Bereiding van silicium Nanowire veldeffecttransistor voor chemische en biosensoren toepassingen
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
Silicium nanodraad veldeffecttransistoren (SNWFETs) hebben de voordelen van ultra-hoge gevoeligheid en directe elektrische responsen milieu ladingsverandering. In n-type SNWFETs bijvoorbeeld wanneer een negatief (of positief) geladen molecuul zal het silicium nanodraad (SNW), de dragers in de SNW uitgeput (of stapel). Bijgevolg is de geleidbaarheid van de SNWFET afneemt (of verhogingen) 1. Daarom kan een geladen molecuul SNW nabij het oppervlak van het apparaat SNWFET gedetecteerd. Essentiële biomoleculen zoals enzymen, eiwitten, nucleotiden en vele moleculen op het celoppervlak zijn ladingsdragers en kan worden gecontroleerd met behulp SNWFETs. Met de juiste aanpassingen, in het bijzonder het immobiliseren van een biomoleculaire sonde op het SNW, kan een SNWFET worden ontwikkeld tot een label-free biosensor.
Surveillance gebruik biomarkers is cruciaal voor de diagnose van ziekten. Zoals getoond in Tabel 1, hebben verscheidene studies gebruikt NWFET-gebaseerde biosensoren voor label-free, ultra-hoge gevoeligheid en real-time detectie van verschillende biologische doelwitten, waaronder een virus 2, adenosine trifosfaat en kinasebinding 3, neuronale signalen 4, metaalionen 5,6, bacteriële toxinen 7, dopamine 8, 9-11 DNA, RNA 12,13, enzym en kanker biomarkers 14-19, 20 hormonen en cytokinen 21,22. Deze studies hebben aangetoond dat NWFET gebaseerde biosensoren vormen een krachtig detectieplatform voor een breed scala aan biologische en chemische species in een oplossing.
In SNWFET gebaseerde biosensoren, de probe geïmmobiliseerd op het oppervlak van SNW herkent het apparaat een specifieke biotarget. Immobiliseren van een bioprobe gewoonlijk een aantal stappen, en is het essentieel dat elke stap goed wordt uitgevoerd om de goede werking van de biosensor te waarborgen. Verscheidene technieken zijn ontwikkeld voor het analyseren van de surface samenstelling, waaronder X-ray foto-elektron spectroscopie (XPS), ellipsometrie, Contacthoekmeting, atomic force microscopie (AFM), en scanning elektronenmicroscopie (SEM). Methoden zoals AFM en SEM directe bewijs van bioprobe immobilisatie van de nanodraad apparaat, terwijl methoden zoals XPS, ellipsometrie en contact hoekmeting afhankelijk zijn van parallelle experimenten uitgevoerd op andere soortgelijke materialen. In dit rapport beschrijven we de bevestiging van een modificatiestap door twee onafhankelijke methoden. XPS wordt toegepast om de concentraties van specifieke atomen aan polysilicium wafers onderzoeken, en variaties in de elektrische eigenschappen van de inrichting worden gemeten direct naar ladingsverandering op SNW oppervlak te bevestigen. We maken gebruik van DNA biosensoren met behulp van polykristallijne SNWFETs (pSNWFETs) als een voorbeeld om dit protocol te illustreren. Immobiliseren van een DNA-probe op het SNW oppervlak bestaat uit drie stappen: aminegroep modificatie op de inheemse hydroxyl oppervlak van de SNW, aldehyde groep modificatie, en 5'-aminomodified DNA-probe immobilisatie. Bij elke wijziging stap, kan het apparaat rechtstreeks te detecteren de variatie in de lading van de functionele groep geïmmobiliseerd op het SNW oppervlak, omdat het oppervlak lasten veroorzaken lokale grensvlak potentiële veranderingen over het hek diëlektricum dat het kanaal huidige en geleiding 1 te veranderen. Kosten rond de SNW oppervlak kan elektrisch moduleren van de elektrische eigenschappen van de pSNWFET apparaat; dus de oppervlakte-eigenschappen van de SNW spelen een cruciale rol bij de bepaling van de elektrische eigenschappen van pSNWFET apparaten. In de gerapporteerde procedures, kan de immobilisatie van een bioprobe op SNW oppervlak direct worden bepaald en bevestigd door middel van elektrische metingen, en de inrichting wordt voorbereid voor biosensoren toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Commercialiseren van de top-down en bottom-up fabricage benaderingen voor sSNWFETs wordt moeilijk beschouwd vanwege de kosten 32,33, SNW positie controle 34,35, en de geringe omvang van de productie 36. Daarentegen fabriceren pSNWFETs is eenvoudig en lage kosten 37. Via de top-down benadering en combinatie met de zijwand afstandhouder formatie techniek (figuur 1), kan de grootte van de SNW worden geregeld door de duur van reactieve plasma-etsen. De procedures …
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).
