Introduction
transistor ad effetto di campo Silicon nanowire (SNWFETs) presentano i vantaggi di ultra-elevata sensibilità e risposte elettriche scalo a variazione tassa ambientale. In tipo n SNWFETs per esempio, quando una molecola negativo (o positivo) addebitato avvicina alla nanowire silicio (SNW), i vettori nel SNW sono esauriti (o accumulano). Di conseguenza, la conduttività della SNWFET diminuisce (o aumenta) 1. Pertanto, qualsiasi molecola carica vicino alla superficie SNW del dispositivo SNWFET può essere rilevato. biomolecole vitali tra cui enzimi, proteine, nucleotidi, e molte molecole sulla superficie cellulare sono portatori di carica e possono essere monitorati utilizzando SNWFETs. Con opportune modifiche, in particolare immobilizzanti una sonda biomolecolare sul SNW, un SNWFET può essere sviluppato in un biosensore senza etichetta.
Sorveglianza utilizzando biomarcatori è fondamentale per la diagnosi delle malattie. Come mostrato nella Tabella 1, diversi studi hanno utilizzato NWFEBiosensori T-based per label-free, ultra-alta sensibilità, e la rilevazione in tempo reale dei vari bersagli biologici, tra cui un singolo virus 2, adenosina trifosfato e chinasi vincolante 3, i segnali neuronali 4, ioni metallici 5,6, tossine batteriche 7, 8 della dopamina, DNA 9-11, RNA 12,13, enzimi e biomarcatori tumorali 14-19, ormoni umani 20, e citochine 21,22. Questi studi hanno dimostrato che biosensori basati NWFET rappresentano una piattaforma di rilevazione potente per una vasta gamma di specie chimiche e biologiche in una soluzione.
In biosensori basati SNWFET, la sonda immobilizzata sulla superficie SNW del dispositivo riconosce una biotarget specifico. Immobilizzare un Bioprobe solito comporta una serie di passaggi, ed è fondamentale che ogni passo viene eseguito correttamente per garantire il corretto funzionamento del biosensore. Varie tecniche sono state sviluppate per analizzare le sComposizione urface, compresi raggi X spettroscopia fotoelettronica (XPS), ellissometria, misura dell'angolo di contatto, microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a scansione (SEM). Metodi come AFM e SEM forniscono prove dirette di Bioprobe immobilizzazione sul dispositivo nanofilo, mentre i metodi, come XPS, ellissometria, e la misurazione dell'angolo di contatto dipendono esperimenti paralleli condotti su altri materiali simili. In questo rapporto, descriviamo la conferma di ogni fase di modifica utilizzando due metodi indipendenti. XPS viene usato per esaminare le concentrazioni di atomi specifici su wafer di silicio policristallino, e variazioni nelle proprietà elettriche del dispositivo sono misurate direttamente per confermare la variazione di carica sulla superficie SNW. Impieghiamo biosensing DNA utilizzando SNWFETs policristallini (pSNWFETs) come un esempio per illustrare questo protocollo. Immobilizzare una sonda di DNA sulla superficie SNW comporta tre fasi: ammina modifica gruppo ossidrile sulla superficie nativa del SNW, almodifica gruppo deide, e 5'-aminomodified immobilizzazione della sonda di DNA. Ad ogni fase di modifica, il dispositivo può rilevare direttamente la variazione della carica del gruppo funzionale immobilizzato sulla superficie SNW, perché le cariche superficiali causano variazioni potenziali interfacciali locali oltre il dielettrico di gate che alterano la corrente del canale e conduttanza 1. Spese che circondano la superficie SNW può modulare elettricamente le proprietà elettriche del dispositivo pSNWFET; Pertanto, le proprietà superficiali del SNW giocano un ruolo cruciale nel determinare le caratteristiche elettriche dei dispositivi pSNWFET. Nelle procedure riportate, l'immobilizzazione di un Bioprobe sulla superficie SNW può essere determinata direttamente e confermata attraverso la misurazione elettrica, e il dispositivo è predisposto per applicazioni biosensori.
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Protocol
1. Realizzazione e conservazione dei dispositivi pSNWFET
- fabbricazione di dispositivi
Nota: Il pSNWFET è stato fabbricato utilizzando una tecnica parete laterale distanziale come precedentemente riportato 23,24.- Preparare lo strato dielettrico di gate.
- Cap un ossido 100 nm di spessore termica (SiO 2) strato su un substrato di Si tramite (gas di processo O 2 e H 2 a 980 ° C per 4 ore) bagnato processo di ossidazione 25.
- Depositare un nitruro di 50 nm di spessore (Si 3 N 4) Strato utilizzando bassa pressione di deposizione chimica da fase vapore (LPCVD) 25 a 980 ° C per 4 ore.
- Depositate 100 nm di spessore tetraetilortosilicato strato (TEOS) utilizzando LPCVD 25 a 780 ° C per 4 ore.
- Eseguire litografia normale mediante stepper I-linea per definire le strutture di ossido fittizi.
- Rivestire la superficie del wafer con uno strato di resina fotosensibile 830 nm di spessore.
- ioNSERT un photomask modello definito in I linea passo-passo.
- Elaborare l'esposizione utilizzando la I-line stepper (lunghezza d'onda: 365 nm) al dosaggio di 1,980 J a temperatura ambiente.
- Sviluppare il wafer all'interno di uno sviluppatore per 5 min.
- Eseguire il processo di attacco isotropo utilizzando uno standard ad accoppiamento induttivo plasma 25 incisore con HBr e Cl gas plasma per 1 min.
- Depositare uno strato di 100 nm di spessore di silicio amorfo (α-Si) utilizzando LPCVD 25.
- Eseguire una fase di ricottura a 600 ° C in N 2 ambiente per 24 ore per trasformare l'α-Si in una struttura policristallina.
- Gli ioni di impianto di fosforo attraverso source / drain (S / D) il doping a bassa energia (5E 15 cm -2) 25.
- Eseguire litografia standard utilizzando lo stepper I-linea per rimuovere lo strato poly-Si e formare il nanowire polisilicio (pSNW) 25.
Nota: ripetere il punto 1.1.3 di impiantare dopformiche in luoghi diversi dalle regioni S / D con la rimozione di poli-Si e formare i canali di fianco Si in maniera auto-allineato. - Eseguire il processo di passivazione (200-nm-spesso strato di ossido TEOS) utilizzando LPCVD a 780 ° C per 5 ore 25.
- Eseguire la litografia standard utilizzando lo stepper I-line per esporre i canali nanowire, e pastiglie di test modulo utilizzando il processo di attacco in due fasi secco / umido.
- Ripetere il punto 1.1.3.
- Eseguire il processo di incisione a umido (DHF: HF / H 2 O per 1 min).
- Preparare lo strato dielettrico di gate.
- conservazione Wafer
- Sigillare il wafer in un sacchetto di immagazzinaggio di vuoto e memorizzarlo in un armadietto asciutto elettronico (umidità relativa <40% a temperatura ambiente).
2. Pretrattamento del dispositivo
- pulizia dispositivo
- Risciacquare il dispositivo con acetone puro.
- Sonicare (46 kHz, 80 W) il dispositivo in acetone puro per 10 min. <li> Sonicare (46 kHz, 80 W) il dispositivo in etanolo puro (99,5%) per 5 min.
- Blow-asciugare la superficie del dispositivo con azoto.
- Trattare il dispositivo con O 2 al plasma a 18 W per 30 sec.
3. Immobilizzazione del DNA sonda sulla superficie periferica
- Modifica gruppo amminico
- Immergere il dispositivo in un 2,0% (3-amminopropil) trietossisilano (APTES) / soluzione di etanolo per 30 min.
- Lavare il dispositivo con etanolo per tre volte, e poi ultrasuoni (46 kHz, 80 W) il dispositivo in etanolo per 10 min.
- Riscaldare il dispositivo su una piastra calda a 120 ° C per 10 min per creare gruppi amminici sulla SNWs.
- Modifica gruppo aldeidico
- Immergere il dispositivo nel 12,5% glutaraldeide per 1 ora a temperatura ambiente per creare gruppi aldeidici in superficie. Evitare l'esposizione alla luce.
- Lavare il dispositivo di ingegnoh 10 mM tampone fosfato di sodio (Na-PB; pH 7,0) tre volte e quindi asciugarsi la superficie del dispositivo con azoto.
- Sonda di DNA di immobilizzazione
- Immergere il dispositivo in una soluzione contenente 1 mM sonde di DNA durante la notte.
- Immergere il dispositivo in 10 mM tampone Tris (pH 8,0) con 4,0 mM NaBH 3 CN per 30 minuti per bloccare i gruppi aldeidici reagiti.
- Lavare il dispositivo con Na-PB (pH 7,0) tre volte, e poi asciugarsi la superficie del dispositivo con azoto.
4. Conferma e analisi di modifica della superficie su pSNWFET
- profilo pH dopo ogni fase di modifica della superficie
- Preparare 10 mM Na-PB in pH 3,0-9,0.
- Preparare 10 mM sodio fosfato tribasico dodecaidrato (Na 3 PO 4) in acqua deionizzata (pH 11.60).
- Preparare 10 mM di acido fosforico (H 3 PO 4) in acqua deionizzata(PH 2.35).
- Posizionare l'elettrodo pH in 500 ml di 10 mM Na 3 PO 4 tampone, e mescolare questa soluzione con diversi volumi di 10 mm H 3 PO 4 buffer durante la misurazione del valore del pH per ottenere buffer con valori di pH di 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 , 7.0, 8.0 e 9.0.
- la misura della conduttanza AC
Nota: Il circuito di misura comprendeva un piccolo generatore di segnale in corrente alternata ed un microconduttori Au che serviva come elettrodo di gate liquido.- Determinare l'ottimale tensione di gate liquido (V LG) per misure 26 ad ogni fase di modifica (passi 2.2, 3.1, 3.2 e 3.3).
Nota: Le proprietà elettriche del dispositivo dopo quattro modificazioni superficiali sulla SNW sono stati misurati come descritto in questa sezione. Nel passo 2.2, la pSNWFET non modificato contenente lo strato di ossido nativo viene modificata; passo 3.1 comporta la modifica del dispositivo con il gruppo amminico di APTES; punto 3.2 prevede la modifica con la unchargedgruppo funzionale di glutaraldeide; e passo 3,3 coinvolge DNA modifica della sonda.- Fornire il 10 mM Na-PB (pH 7,0) la soluzione alla superficie SNW utilizzando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h) per il contatto diretto con il SNW.
- Misurare la conduttanza tempo reale del dispositivo durante la spazzata V LG 0,80-1,30 V.
- Eseguire misura conduttanza utilizzando la tecnica lock-in 27 a temperatura ambiente.
- Convertire i segnali di corrente CA in un segnale di tensione alternata utilizzando un basso rumore preamplificatore corrente.
- Raccogliere dati sulla conduttanza (G) su aumento V LG 0,80-1,30 V (intervallo = 0,02 V).
- Determinare la LG V ottimale (più sensibile V LG) del dispositivo 26.
- Tracciare le curve GV LG dal punto 4.1.2.1.2.3 per ottenere l'equazione della curva.
- Differentiate l'equazione, e calcolare i valori in ogni punto del V LG.
- Dividere il valore dal punto 4.1.2.1.3.2 da G, e determinare l'ottimale V LG base al numero massimo.
- Misurare la conduttanza in tempo reale del profilo di pH ad ogni passo della modifica superficiale.
- Eseguire misura conduttanza utilizzando la tecnica lock-in 27 a temperatura ambiente.
- Convertire il segnale in corrente alternata in segnali di tensione alternata utilizzando un basso rumore preamplificatore corrente.
- Impostare l'ottimale V LG per ogni fase di modifica della superficie (punto 2.2: V LG = 1,02, passo 3.1: V LG = 0.98, punto 3.2: V LG = 0,98, e passo 3.3: V LG = 1.0).
- Offrire la soluzione di 10 mM Na-PB con valori di pH 3,0-9,0 alla superficie SNW (portata: 5,0 ml / h), E raccogliere i dati relativi conduttanza ad una tensione di drain di 0,01 V.
- Determinare l'ottimale tensione di gate liquido (V LG) per misure 26 ad ogni fase di modifica (passi 2.2, 3.1, 3.2 e 3.3).
- Preparare 10 mM Na-PB in pH 3,0-9,0.
- Misurazione delle proprietà elettriche (la curva I D -V BG) del dispositivo a 10 mM Na-PB (pH 7,0) seguito ogni fase della modifica della superficie (passi 2.2, 3.1, 3.2, e 3.3.)
Nota: Le proprietà elettriche del dispositivo dopo quattro modificazioni superficiali sulla SNW stati misurati: nel passo 2.2, la pSNWFET non modificato contenente lo strato di ossido nativo viene modificata; passo 3.1 tratta di modificare il dispositivo con il gruppo amminico di APTES; punto 3.2 comporta la modifica con il gruppo funzionale uncharged di glutaraldeide; e passo 3.3 comporta DNA modifica della sonda.- Fornire il 10 mM Na-PB (pH 7,0) la soluzione alla superficie SNW (fasi 2.2, 3.1, 3.2 e 3.3) utilizzando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h) per il contatto diretto con il SNW.
- Misurare la I D
- Selezionare la modalità "NMOSFET".
- Seleziona "I D - V BG" moduli.
Nota: I D è la corrente di drain / source, e V BG è la tensione cancello posteriore. - Impostare una tensione di polarizzazione costante (V D = 0,5 V), mentre spazzare il cancello potenziale (V BG) da -1 a 3,0 V (intervallo = 0,2 V).
- Fare clic sull'icona Esegui per ottenere I D - curve V BG.
5. DNA biopercezione
Nota: In un tipico esperimento, l'ho D - curva B G V è determinata per tre volte per garantire che nessun ulteriore variazione è observ ati.
- Determinazione della linea di base
- Somministrare la soluzione 10 mM Na-PB (pH 7,0) alla superficie SNW sonda immobilizzata DNA per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e poi incubare la SNW per 30 min.
- Misurare la I D del dispositivo (ripetere il punto 4.2.2).
- Percependo di DNA / DNA ibridazione
- Carico 22:00 obiettivo complementare del DNA sulla sonda-immobilizzato superficie SNW DNA per 10 minuti utilizzando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e poi incubare il SNW per 30 min.
- Fornire il 10 soluzione mM Na-PB (pH 7.0) sulla superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / hr) per lavare il DNA bersaglio non legato distanza.
- Ripetere passaggio 4.2.2 per misurare la I D del dispositivo.
- Riconfermare il segnale di ibridazione DNA / DNA.
- Carico 1 nM recupero del DNA su tegli DNA probe-immobilizzato superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e poi incubare la SNW per 30 min.
- Fornire il 10 soluzione mM Na-PB (pH 7.0) sulla superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / hr).
- Ripetere passaggio 4.2.2 per misurare la I D del dispositivo.
- controllo negativo
- Carico 100 pM DNA non complementare sulla sonda-immobilizzato superficie SNW DNA per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e quindi incubare l'SNW per 30 min.
- Fornire il 10 soluzione mM Na-PB (pH 7.0) sulla superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / hr).
- Ripetere passaggio 4.2.2 per misurare la I D del dispositivo.
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Representative Results
Vari SNWFETs sono stati segnalati per servire come trasduttori di biosensori (Tabella 1). SNWFETs Single-cristallini (sSNWFETs) e pSNWFETs mostrano proprietà elettriche comparabili come trasduttori in soluzione acquosa, ed entrambi sono stati segnalati per avere molte applicazioni biosensori. Una caratteristica vantaggiosa del dispositivo pSNWFET utilizzato in questo studio è la sua procedura semplice e di fabbricazione a basso costo. Figura 1a mostra le fasi chiave coinvolti nella fabbricazione della pSNWFET. L'immagine ottica di un dado dal wafer da 6 pollici (Figura 1b) e immagini SEM (Figura 1c) di un singolo dispositivo (due SNWs, a circa 100 nm di larghezza e 1,6 micron di lunghezza) sono stati ottenuti.
La figura 2a illustra la procedura di sonda di DNA di immobilizzazione sulla superficie SNW. Ogni fase di modifica è stata confermata tramite XPS (Figura 2b (Figura 2c, d), sono mostrati in diverse fasi di modifica della superficie SNW. Per il pSNWFET non modificato contenente lo strato di ossido nativo sulla superficie SNW, i gruppi ossidrilici (-OH) erano ionizzati per formare gruppi carichi (-O -) all'aumentare valori di pH (linea nera). La diminuzione della conduttanza a pH 6,0 a 9,0 indica che la costante di dissociazione acida (pK a) del gruppo ossidrile può essere impostato a circa 7,0. Conduttanza probabilità aumenta a pH da 3,0 a 6,0 per l'aumento della forza ionica, influenzando le caratteristiche del dispositivo 1. Dopo la modifica APTES, la risposta alla conduttanza del dispositivo APTES modificato mostrato elevata variazione (linea rossa). Il gruppo amminico (pK a = 4.0) del APTES può essere protonato ad un pH basso per produrre una carica positiva 28. Così, la conduttanza SNW diminuita con variazioni discrete pHdal 3.0 9,0. Dopo l'SNW stato modificato con glutaraldeide, la risposta era relativamente stabile per conduttanza a pH compreso tra 3.0 al 9.0 (linea blu). Ciò può essere attribuito al gruppo funzionale uncharged insensibile alla variazione ambienti pH. Infine, dopo che la sonda di DNA caricato negativamente è stato immobilizzato, conduttanza leggermente diminuita, con un aumento dei valori di pH (linea verde).
Il cambiamento nelle proprietà elettriche del dispositivo (figura 2e) con diverse modifiche conferma il cambiamento nella superficie SNW. In questi esperimenti, la curva I D -V G del pSNWFET non modificato è stato utilizzato come base di riferimento (linea nera). Dopo l'SNW era immerso in APTES, la curva I D -V G del dispositivo spostata a sinistra (corrente maggiore) per la carica positiva sulla superficie caus snwcato dal gruppo amminico su APTES (nero a linea rossa). Dopo coniugazione glutaraldeide al dispositivo APTES modificato, la curva I D -V G spostato di nuovo verso destra a causa della formazione del legame imide. La corrente è diminuito perché l'ammina carica positiva è stato convertito in immide carica neutra (rosso a linea blu). Infine, la sonda di DNA 5'-amnimodified è stata introdotta per legarsi al dispositivo APTES-glutaraldeide-modificato. La spina dorsale di zucchero-fosfato del DNA ha causato la curva I D -V G per spostare verso l'estrema destra (blu per la linea verde), che è coerente con l'effetto di ioni negativi su n-tipo FET.
La rilevazione di ibridazione DNA / DNA sul pSNWFET è mostrata in figura 3. Sonda, obiettivo, il recupero, e le sequenze di DNA noncomplementary progettati per rilevare il virus dell'influenza aviaria (AIV) 29,30 Tabella 2. La curva I D -V G del DNA pSNWFET sonda modificato ottenuto in 10 mM Na-PB (pH 7,0) è stata utilizzata come linea di base (nero). Successivamente, 22:00 DNA bersaglio è stato introdotto per ibridare con la sonda di DNA immobilizzato sulla superficie SNW, ed è stata osservata una netta diminuzione della corrente di drain del dispositivo (linea rossa). La diminuzione della I D nel tipo n SNWFET implicava un aumento carica negativa (causata dalla dorsale fosfato) sulla superficie SNW. Il recupero del DNA è stato progettato per rehybridize con il DNA bersaglio e liberare la sonda di DNA 31. Se il DNA di recupero è progettato correttamente, la reazione favorisce la termodinamicamente rehybridization del target recupero DNA duplex, perché nucleotidi più complementari sono disponibili tra queste due filamenti di DNA (Tabella 1) di quelli tra la sonda ed il DNA bersaglio. L'aggiunta di 1 DNA recupero nM (linea blu) Inoltre confermato che la risposta elettrica del DNA bersaglio è dovuto alla ibridazione del DNA probe-target e liberato la sonda di DNA, che è riutilizzabile per successivi esperimenti. Come controllo negativo, il DNA noncomplementary [AIV DNA bersaglio sottotipo H5] (100 PM) è stato anche iniettato e mescolato con la sonda di DNA, e la curva I D -V G è rimasta invariata. La sonda di DNA immobilizzato sulla pSNWFET è insensibile al DNA noncomplementary. Unico obiettivo DNA provoca un cambiamento apprezzabile nel I D - curva G V. L'I D - curva G V ritorna alla linea di base dopo incubazione con il DNA di recupero.
Figura 1. Preparazione del dispositivo pSNWFET. (A) Schema di fabri dispositivocazione. (I) A 6 pollici Si wafer è stato ricoperto con uno strato di ossido termico 100 nm di spessore. Successivamente, il nitruro di 50 nm di spessore e gli strati TEOS 100-nm di spessore sono stati depositati come materiali di partenza utilizzando LPCVD. (Ii) una struttura fittizia TEOS è stato definito e formato utilizzando la litografia di serie; due strati isolanti (ossido e nitruro) è servito come il dielettrico di gate. (Iii) uno strato α-Si 100-n-spessore è stato depositato usando LPCVD, e ricottura stato successivamente condotto per trasformare l'α-Si in poly-Si. (Iv) S / D doping è stata poi effettuata mediante l'impianto di fosforo ionica. (V) I canali Si laterali sono formate in modo autoallineato utilizzando la litografia standard. (Vi) Vista dall'alto della struttura dispositivo fabbricato con pSNW. (B) le immagini ottiche di un chip pSNWFET biosensore. Immagine SEM di un unico dispositivo pSNWFET (c). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. modifica superficiale e validazione su pSNWFET. (A) Schema di superficie funzionalizzazione del DNA e DNA / DNA ibridazione. (B) XPS spettri di C1s, O1s, e segnali N1S dal wafer di silicio (campionamento profondità = 7,5 nm), dove è stato eseguito il sequenziale graduale modifica della superficie della sonda di DNA immobilizzato. spettri ad alta risoluzione sono stati ottenuti, e la risoluzione complessiva di energia è stato fissato a 0,1 eV. (C) la curva in tempo reale a diversi valori di pH in ogni fase della modifica della superficie; 10 mM Na-PB è stato iniettato nel seguente ordine: 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) conduc mediatanza a valori di pH 3,0-9,0 con 10 mM Na-PB seguito ogni passo della modifica della superficie. (E) le proprietà elettriche (I D - V BG curve) della pSNWFET ad ogni passo di modifica della superficie. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. biosensing DNA pSNWFET. Le curve I D -V G del pSNWFET DNA probe-modificato sono stati ottenuti in 10 mM Na-PB (pH 7) (linea nera). La curva I D -V G dopo l'ibridazione della sonda e bersaglio di DNA (linea rossa) è stato ottenuto con l'introduzione di 22:00 DNA bersaglio e lavandolo con 10 mM Na-PB (pH 7). La sonda di DNA (linea blu) è stato recuperato con l'aggiunta di 1 DNA recupero nM per rimuovere il DNA bersaglio. Noncomplementary DNA è stato utilizzato come controllo negativo in questo esperimento (linea verde).
| Bio-bersaglio | sensibilità | Cristallino | Digitare | Riferimento |
| pH | singolo | p | 35 | |
| Cistica Fibrosi AF508 | 3 basi delezione | singolo | p | 9 |
| Influenza A | singolo virus | singolo | p | 2 |
| sensing ATP | 13:00 | singolo | p | 3 |
| La telomerasi | 10 cellule Hela | singolo | p | 14 |
| PSA / CEA / Mucin-1 | <1,4 / 2/5 ug / ml | singolo | n / p | 14 |
| il segnale neuronale | singolo | n / p | 4 | |
| Ca 2+ | 100 nM | singolo | n | 5 |
| tossina batterica (SEB) | 10 fM | poli | p | 7 |
| La dopamina | 1 fM | poli | n | 8 |
| Troponina T- | 1 fg / ml | singolo | n | 19 |
| Fattore di crescita vascolare endoteliale | 1.04 / 0.104 nM | singolo | n / p | 18 |
| BRAF V599E | 1-base-disadattamento | singolo | n | 11 |
| 1 fM | poli | n | 10 | |
| Avidina / streptavidina | 1.48 nm / 167 Fm | poli | n | 37 |
| Ca 2+ / Troponina I | 1 micron / 7 Nm | singolo | p | 6 |
| Dengue sierotipo 2 RNA | <10 fM | singolo | n | 12 |
| Proteina chinasi CaM | lisato cellulare espresso | singolo | p | 16 |
| Metalloproteinasi della matrice-2 | 100 fm | singolo | p | 15 |
| I microRNA (miR-21 / miR-205) | 1 zeptomole (circa 600 copie) | singolo | p | 13 |
| Fattore di crescita vascolare endoteliale | 1,25 pg / ml | poli | n | |
| ormone tireotropo umano | 12:11 | singolo | n | 20 |
| la proteina apolipoproteina A II | 6.7 pg / ml | poli | n | 17 |
| Interleuchina 8 / tumorali α fattore di necrosi | 10 fg / ml | singolo | n | 22 |
Tabella 1. Elenco parziale delle biotargets esaminato utilizzando dispositivi SNWFET.
| oligonucleotidi | Sequenza |
| DNA della sonda AIV H1 5'-aminomodified | 5'-NH 2 -C 6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 ' |
| AIV H1 DNA bersaglio | 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 ' |
| DNA recupero AIV H1 | 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 ' |
| DNA non complementare (AIV H5 DNA bersaglio) | 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 ' |
Tabella 2. Le sequenze di oligonucleotidi sintetici.
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Discussion
Commercializzazione del top-down e bottom-up fabbricazione approcci per sSNWFETs è considerato difficile a causa del suo costo 32,33, SNW controllo di posizione 34,35, e la sua bassa produzione di scala 36. Al contrario, la fabbricazione pSNWFETs è semplice e di basso costo 37. Attraverso l'approccio top-down e la combinazione con la tecnica di formazione laterale distanziale (figura 1), la dimensione del SNW può essere controllata regolando la durata di attacco in plasma reattivo. Le procedure per la preparazione dei nanofili del pSNWFET illustrato nella figura 1a possono essere facilmente adattati alle strutture di semiconduttori commerciali. Di conseguenza, pSNWFETs hanno diversi vantaggi tra cui l'efficacia dei costi, una semplice tecnica di costruzione, e un processo di fabbricazione CMOS-compatibile e quindi possono essere applicati in biosensori.
In contrasto con la fabbricazione del dispositivo a semiconduttore, un processo ben definito commestrutture rciale, l'immobilizzazione del Bioprobe sul dispositivo possono variare per ogni specifica applicazione. L'immobilizzazione della sonda di DNA sulla superficie SNW è illustrato nella figura 2a come esempio. Altri bioprobes, come gli anticorpi, aptameri ed enzimi, possono essere immobilizzati sulla superficie SNW per rilevare obiettivi diversi. I seguenti passaggi sono fondamentali per immobilizzare con successo la sonda di DNA. Nel nostro protocollo, il dispositivo pSNWFET as-fabbricato viene pulito e trattato con plasma di ossigeno e quindi immerso in una soluzione / etanolo APTES per creare gruppi amminici sulla SNWs. Successivamente, il dispositivo viene immerso in una soluzione di glutaraldeide per creare gruppi aldeidici in superficie. Questi gruppi sono successivamente coniugati alla sonda di DNA 5'-aminomodified. congiunzioni più stadi tra le molecole di cross-linker e l'Bioprobe erano tenuti a trasformare il dispositivo a semiconduttore di un biosensore. Pertanto, è fondamentale per garantire che ogni passo è successo. Ad ogni passodi DNA probe immobilizzazione XPS stato utilizzato per analizzare e confermare la composizione e la chimica della superficie. Le concentrazioni atomiche di carbonio, ossigeno e azoto sono stati determinati sulla base di XPS scansioni dei rispettivi picchi, come mostrato nella Figura 2b. Dopo aggiunta della sonda di DNA, i cambiamenti più significativi erano un aumento delle concentrazioni di carbonio e azoto. Una crescente tendenza è stata osservata nelle concentrazioni di carbonio e di azoto in ogni fase della procedura di immobilizzazione della sonda di DNA. La concentrazione di ossigeno è diminuita durante la procedura perché il gruppo ossidrile nativa venne coperto attraverso la modifica della superficie. Questi risultati hanno rivelato che la sonda di DNA è stato immobilizzato, che è coerente con la modifica delle proprietà elettriche, come mostrato in figura 2c, d ed e. Le procedure di cui sopra sono utili per la risoluzione dei problemi in caso di modifica della superficie senza successo. Tuttavia, di solito sono eseguite su un separato wafer rivestito con un materiale simile a quella sulla superficie nanofili. La prova diretta delle variazioni delle proprietà elettriche del dispositivo modificato è necessario per confermare il risultato della modifica della superficie del dispositivo, come descritto nei seguenti paragrafi.
Uno dei metodi più frequentemente utilizzati per monitorare direttamente cambiamenti nella superficie periferica FET è pH sensing, come mostrato in figura 2d e d. Diverse modifiche superficiali determinano variazioni nella carica sulla superficie SNW, influenzando notevolmente il potenziale superficiale della pSNWFET in ambienti differenti. Abbiamo utilizzato le soluzioni tampone pH ad ampio raggio per rilevare i cambiamenti nella conduttanza corrispondenti ai gruppi funzionali sulla superficie SNW. Dal punto di vista meccanico, l'aumento della conduttanza di modificare il pH (aumento di ioni idrogeno) è coerente con l'aumento della carica superficiale positiva, che "attiva" del tipo n FET attraverso il accumulatisu elettroni. Le risposte elettriche in tempo reale alla conduttanza del pSNWFET possono essere misurati in soluzioni tampone di pH che vanno da 3.0 9,0. I metodi descritti in questo rapporto sono utili per esaminare se un sensore a semiconduttore-based è pronta per l'applicazione biosensori.
Figura 2e illustra un metodo conveniente per determinare il risultato della modifica superficiale attraverso la misurazione diretta delle proprietà elettriche del dispositivo. Le variazioni di I D - curve G V mostrate nella figura 2e sono coerenti con ogni fase della sonda di DNA di immobilizzazione sulla superficie SNW. Secondo i risultati, pSNWFETs possono essere utilizzati direttamente per confermare la procedura ad ogni passo Bioprobe immobilizzazione. Questo risultato indica altresì che il pSNWFET modificato viene preparato per l'applicazione biosensori. Queste procedure sono particolarmente utili quando il immissio immobilizzazioneES sono ben stabiliti. La funzione di un biosensore pSNWFET basata stata esaminata rilevando AIV DNA sottotipo H1 come esempio (Figura 3). Utilizzando sonda e DNA bersaglio è adatto per illustrare lo sviluppo di un nuovo biosensore per la stabilità delle molecole di DNA e le tecniche disponibili per ottenere facilmente la sequenza desiderata di DNA. Oltre a utilizzare DNA noncomplementary come controllo negativo, abbiamo dimostrato ibridazione DNA sul pSNWFET con un sistema di recupero. Ciò è particolarmente utile quando un nuovo sistema o nuovo dispositivo viene utilizzato per esperimenti biosensori. Molti passi sono coinvolti nel processo di fabbricazione di dispositivi di applicazione biosensori. Ogni passo influisce sul risultato finale. Inoltre, risultati falsi positivi o falsi negativi sono solitamente ottenuti in esperimenti biosensori a causa della complessità dell'ambiente biosensori. Così, esperimenti controllati sono critici, e il sistema di recupero dimostrato in questo studio può essere di grande facilitate identificare i fattori inaspettati che interferiscono con i risultati sperimentali.
Le principali limitazioni attualmente utilizzato biosensore pSNWFET basata sono la disponibilità del dispositivo pSNWFET e la strumentazione utilizzata per la misura. Tuttavia, queste due limitazioni possono essere facilmente superate nel prossimo futuro. Molti tipi di SNWFETs sono stati riportati in letteratura. Il pSNWFET dimostrato in questo studio è già stato fabbricato utilizzando il processo dei semiconduttori standard e può essere prodotta in serie con solo piccole modifiche al processo di fabbricazione dei wafer commerciale. La strumentazione utilizzata per la misura in questo studio era un analizzatore chip semiconduttore standard. Ciò implica che, con un adeguato circuito integrato installato sul dispositivo, strumentazione portatile può essere progettato e realizzato con tecnologia elettronica corrente.
In conclusione, si descrive la procedura completa per il rilevamento del DNA su un pSNWFET. Perché il immobProcedura Sterilizza- influenza fortemente la capacità di un biosensore per rilevare in modo efficace biomolecole, questo protocollo prevede step-by-step di conferma Bioprobe immobilizzazione e la disponibilità del dispositivo per applicazioni di biosensori DNA. Procedure analoghe possono essere adattati da questa relazione per molte applicazioni biosensori simili, per i quali sono necessari aggiustamenti. Questo rapporto descrive anche i protocolli per la conferma e la risoluzione dei problemi della immobilizzazione dei Bioprobe e dei dispositivi modificazioni superficiali. La domanda di vari biosensori è in aumento. I metodi descritti in questo rapporto sono un riferimento adeguato per la preparazione e lo sviluppo di biosensori basati su semiconduttori.
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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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