Изготовление углеродных нанотрубок Высокочастотный Наноэлектронные биосенсоров для обнаружения в высокой ионной силой
Summary
Мы описываем изготовление устройств и протокол измерений углеродных нанотрубок на основе биосенсоров высокой частоты. Высокая частота обнаружения, смягчает фундаментальных ионные (Дебая) эффект экранирования и позволяет нанотрубки биосенсоров для работы в высокой ионной силой, когда обычные электронные биосенсоров неудачу. Наша технология обеспечивает уникальную платформу для точка-санитарной помощи (СПЭ) электронных биосенсоров работающих в физиологически значимых условий.
Abstract
Уникальные электронные свойства и высокое отношение поверхности к объему соотношениях одностенных углеродных нанотрубок (ОНТ) и полупроводниковых нанопроводов (NW) 1-4 делает их хорошими кандидатами на высокой чувствительности биосенсоров. Когда заряженная молекула связывается с такой поверхности датчика, он изменяет плотность носителей 5 в датчике, в результате изменений в постоянного тока проводимости. Однако в ионном растворе заряженной поверхности привлекает противоионов из раствора, формируя двойным электрическим слоем (ДЭС). Это EDL эффективно экранирует заряд, а в физиологически соответствующие условия ~ 100 миллимолярных (мм), характерная длина экранирования заряда (длина Дебая) меньше нанометра (нм). Таким образом, в высокой ионной силой, зарядом на основе (DC) обнаружение принципиально препятствует 6-8.
Мы преодолеваем эффект экранирования заряда путем обнаружения молекулярных диполей, а не обвинения на высокой частоте, от операционной углерода nanotВБО полевых транзисторов как миксеры повышенной частотой 9-11. На высоких частотах, сила переменного тока больше не может преодолеть сопротивление и решение ионов в растворе не имеют достаточно времени, чтобы сформировать EDL. Кроме того, смешение частот техника позволяет работать на частотах достаточно высокой, чтобы преодолеть ионной скрининга, и все же обнаружить зондирования сигналов на более низких частотах 11-12. Кроме того, высокая крутизна ОСНТ транзисторов обеспечивает внутренний коэффициент усиления сигнала обнаружения, который устраняет необходимость внешнего усилителя сигнала.
Здесь мы описываем протокол (а) изготовить ОНТ транзисторов, (б) функционализировать биомолекул к нанотрубке 13, (с) разрабатывать и печать поли-диметилсилоксана (PDMS) микро-жидкостный камере 14 на устройство, и (г) унести высокую частоту зондирования в различных ионной силой 11.
Introduction
Когда заряженная молекула связывается с датчиком ОНТ или NW электронной, он может либо пожертвовать / принимать электроны или выступать в качестве местного электростатического ворот. В любом случае, связанной молекулы могут изменять плотность заряда в ОСНТ или NW канал, что приводит к изменению измеренного постоянного тока проводимости датчика. Большое разнообразие молекул 15-20 были успешно обнаружен при изучении DC характеристик наносенсоры во время таких событий связывания. Хотя заряд обнаружения, основанные чувствительный механизм имеет много преимуществ, включая без наклеек обнаружения 21, фемто-молярной чувствительности 22, и электронные зачитал возможностями 15, она эффективна только в низкой ионной силы. В высокой ионной силой, DC обнаружение затруднено ионных скрининга 6-8. Заряженной поверхности привлекает Counter-ионы из раствора, который образуется двойной электрический слой (EDL) вблизи поверхности. EDL эффективно экранирует эти обвинения. Как Тон ионной силы раствора увеличивается, EDL становится более узким и скрининга увеличивается. Этот эффект экранирования характеризуется дебаевское экранирование длиной λ D,
, Где ε-диэлектрическая проницаемость среды, K B является постоянная Больцмана, Т-температура, Q-заряд электрона, с-ионной силы раствора электролита. Для типичного 100 мМ буферном растворе, λ D составляет около 1 нм и поверхностный потенциал будет полностью показан на расстояние в несколько нм. В результате, большая часть датчиков наноэлектроники на основе ОСНТ или ННК работать как в сухом состоянии 20 или в условиях низкой ионной силой 5,15,17,21-22 (C ~ 1 нм- 10 мМ), в противном случае образец должен пройти обессоливания шаги 15,23. Точка-санитарной помощи диагностического устройства должны работать в физиологически значимых ионной силы у больного сайте с ограниченными возможностями обработки образца. Таким образом, смягчение эффекта ионной скрининга имеет решающее значение для разработки и реализации ВОУ биосенсоров наноэлектроники.
Мы снижаем ионной эффект экранирования операционной ОНТ датчиков на основе наноэлектронных в диапазоне частот мегагерц. Протокола предусматривают здесь подробности изготовления транзистора на основе нанотрубок наноэлектронных зондирования платформе и высоких частот для измерения смешивания биомолекулярными обнаружения. Однослойные углеродные нанотрубки выращивают осаждением из газовой фазы на подложках с узором Fe катализаторов 24. Для нашего ОСНТ транзисторы, мы включаем подвесной верхний затвор 25 размещены 500 нм выше нанотрубки, который помогает увеличить высокую чувствительность датчика частоты, а также позволяет компактной мкро-жидкостной камеры для герметизации устройства. ОСНТ транзисторы работают как миксеры повышенной частотой 9-11 для того, чтобы преодолеть фонового ионного эффекта экранирования. На высоких частотах подвижных ионов в растворе не имеют достаточно времени, чтобы сформировать EDL и колебания диполей биомолекулярными может еще ворота ОНТ генерировать смешивания ток, который является нашим зондирования сигнала. Смешение частот возникает вследствие нелинейной ВАХ нанотрубки Фета. Наш метод обнаружения отличается от обычных методов заряда на основе выявления и импедансной спектроскопии 26-27. Во-первых, мы обнаруживаем биомолекулярными диполей на высокой частоте, а не связанных зарядов. Во-вторых, высокой крутизной ОСНТ транзистор обеспечивает внутренний коэффициент усиления для сигнала обнаружения. Это устраняет необходимость во внешнем усилении, как и в случае высокой частоты измерения импеданса. В последнее время другие группы также рассматривались Биомолекулярных Обнаружение в высоких баckground концентрации 23,28. Однако эти методы являются более сложным и требует изготовления сложных или осторожным химической рецепторных молекул. Наш датчик высокой частоты ОНТ включает более простую конструкцию и использует собственную частоту перемешивания нанотрубки транзисторов. Мы в состоянии смягчить ионных эффект экранирования, что свидетельствует о перспективности новой платформе биодатчиков в режиме реального времени точка-санитарной помощи обнаружения, биосенсоры, где функционируют непосредственно в физиологически соответствующего условия желательны.
Protocol
Representative Results
Discussion
Рост углеродных нанотрубок зависит не только от условий печи, но и подложка чистоты. Оптимальная скорость потока газа, температуру и давление для роста должны тщательно откалиброван и как только фиксируется они более или менее стабильным. Даже при этих условиях удовлетворяются, мы обн…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим профессора Пола Мак-Юэн Корнельского университета для раннего обсуждения. Работа выполнена при поддержке запуска фонда предусмотреть в Университете Мичигана и Национального научного фонда масштабируемая программа нанопроизводства (DMR-1120187). Эта работа на установке Лурье Nanofabrication Мичиганского университета, член Национальной сети нанотехнологической инфраструктуры финансируется Национальным научным фондом.
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
- 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).
