הכנת טרנזיסטור הסיליקון Nanowire שדה ותוצאה עבור יישומים כימיים biosensing
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
אפקט שדה, טרנזיסטורים nanowire הסיליקון (SNWFETs) יש את היתרונות של רגישות גבוהה במיוחד ותגובות חשמליות ישירות וריאצית תשלום סביבה. בשנת SNWFETs מסוג n למשל, כאשר מולקולה טעונה שלילי (או חיובי) מתקרבת nanowire סיליקון (SNW), נושא את SNW מתרוקנים (או לצבור). כתוצאה מכך, המוליכות של SNWFET יורדות (או עליות) 1. לכן, כל מולקולה טעונה קרוב לפני השטח SNW של המכשיר SNWFET ניתן לאתר. ביומולקולות ויטל כוללים אנזימים, חלבונים, נוקלאוטידים, ומולקולות רבות על פני התא הם נושאי מטען וניתן לנטר באמצעות SNWFETs. עם שינויים מתאימים, במיוחד משתק בדיקה וביומולקולרית על SNW, SNWFET ניתן התפתח biosensor ללא תווית.
מעקב באמצעות סמנים ביולוגיים הוא קריטי לאבחון מחלות. כפי שניתן לראות בטבלה 1, מספר מחקרים השתמשו NWFET מבוסס חיישנים ביולוגיים עבור ללא תווית, אולטרה-רגישות גבוהה, וזיהוי בזמן האמת של מטרות ביולוגיות שונות, לרבות יחיד וירוס 2, אדנוזין אדנוזין ו קינאז מחייב 3, אותות עצביים 4, יוני מתכת 5,6, רעלנים חיידקיים 7, דופמין 8, DNA 9-11, RNA 12,13, האנזים סמנים לסרטן 14-19, הורמונים אדם 20, וציטוקינים 21,22. מחקרים אלו הוכיחו כי biosensors המבוסס NWFET מייצג פלטפורמת זיהוי חזקה עבור מגוון רחב של מינים ביולוגיים וכימיים בתמיסה.
בשנת biosensors המבוסס SNWFET, החללית משותקת על פני שטח SNW של המכשיר מזהה biotarget ספציפי. משתקות bioprobe בדרך כלל שורה של צעדים, וזה קריטי, כי כל צעד מתבצע כראוי, כדי להבטיח את התפקוד התקין של biosensor. טכניקות שונות פותחו לניתוח sהרכב urface, כולל ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן (XPS), ellipsometry, מדידת זווית המגע, מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), וכן במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). שיטות כגון AFM ו SEM לספק עדות ישירה של חוסר תנועת bioprobe במכשיר nanowire, ואילו שיטות כגון XPS, ellipsometry, ומדידת זווית מגע תלויות ניסויים מקבילים שבוצעו על חומרים דומים אחרים. בדו"ח זה, אנו מתארים את אישור כל שלב שינוי באמצעות שתי שיטות עצמאיות. XPS משמש כדי לבחון את הריכוזים של אטומים ספציפיים על פרוסות פוליסיליקון, ופערי התכונות החשמליות של המכשיר נמדדים ישירות כדי לאשר את וריאצית תשלום על פני שטח SNW. אנו מעסיקים biosensing DNA באמצעות SNWFETs גבישי (pSNWFETs) כדוגמה כדי להמחיש בפרוטוקול זה. משתקות בדיקת DNA על פני שטח SNW כרוך בשלושה שלבים: שינוי קבוצה אמינית על פני שטח הידרוקסיל יליד SNW, אלשינוי בקבוצה dehyde, וקיבוע בדיקת DNA 5'-aminomodified. בכל שלב שינוי, המכשיר יכול לזהות הווריאציה ישירות תחת השגחתו של הקבוצה הפונקציונלית משותק על פני שטח SNW, כי האשמות המשטח לגרום מקומיים שינויים פוטנציאליים interfacial מעל השער דיאלקטרי המשנים את הנוכחי ערוץ מוליכות 1. חיובים סביב משטח SNW יכול חשמלי לווסת את התכונות החשמליות של מכשיר pSNWFET; אם כן, מאפייני השטח של SNW לשחק תפקיד מכריע בקביעת המאפיינים החשמליים של מכשירי pSNWFET. בנהלים שדווחו, חוסר התנועה של bioprobe על פני שטח SNW ניתן לקבוע ישירות ואשר באמצעות מדידה חשמלית, וההתקן מוכן יישומי biosensing.
Protocol
Representative Results
Discussion
מסחור מלמעלה למטה ייצור מלמטה למעלה גישות sSNWFETs נחשב קשה בגלל עלותו 32,33, שליטה על מיקום SNW 34,35, והייצור שלה נמוך בקנה מידה 36. לעומת זאת, בודת pSNWFETs היא עלות פשוט נמוכה 37. דרך הגישה מלמעלה למטה ואת בשילוב עם טכניקת היווצרות spacer הדפנות (איור 1),</strong…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
Referenzen
- Lin, C. H. et al. Surface composition and interactions of mobile charges with immobilized molecules on polycrystalline silicon nanowires. Sensor Actuat B-Chem 211, 7-16 (2015).
- Patolsky, F. et al. Electrical detection of single viruses. P Natl Acad Sci USA 101, 14017-14022 (2004).
- 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).
- Patolsky, F. et al. Detection, stimulation, and inhibition of neuronal signals with high-density nanowire transistor arrays. Science 313, 1100-1104 (2006).
- Bi, X. et al. Development of electrochemical calcium sensors by using silicon nanowires modified with phosphotyrosine. Biosens Bioelectron 23, 1442-1448 (2008).
- 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).
- Mishra, N. N. et al. Ultra-sensitive detection of bacterial toxin with silicon nanowire transistor. Lab on a chip 8, 868-871 (2008).
- Lin, C. H. et al. Ultrasensitive detection of dopamine using a polysilicon nanowire field-effect transistor. Chem Commun. 5749-5751 (2008).
- Hahm, J., & Lieber, C. M. Direct ultrasensitive electrical detection of DNA and DNA sequence variations using nanowire nanosensors. Nano Lett. 4, 51-54 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lu, N. et al. CMOS-compatible silicon nanowire field-effect transistors for ultrasensitive and label-free microRNAs sensing. Small. 10, 2022-2028 (2014).
- 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).
- 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).
- Lin, T. Y. et al. Improved silicon nanowire field-effect transistors for fast protein-protein interaction screening. Lab Chip 13, 676-684 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Doering, R., & Nishi, Y. Handbook of semiconductor manufacturing technology. 2nd edn, CRC Press, (2008).
- 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).
- Gaspar, J. et al. Digital lock in amplifier: study, design and development with a digital signal processor. Microprocess Microsy 28, 157-162 (2004).
- 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).
- Townsend, M. B. et al. Experimental evaluation of the FluChip diagnostic microarray for influenza virus surveillance. J Clin Microbiol 44, 2863-2871 (2006).
- 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).
- Lin, C.-H. et al. Recovery Based Nanowire Field-Effect Transistor Detection of Pathogenic Avian Influenza DNA. Jpn J Appl Phys 51, 02BL02 (2012).
- Lee, K. N. et al. Well controlled assembly of silicon nanowires by nanowire transfer method. Nanotechnology 18 445302 (2007).
- Li, Z. et al. Sequence-specific label-free DNA sensors based on silicon nanowires. Nano Lett 4, 245-247 (2004).
- McAlpine, M. C. et al. High-performance nanowire electronics and photonics on glass and plastic substrates. Nano Lett 3, 1531-1535 (2003).
- 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).
- Patolsky, F., Zheng, G., & Lieber, C. M. Nanowire-based biosensors. Anal Chem. 78, 4260-4269 (2006).
- Hsiao, C. Y. et al. Novel poly-silicon nanowire field effect transistor for biosensing application. Biosens Bioelectron 24, 1223-1229 (2009).
