Introduction
Silicio de nanocables transistores de efecto de campo (SNWFETs) tienen las ventajas de ultra-alta sensibilidad y respuestas eléctricas directos a la variación de carga del medio ambiente. En SNWFETs de tipo n, por ejemplo, cuando una molécula negativamente (o positivamente) cargado se acerca al nanocable de silicio (SNW), los portadores en el SNW se agotan (o se acumulan). En consecuencia, la conductividad de la SNWFET disminuye (o aumenta) 1. Por lo tanto, cualquier molécula cargada cerca de la superficie del dispositivo de SNW SNWFET puede ser detectado. biomoléculas vitales incluyendo enzimas, proteínas, nucleótidos, y muchas moléculas en la superficie celular son los portadores de carga y pueden ser monitorizados utilizando SNWFETs. Con las modificaciones adecuadas, en particular la inmovilización de una sonda biomolecular en la PN, un SNWFET puede ser convertido en un biosensor libre de etiquetas.
Vigilancia a través de biomarcadores es fundamental para el diagnóstico de enfermedades. Como se muestra en la Tabla 1, varios estudios han utilizado NWFEBiosensores basados-T para etiqueta libre, ultra-alta sensibilidad, y la detección en tiempo real de diversos objetivos biológicos, incluyendo un solo virus 2, trifosfato de adenosina y quinasa de unión 3, señales neuronales 4, iones metálicos 5,6, toxinas bacterianas 7, 8 de la dopamina, 9-11 de ADN, ARN 12,13, enzimas y biomarcadores de cáncer de 14-19, hormonas humanas, 20 y citoquinas 21,22. Estos estudios han demostrado que los biosensores basados en NWFET representan una potente plataforma de detección para una amplia gama de especies biológicas y químicas en una solución.
En los biosensores basados en SNWFET, la sonda inmovilizada sobre la superficie SNW del dispositivo reconoce un biotarget específico. Inmovilizar un biosonda por lo general implica una serie de pasos, y es fundamental que cada paso se lleva a cabo adecuadamente para garantizar el correcto funcionamiento del biosensor. Varias técnicas se han desarrollado para el análisis de los scomposición urface, incluyendo espectroscopía de rayos X de fotoelectrones (XPS), elipsometría, la medición del ángulo de contacto, microscopía de fuerza atómica (AFM), y microscopía electrónica de barrido (SEM). Métodos tales como AFM y SEM proporcionan una evidencia directa de inmovilización biosonda en el dispositivo de nanocables, mientras que los métodos tales como XPS, elipsometría, y la medición del ángulo de contacto dependen de experimentos paralelos realizados en otros materiales similares. En este informe, se describe la confirmación de cada etapa de modificación mediante el uso de dos métodos independientes. XPS se utiliza para examinar las concentraciones de átomos específicos sobre obleas de polisilicio, y las variaciones en las propiedades eléctricas del dispositivo se mide directamente para confirmar la variación de carga en la superficie SNW. Empleamos los biosensores de ADN mediante el uso de SNWFETs policristalinas (pSNWFETs) como un ejemplo para ilustrar este protocolo. La inmovilización de una sonda de ADN en la superficie SNW consta de tres pasos: modificación del grupo amino en la superficie hidroxilo nativo de la PN, colmodificación del grupo dehído, y 5'-aminomodified inmovilización de la sonda de ADN. En cada etapa de modificación, el dispositivo puede detectar directamente la variación de la carga del grupo funcional inmovilizado en la superficie SNW, debido a que las cargas de superficie provocan cambios potenciales interfaciales locales sobre el dieléctrico de la compuerta que alteran la corriente de canal y la conductancia 1. Cargos que rodea la superficie SNW puede modular eléctricamente las propiedades eléctricas del dispositivo pSNWFET; Por lo tanto, las propiedades superficiales de la SNW juegan un papel crucial en la determinación de las características eléctricas de los dispositivos pSNWFET. En los procedimientos descritos, la inmovilización de un biosonda en la superficie SNW se puede determinar directamente y se confirmó mediante la medición eléctrica, y el dispositivo se prepara para aplicaciones de biosensores.
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Protocol
1. La fabricación y conservación de los dispositivos pSNWFET
- la fabricación de dispositivos
Nota: El pSNWFET se fabricó usando una técnica de pared lateral espaciador como se informó anteriormente 23,24.- Preparar la capa de dieléctrico de la compuerta.
- Coronar un óxido de 100 nm de espesor térmico (SiO2) capa sobre un sustrato de Si mediante el uso de la (gas de proceso O2 y H2 a 980 ° C durante 4 h) proceso de oxidación húmeda 25.
- Depositar un nitruro de 50 nm de espesor (Si 3 N 4) capa mediante el uso de deposición química de vapor a baja presión (LPCVD) de 25 a 980 ° C durante 4 horas.
- Depositar una capa de 100 nm de espesor ortosilicato de tetraetilo (TEOS) mediante el uso de LPCVD 25 a 780 ° C durante 4 horas.
- Realizar la litografía normal, utilizando paso a paso I-línea para definir las estructuras de óxido ficticias.
- Cubra la superficie de la oblea con una capa de resina fotosensible 830 nm de espesor.
- yonsert una fotomáscara patrón definido en el paso a paso I-line.
- Procesar la exposición utilizando el paso a paso I-line (longitud de onda: 365 nm) a una fuerza de 1.980 J a temperatura ambiente.
- Desarrollar la oblea dentro de un desarrollador durante 5 min.
- Realizar el proceso de grabado isotrópico mediante el uso de un estándar de plasma de acoplamiento inductivo 25 grabador con gas de plasma HBr y Cl durante 1 min.
- Depositar una capa de 100 nm de grosor de silicio amorfo (a-Si α) mediante el uso de LPCVD 25.
- Realizar una etapa de recocido a 600 ° C en N 2 ambiente durante 24 hr para transformar la α-Si en una estructura policristalina.
- Implante iones de fósforo a través de fuente / drenaje (S / D) dopaje a baja energía (5E 15 cm -2) 25.
- Realizar la litografía estándar con el paso a paso I-línea para eliminar la capa de poli-Si y formar el nanocable de polisilicio (PSNW) 25.
Nota: Repita el paso 1.1.3 para implantar DOPhormigas en lugares distintos de las regiones S / D con la eliminación de poli-Si y formar los canales de la pared lateral de Si de una manera auto-alineados. - Realizar el proceso de pasivación (200-nm de espesor TEOS capa de óxido) mediante el uso de LPCVD a 780 ° C durante 5 horas 25.
- Realizar la litografía estándar con el paso a paso I-line para exponer los canales de nanocables y almohadillas forma de prueba utilizando el proceso de grabado de dos pasos seco / húmedo.
- Repita el paso 1.1.3.
- Realizar el proceso de grabado en húmedo (FHD: HF / H2O durante 1 min).
- Preparar la capa de dieléctrico de la compuerta.
- la preservación de la oblea
- Sellar la oblea en una bolsa de vacío y almacenarlo en un gabinete seco electrónico (humedad relativa <40% a temperatura ambiente).
2. Tratamiento previo del dispositivo de
- dispositivo de limpieza
- Enjuague el dispositivo con acetona pura.
- Someter a ultrasonidos (46 kHz, 80 W) del dispositivo en acetona pura para 10 min. <li> Someter a ultrasonidos (46 kHz, 80 W) del dispositivo en etanol puro (99,5%) durante 5 min.
- Blow-secar la superficie del dispositivo con nitrógeno.
- Se trata el dispositivo con plasma de O2 a 18 W durante 30 segundos.
3. La inmovilización de la sonda de ADN sobre la superficie del dispositivo
- Modificación grupo amina
- Sumerja el dispositivo en un trietoxisilano 2,0% (3-aminopropil) (APTES) solución / etanol durante 30 min.
- Lavar el dispositivo con etanol tres veces, y luego se somete a ultrasonidos (46 kHz, 80 W) del dispositivo en etanol durante 10 min.
- Calentar el dispositivo sobre una placa caliente a 120 ° C durante 10 minutos para crear grupos amina en SNWs.
- Modificación grupo aldehído
- Sumerja el dispositivo en 12,5% de glutaraldehído durante 1 hora a temperatura ambiente para crear grupos aldehído en la superficie. Evitar la exposición a la luz.
- Lavar el ingenio dispositivoh tampón de 10 mM de fosfato de sodio (Na-PB; pH 7,0) tres veces, y luego secar con secar la superficie del dispositivo con nitrógeno.
- La inmovilización de sondas de ADN
- Sumerja el dispositivo en una solución que contiene sondas de ADN 1 mM durante la noche.
- Sumerja el dispositivo en tampón Tris 10 mM (pH 8,0) con 4,0 mM NaBH 3 CN durante 30 min para bloquear los grupos aldehído sin reaccionar.
- Lavar el dispositivo con Na-PB (pH 7,0) tres veces, y luego secar con secar la superficie del dispositivo con nitrógeno.
4. Confirmación y Análisis de la modificación de la superficie de pSNWFET
- perfil de pH después de cada etapa de modificación de superficie
- Preparar 10 mM Na-PB en el pH 3,0-9,0.
- Preparar fosfato de sodio 10 mM tribásico dodecahidrato (Na 3 PO 4) en agua desionizada (pH 11,60).
- Preparar 10 mM de ácido fosfórico (H 3 PO 4) en agua desionizada(PH 2,35).
- Coloque el electrodo de pH en 500 ml de Na mM 3 PO 4 tampón 10, y se mezcla esta solución con diferentes volúmenes de mM H 3 PO 4 tampón 10 mientras se mide el valor de pH para obtener tampones con valores de pH de 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 , 7.0, 8.0, y 9.0.
- medición de la conductancia de CA
Nota: El circuito de medición incluye un pequeño generador de señal de CA y un Au microhilo que sirvió como el electrodo de puerta líquido.- Determinar la tensión de puerta líquido óptima (V LG) para la medición de 26 en cada etapa de modificación (pasos 2.2, 3.1, 3.2, y 3.3).
Nota: Las propiedades eléctricas del dispositivo después de cuatro modificaciones de la superficie en la SNW se midieron como se describe en esta sección. En la etapa 2.2, el pSNWFET no modificado que contiene la capa de óxido nativo se modifica; paso 3.1 conlleva la modificación del dispositivo con el grupo amina de APTES; 3.2 paso implica la modificación con el descargadasgrupo funcional de glutaraldehído; y el paso 3.3 implica la modificación de la sonda de ADN.- para el contacto directo con el SNW: Entregar el 10 mM Na-PB (pH 7,0) solución a la superficie SNW mediante el uso de una bomba de jeringa (5,0 ml / hr caudal).
- Medir la conductancia en tiempo real del dispositivo durante el barrido V LG 0,80-1,30 V.
- Realizar una medición de la conductancia mediante el uso de la técnica de lock-in 27 a temperatura ambiente.
- Convertir las señales de corriente alterna en una señal de voltaje de corriente alterna mediante el uso de un preamplificador de bajo ruido actual.
- Recopilar datos sobre la conductancia (G) al aumentar V LG 0,80-1,30 V (intervalo = 0,02 V).
- Determinar el LG V óptima (más sensible V LG) del dispositivo 26.
- Trazar las curvas GV LG desde el paso 4.1.2.1.2.3 para obtener la ecuación de la curva.
- Differentiate la ecuación, y calcular los valores en cada punto de V LG.
- Divida el valor del paso 4.1.2.1.3.2 por G, y determinar la óptima V LG de acuerdo con el número máximo.
- Medir la conductancia en tiempo real del perfil de pH en cada etapa de la modificación de la superficie.
- Realizar una medición de la conductancia mediante el uso de la técnica de lock-in 27 a temperatura ambiente.
- Convertir la señal de corriente de CA en señales de voltaje de corriente alterna mediante el uso de un preamplificador de bajo ruido actual.
- Establecer el óptimo V LG para cada etapa de modificación de superficie (paso 2.2: V LG = 1.02, paso 3.1: V LG = 0.98, paso 3.2: V LG = 0,98, y paso 3.3: V LG = 1,0).
- Entregar la solución 10 mM Na-PB con valores de pH 3,0 a 9,0 a la superficie SNW (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), Y recoger los datos de la conductancia a una tensión de drenaje de 0,01 V.
- Determinar la tensión de puerta líquido óptima (V LG) para la medición de 26 en cada etapa de modificación (pasos 2.2, 3.1, 3.2, y 3.3).
- Preparar 10 mM Na-PB en el pH 3,0-9,0.
- Medición de las propiedades eléctricas (la curva I -V D BG) del dispositivo en 10 mM Na-PB (pH 7,0) después de cada etapa de modificación de superficie (pasos 2.2, 3.1, 3.2 y 3.3.)
Nota: Las propiedades eléctricas del dispositivo después de cuatro modificaciones de la superficie en la SNW se midieron: en la etapa 2.2, el pSNWFET no modificado que contiene la capa de óxido nativo se modifica; paso 3.1 implica modificar el dispositivo con el grupo amina de APTES; paso 3.2 implica la modificación con el grupo funcional no cargado de glutaraldehído; y el paso 3.3 implica la modificación de la sonda de ADN.- Entregar el mM Na-PB 10 (pH 7,0) solución a la superficie SNW (pasos 2.2, 3.1, 3.2 y 3.3) mediante el uso de una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr) para el contacto directo con el PN.
- Medir la I D
- Seleccione el modo "nMOSFET".
- Seleccione "I D - V BG" módulos.
Nota: Me d es la corriente de drenaje / fuente, y V BG es el voltaje de la puerta trasera. - Establecer una tensión de polarización constante (V D = 0,5 V) durante el barrido de la puerta de potencial (V BG) desde -1 a la de 3,0 V (intervalo = 0,2 V).
- Haga clic en el icono Ejecutar para obtener I D - Curvas V BG.
5. ADN biosensor
Nota: En un experimento típico, el I D - V curva B G se determina tres veces para asegurarse de que ninguna otra variación es OBSErved.
- Determinación de la línea de base
- Entregar la solución 10 mM Na-PB (pH 7,0) a la superficie SNW sonda inmovilizada de ADN durante 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), y luego se incuba la SNW para 30 min.
- Medir la I D del dispositivo (repita el paso 4.2.2).
- La detección de ADN / hibridación de ADN
- Cargar 22:00 diana complementaria de ADN sobre la superficie SNW sonda inmovilizada de ADN durante 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), y luego incubar el SNW para 30 min.
- Entregar la solución 10 mM Na-PB (pH 7,0) sobre la superficie SNW de 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr) para lavar el ADN diana no unida distancia.
- Repita el paso 4.2.2 para medir el I D del dispositivo.
- Vuelva a confirmar la señal de hibridación ADN / ADN.
- Carga 1 nM de ADN de recuperación en tél DNA sonda inmovilizada en la superficie SNW de 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), y luego se incuba la SNW para 30 min.
- Entregar la solución 10 mM Na-PB (pH 7,0) sobre la superficie SNW de 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr).
- Repita el paso 4.2.2 para medir el I D del dispositivo.
- Control negativo
- Carga 100 pM de ADN no complementario sobre la superficie SNW sonda inmovilizada de ADN durante 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr), y luego incubar el SNW para 30 min.
- Entregar la solución 10 mM Na-PB (pH 7,0) sobre la superficie SNW de 10 min utilizando una bomba de jeringa (velocidad de flujo: 5,0 ml / hr).
- Repita el paso 4.2.2 para medir el I D del dispositivo.
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Representative Results
Varios SNWFETs se han reportado para servir como transductores de biosensores (Tabla 1). SNWFETs Single-cristalinos (sSNWFETs) y pSNWFETs muestran propiedades eléctricas comparables como transductores en soluciones acuosas, y ambos se han notificado a tener muchas aplicaciones de biosensores. Una característica ventajosa del dispositivo pSNWFET utilizado en este estudio es su sencilla fabricación y bajo costo procedimiento. La Figura 1a muestra los pasos clave que intervienen en la fabricación de la pSNWFET. Se obtiene una imagen óptica de un troquel a partir de la oblea de 6 pulgadas (Figura 1b) y las imágenes de SEM (Figura 1c) de un único dispositivo (dos SNWs, aproximadamente 100 nm de ancho y 1,6 m de longitud).
La figura 2a ilustra el procedimiento de inmovilización de la sonda de ADN en la superficie SNW. Cada etapa de modificación se confirmó usando XPS (Figura 2b (Figura 2c, d) se muestran en las distintas etapas de modificación de la superficie SNW. Para el pSNWFET no modificado que contiene la capa de óxido nativo en la superficie SNW, se ionizan los grupos hidroxilo (-OH) para formar grupos cargados (-O -) con el aumento de los valores de pH (línea de color negro). La disminución de la conductancia a pH 6,0 a 9,0 indica que la constante de disociación ácida (pKa) del grupo hidroxilo se puede ajustar a aproximadamente 7,0. Conductancia probable aumenta a pH 3,0-6,0, debido al aumento de la fuerza iónica, que afecta a las características del dispositivo 1. Después de la modificación APTES, la respuesta a la conductancia del dispositivo modificado con APTES mostró una alta variación (línea roja). El grupo amina (pKa = 4,0) de APTES se puede protonar a un pH bajo para producir una carga positiva 28. Por lo tanto, la conductancia SNW disminuyó con cambios discretos en valores de pH3,0-9,0. Después de la PN se modificó con glutaraldehído, la respuesta fue relativamente estable para la conductancia a pH total de 3.0 a la 9.0 (línea azul). Esto se puede atribuir al grupo funcional no cargado que es insensible a los cambios en los entornos de pH. Finalmente, después de la sonda de ADN cargado negativamente se inmovilizó, conductancia disminuyó ligeramente con un aumento en los valores de pH (línea verde).
El cambio en las propiedades eléctricas del dispositivo (Figura 2e) con diferentes modificaciones confirma el cambio en la superficie SNW. En estos experimentos, se utilizó la curva I D -V G de la pSNWFET sin modificar como la línea de base (línea de color negro). Después de la SNW se sumergió en APTES, la curva I D -V G del dispositivo desplaza a la izquierda (corriente aumentado) debido a la carga positiva en los caus superficie SNWcado por el grupo amino en APTES (negro con línea roja). Después de la conjugación de glutaraldehído al dispositivo modificado con APTES, la curva G I -V D cambió de nuevo a la derecha, debido a la formación de enlaces imida. La corriente se redujo debido a la amina cargada positivamente se convirtió en imida con carga neutra (rojo con línea azul). Por último, se introdujo la sonda de ADN 5'-amnimodified para unirse al dispositivo de APTES-glutaraldehído modificado. La cadena principal de azúcar-fosfato del DNA causado la curva I D -V G para cambiar a la derecha (azul a la línea verde), lo cual es consistente con el efecto de los iones negativos en tipo n FET.
La detección de la hibridación de ADN / ADN en la pSNWFET se muestra en la Figura 3. La sonda, diana, recuperación y secuencias de ADN no complementarias diseñadas para detectar el virus de la influenza aviar (AIV) 29,30 Tabla 2. La curva I -V D G del ADN pSNWFET sonda modificada obtenida en 10 mM Na-PB (pH 7,0) se utilizó como línea de base (negro). Posteriormente, se introdujo ADN diana 22:00 para hibridar con la sonda de ADN inmovilizado en la superficie SNW, y se observó una clara disminución de la corriente de drenaje del dispositivo (línea roja). La disminución de la I D en el de tipo n SNWFET implicaba un aumento de la carga negativa (causada por la cadena principal de fosfato) en la superficie SNW. ADN recuperación fue diseñado para rehybridize con el ADN diana y liberar la sonda de ADN 31. Si el ADN de recuperación está diseñado correctamente, la reacción favorece termodinámicamente la rehibridación del dúplex de ADN diana de recuperación, porque más nucleótidos complementarios están disponibles entre estas dos cadenas de ADN (Tabla 1) que las existentes entre la sonda y el ADN diana. La adición de 1 nM de ADN de recuperación (línea azul) Confirmó además que la respuesta eléctrica del ADN diana se debió a la hibridación de la sonda de ADN diana y se libera la sonda de ADN, que es reutilizable para experimentos posteriores. También se inyectó Como control negativo, el ADN no complementaria [AIV ADN diana subtipo H5] (100 pM) y se mezcla con la sonda de ADN, y la curva I D -V G se mantuvo sin cambios. La sonda de ADN inmovilizado en la pSNWFET es insensible a ADN no complementaria. Sólo el ADN diana provoca un cambio apreciable en el I D - G curva V. El I D - G curva V regresa a la línea de base después de la incubación con el ADN de recuperación.
Figura 1. Preparación del dispositivo pSNWFET. (A) Esquema del dispositivo de fabricatión. (I) A 6 pulgadas oblea de Si se tapó con una capa de óxido térmico 100-nm de espesor. A continuación, el nitruro de 50 nm de espesor y capas de TEOS 100 nm de espesor fueron depositadas como materiales de partida mediante LPCVD. (Ii) una estructura de maniquí TEOS se definió y se forma usando litografía estándar; dos capas de aislante (óxido y nitruro) sirvieron como el dieléctrico de la compuerta. (Iii) una capa de α-Si 100-n de espesor se depositó mediante LPCVD, y el recocido se llevó a cabo posteriormente para transformar la α-Si en poli-Si. (Iv) a continuación, se llevó a cabo S / D dopaje mediante la implantación de iones de fósforo. (V) Los canales de Si las paredes laterales se forman de una manera auto-alineados mediante el uso de la litografía estándar. (Vi) Vista superior de la estructura del dispositivo fabricado con PSNW. (B) Las imágenes ópticas de un chip biosensor pSNWFET. Imagen SEM de un único dispositivo pSNWFET (c). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Modificación de la superficie y la validación de pSNWFET. (A) Esquema de la superficie funcionalización de ADN y la hibridación ADN / ADN. (B) los espectros de XPS de C1s, O1s, y las señales de N1s de la oblea de silicio (muestreo profundidad = 7,5 nm), donde se realizó la modificación de la superficie por etapas secuencial de la sonda de ADN inmovilizado. Se obtuvieron espectros de alta resolución, y la resolución global de energía se fijó a 0,1 eV. (C) Curva de tiempo real en diversos valores de pH en cada etapa de la modificación de la superficie; 10 mM Na-PB se inyectó en el siguiente orden: 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) Promedio de conducdistancia a valores de pH desde 3,0 hasta 9,0 con 10 mM Na-PB después de cada etapa de modificación de la superficie. (E) Propiedades eléctricas (I D - V BG curvas) de la pSNWFET en cada paso de la modificación de la superficie. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. biosensores de ADN en pSNWFET. Las curvas I -V D G de la pSNWFET modificado con sonda de ADN se obtuvieron en 10 mM Na-PB (pH 7) (línea de color negro). La curva I -V D G después de la hibridación de la sonda y el ADN diana (línea roja) se obtuvo mediante la introducción de ADN diana 10 pM y lavado con 10 mM Na-PB (pH 7). La sonda de ADN (línea azul) se recuperó mediante la adición de 1 nM de ADN de recuperación para eliminar el ADN diana. ADN no complementario se utilizó como control negativo en este experimento (línea verde).
| Bio-diana | Sensibilidad | Cristalino | Tipo | Referencia |
| pH | soltero | p | 35 | |
| F508 fibrosis quística | 3 bases eliminación | soltero | p | 9 |
| influenza A | solo virus | soltero | p | 2 |
| detección de ATP | 13:00 | soltero | p | 3 |
| La telomerasa | 10 células Hela | soltero | p | 14 |
| PSA / CEA / mucina-1 | <1,4 / 2/5 pg / ml | soltero | notario público | 14 |
| señal neuronal | soltero | notario público | 4 | |
| Ca 2+ | 100 nM | soltero | norte | 5 |
| toxina bacteriana (SEB) | 10 fM | escuela politécnica | p | 7 |
| La dopamina | 1 fM | escuela politécnica | norte | 8 |
| La troponina-T | 1 fg / ml | soltero | norte | 19 |
| Factor de crecimiento vascular endotelial | 1,04 / 0,104 nM | soltero | notario público | 18 |
| BRAF V599E | 1-base-desajuste | soltero | norte | 11 |
| 1 fM | escuela politécnica | norte | 10 | |
| La avidina / estreptavidina | 1,48 nm / 167 fM | escuela politécnica | norte | 37 |
| Ca 2+ / troponina I | 1 M / 7 nM | soltero | p | 6 |
| Dengue serotipo 2 RNA | <10 fM | soltero | norte | 12 |
| CaM quinasa de proteínas | lisado celular expresado | soltero | p | dieciséis |
| La matriz metaloproteinasa-2 | 100 fM | soltero | p | 15 |
| Los microARN (miR-21 / miR-205) | 1 zeptomole (ca. 600 copias) | soltero | p | 13 |
| Factor de crecimiento vascular endotelial | 1,25 pg / ml | escuela politécnica | norte | |
| tiroides humana hormona estimulante | 24:11 | soltero | norte | 20 |
| proteína apolipoproteína A II | 6,7 pg / ml | escuela politécnica | norte | 17 |
| Interleucina 8 / factor de necrosis tumoral α | 10 fg / ml | soltero | norte | 22 |
Tabla 1. Lista parcial de biotargets examinó utilizando dispositivos SNWFET.
| Los oligonucleótidos | Secuencia |
| DNA sonda AIV H1 5'-aminomodified | 5'-NH 2 -C 6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 ' |
| ADN diana AIV H1 | 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 ' |
| ADN recuperación de virus de influenza aviar H1 | 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 ' |
| ADN no complementario (AIV H5 ADN diana) | 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 ' |
Tabla 2. Secuencias de oligonucleótidos sintéticos.
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Discussion
La comercialización de la de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba fabricación enfoques para sSNWFETs se considera difícil debido a su coste de 32,33, 34,35 SNW control de posición, y su baja escala de producción 36. Por el contrario, la fabricación de pSNWFETs es simple y de bajo costo 37. A través de la aproximación de arriba hacia abajo y la combinación con la técnica de formación de pared lateral espaciador (Figura 1), el tamaño de la SNW se puede controlar mediante el ajuste de la duración de grabado por plasma reactivo. Los procedimientos para la preparación de los nanocables de la pSNWFET ilustradas en la Figura 1a se pueden adaptar fácilmente a las instalaciones de semiconductores comerciales. En consecuencia, pSNWFETs tienen varias ventajas, incluyendo la rentabilidad, una técnica de construcción simple, y un proceso de fabricación compatible con CMOS y por lo tanto se pueden aplicar en biosensores.
En contraste con la fabricación del dispositivo semiconductor, un proceso bien definido en Commercial instalaciones, la inmovilización del biosonda en el dispositivo pueden variar para cada aplicación específica. La inmovilización de la sonda de ADN en la superficie SNW se ilustra en la Figura 2a como un ejemplo. Otros biosondas, tales como anticuerpos, aptámeros, y las enzimas, también se pueden inmovilizar sobre la superficie SNW para la detección de diferentes dianas. Los siguientes pasos son críticos para la inmovilización con éxito la sonda de ADN. En nuestro protocolo, el dispositivo pSNWFET como fabricado-se limpia y se trató con plasma de oxígeno y luego se sumerge en una solución / etanol APTES para crear grupos amina en la SNWs. A continuación, el dispositivo se sumerge en una solución de glutaraldehído para crear grupos aldehído en la superficie. Estos grupos están más adelante conjugarse con la sonda de ADN 5'-aminomodified. se requirieron conjunciones múltiple de pasos entre moléculas de entrecruzamiento y la biosonda para transformar el dispositivo semiconductor a un biosensor. Por lo tanto, es crucial para garantizar que cada paso tiene éxito. En cada pasode ADN inmovilización de la sonda, XPS se utilizó para analizar y confirmar la composición y la química de la superficie. Las concentraciones atómicas de carbono, oxígeno y nitrógeno se determinaron sobre la base de los análisis XPS de los respectivos picos, como se muestra en la Figura 2b. Tras la adición de la sonda de ADN, los cambios más notables fueron un aumento en las concentraciones de carbono y de nitrógeno. Se observó una tendencia al aumento de las concentraciones de carbono y nitrógeno en cada paso del procedimiento de inmovilización de sondas de ADN. La concentración de oxígeno disminuyó durante el procedimiento, ya que el grupo hidroxilo nativa se cubrió mediante la modificación de la superficie. Estos resultados revelaron que la sonda de ADN fue inmovilizado, lo que es consistente con el cambio en las propiedades eléctricas, como se muestra en la Figura 2c, d, y e. Los procedimientos antes mencionados son útiles para la solución de problemas en caso de modificación de la superficie sin éxito. Sin embargo, por lo general se realizan en una separada wafer revestido con un material similar a la de la superficie de nanocables. se requiere una prueba directa de cambios en las propiedades eléctricas del dispositivo modificado para confirmar el resultado de la modificación de la superficie en el dispositivo, como se describe en los párrafos siguientes.
Uno de los métodos más utilizados para el seguimiento de los cambios directamente en la superficie del dispositivo FET es sensor de pH, como se muestra en la Figura 2d y d. Diferentes modificaciones de la superficie dan lugar a la variación en la carga en la superficie SNW, que afecta en gran medida el potencial de la superficie de la pSNWFET bajo diferentes entornos. Utilizamos soluciones tampón pH de amplio intervalo para detectar cambios en la conductancia correspondientes a los grupos funcionales en la superficie SNW. Desde una perspectiva mecanicista, el aumento en la conductancia con el cambio de pH (aumento de iones de hidrógeno) es consistente con el aumento en la carga superficial positiva, lo que "se convierte en" el FET de tipo n a través de la accumulatien de electrones. Las respuestas eléctricas en tiempo real a la conductancia de la pSNWFET pueden ser medidos en soluciones tampón con valores de pH que varían desde 3,0 hasta 9,0. Los métodos descritos en este informe son útiles para examinar si un sensor a base de semiconductores está preparado para la aplicación de biosensores.
Figura 2e ilustra un método conveniente para determinar el resultado de la modificación de la superficie a través de la medición directa de las propiedades eléctricas del dispositivo. Los cambios en I D - curvas G V mostrados en la Figura 2e son consistentes con cada etapa de inmovilización de la sonda de ADN en la superficie SNW. Según los resultados, pSNWFETs se pueden utilizar directamente para confirmar el procedimiento en cada etapa de inmovilización biosonda. Este resultado también indica que el pSNWFET modificado se prepara para la aplicación de biodetección. Estos procedimientos son particularmente útiles cuando el procedur inmovilizaciónES están bien establecidos. La función de un biosensor basado en pSNWFET se examinó mediante la detección de ADN AIV subtipo H1 como ejemplo (Figura 3). El uso de ADN sonda y la diana es adecuado para que ilustra el desarrollo de un nuevo biosensor debido a la estabilidad de las moléculas de ADN y las técnicas disponibles para la obtención fácilmente la secuencia de ADN deseada. Además de utilizar ADN no complementaria como un control negativo, se demostró la hibridación de ADN en el pSNWFET con un sistema de recuperación. Esto es particularmente útil cuando se utiliza un nuevo sistema o dispositivo nuevo para los experimentos de biosensores. Muchos de los pasos están involucrados en el proceso de fabricación del dispositivo de aplicación de biosensores. Cada paso afecta el resultado final. Además, los resultados positivos falsos o negativos falsos se obtienen habitualmente en experimentos de biosensores, debido a la complejidad del entorno de biodetección. Por lo tanto, los experimentos controlados son críticos, y el sistema de recuperación demostrada en este estudio puede ser de gran facillitar la identificación de factores inesperados que interfieren con los resultados experimentales.
Las principales limitaciones de biosensor basado en pSNWFET utiliza actualmente son la disponibilidad del dispositivo pSNWFET y la instrumentación utilizada para la medición. Sin embargo, estas dos limitaciones se pueden superar fácilmente en el futuro próximo. Muchos tipos de SNWFETs han sido reportados en la literatura. El pSNWFET demostrado en este estudio ya está siendo fabricado usando el proceso de semiconductores estándar y puede ser producida en masa con sólo pequeños ajustes en el proceso de fabricación de obleas comercial. La instrumentación utilizada para la medición en este estudio fue un analizador de chip semiconductor estándar. Esto implica que, con un circuito integrado adecuado instalado en el dispositivo, instrumentación portátil puede ser diseñado y fabricado utilizando la tecnología electrónica actual.
En conclusión, se describe el procedimiento completo para la detección de ADN en un pSNWFET. Debido a que el immobilization procedimiento afecta en gran medida la capacidad de un biosensor para detectar biomoléculas efectivamente, este protocolo proporciona la confirmación paso a paso de inmovilización biosonda y la disposición del dispositivo para aplicaciones de biosensores de ADN. Procedimientos similares se pueden adaptar con este informe, para muchas aplicaciones de biosensores similares, para lo cual es necesario hacer ajustes. Este informe también describe los protocolos para la confirmación y la solución de problemas de la inmovilización de los biosonda y modificaciones de la superficie del dispositivo. La demanda de diversos biosensores está aumentando. Los métodos descritos en este informe son una referencia apropiada para la preparación y el desarrollo de biosensores basados en semiconductores.
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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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