Preparazione della Silicon Nanowire effetto di campo transistor per l'industria chimica e biosensing Applicazioni
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
transistor ad effetto di campo Silicon nanowire (SNWFETs) presentano i vantaggi di ultra-elevata sensibilità e risposte elettriche scalo a variazione tassa ambientale. In tipo n SNWFETs per esempio, quando una molecola negativo (o positivo) addebitato avvicina alla nanowire silicio (SNW), i vettori nel SNW sono esauriti (o accumulano). Di conseguenza, la conduttività della SNWFET diminuisce (o aumenta) 1. Pertanto, qualsiasi molecola carica vicino alla superficie SNW del dispositivo SNWFET può essere rilevato. biomolecole vitali tra cui enzimi, proteine, nucleotidi, e molte molecole sulla superficie cellulare sono portatori di carica e possono essere monitorati utilizzando SNWFETs. Con opportune modifiche, in particolare immobilizzanti una sonda biomolecolare sul SNW, un SNWFET può essere sviluppato in un biosensore senza etichetta.
Sorveglianza utilizzando biomarcatori è fondamentale per la diagnosi delle malattie. Come mostrato nella Tabella 1, diversi studi hanno utilizzato NWFEBiosensori T-based per label-free, ultra-alta sensibilità, e la rilevazione in tempo reale dei vari bersagli biologici, tra cui un singolo virus 2, adenosina trifosfato e chinasi vincolante 3, i segnali neuronali 4, ioni metallici 5,6, tossine batteriche 7, 8 della dopamina, DNA 9-11, RNA 12,13, enzimi e biomarcatori tumorali 14-19, ormoni umani 20, e citochine 21,22. Questi studi hanno dimostrato che biosensori basati NWFET rappresentano una piattaforma di rilevazione potente per una vasta gamma di specie chimiche e biologiche in una soluzione.
In biosensori basati SNWFET, la sonda immobilizzata sulla superficie SNW del dispositivo riconosce una biotarget specifico. Immobilizzare un Bioprobe solito comporta una serie di passaggi, ed è fondamentale che ogni passo viene eseguito correttamente per garantire il corretto funzionamento del biosensore. Varie tecniche sono state sviluppate per analizzare le sComposizione urface, compresi raggi X spettroscopia fotoelettronica (XPS), ellissometria, misura dell'angolo di contatto, microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a scansione (SEM). Metodi come AFM e SEM forniscono prove dirette di Bioprobe immobilizzazione sul dispositivo nanofilo, mentre i metodi, come XPS, ellissometria, e la misurazione dell'angolo di contatto dipendono esperimenti paralleli condotti su altri materiali simili. In questo rapporto, descriviamo la conferma di ogni fase di modifica utilizzando due metodi indipendenti. XPS viene usato per esaminare le concentrazioni di atomi specifici su wafer di silicio policristallino, e variazioni nelle proprietà elettriche del dispositivo sono misurate direttamente per confermare la variazione di carica sulla superficie SNW. Impieghiamo biosensing DNA utilizzando SNWFETs policristallini (pSNWFETs) come un esempio per illustrare questo protocollo. Immobilizzare una sonda di DNA sulla superficie SNW comporta tre fasi: ammina modifica gruppo ossidrile sulla superficie nativa del SNW, almodifica gruppo deide, e 5'-aminomodified immobilizzazione della sonda di DNA. Ad ogni fase di modifica, il dispositivo può rilevare direttamente la variazione della carica del gruppo funzionale immobilizzato sulla superficie SNW, perché le cariche superficiali causano variazioni potenziali interfacciali locali oltre il dielettrico di gate che alterano la corrente del canale e conduttanza 1. Spese che circondano la superficie SNW può modulare elettricamente le proprietà elettriche del dispositivo pSNWFET; Pertanto, le proprietà superficiali del SNW giocano un ruolo cruciale nel determinare le caratteristiche elettriche dei dispositivi pSNWFET. Nelle procedure riportate, l'immobilizzazione di un Bioprobe sulla superficie SNW può essere determinata direttamente e confermata attraverso la misurazione elettrica, e il dispositivo è predisposto per applicazioni biosensori.
Protocol
Representative Results
Discussion
Commercializzazione del top-down e bottom-up fabbricazione approcci per sSNWFETs è considerato difficile a causa del suo costo 32,33, SNW controllo di posizione 34,35, e la sua bassa produzione di scala 36. Al contrario, la fabbricazione pSNWFETs è semplice e di basso costo 37. Attraverso l'approccio top-down e la combinazione con la tecnica di formazione laterale distanziale (figura 1), la dimensione del SNW può essere controllata regolando la durata d…
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).
