Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Udarbejdelse af Silicon nanotrådene Field-effekt Transistor for Kemiske og biosensorer Applications

Published: April 21, 2016 doi: 10.3791/53660
Automatic Translation
1, 2, 1, 2, 1, 2, 2, 2, 1,2
1Institute of Molecular Medicine and Bioengineering, National Chiao Tung University, 2Department of Biological Science and Technology, National Chiao Tung University

Introduction

Silicon Nanotråd felteffekttransistorer (SNWFETs) har fordelene ved ultra-høj følsomhed og direkte elektriske reaktioner på opladning variation af miljøet. I n-type SNWFETs for eksempel, når en negativt (eller positivt) ladet molekyle nærmer sig silicium nanotrådene (SNW), de luftfartsselskaber i SNW er udtømte (eller ophobes). Følgelig ledningsevnen af SNWFET aftager (eller stigninger) 1. Derfor kan detekteres nogen ladet molekyle nær SNW overflade af SNWFET enhed. Vitale biomolekyler herunder enzymer, proteiner, nukleotider og mange molekyler på celleoverfladen er ladningsbærere og kan overvåges ved hjælp SNWFETs. Med passende modifikationer, især immobilisering af en biomolekylært sonde på SNW, kan en SNWFET udvikles til en etiket-fri biosensor.

Overvågning ved hjælp biomarkører er afgørende for diagnosticering af sygdomme. Som det fremgår af tabel 1, har flere undersøgelser brugt NWFET-baserede biosensorer til etiket-fri, ultra-high-følsomhed og påvisning i realtid af forskellige biologiske mål, herunder et enkelt virus 2, adenosintriphosphat og kinase binding 3, neuronale signaler 4, metalioner 5,6, bakterielle toksiner 7, dopamin 8, DNA 9-11, RNA 12,13, enzym- og kræft biomarkører 14-19, menneskelige hormoner 20, og cytokiner 21,22. Disse undersøgelser har vist, at NWFET-baserede biosensorer et virksomt detektering platform for en bred vifte af biologiske og kemiske arter i en opløsning.

I SNWFET-baserede biosensorer, det immobiliserede på SNW enhedens overflade probe genkender en specifik biotarget. Immobilisere en bioprobe normalt indebærer en række trin, og det er afgørende, at hvert skridt er korrekt udført for at sikre et velfungerende biosensoren. Forskellige teknikker er blevet udviklet til at analysere sverflade sammensætning, herunder X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ellipsometri, trykvinkel måling, atomic force mikroskopi (AFM), og scanningselektronmikroskopi (SEM). Metoder såsom AFM og SEM direkte bevis på bioprobe immobilisering på nanotrådene enhed, mens metoder som XPS, ellipsometri, og kontakt vinkel måling er afhængige af parallelle forsøg udført på andre lignende materialer. I denne rapport beskriver vi bekræftelsen af ​​hver ændring trin ved hjælp af to uafhængige metoder. XPS anvendes til at undersøge koncentrationen af ​​bestemte atomer på polysilicon wafers, og variationer i de elektriske egenskaber af anordningen måles direkte at bekræfte ladningen variation på SNW overflade. Vi beskæftiger DNA biosensorer ved hjælp polykrystallinske SNWFETs (pSNWFETs) som et eksempel for at illustrere denne protokol. Immobilisering af en DNA-probe på SNW overflade består af tre trin: gruppe modifikation amin på det native hydroxyl overflade SNW, aldehyde gruppe modifikation, og 5'-aminomodified DNA-probe immobilisering. Ved hver ændring trin, kan enheden direkte detektere variationen i ladningen af den funktionelle gruppe immobiliseret på SNW overflade, fordi overfladeladninger forårsage lokale grænsefladespændinger potentielle ændringer over porten dielektriske som ændrer kanal strøm og konduktans 1. Afgifter omgiver SNW overflade kan elektrisk modulere de elektriske egenskaber af pSNWFET enhed; derfor overfladeegenskaberne af den SNW spiller en afgørende rolle i fastlæggelsen af ​​de elektriske karakteristika af pSNWFET enheder. I de rapporterede procedurer kan immobilisering af en bioprobe på SNW overflade bestemmes direkte og bekræftet gennem elektrisk måling, og anordningen er forberedt til biosensorer applikationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fabrikation og Bevarelse af pSNWFET Devices

  1. enhed Fabrication
    Bemærk: Den pSNWFET blev fremstillet ved hjælp af en sidevæg spacer teknik som tidligere rapporteret 23,24.
    1. Forbered porten dielektriske lag.
      1. Cap en 100-nm-tyk termisk oxid (SiO2) lag på et Si-substrat ved hjælp af våd oxidation proces 25 (O2 og H2 procesgas ved 980 ° C i 4 timer).
      2. Deponere en 50-nm-tykke nitrid (Si 3N 4) lag ved hjælp af lavtryks kemisk dampafsætning (LPCVD) 25 til 980 ° C i 4 timer.
    2. Deponere en 100-nm-tykke tetraethylorthosilicat (TEOS) lag ved hjælp LPCVD 25 ved 780 ° C i 4 timer.
    3. Udføre standard litografi ved anvendelse af en I-line stepper at definere oxid dummy strukturer.
      1. Coat wafer overflade med en 830-nm tykt fotoresistlag.
      2. jegnsert et mønster defineret fotomaske i I-line stepper.
      3. Proces eksponeringen ved hjælp af I-line stepper (bølgelængde: 365 nm) i en styrke på 1980 J ved stuetemperatur.
      4. Udvikle wafer inden en udvikler i 5 min.
      5. Udfør isotropisk ætsning proces ved anvendelse af en standard induktivt koblet plasma 25 etcher med HBr og Cl plasmagas i 1 min.
    4. Deponere en 100-nm-tyk amorf silicium (α-Si) lag ved hjælp LPCVD 25.
    5. Udfør en annealingstrin ved 600 ° C i N2 stuetemperatur i 24 timer for at omdanne α-Si i en polykrystallinsk struktur.
    6. Implant fosfor ioner gennem kilden / afløb (S / D) doping ved lav energi (5E 15 cm -2) 25.
    7. Udføre standard litografi ved hjælp af I-line stepper at fjerne poly-Si lag og danne polysilicon nanotrådene (pSNW) 25.
      Bemærk: Gentag trin 1.1.3 at implantere DOPmyrer i andre end S / D regioner steder med poly-Si fjernelse og danner sidevæg Si kanaler i en selvstændig linie måde.
    8. Udfør passivering proces (200-nm tykt TEOS oxidlag) ved anvendelse LPCVD ved 780 ° C i 5 timer 25.
    9. Udføre standard litografi ved hjælp af I-line stepper at blotlægge nanotrådene kanaler, og formen testpuderne ved hjælp af to-trins tør / våd ætsningsproces.
      1. Gentag trin 1.1.3.
      2. Udfør den våde ætsning proces (DHF: HF / H2O i 1 min).
  2. wafer konservering
    1. Forsegl wafer i et vakuum opbevaringspose og opbevar det i en elektronisk tør kabinet (relativ luftfugtighed <40% ved stuetemperatur).

2. Forbehandling af enheden

  1. rengøringsindretning
    1. Skyl enheden med ren acetone.
    2. Lydbehandles (46 kHz, 80 W) indretningen i ren acetone i 10 min.
      3. <li> lydbehandles (46 kHz, 80 W) indretningen i ren ethanol (99,5%) i 5 minutter.
    3. Føntørre overfladen af ​​anordningen med nitrogen.
  2. oxygenplasma
    1. Behandl enhed med O 2 plasma ved 18 W i 30 sek.

3. Immobilisering af DNA Probe på Device Surface

  1. Amingruppe modifikation
    1. Nedsænkes i en 2,0% (3-aminopropyl) triethoxysilan (APTES) / ethanol-opløsning i 30 min.
    2. Vask enheden med ethanol tre gange, og derefter sonikeres (46 kHz, 80 W) indretningen i ethanol i 10 min.
    3. Varm enheden på en varmeplade ved 120 ° C i 10 min for at skabe amingrupper på SNWs.
  2. Aldehydgruppe modifikation
    1. Nedsænkes i 12,5% glutaraldehyd i 1 time ved stuetemperatur for at skabe aldehydgrupper på overfladen. Undgå lyseksponering.
    2. Vask enheden with 10 mM natriumphosphatpuffer (Na-PB; pH 7,0) tre gange, og derefter føntørre overfladen af ​​anordningen med nitrogen.
  3. DNA-probe immobilisering
    1. Fordyb enheden i en opløsning indeholdende 1 pM DNA-prober natten over.
    2. Nedsænkes i 10 mM Tris-buffer (pH 8,0) med 4,0 mM NaBH3CN i 30 min for at blokere uomsatte aldehydgrupper.
    3. Vask enheden med Na-fosfatbuffer (pH 7,0) tre gange, og derefter føntørre overfladen af ​​anordningen med nitrogen.

4. Bekræftelse og analyse af overfladevand Ændring på pSNWFET

  1. pH-profil efter hvert trin i overfladebehandling
    1. Forbered 10 mM Na-PB i pH 3,0-9,0.
      1. Forbered 10 mM natriumphosphat tribasisk dodecahydrat (Na 3 PO 4) i deioniseret vand (pH 11,60).
      2. Forbered 10 mM phosphorsyre (H 3 PO 4) i deioniseret vand(PH 2,35).
      3. Placer pH-elektroden i 500 ml 10 mM Na 3 PO 4 puffer, og blandes denne opløsning med forskellige volumener 10 mM H 3 PO 4 buffer under måling af pH-værdien til opnåelse af puffere med pH-værdier på 3,0, 4,0, 5,0, 6,0 , 7,0, 8,0 og 9,0.
    2. AC ledningsevne måling
      Bemærk: Målingen kredsløb omfattede en lille AC-signal generator og en Au Microwire der tjente som den flydende gate-elektrode.
      1. Bestem den optimale flydende gate spænding (V LG) til måling 26 ved hver ændring trin (trin 2.2, 3.1, 3.2, og 3.3).
        Bemærk: De elektriske egenskaber af indretningen efter fire overflademodifikationer på SNW blev målt som beskrevet i dette afsnit. I trin 2.2, det umodificerede pSNWFET indeholdende det native oxidlag modificeret; trin 3.1 indebærer ændrer enheden med amingruppen af ​​APTES; trin 3.2 involverer modifikation med det uladedefunktionel gruppe af glutaraldehyd; og trin 3.3 involverer DNA-probe modifikation.
        1. Levere 10 mM Na-fosfatbuffer (pH 7,0) opløsning til SNW overflade ved anvendelse af en sprøjtepumpe (strømningshastighed: 5,0 ml / time) til direkte kontakt med SNW.
        2. Mål den real-time konduktans af enheden under fejningen V LG 0,80-1,30 V.
          1. Udfør ledningsmåling ved hjælp af lock-in-teknik 27 ved stuetemperatur.
          2. Konverter AC nuværende signaler til en AC spænding signal ved hjælp af en støjsvag nuværende forforstærker.
          3. Indsamle data om ledningsevne (G) ved at øge V LG 0,80-1,30 V (interval = 0,02 V).
        3. Bestemme den optimale V LG (mest følsomme V LG) af indretningen 26.
          1. Plotte GV LG Kurverne fra trin 4.1.2.1.2.3 at opnå ligningen for kurven.
          2. Differentiate ligningen, og beregne værdierne i hvert punkt af V LG.
          3. Divider værdien fra trin 4.1.2.1.3.2 af G, og bestemme den optimale V LG henhold til det maksimale antal.
      2. Mål den tidstro konduktans af pH-profilen på hvert trin af overfladen modifikation.
        1. Udfør ledningsmåling ved hjælp af lock-in-teknik 27 ved stuetemperatur.
        2. Konverter AC aktuelle signal til AC spænding signaler ved hjælp af en støjsvag nuværende forforstærker.
        3. Indstil den optimale V LG for hvert trin i overfladebehandling (trin 2.2: V LG = 1,02, trin 3.1: V LG = 0,98, trin 3.2: V LG = 0,98, og trin 3.3: V LG = 1,0).
        4. Lever den 10 mM Na-PB løsning med pH-værdier fra 3,0 til 9,0 til SNW overflade (flow: 5,0 ml / time), Og indsamle data om ledningsevne ved et dræn spænding på 0,01 V.
  2. Måling af elektriske egenskaber (I D -V BG kurve) af apparatet i 10 mM Na-PB (pH 7,0) efter hvert trin i overfladebehandling (trin 2.2, 3.1, 3.2, og 3.3.)
    Bemærk: De elektriske egenskaber af indretningen efter fire overflademodifikationer på SNW blev målt: i trin 2.2, det umodificerede pSNWFET indeholdende det native oxidlag modificeret; trin 3.1 involverer at modificere enheden med amingruppen af ​​APTES; trin 3.2 indebærer modificering med den uladede funktionelle gruppe af glutaraldehyd; og trin 3.3 medfører DNA-probe modifikation.
    1. Levere 10 mM Na-fosfatbuffer (pH 7,0) løsning på SNW overflade (trin 2.2, 3.1, 3.2, og 3.3) ved hjælp af en sprøjtepumpe (strømningshastighed: 5,0 ml / time) til direkte kontakt med SNW.
    2. Mål I D
    3. Vælg "nMOSFET" mode.
    4. Vælg "Jeg D - V BG" moduler.
      Bemærk: Jeg D er dræn / source strøm, og V BG er tilbage gate spænding.
    5. Indstil en konstant forspænding (V D = 0,5 V) under fejningen porten potentiale (V BG) fra -1 til 3,0 V (interval = 0,2 V).
    6. Klik på ikonet Kør for at opnå I D - V BG kurver.

5. DNA biosensorer

Bemærk: I et typisk eksperiment, I D - er V B G kurve bestemmes tre gange for at sikre, at ingen yderligere variation er observed.

  1. Bestemmelse af baseline
    1. Levere 10 mM Na-PB-opløsning (pH 7,0) til DNA-proben-immobiliserede SNW overflade i 10 min ved anvendelse af en sprøjtepumpe (strømningshastighed: 5,0 ml / time), og derefter inkuberes SNW i 30 minutter.
    2. Mål I D af enheden (gentag trin 4.2.2).
  2. Sensing af DNA / DNA-hybridisering
    1. Load 22:00 komplementært mål-DNA på DNA probe-immobiliserede SNW overflade i 10 min ved anvendelse af en sprøjtepumpe (strømningshastighed: 5,0 ml / time), og derefter inkuberes SNW i 30 minutter.
    2. Levere 10 mM Na-PB-opløsning (pH 7,0) på SNW overflade i 10 min ved anvendelse af en sprøjtepumpe (strømningshastighed: 5,0 ml / time) for at vaske ubundet mål-DNA væk.
    3. Gentag trin 4.2.2 at måle I D af indretningen.
  3. Reconfirm signalet af DNA / DNA-hybridisering.
    1. Load 1 nM opsving DNA på than DNA-probe-immobiliserede SNW overflade i 10 min ved anvendelse af en sprøjtepumpe (strømningshastighed: 5,0 ml / time), og derefter inkuberes SNW i 30 minutter.
    2. Levere 10 mM Na-PB-opløsning (pH 7,0) på SNW overflade i 10 min ved anvendelse af en sprøjtepumpe (strømningshastighed: 5,0 ml / time).
    3. Gentag trin 4.2.2 at måle I D af indretningen.
  4. negativ kontrol
    1. Belastning 100 pM ikke-komplementært DNA på DNA-probe-immobiliserede SNW overflade i 10 min ved anvendelse af en sprøjtepumpe (strømningshastighed: 5,0 ml / time), og derefter inkuberes SNW i 30 minutter.
    2. Levere 10 mM Na-PB-opløsning (pH 7,0) på SNW overflade i 10 min ved anvendelse af en sprøjtepumpe (strømningshastighed: 5,0 ml / time).
    3. Gentag trin 4.2.2 at måle I D af indretningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Forskellige SNWFETs er blevet rapporteret til at tjene som transducere af biosensorer (tabel 1). Single-krystallinske SNWFETs (sSNWFETs) og pSNWFETs viser sammenlignelige elektriske egenskaber som transducere i vandige opløsninger, og begge er blevet rapporteret at have mange biosensorer applikationer. Et fordelagtigt træk ved pSNWFET anordning, der anvendes i denne undersøgelse er dens enkle og billige fabrikation procedure. Figur 1A viser de vigtigste trin i fremstilling af pSNWFET. Et optisk billede af en matrice fra 6-inch wafer (figur 1b) og SEM-billeder (figur 1c) af en enkelt indretning (to SNWs, ca. 100 nm i bredden og 1,6 um i længde) blev opnået.

Figur 2a illustrerer fremgangsmåden i DNA-proben immobilisering på SNW overflade. Hver modifikation trin blev bekræftet ved anvendelse XPS (figur 2b (Figur 2c, d) er vist på forskellige stadier af SNW overfladebehandling. For den umodificerede pSNWFET indeholdende det native oxidlag på SNW overflade, blev hydroxylgrupperne (OH) ioniseres til dannelse ladede grupper (-O -) med stigende pH-værdier (sort linie). Faldet i ledningsevne ved pH 6,0 til 9,0 angiver, at syren dissociationskonstant (pKa) af hydroxylgruppen kan indstilles til ca. 7,0. Konduktans sandsynligvis øges ved pH 3,0 til 6,0 på grund af stigningen i ionstyrke, påvirker enhed egenskaber 1. Efter APTES ændring, svaret på ledningsevne af APTES-modificerede apparat viste stor spredning (rød linje). Amingruppen (pKa = 4,0) af APTES kan protoneres ved en lav pH-værdi for at frembringe en positiv ladning 28. Således SNW konduktans faldt med diskrete ændringer i pH værdierfra 3.0 til 9,0. Efter SNW blev ændret med glutaraldehyd, svaret var relativt stabil i ledningsevne ved pH spænder fra 3,0 til 9,0 (blå linje). Dette kan tilskrives det uladede funktionelle gruppe, der er ufølsom over for ændring i pH-miljøer. Endelig efter det negativt ladede DNA-probe blev immobiliseret, konduktans faldt en smule med en stigning i pH-værdier (grøn linje).

Skiftet i de elektriske egenskaber af indretningen (figur 2e) med forskellige modifikationer bekræfter ændringen i SNW overflade. I sådanne forsøg blev jeg D -V G kurve af den umodificerede pSNWFET anvendes som basislinje (sort linie). Efter SNW blev nedsænket i APTES, I D -V G kurve af enheden flyttet til venstre (øget strøm) på grund af den positive ladning på SNW overflade caused af aminogruppen på APTES (sort til rød linje). Efter konjugering af glutaraldehyd til APTES-modificerede anordning, I D -V G kurven forskydes tilbage til højre på grund af imid bindingsdannelse. Den nuværende faldt fordi den positivt ladede amin blev omdannet til neutralt ladet imid (rød til blå linie). Endelig blev 5'-amnimodified DNA-probe indført for at binde til APTES-glutaraldehyd-modificeret enhed. Sukkeret-fosfat rygraden i DNA forårsagede I D -V G kurve til at flytte til højre (blå til grøn linie), hvilket er i overensstemmelse med effekten af negative ioner på n-type FET.

Detektion af DNA / DNA-hybridisering på pSNWFET er vist i figur 3. Sonde, mål, genvinding og ikke-komplementære DNA-sekvenser designet til at detektere den fugleinfluenzavirus (AIV) 29,30 tabel 2. The I D -V G kurve af DNA-proben-modificerede pSNWFET opnået i 10 mM Na-fosfatbuffer (pH 7,0) blev anvendt som basislinie (sort). Efterfølgende blev 22:00 mål-DNA introduceret til at hybridisere med det immobiliserede DNA-probe på SNW overflade, og der blev observeret en klar nedgang i afløbet strøm af anordningen (rød linje). Den faldt I D i n-typen SNWFET indebar en forøget negativ ladning (forårsaget af phosphatrygraden) på SNW overflade. Recovery DNA blev designet til at rehybridize med mål-DNA'et og frigøre DNA-proben 31. Hvis recovery DNA'et korrekt udformet, reaktionen termodynamisk favoriserer rehybridisering af mål-recovery DNA-duplex, fordi mere komplementære nukleotider er tilgængelige mellem disse to DNA-strenge (tabel 1) end dem mellem proben og mål-DNA. Tilføjelse 1 nM opsving DNA (blå linje) Bekræftede yderligere, at den elektriske reaktion af mål-DNA skyldtes hybridisering af proben-mål-DNA og befriet DNA-proben, der genanvendes i efterfølgende eksperimenter. Som en negativ kontrol, ikke-komplementær DNA [AIV subtype H5 mål-DNA] (100 pM) blev også injiceret og blandet med DNA-proben, og jeg D -V G kurve forblev uændret. DNA-proben immobiliseret på pSNWFET er ufølsom overfor ikke-komplementær DNA. Kun målrette DNA forårsager en mærkbar ændring i I D - V G kurve. The I D - V G kurve vender tilbage til baseline efter inkubation med inddrivelse DNA.

figur 1
Figur 1. Fremstilling af pSNWFET indretningen. (A) Ordning anordning fabrikation. (I) En 6-tommers Si wafer var loft med en 100-nm-tykt termisk oxidlag. Dernæst blev 50-nm-tykke nitrid og 100-nm-tykke TEOS lag aflejret som udgangsmaterialer ved hjælp LPCVD. (Ii) En TEOS dummy struktur blev defineret og dannet ved anvendelse af standard litografi; to isolator lag (oxid og nitrid) tjente som porten dielektrikum. (Iii) En 100-n-tyk α-Si lag blev deponeret ved anvendelse LPCVD, og ​​annealing blev efterfølgende udført for at omdanne α-Si i poly-Si. (Iv) S / D doping blev derefter udført gennem fosfor ion implantation. (V) De dæksiden Si kanaler blev dannet i en selvstændig linie måde ved hjælp af standard litografi. (Vi) Øverste billede af fabrikerede enhedens struktur med pSNW. (B) optiske billeder af en pSNWFET biosensor chip. (C) SEM billede af en enkelt pSNWFET enhed. Klik her for at se en større version af dette tal.


Figur 2. Overflade modifikation og validering på pSNWFET. (A) Scheme of overfladefunktionalisering af DNA og DNA / DNA-hybridisering. (B) XPS-spektre for C1s, O1s, og N1S signaler fra siliciumskiven (prøveudtagning dybde = 7,5 nm), hvor den sekventielle trinvise overfladebehandling af den immobiliserede DNA-proben blev udført. Høj opløsning spektre blev opnået, og den samlede energi resolutionen blev sat til 0,1 eV. (C) Real-tid-kurven ved forskellige pH-værdier ved hvert trin af overfladen modifikation; 10 mM Na-PB blev injiceret i følgende rækkefølge: 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) Gennemsnitlig conducafstand ved pH-værdier fra 3.0 til 9,0 med 10 mM Na-PB efter hvert trin med overflademodifikation. (E) Elektriske egenskaber (I D - V BG kurver) af pSNWFET på hvert trin i overfladebehandling. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. DNA biosensorer på pSNWFET. De I D -V G kurver af DNA-proben-modificerede pSNWFET blev opnået i 10 mM Na-PB (pH 7) (sort linje). I D -V G kurve efter hybridisering af probe og mål-DNA (rød linje) blev opnået ved at indføre 22:00 mål-DNA og vask det med 10 mM Na-fosfatbuffer (pH 7). DNA-proben (blå linie) blev udvundet ved tilsætning af 1 nM recovery DNA for at fjerne mål-DNA'et. Ikke-komplementær DNA blev anvendt som negativ kontrol i dette forsøg (grøn linje).

Bio-mål Følsomhed Krystallinsk Type Reference
pH enkelt p 35
Cystisk fibrose AF508 3 baser deletion enkelt p 9
influenza A enkelt virus enkelt p 2
ATP sensing 100 pM enkelt p 3
telomerase 10 Hela-celle enkelt p 14
PSA / CEA / mucin-1 <1,4 / 2 / på 5 pg / ml enkelt n / p 14
neuronal signal enkelt n / p 4
Ca2 + 100 nM enkelt n 5
Bakterielt toksin (SEB) 10 fM poly p 7
Dopamin 1 fM poly n 8
Troponin-T 1 fg / ml enkelt n 19
Vaskulær endotelvækstfaktor 1.04 / 0,104 nM enkelt n / p 18
BRAF V599E 1-basis-mismatch enkelt n 11
1 fM poly n 10
Avidin / streptavidin 1,48 nM / 167 fM poly n 37
Ca2 + / troponin I 1 pM / 7 nM enkelt p 6
Dengue serotype 2 RNA <10 fM enkelt n 12
CaM proteinkinase udtrykt cellelysat enkelt p 16
Matrixmetalloproteinase-2 100 fM enkelt p 15
MikroRNA'er (MIR-21 / MIR-205) 1 zeptomole (ca. 600 eksemplarer) enkelt p 13
Vaskulær endotelvækstfaktor 1,25 pg / ml poly n
Menneskelig thyreoidea stimulerende hormon 12:11 enkelt n 20
Apolipoprotein A II-protein 6,7 pg / ml poly n 17
Interleukin 8 / tumornekrosefaktor α 10 fg / ml enkelt n 22

Tabel 1. Delvis liste over biotargets undersøgt ved anvendelse SNWFET enheder.

Oligonukleotider sekvens
AIV H1 5'-aminomodified probe DNA 5'-NH2-C6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 '
AIV H1 mål-DNA 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 '
AIV H1 opsving DNA 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 '
Ikke-komplementært DNA (AIV H5 mål-DNA) 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 '

Tabel 2. Sekvenser af syntetiske oligonukleotider.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kommercialisering af top-down og bottom-up fremstilling tilgange til sSNWFETs anses vanskelig på grund af omkostningerne 32,33, SNW position kontrol 34,35, og dens lave produktion skala 36. Derimod fremstilling pSNWFETs er enkel og billig 37. Gennem top-down tilgang og kombination med sidevæggen spacer dannelse teknik (figur 1), kan størrelsen af SNW kontrolleres ved at justere varigheden af reaktiv plasmaætsning. Procedurerne for udarbejdelse af nanotråde af pSNWFET illustreret i figur 1a kan let tilpasses til kommercielle halvleder faciliteter. Følgelig pSNWFETs har flere fordele, herunder omkostningseffektivitet, en enkel konstruktion teknik, og en CMOS-kompatibel fabrikationsproces og således kan anvendes i biosensorer.

I modsætning til fremstillingen af ​​halvlederindretningen, en proces veldefineret i commercial faciliteter kan immobilisering af bioprobe på enheden variere for hver specifik anvendelse. Immobilisering af DNA-proben på SNW overfladen er vist i figur 2a som et eksempel. Andre bioprobes, såsom antistoffer, aptamerer og enzymer, kan også immobiliseres på SNW overflade til detektering forskellige mål. Følgende trin er afgørende for en vellykket immobilisering af DNA-probe. I vores protokol, er det som konfektionerede pSNWFET enhed rengøres og behandles med ilt plasma og derefter nedsænket i en APTES / ethanol løsning til at skabe aminogrupper på SNWs. Dernæst er indretningen nedsænket i en glutaraldehydopløsning at skabe aldehydgrupper på overfladen. Disse grupper er senere konjugeret til 5'-aminomodified DNA-probe. Multiple-trins konjunktioner mellem tværbindingsmolekyler og bioprobe skulle omdanne halvleder-enhed til en biosensor. Det er derfor afgørende at sikre, at hvert skridt er en succes. Ved hvert trinaf DNA-probe immobilisering blev XPS anvendt til at analysere og bekræft sammensætningen og kemien af ​​overfladen. De atomare koncentrationer af carbon, oxygen og nitrogen blev bestemt på grundlag af XPS scanninger af de respektive toppe, som vist i figur 2b. Efter tilsætning af DNA-proben, de mest bemærkelsesværdige ændringer var en stigning i carbon- og nitrogenkilder koncentrationer. En stigende tendens blev observeret i de carbon- og nitrogenkilder koncentrationer på hvert trin af immobilisering procedure DNA-proben. Koncentrationen af ​​ilt faldt i proceduren, fordi den indfødte hydroxylgruppen blev dækket gennem overfladebehandling. Disse resultater viste, at DNA-proben blev immobiliseret, som er i overensstemmelse med ændringen i elektriske egenskaber, som vist i figur 2c, d, og e. Ovennævnte procedurer er nyttige til fejlfinding i tilfælde af mislykket overflade modifikation. Imidlertid er de normalt udføres på en separat wafer belagt med et materiale svarende til den på nanotrådene overflade. Direkte beviser for ændringer i de elektriske egenskaber af den modificerede enhed er forpligtet til at bekræfte resultatet af overfladebehandling på enheden, som beskrevet i de følgende afsnit.

En af de hyppigst anvendte metoder til direkte at overvåge ændringer i FET anordningens overflade er pH sensing, som vist i figur 2d og d. Forskellige overflademodifikationer resultere i variation i afgift på SNW overflade, i høj grad påvirker overfladen potentiale pSNWFET under forskellige miljøer. Vi anvendte bredspektrede pH bufferopløsninger at konstatere ændringer i ledningsevne svarende til de funktionelle grupper på SNW overflade. Fra et mekanistisk synspunkt stigningen i konduktans med skiftende pH (stigning i hydrogenioner) stemmer overens med stigningen i den positive overfladeladning, som "tændes" af n-typen FET gennem accumulatipå elektronpar. De realtid elektriske reaktioner på ledningsevne af pSNWFET kan måles i bufferopløsninger med pH-værdier i intervallet 3,0-9,0. De beskrives i denne rapport metoder er nyttige til undersøgelse af, om en halvleder-baserede sensor er forberedt til biosensorer ansøgning.

Figur 2e viser en bekvem fremgangsmåde til bestemmelse af resultatet af overflademodifikation gennem direkte måling af de elektriske egenskaber af indretningen. Ændringerne i I D - V G kurver vist i figur 2e er i overensstemmelse med hvert trin i DNA-probe immobilisering på SNW overflade. Ifølge resultaterne, kan pSNWFETs anvendes direkte til at bekræfte proceduren ved hvert trin af bioprobe immobilisering. Dette resultat viser også, at den modificerede pSNWFET er forberedt til biosensorer ansøgning. Disse procedurer er særligt anvendelige, når immobilisering procedures er veletablerede. Funktionen af en pSNWFET-baseret biosensor blev undersøgt ved detektion AIV undertype H1 DNA som eksempel (figur 3). Brug af probe og mål-DNA er egnet til at illustrere udviklingen af ​​en hidtil ukendt biosensor på grund af stabiliteten af ​​DNA-molekylerne og de teknikker, der findes for let opnåelse af den ønskede DNA-sekvens. Ud over at anvende ikke-komplementær DNA som en negativ kontrol, demonstrerede vi DNA-hybridisering på pSNWFET med et genvindingssystem. Dette er især nyttigt, når der anvendes et nyt system eller den nye enhed til biosensorer eksperimenter. Mange trin er involveret i processen fra indretningsfremstilling til biosensorer ansøgning. Hvert trin påvirker det endelige resultat. Desuden er falsk positive eller falsk negative resultater sædvanligvis opnået i biosensorer eksperimenter på grund af kompleksiteten af ​​biosensorer miljø. Således kontrollerede eksperimenter er kritiske, og genvindingssystemet demonstreret i dette studie kan i høj grad facilitate identificering af uventede faktorer, der interfererer med de eksperimentelle resultater.

De vigtigste begrænsninger for tiden anvendte pSNWFET-baseret biosensor er tilgængeligheden af ​​pSNWFET enheden og instrumentering, der anvendes til måling. Imidlertid kan disse to begrænsninger let overvindes i den nærmeste fremtid. Mange typer af SNWFETs er blevet rapporteret i litteraturen. Den pSNWFET påvist i denne undersøgelse er allerede fremstillet ved hjælp standard halvleder-processen og kan masseproduceres med kun mindre justeringer af den kommercielle wafer produktionsprocessen. De anvendte måleapparater til måling i denne undersøgelse var en standard halvlederchip analysator. Dette indebærer, at, med en ordentlig integreret kredsløb installeret på enheden, kan bærbare instrumentering være konstrueret og fremstillet ved hjælp af strøm elektronisk teknologi.

Afslutningsvis beskriver vi den komplette procedure for DNA sensing på en pSNWFET. Fordi IMMOBilization procedure kraftigt påvirker evnen af ​​en biosensor til effektivt at detektere biomolekyler, denne protokol giver trin-for-trin bekræftelse af bioprobe immobilisering og parathed enheden for DNA biosensorer applikationer. Lignende fremgangsmåder kan tilpasses fra denne rapport for mange lignende biosensorer applikationer, hvor der er nødvendige justeringer. Denne rapport beskriver også protokoller til at bekræfte og fejlfinding af immobilisering af bioprobe og enhedens overflade ændringer. Efterspørgslen efter forskellige biosensorer er stigende. De er beskrevet i denne rapport metoder er en passende reference for at forberede og udvikle halvleder-baserede biosensorer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lin, C. H., et al. Surface composition and interactions of mobile charges with immobilized molecules on polycrystalline silicon nanowires. Sensor Actuat B-Chem 211. 211, 7-16 (2015).
  2. Patolsky, F., et al. Electrical detection of single viruses. P Natl Acad Sci USA. 101, 14017-14022 (2004).
  3. Wang, W. U., Chen, C., Lin, K. H., Fang, Y., Lieber, C. M. Label-free detection of small-molecule-protein interactions by using nanowire nanosensors. P Natl Acad Sci USA. 102, 3208-3212 (2005).
  4. Patolsky, F., et al. Detection, stimulation, and inhibition of neuronal signals with high-density nanowire transistor arrays. Science. 313, 1100-1104 (2006).
  5. Bi, X., et al. Development of electrochemical calcium sensors by using silicon nanowires modified with phosphotyrosine. Biosens Bioelectron. 23, 1442-1448 (2008).
  6. Lin, T. W., et al. Label-free detection of protein-protein interactions using a calmodulin-modified nanowire transistor. P Natl Acad Sci USA. 107, 1047-1052 (2010).
  7. Mishra, N. N., et al. Ultra-sensitive detection of bacterial toxin with silicon nanowire transistor. Lab on a chip. 8, 868-871 (2008).
  8. Lin, C. H., et al. Ultrasensitive detection of dopamine using a polysilicon nanowire field-effect transistor. Chem Commun. , 5749-5751 (2008).
  9. Hahm, J., Lieber, C. M. Direct ultrasensitive electrical detection of DNA and DNA sequence variations using nanowire nanosensors. Nano Lett. 4, 51-54 (2004).
  10. Lin, C. H., et al. Poly-silicon nanowire field-effect transistor for ultrasensitive and label-free detection of pathogenic avian influenza DNA. Biosens Bioelectron. 24, 3019-3024 (2009).
  11. Wu, C. C., et al. Label-free biosensing of a gene mutation using a silicon nanowire field-effect transistor. Biosens Bioelectron. 25, 820-825 (2009).
  12. Zhang, G. -J., et al. Silicon nanowire biosensor for highly sensitive and rapid detection of Dengue virus. Sensor Actuat B-Chem. 146, 138-144 (2010).
  13. Lu, N., et al. CMOS-compatible silicon nanowire field-effect transistors for ultrasensitive and label-free microRNAs sensing. Small. 10, 2022-2028 (2014).
  14. Zheng, G., Patolsky, F., Cui, Y., Wang, W. U., Lieber, C. M. Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nat Biotechnol. 23, 1294-1301 (2005).
  15. Choi, J. H., Kim, H., Choi, J. H., Choi, J. W., Oh, B. K. Signal enhancement of silicon nanowire-based biosensor for detection of matrix metalloproteinase-2 using DNA-Au nanoparticle complexes. ACS Appl Mater Interfaces. 5, 12023-12028 (2013).
  16. Lin, T. Y., et al. Improved silicon nanowire field-effect transistors for fast protein-protein interaction screening. Lab Chip. 13, 676-684 (2013).
  17. Chen, H. C., et al. A sensitive and selective magnetic graphene composite-modified polycrystalline-silicon nanowire field-effect transistor for bladder cancer diagnosis. Biosens Bioelectron. 66, 198-207 (2015).
  18. Lee, H. S., Kim, K. S., Kim, C. J., Hahn, S. K., Jo, M. H. Electrical detection of VEGFs for cancer diagnoses using anti-vascular endotherial growth factor aptamer-modified Si nanowire FETs. Biosens Bioelectron. 24, 1801-1805 (2009).
  19. Chua, J. H., Chee, R. E., Agarwal, A., Wong, S. M., Zhang, G. J. Label-free electrical detection of cardiac biomarker with complementary metal-oxide semiconductor-compatible silicon nanowire sensor arrays. Anal Chem. 81, 6266-6271 (2009).
  20. Lu, N., et al. Label-free and rapid electrical detection of hTSH with CMOS-compatible silicon nanowire transistor arrays. ACS Appl Mater Interfaces. 6, 20378-20384 (2014).
  21. Chen, H. C., et al. Magnetic-composite-modified polycrystalline silicon nanowire field-effect transistor for vascular endothelial growth factor detection and cancer diagnosis. Anal Chem. 86, 9443-9450 (2014).
  22. Zhang, Y. L., et al. Silicon Nanowire Biosensor for Highly Sensitive and Multiplexed Detection of Oral Squamous Cell Carcinoma Biomarkers in Saliva. Anal Sci. 31, 73-78 (2015).
  23. Lin, H. C., et al. A simple and low-cost method to fabricate TFTs with poly-Si nanowire channel. Ieee Electr Device L. 26, 643-645 (2005).
  24. Lin, H. C., Lee, M. H., Su, C. J., Shen, S. W. Fabrication and characterization of nanowire transistors with solid-phase crystallized poly-Si channels. Ieee T Electron Dev. 53, 2471-2477 (2006).
  25. Doering, R., Nishi, Y. Handbook of semiconductor manufacturing technology. , 2nd, CRC Press. (2008).
  26. Lu, M. P., Hsiao, C. Y., Lai, W. T., Yang, Y. S. Probing the sensitivity of nanowire-based biosensors using liquid-gating. Nanotechnology. 21 (425505), (2010).
  27. Gaspar, J., et al. Digital lock in amplifier: study, design and development with a digital signal processor. Microprocess Microsy. 28, 157-162 (2004).
  28. Vezenov, D. V., Noy, A., Rozsnyai, L. F., Lieber, C. M. Force titrations and ionization state sensitive imaging of functional groups in aqueous solutions by chemical force microscopy. J Am Chem Soc. 119, 2006-2015 (1997).
  29. Townsend, M. B., et al. Experimental evaluation of the FluChip diagnostic microarray for influenza virus surveillance. J Clin Microbiol. 44, 2863-2871 (2006).
  30. Wang, L. C., et al. Simultaneous detection and differentiation of Newcastle disease and avian influenza viruses using oligonucleotide microarrays. Vet Microbiol. 127, 217-226 (2008).
  31. Lin, C. -H., et al. Recovery Based Nanowire Field-Effect Transistor Detection of Pathogenic Avian Influenza DNA. Jpn J Appl Phys. 51 (02BL02), (2012).
  32. Lee, K. N., et al. Well controlled assembly of silicon nanowires by nanowire transfer method. Nanotechnology. 18 (445302), (2007).
  33. Li, Z., et al. Sequence-specific label-free DNA sensors based on silicon nanowires. Nano Lett. 4, 245-247 (2004).
  34. McAlpine, M. C., et al. High-performance nanowire electronics and photonics on glass and plastic substrates. Nano Lett. 3, 1531-1535 (2003).
  35. Cui, Y., Wei, Q., Park, H., Lieber, C. M. Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection of biological and chemical species. Science. 293, 1289-1292 (2001).
  36. Patolsky, F., Zheng, G., Lieber, C. M. Nanowire-based biosensors. Anal Chem. 78, 4260-4269 (2006).
  37. Hsiao, C. Y., et al. Novel poly-silicon nanowire field effect transistor for biosensing application. Biosens Bioelectron. 24, 1223-1229 (2009).

Tags

Bioengineering Polysilicium nanowire felt-effekt transistor biosensorer overfladebehandling charge-charge interaktion label-fri real-time detektion
Udarbejdelse af Silicon nanotrådene Field-effekt Transistor for Kemiske og biosensorer Applications
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter