Introduction
シリコンナノワイヤ電界効果トランジスタ（SNWFETs）は、超高感度の利点と環境電荷変動に直接的な電気的応答を有します。負（または正に）帯電した分子は、シリコンナノワイヤー（SNW）に近づくときに、例えばn型SNWFETsにおいて、SNW内のキャリアが枯渇（又は蓄積）されています。その結果、SNWFETの導電率が減少（または増加）1。したがって、SNWFET装置のSNW面付近に荷電分子を検出することができます。細胞表面上の酵素、タンパク質、ヌクレオチド、および多くの分子を含む重要な生体分子は、電荷キャリアであり、SNWFETsを用いてモニターすることができます。特にSNWの生体分子プローブを固定化する適切な改変、で、SNWFETはラベルフリーバイオセンサーへと発展することができます。
バイオマーカーを用いたサーベイランスは、疾患を診断するために重要です。 表1に示すように 、いくつかの研究はNWFE使用していますTベースの無標識、超高感度バイオセンサ、及び図3に示すように、神経信号4を結合する単一のウイルス2、アデノシン三リン酸、およびキナーゼを含む種々の生物学的標的のリアルタイム検出、金属イオン5,6、細菌毒素7、ドーパミン8、DNA 9-11、RNA 12,13、酵素と癌バイオマーカー14-19、ヒトのホルモン20、およびサイトカイン21,22。これらの研究は、NWFETベースのバイオセンサーは、溶液中の生物学的および化学種の広い範囲のための強力な検出プラットフォームを表していることを実証しました。
SNWFETベースのバイオセンサでは、デバイスのSNW表面上に固定化されたプローブは、特定のbiotargetを認識する。バイオプローブを固定化することは、通常の一連の工程を含み、すべてのステップが正常にバイオセンサーの適切な機能を確保するために行われることが重要です。様々な技術は、Sを分析するために開発されていますX線光電子分光法（XPS）、エリプソメトリー、接触角測定、原子間力顕微鏡（AFM）、走査型電子顕微鏡（SEM）を含むurface組成物。このようなXPS、エリプソメトリー、および接触角測定などの方法が他の同様の材料で行わ平行実験に依存しているのに対し、このようなAFMやSEMなどの方法は、ナノワイヤデバイス上のバイオプローブの固定化の直接的な証拠を提供します。本稿では、2つの独立した方法を用いて、各変更ステップの確認を説明します。 XPSは、シリコンウェーハ上の特定の原子の濃度を調べるために使用され、デバイスの電気的特性の変化を直接SNW表面上の電荷の変化を確認するために測定されます。我々は、このプロトコルを説明する例として、多結晶SNWFETs（pSNWFETs）を用いてDNAのバイオセンシングを使用します。 SNW表面にDNAプローブを固定するには、3つの手順を実行します。SNW、アルのネイティブヒドロキシル表面上のアミン基修飾をアルデヒド基の修飾、及び5'-アミノ修飾DNAプローブの固定化。表面電荷はチャネル電流とコンダクタンス1を変えるゲート誘電体上にローカル界面電位変化を引き起こすので、各修正ステップにおいて、デバイスは、直接、SNW表面上に固定化された官能基の電荷の変化を検出することができます。電気pSNWFETデバイスの電気的特性を調節することができるSNW面を囲む電荷。従って、SNWの表面特性はpSNWFETデバイスの電気的特性を決定する際に重要な役割を果たしています。報告された手順では、SNW表面にバイオプローブの固定化は、直接決定することができ、電気的測定によって確認され、デバイスがバイオセンシング応用のために準備されます。
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Protocol
1.作製とpSNWFETデバイスの保全
- デバイス製造
注：pSNWFETは以前23,24を報告されたように、側壁スペーサ技術を用いて作製しました。- ゲート誘電体層を準備します。
- 膜厚100nmの熱酸化膜 （SiO 2）（4時間980℃でO 2およびH 2処理ガス）湿式酸化プロセス25を用いて、Si基板上に層をキャップ。
- 4時間980℃で低圧化学蒸着（LPCVD）25を使用して、膜厚50nmの窒化シリコン（Si 3 N 4）層を堆積させます。
- 4時間780℃でLPCVD 25を使用することにより膜厚100nmのテトラエチルオルトシリケート（TEOS）層を堆積させます。
- 酸化ダミー構造を定義するために、I線ステッパを使用して、標準的なリソグラフィを行います。
- コート830 nmの厚さのフォトレジスト層を有するウェハ表面。
- 私I線ステッパーにパターン定義のフォトマスクをnsert。
- 室温で1980 Jの強度で：I線ステッパー（波長365nm）を使用して露出を処理します。
- 5分間の現像液内のウェハを開発します。
- 誘導1分間のHBrおよびClプラズマガスをプラズマエッチャー25結合標準を使用して、等方性エッチング処理を行います。
- LPCVD 25を使用することにより、厚さ100nmのアモルファスシリコン（α-Si）層を堆積させます。
- 多結晶構造の中にα-Siから変換するために24時間N 2雰囲気中で600℃でのアニール工程を行います。
- 低エネルギーのソース/ドレイン（S / D）のドーピングを介してインプラントリンイオン（5E 15 cm -2で）25。
- poly-Si層を除去し、ポリシリコンナノワイヤー（pSNW）25を形成するために、I線ステッパを使用して、標準的なリソグラフィを行います。
注：DOPを移植するステップ1.1.3を繰り返し、アリポリSi除去とS / D領域以外の場所で自己整合的にサイドウォールのSiチャネルを形成します。 - 5時間25 780℃でのLPCVDを用いて不動態化プロセス（200nmの厚さのTEOS酸化膜 ）を行います。
- 二段階のドライ/ウェットエッチングプロセスを用いて、ナノワイヤ・チャネル、およびフォームのテストパッドを露出させるために、I線ステッパを使用して、標準的なリソグラフィを行います。
- 手順を繰り返し1.1.3。
- ウェットエッチング処理を行う（DHF：HF / 1分間のH 2 O）。
- ゲート誘電体層を準備します。
- ウエハの保存
- 真空保管袋にウェハを密封し、電子ドライキャビネット（室温で相対湿度<40％）に保管してください。
デバイスの2.前処理
- デバイスの洗浄
- 純粋なアセトンでデバイスをすすぎます。
- 超音波処理（46 kHzで、80 W）10分間、純粋なアセトン中のデバイス。 <LI>超音波処理（46 kHzで、80 W）5分間純エタノール（99.5％）でデバイス。
- ブロードライ装置の表面を窒素で。
- 30秒18 WでO 2プラズマでデバイスを扱います。
デバイス表面上のDNAプローブの3固定化
- アミン基の修飾
- 30分間、2.0％（3-アミノプロピル）トリエトキシシラン（APTES）/エタノール溶液中に装置を浸します。
- エタノールで3回装置を洗浄し、その後、超音波処理（46 kHzで、80 W）10分間、エタノール中のデバイス。
- SNWsのアミン基を作成するために10分間、120℃のホットプレート上でデバイスを加熱します。
- アルデヒド基修飾
- 表面にアルデヒド基を作成するために、室温で1時間、12.5％のグルタルアルデヒドでデバイスを浸します。光暴露を避けます。
- デバイスのウィットを洗いますその後、3回およびブロー乾燥装置の表面を窒素で、H 10 mMリン酸ナトリウム緩衝液（pH 7.0のNa-PB）。
- DNAプローブを固定化
- 一晩、1μMDNAプローブを含有する溶液中にデバイスを浸します。
- 未反応のアルデヒド基をブロックするために30分間、4.0ミリモルのNaBH 3 CNと10mMトリス緩衝液（pH8.0）でデバイスを浸します。
- Na-PB（pH7.0）で3回装置を洗浄し、その後ブロードライ装置の表面を窒素で。
pSNWFET上の表面改質の4確認と分析
- 表面改質の各ステップ以下pHプロファイル
- pHが3.0から9.0での10mMのNa-PBを準備します。
- 脱イオン水（pHは11.60）で10 mMのリン酸ナトリウム三塩基十二（のNa 3 PO 4）を準備します。
- 脱イオン水中の10 mMのリン酸（H 3 PO 4）を調製（pHは2.35）。
- 10mMののNa 3 PO 4緩衝液500ml中にpH電極を配置し、3.0、4.0、5.0のpH値でバッファを得るために、pH値を測定しながら、10mMのH 3 PO 4緩衝液の異なるボリュームでこの溶液を混合、6.0 、7.0、8.0、および9.0。
- ACコンダクタンス測定
注：測定回路は、液体ゲート電極として役立っ小さなAC信号発生器とAuマイクロワイヤを含んでいました。- 各改質工程での測定26のための最適な液体ゲート電圧（V LG）を決定し （2.2、3.1、3.2、および3.3ステップ）。
注：デバイスの電気的特性を、このセクションで説明するようにSNW上の4つの表面改質を測定した後。ステップ2.2において、自然酸化物層を含む未修飾pSNWFETが変更されます。 APTESのアミン基を有する装置を変更する3.1伴うステップ。ステップ3.2は非荷電での修飾を含み、グルタルアルデヒドの官能基;ステップ3.3は、DNAプローブの修飾を含みます。- SNWとの直接接触のための：10mMのNaをPB（pH7.0）に、シリンジポンプを使用して、SNW表面にソリューションを提供し（5.0ミリリットル/時間の流速）。
- 0.80から1.30 VにV LGを掃引しながら、デバイスのリアルタイムのコンダクタンスを測定します
- 室温でロックイン技術27を使用することによりコンダクタンス測定を行います。
- AC電流信号は、低ノイズ電流プリアンプを使用することにより、交流電圧信号に変換します。
- 0.80から1.30 V（間隔= 0.02 V）にV LGを増やす時にコンダクタンス（G）上のデータを収集します。
- 装置26の最適なV LG（最も敏感なV LG）を決定します 。
- 曲線の方程式を得るために、ステップ4.1.2.1.2.3からGV LG曲線をプロットします。
- DIF式をferentiate、およびV LGの各点の値を計算します。
- Gでステップ4.1.2.1.3.2から値を割り、および最大数に応じた最適なV LGを決定します 。
- 表面改質の各段階でのpHプロファイルをリアルタイムでコンダクタンスを測定します。
- 室温でロックイン技術27を使用することによりコンダクタンス測定を行います。
- 低ノイズ電流のプリアンプを使用して、交流電圧信号に交流電流信号に変換します。
- V LG：表面改質（ステップ2.2の各ステップに最適なV LGを設定します。 = 1.02、ステップ3.1：V LG = 0.98、ステップ3.2：V LG = 0.98、およびステップ3.3：V LG = 1.0）。
- 5.0ミリリットル/時間：SNW表面に3.0から9.0へのpH値を有する10mMののNa-PB溶液（流量を配信）、0.01 Vのドレイン電圧でのコンダクタンスのデータを収集します
- 各改質工程での測定26のための最適な液体ゲート電圧（V LG）を決定し （2.2、3.1、3.2、および3.3ステップ）。
- pHが3.0から9.0での10mMのNa-PBを準備します。
- 表面改質の各ステップ以下の10mMのNa-PB（pHは7.0）でのデバイスの電気的特性（I D -V BG曲線 ）の測定（2.2、3.1、3.2、および3.3を繰り返します。）
注：デバイスの電気的特性をSNW上の4つの表面改質を測定した後：ステップ2.2で、自然酸化物層を含む改変されていないpSNWFETが変更されました。ステップ3.1は、APTESのアミン基を持つデバイスを変更することです。ステップ3.2は、グルタルアルデヒドの非荷電官能基による修飾を伴います。ステップ3.3は、DNAプローブの修飾を伴います。- SNWとの直接接触のため：シリンジポンプを使用して（5.0ミリリットル/時流量）（2.2、3.1、3.2、および3.3ステップ）を10mMのNa-PB（pH7.0）でSNW表面へのソリューションを提供します。
- I Dを測定します
- 「nMOSFETの "モードを選択します。
- モジュール- "V BG I D」を選択します。
注：I Dは、ドレイン/ソース電流であり、V BGはバックゲート電圧です。 - -1 3.0 V（間隔= 0.2 V）にゲート電位（V BG）を掃引しながら一定のバイアス電圧（V D = 0.5 V）を設定します。
- V BG曲線 - I Dを得るために、Runアイコンをクリックします。
5. DNAバイオセンシング
注：典型的な実験では、I D - V B G曲線はさらなる変動はOBSEされていないことを確認するために、3回に決定されますrved。
- ベースラインの決意
- シリンジポンプ（流量：5.0ミリリットル/時間）を用いて10分間DNAプローブを固定化SNW表面への10mMのNa-PB液（pH7.0）を供給し、次いで30分間SNWインキュベートします。
- デバイスのI Dを （ステップ4.2.2を繰り返し）を測定します。
- DNA / DNAハイブリダイゼーションの検知
- シリンジポンプを用いて10分間DNAプローブを固定化SNW表面上に負荷10 pMの相補的標的DNAは（流速：5.0ミリリットル/時間）、その後30分間SNWインキュベートします。
- 未結合のターゲットDNAを洗浄する：シリンジポンプを用いて10分間SNW表面上の10mMのNa-PB液（pH 7.0）を提供（5.0ミリリットル/時間の流速）。
- デバイスのI Dを測定するための手順を繰り返し4.2.2。
- DNA / DNAハイブリダイゼーションのシグナルを再確認。
- トンへの負荷1 nMの回復DNA彼はDNAシリンジポンプを用いて10分間SNW表面をプローブ固定化（流速：5.0ミリリットル/時間）、その後30分間SNWインキュベートします。
- シリンジポンプ（5.0ミリリットル/時間の流速）を使用して10分間SNW表面上の10mMのNa-PB液（pH 7.0）を配信します。
- デバイスのI Dを測定するための手順を繰り返し4.2.2。
- 負の制御
- シリンジポンプを用いて10分間DNAプローブを固定化SNW表面上に負荷100 pMの非相補的DNAは、（流速：5.0ミリリットル/時間）、その後30分間SNWインキュベートします。
- シリンジポンプ（5.0ミリリットル/時間の流速）を使用して10分間SNW表面上の10mMのNa-PB液（pH 7.0）を配信します。
- デバイスのI Dを測定するための手順を繰り返し4.2.2。
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Representative Results
種々 SNWFETsは、バイオセンサー（ 表1）の変換器として機能することが報告されています。単結晶SNWFETs（sSNWFETs）とpSNWFETsは、水溶液中の変換器と同等の電気特性を示し、両者は多くのバイオセンシング用途を有することが報告されています。本研究で使用pSNWFET装置の有利な特徴は、簡単かつ低コストな製造手順である。 図1aは pSNWFETの製造に関与する重要なステップを示しています。 6インチウェハ（ 図1b）と単一デバイスのSEM像（ 図1c）からのダイの光学像（2 SNWs、約100幅ナノメートル、長さ1.6μm）を得ました。
図2aは、SNW表面上のDNAプローブの固定化の手順を示す図です。各修飾工程はXPS（ 図2Bを用いて確認しました。 図2c、d）のためのpHプロファイルは、SNWの表面改質の様々な段階で示されています。増加するpH値（黒線）と- SNW表面の自然酸化膜 を含む未修飾pSNWFETについては、水酸基（-OH）は、荷電基（-O）を形成するためにイオン化されました。 9.0 pH6.0のコンダクタンスの減少は、ヒドロキシル基の酸解離定数（PK A）が約7.0に設定することができることを示しています。コンダクタンスは、おそらく1デバイス特性に影響を与えるため、イオン強度の増加により6.0にpHを3.0に増加させます。 APTESの変更の後、APTESで修飾されたデバイスのコンダクタンスに対する応答が高いバリエーション（赤線）を示しました。 APTESのアミン基（ のpKa = 4.0）は、正の電荷28を生成するために低いpHでプロトン化することができます。したがって、SNWコンダクタンスは、pH値の離散的な変化で減少しました9.0から3.0から。 SNWは、グルタルアルデヒドで修飾した後、応答が3.0から9.0の範囲のpH（青線）でコンダクタンスのために比較的安定していました。これは、pH環境の変化に鈍感である非荷電の官能基に起因し得ます。負に帯電したDNAプローブを固定化した後最後に、コンダクタンスが少しpH値（緑線）の増加に伴って減少しました。
異なる修飾を有するデバイスの電気特性のシフト（ 図2eは ）SNW表面の変化を確認します。このような実験において、未修飾pSNWFETのI D -V G曲線は、ベースライン（黒線）として使用しました。 SNWはAPTESに浸漬した後、デバイスのI D -V G曲線が原因SNW表面コー上の正電荷の左側（現在の増加）にシフトAPTES（赤線に黒）上のアミノ基によって編。 APTESで修飾されたデバイスへのグルタルアルデヒドの結合した後、I D -V G曲線が原因イミド結合形成の右にシフトバック。正に帯電したアミンは（青線赤）中性に荷電イミドに変換されたため、現在は減少しました。最後に、5'- amnimodified DNAプローブは、APTES-グルタルアルデヒドで修飾されたデバイスにバインドするために導入されました。 DNAの糖-リン酸骨格は、I D -V G曲線はn型FETにマイナスイオンの効果と一致している右端（緑色の線に青）、にシフトさせます。
pSNWFETのDNA / DNAハイブリダイゼーションの検出は、 図3に示されている。トリインフルエンザウイルス（AIV）を検出するために設計されたプローブ、標的、回収、および非相補的DNA配列29,30 表2に示す。の10mMのNa-PB（pH7.0）中で得られたDNAプローブ修飾pSNWFETのI D -V G曲線は、ベースライン（ブラック）として用いました。その後、10 pMの標的DNAは、SNW表面上に固定化されたDNAプローブとハイブリダイズするために導入された、デバイスのドレイン電流の明確な減少は（赤線）が観察されました。減少したI D n型でSNWFETはSNW表面上（リン酸骨格に起因する）増加し、負の電荷を暗示しました。回復DNAは、標的DNAとrehybridizeとDNAプローブ31を解放するために設計されました。回復DNAが適切に設計されている場合より多くの相補的ヌクレオチドは、プローブと標的DNAとの間よりも、これら2つのDNA鎖（ 表1）の間で利用可能であるので、反応は熱力学的に、ターゲット回収DNA二重鎖の再ハイブリダイゼーションに有利に働きます。 1 nMの回復DNAの追加（青線）さらに、標的DNAの電気的応答は、プローブ - 標的DNAのハイブリダイゼーションによるものであり、その後の実験のために再利用可能なDNAプローブを、解放されていることを確認しました。ネガティブコントロールとして、非相補的DNA [AIV亜型H5標的DNA]（100ピコモル）も注入し、DNAプローブと混合し、I D -V G曲線は変化しないままでした。 pSNWFET上に固定化されたDNAプローブは、非相補的DNAに鈍感です。 V G曲線 - DNAのみがI Dでかなりのシフトを引き起こすターゲットにしています。 I D - V G曲線は回復DNAとのインキュベーションを以下のベースラインに戻ります。
pSNWFETデ バイスの 図1. 準備。デバイスファブリの（a）のスキームカチオン。 （I）6インチのSiウェハを100nmの厚さの熱酸化膜でキャップしました。次に、厚さ50nmの窒化物及び厚さ100nmのTEOS層がLPCVDを使用しての出発材料として堆積させました。 （ii）のTEOSダミー構造が定義され、標準的なリソグラフィを用いて形成しました。 2絶縁体層（酸化物や窒化物）は、ゲート誘電体を務めました。 （iii）は100-Nの厚さα-Si層は、LPCVDを用いて堆積させ、アニールは、その後、多結晶シリコン中にα-Siから変換するために行きました。 （iv）のS / Dドーピングは、次いでリンイオン注入により実施しました。 （v）の側壁のSiチャネルは、標準的なリソグラフィを用いて自己整合的に形成されました。 （VI）pSNWで製造されたデバイス構造の上面図。 （B）pSNWFETバイオセンサチップの光学像。 （c）は 、単一のpSNWFETデ バイスのSEM像。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
pSNWFET上 図2. 表面改質と検証。DNAおよびDNA / DNAハイブリダイゼーションの表面官能の（a）のスキーム。 （B）固定化されたDNAプローブの逐次段階的な表面改質を行ったシリコンウェーハ（サンプリング深さ= 7.5 nm）と、からのC1s、O1sのとはN1sシグナルのXPSスペクトル。高分解能スペクトルが得られ、全体的なエネルギー分解能は0.1 eVのに設定しました。 （C）表面改質の各ステップで、様々なpH値でのリアルタイム曲線。 10mMののNa-PBは、次の順序で注入した。→pH7.0のpHを7.0→pHを6.0→pHを5.0→pHが4.0→pHが3.0→pHを4.0→pHを5.0→pHが6.0→pHを7.0→pHを8.0→pHを9.0→pHは8.0 。 （d）の平均conduc表面改質の各工程後3.0から10mmのNa-PBで9.0にpH値でタンス。 （e）の電気的特性（I D - V BG 表面改質の各ステップでpSNWFETの曲線）。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
pSNWFETの図3のDNAバイオセンシング。DNAプローブ修飾pSNWFETのI D -V G曲線を、10mMのNa-PB（pHが7）（黒線）で得られました。 I D -V G曲線プローブのハイブリダイゼーション後およびDNA（赤線）を標的とする10 pMの標的DNAを導入し、10 mは、それを洗浄することによって得ました。MのNa-PB（pHが7）。 DNAプローブ（青線）は、標的DNAを除去するために、1 nMの回収DNAを添加することによって回収しました。非相補的DNAは、この実験（緑色の線）で陰性対照として使用しました。
| バイオターゲット | 感度 | 結晶質の | タイプ | 参照 |
| pHは | シングル | P | 35 | |
| 嚢胞性線維症のΔF508 | 3塩基の削除 | シングル | P | 9 |
| インフルエンザA | 単独ウイルス | シングル | P | 2 |
| ATPセンシング | 100ピコモル | シングル | P | 3 |
| テロメラーゼ | 10 HeLa細胞 | シングル | P | 14 |
| PSA / CEA /ムチン-1 | <1.4 / 2月5日pg / mlで | シングル | N / P | 14 |
| ニューロン信号 | シングル | N / P | 4 | |
| Ca 2+ | 100 nMの | シングル | n個 | 5 |
| 細菌毒素（SEB） | 10 fMの | ポリ | P | 7 |
| ドーパミン | 1のfM | ポリ | n個 | 8 |
| トロポニンT | 1 FG / mlの | シングル | n個 | 19 |
| 血管内皮増殖因子 | 1.04 / 0.104 nMで | シングル | N / P | 18 |
| BRAF V599E | 1塩基ミスマッチ | シングル | n個 | 11 |
| 1のfM | ポリ | n個 | 10 | |
| アビジン/ストレプトアビジン | 1.48 nMの/ 167のfM | ポリ | n個 | 37 |
| Ca 2+ /トロポニンI | 1μM/ 7 nMで | シングル | P | 6 |
| デング血清型2 RNA | <10 fMの | シングル | n個 | 12 |
| CaMタンパク質キナーゼ | 細胞溶解物を発現し | シングル | P | 16 |
| マトリックスメタロプロテアーゼ-2 | 100 fMの | シングル | P | 15 |
| マイクロRNA（のmiR-21 /のmiR-205） | 1ゼプトモル（ 約 600コピー） | シングル | P | 13 |
| 血管内皮増殖因子 | 1.25 pg / mlで | ポリ | n個 | |
| ヒト甲状腺刺激ホルモン | 0.11 pMで | シングル | n個 | 20 |
| アポリポタンパク質A IIタンパク質 | 6.7 pg / mlで | ポリ | n個 | 17 |
| インターロイキン8 /腫瘍壊死因子α | 10 FG / mlの | シングル | n個 | 22 |
生体標的の表1の部分リストはSNWFETデ バイスを使用して検討しました。
| オリゴヌクレオチド | シーケンス |
| AIV H1 5'-アミノ修飾プローブDNA | 5'-NH 2 -C 6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 ' |
| AIV H1標的DNA | 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 ' |
| AIV H1回復DNA | 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 ' |
| 非相補的DNA（AIV H5標的DNA） | 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 ' |
合成オリゴヌクレオチドの表2の配列。
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Discussion
トップダウンとボトムアップの製造はsSNWFETsためのアプローチ商業化するため、そのコスト32,33、SNW位置制御34,35、およびその低生産規模36のために困難であると考えられます。これとは対照的に、pSNWFETsを製造することは簡単で低コスト37です。側壁スペーサ形成技術（ 図1）と、トップダウンアプローチと組み合わせて、SNWの大きさは、反応性プラズマエッチングの時間を調整することにより制御することができます。 図1aに示さpSNWFETのナノワイヤを製造するための手順は、容易に商業的な半導体設備に適合させることができます。したがって、pSNWFETsは、費用対効果、簡単な構成技術、およびCMOS互換製造プロセスを含むいくつかの利点を有し、したがって、バイオセンシングに適用することができます。
半導体デバイスの製造とは対照的に、プロセスは、十分に定義されたCOMMErcial施設、デバイス上のバイオプローブの固定化は、各特定のアプリケーションに対して異なる場合があります。 SNW表面上のDNAプローブの固定化は、例として、図2aに示されています。そのような抗体、アプタマー、および酵素のような他のバイオプローブは、異なる標的を検出するためのSNW表面上に固定化することができます。次の手順は、正常DNAプローブを固定化するために重要です。我々のプロトコルでは、のように製作pSNWFET装置を洗浄して、酸素プラズマで処理し、次いでSNWs上のアミン基を作成するAPTES /エタノール溶液に浸漬しました。次に、デバイスは、表面にアルデヒド基を作成するためにグルタルアルデヒド溶液に浸漬します。これらのグループは、後に5'-アミノ修飾DNAプローブに結合しています。架橋剤分子とバイオプローブとの間の複数のステップの接続詞は、バイオセンサーに半導体デバイスを変換するために必要でした。このように、すべてのステップが成功したことを確認するために重要です。それぞれの段階でDNAプローブの固定化の、XPSは、表面の組成および化学的性質を分析し、確認しました。 図2bに示すように、炭素、酸素、および窒素の原子濃度は、それぞれのピークのXPSスキャンに基づいて決定しました。 DNAプローブを添加すると、最も顕著な変化は、炭素および窒素の濃度の増加でした。増加傾向は、DNAプローブを固定化手順の各段階で、炭素および窒素の濃度で観察されました。天然のヒドロキシル基は、表面改質を介して覆われるようになったので、酸素濃度は、手順の間に減少しました。これらの結果は、DNAプローブは 、 図2C、D、およびEに示すように、電気的特性の変化と一致している、固定化されたことが明らかになりました。上記の手順が失敗した表面改質の場合には、トラブルシューティングのために有用です。しかし、それらは通常、別ワット上で実行されますaferナノワイヤ表面上のものと同様の材料で被覆されています。修正されたデバイスの電気的特性の変化の直接的な証拠は、以下の段落で説明したように、デバイスの表面改質の結果を確認する必要があります。
直接FETデ バイスの表面の変化を監視するために最も頻繁に使用される方法の一つは、 図2d及び（d）に示すように、pHが検知されます。異なる表面修飾は大きく異なる環境下でpSNWFETの表面電位に影響を与える、SNW表面上の電荷の変化をもたらします。我々は、SNW表面上の官能基に対応するコンダクタンスの変化を検出するために広い範囲のpH緩衝液を使用しました。機構的観点から、変化のpH（水素イオンの増加）とコンダクタンスの増加はaccumulatiを通してn型FET」をオンに「正の表面電荷の増加と一致しています電子の上。 pSNWFETのコンダクタンスへのリアルタイムの電気的応答は、3.0から9.0の範囲のpH値を有する緩衝液中で測定することができます。この報告書に記載された方法は、半導体ベースのセンサは、バイオセンシング応用のために準備されているかどうかを調べるために有用です。
図2Eは、デバイスの電気的特性の直接測定を介して表面改質の結果を決定するための便利な方法を示す図です。 I Dの変化は、 - 図2Eに示されるV G曲線はSNW表面上のDNAプローブの固定化の各段階と一致しています。結果によると、pSNWFETs直接バイオプローブの固定化の各段階での手順を確認するために使用することができます。この結果はまた、修飾pSNWFETはバイオセンシング応用のために準備されていることを示しています。ときに固定化procedurこれらの手順は、特に有用ですエスは十分に確立されています。 pSNWFETベースのバイオセンサーの機能は、（ 図3）の例としてAIV亜型H1 DNAを検出することにより検討しました。プローブおよび標的DNAを使用するためのDNA分子と容易に所望のDNA配列を得るために利用可能な技術の安定性の新規なバイオセンサーの開発を説明するのに適しています。陰性対照として、非相補的DNAを使用することに加えて、我々は、回収システムとpSNWFETのDNAハイブリダイゼーションを示しました。新しいシステムまたは新しいデバイスがバイオセンシングの実験のために使用される場合に特に有用です。多くの工程は、デバイス製造のバイオセンシング応用の過程に関与しています。各ステップは、最終的な結果に影響を与えます。さらに、偽陽性または偽陰性の結果が通常ためバイオセンシング環境の複雑性のバイオセンシングの実験で得られました。このように、制御された実験は重要であり、本研究で実証回収システムすることができます大幅にFACILitate実験結果を妨害する予想外の因子を同定します。
現在使用されpSNWFETベースのバイオセンサーのための主な制限はpSNWFETデバイスの可用性と測定に使用する計器です。しかし、これら2つの制限を容易に近い将来に克服することができます。 SNWFETsの多くの種類は、文献に報告されています。本研究で実証pSNWFETは既に標準的な半導体プロセスを用いて製造されており、大量の商業ウェーハ製造プロセスにわずかな調整を作製することができます。この研究において測定に用いた機器は、標準的な半導体チップ解析しました。これは、デバイスにインストールされ、適切な集積回路を用いて、携帯型計測器は、現在の電子技術を用いて設計し、製造することができることを意味します。
結論として、我々はpSNWFET上のDNA検出のための完全な手順について説明します。 immobため、ilization手順は強く、このプロトコルは、ステップバイステップのバイオプローブの固定化の確認およびDNAバイオセンシングアプリケーションのためのデバイスの準備を提供し、効果的に生体分子を検出するバイオセンサーの能力に影響を与えます。同様の手順は、調整が必要であるため、多くの類似したバイオセンシング用途にこの報告書から適応させることができます。また、このレポートでは、確認し、バイオプローブとデバイスの表面改質の固定化のトラブルシューティングのためのプロトコルについて説明します。様々なバイオセンサーの需要が増加しています。このレポートに記載された方法は、半導体ベースのバイオセンサーを準備し、開発するための適切な参照です。
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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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