Framställning av Silicon Nanowire fälteffekttransistor för kemiska och biosensing applikationer
Summary
We describe key steps for biosensing by using polysilicon nanowire field-effect transistors, including the preparation of the device and the immobilization and confirmation of a DNA molecular probe on the nanowire surface, as well as conditions for DNA sensing.
Abstract
Surveillance using biomarkers is critical for the early detection, rapid intervention, and reduction in the incidence of diseases. In this study, we describe the preparation of polycrystalline silicon nanowire field-effect transistors (pSNWFETs) that serve as biosensing devices for biomarker detection. A protocol for chemical and biomolecular sensing by using pSNWFETs is presented. The pSNWFET device was demonstrated to be a promising transducer for real-time, label-free, and ultra-high-sensitivity biosensing applications. The source/drain channel conductivity of a pSNWFET is sensitive to changes in the environment around its silicon nanowire (SNW) surface. Thus, by immobilizing probes on the SNW surface, the pSNWFET can be used to detect various biotargets ranging from small molecules (dopamine) to macromolecules (DNA and proteins). Immobilizing a bioprobe on the SNW surface, which is a multistep procedure, is vital for determining the specificity of the biosensor. It is essential that every step of the immobilization procedure is correctly performed. We verified surface modifications by directly observing the shift in the electric properties of the pSNWFET following each modification step. Additionally, X-ray photoelectron spectroscopy was used to examine the surface composition following each modification. Finally, we demonstrated DNA sensing on the pSNWFET. This protocol provides step-by-step procedures for verifying bioprobe immobilization and subsequent DNA biosensing application.
Introduction
Kisel nanowire fälteffekttransistorer (SNWFETs) har fördelarna med ultrahög känslighet och direkta elektriska svar på miljöavgift variation. I n-typ SNWFETs till exempel, när en negativ (eller positivt) laddad molekyl närmar kiselnanotrådar (SNW), är bärarna i SNW utarmat (eller ansamlas). Följaktligen konduktiviteten hos SNWFET minskar (eller ökar) en. Därför kan vilken laddad molekyl nära SNW ytan av SNWFET anordningen detekteras. Vitala biomolekyler inkluderande enzymer, proteiner, nukleotider, och många molekyler på cellytan är laddningsbärare och kan övervakas med hjälp SNWFETs. Med lämpliga modifieringar, särskilt immobilisera en biomolekylär sond på SNW, kan en SNWFET utvecklas till en etikett-fri biosensor.
Övervakning med hjälp av biomarkörer är kritisk för att diagnostisera sjukdomar. Såsom visas i tabell 1, har flera studier använt NWFET-baserade biosensorer för etikett-fri, ultra-high-känslighet och realtidsdetektion av olika biologiska mål, inklusive ett enda virus 2, adenosintrifosfat och kinas bindande 3, neuronala signaler 4, metalljoner 5,6, bakterietoxiner 7, dopamin 8 DNA 9-11, RNA 12,13, enzym och cancer biomarkörer 14-19, mänskliga hormoner 20, och cytokiner 21,22. Dessa studier har visat att NWFET-baserade biosensorer representerar en kraftfull detekterings plattform för ett brett spektrum av biologiska och kemiska ämnen i en lösning.
I SNWFET-baserade biosensorer, sonden immobiliserad på SNW ytan av anordningen känner igen en specifik biotarget. Immobilisera en bioprobe vanligtvis innebär en rad åtgärder, och det är viktigt att varje steg genomförs tillfredsställande att säkerställa en väl fungerande biosensor. Olika tekniker har utvecklats för att analysera de surface komposition, inklusive röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), ellipsometri, kontaktvinkelmätning, atomkraftsmikroskopi (AFM) och svepelektronmikroskopi (SEM). Metoder som AFM och SEM ger direkta bevis för bioprobe immobilisering på nanotråden enheten, medan metoder såsom XPS, ellipsometri, och kontaktvinkelmätning är beroende av parallella experiment utförda på andra liknande material. I denna rapport beskriver vi bekräftelsen av varje modifieringssteget genom att använda två oberoende metoder. XPS används för att undersöka halterna av specifika atomer på superrent wafers, och variationer i de elektriska egenskaperna hos enheten mäts direkt för att bekräfta debiteringen variation på SNW ytan. Vi använder DNA biosensing med polykristallina SNWFETs (pSNWFETs) som ett exempel för att illustrera detta protokoll. Immobilisera en DNA-sond på SNW ytan omfattar tre steg: amingrupp ändring på den inhemska hydroxyl ytan av SNW, alhyd grupp modifiering, och 5'-aminomodifierad DNA-prob immobilisering. Vid varje modifieringssteget kan anordningen direkt detektera variationen i laddning av den funktionella gruppen immobiliserad på SNW ytan, eftersom de ytladdningar orsaka lokala gräns potentiella förändringar över styredielektrikat som förändrar kanalströmmen och konduktans 1. Avgifter som omger SNW ytan kan elektriskt modulera de elektriska egenskaperna hos pSNWFET anordningen; Därför ytegenskaper SNW spelar en avgörande roll för att bestämma de elektriska egenskaperna hos pSNWFET enheter. I de rapporterade förfaranden kan immobilisering av en bioprobe på SNW ytan direkt bestämmas och bekräftas genom elektrisk mätning och enheten är förberedd för biosensing applikationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kommersialisera top-down och bottom-up tillverkning metoder för sSNWFETs anses svår på grund av dess kostnad 32,33, SNW lägeskontroll 34,35, och dess låga produktion skala 36. Däremot är enkel och billig 37 att tillverka pSNWFETs. Genom top-down-strategi och kombination med sidoväggen distans bildandet teknik (figur 1), kan storleken på SNW styras genom att justera längden på reaktiv plasmaetsning. Förfarandena för framställning av nanotrådar av…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was financially supported by Ministry of Science and Technology, Taiwan (104-2514-S-009 -001, 104-2627-M-009-001 and 102-2311-B-009-004-MY3). We thank the National Nano Device Laboratories (NDL) for its valuable assistance during device fabrication and analysis.
Materials
| Acetone | ECHO | AH-3102 | |
| (3-Amonopropyl)triethoxysilane (APTES), ≥98% | Sigma-Aldrich | A3648 | Danger |
| Ethanol, anhydrous, 99.5% | ECHO | 484000203108A-72EC | |
| Glutaraldehyde solution (GA), 50% | Sigma-Aldrich | G7651 | Avoid light |
| Sodium cyanoborohydride, ≥95.0% | Fluka | 71435 | Danger and deliquescent |
| Sodium phosphate tribasic dodecahydrate, ≥98% | Sigma | 04277 | |
| Phosphoric acid, ≥99.0% | Fluka | 79622 | Deliquescent |
| Photoresist (iP3650) | Tokyo Ohka Kogyo Co., LTD | THMR-iP3650 HP | |
| Synthetic oligonucleotides, HPLC purified | Protech Technology | ||
| Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris), ≥99.8% | USB | 75825 | |
| Keithley 2636 System SourceMeter | Keithley | ||
| SR830 DSP Lock-In Amplifier | Stanford Research Systems | ||
| SR570 Low-noise Current Preamplifier | Stanford Research Systems | ||
| Ni PXI Express | National Instruments |
Referências
- Lin, C. H., et al. Surface composition and interactions of mobile charges with immobilized molecules on polycrystalline silicon nanowires. Sensor Actuat B-Chem 211. 211, 7-16 (2015).
- Patolsky, F., et al. Electrical detection of single viruses. P Natl Acad Sci USA. 101, 14017-14022 (2004).
- Wang, W. U., Chen, C., Lin, K. H., Fang, Y., Lieber, C. M. Label-free detection of small-molecule-protein interactions by using nanowire nanosensors. P Natl Acad Sci USA. 102, 3208-3212 (2005).
- Patolsky, F., et al. Detection, stimulation, and inhibition of neuronal signals with high-density nanowire transistor arrays. Science. 313, 1100-1104 (2006).
- Bi, X., et al. Development of electrochemical calcium sensors by using silicon nanowires modified with phosphotyrosine. Biosens Bioelectron. 23, 1442-1448 (2008).
- Lin, T. W., et al. Label-free detection of protein-protein interactions using a calmodulin-modified nanowire transistor. P Natl Acad Sci USA. 107, 1047-1052 (2010).
- Mishra, N. N., et al. Ultra-sensitive detection of bacterial toxin with silicon nanowire transistor. Lab on a chip. 8, 868-871 (2008).
- Lin, C. H., et al. Ultrasensitive detection of dopamine using a polysilicon nanowire field-effect transistor. Chem Commun. , 5749-5751 (2008).
- Hahm, J., Lieber, C. M. Direct ultrasensitive electrical detection of DNA and DNA sequence variations using nanowire nanosensors. Nano Lett. 4, 51-54 (2004).
- Lin, C. H., et al. Poly-silicon nanowire field-effect transistor for ultrasensitive and label-free detection of pathogenic avian influenza DNA. Biosens Bioelectron. 24, 3019-3024 (2009).
- Wu, C. C., et al. Label-free biosensing of a gene mutation using a silicon nanowire field-effect transistor. Biosens Bioelectron. 25, 820-825 (2009).
- Zhang, G. -. J., et al. Silicon nanowire biosensor for highly sensitive and rapid detection of Dengue virus. Sensor Actuat B-Chem. 146, 138-144 (2010).
- Lu, N., et al. CMOS-compatible silicon nanowire field-effect transistors for ultrasensitive and label-free microRNAs sensing. Small. 10, 2022-2028 (2014).
- Zheng, G., Patolsky, F., Cui, Y., Wang, W. U., Lieber, C. M. Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nat Biotechnol. 23, 1294-1301 (2005).
- Choi, J. H., Kim, H., Choi, J. H., Choi, J. W., Oh, B. K. Signal enhancement of silicon nanowire-based biosensor for detection of matrix metalloproteinase-2 using DNA-Au nanoparticle complexes. ACS Appl Mater Interfaces. 5, 12023-12028 (2013).
- Lin, T. Y., et al. Improved silicon nanowire field-effect transistors for fast protein-protein interaction screening. Lab Chip. 13, 676-684 (2013).
- Chen, H. C., et al. A sensitive and selective magnetic graphene composite-modified polycrystalline-silicon nanowire field-effect transistor for bladder cancer diagnosis. Biosens Bioelectron. 66, 198-207 (2015).
- Lee, H. S., Kim, K. S., Kim, C. J., Hahn, S. K., Jo, M. H. Electrical detection of VEGFs for cancer diagnoses using anti-vascular endotherial growth factor aptamer-modified Si nanowire FETs. Biosens Bioelectron. 24, 1801-1805 (2009).
- Chua, J. H., Chee, R. E., Agarwal, A., Wong, S. M., Zhang, G. J. Label-free electrical detection of cardiac biomarker with complementary metal-oxide semiconductor-compatible silicon nanowire sensor arrays. Anal Chem. 81, 6266-6271 (2009).
- Lu, N., et al. Label-free and rapid electrical detection of hTSH with CMOS-compatible silicon nanowire transistor arrays. ACS Appl Mater Interfaces. 6, 20378-20384 (2014).
- Chen, H. C., et al. Magnetic-composite-modified polycrystalline silicon nanowire field-effect transistor for vascular endothelial growth factor detection and cancer diagnosis. Anal Chem. 86, 9443-9450 (2014).
- Zhang, Y. L., et al. Silicon Nanowire Biosensor for Highly Sensitive and Multiplexed Detection of Oral Squamous Cell Carcinoma Biomarkers in Saliva. Anal Sci. 31, 73-78 (2015).
- Lin, H. C., et al. A simple and low-cost method to fabricate TFTs with poly-Si nanowire channel. Ieee Electr Device L. 26, 643-645 (2005).
- Lin, H. C., Lee, M. H., Su, C. J., Shen, S. W. Fabrication and characterization of nanowire transistors with solid-phase crystallized poly-Si channels. Ieee T Electron Dev. 53, 2471-2477 (2006).
- Doering, R., Nishi, Y. . Handbook of semiconductor manufacturing technology. , (2008).
- Lu, M. P., Hsiao, C. Y., Lai, W. T., Yang, Y. S. Probing the sensitivity of nanowire-based biosensors using liquid-gating. Nanotechnology. 21 (425505), (2010).
- Gaspar, J., et al. Digital lock in amplifier: study, design and development with a digital signal processor. Microprocess Microsy. 28, 157-162 (2004).
- Vezenov, D. V., Noy, A., Rozsnyai, L. F., Lieber, C. M. Force titrations and ionization state sensitive imaging of functional groups in aqueous solutions by chemical force microscopy. J Am Chem Soc. 119, 2006-2015 (1997).
- Townsend, M. B., et al. Experimental evaluation of the FluChip diagnostic microarray for influenza virus surveillance. J Clin Microbiol. 44, 2863-2871 (2006).
- Wang, L. C., et al. Simultaneous detection and differentiation of Newcastle disease and avian influenza viruses using oligonucleotide microarrays. Vet Microbiol. 127, 217-226 (2008).
- Lin, C. -. H., et al. Recovery Based Nanowire Field-Effect Transistor Detection of Pathogenic Avian Influenza DNA. Jpn J Appl Phys. 51 (02BL02), (2012).
- Lee, K. N., et al. Well controlled assembly of silicon nanowires by nanowire transfer method. Nanotechnology. 18 (445302), (2007).
- Li, Z., et al. Sequence-specific label-free DNA sensors based on silicon nanowires. Nano Lett. 4, 245-247 (2004).
- McAlpine, M. C., et al. High-performance nanowire electronics and photonics on glass and plastic substrates. Nano Lett. 3, 1531-1535 (2003).
- Cui, Y., Wei, Q., Park, H., Lieber, C. M. Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection of biological and chemical species. Science. 293, 1289-1292 (2001).
- Patolsky, F., Zheng, G., Lieber, C. M. Nanowire-based biosensors. Anal Chem. 78, 4260-4269 (2006).
- Hsiao, C. Y., et al. Novel poly-silicon nanowire field effect transistor for biosensing application. Biosens Bioelectron. 24, 1223-1229 (2009).
