文摘
Nanobiosensors装置结合纳米材料检测微小量的生物和化学药剂。作者已经开发出一种小说bionanosensor (bn)快速、高效和精确的检测细菌病原体CNT-DNA交互和DNA杂交的使用原则。的检测能力(bn)观察到的独立设备的阻力。两个新方法(低通滤波器(LPF)和曲线拟合(CF)是为了更好的开发对bn的分析。这些方法成功模型bn。提供证据阐明的成功模式,这可以解释DNA杂交在传感器表面。这些模型成功地证明了检测DNA杂交和nonhybridization。因此,模型不仅可以帮助更好的和高效的设计和操作的bn,但是也可以用来分析其他类似的纳米设备。
1。介绍
纳米技术的出现以来,科学家和工程师们期待的挑战设计和制造高效、可靠的方法来检测微量的生物和化学药剂。nanobiosensor被定义为一个设备,结合纳米材料检测微观量的生物/化学药剂通过测量设备的属性的变化(1]。观察到的变化是主要在随后的传感器检测到的物理性质。测量响应的两个主要方法检测这些属性的变化是光学/光谱(2,3)和电气(4]。不同类型的纳米材料(如碳纳米管、硅纳米线,TiO2纳米粒子等)已经被研究人员使用(5制作传感器。电气检测方法中,这些技术测量电化学势(6),而其他一些测量场效应晶体管晶体管特性(7]。基于一种经济碳纳米管(CNT) bionanosensor (bn)开发8),能准确、可靠地检测生物病原体。这路面抗传感器工作原理,能够检测病原DNA的DNA杂交。传感器检测到的电特性的变化造成的问包装和打开的单链DNA分子前后碳纳米管杂化。bn的特异性也证明,通过观察电特性保持不变,为传感器不杂交(称为nonhybridized传感器)。它也观察到bn的特异性和灵敏度不依赖于初始(本文称为裸)阻力。装配式bn有广泛的抗性(50Ω12 KΩ),而对它的性能没有任何影响。介绍了电子建模技术,开发对于理解bn的操作在这样一个电阻范围广,包括检测DNA杂交(9]。
2。材料和方法
bn(有时也称为“传感器”)与微制造碳纳米管(MWCNT)垫和一系列抗性。电阻依赖于碳纳米管的数量。然而,碳纳米管在每个传感器的数目是未知的,在扫描电子显微镜照相术(图1 (b))。此外,阻力是影响碳纳米管的取向。因此,有一个元素的随机性内置传感器。制造技术开发相似的bn电阻和独立设备的基地。由于结果不依赖于初始基本阻力,不需要将精确的制造过程中的阻力。修改的solution-casting形式采用方法制造传感器表面。底胶基质制备木薯淀粉的混合50毫克到1000L蒸馏水,然后用微波炉加热(1000瓦),两步的解决方案。它最初是微波20秒钟,然后,另一个10秒的过程重复完全溶解木薯淀粉,使它成为一个解决方案。木薯淀粉的解决方案被沉积在印刷电路板(PCB)传感器区域,随着MWCNT(99.9%)催化解决方案的解决方案。解决方案被治愈30分钟。固化,表面会有一层薄薄的单链DNA引物(或沙门氏菌)伯氏疏螺旋体,缓冲溶液。银漆(电子显微镜科学、EpoTek)是用于连接传感器的铜终端印刷电路板(PCB)。图1(一)bn而图的照片吗1 (b)是传感器的扫描电子显微图显示多层碳纳米管(MWCNT)网络。
(一)
(b)
这些bn驱动频率发生器(Phillips-PM 5138) 10赫兹至10 MHz范围和相应的输出与输入电压1伏特峰在示波器测量(Phillips-PM 3377)。电压增益测量作为频率的函数通过三步过程。所有的测量校准参考衬底,联系人,和固化条件。最初,裸露的增益频率响应测量传感器。然后,相同的测量是由传感器与单链DNA引物。这是本文中引用的基础数据。获得再次测量一旦免费DNA链补充道。这是bn的检测阶段,本文引用作为杂化阶段。
在图2bn的增益频率特性,提出了一系列不同的直流电阻对一些代表bn在一个图。
图2显示了所有的传感器获得变弱,随着频率的增加。传感器电阻较低的高电阻传感器相比有更高的增益。阻传感器(上图2 KΩ),有滚边获得紧随其后的是一个非常小的获得对频率的变化。
这个特征图也让我们分类bn分为两类基于他们的抵抗。低阻传感器已被列为设备有510Ω电阻或更低。阻传感器设备阻力800Ω或更高的价值。
建模是一个传感器的简化表示。它有助于理解因素负责传感器功能。它允许对传感器响应的预测,如果某一参数改变,也有助于提高整体性能。为了模型的传感器、电子电路模拟技术已经被使用。电路仿真是相当便宜的,容易和不难使用,它还提供了相当精确和快速模拟nonelectrical相比模拟方法。多学科的过程是复杂的,因为它涉及到转换从一个域到另一个(例如,键合图仿真,这是一个动力系统)的图形表示形式。因此,它总是有利于在一个域(即系统模拟。电路仿真)。
传感器已经塑造基于两个不同的电阻范围(低和高抗性)两种不同的方法,这两种都取得了非常相似的结果。在第一种方法中,传感器基于低通滤波器(LPF)使用电路仿真建模(LPF模型),而在第二个方法中,数据数学拟合,然后,电路参数的方程解决了使用MATLAB曲线拟合(model-CF模型)。
2.1。建模基于滤波器的传感器
观察到,所有传感器的特性曲线与滤波器的特征(10,11]。因此,使用标准的公式的截止频率滤波器,传感器被塑造 在这里,在赫兹=截止频率,在Ω=阻力,=在法拉电容。
从观察到的特征,曲线频率”“抵抗”的决心和已知值“对传感器、电容””设计。然后,随后传感器建模为RC电路使用电路仿真。建模RC电路模拟频率从10赫兹至10 MHz。这些模型的增益频率响应是非常相似的模式,观察实验数据。这可以观察到在图3(一个),219Ω传感器的模型模拟与实验数据,然后覆盖。图3 (b)描绘了一个类似的建模和实验数据的匹配高(11.52 KΩ)传感器。
(一)
(b)
219Ω传感器的RC电路模型显示在图4。从图可以观察到4,模拟电路电容68 pF。
建模其他传感器电阻与滤波器模型也显示出类似的响应与实验数据。
2.2。传感与检测传感器
成功开发建模技术后,传感器检测的检测能力。他们检查用脱氧核糖核酸(DNA)引物来确定模型可以协助DNA杂交的决心。DNA双链生物分子指令是关于基因生物发展的所有细胞生命形式的(12,13]。杂交的过程在一个链DNA (F-DNA)债券连同其他互补链(R-DNA)形成一个双螺旋DNA结构。这个键组合是非常具体的,不发生即使一个DNA链是由单个碱基对偏差。这种杂交的交谈被称为nonhybridization,两单链dna不相结合,形成了双重的螺旋结构。
单链DNA被轻松环绕问(碳纳米管)14]。键是大力支持的过程中,通过范德华力。然而,当这种F-DNA发现其互补链(R-DNA),然后DNA链之间的结合明显更强(氢键)使单链DNA打开问和杂交与其互补的引物本身。这将导致电特性的变化的问,随后bn的检测效果。在DNA nonhybridization过程中,与其noncomplementary F-DNA不会使债券(R-DNA)底漆和单链DNA继续绕问。DNA的电子属性(15,16)可导致一些高阶干涉,这是bn的规模不重要。
2.3。实验与dna传感器
最后一个单链的DNA (R-DNA)以及F-DNA(添加在启动过程中)需要交付在一个离子介质,称为缓冲区,使DNA完好无损。对每一个传感器,传感器的基础数据收集被缓冲启动但是没有任何DNA链。这是显示在图5“缓冲”数据。
(一)
(b)
在图5(一个),一个典型的低电阻传感器的增益频率图(70Ω)杂交检测过程中。在这里,它可以观察到,增益频率向下情节变化(降低增益),传感器与F-DNA影射。它还进一步向下转移的R-DNA检测dna杂交。因此,可以推断,低电阻传感器的增益随频率的增加dna杂交信号的检测。
在图5 (b),类似的情节增益频率高电阻传感器(2.52 KΩ)。相反低电阻传感器,它可以推断出,增益随频率增加传感器检测杂交。
同样,情节显示DNA nonhybridization呈现在图6。缓冲区的增益频率曲线和R-DNA (nonhybridizing DNA)几乎重叠无论他们的抗性。这种行为表明,该传感器可以区分杂化和nonhybridized DNA。
(一)
(b)
请注意。DNA杂交用于实验获得了与包柔氏螺旋体Burgdorferi (Borrelia-Forward和Borrelia-Reverse (BR)和nonhybridizing DNA得到与Borrelia-Forward (BF)和Salmonella-Reverse (SR)。
3所示。观察和结果
基于增益频率特性,传感器被归类为以下:集团-(1)低电阻传感器:从10Ω510Ω。组,(2)高电阻传感器:从12 KΩ800Ω。
这些团体被滤波器进行了分析和建模。根据滤波器,电容的等效电路模型使用一个截止频率计算。作为代表组1的例子,一个传感器70Ω电阻被选中。这个截止频率,观察到设计的电容传感器表现出几乎增加了五倍从1034年239.3 pF pF。增加来自传感器的基本特性的杂化特征。自组2传感器有不同的增益与频率特性,2.52 KΩ光秃秃的电阻传感器被选为一个代表性的例子。在这种情况下,截止频率从平均迭代确定的开始和获得的高原的行为。也观察到,在这种情况下,设计了电容传感器的电路从18.3 pF略微下降到14.19 pF。为了演示传感器的感应能力,nonhybridization DNA数据证明了传感器电路的参数添加R-DNA后仍然相同(nonhybridized)。
验证滤波器模型,抗性的团体或者建模,通过更严格的和定量的,曲线拟合模型(CF)。根据这个模型,增益频率数据被第二个多项式拟合(二次)组1、组2传感器。解决了多项式方程确定的截止频率随后用于设计传感器的电容等效电路。曲线拟合方法的算法如下解释。
增益频率关系的方程的二次曲线拟合给出如下: 在那里,是获得(已知);,和是常数。
和 频率(通过()是按比例缩小的3使用MATLAB);()和()是不断扩展的因素。方程(2)是减少到 自()和()是常数,使用和简化(4)的收益率 这个方程的根 替换(3)(6)将会产生 方程(7)有两个根。自()是一个频率,也可以匹配滤波器模型 用(8)(7),电容的值(对于一个给定的电阻值)可以评估。以下是低收入和高阻曲线拟合解算器的传感器。
数据7(一)和7 (b)显示的曲线拟合模型与实验数据基础和杂化传感器,分别。二次曲线方程进行了说明。表1显示的值的参数计算(LPF)和设计为两个模型(CF)。它可以观察到有密切值之间的匹配。
(一)
(b)
数据8(一个)和8 (b)图表显示的曲线拟合模型与实验数据基础和杂化阻传感器,分别。第二个多项式是最适合相关的截止频率的增益频率区域图。下的方程说明各自的曲线和计算(LPF)和设计(CF)的参数值如表所示2。这些值非常相似,因此,展示密切匹配的模型。
(一)
(b)
类似的比较过程计算滤波器之间的功放和CF模型应用,传感器,nonhybridization实验进行。表3显示了nonhybridizing的设计和计算电容传感器。之间有一个紧密的匹配设计和计算电容值验证滤波器模型。
4所示。讨论
结合实验和建模参数,下面的观察。
低电阻传感器在杂化,也就是说,在收到第二次底漆(R-DNA),显示电容的值的增量,而对于高电阻传感器,有一个衰减电容的值。数据9(一个)和9 (b)直方图的情节显示非常低的电容变化和高电阻传感器。电容时保持不变没有DNA杂交(nonhybridization)发生在传感器上。这种行为说明了数据10 ()和10 (b),分别。因此,bn检测DNA杂交的改变的参数,这个过程是独立于裸露的抗性的传感器。
(一)
(b)
(一)
(b)
不同的电容变化的趋势的原因是至关重要的理解bn的操作和性能。电容的变化可以理解使用RC电路模型。图11是电路模型既适用于低收入和高阻传感器。
后增加缓冲;的电容;非常低收入和高阻传感器增加(17]。传感器是接收缓冲区后治愈,导致缓冲传遍传感器。一旦交流电压,电容引起的缓冲区会经历相同的电压的电容引起的光传感器。这就给了电容传感器的基础。在低阻传感器的情况下,观察到的获得依赖于频率,因此,传感器主要是电容的阻抗。
从模型(滤波器和CF)前面所讨论的,是观察到杂交,电容传感器的低阻传感器增加了近5倍。杂交发生在互补的引物(R-DNA)添加到传感器。现阶段F-DNA,这已经是表面的传感器,缠绕在碳纳米管离开宿主(问)和与F-DNA开始焊接。这将创建额外的电容平行通道。有些新的电容渠道很多,因为它是由F-primer留下的空白。多通道电容,连接在平行于早些时候基本传感器的参数,因此增加了杂化的整体电容传感器。
阻传感器保持恒定的获得主要的频域(在最初的下降之后),进行测量。这意味着这些传感器的阻抗不依赖于频率,因此,主要是电阻。因此在杂化阶段的展开DNA不会引起任何显著增加电容。这是可能的,只有当其他小电容引起的杂化连接在系列原电容传感器的基础。这导致一个小电容减少杂化传感器的匹配与实验观察。
然而,nonhybridization过程,电容R-DNA类似于缓冲。碳管的F-DNA不会与R-DNA债券,因此,MWCNT R-DNA将再次环绕。这将中和电容F-DNA所造成的,因此,最终的电容是一样的缓冲电容。
5。结论
成功依赖于频率的模型显示bn的操作。模型能够分析数据对低收入和高阻传感器,因此是独立的传感器电阻。结果从两个电路模型(LPF和CF)互相一致。CF模型更定量和可以提供的信息在杂化和nonhybridized DNA的浓度在一个特定的示例。这两个模型假设bn工作像一个RC电路的电容中发挥主要作用的结果。尽管低收入和高阻传感器的特性曲线非常不同传感器的性能,它是独立于他们的抗性。建模不仅有助于了解传感器的工作原理,但也使其高效的设计导致最优操作频率范围。这些模型将是非常有用的在研究其他类型的传感器导致他们的最佳性能。
承认
作者希望承认纽黑文大学提供支持和资助这个项目。