光传感器平台基于细菌视紫红质与单电子晶体管的集成

文摘

本文报告用单电子晶体管的集成光学蛋白质形成nano-bio-hybrid传感装置。细菌视紫红质(bR)是一种光电的蛋白质,它把一个质子在几个纳米的距离对入射光的吸收光子。这个电荷梯度的结果在一个可测量的电压处于干燥状态。单电子晶体管(套)活跃的地区组成的一个或多个量子岛屿的大小通常10纳米或更少。将细菌视紫红质与门的设置提供了一个设备的能力应对光学调制的调制,输出电设备门。调制的bR光电活性的化学绑定与有针对性的环境抗原可以形成直接chemical-to-electrical传感器减少荧光技术系统的规模和复杂性。工作导致电阻和电容特性变量下的紫膜含有bR照明,以确保最小影响集操作。紫膜含有细菌视紫红质是电镀的盖茨,和当前的吞吐量与变量和循环相关照明。这是证实bR光电活动能够开集。

1。介绍

规模、成本和普遍性的传感系统发展的关键因素。可能降低规模和成本的一种方法是将一种光电转换材料直接与纳米电子设备,如单电子晶体管。如果绑定antibody-functionalized传导材料与抗原之间的环境改变了盖茨的传导材料的电活动多个集,那么这个紧凑的传感器设计可以挽救的大小和成本。如果许多晶体管数组形式尤其如此,不同的功能化学将结合不同的抗原给许多感知网站在一个芯片上。这种方法不同于功能化纳米线芯片,补充电路需要确定纳米线阻力或阻抗的变化在抗原绑定。已经表明,电的输出光蛋白细菌视紫红质(bR)可以通过附加功能调制半导体量子点,在共轭绑定,bR改变光电压(1]。相同的官能团bR处理量子点,maltose-binding蛋白质,荧光分子冷却器β-CD-QS9Y。在绑定和麦芽糖出现在周围,荧光冷却器是优先释放大会导致bR光电压增加。

细菌视紫红质是光电的外层细胞膜跨膜蛋白中发现的细菌Halobacterium salinarum。bR蛋白与脂质双分子层是统称为紫膜(PM)。当光照射的时候,bR生成一个电荷和电势梯度转移质子从细胞质到细胞外膜。这个广泛研究的蛋白质(2,3)是非常健壮的和可以在极端的环境条件4),在水和干的状态。细菌视紫红质是一种可溶性蛋白,可以化学有关5,6)或转基因(7]。

互补金属氧化物半导体设备的调节活动的能力点和制造过程开发与标准兼容发射光刻技术已被证明(8]。这项工作表明,bR的调节能力互补金属氧化物半导体器件在光照变化太小是明显的和可衡量的传统乐器。紫膜含有细菌视紫红质与是从汤姆斯微器件(集成9- - - - - -11),砷化镓场效应晶体管,12),铟砷化镓场效应晶体管探测器(13),和纳米管14例如,]。进一步降低传感阵列的大小和功率要求基于门调制,与集的集成点形成nano-bio-hybrid系统调查。

2。实验部分

2.1。紫膜制备

细菌视紫红质是一种跨膜蛋白,是SJ9-P应变的产生Halobacterium salinarum所描述的(15]进一步离心净化过程和结果的小块包含bR紫膜。点是一个二维矩阵的bR和磷脂这样报告的电特性和复合材料的性能,而光电功能和激活集bR本身的结果。

2.2。SET-PM电当量

这项工作中使用的设置有侧浇口电连接到一个PM-coated终端示意图如图所示1。一组利用电子的量子力学性能控制电流从源到终端。室温的功能集是基于电子的隧穿绝缘能量壁垒,直径小于10纳米钨量子岛屿坐落在源和漏极之间(16]。改变门的潜力组改变电子的隧穿概率和速度流从源到排水终端通过群岛。理想的设置操作取决于电荷调制门口终端没有电荷的流动从门到排水通过量子岛屿。最低电流,或关闭状态的设置位于库仑封锁区域的电流和电压(四世)曲线。库仑阻塞现象,发生在没有隧道之间的电子源,量子群岛和下水道。库仑封锁可以删除通过改变源偏置电压和/或通过添加一个栅电压一致的能级量子群岛与源和漏(17]。理想集只有一个准确放置sub-10纳米量子岛/点。然而,在这项工作有多种钨量子岛屿组活跃地区可以倾向于模糊的封锁效应导致source-drain电流泄漏nanoamp范围。

将点与一组的一个方法是把点上设置侧浇口,或到一个更大的二次板电连接到门。第二种方法允许一个更大的区域点和耦合的抗体或功能化半导体量子点与bR集成概率增加抗原绑定。这些官能团半导体量子点的量子岛屿不应被混淆。抗原结合UV-illuminated功能化半导体量子点与点内的bR应该光子输出淬火的抗原,或抗原可能优先取代黑暗的冷却器分子附着在量子点从而允许辐射光子的量子点,正如前面演示(18]。

下午将与一组首先必须分析证明bR和确定PM调制,将大大改变设置的功能,主要通过栅电容的变化,更重要的是给设备充电能量 在哪里是充电能量,是电子电荷,合并后的等效电容的量子岛屿和终端设备。在这项研究中使用的设备被认为是类似于Karre因为他们使用相同的设备和技术制作的。这些设备有一个充电能量测量大约160伏,大约五倍的室温热噪声。我们可以看到从(1)充电能量会减少成正比增加设备的电容引起的积分点门通过添加更大的二次感应终端与终端或点。低充电能量会导致不必要的自发的激活集。整个电容类型的设置用于这些实验是直径约0.5(19]。因此,设备电容最小的增加将降低设备充电能量附近环境热噪声可能导致自发电流调制。

紫膜与bR建模为一个电荷和电压源和一个电阻和电容并联20.]。一个示意性的结合PM-SET bio-nano-hybrid设备如图2和基于传统模型(21的一组点的模型。这些组件的每个个人理论和/或经验模型但是这里它们合并为一个单一的nano-bio-hybrid设备。

在图2(一),代表一组氧化铝衬底上的差距隧穿电阻钨源极和栅极被聚焦离子束加工和图案登机门是差距阻力。代表了功放和source-drain差距登机门是电容的差距。这种类型的组使用多个量子群岛;因此,有效的隧穿电阻和电容是由多个点的一部分source-drain隧穿电阻和电容。在图2(b),和代表点层的等效电阻和电容在门或大板连接到门,和生成的潜在bR在照明。正确的图的一部分2(c)显示了混合等效相结合。之前的研究Karre图的相关设置参数决定的2(一),而目前的工作导致图的点电特性2(b)必须完成这个模型。

2.3。点电特性测量

的有效电容和阻力测量来确定点对集电特性重要集成。已经有一些工作进行测量电子的属性点电影但大多数溶液(已经完成了22- - - - - -24]。在目前的工作,测试进行干点的电影,决定如果有膜块物理之间的关系定位,点灯开关振幅和频率,测试时间点的有效电阻和电容。因为bR出现在补丁原始细菌膜和点的电荷在其上面6纳米厚度差~ pH值5,补丁可以定向的矢量梯度是附加的。

氧化铟锡(ITO)镀膜玻璃基板覆盖着点是由沉淀20μL(6.9毫克/毫升溶液点在去离子水的3毫米×3毫米使用中描述的方法(8]。一套样品镀层和面向使用电泳沉积VDC 4点40秒差距在1毫米厚度和上电极之间的ITO玻璃衬底。无一定位置的点样本由吸量20μL同一点的解决方案在ITO玻璃没有电泳沉积。所有样品都是风干了两天在21°C。bR光电压测量使用输入阻抗运算放大器。样本激活用琥珀色发光二极管发射峰值在595海里。每个样品的厚度测量使用VEECO Dektak 6米笔分析器。光的吸光度测量样本用干海洋光学USB4000光谱仪。

集电气测量是惠普4284电感电容电阻测量计控制通过一个接口模块4200年吉时利半导体参数分析。射频噪声降低了将外壳接地测试夹具。减少寄生电容测量中的错误,开放和短路校正测量之前进行测试。对于每个记录测量,5个连续测量。LED光强调整五离散值为0,27.1,40.9,134.0,和196.1 W / m²在570纳米。LED测试强度是引用在570 nm因为这是bR的峰吸光度。

2.4。集制造和点集成

集制造使用离子beam-induced沉积钨量子岛屿关注氧化铝衬底,紧随其后的是溅射沉积和钨源模式,排水和栅电极。点是电镀到3毫米×3毫米板电连接到门(图1)使用相同的程序上面描述的电气特性测量。设置输出的测量是用吉时利4200半导体参数分析仪,前置放大器连接到收集器。第一集是没有点特征沉积在门口来确定光会改变由于代光电子的设置功能。如图3,无明显光电的响应bR的暴露门集。照亮了PM-SETs琥珀led在照明强度和频率范围可能在传感系统特征。

3所示。结果与讨论

的结果来确定影响的点或附近设置侧浇口完成模型预测设备充电能量,然后混合的行为设置测量后的最终集成点。

3.1。点电特性相关的集成

点采样电容和电阻与时间和光照强度数据所示4和5。定向和无向的样本显示类似的趋势在电容和电阻和时间和光照强度。图4显示的有效电容增加光活化和增加强度。这种反应与厚度为22无一定位置的点μ面向m几乎相同的点的厚度10μm。如图5bR的阻力减少,光活化和增加强度。结果并不令人感到意外,和比较直观。电容材料的能力保持电荷分离,这是什么bR通过质子跨膜易位。持续照明,bR能够保持在其厚度4 pH值的变化,10000年的质子浓度梯度。此外,bR把电荷将会看到减少有效电阻由于电流穿过点沉积厚度,和恒照明下的稳态电流表示较低的阻力。

电容的测量表明,有一个变化在照明为导向的和无向的样本。这些变化出现相对无关紧要的考虑他们的5到20 fF,但当与一组集成总电容大约0.5,这个电容的变化可以显著和可能改变设置充电能量和功能。测量的干电影,这是确定的主要电气特性点的电容和电阻光激活和不激活,但更面向和无向的样本。基于bR相对介电常数2.2估计相关的阻抗测量,点沉积面积和厚度、等效电容估计是22 pF,几个数量级大于电容。点放在设置门时,电容串联侧浇口的电容。所示(2),点的电容对整个装置电容没有显著影响,这表明集成点在门或更大的感应垫应该没有不良充电能量影响的功能集

3.2。SET-bR集成结果

如图6,似乎没有显著差异的设置功能,没有光。波动在0.1 nA source-drain目前的秩序的;然而,数据表明,一组的趋势可能不是完全免疫光子刺激。因此,任何重大source-drain电流调制bR-SETs当被光激活应该归因于bR与当前水平的影响显著高于0.1 nA。

测试是用点进行固定化的门接口集激活与LED照明范围广泛的频率可能是传感系统的特征,如图7。图显示调光驱动点固定门接口集具有良好的忠诚。source-drain当前应对照明时间从5 - 60秒显示最大峰值的变化约2 nA,提供一个限幅的比例大约20与0.1相比nA source-drain当前没有bR(图6)。结果显示一致的最大峰值电流调制中间时期,证实了电流调制在应对间歇光照范围的频率,将传感系统中采样频率的特征。这些测试验证,bR光电压的变化影响的一组函数。

3.3。讨论

在观察,有设置的当前行为之间的不一致设备图6和图7。一组设备图6没有明显的电流source-drain±0.5 V之间的电压与点门不同的照明。在±0.5 V_SD,有部分nA source-drain当前应对照明的变化。这个设备是捏造的早期研究项目和非常类似于之前报道25,26]。设备使用的结果如图7是捏造很久以后,类似的报道(27]。早期和晚期之间的差异的原因设备是无伤大雅的系统源孔径与广泛使用在不知不觉中扩大和量子岛沉积钨离子电流增加了同样的无伤大雅的当前设置。Karre工作,FIB一直小心翼翼地要行为端正的特征集和设备如图6的象征。然而,FIB孔径老化和更少的控制量子大小岛屿上沉积,显然更多设备泄漏发生。这也是由Acharya观察和报道,使用类似的设备。推测,漏电流的增加是由于意想不到的隧穿量子群岛与不参加的功能性中部地区以外的设备。这被认为是后者的原因设备响应如图7目前大约44.1 nA的抵消,诚然高相比图的设备吗6。然而,即使这种抵消变异的漏极电流是忠实地重复变频照明PM-gate结构的波动。所有设备进行测试,以确保响应并非由于照明不附加点。这个设备也不例外。这个结果也强化了挑战的奈米电子设备制造大量的可重复的FIB沉积的量子岛屿。

4所示。结论

本研究专注于技术的发展,可以用来创建一个平台,用于化学/生物传感器的集成细菌视紫红质集使用电泳沉积在导电板侧浇口,但水和离子自组装也其他潜在沉积的方法。点底物被用来确定点的有效电容和电阻在照明条件下可能会遇到在传感器应用程序中,它是发现,使用点并不影响的基本操作集。集是捏造的溅射、光刻、聚焦离子束加工。的门垫作为界面的点集。表征表明,bR调制的操作特征集bR时激活与光在其吸光度光谱的信噪比高达20。没有努力优化集或制造工艺专门为使用点。这个最初的研究与纳米电子设备的集成点和模型发展,提出,这项研究应该进一步发展并最终导致multiconfigurable纳米传感器阵列的发展包括实验室芯片应用程序或人工的眼睛。

确认

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