Herstellung von Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistor für chemische und Biosensorik Anwendungen
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
Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistoren (SNWFETs) haben die Vorteile der extrem hohe Empfindlichkeit und eine direkte elektrische Reaktionen auf Umweltladungsänderung. In n-Typ SNWFETs Wenn beispielsweise ein negativ (oder positiv) geladenen Molekül die Silizium-Nanodraht (SNW) nähert, werden die Träger in der SNW abgereichertes (oder akkumulieren). Folglich nimmt die Leitfähigkeit des SNWFET (oder erhöht) 1. Daher kann jedes geladene Molekül in der Nähe der Oberfläche der SNW SNWFET Vorrichtung detektiert werden. Vital Biomolekülen einschließlich Enzymen, Proteinen, Nukleotiden und viele Moleküle auf der Zelloberfläche sind Ladungsträger und kann mit SNWFETs überwacht werden. Mit geeigneten Modifikationen, insbesondere eine biomolekulare Sonde auf der SNW Immobilisierung kann ein SNWFET in einen markierungsfreien Biosensor entwickelt werden.
Überwachungs Biomarkern verwendet ist kritisch für die Diagnose von Krankheiten. Wie in Tabelle 1 gezeigt, haben mehrere Studien verwendet NWFET-basierten Biosensoren für die markierungsfreie, ultra-hoher Empfindlichkeit und Echtzeit – Erkennung von verschiedenen biologischen Ziele, einschließlich eines einzelnen Virus 2, Adenosintriphosphat und Kinase – 3 – Bindung, neuronale Signale 4, Metallionen 5,6, bakterielle Toxine 7, Dopamin 8, DNA 9-11, RNA 12,13, Enzym und Krebs – Biomarker 14-19, menschliche Hormone 20 und Zytokine 21,22. Diese Studien haben gezeigt, dass NWFET-basierten Biosensoren eine leistungsfähige Detektionsplattform für ein breites Spektrum an biologischen und chemischen Spezies in einer Lösung darstellen.
In SNWFET-Biosensoren, die Sonde auf der SNW immobilisierte Oberfläche der Vorrichtung erkennt eine spezifische BioTarget. ein bioPROBE immobilisieren beinhaltet in der Regel eine Reihe von Schritten, und es ist wichtig, dass jeder Schritt richtig, das ordnungsgemäße Funktionieren des Biosensors, um sicherzustellen, durchgeführt wird. Verschiedene Techniken wurden zur Analyse der s entwickelturface Zusammensetzung, einschließlich der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Ellipsometrie, Kontaktwinkelmessung, Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Methoden wie AFM und SEM bieten einen direkten Beweis für bioPROBE Immobilisierung auf der Nanodraht-Gerät, während Methoden wie XPS, Ellipsometrie und Kontaktwinkelmessung auf parallelen Versuchen an anderen ähnlichen Materialien durchgeführt abhängig sind. In diesem Bericht beschreiben wir die Bestätigung jeder Änderung Schritt durch zwei unabhängige Methoden. XPS wird verwendet, um die Konzentrationen an spezifischen Atome auf Polysilicium-Wafern und Variationen in den elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung gemessen werden, direkt auf die Ladungsänderung an der Oberfläche zu bestätigen SNW zu untersuchen. Wir beschäftigen DNA Biosensor von polykristallinem SNWFETs mit (pSNWFETs) als ein Beispiel dieses Protokoll zu illustrieren. eine DNA-Sonde auf der SNW Oberfläche immobilisieren umfasst drei Schritte: Amingruppe Modifikation auf der nativen Hydroxyl-Oberfläche des SNW, aldehyd Gruppe Modifikation und 5'-aminomodifizierten DNA-Sonde Immobilisierung. An jedem Änderungsschritt kann die Vorrichtung direkt auf die Veränderung in der Ladung der funktionellen Gruppe an der Oberfläche immobilisiert SNW erfassen, weil die Oberflächenladungen lokale Grenzflächenpotentialänderungen über dem Gate – Dielektrikum führen, die den Kanalstrom und Konduktanz 1 verändern. Kosten der SNW Oberfläche umgibt, kann elektrisch die elektrischen Eigenschaften der pSNWFET Gerät modulieren; Daher spielen die Oberflächeneigenschaften der SNW eine entscheidende Rolle bei der elektrischen Eigenschaften von pSNWFET Geräte zu bestimmen. In den berichteten Verfahren kann die Immobilisierung eines bioPROBE auf der SNW Oberfläche direkt durch elektrische Messung bestimmt und bestätigt werden, und das Gerät ist für die Biosensorik Anwendungen vorbereitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Kommerzialisierung der Top-down und Bottom-up – Herstellungsansätze für sSNWFETs schwierig wegen der Kosten betrachtet 32,33, SNW Positionssteuerung 34,35 und seiner niedrigen Produktionsmaßstab 36. Im Gegensatz dazu ist pSNWFETs Herstellung einfach und kostengünstig 37. Durch den Top-Down – Ansatz und die Verbindung mit dem Seitenwandabstandshalter Bildungstechnik (Figur 1) kann die Größe des SNW durch Einstellen der Dauer des reaktiven Plasmaätzen…
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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