Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Utarbeidelse av Silicon nanowire felteffekttransistor for kjemi og biosensing applikasjoner

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

Silisium nanowire felt-effekttransistorer (SNWFETs) har fordelene med ultra-høy følsomhet og direkte elektriske respons på miljømessige kostnader variasjon. I n-type SNWFETs for eksempel når et negativt (eller positivt) ladet molekyl nærmer seg silisium nanowire (SNW), er operatører i SNW utarmet (eller akkumulere). Følgelig er ledningsevnen til SNWFET avtar (eller øker) 1. Derfor kan en hvilken som helst ladet molekyl nær SNW overflaten av SNWFET anordningen skal påvises. Vitale biomolekyler, inkludert enzymer, proteiner, nukleotider, og mange molekyler på celleoverflaten er ladningsbærere, og kan overvåkes ved hjelp SNWFETs. Med passende modifikasjoner, særlig immobilisere en biomolekylære sonde på SNW, kan en SNWFET utvikles til en etikett fritt biosensor.

Overvåking ved hjelp av biomarkører er kritisk for å diagnostisere sykdommer. Som vist i tabell 1, har flere studier brukt NWFET-baserte biosensorer for etikett-fri, ultra-høy følsomhet og sporing i sanntid av ulike biologiske mål, inkludert et enkelt virus to, adenosin trifosfat og kinase bindende 3, nevrale signaler 4, metallioner 5,6, bakterielle toksiner 7, dopamin 8, DNA 9-11, RNA 12,13, enzym og kreft biomarkører 14-19, menneskelige hormoner 20, og cytokiner 21,22. Disse studiene har vist at NWFET-baserte biosensorer representerer en kraftig deteksjons plattform for et bredt spekter av biologiske og kjemiske stoffer i en løsning.

I SNWFET-baserte biosensorer, proben er immobilisert på den SNW overflaten av enheten gjenkjenner en spesifikk biotarget. Immobilisere en bioprobe vanligvis innebærer en rekke trinn, og det er viktig at hvert trinn er riktig utført for å sikre riktig funksjon av biosensor. Forskjellige teknikker har blitt utviklet for å analysere surface blanding innbefattende røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), ellipsometry, kontaktvinkelmåling, atomkraftmikroskopi (AFM), og scanning elektronmikroskopi (SEM). Metoder som AFM og SEM gi direkte bevis for bioprobe immobilisering på nanowire enhet, mens metoder som XPS, ellipsometry, og kontaktvinkelmåling er avhengig av parallelle eksperimenter utført på andre lignende materialer. I denne rapporten beskriver vi en bekreftelse av hver endring trinn ved hjelp av to uavhengige metoder. XPS brukes til å undersøke konsentrasjonen av spesifikke atomene på wafer, og variasjoner i de elektriske egenskapene til anordningen måles direkte for å bekrefte ladningen variant av SNW overflaten. Vi benytter DNA biosensing ved hjelp polykrystallinske SNWFETs (pSNWFETs) som et eksempel for å illustrere denne protokollen. Immobilisere en DNA-probe på SNW overflaten består av tre trinn: amingruppe modifikasjon på mors hydroksyl overflaten av SNW, aldehyde gruppe modifikasjon, og 5'-aminomodified DNA probe immobilisering. Ved hvert trinn modifikasjon kan anordningen direkte å påvise variasjon i ladningen av den funksjonelle gruppen immobilisert på SNW overflaten, fordi de overflateladninger forårsake lokale grenseflate eventuelle endringer over porten dielektrikum som endrer kanalstrøm og konduktans 1. Kostnader rundt SNW overflaten kan elektrisk modulere de elektriske egenskapene til pSNWFET enhet; derfor overflateegenskapene til den SNW spiller en avgjørende rolle i å bestemme de elektriske egenskapene til pSNWFET enheter. I de rapporterte prosedyrer, kan immobiliseringen av en bioprobe på SNW overflaten bli direkte bestemt og bekreftet ved elektrisk måling, og anordningen er klargjort for biosensing anvendelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fabrikasjon og Bevaring av pSNWFET Devices

  1. Enhets Fabrication
    Merk: pSNWFET ble fabrikkert ved hjelp av en sidevegg spacer teknikk som tidligere rapportert 23,24.
    1. Forbered porten dielektriske laget.
      1. Cap en 100 nm tykk termisk oksyd (SiO 2) lag på et Si-substrat ved hjelp av våt oksidasjon 25 (O 2 H 2 og prosessgass ved 980 ° C i 4 timer).
      2. Avsette en 50-nm-tykk-nitrid (Si 3 N 4) laget ved hjelp av lavtrykks kjemisk dampavsetning (LPCVD) 25 ved 980 ° C i 4 timer.
    2. Avsette en 100 nm tykk tetraetylortosilikat (TEOS) laget ved hjelp av LPCVD 25 ved 780 ° C i 4 timer.
    3. Utfør standard litografi ved hjelp av en I-line stepper å definere oksid dummy strukturer.
      1. Coat wafer overflaten med en 830-nm tykk fotoresist lag.
      2. jegnsert et mønster definerte fotomaske inn i I-linjen stepper.
      3. Prosess eksponeringen ved hjelp av I-linje stepper (bølgelengde: 365 nm) ved en styrke på 1980 J ved romtemperatur.
      4. Utvikle wafer innenfor en utvikler i 5 min.
      5. Utfør isotrop etseprosessen ved hjelp av en standard induktivt koplet plasma 25 etcher med HBr og Cl plasmagass i 1 min.
    4. Gjør et innskudd på 100-nm tykke amorfe silisium (α-Si) lag ved hjelp LPCVD 25.
    5. Utføre et glødetrinn ved 600 ° C i N2 omgivelses i 24 timer for å omforme den α-Si inn i en polykrystallinsk struktur.
    6. Implant fosfor ioner gjennom kilde / avløp (S / D) doping ved lav energi (5E 15 cm -2) 25.
    7. Utfør standard litografi ved hjelp av I-linjen stepper å fjerne poly-Si-lag og danner polysilisium nanowire (pSNW) 25.
      Merk: Gjenta trinn 1.1.3 til implantatet Dopmaur i andre enn S / D regioner steder med poly-Si fjerning og danner sideveggen Si kanaler i en selv justert måte.
    8. Utføre den passiveprosessen (200 nm tykt TEOS oksydlaget) ved hjelp av LPCVD ved 780 ° C i 5 timer 25.
    9. Utføre standard litografi ved hjelp av I-linje stepper for å eksponere de nanowire kanaler og formen forsøksputene ved hjelp av to-trinns tørr / våt etseprosess.
      1. Gjenta trinn 1.1.3.
      2. Utføre den våte etseprosessen (DHF: HF / H 2 O i 1 min).
  2. Wafer bevaring
    1. Tett wafer i et vakuum oppbevaringspose og lagre den i en elektronisk tørr kabinett (relativ fuktighet <40% ved romtemperatur).

2. Forbehandling av Device

  1. Device rengjøring
    1. Skyll enheten med ren aceton.
    2. Sonikere (46 kHz, 80 W) anordningen i ren aceton i 10 min.
      3. <li> sonikere (46 kHz, 80 W) anordningen i ren etanol (99,5%) i 5 minutter.
    3. Føne overflaten av enheten med nitrogen.
  2. oksygen plasma
    1. Unn enheten med O 2 plasma på 18 W i 30 sek.

3. Immobilisering av DNA-proben på Enhets Surface

  1. Amine gruppe modifikasjon
    1. Dyppe innretningen i en 2,0% (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES) / etanol-løsning i 30 minutter.
    2. Vask anordningen med etanol tre ganger og deretter sonicate (46 kHz, 80 W) anordningen i etanol i 10 min.
    3. Varm opp anordningen på en varm plate ved 120 ° C i 10 minutter for å skape amingrupper på SNWs.
  2. Aldehyd gruppe modifikasjon
    1. Dyppe innretningen i 12,5% glutaraldehyd i 1 time ved romtemperatur for å skape aldehydgrupper på overflaten. Unngå lyseksponering.
    2. Vask enheten viddh 10 mM natriumfosfatbuffer (Na-PB, pH 7,0) tre ganger, og deretter føne overflaten av enheten med nitrogen.
  3. DNA-probe immobilisering
    1. Senk apparatet i en løsning som inneholder 1 mM DNA-prober over natten.
    2. Dyppe innretningen i 10 mM Tris-buffer (pH 8,0) med 4,0 mM NaBH3CN i 30 minutter for å blokkere de ureagerte aldehydgrupper.
    3. Vask enheten med Na-PB (pH 7,0) tre ganger, og deretter blåse-tørke overflaten av enheten med nitrogen.

4. Bekreftelse og analyse av overflatemodifisering på pSNWFET

  1. pH profilen etter hvert trinn av overflatemodifisering
    1. Forbered 10 mM Na-PB i pH 3,0 til 9,0.
      1. Forbered 10 mM natriumfosfat treverdig dodekahydrat (Na 3 PO 4) i deionisert vann (pH 11,60).
      2. Fremstille 10 mM fosforsyre (H 3 PO 4) i deionisert vann(PH 2,35).
      3. Plasser pH-elektroden i 500 ml 10 mM Na 3 PO 4 buffer, og blande denne oppløsningen med forskjellige volumer av 10 mM H 3 PO 4 buffer mens måling av pH-verdien for å oppnå buffere med pH-verdier på 3,0, 4,0, 5,0, 6,0 , 7.0, 8.0, og 9.0.
    2. AC ledningsevne måling
      Merk: målekrets inkluderte en liten AC signal generator og en Au mikrotråden som tjente som flytende gate elektroden.
      1. Bestemme den optimale flytende portspenning (V LG) for måling 26 på hvert modifikasjonstrinnet (trinn 2.2, 3.1, 3.2, og 3.3).
        Merk: De elektriske egenskaper for enheten etter fire overflate modifikasjoner på SNW ble målt som beskrevet i denne delen. I trinn 2.2, er den umodifiserte pSNWFET inneholder mors oksidlaget endret; trinn 3.1 innebærer endrer enheten med amingruppe APTES; trinn 3.2 innebærer modifisering med uladetfunksjonell gruppe av glutaraldehyd; og trinn 3.3 innebærer DNA probe modifisering.
        1. Lever 10 mM Na-PB (pH 7,0) løsning av SNW overflaten ved hjelp av en sprøytepumpe (strømningshastighet: 5,0 ml / time) for direkte kontakt med SNW.
        2. Mål sanntid ledningsevne av enheten under feiing V LG 0,80 til 1,30 V.
          1. Utføre konduktans måling ved hjelp av bindingsteknikk 27 ved romtemperatur.
          2. Konverter AC strømsignaler til en vekselspenning signal ved hjelp av en støysvak strøm forforsterker.
          3. Samle inn data vedrørende ledningsevne (G) ved økende V LG 0,80 til 1,30 V (intervall = 0,02 V).
        3. Bestemme den optimale V-LG (mest følsomt V LG) for enheten 26.
          1. Plott GV LG kurvene fra trinn 4.1.2.1.2.3 å hente ligningen for kurven.
          2. Differentiate ligningen, og beregne verdiene i hvert punkt V LG.
          3. Dele verdien fra trinn 4.1.2.1.3.2 ved G, og bestemme den optimale V LG i henhold til det maksimale antall.
      2. Måle sanntids konduktansen av pH-profil på hvert trinn av den overflatemodifikasjon.
        1. Utføre konduktans måling ved hjelp av bindingsteknikk 27 ved romtemperatur.
        2. Konvertere vekselstrøm signalet til AC spenningssignaler ved hjelp av en støysvak strøm forforsterker.
        3. Sett den optimale V LG for hvert trinn av overflatemodifisering (trinn 2.2: V LG = 1,02, trinn 3.1: V LG = 0,98, trinn 3.2: V LG = 0,98, og steg 3,3: V LG = 1,0).
        4. Lever 10 mM Na-PB løsning med pH-verdier 3,0 til 9,0 til SNW overflate (strømningshastighet: 5,0 ml / time), Og samle inn data om konduktans ved en renne spenning på 0,01 V.
  2. Måling av elektriske egenskaper (I-D -V BG kurven) av anordningen i 10 mM Na-PB (pH 7,0) etter hvert trinn av overflatemodifikasjon (trinn 2.2, 3.1, 3.2, og 3.3.)
    Merk: De elektriske egenskaper for enheten etter fire overflate modifikasjoner på SNW ble målt: i trinn 2.2, er den umodifiserte pSNWFET inneholder mors oksidlaget endret; trinn 3.1 innebærer endring enheten med amingruppe APTES; trinn 3,2 innebærer modifikasjon med det uladede funksjonell gruppe av glutaraldehyd; og trinn 3.3 innebærer DNA probe modifisering.
    1. Lever 10 mM Na-PB (pH 7,0) løsning på SNW overflate (trinnene 2,2, 3,1, 3,2 og 3,3) ved hjelp av en sprøytepumpe (strømningshastighet: 5,0 ml / time) for direkte kontakt med SNW.
    2. Mål jeg D
    3. Velg "nMOSFET" modus.
    4. Velg "Jeg d - V BG" moduler.
      Merk: Jeg d er avløp / kilde strøm, og V BG er tilbake gate spenning.
    5. Sett en konstant bias spenning (V D = 0,5 V) under feiing porten potensial (V BG) -1 til 3,0 V (intervall = 0,2 V).
    6. Klikk på ikonet Kjør til får jeg D - V BG kurver.

5. DNA biosensing

Merk: I et typisk eksperiment, I D - er V B G kurve bestemmes tre ganger for å sikre at ingen ytterligere variasjon er observed.

  1. Bestemmelse av grunnlinjen
    1. Lever 10 mM Na-PB-oppløsning (pH 7,0) til DNA-probe-immobiliserte SNW overflate i 10 minutter ved anvendelse av en sprøytepumpe (strømningshastighet: 5,0 ml / time), og deretter inkuberes de SNW i 30 minutter.
    2. Mål jeg D av enheten (gjenta trinn 4.2.2).
  2. Avføling av DNA / DNA-hybridisering
    1. Belastning 22:00 komplementært mål-DNA på DNA-probe-immobiliserte SNW overflate i 10 minutter ved anvendelse av en sprøytepumpe (strømningshastighet: 5,0 ml / time), og deretter inkuberes de SNW i 30 minutter.
    2. Lever 10 mM Na-PB-løsning (pH 7,0) på SNW overflaten i 10 minutter ved anvendelse av en sprøytepumpe (strømningshastighet: 5,0 ml / time) for å vaske det ubundne mål-DNA bort.
    3. Gjenta trinn 4.2.2 for å måle I D av anordningen.
  3. Bekrefte signal av DNA / DNA-hybridisering.
    1. Load en nM utvinning DNA på tHan DNA-probe-immobilisert SNW overflate i 10 minutter ved anvendelse av en sprøytepumpe (strømningshastighet: 5,0 ml / time), og deretter inkuberes de SNW i 30 minutter.
    2. Lever 10 mM Na-PB-løsning (pH 7,0) på SNW overflaten i 10 minutter ved anvendelse av en sprøytepumpe (strømningshastighet: 5,0 ml / time).
    3. Gjenta trinn 4.2.2 for å måle I D av anordningen.
  4. negativ kontroll
    1. Belastning 100 pM ikke-komplementær DNA på DNA-probe-immobiliserte SNW overflate i 10 minutter ved anvendelse av en sprøytepumpe (strømningshastighet: 5,0 ml / time), og deretter inkuberes de SNW i 30 minutter.
    2. Lever 10 mM Na-PB-løsning (pH 7,0) på SNW overflaten i 10 minutter ved anvendelse av en sprøytepumpe (strømningshastighet: 5,0 ml / time).
    3. Gjenta trinn 4.2.2 for å måle I D av anordningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Forskjellige SNWFETs har blitt rapportert å tjene som transdusere av biosensorer (tabell 1). Single-krystallinske SNWFETs (sSNWFETs) og pSNWFETs viser sammenlignbare elektriske egenskaper som transdusere i vandige løsninger, og begge har blitt rapportert å ha mange biosensing applikasjoner. Et fordelaktig trekk ved pSNWFET innretning som anvendes i denne studien er dens enkle og rimelige fremstillingsprosedyre. Figur 1a viser nøkkeltrinn som er involvert i fremstilling av pSNWFET. Et optisk bilde av en dør av den 6 tommers skive (figur 1b) og SEM-bilder (Figur 1c) av en enkelt enhet (to SNWs, ca 100 nm i bredde og 1,6 mikrometer i lengde) ble erholdt.

Figur 2a illustrerer fremgangsmåten i DNA-sonde immobilisering på SNW overflaten. Hver modifikasjonstrinnet ble bekreftet ved hjelp av XPS (figur 2b (figur 2c, d) er vist ved forskjellige trinn av SNW overflatemodifikasjon. For det umodifiserte pSNWFET inneholdende den native oksidlaget på SNW overflaten, ble hydroksylgrupper (-OH) ionisert for å danne ladede grupper (-O -) med stigende pH-verdier (sort linje). Nedgangen i konduktans ved pH 6,0 til 9,0 indikerer at syren dissosiasjonskonstanten (pKa) av hydroksylgruppen kan settes til ca. 7,0. Konduktans øker sannsynligvis ved pH 3,0 til 6,0 på grunn av økning i ionestyrken, som påvirker maskinkjennetegn 1. Etter APTES modifikasjon, responsen på konduktansen av APTES-modifisert anordning viste høy variasjon (rød linje). Amingruppen (pKa = 4,0) av APTES kan bli protonert ved en lav pH-verdi for å frembringe en positiv ladning 28. Således redusert SNW konduktansen med diskrete endringer i pH-verdier3,0 til 9,0. Etter SNW ble modifisert med glutaraldehyd, responsen var relativt stabil i ledningsevne ved pH som strekker seg 3,0 til 9,0 (blå linje). Dette kan tilskrives den uladede funksjonell gruppe som er ufølsomt overfor endringer i pH-miljøer. Til slutt, etter at den negativt ladede DNA-probe ble immobilisert, ledningsevne litt redusert med en økning i pH-verdier (grønn linje).

Skiftet i de elektriske egenskaper av anordningen (figur 2e) med forskjellige modifikasjoner bekrefter endringen i SNW overflate. I slike forsøk ble jeg D -V G kurve av den umodifiserte pSNWFET brukes som grunnlinje (sort linje). Etter SNW ble nedsenket i APTES, det jeg D -V G kurve av enheten forskjøvet til venstre (økt strøm) på grunn av den positive ladningen på SNW overflate caused av aminogruppen på APTES (svart til rød linje). Etter konjugering av glutaraldehyd til APTES-modifisert anordning, at jeg D -V G kurve forskyves tilbake til høyre på grunn av imid bindingsdannelse. Den nåværende redusert fordi de positivt ladede amin ble omdannet til nøytralt ladet imid (rød til blå linje). Til slutt ble 5'-amnimodified DNA-probe innført for å binde til APTES-glutaraldehyd-modifisert anordning. Sukker-fosfat-hovedkjeden av DNA forårsaket I D G-V-kurve for å skifte til den lengst til høyre (blå til grønn linje), som er i overensstemmelse med effekten av negative ioner på n-type-FET.

Påvisning av DNA / DNA-hybridisering av pSNWFET er vist i figur 3. Proben target, utvinning og noncomplementary DNA-sekvenser som er utformet for påvisning av fugleinfluensavirus (AIV) 29,30 tabell 2. Den I-V D G kurve av den DNA-probe-modifisert pSNWFET erholdt i 10 mM Na-PB (pH 7,0) ble anvendt som grunnlinje (svart). Deretter ble 22:00 mål-DNA innført for å hybridisere med den immobiliserte DNA-probe på SNW overflate, og en klar reduksjon i avløpsstrømmen for enheten ble observert (rød linje). Den reduserte jeg D i n-type SNWFET antydet en øket negativ ladning (forårsaket av fosfat-hovedkjeden) på SNW overflaten. Gjenvinning av DNA ble laget for å rehybridize med mål-DNA og frigjøre DNA-sonden 31. Hvis gjenvinning av DNA er riktig utformet, reaksjonstermodynamisk favoriserer rehybridization av target-utvinning DNA-dupleks, fordi flere komplementære nukleotider er tilgjengelig mellom de to DNA-trådene (tabell 1) enn de som er mellom proben og mål-DNA. Legge til en nM utvinning DNA (blå linje) Videre bekreftet at den elektriske responsen til mål-DNA var på grunn av hybridisering av probe-mål-DNA og frigjort DNA-sonden, som kan brukes om igjen for etterfølgende eksperimenter. Som en negativ kontroll, noncomplementary DNA [AIV subtype H5 mål-DNA] (100 pM) ble også injisert og blandet med DNA-sonden, og jeg D -V G kurve forble uendret. DNA-probe immobilisert på pSNWFET er ufølsom for noncomplementary DNA. Bare målrette DNA fører til en vesentlig endring i jeg D - V G kurve. I D - V G kurve tilbake til baseline etter inkubasjon med utvinning DNA.

Figur 1
Figur 1. Utarbeidelse av pSNWFET enheten. (A) Scheme enhet fabrikasjon. (I) En seks-tommers Si platen ble dekket med et 100 nm tykt termisk oksydlag. Deretter ble 50-nm-tykk nitrid og 100 nm tykke Teos lag avsatt som utgangsstoffer ved hjelp LPCVD. (Ii) En TEOS dummy struktur ble definert, og dannet ved hjelp av standard litografi; to isolator lag (oksid og nitride) fungerte som porten dielektriske. (Iii) En 100-n-tykk α-Si-lag ble avsatt ved hjelp av LPCVD, og ​​gløding ble deretter utført for å transformere den α-Si inn i poly-Si. (Iv) S / D doping ble så utført gjennom fosfor ioneimplantering. (V) på sideveggen Si kanaler ble dannet i en selv-innrettet måte ved hjelp av standard litografi. (Vi) Top visning av fabrikkert enhet struktur med pSNW. (B) Optiske bilder av en pSNWFET biosensor chip. (C) SEM bilde av en enkelt pSNWFET enhet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Figur 2. Overflate modifikasjon og validering på pSNWFET. (A) Scheme av overflaten funksjonalisering av DNA og DNA / DNA hybridisering. (B) XPS spektra av C1S, O1s, og N1s signaler fra silikonplaten (prøvetaging dybde = 7,5 nm), hvor den sekvensielle trinnvis overflate modifikasjon av det immobiliserte DNA-probe ble utført. Høy oppløsning spektra ble oppnådd, og den totale energioppløsning ble satt til 0,1 eV. (C) Fast-tid-kurven ved forskjellige pH-verdier ved hvert trinn av den overflatemodifikasjon; 10 mM Na-PB ble injisert i følgende rekkefølge: 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) Gjennomsnitt conducning ved pH-verdier 3,0 til 9,0 med 10 mM Na-PB etter hvert trinn av overflatemodifikasjon. (E) Elektriske egenskaper (jeg D - V BG kurver) av pSNWFET på hvert trinn av overflatemodifikasjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. DNA biosensing på pSNWFET. De jeg D -V G kurver av den DNA-sonde-modifiserte pSNWFET ble erholdt i 10 mM Na-PB (pH 7) (sort linje). I D-V G kurve etter hybridisering av proben og mål-DNA (rød linje) ble oppnådd ved å innføre 22:00 mål-DNA og vask det med 10 mM Na-PB (pH 7). DNA-probe (blå linje) ble gjenvunnet ved tilsetning av 1 nM gjenvinning av DNA for å fjerne mål-DNA. Noncomplementary DNA ble anvendt som negativ kontroll i dette forsøk (grønn linje).

Bio-target Følsomhet krystallinsk Type Henvisning
pH enkelt p 35
Cystisk fibrose IF508 3 baser sletting enkelt p 9
influensa A enkelt virus enkelt p 2
ATP sensing 100 pM enkelt p 3
telomerase 10 Hela celle enkelt p 14
PSA / CEA / mucin-en <1.4 / 2/5 pg / ml enkelt n / p 14
neuronal signal enkelt n / p 4
Ca 2+ 100 nM enkelt n 5
Bakteriell toksin (SEB) 10 fM poly p 7
dopamin 1 fM- poly n 8
Troponin-T 1 fg / ml enkelt n 19
Vaskulær endotelial vekstfaktor 1,04 / 0,104 nM enkelt n / p 18
BRAF V599E 1-basen-mismatch enkelt n 11
1 fM- poly n 10
Avidin / streptavidin 1,48 nM / 167 fM poly n 37
Ca 2+ / troponin I 1fiM / 7 nM enkelt p 6
Dengue serotype 2 RNA <10 FM enkelt n 12
CaM protein kinase uttrykt cellelysat enkelt p 16
Matriksmetalloproteinase-2 100 fM enkelt p 15
MicroRNAs (MIR-21 / MIR-205) 1 zeptomole (ca. 600 eksemplarer) enkelt p 1. 3
Vaskulær endotelial vekstfaktor 1,25 pg / ml poly n
Menneskelig thyroid stimulerende hormon 12:11 enkelt n 20
Apolipoprotein A II protein 6,7 pg / ml poly n 17
Interleukin 8 / tumornekrosefaktor α 10 fg / ml enkelt n 22

Tabell 1. Delvis liste over biotargets undersøkt ved hjelp SNWFET enheter.

oligonukleotider Sekvens
AIV H1 5'-aminomodified probe DNA 5'-NH2-C6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 '
AIV H1 target DNA 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 '
AIV H1 utvinning DNA 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 '
Ikke-komplementære DNA (AIV H5 target DNA) 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 '

Tabell 2. Sekvenser av syntetiske oligonukleotider.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kommersialisere top-down og bottom-up fabrikasjon tilnærminger for sSNWFETs anses som vanskelig på grunn av sin pris 32,33, SNW posisjonskontroll 34,35, og den lave produksjonen skala 36. I motsetning til dette, å fabrikkere pSNWFETs er enkel og rimelig 37. Gjennom top-down tilnærming og kombinasjon med sideveggs-mellomsjiktet formasjonsteknikken (figur 1), kan størrelsen på SNW reguleres ved å regulere varigheten av reaktive plasmaetsing. Prosedyrene for fremstilling av nanotråder av pSNWFET illustrert i Figur 1a kan enkelt tilpasses til kommersielle halvledere anlegg. Følgelig pSNWFETs har flere fordeler, inkludert kostnadseffektivitet, en enkel konstruksjonsteknikk, og en CMOS-kompatible fabrikasjonsprosess, og således kan anvendes i biosensing.

I motsetning til fremstillingen av halvlederanordningen, en prosess veldefinert i commercial fasiliteter kan immobilisering av bioprobe på enheten variere for hvert enkelt program. Immobilisering av DNA-proben på SNW overflaten er illustrert i figur 2a som et eksempel. Andre bioprobes, slik som antistoffer, aptamerer og enzymer, kan også bli immobilisert på den SNW overflaten for detektering av forskjellige mål. Følgende trinn er avgjørende for å lykkes med immobilisering av DNA probe. I protokollen, er den som-frem pSNWFET enhet renset og behandlet med oksygenplasma og deretter nedsenket i et APTES / etanol-løsning for å skape amingrupper på SNWs. Deretter blir anordningen neddykket i en glutaraldehydløsning for å skape aldehydgrupper på overflaten. Disse gruppene er senere konjugert til 5'-aminomodified DNA-probe. Multiple-trinns konjunksjoner mellom kryss-linkermolekyler og bioprobe var nødvendig for å omdanne halvlederanordningen til en biosensor. Dermed er det avgjørende å sikre at hvert trinn er vellykket. Ved hvert trinnav DNA-probe immobilisering, ble XPS brukt til å analysere og bekrefte sammensetningen og kjemien av overflaten. Atomkonsentrasjonene av karbon, oksygen, og nitrogen ble bestemt på basis av XPS-skanninger av de respektive topper, som vist i figur 2b. Ved tilsetning av DNA-probe, den mest bemerkelsesverdige endringene var en økning i karbon- og nitrogenkonsentrasjoner. En økende trend ble observert i de karbon- og nitrogenkonsentrasjoner i hvert trinn av DNA-probe immobilisering prosedyre. Oksygenkonsentrasjonen sank under prosedyren fordi de innfødte hydroksylgruppen ble dekket gjennom overflate modifikasjon. Disse resultatene viste at DNA-probe ble immobilisert, som er i samsvar med endring i elektriske egenskaper, som vist i figur 2c, d, og e. De nevnte prosedyrer er nyttig for feilsøking i tilfelle mislykket overflatemodifisering. Men de er vanligvis utført på en egen wafer belagt med et materiale som ligner på den på nanowire overflaten. Direkte bevis for endringer i de elektriske egenskaper av den modifiserte anordning er nødvendig for å bekrefte resultatet av overflatemodifikasjon på enheten, slik det er beskrevet i de følgende avsnittene.

En av de mest brukte metoder for direkte overvåking av endringer i overflate FET-enheten er pH-sensing, som vist i figur 2d og d. Forskjellige overflatemodifiseringer resulterer i variasjoner i ladningen på SNW overflaten, i stor grad påvirker den overflate potensialet i pSNWFET under forskjellige miljøer. Vi brukte bred gående pH-bufferløsninger for å detektere forandringer i konduktans som svarer til de funksjonelle gruppene på den SNW overflaten. Fra et mekanistisk perspektiv, økningen i ledningsevne med endring av pH (økning av hydrogenioner) er i overensstemmelse med økningen i positiv overflateladning, som «slår på" n-type FET gjennom accumulatipå av elektroner. Disse sanntids elektriske responser på konduktansen av pSNWFET kan måles i bufferløsninger med pH-verdier i området 3,0 til 9,0. Metodene som er beskrevet i denne rapporten er nyttig for å undersøke hvorvidt et halvlederbasert sensor er forberedt for biosensing søknad.

Figur 2e viser en praktisk fremgangsmåte for å bestemme resultatet av overflatemodifikasjon ved direkte måling av de elektriske egenskaper for enheten. Endringene i I D - V G kurvene vist på figur 2e er i samsvar med hver fase av DNA-probe immobilisering på SNW overflaten. I henhold til resultatene kan pSNWFETs brukes direkte for å bekrefte fremgangsmåten ved hvert trinn av bioprobe immobilisering. Dette resultatet indikerer også at den modifiserte pSNWFET er forberedt for biosensing anvendelse. Disse prosedyrene er spesielt nyttig når immobilisering procedures er godt etablert. Funksjonen til en pSNWFET basert biosensor ble undersøkt ved å detektere AIV subtype H1 DNA som et eksempel (figur 3). Ved hjelp av probe og mål-DNA er egnet for å illustrere utvikling av en ny biosensor på grunn av stabiliteten av DNA-molekylene og de teknikker som er tilgjengelige for lett å oppnå den ønskede DNA-sekvens. I tillegg til å bruke noncomplementary DNA som en negativ kontroll, viste vi DNA hybridisering på pSNWFET med et gjenvinningssystem. Dette er spesielt nyttig når et nytt system eller ny anordning blir brukt for biosensing eksperimenter. Mange trinn er involvert i prosessen fra enheten fabrikasjon til biosensing søknad. Hvert trinn påvirker det endelige resultatet. Videre er falske positive eller falske negative resultater oppnås vanligvis i biosensing eksperimenter på grunn av kompleksiteten av biosensing miljø. Således kontrollerte eksperimenter er kritiske, og gjenvinningssystemet vist i denne studien, kan i stor grad Facilpalmitat identifisere uventede faktorer som forstyrrer de eksperimentelle resultatene.

De viktigste begrensninger for tiden anvendes pSNWFET baserte biosensor er tilgjengeligheten av pSNWFET anordning og instrumentering som brukes for målingen. Imidlertid kan disse to begrensninger lett overvinnes i den nærmeste fremtid. Mange typer SNWFETs har blitt rapportert i litteraturen. Den pSNWFET demonstrert i denne studien er allerede fabrikkert ved hjelp av standard halvledere prosessen og kan bli masseprodusert med kun mindre justeringer i kommersielle wafer fabrikasjon prosessen. Den instrumentering som brukes for måling i denne studien var en standard halvlederbrikke analysator. Dette innebærer at med en skikkelig integrert krets installert på enheten, kan bærbare instrumentering være utformet og produsert med dagens elektronisk teknologi.

I konklusjonen, beskriver vi hele prosedyren for DNA sensing på en pSNWFET. Fordi IMMOBilization prosedyre påvirker sterkt muligheten for en biosensor for å effektivt oppdage biomolekyler, denne protokollen gir steg-for-steg bekreftelse av bioprobe immobilisering og beredskap av enheten for DNA biosensing applikasjoner. Lignende prosedyrer kan tilpasses fra denne rapporten for mange lignende biosensing applikasjoner, der justeringer er nødvendige. Denne rapporten beskriver også protokoller for å bekrefte og feilsøking av immobilisering av bioprobe og enhets overflaten modifikasjoner. Etterspørselen etter forskjellige biosensorer er økende. Metodene som er beskrevet i denne rapporten er en passende referanse for å forberede og utvikle halvledere baserte biosensorer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone ECHO AH-3102
(3-Amonopropyl)triethoxysilane (APTES), ≥98% Sigma-Aldrich A3648 Danger
Ethanol, anhydrous, 99.5% ECHO 484000203108A-72EC
Glutaraldehyde solution (GA), 50% Sigma-Aldrich G7651 Avoid light
Sodium cyanoborohydride, ≥95.0%  Fluka 71435 Danger and deliquescent
Sodium phosphate tribasic dodecahydrate, ≥98% Sigma 04277
Phosphoric acid, ≥99.0% Fluka 79622 Deliquescent
Photoresist (iP3650) Tokyo Ohka Kogyo Co., LTD THMR-iP3650 HP
Synthetic oligonucleotides, HPLC purified Protech Technology
Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris), ≥99.8% USB 75825
Keithley 2636 System SourceMeter Keithley
SR830 DSP Lock-In Amplifier Stanford Research Systems
SR570 Low-noise Current Preamplifier Stanford Research Systems
Ni PXI Express National Instruments

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Bioteknologi silisium nanowire felt-effekt transistor biosensing overflatemodifisering lade-charge interaksjon etikett-fri sporing i sanntid
Utarbeidelse av Silicon nanowire felteffekttransistor for kjemi og biosensing applikasjoner
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