高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製
Summary
我々は、デバイス作製およびカーボンナノチューブ系高周波バイオセンサーの測定プロトコルを説明する。高周波センシング技術は、基本イオン（デバイ）遮蔽効果を緩和し、ナノチューブバイオセンサーは、従来の電子バイオセンサが失敗し、高イオン強度溶液で動作することを可能にする。当社の技術は、ポイントオブケア（POC）生理学的に適切な状態で動作する電子バイオセンサーのためのユニークなプラットフォームを提供します。
Abstract
ユニークな電子特性と単層カーボンナノチューブ（SWNT）と半導体ナノワイヤの高い表面積対体積比（NW）は1-4は、それらの高感度バイオセンサーのための良好な候補にする。荷電分子は、例えばセンサ表面に結合すると、そのDCコンダクタンスの変化をもたらす、センサ内のキャリア密度を変化させる5。しかしながら、イオン溶液に帯電した表面は、電気二重層（EDL）を形成し、溶液からの対イオンを引き付ける。このEDLを効果的に電荷をオフにスクリーニングし、そして生理学的に適切な条件で約100ミリモル（mM）を、特徴的な電荷スクリーニング長（デバイ長さ）はメートル（nm）未満である。このように、高イオン強度溶液中で、電荷系（DC）の検出は、基本的に6-8の妨げとなっている。
我々は、炭素nanotを操作することにより、高い周波数ではなく、分子の双極子の電荷を検出することにより、電荷スクリーニング影響を克服高周波ミキサ9-11として宇部電界効果トランジスタ。高い周波数では、AC駆動力はもはや溶液抗力に打ち勝つことができない、溶液中のイオンは、EDLを形成するのに十分な時間がない。さらに、周波数ミキシング技術は、私たちはイオンスクリーニングを克服するのに十分に高い周波数で動作することを可能にし、まだ低い周波数11-12で感知信号を検出する。また、SWNTトランジスタの高い相互コンダクタンスは、外部の信号増幅器が不要に検知信号用の内部ゲインを提供します。
ここでは、（b）は、デバイス上チャンバ14（c）は、マイクロ流体（PDMS）、ポリジメチルシロキサンを設計し、スタンプ、ナノチューブ13に生体分子を官能化し、（d）は、（）SWNTトランジスタを作製するためのプロトコルを記述異なるイオン強度溶液11における高周波センシングを行う。
Introduction
帯電した分子がSWNTまたはNW電子センサに結合すると、それはどちらか寄付/電子を受け入れるか、またはローカルの静ゲートとして機能することができます。いずれの場合も、結合分子は、センサの測定されたDCコンダクタンスの変化をもたらす、SWNT又はNWチャネル内の電荷密度を変えることができる。 15-20分子の多種多様が正常な結合イベント時にナノセンサーのDC特性を研究することによって検出されている。電荷検出してい感知機構は、ラベルフリー検出21、フェムトモル感度22、及び電子が機能15を読み出す含む多くの利点を持っているにもかかわらず、それは、低イオン強度溶液に有効である。高イオン強度溶液において、DC検出は、イオンスクリーニング6-8によって妨げられる。帯電した表面は、表面近傍の電気二重層（EDL）を形成する溶液から対イオンを魅了しています。 EDLは、効果的にこれらの費用をオフに選別。 Tと彼溶液が増加するイオン強度、EDLが狭く及びスクリーニングが増大となる。この遮蔽効果は、デバイ長λDスクリーニングすることを特徴とする
、ε媒体の誘電率であり、kはBはボルツマン定数、Tは温度であり、qは電子の電荷であり、cは電解液のイオン強度である。典型的な100mMの緩衝液については、λDは 1nm で程度で、表面電位が完全に数nmの距離で上映される。結果として、単層カーボンナノチューブまたはナノワイヤをもとにしてナノセンサのほとんどは、乾燥状態で20または低イオン強度溶液5,15,17,21-22（℃〜1nMのいずれかで動作する- 10mM）を、そうでない場合はサンプルは脱塩手順15,23を経る必要があります。ポイント·オブ·ケア診断装置は、限られた試料処理機能を備えた患者の生理学的に適切な部位にイオン強度で動作する必要がある。したがって、イオン遮蔽効果を緩和するPOCナノバイオセンサーの開発と実施のために重要である。
我々は、メガヘルツの周波数範囲においてSWNT系ナノセンサを操作することにより、イオン遮蔽効果を緩和する。プロトコルは詳細ナノセンシングプラットフォームと生体分子検出用高周波混合測定基づくSWNTトランジスタの製造ここで提供。単層カーボンナノチューブは、鉄触媒24でパターン化基板上に化学気相蒸着法によって成長させる。我々のSWNTトランジスタのために、我々は懸トップゲート25が 500nm高周波センサの応答性を高めるのに役立ち、また、コンパクトなMICRを可能ナノチューブの上に配置組み込むデバイスを密封するO流体室。 SWNTトランジスタは、バックグラウンドイオン遮蔽効果を克服するために、高周波ミキサ9-11として動作する。高い周波数では、溶液中の可動イオンは、EDLを形成すると変動する生体分子の双極子は、まだゲートSWNTは私たちの検知信号であるミキシング電流を生成することができる十分な時間がありません。周波数混合はFETナノチューブの非線形IV特性に起因し発生する。当社の検出技術は、充電ベースの検出とインピーダンス分光26-27の従来の技術とは異なります。まず、我々はむしろ、関連する費用よりも高い周波数で生体分子双極子を検出する。第二に、SWNTトランジスタの高い相互コンダクタンスは、検知信号用の内部ゲインを提供します。これは、高周波インピーダンス測定の場合のように外部増幅の必要性がなくなる。最近では、他のグループはまた、高BAで生体分子検出に対処してきたckground濃度23,28。しかし、これらの方法は、複雑な製造または受容体分子の慎重な化学工学を必要とする、より複雑である。当社の高周波SWNTセンサはシンプルなデザインを内蔵しナノチューブトランジスタの固有の周波数混合性を利用しています。そこで我々は、生理学的に適切な状態で直接機能するバイオセンサが望まれるリアルタイムのポイント·オブ·ケア検出のための新しいバイオセンシングプラットフォームを有望、イオン遮蔽効果を緩和することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
カーボンナノチューブの成長だけでなく、炉の条件だけでなく、基板の清浄度に依存する。成長のための最適のガス流量、温度及び圧力は慎重に較正され、一旦、多かれ少なかれ安定している固定されなければならない。これらの条件が満たされていてもして、我々は、成長がパターン化された触媒領域、触媒と基質清浄の量に依存するがわかった。したがって、我々は成長のばらつきを考?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我々は早期に議論のためにコーネル大学の教授ポールMcEuenに感謝します。仕事はミシガン大学と国立科学財団スケーラブルナノ製造プログラム（DMR-1120187）によってスタートアップ資金提供によってサポートされています。この作品は、ミシガン大学、国立科学財団によって資金を供給国家ナノテクノロジー基盤ネットワークのメンバーでルーリーのナノファブリケーション施設を使用していました。
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
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