Fabrikasjon av karbon nanorør høyfrekvente nanoelectronic Biosensor for Sensing i High ionestyrke Solutions
Summary
Vi beskriver enheten fabrikasjon og måling protokoll for karbon nanorør baserte høyfrekvente biosensorer. Den høye frekvensen sensing teknikk reduserer den grunnleggende ionisk (Debye) screening effekt og lar nanorør biosensor å bli operert i høye ionestyrke løsninger der konvensjonelle elektroniske biosensorer mislykkes. Vår teknologi gir en unik plattform for point-of-care (POC) elektroniske biosensorer som opererer i fysiologisk relevante forhold.
Abstract
De unike elektroniske egenskaper og høye overflate-til-volum forholdstall av single-vegger karbon nanorør (SWNT) og halvledere nanotråder (NW) 1-4 gjøre dem gode kandidater for høy følsomhet biosensorer. Når et ladet molekyl binder seg til en slik sensor overflate, endrer det transportøren tetthet 5 i sensoren, noe som resulterer i forandringer i dets DC-konduktans. Imidlertid, i en ionisk oppløsning en ladet overflate tiltrekker også motionene fra løsningen, danner en elektrisk dobbeltlag (EDL). Dette EDL skjermer effektivt av tillegget, og i fysiologisk relevante forhold ~ 100 millimolar (MM), den karakteristiske kostnad screening lengde (Debye lengde) er mindre enn en nanometer (nm). Således, i høye ionestyrke løsninger, er kostnad basert (DC) deteksjon fundamentalt hindres 6-8.
Vi overvinne lade screening effekter ved å oppdage molekylære dipoler snarere enn kostnader ved høy frekvens, ved å operere karbon nanotube felteffekttransistorene som høyfrekvente miksere 9-11. Ved høye frekvenser, kan frekvensomformeren kraft ikke lenger overvinne løsningen dra og ionene i løsningen ikke har tilstrekkelig tid til å danne EDL. Videre tillater frekvens blandeteknikk oss å operere ved frekvenser som er høy nok til å overvinne ionisk screening, og likevel detektere sensormidlet signaler ved lave frekvenser 11-12. Dessuten gir den høye transkonduktans av SWNT transistorer en intern gevinst for avføling av signalet, noe som overflødiggjør behovet for ekstern signalforsterker.
Her beskriver vi protokollen til (a) dikte SWNT transistorer, (b) functionalize biomolekyler til nanorør 13, (c) utforme og stemple en poly-dimetylsiloksan (PDMS) mikro-fluidic kammer 14 på enheten, og (d) gjennomføre høyfrekvente sensing i ulike ionestyrke løsninger 11.
Introduction
Når et ladet molekyl binder seg til et SWNT eller NW elektronisk sensor, kan den enten donere / akseptere elektroner eller fungere som en lokal elektrostatisk port. I begge tilfeller kan det bundne molekyl endre ladningstetthet i SWNT eller NW-kanalen, som fører til en endring i den målte DC konduktansen av sensoren. Et stort utvalg av molekyler 15-20 har blitt oppdaget at ved å studere DC-egenskapene til de nanosensorer under slike bindende hendelser. Selv om lade-deteksjon basert sensing mekanismen har mange fordeler, inkludert label-free deteksjon 21, femto-molar følsomhet 22, og elektronisk lest opp evnen 15, det er bare effektiv i lavionestyrke løsninger. I høye ionestyrke løsninger, DC deteksjon hindret av ionisk screening 6-8. En ladet overflate tiltrekker motionene fra oppløsningen som danner et elektrisk dobbeltlag (EDL) i nærheten av overflaten. EDL-skjermer effektivt av disse kostnadene. Som than ionestyrke av løsningen økes, blir smalere og EDL screening øker. Dette screening effekt er preget av Debye screening lengde λ D,
, Hvor ε er den dielektriske permittiviteten for mediet, k er B den Boltzmanns konstant, T er temperaturen, q er elektronets ladning, og c er den ioniske styrke av elektrolyttoppløsningen. For en typisk 100 mM bufferoppløsning, er λ D rundt 1 nm og overflaten potensialet vil være helt kontrolleres i en avstand på noen få nm. Som et resultat, de fleste av nanoelectronic sensorer basert på SWNTs eller NWS operere enten i tørr tilstand 20 eller i lavionestyrke løsninger 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mm), ellers prøven må gjennomgå avsalting trinn 15,23. Point-of-care diagnostiske enheter trenger for å operere i fysiologisk relevante ioniske styrker på pasienten område med begrenset utvalgets behandling evne. Derfor er formildende ionisk screening effekt kritisk for utvikling og implementering av POC nanoelectronic biosensorer.
Vi dempe ionisk screening effekt ved å operere SWNT baserte nanoelectronic sensor på megahertz frekvensområdet. Protokollen gitt her beskriver fabrikasjon av en SWNT transistor basert nanoelectronic sensing plattform og høy frekvens miksing måling for biomolecular gjenkjenning. De single-vegger karbon nanorør er dyrket ved kjemisk damp avsetning på underlag mønstrede med Fe katalysatorer 24. For våre SWNT transistorer, har vi lagt inn en suspendert topp-gate 25 plassert 500 nm over nanorør, som bidrar til å forsterke høyfrekvent sensor respons og gir også mulighet for en kompakt micro-fluidic kammer for å forsegle enheten. De SWNT transistorene drives som høyfrekvente blandere 9-11 for å overvinne bakgrunns ioniske screening effekter. Ved høye frekvenser, gjør de mobile ioner i løsningen ikke har tilstrekkelig tid til å danne EDL og den varierende Biomolecular dipoler kan fortsatt gate i SWNT å generere en blanding strøm, som er vårt sensing signal. Frekvensen blanding oppstår på grunn av de ulineære IV egenskapene til et nanorør FET. Vår oppdagelse teknikken skiller seg fra de konvensjonelle teknikker for avgift basert gjenkjenning og impedansspektroskopi 26-27. For det første, oppdage vi Biomolecular dipoler med høy frekvens i stedet for tilhørende kostnader. Dernest gir den høye transkonduktans av SWNT transistor en intern gevinst for sensing signal. Dette fjerner behovet for ytre forsterkning som i tilfelle av høy frekvens impedansmålinger. Nylig har andre grupper også adressert Biomolekylære deteksjon i høy BABAKGRUNN konsentrasjoner 23,28. Men disse metodene er mer involvert, krever komplekse fabrikasjon eller forsiktig kjemiteknikk av reseptor-molekyler. Vår høyfrekvent SWNT sensor har en enklere utforming og utnytter den iboende frekvens miksing tilhører et nanorør transistor. Vi er i stand til å dempe de ioniske screening effekter, og dermed lovende en ny biosensing plattform for sanntids point-of-care deteksjon, hvor biosensorer fungerer direkte i fysiologisk relevant tilstand er ønskelig.
Protocol
Representative Results
Discussion
Veksten av karbon nanorør avhenger ikke bare av ovn forhold, men også underlaget renslighet. Den optimale gass-strømningshastighet, temperatur og trykk for vekst må nøye kalibrert og en gang løst de er mer eller mindre stabile. Selv med disse betingelsene er oppfylt, fant vi at veksten avhenger av mønstrede katalysator området, mengde katalysator og substrat renslighet. Derfor innlemmet vi flere katalysator pit størrelser å ta hensyn til variasjon i vekst. En én time høy temperatur basepartilpasses trinn hja…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker professor Paul McEuen ved Cornell University for tidlig diskusjon. Arbeidet er støttet av oppstart fond gi ved University of Michigan og National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Program (DMR-1120187). Dette arbeidet brukte Lurie Nanofabrication Facility ved University of Michigan, et medlem av National Nanoteknologi Infrastructure Network finansiert av 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).
