המצאה של Biosensor Nanotube פחמן בתדירות גבוהה Nanoelectronic לחישה בפתרוני כוח יוניים גבוהים
Summary
אנו מתארים את ייצור מכשיר מדידה ולפרוטוקול biosensors בתדר גבוה המבוסס על צינורות פחמן. טכניקת חישת התדירות הגבוהה מפחית את הסיכון (דביי) השפעת ההקרנה יונית הבסיסית ומאפשרת Nanotube biosensor להיות מופעל בפתרונות כוח יוניים גבוהים שבי biosensors אלקטרוני קונבנציונלי נכשלים. הטכנולוגיה שלנו מספקת פלטפורמה ייחודית לbiosensors אלקטרוני הפועלים בתנאים פיסיולוגיים רלוונטיים נקודה של הטיפול (POC).
Abstract
המאפיינים האלקטרוניים הייחודיים ויחסי קרקע בנפח גבוהים של צינורות פחמן אחת חומה (SWNT) ומוליכים למחצה nanowires (NW) 1-4 להפוך אותם למועמדים טובים לbiosensors רגישות גבוהה. כאשר מולקולה טעונה נקשר למשטח חיישן כזה, זה משנה את צפיפות הספק 5 בחיישן, וכתוצאה משינויים במוליכות DC שלה. עם זאת, בפתרון יוני משטח טעון גם מושך יונים ללא מרשם מהפתרון, ויוצר שכבה כפולה חשמלית (אדי). אד זה מסכי ביעילות את תשלום, ובתנאים פיסיולוגיים רלוונטיים ~ 100 millimolar (מ"מ), אורך הקרנת תשלום האופייני (דביי אורך) הוא פחות מ ננומטר (ננומטר). לפיכך, במתן פתרונות כוח יוניים גבוהים, זיהוי מבוסס תשלום (DC) הוא עיכבו 6-8 במהותו.
שלנו להתגבר על השפעות הקרנת תשלום על ידי איתור הדיפולים מולקולריים ולא חיובים בתדירות גבוהה, על ידי הפעלת הפחם nanotהשפעת שדה טרנזיסטורים Ube כמערבלי 9-11 בתדירות גבוהה. בתדרים גבוהים, כוח כונן AC כבר לא יכול להתגבר על גרירת הפתרון ואת היונים בתמיסה אין לי זמן מספיק כדי ליצור את האד. יתר על כן, טכניקת ערבוב תדר מאפשרת לנו לפעול בתדרים גבוהים מספיק כדי להתגבר על הקרנה יונית, ובכל זאת לזהות את אותות חישה בתדרים נמוכים 11-12. כמו כן, transconductance הגבוה של טרנזיסטורים SWNT מספק רווח פנימי לאות החישה, שמייתרת את הצורך במגבר אות חיצוני.
כאן, אנו מתארים לפרוטוקול () לפברק טרנזיסטורים SWNT, (ב) functionalize ביומולקולות לNanotube 13, (ג) לתכנן ולהחתים פולי-dimethylsiloxane (PDMS) קאמרי מייקר fluidic 14 על המכשיר, ו (ד) לבצע חישה בתדירות גבוהה בפתרונות כוח יוניים שונים 11.
Introduction
כאשר מולקולה טעונה נקשר לחיישן אלקטרוני SWNT או NW, זה גם יכול לתרום / לקבל אלקטרונים או לפעול כאלקטרוסטטי שער מקומי. בכל מקרה, מולקולה המאוגדת יכולה לשנות את צפיפות המטען בSWNT או NW הערוץ, שהובילה לשינוי במוליכות DC הנמדד של החיישן. מגוון גדול של מולקולות 15-20 שכבר זוהה בהצלחה על ידי לימוד מאפייני DC של החיישנים הזעירים במהלך אירועים מחייבים כאלה. למרות שיש לו מנגנון חיוב איתור מבוסס חישת יתרונות רבים, כולל זיהוי ללא תווית 21, רגישות FEMTO-טוחנת 22, ואלקטרוניים לקרוא את היכולת 15, הוא יעיל רק בפתרונות כוח יוניים נמוכים. בפתרונות כוח יוניים גבוהים, זיהוי DC הוא הקשו על ידי הקרנה יונית 6-8. משטח טעון מושך יונים ללא מרשם מהפתרון המהווה שכבה כפולה חשמלית (אדי) קרוב לפני השטח. אדי מסכי ביעילות את ההאשמות הללו. כמו tהוא יוני כוח של עליות הפתרון, אדי הופך צר יותר ומגדיל את ההקרנה. השפעת ההקרנה זו מאופיינת על ידי דביי הקרנת אורך λ D,
, שבו ε הוא permittivity דיאלקטרי של התקשורת, k B הוא של הקבוע בולצמן, T הטמפרטורה, q הוא מטען האלקטרון, וג הוא החוזק היוני של תמיסת אלקטרוליט. לפתרון חיץ 100 מ"מ טיפוסיים, λ D הוא סביב 1 ננומטר ומשטח פוטנציאל יוקרן לחלוטין במרחק של כמה ננומטר. כתוצאה מכך, רוב החיישנים המבוססים על nanoelectronic SWNTs או NWS לפעול גם במצב יבש או 20 בפתרונות כוח יוניים נמוכים 5,15,17,21-22 (ג ~ 1 ננומטר- 10 מ"מ), אחרת המדגם צריך לעבור שלבי desalting 15,23. מכשירי אבחון נקודה של טיפול צריכים לפעול בחוזק היוני מבחינה פיזיולוגית רלוונטי באתר של מטופל עם יכולת עיבוד מדגם מוגבלת. לפיכך, השפעת ההקרנה יונית מקלים היא קריטית לפיתוח ויישום של חיישנים ביולוגיים nanoelectronic POC.
שלנו למתן את השפעת ההקרנה יונית על ידי הפעלת חיישן nanoelectronic מבוססת SWNT בטווח תדרי מגהרץ. הפרוטוקול הניתן כאן פרטי הייצור של הטרנזיסטור SWNT מבוסס פלטפורמת nanoelectronic חישה ומדידת ערבוב בתדירות גבוהה לגילוי biomolecular. צינורות פחמן אחת חומה גדלים על ידי שיקוע כימי על מצעים בדוגמת עם פה זרזים 24. לטרנזיסטורים SWNT שלנו, אנו משלבים מושעים העליון שער 25 להציב 500 ננומטר מעל Nanotube, אשר מסייע לשפר את תגובת חיישן בתדירות גבוהה וגם מאפשר לMICR קומפקטיקאמרי O-fluidic לאטום את המכשיר. הטרנזיסטורים SWNT מופעלים כמערבלי 9-11 בתדירות גבוהה על מנת להתגבר על השפעות ההקרנה יוניות הרקע. בתדרים גבוהים, אין להם את היונים הניידים בתמיסה מספיק זמן כדי ליצור את אדי ואת הדיפולים biomolecular תנודות יכול עדיין שער SWNT ליצור ערבוב נוכחי, שהיא אות החישה שלנו. תדירות ערבוב מתעוררת בשל מאפייני IV קוי של ננוצינורית FET. הטכניקה לזיהוי שלנו שונה מהטכניקות המקובלות של זיהוי מבוסס תשלום וספקטרוסקופיה עכבת 26-27. ראשית, אנו מזהים הדיפולים biomolecular בתדירות גבוהה ולא את החיובים הנלווים. שנית, transconductance הגבוה של טרנזיסטור SWNT מספק רווח פנימי לאות החישה. זה מייתר את הצורך בהגברה חיצונית כמו במקרה של מדידות עכבה בתדירות גבוהות. לאחרונה, קבוצות אחרות שהתייחסו גם לגילוי biomolecular בתואר ראשון גבוהckground ריכוזי 23,28. עם זאת, שיטות אלה מעורבות יותר, הדורשים ייצור מורכב או הנדסה כימית זהירה של מולקולות הקולטן. משלב חיישן SWNT התדירות הגבוה שלנו עיצוב פשוט ומנצל את רכוש הערבוב הגלום תדר של טרנזיסטור Nanotube. אנחנו יכולים למתן את השפעות ההקרנה יוניות, ובכך מבטיח פלטפורמת biosensing חדשה לגילוי נקודה של טיפול בזמן אמת, שבו חיישנים ביולוגיים המתפקדים באופן ישיר במצב רלוונטי מבחינה פיזיולוגית הם הרצויים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצמיחה של צינורות פחמן תלויה לא רק בתנאים תנור, אלא גם ניקיון מצע. קצב זרימת הגז, הטמפרטורה והלחץ האופטימלית לצמיחה צריכים לכייל בזהירות וברגע שנקבעו שהם פחות או יותר יציבים. אפילו עם שעמדו בתנאים אלה, מצאנו כי הצמיחה תלויה באזור זרז הדוגמת, הסכום של זרז וניקיון מצע. ל?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לפרופ 'פול McEuen באוניברסיטת קורנל לדיון מוקדם. העבודה נתמכת על ידי הקרן הזנק לספק על ידי אוניברסיטת מישיגן ותכנית הקרן הלאומית למדע מדרגי Nanomanufacturing (DMR-1,120,187). עבודה זו נעשתה שימוש במתקן Nanofabrication לוריא באוניברסיטת מישיגן, חבר ברשת ננוטכנולוגיה התשתיות הלאומית מומנה על ידי הקרן הלאומית למדע.
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
- 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).
