Nanobiosensors based on nanostructu

Nanobiosensors based on nanostructure field-effect-transistors (FETs) have become an area of intense research because their detection of biomolecules has potential applications ranging from health monitoring to drug discovery.
Their real-time, highly sensitive, and electrical sensing capabilities have been demonstrated in the detection of biomolecules such as proteins,1−5 nucleic acids,6,7 viruses,8 and other small molecules.
9 Nanobiosensors fabricated using bottom-up assembly, such as nanowire biosensors, are highly sensitive because bottom-up synthesis yields high crystalline quality and critical dimensions as small as a few nanometers.1,10 Top-down biosensors, on the other hand, can add scalability and device uniformity, but must overcome fabrication challenges to achieve similar sensing performance.
This has propelled the recent emergence of several top-down nanobiosensor fabrication techniques based on silicon-on-insulator (SOI) and polysilicon materials.2,11−13 Among these, electronbeam lithography,14 imprint lithography,15 spacer technique,12 and photolithography2 have been explored to optimize dimensional control and scalability with promising results. Specifically, top-down nanoribbon biosensors, with relaxed lateral dimensions, have allowed straightforward photolithographic processing, resulting in high uniformity and functional device yield. This relaxed dimensional requirement can be achieved without losing sufficient sensitivity because the critical dimension, which is the channel depth, remains in the nanoscale. Their larger area also provides more surface for analytes to bind.11,16 Metal oxides have been traditionally used as sensor materials because their surfaces are very sensitive to changes in the environment.17−19 Metal oxides are inherently semiconducting without impurity doping, and their electrical properties are stable during sensing. As an example, In2O3 nanowires have been successfully applied to highly sensitive chemical sensors,18,20 biosensors,3−5 optical detectors,21 thin film transistors (TFTs),22 and other electronic applications.23 In this work, we investigate the sensing properties of In2O3 nanoribbon FET biosensors for the detection of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) p24 antigen. The In2O3 nanoribbon thickness is well controlled by the highly scalable radio frequency (RF) sputtering technique, and the entire sensor is fabricated by a top-down, two-mask conventional photolithography process. Diagnosis of HIV-1 infection, the cause of acquired immune deficiency syndrome (AIDS), relies on the detection of HIV-1 ribonucleic acid (RNA), capsid antigen p24, and anti-HIV antibody.24 Most common food and drug administration (FDA)-approved HIV-1 diagnostic assays target HIV-1 RNA because of the ease of polymerase chain reaction (PCR) mediated amplification. Although this method is very sensitive, it is expensive, requires well-trained staff, and must be performed in well-equipped laboratories. RNA testing in rural or remote settings is also a major challenge. Testing for the HIV-1 p24 antigen is a good alternative because it can be done in resource-limited situations. Antigen p24 level is significantly high during the early, acute phase of infection and the terminal stage of AIDS. It is also a useful marker for predicting CD4+ T cell count decreases, disease progression for early detection of HIV-1 infection, and patient prognosis. Early detection of HIV infection helps to prevent HIV transmission and to prolong AIDS condition by receiving proper treatment. HIV-1 p24 antigen is usually detected by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). However, the detection sensitivity of the conventional assay is less than desirable: 10−20 pg/mL.25,26 Many research groups have tried to lower the limit of detection for early diagnosis of HIV using several approaches such as modifying ELISA with a booster step,25 sandwich p24 amperometric immunosensor based on a modified electrode,27 nanoparticle based fluorescent assay26,28 and atomic force microscopy of sandwich HIV p24 nanoarrays29 to the level close to HIV nucleic acid amplification test.30,31 From these attempts, the lowest detectable level of HIV p24 based on modified ELISA techniques is 10 fg/mL with the projected limit of detection to be 5 fg/mL.28 As an alternative approach, we demonstrate In2O3 nanoribbon biosensors detection of p24 proteins at 20 fg/mL, or about 250 viruses/mL,28 with a 35% conduction change from a baseline conduction measured in human blood serum. We have projected limit of detection of our sensors to be about 200 ag/mL with 1% change in conduction. This detection limit can possibly diagnose HIV infection about 7 to 10 days earlier than the detectable window enabled by conventional ELISA.28 In fact, this detection limit is much closer to the 40 HIV viruses/mL detection limit from PCR.30,31 We are able to achieve this sensitive electrical detection in physiological solutions because electronic ELISA cir

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

Nanobiosensors อิง nanostructure ฟิลด์ผลทรานซิสเตอร์ (FETs) ได้กลายเป็น พื้นที่วิจัยรุนแรงเนื่องจากการตรวจจับของพวกเขาชื่อโมเลกุลชีวภาพมีการใช้งานตั้งแต่การตรวจสอบสุขภาพการค้นพบยาเสพติดมีการแสดงความสามารถวัดค่าแบบเรียลไทม์ มีความไวสูง และไฟฟ้าในการตรวจหาชื่อโมเลกุลชีวภาพเช่นโปรตีน กรดนิวคลีอิก 1−5, 6 ไวรัส 7, 8 และอื่น ๆ โมเลกุลขนาดเล็กNanobiosensors 9 ที่ประดิษฐ์โดยใช้ชุมนุมล่างสาย เช่น nanowire biosensors มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากล่างขึ้นสังเคราะห์ผลผลิตผลึกคุณภาพและมิติที่สำคัญขนาดเล็กเป็นกี่ nanometers.1,10 บนลง biosensors คง สามารถเพิ่มความยืดหยุ่นและความสม่ำเสมอของอุปกรณ์ แต่ต้องเอาชนะความท้าทายการประดิษฐ์เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพการตรวจจับคล้าย This has propelled the recent emergence of several top-down nanobiosensor fabrication techniques based on silicon-on-insulator (SOI) and polysilicon materials.2,11−13 Among these, electronbeam lithography,14 imprint lithography,15 spacer technique,12 and photolithography2 have been explored to optimize dimensional control and scalability with promising results. Specifically, top-down nanoribbon biosensors, with relaxed lateral dimensions, have allowed straightforward photolithographic processing, resulting in high uniformity and functional device yield. This relaxed dimensional requirement can be achieved without losing sufficient sensitivity because the critical dimension, which is the channel depth, remains in the nanoscale. Their larger area also provides more surface for analytes to bind.11,16 Metal oxides have been traditionally used as sensor materials because their surfaces are very sensitive to changes in the environment.17−19 Metal oxides are inherently semiconducting without impurity doping, and their electrical properties are stable during sensing. As an example, In2O3 nanowires have been successfully applied to highly sensitive chemical sensors,18,20 biosensors,3−5 optical detectors,21 thin film transistors (TFTs),22 and other electronic applications.23 In this work, we investigate the sensing properties of In2O3 nanoribbon FET biosensors for the detection of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) p24 antigen. The In2O3 nanoribbon thickness is well controlled by the highly scalable radio frequency (RF) sputtering technique, and the entire sensor is fabricated by a top-down, two-mask conventional photolithography process. Diagnosis of HIV-1 infection, the cause of acquired immune deficiency syndrome (AIDS), relies on the detection of HIV-1 ribonucleic acid (RNA), capsid antigen p24, and anti-HIV antibody.24 Most common food and drug administration (FDA)-approved HIV-1 diagnostic assays target HIV-1 RNA because of the ease of polymerase chain reaction (PCR) mediated amplification. Although this method is very sensitive, it is expensive, requires well-trained staff, and must be performed in well-equipped laboratories. RNA testing in rural or remote settings is also a major challenge. Testing for the HIV-1 p24 antigen is a good alternative because it can be done in resource-limited situations. Antigen p24 level is significantly high during the early, acute phase of infection and the terminal stage of AIDS. It is also a useful marker for predicting CD4+ T cell count decreases, disease progression for early detection of HIV-1 infection, and patient prognosis. Early detection of HIV infection helps to prevent HIV transmission and to prolong AIDS condition by receiving proper treatment. HIV-1 p24 antigen is usually detected by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). However, the detection sensitivity of the conventional assay is less than desirable: 10−20 pg/mL.25,26 Many research groups have tried to lower the limit of detection for early diagnosis of HIV using several approaches such as modifying ELISA with a booster step,25 sandwich p24 amperometric immunosensor based on a modified electrode,27 nanoparticle based fluorescent assay26,28 and atomic force microscopy of sandwich HIV p24 nanoarrays29 to the level close to HIV nucleic acid amplification test.30,31 From these attempts, the lowest detectable level of HIV p24 based on modified ELISA techniques is 10 fg/mL with the projected limit of detection to be 5 fg/mL.28 As an alternative approach, we demonstrate In2O3 nanoribbon biosensors detection of p24 proteins at 20 fg/mL, or about 250 viruses/mL,28 with a 35% conduction change from a baseline conduction measured in human blood serum. We have projected limit of detection of our sensors to be about 200 ag/mL with 1% change in conduction. This detection limit can possibly diagnose HIV infection about 7 to 10 days earlier than the detectable window enabled by conventional ELISA.28 In fact, this detection limit is much closer to the 40 HIV viruses/mL detection limit from PCR.30,31 We are able to achieve this sensitive electrical detection in physiological solutions because electronic ELISA cir

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

Nanobiosensors ขึ้นอยู่กับโครงสร้างระดับนาโนสนามผลทรานซิสเตอร์ (FETs) ได้กลายเป็นพื้นที่ของการวิจัยอย่างเข้มข้นเพราะการตรวจจับของสารชีวโมเลกุลมีการใช้งานที่อาจเกิดขึ้นตั้งแต่การตรวจสอบสุขภาพการค้นพบยาเสพติด.
เวลาจริงของพวกเขามีความไวสูงและความสามารถในการตรวจจับไฟฟ้าได้รับการแสดงให้เห็นถึง ในการตรวจสอบสารชีวโมเลกุลเช่นโปรตีน, 1-5 กรดนิวคลีอิก 6,7 ไวรัส, 8 และโมเลกุลขนาดเล็กอื่น ๆ .
9 Nanobiosensors ประดิษฐ์โดยใช้การชุมนุมด้านล่างขึ้นเช่นไบโอเซนเซอร์เส้นลวดนาโนมีความไวสูงเพราะด้านล่างขึ้นอัตราผลตอบแทนสูงสังเคราะห์ ที่มีคุณภาพและขนาดผลึกที่สำคัญมีขนาดเล็กเป็น nanometers.1,10 ไม่กี่ไบโอเซนเซอร์แบบบนลงล่างบนมืออื่น ๆ ที่สามารถเพิ่มความยืดหยุ่นและความสม่ำเสมอของอุปกรณ์ แต่ต้องเอาชนะความท้าทายการผลิตเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพการตรวจจับที่คล้ายกัน.
นี้มีการขับเคลื่อนการเกิดขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ หลายเทคนิคการผลิต nanobiosensor จากบนลงล่างบนพื้นฐานของซิลิกอนเป็นฉนวน (ซอย) และโพลีซิลิคอน materials.2,11-13 หมู่นี้ electronbeam พิมพ์หิน 14 สำนักพิมพ์พิมพ์หินเทคนิค spacer 15, 12 และ photolithography2 ได้รับการสำรวจเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมมิติ และความยืดหยุ่นที่มีแนวโน้มผล โดยเฉพาะไบโอเซนเซอร์บนลงล่าง nanoribbon กับมิติด้านข้างผ่อนคลายได้รับอนุญาตให้การประมวลผล photolithographic ตรงไปตรงมาส่งผลให้ในความสม่ำเสมอสูงและผลผลิตอุปกรณ์การทำงาน ต้องการมิตินี้ผ่อนคลายสามารถทำได้โดยไม่สูญเสียความไวเพียงพอเพราะมิติที่สำคัญซึ่งเป็นความลึกช่องทางที่ยังคงอยู่ในระดับนาโน พื้นที่ขนาดใหญ่ของพวกเขานอกจากนี้ยังมีพื้นผิวที่มากขึ้นสำหรับการวิเคราะห์เพื่อ bind.11,16 ออกไซด์ของโลหะได้ถูกนำมาใช้เป็นวัสดุแบบดั้งเดิมเซ็นเซอร์เพราะพื้นผิวของพวกเขามีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงใน environment.17-19 ออกไซด์ของโลหะเป็นอย่างโดยเนื้อแท้สารกึ่งตัวนำได้โดยไม่ต้องเสียปนเปื้อนสารต้องห้ามของพวกเขาและ คุณสมบัติทางไฟฟ้ามีความเสถียรในระหว่างการตรวจจับ ตัวอย่างเช่นเส้นลวดนาโน In2O3 ได้รับการใช้ประสบความสำเร็จในการเซ็นเซอร์เคมีมีความไวสูง 18,20 ไบโอเซนเซอร์ตรวจจับแสง 3-5, 21 ทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง (TFTs), 22 และ applications.23 อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ในงานนี้เราจะตรวจสอบตรวจจับ คุณสมบัติของไบโอเซนเซอร์ In2O3 nanoribbon FET สำหรับการตรวจหาโรคภูมิคุ้มกันบกพร่องของมนุษย์ไวรัสชนิดที่ 1 (HIV-1) p24 แอนติเจน ความหนา In2O3 nanoribbon ถูกควบคุมอย่างดีจากคลื่นความถี่วิทยุสามารถปรับได้สูง (RF) เทคนิคสปัตเตอร์และเซ็นเซอร์ทั้งหมดจะถูกประดิษฐ์โดยจากบนลงล่างสองหน้ากากกระบวนการ photolithography ธรรมดา การวินิจฉัยโรคของเชื้อ HIV-1 การติดเชื้อสาเหตุของโรคได้รับภูมิคุ้มกันบกพร่อง (เอดส์) ที่ต้องอาศัยการตรวจหาเชื้อ HIV-1 ribonucleic Acid (RNA) capsid p24 แอนติเจนและป้องกันเอชไอวี antibody.24 อาหารพบมากที่สุดและยา ( FDA) ได้รับการอนุมัติการตรวจวินิจฉัยการติดเชื้อ HIV-1 กำหนดเป้าหมาย HIV-1 RNA เพราะความสะดวกของการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่โพลิเมอร์ (PCR) ขยายสื่อกลาง แต่วิธีนี้มีความสำคัญมากจะมีราคาแพงต้องใช้พนักงานที่ผ่านการฝึกอบรมและจะต้องดำเนินการในห้องปฏิบัติการที่มีอุปกรณ์ครบครัน ทดสอบอาร์เอ็นเอในการตั้งค่าในชนบทหรือระยะไกลยังเป็นความท้าทายที่สำคัญ การทดสอบสำหรับ HIV-1 p24 แอนติเจนเป็นทางเลือกที่ดีเพราะมันสามารถทำได้ในสถานการณ์ที่ทรัพยากร จำกัด ระดับแอนติเจน p24 อยู่ในระดับสูงอย่างมีนัยสำคัญในช่วงต้นระยะเฉียบพลันของการติดเชื้อและระยะสุดท้ายของโรคเอดส์ นอกจากนี้ยังเป็นเครื่องหมายที่มีประโยชน์ในการทำนาย CD4 + T ลดลงนับเซลล์, ความก้าวหน้าของโรคสำหรับการตรวจสอบในช่วงต้นของเชื้อ HIV-1 การติดเชื้อและการพยากรณ์โรคของผู้ป่วย การตรวจสอบในช่วงต้นของการติดเชื้อเอชไอวีจะช่วยในการป้องกันการแพร่เชื้อเอชไอวีและโรคเอดส์ยืดสภาพโดยได้รับการรักษาที่เหมาะสม HIV-1 p24 แอนติเจนมักจะตรวจพบโดยเอนไซม์ที่เชื่อมโยงการทดสอบอิมมูโน (ELISA) อย่างไรก็ตามความไวของการตรวจสอบของการทดสอบการชุมนุมน้อยกว่าที่ต้องการ: 10-20 PG / mL.25,26 กลุ่มวิจัยหลายคนได้พยายามที่จะลดขีด จำกัด ของการตรวจสอบสำหรับการวินิจฉัยแรกของเอชไอวีโดยใช้วิธีการหลายอย่างเช่นการปรับเปลี่ยนวิธี ELISA กับผู้สนับสนุน ขั้นตอนที่ 25 แซนวิช immunosensor p24 amperometric ขึ้นอยู่กับขั้วแก้ไข 27 อนุภาคนาโนตาม assay26,28 เรืองแสงและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมของแซนวิชเอชไอวี p24 nanoarrays29 ให้อยู่ในระดับใกล้เคียงกับเอชไอวีนิวคลีอิกกรด test.30,31 ขยายจากความพยายามเหล่านี้สามารถตรวจพบต่ำสุด ระดับของเอชไอวี p24 ขึ้นอยู่กับเทคนิควิธี ELISA ปรับเปลี่ยนเป็น 10 FG / mL มีขีด จำกัด ของการตรวจสอบคาดว่าจะเป็น 5 FG / mL.28 ในฐานะที่เป็นวิธีทางเลือกที่เราแสดงให้เห็นถึง In2O3 nanoribbon ไบโอเซนเซอร์ตรวจจับของโปรตีน p24 ที่ 20 FG / ml หรือประมาณ 250 ไวรัส / ml 28 ที่มีการเปลี่ยนแปลงการนำ 35% จากการนำพื้นฐานที่วัดได้ในเลือดของมนุษย์ เราได้คาดการณ์ขีด จำกัด ของการตรวจสอบของเซ็นเซอร์ของเราจะประมาณ 200 AG / มิลลิลิตรกับการเปลี่ยนแปลง 1% ในการนำ ขีด จำกัด ของการตรวจสอบนี้อาจจะสามารถวินิจฉัยการติดเชื้อเอชไอวีประมาณ 7 ถึง 10 วันก่อนหน้านี้กว่าหน้าต่างตรวจพบการใช้งานโดย ELISA.28 ธรรมดาในความเป็นจริงการตรวจสอบวงเงินนี้มากใกล้ชิดกับเอชไอวีไวรัส 40 มิลลิลิตร / การตรวจสอบวงเงินจาก PCR.30,31 เราเป็น สามารถที่จะบรรลุการตรวจสอบไฟฟ้านี้มีความละเอียดอ่อนในการแก้ปัญหาทางสรีรวิทยาเพราะ CIR ELISA อิเล็กทรอนิกส์