Herstellung von Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistor für chemische und Biosensorik Anwendungen

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, die Immobilisierung von Biosonden und die anschließende DNA-Biosensorik an Polysilizium-Nanodraht-Feldeffekttransistoren zu verifizieren. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen im Bereich der bioelektrischen Sensorik zu beantworten, wie z. B. die Immobilisierung von Biosonden und die Detektion von Nukleinsäuren. Unser Biosensorik-Gerät ist ein vielversprechender Transistor für arbeitsfreie und auch hochempfindliche Echtzeit-Biosensorik-Anwendungen.

Die Auswirkungen dieser Biosensoren erstrecken sich auf die klinische Diagnose neu auftretender Infektionskrankheiten, da sie das spezifische Bioziel leicht, empfindlich und genau erkennen können. Obwohl diese Methode Einblicke in den Nukleinsäurenachweis geben kann, kann sie auch auf den Nachweis anderer Moleküle wie Zytokine, Hormone, Proteine und Viren angewendet werden. In der Regel werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da sie eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen der Biologie und der Elektrotechnik erfordert.

Die Herstellung des Feldeffekttransistors aus polykristallinem Silizium-Nanodraht wird durch das Textprotokoll abgedeckt. Das Gerät besteht aus einem sechs Zoll großen Wafer. Die Silizium-Nanodrähte auf dem Gerät sind etwa 100 Nanometer breit und 1,6 Mikrometer lang.

Um das Gerät vorzubehandeln, nehmen Sie es zunächst aus der Lagerung in einem elektronisch trockenen Schrank und öffnen Sie den versiegelten Vakuumbeutel, in dem es sich befindet. Reinigen Sie den Biosensor 10 Minuten lang in einem mit reinem Aceton beladenen Ultraschallgerät. Wechseln Sie dann das Bad auf reines Ethanol und wiederholen Sie die Beschallung für weitere fünf Minuten.

Verwenden Sie nach diesem zweiten Bad einen Strom Stickstoffgas, um das Gerät zu trocknen. Behandeln Sie das Gerät anschließend 30 Sekunden lang mit Sauerstoffplasma bei 18 Watt. Nehmen Sie nun Messungen des AC-Leitwerts vor und messen Sie die elektrischen Eigenschaften des Drain-Stroms am Gerät, wie im nächsten Abschnitt erläutert.

Fahren Sie dann mit der Immobilisierung der DNA auf der Geräteoberfläche fort, während Sie nach jeder Modifikation zusätzliche Messungen durchführen, sowohl den AC-Leitwert als auch den Drain-Strom. Bereiten Sie sich zunächst auf die pH-Profilerstellung vor. Stellen Sie 10 millimolares Natriumphosphat tribasisches Dodecahydrat in deionisiertem Wasser mit einem pH-Wert von 11,6 her.

Stellen Sie dann eine 10 Millimolare Phosphorsäurelösung in entionisiertem Wasser her, das einen pH-Wert von 2,35 hat. Stellen Sie nun sieben 10-millimolare Pufferlösungen mit pH-Werten von drei bis neun her, indem Sie die beiden Stammlösungen mischen. Nachdem Sie die Testlösungen und den mikrofluidischen Kanal vorbereitet haben, messen Sie die Leitfähigkeit in Echtzeit mit einer Lock-in-Technik.

Platzieren Sie je zwei Nadelsonden auf den Quell- und Ablasspads. Wandeln Sie das Wechselstromsignal mit einem rauscharmen Stromvorverstärker in ein Wechselspannungssignal um. Stellen Sie dann die optimale Liquid-Gate-Spannung ein und fahren Sie mit der Abgabe jeder Pufferlösung fort, während Sie den Leitwert bei einer Drain-Spannung von 10 Millivolt messen.

Messen Sie anschließend den Abflussstrom mit einem Neutralpuffer. Gießen Sie pH 7 Puffer aus einer Spritzenpumpe mit fünf Millilitern pro Stunde auf das Gerät. Messen Sie dann mit kommerzieller Halbleiteranalysesoftware den Drainstrom im N-MOSFET-Modus.

Stellen Sie die Bias-Spannung auf 0,5 Volt ein und drehen Sie das Gate-Potential in 0,2-Volt-Intervallen von minus eins auf drei Volt. Führen Sie nun den Test aus, und rufen Sie die Daten ab. Beginnen Sie damit, den Biosensor 30 Minuten lang in 2%APTES in Ethanol einzutauchen, um die Nanodrahtoberfläche kovalent zu verknüpfen.

Waschen Sie dann den Biosensor dreimal für 30 Sekunden mit Ethanol und reinigen Sie ihn dann in einem mit Ethanol beladenen Ultraschallgerät. Um nun Amingruppen auf den Silizium-Nanodrähten zu erzeugen, platzieren Sie den Biosensor 10 Minuten lang auf einer 120 Grad Celsius heißen Oberfläche. Nehmen Sie nach dem Heizschritt Messungen am Gerät vor, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben.

Um Aldehydgruppen auf den Silizium-Nanodrähten zu erzeugen, tauchen Sie das Gerät anschließend eine Stunde lang bei Raumtemperatur in 12,5 % Glutaraldehyd in 10 millimolares Natriumphosphat pH 7. Begrenzen Sie die Lichteinwirkung während dieses Schritts. Waschen Sie das Gerät nach der Glutaraldehyd-Behandlung dreimal 30 Sekunden lang pro Waschgang mit 10 Millimolar Natriumphosphatpuffer.

Anschließend föhnen Sie den Biosensor unter reinem Stickstoffgas und führen Messungen durch, um die Oberflächenmodifikation zu bestätigen. Der nächste Schritt besteht darin, den Biosensor über Nacht in einem Mikromolaren Sondenlösung zu inkubieren, um so die DNA-Sonde anzuwenden. Blockieren Sie am nächsten Tag die nicht umgesetzten Aldehydgruppen, indem Sie das Gerät eine halbe Stunde lang in 10 millimolare Tris mit vier Millimolaren Natriumcyanoborohydrid eintauchen.

Waschen Sie das Gerät dann dreimal mit 10 Millimolar Natriumphosphatpuffer bei pH 7 ab und föhnen Sie das Gerät wie zuvor unter Stickstoffgas. Führen Sie dann eine letzte Reihe von Messungen durch, um die Oberflächenmodifikation zu bestätigen, bevor Sie ihn als Biosensor verwenden. Beginnen Sie mit einer Basismessung.

Lassen Sie pH-neutralen Natriumphosphatpuffer 10 Minuten lang in das Gerät fließen. Bei diesem Verfahren beträgt der Lösungsdurchfluss immer fünf Milliliter pro Stunde. Warten Sie dann 30 Minuten, lassen Sie den pH-neutralen Puffer erneut 10 Minuten lang über den Biosensor fließen und messen Sie den Strom des Geräts.

Laden Sie als Nächstes 10 Picomole DNA, komplementär zur Sonde, auf die Silizium-Nanodraht-Oberfläche, indem Sie die Lösung 10 Minuten lang über das Gerät fließen lassen. Inkubieren Sie dann den Biosensor 30 Minuten lang. Tragen Sie als Negativkontrolle 100 Picommolen nicht-komplementärer DNA auf das Gerät auf.

Nach der Inkubation lassen Sie einen pH-neutralen Puffer 10 Minuten lang über den Biosensor, um die ungebundene Ziel-DNA abzuwaschen. Messen Sie nach diesem Schritt den Strom des Geräts wie zuvor. Laden Sie als Nächstes ein Nanomolar der Wiederherstellungs-DNA für 10 Minuten auf die immobilisierte Silizium-Nanodraht-Oberfläche der DNA-Sonde.

Inkubieren Sie dann den Biosensor wie zuvor 30 Minuten lang. Lassen Sie zum Schluss weitere 10 Minuten lang einen pH-neutralen Puffer über das Gerät fließen und führen Sie dann erneut aktuelle Messungen durch. Eine DNA-Sonde wurde auf der Siliziumoxid-Oberfläche immobilisiert und jeder Modifikationsschritt mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie bestätigt.

Für den unmodifizierten pSNWFET, der die native Oxidschicht auf der SNW-Oberfläche enthält, wurden die Hydroxylgruppen zu geladenen Gruppen mit steigenden pH-Werten ionisiert. Der Leitwert variierte wahrscheinlich bei verschiedenen pH-Werten. Die Verschiebung der elektrischen Eigenschaften des Gerätes nach verschiedenen Modifikationen bestätigt die Veränderung der Drahtoberfläche.

In solchen Experimenten wurde die Stromspannungskurve des unmodifizierten Bausteins als Ausgangsbasis verwendet. Nachdem das Gerät in APTES eingetaucht war, verschob sich die Stromspannungskurve des Geräts aufgrund der positiven Ladung auf der Drahtoberfläche nach links. Nach der Konjugation von Glutaraldehyd an das modifizierte APTES-Gerät verschob sich die Stromspannungskurve aufgrund der Bildung einer neutral geladenen MI-Bindung wieder nach rechts.

Schließlich wurde eine Fünf-Prime-Amin-modifizierte DNA-Sonde eingeführt, die an das Glutaraldehyd-modifizierte APTES-Gerät bindet. Das Rückgrat der DNA bewirkte, dass sich die Stromspannungskurve nach ganz rechts verlagerte. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die Immobilisierung von Biosonden und die DNA-Sensoranwendung auf Feldeffekttransistoren aus Polysilizium-Nanodraht bestätigen können.

Einmal gemeistert, kann diese Technik der Vorbereitung für den Nukleinsäurenachweis innerhalb einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie richtig durchgeführt wird, was im Voraus durchgeführt werden kann. Die abschließende Biosensorik dauert weniger als 10 Minuten. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, die elektrischen Eigenschaften des Geräts bei jedem Schritt der Biosondenmodifikation zu analysieren.

Diese Technik ebnete Forschern auf dem Gebiet der halbleiterbasierten Sensoren den Weg zu einer breiteren Anwendung der Biosensorik. Im Anschluss an diese Verfahren können weitere Methoden wie die Immobilisierung einer Krebs-Biomarkersonde durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen in Bereichen wie der klinischen Krebsdiagnostik zu beantworten.