Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

הכנת טרנזיסטור הסיליקון Nanowire שדה ותוצאה עבור יישומים כימיים biosensing

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

אפקט שדה, טרנזיסטורים nanowire הסיליקון (SNWFETs) יש את היתרונות של רגישות גבוהה במיוחד ותגובות חשמליות ישירות וריאצית תשלום סביבה. בשנת SNWFETs מסוג n למשל, כאשר מולקולה טעונה שלילי (או חיובי) מתקרבת nanowire סיליקון (SNW), נושא את SNW מתרוקנים (או לצבור). כתוצאה מכך, המוליכות של SNWFET יורדות (או עליות) 1. לכן, כל מולקולה טעונה קרוב לפני השטח SNW של המכשיר SNWFET ניתן לאתר. ביומולקולות ויטל כוללים אנזימים, חלבונים, נוקלאוטידים, ומולקולות רבות על פני התא הם נושאי מטען וניתן לנטר באמצעות SNWFETs. עם שינויים מתאימים, במיוחד משתק בדיקה וביומולקולרית על SNW, SNWFET ניתן התפתח biosensor ללא תווית.

מעקב באמצעות סמנים ביולוגיים הוא קריטי לאבחון מחלות. כפי שניתן לראות בטבלה 1, מספר מחקרים השתמשו NWFET מבוסס חיישנים ביולוגיים עבור ללא תווית, אולטרה-רגישות גבוהה, וזיהוי בזמן האמת של מטרות ביולוגיות שונות, לרבות יחיד וירוס 2, אדנוזין אדנוזין ו קינאז מחייב 3, אותות עצביים 4, יוני מתכת 5,6, רעלנים חיידקיים 7, דופמין 8, DNA 9-11, RNA 12,13, האנזים סמנים לסרטן 14-19, הורמונים אדם 20, וציטוקינים 21,22. מחקרים אלו הוכיחו כי biosensors המבוסס NWFET מייצג פלטפורמת זיהוי חזקה עבור מגוון רחב של מינים ביולוגיים וכימיים בתמיסה.

בשנת biosensors המבוסס SNWFET, החללית משותקת על פני שטח SNW של המכשיר מזהה biotarget ספציפי. משתקות bioprobe בדרך כלל שורה של צעדים, וזה קריטי, כי כל צעד מתבצע כראוי, כדי להבטיח את התפקוד התקין של biosensor. טכניקות שונות פותחו לניתוח sהרכב urface, כולל ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן (XPS), ellipsometry, מדידת זווית המגע, מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), וכן במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). שיטות כגון AFM ו SEM לספק עדות ישירה של חוסר תנועת bioprobe במכשיר nanowire, ואילו שיטות כגון XPS, ellipsometry, ומדידת זווית מגע תלויות ניסויים מקבילים שבוצעו על חומרים דומים אחרים. בדו"ח זה, אנו מתארים את אישור כל שלב שינוי באמצעות שתי שיטות עצמאיות. XPS משמש כדי לבחון את הריכוזים של אטומים ספציפיים על פרוסות פוליסיליקון, ופערי התכונות החשמליות של המכשיר נמדדים ישירות כדי לאשר את וריאצית תשלום על פני שטח SNW. אנו מעסיקים biosensing DNA באמצעות SNWFETs גבישי (pSNWFETs) כדוגמה כדי להמחיש בפרוטוקול זה. משתקות בדיקת DNA על פני שטח SNW כרוך בשלושה שלבים: שינוי קבוצה אמינית על פני שטח הידרוקסיל יליד SNW, אלשינוי בקבוצה dehyde, וקיבוע בדיקת DNA 5'-aminomodified. בכל שלב שינוי, המכשיר יכול לזהות הווריאציה ישירות תחת השגחתו של הקבוצה הפונקציונלית משותק על פני שטח SNW, כי האשמות המשטח לגרום מקומיים שינויים פוטנציאליים interfacial מעל השער דיאלקטרי המשנים את הנוכחי ערוץ מוליכות 1. חיובים סביב משטח SNW יכול חשמלי לווסת את התכונות החשמליות של מכשיר pSNWFET; אם כן, מאפייני השטח של SNW לשחק תפקיד מכריע בקביעת המאפיינים החשמליים של מכשירי pSNWFET. בנהלים שדווחו, חוסר התנועה של bioprobe על פני שטח SNW ניתן לקבוע ישירות ואשר באמצעות מדידה חשמלית, וההתקן מוכן יישומי biosensing.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ייצור 1. שימור התקני pSNWFET

  1. ייצור מכשיר
    הערה: pSNWFET היה מפוברק בטכניקה spacer דפנות כפי שדווח בעבר 23,24.
    1. מכינים את שכבת דיאלקטרי השער.
      1. כיסוי או תחמוצת תרמית 100 ננומטר בעובי (SiO 2) שכב על מצע Si באמצעות 25 תהליך החמצון הרטוב (O 2 ו- H 2 גז התהליך ב 980 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות).
      2. להפקיד ניטריד 50 ננומטר בעובי (Si 3 N 4) שכבת באמצעות שיקוע כימי בלחץ נמוך (LPCVD) 25 ב 980 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות.
    2. להפקיד orthosilicate tetraethyl 100 ננומטר בעובי (TEOS) שכבה באמצעות 25 LPCVD ב 780 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות.
    3. בצע ליתוגרפיה רגיל באמצעות צעד שאני אונליין להגדיר מבני דמה תחמוצת.
      1. מעיל פני השטח רקיק עם שכבת photoresist 830 ננומטר בעובי.
      2. אניnsert photomask מוגדר דפוס לתוך הצעד שאני אונליין.
      3. לעבד את החשיפה באמצעות צעד אונליין לי (אורך גל: 365 ננומטר) בעוצמה של 1,980 J בטמפרטורת החדר.
      4. פיתוח רקיק בתוך מפתח למשך 5 דקות.
      5. בצע את תהליך תחריט איזוטרופיים באמצעות תקן אינדוקטיבי מצמידים חרט פלזמה 25 עם גז פלזמה HBr ו- Cl דקות 1.
    4. להפקיד סיליקון אמורפי 100 ננומטר בעובי השכבה (α-סי) באמצעות 25 LPCVD.
    5. בצע צעד חישול ב 600 מעלות צלזיוס הסביבה N 2 למשך 24 שעות כדי להפוך את α-Si לתוך מבנה גבישי.
    6. יוני זרחן שתל דרך המקור / ניקוז (S / D) סימום ב אנרגיה נמוכה (5E 15 סנטימטרים -2) 25.
    7. בצע ליתוגרפיה רגיל באמצעות צעד אונליין לי להסיר את שכבת פולי-סי ויוצרים את nanowire פוליסיליקון (pSNW) 25.
      הערה: חזור על שלב 1.1.3 להשתיל DOPנמלים במקומות אחרים מאשר אזורי S / D עם הסרת פולי-סי ויוצר את ערוצי הדפנות Si באופן עצמי מזדהה.
    8. בצע את תהליך פסיבציה (200 ננומטר בעובי שכבת תחמוצת TEOS) באמצעות LPCVD ב 780 מעלות צלזיוס למשך 5 שעות 25.
    9. בצע ליתוגרפיה רגיל באמצעות צעד אונליין לי לחשוף את ערוצי nanowire, והרפידות מבחן הטופס באמצעות תהליך תחריט שני שלבים יבש / רטוב.
      1. חזור על שלב 1.1.3.
      2. בצע את תהליך התחריט הרטוב (DHF: HF / H 2 O דקות 1).
  2. שימור ופל
    1. חותם את הרקיק בשקית אחסון ואקום ולאחסן אותו בארון יבש אלקטרוני (לחות יחסית <40% בטמפרטורת חדר).

Pretreatment 2. של ההתקן

  1. ניקוי התקן
    1. יש לשטוף את המכשיר עם אצטון טהור.
    2. Sonicate (46 kHz, 80 W) מכשיר אצטון טהור למשך 10 דקות.
      3. <li> Sonicate (46 kHz, 80 W) המכשיר אתנול טהור (99.5%) במשך 5 דקות.
    3. לייבש את פני השטח של המכשיר עם חנקן.
  2. פלזמה חמצן
    1. פנקו את המכשיר עם פלזמה O 2 ב 18 וואט במשך 30 שניות.

קיבוע 3. של החללית DNA על פני השטח את המכשיר

  1. שינוי קבוצה אמינית
    1. לטבול את המכשיר פתרון 2.0% (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES) / אתנול למשך 30 דקות.
    2. שטפו את המכשיר עם אתנול שלוש פעמים, ולאחר מכן sonicate (46 kHz, 80 W) המכשיר באתנול במשך 10 דקות.
    3. מחמם את המכשיר על פלטה חשמלית ב 120 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות כדי ליצור קבוצות האמינו על SNWs.
  2. שינוי קבוצת אלדהיד
    1. לטבול את המכשיר glutaraldehyde 12.5% ​​במשך שעה 1 בטמפרטורת החדר כדי ליצור קבוצות אלדהיד על פני השטח. המנעו מחשיפה לאור.
    2. שטוף את השנינות המכשירהh 10 מ"מ חיץ פוספט נתרן (Na-PB; pH 7.0) שלוש פעמים, ולאחר מכן לייבש את פני השטח של המכשיר עם חנקן.
  3. קיבוע בדיקת DNA
    1. לטבול את המכשיר בתמיסה המכילה 1 בדיקות מיקרומטר DNA הלילה.
    2. לטבול את המכשיר 10 מ"מ טריס חיץ (pH 8.0) עם 4.0 מ"מ NaBH 3 CN למשך 30 דקות כדי לחסום את קבוצות אלדהיד unreacted.
    3. שטפו את המכשיר עם Na-PB (pH 7.0) שלוש פעמים, ולאחר מכן לייבש את פני השטח של המכשיר עם חנקן.

4. אישור וניתוח של שינוי פני השטח על pSNWFET

  1. פרופיל pH הבא כל צעד של שינוי פני שטח
    1. הכן 10 מ"מ Na-PB ב pH 3.0-9.0.
      1. הכן 10 פוספט נתרן מ"מ תלת-בסיסי dodecahydrate (Na 3 PO 4) במים deionized (pH 11.60).
      2. הכן 10 מ"מ חומצה זרחתית (H 3 PO 4) במים deionized(PH 2.35).
      3. מניחים את אלקטרודת pH לתוך 500 מ"ל של 10 מ"מ Na 3 PO 4 חיץ, ומערבבים את הפתרון הזה עם כמויות שונות של 10 מ"מ H 3 PO 4 חיץ תוך מדידת ערך ה- pH להשיג מאגרים עם ערכי ה- pH של 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 , 7.0, 8.0, ו- 9.0.
    2. מדידת מוליכות AC
      הערה: מעגל המדידה כלל מחולל אותות AC קטן ו microwire Au ששמש האלקטרודה השער הנוזלי.
      1. קבע את מתח השער הנוזלי האופטימלי (V LG) למדידה 26 בכל שלב שינוי (שלבי 2.2, 3.1, 3.2 ו -3.3).
        הערה: התכונות החשמליות של המכשיר לאחר שינויים משטח ארבע על SNW נמדדו כמתואר בסעיף זה. בשלב 2.2, pSNWFET ללא שינוי המכיל את שכבת תחמוצת הילידים הוא שונה; צעד 3.1 כרוכה פתיחה של המכשיר עם קבוצה אמינית של APTES; בשלב 3.2 כרוך שינוי עם unchargedקבוצה פונקציונלית של glutaraldehyde; צעד 3.3 כרוך שינוי בדיקת DNA.
        1. לספק את 10 מ"מ Na-PB (pH 7.0) פתרון על פני השטח SNW באמצעות משאבת מזרק (קצב זרימה: 5.0 מ"ל / שעה) למגע ישיר עם SNW.
        2. מדוד את המוליכות בזמן אמת של המכשיר בזמן גורף V LG 0.80-1.30 V.
          1. בצע מדידת המוליכות באמצעות טכניקת הנעילה ב 27 בטמפרטורת חדר.
          2. המרת האותות הנוכחיים AC לאות מתח AC באמצעות מגבר קדם נוכחי רעש נמוך.
          3. איסוף נתונים על המוליכות (G) על הגדלת V LG 0.80-1.30 V (מרווח = 0.02 V).
        3. קבע את LG V האופטימלי (LG V הרגיש ביותר) של המכשיר 26.
          1. מגרש את הקימורים GV LG מן 4.1.2.1.2.3 צעד כדי להשיג את המשוואה של העקום.
          2. Differentiate המשוואה, ולחשב את הערכים בכל אחד נקודת V LG.
          3. מחלק את הערך מ 4.1.2.1.3.2 צעד אחר G, ולקבוע את LG V האופטימלי בהתאם למספר המרבי.
      2. מדוד את המוליכות בזמן אמת של הפרופיל pH בכל שלב של שינוי פני השטח.
        1. בצע מדידת המוליכות באמצעות טכניקת הנעילה ב 27 בטמפרטורת חדר.
        2. המרת אות AC הנוכחית לאותות מתח AC באמצעות מגבר קדם נוכחי רעש נמוך.
        3. הגדר את LG V האופטימלי עבור כל שלב של שינוי פני שטח (שלב 2.2: V LG = 1.02, צעד 3.1: V LG = 0.98, צעד 3.2: V LG = 0.98, צעד 3.3: V LG = 1.0).
        4. לספק את הפתרון 10 מ"מ Na-PB עם ערכים מה PH 3.0 ל 9.0 אל פני השטח SNW (קצב הזרימה: 5.0 מ"ל / שעה), לאסוף את הנתונים על מוליכות במתח ניקוז של 0.01 V.
  2. מדידת התכונות החשמליות (עקום BG לי D -V) של המכשיר ב -10 מ"מ Na-PB (pH 7.0) לאחר כל שלב של שינוי פני השטח (שלבים 2.2, 3.1, 3.2 ו -3.3.)
    הערה: התכונות החשמליות של המכשיר לאחר ארבעה שינויים משטח על SNW נמדדו: בשלב 2.2, pSNWFET ללא שינוי המכיל את שכבת תחמוצת הילידים הוא שונה; שלב 3.1 כרוך פתיחה של המכשיר עם קבוצה אמינית של APTES; בשלב 3.2 כרוך שינוי עם הקבוצה הפונקציונלית uncharged של glutaraldehyde; צעד 3.3 כרוך שינוי בדיקת DNA.
    1. לספק את הפתרון 10 מ"מ Na-PB (pH 7.0) אל פני השטח SNW (צעדים 2.2, 3.1, 3.2, ו -3.3) באמצעות משאבת מזרק (קצב זרימה: 5.0 מ"ל / שעה) למגע ישיר עם SNW.
    2. מדוד את ואני D
    3. בחר במצב "nMOSFET".
    4. בחר "אני ד - V BG" מודולים.
      הערה: אני D הוא הנוכחי ניקוז / מקור, ו- V BG הוא מתח השער האחורי.
    5. הגדרת מתח הטיה קבועה (V D = 0.5 V) ואילו גורף את השער פוטנציאל (V BG) מ -1 עד 3.0 V (מרווח = 0.2 V).
    6. לחץ על סמל ההפעלה כדי להשיג לי D - עקומות BG V.

5. DNA biosensing

הערה: בניסוי טיפוסי, האני D - עקומת V B G נקבעת שלוש פעמים כדי לוודא ששום וריאציה נוספת היא observed.

  1. קביעת קו הבסיס
    1. לספק את הפתרון 10 מ"מ Na-PB (pH 7.0) אל פני השטח SNW DNA-משותקת החללית במשך 10 דקות באמצעות משאבת מזרק (קצב זרימה: 5.0 מ"ל / שעה), ולאחר מכן דגירה SNW למשך 30 דקות.
    2. מדוד את לי ד 'של המכשיר (חזור על שלב 4.2.2).
  2. חישה של DNA / כלת DNA
    1. DNA טען 10 pm היעד משלימים על גבי משטח SNW DNA-משותקת החללית במשך 10 דקות באמצעות משאבת מזרק (קצב זרימה: 5.0 מ"ל / שעה), ולאחר מכן דגירה SNW למשך 30 דקות.
    2. לספק את הפתרון מ"מ Na-PB 10 (pH 7.0) על גבי משטח SNW במשך 10 דקות באמצעות משאבת מזרק (קצב זרימה: 5.0 מ"ל / שעה) כדי לשטוף את ה- DNA היעד מאוגד משם.
    3. חזור על שלב 4.2.2 למדידה לי ד 'של המכשיר.
  3. בדוק שוב את האות של כלת DNA / DNA.
    1. DNA התאוששות טען 1 ננומטר על tהוא DNA בדיקה-משותקת משטח SNW במשך 10 דקות באמצעות משאבת מזרק (קצב זרימה: 5.0 מ"ל / שעה), ולאחר מכן דגירה SNW למשך 30 דקות.
    2. לספק את הפתרון מ"מ Na-PB 10 (pH 7.0) על גבי משטח SNW במשך 10 דקות באמצעות משאבת מזרק (קצב זרימה: 5.0 מ"ל / שעה).
    3. חזור על שלב 4.2.2 למדידה לי ד 'של המכשיר.
  4. בקרה שלילית
    1. טען 100 PM DNA שאינם משלימים על גבי משטח SNW DNA-משותקת החללית במשך 10 דקות באמצעות משאבת מזרק (קצב זרימה: 5.0 מ"ל / שעה), ולאחר מכן דגירה SNW למשך 30 דקות.
    2. לספק את הפתרון מ"מ Na-PB 10 (pH 7.0) על גבי משטח SNW במשך 10 דקות באמצעות משאבת מזרק (קצב זרימה: 5.0 מ"ל / שעה).
    3. חזור על שלב 4.2.2 למדידה לי ד 'של המכשיר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

SNWFETs השונה דווח לשמש מתמרים של חיישנים ביולוגיים (טבלה 1). SNWFETs חד גבישים (sSNWFETs) ו pSNWFETs להציג מאפיינים חשמליים דומים כמו מתמר בתמיסות מימיות, ושניהם דווחו להיות יישומי biosensing רבים. תכונת יתרון של מכשיר pSNWFET השתמש במחקר זה היא המצאה הפשוט בעלות הנמוכה שלה הליך. איור 1 א מציג את שלבי מפתח המעורבים בודים את pSNWFET. תמונה אופטי של קובייה מן רקיק 6 אינץ '(איור 1b) ותמונות SEM (איור 1 ג') של התקן יחיד (שני SNWs, כ 100 ננומטר רוחב ו 1.6 מיקרומטר באורך) התקבלו.

איור 2 א ממחיש את ההליך של חוסר תנועת בדיקת DNA על פני שטח SNW. כל צעד שינוי אושרה באמצעות XPS (איור 2b (איור 2 ג, ד) מוצגים בשלבים שונים של שינוי פני שטח SNW. עבור pSNWFET ללא שינוי המכיל את שכבת תחמוצת הילידים על פני השטח SNW, קבוצות הידרוקסיל (-OH) היו מיונן כדי ליצור קבוצות טעונות (-O -) עם הגדלת ערכי ה- pH (קו שחור). הירידה במוליכות ב pH 6.0 ל 9.0 עולה כי דיסוציאציה החומצה הקבועה (א PK) של קבוצת הידרוקסיל ניתן להגדיר 7.0 כ. מוליכות מגדילה סבירות ב- pH 3.0 כדי 6.0 בגלל עליית הכח היוני, משפיעי מאפייני מכשיר 1. לאחר שינוי APTES, תגובת המוליכות של המכשיר השונה-APTES הראתה וריאציה גבוהה (קו אדום). הקבוצה האמינה (א PK = 4.0) של APTES ניתן protonated ב- pH נמוך לייצר מטען חיובי 28. לפיכך, מוליכות SNW ירד עם שינויים בדידים בערכי pHמן 3.0 כדי 9.0. לאחר SNW שונה עם glutaraldehyde, התגובה הייתה יציבה יחסית עבור מוליכות ב- pH הנעות בין 3.0 כדי 9.0 (קו כחול). זו ניתן לייחס לקבוצה הפונקציונלית טעונה כי הוא רגיש לשינוי בסביבות pH. לבסוף, לאחר בדיקת DNA מטען השלילי הייתה משותקת, המוליכות ירידה קלות עם עלייה בערכי pH (קו ירוק).

המעבר של התכונות החשמליות של המכשיר (2E איור) עם שינויים שונים מאשר את השינוי על פני השטח SNW. בניסויים כאלה, עקומת G אני D -V של pSNWFET ללא שינוי שימש כבסיס (קו שחור). לאחר SNW היה שקוע APTES, עקומת G אני D -V של המכשיר זז שמאלה (גדילה נוכחית) בגלל המטען החיובי על קאוס משטח SNWאד על ידי קבוצת אמינו על APTES (שחור הקו האדום). לאחר נטיה של glutaraldehyde למכשיר APTES-שונה, עקומת G אני D -V זזה ימינה בגלל היווצרות הקשר imide. הזרם ירד משום אמין בעלי מטען חשמלי חיובי הוסב imide טעונה ניטרלית (אדום הקו הכחול). לבסוף, בדיקת DNA 5'-amnimodified הוצגה להיקשר מכשיר APTES-שונה-glutaraldehyde. עמוד השדרה פוספט-סוכר של DNA גרם עקומת לי D -V G להסיט ימינה עד הסוף (כחול הקו הירוק), אשר עולה בקנה אחד עם אפקט של יונים שליליים על FET מסוג n.

הגילוי של הכלאה DNA / DNA על pSNWFET מוצג באיור 3. החללית, היעד, התאוששות, רצפי DNA noncomplementary המיועדת לגילוי נגיף שפעת העופות (AIV) 29,30 בלוח 2. עקומת לי D -V G של pSNWFET DNA-modified החללית שהושגו 10 מ"מ Na-PB (pH 7.0) שימש כבסיס (שחור). בהמשך לכך, 10 pm היעד DNA הוצג להכליא עם חללית DNA משותקת על פני שטח SNW, וירידה ברורה בזרם הניקוז של המכשיר נצפתה (קו אדום). ולירידה אני D ב-סוג n SNWFET משתמעת מטען שלילי מוגבר (הנגרמת על ידי עמוד השדרה פוספט) על פני השטח SNW. שחזור DNA נועד rehybridize עם DNA היעד ולשחרר את החללית DNA 31. אם ה- DNA התאוששות נועד כראוי, התגובה תרמודינמית מעדיף את rehybridization של הדופלקס DNA היעד-התאוששות, כי נוקלאוטידים משלימים יותר זמינים בין שני אלה גדילי דנ"א (טבלה 1) מאלה בין החללית לבין ה- DNA היעד. הוספת ה- DNA התאוששות 1 ננומטר (קו כחולנוסף) אשר כי התגובה החשמלית של ה- DNA היעד נבעה ההכלאה של ה- DNA בדיקה-היעד ושחרר חללית DNA, אשר היא לשימוש חוזר עבור ניסויים מאוחרים יותר. כביקורת שלילית, DNA noncomplementary [DNA יעד AIV תת סוג H5] (100 PM) הוזרק גם והתערבב בדיקת DNA, ואת העקומה לי D -V G נותרת ללא שינוי. חללית DNA משותקת על pSNWFET היא רגישה DNA noncomplementary. רק למקד DNA גורם משמרת ניכר האני D - V עקומת G. האני D - V העקומה G חוזר אל הבסיס הבא דגירה עם DNA ההתאוששות.

איור 1
הכנה איור 1. של המכשיר pSNWFET. (א) תוכנית של פברי המכשיר קטיון. (ט) 6 אינץ 'סי רקיק היה כתרים עם שכבת תחמוצת תרמית 100 ננומטר בעובי. לאחר מכן, ניטריד 50 ננומטר בעובי 100 ננומטר בעובי שכבות TEOS הופקדו כ"חומרי התחלה באמצעות LPCVD. (Ii) מבנה דמה TEOS הוגדר ויצר באמצעות ליתוגרפיה סטנדרטית; שתי שכבות מבודדות (תחמוצת ניטריד) שמשו השער דיאלקטרי. (Iii) שכבת 100-n-עבה α-סי הופקדה באמצעות LPCVD, חישול נערך לאחר מכן להפוך את α-Si לתוך פולי-סי. (Iv) S / D סימום בוצעה מכן באמצעות השתלת זרחן יון. (נ) ערוצי דפנות Si נוצרו באופן עצמי מזדהות באמצעות ליתוגרפיה סטנדרטי. (Vi) נוף העליון של המבנה המכשיר המפוברק עם pSNW. (ב) תמונות אופטיות של שבב biosensor pSNWFET. (ג) תמונת SEM של מכשיר pSNWFET יחיד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

class = "jove_content" FO: keep-together.within-page = "1"> איור 2
איור 2. שינוי פני שטח ואימות על pSNWFET. (א) תכנית של משטח functionalization של DNA ו- DNA / כלת DNA. (ב) ספקטרה XPS של C1S, O1s, ואותות N1s מן פרוסות סיליקון (עומק דגימה = 7.5 ננומטר), שבו שינויי שטח בשלבים הרציפים של חללית DNA המשותקת בוצעו. ספקטרום ברזולוציה גבוהה התקבל, ואת ברזולוצית האנרגיה הכוללת נקבעה ל 0.1 eV. (ג) עקום בזמן האמת בערכי pH שונים בכל שלב של שינוי פני השטח; 10 מ"מ Na-PB הוזרק לפי הסדר הבא: 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 . (ד) conduc הממוצעtance בערכים מה PH 3.0 כדי 9.0 עם 10 מ"מ Na-PB לאחר כל צעד של שינוי פני השטח. (ה) נכסים חשמליים (אני D - V BG עקומות) של pSNWFET בכל שלב של שינוי פני השטח. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
Biosensing DNA איור 3. על pSNWFET. עקומות G אני D -V של ה- DNA בדיקה-modified pSNWFET התקבלו 10 מ"מ Na-PB (pH 7) (קו שחור). עקומת G אני D -V הבאים הכלאה של החללית ולכוון DNA (הקו האדום) הושג על ידי החדרת 10 pm היעד DNA ושטף אותו עם 10 מ 'M Na-PB (pH 7). החללית DNA (הקו הכחול) נמצאה על ידי הוספת ה- DNA התאוששות 1 ננומטר כדי להסיר את ה- DNA היעד. Noncomplementary DNA שימש כביקורת שלילית בניסוי הזה (הקו הירוק).

ביו-יעד רְגִישׁוּת גְבִישִׁי סוּג התייחסות
pH יחיד p 35
ΔF508 סיסטיק פיברוזיס מחיקת 3 בסיסים יחיד p 9
שפעת A וירוס אחד יחיד p 2
חישת ATP 13:00 יחיד p 3
שהטלומרז תא 10 הלה יחיד p 14
PSA / CEA / mucin-1 <1.4 / 2/5 pg / ml יחיד n / p 14
אות עצבי יחיד n / p 4
Ca 2 + 100 ננומטר יחיד n 5
רעלן בקטריאלי (SEB) 10 FM פולי p 7
דופמין 1 FM פולי n 8
טרופונין-T 1 FG / מ"ל יחיד n 19
פקטור גדילה של אנדותל כלי דם 1.04 / 0.104 ננומטר יחיד n / p 18
BRAF V599E 1-בסיס-mismatch יחיד n 11
1 FM פולי n 10
Avidin / streptavidin 1.48 ננומטר / 167 FM פולי n 37
Ca 2 + / Troponin אני 1 מיקרומטר / 7 ננומטר יחיד p 6
RNA דנגי סרוטיפ 2 <10 FM יחיד n 12
קינאז חלבון CAM lysate התא הביע יחיד p 16
מטלו-2 מטריקס 100 FM יחיד p 15
מיקרו RNA (Mir-21 / miR-205) 1 zeptomole (בערך 600 עותקים) יחיד p 13
פקטור גדילה של אנדותל כלי דם 1.25 pg / ml פולי n
הורמון מגרה בלוטת התריס אנוש 0.11 pm יחיד n 20
חלבון אפוליפופרוטאין II 6.7 pg / ml פולי n 17
α Interleukin 8 / גידול גורם נמק 10 FG / מ"ל יחיד n 22

טבלת 1. רשימה חלקית של biotargets שנבחנה באמצעות מכשירי SNWFET.

oligonucleotides סדר פעולות
AIV H1 5'-aminomodified DNA בדיקה 5'-NH 2 -C 6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 "
ה- DNA היעד AIV H1 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 "
DNA התאוששות AIV H1 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 "
DNA ללא משלימים (DNA היעד AIV H5) 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 "

רצפי טבלה 2. של oligonucleotides הסינטטי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מסחור מלמעלה למטה ייצור מלמטה למעלה גישות sSNWFETs נחשב קשה בגלל עלותו 32,33, שליטה על מיקום SNW 34,35, והייצור שלה נמוך בקנה מידה 36. לעומת זאת, בודת pSNWFETs היא עלות פשוט נמוכה 37. דרך הגישה מלמעלה למטה ואת בשילוב עם טכניקת היווצרות spacer הדפנות (איור 1), את הגודל SNW יכול להיות נשלט על ידי התאמת משך תחריט פלזמה תגובתי. הנהלים להכנת ננו-חוטים של pSNWFET מאויר באיור 1 א ניתן להתאים בקלות למתקני מוליכים למחצה מסחרי. כתוצאה מכך, יש מספר יתרונות pSNWFETs כוללים עלות תועלת, טכניקת בנייה פשוטה, ועל תהליך ייצור תואם CMOS וכך ניתן ליישם biosensing.

בניגוד הייצור של התקני המוליכים למחצה, תהליך מוגדר היטב ב- commeמתקני rcial, את חוסר תנועה של bioprobe בהתקן עשוי להשתנות עבור כל יישום ספציפי. וקיבוע של החללית DNA על פני השטח SNW מודגם באיור 2a כדוגמה. bioprobes אחר, כגון נוגדנים, aptamers, ואנזימים, יכול להיות משותק גם על פני שטח SNW לאיתור מטרות שונות. השלבים הבאים הם קריטיים עבור משתק בהצלחה חללי DNA. בפרוטוקול שלנו, מכשיר pSNWFET כמו המפוברק הוא ניקה שטופל פלזמת חמצן ולאחר מכן שקוע פתרון APTES / אתנול ליצור קבוצות האמינו על SNWs. לאחר מכן, המכשיר שקוע בפתרון glutaraldehyde ליצור קבוצות אלדהיד על פני השטח. קבוצות אלה מאוחר מצומדות כדי חללית DNA-aminomodified 5'. צירופים-צעד מרובה בין מולקולות צולבות מקשר ואת bioprobe נדרשו לשנות את תקן המוליך למחצה על biosensor. לכן, זה חיוני כדי להבטיח כי כל צעד הוא מוצלח. בכל שלבשל חוסר תנועת בדיקת DNA, XPS שמש לנתח ולאשר את הרכב וכימיה של פני השטח. הריכוזים האטומי של פחמן, חמצן, חנקן נקבעו על בסיס סריקות XPS של פסגות בהתאמה, כפי שמוצג באיור 2b. עם התוספת של בדיקת DNA, השינויים הבולטים ביותר היו עלייה בריכוז הפחמן וחנקן. מגמת עלייה נצפתה ריכוזי פחמן וחנקן בכל שלב של ההליך וקיבוע בדיקת DNA. ריכוז החמצן ירד במהלך ההליך כי קבוצת הידרוקסיל ילידי הארץ הפכו מכוסה באמצעות שינוי פני השטח. תוצאות אלו עולות כי בדיקת DNA הייתה משותקת, אשר עולה בקנה אחד עם שינוי תכונות חשמליות, כפי שמוצג איור 2 ג, ד, ו e. הנהלים האמורים שימושיים לפתרון בעיות במקרה של שינוי פני שטח לא מוצלח. עם זאת, הם בדרך כלל מבוצעים על נפרד wafer מצופה בחומר דומה לזה על פני השטח nanowire. עדות ישירה של שינויים במאפיינים החשמליים של המכשיר השונה נדרשת לאשר את התוצאה של שינוי פני שטח במכשיר, כמתואר בפסקאות הבאות.

אחת השיטות הנפוצות ביותר בשימוש לניטור שינויים ישירות פני השטח את מכשיר FET הוא חישת pH, כפי שמוצג באיור 2 ו- ד. שינויים משטח שונים לגרום וריאציה המטען על פני השטח SNW, המשפיעים על פוטנציאל משטח מאוד של pSNWFET תחת סביבות שונות. השתמשנו תמיסות בופר pH רחב-טווח כדי לזהות שינויים במוליכות מתאימים הקבוצות הפונקציונליות על פני שטח SNW. מנקודת מבט מכניסטית, העלייה במוליכות עם שינוי pH (עליית יוני מימן) עולה בקנה אחד עם עליית תשלום המשטח החיובי, אשר "מדליק" את FET מסוג n דרך accumulatiעל אלקטרונים. התגובות החשמליות בזמן האמת המוליכות של pSNWFET ניתן למדוד תמיסות בופר עם ערכי pH הנעים בין 3.0 ל 9.0. השיטות שתוארו בדו"ח זה שימושיות לבחינה האם חיישן מוליכים למחצה מבוסס מוכן ליישום biosensing.

2e איור ממחיש שיטה נוחה לקביעת התוצאה של שינוי פני השטח באמצעות מדידה ישירה של התכונות החשמליות של המכשיר. השינויים שאני D - עקומות G V שמוצגים 2e איור עולים בקנה אחד עם כל שלב של חוסר תנועת בדיקת DNA על פני שטח SNW. על פי התוצאות, pSNWFETs ניתן להשתמש ישירות כדי לאשר את ההליך בכל שלב של חוסר תנועה bioprobe. תוצאה זו גם עולה כי pSNWFET השונה ערוך יישום biosensing. נהלים אלה הם שימושיים במיוחד כאשר חוסר תנועת procedures מבוסס היטב. תפקידו של biosensor מבוסס-pSNWFET נבדק על ידי איתור DNA H1 תת סוג AIV כדוגמה (איור 3). באמצעות DNA בדיקת היעד מתאים הממחיש את הפיתוח של ביו-חיישן רומן בגלל היציבות של מולקולות ה- DNA ואת הטכניקות זמינות לקבלת רצף ה- DNA הרצוי בקלות. בנוסף לשימוש DNA noncomplementary כביקורת שלילית, הראינו כלת DNA על pSNWFET עם מערכת התאוששות. תכונה זו שימושית במיוחד עם המעבר למערכת החדשה או המכשיר החדש משמש לניסויים biosensing. צעדים רבים מעורבים בתהליך מ ייצור מכשיר ליישום biosensing. כל צעד משפיע על התוצאה הסופית. יתר על כן, תוצאות שליליות חיוביות או שקר שקר בדרך כלל מתקבלות בניסויי biosensing בגלל המורכבות של סביבת biosensing. לפיכך, ניסויים מבוקרים הם קריטיים, ומערכת ההתאוששות הפגינה במחקר זה יכול מאוד facilitate זיהוי גורמים בלתי צפויים שמפריעים את תוצאות הניסוי.

המגבלות העיקריות עבור biosensor pSNWFET מבוסס המשמש כיום הם הזמינים של מכשיר pSNWFET ואת המכשור המשמש למדידה. עם זאת, שתי מגבלות אלה ניתן להתגבר בקלות בעתיד הקרוב. סוגים רבים של SNWFETs דווחו בספרות. PSNWFET הפגין במחקר זה כבר מתבצע מפוברק באמצעות התהליך המוליך למחצה הסטנדרטי וניתן בייצור המוני עם שינויים קלים בלבד לתהליך ייצור פרוסות סיליקון המסחרי. המכשור המשמש למדידה במחקר זה היה מנתח שבבים מוליכים למחצה סטנדרטי. משמעות הדבר היא כי, עם מעגל משולב הנכון מותקן במכשיר, מכשור נייד ניתן מעוצב ומיוצר באמצעות הטכנולוגיה האלקטרונית הנוכחית.

לסיכום, אנו מתארים את הנוהל המלא עבור חישת DNA על pSNWFET. מכיוון immobהליך ilization מאוד משפיע על היכולת של biosensor לגילוי ביומולקולות ביעילות, פרוטוקול זה מספק צעד אחר צעד אישור של חוסר תנועה bioprobe לבין הנכונות של המכשיר עבור יישומים biosensing DNA. ניתן נהליו דומים מדוח זה עבור יישומי biosensing רבים דומים, עבורו התאמות נחוצות. דוח זה מתאר גם פרוטוקולים לצורך וידוא ופתרון בעיות של חוסר תנועה של שינויים משטח bioprobe ולמכשיר. ביקוש biosensors השונה גובר. השיטות שתוארו בדוח זה מהווים התייחסות מתאימה להכנת ופיתוח חיישנים ביולוגיים מבוססי מוליכים למחצה.

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 גיליון 110 Polysilicon טרנזיסטור אפקט שדה nanowire biosensing שינוי פני השטח אינטראקציה תשלום תשלום ללא תווית זיהוי בזמן אמת
הכנת טרנזיסטור הסיליקון Nanowire שדה ותוצאה עבור יישומים כימיים biosensing
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