Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Framställning av Silicon Nanowire fälteffekttransistor för kemiska och biosensing applikationer

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

Kisel nanowire fälteffekttransistorer (SNWFETs) har fördelarna med ultrahög känslighet och direkta elektriska svar på miljöavgift variation. I n-typ SNWFETs till exempel, när en negativ (eller positivt) laddad molekyl närmar kiselnanotrådar (SNW), är bärarna i SNW utarmat (eller ansamlas). Följaktligen konduktiviteten hos SNWFET minskar (eller ökar) en. Därför kan vilken laddad molekyl nära SNW ytan av SNWFET anordningen detekteras. Vitala biomolekyler inkluderande enzymer, proteiner, nukleotider, och många molekyler på cellytan är laddningsbärare och kan övervakas med hjälp SNWFETs. Med lämpliga modifieringar, särskilt immobilisera en biomolekylär sond på SNW, kan en SNWFET utvecklas till en etikett-fri biosensor.

Övervakning med hjälp av biomarkörer är kritisk för att diagnostisera sjukdomar. Såsom visas i tabell 1, har flera studier använt NWFET-baserade biosensorer för etikett-fri, ultra-high-känslighet och realtidsdetektion av olika biologiska mål, inklusive ett enda virus 2, adenosintrifosfat och kinas bindande 3, neuronala signaler 4, metalljoner 5,6, bakterietoxiner 7, dopamin 8 DNA 9-11, RNA 12,13, enzym och cancer biomarkörer 14-19, mänskliga hormoner 20, och cytokiner 21,22. Dessa studier har visat att NWFET-baserade biosensorer representerar en kraftfull detekterings plattform för ett brett spektrum av biologiska och kemiska ämnen i en lösning.

I SNWFET-baserade biosensorer, sonden immobiliserad på SNW ytan av anordningen känner igen en specifik biotarget. Immobilisera en bioprobe vanligtvis innebär en rad åtgärder, och det är viktigt att varje steg genomförs tillfredsställande att säkerställa en väl fungerande biosensor. Olika tekniker har utvecklats för att analysera de surface komposition, inklusive röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), ellipsometri, kontaktvinkelmätning, atomkraftsmikroskopi (AFM) och svepelektronmikroskopi (SEM). Metoder som AFM och SEM ger direkta bevis för bioprobe immobilisering på nanotråden enheten, medan metoder såsom XPS, ellipsometri, och kontaktvinkelmätning är beroende av parallella experiment utförda på andra liknande material. I denna rapport beskriver vi bekräftelsen av varje modifieringssteget genom att använda två oberoende metoder. XPS används för att undersöka halterna av specifika atomer på superrent wafers, och variationer i de elektriska egenskaperna hos enheten mäts direkt för att bekräfta debiteringen variation på SNW ytan. Vi använder DNA biosensing med polykristallina SNWFETs (pSNWFETs) som ett exempel för att illustrera detta protokoll. Immobilisera en DNA-sond på SNW ytan omfattar tre steg: amingrupp ändring på den inhemska hydroxyl ytan av SNW, alhyd grupp modifiering, och 5'-aminomodifierad DNA-prob immobilisering. Vid varje modifieringssteget kan anordningen direkt detektera variationen i laddning av den funktionella gruppen immobiliserad på SNW ytan, eftersom de ytladdningar orsaka lokala gräns potentiella förändringar över styredielektrikat som förändrar kanalströmmen och konduktans 1. Avgifter som omger SNW ytan kan elektriskt modulera de elektriska egenskaperna hos pSNWFET anordningen; Därför ytegenskaper SNW spelar en avgörande roll för att bestämma de elektriska egenskaperna hos pSNWFET enheter. I de rapporterade förfaranden kan immobilisering av en bioprobe på SNW ytan direkt bestämmas och bekräftas genom elektrisk mätning och enheten är förberedd för biosensing applikationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Tillverkning och Bevarande av pSNWFET Devices

  1. anordning Fabrication
    Obs! PSNWFET tillverkades med hjälp av en sidovägg distansteknik som tidigare rapporterats 23,24.
    1. Förbereda grinden dielektriska skiktet.
      1. Cap en 100-nm-tjock termisk oxid (SiO 2) skikt på ett Si-substrat genom att använda den våta oxidationsförfarandet 25 (O 2 och H 2 processgas vid 980 ° C under 4 h).
      2. Sätt in en 50-nm-tjock nitrid (Si 3 N 4) skikt med hjälp av lågtrycks kemisk ångavsättning (LPCVD) 25 vid 980 ° C under 4 timmar.
    2. Deponera en 100-nm-tjock tetraetylortosilikat (TEOS) skiktet med hjälp av LPCVD-25 vid 780 ° C under 4 h.
    3. Utför standardlitografi genom att använda en I-line steg att definiera oxid dummy strukturerna.
      1. Coat skivans yta med en 830-nm-tjockt fotoresistskikt.
      2. jagnsert ett mönster definierade fotomask i I-line steg.
      3. Process exponeringen med hjälp av I-line stepper (våglängd: 365 nm) i styrkan 1980 J vid rumstemperatur.
      4. Utveckla rånet inom en utvecklare under 5 min.
      5. Utföra den isotropiska etsningsprocessen genom att använda en standard induktivt kopplad plasma 25 etsningsanordning med HBr och Cl plasmagasen under 1 min.
    4. Sätt in en 100-nm-tjock amorft kisel (α-Si) skiktet med hjälp av LPCVD 25.
    5. Utföra ett glödgningssteg vid 600 ° C i N 2 omgivnings under 24 h för att omvandla den α-Si i en polykristallin struktur.
    6. Implantat fosforjoner genom källa / avlopp (S / D) dopning vid låg energi (5E 15 cm -2) 25.
    7. Utföra standardlitografi genom att använda I-line stepper för att avlägsna poly-Si-skiktet och bildar polykislet nanowire (pSNW) 25.
      Obs: Upprepa steg 1.1.3 att implantera dopmyror i andra än S / D regioner platser med poly-Si bort och bildar sidoväggen Si kanaler i en självjusterande sätt.
    8. Utföra passiveringsprocessen (200-nm-tjock TEOS oxidskiktet) genom att använda LPCVD vid 780 ° C under 5 h 25.
    9. Utför standard litografi med hjälp av I-line steg att exponera nanowire kanaler och attrapp kuddar med hjälp av två steg torr / våt etsningsprocess.
      1. Upprepa steg 1.1.3.
      2. Utföra den våta etsningsprocess (DHF: HF / H2O under 1 min).
  2. wafer konservering
    1. Täta skivan i en vakuumförvaringspåse och förvara den i en elektronisk torkskåp (relativ luftfuktighet <40% vid rumstemperatur).

2. Förbehandling av enheten

  1. anordning rengöring
    1. Skölj enheten med ren aceton.
    2. Ultraljudsbehandla (46 kHz, 80 W) anordningen i ren aceton under 10 min.
      3. <li> Sonikera (46 kHz, 80 W) anordningen i ren etanol (99,5%) under 5 min.
    3. Blow-torka ytan hos anordningen med kväve.
  2. syreplasma
    1. Behandla anordningen med O2 plasma vid 18 W under 30 sek.

3. Immobilisering av DNA-sond på Device Surface

  1. Amingrupp modifiering
    1. Doppa enheten i en 2,0% (3-aminopropyl) trietoxisilan (APTES) / etanol-lösning under 30 min.
    2. Tvätta anordningen med etanol tre gånger, och sedan Sonikera (46 kHz, 80 W) anordningen i etanol under 10 min.
    3. Värm enheten på en varm platta vid 120 ° C under 10 min för att skapa amingrupper på SNWs.
  2. Aldehydgrupp modifiering
    1. Ned enheten i 12,5% glutaraldehyd under 1 timme vid rumstemperatur för att skapa aldehydgrupper på ytan. Undvik ljusexponering.
    2. Tvätta enheten with 10 mM natriumfosfatbuffert (Na-PB, pH 7,0) tre gånger, och sedan föna ytan av enheten med kväve.
  3. DNA-prob immobilisering
    1. Sänk enheten i en lösning innehållande 1 | iM DNA-sonder natten.
    2. Doppa anordningen i 10 mM Tris-buffert (pH 8,0) med 4,0 mM NaBH3CN i 30 min för att blockera oreagerade aldehydgrupper.
    3. Tvätta enheten med Na-PB (pH 7,0) tre gånger, och sedan blåsa-torka ytan hos anordningen med kväve.

4. Bekräftelse och analys av Ytmodifiering på pSNWFET

  1. pH-profil efter varje steg av ytmodifiering
    1. Förbered 10 mM Na-PB i pH 3,0-9,0.
      1. Förbered 10 mM natriumfosfat tribasiskt dodekahydratet (Na 3 PO 4) i avjoniserat vatten (pH 11,60).
      2. Förbered 10 mM fosforsyra (H 3 PO 4) i avjoniserat vatten(PH 2,35).
      3. Placera pH-elektroden i 500 ml 10 mM Na 3 PO 4 buffert, och blanda denna lösning med olika volymer av 10 mM H 3 PO 4 buffert medan mätning av pH-värdet för att erhålla buffertar med pH-värden av 3,0, 4,0, 5,0, 6,0 , 7,0, 8,0, och 9,0.
    2. AC konduktans mätning
      Obs! Mätkrets ingår en liten växelströmssignalgenerator och en Au Micro som fungerade som den flytande gate-elektroden.
      1. Bestämma den optimala flytande gate spänning (V LG) för mätning 26 vid varje ändring steg (steg 2,2, 3,1, 3,2, och 3,3).
        Obs: De elektriska egenskaperna hos enheten efter fyra ytmodifieringar på SNW mättes som beskrivs i detta avsnitt. I steg 2,2, är den omodifierade pSNWFET innehållande skiktet av nativ oxid modifierad; steg 3.1 innebär modifierar enheten med amingruppen av APTES; steg 3,2 involverar modifiering med den oladdadefunktionell grupp av glutaraldehyd; och steg 3,3 innebär DNA-prob modifiering.
        1. Leverera 10 mM Na-PB (pH 7,0) lösning på SNW ytan genom användning av en sprutpump (flödeshastighet: 5,0 ml / h) för direkt kontakt med SNW.
        2. Mät realtid ledningsförmåga enheten medan svepande V LG 0,80-1,30 V.
          1. Utför ledningsmätning med hjälp av lock-in teknik 27 vid rumstemperatur.
          2. Omvandla de växelströmsströmsignaler till en växelspänningssignal med en låg-brusströmmen förförstärkare.
          3. Samla in data om ledningsförmågan (G) vid ökande V LG 0,80-1,30 V (intervall = 0,02 V).
        3. Bestämma den optimala V LG (känsligaste V LG) för anordningen 26.
          1. Plotta GV LG kurvorna från steg 4.1.2.1.2.3 för att erhålla ekvationen för kurvan.
          2. Differentiate ekvationen, och beräkna värdena i varje punkt i V LG.
          3. Dividera värdet från steg 4.1.2.1.3.2 av G, och bestämma den optimala V LG enligt det högsta antalet.
      2. Mäta realtids konduktans av pH-profilen vid varje steg av ytmodifieringen.
        1. Utför ledningsmätning med hjälp av lock-in teknik 27 vid rumstemperatur.
        2. Omvandla växelströmmen signalen till AC-spänningssignaler med en låg-brusströmmen förförstärkare.
        3. Ställ den optimala V LG för varje steg av ytmodifiering (steg 2,2: V LG = 1,02, steg 3,1: V LG = 0,98, steg 3,2: V LG = 0,98, och steg 3,3: V LG = 1,0).
        4. Leverera 10 mM Na-PB lösning med pH-värden från 3,0 till 9,0 till SNW ytan (flödeshastighet: 5,0 ml / h), Och samla in data om ledningsförmågan vid en kollektorspänning på 0,01 V.
  2. Mätning av elektriska egenskaper (I D -V BG kurva) av anordningen i 10 mM Na-PB (pH 7,0) efter varje steg av ytmodifiering (steg 2,2, 3,1, 3,2, och 3,3.)
    Obs: De elektriska egenskaperna hos enheten efter fyra ytmodifieringar på SNW mättes: i steg 2,2, är den omodifierade pSNWFET innehåller skiktet av nativ oxid modifierad; steg 3,1 innebär modifiering av enheten med amingruppen av APTES; steg 3,2 innebär modifiering med den oladdade funktionella gruppen av glutaraldehyd; och steg 3,3 innebär DNA-prob modifiering.
    1. Leverera 10 mM Na-PB (pH 7,0) lösning på SNW ytan (steg 2,2, 3,1, 3,2, och 3,3) genom användning av en sprutpump (flödeshastighet: 5,0 ml / h) för direkt kontakt med SNW.
    2. Mät I D
    3. Välj "NMOSFET" -läge.
    4. Välj "Jag D - V BG" moduler.
      Obs: Jag D är drain / source ström och V BG är tillbaka gate spänning.
    5. Ställ en konstant förspänning (V D = 0,5 V) medan svepande grindpotentialen (V BG) från -1 till 3,0 V (intervall = 0,2 V).
    6. Klicka på ikonen Kör för att erhålla I D - V BG kurvor.

5. DNA biosensing

Obs: I ett typiskt experiment, jag D - är VB G kurvan, som bestämts tre gånger för att säkerställa att inga ytterligare variation är observed.

  1. Fastställande av baslinjen
    1. Leverera 10 mM Na-PB-lösning (pH 7,0) till DNA-proben-immobiliserad SNW yta för 10 min med användning av en sprutpump (flödeshastighet: 5,0 ml / h), och sedan inkubera SNW under 30 min.
    2. Mäta jag D av anordningen (upprepa steg 4.2.2).
  2. Avkänning av DNA / DNA-hybridisering
    1. Belastning 22:00 komplementärt mål-DNA på den DNA-proben-immobiliserad SNW yta för 10 min med användning av en sprutpump (flödeshastighet: 5,0 ml / h), och sedan inkubera SNW under 30 min.
    2. Leverera 10 mM Na-PB-lösning (pH 7,0) på SNW yta för 10 min med användning av en sprutpump (flödeshastighet: 5,0 ml / h) för att tvätta det obundna mål-DNA bort.
    3. Upprepa steg 4.2.2 för att mäta I D av anordningen.
  3. Återbekräfta signalen av DNA / DNA-hybridisering.
    1. Belastning 1 nM återhämtning DNA på than DNA-sond-immobiliserad SNW yta för 10 min med användning av en sprutpump (flödeshastighet: 5,0 ml / h), och sedan inkubera SNW under 30 min.
    2. Leverera 10 mM Na-PB-lösning (pH 7,0) på SNW yta för 10 min med användning av en sprutpump (flödeshastighet: 5,0 ml / h).
    3. Upprepa steg 4.2.2 för att mäta I D av anordningen.
  4. negativ kontroll
    1. Belastning 100 pM icke-komplementär DNA på DNA-sonden immobiliserad SNW yta för 10 min med användning av en sprutpump (flödeshastighet: 5,0 ml / h), och sedan inkubera SNW under 30 min.
    2. Leverera 10 mM Na-PB-lösning (pH 7,0) på SNW yta för 10 min med användning av en sprutpump (flödeshastighet: 5,0 ml / h).
    3. Upprepa steg 4.2.2 för att mäta I D av anordningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Olika SNWFETs har rapporterats att fungera som givare av biosensorer (tabell 1). Single-kristallina SNWFETs (sSNWFETs) och pSNWFETs visar jämförbara elektriska egenskaper som givare i vattenlösningar, och båda har rapporterats ha många biosensing applikationer. Ett fördelaktigt särdrag hos pSNWFET anordning som används i denna studie är dess enkla och billiga tillverkningsproceduren. Figur 1a visar de viktigaste stegen som är involverade i tillverkning av pSNWFET. En optisk bild av ett munstycke från 6-tums wafer (figur 1b) och SEM-bilder (figur 1C) av en enda anordning (två SNWs, approximativt 100 nm i bredd och 1,6 | j, m i längd) erhölls.

Figur 2a illustrerar förfarandet för DNA-prob immobilisering på SNW ytan. Varje ändring steg bekräftades med hjälp av XPS (Figur 2b (figur 2c, d) visas i olika stadier av SNW ytmodifiering. För den omodifierade pSNWFET innehållande det ursprungliga oxidskiktet på SNW ytan ades de hydroxylgrupper (-OH) joniseras för att bilda laddade grupper (-O -) med ökande pH-värden (svart linje). Minskningen i ledningsförmågan vid pH 6,0 till 9,0 indikerar att syrakonstanten (pKa) av hydroxylgruppen kan ställas in på cirka 7,0. Konduktansen ökar sannolikt vid pH 3,0 till 6,0 på grund av ökningen av jonstyrkan, som påverkar anordningsegenskaper 1. Efter APTES modifiering svaret på ledningsförmågan på APTES-modifierad anordning visade hög variation (röd linje). Amingruppen (pKa = 4,0) av APTES kan protoneras vid ett lågt pH för att producera en positiv laddning 28. Således minskade SNW ledningsförmåga med diskreta förändringar i pH-värden3,0-9,0. Efter SNW modifierades med glutaraldehyd, var svaret relativt stabil ledningsförmåga vid pH som sträcker sig från 3,0 till 9,0 (blå linje). Detta kan tillskrivas den oladdade funktionell grupp som är okänslig för förändringar i pH-miljöer. Slutligen, efter det negativt laddade DNA-proben immobiliserades, konduktans minskade något med en ökning av pH-värden (grön linje).

Förskjutningen i de elektriska egenskaperna hos enheten (figur 2e) med olika modifieringar bekräftar förändringen i SNW ytan. I sådana experiment, var jag D -V G kurvan för den omodifierade pSNWFET används som baslinje (svart linje). Efter SNW nedsänktes i APTES, I D -V G kurva av anordningen skiftas till vänster (ökad ström) på grund av den positiva laddningen på SNW ytan caused av aminogruppen på APTES (svart till röd linje). Efter konjugering av glutaraldehyd till APTES-modifierad anordning, skiftade jag D -V G kurva tillbaka till höger på grund av imid bindningsbildning. Det aktuella minskade eftersom den positivt laddade amin omvandlades till neutralt laddade imid (röd till blå linje). Slutligen tillsattes den 5'-amnimodified DNA-sond infördes att binda till den APTES-glutaraldehyd-modifierad anordning. Sockret-fosfat ryggraden i DNA orsakade I D -V G kurvan att skifta till höger (blå till grön linje), vilket överensstämmer med effekten av negativa joner på n-typ FET.

Detektering av DNA / DNA-hybridisering på pSNWFET visas i figur 3. Sonden mål, återvinning och icke-komplementära DNA-sekvenser utformad för att upptäcka fågelinfluensaviruset (AIV) 29,30 tabell 2. Den jag D -V G kurvan för DNA-proben modifierade pSNWFET erhållen i 10 mM Na-PB (pH 7,0) användes som baslinje (svart). Därefter tillsattes 10:00 mål-DNA infördes för att hybridisera med den immobiliserade DNA-sonden på SNW ytan, och en tydlig minskning i kollektorströmmen för anordningen observerades (röd linje). Den minskade I D i n-typ SNWFET antydde en ökad negativ laddning (orsakad av fosfatryggraden) på SNW ytan. Återhämtning DNA har utformats för att rehybridisera med mål-DNA och frigöra DNA-sonden 31. Om återställnings DNA korrekt utformad, reaktionen gynnar termodynamiskt den återhybridisering av mål-återhämtning DNA-duplex, eftersom flera kompletterande nukleotider finns mellan dessa två DNA-strängar (tabell 1) än de mellan sonden och mål-DNA. Lägga en nM återhämtning DNA (blå linje) Bekräftade vidare att den elektriska responsen hos mål-DNA berodde på hybridisering av sonden-mål-DNA och befriade DNA-sonden, som är återanvändbar för efterföljande experiment. Som en negativ kontroll, icke komplementär DNA [AIV subtyp H5 mål-DNA] (100 pM) injicerades också och blandas med DNA-sonden, och jag D -V G kurva oförändrad. DNA-sonden immobiliserats på pSNWFET är okänslig för icke komplementär DNA. Endast mål-DNA orsakar en märkbar förändring i I D - V G kurva. I D - V G kurvan återvänder till baslinjen efter inkubation med återhämtningen DNA.

Figur 1
Figur 1. Beredning av pSNWFET anordningen. (A) ordning för enheten Fabrikatjon. (I) En 6-tums Si-skiva tillslöts med en 100-nm-tjock termisk oxidskiktet. Därefter tillsattes 50-nm-tjock nitrid och 100 nm tjocka TEOS skikt deponeras som utgångsmaterial med hjälp av LPCVD. (Ii) En TEOS dummy struktur definierades och formas med användning av standardlitografi; två isolatorskikt (oxid och nitrid) tjänade som styredielektrikat. (Iii) En 100-n-tjock α-Si-skiktet utfälldes med användning av LPCVD och glödgning genom senare genomfördes för att transformera den α-Si in i poly-Si. (Iv) S / D-dopning utfördes därefter genom fosfor jonimplantation. (V) sidoväggen Si kanaler bildades i en självjusterande sätt genom att använda standardlitografi. (Vi) Uppifrån av fabricerade anordningen struktur med pSNW. (B) Optiska bilder av en pSNWFET biosensorchip. (C) SEM-bild av en enda pSNWFET enhet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Figur 2. Ytmodifiering och validering på pSNWFET. (A) Scheme of yta funktionalisering av DNA och DNA / DNA-hybridisering. (B) XPS-spektrum av C1s, O1s och N1s signaler från kiselskivan (samplingsdjup = 7,5 nm), där den sekventiella stegvisa ytmodifiering av den immobiliserade DNA-sonden utfördes. Högupplösta spektra erhölls, och den totala energiupplösning var inställd på 0,1 eV. (C) Real-tid-kurvan vid olika pH-värden vid varje steg av ytmodifieringen; 10 mM Na-PB injicerades i följande ordning: 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) Genomsnittlig conducdelse vid pH-värden från 3,0 till 9,0 med 10 mM Na-PB efter varje steg av ytmodifiering. (E) Elektro egenskaper (I D - V BG kurvor) av pSNWFET vid varje steg av ytmodifiering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. DNA biosensing på pSNWFET. De I D -V G kurvor av DNA-proben modifierade pSNWFET erhölls i 10 mM Na-PB (pH 7) (svart linje). I D -V G kurva efter hybridisering av proben och mål-DNA (röd linje) erhölls genom att införa 22:00 mål-DNA och tvättning den med 10 mM Na-PB (pH 7). DNA-sonden (blå linje) utvanns genom att tillsätta en nM återhämtning DNA för att avlägsna mål-DNA. Icke komplementär DNA användes som negativ kontroll i detta experiment (grön linje).

Bio-mål Känslighet kristallin Typ Referens
pH enda p 35
Cystisk fibros AF508 3 baser deletion enda p 9
influensa A enda virus enda p 2
ATP avkänning 13:00 enda p 3
telomeras 10 HeLa-cell enda p 14
PSA / CEA / Mucin-1 <1,4 / 2/5 pg / ml enda n / p 14
neuronal signal enda n / p 4
Ca2 + 100 nM enda n 5
Bakteriellt toxin (SEB) 10 fM poly p 7
dopamin 1 fM poly n 8
Troponin-T 1 fg / ml enda n 19
Vaskulär endotelial tillväxtfaktor 1,04 / 0,104 nM enda n / p 18
BRAF V599E 1-base-mismatch enda n 11
1 fM poly n 10
Avidin / streptavidin 1,48 nM / 167 fM poly n 37
Ca 2 + / Troponin I 1 pM / 7 nM enda p 6
Dengue serotyp 2-RNA <10 FM enda n 12
CaM proteinkinas uttryckt cellysat enda p 16
Matrismetalloproteinas-2 100 fM enda p 15
MicroRNAs (MIR-21 / miR-205) 1 zeptomole (ca 600 exemplar) enda p 13
Vaskulär endotelial tillväxtfaktor 1,25 pg / ml poly n
Humant tyreoideastimulerande hormon 12:11 enda n 20
Apolipoprotein A Il-proteinet 6,7 pg / ml poly n 17
Interleukin 8 / tumörnekrosfaktor α 10 fg / ml enda n 22

Tabell 1. Partiell lista över biotargets undersöktes med användning SNWFET enheter.

oligonukleotider Sekvens
AIV H1 5'-aminomodifierad sond-DNA 5'-NH2-C 6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 '
AIV H1 mål-DNA 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 '
AIV H1 återhämtning DNA 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 '
Icke-komplementära DNA (AIV H5 mål-DNA) 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 '

Tabell 2. Sekvenser av syntetiska oligonukleotider.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kommersialisera top-down och bottom-up tillverkning metoder för sSNWFETs anses svår på grund av dess kostnad 32,33, SNW lägeskontroll 34,35, och dess låga produktion skala 36. Däremot är enkel och billig 37 att tillverka pSNWFETs. Genom top-down-strategi och kombination med sidoväggen distans bildandet teknik (figur 1), kan storleken på SNW styras genom att justera längden på reaktiv plasmaetsning. Förfarandena för framställning av nanotrådar av pSNWFET illustreras i figur 1a kan lätt anpassas till kommersiella halvledaranläggningar. Följaktligen pSNWFETs har flera fördelar inklusive kostnadseffektivitet, en enkel konstruktion teknik, och en CMOS-kompatibel tillverkningsprocess och således kan tillämpas i biosensing.

I motsats till tillverkning av halvledaranordningen, en process väl definierad i commercial anläggningar kan immobilisering av bioprobe på enheten varierar för varje specifik applikation. Immobilisering av DNA-proben på SNW ytan illustreras i figur 2a som ett exempel. Andra bioprobes, såsom antikroppar, aptamerer, och enzymer, kan också immobiliseras på SNW yta för detektering av olika mål. Följande steg är avgörande för att framgångsrikt immobilisera DNA-sonden. I våra protokoll är som tillverkade pSNWFET anordningen rengöras och behandlas med syre plasma och sedan nedsänkt i en APTES / etanol-lösning för att skapa amingrupper på SNWs. Därefter är anordningen nedsänkt i en glutaraldehydlösning för att skapa aldehydgrupper på ytan. Dessa grupper är senare konjugeras till 5'-aminomodifierad DNA-prob. Flerstegs konjunktioner mellan tvärbindande molekyler och bioprobe krävdes för att omvandla halvledaranordningen till en biosensor. Således är det viktigt att se till att varje steg är framgångsrik. Vid varje stegDNA-sond immobilisering var XPS används för att analysera och bekräfta sammansättning och kemi ytan. De atomära koncentrationerna av kol, syre, och kväve bestämdes på grundval av XPS skanningar av de respektive toppar, såsom visas i figur 2b. Vid tillsats av DNA-proben, de mest anmärkningsvärda förändringarna var en ökning av kol- och kvävehalterna. En ökande trend observerades i kol- och kvävehalterna i varje steg av DNA-sonden immobilisering förfarande. Syrehalten minskade under förfarandet eftersom infödda hydroxylgruppen täcktes genom ytmodifiering. Dessa resultat avslöjade att DNA-sonden immobiliserades, vilket överensstämmer med förändringen i elektriska egenskaper, såsom visas i figur 2c, d och e. De ovannämnda förfarandena är användbara för felsökning i händelse av misslyckade ytmodifiering. Men de är vanligtvis utförs på en separat wafer beläggas med ett material liknande det på nanotråden ytan. Direkta bevis för förändringar i de elektriska egenskaperna hos den modifierade anordningen krävs för att bekräfta resultatet av ytmodifiering på anordningen, såsom beskrivs i de följande styckena.

En av de mest använda metoderna för direkt övervakning av förändringar i FET-anordningen ytan är pH avkänning, som visas i figur 2d och d. Olika ytmodifieringar resulterar i variationer i laddningen på SNW ytan, kraftigt påverkar ytan potential pSNWFET under olika miljöer. Vi använde brett utbud pH buffertlösningar för att upptäcka förändringar i konduktans som motsvarar de funktionella grupperna på SNW ytan. Ur en mekanistisk synvinkel, är i överensstämmelse med ökningen i den positiva ytladdningen, som "sätts på" n-typ FET genom accumulati ökningen i konduktans med förändrade pH (ökning av vätejoner)på av elektroner. Den realtid elektriska svar på ledningsförmågan på pSNWFET kan mätas i buffertlösningar med pH-värden som sträcker sig från 3,0 till 9,0. De metoder som beskrivs i denna rapport är användbara för att undersöka huruvida en halvledarbaserad sensor är förberedd för biosensing ansökan.

Figur 2e illustrerar en bekväm metod för bestämning av resultatet av ytmodifieringen genom direkt mätning av de elektriska egenskaperna hos anordningen. Förändringarna i I D - V G kurvor som visas i figur 2e är förenliga med varje steg av DNA-prob immobilisering på SNW ytan. Enligt resultaten, kan pSNWFETs direkt användas för att bekräfta förfarandet vid varje steg av bioprobe immobilisering. Detta resultat indikerar också att den modifierade pSNWFET är förberedd för biosensing applikation. Dessa förfaranden är särskilt användbara när den immobilisering procedures är väl etablerade. Funktionen hos en pSNWFET baserad biosensor undersöktes genom att detektera AIV subtyp H1 DNA som ett exempel (Figur 3). Med användning av sond och mål-DNA är lämplig för att illustrera utvecklingen av en ny biosensor grund av stabiliteten hos de DNA-molekyler och de tekniker, som kan lätt erhålla den önskade DNA-sekvensen. Förutom att använda icke komplementär DNA som en negativ kontroll visade vi DNA-hybridisering på pSNWFET med ett återvinningssystem. Detta är särskilt användbart när ett nytt system eller nya anordningen används för biosensing experiment. Många steg är inblandade i processen från anordningstillverkning till biosensing ansökan. Varje steg påverkar det slutliga resultatet. Dessutom är falskt positiva eller falskt negativa resultat erhålls vanligen i biosensing experiment på grund av komplexiteten i biosensing miljön. Således, kontrollerade experiment är kritiska, och återvinningssystemet visat i denna studie kan kraftigt facilitate identifiera oförutsedda faktorer som stör de experimentella resultaten.

De huvudsakliga begränsningarna för närvarande används pSNWFET baserad biosensor är tillgången på pSNWFET anordningen och instrument som används för mätning. Dock kan dessa två begränsningar kan lätt övervinnas inom en snar framtid. Många typer av SNWFETs har rapporterats i litteraturen. Den pSNWFET visats i denna studie är redan tillverkas med hjälp av standardhalvledarprocess och kan massproduceras med endast smärre justeringar av kommersiella skiv tillverkningsprocessen. Instrumenteringen som används för mätningarna i denna studie var en standard halvledarchip analysatorn. Detta innebär att med en korrekt integrerad krets installeras på enheten, kan bärbara instrument vara konstruerade och tillverkade med dagens elektronik.

Sammanfattningsvis beskriver vi hela förfarandet för DNA avkänning på en pSNWFET. Eftersom immobsering förfarandet starkt påverkar förmågan hos en biosensor för att effektivt upptäcka biomolekyler, detta protokoll ger steg-för-steg bekräftelse på bioprobe immobilisering och beredskap anordning för DNA biosensing applikationer. Liknande förfaranden kan anpassas från rapporten för många liknande biosensing applikationer, för vilka justeringar är nödvändiga. Denna rapport beskriver också protokoll för att bekräfta och felsökning av immobilisering av bioprobe och enhets ytmodifieringar. Efterfrågan på olika biosensorer ökar. De metoder som beskrivs i denna rapport är en lämplig referens för att förbereda och utveckla halvledarbaserade 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

Bioteknik polykisel nanowire fälteffekttransistor biosensing ytmodifiering laddning laddningsinteraktion etikett-fri realtid upptäckt
Framställning av Silicon Nanowire fälteffekttransistor för kemiska och biosensing applikationer
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