تصنيع الكربون الأنابيب الجزيئية عالي التردد الكترونيات النانو جهاز الاستشعار البيولوجي للاستشعار عالية في حلول القوة الأيونية
Summary
نحن تصف تصنيع الجهاز وبروتوكول القياس لأنابيب الكربون القائمة على أجهزة الاستشعار عالية التردد. تردد تقنية الاستشعار عالية يخفف من الأيونية الأساسية (ديباي) تأثير الفحص ويسمح أنابيب جهاز الاستشعار البيولوجي وسيتم تشغيلها في حلول عالية القوة الأيونية حيث فشل أجهزة الاستشعار الالكترونية التقليدية. توفر التكنولوجيا لدينا منصة فريدة لنقطة من الرعاية (POC) أجهزة الاستشعار الإلكترونية التي تعمل في ظروف ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية.
Abstract
الخصائص الإلكترونية فريدة من نوعها ونسب سطح إلى ارتفاع حجم أنابيب الكربون النانوية احد الجدران (SWNT) وأسلاك أشباه الموصلات (NW) 1-4 جعلها مرشحة جيدة للأجهزة الاستشعار حساسية عالية. عندما يربط جزيء المحملة على مثل هذا السطح الاستشعار، فإنه يغير كثافة الناقل 5 في أجهزة الاستشعار، مما يؤدي إلى تغيرات في تصرف DC لها. ومع ذلك، في محلول أيوني يجذب سطح اتهم أيضا مكافحة أيونات من الحل، وتشكيل طبقة مزدوجة الكهربائية (EDL). هذه مؤسسة كهرباء لبنان على نحو فعال شاشات قبالة تهمة، وفي ظروف ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية ~ 100 millimolar (مم)، فإن السمة تهمة طول الفرز (ديباي طول) هو أقل من النانومتر (نانومتر). وهكذا، في حلول عالية القوة الأيونية، كما أنها تعرقل تهمة مقرها (DC) كشف جوهريا 6-8.
نتغلب على آثار فحص تهمة عن طريق الكشف عن ثنائيات الاقطاب الجزيئية بدلا من الاتهامات في وتيرة عالية، من خلال تشغيل الكربون nanotيوب الترانزستورات تأثير الحقل كما خلاطات عالية التردد 9-11. على ترددات عالية، ويمكن للقوة محرك AC لم يعد التغلب على السحب الحل والأيونات في الحل لم يكن لديك الوقت الكافي لتشكيل مؤسسة كهرباء لبنان. علاوة على ذلك، تردد تقنية خلط يتيح لنا أن تعمل على ترددات عالية بما فيه الكفاية للتغلب على فحص الأيونية، وبعد الكشف عن إشارات الاستشعار في انخفاض الترددات 11-12. أيضا، وtransconductance عالية من الترانزستورات SWNT يوفر مكاسب داخلية للإشارة الاستشعار عن بعد، والذي يغني عن الحاجة إلى مكبر للصوت إشارة خارجية.
هنا، نحن تصف البروتوكول إلى (أ) افتعال الترانزستورات SWNT، (ب) functionalize الجزيئات الحيوية للأنابيب 13، (ج) تصميم والقضاء على بولي dimethylsiloxane (PDMS) غرفة الدقيقة 14 فلويديك على الجهاز، و (د) تنفيذ الاستشعار عالية التردد في مختلف الحلول القوة الأيونية 11.
Introduction
عندما يربط جزيء دفع إلى SWNT أو NW أجهزة الاستشعار الالكترونية، فإنه يمكن إما التبرع / قبول الإلكترونات أو بمثابة بوابة كهرباء المحلية. في كلتا الحالتين، يمكن للجزيء المربوطة تغيير كثافة الشحنة في SWNT أو قناة NW، مما يؤدي إلى تغير في تصرف DC يقاس من أجهزة الاستشعار. مجموعة كبيرة متنوعة من الجزيئات 15-20 تم الكشف بنجاح من خلال دراسة خصائص DC من nanosensors خلال مثل هذه الأحداث ملزمة. على الرغم من يعتمد آلية الاستشعار عن المسؤول عن الكشف عن العديد من المزايا بما في ذلك الكشف خالية من تسمية 21، حساسية فيمتو المولي 22، وقراءة الإلكترونية من القدرة 15؛ أنها فعالة فقط في انخفاض القوة الأيونية حلول. في حلول عالية القوة الأيونية، ما يعيق الكشف DC عن طريق الفحص الأيونية 6-8. A سطح اتهم يجذب مكافحة أيونات من الحل الذي يشكل الطبقة الكهربائية المزدوجة (EDL) بالقرب من السطح. مؤسسة كهرباء لبنان على نحو فعال شاشات خارج هذه الاتهامات. كما رانه القوة الأيونية للزيادات حل، ومؤسسة كهرباء لبنان يصبح الزيادات فحص أضيق و. ويتميز هذا التأثير فحص من قبل حاجز ديباي طول λ D،
، حيث ε هو السماحية عازلة من وسائل الإعلام، ك B هو ثابت، T بولتزمان هي درجة الحرارة، س هو شحنة الإلكترون، وجيم هو القوة الأيونية من الحل بالكهرباء. لنموذجي 100 ملي حل العازلة، λ D هو حوالي 1 نانومتر، وسيتم عرض إمكانات سطح تماما على مسافة بضعة نانومتر. نتيجة، فإن معظم أجهزة الاستشعار الكترونيات النانو على أساس SWNTs أو NWS تعمل إما في الحالة الجافة 20 أو في انخفاض القوة الأيونية حلول 5،15،17،21-22 (ج ~ 1 نانومتر- 10 ملم)، وإلا يحتاج إلى عينة للخضوع خطوات إزالة الملوحة 15،23. أجهزة التشخيص من الرعاية نقطة تحتاج للعمل في نقاط القوة الأيونية ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية في موقع المريض مع قدرة محدودة تجهيز العينات. وبالتالي، تخفيف تأثير الفحص الأيونية هو أمر حاسم لوضع وتنفيذ POC أجهزة الاستشعار الكترونيات النانو.
نحن التخفيف من تأثير الفحص الأيونية من خلال تشغيل SWNT المستند إلى مستشعر الكترونيات النانو في ميغاهرتز نطاق الترددات. قدم بروتوكول هنا تفاصيل تلفيق الترانزستور SWNT استنادا الكترونيات النانو منصة الاستشعار عن بعد وارتفاع وتيرة قياس خلط للكشف الجزيئية البيولوجية. تزرع أنابيب الكربون النانوية الجدران واحد عن طريق ترسيب الأبخرة الكيميائية على ركائز منقوشة مع الحديد المحفزات 24. لالترانزستورات SWNT لدينا، ونحن دمج علقت أعلى البوابة 25 وضعت 500 نانومتر فوق أنابيب، مما يساعد على تعزيز استجابة جهاز استشعار عالية التردد، ويسمح أيضا لميكر المدمجةO-فلويديك غرفة لاغلاق الجهاز. ويتم تشغيل الترانزستورات SWNT كما خلاطات عالية التردد 9-11 من أجل التغلب على الآثار خلفية فحص الأيونية. على ترددات عالية، وأيونات المحمول في الحل لم يكن لديك الوقت الكافي لتشكيل مؤسسة كهرباء لبنان وثنائيات الاقطاب الجزيئية البيولوجية المتقلبة يمكن لا يزال باب SWNT لتوليد تيار الاختلاط، الذي هو إشارة الاستشعار لدينا. تردد خلط ينشأ بسبب الخصائص غير الخطية الرابع من أنابيب FET. يختلف أسلوبنا الكشف عن التقنيات التقليدية للكشف المسؤول القائم على التحليل الطيفي ومقاومة 26-27. أولا، اكتشفنا ثنائيات الاقطاب الجزيئية البيولوجية في الترددات العالية بدلا من التهم المرتبطة بها. ثانيا، transconductance عالية من الترانزستور SWNT يوفر مكاسب داخلية للإشارة الاستشعار عن بعد. هذا يغني عن الحاجة إلى التضخيم الخارجي كما في حالة قياسات مقاومة عالية التردد. في الآونة الأخيرة، وتناولت مجموعات أخرى أيضا الكشف الجزيئية البيولوجية في مكتبة الإسكندرية عاليةتركيزات ckground 23،28. ومع ذلك، وهذه الأساليب هي أكثر انخراطا، وتتطلب تصنيع معقدة أو الهندسة الكيميائية حذرا من جزيئات المستقبلات. لدينا عالية التردد استشعار SWNT يشتمل على تصميم أبسط ويستخدم تردد الملكية خلط المتأصلة من الترانزستور أنابيب. ونحن قادرون على التخفيف من آثار فحص الأيونية، وبالتالي واعدة منصة biosensing جديدة لفي الوقت الحقيقي الكشف عن نقطة من الرعاية، حيث يتم المطلوب أجهزة الاستشعار تعمل مباشرة في حالة ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية.
Protocol
Representative Results
Discussion
نمو أنابيب الكربون النانوية لا يتوقف فقط على ظروف الفرن ولكن أيضا النظافة الركيزة. تدفق الغاز الأمثل معدل ودرجة الحرارة والضغط لتحقيق النمو يجب أن معايرة بعناية وثابتة مرة واحدة أنهم أكثر أو أقل استقرارا. حتى مع هذه الظروف يجري الوفاء بها، وجدنا أن النمو يعتمد على ال…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر الأستاذ بول McEuen في جامعة كورنيل للمناقشة في وقت مبكر. يتم اعتماد العمل من قبل صندوق بدء تقديم من قبل جامعة ميشيغان ومؤسسة برنامج Nanomanufacturing الوطنية للعلوم قابلة لل(DMR-1120187). يستخدم هذا العمل مرفق النانوية لوري في جامعة ميشيغان، وهو عضو في شبكة تقنية النانو البنية التحتية الوطنية بتمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم.
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).
