Yüksek İyonik Güç Çözümleri Algılama için karbon Nanotube Yüksek Frekans nanoelektronik Biyosensör Fabrikasyon

Aşağıdaki deneyin genel amacı, yüksek iyonik şiddetli çözeltilerde hasta başı biyomoleküler tespit için yeni bir nano elektrikli algılama platformu göstermektir. Bu, iyonik perdeleme etkisini azaltmak için tek duvarlı karbon nanotüp alan etkili transistörlerin yüksek frekansta çalıştırılmasıyla gerçekleştirilir. İlk olarak, nanotüp transistörler üretilir ve reseptör molekülleri ile fonksiyonelleştirilir.

İkinci adımda cihazlar, gerçek zamanlı algılama için biyomolekül numune çözeltilerinin enjekte edilmesine olanak tanıyan bir mikroakışkan akış kanalı ile kapsüllenir. Ardından, tek duvarlı karbon nanotüp yakıt transistörleri yüksek frekanslı karıştırıcılar olarak çalıştırılır. Yüksek sürme frekansında iyonik ekranlama etkisinin üstesinden gelmek için, iyonlar ve çözeltiler artık nanotüp sensörü etkili bir şekilde ekranlayamaz; bu da yüzeye bağlı biyomoleküllerin salınım yapan dipol momentlerinin tespit edilmesine olanak tanır.

Sonuçlar, 10 megahertz sürme frekansındaki karıştırma akımı değişikliklerinin izlenmesine dayalı olarak, 100 millimolar arka plan çözeltisinde strep avid ve biotin bağlanmasının tespit edildiğini göstermektedir. Bu tekniğin doğrudan akım tespiti gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, yüksek iyon güçlü çözeltilerde akım tespitini temelden engelleyen cihaz tarama etkisini ortadan kaldırmasıdır. Geleneksel yük tespiti tabanlı sensörlerin aksine, yöntemimiz nanotüp transistörlerin yüksek frekans yanıtını inceleyerek biyomoleküllerin dipol momentlerini tespit eder.

İlk olarak, katalizör için dikdörtgen çukurlar içeren bir foto maskeyi fotoresist kaplı bir silikon gofret üzerine yerleştirin ve santimetrekare başına 300 milijoule UV I radyasyonuna 0,3 saniye boyunca maruz bırakın. Geliştirilmiş gofreti bir elektron demeti evaporasyon odasına yerleştirin ve 10⁻⁶ tor oda basıncında 0,5 nanometre demir çöktürün. Katalizör kaplı silikon gofreti odadan çıkardıktan sonra daha küçük kalıplara kestirin, bunları bir kuvars tekneye yerleştirin ve tekneyi CVD büyüme fırınına yükleyin. Fırını, 1 SLM argon akışını korurken tüp merkezindeki sıcaklığı 800 °C'ye çıkaracak şekilde programlayın.

Katalizör partiküllerini indirgemek ve demir oksidi demire dönüştürmek için beş dakika boyunca 0.2 SLM hidrojen akışı sağlayın. Ardından, S wts büyütmek için 35 dakika boyunca 5.5 SCCM etilen verilmektedir. Süreç boyunca 0.2 SLM hidrojen akışı korunur.

Küçük bir argon akışı ile oda sıcaklığına kadar soğutulduktan sonra, boyayı fırından çıkarın. Kontaklar için metal biriktirme alanı belirlendikten sonra, boyayı buharlaştırma odasına yerleştirin, ardından bir elektron demeti buharlaştırma odasında 10⁻⁶ tor basınçta, kaynak ve drenaj kontak metalleri olarak 0,5 nanometre titanyum ve 50 nanometre altın biriktirin. İşlem tamamlandığında, metal kaldırma işlemi için boyayı ve asetonu gece boyunca bekletin.

Ardından 10 dakika boyunca izopropanol ile daldırın ve azot ile kurutun. Sonra boyayı tekrar buharlaştırma odasına yerleştirin ve elektron demeti buharlaştırıcısı ile 10⁻⁶ tor basınçta 500 nanometre silikon dioksit, 50 nanometre krom ve üst kapı elektrodu olarak 50 nanometre altın biriktirin. Fotorezist desenlemesinden sonra, buharlaştırılmış silikon dioksiti 1/20'lik tamponlanmış hidroflorik asit çözeltisi kullanarak üç dakika 30 saniye boyunca ıslak aşındırma ile temizleyin.

Şimdi Dimetilformamid içinde 6 mM PBSE çözeltisi hazırlayın ve S-W-N-T-F-E-T-D'yi PBSE bağlayıcı molekül çözeltisi içinde oda sıcaklığında bir saat inkübe edin. Ardından, deiyonize su içinde 20 mg/mL konsantrasyonunda amine-peg2-biotin çözeltisi hazırlayın.

Boyayı bu çözeltide 18 saat boyunca inkübe edin. Ardından boyayı deiyonize su ile iyice durulayın. Durulama işlemini sekiz ila 10 kez tekrarlayın ve sonrasında hava ile kurutun.

Yeni bir silikon gofretle bir Petri kabına yerleştirin ve DGAs PDMS karışımını, karışım gofretin beş milimetre üzerine çıkana kadar kaba dökün. Ardından, Petri kabını 70 °C'deki bir fırına bir saat boyunca yerleştirin. Petri kabını fırından çıkarın ve gofretin oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.

PDMS'den dikdörtgen şeklinde bir parça kesmek için neşter kullanın ve bu parçayı bir cımbız yardımıyla çekip çıkarın. Ardından, dikdörtgen boyayı ters şekilde yerleştirin ve düz tarafı boyunca üç milimetrelik bir biyopsi punch'ı ile delik açın. Boyayı mikroskobun altına yerleştirdikten sonra, PDMS haznesini fabrikasyon S-W-N-T-F-E-T cihazlarının aktif alanı ile hizalayarak dikkatlice boyanın üzerine yerleştirin.

SU eight kalıplı bir silikon wafer'ı bir Petri kabına yerleştirin ve iki ila üç damla tri Kloro. 3 3 3 tri fluoro propyl salin ekleyin. Petri kabını bir saat boyunca vakum odasına yerleştirin ve ardından Petri kabını vakumdan çıkarın.

DGAs PDMS karışımını wafer üzerine dökün ve bir saat boyunca 70 °C'de fırında ısıtın. İşlem tamamlandığında, Petri kabını fırından çıkarın ve wafer'ın oda sıcaklığına soğumasını bekleyin. Dikdörtgen bir PDMS damga kestikten sonra, bunu ters şekilde yerleştirin ve 0,75 mm biyopsi punch kullanarak akış kanalının her iki ucuna birer delik açın.

Boya mikroskobun altına yerleştirildikten sonra, PDMS akış odasını, üretilen S-W-N-T-F-E-T cihazlarının aktif alanıyla hizalayarak dikkatlice boyanın üzerine yerleştirin. Ardından, her bir deliğe bir polietilen tüp itin ve tüplerden birini bir sıvı kaynağı şırınga gövdesine, diğerini ise bir tahliye şırıngasına bağlayın. Kanal boyunca kontrollü bir sıvı akışı sağlamak için şırıngayı bir şırınga pompasına bağlayın.

AM modülasyonlu frekans çıkışını ayarlamak için, lock-in amplifikatörden gelen ref out sinyalini frekans jeneratöründeki harici modülasyon sinyal portuna bağlayın. Ardından, AM modülasyonlu RF çıkışını ve DC voltajı bir bias T'ye bağlayın ve bias T'nin çıkışını SWNT kaynak kontağına bağlayın. Daha sonra, nanotüp üzerinden geçen AC akımı okumak için gate kontağını DAC kartının voltaj portuna bağlayın.

Drain kontağını bir lock-in amplifikatöre bağlayın. Lock-in amplifikatörün genlik ve faz portlarını DAC giriş portlarına bağlayın. Kaynak DC voltajını sıfır volt ve A sinyal frekansını 200 kilohertz değerinde tutun.

Kapı voltajını tarayın ve drain akımını ölçün. Sıvı haznesini bir pipet kullanarak deiyonize su ile doldurun. AC elektriksel ölçümünü gerçekleştirin.

İşlemi 1 millimolar sodyum klorür, 10 millimolar sodyum klorür ve 100 millimolar sodyum klorür ile tekrarlayın ve her bir çözelti için cihaz yanıtını ölçün. Mikroakışkan akış kanalını cihaza yerleştirdikten sonra, tüplerden birini şırınga pompasına yerleştirilmiş boş bir şırıngaya, diğer tüpü ise bir şırınga gövdesine bağlayın ve şırıngayı 100 millimolar sodyum klorür çözeltisiyle doldurun.

Şırınga pompasını çekme moduna ayarlayın. Tüpün içerisine 100 millimolar sodyum klorür çözeltisi çekilir. Akım, bilgisayar üzerinden izlenebilir.

Ardından çözeltiyi 100 millimolar sodyum klorür içeren miligram başına mililitre streptavidini ile değiştirin ve streptavidin biotin bağlanması için gerçek zamanlı akım değişimini izleyin. Asılı bir üst kapıya sahip S SW NT transistörün bir taramalı elektron mikroskobu görüntüsü burada gösterilmektedir. Elektrot 50 nanometre krom ve 50 nanometre altından oluşur ve kalın bir krom tabakası asılı yapıya dayanıklılık katar. Asılı yapı, üst kapı ile drenaj arasında bir sızıntı akımının olmamasıyla doğrulanır.

Yan duvar fonksiyonelleştirmesinin başarısını karakterize etmek için, her fonksiyonelleştirme adımından sonra havadaki FET DC transfer eğrilerindeki değişimler izlendi. Saf nanotüp FET'nin transfer eğrisi, biyotinilasyon ve streptavidin bağlanmasından sonra sağa kaymaktadır.

Tipik bir cihaz için 100 millimolar sodyum klorür içerisinde yürüyüş voltajının bir fonksiyonu olarak ölçülen karışık akım algılama sinyali burada verilmiştir. Grafik; DC akımı, karışık akım ve teorik karışık akım eğrilerini göstermektedir. Veriler, karışık akım sonuçlarının teorik bir modelle iyi bir şekilde uyuştuğunu kanıtlamaktadır.

Statik ölçümlerin ve gerçek zamanlı akış ölçümlerinin temsili sonuçları burada gösterilmiştir. Karıştırma akımı ile kapı voltajı eğrileri, 100 millimolar sodyum klorür içerisindeki biyotinize ve streptavidine bağlı SWNT'leri temsil etmektedir. Gerçek zamanlı akış deneyinde, streptavidin bağlanması üzerine karıştırma akımı değişmektedir.

Sinyal değişimi, farklı frekanslarda deiyonize su içerisindeki silikon ve oksit kaplı bir kontrol cihazında streptavidin bağlanması öncesinde ve sonrasında da ölçülmüştür; bağlanma sonrası herhangi bir değişim gözlemlenmemiştir, bu da tespit mekanizmasının yüksek frekanslarda SWNT biyomolekül etkileşimi nedeniyle ortaya çıktığını göstermektedir. Bu ölçüm tekniği genel olarak nanotüp, nanotel veya grafen tabanlı elektronik biyosensörlere uygulanabilir ve tuzdan arındırma gibi zaman alan adımlara gerek kalmadan, doğrudan yüksek iyonik şiddetteki arka plan çözeltilerinde gerçekleştirilebilir.