Préparation de la Silicon Nanowire à effet de champ Transistor pour chimiques et les biocapteurs Applications
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
transistors à effet de champ Silicon nanofils (SNWFETs) présentent les avantages d'ultra-haute sensibilité et des réponses électriques directs à variation de charge de l'environnement. Dans SNWFETs de type n, par exemple, lorsqu'une molécule négative (ou positive) chargée se rapproche du nanofil de silicium (SNW), les transporteurs du SNW sont appauvris (ou accumulation). En conséquence, la conductivité de la SNWFET diminue (ou augmente) 1. Par conséquent, toute molécule chargée à proximité de la surface de SNW du dispositif de SNWFET peut être détectée. biomolécules vitales, y compris des enzymes, des protéines, des nucléotides, et de nombreuses molécules sur la surface des cellules sont des porteurs de charge et peuvent être surveillés à l'aide SNWFETs. Avec des modifications appropriées, en particulier immobilisant une sonde biomoléculaire sur le SNW, un SNWFET peut être développé dans un biocapteur sans étiquette.
Surveillance en utilisant des biomarqueurs est essentielle pour diagnostiquer les maladies. Comme on le voit dans le tableau 1, plusieurs études ont utilisé NWFEBiocapteurs basés sur T pour sans étiquette, ultra-haute sensibilité, et la détection en temps réel des différentes cibles biologiques, y compris un seul virus 2, l' adénosine triphosphate et kinase de liaison 3, des signaux neuronaux 4, des ions métalliques 5,6, des toxines bactériennes 7, 8 dopamine, ADN 9-11, ARN 12,13, enzymes et biomarqueurs du cancer 14-19, hormones humaines 20, et les cytokines 21,22. Ces études ont démontré que les biocapteurs basés NWFET représentent une plate-forme de détection efficace pour une large gamme d'espèces biologiques et chimiques dans une solution.
Dans les biocapteurs basés sur SNWFET, la sonde immobilisée sur la surface SNW du dispositif reconnaît un biotarget spécifique. Immobiliser un biosonde implique généralement une série d'étapes, et il est essentiel que chaque étape est correctement effectuée pour assurer le bon fonctionnement du biocapteur. Diverses techniques ont été mises au point pour l'analyse des scomposition urface, y compris la spectroscopie de photoélectrons X (XPS), ellipsométrie, mesure de l'angle de contact, microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie électronique à balayage (MEB). Des méthodes telles que l'AFM et SEM fournissent des preuves directes de biosonde immobilisation sur le dispositif de nanofil, alors que les méthodes telles que XPS, ellipsométrie, et la mesure de l'angle de contact dépendent des expériences parallèles effectuées sur d'autres matériaux similaires. Dans ce rapport, nous décrivons la confirmation de chaque étape de modification à l'aide de deux méthodes indépendantes. XPS est utilisé pour examiner les concentrations d'atomes spécifiques sur des tranches de polysilicium, et les variations dans les propriétés électriques du dispositif sont mesurées directement pour confirmer la variation de charge sur la surface SNW. Nous employons l'ADN biocapteurs en utilisant SNWFETs polycristallins (de pSNWFETs) à titre d'exemple pour illustrer ce protocole. Immobilisant une sonde d'ADN sur la surface de SNW comporte trois étapes: la modification du groupe amine sur la surface d'hydroxyle native du SNW almodification de groupe hyde, et 5'-aminomodified l'immobilisation de la sonde d'ADN. A chaque étape de modification, l'appareil peut détecter directement la variation de la charge du groupe fonctionnel immobilisé sur la surface SNW, parce que les charges de surface provoquent des changements potentiels interfaciale locaux sur le diélectrique de grille qui modifient le courant de canal et de la conductance 1. Charges entourant la surface de SNW peut moduler électriquement les propriétés électriques du dispositif de pSNWFET; Par conséquent, les propriétés de surface du SNW jouent un rôle essentiel dans la détermination des caractéristiques électriques des dispositifs pSNWFET. Dans les modes opératoires rapportés, l'immobilisation d'un biosonde sur la surface SNW peut être directement déterminée et confirmée par une mesure électrique, et le dispositif est prêt pour des applications de biocapteurs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Commercialiser le haut vers le bas et la fabrication de bas en haut des approches pour sSNWFETs est considéré comme difficile en raison de son coût 32,33, SNW contrôle de position 34,35, et sa faible production échelle 36. En revanche, la fabrication pSNWFETs est simple et peu coûteuse 37. Grâce à l'approche descendante et une combinaison avec la technique de formation paroi latérale d'espacement (Figure 1), la taille de la SNW peut être cont…
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 |
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