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.
Кремний нанопроволок полевые транзисторы (SNWFETs) имеют преимущества ультра-высокой чувствительности и прямых электрических ответов на изменения окружающей среды заряда. В SNWFETs п-типа, например, когда отрицательно (или положительно) заряженная молекула приближается к нанопроволоки кремния (SNW), несущие в SNW истощаются (или накапливать). Следовательно, проводимость SNWFET уменьшается (или увеличивается) 1. Таким образом, можно обнаружить любой заряженная молекула вблизи SNW поверхности SNWFET устройства. Жизненно важные биомолекулы, включая ферменты, белки, нуклеотиды, а также многих молекул на поверхности клетки являются носителями заряда и могут быть проверены с помощью SNWFETs. С помощью соответствующих модификаций, в частности иммобилизации биомолекулярной зонд на SNW, A SNWFET может быть развит в этикеточной свободной биосенсора.
Наблюдение с помощью биомаркеров имеет решающее значение для диагностики заболеваний. Как показано в таблице 1, несколько исследований использовали NWFET на основе биосенсоров для этикетки , свободной, ультра-высокой чувствительности, а также обнаружение в реальном времени различных биологических мишеней, в том числе одного вируса 2, аденозинтрифосфата и киназы связывания 3, нейронные сигналы 4, ионы металлов 5,6, бактериальные токсины 7, 8 допамина, ДНК 9-11, РНК 12,13, ферментные и биомаркеров рака 14-19, человеческие гормоны 20 и цитокины 21,22. Эти исследования показали, что NWFET основе биосенсоры представляют собой мощную платформу для обнаружения для широкого спектра биологических и химических частиц в растворе.
В биосенсоров SNWFET основе, зонд, иммобилизованный на поверхности SNW устройства распознает специфическую biotarget. Иммобилизации bioprobe обычно включает в себя ряд этапов, и это очень важно, чтобы каждый шаг правильно выполняется для обеспечения надлежащего функционирования биосенсора. Различные методы были разработаны для анализа Surface состав, в том числе и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), эллипсометрии, измерения угла контакта, атомно-силовой микроскопии (АСМ) и сканирующей электронной микроскопии (SEM). Такие методы, как атомно-силовой микроскопии и SEM обеспечивают прямое доказательство bioprobe иммобилизации на нанопроволоки устройства, в то время как методы, такие как XPS, эллипсометрии и измерения угла смачивания зависят от параллельных экспериментов, выполненных на других подобных материалов. В этом докладе мы описываем подтверждение каждой стадии модификации с помощью двух независимых методов. XPS используется для изучения концентрации специфических атомов на поликремния вафель, а также изменения в электрических свойствах устройства измеряются непосредственно, чтобы подтвердить изменение заряда на поверхности SNW. Мы используем биодат- ДНК с использованием поликристаллических SNWFETs (pSNWFETs) в качестве примера, чтобы проиллюстрировать этот протокол. Иммобилизации ДНК-зонд на поверхности SNW включает три этапа: модификация группы амина на нативного гидроксила поверхности SNW, алмодификация группы вого альдегида и 5'-aminomodified ДНК-зонд иммобилизации. На каждом этапе модификации, устройство может непосредственно обнаружить изменение заряда функциональной группы , иммобилизованным на поверхности SNW, поскольку поверхностные заряды вызывают локальные межфазных потенциальные изменения над диэлектрик затвора , которые изменяют ток канала и проводимость 1. Обвинения, окружающие поверхности SNW могут электрически модулировать электрические свойства pSNWFET устройства; Таким образом, поверхностные свойства SNW играют решающую роль в определении электрических характеристик устройств pSNWFET. В сообщенных процедурах, иммобилизация в bioprobe на поверхности SNW может быть непосредственно определена и подтверждена с помощью электрического измерения и устройство подготовлено к биодат- приложений.
Коммерциализация сверху-вниз и изготовление снизу вверх подходит для sSNWFETs считается трудным из – за своей стоимости 32,33, SNW управления положением 34,35, и его низкой масштабах производства 36. В противоположность этому , фабрикации pSNWFETs проста и низкая стоимость 37. С …
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 |