Fabricação de Nanotubos de Carbono de Alta Frequência Nanoelectronic Biosensor de Sensoriamento em High Solutions força iônica
Summary
Descrevemos a fabricação do dispositivo e protocolo de medição para nanotubos baseados em biossensores de alta freqüência de carbono. A técnica de detecção de alta frequência atenua a iônica (Debye) efeito fundamental de triagem e permite nanotubo de biosensor para ser operado em soluções de força iônica alta onde biossensores eletrônicos convencionais falham. Nossa tecnologia oferece uma plataforma única para o ponto de atendimento (POC) biossensores eletrônicos que operam em condições fisiologicamente relevantes.
Abstract
As propriedades eletrônicas únicas e elevados rácios de superfície-volume de nanotubos de carbono de parede única (SWNT) e nanofios semicondutores (NW) 1-4 torná-los bons candidatos para biossensores de alta sensibilidade. Quando se liga uma molécula carregada para uma tal superfície do sensor, que altera a densidade do portador 5 no sensor, o que resulta em mudanças na sua condutância CC. No entanto, numa solução iónica uma superfície carregada também atrai contra-iões na solução, formando uma dupla camada eléctrica (EDL). Este EDL telas efetivamente fora do cargo, e em condições fisiologicamente relevante ~ 100 milimolar (mM), a característica de carga comprimento triagem (Debye comprimento) é menor do que um nanômetro (nm). Assim, em soluções de alta força iônica, detecção de carga baseado (DC) é fundamentalmente impedido 6-8.
Nós superar os efeitos de triagem de carga através da detecção de dipolos moleculares, em vez de encargos em alta freqüência, operando nanot carbonoUBE transistores de efeito de campo como misturadores de alta freqüência 9-11. Em altas freqüências, a força de acionamento AC não pode mais superar o arrasto solução e os íons em solução não tem tempo suficiente para formar a EDL. Além disso, a técnica de mistura freqüência nos permite operar em freqüências mais altas o suficiente para superar triagem iônica, e ainda detectar os sinais de detecção em freqüências mais baixas 11-12. Além disso, a elevada transcondutância dos transístores SWNT fornece um ganho interno para o sinal de detecção, o que evita a necessidade de amplificador de sinal externo.
Aqui, descrevemos o protocolo (a) fabricar transistores SWNT, (b) funcionalizar biomoléculas para o nanotubo 13, (c) projetar e carimbar um poli-dimethylsiloxane (PDMS) câmara de micro-fluídico 14 para o dispositivo, e (d) realizar a detecção de alta freqüência em diferentes soluções de força iônica 11.
Introduction
Quando uma molécula carregada liga-se a um sensor eletrônico SWNT ou NW, ele pode doar / aceitar elétrons ou atuar como um portão eletrostática local. Em ambos os casos, a molécula de ligação pode alterar a densidade de carga no canal SWNT ou NW, conduzindo a uma alteração na condutância CC medida do sensor. Uma grande variedade de moléculas de 15-20 foram detectados com sucesso através do estudo das características DC nanosensors durante tais eventos de ligação. Mesmo que de detecção de carga mecanismo de detecção baseado tem muitas vantagens, incluindo a detecção de etiqueta livre de 21, a sensibilidade femto-molar 22, e ler eletrônico a capacidade de 15, mas só é eficaz em soluções de baixa força iônica. Nas soluções de elevada força iónica, a detecção de DC é impedida pela triagem iónico 6-8. A superfície carregada atrai contra-iões da solução, que forma uma camada dupla eléctrica (EDL) perto da superfície. A EDL telas efetivamente off esses encargos. Como tele força iónica da solução aumenta, a EDL torna-se mais estreito e os aumentos de triagem. Este efeito de blindagem é caracterizada por o comprimento de Debye triagem λ D,
, Onde ε é a permissividade dieléctrica do material, k B é a constante de Boltzmann, T é a temperatura, q é a carga do electrão, e c representa a força iónica da solução de electrólito. Para uma solução de 100 mM de tampão típico, λ D é de cerca de 1 nm e o potencial de superfície será completamente conferido a uma distância de alguns nm. Como resultado, a maioria dos sensores nanoeletrônicos baseado em nanotubos de carbono ou NWs funcionar quer em estado seco ou 20, em soluções de baixa força iónica 5,15,17,21-22 (C ~ 1 nM- 10 mM), caso contrário, a amostra tem de passar por etapas de dessalinização 15,23. Dispositivos de diagnóstico Point-of-care precisa para operar em forças iônicas fisiologicamente relevantes no local paciente com limitada capacidade de processamento da amostra. Assim, mitigar efeitos de triagem iônica é fundamental para o desenvolvimento e implementação do POC nanoeletrônica biossensores.
Nós mitigar o efeito de blindagem iônica operando sensor de nanoeletrônica baseada SWNT na faixa de freqüência de megahertz. O protocolo fornecido aqui detalhes da fabricação de um transistor baseado SWNT plataforma de sensoriamento nanoeletrônica e alta freqüência de medição de mistura para a detecção biomolecular. Os nanotubos de carbono de parede única são cultivados por deposição química a vapor em substratos estampados com catalisadores Fe 24. Para os nossos transistores SWNT, incorporamos uma suspensão de 25 top-gate colocados 500 nm acima do nanotubo, o que ajuda a melhorar a resposta do sensor de alta freqüência e também permite um micr compactocâmara de o-fluídico para selar o dispositivo. Os transistores SWNT são operados como misturadores de alta freqüência 9-11, a fim de superar os efeitos iônicos fundo de triagem. Em altas freqüências, os íons móveis em solução não tem tempo suficiente para formar a EDL e os dipolos biomoleculares flutuantes ainda pode portão SWNT para gerar uma corrente de mistura, que é o nosso sinal de detecção. A freqüência de mistura surge devido às características não lineares IV de um nanotubo de FET. A técnica de detecção difere das técnicas convencionais de detecção baseada em espectroscopia de impedância de carga e 26-27. Em primeiro lugar, detectar dipolos biomoleculares em alta freqüência, em vez de os encargos associados. Em segundo lugar, a alta transcondutância do transistor SWNT fornece um ganho interno para o sinal de detecção. Isto evita a necessidade de amplificação externa, como no caso de medições de impedância alta frequência. Recentemente, outros grupos também têm abordado a detecção biomolecular em alta baconcentrações ckground 23,28. No entanto, estes métodos são mais envolvidos, exigindo fabricação complexa ou engenharia química cuidado de moléculas receptoras. Nosso sensor de SWNT alta freqüência incorpora um design mais simples e utiliza a propriedade de mistura freqüência inerente de um transistor de nanotubos. Somos capazes de mitigar os efeitos de triagem iônicos, prometendo assim uma nova plataforma biosensing para detecção em tempo real de pontos de atendimento, onde biossensores funcionando diretamente em condições fisiologicamente relevante são desejados.
Protocol
Representative Results
Discussion
O crescimento dos nanotubos de carbono depende não só das condições de forno, mas também limpeza substrato. A taxa de fluxo de gás óptima, temperatura e pressão para o crescimento tem que cuidadosamente calibrada e uma vez fixado eles são mais ou menos estável. Mesmo com essas condições sejam cumpridas, verificou-se que o crescimento depende da área de catalisador a modelada, a quantidade de catalisador e limpeza do substrato. Por isso, nós incorporamos vários tamanhos pit catalisador para dar conta da va…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos ao Prof Paul McEuen na Universidade de Cornell para a discussão inicial. O trabalho é apoiado pelo fundo de arranque fornecer pela Universidade de Michigan e do National Science Foundation Programa de Nanofabricação (Scalable DMR-1120187). Este trabalho utilizou a Nanofabricação Facilidade Lurie na Universidade de Michigan, membro da Rede Nacional de Infra-estrutura Nanotecnologia financiado pela 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 |
Referências
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