Esquemas e imágenes SEM del ultrapequeño BIT-FET. ( A ) Ilustración esquemática de una sonda bioelectrónica intracelular. ( Izquierda ) Esquema general de una sonda para registro de electrofisiología intracelular. ( Derecha ) Una vista ampliada de la punta de una sonda bioelectrónica de menos de 10 nm y su tamaño relacionado con un solo canal iónico. ( B ) Estructura esquemática del ultrapequeño BIT-FET. Verde, amarillo, azul, y los colores grises representan SiO 2 capa, contacto de metal, SiNW, y sustrato de nitruro de silicio, respectivamente. ( C ) Imágenes SEM del ultrapequeño BITFET en diferentes pasos de fabricación. Primero se cultivó una rama de GeNW encima de SiNW ( I ), seguido de una H posterior 2 O 2 grabado de la parte superior de GeNW para reducir su diámetro a un régimen inferior a 10 nm ( II ). Una vista final de un BIT-FET ultrapequeño con ID de nanotubos ∼8 nm, y SiO 2 El espesor de pared ∼10 nm se presenta en ( III ). Recuadro de III es el primer plano de la punta del SiO ultrapequeño 2 nanotubos. Líneas punteadas blancas en II y III indicar el punto debajo del cual GeNW y SiO 2 está protegido por fotorresistencia durante H 2 O 2 y grabado BHF, respectivamente. Todas las barras de escala:100 nm. Crédito:Copyright © PNAS, doi:10.1073 / pnas.1323389111
(Phys.org) —Las sondas bioelectrónicas miniaturizadas pueden transformar la biología y la medicina al permitir la medición de componentes intracelulares en vivo . Recientemente, científicos de la Universidad de Harvard y la Universidad de Pekín diseñaron, fabricó y demostró sondas bioelectrónicas tan pequeñas como 5 nanómetros utilizando una heteroestructura única de nanocables y nanotubos de tres dimensiones. (Una heteroestructura combina múltiples heterouniones, interfaces entre dos capas o regiones de semiconductores cristalinos diferentes, en un solo dispositivo). A través de mediciones experimentales y simulaciones numéricas, Los investigadores demostraron que estos dispositivos tienen una resolución de tiempo suficiente para registrar las señales eléctricas más rápidas en las neuronas y otras células. con integración en matrices de chips más grandes que potencialmente proporcionan un mapeo de actividad de ultra alta resolución en redes neuronales y otros sistemas biocelulares.
La profesora Xiaojie Duan discutió el documento que ella, Investigador graduado Tian-Ming Fu, El profesor Charles M. Lieber y sus coautores publicados en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . En primer lugar, señala que las sondas de nanotubos y su heterounión con los transistores de efecto de campo de nanocables de silicio (SiNW FET) se vuelven mecánicamente menos estables a medida que se reduce el diámetro. "Cuando el nanotubo se vuelve cada vez más pequeño, "Duan le dice a Phys.org, "Es más fácil romper el nanotubo en el área de unión con el SiNW. En la aplicación del uso de la sonda para la detección bioelectrónica intracelular, habrá varias fuerzas, como la fuerza capilar del líquido, así como la interacción entre la sonda y la membrana celular. Estas fuerzas pueden romper la sonda si tenemos una unión débil entre ella y el SiNW ".
Otro problema es que la sensibilidad eléctrica también se reduce a medida que disminuye el diámetro de los nanotubos, porque el diámetro interno (ID) del nanotubo define el área efectiva de la puerta del dispositivo. "En el registro del potencial transmembrana intracelular utilizando nuestra sonda, "Duan explica, "El citosol llena el nanotubo y actúa como electrodo de puerta para el SiNW FET subyacente". Citosol (también llamado fluido intracelular o matriz citoplasmática ) es el líquido que se encuentra dentro de las células, excluyendo orgánulos y otros componentes citoplasmáticos. "El cambio de potencial del citosol modula la densidad de portadores del SiNW FET, cambiando así su conductancia, "Duan continúa." Así es como funciona nuestra sonda para el registro bioelectrónico ". El área de contacto entre el citosol y el SiNW, definida por el diámetro interno del nanotubo, determina la efectividad de la modulación de la conductancia. En otras palabras, si el diámetro interior del nanotubo es demasiado pequeño, el área de la puerta SiNW FET también será demasiado pequeña.
Registro del potencial de membrana en reposo intracelular. ( A ) Esquemas (superior) e imágenes de microscopía óptica de contraste de interferencia diferencial ( Más bajo ) de una célula HL-1 manipulada por una micropipeta de vidrio para acercarse ( I ), contacto ( II ), penetrar III ), y retraer IV ) a partir de una sonda BITFET ultrapequeña modificada con fosfolípidos. La flecha roja indica la posición de la punta de nanotubos ultrapequeños. Porque puro SiO 2 nanotubo es ópticamente transparente, la plantilla GeNW de este dispositivo no se grabó para la obtención de imágenes. Barra de escala:2 μm. ( B ) Resultados de registros eléctricos representativos de un dispositivo BIT-FET ultrapequeño de ID de ∼10 nm; en este caso, el GeNW se grabó para producir el SiO ultrapequeño 2 nanotubos. Las flechas verdes que apuntan hacia abajo y hacia arriba marcan el comienzo de la penetración y retirada de la célula, respectivamente. Las líneas discontinuas horizontales superior e inferior indican los potenciales extracelulares e intracelulares. Las mediciones de compuerta de agua cuasiestáticas realizadas antes / después de las mediciones de celda muestran un cambio <2% en la conductancia y sensibilidad del dispositivo. Crédito:Copyright © PNAS, doi:10.1073 / pnas.1323389111
A los investigadores también se les presentó el hecho de que la respuesta dinámica de alta frecuencia puede degradarse con la disminución del diámetro interno del nanotubo debido al aumento de la resistencia de la solución en el nanotubo. "Cuando el diámetro interior de los nanotubos disminuye, "Duan explica, "la resistencia de la solución dentro del nanotubo aumentará, debido a la disminución de la sección transversal del conductor de solución. "Además, la velocidad a la que el SiNW FET subyacente puede responder a una señal está determinada por el producto RC de la capacitancia y la resistencia del conductor de solución dentro del nanotubo, por lo que si el nanotubo se hace más pequeño, la resistencia es cada vez mayor. Esto significa que el SiNW FET necesitará más tiempo para responder, y si el cambio de señal es demasiado rápido, la sonda no podrá registrarlo de forma fiable. "Eso es lo que queremos decir con 'la respuesta dinámica de alta frecuencia se degradará al disminuir el diámetro interno de los nanotubos, 'Duan agrega, "Sin embargo, encontramos que para nuestra sonda, incluso si reducimos el diámetro interno de los nanotubos a tan solo 5 nm, la sonda aún es capaz de registrar fielmente una señal de 3 kHz, un ancho de banda suficiente en la mayoría de los casos para registrar señales neurales y cardíacas ".
Los investigadores también se enfrentaron a la necesidad de utilizar detectores de transistores de efecto de campo de nanocables semiconductores activos para superar las limitaciones de la reducción del tamaño de la sonda. "La palabra activo" se compara con la naturaleza "pasiva" de grabar con electrodos metálicos, " Duan points out. "For metal electrode recording, a portion of the transmembrane potential V metro will be dropped or lost at the electrode/electrolyte interface, so the signal recorded will be smaller than the real transmembrane potential." When the size of the metal electrode is reduced, the impedance value at the electrode/electrolyte will increase – and at some point, this impedance will get so large that the recorded signal will be obscured by noise. Sin embargo, for the FET recording, the cytosol potential change is reflected by the semiconductor channel conductance change, which is independent of the probe/electrolyte interface impedance. "Since decrease in probe size will therefore no affect the signal amplitude, " Duan adds, "using the FET to sense potential is a very effective way to overcome the limitations of probe-size reduction."
Schematics of the fabrication flow for the ultrasmall BIT-FET. ( A ) SiNWs (blue) are dispersed on substrate (solid gray). ( B ) S/D contacts are defined by EBL followed by thermal evaporation. ( C ) Au nanodots are defined on SiNWs between S/D using EBL and thermal evaporation. ( D ) GeNWs (red) are grown on top of the SiNWs through nanocluster-catalyzed CVD process. ( mi ) A thin layer of photoresist (transparent gray) is spin coated on the chip to protect the lower GeNW part. ( F ) The resulting H 2 O 2 -etched GeNWs following photoresist liftoff. Only the GeNW above the photoresist in mi is thinned by etching in H 2 O 2 . (G) SiO 2 is conformally deposited over the entire chip by ALD. ( H ) A thin layer of photoresist (transparent gray) is spin coated to protect the lower region of chip. ( I ) The resulting BHF etched structures following liftoff. The region of SiO 2 above the photoresist layer in H is etched to ca.10-nm thickness. ( J ) Photoresist with thickness smaller than the GeNW heights is deposited. ( K ) The resulting structure following BHF etching of SiO2, which exposes the tips of the GeNWs. Isotopic BHF etching yields a small taper with thinner SiO 2 at the topmost part of the structure. (L) The GeNW is removed by H 2 O 2 etching to form an ultrasmall nanotube connected to the bottom SiNW FET. Copyright © PNAS, doi:10.1073/pnas.1323389111
Another critical challenge was synthetically integrating nanotubes and nanowires. "The nanotube is made of silicon oxide and the nanowire is made of silicon, " Du an notes. "For cell recording, the nanotube needs to be built vertically onto the nanowires – meaning that a three-dimensional heterostructure is needed." While the heterostructure could be fabricated in various ways, not all of them provided the required controllability at the probe scale. Por lo tanto, the researchers grew a germanium nanowire (GeNW) on top of the silicon nanowires, with the GeNW acting as a template for the nanotube. "Depositing SiO 2 on the GeNW/SiNW heterostructure, then selectively removing the core GeNW, resulted in the desired nanotube/SiNW structure, " notes Duan. "Using this method, the nanotube inner diameter can be controlled by the GeNW diameter, the outer diameter can be controlled by the SiO 2 thickness, and the nanotube length can be defined by the GeNW growth time. This gives us complete and easily implemented control over the probe's dimensions."
Finalmente, the scientists had to investigate and model the bandwidth effect of phospholipid coatings, which are important for intracellular recording. "We use phospholipid coating to assist the nanotube probe to penetrate the cell membrane, " Duan notes. "Since the bandwidth of our probe is important for the probe to be able to record fast neural or cardiac signal, we need to make sure this phospholipid modification will not overly affect the bandwidth." Because the phospholipid layer will decrease the cross section of the solution conductor inside the nanotube, it impacts bandwidth in two ways by changing the capacitance and resistance of the solution inside the nanotube. (The phospholipid-modified probe bandwidth is easily determined by applying a fast artificial signal to the solution, and then recording how the conductance of the device changes over time. This provides the time the device needs to respond to this signal and thus the device's bandwidth.) "Therefore, " Duan explains, "if the nanotube is large, this thin phospholipid layer will not cause too much of a difference. Sin embargo, for our probe, the sub-10 nm nanotube size is almost the same scale as the lipid layer – so we have to carefully examine how it affects probe bandwidth, both experimentally and theoretically."
The scientists addressed these myriad challenges in designing, fabricando and demonstrating the probe with three key innovations. "The first is the use of FET as potential sensing element, which in principle enables us to overcome the size limit on the probe." Duan explains. "However, FETs have conventionally existed in a linear geometry with connections that preclude access to the inside of cells." The second innovation was the solution to this problem – namely, the design of a vertical SiO 2 nanotube on top of the nanoscale FET, which allowed them to introduce cytosol into the cell without having to insert the FET channel inside the cell, which would be more invasive. The third key is the design of a relatively large nanotube base with a much sharper nanotube tip, resulting in a sub-10 nm probe without sacrificing its mechanical strength and electrical sensitivity.
Electron microscopy characterization of the ultrasmall BIT-FET. ( A ) Representative SEM (Zeiss Ultra Plus field-emission SEM) images of intermediate fabrication steps of the ultrasmall BIT-FET. ( Izquierda ) Device after 30-nm ALD coating of SiO 2 . ( Derecha ) Device after first step of selective BHF etching of the upper80% portion of the SiO 2 to ca. 10 nm (Fig. S1 H y I ). White dashed lines in I y II indicate the point below which the SiO 2 is protected by photoresist during BHF etching. Scale bars:200 nm. ( B ) False-colored transmission electron microscopy (JEOL 2100 TEM) image of an ultrasmall nanotube. This tube was fabricated following the same procedure as described in SI Text , and deposited onto lacey carbon grids (Ted Pella) from ethanol suspension. It has a tip ID ∼7 nm and bottom ID ∼80 nm. False color is used here to distinguish the SiO 2 nanotube from background amorphous carbon. Scale bar:50 nm. Credit:Copyright © PNAS, doi:10.1073/pnas.1323389111
An important aspect of the study was ensuring that the bioelectronic devices had sufficient time resolution to record the fastest electrical signals in neurons and other cells. "The signals in neural system are normally in the millisecond scale, " Duan points out. "That means that to reliably record these signals, the recording device needs to have a bandwidth measure in kilohertz." While the probe's bandwidth decreases with the decrease of nanotube diameter, the scientists found that even for probes with inner diameters as small as 5 nm, the bandwidth is still around 3 kHz (a time resolution ~ 0.3 ms) in physiological solution. "This means that our probes have sufficient time resolution to record the fastest electrical signals in neurons and other cells, " Duan adds.
Es más, Duan points out, the scientists found that measuring the cell transmembrane resting potential with these ultrasmall bioelectronic devices demonstrates the capability for intracellular electrophysiology studies. "When we measured the transmembrane resting potential of HL-1 cell with our new probes, we found that with the phospholipid modification, the nanotube can easily and reliably penetrate the cell membrane, allowing the FET to record the intracellular transmembrane potential at full amplitude." After retracting the nanotube from the cell, the recorded potential can immediately revert to the extracellular potential. "Reliable cell membrane penetration and stable recording of intracellular transmembrane potential prove the capability of our probes for intracellular electrophysiology studies, " notes Duan.
Sensitivity of different device structures. ( A , B ) Schematics of the ultrasmall BIT-FET without and with Ge overcoating on the SiNW, respectivamente. I y II correspond to the BIT-FET devices before and after Ge core etching. III show schematically typical conductance ( GRAMO ) vs. water-gate (V wg ) measurements from these distinct structures. Credit:Copyright © PNAS, doi:10.1073/pnas.1323389111
Avanzando says Duan, the researchers' are planning to scale up their work to integrate the probes into high-density, large-scale array for large-scale mapping of neural activities; use the probes to record neural signals from small subcellular structures/organelles; and investigate other applications in which the probes will provide substantially greater spatial resolution and minimal invasiveness than other techniques.
Además, the scientists might consider developing other innovations. "Por ejemplo, " Duan illustrates, "a major challenge in using our ultra-small probes for recording from small subcellular structures is to accurately position them with respect to the subcellular structures of interest. We're looking at either labeling our probe with fluorescence dye – or other biocompatible materials – to mark the nanotube at high resolution, or using specific targeting in which the probe's biochemical surface groups define the specific cell location being studied."
Duan sees other areas of research that might benefit from their study, including:
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