化学とバイオセンシングアプリケーション用のシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタの作製
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
シリコンナノワイヤ電界効果トランジスタ（SNWFETs）は、超高感度の利点と環境電荷変動に直接的な電気的応答を有します。負（または正に）帯電した分子は、シリコンナノワイヤー（SNW）に近づくときに、例えばn型SNWFETsにおいて、SNW内のキャリアが枯渇（又は蓄積）されています。その結果、SNWFETの導電率が減少（または増加）1。したがって、SNWFET装置のSNW面付近に荷電分子を検出することができます。細胞表面上の酵素、タンパク質、ヌクレオチド、および多くの分子を含む重要な生体分子は、電荷キャリアであり、SNWFETsを用いてモニターすることができます。特にSNWの生体分子プローブを固定化する適切な改変、で、SNWFETはラベルフリーバイオセンサーへと発展することができます。
バイオマーカーを用いたサーベイランスは、疾患を診断するために重要です。 表1に示すように 、いくつかの研究はNWFE使用していますTベースの無標識、超高感度バイオセンサ、及び図3に示すように、神経信号4を結合する単一のウイルス2、アデノシン三リン酸、およびキナーゼを含む種々の生物学的標的のリアルタイム検出、金属イオン5,6、細菌毒素7、ドーパミン8、DNA 9-11、RNA 12,13、酵素と癌バイオマーカー14-19、ヒトのホルモン20、およびサイトカイン21,22。これらの研究は、NWFETベースのバイオセンサーは、溶液中の生物学的および化学種の広い範囲のための強力な検出プラットフォームを表していることを実証しました。
SNWFETベースのバイオセンサでは、デバイスのSNW表面上に固定化されたプローブは、特定のbiotargetを認識する。バイオプローブを固定化することは、通常の一連の工程を含み、すべてのステップが正常にバイオセンサーの適切な機能を確保するために行われることが重要です。様々な技術は、Sを分析するために開発されていますX線光電子分光法（XPS）、エリプソメトリー、接触角測定、原子間力顕微鏡（AFM）、走査型電子顕微鏡（SEM）を含むurface組成物。このようなXPS、エリプソメトリー、および接触角測定などの方法が他の同様の材料で行わ平行実験に依存しているのに対し、このようなAFMやSEMなどの方法は、ナノワイヤデバイス上のバイオプローブの固定化の直接的な証拠を提供します。本稿では、2つの独立した方法を用いて、各変更ステップの確認を説明します。 XPSは、シリコンウェーハ上の特定の原子の濃度を調べるために使用され、デバイスの電気的特性の変化を直接SNW表面上の電荷の変化を確認するために測定されます。我々は、このプロトコルを説明する例として、多結晶SNWFETs（pSNWFETs）を用いてDNAのバイオセンシングを使用します。 SNW表面にDNAプローブを固定するには、3つの手順を実行します。SNW、アルのネイティブヒドロキシル表面上のアミン基修飾をアルデヒド基の修飾、及び5'-アミノ修飾DNAプローブの固定化。表面電荷はチャネル電流とコンダクタンス1を変えるゲート誘電体上にローカル界面電位変化を引き起こすので、各修正ステップにおいて、デバイスは、直接、SNW表面上に固定化された官能基の電荷の変化を検出することができます。電気pSNWFETデバイスの電気的特性を調節することができるSNW面を囲む電荷。従って、SNWの表面特性はpSNWFETデバイスの電気的特性を決定する際に重要な役割を果たしています。報告された手順では、SNW表面にバイオプローブの固定化は、直接決定することができ、電気的測定によって確認され、デバイスがバイオセンシング応用のために準備されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
トップダウンとボトムアップの製造はsSNWFETsためのアプローチ商業化するため、そのコスト32,33、SNW位置制御34,35、およびその低生産規模36のために困難であると考えられます。これとは対照的に、pSNWFETsを製造することは簡単で低コスト37です。側壁スペーサ形成技術（ 図1）と、トップダウンアプローチと組み合わせて、SNWの大きさは、反応性プ?…
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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