Fabbricazione di Nanotubi di carbonio ad alta frequenza Nanoelectronic biosensore per la rilevazione in alta forza ionica Solutions
Summary
Descriviamo la fabbricazione del dispositivo e il protocollo di misura per la base di nanotubi di biosensori ad alta frequenza di carbonio. La tecnica di rilevamento ad alta frequenza riduce la ionica (Debye) effetto fondamentale di screening e permette di nanotubi biosensore per essere utilizzato in soluzioni ad alta forza ionica dove biosensori elettronici convenzionali non riescono. La nostra tecnologia fornisce una piattaforma unica per il point-of-care (POC) biosensori elettronici operanti in condizioni fisiologicamente rilevanti.
Abstract
Le proprietà elettroniche uniche e coefficienti elevati superficie-volume di nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT) e nanofili semiconduttori (NO) 1-4 li rendono ottimi candidati per biosensori ad alta sensibilità. Quando una molecola carica lega a una tale superficie del sensore, altera la densità trasportatore 5 nel sensore, causando cambiamenti nella sua conduttanza DC. Tuttavia, in una soluzione ionica una superficie carica attrae anche contro-ioni dalla soluzione, formando un doppio strato elettrico (EDL). Questo EDL scherma efficacemente fuori la carica, e in condizioni fisiologicamente rilevanti ~ 100 millimolare (MM), la caratteristica lunghezza di screening di carica (lunghezza di Debye) è inferiore a un nanometro (nm). Così, in soluzioni ad alta forza ionica, rilevamento basato carica (CC) è fondamentalmente ostacolata 6-8.
Superiamo effetti di screening carica rilevando dipoli molecolari piuttosto che oneri ad alta frequenza, operando carbonio Nanotube effetto di campo come mixer ad alta frequenza 9-11. Alle alte frequenze, la forza di azionamento AC non può più superare la soluzione di trascinamento e gli ioni in soluzione non hanno il tempo sufficiente a formare l'EDL. Inoltre, la frequenza di tecnica di miscelazione ci consente di operare a frequenze abbastanza alte per superare lo screening ionica, e tuttavia di rilevare i segnali di rilevamento a frequenze più basse 11-12. Inoltre, l'elevata transconduttanza dei transistori SWNT fornisce un guadagno interno per il segnale di lettura, che evita la necessità di amplificatore di segnale esterno.
Qui, descriviamo il protocollo da (a) fabbricare transistor SWNT, (b) funzionalizzare biomolecole per il nanotubo 13, (c) progettare e timbrare un poli-dimetilsilossano (PDMS) camera di micro-fluidica 14 sul dispositivo, e (d) svolgere sensing ad alta frequenza in diverse soluzioni resistenza ionica 11.
Introduction
Quando una molecola carica si lega ad un sensore elettronico o SWNT NW, può sia donare / accettare elettroni o agire come un cancello elettrostatico locale. In entrambi i casi, la molecola legata può alterare la densità di carica nella SWNT o canale NW, portando ad un cambiamento della conduttanza CC misurata del sensore. Una grande varietà di molecole 15-20 aver rilevato con successo studiando caratteristiche CC dei nanosensori durante tali eventi di legame. Anche se la carica di rilevamento basato meccanismo di rilevamento ha molti vantaggi tra cui la rilevazione di etichette-free 21, sensibilità femto-molare 22, e leggere elettroniche fuori la capacità di 15, ma è efficace solo in soluzioni a bassa forza ionica. In soluzioni ad alta forza ionica, rilevamento DC è ostacolato dallo screening ionica 6-8. Una superficie carica attrae controioni dalla soluzione che forma un doppio strato elettrico (EDL) vicino alla superficie. L'EDL scherma efficacemente da queste accuse. Come tegli forza ionica della soluzione aumenta, l'EDL diventa lo screening aumenta stretto e. Questo effetto di schermatura è caratterizzata dal Debye screening di lunghezza λ D,
, Dove ε è la costante dielettrica del materiale, k B è la costante di Boltzmann, T è la temperatura, q è la carica dell'elettrone, e C è la forza ionica della soluzione elettrolitica. Per una tipica soluzione tampone 100 mM, λ D è di circa 1 nm e il potenziale superficiale sarà completamente proiettato ad una distanza di pochi nm. Come risultato, la maggior parte dei sensori nanoelettroniche basato su SWNTs o NWs funzionare sia in stato secco 20 o in soluzioni a bassa forza ionica 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mm), altrimenti il campione deve essere sottoposto a misure dissalazione 15,23. Dispositivi diagnostici point-of-care bisogno di operare in fisiologicamente rilevanti punti di forza ionica al sito paziente con capacità di elaborazione campione limitato. Quindi, attenuante effetto schermante ionico è fondamentale per lo sviluppo e l'attuazione del POC nanoelettronici biosensori.
Abbiamo mitigare l'effetto di schermatura ionico operando SWNT sensore nanoelettronica basata in gamma di frequenza megahertz. Il protocollo qui fornite dettagli la fabbricazione di un transistore SWNT basata nanoelettronico piattaforma rilevamento e misura miscelazione ad alta frequenza per il rilevamento biomolecolare. I nanotubi di carbonio a parete singola sono coltivate da deposizione di vapore chimico su substrati a motivi geometrici con catalizzatori Fe 24. Per i nostri transistor SWNT, incorporiamo un sospeso alto cancello 25 posizionato a 500 nm sopra il nanotubo, che aiuta a migliorare la risposta del sensore ad alta frequenza e permette anche di una micr compattocamera di o-fluidico per sigillare il dispositivo. I transistor SWNT sono gestiti come miscelatori ad alta frequenza 9-11 per superare gli effetti di sfondo di screening ionici. Alle alte frequenze, gli ioni mobili in soluzione non hanno tempo sufficiente a formare l'EDL ed i dipoli biomolecolari fluttuanti può ancora il cancello SWNT per generare una corrente di miscelazione, che è il nostro segnale di rilevamento. La frequenza di miscelazione si pone a causa delle caratteristiche IV non lineare di un nanotubo FET. Nostra tecnica di rilevazione differenzia dalle tecniche convenzionali di rilevamento basato carica e spettroscopia di impedenza 26-27. In primo luogo, si rileva dipoli biomolecolari ad alta frequenza, piuttosto che costi associati. In secondo luogo, l'elevata transconduttanza del transistore SWNT fornisce un guadagno interno per il segnale di rilevamento. Questo evita la necessità di amplificazione esterna come nel caso delle misure di impedenza ad alta frequenza. Recentemente, altri gruppi hanno affrontato anche il rilevamento biomolecolare in alta baconcentrazioni SFONDO 23,28. Tuttavia, questi metodi sono più coinvolti, che richiedono la fabbricazione complessi o un'attenta ingegneria chimica delle molecole recettoriali. Nostro sensore SWNT ad alta frequenza comprende un disegno semplice e utilizza la frequenza di miscelazione proprietà intrinseca di un transistor nanotubo. Siamo in grado di mitigare gli effetti di screening ionici, promettendo così una nuova piattaforma di biosensori per il rilevamento in tempo reale point-of-care, dove sono desiderati biosensori funzionanti direttamente in condizione fisiologicamente rilevanti.
Protocol
Representative Results
Discussion
La crescita di nanotubi di carbonio dipende non solo dalle condizioni di forni ma anche substrato pulizia. L'ottimale della portata del gas, temperatura e pressione per la crescita devono calibrata attentamente e quando fissati sono più o meno stabile. Anche con l'essere soddisfatte queste condizioni, abbiamo scoperto che la crescita dipende dalla zona catalizzatore fantasia, quantità di catalizzatore e substrato pulizia. Quindi, abbiamo incorporato più dimensioni pit catalizzatore per tenere conto della vari…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo il Prof. Paolo McEuen alla Cornell University per la discussione iniziale. Il lavoro è supportato dal fondo iniziale fornire dall'Università del Michigan e la National Science Foundation Programma di nanofabbricazione scalabile (DMR-1.120.187). Questo lavoro ha utilizzato il Lurie Nanofabrication Facility presso Università del Michigan, un membro della National Nanotechnology Network Infrastructure finanziato dalla National Science Foundation.
Materials
| REAGENTS | |||
| Reagents which were provided within Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) are marked as LNF in the catalogue column. Chemicals which require protective equipment (gloves, safety goggles, face mask, apron) and/or fume hood are denoted with PPE in comments section. | |||
| Silicon wafers (P-type, <100>, 500-550 μm thick) | Silicon Valley Microelectronics | ||
| SPR 220 3.0 | Dow (Rohm and Haas) | Megaposit SPR | PPE |
| AZ 300MIF | AZ Electronic Material Corporation | PPE | |
| Acetone | J T Baker | 9005-05 | PPE |
| Isopropanol (IPA) | J T Baker | 9079-05 | |
| Buffered Hydrofluoric Acid | Transene | PPE | |
| 1-Pyrene Butanoic Acid, succinimidyl ester | Molecular Probes | P130 | PPE |
| Biotin PEO Amine | Thermo Scientific | EZ- Link PEG2 Biotin, # 21346 | PPE |
| Streptavidin | Invitrogen | S 888 | PPE |
| Dimethylformamide | MP Biomedicals | 0219514791 | PPE |
| Polydimethylsiloxane Elastomer Base and Curing Agent | Dow Corning | Sylgard 184 Elastomer Kit | PPE |
| SU-8 2015 | Microchem | Y111064 | PPE |
| SU-8 Developer | Microchem | Y020100 | PPE |
| Silanizing agent | Sigma Aldrich | 452807 | PPE |
| Hydrogen | Purity Plus | LNF | |
| Ethylene | Purity Plus | LNF | |
| Argon | Purity Plus | LNF | |
| Phosphate Buffer Saline System | Sigma Aldrich | PBS1 | |
| EQUIPMENT | |||
| Equipment provided by Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) is denoted as LNF in Catalogue column. | |||
| GCA 200 Autostepper | GCA | LNF | |
| Low Pressure Chemical Vapor Deposition Tool | Tempress | LNF | |
| e-beam Evaporator | Enerjet | LNF | |
| CNT growth Furnace | First Nano | Easy Tube 3000 (LNF) | |
| Photomasks | Nanofilm | LNF | |
| Petri dish (150mm) | LNF | ||
| Desiccator | Bel-Art | F420100000 | |
| Biopsy Punch | Ted Pella | 15071/78 | |
| Scalpel | Ted Pella | 548 | |
| Polyethylene Tubing PE-50 | VWR | 20903-414 | |
| Syringe Pump | New Era Pump Systems | NE-1000 | |
| Syringe | Fisher Scientific | BD Safety-Lok Syringes | |
| Syringe Needles | Fisher Scientific | 14-821-13A | |
| DAQ card | National Instruments | 779111-01 | |
| GPIB connector | National Instruments | 778032-51 | |
| Lock-in Amplifier | Stanford Research Systems | SR 830 | |
| Frequency Generator | HP Agilent | 8648B, 9kHz -2GHz | |
| Bias Tee | Picosecond | 5575A-104 | |
| Current Preamplifier | DL Instruments, LLC | DL 1211 | |
| BNC cables | Allied Electronics | 665-xxxx | |
| SMA cables | Sentro Tech Corp | SCF65141 |
References
- Dekker, C. Carbon nanotubes as molecular quantum wires. Phys. Today. 52, 22-28 (1999).
- McEuen, P. L., Fuhrer, M. S., Park, H. K. Single-walled carbon nanotube electronics. IEEE Transactions on Nanotechnology. 1, 78-85 (2002).
- Duan, X. F., Huang, Y., Cui, Y., Wang, J. F., Lieber, C. M. Indium phosphide nanowires as building blocks for nanoscale electronic and optoelectronic devices. Nature. 409, 66-69 (2001).
- Cui, Y., Zhong, Z. H., Wang, D. L., Wang, W. U., Lieber, C. M. High performance silicon nanowire field effect transistors. Nano Letters. 3, 149-152 (2003).
- Heller, I., Janssens, A. M., et al. Identifying the mechanism of biosensing with carbon nanotube transistors. Nano Letters. 8, 591-595 (2008).
- Stern, E., Wagner, R., et al. Importance of the debye screening length on nanowire field effect transistor sensors. Nano Letters. 7, 3405-3409 (2007).
- Zhang, G. J., Zhang, G., et al. DNA sensing by silicon nanowire: Charge layer distance dependence. Nano Letters. 8, 1066-1070 (2008).
- Sorgenfrei, S., Chiu, C. -. y., Johnston, M., Nuckolls, C., Shepard, K. L. Debye Screening in Single-Molecule Carbon Nanotube Field-Effect Sensors. Nano Letters. 11, 3739-3743 (2011).
- Appenzeller, J., Frank, D. J. Frequency dependent characterization of transport properties in carbon nanotube transistors. Applied Physics Letters. 84, 1771-1773 (2004).
- Rosenblatt, S., Lin, H., Sazonova, V., Tiwari, S., McEuen, P. L. Mixing at 50 GHz using a single-walled carbon nanotube transistor. Applied Physics Letters. 87, (2005).
- Kulkarni, G. S., Zhong, Z. H. Detection beyond the Debye Screening Length in a High-Frequency Nanoelectronic Biosensor. Nano Letters. 12, 719-723 (2012).
- Sazonova, V. . A Tunable Carbon Nanotube Resonator. , (2006).
- Chen, R. J., Zhang, Y. G., Wang, D. W., Dai, H. J. Noncovalent sidewall functionalization of single-walled carbon nanotubes for protein immobilization. Journal of the American Chemical Society. 123, 3838-3839 (2001).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane. Analytical Chemistry. 70, 4974-4984 (1998).
- Zheng, G. F., Patolsky, F., Cui, Y., Wang, W. U., Lieber, C. M. Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nature Biotechnology. 23, 1294-1301 (2005).
- Star, A., Han, T. R., Gabriel, J. C. P., Bradley, K., Gruner, G. Interaction of aromatic compounds with carbon nanotubes: Correlation to the Hammett parameter of the substituent and measured carbon nanotube FET response. Nano Letters. 3, 1421-1423 (2003).
- Besteman, K., Lee, J. O., Wiertz, F. G. M., Heering, H. A., Dekker, C. Enzyme-coated carbon nanotubes as single-molecule biosensors. Nano Letters. 3, 727-730 (2003).
- Snow, E. S., Perkins, F. K., Houser, E. J., Badescu, S. C., Reinecke, T. L. Chemical detection with a single-walled carbon nanotube capacitor. Science. 307, 1942-1945 (2005).
- Kong, J., Franklin, N. R., et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors. Science. 287, 622-625 (2000).
- Star, A., Tu, E., et al. Label-free detection of DNA hybridization using carbon nanotube network field-effect transistors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103, 921-926 (2006).
- Patolsky, F., Zheng, G. F., Lieber, C. M. Nanowire-based biosensors. Analytical Chemistry. 78, 4260-4269 (2006).
- Stern, E., Klemic, J. F., et al. Label-free immunodetection with CMOS-compatible semiconducting nanowires. Nature. 445, 519-522 (2007).
- Krivitsky, V., Hsiung, L. -. C., et al. Nanowires Forest-Based On-Chip Biomolecular Filtering, Separation and Preconcentration Devices: Nanowires Do it All. Nano Letters. 12, 4748-4756 (2012).
- Kong, J., Soh, H. T., Cassell, A. M., Quate, C. F., Dai, H. J. Synthesis of individual single-walled carbon nanotubes on patterned silicon wafers. Nature. 395, 878-881 (1998).
- Liu, G., Velasco, J., Bao, W. Z., Lau, C. N. Fabrication of graphene p-n-p junctions with contactless top gates. Applied Physics Letters. 92, (2008).
- Katz, E., Willner, I. Probing biomolecular interactions at conductive and semiconductive surfaces by impedance spectroscopy: Routes to impedimetric immunosensors, DNA-Sensors, and enzyme biosensors. Electroanalysis. 15, 913-947 (2003).
- K’Owino, I. O., Sadik, O. A. Impedance spectroscopy: A powerful tool for rapid biomolecular screening and cell culture monitoring. Electroanalysis. 17, 2101-2113 (2005).
- Elnathan, R., Kwiat, M., et al. Biorecognition Layer Engineering: Overcoming Screening Limitations of Nanowire-Based FET Devices. Nano Letters. 12, 5245-5254 (2012).
