높은 이온 강도 솔루션에 감지하기위한 탄소 나노 튜브 고주파 나노 바이오 센서의 제작
Summary
우리는 제조 장치 및 탄소 나노 튜브 기반의 고주파 바이오 센서를위한 측정 프로토콜을 설명합니다. 높은 주파수 감지 기술은 근본적인 이온 (의 Debye) 선별 효과를 완화하고 기존의 전자 바이오 센서가 실패 높은 이온 강도 솔루션을 운영 할 나노 튜브 바이오 센서 수 있습니다. 우리의 기술은 점의 배려 (POC) 생리학 관련 조건에서 작동하는 전자 바이오 센서의 고유 한 플랫폼을 제공합니다.
Abstract
독특한 전자 특성과 단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWNT) 및 반도체 나노 와이어의 높은 표면 대 부피 비율은 (NW) 1-4 그들에게 고감도 바이오 센서에 대한 좋은 후보를합니다. 충전 된 분자가 같은 센서 표면에 바인딩 할 때, 그것의 DC 전도성의 변화의 결과로, 센서 캐리어 밀도 5 변경합니다. 그러나 이온 용액에 청구 표면은 전기 이중층 (EDL)를 형성 솔루션에서 카운터 이온을 끈다. 이 EDL 효과적으로 충전을 화면 및 생리학 관련 조건 ~ 100 밀리몰 (MM), 특성 담당 검사 길이 (Debye에 길이) 나노 미터 (nm의) 미만이다. 따라서, 높은 이온 강도 솔루션, 충전 기반 (DC) 검출은 근본적으로 6-8을 방해합니다.
우리는 탄소 nanot을 운영하여, 높은 주파수에서 분자 쌍극자보다는 요금을 감지하여 충전 선별 효과를 극복고주파 믹서 9-11과 같은 우베 전계 효과 트랜지스터. 높은 주파수에서 AC 드라이브 힘은 더 이상 용액 저항을 극복 할 수 없으며 솔루션 이온은 EDL을 형성하는 데 충분한 시간을 가지고 있지 않습니다. 또한, 주파수 혼합 기술은 우리가 이온 심사를 극복 할만큼 충분히 높은 주파수에서 작동 할 수 있으며, 아직 낮은 주파수 11-12에서 감지 신호를 감지합니다. 또한, 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 높은 컨덕턴스 외부 신호 증폭기의 필요성을 미연에 방지 센싱 신호에 대한 내부 이득을 제공한다.
여기, 우리는 () 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터, (B) (C) 설계 및 장치에 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 마이크로 유체 챔버 (14)를 스탬프 나노 튜브 13 생체 분자를 기능화 등을 조작하는 프로토콜을 설명 (D) 다른 이온 강도 해결책 11에서 높은 주파수 감지를 수행합니다.
Introduction
충전 된 분자가 단일 벽 탄소 나노 튜브 또는 NW 전자 센서에 바인딩 할 때, 그것은 하나 기증 / 전자를 받아들이거나 지역 정전 게이트 역할을 할 수 있습니다. 두 경우 모두, 바인딩 분자 센서의 측정 DC 전도성의 변화로 이어지는, SWNT 또는 NW 채널 전하 밀도를 변경할 수 있습니다. 15-20 분자의 큰 다양성이 성공적으로 바인딩 이벤트 기간 동안 나노 센서의 DC 특성을 연구하여 발견되었다. 충전 감지 기반 감지 메커니즘은 레이블 무료 탐지 21 펨토 몰 감도 22, 전자는 기능 15를 읽을 등 많은 이점이있다하더라도, 그것은 단지 낮은 이온 강도 솔루션에 효과적입니다. 높은 이온 강도 솔루션, DC 검출은 이온 검사 6-8에 의해 방해된다. 충전 된 표면은 표면 근처에 전기 이중층 (EDL)를 형성하는 솔루션에서 카운터 이온을 끈다. EDL은 효과적으로 비용을 상영. T와 같은솔루션 증가 그는 이온 강도, EDL은 좁고 심사 증가됩니다. 이 검사 결과는 검사의 Debye 길이 λ D에 의해 특징입니다
, ε는 미디어의 유전체 유전율이고, K B는 볼츠만 상수, T는 온도이다, Q는 전자 전하, 그리고 C는 전해질 용액의 이온 강도이다. 일반적으로 100 밀리미터 완충 용액의 경우, λ D 1 nm의 주위 및 표면 전위는 완전히 몇 나노 미터의 거리에서 상영 될 것입니다. 그 결과로, 단일 벽 탄소 나노 튜브 또는 나노 와이어를 기반으로 나노 센서의 대부분은 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM의 건조 상태 20 또는 낮은 이온 강도 솔루션의 하나 운영- 10 MM), 그렇지 않으면 샘플 탈염 단계 15,23를 받아야합니다. 점의 배려 진단 장치는 제한된 샘플 처리 능력과 환자의 사이트에서 생리학 관련 이온 강도에서 작동해야합니다. 따라서 완화 이온 선별 효과는 POC 나노 바이오 센서의 개발 및 구현을위한 중요합니다.
우리는 메가 헤르츠 주파수 범위에서 단일 벽 탄소 나노 튜브 기반의 나노 센서를 작동하여 이온 선별 효과를 완화. 프로토콜은 자세한 나노 센싱 플랫폼과 생명 탐지를위한 고주파 혼합 측정을 기반으로 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 제조 여기서 제공. 단일 벽 탄소 나노 튜브는 철 촉매 24과 패턴 기판 위에 화학 기상 증착법에 의해 성장하고 있습니다. 우리의 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터를 들어, 우리는 일시 중단 된 높은 게이트 25 고주파 센서의 응답을 향상하는 데 도움이 나노 튜브 위에 500 nm의 배치 또한 컴팩트 MICR 수 있습니다 통합오 – 유체 챔버 장치를 밀봉하는. 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터 배경 이온 선별 효과를 극복하기 위해 높은 주파수 믹서 9-11로 운영됩니다. 높은 주파수에서 솔루션 모바일 이온은 EDL을 형성 할 수있는 충분한 시간과 변동 생명 쌍극자가없는 수 여전히 게이트 우리의 감지 신호 혼합 전류를 생성하는 SWNT. 혼합 주파수는 FET 나노 튜브의 비선형 IV 특성으로 인해 발생합니다. 우리 탐지 기술은 비용 기반의 탐지 및 임피던스 분광 26-27 종래의 기술과는 다릅니다. 첫째, 우리는 오히려 관련 비용보다 높은 주파수에서 생명 쌍극자를 감지합니다. 둘째, 단일 벽 탄소 나노 튜브 트랜지스터의 높은 컨덕턴스는 감지 신호에 대한 내부 이득을 제공한다. 이 고주파 임피던스 측정의 경우와 같은 외부 증폭에 대한 필요성을 미연에 방지. 최근, 다른 그룹은 높은 바에서 생명 감지를 해결했다ckground 농도 23,28. 그러나, 이러한 방법은 복잡한 제조 또는 수용체 분자의주의 화학 공학을 필요로하는 더 참여하고 있습니다. 우리의 높은 주파수 SWNT 센서는 간단한 설계를 통합하고 나노 튜브 트랜지스터의 고유 주파수 혼합 속성을 사용합니다. 따라서 우리는 생리학 관련 조건에서 직접 작동하는 바이오 센서가 필요한 순간 점의 배려 검출을위한 새로운 바이오 센싱 플랫폼을 약속 이온 심사 영향을 완화 할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
탄소 나노 튜브의 성장은 용광로 조건뿐만 아니라 기판 청결뿐만 아니라 따라 달라집니다. 성장을위한 최적의 가스 유량, 온도, 압력은 신중하게 보정하고 일단 그들이 더 많거나 적은 안정적인 고정해야합니다. 이러한 조건이 충족되고도 함께, 우리는 성장 패턴 촉매 영역 촉매와 기판 청결의 양에 따라 달라집니다 있습니다. 따라서, 우리는 성장 변화에 대한 계정에 여러 촉매 구덩이 크기를 포…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 초기 논의 코넬 대학에서 교수 폴 McEuen 고 감사합니다. 작업은 스타트 업 펀드 미시간 대학과 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 확장 가능한 나노 제조 프로그램 (DMR-1120187)에 의해 제공에 의해 지원됩니다. 이 작품은 미시간 대학, 국립 과학 재단에 의해 후원 국가 나노 인프라 네트워크의 회원에 Lurie는의 나노 제조 시설을 사용했다.
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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