Laag-dimensionale elektrische biosensoren voor labelvrij multiplex biosensing

De versmelting van technologie met biologie heeft geleid tot een aanzienlijke verbetering van zowel de kwaliteit als de levensduur van de mens. Dit is meer dan duidelijk in de huidige COVID-19-situatie waarin ziekenhuizen en de farmaceutische industrie in staat zijn om snel miljoenen mensen te testen, intensieve zorg te verlenen aan mensen in kritieke toestand en het onderzoek naar vaccins te versnellen, dankzij de ondersteuning van technologie. Er zijn echter nog grote uitdagingen om deze integratie verder te verbeteren. Om een betere diagnose te kunnen stellen en specifiek ontworpen behandelingen te krijgen die passen bij het persoonlijke fysiologische profiel van de patiënt, is een stap in de richting van gepersonaliseerde geneeskunde nodig. Om dit mogelijk te maken, hebben we niet alleen sensortechnologie nodig die een snelle responstijd, hoge doorvoer, en lage detectielimiet voor bulk concentratiemetingen kan bieden, maar ook verbeteringen en innovatie voor analyse van enkelvoudige moleculen, zoals DNA-sequentiebepaling of proteomics.

Tussen de verschillende potentiële technologieën vallen sensoren gebaseerd op veldeffecttransistoren (“field effect transistors”, FET) op voor dergelijke toepassingen. Van FET-gebaseerde biosensoren (of bioFET's) wordt beweerd dat ze zeer korte reactietijden vertonen, variërend van een paar seconden tot een paar minuten en een extreem lage detectielimiet (“limit of detection”, LOD) tot een attomolaire (10^-18 M) bulk biomoleculaire concentratie. Omdat op FET gebaseerde sensoren kunnen worden vervaardigd met behulp van CMOS-technologie, kunnen ze bovendien worden geïntegreerd om een dichte multiplexrooster te vormen voor toepassingen met hoge doorvoer. De oorsprong van deze hoge gevoeligheid voor bulkconcentraties is controversieel en wordt voornamelijk toegeschreven aan de hoge oppervlakte-tot-volume-verhouding van de nanodraad/nano-FET's. Dit heeft geleid tot het verkleinen van de breedte en de hoogte van op FET gebaseerde sensoren om een hogere oppervlakte-volume-verhouding te bereiken. Dit argument is echter alleen kwalitatief en ondersteunt niet de orden van grootte-reductie in LOD die wordt geclaimd in nanodraad / nano-FET-papers. Daarnaast zijn er ook enkele tegenstrijdige rapporten gepubliceerd die vragen oproepen over hoge FET-gevoeligheid en korte reactietijden. Dit wijst op verschillende inconsistenties in de literatuur en een gebrek aan inzicht in op FET gebaseerde detectiemechanismen.

Dit proefschrift heeft tot doel de oorsprong van de hoge gevoeligheden en de snelle sensorrespons te begrijpen die wordt waargenomen voor op FET gebaseerde sensoren voor biomoleculaire detectie in bulk. De intrinsieke transducergevoeligheid wordt vaak verward met de totale sensorgevoeligheid voor het detecteren van bulkconcentraties, die niet alleen de transducerrespons omvat, maar ook de biomoleculaire associatiekinetiek en signaal nabewerking en amplificatie aspecten. in dit werk isoleren we de transducerprestaties van de biomoleculaire associatiekinetiek en onderzoeken we afzonderlijk de FET-transductieprestaties en de bijdrage van biomoleculaire associatiekinetiek om de beweringen in de literatuur te begrijpen.

We beginnen met het onderzoeken van biomoleculaire associatiekinetiek. Wanneer de bindingsgebieden van interagerende biomoleculen tegengesteld geladen zijn, kunnen elektrostatische interacties op lange afstand de associatiesnelheidsconstanten verhogen, wat kan resulteren in een verbetering van de vangstkinetiek met een afname van de ionische sterkte. We onderzoeken in hoeverre het onbedoelde neveneffect van het gebruik van buffers met lage ionische sterkte voor bioFET-metingen een rol speelt bij hun uitzonderlijke prestaties, d.w.z. hoge gevoeligheid en verbeterde vangkinetiek. We zien een verbetering van de associatiekinetiek bij het gebruik van buffer met een lage ionische sterkte, maar de grootte van de waargenomen verbetering was niet van de orde (10² tot 10³ verbetering met 10x afname in ionsterkte) die werd verwacht op basis van de op nanodraad / FET gebaseerde detectieresultaten. Dit zou een gevolg kunnen zijn van parasitaire fenomenen zoals denaturatie van de geselecteerde set biomoleculen bij een lage ionische sterkte of een massatransportlimiet, wat resulteert in een vertraging van de interactiekinetiek.

Wat het transductie-aspect betreft, onderzoeken we de bewering van een hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding als de reden voor hoge FET-gevoeligheid die onderzoekers motiveert om de FET-grootte te verkleinen voor hogere gevoeligheden. We onderzoeken pH-detectie experimenteel met behulp van FET's voor twee verschillende oxide-oppervlakken en voor verschillende FET-dimensies en zien dat de pH-gevoeligheid onafhankelijk is van een afname in FET-breedte (tot 10 nm) en FET-lengte (tot 145 nm). We hebben ook experimenteel de FET onderzocht als een transducer voor bulk biomoleculaire detectie met behulp van het PNA-DNA-hybridisatiesysteem voor meerdere FET-dimensies en ontdekten dat de FET-spanningstransductiegevoeligheid onafhankelijk is van een afname in FET-breedte (tot 60 nm) en FET-lengte (tot 450 nm). Verder bespreken we ook de parasitaire effecten die geassocieerd worden met op FET gebaseerde detectie, resulterend in grootte-afhankelijke gevoeligheden zoals verkregen in de literatuur.

FET-transductie wordt significant beïnvloed door de screening van analytlading van de bulkelektrolytionen en wordt doorgaans besproken in termen van het lineaire Debye-Huckel-screeningsmodel. Er is echter veel minder aandacht besteed aan het fenomeen van verhoogde niet-lineaire elektrolytische afscherming wanneer een elektrische dubbele laag (EDL) aanwezig is op het sensoroppervlak, b.v. als reactie op oppervlakteladingen, of zelfs simpelweg wanneer het gegenereerde biosignaal een paar kT/q (= 25 mV) overschrijdt. We onderzoeken dit fenomeen van gelokaliseerde overmatige screening van biomoleculaire lading afkomstig van vaste oppervlakteladingen en van pH-gevoelige oppervlaktetoestanden. We vinden dat maximale gevoeligheid voor bulk biomoleculaire detectie wordt verkregen wanneer de initiële lading op het sensoroppervlak ongeveer de helft bedraagt van de verwachte biomoleculaire lading en tegengesteld is in polariteit, zodat de EDL-potentiaal ruwweg symmetrisch rond nul zwaait. In het geval van een kleine biomoleculaire dichtheid of zelfs detectie van een enkel molecuul, heeft de analyt zelf echter geen significante invloed op de EDL en moet de sensoroppervlaktepotentiaal dichtbij 0 mV liggen (dwz een ongeladen oppervlak), waardoor de ionenconcentratie in de EDL gelijk is aan de bulk ionische sterkte.

Aangezien grotere transistoren dezelfde spanningstransductiegevoeligheid vertonen als kleinere transistoren voor gelijke ladingsdichtheid aan het oppervlak, zal voor bulk biomoleculaire detectietoepassingen het gebruik van grote transistoren helpen bij het verminderen van de fabricagekosten, ruis en procescomplexiteit geassocieerd met nanoFET-fabricage. Voor analysetoepassingen met individuele moleculen (bijv. DNA sequentiebepaling) kan het voordelig zijn om naar extreem kleine afmetingen te gaan, aangezien de effectieve biomoleculaire densiteit voor het gegeven sensorgebied toeneemt voor kleine sensoren, wat leidt tot een groter signaal. Om detectie van enkelvoudige moleculen met behulp van FET's mogelijk te maken, moet men echter ook andere aspecten in overweging nemen, bijv. het optimaliseren van de oppervlaktelading van de sensor om de signaaltransductie te verbeteren, het minimaliseren van parasitaire effecten geassocieerd met de metingen, het verbeteren van de oppervlaktechemie voor selectieve biomoleculaire functionalisatie en andere dergelijke aspecten. De gecombineerde verbetering zou kunnen resulteren in zeer gevoelige sensoren gebaseerd op FETs, optimaal voor enkelvoudige moleculaire analyse om de studie van het genoom en proteoom voor gepersonaliseerde geneeskunde verder te bevorderen.