Sensores Biolo´gicos Basados en la Medicio´n Ele´ctrica de Nanocables
Pablo D. Pareja Obrego´n, Pedro M. Julia´n, Pablo S. Mandolesi, Mart´ın Di Federico
Dpto de Ing. Ele´ctrica y de Computadoras Universidad Nacional del Sur Bah´ıa Blanca (8000), Argentina pablopareja@ieee.org
Maximiliano S. Perez, Betiana Lerner, Alberto Lamagna
Grupo MEMS, Comisio´n Nacional de Energ´ıa Ato´mica Buenos Aires, Argentina
Resumen— El presente trabajo consiste en una serie de amplificadores y terminales disen˜ ados para hacer de interfaz con los Sensores de Nanocables, sistema desarrollado en conjunto por el Grupo de Investigacio´n en Sistemas Electro´nicos y Electromecatro´nicos (GISEE) de la Universidad Nacional del Sur y la Comisio´n Nacional de Energ´ıa Ato´mica (CNEA). 1
En el mismo, se tratara´n la concepcio´n, el disen˜ o, hasta llegar al producto terminado. En el disen˜ o en particular, se abordaron distintas metodolog´ıas para realizar la medicio´n, las cuales sera´n abordadas en detalle.
I. INTRODUCCIO´ N
Una de las a´reas tecnolo´gicas que mayor auge han tenido en los u´ltimos an˜os es la nanotecnolog´ıa. La posibilidad de crear interfaces entre el mundo microsco´pico y el mundo microsco´pico abre nuevas puertas a investigaciones y aplicaciones que unos an˜os atra´s no hubieran sido posibles. Como no podr´ıa haber sido de otra forma, la biolog´ıa y en particular la medicina es uno de los campos en los que estas nuevas aplicaciones conllevan cambios revolucionarios.
Las interfaces entre nanosistemas y biosistemas no pueden ser posibles sin el trabajo conjunto de diversas especialidades necesarias para lograr un resultado final, entre las cuales podemos mencionar, biolog´ıa, f´ısica, qu´ımica, y muchas a´reas de ingenier´ıa, biotecnolog´ıa y medicina [1]. Estos avances, entre otras cosas, permiten cambiar la forma en que percibimos y estudiamos diversas patolog´ıas y enfermedades. As´ı, mientras que antiguamente el control de glucosa en pacientes con diabetes requer´ıa de la extraccio´n de sangre y un ana´lisis cl´ınico, hoy d´ıa esto se realiza mediante un dispositivo porta´til que puede llevar el paciente consigo y realizarlo en cualquier momento.
De manera similar, estudios que podr´ıan llevar semanas, esta´n siendo posibles en cuestio´n de minutos mediante dispositivos que permiten el monitoreo en tiempo real de mues-
1El presente trabajo fue sustentado parcialmente por la Agencia Nacional de Promocio´n Cient´ıfica y Tecnolo´gica (ANPCyT), Proyecto PICT 14628, y por la UNS, Proyecto PGI 24/ZK12. P. Julia´n es miembro del Consejo Nacional de Investigaciones Cient´ıficas y Te´cnicas CONICET, Av. Rivadavia 1517, Buenos Aires, Argentina. P. Mandolesi es miembro de CIC (Comisio´n de Investigaciones Cient´ıficas), Pcia. Bs. As, La Plata, Argentina. P. Pareja Obrego´n es becario del Consejo Nacional de Investigaciones Cient´ıficas y Te´cnicas CONICET, Av. Rivadavia 1517, Buenos Aires, Argentina.
tras biolo´gicas [2]. El uso de nanocables para permitir la deteccio´n ultrasensible de muestras biolo´gicas y qu´ımicas es una metodolog´ıa que surgio´ el u´ltimo par de an˜os. Estos sensores permiten realizar una lectura ra´pida, precisa y usando directamente variables ele´ctricas, lo que facilita su interaccio´n con circuitos integrados dentro de sistemas ma´s complejos [3].
En la literatura se pueden encontrar diversos ejemplos donde estos sensores han sido utilizados de manera exitosa en la deteccio´n de muestras biolo´gicas y qu´ımicas [1][4][5]. Entre ellos podemos encontrar desde prote´ınas y ADN, hasta mole´culas de drogas y virus.
Ma´s au´n, la posibilidad de integrar estos dispositivos en la micro y nanoescala, permitir´ıa detectar de manera simulta´nea un gran nu´mero de part´ıculas distintas, permitiendo realizar ana´lisis completos sobre una u´nica muestra [6].
A. Definicio´n y Usos
Los nanocables son sensores de 20 micro´metros de longitud por 3 nano´metros de diametro a los que se adosan anticuerpos sobre su superficie.
Una aproximacio´n prometedora para la deteccio´n ele´ctrica de macromole´culas biolo´gicas utiliza estos nanocables semiconductores o nanotubos de carbon configurados como transistores de efecto de campo [1]. La idea es lograr un cambio en la conductancia del nanocable en el momento en que una macromole´cula cargada se adhiere a los receptores o anticuerpos que han sido previamente pegados.
Cuando el sensor reconoce una mole´cula relacionada con la enfermedad a detectar produce una sen˜al ele´ctrica que, mediante la electro´nica adecuada y un programa de software, se traduce en un diagno´stico claro y simple que puede ser le´ıdo en la pantalla de una computadora.
A diferencia de los me´todos actuales, que emplean sen˜ales qu´ımicas u o´pticas y que requieren ma´s tiempo y ma´s cantidad de muestras, el biosensor basado en sen˜ales ele´ctricas es ma´s ra´pido, obteniendo los resultados en el momento y teniendo muy bajo costo.
Entre las causas ma´s conocidas de enfermedades humanas, se encuentran diversos tipos de virus. Lograr una deteccio´n ra´pida, selectiva y precisa de dichos virus es crucial para poder realizar los tratamientos adecuados de manera eficiente
[7]. Los biosensores podr´ıan servir para detectar el Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH), el Chagas o el Ca´ncer, entre otras enfermedades.
B. S´ıntesis de Nanocables
The nanotubes used in this study have been obtained by the catalytic CoMoCAT [8], which employs a silica-supported CoMo powder to catalyze the selective growth of single-walled carbon nanotubes by disproportionation of CO. The nanotubes used in this study have an average diameter of 0.8 nm and have majority of (6,5) among the semiconducting nanotubes present in the sample [9]. The SWCNTs grown by this method were purified by SWeNT (Southwest Nanotechnologies). The resulting nanotube material has an excellent quality, as verified by TEM, SEM (Fig. 1), and the D/G band ratio in the Raman spectra obtained at laser excitations of 633, 514, and 488 nm, as well as very low impurity content as determined by XPS analysis.
libres, se encuentran todos los terminales independientes y disponibles mediante pads.
En la Fig. 3 se pueden apreciar las dimensiones de cada uno de estos terminales. Por otra parte, se cuenta adema´s con un terminal o gate flotante comu´n a todos los arreglos de terminales, el cual tiene la finalidad de servir como referencia de tensio´n.
Figura 2. Terminales del sistema
Figura 1. SEM micrography of SWCNTs
II. DESCRIPCIO´ N
El disen˜o del circuito integrado que sirve como interfaz a los nanocables consistio´ en dos etapas. En un primer lugar se investigaron y desarrollaron modelos que ajustaran de manera razonable a las curvas teo´ricas de nanocables obtenidas a partir de la bibliograf´ıa existente. Dicho modelo es de crucial importancia a la hora de poder calcular las amplificaciones y elegir las especificaciones necesarias para el disen˜o de la interfaz analo´gica del circuito integrado. Por otra parte, durante la segunda etapa, se analizaron diferentes topolog´ıas adecuadas a la medicio´n con la que se estaba tratando. Finalemente se eligieron tres topolog´ıas para implementar, las cuales se describen a continuacio´n.
F´ısicamente, el Sensor de Nanocables esta´ compuesto por cuatro arreglos de terminales, tres de los cuales esta´n asociados a distintos tipos de amplificadores y uno libre. Los mismos se pueden observar en la Fig. 2. Los terminales, junto con sus amplificadores asociados se denominan dominios. Cada arreglo de terminales cuenta a su vez con diez terminales cada uno, conectados mediante un drain comu´n y con los sources unidos mediante metal 1. En el caso del arreglo de terminales
Figura 3. Dimensiones de un terminal
Finalmente en la Fig. 4 se puede apreciar el sistema completo, incluyendo los terminales y los amplificadores anteriormente mencionados.
A. Dominio 1
La interfaz entre los nanocables y la sen˜al de salida esta´ compuesta por un circuito microelectro´nico encargado de manejar las sen˜ales inherentes a la medicio´n, as´ı como generar la amplificacio´n necesaria para obtener una sen˜al de salida con un bajo nivel de ruido. La amplificacio´n en cuestio´n
Figura 4. Sistema Completo
conectadas en serie. De esta manera, superada la tensio´n Vm de las compuertas inversoras se genera un cambio de tensio´n que servira´ para activar una llave analo´gica que desconecta las fuentes de corriente y conecta los nanocables. Los nanocables, a su vez, descargan el capacitor con una constante de tiempo τ = RC que dependera´ del valor de resistencia de los mismos. Una vez que el valor de tensio´n cae por debajo del valor Vm mencionado anteriormente, vuelve a cambiar la salida de las compuertas inversoras y el ciclo comienza nuevamente.
De esta manera se logra generar una frecuencia proporcional al valor de resistencia de los nanocables. Al presentar variaciones la sustancia a la que se encuentran sometidos los nanocables, cambia la resistencia que estos presentan al oscilador, y en consecuencia su frecuencia de oscilacio´n.
del dominio 1 es realizada mediante un circuito amplificador de transresistencia. El circuito amplificador ba´sicamente esta´ compuesto por un espejo de corriente, que refleja la corriente de entrada de uno de los pads sobre los nanocables para generar una tensio´n de salida. Esta tensio´n de salida es a su vez la entrada a un amplificador operacional en configuracio´n de ganancia unitaria cuya finalidad es actuar como buffer y evitar que la salida de tensio´n del nanocable sea cargada o afectada por cualquier circuito externo al die.
De esta manera, contamos con un amplificador cuya salida es proporcional a la tensio´n entre bornes de los nanocables. Como la corriente que circula por los nanocables es constante, al variar la conductancia de los nanocables, se detecta en la salida un cambio de tensio´n.
En la Fig. 5 se puede apreciar el esquema´tico del amplificador.
Figura 6. Esquema´tico del Dominio 2
Figura 5. Esquema´tico del Dominio 1
B. Dominio 2 El segundo amplificador, perteneciente al dominio 2, se
trata de un oscilador variable cuya frecuencia de oscilacio´n es dependiente del valor de conductancia de los nanocables. Su esquema´tico se presenta en la Fig. 6. El circuito amplificador en este caso esta´ compuesto por un espejo de corriente, que refleja la corriente de entrada de uno de los pads sobre un capacitor. A medida que este capacitor se carga, se genera una tensio´n que ingresa a un par de compuertas inversoras
C. Dominio 3
El tercer y u´ltimo dominio consiste en un amplificador basado en un generador de corriente de bias. En este caso, el circuito amplificador esta´ compuesto por una fuente de corriente cuyo valor de tensio´n de referencia es fijado por el valor de resistencia de los nanocables y la corriente que circula por ellos. Esta corriente es a su vez realimentada por un espejo de corriente. Finalmente una fuente de corriente espejo refleja la corriente a la salida del circuito, la cual puede ser medida mediante la tensio´n sobre una resistencia externa al circuito integrado.
De esta manera, logramos un generador de corriente de bias cuya corriente de salida depende del valor de resistencia de los nanocables. Al variar dicha resistencia, se puede observar un cambio en la corriente de polarizacio´n de la salida.
En la Fig. 7 se puede apreciar el esquema´tico del circuito del dominio 3.
D. Terminales libres
El circuito integrado, ademas de contar con diversos amplificadores, cuenta con terminales libres para conectar nanocables cuyas salidas se encuentran directamente conectadas con los
Figura 7. Esquema´tico del Dominio 3
Id [uA]
Curva modelo libro Nanoscale Transistors
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Vds [V]
Figura 9. Id (V ds) parametrizado en Vgs vs datos experimentales
Id [uA]
Vout [V]
pads de salida. Los mismos se incluyeron de forma tal de contar con una serie de pines para poder contrastar las medidas realizadas con los amplificadores. En total se cuenta con 11 salidas de terminales libres. Dichas salidas se corresponden con las 10 salidas individuales de los sources(drains), ma´s 1 salida correspondiente al drain(source) comu´n.
III. DISEN˜ O Y SIMULACIONES
Como el dispositivo a considerar se trata de un sensor para el cual no se contaban con modelos de simulacio´n, en primer lugar se debio´ realizar una caracterizacio´n de los nanocables con modelos teo´ricos y a partir de datos existentes en la bibliograf´ıa, para crear un modelo va´lido para su utilizacio´n en el trabajo. De esta manera, teniendo en cuenta el modelo para la regio´n nodegenerada en saturacio´n fuerte presentada en [10], la ecuacio´n que describe el comportamiento del sistema para los valores de tensiones en los que estamos trabajando es
Id
=
α
×
(V
gs
−
V
t)
×
1 1
− +
eβV eβV
ds ds
(1)
A partir de la ecuacio´n 1 obtenemos curvas como las mostradas en las Fig. 8 y 9.
Curva modelo libro Nanoscale Transistors
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 3
2.5 2 1.5 1
2.5 2 1.5 1
0.5
0.5
Vgs [V]
0
0
Vds [V]
Figura 8. Id (V ds, V gs)
Una vez que se contaba con un modelo a partir del cual se pod´ıa comenzar el disen˜o, se procedio´ a utilizar una aproximacio´n lineal del modelo dentro de la zona de trabajo
del dispositivo. De esta manera, en las simulaciones realizadas se pod´ıa reemplazar el nanocable por una resistencia de un valor igual a esa aproximacio´n lineal.
Durante el disen˜o, una de las restricciones que tuvieron mayor influencia sobre la decisio´n de la topolog´ıa utilizada y las caracter´ısticas de los amplificadores, fue el hecho que las variaciones que se deb´ıan detectar eran muy chicas en comparacio´n a la magnitud absoluta del valor de medida. Esto es, se esperaban medir cambios de resistencia de unos cuantos kΩ en un par de MΩ. Teniendo en cuenta esto, el circuito utilizado en el dominio 2 es especialmente sensible, aumentando su sensibilidad simplemente variando la ventana de tiempo durante la cual se realiza la medicio´n. Por otra parte, los dominios 1 y 3 fueron especialmente ajustados para trabajar en dichas zonas. En la Fig. 10 se puede observar para el dominio 1 la salida de tensio´n en funcio´n del valor de resistencia del nanocable.
Tensión de Salida vs Resistencia del Nanocable 4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Rnano [ohm]
x 106
Figura 10. Rnano vs Vout simulado a partir de datos experimentales
IV. TECNOLOG´IA
El circuito integrado fue fabricado por MOSIS en el proceso esta´ndar AMIS 0.50 con un taman˜o m´ınimo λ = 0, 3µm. El disen˜o de layout fue realizado con la suite de programas provistos por Tanner, en particular usando L-Edit.
Para poder medir las sen˜ales fuera del circuito integrado se cuenta con 24 pads analo´gicos, entre los que se encuentran el pad de tierra y el de alimentacio´n del resto de los pads. En la Fig. 11 se muestra el diagrama de bondeado, esto es cada uno de los pines del circuito y a que´ pads esta´n conectados. En la tabla I se resumen los pads disponibles del circuito, y las funciones que cumplen cada uno de ellos.
TABLA I RESUMEN DE PADS Y CONEXIONES
Pin Funcio´n
Dominio
12 S/D10
13 S/D9
14 S/D8
15 GND
16 Iout
D3
17 Iref1
D1
18 Iref2 (Opamp)
D1
19 Vdd
D1
20 Vout
D1
21 Vdd
D3
22 Vdd
D2
23 Vout
D2
24 Iref
D2
25 VoutRC
D2
26 Vdd Pad
27 Floating Gate
28 D/S Comu´n
29 S/D7
30 S/D6
31 S/D5
32 S/D4
33 S/D3
34 S/D2
35 S/D1
laboratorio. En la Fig. 13 se puede apreciar el comportamiento de los nanocables para diferentes humedades, obtenido a partir de datos experimentales del dominio 1.
Figura 11. Diagrama de bondeado del circuito
Las dimensiones de los pads disponibles en el circuito se pueden apreciar en la Fig. 12. Los mismos son cuadrados y la apertura en el o´xido o glass overcut, es decir la zona disponible para bondear, se corresponde con el cuadrado interior.
Figura 13. Vout vs Humedades obtenida a partir de datos experimentales
Figura 12. Dimensiones de los pads
V. TESTEO Y RESULTADOS El circuito integrado se encuentra en etapa de testeo, estando disponibles los primeros resultados. Actualmente se esta´n caracterizando los nanocables ante diversas condiciones ambientales a mencionar, temperatura, humedad y otras variables de
El plan de testeo consiste ba´sicamente en pegar los nanocables a los terminales de los diferentes amplificadores y caracterizar la respuesta de salida ante las diversas variaciones del entorno.
En un principio, la vinculacio´n entre los arreglos de terminales y los nanocables no era del todo satisfactoria. Esto produc´ıa saturacio´n en las variables de salida, imposibilitando las mediciones. Dicho problema fue solucionado modificando la composicio´n de los nanocables que se pegaron sobre los terminales.
VI. CONCLUSIONES
El proyecto tratado en este trabajo consiste en una serie de sensores de nanocables para la deteccio´n selectiva de virus y mutaciones de adn. En particular, el die implementa los amplificadores analo´gicos y los circuitos de acondicionamiento de sen˜al.
Tres tipos de amplificadores o dominios fueron disen˜ados, ma´s un arreglo de terminales libres para propo´sitos de testeo. El primer dominio es un amplificador basado en la varicio´n de tensio´n debido a cambios en la conductancia presentes en un nanocable con corriente constante. El segundo dominio es un oscilador variable cuya frecuencia es dependiente de la conductancia de los nanocables en su entrada. Por u´ltimo, el tercer dominio es un generador de corriente de referencia, cuya referencia esta´ compuesta en parte por los nanocables.
El plan de testeo consiste en pegar los sensores de nanocables en los diferentes arreglos de terminales disponibles y caracterizar la respuesta de salida de los amplificadores a diferentes agentes biolo´gicos de entrada.
Aunque el disen˜o electro´nico se comporta de la manera esperada, la vinculacio´n entre los arreglos de terminales y los sensores de nanocables no fue del todo satisfactoria. Nuevos sensores de testeo y me´todos para realizar la interfaz entre las partes electro´nicas y biolo´gicas del sistema esta´n siendo disen˜ados. La causa ma´s importante de fallo en los circuitos se puede atribuir al pobre contacto o interfaz entre los sensores de nanocables y los terminales que sirven como entrada a los diferentes amplificadores.
Finalmente, en la Fig. 14 se muestra una fotograf´ıa del chip completo mandado a fabricar, mientras que en la Fig. 15 se puede apreciar el die sobre una moneda para su comparacio´n en taman˜os.
Figura 15. Fotograf´ıa del chip sobre una moneda
REFERENCIAS
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[3] R. J. Chen, S. Bangsaruntip, K. A. Drouvalakis, N. W. S. Kam, M. Shim, Y. Li, W. Kim, P. J. Utz, and H. Dai, “Noncovalent functionalization of carbon nanotubes for highly specific electronic biosensors,” Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 100, p. 4984, 2003.
[4] A. Star, E. Tu, J.N˜ iemann, J.-C. P. Gabriel, C. S. Joiner, and C. Valcke, “Label-free detection of dna hybridization using carbon nanotube network field-effect transistors,” Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 103, pp. 921–926, 2006.
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[6] G. Zheng, F. Patolsky, Y. Cui, W. U. Wang, and C. M. Lieber, “Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays,” Nat Biotech, vol. 23, pp. 1294–1301, Oct. 2005. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1038/nbt1138
[7] F. Patolsky, G. Zheng, O. Hayden, M. Lakadamyali, X. Zhuang, and C. M. Lieber, “Electrical detection of single viruses,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 101, pp. 14 017–14 022, Sep. 2004.
[8] D. E. Resasco, W. E. Alvarez, F. Pompeo, L. Balzano, J. E. Herrera, B. Kitiyanan, and A. Borgna, “A scalable process for production of single-walled carbon nanotubes (swnts) by catalytic disproportionation of co on a solid catalyst,” Journal of Nanoparticle Research, vol. 4, pp. 131–136, 2002.
[9] S. M. Bachilo, L. Balzano, J. E. Herrera, F. Pompeo, D. E. Resasco, and R. B. Weisman, “Narrow (n, m)-distribution of single-walled carbon nanotubes grown using a solid supported catalyst,” Journal of the American Chemical Society, vol. 125, pp. 11 186–11 187, 2003.
[10] M. Lundstrom and J. Guo, Nanoscale Transistors: Device Physics, Modeling and Simulation, 1st ed. Springer, Dec. 2005.
Figura 14. Fotograf´ıa del chip completo
Ver+/-
