Fabrikation af kulstof nanorør High-Frequency Nanoelektroniske biosensor for Sensing i høj ionstyrke Solutions
Summary
Vi beskriver enhedens fabrikation og måling protokol for kulstof nanorør baserede højfrekvente biosensorer. Den højfrekvente sensing teknik afbøder den grundlæggende ioniske (Debye) screening effekt og giver nanorør biosensor kan betjenes i høje ionstyrke løsninger, hvor konventionelle elektroniske biosensorer mislykkes. Vores teknologi giver en unik platform for point-of-care (POC) elektroniske biosensorer, der opererer i fysiologisk relevante betingelser.
Abstract
De unikke elektroniske egenskaber og høje overflade-til-volumen nøgletal for single-walled carbon nanorør (SWNT) og halvleder nanotråde (NW) 1-4 gør dem gode kandidater til høj følsomhed biosensorer. Når en ladet molekyle binder til en sådan sensor overflade, det ændrer transportøren massefylde 5 i sensoren, hvilket resulterer i ændringer i DC ledningsevne. Men i en ionisk opløsning en ladet overflade tiltrækker også modioner fra opløsningen og danner et elektrisk dobbeltlag (EDS). Denne EDL effektivt afskærmer afgiften, og i fysiologisk relevante betingelser ~ 100 millimolær (mM), og hvis karakteristiske ladning screening længde (Debye længde) er mindre end en nanometer (nm). Således i høje ionstyrke løsninger er afgift baseret (DC) afsløring fundamentalt hæmmet 6-8.
Vi overvinde charge screening effekter ved at afsløre molekylære dipoler snarere end afgifter ved høj frekvens, ved at betjene carbon nanotUbe felteffekttransistorer som højfrekvente mixere 9-11. Ved høje frekvenser, kan frekvensomformeren kraft ikke længere overvinde løsningen træk og ionerne i opløsning ikke har tilstrækkelig tid til at danne EDL. Endvidere frekvens blanding teknik giver os mulighed for at operere ved frekvenser er høje nok til at overvinde ionisk screening, og alligevel detektere sensing signaler ved lavere frekvenser 11-12. Også den høje transconductance af SWNT transistorer giver en intern forstærkning for sensing signal, som overflødiggør behovet for ekstern signal forstærker.
Her beskriver vi den protokol (a) fabrikere SWNT transistorer, (b) functionalize biomolekyler til nanorør 13 (c) designe og stemple en poly-dimethylsiloxan (PDMS) mikro-fluidisk kammer 14 på enheden, og (d) udføre højfrekvente sensing i forskellige ionstyrke løsninger 11..
Introduction
Når en ladet molekyle binder til en SWNT eller NW elektronisk sensor, kan det enten donere / acceptere elektroner eller fungere som en lokal elektrostatisk gate. I begge tilfælde kan det bundne molekyle ændre ladningstætheden i SWNT eller NW kanal, der fører til en ændring i den målte DC konduktans af sensoren. En lang række molekyler 15-20 succes er blevet opdaget ved at studere DC karakteristika Nanosensorerne under sådanne bindende begivenheder. Selvom charge-detektering baseret følemekanisme har mange fordele, herunder label-fri afsløring 21 femtosekund-molær følsomhed 22 og elektronisk udlæsning kapacitet 15, det er kun effektiv i lav ionstyrke løsninger. I høj ionstyrke løsninger, er DC-detektion hæmmes ved ionisk screening 6-8. En ladet overflade tiltrækker modioner fra den løsning, der danner et elektrisk dobbeltlag (EDS) nær overfladen. EDL effektivt skærmer disse afgifter. Da tHan ionstyrke i opløsningen stiger, EDL bliver smallere og screening stiger. Denne screening effekt er karakteriseret ved Debye screening længde λ D,
, Hvor ε er den dielektriske permittivitet af medierne, k B er Boltzmanns konstant, T er temperaturen, q er elektron ladning, og c er ionstyrken af elektrolytten opløsningen. For en typisk 100 mM pufferopløsning, er λ D omkring 1 nm og overfladen potentiale vil være helt screenet i en afstand af få nm. Som resultat betjene de fleste af nanoelektroniske sensorer baseret på SWNTs eller NWS enten i tør tilstand 20 eller i lav ionstyrke løsninger 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mM), ellers prøven skal gennemgå udblødning trin 15,23. Point-of-care diagnostik nødt til at operere i fysiologisk relevante ionstyrker på patienten site med begrænset prøve forarbejdning kapacitet. Derfor formildende ionisk screening effekt er afgørende for udvikling og implementering af POC nanoelektroniske biosensorer.
Vi afbøde den ioniske screening effekt ved drift SWNT baserede nanoelektroniske føler ved megahertz frekvensområde. Protokollen forudsat her detaljer fremstillingen af en SWNT transistor baseret nanoelektroniske sensing platform og høj frekvens blanding måling for biomolekylær detektion. De single-walled carbon nanotubes dyrkes ved kemisk pådampning på substrater mønstrede med Fe katalysatorer 24.. For vores SWNT transistorer, indarbejde vi en suspenderet top-gate 25 placeret 500 nm over den nanorør, der hjælper med at forbedre højfrekvent sensor respons og giver også mulighed for en kompakt MICRo-fluidic kammer at forsegle enheden. SWNT transistorer drives som højfrekvente blandere 9-11 for at overvinde baggrunden ioniske screening effekter. Ved høje frekvenser, gør de mobile ioner i opløsning ikke har tilstrækkelig tid til at danne EDL og de svingende biomolekylære dipoler kan stadig gate SWNT at generere en blanding strøm, som er vores sensing signal. Frekvensen blanding opstår på grund af de lineære IV egenskaber ved et nanorør FET. Vores afsløring teknik adskiller sig fra de konventionelle teknikker til beregning baseret detektion og impedansspektroskopi 26-27. For det første vi registrerer biomolekylære dipoler ved høj frekvens end de tilhørende afgifter. For det andet den høje transconductance af SWNT transistor giver en intern forstærkning for sensing signal. Dette overflødiggør behovet for ekstern forstærkning som i tilfælde af højfrekvente impedansmålinger. For nylig har andre grupper også taget biomolekylær detektion i høj baGGRUND koncentrationer 23,28. Men disse metoder er mere involveret, der kræver komplekse fremstilling eller omhyggelig kemiingeniør af receptor molekyler. Vores høje frekvens SWNT sensor har en enklere konstruktion og udnytter den iboende frekvens blanding egenskab af et nanorør transistor. Vi er i stand til at afbøde de ioniske screening effekter, og dermed lovende en ny biosensorer platform for real-time point-of-care afsløring, hvor biosensorer fungerer direkte i fysiologisk relevante betingelse er ønsket.
Protocol
Representative Results
Discussion
Væksten af kulstof nanorør afhænger ikke kun af ovne betingelser, men også substrat renlighed. Den optimale gasstrømmen, temperatur og tryk for vækst har omhyggeligt kalibreret og når fast at de er mere eller mindre stabilt. Selv med disse betingelser er opfyldt, fandt vi, at vækst afhænger af det mønstrede katalysator-området, mængden af katalysator og substrat renlighed. Derfor har vi indarbejdet flere katalysator pit størrelser at tage højde for variation i vækst. En times høj temperatur a…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Prof. Paul McEuen ved Cornell University for tidlig diskussion. Arbejdet er støttet af opstartsfonden give af University of Michigan og National Science Foundation Scalable nanofabrikation Program (DMR-1.120.187). Dette arbejde brugte Lurie nanofabrikation faciliteten på University of Michigan, et medlem af det nationale Nanotechnology Infrastructure Network finansieret af National Science Foundation.
Materials
| REAGENTS | |||
| Reagents which were provided within Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) are marked as LNF in the catalogue column. Chemicals which require protective equipment (gloves, safety goggles, face mask, apron) and/or fume hood are denoted with PPE in comments section. | |||
| Silicon wafers (P-type, <100>, 500-550 μm thick) | Silicon Valley Microelectronics | ||
| SPR 220 3.0 | Dow (Rohm and Haas) | Megaposit SPR | PPE |
| AZ 300MIF | AZ Electronic Material Corporation | PPE | |
| Acetone | J T Baker | 9005-05 | PPE |
| Isopropanol (IPA) | J T Baker | 9079-05 | |
| Buffered Hydrofluoric Acid | Transene | PPE | |
| 1-Pyrene Butanoic Acid, succinimidyl ester | Molecular Probes | P130 | PPE |
| Biotin PEO Amine | Thermo Scientific | EZ- Link PEG2 Biotin, # 21346 | PPE |
| Streptavidin | Invitrogen | S 888 | PPE |
| Dimethylformamide | MP Biomedicals | 0219514791 | PPE |
| Polydimethylsiloxane Elastomer Base and Curing Agent | Dow Corning | Sylgard 184 Elastomer Kit | PPE |
| SU-8 2015 | Microchem | Y111064 | PPE |
| SU-8 Developer | Microchem | Y020100 | PPE |
| Silanizing agent | Sigma Aldrich | 452807 | PPE |
| Hydrogen | Purity Plus | LNF | |
| Ethylene | Purity Plus | LNF | |
| Argon | Purity Plus | LNF | |
| Phosphate Buffer Saline System | Sigma Aldrich | PBS1 | |
| EQUIPMENT | |||
| Equipment provided by Lurie Nanofabrication Facility (University of Michigan) is denoted as LNF in Catalogue column. | |||
| GCA 200 Autostepper | GCA | LNF | |
| Low Pressure Chemical Vapor Deposition Tool | Tempress | LNF | |
| e-beam Evaporator | Enerjet | LNF | |
| CNT growth Furnace | First Nano | Easy Tube 3000 (LNF) | |
| Photomasks | Nanofilm | LNF | |
| Petri dish (150mm) | LNF | ||
| Desiccator | Bel-Art | F420100000 | |
| Biopsy Punch | Ted Pella | 15071/78 | |
| Scalpel | Ted Pella | 548 | |
| Polyethylene Tubing PE-50 | VWR | 20903-414 | |
| Syringe Pump | New Era Pump Systems | NE-1000 | |
| Syringe | Fisher Scientific | BD Safety-Lok Syringes | |
| Syringe Needles | Fisher Scientific | 14-821-13A | |
| DAQ card | National Instruments | 779111-01 | |
| GPIB connector | National Instruments | 778032-51 | |
| Lock-in Amplifier | Stanford Research Systems | SR 830 | |
| Frequency Generator | HP Agilent | 8648B, 9kHz -2GHz | |
| Bias Tee | Picosecond | 5575A-104 | |
| Current Preamplifier | DL Instruments, LLC | DL 1211 | |
| BNC cables | Allied Electronics | 665-xxxx | |
| SMA cables | Sentro Tech Corp | SCF65141 |
Riferimenti
- Dekker, C. Carbon nanotubes as molecular quantum wires. Phys. Today. 52, 22-28 (1999).
- McEuen, P. L., Fuhrer, M. S., Park, H. K. Single-walled carbon nanotube electronics. IEEE Transactions on Nanotechnology. 1, 78-85 (2002).
- Duan, X. F., Huang, Y., Cui, Y., Wang, J. F., Lieber, C. M. Indium phosphide nanowires as building blocks for nanoscale electronic and optoelectronic devices. Nature. 409, 66-69 (2001).
- Cui, Y., Zhong, Z. H., Wang, D. L., Wang, W. U., Lieber, C. M. High performance silicon nanowire field effect transistors. Nano Letters. 3, 149-152 (2003).
- Heller, I., Janssens, A. M., et al. Identifying the mechanism of biosensing with carbon nanotube transistors. Nano Letters. 8, 591-595 (2008).
- Stern, E., Wagner, R., et al. Importance of the debye screening length on nanowire field effect transistor sensors. Nano Letters. 7, 3405-3409 (2007).
- Zhang, G. J., Zhang, G., et al. DNA sensing by silicon nanowire: Charge layer distance dependence. Nano Letters. 8, 1066-1070 (2008).
- Sorgenfrei, S., Chiu, C. -. y., Johnston, M., Nuckolls, C., Shepard, K. L. Debye Screening in Single-Molecule Carbon Nanotube Field-Effect Sensors. Nano Letters. 11, 3739-3743 (2011).
- Appenzeller, J., Frank, D. J. Frequency dependent characterization of transport properties in carbon nanotube transistors. Applied Physics Letters. 84, 1771-1773 (2004).
- Rosenblatt, S., Lin, H., Sazonova, V., Tiwari, S., McEuen, P. L. Mixing at 50 GHz using a single-walled carbon nanotube transistor. Applied Physics Letters. 87, (2005).
- Kulkarni, G. S., Zhong, Z. H. Detection beyond the Debye Screening Length in a High-Frequency Nanoelectronic Biosensor. Nano Letters. 12, 719-723 (2012).
- Sazonova, V. . A Tunable Carbon Nanotube Resonator. , (2006).
- Chen, R. J., Zhang, Y. G., Wang, D. W., Dai, H. J. Noncovalent sidewall functionalization of single-walled carbon nanotubes for protein immobilization. Journal of the American Chemical Society. 123, 3838-3839 (2001).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane. Analytical Chemistry. 70, 4974-4984 (1998).
- Zheng, G. F., Patolsky, F., Cui, Y., Wang, W. U., Lieber, C. M. Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nature Biotechnology. 23, 1294-1301 (2005).
- Star, A., Han, T. R., Gabriel, J. C. P., Bradley, K., Gruner, G. Interaction of aromatic compounds with carbon nanotubes: Correlation to the Hammett parameter of the substituent and measured carbon nanotube FET response. Nano Letters. 3, 1421-1423 (2003).
- Besteman, K., Lee, J. O., Wiertz, F. G. M., Heering, H. A., Dekker, C. Enzyme-coated carbon nanotubes as single-molecule biosensors. Nano Letters. 3, 727-730 (2003).
- Snow, E. S., Perkins, F. K., Houser, E. J., Badescu, S. C., Reinecke, T. L. Chemical detection with a single-walled carbon nanotube capacitor. Science. 307, 1942-1945 (2005).
- Kong, J., Franklin, N. R., et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors. Science. 287, 622-625 (2000).
- Star, A., Tu, E., et al. Label-free detection of DNA hybridization using carbon nanotube network field-effect transistors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103, 921-926 (2006).
- Patolsky, F., Zheng, G. F., Lieber, C. M. Nanowire-based biosensors. Analytical Chemistry. 78, 4260-4269 (2006).
- Stern, E., Klemic, J. F., et al. Label-free immunodetection with CMOS-compatible semiconducting nanowires. Nature. 445, 519-522 (2007).
- Krivitsky, V., Hsiung, L. -. C., et al. Nanowires Forest-Based On-Chip Biomolecular Filtering, Separation and Preconcentration Devices: Nanowires Do it All. Nano Letters. 12, 4748-4756 (2012).
- Kong, J., Soh, H. T., Cassell, A. M., Quate, C. F., Dai, H. J. Synthesis of individual single-walled carbon nanotubes on patterned silicon wafers. Nature. 395, 878-881 (1998).
- Liu, G., Velasco, J., Bao, W. Z., Lau, C. N. Fabrication of graphene p-n-p junctions with contactless top gates. Applied Physics Letters. 92, (2008).
- Katz, E., Willner, I. Probing biomolecular interactions at conductive and semiconductive surfaces by impedance spectroscopy: Routes to impedimetric immunosensors, DNA-Sensors, and enzyme biosensors. Electroanalysis. 15, 913-947 (2003).
- K’Owino, I. O., Sadik, O. A. Impedance spectroscopy: A powerful tool for rapid biomolecular screening and cell culture monitoring. Electroanalysis. 17, 2101-2113 (2005).
- Elnathan, R., Kwiat, M., et al. Biorecognition Layer Engineering: Overcoming Screening Limitations of Nanowire-Based FET Devices. Nano Letters. 12, 5245-5254 (2012).
