以可撓曲之3D奈米場效電晶體做為局部生物探針

2011/02/10 | | 標籤:

Original publish date:Aug 22, 2010

編輯 finn 報導

近年利用奈米管或奈米線所製成的奈米電子元件之研究在生物系統應用方向有很大的進展,然而大多仍侷限於二維度之平面元件設計。哈佛大學的研究人員利用特殊設計的矽奈米線,成功展示了絕佳的三維度生物探測能力。

作為奈米電子生物探測元件,探針的選擇相當重要。哈佛大學的研究人員選用奈米場效電晶體( nano field effect transistor, nanoFET)作為偵測探針。雖然針頭的尺寸可以非常小,但最大的缺點便是無法做三維度的量測,因為傳統的FET都是二維的。

哈佛大學Charles M. Lieber所領導的研究小組,在幾年前即成功在成長矽奈米線過程中選擇一段摻入雜質,來製作nanoFET[1]。接著他們控制矽奈米線,使矽奈米線長成各式順向或異向扭結(cis or trans kinks)的結構,並且在結構中同時成長nanoFET[2]。現在,他們刻意將矽奈米線成長為雙順向扭結(doubly cis-linked kinks)的結構,形成一個60度角的尖銳探針,並將含有nanoFET的一段長在探針前端,最後再利用電子束微影製程技術在矽奈米線兩端鍍上兩條金屬電極(Cr/Pd/Cr),然後一起與基板脫離,利用Pd/Cr金屬電極本身的內應力,使得整個矽奈米線探針結構往上翹起[3]。翹起的高度可以透過改變金屬電極的長度來控制,大約數十微米(10^-6米),差不多就是一個細胞的大小。 初步實驗顯示,這個翹起的三維結構與正常的平面二維結構具有相同的偵測靈敏度,約是4~8 μS/V。翹起的高度在±10微米的範圍內,電導的改變小於20 nS,約在0.31%整體元件電導的變動之內。此三維結構也有相當好的pH靈敏度~58 mV/pH,目前最佳的記錄是可以解析0.02 pH的變化。

利用雙層磷脂(phospholipid bilayers)將探針表面改質後,三維矽奈米探針便可透過內吞過程(endocytic)進出細胞而不破壞細胞表面。 研究人員成功展示利用表面改質的探針,在針尖接觸到HL-1細胞後的250毫秒(ms)之內,量到~52 mV的電壓變化。更進一步,研究小組對一連串雞心肌細胞(chicken cardiomyocytes)進行細胞外層(extracellular)、細胞中層(cellular entrance)與細胞內層(intracellular)的掃描,均得到相當高解析度的訊號。

Lieber表示,此技術對研究人員了解細胞跟外來毒素或藥物的反應有很大的幫助;或更進一步,未來甚至可能將多個nanoFET植入細胞內,讓數位電路與細胞功能整合在一起。這很可能便是奈米科技與生物科技的最佳結合之一!

原始論文
[1] C. Yang, Z.H. Zhong, C.M. Lieber, Science 310 (2005) 1304.
[2] B.Z. Tian, P. Xie, T.J. Kempa, D.C. Bell, C.M. Lieber, Nature Nanotechnology 4 (2009) 824.
[3] B. Tian, T. Cohen-Karni, Q. Qing, X. Duan, P. Xie, C.M. Lieber, Science 329 (2010) 830.

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