إعداد السيليكون أسلاك متناهية الصغر حقل التأثير الترانزستور لتطبيقات كيميائية وBiosensing
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
أسلاك متناهية الصغر السيليكون الترانزستورات مجال التأثير (SNWFETs) لديها مزايا من حساسية فائقة والاستجابات الكهربائية مباشرة لاختلاف المسؤول البيئي. في نوع ن SNWFETs على سبيل المثال، عندما يقترب جزيء سلبا (أو إيجابا) اتهم أسلاك متناهية الصغر السيليكون (SNW)، تنضب شركات الطيران في SNW (أو تجمع). ونتيجة لذلك، والتوصيل من SNWFET انخفاض (أو زيادة) 1. ولذلك، فإن أي جزيء اتهم بالقرب من سطح SNW الجهاز SNWFET يمكن الكشف. الجزيئات الحيوية الحيوية بما في ذلك الإنزيمات والبروتينات، النيوكليوتيدات، والعديد من الجزيئات الموجودة على سطح الخلية هي حاملات الشحنة ويمكن رصدها باستخدام SNWFETs. مع تعديلات مناسبة، وخاصة شل حركة تحقيقا الجزيئية البيولوجية على SNW، يمكن وضع SNWFET إلى جهاز الاستشعار البيولوجي خالية من التسمية.
المراقبة باستخدام المؤشرات الحيوية هو أمر حاسم لتشخيص الأمراض. كما هو مبين في الجدول رقم 1، وقد استخدمت العديد من الدراسات NWFEأجهزة الاستشعار على أساس T-مجانا التسمية، فائقة الحساسية، وكشف في الوقت الحقيقي من الأهداف الحيوية المختلفة، بما في ذلك فيروس واحد 2، أدينوسين ثلاثي الفوسفات وكيناز ملزمة 3، الإشارات العصبية 4، ايونات المعادن 5،6، والسموم البكتيرية 7، 8 الدوبامين، والحمض النووي 11/09، RNA 12،13، الانزيم والمؤشرات الحيوية سرطان 14-19، وهرمونات الإنسان 20، والسيتوكينات 21،22. وقد أظهرت هذه الدراسات أن أجهزة الاستشعار على أساس NWFET-تمثل منصة كشف قوية لمجموعة واسعة من الأنواع البيولوجية والكيميائية في محلول.
في أجهزة الاستشعار مقرها SNWFET، التحقيق ثبتوا على سطح SNW الجهاز يعترف biotarget محددة. شل حركة لbioprobe عادة ما ينطوي على سلسلة من الخطوات، وأنه من الأهمية بمكان أن كل خطوة يتم تنفيذ بشكل صحيح لضمان حسن سير العمل في جهاز الاستشعار البيولوجي. وقد تم تطوير تقنيات مختلفة لتحليل الصورةتكوين urface، بما في ذلك الأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS)، قياس إهليلجي، وقياس زاوية الاتصال، القوة الذرية المجهر (AFM)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). أساليب مثل فؤاد ووزارة شؤون المرأة توفر دليلا مباشرا على تجميد bioprobe على الجهاز أسلاك متناهية الصغر، في حين أساليب مثل XPS، قياس إهليلجي، وقياس زاوية الاتصال تعتمد على تجارب موازية أجريت على مواد أخرى مماثلة. في هذا التقرير، وصفنا تأكيد كل خطوة التعديل باستخدام طريقتين مستقلة. يستخدم XPS لفحص تركيز ذرات معينة على رقائق البولي سيليكون، ويتم قياس التغيرات في الخصائص الكهربائية من الجهاز مباشرة إلى تأكيد الاختلاف تهمة على سطح SNW. نحن نوظف biosensing الحمض النووي باستخدام SNWFETs الكريستالات (pSNWFETs) كمثال لتوضيح هذا البروتوكول. شل حركة مسبار الحمض النووي على سطح SNW تتضمن ثلاث خطوات: تعديل مجموعة أمين على سطح الهيدروكسيل الأصلي من SNW، آلتعديل مجموعة dehyde، و5'aminomodified-تجميد DNA التحقيق. في كل خطوة تعديل، ويمكن للجهاز الكشف عن مباشرة التباين في المسؤول عن مجموعة وظيفية ثبتوا على سطح SNW، لأن التهم سطح تسبب تغيرات المحتملة بينية المحلية خلال عازل بوابة التي تغير القناة الحالية وتصرف 1. رسوم المحيطة سطح SNW يمكن أن تعدل كهربائيا الخصائص الكهربائية للجهاز pSNWFET. ولذلك، فإن خصائص سطح SNW تلعب دورا حاسما في تحديد الخصائص الكهربائية للأجهزة pSNWFET. في الإجراءات المبلغ عنها، وتجميد لbioprobe على سطح SNW يمكن تحديد مباشرة، وأكد من خلال قياس الكهربائية، وإعداد الجهاز لتطبيقات biosensing.
Protocol
Representative Results
Discussion
تسويق من أعلى إلى أسفل ونهج تلفيق من أسفل إلى أعلى لsSNWFETs يعتبر صعبا نظرا لتكلفته 32،33، SNW السيطرة على الموقف 34،35، وانخفاض إنتاجها على نطاق و36. على النقيض من ذلك، افتعال pSNWFETs بسيطة ومنخفضة التكلفة 37. من خلال نهج من أعلى إلى أسفل وجانب تقنية تشكيل ?…
Divulgations
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 |
References
- 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).
