Introduction
Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistoren (SNWFETs) haben die Vorteile der extrem hohe Empfindlichkeit und eine direkte elektrische Reaktionen auf Umweltladungsänderung. In n-Typ SNWFETs Wenn beispielsweise ein negativ (oder positiv) geladenen Molekül die Silizium-Nanodraht (SNW) nähert, werden die Träger in der SNW abgereichertes (oder akkumulieren). Folglich nimmt die Leitfähigkeit des SNWFET (oder erhöht) 1. Daher kann jedes geladene Molekül in der Nähe der Oberfläche der SNW SNWFET Vorrichtung detektiert werden. Vital Biomolekülen einschließlich Enzymen, Proteinen, Nukleotiden und viele Moleküle auf der Zelloberfläche sind Ladungsträger und kann mit SNWFETs überwacht werden. Mit geeigneten Modifikationen, insbesondere eine biomolekulare Sonde auf der SNW Immobilisierung kann ein SNWFET in einen markierungsfreien Biosensor entwickelt werden.
Überwachungs Biomarkern verwendet ist kritisch für die Diagnose von Krankheiten. Wie in Tabelle 1 gezeigt, haben mehrere Studien verwendet NWFET-basierten Biosensoren für die markierungsfreie, ultra-hoher Empfindlichkeit und Echtzeit - Erkennung von verschiedenen biologischen Ziele, einschließlich eines einzelnen Virus 2, Adenosintriphosphat und Kinase - 3 - Bindung, neuronale Signale 4, Metallionen 5,6, bakterielle Toxine 7, Dopamin 8, DNA 9-11, RNA 12,13, Enzym und Krebs - Biomarker 14-19, menschliche Hormone 20 und Zytokine 21,22. Diese Studien haben gezeigt, dass NWFET-basierten Biosensoren eine leistungsfähige Detektionsplattform für ein breites Spektrum an biologischen und chemischen Spezies in einer Lösung darstellen.
In SNWFET-Biosensoren, die Sonde auf der SNW immobilisierte Oberfläche der Vorrichtung erkennt eine spezifische BioTarget. ein bioPROBE immobilisieren beinhaltet in der Regel eine Reihe von Schritten, und es ist wichtig, dass jeder Schritt richtig, das ordnungsgemäße Funktionieren des Biosensors, um sicherzustellen, durchgeführt wird. Verschiedene Techniken wurden zur Analyse der s entwickelturface Zusammensetzung, einschließlich der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Ellipsometrie, Kontaktwinkelmessung, Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Methoden wie AFM und SEM bieten einen direkten Beweis für bioPROBE Immobilisierung auf der Nanodraht-Gerät, während Methoden wie XPS, Ellipsometrie und Kontaktwinkelmessung auf parallelen Versuchen an anderen ähnlichen Materialien durchgeführt abhängig sind. In diesem Bericht beschreiben wir die Bestätigung jeder Änderung Schritt durch zwei unabhängige Methoden. XPS wird verwendet, um die Konzentrationen an spezifischen Atome auf Polysilicium-Wafern und Variationen in den elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung gemessen werden, direkt auf die Ladungsänderung an der Oberfläche zu bestätigen SNW zu untersuchen. Wir beschäftigen DNA Biosensor von polykristallinem SNWFETs mit (pSNWFETs) als ein Beispiel dieses Protokoll zu illustrieren. eine DNA-Sonde auf der SNW Oberfläche immobilisieren umfasst drei Schritte: Amingruppe Modifikation auf der nativen Hydroxyl-Oberfläche des SNW, aldehyd Gruppe Modifikation und 5'-aminomodifizierten DNA-Sonde Immobilisierung. An jedem Änderungsschritt kann die Vorrichtung direkt auf die Veränderung in der Ladung der funktionellen Gruppe an der Oberfläche immobilisiert SNW erfassen, weil die Oberflächenladungen lokale Grenzflächenpotentialänderungen über dem Gate - Dielektrikum führen, die den Kanalstrom und Konduktanz 1 verändern. Kosten der SNW Oberfläche umgibt, kann elektrisch die elektrischen Eigenschaften der pSNWFET Gerät modulieren; Daher spielen die Oberflächeneigenschaften der SNW eine entscheidende Rolle bei der elektrischen Eigenschaften von pSNWFET Geräte zu bestimmen. In den berichteten Verfahren kann die Immobilisierung eines bioPROBE auf der SNW Oberfläche direkt durch elektrische Messung bestimmt und bestätigt werden, und das Gerät ist für die Biosensorik Anwendungen vorbereitet.
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Protocol
1. Herstellung und Konservierung von pSNWFET Devices
- Vorrichtung Fabrication
Hinweis: Die pSNWFET wurde unter Verwendung eines Seitenwandabstandshalter Technik wie zuvor 23,24 berichtet.- Bereiten Sie die Gate-Dielektrikum-Schicht.
- Kappe mit einer 100 nm dicken thermischen Oxid (SiO 2) Schicht auf einem Si - Substrat durch das Naßoxidationsprozeß 25 mit (O 2 und H 2 Prozessgas bei 980 ° C für 4 h).
- Ablagern einer 50 nm dicken Nitrid (Si 3 N 4) Schicht , die durch chemische Niederdruck - Dampfabscheidung unter Verwendung von (LPCVD) 25 bei 980 ° C für 4 Stunden.
- Abzuscheiden , einen 100-nm-dicke Tetraethylorthosilikat (TEOS) -Schicht durch LPCVD unter Verwendung von 25 bei 780 ° C für 4 Stunden.
- Führen Standardlithographie unter Verwendung einer I-Line-Stepper das Oxid Dummy-Strukturen zu definieren.
- Bestreichen Sie die Waferoberfläche mit einer 830 nm dicken Fotolackschicht.
- ichnsert ein Muster definierte Photomaske in das I-Line-Stepper.
- Verarbeiten, um die Belichtung durch die I-Line-Stepper verwendet (Wellenlänge: 365 nm) bei einer Stärke von 1.980 J bei Raumtemperatur.
- Entwickeln des Wafers in einem Entwickler für 5 min.
- Führen Sie den isotropen Ätzprozess durch einen Standard mit induktiv gekoppeltem Plasma 25 Radierer mit HBr und Cl Plasmagas für 1 min.
- Abzuscheiden 100 nm dicke amorphe Silizium (α-Si) Schicht durch LPCVD 25 verwendet wird .
- Durchführen eines Wärmebehandlungsschritt bei 600 ° C in N 2 -Umgebung für 24 h das α-Si in eine polykristalline Struktur zu transformieren.
- Implantat Phosphorionen durch Source / Drain (S / D) Dotieren bei niedriger Energie (5E 15 cm -2) 25.
- Führen Sie Standard - Lithographie durch die I-Line - Stepper mit der Poly-Si - Schicht zu entfernen und das Polysilizium Nanodraht- (pSNW) 25 bilden.
Hinweis: Wiederholen Sie Schritt 1.1.3 dop einzupflanzenAmeisen an anderen Orten als S / D-Gebiete mit Poly-Si-Entfernung und der Seitenwand Si Kanäle in einer selbstausrichtenden Art und Weise bilden. - Führen Sie die Passivierung (200 nm dicke TEOS - Oxidschicht) unter Verwendung von LPCVD bei 780 ° C für 5 Stunden 25.
- Führen Sie Standard-Lithographie durch die I-Line-Stepper mit den Nanodraht-Kanäle und Formtest-Pads zu belichten, indem die zweistufigen Trocken- / Nass Ätzprozess.
- Wiederholen Sie Schritt 1.1.3.
- Führen Sie die Naßätzprozeß (DHF: HF / H 2 O für 1 min).
- Bereiten Sie die Gate-Dielektrikum-Schicht.
- Wafer Konservierung
- Verschließen Sie den Wafer in einer Vakuumspeicherbeutel und lagern Sie es in einem elektronischen Trockenschrank (relative Luftfeuchtigkeit <40% bei Raumtemperatur).
2. Vorbehandlung des Geräte
- Gerätereinigung
- Spülen Sie das Gerät mit reinem Aceton.
- Beschallen (46 kHz, 80 W) ist das Gerät in reinem Aceton für 10 min. <li> Ultraschallbad (46 kHz, 80 W) ist das Gerät in reinem Ethanol (99,5%) für 5 min.
- Föhnen Sie die Oberfläche des Gerätes mit Stickstoff.
- Behandeln Sie das Gerät mit O 2 Plasma bei 18 W für 30 Sekunden.
3. Immobilisierung der DNA-Sonde auf der Oberfläche der Vorrichtung
- Amingruppe Modifikation
- Eintauchen der Vorrichtung in einer 2,0% (3-Aminopropyl) triethoxysilan (APTES) / Ethanollösung für 30 min.
- Waschen Sie das Gerät mit Ethanol dreimal und dann Sonikat (46 kHz, 80 W) ist das Gerät in Ethanol für 10 min.
- Erhitzen Sie das Gerät auf einer heißen Platte bei 120 ° C für 10 min Amingruppen auf SNWs zu erstellen.
- Aldehydgruppe Modifikation
- Eintauchen der Vorrichtung in 12,5% Glutaraldehyd während 1 Stunde bei Raumtemperatur Aldehydgruppen auf der Oberfläche zu schaffen. Vermeiden Sie Belichtung.
- Waschen Sie das Gerät Witzh 10 mM Natriumphosphatpuffer (Na-PB, pH 7,0) dreimal und dann Föhnen die Oberfläche der Vorrichtung mit Stickstoff.
- DNA - Sonde Immobilisierung
- Tauchen Sie das Gerät in einer Lösung, die 1 & mgr; M DNA-Sonden über Nacht.
- Eintauchen der Vorrichtung in 10 mM Tris - Puffer (pH 8,0) mit 4,0 mM NaBH 3 CN für 30 min die nicht umgesetzten Aldehydgruppen zu blockieren.
- Waschen Sie das Gerät mit Na-PB (pH 7,0) dreimal und dann Föhnen die Oberfläche der Vorrichtung mit Stickstoff.
4. Bestätigung und Analyse von Oberflächenmodifizierung auf pSNWFET
- pH - Profil nach jedem Schritt der Oberflächenmodifikation
- Bereiten Sie 10 mM Na-PB in pH 3,0 bis 9,0.
- Herstellung von 10 mM Natriumphosphat , dreibasischem Dodecahydrat (Na 3 PO 4) in deionisiertem Wasser (pH 11,60).
- Herstellung von 10 mM Phosphorsäure (H 3 PO 4) in deionisiertem Wasser(PH 2,35).
- Legen Sie die pH - Elektrode in 500 ml 10 mM Na 3 PO 4 Puffer und mischen diese Lösung mit unterschiedlichen Volumina von 10 mM H 3 PO 4 Puffer , während der pH - Wert Messung zu erhalten Puffer mit pH - Werten von 3,0, 4,0, 5,0, 6,0 , 7.0, 8.0 und 9.0.
- AC-Leitfähigkeitsmessung
Hinweis: Die Messschaltung einen kleinen Wechselstromsignalgenerator und einen Au Mikrodraht enthalten, der als Flüssigkeit Gate-Elektrode diente.- Bestimmen die optimale Flüssigkeits Gate - Spannung (V LG) zur Messung 26 bei jedem Änderungsschritt (Schritte 2.2, 3.1, 3.2 und 3.3).
Hinweis: Die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung nach vier Oberflächenmodifikationen an der SNW gemessen wurden, wie in diesem Abschnitt beschrieben. In Schritt 2.2 wird das unmodifizierte pSNWFET die natürliche Oxidschicht enthält, modifiziert; Schritt 3.1 beinhaltet die Vorrichtung mit der Amingruppe von APTES modifizieren; Schritt 3.2 beinhaltet Modifikation mit dem ungeladenenfunktionelle Gruppe von Glutaraldehyd; und Schritt 3.3 beinhaltet DNA-Sonde Modifikation.- Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) Lösung der SNW Oberfläche durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h) für den direkten Kontakt mit der SNW.
- Messen der Echtzeit - Konduktanz der Vorrichtung während Fegen V LG 0,80-1,30 V.
- Führen Leitwertmessung durch die Lock-in - Technik 27 bei Raumtemperatur verwendet wird .
- Wandeln die Wechselstromsignale in ein AC-Spannungssignal durch einen rauscharmen Vorverstärker Strom verwendet wird.
- Sammeln Sie Daten auf Leitfähigkeit (G) bei Erhöhung V LG 0,80-1,30 V (Intervall = 0,02 V).
- Bestimmen die optimale V LG (empfindlichsten V LG) der Vorrichtung 26.
- Zeichnen Sie die GV LG Kurven aus Schritt 4.1.2.1.2.3 die Gleichung der Kurve zu erhalten.
- Difzieren die Gleichung, und berechnen Sie die Werte in jedem Punkt von V LG.
- Unterteilen den Wert aus Schritt 4.1.2.1.3.2 von G, und bestimmen die optimale V LG entsprechend der maximalen Anzahl.
- Messen der Echtzeit-Leitwert des pH-Profil bei jedem Schritt der Oberflächenmodifikation.
- Führen Leitwertmessung durch die Lock-in - Technik 27 bei Raumtemperatur verwendet wird .
- Konvertieren Sie die AC-Stromsignal in Wechselspannungssignale durch einen rauscharmen Vorverstärker Strom verwendet wird.
- Stellen Sie die optimale V LG für jeden Schritt der Oberflächenmodifikation (Schritt 2.2: V LG = 1,02, Schritt 3.1: V LG = 0,98, Schritt 3.2: V LG = 0,98, und Schritt 3.3: V LG = 1,0).
- Geben Sie sich die 10 mM Na-PB-Lösung mit pH-Werten von 3,0 bis 9,0 auf der SNW Oberfläche (Fließgeschwindigkeit: 5,0 ml / h), Und die Daten auf Konduktanz bei einer Drainspannung von 0,01 V. sammeln
- Bestimmen die optimale Flüssigkeits Gate - Spannung (V LG) zur Messung 26 bei jedem Änderungsschritt (Schritte 2.2, 3.1, 3.2 und 3.3).
- Bereiten Sie 10 mM Na-PB in pH 3,0 bis 9,0.
- Messung der elektrischen Eigenschaften (der I D -V BG curve) der Vorrichtung in 10 mM Na-PB (pH 7,0) nach jedem Schritt der Oberflächenmodifikation (Schritte 2.2, 3.1, 3.2 und 3.3.)
Hinweis: Die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung nach vier Oberflächenmodifikationen an der SNW wurden gemessen: in Schritt 2.2, der unmodifizierte pSNWFET die native Oxidschicht enthält, modifiziert ist; Schritt 3.1 beinhaltet das Gerät mit der Amingruppe von APTES Modifizierung; Schritt 3.2 bringt Modifikation mit der ungeladenen funktionelle Gruppe von Glutaraldehyd; und Schritt 3.3 bringt DNA-Sonde Modifikation.- Liefern die 10 mM Na-PB (pH 7,0) Lösung der SNW Oberfläche (Schritte 2.2, 3.1, 3.2 und 3.3) durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h) für den direkten Kontakt mit der SNW.
- Messen Sie die I D
- Wählen Sie den "nMOSFET" -Modus.
- Wählen Sie "I D - V BG" Module.
Hinweis: I D ist die Drain / Source - Strom und V BG ist die Back - Gate - Spannung. - Stellen Sie eine konstante Vorspannung (V D = 0,5 V) , während fegt das Gate - Potential (V BG) von -1 bis 3,0 V (Intervall = 0,2 V).
- Klicken Sie auf das Symbol Run I D zu erhalten - V BG Kurven.
5. DNA Biosensorik
Anmerkung: In einem typischen Experiment wurde die I D - V B G Kurve wird dreimal bestimmt , um sicherzustellen , dass keine weitere Variation ist Observed.
- Bestimmung der Baseline
- Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) auf die DNA-Sonde immobilisiert SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), und dann die SNW für 30 min inkubiert.
- Messen Sie die I D des Gerätes (Wiederholen Sie Schritt 4.2.2).
- Erfassen von DNA / DNA - Hybridisierung
- Last 10 pM komplementärer Ziel-DNA an die DNA-Sonde immobilisiert SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), und dann die SNW für 30 min inkubieren.
- Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) auf die SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), um die nicht gebundenen Ziel-DNA entfernt zu waschen.
- Wiederholen Sie Schritt 4.2.2 die I D der Vorrichtung zu messen.
- Überprüfen Sie noch einmal das Signal von DNA / DNA - Hybridisierung.
- Last 1 nM Erholung DNA auf ter DNA-Sonde immobilisiert SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), und dann die SNW für 30 min inkubiert.
- Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) auf die SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h).
- Wiederholen Sie Schritt 4.2.2 die I D der Vorrichtung zu messen.
- Negative Kontrolle
- Last 100 pM nicht komplementäre DNA an die DNA-Sonde immobilisiert SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h), und dann die SNW für 30 min inkubieren.
- Geben Sie sich die 10 mM Na-PB (pH 7,0) auf die SNW Oberfläche für 10 min durch eine Spritzenpumpe (Flussrate: 5,0 ml / h).
- Wiederholen Sie Schritt 4.2.2 die I D der Vorrichtung zu messen.
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Representative Results
Verschiedene SNWFETs wurden als Wandler von Biosensoren (Tabelle 1) dienen berichtet. Einkristalline SNWFETs (sSNWFETs) und pSNWFETs zeigen vergleichbare elektrische Eigenschaften als Wandler in wässrigen Lösungen, und beide haben viele Biosensor-Anwendungen berichtet. Ein vorteilhaftes Merkmal der pSNWFET Gerät in dieser Studie verwendet wird , ist seine einfache und kostengünstige Herstellungsverfahren. 1a zeigt die wichtigsten Schritte , die in der pSNWFET Herstellung. Ein optisches Bild eines Gesenks aus der 6-Zoll - Wafer (1b) und REM - Aufnahmen (Figur 1c) aus einer einzelnen Einrichtung (zwei SNWs, ungefähr 100 nm in der Breite und 1,6 um Länge) erhalten.
2a veranschaulicht das Verfahren der DNA - Sonde Immobilisierung auf der Oberfläche SNW. Jede Modifikation Schritt wurde mit XPS (2b bestätigt (2c, d) sind in verschiedenen Stadien der SNW Oberflächenmodifikation gezeigt. Für das unmodifizierte pSNWFET die native Oxidschicht auf der Oberfläche SNW enthält, die Hydroxylgruppen (-OH) wurden zu ionisierende geladene Gruppen bilden (-O -) mit pH - Werten (schwarze Linie) erhöht wird . Die Abnahme der Leitfähigkeit bei pH 6,0 bis 9,0 zeigt an, dass die Säure - Dissoziationskonstante (pK a) der Hydroxylgruppe auf etwa 7,0 eingestellt werden. Leitwert erhöht wahrscheinlich bei einem pH von 3,0 bis 6,0 aufgrund der Zunahme der Ionenstärke, Vorrichtungseigenschaften zu beeinträchtigen 1. Nach der Modifikation APTES zeigte die Reaktion auf die Leitfähigkeit der APTES-modifizierten Vorrichtung hohe Variation (rote Linie). Die Amingruppe (pK a = 4,0) APTES bei einem niedrigen pH - Wert protoniert werden 28 eine positive Ladung zu erzeugen. Somit verringerte sich die Leitfähigkeit SNW mit diskreten Änderungen in pH-Werten3,0-9,0. Nachdem der SNW mit Glutaraldehyd modifiziert wurde, war die Antwort relativ stabil für Leitfähigkeit bei pH 3,0 bis 9,0 (blaue Linie) reichen. Dies kann auf die neutrale funktionelle Gruppe zugeschrieben werden, die auf die Veränderung des pH-Umgebungen unempfindlich ist. Schließlich, nach der negativ geladenen DNA-Sonde immobilisiert wurde, Leitfähigkeit verringerte sich leicht mit einem Anstieg der pH-Werte (grüne Linie).
Die Verschiebung in den elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung (Figur 2e) mit verschiedenen Modifikationen bestätigt die Veränderung der SNW Oberfläche. In solchen Experimenten wurde die I D -V G Kurve des unmodifizierten pSNWFET als Basislinie (schwarze Linie) verwendet. Nachdem der SNW in APTES getaucht wurde, verlagerte sich der I D -V G Kurve der Vorrichtung nach links (erhöhte Strom) wegen der positiven Ladung auf den caus SNW Oberflächeed durch die Aminogruppe auf APTES (schwarz rote Linie). Nach Konjugation von Glutaraldehyd an das Gerät APTES modifizierten verschob sich die I D -V G - Kurve aufgrund der Imid - Bindungsbildung nach rechts zurück. Der Strom verringert, da das positiv geladene Amin umgewandelt wurde neutral geladene imid (rot bis blau Linie). Schließlich wurde die 5'-amnimodified DNA Sonde an die APTES-Glutaraldehyd-modifizierten Vorrichtung zu binden eingeführt. Das Zucker-Phosphat Rückgrat der DNA verursacht die I D -V G Kurve ganz rechts (blaue bis grüne Linie) zu verschieben, die mit der Wirkung der negativen Ionen auf n-Typ - FET konsistent ist.
Der Nachweis von DNA / DNA - Hybridisierung auf dem pSNWFET ist in Abbildung 3 gezeigt. Die Sonde, Ziel, Recovery und nicht komplementäre DNA - Sequenzen zur Erfassung des Vogelgrippe - Virus entwickelt (AIV) 29,30 2 in der Tabelle gezeigt sind. Die I D -V G Kurve der DNA - Sonde modifizierten pSNWFET in 10 mM Na-PB (pH 7,0) wurde als die Grundlinie (schwarz) erhalten wurde, verwendet. Anschließend wurde 10 pM Ziel-DNA mit der immobilisierten DNA-Sonde auf der Oberfläche zu hybridisieren SNW eingeführt, und eine deutliche Verringerung in dem Drain-Strom der Vorrichtung wurde beobachtet (rote Linie). Die verminderte I D SNWFET in der n-Typ impliziert eine erhöhte negative Ladung (durch die Phosphat-Rückgrat verursacht wird) auf der Oberfläche SNW. Recovery - DNA wurde entwickelt , um mit der Ziel - DNA zu rehybridize und die DNA - Sonde 31 freizugeben . Wenn die Wiederherstellungs DNA richtig konzipiert ist, begünstigt die Reaktion thermodynamisch die Rehybridisierung der DNA - Duplex - Target-recovery, weil mehr komplementären Nukleotiden zwischen den beiden DNA - Stränge (Tabelle 1) als die zwischen der Sonde und der Ziel - DNA vorhanden sind. Hinzufügen von 1 nM Erholung DNA (blaue Linie) Bestätigte weiterhin, daß die elektrische Antwort der Ziel-DNA zur Hybridisierung der DNA-Sonde-Target zurückzuführen und befreit die DNA-Sonde, die für nachfolgende Experimente wiederverwendbar ist. Als negative Kontrolle, nicht - komplementären DNA [AIV - Subtyp H5 Ziel - DNA] (100 pM) wurde ebenfalls mit der DNA - Sonde eingespritzt und gemischt, und die I D -V G Kurve blieb unverändert. Die DNA-Sonde auf dem pSNWFET immobilisiert ist unempfindlich gegen nicht-komplementären DNA. Nur Ziel - DNA eine merkliche Verschiebung der I D bewirkt - V G - Kurve. Der I D - V G Kurve zurück auf die Basislinie mit der Erholung DNA nach der Inkubation.
Abbildung 1. Herstellung der pSNWFET Gerät. (A) Schema der Geräte FabriKation. (I) Ein 6-Zoll-Si-Wafer wurde mit einer 100 nm dicken thermischen Oxidschicht begrenzt. Als nächstes wurden 50 nm dicke Nitrid und 100 nm dicke TEOS-Schichten wurden als Ausgangsmaterialien unter Verwendung von LPCVD abgeschieden. (Ii) Eine TEOS Blindstruktur definiert wurde und unter Verwendung von Standard-Lithographie ausgebildet ist; zwei Isolatorschichten (Oxid und Nitrid) diente als das Gate-Dielektrikum. (Iii) Ein 100-n-dicke α-Si-Schicht wurde unter Verwendung von LPCVD abgeschieden, und wurde anschließend Tempern durchgeführt, das α-Si in poly-Si zu transformieren. (Iv) S / D-Dotierung wurde dann durch Phosphorionenimplantation durchgeführt. (V) Die Seitenwand Si Kanäle wurden unter Verwendung von Standard-Lithographie in selbstausrichtender Weise gebildet. (Vi) Draufsicht des hergestellten Gerätestruktur mit pSNW. (B) optische Bilder eines pSNWFET Biosensorchip. (C) REM - Aufnahme eines einzelnen pSNWFET Gerät. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Die Oberflächenmodifikation und Validierung auf pSNWFET. (A) Schema der Oberflächenfunktionalisierung von DNA und DNA / DNA - Hybridisierung. (B) XPS - Spektren von C1s, O1s und N1s Signale von dem Silizium - Wafer (Probentiefe = 7,5 nm), wobei die sequentielle schrittweise Oberflächenmodifizierung der Sonde immobilisierte DNA durchgeführt wurde. Hochauflösende Spektren wurden erhalten, und die Gesamtenergieauflösung wurde auf 0,1 eV eingestellt. (C) Echtzeit - Kurve bei verschiedenen pH - Werten bei jedem Schritt der Oberflächenmodifikation; 10 mM Na-PB wurde in der folgenden Reihenfolge injiziert: pH 7,0 → pH 6,0 → pH 5,0 → pH 4,0 → pH 3,0 → pH 4,0 → pH 5,0 → pH 6,0 → pH 7,0 → pH 8,0 → pH 9,0 → pH 8,0 → pH 7,0 . (D) Durchschnittliche Leitfähig-tung bei pH-Werten von 3,0 bis 9,0 mit 10 mM Na-PB nach jedem Schritt der Oberflächenmodifikation. (E) Elektrische Eigenschaften (I D - V BG Kurven) des pSNWFET bei jedem Schritt der Oberflächenmodifikation. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. DNA - Biosensoren auf pSNWFET. Die I D -V G Kurven der DNA - Sonde modifizierten pSNWFET wurden in 10 mM Na-PB (pH 7) (schwarze Linie) erhalten. Der I D -V G - Kurve nach der Hybridisierung der Sonde und Ziel - DNA (rote Linie) wurde mit 10 m durch die Einführung von 22.00 Uhr Ziel - DNA und Waschen gewonnenM Na-PB (pH 7). Die DNA-Sonde (blaue Linie) wurde durch Zugabe von 1 nM DNA Rückgewinnung zurückgewonnen die Ziel-DNA zu entfernen. Nicht komplementäre DNA wurde als negative Kontrolle in diesem Experiment (grüne Linie) verwendet.
| Bio-Ziel | Empfindlichkeit | kristallin | Art | Referenz |
| pH-Wert | Single | p | 35 | |
| Cystische Fibrose AF508 | 3 Basen Deletion | Single | p | 9 |
| Influenza A | Single-Virus | Single | p | 2 |
| ATP Mess | 1:00 Uhr Nachmittags | Single | p | 3 |
| Telomerase | 10 Hela-Zelle | Single | p | 14 |
| PSA / CEA / Mucin-1 | <1.4 / 05.02 pg / ml | Single | n / p | 14 |
| Neuronale Signal | Single | n / p | 4 | |
| Ca 2+ | 100 nM | Single | n | 5 |
| Bakterielle Toxin (SEB) | 10 fM | Poly | p | 7 |
| Dopamine | 1 fM | Poly | n | 8 |
| Troponin-T | 1 fg / ml | Single | n | 19 |
| Vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor | 1.04 / 0.104 nM | Single | n / p | 18 |
| BRAF V599E | 1-base-Mismatch | Single | n | 11 |
| 1 fM | Poly | n | 10 | |
| Avidin / Streptavidin | 1,48 nM / 167 fM | Poly | n | 37 |
| Ca 2+ / Troponin I | 1 & mgr; M / 7 nM | Single | p | 6 |
| Dengue-Serotyp 2 RNA | <10 fM | Single | n | 12 |
| CaM Protein Kinase | ausgedrückt Zelllysat | Single | p | 16 |
| Matrix-Metalloproteinase-2 | 100 fM | Single | p | 15 |
| MicroRNAs (miR-21 / miR-205) | 1 Zeptomol (ca. 600 Exemplare) | Single | p | 13 |
| Vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor | 1,25 pg / ml | Poly | n | |
| Menschliche Schilddrüse stimulierende Hormon | 12.11 | Single | n | 20 |
| Apolipoprotein A II-Protein | 6,7 pg / ml | Poly | n | 17 |
| Interleukin 8 / Tumor-Nekrose-Faktor α | 10 fg / ml | Single | n | 22 |
Tabelle 1 : Auszug aus der Liste der biotargets geprüft SNWFET Geräte.
| Oligonucleotides | Sequenz |
| AIV H1 5'-aminomodifizierten DNA-Sonde | 5'-NH 2 -C 6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 ' |
| AIV H1 Ziel-DNA | 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 ' |
| AIV H1 Erholung DNA | 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 ' |
| Nicht-komplementäre DNA (AIV H5 Ziel-DNA) | 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 ' |
Tabelle 2. Sequenzen von synthetischen Oligonucleotiden.
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Discussion
Die Kommerzialisierung der Top-down und Bottom-up - Herstellungsansätze für sSNWFETs schwierig wegen der Kosten betrachtet 32,33, SNW Positionssteuerung 34,35 und seiner niedrigen Produktionsmaßstab 36. Im Gegensatz dazu ist pSNWFETs Herstellung einfach und kostengünstig 37. Durch den Top-Down - Ansatz und die Verbindung mit dem Seitenwandabstandshalter Bildungstechnik (Figur 1) kann die Größe des SNW durch Einstellen der Dauer des reaktiven Plasmaätzen gesteuert werden. Die Verfahren zur Herstellung der Nanodrähte der pSNWFET in Abbildung 1a dargestellt leicht zu kommerziellen Halbleitereinrichtungen angepasst werden. Folglich haben pSNWFETs mehrere Vorteile, einschließlich Kosteneffizienz, einfache Bauweise und einem CMOS-kompatiblen Herstellungsprozess und kann somit in der Biosensorik angewendet werden.
Im Gegensatz zu der Herstellung der Halbleitervorrichtung, ein Verfahren gut in comme definiertrcial Einrichtungen kann die Immobilisierung des bioPROBE auf dem Gerät für jede spezifische Anwendung variieren. Die Immobilisierung der DNA - Sonde auf der Oberfläche SNW ist in 2a als ein Beispiel veranschaulicht. Andere bioprobes, wie Antikörper, Aptamere und Enzyme können auch zum Nachweis verschiedener Ziele auf der SNW Oberfläche immobilisiert werden. Die folgenden Schritte sind entscheidend für die erfolgreiche DNA-Sonde immobilisiert. In unserem Protokoll wird die als fertigter pSNWFET Gerät gereinigt und mit Sauerstoff-Plasma behandelt und dann in einer APTES / Ethanol-Lösung eingetaucht, um Amingruppen auf der SNWs erstellen. Als nächstes wird die Vorrichtung in eine Glutaraldehyd-Lösung getaucht, um Aldehydgruppen auf der Oberfläche erzeugen. Diese Gruppen werden später konjugiert an das 5'-aminomodifizierten DNA-Sonde. Mehrstufen Konjunktionen zwischen Vernetzermoleküls und dem bioPROBE wurden benötigt, um die Halbleitervorrichtung einen Biosensor zu transformieren. Somit ist es von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass jeder Schritt erfolgreich ist. Bei jedem Schrittvon DNA-Sonde Immobilisierung wurde XPS zu analysieren und zu bestätigen, die Zusammensetzung und die Chemie der Oberfläche verwendet. Die Atomkonzentrationen von Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff wurden auf der Basis von XPS Scans der jeweiligen Peaks bestimmt, wie in 2b gezeigt. Nach Zugabe der DNA-Sonde, die bemerkenswerteste Änderung war eine Zunahme der Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationen. Eine steigende Tendenz wurde in den Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationen bei jedem Schritt der DNA-Sonde Immobilisierungsverfahren beobachtet. Die Sauerstoffkonzentration während des Verfahrens verringert, da die native Hydroxylgruppe durch Oberflächenmodifikation bedeckt wurde. Diese Ergebnisse zeigten , dass die DNA - Sonde immobilisiert wurde, die mit der Änderung der elektrischen Eigenschaften konsistent ist, wie in 2c, d und e gezeigt. Die oben genannten Verfahren sind für die Fehlerbehebung im Falle erfolgloser Oberflächenmodifikation nützlich. Jedoch werden sie in der Regel auf einer separaten geführt wafer beschichtet mit einem Material ähnlich demjenigen auf der Nanodraht-Oberfläche. Direkten Nachweis von Veränderungen in den elektrischen Eigenschaften der modifizierten Vorrichtung erforderlich, um die Ergebnisse der Oberflächenmodifikation auf der Vorrichtung zu bestätigen, wie in den folgenden Absätzen beschrieben.
Eines der am häufigsten verwendeten Methoden zum direkten Änderungen der FET Vorrichtungsoberfläche Überwachung ist pH Erfassungs, wie in Figur 2d und d gezeigt. Verschiedene Oberflächenmodifikationen führen zu einer Veränderung in der Ladung auf der Oberfläche SNW, stark die Oberflächenpotential des pSNWFET unter verschiedenen Umgebungen beeinträchtigen. Wir verwendeten breiten Bereich von pH-Pufferlösungen Veränderungen in der Leitfähigkeit zu erkennen, an die funktionellen Gruppen auf der Oberfläche SNW entspricht. Aus mechanistischer Sicht ist die Zunahme der Leitfähigkeit mit pH Veränderung (Erhöhung der Wasserstoffionen) mit dem Anstieg der positiven Oberflächenladung im Einklang, die "eingeschaltet", die n-Typ-FET durch die accumulatiauf der Elektronen. Die Echtzeit-elektrische Reaktionen auf die Leitfähigkeit des pSNWFET kann 3,0-9,0 reicht in Pufferlösungen mit pH-Werten gemessen werden. Die Methoden, die in diesem Bericht beschrieben wurden, sind nützlich für die Prüfung, ob ein Halbleiterbasis Sensor für Biosensor-Anwendung bereit ist.
Figur 2e veranschaulicht ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung der Ergebnisse der Oberflächenmodifikation durch direkte Messung der elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung. Die Veränderungen in der I D - V G Kurven in 2e gezeigt sind mit jeder Stufe der DNA - Sonde Immobilisierung auf der SNW Oberfläche konsistent. Nach den Ergebnissen kann pSNWFETs direkt bei jedem Schritt bioPROBE Immobilisierung des Verfahrens zur Bestätigung verwendet werden. Dieses Ergebnis zeigt auch, dass der modifizierte pSNWFET für Biosensor-Anwendung hergestellt wird. Diese Verfahren sind besonders nützlich, wenn die Immobilisierung procedures sind gut etabliert. Die Funktion eines pSNWFET-basierten Biosensor wurde durch Detektieren AIV Subtyp H1 DNA als Beispiel (Figur 3) untersucht. Verwendung von Sonde und Ziel-DNA eignet sich zur Darstellung der Entwicklung eines neuen Biosensors wegen der Stabilität der DNA-Moleküle und die verfügbaren Techniken zur leicht die gewünschte DNA-Sequenz zu erhalten. Zusätzlich zu nicht-komplementäre DNA als eine Negativkontrolle verwendet, haben wir gezeigt, DNA-Hybridisierung auf dem pSNWFET mit einem Rückgewinnungssystem. Dies ist besonders nützlich, wenn ein neues System oder eine neue Vorrichtung zur Biosensor Experimente verwendet wird. Viele Schritte sind in dem Prozess von der Vorrichtung zu Biosensor-Anwendung beteiligt. Jeder Schritt wirkt sich auf das endgültige Ergebnis. Des Weiteren falsch positive oder falsch negative Ergebnisse werden in der Regel in der Biosensorik Experimenten erhalten aufgrund der Komplexität der Biosensor-Umgebung. Somit sind kontrollierte Experimente kritisch, und das Rückgewinnungssystem in dieser Studie gezeigt, kann stark facilitate unerwartete, Faktoren, die mit den experimentellen Ergebnissen stören.
Die wichtigsten Einschränkungen für derzeit verwendete pSNWFET basierenden Biosensors sind die Verfügbarkeit der pSNWFET Einrichtung und die Instrumentierung zur Messung verwendet. Jedoch können diese zwei Einschränkungen leicht in naher Zukunft überwunden werden. Viele Arten von SNWFETs wurden in der Literatur beschrieben. Die pSNWFET in dieser Studie gezeigt, ist bereits hergestellt ist, um die Standard-Halbleiterprozessen verwendet und mit nur geringfügigen Anpassungen der kommerziellen Waferherstellungsprozess in Massenproduktion hergestellt werden kann. Die Instrumentierung für die Messung in dieser Studie verwendet wurde, war ein Standard-Halbleiterchip-Analysator. Dies bedeutet, dass mit einer richtigen auf dem Gerät installiert integrierte Schaltung, tragbare Instrumentierung gestaltet werden kann und mit aktuellen elektronischen Technologie hergestellt.
Abschließend beschreiben wir das vollständige Verfahren zur DNA-Sensing auf einem pSNWFET. Weil der Immoblisation Verfahren wirkt sich stark auf die Fähigkeit eines Biosensors zur wirksamen Biomoleküle erkennen, dieses Protokoll liefert eine Schritt-für-Schritt-Bestätigung von bioPROBE Immobilisierung und die Bereitschaft der Vorrichtung für die DNA-Biosensor-Anwendungen. Ähnliche Verfahren können aus diesem Bericht für viele ähnliche Biosensor-Anwendungen angepasst werden, für die Anpassungen notwendig sind. Dieser Bericht beschreibt auch Protokolle für die Bestätigung und Fehlerbehebung der Immobilisierung der bioPROBE und Geräteoberflächenmodifikationen. Die Nachfrage nach verschiedenen Biosensoren steigt. Die Methoden, die in diesem Bericht beschrieben sind eine geeignete Referenz für die Herstellung und Entwicklung von Halbleiter-basierten Biosensoren.
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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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