Fabricage van koolstof nanobuis High-Frequency Nano-elektronische biosensoren voor Sensing in High Ionic Strength Solutions
Summary
We beschrijven het apparaat fabricage en meetprotocol voor koolstof nanobuis gebaseerde hoge frequentie biosensoren. De hoge frequentie sensing techniek vermindert de fundamentele ionische (Debye) screening effect en laat nanobuis biosensor in hoge ionische sterkte oplossingen waar conventionele elektronische biosensoren niet worden bediend. Onze technologie biedt een uniek platform voor point-of-care (POC) elektronische biosensoren die in fysiologisch relevante omstandigheden.
Abstract
Het unieke elektronische eigenschappen en een hoge oppervlakte-volume verhouding van single-walled carbon nanotubes (SWNT) en halfgeleider nanodraden (NW) 1-4 maken ze goede kandidaten voor hoge gevoeligheid biosensoren. Wanneer een geladen molecuul bindt aan dergelijke sensoroppervlak, het verandert de ladingsdichtheid 5 in de sensor, wat resulteert in veranderingen in de DC geleiding. Echter, in een ionische oplossing een geladen oppervlak trekt ook contra-ionen uit de oplossing, het vormen van een elektrische dubbellaag (EDL). Deze EDL effectief afschermt van de lading, en in fysiologisch relevante omstandigheden ~ 100 millimolair (mM), de karakteristieke lading screening lengte (Debye lengte) is minder dan een nanometer (nm). Zo is in hoge ionische sterkte oplossingen, charge gebaseerde (DC)-detectie is fundamenteel belemmerd 6-8.
We overwinnen lading screening effecten door het detecteren van moleculaire dipolen in plaats van kosten bij hoge frequentie, door het bedienen van koolstof NANOTube field effect transistors als hoge frequentie mixers 9-11. Bij hoge frequenties, kan de frequentieregelaar kracht niet meer overwinnen van de oplossing slepen en de ionen in oplossing niet voldoende tijd om de EDL te vormen. Verder frequentie mixing techniek ook toe bij de frequenties hoog genoeg ionische screening overwinnen, en de sensor signalen bij lagere frequenties 11-12 Nog detecteren. Ook de grote steilheid van SWNT transistoren betekent een interne winst voor het detectiesignaal, dat de behoefte aan externe signaalversterker ondervangt.
Hier beschrijven we het protocol tot (a) vervaardigen SWNT transistoren, (b) het functionaliseren biomoleculen nanobuis 13 (c) het ontwerpen en stempel een polydimethylsiloxaan (PDMS) microfluïdische kamer 14 op de inrichting en (d) uitvoeren van hoogfrequente sensing in verschillende ionische sterkte oplossingen 11.
Introduction
Wanneer een geladen molecuul bindt aan een SWNT of NW elektronische sensor, kan het ofwel doneren / accepteren elektronen of fungeren als een lokale elektrostatische poort. In beide gevallen kan de gebonden molecule de ladingsdichtheid te wijzigen of de SWNT NW kanaal, wat leidt tot een verandering in de gemeten DC geleiding van de sensor. Een grote verscheidenheid aan moleculen 15-20 met succes gedetecteerd door het bestuderen DC kenmerken van de nanosensoren tijdens dergelijke bindingsgebeurtenissen. Ook al last-detectie gebaseerd sensing mechanisme heeft vele voordelen, waaronder label-free detectie 21, Femto-mol gevoeligheid 22, en elektronische uitgelezen mogelijkheid 15, het is alleen effectief in lage ionische sterkte oplossingen. In hoge ionische sterkte oplossingen, wordt DC detectie belemmerd door ionische screening 6-8. Een geladen oppervlak trekt contra-ionen uit de oplossing die een elektrische dubbellaag (EDL) nabij het oppervlak vormt. De EDL effectief afschermt deze kosten. Als tHij ionsterkte van de oplossing toeneemt, de EDL smaller en screening verhoogt. Deze screening effect wordt gekenmerkt door de Debye screening lengte λ D,
, Waarin ε de diëlektrische permittiviteit van de media, k B de constante van Boltzmann, T de temperatuur, q de elektronlading, en c is de ionsterkte van de elektrolytoplossing. Voor een typische 100 mM bufferoplossing, λ D is ongeveer 1 nm en de potentiële oppervlak volledig vertoond op een afstand van enkele nm. Dientengevolge meeste van nano-elektronische sensoren op basis van SWNT of NWs werken ofwel in droge toestand 20 of lage ionsterkte oplossingen 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mM), anders moet het monster ontzouten stappen ondergaan 15,23. Point-of-care diagnostische apparaten moeten werken in fysiologisch relevante ionsterktes op locatie patiënt met beperkte steekproef verwerkingscapaciteit. Vandaar verzachtende ionische screening effect is van cruciaal belang voor de ontwikkeling en implementatie van POC nano-elektronische biosensoren.
We beperken de ionische screening effect door het bedienen van SWNT gebaseerde nano-elektronische sensor aan megahertz frequentiebereik. Het protocol hier verstrekte informatie de fabricage van een SWNT transistor gebaseerd nano-elektronische detectie-platform en de hoge frequentie mengen meting voor biomoleculaire detectie. De single-walled carbon nanotubes worden geteeld door chemisch opdampen op ondergronden met Fe-katalysatoren 24 patroon. Voor onze SWNT transistoren, we nemen een geschorste top-poort 25 geplaatst 500 nm boven de nanobuis, die helpt te verbeteren hoogfrequente sensor respons en maakt het ook mogelijk voor een compacte MICRo-fluidic kamer om het apparaat af te dichten. De SWNT transistoren worden uitgevoerd als hoogfrequent mixers 9-11 om de achtergrond ionische afschermingseffect overwinnen. Bij hoge frequenties, hoeft de mobiele ionen in oplossing niet voldoende tijd hebben om de EDL te vormen en de fluctuerende biomoleculaire dipolen kan nog steeds de poort van de SWNT een vermenging stroom, dat is onze detectie-signaal te genereren. De frequentiemenging ontstaat door de lineaire IV kenmerken van een nanobuis FET. Onze detectie techniek verschilt van de conventionele technieken van lading gebaseerde detectie en impedantie spectroscopie 26-27. Ten eerste, detecteren we biomoleculaire dipolen bij hoge frequentie in plaats van de daaraan verbonden kosten. Ten tweede, de hoge steilheid van SWNT transistor geeft een interne winst voor de detectie signaal. Dit ondervangt de noodzaak voor externe versterking als bij hoogfrequente impedantiemetingen. Onlangs hebben andere groepen ook aan de orde biomoleculaire detectie in hoge background concentraties 23,28. Echter, deze methoden zijn meer betrokken, die complexe fabricage of zorgvuldige chemische techniek van receptor moleculen. Onze hoge frequentie SWNT sensor is voorzien van een eenvoudiger ontwerp en maakt gebruik van de inherente frequentie mengen eigendom van een nanobuis transistor. Wij zijn in staat om de ionische screening gevolgen te verzachten, waardoor veelbelovende een nieuwe biosensoren platform voor real-time point-of-care-detectie, waar biosensoren direct functioneren in fysiologisch relevante conditie gewenst zijn.
Protocol
Representative Results
Discussion
De groei van koolstof nanobuisjes niet alleen afhankelijk ovenvoorwaarden maar ook substraat hygiëne. De optimale gasstroom, temperatuur en druk voor groei om nauwkeurig gekalibreerde en eenmaal vastgesteld ze min of meer stabiel. Zelfs met deze voorwaarden is voldaan, we vonden dat de groei afhankelijk is van de gevormde katalysator gebied, hoeveelheid katalysator en substraat schoon. Vandaar dat we opgenomen meerdere katalysator pit maten om rekening te houden met de variabiliteit in de groei. Een een uur bij hoge te…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken prof. dr. Paul McEuen aan de Cornell University voor de vroege discussie. Het werk wordt ondersteund door de start-up fonds verschaffen door de Universiteit van Michigan en de National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Program (DMR-1120187). Dit werk gebruikt de Lurie Nanofabrication faciliteit aan de Universiteit van Michigan, een lid van het National Nanotechnology Infrastructure Network gefinancierd door de 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).
