La fabricación de nanotubos de carbono de alta frecuencia Nanoelectrónica biosensor para la detección in High Solutions fuerza iónica

Summary

Se describe la fabricación de dispositivos y un protocolo de medición para biosensores de alta frecuencia basados ​​en nanotubos de carbono. La técnica de detección de alta frecuencia mitiga el efecto de apantallamiento iónica fundamental (de Debye) y permite nanotubo biosensor para ser operado en soluciones de elevada fuerza iónica donde biosensores electrónicos convencionales fallan. Nuestra tecnología ofrece una plataforma única para los puntos de atención (PDA) biosensores electrónicos que operan en condiciones fisiológicamente pertinentes.

Abstract

Las propiedades electrónicas únicas y altas proporciones de superficie-volumen de nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y nanocables semiconductores (NW) ^1-4 hacen buenos candidatos para biosensores de alta sensibilidad. Cuando una molécula cargada se une a una superficie tal sensor, se altera la densidad de portadores ⁵ en el sensor, lo que resulta en cambios en su conductancia DC. Sin embargo, en una solución iónica una superficie cargada también atrae a contra-iones de la solución, la formación de una doble capa eléctrica (EDL). Este EDL pantallas eficaz de la carga y en condiciones fisiológicamente pertinentes ~ 100 milimoles (mM), la longitud característica de detección de carga (longitud de Debye) está a menos de un nanómetro (nm). Por lo tanto, en soluciones de elevada fuerza iónica, la detección basada en carga (CC) está fundamentalmente impedida ^6-8.

Superamos los efectos de detección de carga mediante la detección de los dipolos moleculares en vez de los cargos de alta frecuencia, operando nanot carbonoube transistores de efecto campo como mezcladores de alta frecuencia ^9-11. A altas frecuencias, la fuerza de accionamiento de CA ya no puede superar la fricción y la solución de los iones en solución no tiene tiempo suficiente para formar el EDL. Además, la técnica de mezcla de frecuencias nos permite operar a frecuencias lo suficientemente altas como para superar proyección iónica, y sin embargo, detectar las señales de detección a bajas frecuencias ^11-12. Además, la alta transconductancia de los transistores de SWNT proporciona una ganancia interna para la señal de detección, que obvia la necesidad de amplificador de señal externa.

Aquí, se describe el protocolo para (a) fabricar transistores de SWNT, (b) funcionalizar biomoléculas para el nanotubo ^13, (c) diseñar y estampar una poli-dimetil-siloxano (PDMS) micro-cámara de fluido ¹⁴ en el dispositivo, y (d) llevar a cabo la detección de alta frecuencia en las diferentes soluciones de fuerza iónica ^11.

Introduction

Cuando una molécula cargada se une a un sensor electrónico de SWNT o NO, o bien puede donar / aceptar electrones o actuar como una puerta electrostático local. En cualquiera de los casos, la molécula unida puede alterar la densidad de carga en el canal de SWNT o NO, lo que lleva a un cambio en la conductancia continua medida del sensor. Una gran variedad de moléculas ^15-20 se han detectado con éxito mediante el estudio de las características de corriente continua de los nanosensores durante tales eventos de unión. Aunque mecanismo de detección basado cargo de detección tiene muchas ventajas, incluyendo la detección sin etiqueta ^21, la sensibilidad femto-molar ^22, y electrónicos leídos capacidad ^15, es eficaz sólo en soluciones de baja fuerza iónica. En las soluciones de elevada fuerza iónica, detección de corriente continua se ve impedida por la detección iónica ^6-8. Una superficie cargada atrae contra-iones de la solución que forma una doble capa eléctrica (EDL) cerca de la superficie. La EDL pantallas efectiva de estos cargos. Como tque la fuerza iónica de la solución aumenta, la EDL se hace más estrecha y los aumentos de detección. Este efecto de apantallamiento se caracteriza por la longitud de detección de Debye λ _D,

, Donde ε es la permitividad dieléctrica de los medios de comunicación, k _B es la constante, de Boltzmann T es la temperatura, q es la carga del electrón, y c es la fuerza iónica de la solución de electrolito. Para una solución tampón 100 mM típica, λ _D es de alrededor de 1 nm y el potencial de la superficie será completamente proyectó en una distancia de unos pocos nm. Como resultado, la mayoría de los sensores nanoelectrónicos basado en SWNT o NWs operan ya sea en estado seco ²⁰ o en soluciones de baja fuerza iónica ^{5,15,17,21-22} (c ~ 1 nM- 10 mM), de lo contrario la muestra debe someterse a medidas desalado ^15,23. Dispositivos de diagnóstico de punto de atención necesitan para operar en fuerza iónica fisiológicamente relevantes en el sitio de los pacientes con capacidad de procesamiento de la muestra limitada. Por lo tanto, mitigar el efecto de apantallamiento iónico es fundamental para el desarrollo y ejecución de POC nanoelectrónica biosensores.

Nos mitigar el efecto de apantallamiento iónico mediante la operación del sensor nanoelectrónica basada SWNT en el rango de frecuencia megahertz. El protocolo que se proporcionan aquí detalles de la fabricación de un transistor de SWNT plataforma de detección basado nanoelectrónicos y medición de mezcla de alta frecuencia para la detección biomolecular. Los nanotubos de carbono de pared única son cultivados por deposición química de vapor en sustratos estampados con catalizadores de Fe ^24. Para nuestros transistores SWNT, incorporamos un top-puerta suspendida ²⁵ colocado por encima de 500 nm del nanotubo, que ayuda a mejorar la respuesta del sensor de alta frecuencia y también permite una MICR compactocámara de o-fluídico para sellar el dispositivo. Los transistores de SWNT son operados como mezcladores de alta frecuencia ^9-11 con el fin de superar los efectos de apantallamiento de fondo iónicos. A frecuencias más altas, los iones móviles en solución no tienen tiempo suficiente para formar la EDL y los dipolos biomoleculares fluctuaciones todavía puede puerta SWNT para generar una corriente de mezcla, que es nuestra señal de detección. La frecuencia de mezcla surge debido a las características no lineales IV de un nanotubo de FET. Nuestra técnica de detección difiere de las técnicas convencionales de detección basada en espectroscopia de impedancia de carga y ^26-27. En primer lugar, detectamos dipolos biomoleculares en alta frecuencia en lugar de los costes asociados. En segundo lugar, el alto transconductancia del transistor SWNT proporciona una ganancia interna para la señal de detección. Esto obvia la necesidad de amplificación externa como en el caso de mediciones de la impedancia de alta frecuencia. Recientemente, otros grupos también han abordado la detección biomolecular en alta baconcentraciones ckground ^23,28. Sin embargo, estos métodos son más complicado, que requiere la fabricación compleja o ingeniería química cuidado de moléculas receptoras. Nuestro sensor de SWNT de alta frecuencia incorpora un diseño más simple y utiliza la frecuencia de la propiedad de mezcla inherente de un transistor de nanotubos. Somos capaces de mitigar los efectos de apantallamiento iónicos, prometiendo así una nueva plataforma de biosensores para la detección de puntos de atención en tiempo real, cuando se desean biosensores que funcionan directamente en estado fisiológicamente relevante.

Protocol

1. Patrones catalizador para el crecimiento SWNT Comience con una oblea de silicio con una deposición química de vapor de baja presión (ECV) crecido 500 nm de Si 3 N 4/500 nm de SiO 2 película en la parte superior. Girar la capa una capa de resina fotosensible (PR) a 500 rpm durante 5 seg y luego 4000 rpm durante 40 seg. Hornear la oblea a 115 ° C durante 90 seg. Utilice una fotomáscara con los hoyos rectangulares para catalizadores …

Representative Results

Una imagen de microscopio electrónico de barrido de transistor de SWNT con una puerta de la parte superior suspendido se muestra en la Figura 7a. Las dimensiones de la puerta son críticos para la suspensión 25. Las dimensiones actuales de diseño son (largo x ancho x espesor = 25 micras x 1 micras x 100 nm). El electrodo de puerta se compone de 50 nm Cr/50 nm Au, una capa de cromo gruesa añade más fuerza a la estructura suspendida. La estructura suspendida se confirma por la ausencia de …

Discussion

El crecimiento de los nanotubos de carbono no sólo depende de las condiciones del horno, sino también a limpieza sustrato. La tasa de flujo de gas óptimo, temperatura y presión para el crecimiento tienen que calibrar cuidadosamente y una vez fijado que son más o menos estables. Incluso con que se cumplen estas condiciones, se encontró que el crecimiento depende de la zona de catalizador de modelado, cantidad de catalizador y la limpieza sustrato. Por lo tanto, hemos incorporado varios tamaños pit catalizador para…

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