उच्च ईओण शक्ति समाधान में सेंसिंग के लिए कार्बन नैनोट्यूब उच्च आवृत्ति Nanoelectronic biosensor का निर्माण
Summary
हम निर्माण उपकरण और कार्बन नैनोट्यूब आधारित उच्च आवृत्ति biosensors के लिए माप प्रोटोकॉल का वर्णन है. उच्च आवृत्ति संवेदन तकनीक मौलिक आयनिक (Debye) स्क्रीनिंग प्रभाव mitigates और पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक biosensors के असफल जहां उच्च ईओण ताकत समाधान में संचालित किया जा नैनोट्यूब biosensor अनुमति देता है. हमारी तकनीक बिंदु की देखभाल (पीओसी) physiologically प्रासंगिक परिस्थितियों में सक्रिय इलेक्ट्रॉनिक biosensors के लिए एक अनूठा मंच प्रदान करता है.
Abstract
अद्वितीय गुण इलेक्ट्रॉनिक और एकल दीवारों कार्बन नैनोट्यूब (SWNT) और अर्धचालक nanowires के उच्च सतह करने वाली मात्रा अनुपात (पश्चिम) 1-4 उन्हें उच्च संवेदनशीलता biosensors के लिए अच्छे उम्मीदवार हैं. एक आरोप लगाया अणु इस तरह के एक संवेदक सतह को बांधता है, यह अपने डीसी प्रवाहकत्त्व में परिवर्तन के परिणामस्वरूप, सेंसर में वाहक घनत्व 5 बदल. हालांकि, एक ईओण समाधान में एक आरोप लगाया सतह भी एक बिजली के डबल परत (edl) के गठन के समाधान से जवाबी आयनों को आकर्षित करती है. इस edl का प्रभावी रूप से प्रभार बंद स्क्रीन, और physiologically प्रासंगिक परिस्थितियों में ~ 100 millimolar (मिमी), विशेषता आरोप स्क्रीनिंग लम्बाई (Debye लंबाई) एक नैनोमीटर (एनएम) की तुलना में कम है. इस प्रकार, उच्च ईओण ताकत समाधान में, प्रभारी आधारित (डीसी) का पता लगाने के मौलिक 6-8 बाधा है.
हम कार्बन nanot ऑपरेटिंग द्वारा, उच्च आवृत्ति पर आणविक द्विध्रुव बजाय आरोपों का पता लगाने के आरोप स्क्रीनिंग प्रभाव पर काबू पानेउच्च आवृत्ति मिक्सर 9-11 रूप यूबे क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर. उच्च आवृत्तियों पर, एसी ड्राइव बल नहीं रह समाधान खींचें दूर कर सकते हैं और समाधान में आयनों edl के फार्म करने के लिए पर्याप्त समय नहीं है. इसके अलावा, आवृत्ति मिश्रण तकनीक हमें आयनिक स्क्रीनिंग पर काबू पाने के लिए पर्याप्त उच्च आवृत्तियों पर संचालित करने के लिए अनुमति देता है, और अभी तक कम आवृत्तियों 11-12 में संवेदन संकेतों का पता लगाने. इसके अलावा, SWNT ट्रांजिस्टर के उच्च transconductance बाहरी संकेत एम्पलीफायर के लिए की जरूरत अनावश्यक जो संवेदन संकेत, के लिए एक आंतरिक लाभ प्रदान करता है.
यहाँ, हम (एक) SWNT ट्रांजिस्टर, (ख) (ग) के लिए डिजाइन और डिवाइस पर एक पाली dimethylsiloxane (PDMS) सूक्ष्म fluidic चैम्बर 14 स्टांप, नैनोट्यूब 13 के लिए biomolecules functionalize, और निर्माण के लिए प्रोटोकॉल का वर्णन (घ) अलग ईओण ताकत समाधान 11 में उच्च आवृत्ति संवेदन बाहर ले.
Introduction
एक आरोप लगाया अणु एक SWNT या पश्चिम इलेक्ट्रॉनिक सेंसर को बांधता है, यह या तो दान / इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार या एक स्थानीय इलेक्ट्रोस्टैटिक द्वार के रूप में कार्य कर सकते हैं. या तो मामले में, बाध्य अणु सेंसर की मापी डीसी प्रवाहकत्त्व में एक परिवर्तन के लिए अग्रणी, SWNT या पश्चिम चैनल में प्रभारी घनत्व बदल सकते हैं. 15-20 अणुओं की एक बड़ी विविधता को सफलतापूर्वक इस तरह के बंधन घटनाओं के दौरान nanosensors के डीसी विशेषताओं का अध्ययन करके पता लगाया गया है. आरोप पता लगाने के आधार संवेदन तंत्र लेबल से मुक्त पता लगाने के 21, femto दाढ़ संवेदनशीलता 22, और इलेक्ट्रॉनिक क्षमता 15 से बाहर पढ़ने सहित कई फायदे हैं हालांकि, यह केवल कम ईओण ताकत समाधान में कारगर है. उच्च ईओण ताकत समाधान में, डीसी पता लगाने आयनिक स्क्रीनिंग 6-8 से अवस्र्द्ध है. एक आरोप लगाया सतह सतह के पास एक बिजली के डबल परत (edl) रूपों जो समाधान से जवाबी आयनों को आकर्षित करती है. Edl का प्रभावी ढंग से इन आरोपों को बंद स्क्रीन. टी के रूप मेंसमाधान बढ़ जाती है की वह ईओण ताकत, edl का संकरा और स्क्रीनिंग बढ़ जाती हो जाता है. इस स्क्रीनिंग प्रभाव, Debye स्क्रीनिंग लंबाई λ डी की विशेषता है
, Ε मीडिया के ढांकता हुआ permittivity है, जहां कश्मीर बी बोल्ट्जमान के निरंतर, टी तापमान है, क्ष इलेक्ट्रॉन चार्ज है, और ग इलेक्ट्रोलाइट समाधान के ईओण ताकत है. एक ठेठ 100 मिमी बफर समाधान के लिए, λ डी 1 एनएम के आसपास है और सतह की क्षमता पूरी तरह से कुछ एनएम की दूरी पर जांच की जाएगी. नतीजतन, SWNTs या NWS पर आधारित nanoelectronic सेंसर की सबसे 5,15,17,21-22 (ग ~ 1 एनएम सूखी राज्य में 20 या कम ईओण ताकत के समाधान में भी संचालित- 10 मिमी), अन्यथा नमूना desalting कदम 15,23 गुजरना करने की जरूरत है. प्वाइंट की देखभाल नैदानिक उपकरणों सीमित नमूना प्रसंस्करण क्षमता के साथ रोगी साइट पर physiologically प्रासंगिक ईओण ताकत में काम करने की जरूरत है. इसलिए, कम ईओण स्क्रीनिंग प्रभाव पीओसी nanoelectronic biosensors के विकास और कार्यान्वयन के लिए महत्वपूर्ण है.
हम मेगाहर्ट्ज़ आवृत्ति रेंज में SWNT आधारित nanoelectronic सेंसर ऑपरेटिंग द्वारा आयनिक स्क्रीनिंग के प्रभाव को कम. प्रोटोकॉल विवरण nanoelectronic संवेदन मंच और biomolecular पता लगाने के लिए उच्च आवृत्ति मिश्रण माप के आधार पर एक SWNT ट्रांजिस्टर का निर्माण यहाँ प्रदान की है. एकल दीवारों कार्बन नैनोट्यूब फ़े उत्प्रेरक के साथ 24 नमूनों substrates पर रासायनिक वाष्प जमाव से बड़े हो रहे हैं. हमारे SWNT ट्रांजिस्टर के लिए, हम एक निलंबित शीर्ष गेट 25 उच्च आवृत्ति सेंसर प्रतिक्रिया को बढ़ाने में मदद करता है जो नैनोट्यूब, ऊपर 500 एनएम रखा है और यह भी एक कॉम्पैक्ट माइकर के लिए अनुमति देता है शामिलO-fluidic चैम्बर डिवाइस सील करने के लिए. SWNT ट्रांजिस्टर पृष्ठभूमि आयनिक स्क्रीनिंग प्रभावों को दूर करने के लिए उच्च आवृत्ति मिक्सर 9-11 के रूप में संचालित कर रहे हैं. उच्च आवृत्तियों पर, समाधान में मोबाइल आयनों edl के फार्म करने के लिए पर्याप्त समय और अस्थिर biomolecular द्विध्रुव नहीं है सकते हैं अभी भी गेट हमारी संवेदन संकेत है जो एक मिश्रण का वर्तमान, उत्पन्न करने के लिए SWNT. मिश्रण आवृत्ति FET एक नैनोट्यूब के nonlinear चतुर्थ विशेषताओं के कारण पैदा होती है. हमारी पहचान तकनीक प्रभारी आधारित पता लगाने और प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी 26-27 की परंपरागत तकनीकों से अलग है. सबसे पहले, हम नहीं बल्कि संबद्ध शुल्क की तुलना में उच्च आवृत्ति पर biomolecular द्विध्रुव का पता लगा. दूसरे, SWNT ट्रांजिस्टर के उच्च transconductance संवेदन संकेत के लिए एक आंतरिक लाभ प्रदान करता है. इस उच्च आवृत्ति प्रतिबाधा माप के मामले में बाहरी प्रवर्धन के लिए जरूरत अनावश्यक. हाल ही में, अन्य समूहों को भी उच्च बा में biomolecular पता लगाने को संबोधित कियाckground सांद्रता 23,28. हालांकि, इन तरीकों जटिल निर्माण या रिसेप्टर अणु से सावधान केमिकल इंजीनियरिंग की आवश्यकता होती है, और अधिक शामिल हैं. हमारी उच्च आवृत्ति SWNT सेंसर एक सरल डिजाइन को शामिल किया गया और एक नैनोट्यूब ट्रांजिस्टर के निहित आवृत्ति मिश्रण संपत्ति का इस्तेमाल करता है. हम इस प्रकार physiologically प्रासंगिक हालत में सीधे कार्य कर biosensors के वांछित हैं जहां वास्तविक समय बिंदु की देखभाल का पता लगाने के लिए एक नया biosensing मंच का वादा, आयनिक स्क्रीनिंग के प्रभाव को कम करने में सक्षम हैं.
Protocol
Representative Results
Discussion
कार्बन नैनोट्यूब के विकास भट्ठी शर्तों लेकिन यह भी सब्सट्रेट सफाई पर ही नहीं निर्भर करता है. विकास के लिए इष्टतम गैस प्रवाह दर, तापमान और दबाव को ध्यान से calibrated और एक बार वे कम या ज्यादा स्थिर हैं तय करने क…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम जल्दी चर्चा के लिए कॉर्नेल विश्वविद्यालय में प्रोफेसर पॉल McEuen धन्यवाद. काम शुरू हुआ निधि मिशिगन विश्वविद्यालय और राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन स्केलेबल Nanomanufacturing कार्यक्रम (डीएमआर 1120187) द्वारा प्रदान द्वारा समर्थित है. इस काम मिशिगन विश्वविद्यालय, राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा वित्त पोषित राष्ट्रीय नैनो इंफ्रास्ट्रक्चर नेटवर्क का एक सदस्य पर Lurie Nanofabrication सुविधा का इस्तेमाल किया.
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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