Preparação de Silicon Nanowire transistor de efeito de campo para aplicações químicas e Biossensoriais
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
nanofios de silício transistores de efeito de campo (SNWFETs) têm as vantagens de ultra-alta sensibilidade e respostas elétricas diretos variação de carga ambiental. Em SNWFETs tipo n, por exemplo, quando uma molécula negativamente (ou positivamente) carregado aproxima-se do nanofio de silício (SNW), os transportadores em SNW estão esgotados (ou acumular). Por conseguinte, a condutividade da SNWFET diminui (ou aumenta) 1. Portanto, qualquer molécula carregada perto da superfície da SNW do dispositivo SNWFET pode ser detectada. biomoléculas vitais, incluindo enzimas, proteínas, nucleótidos, e muitas moléculas na superfície celular são portadores de carga e pode ser monitorizada utilizando SNWFETs. Com modificações adequadas, particularmente imobilizar uma sonda biomolecular na SNW, um SNWFET pode ser desenvolvida em um biossensor sem rótulo.
Vigilância utilizando biomarcadores é fundamental para o diagnóstico de doenças. Como mostrado na Tabela 1, vários estudos têm utilizado NWFEBiosensores baseados em T para livre-label, ultra-alta-sensibilidade e detecção em tempo real de vários alvos biológicos, incluindo um único vírus 2, trifosfato de adenosina quinase e de ligação 3, sinais neuronais 4, íons metálicos 5,6, toxinas bacterianas 7, de dopamina 8, DNA 9-11, RNA 12,13, enzimas e biomarcadores de câncer 14-19, hormônios humanos 20, e citocinas 21,22. Estes estudos demonstraram que biossensores baseados em NWFET representam uma plataforma de detecção poderosa para uma ampla gama de espécies biológicas e químicas em solução.
Em biossensores baseados em SNWFET, a sonda imobilizada na superfície do dispositivo SNW reconhece um biotarget específica. Imobilização de uma bioprobe geralmente envolve uma série de etapas, e é fundamental que cada etapa é realizada adequadamente para garantir o bom funcionamento do biossensor. Várias técnicas têm sido desenvolvidas para analisar os scomposição urface, incluindo espectroscopia de raios-X de fotoelétrons (XPS), elipsometria, medição do ângulo de contato, microscopia de força atômica (AFM) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Métodos como a AFM e SEM fornecem evidência direta de imobilização bioprobe no dispositivo de nanofios, enquanto que métodos como XPS, elipsometria, e medição do ângulo de contato são dependentes de experimentos paralelos realizados em outros materiais similares. Neste relatório, nós descrevemos a confirmação de cada passo de modificação usando dois métodos independentes. XPS é usado para examinar as concentrações de átomos específicos sobre hóstias de silício policristalino, e as variações nas propriedades eléctricas do dispositivo são medidos directamente para confirmar a variação de carga na superfície do SNW. Nós empregamos biosensing DNA usando SNWFETs policristalinos (pSNWFETs) como um exemplo para ilustrar este protocolo. Imobilizar uma sonda de ADN na superfície da SNW envolve três passos: a modificação do grupo amina na superfície hidroxilo nativo do SNW, almodificação grupo dehyde, e 5'-aminomodified imobilização sonda de DNA. Em cada etapa de modificação, o dispositivo pode detectar directamente a variação da carga do grupo funcional imobilizada na superfície do SNW, porque as cargas superficiais causar alterações potenciais locais interfacial através do dieléctrico portão que altera a corrente e a condutância do canal 1. Encargos que cercam a superfície de SNW pode eletricamente modular as propriedades eléctricas do dispositivo pSNWFET; por conseguinte, as propriedades de superfície do SNW desempenhar um papel crucial na determinação das características eléctricas dos dispositivos pSNWFET. Nos processos descritos, a imobilização de um bioprobe na superfície do SNW pode ser determinada directamente e confirmada através da medição eléctrico, e o dispositivo está preparado para aplicações biosensoriamento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Comercializar o top-down e fabricação de baixo para cima abordagens para sSNWFETs é considerado difícil por causa de seu custo de 32,33, SNW controle de posição 34,35, e sua escala de 36 baixa produção. Por outro lado, a fabricação pSNWFETs é o custo simples e de baixo 37. Através da abordagem de cima para baixo e combinação com a técnica de formação de parede lateral espaçador (Figura 1), o tamanho da SNW pode ser controlada ajustando a dura…
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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