Tillverkning av Nanorör High-Frequency nanoelektroniska Biosensor för avkänning i hög jonstyrka Solutions
Summary
Vi beskriver Komponentframställning och mätprotokoll för baserade Nanorör högfrekventa biosensorer. Den höga frekvensen avkänningsteknik mildrar den grundläggande joniska (Debye) screening effekt och gör nanorör biosensor för användning i hög jonstyrka lösningar där konventionella elektroniska biosensorer misslyckas. Vår teknik ger en unik plattform för point-of-care (POC) elektroniska biosensorer verksamma i fysiologiskt relevanta förhållanden.
Abstract
De unika elektroniska egenskaper och höga surface-to-volymförhållandena av enkel vägg kolnanorör (SWNT) och nanotrådar halvledare (NW) 1-4 gör dem till goda kandidater för hög känslighet biosensorer. När en laddad molekyl binder till en sådan sensor yta, förändrar det bärartätheten 5 i sensorn, vilket resulterar i förändringar i DC konduktans. Men i en jonisk lösning en laddad yta attraherar också motjoner från lösningen, som bildar ett elektriskt dubbla lager (EDL). Denna EDL skärmar effektivt av avgiften, och i fysiologiskt relevanta förhållanden ~ 100 millimolar (mM), den karaktäristiska laddningen screening längd (Debye längd) är mindre än en nanometer (nm). Således, i hög jonstyrka lösningar, är avgiften baserad (DC) upptäckt grunden hindras 6-8.
Vi övervinna effekterna avgift screening genom att upptäcka molekylära dipoler snarare än avgifter vid hög frekvens, genom att driva kol nanotUBE fälteffekttransistorer som högfrekventa blandare 9-11. Vid höga frekvenser, kan frekvensomriktaren kraft inte längre övervinna lösningen dra och jonerna i lösningen har inte tillräckligt med tid för att bilda EDL. Vidare medger Frekvensblandningsanordning teknik oss att arbeta vid frekvenser som är tillräckligt höga för att övervinna jonisk screening, och ändå upptäcka avkänningssignaler vid lägre frekvenser 11-12. Dessutom ger den höga transkonduktansen av SWNT transistorer en intern vinst för avkänningssignalen, vilket undanröjer behovet av extern signalförstärkare.
Här beskriver vi de protokoll till (a) tillverka SWNT transistorer, (b) functionalize biomolekyler till nanorör 13, (c) utforma och stämpla en poly-dimetylsiloxan (PDMS) Mikrofluidanordning kammaren 14 på enheten, och (d) utföra högfrekventa avkänning i olika jonstyrka lösningar 11.
Introduction
När en laddad molekyl binder till en SWNT eller NW elektronisk sensor, kan det skänker antingen / acceptera elektroner eller agera som en lokal elektrostatisk grind. I båda fallen kan den bundna molekylen förändra laddningsdensitet i SWNT eller NW-kanal, vilket leder till en förändring i den uppmätta DC-konduktansen hos sensorn. Ett stort utbud av molekyler 15-20 har framgångsrikt detekteras genom att studera DC egenskaperna hos de nanosensorer under sådana bindande händelser. Även om laddning-detektering baserad avkänningsmekanism har många fördelar inklusive etikett-fri upptäckt 21, femto-molar känslighet 22, och elektronisk läsa upp kapacitet 15, det är bara aktiv i låg jonstyrka lösningar. I hög jonstyrka lösningar, är DC detektion hindras av jonisk screening 6-8. En laddad yta attraherar motjoner från lösningen, som bildar ett elektriskt dubbelskikt (EDL) nära ytan. Den EDL skärmar effektivt av dessa avgifter. Som than jonstyrka av lösningen ökar blir EDL smalare och ökar screening. Denna screening effekt kännetecknas av Debye screening längden λ D,
, Där ε är den dielektriska permittiviteten hos mediet, k B den Boltzmanns konstant, T är temperaturen, q är elektronens laddning, och c är jonstyrkan hos elektrolytlösningen. För en typisk 100 mM buffertlösning, är λ D omkring 1 nm, och ytpotentialen kommer att vara helt screenas på ett avstånd av några få nm. Som ett resultat, de flesta av nanoelektroniska sensorer baserade på SWNTs eller NWS drivas antingen i torrt tillstånd 20 eller i låg jonstyrka lösningar 5,15,17,21-22 (C ~ 1 nM- 10 mm), annars provet behöver genomgå avsaltning steg 15,23. Point-of-care diagnostiska enheter måste fungera i fysiologiskt relevanta jonstyrkor på patientens plats med begränsat urval processorkapacitet. Därför är förmildrande jonisk screening effekt avgörande för utveckling och genomförande av POC nanoelektroniska biosensorer.
Vi mildra joniska screening effekten genom att driva SWNT baserade nanoelektroniska sensor på megahertz frekvensområdet. Protokollet ges här information tillverkningen av en SWNT transistor baserad nanoelektroniska avkänning plattform och hög Frekvensblandningsanordning mätning för biomolekylär detektion. De enda vägg kolnanorör odlas genom kemisk förångning på substrat mönstrade med Fe katalysatorer 24. För våra SWNT transistorer, införliva vi en upphängd top-gate 25 placerade 500 nm ovanför nanorör, vilket bidrar till att öka hög svarsfrekvens sensor och även möjliggör en kompakt micro-fluidic kammare för att täta enheten. De SWNT transistorerna drivs som högfrekventa bländare 9-11 för att övervinna bakgrunden joniska screening effekter. Vid höga frekvenser, behöver de mobila joner i lösning inte tillräcklig tid för att bilda den EDL och fluktuerande dipoler biomolekylära kan fortfarande gate SWNT att generera en blandning ström, som är vår avkänningssignal. Frekvensen blandning uppstår på grund av de olinjära IV egenskaperna hos en nanotube FET. Vår upptäckt teknik skiljer sig från de konventionella tekniker för laddning baserad detektering och impedansspektroskopi 26-27. Först upptäcker vi biomolekylär dipoler med hög frekvens i stället för de tillhörande avgifter. Vidare ger den höga transkonduktansen av SWNT transistor en intern vinst för avkänningssignalen. Detta undanröjer behovet av extern förstärkning såsom i händelse av höga frekvensmätningar impedans. Nyligen har andra grupper behandlas också biomolekylär detektion i hög baBAKGRUND koncentrationerna 23,28. Men dessa metoder är mer engagerade, kräver komplex tillverkning eller noggrann kemiteknik av receptormolekyler. Vår högfrekvent SWNT sensor har en enklare konstruktion och utnyttjar den inneboende Frekvensblandningsanordning egenskap av ett nanorör transistor. Vi har möjlighet att mildra de joniska screening effekter, vilket borgar för en ny biosensing plattform för realtids-point-of-care upptäckt, där biosensorer fungerar direkt i fysiologiskt relevanta tillstånd önskas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tillväxten av kolnanorör beror inte bara på ugnen villkor men även substrat renlighet. Den optimala gasflöde, temperatur och tryck för tillväxt måste noggrant kalibrerade och en gång fast de är mer eller mindre stabila. Även med dessa villkor är uppfyllda, fann vi att tillväxten beror på mönstrade katalysatorn området, mängden katalysator och substrat renlighet. Därför ingår vi flera storlekar katalysator grop att ta hänsyn till variationer i tillväxt. En timmes hög temperatur glödgning steg hjä…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Prof. Paul McEuen vid Cornell University för tidig diskussion. Arbetet stöds av startfonden ger vid University of Michigan och National Science Foundation Scalable nanotillverkning Program (DMR-1.120.187). Detta arbete använde Lurie Nanotekniklaboratoriet Facility vid University of Michigan, en medlem av National Nanotechnology Infrastructure Network som finansieras av 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 |
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).
