Introduction
nanofios de silício transistores de efeito de campo (SNWFETs) têm as vantagens de ultra-alta sensibilidade e respostas elétricas diretos variação de carga ambiental. Em SNWFETs tipo n, por exemplo, quando uma molécula negativamente (ou positivamente) carregado aproxima-se do nanofio de silício (SNW), os transportadores em SNW estão esgotados (ou acumular). Por conseguinte, a condutividade da SNWFET diminui (ou aumenta) 1. Portanto, qualquer molécula carregada perto da superfície da SNW do dispositivo SNWFET pode ser detectada. biomoléculas vitais, incluindo enzimas, proteínas, nucleótidos, e muitas moléculas na superfície celular são portadores de carga e pode ser monitorizada utilizando SNWFETs. Com modificações adequadas, particularmente imobilizar uma sonda biomolecular na SNW, um SNWFET pode ser desenvolvida em um biossensor sem rótulo.
Vigilância utilizando biomarcadores é fundamental para o diagnóstico de doenças. Como mostrado na Tabela 1, vários estudos têm utilizado NWFEBiosensores baseados em T para livre-label, ultra-alta-sensibilidade e detecção em tempo real de vários alvos biológicos, incluindo um único vírus 2, trifosfato de adenosina quinase e de ligação 3, sinais neuronais 4, íons metálicos 5,6, toxinas bacterianas 7, de dopamina 8, DNA 9-11, RNA 12,13, enzimas e biomarcadores de câncer 14-19, hormônios humanos 20, e citocinas 21,22. Estes estudos demonstraram que biossensores baseados em NWFET representam uma plataforma de detecção poderosa para uma ampla gama de espécies biológicas e químicas em solução.
Em biossensores baseados em SNWFET, a sonda imobilizada na superfície do dispositivo SNW reconhece um biotarget específica. Imobilização de uma bioprobe geralmente envolve uma série de etapas, e é fundamental que cada etapa é realizada adequadamente para garantir o bom funcionamento do biossensor. Várias técnicas têm sido desenvolvidas para analisar os scomposição urface, incluindo espectroscopia de raios-X de fotoelétrons (XPS), elipsometria, medição do ângulo de contato, microscopia de força atômica (AFM) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Métodos como a AFM e SEM fornecem evidência direta de imobilização bioprobe no dispositivo de nanofios, enquanto que métodos como XPS, elipsometria, e medição do ângulo de contato são dependentes de experimentos paralelos realizados em outros materiais similares. Neste relatório, nós descrevemos a confirmação de cada passo de modificação usando dois métodos independentes. XPS é usado para examinar as concentrações de átomos específicos sobre hóstias de silício policristalino, e as variações nas propriedades eléctricas do dispositivo são medidos directamente para confirmar a variação de carga na superfície do SNW. Nós empregamos biosensing DNA usando SNWFETs policristalinos (pSNWFETs) como um exemplo para ilustrar este protocolo. Imobilizar uma sonda de ADN na superfície da SNW envolve três passos: a modificação do grupo amina na superfície hidroxilo nativo do SNW, almodificação grupo dehyde, e 5'-aminomodified imobilização sonda de DNA. Em cada etapa de modificação, o dispositivo pode detectar directamente a variação da carga do grupo funcional imobilizada na superfície do SNW, porque as cargas superficiais causar alterações potenciais locais interfacial através do dieléctrico portão que altera a corrente e a condutância do canal 1. Encargos que cercam a superfície de SNW pode eletricamente modular as propriedades eléctricas do dispositivo pSNWFET; por conseguinte, as propriedades de superfície do SNW desempenhar um papel crucial na determinação das características eléctricas dos dispositivos pSNWFET. Nos processos descritos, a imobilização de um bioprobe na superfície do SNW pode ser determinada directamente e confirmada através da medição eléctrico, e o dispositivo está preparado para aplicações biosensoriamento.
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Protocol
1. Fabricação e Preservação de Dispositivos pSNWFET
- fabricação de dispositivos
Nota: O pSNWFET foi fabricado usando uma técnica de parede lateral espaçador, como relatado anteriormente 23,24.- Preparar a camada dieléctrica portão.
- Um tampão de óxido de 100 nm de espessura térmica (SiO 2) camada num substrato de Si utilizando o (gás de processo de O2 e H2 a 980 ° C durante 4 h) molhado processo de oxidação 25.
- Depositar um nitreto de 50 nm de espessura (Si 3 N 4) camada utilizando deposição de vapor químico de baixa pressão (LPCVD) 25 a 980 ° C durante 4 h.
- Depositar uma camada de 100 nm de espessura de ortossilicato de tetraetilo (TEOS) usando LPCVD 25 a 780 ° C durante 4 h.
- Realizar litografia padrão usando um deslizante I-linha para determinar as estruturas de óxido de manequim.
- Brasão superfície do wafer com uma camada fotorresistente 830-nm de espessura.
- EuNSERT um photomask definido pelo padrão para o passo I-line.
- Processar a exposição usando a linha I-passo (comprimento de onda: 365 nm) a uma intensidade de 1980 J à temperatura ambiente.
- Desenvolver o wafer dentro de um desenvolvedor para 5 min.
- Realizar o processo de ataque químico isotrópico por meio de um padrão de plasma indutivamente acoplado etcher 25 com HBr e Cl gás de plasma durante 1 min.
- Depositar uma camada de silício amorfo de 100 nm de espessura (α-Si) utilizando LPCVD 25.
- Executar um passo de recozimento a 600 ° C em N2 ambiente durante 24 horas para transformar a α-Si em uma estrutura policristalina.
- Íons implante de fósforo através de fonte / dreno (S / D) doping em baixa energia (5E 15 cm-2) 25.
- Realizar litografia padrão usando o passo I-linha para remover a camada de poli-Si e formar a nanofios de polissilício (pSNW) 25.
Nota: Repita o passo 1.1.3 para implantar dopformigas em outros do que as regiões S / D lugares com remoção de poli-Si e formam os canais parede lateral Si de uma forma auto-alinhados. - Realizar o processo de passivação (camada de óxido de 200 nm de espessura TEOS) usando LPCVD a 780 ° C durante 5 h 25.
- Realizar litografia padrão usando o passo I-linha para expor os canais de nanofios e compressas de teste forma usando o processo de ataque químico de dois passos seco / húmido.
- Repita o passo 1.1.3.
- Executar o processo de corrosão úmida (FHD: HF / H 2 O durante 1 min).
- Preparar a camada dieléctrica portão.
- preservação wafer
- Selar o wafer em um saco de armazenamento de vácuo e armazená-lo em um armário seco eletrônico (humidade relativa <40% à temperatura ambiente).
2. Pré-tratamento do dispositivo
- de limpeza dispositivo
- Lave o dispositivo com acetona pura.
- Sonicar (46 kHz, 80 W) do dispositivo em acetona pura durante 10 min. <li> Sonicar (46 kHz, 80 W) do dispositivo em etanol puro (99,5%) durante 5 min.
- Seque a superfície do dispositivo com azoto.
- Tratar o dispositivo com o O 2 no plasma a 18 W durante 30 segundos.
3. A imobilização da sonda de ADN na superfície do dispositivo
- Modificação grupo amina
- Mergulha-se o dispositivo num trietoxissilano 2,0% (3-aminopropil) (APTES) / solução de etanol durante 30 min.
- Lavar o dispositivo com etanol três vezes, e depois sonicado (46 kHz, 80 W) do dispositivo em etanol durante 10 min.
- Aquecer o dispositivo sobre uma placa quente a 120 ° C durante 10 minutos para criar grupos de amina em SNWs.
- Modificação grupo aldeído
- Mergulha-se o dispositivo em glutaraldeído a 12,5% durante 1 h à temperatura ambiente para criar grupos aldeído na superfície. Evitar a exposição à luz.
- Lave a sagacidade dispositivoh 10 mM de tampão de fosfato de sódio (Na-PB; pH 7,0) três vezes e, em seguida, secar a superfície do dispositivo com azoto.
- Imobilização sonda de DNA
- Mergulha-se o dispositivo numa solução contendo 1 uM de sondas de ADN durante a noite.
- Mergulha-se o dispositivo em tampão Tris 10 mM (pH 8,0) com mM de NaBH3CN 4,0 durante 30 minutos para bloquear os grupos aldeído que não reagiram.
- Lavar o dispositivo com Na-PB (pH 7,0) três vezes e, em seguida, secar a superfície do dispositivo com azoto.
4. Confirmação e análise das modificações de superfície na pSNWFET
- perfil de pH após cada etapa de modificação da superfície
- Prepare 10 mM Na-PB em pH 3,0-9,0.
- Prepare fosfato de sódio 10 mM tribásico dodeca (Na 3 PO 4) em água desionizada (pH 11,60).
- Preparar 10 mM de ácido fosfórico (H 3 PO 4), em água desionizada(PH 2,35).
- Colocar o eléctrodo de pH em 500 ml de Na 10 mM 3 PO tampão 4, e misturar esta solução com diferentes volumes de 10 mM H tampão 3 PO 4 enquanto se mede o valor de pH para se obter tampões com valores de pH de 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 , 7.0, 8.0 e 9.0.
- medição de condutância AC
Nota: O circuito de medição incluído um gerador de sinal AC pequeno e um Microwire Au que serviu de eletrodo de porta líquido.- Determinar a tensão da porta de líquido óptimo (V LG) para a medição de 26 em cada etapa de modificação (passos 2.2, 3.1, 3.2, e 3.3).
Nota: As propriedades eléctricas do dispositivo, depois de quatro modificações de superfície sobre o SNW foram medidos tal como descrito nesta secção. No passo 2.2, o pSNWFET não modificado contendo a camada de óxido nativa é modificada; Fase 3.1 implica a alteração do dispositivo com o grupo amina de APTES; 3.2 passo envolve a modificação com o descarregadagrupo funcional de glutaraldeído; e passo 3.3 envolve a modificação sonda de DNA.- Entregar o mM de Na-PB 10 (pH 7,0) solução de a superfície de SNW usando uma bomba de seringa (taxa de fluxo: 5,0 ml / h) para o contacto directo com o SNW.
- Medir a condutância em tempo real do dispositivo durante a varredura V LG 0,80-1,30 V.
- Efectuar a medição da condutância usando a técnica de aprisionamento 27 à temperatura ambiente.
- Converter os sinais de corrente alternada em um sinal de tensão AC usando um pré-amplificador de corrente de baixo ruído.
- Recolher dados sobre a condutância (G) por aumento da V LG 0,80-1,30 V (intervalo = 0,02 V).
- Determine o LG V ideal (mais sensível V LG) do dispositivo 26.
- Traçar as curvas de passo GV LG 4.1.2.1.2.3 para obter a equação da curva.
- Differentiate da equação, e calcular os valores em cada ponto de V LG.
- Dividir o valor do passo 4.1.2.1.3.2 por G, e determinar o óptimo V LG de acordo com o número máximo.
- Medir a condutância em tempo real, do perfil de pH a cada passo da modificação da superfície.
- Efectuar a medição da condutância usando a técnica de aprisionamento 27 à temperatura ambiente.
- Converter o sinal de corrente AC em sinais de tensão AC usando um pré-amplificador de corrente de baixo ruído.
- Defina o ideal V LG para cada etapa de modificação da superfície (passo 2.2: V LG = 1,02, passo 3.1: V LG = 0,98, passo 3.2: V LG = 0,98, e o passo 3.3: V LG = 1,0).
- Fornecer a solução de 10 mM de Na-PB com valores de pH 3,0-9,0 para a superfície da SNW (taxa de fluxo: 5,0 ml / hr), E recolher os dados sobre a condutância a uma tensão de drenagem de 0,01 V.
- Determinar a tensão da porta de líquido óptimo (V LG) para a medição de 26 em cada etapa de modificação (passos 2.2, 3.1, 3.2, e 3.3).
- Prepare 10 mM Na-PB em pH 3,0-9,0.
- A medição das propriedades eléctricas (a curva I D -V BG) do dispositivo em 10 mM de Na-PB (pH 7,0) a seguir a cada passo de modificação de superfície (passos 2.2, 3.1, 3.2, e 3.3.)
Nota: As propriedades eléctricas do dispositivo após quatro modificações de superfície na SNW foram medidos: no passo 2.2, o pSNWFET não modificado contendo a camada de óxido nativo é modificada; 3.1 passo envolve a modificação do dispositivo com o grupo amina de APTES; 3.2 passo implica a modificação com o grupo funcional não carregado de glutaraldeído; e passo 3.3 implica modificação sonda de DNA.- Fornecer a solução à superfície da SNW mM de Na-PB 10 (pH 7,0) (passos 2.2, 3.1, 3.2, e 3.3), utilizando uma bomba de seringa (taxa de fluxo: 5,0 ml / h) para o contacto directo com o SNW.
- Medir o I D
- Selecione o modo "nMOSFET".
- Selecione "I D - V BG" módulos.
Nota: I D é a corrente de dreno / source e V BG é a tensão da porta de trás. - Definir uma tensão de polarização constante (V D = 0,5 V), enquanto varrendo o portão potencial (V BG) de -1 a 3,0 V (intervalo = 0,2 V).
- Clique no ícone Executar para obter I D - Curvas V BG.
5. DNA Biossensoriais
Nota: Em um experimento típico, o I D - V curva B G é determinado por três vezes para garantir que nenhuma outra variação é OBSErved.
- A determinação da linha de base
- Fornecer a solução de 10 mM de Na-PB (pH 7,0) à superfície imobilizada SNW-sonda o ADN durante 10 minutos usando uma bomba de seringa (taxa de fluxo: 5,0 ml / h) e, depois incubar a SNW durante 30 min.
- Medir o I D do dispositivo (repita o passo 4.2.2).
- Sentindo de DNA de hibridização / DNA
- Carga 22:00 ADN alvo complementar na superfície SNW o ADN imobilizado-sonda durante 10 minutos usando uma bomba de seringa (taxa de fluxo: 5,0 ml / h) e, depois incubar a SNW durante 30 min.
- Entregar a solução de 10 mM de Na-PB (pH 7,0) sobre a superfície de SNW durante 10 min, utilizando uma bomba de seringa (taxa de fluxo: 5,0 ml / h) para lavar o ADN alvo não ligadas longe.
- Repetir o passo 4.2.2 para medir o I D do dispositivo.
- Reconfirmar o sinal de hibridação ADN / ADN.
- Carga 1 nM DNA recuperação em tele ADN sonda imobilizado superfície SNW durante 10 min, utilizando uma bomba de seringa (taxa de fluxo: 5,0 ml / h) e, depois incubar a SNW durante 30 min.
- Entregar a solução de 10 mM de Na-PB (pH 7,0) sobre a superfície de SNW durante 10 min, utilizando uma bomba de seringa (taxa de fluxo: 5,0 ml / h).
- Repetir o passo 4.2.2 para medir o I D do dispositivo.
- O controlo negativo
- Carga de 100 pM de ADN não-complementar na superfície SNW o ADN imobilizado-sonda durante 10 minutos usando uma bomba de seringa (taxa de fluxo: 5,0 ml / h) e, depois incubar a SNW durante 30 min.
- Entregar a solução de 10 mM de Na-PB (pH 7,0) sobre a superfície de SNW durante 10 min, utilizando uma bomba de seringa (taxa de fluxo: 5,0 ml / h).
- Repetir o passo 4.2.2 para medir o I D do dispositivo.
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Representative Results
Vários SNWFETs têm sido relatados para servir como transdutores de biossensores (Tabela 1). SNWFETs monocristalino (sSNWFETs) e pSNWFETs mostrar propriedades elétricas comparáveis como transdutores em soluções aquosas, e ambos foram relatados para ter muitas aplicações biosensoriamento. Uma característica vantajosa do dispositivo de pSNWFET usado neste estudo é a sua procedimento simples e fabricação de baixo custo. A Figura 1a mostra os principais passos envolvidos no fabrico da pSNWFET. Obtiveram-se uma imagem óptica de uma matriz a partir da bolacha de 6 polegadas (Figura 1B) e as imagens SEM (Figura 1C) de um único dispositivo (dois SNWs, aproximadamente 100 nm de largura e 1,6 uM de comprimento).
A Figura 2a ilustra o procedimento de imobilização das sondas de ADN na superfície da SNW. Cada etapa de modificação foi confirmada usando XPS (Figura 2b (Figura 2c, d) são mostrados em diferentes fases de modificação da superfície SNW. Para o pSNWFET não modificado contendo a camada de óxido na superfície nativa do SNW, os grupos hidroxilo (-OH) foram ionizada para formar grupos carregados (-O -) com o aumento do pH (linha preta). A diminuição na condutância a pH 6,0-9,0 indica que a constante de dissociação de ácido (pKa) de grupo hidroxilo pode ser ajustado para cerca de 7,0. Condutância aumenta provavelmente a um pH de 3,0 a 6,0 por causa do aumento da força iónica, que afecta as características do dispositivo 1. Após a modificação APTES, a resposta para a condutância do dispositivo APTES-modificado mostrou variação elevada (linha vermelha). O grupo amina (pKa = 4,0) de APTES pode ser protonado a um pH baixo para a produção de uma carga positiva 28. Assim, a condutância SNW diminuiu com alterações discretas em valores de pH3,0-9,0. Após a SNW foi modificado com glutaraldeído, a resposta foi relativamente estável em termos de condutância a pH variando entre 3,0 e 9,0 (linha azul). Isto pode ser atribuído ao grupo funcional não carregado, que é insensível à mudança de ambientes de pH. Finalmente, depois de a sonda de DNA foi imobilizada carregada negativamente, a condutância diminuiu ligeiramente com um aumento no valor do pH (linha verde).
A mudança nas propriedades eléctricas do dispositivo (Figura 2e) com diferentes modificações confirma a mudança na superfície de SNW. Em tais experiências, a curva I D -V L do pSNWFET não modificado foi utilizado como linha de base (linha preta). Após a SNW foi imerso em APTES, a curva I D -V L do dispositivo deslocado para a esquerda (de corrente aumentada) por causa da carga positiva no caus superfície SNWed pelo grupo amino no APTES (preto a linha vermelha). Após conjugação de glutaraldeído para o dispositivo APTES modificado, a curva -V G I D mudou de volta para a direita por causa da formação da ligação imida. A corrente diminui porque a amina carregado positivamente foi convertido imida com carga neutra (vermelho a linha azul). Finalmente, a sonda de ADN 5'-amnimodified foi introduzido para se ligar ao dispositivo de APTES-modificado com glutaraldeído. A espinha dorsal do açúcar-fosfato do DNA causado a curva I D -V L para mudar para a extrema direita (azul para linha verde), o que é consistente com o efeito de íons negativos em n-tipo FET.
A detecção de hibridação de ADN / ADN sobre a pSNWFET é mostrado na Figura 3. Da sonda, alvo, de recuperação, e sequências de ADN não complementares concebidos para a detecção do vírus da gripe aviária (AIV) 29,30 Tabela 2. A curva I D -V L do pSNWFET modificada-sonda de ADN obtido em 10 mM de Na-PB (pH 7,0) foi utilizado como linha de base (preto). Subsequentemente, o ADN alvo 22:00 foi introduzido para hibridar com a sonda de ADN imobilizada na superfície do SNW, e foi observada uma clara diminuição na corrente de dreno do dispositivo (linha vermelha). A diminuição I D no tipo N-SNWFET implicou um aumento da carga negativa (causado pela estrutura de fosfato) na superfície da SNW. DNA de recuperação foi concebido para rehybridize com o DNA alvo e libertar a sonda de DNA 31. Se o ADN de recuperação é adequadamente desenhado, a reacção favorece a termodinamicamente rehybridization do duplex de ADN-alvo de recuperação, porque mais nucleótidos complementares estão disponíveis entre as duas cadeias de ADN (Tabela 1) do que entre a sonda e o DNA-alvo. Adicionando 1 DNA recuperação nM (linha azul) Confirmou ainda que a resposta eléctrica do ADN alvo era devido à hibridação do ADN sonda-alvo e liberta a sonda de ADN, que é reutilizável para experiências subsequentes. Como um controlo negativo, não complementar de ADN [AIV ADN alvo subtipo H5] (100 pM) foi também injectado e misturado com a sonda de DNA, e a curva I D -V L permaneceu inalterada. A sonda de ADN imobilizada na pSNWFET é insensível ao ADN não complementar. Só alvo DNA provoca uma mudança sensível da I D - curva G V. A I D - Curva V L retorna à linha de base após a incubação com o ADN de recuperação.
Figura 1. Preparação do dispositivo pSNWFET. (A) Esquema de fabri dispositivocação. (I) A 6 polegadas bolacha de Si foi tampado com uma camada de óxido térmico de 100 nm de espessura. Em seguida, o nitreto de 50-nm de espessura e camadas TEOS 100 nm de espessura foram depositados como matérias-primas usando LPCVD. (Ii) Uma estrutura manequim TEOS foi definido e formado utilizando litografia padrão; duas camadas de isolador (óxido e nitreto) serviu como o porta dielétrica. (Iii) uma camada de α-Si-N-100 de espessura foi depositada utilizando LPCVD, e de recozimento foi subsequentemente conduzida para transformar o α-Si em poli-Si. (Iv) S / D dopagem foi então realizada através do implante de fósforo iónica. (V) Os canais laterais Si foram formadas de uma maneira auto-alinhadas utilizando litografia padrão. (Vi) Vista de cima da estrutura do dispositivo fabricado com pSNW. (B) As imagens ópticas de um chip pSNWFET biossensor. Imagem SEM de um único dispositivo pSNWFET (c). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. A modificação da superfície e validação em pSNWFET. (A) Esquema da superfície funcionalização de DNA e hibridização / DNA DNA. (B) espectros XPS de C1s, O1s, e sinais N1s da bolacha de silício (profundidade de amostragem = 7,5 nm), em que foi realizado o sequencial modificação da superfície escalonada da sonda de ADN imobilizada. espectros de alta resolução foram obtidos, ea resolução global de energia foi definido para 0,1 eV. (C) Curva de tempo-real a vários valores de pH em cada passo da modificação da superfície; 10 mM de Na-PB foi injectada na seguinte ordem: 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) Média de conductância a valores de pH 3,0-9,0 com 10 mM de Na-PB após cada etapa de modificação da superfície. (E) propriedades elétricas (I D - V BG curvas) do pSNWFET em cada etapa de modificação da superfície. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. biosensoriamento ADN em pSNWFET. As curvas I D -V g do pSNWFET ADN sonda modificada foram obtidos em 10 mM de Na-PB (pH 7) (linha preta). A curva I D -V L, após a hibridação da sonda e o ADN alvo (linha vermelha) foi obtida através da introdução de ADN alvo 10 pM e lavá-lo com 10 mM Na-PB (pH 7). A sonda de ADN (linha azul) foi recuperado por adição de um ADN de recuperação nM para remover o DNA-alvo. DNA não complementar foi usado como controle negativo neste experimento (linha verde).
| Bio-alvo | Sensibilidade | Cristalino | Digitar | Referência |
| pH | solteiro | p | 35 | |
| A fibrose cística F508 | 3 bases eliminação | solteiro | p | 9 |
| A influenza | único vírus | solteiro | p | 2 |
| sensoriamento ATP | 13:00 | solteiro | p | 3 |
| telomerase | 10 de células HeLa | solteiro | p | 14 |
| PSA / CEA / A mucina-1 | <1.4 / 2/5 pg / ml | solteiro | N / P | 14 |
| sinal neuronal | solteiro | N / P | 4 | |
| Ca 2+ | 100 nM | solteiro | n | 5 |
| toxina bacteriana (SEB) | 10 fM | poli | p | 7 |
| dopamina | 1 fM | poli | n | 8 |
| Troponina T | 1 fg / ml | solteiro | n | 19 |
| factor de crescimento endotelial vascular | 1,04 / 0,104 nM | solteiro | N / P | 18 |
| BRAF V599E | 1-base-incompatibilidade | solteiro | n | 11 |
| 1 fM | poli | n | 10 | |
| A avidina / estreptavidina | 1,48 Nm / 167 fM | poli | n | 37 |
| Ca 2+ / troponina I | 1 ^ M / 7 Nm | solteiro | p | 6 |
| Dengue do serotipo 2 de ARN | <10 fM | solteiro | n | 12 |
| Proteína quinase CaM | lisado celular expressa | solteiro | p | 16 |
| Metaloproteinase de matriz-2 | 100 fM | solteiro | p | 15 |
| MicroRNAs (miR-21 / miR-205) | 1 zeptomole (cerca de 600 cópias) | solteiro | p | 13 |
| factor de crescimento endotelial vascular | 1,25 pg / mL | poli | n | |
| hormona estimulante da tireóide humana | 12:11 | solteiro | n | 20 |
| A proteína de apolipoproteína A II | 6,7 pg / mL | poli | n | 17 |
| Interleucina 8 / factor de necrose de tumor α | 10 fg / ml | solteiro | n | 22 |
Tabela 1. Lista parcial de biotargets examinadas usando dispositivos SNWFET.
| oligonucleotídeos | Seqüência |
| DNA sonda AIV H1 5'-aminomodified | 5'-NH 2 -C 6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 ' |
| ADN alvo AIV H1 | 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 ' |
| DNA de recuperação AIV H1 | 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 ' |
| ADN não complementar (AIV H5 ADN alvo) | 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 ' |
Tabela 2. As sequências de oligonucleótidos sintéticos.
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Discussion
Comercializar o top-down e fabricação de baixo para cima abordagens para sSNWFETs é considerado difícil por causa de seu custo de 32,33, SNW controle de posição 34,35, e sua escala de 36 baixa produção. Por outro lado, a fabricação pSNWFETs é o custo simples e de baixo 37. Através da abordagem de cima para baixo e combinação com a técnica de formação de parede lateral espaçador (Figura 1), o tamanho da SNW pode ser controlada ajustando a duração de gravação por plasma reactivo. Os procedimentos para a preparação dos nanofios do pSNWFET ilustrados na figura 1a pode ser facilmente adaptada para instalações de semicondutores comerciais. Consequentemente, pSNWFETs têm várias vantagens, incluindo a eficácia dos custos, uma técnica de construção simples, e um processo de fabricação CMOS compatível e, portanto, pode ser aplicada em biosensoriamento.
Em contraste com a fabricação do dispositivo semicondutor, um processo bem definido na commeinstalações rcial, a imobilização do bioprobe no dispositivo podem variar, para cada aplicação específica. A imobilização da sonda de ADN na superfície da SNW é ilustrado na Figura 2a como um exemplo. Outros bioprobes, tais como anticorpos, aptâmeros, e enzimas, também podem ser imobilizados na superfície do SNW para a detecção de alvos diferentes. Os passos seguintes são fundamentais para a imobilização com sucesso a sonda de DNA. No nosso protocolo, o dispositivo como pSNWFET-fabricada é limpo e tratado com plasma de oxigénio e, em seguida, imerso numa solução / etanol APTES para criar grupos amina sobre a SNWs. Em seguida, o dispositivo é imerso numa solução de glutaraldeído para criar grupos aldeído na superfície. Estes grupos são depois conjugada com a sonda de ADN 5'-aminomodified. conjunções em várias fases, entre as moléculas de ligação cruzada e o bioprobe foram obrigados a transformar o dispositivo semicondutor a um biossensor. Assim, é crucial para garantir que cada passo é bem sucedida. Em cada etapade ADN sonda imobilização, XPS foi usado para analisar e confirmar a composição química e da superfície. As concentrações atómicas de carbono, oxigénio, e azoto foram determinadas com base nas verificações de XPS dos picos respectivos, como mostrado na Figura 2b. Após a adição da sonda de ADN, as mutações mais notáveis eram um aumento das concentrações de carbono e de azoto. Uma tendência crescente foi observada nas concentrações de azoto e de carbono em cada passo do procedimento de imobilização das sondas de ADN. A concentração de oxigénio diminuído durante o procedimento porque o grupo hidroxila nativa ficou coberto pela modificação da superfície. Estes resultados revelaram que a sonda de DNA foi imobilizada, o que é consistente com a modificação das propriedades eléctricas, como se mostra na Figura 2c, d, e e. Os procedimentos acima referidos são úteis para solução de problemas em caso de modificação da superfície sem êxito. No entanto, eles são geralmente realizada em separado wafer revestido com um material semelhante ao que na superfície do nanofio. A evidência directa de alterações nas propriedades eléctricas do dispositivo modificado é necessário para confirmar o resultado da modificação da superfície do dispositivo, tal como descrito nos parágrafos seguintes.
Um dos métodos mais utilizados para monitorar diretamente as mudanças na superfície do dispositivo FET é a detecção pH, como mostrado na Figura 2d e d. Diferentes modificações de superfície resultar em variações na carga na superfície do SNW, afetando grandemente o potencial de superfície do pSNWFET em ambientes diferentes. Utilizou-se as soluções-tampão de pH de largo espectro para detectar alterações na condutância correspondentes aos grupos funcionais sobre a superfície da SNW. Do ponto de vista mecânico, o aumento na condutância com a mudança de pH (aumento em iões de hidrogénio) é consistente com o aumento da carga de superfície positiva, que "liga-se" do tipo n através do FET accumulatina de elétrons. As respostas eléctricos em tempo real para a condutância do pSNWFET pode ser medida em soluções tampão com valores de pH variando entre 3,0 a 9,0. Os métodos descritos neste relatório são úteis para analisar se um sensor baseado em semicondutores está preparada para aplicação biosensing.
Figura 2E ilustra um método conveniente para determinar o resultado da modificação da superfície por meio de medição directa das propriedades eléctricas do dispositivo. As alterações na I - D V G curvas mostradas na Figura 2e são consistentes com cada fase de imobilização das sondas de ADN na superfície da SNW. De acordo com os resultados, pSNWFETs pode ser directamente utilizado para confirmar o procedimento em cada passo de imobilização bioprobe. Este resultado também indica que o pSNWFET modificado é preparado para aplicação biosensoriamento. Estes processos são particularmente úteis quando o Procedur imobilizaçãoES estão bem estabelecidos. A função de um biossensor baseado no pSNWFET foi examinada através da detecção de ADN subtipo H1 AIV como um exemplo (Figura 3). Usando o ADN sonda e alvo é adequado para ilustrar o desenvolvimento de um novo biossensor por causa da estabilidade das moléculas de ADN e as técnicas disponíveis para a obtenção facilmente a sequência de ADN desejada. Além de não complementar utilizando ADN como um controlo negativo, que demonstrou hibridação de ADN na pSNWFET com um sistema de recuperação de. Isto é particularmente útil quando um novo sistema ou dispositivo de novo é usado para experiências biosensoriamento. Muitos passos estão envolvidos no processo de fabricação do dispositivo para aplicação biosensoriamento. Cada passo afeta o resultado final. Além disso, os resultados falsos positivos ou falsos negativos são normalmente obtidos em experiências biosensoriamento por causa da complexidade do ambiente biosensoriamento. Assim, experimentos controlados são críticos, e o sistema de recuperação demonstrado neste estudo pode muito facillitar a identificação de fatores inesperados que interferem com os resultados experimentais.
As principais limitações para biossensor baseado em pSNWFET actualmente usado é a disponibilidade do dispositivo pSNWFET e a instrumentação utilizada para a medição. No entanto, estas duas limitações podem ser facilmente superados no futuro próximo. Muitos tipos de SNWFETs têm sido relatados na literatura. O pSNWFET demonstrado neste estudo já está a ser fabricado usando o processo de semicondutor padrão e pode ser produzido em massa com apenas pequenas adaptações do processo de fabrico comercial bolacha. A instrumentação utilizada para a medição neste estudo foi um analisador de chip semicondutor padrão. Isto implica que, com um circuito integrado adequado instalado no dispositivo, instrumentação portátil pode ser desenhado e fabricado usando a tecnologia corrente electrónica.
Em conclusão, nós descrevemos o procedimento completo para a detecção de ADN sobre uma pSNWFET. Porque o IMMOBprocedimento ilization afeta fortemente a capacidade de um biosensor para detectar eficazmente biomoléculas, este protocolo fornece instruções passo-a-passo de confirmação de imobilização bioprobe ea disponibilidade do dispositivo para aplicações de DNA biosensoriamento. Procedimentos semelhantes podem ser adaptados a partir deste relatório para muitas aplicações biosensoriamento semelhantes, para os quais são necessários ajustes. Este relatório também descreve os protocolos para confirmar e solução de problemas da imobilização das modificações de superfície bioprobe e do dispositivo. A demanda por vários biossensores está aumentando. Os métodos descritos neste relatório são uma referência adequada para a preparação e desenvolvimento de biossensores baseados em semicondutores.
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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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