Preparación de silicio de nanocables de transistor de efecto de campo de químicos y biosensores Aplicaciones
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
Silicio de nanocables transistores de efecto de campo (SNWFETs) tienen las ventajas de ultra-alta sensibilidad y respuestas eléctricas directos a la variación de carga del medio ambiente. En SNWFETs de tipo n, por ejemplo, cuando una molécula negativamente (o positivamente) cargado se acerca al nanocable de silicio (SNW), los portadores en el SNW se agotan (o se acumulan). En consecuencia, la conductividad de la SNWFET disminuye (o aumenta) 1. Por lo tanto, cualquier molécula cargada cerca de la superficie del dispositivo de SNW SNWFET puede ser detectado. biomoléculas vitales incluyendo enzimas, proteínas, nucleótidos, y muchas moléculas en la superficie celular son los portadores de carga y pueden ser monitorizados utilizando SNWFETs. Con las modificaciones adecuadas, en particular la inmovilización de una sonda biomolecular en la PN, un SNWFET puede ser convertido en un biosensor libre de etiquetas.
Vigilancia a través de biomarcadores es fundamental para el diagnóstico de enfermedades. Como se muestra en la Tabla 1, varios estudios han utilizado NWFEBiosensores basados-T para etiqueta libre, ultra-alta sensibilidad, y la detección en tiempo real de diversos objetivos biológicos, incluyendo un solo virus 2, trifosfato de adenosina y quinasa de unión 3, señales neuronales 4, iones metálicos 5,6, toxinas bacterianas 7, 8 de la dopamina, 9-11 de ADN, ARN 12,13, enzimas y biomarcadores de cáncer de 14-19, hormonas humanas, 20 y citoquinas 21,22. Estos estudios han demostrado que los biosensores basados en NWFET representan una potente plataforma de detección para una amplia gama de especies biológicas y químicas en una solución.
En los biosensores basados en SNWFET, la sonda inmovilizada sobre la superficie SNW del dispositivo reconoce un biotarget específico. Inmovilizar un biosonda por lo general implica una serie de pasos, y es fundamental que cada paso se lleva a cabo adecuadamente para garantizar el correcto funcionamiento del biosensor. Varias técnicas se han desarrollado para el análisis de los scomposición urface, incluyendo espectroscopía de rayos X de fotoelectrones (XPS), elipsometría, la medición del ángulo de contacto, microscopía de fuerza atómica (AFM), y microscopía electrónica de barrido (SEM). Métodos tales como AFM y SEM proporcionan una evidencia directa de inmovilización biosonda en el dispositivo de nanocables, mientras que los métodos tales como XPS, elipsometría, y la medición del ángulo de contacto dependen de experimentos paralelos realizados en otros materiales similares. En este informe, se describe la confirmación de cada etapa de modificación mediante el uso de dos métodos independientes. XPS se utiliza para examinar las concentraciones de átomos específicos sobre obleas de polisilicio, y las variaciones en las propiedades eléctricas del dispositivo se mide directamente para confirmar la variación de carga en la superficie SNW. Empleamos los biosensores de ADN mediante el uso de SNWFETs policristalinas (pSNWFETs) como un ejemplo para ilustrar este protocolo. La inmovilización de una sonda de ADN en la superficie SNW consta de tres pasos: modificación del grupo amino en la superficie hidroxilo nativo de la PN, colmodificación del grupo dehído, y 5'-aminomodified inmovilización de la sonda de ADN. En cada etapa de modificación, el dispositivo puede detectar directamente la variación de la carga del grupo funcional inmovilizado en la superficie SNW, debido a que las cargas de superficie provocan cambios potenciales interfaciales locales sobre el dieléctrico de la compuerta que alteran la corriente de canal y la conductancia 1. Cargos que rodea la superficie SNW puede modular eléctricamente las propiedades eléctricas del dispositivo pSNWFET; Por lo tanto, las propiedades superficiales de la SNW juegan un papel crucial en la determinación de las características eléctricas de los dispositivos pSNWFET. En los procedimientos descritos, la inmovilización de un biosonda en la superficie SNW se puede determinar directamente y se confirmó mediante la medición eléctrica, y el dispositivo se prepara para aplicaciones de biosensores.
Protocol
Representative Results
Discussion
La comercialización de la de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba fabricación enfoques para sSNWFETs se considera difícil debido a su coste de 32,33, 34,35 SNW control de posición, y su baja escala de producción 36. Por el contrario, la fabricación de pSNWFETs es simple y de bajo costo 37. A través de la aproximación de arriba hacia abajo y la combinación con la técnica de formación de pared lateral espaciador (Figura 1), el tamaño de la SNW …
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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