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Bioengineering

केमिकल और biosensing अनुप्रयोगों के लिए सिलिकॉन Nanowire क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर की तैयारी

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

सिलिकॉन nanowire क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (SNWFETs) अति उच्च संवेदनशीलता के फायदे और पर्यावरण प्रभारी भिन्नता के लिए सीधी बिजली प्रतिक्रियाओं की है। उदाहरण के लिए एन-प्रकार SNWFETs में, जब एक नकारात्मक (या सकारात्मक) का आरोप लगाया अणु सिलिकॉन nanowire (SNW) दृष्टिकोण, SNW में वाहकों समाप्त हो रहे हैं (या जमा)। नतीजतन, SNWFET की चालकता कम हो जाती है (या बढ़ जाती है) 1। इसलिए, SNWFET डिवाइस के SNW सतह के पास किसी भी आरोप लगाया अणु का पता लगाया जा सकता है। एंजाइमों, प्रोटीन, न्यूक्लियोटाइड, और कई अणुओं कोशिका की सतह पर सहित महत्वपूर्ण biomolecules प्रभारी वाहक हैं और SNWFETs उपयोग पर नजर रखी जा सकती है। उपयुक्त संशोधनों, विशेष रूप से SNW पर एक biomolecular जांच immobilizing के साथ, एक SNWFET एक लेबल मुक्त biosensor के रूप में विकसित किया जा सकता है।

बायोमार्कर का उपयोग कर निगरानी रोगों के निदान के लिए महत्वपूर्ण है। जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है, कई अध्ययनों NWFE का इस्तेमाल किया हैलेबल मुक्त, अल्ट्रा उच्च संवेदनशीलता के लिए T-आधारित biosensors, और विभिन्न जैविक लक्ष्यों की वास्तविक समय का पता लगाने, एक भी वायरस 2, adenosine triphosphate और काइनेज बाध्यकारी 3 सहित, न्यूरोनल संकेतों 4, धातु आयनों 5,6, बैक्टीरियल विषाक्त पदार्थों 7, 8 डोपामाइन, डीएनए 9-11, आरएनए 12,13, एंजाइम और कैंसर बायोमार्कर 14-19, मानव हार्मोन 20, और साइटोकिन्स 21,22। इन अध्ययनों से दिखा दिया है कि NWFET आधारित biosensors एक समाधान में जैविक और रासायनिक प्रजातियों में से एक व्यापक रेंज के लिए एक शक्तिशाली पता लगाने के मंच प्रतिनिधित्व करते हैं।

SNWFET आधारित biosensors में, जांच उपकरण की SNW सतह पर स्थिर एक विशिष्ट biotarget पहचानता है। एक bioprobe immobilizing आमतौर पर कदम की एक श्रृंखला शामिल है, और यह महत्वपूर्ण है कि हर कदम ठीक से biosensor के समुचित कार्य सुनिश्चित करने के लिए किया जाता है। विभिन्न तकनीकों रों का विश्लेषण करने के लिए विकसित किया गया हैurface रचना, एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS), ellipsometry, संपर्क कोण माप, परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM), और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) भी ​​शामिल है। ऐसे AFM और SEM के रूप में तरीकों, nanowire डिवाइस पर bioprobe स्थिरीकरण के प्रत्यक्ष प्रमाण उपलब्ध कराने, जबकि इस तरह के एक्सपीएस, ellipsometry, और संपर्क कोण माप के रूप में तरीकों अन्य इसी तरह की सामग्री पर प्रदर्शन समानांतर प्रयोगों पर निर्भर हैं। इस रिपोर्ट में, हम दो स्वतंत्र तरीकों का उपयोग करके प्रत्येक संशोधन के कदम की पुष्टि का वर्णन है। एक्सपीएस polysilicon वेफर्स पर विशिष्ट परमाणुओं की सांद्रता जांच करने के लिए प्रयोग किया जाता है, और डिवाइस के बिजली के गुण में बदलाव सीधे SNW सतह पर आरोप भिन्नता पुष्टि करने के लिए मापा जाता है। हम एक उदाहरण के रूप में polycrystalline SNWFETs (pSNWFETs) का उपयोग कर इस प्रोटोकॉल को वर्णन करने से डीएनए biosensing रोजगार। SNW सतह पर एक डीएनए जांच immobilizing तीन चरण शामिल हैं: SNW, अल के देशी हाइड्रॉक्सिल सतह पर एमाइन समूह संशोधनdehyde समूह संशोधन, और 5'-aminomodified डीएनए जांच स्थिरीकरण। प्रत्येक संशोधन के कदम पर, डिवाइस सीधे, SNW सतह पर स्थिर कार्यात्मक समूह के आरोप में भिन्नता का पता लगाने की वजह से सतह आरोपों गेट अचालक कि चैनल वर्तमान और प्रवाहकत्त्व 1 बदलने से अधिक स्थानीय इंटरफेसियल संभावित परिवर्तनों का कारण बन सकता है। SNW सतह के आसपास के विद्युत pSNWFET डिवाइस के बिजली के गुण मिलाना कर सकते हैं प्रभार; इसलिए, SNW की सतह के गुणों pSNWFET उपकरणों के विद्युत विशेषताओं का निर्धारण करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। सूचना प्रक्रियाओं में, SNW सतह पर एक bioprobe के स्थिरीकरण सीधे निर्धारित किया जा सकता है और बिजली के माप के माध्यम से इस बात की पुष्टि, और डिवाइस biosensing अनुप्रयोगों के लिए तैयार किया जाता है।

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Protocol

1. निर्माण और pSNWFET उपकरणों का संरक्षण

  1. उपकरण निर्माण
    नोट: pSNWFET एक sidewall स्पेसर तकनीक का उपयोग कर के रूप में पहले 23,24 सूचना निर्मित किया गया था।
    1. फाटक ढांकता हुआ परत तैयार करें।
      1. एक 100 एनएम मोटी थर्मल ऑक्साइड (2 Sio) (4 घंटे के लिए 980 डिग्री सेल्सियस पर ओ 2 और एच 2 प्रक्रिया गैस) गीला ऑक्सीकरण प्रक्रिया 25 का उपयोग करके एक सी सब्सट्रेट पर परत कैप।
      2. 4 घंटे के लिए 980 डिग्री सेल्सियस पर कम दबाव रासायनिक वाष्प जमाव (LPCVD), 25 का उपयोग करके एक 50 एनएम मोटी नाइट्राइड (सी 3 N 4) परत जमा।
    2. 4 घंटे के लिए 780 डिग्री सेल्सियस पर LPCVD 25 का उपयोग करके एक 100 एनएम मोटी tetraethyl orthosilicate (TEOS) परत जमा।
    3. ऑक्साइड डमी संरचनाओं को परिभाषित करने के लिए एक मैं लाइन स्टेपर का उपयोग करके मानक लिथोग्राफी प्रदर्शन करना।
      1. कोट एक 830 एनएम मोटी photoresist परत के साथ वेफर सतह।
      2. मैंमैं लाइन स्टेपर में एक पैटर्न से परिभाषित photomask nsert।
      3. कमरे के तापमान पर 1,980 जम्मू की एक ताकत है: मैं-लाइन स्टेपर (365 एनएम तरंगदैर्ध्य) का उपयोग करके जोखिम प्रक्रिया।
      4. 5 मिनट के लिए एक डेवलपर के भीतर वेफर का विकास करना।
      5. उपपादन 1 मिनट के लिए HBR और सीएल प्लाज्मा गैस के साथ मिलकर प्लाज्मा 25 नक़्क़ाश एक मानक का उपयोग करके isotropic नक़्क़ाशी प्रक्रिया को पूरा करें।
    4. LPCVD 25 का उपयोग करके एक 100 एनएम मोटी आकारहीन सिलिकॉन (α-सी) परत जमा।
    5. एक annealing कदम एक polycrystalline संरचना में α-सी को बदलने के लिए 24 घंटे के लिए 2 एन परिवेश में 600 डिग्री सेल्सियस पर प्रदर्शन करना।
    6. स्रोत / नाली (एस / डी) कम ऊर्जा पर डोपिंग के माध्यम से प्रत्यारोपण फॉस्फोरस आयनों (5E 15 सेमी -2) 25।
    7. पाली-सी परत को हटाने और polysilicon nanowire (pSNW) 25 फार्म के लिए मैं-लाइन स्टेपर का उपयोग करके मानक लिथोग्राफी प्रदर्शन करना।
      नोट: कदम 1.1.3 दोहराएँ डीओपी प्रत्यारोपणपाली सी हटाने और एक आत्म गठबंधन ढंग से sidewall सी चैनलों के लिए फार्म के साथ एस / डी क्षेत्रों के अलावा अन्य स्थानों में चींटियों।
    8. 5 घंटा 25 के लिए 780 डिग्री सेल्सियस पर LPCVD का उपयोग करके passivation प्रक्रिया (200 एनएम मोटी TEOS ऑक्साइड परत) का प्रदर्शन।
    9. दो कदम शुष्क / गीला नक़्क़ाशी प्रक्रिया का उपयोग करके nanowire चैनलों, और फार्म परीक्षण पैड बेनकाब करने के लिए मैं-लाइन स्टेपर का उपयोग करके मानक लिथोग्राफी प्रदर्शन करना।
      1. दोहराएँ कदम 1.1.3।
      2. गीला नक़्क़ाशी प्रक्रिया को पूरा करें (डीएचएफ: एचएफ / एच 2 ओ 1 मिनट के लिए)।
  2. वेफर संरक्षण
    1. एक वैक्यूम भंडारण बैग में सील वेफर और एक इलेक्ट्रॉनिक सूखी कैबिनेट में स्टोर (सापेक्ष आर्द्रता <कमरे के तापमान पर 40%)।

2. युक्ति के Pretreatment

  1. डिवाइस की सफाई
    1. शुद्ध एसीटोन के साथ डिवाइस कुल्ला।
    2. Sonicate (46 किलोहर्ट्ज़, 80 डब्ल्यू) 10 मिनट के लिए शुद्ध एसीटोन में डिवाइस।
      3. <li> Sonicate (46 किलोहर्ट्ज़, 80 डब्ल्यू) 5 मिनट के लिए शुद्ध इथेनॉल (99.5%) में डिवाइस।
    3. झटका सूखी नाइट्रोजन के साथ डिवाइस की सतह।
  2. ऑक्सीजन प्लाज्मा
    1. 30 सेकंड के लिए 18 डब्ल्यू पर हे 2 प्लाज्मा के साथ डिवाइस को समझो।

3. डिवाइस सतह पर डीएनए जांच के स्थिरीकरण

  1. एमाइन समूह संशोधन
    1. एक 2.0% (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES) 30 मिनट के लिए / इथेनॉल समाधान में डिवाइस विसर्जित कर दिया।
    2. इथेनॉल के साथ डिवाइस तीन बार धो, और फिर sonicate (46 किलोहर्ट्ज़, 80 डब्ल्यू) 10 मिनट के लिए इथेनॉल में डिवाइस।
    3. 120 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर डिवाइस हीट 10 मिनट SNWs पर एमाइन समूह बनाने के लिए।
  2. एल्डिहाइड समूह संशोधन
    1. कमरे के तापमान पर 1 घंटे के लिए 12.5% ​​glutaraldehyde में विसर्जित कर दिया डिवाइस सतह पर एल्डिहाइड समूहों बनाने के लिए। प्रकाश जोखिम से बचें।
    2. धो डिवाइस बुद्धिh 10 मिमी सोडियम फॉस्फेट बफर (ना-पंजाब, 7.0 पीएच) में तीन बार, और फिर झटका सूखी नाइट्रोजन के साथ डिवाइस की सतह।
  3. डीएनए जांच स्थिरीकरण
    1. एक समाधान रातों-रात 1 माइक्रोन डीएनए जांच युक्त डिवाइस विसर्जित कर दिया।
    2. 30 मिनट के unreacted एल्डिहाइड समूहों को ब्लॉक करने के लिए के साथ 4.0 मिमी NaBH 3 सीएन 10 मिमी Tris बफर (8.0 पीएच) में डिवाइस विसर्जित कर दिया।
    3. ना-पीबी (7.0 पीएच) में तीन बार के साथ डिवाइस धो लें, और फिर नाइट्रोजन के साथ डिवाइस की सतह झटका सूखी।

4. pSNWFET पर पुष्टि और सतह संशोधन के विश्लेषण

  1. पीएच प्रोफ़ाइल सतह संशोधन के प्रत्येक चरण के बाद
    1. पीएच 3.0-9.0 में 10 मिमी ना-पीबी तैयार करें।
      1. Tribasic dodecahydrate (ना 3 पीओ 4) विआयनीकृत पानी में (पीएच 11.60) 10 मिमी सोडियम फास्फेट तैयार करें।
      2. 10 मिमी तैयार फॉस्फोरिक एसिड विआयनीकृत पानी में (एच 3 पीओ 4)(2.35 पीएच)।
      3. पीएच इलेक्ट्रोड 10 मिमी ना 3 पीओ 4 बफर के 500 मिलीलीटर में रखें, और 10 मिमी एच 3 पीओ 4 बफर के विभिन्न संस्करणों के साथ इस समाधान का मिश्रण है, जबकि 3.0 के पीएच मान, 4.0, 5.0 के साथ बफ़र्स प्राप्त करने के लिए पीएच मान को मापने, 6.0 , 7.0, 8.0, और 9.0।
    2. एसी प्रवाहकत्त्व माप
      नोट: माप सर्किट एक छोटे एसी संकेत जनरेटर और एक Au Microwire कि तरल गेट इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य शामिल थे।
      1. प्रत्येक संशोधन के कदम पर माप 26 के लिए इष्टतम तरल फाटक वोल्टेज (वी एलजी) निर्धारित (कदम 2.2, 3.1, 3.2, और 3.3)।
        नोट: डिवाइस के बिजली के गुण के बाद SNW पर चार सतह संशोधनों के इस खंड में वर्णित के रूप में मापा गया। 2.2 चरण में, असंशोधित pSNWFET देशी ऑक्साइड परत युक्त संशोधित किया गया है; 3.1 APTES के एमाइन समूह के साथ डिवाइस को संशोधित जरूरत पर जोर देता कदम; 3.2 कदम uncharged साथ संशोधन शामिलglutaraldehyde के कार्यात्मक समूह; और 3.3 कदम डीएनए जांच संशोधन शामिल है।
        1. (प्रवाह दर 5.0 मिलीग्राम / घंटा) 10 मिमी ना-पीबी (7.0 पीएच) एक सिरिंज पंप का उपयोग करके SNW सतह के लिए समाधान देने SNW के साथ सीधे संपर्क के लिए।
        2. डिवाइस का वास्तविक समय प्रवाहकत्त्व उपाय 0.80 से 1.30 वी वी एलजी व्यापक है, जबकि
          1. कमरे के तापमान पर लॉक-इन तकनीक का उपयोग करके 27 प्रवाहकत्त्व माप प्रदर्शन करना।
          2. एक कम शोर वर्तमान preamplifier का उपयोग करके कन्वर्ट एक एसी वोल्टेज सिग्नल में एसी चालू संकेत है।
          3. 0.80 से वी एलजी बढ़ती 1.30 वी (अंतराल = 0.02 वी) के लिए पर चालकता (G) पर डेटा ले लीजिए।
        3. डिवाइस 26 का इष्टतम वी एलजी (सबसे संवेदनशील वी एलजी) निर्धारित करते हैं।
          1. वक्र के समीकरण प्राप्त करने के लिए कदम 4.1.2.1.2.3 से जीवी एलजी घटता प्लॉट।
          2. अलगसमीकरण ferentiate, और वी एलजी के प्रत्येक बिंदु में मूल्यों की गणना।
          3. जी द्वारा कदम 4.1.2.1.3.2 से पैसे फूट डालो, और अधिकतम संख्या के अनुसार इष्टतम वी एलजी का निर्धारण।
      2. सतह संशोधन के हर कदम पर पीएच प्रोफ़ाइल के वास्तविक समय प्रवाहकत्त्व उपाय।
        1. कमरे के तापमान पर लॉक-इन तकनीक का उपयोग करके 27 प्रवाहकत्त्व माप प्रदर्शन करना।
        2. एक कम शोर वर्तमान preamplifier का उपयोग करके एसी वोल्टेज संकेतों में एसी चालू संकेत कन्वर्ट।
        3. सतह संशोधन (2.2 कदम के प्रत्येक चरण के लिए इष्टतम वी एलजी सेट: वी एलजी = 1.02, 3.1 कदम: वी एलजी = 0.98, 3.2 कदम: वी एलजी = 0.98 और 3.3 कदम: वी एलजी = 1.0)।
        4. 5.0 मिलीग्राम / घंटा: 3.0 से 9.0 SNW सतह के लिए (प्रवाह दर को पीएच मान के साथ 10 मिमी ना-पीबी समाधान देने), और 0.01 वी की एक नाली वोल्टेज पर प्रवाहकत्त्व पर डेटा इकट्ठा
  2. 10 मिमी ना-पीबी (7.0 पीएच) में डिवाइस के बिजली के गुण (मैं डी वी बीजी वक्र) सतह संशोधन के प्रत्येक चरण के बाद का मापन (कदम 2.2, 3.1, 3.2, और 3.3।)
    नोट: डिवाइस के बिजली के गुण SNW पर चार सतह संशोधनों के बाद मापा गया: 2.2 चरण में, असंशोधित pSNWFET देशी ऑक्साइड परत युक्त संशोधित किया गया है; 3.1 कदम APTES के एमाइन समूह के साथ डिवाइस को संशोधित शामिल है; 3.2 कदम glutaraldehyde के uncharged कार्यात्मक समूह के साथ संशोधन पर जोर देता है; और 3.3 कदम डीएनए जांच संशोधन पर जोर देता।
    1. 10 मिमी ना-पीबी (7.0 पीएच) SNW सतह के लिए समाधान देने (कदम 2.2, 3.1, 3.2, और 3.3) (प्रवाह की दर 5.0 मिलीग्राम / घंटा) एक सिरिंज पंप का उपयोग करके SNW के साथ सीधे संपर्क के लिए।
    2. उपाय मैं डी
    3. "NMOSFET" मोड का चयन करें।
    4. "मैं डी - वी बीजी" मॉड्यूल।
      नोट: मैं डी नाली / स्रोत चालू है, और वी बीजी वापस गेट वोल्टेज है।
    5. जबकि 3.0 वी से -1 गेट क्षमता (वी बीजी) व्यापक एक निरंतर पूर्वाग्रह वोल्टेज (वी डी = 0.5 वी) सेट (अंतराल = 0.2 वी)।
    6. वी बीजी घटता - मैं डी प्राप्त करने के लिए भागो आइकन पर क्लिक करें।

5. डीएनए biosensing

नोट: एक ठेठ प्रयोग में, मैं डी - वी बी जी वक्र सुनिश्चित करना है कि आगे कोई भिन्नता obse है तीन बार चुना गया हैrved।

  1. आधारभूत का निर्धारण
    1. (प्रवाह दर 5.0 मिलीग्राम / घंटा) एक सिरिंज पंप का उपयोग करके 10 मिनट के लिए डीएनए जांच-स्थिर SNW सतह के लिए 10 मिमी ना-पीबी समाधान (7.0 पीएच) उद्धार, और फिर 30 मिनट के लिए SNW सेते हैं।
    2. डिवाइस (दोहराने कदम 4.2.2) का मैं डी उपाय।
  2. डीएनए की संवेदन / डीएनए संकरण
    1. एक सिरिंज पंप का उपयोग करके 10 मिनट के लिए डीएनए जांच-स्थिर SNW सतह पर लोड 10 pM पूरक लक्ष्य डीएनए (प्रवाह दर 5.0 मिलीग्राम / घंटा), और फिर 30 मिनट के लिए SNW सेते हैं।
    2. (प्रवाह दर 5.0 मिलीग्राम / घंटा) एक सिरिंज पंप का उपयोग करके 10 मिनट के लिए SNW सतह पर 10 मिमी ना-पीबी समाधान (7.0 पीएच) देने अपार लक्ष्य डीएनए दूर धोने के लिए।
    3. दोहराएँ कदम 4.2.2 डिवाइस का मैं डी मापने के लिए।
  3. डीएनए / डीएनए संकरण के संकेत Reconfirm।
    1. टी पर लोड 1 एनएम वसूली डीएनएवह डीएनए एक सिरिंज पंप का उपयोग करके 10 मिनट के लिए SNW सतह जांच-स्थिर (प्रवाह दर 5.0 मिलीग्राम / घंटा), और फिर 30 मिनट के लिए SNW सेते हैं।
    2. (प्रवाह दर 5.0 मिलीग्राम / घंटा) एक सिरिंज पंप का उपयोग करके 10 मिनट के लिए SNW सतह पर 10 मिमी ना-पीबी समाधान (7.0 पीएच) उद्धार।
    3. दोहराएँ कदम 4.2.2 डिवाइस का मैं डी मापने के लिए।
  4. नकारात्मक नियंत्रण
    1. लोड 100 PM धूम्रपान पूरक डीएनए एक सिरिंज पंप का उपयोग करके 10 मिनट के लिए डीएनए जांच-स्थिर SNW सतह पर (प्रवाह दर 5.0 मिलीग्राम / घंटा), और फिर 30 मिनट के लिए SNW सेते हैं।
    2. (प्रवाह दर 5.0 मिलीग्राम / घंटा) एक सिरिंज पंप का उपयोग करके 10 मिनट के लिए SNW सतह पर 10 मिमी ना-पीबी समाधान (7.0 पीएच) उद्धार।
    3. दोहराएँ कदम 4.2.2 डिवाइस का मैं डी मापने के लिए।

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Representative Results

विभिन्न SNWFETs biosensors (तालिका 1) के transducers के रूप में सेवा करने के लिए सूचित किया गया है। एकल क्रिस्टलीय SNWFETs (sSNWFETs) और pSNWFETs जलीय समाधान में transducers के रूप में तुलनीय बिजली गुण दिखाने के लिए, और दोनों कई biosensing आवेदन किया है करने के लिए सूचित किया गया है। PSNWFET इस अध्ययन में इस्तेमाल उपकरण की एक लाभप्रद विशेषता इसकी सरल और कम लागत वाली निर्माण प्रक्रिया है। चित्रा 1 ए कुंजी pSNWFET fabricating में शामिल कदम से पता चलता है। (दो SNWs, चौड़ाई में लगभग 100 एनएम और लंबाई में 1.6 माइक्रोन) 6 इंच वेफर (चित्रा 1 बी) और एक ही उपकरण के SEM छवियों (चित्रा -1 सी) से एक के मरने की एक ऑप्टिकल छवि प्राप्त किया गया।

चित्रा 2A SNW सतह पर डीएनए जांच स्थिरीकरण की प्रक्रिया को दिखाता है। प्रत्येक संशोधन कदम एक्सपीएस (चित्रा 2 बी का उपयोग कर पुष्टि की गई (चित्रा -2 सी, डी) SNW सतह संशोधन के विभिन्न चरणों में दिखाए जाते हैं। SNW सतह पर देशी ऑक्साइड परत युक्त असंशोधित pSNWFET के लिए, हाइड्रॉक्सिल समूह (ओह) का आरोप लगाया समूहों के रूप में आयनित गया (हे -) पीएच मान (काला लाइन) में वृद्धि के साथ। 9.0 पीएच 6.0 पर चालकता में कमी को इंगित करता है हाइड्रॉक्सिल समूह की एसिड हदबंदी निरंतर (PK क) लगभग 7.0 करने के लिए सेट किया जा सकता है। प्रवाहकत्त्व संभावना है, 3.0 पीएच ईओण ताकत में वृद्धि की वजह से 6.0 पर बढ़ जाती डिवाइस विशेषताओं 1 को प्रभावित। APTES संशोधन के बाद, APTES संशोधित डिवाइस के प्रवाहकत्त्व के जवाब उच्च भिन्नता (लाल रेखा) से पता चला। APTES के एमाइन समूह (पी के एक = 4.0) एक कम पीएच पर protonated जा सकता है एक सकारात्मक चार्ज 28 उपज है। इस प्रकार, SNW प्रवाहकत्त्व पीएच मान में असतत परिवर्तन के साथ कम किया: 9.0 करने के लिए 3.0 से। बाद SNW glutaraldehyde के साथ संशोधित किया गया था, प्रतिक्रिया पीएच पर प्रवाहकत्त्व 3.0 से 9.0 (नीली रेखा) से लेकर के लिए अपेक्षाकृत स्थिर था। इस uncharged कार्यात्मक समूह है कि पीएच वातावरण में परिवर्तन के प्रति असंवेदनशील है के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। अंत में, के बाद नकारात्मक आरोप लगाया डीएनए जांच से स्थिर किया गया था, प्रवाहकत्त्व थोड़ा पीएच मान में वृद्धि (ग्रीन लाइन) के साथ कम किया है।

डिवाइस (चित्रा 2 ई) विभिन्न संशोधनों के साथ की बिजली गुण में बदलाव SNW सतह में परिवर्तन की पुष्टि करता है। इस तरह के प्रयोगों में, असंशोधित pSNWFET की मैं डी वी जी वक्र आधारभूत (काला लाइन) के रूप में इस्तेमाल किया गया था। बाद SNW APTES में डूब गया था, इस उपकरण की मैं डी वी जी वक्र SNW सतह caus पर सकारात्मक चार्ज की वजह से बाएं (वर्तमान में वृद्धि हुई है) करने के लिए स्थानांतरित कर दियाAPTES (लाल रेखा को काला) पर अमीनो समूह द्वारा एड। APTES संशोधित डिवाइस के लिए glutaraldehyde के विकार के बाद, मैं डी वी जी वक्र क्योंकि imide बंधन गठन के सही करने के लिए वापस भेज दिया गया। वर्तमान में कमी आई है क्योंकि सकारात्मक आरोप लगाया अमाइन निष्पक्षता से आरोप लगाया imide (ब्लू लाइन के लिए लाल) को परिवर्तित कर दिया गया। अंत में, 5'-amnimodified डीएनए जांच APTES-glutaraldehyde संशोधित डिवाइस के लिए बाध्य करने के लिए पेश किया गया था। डीएनए के चीनी-फॉस्फेट रीढ़ की वजह से मैं डी वी जी की अवस्था तक सही (ग्रीन लाइन के लिए नीले), जो कि एन-प्रकार FET पर नकारात्मक आयनों के प्रभाव के साथ संगत है को शिफ्ट करने के लिए।

PSNWFET पर डीएनए / डीएनए संकरण का पता लगाने के 29,30 3 चित्र में दिखाया गया है। जांच, लक्ष्य, वसूली, और noncomplementary डीएनए एवियन इन्फ्लूएंजा वायरस (AIV) का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया दृश्यों टेबल में दिखाया जाता है 2। डीएनए जांच संशोधित pSNWFET 10 मिमी ना-पीबी (7.0 पीएच) में प्राप्त की मैं डी वी जी वक्र आधारभूत (काला) के रूप में इस्तेमाल किया गया था। इसके बाद 10 बजे लक्ष्य डीएनए SNW सतह पर स्थिर डीएनए जांच के साथ संकरण करने के लिए पेश किया गया था, और डिवाइस की नाली वर्तमान में एक स्पष्ट कमी मनाया गया था (लाल रेखा)। कमी आई है मैं डी एन-प्रकार में SNWFET SNW सतह पर एक बढ़ा नकारात्मक चार्ज (फॉस्फेट रीढ़ की वजह से) निहित। वसूली डीएनए लक्ष्य डीएनए के साथ rehybridize और डीएनए जांच 31 मुक्त करने के लिए डिजाइन किया गया था। वसूली डीएनए ठीक से बनाया गया है, तो प्रतिक्रिया thermodynamically, लक्ष्य-वसूली डीएनए डुप्लेक्स की rehybridization के पक्ष में है क्योंकि अधिक पूरक न्यूक्लियोटाइड इन दो डीएनए किस्में (तालिका 1) जांच और लक्ष्य डीएनए के बीच उन लोगों की तुलना के बीच उपलब्ध हैं। 1 एनएम वसूली डीएनए जोड़ना (ब्लू लाइन) आगे की पुष्टि की है कि लक्ष्य डीएनए की बिजली प्रतिक्रिया जांच लक्ष्य डीएनए के संकरण की वजह से था और डीएनए जांच है, जो बाद के प्रयोगों के लिए पुन: प्रयोज्य है मुक्त कर दिया। एक नकारात्मक नियंत्रण के रूप में, noncomplementary डीएनए [AIV उप प्रकार H5 लक्ष्य डीएनए] (100 बजे) भी इंजेक्ट किया गया था और डीएनए जांच के साथ मिश्रित है, और मैं डी वी जी वक्र अपरिवर्तित रहे। डीएनए pSNWFET पर स्थिर जांच noncomplementary डीएनए के प्रति असंवेदनशील है। केवल लक्ष्य डीएनए मैं डी में एक सराहनीय पारी का कारण बनता है - वी जी वक्र। मैं डी - वी जी वक्र वसूली डीएनए के साथ ऊष्मायन के बाद आधारभूत के लिए आए।

आकृति 1
चित्रा 1. pSNWFET डिवाइस तैयार करना। (एक) डिवाइस Fabri की योजनाकेशन। (I) एक 6 इंच सी वफ़र एक 100 एनएम मोटी थर्मल ऑक्साइड परत के साथ छाया हुआ था। इसके बाद, 50 एनएम-मोटी नाइट्राइड और 100 एनएम मोटी परतों TEOS LPCVD का उपयोग करके शुरू सामग्री के रूप में जमा थे। (Ii) TEOS डमी संरचना परिभाषित और मानक लिथोग्राफी का उपयोग का गठन किया गया था; दो इन्सुलेटर परतों (ऑक्साइड और नाइट्राइड) गेट अचालक के रूप में कार्य किया। (Iii) एक 100-एन-मोटी α-सी परत LPCVD का उपयोग कर जमा किया गया था, और annealing बाद में पाली सी में α-सी परिणत करने के लिए आयोजित किया गया। (Iv) एस / डी डोपिंग तो फास्फोरस आयन आरोपण के माध्यम से प्रदर्शन किया गया था। (V) sidewall सी चैनलों मानक लिथोग्राफी का उपयोग करके एक आत्म गठबंधन तरीके से गठन किया गया। (Vi) pSNW के साथ निर्मित डिवाइस संरचना के शीर्ष दृश्य। (ख) एक pSNWFET biosensor चिप के ऑप्टिकल छवियों। (ग) एक एकल pSNWFET डिवाइस के SEM छवि। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।


चित्रा 2. सतह संशोधन और pSNWFET पर सत्यापन। (क) सतह की योजना डीएनए और डीएनए / डीएनए संकरण की functionalization। (ख) सिलिकॉन वेफर (नमूना गहराई = 7.5 एनएम) है, जहां स्थिर डीएनए जांच के अनुक्रमिक चरणबद्ध सतह संशोधन प्रदर्शन किया गया था से C1s, O1s, और N1s संकेतों के एक्सपीएस स्पेक्ट्रा। उच्च संकल्प स्पेक्ट्रा प्राप्त किया गया है, और समग्र ऊर्जा संकल्प 0.1 EV के लिए स्थापित किया गया था। (ग) सतह संशोधन के हर कदम पर विभिन्न पीएच मान पर वास्तविक समय वक्र; 10 मिमी ना-पीबी निम्न क्रम में इंजेक्ट किया गया था: पीएच 7.0 पीएच 6.0 → → → पीएच 5.0 पीएच 4.0 पीएच 3.0 → → पीएच 4.0 पीएच 5.0 → → → पीएच 6.0 पीएच 7.0 पीएच 8.0 → → पीएच 9.0 पीएच 8.0 → → पीएच 7.0 । (घ) औसत conducसतह संशोधन के प्रत्येक चरण के बाद 3.0 से 10 मिमी ना-पंजाब के साथ 9.0 पीएच मान पर हैैं। (ई) इलेक्ट्रिक गुण (मैं डी - वी बीजी सतह संशोधन के हर कदम पर pSNWFET का घटता)। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. pSNWFET पर डीएनए biosensing। डीएनए जांच संशोधित pSNWFET की मैं डी वी जी घटता 10 मिमी ना-पीबी (पीएच 7) (काला लाइन) में प्राप्त किया गया। मैं डी वी जी की अवस्था के बाद जांच के संकरण और डीएनए (लाल रेखा) को लक्षित 10 मीटर के साथ 10 pM लक्ष्य डीएनए और इसे धोने शुरू करने से प्राप्त हुई थीएम ना-पीबी (7 पीएच)। डीएनए जांच (नीली रेखा) लक्ष्य डीएनए दूर करने के लिए 1 एनएम वसूली डीएनए जोड़कर बरामद किया गया था। Noncomplementary डीएनए इस प्रयोग (ग्रीन लाइन) में नकारात्मक नियंत्रण के रूप में इस्तेमाल किया गया था।

जैव लक्ष्य संवेदनशीलता क्रिस्टलीय प्रकार संदर्भ
पीएच एक पी 35
सिस्टिक फाइब्रोसिस ΔF508 3 ठिकानों विलोपन एक पी 9
इन्फ्लुएंजा एक एकल वायरस एक पी 2
एटीपी संवेदन दोपहर 1:00 बजे एक पी 3
टेलोमिरेज 10 हेला सेल एक पी 14
पीएसए / सीईए / mucin -1 <1.4 / 2/5 स्नातकोत्तर / एमएल एक n / p 14
neuronal संकेत एक n / p 4
सीए 2 100 एनएम एक n 5
बैक्टीरियल विष (एसईबी) 10 एफएम पाली पी 7
डोपामाइन 1 एफएम पाली n 8
ट्रोपोनिन टी 1 FG / मिलीलीटर एक n 19
संवहनी एंडोथीलियल के वृद्धि कारक 1.04 / 0.104 एनएम एक n / p 18
BRAF V599E 1-आधार बेमेल एक n 1 1
1 एफएम पाली n 10
Avidin / streptavidin 1.48 एनएम / 167 एफएम पाली n 37
सीए 2 / ट्रोपोनिन मैं 1 माइक्रोन / 7 एनएम एक पी 6
डेंगू सीरोटाइप 2 आरएनए <10 एफएम एक n 12
कैम प्रोटीन काइनेज व्यक्त सेल lysate एक पी 16
मैट्रिक्स metalloproteinase -2 100 FM एक पी 15
MicroRNAs (मीर 21 / मीर 205) 1 zeptomole (सीए 600 प्रतियां) एक पी 13
संवहनी एंडोथीलियल के वृद्धि कारक 1.25 स्नातकोत्तर / एमएल पाली n
मानव थायराइड हार्मोन उत्तेजक 0.11 pM एक n 20
Apolipoprotein एक द्वितीय प्रोटीन 6.7 स्नातकोत्तर / एमएल पाली n 17
इंटरल्युकिन 8 / ट्यूमर परिगलन कारक α 10 FG / मिलीलीटर एक n 22

तालिका 1 biotargets की आंशिक सूची SNWFET उपकरणों का उपयोग कर जांच की।

ओलईगोन्युक्लियोटाईड्स अनुक्रम
AIV एच 1 5'-aminomodified जांच डीएनए 5'-राष्ट्रीय राजमार्ग 2 सी 6 -CACACTCTGTCAACCTAC -3 '
AIV एच 1 लक्ष्य डीएनए 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG -3 '
AIV एच 1 वसूली डीएनए 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG -3 '
गैर पूरक डीएनए (AIV H5 लक्ष्य डीएनए) 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG -3 '

तालिका 2 सिंथेटिक oligonucleotides के दृश्यों।

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Discussion

ऊपर से नीचे commercializing और नीचे अप दृष्टिकोण निर्माण sSNWFETs के लिए अपनी लागत 32,33, SNW स्थिति नियंत्रण 34,35, और अपनी कम पैमाने पर उत्पादन 36 की वजह से मुश्किल माना जाता है। इसके विपरीत, pSNWFETs fabricating सरल और कम लागत 37 है। ऊपर से नीचे दृष्टिकोण और sidewall स्पेसर गठन तकनीक (चित्रा 1) के साथ संयोजन के माध्यम से, SNW के आकार प्रतिक्रियाशील प्लाज्मा नक़्क़ाशी की अवधि का समायोजन करके नियंत्रित किया जा सकता है। PSNWFET की nanowires चित्रा 1 ए में सचित्र तैयारी के लिए प्रक्रियाओं को आसानी से वाणिज्यिक अर्धचालक सुविधाओं के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। नतीजतन, pSNWFETs लागत प्रभावशीलता, एक सरल निर्माण तकनीक, और एक CMOS संगत निर्माण की प्रक्रिया सहित कई फायदे हैं और इस तरह biosensing में लागू किया जा सकता है।

अर्धचालक युक्ति का निर्माण करने के लिए इसके विपरीत, एक प्रक्रिया अच्छी तरह से comme में परिभाषितrcial सुविधाओं डिवाइस पर bioprobe के स्थिरीकरण प्रत्येक विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए भिन्न हो सकते हैं। SNW सतह पर डीएनए जांच के स्थिरीकरण के लिए एक उदाहरण के रूप में चित्रा 2A में सचित्र है। ऐसे एंटीबॉडी, aptamers, और एंजाइमों के रूप में अन्य bioprobes, यह भी अलग अलग ठिकानों का पता लगाने के लिए SNW सतह पर स्थिर किया जा सकता है। निम्नलिखित कदम सफलतापूर्वक डीएनए जांच immobilizing के लिए महत्वपूर्ण हैं। हमारे प्रोटोकॉल में, के रूप में निर्मित pSNWFET डिवाइस साफ किया और ऑक्सीजन प्लाज्मा के साथ इलाज किया और फिर SNWs पर amine समूहों बनाने के लिए एक APTES / इथेनॉल समाधान में डूब जाता है। इसके बाद, इस उपकरण की सतह पर एल्डिहाइड समूहों बनाने के लिए एक glutaraldehyde समाधान में डूब जाता है। इन समूहों को बाद में 5'-aminomodified डीएनए जांच संयुग्मित हैं। पार linker अणुओं और bioprobe के बीच कई कदम संयोजक एक biosensor करने के लिए अर्धचालक युक्ति को बदलने के लिए आवश्यक थे। इस प्रकार, यह सुनिश्चित करना है कि हर कदम सफल महत्वपूर्ण है। हर कदम परडीएनए जांच स्थिरीकरण की, एक्सपीएस विश्लेषण और संरचना और सतह के रसायन शास्त्र पुष्टि करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। कार्बन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन और परमाणु सांद्रता, संबंधित चोटियों के एक्सपीएस स्कैन के आधार पर निर्धारित के रूप में चित्रा 2 बी में दिखाया गया। डीएनए जांच के अलावा पर, सबसे उल्लेखनीय परिवर्तन कार्बन और नाइट्रोजन सांद्रता में वृद्धि हुई है। एक बढ़ती हुई प्रवृत्ति डीएनए जांच स्थिरीकरण प्रक्रिया के हर कदम पर कार्बन और नाइट्रोजन सांद्रता में मनाया गया। ऑक्सीजन एकाग्रता प्रक्रिया के दौरान कमी आई है क्योंकि मूल निवासी हाइड्रॉक्सिल समूह सतह संशोधन के माध्यम से कवर किया गया। इन परिणामों से पता चला है कि डीएनए जांच से स्थिर किया गया था, जो बिजली के गुणों में परिवर्तन के साथ संगत है, के रूप में चित्रा -2 सी, डी, ई और दिखाया गया है। ऊपर उल्लिखित प्रक्रियाओं असफल सतह संशोधन के मामले में समस्या निवारण के लिए उपयोगी होते हैं। हालांकि, वे आम तौर पर एक अलग w पर प्रदर्शन कर रहे हैंafer एक सामग्री nanowire सतह पर है कि इसी तरह के साथ लेपित। निम्नलिखित पैराग्राफ में वर्णित के रूप में संशोधित डिवाइस के बिजली के गुणों में परिवर्तन का प्रत्यक्ष प्रमाण है, डिवाइस पर सतह संशोधन के परिणाम की पुष्टि करने के लिए आवश्यक है।

सीधे FET डिवाइस सतह में परिवर्तन की निगरानी के लिए सबसे अक्सर इस्तेमाल किया तरीकों में से एक पीएच संवेदन, के रूप में चित्रा 2 डी और डी में दिखाया गया है। अलग अलग सतह संशोधनों SNW सतह पर प्रभार में बदलाव में परिणाम, बहुत अलग वातावरण के तहत pSNWFET की सतह संभावित प्रभावित। हम SNW सतह पर कार्य समूहों के लिए इसी प्रवाहकत्त्व में परिवर्तन का पता लगाने के लिए व्यापक रेंज पीएच बफर समाधान का इस्तेमाल किया। एक यंत्रवत दृष्टिकोण से, पीएच बदल रहा है (हाइड्रोजन आयनों में वृद्धि) के साथ चालकता में वृद्धि सकारात्मक सतह आरोप में वृद्धि हुई है, जो accumulati के माध्यम से एन-प्रकार FET "पर बदल जाता है" के अनुरूप हैइलेक्ट्रॉनों की पर। pSNWFET के प्रवाहकत्त्व के लिए वास्तविक समय बिजली की प्रतिक्रियाएं पीएच 3.0 से 9.0 से लेकर मूल्यों के साथ बफर समाधान में मापा जा सकता है। तरीकों इस रिपोर्ट में वर्णित की जांच के लिए कि क्या एक अर्धचालक आधारित सेंसर biosensing आवेदन के लिए तैयार किया जाता है के लिए उपयोगी होते हैं।

चित्रा 2 ई डिवाइस के बिजली के गुण के प्रत्यक्ष माप के माध्यम से सतह संशोधन के परिणाम को निर्धारित करने के लिए एक सुविधाजनक तरीका दिखाता है। मैं डी में परिवर्तन - चित्रा 2 ई में दिखाया वी जी घटता SNW सतह पर डीएनए जांच स्थिरीकरण के प्रत्येक चरण के साथ संगत कर रहे हैं। परिणामों के अनुसार, pSNWFETs सीधे bioprobe स्थिरीकरण के हर कदम पर प्रक्रिया पुष्टि करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। यह परिणाम भी इंगित करता है कि संशोधित pSNWFET biosensing आवेदन के लिए तैयार किया जाता है। इन प्रक्रियाओं के लिए विशेष रूप से उपयोगी होते हैं जब स्थिरीकरण procedurतों अच्छी तरह से स्थापित कर रहे हैं। एक pSNWFET आधारित biosensor के समारोह में एक उदाहरण के रूप AIV उपप्रकार एच 1 डीएनए का पता लगाने (चित्रा 3) द्वारा जांच की गई थी। जांच और लक्ष्य डीएनए का उपयोग डीएनए अणु और तकनीक आसानी से वांछित डीएनए अनुक्रम प्राप्त करने के लिए उपलब्ध की स्थिरता की वजह से एक उपन्यास biosensor के विकास illustrating के लिए उपयुक्त है। एक नकारात्मक नियंत्रण के रूप में noncomplementary डीएनए का उपयोग करने के अलावा, हम एक वसूली प्रणाली के साथ pSNWFET पर डीएनए संकरण का प्रदर्शन किया। यह विशेष रूप से उपयोगी है जब एक नई प्रणाली या नई डिवाइस biosensing प्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया जाता है। कई कदम उपकरण निर्माण से biosensing आवेदन करने की प्रक्रिया में शामिल रहे हैं। हर कदम अंतिम परिणाम को प्रभावित करता है। इसके अलावा, झूठी सकारात्मक या नकारात्मक झूठी परिणाम आम तौर पर biosensing वातावरण की जटिलता की वजह से biosensing प्रयोगों में प्राप्त कर रहे हैं। इस प्रकार, नियंत्रित प्रयोगों आलोचना कर रहे हैं, और वसूली प्रणाली इस अध्ययन में प्रदर्शन कर सकते हैं बहुत आसानitate अप्रत्याशित कारक है कि प्रयोगात्मक परिणामों के साथ हस्तक्षेप की पहचान।

वर्तमान में इस्तेमाल किया pSNWFET आधारित biosensor के लिए मुख्य सीमाओं pSNWFET डिवाइस की उपलब्धता और माप के लिए इस्तेमाल किया इंस्ट्रूमेंटेशन हैं। हालांकि, इन दो सीमाओं को आसानी से निकट भविष्य में दूर किया जा सकता है। SNWFETs से कई प्रकार के साहित्य में सूचना दी गई है। pSNWFET इस अध्ययन में प्रदर्शन पहले से ही मानक अर्धचालक प्रक्रिया का उपयोग कर निर्मित किया जा रहा है और बड़े पैमाने पर व्यावसायिक निर्माण मे प्रक्रिया को केवल मामूली समायोजन के साथ उत्पादन किया जा सकता है। इस अध्ययन में माप के लिए इस्तेमाल इंस्ट्रूमेंटेशन एक मानक अर्धचालक चिप विश्लेषक था। इसका मतलब है कि, एक उचित एकीकृत डिवाइस पर स्थापित सर्किट के साथ, पोर्टेबल इंस्ट्रूमेंटेशन बनाया गया है और वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी का उपयोग कर निर्मित किया जा सकता है।

अंत में, हम एक pSNWFET पर डीएनए संवेदन के लिए पूरी प्रक्रिया का वर्णन। क्योंकि IMMOBilization प्रक्रिया दृढ़ता, एक biosensor की क्षमता को प्रभावी ढंग से पता लगाने के लिए biomolecules को प्रभावित करता है इस प्रोटोकॉल कदम-दर-कदम bioprobe स्थिरीकरण की पुष्टि और डीएनए biosensing अनुप्रयोगों के लिए डिवाइस की तत्परता प्रदान करता है। इसी तरह की प्रक्रियाओं इसी तरह के कई biosensing आवेदन, जिसके लिए समायोजन आवश्यक हैं के लिए इस रिपोर्ट से रूपांतरित किया जा सकता है। इस रिपोर्ट में यह भी पुष्टि और bioprobe और डिवाइस सतह संशोधनों के स्थिरीकरण की समस्या निवारण के लिए प्रोटोकॉल का वर्णन है। विभिन्न biosensors के लिए मांग बढ़ रही है। तरीकों इस रिपोर्ट में वर्णित तैयारी और अर्धचालक आधारित biosensors के विकास के लिए एक उपयुक्त संदर्भ हैं।

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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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