Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Kimya ve Biyoalgılayıcı Uygulamaları için Silikon Nanotel Alan etkili Transistör hazırlanması

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

Silikon nanotel alan etkili transistörler (SNWFETs) ultra yüksek hassasiyet avantajlarını ve çevresel yük değişimine doğrudan elektrik tepkiler var. negatif (ya da pozitif) yüklü molekülün silikon nanotel (SNW) yaklaşımları, örneğin n-tipi SNWFETs olarak, SNW alt taşıyıcı tükenmiş (veya biriken) vardır. Sonuç olarak, SNWFET iletkenliği azalır (veya artar) 1. Bu nedenle, SNWFET cihazının SNW yüzeyine yakın bir şarj molekülü tespit edilebilir. hücre yüzeyi üzerinde enzimler, proteinler, nükleotitleri, ve çok sayıda moleküller de dahil olmak üzere Kişisel biyomoleküllerin yük taşıyıcıları ve SNWFETs kullanılarak izlenebilir. Özellikle SNW bir biyomoleküler prob hareketsiz uygun bir modifikasyon ile bir SNWFET etiket içermeyen biyosensör olarak geliştirilebilir.

biyomarkerlar kullanılarak Gözetim hastalıklarının tanısı için önemlidir. Tablo 1 'de gösterildiği gibi, bir çok çalışma NWFE kullandık3 bağlanma tek virüsü 2, adenozin trifosfat ve kinaz dahil olmak üzere T tabanlı etiketi içermeyen, ultra-yüksek-duyarlılığı biyosensörler ve çeşitli biyolojik hedefleri gerçek zamanlı saptama, nöronal sinyaller 4, metal iyonları, 5,6, bakteriyel toksinler 7, dopamin 8, DNA 9-11 RNA 12,13, enzim ve kanser biyolojik 14-19, insan hormonlar 20, ve sitokinler 21,22. Bu çalışmalar, NWFET biyosensörler çözeltisi içinde, biyolojik ve kimyasal türlerin geniş bir yelpazesi için güçlü bir algılama platformu temsil olduğunu göstermiştir.

SNWFET bazlı biyosensör, cihazın SNW yüzeyi üzerinde hareketsiz prob belirli biotarget tanır. Bir bioprobe immobilize genellikle bir dizi adımı içerir ve her adımda düzgün biyosensör düzgün işleyişini sağlamak için yapılır önemlidir. Çeşitli teknikler s analizi için geliştirilmiştirX-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), Elipsometri, temas açısı ölçümü, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) de dahil olmak üzere, sert bir terkip. Böyle XPS, Elipsometri ve temas açısı ölçümü gibi yöntemler diğer benzer malzemeler üzerinde yapılan paralel deneyler bağımlı iken böyle AFM ve SEM gibi yöntemler, nanotel cihazda bioprobe immobilizasyon doğrudan kanıtlar sunmaktadır. Bu yazıda, iki bağımsız yöntemler kullanarak her değişiklik adımında onay açıklar. XPS polisilikon gofret belirli atomların konsantrasyonlarını incelemek için kullanılır, ve cihazın elektrik özelliklerinde değişimler doğrudan SNW yüzeyinde yük değişimini onaylamak için ölçülür. Biz bu protokolü göstermek için bir örnek olarak polikristal SNWFETs (pSNWFETs) kullanarak DNA biyoalgı kullanır. SNW yüzeyinde bir DNA probunun hareketsiz hale üç adımdan oluşur: SNW, al yerli hidroksil yüzeyinde amin grubu değişikliğifeniltiyoasetaldehit grup modifikasyonu ve 5'-aminomodified DNA prob immobilizasyon. Yüzey ücretleri kanal akımı ve iletkenlik 1 alter kapısı dielektrik üzerinde yerel arayüz potansiyel değişikliklere neden çünkü her değişiklik adımında, cihaz doğrudan SNW yüzeyinde hareketsiz fonksiyonel grubun sorumlu değişimini algılayabilir. elektriksel pSNWFET cihazın elektrik özelliklerini modüle SNW yüzeyini çevreleyen Masraflar; Bu nedenle, SNW yüzey özellikleri pSNWFET cihazları elektriksel özelliklerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar. rapor edilen prosedürlere olarak, SNW yüzeyi üzerinde bir bioprobe immobilizasyonu ile doğrudan tespit edilebilir ve elektrikli ölçüm yoluyla teyit ve cihaz biyo-algılayıcı uygulamaları için hazırlanır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fabrikasyon ve pSNWFET Cihazlarının Koruma

  1. cihaz İmalatı
    Not: pSNWFET önce 23,24 bildirilen bir yan boşluk tekniği kullanılarak imal edilmiştir.
    1. kapı dielektrik katman hazırlayın.
      1. 100 nm kalınlığında termal oksit (SiO 2) (4 saat 980 ° C'de O 2 ve H 2 işlem gazı) ıslak oksidasyon süreci 25 kullanarak bir Si substrat üzerinde katman kap.
      2. 4 saat 980 ° C 'de düşük basınçta kimyasal buhar biriktirme (LPCVD) 25 ile 50 nm-kalınlıkta bir nitrür (si 3N 4) tabaka bırakın.
    2. 4 saat 780 ° C'de LPCVD 25 kullanılarak 100 nm kalınlığında Tetraetil Ortosilikat (TEOS) katmanı bırakın.
    3. oksit kukla yapılarını tanımlamak için bir I-line step kullanılarak standart litografi gerçekleştirin.
      1. Coat bir 830-nm kalınlığında paslanmaz çeliğin tabakası ile stürktürlerin.
      2. benI-line step bir desen tanımlanmış photomask nsert.
      3. Oda sıcaklığında 1980 J bir güçte: I-line step (365 nm dalga boyu) kullanarak pozlamayı işleyin.
      4. 5 dakika boyunca bir geliştirici içinde gofret geliştirin.
      5. Indüktif 1 dakika için HBr ve Cl plazma gazı ile plazma 25 etcher bağlanmış bir standart kullanarak izotropik aşındırma işlemi gerçekleştirin.
    4. LPCVD 25 kullanılarak 100 nm kalınlığında amorf silisyum (α-Si) katmanı bırakın.
    5. Polikristal yapıya α-Si dönüştürmek için 24 saat boyunca N2 ortam içinde 600 ° C de bir tavlama aşaması gerçekleştirin.
    6. Düşük enerjide kaynak / drenaj (S / D) doping ile implant fosfor iyonları (5E 15 cm -2) 25.
    7. Poli-Si tabakayı kaldırmak ve polisilikon nanotel (pSNW) 25 oluşturmak için I-line step kullanılarak standart litografi gerçekleştirin.
      Not: dop implant adımı 1.1.3 tekrarlayınpoli-Si çıkarılması ve self-hizalanmış bir biçimde yan Si kanalları oluşturacak S / D bölgelerden daha başka yerlerde karıncalar.
    8. 5 saat 25 780 ° C'de LPCVD kullanarak pasivasyon işlemi (200 nm kalınlığında TEOS oksit tabakası) gerçekleştirin.
    9. İki aşamalı kuru / ıslak aşındırma işlemini kullanarak nanotel kanalları ve form testi pedleri maruz I-line step kullanılarak standart litografi gerçekleştirin.
      1. Adımı tekrarlayın 1.1.3.
      2. Islak aşındırma işlemi gerçekleştirin (DHF: HF / 1 dakika süre ile H 2 O).
  2. Gofret koruma
    1. Bir vakum saklama torbasında gofret Seal ve elektronik kuru kabine (bağıl nem <oda sıcaklığında% 40) saklayın.

Cihazın 2. Tedavi öncesi

  1. cihaz temizliği
    1. Saf aseton ile cihazı durulayın.
    2. Sonikasyon (46 kHz, 80 B), 10 dakika boyunca, saf aseton cihazı.
      3. <li> sonikasyon (46 kHz, 80 W) 5 dakika boyunca saf etanol (% 99.5) cihaz.
    3. Üfleme kuru azot Cihazın yüzeyi.
  2. oksijen plazma
    1. 30 saniye için 18 W O 2 plazma ile cihazı davranın.

Cihaz Yüzey DNA Probe 3. İmmobilizasyonu

  1. Amin grubu modifikasyonu
    1. % 2.0 (3-aminopropil) trietoksisilan (APTES), 30 dakika boyunca / etanol çözeltisi içinde cihazı bırakın.
    2. Etanol ile üç kez yıkanır cihazı ve daha sonra sonikasyon (46 kHz, 80 B), 10 dakika boyunca etanol içindeki bir cihaz.
    3. 10 dakika SNWs ilgili amin grupları oluşturmak için 120 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde cihazı ısıtın.
  2. Aldehid grubu modifikasyonu
    1. yüzeye aldehid grupları oluşturmak için oda sıcaklığında 1 saat süre ile% 12.5 glutaraldehid cihazı bırakın. Işık maruz kalmaktan kaçının.
    2. Cihaz zekâ yıkayınH, 10 mM sodyum fosfat tampon maddesi (Na-PB pH 7.0) ve daha sonra, ve-darbe kuru azot ile cihazın yüzeyi.
  3. DNA probu immobilizasyon
    1. gece boyunca 1 uM, DNA probları içeren bir çözelti içinde cihazı bırakın.
    2. 30 dakika reaksiyona girmemiş aldehid grupları bloke etmek için 4.0 mM NaBH3 CN ile, 10 mM Tris tampon maddesi (pH 8.0) 'de cihaz bırakın.
    3. Na-PB (pH 7.0) ile üç kez cihaz yıkanır ve daha sonra azot ile cihazın yüzeyi fön.

pSNWFET Yüzey Modifikasyon 4. Onay ve Analizi

  1. Yüzey modifikasyonu, her adımda takip pH profili
    1. pH 3,0-9,0 10 mM Na--PB hazırlayın.
      1. Iyonu giderilmiş su içinde (Na 3 PO4) (pH 11.60) dodekahidrat tribazik, 10 mM sodyum fosfat hazırlayın.
      2. Iyonu giderilmiş su içinde 10 mM fosforik asit hazırlanması (H3 PO 4)(PH 2.35).
      3. 3.0 pH değerlerinde, 4.0, 5.0 ile tampon elde etmek için, pH değerinin ölçümü sırasında, 6.0, 10 mM Na 3 PO 4 tampon 500 ml pH elektrodu yerleştirin ve 10 mM H3 PO 4 tampon farklı hacimlerde bu çözelti karışımı , 7.0, 8.0 ve 9.0 arasındadır.
    2. AC iletkenlik ölçümü
      Not: Ölçüm devresi küçük bir AC sinyal jeneratörü ve sıvı geçit elektrodu olarak sunulan bir Au Mikro dahil.
      1. Her değişiklik adımında ölçümü 26 için en uygun sıvı kapı gerilimi (V LG) belirlemek (2.2, 3.1, 3.2, ve 3.3 adımlar).
        Not: Cihazın elektrik özellikleri, bu bölümde tarif edildiği gibi SNW dört yüzey değişiklikleri ölçüldü sonra. Aşama 2.2'de doğal oksit tabakası içeren modifiye edilmemiş pSNWFET değiştirilmiş; APTES amino grubu ile cihaz modifiye 3.1 gerektirir aşama; adım 3.2 yüksüz ile değişiklik gerektirirGlutaraldehid fonksiyonel grup; ve adım 3.3 DNA probu değişiklik içerir.
        1. SNW ile doğrudan temas için: 10 mM Na-PB (pH 7.0), bir şırınga pompası kullanılarak SNW yüzeyine bir çözüm sunmak (5.0 mL / saat akış oranı).
        2. 0.80 den 1.30 V V LG süpürme sırasında cihazın gerçek zamanlı iletkenliği ölçmek
          1. Oda sıcaklığında kilit tekniği 27 kullanılarak iletkenlik ölçümü yapın.
          2. düşük gürültü akımı preamplifikatör kullanarak bir AC gerilim sinyali AC akım sinyalleri dönüştürmek.
          3. 1.30 V (aralık = 0.02 V) 0.80 V LG artan üzerine iletkenlik (G) hakkında veri toplamak.
        3. Cihazın 26 optimal V LG (en hassas V LG) belirleyin.
          1. Eğrinin denklemini elde etmek için adım 4.1.2.1.2.3 gelen GV LG eğrileri çizilir.
          2. Difdenklemini farklılaştıran ve V LG her noktasında değerlerini hesaplamak.
          3. G adım 4.1.2.1.3.2 değeri bölün ve maksimum numarasına göre optimum V LG belirler.
      2. Yüzey modifikasyon her adımında pH profili gerçek zamanlı iletkenlik ölçümü.
        1. Oda sıcaklığında kilit tekniği 27 kullanılarak iletkenlik ölçümü yapın.
        2. düşük gürültü akımı preamplifikatör kullanarak AC gerilim sinyalleri içine AC akım sinyalini dönüştürmek.
        3. Yüzey modifikasyonu (adım 2.2 her adımı için optimal V LG ayarlayın: V LG = 1.02, 3.1 adım: V LG = 0.98, adım 3.2: V LG = 0.98, ve adım 3.3: V LG = 1.0).
        4. 5.0 ml / sa: 3.0 ila SNW yüzeyine 9.0 (akış hızı pH değerleri ile, 10 mM Na-PB çözeltisi sunmak) Ve 0.01 V'luk bir boşaltma geriliminde iletkenlik verileri toplar
  2. Yüzey modifikasyonu, her adımda takip eden 10 mM Na--PB (pH 7.0), cihazın elektrik özellikleri (I D -V BG eğrisi) ölçümü (adım 2.2, 3.1, 3.2 ve 3.3.)
    Not: Cihazın elektrik özelliklerini SNW dört yüzey değişikliklerden sonra ölçüldü: Adım 2.2, yerli oksit tabakası içeren değiştirilmemiş pSNWFET değiştirilmiş; adım 3.1 APTES amin grubu ile cihazı değiştirme içerir; adım 3.2 glutaraldehit yüksüz fonksiyonel grup ile değişiklik gerektirir; ve adım 3.3 DNA probu değişikliği gerektirir.
    1. SNW ile doğrudan temas için: bir şırınga pompası kullanılarak (5.0 ml / saat debi) (2.2, 3.1, 3.2, ve 3.3 adımlar), 10 mM Na-PB (pH 7.0) SNW yüzeyine çözüm sunun.
    2. Ben D ölçün
    3. "NMOSFET" modunu seçin.
    4. Modülleri - "V BG Ben D" seçeneğini seçin.
      Not: D drenaj / kaynak akımı ve V BG arka kapı gerilimdir.
    5. 3,0 V -1 potansiyel kapısı (V BG) süpürme sırasında sabit bir önyargı gerilimi (V D = 0,5 V) Set (aralık = 0,2 V).
    6. V BG eğrileri - I D elde etmek için Çalıştır simgesini tıklatın.

5. DNA Biyoalgılayıcı

Not: Tipik bir deneyde, bu D - V, B, eğri G başka varyasyonu Obse olduğundan emin olmak için üç kez belirlenmektedirSVEd.

  1. Taban belirlenmesi
    1. Bir şırınga pompası kullanılarak 10 dakika için bir DNA probu immobilize SNW yüzeyine, 10 mM Na-PB çözeltisi (pH 7.0) teslim (akış hızı: 5.0 ml / saat) ve daha sonra 30 dakika boyunca SNW inkübe edin.
    2. Cihazın (adımı tekrarlayın 4.2.2) I D ölçün.
  2. DNA algılama / DNA hibridizasyonu
    1. Bir şırınga pompası kullanılarak 10 dakika için bir DNA probu immobilize SNW yüzeyi üzerine yüklenebilir 22:00 tamamlayıcı hedef DNA (akış hızı: 5.0 ml / saat) ve daha sonra 30 dakika boyunca SNW inkübe edin.
    2. Bağlanmamış hedef DNA yıkamak için: bir şırınga pompası kullanılarak 10 dakika boyunca SNW yüzeyi üzerine, 10 mM Na-PB çözeltisi (pH 7.0) teslim (5.0 mi / saat akış oranı).
    3. Cihazın ben D ölçmek için adımı yineleyin 4.2.2.
  3. DNA / DNA hibridizasyon sinyali teyit.
    1. t üzerine yük 1 nM kurtarma DNA, DNA, bir şırınga pompası kullanılarak 10 dakika boyunca SNW yüzey probu immobilize (akış hızı: 5.0 ml / saat) ve daha sonra 30 dakika boyunca SNW inkübe edin.
    2. Bir şırınga pompası kullanılarak 10 dakika boyunca SNW yüzeyi üzerine, 10 mM Na-PB çözeltisi (pH 7.0) teslim (: 5.0 ml / saat akış oranı).
    3. Cihazın ben D ölçmek için adımı yineleyin 4.2.2.
  4. Negatif kontrol
    1. Bir şırınga pompası kullanılarak 10 dakika için bir DNA probu immobilize SNW yüzeyi üzerine yüklenebilir 100 pM olmayan tamamlayıcı DNA (akış hızı: 5.0 ml / saat) ve daha sonra 30 dakika boyunca SNW inkübe edin.
    2. Bir şırınga pompası kullanılarak 10 dakika boyunca SNW yüzeyi üzerine, 10 mM Na-PB çözeltisi (pH 7.0) teslim (: 5.0 ml / saat akış oranı).
    3. Cihazın ben D ölçmek için adımı yineleyin 4.2.2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Çeşitli SNWFETs biyosensörler (Tablo 1) transdüser olarak hizmet etmek için rapor edilmiştir. Tek kristalli SNWFETs (sSNWFETs) ve pSNWFETs sulu çözeltiler içinde dönüştürücü gibi karşılaştırılabilir elektrik özellikler gösterirler ve her iki birçok biyo-algılayıcı uygulamaları için rapor edilmiştir. Bu çalışmada kullanılan pSNWFET cihazının avantajlı bir özelliği, basit ve düşük maliyetli bir imalat işlemidir. Şekil 1a pSNWFET imal katılan önemli adımlar gösterilmektedir. 6 inç gofret (Şekil 1 b) ve tek bir cihaz SEM görüntüleri (Şekil 1c) bir kalıbın bir optik görüntü (iki SNWs, yaklaşık 100 genişliği nm ve uzunluğu 1.6 mm) elde edilmiştir.

Şekil 2a SNW yüzeyinde DNA probu immobilizasyon prosedürü göstermektedir. Her değişiklik adım XPS (Şekil 2b kullanılarak teyit edildi (Şekil 2c, d); SNW yüzey modifikasyonu çeşitli aşamalarında gösterilmiştir. SNW yüzeyinde yerel oksit tabakası içeren modifiye edilmemiş pSNWFET için, hidroksil grupları (-OH) yüklü gruplar oluşturmak için iyonize edildi (= O -) pH değerlerine (siyah çizgi) artan. 9.0 pH 6.0'da iletkenlik azalması hidroksil grubunun aynı asit ayrılma (pKa) yaklaşık 7.0 ayarlanabilir gösterir. Geçirgenlik olasılıkla cihaz özellikleri 1. etki, çünkü iyonik gücü artışı 6.0 pH 3.0 artar. APTES modifikasyon sonrasında, APTES'le modifiye cihazın iletkenlik yanıt yüksek bir varyasyon (kırmızı çizgi) göstermiştir. APTES amin grubu (pKa = 4.0), bir pozitif yük 28 üretilmesi için bir düşük pH değerinde proton edilebilir. Bu nedenle, SNW iletkenlik pH değerleri ayrık değişiklikler azalmıştır9.0, 3.0. SNW glutaraldehit ile modifiye edildikten sonra tepki 3.0 ila 9.0 (mavi çizgi) arasında değişen pH iletkenlik için nispeten istikrarlı oldu. Bu pH ortamlarında değişikliğe duyarlı olan yüksüz bir fonksiyonel grup bağlanabilir. negatif yüklü DNA probu hareketsiz sonra nihayet, iletkenlik hafifçe pH değerlerinde bir artış (yeşil hat) azalmıştır.

Farklı değişikliklerle cihazı (Şekil 2e) elektrik özelliklerinde kayma SNW yüzeyinde değişikliği onaylar. Bu tür deneylerde, modifiye edilmemiş pSNWFET I D-V G eğrisi başlangıçta (siyah çizgi) olarak kullanılmıştır. SNW APTES dalmış sonra, cihazın ben D-V G eğrisi nedeniyle SNW yüzey Caus pozitif yükün sol (şimdiki artan) kaymıştırAPTES (kırmızı çizgi siyah) amino grup tarafından ed. APTES modifiye cihaza glutaraldehit konjugasyon sonra D-V G eğrisi nedeniyle imit bağ oluşumu sağında geri kaymıştır. pozitif yüklü amin (mavi çizgi kırmızı) nötr yüklü imid dönüştürüldü çünkü mevcut azalmıştır. Son olarak, 5'-amnimodified DNA probu APTES-glutaraldehit ile modifiye edilmiş bir cihaza bağlanmak için sunulmuştur. DNA şeker-fosfat omurgası I D-V G eğrisi n-tipi FET negatif iyonların etkisi ile tutarlı en sağ (yeşil hattına mavi), kaydırmaya neden oldu.

PSNWFET DNA / DNA hibridizasyonu tespiti, Şekil 3 'de gösterilmiştir. Kuş gribi virüsü (AIV) tespit edilmesi için tasarlanan prob, hedef, kurtarma ve noncomplementary DNA dizilerini 29,30 Tablo l'de gösterilmiştir fazla 2., 10 mM Na-PB (pH 7.0) 'de elde edilen bir DNA probu ile modifiye edilmiş pSNWFET I D-V G eğrisi başlangıçta (siyah) olarak kullanılmıştır. Daha sonra, 22:00 hedef DNA SNW yüzey üzerinde hareketsiz DNA probu ile hibridize tanıtıldı ve cihazın boşaltma akımı belirgin bir azalış (kırmızı çizgi) gözlenmiştir. Azalmış I D n-tipi SNWFET SNW yüzeyde (fosfat omurgası kaynaklanan) bir artış negatif yük ima etti. Kurtarma DNA hedef DNA ile rehybridize ve DNA probu 31 serbest bırakmak için tasarlanmıştır. Kurtarma DNA, uygun bir şekilde tasarlanmış ise daha tamamlayıcı nükleotidleri, bu iki DNA şeridinin prob ve hedef DNA arasındaki daha (Tablo 1) mevcut olduğu için, reaksiyon, termodinamik olarak, hedef geri DNA dubleksin rehybridization yanadır. 1 nM kurtarma DNA ekleme (mavi çizgi) Ayrıca, hedef DNA'nın, elektrik tepkisi prob, hedef DNA'ya hibridizasyonu bağlı olduğunu doğruladı ve daha sonraki deneyler için tekrar kullanılabilir bir DNA probu, serbest bıraktı. Bir negatif kontrol olarak, noncomplementary DNA, [AIV alt H5 hedef DNA] (100 pM), aynı zamanda enjekte edilmiş ve DNA probu ile karıştırılır, ve D-V G eğrisi değişmeden kalmıştır. pSNWFET üzerinde immobilize DNA probu noncomplementary DNA karşı duyarsızdır. V G eğrisi - Sadece DNA I D fark edilir bir değişim neden hedef. Ben D - V G eğrisi kurtarma DNA ile inkübasyon aşağıdaki taban döner.

Şekil 1
PSNWFET cihazın Şekil 1. hazırlanması. Cihazı Fabri (a), Şemakatyon. (I) bir 6 inç silisyum 100 nm-kalınlıkta termal oksit tabakası ile kapatılmıştır. Sonraki 50-nm kalınlığında nitrür ve 100 nm kalınlığında TEOS katmanları LPCVD kullanarak başlangıç ​​materyalleri olarak tevdi edilmiştir. (Ii) TEOS yapay yapısı tanımlanır ve standart litografi ile oluşturulmuştur; İki yalıtkan tabakalar (oksit ve nitrür) kapı dielektrik olarak görev yaptı. (Iii) 100-n-kalın α-Si katmanı LPCVD kullanılarak tevdi edildi ve tavlama sonra poli-Si içine α-Si dönüştürmek için yapılmıştır. (Iv) S / D doping sonra fosfor iyon implantasyonu yoluyla gerçekleştirildi. (H) yan Si kanalları standart litografi kullanarak kendinden biçimde ayarlanmış olarak oluşturulmuştur. (Vi) pSNW ile fabrikasyon cihaz yapısının üstten görünümü. (B) pSNWFET biyosensör çipinin optik görüntüler. (C) Tek pSNWFET cihazının SEM görüntüsü. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.


PSNWFET Şekil 2. Yüzey modifikasyonu ve doğrulama. DNA ve DNA / DNA hibridizasyonu (a), Şema yüzeyinin işlevsellik. (B) hareketsiz DNA prob sıralı aşamalı yüzey modifikasyonu yapıldı silikon (örnekleme derinliği = 7.5 nm) dan C1S, O1s ve N1s sinyallerinin XPS spektrumları. Yüksek çözünürlüklü spektrumları elde edildi ve toplam enerji çözünürlüğü 0.1 eV ayarlandı. (C) bir yüzey modifikasyonu her adımında çeşitli pH değerlerinde Gerçek zaman eğrisi; 10 mM Na-PB aşağıdaki sırayla enjekte edildi: 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) Ortalama iletkenlikYüzey modifikasyonu, her adımda takip 3.0 ila 10 mM Na-PB ile 9.0'a pH değerlerinde mesafe,. (E) Elektrik özellikleri (I D - V BG yüzey modifikasyonu her adımında pSNWFET eğrileri). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
PSNWFET Şekil 3. DNA biyo-algılayıcı. DNA probu ile modifiye edilmiş pSNWFET I D-V G eğrileri, 10 mM Na-PB (pH 7) (siyah çizgi) elde edildi. D'nin V G eğrisi sondanın hibridizasyon izlenmiş ve DNA (kırmızı çizgi) hedef 10 m 22:00, hedef DNA ve yıkama, bunu sokulmasıyla elde edilmiştirM Na-PB (pH 7). DNA probu (mavi çizgi), hedef DNA kaldırmak için 1 nM geri DNA eklenmesi ile geri kazanılmıştır. Noncomplementary DNA, bu deney (yeşil hat) negatif kontrol olarak kullanılmıştır.

Biyo-Hedef Duyarlılık kristal tip Referans
pH tek p 35
Kistik fibrozis ΔF508 3 bazlar silme tek p 9
influenza A tek virüs tek p 2
ATP algılama 01:00 tek p 3
telomeraz 10 Hela hücresi tek p 14
PSA / CEA / Musin-1 <1.4 / 2/5 ug / ml tek n / p 14
nöronal sinyal tek n / p 4
Ca 2 + 100 nM tek n 5
Bakteriyel toksin (SEB) 10 FM poli p 7
dopamin 1 FM poli n 8
Troponin-T 1 FG / ml tek n 19
Vasküler endotelyal büyüme faktörü 1.04 / 0.104 nM tek n / p 18
BRAF V599E 1-baz-uyuşmazlığı tek n 11
1 FM poli n 10
Avidin / streptavidin 1.48 nM / 167 FM poli n 37
Ca 2 + / Troponin I 1 uM / 7 nM tek p 6
Dang serotip 2 RNA <10 FM tek n 12
CaM Protein Kinaz ifade eden hücre lizatı tek p 16
Matris metaloproteinaz-2 100 FM tek p 15
MikroRNA'lar (miR-21 / miR-205) 1 zeptomole (yaklaşık 600 kopya) tek p 13
Vasküler endotelyal büyüme faktörü 1.25 ug / ml poli n
İnsan tiroid uyarıcı hormon 12:11 tek n 20
Apolipoprotein A II proteini 6.7 ug / ml poli n 17
Interleukin-8 / tümör nekroz faktörü α 10 FG / ml tek n 22

Biotargets Tablo 1. Kısmi liste SNWFET cihazları kullanılarak incelendi.

oligonükleotidler Sıra
AIV H1 5'-aminomodified prob DNA, 5'-NH2-C6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 '
AIV H1 hedef DNA 5'-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 '
AIV H1 kurtarma DNA 5'-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 '
Sigara tamamlayıcı DNA (AIV H5 hedef DNA) 5'-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 '

Sentetik oligonükleotidlerin Tablo 2. dizileri.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Yukarıdan aşağıya ticarileştirme ve aşağıdan yukarı fabrikasyon sSNWFETs için nedeniyle maliyeti 32,33, SNW konum kontrolü 34,35 ve düşük üretim ölçeği 36 zor kabul edilir yaklaşır. Buna karşılık, pSNWFETs imalatı basit ve düşük maliyetli 37'dir. Yanak boşluk oluşumu tekniği (Şekil 1) ile yukarıdan aşağıya bir yaklaşım ve kombinasyonu ile, SNW boyutu reaktif plazma aşındırma süresini ayarlayarak kontrol edilebilir. Şekil 1a pSNWFET arasında nanotelleri hazırlanması için işlemler kolayca ticari yarı iletken tesislerine uyarlanabilir. Sonuç olarak, pSNWFETs maliyet etkinliği, basit bir yapım tekniği, bir CMOS ile uyumlu üretim süreci de dahil olmak üzere pek çok avantajları vardır ve bu nedenle biosensörleme uygulanabilir.

yarı-iletken cihazın fabrikasyon aksine, bir işlem de Comme tanımlananrcial tesisleri, cihazdaki bioprobe immobilizasyonu her özel uygulama için farklılık gösterebilir. SNW yüzeyi üzerinde, DNA probunun immobilizasyon bir örnek olarak, Şekil 2a'da gösterilmiştir. Bu antikorlar, aptamerler, ve enzimler gibi diğer bioprobes, aynı zamanda, farklı hedeflerin tespiti için SNW yüzeyi üzerinde hareketsiz hale getirilebilir. Aşağıdaki adımları başarıyla DNA probu hareketsiz hale için kritik öneme sahiptir. Protokolde, AS-imal pSNWFET cihazı temizlenir ve oksijen plazma ile muamele edildi ve daha sonra SNWs ilgili amin grupları oluşturmak için bir APTES / etanol çözeltisi içinde daldırılmıştır. Daha sonra, aygıt yüzeyi üzerine aldehit grupları oluşturmak için bir glutaraldehid çözeltisi içine daldırılmaktadır. Bu gruplar, daha sonra 5'-aminomodified DNA probu konjüge edilir. Çapraz-bağlayıcı moleküller ve bioprobe arasındaki birden fazla aşamalı bağlaçlar, bir biyosensor yarı iletken cihaz dönüştürmek için gerekli oldu. Böylece, her adım başarılı olmasını sağlamak için çok önemlidir. Her adımdaDNA probu immobilizasyon XPS analizi ve yüzeyin kompozisyon ve kimya teyit etmek için kullanıldı. Şekil 2B'de gösterildiği gibi, karbon, oksijen ve azot atom konsantrasyonları, ilgili tepe XPS taramaları esas alınarak belirlenmiştir. DNA probu ilavesi üzerine, en önemli değişiklik, karbon ve azot konsantrasyonlarında bir artış vardı. Bir artış eğilimi DNA probu hareketsizleştirme prosedürü her adımında, karbon ve azot konsantrasyonlarında gözlenmiştir. yerli hidroksil grubu yüzey modifikasyonu ile kaplı oldu çünkü oksijen konsantrasyonu işlem sırasında azalmıştır. Bu sonuçlar, DNA probu Şekil 2c, D ve E'de gösterildiği gibi, elektrik özellikleri değişikliği ile tutarlı olan, hareketsiz olduğunu ortaya koymuştur. Yukarıda belirtilen işlemler başarısız yüzey modifikasyonu halinde giderme için yararlıdır. Bununla birlikte, genellikle ağırlık için ayrı ayrı gerçekleştirilirafer nanotel yüzeyi üzerinde benzer bir malzeme ile kaplanmıştır. Aşağıdaki paragraflarda tarif edildiği gibi modifiye edilmiş cihazın elektrik özellikleri değişikliklerin doğrudan kanıt, cihazda yüzey modifikasyonu sonucu teyit etmek için gereklidir.

Şirketinden FET aygıt yüzeyi değişiklikleri izlemek için en sık kullanılan yöntemlerden birisi Şekil 2 ve d'de gösterildiği gibi, pH duyarlı olan. Farklı yüzey değişiklikleri büyük ölçüde farklı ortamlarda pSNWFET yüzey potansiyelini etkileyen SNW yüzeyinde görevli varyasyon ile sonuçlanır. Bu SNW yüzeyi üzerinde fonksiyonel grupların tekabül eden iletkenlikteki değişiklikleri tespit etmek için geniş aralığı pH tampon çözeltileri kullanılır. mekanik bir açıdan bakıldığında, (hidrojen iyonları artış) pH değeri değişen iletkenlik artışı accumulati ile n-tipi FET "açar" pozitif yüzey yükünün artması ile uyumludurElektronların üzerine. pSNWFET iletkenliğine gerçek zamanlı elektrik tepkileri 3.0 ila 9.0 arasında değişen pH değerleri ile tampon çözeltiler olarak ölçülebilir. Bu raporda tarif edilen yöntemler, bir yarı-iletken tabanlı sensör biyo-algılayıcı bir uygulama için hazır olup olmadığını incelemek için de yararlıdır.

Şekil 2e, cihazın elektrik özelliklerinin doğrudan ölçüm ile yüzey modifikasyonu sonucunu belirlemek için uygun bir yöntem göstermektedir. Ben D değişiklikler - Şekil 2e gösterilen V G eğrileri SNW yüzeyinde DNA probu immobilizasyon her aşamasında ile uyumludur. Elde edilen sonuçlara göre, pSNWFETs doğrudan bioprobe immobilizasyon her adımında prosedürü teyit etmek için de kullanılabilir. Bu sonuç, aynı zamanda modifiye pSNWFET biyo-algılayıcı uygulama için hazır olduğunu belirtir. Bu işlemler sırasında immobilizasyon prosedüründe özellikle yararlıdıres iyi bilinmektedir. Bir pSNWFET bazlı biyosensör işlevi bir örnek olarak (Şekil 3) AIV alt H1 DNA tespit ile incelenmiştir. Prob ve hedef DNA kullanılarak, çünkü DNA moleküllerinin yapıları ve arzu edilen DNA dizisini elde etmek için uygun teknikler stabilitesine yönelik yeni bir biyosensör gelişimini gösteren uygundur. Bir negatif kontrol olarak noncomplementary DNA kullanılarak ek olarak, bir geri kazanma sistemi ile pSNWFET DNA hibridizasyonu gösterdi. yeni bir sistem ya da aygıtı biyo-algılayıcı deneyleri için kullanıldığında, bu, özellikle yararlıdır. Birçok adımlar cihaz imalattan gelen biyoalgı uygulamasına sürecine dahil edilmektedir. Her adım nihai sonucu etkiler. Ayrıca, yanlış pozitif veya yanlış negatif sonuçlar nedeniyle genellikle biyoalgı ortamının karmaşıklığı biyoalgı deneylerde elde edilir. Böylece, kontrollü deneyler kritik ve bu çalışmada ortaya kazanım sistemi olabilir büyük ölçüde facillaştırır deneysel sonuçlarla müdahale beklenmedik faktörlerin belirlenmesi.

Şu anda kullanılan pSNWFET tabanlı biyosensör için ana sınırlamalar pSNWFET cihazın kullanılabilirliği ve ölçümü için kullanılan enstrümantasyon vardır. Ancak, bu iki sınırlama kolayca yakın gelecekte üstesinden gelinebilir. SNWFETs birçok tipi literatürde bildirilmiştir. Bu çalışmada, gösterilmiştir pSNWFET önce standart yarı iletken bir işlem kullanılarak imal edilen ve kütle ticari levhasının üretim sürecinin yalnızca küçük ayarlamalar ile üretilebilir. Bu çalışmada ölçümü için kullanılan enstrümantasyon standart yarı iletken çip analizörü oldu. Bu, cihazın yüklü uygun bir entegre devre içeren, bir taşınabilir enstrümantasyon tasarlanmış ve mevcut elektronik teknolojisi kullanılarak imal edilebilir, anlamına gelir.

Sonuç olarak, bir pSNWFET DNA algılama için tam prosedürü açıklar. IMMOB çünküyonu prosedürü güçlü Bu protokol adım adım bioprobe hareketsizleştirme teyidini ve DNA biyo-algılayıcı uygulamaları için cihazın hazır içerir etkili biyomoleküllerin tespit etmek için bir biyosensör yeteneğini etkiler. Benzer prosedürler ayarlamalar gerekli olan birçok benzeri biyo-algılayıcı uygulamaları için bu rapordan uyarlanabilir. Bu rapor ayrıca teyit ve bioprobe ve cihaz yüzey değişikliklerinin immobilizasyon sorun giderme için protokoller açıklanmaktadır. Çeşitli biyosensör için talep de artıyor. Bu raporda açıklanan yöntemler hazırlanması ve yarı iletken tabanlı biyosensörler geliştirilmesi için uygun bir referanstır.

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

Biyomühendislik Sayı 110 Polisilikon nanotel alan etkili transistör biyoalgı yüzey modifikasyonu şarj şarj etkileşimi etiket içermeyen gerçek zamanlı algılama
Kimya ve Biyoalgılayıcı Uygulamaları için Silikon Nanotel Alan etkili Transistör hazırlanması
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