Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen Hochfrequenztechnik Nanoelectronic Biosensor für Sensing in hoher Ionenstärke Lösungen
Summary
Wir beschreiben die Herstellung von Vorrichtungen und Messprotokoll für Kohlenstoff-Nanoröhrchen basierenden Hochfrequenz Biosensoren. Die Hochfrequenz-Sensortechnik mildert die grundlegenden ionische (Debye) Screening-Effekt und ermöglicht Nanoröhrchen Biosensor in hoher Ionenstärke Lösungen, bei denen herkömmliche elektronische Biosensoren nicht betrieben werden. Unsere Technologie bietet eine einzigartige Plattform für die Point-of-Care (POC) elektronischen Biosensoren, die in physiologisch relevanten Bedingungen.
Abstract
Die einzigartigen elektronischen Eigenschaften und eine hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisse von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT) und Halbleiter-Nanodrähten (NW) 1-4 machen sie gute Kandidaten für hohe Empfindlichkeit Biosensoren. Wenn ein geladenes Molekül solchen Sensors Oberfläche bindet, verändert sie die Ladungsträgerdichte 5 in den Sensor, was zu Änderungen in der Leitfähigkeit DC. Jedoch in einer ionischen Lösung eine geladene Oberfläche zieht auch Gegenionen aus der Lösung, Bilden einer elektrischen Doppelschicht (EDL). Das EDL effektiv abschirmt die Ladung, und in physiologisch relevanten Bedingungen ~ 100 Millimol (mM), die charakteristische Ladung Abschirmlänge (Debye-Länge) ist weniger als ein Nanometer (nm). So in hoher Ionenstärke Lösungen, wird die Ladung auf (DC)-Erkennung fundamental 6-8 behindert.
Wir überwinden Ladung Screening-Effekte durch den Nachweis molekularer Dipole anstatt Gebühren bei hoher Frequenz, durch Betätigen Kohlenstoff NanotUbe Feldeffekttransistoren Hochfrequenzmischer 9-11. Bei hohen Frequenzen kann die AC Antriebskraft nicht mehr überwinden Lösung Drag und die Ionen in der Lösung nicht über genügend Zeit, um die EDL zu bilden. Ferner ermöglicht Frequenz Mischtechnik uns bei Frequenzen hoch genug, um ionische Screening überwinden betreiben, und doch erkennt die Messsignale bei niedrigeren Frequenzen 11-12. Außerdem stellt der hohe Transkonduktanz SWNT-Transistoren eine interne Verstärkung für das Messsignal, das die Notwendigkeit für externe Signalverstärker vermeidet.
Hier beschreiben wir das Protokoll auf (a) herzustellen SWNT Transistoren, (b) Funktionalisierung von Biomolekülen an das Nanoröhrchen 13, (c) entwerfen und stempeln eine Polydimethylsiloxan (PDMS) mikrofluidischen Kammer 14 auf das Gerät, und (d) Durchführung hochfrequente Abtastung in verschiedenen Ionenstärke Lösungen 11.
Introduction
Wenn ein geladenes Molekül zu einem SWNT oder NW elektronischen Sensor bindet, kann es entweder spenden / Elektronen aufnehmen oder fungieren als lokale elektrostatische Tor. In jedem Fall kann das gebundene Molekül die Ladungsdichte im SWNT oder NW Kanal zu ändern, was zu einer Änderung der gemessenen DC Leitfähigkeit des Sensors. Eine große Vielfalt von Molekülen 15-20 wurden erfolgreich durch das Studium DC Eigenschaften der Nanosensoren während solche Bindung Ereignisse erkannt. Obwohl Charge-Erkennung basiert Fühlmechanismus hat viele Vorteile, einschließlich Label-Detektion 21, Femto-Mol-Empfindlichkeit 22 und elektronischen Auslesen Fähigkeit 15; es ist nur wirksam in niedriger Ionenstärke Lösungen. In hoher Ionenstärke Lösungen, DC Erkennung durch ionische Screening 6-8 behindert. Einer geladenen Oberfläche zieht Gegenionen aus der Lösung, die einen elektrischen Doppelschicht (EDL) nahe der Oberfläche bildet. Die EDL effektiv abschirmt diese Gebühren. Wie ter Ionenstärke der Lösung erhöht, wird die EDL schmaler und die Abschirmung erhöht. Dieses Screening-Effekt wird durch die Debye-Screening Länge λ D gekennzeichnet,
, Wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Mediums ist, k B die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur ist, q die Elektronenladung ist, und c die Ionenstärke der Elektrolytlösung. Für eine typische 100 mM Pufferlösung ist λ D etwa 1 nm und das Oberflächenpotential vollständig in einem Abstand von wenigen nm abgeschirmt werden. Als Ergebnis arbeiten die meisten nanoelektronischer Sensoren SWNTs oder Nanodrähte basierend entweder im trockenen Zustand 20 oder in geringer Ionenstärke Lösungen 5,15,17,21-22 (c ~ 1 nM- 10 mm), da sonst die Probe muss unterziehen Entsalzung Schritte 15,23. Point-of-Care-Diagnostik-Geräte müssen in physiologisch relevanten Ionenstärken bei Patienten vor Ort arbeiten mit begrenzten Stichprobe Verarbeitungskapazität. Daher ist mildernde ionischen abschirmende Wirkung kritisch für die Entwicklung und Umsetzung von POC nanoelektronische Biosensoren.
Wir begegnen der ionischen Abschirmwirkung durch Betätigen SWNT basierte Nanoelektronik Sensor Megahertz-Frequenzbereich. Das Protokoll hier zur Verfügung gestellten Informationen die Herstellung eines SWNT Transistor basierend nanoelektronische Sensing Plattform und Hochfrequenz-Messung Mischen für Biomolekulare Erkennung. Die einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren durch chemische Gasphasenabscheidung auf Substraten mit Fe Katalysatoren 24 gemustert gewachsen. Für unsere SWNT-Transistoren beziehen wir ein suspendierter Top-Gate 25 gelegt 500 nm über der Nanoröhrchen, die Verbesserung der Hochfrequenz-Sensor Reaktion hilft und ermöglicht eine kompakte micro-Fluidkammer, um die Vorrichtung abzudichten. Die SWNT Transistoren als Hochfrequenzmischer 9-11 betrieben, um die Hintergrund-Screening ionische Effekte zu überwinden. Bei hohen Frequenzen haben die mobilen Ionen in der Lösung nicht genügend Zeit, um die EDL zu bilden, und die schwankenden molekularbiologische Dipole kann immer noch das Tor SWNT eine Vermischung Strom, der unsere Messsignal zu erzeugen. Frequenzumsetzer entsteht durch die nichtlineare IV Eigenschaften einer Nanoröhre FET. Unsere Erkennung Technik unterscheidet sich von den herkömmlichen Techniken zur Verfügung basierte Erkennung und Impedanzspektroskopie 26-27. Erstens erkennen wir molekularbiologische Dipole bei hohen Frequenzen eher als die zugehörigen Kosten. Zweitens stellt die hohe Transkonduktanz SWNT-Transistor eine interne Verstärkung des Meßsignals. Dies vermeidet die Notwendigkeit für externe Verstärkung als bei hoher Frequenz Impedanzmessungen. In jüngster Zeit haben auch andere Gruppen molekularbiologische Nachweis in hoher ba angesprochenckground Konzentrationen 23,28. Allerdings sind diese Methoden mehr beteiligt, die komplexe Herstellung oder vorsichtig Chemieingenieurwesen der Rezeptor-Moleküle. Unsere Hochfrequenz SWNT Sensor verfügt über eine einfachere Konstruktion und nutzt die inhärente Frequenzmischung Eigenschaft einer Nanoröhrchen-Transistor. Wir sind in der Lage, die ionischen Screening Auswirkungen zu mildern, so verspricht eine neue Biosensor-Plattform für Echtzeit-Point-of-care-Erkennung, wo Biosensoren funktionieren direkt in physiologisch relevanten Bedingungen sind erwünscht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren hängt nicht nur von Ofenbedingungen sondern auch Substrat Sauberkeit. Die optimale Gas-Durchfluss, Temperatur und Druck für Wachstum müssen sorgfältig kalibriert und einmal fixiert sie sind mehr oder weniger stabil. Auch bei Erfüllung dieser Bedingungen, fanden wir, dass das Wachstum hängt von der strukturierten Katalysator Bereich, Menge an Katalysator und Substrat Sauberkeit. Daher haben wir mehrere Katalysator Grube Größen zur Berücksichtigung der Variabilität des Wac…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Prof. Paul McEuen an der Cornell University für die frühe Diskussion. Die Arbeit wird durch den Start-up-Fonds bieten von der University of Michigan und der National Science Foundation Skalierbare Nanofertigung Program (DMR-1120187) unterstützt. Diese Arbeit verwendet die Lurie Nanofabrication Einrichtung an der Universität von Michigan, ein Mitglied der National Nanotechnology Infrastructure Netzwerk von der National Science Foundation finanziert.
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 |
References
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