We describe key steps for biosensing by using polysilicon nanowire field-effect transistors, including the preparation of the device and the immobilization and confirmation of a DNA molecular probe on the nanowire surface, as well as conditions for DNA sensing.
Surveillance using biomarkers is critical for the early detection, rapid intervention, and reduction in the incidence of diseases. In this study, we describe the preparation of polycrystalline silicon nanowire field-effect transistors (pSNWFETs) that serve as biosensing devices for biomarker detection. A protocol for chemical and biomolecular sensing by using pSNWFETs is presented. The pSNWFET device was demonstrated to be a promising transducer for real-time, label-free, and ultra-high-sensitivity biosensing applications. The source/drain channel conductivity of a pSNWFET is sensitive to changes in the environment around its silicon nanowire (SNW) surface. Thus, by immobilizing probes on the SNW surface, the pSNWFET can be used to detect various biotargets ranging from small molecules (dopamine) to macromolecules (DNA and proteins). Immobilizing a bioprobe on the SNW surface, which is a multistep procedure, is vital for determining the specificity of the biosensor. It is essential that every step of the immobilization procedure is correctly performed. We verified surface modifications by directly observing the shift in the electric properties of the pSNWFET following each modification step. Additionally, X-ray photoelectron spectroscopy was used to examine the surface composition following each modification. Finally, we demonstrated DNA sensing on the pSNWFET. This protocol provides step-by-step procedures for verifying bioprobe immobilization and subsequent DNA biosensing application.
أسلاك متناهية الصغر السيليكون الترانزستورات مجال التأثير (SNWFETs) لديها مزايا من حساسية فائقة والاستجابات الكهربائية مباشرة لاختلاف المسؤول البيئي. في نوع ن SNWFETs على سبيل المثال، عندما يقترب جزيء سلبا (أو إيجابا) اتهم أسلاك متناهية الصغر السيليكون (SNW)، تنضب شركات الطيران في SNW (أو تجمع). ونتيجة لذلك، والتوصيل من SNWFET انخفاض (أو زيادة) 1. ولذلك، فإن أي جزيء اتهم بالقرب من سطح SNW الجهاز SNWFET يمكن الكشف. الجزيئات الحيوية الحيوية بما في ذلك الإنزيمات والبروتينات، النيوكليوتيدات، والعديد من الجزيئات الموجودة على سطح الخلية هي حاملات الشحنة ويمكن رصدها باستخدام SNWFETs. مع تعديلات مناسبة، وخاصة شل حركة تحقيقا الجزيئية البيولوجية على SNW، يمكن وضع SNWFET إلى جهاز الاستشعار البيولوجي خالية من التسمية.
المراقبة باستخدام المؤشرات الحيوية هو أمر حاسم لتشخيص الأمراض. كما هو مبين في الجدول رقم 1، وقد استخدمت العديد من الدراسات NWFEأجهزة الاستشعار على أساس T-مجانا التسمية، فائقة الحساسية، وكشف في الوقت الحقيقي من الأهداف الحيوية المختلفة، بما في ذلك فيروس واحد 2، أدينوسين ثلاثي الفوسفات وكيناز ملزمة 3، الإشارات العصبية 4، ايونات المعادن 5،6، والسموم البكتيرية 7، 8 الدوبامين، والحمض النووي 11/09، RNA 12،13، الانزيم والمؤشرات الحيوية سرطان 14-19، وهرمونات الإنسان 20، والسيتوكينات 21،22. وقد أظهرت هذه الدراسات أن أجهزة الاستشعار على أساس NWFET-تمثل منصة كشف قوية لمجموعة واسعة من الأنواع البيولوجية والكيميائية في محلول.
في أجهزة الاستشعار مقرها SNWFET، التحقيق ثبتوا على سطح SNW الجهاز يعترف biotarget محددة. شل حركة لbioprobe عادة ما ينطوي على سلسلة من الخطوات، وأنه من الأهمية بمكان أن كل خطوة يتم تنفيذ بشكل صحيح لضمان حسن سير العمل في جهاز الاستشعار البيولوجي. وقد تم تطوير تقنيات مختلفة لتحليل الصورةتكوين urface، بما في ذلك الأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS)، قياس إهليلجي، وقياس زاوية الاتصال، القوة الذرية المجهر (AFM)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). أساليب مثل فؤاد ووزارة شؤون المرأة توفر دليلا مباشرا على تجميد bioprobe على الجهاز أسلاك متناهية الصغر، في حين أساليب مثل XPS، قياس إهليلجي، وقياس زاوية الاتصال تعتمد على تجارب موازية أجريت على مواد أخرى مماثلة. في هذا التقرير، وصفنا تأكيد كل خطوة التعديل باستخدام طريقتين مستقلة. يستخدم XPS لفحص تركيز ذرات معينة على رقائق البولي سيليكون، ويتم قياس التغيرات في الخصائص الكهربائية من الجهاز مباشرة إلى تأكيد الاختلاف تهمة على سطح SNW. نحن نوظف biosensing الحمض النووي باستخدام SNWFETs الكريستالات (pSNWFETs) كمثال لتوضيح هذا البروتوكول. شل حركة مسبار الحمض النووي على سطح SNW تتضمن ثلاث خطوات: تعديل مجموعة أمين على سطح الهيدروكسيل الأصلي من SNW، آلتعديل مجموعة dehyde، و5'aminomodified-تجميد DNA التحقيق. في كل خطوة تعديل، ويمكن للجهاز الكشف عن مباشرة التباين في المسؤول عن مجموعة وظيفية ثبتوا على سطح SNW، لأن التهم سطح تسبب تغيرات المحتملة بينية المحلية خلال عازل بوابة التي تغير القناة الحالية وتصرف 1. رسوم المحيطة سطح SNW يمكن أن تعدل كهربائيا الخصائص الكهربائية للجهاز pSNWFET. ولذلك، فإن خصائص سطح SNW تلعب دورا حاسما في تحديد الخصائص الكهربائية للأجهزة pSNWFET. في الإجراءات المبلغ عنها، وتجميد لbioprobe على سطح SNW يمكن تحديد مباشرة، وأكد من خلال قياس الكهربائية، وإعداد الجهاز لتطبيقات biosensing.
تسويق من أعلى إلى أسفل ونهج تلفيق من أسفل إلى أعلى لsSNWFETs يعتبر صعبا نظرا لتكلفته 32،33، SNW السيطرة على الموقف 34،35، وانخفاض إنتاجها على نطاق و36. على النقيض من ذلك، افتعال pSNWFETs بسيطة ومنخفضة التكلفة 37. من خلال نهج من أعلى إلى أسفل وجانب تقنية تشكيل ?…
The authors have nothing to disclose.
This research was financially supported by Ministry of Science and Technology, Taiwan (104-2514-S-009 -001, 104-2627-M-009-001 and 102-2311-B-009-004-MY3). We thank the National Nano Device Laboratories (NDL) for its valuable assistance during device fabrication and analysis.
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 |