Kimya ve Biyoalgılayıcı Uygulamaları için Silikon Nanotel Alan etkili Transistör hazırlanması
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
Silikon nanotel alan etkili transistörler (SNWFETs) ultra yüksek hassasiyet avantajlarını ve çevresel yük değişimine doğrudan elektrik tepkiler var. negatif (ya da pozitif) yüklü molekülün silikon nanotel (SNW) yaklaşımları, örneğin n-tipi SNWFETs olarak, SNW alt taşıyıcı tükenmiş (veya biriken) vardır. Sonuç olarak, SNWFET iletkenliği azalır (veya artar) 1. Bu nedenle, SNWFET cihazının SNW yüzeyine yakın bir şarj molekülü tespit edilebilir. hücre yüzeyi üzerinde enzimler, proteinler, nükleotitleri, ve çok sayıda moleküller de dahil olmak üzere Kişisel biyomoleküllerin yük taşıyıcıları ve SNWFETs kullanılarak izlenebilir. Özellikle SNW bir biyomoleküler prob hareketsiz uygun bir modifikasyon ile bir SNWFET etiket içermeyen biyosensör olarak geliştirilebilir.
biyomarkerlar kullanılarak Gözetim hastalıklarının tanısı için önemlidir. Tablo 1 'de gösterildiği gibi, bir çok çalışma NWFE kullandık3 bağlanma tek virüsü 2, adenozin trifosfat ve kinaz dahil olmak üzere T tabanlı etiketi içermeyen, ultra-yüksek-duyarlılığı biyosensörler ve çeşitli biyolojik hedefleri gerçek zamanlı saptama, nöronal sinyaller 4, metal iyonları, 5,6, bakteriyel toksinler 7, dopamin 8, DNA 9-11 RNA 12,13, enzim ve kanser biyolojik 14-19, insan hormonlar 20, ve sitokinler 21,22. Bu çalışmalar, NWFET biyosensörler çözeltisi içinde, biyolojik ve kimyasal türlerin geniş bir yelpazesi için güçlü bir algılama platformu temsil olduğunu göstermiştir.
SNWFET bazlı biyosensör, cihazın SNW yüzeyi üzerinde hareketsiz prob belirli biotarget tanır. Bir bioprobe immobilize genellikle bir dizi adımı içerir ve her adımda düzgün biyosensör düzgün işleyişini sağlamak için yapılır önemlidir. Çeşitli teknikler s analizi için geliştirilmiştirX-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), Elipsometri, temas açısı ölçümü, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) de dahil olmak üzere, sert bir terkip. Böyle XPS, Elipsometri ve temas açısı ölçümü gibi yöntemler diğer benzer malzemeler üzerinde yapılan paralel deneyler bağımlı iken böyle AFM ve SEM gibi yöntemler, nanotel cihazda bioprobe immobilizasyon doğrudan kanıtlar sunmaktadır. Bu yazıda, iki bağımsız yöntemler kullanarak her değişiklik adımında onay açıklar. XPS polisilikon gofret belirli atomların konsantrasyonlarını incelemek için kullanılır, ve cihazın elektrik özelliklerinde değişimler doğrudan SNW yüzeyinde yük değişimini onaylamak için ölçülür. Biz bu protokolü göstermek için bir örnek olarak polikristal SNWFETs (pSNWFETs) kullanarak DNA biyoalgı kullanır. SNW yüzeyinde bir DNA probunun hareketsiz hale üç adımdan oluşur: SNW, al yerli hidroksil yüzeyinde amin grubu değişikliğifeniltiyoasetaldehit grup modifikasyonu ve 5'-aminomodified DNA prob immobilizasyon. Yüzey ücretleri kanal akımı ve iletkenlik 1 alter kapısı dielektrik üzerinde yerel arayüz potansiyel değişikliklere neden çünkü her değişiklik adımında, cihaz doğrudan SNW yüzeyinde hareketsiz fonksiyonel grubun sorumlu değişimini algılayabilir. elektriksel pSNWFET cihazın elektrik özelliklerini modüle SNW yüzeyini çevreleyen Masraflar; Bu nedenle, SNW yüzey özellikleri pSNWFET cihazları elektriksel özelliklerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar. rapor edilen prosedürlere olarak, SNW yüzeyi üzerinde bir bioprobe immobilizasyonu ile doğrudan tespit edilebilir ve elektrikli ölçüm yoluyla teyit ve cihaz biyo-algılayıcı uygulamaları için hazırlanır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıdan aşağıya ticarileştirme ve aşağıdan yukarı fabrikasyon sSNWFETs için nedeniyle maliyeti 32,33, SNW konum kontrolü 34,35 ve düşük üretim ölçeği 36 zor kabul edilir yaklaşır. Buna karşılık, pSNWFETs imalatı basit ve düşük maliyetli 37'dir. Yanak boşluk oluşumu tekniği (Şekil 1) ile yukarıdan aşağıya bir yaklaşım ve kombinasyonu ile, SNW boyutu reaktif plazma aşındırma süresini ayarlayarak kontrol edilebilir. …
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).
