기 위해 사용할 수있는 기술의 안정성 신규 한 바이오 센서의 개발을 설명하기에 적합하다. 음성 대조군으로서 보적 DNA를 사용하여 또, 회수 시스템과 pSNWFET의 DNA 혼성화를 설명했다. 새로운 시스템 또는 새로운 바이오 센싱 장치가 실험에 사용되는 경우에 특히 유용하다. 많은 단계가 디바이스 제조에서 바이오 센싱 애플리케이션 프로세스에 관여한다. 각 단계는 최종 결과에 영향을 미친다. 또한, 위양성 또는 위음성 결과는 일반적으로 인해 바이오 센싱 환경의 복잡성의 바이오 센싱 실험에서 얻을 수있다. 따라서, 제어 된 실험은 중요하고, 본 연구에서 입증 복구 시스템 크게 할 수 FACILitate 실험 결과 방해 예기치 요소를 식별.

현재 사용 pSNWFET 기반 바이오 센서의 주요 제한은 pSNWFET 장치의 가용성 및 측정에 사용되는 장비이다. 그러나, 이들 두 가지 제한을 쉽게 조만간 극복 될 수있다. SNWFETs 많은 유형이 문헌에보고되었다. 본 연구에서 보여준 pSNWFET 이미 표준 반도체 프로세스를 이용하여 제조되는 상업적 대량의 웨이퍼 제조 공정에 사소한 조정을 제조 할 수있다. 이 연구에서 측정에 사용되는 계기는 표준 반도체 칩 분석기였다. 이 장치에 설치된 적절한 집적 회로를 휴대용 기기 설계 및 현재 전자 기술을 사용하여 제조 될 수 있다는 것을 의미한다.

결론적으로, 우리는 pSNWFET에 DNA 검출 용의 전체 절차를 설명한다. immob 때문에ilization 과정은 이러한 프로토콜은 단계별 바이오 프로브 고정화의 확인 및 DNA의 바이오 센싱 애플리케이션을위한 디바이스의 준비를 제공 효과적으로 생체 분자를 검출하는 바이오 센서의 기능에 영향을 미친다. 비슷한 절차는 조정이 필요하는 많은 유사한 바이오 센싱 애플리케이션에 대해이 보고서에서 적용 할 수 있습니다. 이 보고서는 또한 확인 및 바이오 프로브 및 장치 표면 수정의 고정의 문제 해결을 위해 프로토콜을 설명합니다. 다양한 바이오 센서에 대한 수요가 증가하고있다. 이 보고서에 기술 된 방법은 준비하고 반도체 기반의 바이오 센서를 개발하기위한 적절한 기준입니다.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone ECHO AH-3102
(3-Amonopropyl)triethoxysilane (APTES), ≥98% Sigma-Aldrich A3648 Danger
Ethanol, anhydrous, 99.5% ECHO 484000203108A-72EC
Glutaraldehyde solution (GA), 50% Sigma-Aldrich G7651 Avoid light
Sodium cyanoborohydride, ≥95.0%  Fluka 71435 Danger and deliquescent
Sodium phosphate tribasic dodecahydrate, ≥98% Sigma 04277
Phosphoric acid, ≥99.0% Fluka 79622 Deliquescent
Photoresist (iP3650) Tokyo Ohka Kogyo Co., LTD THMR-iP3650 HP
Synthetic oligonucleotides, HPLC purified Protech Technology
Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris), ≥99.8% USB 75825
Keithley 2636 System SourceMeter Keithley
SR830 DSP Lock-In Amplifier Stanford Research Systems
SR570 Low-noise Current Preamplifier Stanford Research Systems
Ni PXI Express National Instruments

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References

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Wu, J. Y. S., Lin, C. H., Feng, M.More

Wu, J. Y. S., Lin, C. H., Feng, M. H., Chen, C. H., Su, P. C., Yang, P. W., Zheng, J. M., Fu, C. W., Yang, Y. S. Preparation of Silicon Nanowire Field-effect Transistor for Chemical and Biosensing Applications. J. Vis. Exp. (110), e53660, doi:10.3791/53660 (2016).

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