Клінічні застосування біосенсорів на основі польових транзисторів з вуглецевими нанотрубками або нанопроводами

Бічна панель сторінки статті

PDF (English)
Опубліковано: May 15, 2013
DOI: https://doi.org/10.20535/2312-1807.2013.18.2.181027
Ключові слова:
нанобіосенсор, польовий транзистор, вуглецеві нанотрубки, нанопроводи, біосенсор на основі польового транзистора

Основний зміст сторінки статті

D. S. Bodilovska
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Анотація

В цій статті ми описуємо останні досягнення в стрімко розвиваній області детектування аналітів з використанням польових транзисторів (ПТ) на основі вуглецевих нанотрубок і нанопроводів. У цій статті відображено поведінку та переваги одновимірних наноматеріалів для використання в біосенсорах. Поміж одновимірних нанометрових матеріалів вуглецеві нанотрубки і нанопроводи пропонують унікальні електронні та механічні властивості, які роблять їх надзвичайно привабливими для задач біодетектування.

Проаналізовано структури і принципи роботи ПТ-біосенсорів на основі вуглецевих нанотрубок / нанопроводів. Польові транзистори на основі вуглецевих нанотрубок / кремнієвих нанопроводів останнім часом привертають до себе величезну увагу як перспективні інструменти для проектування біосенсорів, через їх біосумісність, сумісності за розміром, ультрачутливість, селективність, а також можливості без маркерного виявлення в режимі реального часу. Крім того, також проаналізовано механізми взаємодії між елементами трансдьюсера ПТ-біосенсора (вуглецевими нанотрубками або нанопроводами) та біооб'єктами. На закінчення, в цьому огляді основна увага приділяється застосуванню біосенсорів на основі польових транзисторів для вимірювання різних аналітів. Показано взаємодію білків, реакцію антитіло-антиген, включаючи реакцію виявлення простат-специфічного антигену, ДНК-гібридизацію і ферментативні реакції за участі глюкози.

Бібл. 36, рис. 5.

Блок інформації про статтю

Як цитувати
Bodilovska, D. S. (2013). Клінічні застосування біосенсорів на основі польових транзисторів з вуглецевими нанотрубками або нанопроводами. Електроніка та Зв’язок, 18(2), 53–62. https://doi.org/10.20535/2312-1807.2013.18.2.181027
Номер
Том 18 № 2 (2013)
Розділ
Біомедичні прилади та системи
Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).

Посилання

Allen, B. Carbon Nanotube Field-Effect-Transistor-Based Biosensors / B. L. Allen, P. D. Kichambare, A. Star // Advanced Materials. – 2007. – Vol. 19, June 2007. – P. 1439–1451.

Balavoine, B. Helical Crystallization of Proteins on Carbon Nanotubes: A First Step towards the Development of New Biosensors / F. Balavoine, P. Schultz, C. Richard, V. Mallouh, T.W. Ebbesen, C. Mioskowski // Angew. Chem. Int. Ed. – 1999. - Vol. 38, №13/14, P. 1912 - 1915.

Besteman, K. Enzyme-coated carbon nanotubes as single-molecule biosensors / K. Besteman, J.-O Lee, F.G.M. Wiertz, H.A. Heering, C. Dekker // Nano Letters. – 2003. – Vol. 3, №6. – P. 727–730.

Bradley, K. Charge Transfer from Ammonia Physisorbed on Nanotubes / K. Bradley, J.-C. P. Gabriel, M. Briman, A. Star, G. Grüner // Phys. Rev. Lett. – 2003. – Vol. 91, №21. – P. 218301.

Chen, K. Silicon nanowire field-effect transistor-based biosensors for biomedical diagnosis and cellular recording investigation / Kuan-I Chen , Bor-Ran Li, Yit-Tsong Chen // Nano Today. – 2011. – Vol. 6, April 2011. – P. 131–154.

Chen, R.J. Noncovalent functionalization of carbon nanotubes for highly specific electronic biosensors / R.J. Chen, S. Bangsaruntip, K.A. Drouvalakis, N.W. Kam, M.Shim, Y.M. Li, W. Kim, P.J. Utz, H.J. Dai // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. – 2003. – Vol. 100, №9. – P. 4984–4989.

Cohen-Karni, T. Graphene and nanowire transistors for cellular interfaces and electrical recording / T. Cohen-Karni, Q. Qing, Q. Li, Y. Fang, C.M. Lieber // Nano Lett. – 2010. – Vol. 10. – P. 1098–1102.

Cui, Y. Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and Selective Detection of Biological and Chemical Species / Y. Cui, Q. Wei, H. Park, C.M. Lieber // Science. – 2001. – Vol. 293. – P. 1289–1292.

Curreli, M. Real-Time, Label-Free Detection of Biological Entities Using NW-Based FETs / M. Curreli, R. Zhang, F. N. Ishikawa, H.K. Chang, R.J. Cote, C. Zhou, M.E. Thompson // IEEE Transactions on nanotechnology. – 2008. – Vol. 7, №6. – P. 651–667.

Hahm, J. Direct Ultrasensitive Electrical Detection of DNA and DNA Sequence Variations Using Nanowire Nanosensors / J. Hahm, C. M. Lieber // Nano Letters. – 2004. – Vol. 4, №1, P. 51–54.

Hecht, D.S. Bioinspired Detection of Light Using a Porphyrin-Sensitized Single-Wall Nanotube Field Effect Transistor / D.S. Hecht, R.J.A. Ramirez, M. Briman, E. Artukovic, K.S. Chichak, J.F. Stoddart, G. Grüner //Nano Lett. – 2006. – Vol. 6, №9. – P. 2031–2036.

Heller, D. Optical Detection of DNA Conformational Polymorphism on Single-Walled Carbon Nanotubes / D. Heller, E. Jeng, T. Yeung, B. Martinez, A. Moll, J. Gastala, M. Strano // Science. – 2006. - Vol. 311, №5760. - P. 508-511.

Heller, D. Single-Walled Carbon Nanotube Spectroscopy in Live Cells: Towards Long-Term Labels and Optical Sensors / D. Heller, S. Baik, T. Eurell, M. Strano // Advanced Materials. – 2005. – Vol. 17, №23. – Р. 2793–2799.

Heller, I. Identifying the Mechanism of Biosensingwith Carbon Nanotube Transistors / I. Heller, A.M. Janssens, J. Mannik, E.D. Minot, S.G. Lemay, C. Dekker // Nano Lett. – 2008. –Vol. 8, №2. – P. 591–595.

Hernandez, J. Prostate-specific antigen: A review of the validation of the most commonly used cancer biomarker / J. Hernandez, I.M. Thompson // Cancer. – 2004. – Vol. 101, №5, P. 894–904.

Hu, P.A. Carbon Nanostructure-Based Field-Effect Transistors for Label-Free Chemical/Biological Sensors / P.A. Hu, J. Zhang, L. Li, Z. Wang, W. O’Neill, P. Estrela // Sensors. – 2010. – Vol. 10, №5. – P. 5133–5159.

Iijima, S. Helical microtubules of graphitic carbon / Sumio Iijima //Nature. – 1991. – Vol. 354. – P. 56–58.

Kam, N.W.S. Functionalization of Carbon Nanotubes via Cleavable Disulfide Bonds for Efficient Intracellular Delivery of siRNA and Potent Gene Silencing / N.W.S. Kam, H. Dai // J. Am. Chem. Soc. – 2005. – Vol. 127, №36, P. 12492–12493.

Kim, J.P. Ultrasensitive carbon nanotube-based biosensors using antibody-binding fragments / J.P. Kim, B.Y. Lee , S. Hong , S.J. Sim // Analytical Biochemistry. – 2008. – Vol. 381, №2. – P. 193–198.

Li, C. Complementary Detection of Prostate-Specific Antigen Using In2O3 Nanowires and Carbon Nanotubes / Chao Li, M. Curreli , H. Lin, B. Lei, F. N. Ishikawa, R. Datar, R.J. Cote, M.E. Thompson, C. Zhou // J. Am. Chem. Soc. – 2005. – Vol. 127, №36. – P. 12484–12485.

Li, J. Carbon Nanotube Nanoelectrode Array for Ultrasensitive DNA Detection / J. Li, H. T. Ng, A. Cassell, W. Fan, H. Chen, Q. Ye, J. Koehne, J. Han, M. Meyyappan // Nano Letters. – 2003. – Vol. 3, №5. – Р. 597–602.

Martel, R. Single- and multi-wall carbon nanotube field-effect transistors / T. Schmidt, H. R. Shea, T. Hertel, Ph. Avouris // Applied Physics Letters. – 1998. – Vol. 73. – P. 2447–2449.

Noy, A. Bionanoelectronics with 1D materials / A. Noy, A.B. Artyukhin, N. Misra // Materials today. – 2009. – Vol. 12, №9. – P. 22–31.

Peng, N. Sensing Mechanisms for Carbon Nanotube Based NH3 Gas Detection / N. Peng, Q. Zhang, C.L. Chow, O.K. Tan, N. Marzari // Nano Lett. – 2009. – Vol. 9, №4. – P. 1626–1630.

Poghossian, A. Label-free detection of charged macromolecules by using a field-effect-based sensor platform: Experiments and possible mechanisms of signal generation / A. Poghossian, S. Ingebrandt, M.H. Abouzar, M.J. Schoning // Appl. Phys. A. – 2007. – Vol. 87, №3. – P. 517–524.

So, H.M. Single-Walled Carbon Nanotube Biosensors Using Aptamers as Molecular Recognition Elements / H.M. So, K. Won, Y.H. Kim, B.K. Kim, B.H. Ryu, P.S. Na, H. Kim, J.O. Lee // J. Am. Chem. Soc. – 2005. - Vol. 127, №34, P. 11906–11907.

Staii, C. DNA-Decorated Carbon Nanotubes for Chemical Sensing / C. Staii, A.T. Johnson // Nano Letters. – 2005. – Vol. 5, №9. – Р. 1774–1778.

Stern, E. Label-free biomarker detection from whole blood / E. Stern, A. Vacic, N.K. Rajan, J.M. Criscione, J. Park, B.R. Ilic, D.J. Mooney, M.A. Reed, T.M. Fahmy // Nat. Nanotechnol. – 2010. - Vol. 5, №10, P. 138-142.

Tang, X. W. Carbon Nanotube DNA Sensor and Sensing Mechanism / X.W. Tang, S. Bansaruntip, N. Nakayama, E. Yenilmez, Y.L. Chang, Q. Wang // Nano Lett. – 2006. – Vol. 6, №8. – P. 1632–1636.

Tans, S. Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube / Sander J. Tans, Alwin R. M. Verschueren, Cees Dekker // Nature. – 1998. – Vol. 393. – P. 49–52.

Veetil, J.V. Development of Immunosensors Using Carbon Nanotubes / J.V. Veetil, K. Ye // Biotechnol Prog. – 2007. – Vol. 23, №3. – P. 517−531.

Wang, C.W. In Situ Detection of Chromogranin A Released from Living Neurons with a Single-Walled Carbon-Nanotube Field-Effect Transistor / C.W. Wang, C.Y. Pan, H.C. Wu, P.Y. Shih, C.C. Tsai, K.T. Liao, L.L. Lu, W.H. Hsieh, C.D. Chen, Y.T. Chen // Small 3. – 2007. – Vol. 3, №8, P. 1350–1355.

Wang, J. Carbon-Nanotube Based Electrochemical Biosensors: A Review / J. Wang // Electroanalysis. – 2005. – Vol. 17, №1, P. 7–14.

Wang, Y. Performance Investigation for a Silicon NW FET Biosensor Using Numerical Simulation / Y. Wang, G. Li // IEEE Nanotechnology Materials and Devices Conference. – Monterey, California (USA), 2010. – P. 81–86.

Zanello, L.P. Bone Cell Proliferation on Carbon Nanotubes / L.P. Zanello, B. Zhao, H. Hu, R. C. Haddon // Nano Letters. – 2006. – Vol. 6, №3, P. 562–567.

Zheng, G. Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays / G. Zheng, F. Patolsky, Y. Cui, W.U. Wang, C.M. Lieber // Nature Biotechnology. – 2005. - Vol. 23, P. 1294 – 1301