Fabrication de nanotubes de carbone à haute fréquence Nanoélectronique biocapteur pour détecter en haute force ionique
Summary
Nous décrivons la fabrication de l'appareil et le protocole de mesure des nanotubes de biocapteurs à haute fréquence à base de carbone. La technique de détection à haute fréquence atténue l'effet d'écran fondamental de l'ionique (Debye) et permet nanotube biocapteur pour être utilisé dans des solutions de force ionique élevée, où biocapteurs électroniques classiques échouent. Notre technologie offre une plate-forme unique pour le point-of-care (POC) des biocapteurs électroniques fonctionnant dans des conditions physiologiquement pertinents.
Abstract
Les propriétés électroniques uniques et des ratios élevés au volume de la surface de nanotubes de carbone à paroi simple (SWNT) et de nanofils de semi-conducteurs (NW) 1-4 en font de bons candidats pour les biocapteurs haute sensibilité. Quand une molécule chargée se lie à une telle surface de détection, il modifie la densité de porteurs dans le capteur 5, ce qui entraîne des changements dans sa conductance de courant continu. Cependant, dans une solution ionique une surface chargée attire aussi les contre-ions de la solution, formant une double couche électrique (EDL). Cette EDL écrans effectivement hors la charge, et physiologiquement pertinents conditions ~ 100 mM (mM), la longueur de la projection de charge caractéristique (longueur de Debye) est inférieure à un nanomètre (nm). Ainsi, dans les solutions de force ionique élevée, détection basée sur la charge (DC) est fondamentalement entravée 6-8.
Nous surmontons les effets de dépistage de charge en détectant les dipôles moléculaires plutôt que de charges à haute fréquence, en opérant Nanot carboneube transistors à effet de champ que des mélangeurs de haute fréquence de 9 à 11. Aux fréquences élevées, la force de traction à courant alternatif ne peut plus surmonter la résistance de la solution et les ions en solution n'ont pas suffisamment de temps pour former l'EDL. En outre, la fréquence de mélange technique nous permet d'opérer à des fréquences assez élevées pour surmonter dépistage ionique, et encore détecter les signaux de détection à des fréquences inférieures 11-12. En outre, la forte transconductance de transistors SWNT offre un gain interne pour le signal de détection, ce qui évite la nécessité d'amplificateur de signal externe.
Ici, nous décrivons le protocole à (a) fabriquer des transistors SWNT, (b) fonctionnaliser biomolécules au nanotube 13, (c) la conception et le cachet d'un polydiméthylsiloxane (PDMS) de la chambre micro-fluidique 14 sur l'appareil, et (d) effectuer la détection à haute fréquence de différentes solutions de force ionique 11.
Introduction
Quand une molécule chargée lie à un capteur électronique SWNT ou NW, il peut soit faire un don / accepter des électrons ou agir comme une barrière électrostatique local. Dans les deux cas, la molécule liée peut modifier la densité de charge dans le canal SWNT ou NO, ce qui conduit à une variation de la conductance de courant continu mesurée du capteur. Une grande variété de molécules 15-20 ont été détectées avec succès par l'étude des caractéristiques continues des nanocapteurs lors de tels événements contraignants. Même si mécanisme de détection basé charge détection présente de nombreux avantages, y compris la détection sans étiquette 21, sensibilité femto-molaire 22 et lisez électronique en capacité 15, il n'est efficace que dans les solutions de faible force ionique. Dans les solutions de force ionique élevée, la détection DC est entravée par le dépistage ionique 6-8. Une surface chargée attire les contre-ions dans la solution qui forme une double couche électrique (EDL) à proximité de la surface. L'EDL écrans efficacement contre ces accusations. En til force ionique de la solution augmente, l'EDL devient plus étroite et dépistage des augmentations. Cet effet de sélection se caractérise par le Debye dépistage longueur λ D,
, Où ε est la constante diélectrique du milieu, k B est la constante de Boltzmann T est la température, q est la charge de l'électron, et c est la force ionique de la solution d'électrolyte. Pour une solution typique de 100 mM de tampon, λ D est d'environ 1 nm, et le potentiel de surface sera complètement projeté à une distance de quelques nm. Comme résultat, la plupart des capteurs nanoélectroniques basé sur SWNT ou NWs fonctionnent soit à l'état sec 20 ou dans les solutions de faible force ionique 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mm), sinon l'échantillon doit subir des étapes dessalage 15,23. Appareils de diagnostic au point de soins ont besoin pour fonctionner dans des forces ioniques physiologiquement pertinents sur le site de patients avec une capacité limitée de traitement des échantillons. Par conséquent, l'effet de projection ionique atténuation est cruciale pour le développement et la mise en œuvre de POC nanoélectroniques biocapteurs.
Nous réduisons l'effet de blindage ionique en actionnant capteur nanoélectronique basée sur SWNT à plage de fréquences mégahertz. Le protocole fourni ici les détails de la fabrication d'un transistor SWNT plate-forme de détection et de mesure nanoélectronique mélange à haute fréquence pour la détection biomoléculaire base. Les nanotubes de carbone à paroi simple sont cultivées par dépôt chimique en phase vapeur sur des substrats à motifs avec des catalyseurs Fe 24. Pour nos transistors SWNT, nous incorporons un haut-grille suspendue 25 placé 500 nm au-dessus du nanotube, ce qui permet d'améliorer la réponse du capteur à haute fréquence et permet également une MICR compacto-chambre fluidique pour sceller le dispositif. Les transistors SWNT sont exploités comme des mélangeurs à haute fréquence 9-11 afin de surmonter les effets fond de dépistage ioniques. Aux fréquences élevées, les ions mobiles en solution n'ont pas suffisamment de temps pour former l'EDL et les dipôles biomoléculaires fluctuation peut encore porte le SWNT pour générer un courant de mélange, qui est notre signal de détection. Le mélange fréquence se pose en raison des caractéristiques IV non linéaires d'un nanotube FET. Notre technique de détection diffère des techniques classiques de détection basée sur la charge et la spectroscopie d'impédance de 26 à 27. Tout d'abord, nous détectons dipôles biomoléculaires à haute fréquence plutôt que les frais associés. Deuxièmement, la forte transconductance du transistor SWNT offre un gain interne pour le signal de détection. Ceci évite la nécessité d'amplification externe comme dans le cas de mesures d'impédance à haute fréquence. Récemment, d'autres groupes ont également abordé la détection biomoléculaire en haute baARRIÈRE-PLAN concentrations 23,28. Cependant, ces méthodes sont plus impliqués, ce qui nécessite la fabrication complexe ou génie chimique attentive des molécules réceptrices. Notre capteur de SWNT à haute fréquence comporte une conception plus simple et utilise la fréquence propriété inhérente de mélange d'un transistor à nanotube. Nous sommes en mesure d'atténuer les effets de dépistage ioniques, ce qui promet une nouvelle plateforme de biocapteurs pour la détection de point de soins en temps réel, où biocapteurs fonctionnent directement en état physiologiquement pertinents sont souhaitées.
Protocol
Representative Results
Discussion
La croissance des nanotubes de carbone dépend non seulement des conditions de four, mais aussi la propreté du substrat. Le gaz optimale le débit, la température et la pression de la croissance doivent soigneusement calibrée et une fois fixé, ils sont plus ou moins stable. Même avec ces conditions soient remplies, nous avons constaté que la croissance dépend de la surface du catalyseur motifs, la quantité de catalyseur et de la propreté du substrat. Par conséquent, nous avons intégré plusieurs tailles de pu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions le Professeur Paul McEuen à l'Université Cornell pour les premières discussions. Le travail est soutenu par le fonds de démarrage fournir par l'Université du Michigan et de la Fondation Programme de nanofabrication évolutive National Science (DMR-1120187). Ce travail a utilisé la nanofabrication Lurie de l'Université du Michigan, membre du Réseau National Nanotechnology Infrastructure financée par la 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 |
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