Yüksek İyonik Güç Çözümleri Algılama için karbon Nanotube Yüksek Frekans nanoelektronik Biyosensör Fabrikasyon
Summary
Biz cihaz imalat ve karbon nanotüp tabanlı yüksek frekans biyosensörler için ölçü protokol açıklar. Yüksek frekans algılama tekniği temel iyonik (Debye) tarama etkisi azaltır ve geleneksel elektronik biyosensörler başarısız yüksek iyonik gücü çözümleri ameliyat olmak için nanotüp biyosensör sağlar. Teknolojimiz noktası bakım (POC) fizyolojik gerekli koşulların faaliyet gösteren elektronik biyosensör için benzersiz bir platform sağlar.
Abstract
Eşsiz elektronik özellikleri ve tek duvarlı karbon nanotüpler (SWNT) ve yarı iletken nanotellerin yüksek yüzey-hacim oranları (KB) 1-4 bunları yüksek hassasiyet biyosensör için iyi bir aday olun. Dolu bir molekül, bir sensör yüzeyine bağlandığı zaman, kendi DC iletkenlikteki değişikliği ile sonuçlanan, sensör taşıyıcı yoğunluğu 5 değiştirir. Bununla birlikte, iyonik bir solüsyon içinde bir yüklü yüzey, aynı zamanda, bir elektriksel çift katman (EDS) oluşturan çözelti, bir karşı-iyonları çeker. Bu EDL etkili şarj kapalı perdeler, ve fizyolojik ilgili koşullarda ~ 100 milimolar (mM), karakteristik şarj tarama uzunluğu (Debye uzunluğu) bir nanometre (nm) daha azdır. Bu nedenle, yüksek iyonik güç çözümleri, şarj tabanlı (DC) algılama temelde 6-8 engellemektedir.
Biz karbon nanot çalıştırarak, yüksek frekansta moleküler dipol yerine ücretleri tespit ederek şarj tarama etkilerini aşmakyüksek frekans karıştırıcılar 9-11 olarak ube alan etkili transistörler. Yüksek frekanslarda, AC sürücü güç artık çözüm sürükle üstesinden gelebilir ve çözüm iyonları EDL oluşturmak için yeterli zamanımız yok. Ayrıca, frekans karıştırma tekniği bize iyonik tarama üstesinden gelmek için yeterince yüksek frekanslarda çalışmasını sağlar, ve henüz düşük frekanslarda 11-12 de algılama sinyalleri algılar. Ayrıca, SWNT transistörlerin yüksek iletkenliği harici sinyal amplifikatörü için duyulan ihtiyacı ortadan kaldırır algılama sinyali için bir iç kazanç temin etmektedir.
Burada, (a) SWNT transistörler, (b) (c) tasarım ve cihaz üzerine bir poli-dimetilsiloksan (PDMS) mikro-akışkan odası 14 damga, nanotüp 13 biyomoleküllerin işlerlik ve imal protokol açıklar (d) farklı iyonik gücü çözümleri 11 yüksek frekans algılama yürütmek.
Introduction
Bir ücret molekül bir SWNT veya KB elektronik sensör bağlandığında, ya bağış / elektronları kabul eden ya da yerel bir elektrostatik kapı olarak hareket edebilir. Her iki durumda da, bağlama molekülü sensörün ölçüm DC iletkenlik bir değişime yol açan, SWNT veya KB kanal yük yoğunluğu değiştirebilir. 15-20 moleküllerin büyük bir çeşitlilik başarılı gibi bağlayıcı olaylar sırasında nanosensors DC özelliklerini inceleyerek tespit edilmiştir. Şarj algılama tabanlı algılama mekanizması etiket-ücretsiz algılama 21, Femto-molar duyarlılık 22, ve elektronik yeteneği 15 okuma da dahil olmak üzere pek çok avantajı olmasına rağmen, bu sadece düşük iyonik gücü çözümleri etkilidir. Yüksek iyonik güç çözümleri, DC algılama iyonik tarama 6-8 tarafından engellenmektedir. Bir ücret yüzey yüzeye yakın bir elektriksel çift tabaka (EDL) oluşturan çözümünden karşı iyonları çekiyor. EDL etkili bu ücretleri kapalı ekranlarında. T gibiçözüm artar o iyonik gücü, EDL dar ve tarama artar hale gelir. Bu tarama etkisi, Debye tarama uzunluğu λ D ile karakterize edilir
, Ε medyanın dielektrik geçirgenlik olduğu, k B Boltzmann sabiti, T sıcaklık olduğunu, q elektron ücret ve c elektrolit çözeltisinin iyonik gücü. Tipik bir 100 mM tampon çözelti için, λ D 1 nm civarındadır ve yüzey potansiyeli tamamen birkaç nm mesafede izleyicilerle buluşacak. Sonuç olarak, SWNTs veya NWS göre nanoelektronik sensörler en 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM kuru halde 20 veya düşük iyonik güçlü Çözeltilerin ya yapmaktadır- 10 mM), aksi takdirde örnek tuzsuzlaştırma adımları 15,23 geçmesi gerekiyor. Point-of-bakım teşhis cihazları sınırlı örnek işleme yeteneği ile hasta yerinde fizyolojik ilgili iyonik güçlü faaliyet gerekir. Bu nedenle, hafifletici iyonik tarama etkisi POC nanoelektronik biyosensör geliştirilmesi ve uygulanması için çok önemlidir.
Biz megahertz frekans aralığında SWNT tabanlı nanoelektronik sensörü çalıştırarak iyonik tarama etkisini azaltmak. Protokol ayrıntıları nanoelektronik algılama platformu ve biyomoleküler tespiti için yüksek frekanslı karıştırma ölçüm dayalı bir SWNT transistörün üretim burada sağlanan. Tek duvarlı karbon nanotüpler Fe katalizörler 24 ile desenli yüzeyler üzerinde kimyasal buhar biriktirme tarafından yetiştirilmektedir. Bizim SWNT transistörler için, bir asma üst geçit 25 yüksek frekans sensörü yanıtı arttırmak yardımcı olur nanotüp, yukarıda 500 nm yerleştirilir ve aynı zamanda kompakt bir MICR sağlar dahilo-akışkan odası cihazı mühür. SWNT transistörler arka iyonik tarama etkilerini aşmak için yüksek frekans karıştırıcı 9-11 olarak işletilmektedir. Yüksek frekanslarda, çözüm mobil iyonları EDL oluşturmak için yeterli zaman ve dalgalanan biyomoleküler dipollerin yok olabilir hala kapı bizim algılama sinyali bir karıştırma akım, oluşturmak için SWNT. Karıştırma sıklığı FET bir nanotüp doğrusal olmayan IV özellikleri nedeniyle ortaya çıkar. Bizim algılama tekniği ücret tabanlı algılama ve empedans spektroskopisi 26-27 geleneksel teknikleri farklıdır. Öncelikle, yerine ilgili ücretleri daha yüksek frekansta biyomoleküler dipoller algılar. İkinci olarak, SWNT transistörün iletkenliği yüksek bir algılama sinyali için dahili bir kazanç temin etmektedir. Bu, yüksek frekans empedans ölçümleri durumunda olduğu gibi, harici amplifikasyon için duyulan ihtiyacı ortadan kaldırır. Son zamanlarda, diğer gruplar da yüksek ba biyomoleküler algılama ele varckground konsantrasyonları 23,28. Ancak, bu yöntemler karmaşık fabrikasyon veya reseptör moleküllerin dikkatli kimya mühendisliği gerektiren, daha karmaşık bulunmaktadır. Bizim yüksek frekans SWNT sensör daha basit bir tasarıma sahiptir ve bir nanotüp transistörün doğal frekans karıştırma özelliğini kullanır. Böylece fizyolojik ilgili durumda doğrudan işleyen biyosensör istenen gerçek zamanlı noktası bakım tespiti için yeni bir Biyoalgılayıcı platformu umut verici, iyonik tarama etkilerini azaltmak mümkün.
Protocol
Representative Results
Discussion
Karbon nanotüpler büyüme fırın koşulları aynı zamanda yüzey temizlik sadece bağlıdır. Büyüme için en uygun gaz akış hızı, sıcaklık ve basınç dikkatle kalibre ve bir kez az ya da çok istikrarlı sabit zorunda. Bu koşullar karşılanmaktadır olsa bile, o büyüme desenli katalizör alanı, katalizör ve yüzey temizlik miktarına bağlıdır bulundu. Bu nedenle, büyüme değişkenliği açıklamak için birden fazla katalizör çukur boyutları dahil. Bir bir saat yüksek sıcaklık adım yüzey…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz erken tartışma için Cornell Üniversitesi'nde Prof Paul McEuen teşekkür ederim. Çalışma başlangıç fonu Michigan Üniversitesi ve Ulusal Bilim Vakfı Ölçeklenebilir nano üretim Programı (DMR-1.120.187) tarafından temin tarafından desteklenmektedir. Bu çalışma Michigan Üniversitesi, Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen Ulusal Nanoteknoloji Altyapı Ağı üyesi de Lurie Nanofabrikasyon Tesis kullanılır.
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).
